KR101801780B1 - 고효율 전력 변환 시스템 - Google Patents

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KR101801780B1
KR101801780B1 KR1020170044391A KR20170044391A KR101801780B1 KR 101801780 B1 KR101801780 B1 KR 101801780B1 KR 1020170044391 A KR1020170044391 A KR 1020170044391A KR 20170044391 A KR20170044391 A KR 20170044391A KR 101801780 B1 KR101801780 B1 KR 101801780B1
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한태희
이윤성
이태식
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이엔테크놀로지 주식회사
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Abstract

본 발명에 의하면, 인버터의 교류측 배선과 필터 커패시터 사이에 동작 속도가 빠른 스위칭 소자를 사용하는 필터 스위치부를 포함하고 대기 모드에서 교류 차단기와 직류 차단기는 온 상태를 유지한 상태에서 필터 스위치부의 스위칭 소자를 오프시키고 인버터의 동작을 중지시킴으로써 대기 모드에서 인버터의 영전류 제어에 의한 스위칭 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 필터 커패시터에 의한 진상 무효 전력의 발생을 방지하여 전력 변환 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으면서도 대기 모드로부터 충/방전 모드로의 전환을 빠르게 수행할 수 있다.

Description

고효율 전력 변환 시스템{High efficiency power conversion system}
본 발명은 전력 계통에 연계되는 인버터 시스템 또는 PCS(Power Conditioning System) 등의 전력 변환 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전력 계통과 대용량 에너지 저장 장치 사이에서 전력을 변환하면서 전달하는 전력 변환 시스템에서 대기 모드 상태에서 발생하는 손실을 줄여 효율을 향상시키는 것에 관한 발명이다.
최근 주파수 조정용 에너지 저장 장치가 수십 ~ 수백 MWh의 대용량으로 설치되고 있다. 주파수 조정 제어는 크게 AGC(Automatic Generation Control) 방식과 GF(Governor Free) 방식으로 나누어진다.
주파수 제어 알고리즘은 60 Hz를 기준으로 주파수의 크기에 따라서 전력 관리 시스템(PMS; Power Management System)이 전력 변환 시스템에게 충/방전 지령을 전달하는 방식으로 진행되는데, 전력 관리 시스템의 지령 이후 통신 시간을 포함하여 200 ms 이내에 전력 변환 시스템이 반응해야 한다.
도 1은 종래의 전력 변환 시스템(100)을 예시한다. 종래의 전력 변환 시스템(100)은 교류 차단기(110), 인버터(120), 직류 차단기(130), 필터 커패시터(140) 및 제어부(150)를 포함한다. 교류 차단기(110)는 교류 전원과 인버터(120) 사이를 연결/차단하는 기능을 수행하고, 직류 차단기(130)는 인버터(120)와 직류 전원 사이를 연결/차단하는 기능을 수행한다. 인버터(120)는 통상 펄스 폭 변조 방식으로 교류 전원과 직류 전원 사이에서 전력을 변환하며 전달하는 기능을 수행한다. 필터 커패시터(140)는 인버터의 펄스 폭 변조 시에 발생하는 스위칭 노이즈를 줄이는 기능을 수행한다. 제어부(150)는 인버터 내부의 스위칭 소자들을 제어하며 인버터가 처리하는 전력을 조절하는 기능을 수행한다.
도 1에 예시된 종래의 전력 변환 시스템(100)은 교류 전원과 직류 전원 사이에서 실질적인 전력을 전달하지 않는 대기 모드에서 동작하는 경우가 많이 있다. 대기 모드에서 인버터(120)는 스위칭 동작을 수행하되 실제 전력을 전달하지는 않는 영전류(zero current) 제어 방식을 사용하는데, 이 경우 인버터(120) 내부의 스위칭 소자들의 온/오프 스위칭 동작에 의해 스위칭 손실이 발생하고, 이 스위칭 손실은 전력 변환 시스템의 전체적인 동작 효율을 낮추는 주요 원인이 되고 있다. 전력 변환 시스템(100)을 개발하는 업체에서는 이러한 대기 모드에서의 영전류 제어에 따른 전력 손실을 줄이고자 노력하고 있으나, 아직 만족할만한 해결책은 제시되고 있지 않다. 본 발명은 전력 변환 시스템의 대기 모드에서의 전력 손실 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 목적은, 전력 변환 시스템이 전력 관리 시스템(PMS)의 동작 지령에 반응하여 신속하게 대기 모드로부터 충/방전 모드로 전환할 수 있도록 하면서도 대기 모드에서 동작할 때 전력 소모를 줄일 수 있도록 하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 교류 전원과 직류 전원 사이에서 전력을 변환하여 전달하는 인버터; 상기 인버터의 교류측 배선들 사이에 병렬로 연결된 필터 커패시터; 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터 사이에 배치되어 상기 필터 커패시터가 상기 인버터의 교류측 배선에 연결되거나 또는 차단되도록 온/오프 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 필터 스위치부; 및 상기 인버터의 스위칭 소자 및 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자를 제어하기 위한 신호를 생성하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템이다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 교류 전원과 상기 인버터 사이에 배치된 교류 차단기; 및 상기 직류 전원과 상기 인버터 사이에 배치된 직류 차단기;를 더 포함하고, 상기 교류 차단기는 기계적 접점을 가지는 스위치이고, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는 상기 교류 차단기에 비해 고속으로 턴온 동작이 가능한 반도체 스위칭 소자이며, 대기 모드에서 상기 직류 차단기 및 상기 교류 차단기는 온 상태이고, 상기 인버터의 스위칭 소자 및 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는 오프되며, 상기 대기 모드에서 동작 중에 상기 대기 모드를 벗어날 경우 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자를 턴온시키고, 상기 인버터의 스위칭 소자를 온/오프 동작시킬 수 있다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는, 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터의 일단 사이에 싸이리스터 2개가 역병렬로 연결된 형태로 배치될 수 있다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는, 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터의 일단 사이에 IGBT 2개가 직렬로 상호 역방향으로 배치될 수 있다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 교류 전원은 3상 전력 계통이고, 상기 직류 전원은 에너지 저장 장치일 수 있다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 대기 모드에서 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자가 오프될 때 상기 필터 커패시터에 충전된 에너지를 방전시키는 필터 커패시터 방전부를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 필터 커패시터 방전부는 방전 저항 및 방전 스위치를 포함할 수 있다.
상기 전력 변환 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 대기 모드에서 충/방전 모드로 전환 시에 상기 필터 커패시터의 전압과 상기 교류 전원의 전압을 비교하여 그 차이가 일정 범위 이내인 경우에 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자가 턴온 되도록 하는 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, 교류 차단기, 직류 차단기, 인버터, 필터 커패시터 및 필터 스위치부를 포함하는 전력 변환 시스템의 동작 방법으로서, 상기 교류 차단기, 상기 직류 차단기 및 상기 필터 스위치가 모두 턴온되어 상기 인버터가 교류 전원 및 직류 전원 사이에서 전력을 변환하여 전달하는 제1 단계; 상기 인버터의 출력 지시값의 절대값이 제1 기준값 이하인지를 판단하여 대기 모드로의 진입 여부를 판단하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 대기 모드로 판단된 경우 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자 및 상기 인버터의 스위칭 소자를 오프시키는 제3 단계; 상기 인버터의 출력 지시값의 절대값이 제2 기준값 이상인지를 판단하여 대기 모드를 중단할지 여부를 판단하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 상기 대기 모드를 벗어나는 것으로 판단된 경우, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자를 턴온시키고 상기 인버터의 스위칭 소자를 온/오프 동작시켜 전력을 전달하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 동작 방법이다.
상기 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는 상기 교류 차단기에 비해 고속으로 턴온 동작이 가능한 반도체 스위칭 소자일 수 있다.
상기 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는, 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터의 일단 사이에 싸이리스터 2개가 역병렬로 연결된 형태로 배치될 수 있다.
상기 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는, 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터의 일단 사이에 IGBT 2개가 직렬로 상호 역방향으로 배치될 수 있다.
상기 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 교류 전원은 3상 전력 계통이고, 상기 직류 전원은 에너지 저장 장치일 수 있다.
상기 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 제3 단계에서 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자가 오프될 때 상기 필터 커패시터에 충전된 에너지를 방전시킬 수 있다.
상기 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 제5 단계에서 상기 필터 커패시터의 전압과 상기 교류 전원의 전압을 비교하여 그 차이가 일정 범위 이내인 경우에 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자가 턴온 되도록 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전력 변환 시스템이 전력 관리 시스템(PMS)의 동작 지령에 반응하여 신속하게 대기 모드로부터 충/방전 모드로 전환할 수 있도록 하면서도 대기 모드에서 동작할 때 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 1은 종래 전력 변환 시스템의 블록도를 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 블록도를 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 회로를 예시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 회로를 예시한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 회로를 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템에 의한 전력 조절 방법을 예시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템(200)의 블록도를 예시한다. 도 2를 참조하면, 전력 변환 시스템(200)은 교류 차단기(210), 인버터(220), 직류 차단기(230), 필터 커패시터(240), 제어부(250) 및 필터 스위치부(260)를 포함할 수 있다.
본 발명의 전력 변환 시스템(200)이 사용되는 교류 전원은 3상 전력 계통일 수 있고, 직류 전원은 에너지 저장 장치로서 대용량 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이 사용될 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 전력 변환 시스템(200)은 도시되지 않은 전력 관리 시스템(PMS; Power Management System)의 지령을 받아 3상 전력 계통(교류 전원)으로부터 에너지를 공급받아 에너지 저장 시스템(직류 전원)으로 전달하거나 혹은 에너지 저장 시스템(직류 전원)에 저장된 에너지를 3상 전력 계통(교류 전원)에 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
교류 차단기(210)는 교류 전원과 인버터(220) 사이에 배치되어 교류 전원과 인버터(220) 사이를 연결 또는 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 교류 차단기(210)에는 모터에 의해 구동되거나 자력에 의해 구동되는 기계적 접점을 가지는 스위치가 사용될 수 있다.
인버터(220)는 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있고, 교류 전원과 직류 전원 사이에서 전력을 변환하여 전달하는 기능을 수행할 수 있다. 인버터(220)는 교류 전원과 직류 전원 사이의 전력 변환을 위해 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식을 사용할 수 있다. 펄스 폭 변조 방식은 스위칭 소자들의 온/오프 시간 비율을 조절함으로써 전력을 제어하는 방식으로서 이러한 펄스 폭 변조 방식에 의하면 스위칭 노이즈가 발생할 수 있으므로, 아래에서 설명할 필터 커패시터(240)를 필요로 한다.
직류 차단기(230)는 직류 전원과 인버터(220) 사이에 배치되어 직류 전원과 인버터(220) 사이를 연결 또는 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 직류 차단기(230)에는 모터에 의해 구동되거나 자력에 의해 구동되는 기계적 접점을 가지는 스위치가 사용될 수 있다.
필터 커패시터(240)는 인버터(220)의 교류측 배선에 연결되어 인버터(220)의 펄스 폭 변조 시에 발생하는 스위칭 노이즈를 줄이는 기능을 수행할 수 있다.
필터 스위치부(260)는 인버터(220)의 교류측 배선과 필터 커패시터(240) 사이에 배치되어 필터 커패시터(240)가 인버터(220)의 교류측 배선에 연결되거나 또는 차단되도록 온/오프 스위칭하는 스위칭 소자(도면 미도시)를 포함할 수 있다. 즉, 필터 스위치부(260)가 오프되면 필터 커패시터(240)는 인버터(220)의 교류측 배선과의 연결이 차단되고 필터 스위치부(260)가 온되면 필터 커패시터(240)는 인버터(220)의 교류측 배선과 연결이 될 수 있다. 인버터(220)가 교류 전원과 직류 전원 사이에서 충전 또는 방전을 수행하는 충/방전 모드에서 필터 스위치부(260)는 턴온되어 필터 커패시터(240)를 인버터(220)의 교류측 배선과 연결하고, 인버터(220)가 실제로 전력 전달 기능을 수행하지 않는 대기 모드에서 필터 스위치부(260)는 개방되어 필터 커패시터(240)를 인버터(220)의 교류측 배선으로부터 차단한다.
필터 스위치부(260)는 전력 변환 시스템(200)이 대기 모드에서 동작할 때 손실을 줄이기 위한 구성인데, 필터 스위치부(260)의 구체적인 동작에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
제어부(250)는 인버터(220)의 스위칭 소자(도면 미도시) 및 필터 스위치부(260)의 스위칭 소자(도면 미도시)를 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 이를 위해 제어부(250)는 도시되지 않은 전력 관리 시스템의 지령을 받아 인버터(220)가 전력 관리 시스템의 지령에 적합한 전력 변환을 수행하도록 인버터(220)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(250)는 교류 차단기(210) 및 직류 차단기(230)를 제어할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템(300)의 회로를 예시한다. 도 3을 참조하면, 전력 변환 시스템(300)은 교류 차단기(310), 인버터(320), 직류 차단기(330), 필터 커패시터(340), 제어부(350), 필터 스위치부(360), 필터 인덕터(370), 필터 저항부(380) 및 직류 링크 커패시터(390)를 포함할 수 있다.
도 3에서 교류 전원은 3상 전력 계통이 예시되어 있고, 직류 전원은 도시되어 있지는 않지만 대용량 직류 에너지 저장 장치가 사용될 수 있다.
교류 차단기(310)는 교류 전원과 인버터(320) 사이에 배치되어 교류 전원과 인버터(320) 사이를 연결 또는 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 교류 차단기(310)는 기계적 접점을 가지는 스위치가 사용될 수 있고, 기계적 접점은 자기장에 의해 구동되거나 모터에 의해 구동될 수 있다.
인버터(320)는 직류 전원과 3상 전력 계통 사이에서 전력을 변환하기 위해 6개의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 각 스위칭 소자는 다시 복수 개의 스위칭 소자가 직렬 및/또는 병렬로 구비될 수 있다(도면 미도시). 대용량 전력 변환 시스템에서 인버터(320)는 복수 개가 구비되어 병렬로 동작할 수도 있다. 인버터(320)의 각 스위칭 소자는 제어부(350)의 제어 신호에 따라 각각 온/오프 스위칭을 하며 펄스 폭 변조 방식으로 전력을 변환할 수 있다.
직류 차단기(330)는 직류 전원과 인버터(320) 사이에 배치되어 직류 전원과 인버터(320) 사이를 연결 또는 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 직류 차단기(330)는 기계적 접점을 가지는 스위치가 사용될 수 있고, 기계적 접점은 자기장에 의해 구동되거나 모터에 의해 구동될 수 있다. 도 3에서 직류 차단기(330)는 직류 배선 2개에 각각 구비되는 것으로 예시되어 있으나, 어느 하나의 배선에만 구비될 수도 있다.
필터 커패시터(340)는 인버터(320)의 교류측 배선들 사이에 병렬로 연결되어 인버터(320)의 펄스 폭 변조 시에 발생하는 스위칭 노이즈를 줄이는 기능을 수행할 수 있다. 3상 계통에 연결되기 위해 필터 커패시터(340)는 3개의 커패시터가 각각 3상 전력 계통의 선간에 병렬로 연결될 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 각 커패시터는 다시 복수 개의 커패시터가 직렬 및/또는 병렬로 구비될 수 있다(도면 미도시).
필터 스위치부(360)는 인버터(320)의 교류측 배선과 필터 커패시터(340) 사이에 배치되어 필터 커패시터(340)가 인버터(320)의 교류측 배선에 연결되거나 또는 차단되도록 온/오프 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 필터 스위치부(360)는 교류측 배선의 각각으로부터 3상 필터 커패시터(340)를 연결하는 3개의 배선에 직렬로 구비되어 그 연결을 접속 또는 차단하도록 구성될 수 있다. 필터 스위치부(360)의 각 스위칭 소자는 인버터(320)의 교류측 배선과 필터 커패시터(340)의 일단 사이에 2개의 싸이리스터(Thyristor)가 서로 역방향으로 병렬로 연결된 역병렬 방식으로 배치되어 양방향의 전류 흐름을 제어할 수 있다. 필터 스위치부(360)의 각 스위칭 소자는 제어부(350)의 제어 신호에 의해 온/오프 동작할 수 있다.
필터 인덕터(370)는 인버터(320)의 교류측 배선에 직렬로 접속될 수 있다. 필터 인덕터(370)는 인버터(320)의 스위칭 동작에 의한 스위칭 노이즈를 줄이는 기능을 수행할 수 있다.
필터 저항부(380)는 필터 스위치부(360)와 필터 커패시터(340) 사이에 배치되어 필터 커패시터의 공진을 방지하는 댐핑 저항으로서의 기능을 수행할 수 있다. 필터 저항부(380)는 필터 커패시터(340)로 흐르는 돌입 전류를 줄이는 기능을 할 수도 있다. 즉, 필터 커패시터의 전압이 교류 전압과 차이가 많이 나는 상태에서 필터 스위치부(360)를 턴온하게 되면 교류 전원과 필터 커패시터 사이에 돌입 전류가 흐를 수 있는데 필터 저항부(380)가 이러한 돌입 전류를 줄이는 기능을 할 수 있다. 그러나 필터 저항부(380)는 정상적인 동작 상태에서 필터 커패시터(340)를 통해 흐르는 전류에 의해 손실을 발생시키는데, 필터 저항부(380)의 저항값이 커질수록 그 손실도 커지므로 필터 저항부(380)에 돌입 전류 제한을 목적으로 큰 저항값을 가지는 저항을 배치하는 것은 곤란하다. 따라서 필터 저항부(380)는 공진을 방지하기 위한 댐핑 목적으로 사용되는 것이 바람직하고, 필터 저항부(380)를 통해 돌입 전류를 원하는 수준으로 제한하는 것은 효율 관점에서 바람직하지 않다. 필터 커패시터(340)의 내부 저항값이 충분한 댐핑을 줄 수 있거나 또는 소프트웨어로 액티브 댐핑 제어를 하는 경우, 필터 저항부(340)는 별도로 부가되지 않을 수도 있다.
직류 링크 커패시터(390)는 인버터(320)의 직류 배선 두 개 사이에 병렬로 연결되어 직류 전원으로부터 공급받은 전원을 안정화하여 인버터(320)에 공급하는 기능을 수행할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 전력 변환 시스템(300)의 동작에 대해 살펴본다. 전력 관리 시스템이 교류 전원으로부터 직류 전원을 충전하라는 지령이 있는 경우(충전 모드), 제어부(350)는 교류 차단기(310)와 직류 차단기(330) 및 필터 스위치부(360)를 온 상태로 유지하고, 인버터(320)를 제어하여 교류 전원으로부터 직류 전원으로 전력이 공급되도록 할 수 있다. 전력 관리 시스템이 직류 전원으로부터 교류 전원으로 전력을 공급하라는 지령이 있는 경우(방전 모드), 제어부(350)는 교류 차단기(310)와 직류 차단기(330) 및 필터 스위치부(360)를 온 상태로 유지하고, 인버터(320)를 제어하여 직류 전원으로부터 교류 전원으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.
전력 관리 시스템으로부터의 지령이 대기 모드인 경우, 제어부(350)는 교류 전원과 직류 전원 사이에서 실질적인 전력의 흐름이 없도록 인버터(320)를 제어할 수 있다.
대기 모드에서 종래의 인버터 제어 방식은 인버터의 출력 전류 목표값을 영전류가 되도록 설정하여 제어하는 영전류 제어 방식을 사용하는 것이 일반적이다. 이 경우 인버터가 교류 전원과 직류 전원 사이에서 실제적인 전력 전달 기능을 수행하지는 않지만, 인버터의 스위칭 소자들은 동작 주파수에서 주기적인 온/오프 스위칭을 반복하므로 스위칭 손실이 발생한다. 전체 동작 시간에서 대기 모드 동작 시간이 길지 않은 경우에는 이러한 대기 모드에서의 스위칭 손실이 큰 문제가 아닐 수 있지만, 대용량 에너지 저장 시스템이 3상 전력 계통에 연결되어 주파수 조정용으로 사용되는 경우 일반적으로 에너지 저장 시스템은 대기 모드 상태로 대기하는 시간이 전체 시간의 상당 부분을 차지하므로 대기 모드 상태에서의 인버터의 스위칭 손실은 전체적인 효율성 관점에서 큰 문제가 된다.
이러한 대기 모드 상태에서의 스위칭 손실을 방지하기 위해 대기 모드에서 인버터가 영전류 제어를 수행하지 않도록(즉, 인버터가 동작을 하지 않음) 할 수도 있지만, 필터 커패시터가 3상 전력 계통에 연결되어 있는 상태에서 인버터가 전류 제어 기능을 수행하지 않으면 3상 전력 계통과 필터 커패시터 사이에서 무효 전력의 흐름이 상당한 양으로 발생한다는 문제가 있다. 인버터가 영전류 제어를 수행하는 경우에는 인버터에서 교류 전력으로부터 유입/유출하는 전력을 영으로 제어하므로 필터 커패시터에 의한 진상 무효 전력 문제가 생기지 않지만, 인버터가 동작을 하지 않는 경우에는 필터 커패시터에 의해 3상 전력 계통에 진상 무효 전력이 상당한 수준으로 발생하게 된다. 전력 변환 시스템의 용량이 수십 MW ~ 수백 MW라고 가정할 경우, 필터 커패시터에 의한 진상 무효 전력은 통상적으로 수 MVar ~ 수십 MVar에 달하므로 필터 커패시터에 의한 진상 무효 전력은 3상 전력 계통에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
도 1의 종래 전력 변환 시스템(100)을 참조하면, 인버터(120)의 대기 모드에서의 스위칭 손실을 줄이고 필터 커패시터(140)에 의한 무효 전력을 줄이기 위해 교류 차단기(110)를 차단하는 방법도 고려할 수 있다. 이 경우 대기 모드에서 인버터(120)는 동작하지 않도록 하여 스위칭 손실을 없앨 수 있고 필터 커패시터(140)에 의한 무효 전력도 발생하지 않으므로 위에서 언급한 문제들은 해결될 수 있으나, 전력 변환 시스템(100)을 대기 모드로부터 충/방전 모드로 전환하는데 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 교류 차단기(110)에는 통상 자력으로 구동되거나 모터에 의해 구동되는 기계적 접점을 가지는 스위치가 사용되는데, 이러한 교류 차단기(110)는 신호를 인가받은 이후 실제 턴온되기까지 시간이 오래 걸린다. 교류 차단기의 경우 단락 지시 신호가 인가된 후 실제 단락이 될 때까지 통상 수 초 이상이 소요되고, 용량에 따라서는 수십 초의 시간이 소요되는 소자들도 있다. 주파수 조정용 전력 변환 시스템의 경우, 전력 관리 시스템으로부터 동작 지령을 수신하면 통신 시간을 포함하여 200 ms 이내에 전력 변환 기능을 수행해야 하는데, 교류 차단기(110)를 차단시킨 경우 200 ms 이내에 전력 변환 시스템이 전력 변환 기능을 수행하기가 곤란하다는 문제가 있다.
이와 같이 전력 변환 시스템이 대기 모드에 있을 때 교류 차단기를 차단시키면 대기 모드에서 충/방전 모드로 전환하는데 시간이 너무 오래 걸린다는 문제가 있고, 교류 차단기를 연결한 상태에서 인버터를 영전류 제어를 하게 되면 스위칭 손실 문제가 생기며, 교류 차단기를 연결한 상태에서 인버터도 오프시킬 경우 필터 커패시터에 의한 무효 전력 문제가 발생하게 되는데, 아직까지 대기 모드에서의 이러한 문제를 해결하기 위한 적절한 방법은 제시되고 있지 않다.
다시 도 3을 참조하여 위와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템(300)은 인버터(320)의 교류측 배선과 필터 커패시터(340)의 사이에 필터 스위치부(360)을 배치하여 인버터(320) 교류측 배선과 필터 커패시터(340) 사이의 전기적 연결을 선택적으로 차단한다. 제어부(350)는 대기 모드에서 교류 차단기(310)와 직류 차단기(330)는 온 상태를 유지하면서 인버터(320)의 스위칭 소자를 오프시켜(즉, 영전류 제어를 수행하지 않음) 인버터(320)의 스위칭 손실이 발생하지 않도록 할 수 있다. 이 경우 필터 커패시터(340)에 의한 무효 전력의 발생을 방지하기 위해 필터 스위치부(360)의 스위칭 소자들도 오프시켜 필터 커패시터(340)가 인버터(320)의 교류측 배선과 차단되도록 하여 필터 커패시터(340)에 의한 무효 전력이 발생하지 않도록 할 수 있다. 충전 모드나 방전 모드 등의 충/방전 모드에서 제어부(350)는 필터 스위치부(360)를 턴온시켜 필터 커패시터(340)가 인버터(320)의 교류측 배선에 연결되어 필터 기능을 수행할 수 있도록 할 수 있다.
위 방법에 의하면 대기 모드에서 교류 차단기(310)와 직류 차단기(330)는 온 상태를 유지하고 있으므로, 전력 관리 시스템으로부터 동작 지령을 수신하여 대기 모드를 벗어날 경우 필터 스위치부(360)의 스위칭 소자를 턴온시키고 인버터(320)의 스위칭 소자를 온/오프 동작시켜 펄스 폭 변조 기능을 수행하면 되므로 제한된 시간(예를 들어, 200 ms) 내에 전력 변환 시스템(300)이 전력 변환 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해 필터 스위치부(360) 내부의 스위칭 소자는 기계적 접점을 가지는 교류 차단기(310)에 비해 고속으로 동작이 가능한 반도체 스위칭 소자가 사용되는 것이 바람직하다. 도 3에는 필터 스위치부(360)의 스위칭 소자로서 싸이리스터(SCR) 2개가 역병렬로 연결된 형태가 사용되는 것이 예시되어 있는데, 이러한 구성에 의하면 양방향 전류의 흐름을 제어할 수 있으면서도 교류 차단기(310)에 비해 빠른 속도로 턴온이 가능하다는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 시스템(400)를 예시한다. 도 4의 전력 변환 시스템(400)은 도 3에 예시된 전력 변환 시스템(300)에 비해 필터 스위치부(460)의 내부가 다르다는 점에서 차이가 있다.
도 4에 예시된 필터 스위치부(460)의 스위칭 소자는, 인버터(320)의 교류측 배선과 필터 커패시터(340)의 일단 사이에 IGBT 2개가 직렬로 상호 역방향으로 배치되어 양방향 전류 흐름을 제어할 수 있다. 도 3에 예시된 싸이리스터를 사용하는 것에 비해 IGBT를 사용하는 경우 턴오프 신호를 인가하면 IGBT는 즉시 전류를 차단할 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 시스템(500)을 예시한다. 도 5의 전력 변환 시스템(500)은 도 3에 예시된 전력 변환 시스템(300)에 비해 필터 커패시터 방전부(545)를 더 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다.
필터 커패시터 방전부(545)는 방전 저항(546) 및 방전 스위치(547)를 포함할 수 있고, 이를 통해 대기 모드에서 필터 스위치부(360)의 스위칭 소자가 오프될 때 필터 커패시터(340)에 충전된 에너지를 방전시키는 기능을 수행할 수 있다.
대기 모드에서 필터 스위치부(360)가 오프되면 필터 커패시터(340)는 필터 스위치부(360)가 턴오프 되는 시점의 전압을 유지하게 된다. 이후 시간의 흐름에 따라 3상 전력 계통의 전압은 주기적으로 변화하는데 필터 커패시터(340)의 전압은 일정하게 유지가 되므로, 3상 전력 계통의 전압과 필터 커패시터(340)에 저장된 전압의 위상이 서로 반대가 되는 경우 필터 스위치부(360) 양단에는 3상 전력 계통의 선간 전압의 두 배에 해당하는 전압이 인가될 수 있다.
필터 스위치부(360)의 양단에 이러한 높은 전압이 인가되는 것은 내압이 높은 스위칭 소자를 사용할 필요성을 야기할 뿐만 아니라, 스위칭 소자를 턴온할 때 3상 전력 계통과 필터 커패시터(340) 사이에 돌입 전류가 발생할 가능성도 있다. 이와 같이 필터 스위치부(360)를 사용하면 대기 모드에서의 전력 소비를 줄이면서도 대기 모드로부터 충전/방전 모드로 전환할 때 고속으로 전환이 가능하다는 장점이 있지만, 이로 인해 필터 스위치부(360)의 턴온 시에 고전압이 인가되거나 돌입 전류가 흐를 가능성을 있으므로 이를 줄이는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
도 5에 예시된 필터 커패시터 방전부(545)는 필터 스위치부(360)의 양단에 고전압이 인가되는 것을 방지하고 돌입 전류를 줄이기 위한 구성으로서, 필터 커패시터 방전부(545)는 필터 커패시터(340)가 필터 스위치부(360)의 턴오프 시의 전압을 유지하지 못하도록 방전을 시키는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 대기 모드로 진입 시에 필터 스위치부(360)를 턴오프 시키는데, 이 때 필터 커패시터 방전부(545)를 통해 필터 커패시터(340)에 저장된 에너지를 방전시키면 교류 전원의 위상과 필터 커패시터에 저장된 전압의 위상이 반대로 되어 필터 스위치부(360)의 양단에 선간 전압의 2배에 해당하는 고전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해 필터 커패시터 방전부(545)는 방전 스위치(547) 및 방전 저항(546)을 포함할 수 있다. 방전 스위치(547)를 턴온시키면 필터 커패시터(545)에 저장된 에너지는 방전 저항(546)을 통해 방전될 수 있다.
한편, 도 5의 실시예에서는 교류 전원과 필터 커패시터(340) 전압의 차이를 줄이기 위해 필터 커패시터에 저장된 에너지를 방전시키는 방법을 예시하였으나, 이와는 다른 방법에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
제어부(350)는, 대기 모드로부터 충/방전 모드로 전환 시에 필터 커패시터(340)의 전압과 교류 전원의 전압을 비교하여 그 차이가 일정 범위 이내인 경우에 필터 스위치부(360)의 스위칭 소자가 턴온 되도록 하는 신호를 생성하여 필터 스위치부(360)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(350)가 전력 관리 시스템으로부터 대기 모드를 벗어나 충/방전 모드로 전환하라는 지령을 받는 경우, 제어부(350)는 지령을 받는 즉시 필터 스위치부(360)를 턴온시키는 것이 아니라 교류 전원과 필터 커패시터(340)의 전압을 비교하고 그 차이가 일정 범위 이내인 경우 필터 스위치부(360)를 턴온시켜 교류 전원과 필터 커패시터(340) 전압의 위상 차이로 인한 문제를 감소시킬 수 있다. 교류 전원의 주파수는 통상 50 Hz ~ 60 Hz이므로 한 주기는 16.7 ms ~ 20 ms이다. 교류 전원의 한 주기 내에서 필터 커패시터(340)의 전압과 동일한 위상이 한 번은 발생하므로, 최대 20 ms 이내에 교류 전원이 필터 커패시터(340)의 전압과 동일한 위상을 가지는 시점이 존재하고, 이 시점에 필터 스위치부(360)을 턴온시키면 스위칭 소자의 양단의 전압 차이가 거의 없는 상태에서 스위칭 소자를 턴온시킬 수 있어 돌입 전류가 거의 발생하지 않도록 할 수 있다. 전력 관리 시스템으로부터 대기 모드에서 충/방전 모드로 전환하라는 지시를 받는 경우 통상 200 ms 이내에 충/방전 기능을 수행하면 되므로, 필터 스위치부(360)의 턴온을 위한 최대 20 ms의 지연은 별다른 문제가 되지 않을 것이고, 그 대신 필터 스위치부(360)의 돌입 전류를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템에 의한 전력 조절 방법을 예시한다.
먼저 S610 단계로서, 직류 차단기, 교류 차단기 및 필터 스위치부는 오프되고 인버터도 펄스 폭 변조 기능을 수행하지 않는다. 이 단계는 전력 변환 시스템이 동작하지 않는 것을 의미한다.
다음으로 S620 단계로서, 전력 변환 시스템이 전력 관리 시스템으로부터 인버터를 동작시키라는 지시를 수신하는 단계이다.
다음으로 S630 단계로서, 전력 변환 시스템이 인버터를 동작시키기 위해 직류 차단기와 교류 차단기를 턴온하는 단계이다. 이 단계에서는, 먼저 직류 보조 차단기를 턴온시켜 직류 링크 커패시터를 예비 충전(pre-charge)한 후 직류 메인 차단기를 턴온하고 교류 차단기를 턴온하는 순서로 진행하는 것이 바람직하지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 직류 보조 차단기를 사용하여 직류 링크 커패시터를 예비 충전하는 이유는, 방전된 직류 링크 커패시터를 직류 전원에 바로 연결하면 돌입 전류에 의한 문제가 야기될 수 있기 때문이다. 직류 보조 차단기에는 저항이 직렬로 연결되어 돌입 전류를 줄이면서 직류 링크 커패시터를 예비 충전할 수 있고, 이 후 직류 메인 차단기가 턴온되면 직류 보조 차단기를 턴오프하여 저항이 손실을 야기하는 것을 방지할 수 있다.
다음으로 S640 단계로서, 전력 변환 시스템은 대기 모드인지 여부를 판단할 수 있다. 대기 모드인지 여부를 판단하는 방법은, 인버터의 출력 지시값의 절대값이 제1 기준값 이하인지를 판단하는 방법을 사용할 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.
S640 단계에서 대기 모드가 아닌 것으로 판단된 경우, 필터 스위치부를 턴온시키고(S650 단계), 인버터가 펄스 폭 변조(PWM) 기능을 수행하면서(S660 단계) 교류 전원과 직류 전원 사이의 전력 변환 기능을 수행한다(S670 단계). 인버터의 펄스 폭 변조 기능의 수행 중에 일정 시간마다 또는 필요하다고 판단될 때 다시 S640 단계로 진입하여 대기 모드인지 여부를 판단하는 것을 반복한다.
S640 단계에서 대기 모드로 판단된 경우, 필터 스위치부의 스위칭 소자를 턴오프 시키고(S680 단계), 인버터의 스위칭 소자를 오프시켜 펄스 폭 변조(PWM) 기능을 중지시킨다(S690 단계). 이와 같이 대기 모드에서 인버터의 펄스 폭 변조 기능을 중지시킴으로써 대기 모드에서 인버터의 스위칭 손실을 방지할 수 있고, 필터 스위치부를 턴오프 시킴으로써 필터 커패시터로 인해 진상 무효 전력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 대기 모드에서 교류 차단기와 직류 차단기는 턴온되어 있는 상태를 유지하므로 짧은 시간 내에 다시 충/방전 모드로 진입할 수 있다. S680 단계에서 필터 스위치부의 스위칭 소자가 오프될 때 필터 커패시터에 충전된 에너지를 방전시키면 필터 스위치부의 전압 스트레스나 돌입 전류 문제를 감소시킬 수 있다.
S690 단계 이후에 일정 주기마다 다시 S640 단계로 진입하여 대기 모드인지 여부를 판단하는 것을 반복한다. 대기 모드로 진입한 후 대기 모드를 유지할 지 여부를 판단할 때에는 인버터의 출력 지시값의 절대값이 제2 기준값 이상인지를 판단하여 결정할 수 있다. 이 때 대기 모드로 진입할 지 여부를 판단할 때 사용한 제1 기준값과는 상이한 제2 기준값을 사용할 수 있다. 제1 기준값과 제2 기준값이 동일한 경우 인버터의 출력 지시값이 제1 기준값 부근에서 조금씩 변동하는 경우 대기 모드 진입과 탈피를 빈번히 반복할 가능성이 있으므로 이러한 현상을 방지하기 위한 것이다.
대기 모드에서 동작하다가 S640 단계에서 대기 모드를 벗어나는 것으로 판단된 경우, 필터 스위치부의 스위칭 소자를 턴온시키고 인버터의 스위칭 소자를 온/오프 동작시켜 펄스 폭 변조 기능을 수행하여 전력을 전달할 수 있다. 이 때, 필터 커패시터의 전압과 교류 전원의 전압을 비교하여 그 차이가 일정 범위 이내인 경우에 필터 스위치부의 스위칭 소자가 턴온 되도록 하면 전압 스트레스를 줄일 수 있고 돌입 전류가 거의 발생하지 않도록 할 수 있으므로 바람직하다.
전력 변환 시스템이 이러한 절차를 통해 동작할 때, 앞서 언급한 바와 같이, 필터 스위치부의 스위칭 소자는 교류 차단기에 비해 고속으로 턴온 동작이 가능한 반도체 스위칭 소자를 사용하는 것이 바람직하다. 필터 스위치부의 스위칭 소자는 인버터의 교류측 배선과 필터 커패시터의 일단 사이에 싸이리스터 2개가 역병렬로 연결된 형태로 배치로 구성되거나 또는 인버터의 교류측 배선과 필터 커패시터의 일단 사이에 IGBT 2개가 직렬로 상호 역방향으로 배치된 구조가 사용될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 인버터의 교류측 배선과 필터 커패시터 사이에 동작 속도가 빠른 스위칭 소자를 사용하는 필터 스위치부를 배치하고 대기 모드에서 교류 차단기와 직류 차단기는 온 상태를 유지한 상태에서 필터 스위치부의 스위칭 소자를 오프시키고 인버터의 동작을 중지시킴으로써, 대기 모드에서 인버터의 영전류 제어에 의한 스위칭 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 필터 커패시터에 의한 진상 무효 전력의 발생을 방지하여 전력 변환 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으면서도 대기 모드로부터 충/방전 모드로의 전환을 빠르게 수행할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500 : 전력 변환 시스템
110, 210, 310 : 교류 차단기
120, 220, 320 : 인버터
130, 230, 330 : 직류 차단기
140, 240, 340 : 필터 커패시터
150, 250, 350 : 제어부
260, 360, 460 : 필터 스위치부
370 : 필터 인덕터
380 : 필터 저항부
390 : 직류 링크 커패시터
545 : 필터 커패시터 방전부
546 : 방전 저항
547 : 방전 스위치

Claims (10)

  1. 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 교류 전원과 직류 전원 사이에서 전력을 변환하여 전달하는 인버터;
    상기 인버터의 교류측 배선에 연결된 필터 커패시터;
    상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터 사이에 배치되어 상기 필터 커패시터가 상기 인버터의 교류측 배선에 연결되거나 또는 차단되도록 온/오프 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 필터 스위치부; 및
    상기 인버터의 스위칭 소자 및 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자를 제어하기 위한 신호를 생성하는 제어부;
    상기 교류 전원과 상기 인버터 사이에 배치된 교류 차단기; 및
    상기 직류 전원과 상기 인버터 사이에 배치된 직류 차단기;를 포함하고,
    상기 교류 차단기는 기계적 접점을 가지는 스위치이고,
    상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는 상기 교류 차단기에 비해 고속으로 턴온 동작이 가능한 반도체 스위칭 소자이며,
    대기 모드에서 상기 직류 차단기 및 상기 교류 차단기는 온 상태를 유지하고, 상기 인버터의 스위칭 소자 및 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는 오프되며,
    상기 대기 모드에서 동작 중에 상기 대기 모드를 벗어날 경우 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자를 턴온시키고, 상기 인버터의 스위칭 소자를 온/오프 동작시키며,
    상기 대기 모드에서 동작 중에 상기 대기 모드를 벗어날 경우, 상기 제어부는 상기 필터 커패시터의 전압과 상기 교류 전원의 전압을 비교하여 그 차이가 일정 범위 이내인 경우에 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자가 턴온 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는, 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터의 일단 사이에 싸이리스터 2개가 역병렬로 연결된 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 필터 스위치부의 스위칭 소자는, 상기 인버터의 교류측 배선과 상기 필터 커패시터의 일단 사이에 IGBT 2개가 직렬로 상호 역방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 교류 전원은 3상 전력 계통이고, 상기 직류 전원은 에너지 저장 장치인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
KR1020170044391A 2017-04-05 2017-04-05 고효율 전력 변환 시스템 KR101801780B1 (ko)

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