KR102032157B1 - 계통 연계형 인버터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템은 직류 전력 소스로부터 제공된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력을 계통에 공급하는 복수의 전력 전자 빌딩 블록(Power Electronics Building Block)들을 포함하는 전력 전자 빌딩 블록 그룹 및 상위 제어기로부터 제어 지령을 수신하고, 상기 제어 지령에 따라 동작할 전력 전자 빌딩 블록의 개수를 결정하고, 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 동작시키기 위한 제어 신호를 해당 전력 전자 빌딩 블록에 전송할 수 있다.

Description

계통 연계형 인버터 시스템{GRID CONNECTED INVERTER SYSTEM}
본 발명은 계통 연계형 인버터 시스템에 관한 것이다.
계통 연계형 인버터 시스템(Grid-Connected Inverter System)에는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS), 태양광 시스템, 풍력 시스템, 연료전지 시스템등이 있다.
에너지 저장 장치는 배터리를 통해 계통에 전력을 제공하거나, 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하는 장치이다.
신재생 에너지에서 발전된 전력은 계통에 연계하여, 계통의 안정도 향상이나 공급 신뢰도 향상을 위해 사용되고 있다. 계통 연계형 인버터 시스템은 수용가나 변전소에서 부하 변동으로 인해 주파수 상승 시 유효 전력 충전을 하고, 주파수 하강 시 유효 전력 방전을 하여 주파수 조정을 한다.
또한, 역률 변화 억제, 순간 전압 변동 방지, Active filter로 동작하여 고조파를 제거하는 무효전력 보상 장치와 같은 역할이 가능하다.
계통 연계형 인버터 시스템은 분산 전원 시스템에서 계통의 사고 확산 방지와 계통 안정화를 위해 동적 계통 지원과 정적 계통 지원 운전을 한다. 동적 계통 지원은 FRT(Fault Ride Through) 대한 요구사항이며, 정적 계통 지원은 유효/무효 전력에 관한 사항으로 고정된 무효 전력 또는 고정 역률, 계통 전압이나 유효 전력에 종속되어 무효전력을 공급해야 한다.
계통 연계형 인버터 시스템의 전력 변환은 주로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 사용하여 전력을 양방향으로 변환하며, 교류 단에 필터를 사용하여 출력 전류의 리플 성분을 제거한다.
계통 연계형 인버터 시스템은 DC 전력 소스, 전력 변환장치(PCS), 시스템 컨트롤러, 계통으로 구성되며, HMI(Human Machine Interface)나 전력 모니터링 장치를 필요로 한다.
그러나, 종래의 계통 연계형 인버터 시스템은 하나의 전력 변환 장치 또는 복수의 전력 변환 장치들을 하나의 전력 공급 장치를 이용하여, 구동하는 방식이었다.
이 경우, 전력 변환 장치의 구동을 위한 시스템 컨트롤러에는 전력 변환 장치가 구동되지 않더라도(대기 상태), 일정량의 전원이 지속적으로 제공되어야 한다.
즉, 상위 제어기로부터 제어 지령을 수신하고, 즉각적으로, 반응하기 위해, 시스템 컨트롤러에는 대기 상황에서도 전력을 공급받아야 하므로, 이러한 대기 전력의 소모를 줄이기 위한 방안이 필요하다.
본 발명은 전력 변환 장치가 운전하지 않는 대기 상황에서, 대기 전력의 소모를 최소화할 수 있는 계통 연계형 인버터 시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템은 직류 전력 소스로부터 제공된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력을 계통에 공급하는 복수의 전력 전자 빌딩 블록(Power Electronics Building Block)들을 포함하는 전력 전자 빌딩 블록 그룹 및 상위 제어기로부터 제어 지령을 수신하고, 상기 제어 지령에 따라 동작할 전력 전자 빌딩 블록의 개수를 결정하고, 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 동작시키기 위한 제어 신호를 해당 전력 전자 빌딩 블록에 전송할 수 있다.
상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들은 병렬로 연결되며, 상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각은 독립적으로 운전할 수 있다.
상기 전력 전자 빌딩 블록 그룹은 상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각에 대응하는 복수의 스위치 모드 전력 공급 장치들 및 복수의 릴레이 모듈들을 포함하고, 상기 마스터 컨트롤러는 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들에 대응하는 릴레이 모듈들 각각에 온 신호를 전송할 수 있다.
상기 온 신호에 따라 해당 릴레이 모듈이 온 된 경우, 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치는 제어 전원을 해당 전력 전자 빌딩 블록에 공급할 수 있다.
상기 제어 신호는 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들 각각이 출력해야 하는 교류 전력량을 포함하고, 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들 각각은 상기 제어 전원이 공급됨에 따라 상기 교류 전력량을 출력할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 중 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 선정할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각의 수명 상태에 기초하여, 상기 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 선정할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 기 설정된 스케쥴링에 기초하여, 상기 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 선정할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 상기 선정된 전력 전자 빌딩 블록들을 제외한 나머지 전력 전자 빌딩 블록들에 대응하는 릴레이 모듈들에 오프 신호를 전송할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 상기 제어 지령 및 각 전력 전자 빌딩 블록의 최대 효율에 기초하여, 상기 개수를 결정할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 상기 각 전력 전자 빌딩 블록이 최대 효율을 낼 수 있는 범위 내에서, 교류 전력을 출력하도록 상기 개수를 결정할 수 있다.
상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각은 복수의 IGBT들을 포함하는 컨버터와 상기 컨버터의 동작을 제어하는 시스템 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러는 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들 각각에 포함된 상기 시스템 컨트롤러에 상기 제어 신호를 전송할 수 있다.
상기 계통 연계형 인버터 시스템은 상기 마스터 컨트롤러에 전원을 공급하는 메인 스위치 모드 전력 공급 장치를 더 포함하고, 상기 메인 스위치 모드 전력 공급 장치는 상기 온 신호에 따라 해당 릴레이 모듈이 온 된 경우, 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치에 전원을 공급할 수 있다.
상기 제어 지령은 상기 계통에서 필요한 전력량 또는 일사량 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 계통 연계형 인버터 시스템의 대기로 인한 전력 손실이 감소될 수 있고, 이에 따른 유지 비용이 절감될 수 있다.
또한, 전력 전자 빌딩 블록의 개별적인 병렬 운전을 함으로써 효율 향상 및 수명 연장, 유지보수 비용 절감, 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템을 설명하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전력 전자 빌딩 블록의 출력에 대한 효율을 보여주는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 내부 구성도이고, 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 측면도이고, 도 6c는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 후면도이고, 도 6d는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록 그룹의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
계통 연계형 인버터 시스템(100)은 신재생 에너지를 소스로, 안정적인 전원을 얻을 수 있다.
계통 연계형 인버터 시스템(100)은 잉여 전력을 계통(130)에 공급하여, 신재생 에너지를 효율적으로 활용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 계통 연계형 인버터 시스템(100)은 직류 전력 소스(110), 컨버터(120), 계통(130) 및 시스템 컨트롤러(150)를 포함한다.
직류 전력 소스(110)는 직류 전력을 컨버터에 전달할 수 있다.
직류 전력 소스(110)는 태양 에너지, 풍력 에너지와 같은 신재생 에너지를 관리하는 소스 일 수 있다.
일 실시 예에서, 직류 전력 소스(110)는 배터리를 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 직류 전력 소스(110)는 배터리 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다.
컨버터(120)는 직류 전력 소스(110)로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력을 계통(130)에 전달할 수 있다.
계통(130)은 복수의 발전소, 변전소, 송배전선 및 부하가 일체로 되어 전력의 발생 및 이용이 이루어지는 시스템이다.
계통(130)은 컨버터(120)로부터 전달된 교류 전력을 소비할 수 있다.
시스템 컨트롤러(150)은 계통 연계형 인버터 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
시스템 컨트롤러(150)는 계통 연계형 인버터 시스템(100)을 제어하는 상위 제어기와 통신을 수행할 수 있다.
시스템 컨트롤러(150)는 상위 제어기로부터 수신한 지령, 또는 자체적으로 생성한 지령을 컨버터에 전송할 수 있다.
일 실시 예에서, 시스템 컨트롤러(150)는 일정 교류 전력을 출력하도록 컨버터(120)의 동작을 제어하기 위한 지령을 컨버터(120)에 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템을 설명하는 구성도이다.
도 2는 도 1의 구성을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 계통 연계형 인버터 시스템(200)은 직류 전력 소스(201), 직류 차단기(203), 직류 링크(205), 전력 전자 빌딩 블록(210), 계통(230), 변압기(250), 차단 스위치(260), 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply, 270), 소스 관리 시스템(Source Management System, 290)을 포함한다.
직류 전력 소스(201)는 직류 전력을 출력할 수 있다.
직류 전력 소스(201)는 태양 에너지, 풍력 에너지와 같은 신재생 에너지를 관리하는 소스 일 수 있다.
일 실시 예에서, 직류 전력 소스(201)는 배터리를 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 직류 전력 소스(201)는 배터리 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다.
직류 차단기(203)는 전압 또는 전류의 이상 상태가 발생된 경우, 직류 전력 소스(201)와 전력 전자 빌딩 블록(210)의 연결을 차단할 수 있다. 이를 위해, 직류 차단기(203)는 스위치를 구비할 수 있다.
직류 링크(205)는 직류 전력 소스(201)로부터 출력된 직류 전력을 전력 전자 빌딩 블록(210)에 전달하는 링크일 수 있다.
전력 전자 빌딩 블록(Power Electronics Building Block, 210)은 상위 제어기로부터 수신된 지령에 따라 계통(230)에 제공할 교류 전력을 출력할 수 있다.
전력 전자 빌딩 블록(210)은 컨버터(211), 계통 연계 장치(213), 스위치 모드 전력 공급 장치(Switched-Mode Power Supply, 215), 시스템 컨트롤러(217) 및 게이트 드라이버(219)를 포함할 수 있다.
컨버터(211)는 시스템 컨트롤러(217)로부터 수신된 지령에 기초하여, 직류 링크(205)로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
컨버터(211)는 변환된 교류 전력을 계통(230)에 전달할 수 있다.
컨버터(211)는 계통(230)으로부터 전달된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 변환된 직류 전력을 배터리(미도시)에 공급할 수 있다. 이러한 의미에서, 컨버터(211)는 양방향 컨버터로 명명될 수 있다.
컨버터(211)는 복수의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)들을 포함할 수 있다.
계통 연계 장치(213)는 교류 전력을 필터링하기 위한 교류 필터, 이상 상태 발생 시, 계통(230)과의 연결을 차단하기 위한 교류 차단기를 포함할 수 있다.
도 2에서는 계통 연계 장치(213)가 전력 전자 빌딩 블록(210)에 포함된 것으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과하고, 전력 전자 빌딩 블록(210)과 별개로 구성될 수 있다.
스위치 모드 전력 공급 장치(Switched-Mode Power Supply, SMPS, 215)는 시스템 컨트롤러(215) 또는 컨버터(211) 중 하나 이상에 전력을 공급할 수 있다.
스위치 모드 전력 공급 장치(215)는 전력을 효율적으로 변환시키는 스위칭 레귤레이터를 포함하는 전자식 전원 공급 장치이다.
스위치 모드 전력 공급 장치(215)는 무정전 전력 공급 장치(270)로부터 제공된 전력의 전류나 전압 특성을 변화시킬 수 있다. 스위치 모드 전력 공급 장치(215)는 전류나 전압 특성이 변화된 전력을 시스템 컨트롤러(215) 및 컨버터(211) 중 하나 이상에 제공할 수 있다.
시스템 컨트롤러(217)는 전력 전자 빌딩 블록(210)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
시스템 컨트롤러(217)는 계통 연계형 인버터 시스템(200)의 전반적인 동작을 제어할 수도 있다.
시스템 컨트롤러(217)는 상위 제어기로부터 제어 지령을 수신하고, 제어 지령에 기초하여, 컨버터(211)의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 지령은 계통(230)이 필요한 교류 전력을 출력하도록 컨버터(211)의 동작을 제어하기 위한 지령일 수 있다.
게이트 드라이버(219)는 시스템 컨트롤러(217)로부터 수신된 제어 지령을 컨버터(211)에 전달할 수 있다. 게이트 드라이버(219)는 제어 지령을 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호로 변환하여, 변환된 펄스 폭 변조 신호를 컨버터(211)에 전송할 수 있다.
계통(230)은 복수의 발전소, 변전소, 송배전선 및 부하를 포함할 수 있고, 전력을 발생하거나, 전력을 소비할 수 있다.
변압기(250)는 무정전 전원 장치(270)로부터 제공된 전압을 승압하거나, 강압하고, 승압된 또는 강압된 전압을 스위치 모드 전력 공급 장치(215)에 공급할 수 있다.
차단 스위치(260)는 계통 연계형 인버터 시스템(200)의 이상 동작 시, 무정전 전원 공급 장치(270)와 시스템 컨트롤러(217)의 연결을 차단하기 위한 스위치일 수 있다.
무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply, UPS, 270)는 정전 시, 스위치 모드 전력 공급 장치(215)에 전원을 제공할 수 있다.
무정전 전원 공급 장치(270)는 정전 시, 계통 연계형 시스템(20)의 동작 정지를 방지하기 위한 장치일 수 있다. 즉, 무정전 전원 공급 장치(270)는 정전 시, 스위치 모드 전력 장치(215)에 공급되는 전력의 중단을 대비하기 위한 장치일 수 있다.
소스 관리 시스템(Source Management System, SMS, 290)은 직류 전력 소스(201)의 상태 정보를 실시간으로 관리할 수 있다.
일 실시 예에서, 직류 전력 소스(201)가 배터리를 포함하는 경우, 직류 전력 소스(201)의 상태 정보는 배터리의 충전 상태(State Of Charge, SOC), 배터리의 온도를 포함할 수 있다.
도 2와 같은 계통 연계형 인버터 시스템(200)은 단일로 구성된 전력 전자 빌딩 블록(210)을 이용하여, 구동하는 방식을 사용한다.
이 방식은, 전력 전자 빌딩 블록(210)이 구동되지 않는 대기 시에, 웨이크 업 모드를 통해, 전력 전자 빌딩 블록(210)이 소비하는 전력을 줄일 수 있다.
그러나, 전력 전자 빌딩 블록(210)이 대기하는 상황에 있다 하더라도, 지령의 수신 및 지령에 대응하는 동작을 즉각 수행하기 위해, 시스템 컨트롤러(217)에는 일정량의 전력이 공급되어야 하므로, 대기 전력이 손실되는 문제가 있다.
여기서, 대기 전력은 컨버터(211)의 동작 대기 시, 시스템 컨트롤러(217)이 지령에 따른 동작을 즉각 수행하기 위해 소모하는 전력일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서는, 이러한, 대기 전력의 소모를 최소화하기 위해, 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 중 일부 블록만을 동작시키도록 전원을 공급하는 방법을 제안한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 독립적으로 운전이 가능한 복수의 전력 전자 빌딩 블록들을 병렬로 연결하여, 대기 전력의 소모를 최소화하기 위한 계통 연계형 인버터 시스템(300)이다.
도 3을 참조하면, 계통 연계형 인버터 시스템(300)은 직류 전력 소스(301), 직류 차단기(303), 직류 필터(305), 전력 전자 빌딩 블록 그룹(310), 교류 필터(320), 교류 차단기(330), 계통(340), 절연 변압기(350), 차단 스위치(360), 무정전 전원 공급 장치(370), 소스 관리 시스템(380), 마스터 컨트롤러(390) 및 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)를 포함할 수 있다.
직류 전력 소스(301)는 직류 전력을 출력할 수 있다.
직류 전력 소스(301)는 태양 에너지, 풍력 에너지와 같은 신재생 에너지를 관리하는 소스 일 수 있다.
일 실시 예에서, 직류 전력 소스(301)는 배터리를 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 직류 전력 소스(301)는 배터리 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다.
직류 차단기(303)는 직류 전압 또는 직류 전류의 이상 상태가 발생된 경우, 직류 전력 소스(301)와 전력 전자 빌딩 블록 그룹(310)의 연결을 차단할 수 있다. 이를 위해, 직류 차단기(303)는 스위치를 구비할 수 있다.
직류 필터(305)는 직류 전력의 노이즈를 제거하기 위한 필터일 수 있다. 직류 필터(305)는 직류 전류의 리플 성분을 제거할 수 있다.
전력 전자 빌딩 블록 그룹(310)는 복수의 전력 전자 빌딩 블록들(311-1 내지 311-n), 복수의 스위치 모드 전력 공급 장치들(313-1 내지 313-n) 및 복수의 릴레이 모듈들(315-1 내지 315-n)을 포함할 수 있다.
하나의 전력 전자 빌딩 블록, 하나의 스위치 모드 전력 공급 장치 및 하나의 릴레이 모듈은 하나의 세트로 구성될 수 있다.
예를 들어, 전력 전자 빌딩 블록(311-1), 스위치 모드 전력 공급 장치(313-1) 및 릴레이 모듈(315-1)은 하나의 세트로 구성될 수 있다.
복수의 전력 전자 빌딩 블록들(311-1 내지 311-n) 각각은 도 2에서 설명된 컨버터(211), 시스템 컨트롤러(217) 및 게이트 드라이버(219)를 포함할 수 있다.
복수의 전력 전자 빌딩 블록들(311-1 내지 311-n) 각각에 포함된 시스템 컨트롤러(217)로 인해, 독립적인 제어가 가능하다.
복수의 전력 전자 빌딩 블록들(311-1 내지 311-n)은 병렬로 연결될 수 있다.
복수의 스위치 모드 전력 공급 장치들(313-1 내지 313-n) 각각은 대응하는 전력 전자 빌딩 블록에 제어 전원을 공급할 수 있다.
복수의 릴레이 모듈들(315-1 내지 315-n)은 마스터 컨트롤러(390)의 온/오프 신호에 따라 온 또는 오프될 수 있다.
릴레이 모듈이 온 된 경우, 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)로부터 제공된 제어 전원이 릴레이 모듈에 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치로 전달될 수 있다.
릴레이 모듈이 오프 된 경우, 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)로부터 제공된 제어 전원은 릴레이 모듈에 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치로 차단될 수 있다.
교류 필터(320)는 전력 전자 빌딩 그룹(310)이 출력한 교류 전력의 노이즈를 제거할 수 있다.
교류 차단기(330)는 교류 전류 또는 교류 전압의 이상 상태가 발생한 경우, 전력 전자 빌딩 그룹(310)과 계통(340) 간의 교류 전력 전달을 차단할 수 있다.
계통(340)은 전력 전자 빌딩 블록 그룹(310)으로부터 전달받은 교류 전력을 소비할 수 있다.
계통(340)은 교류 전력을 전력 전자 빌딩 블록 그룹(310)에 제공할 수도 있다.
절연 변압기(350)는 무정전 전원 공급 장치(370)로부터 제공된 전압을 승압하거나, 강압하고, 승압된 또는 강압된 전압을 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)에 공급할 수 있다.
절연 변압기(350)가 필요한 이유는, 무정전 전원 공급 장치(391)의 정격 전압과 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)의 정격 전압이 차이가 있을 수 있기 때문이다.
차단 스위치(360)는 계통 연계형 인버터 시스템(300)의 이상 동작 시, 무정전 전원 공급 장치(370)와 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391) 또는 메인 컨트롤러(390) 간의 연결을 차단하기 위한 스위치일 수 있다.
무정전 전원 공급 장치(370) 정전 시, 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)에 전원을 제공할 수 있다.
무정전 전원 공급 장치(370)는 정전 시, 계통 연계형 시스템(300)의 동작 정지를 방지하기 위한 장치일 수 있다. 즉, 무정전 전원 공급 장치(370)는 정전 시, 메인 스위치 모드 전력 장치(391)에 공급되는 전력의 중단을 대비하기 위한 장치일 수 있다.
소스 관리 시스템(380)은 직류 전력 소스(301)의 상태 정보를 실시간으로 관리할 수 있다.
일 실시 예에서, 직류 전력 소스(301)가 배터리를 포함하는 경우, 직류 전력 소스(301)의 상태 정보는 배터리의 충전 상태(State Of Charge, SOC), 배터리의 온도를 포함할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 계통 연계형 인버터 시스템(300)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 상위 제어기로부터 제어 지령을 수신할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 수신된 제어 지령에 따라 전력 전자 빌딩 블록 그룹에서 동작할 전력 전자 빌딩 블록의 개수를 결정할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 PEBB 그룹으로부터 결정된 PEBB 개수에 대응하는 PEBB들을 선정할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 선정된 PEBB들에 대응하는 릴레이 모듈들 각각을 온시키기 위한 온 신호 또는 오프시키기 위한 오프 신호를 전송할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 각 PEBB에 포함된 시스템 컨트롤러(217)와 통신을 수행할 수 있다. 통신 방식은 CAN 통신일 수 있으나, 이는 예시에 불과하다.
마스터 컨트롤러(390)는 선정된 PEBB 들 각각에, 출력해야 할 전력량을 포함하는 전력량 신호를 전송할 수 있다.
선정된 PEBB 들 각각에 포함된 시스템 컨트롤러(217)는 수신된 전력량 신호에 따라 해당 크기의 교류 전력을 출력하도록 컨버터(211)의 동작을 제어할 수 있다.
메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)는 마스터 컨트롤러(390), 직류 차단기(303), 교류 차단기(330)의 동작에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 메인 스위치 모드 전력 공급 장치(391)는 계통 연계형 인버터 시스템(300)의 관리자를 위한 HMI(Human Machine Interface, 미도시)에 전력을 공급할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하에서는, 도 4를 도 2 및 도 3의 내용에 결부시켜 설명한다.
도 4를 참조하면, 마스터 컨트롤러(390)는 상위 제어기로부터 제어 지령을 수신한다(S401).
일 실시 예에서, 상위 제어기는 계통 연계형 인버터 시스템(300)의 동작을 제어하기 위한 상위 제어기일 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 지령은 계통(340)이 필요한 교류 전력을 출력하도록 하는 지령일 수 있다. 즉, 제어 지령에는 전력 전자 빌딩 블록(310)이 출력해야 할 교류 전력의 크기에 대한 정보를 포함할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 수신된 제어 지령에 따라 동작할 전력 전자 빌딩 블록(이하, PEBB)의 개수를 결정한다(S403).
마스터 컨트롤러(390)는 PEBB의 최대 효율을 고려하여, PEBB의 개수를 결정할 수 있다.
PEBB의 최대 효율은 PEBB의 정격 용량 대비, 출력하는 전력의 양을 의미할 수 있다.
예를 들어, PEBB가 최대 효율은 정격 용량의 40% 내지 80%에서 발생될 수 있다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전력 전자 빌딩 블록의 출력에 대한 효율을 보여주는 그래프이다.
도 5에서 각 PEBB의 정격 용량은 125Kw 임을 가정한다. 정격 용량은 PEBB가 최대로 출력할 수 있는 전력량을 나타낼 수 있다.
도 5는 하나의 PEBB가 출력할 수 있는 전력 대비 효율을 보여준다. 예를 들어, 정격 용량 125Kw를 갖는 PEBB가 95Kw를 출력하는 경우, 효율은 95%일 수 있다.
즉, 효율이 95%라는 것은 PEBB가 100Kw를 입력받아, 95kw를 출력하는 경우일 수 있다.
PEBB의 최대 효율을 95%으로 가정한다면, PEBB의 최대 효율을 갖는 범위 내에서, PEBB의 출력이 결정될 필요가 있다.
도 5에서는 PEBB가 50 내지 100Kw를 출력하는 경우, PEBB가 최대 효율을 낼 수 있음을 보여준다. 이는, 대략, PEBB의 정격 용량의 40% 내지 80% 에서, PEBB가 최대 효율을 낼 수 있음을 나타낸다.
다시 도 4를 설명한다.
마스터 컨트롤러(390)는 제어 지령에 포함된 전력량 및 PEBB의 최대 효율을 고려하여, 운전할 PEBB의 개수를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어 지령에 포함된 계통(340)에 제공해야 하는 전력량이 200Kw인 경우, 마스터 컨트롤러(390)는 PEBB의 최대 효율을 고려하여, 2개의 PEBB를 운전할 PEBB로 결정할 수 있다.
즉, 2개의 PEBB 각각이 100Kw의 전력을 출력한다면, 계통(340)에 제공해야 하는 전력량이 만족된다. 100Kw는 도 5에서 보듯이, PEBB의 최대 효율을 갖는 범위 내에 있으므로, 마스터 컨트롤러(390)는 운전될 PEBB의 개수를 2개로 결정할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 마스터 컨트롤러(390)는 계통(340)의 상황을 고려하여, 동작할 PEBB의 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 계통(340)에서 요구되는 전력량이 증가할수록, 동작할 PEBB의 개수를 증가시키고, 계통(340)에서 요구되는 전력량이 감소할수록, 동작할 PEBB의 개수를 감소시킬 수 있다.
계통(340)의 상황은 상위 제어기로부터 전송된 제어 지령에 포함될 수도 있다.
또 다른 실시 예에서, 마스터 컨트롤러(390)는 일사량을 고려하여, 동작할 PEBB의 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 직류 전력 소스(301)가 태양 에너지를 이용하여, 직류 전력을 충전하고 있는 경우, 마스터 컨트롤러(390)는 일사량이 커질수록, 동작할 PEBB의 개수를 증가시키고, 일사량이 작아질수록, 동작할 PEBB의 개수를 감소시킬 수 있다.
일사량은 상위 제어기로부터 전송된 제어 지령에 포함될 수도 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 PEBB 그룹으로부터 결정된 PEBB 개수에 대응하는 PEBB들을 선정한다(S405).
일 실시 예에서, 마스터 컨트롤러(390)는 복수의 PEBB들(311-1 내지 311-n) 각각의 수명 상태를 고려하여, 2개의 PEBB 선정할 수 있다. 예를 들어, 마스터 컨트롤러(390)는 복수의 PEBB들(311-1 내지 311-n) 중 수명이 가장 많이 남은 순서에 따라 2개의 PEBB을 선정할 수 있다.
각 PEBB의 수명 상태는 각 PEBB의 총 운전 시간에 따라 달라질 수 있다. 즉, PEBB의 총 운전 시간이 많을수록 PEBB의 수명이 작아질 수 있고, PEBB의 총 운전시간이 적을수록, PEBB의 수명이 커질 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 마스터 컨트롤러(390)는 기 설정된 스케쥴링에 따라 복수의 PEBB들(311-1 내지 311-n) 중 2개의 PEBB를 선정할 수 있다. 이 경우, 선정될 PEBB 개수에 따라 미리 운전할 PEBB가 정해져 있을 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 선정된 PEBB들에 대응하는 릴레이 모듈들 각각을 온시키기 위한 온 신호를 전송한다(S407).
일 실시 예에서, 마스터 컨트롤러(390)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 선정된 PEBB들에 대응하는 릴레이 모듈들 각각에 온 신호를 전송할 수 있다.
마스터 컨트롤러(390)는 온 신호 이외에, 해당 PEBB들이 출력해야 하는 교류 전력의 양에 대한 정보를 포함하는 전력량 신호를 함께 전송할 수 있다. 전력량 신호는 선정된 PEBB에 포함된 시스템 컨트롤러로 전송될 수 있다.
릴레이 모듈이 온 됨에 따라 선정된 PEBB들 각각에 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치들 각각은 대응하는 PEBB 들에 제어 전원을 공급한다(S409).
해당 PEBB들 각각은 직류 전력 소스(301)로부터 제공된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 출력한다(S411).
선정된 PEBB들은 마스터 컨트롤러(390)가 수신된 제어 지령에 포함된 계통(340)에 필요한 교류 전력을 출력할 수 있다. 출력된 교류 전력은 계통(340)에 제공될 수 있다.
종래에는 계통(340)에 필요한 전력량을 제공하기 위해서는 모든 PEBB들이 1/n로 전력을 출력해야 했으므로, 각 PEBB에 포함된 시스템 컨트롤러의 동작을 위한 대기 전력의 손실을 피할 수 없다.
도 4에서 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템(300)은 독립적으로 운전 가능한 복수의 PEBB들을 병렬하여, 계통(340)에 필요한 전력량을 제공하는 일부 PEBB를 선택적으로 구동시킬 수 있다.
구동될 PEBB가 스케쥴링에 따라 정해지더라고, 모든 PEBB의 대기를 위한 제어 전원이 필요 없고, 일부 PEBB만의 대기 전력이 필요하므로, 대기 전력의 손실이 현저하게 줄어들 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 실제 구성을 설명하는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 내부 구성도이고, 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 측면도이고, 도 6c는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 후면도이고, 도 6d는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록의 정면도이다.
이하에서 설명하는 전력 전자 빌딩 블록(600)은 도 2 및 3에서 설명한 복수의 전력 전자 빌딩 블록들(311-1 내지 311-n) 각각에 해당된다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록(600)은 전류 차단기(601), 필터 커패시터(603), 단자 블록(605), 퓨즈(607), 팬(609), SMPS(611), 인터페이스 단자(613), 제어 보드(615), IGBT 스택(617), 센싱 보드(619), 직류 릴레이(621) 및 필터 리액터(623)을 포함할 수 있다.
전류 차단기(601)는 교류 전력의 무효 전력의 손실을 방지하기 위한 차단기일 수 있다. 전류 차단기(601)는 도 3의 교류 차단기(330)에 포함될 수 있다.
필터 커패시터(603)는 교류 전력의 노이즈를 제거할 수 있다. 필터 커패시터(603)는 도 3의 교류 필터(320)에 포함될 수 있다.
단자 블록(605)은 직류 전력 소스(301)와의 연결을 위한 인터페이스일 수 있다. 단자 블록(605)을 통해 전력 전자 빌딩 블록(600)은 직류 전력을 수신할 수 있다.
퓨즈(607)는 전압 또는 전류의 이상 상태가 발생된 경우, 직류 전력 소스(301)와 전력 전자 빌딩 블록(600)의 연결을 차단할 수 있다.
팬(609)은 바람을 이용하여, 전력 전자 빌딩 블록(600)의 운전 중 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.
SMPS(611)는 전력 전자 빌딩 블록(600)에 제어 전원을 공급할 수 있다. SMPS(611)는 도 3에 도시된 스위치 모드 전력 공급 장치(313-1)에 대응될 수 있다.
인터페이스 단자(613)는 마스터 컨트롤러(390)와의 통신을 위한 단자일 수 있다.
제어 보드(615)는 시스템 컨트롤러(217)를 포함할 수 있다.
IGBT 스택(617)은 컨버터(211)에 대응되며, 복수의 IGBT들을 포함할 수 있다.
센싱 보드(619)는 전력 전자 빌딩 블록(600)의 상태 정보를 감지할 수 있다.
직류 릴레이(621)는 전력 전자 빌딩 블록들 간의 연결 과정에서 발생될 수 있는 순환 전류를 제거할 수 있다.
필터 리액터(623)는 교류 전류의 노이즈를 제거할 수 있다. 필터 리액터(623)는 도 3의 교류 필터(320)에 포함될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전자 빌딩 블록 그룹의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서 설명하는 전력 전자 빌딩 블록 그룹(700)은 도 3의 전력 전자 빌딩 그룹(300)의 실제 내부 구성을 나타낼 수 있다.
도 7을 참조하면, 전력 전자 빌딩 블록 그룹(700)은 직류 차단기(710), 직류 버스바(730), PEBB 스택(750), 교류 차단기(770) 및 교류 버스바(790)를 포함할 수 있다.
직류 차단기(710)는 직류 전압 또는 직류 전류의 이상 상태가 발생된 경우, 도 3에 도시된, 직류 전력 소스(301)와 전력 전자 빌딩 블록 그룹(700)의 연결을 차단할 수 있다.
직류 버스바(730)는 직류 전력 소스(301)와 전력 전자 빌딩 블록 그룹(700)의 연결을 위한 인터페이스를 제공할 수 있다.
PEBB 스택(750)는 복수의 PEBB들을 포함할 수 있다. PEBB 스택(750)은 16개의 PEBB를 포함할 수 있다.
교류 차단기(770)는 교류 전류 또는 교류 전압의 이상 상태가 발생한 경우, 전력 전자 빌딩 블록 그룹(700)과 계통(340) 간의 교류 전력 전달을 차단할 수 있다.
교류 버스바(790)는 전력 전자 빌딩 블록 그룹(700)과 계통(340) 간의 연결을 위한 인터페이스를 제공할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서,
    직류 전력 소스로부터 제공된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력을 계통에 공급하는 복수의 전력 전자 빌딩 블록(Power Electronics Building Block)들, 상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각에 제어 전원을 공급하는 복수의 스위치 모드 전력 공급 장치들 및 상기 복수의 스위치 모드 전력 공급 장치들에 상기 제어 전원을 전달하거나, 차단하는 복수의 릴레이 모듈들을 포함하는 전력 전자 빌딩 블록 그룹 및
    상위 제어기로부터 제어 지령을 수신하고, 상기 제어 지령에 따라 동작할 전력 전자 빌딩 블록의 개수를 결정하고, 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 동작시키기 위한 제어 신호를 해당 전력 전자 빌딩 블록에 전송하는 마스터 컨트롤러를 포함하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들은 병렬로 연결되며, 상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각은 독립적으로 운전 가능한
    계통 연계형 인버터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들에 대응하는 릴레이 모듈들 각각에 온 신호를 전송하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온 신호에 따라 해당 릴레이 모듈이 온 된 경우, 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치는 제어 전원을 해당 전력 전자 빌딩 블록에 공급하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 신호는
    상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들 각각이 출력해야 하는 교류 전력량을 포함하고,
    상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들 각각은 상기 제어 전원이 공급됨에 따라 상기 교류 전력량을 출력하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 중 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 선정하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각의 수명 상태에 기초하여, 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 선정하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    기 설정된 스케쥴링에 기초하여, 상기 상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들을 선정하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    상기 선정된 전력 전자 빌딩 블록들을 제외한 나머지 전력 전자 빌딩 블록들에 대응하는 릴레이 모듈들에 오프 신호를 전송하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    상기 제어 지령 및 각 전력 전자 빌딩 블록의 최대 효율에 기초하여, 상기 개수를 결정하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    상기 각 전력 전자 빌딩 블록이 최대 효율을 낼 수 있는 범위 내에서, 교류 전력을 출력하도록 상기 개수를 결정하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전력 전자 빌딩 블록들 각각은
    복수의 IGBT들을 포함하는 컨버터와
    상기 컨버터의 동작을 제어하는 시스템 컨트롤러를 포함하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러는
    상기 결정된 개수만큼의 전력 전자 빌딩 블록들 각각에 포함된 상기 시스템 컨트롤러에 상기 제어 신호를 전송하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러에 전원을 공급하는 메인 스위치 모드 전력 공급 장치를 더 포함하고,
    상기 메인 스위치 모드 전력 공급 장치는 상기 온 신호에 따라 해당 릴레이 모듈이 온 된 경우, 대응하는 스위치 모드 전력 공급 장치에 전원을 공급하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어 지령은
    상기 계통에서 필요한 전력량 또는 일사량 중 하나 이상을 포함하는
    계통 연계형 인버터 시스템.
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