KR102038755B1 - 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템 - Google Patents

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    • H02M2007/4822—

Abstract

단일 제어기로 제어되는 복수개의 모듈형 전력변환장치들로 구성된 본 발명의 일 측면에 따른 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템은, 전력변환기능을 수행하기 위한 파워스택, 필터 캐패시터, 및 필터 리액터가 단일 랙(Rack) 내에 구비된 n(n은 1보다 큰 자연수)개의 모듈형 전력변환장치; 상기 n개의 모듈형 전력변환장치의 제어를 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어기; 및 상기 PWM 제어신호를 n개의 광신호로 복제하여 상기 n개의 모듈형 전력변환장치로 전달하는 PWM 제어신호 복제부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템{Power System Based on Module Type Power Conditioning System}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 에너지 저장 시스템의 전력변환장치에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 계통의 잉여전력을 배터리에 저장하거나 계통의 부족 전력을 배터리에서 공급함으로써 계통전력을 안정화 시킴과 동시에 최대부하 삭감 및 부하 평준화를 수행한다. 에너지 저장 시스템의 일 예가 대한민국 공개특허 제10-2012-0088064에 개시되어 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 배터리에 저장되는 직류 에너지를 교류 시스템인 계통에 연계하기 위해 전력변환장치(PCS: Power Conditioning System)를 포함한다.
도 1에 일반적인 전력변환장치의 구성이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 전력변환장치(100)는 스위칭 소자로 구성된 파워스택(Power Stack, 110), 제어기(120), 리액터(Reactor, 132)와 캐패시터(Capacitor, 134)로 구성된 출력필터(130), 및 차단기(140)를 포함한다. 이러한 전력변환장치(100)는 교류측(150)인 계통의 교류전력을 직류로 변환하여 직류측(160)인 배터리에 저장하고, 필요에 따라 배터리에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환시켜 계통에 공급하는 통로 역할을 한다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 전력변환장치의 용량확장을 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 작은 용량의 파워스택들을 병렬로 연결하여 구성한 전력 시스템(200)이 제안된 바 있다. 도 2에 도시된 전력 시스템의 경우, 각 파워스택(210a, 210b) 별로 파워스택(210a, 210b)을 제어하기 위한 제어기(220a, 220b)가 별도로 포함되기 때문에 복수개의 제어기(220a, 220b)를 통합하여 관리하기 위한 상위 제어기(미도시)가 별도로 요구되므로 시스템 가격이 증가하게 될 뿐만 아니라, 마스터(Master)-슬레이브(Slave) 방식을 이용하여 제어기(220a, 220b)들 간의 통신 방법을 설정해야 하므로 제어의 복잡성이 증가한다는 문제점이 있다.
다른 방법으로 하나의 제어기로 복수개의 파워스택을 제어하는 전력시스템을 고려해 볼 수 있지만, 이러한 전력시스테의 경우 요구되는 용량이 변경될 때마다 시스템을 재설계해야만 할 뿐만 아니라, 제어기로부터 각 파워스택으로 전송되는 제어신호들간의 딜레이가 발생될 수 밖에 없어 시스템 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있다.
선행문헌 1: 대한민국 공개특허 제10-2012-0088064호(발명의 명칭: 배터리 에너지 저장 시스템)
본 발명은 단일 제어기로 제어되는 복수개의 모듈형 전력변환장치들로 구성된 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템을 제공하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 각 모듈형 전력변환장치로 전송되는 제어신호들간의 딜레이를 제거할 수 있는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 일부 모듈형 전력변환장치에 고장이 발생하더라도 시스템 정지 없이 연속운전이 가능한 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템은, 전력변환기능을 수행하기 위한 파워스택, 필터 캐패시터, 및 필터 리액터가 단일 랙(Rack) 내에 구비된 n(n은 1보다 큰 자연수)개의 모듈형 전력변환장치; 상기 n개의 모듈형 전력변환장치의 제어를 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어기; 및 상기 PWM 제어신호를 n개의 광신호로 복제하여 상기 n개의 모듈형 전력변환장치로 전달하는 PWM 제어신호 복제부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전력변환장치를 모듈형으로 구성하고 복수개의 모듈형 전력변환장치를 하나의 제어기로 제어하기 때문에 제어의 용이성이 증가 용이할 뿐만 아니라 별도의 상위 제어기가 요구되지 않으므로 시스템 가격을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 요구되는 전력용량이 변경되는 경우, 시스템의 재설계 없이 요구되는 전력용량에 대응되는 개수의 모듈형 전력변환장치만을 추가하여 설치하면 되므로 용량 확장이 용이하고, 따라서 제품의 라인-업 확보에 필요한 개발 비용과 시간이 단축되며, 고객 대응의 유연성을 증가시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 제어기로부터 출력되는 제어신호를 복수개의 광신호로 복제하여 각 모듈형 전력변환장치로 전달하기 때문에 각 모듈형 전력변환장치로 전송되는 제어신호들간의 딜레이를 제거할 수 있어 제어의 정확도를 향상시킬 수 있고, 이로 인해 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 병렬로 연결된 모듈형 전력변환장치들 중 어느 하나에 고장이 발생되면 시스템으로부터 해당 모듈만을 분리할 수 있기 때문에, 고장이 발생되지 않은 나머지 모듈형 전력변환장치를 이용하여 연속운전이 가능하고, 따라서 연간 가동율을 증가시킬 수 있어 제품 신뢰도를 극대화할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전력변환장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 작은 용량의 파워스택들을 병렬로 연결하여 구성한 전력시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 모듈형 전력변환장치의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 모듈형 전력변환장치의 추가를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 PWM제어신호 복제부의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 고장모듈 처리부의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 고장이 발생된 모듈형 전력변환장치의 모듈 차단기를 트립시켜 해당 모듈형 전력변환장치를 분리시키는 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 8의 예를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템(300, 이하, '전력시스템'이라 함)은 모듈형 전력변환장치(310a~310n), 제어기(320), 인터페이스보드(330), DC차단기(340), 및 AC 차단기(350)를 포함한다.
모듈형 전력변환장치(310a~310n)는 계통에서 공급되는 계통의 교류전력을 직류로 변환하여 배터리에 저장하고, 배터리에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환시켜 계통에 공급한다. 일 실시예에 있어서, 모듈형 전력변환장치(310a~310n)는 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들이 서로 병렬로 연결될 수 있다.
모듈형 전력변환장치(310a~310n)는 파워스택(312a~312n), 필터 캐패시터(314a~314n), 및 필터 리액터(316a~316n)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 모듈형 전력변환장치(310a~310n)는 모듈차단기(318a~318n)를 더 포함할 수 있다.
파워스택(312a~312n)은 상술한 전력변환기능을 수행하는 것으로서, 전력변환기능 수행을 위해 파워스택(312a~312n)은 복수개의 스위치들이 실장된 게이트 보드(미도시)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 복수개의 스위치는 상단에 배치되는 레그 탑(Leg Top) 스위치 및 하단에 배치되는 레그 버텀(Leg Bottom) 스위치를 포함할 수 있다. 이때, 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar mode Transistor: IGBT)로 구현될 수 있다.
필터 캐패시터(314a~314n) 및 필터 리액터(316a~316n)는 출력필터를 구성함으로써 변압기(미도시)를 통해 감압된 교류전압의 고조파를 감소시키거나 파워스택(312a~312n)으로부터 출력되는 교류전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다. 도 3에서는, 출력필터가 필터 캐패시터(314a~314n) 및 필터 리액터(316a~316n)로 구성된 LC타입인 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 다른 형태의 필터구성도 가능할 것이다.
모듈차단기(318a~318n, Module Circuit Breaker)는 해당 모듈차단기(318a~318n)가 설치되어 있는 모듈형 전력변환장치(310a~310n)에 오류가 발생하는 경우 인터페이스보드(330)의 제어하에 트립(Trip)됨으로써 해당 모듈형 전력변환장치(310a~310n)가 전력시스템(300)으로부터 분리되도록 한다.
이와 같이 본 발명은 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)가 모듈차단기(318a~318n)를 각각 포함하기 때문에 병렬로 연결되어 있는 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들 중 고장이 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)만을 선택적으로 전력시스템(300)으로터 분리시킬 수 있고, 이에 따라 전력시스템(300) 전체를 정지시킬 필요가 없어 전력시스템(300)의 연속운전이 가능하다.
일 실시예에 있어서, 상술한 바와 같은 파워스택(312a~312n), 필터 캐패시터(314a~314n), 필터 리액터(316a~316n), 및 모듈차단기(318a~318n)는 도 4에 도시된 바와 같이 단일 랙(Rack, 400) 내에 설치된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 전력변환장치를 전력변환장치의 동작을 위한 모든 구성 부품들이 단일 랙 내에 실장되는 모듈형태로 설계하였기 때문에 모든 전력변환장치(310a~310n)들이 동일한 형태로 설계되고, 따라서 전력시스템(300)의 전체용량 확장이 요구되는 경우에도 도 5에 도시된 바와 같이 추가되는 용량에 대응되는 개수의 전력변환장치(310)만을 블록을 끼워 넣듯이 추가하면 되므로, 시스템 재설계 없이도 용량확장이 용이해 지게 된다.
다시 도 3을 참조하면, 제어기(320)는 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 제어를 위한 PWM 제어신호를 생성한다. 제어기(320)는 생성된 PWM 제어신호를 인터페이스보드(330)를 통해 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 파워스택(312a~312n)으로 전달한다.
일 실시예에 있어서, PWM 제어신호는 모듈형 전력변환장치(310a~310n)가 출력할 전력에 대한 전력지령치를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우 제어기(320)는 모듈형 전력시스템(310a~310n)이 부담해야 할 전체 전력용량과 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 개수를 기초로 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들이 부담할 전력지령치를 산출할 수 있다.
본 발명의 경우 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들은 서로 병렬로 연결되기 때문에 본 발명에 따른 제어기(320)는 전력시스템(300)이 부담해야 할 전체 전력용량을 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 개수인 n으로 제산함으로써 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들이 부담할 전력지령치를 산출할 수 있다
한편, 제어기(320)는 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들 중 오류 발생으로 인해 전력시스템(300)으로부터 분리되는 모듈형 전력변환장치(310a~310n)가 발생하는 경우, 전력시스템(300)으로부터 분리된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 개수를 기초로 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들이 부담할 전력지령치를 재산출한다.
예컨대, n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들 중 2개의 모듈형 전력변환장치가 전력시스템(300)으로부터 분리된 경우 제어기(320)는 전력시스템(300)이 부담해야 할 전체 전력용량을 n-2로 제산함으로써 n-2개의 모듈형 전력변환장치들이 부담할 전력지령치를 산출할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예에 따를 때 전력지령치를 포함하는 PWM 제어신호는 파워스택(312a~312n)의 레그 탑 스위치에 인가될 게이트 탑 신호 및 파워스택(312a~312n)의 레그 버텀 스위치에 인가될 게이트 버텀 신호를 포함할 수 있다.
인터페이스보드(330)는 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)와 제어기(320)들을 연결한다. 특히, 본 발명에 따른 인터페이스보드(330)는 제어기(320)에 의해 생성된 PWM 제어신호를 복제하여 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들로 전달한다.
또한, 본 발명에 따른 인터페이스보드(330)는 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)에 오류가 발생되면 해당 모듈형 전력변환장치(310a~310n)를 전력변환시스템(300)으로부터 분리시키는 기능을 수행한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 인터페이스보드(330)는 도 3에 도시된 바와 같이 PWM 제어신호 복제부(332) 및 고장모듈 처리부(334)를 포함한다.
PWM 제어신호 복제부(332)는 제어기(320)에 의해 생성된 PWM 제어신호를 n개의 광신호로 복제하여 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)로 전달한다. 본 발명에 따른 PWM 제어신호 복제부(332)는 전기적 신호인 PWM 제어신호를 n개의 광신호로 복제하여 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)로 전송하기 때문에 전기적 신호인 PWM 제어신호를 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)로 전송할 때 발생될 수 있는 신호들간의 딜레이를 완전히 제거할 수 있어 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들간의 PWM 신호 동기화를 보장할 수 있게 된다.
본 발명에 따라 PWM 제어신호 복제부(332)가 전기적 신호인 PWM 제어신호를 n개의 광신호로 복제하여 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)로 전달하는 경우, n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)는 광신호를 다시 전기적 신호인 PWM 제어신호로 복원하기 위해 광변환소자(미도시)를 포함하게 된다.
이하, 도 6울 참조하여 본 발명에 따른 PWM 제어신호 복제부(332)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 복제부의 구성을 보여주는 도면이다. 도 6에서는 설명의 편의를 위해 전력시스템(300)이 2개의 모듈형 전력변환장치를 포함하는 것으로 가정하여 PWM 제어신호 복제부(332)가 PWM 제어신호를 2개의 광신호로 복제하는 경우로 가정하여 설명하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 복제부는 제1 복제부(410) 및 제2 복제부(420)를 포함한다.
제1 복제부(410)는 PWM 제어신호 중 파워스택(312a, 312b)의 레그 탑(Leg Top) 스위치에 인가될 게이트 탑 신호를 2개의 탑 광신호로 복제한다. 이를 위해 제1 복제부(410)는 제1 스위칭부(412), 제1 탑 광변환소자(414), 및 제2 탑 광변환소자(416)를 포함한다.
제1 스위칭부(412)는 PWM 제어신호 중 파워스택(312a, 312b)의 레그 탑 스위치에 인가될 게이트 탑 신호가 하이레벨일 때 온 되고, 게이트 탑 신호가 로우레벨일 때 오프된다.
제1 탑 광변환소자(414)는 게이트 탑 신호가 복제된 제1 탑 광신호를 출력한다. 이를 위해, 제1 탑 광변환소자(414)의 제1 전극은 전압원(Vcc1)에 연결된 되고 제2 전극은 제2 탑 광변환소자(416)의 제1 전극에 연결된다.
제2 탑 광변환소자(416)는 게이트 탑 신호가 복제된 제2 탑 광신호를 출력한다. 이를 위해, 제2 탑 광변환소자(416)의 제1 전극은 제1 탑 광변환소자(414)의 제2 전극에 연결되고, 제2 전극은 제1 스위칭부(412)에 연결된다.
즉, 제1 탑 광변환소자(414)의 제1 전극에 연결된 전압원(Vcc1)으로부터 구동전압이 인가되고 있는 상태에서 제1 스위칭부(412)에 하이레벨의 게이트 탑 신호가 인가되면 제1 스위칭부(412)가 온됨에 따라 전압원(Vcc1), 제1 탑 광변환소자(414), 제2 탑 광변환소자(416), 제1 스위칭부(412), 및 접지(430)로 흐르는 전류패스(I1)가 형성되기 때문에 제1 탑 광변환소자(414) 및 제2 탑 광변환소자(416)는 하이레벨의 게이트 탑 신호에 대응되는 하이레벨의 광신호를 출력하게 된다.
또한, 제1 탑 광변환소자(414)의 제1 전극에 연결된 전압원(Vcc1)으로부터 구동전압이 인가되고 있는 상태에서 제1 스위칭부(412)에 로우레벨의 게이트 탑 신호가 인가되면 제1 스위칭부(412)가 오프 됨에 따라 전류패스(I1)가 형성되지 않기 때문에 제1 탑 광변환소자(414) 및 제2 탑 광변환소자(416)를 통해 로우레벨의 광신호가 출력된다. 이에 따라, 전기적 신호인 게이트 탑 신호가 광신호로 완전하게 복제된다.
제2 복제부(420)는 PWM 제어신호 중 파워스택(312a, 312b)의 레그 버텀(Leg bottom) 스위치에 인가될 게이트 버텀 신호를 2개의 버텀 광신호로 복제한다. 이를 위해 제2 복제부(420)는 제2 스위칭부(422), 제1 버텀 광변환소자(424), 및 제2 버텀 광변환소자(426)를 포함한다.
제2 스위칭부(422)는 PWM 제어신호 중 파워스택의 레그 버텀 스위치에 인가될 게이트 버텀 신호가 하이레벨일 때 온 되고, 게이트 버텀 신호가 로우레벨일 때 오프된다.
제1 버텀 광변환소자(424)는 게이트 버텀 신호가 복제된 제1 버텀 광신호를 출력한다. 이를 위해, 제1 버텀 광변환소자(424)의 제1 전극은 전압원(Vcc1)에 연결된 되고 제2 전극은 제2 버텀 광변환소자(426)의 제1 전극에 연결된다.
제2 버텀 광변환소자(426)는 게이트 버텀 신호가 복제된 제2 버텀 광신호를 출력한다. 이를 위해, 제2 버텀 광변환소자(426)의 제1 전극은 제1 버텀 광변환소자(424)의 제2 전극에 연결되고, 제2 전극은 제2스위칭부(422)에 연결된다.
즉, 제1 버텀 광변환소자(424)의 제1 전극에 연결된 전압원(Vcc1)으로부터 구동전압이 인가되고 있는 상태에서 제2 스위칭부(422)에 하이레벨의 게이트 버텀 신호가 인가되면 제2 스위칭부(422)가 온됨에 따라 전압원(Vcc1), 제1 버텀 광변환소자(424), 제2 버텀 광변환소자(426), 제2 스위칭부(422), 및 접지(430)로 흐르는 전류패스(I2)가 형성되기 때문에 제1 버텀 광변환소자(424) 및 제2 버텀 광변환소자(426)는 하이레벨의 게이트 버텀 신호에 대응되는 하이레벨의 광신호를 출력하게 된다.
또한, 제1 버텀 광변환소자(424)의 제1 전극에 연결된 전압원(Vcc1)으로부터 구동전압이 인가되고 있는 상태에서 제2 스위칭부(422)에 로우레벨의 게이트 버텀 신호가 인가되면 제2 스위칭부(422)가 오프 됨에 따라 전류패스(I2)가 형성되지 않기 때문에 제1버텀 광변환소자(424) 및 제2 버텀 광변환소자(426)를 통해 로우레벨의 광신호가 출력된다. 이에 따라, 전기적 신호인 게이트 버텀 신호가 광신호로 완전하게 복제된다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 전기적 신호인 PWM 제어신호를 광신호로 복제하기 때문에 복제된 신호간의 딜레이는 거의 제로(0)에 가깝게 되고, 따라서 각 모듈형 전력변환장치(310a~310n)으로 전달되는 PWM 신호가 동기화되지 않음으로 인해 발생되는 순환전류, THD(Total Harmonic Distortion) 증가 등과 같은 문제를 미연에 방지할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 제1 복제부(410)는 제1 논리소자(418)를 더 포함하고, 제2 복제부(420)는 제2 논리소자(428)를 더 포함할 수 있다.
제1 논리소자(418)는 게이트 탑 신호 및 외부에서 인가되는 구동전압(Vcc2)이 모두 하이레벨일 때 제1 스위칭부(412)를 온시키기 위한 온 신호를 제1 스위칭부(412)로 출력한다. 일 실시예에 있어서, 제1 논리소자(418)는 AND 게이트로 구현될 수 있다.
제2 논리소자(428)는 게이트 버텀 신호 및 외부에서 인가되는 구동전압(Vcc2)이 모두 하이레벨일 때 제2 스위칭부(422)를 온시키기 위한 온 신호를 제2 스위칭부(422)로 출력한다. 일 실시예에 있어서, 제2 논리소자(428)는 AND 게이트로 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 제1 복제부(410) 및 제2 복제부(420)가 제1 논리소자(418) 및 제2 논리소자(428)를 각각 포함하기 때문에, 구동전압이 인가되고 있는 상태에서만 하이레벨의 게이트 탑 신호 또는 하이레벨의 게이트 버텀 신호가 인가될 때 PWM 신호 복제가 수행될 수 있도록 함으로써 노이즈 등이 PWM 신호로 잘못 인식되어 광신호로 복제되는 것을 방지할 수 있어 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있게 된다.
다시 도 3을 참조하면, 고장모듈 처리부(332)는 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들 중 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 모듈차단기(318a~318n)를 트립시킴으로써 해당 모듈형 전력변환장치(310a~310n)를 전력시스템(300)으로부터 분리시킨다.
전력변환장치들을 병렬로 연결하여 구성한 일반적인 전력시스템의 경우 전력변환장치들 중 어느 하나의 전력변환장치에 고장이 발생하면 보호동작에 의하여 전력시스템 전체를 정지시킨 이후 고장 상황을 해제한 다음 전력 시스템을 재기동 하는 방식으로 운영이 이루어지기 때문에 연간 가동율이 저하될 수 밖에 없을 분만 아니라, 마이크로그리드와 같은 독립망에서 전력시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이 마스터로 운영 중인 환경하에서는 에너지 저장 시스템의 정지로 인해 망 전체가 정지하는 상황이 발생하게 되어 운영적인 측면에 심각한 문제를 초래 할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 고장모듈 처리부(332)가 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들 중 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)만을 선택적으로 차단시킬 수 있도록 함으로써 정상운전이 가능한 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들을 이용하여 연속운전이 가능하도록 하게 한 것이다.
이를 위해, 고장모듈 처리부(332)는 도 7에 도시된 바와 같이, 신호입력부(710), 제1 신호 출력부(720) 및 제2 신호 출력부(730)를 포함한다.
신호 입력부(710)는 n개의 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 오류 발생시, 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)로부터 오류신호를 입력받는다.
일 실시예에 있어서, 모듈형 력변환장치(310a~310n)의 오류는 파워스택(312a~310n)의 게이트 보드에서 발생되는 제1 타입의 오류 및 모듈형 전력변환장치(310a~310n) 중 게이트 보드를 제외한 타 부품에서 발생되는 제2 타입의 오류를 포함할 수 있다.
따라서, 신호 입력부(710)는 모듈형 전력변환장치(310a~310n)로부터 제1 타입의 오류가 입력되는 제1 신호 입력부(712)와 제2 타입의 오류가 입력되는 제2 신호 입력부(714)를 포함할 수 있다.
제1 신호 출력부(720)는 신호 입력부(710)를 통해 오류신호가 입력되면 해당 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 모듈차단기(318a~318n)에 대한 트립(Trip) 명령을 생성하여 해당 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 모듈차단기(318a~318n)로 전송한다.
도 8에 도시된 예에서 알수 있듯이, 병렬로 연결된 모듈형 전력변환장치들 중에서 제3 모듈형 전력변환장치(310c)의 내부에 고장이 감지되고 나머지 모듈형 전력변환장치(310a, 310b, 310d~310n)은 정상이라고 판단되면 제1 신호 출력부(720)는 고장이 발생한 제3 모듈형 전력변환장치(310c)의 모듈차단기(318c)를 트립시킴으로 제3 모듈형 전력변환장치(310c)를 전력 시스템(300)으로부터 분리시키게 되므로 나머지 모듈형 전력변환장치(310a, 310b, 310d~310n)들은 정지 없이 정상적으로 운전을 지속할 수 있게 된다.
도 9는 도 8에 도시된 예의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다. 정격 운전 중 제3 모듈형 전력변환장치(Module 3)에서 고장이 검출되었기 때문에 제3 모듈형 전력변환장치(Module 3)은 모듈차단기의 트립에 의해 전력시스템에서 분리되고, 나머지 정상운전이 가능한 모듈은 연속운전을 수행하고 있는 것을 확인 할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 제2 신호 출력부(730)는 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 모듈차단기(318a~318n)의 트립이 완료되면 해당 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 트립상태(Trip Status)에 대한 정보를 제어기(320)로 전달한다. 제2 신호 출력부(730)가 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 트립상태를 제어기(320)로 전달함에 따라 제어기(320)는 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치(310a~310n)의 개수를 기초로 모듈형 전력변환장치(310a~310n)가 부담할 전력지령치를 재산출하게 된다.
일 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 고장모듈 처리부(332)는 PLD(Programmable Logic Device)로 구현될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, DC차단기(340)는 사고발생시 전력시스템(300)을 DC측으로부터 분리시키는 역할을 수행하고, AC 차단기(350)는 사고발생시 전력시스템(300)을 AC측으로부터 분리시키는 역할을 수행한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 도 3에서는 제어기(320) 및 인터페이스보드(330)가 모듈형 전력변환장치(310a~310n)와 분리된 구성인 것으로 설명하였지만, 변형된 실시예에 있어서 제어기(320) 및 인터페이스보드(330)는 모듈형 전력변환장치(310a~310n)들 중 어느 하나의 내부에 실장될 수도 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
300: 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템
310a~310n: 모듈형 전력변환장치 312a~312n: 파워스택
314a~314n: 필터 캐패시터 316a~316n: 필터 리액터
318a~318n: 모듈차단기 320: 제어기
330: 인터페이스보드 332; PWM 제어신호 복제부
334: 고장모듈 처리부 340: DC 차단기
350: AC차단기 410: 제1 복제부
412: 제1 스위칭부 414: 제1 탑 광변환소자
416: 제2 탑 광변환소자 420: 제2 복제부
422: 제2 스위칭부 424: 제1 버텀 광변환소자
426: 제2 버텀 광변환소자

Claims (15)

  1. 전력변환기능을 수행하기 위한 파워스택, 필터 캐패시터, 필터 리액터, 및 모듈차단기가 단일 랙(Rack) 내에 구비된 n(n은 1보다 큰 자연수)개의 모듈형 전력변환장치;
    상기 n개의 모듈형 전력변환장치의 제어를 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어기;
    상기 PWM 제어신호를 n개의 광신호로 복제하여 상기 n개의 모듈형 전력변환장치로 전달하는 PWM 제어신호 복제부; 및
    상기 n개의 모듈형 전력변환장치들 중 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치의 모듈차단기를 트립시키는 고장모듈 처리부를 포함하고,
    상기 모듈형 전력변환장치의 오류는 상기 파워스택의 게이트 보드에서 발생되는 제1 타입의 오류 및 상기 모듈형 전력변환장치 중 상기 게이트 보드를 제외한 타 부품에서 발생되는 제2 타입의 오류를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어신호 복제부는
    상기 PWM 제어신호 중 상기 파워스택의 레그 탑(Leg Top) 스위치에 인가될 게이트 탑 신호를 n개의 탑 광신호로 복제하는 제1 복제부; 및
    상기 PWM 제어신호 중 상기 파워스택의 레그 버텀(Leg Bottom) 스위치에 인가될 게이트 버텀 신호를 n개의 버텀 광신호로 복제하는 제2 복제부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어신호 복제부는
    상기 PWM 제어신호 중 상기 파워스택의 레그 탑 스위치에 인가될 게이트 탑 신호가 하이레벨일 때 온되는 제1 스위칭부; 및
    서로 직렬로 연결되고, 상기 제1 스위칭부가 온되면 상기 하이레벨의 게이트 탑 신호가 복제된 n개의 탑 광신호를 동시에 출력하는 n개의 탑 광변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 n개의 탑 광변환소자는
    상기 게이트 탑 신호가 복제된 제1 탑 광신호를 출력하는 제1 탑 광변환소자; 및
    상기 게이트 탑 신호가 복제된 제2 탑 광신호를 출력하는 제2 탑 광변환소자를 포함하고,
    상기 제1 탑 광변환소자의 제1 전극은 전압원에 연결되고 제2 전극은 상기 제2 탑 광변환소자의 제1 전극에 연결되며,
    상기 제2 탑 광변환소자의 제1 전극은 상기 제1 탑 광변환소자의 제2 전극에 연결되고 제2 전극은 상기 제1 스위칭부에 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 PWM 제어신호 복제부는
    상기 게이트 탑 신호 및 외부에서 인가되는 구동전압이 모두 하이레벨일 때 상기 제1 스위칭부를 온시키기 위한 온 신호를 상기 제1 스위칭부로 출력하는 제1 논리소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어신호 복제부는
    상기 PWM 제어신호 중 상기 파워스택의 레그 버텀 스위치에 인가될 게이트 버텀 신호가 하이레벨일 때 온 되는 제2 스위칭부; 및
    서로 직렬로 연결되고, 상기 제2 스위칭부가 온되면 상기 하이레벨의 게이트 버텀 신호가 복제된 n개의 버텀 광신호를 동시에 출력하는 n개의 버텀 광변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 n개의 버텀 광변환소자는
    상기 게이트 버텀 신호가 복제된 제1 버텀 광신호를 출력하는 제1 버텀 광변환소자; 및
    상기 게이트 버텀 신호가 복제된 제2 버텀 광신호를 출력하는 제2 버텀 광변환소자를 포함하고,
    상기 제1 버텀 광변환소자의 제1 전극은 전압원에 연결되고 제2 전극은 상기 제2 버텀 광변환소자의 제1 전극에 연결되며,
    상기 제2 버텀 광변환소자의 제1 전극은 상기 제1 버텀 광변환소자의 제2 전극에 연결되고 제2 전극은 상기 제2 스위칭부에 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 PWM 제어신호 복제부는
    상기 게이트 버텀 신호 및 외부에서 인가되는 구동전압이 모두 하이레벨일 때 상기 제2 스위칭부를 온시키기 위한 온 신호를 상기 제2 스위칭부로 출력하는 제2 논리소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고장모듈 처리부는.
    상기 n개의 모듈형 전력변환장치의 오류 발생시, 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치로부터 오류신호를 입력받는 신호 입력부; 및
    상기 신호입력부를 통해 오류신호가 입력되면 해당 모듈형 전력변환장치의 모듈차단기에 대한 트립명령을 생성하여 해당 모듈차단기로 전송하는 제1신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고장모듈 처리부는.
    상기 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치의 모듈차단기가 트립되면 해당 모듈형 전력변환장치의 트립상태에 대한 정보를 상기 제어기로 전달하는 제2 신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 n개의 모듈형 전력변환장치는 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어신호는 상기 모듈형 전력변환장치가 부담할 전력지령치를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 n개의 모듈형 전력변환장치 중 오류가 발생된 모듈형 전력변환장치가 분리되면, 상기 모듈형 전력변환장치가 분담할 전력지령치를 재산출하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어기 및 상기 PWM 제어신호 복제부는 상기 n개의 모듈형 전력변환장치 중 어느 하나에 실장되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력변환장치 기반의 전력시스템.
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