KR102048603B1 - 다수의 dc 소스를 갖는 양방향 에너지 컨버터 - Google Patents

다수의 dc 소스를 갖는 양방향 에너지 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오프 그리드와 온 그리드로 동작할 수 있는 DC 저장소자들을 갖춘 시스템에 사용할 장치와 방법을 포함해 별도의 DC소스들과 AC 소스를 갖는 양방향 적층 전압원에 관한 것으로, 주로 에너지저장이 가능한 발전분야, 전기자동차, 에너지 저장장치, 데이터센터 전력관리를 위한 UPS 및 모터 드라이브 등에 이용된다.

Description

다수의 DC 소스를 갖는 양방향 에너지 컨버터{BI-DIRECTIONAL ENERGY CONVERTER WITH MULTIPLE DC SOURCES}
본 발명은 적어도 하나의 AC 소스와 별도의 DC소스들을 갖는 양방향 적층 전압원에 관한 것으로, 구체적으로는 오프 그리드와 온 그리드로 동작할 수 있는 DC 저장소자들을 갖춘 시스템에 사용할 장치와 방법을 포함해 별도의 DC소스들과 AC 소스를 갖는 양방향 적층 전압원에 관한 것이다. 이런 기술 분야는 저장이 가능한 발전분야, 전기자동차, 에너지 저장장치, 데이터센터 전력관리를 위한 UPS 및 모터 드라이브가 있지만 이에 한정되지도 않는다.
미국특허 7,796,412에 소개된 전력변환장치는 전력 스테이지마다 각각 DC 입력 전력을 DC 출력 전력으로 변환할 수 있는 적어도 2개의 전력 스테이지; 제1 DC 전력에 의거해, 제1 DC 전력을 제2 DC 전력으로 변환하는 전력 스테이지를 서택하는 컨트롤러; 및 전력 스테이지에 연결되어 제2 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 출력회로를 갖는다.
미국특허 8,089,178에 소개된 PAMCC(pulse amplitude modulated current converter)는 개별 DC 소스에 연결되고, 직류전류를 받아 3개 출력단자에서 펄스폭 변조전류를 공급하는데, 각 단자의 전류는 서로 120도의 위상차를 이룬다. 이들 펄스는 펄스 시퀀스로 변조된 신호에 대해 고주파로 생산된다. 펄스 시퀀스로 변조된 신호는 저주파 사인파나 DC를 포함한 다른 주파수 파형의 일부분을 이룬다. 각 위상 출력이 비슷한 PAMCC의 출력에 병렬로 연결될 때, PAMCC의 배열이 형성되는데, 각 전압 위상의 출력펄스는 다른 PAMCC의 해당 전류 출력펄스에 대해 위상차가 있다. PAMCC의 배열은 분산형 3상 다상 인버터를 형성하고, 인버터의 전체 출력들은 각각의 위상에서 각각의 PAMCC에 의해 변조된 전류펄스 진폭의 복조 합이 된다.
위의 2가지 방식에서, 병렬 그리드에 고전압 스위칭소자들을 사용해야만 한다. 이런 방식의 단점은 고전압 설계로 인한 반도체 소자의 높은 비용과, 높은 스위칭손실로 인한 상대적으로 낮은 작동주파수에 있다. 또, 낮은 스위칭 주파수 때문에 고가의 대형 저역통과 필터가 필요하다.
본 발명은 이런 문제점을 감안하여 안출된 것으로, AC 전력시스템에 사용할 수 있도록 높은 스위칭 주파수와 고효율로 동작할 수 있는 인버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 요약
본 발명은 전력변환 방법과 장치를 제공한다. 이 시스템은 그리드 저장장치, 무정전 전력공급, 전기자동차 동력장치 등을 포함한 다수의 작동 옵션들을 지원한다. 이를 위해, 멀티플 DC 소스 양방향 에너지 컨버터는 다수의 DC 전력원; 하나의 AC 전력원; 인덕터에 연결되어 있는 적어도 2개의 풀브리지 컨버터를 갖고, DC 전력원에 각각 연결되는 하나 이상의 적층 AC 위상; 및 풀브리지 컨버터에 연결되어, 풀브리지 컨버터의 스위칭소자달의 작동 순서를 제어함으로써, 일방향으로 전압원 인버터로 동작했을 때는 사인파형 전압파를 생성하거나 반대 방향으로 전파(full-wave) 능동 정류기로 작동했을 때는 일정한 DC 출력을 내도록 하는 로컬 컨트롤러를 포함한다.
또, 멀티플 DC 소스 양방향 에너지 컨버터는 다수의 DC전력원; 하나의 AC 전력원; 각각 DC 전력원에 연결되고, 1차노드와 2차노드, 양극노드와 음극노드, 양극노드와 음극노드 사이에 병렬로 연결된 전압지원기, 및 1차노드와 2차노드 사이에 연결된 인덕터를 가지며, 양극노드와 음극노드 사이에 DC 전력원이 연결되어 있는 2개 이상의 풀브리지 컨버터; 다수의 풀브리지 컨버터들을 갖는 적어도 하나의 적층 AC 위상; 로컬 컨트롤러; 및 로컬 컨트롤러와 통신하는 시스템 컨트롤러;를 포함하고, 각각의 풀브리지 컨버터는 서로 직렬연결되며, 풀브리지 컨버터들 중의 하나의 2차노드는 다른 풀브리지 컨버터들의 1차노드에 연결되며, 상기 직렬연결로 제1 풀브리지 컨버터와 최종 풀브리지 컨버터가 형성되며, 각각의 AC 위상은 입력노드가 상기 제1 풀브리지 컨버터의 1차노드에 있고 출력노드가 상기 최종 풀브리지 컨버터의 2차노드에 있으며, 상기 AC 위상에 AC 전력원이 연결되고; 상기 로컬 컨트롤러는 각각의 풀브리지 컨버터에 연결되어 풀브리지 컨버터내의 스위칭기기의 작동순서를 제어하여, 일방향으로 전압원 인버터로 동작했을 때 사인파형 전압파형을 생성하거나, 반대방향으로 전파 능동 정류기로 작동했을 때 일정한 DC 출력을 생성하며; 시스템 컨트롤러는 로컬 컨트롤러의 구성, 활성화, 비활성화 및 동작 모드 선택을 위한 시스템 제어신호를 생성한다.
또, AC 전력시스템에 전력을 공급하는 DC 전압원은 1차노드와 2차노드, 양극노드와 음극노드, 양극노드와 음극노드 사이에 병렬로 연결된 전압지원기, 및 양극노드와 음극노드 사이에 연결된 DC 소스를 갖는 다수의 풀브리지 인버터들; 상기 풀브리지 인버터들을 다수 갖는 적어도 하나의 적층 인버터 위상으로서, 각각의 적층 인버터 위상의 풀브리지 인버터들 각각은 다른 풀브리지 인버터의 1차노드에 연결된 하나의 풀브리지 인버터의 2차노드에 직렬로 연결되고, 이런 직렬연결이 제1 풀브리지 인버터와 최종 풀브리지 인버터를 형성하며, 각각의 위상은 제1 풀브리지 인버터의 1차노드에 입력노드, 그리고 최종 풀브리지 인버터의 2차노드에 출력노드를 갖는 적어도 하나의 적층 인버터 위상; 각각의 풀브리지 인버터에 연결되어, 풀브리지 인버터에 대한 제어신호를 생성하여 사인파형 전압파를 출력하도록 하고, 상기 풀브리지 인버터와 함께 BIU(basic inversion unit)를 구성하는 로컬 컨트롤러; 각각의 BIU의 로컬 컨트롤러와 통신하고, BIU의 구성, 활성화, 비활성화 및 작동 모드 선택을 위한 시스템 제어신호를 생성하는 시스템 컨트롤러를 포함한다. 시스템은 다수의 DC소스의 평균 DC전압을 기준 DC 전압과 비교해 제1 에러신호를 싱성하고; 상기 감지된 평균 AC 전류를 평균 DC 전류와 비교해 제2 에러신호를 생성하며; 사인파형 전압파에 대한 제1, 제2 에러신호들에 의거하여 풀브리지 인버터들을 활성화-비활성화 시킨다. 이 방법은 아래와 같이 이루어질 수 잇다. 이 방법에서, 다수으 DC소스들의 DC 전압과 전류를 감지하여 전력을 계산하고, 이런 DC 전압과 전류의 평균값을 기준 DC 전압 및 전류와 비교하고, 상기 평균값을 상기 감지된 평균 AC 전류와 비교하며, 제2 에러신호로부터의 위상변조신호와 AC 라인전압 감지 주기를 생성한다. AC 라인전압 주기는 PLL(phase locked loop)을 이용해 감지한다. 이 방법은 변조지수를 결정하고, 이런 변조지수의 기준 테이블을 제공한다. 한편, DSP(digital signal processor)를 이용해 위방변조 신호로부터 스위칭소자 작동신호들을 계산할 수 있다. 이 방법은 BIU와 시스템 컨트롤러 사이의 통신을 이용해, BIU작동범위를 조절하고 필요에 따라 각각의 BIU의 활성화/비활성화를 결정한다. 또, 하나의 도체를 사용해 다수의 풀브리지 인버터들을 직렬로 연결할 수 있다.
시스템 컨트롤러는 하나의 BIU는 전류원으로 사용하고 다수의 BIU는 전압원으로 사용할 수 있다.
또, 시스템 컨트롤러가 전압원으로 동작하는 다수의 BIU들을 제어할 수 있다.
이 시스템은 아래 특징들을 가질 수 있다. 3개의 적층 인버터 위상들을 사용해 와이(Y) 결선이나 델타(Δ) 결선으로 연결할 수 있다.
각각의 BIU는 각각의 스테이지가 고장날 경우 출력을 선택적으로 단락하는 스위치를 갖추어, 나머지 직렬연결된 BIU들을 계속 작동하도록 한다. 풀브리지 인버터는 제1 스위치쌍과 제2 스위치쌍을 갖는데, 각각의 스위치쌍은 전류 흐름을 조절하는 다수의 스위칭수단들을 갖고, 각각의 스위칭수단은 제1 단부와 제2 단부를 가지며, 상기 제1 스위치쌍은 풀브리지 인버터의 양극노드에 상기 제1 단부를 연결한 다수의 스위칭수단들을 갖고, 상기 제1 스위치쌍의 스위칭수단들 중의 하나의 제2 단부는 상기 1차노드에 연결되고, 나머지 스위칭수단들의 제2 단부는 상기 2차노드에 연결되며, 상기 제2 스위치쌍의 다수의 스위칭수단들은 제2 단부에서 풀브리지 인버터의 음극노드에 연결되고, 제2 스위치쌍의 스위칭수단들 중의 하나의 제1 단부는 상기 1차노드에 연결되며, 제2 스위치쌍의 나머지 스위칭수단들의 제1 단부는 상기 2차노드에 연결된다. 1차노드는 인덕터에 연결될 수 있다. 2차노드가 인덕터에 연결될 수 있다. AC 그리드 위상에 BIU를 동기화하는데 사용할 로컬 AC 전압기준을 생성하기 위해 1차노드와 2차노드 사이에 커패시터를 연결한다. 각각의 BIU는 커패시터가 있을 때의 라인 주파수를 감지한다. 커패시터는 각각의 소자가 고장났을 때의 역전류 흐름에 대한 단기간의 보호를 한다. 스위칭소자는 게이트 턴오프 소자와 역병렬 소자로서, 서로에 대해 병렬로 역바이어스되어 연결된다. 게이트 턴오프 소자는 게이트 턴오프 사이리스터(thyristor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), MOSFET(field effect transistor), MESFET(metal semiconductor FET), JFET(junction gate field-effect transistor), MOSFET 제어 사이리스터, BJT(bipolar junction transistor), SIT(static induction transistor), SIT(static induction thyristor), MOSFET 턴오프 사이리스터, GaN(gallium nitride) 트랜지스터, SiC(silicon carbon) 트랜지스터로 이루어진 군에서 선택된 소자를 포함한다. 역병렬소자는 다이오드다. 각각의 풀브리지 인버터는 커패시터, 배터리, 연료전지, 태양전지, 태양전지 모듈 또는 바이오전지에 연결될 수 있다. BIU내의 풀브리지 인버터와 DC 전력원 사이에 승압/감압 조절회로를 배치할 수 있다. 태양전지를 포함한 DC 소스에 사용했을 때 각각의 BIU내의 DC 전압에 부과된 AC 전압변조를 능동필터로 분리할 수 있다. 그리드 전압과 위상을 일치시키는데 사용되는 BIU의 갯수는 가변적이다. BIU마다 DC 전력이 다를 수 있다. 가변 갯수의 BIU를 각각의 위상에 사용할 수 있다.
또, 다수의 DC 소스들을 사인파형 전압파로 변환하는 방법은 적층 위상을 AC 그리드에 연결하는 곳에서 그리드 AC 전압을 감지하는 단계; 시스템 컨트롤러가 적층 BIU의 AC 시동전압을 계산하는 단계; 전력을 계산하고, 최대 전력점 추적 알고리즘을 구현하며 기준 DC 전압을 생성하는 단계; 상기 입력 DC 전압들의 평균을 구하는 단계; 상기 평균 DC 전압을 기준 DC 전압과 비교하는 단계; 이런 비교로부터 제1 에러신호를 생성하는 단계; DC 전압원들의 평균 DC 전압을 감지된 AC 전류와 비교하는 단계; 이런 비교로부터 제2 에러신호를 생성하는 단계; 제2 에러신호로부터 위상변조신호를 생성하는 단계; 상기 AC 라인전압의 주기에 직접 관련된 위상 기준신호를 생성하는 단계; 상기 위상 기준신호를 이용해 풀브리지 인버터용의 다수의 작동 기준신호들을 생성하는 단계; 변조지수를 결정하는 단계; 및 변조지수의 기준 테이블을 제공하는 단계를 포함한다. 릴레이, 고체소자 스위치 등의 출력 단락수단은 선택사항이다. 각 BIU는 직렬연결된 BIU들이 고장나거나 작동에 필요한 DC 입력전력을 갖지 않아 시스템이 동작하지 않을 가능성을 kd지하는 단락수단을 가질 수 있다. 단락수단의 제어는 로컬 컨트롤러나 시스템 컨트롤러에 의한다. 시스템 컨트롤러는 적층 BIU들에 의한 발전 이전에 각각의 BIU의 동기화를 위해 위상 기준신호를 내는 전류제한기가 달린 적어도 하나의 병렬 스위치를 닫을 수 있다.
한편, 다수의 DC 소스들을 사인파형 전압파로 변환하는 방법은 다수의 DC 소스들의 평균 DC 전압을 감지하는 단계; 및 감지된 DC 전압에 의거 다수의 풀브리지 인버터들을 활성화/비활성화하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법에서는 BIU와 시스템 컨트롤러 사이의 통신이 이루어지고, AC 전압을 감지하며, 전압이 시스템 컨트롤러의 계산 범위를 벗어나면 제1 전압 기준신호를 생성한다. 또, 전압이 상기 범위내에 있으면 제1 전류 기준신호를 생성한다. 또, AC 전압들의 평균을 구하고, 이 평균값을 기준 DC 전압과 비교하거나, AC 전류들의 평균을 구하고 이 평균값을 기준 DC 전류와 비교하기도 한다. 또, 사용자의 명령신호로부터 위상편이 신호를 생성한다. 또, 주기를 갖는 AC 라인전압을 감지하고, 이 주기에 직접 관련된 위상 기준신호를 생성한다. 또, 위상 기준신호와 위상편이 신호를 이용해 다수의 풀브리지 인버터들용의 작동신호들을 생성한다. 또, 변조지수를 결정하고, 변조지수용 기준 테이블을 제공한다. 또, 위상편이 신호를 업다운 디지털 카운터에 비교해 작동신호를 결정하기도 한다.
본 발명의 시스템은 새롭고 개선된 적층 전압원 인버터, 구체적으로는 고전압 고전력 AC 시스템에 연결될 적층 전압원 인버터를 제공한다. 이 시스템은 그리드에 대해 와이나 델타형의 적층 전압원 인버터 인터페이스를 제공한다. 이 시스템에서는 인버터마다 2개의 케이블만 필요하여, 효율이 높과 크기조절도 가능하다. 이 시스템은 단상이나 3상 동작에 적용할 수 있다. 이 시스템은 신뢰도가 높고 파형율(form factor)가 낮으며, 아주 경량이고, 융통성이 높고, 하나의 BIU 구성으로도 다수의 그리드 전압과 주파수를 지원할 수 있다.
도 1은 그리드 저장에 사용되는 전력제어 시스템의 회로도;
도 2는 데이터센터에 적용할 전력제어시스템의 회로도'
도 3은 전기자동차에 적용되는 적층 인버터의 회로도;
도 4는 온그리드(on-grid) 방전용의 전력제어 시스템의 회로도;
도 5는 온그리드 제어충전용의 전력제어 시스템의 회로도;
도 6은 로컬 컨트롤러의 방전모드에서의 순서도;
도 7은 로컬 컨트롤러의 충전모드에서의 순서도
도 8은 로컬 컨트롤러에서 사용하는 PLL의 회로도;
도 9는 시스템 컨트롤러의 방전모드에서의 순서도;
도 10은 시스템 컨트롤러의 배터리 충전모드에서의 순서도;
도 11은 시스템 컨트롤러가 오프-그리드 제어를 위한 순서도;
도 12는 BIU의 로컬 컨트롤러가 오프-그리드 제어를 하는 순서도;
도 13은 시스템 컨트롤러의 오프-그리드 제어를 위한 순서도.
본 발명은 도 1의 그리드 저장, 도 2의 데이터센터 및 도 3의 전기자동차에 적용되지만 이에 한정되지도 않는다. 이들 3가지 예는 표준 배터리의 충방전에 관한 필요조건이 상당히 비슷하여, 다수의 소형 배터리를 이용해 전력을 모은다. 경우에 따라서는 수천개를 하나로 묶어 대형 에너지 저장 설비를 만들 수도 있다. 본 발명은 신뢰성과 효율이 높고, 저렴하고 경량소형이며 양방향성이다. 또, 양방형성이고 배터리 충전 변환이 가능해, 배터리 수명이 늘어나고 보조서비스도 강력하며, 화재의 위험도 줄어든다. 배터리에서 일어나는 변환과 충방전 때문에, AC 배터리의 구현이 가능하며, 모바일 운반과 저장에도 적용할 수 있다. 본 발명은 DC-AC의 저전압 변환과 AC-DC의 정류가 가능하고, 새로운 시스템 제어를 이용해 전압을 직렬로 적층해, 기존의 다른 방식보다 우수한 최종 전기출력이나 입력을 생산할 수 있다.
도 1은 그리드 저장에 사용되는 전력제어 시스템의 회로도로서, BIU(520; basic inversion unit)에 전력을 공급하는 배터리와 같은 다수의 에너지 저장장치(522)를 갖는다. BIU는 로컬 컨트롤러와, LC 출력필터를 갖춘 풀브리지 인버터로 구성되고, 시스템 디자인을 지원하기 위해 다른 DC 전압버스가 필요할 경우 DC/DC 컨버터를 더 갖출 수 있다. DC/DC 컨버터는 DC 소스전압에서부터 DC 버스전압을 높이는 승압기나 낮추는 감압기이다. BIU가 로컬컨트롤러와, LC 출력필터를 갖춘 , 풀브리지 인버터로 구성되면서, DC 소스와 AC 소스 사이에 갈바닉 절연을 하는 양방향 절연 DC/DC 컨버터를 더 포함할 수도 있다.
BIU(520)는 서로 직렬로 연결되고, 그 출력은 로컬컨트롤러로 제어된다. 직렬연결된 BIU들(520)의 출력은 스위치 K1(528)와 그리드(534)에 직렬인 저항(526)에 연결된다. BIU들이 신호를 이용해 그리드 주파수를 결정한다. 일단 BIU들이 동기화되어 작동하면, 스위치 K2(530)가 닫혀, BIU들이 그리드(534)에 연결된다. 스위치(528,530)는 고체소자 스위치나 릴레이이고, 시스템 컨트롤러의 제어하에 과전류 없이 소프트 스타트를 한다. 정상 작동중에, 시스템 컨트롤러는 필요하다면 특정 BIU에서 생산된 전력량을 업데이트하여 DC 소스 밸런싱(예; 배터리) 역할을 한다. 시스템은 다수의 직렬연결 BIU들을 취급하는데, 한 시스템의 BIU의 최대수와 최소수는 모든 직렬연결 풀브리지 인버터들에 걸린 총 그리드 전압과, 각각의 BIU의 최대-최소 AC 출력전압에 의해 결정된다. 각각의 BIU는 전압원 역할을 하여, 효율적인 BIU 적층을 실현한다. 시스템 컨트롤러는 통신채널을 통해 BIU와 통신한다. 통신채널은 전력선 통신채널처럼 유선으로 연결되거나, Zigbee 트랜시버처럼 무선이거나, 별도의 유선을 이용할 수 있다. 시스템 컨트롤러는 비정상 그리드 상태를 감지하는 알고리즘과, 스위치 K1, K2를 제어하여 적층된 BIU 시스템을 그리드에서 분리하는 방법을 실행하기도 한다.
한편, BIU 하나만 전류원이고, 나머지 BIU는 전압원으로 사용할 수도 있다.
3개의 직렬연결된 BIU 그룹을 3상 인버전 시스템으로 구성할 수도 있다.
도 2는 데이터센터에 적용할 전력제어시스템의 회로도이다. 전력망이 단전될 경우, K3(530)이 파워그리드에서 부하(540)의 연결을 끊고 UPS 시스템에 연결한다. 이런 기능은 시스템 컨트롤러(524)에 의한다. 파워그리드가 고장날 경우, 시스템 컨트롤러는 K1을 닫고 과전류 없이 BIU들을 작동하여 UPS 시스템의 작동을 시작한다. 도 1과 마찬가지로, 도 2의 구성에도 BIU(520)에 DC전력을 공급하는 배터리와 같은 다수의 에너지 저장장치(522)가 있다. BIU(520)는 서로 직렬 연결되고, 각 BIU의 출력은 로컬 컨트롤러의 제어를 받는다. 직렬연결된 BIU들(520)의 출력도 저항(526)에 직렬연결되는데, 이때 스위치 K1(528)가 이용된다. 스위치 K1은 BIU내의 프리차지 커패시터에 제한된 전류 경로를 제공한다. 스위치(530)는 그리드(534)나 IT 부하(540)에 연결된다. 스위치는 제1 위치에서는 IT 부하(540)를 그리드(534)에 연결하고, 제2 위치에서는 부하(540)를 UPS에 연결한다. 스위치들(528~532)은 고체소자 스위치나 릴레이이고, 시스템 컨트롤러의 제어를 받는다. 이 시스템은 다수의 직렬연결된 BIU들을 취급하는데, 각 시스템의 BIU의 최대수와 최소수는 모든 직렬연결 풀브리지 인버터들에 걸린 총 그리드 전압과, 각각의 BIU의 최대-최소 AC 출력전압에 의해 결정된다. BIU 하나는 전류원이고, 나머지 전류는 이 전류의 주파수를 고정하는데 사용된다. 나머지 BIU는 효과적인 BIU 적층을 위해 전압원 역할을 한다.
한편, K1 스위치를 IT 부하에 직접 연결하여 UPS를 아이들 모드로 작동할 수도 있다. 그리드가 고장나면, 시스템 컨트롤러는 K3는 열고 K2는 닫는다. 이런 변화가 아주 빨리 일어나므로, IT 부하에 대한 전력공급 중단이 없어진다.
도 3은 전기자동차에 적용되는 적층 인버터의 회로도이다. 도 1~2와 마찬가지로, 도 3의 실시예도 BIU(520)에 전력을 공급하는데 배터리와 같은 에너지 저장장치(522) 여러개를 이용한다. 정상상태에서, 스위치 K3(535)는 모터를 양방향 컨버터 시스템에 연결한다. K3(535)는 그리드나 발전용 브레이크 소스에 연결되어 배터리를 충전한다. 이 기능은 시스템 컨트롤러(524)에 의한다. 충전모드에서, 스위치 K1은 BIU내의 프리차지 커패시터에 대한 제한된 전류의 경로를 제공한다. BIU가 동작하면, 시스템 컨트롤러는 스위치 K2(530)를 연결하고, 이 스위치는 솔레노이드(532)의 제어를 받는다. 스위치(528,530)의 출력단에 솔레노이드(536)의 제어를 받는 스위치(535)가 배치된다. 스위치(535)는 제1 위치에서 그리드(534)에 연결되고 제2 위치에서 모터(538)에 연결된다. 이들 스위치는 고체소자 스위치나 릴레이로서, 시스템 컨트롤러의 제어를 받는다. 시스템 컨트롤러(524)와 BIU(520) 사이에 제공되는 통신채널(540)은 유무선 또는 전력선으로 연결된다.
도 4는 온그리드(on-grid) 방전용의 전력제어 시스템의 회로도로서, 배터리와 같은 에너지 저장장치(530)가 DC 출력을 풀브리지 인버터(532)에 공급한다. 풀브리지 인버터(532)의 출력은 저역통과 필터(534)에 공급되고, 이 필터는 LC(inductor-capacitor)형 필터이다. 필터(534)의 출력은 AC 전력 그리드나 AC 전력버스에 공급되고, 로컬 컨트롤러(550)의 제어를 받는다. 시스템 컨트롤러(540)는 적층된 BIU들의 출력전압과 전류를 감시한다. 시스템 컨트롤러는 인버터(532)에서 생긴 전압과 전류를 조절하기 위해 리미터(558)의 변수들을 설정하는 명령어를 통신모듈(568)에 보낸다.
에너지 저장장치(530)의 전압과 전류는 멀티플라이어(551)의 감시를 받고, 멀티플라이어의 출력은 전력제어기(556)를 구동하는 합산기(554)로 보내지며, 전력제어기는 비례적분 제어기일 수 있다. 전력제어기의 출력이 기준전류이다. 전력제어기(556)의 출력단은 리미터(558)에 연결되어 변조지수 m을 출력한다. 멀티플라이어(560)은 리미터(558)와 PLL(570; phase lock loop)의 출력을 받아 m sinθ를 출력한다. 리미터(558)와 PLL(570)은 저역통과필터(534)를 통해 공급되는 그리드 출력을 감시한다. 멀티플라이어(560)의 출력은 풀브리지 인버터(532)를 구동하는 PWM 드라이버와 같은 드라이버(566)에 공급된다.
도 5는 온그리드 제어충전용의 전력제어 시스템의 회로도로서, 도 4의 시스템과 비슷하지만, 멀티플라이어(551)와 리미터(558) 사이에 배터리전력과 전압신호가 추가된다. 이 모드에서는 그리드의 에너지로 배터리를 충전한다.
도 6은 로컬 컨트롤러의 방전모드에서의 순서도로서, 610 단계에서 최대/최소 전압을 시스템 컨트롤러에서 받은 다음, 612 단계에서 인버터 출력전압 Vom과 전류 Iom을 출력한다. 이어서, 614 단계에서 출력 기준전압 Voref=Vommin이면 전압제어기 루프가 작동한다. 616 단계에서 에러신호 ε가 Voref-Vom으로 결정되면 변조지수 m이 k1*ε+k2*ε/s로 계산된다(618 단계).
614 단계에서 Vom이 Vommin 이상이면, Vom>Vommax인지를 결정하고(620), 그렇다면 기준 출력전압 Voref=Vommax로, ε=Voref-Vom으로 하며(622), 전압제어 젱한루프가 작동한다. 이어서, 624 단계에서 m=k1*ε+k2*ε/s로 정한다. Vom>Vommax이 아니면, 정상 전류루프가 작동하여 Ioref=Iref, ε=Iref-Iom으로 한다(626 단계). 이어서, m=k3*ε+k4*ε/s로 한다(628 단계).
618, 624 또는 628 단계에서, 변조지수 m이 허용범위에 있는지 체크한다. m이 mmin이면 Vommin/Vp이고 mmax이면 Vomax/Vp이다(630 단계). 다음, 632 단계에서 m>mmax인지 판단해서, 그렇다면 m=mmax로 하고(634), 아니라면 m<mmax인지 판단하고(636) m<mmax일 경우 m=mmin으로 한다(636).
도 7은 로컬 컨트롤러의 충전모드에서의 순서도이다. 시스템 컨트롤러에서 최대/최소 전압을 받는다(610). 다음, 인버터 출력전압 Vom과 전류 Iom을 샘플링한다(612). 다음, Vom<Vommin인지 판단하고(614), Voref=Vommin이면 전압제어루프가 작동한다. ε=Voref-Vom으로 한 다음(616), m=k1*ε+k2*ε/s를 계산한다(618).
614 단계에서 Vom이 Vommin 이상이면, Vom>Vommax인지 판단하고(620), 그렇다면 Voref=Vommax, ε=Voref-Vom으로 하며(622) 전압제어 제한루프가 작동한다. 이어서, m=k1*ε+k2*ε/s로 한다(624). 620 단계에서 no이면 Vom>Vbmax인지 체크하고(630), Vom>Vbmax가 아니면 정상 전류루프가 작동되어 Ioref=Iref, ε=Iref-Iom으로 한다(626). 다음, m=k3*ε+k4*ε/s로 한다(628). 630에서 Vom>Vbmax이면 Voref=Vbmax, ε=Voref-Vom, m=k1*ε+k2*ε/s로 한다(636).
도 8은 로컬 컨트롤러에서 사용하는 PLL의 회로도로서, 단상 전압(Vβ)과 내부 신호(Vα)가 파크변환(αβ-dq) 블록의 입력으로 사용된다. 파크변환의 d축 출력은 입력신호의 위상과 주파수 정보를 구하기 위한 제어루프에서 사용된다. Vα는 역 파크변환에서 구해지는데, 이런 입력은 1차 극 블록을 통해 공급된 파크변환(αβ-dq)의 d축과 q축 출력들이다. 이런 극들은 내부 피드백 루프에 에너지저장 요소를 도입하는데 사용된다. 한편, PLL 알고리즘을 시스템 컨트롤러에서 운용하고, 각종 통신수단을 통해 로컬 컨트롤러에 동기화 신호를 공급할 수도 있다.
도 9는 시스템 컨트롤러의 방전모드에서의 순서도이다. 먼저 직렬연결된 n개의 BIU들과의 통신을 시작한다(660). 다음, 그리드 전압 Vgm을 측정하고 시동전압 Voms=Vgm/n인지 판단하며 (그리드전압과 BIU의 갯수에 의거해) BIU의 작동범위 Vommax와 Vommin를 결정한다(662). 다음, 스위치 K1을 닫고 결정된 Voms, Vommax, Vommin을 각 BIU에 보낸다(664).
다음, 적층 인버터 위상전압 Vgs가 그리드전압 Vgm 이상인지 판단하고(666), no이면 원하는 전압에 이를 때까지 기다린다. 원하는 전압에 도달하면 K2를 닫는다(668). 이것이 nro BIU의 전력이 AC 그리드에 공급되는 정상 작동모드이다. 다음, 그리드에 공급된 전력 Ps가 최소 작동전력 Pmin 이상인지 판단하고(670), 지속적인 전력공급을 위해 과정이 670 단계로 돌아간다. no이면 스위치 K1과 K2를 열어 시스템을 정지한다(672).
도 10은 시스템 컨트롤러의 배터리 충전모드에서의 순서도이다. 먼저 nro의 직렬연결 BIU 각각과의 통신을 시작한다(660). 다음, 다음, 그리드 전압 Vgm을 측정하고 시동전압 Voms=Vgm/n인지 판단하며 (그리드전압과 BIU의 갯수에 의거해) BIU의 작동범위 Vommax와 Vommin를 결정한다(662). 다음, 스위치 K1을 닫고 결정된 Voms, Vommax, Vommin을 각 BIU에 보낸다(664).
이어서, 스위치 K2를 닫는다(668). 668 단계로부터, 충전전류의 조정이 필요한지 체크하고(670), 필요하다면 특정 BIU의 기준전류 Iref를 바꾼다(672). 670이나 672 단계로부터, 충전전력 Pch가 Pmin 이상인지 체크하고(676), no이면 K1과 K2를 열고 충전이 되었기 때문에 시스템을 정지한다(678).
도 11은 시스템 컨트롤러가 오프-그리드 제어를 위한 순서도이다. 입력 기준전압 Vmref=Vg/n으로 하는데, n은 직렬연결된 BIU의 갯수이다(710). 다음, 전류루프를 작동하고(716), 시스템 컨트롤러로부터 받은 루프 출력과 주파수 정보에 의거해 변조신호를 생성한다. 다음, Vm=Vmref인지 판단하고(718), 아니면 필요한 전력이 시스템이 공급할 수 있는 전력보다 큰지 체크한다(720). 최대전력에 도달하지 않았으면 전류루프를 다시 돌린다(724). 한편, 최대전력에 도달했으면, 최대전력에 도달했다고 시스템 컨트롤러에 통지한다(722). 718 단계에서 Vm=Vmref이면, 시스템 컨트롤러에 세트포인트 정보를 보낸다(726).
도 12는 BIU의 로컬 컨트롤러가 오프-그리드 제어를 하는 순서도이다. 입력 기준전압 Vmref=Vg/n으로 하는데, n은 직렬연결된 BIU의 갯수이다(740). 다음, PLL을 작동시켜 AC 주파수를 고정하고 전류루프를 작동하며(742), PLL출력과 루프 출력에 의거해 변조신호를 생성한다. 다음, Vm=Vmref인지 판단하고(744), 아니면 필요한 전력이 시스템이 공급할 수 있는 전력보다 큰지 체크한다(746). 최대전력에 도달하지 않았으면 전류루프를 다시 돌린다(750). 한편, 최대전력에 도달했으면, 최대전력에 도달했다고 시스템 컨트롤러에 통지한다(748). 744 단계에서 Vm=Vmref이면, 시스템 컨트롤러에 세트포인트 정보를 보낸다(752).
도 13은 시스템 컨트롤러의 오프-그리드 제어를 위한 순서도이다. 입력 기준전압 Vmref=Vgref/n으로 하는데, n은 직렬연결된 BIU의 갯수이다(760). Vgref는 그리드 기준전압으로서 출력 주파수를 정한다. 다음, 기준전압 정보와 출력 주파수를 BIU에 보낸다(762). 다음, Vg=Vgref인지 판단하고(764), 아니면 각각의 BIU를 체크하여 최대전력 도달했는지 점검한다(766). 모든 BIU가 최대전력보다 낮으면, 출력전압이 저전압 한계값인지 체크한다(768). 출력이 최대 가용전력보다 낮은 BIU에 대해서는 이런 BIU의 표적전압 Vm'을 높인다(770). 764 단계에서 Vg=Vgref이면, 세트포인트 전압에 도달했다고 시스템에 통지한다(772).
오프-그리드 전력제어의 경우, 시스템 컨트롤러는 각 BIU의 작동전압과 출력주파수를 정한 다음, 하나의 BIU에 마스터 기능을 할당하고 나머지 BIU에 슬레이브 기능을 할당한다. 마스터 기능이 먼저 시작해 슬레이브 BIU에 기준주파수 역할을 하는 AC 전력을 공급한다. 각각의 슬레이브는 PLL을 이용해 기준주파수를 고정하고 자체 AC 전력을 생산하기 시작한다. 시스템 컨트롤러는 전력생산을 감시하고 필요한 BIU 동작을 조절한다.
BIU들은 하나의 도체케이블과 커넥터를 이용해 직렬연결된다. 하나의 케이블과 커넥터만을 사용하기 때문에 재료비가 절감된다. 각각의 BIU는 직렬연결된 AC 버스에 AC 전력을 출력한다. AC 버스는 시스템 컨트롤러로 이어진다. 시스템 컨트롤러는 모든 BIU의 출력들을 연결하여 하나의 AC 공급 출력을 형성한다.
BIU가 2개의 표준 케이블과 커넥터를 가질 수도 있다. 2개의 케이블/커넥터만 사용하기 때문에 재료비와 시스템 설치비가 절감된다. 각각의 BIU가 직렬연결된 AC 버스에 AC 전력을 출력하고, AC 버스는 시스템 컨트롤러에 연결된다. 시스템 컨트롤러는 모든 BIU의 출력들을 하나로 모아 배전반에 공급할 AC 출력을 형성한다.
경우에 따라서는 배터리 집합이 사용자의 설비내의 기기와 전력그리드에 대한 시스템 컨트롤러를 통해 다수의 직렬연결된 BIU에 전력을 공급할 수도 있다. 예컨대, 가정에서는 배전반의 회로차단기나 퓨즈를 통해 가정내 각종 회로에 전기를 분배한다. 배전반은 계량기를 통해 전력 그리드에 연결되고, 계량기는 그리드에 공급되는 전력량을 결정하여, 배전반의 소유자가 전기 공급을 보상받을 수 있도록 한다.
BIU는 로컬 컨트롤러에서 생긴 제어-스위칭 신호에 따라 DC를 AC로 변환한다. 로컬 컨트롤러는 DC-AC 신호에 응답해 제어-스위칭 신호들을 생산한다. 그 결과, 현재의 DC-AC 신호 상태에 맞게 특정 작동모드를 이용하도록 BIU를 최적으로 제어하여, DC 소스의 충전을 조절함으로써, DC 저장요소의 수명을 늘리고 시스템 동작시간을 늘일 수 있다.
이런 AC 버스와 BIU를 이용해, 사용자의 필요조건에 맞게 시스템 크기를 유연하게 조절할 수 있다.
DC 에너지소스는 AC 브리지에 입력전력을 공급한다. 디커플링 커패시터는 AC 브리지의 스위칭 변동은 물론 AC 그리드의 저주파 변동도 여과한다. AC 브리지는 PWM 제어 하프브리지나 풀브리지 인버터로서, 그 출력단자가 AC 필터에 연결된다. AC 필터는 저역통과 필터로서, 고주파 PWM 하모닉 노이즈를 걸러낸다. 출력회로는 AC 그리드 주파수와 분리 릴레이에 대한 동기화를 위한 감지회로를 구현한다.
어떤 경우에는, 성능 최적화를 위해 DC 버스 전압을 조정하는데 DC 변환단계가 필요할 수 있다. 예컨대 DC 링크 커패시터의 작동전압을 높이는데 승압회로를 사용하여, AC 입출력 단자들의 피크-피크 AC 작동전압을 높일 수 있다.피크-피크 AC 작동전압이 상승하면 필요한 적층위상 AC 출력전압을 생성하는데 사용할 싱글레벨 인버터들의 수를 줄일 수 있다. DC 링크 커패시터의 작동전압을 낮추는데는 감압회로를 사용한다. 이 경우, AC 브리지에 저전압 트랜지스터를 사용할 수 있어, 하나의 적층 위상이 생산할 수 있는 전력량은 늘이고 시스템 비용은 줄일 수 있다.
DC 에너지는 DC 전원에서 공급되고, DC 전원은 배터리, 커패시터 또는 플라이휠처럼 에너지를 저장할 수 있다. DC 전원의 출력은 DC 스테이지에 공급되고, DC 스테이지의 출력은 필터에 의해 평활화되어 브리지회로에 공급된다. 브리지회로의 출력은 필터에 공급되고, 출력스테이지는 적당한 케이블을 통해 다른 BIU의 출력에 직렬로 연결된다.

Claims (21)

  1. 다수의 DC 전력원;
    하나의 AC 전력원;
    1차노드와 2차노드, 양극노드와 음극노드, 양극노드와 음극노드 사이에 병렬로 연결된 전압 지원기, 1차노드와 2차노드 사이에 연결된 인덕터, 및 양극노드와 음극노드 사이에 연결된 DC 전력원을 갖는 2개 이상의 풀브리지 컨버터;
    상기 풀브리지 컨버터들을 여러개 갖는 하나 이상의 적층 AC 위상;
    로컬 컨트롤러; 및
    로컬 컨트롤러와 통신하는 시스템 컨트롤러;를 포함하고,
    각각의 풀브리지 컨버터는 서로 직렬연결되며, 풀브리지 컨버터들 중의 하나의 2차노드는 다른 풀브리지 컨버터들의 1차노드에 연결되며, 상기 직렬연결로 제1 풀브리지 컨버터와 최종 풀브리지 컨버터가 형성되며, 각각의 AC 위상은 입력노드가 상기 제1 풀브리지 컨버터의 1차노드에 있고 출력노드가 상기 최종 풀브리지 컨버터의 2차노드에 있으며, 상기 AC 위상에 AC 전력원이 연결되고;
    상기 로컬 컨트롤러는 각각의 풀브리지 컨버터에 연결되어 풀브리지 컨버터내의 스위칭기기의 작동순서를 제어하여, 일방향으로 전압원 인버터로 동작했을 때 사인파형 전압파형을 생성하거나, 반대방향으로 전파 능동 정류기로 작동했을 때 일정한 DC 출력을 생성하며;
    시스템 컨트롤러는 로컬 컨트롤러의 구성, 활성화, 비활성화 및 동작 모드 선택을 위한 시스템 제어신호를 생성하고;
    각각의 풀브리지 인버터가 1차노드와 2차노드에 병렬로 연결된 스위치를 포함하고, 이 스위치는 풀브리지 컨버터에 관련된 로컬 컨트롤러나 시스템 컨트롤러의 제어를 받아 1차노드와 2차노드를 단락함으로써, 나머지 직렬연결된 풀브리 컨버터들이 작동하도록 하는 것을 특징으로 하는 다수의 DC 소스를 갖는 양방향 에너지 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 적층 인버터 위상 3개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 3개의 적층 인버터 위상들이 와이(Y) 결선이나 델타(Δ) 결선으로 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 2극 스위치; 상기 스위치의 제1 극에 연결된 모터; 및 상기 스위치의 제2 극에 연결된 AC 전력원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  5. 제4항에 있어서, 적층 출력위상을 AC 전력원에 연결하여 DC 소스를 충전하거나 전기모터에 구동전력을 공급하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 각각의 풀브리지 컨버터가 제1 스위치쌍과 제2 스위치쌍을 갖고, 각각의 스위치쌍이 전류 흐름을 제어하는 다수의 스위칭수단을 갖는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 1차노드와 2차노드에 연결된 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  9. 제7항에 있어서, 상기 스위칭수단이 서로 병렬로 연결되고 반대로 바이어스된 게이트 턴오프(turn-off) 소자와 역병렬 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 게이트 턴오프 소자가 게이트 턴오프 사이리스터(thyristor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), MOSFET, MESFET, JFET(junction gate field-effect transistor), MOSFET 제어 사이리스터, BJT(bipolar junction transistor), SIT(static induction transistor) 및 MOSFET 턴오프 사이리스터로 이루어진 군에서 선택된 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  11. 제9항에 있어서, 상기 역병렬 소자가 다이오드인 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  12. 제1항에 있어서, DC 전력원과 풀브리지 컨버터 사이에 승압 또는 감압 조절회로가 배치되는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  13. 제1항에 있어서, 주어진 AC 위상전압내의 풀브리지 컨버터의 갯수가 가변적인 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  14. 제1항에 있어서, 적층 풀브리지 컨버터들이 각각 다른 전력으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  15. 제1항에 있어서, 각각의 AC 위상의 적층 풀브리지 컨버터의 갯수가 가변적인 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  16. 제1항에 있어서, DC 전력원이 배터리, 커패시터, 플라이휠을 포함해 에너지를 저장하고 공급할 수 있는 기기인 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  17. 제1항에 있어서, 각각의 풀브리지 컨버터의 양극노드와 음극노드가 하나 이상의 DC 배터리셀에 연결되고, 각각의 풀브리지 컨버터의 로컬 컨트롤러가 주어진 충방전 프로파일에 의거해 배터리의 충방전을 제어하며, 이런 프로파일은 시스템 컨트롤러에 의해 정적으로나 동적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  18. 제4항에 있어서, 시스템 컨트롤러가 기준주파수를 생성하는 마스터 모듈과, 기준주파수로 고정하는 다른 모듈을 가져 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  19. 제4항에 있어서, 시스템 컨트롤러가 전력과 구동 기준주파수를 동적으로 제어하여 모터를 조정하는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  20. 제8항에 있어서, 상기 스위칭수단 각각이 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 상기 제1 스위치쌍이 다수의 스위칭수단을 갖는데, 이런 스위칭수단은 제1 단부가 풀브리지 인버터의 양극 노드에 연결되고, 상기 제1 스위치쌍의 스위칭수단들 중의 하나의 제2 단부는 인덕터-커패시터 저역통과 필터의 일단부에 연결되며, 인덕터-커패시터 저역통과 필터의 제2 단부는 상기 1차노드에 연결되고, 상기 제1 스위치쌍의 나머지 스위칭수단들의 제2 단부는 2차노드에 연결되며, 상기 제2 스위치쌍도 다수의 스위칭수단을 갖는데, 이들 스위칭수단은 제2 단부가 풀브리지 인버터의 음극노드에 연결되고, 상기 제2 스위치쌍의 스위칭수단들 중의 하나의 제1 단부는 상기 1차노드에 연결되며, 제2 스위치쌍의 나머지 스위칭수단들의 제1 단부는 2차노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 에너지 컨버터.
  21. 하나 이상의 DC 소스로부터 에너지를 공급하는 방법에 있어서:
    적층 위상이 그리드 네트웍에 연결된 곳에서 그리드 AC 전압 레벨을 감지하는 단계;
    적층 풀브리지의 AC 시동전압을 계산하는 단계;
    계산된 전력을 기준전력과 비교하여 제1 에러신호를 생성하고, 기준 DC 전류를 생성하는 단계;
    출력 AC 전류를 정류하고 평균내어, 평균 출력전류를 기준 DC 전류와 비교하는 단계;
    평균 출력전류와 기준 DC전류의 상기 비교로부터 제2 에러신호를 생성하는 단계;
    주기를 갖는 AC 라인전압을 감지하는 단계;
    상기 AC 라인전압의 주기에 직접 관련된 위상 기준신호를 생성하는 단계;
    시스템 컨트롤러에서 정한 구성 한계마다 위상 기준신호를 제한하는 단계;
    변조지수를 결정하는 단계;
    상기 변조지수의 기준 테이블을 제공하는 단계;
    상기 위상 기준신호와, 위상천이 오프셋신호와 평균 위상천이 신호의 합을 이용해 다수의 풀브리지 인버터들용의 다수의 작동 기준신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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