KR102326844B1 - 일체형 라인-사이클 에너지 스토리지를 구비한 단상 사이클로컨버터 - Google Patents

일체형 라인-사이클 에너지 스토리지를 구비한 단상 사이클로컨버터 Download PDF

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Abstract

단상 사이클로컨버터의 라인-사이클 스토리지를 위한 방법 및 장치. 상기 방법은 단상(singe-phase) 사이클로컨버터의 입력 포트로부터 입력 전력을 수신하고 또한 상기 단상 사이클로컨버터의 AC 출력 포트를 모니터링하는 것을 포함한다. 상기 방법은 상기 단상 사이클로컨버터의 상기 AC 출력 포트의 일 라인에 커플링되어 있는 라인-사이클 에너지 스토리지 회로에 저장되는 에너지를 측정하고, 또한 모니터링된 상기 AC 출력 포트의 AC 전압과 측정된 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로의 전압 간의 위상 차를 결정한다. 상기 방법은 상기 위상 차에 기초하여, 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로에 에너지를 선택적으로 저장하도록, 상기 단상 사이클로컨버터 내의 스위치들을 제어한다.

Description

일체형 라인-사이클 에너지 스토리지를 구비한 단상 사이클로컨버터{SINGLE-PHASE CYCLOCONVERTER WITH INTEGRATED LINE-CYCLE ENERGY STORAGE}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 일체형 라인-사이클 에너지 스토리지를 구비한 단상 사이클로컨버터에 관한 것이다.
전력 컨버터들은 종종 DC 전압을 생성하는 광발전(PV) 패널들 또는 모듈들과 같은 분산 전원들에 대한 전력 생성에 사용된다. PV 모듈들은 통상 직렬로 연결되어서, 환경 등의 작동 인자(operating factor)들에 따라 다양한 속도로 전력을 생성한다. 마이크로-인버터들은 PV 모듈들에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있는 전력 컨버터들의 형태이다.
그러나, 일반적인 전력 컨버터 설계는 전력 컨버터를 통해 맥동 전력 전송을 만들어 내는 DC 입력 포트에 대형 입력 커패시터들을 적용한다. 이러한 토폴로지는 열열화(heat degradation)에 민감한 대형 알루미늄 전해 커패시터들을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 입력 커패시터들은 컨버터의 최소 물리적 크기뿐만 아니라, 최대 작동 온도, 및 컨버터의 전반적인 작동 수명도 제한한다.
따라서, 더욱 소형인 커패시터들 및 감소된 리플 전류를 가지고 일정한 전력을 생성할 수 있는 컨버터에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 일체형 라인-사이클 에너지 스토리지 및 필터링을 갖는 단상 사이클로컨버터를 위한 장치에 관한 것으로서, 이것은 도면들 중의 적어도 하나와 관련하여 실질적으로 설명 및/또는 도시되어 있으며, 또한 청구범위에서 보다 완전하게 설명되어 있다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징과 이점들은, 첨부 도면들과 함께 본 발명의 다음의 상세한 설명의 검토로부터 이해될 것이며, 도면들의 전반에 걸쳐 동일한 참조 부호들은 동일한 부분들을 지칭한다.
본 발명의 전술한 특징들이 명확하게 이해될 수 있도록 하기 위해, 실시예들을 참조하여 상기 요약되어 있는 본 발명에 대한 보다 구체적인 설명을 행하도록 할 것이며, 이 실시예들의 일부는 첨부 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예만을 나타낸 것이고, 따라서 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 고려되어서는 아니되며, 본 발명은 그 밖의 동일한 효과의 실시예들을 허용할 수 있다는 것에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 컨트롤러를 구비한 컨버터 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 컨버터의 개략도.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 2개의 예시적인 결합된 라인-사이클 스토리지 및 필터 회로들의 블록도.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 풀 전력에서의 AC 소스 및 라인 주파수 에너지 스토리지에 대한 시뮬레이션 파형들의 그래프.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 단상 컨버터의 라인-사이클 에너지 스토리지에 대한 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 라인-사이클 에너지 스토리지 시스템의 블록도.
본 발명의 실시예들은 AC 라인 주파수 에너지 스토리지와 함께 작동하도록 구성가능한 사이클로컨버터에 관한 것이다. 몇몇 실시예들에서, 사이클로컨버터는 AC 라인 주파수 에너지 스토리지를 사용하여 단상 또는 3상 출력이 되도록 구성된다. 사이클로컨버터는 공진 컨버터, DC-AC 인버터 등의 일 부분일 수 있다. 커패시터와 같은 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스는 2개의 3상 연결들을 가로지르는 사이클로컨버터 출력에 커플링되어 있다. 커패시터의 전압 및 전류 파형들은, 사이클로컨버터에 커플링되어 있는 AC 메인즈와 비교되는, 미리 정해진 위상 차로 유지된다. 그 결과 사이클로컨버터의 전력 생성 능력이 증가하게 되며, 또한 전력 컨버터를 통한 일정한 전력 전송이 가능하게 된다. 또한, 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스는 EMC(electromagnetic compliance) 및 서지 필터링을 제공하도록 구성될 수 있다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 본 명세서에서 설명되는 토폴로지들의 다른 실시예들은 AC 전력을 일정한 DC 출력으로 변환하는 것의 역으로 동작될 수도 있다.
몇몇 실시예들에서, 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스는 사이클로컨버터 내에 일체화되어 있다. 다른 실시예들에서, 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스는 케이블(예를 들면, ETD(Electrical Trunk and Drop) 전력 케이블)을 통해 커플링되어 있다. 이 케이블은 사이클로컨버터의 외부에 있으며, 사이클로컨버터와 부하(예를 들면, AC 메인즈) 사이에 커플링되어 있다. 외부 구성은 사이클로컨버터의 사이즈를 감소시키고, 히팅 제한(heating limitations)을 감소시키며, 또한 내구성 및 유지보수성을 향상시킨다. 이러한 실시예에서, 사이클로컨버터(및 공진 컨버터)의 외부에 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스를 위치시키는 것은 단상으로서 전력을 출력하는 사이클로컨버터의 모듈 구현을 가능하게 한다. 즉, 몇몇 실시예들에서, 컨버터는 부착되어 있는 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스와 함께 동작하여 단상 사이클로컨버터 동작을 제공하며, 부착되어 있는 라인 주파수 에너지 스토리지 디바이스 없이 동작할 경우에는 3상 사이클로컨버터로서 동작하도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 컨트롤러(103)를 구비한 컨버터 시스템(100)의 블록도이다. 컨버터 시스템(100)은 사이클로컨버터(170), 컨트롤러(103), DC 포트(105), DC 브리지 회로(130), 탱크 커패시터(155), 변압기(160), 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190), AC 포트(195), 및 모니터링 회로(111)를 포함한다.
DC 포트(105)는 분산 전원들(예를 들면, PV 모듈들, 풍력 터빈들 등)과 같은 DC 소스들(110 및 115)에 커플링된 커패시터들(120 및 125)을 포함한다. 커패시터들(120 및 125)은 DC 브리지 회로(130)에 더 커플링된다. 대안의 실시예들에서, 컨버터 시스템(100)이 반대로 동작되는 경우(즉, DC 전력을 공급), DC 소스들(110 및 115)은 변환된 AC 전력을 수신하기 위한 DC 부하들을 나타낸다.
DC 브리지 회로(130)는 스위치들(135, 140, 145, 및 150)을 포함한다. 스위치들(135 및 140)은 커패시터(120)의 단자들을 가로질러 직렬로 커플링됨으로써, 제 1 하프-브리지 회로를 형성한다. 스위치(135)의 드레인 및 스위치(140)의 소스는 탱크 커패시터(155)의 제 1 단자에 커플링되어 있다. 탱크 커패시터(155)의 제 2 단자는 변압기(160)의 1차 권선(158)의 제 1 단자에 커플링되어 있다. 스위치(140)의 드레인은 스위치(145)의 드레인에 커플링되어 있다. 스위치들(145 및 150)은 커패시터(125)를 가로질러 직렬로 커플링되어 있으며, 이에 따라 변압기(160)의 1차 권선(158)의 제 2 단자에 커플링되는 제 2 하프-브리지 회로를 형성한다. 변압기(160)의 2차 권선(162)은 사이클로컨버터(170)에 커플링되어 있다.
사이클로컨버터(170)는 스위치들(172, 174, 176, 178, 180, 182); 커패시터들(175, 181, 185)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 사이클로컨버터(170) 내에 일체화되어 있으며, 다른 실시예들에서는 사이클로컨버터(170)의 출력에 커플링된다. 스위치들(172 및 174)은 직렬로 커플링되어 있으며, 스위치(174)의 드레인은 노드(c3)에 및 커패시터(175)의 단자에 커플링되어 있다. 노드(c3)는 스위치(174)와 커패시터(175) 사이에 커플링되어 있다. 노드(c3)는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 제 1 단자에 또한 커플링되어 있다. 스위치들(176 및 178)은 직렬로 커플링되어 있으며, 또한 스위치(178)의 드레인은 노드(c1), 노드(c4)에, 및 커패시터(181)의 단자에 커플링되어 있다. 노드(c4)는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 제 2 단자에 커플링되어 있다. 노드(c1)는 AC 포트(195)의 제 1 라인(194)에 커플링되어 있다. 스위치들(180 및 182)은 직렬로 커플링되어 있으며, 또한 스위치(182)의 드레인은 노드(c2) 및 커패시터(185)의 단자에 커플링되어 있다. 노드(c2)는 또한 AC 포트(195)의 제 2 라인에 커플링되어 있다.
몇몇 실시예들에서, 컨버터 시스템(100)의 스위치들은 3kHz 내지 10MHz에서 스위칭되며 또한 컨트롤러(103)에 의해 작동되는 트랜지스터들일 수 있다. 트랜지스터들은 대안적으로 임의의 다른 적절한 전자 스위치일 수 있으며, 예를 들어 JFET(junction gate field effect transistor), MCT(metal-oxide-semiconductor controlled thyristor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(bipolar junction transistor), n-형 MOSFET, GTO(gate turnoff thyristor) 등일 수 있다.
컨버터 시스템(100)의 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 DC 브리지(130)가 더 큰 범위의 전력(예를 들면, 500-600 Watt)을 처리할 수 있게 한다. 커패시터의 사이즈는 AC 포트(195)에 커플링되는 시스템에 따라 결정된다. 예를 들어, 600VA 컨버터 시스템(100)은, 230VAC/50Hz의 AC 메인즈에 AC 포트(195)를 커플링하기 위해, 36 마이크로패럿(㎌)의 용량을 갖는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 필요로 할 수 있다.
다른 실시예들에서, 노드들(c3 및 c4)에 커플링되는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 대신에, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 AC 포트(195)의 제 2 라인(196)에 대한 AC 출력을 위하여 노드들(c3 및 c2)에 커플링될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 노드(c1) 및 AC 포트(195)의 제 1 라인은 스위치(174)의 소스에 커플링된다.
모니터링 회로(111)는 시간의 경과에 따른 전압 및 전류를 측정하도록 구성되는 전압 및 전류 샘플링 회로(미도시)를 포함한다. 모니터링 회로(111)는 노드들(c1, c2, c3, 및 c4)에 커플링되어 있으며, 이에 따라 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 및 AC 포트(195)를 가로지르는 전압 및 전류를 측정한다. 이 측정들이 컨트롤러(103)에 의해 사용됨으로써, AC 포트(195)에 단상 AC를 출력하고 또한 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 통과하는 에너지 흐름을 제어하도록 컨버터 시스템(100)의 스위치들을 작동시킨다. 몇몇 실시예들에서, 풀(full) 전력 동작 동안에, 컨트롤러(103)는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 에너지와 전압을 조정함으로써, AC 포트(195)에 커플링되어 있는 AC 소스(예를 들면, AC 메인즈)의 전압 및 전류와 크기는 같지만 그보다 더 지연되도록 한다. 방전 주기 동안에는, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 저장된 에너지가 AC 포트(195)의 제 1 라인(194)에 공급된다. 다른 실시예들에서, 풀 전력 미만(예를 들면, ¼ 전력)의, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 그에 맞게 더 적은 에너지를 저장하도록 조정된다.
컨버터 시스템(100)은 DC 포트(105) 상의 DC 입력을 수신한다. DC 브리지 회로(130)는 탱크 커패시터(155) 및 변압기(160)에 커플링되는 구형파(square wave)로 DC 전력을 변환한다. 변압기(160)는 전압 크기(즉, 스텝업 전압 또는 스텝다운 전압)를 변환하여, 그 전력을 사이클로컨버터(170)에 커플링시킨다.
컨트롤러(103)는 중앙 처리 장치(CPU)(112), 메모리(116) 및 다양한 지원 회로들(118)을 포함한다. CPU(112)는 공지된 하나 이상의 마이크로프로세서들, 및/또는 전용 처리 기능들을 수행하도록 프로그래밍된 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 전용 기능 프로세서들을 포함할 수 있다. CPU(112)는 메모리(116), 및 지원 회로들(118)에 커플링되어 있다. CPU(112)에 대한 지원 회로들(118)은, 마이크로컨트롤러, ASIC(application specific integrated circuit), 캐시, 파워 서플라이, 클럭 회로, 데이터 레지스터, 입/출력(I/O) 인터페이스 등을 포함할 수 있다.
메모리(116)는, CPU(112)에 의해 실행 및/또는 사용될 수 있는 비일시적 프로세서-실행가능 인스트럭션들 및/또는 데이터를 저장한다. 이러한 프로세서-실행가능 인스트럭션들은 펌웨어, 소프트웨어, 및 기타 이와 유사한 것들, 또는 이들의 몇몇 조합을 포함할 수 있다. 메모리(116)에 저장되는 프로세서-실행가능 인스트럭션들을 갖는 모듈들은, 스위칭 제어 모듈(127), 라인-사이클 모니터링 모듈(129), 및 데이터베이스(131)를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 메모리(116)는 다음 중의 하나 이상을 포함할 수 있다: RAM(random access memory), ROM(read only memory), 자기-저항 판독/기록 메모리, 광학 판독/기록 메모리, 캐시 메모리, 자기 판독/기록 메모리 등 및 반송파 등과 같은 비일시적 신호들을 포함하지 않는 신호-전달 매체. 컨트롤러(103)는 특정 소프트웨어를 실행할 경우에, 본 발명의 다양한 실시예들을 수행하기 위한 전용 컴퓨터가 되는, 범용 컴퓨터를 사용하여 구현될 수 있다.
라인-사이클 모니터링 모듈(129)은 모니터링 회로(111)로부터 측정되는 전압 및 전류 샘플들의 아날로그 또는 디지털 데이터를 수신한다. 몇몇 실시예들에서, AC 포트(195)에 대한 측정은 AC 포트(195)에 커플링되어 있는 AC 메인즈(미도시)의 측정이다. 다른 실시예들에서, AC 메인즈의 측정들은 그리드 인터페이스(133)를 통해 컨트롤러(103)에 의해서 직접 수신될 수도 있다. 설명을 위해, 본 명세서에서는 AC 포트(195)가 AC 메인즈에 커플링되어 있는 것으로 하여 논의될 것이다. 당업자는 다른 타입의 부하들에 커플링될 수도 있음을 인식할 것이다.
스위칭 제어 모듈(127)은 컨버터 시스템(100)의 스위치들을 제어하는데 사용되는 데이터를 수신하기 위해서 라인-사이클 모니터링 모듈(129)에 통신적으로 커플링되어 있다. 스위칭 제어 모듈(127)은 모니터링 회로(111)로부터의 측정들에 기초하여, 사이클로컨버터(170) 내 스위치들의 타이밍을 조정한다. 스위칭 제어 모듈(127)은 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 사이클로컨버터(170)를 제어할 수 있다. DC 포트(105)가 PV 모듈에 커플링되는 실시예들에서는, 스위칭 제어 모듈(127)이 최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 인스트럭션들을 실행할 수도 있다.
스위칭 제어 모듈(127)은 사이클로컨버터(170)의 스위치들을 제어하여, AC 포트(195)에 커플링되는 단상 AC 출력을 생성하도록 한다. 또한, 스위칭 제어 모듈(127)은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)와 송수신하는 전류를 제어함으로써, 메인즈의 밖으로 인출되는 전력 함수와 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 안으로 및 밖으로 인출되는 전력 함수의 합이 일정하게 되도록 한다. 즉, 일정한 DC 전력이 컨버터 시스템(100)을 통해 흐르게 된다.
스위칭 제어 모듈(127)은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 가로지르는 전압의 크기가 AC 메인즈에서 측정된 전압 근처가 되도록 유지한다. 그러나, 라인-사이클 스토리지(190)의 전압은, AC 메인즈의 측정된 전압과 비교하여 위상 시프트될 것이다(예를 들면, 45 °만큼). 위상 시프트는 사이클로컨버터(170) 내의 개별 스위치들의 PWM과 스위칭 상태들 간의 타이밍을 제어함으로써 조정될 수 있다.
또한, 스위칭 제어 모듈(127)은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로의 에너지 흐름을 제어함으로써, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로부터 인출되는 전류가 마찬가지로 AC 메인즈의 전류보다 선행하거나 또는 이보다 지연되도록 한다(예를 들면, 135 °만큼). 풀 전력 동작에서는, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로의 전력 흐름의 양(즉, 전류 크기)을 더 제어하여, AC 메인즈의 크기와 매칭되도록 한다.
스위칭 제어 모듈(127)은, AC 포트(195) 및 AC 메인즈에 사인곡선인 전력을 출력하기 위해, 사이클로컨버터(170)를 제어함으로써, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 통과하는 전력을 사이클링시키도록 한다(즉, 충전 및 방전). 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)가 커패시터가 되는 실시예(다른 에너지 스토리지 수단과는 반대)에서는, 커패시터의 사이즈가 다음의 수학식 1로 주어진다:
에너지 스토리지 = VA/(2πfυ 2) (1)
상기 수학식 1에서, VA는 AC 메인즈 VA 레이팅이고, f는 AC 메인즈의 주파수이며, 또한 υ는 AC 메인즈의 전압이다. 일반적으로, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는, 풀 VA 동작점에서 그것을 가로질러 생성되는 전압의 크기가 AC 메인즈 전압 크기와 같아지는 것을 보장하는 사이즈로 이루어지며, 여기서 커패시턴스 값은 수학식 (1)과 같이 된다. 풀 전력 동작에서는, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 적용되는 전압의 피크-투-피크(peak-to-peak) 크기가 피크-투-피크 메인즈 전압과 매칭된다. 메인즈 위상 및 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 대한 전류들의 피크-투-피크 크기도 또한 동일한 값을 갖게 된다. 컨버터 시스템(100)은 동일한 커패시터 값을 가지고서 더 낮은 전력(예를 들면, ¼ 전력)으로 작동될 수 있다.
¼ 전력 동작점에 있어서, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 풀 전력 동작 동안의 전압 크기의 ¼ 및 메인즈 피크-투-피크 전압의 절반인 피크-투-피크 전압을 갖는다. 또한, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터 전류 크기에 대한 전류의 크기는 풀 전력 동작에서 확인되는 것의 절반 값이다. 대안의 실시예들에서, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 풀 전력보다 작게 되도록 사이즈가 이루어질 수 있으며, 또한 컨트롤러(103)는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 대한 대응하는 더 낮은 동작 전압 및 전류를 유지한다.
계속해서 예를 들면, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 무효 전력(reactive power) 제어는 다음의 수학식 2에 의해 제공된다:
커패시터 위상 시프트 = ±45° + θ/2 (2)
전력 각(power angle) θ는 특정 무효 전력 제어(예를 들면, 일정한 출력 전력)를 달성하기 위한 메인즈 전압과 메인즈 전류 사이의 바람직한 위상 시프트이다. 동작 시에, 90°떨어져 있는 2개의 사인곡선의 파형들이 합해짐으로써, 컨버터 시스템(100)으로부터의 일정한 출력 전력을 보장하게 된다. 하나의 사인곡선의 파형은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 통과하는 에너지 흐름이며, 다른 파형은 AC 포트(195)에 대한 에너지 흐름이다. 도 4와 관련하여 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 및 메인즈 위상으로부터 인출되는 전력 함수들은 동일한 피크-투-피크 크기를 갖지만, 90°떨어져 있다.
수학식 2에 따라, 사이클로컨버터(170) 내의 스위치들은, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전압 파형이, 45 °+ AC 메인즈 전압 파형에 대한 바람직한 전력 각의 절반(즉, ±45 °+θ/2)만큼 지연되거나 또는 선행되는 사인곡선이 되도록 제어된다. 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 통과하는 전류 파형은, 135 °+ AC 메인즈에 대한 전력 각의 절반(즉, ±135 °+θ/2)의 위상 차를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 컨트롤러(103)는 사이클로컨버터(170) 내의 스위치들의 타이밍을 제어하여 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 통과하는 전류 흐름을 조정함으로써, AC 메인즈에 대한 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전압 위상 시프트(±45°)에 도달하도록 한다.
유효 전력(real power) 생성의 경우, 전력 각 θ는 제로이며, 무효 전력(reactive power) 생성의 경우, 전력 각 θ는 AC 메인즈 전류 및 전압 간의 바람직한 위상 시프트이다. 또한, 스위칭 제어 모듈(127)은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로 송수신하는 에너지 흐름을, AC 메인즈 위상 결선(즉, AC 포트(195))으로의 에너지 흐름의 크기와 매칭되는 크기로 유지한다.
대안의 실시예들에서는, 사이클로컨버터(170)가 역으로 동작됨으로써, DC 전력으로의 변환을 위해 AC 전력을 수신하여, DC 포트(105)로 출력한다. 이 역전력 흐름은 유효 전력 흐름이거나 또는 무효 전력 흐름일 수 있다. 순방향 동작과 같이, 역방향 동작에서도, 마찬가지로 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는, AC 포트로부터 인출되는 전력이 라인 주파수의 두 배로 맥동(pulsating)하고 있더라도, DC 포트(105)에서 전달되는 전력이 전압 또는 전류 리플 없이 연속적이게 되는 것을 보장한다. 이러한 역변환 동작에서, 사이클로컨버터(170) 내의 스위치들은, 메인즈 위상 및 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 모두에 대해 제어되고 있는 전류들이 반전되도록 제어된다. 즉, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전류가 AC 메인즈보다 지연되었던, 전술한 컨버터 시스템(100)에서는, 그 전류가 선행하게 될 것이며, 이것의 반대의 경우도 가능하다(즉, 순방향 동작에서 선행하던 경우에는, 역방향 동작에서 지연되게 됨)
데이터베이스(131)는 컨버터 시스템(100)의 정보 및 외부 통신들(137)로부터의 데이터를 저장한다. 외부 통신들(137)은 게이트웨이(미도시)와 같은 추가 디바이스에 대한 무선, 유선, 및 전력선 통신(PLC)용 통신 장비에 의해 가능하게 될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 데이터베이스(131)는 부하에 관한 추가 정보(즉, DC 요구사항, AC 요구사항, AC 출력 주파수 등)를 저장한다.
라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 적절한 사이즈로 이루어진(예를 들면, 250W 마이크로-인버터인 사이클로컨버터의 경우 15㎌) 커패시터일 수 있다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 커패시터는 2개의 개별 커패시터들로 분할될 수도 있으며, 인덕터들과 함께 필터링 기능을 제공할 수 있다. 일 대안의 실시예에서, 라인 커패시터는 일반적으로 사용가능한 (인덕션) "모터 실행(motor run)" 커패시터들을 사용하여 시스템 레벨에서(즉, 컨버터의 외부에) 위치될 수도 있다. 이러한 커패시터를 사이클로컨버터(170)의 외부 시스템 레벨에 위치시키는 것은 또한 컨버터 및 라인 주파수 커패시터가 쉽게 수리되는 것을 가능하게 한다. 이러한 실시예들에서는, 커패시터의 교체가 각 컨버터 회로들의 모듈 피스로서 보다 용이하게 된다. 이와 유사하게, 다른 실시예들에서, 커패시터의 탈부착은 AC 포트(275)를 단상에서 삼상 출력으로 각기 변경시키게 되며, 또한 컨버터 시스템(100)은 적절한 출력을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 2는 단상 사이클로컨버터(200)의 개략도이며, 이것에 의해 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들이 분할되어 연결됨으로써 이것들이 유효 필터 함수를 형성하도록 하고, 이에 의해 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 용량성 필터링 및 전체 EMC 필터 설계 요구사항들을 단순화할 수 있다. 단상 사이클로컨버터(200)는 모니터링 회로(111)로부터의 샘플링을 갖는 컨버터 시스템(100)의 일부로서 도 1에서 전술한 컨트롤러(103)에 의해 작동된다.
단상 사이클로컨버터(200)는 DC 포트(205), 인덕터(210), 스위치들(215, 220, 225, 230, 235, 및 240); 커패시터들(245 및 250); 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260); 및 AC 포트(275)를 포함한다. DC 포트(205)는 인덕터(210) 및 커패시터(245)의 제 2 단자에 커플링되어 있다. 인덕터(210)는 스위치들(215, 225, 및 235)의 드레인에 커플링되어 있다. 스위치들(215 및 220)은 직렬로 커플링되어 있으며, 스위치(220)의 드레인은 노드(d1), 노드(d3), 및 커패시터(245)의 제 1 단자에 커플링되어 있다. 노드(d1)는 AC 포트(275)의 제 1 라인(265)에 더 커플링되어 있다. 노드(d3)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(255)의 제 1 단자에 커플링되어 있다. 스위치들(225 및 230)은 직렬로 커플링되어 있으며, 스위치(230)의 드레인은 노드(d4)에 커플링되어 있다. 노드(d4)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(255)의 제 2 단자 및 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(260)의 제 1 단자에 커플링되어 있다. 스위치들(235 및 240)은 직렬로 커플링되어 있으며, 스위치(240)의 드레인은 노드(d2), 노드(d5), 및 커패시터(250)의 단자에 커플링되어 있다. 노드(d2)는 AC 포트(275)의 제 2 라인(270)에 커플링되어 있다. 노드(d5)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(260)의 제 2 단자에 커플링되어 있다. 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260)은 동일한 용량(예를 들면, 각기 18㎌)을 갖거나 또는 상이한 용량들을 가질 수도 있다.
컨트롤러(예를 들면, 컨트롤러(103))는 모니터링 회로(미도시)(도 1의 모니터링 회로(111)와 실질적으로 동일함)에 의해 샘플링된 전류 및 전압의 측정들에 기초하여, 스위치들(215, 220, 225, 230, 235, 240)을 작동시킨다. 모니터링 회로는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260) 및 AC 포트(275)로부터의 전압 및 전류를 샘플링한다. 몇몇 실시예들에서, 모니터링 회로는 노드들(d1, d4, 및/또는 d2)에 커플링되어 있다.
동작 시에는, 단상 사이클로컨버터(200)가 도 1에서 전술한 컨트롤러(103)에 의해 작동됨으로써, 스위치들(215, 220, 225, 230, 235, 240)로부터의 에너지를 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260)로 및 그로부터 사이클링하는 것에 의해 AC 전력을 AC 포트(275)로 공급한다. 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260)은 또한 AC 포트(275)에 대한 리플 전류 또는 전압의 필터링을 제공한다. 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260)을 노드들(d3, d4, 및 d5)에 커플링시킴으로써; 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260) 상의 에너지는 컨트롤러(103)에 의해 제어되어, EMC, 서지, 및 라인 사이클 에너지 스토리지 기능들로 제공될 수 있다.
또한, 용량성 무효 전력 바이어스가 컨트롤러(103)에 의해 계산됨으로써, 단상 사이클로컨버터(200)가 최대 효율로 동작하여 고급 그리드 기능(advanced grid function; AGF)을 수행하게 되는 역률(power factor; PF)을 결정한다. AGF는 PV 인버터들이 무효 전력을 공급하거나 흡수할 수 있는 능력을 가질 것을 필요로 한다. 컨버터(및 따라서 단상 사이클로컨버터(200))가 바이어스되는 역률은, DC 포트(205)에서 DC 소스(예를 들면, PV 모듈)에 커플링될 시에, 컨버터가 가장 효율적으로 동작하게 될 경우를 결정하게 된다. 무효 전력 팩터들은 유도성 및 용량성 PF들에 관하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 2개의 동일한 사이즈의 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260)의 경우, 용량성 무효 전력 바이어스는 풀 전력 동작에서 cos(arcsin 0.25) = 0.968 pf로 계산될 수 있다.
계속해서 예를 들면, 0.986 pf의 고유 바이어스에 기초하여, 90% 경감하여 동작하는 컨버터는 0.94 pf 유도성 내지 0.86 pf 용량성의 무효 전력 범위를 커버할 수 있다. 무효 전력 제어의 범위는 요구되는 최대 유도성 리액티브 PF를 사용하여 계산될 수 있다. 요구되는 유도성 PF 조정은, 요구되는 PF가 최대 유도성 PF인 경우에 다음의 수학식 3에 의해 계산될 수 있다:
인버터에 대해 요구되는 PF = cos(arcsin(5sin(arccos(PF))/4)) (3)
이와 유사하게, 요구되는 용량성 리액티브 PF 조정은 다음의 수학식 4에 의해 계산될 수 있다:
최대 용량성 PF = cos(arcsin(3sin(arccos(PF))/2) (4)
상기 수학식 4에서, 또한 PF는 필요로 하는 최대 유도성 PF이다. 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(255 및 260)은 AC 포트(275)를 가로질러 유효하게 커플링되어 있다. 따라서, 수학식 3 또는 4는 용량성 무효 전력 바이어스를 계산함으로써 최대 유효 동작을 보장하도록, 컨트롤러(103)에 의해 적용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 또한 컨트롤러(103)는 AC 포트(275)를 모니터링함으로써 전력 팩터의 변화들을 계산 및 결정하게 된다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 2개의 예시적인 결합된 라인-사이클 스토리지 및 필터 회로들(305 및 310)의 블록도이다. 필터 회로들(305 및 310)은 도 1에서 전술한 컨트롤러(103)에 의해 제어됨으로써, 단상 AC 전력을 수신하거나 또는 출력한다. 컨트롤러(103)는 AC 컨버터 회로들(315 및 332) 내의 스위치들을 직접 제어한다. 필터 회로(305)는 3상 필터이며, 필터 회로(310)는 단상 필터이다.
제 1 시스템(301)은 AC 컨버터 회로(315) 및 결합된 라인-사이클 스토리지 및 필터 회로(이하 "회로")(305)를 포함한다. 회로(305)는 EMC/서지 인덕터들(320, 322, 및 324); 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(380 및 382); 및 AC 포트(330)를 포함한다. AC 포트(330)는 상용 AC 그리드를 나타낼 수 있는 AC 그리드(360)에 커플링되어 있다. AC 컨버터 회로(315)는 포트들(f1, f2, 및 f3)을 통해 EMC/서지 인덕터들(320, 322, 및 324)에 연결되어 있다. 포트(f1)는 라인(325) 및 노드(e2)에 또한 커플링되어 있는 EMC/서지 인덕터(320)에 커플링되어 있다. 포트(f2)는 라인(318) 및 EMC/서지 인덕터(322) 및 노드(e1)에 커플링되어 있다. 포트(f3)는 라인(335) 및 노드(e3)에 또한 커플링되어 있는 EMC/서지 인덕터(324)에 커플링되어 있다. 노드(e1)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(380 및 382)의 단자에 커플링되어 있다. 노드(e2)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(380)의 다른 단자에 커플링되어 있다. 노드(e3)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(326)의 다른 단자에 커플링되어 있다.
AC 컨버터 회로(315)(예를 들면, 사이클로컨버터)는 3상 전력을 출력 포트들(f1, f2, 및 f3)을 통해 라인들(325, 318, 및 335)로 출력한다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 컨트롤러(103)는 AC 컨버터 회로(315) 내의 스위치들의 동작을 제어하여, 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(380 및 382)에 대한 에너지를 제어함으로써, 위상 시프트되지만 모니터링되는(예를 들면, 모니터링 회로(111)에 의해) AC 그리드(360)의 크기와 동일 크기가 되도록 한다. EMC/서지 인덕터들(320, 322, 및 324) 및 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(380 및 382)은, 일정한 전력을 AC 포트(330)에게 제공하는 것 이외에도, EMC 및 서지 필터들로서 작동한다.
제 2 시스템(302)은 AC 스위칭 회로(332) 및 결합된 라인-사이클 스토리지 및 필터 회로(이하 "회로")(310)를 포함한다. 회로(310)는 서지 인덕터들(338 및 340); 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(334 및 336); 및 AC 포트(342)를 포함한다. AC 포트(342)는 상용 AC 그리드를 나타낼 수 있는 AC 그리드(370)에 커플링되어 있는 것으로 도시되어 있다.
AC 컨버터 회로(332)는 포트들(f4, f5, 및 f6)을 통해 회로(310)에 커플링되어 있다. 포트(f4)는 노드(e4), 서지 인덕터(338), 및 AC 포트(342)의 라인(350)에 커플링되어 있다. 포트(f5)는 노드(e5), 서지 인덕터(340) 및 AC 포트(342)의 라인(355)에 커플링되어 있다. 포트(f6)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(334 및 336)의 단자들에 커플링되어 있는 라인(334)에 커플링되어 있다. 노드(e4)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(336)의 다른 단자에 커플링되어 있고, 또한 노드(e5)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(334)의 다른 단자에 커플링되어 있다.
EMC/서지 인덕터(320)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(380)의 단자에 커플링되어 있는 노드(e2) 및 라인(325)에 커플링되어 있다. EMC/서지 인덕터(322)는 라인(318) 및 노드(e1)에 커플링되어 있다. 노드(e1)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(380 및 382)의 단자에 커플링되어 있다. EMC/서지 인덕터(324)는 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(326)의 단자에 커플링되어 있는 노드(e3) 및 라인(335)에 커플링되어 있다.
AC 스위칭 회로(332)(예를 들면, 사이클로컨버터)는 3상 전력을 라인들(325, 318, 및 335)로 출력한다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 컨트롤러(103)는 AC 컨버터 회로(332) 내의 스위치들의 동작을 제어하여, 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(334 및 336)에 대한 에너지를 제어함으로써, 위상 시프트되지만 모니터링되는(예를 들면, 모니터링 회로(111)에 의해) AC 그리드(370)의 크기와 동일 크기가 되도록 한다. EMC/서지 인덕터들(338 및 340) 및 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터들(334 및 336)은 AC 포트(360)에게 일정한 전력을 제공하는 것 이외에도, EMC 및 서지 필터들로서 동작한다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 풀 전력에서의 라인 주파수 에너지 스토리지 및 AC 소스에 대한 그래프들의 세트(400)이다. 그래프들(405, 410, 및 415)은 도 1에서 설명한 바와 같은 컨트롤러(103)에 의해 모니터링 및 작동되고 또한 AC 메인즈(즉, 유틸리티 그리드(utility grid))에 커플링되는 단상 사이클로컨버터의 동작에 대한 플롯들이다.
설명의 단순화를 용이하게 하기 위해서, 도 1과 관련하여 이 그래프들에 대하여 설명하겠지만, 당업자는 도 2 및 도 3의 토폴로지들을 더 적용할 수도 있다. "미들(middle)" 레그(예를 들면, 도 1의 노드(c1)는 AC 포트(195)의 라인(194) 및 라인 사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 양쪽 모두에 연결됨)는 모든 후속 그래프들에 대한 기준 포인트로서 사용된다. 이러한 방식으로, 사이클로컨버터(170)는 직교 2상 AC 서플라이로서의 동작으로 고려될 수 있다. 일 위상은 AC 메인즈 위상이며, 직교하는 제 2 위상은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로부터 발생한 것이다.
그래프(405)는 시간에 따른 전압의 플롯이다. 전압 신호(420)는 라인 사이클 커패시터(예를 들면, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190))를 가로지르는 전압이고, 전압 신호(425)는 AC 메인즈의 전압이며, 또한 전압 신호(430)는 전압 신호(420 및 425) 간의 차분이다. 전압 신호(420 및 425)를 관찰해 보면, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전압은 AC 메인즈보다 지연된다. 시간 T1에서는, 전압 신호(420)가 피크가 되고, 시간 T2에서는, 전압 신호(425)가 45°의 피크-투-피크 값 차이를 가지고 피크가 된다. 전압 신호들(420 및 425)의 피크-투-피크 크기는 동일하다(예를 들면, 230 VAC). 또한, 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전류(신호(440))와 함께 보면, 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(190)는 리액티브 소자이기 때문에, 라인 주파수 에너지 스토리지 커패시터(190) 상의 전압과 전류는 시간 T1 및 T3에서 위상이 90°벗어나 있다.
이러한 위상 시프트들은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에서의 에너지 입출력을 제어하기 위해, 컨트롤러(103)에 의해서 사이클로컨버터(170) 내의 스위치들을 조정한 결과물이다. 다른 실시예들에서, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전압은 AC 메인즈 전압보다 45°만큼 선행할 수 있다. 45 °차이가 일정하게 되는 것을 보장하기 위해, 각각의 전류들은 위상이 135 °벗어나게 제어됨으로써, 그래프(410)에서 도시된 바와 같이, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전류가 AC 메인즈 위상의 전류(신호(435))보다 지연되도록 한다. 따라서, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 상의 전류(그래프(410)에서 신호(440)로 나타나 있음)를 제어함으로써, 그 결과인 그래프(405) 내의 전압 신호들을 생성한다.
그래프(410)는 시간에 따른 전류들의 플롯이다. 신호(440)는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전류이고, 신호(435)는 AC 메인즈의 전류이며, 또한 신호(445)는 이 전류들 간의 차이이다. AC 메인즈로부터의 전류는 단위 역률(unity power factor)로 인출된다. 시간 주기 T3 내지 시간 주기 T4에서 알 수 있는 바와 같이, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전류는 AC 메인즈의 전류보다 135 °만큼 지연되고 있다. 다른 실시예들에서는, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전류가 AC 메인즈보다 45 °만큼 선행하게 되도록 제어될 수 있다.
그래프(415)는 시간에 따른 전력의 플롯이다. 신호(450)는 AC 메인즈의 전력(Vphase*Iphase)이고, 또한 신호(455)는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전력이다. 신호(450)는 메인즈에서 인출되는 전력과 관련된 정현파 전력 함수이며, 전압이나 전류의 라인 주파수의 두 배인 주파수를 갖는다. AC 메인즈에서 인출되는 전력은 500W 및 0W의 최대 전력 및 최소 전력을 갖고, 250W의 평균을 갖는(라인(460)) 단극성이다.
신호(455)는 또한 라인 주파수의 두 배가 되는 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에서 인출되는 전력의 전력 함수(Vcap*Icap)를 나타낸다. 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에서 인출되는 전력은 +250W와 -250W 사이의 전력을 갖고, 0W의 평균을 갖는(라인(465)) 양극성이다. 따라서, AC 메인즈 위상에서 인출되는 평균 전력은 250W이고, 또한 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에서 인출되는 평균 전력은 0W이며, 그 이유는 커패시터로부터 연속 전력이 인출될 수가 없고, 다만 커패시터 안 또는 밖으로 전력을 순환시키는데만 사용될 수 있기 때문이다. 그래프(415)로부터, 두 개의 전력 함수들(신호들(450 및 455))이 합산되는 경우에는, 일정한 250W 전력 흐름이 생성된다(라인(460)으로 도시됨). PV 모듈을 포함하는 실시예에서는, 250W가 정현파 전력을 AC 메인즈에 공급하면서 PV 모듈로부터 인출되는 전력이 된다.
유효 전력 이출(export)에 대한 제어는, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로 전달되고 있는 전류를 제어함으로써, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)로의 에너지 흐름의 크기가 메인즈 위상 연결로의 에너지 흐름의 크기와 항상 일치되도록 하는 것을 포함한다. 제어에 대한 근본적인 기반은 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 적용되는 전압과 메인즈 위상 전압 간의 차이를 45 °로 유지하는 것에 기초하는 것으로 설명되었다.
라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)의 전압이 135 °만큼 시프트되고(지연 또는 선행), 또한 전류가 45 °만큼 시프트되는(지연 또는 선행) 또 다른 실시예들이 존재한다. 이러한 변환은 밸런싱된 전압 신호들을 야기하게 되지만, 전류 신호들은 사이클로컨버터(170)들의 레그들 사이의 전압 스트레스(voltage stress) 결정을 필요로 하게 된다. 이러한 실시예에서는, 그래프(410)에 도시된 전류 대신에, 전압을 밸런싱되도록 제어함으로써, 컨버터 시스템(100) 상의 피크 전류 스트레스가 증가하게 된다.
라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 적용되는 전압들과 메인즈 위상 전압이 135°의 위상 분리를 갖는 실시예들에서는, 사이클로컨버터의 커패시터 레그들과 메인즈 사이의 피크 전압 스트레스가 피크인 메인즈 위상 전압 스트레스보다 높게 된다. 따라서, 스위칭 트랜지스터의 전압 정격은, 전압들 간에 45 °위상 분리가 사용되는 실시예들에서보다 더 높게 될 필요가 있다. 또한, 3개의 각 사이클로컨버터 레그들로부터 인출되는 전류들은, 전압 위상이 135°인 경우보다 덜 균일하게 분산되며, 따라서 전압 위상이 135°인 경우보다 높은 저항을 초래하게 된다.
또한, 다른 실시예들은 예를 들어 역전력 흐름(reverse power flow)이 필요한 경우 제어 이론을 통해 반전될 수 있다. 이 컨버터는 유효 전력 흐름 또는 무효 전력 흐름을 가진 역전력 흐름을 달성하도록 제어될 수 있다. 이러한 모드에서, 컨버터는 AC-DC 컨버터로서 동작하며, 이 컨버터의 AC 포트에 있는 에너지 스토리지(예를 들면, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)를 통해)는, AC로부터 인출되고 있는 전력이 라인 주파수의 두 배로 맥동(pulsating)하고 있더라도, DC 포트로부터 전달되고 있는 전력이 연속되는 것을(전압 또는 전류 리플없이) 보장한다. 역전력 흐름 제어 로직은 유효 전력 흐름의 경우 및 무효 전력 흐름의 경우 모두에 대한 DC-AC 전력 흐름 제어 로직과 동일하며 하나의 차이점만을 갖는다 - 즉, 메인즈 위상 및 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190) 양쪽 모두에 대한 전류들이 제어되며, 양쪽 모두는 반전될 필요가 있다. AC-DC 변환의 경우, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)는 컨버터(100)의 출력에 있기 때문에, 리플이 감소된다. 또한, 라인 주파수 커패시터를 가진 AC 메인즈로부터 전력이 지속적으로 인출될 수 있기 때문에, 리플 전압은 대략 DC 출력 포트에서 실질적으로 제거된다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른, 컨버터의 라인-사이클 에너지 스토리지에 대한 방법(500)의 흐름도이다. 방법(500)은 도 1에서 전술한 컨버터 시스템(100)에 의해 구현된다. 방법(500)은 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위한 순방향 동작으로 설명될 것이다. 그러나, 다른 실시예들은 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 역방향 동작을 포함한다. 방법(500)은, 라인 스토리지에 적용되는 전압의 피크-투-피크 크기가 메인즈 전압과 일치하고, 메인즈 위상 및 라인 스토리지의 전류들이 동일한 경우에 대해 설명한다.
감소된 전력 동작을 갖는 대안의 실시예들은 라인 스토리지를 가로지르는 전압 크기를 그에 맞추어 조정하는 것을 포함한다. 예를 들어, ¼ 전력 동작에서는, 라인 스토리지를 가로지르는 전압 크기가 메인즈 전압 크기의 ½이 된다. 라인 스토리지를 통과하는 전류의 크기는 풀 전력 동작의 전류의 ½이며, 메인즈 전류는 풀 전력 동작의 전류의 ¼이다.
방법(500)은 스텝 505에서 시작되며, 스텝 510으로 계속된다. 스텝 510에서는, 컨버터(예를 들면, 컨버터 시스템(100))에 의해 입력 전력이 수신된다. 스텝 515에서는, 모니터링 회로(예를 들면, 모니터링 회로(111))에 의해 AC 전류 및 AC 전압이 측정된다. AC 포트(195)로부터 측정들을 샘플링함으로써, AC 메인즈의 AC 전류 및 AC 전압을 측정한다. 충분한 데이터를 가지고 시간의 경과에 따라 측정들을 샘플링함으로써, 전압 및 전류에 대한 크기 데이터와 위상 시프트를 계산해 낼 수 있다. 스텝 520에서는, 모니터링 회로에 의해 라인 주파수 에너지 스토리지(예를 들면, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190))의 전압 및 전류가 측정된다.
스텝 520에서는, 라인 스토리지(예를 들면, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190))를 가로지르는 전압이 시간의 경과에 따라 모니터링 회로에 의해 측정된다. 또한, 라인 스토리지로의 전류 흐름 및 라인 스토리지로부터의 전류 흐름이 측정될 수도 있다. 스텝 525에서는, AC 메인즈 및 라인 스토리지의 측정된 전압이 동일한 시간 주기에 걸쳐 비교된다.
스텝 530에서는, 스텝 525로부터의 비교에 기초하여, 라인 스토리지를 가로지르는 전압과 AC 메인즈 전압 간의 위상 차가 결정된다. 스텝 535에서는, 이 위상 차를 미리 정해진 값과 비교한다. 전술한 바와 같이, 이 미리 정해진 값은 전압 파형들 간의 45°차이일 수 있다. 예를 들어, 라인 스토리지를 가로지르는 전압 바이어스는 AC 메인즈의 전압보다 지연될 수 있다.
스텝 540에서, 방법(500)은 결정된 위상 차 값이 미리 정해진 값과 동일한지 여부를 결정한다. 그 값들이 동일하지 않은 경우, 방법(500)은 스텝 545로 진행한다. 스텝 545에서는, 컨버터 시스템(100)의 사이클로컨버터(예를 들면, 사이클로컨버터(170)) 내의 스위치들을 조정하여, 라인 스토리지로의 전류 흐름 또는 라인 스토리지로부터의 전류 흐름을 제어한다. 조정들은, 라인 스토리지의 전압 파형의 위상 지연 또는 위상 선행을 연장 또는 단축시키도록 스위칭 타이밍을 변경하는 것을 포함한다. 그 후에, 방법(500)은 스텝 515로 되돌아간다.
스텝 540을 다시 참조하면, 위상 차들의 값들이 동일한 경우, 방법(500)은 스텝 550로 진행한다. 스텝 550에서는, 방법(500)을 계속할지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 방법(500)을 계속하는 것으로 결정된 경우, 방법(500)은 스텝 515로 되돌아간다. 그렇지 않은 경우, 방법(500)은 스텝 555에서 종료된다.
다른 실시예들에서는, 전류들을 측정하여 비교할 수 있다. 이러한 실시예에서, 라인-사이클 에너지 스토리지 커패시터(190)에 대한 전류의 위상-시프트는 AC 메인즈의 전류보다 135 °만큼 지연되어야 한다. 미리 정해진 위상 시프트 값은 컨트롤러(103)에 저장될 수 있다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 포함하는 라인-사이클 에너지 스토리지 시스템(600)의 블록도이다. 몇몇 실시예들에서, 라인-사이클 에너지 스토리지 시스템(600)은 라인-사이클 에너지 스토리지 이외에도, EMC 및 서지 필터링을 또한 제공한다. 이 도면은 본 발명을 이용할 수 있는 다수의 가능한 시스템 구성들 및 장치들 중의 하나의 변형예만을 도시한 것이다. 본 발명은 최대 전력점에서 전력 소스를 작동시키기 위한 최대 전력점 추적을 채용하는 임의의 시스템 또는 장치에서 이용될 수 있다.
시스템(600)은 복수의 전력 컨버터들(602-1, 602-2 ....602-N)(전력 컨버터들(602)이라고 총칭함), 복수의 라인-사이클 스토리지 회로들(603-1, 603-2, ... 603-N)(라인-사이클 스토리지 회로들(603)이라고 총칭함); 복수의 분산 전원들(605-1, 605-2....605-N)(분산 전원들(605)이라고 총칭함); 시스템 컨트롤러(606); 버스(608); 및 로드 센터(load center)(610)를 포함한다. 분산 전원들(605)은 광발전, 풍력 터빈들, 또는 그 밖의 DC 소스들과 같은 최대 전력점에서 작동될 수 있는 임의의 적절한 전원일 수 있다.
각각의 전력 컨버터(602-1, 602-2....602-N)는 단일의 분산 전원 또는 분산 전원들의 그룹(605-1, 605-2....605-N)에 각기 커플링되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 전력 컨버터들(602)은 도 1 내지 도 3에서 전술한 컨버터들 또는 사이클로컨버터들에 대응한다. 몇몇 다른 실시예들에서, 전력 컨버터들(602)은 AC-DC 컨버터들일 수 있다. 각각의 라인-사이클 스토리지 회로들(603)은 도 1 내지 도 3에서 전술한 라인-사이클 스토리지 회로들 및 커패시터들에 대응한다. 분산 전원들(605)은 PV 모듈들에 대응한다.
전력 컨버터들(602)은 버스(608)를 통해 시스템 컨트롤러(606)에 커플링되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 라인-사이클 스토리지 회로들(603)은 시스템 컨트롤러(606)와 통신하기 위해 버스(608)를 통해서 시스템 컨트롤러(606)에 커플링되어 있다. 시스템 컨트롤러(606)는 전력 컨버터들(602)에 대한 동작적 제어를 제공하기 위해, 무선 및/또는 유선 통신(예를 들면, 전력선 통신)에 의해 전력 컨버터들(602)과 통신할 수 있다. 전력 컨버터들(602)은 버스(608)를 통해 로드 센터(610)에 더 커플링되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 라인-사이클 스토리지 회로들(603)은 PLC, 유선, 또는 무선 네트워크들(미도시)을 통한 시스템(600)으로부터의 외부 통신들을 위해 게이트웨이(예를 들면, 시스템 컨트롤러(606))에 커플링되어 있다.
전력 컨버터(602)가 DC-AC 인버터들인 몇몇 실시예들에서, 전력 컨버터들(602) 각각은 수신된 DC 전력을 AC 출력으로 변환할 수 있다. 전력 컨버터들(602)은 생성된 AC 출력 전력을 버스(608)를 통해 그리드 또는 에너지 스토리지에 커플링시킨다. 그 후에, 이 생성된 전력은 예를 들어 하나 이상의 기기들에 대한 사용을 위해 분배될 수 있으며, 그리고/또는 이 생성된 에너지는 나중의 사용을 위해, 예를 들어 배터리, 온수, 하이드로 펌핑(hydro pumping), H2O-수소 변환 등을 위해서 저장될 수도 있다. 몇몇 대안의 실시예들에서, 전력 컨버터들(602)은 AC-DC 전력 컨버터들일 수 있으며, 버스(608)는 DC 부하인 605에 전력을 전달하는 AC 버스이다.
시스템(600)에서, 각각의 라인-사이클 스토리지 회로들(603)은 버스(608)로부터의 AC 전력뿐만 아니라 스토리지 디바이스(예를 들면, 커패시터)로 변환된 전력을 모니터링한다.
본 발명의 실시예들의 전술한 설명은 전술한 바와 같은 다양한 기능들을 수행하는 다수의 요소, 디바이스, 회로 및/또는 어셈블리를 포함한다. 이러한 요소, 디바이스, 회로 및/또는 어셈블리는 그들 각각의 전술한 기능들을 수행하기 위한 수단에 대한 예시적인 구현들이다.
전술한 내용은 본 발명의 실시예에 관한 것이지만, 다음의 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 기본 범위로부터 일탈하지 않는 범위 내에서, 본 발명의 다른 실시예들 및 추가적인 실시예들이 고안될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 단상 사이클로컨버터(single-phase cycloconverter) 내의 라인-사이클 에너지 스토리지(line-cycle energy storage)를 위한 방법으로서,
    상기 단상 사이클로컨버터의 입력 포트로부터 입력 전력을 수신하는 단계;
    상기 단상 사이클로컨버터의 AC 출력 포트를 모니터링하는 단계;
    상기 단상 사이클로컨버터의 상기 AC 출력 포트의 일 라인에 커플링되어 있는 라인-사이클 에너지 스토리지 회로의 전압을 측정하는 단계;
    모니터링된 상기 AC 출력 포트의 AC 전압과 측정된 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로의 전압 간의 위상 차를 결정하는 단계; 및
    상기 위상 차에 기초하여, 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로에 에너지를 선택적으로 저장하도록, 상기 단상 사이클로컨버터 내의 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치들을 제어하는 단계는, 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로를 가로지르는 상기 전압이, 모니터링된 상기 AC 전압과 비교할 때 45°의 위상 차를 갖도록 상기 스위치들을 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로의 전류는, AC 소스에 더 커플링되어 있는 모니터링된 상기 AC 출력 포트의 전류와 비교할 때 135 °의 전류 위상 차를 갖는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치들을 제어하는 단계는, 모니터링된 상기 AC 전압의 크기가, 측정된 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로의 전압의 크기와 동일하게 되도록 상기 스위치들을 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치들을 제어하는 단계는, 감소된 전력 모드에서 작동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 감소된 전력 모드에서는, 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로를 가로지르는 전압의 크기 및 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로를 통해 순환되는 전류의 크기는 풀(full) 전력 동작에 비해 절반이 되는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치들을 제어하는 단계는, 상기 라인-사이클 에너지 스토리지 회로의 전류의 크기가, AC 소스에 커플링되어 있는 모니터링된 상기 AC 출력 포트의 전류의 크기와 동일한 값이 되도록 상기 스위치들을 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 AC 출력 포트는 AC 소스에 커플링되어 있는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 포트에 커플링되어 있는 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 라인-사이클 커패시터를 포함하는 라인-사이클 에너지 스토리지 회로를 통해 무효 전력 지원 및 필터링을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 단상 사이클로컨버터 내에 라인-사이클 에너지 스토리지를 제공하도록 구성되는 장치로서,
    상기 단상 사이클로컨버터의 스위치들의 쌍들을 작동시키는 컨트롤러;
    병렬로 커플링되어 있는 제 1 쌍의 스위치들, 제 2 쌍의 스위치들 및 제 3 쌍의 스위치들;
    상기 제 1 쌍의 스위치들 및 상기 제 2 쌍의 스위치들을 가로질러 커플링되어 있는 AC 출력 포트;
    단상 동작(single-phase operation)을 위해 상기 AC 출력 포트에 커플링되어 있는 라인-사이클 스토리지 회로; 및
    상기 컨트롤러에 커플링되어 있으며, 상기 AC 출력 포트와 상기 라인-사이클 스토리지 회로에서의 전압들을 측정하고 또한 측정된 상기 전압들 간의 미리 정해진 위상 차를 유지하도록 구성되는 모니터링 회로를 포함하는, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 라인-사이클 스토리지 회로는 상기 AC 출력 포트의 일 라인과 상기 제 3 쌍의 스위치들 사이에 커플링되어 있는 적어도 하나의 라인-사이클 커패시터를 포함하는, 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 AC 출력 포트의 말단에 커플링되어 있는 AC 소스의 전압과 상기 라인-사이클 스토리지 회로의 전압이 45 °의 위상 차를 갖도록 상기 스위치들을 작동시키는, 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 AC 출력 포트의 말단에 커플링되어 있는 AC 소스의 전류와 상기 라인-사이클 스토리지 회로의 전류가 135 °의 위상 차를 갖도록 상기 스위치들을 작동시키는, 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 라인-사이클 스토리지 회로는, 적어도 하나의 커패시터 및 인덕터와 일체화되어 있는 케이블을 통해 상기 AC 출력 포트와 AC 소스 사이에 커플링되어 있는, 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 라인-사이클 스토리지 회로는 단상 출력 포트의 각 라인에 직렬로 커플링되어 있는 적어도 하나의 서지 보호 인덕터, 및 단상 출력 포트의 각 라인 사이에 병렬로 커플링되어 있는 적어도 하나의 커패시터를 포함하는, 장치.
  15. 단상 사이클로컨버터의 라인-사이클 스토리지를 위한 시스템으로서,
    적어도 하나의 광발전(PV) 모듈;
    상기 적어도 하나의 PV 모듈에 커플링되어 있는 입력 포트를 구비하고 상기 입력 포트에서 수신되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 적어도 하나의 컨버터를 포함하며, 각 컨버터는 사이클로컨버터를 포함하고, 각 사이클로컨버터는,
    상기 단상 사이클로컨버터의 스위치들의 쌍들을 작동시키는 컨트롤러;
    병렬로 커플링되어 있는 제 1 쌍의 스위치들, 제 2 쌍의 스위치들 및 제 3 쌍의 스위치들;
    상기 제 1 쌍의 스위치들 및 상기 제 2 쌍의 스위치들을 가로질러 커플링되어 있는 AC 출력 포트;
    단상 동작을 위해 상기 AC 출력 포트에 커플링되어 있는 라인-사이클 스토리지 회로; 및
    상기 컨트롤러에 커플링되어 있으며, 상기 AC 출력 포트와 상기 라인-사이클 스토리지 회로에서의 전압들을 측정하고 또한 측정된 상기 전압들 간의 미리 정해진 위상 차를 유지하도록 구성되는 모니터링 회로를 채용하는, 시스템.
KR1020167001894A 2013-09-16 2014-09-15 일체형 라인-사이클 에너지 스토리지를 구비한 단상 사이클로컨버터 KR102326844B1 (ko)

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