KR102330697B1 - 계통 연계형 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 통해 계통 연계 동작 시, 어느 두 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어하여 시스템 내 리플 성분을 감소시키는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템은 세 개의 출력단을 통해 교류 전압을 출력하는 계통, 상기 세 개의 출력단에 병렬로 연결되어 상기 세 개의 출력단에 인가되는 교류 전압을 제공받는 부하, 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 세 개의 출력단으로 출력하거나 상기 계통으로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 직류 전압원에 제공하는 세 쌍의 전력 스위칭 소자 및 상기 세 개의 출력단 중 어느 두 개의 출력단을 연결하고, 상기 세 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 컨버터(interleaved converter)로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

계통 연계형 에너지 저장 시스템{GRID-CONNECTED ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 통해 계통 연계 동작 시, 어느 두 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어하여 시스템 내 리플 성분을 감소시키는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템은 계통으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 저장된 전력을 계통 및/또는 부하에 공급하는 장치이다. 예컨대, 에너지 저장 시스템은 직류 발전 장치 또는 배터리에 저장된 전력을 가감함으로써 일정한 전력을 계통 및/또는 부하에 출력하기 위해 운용된다.
이를 위해, 기본적으로 에너지 저장 시스템은 직류 전압원, 계통, 부하, 이들 사이에서 이동하는 전력을 변환하는 전력 변환부 및 전력 변환부를 제어하는 제어부를 포함한다.
이하에서는 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 종래 에너지 저장 시스템의 구조와 이에 따른 문제점을 설명하도록 한다.
도 1은 종래 계통 연계형 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템의 계통 연계 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 1을 참조하면, 종래 에너지 저장 시스템(10)은 직류 전압원(미도시)과 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압(VDC)을 저장하는 DC 링크 커패시터(CDC), 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3'), 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')의 각 출력단(L1, L2, N)에 연결된 계통(VAC)과 부하(Load; Load 1, Load 2) 및 각 출력단(L1, L2, N)과 계통(VAC)을 선택적으로 연결하는 차단 스위치(S)를 포함한다.
계통(VAC)에 이상이 발생하면 차단 스위치(S)가 개방되고 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')는 직류 전압(VDC)을 변환하여 각 부하에 제공한다. 반면에, 계통(VAC)이 정상 상태이면 차단 스위치(S)가 닫히고 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')는 직류 전압(VDC)을 변환하여 계통(VAC) 및/또는 각 부하에 제공하거나 계통(VAC)에서 출력되는 교류 전압을 변환하여 직류 전압원에 제공한다.
다만 도 2a를 참조하면, 정상 상태인 계통(VAC)과 연계 동작할 때 종래 에너지 저장 시스템(10)은, 계통(VAC) 및/또는 부하에 전력을 공급하기 위해 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3') 중에서 어느 한 래그에 연결된 한 쌍의 전력 스위칭 소자를 동작시키지 않는다. 보다 구체적으로, 에너지 저장 시스템(10)은 중성단(N)에 연결된 래그에 구비된 한 쌍의 전력 스위칭 소자(S2, S2')를 동작시키지 않는다.
이에 따라, 도 2b를 참조하면 중성단(N)에서는 교류 전류(i2)가 출력되지 않고 어느 한 활성단(N1)에서만 교류 전류(i1)가 출력되는데, 활성단(N1)에서 출력되는 교류 전류(i1)에는 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')의 전력 변환 동작에 따른 리플(ripplie) 성분이 포함될 수 있다. 또한, DC 링크 커패시터(CDC)에서 출력되는 전류(icap)에도 역시 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')의 전력 변환 동작에 따른 리플 성분이 포함될 수 있다.
이러한 리플 성분은 계통 및 계통에 연결된 부하에 악영향을 미치게 되고 고조파 왜율(Total Harmonic Distortion; THD)을 증가시켜 시스템 전체 안정성을 낮추는 원인이 된다.
이에 따라, 리플 성분을 저감하기 위한 방법이 요구되며, 특히 종래 계통 연계 동작 시 사용되지 않던 한 쌍의 전력 스위칭 소자를 이용하여 리플 성분을 저감시킬 수 있는 방법의 요구되고 있다.
본 발명은 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 통해 계통 연계 동작 시, 어느 두 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어하여 시스템 내 리플 성분을 감소시키는 계통 연계형 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 계통 연계 동작 시 세 개의 출력단 중 어느 두 개의 출력단을 연결하고, 상기 두 개의 출력단에 연결된 두 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 컨버터(interleaved converter)로 동작하도록 함으로써, 시스템 내 리플 성분을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 통해 계통 연계 동작 시, 어느 두 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어하여 시스템 내 리플 성분을 감소시킴으로써 시스템 내 고조파 왜율을 낮출 수 있고 이에 따라 시스템 안정성을 향상시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 계통 연계형 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템의 계통 연계 동작을 설명하기 위한 파형도.
도 3은 본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템의 일 예시를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템의 다른 예시를 도시한 회로도.
도 5는 본 발명의 에너지 저장 시스템의 계통 연계 동작 시 인터리브드(interleaved) 방식으로 제어되는 전력 스위칭 소자의 동작 상태를 도시한 파형도.
도 6은 도 5에 나타낸 A를 확대 도시한 파형도를 예시적으로 각각 도시한 도면.
도 7은 전력 스위칭 소자가 인터리브드 방식으로 동작할 때 줄어든 리플 성분을 설명하기 위한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다
본 발명은 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 통해 계통 연계 동작 시, 어느 두 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어하여 시스템 내 리플 성분을 감소시키는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템(이하, 에너지 저장 시스템)을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템의 일 예시를 도시한 회로도이고, 도 4는 본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템의 다른 예시를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 에너지 저장 시스템의 계통 연계 동작 시 인터리브드(interleaved) 방식으로 제어되는 전력 스위칭 소자의 동작 상태를 도시한 파형도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 A를 확대 도시한 파형도를 예시적으로 각각 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 전력 스위칭 소자가 인터리브드 방식으로 동작할 때 줄어든 리플 성분을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS, 100)은 계통(VAC)으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 저장된 전력을 계통(VAC) 및/또는 부하에 공급하는 장치이다. 예컨대, 에너지 저장 시스템(100)은 직류 발전 장치 또는 배터리에 저장된 전력을 가감함으로써 일정한 전력을 계통(VAC) 및/또는 부하에 출력하기 위해 운용될 수 있다.
이를 위해, 에너지 저장 시스템(100)은 직류 전압원(미도시), 계통(VAC), 부하(Load), 이들 사이에서 이동하는 전력을 변환하는 전력 변환부 및 전력 변환부를 제어하는 제어부(미도시)를 포함하는 시스템일 수 있다.
도 3을 참조하면 계통(VAC)은 세 개의 출력단을 통해 교류 전압을 출력할 수 있다. 즉, 세 개의 출력단은 제1 내지 제3 출력단을 포함한다.
부하는 세 개의 출력단에 병렬로 연결되어 세 개의 출력단에 인가되는 교류 전압을 제공받을 수 있다. 부하는 교류 전압을 인가받아 동작하는 부하로서, 예컨대, 유도 전동기일 수 있다.
부하는 세 개의 출력단에 인가되는 선간 전압을 인가받아 동작할 수 있다. 보다 구체적으로, 계통(VAC)은 제1 내지 제3 출력단을 통해 교류 전압을 출력할 수 있는데, 제1 내지 제3 출력단 중 어느 두 개의 출력단은 활성단(live terminal)(L1, L2)이고, 다른 한 출력단은 중성단(neutral terminal)(N)일 수 있다. 이 때, 부하는 각 활성단(L1, L2)과 중성단(N) 사이의 선간 전압을 인가받아 동작할 수 있다.
각 활성단(L1, L2)과 중성단(N) 사이의 선간 전압의 크기는 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 보다 구체적으로, 세 개의 출력단에 연결된 계통(VAC)이 단일의 교류 전압원으로 구현된 경우 각 활성단(L1, L2)과 중성단(N) 사이의 선간 전압의 크기는 동일할 수 있다. 이와 달리, 세 개의 출력단에 연결된 계통(VAC)이 복수의 교류 전압원으로 구현된 경우 각 활성단(L1, L2)과 중성단(N) 사이의 선간 전압의 크기는 다를 수 있다.
도 3을 예로 들어 설명하면, 계통(VAC)은 세 개의 출력단 중 제1 활성단(L1)과 중성단(N) 사이에 연결되어 제1 교류 전압을 출력하는 제1 교류 전압원(Vac1)과, 세 개의 출력단 중 제2 활성단(L2)과 중성단(N) 사이에 연결되어 제2 교류 전압을 출력하는 제2 교류 전압원(Vac2)을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 교류 전압원(Vac1)과 제2 교류 전압원(Vac2)은 독립적으로 전압을 공급하므로, 제1 교류 전압의 크기와 제2 교류 전압의 크기는 다를 수 있다.
이러한 구조에서 부하는 제1 활성단(L1)과 중성단(N) 사이에 인가되는 제1 교류 전압의 크기에 따라 동작할 수 있고, 제2 활성단(L2)과 중성단(N) 사이에 인가되는 제2 교류 전압의 크기에 따라 동작할 수도 있다. 뿐만 아니라, 부하는 제1 활성단(L1)과 제2 활성단(L2) 사이에 인가되는 제1 교류 전압의 크기와 제2 교류 전압의 크기의 합에 따라 동작할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 교류 전압원(Vac1, Vac2)이 각각 120[V]을 출력하는 경우, 부하는 120[V]를 공급받아 동작할 수도 있고, 240[V]를 공급받아 동작할 수도 있다.
한편, 부하에 공급되는 전압의 크기는 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 보다 구체적으로, 세 개의 출력단에 단일의 부하가 연결된 경우 부하에 공급되는 교류 전압의 크기는 동일할 수 있다. 이와 달리, 세 개의 출력단에 복수의 부하가 연결된 경우 각 부하에 공급되는 교류 전압의 크기는 다를 수 있다.
도 3을 예로 들어 설명하면, 부하는 제1 활성단(L1)과 중성단(N) 사이에 연결되어 제1 교류 전압을 제공받는 제1 부하(Load 1)와, 제2 활성단(L2)과 중성단(N) 사이에 연결되어 제2 교류 전압을 제공받는 제2 부하(Load 2)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 제1 교류 전압와 제2 교류 전압의 크기는 다를 수 있으므로, 각 부하(Load 1, Load 2)에 제공되는 교류 전압의 크기 역시 다를 수 있다.
예를 들어, 부하는 각각 120[V]로 동작하는 제1 및 제2 부하(Load 1, Load 2)를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 부하(Load 1, Load 2)는 제1 활성단(L1)과 중성단(N) 사이, 제2 활성단(L2)과 중성단(N) 사이에 출력되는 120[V]를 각각 공급받아 동작할 수 있다. 이와 달리, 부하는 240[V]로 동작하는 하나의 부하로 구현될 수도 있는데, 이 때 해당 부하는 제1 활성단(L1)과 제2 활성단(L2) 사이에 출력되는 240[V]를 공급받아 동작할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 에너지 저장 시스템(100)은 전력 변환부로서 세 개의 래그(leg)에 각각 연결된 세 쌍의 전력 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')를 포함할 수 있다. 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 직류 전압원과 연결되어 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환할 수 있다.
보다 구체적으로, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환하여 세 개의 출력단으로 출력하거나 계통(VAC)으로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 직류 전압원에 제공할 수 있다.
직류 전압원은 충방전이 가능한 배터리일 수도 있고, 직류 전압(VDC)을 생산하는 신재생에너지원(예컨대, 태양광 발전 모듈)일 수도 있다. 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 직류 전압원의 출력단에 연결되어 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 직류 전압원은 DC 링크 커패시터(CDC)를 통해 일정한 크기의 직류 전압(VDC)을 출력할 수 있다. 구체적으로, DC 링크 커패시터(CDC)는 직류 전압원의 출력단에 병렬로 연결되어 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압(VDC)을 일정한 크기로 저장할 수 있다. 이 때, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 DC 링크 커패시터(CDC)에 저장된 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환할 수 있다.
세 쌍의 전력 스위칭 소자는 전력 변환을 위해, 제1 내지 제3 래그(leg1, leg2, leg3) 각각에 한 쌍으로 구비된 상암 및 하암 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 제1 래그(leg 1)에 한 쌍으로 구비된 제1 상암 스위칭 소자(S1) 및 제1 하암 스위칭 소자(S1')를 포함할 수 있다. 또한, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 제2 래그(leg 2)에 한 쌍으로 구비된 제2 상암 스위칭 소자(S2) 및 제2 하암 스위칭 소자(S2')를 포함할 수 있다. 또한, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 제3 래그(leg 3)에 한 쌍으로 구비된 제3 상암 스위칭 소자(S3) 및 제3 하암 스위칭 소자(S3')를 포함할 수 있다.
이러한 스위칭 소자들은 제어부에서 제공되는 제어 신호에 따라 턴 온 또는 턴 오프되는 소자로 구현될 수 있으며, 예컨대, MOSFET(Metal Oxide Semiconducter FET), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 구현될 수 있다.
제1 상암 및 제1 하암 스위칭 소자(S1, S1')는 제1 출력단을 통해 연결될 수 있고, 제2 상암 및 제2 하암 스위칭 소자(S2, S2')는 제2 출력단을 통해 연결될 수 있으며, 제3 상암 및 제3 하암 스위칭 소자(S3, S3')는 제3 출력단을 통해 연결될 수 있다.
이에 따라, 각 래그에 구비된 상암 및 하암 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')는 DC 링크 커패시터(CDC)에서 출력되는 직류 전압(VDC)을 단속함으로써 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환할 수 있고, 변환된 교류 전압을 각 출력단을 통해 출력할 수 있다.
계통(VAC)에서 교류 전압이 정상적으로 공급될 때(이하, 계통 정상 상태), 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환하여 세 개의 출력단에 출력할 수 있다. 세 개의 출력단에 출력된 교류 전압은 계통(VAC)으로 공급될 수도 있고, 부하로 공급될 수도 있다.
이러한 과정을 통해 직류 전압원에 저장된 전력은 감소할 수 있다. 예컨대, 직류 전압원이 배터리인 경우 배터리는 전술한 과정을 통해 방전될 수 있고, 직류 전압원이 신재생 에너지원인 경우 신재생 에너지원에서 발전된 전력은 전술한 과정을 통해 계통(VAC)으로 공급될 수 있다.
이와 반대로 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 계통(VAC)에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 직류 전압원에 제공할 수도 있다. 다시 말해, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 직류 전압(VDC)을 교류 전압으로 변환하는 동작을 역으로 수행하여 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있고, 변환된 직류 전압을 직류 전압원에 제공할 수 있다.
이러한 과정을 통해 직류 전압원에 저장된 전력은 증가할 수 있다. 예컨대, 직류 전압원이 배터리인 경우 배터리는 전술한 과정을 통해 충전될 수 있다.
앞서 설명한 세 쌍의 전력 스위칭 소자의 전력 변환 동작에 따라 시스템 내부, 특히 출력단에 인가되는 교류 전압에는 리플(ripple) 성분이 발생할 수 있다. 이러한 리플 성분은 계통(VAC) 및 계통(VAC)에 연결된 부하에 악영향을 미치게 되므로, 본 발명은 리플 성분의 저감을 위해 출력단에 연결된 출력단 인덕터(L1, L2)를 포함할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 세 개의 출력단 중 적어도 두 개의 출력단에는 출력단 인덕터(L1, L2)가 구비될 수 있다. 예컨대, 출력단 인덕터(L1, L2)는 제1 활성단(L1)과 중성단(N)에 구비될 수 있다. 제2 활성단(L2)에 인가되는 교류 전압은 제1 활성단(L1) 및 중성단(N)에 인가되는 교류 전압에 의해 결정되므로, 소자 비용 절감을 위해 제2 활성단(L2)에는 출력단 인덕터(L1, L2)가 구비하지 않을 수 있다.
두 개의 출력단에 구비된 출력단 인덕터(L1, L2)에 의해 교류 전압은 안정화될 수 있고, 이에 따른 파형 개선으로 인해 리플 성분이 일부 저감될 수 있다.
한편, 정전, 서지 전압 발생 등과 같은 요인으로 인해 계통(VAC)에서 교류 전압이 비정상적으로 공급될 때(이하, 계통 이상 상태), 에너지 저장 시스템(100)이 계통(VAC)과 연결을 지속하는 경우, 시스템 내 장애가 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해, 세 개의 출력단 중 적어도 두 개의 출력단에는 계통(VAC)과의 연결을 차단하는 차단 스위치(S)가 구비될 수 있다.
도 3을 예로 들어 설명하면, 차단 스위치(S)는 제1 활성단(L1)과 제2 활성단(L2)에 구비될 수 있다. 각 활성단(L1, L2)에 구비된 차단 스위치(S)가 개방되면 제1 활성단(L1)과 제2 활성단(L2)에는 전류가 흐르지 않게 되며 세 쌍의 전력 스위칭 소자와 계통(VAC)을 연결하는 회로는 개회로가 되므로 중성단(N)에도 전류가 흐르지 않게 된다.
이러한 차단 스위치(S)는 제어부에 의해 제어될 수 있다. 구체적으로, 제어부는 계통(VAC)의 상태를 모니터링 한 결과 계통(VAC)의 상태가 계통 이상 상태로 판단되는 경우 차단 스위치(S)를 개방시킬 수 있다.
계통(VAC)과의 연결이 차단되면 출력단에는 오직 부하만 연결되고, 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 제어부의 제어에 따라 직류 전압원에 저장된 전력을 방전 및 변환하여 부하에 제공할 수 있다. 이에 따라, 계통 이상 상태에서도 부하는 정상 동작할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 에너지 저장 시스템(100)을 구성하는 직류 전압원은 계통 정상 상태에서 충방전되는데, 충방전 시 발생하는 전력 변환 동작으로 인해 출력단에는 리플 성분이 발생할 수 있다.
이러한 리플 성분의 발생을 억제하기 위해 제어부는 계통 정상 상태에서, 세 개의 출력단 중 어느 두 개의 출력단을 연결하고, 세 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 컨버터(interleaved converter)로 동작하도록 제어할 수 있다.
앞서, 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이, 종래 에너지 저장 시스템(10)은 계통(VAC)과 연계 동작할 때 어느 한 래그(구체적으로, 중성단(N)과 연결된 래그)에 구비된 스위칭 소자를 이용하지 않는다. 반면에, 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)은 계통 정상 상태에서 계통(VAC)과 연계 동작할 때 세 개의 출력단 중 어느 두 개의 출력단을 연결한 후 모든 래그에 구비된 스위칭 소자(S1, S1', S2, S2', S3, S3')를 제어함으로써 세 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 방식으로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 출력단 인덕터(L1, L2)는 세 개의 출력단을 구성하는 제1 및 제2 활성단(L1, L2) 중 어느 하나와 중성단(N)에 각각 구비될 수 있다. 이 때, 제어부는 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어할 때, 출력단 인덕터(L1, L2)가 구비된 두 개의 출력단을 연결할 수 있다.
도 3을 예로 들어 설명하면, 출력단 인덕터(L1, L2)는 제1 활성단(L1)과 중성단(N)에 각각 구비될 수 있고, 이 때, 제어부는 제1 활성단(L1)과 중성단(N)을 연결한 후 세 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 방식으로 동작하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 후술하는 인터리브드 방식을 통해 리플 성분이 저감된 후 계통(VAC)으로 출력되는 교류 전압이 출력단 인덕터(L1, L2)에 의해 추가적으로 안정화됨으로써, 교류 전압에 포함된 리플 성분은 보다 저감될 수 있다.
제어부는 릴레이(R)를 제어하여 두 개의 출력단을 선택적으로 연결할 수 있다.
이를 위해, 세 개의 출력단 중 제1 출력단에는 제1 출력단과 계통(VAC)을 연결하거나 제1 출력단과 제2 출력단을 연결하는 릴레이(R)가 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 출력단은 중성단(N)일 수 있고 제2 출력단은 제1 활성단(L1)일 수 있다. 단일의 릴레이(R)는 두 가지의 상태로 제어될 수 있는데, 어느 한 상태에서 릴레이(R)는 중성단(N)과 계통(VAC)의 연결을 끊고 중성단(N)을 제1 활성단(L1)과 연결할 수 있다. 다른 한 상태에서 릴레이(R)는 중성단(N)과 제1 활성단(L1)의 연결을 끊고 중성단(N)을 계통(VAC)과 연결할 수 있다.
계통 이상 상태에서 제어부는 차단 스위치(S)를 개방시키고, 릴레이(R)를 제어하여 중성단(N)을 계통(VAC)과 연결할 수 있다. 이어서, 제어부는 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 제어하여 직류 전압원에 저장된 전력을 부하에 제공할 수 있다.
반면에, 계통 정상 상태에서 제어부는 차단 스위치(S)를 닫고, 릴레이(R)를 제어하여 중성단(N)을 제1 활성단(L1)과 연결할 수 있다. 이어서, 제어부는 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 제어하여 직류 전압원에 전력을 충전시키거나 직류 전압원에 저장된 전력을 방전시킬 수 있다.
한편, 제어부는 복수의 릴레이(R1, R2)를 제어하여 두 개의 출력단을 선택적으로 연결할 수도 있다.
이를 위해, 제1 출력단과 계통(VAC) 사이에는 제1 출력단과 계통(VAC)을 연결하는 제1 릴레이(R1)가 구비될 수 있고, 제1 출력단과 제2 출력단 사이에는 제1 및 제2 출력단을 연결하는 제2 릴레이(R2)가 구비될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 출력단은 중성단(N)일 수 있고 제2 출력단은 제1 활성단(L1)일 수 있다. 제1 릴레이(R1)는 닫힘 상태 및 열림 상태로 제어될 수 있는데, 닫힘 상태에서 제1 릴레이(R1)는 중성단(N)과 계통(VAC)을 연결할 수 있고, 열림 상태에서 제1 릴레이(R1)는 중성단(N)과 계통(VAC)의 연결을 차단할 수 있다.
제2 릴레이(R2) 역시 닫힘 상태 및 열림 상태로 제어될 수 있는데, 닫힘 상태에서 제2 릴레이(R2)는 중성단(N)과 제1 출력단을 연결할 수 있고, 열림 상태에서 제2 릴레이(R2)는 중성단(N)과 제1 출력단의 연결을 차단할 수 있다.
계통 이상 상태에서 제어부는 차단 스위치(S)를 개방시키고, 제1 릴레이(R1)를 닫힘 상태로 제어하고 제2 릴레이(R2)를 열림 상태로 제어함으로써, 중성단(N)과 제1 활성단(L1)을 분리하고 중성단(N)과 계통(VAC)을 연결할 수 있다. 이어서, 제어부는 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 제어하여 직류 전압원에 저장된 전력을 부하에 제공할 수 있다.
반면에, 계통 정상 상태에서 제어부는 차단 스위치(S)를 닫고, 제1 릴레이(R1)를 열림 상태로 제어하고 제2 릴레이(R2)를 닫힘 상태로 제어함으로써, 중성단(N)과 계통(VAC)을 분리하고 중성단(N)과 제1 활성단(L1)을 연결할 수 있다. 이어서, 제어부는 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 제어하여 직류 전압원에 전력을 충전시키거나 직류 전압원에 저장된 전력을 방전시킬 수 있다.
이하, 계통 정상 상태에서 제어부가 세 쌍의 전력 스위칭 소자를 인터리브드 방식으로 제어하는 방법을 설명하도록 한다.
제어부는 연결된 두 개의 출력단 각각에 교류 전압을 출력하는 두 쌍의 전력 스위칭 소자가 반 주기의 위상차로 동작하도록 제어함으로써, 세 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 컨버터로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 이하에서를 설명의 편의를 위해 세 개의 출력단 중 연결된 두 개의 출력단이 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 중성단(N)과 제1 활성단(L1)인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
도 5를 참조하여 설명하면, 제어부는 계통(VAC)에서 출력되는 교류 전압의 위상에 따라 제1 상암 스위칭 소자(S1)를 동작시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부는 계통(VAC)에서 출력되는 교류 전압의 크기가 양일 때 제1 상암 스위칭 소자(S1)를 턴 온 제어할 수 있고, 계통(VAC)에서 출력되는 교류 전압의 크기가 음일 때 제1 상암 스위칭 소자(S1)를 턴 오프 제어할 수 있다.
한편, 제1 하암 스위칭 소자(S1')는 제1 상암 스위칭 소자(S1)와 상보적으로 동작하므로, 제1 상암 스위칭 소자(S1)가 턴 온되면 제1 하암 스위칭 소자(S1')는 턴 오프되고, 제1 상암 스위칭 소자(S1)가 턴 오프되면 제1 하암 스위칭 소자(S1')는 턴 온될 수 있다.
제1 상암 스위칭 소자(S1)에 대한 제어 동작을 수행하는 동안 제어부는 중성단(N)에 교류 전압을 출력하는 제2 상암 및 제2 하암 스위칭 소자(S2, S2')와, 제1 활성단(L1)에 교류 전압을 출력하는 제3 상암 및 제3 하암 스위칭 소자(S3, S3')가 반 주기의 위상차로 온오프되도록 제어할 수 있다.
다시 말해, 제어부는 제3 래그에서 출력되는 교류 전압의 위상을, 제2 래그에서 출력되는 교류 전압의 위상에 비해 반주기만큼 느리게 지연시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 제어부는 목표 출력에 따라 제2 상암 스위칭 소자(S2)와 제3 상암 스위칭 소자(S3)의 듀티비를 제어하면서, 제2 상암 및 제3 상암 스위칭 소자(S2, S3)를 기준주기에 따라 동작시킬 수 있다.
이 때, 제어부는 제2 상암 스위칭 소자(S2)와 제3 상암 스위칭 소자(S3)가 반 주기의 위상차로 동작하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부는 제3 상암 스위칭 소자(S3)의 동작 위상을 제2 상암 스위칭 소자(S2)의 동작 위상의 절반, 예컨대 360도의 절반인 180만큼 지연시킬 수 있다.
도 3 및 도 7을 함께 참조하면, 전술한 제어에 따라 제1 출력단에는 제1 교류 전류(iL1)가 흐를 수 있고, 중성단(N)에는 제2 교류 전류(iL2)가 흐를 수 있다. 한편, 인터리브드 제어에 의해, 제1 교류 전류(iL1)에 포함된 리플 성분과 제2 교류 전류(iL2)에 포함된 리플 성분은 크기가 동일하고 부호가 반대일 수 있다.
이와 같은 인터리브드 제어가 수행될 때 제1 출력단과 중성단(N)은 릴레이(R)에 의해 연결되어 있으므로, 계통(VAC)으로 출력되는 전류(이하, 계통 전류(igrid))는 제1 교류 전류(iL1)와 제2 교류 전류(iL2)의 합일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 제1 교류 전류(iL1)와 제2 교류 전류(iL2)는 크기가 같고 부호가 반대인 리플 성분을 각각 포함하고 있으므로, 이 둘이 합해지게 되면 제1 교류 전류(iL1)와 제2 교류 전류(iL2)에 포함된 리플 성분은 서로 상쇄될 수 있다.
이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 교류 전류(iL1)와 제2 교류 전류(iL2)가 합해진 계통 전류(igrid)는 매우 낮은 수준의 리플 성분만이 포함될 수 있다.
계통 전류(igrid)에 포함된 리플 성분이 저감되면 시스템 내 고조파 왜율(Total Harmonic Distortion; THD)을 낮출 수 있어 시스템 안정성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 전술한 인터리브드 제어에 의해 도 3의 DC 링크 커패시터(CDC)에서 출력되는 전류(icap)에 포함된 리플 성분 또한 저감될 수 있다. 이는 DC 링크 커패시터(CDC)의 수명을 증가시킬 수 있어 시스템 수명을 연장시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (11)

  1. 세 개의 출력단을 통해 교류 전압을 출력하는 계통;
    상기 세 개의 출력단에 병렬로 연결되어 상기 세 개의 출력단에 인가되는 교류 전압을 제공받는 부하;
    직류 전압원에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 세 개의 출력단으로 출력하거나 상기 계통으로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 직류 전압원에 제공하는 세 쌍의 전력 스위칭 소자; 및
    상기 세 개의 출력단 중 어느 두 개의 출력단을 연결하고, 상기 세 쌍의 전력 스위칭 소자가 인터리브드 컨버터(interleaved converter)로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세 개의 출력단은 제1 활성단, 제2 활성단 및 중성단을 포함하고,
    상기 계통은
    상기 제1 활성단과 중성단 사이에 연결되어 제1 교류 전압을 출력하는 제1 교류 전압원과,
    상기 제2 활성단과 상기 중성단 사이에 연결되어 제2 교류 전압을 출력하는 제2 교류 전압원을 포함하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하는
    상기 제1 활성단과 상기 중성단 사이에 연결되어 상기 제1 교류 전압을 제공받는 제1 부하와,
    상기 제2 활성단과 상기 중성단 사이에 연결되어 상기 제2 교류 전압을 제공받는 제2 부하를 포함하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압은 상기 직류 전압원과 병렬로 연결된 DC 링크 커패시터에 저장되고,
    상기 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 상기 DC 링크 커패시터에 저장된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세 개의 출력단 중 적어도 두 개의 출력단에는 출력단 인덕터가 구비되는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세 개의 출력단 중 적어도 두 개의 출력단에는 계통과의 연결을 차단하는 차단 스위치가 구비되는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세 개의 출력단은 제1 활성단, 제2 활성단 및 중성단을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 활성단 중 어느 하나와 중성단에는 출력단 인덕터가 구비되고,
    상기 제어부는 상기 출력단 인덕터가 구비된 두 개의 출력단을 연결하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세 쌍의 전력 스위칭 소자는 제1 내지 제3 래그 각각에 한 쌍으로 구비된 상암 및 하암 스위칭 소자를 포함하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세 개의 출력단은 제1, 제2 출력단을 포함하고,
    상기 제1 출력단에는 상기 제1 출력단과 상기 계통을 연결하거나 상기 제1 출력단과 제2 출력단을 연결하는 릴레이가 구비되고,
    상기 제어부는 상기 릴레이를 제어하여 상기 제1 및 제2 출력단을 연결하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 세 개의 출력단은 제1 및 제2 출력단을 포함하고,
    상기 제1 출력단과 상기 계통 사이에는 상기 제1 출력단과 상기 계통을 연결하는 제1 릴레이가 구비되고,
    상기 제1 출력단과 상기 제2 출력단 사이에는 상기 제1 및 제2 출력단을 연결하는 제2 릴레이가 구비되고,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2 릴레이를 제어하여 상기 제1 출력단과 상기 계통 간의 연결을 차단하고, 상기 제1 및 제2 출력단을 연결하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    연결된 두 개의 출력단 각각에 교류 전압을 출력하는 두 쌍의 전력 스위칭 소자가 반 주기의 위상차로 동작하도록 제어하는
    계통 연계형 에너지 저장 시스템.
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