KR102389765B1 - 리던던트 dc 전압 네트워크 - Google Patents

리던던트 dc 전압 네트워크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 DC 전압 서브-네트워크(11), 제2 DC 전압 서브-네트워크(12), 에너지 저장 네트워크(13), 제1 전력 컨버터(21), 제2 전력 컨버터(22) 및 에너지 저장부(4)를 갖는 DC 전압 네트워크(1)에 관한 것이다. DC 전압 네트워크를 개선시키기 위하여, 제1 DC 전압 서브-네트워크(11)와 에너지 저장 네트워크(13)는 제1 전력 컨버터(21)에 의하여 함께 연결되고, 제2 DC 전압 서브-네트워크(12)와 에너지 저장 네트워크(13)는 제2 전력 컨버터(22)에 의하여 함께 연결되고, 에너지 저장 네트워크(13)는, 에너지 저장 네트워크(13)가 에너지 저장부(4)의 전압을 갖도록 에너지 저장부(4)에 연결되며, 제1 DC 전압 서브-네트워크(11) 및/또는 제2 DC 전압 서브-네트워크(12)는 적어도 하나의 피드 디바이스(5)를 통해 적어도 하나의 AC 전압 네트워크(6)에 연결될 수 있다. DC 전압 네트워크(1)를 개선시키기 위하여, DC 전압 네트워크(1)는 적어도 하나의 연결 컨버터(2)를 갖고, 제1 DC 전압 서브-네트워크(11)와 제2 DC 전압 서브-네트워크(12)는 연결 컨버터(2)에 의하여 함께 연결된다. 본 발명은 부가적으로, 그러한 DC 전압 네트워크(1)를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, DC 전압 네트워크(1)에서의 결함의 발생 시, 전력 컨버터들(21, 22, 23, 24) 중 적어도 하나가 결함의 위치에 따라 비활성화된다.

Description

리던던트 DC 전압 네트워크
본 발명은 제1 DC 전압 서브네트워크(subnetwork), 제2 DC 전압 서브네트워크 및 에너지 저장 디바이스(energy storage device)를 갖는 DC 전압 네트워크(network)에 관한 것이다. 본 발명은 추가로, 이러한 종류의 DC 전압 네트워크를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
오늘날, 주파수 컨버터(converter)들은 훨씬 더 넓은 범위의 상황들에서 사용하도록 확장되고 있으며, 모터(motor)를 단지 조절하는 전형적인 기능에 부가하여, 이러한 주파수 컨버터들은 또한, (예컨대, 풍력 터빈(turbine)들에서) 네트워크 공급부(supply)인 옵션(option)을 갖거나, 또는 심지어, DC 시스템(system)으로 또한 지칭되는 전체 DC 전압 네트워크를 형성한다. 여기서, 전기 장치들, 이를테면, 컨슈머(consumer)들과 소스(source)들이 전기 에너지를 교환하는 DC 전압 네트워크가 이제 고려되어야 한다. DC 전압 네트워크에 전기 에너지를 공급하는 것은 AC 전압 네트워크로부터 하나 이상의 전류 컨버터들의 도움으로 이루어진다.
DC 전압 네트워크의 통상적인 예시적인 애플리케이션(application)은 선박 또는 차량, 특히 철도 차량 내에서의 에너지의 공급이다. DC 전압 시스템의 도움으로, 전기 에너지가 개별적인 컨슈머들에게 분배된다. 이와 관련하여, 이용가능한 구동부들 및 장비 중 일부는 결함(fault)의 발생 시에도 여전히 기능해야 한다. 이는 리던던시(redundancy)로 지칭된다.
현재, 결함의 발생 시 네트워크로부터 결함 소스를 분리할 수 있기 위하여 그리고 나머지 컨슈머들의 동작을 유지할 수 있기 위해, DC 전압 네트워크는 퓨즈(fuse)들 및 아이솔레이터(isolator)들을 갖춘다. 그러나, 단락의 발생 시에는, DC 전압 네트워크에 연결된 전기 구성요소들이 손상되는 것이 배제될 수 없다. 이러한 손상은 대응하는 전기 구성요소의 고장(failure)으로 이어질 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 단락의 손상 영향을 감소시키도록 의도되는 빠른 스위치(switch)들이 때때로 사용된다.
본 발명의 기본 목적은 DC 전압 네트워크를 개선시키는 것이다.
이 목적은 제1 DC 전압 서브네트워크, 제2 DC 전압 서브네트워크, 에너지 저장 네트워크, 제1 전력 컨버터, 제2 전력 컨버터 및 에너지 저장 디바이스를 갖는 DC 전압 네트워크에 의해 달성되며, 제1 DC 전압 서브네트워크와 에너지 저장 네트워크는 제1 전력 컨버터에 의하여 상호연결되고, 제2 DC 전압 서브네트워크와 에너지 저장 네트워크는 제2 전력 컨버터에 의하여 상호연결되고, 에너지 저장 네트워크가 에너지 저장 디바이스의 전압을 갖도록 에너지 저장 네트워크가 에너지 저장 디바이스에 연결되며, 제1 DC 전압 서브네트워크 및/또는 제2 DC 전압 서브네트워크는 적어도 하나의 피드(feed) 장치를 통해 적어도 하나의 AC 전압 네트워크에 연결될 수 있다. 이 목적은 추가로, 이러한 종류의 DC 전압 네트워크를 제어하기 위한 방법에 의해 달성되고, DC 전압 네트워크에서의 결함의 발생 시, 결함의 위치에 따라 전력 컨버터들 중 적어도 하나가 스위칭 오프된다(switched off).
본 발명의 추가적인 유리한 실시예들은 종속 청구항들에서 특정된다.
본 발명은, DC 전압 네트워크를 2 개의 DC 전압 서브네트워크들로 분할함으로써 DC 전압 네트워크의 내결함성(fault tolerance)이 증가될 수 있다는 지식에 기반한다. 전기 장치들, 이를테면, 컨슈머들 및/또는 소스들은 서브네트워크들 중 하나에 연결된다. 게다가, DC 전압 네트워크는 추가 서브네트워크로서 에너지 저장 네트워크를 갖는다. 피딩(feeding) 네트워크로부터 에너지의 공급이 실패한 경우, 에너지 저장 디바이스의 도움으로, 전기 장치들과의 에너지의 교환이 유지될 수 있다. 에너지 저장 네트워크는 DC 전압 네트워크 또는 AC 전압 네트워크일 수 있다. DC 전압 네트워크의 사용은 DC 전압을 갖는 에너지 저장 디바이스들에 특히 적절하다. 이는, 상기 저장 디바이스들이 동작 동안 자신들의 단자들에서 DC 전압을 갖는다는 것을 의미한다. 이러한 종류의 에너지 저장부의 통상적인 대표들은 배터리(battery)들 및 커패시터(capacitor)들(예컨대, 이중층 커패시터들, 이를테면, 울트라캡(Ultracap)들)이다.
이들 적어도 3 개의 서브네트워크들은 전력 제어기들의 도움으로 상호연결된다. DC/DC 전압 컨버터들, 특히, DCP로 또한 지칭되는 양방향 DC/DC 전압 컨버터들, 또는 전류 컨버터들이 전력 제어기들로서 사용될 수 있다. 전류 컨버터들은 DC 전압 측과 AC 전압 측 사이에서 에너지를 전달한다. DC 전압 네트워크에서의 애플리케이션을 위해, 양방향 전류 컨버터들이 특히 흥미로운데, 그 이유는 이러한 양방향 전류 컨버터들이 양방향으로, 즉, AC 전압 측으로부터 DC 전압 측으로 그리고 DC 전압 측으로부터 AC 전압 측으로 에너지 흐름을 가능하게 하기 때문이다. 이들 전력 제어기들은 서브네트워크들 사이에 배열되고, 서브네트워크들 사이의 에너지의 제어된 교환을 가능하게 한다. 전력 제어기들을 통해, 에너지 저장 디바이스들을 에너지 저장 네트워크에 직접적으로 연결하는 것이 가능하다. 그런 다음, 에너지 저장 네트워크에 연결된 전력 제어기들을 통해, 특히 전력 조절을 위한 전압의 설정이 이루어진다. 따라서, 배터리들 및/또는 울트라캡들이 DC 에너지 저장 네트워크에서 충전 또는 방전될 수 있거나, 또는 회전식 저장 디바이스들이 AC 에너지 저장 네트워크에서 충전 또는 방전될 수 있다.
DC 전압 네트워크를 적어도 2 개의 DC 전압 서브네트워크들로 분할함으로써, 전력 흐름과 관련하여 컨슈머들 및/또는 소스들의 복잡한 어레인지먼트(arrangement)들에 대한 제어를 갖는 것이 가능하다. DC 전압 네트워크에서 DC 버스(bus)로서 DC 전압을 사용하는 것은 광범위한(wide-reaching) 분기점들 및 피드 지점들을 허용하는데, 그 이유는 세그먼테이션(segmentation) 개념이 전력 제어기들에 의하여 거의 원하는 대로 확장될 수 있기 때문이다. 따라서, AC 버스, 즉, AC 전압을 개별적인 전기 장치들에 공급하는 것이 불필요해지며, 소스들, 부하들 및 에너지 저장 디바이스들이 원하는 대로 설치될 수 있다. 서브네트워크들의 수에 따라 리던던시가 증가한다.
모든 서브네트워크들에서, 전압은 전력 제어기들에 의하여 원하는 대로 제어되거나 또는 조절될 수 있다. 에너지 저장 네트워크에서, 그곳에 연결된 에너지 저장 디바이스의 동작 모드(mode)에 따라 전압이 조절된다. 따라서, 전력 제어기들은 복수의 기능들을 갖는다. 한편으로, 이는 예컨대 결함의 발생 시 개별적인 서브네트워크들의 안전한 분리이다. 게다가, 전력 제어기들은 서브네트워크들 사이의 전력의 교환을 조절하거나 또는 제어한다. 또한, 에너지 저장 네트워크에서의 전압은 에너지 저장 디바이스가 필요에 따라 충전되거나 또는 방전되도록 설정된다. 이 시스템은 단 몇몇 구성요소들의 사용으로 신뢰성의 상당한 개선을 야기하는데, 그 이유는 예컨대 배터리 충전 디바이스를 생략하는 것이 가능하기 때문이다.
하나의 서브네트워크에서 단락의 발생 시, 2 개의 다른 서브네트워크들은 계속 동작될 수 있다. 이는 배터리 백업(backup)이 유지됨을 의미한다. 특히, 선박의 추진 시스템의 사용 사례에서, 이는 매우 중요하며, 선박의 수용에 대해 확인된다. 전력 제어기들 대신에 스위치들을 사용할 때, 스위치의 고장은 설비가 더 이상 안전하게 동작될 수 없게 한다. 전력 제어기의 고장의 발생 시, 적어도 하나의 DC 전압 서브네트워크가, 연결된 컨슈머들에 여전히 공급할 수 있다. 따라서, 예컨대 선박에서, 구동 전력의 절반이 여전히 생성될 수 있다.
DC 전압 네트워크가 독립형 네트워크를 표현하면, 이 DC 전압 네트워크는 특히 유리하다. 이는 예컨대 선박들 상에서의 또는 차량들에서의, 특히 철도 차량들에서의 경우이다. 큰 컨슈머들에 의한 로딩(loading), 특히 큰 컨슈머들의 스위칭 온(switching on) 및 스위칭 오프(off)가 에너지 저장 디바이스로부터의 에너지의 제공에 의해 감소될 수 있다. 예컨대 DC 전압의 강하 또는 단기(short-term) 과전압에 기인하는, 다른 구성요소들에 대한 영향들이, 적어도 대개, 전력 제어기의 높은 동적 응답에 의해 전부 회피될 수 있다.
DC 전압 네트워크를 적어도 2 개의 DC 전압 서브네트워크들로 분할함으로써, 결함들의 발생 시, 예컨대, 하나의 서브네트워크에서 단락의 발생 시, 다른 서브네트워크 또는 다른 서브네트워크들에서는 어떤 구성요소들도 손상되지 않는 것이 가능해진다. 게다가, 전력 제어기들을 통해, 나머지 서브네트워크들의 전압과 독립적으로, 임의의 서브네트워크에서 자율적으로 전압이 조절되거나 또는 제어되는 것이 가능하다. 이는 직접적으로 연결된 배터리의 충전 또는 방전을 가능하게 한다. 매우 제한적인 동적 응답만을 갖는 부가적인 배터리 충전 디바이스들의 사용을 생략하는 것이 가능하다. 이는 비용들을 절약하며, 조절 시 높은 동적 응답 및 결함 시나리오(scenario)들에 대한 응답으로 이어진다. 하나의 전력 제어기의 고장의 발생 시에도, 하나의 서브네트워크는 항상 여전히 계속 동작될 수 있다. 이는 선박 애플리케이션들에서 또는 철도 차량들에서 특히 유리한데, 그 이유는 하나의 DC 전압 서브네트워크 및 이에 따라 하나의 구동부가 여전히 동작을 위해 준비된 상태로 유지되어서, 차량이 제어될 수 있기 때문이다. 따라서, 선박 상의 애플리케이션들에서, 기동성이 보장된다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 제1 전력 컨버터 및 제2 전력 컨버터 각각은 DC 전압 컨버터를 갖고, 에너지 저장 디바이스의 전압은 DC 전압이다. 또한, DC 전압 컨버터들은 DC/DC 컨버터들로 종종 지칭된다. 유리하게는, 이는 에너지의 양방향 흐름을 허용해야 한다. 이후, 이들 DC/DC 컨버터들은 또한 DCP로 지칭된다. 이는, 특히 동적 방식으로 DC 전압 네트워크에서 DC 전압들을 설정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 전기 장치들에 대한 어떤 손상도 유발되지 않는 빠른 방식으로 결함 시나리오가 응답될 수 있다. 게다가, DC 전압을 갖는 에너지 저장 디바이스들, 이를테면, 예컨대, 배터리들 또는 커패시터들, 특히, 이중층 커패시터들, 이를테면, 울트라캡들은 에너지 저장 네트워크에 직접적으로 연결될 수 있다. 그런 다음, 언커플링(uncoupling)을 위해 시스템에서 다른 구성요소들과의 비교적 느린 조절 거동을 종종 갖는 부가적인 충전 디바이스들을 생략하는 것이 가능하다.
게다가, DC 전압 컨버터가 전위 격리를 가지면 유리한 것으로 입증되었다. 따라서, 접지 결함의 발생 시에도 결함 전류들이 회피될 수 있다. 동시에, 접지 결함의 존재 시 DC 전압 네트워크의 일부 또는 심지어 전체가 동작 상태로 유지된다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, 제1 전력 컨버터 및 제2 전력 컨버터 각각은 전류 컨버터를 갖고, 에너지 저장 디바이스의 전압은 AC 전압이다. 전류 컨버터들은 DC 전압 네트워크와 AC 전압 네트워크 사이의 에너지 전달을 가능하게 한다. 양방향 전류 컨버터들의 사용이 특히 유리한데, 그 이유는 이들 양방향 전류 컨버터들을 사용하는 것이 양방향으로 에너지 전달을 가능하게 하기 때문이다. 이로써, 에너지 저장 네트워크에서의 에너지 저장 디바이스들은 조절된 또는 제어된 방식으로 AC 전압으로 충전되거나 또는 방전될 수 있다. 예컨대, 회전식 저장 디바이스들, 이를테면, 원심 매스(mass) 저장 디바이스들이 AC 전압 연결기를 갖는 에너지 저장 디바이스들로서 적격이다. 그 외의 보통의 작동기인 인버터(inverter)를 생략하는 것이 가능하며, 이는 비용들을 절약한다. 동시에, DC 전압 네트워크의 다른 구성요소들에 대한 손상을 회피하기 위한 신속한 방식으로 결함 시나리오들에 대처할 수 있기 위하여, 전류 컨버터를 사용하여 특정한 높은 조절 동적 응답을 달성하는 것이 가능하다. 여기서도, 서브네트워크들의 서로로부터의 갈바닉(galvanic) 격리가 예컨대 변압기에 의하여 특히 간단한 방식으로 달성될 수 있다. 따라서, 접지 결함의 발생 시에도 결함 전류들이 회피될 수 있다. 동시에, 접지 결함의 존재 시 DC 전압 네트워크의 일부 또는 심지어 전체가 동작 상태로 유지된다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, DC 전압 네트워크는 적어도 하나의 연결 컨버터를 가지며, 여기서, 연결 컨버터에 의하여, 제1 DC 전압 서브네트워크와 제2 DC 전압 서브네트워크는 상호연결된다. 연결 컨버터를 통해, 2 개의 DC 전압 서브네트워크들 사이의 에너지 교환이 직접적으로 달성될 수 있다. 에너지 저장 네트워크를 통한 우회가 회피될 수 있다. 그러므로, 에너지는 제1 DC 전압 서브네트워크로부터 제2 DC 전압 서브네트워크로 가는 중에 단지 하나의 컨버터를 통과하기만 하면 된다. 간단한 실시예에서, 연결 컨버터는 DC 전압 컨버터이다. DC 전압 서브네트워크들의 직접적인 연결을 통해, 에너지 저장 네트워크에 대한 영향이 회피될 수 있다. 이는, 에너지 저장 네트워크에서 더 적은 전압 변동(fluctuation)들이 관찰될 것임을 의미한다. 결과적으로, 에너지 저장 네트워크에 연결된 에너지 저장 디바이스들의 예상 서비스(service) 수명이 증가한다. 게다가, 제1 전력 컨버터 및 제2 전력 컨버터는 더 작게 치수화될 수 있는데, 그 이유는 이러한 제1 전력 컨버터 및 제2 전력 컨버터가 단지 에너지 저장 디바이스의 전력을 위해 설계될 필요가 있기 때문이다. 따라서, DC 전압 네트워크의 구현을 위한 비용들이 감소될 수 있다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, 연결 컨버터는 제3 전력 컨버터, 제4 전력 컨버터 및 추가 에너지 저장 네트워크를 갖고, 제1 DC 전압 서브네트워크와 추가 에너지 저장 네트워크는 제3 전력 컨버터에 의하여 상호연결되고, 제2 DC 전압 서브네트워크와 추가 에너지 저장 네트워크는 제4 전력 컨버터에 의하여 상호연결되며, 추가 에너지 저장 네트워크는, 추가 에너지 저장 네트워크가 추가 에너지 저장 디바이스의 전압을 갖도록 추가 에너지 저장 디바이스에 연결된다. DC 전압 네트워크에서의 에너지 저장 디바이스들을 2 개의 에너지 저장 네트워크들 사이에 분할함으로써, 상이한 배터리들을 상이한 충전 상태들로 충전 및 방전하는 것이 가능하다. 여기서, 상이한 에너지 저장 네트워크들의 에너지 저장 디바이스들은 서로 독립적으로 충전 및 방전될 수 있다. 이는 에너지 저장 디바이스들의 서비스 수명의 증가로 이어진다. 상이한 유형들의 저장부, 이를테면, 배터리들 및 커패시터들이 마찬가지로 결합될 수 있다. 따라서, 에너지 저장 네트워크는 예컨대 배터리들에 연결될 수 있으며, 이러한 배터리들은 장기(long-term basis)로 자신들의 에너지를 방출 및 수신한다. 그런 다음, 커패시터들은 추가 에너지 저장 네트워크에 링크되며(linked), 이 추가 에너지 저장 네트워크를 이용하여, 전기 에너지가 매우 동적인 방식으로 제공될 수 있다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, 제3 전력 컨버터 및 제4 전력 컨버터 각각은 DC 전압 컨버터를 갖고, 추가 에너지 저장 디바이스의 전압은 DC 전압이다. 유리하게는, 이는 또한, 에너지의 양방향 흐름을 허용해야 한다. 이들은, 특히 동적 방식으로 DC 전압 네트워크에서 DC 전압들을 설정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 전기 장치들에 대한 어떤 손상도 유발되지 않는 빠른 방식으로 결함 시나리오가 응답될 수 있다. 게다가, DC 전압을 갖는 에너지 저장 디바이스들, 이를테면, 예컨대, 배터리들 또는 커패시터들, 특히, 이중층 커패시터들, 이를테면, 울트라캡들은 에너지 저장 네트워크에 직접적으로 연결될 수 있다. 그런 다음, 언커플링을 위해 시스템에서 다른 구성요소들과의 비교적 느린 조절 거동을 종종 갖는 부가적인 충전 디바이스들을 생략하는 것이 가능하다. 게다가, DC 전압 컨버터가 전위 격리를 가지면 유리한 것으로 입증되었다. 따라서, 접지 결함의 발생 시에도 결함 전류들이 회피될 수 있다. 동시에, 접지 결함의 존재 시 DC 전압 네트워크의 일부 또는 심지어 전체가 동작 상태로 유지된다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, 제3 전력 컨버터 및 제4 전력 컨버터 각각은 전류 컨버터를 갖고, 추가 에너지 저장 디바이스의 전압은 AC 전압이다. 여기서도, 양방향 전류 컨버터들의 사용이 특히 유리한데, 그 이유는 이들 양방향 전류 컨버터들을 사용하는 것이 양방향으로 에너지 전달을 가능하게 하기 때문이다. 이로써, 추가 에너지 저장 네트워크에서의 에너지 저장 디바이스들은 조절된 또는 제어된 방식으로 AC 전압으로 충전되거나 또는 방전될 수 있다. 예컨대, 회전식 저장 디바이스들, 이를테면, 원심 매스(mass) 저장 디바이스들이 AC 전압 연결기를 갖는 에너지 저장 디바이스들로서 적격이다. 그 외의 보통의 작동기인 인버터를 생략하는 것이 가능하며, 이는 비용들을 절약한다. 동시에, 신속한 방식으로 결함 시나리오들에 대처할 수 있기 위하여, 전류 컨버터를 사용하여 특정한 높은 조절 동적 응답을 달성하는 것이 가능하다. 따라서, DC 전압 네트워크의 다른 구성요소들에 대한 손상을 회피하는 것이 가능하다. 여기서도, 서브네트워크들의 갈바닉 격리가 예컨대 변압기에 의하여 특히 간단한 방식으로 달성될 수 있다. 따라서, 접지 결함의 발생 시에도 결함 전류들이 회피될 수 있다. 동시에, 접지 결함의 존재 시 DC 전압 네트워크의 일부 또는 심지어 전체가 동작 상태로 유지된다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, 연결 컨버터와 제1 DC 전압 서브네트워크 사이에 스위치가 배열되고, 추가 스위치가 연결 컨버터와 스위치 사이의 연결부 상에 놓인 지점을 에너지 저장 네트워크에 연결한다. 따라서, 시스템에서의 리던던시가 증가되는 것이 가능하다. 전력 제어기의 고장의 발생 시에도, 제어 및/또는 조절될 DC 전압 서브네트워크들의 능력은 전력 제어기의 고장에도 보장될 수 있다.
본 발명의 추가적인 유리한 실시예에서, 제1 DC 전압 서브네트워크는 제1 전력 컨버터와 연결 컨버터 사이에 배열되는 제1 라인(line)을 갖고, 제1 라인은 제1 스위치를 가지며, 제2 DC 전압 서브네트워크는 제2 전력 컨버터와 연결 컨버터 사이에 배열되는 제2 라인을 갖고, 제2 라인은 제2 스위치를 갖는다. 따라서, DC 전압 네트워크는 링 토폴로지(ring topology)를 수용한다. 이와 관련하여, DC 전압 서브네트워크들 각각은 각자의 단부들에서 전력 제어기들에 연결되는 라인을 통해 형성된다. 그런 다음, 결함의 발생 시, 고장나는 것은 DC 전압 네트워크의 거의 절반이 아니라, 단지 약 사분의 일이다. 제1 DC 전압 서브네트워크에서의 결함의 발생 시, 제1 스위치는 결함이 존재하는 제1 DC 전압 서브네트워크의 부분만을 스위칭 오프(switch off)하는 것을 가능하게 한다. 그런 다음, 결함 위치는 전력 컨버터들 중 하나와 스위치들 중 하나에 의해 격리될 수 있다. DC 전압 네트워크의 나머지 구성요소들은 동작 상태로 유지된다. 스위치들을 스위칭 오프(switching off)하기 위해, 어떤 고-전류 스위치-오프(switch-off) 용량도 필요하지 않다. 단지 전류로부터 분리할 수 있는 스위치들을 사용하는 것으로 충분한데, 그 이유는 2 개의 전력 컨버터들에 의해 전류의 스위칭 오프가 이미 가능하기 때문이다. 일단 대응하는 스위치가 개방되었다면, DC 전압 서브네트워크의 일부는 다시 동작될 수 있다. 스위치들이 단지 낮은 스위치-오프 용량을 가질 필요가 있기 때문에, 콘택터(contactor) 대신에 아이솔레이터를 사용하는 것이 가능하다.
이러한 종류의 링 토폴로지의 구조에 기인하여, DC 전압 네트워크의 훨씬 더 나은 리던던시 특성이 달성된다.
본 발명은 도면들에서 도시된 예시적인 실시예들에 기반하여 아래에서 더욱 상세히 설명 및 기술되며, 도면들에서:
도 1 내지 도 6은 DC 전압 네트워크의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 1은 에너지 저장 네트워크(13) 뿐만 아니라 2 개의 DC 전압 서브네트워크들(11, 12)을 갖는 DC 전압 네트워크(1)를 도시한다. 이들 서브네트워크들은, 상기 서브네트워크들(11, 12, 13) 사이의 에너지 교환이 전력 컨버터들(21, 22)에 의하여 가능한 방식으로 전력 컨버터들(21, 22)에 상호연결된다. 동시에, 전력 컨버터들(21, 22)은 서브네트워크들을 서로 빠르게 격리하는 것을 가능하게 한다. DC 전압 서브네트워크들(11 , 12)에는 전기 컨슈머들 또는 소스들을 표현하는 전기 장치들(3)이 링크된다. 전기 에너지는 AC 전압 네트워크(6)로부터 이들 전기 장치들(3)에 의해 획득되고, 이 AC 전압 네트워크(6)는 하나 이상의 피드 장치들(5)을 통해 DC 전압 서브네트워크(11, 12)에 연결된다. 대안으로서 또는 부가하여, 에너지 저장 네트워크(13)에 직접적으로 연결되는 에너지 저장 디바이스(4)로부터 전기 에너지가 제공되거나 또는 저장되는 것이 또한 가능하다. 에너지 저장 디바이스(4)로의 에너지 흐름의 조절 또는 제어는 전력 제어기들(21, 22)의 도움으로 이루어진다.
예컨대 결함 있는 구성요소들을 전체 시스템으로부터 격리시키기 위하여, 전력 제어기들(21, 22)의 도움으로, 에너지 흐름이 빠르게 중단될 수 있다. 따라서, 전력 컨버터들(21, 22)에 대한 빠른 응답을 통해, 나머지 전기 장치들(3)의 동작을 보장할 뿐만 아니라, 예컨대 과전류 또는 과전압에 의해 유발되는, 상기 전기 장치들(3)에 대한 손상을 신뢰성 있게 회피하는 것도 가능하다.
여기서 도시된 에너지 저장 디바이스(4)는 배터리이다. 또한, 대안적으로, 커패시터, 특히, 이중층 커패시터가 여기서 사용될 수 있다. 이들 에너지 저장 디바이스들 사이에 공통적인 것은, 이러한 에너지 저장 디바이스들이 동작 동안 DC 전압을 갖는다는 것이다. 그러므로, DC/DC 컨버터들로 또한 지칭되는 DC 전압 컨버터들이 이 예시적인 실시예에서 전력 제어기들(21, 22)로서 사용된다.
도 2는 에너지 저장 디바이스(4)로서 원심 매스 저장 디바이스를 도시한다. 도 1의 에너지 저장 디바이스(4)와는 대조적으로, 이 에너지 저장 디바이스(4)가 에너지 저장 네트워크(13)에 직접적으로, 즉, 예컨대 인버터와 같은 작동기 없이 링크될 때, 이 에너지 저장 디바이스(4)는 동작 동안 AC 전압을 갖는다. 에너지 저장 디바이스(4)와의 에너지 교환을 제어하거나 또는 조절하기 위하여, 전류 컨버터들이 전력 제어기들(21, 22)로서 사용되고, AC 전압 서브네트워크 및 DC 전압 서브네트워크가 이 전력 제어기들(21, 22)에 연결될 수 있다. 대응하는 구성 부분들과 관련된 반복의 회피를 위해, 도 1에 관한 설명 및 그 안의 참조 문자들이 참조된다.
도 3에서, DC 전압 네트워크(1)는 2 개의 DC 전압 서브네트워크들(11, 12)을 직접적으로 상호연결하는 연결 컨버터(2)에 의해 팽창된다. 따라서, 에너지 저장 네트워크(13)로의 연결을 위한 대응하는 전력 컨버터들(21, 22)이 더 작게 설계되어서, 에너지 저장 디바이스로의 또는 이 에너지 저장 디바이스로부터의 에너지 요건만이 고려될 수 있다. DC 전압 서브네트워크들 사이의 에너지 교환은 연결 컨버터(2)의 도움으로 제어되거나 또는 조절된다. 또한, 이 예시적인 실시예에서, 배터리 대신에 원심 매스 저장 디바이스를 사용하는 것이 가능하다. 그런 다음, 이 경우, 도 2에 따른 전류 컨버터들이 DC/DC 컨버터들 대신에 전력 제어기들(21, 22)로서 다시 사용된다. 제2 DC 전압 서브네트워크(12)의 공급을 위해 설계되는 강력한 연결 컨버터(2)를 통해, 제2 DC 전압 서브네트워크(12)에서 AC 전압 네트워크(6)로의 연결을 위한 피드 장치(5)를 생략하는 것이 가능하다. 대응하는 구성 부분들과 관련된 반복의 회피를 위해, 도 1 및 도 2에 관한 설명 및 그 안의 참조 문자들이 참조된다.
복수의 에너지 저장 디바이스들(4, 41), 특히, 복수의 상이한 에너지 저장 디바이스들(4, 41)을 DC 전압 네트워크(1)에 통합하기 위한 하나의 옵션이 도 4에서 도시된다. 이 도면에서, 연결 컨버터(2)는 추가 에너지 저장 네트워크(14)에 의해 팽창된다. 추가 에너지 저장 네트워크(14)와 에너지를 교환하기 위해, 연결 컨버터(2)는 제3 전력 제어기(23) 및 제4 전력 제어기(24)를 갖는다. 이들을 사용하여, 추가 에너지 저장 디바이스(41)가 DC 전압 네트워크(1)에 수용될 수 있다. 에너지 저장 디바이스(4, 41)의 유형에 따라, DC/DC 컨버터들 또는 전류 컨버터들은 위에서 이미 기술된 바와 같이 전력 제어기들(21, 22, 23)로서 사용된다. 대응하는 구성 부분들과 관련된 반복의 회피를 위해, 도 1 내지 도 3에 관한 설명 및 그 안의 참조 문자들이 참조된다. 또한, 이 예시적인 실시예에서, 상대적으로 많은 수의 전력 제어기들(21, 22, 23, 24)에 기인하여, 도 3에 따른 도시된 피드 장치들 중 하나를 생략하는 것이 가능하다.
도 5는 스위치(31) 및 추가 스위치(32)에 의해 팽창된 예시적인 실시예를 도시한다. 이 연결 컨버터(2)를 이용하여, 스위치들(31, 32)의 스위치 포지션(position)에 따라, DC 전압 서브네트워크들(11, 12) 사이의 에너지 전달을 조절하거나 또는 제어하는 것, 또는 에너지 저장 디바이스(4)를 충전하거나 또는 방전하는 것이 가능하다. 따라서, 전력 전자장치 분야로부터의 추가적인 작동기들을 부가하지 않고, DC 전압 네트워크(1)의 리던던시가 증가되는데, 그 이유는 전력 제어기(21, 22)의 고장의 발생 시에도 DC 전압 서브네트워크(1)의 동작이 여전히 가능하기 때문이다. 이 리던던시의 결과로서, DC 전압 네트워크(1)의 이용가능성에 대한 상당한 부정적인 영향을 갖지 않고, AC 전압 네트워크(6)에 연결하기 위한 제2 피드 장치(5)의 사용을 생략하는 것이 가능하다. 대응하는 구성 부분들과 관련된 반복의 회피를 위해, 도 1 내지 도 4에 관한 설명 및 그 안의 참조 문자들이 참조된다.
도 6은 DC 전압 네트워크(1)의 링-형(ring-shaped) 구조를 도시한다. 이와 관련하여, DC 전압 서브네트워크들(11, 12) 각각은 라인(51, 52)에 의해 형성된다. 전력 제어기들(21, 22, 23, 24)로의 라인들(51, 52)의 연결은 각각의 경우 라인들(51, 52)의 대향 단부들에서 이루어진다. 여기서, 라인들(51, 52)은 케이블(cable)들로서 또는 전도체 바(bar)로서 구현될 수 있다. 제1 DC 전압 서브네트워크(11)에서의 결함의 발생 시, 제1 스위치(51)는 결함이 존재하는 제1 DC 전압 서브네트워크(11)의 부분만을 스위칭 오프하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 앞서 도시된 예시적인 실시예들에서의 경우보다 더 많은 전기 장치들(3)이 동작 상태로 유지될 수 있다. 결함의 발생 시, DC 전압 네트워크(1)의 나머지 전기 장치들(3)에 대한 결함의 부정적인 영향들을 회피하기 위하여, 스위치(53), 그리고 그런 다음, 결함의 위치에 따라 제1 전력 제어기(21) 또는 제3 전력 제어기(23)가 스위칭 오프될 것이다. 제2 DC 전압 서브네트워크(12)의 제2 라인(52) 및 이 제2 라인(52)에 있는 제2 스위치(54) 뿐만 아니라, 제2 전력 제어기(22) 및 제4 전력 제어기(24)에 대해 동일한 내용이 적용된다.
이와 관련하여, 제1 스위치(53) 및 제2 스위치(54)는 콘택터들로서 구현될 수 있으며, 이 콘택터들은, 전류 흐름이 존재하는 동안에도 스위칭(switching) 동작을 수행하는 것, 그리고 개방 상태로 가는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 전력 제어기들(21, 22, 23, 24)에 의하여 스위치(53, 54)에서의 전류를 0으로 감소시키고, 그런 다음, 스위치(53, 54)를 개방하는 것이 가능하다. 그러므로, 아이솔레이터가 또한, 콘택터 대신에 스위치(53, 54)로서 사용될 수 있다. 대응하는 구성 부분들과 관련된 반복의 회피를 위해, 도 1 내지 도 5에 관한 설명 및 그 안의 참조 문자들이 참조된다.
요약하면, 본 발명은 제1 DC 전압 서브네트워크, 제2 DC 전압 서브네트워크, 에너지 저장 네트워크, 제1 전력 컨버터, 제2 전력 컨버터 및 에너지 저장 디바이스를 갖는 DC 전압 네트워크에 관한 것이다. DC 전압 네트워크를 개선시키기 위하여, 제1 DC 전압 서브네트워크와 에너지 저장 네트워크는 제1 전력 컨버터에 의하여 상호연결되고, 제2 DC 전압 서브네트워크와 에너지 저장 네트워크는 제2 전력 컨버터에 의하여 상호연결되고, 에너지 저장 네트워크가 에너지 저장 디바이스의 전압을 갖도록 에너지 저장 네트워크가 에너지 저장 디바이스에 연결되며, 제1 DC 전압 서브네트워크 및/또는 제2 DC 전압 서브네트워크는 적어도 하나의 피드 장치를 통해 적어도 하나의 AC 전압 네트워크에 연결될 수 있다는 것이 제안된다. 본 발명은 추가로, 이러한 종류의 DC 전압 네트워크를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, DC 전압 네트워크에서의 결함의 발생 시, 결함의 위치에 따라 전력 컨버터들 중 적어도 하나가 스위칭 오프된다.

Claims (9)

  1. DC 전압 네트워크(network)(1)로서,
    - 적어도 하나의 제1 전기 소스 및 적어도 하나의 제1 전기 컨슈머를 갖는 제1 DC 전압 서브네트워크(subnetwork)(11),
    - 적어도 하나의 제2 전기 소스 및 적어도 하나의 제2 전기 컨슈머를 갖는 제2 DC 전압 서브네트워크(12),
    - 에너지(energy) 저장 네트워크(13),
    - 제1 전력 컨버터(converter)(21),
    - 상기 제1 전력 컨버터(21)과는 별개인 제2 전력 컨버터(22), 및
    - 에너지 저장 디바이스(device)(4)
    를 가지며,
    상기 제1 DC 전압 서브네트워크(11)와 상기 에너지 저장 네트워크(13)는 상기 제1 전력 컨버터(21)에 의하여 상호연결되고, 상기 제2 DC 전압 서브네트워크(12)와 상기 에너지 저장 네트워크(13)는 상기 제2 전력 컨버터(22)에 의하여 상호연결되고, 상기 에너지 저장 네트워크(13)가 상기 에너지 저장 디바이스(4)의 전압을 갖도록 상기 에너지 저장 네트워크(13)는 상기 에너지 저장 디바이스(4)에 연결되며,
    상기 제1 DC 전압 서브네트워크(11) 및/또는 상기 제2 DC 전압 서브네트워크(12)는 적어도 하나의 피드(feed) 장치(5)를 통해 적어도 하나의 AC 전압 네트워크(6)에 연결될 수 있으며, 상기 DC 전압 네트워크(1)는 적어도 하나의 연결 컨버터(2)를 갖고, 상기 제1 DC 전압 서브네트워크(11)와 상기 제2 DC 전압 서브네트워크(12)는 상기 연결 컨버터(2)에 의하여 상호연결되는 것을 특징으로 하는,
    DC 전압 네트워크(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 컨버터(21) 및 상기 제2 전력 컨버터(22) 각각은 DC 전압 컨버터를 갖고, 상기 에너지 저장 디바이스(4)의 전압은 DC 전압인,
    DC 전압 네트워크(1).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 컨버터(21) 및 상기 제2 전력 컨버터(22) 각각은 전류 컨버터를 갖고, 상기 에너지 저장 디바이스(4)의 전압은 AC 전압인,
    DC 전압 네트워크(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 컨버터(2)는 제3 전력 컨버터(23), 제4 전력 컨버터(24) 및 추가 에너지 저장 네트워크(14)를 갖고, 상기 제1 DC 전압 서브네트워크(11)와 상기 추가 에너지 저장 네트워크(14)는 상기 제3 전력 컨버터(23)에 의하여 상호연결되고, 상기 제2 DC 전압 서브네트워크(12)와 상기 추가 에너지 저장 네트워크(14)는 상기 제4 전력 컨버터(24)에 의하여 상호연결되며, 상기 추가 에너지 저장 네트워크(14)는, 상기 추가 에너지 저장 네트워크(14)가 추가 에너지 저장 디바이스(41)의 전압을 갖도록 상기 추가 에너지 저장 디바이스(41)에 연결되는,
    DC 전압 네트워크(1).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 전력 컨버터(23) 및 상기 제4 전력 컨버터(24) 각각은 DC 전압 컨버터를 갖고, 상기 추가 에너지 저장 디바이스(41)의 전압은 DC 전압인,
    DC 전압 네트워크(1).
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제3 전력 컨버터(23) 및 상기 제4 전력 컨버터(24) 각각은 전류 컨버터를 갖고, 상기 추가 에너지 저장 디바이스(41)의 전압은 AC 전압인,
    DC 전압 네트워크(1).
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 컨버터(2)와 상기 제1 DC 전압 서브네트워크(11) 사이에 스위치(switch)(31)가 배열되고, 추가 스위치(32)가 상기 연결 컨버터(2)와 상기 스위치(31) 사이의 연결부 상에 놓인 지점(33)을 상기 에너지 저장 네트워크(13)에 연결하는,
    DC 전압 네트워크(1).
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 DC 전압 서브네트워크(11)는 상기 제1 전력 컨버터(21)와 상기 연결 컨버터(2) 사이에 배열되는 제1 라인(line)(51)을 갖고, 상기 제1 라인(51)은 제1 스위치(53)를 가지며, 상기 제2 DC 전압 서브네트워크(12)는 상기 제2 전력 컨버터(22)와 상기 연결 컨버터(2) 사이에 배열되는 제2 라인(52)을 갖고, 상기 제2 라인(52)은 제2 스위치(54)를 갖는,
    DC 전압 네트워크(1).
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 DC 전압 네트워크(1)를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 DC 전압 네트워크(1)에서의 결함의 발생 시, 상기 결함의 위치에 따라 상기 제1 전력 컨버터(21) 및 상기 제2 전력 컨버터(22) 중 적어도 하나가 스위칭 오프되는,
    DC 전압 네트워크(1)를 제어하기 위한 방법.
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