KR102403092B1 - 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치 - Google Patents

3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치에 관한 것으로, 특히 3상 절연형 DC/DC 컨버터와 멀티레벨 DC-AC 인버터를 포함하는 토폴로지의 제어장치에 의해 직류 계통 및 교류 계통과의 연계를 가능하게 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치에 관한 것이다.

Description

3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치{CONTROL APPARATUS FOR 3 PHASE CASCADED MULTI-LEVEL GRID-CONNECTED ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3상 절연형 DC/DC 컨버터와 멀티레벨 DC-AC 인버터를 포함하는 토폴로지의 제어장치에 의해 직류 계통 및 교류 계통과의 연계를 가능하게 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치에 관한 것이다.
전력변환장치는 직류 전원이나 교류 전원을 직류 또는 교류 계통 부하에 공급하도록 DC/DC 컨버터 및 DC-AC 인버터를 구비하여, DC-링크(DC-link)나 전력 그리드(Grid)와의 연계를 가능하게 한다.
또한, 최근에는 에너지 효율을 높이기 위해 재생 에너지나 부하가 작은 시간 대의 상용전원을 효율적으로 이용하도록 배터리 및 BMS를 포함하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)에도 전력변환장치를 적용되고 있다.
그러나 종래의 전력변환장치는 비-절연형 DC-DC 컨버터를 사용하기 때문에 전기적 절연 문제가 발생하였다. 이를 위해 절연형 DC-DC 컨버터를 사용하면 부하에 대응하여 DC-link 커패시터에 에너지를 저장해야 하므로 커패시터 용량이 증가한다. 따라서, 크기, 가격 및 신뢰성 저하 등의 문제 발생하였다.
또한, 대한민국 공개특허 제2018-0032480호에서는 전력 계통에서의 유효전력 및 무효전력을 보상하기 위해 AC/DC 컨버터가 DC-link를 제어하지만 제어폭이 좁아 DC-link 커패시터 용량을 늘여 에너지를 저장해 두어야 하는 문제가 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2020-0003586호에서는 DC-link 전압을 일정하게 제어하기 위하여 DC-DC 컨버터를 사용하는 구성을 제시하고 있다. 그러나, DC-link 전압을 유지하기 위해 계통으로부터의 남은 전력으로 배터리를 충전시 전류 제어를 하게 된다. 따라서, 배터리의 전압 제어가 이루어지지 않아 과전압의 가능성이 있고, 큰 용량의 DC-link 커패시터가 필요한 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2018-0032480호 대한민국 공개특허 제2020-0003586호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3상 절연형 DC/DC 컨버터와 멀티레벨 DC-AC 인버터를 포함하는 토폴로지의 제어장치에 의해 직류 계통 및 교류 계통과의 연계를 가능하게 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치는 일단에 배터리가 연결되며, 전원 입력단과 출력단이 내부 변압기에 의해 분리되는 3상 절연형 DC-DC 컨버터와; 상기 절연형 DC-DC 컨버터의 타단에 연결되며 링크 커패시터를 포함하여 구성되는 DC 링크부와; 일단은 상기 DC 링크부에 연결되며, 타단은 교류 계통에 연결되는 3상 멀티레벨 DC-AC 인버터; 및 작동 모드에 따라 상기 절연형 DC-DC 컨버터 및 멀티레벨 DC-AC 인버터를 각각 스위칭 제어하는 제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 절연형 DC-DC 컨버터는 양방향 전력 전달이 가능한 듀얼 하프 브릿지 컨버터(Dual half bridge converter)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연형 DC-DC 컨버터는 각 상이 120°의 위상차를 갖는 3상 절연형 DC-DC 컨버터인 것이 바람직하다.
또한, 상기 DC 링크부에 포함된 상기 링크 커패시터는 500uF 이하의 저용량 필름 커패시터(film capacitor)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 멀티레벨 DC-AC 인버터는 H 브릿지 인버터가 다단으로 연결된 캐스케이드 H 브릿지 인버터(cascaded H-bridge)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연형 DC-DC 컨버터는 각 상이 120°의 위상차를 갖는 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어모듈은 위상 천이기(phase-shifter)를 포함하여 위상 천이 방식으로 상기 절연형 DC-DC 컨버터를 스위칭하여 상기 DC 링크부의 전압을 제어하고, 위상 천이-PWM 방식으로 상기 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 통해 상기 배터리 전압 및 전류를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연형 DC/DC 컨버터는 3상의 듀얼 하프 브릿지 컨버터이고, 상기 멀티레벨 DC-AC 인버터는 3상의 H 브릿지 인버터가 다단으로 직렬 연결된 캐스케이드 H 브릿지 인버터인 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리에는 ESS 커패시터가 병렬 연결되고, 상기 ESS 커패시터에는 절연형 DC-DC 컨버터가 연결되되, 상기 절연형 DC-DC 컨버터는 절연을 위한 내부 변압기를 중심으로 1차측과 2차측이 서로 대향되게 회로가 구성되며, 상기 1차측에는 제1 스위치와 제1 커패시터가 병렬 연결되고, 제2 스위치는 제2 커패시터가 병렬 연결되고, 서로 직렬 연결된 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터는 상기 ESS 커패시터에 병렬 연결되고, 내부 변압기의 1차측 권선 양단은 상기 제1 스위치와 제2 스위치 사이 및 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 각각 연결되고, 상기 2차측에는 제3 스위치와 제3 커패시터가 병렬 연결되고, 제4 스위치는 제4 커패시터와 병렬 연결되고, 서로 직렬 연결된 상기 제3 커패시터와 제4 커패시터는 링크 커패시터에 병렬 연결되고, 내부 변압기의 2차측 권선 양단은 상기 제3 스위치와 제4 스위치 사이 및 제3 커패시터와 제4 커패시터 사이에 각각 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 멀티레벨 DC-AC 인버터는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하되, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결되고, 제3 스위치 및 제4 스위치가 직렬 연결되며, 서로 직렬 연결된 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 서로 직렬 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치와 병렬 연결되고, 전력 그리드를 포함한 교류 계통의 (+) 라인은 상기 제1 스위치와 제2 스위치 사이에 연결되고, (-) 라인은 상기 제3 스위치와 제4 스위치 사이에 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리의 충전 전원을 교류의 전력 계통에 공급하는 전력 공급 모드에서, 양(+)의 주기에서 제어모듈은 상기 절연형 DC-DC 컨버터의 내부 변압기 1차측은 제1 스위치을 도통시키고, 내부 변압기 2차측은 멀티레벨 DC-AC 인버터의 제1 스위치 및 제4 스위치를 도통시키고, 음(-)의 주기에서 제어모듈은 상기 절연형 DC-DC 컨버터의 내부 변압기 1차측은 제1 스위치를 도통시키고, 내부 변압기 2차측에서는 멀티레벨 DC-AC 인버터의 제2 스위치 및 제3 스위치를 도통시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리가 충전되는 전력 저장 모드에서, 양(+)의 주기에서 제어모듈은 내부 변압기의 2차측에서 절연형 DC-DC 컨버터의 제3 스위치를 도통시키고, 음(-)의 주기에서 제어모듈은 제어에 따라 내부 변압기의 2차측에서 절연형 DC-DC 컨버터의 제3 스위치를 도통시키는 것이 바람직하다.
또한, DC 링크 충전 모드에서 제어모듈은 절연형 DC-DC 컨버터의 제1 스위치를 도통시키고, 멀티레벨 DC-AC 인버터의 스위치를 모두 차단하며, DC 링크 방전 모드에서, 제어모듈은 절연형 DC-DC 컨버터의 제3 스위치를 도통시키고, 멀티레벨 DC-AC 인버터의 스위치를 모두 차단하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 비-절연형 DC-DC 컨버터를 절연형의 3상 DC/DC 컨버터로 대체하여 멀티레벨을 가능하게 하고, DC-link와 ESS단 커패시터의 용량 감소로 크기, 가격 및 신뢰성이 향상된다. 또한, 절연형 3상 DC-DC 컨버터에서의 절연 제공으로 멀티레벨이 가능하며, 배터리 전압과 DC-link 제어를 동시에 수행할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 절연형 DC-DC 컨버터를 적용한 상태도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 절연형 DC-DC 컨버터를 적용한 상태도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치를 나타낸 회로 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 전력 공급 상태를 나타낸 회로도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에서 배터리 충전(전력 저장) 상태를 나타낸 회로도이다.
도 7a는 본 발명에서의 DC 링크 충전 상태를 나타낸 회로도이다.
도 7b는 본 발명에서의 DC 링크 방전 상태를 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치(100)는 절연형 DC-DC 컨버터(110), DC 링크부(120), 멀티레벨 DC-AC 인버터(130) 및 제어모듈(140)을 포함한다. 다른 실시예로써 제1 부하 스위치(121), 제2 부하 스위치(131) 및 계통 연계 변압기(20)를 더 포함할 수 있다.
이러한 본 발명은 3상 계통 연계 및 독립 운전을 위한 토폴로지를 제안한다.
실시예로서 본 발명은 배터리, 슈퍼 커패시터 및 태양광 발전 등을 비롯한 직류 부하를 위한 DC/DC 컨버터로서 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)를 적용한다. 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 그에 포함된 내부 변압기에 의해 절연 기능을 제공하며 배터리(10)(ESS: Energy Storage System)와 연결된다.
3상의 각 DC 링크부(120)는 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 내부 변압기 2차측에 연결된다. 내부 변압기는 변압 기능 이외에 절연 기능을 제공하는 것으로 고주파 변압기가 적용될 수 있다. 이러한 내부 변압기는 전력 계통과의 연계를 위해 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 2차측에 구비된 계통 연계 변압기(20)와 구분된다.
한편, 본 발명은 전력 그리드나 교류 부하와 같은 전력 계통을 위한 DC-AC 인버터는 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)(multi-level inverter)를 적용한다. 기존에 '비-절연형 DC-DC 컨버터'를 사용한 것과 다르게 본 발명은 절연이 있어서 멀티레벨이 가능하다.
또한, 배터리(10)단, 즉 ESS단은 3상 전압의 위상차로 인한 리플(ripple) 감쇄와 자속 상쇄 효과를 제공하므로, 배터리(10)단에 연결되는 ESS 커패시터(C_ess)에 요구되는 커패시터 용량의 감소가 가능하다.
또한, 배터리 연계형 시스템에 적용시, 제어모듈(140)은 전류와 전압을 제어하는 CV_CC 모드 충·방전 동작을 위해 DC 링크부(120)의 전압이 아닌 배터리(10) 전압이나 전류를 제어하게 하고, 아울러 절연형 DC-DC 컨버터(110)를 통해 DC 링크부(120)의 전압을 유지시킨다.
따라서, 배터리(10)의 충·방전 모드가 모두 가능하여 계통의 필요에 따라 유효전력과 무효전력을 전달할 수 있게 된다. 또한 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제어 대역폭을 넓게 설계할 수 있어서 전해 커패시터 대신 저용량 필름 커패시터의 사용이 가능하므로, DC 링크부(120)의 링크 커패시터(C_dclink) 역시 크기, 가격을 낮추는 장점이 있다.
이를 위해, 상기 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 배터리(10)의 직류 전원을 강압 또는 승압된 직류 전원으로 변환하도록 일단에 배터리(10)가 연결된다. 특히, 전원 입력단과 출력단이 내부 변압기에 의해 분리되는 절연을 제공하며, 비-절연형 컨버터와 비교하여 절연이 있어서 멀티레벨 동작을 가능하게 한다.
이러한 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 배터리(10)의 충전 전원을 부하로 방전하거나 외부 전원으로 배터리(10)를 충전시키도록 양방향 전력 전달이 가능하다. 이러한 관점에서 전통적인 1차측 및 2차측 고정적인 표현 대신 전원 입력단과 출력단으로 구분할 수 있다.
즉, 배터리(10)의 방전 중에 전원 입력단으로 기능되는 일단이 배터리(10) 충전 중에는 전원 출력단으로 기능할 수 있으며, 전원 입력단과 출력단은 전력 전달 방향을 기준으로 한다.
위와 같은 기능을 제공하는 절연형 DC-DC 컨버터(110)로는 전원 입력단과 출력단의 양단 사이를 서로 분리하여 절연을 제공할 수만 있으면 다양한 회로 구성으로 이루어진 컨버터가 적용될 수 있다.
대표적으로 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 양방향 전력 전달이 가능한 듀얼 하프 브릿지 컨버터(DHB) 및 듀얼 액티브 브리지 컨버터(DAB)를 비롯한 여러 절연형 DC-DC 컨버터(110)가 적용될 수 있다. 다만, DHB는 최소한의 소자를 사용하는 장점이 있다.
이러한 듀얼 하프 브릿지 컨버터(DHB)는 내부에 포함된 내부 변압기를 기준으로 그 양단에 각각 스위칭 소자(Q1 내지 Q4)를 구비하여 제어모듈(140)의 제어 신호에 따라 직류 전원 변환 동작을 수행한다.
다만, 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 각 상이 120°의 위상차를 갖는 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)인 것이 바람직하다. 3상 방식을 채택함으로써 배터리(10)단에서 3상 전압의 위상차로 인한 리플(ripple) 감쇄와 자속 상쇄가 이루어지게 하고, 이를 통해 ESS 커패시터(C_ess)의 용량, 크기, 가격을 저감시킬 수 있다.
다만, 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 도 2와 같이 각 상마다 별개로 구비되어 이들을 독립적으로 연결한 구조나, 도 3과 같이 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 1차측을 하나의 코어로 구성하여 2차측의 각 상에서 공통 연결(공유)하는 구조도 가능하다.
DC 링크부(120)는 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 타단에 연결되며 링크 커패시터(C_dclink)를 포함하여 구성된다. DC 링크부(120)는 직류 전원과 부하를 연결하는 DC-link를 형성하는 것으로, 전압 안정을 위해 링크 커패시터(C_dclink)를 포함하여 구성된다.
DC-link를 형성하는 링크 커패시터(C_dclink)는 일 실시예로써 배터리(10)의 방전시를 기준으로 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 2차측에 병렬 연결되어 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 출력을 부하에 연결시킨다.
본 발명은 절연형 DC-DC 컨버터(110)를 포함하는 전력제어장치에 의해 배터리(10)를 제어하므로 제어 대역폭을 넓게 설계할 수 있어서 에너지를 DC 링크부(120)에 저장하지 않아도 된다. 따라서, 링크 커패시터(C_dclink)의 용량 감소가 가능하다.
DC 링크부(120)를 구성하는 링크 커패시터(C_dclink)의 용량 감소 제어가 가능하므로, 상기 링크 커패시터(C_dclink)는 500uF 이하의 저용량 필름 커패시터(film capacitor)를 사용하는 것이 크기, 가격 및 안정성 측면에서 바람직하다.
다만, 본 발명은 3상 리플 성분이 배터리(10)단에서 상쇄되므로 배터리(10)단에 구비되는 ESS 커패시터(C_ess) 역시 필름 커패시터로 대체하여 안정성(신뢰성)을 향상시키고, 크기 및 가격을 저감시킬 수 있게 한다.
3상 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 일단은 DC 링크부(120)에 연결되며, 타단은 교류 계통에 연결되는 것으로, DC 링크부(120)에서 출력된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전력 그리드나 교류 부하와 같은 교류 계통에 연계시킨다.
인버터 중 멀티레벨 타입의 인버터는 고압 대용량 전력변환 시스템에 적용시 전력 계통과의 연계에 유리하고, 다수의 커패시터 직류 전압을 합성하여 출력 전압을 정현파에 근접하게 구현할 수 있도록 한다.
또한, 전압 레벨 수를 증가시킴으로써 총고조파 왜율(THD)을 감소시킬 수 있고, 스위치의 정격 전압과 스위치 손실을 줄여 우수한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 멀티레벨 인버터는 출력전압의 레벨 수가 높을수록 고조파 성분이 매우 낮아 필터의 크기를 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다.
이러한 장점으로 인해 교류 계통과의 연계시 계통 안정화를 통해 전력품질을 개선하고 공급전압을 일정하게 유지하기 위한 무효전력 보상장치의 기능 역시 제공함에 따라 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)가 무효전력 보상 시스템에도 적용되고 있다.
실시예로 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 H 브릿지 인버터가 다단으로 연결된 캐스케이드 H 브릿지 인버터(cascaded H-bridge)인 것이 바람직하다. 실시예로써 아래에서 다시 설명하는 바와 같이 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 3레벨 컨버터를 직렬 연결한 것을 적용한다.
캐스케이드 하프 브릿지 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 다수의 H-bridge 모듈을 직렬로 연결한 구조로, 클램핑 다이오드나 플라잉 커패시터가 불필요하다. 따라서 모듈화를 통한 확장 및 제어가 용이하고, 구조상 전압 불균형이 발생하지 않는다.
다만, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 역시 절연형 DC-DC 컨버터(110)와 마찬가지로 각 상이 120°의 위상차를 갖는 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)인 것이 바람직하다.
또한, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 교류 전력 계통에 연계하는 경우 배터리(10)의 전력을 교류의 전력 계통에 공급시 변동을 최소화하고 안정적인 전력을 공급하도록 출력측에는 계통 연계 변압기(20)를 더 포함할 수 있다.
따라서, 절연형 DC/DC 컨버터를 통해 절연을 확보하고 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 이용하여 ESS 배터리 제어를 통해 교류 계통 연계시 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 배터리(10) 연계형 시스템에 적용되는 경우, 제어모듈(140)이 CV-CC 충·방전을 위해 DC-link 전압이 아닌 배터리(10) 전압이나 전류를 제어하고, 절연형 DC-DC 컨버터(110)를 통해 DC-link 전압을 유지시킨다. 따라서, 배터리(10) 충·방전 모드가 가능하여 계통에 따라 유효전력과 무효전력을 전달할 수 있다.
제어모듈(140)은 작동 모드에 따라 절연형 DC-DC 컨버터(110) 및 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 각각 스위칭 제어한다. 제어시 절연형 DC-DC 컨버터(110) 및 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 구성하는 스위칭 장치는 온/오프 타이밍 및 시간에 따라 전원이 변환된다.
구체적으로, 제어모듈(140)은 절연형 DC/DC 컨버터를 통해 DC-link 전압을 제어하며, 계통 연계시 배터리(10)단의 전압 및 전류는 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 통해 제어한다.
또한, 본 발명이 에너지 저장 시스템으로 사용될 경우 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 통해 ESS 단인 배터리(10)의 전류와 전압을 제어하여 CV-CC 모드 동작을 가능한다. 따라서, 유효전력은 물론 무효전력의 제어도 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 절연형 DC/DC 컨버터로 DC-link의 전압을 제어하므로, 기존에는 인버터로 DC-link를 제어하였던 것에 비교하여 제어모듈(140)의 대역폭을 넓게 가질 수 있으므로, 링크 커패시터(C_dclink) 용량을 줄일 수 있다.
특히, 본 발명의 제어모듈(140)은 위상 천이기(phase-shifter)를 포함하여 위상 천이 방식으로 절연형 DC-DC 컨버터(110)를 스위칭하여 DC 링크부(120)의 전압을 제어한다. 아울러 위상 천이-PWM 방식으로 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 통해 배터리(10)의 전압 및 전류를 제어한다.
위상 천이 제어 방식은 위상 변화에 대응하는 제어 신호에 따라 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 스위치를 번갈아 트리거(trigger)시켜 스위칭 온 동작이 이루어지고, 그에 동기하여 전류가 흐르게 된다. 이때, 위상 천이에 의해 겹치는 시간이 많을 수록 부하 쪽으로 전류가 많이 흐르도록 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 각 모드 별 본 발명의 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치의 동작 상태에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치를 나타낸 회로도로써, 각 상별로 120°위상차가 발생하는 3상(A상, B상, C상)의 절연형 DC-DC 컨버터(110) 및 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)와 함께 배터리(10) 및 DC 링크부(120)가 도시되어 있다.
실시예로써 3상 시스템은 절연형 DC/DC 컨버터(110)로 DHB 컨버터를 적용하고, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 DC/AC 5레벨 CHB 인버터를 적용한다. 따라서, DC/DC 컨버터를 통해 DC-link 전압을 제어한다. 계통연계시 배터리단의 전압 전류는 인버터를 통해 제어한다.
위와 같은 회로의 동작 모드를 설명하기 위해 이하 도 5a 내지 도 7b에서는 회로를 간략화하여 도시한다.
이때, 3상 시스템의 각 상은 120° 위상차를 가지면 동작 원리는 같으므로 A상을 기준으로 설명한다. 또한, 멀티레벨을 위한 5레벨 CHB 컨버터는 3레벨 회로의 직렬 연결이므로 3레벨 컨버터로 단순화하여 설명한다.
또한, 전력제어의 모드가 중복하는 경우 대표적인 한가지 경우만 도시하여 설명하며, 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 내부 변압기는(DC-DC단의 고주파 변압기)는 3상에 각각 독립적으로 구비된 것을 예시하였다.
도 5a 내지 도 7b에 일 예로 도시된 바와 같이 배터리(10)단에는 ESS 커패시터(C_ess)가 병렬 연결되고, ESS 커패시터(C_ess)에는 절연형 DC-DC 컨버터(110)가 연결된다.
절연형 DC-DC 컨버터(110)는 절연을 위한 내부 변압기를 중심으로 1차측과 2차측이 서로 대향되게 회로가 구성되며, 1차측에는 제1 스위치(Q1)와 제1 커패시터(C1)가 병렬 연결되고, 제2 스위치(Q2)는 제2 커패시터(C2)가 병렬 연결된다.
또한 서로 직렬 연결된 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터는(C2) ESS 커패시터(C_ess)에 병렬 연결되고, 내부 변압기의 1차측 권선 양단은 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2) 사이 및 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2) 사이에 각각 연결된다.
유사하게 2차측에는 제3 스위치(Q3)와 제3 커패시터(C3)가 병렬 연결되고, 제4 스위치(Q4)는 제4 커패시터(C4)와 병렬 연결된다.
또한 서로 직렬 연결된 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4)는 링크 커패시터(C_dclink)에 병렬 연결되고, 내부 변압기의 2차측 권선 양단은 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4) 사이 및 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4) 사이에 각각 연결된다.
멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 포함하며, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)가 직렬 연결되고, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)가 직렬 연결된다. 또한, 서로 직렬 연결된 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 서로 직렬 연결된 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)와 병렬 연결된다.
또한, 전력 그리드와 같은 교류 계통의 (+) 라인은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이에 연결되고, (-) 라인은 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이에 연결된다. 이러한 교류 계통의 (+) 라인에는 부하 인턱터(L)를 직렬 연결할 수 있다.
위와 같은 회로에서, 도 5a 및 도 5b는 배터리(10)의 충전 전원을 교류의 전력 계통에 공급하는 전력 공급 상태를 나타낸 것으로, 도 5a는 교류 전압이 양(+)의 주기인 시점을 나타낸 것이고, 도 5b는 교류 전압이 음(-)의 주기인 시점을 나타낸 것이다.
도 5a와 같이, 양의 주기에서는 제어모듈(140)의 제어에 따라 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 내부 변압기 1차측은 제1 스위치(Q1)이 도통되고, 내부 변압기 2차측에서는 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)가 도통된다.
따라서, 내부 변압기 1차측에서는 배터리(10), 제1 스위치(121), 인덕터(Ldc), 1차측 권선 및 제2 커패시터(C2)를 통해 전류가 흐른다.
내부 변압기의 2차측에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110) 중 제3 스위치(Q3)의 바디 다이오드, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제1 스위치(121)를 통해 전력 그리드로 전류가 흐른 후, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제4 스위치(S4) 및 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제4 커패시터(C4)를 통해 전류가 흐른다.
이러한 양의 주기 전류 흐름은 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제2 스위치(Q2) 및 제4 스위치(Q4)를 통해서도 같은 모드의 동작이 가능하다.
반면, 도 5b와 같이, 음의 주기에서는 제어모듈(140)의 제어에 따라 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 내부 변압기 1차측은 제1 스위치(Q1)가 도통되고, 내부 변압기 2차측에서는 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)가 도통된다.
따라서, 내부 변압기 1차측에서는 배터리(10), 제1 스위치(Q1), 인덕터(Ldc), 1차측 권선 및 제2 커패시터(C2)를 통해 전류가 흐른다.
내부 변압기의 2차측에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110) 중 제3 스위치(Q3)의 바디 다이오드, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제3 스위치(S3)를 통해 전력 그리드에 공급된 후, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제2 스위치(S2) 및 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제4 커패시터(C4)를 통해 흐른다.
이러한 음의 주기 전류 흐름 역시 상술한 양의 주기와 마찬가지로 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제2 스위치(Q2) 및 제4 스위치(Q4)를 통해서도 같은 모드의 동작이 가능하다.
도 6a 및 도 6b는 배터리(10)가 충전되는 전력 저장 상태를 나타낸 것으로, 도 6a는 교류 계통이 양(+)의 주기인 시점을 나타낸 것이고, 도 6b는 교류 계통이 음(-)의 주기인 시점을 나타낸 것이다.
도 6a와 같이, 양의 주기에서는 제어모듈(140)의 제어에 따라 내부 변압기의 2차측에서 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3)가 도통된다.
따라서, 전력 그리드의 교류 전원이 멀티레벨 DC-AC 인버터(130) 중 제1 스위치(S1)의 바디 다이오드, 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3), 제4 커패시터(C4) 및 멀티레벨 DC-AC 인버터(130) 중 제4 스위치(S4)의 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른다.
또한, 내부 변압기 1차측에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110) 중 제1 스위치(Q1)의 바디 다이오드, 배터리(10) 및 제2 커패시터(C2)를 따라 전류가 흐르면서 배터리(10)를 충전시키게 된다.
이러한 양의 주기 전류 흐름은 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제2 스위치(Q2) 및 제4 스위치(Q4)를 통해서도 같은 모드의 동작이 가능하다.
도 6b와 같이, 음의 주기에서는 제어모듈(140)의 제어에 따라 내부 변압기의 2차측에서 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3)가 도통된다.
따라서, 전력 그리드의 교류 전원이 멀티레벨 DC-AC 인버터(130) 중 제3 스위치(S3)의 바디 다이오드, 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3), 제4 커패시터(C4) 및 멀티레벨 DC-AC 인버터(130) 중 제2 스위치(S2)의 바디 다이오드를 통해 흐른다.
또한, 내부 변압기 1차측에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110) 중 제1 스위치(Q1)의 바디 다이오드, 배터리(10) 및 제2 커패시터(C2)를 따라 전류가 흐르면서, 배터리(10)를 충전시키게 된다.
이러한 양의 주기 전류 흐름은 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제2 스위치(Q2) 및 제4 스위치(Q4)를 통해서도 같은 모드의 동작이 가능하다.
이때, 120°의 위상차를 갖는 각 상이 결합되어 배터리(10)단에서 리플 성분이 상쇄되므로, 배터리(10)단 ESS 커패시터(C_ess)의 용량 감소가 가능하다.
도 7a 및 도 7b는 직류 계통과의 연계를 위한 DC-DC 모드를 나타낸 것으로, 도 7a는 DC 링크 충전 모드를 나타낸 것이고, 도 7b는 DC 링크 방전 모드를 나타낸 것이다.
도 7a와 같이 DC 링크 충전 모드에서는 제어모듈(140)에 의해 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제1 스위치(Q1)이 도통되며, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 스위치는 모두 차단된다.
따라서, 내부 변압기 1차측에서는 배터리(10), 제1 스위치(Q1), 인덕터(Ldc), 1차측 권선 및 제2 커패시터(C2)를 통해 전류가 흐른다.
이때, 내부 변압기 2차측에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110) 중 제3 스위치(Q3)의 바디 다이오드, DC 링크부(120)의 링크 커패시터(C_dclink) 및 제4 커패시터(C4)를 통해 전류가 흐름에 따라 링크 커패시터(C_dclink)가 충전된다.
이러한 DC 링크 충전시의 전류 흐름은 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제2 스위치(Q2) 및 제4 스위치(Q4)를 통해서도 같은 모드의 동작이 가능하다.
반면, 도 7b와 같이 DC 링크부(120) 방전 모드에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3)가 도통되며, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 스위치는 모두 차단된다.
따라서, 내부 변압기 2차측에서는 DC 링크부(120)의 링크 커패시터(C_dclink), 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3) 및 제4 커패시터(C4)를 통해 전류가 흐름에 따라 링크 커패시터(C_dclink)가 방전된다.
이때, 내부 변압기 1차측에서는 절연형 DC-DC 컨버터(110) 중 제1 스위치(Q1)의 바디 다이오드, 배터리(10) 및 제2 커패시터(C2)를 통해 전류가 흐르게 된다. 따라서, 본 발명은 위에서 설명한 교류 부하 및 배터리(10) 충전은 물론 직류 공급까지 모두를 가능하게 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10: 배터리(ESS)
20: 계통 연계 변압기
110: 절연형 DC-DC 컨버터
120: DC 링크부
121: 제1 부하 스위치
130: 멀티레벨 DC-AC 인버터
131: 제2 부하 스위치
140: 제어모듈

Claims (13)

  1. 일단에 배터리(10)가 연결되며, 전원 입력단과 출력단이 내부 변압기에 의해 분리되는 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)와;
    상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 타단에 연결되며 링크 커패시터(C_dclink)를 포함하여 구성되는 DC 링크부(120)와;
    일단은 상기 DC 링크부(120)에 연결되며, 타단은 교류 계통에 연결되는 3상 멀티레벨 DC-AC 인버터(130); 및
    작동 모드에 따라 상기 절연형 DC-DC 컨버터(110) 및 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 각각 스위칭 제어하는 제어모듈(140);을 포함하고,
    상기 제어모듈(140)은,
    위상 천이기(phase-shifter)를 포함하여 위상 천이 방식으로 상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)를 스위칭하여 상기 DC 링크부(120)의 전압을 제어하고,
    위상 천이-PWM 방식으로 상기 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)를 통해 상기 배터리 전압 및 전류를 제어하고,
    상기 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)는,
    1차 측을 하나의 코어로 마련하여 2차 측의 각 상에서 공통 연결하는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)는,
    양방향 전력 전달이 가능한 듀얼 하프 브릿지 컨버터(Dual half bridge converter)인 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)는,
    각 상이 120°의 위상차를 갖는 3상 절연형 DC-DC 컨버터(110)인 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC 링크부(120)의 링크 커패시터(C_dclink)는,
    500uF 이하의 저용량 필름 커패시터(film capacitor)인 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는,
    H 브릿지 인버터가 다단으로 연결된 캐스케이드 H 브릿지 인버터(cascaded H-bridge)인 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는,
    각 상이 120°의 위상차를 갖는 3상 캐스케이드 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)인 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연형 DC/DC 컨버터(110)는 3상의 듀얼 하프 브릿지 컨버터이고,
    상기 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 3상의 H 브릿지 인버터가 다단으로 직렬 연결된 캐스케이드 H 브릿지 인버터인 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리(10)에는 ESS 커패시터(C_ess)가 병렬 연결되고, 상기 ESS 커패시터(C_ess)에는 절연형 DC-DC 컨버터(110)가 연결되되, 상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)는 절연을 위한 내부 변압기를 중심으로 1차측과 2차측이 서로 대향되게 회로가 구성되며,
    상기 1차측에는 제1 스위치(Q1)와 제1 커패시터(C1)가 병렬 연결되고, 제2 스위치(Q2)는 제2 커패시터(C2)가 병렬 연결되고,
    서로 직렬 연결된 상기 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터는(C2) 상기 ESS 커패시터(C_ess)에 병렬 연결되고, 내부 변압기의 1차측 권선 양단은 상기 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2) 사이 및 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2) 사이에 각각 연결되고,
    상기 2차측에는 제3 스위치(Q3)와 제3 커패시터(C3)가 병렬 연결되고, 제4 스위치(Q4)는 제4 커패시터(C4)와 병렬 연결되고,
    서로 직렬 연결된 상기 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4)는 링크 커패시터(C_dclink)에 병렬 연결되고, 내부 변압기의 2차측 권선 양단은 상기 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4) 사이 및 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4) 사이에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 포함하되,
    상기 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)가 직렬 연결되고, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)가 직렬 연결되며,
    서로 직렬 연결된 상기 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 서로 직렬 연결된 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)와 병렬 연결되고,
    전력 그리드를 포함한 교류 계통의 (+) 라인은 상기 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이에 연결되고, (-) 라인은 상기 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리(10)의 충전 전원을 교류의 전력 계통에 공급하는 전력 공급 모드에서,
    양(+)의 주기에서 제어모듈(140)은 상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 내부 변압기 1차측은 제1 스위치(Q1)을 도통시키고, 내부 변압기 2차측은 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 도통시키고,
    음(-)의 주기에서 제어모듈(140)은 상기 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 내부 변압기 1차측은 제1 스위치(Q1)를 도통시키고, 내부 변압기 2차측에서는 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 도통시키는 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 배터리(10)가 충전되는 전력 저장 모드에서,
    양(+)의 주기에서 제어모듈(140)은 내부 변압기의 2차측에서 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3)를 도통시키고,
    음(-)의 주기에서 제어모듈(140)은 제어에 따라 내부 변압기의 2차측에서 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3)를 도통시키는 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
  13. 제10항에 있어서,
    DC 링크 충전 모드에서,
    제어모듈(140)은 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제1 스위치(Q1)를 도통시키고, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 스위치를 모두 차단하며,
    DC 링크 방전 모드에서,
    제어모듈(140)은 절연형 DC-DC 컨버터(110)의 제3 스위치(Q3)를 도통시키고, 멀티레벨 DC-AC 인버터(130)의 스위치를 모두 차단하는 것을 특징으로 하는 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치.
KR1020200071263A 2020-06-12 2020-06-12 3상 캐스케이드 멀티레벨 계통 연계형 에너지 저장 시스템 제어장치 KR102403092B1 (ko)

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