KR102407003B1 - 모듈형 전력 변환 시스템 - Google Patents

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김근영
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Abstract

본 발명은 에너지 저장장치에 적용되는 전력 변환 시스템의 동작 방식을 변경하여 상대적으로 적은 비용으로 전고조파왜율의 증가를 방지할 수 있는 전력 변환 시스템에 관한 것으로, 계통 전원에 각각의 일단이 병렬로 연결되고, 양방향 AC/DC 컨버터로 동작하거나 액티브 파워 필터로 동작하되, AC/DC 컨버터로만 동작하는 제1군과 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작하는 제2군으로 나뉘는 다수개의 PCS 및 상기 계통 전원으로부터 입력되거나, 상기 계통 전원으로부터 출력되는 제 1 전류가 기준치 이상일 경우, 상기 제1군과 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 제어하고, 상기 제 1 전류가 기준치 미만일 경우, 상기 제1군과 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 제어하고, 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 액티브 파워 필터로 동작시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모듈형 전력 변환 시스템{Modular-type power conversion system}
본 발명은 모듈형 전력 변환 시스템에 관한 것이다.
대용량 태양광, 에너지 저장장치(Energy Storage System)가 공존하는 발전소의 경우 각기 다른 스위칭 주파수, 발전 및 충방전의 용량 상황에 따라 계통 전압이 발진하거나 계통 전원에 고조파를 발생시켜 계통의 전력품질을 저하시키는 현상이 발생하기도 한다. 현재는 이러한 공진 현상을 저감하기 위해 수동형 필터를 추가적으로 현장 상황에 맞게 추가하거나 변경하는 방법을 사용하고 있으며, 다른 방식으로는 계통단에서 전력품질의 향상을 위하여 액티브 파워 필터(Active Power Filter, APF)라는 능동형 필터를 최종 계통단에 병렬로 추가하여 고조파전류를 보상하고 있다.
도 1은 일반적인 전력변환장치(Power Conversion System, PCS)가 운용되는 환경을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력변환장치는 계통에 연결되어 사용되는데, 최근 대용량 전력변환장치의 사용으로 인해 다수개의 전력변환장치가 병렬로 연결되어 운전되고 있다. 단일의 전력변환장치는 계통측에 연결된 인덕터를 포함하는데, 이러한 인덕터는 전력변환장치의 정격용량에 맞춰져 있어 정격용량의 운전에서는 PFC특성이 양호하나, 정격용량보다 용량이 작게 운영될 때에는 전고조파왜율(Total Harmonic Distortion, THD)이 나빠져 전력품질이 저하되는 등의 문제가 있는 실정이다.
한국 등록특허공보 제10-2293077호("태양광발전 및 ESS 기반 전기차 충전시스템에 적용하는 감시시스템", 공고일 2021년 08월 23일)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 모듈형 전력 변환 시스템의 목적은 병렬로 연결되는 PCS의 동작 방식을 변경하여 상대적으로 적은 비용으로 전고조파왜율의 증가를 방지할 수 있는 모듈형 전력 변환 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 모듈형 전력 변환 시스템은, 계통 전원에 각각의 일단이 병렬로 연결되고, 양방향 AC/DC 컨버터로 동작하거나 액티브 파워 필터로 동작하되, AC/DC 컨버터로만 동작하는 제1군과 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작하는 제2군으로 나뉘는 다수개의 PCS 및 상기 계통 전원으로부터 입력되거나, 상기 계통 전원으로부터 출력되는 제 1 전류가 기준치 이상일 경우, 상기 제1군과 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 제어하고, 상기 제 1 전류가 기준치 미만일 경우, 상기 제1군과 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 제어하고, 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 액티브 파워 필터로 동작시키는 제어부를 포함하되, 상기 제2군에 속하는 PCS는, 상기 계통 전원과 연결되는 제 1 인덕터, DC 전압원과 상기 제 1 인덕터 사이에 위치하는 인버터, 상기 제 1 인덕터와 직렬로 연결되는 제 2 인덕터 및 일단이 상기 제 1 인덕터와 상기 제 2 인덕터의 연결점에 연결되고, 상기 제 1 인덕터 및 상기 제 2 인덕터 중 어느 하나와 병렬로 연결되는 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제2군에 속하는 PCS를 AC/DC 컨버터로 동작시킬 경우 상기 스위치를 OFF시키고, 액티브 파워 필터로 동작시킬 경우 상기 스위치를 ON시켜 상기 제2군에 속하는 PCS의 인덕턴스를 가변하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계통 전원과 상기 다수개의 PCS의 일단을 연결하는 라인상에 설치되어 상기 제 1 전류의 크기를 측정하고, 측정된 상기 제 1 전류의 크기를 상기 제어부로 송신하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2군에 속하는 PCS는, 상기 계통 전원과 연결되는 제 1 인덕터, DC 전압원과 상기 제 1 인덕터 사이에 위치하는 인버터, 상기 제 1 인덕터와 직렬로 연결되는 제 2 인덕터 및 일단이 상기 제 1 인덕터와 상기 제 2 인덕터의 연결점에 연결되고, 상기 제 1 인덕터 및 상기 제 2 인덕터 중 어느 하나와 병렬로 연결되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2군에 속하는 PCS를 AC/DC 컨버터로 동작시킬 경우 상기 스위치를 OFF시키고, 액티브 파워 필터로 동작시킬 경우 상기 스위치를 ON시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 다수개의 PCS들 중, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수보다 높게 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 다수개의 PCS들 중, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수의 정수배로 높게 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수개의 PCS들은 동일한 DC 전압원에 연결되고, 상기 제어부는, 상기 다수개의 PCS들이 서로 동일한 시점에 스위칭되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수개의 PCS들 중 적어도 하나의 PCS는 나머지 PCS와 서로 다 DC 전압원에 연결되고, 상기 제어부는, 상기 다수개의 PCS들 중 서로 다른 DC 전압원에 연결된 PCS끼리 서로 위상차를 갖도록 스위칭하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 모듈형 전력 변환 시스템에 의하면, 계통 전원으로부터 입력 또는 출력되는 제 1 전류의 크기에 따라 다수개의 PCS들 모두가 AC/DC 컨버터로 동작하거나, 일부 PCS는 액티브 파워 필터로 동작하여, 제 1 전류의 크기로 인해 PCS들의 운전용량이 달라지더라도 전고조파왜율을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부가 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수보다 높게 하여, 전고조파왜율을 저감시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부가 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수의 정수배로 높게 하여, 다수개의 PCS가 동일한 DC 전압원를 공유할 때, 순환전류를 감소시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부가 상기 다수개의 PCS들 중 서로 다른 DC 전압원에 연결된 PCS끼리 서로 위상차를 갖도록 스위칭하여, 계통 전원으로 입력되는 노이즈를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부에서 PCS의 동작모드를 결정하는 기준치를 다양한 변수를 통한 데이터셋으로 학습함으로써, 보다 정확하고 효율적으로 시스템 내에서 발생할 수 있는 전고조파왜율을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 동작허용온도를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 동작허용온도보다 낮춰, PCS의 노화편차가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부가 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS를 AC/DC 컨버터로 동작하도록 변경할 때, 출력 또는 부담률의 이동이 점진적으로 이루어져, PCS의 노화를 보다 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 다수개의 PCS 중 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작시키는 PCS는, 상기 스위치와 직렬로 연결되는 제 3 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수개의 PCS별 동작온도를 측정하고, 측정된 온도값을 상기 제어부로 송신하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 다수개의 PCS들 중 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 동작 허용 온도를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 동작 허용 온도보다 낮게 설정하며, 액티브 파워 필터로 동작하는 제 k PCS의 온도가 동작 허용 온도까지 도달하면, 상기 제 k PCS를 AC/DC 컨버터로 동작하도록 변경하는 것을 특징으로 한다. (k는 1 이상 상기 PCS들의 총 개수 n 이하의 자연수)
또한, 상기 제어부는, 상기 k PCS를 AC/DC 컨버터로 동작하도록 변경하고, 상기 제 p PCS를 액티브 파워 필터로 동작하도록 변경하는 것을 특징으로 한다. (p는 1 이상 n 이하의 자연수)
또한, 상기 제어부는, 제1시간동안 상기 제 p PCS의 출력을 소정 정도 감소시키고, 상기 제 k PCS와 상기 제 p PCS가 속하지 않되, AC/DC 컨버터로 동작하고 있는 제1그룹의 PCS에 상기 p PCS에서 감소된 출력을 분담하도록 하며, 상기 제1시간 이후의 제2시간동안 상기 p PCS 및 상기 k PCS를 각각을 AC/DC 컨버터 및 액티브 파워 필터로 동작시키되, 제2시간이 경과할수록 상기 제 p PCS의 액티브 파워 필터의 분담율을 높이고, AC/DC 컨버터의 분담율은 낮추며, 상기 k PCS의 AC/DC 컨버터의 분담율은 높이되, 액티브 파워 필터의 분담율을 낮춰, 상기 제2시간이 경과하면 상기 p PCS는 액티브 파워 필터로, 상기 k PCS는 AC/DC 컨버터로 동작하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2시간 이후의 제3시간 동안 상기 k PCS의 동작상태를 유지하고, 상기 제3시간 이후의 제4시간 동안, 제1그룹의 PCS들이 분담하고 있던 출력을 상기 k PCS가 부담하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 다수개의 PCS 각각의 전력전송, 온도 및 스위칭 주파수 중 적어도 하나를 고려한 PCS별 스트레스 지수를 연산하고 저장하고, 상기 스트레스 지수, 상기 다수개의 PCS별 동작온도 및 동작파워를 고려하여 상기 다수개의 PCS별 부하 분담율 또는 액티브 파워 필터로의 동작여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 전력변환장치(Power Conversion System, PCS)가 운용되는 환경을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 모듈형 전력 변환 시스템을 개략적으로 도시한 것이며,
도 3은 도 2의 일부분을 확대한 것이고,
도 4는 도 2의 다른 일부분을 확대한 것이며,
도 5는 본 발명의 제어부(200)에서 다수개의 PCS들을 제어하는 방식의 일예를 시간 순서대로 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 모듈형 전력 변환 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 모듈형 전력 변환 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 모듈형 전력 변환 시스템은, 계통 전원(30)에 연결되는 모듈형 전력 변환 시스템에 관한 것으로, 제 1 PCS(100-1) ~ 제 n PCS(100-n) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 n은 1이상의 자연수일 수 있다. 제 1 PCS(100-1) ~ 제 n PCS(100-n)는 총 합해서 소정의 운전용량을 가질 수 있다. 제 1 PCS(100-1) ~ 제 n PCS(100-n)의 일단은 계통 전원(30)이, 타단은 다수개의 DC 전압원가 연결되며, 다수개의 DC 전압원 각각을 제 1 DC 전압원(50-1) ~ 제 n DC 전압원(50-n)이라 한다. 본 발명에서 제 1 DC 전압원(50-1) ~ 제 n DC 전압원(50-n) 중 적어도 일부는 동일한 DC 전압원일 수 있고, 개별적으로 서로 다른 DC 전압원일 수도 있다.
제 1 PCS(100-1) ~ 제 n PCS(100-n) 각각은 계통 전원(30)으로부터 입력되는 교류를 직류로 변환하여 제 1 DC 전압원(50-1) ~ 제 n DC 전압원(50-n)로 출력하거나, 제 1 DC 전압원(50-1) ~ 제 n DC 전압원(50-n)로부터 입력되는 직류를 교류로 변환하여 계통 전원(30)으로 출력할 수 있다. 즉, 각각의 PCS는 AC/DC 컨버터로 동작할 수 있다. 또한, 제 1 PCS(100-1) ~ 제 n PCS(100-n)들 중 적어도 하나는 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터(Active Power Filter)로 동작할 수 있다. 설명의 편의상, 제 1 PCS(100-1) ~ 제 n PCS(100-n)들 중 AC/DC 컨버터로만 동작하는 PCS를 제1군으로, AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS를 제2군이라 한다.
도 2에 도시된 본 실시예에서는 제 1 PCS(100-1)이 제2군의 PCS로 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작할 수 있으며, 제 2 PCS(100-2) ~ 제 n PCS(100-n)이 제1군의 PCS로 AC/DC 컨버터로만 동작할 수 있다.
제어부(200)는 상기한 PCS들을 제어한다. 제어부(200)는 마이크로칩과 같은 전자소자로 구현될 수 있으며, 각각의 PCS들을 제어하기 위해 각각의 PCS들과 전기적으로 연결될 수 있다. 제어부(200)는 계통 전원(30)에서 입력 또는 출력되는 제 1 전류의 크기가 기준치 이상일 경우, 제1군과 제2군의 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 동작시키고, 상기 제 1 전류의 크기가 기준치 미만일 경우, 제1군과 제2군의 PCS들 중 적어도 하나는 AC/DC 컨버터로, 제2군의 PCS들 중 적어도 하나는 액티브 파워 필터로 동작시킬 수 있다. 상술했듯, 제어부(200)에서 액티브 파워 필터로 동작시키는 PCS는 제 1 PCS(100-1)일 수 있다.
본 발명에서 제 1 PCS(100-1)를 제 1 전류의 크기에 따라 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작시키는 이유는 일반적으로 제 1 전류의 크기가 기준치 이상이면 병렬로 연결되는 다수개의 PCS들이 정격용량에 가깝게 운전하여 시스템의 THD(전고조파왜율, Total Harmonic Distortion)가 작아져 계통 전원(30)을 오염시키지 않으나, 제 1 전류의 크기가 기준치 미만이면 THD가 커져, 계통 전원(30)을 오염시킬 수 있기 때문이다. 따라서 제어부(200)는 PCS중 일부를 액티브 파워 필터로 동작시킴으로써, THD를 저감시키거나 제거할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 모듈형 전력 변환 시스템은 상기한 제 1 전류를 측정하기 위해 계통 전원(30)과 PCS들 사이에 설치되어 제 1 전류의 크기를 측정하는 센서(300)를 더 포함할 수 있으며, 센서(300)에서 측정된 제 1 전류의 크기는 제어부(200)로 송신될 수 있다. 이를 위해, 제어부(200)와 센서(300)는 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
제어부(200)에서 제1군 및 제2군의 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로, 제2군의 PCS들 중 적어도 하나를 액티브 파워 필터로 동작시키는 기준이 되는 상기한 기준치는 계통 전원(30)의 THD를 분석해서 결정하거나, 일종의 학습을 통해 결,정될 수 있다. 상기한 DC 전압원는 배터리일 수 있는데, DC 전압원이 배터리일 경우 상기한 기준치는 배터리의 SoC, 계통 전원(30)의 전압, 전류, 배터리의 충방전 전력에 따른 계통 전원(30)의 THD 데이터 셋을 이용하여 학습될 수 있다. 또한 본 실시예에 의한 모듈형 전력 변환 시스템은 발전부와 연결될 수 있는데, 이때 발전부의 발전량 또한 변수로 고려되어 기준치가 학습될 수 있다. 특히 발전부가 태양광 발전장치일 경우, 기준치는 발전부가 위치한 곳의 기후, 날씨 및 일사량을 변수에 더해 학습될 수 있다.
도 3은 도 2의 일부분인 제 1 PCS(100-1)를 확대 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작하는 제1 PCS(100-1)는 제 1 인버터(110-1), 제 1 인덕터(L1), 제 2 인덕터(L2), 커패시터(C) 및 릴레이(120)를 포함할 수 있다.
제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)는 서로 직렬로 연결되며, 서로 직렬로 연결된 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)의 양단에는 각각 계통 전원(30)과 제 1 인버터(110-1)가 연결된다. 제 1 인버터(110-1)의 일측에는 제 1 DC-링크 커패시터(130-1)가 위치하며, 제 1 DC-링크 커패시터(130-1)는 제 1 DC 전압원(50-1)과 연결된다. 릴레이(120)는 일단이 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)의 연결점에 연결되며, 제 2 인덕터(L2)와 병렬로 연결된다. 단, 본 발명은 릴레이(120)가 연결되는 인덕터를 계통 전원(30)측에 가까운 제 2 인덕터(L2)로 한정하는 것은 아니며, 제 1 인덕터(L1)와 릴레이(120)가 서로 병렬로 연결되는 등의 실시예가 있을 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 제 1 인버터(110-1)는 다수개의 스위치를 포함할 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 3상 인버터일 수 있다. 제어부(200)는 제 1 PCS(100-1)가 AC/DC 컨버터로 동작할 때에는 릴레이(120)를 OFF시켜 제 1 PCS(100-1)의 인덕턴스가 높아지게 하고, 제 1 PCS(100-1)가 액티브 파워 필터로 동작할 때에는, 릴레이(120)를 ON시켜 제 1 PCS(100-1)의 인덕턴스가 낮아지게 한다. 여기서 릴레이(120)의 스위칭은 제 1 전류가 흐르지 않거나, 제 1 전류가 기준치보다 낮은 크기를 가질 때 이루어져, 릴레이(120)의 스위칭에 따라 장치에 부담이 가는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 제2군에 속하는 PCS들은 상기한 제 1 PCS(100-1)와 동일한 구성들 즉, 제 1 인버터(110-1), 제 1 인덕터(L1), 제 2 인덕터(L2), 릴레이(120) DC-링크 커패시터(130-1)를 포함할 수 있다. 상기한 설명에서는 릴레이(120)의 ON/OFF를 통해 PCS의 인덕턴스를 조절한다고 기재하였으나, 본 발명은 릴레이(120)로 한정하는 것은 아니며, 릴레이와 같은 기계적 스위치와, IGBT 등의 전기적 스위치가 본 발명의 릴레이(120)를 대체하여 동작해 PCS의 인덕턴스를 조절할 수 있다.
도 4는 도 2의 일부분인 제 2 PCS(100-2)를 확대 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, AC/DC 컨버터로만 동작하는 제1군의 PCS인 제 2 PCS(100-2)는 앞서 설명한 제 1 PCS(100-1)와 대응되는 제 2 인버터(110-2), 제 1 인덕터(L1), 제 2 DC-링크 커패시터(130-2)를 포함하며, 그 외의 구성인 제 2 인덕터(L2) 및 릴레이(120)는 포함하지 않는다.
즉, 본 발명은 도 3에 도시된 제 1 PCS(100-1)와 도 4에 도시된 제 2 PCS(100-2)가 함께 사용되되 서로 병렬로 연결되며, 제어부(200)는 제 1 전류의 크기에 따라 제 1 PCS(100-1)의 동작모드를 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 변경하여, 계통 전원(30)에서 발생하는 THD를 감소시킨다.
앞서 설명한 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작하는 제 1 PCS(100-1)의 경우, 릴레이(120)와 직렬로 연결되는 제 3 인덕터를 더 포함할 수 있다. 이는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 제 1 PCS(100-1)의 경우, 릴레이(120)는 제 1 전류가 흐르지 않거나, 제 1 전류의 크기가 기준치 이하일 경우에만 스위칭되거나, 제 1 전류가 흐르지 않거나 기준치 이하인 경우가 드물거나 없는 경우, 장치의 부담을 감수하고 스위칭해야 할 경우가 있을 수 있다. 제 3 인덕터는 이러한 상황에서 과도한 전류가 짧은 시간 내에 릴레이(120)측으로 흐르는 것을 방지하기 위한 것이다. 단, 본 발명은 제 3 인덕터를 한정하는 것은 아니며, 제 3 인덕터는 제 1 전류의 크기 또는 시스템의 설계 사항에 따라 설치 유무가 결정될 수 있다.
제어부(200)는 제 1 전류가 기준치 미만이어서, 제2군의 PCS들 중 일부가 액티브 파워 필터로 동작하도록 제어할 때, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS에 포함되는 인버터의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수보다 높도록 제어할 수 있다. 이는 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS를 상대적으로 고주파수로 제어하여 시스템에 발생하는 THD를 제거하기 위함이다. 특히 제어부(200)는 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 주파수의 정수배만큼 크게 하되, 스위칭 시점을 동일하게 하여, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS와 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 싱크를 맞출 수 있다. 특히 이 경우, 제 1 DC 전압원(50-1) ~ 제 n DC 전압원(50-n)이 공통일 경우, 계통 전원(30)-PCS-DC 전압원를 통해 순환하는 전류를 저감시킬 수 있는 효과가 있다. 여기서 스위칭 싱크를 맞춘다는 의미는, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS에 인가하는 스위칭 신호의 듀티비와 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS에 인가하는 스위칭 신호의 듀티비가 서로 동일할 때에는 동일 시점에서 스위칭한다는 의미일 수 있으며, 듀티비가 서로 다를 경우 스위칭 신호의 PWM 캐리어가 서로 동기화된다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 특히 제어부(200)는 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 주파수의 정수배만큼 크게 하되, 스위칭 시점을 서로 다르게 하여 위상차를 가지게 해, 서로 엇갈리도록 할 수 있다. 이 경우, 제 1 DC 전압원(50-1) ~ 제 n DC 전압원(50-n)은 서로 다를 수 있으며, 이 경우 계통 전원(30)으로 발생하는 노이즈를 저감할 수 있다.
제어부(200)에서 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 높이면, AC/DC 컨버터로 동작할 때보다 스위칭 횟수가 증가한다. 따라서 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS보다 액티브 파워 필터로 동??가는 PCS의 발열이 증가할 수 있다. 제어부(200)는 이러한 상태를 고려하여 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 발열 허용 온도를 AC/DC 컨버터로 동작할 때보다 낮게 설정할 수 있다.
제어부는 상대적으로 고주파수로 스위칭하는 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS에 대해, 해당 PCS가 동작 온도 허용치에 도달한 경우, 해당 PCS가 동작하는 모드를 액티브 파워 필터에서 AC/DC 컨버터로 변경할 수 있으며, 해당 PCS의 동작 모드를 AC/DC 컨버터로 변경함과 동시에, 스위칭 주파수를 낮출 수 있다. 이를 위해, 본 실시예에 의한 모듈형 전력 변환 시스템은 PCS별 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있다.
단, 제어부(200)에서 단순히 액티브 파워 필터로 동작하던 PCS를 AC/DC 컨버터로 변경할 경우, 해당 PCS의 열화 정도가 높아지는 등의 문제가 발생해, 다수개의 PCS들 중 일부는 정상 동작하되, 다른 일부는 오동작하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 다음과 같은 제어기법을 제안한다.
도 5는 본 발명의 제어부(200)에서 다수개의 PCS들을 제어하는 방식의 일예를 시간 순서대로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 총 6개의 PCS, 즉 제 1 PCS(100-1) ~ 제 6 PCS(100-6)가 동작하고 있으며, 제어부(200)는 제 1 전류의 크기가 기준치 미만일 때, 제 1 PCS(100-1) ~ 제 5 PCS(100-5)는 AC/DC 컨버터로, 제 6 PCS(100-6)는 액티브 파워 필터로 동작하도록 제어하고 있다. 여기서 제 1 PCS(100-1) ~ 제 4 PCS(100-4)는 제1군의 PCS이고, 제 5 PCS(100-5) 및 제 6 PCS(100-6)는 제2군의 PCS이다.
상대적으로 고주파수로 동작하는 제 6 PCS(100-6)의 동작온도가 동작 허용온도에 도달하면, 제어부(200)는 제 6 PCS(100-6)의 동작모드를 액티브 파워 필터로 변경하고, 제 5 PCS(100-5)의 동작모드를 AC/DC 컨버터로 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(200)는 소정의 시간인 제1시간동안 AC/DC 컨버터의 역할을 하던 제 5 PCS(100-5)의 출력을 70%에서 50%로 감소시키고, 감소된 20%의 출력을 제1그룹에 속하는 제 1 PCS(100-1) ~ 제 4 PCS(100-4)가 나누어 분담하도록 한다. 즉, 제 1 PCS(100-1) ~ 제 4 PCS(100-4) 각각의 출력은 종래 제1시간 전의 70%에서 제1시간에서는 75%로 증가한다.
이후, 제어부(200)는 제2시간동안 제 5 PCS(100-5) 및 제 6 PCS(100-6) 각각이 AC/DC 컨버터와 액티브 파워 필터의 기능을 동시에 수행하도록 제어하되, 제2시간이 경과할수록 제 5 PCS(100-5)의 액티브 파워 필터의 분담율을 높이고, AC/DC 컨버터의 분담율을 낮아지도록 할 수 있다. 물론, 제2시간동안 제 6 PCS(100-6)의 액티브 파워 필터의 분담율은 낮아지고, AC/DC 컨버터의 분담율은 높아지도록 할 수 있으며, 제2시간이 모두 경과하면 최종적으로 제 5 PCS(100-5)는 액티브 파워 필터로만 동작하고, 제 6 PCS(100-6)는 AC/DC 컨버터로 동작하도록 할 수 있다. 도면에서 AC/DC 컨버터의 분담율은 출력으로 표시했다. 제2시간이 완료되었을 때, 제 6 PCS(100-6)의 AC/DC 컨버터 출력은 제1시간 이전의 제 5 PCS(100-5)의 AC/DC 컨버터 출력보다 낮다. 제어부(200)는 제2시간이 완료된 후의 제3시간동안, 제 6 PCS(100-6)의 AC/DC 컨버터 출력을 유지하고, 제3시간이 종료된 제4시간동안은, 제1그룹에 속하는 제 1 PCS(100-1) ~ 제 4 PCS(100-4)가 분담하고 있던 출력을 제 6 PCS(100-6)가 부담하도록 하여, 제 6 PCS(100-6)가 액티브 파워 필터로 동작한 동안의 스트레스를 완화시켜, 특정 PCS가 다른 PCS에 비해 노화 정도가 높아지는 것을 방지할 수 있다. 상기한 바와 같이, 제1시간 ~ 제4시간동안 출력 또는 부담률이 이동하는 과정은 점진적으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 제4시간에 제1그룹의 PCS에서 분담하고 있던 출력은 점진적으로 제 6 PCS(100-6)로 이전될 수 있으며, 이를 통해 제 6 PCS(100-6)의 노화 정도를 보다 늦출 수 있다.
제어부(200)는 각각의 PCS의 전력전송, 온도, 스위칭 주파수 등을 고려해, PCS별로 스트레스 지수를 지정 및 저장하고, 스트레스 지수, PCS의 동작온도, 동작 시 파워 등을 고려하여, 각 PCS별 부하 분담율과 동작모드를 액티브 파워 필터로 하는 것의 여부를 결정할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 발전부
20 : PV PCS
30 : 계통
40 : 에너지 저장장치
41 : ESS PCS
42 : 배터리
50-1 ~ 50-n : 제 1 DC 전압원 ~ 제 n DC 전압원
100-1 ~ 100-n : 제 1 PCS ~ 제 n PCS
110-1 : 제 1 인버터
110-2 : 제 2 인버터
120 : 릴레이
130-1 ; 제 1 DC-링크 커패시터
130-2 : 제 2 DC-링크 커패시터
200 : 제어부
300 : 센서
L1 : 제1인덕터
L2 : 제2인덕터

Claims (8)

  1. 계통 전원에 각각의 일단이 병렬로 연결되고, 양방향 AC/DC 컨버터로 동작하거나 액티브 파워 필터로 동작하되, AC/DC 컨버터로만 동작하는 제1군과 AC/DC 컨버터 또는 액티브 파워 필터로 동작하는 제2군으로 나뉘는 다수개의 PCS; 및
    상기 계통 전원으로부터 입력되거나, 상기 계통 전원으로부터 출력되는 제 1 전류가 기준치 이상일 경우, 상기 제1군과 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 제어하고, 상기 제 1 전류가 기준치 미만일 경우, 상기 제1군과 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 AC/DC 컨버터로 제어하고, 상기 제2군에 속하는 PCS들 중 적어도 하나를 액티브 파워 필터로 동작시키는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 제2군에 속하는 PCS는,
    상기 계통 전원과 연결되는 제 1 인덕터;
    DC 전압원과 상기 제 1 인덕터 사이에 위치하는 인버터;
    상기 제 1 인덕터와 직렬로 연결되는 제 2 인덕터; 및
    일단이 상기 제 1 인덕터와 상기 제 2 인덕터의 연결점에 연결되고, 상기 제 1 인덕터 및 상기 제 2 인덕터 중 어느 하나와 병렬로 연결되는 스위치;
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제2군에 속하는 PCS를 AC/DC 컨버터로 동작시킬 경우 상기 스위치를 OFF시키고, 액티브 파워 필터로 동작시킬 경우 상기 스위치를 ON시켜 상기 제2군에 속하는 PCS의 인덕턴스를 가변하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계통 전원과 상기 다수개의 PCS의 일단을 연결하는 라인상에 설치되어 상기 제 1 전류의 크기를 측정하고, 측정된 상기 제 1 전류의 크기를 상기 제어부로 송신하는 센서;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 다수개의 PCS들 중, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수보다 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 다수개의 PCS들 중, 액티브 파워 필터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수를 AC/DC 컨버터로 동작하는 PCS의 스위칭 주파수의 정수배로 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다수개의 PCS들은 동일한 DC 전압원에 연결되고,
    상기 제어부는,
    상기 다수개의 PCS들이 서로 동일한 시점에 스위칭되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다수개의 PCS들 중 적어도 하나의 PCS는 나머지 PCS와 서로 다른 DC 전압원에 연결되고,
    상기 제어부는,
    상기 다수개의 PCS들 중 서로 다른 DC 전압원에 연결된 PCS끼리 서로 위상차를 갖도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
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