KR102476676B1

KR102476676B1 - 전력 공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102476676B1
Application number: KR1020187026058A
Authority: KR
Inventors: 매튜 윌리엄스; 앤드류 스코비
Original assignee: 패러데이 그리드 리미티드
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2022-12-12
Also published as: AU2022256151A1; WO2018023176A1; JP7036513B2; WO2018023175A1; AU2022256151B2; US10474171B2; KR20190038752A; AU2017305109A1; AU2017305108A1; CN110121684B; US20190369651A1; CN109074108A; EP3494451A1; CN110121684A; EP3494450A4; BR112019002230A2; US10732653B2; JP2019528567A; CA3021794A1; EP3494451A4

Abstract

본 발명의 전력 공급 시스템은 적어도 하나의 1차 권선, 적어도 하나의 2차 권선, 및 1차 권선과 2차 권선 사이의 전자기 결합을 제어하는 하나 이상의 제어 권선을 포함하는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기; 제1 입력 기본 주파수 및 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트; 및 제1 입력 신호의 제1 입력 전압과 제1 입력 기본 주파수를 나타내는 신호를 수신하고, 대응하는 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하여 2차 권선에서 목표 출력 주파수의 목표 출력 전압이 생성되도록 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 제어 권선의 전류를 결정하도록 구성된 제어 컴포넌트를 포함하며, 전력 공급 시스템은 제1 입력 기본 주파수와 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고 목표 주파수와 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 대응하는 출력 전기에너지를 생성한다.

Description

전력 공급 시스템 및 방법

본 발명은 전기 에너지 공급에 관한 것이며, 특히 전력 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.

지구의 에너지 문제

전기의 형태로 화석 연료의 저장된 에너지를 활용하는 능력은 인간이 그들의 행복을 향한 놀라운 발전을 가능하게 했다. 그러나, 세계적인 전기 수요가 지속적으로 증가함에 따라 환경에 미치는 영향이 궁극적으로 우리의 생존에 위협이 되는 지점에 도달하게 될 것으로 널리 예상된다. 그러므로 지속 불가능한 환경적 결과 없이 보편적인 전기 접근에 대한 제약을 해결하는 것은 가장 높은 사회경제적 우선순위이다.

미국 인구 정보국(US Energy Information Administration)은 세계 인구의 정당한 열망을 충족시키고 빈곤에 영향을 주기 위해 2040년까지 전 세계 에너지 요구량의 50% 이상 증가할 것으로 추정한다(참고: International Energy Outlook 2016). 동시에, 환경의 영향과 에너지 비용의 상당한 감소가 요구된다. 우리의 전통적인 발전 방식은 모든 제한된 자원인 화석 연료를 사용한다. 현재, 우리에게 입증된 청정한 발전 옵션은 단지 수력, 지열, 바이오 매스, 태양광 및 풍력이다. 이 중에서 태양열 및 풍력이 미래의 요구를 충족시킬 수 있는 최상의 기회를 제공하며, 다른 것들은 매우 구체적인 지리적 입력과 요구사항을 가지고 있다.

정책 입안자들의 세계적 공감대는 최근의 파리 기후 또는 COP21 협약에 의해 입증된 바와 같이 청정 에너지 발전을 극적으로 증가시켜야 한다는 것이다. 그러나 청정 발전 기술에 대한 현재 및 미래의 진보와 더불어 우리의 전기 네트워크 설계는 우리가 위임된 목표를 달성하게 할 수 없다. 특히, 통합(integration)은 잘 알려진 미해결 문제이다.

전기 시스템 개요

전체 전기 공급 체인은 일반적으로 발전, 분배 및 소비라는 3가지 영역으로 분류될 수 있다. 신뢰할 수 있는 전력 공급을 유지하기 위해 에너지 발전은 종단 간 네트워크를 통해 소비를 충족시키도록 제어된다.

전기 분배망은 지금까지 만들어진 최대 인공물이다. 지금까지, 그들은 모두 단일 설계도하에서 매우 특정한 운영 조건으로 구상되고 건설되었다. 설계도는 비교적 간단하다: 과거의 발전은 쉽고 적절하게 소비와 평형을 이루었다. 소수의 배치가능한 발전 소스가 분할되고 그룹화된 소비자에게 공급되었다. 전기 네트워크의 토폴로지는 가령 메쉬 및 링 토폴로지와 같은 방사형(주변의 나무 구조에서 점진적으로 분할되는 소비자들이 있는 단일 대형 발전기)의 더 복합적이고 중복적인 경로 네트워크 토폴로지의 혼합인 경향이 있다. 이러한 토폴로지는 안정적이고 배치가능한 몇 대의 발전기 및 많은 소비자의 현재 네트워크 수요에 기반하여 안정성과 비용의 균형을 잘 맞추도록 설계되었다.

현재, 대다수의 전기 발전은 화석 연료에서 생산되므로 직접 제어할 수 있다. 아래 표는 미국과 영국의 현재 전기 발전의 구성을 요약한 것이다.

소스별 총 전기 발전의 비율(2015)

	석탄	가스	원자력	기저부하 신재생에너지	다양한 신재생에너지
미국	33%	33%	20%	8%	5%
영국	23%	30%	21%	11%	14%

신재생 에너지 발전의 수준이 증가함에 따라 수요를 맞추기 위해 전기 공급을 통제하는 능력이 점점 더 어려워지고 있다. 이러한 수요와 공급의 균형이 유지되지 않으면 전기의 안정성과 가용성이 위협받게 된다.

발전의 구성이 점점 더 신재생 에너지로 변하면서 전기 공급의 특성은 네트워크의 물리적 구조와 발전 수준 제어 능력 모두에서 변화하고 있다. 이로 인해 기후 변화 목표를 달성하는데 필요한 수준보다 많이 부족한 현재의 전기 네트워크 아키텍처의 임계 능력으로 인해 안정성과 효율성의 과제가 증가한다. 단독으로 발전 및/또는 소비를 통제함으로써 상황을 해결하려는 시도는 과도한 사회적, 경제적 및 환경적 영향을 미친다. 우리의 전력 공급망이 지속가능하고 사회경제적 의도를 달성하도록 전력 분배망의 구성이 개조될 필요가 있다.

전기 시스템 균형화 조건

안정적인 전기 공급을 유지하려면 그리드의 전압과 주파수가 약 +/- 1%의 좁은 대역 내에서 유지되어야 한다. 현재 사용 가능한 제한된 저장 옵션 이외에, 전기가 생성될 때 전기가 소비되어야 하며, 그 결과 필요한 목표 전압과 주파수를 유지하기 위해 공급과 수요는 균형을 이루어야 한다. 지금까지, 이것은 그리드를 대략적인 높은 레벨에서 모니터링한 후, 대체로 화석 연료, 원자력 또는 수력 전기인 제어 가능한 발전 소스의 출력을 조정함으로써 달성되었다.

그리드의 균형은 3가지 응답 시간으로 분류될 수 있다:

- 장기 (수일 내지 몇 주)

- 중기 (몇 시간)

- 단기 (밀리초 내지 분)

유엔 보고서 '신재생 에너지 투자의 글로벌 트렌드(2016년)'는 현재 4가지 잠재적인 균형화 옵션이 있으며 현재 수용할 수 없는 5번째 옵션이 전세계적으로 사용되고 있다고 기술한다.

수요가 공급을 초과하는 경우:

i. 더 신속히 응답하는 종래의 발전, 즉 가스, 석탄 또는 디젤의 양을 증가시킴;

ii. 한 그리드에서 다른 그리드로 전기를 전송하는 인터커넥터;

iii. 공급이 수요에 미치지 못할 때 사용을 줄이기 위해 산업용 및 상업용 소비자에게 더 많이 청구함으로써 수요 대응.

공급이 수요를 초과하는 경우:

iv. 잉여 전기를 사용할 수 있을 때 저장하고 필요할 때 그리드로 다시 빼올 수 있는 에너지 저장소;

v. 직접적으로 공급을 줄이기 위한 신재생 에너지 발전의 축소.

이러한 해결책을 병렬로 조합하면 그리드의 중장기 균형을 관리하려고 시도하는 것이 타당해 보인다. 현재 각 옵션은 비용이 많이 들거나 허용될 수 없는 결과 또는 둘 다를 포함한다.

우리의 그리드의 균형의 단기적인 대응(밀리초 내지 초 및 분)에 대하여, 아래에 논의된 이유들 때문에, 이러한 옵션들 중 어느 것도 안정적인 전력 공급을 유지하면서 신재생 발전의 증가된 보급과 소비를 성공적으로 허용하지 못한다.

단기 그리드 균형 문제

다음은 그리드에 신재생 에너지를 통합하는 것과 관련하여 극복해야 할 문제들을 요약한 것이다.

시스템 주파수

모든 발전기는 교류(AC)로 그리드에 전력을 주입하고 동일한 주파수와 위상에서 작동하도록 동기화된다. 각 발전기에 의해 주입되는 전력량은 부하를 균등하게 분배하기 위해 시스템에 전력을 주입하는 다른 모든 발전기와 비교한 그 전력 출력 등급의 비율을 통해 균형을 이룬다. 이는 조작자 제어로 수정하지 않는 한 자연스럽게 발생한다.

전통적인 화석 연료, 원자력 및 수력 발전은 모두 이 주파수를 유지하는데 도움이 되는 관성을 도입하는 동기식 발전기이며 제어가 가능하여 주파수 응답 및 안정성을 제공한다. 이들은 그들의 상호연결의 자체-조절 특성으로 인해 동기화 상태를 유지한다. 한 발전기가 동기 속도를 벗어나면 속도 편차를 줄이는 방식으로 전력은 시스템의 다른 발전기들로부터 전송된다. 발전기의 저장된 관성 에너지는 주파수 변화에 대한 단기적인 대응책을 제공하며, 운영자가 몇 초 후에 인계받는다.

반면에, 풍력 발전 및 태양광 발전은 크게 다른 기술을 사용하여 DC 전력을 생산하고 이를 컨버터를 통해 AC 그리드에 주입한다. 이것은 그들이 그리드 주파수에서 분리됨을 의미하며, 기여하는 어떤 관성 에너지 없이 비동기식으로 작동하게 된다. 운영자와 같은 제어가 장착된 컨버터는 주파수 강하에 대응할 수 있지만 그리드 안정성을 적절하게 보상하고 유지하기에 충분히 빠를 수는 없다. 또한, 이것은 발전 소스가 제한된 조건에서 작동할 때만 발생할 수 있다.

그리드 아키텍처

우리의 전기 그리드는 전력 소스로부터 장거리의 전송 네트워크를 통해 분배망의 부하 센터로 안정적인 전기 공급을 전달하도록 특별히 설계되었다. 우리의 그리드의 전체 온톨로지는 신재생 에너지 발전의 지역적이며 분산된 특성으로 인해 변화하고 있다. 우리의 현재의 그리드 하드웨어는 네트워크를 통해 양방향으로 그리고 수직과 수평 모두로 이러한 새로운 전력 소스를 적절히 분해할 수 없으며, 네트워크의 용량의 감소를 포함하는 무수한 전력 공학 과제를 야기한다.

이러한 문제를 해결하기 위한 현재의 방법은 주로 원하지 않는 영향을 완화하기 위한 추가적인 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 포함한다. 이러한 기술은 일반적으로 근본 원인을 해결하지 않고 네트워크 취약성과 비용을 증가시키는 것으로 받아들여진다.

제어

풍력 및 태양광과 같은 신재생 에너지는 전통적인 화석 연료, 원자력 또는 수력과 같이 배치할 수 없다. 우리는 에너지 입력(즉, 바람 또는 태양)을 제어할 수 없기 때문에 시스템의 균형을 유지하거나 안정적인 출력 상태를 유지하는데 필요한 만큼 램프를 올리거나 내릴 수 없다. 우리는 단지 저장 솔루션을 통해 또는 발전을 축소시킴으로써 필요한 전력 수준을 유지하도록 출력을 능동적으로 관리할 수 있을 뿐이다. 그러나, 축소는 순전히 낭비이다.

변동성

풍력 및 태양광과 같은 신재생 에너지의 전력 생산량의 변화율은 종래의 발전 기술보다 훨씬 더 빠르다. 이것은 2가지 주요한 형태로 발생한다:

- 간헐성: 신재생 에너지원은 직접적으로 제어할 수 없는 태양광 및 바람과 같은 입력 조건으로 인해 오랫동안 사용할 수 없다.

- 변동성: 항상 신재생 에너지 발전량의 일정한 변동이 발생한다. 이 2가지 주요 구성요소는 출력 발전의 빠른 변화율 및 출력 신호 고유의 잡음이다.

평균의 법칙은 방대한 수의 태양광 및 풍력 발전 소스의 변동성의 순간 효과를 부분적으로 완화하는데 도움이 된다. 그러나 단기간(밀리초 내지 초)의 전압 및 주파수를 유지하는 것이 중요한 해결되지 않은 과제로 남아 있다. 현재 사용 가능한 반응형 배치가능 발전 기술은 휘발성 신재생 발전에 의해 도입된 변화율보다 여전히 훨씬 더 반응이 느리다. 이 문제에 대한 현재 해결책은 없다.

효율성

전기 그리드는 소비 조건으로 인해 좁은 작동 범위로 특정 작동 지점에서 작동하도록 설계된다. 전압 또는 주파수가 최적의 지점에서 벗어나면 그리드와 그 장치의 효율이 감소하여 에너지 손실이 더 커진다. 향상된 그리드에서의 에너지 손실은 비-고정 비효율 손실로 인해 이런 손실의 최대 절반으로, 5% 내지 10%이다. 전압 또는 주파수가 설정된 작동 범위를 벗어나면 시스템 보호 조치가 자동으로 수행되어 하드웨어 보호 및 안전을 위해 절전과 차단 모두가 이루어진다.

기존의 전기 네트워크에 대한 새로운 접근법

우리의 현재 전기 전송 및 분배 네트워크가 풍력과 태양광에서의 청정에너지의 일정한 임계치의 보급 이상으로 사용 가능한 전력 공급을 제공할 수 없다는 점에는 이의가 없다. 이 임계점은 물리적 구조, 발전 및 부하 프로파일뿐 아니라 많은 다른 요인들에 기초하여 각 네트워크마다 다르다.

우리의 전기 네트워크가 사용하는 설계 아키텍처 및 기술은 지난 120년간 비용과 효율성 면에서 크게 향상되었다. 그러나 여전히 19세기에 확립된 것과 동일한 기본 기술과 설계 아키텍처가 사용된다. 전체 전력 시스템의 기본 토대 중 하나인 변압기는 그 동작에 부과되는 변동성을 효과적으로 처리할 수 없는 수동 장치이다. 예를 들어, 변압기는 설계된 동작점에서 매우 효율적이지만, 그 효율은 그 지점으로부터 멀어지면 급격히 떨어진다. 훨씬 더 넓은 범위의 작동 조건을 효율적으로 수용할 수 있는 장치가 필요하다. 운영을 능동적으로 제어하고 시스템을 통한 전력 흐름에 영향을 미칠 수 있는 추가 기능을 통해 더 많은 안정성과 보안이 제공될 수 있다.

우리의 네트워크를 업그레이드하기 위해 제안된 현재의 모든 옵션은 기존의 운영 방법, 기술 및 시스템에 의존한다. 에너지 저장의 경우, 이를 경제적으로 실현 가능하게 하는 기술은 아직 개발되지 않았다. 이러한 모든 옵션은 네트워크에 상당한 비용, 복잡성 및 취약성을 추가하고 그 효율성을 감소시킨다.

선행 기술의 하나 이상의 난제를 완화시키거나 적어도 유용한 대안을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면: 적어도 하나의 1차 권선, 적어도 하나의 2차 권선, 및 1차 권선과 2차 권선 사이의 전자기 결합을 제어하는 하나 이상의 제어 권선을 포함하는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기; 시변 제1 입력 기본 주파수 및 시변 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트; 및 제1 입력 신호의 시변 제1 입력 전압과 시변 제1 입력 기본 주파수를 나타내는 신호를 수신하고, 대응하는 가상 에어 갭 제어 신호를 동적으로 생성하여 2차 권선에서 목표 출력 주파수의 목표 출력 전압이 생성되고 유지되도록 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 제어 권선의 전류를 결정하도록 구성된 제어 컴포넌트를 포함하는 전력 공급 시스템이 제공되며, 전력 공급 시스템은 시변 제1 입력 기본 주파수와 시변 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고 목표 출력 주파수와 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 대응하는 출력 전기에너지를 생성한다.

일부 실시예로, 상기 시스템은 시변 제2 입력 기본 주파수 및 시변 제2 입력 전압을 갖는 제2 입력 신호의 형태로 제2 입력 전기에너지를 수신하고 제2 목표 주파수 및 제2 목표 출력 전압의 해당 제2 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하도록 양방향용으로 구성되며, 제2 입력 신호 또는 제2 입력 신호로부터 도출된 해당 신호는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 2차 권선에 적용되어 가상 에어 갭 변압기의 1차 권선에서 제2 목표 출력 전압을 갖는 해당 신호를 생성한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 에너지를 저장하도록 구성된 하나 이상의 해당 루프로 직렬로 연결된 2 이상의 가상 에어 갭 변압기를 포함한다.

일부 실시예로, 전력 공급 시스템은 에너지를 저장 및 방출하도록 구성된 하나 이상의 인덕터 및/또는 하나 이상의 캐패시터를 포함한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 적어도 하나의 단상 가상 에어 갭 변압기를 포함한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 적어도 하나의 3상 가상 에어 갭 변압기를 포함한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 적어도 하나의 쉘-타입 가상 에어 갭 변압기를 포함한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 자기 회로에서 가상 에어 갭이 형성되는 자기 코어의 한 영역이 제1 재료로 구성되고 자기 코어의 다른 영역이 제2 재료로 구성되도록 각각 서로 다른 자기 특성을 갖는 서로 다른 재료로 구성되는 자기 코어를 갖는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기를 포함하며, 제1 재료의 적어도 하나의 자기 특성은 제2 재료의 적어도 하나의 자기 특성의 값과 다른 값을 가진다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 가상 에어 갭 변압기의 각각의 폴 피스의 마주하는 면들 사이에 배치되는 하나 이상의 제어 권선을 갖는 가상 에어 갭 변압기를 포함한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 그 내부에 형성되는 서로 이격된 개구를 갖는 자기 코어를 가진 가상 에어 갭 변압기를 포함하고, 하나 이상의 제어 권선은 개구를 통해 개구 사이에 배치되는 자기 코어의 부분들 주위에 감겨 있다.

일부 실시예로, 자기 코어는 적층형 라미네이션으로 형성되고, 개구는 적층형 라미네이션 내 갭으로 형성된다.

일부 실시예로, 전력 공급 시스템은 자속을 나타내는 자속 신호를 생성하도록 구성된 자속 센서를 포함하며, 제어 컴포넌트는 자속 신호에 기초하여 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하도록 구성된다.

일부 실시예로, 제어 컴포넌트는 제1 입력 신호에 존재하는 고조파를 제거하도록 하는데 충분히 높은 주파수로 동작하도록 구성된다.

일부 실시예로, 가상 에어 갭 제어 신호는 제어 권선의 전류를 결정하도록 펄스폭 변조(PWM) 디지털 신호로서 생성된다.

일부 실시예로, 제어 컴포넌트는 제1 입력 신호에 존재하는 고조파를 제거하도록 하는데 충분히 높은 주파수로 PWM 디지털 신호를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예로, PWM 주파수는 적어도 10kHz이다.

일부 실시예로, 제어 컴포넌트는 DC 신호로서 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하도록 구성된다.

일부 실시예로, 제어 컴포넌트는 제1 출력 신호에서 고조파를 감소시키도록 고조파로 변조된 DC 신호로서 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하도록 구성된다.

일부 실시예로, 제어 컴포넌트는 AC 신호로서 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하도록 구성된다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 적어도 하나의 2차 권선을 통하는 마주하는 자속 경로를 선택가능하게 형성하도록 배열되는 다수의 가상 에어 갭을 포함한다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 적어도 하나의 2차 권선을 통해 흐르는 자속의 양의 제어를 가능하게 하기 위해 다수의 자속 경로를 형성하도록 배열되는 다수의 가상 에어 갭을 포함한다.
일부 실시예로, 전력 공급 시스템은: 시변 제1 기본 주파수를 갖는 신호를 수신하고 시변 제1 기본 주파수와 가변 기준 주파수의 합 및 차에 대응하는 주파수 성분을 갖는 해당 헤테로다인 신호를 생성하도록 구성된 헤테로다인 컴포넌트(heterodyning component); 및 헤테로다인 신호를 필터링하여 합 및 차에 대응하는 주파수 성분 중 하나를 제거하고 해당 필터링된 신호를 제공하도록 구성된 가변 주파수 필터링 컴포넌트를 더 포함하며, 제어 컴포넌트는 제1 입력 신호의 시변 제1 입력 전압과 시변 제1 입력 기본 주파수를 표현하는 신호를 수신하고, 해당 주파수 제어 신호를 생성하여 대응하는 필터링된 신호가 목표 출력 주파수를 가지도록 헤테로다인 컴포넌트의 가변 기준 주파수를 결정하도록 구성된다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전력 공급 시스템의 제어 컴포넌트에서, 적어도 제1 입력 신호의 시변 제1 기본 주파수 및 제1 입력 신호의 시변 제1 전압을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하는 단계와; 전력 공급 시스템의 가상 에어 갭 변압기가 목표 출력 전압 및 목표 출력 주파수를 갖는 해당 신호를 생성하게 하기 위해 해당 제어 신호를 동적으로 생성하도록 수신된 신호를 처리하는 단계를 포함하는 전력 공급 방법이 제공되며, 이로써, 전력 공급 시스템은 시변 제1 입력 기본 주파수 및 시변 제1 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고, 적어도 하나의 신호는 가상 에어 갭 변압기가 목표 출력 주파수 및 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하게 하도록 처리된다.
일부 실시예로, 수신된 신호의 처리는: 주파수 성분 중 하나가 목표 출력 주파수에 있도록, 전력 공급 시스템의 헤테로다인 컴포넌트의 대응하는 가변 기준 주파수를 동적으로 결정하여 시변 제1 기본 주파수와 가변 기준 주파수의 합 및 차에 대응하는 주파수 성분을 가지는 대응하는 헤테로다인 신호를 생성하는 단계; 및 목표 출력 주파수에 있지 않은 주파수 성분 중 다른 하나를 제거하도록 전력 공급 시스템의 가변 필터링 컴포넌트를 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 적어도 하나의 1차 권선, 적어도 하나의 2차 권선, 및 1차 권선과 2차 권선 사이의 전자기 결합을 제어하는 하나 이상의 제어 권선을 포함하는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기; 제1 기본 주파수를 갖는 신호를 수신하고 제1 기본 주파수와 기준 주파수의 합 및 차에 대응하는 주파수 성분을 갖는 해당 헤테로다인 신호를 생성하도록 구성된 헤테로다인 컴포넌트(heterodyning component); 헤테로다인 신호를 필터링하여 합 및 차에 대응하는 주파수 성분 중 하나를 제거하고 해당 필터링된 신호를 제공하도록 구성된 필터링 컴포넌트; 제1 입력 기본 주파수 및 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트; 및 (i) 제1 입력 신호의 적어도 제1 입력 기본 주파수를 표현하는 신호를 수신하고 해당 주파수 제어 신호를 생성하여 필터링된 신호가 목표 출력 주파수를 가지도록 헤테로다인 컴포넌트의 기준 주파수를 결정하며; (ii) 제1 입력 전압을 나타내는 신호를 수신하고, 목표 출력 전압이 2차 권선에서 생성되도록 해당 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하여 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 제어 권선의 전류를 결정하도록 구성된 제어 컴포넌트를 포함하는 전력 공급 시스템이 제공되며, 상기 전력 공급 시스템은 제1 입력 기본 주파수 및 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고, 목표 주파수 및 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성한다.

일부 실시예로, 상기 시스템은 제2 입력 기본 주파수와 제2 입력 전압을 갖는 제2 입력 신호의 형태로 제2 입력 전기에너지를 수신하고 제2 목표 주파수와 제2 목표 출력 전압의 해당 제2 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하도록 양방향 사용용으로 구성되며, 제2 입력 신호 또는 제2 입력 신호로부터 도출되는 해당 신호는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 2차 권선에 적용되어 가상 에어 갭 변압기의 1차 권선에서 제2 목표 출력 전압을 갖는 해당 신호를 생성한다.

일부 실시예로, 제2 입력 신호 또는 제2 입력 신호로부터 도출되는 해당 신호는 헤테로다인 컴포넌트에 의해 수신되어 제2 기본 주파수와 기준 주파수의 합 및 차에 대응하는 제2 주파수 성분을 갖는 해당 제2 헤테로다인 신호를 생성하며, 필터링 컴포넌트는 제2 헤테로다인 신호를 필터링하여 합 및 차에 대응하는 주파수 성분 중 하나를 제거하고 해당 제2 필터링된 신호를 제공하도록 구성된다.

일부 실시예로, 헤테로다인 컴포넌트는 제1 헤테로다인 컴포넌트이고, 필터링 컴포넌트는 제1 필터링 컴포넌트이며, 상기 시스템은 제2 헤테로다인 컴포넌트 및 제2 필터링 컴포넌트를 포함하고, 제1 헤테로다인 컴포넌트와 제1 필터링 컴포넌트는 제1 경로를 따라 시스템을 통해 이동하는 신호를 처리하도록 구성되며, 제2 헤테로다인 컴포넌트와 제2 필터링 컴포넌트는 제1 경로의 방향과 일반적으로 반대인 제2 경로를 따라 시스템을 통해 이동하는 신호를 처리하도록 구성된다.

일부 실시예로, 헤테로다인 컴포넌트는 제1 헤테로다인 컴포넌트이고, 필터링 컴포넌트는 제1 필터링 컴포넌트이며, 상기 시스템은 제2 헤테로다인 컴포넌트 및 제2 필터링 컴포넌트를 포함하고, 헤테로다인 컴포넌트들과 필터링 컴포넌트들은 시스템에 의해 수신된 제1 신호가 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기로의 입력으로 제공되기 전에 제1 헤테로다인 컴포넌트와 제1 필터링 컴포넌트에 의해 더 높은 주파수로 상향-변환되고 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 해당 출력이 제2 헤테로다인 컴포넌트와 제2 필터링 컴포넌트에 의해 목표 주파수로 하향-변환되어 더 높은 주파수의 사용이 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 효율을 개선시킨다.

일부 실시예로, 각각의 제어 권선은 사형 평면 루프(serpentine planar loop)의 형태이다.

일부 실시예로, 각각의 제어 권선은 나선형 순환 평면 루프(spiralling circular planar loop)의 형태이다.

일부 실시예로, 제어 권선은 하나 이상의 사형 평면 루프 및 하나 이상의 나선형 순환 평면 루프를 포함한다.

일부 실시예로, 제어 권선은 코어 섹션 주위에 감겨 있다.

일부 실시예로, 자기 코어는 제조 후 드릴링으로 형성되는 개구를 갖는 고형체의 형태이다.

일부 실시예로, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기는 적어도 하나의 2차 권선을 통해 흐르는 자속의 양의 제어를 가능하게 하기 위해 다수의 자속 경로를 형성하도록 배열되는 다수의 가상 에어 갭을 포함한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전력 공급 시스템의 제어 컴포넌트에서, 적어도 제1 입력 신호의 시변 제1 기본 주파수 및 제1 입력 신호의 시변 제1 전압을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하는 단계와; (i) 전력 공급 시스템의 헤테로다인 컴포넌트가 제1 기본 주파수 및 기준 주파수의 합과 차에 대응하는 주파수 컴포넌트를 갖는 해당 헤테로다인 신호를 생성하게 하는 해당 주파수 제어 신호; 및 (ii) 전력 공급 시스템의 가상 에어 갭 변압기가 목표 출력 전압을 갖는 해당 신호를 생성하게 하는 해당 전압 제어 신호를 생성하도록 수신된 신호를 처리하는 단계를 포함하는 전력 공급 방법이 제공되며, 이로써, 제1 입력 기본 주파수 및 제1 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 수신된 입력 전기에너지가 목표 주파수 및 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하도록 처리된다.

일부 실시예로, 헤테로다인 컴포넌트는 제1 헤테로다인 컴포넌트이고, 필터링 컴포넌트는 제1 필터링 컴포넌트이며, 상기 시스템은 제2 헤테로다인 컴포넌트 및 제2 필터링 컴포넌트를 포함하고, 상기 방법은 시스템에 의해 수신된 제1 신호가 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기로의 입력으로 제공되기 전에 제1 헤테로다인 컴포넌트와 제1 필터링 컴포넌트에 의해 더 높은 주파수로 상향-변환되고, 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 해당 출력이 제2 헤테로다인 컴포넌트와 제2 필터링 컴포넌트에 의해 목표 주파수로 하향-변환되어 더 높은 주파수의 사용이 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 효율을 개선시키도록, 헤테로다인 컴포넌트들과 필터링 컴포넌트들을 제어하는 단계를 포함한다.

또한, 적어도 하나의 1차 권선, 적어도 하나의 2차 권선, 및 1차 권선과 2차 권선 사이의 전자기 결합을 제어하는 하나 이상의 제어 권선을 포함하는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기; 제1 기본 주파수를 갖는 신호를 수신하고 제1 기본 주파수와 기준 주파수의 합 및 차에 대응하는 주파수 성분을 갖는 해당 헤테로다인 신호를 생성하도록 구성된 헤테로다인 컴포넌트; 헤테로다인 신호를 필터링하여 합 및 차에 대응하는 주파수 성분 중 하나를 제거하고 해당 필터링된 신호를 제공하도록 구성된 필터링 컴포넌트; 제1 입력 기본 주파수 및 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트; 및 (i) 제1 입력 신호의 적어도 제1 기본 주파수를 표현하는 신호를 수신하고 해당 주파수 제어 신호를 생성하여 필터링된 신호가 목표 출력 주파수를 가지도록 헤테로다인 컴포넌트의 기준 주파수를 결정하며; (ii) 제1 입력 전압을 나타내는 신호를 수신하고, 목표 출력 전압이 2차 권선에서 생성되도록 해당 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하여 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기의 제어 권선의 전류를 결정하도록 구성된 제어 컴포넌트를 포함하는 전력 공급 시스템이 본 명세서에 기술되는데, 상기 전력 공급 시스템은 제1 입력 기본 주파수 및 제1 입력 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고, 목표 주파수 및 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성한다.

또한, 전력 공급 시스템의 제어 컴포넌트에서, 적어도 제1 입력 신호의 제1 기본 주파수 및 제1 입력 신호의 제1 전압을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하는 단계와; (i) 헤테로다인 컴포넌트가 제1 기본 주파수 및 기준 주파수의 합과 차에 대응하는 주파수 컴포넌트를 갖는 해당 헤테로다인 신호를 생성하게 하는 해당 주파수 제어 신호; 및 (ii) 가상 에어 갭 변압기가 목표 출력 전압을 갖는 해당 신호를 생성하게 하는 해당 전압 제어 신호를 생성하도록 수신된 신호를 처리하는 단계를 포함하는 전력 공급 방법이 본 명세서에 기술되는데, 이로써, 제1 입력 기본 주파수 및 제1 전압을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 수신된 입력 전기에너지가 목표 주파수 및 목표 출력 전압의 해당 제1 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하도록 처리된다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

이제 본 발명의 일부 실시예가 단지 예로서 첨부도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기에너지 공급 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 전기에너지 공급 시스템의 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도로서, 이 예에서는 에어 갭 내에서 주로 자기장 에너지로 저장된 에너지로 자속 경로에 가상 에어 갭을 구비한 단상 코어형 변압기로 구성된다.
도 3은 전기에너지 공급 시스템의 구현의 VAGT, 헤테로다인 컴포넌트 및 필터링 컴포넌트를 통한 전기에너지의 양방향 흐름을 도시하는 블록도이다.
도 4는 2개의 헤테로다인 컴포넌트 및 2개의 필터링 컴포넌트를 갖는 전기에너지 공급 시스템의 구현을 통한 전기에너지의 양방향 흐름을 도시하는 블록도이다.
도 5는 에너지를 저장하는데 사용될 수 있는 내부 권선을 통해 직렬로 상호연결된 도 1의 단상 VAGT들 중 2개에 의해 형성되는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.
도 6은 에어 갭 내에 주로 자기장 에너지의 형태로 에너지를 저장할 수 있고 자속 경로에 가상 에어 갭을 갖는 단상 코어를 구비한 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 제2 형태의 개략도이다.
도 7은 직렬로 연결된 도 6의 단상 VAGT들 중 2개에 의해 형성되는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.
도 8은 자속 경로에 가상 에어 갭을 갖는 단상 쉘 타입 변압기에 의해 형성되는 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 제3 형태의 개략도이다.
도 9는 직렬로 연결된 도 8의 단상 VAGT들 중 2개에 의해 형성되는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.
도 10은 자속 경로에 가상 에어 갭을 갖는 3상 쉘 타입 변압기에 의해 형성되는 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 제4 형태의 개략도이다.
도 11은 직렬로 연결된 도 10의 3상 VAGT들 중 2개에 의해 형성되는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.
도 12는 자속 경로에 가상 에어 갭을 갖는 3상 쉘 타입 변압기에 의해 형성되는 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 제5 형태의 개략도이다.
도 13은 직렬로 연결된 도 12의 3상 VAGT들 중 2개에 의해 형성되는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.
도 14는 헤테로다인을 지원하도록 구현된 에너지 공급 시스템의 컴포넌트들 사이의 신호들의 흐름을 도시한 간략화된 블록도이다.
도 15는 장치의 코어 주위의 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭 변압기의 하나의 구현의 개략도이다.
도 16은 장치 내 개별적인 다수의 가상 에어 갭을 형성하도록 장치의 코어 주위의 다수의 제어 권선을 갖는 가상 에어 갭 변압기의 대안의 구현의 개략도이다.
도 17은 도 18에 도시된 가상 에어 갭 변압기의 한 구현을 형성하도록 2개의 컴포넌트를 그 사이에 제어 권선과 함께 결합하기 전에 변압기 코어의 2개의 컴포넌트를 도시한 개략도이다.
도 18은 도 17에 도시된 컴포넌트들 및 그 사이의 제어 권선으로 형성된 가상 에어 갭 변압기의 개략도이다.
도 19는 도 17 및 도 18의 극 컴포넌트 사이에서 사용되는 제어 권선의 많은 가능한 구성 중 3개를 도시한다.
도 20은 코어에 형성된 홀을 통해 와이어를 꿰어서 변압기의 자기 코어 내에 내장되는 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭 변압기의 한 구현의 개략도이다.
도 21은 임의의 방향(x, y 또는 z축)으로 원주형 개구 사이에서 감기는 코어 내에 내장된 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭의 한 구현의 개략도이다.
도 22는 코어에 형성된 원형 개구를 통해 공급하여 코어 내에 내장된 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭의 한 구현의 개략도이다.
도 23은 종래의 변압기와 비교하여 본 명세서에서 기술된 전기에너지 공급 시스템의 변환 효율의 그래프이다(전기에너지 공급 시스템은 전력을 사용하여 장치를 제어하기 때문에 낮은 피크 효율을 가지지만, 장치는 더 나은 유연성을 제공하는 훨씬 더 넓은 효율의 대역을 가진다).
도 24는 제어 권선의 펄스폭 변조를 제공하는 정류기, DC 링크 및 2개의 브릿지 회로를 구비한 회로도이다.
도 25는 가상 에어 갭 변압기의 제어를 제공하는 제어 루프 및 기능 블록의 개략도이다.
도 26은 가상 에어 갭 제어용 위상고정루프의 한 구현의 개략도이다.
도 27은 가상 에어 갭의 1차 및 2차 권선들, 코어 릴럭턴스, 및 제어형 릴럭턴스를 도시한 자기 회로의 개략도이다.
도 28은 코어 자속을 측정하는 자속 감지 권선을 갖는 단상 코어형 가상 에어 갭 변압기의 개략도이다.
도 29는 제어 전류를 최소화하여 형태의 변화 및 제어 권선의 전류와 1차 권선의 전류 사이의 관계의 도식이다.
도 30은 장치를 통한 변조 전후의 파형의 도식이며 곡선의 한 섹션에서 다른 섹션으로 단기 전력 이동을 보여주도록 단일 축에서 변조 전후를 비교한다.
도 31은 1차 및 2차 권선을 수용하는 2개의 섹션과 3개의 서브섹션을 갖는 다른 2개의 섹션의 4개의 섹션으로 구성되고 서로 다른 재료가 중간 서브섹션을 구성하는 단상 코어형 변압기의 개략도이다.
도 32는 3개의 개별 제어 권선 루프를 구비하고 수직으로 6개의 홀로 구성되는 가상 에어 갭의 개략도이다.
도 33은 몇몇 합판에 틈이 있는 변압기의 표준 합판 적층 방법의 개략도이며, 스페이서를 사용하여 드릴링 없이 코어 내 제어 권선에 홀을 형성할 수 있다.
도 34는 제어 권선에 적용되는 전류로 인한 자기 코어 내 변경된 자속 경로의 개략도이다.
도 35는 자기 코어를 통한 자속을 재지향시키고 2차 권선을 통해 자속 방향을 변경하는 다수의 가상 에어-갭에 의해 제어되는 다수의 자속 경로를 갖는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.
도 36은 자속이 상이한 경로들 간에 제어가능하게 분배되도록 하여 2차 권선을 흐르는 자속량을 변경하는 다수의 가상 에어-갭에 의해 제어되는 다수의 자속 경로를 갖는 복합형 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이다.

본 발명의 실시예들은 일부 주파수 및 전압을 갖는 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고, 그 입력 전기에너지를 변환하여 대응하는 소정의 주파수 또는 "목표" 주파수 및 소정의 출력 전압 또는 "목표" 출력 전압을 갖는 출력 신호의 형태로 전기에너지를 출력하는 것에 관여하는 전력 공급 시스템 및 방법을 포함한다. 입력 전기에너지는 통상적으로 시간에 따라 변할 것이고(즉, 그 주파수 및/또는 전압은 시간-의존적이다), 따라서 시스템 및 방법은 출력 전기에너지가 원하는 목표 주파수 및 목표 전압을 갖도록 변환을 동적으로 제어하도록 동작하며 또한 그들 자체도 시간에 따라 변할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 주파수와 전압 변환을 제공하면서 동시에 역률 보정을 제공하고 전자회로 스위칭 대신 고속 전자기 경로 스위칭을 이용하여 (2개의 시스템을 전기절연할 뿐 아니라) 개선된 효율 및 조정을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예가 본 명세서에서 주전원 분배와 관련하여 주로 설명되었지만, 다른 실시예들이 예를 들어 전기차용 가변주파수 드라이브(VFD), 항공용 전기시스템 및 기타 응용들과 같이 본질적으로 출력 전압 및/또는 주파수의 제어를 필요로 하는 임의의 전기 시스템 응용에 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서에 설명된 전력 공급 시스템 및 방법의 많은 다른 응용들이 본 명세서의 관점에서 당업자에게 명백할 것이다.

본 명세서에서, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 용어 "신호"는 참조의 편의를 위해 사용되며, 전압 및 적어도 하나의 기본 주파수(DC 전압의 경우 0일 수 있음)로 특징지어지는 전기에너지의 형태를 일컫는 것으로 넓게 해석될 수 있고, 본 발명의 일부 실시예가 신호 내에 인코딩된 정보의 전달을 포함할지라도 임의의 형태의 정보가 신호에 의해 표현되거나 신호에 의해 전달될 것을 반드시 요구할 필요는 없다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전력 공급 시스템(100)은 주파수 제어 컴포넌트(102), 전압 제어 컴포넌트(104) 및 제어기(106)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 주파수 제어 컴포넌트(102)는 소정의 특성 입력 주파수의 입력 신호를 수신하고, 입력 주파수에 관계없이 선택되거나 원하는 출력 주파수를 갖는 해당 출력 신호를 제공한다. 마찬가지로, 전압 제어 컴포넌트(104)는 소정의 특성 입력 전압의 입력 신호를 수신하고, 입력 전압에 관계없이 선택되거나 원하는 출력 전압을 갖는 해당 출력 신호를 제공한다. 조합으로, 주파수 제어 컴포넌트(102) 및 전압 제어 컴포넌트(104)는 시스템(100)이 소정의 (통상 가변하는) 특성 주파수(f_in) 및 전압(V_in)을 갖는 입력 신호를 수신하고 선택된 주파수(f_out) 및 선택된 전압(V_out)을 갖는 해당 출력 신호를 생성하도록 협력하여 작동한다. 예컨대, 전력 공급 시스템(100)이 주 전력 분배 시스템의 일부로서 사용되는 경우, 시스템(100)은 출력 주파수(f_out)가 상수로서 50Hz 또는 60Hz의 적절한 주 전기 주파수와 동일하도록 구성될 수 있으며, 출력 전압은 시스템(100)상의 전기 부하와 부합하도록 동적으로 조정된다. 공칭 주 전원 주파수와의 편차는 전기 그리드 내의 주요 손실원이다.

제어기(106)는 입력 주파수 및 전압을 모니터링하기 위해 스텝 다운 장치(step down devices)(예컨대, 설명된 실시예에서는 벅-컨버터)를 사용하고, 주파수 제어 컴포넌트(102) 및 전압 제어 컴포넌트(104)의 동작을 제어하는데 각각 사용되는 해당 주파수 및 전압 제어 신호들을 생성한다.

당업자에게 공지된 바와 같이, 변압기는 상호 인덕턴스를 통해 하나의 회로에서 다른 회로로 전기에너지를 전달하는 전자기 장치이며, 일반적으로 1차 권선, 자기 코어 및 2차 권선으로 구성된다. 교류 전압이 1차 권선에 인가되면 교류 전류가 1차 권선을 통해 흐른다. 이런 자화 전류는 교류 자속을 생성한다. 자속은 주로 자기 코어 내에 구속되고, 연결된 2차 권선에서 전압을 유도하며, 전기 부하에 연결되면 교류 전류를 발생시킨다. 이런 2차 부하 전류는 이후 1차 권선과 다시 연결되는 그 자체의 교류 자속을 발생시킨다.

2차 전압은 1차 전압에 2차 권선의 권수와 1차 권선의 권수의 비를 곱함으로써 결정된다. 변압기는 일반적으로 고전압과 저전압 사이에서 변환하는데 사용되지만, 필요에 따라 분배 주파수에서 부피가 크다. 이들은 높은 효율, 단순한 설계 및 양방향 전력 전달을 제공한다. 그러나 이들의 수동적인 특성으로 인해 전달 전력의 통제가 제한되어 비효율적인 역률 제어 및 전압 조정의 도입이 필요하다. 또한, 이들은 주전원 공급 주파수에서 작동하는 물리적 과정이 소정의 정격 전력 등급에 대해 상대적으로 커지게 되어 재료, 제조 및 절연 관리 비용을 증가시킨다.

전압 변환

전압 변환은 도 2에 도시된 바와 같이 본 명세서에서 "가상 에어-갭 변압기"또는 "VAGT"(200)로 지칭되는 변압기 구성의 형태로 전압 제어 컴포넌트(104)를 제공함으로써 달성되며, 여기서 적어도 하나의 제어 권선(202)은 변압기의 1차 권선(204)과 2차 권선(206) 사이의 자속 경로에 배치되어 자성 코어의 국부적 영역(208)을 제어 가능하게 포화시키고 이로써 1차 권선(204)과 2차 권선(206) 사이의 전자기 결합을 제어함으로써 2차 권선(206) 양단에 생성된 전압을 결정한다. 자속 경로의 국부적 영역(208)을 포화하는 효과는 임의의 시간에 포화 영역(208)의 크기(및 그에 따른 동등한('가상') 에어 갭(208))를 갖는 자속 경로의 실제 에어 갭의 효과에 동일하며 그때 제어 권선(202)을 통해 흐르는 전류에 의해 결정된다. 제어 권선(202)을 통과하는 이러한 제어 전류는 각 구현 예의 특정 조건에 의해 결정되는 바와 같이 DC 또는 AC일 수 있으며, 각각의 전류 유형은 서로 다른 특성 및 복잡성을 제공한다. 예를 들어, DC 전류는 제어의 단순화를 위해 사용되는 반면 AC 전류는 더 복잡한 제어에 사용되며 낮은 누전 손실을 제공한다.

다양한 제어 전류 구현에 추가하여, 장치의 일부 구현은 다수의 권선이 구현될 때 제어 권선(202) 또는 제어 권선의 일부에 단락 회로를 적용할 수 있다. 단락 회로 적용 중에, 제어 권선은 그 지점에서 시스템의 상태에 대한 임의의 변화에 저항하는 방식으로 자기 코어 플럭스에 영향을 미친다. 자기 코어와 자기 코어 단면 내의 국부적인 지점에서 이 현상을 이용하여 자속 경로가 변경되고 포화될 수 있다.

제어 권선(202)을 통해 흐르는 전류의 함수로서 1차 권선(204) 양단의 입력 전압을 동적으로 모니터링하고 2차 권선 전압과 1차 권선 전압 간의 관계를 알고 있음으로써, 제어 권선(202)을 통해 흐르는 전류는 동적으로 조정되어 선택되거나 원하는 2차 권선(206) 양단의 전압을 제공할 수 있다.

또한, 장치의 일부 구현에서, 전압은 1차 권선(204) 양단의 전압뿐만 아니라 2차 권선(206) 양단의 전압이 측정된다. 장치의 일부 구현에서, 전압 및 주파수는 1차 권선, 2차 권선 또는 둘 다에서 측정된다.

장치의 일부 구성에서, VAGT의 코어를 통과하는 자속이 측정된다. 자속은 장치를 통해 흐르는 전력과 관련이 있으며 제어 권선을 사용하여 자기 회로의 릴럭 턴스를 변경하여 제어되는 힘이다. 그 구현의 특정 조건에 따라 자속은 홀 효과 센서(예컨대, http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/) 또는 도 28에 도시된 바와 같이 자기 코어 주위의 권선에 의해 측정된다. 이 측정을 달성하기 위해 다수의 임의의 공지된 구성 및 감지 방법이 사용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

AC 자속원에 의해 구성되는 자기 회로에서, 주 자속(

)은 구동 전압에 의해 결정된다(

). 코어 내 자속 밀도는 다음과 같이 계산될 수 있는 릴럭턴스를 가진다:

여기서, l은 자기 경로 길이이며, A_c는 코어 단면적이고, μ₀μ_r은 코어 투자율이다.

코어 내 기자력(mmf)은 자속과 릴럭턴스의 함수이다. 가상 에어 갭의 변화로 인한 코어의 릴럭턴스의 변화는 mmf의 대응하는 변화를 발생시키고, 결국 VAGT(200)의 1차 인덕턴스의 변화를 발생시킨다.

코어는 다음과 같이 자속과 릴럭턴스의 함수인 해당 총 mmf를 가진다:

mmf =

(

+

)

에어 갭이 자기 회로에 삽입되면, 에어 갭 릴럭턴스(

)의 추가로 인해 릴럭턴스가 증가하며, 그에 따라 mmf가 증가한다. 이에 대한 간단한 회로도가 도 27에 나와 있다. mmf 및 전류가 일정하기 때문에 표준 DC 구동 전압의 경우 달라지며, 자속은 릴럭턴스의 변화에 따라 변한다. 고조파로 변조된 DC 구동 전압은 특정 작동 조건에서 고조파 출력을 감소시킬 수 있다(http://ieeexplore.ieee.org/document/4595983/ 참조). AC 구동 전압을 변조하면 에너지 사용량이 감소하고, 정확하게 제어되면 장치 및 출력 전력의 에너지 사용이 향상된다. 도 29는 1차 권선(204)의 전류가 사이클을 통해 변화함에 따라 제어 권선(202)에서 요구되는 전류의 양이 변화함으로써 출력 목표 신호를 달성하기 위해 필요 제어 전류를 감소시키고(예컨대, 곡선(2902) 내지 곡선(2904)), 장치의 효율을 향상시킨다는 점을 보여준다.

가상 에어 갭(208)은 VAGT를 통한 전력 흐름의 제어를 제공하기 위해 1차 자속 경로 내에 제공된다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 가상 에어 갭(210)이 또한 회귀 자속 경로에 제공될 수도 있다. 물리적 구조(VAGT가 단상 또는 3상인지 여부 포함)에 따라, VAGT는 여러 가상 에어 갭을 가질 수 있으므로 최소한 각 각의 위상의 주 자속 경로를 직접 제어할 수 있다. 국부화된 포화 수준을 변화시키기 위해 다수의 가상 에어 갭이 일부 실시예에서 이용될 수 있다.

최소한으로, 가상 에어 갭은 서로 반대 방향의 자속을 생성하도록 배열된 2개의 DC 또는 AC 권선들에 의해 형성되어 전체 VAGT와 관련하여 서로 상쇄되지만 각 해당 국부적인 포화 영역에서 코어를 포화시킨다. VAGT의 특정 구성(권선 및 코어 재료와 구성, 적층, 치수, 코어 크기 및 형상, 위상과 면 구성의 수 등을 포함) 은 당업자에게 공지된 표준 변압기 설계 방법을 사용하여 결정될 수 있으며, 가상 에어 갭의 수와 위치 및 제어 권선(들)의 구성은 특정 적용에 대한 전기적 조건에 의해 결정된다.

가상 에어 갭을 포함하는 변압기의 자기 코어는 강자성 물질을 포함하지만 이에 한정되지 않는 제어 권선을 통해 흐르는 전류에 의해 자기 릴럭턴스가 제어될 수 있는 임의의 물질로 제조될 수 있다. 코어 자체는 단일 구조로 형성될 수 있거나, 자기 코어의 상이한 영역에 대해 동일하거나 상이한 재료로 제조될 수 있는 다수의 구성 부품으로 구성될 수 있다. 이를 통해 가상 에어 갭이 형성되는 코어의 국부적인 강자성 특성이 서로 다른 자화 곡선(또한, 자성 히스테리시스 곡선 또는 더 일반적으로 B-H 곡선이라 함, 이때 B = 자속 밀도, H = 자계 강도, μ= 투자율, 및 B = μH)으로 자기 코어의 다른 영역들과 달라질 수 있다.

VAGT를 통한 전력 흐름은 가상 에어 갭(들)(208, 210)을 제어함으로써 조절된다. 입력 전력 및 출력 전력이 끊임없이 변화할 수 있기 때문에, 가상 에어 갭(들)(208, 210)은 제어 권선(들)(202) 내의 DC 또는 AC 제어 전류를 변경하여 선택된 레벨의 릴럭턴스를 제공함으로써 그에 상응하여 조정된다. 제어 전류는 전류 레벨이 직접 변화되는 다이렉트 아날로그 신호일 수 있거나, 균등한 평균 전류를 제공하도록 펄스폭 변조(PWM)를 사용하는 디지털 신호의 형태를 취할 수 있다. PWM은 공급된 전력을 제어하기 위해 부하에 영향을 주는 것보다 훨씬 높은 속도로 스위칭되는 디지털 신호를 사용한다. 적절한 듀티 사이클을 갖는 부하로 전압을 스위칭하는 것은 원하는 전압 레벨을 근사화한다. 동일한 방식으로, 듀티 사이클은 디지털 소스를 사용하여 아날로그 파형의 근사치를 전달하도록 변경될 수 있다. 현대의 반도체는 전력 손실이 매우 적다는 것을 의미하는 마이크로초 단위로 이러한 스위칭을 제공할 수 있지만, 불완전한 파형 생성은 일부 적용에서 상당한 고조파 및 손실을 유발할 수 있다.

제어 권선(202)을 통한 전류의 PWM은 도 24에 도시된 바와 같이 정류기, DC 링크 및 2개의 브릿지로 구성된 제어 회로를 통해 달성된다. 2개 브릿지는 4개의 다이오드와 4개의 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성된다. 4개의 IGBT는 타겟 신호 출력을 전달하도록 제어 권선(202)에서 정확한 전류 레벨을 제공하기 위해 제어기(106)에 의해 스위치 온 및 오프된다. 이것은 다양한 회로 토폴로지들로 달성될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 스텝다운 컨버터(buck converter)를 이용하는 제어 회로 토폴로지는 가상 에어 갭 제어의 원하는 크기와 범위를 달성하기 위해 전력 사용을 크게 감소시킨다.

PWM을 10kHz의 속도로 제어함으로써, 도 30에 도시된 바와 같이, 출력 신호의 파형은 고조파를 원활하게 하기 위해 VAG를 사용하여 변조된다. 제어의 속도는 제어의 임의의 주파수가 사용될 수 있는 상단부에서의 기술 구현의 실용성에 의해 제한된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 더 빠른 제어 속도로 고조파를 보상하고 보정한다.

평균 전력 흐름이 제어 지점으로 사용될 때, 시간 경과에 따른 VAGT를 통한 과전압 및 저전압 모두에 대해 전압에 대략 동일한 편차가 있다. VAGT 내에는 과도 전압 피크가 잘리는 저전압 시간을 보상하기 위해 소량의 내부 전력 저장장치가 이용 가능하다. 이러한 과전압 전력 손실은 과-전압을 수동적으로 통과함으로써 생성되는 비효율성 및 손실보다 훨씬 적다.

내부 전력 저장 요건을 줄이기 위해, VAGT가 제어되는 전력 레벨은 평균 입력 전압보다 낮을 수 있다. 이는 과전압 시간의 양을 평균적으로 증가시키며, 그럼에도 불구하고 분배 네트워크의 다른 손실과 관련하여 여전히 중요하지 않은 상응하는 손실을 증가시킨다. 정확한 제어 출력 레벨은 특정 적용의 조건에 따라 결정된다.

도 36에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 자기 코어는 자기 코어를 통과하는 2개의 경로 사이에서 자속을 분배하여 2차 자속 경로를 가지며, 정상 상태 조건하에서 2차 권선을 통해 흐르는 자속을 변화시킨다. 장치의 전압 변환 비율은 1차 권선의 수와 1차 전류 밍 2차 권선의 수와 2차 전류에 정비례하며, 정상 상태 조건에서 자기 회로 릴럭턴스에 독립적이다. 제1 자속 경로를 제어하는 가상 에어-갭과 조합하여 제2 가상 에어-갭에 의해 제어되는 제2 자속 경로는 2개의 경로 사이의 전체 자속의 상대적 분포를 제공한다. 1차 자속 경로의 2차 권선은 1차 경로를 통해 흐르는 자속에 대해서만 유도된 전류를 가지며, 1차 또는 2차 권선들의 수를 변경하지 않고 변경될 수 있다.

일부 실시예에서, 에너지 복구 회로는 가상 에어 갭에 의해 차단되고 여분의 에너지를 저장하는데 사용되며 그렇지 않으면 손실될 수 있다. 이 에너지는 커패시터, 인덕터 또는 기타 에너지 저장장치 내에 저장될 수 있으며, 이후 장치를 통해 주요 전력 흐름으로 직접 또는 용량성, 유도성 또는 기타 저장 장치로부터 직접 다시 주입될 수 있다.

주파수 변환

본 명세서에 기재된 바와 같은 전력 공급 시스템의 일부 구현에서, 주파수 제어 컴포넌트(102)는 전압 변환과 동일한 방식으로 주파수 변환을 달성한다. 결합된 전기 시스템의 주파수가 발전된 전기의 주파수에 의존하고 부하와 균형을 이룰 때 발전과 부하 사이의 이러한 균형이 변하기 때문에 시스템의 주파수는 다양하다. 전력 공급 시스템(100)의 입력 및 출력 주파수를 측정함으로써, 측정된 차이는 불균형을 나타낸다. 따라서, 제어 권선 전류 및 가상 에어 갭을 변경하면, 회로의 릴럭턴스가 변경되고 후술되는 바대로 전력 흐름으로 에너지가 주입되거나 전력 흐름으로부터 에너지가 취해진다. 즉, 도 1의 주파수 제어 컴포넌트(102) 및 전압 제어(104) 주위의 점선 박스로 표시된 바와 같이, 동일한 VAGT(들)은 전압 제어 컴포넌트(104) 및 주파수 제어 컴포넌트(102)를 구성하고, 제어기(106)로부터 VAGT(들) 로의 (전압을 나타내는) 단일 제어 신호만이 있지만 그 신호는 또한 상술한 바와 같이 주파수를 제어하는데 사용된다.

VAG는 국부적인 영역에서 코어를 포화시켜 자속 경로에 영향을 주는데 사용될 수 있다. 도 35의 코어 구조를 사용하면, 출력 신호의 주파수는 다중 VAG를 사용하여 2차 권선을 통한 자속 경로를 교차시킴으로써 변환될 수 있다. 이를 통해 동일한 장치가 자기장의 모든 스위칭을 갖는 인터버 및 정류기 모두로 기능할 수 있고 자기 회로의 자연적 필터링을 활용할 수 있다.

본 명세서에 기술된 전력 공급 시스템에 대한 다수의 가능한 구성이 본 명세서의 관점에서 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 구성 중 하나에서 코어형 변압기는 표준 코어 커팅 및 스태킹 기술을 사용하여 제조된다(예컨대, http://sites.ieee.org/gms-pes/files/2014/11/Transformer-Manufacturing-Processes.pdf 참조). 도 31에 도시된 바와 같이, 1차 또는 2차 권선이 없는 2개의 코어 섹션은 차례로 강자성 재료: 재료 1, 재료 2 및 재료 1의 3개의 섹션으로 구성된다. 재료 1 및 2는 서로 다른 B-H 곡선을 가진다.

도 31 내지 도 34에 도시된 바와 같이, 6개의 홀이 코어 단면을 통해 수직으로 정렬된 등거리 공간에서 제조 공정 동안 코어의 재료(2) 내에 형성된다. 이러한 특정 예에서, 이러한 구멍은 단일 연속 시트가 아닌 도 33에 도시된 바와 같이 코어 층이 개별 피스로 제조됨으로써 형성된다. 이런 피스는 적층 과정에서 스페이서를 사용하여 정렬되며 적층이 완료되면 제거될 수 있다.

1차 권선과 2차 권선은 적절한 섹션 주위에 감긴다. 제어 권선은 도 32에 도시된 바와 같이 코어 구성 과정에서 생성된 홀들 사이에 감긴다. 세로로 1 내지 6으로 번호가 부여된 홀에서, 필요한 루프 수만큼 권선은 홀 1과 2 사이에 형성된 후 3과 4, 그리고 5와 6 사이에 형성된다.

제어 권선은 도 24 내지 도 26에 도시된 바와 같이 AC 제어 신호의 펄스폭 변조를 이용하는, 제어 회로를 스위칭하는 전자 회로에 의해 전력이 공급된다. 고속 마이크로프로세서(예 http://www.ti.com/product/TMS320F2808에 기술된 100MHz Texas Instruments 장치)는 입력 및 출력으로부터의 센서 입력(1차 권선 직전 및 2차 권선 직후 회로)을 가지고 전압 및 주파수를 측정하고, 홀 효과 플럭스 센서(예 http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/)는 국부화된 플럭스를 측정하기 위해 코어의 6개의 제어 권선 내에 내장된다.

마이크로프로세서는 도 24에 도시된 브리지 회로에서 4개의 IGBT 장치를 펄스폭 변조하는 제어 프로세스를 실행한다. 이는 측정된 전압 및 전류 입력과 출력과 조합하여 출력에서 목표 설정점을 전달하는 모니터링된 각 위치에서 자속의 정확한 레벨을 유지하기 위해 제어 코일을 통과하는 흐름을 변경한다. 자속 제어 피드백 루프는 1MHz에서 작동하고 위상고정루프는 100kHz에서 작동한다.

에너지 복구 회로는 가상 에어 갭의 결과로 전환된 에너지를 포착하고 저장하도록 포함된다. 이런 복구 회로는 단기간의 저장 및 에너지 흐름의 평활화를 가능하게 하는 커패시터를 포함한다.

헤테로다인을 이용한 주파수 변환

상술한 내용에 대한 대안으로서, 본 명세서에 설명된 바와 같은 전력 공급 시스템의 일부 구현에서, 주파수 제어 컴포넌트(102)는 통신 이론으로부터 주파수 헤테로다인 원리를 사용하여 주파수 변환을 달성한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 헤테로다인을 사용하면 필연적으로 에너지 손실이 발생하지만, 일부 응용에서 특히 VAGT의 크기와 무게가 항공, 철도 및 우주와 같은 제한되는 곳에서 유용할 수 있다. 이러한 응용에서, 운동의 이득 효율은 추가의 전기 손실을 능가할 수 있다.

당업자에게 공지된 바와 같이, 주파수 헤테로다인화는 2개의 입력 주파수를 결합 또는 혼합함으로써 새로운 주파수를 생성하는 방법이다. 주파수 f1과 f2에서 2개의 신호가 혼합되어 헤테로다인(heterodynes)이라고 하는 2개의 새로운 신호를 생성하도록 결합되는데, 하나는 2개 주파수의 총합 f1 + f2이고, 다른 하나는 차이 f1 - f2이다. 일반적으로 새로운 주파수 중 하나만 바람직하고, 다른 신호는 걸러진다.

따라서, 이러한 전력 공급 시스템의 구현에서, 주파수 제어 컴포넌트(102)는 가변 주파수 발진기 및 가변 주파수 필터를 포함하며, 그 발진(oscillation) 및 필터 주파수는 제어기(106)에 의해 생성된 주파수 제어 신호에 의해 결정되고, 혼합 신호는 출력 신호가 항상 원하는 출력 주파수에 있음을 보장하기 위해 변경될 수 있게 한다. 또한, 이런 주파수 제어는 시스템(100)이 컨버터(인버터 또는 정류기) 대신에 사용될 수 있도록 한다.

다시 도 1로 돌아가면, VAGT(104)에 대응하는 신호를 제공하기 전에 주파수가 조정되는 이런 도면의 좌측에서 우측으로 흐르는 입력 신호가 도시된다. 이 구성은 VAGT(104)가 알려진 주파수의 신호로 동작하게 하도록 하기 때문에 일반적으로 바람직하지만, 입력 신호가 반대 방향으로 흐를 수도 있으므로, 입력 신호는 그 주파수가 주파수 제어 컴포넌트(102)에 의해 조정되게 하기 전에 VAGT(104)를 통해 흐른다.

게다가, 도 1에 도시된 배열은 양 방향으로 흐르는 신호를 처리하는데 사용할 수 있어서 지역 에너지 발전원(예컨대, 주거용 건물의 태양 전지판)이 에너지 분배 네트워크 또는 그리드로부터 흐르는 에너지와 반대방향으로 에너지 분배 네트워크 또는 그리드로 흐르는 에너지를 주거용 건물로 생성할 수 있는 가령 에너지 분배와 같은 응용에 특히 유용하게 만들 수 있다.

예를 들어, 도 4는 도 1에 기반하여 전기 에너지 공급 시스템(400)을 도시하는 블록도이며, 이로써 주파수 제어 컴포넌트(102)는 헤테로다인 컴포넌트(402) 및 주파수 필터링 컴포넌트(404)를 포함하며, 신호는 적절한 순서로 이런 컴포넌트들(402, 404)을 통해 반대방향으로 흐른다.

도 5는 VAGT(104)의 대향 측면에 배치된 2개의 주파수 제어 컴포넌트를 갖는 또 다른 전기 에너지 공급 시스템(500)의 블록도로서, 시스템(500)을 통해 양방향으로 이동하는 입력 신호가 VAGT(104)로 제공되기 전에 그 주파수가 조정될 수 있게 하며, VAGT(104)의 효율을 향상시키는데 사용될 수 있다. 또한, 이 구성은 또한 VAGT(104)에 인가되기 전에 입력 신호의 주파수가 스텝업(예를 들어, 1kHz까지)되고 해당 VAGT 출력이 스텝다운(예를 들어, 50Hz 또는 60 Hz의 적절한 주 공급 주파수로)되어 원하는 출력 주파수를 제공하게 할 수 있다. 소정의 자속 밀도에서 변압기의 기전력(EMF)이 주파수에 따라 증가할 때, 고주파수에서 작동함으로써 변압기는 코어가 포화에 도달하지 않고 더 많은 전력을 전달할 수 있기 때문에 물리적으로 더 작을 수 있고, 동일한 임피던스를 달성하는데 더 적은 권수가 필요하다.

장치가 더 작으면 주요 비효율인 변압기 권선의 옴 저항으로 인한 구리 손실이 감소한다. 1차 권선에 대한 손실은 I₁ ²R₁이고, 2차 권선에 대한 손실은 I₂ ²R₂이다. 여기서, I₁ 및 I₂는 각각 1차 권선 및 2차 권선의 전류이고, R₁ 및 R₂는 각각 1차 권선 및 2차 권선의 저항이다. 소형 장치는 장치 무게를 줄여주며, 전체 시스템 효율이 운동 에너지 이득에 의해 크게 개선되는 철도, 항공 및 우주와 같은 응용분야에서 중요한 이점이 있다.

그러나, 철 손실(에디 전류 및 히스테리시스 손실)은 주파수에 따라 달라지며 증가한다. (변압기 코어의 자화 반전으로 인한) 히스테리시스 손실은 다음과 같이 계산된다:

여기서,

는 스타인메츠 히스테리시스 상수이고, V는 m³의 코어의 부피이며, f는 주파수이다.

상술한 바와 같이, 본 명세서에 기술된 전기에너지 공급 시스템은 전압, 주파수 및 역률을 양방향으로 제어하여 전력 흐름을 완전히 제어하고 부하의 전력 요건에 부합시키면서 완전 부하의 이미지를 시스템의 공급 측으로 전달할 수 있다. 이는 직접적으로 장치 자체의 효율을 증가시키며, 다른 장치의 전력 및 다른 장치 자체에 대한 전송 및 분배 또한 증가시킨다.

하기에 설명된 바와 같이, 변조 및 채널 페어링 기법을 통해 시스템을 통한 전력 흐름은 상호연결된 전력 시스템과 그리드 간에 미세하게 제어하고 일치시켜 손실과 왜곡을 줄일 수 있다.

에너지 저장

본 명세서에 기술된 전기에너지 공급 시스템은 필요할 때 추가 전력을 주입함으로써 전력 흐름 조절을 최적화할 수 있도록 3가지 방식으로 순시 전력을 저장한다. 전력은 커패시터와 같은 추가 에너지 저장 방법을 사용하여 자기장 에너지(아래 참조)로 각각의 가상 에어 갭 내에 저장되며, 또한 (특정 구현에서 필요한 경우) 내부 루프는 순시 전력을 유지하기 위해 하기에 설명된 대로 각각의 시스템 내에 제공될 수 있다. 그러나, 하나 이상의 커패시터가 포함되는 실시예의 경우를 제외하고, VAGT 장치는 전력 흐름을 조절하는 동작 중이 아닐 때 임의의 기간 동안 전력을 저장할 수 없다.

인덕턴스(L) 및 피크 전류(I)를 갖는 인덕터의 저장된 에너지(W)는 다음의 계산식에 의해 결정될 수 있다:

이 에너지는 페라이트 코어 내에 자기장 에너지로 저장된다. 필요한 저장된 에너지가 높을수록 필요한 코어가 커진다. 인덕터의 크기는 저장된 에너지에 대략 비례한다.

에어 갭이 인덕터에 추가되면, 인덕터의 릴럭턴스가 증가한다. 코어의 투자율은 에어 갭보다 3배 더 높다. 즉, 대다수의 에너지가 에어 갭 내에 저장되어 있으므로, 저장할 수 있는 에너지의 양은 다음과 같이 에어 갭의 크기에 비례한다:

여기서, B는 자속 밀도이고, A는 단면적이며,

는 에어 갭의 폭이고,

는 에어 갭의 투자율이다.

렌츠의 법칙에 따르면 유도 전류의 방향은 항상 유도 전류를 생성하는 회로 또는 자기장의 변화의 상쇄하려는 방향이다. 이와 같이, 저장된 자기 에너지는 2차 권선에서 작은 전력 진동을 평탄하게 하는데 도움이 된다.

일부 실시예에서, 전기에너지 공급 시스템은 직렬의 가상 에어 갭을 갖는 한 쌍의 변압기로 구성되는 복합 가상 에어 갭 변압기(VAGT)를 포함하고, 하나의 2차 권선과 다른 하나의 1차 권선 사이에 와이어 루프는 내부 전류 루프가 있는 단일 합성 VAGT를 생성한다. 루프의 사양은 필요한 순시 에너지 저장량에 의해 결정된다. 가상 에어 갭을 갖는 2개의 변압기는 단일 제어기로 단일 장치로 제어된다. 일부 응용으로, 이 내부 루프는 적어도 하나의 캐패시터를 포함한다.

도 2 및 도 5 내지 도 13은 자기장의 형태로 에너지를 저장할 수 있는 내부 루프를 통해 직렬로 상호연결된 VAGT에 의해 형성된 복합 VAGT를 포함하는 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 다양한 다른 형태의 가상 에어-변압기(VAGT)를 도시하는 개략도이다. 예를 들어, VAGT의 가장 단순한 형태는 도 2에 나와 있으며 자속 경로에 가상 에어 갭이 있는 단상 코어를 가진다. 에너지는 자기장 에너지로 저장되며, 주로 에어 갭 내에 저장된다. 이런 유형의 2개의 VAGT는 2개의 VAGT를 상호연결하는 내부 권선을 통해 에너지를 저장할 수 있는 복합 VAGT를 형성하기 위해 직렬로 상호연결될 수 있다.

도 6은 자속 경로 내 가상 에어 갭을 갖는 단상 코어를 갖는 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 제2 형태의 개략도이며, 에어 갭 내 자기장 에너지의 형태로 주로 저장할 수 있다. 이런 형태의 VAGT는 변압기의 동일한 측의 1차 권선과 2차 권선 모두를 가지고 있으며, 하나는 다른 하나의 바깥쪽에 둘러싸여 있고 두 권선 사이에 전기 차폐가 있다. 도 2의 VAGT와 같이, 제2 형태의 2개 개별적인 VAGT는 도 7에 도시된 바와 같이 복합 가상 에어-갭 변압기(VAGT)를 형성하도록 직렬로 유사하게 상호연결될 수 있다.

가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 제3 형태는 도 8에 나타나 있으며 그 자속 경로에 가상 에어 갭이 있는 단상 쉘 타입 변압기로 형성된다. 다시 한번, 이런 VAGT 중 2개는 직렬로 상호연결하여 도 9에 도시된 바와 같이 복합 VAGT를 형성할 수 있다.

상술한 것과 같은 단상 VAGT에 추가하여, VAGT는 도 10에 도시된 바와 같이 그 자속 경로 내 가상 에어 갭이 있는 3상 쉘 타입 변압기로 형성될 수 있으며 이들 중 한 쌍은 도 11에 도시된 복합 VAGT를 제공하도록 상호연결될 수 있다.

도 12는 그 자속 경로 내 가상 에어 갭을 갖는 3상 쉘 타입 변압기에 의해 형성된 제5 형태의 가상 에어-갭 변압기(VAGT)의 개략도이고, 다시 한번 이런 일반적인 형태의 VAGT 쌍은 직렬로 상호연결되어 도 13에 도시된 바와 같이 복합 VAGT를 제공할 수 있다.

도 15 내지 도 22는 단상 코어형 변압기 코어 상에 도시된 바와 같이 다양한 상이한 형태의 가상 에어 갭 구성을 나타내는 개략도이다. 당업자에게 이러한 구성 및 다른 구성이 다수의 VAG, 3상 장치 및 쉘 타입 코어를 갖도록 확장될 수 있음은 명백할 것이다.

도 15는 장치의 코어 주위의 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭 변압기(VAGT)의 구현을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 16은 물리적으로 형성되거나 제조될 수 있는 임의의 실용적인 가상 에어 갭으로 연장될 수 있는 장치 내에서 다수의 가상 에어 갭을 생성하기 위해 장치의 코어 주위의 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭 변압기의 구현의 개략도이다. 도 18은 도 17과 별도로 도시되는, 자기 코어의 2개의 컴포넌트 사이의 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭의 구현의 개략도이다. 권선은 필요에 따라 자체적으로 또는 권선이 감기는 재료로 안정화된 방향 및 루프의 임의의 조합으로 된 와이어로 구성될 수 있다. 도 19는 도 18의 VAGT의 다양한 다른 실시예에서 자기 코어의 2개의 컴포넌트 사이에서 사용되는 제어 권선의 다양한 구성을 도시한다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 이런 제어 권선은 단일 아이템으로 또는 프레임워크나 포머 주변의 임의의 수의 권선에 의해 임의의 각도 및 구성으로 형성될 수 있다.

도 20은 자기 코어 내에 내장된 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭 변압기의 구현의 개략도이다. 이는 임의의 방향(x, y 또는 z축)일 수 있다. 도 21은 코어 내에 내장된 제어 권선을 사용하여 가상 에어 갭의 구현을 개략적으로 도시한 것으로, 코어 내에 형성된 원주형 개구부를 통해 임의의 방향(x, y 또는 z축)으로 감긴 다. 도 22는 코어를 통해 형성된 원형 개구를 통해 피딩하여 코어에 내장된 제어 권선을 사용하는 가상 에어 갭 변압기의 구현의 개략도이다.

제어기

상술한 바와 같이, 제어기(106)는 시스템에 인가되는 해당 입력 신호의 주파수 및 전압을 나타내는 신호를 수신하고, 헤테로다인화가 사용되는 구현에서 해당 출력 신호가 원하는 목표의 출력 주파수 및 출력 전압을 가지도록 컴포넌트 각각의 동작을 제어하기 위해 주파수 제어 컴포넌트(102) 및 전압 제어 컴포넌트(104)에 각각 제공되는 해당 주파수 전압 제어 신호들을 생성한다.

설명된 실시예에서, 제어 권선(들)이 상호작용하고 자기 코어 내의 자속에 영향을 미치는 특정 지점에 위치하는 홀 효과 자속 센서가 이용된다. 이러한 측정은 필요한 제어 신호를 결정하도록 입출력 전압 및 주파수와 함께 사용된다. 그러나, 다른 측정 센서 및 기술이 자속에 기초하여 유도된 전류를 가질 자기 코어 주위의 권선과 같은 자속을 모니터링하는데 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

제어기(106)의 동작 속도는 시스템에 의해 제어되는 전력 흐름의 주파수에 의존한다. 주파수 헤테로다인 이후 (전력 분배용으로 50Hz 또는 60Hz가 아닌) kHz 범위일 수 있음을 고려하면, 시스템 내에서 사용되는 응용 조건에 따라 필요한 경우 고속 제어가 활용될 수 있다. 50Hz 또는 60Hz의 그리드 내에서 MHz 범위의 상대적으로 낮은 클록 주파수를 갖는 마이크로프로세서가 충분하다.

제어기(106)는 입력 신호의 전압 및 주파수를 측정하고, 일부 실시예에서(가장 일반적으로, 직렬로 연결된 2개의 VAGT를 갖는 실시예에서) 역률을 가능한 한 1에 가깝게 유지하기 위해 전압 및 주파수 제어 신호를 통해 가변 에어 갭(들) 및 (적용가능하다면) 주파수 헤테로다인화를 직접 제어하도록 출력 신호의 전압 및 주파수도 측정한다.

출력보다 많은 전력을 공급하는 입력이 그 순간 필요한 경우, 제어기는 VAGT의 저항을 증가시키고 그에 따라 자속을 줄임으로써 VAGT를 통한 전력 흐름을 감소시킨다. VAGT의 저항을 증가시키는 것은 추가 전력이 VAGT의 자기장에 저장된다는 것을 의미한다.

출력보다 적은 전력을 제공하는 입력이 그 순간에 필요한 경우, 제어기는 입출력 신호를 모니터링하여 이를 결정하고 제어 권선(들)에서 제어 전류를 감소시킴으로써 VAGT를 통한 전력 흐름을 증가시키도록 해당 제어 신호를 생성한다. 이는 저항을 감소시키고 VAGT 내의 자속을 증가시키며, VAGT 내 저장된 자기 에너지를 출력으로 방출함으로써, VAGT에 대한 전력 입력보다 큰 실질적인 순시 전력 출력을 전달한다. VAGT가 이미 최소 레벨의 릴럭턴스인 경우(즉, DC 제어 전류가 이미 0이어서 더 감소될 수 없는 경우), 일부 실시예에서 내부 루프(및 캐패시터(들) 또는 가능한 경우 다른 에너지 저장장치) 내에 저장된 에너지는 단기적으로 이러한 전력 부족을 보상하는데 사용될 수 있다.

전력 공급 시스템에 대한 대안적인 제어 방법은 (상술한 바와 같은 선도 제어(leading control)라기보다는) 지연 제어(lagging control)이다. 이 구성에서 시스템은 동기식 방식으로 작동하며, 입출력은 필요에 따라 순시 입출력 전력 레벨에 기초하여 자기장으로부터 에너지를 주입 및 흡입한다. 이는 이후 자기 회로의 릴럭턴스 및 1차 권선과 2차 권선 사이의 에너지 전달 효율의 균형을 변화시킨다. 제어기는 입출력을 모니터링한 후, 이런 불균형의 효과에 반응하여 시스템을 다시 균형 상태로 만든다.

VAGT 권선, 제어 권선 및 내부 루프의 비율 및 커패시터 크기는 전력 상황에서 보상할 수 있는 효율과 용량의 최상의 균형을 제공하도록 모두 선택될 수 있다.

설명된 실시예에서, 제어기(106)는 장치를 통한 전력 흐름으로부터 전력을 공급받는 FPGA(field programmable gate array)로 구현되고, 전력 공급 프로세스는 비-휘발성 메모리에 저장된 구성 데이터로서 구현된다. 그러나, 다른 실시예에서 제어기(106)는 주문형 집적회로(ASIC)로서 또는 비-휘발성 메모리에 저장된 명령을 실행하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서로 구현될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 실시예에서 제어기는 배전반으로부터의 국부적인 제어 전력과 같이 이용가능한 경우 별도의 국부적인 전원에 의해 전력이 공급될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.

상술한 PWM 제어 구현을 확장하면, 측정된 자속은 도 25에 도시된 바와 같이 FPGA(또는 적용 가능한 경우 다른 컨트롤러 장치)를 갖는 제어 피드백 루프에 사용된다. 이런 제어를 위한 기준 신호는 측정된 자속에 의해 구동되는 위상고정루프(PLL)에 의해 제공된다. 위상고정루프는 위상 검출기, 필터 및 피드백 루프를 갖는 전압 제어 발진기를 사용하여 도 26에 도시된 바와 같이 서로 입출력 주파수를 고정시킨다. 설명된 실시예에서, 위상고정루프는 1kHz의 속도로 제어된다; 그러나, 다른 실시예에서는 상이한 제어 속도가 사용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.

도 14의 개략도를 참조로, 하기의 표 2는 상술한 바와 같이 전압 제어 컴포넌트 또는 VAGT(104)의 양측에 기능적으로 배치되는 2개의 주파수 제어 컴포넌트(102)를 갖는 전기에너지 공급 시스템의 동작을 제어하도록 제어기(106)에 의해 사용되는 입력, 출력 및 내부 변수를 보여준다.

명칭	설명	유형
PF	1차 주파수	아날로그 입력
PV	1차 전압	아날로그 입력
SF	2차 주파수	아날로그 입력
SV	2차 전압	아날로그 입력
IF	내부 주파수	아날로그 입력
POF	1차 발진기 주파수	아날로그 출력
SOF	2차 발진기 주파수	아날로그 출력
DCC	DC 제어 전류	아날로그 출력
PFS	1차 주파수 설정점	제어 변수
SFS	2차 주파수 설정점	제어 변수
PVS	1차 전압 설정점	제어 변수
SVS	2차 전압 설정점	제어 변수

제어 다이어그램

PDF, VAGT 및 SHF 각각은 아날로그 신호의 형태로 제어기(106)로부터 제어 입력을 수신한다. 제어기(106) 시스템은 그 제어 출력이 무엇인지를 결정하기 위해 입출력 신호 상의 표준 위상 및 전압 측정 장치를 사용하여 장치를 통과하는 전력 흐름으로부터 아날로그 입력을 수신한다. 적절한 장치는 http://www.ni.com/white-paper/8198/en/#toc3, https ://www.pce-instruments.com/english/measuring-instruments/test-meters/3-phase-power-meter-kat_155415_1.htm, http://w3.siemens.com/powerdistribution/global/en/lv/portfolio/pages/7km-pac-measuring-devices.aspx 및 http://www.schneider-electric.com/en/product-category/4100-power---energy-monitoring-system에 설명된 장치를 포함한다.

본 명세서에 설명된 전력 공급 시스템의 일반적인 동작을 설명하기 위해, 다음은 전력 공급 시스템이 1차측에서 2차측으로, 즉 1차측의 소스 및 2차측의 부하로 전력 흐름이 있는 입력 신호의 형태로 단상 전력을 수신하는 예시적인 경우의 전력 공급 프로세스의 단계들을 설명한다.

1. 장치 입력은 PF 및 PV이다.

2. PF와 PV를 PHF에의 입력으로 측정

3. VAGT에 필요한 주파수 입력을 생성하기 위해 필요한 POF를 계산

4. PHF에 POF를 주입하고 원하지 않는 헤테로다인을 필터링

5. PHF는 PF보다 훨씬 높은 레벨의 전압 PV 및 주파수 IF로 전력을 출력

6. PV와 함께 IF를 VAGT에의 입력으로 측정

7. SVS를 제공하기 위해 PV 및 SV를 기반으로 필요한 DCC를 계산하여 VAGT에 주입

8. DCC를 VAGT에 주입하여 VAGT의 릴럭턴스를 변화시켜 mmf(기자력)를 제어함으로써 고정 권선비로 출력 전압에 영향을 줌

9. VAGT는 전압 SVS 및 주파수 IF로 전력을 출력

10. SFS를 생성하기 위해 필요한 SOF를 계산

11. SHF에 SOF를 주입하고 원하지 않는 헤테로다인을 필터링

12. SHF는 전압 SVS 및 주파수 SFS로 전력을 출력

13. 장치의 출력은 SV 및 SF와 동조하는 SVS 및 SFS이다.

동일한 프로세스가 1차 및 2차 입력, 출력 및 설정점을 상호교환하여 역전류에 적용된다. 각 단계에 적용하여 동일한 프로세스가 3상 전력으로 사용될 수 있다.

본 명세서에 기술된 전력 공급 시스템 및 방법은 목표 전압 및 목표 주파수를 갖는 해당 출력 에너지를 생성하기 위해 시스템에 의해 수신된 입력 에너지의 변화에 동적으로 신속하게 응답할 수 있기 때문에 특히 유리하다는 것이 명백할 것이다. 특히, 이 기능을 통해 설명된 시스템 및 방법은 시스템의 부하가 필요로 하는 에너지와 출력 에너지를 일치시킬 수 있다. 더욱이, 이 시스템 및 방법은 양방향인데, 예를 들어 에너지 그리드로부터 공급되고 한 방향으로 흐르는 에너지 및 신재생 에너지원으로부터 공급되고 반대방향으로 시스템을 통해 흐를 수 있는 에너지에 대해 이를 수행할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 풍력의 변화 및/또는 사용 가능한 햇빛의 변화로 인해 발생하는 국부적인 에너지 발전의 변화는 고정 부하에 대해 상대적으로 일정한 출력을 제공하기 위한 시스템 및 프로세스에 의해 완화될 수 있다. 유사하게, 시스템상의 부하의 변화는 해당 가상 에어-갭 변압기의 능력 내에서 보상될 수 있으며, 물론 0을 한도로 결정되는 전압 범위 내에서 동작하고 각각의 개별 VAGT의 자기 코어 내에서 국부적 포화를 완료하도록 제한되는데, 이는 각각의 VAGT의 구성에 의해 결정된다. 상이한 가상 에어-갭 구성을 갖는 VAGT의 범위는 소정의 응용에 대한 전압 및 전력 가변성의 각각의 요건을 충족시키도록 제조될 수 있음이 명백할 것이다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않는 많은 변형이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

적어도 하나의 1차 권선(204), 적어도 하나의 2차 권선(206), 및 1차 권선(204)과 2차 권선(206) 사이의 전자기 결합을 제어하는 하나 이상의 제어 권선(202)을 포함하는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104);
시변 제1 입력 기본 주파수(f_in) 및 시변 제1 입력 전압(V_in)을 갖는 제1 입력 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트; 및
제1 입력 신호의 시변 제1 입력 전압(V_in)과 시변 제1 입력 기본 주파수(f_in)를 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하고, 대응하는 가상 에어 갭 제어 신호를 동적으로 생성하여 2차 권선(206)에서 목표 출력 주파수(f_out)의 목표 출력 전압(V_out)이 생성되도록 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)의 제어 권선(202)의 전류를 결정하도록 구성된 제어 컴포넌트(106)를 포함하며,
목표 출력 주파수(f_out)와 목표 출력 전압(V_out)이 전력 공급 시스템(100)에서 부하에 의해 요구되는 에너지와 일치하고,
전력 공급 시스템(100)은 시변 제1 입력 기본 주파수(f_in)와 시변 제1 입력 전압(V_in)을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고, 목표 출력 주파수(f_out)와 목표 출력 전압(V_out)의 해당 제1 출력 신호의 형태로 대응하는 출력 전기에너지를 생성하는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항에 있어서,
상기 시스템(100)은 시변 제2 입력 기본 주파수 및 시변 제2 입력 전압을 갖는 제2 입력 신호의 형태로 제2 입력 전기에너지를 수신하고 제2 목표 주파수 및 제2 목표 출력 전압의 해당 제2 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하도록 양방향용으로 구성되며, 제2 입력 신호 또는 제2 입력 신호로부터 도출된 해당 신호는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)의 2차 권선(206)에 적용되어 가상 에어 갭 변압기의 1차 권선에서 제2 목표 출력 전압을 갖는 해당 신호를 생성하는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)는 에너지를 저장하도록 구성된 하나 이상의 해당 루프로 직렬로 연결된 2 이상의 가상 에어 갭 변압기를 포함하는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
에너지를 저장 및 방출하도록 구성된 하나 이상의 인덕터 및/또는 하나 이상의 캐패시터를 포함하는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)는 적어도 하나의 단상 가상 에어 갭 변압기; 적어도 하나의 3상 가상 에어 갭 변압기; 및 적어도 하나의 쉘-타입 가상 에어 갭 변압기의 임의의 조합을 포함하는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)는 자기 회로에서 가상 에어 갭(208, 210)이 형성되는 자기 코어의 한 영역이 제1 재료로 구성되고 자기 코어의 다른 영역이 제2 재료로 구성되도록 각각 서로 다른 자기 특성을 갖는 서로 다른 재료로 구성되는 자기 코어를 갖는 적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)를 포함하며,
제1 재료의 적어도 하나의 자기 특성은 제2 재료의 적어도 하나의 자기 특성의 값과 다른 값을 가지는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)는 가상 에어 갭 변압기(104)의 각각의 폴 피스의 마주하는 면들 사이에 배치되는 하나 이상의 제어 권선(202)을 갖는 가상 에어 갭 변압기(104)를 포함하는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)는 그 내부에 형성되는 서로 이격된 개구를 갖는 자기 코어를 가진 가상 에어 갭 변압기(104)를 포함하고, 하나 이상의 제어 권선(202)은 개구를 통해 개구 사이에 배치되는 자기 코어의 부분들 주위에 감겨 있고, 자기 코어는 적층형 라미네이션(stacked laminations)으로 형성되고, 개구는 적층형 라미네이션 내 갭으로 형성되는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
자속을 나타내는 자속 신호를 생성하도록 구성된 자속 센서를 포함하며,
제어 컴포넌트(106)는 자속 신호에 기초하여 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하도록 구성되는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
제어 컴포넌트(106)는 제1 입력 신호에 존재하는 고조파를 제거하도록 하는데 충분히 높은 주파수로 동작하도록 구성되는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
가상 에어 갭 제어 신호는 제어 권선(202)의 전류를 결정하도록 펄스폭 변조(PWM) 디지털 신호로서 생성되는, 전력 공급 시스템(100).
제 11 항에 있어서,
제어 컴포넌트(106)는 제1 입력 신호에 존재하는 고조파를 제거하도록 하는데 충분히 높은 주파수로 PWM 디지털 신호를 생성하도록 구성되고, PWM 주파수는 적어도 10kHz인, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
제어 컴포넌트(106)는 DC 신호; 제1 출력 신호에서 고조파를 감소시키도록 고조파로 변조된 DC 신호; 및 AC 신호 중 어느 하나로서 가상 에어 갭 제어 신호를 생성하도록 구성되는, 전력 공급 시스템(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 가상 에어 갭 변압기(104)는 적어도 하나의 2차 권선을 통하는 마주하는 자속 경로를 선택가능하게 형성하도록 배열되는 다수의 가상 에어 갭(208, 210) 및/또는 적어도 하나의 2차 권선(206)을 통해 흐르는 자속의 양의 제어를 가능하게 하기 위해 다수의 자속 경로를 형성하도록 배열되는 다수의 가상 에어 갭(208, 210)을 포함하는, 전력 공급 시스템(100).
전력 공급 시스템(100)의 제어 컴포넌트(106)에서, 적어도 제1 입력 신호의 시변 제1 기본 주파수(f_in) 및 제1 입력 신호의 시변 제1 전압(V_in)을 나타내는 적어도 하나의 신호를 수신하는 단계와;
전력 공급 시스템(100)의 가상 에어 갭 변압기(104)가 목표 출력 전압(V_out) 및 목표 출력 주파수(f_out)를 갖는 해당 신호를 생성하게 하기 위해 해당 제어 신호를 동적으로 생성하도록 수신된 신호를 처리하는 단계를 포함하며,
목표 출력 주파수(f_out)와 목표 출력 전압(V_out)이 전력 공급 시스템(100)에서 부하에 의해 요구되는 에너지와 일치하고,
이로써, 전력 공급 시스템은 시변 제1 입력 기본 주파수(f_in) 및 시변 제1 전압(V_in)을 갖는 제1 입력 신호의 형태로 입력 전기에너지를 수신하고, 적어도 하나의 신호는 가상 에어 갭 변압기가 목표 출력 주파수(f_out) 및 목표 출력 전압(V_out)의 해당 제1 출력 신호의 형태로 해당 출력 전기에너지를 생성하게 하도록 처리되는, 전력 공급 방법.
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