KR102484960B1 - 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 인덕터, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기에 직렬로 연결되는 커패시터, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치를 포함하며, 상기 인덕터는 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고, 상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 에너지 저장 장치 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템을 개시한다.

Description

양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템{Bidirectional Isolated Inverter circuit and Energy Storage System using the same}
본 발명은 직류를 교류로 변환하는 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 저장 시스템에 사용되는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
산업의 발달로 산업용 전기의 사용이 많아지고 있으며, 소득의 증대에 따른 전기용품의 사용 또한 증가하고 있어 전력 사용량이 급격히 증가하고 있는 추세에 있다. 이와 같은 전기소비의 패턴 변화는 시간대별 부하 변동뿐만 아니라 하절기나 동절기 같은 계절별 부하에서도 차이가 커지는 경향을 보이고 있다. 이러한 전력 불확실성에 대비하기 위하여 고용량 저비용의 에너지저장시스템(ESS; Energy Storage System)의 개발 니즈(needs)가 확대되고 있으며, 특히 신재생에너지 발전원의 보급 및 확산은 새로운 에너지저장시스템(ESS)을 필요로 하고 있다.
에너지 저장 시스템 (Energy Storage System)은 전력 계통과 에너지 저장 장치(배터리, 슈퍼커패시터 등) 간의 전력을 변환 및 저장하는 시스템이다. 이러한 에너지 저장 시스템에 이용되는 전력변환회로(Power Conversion Circuit)는 양방향 절연형 인버터로서, 양방향 플라이백 인버터가 이용된다. 종래의 양방향 플라이백 인버터는 도 1에 도시된 바와 같이 전력 계통 측에는 L-C(Inductor-Capacitor) 필터, 풀-브리지 스위칭(Full-Bridge Switching) 회로, C 필터, 고주파 절연형 변압기 및 고주파 스위칭 양방향 스위치들이 배치된다. 이와 같이, 양방향 플라이백 인버터는 사용되는 회로 소자들이 많아 전력밀도(Power Density)가 낮아지고, 생산단가(Manufacturing Cost)가 높아지는 단점들이 있다. 또한 고주파 절연형 변압기에 흐르는 전류가 불연속적으로 동작함으로써 제품의 전력용량 증가 시, 도통손실 (Conduction Loss)이 증가되어 전력변환 효율(Power Conversion Efficiency)이 감소되는 문제가 있다.
한국등록특허공보 제10-1572873호 (2015.11.30.)
본 발명은 상술한 종래 문제점들 예컨대, 전력밀도 저하, 생산단가 증가, 전력변환 효율 감소를 해결할 수 있는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템을 제공함에 있다.
예컨대, 본 발명은 전력 계통 측 L-C 필터를 간단한 L 필터로 대처하고, 고주파 스위칭 양방향 스위치 사용 개수를 절감할 수 있으며, 고주파 절연형 변압기의 연속 전류 동작을 지원함으로써, 회로 부품 수를 줄이며, 전력밀도, 생산단가 및 전력변환 효율을 개선할 수 있는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로는 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터(예: 적어도 하나의 인덕터), 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터(예: 적어도 하나의 커패시터), 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치를 포함하며, 상기 제1 필터는 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고, 상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 에너지 저장 장치 전원이 연결되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 계통 전원이 양의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계통 전원이 음의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
추가로, 상기 양방향 스위치가 일정한 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에는 상기 제3 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 음의 주기에는 상기 제4 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제3 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제4 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
상술한 상기 제어 스위치는 계통 전류의 역률 개선 및 에너지 저장 장치 전원의 전압과 전류를 제어하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 계통 전원으로부터의 전력을 충전하거나, 저장된 전력을 방전하여 수용가 부하에 공급하는 에너지 저장 장치, 상기 에너지 저장 장치의 충전 또는 방전을 지원하는 양방향 절연형 인버터, 상기 양방향 절연형 인버터의 충방전 동작을 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 상기 양방향 절연형 인버터는 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치를 포함하며, 상기 제1 필터는 상기 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고, 상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 상기 에너지 저장 장치가 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템에 따르면, 본 발명은 회로 구조가 간단하고 사용되는 소자 수를 줄일 수 있으면서도 전력 밀도 및 전력 변환 효율을 개선할 수 있도록 지원한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 양방향 플라이백 인버터의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 운용 환경의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터를 포함하는 양방향 절연형 인버터 회로의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 구동과 관련한 구동 신호를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 운용 환경의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 운용 환경(10)은 에너지 저장 시스템(100), 전력 계통(200) 및 수용가 부하(300)를 포함할 수 있다.
상기 전력 계통(200)은 에너지 저장 시스템(100) 및 수용가 부하(300)에 전력을 공급하는 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 계통(200)은 전기를 생산하는 발전소, 전력을 수송하는 송전, 변전, 배전 설비 등을 포함할 수 있다. 여기서, 전기를 생산하는 발전소는 예컨대, 수력, 화력, 원자력 등 다양한 종류의 발전소 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 또한 태양열, 풍력, 조력 등 다양한 친환경 발전 시설도 포함할 수 있다. 상기 전력 계통(200)은 생산된 전력을 단상으로 양방향 절연형 인버터(130) 및 수용가 부하(300)에 전달할 수 있다. 여기서 전력 계통(200)은 생산된 전력을 단상으로 전달하는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정하지 않을 수 있다.
상기 수용가 부하(300)는 상기 에너지 저장 시스템(100)의 양방향 절연형 인버터(130)와 전력 계통(200) 사이의 단상 배선에 연결되어, 전력 계통(200)이 제공하는 단상 전압의 전력을 공급받아 사용할 수 있다. 상기 수용가 부하(300)는 예컨대, 일반 가정집이나 가게 등 전력을 소비하는 소비 주체를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템(100)은 상위 제어부(110), 인버터 제어부(120), 양방향 절연형 인버터(130) 및 에너지 저장 장치(140)를 포함할 수 있다. 여기서 에너지 저장 장치(140)는 배터리, 슈퍼커패시터 등을 포함할 수 있다.
상기 상위 제어부(110)는 인버터 제어부(120), 양방향 절연형 인버터(130), 에너지 저장 장치(140)로부터 각 구성들의 운용 상태와 관련한 정보를 수집할 수 있다. 예컨대, 상위 제어부(110)는 전력 계통(200)으로부터 전력 공급과 관련한 정보를 수집할 수 있다. 상기 상위 제어부(110)는 전력 계통(200)이 공급하는 전력에 대한 이력을 누적 저장하여, 전력이 지정된 값 이상으로 공급되는 시점과 지정된 값 이하로 공급되는 시점 등을 확인할 수 있다. 상기 상위 제어부(110)는 전력 계통(200)에 의해 전력이 공급되는 시점이 지정된 기준 이하인 경우, 에너지 저장 장치(140) 충전을 위한 제어를 수행할 수 있다. 예컨대, 상위 제어부(110)는 야간에 에너지 저장 장치(140) 충전을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 상위 제어부(110)는 에너지 저장 장치(140)의 충전 상태 또는 방전 상태와 관련한 정보를 수집하고, 에너지 저장 장치(140) 충전 시기를 결정할 수 있다.
상기 인버터 제어부(120)는 상위 제어부(110)로부터 3상 전류 지령을 수신하면, 수신된 3상 전류 지령에 따라 양방향 절연형 인버터(130)의 출력이 형성되도록 양방향 절연형 인버터(130)를 제어할 수 있다.
상기 양방향 절연형 인버터(130)(또는 양방향 인버터)는 상기 인버터 제어부(120)의 제어에 따라 에너지 저장 장치(140)를 충전하거나, 에너지 저장 장치(140)에 충전된 전류를 수용가 부하(300)에 공급할 수 있다. 예컨대, 양방향 절연형 인버터(130)는 에너지 저장 장치(140)의 충전량이 지정된 값 이하인 경우 상위 제어부(110) 및 인버터 제어부(120)의 제어에 대응하여 전력 계통(200)에서 공급되는 전력을 전환하여 에너지 저장 장치(140)를 충전할 수 있다. 또한, 양방향 절연형 인버터(130)는 수용가 부하(300)가 요구하는 전력량이 전력 계통(200)에서 공급하는 전력량보다 많은 경우, 에너지 저장 장치(140)에 충전된 전력을 수용가 부하(300)에 공급할 수 있도록 교류 변환하여 수용가 부하(300)에 공급할 수 있다. 특히, 본 발명의 양방향 절연형 인버터(130)는 상대적으로 더 적은 소자 수를 포함하는 회로 구조를 기반으로, 연속 전류를 제공하며, 전력 밀도를 개선할 수 있는 양방향 절연형 인버터로 구성될 수 있다. 상술한 양방향 절연형 인버터에 대하여 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 에너지 저장 장치(140)는 양방향 절연형 인버터(130)에 연결되고, 양방향 절연형 인버터(130)가 전환한 전력을 저장할 수 있다. 예컨대, 전력 계통(200)이 공급한 교류를 양방향 절연형 인버터(130)가 직류로 변환하면, 상기 에너지 저장 장치(140)는 상기 양방향 절연형 인버터(130)가 변환한 직류를 저장할 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장 장치(140)는 상위 제어부(110) 또는 인버터 제어부(120) 제어에 대응하여 상기 양방향 절연형 인버터(130)에 직류 전류를 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터를 포함하는 양방향 절연형 인버터 회로의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로는 계통 전원(201)(예: 전력 계통(200)에서 공급된 전원)과, 양방향 절연형 인버터(130)(예: 제1 필터(Lg)(예: 적어도 하나의 인덕터), 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4), 제2 필터(Cd)(예: 적어도 하나의 커패시터), 변압기(T), 양방향 스위치(S5)) 및 에너지 저장 장치 전원(141)(예: 에너지 저장 장치(140)의 전원)을 포함할 수 있다. 상기 변압기(T)에는 병렬로 자화 인덕턴스(Lm)가 배치될 수 있다.
상기 계통 전원(201)은 앞서 설명한 전력 계통(200)에서 공급되는 전원으로, 교류 전원일 수 있다. 상기 계통 전원(201)은 계통 전압(Vg)을 가지며 계통 전류(ig)를 가질 수 있다. 상기 계통 전원(201)은 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4) 사이에 연결될 수 있다. 예컨대, 계통 전원(201)의 일단은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이에 연결되고, 타단은 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 필터(Lg)는 예컨대, 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다. 상기 제1 필터(Lg)는 상기 계통 전원(201) 및 제1 스위치(S1) 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)은 상기 계통 전원(201)에 대하여 풀-브리지 스위치(Full-bridge switching) 회로를 구성할 수 있다. 예컨대, 제1 스위치(S1)의 일단과 제3 스위치(S3)의 일단은 서로 연결되고, 제1 스위치(S1)의 타단과 제2 스위치(S2)의 일단이 연결된다. 제3 스위치(S3)의 타단은 제4 스위치(S4)의 일단과 연결되며, 제2 스위치(S2)의 타단과 제4 스위치(S4)의 타단이 연결된다. 상기 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)은 제1 스위치(S1)의 일단과 상기 제3 스위치(S3)가 연결되는 제1 노드(node1) 및 제2 스위치(S2)의 타단과 상기 제4 스위치(S4)의 타단이 연결되는 제2 노드(node2)를 포함할 수 있다.
상기 제2 필터(Cd)는 예컨대, 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 제2 필터(Cd)는 제1 노드(node1)와 제2 노드(node2) 사이에 병렬로 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 필터(Cd)는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)에 병렬로 배치될 수 있다.
상기 변압기(T)는 상기 제1 노드(node1)와 상기 제2 노드(node2) 사이에 병렬로 연결되며, 상기 제2 필터(Cd)에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 변압기(T)는 예컨대, 고주파 절연형 변압기(High Frequency Isolated Transformer)를 포함할 수 있다. 상기 변압기(T)의 1차측 권선은 계통 전원(201) 측 또는 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)에 연결되고, 2차측 권선은 에너지 저장 장치 전원(141)에 연결될 수 있다. 상기 1차측 권선의 수는 N1, 2차측 권선의 수는 N2로 정의될 수 있으며, 상기 변압기(T)의 권선 비율 n은 N2/N1으로 정의될 수 있다.
상기 양방향 스위치(S5)는 상기 에너지 저장 장치 전원(141)의 일단에 연결되어, 에너지 저장 장치 전원(141)의 충방전 동작을 제어할 수 있다.
상기 에너지 저장 장치 전원(141)은 변압기(T)의 2차측 권선과 일단이 연결되고, 타단이 양방향 스위치(S5)와 연결될 수 있다. 상기 에너지 저장 장치 전원(141)은 에너지 저장 장치 전압(Ve) 및 에너지 저장 장치 전류(ie)를 가질 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터(130)의 동작은 에너지 저장 장치(140)의 충전 (Charging)과 방전 (Discharging)에 따른 두 가지 동작 방식을 가질 수 있다. 충전 동작 방식은 계통 전원(201)의 전력이 양방향 절연형 인버터(130)를 통하여 에너지 저장 장치(140)로 전달되는 방식이다. 방전 동작 방식은 에너지 저장 장치(140) 전력이 양방향 절연형 인버터(130)를 통하여 계통(또는 수용가 부하(300))으로 전달되는 방식이다.
또한 각 동작 방식은 계통 전원(201)의 양의 주기(Positive Line Cycle)와 음의 주기(Negative Line Cycle)에 따라 다른 동작 모드들을 가진다. 계통 전원(201)의 양의 주기에는 제1 스위치(S1)와 S4가 항상 도통 상태 (Conduction State)에 있고, 계통 전원(201)의 음의 주기에는 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 항상 도통 상태에 있다. 양방향 스위치(S5)는 일정한 스위칭 주파수 (Constant Switching Frequency)로 펄스폭 변조 (Pulse-Width Modulation) 방식으로 동작한다.
양방향 절연형 인버터(130)가 양의 계통 전원(201) 주기에 대하여 충전 동작을 수행하는 경우, 제3 스위치(S3)는 제어 (Control) 스위치 기능을 하며, 제3 스위치(S3)와 양방향 스위치(S5)는 서로 상보적인 (Complementary) 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 구동과 관련한 구동 신호를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 충전 동작과 관련하여, t1 구간 동안, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통 상태를 가질 수 있다. 제3 스위치(S3)가 도통 구간에 잇는 경우, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg)(또는 인덕터), 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 제2 필터(Cd)(또는 커패시터) 및 자화인덕턴스(Lm)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에는 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 되며, 이는 변압기(T)의 이차 측 전압으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 소거 구간에서 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되지 않는다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 충전 동작과 관련하여, t1 구간 동안, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통된다. 제3 스위치(S3)가 소거 구간에 있는 경우, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 제1 스위치(S1), 자화 인덕턴스(Lm), 제2 필터(Cd), 제4 스위치(S4), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다. 모드 1에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm)의 전류는 연속적으로 흐르며, 이상적인 변압기의 원리에 따라 이차 측으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통 구간 동안 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되며, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 양방향 스위치(S5)와 변압기(T)의 이차 측을 통하여 흐른다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 도 2의 양방향 절연형 인버터 회로가 음의 계통 전원 주기에 대하여 충전 동작을 수행하는 동안, 제4 스위치(S4)는 제어 스위치 기능을 하며, 제4 스위치(S4)와 양방향 스위치(S5)는 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 충전 동작과 관련하여, 계통 전원(201)이 공급되는 t2 구간 동안, 모드 1에서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 제4 스위치(S4)가 도통 구간에 있는 동안, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제4 스위치(S4), 제2 스위치(S2)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 제2 필터(Cd) 및 자화인덕턴스(Lm)를 통하여 흐르게 된다. 자화 인덕턴스(Lm)에는 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 되며, 이는 변압기(T)의 이차 측 전압으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 소거 구간 동안 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되지 않는다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 충전 동작과 관련하여, 계통 전원(201)이 공급되는 t2 구간 동안, 모드 2에서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 제4 스위치(S4)가 소거 구간에 있는 경우, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제3 스위치(S3), 자화 인덕턴스(Lm), 제2 필터(Cd), 제2 스위치(S2)를 통하여 흐른다. 모드 2에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm) 전류는 연속적으로 흐르며, 이상적인 변압기의 원리에 따라 이차 측으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통으로 인하여 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되게 되며, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 양방향 스위치(S5)와 변압기(T)의 이차 측을 통하여 흐른다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상기 도 2의 양방향 절연형 인버터 회로가 양의 계통 전원 주기에 대하여 방전 동작 시, 양방향 스위치(S5)는 제어 스위치 기능을 하며, 양방향 스위치(S5)와 제3 스위치(S3)는 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 방전 동작과 관련하여 계통 전원(201)의 t1 구간 동안, 모드 1에서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통되며, 양방향 스위치(S5)가 도통 구간에 있는 경우, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 변압기(T)의 이차 측 권선과 양방향 스위치(S5)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 이상적인 변압기의 원리에 따라 변압기(T)의 일차 측으로 전달된다. 이 때 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통 구간 동안, 에너지 저장 장치 전원(141)에서 변압기(T)의 일차 측으로 전달되게 된다. 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 자화 인덕턴스(Lm), 제1 스위치(S1), 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제4 스위치(S4), 제2 필터(Cd)를 통하여 흐른다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 방전 동작과 관련하여 계통 전원(201)의 t1 구간 동안, 모드 2에서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통된다. 양방향 스위치(S5)가 소거 구간에서, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 흐르지 않는다. 모드 1에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm)의 전류는, 제3 스위치(S3)가 도통 구간에 있는 동안, 제2 필터(Cd), 제4 스위치(S4), 제3 스위치(S3) 및 자화인덕턴스(Lm)를 통하여 연속적으로 흐른다. 이 때 변압기(T)의 일차 측 전압은 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 된다. 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제3 스위치(S3), 제1 스위치(S1)를 통하여 흐른다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 도 2의 양방향 절연형 인버터 회로가 음의 계통 전원 주기에 대하여 방전 동작 시, 양방향 스위치(S5)는 제어 스위치 기능을 하며, 양방향 스위치(S5)와 제4 스위치(S4)는 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3 및 도 10을 참조하면, 방전 동작과 관련하여, 도 3의 t2 구간에서, 모드 1로서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 양방향 스위치(S5)가 도통 구간에 있는 동안, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 변압기(T)의 이차 측 권선과 양방향 스위치(S5)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 이상적인 변압기의 원리에 따라 변압기(T)의 일차 측으로 전달된다. 이 때 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통 구간 동안 에너지 저장 장치 전원(141)에서 변압기(T)의 일차 측으로 전달되게 된다. 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 제2 스위치(S2), 제2 필터(Cd), 자화 인덕턴스(Lm), 제3 스위치(S3), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다.
도 3 및 도 11을 참조하면, 방전 동작과 관련하여, 도 3의 t2 구간에서, 모드 2로서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 양방향 스위치(S5)가 소거 구간에 있는 동안, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 흐르지 않는다. 모드 1에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm)의 전류는, 제4 스위치(S4)가 도통 구간에 있는 동안, 제2 필터(Cd), 제4 스위치(S4), 제3 스위치(S3) 및 자화 인덕턴스(Lm)를 통하여 연속적으로 흐른다. 이 때 변압기(T)의 일차 측 전압은 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 된다. 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), S2, 제4 스위치(S4), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다.
상술한, 본 발명의 양방향 절연형 인버터 회로의 충전 동작 방식에서 제3 스위치(S3)는 계통 전원(201)이 양의 주기 일 때, 제어 스위칭 기능을 수행하며, 제4 스위치(S4)는 계통 전원이 음의 주기 일 때, 각각 제어 스위치 기능을 수행한다. 상기 양방향 절연형 인버터 회로의 방전 동작 방식에서 양방향 스위치(S5)는 계통 전원의 전기적 극성(Electrical Polarity)에 무관하게 항상 제어 스위치 기능을 수행한다. 상기 양방향 절연형 인버터 회로의 동작 방식에 따른 제어 스위치는 계통 전류(ig)의 역률 개선(Power Factor Correction) 및 에너지 저장 장치 전원(141)의 전압과 전류를 제어하는 기능을 수행한다. 제어 스위치가 일정한 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 경우, 제어 스위치의 듀티비(Duty Ratio)를 D라고 정의하면, 본 발명에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 계통 전원(201)과 에너지 저장 장치 전원(141)간의 전압 관계식은 다음 수학식 1로 표현된다.
Figure 112021008895715-pat00001
상술한 바와 같이, 본 발명의 양방향 절연형 인버터 회로는 회로 구조가 간단하고, 사용되는 전기 회로 및 전력용 반도체 소자들의 개수를 줄일 수 있는 전력변환 회로 기술로써, 에너지 저장을 위한 양방향 절연형 인버터 회로의 전력 밀도, 전력변환 효율 및 생산단가를 개선할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10: 전력 운용 환경
100: 에너지 저장 시스템
110: 상위 제어부
120: 인버터 제어부
130: 양방향 절연형 인버터
140: 에너지 저장 장치
200: 전력 계통
300: 수용가 부하

Claims (9)

  1. 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 인덕터;
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기;
    상기 변압기의 1차측 권선에 직렬로 연결되는 커패시터;
    상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치;를 포함하며,
    상기 인덕터는 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고,
    상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 에너지 저장 장치 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계통 전원이 양의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계통 전원이 음의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 스위치가 일정한 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에는 상기 제3 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 음의 주기에는 상기 제4 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제3 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제4 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  9. 계통 전원으로부터의 전력을 충전하거나, 저장된 전력을 방전하여 수용가 부하에 공급하는 에너지 저장 장치;
    상기 에너지 저장 장치의 충전 또는 방전을 지원하는 양방향 절연형 인버터;
    상기 양방향 절연형 인버터의 충방전 동작을 제어하는 인버터 제어부;를 포함하고,
    상기 양방향 절연형 인버터는
    풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 인덕터;
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기;
    상기 변압기의 1차측 권선에 직렬로 연결되는 커패시터;
    상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치;를 포함하며,
    상기 인덕터는 상기 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고,
    상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 상기 에너지 저장 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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