KR102554948B1 - 직류단 가변 전압 출력이 가능한 양방향 전력변환 시스템 - Google Patents

직류단 가변 전압 출력이 가능한 양방향 전력변환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 전력변환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중간 탭 변압기와 전브리지 회로를 사용하여 양방향 전력 흐름을 가능하게 하고 넓은 범위의 DC 버스 전압 제어가 가능한 양방향 전력변환 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, DC 소스; AC 그리드 또는 부하; 상기 AC 그리드 또는 부하와 연결되는 중간 탭 변압기; 및 상기 중간 탭 변압기와 상기 DC 소스 사이에 연결되어 AC/DC기반으로 변환하는 전력변환장치;를 포함하는양방향 전력변환 시스템을 제공한다.

Description

직류단 가변 전압 출력이 가능한 양방향 전력변환 시스템{Bi-directional power conversion system with wide DC bus control range}
본 발명은 양방향 전력변환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중간 탭 변압기와 전브리지 회로를 사용하여 양방향 전력 흐름을 가능하게 하고 넓은 범위의 DC 버스 전압 제어가 가능한 양방향 전력변환 시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 태양광 발전, 풍력 발전, 연료전지 등의 신재생 에너지원과 이를 사용하는 여러 분산형 발전시스템 등의 중요성이 나날이 강조되고 있다. 이러한 추세와 더불어 안정적이고 효율적인 전력변환을 위한 시스템이 요구되고 있으며, 그에 따른 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다.
특히, 전압이 가변하는 직류기반 에너지원과 양방향의 전력변환이 필요한 에너지 저장 시스템에 결합되는 전력변환시스템의 기능적인 요구가 증대되면서 다목적 양방향 전력변환 기술이 각광을 받고 있다.
상기 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 전체적인 구성은 전력 변환 장치인 PCS(Power Conversion System), 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System) 및 ESS를 제어하는 시스템인 EMS(Energy Management System)을 포함한다. 상기 PCS는 다양한 에너지 원(Energy Source)으로부터 공급되는 전원을 상용의 교류 전원(AC)으로 변환하거나, 배터리 셀(Battery Cell)에 저장하는데 적당하도록 변환해 주는 장치이다. 이때 DC 링크(Link) 단의 전압과 배터리 셀간에 양방향으로 에너지 변환이 필요하게 되는데, 이 역할을 하는 전력 변환 장치를 양방향 전력변환(converter) 시스템이라고 한다.
도 1은 종래의 양방향 전력변환 시스템의 토폴로지를 예시한 도면이고, 일반적으로 도 1의 절연형의 AC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터가 결합된 구조가 해당 응용분야에서 많이 적용되고 있다.
상기 도 1을 참조하면, 종래의 양방향 전력변환 시스템은 DC 소스로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환한 후에 고주파 변압한 후에 다시 DC 전원으로 변환한 후에 다시 AC로 변환하여 부하로 전송한다. 그리고 그리드로부터의 AC 전원은 DC 전원으로 변환한 후에 AC 전원으로 다시 변환한 후에 고주파 변압한 후에, 다시 DC 전원으로 변환하여 배터리 등의 DC 소스측으로 전달한다.
상기 고주파 변압기는 같은 크기(부피 및 무게) 기준으로 저주파 변압기 보다 더 많은 전력 전송을 가능하게 하며, 안정적인 입력전력을 위해 소스의 DC 전류가 먼저 AC로 변환된다. 이러한 종래의 양방향 전력변환 시스템은 최소한의 격리만 존재할뿐더러, 오류 발생시 두 개의 전력 컨버터가 사고 전류에 노출되는 문제가 있었으며, 이는 고가의 전력 컨버터에 대한 손상을 야기하는 원인이 되었다.
증가하는 에너지 위기에 대한 능동적 대응력을 강화함과 아울러 낙후된 국내 건물에 대한 에너지 소비 효율을 증대하기 위해 ESS를 위한 양방향 전력변환 시스템의 개발이 요구되고 있다.
특히, 전력 컨버터의 수를 감소시켜 제어의 복잡성 및 비용을 절감할 수 있는 양방향 전력변환 시스템의 개발이 요구되고 있다.
또한, 사고 전류의 증가시에 전력 컨버터에 대한 적절한 격리를 제공하여 시스템의 안정성을 보장하는 기술의 개발이 절실하게 요망되고 있다.
대한민국 특허출원번호 제10-2017-0050151호 대한민국 특허출원번호 제10-2014-0120651호 대한민국 특허출원번호 제10-2017-0097885호
본 발명은 전술한 바와 같은 요구를 반영한 것으로, 중간 탭 변압기와 전브리지 회로를 사용하여 양방향 전력 흐름을 가능하게 하고 넓은 범위의 DC 버스 전압 제어가 가능한 양방향 전력변환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 사고 전류의 증가시 전력변환장치를 적절하게 분리시켜 상기 전력변환장치를 보호하여 시스템의 안전성을 보장하는 양방향 전력변환 시스템을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템은, DC 소스; AC 그리드 또는 부하; 상기 AC 그리드 또는 부하와 연결되는 중간 탭 변압기; 및 상기 중간 탭 변압기와 상기 DC 소스 사이에 연결되어 AC/DC기반으로 변환하는 전력변환장치;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력변환장치는 DC-AC 인버터, AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-AC 컨버터 중의 어느 하나가 해당될 수 있다.
또한, 상기 전력변환 장치는 DC-AC 인버터이고,
상기 중간 탭 변압기는 상기 그리드로부터의 AC 전원을 공급받아 변압하여 상기 인버터로 전달하거나 상기 인버터로부터의 AC 전원을 변압하여 상기 그리드 또는 부하로 전달하며,
상기 인버터는 상기 중간 탭 변압기로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 DC 소스측으로 전달하거나 상기 DC 소스측으로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 중간 탭 변압기로 전달하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인버터는 하나 이상의 전브리지 모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전브리지 모듈은 상기 DC 소스와 상기 중간 탭 변압기 사이에 연결되는 브리지회로와 커패시터로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 DC 소스는 가변 DC(Variable DC) 소스이며,
상기 DC-AC 컨버터는 제1 및 제2 전브리지 모듈로 구성되며,
상기 제1 전브리지 모듈은 상기 가변 DC 소스의 일단과 상기 중간 탭 변압기의 제1단과 연결되고,
상기 가변 DC 소스의 타단은 상기 중간 탭 변압기의 중간 탭에 연결되고,
상기 제1 전브리지 모듈은, 제1 브리지 회로와 제1 커패시터로 구성되어, 상기 가변 DC 소스로부터의 전원을 상기 제1 커패시터에 충전시킴과 아울러 상기 제1 커패시터에 충전된 에너지가 제1 레벨 이상될 때에 충전된 에너지를 상기 중간 탭 변압기의 제1단을 통해 상기 중간 탭 변압기에 교류전원을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 전브리지 모듈은 상기 가변 DC 소스의 일단과 상기 중간 탭 변압기의 제2단과 연결되고, 제2 브리지 회로와 제2 커패시터로 구성되어 상기 가변 DC 소스로부터의 전원을 상기 제2 커패시터에 충전시킴과 아울러 상기 제2 커패시터에 충전된 에너지가 제2 레벨 이상될 때에 충전된 에너지를 상기 중간 탭 변압기의 제2단을 통해 상기 중간 탭 변압기에 교류전원을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중간 탭 변압기의 제1단을 통해 상기 중간 탭 변압기가 제공하는 교류전원은 상기 제1 전브리지 회로를 통해 정류되어 상기 가변 DC 소스측으로 전달되고,
상기 중간 탭 변압기의 제2단을 통해 상기 중간 탭 변압기가 제공하는 교류전원은 상기 제2 전브리지 회로를 통해 정류되어 상기 가변 DC 소스측으로 전달되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 중간 탭 변압기와 전브리지 회로를 사용하여 양방향 전력 흐름을 가능하게 하고 넓은 범위의 DC 버스 전압 제어가 가능하게 한다.
또한, 기존의 AC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터를 결합한 다단게의 전력변환이 아닌 단일 전력 변환을 수행하는 단일 전력변환장치(converter)를 제공할 수 있다.
또한, 상기 단일 전력변환장치에서 전브리지회로는 직렬연결이 가능하므로, 출력 품질 향상을 위해 전브리지회로의 직렬 연결을 통한 다수의 전압 레벨 합성이 가능하다.
또한, 사고 전류의 증가시 전력변환장치를 적절하게 분리시켜 상기 전력변환장치를 보호하고 시스템의 안전성을 보장할 수 있게 한다.
도 1은 종래의 양방향 전력변환 시스템의 토폴로지를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 시스템의 기능 개념도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 시스템(100)의 토폴로지를 도시한 도면,
도 4는 도 3의 양방향 전력변환 시스템(100)의 전체 회로도,
도 5 내지 도 7은 도 2 내지 도 4의 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템(100)에 대한 동작원리를 등가회로로 나타낸 도면,
도 8은 각각 (a) 입력 dc 전류, (b) 커패시터 전압, (c) 시스템으로부터 수신시 그리드 전류 및 전압, (d) 시스템에 송신시 그리드 전류 및 전압에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 9는 각각 (a) 전류 제어기의 레퍼런스(reference) 및 그리드(grid) 전류, (b) 정상상태(steady-state)에서 일정구간 확대한 레퍼런스 및 그리드 전류, (c)그리드와 DC측 사이의 전력 송수신 변경을 수행하는 과도상태(transient-state)에서 일정구간 확대한 레퍼런스 및 그리드 전류, (d) 정상상태에서 ac 전압 및 전류의 퓨리에 스펙트럼(Fourier spectrum)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템에서 제안한 회로의 유효성을 실험적으로 검증하기 위해 구성된 실험 세트의 예를 나타낸 도면,
도 11은 가변 직류단 전압 합성을 모의하기 위해서 직류단 전압을 0V와 정격전압인 100V로 실험한 결과 파형을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 전압이 가변하는 직류기반 에너지원과 양방향의 전력변환이 필요한 에너지 저장 시스템 등에 결합되는 양방향 전력변환 시스템을 제공한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 시스템의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.
<양방향 전력변환 시스템의 기능 및 구성>
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 시스템의 기능 개념도를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 전력변환 시스템(100)의 토폴로지를 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 양방향 전력변환 시스템(100)의 전체 회로도를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양방형 전력변환 시스템(100)은 그리드(102)로부터의 AC 전원을 공급받아 DC 전원으로 변환하여 배터리(104)에 저장함과 아울러, 상기 배터리(104)로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여, 캠핑카(106), 건물(108) 또는 공장(110)에 공급하는 양방향 컨버팅을 이행한다. 이때, 양방향 컨버터(converter)는 ESS(Energy Storage System)를 제어하는 시스템인 EMS(Energy Management System)와 통신을 이행한다.
또한, 도 2에서 양방향 전력변환장치(100)는 ESS의 배터리(104)와 양방형 컨버팅 위주로 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 전압이 가변하는 직류기반 에너지원과 결합될 수 있다. 가령, 태양광 발전, 풍력 발전, 연료 전지 등의 에너지원과 양방향 컨버팅이 가능하다.
여기서, 일반적으로 좁은 의미에서 컨버터는 교류를 직류로 변환하는 장치를 의미하고, 인버터는 직류를 교류로 변환하는 장치를 의미하나, 본 발명에서 기술하는 전력 분야에서 컨버터(converter)는 전반적인 교류와 직류간의 변환 장치를 의미하는 광의의 개념이다.
이때, 본 발명에 따른 양방향 전력변환장치(100) 또는 전력 분야에서의 컨버터(converter)는, DC-AC 인버터에 국한되지 않고, AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-AC 컨버터 등 일반적인 AC/DC 기반의 전력변환장치들을 이용하여 확장 응용이 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 양방향 전력변환장치(100)는 DC-AC 인버터를 중심으로 보다 자세히 설명한다.
<양방향 전력변환 시스템의 구성>
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템(100)은, DC 소스와, DC-AC 인버터(200)와, 중간 탭 변압기(Center-tapped Transformer, 202)와, 교류단 계통 또는 교류 부하(Grid or Load)로 구성된다.
상기 DC-AC 인버터(200)는 배터리 등의 DC 소스로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 중간 탭 변압기(202)로 전송하거나, 상기 중간 탭 변압기(202)로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리 등의 DC 소스로 제공한다.
상기 중간 탭 변압기(202)는 상기 DC-AC 인버터(200)로부터의 AC 전원을 제공받아 제1레벨로 변압하여 부하(Load)로 제공하거나 그리드(Grid)으로부터의 AC 전원을 제공받아 제2레벨로 변압하여 DC-AC 인버터(200)로 제공한다.
여기서, 본 발명에 다른 양방향 전력변환 시스템(100)은, 도 1의 종래의 양방향 전력변환 시스템과 달리, 하나의 전력변환 단계를 갖는다. 즉, 도 1의 종래 양방향 전력변환 시스템은 여러 전력변환 단계를 포함하는 형태로 고주파 변압기를 사용하여 전체 시스템 크기를 줄일 수 있지만 계통 등과 연결되는 교류단(AC Grid) 사고에 의한 파급이 인버터에 직접적으로 영향을 준다.
반면에, 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템(100)은 중간 탭 상용 교류 주파수 변압기(202)가 계통(교류단 또는 부하)과 연결되어 있는 구조로 시스템 크기는 다소 증가하지만 교류단 사고에 의한 파급이 인버터에 미치는 영향이 작다, 이를 통해 인버터 보호 기능을 강화하는 동시에 사고시 교류 및 직류 성분을 모두 독립적으로 제어할 수 있다.
<양방향 전력변환 시스템(100)의 회로구성>
도 4는 도 3의 양방향 전력변환 시스템(100)의 전체 회로도를 나타낸 것이다. 상기 양방향 전력변환 시스템(100)은 2개의 전브리지 모듈(Full Bridge Module, 302, 304)을 포함하여, 가변 DC 전압 소스(310), 중간 탭 변압기(300) 및 교류 단 계통 또는 교류 부하(AC grid or Load)로 구성된다.
상기 가변 DC 전압 소스(Variable DC)의 일단과 중간 탭 변압기(300)의 제1단과 연결되는 제1 전브리지 모듈(302)은, 브리지 회로와 커패시터로 구성되어 상기 DC 전압 소스로부터의 전원을 커패시터에 충전시킴과 아울러 커패시터에 충전된 에너지가 미리 정해둔 레벨 이상될 때에 충전된 에너지를 중간 탭 변압기(300)의 제1단을 통해 상기 중간 탭 변압기(300)에 교류전원을 제공한다.
상기 가변 DC 전압 소스의 일단과 중간 탭 변압기(300)의 제2단과 연결되는 제2 전브리지 모듈(304)은, 브리지 회로와 커패시터로 구성되어 상기 DC 소스로부터의 전원을 커패시터에 충전시킴과 아울러 커패시터에 충전된 에너지가 미리 정해둔 레벨 이상될 때에 충전된 에너지를 중간 탭 변압기(300)의 제2단을 통해 상기 중간 탭 변압기(300)에 교류전원을 제공한다.
상기 가변 DC 전압 소스(310)의 타단은 상기 중간 탭 변압기(300)의 중간 탭(center-tapped)에 연결된다.
그리고 상기 중간 탭 변압기(300)의 제1단을 통해 상기 중간 탭 변압기(300)가 제공하는 교류전원은 상기 제1 전브리지 회로(302)를 통해 정류되어 가변 DC 전압 소스(310)측으로 전달된다.
그리고 상기 중간 탭 변압기(300)의 제2단을 통해 상기 중간 탭 변압기(300)가 제공하는 교류전원은 상기 제2 전브리지 회로(304)를 통해 정류되어 가변 DC 소스측으로 전달된다.
상기 중간 탭 변압기(300)는 제1 내지 제3 코일로 구성되며, 제1 및 제2 코일은 직렬 연결되며, 제1 코일의 일단은 중간 탭 변압기(300)의 제1단으로 제1 전브리지 회로(302)와 연결되고, 제1 코일의 타단은 제2 코일 및 가변 DC 소스(310)의 음극과 연결된다. 상기 제2 코일의 일단은 제1 코일 및 가변 DC 소스(310)의 음극과 연결되고 제2 코일의 타단은 중간 탭 변압기(300)의 제2단으로 제2 전브리지 회로(304)와 연결된다. 그리고 제3 코일은 제1 및 제2 코일과 근접하여 위치하여 제1 및 제2 코일로부터 유도되는 에너지에 따르는 에너지를 생성하여 출력한다. 상기 제3 코일에 여기되는 에너지는 부하(LOAD)로 전달된다.
그리고, 중간 탭 변압기(300)는 그리드로부터 제공되는 AC 전원은 제3코일로 제공되며, 제1 및 제2코일은 제3코일과 근접하여 위치하여 제3코일로부터 유도되는 에너지에 따르는 에너지를 생성하여 제1 내지 제2 전브리지 회로(302, 304)로 전달한다.
그리고 상기 중간 탭 변압기(300)와 제1 및 제2 전브리지 회로(302, 304) 사이에 위치하는 라인 임피던스(line impedance)(306, 308)은 컨버터에 오류 전류가 제공되지 않게 제한한다. 이때, 라인 임피던스(306. 308)은 리액터(L)와 상기 리액터에 직렬 연결되어 직류 바이어스(DC bias)를 억제하기 위한 저항(R)으로 구성된다.
여기서, 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템은(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 중간 탭 변압기의 양단에 하나씩의 전브리지 모듈을 연결하는 것만을 예시하였으나 중간 탭 변압기에 입력되는 교류전원의 파형을 변형하기 위해 다수의 전브리지 회로를 연결할 수도 있으며, 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다.
또한, 양방향 전력변환 시스템(100)은 요구되는 인버터의 수를 줄일 뿐만 아니라, 제어의 복잡성을 줄임은 물론이고 비용을 절감할 수 있다. 또한 사고 전류의 증가시 인버터를 적절하게 분리시켜 인버터를 보호한다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 전술한 도 2 내지 도 4의 본 발명에 따른 양방향 전력변환 시스템(100)에 대한 동작원리를 등가회로를 기반으로 설명하고, 직류단 전압과 전류 제어 및 전브리지의 커패시터 에너지 밸런싱 제어에 대해 설명한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전브리지 모듈은 DC와 AC 전압 모두 합성이 가능하므로, 암에 흐르는 전류는 DC와 AC 전류 성분을 모두 가지고 있다. 또한, DC 전류 성분은 변압기 2차단의 양쪽에서 흘러 들어가므로 변압기 코어에 유기되는 자속의 DC 성분은 서로 상쇄된다. 이러한 DC 전류 성분은 변압기의 중간 탭 결선을 따라 다시 직류단으로 회귀한다. 따라서, AC 자속만 변압기를 통하여 1차단으로 전달되어 교류 계통 및 교류단 부하에 전력전달이 이루어진다. 이러한 회로의 특성을 통하여 DC 및 AC를 독립적으로 제어할 수 있다. 각 전브리지 회로가 합성하는 전압은, 도 5a에 도시된 바와 같이, 같은 크기의 DC 및 AC 전압을 합성하고, AC 전압은 서로 180도 위상차를 가진다. 변압기의 권선비는 컨버터 출력 설계에 따라 변경이 가능하며, 본 발명에서는 논의의 간단화를 위해서 N 1 = 2N 2 로 가정하였다.
도 5a를 참조하면, 등가회로에 KVL을 이용한 전압과 전류의 관계는 아래 수학식1과 같으며, v*DC1=v*DC2=v*DC를 가정하여 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021072563011-pat00001
[수학식 2]
Figure 112021072563011-pat00002
따라서, 수학식 2에 의한 AC 등가 회로는 도 5b와 같다. 여기서, ZEqAC =2Zarm 이다.
도 5b와 수학식 2를 참조하면, DC 성분은 교류단에 나타나지 않는다, 한편, 도 5a의 등가회로를 직류단을 기준으로 KVL을 이용하여 전압과 전류의 관계를 나타내면 수학식3과 같으며, 이를 이용하여 도 5c의 DC 등가회로를 얻을 수 있다. 여기서, Zeqdc= Zarm/2 이다.
[수학식 3]
Figure 112021072563011-pat00003
따라서, 전브리지 회로에서 수학식 4와 같이 전브리 출력전압(V*FB1, V*FB2)를 합성함으로써 변압기 코어를 포화시키지 않고 독립적으로 직류단과 교류단을 제어할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112021072563011-pat00004
여기서, V*DC 및 V*ac는 각각 DC단 전압 제어기와 AC단 전압 제어기의 출력 제어 지령이다.
<전브리지 회로의 커패시터 에너지 제어>
본 발명에 따른 양방향 전력변환 회로는 전브리지 회로를 포함하고 있으며, 전브리지 회로는 유한한 에너지원인 커패시터와 전력반도체 스위치(브리지회로)로 구성된다. 따라서, 본 시스템의 커패시터 에너지에 대한 균형 제어가 필수적이다. 커패시터 에너지 제어는 총 에너지 제어와 개별 커패시터 간의 에너지 균등제어로 이루어진다.
도 5c는 DC단 입출력 제어 및 커패시터 총 에너지 제어를 위한 DC 등가 회로를 나타낸다. 커패시터 총 에너지를 일정하게 유지하기 위해서는 직류 혹은 교류단에서 입출력 전력 외에 총 에너지를 유지하기 위한 추가적인 전력을 조정하여야 한다. 본 발명에서는 직류단을 강건 전력원으로 가정하여, 커패시터 총 에너지 유지를 위한 전력을 직류단에서 조정하였다. 먼저, 도 5c의 등가회로를 바탕으로 직류단 전류제어기를 구성하면 도 6과 같다. 직류단 전류제어기의 지령(i*DC)은 EMS(Energy Management System)에서의 유효전력제어를 위한 직류 전류 지령과 커패시터 총 에너지 제어를 위한 직류 전류 지령의 합으로 구성된다. 커패시터 총 에너지 제어기를 구성하면 도 7a와 같다. 제어기에 사용된 커패시터 에너지는 수학식 5와 같이 계산되고, 전브리지 회로의 커패시터의 정전용량은 같다고 가정한다.
[수학식 5]
Figure 112021072563011-pat00005
[수학식 6]
다음으로, 전브리지 회로간의 커패시터 에너지 균형을 위해서 도 5d의 등가회로를 바탕으로 도 7b의 전브리지 셀 밸런싱 제어기를 구성할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 밸런싱 제어기의 지령은 0으로, 두 전브리지의 커패시터 에너지의 차이인 수학식 6을 0으로 만드는 제어를 수행한다.
도 5d의 등가회로와 같이 두 전브리지의 출력전압의 차이(v*bal)를 발생시켜 밸런싱을 위한 전류(ibal)를 생성한다. 실제로 v*bal은 직류단 및 교류단 입출력 전력제어를 위한 합성전압에 비해서 매우 작은 값을 가지며, 커패시터 에너지의 불균형이 발생하는 경우는 입출력 전력이 상대적으로 큰 경우이므로 밸런싱을 위한 전류(ibal)의 값도 직류 및 교류단 전류에 비해서 매우 작은 값을 가진다. 이때, 기술한 전브리지 회로의 커패시터 에너지 제어가 정상적으로 이루어졌을 때, 본 시스템은 전 출력영역에서 안정적인 동작이 가능하다.
<시뮬레이션 및 실험 결과>
본 발명에 따른 양방향 전력변환 회로 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 7kW급 인버터를 대상으로 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. PLECS 기반의 시뮬레이션과 실험에 사용된 제정수는 표 1과 같다.
Parameter Value
Rated Output Power 7[kW]
Capacitor voltage 300[V]
DC bus voltage 100[V]
AC side voltage(line-to-line rms) 220[V]/60[Hz]
Switching frequency(fsw) 5kHz
본 시스템은 직류단 전압이 100V를 정격으로 하며, 전압 가변이 가능하다. 전브리지 회로가 직류단과 교류단을 독립적으로 제어하기 위하여 캐패시터 전압은 300V로 유지되도록 균형 제어하였다.
도 8은 각각 (a) 입력 dc 전류, (b) 커패시터 전압, (c) 시스템으로부터 수신시 그리드 전류 및 전압, (d) 시스템에 송신시 그리드 전류 및 전압에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 각각 (a) 전류 제어기의 레퍼런스(reference) 및 그리드(grid) 전류, (b) 정상상태(steady-state)에서 일정구간 확대한 레퍼런스 및 그리드 전류, (c)그리드와 DC측 사이의 전력 송수신 변경을 수행하는 과도상태(transient-state)에서 일정구간 확대한 레퍼런스 및 그리드 전류, (d) 정상상태에서 ac 전압 및 전류의 퓨리에 스펙트럼(Fourier spectrum)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 양방향 전력전송을 모의하기 위해서 시뮬레이션 초기에는 직류단에서 교류단으로 전력전송을 하였으며, 후반에는 역으로 교류단에서 직류단으로 전력전송을 수행하였다. 직류단 전압 제어 성능을 확인하기 위하여 20초와 50초에 짧은 시간 동안 20V의 전압 변동을 모의하였고, 캐패시터 에너지 불균형이나 시스템 발산 없이 잘 제어됨을 확인하였다.
제안한 회로의 유효성을 실험적으로 검증하기 위해 도 10의 실험 세트를 구성하였다. 도 11은 가변 직류단 전압 합성을 모의하기 위해서 직류단 전압을 0V와 정격전압인 100V로 실험한 결과 파형이다. 전브리지 회로의 직류단을 DC 전압원 시뮬레이터에 연결한 후 개루프 테스트를 수행하였다.
도 11의 실험 결과에서, 직류단 전압과 전류, 변압기 1차단 부하 저항의 전압과 전류 파형에서 보듯이 본 발명에 따른 양방향 전력변환회로가 독립적으로 잘 제어됨을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 넓은 범위의 직류단 제어 성능과 독립적인 교류단 제어를 위한 중간 탭 변압기 기반 양방향 인버터를 제안하였다. 본 회로의 기능과 동작원리를 등가회로 기반으로 서술하였고, 시스템 에너지 균형제어에 대해서 다루었다. 본 전력변환시스템의 안정적인 운전과 유효성을 검증하기 위하여, PLECS 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로부터 본 시스템의 양방향 전력전송 운전과 가변 직류전압에 대한 제어 알고리즘을 검증하였고, 실험을 통하여 제안한 회로의 동작 타당성을 확인하였다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
100 : 양방향 전력변환 시스템
102 : 그리드
104 : 배터리

Claims (8)

  1. DC 소스;
    AC 그리드 또는 부하;
    제1 내지 제3코일로 구성되며, 상기 제1 및 제2코일은 직렬연결되고, 직렬연결된 제1 및 제2코일은 상기 제3코일과 병렬연결됨과 아울러 근접하여 위치하는 중간 탭 변압기; 및
    제1 및 제2전브리지 모듈로 구성되는 전력변환장치;를 포함하며,
    상기 중간 탭 변압기는 상기 AC 그리드로부터의 AC 전원을 공급받아 변압하여 상기 전력변환장치로 전달하거나, 상기 전력변환장치로부터의 AC 전원을 공급받아 변압하여 상기 AC 그리드 또는 부하로 전달하며,
    상기 전력변환장치는 상기 중간 탭 변압기로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 DC 소스측으로 전달하거나, 상기 DC 소스측으로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 중간 탭 변압기로 전달하며,
    상기 제1코일의 일단인 상기 중간 탭 변압기의 제1단은 상기 제1전브리지 모듈과 연결되고,
    상기 제1코일의 타단인 상기 중간 탭 변압기의 중간 탭은 상기 제2코일의 일단 및 상기 DC 소스의 음극과 연결되고,
    상기 제2코일의 일단은 상기 제1코일의 타단 및 상기 DC 소스의 음극과 연결되고,
    상기 제2코일의 타단인 상기 중간 탭 변압기의 제2단은 상기 제2전브리지 모듈과 연결되고,
    상기 제3코일은 상기 AC 그리드 또는 부하와 연결되며,
    상기 제1전브리지 모듈은 상기 DC 소스의 일단과 상기 중간 탭 변압기의 제1단과 연결되고,
    상기 제2전브리지 모듈은 상기 DC 소스의 일단과 상기 중간 탭 변압기의 제2단과 연결되고,
    상기 DC 소스의 타단은 상기 중간 탭 변압기의 중간 탭에 연결되고,
    상기 제1전브리지 모듈은, 제1브리지 회로와 제1커패시터로 구성되어, 상기 DC 소스로부터의 전원을 상기 제1커패시터에 충전시킴과 아울러 상기 제1커패시터에 충전된 에너지가 제1레벨 이상될 때에 충전된 에너지를 상기 중간 탭 변압기의 제1단을 통해 상기 중간 탭 변압기에 AC 전원을 제공하고, 상기 제2전브리지 모듈은, 제2브리지 회로와 제2커패시터로 구성되어, 상기 DC 소스로부터의 전원을 상기 제2커패시터에 충전시킴과 아울러 상기 제2커패시터에 충전된 에너지가 제2레벨 이상될 때에 충전된 에너지를 상기 중간 탭 변압기의 제2단을 통해 상기 중간 탭 변압기에 AC 전원을 제공하고,
    상기 중간 탭 변압기의 제1단을 통해 상기 중간 탭 변압기가 제공하는 AC 전원은 상기 제1전브리지 모듈을 통해 정류되어 상기 DC 소스측으로 전달되고, 상기 중간 탭 변압기의 제2단을 통해 상기 중간 탭 변압기가 제공하는 AC 전원은 상기 제2전브리지 모듈을 통해 정류되어 상기 DC 소스측으로 전달되며,
    상기 제1 및 제2전브리지 모듈의 출력전압은 상기 중간 탭 변압기의 중간 탭에서 합성됨을 특징으로 하는 양방향 전력변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 탭 변압기와 상기 AC 그리드 또는 부하 사이, 그리고 상기 중간 탭 변압기와 상기 제1 및 전브리지 모듈 사이에 위치하는 라인 임피던스를 더 구비함을 특징으로 하는 양방향 전력변환 시스템.
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