KR20030029958A

KR20030029958A - 변성기가 없는 축전지 시스템용 정적 전압 인버터

Info

Publication number: KR20030029958A
Application number: KR10-2003-7003482A
Authority: KR
Inventors: 플래시도마이라 스파지안테; 크리사다 캄파나챠냐코른; 안드레 조치
Original assignee: 스쿼럴 홀딩스 리미티드
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2003-04-16
Also published as: EP1407534A2; BR0205733A; WO2003007464A3; US7046531B2; ITVA20010022A1; CN1526193A; ZA200301352B; US20050007797A1; WO2003007464A2; AU2002354596A1

Abstract

직렬연결된 단위 전류 소스나 셀의 축전지에 대한, 그리고 단위 직류 전류 소스의 체인을 따라 이어지는 N개의 중간 전압 탭에 대한 정적 인버터로서,

- 한개의 중간 탭과 이에 인접한, 또는 상기 체인의 최종 단자에 인접한 또다른 중간 탭간에 구성되는 단위 셀들의 수가, 4분 구간으로 출력될 교류 전압 파형의 N개로 구분된 위상의 각 위상 구간에서의 진폭에 비례하며, 상기 인버터는,

- 상기 단위 셀의 상기 체인의 제 1 극성을 지닌 제 1 단부 단자와 중간 탭을 상기 제 1 극성의 공통 회로 노드에 각각 연결하는 N개의 전력 스위치,

- 브리지 스테이지를 통해 전류 경로를 스위칭하기 위해 쌍으로 제어되는 네 개 이상의 전력 스위치로 구성되는 출력 브리지 스테이지로서, 상기 제 1 극성의 상기 공통 회로 노드에, 그리 상기 단위 셀 체인의 상기 제 1 극성과는 반대인 극성의 나머지 단부 단자에 연결되는 제 1 쌍의 노드와, 교류 출력을 구성하는 제 2 쌍의 노드를 가지는 특징의 출력 브리지 스테이지, 그리고

- 상기 N개의 스위치의 시간에 한개의 스위치를 연속적인 방식으로 순서대로 주기적으로 켜는 제어 회로로서, 이때 각각의 스위치는 상기 교류 출력의 주기 곱하기 1/(4N)의 위상 구간에 대한 것이며, 반주기마다 상기 출력 브리지 스테이지의 상기 네 개의 전력 스위치를 쌍으로 교대로 켜는 특징의 제어 회로

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직렬연결된 단위 전류 소스나 셀의 축전지에 대한, 그리고 단위 직류 전류 소스의 체인을 따라 이어지는 N개의 중간 전압 탭에 대한 정적 인버터가 공개된다.

Description

변성기가 없는 축전지 시스템용 정적 전압 인버터{TRASFORMERLESS STATIC VOLTAGE INVERTER FOR BATTERY SYSTEMS}

직류 전력을 어떤 전압(가령, 교류 240볼트)의 교류 전력으로 변환하기 위한 정적 전압 인버터는 교류 부하에 공급하기 위한 에너지를 발생시키기 위해 연료 전지의 1차 축전지나 2차 축전지를 이용하여, 충전식 전원 설비, 부하-레벨링(load-leveling) 설비, 전기차량, 등에 사용되고 있다.

1차전지이든 2차전지이든, 단위 전지의 축전지 직류 전압을, 표준 전력 분배 그리드의 전압 및 주파수와 유사한 전압 및 주파수의 교류 전압으로 변환하는 능력은, 정전의 경우, 보다 일반적으로는 "그리드 연결" 시스템을 위해 기능에 본질적인 서비스를 유지하기 위해 반드시 개입해야 하는 응급 설비(UPS)의 경우 절대적으로 필요하며, 명백한 호환 이유로 인해 중요한 요건이다.

충전식 2차 축전지 시스템의 기능도가 도 1에 도시되며, 본 예에서는 바나듐 레독스 축전지(vanadium redox flow battery)가 도시되어 있다.

도 1에 도시되는 인버터는 직류 전원이 어떤 종류의 2차 축전지이거나 연료 전지의 축전지인지에 상관없이 기능적 측면에서 동일할 것이다.

2차 전지 이용은 전력 분배 그리드에 연결되지 않은 독립형 광전지(태양전지) 패널 시스템에 절대적으로 필요하다. 레독스 축전지는 다른 어떤 종류의 2차전지보다 훨씬 편리하다.

레독스 축전지 중에서, 음전해질과 양전해질에서 바나듐-바나듐 산화환원쌍을 이용하는 바나듐 축전지가 특히 바람직하다.

바나듐 레독스 축전지를 이용하는 축전 설비의 성능은 IEEE 2000에서 Daiichi Kaisuda와 Tetsuo Sasaki가 발표한 논문 "Evaluation of control maintaining electric power quality by use of rechargeable battery system"에서 보고 및 분석된 바 있다.

레독스 축전지에 관하여, 특히 바나듐 레독스 축전지에 관하여는 많은 자료들이 있다. 따라서, 다른 종류의 축전지에 대한 이러한 축전지의 장점 및 특징들을 별도로 상세하게 설명하지는 않는다.

레독스 축전지의 장점 가운데서도, 여러 다른 충전 전압에서도 적절히 충전되는 것은 주목할만한 가치가 있다. 이를 달성하기 위해서, 축전지를 구성하는 직렬 단위 셀들에 의해 구성되는 전기 체인의 중간 탭들이 사용될 수 있다. 가용 전원의 전압에 따라, 적절한 수의 전지를 충전 전압에 연결하기 위해 가장 적절한 탭들이 선택된다. 이는 다른 종류의 2차 축전지와는 달리 레독스 축전지 시스템에서는 에너지가 전지를 통해 순환하는 전해질에 저장되며 이 전해질이 두개의 분리된탱크에 저장되기 때문에 가능하다. 축전지는 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되고 그 역도 가능한 전기화학적 장치를 배타적으로 나타내며, 그 전극들은 충전 및 방전 과정에서 어떤 화학적 변환도 일으키지 않는다.

다른 한편, 광전지 셀 패널들은 부하를 구동시킬 수 있는 광원에 의해 조사(照射)될 때 전류를 출력하지만, 어떤 한도를 넘는 카운터 전압이 광전지 패널에 공급되면, 출력 전류는 0이 된다.

광전지 패널의 전압-전류 특성은 전형적인 무릎-형 곡선을 나타내며, 곡선과 x-축(전압)과 y-축(전류) 사이의 공간은 패널로부터 전력을 추출할 수 있는 공간을 나타낸다.

위 내용을 고려해볼 때, 출력 전압이 전압-전류 특성 및 x축과의 교차점에 가까울 때 전달되는 전력(x축에 평행한 가장 긴 변을 가지는 직사각형의 면적에 대응함)은 매우 작아진다는 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 출력 전압이 매우 작아질 때 가용 전력은 매우 작아진다.

실제로, 특정 기능 대역 내에 출력 전압 값이 존재하며, 이에 대하여 전압-전류 도메인의 대응하는 직사각형 면적이 최대이다. 즉, 패널은 추출할 수 있는 최대 전력을 출력한다.

이러한 최대 전력값은 조사(照射) 조건이 변할 때 급속히 변화한다. 게다가, 태양전지 패널의 전압-전류 특성은 조사 매개변수의 함수로 변하여, 실제적으로 조사 매개변수의 함수로 서로에 대해 동심원에 가까운 전압-전류 곡선을 발생시킨다.

광전지 패널의 이러한 전압-전류 특성 때문에, 광전지 패널로부터 추출할 수있는 최대 전력은 조사(照射) 조건의 변화와 함께 급속하게 변화한다.

2차 축전지를 충전하기 위해 가용 전력을 최대 한도로 이용하는 것이 매우 바람직한 것이 사실이기 때문에, 이는 다수의 중간 전압 탭이 제공되는 레독스 축전지를 이용함으로서 매우 편리한 방식으로 가능해진다. 현 조사 조건의 함수로, 광전지 패널의 한 단자는 가장 적절한 중간 전압 탭에서 자동적으로 스위칭되어, 축전지 전압은 현 조사 조건에서의 광전지 패널의 전압-전류 특성의 피크 전압에 가능한 가까워질 수 있다.

광전지 패널 전류 소스로부터 2차 레독스 축전지의 충전 조건을 최적화하는, MPPT(Maximum Power Point Tracker)로 알려진 이러한 기능을 구현하는 자동 스위칭 장치들이 존재한다.

어떤 2차 축전지를 충전하는 데 적절한 출력 전압으로 올리거나 내리기 위해, 그리고 조사 조건에 가장 적절한 전압에서 광전지 패널로부터 에너지를 흡수하기 위해 직류-직류 컨버터를 이용하는 것보다 이러한 시스템이 훨씬 더 편리하다는 것이 명백하다.

서로 다른 종류의 전기 부하에 전력을 운반하는 경우에, 레독스 축전지는, 앞서 언급한 레독스 축전지의 특성을 이용하여 구분되는 쌍의 중간 탭을 통해, 동일 출력 전압이나 서로 다른 출력 전압에서 동일한 축전지에 속하는, 또는 서로 다른 배터리에 속하는, 또다른 전지 그룹에 의해 운반되는 전류보다 수배 이상 큰 상응하는 직류 출력 전압에서, 어떤 수의 기본 셀로부터 전류를 한개의 부하로 운반하는 것을 지원할 수 있는 장점을 가진다.

따라서, 축전지는 어떤 기능적 측면 하에서 전기 자동변성기나 전기 변성기로 비춰질 수 있다. 이때 직렬 코일로 된 기본 셀들이 존재하며, 자기 에너지 대신에 화학 에너지가 역할을 한다.

레독스 축전지가 여러 중요한 분야에서 보여주는 특별한 관련성 측면에서, 레독스 축전지 대신에 다른 종류의 축전기사 사용되는 상황에서도 똑같이 간주될 것임에도 불구하고, 아래의 설명은 레독스 축전지 시스템을 언급할 것이다.

정적 전압 인버터 선택은 단위 전지 축전지의 에너지 저장/발생 용량을 이용할 때 시스템의 전체 에너지 변환 효율에 크게 영향을 미친다.

일반적으로 인버터 효율은 최대 부하 수준에서 약 94%의 최대값에서부터, 낮은 부하 수준에서 약 60%로 점차적으로 감소한다.

잘 알려진 바와 같이, 정적 전압 인버터는 극성을 바꾸는 부하와 공급선로 사이에서 연결을 주기적으로 스위칭하는 장치들을 구현하기 위해, 직류 회로에서 정적 스위치로 기능하는 사이리스터(SCR), 바이폴러 정션 트랜지스터(BJT), 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT), 또는 전계 효과 트랜지스터(MOS)같은 전력 스위치들을 이용한다. 이 방식으로, 부하에 교류 전압이 공급되고, 그 주파수는 전력 스위치의 스위칭 주파수에 의존한다. 교류 전압은 일반적으로 방형파 전압이며, 그 진폭은 축전지와 적절한 회로에 의해 구성되는 전압 소스의 직류 전압과 같다. 또한 출력 필터를 더함으로서, 거의 사인파같은 출력 전압을 얻을 수 있다.

잘 알려진 전력 인버터에는 여러 종류가 있다.

"위상 반대 인버터(phase opposition inverter)"와 "브리지 인버터"는 사이리스터로 구성되는 여러 다른 전력 스위치들을 협조적이면서 교대하는 방식으로 끄기 위한 턴오프 커패시터와, 변성기 및 부하 인덕터를 이용하는 잘 알려진 회로이다.

사인파 출력을 가진 인버터는 공지되어 있으며, 이로부터 사인파에 근접한 출력 전압 파를 얻을 수 있다. 이러한 인버터는 커패시터와 직렬로 연결되는 변성기나 인덕터를 이용하는 브리지 인버터와 같은 것일 수 있다. 요망 출력 주파수를 위해 커패시터와 직렬인 다른 임피던스 및 동등한 부하 인덕턴스를 변환시킴으로서, 거의 사인파에 가까운 출력 파형을 생성할 수 있다.

축전기가 전기 에너지 소스일 경우, 인버터에 의해 출력되는 교류 전압을 조절하는 것은 슬라이딩 컨택트 자동변성기(sliding contact autotransformer), 포화 핵 자기 레귤레이터(saturation core magnetic regulator)처럼 교류 전압을 조절하는 데 통상적으로 사용되는 시스템을 이용하여 구현되어야 한다.

다수의 단위 셀에서 에너지를 저장하거나 발생시키는 설비는 종류에 상관없이 다중 셀 축전지를 이용한다. 즉, 수많은 갯수의 단위 셀들이 직렬로 연결되는 축전지를 이용한다. 물론, 설비는 어떤 공급전압에서 전력을 운반하는 요망 용량을 보장하기 위해, 직렬-병렬 기법에 따라 전기적으로 연결되는 다수의 다중셀 축전지를 이용할 수도 있다.

저장 축전지를 재충전할 때, 재충전하는 직류 소스에 대한 연결 기법은 방전 과정 중 구현되는 기법과 같을 수도 있으나, 종종 다른 경우도 있다. 그리고 구성 스위치나 경로 실렉터를 이용하여 자동적으로 여러 다른 기법들이 구현될 수 있다.

변성기의 스위칭 모드의 구동, 즉, 종래의 인버터 회로의 인덕턴스의 구동은 전력 스위치에 대해 특별히 부담이되는 기능 조건들을 결정한다. 즉, 이들이 SCR, BJT, 또는 MOS 중 어느것인 지를 결정한다. 고장 방지를 위해 이들은 정확하게 제어되어야 한다. 이 기능들은 적절한 턴-온 제어와 열 보호 회로에 의해 실행되는 것이 일반적이다.

인버터에 사용되는 인덕터나 변성기는 이들이 자주 지니는 특이한 특성들 때문에 비교적 고가이며 전력의 손실을 일으킨다.

사인파형 전압의 출력이 요구될 때, 정확하고 충분한 일정 주파수를 보장하고 결국에는 출력 전압을 여파하기 위해서는 복잡도가 커지기 때문에 출력 전압인버터 비용은 매우 커진다.

본 발명은 부하에 전력을 공급할 때 축전지에 발생되거나 저장되는 에너지를 직류에서 교류로 변환하기 위한 정적 전압 인버터를 이용하는 연료 전지 축전지에서의 에너지 저장 및 에너지 발생 시스템에 관한 것이다.

도 1은 지정된 값과 주파수의 교류 전압을 출력하기 위해 인버터를 이용하는 축전기 시스템의 도면.

도 2는 본 발명의 인버터의 기본도면.

도 3은 본 발명의 인버터의 기능을 그래프화한 도면.

도 4는 다른 방식으로 조직된 중간 탭을 가지는 본 발명의 인버터의 기본도면.

도 5는 본 발명을 구체화한 광전지 패널 설비의 기본도면.

도 6a와 6b는 축전기 형태의 직류 자동변성기를 교류 자동변성기와 비교하는 도면.

도 7a와 7b는 축전기 형태의 직류 변성기를 교류 변성기화 비교하는 도면.

어떤 인덕터(또는 변성기)와 턴-오프 커패시터도 필요로 하지 않으면서 종래 인버터에 비해 효율이 개선된 인버터를 만드는 것이 본 발명의 목적이다. 더욱이 본 발명의 인버터는 중량이 크게 감소하며, 직렬로 연결된 다수의 단위 셀들로 구성되는 축전지에 의해 제공되는 직류 전력을 다음의 파형 및 주파수를 가지는 전압의 교류 전력으로 변환시키기에 특히 적절하다. 변환되는 전압의 파형은 사인파형이고 그 주파수는 다수의 전력 스위치의 제어 및 구동 회로에 의해 정확하게 고정된다.

여러 장치에서 공지된 인버터에 대한 유효한 대안이 존재하지만, 본 발명의 인버터는 1차 연료 전지나 광전지 셀의 축전지 시스템에서나 레독스 축전지 시스템에서 이용하기에 특히 알맞다.

발명의 제 1 실시예에 따라, 1차 연료 전지와 광전지 패널의 축전지, 저장 축전지같이 직렬로 연결되는 단위 전류 소스들의 축전지로부터 정확하게 구축된 주파수와 어떤 교류 전압에서 전력을 생성하기 위한 새로운 방법은,

- 직렬로 연결되는 단위 셀들의 형태로 다수의 직류 전류 소스를 제공하고 단위 직류 전류 소스의 체인을 따라 다수의 N 중간 탭을 구축하여, 한개의 중간 탭과 이에 인접한, 또는 직렬 단자에 인접한 또다른 중간 탭간에 구성되는 단위 셀들의 수가, 4분 구간으로 생성될 교류 전압 파형의 N개로 나뉘어지는 위상의 각 위상 구간에서의 진폭에 비례하며,

- N개의 전력 스위치를 제공하며, 이때 각각의 스위치는 직렬 단위 셀들의 제 1 단자와 중간 탭 각각을 제 1 극성의 공통 회로 노드에 연결하며,

- 제 1 극성의 상기 공통 회로 노드와 상기 제 1 극성과는 다른 극성을 지닌 직렬 연결 단위 셀들의 다른 단자를, 쌍으로 제어되는 네 개 이상의 전력 스위치로 구성되는 출력 브리지 스테이지의 각 노드에 연결하고, 이때 브리지 스테이지의 나머지 두 노드는 교류 전압 전력 출력을 구성하며, 그리고

- 순차적으로 그리고 주기적으로 연속적인 방식으로 N개의 스위치 중

반주기마다 브리지 스테이지를 통과하는 전류 경로를 스위칭하고, 교류 출력 전압의 주기 곱하기 1/(4N)에 대응하는 시간 구간에 대해 N개 스위치의 시간에서 한개의 스위치를 스위칭하는,

이상의 단계를 포함한다.

실제로, 본 발명의 인버터는 요망하는 교류 파형을 발생시키기 위해 인덕터나 커패시터를 이용하지 않는다. 클럭 신호로부터 도출되는 구동 펄스에 의해 실질적으로 제어되는 전류 경로(즉, 극성)를 스위칭하기 위한 출력 브리지 스테이지와 전력 스위치의 배열을 이용한다.

직렬로 연결되는 단위 셀 체인의 한 극성을 가진 단자의 전위인 전압 항목에서, N개의 스위치는, 구분된 위상에 대응하는 짧은 시간 구간동안 활성화될 때, 공통 노드에 연결되어, 단위 셀의 수를 순차적으로 그리고 주기적으로 증가시키고 감소시킨다. 따라서, 구분된 전압 반파를 공통 회로 노드 상에서 생성하고, 이 반파는 예를 들어 사인파일 수 있다. 일련의 반파들의 극성을 바꾸는 것은 교대 파형의 주파수의 반주기가 만료될 때 출력 브리지 스테이지를 통한 출력 경로를 스위칭함으로서 이행된다.

N개의 전력 스위치의 배열의 제어 및 구동 회로의 한 출력 버스를 구성하는 N개의 도선 중 하나만이 어느 한 순간에 활성 논리 상태, 가령 "I"에 있고, 이와는 다른 모든 도선 N-1개는 "O"와 같은 비활성 논리 상태에 있다. 동작시에, 활성 논리 상태는 한 도선으로부터 또다른 도선으로 연속적인 방식으로 순차적으로 그리고 주기적으로 스위칭을 실시하여, N-위상 스위칭의 기법을 연속하여 앞뒤로 반복한다.

실제로는 직렬 단위 셀들의 한 단자 노드의 전위인 전압을 가지는 회로의 공토 노드에서, 중단되지 않은 순서의 반파들이 N개의 전력 스위칭의 제어 버스의 N개의 도선의 위상 스위칭의 완전한 사이클에 의해 생성된다.

같은 제어 및 구동 회로가 네 도선의 제 2 출력 버스를 가진다. 단상 교류 전압을 발생시키는 단일 출력 브리지의 경우에, 어느 한 순간에 두 도선은 활성 논리 상태에 놓이고 다른 두 도선은 비활성 논리 상태에 놓인다. 출력 교류 전압의 구축된 주파수의 반주기마다, 두쌍의 제어 도선의 논리 상태가 뒤집히며, 따라서 브리지 스테이지를 통한 출력 전류 경로를 스위칭하고, 방금 완료된 반파의 극성에 대해 새 반파의 극성을 스위칭할 것이다.

이 방식으로, 매우 낮은 함량의 저차 고조파로 된 출력 교류 전압, 가령, 실질적으로 사인파형인 전압이 효율적으로 구축된다. 그 총 고조파 함량은 더 미세한 방식으로 사인파를 분할함으로서, 즉, 중간 탭의 수, 즉, 전력 스위치의 수 N을 증가시킴으로서, 감소될 수 있다.

광전지 패널과 레독스 에너지 저장 축전지를 이용한 전형적인 태양열 에너지 설비와 본 발명의 인버터간에 독특한 상승효과에 주목하여야 한다.

발명의 정적 인버터 구현을 위해 개발된 직렬 단위 셀의 축전지에서 동일한 중단 탭들이 광전지 패널에 의해 제공될 수 있는 전력을 최선의 방식으로 개발하기 위해 통상적으로 이용되는 바와 같은 소위 MPPT 시스템에 의해서도 이용될 수 있다. 이는 후에 더 자세하게 설명될 것이다.

실제로, 요망값의 사인파 전압을 제공하기 위해 출력 노드에 순서대로 연결가능한 단위 셀들의 수를 구축하는 가능성을 이용함으로서, 본 발명의 축전기-인버터 장치는 변성기(또는 인덕터)를 이용하지 않으면서도 태양광을 교류 전기 전압으로 상당한 고효율로 변환하면서 광전지 패널같은 비교적 저전압의 직류 소스를이용하여 부하 특성에 상관없이 지정된 교류 전압 및 주파수에서 전력을 출력할 수 있다.

도 2에서, 직렬 단위 셀 체인의 여러 다른 중간 전압 탭들이 12개(N=12)의 축전지, B1, B2, ..., B11, B12를 이용함으로서 만들어진다. 각각의 축전지들은 첫번째 4분 구간에서 사인함수값에 비례하도록 지정된 수의 단위 셀로 이루어진다.

도시되는 예에서, 제 1 축전지는 34개의 셀로 구성되며, 두 번째 축전지는 32개의 셀, 세 번째는 30개의 셀, 등등해서 12번째 셀은 단 두개의 단위 셀로만 구성된다.

어떤 전압을 가진 이러한 직렬 직류 전류 소스의 각각의 중간 탭에는 첫 번째 사분 구간에서 사인파 함수에 따라 변하는 축전지 전압에 대응하는 전력 스위치 Q1, Q2, Q3,..., Q11, Q12가 관련되며, 축전지 배열의 최종 배터리의 단자(+)와 각각의 중간탭을 (+)로 표시되는 회로의 공통 노드에 연결한다.

배열의 제 1 배터리 B1의 다른 단자(-)는 부호(-)로 표시되는 회로 노드를 구성한다.

네 개의 전력 스위치 Q15, Q16, Q13, 그리고 Q14는 회로 노드 (-)와 (+)에 연결되는 종래의 출력 브리지 스테이지를 형성하며, 교류를 출력한다.

제어 및 구동부인 "펄스 제어 및 구동 장치"는 N개 이상의 배선에 의해 구성되는 제 1 출력 버스 I와, 네 개 이상의 도선의 제 2 버스 II를 가지며, N개 이상의 각각의 도선은 N개의 전력 스위치 Q1, Q2, ..., Q12의 배열의 각 전력 스위치의 제어 단자에 연결되며, 네 개 이상의 각각의 도선은 네 개의 전력 스위치 Q13, Q14, Q15, Q16의 제어 단자에 각각 연결되어, 출력 전류의 경로(극성)를 뒤집는 출력 브리지 스테이지를 구성한다.

본 발명의 인버터의 기능이 도 3에 그래프로 도시된다. 표의 상단은 제어 버스 I의 12개의 도선의 논리 상태, 즉, 12개의 전력 스위치 Q1, Q2, Q3, ...Q11, Q12의 전도 상태(1)와 정지 상태(0)와, 제 2 버스 II의 네 도선의 논리 상태, 즉, 4개의 전력 스위치 Q13, Q14, Q15, Q16의 전도 상태(1)나 정지 상태(0)를 보여준다. 2개의 시간 구간동안, 즉, 4분구간의 사인 함수의 12개로 구분된 위상에 대하여, 출력 브리지를 통해 전류 경로를 선택한다.

도 3은 12개의 전력 스위치의 각각의 위상 스위칭에서, 출력 교류 전압의 기울기가 계속해서 증가하고 있을 때, 각각의 새 위상 스위칭에서 출력 전류 회로에 추가적으로 포함된 단위 셀들이 완전한 전압을 발전시키는 데 시간이 걸린다는 관점에서 이상화된 파형이다.

바나듐 레독스 축전지의 경우, 정상 상태(steady-state) 전압에 도달하는 데 필요한 시간은 2백~4백 마이크로초 수준이며, 연료 전지의 경우에도 이 시간 지연은 5백~9백 마이크로초 내에서 유지된다. 어느 경우에도, 지연 시간은 50Hz나 60Hz의 주파수에서 교류 출력 전압을 생성하기 위한 발명의 인버터의 기능과 호환된다.

실제로, 새로이 포함된 셀들의 이러한 지연 시간은 필요할 경우 쉽게 여파할 수 있거나 여러 종류의 전기 부하에 의해 완벽하게 견딜 수 있는 클럭 주파수에서 파동(ripple)을 생성한다. 새로이 포함된 셀들의 시간 지연으로 인한 궁극적인 에너지 결손은 출력 교류 전압의 정확한 RMS 값을 보장하기 위해 각각의 스위칭에서 출력 전류 회로에 포함된 충분한 수의 1차 전지에 대해 설계함으로서 보상된다.

도 3의 하부에 도시되는 각각의 구분된 구간에 대하여, 교류 출력 전압의 이상화된 파형(이상적으로는 사인파형)이 도시된다.

물론, 고려되는 예에서 각각의 스위칭 구간 중 요망 피크 전압의 사인 함수에 대응하도록 구축되는 N개의 중간 탭들은 도 2에 도시되는 것에 비해 회로에 순서대로 포함되는 단위 셀들의 수의 조직에서 다를 수도 있다.

도 4에서는 중간 탭들이 다섯 개의 다중 셀 축전지 B1, B2, B3, B4, B5를 이용함으로서 도 2에서와 기능적으로 동등한 방식으로 조직된다. 각각의 축전지들은한개 이상의 중간 전압 탭을 가져서 한 4분 구간의 사인파값의 함수로 결정되는 셀의 수를 회로에 선택적으로 포함시킬 수 있다.

쉽게 알 수 있겠지만, 도 2와 도 4의 도면은 기능적 측면에서 대등하며, 동일한 구분 기법을 사용하고 있다.

더욱이, 쉽게 알 수 있겠지만, 불연속 위상 구간에 대하여 각각 전력 스위치 Q1, Q2, Q3,...의 제어 도선의 상대적 동작 순서와 전압 탭은 사인함수의 4분구간의 N개의 불연속 위상의 주사 방향에 따라 감소하고 증가하는 순서를 반드시 따르지 않을 수 있다. 탭(다중셀 축전지)들은 고려되는 예에서 사인 함수인 교대 함수의 불연속성이 구현되는 한 N개의 중간 탭의 순차적 주기적 선택의 어떤 "패턴"에 따라 조직될 수 있다.

회로 블록 "펄스 제어 및 구동 장치"는 당 분야의 인력이 쉽게 이해할 수 있다.

전력 스위치 Q1, Q2, ...Q16의 구동 요건을 충족시키도록 하는 크기의 두 출력 버스 I와 II의 도선이 그만큼 많은 수의 출력 버퍼를 가지는 것을 제외하면, 전력 스위치의 논리적 및 기능적 제어가 관련되는 한, 상대적 기능이 소프트웨어적으로 또는 하드웨어적으로 구현될 수 있다.

가능한 하드웨어 해법에 따라, "펄스 제어 및 구동 장치" 블록은, 가령 한개 이상의 업-다운 카운터를 통해, 구축된 교류 출력 주파수의 주기의 각각의 4분 구간에 N개 위상 스위칭의 시간을 설정함으로서 요망 파형을 불연속화하기 위한 클럭 제너레이터를 포함하며, 따라서 반 주기의 종료시 출력 브리지 스테이지를 통과하는 출력 전류 경로, 즉, 극성을 스위칭하는 순간을 동기화한다.

명백하게도, 중간 전압 탭들이 순차적으로 선택될 때, 도 2와 4의 두 대안의 실시예에서처럼, 버스 I의 N개의 도선의 구동 버퍼를 제어하는 것은 시프트 레지스터나 등가 회로 장치를 이용하여 매우 간단하고 효과적인 방식으로 구현될 수 있다.

명백하게도, 사용되는 전력 스위치 종류에 따라, 각각의 구동 버퍼는 의심스런 스위칭을 막기 위해, 또는 위험한 작업 상황이 감지될 때 스위칭을 중단시키기 위해, 공지된 기술에 따라 전력 장치의 제어 회로를 통합할 수 있다.

충분한 수의 중간 전압 탭을 제공함으로서, 가용한 탭들 사이에서 적절히 선택하는 N개의 중간 전압 탭의 선택 순서를 단순히 프로그래밍하여 요망 교류 출력 전압의 통상적 값을 프로그래밍할 수도 있다. 이는 변성기를 필요로하지 않으면서 교류 주파수와 교류 출력 전압을 수정하게 할 수 있다.

출력 파형도 사인파와 다른 의도적 형태로 프로그래밍할 수 있다.

다중셀 축전지 B5가 축소된 면적(B1의 면적에 비해 4~5배 작은 면적)의 단위 셀에 의해 구성될 수도 있다. 왜냐하면 B5가 상대적으로 더 짧은 시간 구간동안 (방전 단계에서) 동작하기 때문이다. 매우 짧은 방전 구간과 비교적 긴 정지 구간이 교대하는 동작 조건하에서, 레독스 축전지는 어떤 문제도 없이 평가 전력의 4~5배의 과부하를 감내할 수 있다. 선택의 문제로, 축전지의 단위 셀들의 면적은 발명의 인버터의 방전 구간 중 상대적인 "듀티-사이클"의 함수로 변화할 수 있다.

본 발명에 따르는 광전지 패널 설비가 도 5에 도식적으로 그려져 있다.

예를 들어, 각각 12볼트의 평가 전압을 가지는 12개의 표준 패널을 이용함으로서, 직렬로 패널들을 연결하여 144볼트의 총 평가 전압을 얻을 수 있다.

단위 셀들로 구성되는 레독스 축전지의 여러 중간 전압 탭을 이용하여, 조사 조건의 함수로 어떤 순간에 패널로부터 추출될 수 있는 최대 전력에 상응하는 전압-전류 도메인의 특성 곡선의 점에 가장 가까운 값에서 카운터 전압을 유지할 수 있다.

더욱이, 동일한 레독스 배터리로부터, 앞서 설명한 바와같이 조직된 중간 전압 탭과 그 관련 전력 스위치를 이용하여, 사인파 교류 출력 전압을 직접 얻는 것이 가능하다.

이 경우에, 발생된 교류 전압은 앞서 설명한 이유 때문에 110볼트나 이보다 약간 낮은 RMS값과, 144볼트나 이보다 약간 낮은 피크값을 이론적으로 가질 수 있다.

도면에서는 약 144 볼트의 피크 값을 가지는 사인파형 출력 파형이 본 발명의 인버터에 의해 만들어질 수 있는 방식으로 이해하기 쉽게 그림이 그려져 있다.

인버터의 중간 전압 탭들이 1차 광전지 셀로 기능하는 일련의 광전지 패널에 직접 만들어질 수 있다는 점은 명백하다. 이 경우에, 레독스 배터리는 빛 조사로부터 도출되는 과량의 에너지를 저장하기 위해 전압 안정 버퍼 요소로 사용될 수 있다.

도 6a와 6b, 7a와 7b의 두 쌍은 전기적 자동변성기(도 6b)와 레독스 축전기 자동변성기(도 6a) 사이와, 전기적 변성기(도 7b)와 레독스 축전기 변성기(도 7a)사이의 유사함을 강조하여 보여주고 있다.

발명이 단상 교류 출력의 경우에 대해 설명되었으나, 시스템은 삼상 교류 출력을 구축하기 위해 삼배화될 수 있다.

Claims

1차 연료 전지와 광전지 패널의 축전지, 저장 축전지같이 직렬로 연결되는 단위 전류 소스들의 축전지로부터 어떤 교류 전압에서 전력 생성하기 위한 방법으로서,

- 직렬로 연결되는 단위 셀들의 형태로 다수의 직류 전류 소스를 제공하고 단위 직류 전류 소스의 체인을 따라 다수의 N 중간 전압 탭을 구축하여, 한개의 중간 탭과 이에 인접한, 또는 직렬 단자에 인접한 또다른 중간 탭간에 구성되는 단위 셀들의 수가, 4분 구간으로 생성될 교류 전압 파형의 N개로 구분된 위상의 각 위상 구간에서의 진폭에 비례하며,

- N개의 스위치의 시간에서 한개의 스위치를 순차적으로 그리고 주기적으로 연속적인 방식으로 스위칭하고, 이때 각각의 스위치는 교류 출력 전압의 주기 곱하기 1/(4N)에 대응하는 시간 구간에 대한 것으로서, 그리고 N개의 스위치 중 반주기마다 브리지 스테이지를 통과하는 전류 경로를 스위칭하는,

이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 1차 연료 전지와 광전지 패널의 축전지, 저장 축전지같이 직렬로 연결되는 단위 전류 소스들의 축전지로부터 어떤 교류 전압에서 전력 생성하기 위한 방법.

제 1 항에 있어서, 직렬연결된 상기 단위 셀들은 상기 시스템의 한개의 다중셀 축전지에 속하는 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서, 직렬 연결된 상기 단위 셀들은 N개의 다중셀 축전지에 속하며, 각각의 축전지는 상기 대응관계에 따라 변하는 단위 셀들의 수로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.

제 1 항에 있어서, 어떤 중간 탭을 선택함으로서 회로에 포함되는 단위 셀들의 수가, 각각의 4분 구간이 다시 나누어지는 N개의 불연속 구분 위상의 각 위상 구간에서 사인 함수의 값에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직렬연결된 단위 전류 소스나 셀의 축전지에 대한, 그리고 단위 직류 전류 소스의 체인을 따라 이어지는 N개의 중간 전압 탭에 대한 정적 인버터.

제 5 항에 있어서, 직렬 연결된 상기 모든 단위 셀들이 하나의 다중셀 축전지에 속하는 것을 특징으로 하는 인버터.

제 5 항에 있어서, 직렬 연결된 상기 단위 셀들이 다수의 다중셀 축전지에 속하며, 이때 각각의 다중셀 축전지는 상기 대응관계에 따라 변하는 단위 셀의 수에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 인버터.

제 5 항에 있어서, 어떤 중간 전압 탭을 선택함으로서 회로에 포함되는 단위 셀들의 수가, 각각의 4분구간이 다시 나누어지는 N개로 구분된 위상의 각 우ㅏㅣ상 구간에서 사인 함수의 값에 비례하는 것을 특징으로 하는 인버터.

제 5 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 N개의 전력 스위치의 첫번째 N-도선 제어 버스와, 출력 브리지 스테이지의 상기 네 개의 전력 스위치의 두번째 4-도선 제어 버스로 되는 적어도 N+4개의 구동 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.

제 9 항에 있어서, 상기 구동 버퍼가 소프트웨어를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 인버터.

제 9 항에 있어서, 상기 제어 회로는 구축된 교류 출력 주파수의 주기의 각각의 4분구간에서 N개의 위상 스위칭의 시간을 정함으로서 요망 파형을 구분 및 불연속화하기 위한 클럭 제너레이터를 포함하며, 이때 상기 클럭 제너레이터는 한개 이상의 업다운 카운터를 통해, 반주기 종료시마다 출력 브리지 스테이지를 통해 출력 전류 경로를 스위칭하는 순간을 동기화하는 것을 특징으로 하는 인버터.

한개 이상의 광전지 패널, 한개 이상의 레독스 축전지, 그리고 인버터를 포함하는 광에너지 변환 시스템으로부터 어떤 교류 전압에서 전기적 부하에 전력을 공급하기 위한 시스템으로서, 상기 한개 이상의 레독스 축전지는 직렬 연결된 다수의 단위 셀을 포함하면서 에너지를 저장하고, 상기 레독스 축전지는 직렬 연결된 상기 단위 셀들로 구성되는 직류 전류 소스의 상기 체인을 따라 N개의 중간 전압 탭을 가지며, 상기 인버터는 상기 교류 전압에서 전력을 출력하고, 이때

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 한개 이상의 광전지 패널, 한개 이상의 레독스 축전지, 그리고 인버터를 포함하는 광에너지 변환 시스템으로부터 어떤 교류 전압에서 전기적 부하에 전력을 공급하기 위한 시스템.