KR20090045328A

KR20090045328A - Ａｃ-ｄｃ 변환 장치

Info

Publication number: KR20090045328A
Application number: KR1020097005036A
Authority: KR
Inventors: 켄이치 스즈키; 나루히코 후쿠다
Original assignee: 도쿄 덴료쿠 가부시기가이샤; 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-05-07
Also published as: WO2008041755A1; EP2071700A4; NZ575465A; JPWO2008041755A1; US20090315402A1; CN101523691A; EP2071700A1

Abstract

본 발명은 순시 전압 저하 보상 용량 ≫ 부하 평준화 용량의 경우에도, 작은 크기와 저가의 시스템을 구성하는 것이 가능한 AC-DC 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 변환 장치는, 상용 전원과 부하 사이에 고속 스위치를 연결하고; 상기 고속 스위치와 부하 사이에 전력 저장 장치, AC-DC 컨버터, 및 연계 변압기를 포함하는 PCS를 연결하여 구성된다. 상기 전력 저장 장치를 구성하는 용량의 일부가 NaS 배터리로 구성되며, 상기 커패시터의 대부분의 나머지가 전기 이중층 커패시터로 구성된다.

순시 전압 저하, 정전

Description

ＡＣ-ＤＣ 변환 장치{AC-DC conversion device}

본 발명은 AC-DC 변환 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 순시 전압 저하 대책과 정전 대책 기능을 가지는 AC-DC 변환 장치에 관한 것이다.

전력 저장 장치를 구비하는 AC-DC 변환 장치를 이용하여, 전력 부하가 작은 심야 전력을 저장한다. 그 후, 저장된 전력은 주간의 피크 시간 동안 방전되어, 부하의 평준화를 도모하고, AC-DC 변환 장치에 대한 순시 전압 저하 대책과 정전 대책의 기능을 제공한다.

도 2는 상술한 순시 전압 저하 대책과 정전 대책 같은 기능들을 가지는 AC-DC 변환 장치를 도시한다. 도 2에서, 도면 부호 1은 복수개의 단위 컨버터 (1a) 내지 (1d)로 구성된 AC/DC 컨버터들로 이루어진 교류 직류 변환기를 지칭한다. 각 단위 컨버터 (1a) 내지 (1d)의 직류 측은 NaS 배터리(나트륨-황 배터리)와 같은 이차 전지들을 이용하는 전력 저장 장치(2)에 연결된다. 도면 부호 3은 연계 변압기로서, 그 출력이 연계 차단기(4)를 통해 중요 부하 측 라인에 연결된다. 도면 부호 5는 고속 스위치를 지칭하며, 도면 부호 6은 수전 차단기(received power circuit breaker)를 지칭하며, 도면 부호 7은 바이패스 회로 차단기를 지칭하며, 도면 부호 8은 부하측 회로 차단기를 지칭한다. 이들 도면 부호 1 내지 8은 PCS(전력 변환 시스템)(9)를 구성한다.

전력은 통상적으로 전력 시스템으로부터 부하로 공급된다. 순시 전압 저하 및 정전이 특정 요인으로 발생하는 경우, 제어 회로는 고속 스위치(5)를 개방하고, 전력 저장 장치(2)에 저장된 전력을 AC-DC 컨버터(1), 연계 변압기(3), 및 연계 차단기(4)를 통해 부하에 공급한다. 상술한 바와 같은 장치는 예를 들어 특허 문헌 1에 의해 개시된다.

상술한 바와 같이, AC-DC 변환 장치에서 사용된 전력 저장 장치용 배터리들로 NaS 배터리들이 사용된다. 이러한 NaS 배터리는 정격 용량의 충-방전을 수행한다. 그러나, 짧은 시간으로 제한되면, 정격 용량의 3배 출력의 방전이 가능하다. 각 배터리들의 용량들을 이용하여, 정격 용량의 1배로 부하 평준화 운전을 실시하고, 정격 전압의 3배로 순시 전압 감소 보상 운전을 수행한다.

그 후, 이러한 목적으로 사용된 NaS 배터리에서, 통상적으로 복수개의 50 kW 모듈들이 직렬 및 병렬 형태로 연결되어 전력 저장 장치를 구성한다. 50 kW 모듈들의 구성 방법은 384 개 또는 320 개의 단위 배터리를 사용하여, 하기의 세 조합을 포함한다.

(1): 8개 직렬 연결 × 8개 직렬 연결 × 6개 병렬 연결 = 384개,

(2): 8개 직렬 연결 × 4개 직렬 연결 × 12개 병렬 연결 = 384 개, 및

(3): 8개 직렬 연결 × 4개 직렬 연결 × 10개 직렬 연결 = 320 개.

전력 저장 장치는 통상적으로 (1) 또는 (2)의 방법에 의해 구성된다. 그러나, 고출력에 대응하기 위해 (3)의 방법이 실시된다. 병렬 연결이 수행되면, 각 단 위 배터리의 내부 저항의 불균일에 의해 측방 전류가 각 단위 배터리 내에서 흐르게 되어, 출력이 감소하게 된다. 이러한 출력 감소를 방지하기 위해, 직렬 연결이 이루어진다.

그러나, 상술한 (3)의 모듈 구성의 경우, 단위 배터리의 어느 하나라도 고장이 있으면, 직렬 연결은 전체 모듈들을 사용할 수 없게 된다. 따라서, 시스템 전체의 신뢰성이 저하된다. 반면에, 신뢰성을 개선하기 위해, (1) 또는 (2)의 표준 구성이 사용된다. 순시 전압 저하 보상 용량 ≫ 부하 평준화 용량의 경우, 대용량의 배터리는 도입될 수 없어, 전체 장치의 비용이 현저히 증가된다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 공보 제2004-23860.

본 발명의 목적은, 순시 전압 저하 보상 용량 ≫ 부하 평준화 용량의 경우에도, 작은 크기와 저가의 시스템을 구성하는 것이 가능한 AC-DC 변환 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 특징에 따르면, 상용 전원; 상기 상용 전원과 부하 사이에 연결된 고속 스위치; 및 전력 저장 장치, AC-DC 컨버터, 및 연계 변압기를 포함하는 PCS;를 포함하되, 상기 PCS가 상기 고속 스위치와 상기 부하 사이에 연결되며, 상기 전력 저장 장치를 구성하는 용량의 일부가 이차 전지로 구성되며, 상기 용량의 나머지가 전기 이중층 커패시터로 구성되는 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, NaS 배터리와 상기 전기 이중층 커패시터들 사이의 전기 에너지의 구성비가 NaS 배터리에 대하여 30% 이하이고, 상기 전기 이중층 커패시터에 대하여 70% 이상이다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 AC-DC 컨버터가 복수 개의 단위 컨버터들로 구성된다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 AC-DC 컨버터가 복수 개의 단위 컨버터들로 구성되고, 상기 단위 컨버터들의 각각이 독립적으로 분리된 제어 영역을 구비한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 구성도이다.

도 2는 통상적인 AC-DC 변환 장치를 나타내는 구성도이다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 나타내는 구성도를 보여준다. 도 2와 유사하거나 균등한 부분에 대하여는 도 1에서 동일한 도면 부호를 사용하였다. 도면 부호 10은 전기 이중층 커패시터들로 구성된 제2 전력 저장 장치를 나타내며, 복수 개의 모듈들 (10a) 내지 (10n)으로 구성된다. 4 개의 병렬 연결의 경우가 도 1에 도시된다. 높은 에너지 밀도와 작은 자가 방전을 가지는, NaS 배터리와 같은 이차 전지가 제1 전력저장 장치(2)로 사용된다. 도 1에서, NaS 배터리는 이차 전지로 사용되며, 필요한 절반 이상의 큰 전력을 보상하기 위한 제2 전력저장 장치(10)로서 전기 이중층 커패시터들이 AC-DC 컨버터에 연결된다. 본 실시예에서, NaS 배터리는 필요한 전기 에너지들 중에서 25%(30% 이하) 전기 에너지를 위해 사용되며, 전기 이중층 커패시터들((10a) 내지 (10c)으로 구별되는)은 나머지 75%(70% 이상)을 위해 사용된다. 이러한 전기 이중층 커패시터들은 각각 단위 컨버터 (1b) 내지 (1d)에 연결된다.

즉, 본 발명에 의하면, NaS 배터리와 전기 이중층 커패시터들로 구성된 하이브리드 구성이 전력 저장 장치로 사용된다. 도 1에 도시된 구성에 의하면, 순시 전압 저하 보상 용량 ≫ 부하 평준화 용량의 경우에도, 전기 이중층 커패시터들이 NaS 배터리들에 비교할때 저가이므로, 시스템 전체는 저가가 된다. 적용 퍼센트는 NaS 배터리에 대하여 30% 이하, 전기 이중층 커패시터에 대하여 70% 이상으로 한다. 따라서, 본 시스템은 기능과 비용 면에서 유리하다.

분리된 컨버터들 (1a) 내지 (1d) 에 대한 제어 영역은 공통적일 수 있으나, 각각의 전기 이중층 커패시터들 및 연계 변압기들이 복수개의 각각의 단위 AC-DC 컨버터들에 연결되므로, 각각의 내부 임피던스와 충방전 특성들은 서로 상이할 수 있다. 이러한 점들이 고려되면, 상이한 제어 영역들이 각각의 단위 컨버터들에 대하여 개별적으로 설치되는 것이 더욱 실용적이 된다.

다음으로, 상술된 실시예의 동작을 설명한다. 통상적으로, 회로 차단기(4) 내지 (8) 각각이 턴온되면, 전력이 상용 전원으로부터 부하측으로 공급된다. 이 상태에서, 어떤 이유로 인해 상용 전원측에서 순시 전압 저하가 발생한다. 그 전압 저하율이 기 예측된 값 이상이면, 고속 스위치(5)는 순간적으로 턴오프되고, 기 예측된 전압 저하율에 대응하는 AC-DC 컨버터(1)의 단위 AC-DC 컨버터 (1a) 내지 (1d) 중의 임의의 하나 또는 임의의 조합에 의해, 인버터 동작이 시작되고, 전원으로 NaS 배터리(2) 및 전기 이중층 커패시터들(10)에 축적된 에너지를 연계 변압 기(3), 회로 차단기(4) 및 (8)을 통해 중요 부하측으로 기 결정된 전력으로 공급한다. 전력의 공급은 고속 스위치(5)와 상용 전원 사이의 전압이 회복될 때까지 계속된다.

정전이 상용 전원 측에서 발생하는 경우, 순시 전압 저하의 경우와 동일한 방법에 따라, PCS에서 중요 부하측으로의 전력 공급이 수행된다. 이 경우, 검출 수준이, 순시 전압 저하의 검출 수준을 초과하는 기 예측된 정전 문턱 값에 도달할 때, 정전으로 판단하고, 전원 측 회로 차단기(6)와 바이패스 회로차단기(7) 모두가 고속 스위치(5)와 함께 턴오프되어, 전력 저장 장치(2), (10), AC-DC 컨버터(1), 연계 변압기(3), 및 회로 차단기(8)를 통해 중요 부하측으로의 전력 공급이 수행된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전력 저장 장치는 NaS 배터리(들)와 전기 이중층 커패시터들의 하이브리드 구성을 채택한다. 이러한 구성으로, 전체 시스템은 순시 전압 저하 보상 용량 ≫ 부하 평준화 용량의 경우에도, 작은 크기와 저비용을 달성하게 된다.

상술한 구체적인 실시예에 상세한 설명이 이루어졌으나, 다양한 변형과 정정이 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이루어질 수 있음은 본 기술분야 내의 당업자에 의해 명확히 이해될 것이다. 이러한 변형들과 정정들은 첨부된 청구범위의 범위 내에 당연히 속하게 된다.

Claims

상용 전원;

상기 상용 전원과 부하 사이에 연결된 고속 스위치; 및

전력 저장 장치, AC-DC 컨버터, 및 연계 변압기를 포함하는 PCS;

를 포함하되,

상기 PCS가 상기 고속 스위치와 상기 부하 사이에 연결되며,

상기 전력 저장 장치를 구성하는 용량의 일부가 이차 전지로 구성되며, 상기 용량의 나머지가 전기 이중층 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 AC-DC 변환 장치.
제1항에 있어서,

상기 이차 전지와 상기 전기 이중층 커패시터 사이의 전기 에너지의 구성비가 상기 NaS 배터리에 대하여 30% 이하이고, 상기 전기 이중층 커패시터에 대하여 70% 이상인 것을 특징으로 하는 상기 AC-DC 변환 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 AC-DC 컨버터가 복수 개의 단위 컨버터들로 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 AC-DC 변환 장치.
제3항에 있어서,

상기 AC-DC 컨버터가 복수 개의 단위 컨버터들로 구성되고, 상기 단위 컨버터들의 각각이 독립적으로 분리된 제어 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 상기 AC-DC 변환 장치.