KR20110114697A - Ａｃ 및 ｄｃ 전력 용량들을 갖는 하이브리드 분배 변압기 - Google Patents

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Abstract

전자기 변압기 및 DC 브릿지를 구비한 AC-AC 변환기를 포함하는 하이브리드 변압기가 제공된다. AC-AC 변환기는 실질적으로 동상인 하이브리드 변압기의 입력 전압 및 전류를 유지하고 입력 전압의 증가 또는 감소의 경우 하이브리드 변압기의 출력 전압의 섭동을 감소시키도록 동작가능하다.

Description

ＡＣ 및 ＤＣ 전력 용량들을 갖는 하이브리드 분배 변압기{A HYBRID DISTRIBUTION TRANSFORMER WITH AC ＆ DC POWER CAPABILITIES}
본 발명은 변압기들에 관한 것으로 특히 전력 전자기기들을 이용한 하이브리드 분배 변압기에 관한 것이다.
현대 사회가 디지털 시대로 이동함에 딸 고품질 전기의 더욱 신뢰성 있는 공급의 개발이 필요해지고 있다. 최종 이용자들에 전기를 공급하는 필수적인 구성요소가 분배 변압기이다. 종래의 분배 전압기는 하나의 전압에 있는 전기를 더 높거나 낮은 값을 갖는 다른 전압의 전기로 변환한다. 변압기는 각각 강자성 코어에 감겨져 있고 다수의 전기 도체의 턴(turn)들을 포함하는 1차 권선 및 2차 권선을 이용하여 이 전압 변환을 달성한다. 현대의 전력 분배 시스템들에서 이용되는 종래의 분배 시스템들은 새그(sag)들/스웰(swell)들/왜곡과 같이, 불량한 전력 품질에 대비하여 디지털 부하들을 보호할 수 없다. 전압 교란(voltage disturbance)들이 해마다 전세계의 산업계에 수백만 달러를 소비하게 하는 것으로 추정된다.
때때로 시스템들은 전력 품질을 개선시키기 위해 전력 분배 라인에 접속된다. 그와 같은 시스템들의 예는 동적 전압 복원기들(dynamic voltage restorers: DVRs) 및 정적 VAR 보상기들(static VAR compensators: SVCs)을 포함한다. DVR들은 전압 공급 시에 새그들 및 스파이크(spike)들 동안 동작하는 전기 부하를 지속하거나 복원하고, 반면에 SVC들은 전력 네트워크들 상에 고속 작동 반은 전력 보상을 제공한다. DVR들 및 SVC들은 흔히 종래의 분배 변압기들에 접속되어 함께 이용되는 "애드 온(add on)" 시스템들이다.
최근에, 전력 기기들을 종래의 분배 변압기와 결합하여 전력 품질을 개선하는 것이 제안되었다. 본 발명은 그와 같은 변압기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 변압기가 제공된다. 하이브리드 변압기는 소스로부터 입력 전압 및 전류를 수신하기 위한 1차 측 및 출력 전압 및 전류를 부하에 제공하기 위한 2차 측을 갖는다. 하이브리드 변압기는 AC-AC 변환기, 강자성 코어 및 코어 상에 감겨 있는 제 1, 제 2 및 제 3 권선들을 포함한다. 제 1, 제 2 및 제 3 권선들 중 적어도 하나는 소스로의 접속을 위한 1차 권선이고, 제 1, 제 2 및 제 3 권선들 중 적어도 하나는 부하로의 접속을 위한 2차 권선이다. AC-AC 변환기는 제 1 권선에 접속되는 제 1 스위칭 브릿지(switching bridge), 제 2 권선과 직렬로 접속되는 제 2 스위칭 브릿지, 및 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들 사이에서 접속되는 DC 브릿지, 및 제어기를 포함한다. 제어기는 하이브리드 변압기의 1차 측에서의 역률(power factor)을 제어하고 입력 전압이 변화하는 경우 출력 전압에서의 변동들을 감소시키기 위해 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들을 제어하도록 동작가능하다.
또한 본 발명에 따르면 소스로부터 입력 전압 및 전류를 수신하기 위한 1차 측 및 출력 전압 및 전류를 부하에 제공하기 위한 2차 측을 갖는 다른 하이브리드 변압기가 제공된다. 하이브리드 변압기는 강자성 코어 및 코어 주위에 감겨 있는 제 1 및 제 2 권선들을 포함한다. 제 1 권선은 대향하는 종단들, 상기 종단들 사이에 배치되는 복수의 턴들, 턴들 중 하나에 접속되는 탭(tap)을 갖는다. 탭은 제 1 권선의 권선부들을 규정하는 것을 돕는다. 제 1 및 제 2 권선들 중 하나는 소스로의 접속을 위한 1차 권선이고 제 1 및 제 2 권선들 중 다른 하나는 부하로의 접속을 위한 2차 권선이다. 전력 전자 모듈은 제 1 권선의 탭에 접속된다. 제어 디바이스는 출력 전압의 변화들을 조절하기 위해 전력 전자 모듈을 제어하고 하이브리드 변압기의 1차 측에서의 역률을 제어하도록 동작가능하다.
본 발명의 특징들, 양태들, 및 장점들이 다음의 기술, 첨부된 청구항들, 및 첨부 도면들에 관하여 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 구성되는 제 1 하이브리드 변압기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 구성되는 제 2 하이브리드 변압기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 3은 제 1 하이브리드 변압기에서 이용되는 제 1 AC-AC 변환기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 4는 제 2 하이브리드 변압기에서 이용되는 제 2 AC-AC 변환기를 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 5는 펄스 폭 변조에 의해 형성되는 사인 파형의 개락도.
도 6은 위상 동기 루프(phase lock loop)의 기능 블록도.
도 7은 전류 및 (허수)-dq 변환에 대한 기능 블록도.
도 8은 d-q 벡터 제어에 대한 기능 블록도들.
도 9는 D-Q 대 (허수) 변환에 대한 기능 블록도들.
도 10은 AC-AC 변환기를 위한 게이팅 신호들의 생성에 대한 기능 블록도들.
도 11은 제 2 AC-AC 변환기를 위한 게이트 신호들에 대한 기능 블록도들.
도 12는 출력 전압 a-dq 변환에 대한 기능 블록도들.
도 13은 d-q 전압 제어에 대한 기능 블록도들.
도 14는 d-q 기준 전압 대 abc 축에 대한 기능 블록도.
도 15는 제 1 AC-AC에 대한 SPWM 변조를 도시한 도면.
도 16은 제 2 AC-AC 변환기에 대한 SPWM 변조를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 구성되는 제 3 하이브리드 변압기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 구성되는 제 4 하이브리드 변압기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 19는 도 17 및 도 18에 도시된 제 2 및 제 4 하이브리드 변압기들에서 이용되는 전력 전자 모듈의 개략적인 회로롤 도시한 도면.
도 20은 IED 및 통신 링크를 구비한 하이브리드 변압기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 21은 배터리 뱅크(battery bank)를 구비한 AC-AC 변환기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 22는 본 발명에 따라 구성되는 3상 하이브리드 변압기의 개략적인 회로를 도시한 도면.
도 23은 본 발명의 시뮬레이팅된 하이브리드 변압기의 과도 전압 조정 능력의 플롯을 도시한 도면.
도 24는 본 발명의 시뮬레이팅된 하이브리드 변압기의 장시간 (새그) 전압 조정 능력의 플롯을 도시한 도면.
도 25는 역률 보상을 위한 본 발명의 하이브리드 변압기의 애플리케이션을 도시한 도면.
도 26은 병렬 라인들에서의 위상 변이 및 전력-플로우 제어에 대한 본 발명의 하이브리드 변압기의 애플리케이션을 도시한 도면.
도 27은 하이브리드 변압기에 의해 AC 및 DC 부하들에 전력이 공급되는 데이터센터에 대한 본발명의 하이브리드 변압기의 애플리케이션들 도시한 도면.
이후의 상세한 설명에서 동일한 구성요소들은 본 발명의 상이한 실시예들에서 도시되는지의 여부와는 관계없이, 동일한 참조 번호들을 갖는 것이 주목되어야 한다. 또한 본 발명을 명확하고 간소하게 개시하기 위해서, 도면들은 반드시 축적대로일 필요가 없을 수 있고 본 발명의 특정한 특징들은 어느 정도 개략적인 형태로 도시될 것임이 주목되어야 한다.
본 발명은 전력의 분배에서 이용될 수 있는 하이브리드 변압기에 관한 것이다. 하이브리드 변압기는 일반적으로 전자기 변압기 및 전력 전자 AC-AC 변압기를 포함한다. 전자기 변압기는 강자성 코어, 각각 각자성 코어에 감겨 있는 1차 권선 구조 및 2차 권선 구조를 포함한다. 1차 권선 구조는 하나 이상의 1차 권선들을 포함하고 2차 권선 구조는 하나 이상의 2차 권선들을 포함한다. 전자기 변압기는 액체-충전 변압기일 수 있고, 여기서 코어 및 1차 및 2차 권선 구조들은 유전성 유체에 침지되지 않으나, 대신 유전성 수지에 둘러싸이거나 비활성 기체, 또는 단순하게 주변 공기에 의해 둘러싸인다. 하이브리드 변압기는 단일 상 변압기, 3상 변압기, 또는 자중 위항(> 3상들) 변압기일 수 있다. 하이브리드 변압기는 극-실장(pole-mounted) 또는 패드-실장될 수 있다.
본 발명에 따라 구성되는 하이브리드 변압기의 두 실시예들이 도 1 및 도 2에 도시되고 각각 참조 번호들(10, 100)에 의해 지정된다. 하이브리드 변압기(10, 100)는 AC-AC 변환기(14, 114)와 통합된 전자기 변압기(12, 102)를 포함한다. 전자기 변압기(12, 102)는 강자성 코어(16) 및 적어도 세 권선들을 포함한다. 예를 들면,: 하나의 1차 권선 및 2개의 2차 권선들, 또는 2개의 1차 권선들 및 하나의 2차 권선. 하이브리드 변압기(10, 100)는 약 67 kVA의 전력 레이팅(power rating) 및 약 7.97 eV 내지 277V의 전압 레이팅(voltage rating)을 갖는다.
AC-AC 변환기(14, 114)는 1차 권선 구조 및 2차 권선 구조에 접속된다. AC-AC 변환기(14, 114)가 1차 권선 구조에 접속되면, 1차 권선 구조는 적어도 2개의 1차 권선들을 포함하고 AC-AC 변환기(14, 114)가 2차 권선 구조에 접속되면, 2차 권선 구조는 적어도 두 2차 권선들을 포함한다. 종단들이 AC-AC 변환기(14, 114)에 접속되는 측(1차 또는 2차)에서의 권선은 근위(proximate) 권선으로 칭해질 것이고 상기 측에서의 다른 권선(들)은 원위(distal) 권선(들)으로 칭해질 것이다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 하이브리드 변압기(10)는 단일 1차 권선(20)을 구비하는 1차 권선 구조(18) 및 2개의 2차 권선들(24, 26)을 구비하는 2차 권선 구조(22)를 갖는 전자기 변압기(12)를 포함한다. AC-AC 변환기(14)는 2차 권선(26)의 종단들에 접속되고 2차 권선(24)에 직렬로 접속된다. 2차 권선 구조 양단의 전압(Vout)은 2차 권선(24) 양단의 전압(Vout1)에 AC-AC 변환기(14) 양단의 전압(Vout2)을 더한 것과 같다. 정상적인 동작 조건들 하에서, 2차 권선(24)은 부하에 100%의 출력 전압을 발생시킨다. 필요할 때, 2차 권선(26)은 부하에 최대 20%의 출력 전압을 발생시킨다. 하이브리드 변압기(10)는 1차 권선(20)이 8.66kV의 전압을 지원할 수 있고, 2차 권선(24)이 277V의 전압을 발생시킬 수 있고 2차 권선(26)이 권선(24)의 전압의 20%에 해당하는 전압 55.4V의 전압을 발생시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 하이브리드 변압기(100)는 두 1차 권선들(106, 108)을 구비한 1차 권선 구조(104) 및 단일 2차 권선(116)을 갖는 2차 권선 구조(112)를 포함한다. AC-AC 변환기(114)는 1차 권선(108)의 종단들에 접속되고 1차 권선(106)과 직렬로 접속된다. 1차 권선 구조 양단의 전압(Vin)은 1차 권선(106) 양단의 전압(Vin1)에 AC-AC 변환기(114) 양단의 전압(Vin2)을 더한 것과 같다. 1차 권선 구조(104)는 정상적인 조건들 하에서, 1차 권선(106)이 입력 신호의 100%를 지원하도록 구성된다. 필요할 때, 1차 권선(108)은 입력 전압의 약 20%를 지원할 수 있다. 하이브리드 변압기(100)는 1차 권선(106)이 7.97kV의 전압을 지원할 수 있고, 1차 권선(108)이 1.59kV의 전압을 지원할 수 있고, 2차 권선(116)이 277V의 전압을 제공할 수 있고 0.1 pu의 누설 저항이 있도록 구성될 수 있다. 입력 전압이 AC-AC 변환기(114)로부터 출력된 전압에 1차 권선(106)의 전압을 더한 것과 같으므로, AC-AC 변환기(114)로부터 출력된 전압의 제어는 입력 전압, 따라서 출력 전압을 제어한다.
AC-AC 변환기(14)는 도 3에 도시된 구조를 갖는 AC-DC-AC 변환기일 수 있다. 이 실시예에서, AC-AC 변환기(14)는 DC 링크 또는 브릿지(32)에 의해 제 2 스위칭 브릿지(34)에 접속되는 제 1 스위칭 브릿지(30)를 포함한다. 제 1 스위칭 브릿지(30)는 2차 권선(26)의 종단들에 접속된다. 필터(31)는 1차 스위칭 브릿지(30) 및 2차 권선(26) 사이에서 접속될 수 있다. 다른 필터(31)는 또한 2차 스위칭 브릿지(34)의 출력부에 접속될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들(30, 34)의 각각은 제어기(36)에 접속되어 상기 제어기(36)에 의해 제어된다. 게다가, 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들(30, 34)의 각각은 복수의 스위칭 디바이스들(38)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들(30, 34)의 각각은 병렬로 접속되는 한 쌍의 암(arm)들을 포함할 수 있고, 각각의 암은 직렬로 접속되는 한 쌍의 스위칭 디바이스들(38)을 갖는다. 각각의 스위칭 디바이스(28)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor: IGBT) 및 반-평행 다이오드(anti-parallel diode)일 수 있다. DC 브릿지(32)는 직렬로 접속되는 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터들은 동일하거나 상이한 커패시턴스들을 가질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, DC 브릿지(32)는 4개의 커패시터들(40, 42, 44, 46)을 가질 수 있다. 복수의 DC 탭들은 DC 브릿지(32)에 접속되고 상이하게 유지되는 DC 전압 레벨들을 제공한다. 특히, 3개의 DC 탭들(48, 50, 52)은 커패시터들(40, 42, 44, 46)의 쌍들 사이에 각각 접속될 수 있고, 12 볼트, 24 볼트, 및 100 볼트의 유지 전압들을 가질 수 있다. 이 탭들(48, 50, 52)의 결합들은 36, 112, 123, 및 136 전압 DC를 획득하는데 이용될 수 있다. 다른 전압 레벨들이 또한 구현될 수 있다.
AC-AC 변환기(114)는 도 4에 도시된 구조를 갖는 AC-DC-AC 변환기일 수 있다. 이 실시예에서, AC-AC 변환기(114)는 3개의 레벨들을 갖는 중립 지점 변환기(neutral point converter: NPC)이다. AC-AC 변환기(114)는 DC 링크 또는 브릿지(132)에 의해 제 2 스위칭 브릿지(134)에 접속되는 제 1 스위칭 브릿지(130)를 포함한다. 제 1 스위칭 브릿지(130)는 전압원에 접속된다. 필터(31)는 제 1 스위칭 브릿지(130) 및 전압원 사이에 접속될 수 있다. 다른 필터(31)는 제 2 스위칭 브릿지(134) 및 1차 권선(108) 사이에 접속될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들(130, 134)의 각각은 제어기(136)에 접속되고 상기 제어기(136)에 의해 제어된다. 게다가, 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들(30, 34)의 각각은 복수의 스위칭 디바이스들(138)을 포함한다. 도 4에 도시되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들(130, 134)의 각각은 병렬로 접속되는 한 쌍의 암들을 포함할 수 있고, 각각의 암은 직렬로 접속되는 4개의 스위칭 디바이스들(138)을 갖는다. 각각의 암에서, 클램핑 다이오드(clamping diode)(140)는 스위칭 디바이스들(138)의 상부 쌍 및 스위칭 디바이스들(138)의 하부 쌍 사이에서 접속된다. 각각의 스위칭 디바이스(138)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 반-평행 다이오드일 수 있다. DC 브릿지(132)는 직렬로 접속되는 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 도 4에 도시되는 바와 같이, DC 브릿지(132)는 두 커패시터들(142, 144)을 가질 수 있다. 클램핑 다이오드들(140)은 커패시터들(142, 144) 사이에, 즉, 전압이 전체 DC 브릿지(132) 양단의 전압의 절반인 중간 또는 중립 지점에 있는 DC 브릿지(132)에 접속(클램핑)된다. 탭(150)은 또한 중립 지점에 접속될 수 있다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 각각의 필터(31)는 라인들(151, 153)에 각각 접속되는 인덕터들(147)을 포함한다. 커패시터(149)는 라인들(151, 153) 사이에서 병렬로 접속된다. 필터들(31)은 높은 주파수의 고조파들이 스위칭 디바이스들(38, 138)의 스위칭의 결과로 변압기(10, 100)의 출력 전압 및 1 차 및 2 차 권선들 내의 전류들에 유입되지 않도록 방지하는 것을 원조한다. 필터들(31)이 LC 필터인 것으로 도시될지라도, 다른 유형의 필터들이 이용될 수 있음이 또한 인정되어야 한다. 예를 들면, L 또는 LCL 필터가 이용될 수 있다.
상이한 구성들 또는 기하학적 구조들을 갖는 AC-AC 변환기들(14, 114)이 도시될지라도, 이것들은 양쪽 모두가 AC-AC 변환기(14)에 대해 상술한 기하학적 구조 또는 AC-AC 변환기(114)에 대해 상술한 기하학적 구조일 수 있는 동일한 기하학적 구조를 가질 수 있음이 인정되어야 한다. 다른 기하학적 구조들이 DC 링크 또는 브리지를 갖는다면, AC-AC 변환기들(14, 114) 모두에 대해 다른 AC-AC 변환기 기하학적 구조들이 이용될 수 있음이 추가로 인정되어야 한다. 예를 들면, 4, 5 등의 레벨들을 갖는 NPC AC-AC 변환기들이 이용될 수 있다. DC 출력들을 요구하지 않는 상기 애플리케이션들의 경우, DC 브릿지를 구비하지 않은 AC-AC 변환기가 이용될 수 있다.
제어기들(36 및 136)은 각각 연관된 메모리 내에 저장되는 프로그램을 실행하기 위한 프로세서를 포함한다. 제어기들(36 및 136)은 펄스폭 변조(pulse width modulation: PWM)를 이용하여, 각각 AC-AC 변환기들(14, 114)을 제어하고, 여기서 스위칭 디바이스들(38, 138)은 일련의 전압 펄스들을 생성하기 위해 개방 또는 단란되고, 평균 전압은 듀티 사이클(duty cycle), 즉 펄스들의 "온" 및 "오프" 시간들에 피크 전압을 곱한 것이다. 이 방식에서, 사인파는 도 5에 도시된 바와 같이 일련의 가변-폭 양 및 음의 전압 펄스들을 이용하여 근사화될 수 있다. 사인 파의 위상 및 진폭은 PWM 패턴을 변경함으로써 변경될 수 있다.
AC-AC 변환기들(14, 114)의 각각에서, 제어기(36, 136)는 AC-AC 변환기(14, 114)로부터 전송되는 실 전력의 균형을 맞추고 변압기 결합을 통해 부하에 무효 전력을 공급함으로써 1차 측 역률을 제어하기 위하여 제 1 스위칭 브릿지(30, 130)를 제어한다. 제어기(36, 136)는 3상 정상 좌표 시스템으로부터 dq 회전 좌표 시스템으로 좌표들을 변환하는 d-q 변환에 기초하여, 제 1 스위칭 브릿지(30, 130)를 제어한다. 이 변환은 전형적으로 2 단계들로 행해진다: 1) 3상 정상 좌표 시스템으로부터 2상, 소위 ab 정상 좌표 시스템으로의 변환 및 2) ab 정상 좌표 시스템으로부터 dq 회전 좌표 시스템으로의 변환. 도 6에 도시되는 바와 같이 위상 동기 루프는 1차 측 전압의 위상 각을 추출하는데 이용될 수 있다. 단일 위상 변환기에 대한 d-q 변환은 3상 시스템에 대한 것과 유사하다. 그러나, 단 하나의 가변 위상만이 존재하므로, 실제 신호에 90도 지상인 대응하는 허수의 변수가 가정되어야 한다.
실 신호 XR = XMcos(ωt + Φ)
허수의 변수 : XI = XMsin(ωt + Φ)
회전 변환 행렬(T)을 정적 실 및 허수 변수들에 적용:
Figure pct00001
D-Q 회전 좌표들에서의 변수들은:
Figure pct00002
이 된다.
dq 회전 좌표들로부터 정상 실 및 허수 변수들로의 역 변환은:
Figure pct00003
이다.
전류 (및 허수의)-dq 변환에 대한 기능 블록도가 도 7에 도시된다. 도 7 및 도 8에서, 용어 "정류기(recitifier)"는 DC 브릿지(32, 132)를 칭한다.
제어기(36, 136)는 기준 DC 전압을 따라 실 전력의 균형을 맞추기 위해 DC 브릿지(32, 132) 양단의 전압을 제어한다. 기준 DC 전압은 AC-AC 변환기가 미리 결정된 양의 전압 스웰 및 새그까지, 예를 들면, 정상 입력 전압의 최대 15%의 전압 스웰 및 정상 입력 전압의 최대 35%의 전압 스윕을 보상할 수 있도록 선택된다. 하이브리드 변압기(10)의 제 1 예시적인 실시예에서, 기준 DC 전압은 0.5kV이고, 반면에 하이브리드 변압기(100)의 제 1 예시적인 실시예에서, 기준 DC 전압을 4.5kV이다. 게다가, 제어기(36, 136)는 1차 측 전류의 q-축 성분을 영이 되도록 제어하고, 영은 하이브리드 변압기(10, 100)로의 입력의 단위 역률(unity power factor)이다. d-q 벡터 제어에 대한 기능 블록도들이 도 8에 도시된다. 우선 d-축 루프에서, DC 링크(DC 브릿지(32, 132))는 기준 DC 전압과 비교되고 그 차가 (Id_ref)를 생성하는 비례 적분(proportional integral: PI) 조정기에 공급된다. 그 다음, 정류기(DC 브릿지(32, 132))의 (Id)는 (Id_ref)와 비교되고 그 차가 (Vd_ref)를 생성하기 위한 다른 PI 조정기에 공급된다. q-축 루프에서, 소스 전류의 (Iq)는 0과 비교되고 그 차가 2차 측에 있는 정류기에 대한 (Iq_ref)를 생성하는 PI 조정기에 공급된다. 그 다음, Iq_정류기는 (Iq_ref)와 비교되고 그 차가 (Vq_ref)를 생성하기 위한 다른 PI 조정기에 공급된다. d-q 전압들(Vdref 및 Vqref)은 정현 PWM(SWPM)에 대한 변조 신호를 생성하기 위해 A 및 a-허수축으로 변환된다. 그 다음, 게이팅 신호들은 제 1 스위칭 브릿지(30, 130)의 스위칭 디바이스들에 송신된다. D-Q 대 a(a 허수) 변환에 대한 기능 블록도들이 도 9에 도시된다. AC-AC 변환기(14)를 위한 게이팅 신호들은 도 10에 도시되고 AC-AC 변환기(114)에 대한 게이팅 신호들에 대한 기능 블록도들이 도 11에 도시된다.
AC-AC 변환기들(14, 114)의 각각에서, 제어기(36, 136)는 설정된 값 또는 기준 출력 전압(480V/sqrt(3) RMS)과 같은)에서 출력 전압을 유지하거나 깨끗한 정현 파형이 되도록 제 2 스위칭 브릿지(34, 134)를 제어한다. 그러므로, 전압 새그의 경우에, 제어기(36, 136)는 AC-AC 변환기(14, 114)의 전압 출력을 증가시키고, 전압 스웰의 경우에, 제어기는 AC-AC 변환기(14, 114)의 전압 출력을 감소시킨다. 2차 권선(24)을 완전하게 이용하고 순환 전류를 방지하기 위해, 제어기(36)는 2차 권선(24)의 전압과 동상이도록 AC-AC 변환기(14)의 출력 전압을 제어한다. 마찬가지로, 이력 전압을 완전히 이용하고 순환 전류를 방지하기 위해, 제어기(136)는 1차 권선(106)의 전압과 동상이 되도록 AC-AC 변환기(114)의 출력 전압을 제어한다.
제어기(36, 136)는 또한 d-q 변환기에 기초하여 제 2 스위칭 브릿지(34, 134)를 제어한다. 우선, 하이브리드 변압기(10, 100)의 출력 전압은 1차 측 전압을 위한 위상 고정 루프로부터의 위상 각을 이용하여, abc(a 및 a 허수 축)으로부터 d-q 축으로 변환된다. 출력 번압 a-dq 변환에 대한 기능 블록도들이 도 12에 도시된다. 이때 출력된 d-q 전압들은 기준 출력 d-q 전압들과 비교되고, 그 차이들이 AC-AC 변환기에 대한 d-q 전압 기준들을 생성하기 위해, 각각 PI 조정기들에 공급된다. 제어기(36, 136)의 목적은 변압기 출력 전압을 1.0pu로 조정하는 것이다. 그러므로, 벡터 크기는 1.0pu와 비교, 즉, Vd_ref가 1.0pu로 설정되고, 이것은 AC-AC 변환기(14)의 경우, AC-AC 변환기(14)의 출력 전압이 1차 측 전압 및 2차 권선(24)과 동상이 되고 AC-AC 변환기(114)의 경우, AC-AC 변환기(114)의 출력 전압이 소스 전압 및 1차 권선(106)과 동상이 되도록, 하이브리드 변압기(10, 100)의 출력 전압이 480V/sqrt(3) RMS으로 조정되고, Vq_ref가 0으로 설정되는 것을 의미한다. d-q 전압 제어에 대한 기능 블록도들이 도 13에 도시된다. d-q 전압 기준들은 a( 및 a 허수) 축으로 변환되고, 변환된 것은 이후에 SPWM 제어를 위안 변조 신호에 이용된다. d-q 기준 전압 대 abc 축에 대한 기능 블록도가 도 14에 도시된다. AC-AC 변환기(14)에 대한 SPWM 변조가 도 15에 도시되고 AC-AC 변환기(114)에 대한 SPWM 변조가 도 16에 도시된다.
하이브리드 변압기들(10, 100)에서, AC-AC 변환기들(14, 114)은 단락 회로 고장들로부터 보호된다.
하이브리드 변압기(10)에서, 제어기(36)는 하이브리드 변압기(10)의 입력 전압 및 출력 전압을 모니터링한다. 출력 전류가 미리 결정된 한계를 초과함으로써, 출력에서 단락 회로 고장을 나타내면, 또는 입력 전압이 특정한 레벨 이하로 강하함으로써, 입력에서 단락 회로 고장을 나타내면, 제어기(36)는 스위칭 디바이스들(38)의 모두의 펄스 폭 변조를 중단, 즉 스위칭 디바이스들(38)을 턴오프(개방)함으로써, 소스로부터 부하를 차단한다. 이 방식에서, AC-AC 변환기(14)는 회로 차단기 역할을 한다.
하이브리드 변압기(100)에서, AC-AC 변환기(114)가 단락 회로 고장인 경우 전체 전압의 영향을 받을 수 있는 것이 가능하다. 이 증가된 전압으로부터 AC-AC 변환기(114)를 보호하기 위해, 제어기(136)는 AC-AC 변환기(114)의 전압을 모니터링한다. 전압이 미리 결정된 레벨을 넘어 증가함으로써, 고장을 나타내는 경우, 제어기(136)는 제 1 스위칭 브릿지(130)에서 (S1a, S1b, S2a, S2b)로 지정된 상부 네 스위칭 디바이스들(38)(또는 S3a, S3b, S4a, S4b로 지정된 하부 네 스위칭 디바이스들)을 턴 온(닫음)함으로써, AC-AC 변환기(114)가 우회되도록 한다. 추가 보호를 제공하기 위해, 회로 차단기(170)는 소스 및 AC-AC 변환기(114) 사이에 접속될 수 있다. 회로 차단기(170)는 고체 상태 회로 차단기 또는 전기-기계 회로 차단기일 수 있다. 회로 차단기(170) 대신에, 우회 스위치(172)가 AC-AC 변환기(114) 및 1차 권선(106) 사이에서, AC-AC 변환기(114)와 병렬로 접속될 수 있다.
상술한 바와 같이, 하이브리드 변압기들(10, 100)은 각각 세 권선들을 갖는다. 본 발명에 따라 구현되는 하이브리드 변압기는 3보다 적은 권선들을 가질 수, 즉 단일 1차 권선 및 단일 2차 권선을 가질 수 있다. 후술되는 하이브리드 변압기들(54, 74)은 2개의 그러한 예들이다.
이제 도 17을 참조하면, 하이브리드 변압기(54)는 하나 이상의 탭들을 구비하는 단일 2차 권선(57) 및 단일 1차 권선(58)을 갖는, 전자기 변압기(56)를 포함한다. 각각의 탭은 2차 권선(57)의 종단들 사이에서, 2차 권선(57)의 턴에 접속된다. 내부 탭(59)은 2차 권선(57)을 2개의 권선부들(60 및 62)로 분할한다. 권선부(60)는 내부 탭(59) 및 2차 권선(57)의 제 1 말단, 또는 대안으로, 다른 외부 탭에 의해 형성된다. 유사하게, 권선부(62)는 내부 탭(59) 및 2차 권선(57), 또는 대안으로, 다른 외부 탭에 의해 형성된다. 1차 및 2차 권선들은 강자성 코어(64) 주위에 감겨 있는다. 전력 전자 모듈(65)은 2차 권선(57)의 권선부(62) 양단에 접속된다. 전압 "AC 출력"은 2차 권선의 권선부(60) 양단의 전압에 전력 전자 모듈(65) 양단의 전압을 더한 것과 같다. 출력 전압이 전력 전자 모듈(65)로부터 출력되는 전압에 권선부(60)의 전압을 더한 것과 같으므로, 전력 전자 모듈(65)로부터 출력되는 전압의 제어는 하이브리드 변압기(54)의 출력 전압을 제어한다. 후술되는 바와 같이, 전력 전자 모듈(65)은 부하가 하이브리드 변압기(54)의 DC 외부 단말들(66)에 접속될 때 DC 부하들에 전력을 공급하는데 이용될 수 있는 DC 버스를 포함한다. 배터리(67)와 같은 선택사양의 에너지 저장 디바이스는 스위치(68)를 이용하여 DC 출력 단자들(66) 양단에 접속될 수 있다.
이제, 도 18을 참조하면, 하이브리드 변압기(74)는 단일 2차 권선(78) 및 하나 이상의 탭들을 구비하는 단일 1차 권선(79)을 갖는, 전자기 변압기(76)를 포함한다. 각각의 탭은 1차 권선(79)의 종단들 사이에서, 1차 권선(79)의 턴에 접속된다. 내부 탭(81)은 1차 권선(79)을 두 권선부들(80 및 82)로 분할한다. 권선부(80)는 내부 탭(81) 및 1차 권선(79), 또는 대안으로 외부 탭의 제 1 말단에 의해 형성된다. 유사하게, 권선부(82)는 내부 탭(81) 및 1차 권선(79)의 제 2 말단, 또는 대안으로, 다른, 외부 탭에 의해 형성된다. 1차 및 2차 권선들은 강자성 코어(75) 주위에 감겨 있는다. 전력 전자 모듈(65)은 1차 권선(79)의 권선부(82)에 접속된다. 전압(Vin)은 권선부(80) 양단의 전압에 전력 전자 모듈(65) 양단의 전압을 더한 것과 같다. 입력 전압이 전력 전자 모듈(65)로부터 출력되는 전압에 권선부(80)의 전압을 더한 것과 같으므로, 전력 전자 모듈(65)로부터 출력되는 전압의 제어는 입력 전압, 따라서 하이브리드 변압기(74)의 출력 전압을 제어한다.
이제 도 19를 참조하면, 전력 전자 모듈(65)은 AC-AC 변환기, 두 스위치들(84 및 86) 및 임피던스(88) 및 전자 스위치(90)를 포함하는 고장 전류 제한 어셈블리(assembly)를 포함한다. 스위치들(84, 86)의 각각은 기계 스위치, 전자 스위치, 또는 하이브리드 기계/전자 스위치일 수 있다. 스위치들(84, 86) 및 전자 스위치(90)는 AC-AC 변환기의 제어기에 의해 제어된다. AC-AC 변환기는 AC-AC 변환기(14), AC-AC 변환기(114), 또는 다른 상이한 유형의 기하학적 구성을 갖는 AC-AC 변환기일 수 있다. 하이브리드 변압기(54)에서, 전력 전자 모듈(65)은 AC-AC 변환기(14)를 이용할 수 있고, 반면에 하이브리드 변압기(74)에서, 전력 전자 모듈(65)은 AC-AC 변환기(114)를 이용할 수 있다. 전력 전자 모듈(65)이 AC-AC 변환기(14)를 이용하는 경우, 전력 전자 모듈(65)의 DC 버스는 DC 브릿지(32)를 포함한다. 전력 전자 모듈(65)이 AC-AC 변환기(114)를 이용하는 경우, 전력 전자 모듈(65)의 DC 버스는 DC 브릿지(132)를 포함한다.
전력 전자 모듈(65)의 정상 동작 동안, 스위치(84)는 닫히고 스위치(86)는 개방된다. 전력 전자 모듈(65)이 오작동하는 경우, 스위치(84)를 개방하고 스위치(86)를 닫음으로써 우회로가 생성될 수 있다. 정상 동작 동안, 전자 스위치(90)는 개방되고 AC-AC 변환기의 DC-AC 변환기(제 2 스위칭 브릿지(34 또는 134))를 통해 부하 전류가 흐른다. 네트워크 위상-대-접지 또는 위상-대-위상 고장 동안, DC-AC 변환기가 차단되고 스위치(90)가 닫힘으로써, 고장 전류가 임피던스(88)를 통해 통과하도록 한다. 고장들 동안 임피던스(88)를 도입함으로써, 고장 전류는 변압기를 보호하고 업스트림 장비를 보호하도록 제한된다. 임피던스(88)는 저항성 또는 유도성 유형에 속할 수 있다.
하이브리드 변압기들(10, 100)에는 스위치들(84, 86) 및 임피던스(88) 및 동일한 장치(AC-AC 변환기(14, 114)에 대한) 내에 있고 하이브리스 변압기(54, 74)에 대해 상술한 바와 동일항 방식으로 동작하는 전자 스위치(90)가 제공될 수 있음이 인정되어야 한다.
하이브리드 변압기들(10, 100, 54, 74)의 각각에서, 제어기(36, 136)는 지능형 전자 디바이스(intelligent electronic device: IED)일 수 있거나, IED와 인터페이스할 수 있고, 여기서 IED는 AC-AC 변압기(14, 114)를 제어하는 것 외에, 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 동작 양태들을 제어하고 모니터링한다. 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)에 실장되거나 상기 하이브리드 변압기 부근에 있는 그와 같은 IED(160)가 도 20에 도시된다. IED(160)는 이용자 인터페이스, 프로세서, 메모리 및 통신 포트를 포함한다. AC-AC 변환기(14, 114) 및 이의 부속 디바이스들을 제어하는 것 외에, IED(160)는 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 동작을 모니터링하고, 물리 하드와이어드 링크(hardwired link), 위성 링크, 셀룰러 링크, 모뎀 또는 전화 라인 링크, 인터넷 링크 또는 임의의 다른 무선 또는 광대역 또는 공유 로컬 영역 네트워크 링크일 수 있는 통신 링크(164)를 통해 동작 정보를 원격에 위치된 제어 센터(162)에 통신한다. 예를 들면, 1차 및/또는 2차 권선들의 전류들, 전압들 및 온도들은 IED(160)와 통신하도록 접속되어 있는 센서들에 의해 측정될 수 있다. IED(160)는 이 전류들, 전압들, 및 온도들에 대한 값들을 통신 링크(164)를 통해 제어 센터(162)로 주기적으로 또는 연속해서 송신할 수 있고/있거나 상기 값들이 특정한 미리 결정된 한계들을 초과하는 경우 통신 링크(164)를 통해 제어 센터(162)에 경보들을 송신할 수 있다. 1차 및/또는 2차 권선들에 대한 정보를 송신하는 것 외에, IED(160)는 AC-AC 변환기(14, 114)의 동작에 대한 정보를 통신 링크(164)를 통해 제어 센터(162)에 송신할 수 있다. 더욱이, IED(160)는 AC-AC 변환기(14, 114)의 동작을 변경하기 위해 제어 센터(162)로부터 제어 명령들을 수신하고 이를 구현할 수 있다.
제어 센터(16)와 통신하는 것 외에, IED(160)는 다른 IED들과 통신할 수 있다. 예를 들면, IED(160)는 동일한 전력 분배 네트워크의 일부인 다른 하이브리드 변압기들(10, 100, 54, 74)에 설치되어 있는 다른 IED들(160)과 통신할 수 있다. IED들(160)은 서로 직접, 또는 제어 센터(162)에 위치되는 데이터 서버(도시되지 않음)를 통해 통신할 수 있다. 전자의 경우, IED들(160)은 무선 주파수 송수신기들, 유선 또는 무선 로컬 영역 네트워크(LAN) 또는 통신 버스를 통해 서로 직접 통신할 수 있다. 후자의 경우, 각각의 IED(160) 및데이터 서버 사이의 통신은 통신 링크(164)를 통해 발생한다.
IED(160)는 IEC61850 표준을 지원할 수 있고, 그렇게 함으로써 전기 변전소(substation)들에 대한 추상 오브젝트 모델들, 및 네트워크를 통해 이 모델들에 액세스하기 위한 방법을 규정할 수 있다. 상기 모델들은 생산 메시지 규정(Manufacturing Message Specification: MMS), 범용 오브젝트 지향 변전 이벤트들(Generic Object Oriented Substation Events: GOOSE), 범용 변전 상태 이벤트(Generic Substation Status Event: GSSE) 및 샘플링된 측정 값들(Sampled Measured Values: SMV)를 포함하는, 다수의 프로토콜들로 매핑될 수 있다. 이 프로토콜들은 TCP/IP 네트워크들을 통해 및/또는 고속 교환 이더넷을 이용하는 LAN들을 통해 실행가능하다.
동작 정보를 원격에 위치되는 제어 센터에 송신하는데 IED를 이용하는 대신, 그렇게 하기 위해 송신기들이 이용될 수 있다. 송신기들은 센서들에 접속될 수 있고, 무선 또는 하드와이어될 수 있는 통신 링크를 통해 센서들에 의해 측정된 값들을 제어 센터(162)와 같은 원격 장소에 송신할 수 있다.
DC 탭들(48, 50, 52, 150)은 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 동작에 대한 데이터를 모니터링하고 송신하는데 이용되는 센서들, 송신기들 및 다른 통신 디바이스들에 DC 전력을 제공하도록 접속될 수 있다. DC 탭들(48, 50, 52, 150)은 또한 제어기(36, 136) 및/또는 IED(160)에 DC 전력을 제공하도록 접속될 수 있다. 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 응용에 따라, DC 탭들은 상기 응용과 연관되는 장비에 DC 전력을 제공하도록 접속될 수 있다.
AC-AC 변압기들(14, 114)의 각각에서, 배터리 뱅크(162) 및 연관되는 스위치는 AC-AC 변압기(14)에 대해 도 21에 도시된 바와 같이, DC 브릿지(32, 132)와 병렬로 접속될 수 있다. IED(160)가 전압 새그 또는 중단을 검출하면, IED(160)는 DC 전력을 제 2 스위칭 브릿지(34)에 제공하여 손실 또는 새그를 보상하기 위해서, 스위치를 닫아서 배터리 뱅크(162)를 제 2 스위칭 브릿지(34)에 접속시킨다. DC 브릿지(32)에 접속되는 트리클 충전기(trickle charger) 또는 플롯(float) 충전기는 배터리 뱅크가 이용되고 있지 않을 때 배터리 뱅크(162)를 완전 충전 상태로 유지할 수 있다. DC 브릿지(32, 132)와 병렬로 접속되는 배터리 뱅크(162) 대신, 배터리 뱅크(162)가 DC 브릿지(32, 132) 내로 접속될 수 있고 커패시터들을 대체할 수 있다. 또 다른 선택사양은 도 17 및 도 18에 도시되는 바와 같이, 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 DC 단자들 양단에 배터리 뱅크(67)를 접속시키는 것이다.
단상 하이브리드 변압기들(10, 100, 54, 74) 중 세 개는 접속되어 3상 변압기를 형성할 수 있다. 상기 접속은 Y-Y, Y-△, △-Y 또는 △-△일 수 있다. 이 실시예에서, 하이브리드 변압기들(10, 100, 54, 74)에 대한 제어기들(36, 136)은 균형을 이룬 3상 전력을 제공하도록 동기화될 것이다.
이제 도 22를 참조하면, 3상 전자기 변압기(202) 및 3상 AC-AC 변환기를 갖는 3상 하이브리드 변압기(200)가 제공될 수 있다. 하이브리드 변압기(200)에서, 전압 조정 및 역률 보상에 대한 동일한 원리들은 단상 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)에 대하여 상술한 것과 동일하게 계속 유지된다. AC-AC 변환기는 각각의 위상에 대한 유닛들인, 세 유닛들(206a, 206b, 206c)로 구성될 수 있고, 여기서 각각의 유닛(206)은 3상 하이브리드 변압기에 대한 제어기가 단상 전류들 및 전압들 대신 3상 전류들 및 전압들을 제어하도록 적응되는 점을 제외하고 AC-AC 변환기(14) 또는 AC-AC 변환기(114)와 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.
3개 이상의 위상들을 갖는 다상 하이브리드 변압기들이 제공될 수 있음이 인정되어야만 한다. 그와 같은 다상 하이브리드 변압기들의 경우, 전압 조정 및 역률 보상에 대한 동일한 원리들은 단상 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)에 대하여 상술한 것과 동일하게 계속 유지된다.
본 발명의 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)는 다수의 이점들을 제공한다. AC-AC 변환기(14, 114)는 하이브리드 변압기(10, 100)의 1차 측에서의 역률을 제어하도록 동작가능하다. 대조적으로, 종래의 변압기의 1차 측에서의 역률은 부하에 좌우된다. 게다가, AC-AC 변환기(14, 114)는 입력 전압에서의 새그 또는 스웰의 경우 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 추력 전압에서의 섭동(fluctuation)을 감소시키도록 동작가능하다. 예를 들면, 입력 전압에서 15%의 증가 또는 감소의 경우, AC-AC 변환기(14, 114)는 출력 전압에서의 섭동을 5% 미안으로 유지할 수 있다. 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 입력 전류는 또한 종래의 변압기의 입력 전류보다 더 작은데 왜냐하면 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)가 모든 필요한 무효 전력을 발생시키므로, 전압원은 단지 부하에 실 전력을 제공하기 때문이다. 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)는 데이터센터들, 선박 추진 시스템들, 자동차 제조 설비들, 제약 공장들, 병원들, 고분자 공정 공장들, 제지 공장들 및 풍력 발전소들에서 이용될 수 있다.
본 발명에 따라 구현되는 하이브리드 변압기가 종래의 전력 시스템을 더 효율적으로 대체하는데 어떻게 이용될 수 있는지가 도 23 내지 도 27에 도시된다.
이제 도 23을 참조하면 과도 전압 조정에 대한 시뮬레이션 결과가 도시된다. 1차 전압은 조정된 2차 전압을 획득하기 위해 하이브리드 변압기에 의해 보상되는 ±20% 섭동들을 갖는다.
이제 도 24를 참조하면, 20%의 장시간 전압 새그에 대한 시뮬레이션 결과가 도시된다. 1차 전압 강하는 조정된 2차 전압을 획득하기 위해 하이브리드 변압기에 의해 보상된다. 이 경우에 하이브리드 변압기는 온-로드 탭(on-load) 충전기 기능을 나타낸다.
도 25(a)에서, 역률 보상에 대한 종래의 전력 시스템(250)이 도시된다. 전력 시스템(250)은 종래의 전자기 변압기(260) 및 전환 가능 커패시터 뱅크(270)를 포함한다. 커패시터 뱅크(270)는 부하 역률 보상에 필요한 무효 전력을 제공하기 위해 증분 단계들에 의해 전환된다. 이 방법은 저속 응답 및 큰 풋프린트(footprint)를 특징으로 한다. 도 25(b)에 도시된 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)는 역률 보산에 필요한 무효 전력 출력의 연속 및 고속 변화를 제공한다. 이는 더 적은 커패시터 레이팅 및 제한된 풋프린트를 요구하는 통합 솔루션을 제공한다.
도 26에서, 전력 시스템(300)은 두 평행 라인들(330 및 340)을 이용하여 두 네트워크들(310 및 320)을 접속시킨다. 실제로, 평행 라인들은 동일한 임피던스를 가지지 않고 하나의 라인에 흐르는 전력은 다른 라인에서 흐르는 전력보다 더 크다. 과중한 부하(heavy load) 조건 하에서, 라인들(330, 340) 중 하나는 열적 과부하를 겪게 됨으로써, 라인 새그들 및 기계적 응력들을 발생시킬 수 있다. 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)가 라인(330)에 직렬로 배치되면, 이는 출력 전압에 위상 변이를 가함으로써 라인(330)을 통하는 전력 흐름의 제어를 가능하게 한다. 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)는 라인들(330 및 340) 모두와 직렬로 배치되어 상기 배선로에서의 전력 흐름을 제어할 수 있다.
도 27(a)에서, 데이터 센터에 대한 종래의 전력 시스템(400)이 도시된다. 전력 시스템(400)은 종래의 전자기 변압기(402), 종래의 비 중단 전원공급장치(uninterruptible power supply: UPS)(404), 배터리 뱅크(406) 및 정류기(408)를 포함한다. UPS(404) 및 변압기(402)는 AC 전압원에 접속되고 조건부의 AC 전력을 AC 부하들에 제공한다. UPS(404)는 전압원이 고장이 나는 경우 AC 전력을 제공하기 위해 배터리 뱅크(406)에 접속된다. 정류기(408)는 조건부의 AC 전력을, 컴퓨터와 같은 DC 부하들에 전력을 공급하는데 이용되는 DC 전력으로 변환한다.
종래의 전력 시스템(400)은 스위치(68)를 통해 하이브리드 변압기의 DC 출력 단자들 양단에 접속되는 배터리 뱅크(67)를 갖는 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 실시예에 의해 대체될 수 있다. 도 27(b)에 도시되는 바와 같이, DC 부하들은 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)의 DC 출력 단자들에 접속된다. 정상 조건들 하에서, 배터리 뱅크(67)는 완전 충전되어 유지되지만, 스위치(68)는 개방된다. DC 전력은 AC-AC 변환기(14, 114)로부터 DC 부하들에 제공된다. 전력 공급 정지가 발생하면, 스위치(68)가 닫혀서 AC 전력이 회복되거나 국부의 발전기 유닛이 시작하기 전까지 DC 전력이 배터리 뱅크(67)로부터 DC 부하들로 공급된다.
배터리 뱅크(67)를 구비하는 하이브리드 변압기(10, 100, 54, 74)는 종래의 전력 시스템(400)과 동일한 이점들을 제공하지만, 더 효율적이며, 장비가 더 적다.
당업자에 의해 인식되는 바와 같이 및 상술한 바와 같이, 본 발명은 이전에 기술된 하이브리드 변압기들을 제어하고 모니터링하는 방법들, 상기 방법들을 실행하도록 구성되는 프로그램 코드를 갖는 컴퓨팅 디바이스 또는 시스템, 컴퓨터 이용-가능 또는 컴퓨터-판독가능한 매체 상에서 구현되는 컴퓨터-이용가능한 프로그램 코드를 갖는 상기 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태로서 구현되거나 그러한 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터-이용가능한 또는 컴퓨터-판독가능한 매체는 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의한 이용을 위한, 또는 그것들과 결합하는 프로그램을 포함하거나, 저장하거나, 통신하거나, 전파하거나, 운반할 수 있는 임의의 매체일 수 있고, 예를 통해 그러나 제한되지 않고, 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도시 시스템, 장치, 디바이스, 또는 전파 매체일 수 있거나, 심지어 프로그램이 인쇄되어 있는 종이 또는 다른 적절한 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체의 더 구체적인 예들(철저하지 않은 목록)은: 휴대용 컴퓨터 디스크, 하드 디스크, 임의 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 소거가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 광섬유, 휴대용 컴팩트 디스트 판독 전용 메모리(CD-ROM), 광 저장 디바이스, 인터넷 또는 인트라넷을 지원하는 매체와 같은 송신 매체, 또는 자기 저장 디바이스를 포함할 것이다. 본 발명의 동작들을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드 또는 명령들은 그것이 이전에 설명된 기술 결과들을 달성하는 것이 가능하다면 임의의 적절한 프로그래밍 언어로 기록될 수 있다. 프로그램 코드는 이용자의 컴퓨팅 디바이스에서 전체적으로, 이용자의 컴퓨팅 디바이스에서 부분적으로, 독립형 소프트웨어 패키지로, 이용자의 컴퓨터에서 부분적으로, 및 원격 컴퓨터에서 부분적으로 또는 원격 컴퓨터 또는 서버에서 전체적으로 실행될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 로컬 영역 네트워크(LAN) 또는 광대역 네트워크(WAN)를 통해 이용자의 컴퓨터에 접속될 수 있거나, 외부 컴퓨터로의 접속이 행해질 수 있다(예를 들면, 인터넷 서비스 공급자를 이용하는 인터넷을 통해).
상술한 예시적인 실시예(들)의 설명이 본 발명에 대해 철저하다 보다는, 단지 설명적이도록 의도된 것이 이해되어야만 한다. 당업자는 첨부된 청구항들에 의해 규정되는 바와 같이, 본 발명의 정신 및 이의 범위를 벗어나지 않고, 개시된 주체의 실시예(들)에 대한 어떤 추가들, 제거들 및/또는 수정들을 행할 수 있을 것이다.
10, 100, 54, 74, 200: 하이브리드 변압기
12, 102, 56, 76, 202: 전자기 변압기 14, 114 : AC-AC 변환기

Claims (22)

  1. 소스로부터 입력 전압과 전류를 수신하기 위한 1차 측 및 출력 전압과 전류를 부하에 제공하기 위한 2차 측을 가지는 하이브리드 변압기에 있어서:
    강자성 코어;
    상기 강자성 코어 상에 감겨 있는 제 1, 제 2 및 제 3 권선들로서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 권선들 중 적어도 하나는 상기 소스로의 접속을 위한 1차 권선이고 상기 제 1, 제 2 및 제 3 권선들 중 적어도 하나는 상기 부하로의 접속을 위한 2차 권선인, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 권선들; 및
    AC-AC 변환기로서:
    상기 제 1 권선에 접속되는 제 1 스위칭 브릿지(switching bridge);
    상기 제 2 권선과 직렬로 접속되는 제 2 스위칭 브릿지;
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들 사이에서 접속되는 DC 브릿지; 및
    상기 하이브리드 변압기의 1차 측에서의 역률(power factor)을 제어하고 입력 전압이 변화하는 경우 상기 출력 전압에서의 변동들을 감소시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 스위칭 브릿지들을 제어하도록 동작가능한 제어기를 포함하는, 상기 AC-AC 변환기를 포함하는, 하이브리드 변압기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 권선들은 2차 권선들이고 상기 제 3 권선은 1차 권선인, 하이브리드 변압기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 권선들은 1차 권선들이고 상기 제 3 권선은 2차 권선인, 하이브리드 변압기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC 브릿지는 DC 전력을 DC 부하에 제공하기 위하여 하나 이상의 탭(tap)들 및 복수의 커패시터들을 포함하는, 하이브리드 변압기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    정상적으로 개방된 스위치 및 상기 DC 브릿지와 병렬로 접속되는 배터리 뱅크를 추가로 포함하고, 상기 입력 전압에서 중단이 발생할 때, 상기 스위치가 닫힘으로써 상기 배터리 뱅크로부터 상기 제 2 스위칭 브릿지로 DC 전압을 제공하는, 하이브리드 변압기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 하이브리드 변압기의 동작을 모니터링하기 위해 센서들 및 모니터링 디바이스를 추가로 포함하고, 상기 모니터링 디바이스는 상기 DC 브릿지로부터 DC 전력을 수신하기 위해 하나 상기 하나 이상의 탭들에 접속되는, 하이브리드 변압기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모니터링 디바이스는 상기 센서들로부터 상기 하이브리드 변압기의 동작 데이터를 수신하는 지능형 전자 디바이스(intelligent electronic device: IED)이고, 상기 동작 데이터는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 권선들에서의 전류들, 전압들 및 온도들을 포함하는, 하이브리드 변압기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 IED는 상기 제어기를 포함하는, 하이브리드 변압기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 IED는 통신 링크에 의해 원격으로 위치되는 제어 센터에 접속되고 상기 제어 센터에 동작 데이터를 송신하고 상기 제어 센터로부터 상기 제어기에 대한 명령들을 수신하도록 동작가능한, 하이브리드 변압기.
  10. 소스로부터 입력 전압과 전류를 수신하기 위한 1차 측 및 출력 전압과 전류를 부하에 제공하기 위한 2차 측을 가지는 하이브리드 변압기에 있어서,
    상기 분배 변압기는:
    강자성 코어;
    상기 코어 주위에 감겨 있는 제 1 및 제 2 권선들로서, 상기 제 1 권선은 대향하는 종단들, 상기 종단들 사이에 배치되는 복수의 턴(turn)들, 상기 턴들 중 하나에 접속되는 탭(tap)을 갖고, 상기 탭은 상기 제 1 권선의 권선부들을 규정하는 것을 돕고, 상기 제 1 및 제 2 권선들 중 하나는 상기 소스로의 접속을 위한 1차 권선이고 상기 제 1 및 제 2 권선들 중 다른 하나는 부하로의 접속을 위한 2차 권선인, 제 1 및 제 2 권선들;
    상기 제 1 권선의 상기 탭에 접속되는 전력 전자 모듈; 및
    상기 출력 전압의 변화들을 조절하기 위해 상기 전력 전자 모듈을 제어하고 상기 하이브리드 변압기의 1차 측에서의 역률을 제어도록 동작가능한 제어 디바이스를 포함하는, 하이브리드 변압기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전력 전자 모듈은 제 1 및 제 2 변환기들을 포함하는 AC-AC 변환기를 포함하고, 상기 제 1 변환기는 상기 탭을 이용하여 상기 권선부들 중 제 1 부분과 병렬로 접속되고 상기 제 2 변환기는 상기 권선부들 중 제 2 부분과 직렬로 접속되는, 하이브리드 변압기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 권선은 1차 권선이고 상기 제 2 권선은 2차 권선인, 하이브리드 변압기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 권선은 2차 권선이고 상기 제 2 권선은 1차 권신인, 하이브리드 변압기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 스위치들을 추가로 포함하고, 상기 제 1 스위치는 상기 제 1 변환기와 직렬로 접속되고 상기 제 2 스위치는 상기 제 2 변환기와 병렬로 접속되는, 하이브리드 변압기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스위치들은 기계 스위치, 전자 스위치, 또는 하이브리드 전자/기계 스위치인, 하이브리드 변압기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스위치들은 상기 AC-AC 변환기가 정상적으로 동작하고 있는 것으로 결정될 때, 상기 제 1 스위치가 닫힌 위치로 유지되고 상기 제 2 스위치가 개방 위치로 유지되고, 상기 AC-AC 변환기가 정상적으로 동작하고 있지 않을 때, 상기 제 1 스위치가 개방이 되고 상기 제 2 스위치가 닫힘으로써, 상기 AC-AC 변환기로 하여금 우회되도록 상기 제어기에 의해 제어되는, 하이브리드 변압기.
  17. 제 14 항에 있어서,
    인덕터와 직렬로 접속되고 상기 제 2 변환기와 병렬로 접속되는 전자 스위치를 추가로 포함하는, 하이브리드 변압기.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 AC-AC 변환기는 적어도 하나의 커패시터 및 하나 이상의 DC 탭들을 갖는 DC 버스를 추가로 포함하는, 하이브리드 변압기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 DC 탭들은 상이한 DC 전압 레벨들에서 복수의 탭들을 포함하는, 하이브리드 변압기.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 변환기는 상기 텝 및 상기 제 1 권선의 종단을 이용하여 상기 권선부들 중 제 1 부분과 병렬로 접속되는, 하이브리드 변압기.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 탭은 제 1 탭이고 상기 제 1 권선은 상기 제 1 권선의 턴들 중 다른 하나에 접속되는 제 2 탭을 추가로 포함하고; 상기 제 1 변환기는 상기 제 1 및 제 2 탭들을 이용하여 상기 권선부들 중 제 1 부분과 병렬로 접속되는, 하이브리드 변압기.
  22. 제 10 항에 있어서,
    통신 링크에 의해 원격에 위치되는 제어 센터에 접속되는 지능형 전자 디바이스(IED) 및 센서들을 추가로 포함하고, 상기 IED는 상기 센터들로부터 동작 데이터를 수신하고, 상기 동작 데이터를 상기 제어 센터에 송신하고, 상기 제어 센터로부터 상기 제어기에 대한 명령들을 수신하도록 동작가능한, 하이브리드 변압기.
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