KR20110136167A - 에너지 저장 시스템의 인버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 손실을 줄일 수 있는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 관한 것이다.
일례로, DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통의 전원을 상기 DC 링크에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 있어서, 상기 DC 링크에 직렬로 연결된 제 1 스위치 및 상기 DC 링크에 병렬로 연결된 제 2 스위치를 포함하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 전기적으로 연결된 인덕터; 상기 인덕터에 전기적으로 연결된 풀 브리지 스위칭부; 및 상기 스위칭부와 인덕터 및 풀 브리지 스위칭부에 전기적으로 연결된 제어부를 포함하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 개시한다.

Description

신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터{Bidirectional inverter of new and renewable energy storage system}
본 발명은 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지나 풍력 발전기와 같은 신재생 에너지 저장 시스템은 발전된 에너지를 다양한 레벨의 교류 전원 또는 직류 전원으로 변환하기 위해 다수의 컨버터 및 인버터를 갖는다. 즉, 태양 전지로부터 발전된 전원은 직류이므로, 이를 교류의 전력 계통에 공급하기 위해서는, 직류-교류 인버터가 필요하다. 또한, 태양 전지로부터 발전된 전원은 배터리의 전원 레벨과 다르므로, 이를 배터리에 제공하기 위해서는, 직류-직류 컨버터가 필요하다.
본 발명은 스위칭 손실을 줄일 수 있는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 제공한다.
본 발명은 DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통의 전원을 상기 DC 링크에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 있어서, 상기 DC 링크에 직렬로 연결된 제 1 스위치 및 상기 DC 링크에 병렬로 연결된 제 2 스위치를 포함하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 전기적으로 연결된 인덕터; 상기 인덕터에 전기적으로 연결된 풀 브리지 스위칭부; 및 상기 스위칭부와 인덕터 및 풀 브리지 스위칭부에 전기적으로 연결된 제어부를 포함한다.
상기 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 1 스위치의 시비율을 제어할 수 있다.
상기 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 1 스위치의 시비율과 반대로 제 2 스위치의 시비율을 제어할 수 있다.
상기 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 2 스위치의 시비율을 제어할 수 있다.
상기 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 2 스위치의 시비율과 반대로 제 1 스위치의 시비율을 제어할 수 있다.
상기 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 전력 계통의 전류는 전력 계통의 전압과 동위상일 수 있다.
상기 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 전력 계통의 전류는 전력 계통의 전압과 역위상일 수 있다.
상기 제어부는 상기 양방향 인버터의 전압을 제어하는 제 1 제어기; 상기 양방향 인버터의 전류를 제어하는 제 2 제어기; 및 상기 제 2 제어기의 출력을 톱니파와 비교하여 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치의 시비율을 제어하는 비교기를 포함할 수 있다.
상기 제 1 스위치는 상기 제 2 스위치와 반대로 동작할 수 있다.
상기 풀 브리지 스위칭부는 상기 인덕터와 전기적으로 연결된 제 1 브리지 스위치; 상기 제 1 브리지 스위치와 직렬로 연결된 제 2 브리지 스위치; 상기 제 1 브리지 스위치와 병렬로 연결된 제 3 브리지 스위치; 및 상기 제 2 브리지 스위치와 병렬로 연결된 제 4 브리지 스위치를 포함할 수 있다.
상기 풀 브리지 스위칭부는 상기 제 1 브리지 스위치와 제 4 브리지 스위치가 한쌍으로 동작하고, 상기 제 2 브리지 스위치와 제 3 브리지 스위치가 한쌍으로 동작할 수 있다.
상기 제 1 브리지 스위치와 상기 제 4 브리지 스위치가 턴온되면 상기 전력 계통의 전압은 마이너스일 수 있다.
상기 제 2 브리지 스위치와 상기 제 3 브리지 스위치가 턴온되면 상기 전력 계통의 전압은 플러스일 수 있다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터는 두 개의 스위치로 이루어진 스위칭부와 풀 브리지 스위칭부를 사용함으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 도시한 블록도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 모드 0의 경로를 도시한 블록도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 모드 1의 경로를 도시한 블록도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 모드 0의 경로를 도시한 블록도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 모드 1의 경로를 도시한 블록도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때를 도시한 블록도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 제어부의 알고리즘을 도시한 블록도이다.
도 5c는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 파형을 도시한 그래프이다.
도 6a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때를 도시한 블록도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 제어부의 알고리즘을 도시한 블록도이다.
도 6c는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 파형을 도시한 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템(100)은 신재생 에너지(110), 최대 전력점 추종 컨버터(120), DC(Direct Current) 링크(130), 양방향 인버터(140), 부하(150), 계통 연계기(160), 전력 계통(170), 배터리(180), 배터리 모니터링 시스템(190), 양방향 컨버터(200) 및 통합 제어기(210)를 포함한다.
상기 신재생 에너지(110)(New Renewable Energy)는 태양, 바람, 물 및 지열등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 의미한다. 좀 더 구체적으로, 상기 신재생 에너지(110)는 태양 전지, 풍력 발전기 및 그 등가물로부터 얻어지는 전기 에너지일 수 있다. 이하의 설명에서는 상기 신재생 에너지(110)로서 태양 전지를 예로 든다.
상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)는 상기 신재생 에너지(110)로부터 최대 전력을 추출하고, 이를 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 예를 들면, 태양 전지의 출력은 일사량과 표면 온도에 따라 비선형적으로 변한다. 이러한 현상은 태양 전지의 발전 효율을 저하시키는 주요 요인이다. 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)는 일사량과 태양 전지의 표면 온도에 따라 비선형적으로 변하는 태양 전지의 동작점이 항상 최대 전력점에서 동작되도록 한다. 더불어, 이와 같이 최대 전력점에서 추출된 직류 전원은 다른 레벨의 직류 전원으로 변환된 후, DC 링크(130)에 제공된다.
상기 DC 링크(130)는 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)로부터 제공된 직류 전압을 일시적으로 저장한다. 이러한 DC 링크(130)는 실질적으로 대용량의 커패시터일 수 있다. 따라서, 상기 DC 링크(130)는 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)로부터 출력되는 직류 전원으로부터 교류 성분을 제거하여 안정된 직류 전원을 저장한다. 더불어, 상기 DC 링크(130)는 하기할 양방향 인버터(140) 또는 양방향 컨버터(200)로부터 제공되는 직류 전압도 안정화시켜 일시 저장한다.
상기 양방향 인버터(140)는 상기 DC 링크(130)로부터 제공되는 직류 전원을 상용 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 실질적으로, 이러한 양방향 인버터(140)는 상기 신재생 에너지(110) 또는 상기 배터리(180)로부터의 직류 전압을 가정(home)에서 사용할 수 있는 상용 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 더불어, 상기 양방향 인버터(140)는 상기 신재생 에너지(110) 또는 상기 배터리(180)로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공하기도 한다. 또한, 상기 양방향 인버터(140)는 상기 전력 계통(170)으로부터 제공되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(130)에 제공한다. 물론, DC 링크(130)에 저장된 전원은 양방향 컨버터(200)를 통하여 배터리(180)에 제공된다.
상기 부하(150)는 상용 교류 전압을 사용하는 가정 또는 산업 시설일 수 있다. 이러한 부하(150)는 신재생 에너지(110), 배터리(180) 또는 전력 계통(170)으로부터 상용 교류 전원을 인가받는다.
상기 계통 연계기(160)는 상기 양방향 인버터(140)와 상기 전력 계통(170)을 연결한다. 예를 들면, 상기 계통 연계기(160)는 전압 변동 범위를 조절하고, 고조파를 억제하며, 직류 성분 등을 제거하여 상기 양방향 인버터(140)의 교류 전원을 전력 계통(170)에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통(170)의 교류 전원을 상기 양방향 인버터(140)에 제공한다.
상기 전력 계통(170)(電力系統, electric power system)은 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들면, 상기 전력 계통(170)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 형성되어 있는 전기적인 연계(連繫)이다. 이러한 전력 계통(170)은 통상 그리드(grid)라고도 한다.
상기 배터리(180)는 충전과 방전이 가능한 이차 전지일 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리(180)는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물이 가능하며, 여기서 그 배터리(180)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 상기 배터리(180)의 상태를 최적으로 유지 및 관리한다. 예를 들면, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(180)의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하고, 이상 발생시 사용자에게 경고를 한다. 더불어, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(180)의 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)를 계산하고, 각 배터리의 전압 또는 용량이 동일해지도록 하는 셀 밸런싱(cell balancing)을 수행하며, 배터리(180)의 과열 방지를 위해 냉각팬(도시되지 않음)을 제어한다.
상기 양방향 컨버터(200)는 상기 DC 링크(130)로부터의 직류 전원을 배터리(180)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다. 반대로, 상기 양방향 컨버터(200)는 배터리(180)의 직류 전원을 DC 링크(130)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다. 이러한 양방향 컨버터(200)는 단일 구조로 형성될 수 있으며, 또한 비절연형 또는 절연형일 수 있다.
상기 통합 제어기(210)는 최대 전력점 추종 컨버터(120), 양방향 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200) 등을 감시 및 제어한다. 또한, 상기 통합 제어기(210)는 배터리 모니터링 시스템(190)과 통신하여, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)을 감시하기도 한다. 실질적으로 상기 통합 제어기(210)는 최대 전력점 추종 컨버터(120), 양방향 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200)로부터 전압, 전류 및 온도를 각각 센싱하고, 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120), 양방향 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200)를 각각 제어할 수 있다. 더불어, 상기 통합 제어기(210)는 상기 부하(150)와 계통 연계기(160) 사이에 설치된 차단기(155)를 위급한 상황에서 차단시킬 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 도시한 블록도이다. 도 3a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 모드 0의 경로를 도시한 블록도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 모드 1의 경로를 도시한 블록도이다. 도 4a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 모드 0의 경로를 도시한 블록도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 모드 1의 경로를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터(140)는 스위칭부(141), 인덕터(142), 풀브리지 스위칭부(143) 및 제어부(144)를 포함한다. 상기 양방향 인버터(140)는 기본적으로 DC 링크(130)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공한다. 이러한 모드를 인버터 모드라고 하기도 한다. 또한, 상기 양방향 인버터(140)는 상기 전력 계통(170)의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 DC 링크(130)에 제공한다. 이러한 모드를 PFC(Power Factor Correction) 모드라고 하기도 한다. 여기서, 상기 DC 링크(130) 및 상기 전력 계통(170)은 도 1에 도시된 것과 동일한 것이다.
상기 스위칭부(141)는 상기 DC 링크(130) 및 상기 전력 계통(170) 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 스위칭부(141)는 제 1 스위치(M1) 및 제 2 스위치(M2)를 포함한다. 상기 스위칭부(141)는 상기 양방향 인버터(140)가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 제 1 스위치(M1)의 시비율에 따라 모드 0와 모드 1을 반복하여 동작하게 된다. 또한, 상기 스위칭부(141)는 상기 양방향 인버터(140)가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 제 2 스위치(M2)의 시비율에 따라 모드 0와 모드 1을 반복하여 동작하게 된다.
상기 제 1 스위치(M1)는 상기 DC 링크(130)에 직렬로 연결되어 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 제 1 스위치(M1)는 상기 양방향 인버터(140)가 인버터 모드로 동작할 때, 모드 0에서 턴온되고 모드 1에서 턴오프된다. 또한, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제 1 스위치(M1)는 상기 양방향 인버터(140)가 PFC 모드로 동작할 때, 모드 0에서 턴오프되고 모드 1에서 턴온된다. 더불어 상기 제 1 스위치(M1)는 N채널 전계효과트랜지스터, IGBT, NPN형 바이폴라트랜지스터 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 제 2 스위치(M2)는 상기 DC 링크(130)에 병렬로 연결되어 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 제 2 스위치(M2)는 상기 양방향 인버터(140)가 인버터 모드로 동작할 때, 모드 0에서 턴오프되고 모드 1에서 턴온된다. 또한, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제 2 스위치(M2)는 상기 양방향 인버터(140)가 PFC 모드로 동작할 때, 모드 0에서 턴온되고 모드 1에서 턴오프된다. 더불어 상기 제 2 스위치(M2)는 N채널 전계효과트랜지스터, IGBT, NPN형 바이폴라트랜지스터 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
즉, 상기 제 1 스위치(M1)와 상기 제 2 스위치(M2)는 서로 반대로 동작한다.
이러한 스위칭부(141)는, 예를 들어 상기 양방향 인버터(140)가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 제 1 스위치(M1)의 시비율을 제어함으로써 전류를 제어하고, 상기 제 2 스위치(M2)는 상기 제 1 스위치(M1)의 시비율을 반전하여 동작시킨다. 또한, 상기 스위칭부(141)는, 예를 들어 상기 양방향 인버터(140)가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 제 2 스위치(M2)의 시비율을 제어함으로써 전류를 제어하고, 상기 제 1 스위치(M1)는 상기 제 2 스위치(M2)의 시비율을 반전하여 동작시킨다.
이와 같이, 상기 스위칭부(141)는 제 1 스위치(M1) 및 제 2 스위치(M2)로 구성되어 양방향 인버터(140)의 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
상기 인덕터(142)는 상기 스위칭부(141)와 상기 풀 브리지 스위칭부(143) 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 인덕터(142)는 제 1 전극 및 제 2 전극을 갖는다. 상기 제 1 전극은 상기 스위칭부(141)의 제 1 스위치(M1)와 제 2 스위치(M2) 사이에 연결되고, 제 2 전극은 상기 풀 브리지 스위칭부(143)의 제 1 브리지 스위치(S1)에 연결된다. 이러한 인덕터(142)는 상기 스위칭부(141)와 상기 풀 브리지 스위칭부(143) 사이에서 에너지를 저장하여 상기 DC 링크(130)의 전압을 상승시키거나 하강시키는 역할을 한다.
상기 풀 브리지 스위칭부(143) 상기 스위칭부(141)와 상기 전력 계통(170) 사이에 전기적으로 연결된다. 상기 풀 브리지 스위칭부(143)는 제 1 브리지 스위치(S1), 제 1 브리지 스위치(S2), 제 3 브리지 스위치(S3) 및 제 4 브리지 스위치(S4)를 포함한다. 또한, 각각의 브리지 스위치(S1, S2, S3, S4)에는 다이오드가 병렬로 연결되어 있다. 상기 제 1 브리지 스위치(S1)에 연결된 다이오드를 제 1 다이오드(D1), 상기 제 2 브리지 스위치(S2)에 연결된 다이오드를 제 2 다이오드(D2), 상기 제 3 브리지 스위치(S3)에 연결된 다이오드를 제 3 다이오드(D3), 상기 제 4 브리지 스위치(S4)에 연결된 다이오드를 제 4 다이오드(D4)라고 하기로 한다. 상기 각각의 다이오드(D1, D2, D3, D4)는 전류가 역으로 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.
여기서, 상기 풀 브리지 스위칭부(143)의 4개의 브리지 스위치(S1, S2, S3, S4)는 쌍으로 동작하게 되는데, 제 1 브리지 스위치(S1)와 제 4 브리지 스위치(S4)가 하나의 쌍으로 동작하고 제 2 브리지 스위치(S2)와 제 3 브리지 스위치(S3)가 또 다른 하나의 쌍으로 동작한다. 또한, 상기 제 1 브리지 스위치(S1) 및 제 4 브리지 스위치(S4)와 제 2 브리지 스위치(S2) 및 제 3 브리지 스위치(S3)는 서로 반대로 동작한다. 상기 풀 브리지 스위칭부(143)는 60Hz, 50%의 고정 시비율로 동작된다. 즉, 상기 제 1 브리지 스위치(S1) 및 제 4 브리지 스위치(S4)와 제 2 브리지 스위치(S2) 및 제 3 브리지 스위치(S3)는 일정 시간 간격으로 온/오프를 반복하게 된다.
상기 풀 브리지 스위칭부(143)는 상기 전력 계통(170)에 걸리는 전압의 극성의 결정하는 역할을 한다. 즉, 상기 제 1 브리지 스위치(S1)와 제 4 브리지 스위치(S4)가 턴온되면 상기 전력 계통(170)에 걸리는 전압은 마이너스가 되고, 상기 제 2 브리지 스위치(S2) 및 제 3 브리지 스위치(S3)가 턴온되면 상기 전력 계통(170)에 걸리는 전압은 플러스가 된다. 따라서, 상기 풀 브리지 스위칭부(143)에 의해 전력 계통(170)에는 220V의 교류 전원이 제공될 수 있다.
상기 제어부(144)는 상기 DC 링크(130), 스위칭부(141), 인턱터(142), 풀 브리지 스위칭부(143) 및 전력 계통(170)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제어부(144)는, 예를 들어 상기 양방향 인버터(140)가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 스위칭부(141)의 제 1 스위치(M1)의 시비율을 제어함으로써 상기 DC 링크(130)에 걸리는 전압을 일정하게 제어한다. 또한, 상기 제어부(144)는, 예를 들어 상기 양방향 인버터(140)가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 스위칭부(141)의 제 2 스위치(M2)의 시비율을 제어함으로써 상기 DC 링크(130)에 걸리는 전압을 일정하게 제어한다. 상기 제어부(144)의 동작은 하기에서 자세하게 설명하기로 한다.
상기 전력 계통(170)은 상기 풀 브리지 스위칭부(143)에 전기적으로 연결된다. 물론, 상기 풀 브리지 스위칭부(143)와 전력 계통(170) 사이에는 부하, 차단 스위치 및 계통 연계기 등이 연결되지만, 도면에서는 도시되어 있지 않다. 더불어, 상기 전력 계통(170)에는 추가적으로 캐패시터가 연결될 수 있으나, 이러한 구성으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 5a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때를 도시한 블록도이다. 도 5b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 제어부의 알고리즘을 도시한 블록도이다. 도 5c는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때의 파형을 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 양방향 인버터(140)는 DC 링크(130)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공한다. 이러한 모드를 인버터 모드라고 하기도 한다. 여기서, 상기 DC 링크(130)는 태양 전지 또는 배터리의 전원에 의해 충전된 상태일 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제어부(144)는 제 1 제어기(144a), 제 2 제어기(144b) 및 비교기(144c)를 포함한다.
상기 제 1 제어기(144a)는 상기 양방향 인버터(140)의 전압을 제어한다. 상기 제 1 제어기(144a)는 DC 링크(130)의 전압(Vlink)을 측정하여 기준전압(Vlink_ref)과 비교를 하고, 상기 DC 링크(130)의 전압(Vlink)이 기준전압(Vlink_ref)과 같아지도록 제 1 출력을 내보낸다. 여기서, 기준전압(Vlink_ref)은 상기 제 1 제어기(144a)에 미리 저장되어 있는 값이다. 상기 제 1 출력은 전력 계통(170)의 전압이 정류된 신호(Vrec)와 곱해져 제 1 전류 명령이 된다.
상기 제 2 제어기(144b)는 상기 양방향 인버터(140)의 전류를 제어한다. 상기 제 2 제어기(144b)는 상기 제 1 전류 명령과 인덕터(142)의 전류(IL)를 비교하여, 상기 제 1 전류 명령과 상기 인덕터(142)의 전류(IL)가 같아지도록 제 2 출력을 내보낸다. 여기서, 상기 인덕터(142)의 전류(IL)는 DC 링크(130)에서 전력 계통(170) 방향으로 흐른다.
상기 비교기(144c)는 상기 제 2 출력과 톱니파를 비교하여 제 1 스위치(M1)의 시비율을 결정하여 제 1 스위치(M1)를 동작시킨다. 또한, 상기 비교기(144c)는 상기 제 1 스위치(M1)의 시비율과 반대로 제 2 스위치(M2)를 동작시킨다.
상기 제 2스위치(M2)가 턴온 되면, DC 링크(130)에 충전된 전압은 전력 계통(170)에 공급된다. 이때, 인덕터(142) 전류는 상승하고 상기 인덕터(142)에는 에너지가 축적된다. 상기 제 2 스위치(M2)가 턴오프 되면, DC 링크(130)에 충전된 전압은 더 이상 전력 계통(170)에 공급되지 않는다. 따라서, 상기 인덕터(142)에 축적된 에너지를 사용하여 상기 전력 계통(170)에 전류를 공급한다. 즉, 상기 비교기(144c)는 제 2 스위치(M2)의 시비율을 조절함으로써 전류의 세기를 조절한다. 그리고 상기 비교기(144c)는 전류의 방향이 전력 계통(170)과 동위상이 되도록 풀 브리지 스위치(143)를 온오프한다.
도 5c를 참조하면, 인덕터의 전류(inductor current), DC 링크의 전압(link voltage) 및 전력 계통의 전압(line voltage)과 전류(line current)의 파형이 도시되어 있다.
인덕터(142)의 전류는 제 1 스위치(M1) 및 제 2 스위치(M2)의 동작에 따라 그 세기가 변하는 것을 알 수 있다. 또한, 전력 계통(170)의 전류는 전력 계통(170)의 전압과 동위상으로, DC 링크(130)로부터 전력 계통(170)으로 전류가 공급되어 DC 링크(130)의 전압이 400V로 일정하게 제어되는 것을 알 수 있다. 여기서, 제어부(144)는 제 2 제어기(144b)를 통해 전력 계통(170)의 전류가 전력 계통(170)의 전압과 동위상이 되도록 풀 브리지 스위칭부(143)를 온오프 시킨다.
이와 같이, 상기 제어부(144)는 제 1 스위치(M1)의 시비율을 제어하여 DC 링크(130)의 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 6a는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때를 도시한 블록도이다. 도 6b는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 제어부의 알고리즘을 도시한 블록도이다. 도 6c는 본 발명에 따른 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때의 파형을 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 양방향 인버터(140)는 전력 계통(170)의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(130)에 제공한다. 이러한 모드를 PFC(Power Factor Correction) 모드라고 하기도 한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제어부(144)는 제 1 제어기(144a), 제 2 제어기(144b) 및 비교기(144c)를 포함한다.
상기 제 1 제어기(144a)는 DC 링크(130)의 전압(Vlink)을 측정하여 기준전압(Vlink_ref)과 비교를 하고, 상기 DC 링크(130)의 전압(Vlink)이 기준전압(Vlink_ref)과 같아지도록 제 1 출력을 내보낸다. 여기서, 기준전압(Vlink_ref)은 상기 제 1 제어기(144a)에 미리 저장되어 있는 값이다. 상기 제 1 출력은 전력 계통(170)의 전압이 정류된 신호(Vrec)와 곱해져 제 1 전류 명령이 된다.
상기 제 2 제어기(144b)는 상기 제 1 전류 명령과 인덕터(142)의 전류(IL)를 비교하여, 상기 제 1 전류 명령과 상기 인덕터(142)의 전류(IL)가 같아지도록 제 2 출력을 내보낸다. 여기서, 상기 인덕터(142)의 전류(IL)는 전력 계통(170)에서 DC 링크(130) 방향으로 흐른다.
상기 비교기(144c)는 상기 제 2 출력과 톱니파를 비교하여 제 2 스위치(M2)의 시비율을 결정하여 제 2 스위치(M2)를 동작시킨다. 또한, 상기 비교기(144c)는 상기 제 2 스위치(M2)의 시비율과 반대로 제 1 스위치(M1)를 동작시킨다.
상기 제 1스위치(M1)가 턴온 되면 전력게통(170) 전압은 DC링크(130)에 공급된다. 이때, 인덕터(142) 전류는 상승하고 상기 인덕터(142)에는 에너지가 축적된다. 상기 제 1 스위치(M1)가 턴오프 되면 전력 계통(170)전압은 더 이상 DC링크(130)에 공급되지 않는다. 즉, 상기 비교기(144c)는 제 1 스위치(M1)의 시비율을 조절함으로써 전류의 세기를 조절한다. 그리고 상기 비교기는 전류의 방향이 전력 계통과 역위상이 되도록 풀 브리지 스위칭부(143)를 온오프한다.
도 6c를 참조하면, 인덕터의 전류(inductor current), DC 링크의 전압(link voltage) 및 전력 계통의 전압(line voltage)과 전류(line current)의 파형이 도시되어 있다.
인덕터(142)의 전류는 제 1 스위치(M1) 및 제 2 스위치(M2)의 동작에 따라 그 세기가 변하는 것을 알 수 있다. 또한, 전력 계통(170)의 전류는 전력 계통(170)의 전압과 역위상으로, 전력 계통(170)으로부터 DC 링크(130)로 전류가 공급되어 DC 링크(130)의 전압이 400V로 일정하게 제어되는 것을 알 수 있다. 여기서, 제어부(144)는 제 2 제어기(144b)를 통해 전력 계통(170)의 전류가 전력 계통(170)의 전압과 역위상이 되도록 풀 브리지 스위칭부(143)를 온오프 시킨다.
이와 같이, 상기 제어부(144)는 제 2 스위치(M2)의 시비율을 제어하여 DC 링크(130)의 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 신재생 에너지 저장 시스템 110: 신재생 에너지
120: 최대 전력점 추종 컨버터 130: DC 링크
140: 양방향 인버터 141: 스위칭부
M1: 제 1 스위치 M2: 제 2 스위치
142: 인덕터 143: 풀 브리짓 스위칭부
S1: 제 1 브리지 스위치 S2: 제 2 브리지 스위치
S3: 제 3 브리지 스위치 S4: 제 4 브리지 스위치
144: 제어부 144a: 제 1 제어기
144b: 제 2 제어기 144c: 비교기
150: 부하 160: 계통 연계기
170: 전력 계통 180: 배터리
190: 배터리 모니터링 시스템 200: 양방향 컨버터
210: 통합 제어기

Claims (13)

  1. DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통의 전원을 상기 DC 링크에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 있어서,
    상기 DC 링크에 직렬로 연결된 제 1 스위치 및 상기 DC 링크에 병렬로 연결된 제 2 스위치를 포함하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 전기적으로 연결된 인덕터;
    상기 인덕터에 전기적으로 연결된 풀 브리지 스위칭부; 및
    상기 스위칭부와 인덕터 및 풀 브리지 스위칭부에 전기적으로 연결된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 1 스위치의 시비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 1 스위치의 시비율과 반대로 제 2 스위치의 시비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 2 스위치의 시비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 제어부는 상기 제 2 스위치의 시비율과 반대로 제 1 스위치의 시비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 인버터가 인버터 모드로 동작할 때, 상기 전력 계통의 전류는 전력 계통의 전압과 동위상인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 인버터가 PFC 모드로 동작할 때, 상기 전력 계통의 전류는 전력 계통의 전압과 역위상인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 양방향 인버터의 전압을 제어하는 제 1 제어기;
    상기 양방향 인버터의 전류를 제어하는 제 2 제어기; 및
    상기 제 2 제어기의 출력을 톱니파와 비교하여 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치의 시비율을 제어하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 상기 제 2 스위치와 반대로 동작하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 풀 브리지 스위칭부는
    상기 인덕터와 전기적으로 연결된 제 1 브리지 스위치;
    상기 제 1 브리지 스위치와 직렬로 연결된 제 2 브리지 스위치;
    상기 제 1 브리지 스위치와 병렬로 연결된 제 3 브리지 스위치; 및
    상기 제 2 브리지 스위치와 병렬로 연결된 제 4 브리지 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 풀 브리지 스위칭부는
    상기 제 1 브리지 스위치와 제 4 브리지 스위치가 한쌍으로 동작하고, 상기 제 2 브리지 스위치와 제 3 브리지 스위치가 한쌍으로 동작하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 브리지 스위치와 상기 제 4 브리지 스위치가 턴온되면 상기 전력 계통의 전압은 마이너스인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 브리지 스위치와 상기 제 3 브리지 스위치가 턴온되면 상기 전력 계통의 전압은 플러스인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
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