KR20120071349A

KR20120071349A - 전력 변환 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20120071349A
Application number: KR1020110139117A
Authority: KR
Inventors: 캐슬린 앤 오브라이언; 쥬오후이 탄; 신후이 우; 마오종 공; 수에퀸 우
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-07-02
Also published as: TWI533575B; US20120314467A1; TW201236334A; CN102570868A; JP6105843B2; EP2469680A2; KR101849783B1; CN102570868B; EP2469680B1; EP2469680A3; ES2811625T3; US8705256B2; JP2012135194A

Abstract

전력 시스템(10)은 전원(12), 상기 전원으로부터 DC 전력(14)을 수신하는 DC 버스(16), 상기 DC 버스에 전기 접속되어 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 조정된 전압 출력(20)을 갖는 AC 전력으로 변환하여 전기 시스템(22)에 공급하는 선로측 변환기(34), 및 상기 선로측 변환기의 동작을 제어하는 선로측 제어기(36)를 구비하는 전력 변환 제어 시스템(24)을 포함한다. 상기 선로측 변환기는 조정된 전압 출력을 나타내는 전압 진폭 신호를 수신하고, 상기 DC 버스의 DC 전압 궤환 신호 및 DC 전압 커맨드 신호를 이용하여 DC 전압 차 신호를 획득하며, 전력 커맨드 신호를 획득하고, 그리고 전력 궤환 신호를 획득한다. 상기 선로측 변환기는 상기 DC 전압차 신호, 상기 전력 커맨드 신호 및 상기 전력 궤환 신호를 사용하여 위상각 제어 신호를 생성하고, 또한 상기 전압 진폭 신호 및 위상각 제어 신호를 이용하여 상기 선로측 변환기의 제어 신호를 생성한다.

Description

전력 변환 시스템 및 방법{POWER CONVERSION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 전력 변환 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 전기 시스템의 제작을 위해 DC 버스에서 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 시스템 및 방법에 관한 것이다.

태양광 발전은 최근에 많을 주목을 받고 있는 매력적인 중요한 재생가능한 에너지 원이다. 그러나 태양광 발전은 다른 전기 발전설비에 비해 고비용을 수반한다. 따라서 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking) 회로 같은 장치가 태양광 발전 시스템으로부터 최대량의 전력을 추출하는데 사용되고 있다.

종래의 태양광 발전 시스템은 태양광 전원(Solar Power Source), 상기 태양광 전원으로부터 직류를 수신하기 위한 DC 버스, 및 상기 DC 버스의 직류 전력을 설비 또는 배관망(grid)에 공급하기 위해 교류 전력으로 변환하기 위한 선로측 변환기를 포함한다. 상기 태양과 발전 시스템은 또한 상기 전력 변환의 동작을 제어하는 전력 변환 제어 시스템을 포함한다. 상기 전력 변환 제어 시스템의 주목적 중 하나는 DC 버스의 DC 전압(V_dc)을 일정 레벨로 유지하는 것이다. DC 전압을 제어하는 하나의 변환 제어 방식으로 측정된 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)에 따라 MPPT 회로를 제어하는 방식이 있다. DC 전압 궤환 신호가 너무 높으면 태양광 전원은 전력을 덜 출력하도록 조정될 수 있다. 그러나 DC 전압 궤환 신호가 너무 낮을 때 태양광 전원이 대략 최대 전력 출력에서 동작하는 경우, 더 많은 전력을 추출해서 DC 전압을 증가시키기는 어렵다. 따라서 다수의 태양광 발전 시스템은 상기 최대 전력 출력보다 다소 낮게 동작하여 저비용 유효 전력 생산을 하거나 상기 DC 전압을 유지하여 추가적 장비의 비용을 감수하고라도 추가의 에너지 저장장치를 사용한다.

따라서 상기 종래의 방법 및 시스템과는 다르며 전술한 문제중 적어도 하나 이상을 해결할 수 있는 개선된 DC 전압 유지 방법 및 시스템이 필요하게 된다.

본 명세서에 개시된 실시예에 따르면, 전력 시스템은 전원, 상기 전원으로부터 DC 전력을 수신하는 DC 버스, 상기 DC 버스에 전기 접속되어 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 조정된 전압 출력을 갖는 AC전력으로 변환하여 전기 시스템에 공급하는 선로측 변환기 및 상기 선로측 변환기의 동작을 제어하는 선로측 제어기를 구비하는 전력 변환 제어 시스템을 구비한다. 상기 선로측 변환기는 조정된 전압 출력을 나타내는 전압 진폭 신호를 수신하고, 상기 DC 버스의 DC 전압 궤환 신호 및 DC 전압 커맨드 신호를 이용하여 DC 전압 차 신호를 획득하며, 전력 커맨드 신호를 획득하고, 전력 궤환 신호를 획득한다. 상기 선로측 변환기는 상기 DC 전압차 신호, 상기 전력 커맨드 신호 및 상기 전력 궤환 신호를 이용하여 위상각 제어 신호를 생성하고, 또한 상기 전압 진폭 신호 및 위상각 제어 신호를 이용하여 상기 선로측 변환기 제어 신호를 생성한다.

본 명세서에 개시된 다른 실시예에 따르면, 태양광 발전 시스템은 DC 전력을 생성하는 태양광 전원, DC 전력을 수신하는 DC 버스, 상기 DC 버스에서 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 DC/AC 전력 변환기, 및 DC/AC 전력 변환기 제어 신호를 생성하는 선로측 제어기를 포함한다. 상기 선로측 제어기는 상기 전력 궤환 신호와 상기 전력 커맨드 신호를 이용하여 전력 불균형 신호를 수신하고, 상기 전력 불균형 신호를 이용하여 내부 주파수 신호(internal frequency signal)를 생성하는 전력 조정기를 포함한다. 적분기는 상기 내부 주파수 신호를 적분하여 위상각 신호를 생성한다. DC 전압 조정기는 DC 버스의 DC 전압 궤환 신호 및 DC 전압 커맨드 신호를 이용하여 DC 전압차 신호를 획득한다. 상기 선로측 제어기는 상기 DC 전압차 신호를 이용하여 상기 위상각 신호를 직·간접적으로 조정하도록 되어있다. 상기 선로측 변환기는 상기 위상각 신호에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 선로측 변환기 제어신호를 생성하는 변조기를 더 포함한다.

본 명세서에 개시된 다른 실시예에 따르면, DC 버스에서 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 방법이 개시되는데, 이 방법은 전력 커맨드 신호 및 전력 궤환 신호에 따라 전력 불균형 신호를 획득하고, 상기 전력 불균형 신호를 이용하여 내부 주파수 신호를 생성하고, 상기 내부 주파수 신호를 적분하여 위상각 신호를 생성하고, DC 전압 커맨드 신호 및 DC 전압 궤환 신호에 따라 DC 전압차 신호를 획득하고, 그리고 DC 전압차 신호를 이용하여 직·간접적으로 위상각 신호를 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면 DC 버스에서 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 개선된 전력 변환 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템의 블록도이다.
도 2는 태양광 전원의 전압 대 전류 곡선을 나타낸다.
도 3은 태양광 전원의 전압 대 전력 곡선을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 도 1의 전력 시스템의 전력 변환 제어 시스템의 제어 블록도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 내부 주파수 신호를 생성하는 전력 조정기의 제어 블록도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 DC 전압 에러 신호를 생성하는 검출기의 제어 블록도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 제어 시스템의 제어 블록도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 제어 시스템의 제어 블록도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 제어 시스템의 제어 블록도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 제어 시스템의 제어 블록도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 이단(dual stage) 실시예에 따른 전력 시스템을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 11의 전력 시스템의 몇 개의 제어 시스템 블록을 나나탠다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 11의 전력 시스템의 몇 개의 제어 시스템 블록을 나타낸다.

본 발명의 전술한 그리고 기타의 특징, 양상 및 장점들은 도면 전체에 걸쳐서 유사의 부분에 대해서는 유사의 도면부호를 부여한 첨부 도면을 참조로 한 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명백해 질 것이다.

본 발명의 실시예들은 DC 버스에 실리는 직류(DC) 전력을 조정된 전압 출력의 교류(AC) 전력으로 변환하고, 예를 들어 전력 설비 또는 전력 배관망을 포함할 수 있는 전기 시스템에 AC 전력을 공급하기 위한 전력 계통에 관한 것이다. 상기 전력 변환을 제어하고 DC 버스 전압(DC 전압)을 일정 레벨로 유지하는데 전력 변환 제어 시스템이 사용된다.

도 1을 참조하면, 일 예시의 전력 시스템(10)은 DC 버스(16)에 DC 전력(14)을 전달하기 위한 전원(12), 상기 DC 전력(14)을 조정된 전압 출력의 AC 전력(20)으로 변환하고 조정된 전압 출력을 전기 시스템(22)에 공급하기 위한 전력 변환 모듈(18) 및 상기 전력 변환 모듈(18)의 동작을 제어하고 DC 버스(16)에서 DC 전압(V_dc) 를 일정 값으로 또는 일정 전압 범위 내에 유지하기 위한 전력 변환 제어 시스템(24)(제어 시스템(24))을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 전력 시스템(10)은 3상 AC 전력(20)을 생성하는 3상 전력 시스템을 포함한다.

일 실시예에서 전원(12)은 DC 전력(14)을 DC 버스(16)에 직·간접적으로 공급하기 위해 DC 전력을 전달하는 연료 전지 같은 배터리 모듈 또는 광기전(photovoltaic;PV) 패널을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 전원(12)은 풍력 터빈(wind turbine), 조력 에너지 터빈(marine hydrokinetic energy turbine ), 가스 터빈, 또는 AC 전력을 생산하는 스팀 터빈과 같은 다른 형태의 발전기 및 AC 전력을 DC 전력(14)으로 변환하는 AC/DC 변환기(도 11의 전원측 변환기로 나타낸 바와 같은)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에 있어서, 전원(12)은 PV 패널 또는 일련의 PV 패널들을 포함하는 태양광 전원을 포함한다. 전원 모듈(12)은 실질적으로 극한 전력(power limit) 또는 최대 전력점(MPP)에서 작동하도록 동작하고, 상기 전원(12)의 전류 및 전압의 값으로 최대 전력 출력 출력이 생성된다. 전원(12)이 연료 전지 배터리와 같은 다른 형태의 전원을 포함하는 다른 실시예들에 있어서, 다른 전원 또한 극한 전력에서 동작할 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2의 전류-전압 곡선(V-I curve)(28)은 임의의 동작점에서 전원(12)의 전압-전류 특성을 나타내고, 도 3의 전력-전압 곡선(P-V curve)(30)은 동일 조건에서의 전원(12)의 대응 전력 특성을 나타낸다. V-I 곡선에서 전압은 PV 패널들의 출력 단자들이 함께 단락되는 경우 단락 전류(I_short)에서 거의 0이다. 출력 전압이 증가함에 따라 V-I 곡선(28)의 전류값은 포화점(knee point )(I_m, V_m)에 도달하기까지 실질적으로 일정 레벨로 유지하고, 이 포화점에서 상기 전류값은 개방 회로 전압 출력(V_open)에서 0 전류 쪽으로 급격하게 하강한다.

도 3을 참조하면, 임의의 실시예들에서, P-V 곡선(30)은 V-I 곡선(28)을 따르는 각 점에서 전류 × 전압이다. P-V 곡선(30)은 MPP로 알려진 도 2에서 V-I 곡선의 포화점(knee point)에 대응하는 최대 전력(P_mpp)을 갖는다. MPP는 PV 패널들의 조명 레벨, 온도 및 에이지와 같은 동작 조건들의 변화를 기반으로 변화하는 성질을 갖는다. 도 1의 도시된 실시예에 있어서, 전력 시스템(10)은 MPP를 추적하고 전원(12)이 MPP에서 실질적으로 동작하는 것을 보장하기 위해 최대 전력 점 추적(MPP) 회로(32)를 포함한다.

도 1의 도시된 실시예에 있어서, 전력 변환 모듈(18)은 전원(12)으로부터 DC 전력(14)을 수신하고 DC 전력(14)을 AC 전력(20)으로 변환하는 선로측 변환기 또는 DC/AC 전력 변환기(34)를 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 선로측 변환기(34)는 전기 시스템(22)의 전원으로서 기능한다. 환언하면, 선로측 제어기(36)는 선로측 변환기(34) 출력 전압의 위상 및 진폭을 제어한다. 임의의 실시예들에 있어서, 선로측 변환기(34)는 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 및/또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 복수의 반도체 스위치(도시 않음)를 포함한다. 제어 시스템(24)은 반도체 스위치들의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하여 조정된 전압 신호를 생성하도록 제어 신호(38)를 전송하는 선로측 제어기(36)를 포함한다.

도 1을 계속 참조하면, 선로측 제어기(36)는 DC 버스(16)에서 측정된 DC 전압인 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback), DC 전압 커맨드 신호(V_dc _{_} _cmd), 전력 커맨드 신호(P_cmd), 전력 궤환 신호(P_feedback), 최대 전력 신호 (P_mpp) 및 전압 진폭 신호(V_amp)를 수신해서 선로측 변환기 제어 신호(38)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 선로측 제어기(36)는 조정된 전압 출력의 측정된 3상 전압 신호(V_a, V_b, V_c)를 수신해서 전압 진폭 신호를 계산한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선로측 제어기(36)는 선로측 변환기(34)의 PWM 제어 신호(38)를 생성하는데 공통으로 사용되는 전력 조정기(42), 적분기(44), 검출기(46), 전압 조정기(48), 적분기(50), 변조기(39), 및 두 개의 가산 소자(43 및 45)를 포함한다.

도 4에 도시된 실시예에 있어서, 선로측 제어기(36)는 전력 커맨드 신호(P_cmd), 전력 궤환 신호(P_feedback)를 수신하여 전력 불균형(또는 차) 신호(40)를 생성한다. 도시된 실시예에 있어서, 전력 커맨드 신호는 MPPT 회로(32)에 의해 생성된 최대 전력 신호(P_mpp)이다. 다른 실시예에 있어서, 전력 커맨드 신호는 감시 제어기(supervisor controller)로부터의 계획된 전력 커맨드 즉, 분배 계통 오퍼레이터(distribution system operator;DSO), 또는 전송 계통 오퍼레이터(TSO)로부터의 커맨드 신호이다. 일 실시예에 있어서, 선로측 제어기(36)는 폐 루프 전력 제어를 가지며 전력 궤환 신호(P_feedback)로서 AC 전력(20)으로부터 측정된 전력 신호를 사용한다. 다른 실시예에 있어서, 파선으로 도시된 바와 같이 선로측 제어기(36)는 개루프 전력 제어 방식을 사용하여 전력 궤환 신호(P_feedback)로서 DC 전력(14)으로부터 측정된 신호를 사용한다. 일 실시예에 있어서, 전력 궤환 신호(P_feedback)는 DC 전력(14)으로부터 측정된 전력 신호 및 AC 전력(20)으로부터 측정된 전력 신호 모두를 포함하는 혼합 신호를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 혼합 신호는 상기 DC 전력(14) 및 AC 전력(20)으로부터 측정된 신호들의 평균값을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 전력 불균형 신호(40)는 가산 소자(43)로부터 획득한 전력 커맨드 신호와 전력 궤환 신호(P_cmd, P_feedback) 사이의 차이다. 전력 조정기(42)는 전력 불균형 신호(40)를 사용하여 내부 주파수 신호(ω)를 생성한다. 임의의 실시예들에 있어서, 내부 주파수 신호(ω)는 전기 시스템(22)의 주파수와는 다르다. 적분기(44)를 사용하여 내부 주파수 신호(ω)를 적분함으로써 위상각 신호(θ)가 생성된다.

내부 주파수 신호(ω)를 생성하는 전력 조정기(42)의 일 예시의 실시예가 도 5에 도시된다. 이 실시예에 있어서, 전력 조정기(42)는 PI 조정기(60) 및 드룹 루프(droop loop ;62)를 포함한다. PI 조정기(60)는 전력 불균형 신호(40)를 사용하여 내부 주파수 신호(ω)를 생성한다. 드룹 루프(62)는 상기 내부 주파수 신호(ω)와 주파수 기준 신호(ω_ref)를 비교하고 그 차를 이용하여 전력 불균형 신호(40)를 제한한다.

도 4를 다시 참조하면, 선로측 제어기(36)는 또한 DC 전압 커맨드 신호(V_dc _{_} _cmd) 와 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)를 수신하여 DC 전압차 신호(37)를 생성하기 위한 검출기(46)를 구비한다. 일 실시예에 있어서, DC 전압차 신호(37)는 DC 전압 커맨드 신호와 전압 궤환 커맨드 신호(V_dc _{_} _cmd, V_dc _{_} _feedback)의 차를 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 전압 조정기(48)는 DC 전압 에러를 반영하는 DC 전압차 신호(37)를 이용하여 주파수 보정 신호(Δω)를 생성한다. 일 실시예에 있어서, 전압 조정기(48)는 예를 들어 PI 조정기를 포함한다. 적분기(50)는 상기 주파수 보정 신호(Δω)를 적분해서 위상각 보정 신호(Δθ)를 생성한다. 도시한 실시예에 있어서, 위상각 신호(θ)는 가산 소자(45)에서 상기 위상각 보정 신호(Δθ)에 의해 조정되어 위상각 제어 신호(θ_c)를 획득한다.

임의의 실시예들에서, 변조기(39)는 상기 위상각 제어 신호 및 상기 전압 진폭 신호를 수신해서 이들 신호를 PWM 제어 신호(38)를 생성하는데 사용한다. 일 예시의 실시예에서, 변조기(39)는 전압 위상각 및 진폭 신호를 사용하여 2상 신호를 생성한 다음 이 2상 신호를 선로측 변환기(34)에 사용을 위한 3상 전압 커맨드 신호들로 변환한다.

동작에 있어서, 측정된 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback) 가 너무 높으면, 위상 각 보정 신호(Δθ) 는 정의 값이 되고, 위상각 제어 신호(θ_c)는 증가된다. 따라서 선로측 변환기(34)가 전기 시스템(22)으로 더 많은 전력을 출력하도록 조정되어 DC 전압을 감소시킨다. 측정된 DC 전압 궤환 신호가 너무 낮은 경우, 위상각 보정 신호(Δθ)는 부의 값으로 되고, 위상각 제어 신호 (θ_c) 가 증가된다. 이에 따라 선로측 변환기(34)가 전기 시스템(22)에 더 낮은 전력을 출력하도록 조정되어 DC 전압을 증가시킨다.

검출기(46)를 통해 DC 전압차 신호(37)를 생성하기 위한 다른 실시예가 도 6에 도시된다. 이 실시예에 있어서, 검출기(46)는 리미터(52)를 포함하고, DC 전압 커맨드 신호(V_dc _{_} _cmd)는 상기 리미터(52)에 대해 상위 전압 한계치(V_lim _- _up) 및 하위 DC 전압 한계치(V_lim _- _dn) 를 설정한다. 상위 및 하위 DC 전압 한계치(V_lim _- _up, V_lim _- _dn)는 DC 전압의 안전 동작 범위를 형성한다. 측정된 DC 전압 궤환 신호가 안전 동작 범위 사이에 있는 경우, 전압 차 신호(37)는 0이다. 환언하면, 안전 동작 범위 내의 DC 전압의 작은 변동은 상기 위상각 제어 신호를 변경시키는데 사용되지 않는다. 측정된 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)가 상기 안전 동작 범위를 상회하면, 전압 차 신호(37)는 0으로 되지 않으며 위상각 제어 신호를 조정하는데 사용된다.

도 6의 도시된 실시예에 있어서, DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)가 상위 한계치와 하위 한계치 사이에 있는 경우, 리미터(52)의 출력(54)은 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)이다. DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)가 상위 한계치와 하위 한계치(V_lim _- _up, V_lim _- _dn) 사이에 있는 경우 리미터(52)의 출력(54)은 상위 한계치 또는 하위 한계치 중 하나이다(어느 경우든 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)에 가깝다). 리미터(52)의 출력(54)은 감산기(55)에서 DC 전압 궤환 신호 (V_dc _{_} _feedback)에 의해 감산된다. 도시된 실시예에 있어서, 검출기(46)는 또한 상기 감산기(55)로부터의 결과를 수신하는 논리 유니트(56)를 포함한다. DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)가 상위 한계치와 하위 한계치 사이에 있는 경우, 상기 감산기로부터의 결과는 0이고, 상기 논리 유니트(56)는 상기 위상각 제어 신호(θ_c)를 변경하는데 DC 전압차 신호를 전송하지 않는다. DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)가 상위 한계치와 하위 한계치를 벗어나는 경우, 상기 감산기(55)로부터의 결과는 DC 전압 궤환 신호와 상기 DC 전압 궤환 신호(V_dc _{_} _feedback)에 가까운 상위 한계치와 하위 한계치 중 하나 사이의 DC 전압차이고, 논리 유니트(56)는 이 DC 전압 에러 신호를 DC 전압차 신호(37)로서 전송하여 위상각 제어 신호(θ_c)를 조정한다.

도 7, 8 및 도 9는 위상각 신호를 처음 계산하기에 앞서 위상각 신호(θ)를 직접적으로 변경하기 위산 선로측 제어기(736, 836, 936)의 다른 실시예들을 도시한다. 도 7의 실시예는 DC 전압 조정기(48)에 의해 생성된 주파수 보정 신호(Δω)가 별개의 적분기로 전송되지 않는 대신 내부 주파수 신호(ω) 를 조정하는데 사용되어 내부 주파수 제어 신호(ω_c)를 획득하는 것을 제외하고는 도 4의 실시예와 유사하다. 적분기(44)는 내부 주파수 제어 신호(ω_c)를 사용하여 변조기(39)에 직접적으로 전송되는 위상 제어 신호를 생성한다. 도 8의 실시예에 있어서, 검출기(46)에 의해 생성된 전압차 신호(37)는 조정기(66)에 의해 전력 조정 신호(P_reg)를 생성하는데 사용되고, 이 전력 조정 신호(P_reg)는 전력 불균형 신호(40)를 조정하는데 사용된다. 따라서 전력 조정기(42)로부터의 주파수는 상기 전력 조정 시스템이 필요로 하는 임의의 조정을 이미 포함하고 있다. 일 실시예에 있어서, 조정기(66)는 PI 조정기를 이용하여 전력 조정 신호를 생성한다. MPPT 제어기(32)(도 1)가 필요치 않은 도 9의 실시예에 있어서, 제어 시스템(24)은 DC 전압차를 0으로 조정하여 DC 전압차 신호(37)를 이용하여 전압 커맨드 신호(P_cmd) 를 생성하는 조정기(68)를 포함하고 있다.

도 10에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에 있어서, 선로측 제어기(136)는 또한 조정된 전압 출력의 3상 전압(Va, Vb, Vc)을 검출하고 선로측 변환기(34)의 주파수 기준 신호(ω_pll) 및 위상각 기준 신호(θ_pll)를 생성한다. 제어 시스템(24)은 주파수 기준 및 위상각 기준 신호 (ω_pll, θ_pll)를 사용하여 내부 주파수 신호 및 위상각 신호를 제한한다. 도시된 실시예에 있어서, PI 조정기(60)에 의해 생성된 내부 주파수수(ω)는 가산 소자(63)에서 주파수 기준 신호(ω_pll, θ_pll)로부터 감산되고, 그 주파수 차(ω_f)는 적분기(44)로 전송된다. 적분기(44)는 상위 차이 및 하위 차이 값을 갖는 리미터를 포함한다. 상기 주파수 차(ω_f)가 상위 차이 값과 하위 차이 값 사이에 있는 경우, 적분기(44)는 주파수 차(ω_f)에 따라 위상각 신호(θ)를 생성한다. 주파수 차(ω_f)가 상위 또는 하위 차이 값을 벗어나는 경우 적분기(44)는 상기 주파수 차에 가까운 상위 또는 하위 차이 값 중 하나에 따라 위상각 신호(θ)를 생성한다. 도시된 실시예에 있어서, 위상각 기준 신호(θ_pll)는 가산 회로(65)에서 적분기(44)로부터의 위상각 신호에 가산된다. 따라서, PLL 회로(58)로부터의 주파수 기준 신호 및 위상각 기준 신호(ω_pll, θ_pll)는 보호 목적이 아니라 정상동작 목적을 위해 내부 주파수 신호 및 위상각 신호(ω, θ)의 변동을 제한하는데 사용된다.

도 11을 참조하면, 다른 실시예에 따른 전력 시스템(70)은 또한 전원(12)으로부터의 전력을 DC 전력(14)으로 변환하기 위한 전원측 변환기(72)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 전원측 변환기(72)는 전원(12)으로부터의 DC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 DC/DC 전력 변환기를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 전원측 변환기(72)는 전원(12)으로부터의 AC 전력을 DC 전력(14)으로 변환하기 위한 AC/DC 변환기를 포함한다. 임의의 실시예들에 있어서, 전원측 변환기(72)는 IGCT( Integrated Gate Commutated Thyristor) 및/또는 IGBT(nsulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 복수의 반도체 스위치(도시 않음)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 전력 변환 제어 시스템(74)은 전원측 변환기(72)의 제어 신호(78)를 생성하는 전원측 제어기(76) 및 상기 전원측 제어기 및 선로측 제어기(76, 36) 모두에 전기적으로 접속된 DC 전압 제어기(82)를 포함한다. 도시된 DC 전압 제어기(82)는 DC 전압 커맨드와 궤환 신호(V_dc _{_} _cmd, V_dc _{_} _feedback) 사이의 차이를 이용해서 상기 전원측 제어기 및 선로측 제어기(76, 36) 각각에 대해 전원측 및 선로측 DC 전압 조정 신호(84, 86)를 생성할 수 있다.

도 12를 참조하면, 도시된 실시예에 있어서, DC 전압 제어기(82)는 가산 소자(95) 및 리미터(97)를 포함한다. 가산 소자(95)는 DC 전압 커맨드 신호 및 궤환 신호(V_dc _{_} _cmd, V_dc _{_} _feedback)를 수신해서 DC 전압 신호와 커맨드 신호 사이의 차이인 DC 전압차 신호(98)를 계산한다. 리미터(97)는 DC 전압차 한계치(V_dc _{_} _lim)를 포함하고 DC 전압차 신호(98)를 수신한다. 임의의 실시예들에 있어서, DC 전압 한계치는 결정된 값 또는 결정된 전압 범위를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 전압차 신호의 절대값이 DC 전압차 한계치(V_dc _{_} _lim)보다 작고 즉 상기 한계치의 범위 내에 있는 경우, 리미터(97)의 출력은 없고 즉 0이고, 전압차 신호(98)의 절대값이 DC 전압차 한계치(V_dc _{_} _lim) 이상 즉, 상기 한계치 범위를 상회하는 경우 리미터(97)의 출력은 0이 아니고 그 절대값에 비례한다.

도시된 실시예에 있어서, 선로측 제어기(36)(도 11)는 선로측 DC 전압 조정 신호로서 리미터(97)의 출력을 수신한다. 따라서 선로측 제어기(36)는 상기 전압차 신호(98)가 DC 전압차 한계치 이상 즉 상기 한계치의 범위를 상회하는 경우 전술한 바와 같이 위상각 제어 신호(도 4 및 도 7 내지 도 10의 θ_c)를 직·간접적으로 변경함으로써 DC 전압을 제어한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 전압차 신호(98)가 부의 값인 경우 리미터(97)의 출력은 0이고, 상기 전압차 신호(98)가 정의 값인 경우 리미터(97)의 출력은 0이 아니다. 따라서, DC 전압에 감소가 있는 경우, 선로측 제어기(36)는 상기 위상각 제어 신호(θ_c)를 직·간접적으로 감소시켜서 선로측 변환기(34)가 낮은 전력을 출력하도록 제어한다.

도 12의 실시예에 있어서, 전원측 제어기(76)는 전원측 DC 전압 조정 신호로서 DC 전압차 신호(98)를 수신하므로 전원측 제어기(76)는 DC 전압차 또는 변화에 따라 DC 전압 제어를 수행하는데 사용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 전원측 제어기(76)는 전류 조정기(88), 변조기(90) 및 전원측 DC 전압 조정기(92)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 전류 조정기(88)는 전원(12)의 전력 출력으로부터 궤환 신호(96) 및 DC 전압 조정기(92)로부터 DC 기준 신호를 수신하여 전류 제어 신호(99)를 생성한다. 변조기(90)는 전류 제어 신호(99)를 이용하여 전원측 변환기(72)의 제어 신호(78)를 생성하여 소정의 전류 출력을 생성한다.

도 13의 실시예에 있어서, 선로측 변환기(36)는 선로측 DC 전압 조정 신호(86)로서 DC 전압차 신호(98)를 수신하므로 선로측 변환기(36)는 DC 전압차 또는 변동에 따라 DC 전압 제어를 수행한다. 이 실시예에 있어서, 전원 제어기(76)는 전원 측 DC 전압 조정 신호(84)로서 리미터(97)의 출력을 수신한다. 이 실시예에 있어서 전류 조정기(88)는 전원(12)의 전력 출력으로부터 궤환 신호(96)와 MPPT 회로(32)로부터의 커맨드 신호(94)와 DC 전압 조정기(92)로부터의 DC 기준 신호 사이의 차를 수신해서 전류 제어 신호(99)를 생성한다. 따라서, 전원측 제어기(76)는 전압차 신호(98)가 DC 전압차 이상 즉 한계치 범위를 상회하는 경우에만 DC 전압을 제어한다.

전술한 모든 목적 또는 장점이 반드시 임의의 특정 실시예에 따라 성취되어야 하는 것은 물론 아니다. 따라서 예를 들어 본 분야의 당업자라면 본 명세서에 기술된 시스템 및 기술들은 반드시 본 명세서에서 교시되고 제시된 바의 기타의 목적 또는 장점들을 달성하기 않고서도 본 명세서에 교시된 하나의 장점 또는 일 군의 장점을 달성하거나 최적화하는 방식으로 실현 또는 실시될 수 있음을 인식할 것이다.

또한 당업자라면 다른 실시예들로부터 여러 특징들의 호환성을 인식할 것이다. 기술한 여러 특징들뿐만 아니라 각 특징에 대한 다른 공지의 등가물들은 본 발명 개시의 원리에 따라 추가의 시스템들 및 기술들을 구성하는데 본 분야의 당업자에 의해 적의 적용될 수 있을 것이다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템 및 방법을 첨부 도면을 참조로 하여 설명하였으나 이것은 예시 목적이지 이것으로 본 발명을 한정하고자 함은 아니다. 즉, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 이하의 부속청구범위에 의해 정해지며, 본 발명의 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 전력 시스템 12: 전원
14: DC 전력 16: DC 버스
18: 전력 변환 모듈 20: 조정된 전압 출력
22: 전기 시스템 24: 전력 변환 제어 시스템
26: DC 전류 28: 전압-전류 곡선
30: 전력-전류 곡선 32: MPPT 회로
34: 선로측 변환기 또는 DC/AC 변환기 36: 선로측 제어기
38: 제어 신호 39: 변조기
40: 전력 불균형 신호 42: 전력 조정기
44: 적분기 46: 검출기
48: 전압 조정기 50: 적분기
52: 비교시 54: 비교기(52)의 출력
56: PLL 회로 58: 논리 유니트
60: PI 조정기 62: 드룹 루프(droop loop)
64: 비교기 66: 조정기
68: 조정기 70: 전력 시스템
72: 전원측 변환기 74: 전력 변환 제어 시스템
76: 전원측 제어기 78: 전원측 변환기의 제어 신호
80: 조정 신호 84, 86: DC 조정 신호
88: 전원측 전류 조정기 90: 변조기
92: 전원측 DC 전압 조정기
94: 전원측 전류 조정기 커맨드 신호 95: 가산 소자
96: 전원측 전류 조정기 궤환 신호 97: 리미터
98: DC 전압차 신호 99: 전류 제어 신호

Claims

전원(12)과,
상기 전원으로부터 DC 전력(14)을 수신하는 DC 버스(16)와,
상기 DC 버스에 전기 접속되어, 상기 DC 버스로부터의 DC 전력을 조정된 전압 출력(20)을 갖는 AC 전력으로 변환하여 전기 시스템(22)에 공급하는 선로측 변환기(34)와,
상기 선로측 변환기의 동작을 제어하기 위한 선로측 제어기(36)를 구비하는 전력 변환 제어 시스템(24)을 포함하되,
상기 선로측 제어기(36)가,
조정된 전압 출력을 나타내는 전압 진폭 신호를 수신하고,
상기 DC 버스의 DC 전압 궤환 신호와 DC 전압 커맨드 신호를 이용하여 DC 전압 차 신호를 획득하며,
전력 커맨드 신호를 획득하고,
전력 궤환 신호를 획득하며,
상기 DC 전압차 신호와 상기 전력 커맨드 신호와 상기 전력 궤환 신호를 사용하여 위상각 제어 신호를 생성하고,
상기 전압 진폭 신호와 상기 위상각 제어 신호를 이용하여 상기 선로측 변환기의 제어 신호를 생성하도록 구성되는
전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전원은 극한 전력(power limit)을 포함하는
전력 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 전원은 태양광 전원을 포함하고, 상기 전력 시스템은 상기 전원의 최대 전력을 추적하는 최대 전력점 추적 회로(Maximum Power Point Tracking Circuit)를 포함하는
전력 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 전력 커맨드 신호는 상기 최대 전력점 추적 회로로부터의 최대 전력을 포함하는
전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 선로측 제어기는 상기 DC 전압차 신호를 수신하여 상기 전력 커맨드 신호를 생성하는 조정기를 포함하는
전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 궤환 신호는 상기 선로측 변환기로부터의 AC 전력을 나타내는 측정된 전력 신호를 포함하는
전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 궤환 신호는 상기 DC 버스에 실린 DC 전력의 측정된 전력 신호를 포함하는
전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 선로측 제어기는, 상기 전력 커맨드 신호와 상기 전력 궤환 신호의 차를 나타내는 전력 불균형 신호를 수신하여 상기 전력 불균형 신호에 따라 내부 주파수 신호(internal frequency signal)를 생성하는 전력 조정기를 포함하고,
상기 선로측 제어기는, 상기 내부 주파수 신호를 적분함으로써 위상각 신호를 생성하는 적분기를 더 포함하는
전력 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 선로측 제어기는, 상기 DC 전압차 신호를 기반으로 주파수 보정 신호를 생성하는 전압 조정기를 포함하고,
상기 선로측 제어기는 상기 내부 주파수 신호가 상기 적분기에 의해 적분되기 이전에 상기 주파수 보정 신호를 이용하여 상기 내부 주파수 신호를 조정하도록 구성되는
전력 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 선로측 제어기는 상기 DC 전압차 신호를 기반으로 주파수 보정 신호를 생성하는 전압 조정기와, 상기 주파수 보정 신호를 이용하여 위상각 보정 신호를 생성하는 제 2 적분기를 포함하고,
상기 선로측 제어기는 상기 위상각 보정 신호를 이용하여 상기 위상각 신호를 조정하도록 구성되는
전력 시스템.