KR20170115868A - Ess용 절연형 양방향 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환 시스템 - Google Patents

Ess용 절연형 양방향 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 통상적으로 전력변환장치에서 사용하는 저주파 트랜시포머 대신 고주파 트랜스포머를 사용하여 전력변환장치를 구현함으로써 효율이 증대되고 부파가 작은 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치는 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터 및 절연형 DC/DC컨버터로 구성되고, 상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터는: 전원의 노이즈를 제거하기 위한 노이즈필터; 상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터의 초기 기동시 소프트스타트 동작을 지원하는 소프트스타트모듈; 및 저주파 영역에서 AC/DC변환을 위한 저주파 AC/DC컨버팅부;를 포함하여 구성되고, 상기 절연형 DC/DC컨버터는: 고주파 영역에서 DC/AC 변환을 위한 고주파 DC/AC컨버팅부; 고주파 영역에서 동작하는 고주파 트랜스포머; 및 고주파 영역에서 AC/DC변환을 위한 고주파 AC/DC컨버팅부;를 포함하여 구성된다.

Description

ESS용 절연형 양방향 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환 시스템{Bidirectional isolated power conditioning system for ESS and the system thereof}
본 발명은 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 통상적으로 전력변환장치에서 사용하는 저주파 트랜시포머 대신 고주파 트랜스포머를 사용하여 전력변환장치를 구현함으로써 효율이 증대되고 부파가 작은 전력변환장치 및 이를 이용한 전력변환시스템에 관한 것이다.
최근 전 세계 각국은 기존 화석에너지 자원을 대체하기 위해 다양한 시도를 하고 있다. 우선, 자연 친화적 에너지 사용을 위해 신재생에너지 산업, 에너지효율향상을 위한 에너지의 분배 및 저장 산업에 집중적인 투자를 하고 있고 국내에서도 일본의 지진에 따른 원전사용 중단과 정전 사태를 계기로 에너지 산업에 대한 각종 정책들을 계획/진행 중이어서 이러한 시대적 흐름을 볼 때, 신재생에너지에 대한 수요가 증대되고 뿐만 아니라 이에 맞물려 스마트그리드와 같이 전력을 효율적으로 관리하기 위한 기술 역시 활발하게 연구되고 있다.
에너지를 효율적으로 사용하는 문제는 에너지를 사용하는 사용자의 장소, 시간 등의 수요패턴에 대한 분석으로 이어지게 되며, 사용자의 수요패턴을 고려해 생산된 에너지를 분배하는 것이 스마트그리드의 핵심 개념이다. 따라서 생산된 에너지를 일정시간 또는 공간에 보관하여 수요자의 사용 패턴에 따라 공급을 해주기 위해서는 생산된 에너지가 머무를 수 있는 저장장치 즉 전지가 필요하게 되고 이러한 전지들을 확장한 개념이 바로 에너지저장시스템이라고 불리는 ESS(Energy Storage System)이다.
에너지저장시스템(ESS)은 분산전원 또는 신재생에너지에서 발생하는 다양한 전압/전류를 제어하여 필요에 따라 전력계통에 연결하거나 유휴 에너지를 저장하여 사용하게 하는 에너지 저장 시스템이다. 전력변환시스템(PCS: Power Conversion System)은 에너지저장시스템(ESS) 내의 발전원에서 전력을 입력받아 배터리에 저장하거나 계통으로 방출하기 위하여 전기의 특성들, 즉 AC/DC, 전압, 주파수 등을 변환하는 시스템이다.
도 1은 전력을 저장하고 사용하기 위한 에너지저장 및 변환시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 에너지 저장 및 변환시스템은 전력을 저장하기 위한 배터리, 상기 배터리가 안전하게 충/방전 할 수 있도록 제어하기 위한 배터리관리시스템(BMS : Battery Management System), 상기 배터리에 전력을 저장하거나 계통으로 방출하기 위하여 전기의 특성들, 즉 AC/DC, 전압, 주파수 등을 변환하기 위한 전력변환시스템(PCS) 및 전력의 생산/변환/소비 등을 제어하고 모니터링하기 위한 에너지관리시스템(EMS : Energy Management System) 등으로 구성된다.
도 2는 종래의 전력변환시스템의 구성을 보여주는 도면으로, 도 1에서 보인 에너지저장 및 변환시스템에서 사용되는 종래의 전력변환시스템은 저주파 트랜스포머(11), 입력보호노이즈필터(12), 소프트스타트모듈(13), 저주파 AD컨버터(14) 및 고주파 DC/DC컨버터(15)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 전력변환시스템은 저주파 트랜스포머를 사용하고 있는데 이 경우 전체적인 시스템의 효율이 낮아진다는 문제점이 있고 특히 저주파 트랜스포머를 사용할 경우에는 트랜스포머의 크기가 커진다는 문제점이 있다. 트랜스포머를 제작함에 있어 주파수가 낮을 경우에는 코어의 크기를 크게 하여 트랜스포머에서 자속이 통과하는 단면적이 높게 하거나 아니면 권선수를 많게 하여 코어를 통과하는 자속을 많게 하여야 하는데 이렇게 할 경우 코어의 크기가 커지거나 아니면 권선수의 증가로 인해 그 크기가 커지거나 아니면 무게가 무거워질 수밖에 없다는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면 저주파 트랜스포머 대신 고주파 트랜스포머를 사용함으로써 효율이 향상되고 크기가 작은 전력변환장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치는 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터 및 절연형 DC/DC컨버터로 구성되고, 상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터는: 전원의 노이즈를 제거하기 위한 노이즈필터; 상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터의 초기 기동시 소프트스타트 동작을 지원하는 소프트스타트모듈; 및 저주파 영역에서 AC/DC변환을 위한 저주파 AC/DC컨버팅부;를 포함하여 구성되고, 상기 절연형 DC/DC컨버터는: 고주파 영역에서 DC/AC 변환을 위한 고주파 DC/AC컨버팅부; 고주파 영역에서 동작하는 고주파 트랜스포머; 및 고주파 영역에서 AC/DC변환을 위한 고주파 AC/DC컨버팅부;를 포함하여 구성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 고주파 트랜스포머는 30~100 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 고주파 트랜스포머는 30 kHz의 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환시스템은 상기와 같은 구성을 갖는 복수 대의 전력변환장치; 및 상기 복수 대를 전력변환장치를 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 것을 제어하기 위한 직병렬운전제어모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전력변환장치의 효율이 증대된다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전력변환장치의 크기가 줄어들거나 그 무게가 줄어든다는 장점이 있다.
도 1은 전력을 저장하고 사용하기 위한 에너지저장 및 변환시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면이고,
도 2는 종래의 전력변환시스템의 구성을 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치의 구성을 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치를 여러 대 연결하여 전력변환시스템을 구성하는 예들을 보여주는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치는 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터(100) 및 절연형 DC/DC컨버터(200)로 구성된다.
상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터(100)는 노이즈필터(110), 소프트스타트모듈(120) 및 AC/DC컨버팅부(130)로 구성된다.
상기 노이즈필터(110)는 입력되는 전원의 노이즈를 제거하기 위한 것이고, 상기 소프트스타트모듈(120)은 상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터의 초기 기동시 소프트스타트 동작을 지원하기 위한 것이다. 상기 저주파 AC/DC컨버팅부(130)에서는 저주파 영역에서 AC/DC변환을 수행한다.
상기 절연형 DC/DC컨버터(200)는 고주파 DC/AC컨버팅부(210), 고주파 트랜스포머(220) 및 고주파 AC/DC컨버팅부(230)로 구성된다.
상기 고주파 DC/AC컨버팅부(210)에서는 고주파 영역에서의 DC/AC 변환을 수행하고, 상기 고주파 트랜스포머(220)는 고주파 영역에서 전압 또는 전류의 변환을 수행한다. 상기 고주파 AC/DC컨버팅부(230)에서는 고주파 영역에서 AC/DC변환을 수행한다.
상기 고주파 트랜스포머(220)는 30~100 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 것이 특징이며, 바람직하게는 상기 고주파 트랜스포머(220)는 30 kHz의 주파수에서 동작한다.
이처럼 트랜스포머를 고주파 영역에서 동작하도록 함으로써 저주파에서 동작하는 트랜스포머를 사용하는 종래의 전력변환장치에 비하여 전력변환장치의 크기를 줄일 뿐만 아니라 그 무게 또한 줄일 수가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치를 단독으로 운전하거나 또는 필요에 따라서는 여러 대를 직렬 또는 병렬로 연결하여 운전하는 것도 가능하다. 작은 용량의 에너지 저장 시스템의 경우에는 한 대의 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치를 이용하여 시스템을 설계하여 사용하면 되지만 대용량의 에너지 저장 시스템을 사용할 경우에는 해당 시스템의 용량에 따라 그리고 해당 시스템의 특성에 따라 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치를 직렬 또는 병렬로 상황에 맞게 자유롭게 연결하여 해당 시스템에 최적화된 에너지 저장 시스템으로 설계하여 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치를 여러 대 연결하여 전력변환시스템을 구성하는 예들을 보여주는 도면이다. 좌측상단의 연결예는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치를 단독으로 운전하는 경우를 보여주고 있고, 우측 상단의 연결예는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치 두 대를 병렬로 연결하여 운전하는 경우를 보여주고 있고, 좌측 하단의 연결예는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치 두 대를 직렬로 연결하여 운전하는 경우를 보여주고 있으며, 우측 하단의 연결예는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치 네 대를 직렬 및 병렬로 연결하여 운전하는 경우를 보여주고 있다.
도 4와 같이 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 절연형 양방향 전력변환시스템은 복수 대의 전력변환장치 및 상기 복수 대를 전력변환장치를 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 것을 제어하기 위한 직병렬운전제어모듈(미도시)을 포함하도록 구성하여 상기 직병렬운전제어모듈의 제어에 의하여 상기 복수 대의 전력변환장치들을 직렬이나 병렬 또는 직렬/병렬로 전기적으로 연결하여 그때그때 요구되는 시스템의 전력량에 맞추어 시스템을 구현하는 것이 가능하다.
100 : 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터 200 : 절연형 DC/DC컨버터
110 : 노이즈필터 120 : 소프트스타트모듈
130 : AC/DC컨버팅부 210 : 고주파 DC/AC컨버팅부
220 : 고주파 트랜스포머 230 : 고주파 AC/DC컨버팅부

Claims (4)

  1. 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터 및 절연형 DC/DC컨버터로 구성되고,
    상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터는:
    전원의 노이즈를 제거하기 위한 노이즈필터;
    상기 비절연형 AC/DC 양방향 컨버터의 초기 기동시 소프트스타트 동작을 지원하는 소프트스타트모듈; 및
    저주파 영역에서 AC/DC변환을 위한 저주파 AC/DC컨버팅부;를 포함하여 구성되고,
    상기 절연형 DC/DC컨버터는:
    고주파 영역에서 DC/AC 변환을 위한 고주파 DC/AC컨버팅부;
    고주파 영역에서 동작하는 고주파 트랜스포머; 및
    고주파 영역에서 AC/DC변환을 위한 고주파 AC/DC컨버팅부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고주파 트랜스포머는 30~100 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 것을 특징으로 하는 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고주파 트랜스포머는 30 kHz의 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 ESS용 절연형 양방향 전력변환장치.
  4. 제 1항 내지 제 항의 구성을 갖는 복수 대의 전력변환장치; 및
    상기 복수 대를 전력변환장치를 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 것을 제어하기 위한 직병렬운전제어모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ESS용 절연형 양방향 전력변환 시스템.
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