KR20190114596A - Electrical energy storage system with 3 level interleaved charger-discharger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통으로부터 공급되는 교류 전원이 정상인 경우 양방향 인버터 회로에 의거 변환된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장 전압을 부스팅시켜 양방향 인버터 회로로 전달함에 있어, 배터리의 충전 효율을 향상시킬 수 있고, 별도의 추가 장치 없이 충방전 제어 중 중성점 제어하여 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to an electrical energy storage system having a three-level interleaved charger and charger, and more particularly, when the AC power supplied from the system is normal, the DC power converted by the bidirectional inverter circuit is reduced to charge the battery, In case of peak power or abnormal grid power, boost the storage voltage of the battery and transfer it to the bi-directional inverter circuit, which can improve the charging efficiency of the battery and control the neutral point during charge / discharge control without any additional device. It's about one technology that can be improved.
일반적인 전기에너지 저장 시스템의 전력 변환 장치(PCS: Power Converting System)은 계통전원이 경부하 시 또는 심야 시간대에 상용교류 전력 또는 신재생 발전 전원(10)을 직류로 변환하여 배터리(50)를 충전하고 계통전원이 피크 시간대에 배터리의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통으로 공급하는 핵심적인 기능을 갖는다. A power converting system (PCS) of a general electrical energy storage system charges the battery 50 by converting commercial AC power or
이러한 전력변환장치(PCS)는 전기에너지저장시스템을 수요관리용, 신재생에너지출력안정화용, 비상전원용, 그리고 하이브리드용으로 이용이 가능하게 한다. 전력변환장치(PCS)는 전력변환장치를 구성하는 회로장치의 구성방법과 그에 따른 제어방식에 따라 교류전력을 직류전력으로 또는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 과정에서 발생하는 전력손실, 신뢰성, 배터리 충전상태 및 제조단가 등 전기에너지저장시스템의 품질에 영향을 준다.These power converters (PCS) enable the use of electrical energy storage systems for demand management, renewable energy output stabilization, emergency power, and hybrids. Power conversion device (PCS) is a power loss, reliability, battery generated in the process of converting AC power to DC power or DC power to AC power according to the configuration of the circuit device constituting the power converter and the control method accordingly It affects the quality of electric energy storage system such as the state of charge and manufacturing cost.
예를 들어, 배터리가 양방향 인버터의 직류링크에 직접 접속된 전력변환장치는 단일단의 전력변환장치만이 존재하므로 변환효율은 높으나 배터리 충전제어까지 양방향 인버터가 모두 부담하므로 독립적이며 신뢰성 있는 배터리 충전이 어려운 한계에 도달하였다.For example, a power converter in which a battery is directly connected to a DC link of a bidirectional inverter has a high conversion efficiency because only a single stage power converter exists, but the bidirectional inverter bears all the charges to control the charging of the battery. Hard limits have been reached.
이에 배터리 충전 시 계통전원의 주파수가 충전전류에 포함되어 충전품질이 저하되고 직류링크에 접속되는 배터리의 셀 수는 양방향 인버터가 계통으로 전력을 방출하기 위한 최소전압을 유지하기 위하여 공칭 12V 연축전지의 경우 64셀 이상의 배터리를 직렬로 연결하여 사용된다.Therefore, when the battery is charged, the frequency of the grid power is included in the charging current, so that the charging quality is deteriorated. In this case, more than 64 cells of battery are connected in series.
따라서, 직류링크 및 배터리의 전압이 약 652[Vdc]에서 864[Vdc]까지 광범위하게 변하여 전력변환장치의 내부뿐 아니라 전력변환장치의 외부에 접속되는 배터리의 설치환경도 직류고압영역(700Vdc)을 침범하게 되어 전기안전측면에서 큰 부담을 주는 단점이 있으며 배터리 입력 셀 수를 저압영역으로 하기 위해 직류링크의 전압을 낮추고 계통입력에 변압기를 추가하는 방법이 있지만 효율과 경제성이 저하되는 단점이 존재하였다.Therefore, the voltage of the DC link and the battery varies widely from about 652 [Vdc] to 864 [Vdc], so that the installation environment of the battery connected to the outside of the power converter as well as the inside of the power converter is set to 700 Vdc. There is a disadvantage in that it causes a big burden in terms of electrical safety, and there is a method of lowering the voltage of the DC link and adding a transformer to the grid input in order to reduce the number of battery input cells to a low voltage range. .
한편, 배터리 충전제어를 충방전기가 부담하므로 독립적이며 신뢰성 있는 배터리 충전이 가능하고 배터리 충전 시 계통전원의 주파수가 충전전류에 포함되지 않아 충전품질을 향상시킬 수 있으며 접속되는 배터리를 저압영역에서 다양한 셀 수(16셀 ~ 40셀)로 수용하기 위해 마련된 2단의 전력변환장치는 변환효율이 낮은 단점을 가진다.On the other hand, the charge / discharger bears the charge control of the battery, which enables independent and reliable battery charging and improves the charging quality because the frequency of the system power is not included in the charging current when charging the battery. The two-stage power converter provided to accommodate a number (16 to 40 cells) has a disadvantage of low conversion efficiency.
이에 본 출원인은 3-레벨 양방향 인버터와 3-레벨 인터리브드 충방전 회로를 이용하여 배터리를 충방전하므로 충방전 효율을 향상시킬 수 있고, 별도의 추가 장치 없이 충방전 제어 중 중성점을 제어하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, the present applicant can improve charge and discharge efficiency by charging and discharging a battery by using a three-level bidirectional inverter and a three-level interleaved charge / discharge circuit, and control a neutral point during charge / discharge control without additional equipment. I would like to propose a method to secure stability.
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 계통으로부터 공급되는 교류 전원이 정상인 경우 양방향 인버터 회로에 의거 변환된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장 전압을 부스팅시켜 양방향 인버터 회로로 전달하는 3-레벨 양방향 인버터와 3-레벨 인터리브드 충방전 회로를 이용하여 배터리의 충방전 효율을 향상시키고 충전전류에 포함된 상용 주파수 성분을 억제하며 충전 리플 전류를 감소할 수 있는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템을 제공하고자 함에 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, the object of the present invention is to charge the battery by reducing the DC power converted by the bidirectional inverter circuit when the AC power supplied from the system is normal, the system power is In case of peak power or abnormal system power, 3-level bidirectional inverter and 3-level interleaved charge / discharge circuit boost the battery's storage voltage to the bidirectional inverter circuit to improve the charge / discharge efficiency of the battery and It is an object of the present invention to provide an electrical energy storage system having a three-level interleaved charger that can suppress included commercial frequency components and reduce charge ripple current.
또한 본 발명은 별도의 추가 장비 없이 충방전 수행 중 중성점 제어가 수행되므로 시스템을 안정화시킬 수 있고, 사용자의 전기 에너지 손실 비용을 줄이고 배터리의 방전 시간을 연장할 수 있으며, 전기에너지 저장 시스템의 경박단소화가 가능한 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템을 제공하고자 함에 있다.In addition, the present invention can stabilize the system because the neutral point control is performed during the charging and discharging without additional equipment, can reduce the cost of electrical energy loss of the user and extend the discharge time of the battery, the light and short It is an object of the present invention to provide an electrical energy storage system having a three-level interleaved charger.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, other objects and advantages of the present invention not mentioned can be understood by the following description, will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 과제는,Technical problem of the present invention for achieving the above object,
전기에너지 저장 시스템에 있어서, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장된 직류 전원으로 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하는 기능과 계통 전원이 경부하 시 또는 심야 시간대에 계통의 교류 전력을 직류 형태로 변환하여 배터리에 저장하는 기능을 수행하는 전력변환장치를 구비하되, 상기 전력변환장치는, 정전되면 외부로부터 공급되는 교류전원을 고속으로 차단하기 위해 스태틱 스위치가 차단기와 직렬로 연결된 입력 차단 회로; 다수의 스위칭 소자의 3-레벨 스위칭 동작에 의거 배터리의 충전 동작 시 외부로부터 공급되는 정상 상태의 교류 전원을 직류 형태로 변환시키는 정류기로 동작하고 배터리의 저장 전압의 방전 동작 시 캐패시터 뱅크 회로의 직류링크 전압을 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하로 전달하는 인버터로 동작하는 양방향 인버터 회로; 상기 양방향 인버터 회로로부터 공급된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 배터리의 직류 전원을 승압하여 출력하는 3 레벨 인터리브드 충방전 회로; 상기 양방향 인버터 회로의 직류 전원을 제공받아 상기 3 레벨 인터리브드 회로로 링크시켜 전달하고, 상기 3 레벨 인터리브드 회로의 직류 전원을 상기 양방향 인버터 회로로 링크시켜 전달하는 캐패시터 뱅크 회로; 및 상기 입력 차단 회로, 3 레벨의 양방향 인버터 회로, 및 3 레벨 인터리브드 충방전 회로의 충방전 제어 및 중성점 제어를 수행하기 위한 신호들을 생성하고 생성된 신호들에 의거 상기 전기에너지 저장 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the electric energy storage system, when the system power is peaked or the system power is abnormal, the function of converting the power into the alternating current form of the battery into the alternating current and supplying it to the system or the load, and the system power when the system is lightly loaded or at night time A power converter converts an AC power into a DC form and stores the same in a battery. The power converter includes a static switch in series with a breaker to cut off AC power supplied from the outside at high speed when a power failure occurs. Connected input blocking circuit; Based on the three-level switching operation of a plurality of switching elements, it operates as a rectifier for converting a steady state AC power supplied from the outside into a DC form during charging operation of the switching element, and a DC link of the capacitor bank circuit during the discharge operation of the storage voltage of the battery. A bidirectional inverter circuit operating as an inverter that converts a voltage into an alternating current form and transfers the voltage to a grid or a load; A three-level interleaved charge / discharge circuit for reducing the DC power supplied from the bidirectional inverter circuit to charge the battery, and boosting and outputting the DC power of the battery; A capacitor bank circuit for receiving and supplying the DC power of the bidirectional inverter circuit to the three level interleaved circuit for transmission, and for linking and transmitting the DC power of the three level interleaved circuit to the bidirectional inverter circuit; And generating signals for performing charge / discharge control and neutral point control of the input blocking circuit, the three-level bidirectional inverter circuit, and the three-level interleaved charge / discharge circuit, and the overall operation of the electrical energy storage system based on the generated signals. It characterized in that it comprises a control circuit for controlling the.
바람직하게 상기 3 레벨 인터리브드 충방전 회로는 배터리의 (+)단자에 연결된 제1 코일(L1) 및 배터리의(-)단자에 연결된 제 2 코일(L2)로 구비되어 상기 캐패시터 뱅크 회로와 연동하여 상기 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압을 감압하여 배터리를 충전하거나, 배터리의 전압을 승압하여 상기 캐패시터 뱅크 회로로 공급하는 인덕터부; 상기 인덕터부의 제1 코일(L1)의 우측에 제1 및 제3 스위칭 소자(Q1, Q3)가 각각 병렬로 연결되고 제2 코일(L2)의 우측에 제2 및 제4 스위칭 소자(Q2, Q4)가 각각 병렬로 연결되며, 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 각 출력단과 입력단 사이에 제1 내지 제4 바디 다이오드를 각각 연결하여 상기 제어 회로의 제어에 따라 충방전 제어 및 중성점 제어를 수행하는 양방향 스위칭부를 포함할 수 있다.Preferably, the three-level interleaved charge / discharge circuit includes a first coil L1 connected to the positive terminal of the battery and a second coil L2 connected to the negative terminal of the battery to interoperate with the capacitor bank circuit. An inductor unit configured to charge the battery by reducing the DC link voltage of the capacitor bank circuit or to boost the voltage of the battery to supply the capacitor bank circuit; First and third switching elements Q1 and Q3 are connected in parallel to the right side of the first coil L1 of the inductor unit, and second and fourth switching elements Q2 and Q4 are connected to the right side of the second coil L2. ) Are connected in parallel, respectively, and connect the first to fourth body diodes between the output terminals and the input terminals of the first to fourth switching elements, respectively, to perform charge / discharge control and neutral point control according to the control of the control circuit. It may include a bidirectional switching unit.
바람직하게 상기 캐패시터 뱅크 회로는, 양방향 스위칭부의 제1 스위칭소자(Q1)의 입력단과 접지(N) 사이에 상단 캐패시터가 연결되고, 접지(N)와 제2 스위칭소자(Q2)의 출력단 사이에 하단 캐패시터가 연결되어 상기 양방향 스위칭부를 경유하여 전달받은 배터리 저장전압을 직류 링크시켜 양방향 인버터 회로로 전달하고, 양방향 인버터 회로의 직류 전원을 직류 링크시켜 양방향 스위칭부로 전달하도록 구비될 수 있다.Preferably, the capacitor bank circuit has an upper capacitor connected between the input terminal of the first switching element Q1 and the ground N of the bidirectional switching unit, and has a lower end between the output terminal of the ground N and the second switching element Q2. Capacitors may be connected to the battery storage voltage received via the bidirectional switching unit to the DC link to the bidirectional inverter circuit, and the DC power of the bidirectional inverter circuit to the DC link may be provided to the bidirectional switching unit.
바람직하게 상기 제어 회로는, 배터리관리시스템의 배터리 감시 결과를 토대로 생성된 전력관리시스템의 충전모드명령신호에 의거 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크전압을 감압하여 배터리에 충전하기 위한 충전 PWM 신호를 생성하고 생성된 충전 PWM 신호를 제1 및 제2 스위칭 소자에 전달하고, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 생성하고 생성된 스위칭 신호를 제3 및 제4 스위칭 소자에 전달하도록 구비될 수 있다.Preferably, the control circuit generates and generates a charge PWM signal for charging the battery by reducing the DC link voltage of the capacitor bank circuit based on the charge mode command signal of the power management system generated based on the battery monitoring result of the battery management system. The charge PWM signal to the first and second switching elements, generate a switching signal for turning off the third and fourth switching elements, and transmit the generated switching signal to the third and fourth switching elements. Can be.
바람직하게 상기 충전 PWM 신호는 상기 캐패시터 뱅크 회로의 상단 캐패시터와 하단 캐패시터의 전압 불균형을 제거하여 중성점 제어를 수행하기 위해 동일한 듀티로 스위칭하는 충전 PWM 신호에 기 정해진 충전 옵셋 PWM 신호를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위칭 소자에 공급되는 충전 PWM 신호는 제어 회로에서 삼각파에 듀티값 또는 직류레벨의 기준을 비교하여 상승 에지 및 하강 에지가 발생하는 PWM 펄스 파형을 얻는 방식으로 생성되고 듀티값 또는 직류레벨의 기준값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고, 상기 제2 스위칭 소자에 공급되는 충전 PWM 신호는 상기 제1 스위치 소자에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 갖고 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM 신호이다.Preferably, the charge PWM signal may include a charge offset PWM signal predetermined in the charge PWM signal to switch to the same duty to perform the neutral point control by removing the voltage imbalance of the upper capacitor and the lower capacitor of the capacitor bank circuit, The charging PWM signal supplied to the first switching element is generated by comparing a reference value of a duty value or a DC level with a triangle wave in a control circuit to obtain a PWM pulse waveform in which rising edges and falling edges are generated. A pulse width modulation (PWM) signal in which pulse widths are simultaneously changed from side to side based on a center of a pulse waveform according to a reference value, and a charge PWM signal supplied to the second switching element is a charge PWM supplied to the first switch element. It is a PWM signal having the same pulse width as the signal and having a phase shift of 180 degrees.
바람직하게 상기 제어 회로는 배터리의 저장전압(Vbat)과 하단 직류링크전압(Vc2) 및 상단 직류링크전압(Vc1)의 전압의 상관관계에 의하여 변동하는 듀티값에 따라 충전 PWM 신호를 생성하되, 상기 양방향 스위칭부는, 배터리의 저장 전압(Vbat)이 직류 링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압의 1/2이 보다 작은 조건 1을 만족하는 경우 중첩되지 아니한 제어 회로의 충전 PWM 신호를 수신하여 감압 컨버팅을 수행하는 독립 충전 모드(Non-crossing mode)와, 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압의 1/2이 배터리(100)의 충전 전압(Vbat) 보다 작은 조건 2를 만족하는 경우 제어회로의 중첩되는 충전 PWM 신호에 의거 감압(buck)과 승압(boost) 컨버팅을 순차적으로 수행하는 중복 충전 모드(Crossing mode)를 포함할 수 있다. Preferably, the control circuit generates a charge PWM signal according to a duty value that varies according to a correlation between the storage voltage Vbat of the battery, the voltage of the lower DC link voltage Vc2 and the upper DC link voltage Vc1. The bidirectional switching unit may include a charge PWM signal of a non-overlapping control circuit when the storage voltage Vbat of the battery satisfies the
바람직하게, 상기 양방향 스위칭부의 독립 충전 모드는 제어 회로의 충전 PWM 신호에 의거 제1 스위칭 소자(Q1) 온 시 직류링크전압(Vc1)이 배터리에 충전되는 충전모드 1와, 상기 제1 스위칭 소자(Q1) 오프 시 직류링크 전압(Vc1)을 포함하지 않는 폐회로에 의해 순환 모드로 동작하는 충전모드 2와, 제2 스위칭 소자(Q2) 온 시 직류링크전압(Vc2)이 배터리에 충전되는 충전모드 3과, 제2 스위칭 소자(Q2) 오프 시 직류링크 전압(Vc2)을 포함하지 않는 폐회로에 의해 순환 모드로 동작하는 충전모드 2를 순차적으로 수행하도록 구비될 수 있다.Preferably, the independent charging mode of the bidirectional switching unit includes a
바람직하게 상기 제어 회로는 독립 충전 모드인 지 중복 충전 모드인 지를 판단하는 단계를 생략하여 중성점 제어의 안정성이 확보하기 위해 독립 충전 모드와 중복 충전 모드에서 옵셋 가중치가 부여된 충전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 충전 PWM 신호가 동일한 양방향 스위칭부의 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자 중 선택된 하나에 제공될 수 있다. Preferably, the control circuit includes a charge offset PWM signal with an offset weighted value in the independent charging mode and the redundant charging mode in order to secure stability of the neutral point control by omitting the step of determining whether the independent charging mode or the redundant charging mode is omitted. The charging PWM signal may be provided to a selected one of the first switching element and the second switching element of the same bidirectional switching unit.
바람직하게 상기 양방향 스위칭부는, 독립 충전 모드의 충전모드 1 과 충전모드 3에서 충전 옵셋 PWM 신호로 증가된 제어 회로의 충전 PWM 신호에 의해 상단과 하단 캐패시터 방전량을 달리하여 중성점 제어를 수행하도록 구비될 수 있고, 상기 양방향 스위칭부는, 상기 충전 모드 1에서 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2) 보다 큰 경우 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 상기 충전 PWM 신호가 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트단에 전달되어 중성점 제어를 수행할 수 있고, 상기 충전 모드 2에서 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1) 보다 일시적으로 커지면 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 상기 충전 PWM 신호가 제2 스위칭 소자(Q2)의 게이트단에 전달되어 중성점 제어를 수행할 수 있다. Preferably, the bidirectional switching unit may be configured to perform neutral point control by varying the discharge amount of the upper and lower capacitors by the charge PWM signal of the control circuit increased by the charge offset PWM signal in the
바람직하게 상기 제어 회로는 배터리의 충전 전압이 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2)보다 높아지면 제1 스위칭 소자(Q1) 충전 PWM 신호와 제2 스위칭 소자(Q2) 충전 PWM 신호의 듀티를 증가시켜 충전 PWM 신호가 겹침 구간이 발생하는 충전 PWM 신호를 생성하여 상기 양방향 스위칭부로 전달하고, 상기 양방향 스위칭부는 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 캐패시터 뱅크 회로의 직류링크전압(Vc1)과(Vc2)의 합(Vc1+Vc2)이 인덕터(L1, L2)를 경유하여 감압된 후 배터리에 충전하는 충전 모드 4와, 제 1 스위칭 소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제2 스위칭 소자(Q2)를 오프시켜 이전의 충전모드 4에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지를 방출시키는 폐회로를 형성하여 배터리의 저장 전압(Vbat)보다 낮은 전압을 갖는 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압을 승압하여 배터리에 충전하는 충전 모드 1과, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 캐패시터 뱅크 회로의 직류링크전압(Vc1)과(Vc2)의 합(Vc1+Vc2)이 인덕터(L1,L2)를 경유하여 감압된 후 배터리에 충전하는 충전 모드 4와, 제 2 스위칭 소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제1 스위칭 소자(Q1)를 오프시켜 이전의 충전모드 4에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지를 방출시키는 폐회로를 형성하여 배터리의 저장 전압(Vbat)보다 낮은 전압을 갖는 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압을 승압하여 배터리에 충전하는 충전 모드 3을 순차적으로 수행할 수 있다. Preferably, when the charge voltage of the battery is higher than the DC link voltage Vc1 or Vc2, the control circuit increases the duty of the charge PWM signal of the first switching element Q1 and the charge PWM signal of the second switching element Q2 to increase the charge PWM. A charge PWM signal generating a signal overlapping section is generated and transferred to the bidirectional switching unit, and the bidirectional switching unit capacitor capacitor circuit is generated when a section in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are simultaneously turned on occurs. Charge mode 4 in which the sum of the DC link voltages Vc1 and Vc2 of Vc1 + Vc2 is reduced through the inductors L1 and L2 and then charged to the battery, and the on state of the first switching element is maintained. While the second switching element Q2 is turned off to form a closed circuit for releasing energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous charging mode 4 to form an upper capacitor having a voltage lower than the battery storage voltage Vbat. When a
바람직하게 상기 양방향 스위칭부는, 중복 충전 모드의 충전모드 4 이후에 발생하는 충전모드 1과 충전모드 3에서 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 충전 PWM 신호에 의해 상단과 하단 캐패시터 방전량을 달리하여 중성점 제어를 수행할 수 있고, 상기 양방향 스위칭부는, 중복 충전 모드에서 배터리 충전 시 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 제어 회로에 의거 생성된 충전 옵셋 PWM 신호가 가중된 충전 PWM 신호를 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트단에 전달시켜 중성점 제어를 수행하도록 구비되고, 중복 충전 모드에서 배터리 충전 시 하단 직류링크전압(Vc2)가 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 충전 옵셋 PWM 신호가 포함된 제어 회로의 충전 PWM 신호를 제2 스위칭 소자(Q2)의 게이트단에 전달시켜 중성점 제어를 수행하도록 구비될 수 있다.Preferably, the bidirectional switching unit may vary the discharge amount of the upper and lower capacitors by the charge PWM signal of the control circuit in which the charge offset PWM signal is increased in the
바람직하게 상기 제어 회로는, 배터리관리시스템의 배터리 감시 결과를 토대로 생성된 전력관리시스템의 방전모드명령신호에 의거 배터리의 저장 전압을 방전시켜 캐패시터 뱅크 회로에 직류 전원을 공급하기 위해 방전 PWM 신호를 생성하고 생성된 방전 PWM 신호를 제3 및 제4 스위칭 소자에 전달하고, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 생성하고 생성된 스위칭 신호를 제1 및 제2 스위칭 소자에 전달하도록 구비될 수 있다. Preferably, the control circuit generates a discharge PWM signal to supply DC power to the capacitor bank circuit by discharging the storage voltage of the battery based on the discharge mode command signal of the power management system generated based on the battery monitoring result of the battery management system. And transmit the generated discharge PWM signal to the third and fourth switching elements, generate a switching signal for turning off the first and second switching elements, and transmit the generated switching signal to the first and second switching elements. It may be provided.
상기 제3 스위칭 소자에 공급되는 방전 PWM 신호는 The discharge PWM signal supplied to the third switching device is
제어 회로에서 삼각파에 듀티값을 비교하여 상승 에지 및 하강 에지가 발생하는 PWM 펄스 파형을 얻는 방식으로 생성되고 듀티값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고, 상기 제4 스위칭 소자에 공급되는 방전 PWM 신호는 상기 제3 스위치 소자에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 갖고 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM 신호이다.In the control circuit, PWM is generated by comparing duty values to triangle waves to obtain PWM pulse waveforms in which rising and falling edges are generated, and the pulse width is simultaneously changed from side to side based on the center of the pulse waveform according to the duty value. The PWM signal is a width modulation signal, and the discharge PWM signal supplied to the fourth switching device is a PWM signal having the same pulse width as the charge PWM signal supplied to the third switching device and having a phase shift of 180 degrees.
바람직하게 상기 제어 회로는, 배터리의 저장전압(Vbat)과 하단 직류링크전압(Vc2) 및 상단 직류링크전압(Vc1)의 전압의 상관관계에 의하여 변동하는 듀티값에 따라 방전 PWM 신호를 생성하되, 상기 양방향 스위칭부는, 배터리의 저장 전압(Vbat)이 직류 링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압의 1/2(350V)보다 큰 조건 1을 만족하는 경우 중첩되지 아니한 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 배터리의 저장 전압(Vbat)을 순차적으로 감압 및 승압하여 상기 캐패시터 뱅크 회로로 전달하는 독립 방전 모드(Non-crossing mode)와 배터리(100)의 저장전압(Vbat)이 직류링크 전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1) 또는 하단 직류링크전압(Vc1) 보다 작은 조건 2을 만족하는 경우 중첩되는 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 배터리의 저장 전압(Vbat)을 승압(boost)하여 상기 캐패시터 뱅크 회로로 전달하는 중복 방전 모드(Crossing mode)를 포함할 수 있다.Preferably, the control circuit generates a discharge PWM signal according to a duty value that is varied by a correlation between the storage voltage Vbat of the battery and the voltage of the lower DC link voltage Vc2 and the upper DC link voltage Vc1. The bidirectional switching unit may include a control circuit that does not overlap when the storage voltage Vbat of the battery satisfies
바람직하게 상기 양방향 스위칭부의 독립 방전 모드는 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 제3 스위칭 소자(Q3) 온 시 배터리가 감압하여 하단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 5와, 제3 스위칭 소자(Q3) 오프 시 배터리(100)를 포함하는 순환회로가 형성되는 동시에 배터리의 에너지가 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)에 승압(부스트, Boost) 컨버팅을 수행하여 충전하는 방전 모드 6과, 제4 스위칭 소자(Q4) 온 시 배터리를 감압하여 상단 캐패시터(Vc1)에 충전하는 방전 모드 7와, 제4 스위칭 소자(Q4) 오프 시 배터리를 포함하는 순환회로가 형성되는 동시에 배터리의 저장 전압을 승압하여 상단 캐패시터와 하단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 6을 순차적으로 수행할 수 있고, 상기 제어 회로는 상기 캐패시터 뱅크 회로의 상단 캐패시터와 하단 캐패시터의 전압 불균형을 제거하는 중성점 제어를 수행하기 위해 옵셋 가중치가 부여된 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 동일한 듀티로 스위칭하는 방전 PWM 신호를 생성하고, 상기 양방향 스위칭부는, 독립 방전 모드의 방전 모드 5와 방전 모드 7에서 방전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 상단과 하단 캐패시터 충전량을 달리하여 중성점 제어를 수행할 수 있다.Preferably, the independent discharge mode of the bidirectional switching unit includes discharge mode 5 in which the battery is depressurized and charged in the lower capacitor when the third switching element Q3 is turned on based on the discharge PWM signal of the control circuit, and when the third switching element Q3 is turned off. Discharge mode 6 and a fourth switching element in which a circulation circuit including the
바람직하게 상기 양방향 스위칭부는, 독립 방전 중 방전 모드 5에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 의하여 배터리 전압을 방전시켜 하단 캐패시터에 충전함에 있어 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호가 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트단에 전달되어 중성점 제어를 수행하고, 방전 모드 7에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 의하여 배터리전압을 방전시켜 상단 캐패시터를 충전함에 있어서 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호가 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행할 수 있다.Preferably, the bidirectional switching unit discharges the battery voltage by the third switching element Q3 in the discharge mode 5 during the independent discharge to charge the lower capacitor so that the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor is lower than the lower DC of the lower capacitor. When the link voltage Vc2 is greater than the discharge voltage, the discharge PWM signal of the control circuit including the discharge offset PWM signal is transmitted to the gate terminal of the third switching element Q3 to perform neutral point control, and in the discharge mode 7, the fourth switching element Q4. The discharge PWM signal of the control circuit including the discharge offset PWM signal when the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor becomes larger than the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor when discharging the battery voltage to charge the upper capacitor. May be transferred to the gate terminal of the fourth switching element Q4 to perform neutral point control.
바람직하게 상기 양방향 스위칭부의 중복 방전 모드는 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 배터리의 저장 전압(Vbat)에 의거 인덕터(L1,L2)에 부스트 에너지가 충전하는 방전 모드 8과, 제 3 스위칭 소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제4 스위칭 소자(Q4)를 오프시켜 이전의 방전모드 8에서 인덕터(L1,L2)에 저장되었던 에너지를 하단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 5와, 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 배터리의 저장 전압(Vbat)에 의거 인덕터(L1,L2)에 부스트 에너지가 충전하는 방전 모드 8과, 제 4 스위칭소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제3 스위칭 소자(Q3)를 오프시켜 이전의 방전모드 8에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지로 상단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 7를 순차적으로 수행하고, 상기 양방향 스위칭부는, 중복 방전 시 방전 모드 8 이후의 방전 모드 5와 방전 모드 7에서 방전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 상단과 하단 캐패시터 충전량을 달리하여 중성점 제어를 수행할 수 있으며, 중복 방전 중 방전 모드 5에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 의하여 배터리의 저장 전압을 방전시켜 하단 캐패시터에 충전함에 있어 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호가 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행하고, 방전 모드 7에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 의하여 배터리의 저장 전압을 방전시켜 상단 캐패시터를 충전함에 있어서 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호를 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행할 수 있다.Preferably, in the redundant discharge mode of the bidirectional switching unit, when a section in which the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 are turned on at the same time occurs, the boost voltage is increased to the inductors L1 and L2 based on the storage voltage Vbat of the battery. The energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous discharge mode 8 is turned off in the lower capacitor by turning off the fourth switching element Q4 while maintaining the discharge mode 8 where the energy is charged and the on state of the third switching element. When the discharge mode 5 to be charged and a section in which the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 are turned on at the same time occur, boost energy is charged to the inductors L1 and L2 based on the storage voltage Vbat of the battery. The discharge mode 8 and the fourth switching device while the on state of the fourth switching device is maintained as it is, the third switching device Q3 is turned off to charge the upper capacitor with the energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous discharge mode 8. Mode 7 Are sequentially performed, and the bidirectional switching unit changes the charge amount of the upper and lower capacitors based on the discharge PWM signal of the control circuit in which the discharge offset PWM signal is increased in the discharge mode 5 and the discharge mode 7 after the discharge mode 8 during the overlap discharge. Neutral point control can be performed, and in the discharge mode 5 during the overlapping discharge, the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor is lower than the lower DC in discharging the storage voltage of the battery by the third switching element Q3 to charge the lower capacitor. When the link voltage Vc2 is greater than the discharge voltage, the discharge PWM signal of the control circuit including the discharge offset PWM signal is transmitted to the gate terminal of the third switching element Q3 to perform neutral point control, and the fourth switching element Q4 in the discharge mode 7 is performed. The lower DC link voltage (Vc2) of the lower capacitor is the upper capacitor when charging the upper capacitor by discharging the storage voltage of the battery. When the upper DC link voltage Vc1 of the gate is greater than the discharge PWM signal of the control circuit including the discharge offset PWM signal may be transmitted to the gate terminal of the fourth switching element Q4 to perform neutral point control.
본 발명에 따르면 계통으로부터 공급되는 교류 전원이 정상인 경우 양방향 인버터 회로에 의거 변환된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장 전압을 부스팅시켜 양방향 인버터 회로로 전달함에 있어, 3-레벨 양방향 인버터와 3-레벨 인터리브드 충방전 회로를 이용하여 배터리의 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.According to the present invention, when the AC power supplied from the system is normal, the DC power converted by the bidirectional inverter circuit is reduced to charge the battery, and when the system power is peak or the system power is abnormal, the battery is boosted by boosting the storage voltage of the battery. In the transfer to the inverter circuit, it is possible to improve the charge and discharge efficiency of the battery by using a three-level bidirectional inverter and a three-level interleaved charge and discharge circuit.
또한 본 발명에 의거 별도의 추가 장비 없이 충방전 수행 중 중성점 제어가 수행되므로 시스템을 안정화시킬 수 있고, 사용자의 전기 에너지 손실 비용을 줄이고 배터리의 방전 시간을 연장할 수 있으며, 전기에너지 저장 시스템의 경박단소화가 가능하다.In addition, since the neutral point control is performed during charging and discharging without additional equipment according to the present invention, it is possible to stabilize the system, reduce the electric energy loss cost of the user, extend the discharge time of the battery, and reduce the energy of the electric energy storage system. It can be simplified.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예가 적용되는 전기에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 보인 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기에너지 저장 시스템의 전력변환장치의 세부적인 구성을 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기에너지 저장 시스템의 전력변환장치의 3 레벨 양방향 충방전회로의 충전 시 동작 상태를 보인 도들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전기에너지 저장 시스템의 전력변환장치의 3 레벨 양방향 충방전회로의 충전 시 각 부의 출력 파형을 보인 도들이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전기에너지 저장 시스템의 전력변환장치의 3 레벨 양방향 충방전회로의 방전 시 동작 상태를 보인 도들이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전기에너지 저장 시스템의 전력변환장치의 3 레벨 양방향 충방전회로의 방전 시 각 부의 출력 파형을 보인 도들이다.The following drawings attached in this specification are illustrative of the preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
1 is a view showing a schematic configuration of an electrical energy storage system to which an embodiment of the present invention is applied.
2 is a view showing a detailed configuration of a power conversion device of the electrical energy storage system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an operation state of the three-level bidirectional charging and discharging circuit of the power conversion device of the electrical energy storage system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing the output waveform of each part when the three-level bidirectional charging and discharging circuit of the power conversion device of the electrical energy storage system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an operating state of a three-level bidirectional charging / discharging circuit of the power converter of the electrical energy storage system according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a diagram illustrating output waveforms of respective units during discharge of a three-level bidirectional charging / discharging circuit of a power conversion device of an electrical energy storage system according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described embodiments of the present invention in more detail.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Terms used herein will be briefly described and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible in consideration of the functions in the present invention, but this may vary according to the intention or precedent of the person skilled in the art, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents throughout the present invention, rather than the names of the simple terms.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.When any part of the specification is to "include" any component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. In addition, the term "part" as used herein refers to a hardware component, such as software, FPGA or ASIC, and "part" plays certain roles. However, "part" is not meant to be limited to software or hardware. The “unit” may be configured to be in an addressable storage medium and may be configured to play one or more processors.
따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.Thus, as an example, a "part" refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. The functionality provided within the components and "parts" may be combined into a smaller number of components and "parts" or further separated into additional components and "parts".
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention.
본 발명은 상용발전 또는 신재생발전전원을 이용하는 계통전력이 경부하 시 또는 심야시간대에 계통전력을 이용하여 배터리에 전기에너지를 저장하였다가 계통전원이 피크 시 또는 비상 시 배터리의 저장 전압을 계통 또는 부하로 전달하는 전기에너지 저장 시스템에 있어서, 계통으로부터 공급되는 교류 전원이 정상인 경우 양방향 인버터 회로에 의거 변환된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장 전압을 부스팅시켜 양방향 인버터 회로로 전달하는 3 레벨 인터리브드 충방전 회로를 기반으로 한다. 이에 본 발명은 3-레벨 양방향 인버터와 3-레벨 인터리브드 충방전 회로를 이용하여 배터리의 충방전 효율을 향상시킬 수 있고, 별도의 추가 장치 없이 충방전 제어 중 중성점 제어할 수 있는 결과물을 얻을 수 있게 하는 기술이다.The present invention stores the electrical energy in the battery using the grid power at light load or the late-night time when the grid power using the commercial power generation or renewable power generation system is a grid or In the electric energy storage system that transfers to the load, when the AC power supplied from the system is normal, the DC power converted by the bidirectional inverter circuit is reduced to charge the battery, and when the system power is peaked or the system power is abnormal, It is based on a three-level interleaved charge-discharge circuit that boosts the storage voltage to pass to the bidirectional inverter circuit. Accordingly, the present invention can improve the charging and discharging efficiency of the battery by using a three-level bidirectional inverter and a three-level interleaved charge and discharge circuit, and obtain a result that can control the neutral point during charge and discharge control without any additional device. Technology.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 전력에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a power according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 전력 변환 장치의 세부적인 회로를 보인 도이며, 도 3은 도 2에 도시된 3 레벨 인터리브드 충방전 회로의 외부로부터 공급되는 교류 전원이 양방향 인버터 회로에 의거 직류 전원으로 변환하여 배터리에 충전하는 과정을 설명하기 위한 도들이고, 도 4는 도 3에 도시된 각 부의 출력 파형을 보인 도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 전기에너지 저장 시스템은, 배터리(100), 전력변환장치(PCS, Power Control System: 200), 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System: 300), 및 전력관리시스템(PMS, Power Management System: 400)를 포함한다. 1 is a view showing a schematic configuration of an electrical energy storage system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing a detailed circuit of the power converter shown in Figure 1, Figure 3 is shown in Figure 2 FIG. 4 is a diagram illustrating a process of converting an AC power supplied from the outside of a three-level interleaved charge / discharge circuit to a DC power based on a bidirectional inverter circuit to charge a battery. FIG. 4 is an output waveform of each part shown in FIG. 3. Is shown. 1 to 4, an electric energy storage system includes a
여기서, 전력변환장치(200)는 전력관리시스템(400)의 제어에 의거 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리(100)의 저장된 직류 전원을 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하는 기능과 계통 전원이 경부하 시 또는 심야 시간대에 계통의 교류 전력을 직류 형태로 변환하여 배터리(100)에 저장하는 기능을 수행한다.Here, the
그리고 배터리관리시스템(300)은 배터리의 운용상태(전압, 전류, 온도, 충전상태(SOC), 수명상태(SOH) 등)를 감시, 제어, 보호하는 기능을 수행한다. In addition, the
여기서, 배터리의 운영 중 배터리(100)의 충전 상태(SOC)는 배터리의 정격kWh 용량에 대하여 충전 또는 방전된 전력량의 상태를 나타내는 지표이며, 수명상태(SOH)는 배터리의 정격kWh 용량에 대하여 사이클운전을 수행하는 경우, 배터리(100)의 운전 사이클 회수 또는 잔여 사이클의 상태를 나타내는 지표이다. Here, the state of charge (SOC) of the
한편, 본 발명 전기에너지저장장치의 전력관리시스템(PMS: 400)은 전기에너지저장시스템의 주요 구성요소인 전력변환장치(200), 배터리(100), 배터리관리시스템(300)의 운용상태를 모니터링 하여 전기에너지저장시스템을 부하의 요구 조건에 맞게 효율적으로 관리하는 기능을 수행한다. On the other hand, the power management system (PMS: 400) of the electric energy storage device of the present invention monitors the operating states of the
또한 상기 전력관리시스템(400)은 전기에너지 저장시스템의 상위시스템인 에너지관리시스템(EMS, energy management system: 500)에 당 전기에너지 저장시스템의 운용 상태를 전달하기 위한 통신부를 가진다. 이에, 상기 에너지관리시스템은 여러 수용가 부하특성과 전기에너지 저장시스템과 같은 분산전원의 운용특성을 종합적으로 모니터링하여 계통전원의 에너지를 효율적으로 관리하는 기능을 수행한다. In addition, the
본 발명이 적용되는 전기에너지 저장 시스템에서 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)을 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하거나, 교류 전원을 직류 형태로 변환하여 배터리(100)에 저장하거나, 교류 전원을 부하에 공급하는 일련의 과정은 본 발명의 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.In the electrical energy storage system to which the present invention is applied, the storage voltage Vbat of the
전력변환장치(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210), 캐패시터 뱅크 회로(230), 3-레벨 양방향 인버터 회로(250), 입력 차단회로(270), 및 제어 회로(290)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the
여기서 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)는, 양방향 인버터 회로(230)에 의해 캐패시터 뱅크 회로(230)로 공급된 직류 전원을 감압하여 배터리(100)에 충전하고, 배터리(100)의 직류 전원을 승압하여 캐패시터 뱅크 회로(230)로 전달하는 기능을 수행하도록 구비되며, 이에 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)는 인덕터부(211) 및 양방향 스위칭부(213)를 포함할 수 있다. Here, the three-level interleaved charge /
인덕터부(211)는 배터리(100)의 (+)단자와 양방향 스위칭부(213)의 제1 및 제 3스위칭소자(Q1, Q3)가 연결된 제1 코일(L1) 및 배터리(100)의(-)단자와 양방향 스위칭부(213)의 제2 및 제4 스위칭소자(Q2, Q4)에 연결된 제 2 코일(L2)로 구비되며 양방향 스위칭부(213)와 연동하여 캐패시터 뱅크 회로(230)의 전압을 감압하여 배터리를 충전하거나, 배터리(100)의 전압을 승압 컨버팅하여 캐패시터 뱅크 회로(230)로 공급하는 기능을 수행한다. The
양방향 스위칭부(213)의 제1 및 제 3스위칭소자(Q1, Q3)는 상기 제1 코일(L1)의 우측에 각각 병렬로 연결되고, 제2 및 제4 스위칭소자(Q2, Q4)는 제2 코일(L2)의 우측에 각각 병렬로 연결되며, 제3 스위칭소자(Q3)의 출력단과 및 제4 스위칭소자(Q4)의 입력단은 접지(N)와 연결되는 구조를 갖춘다. The first and third switching elements Q1 and Q3 of the
또한 캐패시터 뱅크 회로(230)는 양방향 스위칭부(213)의 제1 스위칭소자(Q1)의 입력단과 접지(N) 사이에 상단 캐패시터(232)가 연결되고, 접지(N)와 제2 스위칭소자(Q2)의 출력단 사이에 하단 캐패시터(234)가 연결되며, 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)의 직류 전원을 제공받아 3 레벨 인터리브드 회로(210)로 링크시켜 전달하고, 3 레벨 인터리브드 회로(210)의 직류 전원을 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)로 링크시켜 전달하는 기능을 수행한다.In the
한편, 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)는 캐패시터 뱅크 회로(230)의 상단 캐패시터(232)의 입력단, 접지(N), 및 하단 캐패시터(234)의 출력단에 각각 접속된 다수의 스위칭 소자(T1~T6, T1’ ~T6’)로 구비되고, 이에 다수의 스위칭 소자(T1~T6, T1’ ~T6’)의 3- 레벨 스위칭 동작에 의거 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)는 배터리(100)의 충전 동작 시 외부로부터 공급되는 정상 상태의 교류 전원을 직류 형태로 변환시키는 정류기로 동작하고 배터리(100)의 방전 동작 시 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류링크 전압을 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하로 전달하는 인버터로 동작한다. 상기 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)의 다수의 스위칭 소자(T1~T6, T1’ ~T6’)에 의거 배터리(100)의 충전 동작 시 3-레벨 정류기로 동작하고 방전 동작 시 3-레벨 인버터로 동작하는 일련의 과정은 본 출원인에 의해 특허등록번호 제10-1627505호에 출원 및 등록되어 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. Meanwhile, the three-level
또한 입력 차단회로(270)는, 전기에너지저장시스템의 비상전원기능을 부가하기 위하여 스태틱 스위치(271)를 차단기와 직렬로 연결한 구조로 구비되고, 정전되면 외부로부터 공급되는 교류전원을 고속으로 차단하고, 3 레벨 인터리브드 회로(210)는 배터리의 저장 전압을 승압한 후 캐패시터 뱅크 회로(230)에 전달하고 이에 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류 형태의 출력 전압은 양방향 인버터 회로(270)에 전달되고, 양방향 인버터 회로(270)는 교류형태의 출력전압을 단자(R, S, T, N(미도시됨))에 접속된 부하에 공급한다. In addition, the
한편, 배터리관리시스템(300)의 배터리 상태 정보를 수신한 전력관리시스템(400)에 의거 충전 또는 방전 모드가 결정되면, 제어 회로(290)는 결정된 충전 또는 방전 모드에 따라 3 레벨 인터리브드 충전 회로(210)의 제1 내지 제4 스위칭소자(Q1~Q4)와, 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)의 다수의 스위칭 소자(T1~T6, T1’ ~T6’)와, 및 입력 차단회로(270)의 차단기(271)의 동작을 제어하기 위한 신호들을 생성 및 전달하고, 이에 전력변환장치(200)는 배터리(100)의 충전 모드 또는 방전 모드를 수행하도록 구비된다. Meanwhile, when the charging or discharging mode is determined based on the
그리고, 도 2에 도시된 전력변환장치(200)는 3 레벨 인터리브드 충전 회로(210)의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)와, 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)의 다수의 스위칭 소자(T1~T6, T1’ ~T6’)와, 입력 차단회로(270)의 차단기(271)의 제어를 수행하기 위한 실시예로 본 실시 예와 관련된 구성요소들만 이 도시되어 있다. 따라서, 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들, 예를 들어, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 동작을 제어하는 충방전기 게이트 드라이브, 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)의 다수의 스위칭 소자(T1~T6, T1’ ~T6’)의 동작을 제어하는 인버터 게이트 드라이버, 및 입력 차단회로(270)의 차단기(271)의 차단을 제어하는 입력차단회로 인터페이스부 등 이 더 포함될 수 있음을 본 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.In addition, the
이하에서 제어 회로(290)에 의거 설정된 충전 또는 방전 모드에 따라 3 레벨 인터리브드 충방전회로(210) 및 캐패시터 뱅크 회로(230)에서 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)로부터 전달받아 충전된 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 배터리의 저장 전압을 상기 캐패시터 뱅크 회로(230)를 경유하여 승압 컨버팅한 후 계통 또는 부하로 전달하는 일련의 과정을 설명한다. The capacitor bank charged from the 3-level
우선, 교류 형태의 계통 전원이 3-레벨 양방향 인버터 회로(250)에서 정류된 직류 전압은 캐패시터 뱅크 회로(230)의 상단 캐패시터(232) 및 하단 캐패시터(234)에 저장되며 저장된 직류링크 전압(Vc1)(Vc2)은 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)로 전달된다. First, the DC voltage in which the AC power is rectified in the three-level
이 후 전력관리시스템(400)에서 배터리(100)의 충전모드 명령신호가 전력변환장치(200)의 제어 회로(290)에 전달되면, 제어 회로(290)는 3-레벨 인터리브드 회로(210)의 양방향 스위칭부(213)의 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 각각 송출하고 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)에 충전 PWM 신호를 송출하며, 이에 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류링크전압은 감압되어 배터리(100)에 충전된다. Thereafter, when the charge mode command signal of the
즉, 배터리(100)의 충전 모드 시 양방향 스위칭부(213)의 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4) 각각에 연결된 바디 다이오드에 의거 배터리(100)의 충전이 수행된다.That is, in the charging mode of the
한편, 충전 모드에서 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)의 게이트단에는 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖지며 동일한 Duty로 스위칭하는 2개의 충전 PWM이 각각 공급되며 Duty값이 0.5이하이면 2개의 충전 PWM이 겹쳐지지 않는 독립충전 모드로 동작되고, Duty값이 0.5보다 커지면 2개의 충전 PWM이 겹쳐지는 구간이 발생하는 중복 충전 모드로 동작된다. 이때 제어 회로(290)는 동일한 Duty로 스위칭하는 2개의 충전 PWM에 충전 옵셋 PWM 신호를 포함시켜 충전 시 캐패시터 뱅크 회로(230)의 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)간 전압 불균형을 제거할 수 있다. Meanwhile, in the charging mode, two charging PWMs having a phase shift of 180 degrees and switching with the same duty are supplied to the gate ends of the first switching element Q1 and the second switching element Q2, respectively, and the duty value is increased. If the value is less than 0.5, the operation is performed in an independent charging mode in which the two charging PWMs do not overlap. When the duty value is greater than 0.5, the operation is in the redundant charging mode in which the two charging PWMs overlap. In this case, the
한편, 전력관리시스템(400)에서 배터리(100)의 방전모드 명령신호가 전력변환장치(200)의 제어 회로(290)에 전달되면, 제어 회로(290)는 3-레벨 인터리브드 회로(210)의 양방향 스위칭부(213)의 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 각각 송출하고 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)에 방전 PWM 신호를 송출하며, 이에 배터리(100)에 충전된 배터리전압은 승압되어 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류링크전압에 전달한다. Meanwhile, when the discharge mode command signal of the
즉, 배터리(100)의 방전 모드 시 양방향 스위칭부(213)의 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)와 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2) 각각에 연결된 바디 다이오드에 의거 배터리(100)의 방전이 수행된다.That is, in the discharge mode of the
한편, 방전 모드에서 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)의 게이트단에는 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖지며 동일한 Duty로 스위칭하는 2개의 방전 PWM이 각각 공급되며 Duty값이 0.5이하이면 2개의 방전 PWM이 겹쳐지지 않는 독립방전 모드로 동작되고, Duty값이 0.5보다 커지면 2개의 방전 PWM이 겹쳐지는 구간이 발생하는 중복 방전 모드로 동작된다. 이때 제어 회로(290)는 동일한 Duty로 스위칭하는 2개의 방전 PWM에 방전 옵셋 PWM 신호를 포함시켜 방전 시 캐패시터 뱅크 회로(230)의 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)간 전압 불균형을 제거할 수 있다. Meanwhile, in the discharge mode, two discharge PWMs having a phase shift of 180 degrees and switching with the same duty are supplied to the gate ends of the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4, respectively, and the duty value is increased. If it is 0.5 or less, it operates in an independent discharge mode in which two discharge PWMs do not overlap. If the duty value is greater than 0.5, it operates in an overlapping discharge mode in which a section in which two discharge PWMs overlap. At this time, the
<중성점제어의 필요성>Necessity of Neutral Point Control
기존의 2-레벨 전력변환기에 비하여 3-레벨 전력변환기는 중성점 클램핑 효과로 월등한 효율특성과 함께 주파수 체배효과로 필터 리액터의 인덕턴스 값을 감소시킬 수 있고 전자파 발생량이 약 50%정도 감소하는 특성을 갖는다. 상기 효율상승, 인덕턴스 및 전자파의 감소는 장치의 가격을 낮추고 신뢰성을 향상시키는 효과를 갖는다. 또한 3-레벨 전력변환기의 효율향상으로 운전 중 전력손실을 줄여 운전비용을 절감하는 효과를 갖는다. Compared to the conventional two-level power converter, the three-level power converter has superior efficiency characteristics due to the neutral point clamping effect, and the inductance value of the filter reactor can be reduced by the frequency multiplying effect and the electromagnetic wave generation amount is reduced by about 50%. Have The increase in efficiency, inductance and reduction of electromagnetic waves have the effect of lowering the cost of the device and improving reliability. In addition, the efficiency of the three-level power converter has the effect of reducing the operating cost by reducing the power loss during operation.
그런데, 중성선을 이용하는 무변압기 방식의 2-레벨 및 3-레벨 전력변환기는 직류링크를 구성하는 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)의 불균일한 임피던스 및 반도체소자에 인가되는 PWM 신호의 비균일성으로 인해 상단 캐패시터(232) 및 하단 캐패시터(234)에 저장되는 직류전압이 일치하지 않을 수 있다. 만약 양방향 인버터가 상기 일치하지 않는 전압을 가진 상단 캐패시터(232) 및 하단 캐패시터(234)에 저장된 직류전압을 교류전압으로 변환하면 양방향 인버터의 출력에 직류성분이 함유된다. However, the transformerless two-level and three-level power converters using neutral wires have nonuniform impedances of the upper capacitor 232 and the lower capacitor 234 constituting the DC link and non-uniformity of the PWM signal applied to the semiconductor device. Due to the characteristics, the DC voltages stored in the upper capacitor 232 and the lower capacitor 234 may not match. If the bidirectional inverter converts the DC voltage stored in the upper capacitor 232 and the lower capacitor 234 having the mismatched voltage into an AC voltage, the DC component is included in the output of the bidirectional inverter.
그런데, 직류성분이 함유된 양방향인버터의 출력을 계통 또는 부하에 접속하면 계통 및 부하측에 설치된 변압기와 리액터에 소음 및 과열현상이 발생되어 양방향 인버터, 계통, 그리고 부하의 신뢰성을 심각하게 저하시키는 중요한 요인이 된다. However, when the output of a bidirectional inverter containing a DC component is connected to a grid or a load, noise and overheating occur in transformers and reactors installed on the grid and the load side, which is an important factor that seriously degrades the reliability of the bidirectional inverter, grid, and load. Becomes
또한 3 레벨 인터리브드 회로(210)의 양방향 스위칭부(213)를 이용하여 배터리(100)를 충전 시 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)의 전압이 일치하지 않으면 충전 PWM 한 주기동안 충전전류가 불균일하게 되어 배터리의 충전품질이 저하된다.In addition, when the voltage of the upper capacitor 232 and the lower capacitor 234 does not match when the
한편, 3-레벨 전력변환기에서는 반도체 소자와 반도체를 구동하는 드라이버 회로의 수량이 2-레벨에 비해 일반적으로 두 배로서, PWM 신호의 비균일성이 더욱 심화되는 특징이 있다. On the other hand, in the three-level power converter, the number of semiconductor elements and driver circuits for driving the semiconductor is generally twice as large as that of the two-level, which further increases the nonuniformity of the PWM signal.
한편, 양방향인버터가 정류기로 동작하여 직류링크 캐패시터에 직류전압을 공급하는 동시에 양방향 충방전기가 배터리를 충전하는 과정에서 어떤 요인으로 인해 상단과 하단 직류링크 캐패시터의 전압의 불일치가 발생 할 경우 양방향인버터 PWM에 옵셋을 추가하여 상단과 하단 직류링크 캐패시터의 전압의 불일치를 제거할 수 있으나 양방향인버터의 교류입력단에 고조파가 발생되는 문제점이 있다. On the other hand, when the bidirectional inverter acts as a rectifier to supply DC voltage to the DC link capacitor and at the same time a voltage mismatch occurs between the upper and lower DC link capacitors due to some factor in the process of charging the battery by the bidirectional charger and the bidirectional inverter PWM. By adding an offset to it, it is possible to eliminate the mismatch of voltages of the upper and lower DC link capacitors, but there is a problem in that harmonics are generated at the AC input terminal of the bidirectional inverter.
또한, 양방향인버터가 전류원 또는 전압원 인버터로 동작하여 직류링크 캐패시터에 충전된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통 또는 부하에 전력을 공급할 때, 양방향인버터의 PWM 신호에 옵셋을 부가하여 상단과 하단 직류링크 캐패시터 전압의 불일치를 제거할 수 있으나 양방향인버터의 교류 입력단에 고조파가 발생되는 문제점이 있다. In addition, when the bidirectional inverter operates as a current source or voltage source inverter and converts the DC voltage charged in the DC link capacitor into an AC voltage to supply power to the system or load, the bidirectional inverter adds an offset to the PWM signal of the bidirectional inverter to provide an upper and lower DC link. Although the mismatch of the capacitor voltage can be eliminated, there is a problem that harmonics are generated at the AC input terminal of the bidirectional inverter.
상기와 같이 문제점을 해결하기 위해 별도의 중성점제어를 수행하는 중성점제어기를 추가하여 상단과 하단 직류링크 캐패시터의 전압의 불일치를 제거할 수 있으나 회로가 복잡해지고 부피가 커지는 단점이 있다. In order to solve the problem as described above, it is possible to eliminate the mismatch between the voltage of the upper and lower DC link capacitor by adding a neutral point controller that performs a separate neutral point control, but the circuit is complicated and bulky.
이에, 본 발명 전기에너지 저장 시스템은 별도의 중성점 제어기를 추가하지 않고 3-레벨 양방향 충방전기만을 이용하여 중성점 제어를 수행하는 수단을 제공한다. Accordingly, the electric energy storage system of the present invention provides a means for performing neutral point control using only a three-level bidirectional charger without adding a separate neutral point controller.
<3 레벨 인터리브드 충방전회로의 충전 모드 ><Charge mode of 3-level interleaved charge / discharge circuit>
상기 충전 PWM 신호를 전달받은 3 레벨 인터리브드 충전 회로(210)에서 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류 전원을 배터리(100)에 충전 동작하는 일련의 과정을 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. A direct current power of the
도 3의 (a) 내지 (d)는 도 2에 도시된 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)에 의거 배터리(100)의 충전 동작 시 각 모드 별 동작 과정을 보인 회로도이고, 도 4는 도 3에 도시된 각 모드 별 출력 파형을 보인 도이다. 3A to 3D are circuit diagrams illustrating an operation process for each mode during the charging operation of the
여기서, 제1 스위치 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호는 제어 회로(290)에서 삼각파에 직류 레벨의 기준을 비교하여 상승 에지 및 하강 에지가 발생하는 PWM 펄스파형을 얻는 방식으로서, 듀티값에 따라 펄스 파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고, 제2 스위치 소자(Q2)에 공급되는 충전 PWM 신호는 제1 스위치 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 가지며 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM 신호이다. Here, the charging PWM signal supplied to the first switch element Q1 is a method of obtaining a PWM pulse waveform in which the rising edge and the falling edge are generated by comparing the reference of the DC level with the triangular wave in the
이에 제1 스위치 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)에 의한 발생 가능한 스위치 조합은 4 개이며, 배터리(100)의 충전 모드는 제1 스위치 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급되는 충전 PWM 신호가 중첩되지 아니한 경우의 독립충전모드(Non-crossing mode)와 중첩되는 경우의 중복 충전 모드(Crossing mode)를 포함하고, 독립 충전 모드는 감압(buck) 기능을 수행하고, 중복 충전 모드는 감압(buck)과 승압(boost)을 순차적으로 수행하도록 구비될 수 있다. Accordingly, there are four switch combinations that can be generated by the first switch element Q1 and the second switching element Q2, and the charging mode of the
한편, 상단 캐패시터의 직류링크 전압(Vc1) 또는 하단 캐패시터의 직류링크전압(Vc2)는 DC(+)와 DC(-)간 전압의 1/2으로서 정상 상태에서는 동일한 값으로 유지되며, 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)은 충전이 진행되는 동안 낮은 값에서 높은 값으로 변동된다. Meanwhile, the DC link voltage Vc1 of the upper capacitor or the DC link voltage Vc2 of the lower capacitor is 1/2 of the voltage between DC (+) and DC (-) and is maintained at the same value in a normal state. The storage voltage Vbat of) varies from a low value to a high value during charging.
<독립충전모드의 충전 동작><Charging operation in the independent charging mode>
본 발명 에너지 저장장치는 12V 연축전지를 예로 들 경우 배터리의 셀 수를 16셀, 20셀, 30셀 그리고 40 셀이 직렬로 연결된 배터리입력 시스템을 대상으로 할 수 있으며 그 중에서 30셀로 운전할 경우 배터리전압과 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2)의 상관관계에 의해서 독립충전모드와 중복충전모드가 모두 발생된다. 이에 독립충전모드 또는 중복충전모드 중 어느 한 가지 모드만 발생하는 16셀, 20셀 그리고 40셀에서의 충전동작 설명은 생략할 수 있다. In the energy storage device of the present invention, for example, a 12V lead acid battery may be a battery input system in which 16, 20, 30 and 40 cells are connected in series. The independent charging mode and the redundant charging mode are both generated by the correlation between the DC link voltage Vc1 or Vc2. Therefore, the description of the charging operation in the 16 cells, 20 cells and 40 cells that generates only one of the independent charging mode or the redundant charging mode can be omitted.
12V 연축전지의 방전종지전압은 일반적으로 셀 당 10.2V 이므로 30 셀이 직렬로 연결된 시스템에서 배터리입력의 최저전압은 306V로 볼 수 있으며, 만충전 전압은 일반적으로 셀 당 13.5V 이므로 배터리입력의 최고전압은 405V로 볼 수 있다. 따라서 배터리 입력전압은 배터리의 충전 또는 방전상태에 따라 306V에서 405V 사이에서 변동할 수 있다. Since the discharge end voltage of 12V lead acid battery is generally 10.2V per cell, the lowest voltage of battery input is 306V in a system with 30 cells connected in series, and the full charge voltage is generally 13.5V per cell. The voltage can be seen as 405V. Therefore, the battery input voltage may vary between 306V and 405V depending on the state of charge or discharge of the battery.
이 후 이전의 운전과정에서 방전모드로 운전하여 배터리의 저장 전압이 최저 전압(306V)까지 방전을 완료하고 충전 모드로 전환되는 경우, 제어 회로(290)는 3 레벨 양방향인버터(250)를 PFC(power factor correction) 정류기로 동작시켜 교류입력전원을 직류전원으로 변환하여 DC(+)와 DC(-)간 직류링크 캐패시터를 만충전 전압(700V)로 충전시킨다.After that, when operating in the discharge mode in the previous operation process when the storage voltage of the battery completes the discharge to the lowest voltage (306V) and is switched to the charging mode, the
한편, 정상상태에서 상단 캐패시터(232)의 직류 링크 전압(Vc1) 또는 하단 캐패시터(234)의 직류 링크 전압(Vc2)는 DC(+)와 DC(-)간 전압의 1/2(350V)으로 거의 동일한 값으로 운전된다고 가정한다. Meanwhile, in the steady state, the DC link voltage Vc1 of the upper capacitor 232 or the DC link voltage Vc2 of the lower capacitor 234 is 1/2 (350V) of the voltage between DC (+) and DC (-). Suppose you are running at about the same value.
이어서 제어 회로(290)는 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)의 제1 스위치 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)에 충전 PWM 신호를 공급한다. Subsequently, the
여기서, 제어 회로(290)에서 발생하는 충전 PWM 신호는 제어상태가 정상상태가 될 때까지 초기의 듀티가 제로인 상태에서 시작하여 증가하다가 정상상태가 되면 PWM 신호의 듀티가 거의 일정한 상태에서 미소 변동되는 특성을 가진다. Here, the charge PWM signal generated from the
한편, 최저 전압(306V)까지 저하된 배터리는 재충전을 시작하여 배터리의 충전전압이 상단 캐패시터의 전압(Vc1) 또는 하단 캐패시터의 전압(Vc2)인 350V와 동일한 값이 될 때까지 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)가 독립 충전 모드로 동작하기 위하여 제어 회로(290)는 2개의 충전 PWM 신호의 듀티를 0~50% 범위 이내로 유지하기 위한 인덕터의 값과 스위칭 주파수를 설정한 충전 PWM 신호를 생성하여 제1 스위치 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급한다.On the other hand, the battery, which has been lowered to the lowest voltage (306V), starts to recharge until the charge voltage of the battery is equal to 350V, which is the voltage of the upper capacitor (Vc1) or the voltage of the lower capacitor (Vc2). In order for the
이에 양방향 스위칭부(230)은 상기 설정된 인덕터의 값과 스위칭 주파수에 의해 설정된 충전 PWM 신호에 의거 배터리의 충전전압이 최저 전압(306V)에서 충전을 시작하여 충전전압이 직류링크 DC(+)와 DC(-)간 전압의 1/2인 350V가 되기 전까지 독립 충전 모드로 동작되며, 제1 스위치 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급되는 2개의 충전 PWM 신호가 겹치지 아니한다. Accordingly, the
즉, 배터리의 저장 전압(Vbat)이 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 전압의 1/2 보다 작은 조건 1을 만족하는 경우 독립 충전 모드가 수행되며, 독립 충전 모드 시 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)는 충전모드 1→ 충전모드 2 → 충전모드 3 → 충전모드 2를 순차적으로 반복하여 수행된다. That is, the independent charging mode is performed when the storage voltage Vbat of the battery satisfies
충전모드 1에서 충전모드 2로 동작하는 과정을 설명하면, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 소자(Q1) 온 시 직류링크전압(Vc1)은 배터리(100)에 충전되고, (b)에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 소자(Q1) 오프 시 직류링크 전압(Vc1)을 포함하지 않는 폐회로가 형성되어 양방향 스위칭부(213)는 순환 모드로 동작하며 이에 양방향 스위칭부(213)는 감압(벅, BUCK) 컨버터로 동작된다. (c)에 도시된 충전모드 3에서 (b)에 도시된 충전모드 2로 동작하는 원리도 동일하다. Referring to the operation of the charging
이때 독립충전모드 수행 중 충전모드 1→ 충전모드 2에서 인덕터부(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 전압방정식과 출력전압(Vbat)은 하기 식 (1)과 (2)를 만족하고, 충전모드 3→ 충전모드 2에서 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 전압방정식과 출력전압은 식 (3)과 (4)을 만족한다. 식 (2)에서 배터리의 충전 전압(Vbat)는 직류링크전압(Vc1)과 듀티비(dQ1)에 비례하여 결정되고 식 (4)에서는 직류링크전압(Vc2)와 듀티비(dQ2) 에 의하여 결정됨을 알 수 있다.At this time, during the independent charging mode, the voltage equation and output voltage Vbat of the first coil L1 and the second coil L2 of the
.. 식 1 ..
.. 식 2 ..
.. 식 3 .. Equation 3
.. 식 4 .. Equation 4
<독립충전모드의 중성점 제어><Neutral Point Control in Independent Charge Mode>
한편, 충전 중 어떤 원인으로 상단 캐패시터(232)의 전압(Vc1)과 하단 캐패시터(234)의 전압(Vc2)의 균형이 무너지면 상단 캐패시터 또는 하단 캐패시터에 과전압이 인가되어 캐패시터 소손이 발생할 수 있으며 충전 PWM 한 주기 동안 충전전류가 불균일하게 되어 배터리의 충전품질이 저하될 수 있다. Meanwhile, if the balance between the voltage Vc1 of the upper capacitor 232 and the voltage Vc2 of the lower capacitor 234 is broken for some reason during charging, an overvoltage may be applied to the upper capacitor or the lower capacitor to cause capacitor burnout. Non-uniform charge current for one period of PWM can degrade the charge quality of the battery.
이에, 제1 스위칭 소자(Q1)가 상단 캐패시터(232)를 이용하여 배터리를 충전하는 독립충전모드 1에서 어떤 요인으로 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2) 보다 일시적으로 커지면 제어 회로(290)는 제1 스위칭 소자(Q1)에 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 충전 PWM 신호를 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트단에 전달하고, 이에 양방향 스위칭부(213)는 중성점 제어를 수행한다. 즉, 증가된 충전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 충전 PWM 신호에 의거 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)의 방전량은 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)의 방전량보다 커지게 되어 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)과의 전압차는 제거된다.Accordingly, in the
또한, 제2 스위칭 소자(Q2)가 하단 캐패시터(234)를 이용하여 배터리를 충전하는 독립충전모드 3에서 어떤 요인으로 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1) 보다 일시적으로 커지면 제어 회로(290)는 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 충전 PWM 신호를 제2 스위칭소자(Q2)의 게이트단에 전달하고, 이에 양방향 스위칭부(213)는 중성점 제어를 수행한다. 즉, 증가된 충전 옵셋 PWM 신호를 포함한 충전 PWM 신호에 의거 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)의 방전량은 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)의 방전량보다 커지게 되어 하단 캐피시터(234)의 직류 링크 전압(Vc2)가 상단 직류링크전압(Vc1)과 동일하게 될 때까지 감소되어 상단과 하단 캐패시터(232)(234)의 전압차가 제거된다.In addition, in the independent charging mode 3 in which the second switching element Q2 uses the lower capacitor 234 to charge the battery, the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor 234 may be caused by the lower capacitor 234 of the upper capacitor 232. When temporarily larger than the upper DC link voltage Vc1, the
<중복충전모드의 충전 동작><Charging operation in redundant charging mode>
한편, 초기 최저 전압(306V)에서 재충전을 시작한 배터리의 충전전압이 직류링크 전압 Vc1(350V) 또는 Vc2(350V)보다 높아지면 독립 충전 모드로 배터리(100)는 더 이상 충전할 수 없으므로 제어회로(290)는 제1 스위칭 소자(Q1) 충전 PWM 신호와 제2 스위칭 소자(Q2)의 충전 PWM 신호의 듀티를 50%이상 증가시켜 두 충전 PWM 신호의 겹침 구간이 발생하는 충전 PWM 신호를 생성하여 양방향 스위칭부(213)로 전달하고, 이에 양방향 스위칭부(213)은 중복 충전 모드로 동작한다. On the other hand, when the charge voltage of the battery that starts recharging at the initial minimum voltage (306V) is higher than the DC link voltage Vc1 (350V) or Vc2 (350V), the
이에 상기 중복 충전 모드를 이용하여 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)는 배터리(100)의 전압을 30셀 직렬 시스템일 경우 최대 전압(405V)까지 충전할 수 있다.Accordingly, the three level interleaved charge /
즉, 중복 충전 모드라 함은 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 전압의 1/2이 배터리(100)의 충전 전압(Vbat) 보다 작은 조건 2를 만족하는 경우 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)에서 수행되는 모드로서, 도 3에 도시된 충전모드 4 → 충전모드 1 → 충전모드 4 → 충전모드 3 를 순차적으로 반복하여 수행된다.That is, the redundant charging mode is a three-level interleaved charge / discharge circuit when the DC link voltage Vc1 or Vc2 or one half of the capacitor bank voltage satisfies
즉, 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면, 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류링크전압(Vc1)(Vc2)의 합(Vc1+Vc2)이 인덕터(L1)(L2)를 경유하여 감압(벅, buck) 컨버팅하여 배터리(100)에 충전된다. That is, when a section in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on simultaneously in the charging mode 4 occurs, the sum Vc1 of the DC link voltages Vc1 and Vc2 of the
이 후 충전모드 1에서 제어회로(290)의 충전 PWM 신호에 의해 제 1 스위칭소자(Q1)의 온 상태는 그대로 유지되고 제2 스위칭 소자(Q2)가 오프되므로, 양방향 스위칭부(213)는 이전의 충전모드 4에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지를 방출시키는 폐회로를 형성하여 순환모드로 전환한다. Thereafter, in the charging
이에 충전모드 1에서 발생하는 순환모드의 폐회로로 인해 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)보다 낮은 전압을 갖는 상단 캐패시터(232)의 에너지가 순환 전류를 통해 배터리(100)로 공급되므로 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)는 충전모드 4에서 감압 충전 이후 발생하는 충전모드 1의 순환 모드 동작에서 승압(부스트, boosting) 컨버팅을 포함한다고 할 수 있다. 이 후 충전모드 4에서 충전모드 3으로 동작하는 원리도 이와 같이 동일하다.Accordingly, the energy of the upper capacitor 232 having a voltage lower than the storage voltage Vbat of the
이때 중복 충전 모드 수행 중 충전모드 4→ 충전모드 1에서 인덕터부(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 전압방정식과 출력전압(Vbat)은 하기 식 (5)와 (6)을 만족하고, 충전모드 4→ 충전모드 3 동작 시 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 전압방정식과 출력전압은 식 (7)과 (8)를 만족한다.At this time, during the redundant charging mode, the voltage equation and output voltage Vbat of the first coil L1 and the second coil L2 of the
그리고, 중복충전모드 수행 중 충전모드 4→ 충전모드 1에서 배터리(100)의 충전 전압(Vbat)은 식 (6)에서 상단 및 하단 직류링크전압의 합(Vc1+Vc2)에 듀티비(dQ1/Q2)를 곱한 결과에 상단직류링크전압(Vc1)에 듀티비 (d’Q1 /Q2)를 곱한 결과를 합하여 도출된 값으로 결정됨을 알 수 있다.In the charging mode 4 → charging
또한, 중복충전모드 수행 중 충전모드 4→ 충전모드 3에서 배터리(100)의 충전 전압(Vbat)은 식 (8)에서 상단 및 하단 직류링크전압의 합(Vc1+Vc2)에 듀티비(dQ1/Q2)를 곱한 결과에 하단직류링크전압(Vc2)에 듀티비 (d’Q1 /Q2)를 곱한 결과를 합하여 도출된 값으로 결정됨을 알 수 있다.In addition, in the charging mode 4 → charging mode 3 during the redundant charging mode, the charging voltage Vbat of the
.. 식 5 .. Equation 5
.. 식 6 .. Equation 6
.. 식 7 .. Equation 7
.. 식 8 .. Equation 8
한편, 독립충전모드에서 제1 스위칭 소자(Q1) 온 시에는 상단 캐패시터(232)로부터 에너지가 배터리(100)로 전달되고, 제2 스위칭 소자(Q2) 온 시는 하단 캐패시터(234)로부터 에너지가 배터리(100)로 전달되며, 중복충전모드에서 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간에서는 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)로부터 동시에 에너지가 배터리(100)로 전달되고, 제1 스위칭 소자(Q1) 또는 제2 스위칭 소자(Q2)가 오프 시 상단 캐패시터(232)의 단독으로 또는 하단 캐패시터(234) 단독으로 에너지를 배터리(100)로 전달하는 특성이 있음을 확인할 수 있다.On the other hand, energy is transferred from the upper capacitor 232 to the
그런데 독립충전모드의 충전모드 1과 중복충전모드의 충전모드 1의 제1 스위칭 소자(Q1)의 상태는 같으나, 독립충전모드의 충전모드 1에서 인덕터부(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에는 에너지가 충전되고 중복충전모드의 충전모드 1에서 에너지가 방출하므로 중복충전모드의 충전모드 1를 충전모드 1’로 나타낼 수 있다. 그리고 독립충전모드 3에서 인덕터부(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에는 에너지가 충전되고 중복충전모드 3의 충전모드 3은 에너지가 방출하므로 중복방전모드의 충전모드 3은 충전모드 3’로 나타낼 수 있다. However, although the state of the first switching element Q1 of the charging
이에 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 스위치 상태가 같더라도 인덕터의 에너지 상태가 다르므로 충전모드 1’ 및 충전모드 3’를 추가하여 배터리(100)의 충전 동작 시 총 6개의 동작 모드가 발생된다고 할 수 있다. Therefore, even though the switch state of the first switching element Q1 and the second switching element Q2 is the same, the energy state of the inductor is different. Therefore, the charging mode 1 'and the charging mode 3' are added to the
이에 배터리(100)의 충전 동작 시 양방향 스위칭부(213)의 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 스위칭 상태와 인덕터부(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 에너지의 변화에 따른 각 모드 별 동작 상태는 다음 표 2로 나타낼 수 있다.Accordingly, during the charging operation of the
[표 1]TABLE 1
<중복 충전 모드의 중성점 제어><Neutral Point Control in Redundant Charging Mode>
한편, 중복 충전 중 어떤 원인으로 상단 캐패시터(232)의 직류 링크 전압(Vc1)과 하단 캐패시터(234)의 직류 링크 전압(Vc2)의 균형이 무너지면, 상단 캐패시터(232) 또는 하단 캐패시터(234)에 과전압이 인가되어 캐패시터 소손이 발생할 수 있으며 충전 PWM 한 주기 동안 충전전류가 불균일하게 되어 배터리(100)의 충전품질이 저하될 수 있으므로 이에 대한 대책이 필요하다.On the other hand, if the balance between the DC link voltage (Vc1) of the upper capacitor 232 and the DC link voltage (Vc2) of the lower capacitor 234 due to some of the redundant charging, the upper capacitor 232 or the lower capacitor 234 The capacitor may be burned out by the overvoltage applied thereto, and the charging quality of the
한편 중복충전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되어 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)가 동시에 방전되어 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류 링크 전압이 배터리(100)에 충전되므로, 상단 캐패시터(232) 또는 하단 캐패시터(234)의 방전량은 차별화될 수 없으며, 충전모드 4 이후에 발생하는 충전모드 1과 충전모드 3에서는 상단과 하단의 캐패시터(232)(234) 방전량은 차별화됨에 따라 중성점 제어가 가능하다. Meanwhile, in the charging mode 4 of the redundant charging, the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time, so that the upper capacitor 232 and the lower capacitor 234 are simultaneously discharged, so that the direct current of the
구체적으로, 충전모드 4에서 상단 및 하단 직류 링크 전압의 합(Vc1+Vc2)으로 감압하여 배터리를 충전시키는 동시에 인덕터부(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 에너지가 충전되는데, 그 충전 에너지는 상기 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간에 비례한다.Specifically, in the charging mode 4, the battery is charged by depressurizing to the sum of the upper and lower DC link voltages Vc1 + Vc2 and energy is applied to the first coil L1 and the second coil L2 of the
이때 충전모드 4 이후 동작하는 충전모드 1구간 또는 충전모드 3구간에서 인덕터의 방출 에너지는 충전모드 4에서 인덕터의 충전 에너지와 동일하여야 한다. In this case, in the charging
따라서, 충전모드 1 또는 충전모드 3에서 인덕터부(211)의 방출 에너지도 상기 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간에 비례한다.Therefore, the emission energy of the
그런데, 충전모드 1 또는 충전모드 3은 인덕터부(211)의 충전 에너지가 방출되는 순환 동작과 상단 캐패시터(232) 또는 하단 캐패시터(234)의 에너지가 배터리로 전달되는 승압 부스팅 특성을 동시에 가지고 있으며, 충전모드 1 또는 충전모드 3에서 상단 캐패시터(232) 또는 하단 캐패시터(234)의 방전량은 인덕터부(211)의 방출 에너지와 비례한다고 할 수 있다.However, the charging
따라서, 상단 캐패시터(232)의 방전량은 충전모드 1 이전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간에 비례한다고 할 수 있다.Accordingly, the discharge amount of the upper capacitor 232 may be proportional to a section in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time in the charging mode 4 before the charging
또한 하단 캐패시터(234)의 방전량은 충전모드 3 이전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간에 비례한다고 할 수 있다.In addition, the discharge amount of the lower capacitor 234 may be proportional to a section in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time in the charging mode 4 before the charging mode 3.
그리고 충전모드 1 이전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간과 충전모드 3 이전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간을 다르게 설정하여 상단 캐패시터(232)의 방전량과 하단 캐패시터(234)의 방전량은 다르게 설정할 수 있다.The first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time in the charging mode 4 before the charging
그러나 충전모드 4에서 상기 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간은 상기 제1 스위칭 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호의 펄스 폭 또는 상기 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급되는 충선 PWM 신호의 펄스폭에 비례된다.However, in the charging mode 4, the period in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time is the pulse width of the charging PWM signal supplied to the first switching element Q1 or the second switching element. It is proportional to the pulse width of the wire PWM signal supplied to Q2.
즉, 제1 스위치 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호는 듀티값 또는 직류레벨의 기준값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고, 제2 스위치 소자(Q2)에 공급되는 충전 PWM 신호는 제1 스위치 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 가지며 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM 신호이기 때문이라 할 수 있다.That is, the charge PWM signal supplied to the first switch element Q1 is a PWM (Pulse Width Modulation) signal in which the pulse width is simultaneously changed from side to side based on the center of the pulse waveform according to the duty value or the reference value of the DC level, The charging PWM signal supplied to the second switch element Q2 may be the PWM signal having the same pulse width as the charging PWM signal supplied to the first switch element Q1 and having a phase shift of 180 degrees. .
따라서, 충전모드 1에서 상단 캐패시터(232)의 방전량을 차별화하기 위해 옵셋 가중치인 충전 옵셋 PWM 신호는 충전모드 1 이전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 또는 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급되는 충전 PWM 신호를 선택하여 인가된다. 즉, 제어 회로(290)는 옵셋 가중치가 부가된 충전 옵셋 PWM 신호를 가지는 충전 PWM 신호를 양방향 스위칭부(213)에 전달한다. Accordingly, in order to differentiate the discharge amount of the upper capacitor 232 in the charging
그리고, 충전모드 3에서 하단 캐패시터(234)의 방전량을 차별화하기 위한 옵셋 가중치인 충전 옵셋 PWM 신호는 충전모드 3 이전의 충전모드 4에서 제1 스위칭 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호 또는 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급되는 충전 PWM 신호를 선택하여 인가할 수 있다. 이에 제어 회로(290)는 옵셋 가중치가 부가된 충전 옵셋 PWM 신호를 가지는 충전 PWM 신호를 양방향 스위칭부(213)에 전달한다. In addition, the charge offset PWM signal, which is an offset weight for differentiating the discharge amount of the lower capacitor 234 in the charge mode 3, may be a charge PWM signal supplied to the first switching element Q1 or the first switching element Q1 in the charge mode 4 before the charge mode 3. The charging PWM signal supplied to the second switching element Q2 may be selected and applied. The
따라서, 독립 충전 모드의 중성점 제어와 동일하게 상단 캐패시터(232)의 방전량은 제1 스위치 소자(Q1)에 공급되는 충전 PWM 신호를 이용하고, 하단 캐패시터(234)의 방전량은 제2 스위칭 소자(Q2)에 공급되는 충전 PWM 신호를 이용하여 중복충전모드의 중성점 제어가 수행된다. Therefore, similar to the neutral point control in the independent charging mode, the discharge amount of the upper capacitor 232 uses the charge PWM signal supplied to the first switch element Q1, and the discharge amount of the lower capacitor 234 is the second switching element. The neutral point control of the redundant charging mode is performed using the charging PWM signal supplied to Q2.
이에 중복 충전 모드에서 배터리(100) 충전 시 외부요인에 의하여 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 제어 회로(290)는 충전 옵셋 PWM 신호가 가중된 충전 PWM 신호를 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트단에 제공하고 이에 양방향 스위칭부(213)는 중성점 제어를 수행한다. 즉, 상단 직류링크전압(Vc1)의 방전량을 하단 직류링크전압(Vc2)의 방전량보다 크게 하여 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)의 전압차가 제거된다.Accordingly, when the upper DC link voltage Vc1 becomes greater than the lower DC link voltage Vc2 due to external factors when the
그리고, 중복 충전 모드에서 배터리 충전 시 하단 직류링크전압(Vc2)가 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 제어 회로(290)는 충전 옵셋 PWM 신호가 가중된 충전 PWM 신호를 제2 스위칭 소자(Q2)에 제공하고, 이에 양방향 스위칭부(213)는 중성점 제어를 수행한다. 즉, 하단 직류링크전압(Vc2)의 방전량이 상단 직류링크전압(Vc1)의 방전량보다 크게 되어 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)의 전압차가 제거된다. In addition, if the lower DC link voltage Vc2 becomes greater than the upper DC link voltage Vc1 when the battery is charged in the redundant charging mode, the
한편, 제어 회로(290)는 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)과 하단 직류링크전압(Vc2) 및 상단 직류링크전압(Vc1)의 전압의 상관관계에 의하여 자동으로 변동하는 Duty값에 따라 독립충전에서 중복충전 또는 중복충전에서 독립 충전으로의 전환이 수행되는바, 제어 회로(290)는 현재의 제어 상태가 독립충전인지 또는 중복충전인지 판단할 필요 없다. On the other hand, the
다만 상단 직류링크전압(Vc1)의 충전 옵셋 PWM 신호가 가중된 충전 PWM 신호가 독립충전모드에서는 제1 스위칭 소자(Q1)에 부여하고 중복 충전 모드에서는 제2 스위칭 소자(Q1)에 부여하거나, 하단 직류 링크 전압(Vc2)의 충전 옵셋 PWM 신호가 가중된 충전 PWM 신호를 독립충전모드에서는 제2 스위칭 소자(Q2)에 부여하고 중복 충전 모드에서 제1 스위칭 소자(Q1)에 부여하는 경우 제어 회로(290)는 독립충전 모드인 지 중복 충전 모드인 지를 판단하여야 하나 그 결과로 검출의 오차로 인해 중성점 제어의 안정성이 저하될 수 있다. However, the charge PWM signal with the charge offset PWM signal of the upper DC link voltage Vc1 is applied to the first switching element Q1 in the independent charging mode and to the second switching element Q1 in the redundant charging mode, or When the charge PWM signal with the charge offset PWM signal of the DC link voltage Vc2 is applied to the second switching element Q2 in the independent charging mode and to the first switching element Q1 in the redundant charging mode, the control circuit ( 290 must determine whether it is an independent charging mode or a redundant charging mode, but as a result, the stability of the neutral point control may be degraded due to an error in detection.
따라서 독립 충전 모드와 중복 충전 모드에서 충전 옵셋 PWM 신호를 포함한 충전 PWM 신호가 동일한 스위칭 소자에 제공되고 이에 동일한 캐패시터에 옵셋 가중치가 적용되면, 독립 충전 모드인 지 중복 충전 모드인 지를 판단하는 단계를 생략할 수 있으므로 중성점 제어의 안정성이 확보될 수 있다. Therefore, in the independent charging mode and the redundant charging mode, if the charging PWM signal including the charging offset PWM signal is provided to the same switching device and the offset weight is applied to the same capacitor, the step of determining whether the independent charging mode or the redundant charging mode is omitted is omitted. Therefore, the stability of the neutral point control can be secured.
이후, 전력관리시스템(400)에서 배터리(100)의 방전모드 명령신호가 전력변환장치(200)의 제어 회로(290)에 전달되면, 제어 회로(290)는 3 레벨 인터리브드 회로(210)의 양방향 스위칭부(213)의 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 각각 송출하고 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q3)에 방전 PWM 신호를 송출하며, 이에 배터리(100)에 충전된 전압은 승압 컨버팅하여 캐패시터 뱅크 회로(230)에 공급된다. Subsequently, when the discharge mode command signal of the
즉, 배터리(100)의 방전 모드 시 양방향 스위칭부(213)의 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)와 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2) 각각에 연결된 바디 다이오드에 의거 배터리(100)의 방전이 수행된다.That is, in the discharge mode of the
한편, 방전모드에서 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)의 게이트단에는 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖고 동일한 Duty로 스위칭하는 2개의 방전 PWM이 각각 공급되며 Duty값이 0.5이하이면 2개의 방전 PWM이 겹쳐지지 않는 독립방전모드로 운전되고, Duty값이 0.5보다 커지면 2개의 방전 PWM이 겹쳐지는 구간이 발생하는 중복방전모드로 운전된다. 이때 제어 회로(290)는 상기 동일한 Duty로 스위칭하는 2개의 방전 PWM에 방전 옵셋 PWM 신호를 포함시켜 캐패시터 뱅크 회로(230)의 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)간 전압불균형을 제거할 수 있다.Meanwhile, in the discharge mode, two discharge PWMs having a phase shift of 180 degrees and switching to the same duty are supplied to the gate ends of the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4, respectively, and the duty value is 0.5. If it is below, it operates in the independent discharge mode which does not overlap two discharge PWM, and when duty value becomes larger than 0.5, it operates in the overlapping discharge mode which generate | occur | produces the area which overlaps two discharge PWM. In this case, the
<3 레벨 인터리브드 충방전회로의 방전 모드><Discharge Mode of 3-Level Interleaved Charge-Discharge Circuit>
제어 회로(290)로부터 방전 PWM 신호를 전달받은 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)에서 배터리(100)의 전압을 방전시켜 캐패시터 뱅크 회로(230)에 직류 전원을 공급하는 는 일련의 과정을 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. The three-level interleaved charge /
도 5의 (a) 내지 (d)는 도 2에 도시된 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)에 의거 배터리(100)의 방전 동작 시 각 모드 별 동작 과정을 보인 회로도이고, 도 6는 도 5에 도시된 각 모드 별 출력 파형을 보인 도이다. 5A to 5D are circuit diagrams illustrating an operation process for each mode during the discharge operation of the
여기서, 제3 스위치 소자(Q3)에 공급되는 방전 PWM 신호는 제어 회로(290)에서 삼각파에 직류레벨의 기준을 비교하여 상승 에지 및 하강 에지가 발생하는 PWM 펄스파형을 얻는 방식으로서 듀티값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고, 제4 스위치 소자(Q4)에 공급되는 방전 PWM 신호는 제3 스위치 소자(Q3)에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 갖고 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM신호이다.Here, the discharge PWM signal supplied to the third switch element Q3 is a method of obtaining a PWM pulse waveform in which the rising edge and the falling edge are generated by comparing the reference of the DC level with the triangular wave in the
이에 제3 스위치 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)에 의한 발생 가능한 스위치 조합은 4개이며, 배터리(100)의 방전 모드는 제3 스위치 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 방전 PWM 신호가 중첩되지 않을 경우의 독립방전모드(Non-crossing mode)와 중첩되는 경우의 중복 방전 모드(Crossing mode)를 포함하고, 독립 방전 모드는 감압(buck)과 승압(boost) 컨버팅을 순차적으로 수행하고, 중복방전모드는 승압(boost) 컨버팅을 수행하도록 구비될 수 있다.Accordingly, there are four switch combinations that can be generated by the third switch element Q3 and the fourth switching element Q4, and the discharge mode of the
한편, 상단 캐패시터의 직류링크 전압(Vc1) 또는 하단 캐패시터의 직류링크전압(Vc2)는 DC(+)와 DC(-)간 전압의 1/2으로서 방전상태에서 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)에 의하여 동일한 값으로 유지되며, 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)은 방전이 진행되는 동안 높은 값에서 낮은 값으로 변동된다. On the other hand, the DC link voltage Vc1 of the upper capacitor or the DC link voltage Vc2 of the lower capacitor is 1/2 of the voltage between DC (+) and DC (-), and the three-level interleaved charge /
한편, 양방향 인버터(250)가 상기 캐패시터 뱅크 회로(230)의 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하는 원리는 당 업계에 널리 알려져 있으므로 생략하기로 한다. On the other hand, the principle that the
우선, 교류 전원이 비정상인 경우 제어 회로(290)에 의거 입력 차단 회로(270)의 차단기(271)를 고속으로 차단시켜 비정상적인 교류 전원이 부하에 공급되는 것이 방지된다. First, when the AC power is abnormal, the
<독립 방전 모드의 방전 동작><Discharge Operation in Independent Discharge Mode>
본 발명 에너지 저장장치는 12V 연축전지를 예로 들 경우 배터리의 셀 수를 16셀, 20셀, 30셀 그리고 40 셀이 직렬로 연결된 배터리입력 시스템을 대상으로 할 수 있으며 그 중에서 30셀로 운전할 경우 배터리전압과 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2)의 상관관계에 의해서 독립방전모드와 중복방전모드가 모두 발생하므로 방전동작설명에 편리하다. 이에 독립방전모드 또는 중복방전모드 중 어느 한 가지 모드만 발생하는 16셀, 20셀 그리고 40셀에서의 충전동작 설명은 생략할 수 있다. In the energy storage device of the present invention, for example, a 12V lead acid battery may be a battery input system in which 16, 20, 30 and 40 cells are connected in series. The independent discharge mode and the redundant discharge mode are generated by the correlation between the DC link voltage (Vc1 or Vc2), which is convenient for explaining the discharge operation. Therefore, the description of the charging operation in the 16 cells, 20 cells and 40 cells in which only one of the independent discharge mode and the redundant discharge mode occurs may be omitted.
12V 연축전지의 방전종지전압은 일반적으로 셀당 10.2V 이므로 30 셀이 직렬로 연결된 시스템에서 배터리입력의 최저전압은 306V로 볼 수 있으며, 만충전전압은 일반적으로 셀당 13.5V 이므로 배터리입력의 최고전압은 405V로 볼 수 있다. 따라서 배터리 입력전압은 배터리의 충전 또는 방전상태에 따라 306V에서 405V사이에서 변동할 수 있다. Since the discharge end voltage of 12V lead acid battery is generally 10.2V per cell, the lowest voltage of battery input is 306V in the system with 30 cells connected in series, and the full charge voltage is generally 13.5V per cell. Can be seen at 405V. Therefore, the battery input voltage may vary between 306V and 405V depending on the state of charge or discharge of the battery.
설명을 위하여 에너지 저장시스템이 이전의 운전과정에서 충전모드로 운전하여 배터리의 전압이 만충전전압인 405V까지 충전을 완료하고 방전모드로 전환되었다고 가정하면, 제어 회로(290)는 충방전부(210)의 제3 스위치 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)에 방전 PWM 신호를 공급하여 배터리의 저장 전압을 방전하여 캐패시터 뱅크 회로(230)에 충전시킨다. 이때 캐패시터 뱅크 회로(230)의 충전 전압은 700V이다.For the sake of explanation, assuming that the energy storage system is operated in the charging mode in the previous operation process, the battery voltage is completed charging up to 405V, which is the full charge voltage, and switched to the discharge mode. The discharge PWM signal is supplied to the third switch element Q3 and the fourth switching element Q4 to discharge the storage voltage of the battery and charge the
한편, 배터리 방전상태에서 직류링크 상단 캐패시터의 직류 링크 전압(Vc1)과 하단 캐패시터의 직류 링크 전압(Vc2)은 DC(+)와 DC(-)간 전압의 1/2인 350V로서 거의 동일한 값으로 운전된다고 가정한다. Meanwhile, in the battery discharge state, the DC link voltage Vc1 of the upper capacitor of the DC link and the DC link voltage Vc2 of the lower capacitor are 350V, which is 1/2 of the voltage between DC (+) and DC (-). Assume it is driven.
이어 제어 회로(290)는 양방향인버터(250)가 DC(+)와 DC(-)간 직류링크 캐패시터 700V를 교류전압으로 변화시켜 계통 또는 부하에 공급하도록 제어한다. Subsequently, the
참고로, 일반적으로 제어 회로(290)에서 발생하는 방전 PWM 신호는 제어상태가 정상상태가 될 때까지 초기의 듀티가 제로인 상태에서 시작하여 증가하다가 정상상태가 되면 PWM의 듀티는 거의 일정한 상태에서 미소 변동하는 특성을 가진다. For reference, in general, the discharge PWM signal generated from the
한편, 만충전전압까지 충전된 배터리는 405V에서 방전을 시작하여 배터리의 단자전압이 상단 캐패시터의 전압(Vc1) 또는 하단 캐패시터의 전압(Vc2)인 350V와 동일한 값이 될 때까지 독립 방전 모드로 동작하고, 이에 제3 스위치 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 2개의 방전 PWM 신호 듀티는 0~50% 범위 이내로 유지되며, 2개의 방전 PWM 신호 듀티는 인덕터의 값과 스위칭 주파수와 부하량으로 결정된다. On the other hand, the battery charged to the full charge voltage starts to discharge at 405V and operates in the independent discharge mode until the terminal voltage of the battery is equal to 350V, which is the voltage of the upper capacitor (Vc1) or the voltage of the lower capacitor (Vc2). In addition, the two discharge PWM signal duty supplied to the third switch element Q3 and the fourth switching element Q4 is maintained within the range of 0 to 50%, and the two discharge PWM signal dutys are the values of the inductor and the switching frequency. It is determined by and load.
이에, 배터리(100)의 저장 전압은 405V에서 방전을 시작하여 배터리(100)의 저장 전압이 직류링크 DC(+)와 DC(-)간 전압의 1/2인 350V가 되기 전까지 제3 스위치 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 2개의 방전 PWM이 겹치지 않는 독립 방전 모드로 운전될 수 있다.Accordingly, the third switch element starts to discharge at 405V until the storage voltage of the
즉, 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)이 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 전압의 1/2(350V) 보다 큰 조건 1을 만족하는 독립 방전 모드 경우 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210) 및 캐패시터 뱅크 회로(230)은 도 5의 방전모드 5→ 방전모드 6 → 방전모드 7 → 방전모드 6을 순차적으로 반복하여 수행한다.That is, in the independent discharge mode in which the storage voltage Vbat of the
방전모드 5에서 방전모드 6로 동작하는 과정을 설명하면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 제3 스위칭 소자(Q3) 온 시 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)은 하단 캐패시터(234)에 충전되어 감압(벅) 컨버팅이 수행되고, (b)에 도시된 바와 같이, 제3 스위칭 소자(Q3) 오프 시 배터리(100)를 포함하는 순환 회로가 형성되는 동시에 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)이 상단 캐패시터(232) 및 하단 캐패시터(234)에 일괄적으로 충전되는 승압(부스트) 컨버팅이 수행된다. (c)에 도시된 독립방전모드 7에서 (b)에 도시된 독립방전모드 6으로 동작하는 원리도 동일하다. Referring to the operation of the discharge mode 6 in the discharge mode 5, as shown in (a) of FIG. 5, when the third switching element Q3 is turned on, the storage voltage Vbat of the
이때 독립방전모드 수행 중 방전모드 5→방전모드 6에서 인덕터(211)의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 전압방정식과 출력전압(Vc2)은 하기 식 (9)와 (10)를 만족하고, 방전모드 7→ 방전모드 6에서 인덕터의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 전압방정식과 출력전압(Vc1)은 식 (11)과 (12)로 주어진다. At this time, in the independent discharge mode, the voltage equation and the output voltage Vc2 of the first coil L1 and the second coil L2 of the
.. 식 9 .. Equation 9
… 식 10 …
.. 식 11 .. Equation 11
.. 식 12 .. Equation 12
즉, 식 (10)과 (12)에 나타낸 바와 같이, 하단 직류링크전압(Vc2)는 배터리(100)의 저장전압(Vbat), 상단 직류링크전압(Vc1), 및 제3 스위칭 소자(Q3)의 듀티비(d’Q3)에 의하여 결정되고, 상단 직류링크전압(Vc1)는 배터리(100)의 저장전압(Vbat), 하단 직류링크전압(Vc2), 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 듀티비(d’Q4)에 의하여 결정됨을 알 수 있다. That is, as shown in equations (10) and (12), the lower DC link voltage Vc2 includes the storage voltage Vbat, the upper DC link voltage Vc1 of the
<독립방전모드의 중성점 제어><Neutral Point Control in Independent Discharge Mode>
한편, 독립 방전 모드에서 중성점 제어는 제3 스위칭 소자(Q3)에 의거 배터리(100)전압을 방전시켜 하단 캐패시터(234)를 독립적으로 충전하는 방전모드 5에서 가능하고 제4 스위칭 소자(Q4)에 의거 배터리(100)전압을 방전시켜 상단 캐패시터(232)를 독립적으로 충전하는 방전모드 7에서 가능하다.On the other hand, the neutral point control in the independent discharge mode is possible in the discharge mode 5 to discharge the
즉, 독립 방전 모드 수행 중 방전모드 5에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 의해 배터리(100)의 저장 전압이 방전되어 하단 캐패시터(234)에 충전됨에 있어 어떤 요인으로 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2) 보다 커지면, 제어 회로(290)는 제3 스위칭 소자(Q3)의 옵셋 가중치가 증가된 방전 옵셋 PWM 신호가 포함된 방전 PWM 신호를 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트단에 전달하고, 이에 양방향 스위칭부(213)은 중성점 제어를 수행한다. That is, in the discharge mode 5 during the independent discharge mode, the storage voltage of the
즉, 옵셋 가중치가 부여된 방전 옵셋 PWM 신호에 의거 배터리로부터 충전되는 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)을 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 크게 하여 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)과의 전압차가 제거된다. That is, the lower direct current link voltage Vc2 of the lower capacitor 234 charged from the battery based on the discharge offset PWM signal to which the offset weight is given is greater than the upper direct current link voltage Vc1 of the upper capacitor 232 so that the upper direct current link The voltage difference between the voltage Vc1 and the lower direct current link voltage Vc2 is eliminated.
또한, 독립 방전 모드 수행 중 방전모드 7에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 의해 배터리(100)의 전압이 방전되어 상단 캐패시터(Q2)에 충전됨에 있어 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 제어 회로(290)는 옵셋 가중치가 부여된 방전 옵셋 PWM 신호를 포함한 방전 PWM 신호를 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행한다. 즉, 증가된 방전 옵셋 PWM 신호에 의거 배터리로부터 충전되는 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)을 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)보다 크게 함으로써, 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)과의 전압차가 제거된다.In addition, in the discharge mode 7 during the independent discharge mode, the voltage of the
<중복방전모드의 방전 동작><Discharge operation in double discharge mode>
한편, 초기 405V에서 방전을 시작한 배터리의 저장 전압이 직류링크 전압 Vc1(350V) 또는 Vc2(350V)보다 낮아지면 독립방전모드로 배터리를 더 이상 방전할 수 없으므로 제어회로(290)는 제3 스위칭 소자(Q3) 방전 P WM 신호와 제4 스위칭 소자(Q4) 방전 PWM 신호의 듀티를 50%이상 증가시켜 두 PWM의 겹침 구간이 발생하는 2개의 방전 PWM 신호를 생성하여 양방향 스위칭부(213)로 전달하고 양방향 스위칭부(213)는 중복 방전 모드로 동작한다. On the other hand, if the storage voltage of the battery which started to discharge at the initial 405V is lower than the DC link voltage Vc1 (350V) or Vc2 (350V), the battery can no longer be discharged in the independent discharge mode, the
즉, 중복방전모드라 함은 배터리(100)의 저장전압(Vbat)이 직류링크 전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1) 또는 하단 직류링크전압(Vc1) 보다 작은 조건 2를 만족하는 경우 3 레벨 인터리브드 충방전 회로(210)에서 수행되는 모드로서, 도 5의 방전모드 8→ 방전모드 5 → 방전모드 8 → 방전모드 7 를 순차적으로 반복하여 수행된다.That is, the redundant discharge mode is a case where the storage voltage Vbat of the
도 5의 (d)에 도시된 방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 시 배터리(100)의 저장전압(Vbat)에 의거 인덕터의 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 부스트 에너지가 충전된다.In the discharge mode 8 shown in FIG. 5D, when the third switching device Q3 and the fourth switching device Q4 are turned on at the same time, the inductor is based on the storage voltage Vbat of the
이 후 도 5의 (a)에 도시된 방전모드 5에서 제어 회로(290)는 제2 스위칭 소자(Q3)를 온 상태로 유지하면서 제4 스위칭 소자(Q4)를 오프시켜 이전 방전모드 8에서 인덕터의 제1 및 제2 코일(L1, L2)에 저장되었던 에너지로 하단 캐패시터(234)를 충전시킨다. Subsequently, in the discharge mode 5 shown in FIG. 5A, the
이 후 제어회로(290)는 도 5의 (d)에 도시된 방전모드 8을 반복하여 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)에 의거 인덕터의 제1 및 제2 코일(L1, L2)에 부스트 에너지가 충전된다Subsequently, the
다음, 도 5의 (c)에 도시된 방전모드 7에서 제어회로(290)는 제 4 스위칭소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제3 스위칭 소자(Q3)를 오프시켜 이전의 방전모드 8에서 인덕터(L1,L2)에 저장되었던 에너지로 상단 캐패시터(232)가 충전된다. Next, in the discharge mode 7 illustrated in FIG. 5C, the
이때 중복방전모드 수행 중 방전모드 8→ 방전모드 5에서 인덕터의 전압방정식과 출력전압은 식 (13)과 (14)로 주어지며, 중복방전모드 6→ 중복방전모드 7에서 인덕터의 전압방정식과 출력전압은 식 (15)와 (16)으로 주어진다. The voltage equation and output voltage of the inductor in discharge mode 8 → discharge mode 5 during the redundant discharge mode are given by equations (13) and (14), and the voltage equation and output of the inductor in redundant discharge mode 6 → redundant discharge mode 7 The voltage is given by equations (15) and (16).
식 (14)과 (16)에서 하단 직류링크전압(Vc2)은 저장전압(Vbat), 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 중복된 듀티비(dQ3/Q4)에 의하여 결정되고, 상단 직류링크전압(Vc1)는 저장전압(Vbat), 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 중복된 듀티비(dQ3/Q4)에 의하여 결정됨을 알 수 있다. In equations (14) and (16), the lower DC link voltage Vc2 is applied to the overlap duty ratio d Q3 / Q4 of the storage voltage Vbat, the third switching element Q3, and the fourth switching element Q4 . Determined by the top The DC link voltage Vc1 may be determined by the overlap duty ratio d Q3 / Q4 of the storage voltage Vbat, the third switching element Q3, and the fourth switching element Q4.
.. 식 13 .. Equation 13
.. 식 14 .. Equation 14
.. 식 15 ..
.. 식 16 .. Equation 16
한편, 독립 방전 모드는 제3 및 제4 스위칭 소자(Q3)(Q4)의 온/오프 스위칭 동작 시 전구간에 걸쳐 배터리의 저장 전압이 상단 캐패시터(234)와 하단 캐패시터(234)로 전달되며, 중복방전모드는 제3 및 제4 스위칭 소자(Q3)(Q4)의 오프 구간에서 배터리의 저장 전압이 상단 캐패시터(234)와 하단 캐패시터(234)로 전달된다.In the independent discharge mode, the storage voltage of the battery is transferred to the upper capacitor 234 and the lower capacitor 234 during the on / off switching operation of the third and fourth switching elements Q3 and Q4. In the discharge mode, the storage voltage of the battery is transferred to the upper capacitor 234 and the lower capacitor 234 in the off periods of the third and fourth switching elements Q3 and Q4.
그러나, 독립방전모드 5와 중복방전모드 5의 제3 및 제4 스위치 소자의 스위칭 상태는 같지만 독립방전 모드 5는 인덕터에 에너지가 저장되고 중복방전모드 5는 인덕터에 에너지가 방출하므로 중복방전모드 5는 독립방전모드 5와 구별하여 중복방전모드 5‘로 나타낸다. However, although the switching states of the third and fourth switch elements of the independent discharge mode 5 and the redundant discharge mode 5 are the same, the independent discharge mode 5 stores the energy in the inductor and the redundant discharge mode 5 emits the energy in the inductor. Denotes a redundant discharge mode 5 ′ different from the independent discharge mode 5.
또한 독립방전모드 7과 중복방전모드 7의 제3 및 제4 스위칭 소자의 스위칭 상태는 같지만, 독립방전모드 7은 인덕터에 에너지가 저장되고 중복방전모드 7은 인덕터의 에너지가 방출되므로, 중복방전모드 7은 독립방전모드 7와 구별하여 중복방전모드 7’로 나타낼 수 있다. In addition, although the switching states of the third and fourth switching devices of the independent discharge mode 7 and the overlapped discharge mode 7 are the same, the independent discharge mode 7 stores the energy in the inductor, and the redundant discharge mode 7 emits the energy of the inductor. 7 may be distinguished from the independent discharge mode 7 and may be represented as the overlapped discharge mode 7 '.
따라서 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 스위치 상태가 같더라도 에너지 흐름이 다르므로, 방전모드는 중복방전모드 5’ 및 중복방전 7’를 포함하여 총 6개의 동작 모드로 이루어진다. Therefore, the energy flows are different even if the switch state of the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 is the same, so that the discharge mode includes six operation modes including the redundant discharge mode 5 'and the redundant discharge 7'. Is done.
방전모드 시 스위치 및 인덕터부 에너지의 상태변화에 따른 동작 모드와 모드변화를 다음 표에 나타낸 바와 같다.The operation mode and mode change according to the state change of the switch and inductor energy in the discharge mode are shown in the following table.
<중복방전모드의 중성점 제어><Neutral point control in double discharge mode>
중복방전모드인 방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되어 배터리전압(Vbat)에 의거 인덕터(L1, L2)에 부스트 에너지를 충전시키는 구간이므로 중성점 제어를 수행할 수 없으나, 방전모드 8 이후 발생하는 방전모드 5와 방전모드 7에서는 배터리(100)가 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)를 차별화하여 충전시킬 수 있으므로 중성점 제어가 가능하다.In the discharge mode 8, which is a redundant discharge mode, the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 are turned on at the same time to charge boost energy to the inductors L1 and L2 based on the battery voltage Vbat. In the discharge mode 5 and the discharge mode 7 generated after the discharge mode 8, the
자세하게는, 중복방전모드 5에서 하단 캐패시터(234)를 충전시키는 에너지와 중복방전모드 7에서 상단 캐패시터(232)를 충전시키는 에너지는 중복방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간에 비례한다. In detail, the energy for charging the lower capacitor 234 in the redundant discharge mode 5 and the energy for charging the upper capacitor 232 in the redundant discharge mode 7 are the third switching element Q3 and the fourth switching element in the redundant discharge mode 8. It is proportional to the section where (Q4) is turned on at the same time.
따라서, 중복방전모드 5 이전의 중복방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간과 중복방전모드 7 이전의 중복방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간을 다르게 하므로서 상단 캐패시터(232)의 충전량과 하단 캐패시터(234)의 충전량을 다르게 할 수 있다.Accordingly, the third switching device Q3 and the fourth switching device Q4 are turned on at the same time in the redundant discharge mode 8 before the overlapping discharge mode 5 and the third switching device in the redundant discharge mode 8 before the redundant discharge mode 7. The charging amount of the upper capacitor 232 and the charging amount of the lower capacitor 234 may be different from each other by varying a period in which Q3) and the fourth switching element Q4 are simultaneously turned on.
그런데, 방전모드 8에서 상기 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간의 크기는 상기 제3 스위칭 소자(Q3)에 공급되는 PWM의 펄스폭 또는 상기 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 PWM의 펄스폭에 비례하는 특성을 가진다.However, in the discharge mode 8, the size of the section in which the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 are simultaneously turned on is the pulse width of the PWM supplied to the third switching element Q3 or the fourth switching. It has a characteristic proportional to the pulse width of the PWM supplied to the element Q4.
자세하게는, 제3 스위치 소자(Q3)에 공급되는 충전 PWM 신호는 듀티값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고, 제4 스위치 소자(Q4)에 공급되는 충전 PWM 신호는 제3 스위치 소자(Q3)에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 갖고 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM신호이기 때문이라 할 수 있다.In detail, the charge PWM signal supplied to the third switch element Q3 is a pulse width modulation (PWM) signal in which pulse widths are simultaneously changed from side to side based on the center of the pulse waveform according to the duty value, and the fourth switch element The charging PWM signal supplied to Q4 may be a PWM signal having the same pulse width as the charging PWM signal supplied to the third switch element Q3 and having a phase shift of 180 degrees.
따라서, 중복방전모드 5에서 하단 캐패시터(234)의 충전량을 차별화하기 위한 옵셋가중치는 중복방전모드 5 이전의 방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 공급되는 PWM 또는 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 PWM을 선택하여 옵셋가중치를 인가할 수 있다. Therefore, the offset weight value for differentiating the charge amount of the lower capacitor 234 in the redundant discharge mode 5 is the PWM or the fourth switching element Q4 supplied to the third switching element Q3 in the discharge mode 8 before the redundant discharge mode 5. Offset weighting can be applied by selecting PWM supplied to.
그리고, 중복방전모드 7에서 상단 캐패시터(234)의 충전량을 차별화하기 위한 옵셋가중치는 중복방전모드 7 이전의 방전모드 8에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 공급되는 PWM 또는 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 PWM을 선택하여 옵셋가중치를 인가할 수 있다. The offset weight value for differentiating the charge amount of the upper capacitor 234 in the redundant discharge mode 7 is the PWM or the fourth switching element Q4 supplied to the third switching element Q3 in the discharge mode 8 before the redundant discharge mode 7. Offset weighting can be applied by selecting PWM supplied to.
따라서, 독립방전모드의 중성점제어와 동일하게 하단 캐패시터(234)의 충전량을 제3 스위칭 소자(Q3)에 공급되는 PWM을 이용하고, 상단 캐패시터(232)의 방전량을 제4 스위칭 소자(Q4)에 공급되는 PWM을 이용하여 중복충전모드의 중성점제어를 수행할 수 있다. Therefore, similar to the neutral point control in the independent discharge mode, the charge amount of the lower capacitor 234 is supplied to the third switching element Q3 by using the PWM, and the discharge amount of the upper capacitor 232 is determined by the fourth switching element Q4. By using the PWM supplied to the neutral point control of the redundant charging mode can be performed.
즉, 중복방전모드 중 방전모드 5에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 의하여 배터리(100) 전압을 방전시켜 하단 캐패시터(234)를 충전함에 있어서 어떤요인으로 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 제어 회로(290)는 제3 스위칭 소자(Q3)의 방전 옵셋 PWM 신호를 증가시켜 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행한다. 즉, 증가된 방전 옵셋 PWM 신호에 의거 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)의 충전량은 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)의 충전량보다 커지게 되어 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)과의 전압차는 제거된다. That is, in the discharge mode 5 of the overlapping discharge mode, the upper DC link voltage of the upper capacitor 232 is discharged as a factor in discharging the
또한, 중복방전모드 중 방전모드 7에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 의하여 배터리(100) 전압을 방전시켜 상단 캐패시터(232)를 충전함에 있어서 어떤요인으로 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)가 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 제어 회로(290)는 제4 스위칭 소자(Q4)의 방전 옵셋 PWM 신호를 증가시켜 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행한다. 즉, 증가된 방전 옵셋 PWM 신호에 의거 상단 캐패시터(232)의 상단 직류링크전압(Vc1)의 충전량은 하단 캐패시터(234)의 하단 직류링크전압(Vc2)의 충전량보다 커지게 되어 상단 직류링크전압(Vc1)과 하단 직류링크전압(Vc2)과의 전압차는 제거된다. In addition, the discharge voltage of the
한편, 제어 회로(290)는 배터리(100)의 저장전압(Vbat)과 하단 직류링크전압(Vc2) 및 상단 직류링크전압(Vc1)의 전압의 상관관계에 의하여 자동으로 변동하는 Duty값에 따라 독립방전에서 중복방전 또는 중복방전에서 독립방전으로의 전환이 수행되는바, 제어 회로(290)는 현재의 제어 상태가 독립방전인지 또는 중복방전인지 판단할 필요 없다. On the other hand, the
상세하게는, 상단 직류링크전압(Vc1)의 충전 옵셋 PWM 신호를 독립방전모드에서는 제4 스위칭 소자(Q4)에 부여하고 중복방전모드에서는 제3 스위칭 소자(Q3)에 부여하거나, 하단 직류링크전압(Vc2)의 충전 옵셋 PWM 신호를 독립방전모드에서는 제3 스위칭 소자(Q3)에 부여하고 중복방전모드에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 부여하는 경우 제어 회로(290)는 독립방전 모드인 지 중복방전모드인 지를 판단하여야 하며 그 결과로 검출의 오차로 인해 중성점 제어의 안정성이 저하될 수 있다. In detail, the charge offset PWM signal of the upper DC link voltage Vc1 is applied to the fourth switching device Q4 in the independent discharge mode and the third switching device Q3 in the redundant discharge mode or the lower DC link voltage. When the charge offset PWM signal of Vc2 is applied to the third switching element Q3 in the independent discharge mode and is applied to the fourth switching element Q4 in the redundant discharge mode, the
따라서 독립방전모드와 중복방전모드에서 동일한 스위칭 소자를 이용하여 동일한 캐패시터에 충전 옵셋을 적용하면 독립방전 모드인 지 중복방전모드인 지를 판단하는 단계를 생략할 수 있으므로 중성점 제어의 안정성이 확보될 수 있다.Therefore, if the charging offset is applied to the same capacitor using the same switching device in the independent discharge mode and the redundant discharge mode, the step of determining whether the independent discharge mode or the redundant discharge mode is omitted can ensure the stability of the neutral point control. .
이하에서 표 3 및 4을 참조하여 다수 배터리 셀에 대한 충방전 동작 모드에 대해 설명한다.Hereinafter, the charging and discharging operation modes for the plurality of battery cells will be described with reference to Tables 3 and 4.
배터리의 셀이 16, 20 셀 인 경우 700V의 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)은 직류링크전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1: 350V) 또는 하단 직류링크전압(Vc2: 350V) 보다 항상 낮으므로 충전 시 독립충전모드(모드 1, 2, 3, 2) 영역에서만 운전되고, 방전 시 중복방전모드(모드 8, 5’, 8, 7,) 영역에서만 운전된다.When the cells of the battery are 16 or 20 cells, the storage voltage (Vbat) of the
그리고, 배터리 셀이 30 셀 인 경우 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)가 직류링크전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1 : 350V) 또는 하단 직류링크전압(Vc2 : 350V) 보다 낮은 영역에서 충전은 독립충전모드(모드 1, 2, 3, 2) 영역에서 운전되고, 방전은 중복방전모드(모드 8, 5’, 8, 7,) 영역에서 운전된다.When the battery cell is 30 cells, the storage voltage Vbat of the
또한, 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)이 직류링크전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1 : 350V) 또는 하단 직류링크전압(Vc2 : 350V) 보다 높은 영역에서 충전은 중복충전모드 (4, 1’, 4, 3’)로 운전되고, 방전은 독립방전모드(5, 6, 7, 6)로 운전된다. In addition, in the region where the storage voltage Vbat of the
한편, 배터리 셀이 40 셀 인 경우 배터리(100)의 저장 전압(Vbat)이 직류링크전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1 : 350V) 또는 하단 직류링크전압(Vc2 : 350V) 보다 항상 높은 영역에서 운전되므로 충전 시 중복충전모드(모드 4, 1’, 4, 3’,) 영역에서만 운전되고, 방전 시 독립방전모드(모드 5, 6, 7, 6) 영역에서만 운전된다.Meanwhile, when the battery cell is 40 cells, the storage voltage Vbat of the
[표 3]TABLE 3
[표 4]TABLE 4
이에 따라 다양한 배터리 셀 수에 대해 충전 모드 및 방전 모드 수행이 가능하고 중성점 제어가 가능함에 따라 배터리 셀 수에 대해 전기에너지 저장 시스템에 대한 호환성을 가진다.Accordingly, the charging mode and the discharge mode can be performed for various battery cells, and the neutral point control can be performed, thereby having compatibility with the electric energy storage system for the number of battery cells.
이에 따라 계통으로부터 공급되는 교류 전원이 정상인 경우 양방향 인버터 회로에 의거 변환된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장 전압을 부스팅시켜 양방향 인버터 회로로 전달함에 있어, 3-레벨 양방향 인버터와 3-레벨 인터리브드 충방전 회로를 이용하여 배터리의 충방전 효율을 향상시킬 수 있다.Accordingly, when the AC power supplied from the system is normal, the DC power converted by the bidirectional inverter circuit is decompressed to charge the battery, and when the system power is peak or the system power is abnormal, the battery storage voltage is boosted to boost the battery. In the transfer, the three-level bidirectional inverter and the three-level interleaved charge and discharge circuit can be used to improve the charge and discharge efficiency of the battery.
또한 별도의 추가 장비 없이 충방전 수행 중 중성점 제어가 수행되므로 시스템을 안정화시킬 수 있고, 사용자의 전기 에너지 손실 비용을 줄이고 배터리의 방전 시간을 연장할 수 있으며, 전기에너지 저장 시스템의 경박단소화가 가능하다.In addition, since the neutral point control is performed during charging and discharging without additional equipment, the system can be stabilized, the cost of electric energy loss of the user can be reduced, the discharge time of the battery can be extended, and the light and small size of the electric energy storage system can be reduced. .
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.
계통으로부터 공급되는 교류 전원이 정상인 경우 양방향 인버터 회로에 의거 변환된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장 전압을 부스팅시켜 양방향 인버터 회로로 전달함에 있어, 3-레벨 양방향 인버터와 3-레벨 인터리브드 충방전 회로를 이용하여 배터리를 충방전하여 충전 효율을 향상시킬 수 있고, 별도의 추가 장치 없이 충방전 제어 중 중성점 제어하여 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 무정전 전원공급장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.When the AC power supplied from the system is normal, the converted DC power is charged to the battery by reducing the converted DC power according to the bidirectional inverter circuit, and when the system power is peaked or the system power is abnormal, the storage voltage of the battery is boosted and transferred to the bidirectional inverter circuit. In this case, a three-level bidirectional inverter and a three-level interleaved charging and discharging circuit can be used to charge and discharge the battery to improve charging efficiency, and to improve the stability of the system by controlling the neutral point during charging and discharging control without any additional device. For electrical energy storage systems with three-level interleaved chargers that can be implemented, they can bring significant advances in operational accuracy and reliability, and further in terms of performance efficiency. Not only that, but it can be done clearly The invention in the industrial applicability.
Claims (23)
계통전원이 피크 시 또는 계통전원이 비정상인 경우 배터리의 저장된 직류 전원으로 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하는 기능과 계통 전원이 경부하 시 또는 심야 시간대에 계통의 교류 전력을 직류 형태로 변환하여 배터리에 저장하는 기능을 수행하는 전력변환장치를 구비하되,
상기 전력변환장치는,
정전되면 외부로부터 공급되는 교류전원을 고속으로 차단하기 위해 스태틱스위치가 차단기와 직렬로 연결된 입력 차단 회로;
다수의 스위칭 소자의 3-레벨 스위칭 동작에 의거 배터리의 충전 동작 시 외부로부터 공급되는 정상 상태의 교류 전원을 직류 형태로 변환시키는 정류기로 동작하고 배터리의 저장 전압의 방전 동작 시 캐패시터 뱅크 회로의 직류링크 전압을 교류 형태로 변환하여 계통 또는 부하로 전달하는 인버터로 동작하는 양방향 인버터 회로;
상기 양방향 인버터 회로로부터 공급된 직류 전원을 감압하여 배터리에 충전하고, 배터리의 직류 전원을 승압하여 출력하는 3 레벨 인터리브드 충방전 회로;
상기 양방향 인버터 회로의 직류 전원을 제공받아 상기 3 레벨 인터리브드 회로로 링크시켜 전달하고, 상기 3 레벨 인터리브드 회로의 직류 전원을 상기 양방향 인버터 회로로 링크시켜 전달하는 캐패시터 뱅크 회로; 및
상기 입력 차단 회로, 3 레벨의 양방향 인버터 회로, 및 3 레벨 인터리브드 충방전 회로의 충방전 제어 및 중성점 제어를 수행하기 위한 신호들을 생성하고 생성된 신호들에 의거 상기 전기에너지 저장 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.In the electrical energy storage system,
When the system power is peaked or the system power is abnormal, the function of converting the battery into the DC form by using the stored DC power supply to the system or the load and converting the AC power of the system into the DC form when the system power is at light load or at night time Is provided with a power converter to perform the function of storing in the battery,
The power converter,
An input blocking circuit in which a static switch is connected in series with a breaker to cut off AC power supplied from the outside at high speed when a power failure;
Based on the three-level switching operation of a plurality of switching elements, it operates as a rectifier for converting a steady state AC power supplied from the outside into a DC form during charging operation of the switching element, and a DC link of the capacitor bank circuit during the discharge operation of the storage voltage of the battery. A bidirectional inverter circuit operating as an inverter for converting a voltage into an alternating current form and transferring the voltage to a grid or a load;
A three-level interleaved charge / discharge circuit for reducing the DC power supplied from the bidirectional inverter circuit to charge the battery, and boosting and outputting the DC power of the battery;
A capacitor bank circuit for receiving and supplying the DC power of the bidirectional inverter circuit to the three level interleaved circuit for transmission, and for linking and transmitting the DC power of the three level interleaved circuit to the bidirectional inverter circuit; And
Generate signals for performing charge / discharge control and neutral point control of the input disconnect circuit, the three-level bidirectional inverter circuit, and the three-level interleaved charge / discharge circuit and control the overall operation of the electrical energy storage system based on the generated signals. An electrical energy storage system having a three-level interleaved charger, characterized in that it comprises a control circuit for controlling.
배터리의 (+)단자에 연결된 제1 코일(L1) 및 배터리의(-)단자에 연결된 제 2 코일(L2)로 구비되어 상기 캐패시터 뱅크 회로와 연동하여 상기 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압을 감압하여 배터리를 충전하거나, 배터리의 전압을 승압하여 상기 캐패시터 뱅크 회로로 공급하는 인덕터부;
상기 인덕터부의 제1 코일(L1)의 우측에 제1 및 제3 스위칭 소자(Q1, Q3)가 각각 병렬로 연결되고 제2 코일(L2)의 우측에 제2 및 제4 스위칭 소자(Q2, Q4)가 각각 병렬로 연결되며, 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 각 출력단과 입력단 사이에 제1 내지 제4 바디 다이오드를 각각 연결하여 상기 제어 회로의 제어에 따라 충방전 제어 및 중성점 제어를 수행하는 양방향 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 1, wherein the three-level interleaved charge and discharge circuit
The first coil L1 connected to the positive terminal of the battery and the second coil L2 connected to the negative terminal of the battery are connected to the capacitor bank circuit to reduce the DC link voltage of the capacitor bank circuit. An inductor unit charging a battery or boosting a voltage of the battery and supplying the battery to the capacitor bank circuit;
First and third switching elements Q1 and Q3 are connected in parallel to the right side of the first coil L1 of the inductor unit, and second and fourth switching elements Q2 and Q4 are connected to the right side of the second coil L2. ) Are connected in parallel, respectively, and connect the first to fourth body diodes between the output terminals and the input terminals of the first to fourth switching elements, respectively, to perform charge / discharge control and neutral point control according to the control of the control circuit. Electrical energy storage system having a three-level interleaved charger, characterized in that it comprises a two-way switching unit.
양방향 스위칭부의 제1 스위칭소자(Q1)의 입력단과 접지(N) 사이에 상단 캐패시터가 연결되고, 접지(N)와 제2 스위칭소자(Q2)의 출력단 사이에 하단 캐패시터가 연결되어 상기 양방향 스위칭부를 경유하여 전달받은 배터리 저장전압을 직류 링크시켜 양방향 인버터 회로로 전달하고, 양방향 인버터 회로의 직류 전원을 직류 링크시켜 양방향 스위칭부로 전달하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 2, wherein the capacitor bank circuit,
The upper capacitor is connected between the input terminal of the first switching element Q1 and the ground N of the bidirectional switching unit, and the lower capacitor is connected between the ground terminal N and the output terminal of the second switching element Q2 to provide the bidirectional switching unit. Electric energy storage having a three-level interleaved charging and discharging, characterized in that it is provided so as to transfer the battery storage voltage received via the DC link to the bidirectional inverter circuit, and to direct the DC power of the bidirectional inverter circuit to the DC link. system.
배터리관리시스템의 배터리 감시 결과를 토대로 생성된 전력관리시스템의 충전모드명령신호에 의거 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크전압을 감압하여 배터리에 충전하기 위한 충전 PWM 신호를 생성하고 생성된 충전 PWM 신호를 제1 및 제2 스위칭 소자에 전달하고,
상기 제3 및 제4 스위칭 소자를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 생성하고 생성된 스위칭 신호를 제3 및 제4 스위칭 소자에 전달하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 3, wherein the control circuit,
According to the charge mode command signal of the power management system generated based on the battery monitoring result of the battery management system, a charge PWM signal for charging the battery is generated by reducing the DC link voltage of the capacitor bank circuit and generating the generated charge PWM signal. And to a second switching element,
And generate a switching signal for turning off the third and fourth switching elements and transfer the generated switching signal to the third and fourth switching elements. .
상기 캐패시터 뱅크 회로의 상단 캐패시터와 하단 캐패시터의 전압 불균형을 제거하여 중성점 제어를 수행하기 위해 동일한 듀티로 스위칭하는 충전 PWM 신호에 기 정해진 충전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 4, wherein the charging PWM signal is
A three-level interleaved charger including a predetermined charge offset PWM signal in the charging PWM signal for switching to the same duty to perform neutral point control by eliminating voltage imbalance between the upper capacitor and the lower capacitor of the capacitor bank circuit Electrical energy storage system having a.
제어 회로에서 삼각파에 직류레벨의 기준을 비교하여 상승 에지 및 하강 에지가 발생하는 PWM 펄스 파형을 얻는 방식으로 생성되고 듀티값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고,
상기 제2 스위칭 소자에 공급되는 충전 PWM 신호는
상기 제1 스위치 소자에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 갖고 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM 신호인 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 5, wherein the charge PWM signal supplied to the first switching device
The PWM is generated by comparing the DC level reference to the triangular wave in the control circuit to obtain a PWM pulse waveform in which the rising and falling edges are generated, and the pulse width is simultaneously changed from side to side based on the center of the pulse waveform according to the duty value. (Pulse Width Modulation) signal,
The charge PWM signal supplied to the second switching element is
An electric energy storage system having a three-level interleaved charging and discharging device, characterized in that the PWM signal having a pulse width equal to the charge PWM signal supplied to the first switch element and having a phase shift of 180 degrees.
배터리의 저장전압(Vbat)과 하단 직류링크전압(Vc2) 및 상단 직류링크전압(Vc1)의 전압의 상관관계에 의하여 변동하는 듀티값에 따라 충전 PWM 신호를 생성하되,
상기 양방향 스위칭부는,
배터리의 저장 전압(Vbat)이 직류 링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압의 1/2이 보다 작은 조건 1을 만족하는 경우 중첩되지 아니한 제어 회로의 충전 PWM 신호를 수신하여 감압 컨버팅을 수행하는 독립 충전 모드(Non-crossing mode)와,
직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압의 1/2이 배터리(100)의 충전 전압(Vbat) 보다 작은 조건 2를 만족하는 경우 제어회로의 중첩되는 충전 PWM 신호에 의거 감압(buck)과 승압(boost) 컨버팅을 순차적으로 수행하는 중복 충전 모드(Crossing mode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 6, wherein the control circuit
The charging PWM signal is generated according to a duty value that varies according to the correlation between the storage voltage Vbat of the battery and the voltage of the lower DC link voltage Vc2 and the upper DC link voltage Vc1.
The bidirectional switching unit,
When the storage voltage Vbat of the battery satisfies the condition 1, which is smaller than the DC link voltage Vc1 or Vc2 or the DC link voltage of the capacitor bank circuit, the charging PWM signal of the non-overlapping control circuit is decompressed. Independent charging mode (Non-crossing mode) to perform the conversion,
When half of the DC link voltage Vc1 or Vc2 or the DC link voltage of the capacitor bank circuit satisfies Condition 2 which is smaller than the charging voltage Vbat of the battery 100, the pressure is reduced based on the overlapping charging PWM signal of the control circuit. An electrical energy storage system having a three-level interleaved charger, characterized in that it comprises a cross-charging mode for sequentially performing buck and boost converting.
제어 회로의 충전 PWM 신호에 의거 제1 스위칭 소자(Q1) 온 시 직류링크전압(Vc1)이 배터리에 충전되는 충전모드 1와,
상기 제1 스위칭 소자(Q1) 오프 시 직류링크 전압(Vc1)을 포함하지 않는 폐회로에 의해 순환 모드로 동작하는 충전모드 2와,
제2 스위칭 소자(Q2) 온 시 직류링크전압(Vc2)이 배터리에 충전되는 충전모드 3과,
제2 스위칭 소자(Q2) 오프 시 직류링크 전압(Vc2)을 포함하지 않는 폐회로에 의해 순환 모드로 동작하는 충전모드 2를 순차적으로 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 7, wherein the independent charging mode of the bidirectional switching unit
A charging mode 1 in which the DC link voltage Vc1 is charged to the battery when the first switching element Q1 is turned on based on the charging PWM signal of the control circuit;
And the first switching element (Q1) to the circulating mode by the closed circuit which does not include the direct-current link voltage (Vc1) when off-load operation the second charging mode,
A charging mode 3 in which the DC link voltage Vc2 is charged to the battery when the second switching element Q2 is turned on;
When the second switching element (Q2) is off and has a three-level interleaved charger, characterized in that it is provided to sequentially perform the charging mode 2 operating in a cyclic mode by a closed circuit that does not include a DC link voltage (Vc2) Electrical energy storage system.
독립 충전 모드인 지 중복 충전 모드인 지를 판단하는 단계를 생략하여 중성점 제어의 안정성이 확보하기 위해 독립 충전 모드와 중복 충전 모드에서 옵셋 가중치가 부여된 충전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 충전 PWM 신호가 동일한 양방향 스위칭부의 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자 중 선택된 하나에 제공하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 8, wherein the control circuit
In order to ensure the stability of the neutral point control by omitting the step of determining whether the charging mode is the independent charging mode or the redundant charging mode, the charging PWM signal including the offset-weighted charging offset PWM signal in the independent charging mode and the redundant charging mode is the same bidirectional. An electrical energy storage system having a three-level interleaved charging and discharging, characterized in that provided to a selected one of the first switching element and the second switching element of the switching unit.
독립 충전 모드의 충전모드 1 과 충전모드 3에서 충전 옵셋 PWM 신호로 증가된 제어 회로의 충전 PWM 신호에 의해 상단과 하단 캐패시터 방전량을 달리하여 중성점 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 9, wherein the bidirectional switching unit,
Three-level interleave, which is provided to perform neutral point control by varying the discharge amount of the upper and lower capacitors by the charge PWM signal of the control circuit increased by the charge offset PWM signal in the charge mode 1 and the charge mode 3 of the independent charge mode. Electrical energy storage system having a de-charger.
상기 충전 모드 1에서 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2) 보다 큰 경우 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 상기 충전 PWM 신호가 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트단에 전달되어 중성점 제어를 수행하고,
상기 충전 모드 2에서 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1) 보다 일시적으로 커지면 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 상기 충전 PWM 신호가 제2 스위칭 소자(Q2)의 게이트단에 전달되어 중성점 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 10, wherein the bidirectional switching unit,
In the charging mode 1, when the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor is greater than the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor, the charging PWM signal of the control circuit in which the charging offset PWM signal is increased is the first switching element Q1. Is passed to the gate stage to perform neutral point control,
In the charging mode 2, when the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor is temporarily greater than the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor, the charging PWM signal of the control circuit in which the charging offset PWM signal is increased is changed to the second switching element. An electric energy storage system having a three-level interleaved charger / discharger, which is transmitted to the gate end of Q2) to perform neutral point control.
배터리의 충전 전압이 직류링크 전압(Vc1 또는 Vc2)보다 높아지면 제1 스위칭 소자(Q1) 충전 PWM 신호와 제2 스위칭 소자(Q2) 충전 PWM 신호의 듀티를 증가시켜 충전 PWM 신호가 겹침 구간이 발생하는 충전 PWM 신호를 생성하여 상기 양방향 스위칭부로 전달하고,
상기 양방향 스위칭부는
제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 캐패시터 뱅크 회로의 직류링크전압(Vc1)과(Vc2)의 합(Vc1+Vc2)이 인덕터(L1, L2)를 경유하여 감압된 후 배터리에 충전하는 충전 모드 4와,
제 1 스위칭 소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제2 스위칭 소자(Q2)를 오프시켜 이전의 충전모드 4에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지를 방출시키는 폐회로를 형성하여 배터리의 저장 전압(Vbat)보다 낮은 전압을 갖는 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압을 승압하여 배터리에 충전하는 충전 모드 1과,
제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 캐패시터 뱅크 회로의 직류링크전압(Vc1)과(Vc2)의 합(Vc1+Vc2)이 인덕터(L1,L2)를 경유하여 감압된 후 배터리에 충전하는 충전 모드 4와,
제 2 스위칭 소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제1 스위칭 소자(Q1)를 오프시켜 이전의 충전모드 4에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지를 방출시키는 폐회로를 형성하여 배터리의 저장 전압(Vbat)보다 낮은 전압을 갖는 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압을 승압 컨버팅하여 배터리에 충전하는 충전 모드 3을 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 7, wherein the control circuit
When the charging voltage of the battery is higher than the DC link voltage Vc1 or Vc2, the duty cycle of the charging PWM signal of the first switching device Q1 and the charging PWM signal of the second switching device Q2 is increased to generate an overlapping section of the charging PWM signal. Generates a charge PWM signal to pass to the bidirectional switching unit,
The bidirectional switching unit
When a section in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time occurs, the sum Vc1 + Vc2 of the DC link voltage Vc1 and Vc2 of the capacitor bank circuit is the inductor L1, L2. Charging mode 4, which charges the battery after decompression via),
While maintaining the on state of the first switching device, the second switching device Q2 is turned off to form a closed circuit for releasing energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous charging mode 4 to store the battery voltage Vbat. Charge mode 1 for boosting the upper DC link voltage of the upper capacitor having a voltage lower than) to charge the battery,
When a section in which the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are turned on at the same time occurs, the sum Vc1 + Vc2 of the DC link voltage Vc1 and Vc2 of the capacitor bank circuit is inductor L1, L2. Charging mode 4, which charges the battery after decompression via),
While maintaining the on state of the second switching element, the first switching element Q1 is turned off to form a closed circuit for releasing energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous charging mode 4 to store the battery voltage Vbat. An electric energy storage system having a three-level interleaved charger and charger, characterized in that the charging mode 3 sequentially charging the battery by boosting and converting the lower DC link voltage of the lower capacitor having a lower voltage than).
중복 충전 모드의 충전모드 4 이후에 발생하는 충전모드 1과 충전모드 3에서 충전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 충전 PWM 신호에 의해 상단과 하단 캐패시터 방전량을 달리하여 중성점 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 12, wherein the bidirectional switching unit,
In the charging mode 1 and the charging mode 3, which occurs after the charging mode 4 of the redundant charging mode, the neutral point control is performed by varying the discharge amount of the upper and lower capacitors by the charge PWM signal of the control circuit in which the charge offset PWM signal is increased. An electrical energy storage system having a three-level interleaved charger.
중복 충전 모드에서 배터리 충전 시 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 제어 회로에 의거 생성된 충전 옵셋 PWM 신호가 가중된 충전 PWM 신호를 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트단에 전달시켜 중성점 제어를 수행하고,
중복 충전 모드에서 배터리 충전 시 하단 직류링크전압(Vc2)가 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 충전 옵셋 PWM 신호가 포함된 제어 회로의 충전 PWM 신호를 제2 스위칭 소자(Q2)의 게이트단에 전달시켜 중성점 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 13, wherein the bidirectional switching unit,
When the battery is charged in the redundant charging mode, when the upper DC link voltage Vc1 becomes greater than the lower DC link voltage Vc2, the charge PWM signal generated by the control circuit and the charge PWM signal weighted by the gate of the first switching element Q1 are converted into a gate. Forward to the stage for neutral control,
When the battery is charged in the redundant charging mode, when the lower DC link voltage Vc2 becomes greater than the upper DC link voltage Vc1, the charge PWM signal of the control circuit including the charge offset PWM signal is transmitted to the gate terminal of the second switching element Q2. Electrical energy storage system having a three-level interleaved charging and discharging, characterized in that the neutral point control.
배터리관리시스템의 배터리 감시 결과를 토대로 생성된 전력관리시스템의 방전모드명령신호에 의거 배터리의 저장 전압을 방전시켜 캐패시터 뱅크 회로에 직류 전원을 공급하기 위해 방전 PWM 신호를 생성하고 생성된 방전 PWM 신호를 제3 및 제4 스위칭 소자에 전달하고,
상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 오프시키기 위한 스위칭 신호를 생성하고 생성된 스위칭 신호를 제1 및 제2 스위칭 소자에 전달하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 14, wherein the control circuit,
The discharge PWM signal is generated to supply DC power to the capacitor bank circuit by discharging the storage voltage of the battery based on the discharge mode command signal of the power management system generated based on the battery monitoring result of the battery management system. To the third and fourth switching elements,
And generate a switching signal for turning off the first and second switching elements and transfer the generated switching signal to the first and second switching elements. .
제어 회로에서 삼각파에 직류레벨의 기준을 비교하여 상승 에지 및 하강 에지가 발생하는 PWM 펄스 파형을 얻는 방식으로 생성되고 듀티값에 따라 펄스파형의 중심을 기준으로 펄스폭이 좌우로 동시에 같이 변동하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이고,
상기 제4 스위칭 소자에 공급되는 방전 PWM 신호는
상기 제3 스위치 소자에 공급되는 충전 PWM 신호와 동일한 펄스폭을 갖고 180도의 위상차(Phase Shift)를 갖는 PWM 신호인 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 15, wherein the discharge PWM signal supplied to the third switching device
The PWM is generated by comparing the DC level reference to the triangular wave in the control circuit to obtain a PWM pulse waveform in which the rising and falling edges are generated, and the pulse width is simultaneously changed from side to side based on the center of the pulse waveform according to the duty value. (Pulse Width Modulation) signal,
The discharge PWM signal supplied to the fourth switching device
And a PWM signal having a pulse width equal to that of the charging PWM signal supplied to the third switch element and having a phase shift of 180 degrees.
배터리의 저장 전압(Vbat)과 하단 직류링크전압(Vc2) 및 상단 직류링크전압(Vc1)의 전압의 상관관계에 의하여 변동하는 PWM의 듀티값을 가지는 방전 PWM 신호를 생성하되,
상기 양방향 스위칭부는,
배터리의 저장 전압(Vbat)이 직류 링크 전압(Vc1 또는 Vc2) 또는 캐패시터 뱅크 회로의 직류 링크 전압의 1/2보다 큰 조건 1을 만족하는 경우 중첩되지 아니한 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 배터리의 저장 전압(Vbat)을 감압 및 승압 컨버팅을 순차적으로 수행하여 상기 캐패시터 뱅크 회로로 전달하는 독립 방전 모드(Non-crossing mode)와,
배터리(100)의 저장전압(Vbat)이 직류링크 전압의 1/2인 상단 직류링크전압(Vc1) 또는 하단 직류링크전압(Vc1) 보다 작은 조건 2을 만족하는 경우 중첩되는 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 배터리의 저장 전압(Vbat)을 승압(boost) 컨버팅하여 상기 캐패시터 뱅크 회로로 전달하는 중복 방전 모드(Crossing mode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 16, wherein the control circuit,
Generate a discharge PWM signal having a duty value of PWM that varies by the correlation between the storage voltage of the battery (Vbat) and the voltage of the lower DC link voltage (Vc2) and the upper DC link voltage (Vc1),
The bidirectional switching unit,
When the storage voltage Vbat of the battery satisfies condition 1 which is greater than the DC link voltage Vc1 or Vc2 or the DC link voltage of the capacitor bank circuit, the battery is stored based on the discharge PWM signal of the non-overlapping control circuit. A non-crossing mode in which the voltage Vbat is sequentially reduced in pressure and in step-up conversion, and transferred to the capacitor bank circuit;
The discharge PWM signal of the overlapping control circuit when the storage voltage Vbat of the battery 100 satisfies Condition 2 which is smaller than the upper DC link voltage Vc1 or the lower DC link voltage Vc1 that is 1/2 of the DC link voltage. And a redundant discharging mode for converting the storage voltage Vbat of the battery to the capacitor bank circuit and transferring the voltage to the capacitor bank circuit.
제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 제3 스위칭 소자(Q3) 온 시 배터리가 감압하여 하단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 5와,
제3 스위칭 소자(Q3) 오프 시 배터리(100)를 포함하는 순환회로가 형성되는 동시에 배터리의 에너지가 상단 캐패시터(232)와 하단 캐패시터(234)에 승압(부스트, Boost) 컨버팅을 수행하여 충전하는 방전 모드 6과,
제4 스위칭 소자(Q4) 온 시 배터리를 감압하여 상단 캐패시터(Vc1)에 충전하는 방전 모드 7와,
제4 스위칭 소자(Q4) 오프 시 배터리를 포함하는 순환회로가 형성되는 동시에 배터리의 저장 전압을 승압 컨버팅하여 상단 캐패시터와 하단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 6을 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.18. The method of claim 17, wherein the independent discharge mode of the bidirectional switching unit
Discharge mode 5 in which the battery is depressurized and charged in the lower capacitor when the third switching element Q3 is turned on based on the discharge PWM signal of the control circuit;
When the third switching element Q3 is turned off, a circulation circuit including the battery 100 is formed, and at the same time, energy of the battery is charged by performing a boost (boost) conversion on the upper capacitor 232 and the lower capacitor 234. With discharge mode 6,
A discharge mode 7 for depressurizing the battery and charging the upper capacitor Vc1 when the fourth switching element Q4 is turned on;
When the fourth switching element Q4 is turned off, the circuit including the battery is formed, and at the same time, the discharge mode 6 for charging the upper capacitor and the lower capacitor by step-up-converting the storage voltage of the battery is sequentially performed. Electrical energy storage system having a de-charger.
상기 캐패시터 뱅크 회로의 상단 캐패시터와 하단 캐패시터의 전압 불균형을 제거하는 중성점 제어를 수행하기 위해 옵셋 가중치가 부여된 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 동일한 듀티로 스위칭하는 방전 PWM 신호를 생성하고,
상기 양방향 스위칭부는,
독립 방전 모드의 방전 모드 5와 방전 모드 7에서 방전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 상단과 하단 캐패시터 충전량을 달리하여 중성점 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.19. The apparatus of claim 18, wherein the control circuit is
Generating a discharge PWM signal for switching to the same duty including an offset-weighted discharge offset PWM signal to perform neutral point control to remove voltage imbalance between the top capacitor and the bottom capacitor of the capacitor bank circuit,
The bidirectional switching unit,
In the discharge mode 5 and the discharge mode 7 of the independent discharge mode, three-level interleaved, the discharge offset PWM signal is provided to perform the neutral point control by varying the charge amount of the upper and lower capacitors based on the discharge PWM signal of the increased control circuit. Electrical energy storage system having a charge and discharge.
독립 방전 중 방전 모드 5에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 의하여 배터리 전압을 방전시켜 하단 캐패시터에 충전함에 있어 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호가 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트단에 전달되어 중성점 제어를 수행하고,
방전 모드 7에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 의하여 배터리전압을 방전시켜 상단 캐패시터를 충전함에 있어서 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호가 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 19, wherein the bidirectional switching unit,
In the discharge mode 5 during the independent discharge, when the battery voltage is discharged by the third switching element Q3 to charge the lower capacitor, when the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor becomes larger than the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor. The discharge PWM signal of the control circuit including the discharge offset PWM signal is transmitted to the gate terminal of the third switching element Q3 to perform neutral point control,
In the discharge mode 7, when the battery voltage is discharged by the fourth switching element Q4 to charge the upper capacitor, the discharge offset PWM when the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor becomes larger than the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor. An electric energy storage system having a three-level interleaved charger / discharger, characterized in that a discharge PWM signal of a control circuit including a signal is transmitted to a gate terminal of a fourth switching element (Q4) to perform neutral point control.
제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 배터리의 저장 전압(Vbat)에 의거 인덕터(L1,L2)에 부스트 에너지가 충전하는 방전 모드 8과,
제 3 스위칭 소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제4 스위칭 소자(Q4)를 오프시켜 이전의 방전모드 8에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지를 하단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 5와,
제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)가 동시에 온 되는 구간이 발생하면 배터리의 저장 전압(Vbat)에 의거 인덕터(L1, L2)에 부스트 에너지가 충전하는 방전 모드 8과,
제 4 스위칭소자의 온 상태는 그대로 유지하면서 제3 스위칭 소자(Q3)를 오프시켜 이전의 방전모드 8에서 인덕터(L1, L2)에 저장되었던 에너지로 상단 캐패시터에 충전하는 방전 모드 7를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 18, wherein the redundant discharge mode of the bidirectional switching unit
A discharge mode 8 in which boost energy is charged in the inductors L1 and L2 based on the storage voltage Vbat of the battery when a section in which the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 are turned on at the same time occurs;
Discharge mode 5 for turning off the fourth switching element Q4 while maintaining the on state of the third switching element to charge the lower capacitor with the energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous discharge mode 8;
A discharge mode 8 in which boost energy is charged in the inductors L1 and L2 based on the storage voltage Vbat of the battery when a section in which the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 are turned on at the same time occurs;
The discharge mode 7 is sequentially performed to turn off the third switching element Q3 while maintaining the on state of the fourth switching element to charge the upper capacitor with the energy stored in the inductors L1 and L2 in the previous discharge mode 8. An electrical energy storage system having a three-level interleaved charger.
중복 방전 시 방전 모드 8 이후의 방전 모드 5와 방전 모드 7에서 방전 옵셋 PWM 신호가 증가된 제어 회로의 방전 PWM 신호에 의거 상단과 하단 캐패시터 충전량을 달리하여 중성점 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.The method of claim 21, wherein the bidirectional switching unit,
In the case of redundant discharge, in the discharge mode 5 and the discharge mode 7 after the discharge mode 8, the neutral point control is performed by varying the charge amount of the upper and lower capacitors based on the discharge PWM signal of the control circuit in which the discharge offset PWM signal is increased. Electrical energy storage system with three level interleaved charger.
중복 방전 중 방전 모드 5에서 제3 스위칭 소자(Q3)에 의하여 배터리의 저장 전압을 방전시켜 하단 캐패시터에 충전함에 있어 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)이 하단 직류링크전압(Vc2)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호가 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행하고,
방전 모드 7에서 제4 스위칭 소자(Q4)에 의하여 배터리의 저장 전압을 방전시켜 상단 캐패시터를 충전함에 있어서 하단 캐패시터의 하단 직류링크전압(Vc2)이 상단 캐패시터의 상단 직류링크전압(Vc1)보다 커지면 방전 옵셋 PWM 신호를 포함하는 제어 회로의 방전 PWM 신호를 제4 스위칭 소자(Q4)의 게이트단에 전달하여 중성점 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템.
The method of claim 22, wherein the bidirectional switching unit,
In the discharge mode 5 during the overlapping discharge, when the storage voltage of the battery is discharged by the third switching element Q3 to charge the lower capacitor, the discharge occurs when the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor becomes larger than the lower DC link voltage Vc2. The discharge PWM signal of the control circuit including the offset PWM signal is transmitted to the gate terminal of the third switching element (Q3) to perform the neutral point control,
In the discharge mode 7, when the storage capacitor of the battery is discharged by the fourth switching element Q4 to charge the upper capacitor, the lower DC link voltage Vc2 of the lower capacitor becomes higher than the upper DC link voltage Vc1 of the upper capacitor. An electric energy storage system having a three-level interleaved charger / discharger, characterized in that the neutral point control is performed by transferring a discharge PWM signal of a control circuit including an offset PWM signal to a gate terminal of a fourth switching element (Q4).
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