KR20200022631A - 군용 모바일 마이크로그리드 시스템 - Google Patents

군용 모바일 마이크로그리드 시스템 Download PDF

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조홍규
허정암
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주식회사 럭스코
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Abstract

일 실시예는, 발전기로부터 공급되는 전력을 변환하여 DC버스로 전달하는 복수의 컨버터, 적어도 하나의 용량성소자를 이용하여 상기 DC버스의 전압변동을 완충시키는 DC뱅크, 적어도 하나의 배터리를 포함하고 상기 DC버스로 전력을 공급하거나 상기 DC버스로부터 전력을 공급받는 에너지저장장치, 상기 DC버스에 형성되는 전력을 DC/DC 변환하여 상기 에너지저장장치를 충전시키거나 상기 에너지저장장치에 저장된 전력을 DC/DC변환하여 상기 DC버스로 방전시키는 양방향DC/DC컨버터, 및 상기 DC버스에 형성되는 전력을 AC전력으로 변환하여 출력하거나 외부에서 공급되는 AC전력을 변환하여 상기 DC버스로 공급하는 복수의 AC/DC컨버터를 포함하는 복수의 마이크로그리드모듈을 포함하고, 상기 복수의 AC/DC컨버터 중 제1AC/DC컨버터와 제2AC/DC컨버터는 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈이 AC링(ring)버스 구조로 연결되며, 상기 양방향DC/DC컨버터는 적어도 2개의 레그를 포함하는 풀브리지회로, 상기 적어도 2개의 레그 중 제1레그의 제1노드와 출력노드 사이에 배치되는 제1인덕터, 및 상기 적어도 2개의 레그 중 제2레그의 제2노드와 상기 출력노드 사이에 배치되는 제2인덕터를 포함하고, 상기 제1레그는 직렬로 연결되는 제1스위치 및 제2스위치를 포함하고 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 접점에 상기 제1노드가 형성되고, 상기 제2레그는 직렬로 연결되는 제3스위치 및 제4스위치를 포함하고 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 접점에 상기 제2노드가 형성되고, 상기 제1인덕터 및 상기 제2인덕터는 환형으로 형성되는 코어를 공유하고 상기 출력노드 방향으로 흐르는 전류에 대하여 상기 코어에 상반되는 방향의 자속을 형성하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템을 제공한다.

Description

군용 모바일 마이크로그리드 시스템{MILITARY MOBILE MICROGRID SYSTEM}
본 실시예는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템에 관한 것이다.
마이크로그리드란 분산전원을 포함하는 국소적인 전력시스템을 의미한다. 기존의 광역적 전력시스템이 가지는 문제, 예를 들면, 대정전과 같은 문제를 해결하기 위해 이러한 마이크로그리드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
마이크로그리드는 군용 전력시스템에서도 활발한 연구가 진행되고 있다. 군용 전력시스템은 유사시 전력망이 파괴된 상황에서도 안정적으로 작동되어야 한다. 그리고, 군용 전력시스템은 일정한 장소에 고정되지 않고 야전과 같이 이동이 필요한 경우가 많기 때문에 대규모 전력망과 분리되어 독립적으로 작동될 수 있어야 한다. 이러한 요구에 따라, 군용 전력시스템에 마이크로그리드를 적용시키고자 하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
한편, 종래의 군용 마이크로그리드 시스템은 디젤발전기를 포함하는 단순한 형태의 싱글 마이크로그리드 시스템이었다. 싱글 마이크로그리드 시스템에서는 디젤발전기가 모든 전력을 AC전력으로 생산하여 AC버스로 공급하였으며, 부하들은 이러한 AC버스를 통해 전력을 공급받아 작동되었다.
그런데, 이러한 싱글 마이크로그리드 시스템에서는 디젤발전기가 발전량 전체를 담당하기 때문에 연료소모가 크다는 문제가 있었다. 군부대의 연료는 디젤발전기뿐만 아니라 각종 이동수단의 연료로도 사용되기 때문에 디젤발전기에서 너무 많은 연료를 소모하게 되면 다른 이동수단의 기동성을 약화시키게 되는 문제가 있었다.
또한, 이러한 싱글 마이크로그리드 시스템에서는 디젤발전기가 고장나거나 AC버스에 이상이 발생하면 전체 시스템이 작동되지 않는 치명적인 문제가 있었다. 디젤발전기는 연료만 있으면 언제든지 발전이 가능하다는 장점이 있지만 다른 발전기에 비해 상대적으로 고장빈도가 높기 때문에 종래의 싱글 마이크로그리드 시스템에서는 디젤발전기의 고장에 의한 전체 시스템 다운의 가능성이 상시적으로 존재하고 있었다.
한편, 군용 마이크로그리드 시스템을 이동형(모바일)으로 구축하는 경우, 대규모 전력망(매크로그리드)으로부터 안정적으로 전력을 공급받지 못하기 때문에 발전기와 에너지저장장치 사이의 충방전 제어를 통한 전력망(마이크로그리드)의 안정화가 중요한 과제로 대두된다.
마이크로그리드 시스템에서 발전기와 에너지저장장치는 DC버스바를 공유하면서 DC버스바를 통해 에너지저장장치를 충전하거나 에너지저장장치로부터 전력을 공급받을 수 있는데, 이러한 구성에서 DC버스바와 에너지저장장치 사이의 충방전을 위해 DC/DC컨버터가 사용될 수 있다. 이때, DC/DC컨버터는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템의 환경 조건을 만족시킬 수 있어야 하는데, 환경조건으로는 안정성 및 효율성이 제시될 수 있다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 군용 전력시스템에서 연료소모를 줄이고, 전력시스템의 안정도를 높이는 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서는, 일 측면에서, 복수의 마이크로그리드모듈, 및 중앙제어장치를 포함하는 군용 마이크로그리드 시스템을 제공한다.
이러한 군용 마이크로그리드 시스템에서, 각각의 마이크로그리드모듈은, 발전기로부터 공급되는 전력을 변환하여 DC버스로 전달하는 복수의 컨버터, 적어도 하나의 용량성소자를 이용하여 DC버스의 전압변동을 완충시키는 DC뱅크, 적어도 하나의 배터리를 포함하고 DC버스로 전력을 공급하거나 DC버스로부터 전력을 공급받는 에너지저장장치, 및 DC버스에 형성되는 전력을 AC전력으로 변환하여 출력하거나 외부에서 공급되는 AC전력을 변환하여 DC버스로 공급하는 복수의 DC/AC인버터를 포함할 수 있다.
그리고, 이러한 군용 마이크로그리드 시스템에서, 복수의 DC/AC인버터 중 제1DC/AC인버터와 제2DC/AC인버터는 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈이 AC링(ring)버스 구조로 연결될 수 있다.
그리고, 이러한 군용 마이크로그리드 시스템에서, 중앙제어장치는 에너지저장장치에 포함된 배터리의 SOC(State-of-Charge)에 따라 발전기 중 연료소모형발전기의 가동을 제어할 수 있다.
마이크로그리드모듈은, DC/AC인버터와 출력단자 사이에 위치하는 스위치를 포함할 수 있다. 그리고, 중앙제어장치는, 복수의 마이크로그리드모듈 중 고장난 마이크로그리드모듈(고장모듈)을 감지한 후 나머지 마이크로그리드모듈(정상모듈)로 고장신호를 전송하고, 정상모듈은 고장모듈과 연결되는 스위치를 차단시킬 수 있다. 그리고, 고장모듈이 마스터모듈인 경우, 정상모듈 중 하나에서 복수의 DC/AC인버터 중 적어도 하나의 DC/AC인버터가 전압제어로 작동될 수 있다.
그리고, 중앙제어장치는, 고장모듈에 의해 해제된 AC링버스 구조에서, 중간에 위치하는 정상모듈을 마스터모듈로 지정하고 지정신호를 해당 정상모듈로 전송하여 해당 정상모듈에서 복수의 DC/AC인버터 중 적어도 하나의 DC/AC인버터가 전압제어로 작동되도록 할 수 있다.
한편, 중앙제어장치는, 각 마이크로그리드모듈에 포함된 배터리의 SOC를 확인하여 전체 배터리 SOC를 확인하고, 전체 배터리 SOC가 미리 설정된 하한값이하이면 연료소모형발전기 중 하나 이상을 가동시킬 수 있다.
그리고, 중앙제어장치는, 각 마이크로그리드모듈에 포함된 배터리의 SOC를 비교하여 SOC 불균형도를 판단하고 SOC 불균형도가 일정값 이상이면 각 마이크로그리드모듈을 제어하여 배터리전력이 이동되도록 할 수 있다.
한편, 마이크로그리드모듈에 연결된 태양광발전기의 발전량에 따라 연료소모형발전기의 가동 개수가 결정될 수 있는데, 여기서, 마이크로그리드모듈은, 연료소모형발전기의 가동 개수에 따라 가동되는 연료소모형발전기의 개수가 연료소모형발전기에 대응되는 컨버터의 개수보다 작을 경우, 컨버터를 병렬제어할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서는 다른 측면에서, 복수의 마이크로그리드모듈, 및 중앙제어장치를 포함하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템을 제공한다.
이러한 군용 모바일 마이크로그리드 시스템에서, 각각의 마이크로그리드모듈은, 발전기로부터 공급되는 전력을 변환하여 DC버스로 전달하는 복수의 컨버터, 적어도 하나의 용량성소자를 이용하여 DC버스의 전압변동을 완충시키는 DC뱅크, 적어도 하나의 배터리를 포함하고 DC버스로 전력을 공급하거나 DC버스로부터 전력을 공급받는 에너지저장장치, DC버스에 형성되는 전력을 DC/DC 변환하여 에너지저장장치를 충전시키거나 에너지저장장치에 저장된 전력을 DC/DC변환하여 DC버스로 방전시키는 양방향DC/DC컨버터, 및 DC버스에 형성되는 전력을 AC전력으로 변환하여 출력하거나 외부에서 공급되는 AC전력을 변환하여 DC버스로 공급하는 복수의 DC/AC인버터를 포함할 수 있다.
그리고, 이러한 군용 모바일 마이크로그리드 시스템에서, 복수의 DC/AC인버터 중 제1DC/AC인버터와 제2DC/AC인버터는 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈이 AC링(ring)버스 구조로 연결될 수 있다.
양방향DC/DC컨버터는 적어도 2개의 레그를 포함하는 풀브리지회로, 적어도 2개의 레그 중 제1레그의 제1노드와 출력노드 사이에 배치되는 제1인덕터, 및 적어도 2개의 레그 중 제2레그의 제2노드와 출력노드 사이에 배치되는 제2인덕터를 포함할 수 있다.
제1레그는 직렬로 연결되는 제1스위치 및 제2스위치를 포함하고 제1스위치 및 제2스위치의 접점에 제1노드가 형성될 수 있다. 그리고, 제2레그는 직렬로 연결되는 제3스위치 및 제4스위치를 포함하고 제3스위치 및 제4스위치의 접점에 제2노드가 형성될 수 있다.
제1인덕터 및 제2인덕터는 환형으로 형성되는 코어를 공유하고 출력노드 방향으로 흐르는 전류에 대하여 코어에 상반되는 방향의 자속을 형성할 수 있다.
이러한 군용 모바일 마이크로그리드 시스템에서, 양방향DC/DC컨버터는, 제1노드에서 출력노드로 흐르는 제1전류와 제2노드에서 출력노드로 흐르는 제2전류가 인터리브(interleave)의 파형을 가지도록 적어도 2개의 레그를 제어할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터가 벅(buck)모드로 동작할 때, 고전압측으로 연결되는 제1스위치 및 제3스위치는 일부 구간에서 동시에 턴온되고, 이러한, 일부 구간에서 제1전류 및 제2전류는 동시에 증가할 수 있다.
이러한 군용 모바일 마이크로그리드 시스템에서, 양방향DC/DC컨버터는, 충전모드의 시작구간에서 전류레퍼런스값에 따라 전류의 크기를 제어하는 전류제어모드로 작동하되, 레퍼런스값을 0에서부터 서서히 증가시키는 소프트스타트제어로 작동하고, 에너지저장장치의 전압이 제1전압에 도달하면 전압레퍼런스값에 따라 전압의 크기를 제어하는 전압제어모드로 작동할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터는, 에너지저장장치의 전압이 제1전압에서 제2전압-제2전압은 제1전압보다 낮음-으로 낮아질 때까지 전압제어모드를 유지하고, 에너지저장장치의 전압이 제2전압보다 낮아지면 전류제어모드로 전환하는 히스테리시스룹을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 군용 전력시스템에서 연료소모를 줄이고 전력시스템의 안정도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 군용 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명이 일 실시예에 따른 제1제어 예시의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2제어 예시의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3제어 예시의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 군용 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로그리드모듈의 구성도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 양방향DC/DC컨버터의 구성도이다.
도 9는 도 8에 도시된 인덕터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 양방향DC/DC컨버터의 벅모드 제어의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 8에 도시된 양방향DC/DC컨버터의 부스트모드 제어의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 양방향DC/DC컨버터의 충전제어방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 군용 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 군용 마이크로그리드 시스템(100; 이하 '시스템'이라 함)은 복수의 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d), 복수의 발전기(10), 및 중앙제어장치(120; MCS(Main Control System))를 포함할 수 있다.
복수의 발전기(10)는 전력을 생산하는 장치로서, 연료소모형발전기와 재생에너지발전기 등일 수 있다.
연료소모형발전기는 연료를 소모하여 발전하는 장치로서, 디젤발전기, 가스발전기, 연료전지발전기 등이 이에 해당될 수 있다. 연료는 화석연료가 대표적이지만, 연료전지발전기와 같이 다른 형태의 연료-예를 들어, 수소-일 수 있다.
재생에너지발전기는 연료를 소모하지 않는 발전 장치로서, 태양광발전기가 대표적이며, 다른 예로서는 풍력발전기, 지열발전기, 소수력발전기 등이 이에 해당될 수 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 이러한 복수의 발전기(10)와 연결되어 있으면서, 복수의 발전기(10)로부터 발전된 전력을 공급받아 처리할 수 있다.
중앙제어장치(120)는 시스템(100) 전체를 관리하고 제어하는 장치이다. 중앙제어장치(120)는 HMI(Human Machine Interface)장치를 포함하고 있으면서, 사용자의 입력을 인식할 수 있고, 사용자에게 정보를 출력시킬 수 있다. 중앙제어장치(120)는 내부에 저장된 알고리즘이나 회로의 작동에 따라 자동적으로 제어신호를 출력할 수 있으나 실시예에 따라서는 사용자의 입력에 따라 제어신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 중앙제어장치(120)는 시스템(100)에 저장된 에너지가 충분할 때, 발전기(10)의 작동을 정지시킬 수 있는데, 이러한 정지제어신호는 중앙제어장치(120)의 내부 알고리즘 혹은 회로의 작동에 의해 출력될 수도 있고, 사용자의 입력 신호에 의해 출력될 수도 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d) 각각은 싱글 마이크로그리드 시스템을 구성할 수 있다. 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 적어도 하나의 발전기-분산전원에 해당됨-와 연결되면서 각각 독립적인 마이크로그리드 시스템을 구성할 수 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 서로 연결되면서 시스템(100)이 멀티 마이크로그리드 시스템이 되도록 할 수 있다. 시스템(100)은 멀티 마이크로그리드 시스템을 통해 특정 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)이 고장나더라도 나머지 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)을 통해 지속적으로 전력을 생산할 수 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 복수의 컨버터(112a, ..., 112n), DC뱅크(114), 에너지저장장치(116), 복수의 DC/AC인버터(118a, 118b) 등을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터(112a, ..., 112n)는 발전기(10)로부터 공급되는 전력을 변환하여 DC버스(DCB: DC Bus)로 전달할 수 있다. 여기서, DC버스(DCB)는 직류전압이 형성되는 전력선 및 그 부속장치의 그룹을 의미할 수 있다.
발전기(10)가 AC전력을 생산하는 경우, 컨버터(112a, ..., 112n)는 AC/DC컨버터일 수 있다. 이때, AC/DC컨버터는 단방향 컨버터로서 발전기(10)에서 발전되는 전력을 DC버스(DCB)로 전달할 수 있다.
발전기(10)가 DC전력을 생산하는 경우-예를 들어, 발전기(10)가 태양광발전기이거나 연료전지발전기인 경우-, 컨버터(112a, ..., 112n)는 DC/DC컨버터일 수 있다. 이때, DC/DC컨버터는 단방향 컨버터로서 발전기(10)에서 발전되는 전력을 DC버스(DCB)로 전달할 수 있다.
DC뱅크(114)는 적어도 하나의 용량성소자-예를 들어, 캐패시터-를 포함하고 있으면서, 이러한 용량성소자를 이용하여 DC버스의 전압변동을 완충시킬 수 있다. DC뱅크(114)는 일 예로서, 복수의 캐패시터로 구성되고, 복수의 캐패시터 중 적어도 하나가 DC버스(DCB)에 연결되면서 DC버스(DCB)에 형성되는 리플전압을 흡수할 수 있다.
에너지저장장치(116)는 적어도 하나의 배터리를 포함하면서 DC버스(DCB)로 전력을 공급하거나 DC버스(DCB)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
에너지저장장치(116)는 발전기(10)에서 발전한 전력이 부하에서 사용하는 전력보다 많은 경우, 그 차이의 전력을 저장할 수 있다. 이와 반대로 에너지저장장치(116)는 발전기(10)에서 발전한 전력이 부하에서 사용하는 전력보다 적은 경우, 그 차이의 전력을 DC버스(DCB)로 출력시킬 수 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 에너지저장장치(116)를 이용하여 발전기(10)-특히, 연료소모형발전기-의 연료 소모를 줄일 수 있다. 예를 들어, 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 에너지저장장치(116)에 저장된 전력량이 충분한 경우, 발전기(10)-특히, 연료소모형발전기-의 작동을 중지시켜 연료 소모를 줄일 수 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)이 본진에 위치하는 경우-연료가 충분한 경우-, 발전기(10)가 작동되어 에너지저장장치(116)에 전력을 저장할 수 있다. 그리고, 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 야전에 배치될 때-연료가 충분하지 않을 때-, 에너지저장장치(116)에 저장된 전력을 부하로 공급함으로써 발전기(10)-특히, 연료소모형발전기-의 연료 소모를 줄일 수 있다.
DC/AC인버터(118a, 118b)는 DC버스(DCB)에 형성되는 전력을 AC전력으로 변환하여 출력하거나 외부에서 공급되는 AC전력을 변환하여 DC버스(DCB)로 공급할 수 있다. DC/AC인버터(118a, 118b)는 양방향 컨버터일 수 있다. 이에 따라, DC/AC인버터(118a, 118b)는 외부로 AC전력을 공급할 수 있고, 또한 외부로부터 AC전력을 공급받아 내부로 전달할 수 있다.
마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)은 복수의 DC/AC인버터(118a, 118b)를 포함할 수 있는데, 각각의 DC/AC인버터(118a, 118b)는 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1마이크로그리드모듈(110a)의 제1DC/AC인버터(118a)는 제2마이크로그리드모듈(110b)과 연결되고 제2DC/AC인버터(118b)는 제4마이크로그리드모듈(110d)과 연결될 수 있다. 그리고, 제2마이크로그리드모듈(110b)의 제1DC/AC인버터(118a)는 제1마이크로그리드모듈(110a)과 연결되고 제2DC/AC인버터(118b)는 제3마이크로그리드모듈(110c)과 연결될 수 있다. 그리고, 제3마이크로그리드모듈(110c)의 제1DC/AC인버터(118a)는 제2마이크로그리드모듈(110b)과 연결되고 제2DC/AC인버터(118b)는 제4마이크로그리드모듈(110d)과 연결될 수 있다. 그리고, 제4마이크로그리드모듈(110d)의 제1DC/AC인버터(118a)는 제1마이크로그리드모듈(110a)과 연결되고 제2DC/AC인버터(118b)는 제3마이크로그리드모듈(110c)과 연결될 수 있다.
이와 같이, 각 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)에 포함된 복수의 DC/AC인버터(118a, 118b) 중 제1DC/AC인버터(118a)와 제2DC/AC인버터(118b)는 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈(110a, 110b, 110c, 110d)이 AC링(ring)버스(ACB) 구조로 연결될 수 있다.
이러한 AC링버스(ACB) 구조에서 하나의 마이크로그리드모듈이 고장나더라도 나머지 마이크로그리드모듈은 여전히 연결되어 있으면서 발전을 지속할 수 있다. 예를 들어, 제2마이크로그리드모듈(110b)이 고장난 경우, 제1마이크로그리드모듈(110a), 제4마이크로그리드(110d) 및 제3마이크로그리드모듈(110c)은 여전히 연결되어 있으면서 발전을 지속할 수 있다.
AC링버스(ACB) 구조에서 하나의 마이크로그리드모듈은 마스터모듈로 작동하고 나머지 마이크로그리드모듈은 슬레이브모듈로 작동할 수 있다.
마이크로그리드모듈이 마스터모듈로 작동할 때, 마스터모듈의 적어도 하나의 DC/AC인버터(118a, 118b)는 전압제어로 작동될 수 있다. 그리고, 나머지 DC/AC인버터(118a, 118b)는 전류제어로 작동될 수 있다. 만약, 전압제어로 작동되는 DC/AC인버터(118a, 118b)가 고장나는 경우, 다른 한 DC/AC인버터(118a, 118b)가 고장난 것을 대체하여 전압제어로 작동될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드모듈의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 마이크로그리드모듈(210)은 복수의 컨버터(212a, 212b, 212c), DC뱅크(214), 에너지저장장치(216) 및 복수의 DC/AC인버터(218a, 218b), 전력제어장치(220; PMS(Power Management System)) 등을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터(212a, 212b, 212c)는 입력터미널(TI1, TI2, TI3)을 통해 발전기와 연결될 수 있다. 복수의 컨버터(212a, 212b, 212c)는 발전기에서 발전된 전력을 변환하여 DC버스(DCB)로 전달할 수 있다.
발전기가 AC전력을 발전하는 장치일 경우, 컨버터(212a, 212b)는 PFC(Power Factor Correction)장치일 수 있다. PFC형태의 컨버터(212a, 212b)의 경우, AC전력을 DC전력으로 변환함과 동시에 발전기의 역률도 제어할 수 있다.
컨버터(212a, 212b)는 병렬제어될 수 있다. 예를 들어, 제1컨버터(212a)와 제2컨버터(212b)는 하나의 발전기와 연결되면서 서로 병렬제어될 수 있다. 제1컨버터(212a)와 제2컨버터(212b)가 서로 병렬제어되는 경우, 전력 처리량을 분담함으로써 각 컨버터(212a, 212b)의 수명을 증가시킬 수 있다. 그리고, 제1컨버터(212a)와 제2컨버터(212b)가 병렬제어에 있어서 인터리브드(interleaved) 방식으로 작동되는 경우, DC버스(DCB)의 전압리플을 줄일 수도 있다.
컨버터(212a, 212b)는 입력이 스위치(제1스위치(SW1))를 통해 공유될 수 있다. 예를 들어, 제1컨버터(212a)의 입력과 제2컨버터(212b)의 입력은 제1스위치(SW1)를 통해 연결될 수 있는데, 제1스위치(SW1)가 턴온되는 경우, 제1컨버터(212a)와 제2컨버터(212b)는 병렬제어되고 제1스위치(SW1)가 턴오프되는 경우, 제1컨버터(212a)와 제2컨버터(212b)는 서로 독립적으로 작동할 수 있다.
컨버터(212c)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)가 작동되는 DC/DC컨버터일 수 있다.
컨버터(212c)가 태양광발전기와 연결되는 경우, 컨버터(212c)는 태양광발전기의 최대 전력점을 찾아내면서 최대 전력점에서 태양광발전기가 작동되도록 하는 MPPT형 DC/DC컨버터일 수 있다.
DC뱅크(214)는 캐패시터로 구성될 수 있다.
에너지저장장치(216)는 적어도 하나의 배터리(232), 입출력단자(TB4) 및 양방향DC/DC컨버터(234) 등을 포함할 수 있다.
배터리(232)는 입출력단자(TB4)를 통해 양방향DC/DC컨버터(234)와 연결될 수 있다.
양방향DC/DC컨버터(234)는 DC버스(DCB)와 연결되어 있으면서 배터리(232)에 저장된 전력을 DC버스(DCB)로 공급할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터(234)는 DC버스(DCB)에 형성되는 전력을 배터리(232) 충전전력으로 사용할 수 있다.
양방향DC/DC컨버터(234)는 배터리(232)의 SOC(State-of-Charge)를 파악할 수 있다. 배터리(232)의 SOC는 입출력되는 전류를 합산하는 방식으로 파악되거나 배터리(232)의 전압을 통해 파악될 수 있다.
양방향DC/DC컨버터(234)는 파악된 SOC를 전력제어장치(220)로 전송할 수 있다.
전력제어장치(220)는 배터리(232)의 SOC에 따라 발전기의 가동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리(232)의 SOC가 상한값(예, 80%)를 넘어서는 경우, 발전기의 가동이 중지될 수 있다. 반대로, 배터리(232)의 SOC가 하한값(예, 30%) 이하가 되는 경우, 발전기가 재가동될 수 있다.
DC/AC인버터(218a, 218b)는 양방향 컨버터일 수 있다.
DC/AC인버터(218a, 218b)는 DC버스(DCB)의 전력을 변환하여 AC링버스(ACB)로 전달할 수 있다. 반대로, DC/AC인버터(218a, 218b)는 AC링버스(ACB)의 전력을 변환하여 DC버스(DCB)로 전달할 수 있다.
복수의 DC/AC인버터(218a, 218b)의 출력부는 상호 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1DC/AC인버터(218a)의 출력과 제2DC/AC인버터(218b)의 출력은 서로 연결되어 있을 수 있다.
DC/AC인버터(218a, 218b)는 출력단자(TO1, TO2, TO3, TO4)를 통해 AC링버스(ACB)와 연결되거나 부하와 연결될 수도 있다.
부하와 연결되는 출력단자(TO3, TO4)와 DC/AC인버터(218a, 218b) 사이에는 차단기(CB1)가 위치할 수 있다. 차단기(CB1)는 부하로 과전류가 흐르거나 부하에 문제가 발생하는 경우 부하로 연결되는 회선을 차단할 수 있다.
DC/AC인버터(218a, 218b)와 출력단자(TO1, TO2, TO3, TO4) 사이에는 스위치(SW2, SW3, SW4, SW5)가 위치할 수 있다. 이러한 스위치(SW2, SW3, SW4, SW5)의 연결에 따라 DC/AC인버터(218a, 218b)가 AC링버스(ACB)를 통해 다른 마이크로그리드모듈과 연결될 수도 있고, 다른 마이크로그리드모듈과의 연결이 차단될 수도 있다.
마이크로그리드모듈(210)의 구성 요소들(212a, 212b, 212c, 216, 218a, 218b)은 전력제어장치(220)와 제어라인(D1, D2)을 통해 연결될 수 있다. 제어라인(D1, D2)은 두 개 이상일 수 있다. 각각의 제어라인(D1, D2)은 서로 다른 용도-예를 들어, 전송라인, 수신라인-로 사용될 수도 있고, 이중화로 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명이 일 실시예에 따른 제1제어 예시의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 중앙제어장치는 복수의 마이크로그리드모듈을 감시하고 있으면서, 복수의 마이크로그리드모듈 중 고장난 마이크로그리드모듈(고장모듈)을 감지할 수 있다(S300).
중앙제어장치는 각각의 마이크로그리드모듈에 포함된 전력제어장치로부터 각각의 마이크로그리드모듈에 고장이 발생했는지를 감지할 수 있다. 혹은 중앙제어장치는 각각의 전력제어장치로 폴링신호를 전송한 후 폴링신호에 대한 회신이 정확하지 않은 전력제어장치를 고장으로 판단할 수 있다.
중앙제어장치는 고장모듈을 감지한 후 나머지 마이크로그리드모듈(정상모듈)로 고장신호를 전송할 수 있다.
그리고, 정상모듈은 고장모듈과 연결되는 스위치를 차단시켜서 고장모듈과의 연결을 차단할 수 있다(S302). 마이크로그리드모듈은 DC/AC인버터와 출력단자 사이에 위치하는 스위치를 포함할 수 있는데, 정상모듈은 이러한 스위치 중에 고장모듈과 연결된 스위치를 차단하여 고장모듈과의 연결을 차단할 수 있다.
중앙제어장치는 고장모듈이 마스터모듈인지 판단하고(S304), 고장모듈이 마스터모듈인 경우(S304에서 YES), 정상모듈 중 하나의 마이크로그리드모듈을 마스터모듈로 변경하여 지정할 수 있다(S306).
그리고, 마스터모듈로 변경 지정된 마이크로그리드모듈에서 복수의 DC/AC인버터 중 적어도 하나의 DC/AC인버터는 전압제어로 변경하여 작동될 수 있다(S308).
마이크로그리드모듈 내에서 복수의 DC/AC인버터가 출력을 공유하는 경우, 마스터모듈로 변경 지정된 마이크로그리드모듈에서 복수의 DC/AC인버터 중 하나의 DC/AC인버터만 전압제어로 변경하여 작동되고 나머지는 계속해서 전류제어를 수행할 수 있다.
한편, 중앙제어장치는 고장모듈에 의해 해제된 AC링버스 구조에서, 중간에 위치하는 정상모듈을 마스터모듈로 지정하고 지정신호를 해당 정상모듈로 전송하여 해당 정상모듈에서 복수의 DC/AC인버터 중 적어도 하나의 DC/AC인버터가 전압제어로 작동되도록 할 수 있다.
예를 들어, 제1마이크로그리드모듈 -> 제2마이크로그리드모듈 -> 제3마이크로그리드모듈 -> 제4마이크로그리드모듈 -> 제1마이크로그리드모듈의 순서로 AC링버스 구조가 형성되어 있는 상태에서, 제2마이크로그리드모듈에 고장이 발생하는 경우, 시스템은 제3마이크로그리드모듈 -> 제4마이크로그리드모듈 -> 제1마이크로그리드모듈의 순서로 일렬 연결되는 AC버스 구조가 될 수 있다. 이때, 중앙제어장치는 일렬 연결된 AC버스 구조에서 중앙에 위치하는 제4마이크로그리드모듈을 마스터모듈로 지정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2제어 예시의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 중앙제어장치는 각각의 마이크로그리드모듈에 포함된 전력제어장치로부터 각각의 배터리에 대한 SOC를 확인할 수 있다(S400).
그리고, 중앙제어장치는 각각의 배터리에 대한 SOC를 이용하여 전체 배터리 SOC를 확인할 수 있다(S402). 예를 들어, 배터리의 용량이 동일하다고 할 때, 제1배터리의 SOC가 70%이고, 제2배터리의 SOC가 30%일 때, 중앙제어장치는 전체 배터리 SOC를 50%로 확인할 수 있다. 전체 배터리 SOC는 가용한 배터리 용량(잔량)을 전체 배터리 용량으로 나누는 방식으로 계산될 수 있다.
중앙제어장치는 전체 배터리 SOC를 미리 설정된 하한값과 비교하고(S404), 전체 배터리 SOC가 하한값보다 작은 경우(S404에서 YES), 연료소모형발전기 중 하나 이상을 가동시킬 수 있다(S406).
이때, 중앙제어장치는 소속된 배터리의 SOC가 가장 낮은 마이크로그리드모듈에 연결된 발전기를 가동시켜 해당 모듈의 배터리를 충전시킬 수 있다. 필요에 따라 중앙제어장치는 그 다음으로 배터리의 SOC가 낮은 마이크로그리드모듈에 연결된 발전기를 가동시키는 방식으로 소속된 배터리의 SOC에 따라 발전기의 가동 순서를 정해 가동시킬 수 있다.
전체 배터리 SOC가 하한값 이상이거나(S404에서 NO), 발전기의 가동을 통해 전체 배터리 SOC를 증가시킨 후(S406 이후), 중앙제어장치는 각 마이크로그리드모듈에 포함된 배터리의 SOC를 비교하여 SOC 불균형도를 판단할 수 있다(S408).
그리고, 중앙제어장치는 SOC 불균형도가 일정값 이상인 경우(S408), 각 마이크로그리드모듈을 제어하여 배터리전력이 상호 이동되도록 할 수 있다(S410).
예를 들어, 중앙제어장치는 전력제어장치로 제어신호를 송신하여, 배터리 SOC가 높은 마이크로그리드모듈에서 에너지저장장치가 DC버스로 전력을 방전시키고 방전된 전력이 AC링버스로 출력되도록 할 수 있다. 그리고, 중앙제어장치는 전력제어장치로 제어신호를 송신하여, 배터리 SOC가 낮은 마이크로그리드모듈에서 AC/DC컨버터가 AC링버스로부터 전력을 공급받아 DC버스로 전달하게 하고 에너지저장장치는 DC버스에 형성된 전력으로 배터리를 충전하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3제어 예시의 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 전력제어장치는 마이크로그리드모듈에 연결된 태양광발전기의 발전량을 확인할 수 있다(S500).
그리고, 전력제어장치는 태양광발전기의 발전량에 따라 연료소모형발전기-예를 들어, 디젤발전기-의 가동 개수를 결정할 수 있다(S502).
이러한 결정에 따라, 전력제어장치가 연료소모형발전기-예를 들어, 디젤발전기-의 일부만 가동하는 경우(S504에서 YES), 전력제어장치는 연료소모형발전기와 연결되는 컨버터-예를 들어, PFC장치-를 병렬제어할 수 있다.
예를 들어, 전력제어장치는 연료소모형발전기의 일부만 가동하는 경우(S504에서 YES), 복수의 컨버터의 입력을 연결시켜주는 스위치를 연결시켜 복수의 컨버터가 입력 및 발전기를 공유할 수 있도록 한다(S506).
그리고, 전력제어장치는 공유된 입력을 통해 공급되는 발전기의 전력을 복수의 컨버터-예를 들어, PFC 장치-가 병렬제어하도록 할 수 있다(S508).
실시예에 따라, 마이크로그리드모듈은 연료소모형발전기의 개수와 동일한 개수의 컨버터를 포함할 수 있는데, 전력제어장치는 연료소모형발전기의 가동 개수에 따라 가동되는 연료소모형발전기의 개수가 연료소모형발전기에 대응되는 컨버터의 개수보다 작을 경우, 컨버터를 병렬제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 군용 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 시스템(600)은 복수의 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c), 부하연결모듈(630), 복수의 발전기(10), 로드(20), 및 중앙제어장치(620)를 포함할 수 있다.
복수의 발전기(10)는 전력을 생산하는 장치로서, 연료소모형발전기와 재생에너지발전기 등일 수 있다.
마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 이러한 복수의 발전기(10)와 연결되어 있으면서, 복수의 발전기(10)로부터 발전된 전력을 공급받아 처리할 수 있다.
중앙제어장치(620)는 시스템(600) 전체를 관리하고 제어하는 장치이다. 중앙제어장치(620)는 HMI(Human Machine Interface)장치를 포함하고 있으면서, 사용자의 입력을 인식할 수 있고, 사용자에게 정보를 출력시킬 수 있다. 중앙제어장치(620)는 내부에 저장된 알고리즘이나 회로의 작동에 따라 자동적으로 제어신호를 출력할 수 있으나 실시예에 따라서는 사용자의 입력에 따라 제어신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 중앙제어장치(620)는 시스템(600)에 저장된 에너지가 충분할 때, 발전기(10)의 작동을 정지시킬 수 있는데, 이러한 정지제어신호는 중앙제어장치(620)의 내부 알고리즘 혹은 회로의 작동에 의해 출력될 수도 있고, 사용자의 입력 신호에 의해 출력될 수도 있다.
마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c) 각각은 싱글 마이크로그리드 시스템을 구성할 수 있다. 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 적어도 하나의 발전기-분산전원에 해당됨-와 연결되면서 각각 독립적인 마이크로그리드 시스템을 구성할 수 있다.
마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 서로 연결되면서 시스템(600)이 멀티 마이크로그리드 시스템이 되도록 할 수 있다. 시스템(600)은 멀티 마이크로그리드 시스템을 통해 특정 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)이 고장나더라도 나머지 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)을 통해 지속적으로 전력을 생산할 수 있다.
마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 복수의 컨버터(612a, ..., 612n), DC뱅크(614), 에너지저장장치(616), DC전력처리부(618) 등을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터(612a, ..., 612n)는 발전기(10)로부터 공급되는 전력을 변환하여 내부 DC버스(DCBa)로 전달할 수 있다. 여기서, 내부 DC버스(DCBa)는 직류전압이 형성되는 전력선 및 그 부속장치의 그룹을 의미할 수 있다.
발전기(10)가 AC전력을 생산하는 경우, 컨버터(612a, ..., 612n)는 AC/DC컨버터일 수 있다. 이때, AC/DC컨버터는 단방향 컨버터로서 발전기(10)에서 발전되는 전력을 내부 DC버스(DCBa)로 전달할 수 있다.
발전기(10)가 DC전력을 생산하는 경우-예를 들어, 발전기(10)가 태양광발전기이거나 연료전지발전기인 경우-, 컨버터(612a, ..., 612n)는 DC/DC컨버터일 수 있다. 이때, DC/DC컨버터는 단방향 컨버터로서 발전기(10)에서 발전되는 전력을 내부 DC버스(DCBa)로 전달할 수 있다.
DC뱅크(614)는 적어도 하나의 용량성소자-예를 들어, 캐패시터-를 포함하고 있으면서, 이러한 용량성소자를 이용하여 DC버스의 전압변동을 완충시킬 수 있다. DC뱅크(614)는 일 예로서, 복수의 캐패시터로 구성되고, 복수의 캐패시터 중 적어도 하나가 내부 DC버스(DCBa)에 연결되면서 내부 DC버스(DCBa)에 형성되는 리플전압을 흡수할 수 있다.
에너지저장장치(616)는 적어도 하나의 배터리를 포함하면서 내부 DC버스(DCBa)로 전력을 공급하거나 내부 DC버스(DCBa)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
에너지저장장치(616)는 발전기(10)에서 발전한 전력이 부하에서 사용하는 전력보다 많은 경우, 그 차이의 전력을 저장할 수 있다. 이와 반대로 에너지저장장치(616)는 발전기(10)에서 발전한 전력이 부하에서 사용하는 전력보다 적은 경우, 그 차이의 전력을 내부 DC버스(DCBa)로 출력시킬 수 있다.
마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 에너지저장장치(616)를 이용하여 발전기(10)-특히, 연료소모형발전기-의 연료 소모를 줄일 수 있다. 예를 들어, 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 에너지저장장치(616)에 저장된 전력량이 충분한 경우, 발전기(10)-특히, 연료소모형발전기-의 작동을 중지시켜 연료 소모를 줄일 수 있다.
마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)이 본진에 위치하는 경우-연료가 충분한 경우-, 발전기(10)가 작동되어 에너지저장장치(616)에 전력을 저장할 수 있다. 그리고, 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)은 야전에 배치될 때-연료가 충분하지 않을 때-, 에너지저장장치(616)에 저장된 전력을 부하로 공급함으로써 발전기(10)-특히, 연료소모형발전기-의 연료 소모를 줄일 수 있다.
DC전력처리부(618)는 내부 DC버스(DCBa)에 형성되는 전력을 외부 DC버스(DCBb)로 출력하거나 외부 DC버스(DCBb)에 형성되는 전력을 내부 DC버스(DCBb)로 공급할 수 있다.
DC전력처리부(618)는 적어도 둘 이상의 외부 DC버스(DCBb)를 통해 적어도 둘 이상의 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)이 DC링(ring)버스 구조로 연결되도록 할 수 있다.
DC전력처리부(618)는 적어도 둘 이상의 스위치(SWa, SWb)를 포함하고 있으면서, 이러한 적어도 둘 이상의 스위치(SWa, SWb)를 이용하여 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결될 수 있다. 여기서, 스위치(SWa, SWb)는 내부 DC버스(DCBa)와 다른 마이크로그리드모듈의 내부 DC버스를 전기적으로 연결시키는 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 제1마이크로그리드모듈(610a)의 제1스위치(SWa)는 제2마이크로그리드모듈(610b)과 연결되고 제2스위치(SWb)는 제3마이크로그리드모듈(610c)과 연결될 수 있다. 그리고, 제2마이크로그리드모듈(610b)의 제1스위치(SWa)는 제1마이크로그리드모듈(610a)과 연결되고 제2스위치(SWb)는 제3마이크로그리드모듈(610c)과 연결될 수 있다. 그리고, 제3마이크로그리드모듈(610c)의 제1스위치(SWa)는 제1마이크로그리드모듈(610a)과 연결되고 제2스위치(SWb)는 제2마이크로그리드모듈(610b)과 연결될 수 있다.
이와 같이 DC전력처리부(618)가 적어도 둘 이상의 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈(610a, 610b, 610c)이 DC링(ring)버스 구조로 연결될 수 있다.
이러한 DC링버스 구조에서 하나의 마이크로그리드모듈이 고장나더라도 나머지 마이크로그리드모듈은 여전히 연결되어 있으면서 발전을 지속할 수 있다. 예를 들어, 제2마이크로그리드모듈(610b)이 고장난 경우, 제1마이크로그리드모듈(610a), 및 제3마이크로그리드모듈(610c)은 여전히 연결되어 있으면서 발전을 지속할 수 있다.
DC링버스 구조에서 하나의 마이크로그리드모듈은 마스터모듈로 작동하고 나머지 마이크로그리드모듈은 슬레이브모듈로 작동할 수 있다.
마이크로그리드모듈이 마스터모듈로 작동할 때, 마스터모듈의 적어도 하나의 컨버터(612a, …, 612n)가 전압제어로 작동되거나 DC전력처리부(618)가 전압제어로 작동될 수 있다.
예를 들어, DC전력처리부(618)가 스위치(SWa, SWb)로 구성되는 경우, 마스터모듈의 적어도 하나의 컨버터(612a, …, 612n)는 전압제어로 작동할 수 있다. 다른 예로서, DC전력처리부(618)가 적어도 둘 이상의 DC/DC컨버터를 포함하는 경우, 적어도 둘 이상의 DC/DC컨버터 중 적어도 하나의 DC/DC컨버터는 전압제어로 작동할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로그리드모듈의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 마이크로그리드모듈(710)은 복수의 컨버터(712a, 712b, 712c), DC뱅크(714), 에너지저장장치(716) 및 DC전력처리부(718), 전력제어장치(720) 등을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터(712a, 712b, 712c)는 입력터미널(TI1, TI2, TI3)을 통해 발전기와 연결될 수 있다. 복수의 컨버터(712a, 712b, 712c)는 발전기에서 발전된 전력을 변환하여 내부 DC버스(DCBa)로 전달할 수 있다.
발전기가 AC전력을 발전하는 장치일 경우, 컨버터(712a, 712b)는 PFC(Power Factor Correction)장치일 수 있다. PFC형태의 컨버터(712a, 212b)의 경우, AC전력을 DC전력으로 변환함과 동시에 발전기의 역률도 제어할 수 있다.
컨버터(712a, 712b)는 병렬제어될 수 있다. 예를 들어, 제1컨버터(712a)와 제2컨버터(712b)는 하나의 발전기와 연결되면서 서로 병렬제어될 수 있다. 제1컨버터(712a)와 제2컨버터(712b)가 서로 병렬제어되는 경우, 전력 처리량을 분담함으로써 각 컨버터(712a, 712b)의 수명을 증가시킬 수 있다. 그리고, 제1컨버터(712a)와 제2컨버터(712b)가 병렬제어에 있어서 인터리브드(interleaved) 방식으로 작동되는 경우, 내부 DC버스(DCBa)의 전압리플을 줄일 수도 있다.
컨버터(712a, 712b)는 입력이 스위치(SW)를 통해 공유될 수 있다. 예를 들어, 제1컨버터(712a)의 입력과 제2컨버터(712b)의 입력은 스위치(SW)를 통해 연결될 수 있는데, 스위치(SW)가 턴온되는 경우, 제1컨버터(712a)와 제2컨버터(712b)는 병렬제어되고 스위치(SW)가 턴오프되는 경우, 제1컨버터(712a)와 제2컨버터(712b)는 서로 독립적으로 작동할 수 있다.
컨버터(712c)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)가 작동되는 DC/DC컨버터일 수 있다.
컨버터(712c)가 태양광발전기와 연결되는 경우, 컨버터(712c)는 태양광발전기의 최대 전력점을 찾아내면서 최대 전력점에서 태양광발전기가 작동되도록 하는 MPPT형 DC/DC컨버터일 수 있다.
DC뱅크(714)는 캐패시터로 구성될 수 있다.
에너지저장장치(716)는 적어도 하나의 배터리(732), 입출력단자(TB4) 및 양방향DC/DC컨버터(734) 등을 포함할 수 있다.
배터리(732)는 입출력단자(TB4)를 통해 양방향DC/DC컨버터(734)와 연결될 수 있다.
양방향DC/DC컨버터(734)는 내부 DC버스(DCBa)와 연결되어 있으면서 배터리(732)에 저장된 전력을 내부 DC버스(DCBa)로 공급할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터(734)는 내부 DC버스(DCBa)에 형성되는 전력을 배터리(732) 충전전력으로 사용할 수 있다.
양방향DC/DC컨버터(734)는 배터리(732)의 SOC(State-of-Charge)를 파악할 수 있다. 배터리(732)의 SOC는 입출력되는 전류를 합산하는 방식으로 파악되거나 배터리(732)의 전압을 통해 파악될 수 있다.
양방향DC/DC컨버터(734)는 파악된 SOC를 전력제어장치(720)로 전송할 수 있다.
전력제어장치(720)는 배터리(732)의 SOC에 따라 발전기의 가동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리(732)의 SOC가 상한값(예, 80%)를 넘어서는 경우, 발전기의 가동이 중지될 수 있다. 반대로, 배터리(732)의 SOC가 하한값(예, 30%) 이하가 되는 경우, 발전기가 재가동될 수 있다.
DC전력처리부(718)는 복수의 스위치(SWa, SWb)를 포함할 수 있다.
복수의 스위치(SWa, SWb)가 턴온되면, 내부 DC버스(DCBa)는 외부 DC버스(DCBb)와 연결될 수 있다.
복수의 스위치(SWa, SWb) 중 하나의 스위치가 턴오프되면 해당 스위치와 연결된 외부 DC버스는 차단될 수 있다.
특정 마이크로그리드모듈이 고장난 경우, 해당 마이크로그리드모듈과 연결된 스위치는 턴오프될 수 있다.
마이크로그리드모듈(710)의 구성 요소들(712a, 712b, 712c, 716, 718)은 전력제어장치(720)와 제어라인(D1, D2)을 통해 연결될 수 있다. 제어라인(D1, D2)은 두 개 이상일 수 있다. 각각의 제어라인(D1, D2)은 서로 다른 용도-예를 들어, 전송라인, 수신라인-로 사용될 수도 있고, 이중화로 사용될 수도 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 제어 방법은 다른 실시예에 따른 시스템에도 적용될 수 있다.
다만, 도 3의 제어 방법에서, 복수의 DC/AC인버터 대신 DC전력처리부가 링버스의 구조를 변경하는 기능을 수행하는 점에서 차이가 있을 수 있고, 마스터모듈에서 전압제어를 수행하는 구성에서 차이가 있을 수 있다. 그리고, 도 4의 제어 방법에서 AC링버스가 아닌 DC링버스가 사용되는 것에서 차이가 있을 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 양방향DC/DC컨버터의 구성도이다. 아래에서는 도 7에 도시된 다른 실시예에 따른 양방향DC/DC컨버터(734)의 구성 및 제어에 대해 설명하지만, 도 2에 도시된 일 실시예에 따른 양방향DC/DC컨버터(234)의 구성 및 제어도 이와 동일할 수 있다.
도 8을 참조하면, 양방향DC/DC컨버터(734)는 풀브리지회로(FB), 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2)를 포함할 수 있다.
풀브리지회로(FB)는 적어도 2개의 레그(LEG1, LEG2)를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 레그(LEG1, LEG2) 중 제1레그(LEG1)는 직렬로 연결되는 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)를 포함하고, 제1스위치(S1)는 입력부의 고전압측으로 연결되고, 제2스위치(S2)는 입력부의 저전압측-예를 들어, 그라운드-으로 연결될 수 있다. 적어도 2개의 레그(LEG1, LEG2) 중 제2레그(LEG2)는 직렬로 연결되는 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)를 포함하고, 제3스위치(S3)는 입력부의 고전압측으로 연결되고, 제4스위치(S4)는 입력부의 저전압측-예를 들어, 그라운드-으로 연결될 수 있다.
제1레그(LEG1)에서 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)의 접점에 제1노드(N1)가 형성되고, 제2레그(LEG2)에서 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)의 접점에 제2노드(N2)가 형성될 수 있다. 그리고, 제1레그(LEG1) 및 제2레그(LEG2)의 고전압측으로 제3노드(N3)가 형성되고, 제1레그(LEG1) 및 제2레그(LEG2)의 저전압측으로 제4노드(N4)가 형성될 수 있다. 제1레그(LEG1)의 제1스위치(S1) 및 제2레그(LEG2)의 제3스위치(S3)는 공통적으로 제3노드(N3)와 연결되고, 제1레그(LEG1)의 제2스위치(S2) 및 제2레그(LEG2)의 제4스위치(S4)는 공통적으로 제4노드(N4)와 연결될 수 있다.
제1인덕터(L1)는 제1레그(LEG1)의 제1노드(N1)와 출력노드(No) 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1인덕터(L1)의 일측은 제1노드(N1)와 연결되고 타측은 출력노드(No)와 연결될 수 있다.
제2인덕터(L2)는 제2레그(LEG2)의 제2노드(N2)와 출력노드(No) 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 제2인덕터(L2)의 일측은 제2노드(N2)와 연결되고 타측은 출력노드(No)와 연결될 수 있다.
제1인덕터(L1)와 제2인덕터(L2)는 코어를 공유하면서 자속을 통해 링크될 수 있다. 그리고, 제1인덕터(L1)와 제2인덕터(L2)는 출력노드(No) 방향으로 흐르는 전류(IL1, IL2)에 대하여 코어에 상반되는 방향의 자속을 형성할 수 있다. 예를 들어, 동일한 크기의 전류가 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2)에 흐른다고 할 때, 코어에는 서로 상반되는 자속이 형성됨으로써 자속이 서로 상쇄될 수 있다. 이와 같이, 인덕터의 구성에 의하면, 자속의 포화를 방지할 수 있다.
제3노드(N3)와 제4노드(N4)로 입력측 전원장치가 연결될 수 있는데, 입력측 전원장치는 전술한 DC뱅크 혹은 DC뱅크에 포함되는 DC버스일 수 있다. 그리고, 출력노드(No)와 제4노드(N4)에는 출력측 전원장치가 연결될 수 있는데, 출력측 전원장치는 에너지저장장치일 수 있다. 실시예에 따라서는, 반대로 연결될 수도 있는데, 예를 들어, 입력측 전원장치로 에너지저장장치가 연결되고, 출력측 전원장치로 DC뱅크 혹은 DC버스가 연결될 수 있다. 이러한 연결은 전압의 크기에 따라 결정될 수 있으며, 입력측 전원장치에 전압의 크기가 큰 전원장치를 연결하고 출력측 전원장치에 상대적으로 전압의 크기가 작은 전원장치를 연결할 수 있다.
노이즈의 제거 및 연결의 안정성을 위해 제3노드(N3)와 제4노드(N4) 사이에는 입력캐패시터(Ci)가 연결될 수 있고, 출력노드(No)와 제4노드(N4) 사이에는 출력캐패시터(Co)가 연결될 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 인덕터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2)는 환형으로 형성되는 코어(CR)를 공유하는 통합형태의 인덕터(900)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1인덕터(L1)는 환형으로 형성되는 코어(CR)의 일측을 전선을 통해 감으면서 형성되는데, 이때, 제1노드(N1)에서 출력노드(No) 방향으로 흐르는 제1전류(IL1)에 대하여 코어(CR)를 제1방향으로 순환하도록 제1자속(F1)이 형성될 수 있다. 그리고, 제2인덕터(L2)는 환형으로 형성되는 코어(CR)의 타측을 전선을 통해 감으면서 형성되는데, 이때, 제2노드(N2)에서 출력노드(No) 방향으로 흐르는 제2전류(IL2)에 대하여 코어(CR)를 제2방향-제2방향은 제1방향에 반대되는 방향-으로 순환하도록 제2자속(F2)이 형성될 수 있다.
도 10은 도 8에 도시된 양방향DC/DC컨버터의 벅모드 제어의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 10에 도시된 파형은, 양방향DC/DC컨버터가 벅모드로 제어될 때의 파형이고, 양방향DC/DC컨버터는 벅모드에서 입력측 전력을 출력측으로 전달할 수 있다.
도 10을 참조하면, 양방향DC/DC컨버터는 한 스위칭주기(TS)를 4개의 시구간(T1, T2, T3, T4)으로 분할하여 구동할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터는 제1전류(IL1)와 제2전류(IL2)가 인터리브(interleave)의 파형을 가지도록 스위치들을 제어할 수 있다.
제1시구간(T1)에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)를 턴온하고, 제2스위치(S2)를 턴오프하고, 제3스위치(S3)를 턴온하고, 제4스위치(S4)를 턴오프할 수 있다. 제1시구간(T1)에서, 고전압측으로 연결되는 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)가 동시에 턴온되는데, 이때, 제1전류(IL1) 및 제2전류(IL2)는 동시에 증가하고 그 기울기는 실질적으로 동일할 수 있다.
제2시구간(T2)에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)에 대한 턴온을 유지하고, 제2스위치(S2)에 대한 턴오프를 유지하고, 제3스위치(S3)를 턴오프할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터는 제2시구간(T2)의 시작시점으로부터 일정한 마진시간을 가지면서 제4스위치(S4)를 턴온할 수 있다. 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2), 그리고, 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)가 동시에 턴온되면서 암쇼트(arm-short)가 발생하는 문제를 방지하기 위해 한 레그에서 일 스위치의 턴오프시점과 다른 일 스위치의 턴온시점 사이에 일정한 마진시간을 둘 수 있다.
제3시구간(T3)에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)에 대한 턴온을 유지하고, 제2스위치(S2)에 대한 턴오프를 유지하고, 제3스위치(S3)를 턴온할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터는 제3시구간(T3)의 종료시점과 일정한 마진시간을 가지면서 제4스위치(S4)를 턴오프할 수 있다. 제3시구간(T3)에서, 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)가 동시에 턴온되는데, 이때, 제1전류(IL1) 및 제2전류(IL2)는 동시에 증가하고 그 기울기는 실질적으로 동일할 수 있다.
제4시구간(T4)에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)를 턴오프하고, 제3스위치(S3)에 대한 턴온을 유지하고, 제4스위치(S4)에 대한 턴오프를 유지할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터는 제4시구간(T4) 내에서 제2스위치(S2)를 턴온하되, 제4시구간(T4)의 시작시점 및 종료시점과 일정한 마진시간을 가지도록 제2스위치(S2)의 턴온 구간을 형성할 수 있다.
도 11은 도 8에 도시된 양방향DC/DC컨버터의 부스트모드 제어의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 11에 도시된 파형은, 양방향DC/DC컨버터가 부스트모드로 제어될 때의 파형이고, 양방향DC/DC컨버터는 부스트모드에서 출력측 전력을 입력측으로 전달할 수 있다.
도 11을 참조하면, 양방향DC/DC컨버터는 한 스위칭주기(TS)를 4개의 시구간(T1', T2', T3', T4')으로 분할하여 구동할 수 있다. 그리고, 양방향DC/DC컨버터는 제3전류(IL3)와 제4전류(IL4)가 인터리브(interleave)의 파형을 가지도록 스위치들을 제어할 수 있다. 여기서, 제3전류(IL3)는 제1인덕터(L1)에 흐르는 전류로서 제1전류(IL1)와 반대되는 방향으로 흐르는 전류로 이해될 수 있다. 그리고, 제4전류(IL4)는 제2인덕터(L2)에 흐르는 전류로서 제2전류(IL2)와 반대되는 방향으로 흐르는 전류로 이해될 수 있다.
앞서 설명하지 않았으나, 제1스위치(S1), 제2스위치(S2), 제3스위치(S3), 및 제4스위치(S4)는 FET(Field Effect Transistor)로서 역방향다이오드가 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있다. 그리고, 이러한 구조에 따라, 한 레그의 스위치들이 모두 턴오프되었을 때, 일부 스위치의 역방향다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있다.
한편, 제1시구간(T1')에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)를 턴오프하고, 제2스위치(S2)를 턴오프하고, 제3스위치(S3)를 턴오프하고, 제4스위치(S4)를 턴오프할 수 있다. 제1시구간(T1')에서, 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)의 역방향다이오드가 동시에 턴온되고, 제3전류(IL3) 및 제4전류(IL4)가 동시에 감소할 수 있다.
제2시구간(T2')에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)를 턴온하고, 제2스위치(S2)에 대한 턴오프를 유지하고, 제3스위치(S3)에 대한 턴오프를 유지하고, 제4스위치(S4)를 턴온할 수 있다.
제3시구간(T3')에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)를 턴오프하고, 제2스위치(S2)에 대한 턴오프를 유지하고, 제3스위치(S3)에 대한 턴오프를 유지하고, 제4스위치(S4)를 턴오프할 수 있다. 제3시구간(T3')에서, 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)의 역방향다이오드가 동시에 턴온되고, 제3전류(IL3) 및 제4전류(IL4)가 동시에 감소할 수 있다.
제4시구간(T4')에서, 양방향DC/DC컨버터는 제1스위치(S1)에 대한 턴오프를 유지하고, 제2스위치(S2)를 턴온하고, 제3스위치(S3)를 턴온하고, 제4스위치(S4)에 대한 턴오프를 유지할 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 양방향DC/DC컨버터의 충전제어방법에 대한 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 양방향DC/DC컨버터는, 충전모드의 시작구간에서 전류레퍼런스값에 따라 전류의 크기를 제어하는 전류제어모드(CC(constant current) 모드)로 작동하되, 전류레퍼런스값을 0에서부터 서서히 증가시키는 소프트스타트제어로 작동할 수 있다(S1200).
그리고, 양방향DC/DC컨버터는 에너지저장장치의 전압(Vb)을 제1전압(V1)과 비교하고(S1202), 에너지저장장치의 전압(Vb)이 제1전압(V1)에 도달하면(S1202에서 NO), 전압레퍼런스값에 따라 전압의 크기를 제어하는 전압제어모드(CV(constant voltage) 모드)로 작동할 수 있다(S1206).
전압제어모드(CV 모드)에서 양방향DC/DC컨버터는 지속적으로 에너지저장장치의 전압(Vb)을 모니터링하고(S1202), 에너지저장장치의 전압(Vb)이 제1전압(V1)에서 제2전압(V2)으로 낮아질 때까지 전압제어모드를 유지하고, 에너지저장장치의 전압(Vb)이 제2전압(V2)보다 낮아지면(S1202에서 YES), 전류제어모드(CC 모드)로 전환할 수 있다(S1204).
여기서, 제2전압(V2)은 제1전압(V1)보다 낮은 전압이고, 양방향DC/DC컨버터는 에너지저장장치의 전압(Vb)을 비교전압(V1 혹은 V2)과 비교하여 전류제어모드와 전압제어모드를 결정하되, 제어모드가 자주, 불안정하게 변경되는 것을 방지하기 위해 히스테리시스룹을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대해 설명하였는데, 이러한 실시예에 의하면, 군용 전력시스템에서 연료소모를 줄이고 전력시스템의 안정도를 높일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 발전기로부터 공급되는 전력을 변환하여 DC버스로 전달하는 복수의 컨버터,
    적어도 하나의 용량성소자를 이용하여 상기 DC버스의 전압변동을 완충시키는 DC뱅크,
    적어도 하나의 배터리를 포함하고 상기 DC버스로 전력을 공급하거나 상기 DC버스로부터 전력을 공급받는 에너지저장장치,
    상기 DC버스에 형성되는 전력을 DC/DC 변환하여 상기 에너지저장장치를 충전시키거나 상기 에너지저장장치에 저장된 전력을 DC/DC변환하여 상기 DC버스로 방전시키는 양방향DC/DC컨버터, 및
    상기 DC버스에 형성되는 전력을 AC전력으로 변환하여 출력하거나 외부에서 공급되는 AC전력을 변환하여 상기 DC버스로 공급하는 복수의 AC/DC컨버터를 포함하는 복수의 마이크로그리드모듈을 포함하고,
    상기 복수의 AC/DC컨버터 중 제1AC/DC컨버터와 제2AC/DC컨버터는 서로 다른 마이크로그리드모듈과 연결되면서 전체 마이크로그리드모듈이 AC링(ring)버스 구조로 연결되며,
    상기 양방향DC/DC컨버터는 적어도 2개의 레그를 포함하는 풀브리지회로, 상기 적어도 2개의 레그 중 제1레그의 제1노드와 출력노드 사이에 배치되는 제1인덕터, 및 상기 적어도 2개의 레그 중 제2레그의 제2노드와 상기 출력노드 사이에 배치되는 제2인덕터를 포함하고,
    상기 제1레그는 직렬로 연결되는 제1스위치 및 제2스위치를 포함하고 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 접점에 상기 제1노드가 형성되고,
    상기 제2레그는 직렬로 연결되는 제3스위치 및 제4스위치를 포함하고 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 접점에 상기 제2노드가 형성되고,
    상기 제1인덕터 및 상기 제2인덕터는 환형으로 형성되는 코어를 공유하고 상기 출력노드 방향으로 흐르는 전류에 대하여 상기 코어에 상반되는 방향의 자속을 형성하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양방향DC/DC컨버터는,
    상기 제1노드에서 상기 출력노드로 흐르는 제1전류와 상기 제2노드에서 상기 출력노드로 흐르는 제2전류가 인터리브(interleave)의 파형을 가지도록 상기 적어도 2개의 레그를 제어하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양방향DC/DC컨버터가 벅(buck)모드로 동작할 때,
    고전압측으로 연결되는 상기 제1스위치 및 상기 제3스위치는 일부 구간에서 동시에 턴온되고,
    상기 일부 구간에서 상기 제1전류 및 상기 제2전류는 동시에 증가하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양방향DC/DC컨버터는,
    충전모드의 시작구간에서 전류레퍼런스값에 따라 전류의 크기를 제어하는 전류제어모드로 작동하되, 상기 전류레퍼런스값을 0에서부터 서서히 증가시키는 소프트스타트제어로 작동하고,
    상기 에너지저장장치의 전압이 제1전압에 도달하면 전압레퍼런스값에 따라 전압의 크기를 제어하는 전압제어모드로 작동하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양방향DC/DC컨버터는,
    상기 에너지저장장치의 전압이 상기 제1전압에서 제2전압-상기 제2전압은 상기 제1전압보다 낮음-으로 낮아질 때까지 상기 전압제어모드를 유지하고, 상기 에너지저장장치의 전압이 상기 제2전압보다 낮아지면 상기 전류제어모드로 전환하는 히스테리시스룹을 포함하는 군용 모바일 마이크로그리드 시스템.
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