KR20200064789A - 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치 - Google Patents

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KR20200064789A
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김상동
추준식
이철승
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Abstract

본 발명은 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치에 관한 것으로, 직렬구조를 가지는 복수의 풀브리지 컨버터, 계통 연계형 인버터, 직류(DC)-직류(DC) 컨버터 및 LCL 필터를 포함하고, 상기 컨버터 및 상기 계통 연계형 인버터는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치{The Grid-connected Power Converter for Renewable Energy}
본 발명은 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력제어 시스템에서 출력 전류 리플을 저감시키는 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치에 관한 것이다.
천연자원의 고갈과 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 문제가 대두 되면서, 대표적인 환경친화적 그린 에너지인 태양광 및 소형 풍력에 대한 관심이 대두 되고 있다. 특히, 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 점에서 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전기 및 가로등 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있다.
풍력 발전 시스템의 경우 가변적인 특성으로 인해 그 주변 전력망에 큰 영향력을 가지며 심할 경우 전력망 안정도에 지장을 줄 수도 있다. 따라서 전체 전력망의 안정성을 보장하기 위해 계통 연계 규정(Grid Code)이 각 국가별로 제정되어 풍력 발전 시스템의 계통 연계를 규제하고 있다.
계통 연계형 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터를 구동함에 있어서, LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전) 혹은 역률 제어뿐만 아니라 고조파 제한 규격을 만족시키는 것 또한 중요하다. 고조파가 포함된 전류가 계통으로 유입되면 민감한 부하나 전원에 장애 요인이 되어 제한이 필요하게 되며, 고조파 제한 규격에 대해서는 대표적으로 IEEE 519-1992, IEC 61000-3-2(Harmonics), IEC 61000-3-4 등과 같은 국제 규격이 정해져 있다.
(KR) 등록특허공보 제10-0891513호 : 태양광 및 배터리 시스템을 이용한 계통 연계형 하이브리드 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법
본 발명은 출력 전류의 리플을 저감하는 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치는 직렬구조를 가지는 복수의 풀브리지 컨버터, 계통 연계형 인버터, 직류(DC)-직류(DC) 컨버터 및 LCL 필터를 포함하고, 상기 컨버터 및 상기 계통 연계형 인버터는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력 전류의 리플을 저감하는 필터 사이즈 및 비용을 줄여 계통연계형 전력변환장치의 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치의 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지용 계통 연계형 전력변환장치는 직렬구조를 가지는 복수의 풀브리지 컨버터, 계통 연계형 인버터, 직류(DC)-직류(DC) 컨버터 및 LCL 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 풀브리지 컨버터, 계통 연계형 인버터는 대용량의 컨버터 및 대용량의 인버터로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풀브리지 컨버터는 4개, 계통 연계형 인버터는 1개가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류(DC)-직류(DC) 컨버터는 phase shifted ZVS 방식을 적용하고 edge winding 기법을 이용한 고주파 트랜스 설계로 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 컨버터와 상기 계통 연계형 인버터는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 제어될 수 있다.
그리고 LCL 필터에는 전류 리플을 감소시키도록 3차 저역통과필터와 같은 특성을 가지는 LCL 구조의 필터가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 태양광 컨버터, 에너지 저장 컨버터 및 풍력 컨버터를 포함할 수 있다.
태양광 컨버터는 태양광을 조사받아 태양에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양 전지를 포함하여 최대 태양광 발전 전력 출력을 내도록 제어한다. 또한, 계통 연계형 인버터에서 DC(직류)를 AC(교류)로 변환할 때 DC(직류) 전압을 높여야 하므로 태양광 전압을 승압시킨다.
풍력 컨버터는 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전부를 포함하여 최대 풍력 발전 전력 출력을 내도록 제어한다. 풍력 발전 출력은 3상 교류로 출력되지만, 계통에 바로 연계될 수 없기 때문에 풍력 발전 3상 AC(교류)를 DC(직류)로 1차 변환한다. 변환된 DC(직류)를 계통 연계형 인버터가 AC(교류)로 변환하여 계통에 연계하기 위해 DC(직류) 전압을 높여야 하므로 풍력 전압을 승압시킨다.
풍력 컨버터는 풍력 발전과 유사한 발전기에서 발전을 하는 수차 발전이나 바이오 디젤을 이용한 바이오 연료 발전 등과 같은 발전에서도 사용 가능할 수 있다.
에너지 저장 컨버터는 배터리에서 전력을 방전할 때 계통 연계형 인버터에서 DC(직류)를 AC(교류)로 변환시 DC(직류) 전압을 높여야 하므로 배터리 전압을 승압시킨다. 또한, 배터리 충전시 배터리 전압보다 높은 전압을 배터리(310) 전압으로 낮춰서 정전류 충전을 하도록 제어한다.
계통 연계형 인버터는 태양광 컨버터, 풍력 컨버터 및 에너지 저장 컨버터의 전력을 교류로 변환하여 계통으로 송전한다. 또한, 배터리 충전이 필요하면 계통의 AC(교류) 전력을 DC(직류)로 변환하여 에너지 저장 컨버터에 전력을 공급한다.
이때, 태양광 컨버터, 에너지 저장 컨버터, 풍력 컨버터 및 계통 연계형 인버터는 각각 전력 변환 모듈을 포함하고, 각각의 전력 변환 모듈은 복수의 CPU를 통해 제어한다
계통 연계형 필터는 컨버터와 변압기 사이에 배치되며, 변압기에 대한 등가 인덕터를 필터 인덕터 중 하나로 사용하여 LCL 필터로서 기능하여 전체 크기를 감소시키는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.
LCL 필터의 경우 필터 인덕터 및 필터 커패시터와 같은 소자들에 의해 특정 주파수 대역에서 높은 공진이 일어나게 되는데, 이를 제거하기 위해서는 능동 댐핑 방법 혹은 수동 댐핑 방법을 사용하게 된다. 수동 댐핑 방법은 실제 저항을 연결하는 것이며, 능동 댐핑 방법은 노치 필터(Notch Filter)와 같은 대역 소거 필터(Band Stop Filter)를 이용하여 공진주파수 대역의 신호를 제 거하는 것이다. 이러한 댐핑 방법을 사용하기 위해서는 공진주파수와 임피던스를 정확하게 아는 것이 중요하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 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.
100 : 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치

Claims (1)

  1. 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치에 있어서,
    직렬구조를 가지는 복수의 풀브리지 컨버터;
    계통 연계형 인버터;
    직류(DC)-직류(DC) 컨버터; 및
    LCL 필터를 포함하고,
    상기 컨버터 및 상기 계통 연계형 인버터는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 제어되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치.

KR1020180151331A 2018-11-29 2018-11-29 신재생 에너지용 계통연계형 전력변환장치 KR20200064789A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100891513B1 (ko) 2008-08-18 2009-04-06 주식회사 케이디파워 태양광 및 배터리 시스템을 이용한 계통 연계형 하이브리드발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100891513B1 (ko) 2008-08-18 2009-04-06 주식회사 케이디파워 태양광 및 배터리 시스템을 이용한 계통 연계형 하이브리드발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법

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