KR20200065380A - Vrfb용 승압컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 VRFB용 승압컨버터에 대한 것으로, 고전류값을 유지하는 VRFB의 출력전압을 안정적으로 컨버팅 할 수 있는 승압컨버터이다.
이를 위해, 저용량의 정격전력량을 유지하는 개별컨버터유니트(1);와
상기 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고전력을 유지하며 VRFB로부터 입력되는 전류를 개별컨버터유니트(1)에 분산하여 공급함으로써 안정적으로 컨버팅하도록 모듈화한 컨버터유니트(2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터를 제공하게 된다.

Description

VRFB용 승압컨버터{BOOST CONVERTER FOR VRFB}
본 발명은 VRFB용 승압컨버터에 대한 것으로, 고전류값을 유지하는 VRFB의 출력전압을 안정적으로 컨버팅 할 수 있는 승압컨버터이다.
일반적으로 태양광 같은 대체에너지, 전기자동차 및 소형가전 등 2차전지의 활용 및 기술이 점점 고도화 되고, 차세대 에너지 시장이 확대됨에 따라, ESS(Energy Storage System)이 에너지 시장에서 중요한 기술로서 부각되고 있다.
이와 같은 ESS기술을 구현하기 위한 기반기술 중 하나로 현재는 리튬이온 배터리가 이용되고 있으나, 원재료인 리튬을 대체함과 동시에 더 큰 대용량의 저장장치에 대한 필요성이 높아지고 있으며, 또한 리튬이온 배터리의 문제 중 하나인 폭발 등의 사고발생을 최소화 할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
이에 따라 대용량과 충·방전에 있어서 그 주기가 길어 오랜시간 안정적으로 사용할 수 있는 VRFB(Vanadium Redox Flow Battery)가 제안되고 있다.
이와 같은 VRFB은 대용량의 ESS에 적합한 특성으로 인해 태양광 등 대체에너지 시장에서 그 수요가 높아지고 있는 기술이다.
그러나, VRFB는 수KW 이상의 높은 전력량을 유지하고 있는데 비해, 발생되는 전압은 수십V 정도를 유지하고 있어 상대적으로 높은 전류값을 가지게 된다.
이에 따라 생산되는 수십V 정도의 전압을 높은 전압인 수백V 대로 변환시키기 위해서는 별도의 승압컨버터를 이용해야 하는데, 종래의 승압기를 이용할 경우 승압기가 화재 등의 이유로 파손될 우려가 높았으며, 이에 따른 제조 또는 유지비용이 증가하는 문제가 발생하고 있다.
또한, 종래의 권선형 트랜스 등을 이용하는 경우 높은 전류값으로 인해 전류의 손실 및 고르지 못한 결과값을 제공하게 되는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0048941호(다중 분산형 DC-DC 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템, 2017년 05월 10일 공개) 대한민국 공개특허 제10-2009-0033087호(승압형 고효율 DC-DC 컨버터, 2009년 04월 01일 공개)
상기와 같은 문제점을 극복하기 위해, 컨버터에 가해지는 부하를 분산하여 화재 등의 사고가 발생하는 것을 방지하고, 파손시 부분적인 모듈의 교체로 유지 및 보수에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 VRFB용 승압컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또다른 목적은 변압과정에서 발생될 수 있는 전류의 손실을 최소화 하고, 고른 품질의 결과값을 제공할 수 있는 VRFB용 승압컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 VRFB용 승압컨버터에 있어서,
저용량의 정격전력량을 유지하는 개별컨버터유니트(1);와 상기 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고전력을 유지하며 VRFB로부터 입력되는 전류를 개별컨버터유니트(1)에 분산하여 공급함으로써 안정적으로 컨버팅하도록 모듈화한 컨버터유니트(2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터를 제공하게 된다.
이때, 상기 개별컨버터유니트(1)는 4단자 부스트컨버터(11)와 상기 4단자 부스트컨버터(11)에 결선되는 한쌍의 아이솔레이트 부스트 컨버터(12)로 구성되고, 상기 4단자 부스트컨버터(11)의 입력단은 컨버터유니트(2)의 출력단에 결선되고, 4단자 부스트컨버터(11) 출력단은 각각 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 입력단 중 일개의 입력단에 결선되며, 상기 4단자 부스트컨버터(11)의 출력단에 1개의 입력단이 각각 결선되는 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 나머지 입력단은 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)간에 서로 결선을 통하여 망로를 구성하고, 나머지 1개의 출력단은 서로 결선하고, 개별컨버터유니트(1)의 또다른 출력단으로 결선하게 된다.
또한, 상기 개별컨버터유니트(1)의 출력단은 3개로 구성되고, 각각 최저전압구간(Min-Vdc), 중간전압구간(Mid-Vdc), 최고전압구간((Max-Vdc)으로 설정하게 되며,상기 컨버터유니트(2)에 구비되는 개별컨버터유니트(1)는 최소수량 이상 배치되도록 하되, 유사시 복수개 중 일부가 파손될 경우 이를 대체할 수 있는 여유분 1개 내지 2개를 더 설치하도록 한다.
또한,
상기 개별컨버터유니트(1)는 카트리지 형태로 제작되도록 하여 컨버터유니트(2)에 탈착이 용이하도록 하고, 상기 개별컨버터유니트(1)에는 감지센서를 더 구비할 수 있도록 하여, 복수개 중 일부가 파손될 경우 이를 관리자에게 통보하여 이상유무를 파악할 수 있도록 하며, 상기 컨버터유니트(2)에는 개별컨버터유니트(1)의 이상유무에 따라 각각의 개별컨버터유니트(1)의 망로를 차단하거나 개통할 수 있도록 하는 스위칭부재를 더 구비하게 된다.
또한, 저용량의 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고용량의 전력량을 분산 컨버팅한 후 저용량의 개별컨버터유니트(1)에서 컨버팅 완료 후 병합하여 공급하는 VRFB용 승압컨버터를 제공함으로써 본 발명의 목적을 보다 잘 달성할 수 있도록 한다.
본 발명의 VRFB용 승압컨버터를 제공함으로써, 컨버터에 가해지는 부하를 분산하여 화재 등의 사고가 발생하는 것을 방지하고, 파손시 부분적인 모듈의 교체로 유지 및 보수에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 변압과정에서 발생될 수 있는 전류의 손실을 최소화 하고, 고른 품질의 결과값을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 VRFB용 승압컨버터의 모듈 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 개별컨버터유니트(1)의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 컨버팅 방법에 대한 순서도이다.
이하에서 본 발명에 따른 VRFB용 승압컨버터를 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명 VRFB용 승압컨버터의 모듈 구성을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 개별컨버터유니트(1)의 구성도이다.
도 1과 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면, 본 발명의 VRFB용 승압컨버터는 저용량의 정격전력량을 유지하는 개별컨버터유니트(1)와 상기 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고전력을 유지하며 VRFB로부터 입력되는 전류를 개별컨버터유니트(1)에 분산하여 공급함으로써 안정적으로 컨버팅하도록 모듈화한 컨버터유니트(2)로 구성된다.
또한, 저용량의 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고용량의 전력량을 분산 컨버팅한 후 저용량의 개별컨버터유니트(1)에서 컨버팅 완료 후 컨버터유니트(2)의 출력단(22)에 병합하여 공급할 수 있도록 한다.
상기 개별컨버터유니트(1)는 VRFB에서 입력되는 고전력 상태의 입력전원에서 분배된 저전력 상태의 분배전원을 컨버팅하게 된다.
이때, 상기 입력전원은 수KW이상의 고전력을 유지하고 있으나, 전압값은 수십V 정도로 비교적 낮아 상대적으로 전류값이 매우 높은 상태로, 복수개의 개별컨커터유니트(1)를 컨버터유니트(2)의 입력단(21)에 병렬로 연결하여 상대적으로 높은 전류값을 분배하여 개별컨버터유니트(1)에 공급하게 되므로 입력단에 입력되는 전류값 보다 낮은 값을 유지하도록 한다.
이는 고전력량을 유지하는 전원을 종래의 권선형 컨버터에서 입력단의 전원을 바로 컨버팅하여 출력하는 종래의 방식에서 발생될 수 있는 손실 및 오차 등의 발생을 방지하기 위한 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 전류값이 낮은 경우 승압과 같은 컨버팅을 할 때, 전류의 손실 등이 고압에 비해 상대적으로 적어지며, 그 결과값의 오차 범위도 작아지기 때문에 복수개의 개별컨버터유니트(1)를 병렬로 연결하여 고전류값을 낮은 전류값으로 분산되도록 한 후 이를 컨버팅 하여 손실 및 오차 등을 최소화 하기 위한 것이다.
이와 같은 개별컨버터유니트(1)는 4단자 부스트컨버터(11)와 상기 4단자 부스트컨버터(11)에 결선되는 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)로 구성된다.
이때, 상기 4단자 부스트컨버터(11)의 입력단은 컨버터유니트(2)의 출력단에 결선되고, 출력단은 각각 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 입력단 중 일개의 입력단에 결선된다.
상기와 같이 4단자 부스트컨버터(11)의 출력단에 1개의 입력단이 각각 결선되는 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 나머지 입력단은 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)간에 서로 결선을 통하여 망로를 구성하게 된다.
이때, 상기 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 출력단의 경우 각각 1개씩은 출력단으로 결선되고, 나머지 1개의 출력단은 서로 결선하고, 또다른 출력단으로 결선하게 된다.
여기서, 상기와 같이 출력단을 3개로 구성하는 것은 각각 최저전압구간(Min-Vdc), 중간전압구간(Mid-Vdc), 최고전압구간((Max-Vdc)으로 설정할 수 있도록 한다.
본 발명에 첨부된 도면에서는 최고전압을 700Vdc로 설정하고, 최저전압구간을 0Vdc, 중간전압구간을 350Vdc을 예로 하여 설명하고 있으나, 이를 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 출력단을 3개의 구간으로 나누어 설정하는 것은 3상 3레벨의 전력변환을 위한 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 교류를 직류로 또는 직류를 교류로 변환하는 3상 3-레벨 컨버터에서 공통모드 전압의 크기와 함께 공통모드 전압의 주파수를 낮추어 누설전류에 의한 영향을 최소화 하며, 더불어 직류측 중간점 전류의 방향을 제어할 수 있도록 펄스폭 변조(PWM; pulse-width modulation) 방식으로 제어하는, 저주파 공통모드 전압과 직류측 중간점 전류 제어가 가능할 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 낮은 정격용량의 아이솔레이트 부스트컨버터(12) 한쌍을 배치하여, 외부요인에 의한 파손 또는 컨버팅시 발생될 수 있는 열에 의해 파손될 경우, 여러개의 부품 중 파손된 부분만을 교체할 수 있도록 하여 유지 및 보수 비용을 절감할 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같이 구성된 개별컨버터유니트(1) 복수개를 VRFB에서 출력되는 전원을 입력하는 컨버터유니트(2)의 입력단에 병렬로 연결하여 하나의 유니트를 형성하게 된다.
여기서, 상기 개별컨버터유니트(1)의 수는 VFRB에서 공급되는 최대전력량 보다 높은 수준을 유지하도록 배치한다.
예를 들어, 입력 전력량이 25KW라고 가정하고, 개별컨버터유니트의 정격전력량이 3.6KW라고 가정한다면, 개별컨버터유니트의 최소수량은 7개가 되는 것이다.
이는 3.6KW × 7 = 25.2KW가 되기 때문이다.
이와 같은 개별컨버터유니트(1) 최소수량 이상 배치되도록 하는데, 통상의 최소수량을 N개라 가정하면, 유사시 복수개 중 일부가 파손된다 하더라도, 이를 대체할 수 있도록 N개 이상을 유지하며, 1개 내지 2개의 여유분을 더 설치하도록 한다.
이때, 상기 각각의 개별컨버터유니트(1)는 카트리지 형태로 제작되도록 하여 컨버터유니트(2)에 탈착이 용이하도록 형성한다.
또한, 상기 개별컨버터유니트(1)에는 감지센서를 더 구비할 수 있도록 하여, 복수개 중 일부가 파손될 경우 이를 관리자에게 통보하여 이상유무를 파악할 수 있도록 한다.
상기와 같은 이상유무에 따라 각각의 개별컨버터유니트(1)의 망로를 차단하거나 개통할 수 있도록 하는 스위칭부재를 더 구비할 수 있도록 한다.
이는 유사시 N개의 개별컨버터유니트(1) 중 일부가 파손될 경우 이를 대체하기 위한 비상용 개별컨버터유니트(1)로 망로를 전환하고, 파손된 망로는 차단함으로써 신속한 사고 대처를 가능하도록 하여, 정전 등의 사태를 방지할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같은 방법에 의해 본 발명의 VRFB용 승압컨버터를 완성할 수 있는 것이다.
1 : 개별컨버터유니트 2 : 컨버터유니트
11 : 4단자 부스트컨버터 12 : 아이솔레이트 컨버터
21 : 컨버터유니트 입력단 22 : 컨버터유니트 출력단

Claims (9)

  1. VRFB용 승압컨버터에 있어서,
    저용량의 정격전력량을 유지하는 개별컨버터유니트(1);와
    상기 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고전력을 유지하며 VRFB로부터 입력되는 전류를 개별컨버터유니트(1)에 분산하여 공급함으로써 안정적으로 컨버팅하도록 모듈화한 컨버터유니트(2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개별컨버터유니트(1)는 4단자 부스트컨버터(11)와 상기 4단자 부스트컨버터(11)에 결선되는 한쌍의 아이솔레이트 부스트 컨버터(12)로 구성되는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 4단자 부스트컨버터(11)의 입력단은 컨버터유니트(2)의 출력단에 결선되고, 4단자 부스트컨버터(11) 출력단은 각각 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 입력단 중 일개의 입력단에 결선되며, 상기 4단자 부스트컨버터(11)의 출력단에 1개의 입력단이 각각 결선되는 아이솔레이트 부스트컨버터(12)의 나머지 입력단은 한쌍의 아이솔레이트 부스트컨버터(12)간에 서로 결선을 통하여 망로를 구성하고, 나머지 1개의 출력단은 서로 결선하고, 개별컨버터유니트(1)의 또다른 출력단으로 결선하게 되는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 개별컨버터유니트(1)의 출력단은 3개로 구성되고, 각각 최저전압구간(Min-Vdc), 중간전압구간(Mid-Vdc), 최고전압구간((Max-Vdc)으로 설정하는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 컨버터유니트(2)에 구비되는 개별컨버터유니트(1)는 최소수량 이상 배치되도록 하되, 유사시 복수개 중 일부가 파손될 경우 이를 대체할 수 있는 여유분 1개 내지 2개를 더 설치하도록 하는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 개별컨버터유니트(1)는 카트리지 형태로 제작되도록 하여 컨버터유니트(2)에 탈착이 용이하도록 하는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 개별컨버터유니트(1)에는 감지센서를 더 구비할 수 있도록 하여, 복수개 중 일부가 파손될 경우 이를 관리자에게 통보하여 이상유무를 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 컨버터유니트(2)에는 개별컨버터유니트(1)의 이상유무에 따라 각각의 개별컨버터유니트(1)의 망로를 차단하거나 개통할 수 있도록 하는 스위칭부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 VRFB용 승압컨버터.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    저용량의 개별컨버터유니트(1) 복수개를 병렬로 연결하여 고용량의 전력량을 분산 컨버팅한 후 저용량의 개별컨버터유니트(1)에서 컨버팅 완료 후 병합하여 공급하는 VRFB용 승압컨버터.
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