KR20200107630A - 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템에 관한 것으로, 배터리로부터 DC전력을 입력 받는 DC 링크부 및 상기 DC전력을 AC전력으로 변환하는 인버터부를 포함하고, 상기 DC 링크부가 쉴드(Shield) 선으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템{POWER CONDITIONING SYSTEM TO PREVENT TRANSMISSION OF ZERO-PHASE-SEQUENCE HARMONICS}

본 발명은 전력 변환을 수행하는 전력 변환 시스템(PCS, Power Conditioning System)에 관한 것이다.

일반적으로 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 발전소나 신 재생 에너지 발전 시설에서 생산된 전력을 전력 계통에 저장하였다가 전력 피크와 같이 가장 필요한 때에 공급하여 에너지를 효율적인 이용이 가능하도록 한다. 이러한 에너지 저장 시스템은 1차적으로 전력 공급의 안정화와 더불어 신 재생 에너지의 확산에 기여할 수 있다.

즉, 에너지 저장 시스템은 배터리를 활용하여, 상기 배터리에 전력을 원하는 시간에 충전하거나, 방전할 수 있는 에너지 저장 시스템을 의미한다

일반적인 에너지 저장 시스템은, 전력 변환 시스템(PCS: Power Conditioning System), 충방전이 이루어지는 배터리 및 제어기를 포함할 수 있다.

여기서 상기 전력 변환 시스템(PCS)은, 교류(AC)전력을 직류(DC)전력으로 바꾸거나, 반대로 DC전력을 AC전력으로 바꾸어주는 시스템으로, 전력 변환을 통해 배터리의 충방전이 이루어지도록 하는 시스템을 의미한다.

이때 전력 변환 시스템(PCS)이 비접지 AC 계통에 연계가 될 경우에, 전력 변환 시스템(PCS)에서 발생하는 고조파가 AC 계통에 전달이 될 수 있다.

그 중에서 특히, 전력 변환 시스템(PCS)로부터 전달된 영상분 고조파는 접지형 계기용 변압기(GPT: Grounding Potential Transformer)의 오동작을 초래하고, 전류제한 저항(CLR: Current Limit Resistor)을 과열시키는 문제점이 있다.

본 발명은, 전력 변환 시스템(PCS)의 DC-링크를 쉴드 선을 이용하여 쉴드함으로써, 부유 용량을 제거하여 영상분 고조파가 상기 전력 변환 시스템에 연결된 장치에 전달되는 것을 방지하기 위한 목적이 있다.

본 발명은 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템에 관한 것으로, 배터리로부터 DC전력을 입력 받는 DC 링크부 및 상기 DC전력을 AC전력으로 변환하는 인버터부를 포함하고, 상기 DC 링크부가 쉴드(Shield) 선으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 입력 받은 DC전력을 분석하여, 정상분 신호, 역상분 신호 및 영상분 신호로 분류하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징한다.

실시 예에 있어서, 상기 쉴드 선은, 상기 DC 링크부의 부유 용량(stray capacitance)을 제거하고, 상기 제거에 근거하여 제어부가, 상기 영상분 신호를 제어하는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 영상분 신호가 접지형 계기용 변압기 계통에 전달되는 것을 제어하는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 영상분 신호가 전류제한 저항에 전달되는 것을 제어하는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 DC 링크부의 상기 쉴드 선은, 전류가 흐르는 구리 선; 상기 구리 선을 보호하기 위한 고무 케이블 및 상기 구리선과 상기 고무 케이블 사이의 쉴드 영역을 포함하고, 상기 쉴드 영역은 상기 구리 선을 접지 시켜 상기 DC 링크 부의 부유 용량을 제거하는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 DC 링크의 상기 쉴드 선은, 상기 DC 링크의 도선이 쉴드를 포함하는 케이블 또는 접지가 되어있는 버스(bus) 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 DC 링크부의 상기 쉴드 선은, 편조 쉴드, 스파이럴 쉴드 및 알루미늄 랩 쉴드 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징한다.

본 발명은 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템(PCS)에 관한 것으로, 전력 변환 시스템의 DC 링크부를 쉴드 선을 이용하여 쉴드함으로써, 부유 용량을 제거하여 계통으로 영상분 고조파가 전달되는 것을 저지할 수 있다.

또한, 본 발명은 영상분 고조파의 전달을 방지하여 접지형 계기용 변압기의 오동작을 방지하고, 전류제한 저항의 과열을 방지할 수 있다.

도 1은 전력 변환 시스템을 포함하는 일반적인 ESS의 일부를 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 구성도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 일 실시 예를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템(PCS)의 DC 링크부를 쉴드하기 위한 쉴드 선의 일 예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 직류(DC)/교류(AC) 전력 변환을 수행하는 전력 변환 시스템(PCS, Power Conditioning System)에 관한 것이다.

신 재생 에너지에서 발전되는 에너지를 사용하기 위해서는 사용자에게 맞는 전력으로 변환하여 공급해야 한다. 이때 전압의 크기 변환과 더불어 직류를 교류로 변환할 수 있어야 한다. 이를 전력 변환 시스템(PCS)라고 부른다. 이 시스템은 크게 독립형과 계통 연계형으로 나눌 수 있다.

특히 계통 연계형 전력 변환 시스템(PCS)은 상용 전력계통과 연계 운전하며 ESS에 주로 사용된다.

최근 사용빈도가 급증한 전력 변환 시스템(PCS)은, 구조가 단순하고 전기적 절연이 변압기를 통해 이루어질 수 있다는 장점이 있다.

반면에 전력 변환 시스템(PCS)는, 전류가 높아 전선류 및 버스바(bus bar)가 굵어지며 ESS 구성 시 DC 링크부에 배터리를 병렬 연결하여 저주파 리플 전류가 주입되어 배터리 수명에 나쁜 영향을 미치는 단점이 있다.

또한 전력 변환 시스템에서 발생한 고조파가 AC 계통에 전달될 수 있는데, 특히 영상분 고조파는 접지형 계기용 변압기(GPT, Grounding Potential Transformer)의 철공진 현상을 발생시킬 수 있다. 여기서 철공진(Ferro-resonance) 현상이란, 수배전계통의 변압기 리액터 등의 철심이 어떤 원인으로 포화되어 계통의 정전용량과 공진을 일으켜 이상전압을 발생시키는 현상을 의미한다. 철공진의 종류는, i) 선로 단선, 개폐기류의 불확실한 투입, 퓨즈의 용단 등으로 회로가 단선 상태로 되면 변압기 여자 임피던스와 선로의 정전용량이 기본파 철공진을 일으키는 기본파 철공진 이상전압과, ii) 철심을 갖는 리액터의 포화로 고주파 전압전류가 발생하여 회로가 고주파로 공진한 경우에 발생하는 특수 철공진 이상전압(또는 중성점 불안정 현상)이 있다.

따라서, 전력 변환 시스템에서 발생한 고조파는 접지형 계기용 변압기의 철공진 현상을 발생시킴에 따라 시스템의 오동작을 초래할 수 있다.

또한, 상기 영상분 고조파가 전류제한 저항(CLR, Current Limit Resistor)에 유입되어 전류제한 저항을 포함한 시스템에 과열이 발생될 수 있다.

살펴본 바와 같이 시스템의 오작동 및 과열로 인한 사고 또는 피해가 발생할 위험이 있으므로 영상분 고조파가 계통, 접지형 계기용 변압기 및 전류제한 저항에 전달되는 것을 저지할 필요가 있다.

따라서 본 발명은 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템에 관한 것으로, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1은, 전력 변환 시스템을 포함하는 일반적인 에너지 저장 시스템(ESS)의 일부를 도시한 도면이다.

먼저, 전력 변환 시스템(PCS, 120)은, 비접지 AC 계통(110)에 연계되어 있다.

또한 전력 변환 시스템(120)은, 접지형 계기용 변압기(GPT, 130) 및 전류제한 저항(CLR, 140)와 전선으로 연결될 수 있다.

전력 변환 시스템은 배터리로부터 DC 전력을 입력 받아 AC 전력으로 변환 할 수 있다. 변환된 AC 전력은 계통(130), GPT(130) 및 CLR(140)로 송전될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템(200)을 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 도 2는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 구성도이다. 또한 도 3은, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 일 실시 예를 도시한 회로도이다.

본 발명에 따른 전력 변환 시스템(200)은, 제어부(210), DC 링크부(220), 및 인버터부(230)를 포함할 수 있다. 다만 전력 변환 시스템(200)은 상기 구성 요소로 제한하는 것은 아니므로 그 외 다른 구성 요소를 포함할 수 있음은 자명하다.

여기서, 제어부(210)는 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어할 수 있다. 즉 제어부(210)와 연결된 DC 링크부(220), 인버터부(230)을 제어할 수 있다.

또한 제어부(210)는, 상기 입력 받은 DC전력을 분석하여, 정상분 전류(Positive Phase Sequence Component), 역상분 전류(Negative Phase Sequence Component) 및 영상분 전류(Zero Phase Sequence Component)로 분류 및 분석할 수 있다.

이때 정상분 전류는, 불평형 전류를 분해한 성분 중 정상적인 상태의 상 회전 방향과 동일한 방향 및 위상차를 가지고 있는 것을 의미한다.

역상분 전류는, 불평형 전류를 분해한 성분 중 정상적인 상태의 상 회전 방향과 반대의 방향을 가지지만 동일한 위상차를 가지고 있는 것을 의미한다.

나아가 영상분 전류는, 크기가 같고 같은 위상각을 가진 평형 단상전류로, 지락 고장 시 접지 계전기를 동작 시키는 전류이다.

한편, DC 링크부(220)는, 배터리로부터 DC전력을 입력 받을 수 있다.

이때 배터리는, 전력을 물리적으로 저장하고, 필요 시 이를 내보낼 수 있는 전력 저장수단을 의미한다.

한편, 인버터부는 상기 DC전력을 AC전력으로 변환할 수 있다.

즉 배터리에 저장된 DC전력을 입력받아 AC전력으로 변환할 수 있다.

전력 변환 시스템(200)의 DC 링크부 및 전력 변환 시스템과 계통이 연계되는 전선을 포함하는 연결 선에 부유 용량이 발생할 수 있다.

이때 부유 용량(Stray Capacitor)이란, 배선용 전선이 다른 금속 부분에 접근해 있다든지, 코일과 같이 전선이 다수 평행하게 존재할 때 등 그들 사이에 가지고 있는 정전 용량을 말한다. 이의 영향은 고주파가 되면 무시할 수 없게 된다.

특히 DC 링크부(220)에 형성된 부유 용량을 제거하는 경우, 전력 변환 시스템(PCS)에서 계통으로 영상분 고주파가 거의 전달되지 않아, 시스템의 오동작을 방지할 수 있다.

도 3를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템(200)의 DC 링크부(220)는, 점선으로 표시된 부분을 의미한다. 앞서 살펴본 바와 같이, 상기 DC 링크부(220)에 부유 용량(Stray Capacitor)이 형성될 수 있다. 이 경우 부유 용량의 유무는, 전력 변환 시스템이 분석된 영상분 고조파를 계통, 접지형 계기용 변압기(GPT, 130) 및 전류제한 저항(CLR, 140)에 전달에 영향을 미친다. 따라서 DC 링크단에 부유 용량을 제거하는 것이 시스템의 고장 및 사고를 방지할 수 있다.

부유 용량을 제거하기 위한 방법으로, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템(200)의 DC 링크부(220)를 쉴드 선으로 구성할 수 있다.

상기 쉴드 선은, 상기 DC 링크부의 도선이 쉴드를 포함하는 케이블 또는 접지가 되어있는 버스(bus) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.

상기 쉴드 선은, 상기 DC 링크부(220)의 부유 용량을 제거할 수 있다. 또한 부유 용량의 제거에 근거하여, 제어부(210)는, 상기 영상분 신호를 제어할 수 있다. 즉 영상분 신호가 계통으로 전달 되는 것을 저지할 수 있다.

한편 제어부(210)는, 상기 영상분 신호가 접지형 계기용 변압기 계통(130)에 전달되는 것을 제어할 수 있다. 영상분 신호가 접지형 계기용 변압기 계통(130)에 전달되는 경우, 변압기에 철공진이 발생할 수 있고 그로 인해 변압기의 오동작이 발생할 위험이 있다.

또한, 제어부(210)는, 상기 영상분 신호가 전류제한 저항(140)에 전달되는 것을 제어할 수 있다. 즉 영상분 신호가 전류제한 저항(140) 전달되는 경우, 저항에 과열이 발생할 수 있고 그로 인해 시스템의 고장 또는 사고가 발생할 위험이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템(200)의 DC 링크부(220)를 쉴드하기 위한 쉴드 선의 일 예를 도시한 도면이다.

DC 링크부(220)의 쉴드 선은, 상기 DC 링크의 도선이 쉴드를 포함하는 케이블 또는 접지가 되어있는 버스(bus) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.

도 4는 쉴드(Shield) 영역을 포함하는 쉴드 선(300)의 일 예로, 구리 선(310)과 고무 케이블(330) 사이에 쉴드 영역(320)을 포함할 수 있다.

쉴드 선(또는 차폐 선, 실드 케이블)은 외부 잡음으로부터 케이블 내 신호를 보호하는 전선의 일 태양이다.

쉴드 선(300)의 종류는, 편조 쉴드(Braided Shield), 스파이럴 쉴드(Spiral Shield), 알루미늄 랩 쉴드(Aluminum Foil Shield)를 포함할 수 있다. 다만 상기 쉴드 선의 종류는 쉴드 선의 일 예로, 쉴드 선의 종류를 제한하는 것은 아니다.

먼저 편조 쉴드 선은, 쉴드 영역(320)이 그물망 형태의 금속관으로 형성된 것을 특징으로 한다. 주로 움직임이 있는 케이블에 사용되며 굽힘이나 외부 충격에 강한 장점이 있다. 보통 95%의 차폐율을 가진다. 그러나 편조 실드는 고밀도 기술력이 필요로 함으로 가격이 높고, 접지선(Ground)으로 사용하기 위해 촘촘한 편조 실드를 풀어야 하기에 숙련된 기술이 필요한 단점이 있다.

한편, 스파이럴 쉴드는, 편조 쉴드와 다르게 격자 방향이 아닌 한쪽 방향으로만 다수의 얇은 동선을 가로 감기한 형태로 구성된다. 편조 쉴드보다 유연성은 좋으나 움직임에 대해 쉴드 선들이 뭉치거나 꼬일 수 있어 대부분 고정용으로 사용된다.

한편, 알루미늄 랩 쉴드 신호선 주위에 알루미늄 테이프를 감은 쉴드 구조이다. 알루미늄 자체는 외부 충격에 대해 찢어지기 쉽기 때문에 바깥면에 폴리에스터 시트를 덧붙이게 된다. 알루미늄 랩 쉴드는 대부분 접지선이 내장되기 때문에 단말 작업이 쉽고 가격이 저렴한 장점이 있다.

본 발명에 따른 쉴드 선(300)은, 일반적인 도선에 쉴드 영역(320)을 포함하여, 도선이 접지된 효과가 발생하므로, 부유 용량(Stray Capacitor)이 제거될 수 있다. 따라서 DC 링크부에 부유 용량이 제거된 결과, 영상분 고조파가 계통에 전달되지 않는다.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템(PCS)에 관한 것으로, 전력 변환 시스템의 DC-링크를 쉴드 선을 이용하여 쉴드함으로써, 부유 용량을 제거하여 접지형 계기용 변압기로 영상분 고조파의 전달할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 접지형 계기용 변압기의 오동작을 방지하고, 전류제한 저항의 과열을 방지할 수 있다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

110: 계통
120, 200: 전력 변환 시스템(PCS, Power Conditioning System)
130: 접지형 계기용 변압기(GPT: Grounding Potential Transformer)
140: 전류제한 저항(CLR: Current Limit Resistor)
210: 제어부
220: DC 링크부
230: 인버터부
300: 쉴드(Shield) 선
310: 구리선
320: 쉴드 영역
330: 고무 케이블

Claims (8)

1. 배터리로부터 DC전력을 입력 받는 DC 링크부; 및
   상기 DC전력을 AC전력으로 변환하는 인버터부;를 포함하고,
   상기 DC 링크부가 쉴드(Shield) 선으로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 입력 받은 DC전력을 분석하여, 정상분 신호, 역상분 신호 및 영상분 신호로 분류하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 쉴드 선은,
   상기 DC 링크부의 부유 용량(stray capacitance)을 제거하고,
   상기 제거에 근거하여,
   상기 제어부가,
   상기 영상분 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 영상분 신호가 접지형 계기용 변압기 계통에 전달되는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 영상분 신호가 전류제한 저항에 전달되는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 DC 링크부의 상기 쉴드 선은,
   전류가 흐르는 구리 선;
   상기 구리 선을 보호하기 위한 고무 케이블; 및
   상기 구리 선과 상기 고무 케이블 사이의 쉴드 영역을 포함하고,
   상기 쉴드 영역은 상기 구리 선을 접지 시켜 상기 DC 링크부의 부유 용량을 제거하는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 DC 링크부의 상기 쉴드 선은,
   상기 DC 링크부의 도선이 쉴드 영역를 포함하는 케이블 또는 접지가 되어있는 버스(bus) 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 DC 링크부의 상기 쉴드 선은,
   편조 쉴드, 스파이럴 쉴드 및 알루미늄 랩 쉴드 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상분 고조파의 전달을 방지하기 위한 전력 변환 시스템.

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