KR20200113870A - Lvdc 저압배전 시스템에 적용되는 dc/dc 컨버터 - Google Patents

Lvdc 저압배전 시스템에 적용되는 dc/dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LVDC 저압배선 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터에 관한 것으로써, 좀 더 상세하게는 전력을 저장하는 배터리부와 상기 배터리부로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System)와 제어부와 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부를 포함하는 LVDC 저압배선 시스템에 설치되는 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되되, 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 LVDC 저압배선 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.

Description

LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터{DC/DC Converter For LVDC Low Voltage DC GRID SYSTEM}
본 발명은 LVDC 저압배선 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터에 관한 것으로써, 좀 더 상세하게는 전력을 저장하는 배터리부와 상기 배터리부로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System)와 제어부와 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부를 포함하는 LVDC 저압배선 시스템에 설치되는 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되되, 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 LVDC 저압배선 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
국내의 직류 송배전 기술은 장거리 송전에 있어 HVDC가 먼저 상용화되었고, 지하철 및 경전철에 DC 750~1500V가 적용되고 있다.
DC배전 기술의 경제성 및 타당성에 대한 연구, 전력변환기 및 차단기의 설계, DC기반 전력시스템의 운영 및 보호기술에 대한 연구를 추진하는 한편, MVDC-LVDC의 계통연계 가능성과 저압 DC기술의 상용화에 대해서도 연구를 추진하고 있다.
산업계에서는 IDC(Internet Data Center) 빌딩 구내를 DC화하여 전기에너지 효율향상 검증을 추진하였고, 태양광으로 발전된 직류전원을 주택 내 DC설비에서 소비하는 제로에너지 하우스 실증을 완료하였다.
DC배전을 건물 에너지 관리시스템에 적용하여 신재생에너지 및 에너지저장장치 직류배전통합기술을 개발하였으며, DC배전 그린 빌딩 구조시스템의 설계기준을 마련하여 DC배전 건축물의 시장성 확보에 노력하고 있는 실정이다.
기자재 제조사를 중심으로 직류변환기 및 차단기 등 하드웨어 개발을 통한 기술완성에도 주력하고 있다.
DC 저압배전과 DC마이크로그리드 도입 및 장거리 저부하 AC선로를 저압 DC선로로 전환하는 실증시험을 추진 중에 있다.
향후 DC 저압배전시스템에 있어서, DC/DC 컨버터의 역할이 매우 큰것은 당연하지만, 아직 DC 저압 시스템의 전체적인 구성과 신재생에너지, UPS, 배터리 전력 저장 시스템과 연관된 ESS, EMS 등의 분야와의 연계성도 고려해야 하는 문제가 있는바, 이에 대한 종합적인 고려로서, DC/DC 컨버터를 설계할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 고려하여 설계된 것으로서, 복합 전력 거래 EMS, IoT 서비스 플랫폼 기반이 적용되고, ESS, BMS등이 연관되는 배터리 시스템을 고려하여 다수의 수용가간 분산된 ESS를 통합적으로 운영하기 위한 저전압 배전시스템에 있어서, 고효율 저가결선 방식을 도입하되, 상기 시스템에서의 하나의 구성요소로서의 양방향 DC/DC 컨버터를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 전력을 저장하는 배터리부(BP)와 상기 배터리부(BP)로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System)와 제어부(300)와 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부(SCP)를 포함하는 LVDC 저압배선 시스템(LVDC SYSTEM)에 설치되는 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
상기 DC/DC 컨버터(100)는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성된다.
상기 DC/DC 컨버터(100)는 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 (S)2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치(S) 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서(C)가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치(S) 2개의 중간 접점 사이에 인덕터(L)가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자와 배터리부(BP) 양극단자 사이에 배터리부(BP) 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2(D2)와 스위칭소자 3(T3)이 직렬로 연결되며, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자 방향으로 도통되도록 스위칭 소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)가 순서대로 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 스위칭 소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)는 모두 환류 다이오드(D)를 갖춘 FET 소자를 사용하며, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자로부터 상기 스위칭 소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5) 사이의 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1), 인덕터(L)가 직렬로 차례로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1) 및 인덕터(L) 사이의 접점으로부터 상기 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치되며, 상기 인덕터(L)와 스위칭소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5) 사이의 접점과 인덕터(L)사이의 접점으로부터 접지전위 사이에 콘덴서(C)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(300)는 슈퍼 캐피시터부(SCP)의 전압, 배터리부(BP)의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터(100)로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터(SCP)를 보조적으로 우선 충전한 후에 배터리부(BP)를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 전압이 배터리부(BP)의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부(SCP)로부터 배터리부(BP)로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3(T1-T3)에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 스위칭 소자 4 및 5(T4, T5)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 한다.
슈퍼캐패시터부(SCP)에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 복합 전력 거래 EMS, IoT 서비스 플랫폼 기반이 적용되고, ESS, BMS등이 연관되는 배터리 시스템에 있어서, 고효율로 동작하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
(2) 고효율 저가결선 방식을 도입하되, 다수의 수용가간 분산된 ESS를 통합적으로 운영하기 위한 저전압 배전시스템에 있어서, 양방향 전력 이동 및 통신 및 제어가 용이한 DC/DC 컨버터를 제공한다.
(3) 상기 DC/DC 컨버터는 방열에 유이한 최적 스택 구조 설계를 통해 고효율의 전력변환에 용이하다.
도 1은 기존의 AC 배전망과 본 발명에 있어서의 LVDC 배전망에서의 전력손실 비교를 한 도면이다.
도 2는 기존의 LVDC 시스템의 개략적인 전력변환 및 이동을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터의 스키메틱을 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 기존의 AC 배전망과 본 발명에 있어서의 LVDC 배전망에서의 전력손실 비교를 한 도면이며, 도 2는 기존의 LVDC 시스템의 개략적인 전력변환 및 이동을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명인 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터의 스키메틱을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 전력을 저장하는 배터리부(BP)와 상기 배터리부(BP)로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System)와 제어부(300)와 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부(SCP)를 포함하는 LVDC 저압배선 시스템(LVDC SYSTEM)에 설치되는 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
도 4를 참조하면 상기 DC/DC 컨버터(100)는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성된다.
도 3을 참조하면 상기 DC/DC 컨버터(100)는 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 (S)2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치(S) 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서(C)가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치(S) 2개의 중간 접점 사이에 인덕터(L)가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면 상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자와 배터리부(BP) 양극단자 사이에 배터리부(BP) 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2(D2)와 스위칭소자 3(T3)이 직렬로 연결되며, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자 방향으로 도통되도록 스위칭 소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)가 순서대로 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 스위칭 소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)는 모두 환류 다이오드(D)를 갖춘 FET 소자를 사용하며, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자로부터 상기 스위칭 소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5) 사이의 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1), 인덕터(L)가 직렬로 차례로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1) 및 인덕터(L) 사이의 접점으로부터 상기 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치되며, 상기 인덕터(L)와 스위칭소자 4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5) 사이의 접점과 인덕터(L)사이의 접점으로부터 접지전위 사이에 콘덴서(C)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 소자 1 내지 3은 환류 다이오드 혹은 프리휠링 다이오드가 내재되지 않은 소자여야 한다.
상기 슈퍼커패시터부는 평균전압, 정격 전압을 고려하여 요구하는 전압레벨에 적합하도록 슈퍼커패시터를 직렬로 연결한 다음 이를 충전용량을 고려하여 병렬로 상호 접속하여 구성되도록 해야 한다.
도 3을 참조하면 상기 제어부(300)는 슈퍼 캐피시터부(SCP)의 전압, 배터리부(BP)의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터(100)로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터(SCP)를 보조적으로 우선 충전한 후에 배터리부(BP)를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 전압이 배터리부(BP)의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부(SCP)로부터 배터리부(BP)로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3(T1-T3)에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 스위칭 소자 4 및 5(T4, T5)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어는 PI 제어기를 적용함이 바람직하며, 스위칭 소자의 고장 상태 감시 및 알람 기능도 구현함이 바람직하다.
더불어 ADC 회로를 이용하여 DC 전압, 전류, 주요 소자의 온도를 계측하여 회로가 발산하여 전체 시스템이 파탄나지 않도록 함이 매우 중요하다.
도 3을 참조하면 슈퍼캐패시터부(SCP)에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
이는 다수의 슈퍼캐패시터부의 과충전 현상을 방지하여 소손을 방지하기 위한 용도로 제너다이오드를 활용한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 복합 전력 거래 EMS, IoT 서비스 플랫폼 기반이 적용되고, ESS, BMS등이 연관되는 배터리 시스템에 있어서, 고효율로 동작하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
(2) 고효율 저가결선 방식을 도입하되, 다수의 수용가간 분산된 ESS를 통합적으로 운영하기 위한 저전압 배전시스템에 있어서, 양방향 전력 이동 및 통신 및 제어가 용이한 DC/DC 컨버터를 제공한다.
(3) 상기 DC/DC 컨버터는 방열에 유이한 최적 스택 구조 설계를 통해 고효율의 전력변환에 용이하다.
LVDC SYSTEM: 저압 배선 시스템
SG : 태양광 발전기 100 : DC/DC 컨버터
BP : 배터리부 DC LOAD : DC 부하
D1, D2 : 다이오드 1, 다이오드 2 SCP : 슈퍼 캐패시터부
T1 - T5 : 스위칭 소자 1 - 스위칭 소자 5
L : 인덕터 C : 콘덴서
300 : 제어부

Claims (4)

  1. 전력을 저장하는 배터리부와 상기 배터리부로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System)와 제어부와 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부를 포함하는 LVDC 저압배선 시스템에 설치되는 DC/DC 컨버터에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는
    양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되되,
    어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터의 양극단자와 배터리부 양극단자 사이에 배터리부 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2와 스위칭소자 3이 직렬로 연결되며, 슈퍼캐패시터부의 양극단자로부터 음극단자 방향으로 도통되도록 스위칭 소자 4 및 스위칭 소자 5가 순서대로 슈퍼캐패시터부와 병렬 연결되되, 상기 스위칭 소자 4 및 스위칭 소자 5는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며, 상기 DC/DC 컨버터의 양극단자로부터 상기 스위칭 소자 4 및 스위칭 소자 5 사이의 접점 사이에 다이오드 1, 스위칭 소자 1, 인덕터가 직렬로 차례로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1 및 인덕터 사이의 접점으로부터 상기 배터리부로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2가 배치되며, 상기 인덕터와 스위칭소자 4 및 스위칭 소자 5 사이의 접점과 인덕터사이의 접점으로부터 접지전위 사이에 콘덴서가 설치되는 것을 특징으로 하는 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 슈퍼 캐피시터부의 전압, 배터리부의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터부를 보조적으로 우선 충전한 후에 배터리부를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부의 전압이 배터리부의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부로부터 배터리부로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 스위칭 소자 4 및 5에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 하는 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터.
  4. 청구항 2에 있어서,
    슈퍼캐패시터부에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220170261A (ko) 2021-06-22 2022-12-29 경북대학교 산학협력단 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치

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KR20220170261A (ko) 2021-06-22 2022-12-29 경북대학교 산학협력단 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치

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