KR20210086580A - 복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템 및 그의 운용 방법 - Google Patents

복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템 및 그의 운용 방법 Download PDF

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Abstract

복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템이 제공된다. 상기 인버터 시스템은 교류 그리드 전원으로부터 제1 출력 노드로 흐르는 그리드 전류의 적어도 일부를 감지하는 제1 전류 센서, 일 단부가 제2 출력 노드로 연결되는 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류를 감지하는 제2 전류 센서, 상기 제2 출력 노드와 제3 출력 노드 양 단의 출력 전압을 감지하는 전압 센서 및 상기 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류, 상기 인덕터 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 인버터 시스템이 독립형 전원, 계통연계형 전원 및 UPS(uninterruptible power supply) 중 어느 하나로 동작하도록 하는 동작 모드를 결정하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템 및 그의 운용 방법{STAND-ALONE AND GRID-CONNECTED COMPATIBLE INVERTER SYSTEM FOR SUPPORTING THE RESTORATION OF GRID POWER AND OPERATION METHOD THEREOF}
이하의 설명은 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템 및 이의 운용 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 교류 그리드 전원으로부터 흐르는 그리드 전류의 적어도 일부인 그리드 감지 전류, 인버터 시스템 내의 인덕터 전류 및 출력 전압 등에 기초하여 인버터 시스템이 독립형 전원, 계통연계형 전원 및 UPS 중 어느 하나로 동작하도록 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템에 관한 것이다.
독립형 인버터는 상용 AC 계통(utility grid)이 없는 지역에서, 출력으로 단상 AC 전압(220Vrms / 60Hz)을 발생시키는 전력 시스템을 나타낸다. 구체적으로, 독립형 인버터의 경우에는 휘발유 연소 에너지, 풍력 에너지, 태양광 에너지 등 다양한 형태의 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 인버터 시스템의 입력으로 사용한다. 계통연계형 인버터는 상용 AC 계통에 직접 연결하여, 발전된 전력을 계통에 주입(inject)하는 전력 시스템을 나타낸다. 계통연계형 인버터의 경우, 출력으로서 계통 전압과 동기화(synchronization)된 단상 AC 전류를 발생시킨다.
기존의 독립형 인버터의 출력에 계통 전원을 연결하면 작동이 불가능하고, 반대로 기존의 계통연계형 인버터의 출력을 계통 전원 없이 동작하려고 하는 경우에도 작동이 불가하다. 위와 같은 문제점을 해결하는 독립형 전원, 계통연계형 전원 및 UPS 중 어느 하나로 동작하도록 지원하는 인버터 시스템에 대한 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1704472호(2017. 02. 10.)
독립형 / 계통연계 호환형 단상 인버터. 정구영, 양태철. 강경수. 노정욱(전력전자학술대회 논문집 2018. 07. 03. ~ 07. 06.)
일 측면에 따르면, 복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템이 제공된다. 상기 인버터 시스템은 교류 그리드 전원으로부터 제1 출력 노드로 흐르는 그리드 전류의 적어도 일부를 감지하는 제1 전류 센서, 일 단부가 제2 출력 노드로 연결되는 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류를 감지하는 제2 전류 센서, 상기 제2 출력 노드와 제3 출력 노드 양 단의 출력 전압을 감지하는 전압 센서 및 상기 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류, 상기 인덕터 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 인버터 시스템이 독립형 전원, 계통연계형 전원 및 UPS(uninterruptible power supply) 중 어느 하나로 동작하도록 하는 동작 모드를 결정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류의 크기가 제1 임계치 이하인 경우, 상기 프로세서는 상기 인버터 시스템을 교류 전압원으로서 동작하는 독립형 전원 모드로 제어할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류의 크기가 제1 임계치를 초과하는 경우, 상기 프로세서는 상기 인버터 시스템을 교류 전류원으로서 동작하는 계통연계형 전원 모드로 제어할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 인버터 시스템은 그리드 전원에 연결되는 전류 트랜스포머로부터 부하에서 소모되는 소모 전력이 미리 설정된 기준치를 초과하는지 여부를 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 경우, 상기 통신부가 상기 전류 트랜스포머로부터 부하에서의 소모 전력이 미리 설정된 기준치를 초과하는 상태를 나타내는 제1 제어 신호를 수신하면, 상기 프로세서는 상기 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류를 발생시킬 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 경우, 상기 통신부가 상기 전류 트랜스포머로부터 부하에서의 소모 전력이 미리 설정된 기준치 이하인 상태를 나타내는 제2 제어 신호를 수신하면, 상기 프로세서는 상기 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류의 크기를 유지시킬 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 도중에, 상기 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류의 크기가 제1 임계치 이하가 되면 상기 프로세서는 계통탈락을 판단하고, 상기 인버터 시스템이 교류 전압원으로서 동작하는 UPS 모드로 상기 인버터 시스템을 제어할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 경우에, 상기 프로세서는 복전 보호 모드로 동작하며 상기 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 상기 인덕터 전류의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 또는 교류 그리드 전압의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지함으로써 상기 인버터 시스템에 포함되는 릴레이 스위치를 개방시킬 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 릴레이 스위치는 상기 인버터 시스템에 포함되는 풀 브릿지 회로의 제1 MOSFET의 소스 노드와 제2 MOSFET의 드레인 노드를 연결하는 제1 노드와 상기 제3 출력 노드 사이에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 릴레이 스위치가 개방된 경우에, 상기 프로세서는 스탠바이 모드로 동작하며 상기 제1 전류 센서로부터 감지된 상기 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 상기 독립형 전원 모드 또는 상기 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 인버터 시스템의 전원이 턴 온 되거나 상기 릴레이 스위치가 개방되면, 상기 프로세서는 상기 스탠바이 모드로 되돌아감으로써 상기 제1 전류 센서로부터 감지된 상기 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 상기 독립형 전원 모드 또는 상기 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 다시 판단할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법이 제공된다. 상기 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법은 상기 인버터 시스템이 턴 온 되면, 프로세서가 상기 인버터 시스템의 동작 모드를 스탠바이 모드로 설정하는 단계, 교류 그리드 전원으로부터 제1 출력 노드로 흐르는 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 독립형 전원 모드 또는 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 판단하는 단계, 상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 도중에, 상기 그리드 감지 전류의 크기가 제1 임계치 이하가 되면, 상기 프로세서가 계통탈락을 판단하는 단계 및 상기 계통탈락이 발생한 경우, 상기 프로세서가 상기 인버터 시스템이 교류 전압원으로서 동작하는 UPS 모드로 상기 인버터 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법은 상기 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 경우에, 상기 프로세서는 상기 인덕터 시스템에 포함되는 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 또는 상기 제2 출력 노드와 제3 출력 노드 양 단의 출력 전압의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지함으로써 상기 인버터 시스템에 포함되는 릴레이 스위치를 개방시키는 복전 보호 모드로 동작하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 릴레이 스위치는 상기 인버터 시스템에 포함되는 풀 브릿지 회로의 제1 MOSFET의 소스 노드와 제2 MOSFET의 드레인 노드를 연결하는 제1 노드와 상기 제3 출력 노드 사이에 배치될 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법은 상기 인버터 시스템의 전원이 턴 온 되거나 상기 릴레이 스위치가 개방되면, 상기 프로세서가 상기 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 상기 독립형 전원 모드 또는 상기 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 다시 판단하는 상기 스탠바이 모드로 되돌아가는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예의 설명에 이용되기 위하여 첨부된 아래 도면들은 본 발명의 실시 예들 중 단지 일부일 뿐이며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 "통상의 기술자"라 함)에게 있어서는 발명에 이르는 추가 노력 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있다.
도 1은 종래의 오프라인 방식의 UPS 기능을 지원하는 인버터 시스템의 블록도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 회로도이다.
도 4는 도 3의 인버터 시스템의 동작 모드를 나타내는 상태 다이어그램이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 복전 보호 모드를 설명하는 회로도이다.
도 6은 도 5c의 인버터 시스템에 기반하여 복전 보호를 수행한 경우의 인덕터 전류 IL의 시뮬레이션 그래프를 나타낸다.
도 7a는 도 5c의 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템에서 출력 전압 V0의 기울기 변화에 따라 복전 보호 모드를 수행하는 인버터 시스템의 회로도이다.
도 7b는 도 7a의 인버터 시스템에 기반하여 복전 보호를 수행한 경우의 출력 전압 V0의 시뮬레이션 그래프를 나타낸다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있도록 상세히 설명된다.
본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 또한, '하나' 또는 '한'은 하나 이상의 의미로 쓰인 것이며, '또 다른'은 적어도 두 번째 이상으로 한정된다.
또한, 본 발명의 '제1', '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로서, 순서를 나타내는 것으로 이해되지 않는 한 이들 용어들에 의하여 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 이와 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접 연결될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 개재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉, "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
각 단계들에 있어서 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용된 것으로 식별부호는 논리상 필연적으로 귀결되지 않는 한 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며, 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 따라서, 특정 구조나 기능에 관하여 본 명세서에 개시된 상세 사항들은 한정하는 의미로 해석되어서는 아니되고, 단지 통상의 기술자가 실질적으로 적합한 임의의 상세 구조들로써 본 발명을 다양하게 실시하도록 지침을 제공하는 대표적인 기초 자료로 해석되어야 할 것이다.
더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 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.
이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 오프라인 방식의 UPS 기능을 지원하는 인버터 시스템의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 배터리(110), AC/DC 컨버터(120), DC/AC 컨버터(130) 및 릴레이 스위치(140)를 포함하는 인버터 시스템(100)이 도시된다. 종래의 인버터 시스템(100)은 교류 그리드 전원(150)과 부하(160)에 연결되는 과정에서 교류 그리드 차단기(170), 절체 스위치(180) 및 릴레이 스위치(140)의 동작을 필요로 한다. 구체적으로, 교류 그리드 전원(150)이 연결된 상태에서 정전이 발생한다면, 릴레이 스위치(140)가 턴 온 상태로 변경되고, 절체 스위치(180)가 인버터 시스템(100)으로 새롭게 연결됨으로써 인버터 시스템(100)은 무정전 전원 장치로서 동작할 수 있다.
그러나, 종래의 인버터 시스템(100)은 복수의 스위치(140, 170, 180)가 동작하면서 발생하는 딜레이로 인해 반응 속도가 느리다는 문제점이 존재한다. 일반적으로 동작 전환에 500ms 에서 1 초 정도의 시간이 소요되는데, 대부분의 부하들은 50ms 이하의 순시 정전에만 대응하도록 설계되어 있다는 한계가 존재한다. 따라서, 종래의 하이브리드 인버터 시스템(100)은 실질적으로 무정전 전원 장치로서의 기능을 수행하기 어렵다는 단점이 존재한다. 또한, 스위칭 동작의 오류로 인해 전술한 3 가지 스위치(140, 170, 180)가 모두 온 상태인 경우, 계통전압의 유무를 판단할 수 없는 문제점이 존재한다. 또한, 종래의 인버터 시스템(100)의 교류 모드 체결은 복잡하며 별도의 전기공사를 요구한다는 한계가 존재한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(200)은 배터리(210), DC/DC 컨버터(220), DC/AC 컨버터(230) 및 릴레이 스위치(240)을 포함할 수 있다. 본 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(200)은 부하(260)의 일 단에 릴레이 스위치(240)와 교류 그리드 차단기(270)가 연결된다. 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(200)은 교류 그리드 전원(250)과의 연결 여부에 기초하여 독립형 전원 모드 또는 계통연계형 전원 모드의 동작이 결정될 수 있다. 또한, 계통연계형 전원 모드에서 교류 그리드 전원(250)이 탈락되고 그리드 차단기(270)가 개방되지 못한 상황에서는, 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(200)은 UPS 모드로의 동작이 결정될 수 있다. 본 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(200)은 기존의 인버터 시스템과 대비하여 절체 스위치를 사용하지 않고 교류 그리드 전원(250)과의 간단한 연결만으로 독립형 전원 모드, 계통연계형 전원 모드 및 UPS모드로 동작하는 호환형 인버터 시스템을 구현할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 회로도이다. 도 3을 참조하면, 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(300)은 제1 전류 센서(310), 제2 전류 센서(320), 전압 센서(330), 프로세서(340), 릴레이 스위치(350) 및 통신부(370)를 포함할 수 있다. 제1 전류 센서(310)는 교류 그리드 전원 VGRID에 의해 제1 출력 노드(361)로 흐르게 되는 그리드 전류 IGRID의 적어도 일부를 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED로서 감지할 수 있다. 예시적으로, 제1 출력 노드(361)와 제2 출력 노드(362) 사이에는 제1 전류 센서(310)가 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED를 감지하도록 하는 전류 트랜스포머 CT1(CT: Current Transformer)이 배치된다.
제2 전류 센서(320)는 인덕터로부터 제2 출력 노드(362)로 유입되는 인덕터 전류 IL을 감지할 수 있다. 구체적으로, 인덕터는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템(300)에 포함되는 풀 브릿지 회로 내의 제3 MOSFET M3의 소스 단자와 제2 출력 노드(362) 사이에 배치될 수 있다.
전압 센서(330)는 제2 출력 노드(362)와 제3 출력 노드(363)의 양 단의 출력 전압 VO를 감지할 수 있다. 프로세서(340)는 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED, 인덕터 전류 IL 및 출력 전압 VO 중 적어도 하나에 기초하여, 인버터 시스템(300)이 독립형 전원, 계통연계형 전원 및 UPS(uninterruptible power supply) 중 어느 하나로 동작하도록 하는 동작 모드를 결정할 수 있다.
추가적으로, 교류 그리드 전원 VGRID에는 부하에서 소모되는 소모 전력을 측정하기 위한 제2 전류 트랜스포머 CT2가 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 전류 트랜스포머 CT2는 부하에서의 소모 전력이 미리 설정된 기준치를 초과하는지 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 제2 전류 트랜스포머 CT2는 부하에서의 소모 전력이 미리 설정된 기준치(예. 1.5kW)를 초과하는 상태를 나타내는 제1 제어 신호 또는 소모 전력이 미리 설정된 기준치 이하인 상태를 나타내는 제2 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호 중 하나를 프로세서(340)에 연결된 통신부(370)로 전송할 수 있다.
통신부(370)는 인버터 시스템(300)을 계통연계형 전원 모드 내에서 ESS 모드 또는 그리드 대기 모드 중 하나로 제어하기 위한 신호를 제2 전류 트랜스포머 CT2로부터 수신한다. 통신부(370)는 제1 제어 신호 또는 제2 제어 신호에 따라 제1 전압 신호(예. High voltage) 또는 제2 전압 신호(예. Low voltage)를 생성하여 프로세서(340)에 전달할 수 있다. 구체적으로, 통신부(370)는 블루투스와 같은 근거리 무선 통신방식 또는 Wi-Fi와 같은 WLAN(Wireless Lan) 통신방식 등에 기반하여 제2 전류 트랜스포머 CT2와 통신 연결될 수 있다.
릴레이 스위치(350)는 인버터 시스템(300)에 포함되는 풀 브릿지 회로의 제1 MOSFET M1의 소스 노드와 제2 MOSFET M2의 드레인 노드를 연결하는 제1 노드와 제3 출력 노드(363) 사이에 배치될 수 있다. 릴레이 스위치(350)는 인버터 시스템(300)이 UPS 모드로 동작하는 도중에 교류 그리드 전원 VGRID 이 복원되는 복전 상황에서 부하를 보호하기 위해 개방될 수 있다. 릴레이 스위치(350)의 구체적인 동작에 대해서는 이하에서 추가될 도 4와 함께 자세히 설명될 것이다.
도 4는 도 3의 인버터 시스템의 동작 모드를 나타내는 상태 다이어그램이다. 인버터 시스템(300)은 턴 오프된 경우, 오프 모드(410)를 유지한다. 이 경우에, 인버터 시스템(300)이 새롭게 턴 온 되면, 인버터 시스템(300)은 스탠바이 모드(420)에 진입한다. 스탠바이 모드(420)에서 프로세서(340)는 제1 전류 센서(310)에서 감지된 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED 의 크기가 제1 임계치 이하인 경우, 인버터 시스템(300)을 교류 전압원으로서 동작하는 독립형 전원 모드(430)로 제어할 수 있다. 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED는 교류 그리드 전원 VGRID으로부터 제1 전류 센서(310) 쪽으로 유입되는 그리드 전류 IGRID의 적어도 일부를 나타낼 수 있다. 도 4의 실시예에서는, 제1 임계치가 "0 A"로 설정되나 이는 이해를 돕기 위한 예시적 기재일 뿐, 권리범위를 제한하거나 한정하는 것으로 해석되어서는 안될 것이다. 이를테면, 인버터 시스템(300)이 연결된 회로도에 따라 제1 임계치가 10 mA 등과 같이 다양한 값으로 설정되는 것 또한 본 실시 예의 범위에 포함될 것이다.
다른 일 실시 예로서, 제1 전류 센서(310)에 의해 감지된 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기가 제1 임계치를 초과하는 경우, 프로세서(340)는 인버터 시스템(300)을 교류 전류원으로서 동작하는 제1 계통연계형 전원 모드(441)로 제어할 수 있다. 구체적으로, 계통연계형 전원 모드 내에는 그리드 대기 상태를 나타내는 제1 계통연계형 전원 모드(441)와 ESS(energy storage system) 모드로 인버터 시스템(300)이 동작하는 제2 계통연계형 전원 모드(442)가 존재할 수 있다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게 제1 계통연계형 전원 모드(441)에서는 인버터 시스템(300)이 생성하는 인덕터 전류 IL은 0 A일 수 있다. 즉, 해당 모드에서 인버터 시스템(300)은 교류 전류원으로서 동작하지만 전류를 내보내지 않을 수 있다.
교류 그리드 전원 VGRID에는 부하에서 소모되는 소모 전력을 측정하기 위한 제2 전류 트랜스포머 CT2가 연결될 수 있다. 또한, 프로세서(340)는 제2 전류 트랜스포머 CT2로부터 측정 전력을 수신하는 통신부(370)와 연결될 수 있다. 통신부(370)는 계통연계형 전원 모드들(441, 442) 중 하나로 인버터 시스템(300)을 제어하도록 제1 제어 신호 또는 제2 제어 신호 중 하나를 제2 전류 트랜스포머 CT2로부터 수신할 수 있다., 인버터 시스템(300)이 제1 계통연계형 전원 모드(441)로 동작하는 경우에, 통신부(370)가 제2 전류 트랜스포머 CT2로부터 부하에서의 소모 전력이 미리 설정된 기준치를 초과하는 상태를 나타내는 제1 제어 신호를 수신할 수 있다. 이 경우에, 프로세서(340)는 인덕터로부터 제2 출력 노드(362)로 흐르는 인덕터 전류 IL을 증가시켜 인버터 시스템(300)이 ESS(energy storage system)로 동작하는 제2 계통연계형 전원 모드(442)로서 인버터 시스템(300)을 제어할 수 있다.
그러나, 통신부(370)가 제2 전류 트랜스포머 CT2로부터 부하에서의 소모 전력이 미리 설정된 기준치 이하인 상태를 나타내는 제2 제어 신호를 수신하면, 프로세서(340)는 인덕터 전류 IL의 크기를 유지시키는 그리드 대기 상태를 나타내는 제1 계통연계형 전원 모드(442)를 유지할 수 있다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게 해당 모드에서 프로세서(340)는 인덕터 전류 IL를 0 A로서 유지시킬 수 있다.
또한, 인버터 시스템(300)이 두 가지 계통연계형 전원 모드(441, 442) 중 하나로 동작하는 도중에, 제1 전류 센서(310)에 의해 감지된 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기가 제1 임계치 이하가 되면, 프로세서(340)는 교류 그리드 전원의 계통탈락을 판단할 수 있다. 이 경우에, 프로세서(340)는 인버터 시스템(300)이 교류 전압원으로서 동작하는 UPS 모드(450)로 인버터 시스템(300)을 제어할 수 있다.
또 다른 일 실시 예로서, 인버터 시스템(300)이 UPS 모드(450)로 동작하는 경우에, 프로세서(340)는 복전 보호 모드로서 동작할 수 있다. 프로세서(340)는 제2 전류 센서(320)로부터 감지되는 인덕터 전류 IL의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 교류 그리드 전압 VGRID의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지할 수 있다. 이 경우에, 프로세서(340)는 인버터 시스템(300)에 포함되는 릴레이 스위치(350)를 개방시킴으로써 복전 상황에서 부하를 보호할 수 있다.
위와 같이 릴레이 스위치(350)가 개방된 경우, 프로세서(340)는 스탠바이 모드(420)로 동작하며, 제1 전류 센서(310)로부터 감지된 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기에 따라 인버터 시스템(300)을 독립형 전원 모드(430) 또는 계통연계형 전원 모드(441, 442) 중 하나로 제어할 수 있다. 스탠바이 모드(420)는 인버터 시스템(300)이 새롭게 턴 온 되거나 릴레이 스위치(350)의 개방과 같이 강제종료 신호가 인버터 시스템(300)으로 전달되면 인버터 시스템(300)이 진입하게 되는 모드를 나타낸다. 스탠바이 모드(420)에서, 프로세서(340)는 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기에 기반하여 인버터 시스템(300)을 독립형 전원 모드(430) 또는 계통연계형 전원 모드(441) 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 다시 판단할 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 일 실시 예에 따른 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 복전 보호 모드를 설명하는 회로도이다. 도 5a를 참조하면, UPS 모드로 동작하는 인버터 시스템의 회로도가 도시된다. 도 5a의 회로도에서는 설명의 편의를 위해 도 3의 회로도의 CDC_LINK 이전의 스테이지를 DC LINK 배터리로서 나타낸다. 또한, 도 5a 내에서 도 3의 풀 브릿지 회로는 D(t) 블록으로 표시된다. 또한, 도 3 내에 포함되는 전류 센서(310, 320), 전압 센서(330) 및 프로세서(340)와 같이 복전 보호 모드를 지원하는 블록들은 도 5a에서 생략되었으나 기능은 정상적으로 동작하는 것으로 가정한다.
도 5a를 참조하면, 교류 그리드 전원 VGRID가 계통탈락되어 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 회로도가 도시된다. 인버터 시스템은 릴레이 스위치(510)에 의해 부하 Rload에 연결되며, 교류 전압원으로서 부하 Rload에 전력을 제공한다. 가정용 차단기(520)는 과전류 또는 누전 상황 시에 개방(open)되기 때문에 정전 상황내서는 차단되지 않는다. 따라서, 인버터 시스템 내의 프로세서는 부하를 보호하기 위해 복전 보호 모드로 동작할 필요가 존재한다.
도 5b는 복전 보호 모드가 동작하지 않은 상황에서 인버터 시스템의 회로도를 나타낸다. 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 도중에 교류 그리드 전원 VGRID이 복전되면 인버터 시스템이 발생시키던 교류 전압과 교류 그리드 전원에서 전달되는 전압이 부하 Rload의 출력 전압 VO으로서 전달되며, 이에 따라 두 전압원 간의 충돌이 발생하게 된다. 따라서, 인버터 시스템 내에서 위와 같은 문제를 빠르게 처리하지 못하면, 인버터 시스템의 고장, 부하 고장 뿐만 아니고 화재와 같은 사고가 발생될 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 예에 따른 인버터 시스템은 새롭게 복전 보호 모드를 제공한다.
도 5c는 복전 상황에서 릴레이 스위치(510)가 개방됨으로써 D(t) 블록에서 전달되는 전압이 0 V가 되는 회로도를 나타낸다. 본 실시 예의 인버터 시스템의 프로세서는 인덕터 전류 IL의 크기 또는 교류 그리드 전압 VGRID의 기울기에 기반하여 복전 보호 모드를 수행할 수 있다. 예시적으로, 시간에 따른 교류 그리드 전압은 아래의 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.
Figure pat00001
예시적으로, 대한민국 내에서 교류 그리드 전압 VGRID의 진폭 A는 220 V를 나타낼 수 있다. 또한, 풀 브릿지 회로의 출력값 D(t)는 아래의 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
Figure pat00002
예시적으로, 인버터 시스템 내에서 듀티를 만들기 위해서 k는 0.8로 설정될 수 있다. 교류 그리드 전압 VGRID가 복구된 복전이 발생된 시간을 t0라고 하고, 복전 보호 모드가 실행된 시간이 Δt라고 가정하자. 이 경우에, 복전이 발생된 경우에 복전 보호 모드로서 릴레이 스위치가 개방되는 시간 동안의 부하로의 입력 평균 전압은 아래의 수학식 3과 같이 표시될 수 있다.
Figure pat00003
이 경우에, 인덕터를 따라 흐르는 전류 IL은 인덕터의 전압, 전류 관계식에 기반하여 아래의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00004
위와 같은 경우에, IL(t0)는 아래의 수학식 5와 같이 계산되고, 상기 수학식 5에서 B는 인버터 전압의 rms(root mean square)를 나타낸다.
Figure pat00005
결과적으로, 교류 그리드 전압 VGRID가 복구되는 복전 상황에서의 IL은 아래의 수학식 6과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00006
상기 수학식 6과 같이, 인덕터 전류 IL은 복전이 되는 시점의 인덕터 전류 IL(t0)와 교류 그리드 전압 VGRID의 위상각 θ 등과 같은 다양한 변수의 영향을 받을 수 있다. 인덕터 시스템의 프로세서는 복전 보호 모드를 수행하기 위해 소정치의 제2 임계치를 설정하고, 인덕터 전류 IL의 크기와 제2 임계치를 비교함으로써 복전 모드를 수행할 수 있다.
도 6은 도 5c의 인버터 시스템에 기반하여 복전 보호를 수행한 경우의 인덕터 전류 IL의 시뮬레이션 그래프를 나타낸다. 도 6은 도 5c의 회로도에서 VGRID가
Figure pat00007
이고, f는 60 Hz, θ는 180 degree, L가 24 mH, R은 32.267Ω으로 파라미터를 설정하고 시뮬레이션이 진행된 경우를 나타낸다. 예시적으로, 제2 임계치가 20 mA로 설정되어서 프로세서는 복전 보호 모드를 수행한다. 이 경우에, 복전이 발생된 t0 시점으로부터 릴레이 스위치가 개방된 시점(t0 + Δt)까지는 1 ms가 소요됨으로써 인덕터 시스템과 부하의 고장을 방지할 수 있다.
도 7a는 도 5c의 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템에서 출력 전압 V0의 기울기 변화에 따라 복전 보호 모드를 수행하는 인버터 시스템의 회로도이다. 도 7a을 참조하면, op-amp에 기반하여 교류 그리드 전압 VGRID의 기울기 변화를 감지하는 인버터 시스템이 도시된다. 인버터 시스템은 교류 그리드 전압 VGRID이 복전된 상황에서 인버터 시스템 및 부하의 고장을 방지하기 위해서 교류 그리드 전압 VGRID의 기울기 변화를 감지할 수 있다. 예시적으로, 인버터 시스템 내의 프로세서는 제3 임계치 이상의 교류 그리드 전압 VGRID의 기울기 변화가 감지된 경우에 릴레이 스위치(710)를 개방시킬 수 있다. 구체적으로, 프로세서는 전압 센서로부터 출력 전압 V0의 크기를 주기적으로 전달 받는다. 프로세서는 센싱된 아날로그 데이터(=출력 전압 V0의 크기)를 소정 레벨로 양자화(quantization)하고, 출력 전압 V0의 레벨을 저장할 수 있다. 프로세서는 미리 설정된 주기에 따라 반복적으로 전압 센서로부터 출력 전압 V0의 크기를 전달 받는다. 프로세서는 이전의 출력 전압 레벨과 현재의 출력 전압 레벨과 측정 주기에 따라 교류 그리드 전압 VGRID의 기울기 변화를 감지할 수 있다.
도 7b는 도 7a의 인버터 시스템에 기반하여 복전 보호를 수행한 경우의 출력 전압 V0의 시뮬레이션 그래프를 나타낸다. 도 7b는 도 7a에서 출력 전압 V0의 측정 주기가 800 ns로 설정된 경우가 설명된다. 정상적으로 동작하는 경우에는 출력 전압 V0의 기울기는 진폭 범위 내에서 존재할 것이다. 그러나, 복전 모드가 되는 경우에는 제3 임계치 이상의 전압 변동을 동반하기 때문에 프로세서는 복전 상황을 감지할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 다른 일 실시 예에 따라 복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법이 제공된다. 구체적으로, 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법은 인버터 시스템이 턴 온 되면, 프로세서가 상기 인버터 시스템의 동작 모드를 스탠바이 모드로 설정하는 단계, 교류 그리드 전원으로부터 제1 출력 노드로 흐르는 그리드 전류의 적어도 일부를 나타내는 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 독립형 전원 모드 또는 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 판단하는 단계, 상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 도중에, 상기 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기가 제1 임계치 이하가 되면, 상기 프로세서가 계통탈락을 판단하는 단계 및 상기 계통탈락이 발생한 경우, 상기 프로세서가 상기 인버터 시스템이 교류 전압원으로서 동작하는 UPS 모드로 상기 인버터 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법은 상기 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 경우에, 상기 프로세서는 상기 인덕터 시스템에 포함되는 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 또는 상기 제2 출력 노드와 제3 출력 노드 양 단의 출력 전압의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지함으로써 상기 인버터 시스템에 포함되는 릴레이 스위치를 개방시키는 복전 보호 모드로 동작하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 릴레이 스위치는 상기 인버터 시스템에 포함되는 풀 브릿지 회로의 제1 MOSFET의 소스 노드와 제2 MOSFET의 드레인 노드를 연결하는 제1 노드와 상기 제3 출력 노드 사이에 배치될 수 있다.
상기 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법은 상기 인버터 시스템의 전원이 턴 온 되거나 상기 릴레이 스위치가 개방되면, 상기 프로세서가 상기 그리드 감지 전류 IGRID_DETECTED의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 상기 독립형 전원 모드 또는 상기 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 다시 판단하는 상기 스탠바이 모드로 되돌아가는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변혼 및 변경이 가능하다.

Claims (8)

  1. 복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템에 있어서,
    교류 그리드 전원으로부터 제1 출력 노드로 흐르는 그리드 전류의 적어도 일부를 감지하는 제1 전류 센서;
    일 단부가 제2 출력 노드로 연결되는 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류를 감지하는 제2 전류 센서;
    상기 제2 출력 노드와 제3 출력 노드 양 단의 출력 전압을 감지하는 전압 센서; 및
    상기 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류, 상기 인덕터 전류 및 출력 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 인버터 시스템의 동작 모드를 결정하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 도중에, 상기 제1 전류 센서에 의해 감지된 그리드 감지 전류의 크기가 제1 임계치 이하가 되면 상기 프로세서는 계통탈락을 판단하고, 상기 인버터 시스템이 교류 전압원으로서 동작하는 UPS 모드로 상기 인버터 시스템을 제어하고,
    상기 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 경우에, 상기 프로세서는 복전 보호 모드로 동작하며 상기 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 상기 인덕터 전류의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 또는 교류 그리드 전압의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지함으로써 상기 인버터 시스템에 포함되는 릴레이 스위치를 개방시키는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 경우에, 상기 프로세서는 복전 보호 모드로 동작하며 상기 인덕터로부터 상기 제2 출력 노드로 흐르는 상기 인덕터 전류의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 또는 교류 그리드 전압의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지함으로써 상기 인버터 시스템에 포함되는 릴레이 스위치를 개방시키는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 릴레이 스위치는,
    상기 인버터 시스템에 포함되는 풀 브릿지 회로의 제1 MOSFET의 소스 노드와 제2 MOSFET의 드레인 노드를 연결하는 제1 노드와 상기 제3 출력 노드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 릴레이 스위치가 개방된 경우에, 상기 프로세서는 스탠바이 모드로 동작하며 상기 제1 전류 센서로부터 감지된 상기 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 독립형 전원 모드 또는 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터 시스템의 전원이 턴 온 되거나 상기 릴레이 스위치가 개방되면, 상기 프로세서는 상기 스탠바이 모드로 되돌아감으로써 상기 제1 전류 센서로부터 감지된 상기 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 상기 독립형 전원 모드 또는 상기 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 다시 판단하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템.
  6. 복전 보호 모드를 지원하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법에 있어서,
    상기 인버터 시스템이 턴 온 되면, 프로세서가 상기 인버터 시스템의 동작 모드를 스탠바이 모드로 설정하는 단계;
    교류 그리드 전원으로부터 제1 출력 노드로 흐르는 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템의 동작 모드를 결정하는 단계;
    상기 인버터 시스템이 계통연계형 전원 모드로 동작하는 도중에, 상기 그리드 감지 전류의 크기가 제1 임계치 이하가 되면, 상기 프로세서가 계통탈락을 판단하는 단계;
    상기 계통탈락이 발생한 경우, 상기 프로세서가 상기 인버터 시스템이 교류 전압원으로서 동작하는 UPS 모드로 상기 인버터 시스템을 제어하는 단계; 및
    상기 인버터 시스템이 UPS 모드로 동작하는 경우에, 상기 프로세서는 상기 인버터 시스템에 포함되는 인덕터로부터 제2 출력 노드로 흐르는 인덕터 전류의 크기가 제2 임계치를 초과하거나 또는 상기 제2 출력 노드와 제3 출력 노드 양 단의 출력 전압의 기울기가 제3 임계치를 초과하는 경우에 복전을 감지함으로써 상기 인버터 시스템에 포함되는 릴레이 스위치를 개방시키는 복전 보호 모드로 동작하는 단계
    를 포함하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 릴레이 스위치는,
    상기 인버터 시스템에 포함되는 풀 브릿지 회로의 제1 MOSFET의 소스 노드와 제2 MOSFET의 드레인 노드를 연결하는 제1 노드와 상기 제3 출력 노드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 시스템의 전원이 턴 온 되거나 상기 릴레이 스위치가 개방되면, 상기 프로세서가 상기 그리드 감지 전류의 크기에 따라 상기 인버터 시스템을 독립형 전원 모드 또는 계통연계형 전원 모드 중 하나로 제어할 지 여부에 대해 다시 판단하는 상기 스탠바이 모드로 되돌아가는 단계
    를 더 포함하는 독립 및 계통연계 호환형 인버터 시스템의 운용 방법.
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