KR20220012008A - 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치 및 방법 - Google Patents

다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치 및 방법 Download PDF

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KR20220012008A
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이우종
이일용
전원식
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한국전력공사
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Abstract

저출력 구간 및 고출력 구간에서도 상대적으로 전력 변환 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치가 개시된다. 상기 전력 변환 장치는, 전원, 상기 전원에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하며, 개별적으로 제어되는 다중 스택으로 이루어지는 인버팅부, 및 상기 교류 전력을 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치 및 방법{Power conversion apparatus using multiple stack topology and Method thereof}
본 발명은 전력 변환 기술에 대한 것으로서, 더 상세하게는 4개의 스택으로 분할하여 각 스택을 개별 제어하는 전력 변환 장치 및 방법에 관한 것이다.
기존의 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 전력 변환 장치(PCS: Power Conversion System)는 1개의 전력변환 스택으로 이루어져 있으며, 최근 고효율과 유지보수, 작업 용이성 등을 위하여 다양한 개수의 스택으로 구성된 병렬형 다중스택 구조의 전력 변환 장치(PCS)를 현장에서 많이 사용하고 있다.
이러한 전력 변환 장치(PCS)의 효율에서 가장 영향을 많이 미치는 요인은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) on/off시 발생하는 데드타임(deadtime)에 의한 스위칭 손실(switching loss)과 전력 변환 장치 내부의 수동소자에서의 전도 손실(conduction loss) 두 가지로 정의할 수 있다.
전 구간에 대해서 switching loss와 conduction loss가 발생하지만, 상대적으로 저출력 구간에서는 switching loss의 비중이 크고, 고출력 구간에서는 흐르는 전류가 커짐에 따라서 conduction loss가 비중을 많이 차지하고 있다.
단일 전력 변환 장치(PCS) 구조에서 효율 곡선을 보면, 변환효율이 가장 좋은 구간은 중간 출력 구간인 약 30∼60%에서 가장 양호하다. 즉, 저출력 구간 및 고출력 구간에서는 상대적으로 전력 변환 장치의 효율이 감소하는 문제가 발생한다.
1. 한국등록특허번호 제10-1595802호(등록일자: 2016.02.15)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 저출력 구간 및 고출력 구간에서도 상대적으로 전력 변환 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 저출력 구간 및 고출력 구간에서도 상대적으로 전력 변환 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치를 제공한다.
상기 전력 변환 장치는,
전원;
상기 전원에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하며, 개별적으로 제어되는 다중 스택으로 이루어지는 인버팅부; 및
상기 교류 전력을 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중 스택은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중 스택은 슬레이브 보드상에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 변환 장치는, 상기 다중 스택에 온오프 신호를 위한 동작 신호(on/off control)를 전달하는 마스터 보드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중 스택은 4개의 스택으로 이루어지며, 4개의 상기 스택은 정격 출력(kW) 및 변환효율(%)에 따라 개별적으로 온오프되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정격 출력(kW) 100kW 기준으로, 상기 출력(kW)이 0∼15kW이고 상기 변환효율(%)이 0∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택만이 on이고, 상기 출력(kW)이 15∼30kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택 및 제 2 스택만이 on이고, 상기 출력(kW)이 30∼45kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택 내지 제 3 스택이 on 이고, 상기 출력(kW)이 45∼100kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼100%이면, 4개의 상기 스택이 모두 on인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 변환 장치는, 상기 변환된 교류 전력에서 노이즈를 제거하여 정현파 교류 전력으로 변환하는 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 개별적으로 제어되는 다중 스택으로 이루어지는 인버팅부가 전원으로부터 직류 전력을 공급받는 단계; (b) 상기 인버팅부가 상기 다중 스택을 통해 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계; 및 (c) 출력부(140)가 상기 교류 전력을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법을 제공한다.
이때, 상기 (b) 단계는, 마스터 보드가 상기 다중 스택에 온오프 신호를 위한 동작 신호(on/off control)를 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 필터부가 상기 변환된 교류 전력에서 노이즈를 제거하여 정현파 교류 전력으로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저출력 구간 및 고출력 구간에서도 상대적으로 전력 변환 장치의 효율이 향상된다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 병렬형 다중 스택에서 각각의 스택 동작의 운전범위를 분할하여 최대 변환 효율 구간에서 동작시킴으로써 전력변환장치 전체의 동작 효율이 향상될 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 변환 장치의 동작 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 스택간 온/오프 동작 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택을 구동하는 과정을 보여주는 순서도이다.
도 5는 도 3에 도시된 각 스택별 온/오프 동작에 따른 출력 전력의 실험 결과 그래프도이다.
도 6은 일반적인 방식과 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택 방식의 효율을 비교하는 비교표이다.
도 7은 일반적인 방식과 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 출력을 비교하는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 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 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 전력 변환 장치(100)는, 전원(110), 전원(110)에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버팅부(120), 변환된 교류 전력에서 노이즈를 제거하여 정현파 교류 전력으로 변환하는 필터부(130), 정현파 교류 전력을 출력하는 출력부(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
전원(110)은 태양광, 배터리 등이 될 수 있다. 따라서, 인버팅부(120)의 입력측은 DC-Link가 동시에 연결된 상태로, 하나의 스택에서 담당하던 모든 전력을 각각의 스택에서 분담하여 정현파 교류 전력을 출력한다.
이를 위해, 인버팅부(120)는 제 1 내지 제 4 스택(120-1 내지 120-4)이 구성된다. 제 1 내지 제 4 스택(120-1 내지 120-4)은 병렬로 연결된다.
제 1 내지 제 4 스택(120-1 내지 120-4)은 각각 인버터 기능을 하며, 상별로 2개의 스위칭 소자(121)가 구성된다. PWM(Pulse Width Modulation) 인버터가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니고 일부 구성요소를 수정하는 방식으로 전류형 인버터의 적용도 가능하다. PWM 인버터의 경우 정류된 직류 전압을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 이용하여 전압과 주파수를 동시에 제어한다. 스위칭 소자(121)는 전력용 파워 스위칭 소자로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor)가 주로 사용되나, FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET) 등도 사용될 수 있다.
필터부(130)는 인버팅부(120)로부터 변환된 교류 전력에서 노이즈를 제거하여 정현파 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 필터 소자(131)가 구성될 수 있다. 물론, 필터 소자는 인덕터와 커패시터로 구성될 수 있다.
출력부(140)는 필터부(130)에 의해 생성된 정현파 교류 전력(141)을 출력한다. 정현파 교류 전력(141)은 같은 상의 출력과 연결된다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 변환 장치(100)의 동작 개념도이다. 도 2를 참조하면, 분할된 제 1 내지 제 4 스택(120-1 내지 120-4)은 각각 개별 제어하는 방식이 적용된다. 따라서, 불필요한 영역에서의 동작을 방지한다.
도 2를 참조하면, 마스터 보드(210)에서 각 스택(120-1 내지 120-4)의 온/오프를 위한 동작 신호(on/off control)를 제 1 내지 제 4 슬레이브 보드(220-1 내지 220-4)측으로 전송한다. 부연하면, 제 4 스택(120-1 내지 120-4)은 보드 방식으로 구성되며, 제 1 스택(120-1)은 제 1 슬레이브 보드(220-1)상에 설치 구성된다.
이러한 동작 신호를 생성하기 위해, 마스터 보드(210)에는 마이크로프로세서, 전자 회로 소자 등이 구성될 수 있다.
병렬형 다중 스택을 최대 변환 효율에서 동작시키기 위해서는 2가지 기법이 사용될 수 있다.
첫째, 4개의 스택으로 분할하여 각각의 스택을 개별 제어하는 방식을 적용할 수 있다. 분할된 스택을 개별제어 하지 않고 기존 방식대로 일괄 제어한다면, 기존의 효율 곡선에서 크게 벗어나지 않는 동작 수행을 하게 될 것이다.
둘째, 분할한 스택의 개별 제어에 따라 각 스택의 운전 영역을 설정하여 PWM on/off 동작을 통해 구간별 스택 동작을 수행한다. 전력 변환 장치의 최대 변환 효율은 30∼60%이기에, 각각의 스택이 해당 영역에서 동작하도록 도 3과 같이 제어를 수행하여야 한다.
도 3은 도 1에 도시된 스택간 온/오프 동작 개념도이다. 도 3을 참조하면, 각 스택의 on/off 구동 신호의 시퀀스는 각각의 스택의 출력이 정격의 60%에 도달시 다음 스택을 구동시키는 방식으로 운영된다. 정격 출력의 센싱은 전류 센서, 전압 센서 등의 측정 다바이스를 출력부(140)에 설치하여 이루어질 수 있다.
이러한 정격출력 대비 병렬형 다중 스택의 on/off 동작은 표 1과 같이 정리할 수 있다.
병렬형 다중 스택 PWM on/off 동작 여부
정격출력(kW) 변환효율(%) #1 #2 #3 #4
1 0∼15kW 0∼60% on × × ×
2 15∼30kW 30∼60% on on × ×
3 30∼45kW 30∼60% on on on ×
4 45∼100kW 30∼100% on on on on
여기서, #1 내지 #4는 제 1 스택(120-1) 내지 제 4 스택(120-4)을 나타내며, x는 off를 나타낸다. 따라서, 일부 영역에서는 분할된 스택 모두 동작하는 것이 아닌 일부만 동작 가능하도록 제어를 수행하는 것이다.
물론, 분할하는 스택의 수는 전력 변환 장치의 구조 및/또는 운전되는 상황에 맞게 분할이 가능하다. 본 발명의 일실시예에서 제시하는 방식인 스택의 운전영역을 30∼60% 구간 내에서 PWM on/off 동작으로 설정한다면 분할되는 스택은 개수는 4개로 정해질 필요는 없다. 4개보다 적을 수 있다. 물론, 이와 반대로 스택의 개수를 증가시키는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택을 구동하는 과정을 보여주는 순서도이다. 도 4를 참조하면, 전원(110)으로부터 직류 전류가 입력되면, 마스터 보드(210)에서 동작 신호를 생성한다(단계 S310,S320).
슬레이브 보드(220-1 내지 220-4)는 이 동작 신호를 받아 동작을 진행한다(단계 S330).
해당 스택의 출력이 정격 60%에 도달하면 다음 스택이 구동된다(단계 S340,350).
도 5는 도 3에 도시된 각 스택별 온/오프 동작에 따른 출력 전력의 실험 결과 그래프도이다. 도 5를 참조하면, 전력 변환 장치의 손실을 고려한 최대 변환 효율구간에서의 동작 알고리즘을 검증하고자 IGBT의 실제 모델을 적용하여 동작 및/또는 손실을 확인하였다. 부연하면, 출력전력(510)이 0에서부터 약 100kW까지 발전함을 보여준다. 각 발전량에 따라 스택 #1∼#4 enable 신호(521,522,523,524)에 따라 0 : off, 1 : on 동작을 수행하며 이는 PWM on/off를 의미한다.
도 6은 일반적인 방식과 본 발명의 일실시예에 따른 다중 스택 방식의 효율을 비교하는 비교표이다. 즉, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 다중 스택 방식과 스택 1개로 동작하는 종래의 중앙 방식을 구간별 손실량 및 효율에 대해 분석한 결과이다. 저출력 구간 기준인 20% 이내에서 병렬형 다중스택 PCS의 효율은 종래의 방식과 비교하여 2.8% 향상되었고, 20% 발전 시 전류 THD는 6.5% 향상됨을 확인하였고, PCS의 전 영역에서는 유효효율 기준 1.6%향상, 정격운전 시 전류 THD는 0.9% 향상됨을 확인할 수 있다.
도 7은 일반적인 방식과 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 출력을 비교하는 그래프이다. 즉, 도 7은 도 6에 도시된 표를 기반으로 효율 곡선을 표시한 것이다. 저출력 구간(<20%)에서 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 다중 스택 방식(720)이 스택 1개로 동작하는 종래의 중앙 방식(710) 보다 효율이 높은 것을 알 수 있다.
100: 전력 변환 장치
110: 전원
120: 인버팅부
120-1 내지 120-4: 제 1 내지 제 4 스택
130: 필터부
140: 출력부
210: 마스터 보드
220-1 내지 220-4: 제 1 내지 제 4 슬레이브 보드

Claims (14)

  1. 전원(110);
    상기 전원(110)에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하며, 개별적으로 제어되는 다중 스택(120-1 내지 120-4)으로 이루어지는 인버팅부(120); 및
    상기 교류 전력을 출력하는 출력부(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)은 슬레이브 보드 (220-1 내지 220-4)상에 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)에 온오프 신호를 위한 동작 신호(on/off control)를 전달하는 마스터 보드(210);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)은 4개의 스택으로 이루어지며, 4개의 상기 스택은 정격 출력(kW) 및 변환효율(%)에 따라 개별적으로 온오프되는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 정격 출력(kW) 100kW 기준으로, 상기 출력(kW)이 0∼15kW이고 상기 변환효율(%)이 0∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택(120-1)만이 on이고, 상기 출력(kW)이 15∼30kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택(120-1) 및 제 2 스택(120-2)만이 on이고, 상기 출력(kW)이 30∼45kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택(120-1) 내지 제 3 스택(120-3)이 on 이고, 상기 출력(kW)이 45∼100kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼100%이면, 4개의 상기 스택(120-1 내지 120-4)이 모두 on인 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환된 교류 전력에서 노이즈를 제거하여 정현파 교류 전력으로 변환하는 필터부(130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 장치.
  8. (a) 개별적으로 제어되는 다중 스택(120-1 내지 120-4)으로 이루어지는 인버팅부(120)가 전원(110)으로부터 직류 전력을 공급받는 단계;
    (b) 상기 인버팅부(120)가 상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)을 통해 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계; 및
    (c) 출력부(140)가 상기 교류 전력을 출력하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)은 슬레이브 보드 (220-1 내지 220-4)상에 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 마스터 보드(210)가 상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)에 온오프 신호를 위한 동작 신호(on/off control)를 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 다중 스택(120-1 내지 120-4)은 4개의 스택으로 이루어지며, 4개의 상기 스택은 정격 출력(kW) 및 변환효율(%)에 따라 개별적으로 온오프되는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 정격 출력(kW) 100kW 기준으로, 상기 출력(kW)이 0∼15kW이고 상기 변환효율(%)이 0∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택(120-1)만이 on이고, 상기 출력(kW)이 15∼30kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택(120-1) 및 제 2 스택(120-2)만이 on이고, 상기 출력(kW)이 30∼45kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼60%이면, 4개의 상기 스택 중 제 1 스택(120-1) 내지 제 3 스택(120-3)이 on 이고, 상기 출력(kW)이 45∼100kW이고 상기 변환효율(%)이 30∼100%이면, 4개의 상기 스택(120-1 내지 120-4)이 모두 on인 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 필터부(130)가 상기 변환된 교류 전력에서 노이즈를 제거하여 정현파 교류 전력으로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 스택 토폴로지를 이용한 전력 변환 방법.
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