KR20240004647A - 저전압 배전 네트워크에서 사용되기 위한 파워 흐름 제어 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 네트워크(12) 또는 네트워크 세그멘트(10)에서 사용되고 네트워크(12) 또는 네트워크 세그멘트(10)의 라인(20) 내의 전압 및/또는 전류를 조절하기 위한 파워 흐름 제어 모듈에 관한 것이다. 파워 흐름 제어 모듈(30)은 네트워크(12)의 라인(20)으로의 연결을 위한 두 개의 모듈 연결부(60, 62), 다수의 스위칭 소자(64), 에너지 저장 유닛(68) 및 에너지 소스(92)로의 연결을 위한 두 개의 에너지 연결부(70)를 포함한다. 제 1 모듈 연결부(60) 및 제 2 모듈 연결부(62)는 파워 흐름 제어 모듈(30)을 라인(20)과 직렬로 전기적으로 연결하도록 설계된다. 스위칭 소자(64) 중 두 개는 직렬로 연결되고, 에너지 저장 유닛(68)과 병렬로 연결된다. 파워 흐름 제어 모듈(30)은, 네트워크(12)의 라인(20)의 포텐셜에 있게 되고 접지 포텐셜 또는 상기 네트워크(12)의 다른 라인으로부터 갈바닉하게 고립되도록 상호연결된다. 스위칭 소자(64)는 라인(20) 내의 전압의 진폭을 증가 또는 감소시켜서, 이로써 상기 전압을 조절하거나, 라인(20) 내의 전류 흐름을 제어하도록 설계된다. 또한, 본 발명은 직렬 연결된 라인(20) 및 파워 흐름 제어 모듈(30)을 가지는 네트워크(12)의 네트워크 세그멘트(10)에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 전기 에너지 네트워크, 특히 하나 이상의 상을 가진 AC 전압 네트워크에서 사용되기 위한 것이고, 전기 에너지 네트워크의 라인의 전압 및/또는 전류를 조절하기 위한 것이며, 전기 에너지 네트워크의 라인으로의 연결을 위한 적어도 두 개의 모듈 연결부 및 에너지 소스로의 연결을 위한 적어도 두 개의 에너지 연결부를 포함하는, 파워 흐름 제어 모듈에 관한 것이다. 파워 흐름 제어 모듈은 특히 저전압 네트워크, 예를 들어 배전 네트워크, 중전압 네트워크, 예를 들어 배전 네트워크, 및 고전압 네트워크, 예를 들어 송전 네트워크에서 사용될 수 있다. 본 발명은, 예를 들어 저전압 배전 네트워크 또는 중전압 배전 네트워크와 같은 메시형 네트워크 내의 작은 전압 레벨의 경우에 특히 장점을 제공한다.
특히 중전압 및 저전압 네트워크를 포함하는 전기 에너지 네트워크의 용량 활용은 최근 몇 년 사이에 꾸준하게 증가하여 왔고, 계속 변하고 있다. 이것은, 일면으로는, 예를 들어 태양광 설치물에 의한 분산형 파워 생성 및 탈중앙화된 파워 인피드(infeed)에 기인하고, 다른 면으로는 전기차용 충전 스테이션이 점점 많이 사용되는 것에 기인한다. 따라서, 주거 지역 또는 산업 지역 내의 배전 네트워크 스테이션의 개별적인 출력에 과부하가 걸리게 될 수 있다. 더 큰 단면적을 가진 새로운 라인을 설치하는 것 및 연관된 토목 공사를 피하기 위해서, 전압 제어는, 예를 들어 제어가능한 배전 네트워크 변환을 통해서 수행될 수 있다. 그러나, 이들은 출력에서의 부하 흐름에 대해 매우 제한된 효과만을 가질 수 있다.
EP 3 413 422는, 예를 들어 두 개의 별개의 버스바에 각각의 저전압 권선과 별개로 급전하기 위해서 삼선(three-winding) 변압기를 가진 배전 네트워크 스테이션을 제안한다. 이것은 개별적인 버스바 내의 파워 흐름에 대해 반응할 수 있게 한다.
대안적으로, 종래 기술은 제어가능한 변압기를 사용하는 것도 역시 개시한다. 그러나, 이들은 저전압 네트워크의 버스바 내의 전압 및 저전압 네트워크의 인피드에서의 전류를 측정하기 위해서 중대한 수정과 추가적인 측정 유닛을 요구한다. 하지만, 제어가능한 변압기는 개별적인 서플라이 페이즈들을 선택적으로 제어할 수 없다.
저전압 배전 네트워크는 높은 레벨의 공급 신뢰도를 보장하기 위해서 흔히 메시형 구조로 설계된다. 특히, 이러한 방식으로 메시구조를 가지는 저전압 네트워크의 경우에, 개별적인 피더를 통과하는 전류 흐름은 제어될 수 없는 반면에, 부하에 따라서 수동식으로 일어난다. 네트워크의 출력의 전압 레벨을 변경하기 위하여, 다시 말해서 전압 진폭을 크게 하거나 낮추기 위해서 메시 전류 제어기를 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 작업을 위한 에너지는 일반적으로 네트워크 자체로부터 인출된다. 어떤 네트워크 세그멘트 내에서 전압이 변경되면, 부하는 다양한 서플라이 라인들 사이에 분산될 수 있다. 예를 들어, 전압이 메시 전류 제어기에 의해서 상승되면, 잠재적으로 다른 네트워크 노드로부터의 더 적은 전류가 이러한 세그멘트 내로 흘러가고, 메인 부하는 메시 전류 제어기의 출력에 의해서 서비스된다. 더 낮춰지면, 메인 부하는 다른 연결부로 천이된다. 따라서 메시 전류 제어기는 메시 내의 부하를 능동적으로 천이시키기 위한 증명된 수단인 것이 밝혀진다. 이것은, 메시 전류 제어기가 하나 이상의 상과 직렬인 전압원을 구성함으로써, 다양한 부하에 기인하여 개별적인 메시 내에서 제어될 수 없는 전류 흐름이, 부하에 따라서 수동적으로 생기는 개별적인 피더를 통해서 제어될 수 있게 된다는 점에서 달성된다.
그러나, 종래 기술로부터 알려져 있는 메시 전류 제어기는 도체 및 접지 포텐셜 사이에 전압을 제공하기 위하여 그리고 전압 진폭을 변경하기 위하여, 직렬 입력 커플링을 위한 적어도 하나의 파워 변압기를 요구한다. 이러한 변압기는 매우 크고 무거우며 비싸다. 이들은 큰 설치 공간을 요구하는데, 이것은 이들이 미국에서 일반화된 보통의 스위치 캐비넷 내에 또는 배전 네트워크 파일론(pylon) 상에 더 이상 수용될 수 없다는 것을 의미한다. 메시 전류 제어기는 제어기의 급전을 위해서 추가적인 변압기를 더 요구한다.
이것에 추가하여, 비록 변압기가 낮은 주파수에 양호하게 맞춤되지만, 더 높은 주파수 성분이 원치 않는 손실을 초래한다는 것이 밝혀진바 있다. 그러나, 네트워크 품질을 개선하기 위해서, 더 높은 주파수를 공급하거나 인출하면, 예를 들어 고조파와 같이 네트워크내의 원치 않는 왜곡을 보상하는 것이 가능해질 것이다. 하지만, 공지된 메시 제어기는 이러한 태스크를 위해서 사용될 수 없다. 추가적으로, 이들은 상대적으로 비탄력적이고, 기본 파에만 영향을 줄 수 있다. 흔히, 전압도 고정식으로 처방된 증분으로만 변할 수 있다.
메시화(meshing)가 높은 레벨의 공급 신뢰성을 보장하기 위해서 고도로 바람직하지만, 메시 내의 전류 흐름은 다양한 부하로 제어될 수 없고, 오히려 부하에 따라서 수동식으로 일어난다. 그러나, 공지된 메시 전류 제어기는, 현존하는 배전 캐비넷에 대해서 적합하지 않고 네트워크 내의 각각의 스위칭 척도 이후에 새로운 파라미터화를 요구하는 경직된 솔루션만을 제공하는 대형 변압기를 가진 전기기계 제어기의 치수를 가진다. 그러므로, 메시형 네트워크에서의 네트워크 품질을 개선하고 메시형 배전 네트워크 내의 부하 분포를 조절하기 위해서 사용될 수 있는, 구조적으로 더 작고 비용-효과적인 솔루션에 대한 필요성이 존재한다.
이러한 목적은, 전기 AC 에너지 네트워크, 예를 들어 저전압 배전 네트워크에서 사용되기 위한 것이고 제 1 항의 특징을 가지는 파워 흐름 제어 모듈에 의하여, 그리고 제 19 항의 특징을 가지는, 라인을 가진 전기 네트워크의 네트워크 세그멘트에 의해서 달성된다.
제 1 양태에서, 본 발명은 전기 네트워크(AC 에너지 네트워크, 예를 들어 저전압 배전 네트워크)에서 사용되기 위한 것이고, 네트워크(예를 들어 저전압 배전 네트워크)의 라인 내의 전압 및/또는 전류를 제어하기 위한 것이며, 네트워크(예를 들어 저전압 배전 네트워크)의 라인으로의 연결을 위한 두 개의 모듈 연결부, 다수의 스위칭 소자, 에너지 저장 유닛 및 에너지 소스로의 연결을 위한 두 개의 에너지 연결부를 포함하는 파워 흐름 제어 모듈에 관한 것이다. 제 1 모듈 연결부 및 제 2 모듈 연결부는 파워 흐름 제어 모듈을 라인과 직렬로 전기적으로 연결함으로써, 파워 흐름 제어 모듈이 라인과 직렬로 전기적으로 연결되게 하도록 설계된다. 스위칭 소자 중 두 개는 서로 직렬로 연결되고, 이와 동시에 에너지 저장 유닛과 병렬로 연결된다. 파워 흐름 제어 모듈은, 이것이 네트워크의 라인의 포텐셜에 있고 접지 포텐셜 또는 네트워크, 예를 들어 저전압 배전 네트워크의 다른 라인으로부터 갈바닉하게 고립되도록 연결된다. 다르게 말하면, 파워 흐름 제어 모듈은 자신이 직렬로 연결되는 라인과 같은 포텐셜에 있다. 따라서, 파워 흐름 제어 모듈은 자신이 상호연결되는 라인 내의 전압을 가지고 플로팅된다. 파워 흐름 제어 모듈의 전기 포텐셜은, 예를 들어 50 Hz 및 약 325 V 피크 전압인 유럽 저전압 네트워크 내의 접지 포텐셜에 상대적이다.
에너지 저장 유닛은 바람직하게는 커패시터, 예를 들어 전해 커패시터, 바람직하게는 저렴한 박막 커패시터, 또는 세라믹 커패시터이다. 세라믹 커패시터는 높은 에너지 밀도 및 낮은 내부 저항을 가지기 때문에 특히 바람직하다. 바람직하게는, 에너지 저장 유닛으로서 사용되는 커패시터는 적어도 100 pF, 바람직하게는 적어도 1 mF, 특히 바람직하게는 적어도 5 mF의 커패시턴스를 가진다.
파워 흐름 제어 모듈의 스위칭 소자는 라인 내의 전압의 진폭을 증가 또는 감소시키거나, 전압의 위상을 천이시키거나, 또는 특정 주파수, 위상 및 진폭을 가진 고조파를 피드인(feed in)하도록 설계된다. 결과적으로, 상응하도록 라인 내의 전압이 조절되거나, 라인 내의 전류 흐름이 제어된다.
파워 흐름 제어 모듈은 소망되는 전압차를 직렬로 라인 내로 공급하기 위해서 스위칭 소자만을 사용한다는 장점을 가진다. 직렬 인피드 및 파워 흐름 제어 모듈을 위한 스위칭 소자가 네트워크 전압으로 플로팅되는 방식으로 제공되고, 따라서 접지 레퍼런스를 가지지 않으며 3-도체 시스템 내의 다른 라인 또는 다른 상에 연결되지 않으므로, 이들은 매우 낮은 전압만을 필요로 한다. 그러나, 스위칭 소자는 높은 전류를 다뤄야 하는데, 하지만 이러한 것은 저전압과 동시에 문제가 되지 않는다.
본 발명의 콘텍스트 내에서, 파워 흐름 제어 모듈을 네트워크 전압으로 플로팅되는 방식으로 상호연결하는 것이 고도로 유리하다는 것이 인식되었다. 모듈들은 그들의 상(라인)을 가지고 이동하고, 제 1 모듈 연결부 및 제 2 모듈 연결부 사이의 작은 전압차만을 구축한다. 파워 흐름 제어 모듈은 삼상 세 개의-도체 시스템의 각각의 라인 또는 각각의 도체에 대해서 사용되고, 다시 말해서 이러한 라인과 직렬로 전기적으로 연결된다. 파워 흐름 제어 모듈은 접지 레퍼런스를 가지지 않고, 서로 고립되어 있다. 당업자에 의해 갈바닉 격리라고도 불리는 접지 레퍼런스의 이러한 부족은, 본 발명의 의미 내에서는 접지 또는 파워 흐름 제어 모듈 외부의 다른 뚜렷한 전기 포텐셜에 대한 갈바닉 격리일 수도 있다. 이러한 고저항 레퍼런스는 이러한 경우에 적어도 250 kΩ, 바람직하게는 적어도 1 MΩ, 및 특히 바람직하게는 적어도 10 MΩ이어야 한다. 따라서, 파워 흐름 제어 모듈로부터 접지 또는 대응하는 파워 흐름 제어 모듈 외부의 그 전기 레퍼런스 포인트로의 임의의 전류는 무시할만큼 작게 되고, 큰 손실을 초래하지 않는다. 가끔 "누설 저항"이라고도 불리는 이러한 저항은 이산 저항 컴포넌트에 의해서 형성될 수 있고, 또한 센서, 예를 들어 절연 모니터링 센서에 의해서 형성될 수도 있다. 이와 유사하게, (거의) 완전한 격리가 사용될 수 있는데, 이것은 보통 표면(오염된(soiled) 표면)을 따라서 또는 아이솔레이터 및 기가옴 저항을 통해서만 누설 전류를 취한다(see 또한 산업적 표준 IEC 60664, 예를 들어).
파워 흐름 제어 모듈이 제 1 모듈 연결부 및 제 2 모듈 연결부 사이에서 상대적으로만 동작하고 접지 레퍼런스를 가지지 않기 때문에, 이것은 총 전압 진폭을 경험하지 않으며, 오히려 설정될 최대 전압차만을 경험한다. 플로팅 모듈로서의 상호연결에 기인하여, 스위칭 소자는 여전히 수 백 암페어의 전류를 매우 작은 공간 내에서 통전시킬 수 있는 저전압 반도체 컴포넌트일 수 있다. 높은 전류(100 A보다 높음) 및 접지 포텐셜에 대한 요구된 정격 전압(예를 들어, 배전 네트워크의 경우 220 V보다 높음)을 제공하는 높은 파워(수 100 kVA)를 위한 대형 파워 변압기는 완전히 제거된다.
파워 흐름 제어 모듈의 하나의 바람직한 실시형태에서, 라인 내의 전압의 진폭을 변경하기 위하여 제공되는 전압은 해당 라인의 상 피크 전압의 최대 삼분의 일이다. 바람직하게는, 제공되는 전압은 상 피크 전압의 오분의 일 이하이고, 매우 바람직하게는 최대 십분의 일이다. 하나의 응용예인 저전압 배전 네트워크의 경우, 제공되는 전압의 절대값은 최대 100 V, 바람직하게는 최대 50 V, 및 특히 바람직하게는 최대 25 V이다. 추가적인 바람직한 실시형태에서, 제공되는 파워 흐름 제어의 전압차, 그리고 따라서 전압은 최대 20 V, 매우 바람직하게는 최대 15 V이다. 많은 경우에, 파워 흐름 제어 모듈의 요구 사항은 제공될 최대 전압이 파워 흐름 제어 모듈이 직렬로 연결된 라인의 정격 전압의 최대 6%이다.
본 발명의 콘텍스트에서, 플로팅 모듈인 파워 흐름 제어 모듈을 사용함으로써, 이러한 모듈은 전력 전자공학 솔루션으로서 설계될 수 있다는 것이 인식되었다. 파워 흐름 제어 모듈은 매우 높은 파워를 가진 저전압 배전 네트워크의 네트워크 세그멘트로서의 역할을 여전히 할 수 있기 위해서 오직 매우 낮은 정격 파워만을 가지기만 하면 된다.
하나의 바람직한 실시형태에서, 파워 흐름 제어 모듈은 하프-브릿지의 형태로 상호연결된 스위칭 소자를 가진다. 바람직하게는 두 개의 하프-브릿지의 형태로 상호연결된 네 개의 스위칭 소자가 제공되는 것이 바람직하다. 양자 모두의 하프-브릿지는 바람직하게는 에너지 저장 유닛과 병렬로 연결된다.
하나의 바람직한 실시형태에서, 스위칭 소자는 트랜지스터 또는 파워 트랜지스터로서, 바람직하게는 저전압 트랜지스터로서 또는 초-저전압 트랜지스터로서 설계된다. 일 예로서, 전계-효과 트랜지스터(FET), 예를 들어 자율주행 섹터로부터 알려져 있는, 예를 들어 수직 전류 흐름을 가지는 저전압 트렌치 트랜지스터가 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
저전압 배전 네트워크의 경우, 스위칭 소자는 바람직하게는 저전압 실리콘 FET로서 설계된다. 대체예로서, 예를 들어 측방향 전류 흐름을 가지는, 실리콘 기판 상의 질화갈륨 FET 또는 질화갈륨 FET를 사용하는 것이 가능하다. 중전압 배전 네트워크와 같이 더 높은 전압을 가지는 애플리케이션들의 경우, 스위칭 소자는, 바람직하게는 200 V, 특히 바람직하게는 600 V, 더 바람직하게는 1700 V가 넘는 차단 전압을 가지는, 더 바람직하게는 탄화규소 FET로서 설계될 수 있다. 탄화규소 FET에 대한 대체예로서, 절연-게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)도 본 발명의 콘텍스트 내에서 더 사용될 수 있다.
파워 흐름 제어 모듈의 하나의 바람직한 실시형태는 AC 전압의 상을 라인에 연결된 두 개의 모듈 연결부들 사이에서 천이시키는 것이 가능하게 한다. 파워 흐름 제어 모듈은 바람직하게는 네트워크의 요구 사항에 의존하여, 음의 방향 및 양의 방향 양자 모두에서 위상을 천이시킬 수 있다.
하나의 바람직한 실시형태에서, 파워 흐름 제어 모듈은 전압-제어 방식으로 작동된다. 그러므로, 이것은 전압이 네트워크의 라인 내의 주요 전압에 직렬로 가산되도록 사용된다. 이를 통하여, 네트워크 품질이 쉽게 복구되거나 유지될 수 있도록, 네트워크 또는 온 네트워크 세그멘트의 라인 내의 전압 강하를 조절하는 것이 가능해진다.
마찬가지로 바람직한 일 실시형태에서, 파워 흐름 제어 모듈은 전류-제어 전압원으로서 사용된다. 이를 통하여, 라인 내에 흐르는 총 전류가 소망되는 방식으로 영향받을 수 있게 되도록, 파워 흐름 제어 모듈이 연결된 라인 내로 전류를 주입하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 세그멘트 내에서 또는 네트워크 세그멘트의 메시의 라인 내에서, 전류 흐름이 세그멘트의 병렬 라인 내에서 보다 훨씬 높으면, 대응하는 라인 내의 전류는 양자 모두의 라인 내에서 거의 평형을 이루는 전류가 흐르도록, 파워 흐름 제어기에 의해서 조절될 수 있다.
하나의 바람직한 실시형태에서, 사용되는 파워 흐름 제어 모듈의 스위칭 소자는 클로킹된다(clocked). 클로킹은 바람직하게는 펄스폭 변조의 방법을 이용하여 수행된다.
스위칭 소자는 바람직하게는 적어도 10 kHz의 스위칭 레이트에서 클로킹된다. 200 V 미만(바람직하게는 100 V 미만)의 차단 전압을 가진 규소 FET 또는 200 V가 넘는(바람직하게는 600 V가 넘는) 차단 전압을 가진 탄화규소 FET를 사용할 경우, 스위칭 레이트는 바람직하게는 적어도 20 kHz이고, 특히 바람직하게는 적어도 50 kHz 또는 100 kHz이다. 질화갈륨 FET를 사용할 경우, 스위칭 레이트는 바람직하게는 적어도 100 kHz, 매우 바람직하게는 적어도 250 kHz이고, 특히 바람직하게는 적어도 500 kHz이다. 스위칭 레이트가 증가함에 따라, 모듈 연결부 상의 라인 필터, 예를 들어 인덕터에 대한 필요성이 감소한다. 특히 질화갈륨 FET를 사용하여, 하지만 가끔은 탄화규소 및 규소 FET를 사용해서도 획득가능한 바와 같은 높은 스위칭 레이트, 예를 들어 500 kHz를 사용할 경우, 바람직하게는 전용 라인 필터를 완전히 제거하는 것이 가능해지는데, 그 이유는 라인의 기생 인덕턴스로도 이러한 스위칭 레이트에서 작은 원치 않는 전류 리플을 생성하기에 충분하기 때문이다. 기생 인덕턴스는 이러한 실시형태에서 라인 필터의 기능을 수행한다.
파워 흐름 제어 모듈의 유사하게 바람직한 일 실시형태는 에너지 연결부에 연결된 에너지 소스를 제공한다. 에너지 소스는 네트워크의 라인 내의 전압을 상승시키기 위하여 필요한 에너지를 제공하기 위해서 필요하다. 에너지 소스는, 예를 들어 바람직하게는 파워 흐름 제어 모듈의 에너지 연결부에 개재된 DC-DC 컨버터를 이용하여 연결된 배터리일 수 있고, 또는 파워 서플라이 유닛 또는 다른 전기 에너지 소스일 수 있다.
본 발명의 콘텍스트에서, 파워 흐름 제어 모듈을 위한 파워 전자공학 솔루션은 네트워크의 라인 내에 매우 높은 파워를 여전히 생성할 수 있기 위해서 매우 낮은 정격 파워만을 가져야 한다는 것이 인식되었다. 또한, 파워 흐름 제어 모듈 내에서 고전압 요구 사항을 가지는 위치가 고전류 요구 사항을 가지는 위치로부터 클레버(clever) 회로를 이용하여 격리될 수 있다는 것이 인식되었다. 이를 통하여, 반응성 파워가 회로 밖에서 유지될 수 있다. 이러한 경우에 본 발명에 따른 솔루션은 기본 주파수에서 임의의 (대형이고 무거운) 파워 변압기를 제거한다. 피드는 파워 흐름 제어 모듈의 파워 전자부품에 의하여, 다시 말해서 스위칭 소자에 의해 형성되고, 바람직하게는 현대의 에너지 소스에 의해 급전된다. 현대의 파워 서플라이 유닛 기술은, 예를 들어 에너지 소스로서 사용될 수 있고, 바람직하게는 갈바닉 격리를 고조파에서 콤팩트한 방식으로 제공할 수 있다.
하나의 바람직한 실시형태에서, 그러므로 파워 흐름 제어 모듈은 적어도 하나의 갈바닉 격리 파워 서플라이 유닛을 포함하고, 이것은 에너지 연결부에 연결된다. 그러나, 일부 경우에는 다수의 파워 서플라이를 가지는 것도 편리하다.
파워 서플라이 유닛은 이러한 경우에 바람직하게는, 이를 통하여 형성된 중간 회로가 파워 흐름 제어 모듈에 대한 매우 낮은 전압에서 유지될 수 있도록, 설계된다. 이들은, 예를 들어 최대 네트워크 피크 전압의 삼분의 일이고, 바람직하게는 최대 오분의 일이며, 더 바람직하게는 최대 십분의 일이고, 더 바람직하게는 최대 십오분의 일이다. 저전압 배전 네트워크의 경우, 예를 들어 최대 100 V DC, 바람직하게는 최대 60 V, 더 바람직하게는 최대 30 V 및 더 바람직하게는 최대 15 V가 존재한다.
파워 서플라이 유닛을 이용한 갈바닉 격리는, 파워 흐름 제어 모듈이 직렬로 연결된 배전 네트워크의 라인 상의 전압을 가지고 파워 흐름 제어 모듈이 플로팅될 수 있게 보장한다. 다르게 말하면, 파워 흐름 제어 모듈의 전기 포텐셜은 언제나 라인 내의 주된 전압을 취한다.
파워 흐름 제어 모듈의 플로팅, 다시 말해서 연결된 라인 내의 주된 전압과 조화되는 것은, 과전압이 문제가 되지 않는다는 장점을 더 가진다. 이러한 회로는 배전 네트워크 또는 배전 네트워크에 진입하는 벼락에 대한 양호한 보호를 더 제공한다. 저전압 배전 네트워크는 일부 경우에 벼락의 치는 것에 대해서 보호하기가 매우 어렵다. 중전압 라인은 적어도 시골 지역에서, 서로 가깝게 위치된 도체 케이블들을 가진 가공 라인(overhead line)으로서 구현된다. 저전압 배전 네트워크의 지중 라인도 유사하게 영향받게 되는데, 그 이유는 배전 네트워크 변압기가 발생하는 전압 피크를 전파하기 때문이다.
파워 흐름 제어 모듈의 접지 레퍼런스가 부족하고 전자 스위칭 소자 및 이에 연결된 회로(전자식 상 공급 모듈)의 갈바닉 격리에 기인하여, 그리고 서로에 대한, 다시 말해서 다수의 파워 흐름 제어 모듈들 사이의 포텐셜 레퍼런스가 부족하기 때문에, 파워 흐름 제어 모듈은 각각의 전압 변화를 추종하게 된다. 다르게 말하면, 따라서 이들은 벼락 또는 다른 잠재적인 요동의 전압 피크도 동일한 방식으로 추종하게 된다. 파워 흐름 제어 모듈은 잠재적인 피크가, 예를 들어 수 천 개 볼트가 되더라도 이것을 추종하게 된다. 파워 흐름 제어 모듈의 하나의 포인트의 전압이 접지 전압에 의하여 동시에 대응하도록 증가한다. 그러나, 파워 흐름 제어 모듈 내의 포인트들 사이의 관련된 전압차 또는 차동 전압은 일정하게 유지되는데, 이것은 파워 흐름 제어 모듈 상 피크 전압보다 훨씬 더 낮은 정격 전압을 가진 컴포넌트, 예를 들어 배전 네트워크용 저전압 컴포넌트, 다시 말해서 트랜지스터 및 저전압 커패시터 등과 같은 저전압 스위칭 소자를 사용하여 여전히 구성될 수 있다는 것을 의미한다.
파워 전자공학부품이 없고 이러한 경우에는 저전압 컴포넌트가 있는 파워 흐름 제어 모듈의 디자인은, 파워 흐름 제어 모듈이 공간의 관점에서 매우 작은 디자인을 가진다는 장점을 더 가진다. 예를 들어, 그들의 치수는 유로(Euro) 회로 보드의 치수보다 훨씬 작다. 작은 구조적인 크기에 기인하여, 손상을 초래할 수 있는 큰 용량성 또는 유도성 전압차가 파워 흐름 제어 모듈 내에 구축될 수 없기도 하다. 이것은 본 발명에 따른 파워 흐름 제어 모듈의 추가적인 장점이다.
파워 흐름 제어 모듈의 추가적인 바람직한 실시형태는 DC-DC 컨버터를 가진 파워 서플라이 유닛을 포함하는데, 파워 서플라이 유닛은 바람직하게는 저전압 배전 네트워크로부터 급전된다. 따라서, 별개의 전류 연결 또는 별개의 에너지 소스가 필요하지 않다. 파워 서플라이 유닛은 특히 바람직하게는 파워 흐름 제어 모듈이 연결된 라인으로부터 급전된다. 추가적인 바람직한 실시형태에서, DC-DC 컨버터는 당업자에 공지된 바와 같은 LLC 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 파워 흐름 제어 모듈의 추가적인 바람직한 실시형태는 정류기 회로를 포함하는 파워 서플라이 유닛을 가진다. 본 발명의 콘텍스트 내에서 정류기는 임의의 개수의 상을 가진 AC 전압측 및 하나 이상의 파워 흐름 방향을 가진 적어도 하나의 DC 전압 중간 회로를 가지는 DC 전압측 사이에서 에너지를 변환 및/또는 교환할 수 있는 모든 회로를 의미하는 것으로 이해된다. 일 예로서, 정류기, 인버터, 액티브 프론트 엔드 또는 기타 등등이 여기에서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 단방향성 정류기가 여기에 설치된다. 역률 정정(PFC) 회로를 가지는 파워 서플라이 유닛도 마찬가지로 바람직하다. 역률 정정 스테이지는, 예를 들어 파워 서플라이 유닛의 AC측 상의 바람직하게는 균일한 정현파 로딩이 보장되는 것을 보장한다. 역률 정정 회로는, 예를 들어 정류기와 연계되어 당업자에게 알려져 있는 부스트 역률 정정 회로(부스트 PFC라고도 불림), 바람직하게는 다이오드 정류기로서, 또는 유사하게는, 그 자체로서 보통의 경우 가능한 정현파에 가까운 네트워크 전류를 가지는 단방향성 정류기의 기능을 이미 수행하는 무브릿지(bridgeless) 역률 정정 회로(무브릿지 PFC)라고 알려져 있는 것으로서 형성될 수 있다.
이와 유사하게 바람직한 파워 흐름 제어 모듈의 일 실시형태는 가열 저항을 포함한다. 이러한 선택적인 가열 저항은, 예를 들어 에너지를 소모하기 위해서 사용될 수 있다. 이것은 플로팅 파워 흐름 제어 모듈 내의 전류에 의해서 승산된 전압차가 음이고, 따라서 에너지가 파워 흐름 제어 모듈로부터 유입되어야 하는 경우에 일어난다. 가열 저항은 바람직하게는 파워 흐름 제어 모듈 내에 위치될 수 있다. 하나의 대안이고 유사하게 바람직한 실시형태는 가열 저항이 중간 회로 내의 DC-DC 컨버터의 업스트림에 배치될 수 있게 한다.
유사하게 바람직한 일 실시형태에서, 파워 흐름 제어 모듈은 고주파수 변압기를 포함한다. 그 주파수는 바람직하게는 100 Hz이고, 더 바람직하게는 적어도 400 Hz이다. 유사하게 바람직한 일 실시형태에서, 변압기는 적어도 1 kHz, 바람직하게는 적어도 10 kHz 및 더 바람직하게는 적어도 100 kHz의 주파수에서 동작한다. 변압기의 동작 주파수의 선택은 각각의 응용 케이스, 및 예를 들어 배전 네트워크의 라인 내의 전압의 사용된 주파수에 따라서 당업자에게 맡겨져 있다.
추가적인 양태에 따르면, 본 발명은 라인을 가진 네트워크 또는 네트워크 세그멘트, 예를 들어 저전압 배전 네트워크, 중전압 배전 네트워크 또는 저전압 배전 네트워크 또는 중전압 배전 네트워크의 네트워크 세그멘트 내의 부하 분포를 제어하기 위한 파워 흐름 제어 시스템에 관련된다. 파워 흐름 제어 시스템은, 예를 들어 전술된 바와 같은 파워 흐름 제어 모듈, 및 저전압 배전 네트워크의 라인 내의 전압의 진폭을 변경 또는 조절하거나 라인 내의 부하 분포 또는 전류 흐름을 제어하기 위하여 파워 흐름 제어 모듈에 에너지를 공급하기 위한 에너지 소스를 포함한다.
추가적인 양태에 따르면, 본 발명은 전기 네트워크 또는 AC 에너지 네트워크, 바람직하게는 저전압 배전 네트워크, 또는 전기 네트워크의 네트워크 세그멘트, 예를 들어 저전압 배전 네트워크의 저전압 배전 네트워크 세그멘트에 관련된다. 네트워크 세그멘트에 따르면, 본 발명은 (배전) 네트워크 변압기에 연결되고, 다수의 소비자 및/또는 (탈중앙화된) 인피드(infeed) 소스가 연결되는 3-도체 시스템의 하나의 라인 또는 세 개의 라인을 가진다. 네트워크 세그멘트는 각각의 라인에 대하여, 바람직하게는 전술된 양태 및 실시형태 중 하나에 따라서 설계되고, 네트워크, 예를 들어 저전압 배전 네트워크의 라인에 직렬로 연결되는 파워 흐름 제어 모듈을 가진다.
본 발명에 따른 네트워크 세그멘트에서, 파워 흐름 제어 모듈은 네트워크의 라인에 두 개의 모듈 연결부를 이용하여 연결되고, 다수의 스위칭 소자, 에너지 저장 유닛 및 에너지 소스에 대한 두 개의 에너지 연결부를 포함한다. 파워 흐름 제어 모듈의 두 개의 스위칭 소자는 에너지 저장 유닛과 직렬로 그리고 병렬로 연결된다. 여기에서 파워 흐름 제어 모듈은, 이것이 전기 네트워크, 예를 들어 저전압 배전 네트워크의 라인의 포텐셜에 있있도록, 그리고 접지 포텐셜 또는 네트워크의 다른 라인으로부터 갈바닉하게 고립되도록 상호연결된다. 자신의 스위칭 소자를 가진 파워 흐름 제어 모듈은 처방된 소망 사항에 따라서 네트워크의 라인의 전압을 조절하거나 라인 내의 전류 흐름을 제어하기 위해서, 라인 내의 전압의 진폭에 영향을 주어, 바람직하게는 이것을 증가 또는 감소시키도록 설계된다. 이를 통하여 네트워크의 품질 및 배전 네트워크 세그멘트 내의 파워 서플라이의 품질을 보장하는 것이 쉽게 가능해진다. 파워 흐름 제어 모듈이 라인과 동일한 포텐셜에 있기 때문에, 라인 상의 전압을 조절하기 위해서 파워 흐름 제어 모듈에 의해서 작은 전압만이 제공될 필요가 있다. 이것은, 스위칭 소자가 저전압 스위칭 소자 또는 저전압 트랜지스터로서 설계될 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 이들은 낮은 전압에서 바람직하게는 500 A보다 큰 대전류를 다룰 수 있어야 한다. 하지만, 대전류가 50 V 미만, 바람직하게는 20 V 미만, 매우 바람직하게는 10 V 미만의 저전압과 조합되어 인가되기 때문에, 파워 흐름 제어 모듈은 전체적을 매우 소형이고, 매우 낮은 중량(5 kg 미만, 바람직하게는 1 kg 미만, 매우 바람직하게는 0.5 kg 미만)만을 가진다. 그러므로, 이것은 배전 네트워크 내의 임의의 종래의 스위치 캐비넷에 설치될 수 있다. 추가적인 구조적인 조치들이 필요하지 않다. 따라서, 발생하는 더 높은 부하를 다룰 수 있기 위해서, 큰 파워 변압기를 사용하는 것 및 배전 네트워크 세그멘트 내의 라인 단면의 변경하는 것을 배제하는 것이 특히 유사하게 가능해진다. 반면에, 전압 및 전류는 본 발명에 따른 파워 흐름 제어 모듈을 사용함으로써 본 발명에 따른 네트워크 세그멘트 내에서 소망되는 범위 내로 조절된다.
본 발명의 바람직한 실시형태들은 종속항에서 규정된다. 전술된 특징 및 후술될 특징들이 개별적인 표시된 조합에서만 적용될 수 있는 것이 아니고, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다른 조합에서 또는 그 자체로서도 적용될 수 있다는 것이 명백하다.
갈바닉 격리는, 예를 들어 변압기를 통한 완성된 갈바닉 격리, 또는 적어도 250 kΩ(킬로옴), 바람직하게는 적어도 1 MΩ(메가-옴), 매우 바람직하게는 10 MΩ보다 큰 접지까지의 저항을 통한 격리 중 하나를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명은 몇 가지 선택된 예시적인 실시형태를 첨부 도면과 연계하여 참조하면서 상세히 설명되고 후술될 것이다. 배전 네트워크의 일반성을 한정하지 않으면서, 본 명세서에서는 예시적으로 저전압 배전 네트워크가 전기 AC 전압 네트워크의 하나의 가능한 예로서 참조된다. 도면에서:
도 1은 라인 및 파워 흐름 제어 모듈을 가진 네트워크 세그멘트의 기본적인 스케치를 도시한다;
도 2는 대안적인 네트워크 세그멘트 또는 배전 네트워크 세그멘트의 기본적인 스케치를 도시한다;
도 3은 도 2의 네트워크 세그멘트의 상세한 스케치를 도시한다.
도 4는 네트워크 세그멘트의 대안적 실시형태의 상세한 스케치를 도시한다;
도 5는 배전 네트워크 세그멘트의 대안적 실시형태의 더 상세한 스케치를 도시한다;
도 6은 배전 네트워크 세그멘트의 추가적인 기본 스케치를 도시한다;
도 7은 배전 네트워크 세그멘트의 대안적 실시형태의 더 상세한 스케치를 도시한다;
도 8은 파워 흐름 제어 모듈 및 배터리를 가지는 대안적인 배전 네트워크 세그멘트를 도시한다;
도 9는 도 8에 따른 배전 네트워크 세그멘트의 대안적인 실시형태를 도시한다; 그리고
도 10은 파워 흐름 제어 모듈을 가지는 배전 네트워크 세그멘트의 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 1은 라인 및 파워 흐름 제어 모듈을 가진 네트워크 세그멘트의 기본적인 스케치를 도시한다;
도 2는 대안적인 네트워크 세그멘트 또는 배전 네트워크 세그멘트의 기본적인 스케치를 도시한다;
도 3은 도 2의 네트워크 세그멘트의 상세한 스케치를 도시한다.
도 4는 네트워크 세그멘트의 대안적 실시형태의 상세한 스케치를 도시한다;
도 5는 배전 네트워크 세그멘트의 대안적 실시형태의 더 상세한 스케치를 도시한다;
도 6은 배전 네트워크 세그멘트의 추가적인 기본 스케치를 도시한다;
도 7은 배전 네트워크 세그멘트의 대안적 실시형태의 더 상세한 스케치를 도시한다;
도 8은 파워 흐름 제어 모듈 및 배터리를 가지는 대안적인 배전 네트워크 세그멘트를 도시한다;
도 9는 도 8에 따른 배전 네트워크 세그멘트의 대안적인 실시형태를 도시한다; 그리고
도 10은 파워 흐름 제어 모듈을 가지는 배전 네트워크 세그멘트의 대안적인 실시형태를 도시한다.
도 1은 세 개의 라인(20)을 가진 삼상 네트워크 세그멘트(10)를 도시하는데, 네트워크 세그멘트(10)는 전기 네트워크(12)의 일부이다. 저전압 배전 네트워크(14)의 배전 네트워크 세그멘트(11)가 여기에서 일 예로서 도시된다.
각각의 라인(20) 내에서, 파워 흐름 제어 모듈(30)은 직렬로 연결되고, 이것은 AC부(32) 및 DC부(34)를 가진다. 선택적인 라인 필터(36)가 각각의 경우에 파워 흐름 제어 모듈(30) 및 라인(20) 사이에 제공되고, 인덕터로서 또는 PL 필터로서 설계될 수 있다.
파워 흐름 제어 모듈(30) 각각은 격리 출력을 각각 가지는 파워 서플라이 유닛(40)에 연결된다. 파워 서플라이 유닛(40)은 임의의 전압 소스 또는 에너지 소스로부터 급전될 수 있고, 파워 서플라이 유닛(40)의 AC부(42)는 연결부(46)에 배치될 수 있는, 도면에 도시되지 않은 에너지 소스에 연결될 수 있다. 에너지 소스는 상이한 종류일 수 있다.
파워 서플라이 유닛(40)의 DC부(44)와의 사이에, 두 개의 도체(48)를 이용하여, 파워 흐름 제어 모듈(30)의 DC부(34)로의 연결이 존재한다.
도 1은 입력측(22)(파워 흐름 제어 모듈(30)이라고 불림)에서의 전압이 출력측(24)에서의 출력 전압과 다른 상이한 형상, 다시 말해서 상이한 진폭을 가진다는 것을 보여준다. 세 개의 상들의 전압이 각각의 개략적으로 예시된다.
도 2는 이론상 임의의 가능한 소스로부터 급전될 수 있는 파워 서플라이 유닛(40)이 이러한 실시형태에서는 네트워크 세그멘트(10)의 입력측(22)으로부터 급전된다는 점에서 도 1과 다르다. 각각의 상에 대하여, 에너지를 파워 서플라이 유닛으로 공급하기 위해서, 따라서 도체(49)가 각각의 라인(20)에 연결된다.
도 1 및 도 2에 따라서 여기에 도시된 실시형태들에서, 파워 흐름 제어 모듈(30)은 라인(20)의 전압 레벨을 가지고 플로팅되도록 라인(20)에 연결된다. 따라서, 파워 흐름 제어 모듈은 이들이 직렬로 연결된 라인의 각각의 전압 레벨에 있게 된다.
바람직하게는, 파워 흐름 제어 모듈(30)은, 작은 전압, 바람직하게는 50 V 미만, 매우 바람직하게는 20 V 미만, 특히 바람직하게는 15 V 미만의 전압만을 다룰 수 있도록 설계된다. 반면에, 매우 높은 전류, 일반적으로 500 A보다 큰 전류를 다루는 것이 가능하다. 파워 흐름 제어 모듈(30)이 라인(20) 내의 전압을 가지고 플로팅될 수 있도록 파워 서플라이 유닛(40)은 갈바닉 격리를 보장한다. 그러므로, 파워 흐름 제어 모듈(30)은 접지 레퍼런스를 가지지 않고, 또한 그들이 직렬로 연결된 라인 외에는 임의의 상 또는 라인(20)에 연결되지 않는다. 파워 흐름 제어 모듈(30)은 그들의 라인 내에서 전압에 따라서 이동하고, 따라서 모듈의 입력 및 출력 사이의 작은 전압차만을 처리할 수 있어야 할 분이다. 파워 흐름 제어 모듈(30)은 라인(20)의 총 전압 진폭을 "바라보지(see)" 않는데, 그 이유는 이들이 라인(20)의 입력 및 출력 사이에 상대적으로 배치되기 때문이다. 설정될 최대 전압차만이 이들에 대하여 역할을 한다. 그러므로, 저전압 스위칭 소자, 예를 들어 저전압 반도체 컴포넌트들이 사용될 수 있고, 이들은 여전히 매우 작은 공간 내에서 수 백 암페어의 전류를 통전시킬 수 있다.
도면에 도시된 세 개의 파워 서플라이 유닛(40), 다시 말해서 각각의 상 또는 라인(20)에 대한 파워 서플라이 유닛(40)에 추가하여, 세 개의 파워 흐름 제어 모듈(30) 모두에 급전하는 파워 서플라이 유닛을 사용하는 것도 가능해질 것이다. 그러나, 갈바닉 격리가 개별적인 라인들(20) 사이에 존재해야 한다.
도 3은 상세하게는 삼상 네트워크 세그멘트(10), 예를 들어 배전 네트워크 세그멘트(11)의 라인(20)에 대한 파워 서플라이 유닛(40)을 가지는 파워 흐름 제어 모듈(30)의 일 실시형태를 도시한다. 파워 흐름 제어 모듈(30)이 상세하게 도시된다. 이것은 입력측(22) 상의 라인(20)에 연결된 제 1 모듈 연결부(60), 및 라인(20)의 출력측(24)에 연결된 제 2 모듈 연결부(62)를 포함한다. 라인(20)의 출력측은 도시되지 않는다. 각각의 라인 필터(36)(예를 들어 인덕터)는 라인(20) 및 각각의 모듈 연결부(60, 62) 사이에 배치될 수 있다. 파워 흐름 제어 모듈은 다수의 스위칭 소자(64)를 포함하고, 이들은 저전압 FET(전계-효과 트랜지스터)로서, 예를 들어 저전압 규소 FET로서 설계될 수 있다. 도면에 도시된 예에서, 스위칭 소자(64)는 트랜지스터(66)로서 설계되고, 각각의 경우에 두 개의 트랜지스터가 직렬로 그리고 에너지 저장 유닛(68)과 병렬로 연결된다. 스위칭 소자(64)는 두 개의 하프-브릿지의 형태로 상호연결된다. 스위칭 소자는, 바람직하게는 적어도 20 kHz, 더 바람직하게는 적어도 100 kHz, 특히 바람직하게는 적어도 250 kHz의 클록 레이트에서 클로킹될 수 있다. 스위칭 소자(64)는 바람직하게는, 인덕턴스(36)가 매우 작아지고(대략적으로 스위칭 레이트의 특성 값인, 1/스위칭 레이트에 비례함), 또는 심지어는 라인의 기생 인덕턴스(이것은 사실상, 스위칭 레이트가 충분하다면 충분할 작은 자기장을 그들 주위에 역시 구축함)가 필터로서 충분하다는 장점을 가지는 질화갈륨(GaN) 기반의 트랜지스터이다.
파워 서플라이 유닛(40)은 두 개의 에너지 연결부(70)에서 파워 흐름 제어 모듈(30)에 연결된다. 도면에 도시된 실시형태에서, 파워 서플라이 유닛은 여기에서는 (단방향성) 정류기(50b)인 정류기 회로(50)를 포함하는데, 이것은 균일한 로딩을 위하여 네트워크 세그멘트(10)의 세 개의 상 모두로부터 급전되고, 다시 말해서 다르게 표현하면 네트워크 세그멘트(10) 또는 배전 네트워크 세그멘트(11)의 세 개의 라인(20) 모두에 연결된다. (단방향성) 정류기 회로(50)는 여기에서 액티브 프론트 엔드로서 설계된다. 200 V가 넘는 높은 전압과 함께 낮은 전류(50 A 미만)만이 여기에서 처리될 수 있다. 따라서, 파워 서플라이 유닛(40)의 정류기(50)는, 특히 작은 전압(바람직하게는 50 V 미만)만이 처리되지만 500 A가 넘는 큰 전류가 처리되는 파워 흐름 제어 모듈(30)에 반대이다.
이론상, 정류기는 오직 하나의 상으로부터만 급전될 수도 있다. 더욱이 파워 서플라이 유닛(40)은 바람직하게는 자신의 AC 측에 균일한 정현파 로딩을 달성하기 위해서 PFC 스테이지라고 불리는 역률 정정 스테이지(52)를 포함한다. 추가적으로, 파워 서플라이 유닛 내에 DC-DC 컨버터(54)가 제공되는데, 이것은 도 3에 따른 LLC 회로로서 설계된다. DC-DC 컨버터는 라인(20)에 대한 파워 흐름 제어 모듈(30)마다 적어도 하나의 고립된 출력을 가져야 한다. 따라서, 여기에서 사용되는 파워 서플라이는 통상적인 파워 서플라이 유닛과 유사하다. 예를 들어 인덕터의 형태인 라인 필터(56)가 AC 측에서 제공될 수 있다.
도 4는 파워 서플라이 유닛(40)을 가지는 파워 흐름 제어 모듈(30)의 변형예를 도시한다. 도면에 제공된 실시형태에서, PFC 스테이지(52)는 이미 정류기 회로(50) 또는 정류기(50b) 내에 통합되었고, 별개의 스테이지로서 설계되지 않는다. 이러한 경우에, 파워 서플라이 유닛은 마찬가지로 파워 흐름 제어 모듈(30)을 갈바닉하게 격리시키고 이것을 라인(20)의 포텐셜에 있도록 플로팅 방식으로 연결하기 위하여, DC-DC 컨버터(54)를 더 포함한다. DC-DC 컨버터(54)는 변압기(80), 예를 들어 고주파수 변압기를 가진다.
도 5에 따른 실시형태에서, 배전 네트워크 세그멘트(10) 내에서 파워 흐름 제어 모듈(30)과 함께 설치되는 파워 서플라이 유닛(40)은 정류기(50b) 및 DC-DC 컨버터(54)를 포함한다. 가열 저항(58)이 정류기(50b) 및 DC-DC 컨버터(54) 사이에 배치되고, 선택적으로 제어될 수 있다. 가열 저항(58)은 네트워크 세그멘트(10)로부터 에너지를 끌어오고 소모하기 위해서 사용된다. 그러므로, 가열 소자(58)는 에너지 소비를 하려는 소비자이다.
도 3 내지 도 5의 파워 서플라이 유닛(40)의 DC-DC 컨버터(54)는, 특히 바람직하게는 고주파수 변압기인 변압기(80)를 포함한다. 고주파수 변압기는 바람직하게는 PCB 변압기 또는 플랫(flat) 변압기로서 구현된다. 또한, 변압기는 인쇄 회로 보드 기술에 따른 평면형 변압기로서 구현될 수 있다. 페라이트 코어 재료를 사용할 경우, 예를 들어 매우 높은 변압기 주파수가 가능해질 수 있다. 송신된 파워는 넓은 범위에 걸쳐서 주파수에 따라 선형으로 증가되고(설치 공간에 의존함), 따라서 파워 서플라이 유닛 내에 매우 콤팩트한 디자인이 가능해지게 한다.
가열 소자를 파워 서플라이 유닛 내에서 사용하는 것에 대한 하나의 대안은, 회생형이 되도록 파워 서플라이 유닛(40)을 형성하는 것이다. 플로팅된 파워 흐름 제어 모듈(30) 내에서 발생하는 에너지는, 이를 통하여 유사하게 "처분될(disposed of)" 수 있다. 따라서, 파워 서플라이 유닛(40)은 (플로팅된) 파워 흐름 제어 모듈(30)로부터 파워를 취하고, 이것을 파워 서플라이 유닛(40)의 소스 내로, 다시 말해서 다시 네트워크 세그멘트(10) 또는 전기 네트워크(14), 또는 저전압 배전 네트워크 내로 공급한다. 도 6은 회생식 파워 서플라이 유닛의 가능한 변형예를 도시하는데, 이것은 여기에서 네트워크 세그멘트(10) 또는 배전 네트워크 세그멘트(11) 내에 설치된다. 이러한 회생식 파워 서플라이 유닛(40)의 하나의 가능한 변형예는 액티브 프론트 엔드(active front end; AFE)를 사용한다. 그러나, 이것은 파워 서플라이 유닛(40)이 회생식이 되도록 설계하는 유일한 방식이 아니다. 당업자는 다른 회생식 파워 서플라이 유닛 기술도 사용될 수 있다는 것을 인식한다. 본 발명은 이러한 파워 서플라이 유닛 기술을 배제하지 않고, 오히려 그 반대로 이들을 포함한다.
도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 파워 서플라이 유닛(40)은 정류기 회로(50)(예를 들어 인버터) 및 갈바닉하게 절연된 DC-DC 컨버터(54)를 포함할 수 있는데, 이것은 예를 들어 일반적으로 입력 및 출력 사이의 전압비의 관점에서 제어하기가 어렵지만 임의의 문제점을 구성하지 않고 본 발명의 회로를 위하여 충분한 LLC 스테이로서 설계된다. 대체예로서, DC-DC 컨버터(54)는 듀얼 액티브 브릿지(dual active bridge; DAB)를 포함할 수 있다. 파워 서플라이 유닛(40)이 정류기 회로(50) 및 배전 네트워크 세그멘트(10)의 각각의 상 또는 각각의 라인(20)에 대한 세 개의 DC-DC 컨버터(54)를 가진다는 것도 도 6에서 볼 수 있다.
DC 라인(48)은 네트워크 세그멘트(10)의 상 또는 라인(20) 내의 전압을 증가시키기 위해서 필요한 파워를 전송하기 위해서 사용되고, 이러한 파워는 본질적으로 가산된 전압차를 라인(20) 내에서 흐르는 전류로 승산을 가진다. 요구된 파워는 DC-DC 컨버터(54) 및 정류기 회로(50)로부터 끌어오게 된다. 정류기 회로(50) 및 DC-DC 컨버터(54) 사이의 노드 포인트에서, 가능하게는 DC 링크 내에 펄스형(pulsating) DC 전압이 존재하는데, 이것은 사용되는 DC 커패시터의 크기에 의존한다. 예를 들어, 이것은 400 V보다 크지만, 650 V보다 크거나 750 V보다 클 수도 있다.
도 7은 도 6의 파워 서플라이 유닛(40)의 실시형태를 개별적인 컴포넌트와 함께 자세하게 도시하는데, 여기에서는 하나의 라인(20)에 대하여 하나의 DC-DC 컨버터(54) 및 하나의 파워 흐름 제어 모듈(30)만이 도면에 도시된다. 물론, 삼상 시스템에서는 각각의 상 또는 각각의 파워 흐름 제어 모듈(30)에 대해서 하나씩 세 개의 갈바닉 격리 DC-DC 컨버터를 사용하고, 어떠한 경우에서도 상 또는 파워 흐름 제어 모듈별로 고립된 출력을 가진 하나의 DC-DC 컨버터를 사용할 필요가 있다. 정류기 회로(50)는 여기에서 양방향성 액티브 프론트 엔드(51)로서 설계된다. 이것은 또한, 에너지가 네트워크 내로 피드백되도록 허용한다.
도 8은 파워 흐름 제어 모듈(30)을 위한 에너지 소스(92)로서 배터리(90)를 가지는 파워 흐름 제어 모듈(30)의 일 실시형태를 도시한다. 하지만 라인(20)별로 하나씩 세 개의 파워 흐름 제어 모듈(30)이 사용되는 삼상 시스템에서는 단일 배터리가 사용될 수 있다. 동시에, 배터리(90)는 에너지를 취득하고, 따라서 이것을 시스템으로부터 얻어오기 위하여 로드로서의 역할을 할 수 있다.
하나의 배터리를 가지는 변형예는 전기 네트워크(12)(저전압 배전 네트워크(14)) 내의 또는 네트워크 세그멘트(10)(배전 네트워크 세그멘트(11)) 내의 메시 내에서의 양자 모두의 전압 강하, 및 약한 다른 공급 라인으로부터의 파워 공급을 제한할 필요성이 네트워크 세그멘트 내의 고전력 요구 사항과 연관된다는 사실을 고려한다. 반면에, 예를 들어 드라이브 또는 태양광 설치물을 제동함으로써 야기될 수 있는, 기대하지 않게 낮은 부하가 있는 경우 또는 너무 높은 인피드(infeed)가 있는 경우의 전압 상승이, 네트워크 저장 유닛의 요구에 완벽하게 매칭된다는 것을 고려한다. 따라서, 배터리는 복잡하고 고가이지만 잠재적으로 회생식인 파워 서플라이 유닛을 제거하는 것을 가능하게 한다.
배터리(90)는 개별적인 파워 흐름 제어 모듈(30)에 직접적으로(도 8) 또는 갈바닉하게 고립된 추가 DC-DC 컨버터(54)를 통하여(도 9) 연결될 수 있다.
바람직하게는, 네트워크 에너지 저장 유닛 내에서 제공되는 바와 같이, 파워 흐름 제어 모듈(30)마다 충분한 용량을 가진 하나의 배터리(90)가 사용된다. 비대칭이 시간이 지남에 따라서 드리프트된다면, 개별적인 배터리들(90) 사이에는 에너지 교환에 대한 필요성이 존재하지 않는다.
도 10은 다수의 입력 및 출력, 다시 말해서 다수의 제 1 모듈 연결부(60) 및 다수의 제 2 모듈 연결부(62)를 포함하는 파워 흐름 제어 모듈(30)의 추가적인 바람직한 실시형태를 도시한다. 이러한 경우에, 파워 흐름 제어 모듈(30)은 하프-브릿지로 설계된 다수의 스위칭 소자(64) 또는 트랜지스터(66), 예를 들어 FET를 포함한다. 이러한 경우에, 파워 흐름 제어 모듈(30)은 각각 "저전압 에너지 라우터"로서 동작하고, 따라서 N-M 라우팅을 수행할 수 있다. 이러한 경우에 파워 흐름 제어 모듈(30)은 스위치처럼, MxN 개의 탭들 사이에 임의의 전압 구배를 생성함으로써 N 개의 입력(제 1 모듈 연결부(60)) 및 M 개의 출력(제 2 모듈 연결부(62)) 사이에 파워를 분배할 수 있다. 이것은, 바람직하게는 직렬-연결된 파워 흐름 제어 모듈(30)의 중간 회로 전압 레벨 내에서 일어나고, 다시 말해서 예를 들어 48 V에서 최대 +/-48 V 또는 24 V에서 최대 +/-24 V를 가진다. 엄격하게 말하면, 파워 흐름 제어 모듈(30)은 이러한 경우에 대칭성에 기인하여 입력 및 출력(제 1 모듈 연결부(60) 또는 제 2 모듈 연결부(62))을 더 이상 구별하지 않는다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 콤팩트한 파워 전자부품 메시 전류 제어기는 게이트웨이 또는 라우터의 한 종류가 된다. 그러나, 여기에서 다른 상 또는 라인(20)에는 갈바닉 레퍼런스가 여전히 존재하지 않고, 특히 접지 포텐셜에도 갈바닉 레퍼런스가 존재하지 않는다는 것이 역시 중요하다. 입력 및 출력은 유사하게도 위상의 관점에서 서로에 매우 가깝다.
파워 서플라이 유닛(40)은 바람직하게는 정류기 회로(50) 또는 인버터로서의 양방향성 액티브 프론트 엔드(51) 및 DC-DC 컨버터(54)를 포함한다.
본 발명은 도면 및 명세서에 기반하여 포괄적으로 기술되고 설명되었다. 이러한 기술 및 설명은 일 예라고 이해되어야 하고, 한정적인 것으로 이해되어서는 안 된다. 본 발명은 개시된 실시형태들로 한정되지 않는다. 다른 실시형태 또는 변형예는 본 발명을 사용할 때 그리고 또한 도면, 상세한 설명 및 후속하는 특허 청구항들을 상세하게 분석하면 당업자에게 명백해질 것이다.
청구항에서, "포함하는" 및 "가지는" 이라는 용어는 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수 개의 존재를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 단일 유닛은 청구항에서 특정된 수 개의 유닛들의 기능을 수행할 수 있다. 다수의 상이한 종속항에서 일부 조치들이 언급된 것만으로는 이러한 조치들의 조합이 유리하도록 비슷하게 사용될 수 없다는 것을 의미하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 청구항에 있는 참조 부호는 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
Claims (19)
- 전기 네트워크(12)에서 사용되고 네트워크(12)의 적어도 하나의 라인(20) 내의 전압 및/또는 전류를 조절하기 위한 파워 흐름 제어 모듈(30)로서,
상기 네트워크(12)의 라인(20)으로의 연결을 위한 적어도 두 개의 모듈 연결부(60, 62), 다수의 스위칭 소자(64), 에너지 저장 유닛(68) 및 에너지 소스(92)로의 연결을 위한 두 개의 에너지 연결부(70)를 포함하고,
제 1 모듈 연결부(60) 및 제 2 모듈 연결부(62)는 상기 파워 흐름 제어 모듈(30)을 상기 라인(20)과 직렬로 전기적으로 연결하도록 설계되며,
스위칭 소자(64) 중 두 개는 직렬로 연결되고, 상기 에너지 저장 유닛(68)과 병렬로 연결되며,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은, 상기 네트워크(12)의 라인(20)의 포텐셜에 있게 되고 접지 포텐셜 또는 상기 네트워크(12)의 다른 라인으로부터 갈바닉하게(galvanically) 고립되도록 상호연결되고,
상기 스위칭 소자(64)는 상기 라인(20) 내의 전압의 진폭을 증가 또는 감소시켜서, 이로써 상기 전압을 조절하거나, 상기 전압의 위상을 천이시키거나, 상기 라인(20) 내의 전류 흐름을 제어하도록 설계된, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 라인(20)의 진폭을 변경하기 위하여 상기 파워 흐름 제어 모듈(30)에 의해 제공되는 전압의 절대값은, 네트워크 정격 피크 전압의 최대 삼분의 일, 바람직하게는 최대 오분의 일, 매우 바람직하게는 최대 십분의 일, 더 바람직하게는 최대 십오분의 일, 특히 바람직하게는 최대 이십분의 일인, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 라인(20)의 진폭을 변경하기 위하여 상기 파워 흐름 제어 모듈(30)에 의해 제공되는 전압의 절대값은, 최대 100 볼트, 바람직하게는 최대 50 볼트, 매우 바람직하게는 최대 25 볼트, 더 바람직하게는 최대 20 볼트, 특히 바람직하게는 최대 15 볼트인, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
스위칭 소자들(64)은 두 개의 하프-브릿지의 형태로 상호연결되고, 바람직하게는 트랜지스터(66) 또는 파워 트랜지스터로서, 특히 바람직하게는 저전압 트랜지스터로서 또는 초-저전압 트랜지스터로서, 매우 바람직하게는 저전압 트렌치 트랜지스터로서 설계된, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 소자(64) 중 적어도 하나는,
바람직하게는 규소, 탄화규소, 질화갈륨 또는 규소 기판 상의 질화갈륨으로 제조된 적어도 하나의 전계-효과 트랜지스터를 포함하는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은 상기 라인(20)에 연결된 두 개의 모듈 연결부들(60, 62) 사이의 위상을, 바람직하게는 음의 방향 및 양의 방향 양자 모두에서 천이시킬 수 있는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은 전압-제어 방식으로 작동되거나, 전류-제어 전압원으로서 사용되는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 소자(64)는, 바람직하게는 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 클로킹되는(clocked), 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 소자(64)는 적어도 20 kHz, 바람직하게는 적어도 100 kHz, 특히 바람직하게는 적어도 250 kHz에서 클로킹되는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 9 항에 있어서,
상기 에너지 연결부(70)에 연결된 에너지 소스(92)는, 바람직하게는 개재된 DC-DC 컨버터(54)를 이용하여 상기 에너지 연결부(70)에 연결된 배터리(90)인, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은, 상기 에너지 연결부(70)에 연결된 적어도 하나의 갈바닉 격리(galvanically isolating) 파워 서플라이 유닛(40)을 포함하는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 11 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 유닛(40)은 DC-DC 컨버터(54)를 포함하고 상기 전기 네트워크(12)로부터 급전되며, 바람직하게는 상기 라인(20)에 연결되고,
상기 DC-DC 컨버터(54)는 바람직하게는 LLC 회로를 포함하는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 유닛(40)은,
정류기 회로(50), 바람직하게는 단방향성 정류기를 포함하고, 바람직하게는 역률 정정 회로를 포함하는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 유닛(40)은 적어도 하나의 양방향성 액티브 프론트 엔드(active front end; 51)인, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은 가열 소자(58), 바람직하게는 가열 저항을 포함하는, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은 고주파수 변압기(80)를 포함하고,
상기 고주파수 변압기의 주파수는 적어도 400 Hz, 바람직하게는 적어도 1 kHz, 매우 바람직하게는 적어도 10 kHz, 더 바람직하게는 적어도 100 kHz, 더 바람직하게는 적어도 300 kHz, 특히 바람직하게는 적어도 600 kHz인, 파워 흐름 제어 모듈. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은 중간 회로를 포함하고,
상기 중간 회로의 전압은 최대 100 볼트 DC, 바람직하게는 최대 60 볼트 DC, 더 바람직하게는 최대 30 볼트 DC, 특히 바람직하게는 최대 15 볼트 DC인, 파워 흐름 제어 모듈. - 전기 네트워크(12) 또는 적어도 하나의 라인(20)을 가지는 전기 네트워크(12)의 네트워크 세그멘트(10) 내의 부하 분포를 제어하기 위한 파워 흐름 제어 시스템으로서,
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은, 파워 흐름 제어 모듈(30); 및
상기 라인(20) 내의 전압의 진폭을 변화 또는 조절하기 위하여 상기 파워 흐름 제어 모듈(30)에 에너지를 공급하기 위한 에너지 소스(92)
를 포함하는, 파워 흐름 제어 시스템. - 전기 네트워크(12)의 네트워크 세그멘트(10)로서,
네트워크 변압기에 연결되고, 다수의 소비자 및/또는 인피드 소스(infeed source)가 연결되는 라인(20)을 가지고,
바람직하게는 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 파워 흐름 제어 모듈(30)을 가지며,
상기 파워 흐름 제어 모듈은 상기 네트워크(12)의 라인(20)에 연결된 두 개의 모듈 연결부(60, 62), 다수의 스위칭 소자(64), 에너지 저장 유닛(68) 및 에너지 소스(92)로의 연결을 위한 두 개의 에너지 연결부(70)를 포함하고,
제 1 모듈 연결부(60) 및 제 2 모듈 연결부(62)는 상기 파워 흐름 제어 모듈(30)이 상기 라인(20)과 직렬로 전기적으로 연결되도록 상기 라인(20)에 연결되며,
스위칭 소자(64) 중 두 개는 직렬로 연결되고, 상기 에너지 저장 유닛(68)과 병렬로 연결되며,
상기 파워 흐름 제어 모듈(30)은, 상기 네트워크(12)의 라인(20)의 포텐셜에 있게 되고 접지 포텐셜 또는 상기 네트워크(12)의 다른 라인으로부터 갈바닉하게 고립되도록 상호연결되고,
상기 스위칭 소자(64)는 상기 라인(20) 내의 전압의 진폭을 증가 또는 감소시켜서, 이로써 상기 전압을 조절하거나, 상기 전압의 위상을 천이시키거나, 상기 라인(20) 내의 전류 흐름을 제어하도록 설계된, 네트워크 세그멘트.
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