WO2014069736A1 - 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법 Download PDF

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WO2014069736A1
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control signal
inverters
energy source
controller
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PCT/KR2013/004564
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배영상
오성진
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데스틴파워(주)
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/493—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel
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    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
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    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H02M1/126—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output using passive filters

Definitions

  • the present invention relates to a large-capacity power control system and control method, and more particularly, to a power control system and a control method for converting a direct current output of a large-capacity battery into an alternating current.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy storage device having one inverter according to the related art, in which one controller controls one inverter.
  • the harmonic distortion TDD: Total Harmonic Distortion
  • MTBF mean time between failure
  • FIG. 2 is a block diagram of an energy storage device having a plurality of parallel inverters according to the prior art, in which one controller controls the plurality of parallel inverters.
  • one inverter fails, it can be driven by using an extra inverter, so there is no problem of interrupting power supply and supply, and the replacement of the failed inverter can be easily performed, which is easy to maintain.
  • the circulating current flows between the inverters, it is difficult to operate the inverter by sharing the load, and it is difficult to expect the high MTBF due to the inability to independently operate the circulating start, which leads to a decrease in reliability of the system.
  • the parallel inverters operate at the same time, there is a problem in that the THD required by the battery cannot be satisfied under low load conditions, and low input current ripple cannot be secured.
  • the present invention provides a large-capacity power control system and control method capable of removing circulating current without using a transformer with the grid.
  • the present invention also provides a large capacity power control system and control method that can have small harmonic distortion at low load conditions.
  • the present invention provides a large-capacity power control system and control method capable of reducing the ripple current of a battery as an energy source.
  • Massive power control system of the present invention a single energy source; An energy source manager to manage the energy source; A controller 330 controlled by the energy source manager to output a PWM control signal; A plurality of inverters 341, 342, ..., 34N which are controlled by the PWM control signal of the controller and convert the direct current into alternating current; Filters (351, 352, ..., 35N) coupled to the output of the inverter; And a plurality of switches 361, 362,..., 36N controlled by the intermittent control signal of the controller to control the filter and the load.
  • the controller first applies a PWM control signal to the second inverter, and then An intermittent control signal for operation is applied to the second switch connected to the output terminal.
  • the controller may control the second switch connected to the output terminal of the second inverter to release the interruption.
  • the control signal is first turned off and then the PWM control signal is not applied to the second inverter.
  • the large-capacity power control method of the present invention at least two or more inverters are connected in parallel to a single energy source, and the two or more inverters are respectively coupled one or more with two or more switches, and the two or more switches and one node are loaded.
  • PWM control signal to the second inverter A first step of applying; And a second step of applying an interruption control signal for an operation to a second switch connected to an output terminal of the second inverter after performing the first step.
  • a third intermittent control signal for releasing a second switch connected to an output terminal of the second inverter is applied. step; And a fourth step of controlling not to apply the PWM control signal to the second inverter.
  • the large-capacity power control system of the present invention it is possible to remove the circulating current without using a transformer between the system, have a small harmonic distortion at low load conditions, and when the energy source is the battery, the ripple of the battery The current can be reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy storage device having one inverter according to the prior art
  • FIG. 2 is a block diagram of an energy storage device having a plurality of parallel inverters according to the prior art
  • FIG. 3 is a block diagram of a large-capacity power control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a simulation waveform diagram of a large-capacity power control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a large-capacity power control system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a simulation waveform diagram of a large-capacity power control system according to an embodiment of the present invention.
  • a single energy source 310 an energy source management system 320 for managing the energy source
  • a controller that is controlled by the energy source management system and outputs a PWM control signal ( 330 and the output terminals of the plurality of inverters 341, 342, ..., 34N and inverters 341, 342, ..., 34N that are controlled by the PWM control signal of the controller 330 and convert the direct current into alternating current.
  • the LC filter 351, 352,..., 35N is coupled to the control signal of the controller 330 to control the LC filter 351, 352,... 35N and the load (not shown).
  • a plurality of magnetic contactors 361, 362, ..., 36N is coupled to the control signal of the controller 330 to control the LC filter 351, 352,... 35N and the load (not shown).
  • a plurality of magnetic contactors 361, 362, ..., 36N is coupled to the control signal of the controller 330 to control the LC filter 351, 352,... 35N and the load (not shown).
  • the single energy source 310 is a structure that corresponds to all of the structures as seen in one energy source when viewed from an inverter connected in parallel, does not mean that there is only one energy source.
  • the energy source when it is a battery, it may be a battery bank coupled in a plurality of series and parallel.
  • the energy source 310 may be a battery bank, a solar module, a wind power generator, and the like.
  • the plurality of inverters 341, 342, ..., 34N are connected in parallel with one side of one battery bank 310, and the other side of the plurality of magnetic contactors 361, 362, ..., 36N is one node. Tied to the load.
  • the load may be connected to a system of commercial power, and according to another embodiment of the present invention, IGBT may be used instead of the magnetic contactor.
  • the operation when operating the plurality of inverters, the operation is performed in such a way that the number of operation of the inverter is gradually increased according to the size of the load.
  • the number of inverter operations according to the load is shown in the following table. That is, only one inverter is operated until the load reaches 25% of the rated value, and two inverters are operated until the load reaches 25% and exceeds 25%. Accordingly, when the load is small, the total harmonic distortion THD can be reduced, and when the energy source is a battery, the ripple current can be reduced. If a single high-capacity inverter is operated without parallel operation, the total harmonic distortion is so great that the output of the inverter cannot be connected to the grid.
  • the magnetic contactor (MC) is operated only when the inverter is operating, the magnetic contactor (MC) is placed in the released state when the inverter is not operating. Accordingly, it is possible to prevent the circulating current from flowing.
  • the controller applies the PWM control signal applied to the inverter to be operated before the intermittent control signal applied to the magnetic contactor. Accordingly, the inverter becomes an energy source together with the battery bank to prevent the flow of the circulating current.
  • a PWM control signal is first applied to the second inverter 342.
  • the intermittent control signal for operation is applied to the second magnetic contactor 362 and turned on.
  • the corresponding inverter when it is desired to stop the operating inverter, by applying an intermittent control signal for releasing to the magnetic contactor connected to the output terminal of the operating inverter to turn off (OFF) first, the corresponding inverter Do not apply PWM control signal.
  • the life of the inverter can be extended by circulating and starting the plurality of inverters. For example, if the first inverter is started first, today, the second inverter is started first, and the day after tomorrow, the third inverter is started first.

Abstract

본 발명은 계통과의 사이에 변압기를 사용하지 않고도 순환 전류를 제거할 수 있고, 저부하 조건에서 작은 고조파 왜곡을 가질 수 있으며, 에너지원인 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다. 본 발명의 대용량 전력 제어 시스템은, 단일의 에너지원; 상기 에너지원을 관리하는 에너지원 관리 시스템; 상기 에너지원 관리 시스템에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330); 상기 컨트롤러의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342,..., 34N); 상기 인버터의 출력단에 결합된 LC필터(351, 352,...,35N); 및 상기 컨트롤러의 단속제어신호에 제어되어 LC필터와 부하 사이를 단속하는 복수의 전자접촉기(361, 362,..., 36N)를 포함한다.

Description

대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법
본 발명은 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 배터리의 직류 출력을 교류로 변환하는 전력 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 고갈로 인해 대체 에너지인 태양광, 풍력 등 신재생 에너지를 이용하고자 하는 노력이 점자 증대되고 있다. 또한, 발생된 에너지를 바로 이용하는 대신 배터리에 저장해 두었다가 피크 부하시 활용함으로써 발전 설비를 합리적으로 이용하고자 하는 노력도 이어지고 있다.
그리고, 신재생 에너지원이나, 배터리에 저장되는 에너지가 예컨대, 500kW급, 1MW급 등 대용량화됨에 따라 이를 변환하는 인버터도 점차 대용량화되고 있다. 그런데, 대용량 인버터의 구동에는 고려하여야 할 요소들이 많다.
도 1은 종래기술에 따른 1대의 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭 구성도로서, 1대의 제어기가 1대의 인버터를 제어하는 구조이다. 이러한 구조에서는, 고조파 왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)이 크고, 입력 전류의 리플이 크다. 또한, 인버터가 고장나는 경우 전력 수급이 중단되는 문제가 발생하고, 낮은 평균 고장 간격(MTBF: Mean Time Between Failure)으로 인해 시스템의 신뢰성 저하를 가져오고, 유지 보수의 비용이 증가하는 문제가 있다.
이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 도 2와 같이 복수의 인버터를 병렬 제어하는 방식이 제시되었다.
도 2는 종래기술에 따른 복수대의 병렬 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭 구성도로서, 하나의 제어기가 복수의 병렬 인버터를 제어하는 구조이다. 이러한 구조에서는, 1대의 인버터가 고장되는 경우, 여분의 인버터를 사용하여 구동할 수 있으므로 전력 수급 중단의 문제가 발생하지 않고, 고장난 인버터의 교체가 용이하여 유지 보수가 수월한 장점이 있다. 그러나, 이 경우에는 인버터들 간에 순환 전류가 흐르기 때문에 부하를 분담하여 인버터를 동작시키기 어렵고, 독립적인 제어가 불가능하여 순환기동을 시행할 수 없어 높은 MTBF를 기대하기 어려워 시스템의 신뢰성 저하를 가져온다. 또한, 병렬 인버터가 동시에 운전하므로 저 부하 조건시 배터리에서 요구되는 THD를 만족시킬 수 없고, 낮은 입력 전류 리플을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 계통과의 사이에 변압기를 사용하지 않고도 순환 전류를 제거할 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 저부하 조건에서 작은 고조파 왜곡을 가질 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 에너지원인 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 대용량 전력 제어 시스템은, 단일의 에너지원; 상기 에너지원을 관리하는 에너지원 관리부; 상기 에너지원 관리부에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330); 상기 컨트롤러의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N); 상기 인버터의 출력단에 결합된 필터(351, 352, ... ,35N); 및 상기 컨트롤러의 단속제어신호에 제어되어 필터와 부하 사이를 단속하는 복수의 스위치(361, 362, ..., 36N)를 포함한다.
또한, 상기 복수의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 먼저 인가한 후, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가한다.
또한, 상기 복수의 인버터 중 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 해제를 위한 단속제어신호를 인가하여 먼저 오프시킨 후 상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어한다.
또한, 본 발명의 대용량 전력 제어 방법은, 단일의 에너지원에 적어도 2 이상의 인버터가 병렬연결되고, 상기 2 이상의 인버터는 2 이상의 스위치와 각각 일대일로 결합되고, 상기 2 이상의 스위치와 부하는 하나의 노드에서 만나는 구조로 된 대용량 전력 제어 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 2 이상의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 인가하는 제1 단계; 및 제1 단계의 수행 후 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하는 제2 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치의 해제를 위한 단속제어신호를 인가하는 제3 단계; 및 상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어하는 제4 단계를 포함한다.
본 발명의 대용량 전력 제어 시스템에 따르면, 계통과의 사이에 변압기를 사용하지 않고도 순환 전류를 제거할 수 있고, 저부하 조건에서 작은 고조파 왜곡을 가질 수 있으며, 에너지원이 배터리인 경우, 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 1대의 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭도,
도 2는 종래기술에 따른 복수대의 병렬 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템 블럭도, 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템의 시뮬레이션 파형도이다.
본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템 블럭도, 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템의 시뮬레이션 파형도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템은, 단일의 에너지원(310), 에너지원을 관리하는 에너지원 관리 시스템(320), 에너지원 관리 시스템에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330), 컨트롤러(330)의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N), 인버터(341, 342, ..., 34N)의 출력단에 결합된 LC필터(351, 352, ... ,35N), 컨트롤러(330)의 단속제어신호에 제어되어 LC필터(351, 352, ... ,35N)와 부하(미도시) 사이를 단속하는 복수의 전자접촉기(361, 362, ..., 36N)를 포함한다.
여기서, 단일의 에너지원(310)이라 함은 병렬연결된 인버터에서 바라보았을 때 하나의 에너지원으로 볼 수 있으면 모두 해당하는 구조로서, 에너지원이 단지 하나라는 것을 의미하지는 않는다. 예컨대, 에너지원이 배터리인 경우, 복수의 직병렬로 결합된 배터리 뱅크일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 에너지원(310)은 배터리 뱅크, 태양광모듈, 풍력발전기 등일 수 있다.
복수의 인버터(341, 342, ..., 34N)는 하나의 배터리 뱅크(310)의 일측과 병렬연결되고, 복수의 전자접촉기(361, 362, ..., 36N)의 타측은 하나의 노드로 묶여 부하에 연결된다. 여기서, 부하는 상용전원의 계통에 연결될 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전자접촉기 대신 IGBT를 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 복수의 인버터를 동작시키는 경우, 부하의 크기에 따라 인버터의 동작 개수를 점차 증가시키는 방식으로 운전한다.
예컨대, 4개의 인버터가 구비된 경우, 부하에 따른 인버터 동작 개수는 다음의 표와 같다. 즉, 부하가 정격치의 25%에 도달하기까지 하나의 인버터만 동작시키고, 25%를 초과하여 50%에 도달하기까지 두개의 인버터를 동작시키는 방식이다. 이에 따라, 부하가 작은 경우에 전체 고조파 왜곡(THD)을 저감할 수 있고, 에너지원이 배터리인 경우, 리플 전류를 저감할 수 있다. 만일, 병렬운전을 하지 않고, 하나의 대용량 인버터로 운전한다면, 전체 고조파 왜곡이 너무 커서 인버터의 출력이 계통에 연결할 수 없을 정도로 악화된다.
표 1
부하 전력(kW) 인버터동작개수 THD(%)
5% 25 1 6.94
10% 50 1 3.93
25% 125 1 1.83
50% 250 2 1.07
75% 375 3 0.94
100% 500 4 0.74
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인버터가 동작하는 경우에만 전자접촉기(MC)를 동작시키는바, 인버터가 동작하지 않는 경우에는 전자접촉기(MC)를 해제상태에 놓이게 한다. 이에 따라 순환전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 컨트롤러는 동작시키고자 하는 인버터에 인가하는 PWM제어신호를 전자접촉기에 인가하는 단속제어신호보다 먼저 인가한다. 이에 따라, 인버터가 배터리 뱅크와 더불어 하나의 에너지원으로 되어 순환전류의 흐름을 방지할 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 인버터(341)가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터(342)를 동작시키고자 하는 경우, 제2 인버터(342)에 PWM제어신호를 먼저 인가한 후, 제2 전자접촉기(362)에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하여 온(ON)시킨다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 동작 중인 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 동작 중인 인버터의 출력단에 연결된 전자접촉기에 해제를 위한 단속제어신호를 인가하여 먼저 오프(OFF)시킨 후 대응하는 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 인버터를 순환하여 기동함으로써 인버터의 수명을 연장할 수 있다. 예컨대, 오늘은 제1 인버터를 가장 먼저 기동시킨다면, 내일은 제2 인버터를 가장 먼저 기동시키고, 모레는 제3 인버터를 가장 먼저 기동시키는 방식이다.

Claims (6)

  1. 단일의 에너지원;
    상기 에너지원을 관리하는 에너지원 관리부;
    상기 에너지원 관리부에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330);
    상기 컨트롤러의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N);
    상기 인버터의 출력단에 결합된 필터(351, 352, ... ,35N); 및
    상기 컨트롤러의 단속제어신호에 제어되어 필터와 부하 사이를 단속하는 복수의 스위치(361, 362, ..., 36N)
    를 포함하는 대용량 전력 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 계통에 연결되는 것을 특징으로 하는 대용량 전력 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 먼저 인가한 후, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 대용량 전력 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 인버터 중 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 해제를 위한 단속제어신호를 인가하여 먼저 오프시킨 후 상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대용량 전력 제어 시스템.
  5. 단일의 에너지원에 적어도 2 이상의 인버터가 병렬연결되고, 상기 2 이상의 인버터는 2 이상의 스위치와 각각 일대일로 결합되고, 상기 2 이상의 스위치와 부하는 하나의 노드에서 만나는 구조로 된 대용량 전력 제어 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 2 이상의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 인가하는 제1 단계; 및
    제1 단계의 수행 후 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하는 제2 단계
    를 포함하는 대용량 전력 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우,
    상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치의 해제를 위한 단속제어신호를 인가하는 제3 단계; 및
    상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어하는 제4 단계
    를 포함하는 대용량 전력 제어 방법.
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