WO2020091168A1 - 전력변환장치 - Google Patents

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WO2020091168A1
WO2020091168A1 PCT/KR2019/005395 KR2019005395W WO2020091168A1 WO 2020091168 A1 WO2020091168 A1 WO 2020091168A1 KR 2019005395 W KR2019005395 W KR 2019005395W WO 2020091168 A1 WO2020091168 A1 WO 2020091168A1
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WO
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power
voltage
converter
balancing
module
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PCT/KR2019/005395
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백주원
김명호
김호성
류명효
권민호
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한국전기연구원
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    • 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/19—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only arranged for operation in series, e.g. for voltage multiplication
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series

Definitions

  • the present application relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device capable of balancing the voltage imbalance on the primary side of DC converters connected in series.
  • DC converters that convert input DC voltages to output DC voltages of different levels are widely used in industry. Generally, DC converters convert DC voltages into AC voltages, then boost or step down voltage with a transformer, and then convert them back to DC voltages. By rectifying, the voltage is transformed.
  • the present application is to provide a power converter capable of balancing the voltage imbalance on the primary side of a DC converter by connecting one of a plurality of outputs of the DC converters connected in series in parallel and separately controlling the other outputs.
  • the present application is to provide a power conversion device capable of performing a power storage function by linking a power storage device to output terminals connected in parallel to serial-connected DC converters.
  • the present application is to provide a power converter capable of providing a plurality of outputs capable of independent control without adding an additional converter by individually controlling the outputs of DC converters connected to a medium voltage (MV).
  • MV medium voltage
  • the DC converter includes a primary side module that converts the distribution voltage to a first AC voltage; A transformer module for transforming the first AC voltage into a second AC voltage according to a set winding ratio, and outputting the second AC voltage to a plurality of transformer terminals; A secondary-side module connected to any one of the transformer terminals and rectifying the second AC voltage to generate an output voltage of DC; And connected to the other of the transformer terminals, supplying the balancing power received from the transformer module to another DC converter included in the power converter according to a control signal, or to supply the balancing power received from the other DC converter to the secondary. It may include a balancing module to regenerate to the side module, the balancing module may be to connect the output terminal of the balancing module in parallel with the output terminals of other balancing modules included in the plurality of DC converters.
  • the controller supplies the balancing power to the other balancing modules connected in parallel so that the same distribution voltage is applied to the primary modules of the plurality of DC converters, or regenerates the received balancing power to the secondary modules. You can control the balancing modules.
  • the control unit may have a size of the distribution voltage smaller than an average value of distribution voltages applied to the plurality of primary-side modules, or an output power of the secondary-side module of the plurality of secondary-side modules.
  • a DC converter larger than the average value of the output power supplied may be set as a regenerative DC converter, and the rest of the DC converters may be controlled to supply the balancing power to the balancing module of the regenerative DC converter.
  • the control unit may have a magnitude of the distribution voltage greater than an average value of the distribution voltages applied to the plurality of primary-side modules, or an output power of the secondary-side module of the plurality of secondary-side modules.
  • the DC converter smaller than the average value of the output power supplied may be set as a supply DC converter, and the supply DC converter may be controlled to supply the balancing power to the balancing modules of the remaining DC converters.
  • the plurality of DC converters may further include a power storage device connected to output terminals of the plurality of balancing modules connected in parallel.
  • the plurality of DC converters 110 may be connected in series to DC input power, and the input voltage Vin supplied by the input power may be distributed to each DC converter 110. That is, each distribution voltage (Vdc1, Vdc2, ..., Vdcn) to which the input power is distributed may be applied to the DC converter 110. Thereafter, the DC converter 110 may convert the applied distribution voltages Vdc1, Vdc2, ..., Vdcn to DC-DC, respectively, to generate output voltages Vo1, Vo2, ..., Von.
  • the plurality of DC converters 110 may further include separate output terminals in addition to respective output voltages Vo1, Vo2, ..., Von, and the output terminals may be connected in parallel as shown in FIG.
  • the output terminals since the output terminals are connected in parallel, they may have the same voltage Vcom.
  • the power conversion apparatus 100 can utilize a multi-winding transformer, parallel to each other one of a plurality of outputs connected to the multi-winding transformer By connecting, it is possible to further secure a circuit structure capable of performing power balancing operation. Therefore, it is possible to provide input voltage balancing for the DC converters 110 in which the primary side is connected in series. In addition, since the output voltages of the respective DC converters can be generated through the secondary-side module connected to the multi-winding transformer, each DC converter 110 can provide an independent output voltage.
  • the DC converter 110 according to an embodiment of the present invention, the primary side module 111, the transformer module 112, the secondary side module 113 and the balancing module 114 It can contain.
  • the secondary side module 113 may be connected to a transformer terminal, and may rectify the second AC voltage received from the transformer module 112 to generate a DC output voltage Vo1.
  • the secondary-side module 113 may include a plurality of switches (S21, S22, S23, S24) and a capacitor (C2), the second AC voltage by the switching operation of the switches (S21, S22, S23, S24) It can be converted to DC output voltage (Vo1).
  • the operation of each switch can be controlled by the control unit 120, and the secondary-side module 113 can independently output the output power corresponding to the connected load. That is, the secondary side module 113 may provide output power constantly without being affected by other loads connected to the power converter 100.
  • the secondary side module 113 may be implemented with various types of converter structures such as a full-bridge converter, a half-bridge converter, and an NPC type converter.
  • the balancing module 114 may be connected to a transformer terminal, and may perform a balancing operation for each DC converter 110 according to a control signal.
  • the output terminal of the balancing module 114 may be connected in parallel with the output terminals of each of the balancing modules 114 included in the plurality of DC converters 110, through which balancing between the balancing modules 114 Can deliver power.
  • the balancing module 114 supplies the balancing power provided from the transformer module 112 to other DC converters 110 included in the power converter 100, or is received from other DC converters 110
  • the balancing power can be regenerated to the secondary side module 113 connected through the transformer module 112.
  • the supply operation of the balancing module 114 supplying balancing power to other DC converters 110, or the regenerative operation of regenerating the received balancing power to the secondary side module 113 is transmitted by the control unit 120 It can be implemented by a control signal.
  • the balancing module 114 may include a plurality of switches (S31, S32, S33, S34) and a capacitor (C3), switching of each switch (S31, S32, S33, S34) Depending on the operation method, a balancing power supply operation and a regenerative operation may be performed, respectively.
  • an unbalanced load may be applied to the outputs of the two series-connected DC converters 110a and 110b. That is, 100% load may be applied to the first DC converter 110a, and no load may be applied to the second DC converter 110b. In this case, an extreme voltage imbalance may occur in which 100% of the input voltage Vin is distributed to the second DC converter 110b and the input voltage Vin is not distributed to the first DC converter 110a.
  • the controller 120 may balance the load between the first DC converter 110a and the second DC converter 110b using balancing modules connected in parallel.
  • the balancing module of the first DC converter 110a may perform regeneration to provide 50% of the load power to the secondary module of the first DC converter 110a, wherein the balancing of the second DC converter 110b is performed.
  • the module can receive balancing power corresponding to 50% of the load power.
  • the balancing module of the second DC converter 110b may perform a supply operation to provide balancing power, through which the balancing power can be provided from the transformer module of the second DC converter 110b. In this case, since the load corresponding to the balancing power is also applied to the transformer module of the second DC converter 110b, this corresponds to a case where 50% of the load power is applied to the second DC converter 110b.
  • the control unit 120 may control the operation of the plurality of DC converters 110 so that the power conversion device 100 performs the DC-DC conversion operation. That is, by controlling the switches of the primary-side module 111 and the secondary-side module 113, the primary-side module 111 and the secondary-side module 113 control the DC distribution voltages Vdc1, Vdc2,..., Vdcn, respectively.
  • the first AC voltage may be converted and the second AC voltage may be converted to an output voltage Vo1, Vo2, ..., Von.
  • control unit 120 may control each of the distribution voltages applied to the DC converters 110 to be balanced, thereby realizing power balance for the DC converters 110.
  • control unit 120 may control the switches included in the balancing module 114 of the DC converter 110, thereby supplying the balancing power to other balancing modules 114 connected in parallel, or secondaryly receiving the received balancing power
  • the side module 113 can be controlled to regenerate.
  • the controller 120 among the plurality of DC converters 110, the magnitude of the distribution voltage is smaller than the average value of the distribution voltage applied to the plurality of primary-side modules 111, or the magnitude of the output power is the plurality of secondary sides.
  • the DC converter 110 that is larger than the average value of the output power supplied by the module 113 may be extracted.
  • the extracted DC converter 110 may be set as a regenerative DC converter. That is, in the case of the extracted regenerative DC converter, since the output power supplied to the load is high and the distribution voltage may be relatively low, it is necessary to receive balancing power from other DC converters. Therefore, the controller 120 may control the remaining DC converters to supply balancing power to the balancing module of the regenerative DC converter.
  • FIG. 5 it is also possible to include a plurality of primary-side modules 111a and 111b in one DC converter 110.
  • the DC distribution voltage Vdc1 applied to the DC converter 110 may be redistributed to the respective primary-side modules 111a and 111b, and the magnitude of the DC voltage to be redistributed is the respective primary-side module 111a, It may be set differently according to the switching operation of 111b).
  • the individual primary-side modules 111a and 111b may convert the redistributed DC voltages into AC voltages, and each AC voltage converted by the primary-side modules 111a and 111b may be supplied to the transformer module 112. Can be. That is, the transformer module 112 may be supplied with a first AC voltage in which AC voltages of the individual primary-side modules 111a and 111b are combined. The operation of each primary-side module 111a, 111b may be controlled by the controller 120.
  • the number of secondary side modules 113 or balancing modules 114 included in one DC converter 110 may be variously changed according to embodiments.

Abstract

본 출원은 전력변환장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치는, 입력전원에 직렬로 연결되며, 입력전압의 입력전압으로부터 분배된 각각의 분배전압을 직류-직류 변압하여, 각각의 부하별로 대응하는 출력전압을 독립적으로 생성하는 복수의 직류 컨버터; 및 상기 복수의 직류 컨버터의 동작을 제어하여, 상기 직류 컨버터들에 인가되는 각각의 분배전압들을 밸런싱(balancing)하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

전력변환장치
본 출원은 전력변환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직렬연결된 직류 컨버터들의 일차측 전압 불평형을 밸런싱할 수 있는 전력변환장치에 관한 것이다.
입력 직류 전압을 다른 레벨을 갖는 출력 직류 전압으로 변환하는 직류 컨버터가 산업상에 다양하게 이용되고 있는데, 일반적으로 직류 컨버터는 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 뒤 변압기로 승압 또는 강압하고 다시 직류 전압으로 정류함으로써 전압을 변압하게 된다.
기존에는 직류 컨버터들의 일차측을 병렬로 구성하고 이차측을 개별 제어하는 방식을 주로 사용하여, 출력의 독립제어를 구현하였다. 다만, 이러한 직류 컨버터의 경우, 전체 입력전압을 고압화할 수 없으므로 저압 응용분야에 적용하였다.
고압 입력전압에 대응 가능한 직렬 형태의 컨버터 회로에서, 직류 컨버터들의 출력전압을 개별 제어하기 위한 회로 구조는 현재까지 제시되지 않았다. 고압 입력전압에 직렬연결된 직류 컨버터의 출력을 개별 제어하기 위해서는 출력을 병렬로 연결할 수가 없으므로, 각 직류 컨버터의 일차 측과 이차 측 전압이 달라지는 문제가 발생한다. 따라서, 다수의 개별 제어되는 직류 컨버터 출력을 얻기 위해서는, 출력을 병렬로 연결하고 다시 개별 직류 컨버터를 추가할 수 밖에 없다. 이러한 구조는 시스템의 모듈 수가 많아지므로 복잡하고 경제성이 나빠지는 단점이 있다.
본 출원은, 직렬연결된 직류 컨버터의 다수 출력 중 하나를 병렬로 연결하고 나머지 출력들은 개별제어하도록 하여, 직류 컨버터의 일차측 전압 불평형을 밸런싱할 수 있는 전력변환장치를 제공하고자 한다.
본 출원은, 직렬연결된 직류 컨버터들의 병렬연결된 출력단자에 전력저장장치를 연계하여 전력저장기능을 수행할 수 있는 전력변환장치를 제공하고자 한다.
본 출원은, MV(Medium voltage)에 연결된 직류 컨버터들의 출력을 개별제어하여, 부가적인 컨버터의 추가없이 독립제어가 가능한 다수의 출력을 제공할 수 있는 전력변환장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치는, 입력전원에 직렬로 연결되며, 입력전원의 입력전압으로부터 분배된 각각의 분배전압을 직류-직류 변압하여, 각각의 부하별로 대응하는 출력전압을 독립적으로 생성하는 복수의 직류 컨버터; 및 상기 복수의 직류 컨버터의 동작을 제어하여, 상기 직류 컨버터들에 인가되는 각각의 분배전압들을 밸런싱(balancing)하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 직류 컨버터는, 상기 분배전압을 제1 교류 전압으로 변환하는 일차측 모듈; 설정권선비에 따라 상기 제1 교류전압을 제2 교류전압으로 변압하고, 상기 제2 교류전압을 복수의 변압단자로 출력하는 변압모듈; 상기 변압단자 중 어느 하나에 연결되며, 상기 제2 교류 전압을 정류하여 직류의 출력전압을 생성하는 이차측 모듈; 및 상기 변압단자 중 다른 하나에 연결되며, 제어신호에 따라 상기 변압모듈로부터 제공받는 밸런싱 전력을 상기 전력변환장치에 포함된 다른 직류 컨버터로 공급하거나, 상기 다른 직류 컨버터로부터 전달받은 밸런싱 전력을 상기 이차측 모듈로 회생시키는 밸런싱 모듈을 포함할 수 있으며, 상기 밸런싱 모듈은 상기 밸런싱 모듈의 출력단자를, 상기 복수의 직류 컨버터들에 포함된 다른 밸런싱 모듈의 출력단자들과 병렬연결하는 것일 수 있다.
여기서 상기 제어부는 상기 복수의 직류 컨버터의 일차측 모듈에 각각 동일한 분배전압이 인가되도록, 상기 밸런싱 전력을 상기 병렬연결된 다른 밸런싱 모듈로 공급하거나, 상기 전달받은 밸런싱 전력을 상기 이차측 모듈로 회생하도록 상기 밸런싱 모듈들을 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어부는 상기 복수의 직류 컨버터 중에서, 상기 분배전압의 크기가 상기 복수의 일차측 모듈에 인가되는 분배전압의 평균값보다 작거나, 상기 이차측 모듈의 출력전력의 크기가 상기 복수의 이차측 모듈이 공급하는 출력전력의 평균값보다 큰 직류 컨버터를 회생 직류 컨버터로 설정하고, 나머지 직류 컨버터들이 상기 회생 직류 컨버터의 밸런싱 모듈로 상기 밸런싱 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어부는 상기 복수의 직류 컨버터 중에서, 상기 분배전압의 크기가 상기 복수의 일차측 모듈에 인가되는 분배전압의 평균값보다 크거나, 상기 이차측 모듈의 출력전력의 크기가 상기 복수의 이차측 모듈이 공급하는 출력전력의 평균값보다 작은 직류 컨버터를 공급 직류 컨버터로 설정하고, 상기 공급 직류 컨버터가 나머지 직류 컨버터들의 밸런싱 모듈로 상기 밸런싱 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
여기서 상기 복수의 직류 컨버터는, 상기 병렬연결된 복수의 밸런싱모듈들의 출력단자에 연결되는 전력저장장치를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 복수의 직류 컨버터는, 상기 입력전압이 교류전압이면, 상기 입력전압으로부터 분배된 교류의 분배전압을 직류로 정류하는 정류모듈을 각각 더 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치에 의하면, MV(Medium voltage)에 연결된 직류 컨버터들의 출력을 개별제어하여, 부가적인 컨버터의 추가없이 독립제어가 가능한 다수의 출력을 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 개별제어가 필요한 직류부하, ESS(Energy Storage System), 전기차 충전 인프라, 신재생 에너지원 등 다양한 부하와 에너지원들에 대한 동시 접속을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치에 의하면, 직렬연결된 직류 컨버터의 다수 출력 중 하나를 병렬로 연결하므로, 각각의 직류컨버터들의 출력을 독립적으로 유지하는 동시에, 직류컨버터들에 대한 전력평형을 구현할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치를 나타내는 회로도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 직류 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 동작을 나타내는 개략도이다.
도4는 정류모듈을 더 포함하는 전력변환장치를 나타내는 회로도이다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력변환장치의 직류 컨버터를 나타내는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치를 나타내는 회로도이다.
도1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)는, 직류컨버터(110), 제어부(120) 및 전력저장장치(130)를 포함할 수 있다.
이하 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)를 설명한다.
복수의 직류컨버터(110)들은 직류의 입력전원에 직렬로 연결될 수 있으며, 입력전원이 공급하는 입력전압(Vin)은 각각의 직류컨버터(110)들에게 분배될 수 있다. 즉, 입력전원이 분배된 각각의 분배전압(Vdc1, Vdc2, … , Vdcn)이 직류컨버터(110)에 인가될 수 있다. 이후, 직류컨버터(110)는 인가된 분배전압(Vdc1, Vdc2, … , Vdcn)을 각각 직류-직류 변환하여 출력전압(Vo1, Vo2, … , Von)을 생성할 수 있다.
또한, 복수의 직류컨버터(110)들은 각각의 출력전압(Vo1, Vo2, … , Von) 이외에 별도의 출력단자들을 더 포함할 수 있으며, 출력단자들은 도1에 도시한 바와 같이 병렬연결될 수 있다. 여기서, 출력단자는 병렬연결되므로 동일한 전압(Vcom)을 가질 수 있다.
종래에는, 입력전원에 직류 컨버터들을 직렬로 연결하는 경우, 각각의 직류 컨버터들의 출력을 하나로 병렬연결하였다. 직렬로 연결된 직류컨버터들의 출력을 독립적으로 제공하는 경우에는, 각각의 직류컨버터에 연결되는 부하에 따라 분배전압의 불평형 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 전압불평형을 방지하기 위하여, 전체 직류 컨버터에 동일한 부하가 인가되도록 출력을 병렬로 연결하였다. 다만, 각각의 부하에 따라 직류 컨버터의 출력전압과 출력전류를 독립적으로 제어할 필요성이 존재하므로, 종래에는 출력단자에 복수의 컨버터들을 병렬로 추가적으로 연결하는 방식을 적용하였다. 그러나, 이 경우, 회로 추가에 따른 손실과 복잡도 증가 등의 문제점이 발생하였다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)는, 도1에 도시한 바와 같이, 다권선 변압기를 활용할 수 있으며, 다권선 변압기에 연결되는 복수의 출력 중 어느 하나를 서로 병렬연결하여, 전력 평형 동작을 수행할 수 있는 회로구조를 추가로 더 확보할 수 있다. 따라서, 일차측이 직렬연결된 직류컨버터(110)들에 대한 입력전압 밸런싱을 제공하는 것이 가능하다. 또한, 다권선 변압기에 연결된 이차측 모듈을 통하여 각각의 직류컨버터들의 출력전압을 생성할 수 있으므로, 각각의 직류컨버터(110)들이 독립적인 출력전압을 제공할 수 있다.
구체적으로, 도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 직류컨버터(110)는, 일차측 모듈(111), 변압모듈(112), 이차측 모듈(113) 및 밸런싱모듈(114)를 포함할 수 있다.
일차측모듈(111)은 분배전압(Vdc1)을 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다. 입력받은 분배전압(Vdc1)을 부하에 대응하는 출력전압(Vo1)으로 변환하기 위하여, 일차측모듈(111)은 먼저 직류의 분배전압(Vdc1)을 교류의 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다. 여기서, 일차측모듈(111)은 복수의 스위치(S11, S12, S13, S14)와 커패시터(C1)를 포함할 수 있으며, 스위치(S11, S12, S13, S14)들의 스위칭 동작에 의하여 직류의 분배전압(Vdc1)을 제1 교류전압으로 변환할 수 있다. 각각의 스위치들은 제어부(120)에 의하여 동작이 제어될 수 있으며, 변환된 제1 교류 전압은 이후 변압모듈(112)로 인가될 수 있다. 일차측모듈(111)은 도2에 도시한 바와 같이 풀-브릿지 컨버터의 구조를 가질 수 있으며, 이외에 하프-브리지 컨버터, NPC 타입 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터 구조로 구현될 수 있다.
변압모듈(112)은 일차측모듈(111)로부터 제1 교류전압을 입력받을 수 있으며, 설정권선비에 따라 제1 교류전압을 제2 교류전압으로 변압할 수 있다. 변압모듈(112)은 복수의 변압단자들을 포함할 수 있으며, 각각의 변압단자를 통하여 변압된 제2 교류 전압을 공급할 수 있다. 도2에서는 2개의 변압단자를 포함하여, 각각 이차측모듈(113)과 밸런싱모듈(114)에 연결하는 것을 예시하고 있으나, 실시예에 따라서는 2개 이상의 변압단자를 포함하는 것도 가능하다. 이 경우, 변압모듈(112)에 연결되는 이차측모듈(113)이 2개 이상 존재할 수 있으며, 변압모듈(112)에 연결된 이차측모듈(113)들은 각각 독립된 출력전압을 출력할 수 있다.
이차측모듈(113)은 변압단자에 연결될 수 있으며, 변압모듈(112)로부터 수신한 제2 교류 전압을 정류하여 직류의 출력전압(Vo1)을 생성할 수 있다. 이차측 모듈(113)은 복수의 스위치(S21, S22, S23, S24)와 커패시터(C2)를 포함할 수 있으며, 스위치(S21, S22, S23, S24)들의 스위칭 동작에 의하여 제2 교류 전압을 직류의 출력전압(Vo1)으로 변환할 수 있다. 여기서, 각각의 스위치들은 제어부(120)에 의하여 동작이 제어될 수 있으며, 이차측 모듈(113)은 연결된 부하에 대응하는 출력전력을 독립적으로 출력할 수 있다. 즉, 이차측모듈(113)은 전력변환장치(100)에 연결된 다른 부하들에 영향을 받지않고, 일정하게 출력전력을 제공할 수 있다. 이차측모듈(113)은 풀-브릿지 컨버터, 하프-브리지 컨버터, NPC 타입 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터 구조로 구현될 수 있다.
밸런싱모듈(114)은 변압단자에 연결될 수 있으며, 제어신호에 따라 각각의 직류컨버터(110)들에 대한 밸런싱 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 밸런싱 모듈(114)의 출력단자는 복수의 직류 컨버터(110)들에 포함된 각각의 밸련싱 모듈(114)들의 출력단자들과 병렬연결될 수 있으며, 이를 통하여 밸런싱 모듈(114)들 사이에서 밸런싱 전력를 전달할 수 있다.
구체적으로, 밸런싱모듈(114)은 변압모듈(112)로부터 제공받는 밸런싱 전력을 전력변환장치(100) 내에 포함된 다른 직류컨버터(110)들에게 공급하거나, 다른 직류 컨버터(110)들로부터 전달받은 밸런싱 전력을 변압모듈(112)을 통해 연결된 이차측모듈(113)로 회생시킬 수 있다. 여기서, 밸런싱모듈(114)이 다른 직류컨버터(110)들에게 밸런싱 전력을 공급하는 공급동작이나, 수신한 밸런싱 전력을 이차측모듈(113)로 회생시키는 회생동작은, 제어부(120)가 전송하는 제어신호에 의하여 구현될 수 있다.
도2에 도시한 바와 같이, 밸런싱모듈(114)에는 복수의 스위치(S31, S32, S33, S34)와 커패시터(C3)가 포함될 수 있으며, 각각의 스위치(S31, S32, S33, S34)들의 스위칭 동작방식에 따라, 밸런싱 전력의 공급동작과 회생동작이 각각 수행될 수 있다.
실시예에 따라서는, 도3에 도시한 바와 같이, 두 개의 직렬 연결된 직류컨버터(110a, 110b)의 출력에 불평형한 부하가 인가될 수 있다. 즉, 제1 직류컨버터(110a)에는 100% 부하가 인가되고, 제2 직류컨버터(110b)에는 무부하가 인가될 수 있다. 이 경우, 제2 직류컨버터(110b)에는 입력전압(Vin)의 100%가 분배되고, 제1 직류컨버터(110a)에는 입력전압(Vin)이 분배되지 않는 극단적인 전압 불균형이 발생할 수 있다. 이를 해소하기 위하여, 제어부(120)는 병렬연결된 밸런싱모듈들을 이용하여, 제1 직류컨버터(110a)와 제2 직류컨버터(110b) 사이의 부하를 밸런싱할 수 있다.
즉, 제1 직류컨버터(110a)의 밸런싱모듈은 회생동작을 수행하여 제1 직류컨버터(110a)의 이차모듈에 부하전력의 50%를 제공할 수 있으며, 이때 제2 직류컨버터(110b)의 밸런싱모듈로부터 부하전력의 50%에 해당하는 밸런싱 전력을 제공받을 수 있다. 제2 직류컨버터(110b)의 밸런싱모듈은 밸런싱 전력의 제공을 위해 공급동작을 수행할 수 있으며, 이를 통하여 제2 직류컨버터(110b)의 변압모듈로부터 상기 밸런싱 전력을 제공받을 수 있다. 이 경우, 제2 직류컨버터(110b)의 변압모듈에도 밸런싱 전력에 해당하는 부하가 인가되는 것이므로, 제2 직류컨버터(110b)에도 50%의 부하전력이 인가되는 경우에 해당한다. 즉, 제1 직류컨버터(110a)와 제2 직류컨버터(110b)에는 각각 50%씩 부하전력이 인가될 수 있다. 따라서, 입력전압(Vin)에서 바라볼 때, 제1 직류컨버터(110a)와 제2 직류컨버터(110b)에는 각각 입력전압(Vin)의 50%가 분배되므로, 전압평형제어를 구현할 수 있다.
또한, 도3을 참조하면, 제1 직류컨버터(110a)의 이차측모듈에는 100% 부하전력이 공급되고, 제2 직류컨버터(110b)의 이차측모듈은 무부하 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)에 의하면, 각각의 직류컨버터(110a, 110b)들의 출력을 독립적으로 유지하는 동시에, 직류컨버터(110a, 110b)들에 대한 전력평형을 구현할 수 있다.
제어부(120)는 복수의 직류 컨버터(110)의 동작을 제어하여, 전력변환장치(100)가 직류-직류 변환 동작을 수행하도록 할 수 있다. 즉, 일차측 모듈(111)과 이차측 모듈(113)의 스위치들을 제어하여, 일차측 모듈(111)과 이차측 모듈(113)이 각각 직류의 분배전압(Vdc1, Vdc2, … , Vdcn)을 제1 교류전압으로 변환하고, 제2 교류전압을 출력전압(Vo1, Vo2, … , Von)으로 변환하도록 할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 직류 컨버터(110)들에 인가되는 각각의 분배전압들을 밸런싱하도록 제어하여, 직류 컨버터(110)에 대한 전력평형을 구현할 수 있다. 여기서 제어부(120)는 직류 컨버터(110)의 밸런싱 모듈(114)에 포함된 스위치들을 제어할 수 있으며, 이를 통하여 병렬연결된 다른 밸런싱 모듈(114)로 밸런싱 전력을 공급하거나, 전달받은 밸런싱 전력을 이차측 모듈(113)로 회생하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(120)는 복수의 직류 컨버터(110) 중에서, 분배전압의 크기가 복수의 일차측 모듈(111)에 인가되는 분배전압의 평균값보다 작거나, 출력전력의 크기가 복수의 이차측 모듈(113)이 공급하는 출력전력의 평균값보다 큰 직류 컨버터(110)를 추출할 수 있다. 여기서 추출된 직류 컨버터(110)를 회생 직류 컨버터로 설정할 수 있다. 즉, 추출된 회생 직류 컨버터의 경우, 부하로 공급하는 출력전력이 높아 상대적으로 분배전압이 낮아질 수 있으므로, 다른 직류 컨버터들로부터 밸런싱 전력을 공급받을 필요가 있다. 따라서, 제어부(120)는 나머지 직류 컨버터들이 회생 직류 컨버터의 밸런싱 모듈로 밸런싱 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 복수의 직류 컨버터(110) 중에서, 분배전압의 크기가 복수의 일차측 모듈(111)에 인가되는 분배전압의 평균값보다 크거나, 출력전력의 크기가 복수의 이차측 모듈(113)이 공급하는 출력전력의 평균값보다 작은 직류 컨버터를 추출할 수 있다. 여기서, 추출된 직류 컨버터를 공급 직류 컨버터로 설정할 수 있다. 즉, 추출된 공급 직류 컨버터의 경우, 부하로 공급하는 출력전력이 낮아 상대적으로 분배전압이 높아질 수 있으므로, 다른 직류 컨버터로 밸런싱 전력을 공급할 필요가 있다. 따라서, 제어부(120)는 공급 직류 컨버터가 나머지 직류 컨버터들의 밸런싱 모듈로 밸런싱 전력을 공급하도록 제어할 수 있다. 여기서, 공급 직류 컨버터는 출력전력과 상기 평균값의 차만큼을 밸런싱 전력으로 공급할 수 있다.
한편, 복수의 직류 컨버터(110) 중에서, 분배전압의 크기가 각각의 분배전압들의 평균값과 동일하거나, 출력전력의 크기가 각각의 출력전압들의 평균값과 동일한 경우에는, 해당 직류 컨버터(110)에 대하여는 추가적인 밸런싱 동작을 수행하지 않도록 할 수 있다.
여기서는 분배전압의 평균값 또는 출력전력의 평균값을 기준으로 각각의 회생 직류 컨버터와 공급 직류 컨버터로 구분하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라서는 분배전압 또는 출력전력을 미리 설정한 기준값과 비교하여, 각각의 회생 직류 컨버터와 공급 직류 컨버터로 구분하는 것도 가능하다.
추가적으로, 제어부(120)는 측정한 분배전압의 크기 및 출력전력의 오차량에 비례하여 제어하도록 할 수 있다. 실시예에 따라서는, 히스테리시스값을 추가하여, 각각의 공급동작과 회생동작의 절체를 위한 오차허용범위를 부가하는 것도 가능하다.
전력저장장치(130)는 복수의 배터리(battery)들을 포함할 수 있으며, 제어부(120)의 제어신호에 따라, 전력을 충전 또는 방전할 수 있다. 전력저장장치(130)는 복수의 밸런싱 모듈(114)들이 병렬연결된 출력단자에 연결될 수 있으며, 출력단자로부터 공급되는 전력을 충전하거나 출력단자로 전력을 방전하는 등 버퍼(buffer)의 기능을 수행할 수 있다. 제어부(120)는 전력저장장치(130)의 SOC(state of charge)와 밸런싱 전력의 크기 등을 고려하여, 전력저장장치(130)를 충전 또는 방전을 수행하도록 제어할 수 있다. 한편, 도1에서는 전력저장장치(130)가 연결되는 경우를 예시하고 있으나, 실시예에 따라서는 전력저장장치(130)를 제외하고 구성하는 것도 가능하다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치는, 도4에 도시한 바와 같이, 교류의 입력전원이 연결될 수 있으며, 이 경우, 각각의 직류 컨버터(110)에는 정류모듈(115)의 구성이 더 포함될 수 있다. 즉, 정류모듈(115)은 입력전압으로부터 분배된 각각의 분배전압을 직류로 정류할 수 있으며, 정류된 분배전압을 일차측 모듈(111)로 공급할 수 있다. 여기서, 일차측 모듈(111)에는 직류의 분배전압이 인가되므로, 도1의 직류 입력전압이 인가되는 경우와 동일하게 동작할 수 있다. 따라서, 고압의 교류입력에 대하여도, 부하에 대한 출력전력을 독립적으로 유지하는 동시에, 입력전압에 대한 전압평형을 구현할 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는, 도5에 도시한 바와 같이, 하나의 직류컨버터(110) 내에 복수의 일차측 모듈(111a, 111b)을 포함하는 것도 가능하다. 도5에서는 일차측 모듈(111a, 111b)이 2개인 경우를 도시하고 있으나, 직류컨버터(110) 내에 포함되는 일차측 모듈(111a, 111b)의 개수는 실시예에 따라 다양하게 선택가능하다. 구체적으로, 직류컨버터(110)에 인가된 직류의 분배전압(Vdc1)은 각각의 일차측 모듈(111a, 111b)로 재분배될 수 있으며, 재분배되는 직류전압의 크기는 각각의 일차측 모듈(111a, 111b)의 스위칭 동작에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 이후, 개별 일차측 모듈(111a, 111b)들은 재분배된 직류전압을 각각 교류전압으로 변환할 수 있으며, 일차측 모듈(111a, 111b)들이 변환한 각각의 교류전압은 변압모듈(112)로 공급될 수 있다. 즉, 변압모듈(112)은 개별 일차측 모듈(111a, 111b)의 교류전압들이 결합된 제1 교류전압을 공급받을 수 있다. 각각의 일차측 모듈(111a, 111b)들의 동작은 제어부(120)에 의해 제어될 수 있다.
이외에도, 하나의 직류컨버터(110) 내에 포함되는 이차측 모듈(113)이나 밸런싱 모듈(114)의 개수도 실시예에 따라 다양하게 변경가능하다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 입력전원에 직렬로 연결되며, 입력전원의 입력전압으로부터 분배된 각각의 분배전압을 직류-직류 변압하여, 각각의 부하별로 대응하는 출력전압을 독립적으로 생성하는 복수의 직류 컨버터; 및
    상기 복수의 직류 컨버터의 동작을 제어하여, 상기 직류 컨버터들에 인가되는 각각의 분배전압들을 밸런싱(balancing)하는 제어부를 포함하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직류 컨버터는
    상기 분배전압을 제1 교류 전압으로 변환하는 일차측 모듈;
    설정권선비에 따라 상기 제1 교류전압을 제2 교류전압으로 변압하고, 상기 제2 교류전압을 복수의 변압단자로 출력하는 변압모듈;
    상기 변압단자 중 어느 하나에 연결되며, 상기 제2 교류 전압을 정류하여 직류의 출력전압을 생성하는 이차측 모듈; 및
    상기 변압단자 중 다른 하나에 연결되며, 제어신호에 따라 상기 변압모듈로부터 제공받는 밸런싱 전력을 상기 전력변환장치에 포함된 다른 직류 컨버터로 공급하거나, 상기 다른 직류 컨버터로부터 전달받은 밸런싱 전력을 상기 이차측 모듈로 회생시키는 밸런싱 모듈을 포함하는 것으로,
    상기 밸런싱 모듈은
    상기 밸런싱 모듈의 출력단자를, 상기 복수의 직류 컨버터들에 포함된 다른 밸런싱 모듈의 출력단자들과 병렬연결하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수의 직류 컨버터의 일차측 모듈에 각각 동일한 분배전압이 인가되도록, 상기 밸런싱 전력을 상기 병렬연결된 다른 밸런싱 모듈로 공급하거나, 상기 전달받은 밸런싱 전력을 상기 이차측 모듈로 회생하도록 상기 밸런싱 모듈들을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수의 직류 컨버터 중에서, 상기 분배전압의 크기가 상기 복수의 일차측 모듈에 인가되는 분배전압의 평균값보다 작거나, 상기 이차측 모듈의 출력전력의 크기가 상기 복수의 이차측 모듈이 공급하는 출력전력의 평균값보다 큰 직류 컨버터를 회생 직류 컨버터로 설정하고, 나머지 직류 컨버터들이 상기 회생 직류 컨버터의 밸런싱 모듈로 상기 밸런싱 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수의 직류 컨버터 중에서, 상기 분배전압의 크기가 상기 복수의 일차측 모듈에 인가되는 분배전압의 평균값보다 크거나, 상기 이차측 모듈의 출력전력의 크기가 상기 복수의 이차측 모듈이 공급하는 출력전력의 평균값보다 작은 직류 컨버터를 공급 직류 컨버터로 설정하고, 상기 공급 직류 컨버터가 나머지 직류 컨버터들의 밸런싱 모듈로 상기 밸런싱 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 복수의 직류 컨버터는
    상기 병렬연결된 복수의 밸런싱모듈들의 출력단자에 연결되는 전력저장장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 복수의 직류 컨버터는
    상기 입력전압이 교류전압이면, 상기 입력전압으로부터 분배된 교류의 분배전압을 직류로 정류하는 정류모듈을 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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