WO2022158653A1 - 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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WO2022158653A1
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switch
bidirectional
energy storage
power
storage device
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PCT/KR2021/005497
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최우영
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전북대학교산학협력단
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    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac

Definitions

  • the present invention relates to an inverter for converting direct current to alternating current, and more particularly, to a bidirectional insulated inverter circuit used in an energy storage system and an energy storage system including the same.
  • An energy storage system is a system that converts and stores power between a power system and an energy storage device (battery, supercapacitor, etc.).
  • the power conversion circuit (Power Conversion Circuit) used in such an energy storage system is a bidirectional insulated inverter, a bidirectional flyback inverter is used.
  • the conventional bidirectional flyback inverter includes an L-C (Inductor-Capacitor) filter, a full-bridge switching circuit, a C filter, a high-frequency isolation transformer, and a high-frequency switching bidirectional switch on the power system side as shown in FIG. are placed
  • the bidirectional flyback inverter has disadvantages in that the power density is lowered because there are many circuit elements used, and the manufacturing cost is increased.
  • An object of the present invention is to provide a bidirectional insulated inverter circuit capable of solving the above-described conventional problems, for example, a decrease in power density, an increase in production cost, and a decrease in power conversion efficiency, and an energy storage system using the same.
  • the present invention can cope with the L-C filter on the power system side with a simple L filter, reduce the number of high-frequency switching bidirectional switches, and support continuous current operation of a high-frequency insulated transformer, thereby reducing the number of circuit components, and power density , to provide a bidirectional insulated inverter circuit capable of improving production cost and power conversion efficiency, and an energy storage system using the same.
  • the bidirectional insulated inverter circuit includes first to fourth switches disposed in a full-bridge circuit form, and a first filter (eg, at least one inductor), a transformer comprising a primary winding connected in parallel to the third switch and the fourth switch, a second filter (eg, at least one capacitor) connected in series to the transformer, a secondary side of the transformer a bidirectional switch connected to one end of the winding, wherein the first filter is connected in series to one end of the grid power source, and a point between the third switch and the fourth switch is connected to the other end of the grid power source, An energy storage device power source is connected to the other end of the bidirectional switch and the secondary winding of the transformer.
  • a first filter eg, at least one inductor
  • a transformer comprising a primary winding connected in parallel to the third switch and the fourth switch
  • a second filter eg, at least one capacitor
  • the first switch and the fourth switch among the first to fourth switches are characterized in that the conduction state is always maintained.
  • the second switch and the third switch among the first to fourth switches are characterized in that the conduction state is always maintained.
  • the bidirectional switch operates in a pulse width modulation scheme of a constant switching frequency.
  • the third switch performs a control switch function during a positive cycle of the system power and operates in a pulse width modulation scheme complementary to the bidirectional switch.
  • the fourth switch performs a control switch function in a negative period of the system power and operates in a pulse width modulation scheme complementary to the bidirectional switch.
  • the bidirectional switch performs a control switch function in a positive cycle of the system power and operates in a pulse width modulation scheme complementary to the third switch.
  • the bidirectional switch performs a control switch function in a positive cycle of the system power and operates in a pulse width modulation scheme complementary to the fourth switch.
  • the above-described control switch may operate to improve the power factor of the grid current and control the voltage and current of the energy storage device power source.
  • An energy storage system comprises an energy storage device for charging or discharging stored power from a grid power supply to supply a customer load, a bidirectional insulated inverter supporting charging or discharging of the energy storage device, and an inverter control unit for controlling the charging/discharging operation of the bidirectional insulated inverter, wherein the bidirectional insulated inverter includes first to fourth switches disposed in a full-bridge circuit form, and between the first and second switches A first filter connected to, a transformer including a primary winding connected in parallel to the third switch and the fourth switch, a second filter connected in series to the transformer, connected to one end of the secondary winding of the transformer and a bidirectional switch which becomes The energy storage device is connected to the other end of the secondary winding of the transformer.
  • the present invention supports to improve power density and power conversion efficiency while reducing the number of elements used and having a simple circuit structure.
  • FIG. 1 is a view showing an example of a bidirectional flyback inverter according to the prior art.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a power operation environment including an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a bidirectional insulated inverter circuit including a bidirectional insulated inverter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a driving signal related to driving of a bidirectional insulated inverter circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining the first mode operation related to the charging operation for the positive system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining the second mode operation related to the charging operation for the positive system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining the first mode operation related to the charging operation for the negative system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining the second mode operation related to the charging operation for the negative system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining the first mode operation related to the discharge operation for the positive system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining the second mode operation related to the discharge operation for the positive system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining the first mode operation related to the discharge operation with respect to the negative system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view for explaining the second mode operation related to the discharge operation for the negative system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a power operation environment including an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • the power operation environment 10 may include an energy storage system 100 , a power system 200 , and a customer load 300 .
  • the power system 200 may include various components for supplying power to the energy storage system 100 and the consumer load 300 .
  • the power system 200 may include a power plant that produces electricity, and a power transmission, substation, and distribution facility that transports power.
  • the power plant for generating electricity may include, for example, at least one of various types of power plants such as hydroelectric power, thermal power, and nuclear power, and may also include various eco-friendly power generation facilities such as solar heat, wind power, and tidal power.
  • the power system 200 may transmit the produced power to the bidirectional insulated inverter 130 and the consumer load 300 in a single phase.
  • the power system 200 is described as transmitting the generated power in a single phase, but may not be limited thereto.
  • the customer load 300 is connected to the single-phase wiring between the bidirectional insulated inverter 130 of the energy storage system 100 and the power system 200 , and supplies power of a single-phase voltage provided by the power system 200 . can be taken and used.
  • the consumer load 300 may include, for example, a consumer that consumes power, such as a general household or a shop.
  • the energy storage system 100 may include an upper controller 110 , an inverter controller 120 , a bidirectional insulated inverter 130 , and an energy storage device 140 .
  • the energy storage device 140 may include a battery, a supercapacitor, and the like.
  • the upper control unit 110 may collect information related to the operating state of each component from the inverter control unit 120 , the bidirectional insulated inverter 130 , and the energy storage device 140 .
  • the upper control unit 110 may collect information related to power supply from the power system 200 .
  • the upper control unit 110 may accumulate and store a history of the power supplied by the power system 200 to check a time when power is supplied above a specified value, a time when power is supplied below a specified value, and the like.
  • the upper control unit 110 may perform a control for charging the energy storage device 140 when the time point at which power is supplied by the power system 200 is less than or equal to a specified standard.
  • the upper controller 110 may control charging of the energy storage device 140 at night.
  • the upper control unit 110 may collect information related to a charging state or a discharging state of the energy storage device 140 , and may determine a charging time of the energy storage device 140 .
  • the inverter control unit 120 When the inverter control unit 120 receives a three-phase current command from the upper control unit 110, it controls the bi-directional insulated inverter 130 so that the output of the bi-directional insulated inverter 130 is formed according to the received three-phase current command. can do.
  • the bi-directional insulated inverter 130 (or bi-directional inverter) charges the energy storage device 140 under the control of the inverter controller 120 or receives the current charged in the energy storage device 140 to the consumer load 300 .
  • the bidirectional insulated inverter 130 switches the power supplied from the power system 200 in response to the control of the upper control unit 110 and the inverter control unit 120 when the charge amount of the energy storage device 140 is less than or equal to a specified value.
  • the energy storage device 140 may be charged.
  • the bidirectional insulated inverter 130 transmits the power charged in the energy storage device 140 to the consumer load 300 when the amount of power required by the consumer load 300 is greater than the amount of power supplied by the power system 200 .
  • the bidirectional insulated inverter 130 of the present invention may be configured as a bidirectional insulated inverter capable of providing continuous current and improving power density based on a circuit structure including a relatively small number of elements. .
  • the above-described bidirectional insulated inverter will be described in more detail with reference to FIG. 2 .
  • the energy storage device 140 is connected to the bidirectional insulated inverter 130 , and may store power converted by the bidirectional insulated inverter 130 .
  • the energy storage device 140 may store the direct current converted by the bidirectional insulated inverter 130 .
  • the energy storage device 140 may supply a DC current to the bidirectional insulated inverter 130 in response to the control of the upper controller 110 or the inverter controller 120 .
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a bidirectional insulated inverter circuit including a bidirectional insulated inverter according to an embodiment of the present invention.
  • the bidirectional insulated inverter circuit includes a grid power source 201 (eg, power supplied from the power system 200) and a bidirectional insulated inverter 130 (eg, a second 1 filter Lg (eg, at least one inductor), first to fourth switches S1, S2, S3, S4, second filter Cd (eg, at least one capacitor), transformer T , a two-way switch S5) and an energy storage device power source 141 (eg, a power source of the energy storage device 140).
  • a magnetizing inductance Lm may be disposed in parallel to the transformer T.
  • the grid power source 201 is the power supplied from the power grid 200 described above, and may be AC power.
  • the grid power source 201 may have a grid voltage Vg and a grid current ig.
  • the grid power source 201 may be connected between the first to fourth switches S1 , S2 , S3 , and S4 .
  • one end of the grid power source 201 may be connected between the first switch S1 and the second switch S2 , and the other end may be connected between the third switch S3 and the fourth switch S4 .
  • the first filter Lg may include, for example, at least one inductor.
  • the first filter Lg may be connected in series between the system power source 201 and the first switch S1.
  • the first to fourth switches S1 , S2 , S3 , and S4 may constitute a full-bridge switching circuit with respect to the system power source 201 .
  • one end of the first switch S1 and one end of the third switch S3 are connected to each other, and the other end of the first switch S1 and one end of the second switch S2 are connected.
  • the other end of the third switch S3 is connected to one end of the fourth switch S4
  • the other end of the second switch S2 is connected to the other end of the fourth switch S4 .
  • the first to fourth switches S1, S2, S3, and S4 are a first node 1 and a second switch S2 to which one end of the first switch S1 and the third switch S3 are connected. It may include a second node (node2) to which the other end of the fourth switch (S4) is connected.
  • the second filter Cd may include, for example, at least one capacitor.
  • the second filter Cd may be disposed in parallel between the first node node1 and the second node node2. Accordingly, the second filter Cd may be disposed in parallel to the third switch S3 and the fourth switch S4.
  • the transformer T may be connected in parallel between the first node node1 and the second node node2 and may be connected in series with the second filter Cd.
  • the transformer T may include, for example, a high frequency isolated transformer.
  • the primary winding of the transformer T is connected to the grid power supply 201 side or the first to fourth switches S1, S2, S3, and S4, and the secondary winding is connected to the energy storage device power supply 141.
  • the number of the primary windings may be defined as N1
  • the number of secondary windings may be defined as N2
  • the winding ratio n of the transformer T may be defined as N2/N1.
  • the two-way switch S5 may be connected to one end of the energy storage device power source 141 to control a charging/discharging operation of the energy storage device power source 141 .
  • One end of the energy storage device power source 141 may be connected to the secondary winding of the transformer T, and the other end may be connected to the bidirectional switch S5.
  • the energy storage device power source 141 may have an energy storage device voltage Ve and an energy storage device current ie.
  • the operation of the bidirectional insulated inverter 130 according to the embodiment of the present invention described above may have two operation methods according to charging and discharging of the energy storage device 140 .
  • the charging operation method is a method in which the power of the grid power source 201 is transferred to the energy storage device 140 through the bidirectional insulated inverter 130 .
  • the discharging operation method is a method in which power of the energy storage device 140 is transferred to the grid (or the customer load 300 ) through the bidirectional insulated inverter 130 .
  • each operation method has different operation modes according to a positive cycle (Positive Line Cycle) and a negative cycle (Negative Line Cycle) of the grid power source 201 .
  • a positive cycle Pulsitive Line Cycle
  • a negative cycle Negative Line Cycle
  • the bidirectional switch S5 operates in a pulse-width modulation scheme with a constant switching frequency.
  • the third switch S3 functions as a control switch, and the third switch S3 and the bidirectional switch (S5) performs a complementary (Complementary) pulse width modulation method operation.
  • FIG. 3 is a view showing a driving signal related to driving of a bidirectional insulated inverter circuit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a charge for a positive system power cycle of a bidirectional insulated inverter circuit according to an embodiment of the present invention. It is a diagram for explaining the operation-related first mode operation
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the second mode operation related to the charging operation for the positive system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the first switch S1 and the fourth switch S4 may always have a conductive state.
  • the grid current ig is the first filter Lg (or inductor), the first switch S1, the third switch S3, and the grid power 201. flows through A current flowing through the magnetizing inductance Lm flows through the third switch S3, the fourth switch S4, the second filter Cd (or capacitor), and the magnetizing inductance Lm.
  • the voltage of the second filter Cd is applied to the magnetizing inductance Lm, which is transferred to the secondary side voltage of the transformer T. At this time, the transferred secondary-side winding voltage of the transformer T is not transferred to the energy storage device power source 141 in the erase section of the bidirectional switch S5.
  • the first switch S1 and the fourth switch S4 are always conductive.
  • the grid current ig is the first filter Lg, the first switch S1, the magnetizing inductance Lm, the second filter Cd, and the fourth switch ( S4), it flows through the system power supply 201.
  • the current of the magnetizing inductance (Lm) flowing in mode 1 flows continuously and is transferred to the secondary side according to the principle of an ideal transformer.
  • the transferred secondary winding voltage of the transformer T is transferred to the energy storage device power source 141 during the conduction period of the bidirectional switch S5, and the energy storage device current ie of the energy storage device power source 141 is It flows through the secondary side of the bidirectional switch (S5) and the transformer (T).
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the first mode operation related to the charging operation for the negative system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention. It is a diagram for explaining the second mode operation related to the charging operation for the negative system power cycle of the inverter circuit.
  • the fourth switch S4 functions as a control switch
  • the fourth switch S4 and the bidirectional switch S5 are complementary to each other in the pulse width modulation scheme.
  • the second switch S2 and the third switch S3 are always conductive. While the fourth switch S4 is in the conduction section, the grid current ig flows through the first filter Lg, the grid power source 201, the fourth switch S4, and the second switch S2. The current flowing through the magnetizing inductance Lm flows through the third switch S3, the fourth switch S4, the second filter Cd, and the magnetizing inductance Lm. The voltage of the second filter Cd is applied to the magnetizing inductance Lm, which is transferred to the secondary side voltage of the transformer T. At this time, the transferred secondary-side winding voltage of the transformer T is not transferred to the energy storage device power source 141 during the erase period of the bidirectional switch S5.
  • the second switch S2 and the third switch S3 are always conductive.
  • the grid current ig is the first filter Lg, the grid power 201, the third switch S3, the magnetizing inductance Lm, and the second filter Cd.
  • the magnetizing inductance (Lm) current flowing in mode 2 flows continuously and is transferred to the secondary side according to the principle of an ideal transformer.
  • the transferred secondary winding voltage of the transformer T is transferred to the energy storage device power supply 141 due to the conduction of the bidirectional switch S5, and the energy storage device current (ie) of the energy storage device power supply 141 . flows through the secondary side of the bidirectional switch (S5) and the transformer (T).
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the first mode operation related to the discharge operation for the positive system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention. It is a diagram for explaining the second mode operation related to the discharge operation for the positive system power cycle of the inverter circuit.
  • the bidirectional switch S5 functions as a control switch, and the bidirectional switch S5 and the third switch S3 have complementary pulses. Width modulation type operation.
  • the grid current ig is the magnetizing inductance Lm, the first switch S1, the first filter Lg, the grid power source 201, It flows through the fourth switch S4 and the second filter Cd.
  • the first switch S1 and the fourth switch S4 are always conductive.
  • the energy storage device current ie of the energy storage device power source 141 does not flow.
  • the current of the magnetizing inductance Lm flowing in mode 1 is, while the third switch S3 is in the conduction section, the second filter Cd, the fourth switch S4, the third switch S3, and the magnetizing inductance ( Lm) flows continuously.
  • the voltage of the second filter (Cd) is applied to the primary side voltage of the transformer (T). Due to the conduction of the first switch S1 and the third switch S3, the grid current ig is the first filter Lg, the grid power source 201, the third switch S3, and the first switch S1. flows through
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the first mode operation related to the discharge operation for the negative system power cycle of the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is the bidirectional insulated inverter circuit according to the embodiment of the present invention. It is a diagram for explaining the second mode operation related to the discharge operation for the negative system power cycle of the inverter circuit.
  • the bidirectional switch S5 functions as a control switch, and the bidirectional switch S5 and the fourth switch S4 are complementary to each other. Pulse width modulation mode operation.
  • the second switch S2 and the third switch S3 are always conductive. While the bidirectional switch S5 is in the conduction section, the energy storage device current ie of the energy storage device power source 141 flows through the secondary side winding of the transformer T and the bidirectional switch S5. The current flowing through the magnetizing inductance Lm is transferred to the primary side of the transformer T according to the principle of an ideal transformer. At this time, the secondary winding voltage of the transformer T is transferred from the energy storage device power source 141 to the primary side of the transformer T during the conduction period of the bidirectional switch S5.
  • the grid current ig is the first filter Lg, the second switch S2, the second filter Cd, and the magnetizing inductance Lm. , flows through the third switch S3 and the system power source 201 .
  • the second switch S2 and the third switch S3 are always conductive. While the bidirectional switch S5 is in the erase period, the energy storage device current ie of the energy storage device power source 141 does not flow.
  • the current of the magnetizing inductance (Lm) flowing in mode 1 is, while the fourth switch (S4) is in the conduction section, the second filter (Cd), the fourth switch (S4), the third switch (S3) and the magnetizing inductance ( Lm) flows continuously.
  • the voltage of the second filter (Cd) is applied to the primary side voltage of the transformer (T). Due to the conduction of the second switch S2 and the fourth switch S4 , the grid current ig flows through the first filter Lg, S2 , the fourth switch S4 , and the grid power source 201 .
  • the third switch S3 performs a control switching function when the grid power 201 is in a positive cycle
  • the fourth switch S4 is the grid
  • the bidirectional switch S5 In the discharge operation method of the bidirectional insulated inverter circuit, the bidirectional switch S5 always performs a control switch function regardless of the electrical polarity of the grid power.
  • the control switch according to the operation method of the bidirectional insulated inverter circuit performs power factor correction of the grid current ig and a function of controlling the voltage and current of the energy storage device power source 141 .
  • the bidirectional insulated inverter circuit of the present invention has a simple circuit structure and is a power conversion circuit technology that can reduce the number of used electric circuits and power semiconductor devices, and is a bidirectional insulated inverter circuit for energy storage power density, power conversion efficiency, and production cost can be improved.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치를 포함하며, 상기 제1 필터는 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고, 상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 에너지 저장 장치 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템을 개시한다.

Description

양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템
본 발명은 직류를 교류로 변환하는 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 저장 시스템에 사용되는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
산업의 발달로 산업용 전기의 사용이 많아지고 있으며, 소득의 증대에 따른 전기용품의 사용 또한 증가하고 있어 전력 사용량이 급격히 증가하고 있는 추세에 있다. 이와 같은 전기소비의 패턴 변화는 시간대별 부하 변동뿐만 아니라 하절기나 동절기 같은 계절별 부하에서도 차이가 커지는 경향을 보이고 있다. 이러한 전력 불확실성에 대비하기 위하여 고용량 저비용의 에너지저장시스템(ESS; Energy Storage System)의 개발 니즈(needs)가 확대되고 있으며, 특히 신재생에너지 발전원의 보급 및 확산은 새로운 에너지저장시스템(ESS)을 필요로 하고 있다.
에너지 저장 시스템 (Energy Storage System)은 전력 계통과 에너지 저장 장치(배터리, 슈퍼커패시터 등) 간의 전력을 변환 및 저장하는 시스템이다. 이러한 에너지 저장 시스템에 이용되는 전력변환회로(Power Conversion Circuit)는 양방향 절연형 인버터로서, 양방향 플라이백 인버터가 이용된다. 종래의 양방향 플라이백 인버터는 도 1에 도시된 바와 같이 전력 계통 측에는 L-C(Inductor-Capacitor) 필터, 풀-브리지 스위칭(Full-Bridge Switching) 회로, C 필터, 고주파 절연형 변압기 및 고주파 스위칭 양방향 스위치들이 배치된다. 이와 같이, 양방향 플라이백 인버터는 사용되는 회로 소자들이 많아 전력밀도(Power Density)가 낮아지고, 생산단가(Manufacturing Cost)가 높아지는 단점들이 있다. 또한 고주파 절연형 변압기에 흐르는 전류가 불연속적으로 동작함으로써 제품의 전력용량 증가 시, 도통손실 (Conduction Loss)이 증가되어 전력변환 효율(Power Conversion Efficiency)이 감소되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 문제점들 예컨대, 전력밀도 저하, 생산단가 증가, 전력변환 효율 감소를 해결할 수 있는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템을 제공함에 있다.
예컨대, 본 발명은 전력 계통 측 L-C 필터를 간단한 L 필터로 대처하고, 고주파 스위칭 양방향 스위치 사용 개수를 절감할 수 있으며, 고주파 절연형 변압기의 연속 전류 동작을 지원함으로써, 회로 부품 수를 줄이며, 전력밀도, 생산단가 및 전력변환 효율을 개선할 수 있는 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로는 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터(예: 적어도 하나의 인덕터), 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터(예: 적어도 하나의 커패시터), 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치를 포함하며, 상기 제1 필터는 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고, 상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 에너지 저장 장치 전원이 연결되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 계통 전원이 양의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계통 전원이 음의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
추가로, 상기 양방향 스위치가 일정한 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에는 상기 제3 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 음의 주기에는 상기 제4 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제3 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제4 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
상술한 상기 제어 스위치는 계통 전류의 역률 개선 및 에너지 저장 장치 전원의 전압과 전류를 제어하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 계통 전원으로부터의 전력을 충전하거나, 저장된 전력을 방전하여 수용가 부하에 공급하는 에너지 저장 장치, 상기 에너지 저장 장치의 충전 또는 방전을 지원하는 양방향 절연형 인버터, 상기 양방향 절연형 인버터의 충방전 동작을 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 상기 양방향 절연형 인버터는 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치를 포함하며, 상기 제1 필터는 상기 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고, 상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 상기 에너지 저장 장치가 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양방향 절연형 인버터 회로 및 이를 이용하는 에너지 저장 시스템에 따르면, 본 발명은 회로 구조가 간단하고 사용되는 소자 수를 줄일 수 있으면서도 전력 밀도 및 전력 변환 효율을 개선할 수 있도록 지원한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 양방향 플라이백 인버터의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 운용 환경의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터를 포함하는 양방향 절연형 인버터 회로의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 구동과 관련한 구동 신호를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 운용 환경의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 운용 환경(10)은 에너지 저장 시스템(100), 전력 계통(200) 및 수용가 부하(300)를 포함할 수 있다.
상기 전력 계통(200)은 에너지 저장 시스템(100) 및 수용가 부하(300)에 전력을 공급하는 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 계통(200)은 전기를 생산하는 발전소, 전력을 수송하는 송전, 변전, 배전 설비 등을 포함할 수 있다. 여기서, 전기를 생산하는 발전소는 예컨대, 수력, 화력, 원자력 등 다양한 종류의 발전소 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 또한 태양열, 풍력, 조력 등 다양한 친환경 발전 시설도 포함할 수 있다. 상기 전력 계통(200)은 생산된 전력을 단상으로 양방향 절연형 인버터(130) 및 수용가 부하(300)에 전달할 수 있다. 여기서 전력 계통(200)은 생산된 전력을 단상으로 전달하는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정하지 않을 수 있다.
상기 수용가 부하(300)는 상기 에너지 저장 시스템(100)의 양방향 절연형 인버터(130)와 전력 계통(200) 사이의 단상 배선에 연결되어, 전력 계통(200)이 제공하는 단상 전압의 전력을 공급받아 사용할 수 있다. 상기 수용가 부하(300)는 예컨대, 일반 가정집이나 가게 등 전력을 소비하는 소비 주체를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템(100)은 상위 제어부(110), 인버터 제어부(120), 양방향 절연형 인버터(130) 및 에너지 저장 장치(140)를 포함할 수 있다. 여기서 에너지 저장 장치(140)는 배터리, 슈퍼커패시터 등을 포함할 수 있다.
상기 상위 제어부(110)는 인버터 제어부(120), 양방향 절연형 인버터(130), 에너지 저장 장치(140)로부터 각 구성들의 운용 상태와 관련한 정보를 수집할 수 있다. 예컨대, 상위 제어부(110)는 전력 계통(200)으로부터 전력 공급과 관련한 정보를 수집할 수 있다. 상기 상위 제어부(110)는 전력 계통(200)이 공급하는 전력에 대한 이력을 누적 저장하여, 전력이 지정된 값 이상으로 공급되는 시점과 지정된 값 이하로 공급되는 시점 등을 확인할 수 있다. 상기 상위 제어부(110)는 전력 계통(200)에 의해 전력이 공급되는 시점이 지정된 기준 이하인 경우, 에너지 저장 장치(140) 충전을 위한 제어를 수행할 수 있다. 예컨대, 상위 제어부(110)는 야간에 에너지 저장 장치(140) 충전을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 상위 제어부(110)는 에너지 저장 장치(140)의 충전 상태 또는 방전 상태와 관련한 정보를 수집하고, 에너지 저장 장치(140) 충전 시기를 결정할 수 있다.
상기 인버터 제어부(120)는 상위 제어부(110)로부터 3상 전류 지령을 수신하면, 수신된 3상 전류 지령에 따라 양방향 절연형 인버터(130)의 출력이 형성되도록 양방향 절연형 인버터(130)를 제어할 수 있다.
상기 양방향 절연형 인버터(130)(또는 양방향 인버터)는 상기 인버터 제어부(120)의 제어에 따라 에너지 저장 장치(140)를 충전하거나, 에너지 저장 장치(140)에 충전된 전류를 수용가 부하(300)에 공급할 수 있다. 예컨대, 양방향 절연형 인버터(130)는 에너지 저장 장치(140)의 충전량이 지정된 값 이하인 경우 상위 제어부(110) 및 인버터 제어부(120)의 제어에 대응하여 전력 계통(200)에서 공급되는 전력을 전환하여 에너지 저장 장치(140)를 충전할 수 있다. 또한, 양방향 절연형 인버터(130)는 수용가 부하(300)가 요구하는 전력량이 전력 계통(200)에서 공급하는 전력량보다 많은 경우, 에너지 저장 장치(140)에 충전된 전력을 수용가 부하(300)에 공급할 수 있도록 교류 변환하여 수용가 부하(300)에 공급할 수 있다. 특히, 본 발명의 양방향 절연형 인버터(130)는 상대적으로 더 적은 소자 수를 포함하는 회로 구조를 기반으로, 연속 전류를 제공하며, 전력 밀도를 개선할 수 있는 양방향 절연형 인버터로 구성될 수 있다. 상술한 양방향 절연형 인버터에 대하여 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 에너지 저장 장치(140)는 양방향 절연형 인버터(130)에 연결되고, 양방향 절연형 인버터(130)가 전환한 전력을 저장할 수 있다. 예컨대, 전력 계통(200)이 공급한 교류를 양방향 절연형 인버터(130)가 직류로 변환하면, 상기 에너지 저장 장치(140)는 상기 양방향 절연형 인버터(130)가 변환한 직류를 저장할 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장 장치(140)는 상위 제어부(110) 또는 인버터 제어부(120) 제어에 대응하여 상기 양방향 절연형 인버터(130)에 직류 전류를 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터를 포함하는 양방향 절연형 인버터 회로의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로는 계통 전원(201)(예: 전력 계통(200)에서 공급된 전원)과, 양방향 절연형 인버터(130)(예: 제1 필터(Lg)(예: 적어도 하나의 인덕터), 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4), 제2 필터(Cd)(예: 적어도 하나의 커패시터), 변압기(T), 양방향 스위치(S5)) 및 에너지 저장 장치 전원(141)(예: 에너지 저장 장치(140)의 전원)을 포함할 수 있다. 상기 변압기(T)에는 병렬로 자화 인덕턴스(Lm)가 배치될 수 있다.
상기 계통 전원(201)은 앞서 설명한 전력 계통(200)에서 공급되는 전원으로, 교류 전원일 수 있다. 상기 계통 전원(201)은 계통 전압(Vg)을 가지며 계통 전류(ig)를 가질 수 있다. 상기 계통 전원(201)은 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4) 사이에 연결될 수 있다. 예컨대, 계통 전원(201)의 일단은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이에 연결되고, 타단은 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 필터(Lg)는 예컨대, 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다. 상기 제1 필터(Lg)는 상기 계통 전원(201) 및 제1 스위치(S1) 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)은 상기 계통 전원(201)에 대하여 풀-브리지 스위치(Full-bridge switching) 회로를 구성할 수 있다. 예컨대, 제1 스위치(S1)의 일단과 제3 스위치(S3)의 일단은 서로 연결되고, 제1 스위치(S1)의 타단과 제2 스위치(S2)의 일단이 연결된다. 제3 스위치(S3)의 타단은 제4 스위치(S4)의 일단과 연결되며, 제2 스위치(S2)의 타단과 제4 스위치(S4)의 타단이 연결된다. 상기 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)은 제1 스위치(S1)의 일단과 상기 제3 스위치(S3)가 연결되는 제1 노드(node1) 및 제2 스위치(S2)의 타단과 상기 제4 스위치(S4)의 타단이 연결되는 제2 노드(node2)를 포함할 수 있다.
상기 제2 필터(Cd)는 예컨대, 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 제2 필터(Cd)는 제1 노드(node1)와 제2 노드(node2) 사이에 병렬로 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 필터(Cd)는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)에 병렬로 배치될 수 있다.
상기 변압기(T)는 상기 제1 노드(node1)와 상기 제2 노드(node2) 사이에 병렬로 연결되며, 상기 제2 필터(Cd)에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 변압기(T)는 예컨대, 고주파 절연형 변압기(High Frequency Isolated Transformer)를 포함할 수 있다. 상기 변압기(T)의 1차측 권선은 계통 전원(201) 측 또는 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)에 연결되고, 2차측 권선은 에너지 저장 장치 전원(141)에 연결될 수 있다. 상기 1차측 권선의 수는 N1, 2차측 권선의 수는 N2로 정의될 수 있으며, 상기 변압기(T)의 권선 비율 n은 N2/N1으로 정의될 수 있다.
상기 양방향 스위치(S5)는 상기 에너지 저장 장치 전원(141)의 일단에 연결되어, 에너지 저장 장치 전원(141)의 충방전 동작을 제어할 수 있다.
상기 에너지 저장 장치 전원(141)은 변압기(T)의 2차측 권선과 일단이 연결되고, 타단이 양방향 스위치(S5)와 연결될 수 있다. 상기 에너지 저장 장치 전원(141)은 에너지 저장 장치 전압(Ve) 및 에너지 저장 장치 전류(ie)를 가질 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터(130)의 동작은 에너지 저장 장치(140)의 충전 (Charging)과 방전 (Discharging)에 따른 두 가지 동작 방식을 가질 수 있다. 충전 동작 방식은 계통 전원(201)의 전력이 양방향 절연형 인버터(130)를 통하여 에너지 저장 장치(140)로 전달되는 방식이다. 방전 동작 방식은 에너지 저장 장치(140) 전력이 양방향 절연형 인버터(130)를 통하여 계통(또는 수용가 부하(300))으로 전달되는 방식이다.
또한 각 동작 방식은 계통 전원(201)의 양의 주기(Positive Line Cycle)와 음의 주기(Negative Line Cycle)에 따라 다른 동작 모드들을 가진다. 계통 전원(201)의 양의 주기에는 제1 스위치(S1)와 S4가 항상 도통 상태 (Conduction State)에 있고, 계통 전원(201)의 음의 주기에는 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 항상 도통 상태에 있다. 양방향 스위치(S5)는 일정한 스위칭 주파수 (Constant Switching Frequency)로 펄스폭 변조 (Pulse-Width Modulation) 방식으로 동작한다.
양방향 절연형 인버터(130)가 양의 계통 전원(201) 주기에 대하여 충전 동작을 수행하는 경우, 제3 스위치(S3)는 제어 (Control) 스위치 기능을 하며, 제3 스위치(S3)와 양방향 스위치(S5)는 서로 상보적인 (Complementary) 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 구동과 관련한 구동 신호를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 충전 동작과 관련하여, t1 구간 동안, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통 상태를 가질 수 있다. 제3 스위치(S3)가 도통 구간에 잇는 경우, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg)(또는 인덕터), 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 제2 필터(Cd)(또는 커패시터) 및 자화인덕턴스(Lm)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에는 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 되며, 이는 변압기(T)의 이차 측 전압으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 소거 구간에서 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되지 않는다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 충전 동작과 관련하여, t1 구간 동안, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통된다. 제3 스위치(S3)가 소거 구간에 있는 경우, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 제1 스위치(S1), 자화 인덕턴스(Lm), 제2 필터(Cd), 제4 스위치(S4), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다. 모드 1에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm)의 전류는 연속적으로 흐르며, 이상적인 변압기의 원리에 따라 이차 측으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통 구간 동안 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되며, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 양방향 스위치(S5)와 변압기(T)의 이차 측을 통하여 흐른다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 충전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 도 2의 양방향 절연형 인버터 회로가 음의 계통 전원 주기에 대하여 충전 동작을 수행하는 동안, 제4 스위치(S4)는 제어 스위치 기능을 하며, 제4 스위치(S4)와 양방향 스위치(S5)는 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 충전 동작과 관련하여, 계통 전원(201)이 공급되는 t2 구간 동안, 모드 1에서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 제4 스위치(S4)가 도통 구간에 있는 동안, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제4 스위치(S4), 제2 스위치(S2)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 제2 필터(Cd) 및 자화인덕턴스(Lm)를 통하여 흐르게 된다. 자화 인덕턴스(Lm)에는 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 되며, 이는 변압기(T)의 이차 측 전압으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 소거 구간 동안 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되지 않는다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 충전 동작과 관련하여, 계통 전원(201)이 공급되는 t2 구간 동안, 모드 2에서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 제4 스위치(S4)가 소거 구간에 있는 경우, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제3 스위치(S3), 자화 인덕턴스(Lm), 제2 필터(Cd), 제2 스위치(S2)를 통하여 흐른다. 모드 2에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm) 전류는 연속적으로 흐르며, 이상적인 변압기의 원리에 따라 이차 측으로 전달된다. 이 때 전달된 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통으로 인하여 에너지 저장 장치 전원(141)에 전달되게 되며, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 양방향 스위치(S5)와 변압기(T)의 이차 측을 통하여 흐른다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 양의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상기 도 2의 양방향 절연형 인버터 회로가 양의 계통 전원 주기에 대하여 방전 동작 시, 양방향 스위치(S5)는 제어 스위치 기능을 하며, 양방향 스위치(S5)와 제3 스위치(S3)는 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 방전 동작과 관련하여 계통 전원(201)의 t1 구간 동안, 모드 1에서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통되며, 양방향 스위치(S5)가 도통 구간에 있는 경우, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 변압기(T)의 이차 측 권선과 양방향 스위치(S5)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 이상적인 변압기의 원리에 따라 변압기(T)의 일차 측으로 전달된다. 이 때 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통 구간 동안, 에너지 저장 장치 전원(141)에서 변압기(T)의 일차 측으로 전달되게 된다. 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 자화 인덕턴스(Lm), 제1 스위치(S1), 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제4 스위치(S4), 제2 필터(Cd)를 통하여 흐른다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 방전 동작과 관련하여 계통 전원(201)의 t1 구간 동안, 모드 2에서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 항상 도통된다. 양방향 스위치(S5)가 소거 구간에서, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 흐르지 않는다. 모드 1에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm)의 전류는, 제3 스위치(S3)가 도통 구간에 있는 동안, 제2 필터(Cd), 제4 스위치(S4), 제3 스위치(S3) 및 자화인덕턴스(Lm)를 통하여 연속적으로 흐른다. 이 때 변압기(T)의 일차 측 전압은 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 된다. 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 계통 전원(201), 제3 스위치(S3), 제1 스위치(S1)를 통하여 흐른다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제1 모드 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 음의 계통 전원 주기에 대한 방전 동작 관련 제2 모드 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 도 2의 양방향 절연형 인버터 회로가 음의 계통 전원 주기에 대하여 방전 동작 시, 양방향 스위치(S5)는 제어 스위치 기능을 하며, 양방향 스위치(S5)와 제4 스위치(S4)는 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식 동작을 한다.
도 3 및 도 10을 참조하면, 방전 동작과 관련하여, 도 3의 t2 구간에서, 모드 1로서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 양방향 스위치(S5)가 도통 구간에 있는 동안, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 변압기(T)의 이차 측 권선과 양방향 스위치(S5)를 통하여 흐른다. 자화 인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류는 이상적인 변압기의 원리에 따라 변압기(T)의 일차 측으로 전달된다. 이 때 변압기(T)의 이차 측 권선 전압은 양방향 스위치(S5)의 도통 구간 동안 에너지 저장 장치 전원(141)에서 변압기(T)의 일차 측으로 전달되게 된다. 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), 제2 스위치(S2), 제2 필터(Cd), 자화 인덕턴스(Lm), 제3 스위치(S3), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다.
도 3 및 도 11을 참조하면, 방전 동작과 관련하여, 도 3의 t2 구간에서, 모드 2로서, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 항상 도통된다. 양방향 스위치(S5)가 소거 구간에 있는 동안, 에너지 저장 장치 전원(141)의 에너지 저장 장치 전류(ie)는 흐르지 않는다. 모드 1에서 흐르던 자화 인덕턴스(Lm)의 전류는, 제4 스위치(S4)가 도통 구간에 있는 동안, 제2 필터(Cd), 제4 스위치(S4), 제3 스위치(S3) 및 자화 인덕턴스(Lm)를 통하여 연속적으로 흐른다. 이 때 변압기(T)의 일차 측 전압은 제2 필터(Cd)의 전압이 걸리게 된다. 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)의 도통으로 인하여, 계통 전류(ig)는 제1 필터(Lg), S2, 제4 스위치(S4), 계통 전원(201)을 통하여 흐른다.
상술한, 본 발명의 양방향 절연형 인버터 회로의 충전 동작 방식에서 제3 스위치(S3)는 계통 전원(201)이 양의 주기 일 때, 제어 스위칭 기능을 수행하며, 제4 스위치(S4)는 계통 전원이 음의 주기 일 때, 각각 제어 스위치 기능을 수행한다. 상기 양방향 절연형 인버터 회로의 방전 동작 방식에서 양방향 스위치(S5)는 계통 전원의 전기적 극성(Electrical Polarity)에 무관하게 항상 제어 스위치 기능을 수행한다. 상기 양방향 절연형 인버터 회로의 동작 방식에 따른 제어 스위치는 계통 전류(ig)의 역률 개선(Power Factor Correction) 및 에너지 저장 장치 전원(141)의 전압과 전류를 제어하는 기능을 수행한다. 제어 스위치가 일정한 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 경우, 제어 스위치의 듀티비(Duty Ratio)를 D라고 정의하면, 본 발명에 따른 양방향 절연형 인버터 회로의 계통 전원(201)과 에너지 저장 장치 전원(141)간의 전압 관계식은 다음 수학식 1로 표현된다.
Figure PCTKR2021005497-appb-M000001
상술한 바와 같이, 본 발명의 양방향 절연형 인버터 회로는 회로 구조가 간단하고, 사용되는 전기 회로 및 전력용 반도체 소자들의 개수를 줄일 수 있는 전력변환 회로 기술로써, 에너지 저장을 위한 양방향 절연형 인버터 회로의 전력 밀도, 전력변환 효율 및 생산단가를 개선할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (9)

  1. 풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터;
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기;
    상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터;
    상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치;를 포함하며,
    상기 제1 필터는 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고,
    상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 에너지 저장 장치 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계통 전원이 양의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계통 전원이 음의 주기일 때, 상기 제1 내지 제4 스위치들 중 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 항상 도통 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 스위치가 일정한 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에는 상기 제3 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 충전 동작 시, 상기 계통 전원의 음의 주기에는 상기 제4 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 양방향 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제3 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치 전원의 방전 동작 시, 상기 계통 전원의 양의 주기에서 상기 양방향 스위치가 제어 스위치 기능을 수행하고 상기 제4 스위치와 서로 상보적인 펄스폭 변조 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 절연형 인버터 회로.
  9. 계통 전원으로부터의 전력을 충전하거나, 저장된 전력을 방전하여 수용가 부하에 공급하는 에너지 저장 장치;
    상기 에너지 저장 장치의 충전 또는 방전을 지원하는 양방향 절연형 인버터;
    상기 양방향 절연형 인버터의 충방전 동작을 제어하는 인버터 제어부;를 포함하고,
    상기 양방향 절연형 인버터는
    풀-브리지 회로 형태로 배치되는 제1 내지 제4 스위치들;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 연결되는 제1 필터;
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치에 병렬로 연결되는 1차측 권선을 포함하는 변압기;
    상기 변압기에 직렬로 연결되는 제2 필터;
    상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 연결되는 양방향 스위치;를 포함하며,
    상기 제1 필터는 상기 계통 전원의 일단에 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 일 지점은 상기 계통 전원의 타단에 연결되고,
    상기 양방향 스위치와 상기 변압기의 2차측 권선의 타단에 상기 에너지 저장 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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