KR102035223B1 - 하이브리드 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 다양한 운전 모드(예를 들면, 태양광 발전 모듈 발전의 제1모드, 그리드 오프의 제2모드, 노 배터리의 제3모드, 야간의 제4모드, 야간 및 그리드 오프의 제5모드, 야간 및 UPS 사용의 제6모드)를 갖는 소규모 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 태양광 발전 모듈로부터 발전된 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터; 태양광 발전 모듈로부터 발전된 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 컨버터로부터 직류 전원을 공급받아 충전되는 배터리; 및 상기 컨버터 및 인버터를 제어하는 EMS을 포함하고, 상기 EMS은, 주간에 태양광 발전 모듈의 발전시 컨버터를 제어하여 직류 전원으로 배터리를 충전하고, 인버터를 제어하여 가전 제품 및 그리드에 교류 전원을 공급하는 제1운영 모드, 그리드의 오프시 컨버터를 제어하여 배터리를 직류 전원으로 충전하고 인버터를 제어하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제2운영 모드, 컨버터를 제어하여 배터리를 충전하지 않고 인버터를 제어하여 가전 제품 및 그리드에 교류 전원을 공급하는 제3운영 모드, 야간에 태양광 발전 모듈의 비발전시 컨버터 및 인버터를 제어하여 배터리의 전원을 변환하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제4운영 모드, 그리드의 오프시 컨버터 및 인버터를 제어하여 배터리의 전원을 변환하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제5운영 모드, 및 인버터와 컨버터를 제어하여 그리드의 전원을 배터리에 충전하여 UPS(uninterrupted power supply)로 사용하는 제6운영 모드 중 어느 한 모드로 동작하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템을 개시한다.

Description

하이브리드 에너지 저장 시스템{Hybrid Energy Storage System}
본 발명의 실시예는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
최근 석탄과 석유와 같은 화석 연료의 고갈 문제 및 환경 오염 문제의 심각성으로 인하여, 대체 에너지에 대한 다양한 모델이 제시되고 있다.
이중 태양광, 풍력, 조력과 같은 신재생 에너지를 이용한 발전 또는 난방은 화석 연료에 대한 에너지 의존도를 줄이고, 무공해 환경을 조성할 수 있어서, 세계 여러 나라에서 활발한 연구가 이루어지면서, 신재생 에너지 산업이 급속도로 발전하고 있다.
한편, 신재생 에너지원으로부터 발전된 전력은 직류이거나 교류라고 해도 주파수가 다르므로 이를 직접 그리드에 연결하거나 공급할 수 없다. 이에 따라, 직류를 교류로 변환하거나, 주파수를 조정할 필요가 있는데,이를 위해 일반적으로 그리드 타이 인버터(grid tie inverter)가 이용되고 있다.
그러나, 이러한 그리드 타이 인버터는 신재생 에너지원으로부터 얻은 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고 주파수를 조정하여 그리드에 직접 연결/공급할 뿐, 일반 산업용이나 가정용으로 사용하기에는 부적합한 문제가 있었다. 일례로, 그리드 타이 인버터는 일반 산업 전자 제품이나 가전 제품에 직접 교류 전원을 공급하고 또한 배터리를 충전할 수 있도록 설계되지 않았기 때문이다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 다양한 운전 모드(예를 들면, 태양광 발전 모듈의 턴온 및 피크 발전의 제1모드, 그리드 오프의 제2모드, 노 배터리의 제3모드, 야간의 제4모드, 야간 및 그리드 오프의 제5모드, 야간 및 UPS(Uninterruptible Power Supply) 사용의 제6모드)를 갖는 소규모 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다른 해결하고자 하는 과제는 추가적인 회로없이 간단한 알고리즘 추가로 중성점의 전압을 균일하게 유지할 수 있어 효율이 높고, THD(Total Harmonic Distortion, 전체 고조파 왜곡율)가 낮으며, 스위치 스트레스가 작고 부피가 작은 T형 3-레벨 3상 인버터를 갖는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은 태양광 발전 모듈로부터 발전된 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터; 태양광 발전 모듈로부터 발전된 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 컨버터로부터 직류 전원을 공급받아 충전되는 배터리; 및 상기 컨버터 및 인버터를 제어하는 EMS(Energy Monitoring System)을 포함하고, 상기 EMS은, 주간에 태양광 발전 모듈의 발전시 컨버터를 제어하여 직류 전원으로 배터리를 충전하고, 인버터를 제어하여 가전 제품 및 그리드에 교류 전원을 공급하는 제1운영 모드, 그리드의 오프시 컨버터를 제어하여 배터리를 직류 전원으로 충전하고 인버터를 제어하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제2운영 모드, 컨버터를 제어하여 배터리를 충전하지 않고 인버터를 제어하여 가전 제품 및 그리드에 교류 전원을 공급하는 제3운영 모드, 야간에 태양광 발전 모듈의 비발전시 컨버터 및 인버터를 제어하여 배터리의 전원을 변환하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제4운영 모드, 그리드의 오프시 컨버터 및 인버터를 제어하여 배터리의 전원을 변환하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제5운영 모드, 및 인버터와 컨버터를 제어하여 그리드의 전원을 배터리에 충전하여 UPS(uninterrupted power supply)로 사용하는 제6운영 모드 중 어느 한 모드로 동작할 수 있다.,
인버터는 T형 3-레벨 3상 인버터를 포함할 수 있다.
인버터는 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(a,b,c)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 다수의 스위치가, 제1직류링크 및 제2 직류링크 사이에 연결되도록 구성된 T형 3-레벨 3상 인버터; T형 3-레벨 3상 인버터에서 출력되는 3상 전압을 검출하는 출력 전압 검출부; T형 3-레벨 3상 인버터에서 출력되는 3상 전류 및 그리드전압 위상각을 이용하여 각 상의 지령전압(Vref)을 생성하는 지령 전압 생성부; 각 상의 지령전압의 공간전압벡터에서의 위치에 따라 존재하는 각 상의 스위칭 상태를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 시퀀스를 생성하는 시퀀스 생성부; PWM 스위칭 시퀀스에서 각 상의 스위치 온 타임을 구하는 스위치 온 타임 계산부; 제1직류링크 커패시터의 전압(Vd _top)과 제2직류링크 커패시터의 전압(Vd _bot)의 차이를 검출하는 입력 전압 검출부; 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크 커패시터 사이의 연결 노드인 중성점(N)의 전압을 제어하기 위해, 제1직류링크 커패시터의 전압(Vd _top)과 제2직류링크 커패시터의 전압(Vd _bot)의 차이에 따라 스위치 온 타임 보상 타임(Tcomp)을 계산하여 스위치 온 타임을 보상하는 스위치 온 타임 보상부; 및 각 상의 보상된 스위치 온 타임으로 각 상의 다수의 스위치에 인가하는 PWM 스위칭 시퀀스를 발생시키는 PWM 발생부를 포함할 수 있다.
스위치 온 타임 보상부는 제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 크면, 각 상의 스위치 온 타임에 보상 스위치 온 타임을 가산하여, 각 상의 스위치 온 타임을 증가시킬 수 있고, 제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 작으면, 각 상의 스위치 온 타임에서 보상 스위치 온 타임을 감산하여, 각 상의 스위치 온 타임을 감소시킬 수 있다.
제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 크면, 각 상의 보상 스위치 온 타임은 0보다 클 수 있고(Tcomp > 0), 제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 작으면, 각 상의 스위치 온 타임은 0보다 작을 수 있다(Tcomp < 0).
보상 스위치 온 타임(Tcomp)은 아래의 수학식으로 결정될 수 있다.
Figure 112019079270920-pat00001
여기서, iN _gen은 아래의 수학식으로 결정되고,
Figure 112019079270920-pat00002
i1st 내지 i4th는 각 스위칭 시퀀스에서의 중성점 전류이고(i1st = i4th), Ts는 총 7개의 스위칭 시퀀스중 전체 타임, Tmax는 a상의 중성점 전압(VaN)에 대한 5개의 스위치 온 타임, Tmid는 b상의 중성점 전압(VbN)에 대한 3개의 스위치 온 타임, Tmin은 c상의 중성점 전압(VcN)에 대한 1개의 스위치 온 타임
각 상의 보상된 스위치 온 타임(Taj_ comp,Tbj _ comp,Tcj _comp)은 아래의 수학식으로 결정될 수 있다.
Figure 112019079270920-pat00003
여기서, Taj, Tbj, Tcj는 각 상의 스위치 온 타임이고, j는 각 상의 스위치 번호
본 발명은 다양한 운전 모드(예를 들면, 태양광 발전 모듈의 턴온 및 피크 발전의 제1모드, 그리드 오프의 제2모드, 노 배터리의 제3모드, 야간의 제4모드, 야간 및 그리드 오프의 제5모드, 야간 및 UPS 사용의 제6모드)를 갖는 소규모 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공한다.
본 발명은 추가적인 회로없이 간단한 알고리즘 추가로 중성점의 전압을 균일하게 유지할 수 있어 효율이 높고, THD(Total Harmonic Distortion, 전체 고조파 왜곡율)가 낮으며, 스위치 스트레스가 작고 부피가 작은 T형 3-레벨 3상 인버터를 갖는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 구성을 도시한 개략도 및 하이브리드 인버터의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다양한 동작 모드를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템 중에서 T형 3-레벨 3상 인버터의 구성을 도시한 개략도이다.
도 5는 T형 3-레벨 3상 인버터의 27개 공간 전압 벡터를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템 중에서 T형 3-레벨 3상 인버터의 각 상의 스위칭 상태에 따른 중성점(N) 전압의 상태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 지령전압(Vref)이 섹터 I(Sector I)에 위치한 경우를 예시한 개략도이다.
도 8은 지령전압이 도 7에 도시된 바와 같이 공간 전압 벡터 상에서 위치한 경우의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스를 도시한 개략도이다.
도 9는 도 8의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스에서 P-타입과 N-타입 스위칭 스테이트의 조합을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 도 8의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스에서 한주기 동안 중성점 전류 계산을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 도 8의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스에서 중성점 전압에 따른 보상된 스위치 온-타임을 설명하기 위한 개략도이다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템 중에서 T형 3-레벨 3상 인버터의 중성점 전압 제어 알고리즘 사용시, P-타입 스위칭 스테이트 사용시 및 N-타입 스위칭 스테이트 사용 시 출력 선간 전압을 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
일례로, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러)는 중앙처리장치, 하드디스크 또는 고체상태디스크와 같은 대용량 저장 장치, 휘발성 메모리 장치, 키보드 또는 마우스와 같은 입력 장치, 모니터 또는 프린터와 같은 출력 장치로 이루어진 통상의 상용 컴퓨터에서 운영될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 태양광 발전 모듈(201) 및/또는 그리드(202)로부터 공급받은 전력을 가전 제품(203) 및/또는 배터리(120)에 공급할 수 있다. 또한, 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 태양광 발전 모듈(201)로부터 발전된 전력을 그리드(202)에 공급할 수도 있다. 또한, 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 그리드(202)로부터 전력을 공급받아 배터리(120)을 충전할 수도 있다. 이러한 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)의 다양한 모드(6가지 모드)는 아래에서 다시 자세하게 설명하기로 한다.
태양광 발전 모듈(201)은 발전 전력을 먼저 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)에 공급할 수 있다. 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 발전 전력을 배터리(120), 가전 제품(203) 및 그리드(202)에 공급할 수 있다.
그리드(202)는 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 그리드(202)는 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(100)으로 전력을 공급하여 가전 제품(203) 및/또는 배터리(120)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 그리드(202)는 에너지 저장 시스템(100)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 그리드(202)가 비정상 상태인 경우(예를 들면, 지락 고장 또는 정전 발생 시), 그리드(202)로부터 에너지 저장 시스템(100)으로의 전력 공급은 중단될 수 있고, 에너지 저장 시스템(100)으로부터 그리드(202)로의 전력 공급 또한 중단될 수 있다.
가전 제품(203)은 태양광 발전 모듈(201)에서 생산된 전력, 배터리(120)에 저장된 전력, 및/또는 그리드(202)로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다.
하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 태양광 발전 모듈(201)에서 발전한 전력을 배터리(120)에 저장하고, 발전한 전력을 그리드(202)로 공급할 수 있다. 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 배터리(120)에 저장된 전력을 그리드(202)로 공급하거나, 그리드(202)로부터 공급된 전력을 배터리(120)에 저장할 수도 있다. 또한, 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 그리드(202)가 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 가전 제품(203)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 그리드(202)가 정상인 상태에서도 태양광 발전 모듈(201)이 생산한 전력이나 배터리(120)에 저장되어 있는 전력을 가전 제품(203)으로 공급할 수 있다.
PCS(Power Conversion System)(130)는 태양광 발전 모듈(201), 그리드(202), 배터리(120)로부터 공급받은 전력을 그리드(202), 가전 제품(203), 배터리(120)에 적절한 형태로 변환할 수 있다. PCS(130)는 입력/출력 단자로의 전력 변환 및 입력/출력 단자로부터의 전력 변환을 수행하며, 이때 상기 전력 변환은 DC/AC 변환 및 제1전압과 제2전압 사이의 변환일 수 있다. PCS(130)는 변환된 전력을 EMS(135)의 제어에 의해 동작 모드에 따라서 적절한 목적지로 공급할 수 있다.
PCS(130)는 전력 변환부(131), DC 링크부(132), 인버터(133), 컨버터(134)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(131)는 태양광 발전 모듈(201)과 DC 링크부(132) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 전력 변환부(131)는 태양광 발전 모듈(201)에서 발전한 전력을 DC 링크부(132)로 전달할 수 있다. 전력 변환부(131)로부터의 출력 전압은 직류 링크 전압일 수 있다.
전력 변환부(131)는 태양광 발전 모듈(201)의 직류 전력의 전압 레벨을 DC 링크부(132)의 직류 전력의 전압 레벨로 변환하기 위한 컨버터를 포함할 수 있다. 특히, 전력 변환부(131)는 일사량, 온도 등의 상태 변화에 따라서 태양광 발전 모듈(201)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 변환부(131)는 태양광 발전 모듈(201)에서 발전되는 전력이 없을 때에는 소비 전력을 최소화시키기 위하여 동작을 중지할 수도 있다.
직류 링크 전압은 태양광 발전 모듈(201) 또는 그리드(202)에서의 순시 전압 강하, 가전 제품(203)의 급격한 변화나 높은 부하량 요구 등으로 인하여 불안정해 지는 경우가 있다. 그러나 직류 링크 전압은 컨버터(134) 및 인버터(133)의 정상 동작을 위하여 안정화되어야 한다. DC 링크부(132)는 전력 변환부(131)와 인버터(133) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. DC 링크부(132)로서, 예를 들어, 2개 이상의 대용량 커패시터 등을 포함할 수 있다.
인버터(133)는 DC 링크부(132)와 제1스위치(171) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(133)는 방전 모드에서 DC 링크부(132)로부터의 직류 출력 전압을 그리드(202)의 교류 전압으로 변환하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(133)는 충전 모드에서 그리드(202)의 전력을 배터리(120)에 저장하기 위하여, 그리드(202)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉, 인버터(133)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(133)는 그리드(202)로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(133)는 무효 전력 손실을 억제하기 위하여 인버터(133)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 그리드(202)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(133)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena)에 대한 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(133)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.
컨버터(134)는 DC 링크부(132)와 배터리(120) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 컨버터(134)는 방전 모드에서 배터리(120)로부터 출력된 전력의 전압을 인버터(133)를 위한 직류 링크 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 컨버터(134)는 충전 모드에서 전력 변환부(131)나 인버터(133)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리(120)의 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 즉, 컨버터(134)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터(134)일 수 있다. 컨버터(134)는 배터리(120)의 충전 또는 방전에 사용되지 않는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.
EMS(Energy Monitoring System)(135)은 태양광 발전 모듈(201), 그리드(202), 배터리(120) 및 가전 제품(203)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(131), 인버터(133), 컨버터(134), 배터리(120), 제1스위치(171), 제2스위치(172)의 동작을 제어할 수 있다. EMS(135)는 그리드(202)에 정전이 발생하였는지 여부 또는 지락 고장이 발생하였는지 여부, 태양광 발전 모듈(201)에서 전력이 발전되는지 여부, 태양광 발전 모듈(201)에서 전력을 발전하는 경우 그 발전량, 배터리(120)의 충전 상태, 가전 제품(203)의 소비 전력량, 타임 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 EMS(135)는, 예를 들어 그리드(202)에 정전이 발생하는 등, 가전 제품(203)으로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 가전 제품(203)에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 가전 제품(203)을 제어할 수도 있을 것이다.
제1스위치(171) 및 제2스위치(172)는 인버터(133)와 그리드(202) 사이에 직렬로 연결되며, EMS(135)의 제어에 따라서 온/오프 동작을 수행하여 태양광 발전 모듈(201)과 그리드(202) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1스위치(171)와 제2스위치(172)는 태양광 발전 모듈(201), 그리드(202) 및 배터리(120)의 상태에 따라서 온/오프가 결정될 수 있다.
일례로, 태양광 발전 모듈(201) 및/또는 배터리(120)의 전력을 가전 제품(203)으로 공급하기 위하여, 그리드(202)의 전력을 배터리(120)에 공급하기 위하여, 제1스위치(171)를 온 상태로 한다. 태양광 발전 모듈(201) 및/또는 배터리(120)의 전력을 그리드(202)로 공급하기 위하여 또는 그리드(202)의 전력을 가전 제품(203) 및/또는 배터리(120)에 공급하기 위하여 제2스위치(172)를 온 상태로 한다. 제1스위치(171) 및 제2스위치(172)로는 큰 전류에 견딜수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
그리드(202)에서 지락 또는 정전이 발생한 경우에는, 제2스위치(172)를 오프 상태로 하고 제1스위치(171)를 온 상태로 한다. 즉, 태양광 발전 모듈(201) 및/또는 배터리(120)로부터의 전력을 가전 제품(203)에 공급하는 동시에, 가전 제품(203)으로 공급되는 전력이 그리드(202)로 흐르는 것을 방지한다. 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)이 지락 고장 또는 정전이 발생한 그리드(202)와 단절되어 그리드(202)로 전력을 공급하는 것을 방지한다. 이로 인하여 그리드(202)의 전력선 등에서 작업하는, 예를 들어 그리드(202)의 정전을 수리하는 인부가 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
배터리(120)는 태양광 발전 모듈(201) 및/또는 그리드(202)의 전력을 공급받아 저장하고, 가전 제품(203) 또는 그리드(202)에 전력을 공급한다. 배터리(120)는 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분(예를 들면, 배터리 모니터링 시스템)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 EMS(135)가 공조부(141,151) 및 소화부(142,152)를 제어할 수 있다. 공조부(141,151)는 온도 센서, 결로 센서, 습도 센서, 쿨러, 히터 등을 포함할 수 있다. 따라서, 공조부(141,151)에 의해 배터리(120), PCS(130), EMS(135) 등이 각각 최적 공조 상태로 제어될 수 있다. 또한, 소화부(142,152)는 불꽃 센서, 열 센서, 연기 센서, 소화장치(예를 들면, HCFC-123 가스, CO2 가스 등) 등을 포함할 수 있다. 따라서, 소화부에 의해 배터리(120), PCS(130), EMS(135)가 각각 화재로부터 보호될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 EMS(135)가 인터넷망(203)을 통하여 중앙 관리 서버(204) 및 모바일 단말기(205)에 연결된 구성을 포함할 수 있다. 일례로, 지락 고장 또는 정전이 발생하거나, 공조에 이상이 발생하거나 또는 화재 발생 시, EMS(135)가 이를 중앙 관리 서버(204) 및 모바일 단말기(205)에 실시간으로 전송할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)의 구성을 도시한 개략도 및 하이브리드 인버터(133)의 구성을 도시한 개략도이다. 여기서, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 용이한 이해를 위해 도 1중 주요 구성 요소만을 분리하여 도시한 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리(120)를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 태양광 발전 모듈(201, 그리드(202) 및 가전 제품(203)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이 인버터(133)는 T형 3-레벨 3상 인버터를 포함할 수 있으며, 이를 중심으로 배터리(120), EMS(135), PCS(130) 및 계통(202)이 연결될 수 있다. 더불어, 인버터(133)는 BMS 매칭부, 외부 인터페이스, 운전 지령부, HMI 등을 포함할 수 있으며, 이밖에도 인버터(133)는 PQ, PLL, LVRT 및 중성점 제어 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 크게 6가지 동작 모드를 가질 수 있는데, 이를 순차적으로설명한다. 여기서, 동작 모드의 제어 주체는 EMS(135)일 수 있으며, 상술한 바와 같이, 컨버터(134), 인버터(133), 제1스위치(171), 제2스위치(172) 등을 제어하여, 6가지 동작 모드를 구현할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)의 다양한 동작 모드(운영 모드 또는 운전 모드)를 도시한 개략도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제1운영 모드에서 EMS(135)가 주간에 태양광 발전 모듈(201)의 발전시 컨버터(134)를 제어하여 직류 전원으로 배터리(120)를 충전하도록 하고, 인버터(133)를 제어하여 가전 제품(201) 및 그리드(202)에 교류 전원을 공급할 수 있다. 이때, EMS(135)는 제1스위치(171) 및 제2스위치(172)를 턴온한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제2운영 모드에서 EMS(135)가 주간에 태양광 발전 모듈(201)의 발전시 및 그리드(202)의 오프시 컨버터(134)를 제어하여 배터리(120)를 직류 전원으로 충전하고 인버터(133)를 제어하여 가전 제품(201)에 교류 전원을 공급할 수 있다. 이때, EMS(135)는 제2스위치(172)를 턴오프하여 그리드(202)에 전원이 공급되지 않도록 한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제3운영 모드에서 EMS(135)가 주간에 태양광 발전 모듈(201)의 발전시 컨버터(134)를 제어하여 배터리(120)를 충전하지 않고(일례로, 배터리(120)가 장착되지 않을 수 있음) 인버터(133)를 제어하여 가전 제품(201) 및 그리드(202)에 교류 전원을 공급할 수 있다. 이때, EMS(135)는 제1,2스위치(171,172)를 턴온한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 제4운영 모드에서 EMS(135)가 야간에 태양광 발전 모듈(201)의 비발전시 컨버터(134) 및 인버터(133)를 제어하여 배터리(120)의 전원을 변환하여 가전 제품(201)에 교류 전원을 공급할 수 있다. 이때, EMS(135)는 제1,2스위치(171,172)를 턴온한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 제5운영 모드에서 EMS(135)가 야간에 그리드(202)의 오프시 컨버터(134) 및 인버터(133)를 제어하여 배터리(120)의 전원을 변환하여 가전 제품(201)에 교류 전원을 공급할 수 있다. 이때, EMS(135)는 제2스위치(172)를 턴오프한다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 제6운영 모드에서 EMS(135)가 인버터(133)와 컨버터(134)를 제어하여 그리드(202)의 전원을 미리 배터리(120)에 충전하여 배터리(120)를 UPS(uninterrupted power supply)로 사용할 수 있다. 이떼, EMS(135)는 제2스위치(172)를 턴오프한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100) 중에서 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 구성을 도시한 개략도이고, 도 5는 T형 3-레벨 3상 인버터의 27개 공간 전압 벡터를 나타낸 개략도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템 중에서 T형 3-레벨 3상 인버터의 각 상의 스위칭 상태에 따른 중성점(N) 전압의 상태를 나타낸 개략도이고, 도 7은 지령전압(Vref)이 섹터 I(Sector I)에 위치한 경우를 예시한 개략도이며, 도 8은 지령전압이 도 7에 도시된 바와 같이 공간 전압 벡터 상에서 위치한 경우의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스를 도시한 개략도이고, 도 9는 도 8의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스에서 P-타입과 N-타입 스위칭 스테이트의 조합을 설명하기 위한 개략도이고, 도 10은 도 8의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스에서 한주기 동안 중성점 전류 계산을 설명하기 위한 개략도이며, 도 11은 도 8의 센터-얼라인드 PWM 스위칭 시퀀스에서 중성점 전압에 따른 보상된 스위치 온-타임을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)은 T형 3-레벨 3상 인버터(133), 입력 전압 검출부(133a), 출력 전압 검출부(133b), 지령 전압 생성부(133c), 시퀀스 생성부(133d), 스위치 온 타임 계산부(133e) 및 PWM 발생부(133g)를 포함할 수 있다.
T형 3-레벨 3상 인버터(133)는 제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터(C1), 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터(C2)를 포함하며, 3개의 상(a,b,c)으로 구성되며, 각 상마다 다수의 역병렬 다이오드와 스위치로 구성된다. 제1직류링크 커패시터(C1)와 제2직류링크 커패시터(C2)는 직렬 연결된다.
3개의 상 중 a상은 역병렬 다이오드(Da1, Da2, Da3, Da4)와 스위치(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)로 구성되며, 제1직류링크에 스위치 Sa1 및 역병렬 다이오드 Da1이 연결되며 제2직류링크에 스위치 Sa4 및 역병렬 다이오드 Da4가 연결되며, 제1직류링크 커패시터(C1)와 제2직류링크 커패시터(C2)의 연결 노드인 중성점(N)과 스위치 Sa1 및 스위치 Sa4의 연결 노드 사이에, 스위치 Sa2, Sa3과 역병렬 다이오드 Da2, Da3가 연결된다.
3개의 상 중 b상은 역병렬 다이오드(Db1, Db2, Db3, Db4)와 스위치(Sb1, Sb2, Sb3, Sb4)로 구성되며, 제1직류링크에 스위치 Sb1 및 역병렬 다이오드 Db1이 연결되며 제2직류링크에 스위치 Sb4 및 역병렬 다이오드 Db4가 연결되며, 중성점(N)과 스위치 Sb1 및 스위치 Sb4의 연결 노드 사이에, 스위치 Sb2, Sb3과 역병렬 다이오드 Db2, Db3가 연결된다.
3개의 상 중 c상은 역병렬 다이오드(Dc1, Dc2, Dc3, Dc4)와 스위치(Sc1, Sc2, Sc3, Sc4)로 구성되며, 제1직류링크에 스위치 Sc1 및 역병렬 다이오드 Dc1이 연결되며 제2직류링크에 스위치 Sc4 및 역병렬 다이오드 Dc4가 연결되며, 중성점(N)과 스위치 Sc1 및 스위치 Sc4의 연결 노드 사이에, 스위치 Sc2, Sc3과 역병렬 다이오드Dc2, Dc3가 연결된다.
입력 전압 검출부(133a)는 제1직류링크 커패시터(C1)의 전압(Vd_top)과 제2직류링크 커패시터(C2)의 전압(Vd_bot)을 각각 검출하고, 이들의 불평형 전압 차이를 계산하여 스위치 온 타임 보상부(133f)에 전달한다. 입력 전압 검출부(133a)의 제1직류링크 커패시터(C1)의 전압과 제2직류링크 커패시터(C2)의 전압 차 계산은 지령 전압 생성부(133c)의 동작 전후, 시퀀스 생성부(133d)의 동작 전후, 스위치 온 타임 계산부(133e)의 동작 전후, 스위치 온 타임 보상부(133f)의 동작 전후에 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
이때, 제1직류링크 커패시터(C1)의 전압과 제2직류링크 커패시터(C2)의 전압의 크기는 각 상의 스위치의 스위칭 상태에 따라 달라진다. 도 5를 참조하면, T형 3-레벨 3상 인버터(133)는 27개 공간전압벡터를 갖는데, 이러한 공간전압벡터는 그 크기에 따라 영(zero), 작은(small), 중간(medium), 큰(large) 전압벡터로 나눌 수 있다. 이중에서 중성점(N) 전압에 영향을 주는 벡터는 작은 전압벡터(POO/ONN, PPO/OON, OPO/NON, OPP/NOO, OOP/NNO, POP/ONO)와 중간 전압벡터(PON, OPN, NPO, ONP, PNO)이고 영 전압벡터(PPP, NNN, OOO)와 큰 전압벡터(PNP, PPN, NPP, NNP, PNN)는 인버터 출력단이 직류링크 중성점(N)에 연결되지 않기 때문에 중성점 전압변동에 영향을 끼치지 않는다. 이때, 예를 들어 PPP는 좌측에서 우측으로 순차적으로 a상의 스위칭 상태, b상의 스위칭 상태, c상의 스위칭 상태를 나타낸다. 즉, 첫 번째 P는 a상에 포함된 스위치들의 스위칭 상태가 P 타입이라는 것을 나타내며, 두 번째 P는 b상에 포함된 스위치들의 스위칭 상태가 P 타입이라는 것을 나타내며, 세 번째 P는 c상에 포함된 스위치들의 스위칭 상태가 P 타입이라는 것을 나타낸다. 그리고 a상에 포함된 스위치들, b상에 포함된 스위치들, c상에 포함된 스위치들의 스위칭 상태의 제어는 PWM 발생부(133g)에 의해서 발생되는 신호에 따라 이루어질 수 있다.
작은 전압벡터(POO/ONN, PPO/OON, OPO/NON, OPP/NOO, OOP/NNO, POP/ONO)는 스위칭 상태에 따라 P 타입 작은 전압벡터와 N 타입 작은 전압벡터로 나뉠 수 있다. P 타입 작은 벡터벡터(POO, PPO, OPO, OPP, OOP, POP)는 작은 벡터 스위칭 조합에서 P와 O 상태를 포함하는 경우이며, N 타입 작은 전압벡터(ONN, OON, NON, NOO, NNO, ONO)는 N과 O 상태를 포함하는 경우이다. 그리고 중복성을 가지는 한 쌍의 P 타입과 N 타입 작은 전압벡터(POO/ONN, PPO/OON, OPO/NON, OPP/NOO, OOP/NNO, POP/ONO)는 각각 전압 레벨을 갖지만 중성점 전류의 방향은 서로 반대가 된다. 따라서 중성점에서의 전압변동 양상도 반대로 나타난다.
이에 대해서 도 6을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 6의 (a)는 영 전압벡터의 경우를 나타내며 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 출력단이 직류링크 중성점(N)에 연결되어 있지 않으므로 중성점(N) 전압 변동에 영향을 주지 않음을 나타낸다. 도 6의 (e)는 큰 전압벡터의 경우를 나타내며 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 출력단이 직류링크 중성점(N)에 연결되어 있지 않으므로 중성점(N) 전압변동에 영향을 주지 않음을 나타낸다. 도 6의 (b)는 P 타입 작은 전압벡터의 경우를 나타내며 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 출력단이 직류링크 상단과 중성점(N)에 연결되어 있으므로 전류 iN이 중성점 방향으로 들어가며 이는 하단의 커패시터 전압(Vd_bot)을 증가시킨다. 도 6의 (c)는 N 타입 작은 전압벡터의 경우를 나타내며 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 출력단이 중성점(N)과 직류링크 하단에 연결되어 있으므로 전류 iN이 중성점에서 흘러나오며 이는 하단의 커패시터 전압(Vd_bot)을 감소시킨다. 도 3의 (d)는 중간 전압벡터의 경우를 나타내며 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 출력단이 중성점(N)에 연결되어 있으므로 중성점(N)에 연결된 상의 전류 방향에 따라 중성점 전압이 증가 혹은 감소한다.
즉 본 발명의 T형 3-레벨 3상 인버터(133)는 각 상에 대하여 3가지의 스위칭 상태(P,N,O)를 가진다. 스위칭 상태 P는 각 상에서 스위치 Sx1, Sx2가 턴 온되고 Sx3, Sx4가 턴 오프되는 상태를 나타내며, 이때 폴(Pole) 전압은 Vd/2[V]이다. 반면 N 상태는 각 상에서 스위치 Sx1, Sx2가 턴 오프되고 Sx3, Sx4가 턴 온되는 상태를 나타내며, 이때 폴(Pole)전압은 -Vd/2[V]이다. 스위칭 상태 O는 각 상에서 스위치 Sx2, Sx3이 턴 온되고 Sx1, Sx4가 턴 오프되는상태를 나타내며, 이때 폴(Pole)전압은 0[V]이다. P,O,N에서 스위치 Sa1, Sa2, Sa3, Sa4의 온/오프 상태를 정리하면 아래 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112019079270920-pat00004
P형(스위치 Sx1, Sx2가 턴 온) 작은 전압벡터는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 중성점 전압을 증가시키며, N형(스위치 Sx3, Sx4가 턴 온) 작은 전압 벡터는 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 중성점 전압을 감소시킨다. 중간 전압벡터는 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 중성점에 연결된 상의 전류 방향에 따라 중성점 전압을 증가 혹은 감소시킨다.
지령 전압 생성부(133c)는 T형 3-레벨 3상 인버터(133)에서 출력되는 3상 전류 및 계통 전압 위상각을 이용하여 각 상의 지령 전압을 생성한다. 이때, 지령 전압 생성부(133c)는 3상 전류를 회전좌표계로 변환하고 상기 회전좌표계로 변환된 3상 전류의 d(무효)축의 전류를 d축의 지령전압으로 변환하는 d축 지령전압 변환부(미도시), 회전좌표계로 변환된 3상 전류의 q축(유효)축의 전류를 q축의 지령전압으로 변환하는 q축 지령전압 변환부, d축 지령전압 변환부의 출력전압 및 q축 지령전압 변환부의 출력전압을 각각 동기좌표계의 q축 지령전압 및 d축 지령전압으로 변환하는 동기좌표계 변환부(미도시), 동기좌표계의 q축 지령전압 및 d축 지령전압을 고정좌표계의 q축 지령전압 및 d축 지령전압으로 변환하여 출력하는 고정좌표계 변환부(미도시), 고정좌표계의 q축 지령전압 및 d축 지령전압을 이용하여 3상 좌표계의 각 상의 지령전압을 구하는 지령 전압 생성부(133c)(미도시)를 포함할 수 있다.
일례로, d축 지령전압 변환부는 d축 PI 제어기(미도시)를 포함한다. d축 PI 제어기는 상기 d축 전류(red_Ide)와 실제 d축 전류(Ide)의 차이인 d축 전류 에러값(Ide_err)을 구하고, d축 전류 에러값(Ide_err), I제어기 게인(Ki) 및 시스템 제어주기(Tsamp)를 모두 승산하여 d축 I 제어기 출력값(ref_Vde_fb_intg)을 구하고, d축 전류 에러값(Ide_err)과 P 제어기 게인(Kp)을 승산한 값을 d축 I제어기 출력값(ref_Vde_fb_intg)과 더하여 d축 지령전압(ref_Vde_fb)을 출력한다. 한편 q축 지령전압 변환부는 q축 PI 제어기(미도시)를 포함한다. q축 PI 제어기는 q축 전류(red_Iqe)와 실제 q축 전류(Iqe)의 차이인 q축 전류 에러값(Iqe_err)을 구하고, q축 전류 에러값(Iqe_err), I 제어기 게인(Ki) 및 시스템 제어주기(Tsamp)를 모두 승산하여 q축 I 제어기 출력값(ref_Vqe_fb_intg)을 구하고, q축 전류 에러값(Iqe_err)과 P 제어기 게인(Kp)을 승산한 값을 q축 I제어기 출력값(ref_Vqe_fb_intg)과 더하여 q축 지령전압(ref_Vqe_fb)을 출력한다.
동계좌표계 변환부는 회전좌표계 상의 d축 지령전압(ref_Vde_fb)을 동기좌표계상의 d축 지령전압(ref_Vde)으로 변환하여 출력하고, 회전좌표계 상의 q축 지령전압(ref_Vqe_fb)을 동기좌표계상의 q축 지령전압(ref_Vqe)으로 변환하여 출력한다.
고정좌표계 변환부는 동기좌표계의 d축 지령전압(ref_Vde) 및 q축 지령전압(ref_Vqe)을 아래의 수학식 1을 이용하여 고정좌표계의 d축 지령전압(ref_Vds) 및 q축 지령전압(ref_Vqs)으로 변환한다.
[수학식 1]
Figure 112019079270920-pat00005
이때 수학식 1에서 Angle은 계통 전압 위상을 나타낸다.
지령 전압 생성부(133c)는 고정좌표계의 q축 지령전압 및 d축 지령전압을 아래의 수학식 2에 적용하여 3상 좌표계의 각 상의 지령전압을 구한다.
[수학식 2]
Figure 112019079270920-pat00006
이때, ref_Va는 3상 좌표계의 a상 지령전압을 나타내고 ref_Vb는 3상 좌표계의 b상 지령전압을 나타내고 ref_Vc는 3상 좌표계의 c상 지령전압을 나타낸다.
시퀀스 생성부(133d)는 지령 전압 생성부(133c)에서 생성된 지령 전압의 공간전압벡터에서의 위치에 따른 각 상의 스위칭 상태들을 이용하여 상기 중성점(N) 전압을 제어하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 시퀀스를 생성한다. 이때, PWM 스위칭 시퀀스는 지령 전압 생성부(133c)에서 생성된 지령 전압이 공간전압벡터 상의 위치에서 존재하는 스위칭 상태들을 이용하여 만들어질 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 지령전압(Vref)이 1 섹터(Sector I)에 위치한 경우, PWM 스위칭 시퀀스는 4개의 스위칭 상태들 [OON], [PON], [PPN], [PPO]에 의해서 만들어지며, [OON]-[PON]-[PPN]-[PPO]-[PPN]-[PON]-[OON]으로 구성됨을 알 수 있다.
계속해서, 도 8,9를 참조하면, 지령전압이 도 7에 도시된 같이 공간전압벡터 상에서 위치하는 경우의 PWM 스위칭 시퀀스를 나타낸다. P 타입 작은 전압벡터 및 N 타입 작은 전압벡터는 같은 출력 선간전압을 발생시키지만 중성점으로 흐르는 전류의 서로 반대방향이므로 중성점 전압을 균일하게 유지하기 위해서는 P 타입 작은 전압벡터와 N 타입 작은 전압벡터의 인가 타임이 같아야 한다.
스위치 온 타임 계산부(133e)는 각 상의 스위치 온 타임을 계산한다.
일례로, 지령전압(Vref)가 sector 1, region 1에 있을 경우 아래와 같이 각 상의 전압을 계산할 수 있다.
스위치 온 타임으로부터 계산
[수학식 3]
Figure 112019079270920-pat00007
KVL을 계산하면 다음과 같다.
[수학식 4]
Figure 112019079270920-pat00008
[수학식 5]
Figure 112019079270920-pat00009
한편, 이때 인버터 부하에 걸리는 상전압은 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure 112019079270920-pat00010
[수학식 7]
Figure 112019079270920-pat00011
여기서, 도 8로부터 스위치 온 타임에 대해 아래와 같은 수학식 8을 얻을 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019079270920-pat00012
또한, 수학식 8로부터 스위치 온타임을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Tc1 , Tc2
수학식 8로부터 Tc1 = Tc2 = 0, 수학식 7로부터 아래 수학식 9를 도출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112019079270920-pat00013
Ta1 , Ta2
Van > 0이면, 수학식 3, 9로부터 Ta1 + Ta2 > Ts, Van - Vcn > Vd/2
수학식 8로부터
Figure 112019079270920-pat00014
수학식 9로부터
Figure 112019079270920-pat00015
Figure 112019079270920-pat00016
이면, 위와 같은 방법으로
Figure 112019079270920-pat00017
Tb1 , Tb2 (위와 같은 방법으로)
Figure 112019079270920-pat00018
이면,
Figure 112019079270920-pat00019
,
Figure 112019079270920-pat00020
Figure 112019079270920-pat00021
이면,
Figure 112019079270920-pat00022
이와 같이 하여, 6개의 sector(24개 region) 적용 시 스위치 온 타임은 아래와 같이 계산될 수 있다.
수학식 10
Figure 112019079270920-pat00023
도 9에 도시된 바와 같이, 한 주기내에서 P 타입과 N 타입 스위칭 스테이트의 온 타임을 동일하게 설정함으로써, 출력 전류 왜곡을 감소시켜 중성점 전압 평형에 유리하게 할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112019079270920-pat00024
Tc1 , Tc2
도 9의 스위칭 시퀀스로부터 Tc1 = 0,
수학식 11로부터
Figure 112019079270920-pat00025
Ta1 , Ta2
도 9의 스위칭 시퀀스로부터 Ta2 = Ts
수학식 11로부터
Figure 112019079270920-pat00026
Tb1 , Tb2
도 9의 스위칭 시퀀스로부터 Tb2 = Ts
수학식 11로부터
Figure 112019079270920-pat00027
이와 같이 하여, 결국 6개의 sector(24개의 region) 적용 시 아래 수학식 12와 같이 스위칭 온 타임이 계산될 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112019079270920-pat00028
계속해서, 도 10을 참조하여, 스위칭 동작에 따른 중성점 전압을 계산하면 다음과 같다. 일례로, 한주기동안 중성점 전류를 계산해보면, 총 7개의 스위칭 시퀀스 중 독립된 4개의 시퀀스가 존재하는데, 각 시퀀스마다 중성점 전류와 온 타임의 곱으로 중성점 전류를 계산할 수 있다.(P 타입 및 N 타입 온 타임 동일)
중성점 전류(iN)은 아래와 같다.
Figure 112019079270920-pat00029
이를 일반식으로 변환하면 아래와 같다.
Figure 112019079270920-pat00030
상기 일반식 및 도 10을 통해 알 수 있듯이, 중성점 전압이 안정화되지 않음을 알 수 있다.
도 11을 함께 참조하여 중성점 보상 방법을 설명한다.
우선 스위치 온 타임 (Tcomp)를 정의하면 다음과 같다.
Figure 112019079270920-pat00031
상기 식으로부터 i4th와 Tcomp가 중성점 전압에 영향을 줌을 알 수 있다.
이에 본 발명의 실시예는 아래와 같이 Vd_bot - Vd_top에 비례하여 Tcomp를 가변한다.
Figure 112019079270920-pat00032
이와 같이 하여, 보상된 스위치 온 타임은 다음과 같다.
Figure 112019079270920-pat00033
또한, 최종적으로 중성점 전압에 따른 보상된 스위치 온 타임은 아래와 같다. 여기서, 청색 점선은 보상 스위치 온 타임이 +인 경우를 의미하고, 적색 점선은 보상 스위치 온 타임이 -인 경우를 의미한다.
Figure 112019079270920-pat00034
상기와 같이 하여, 스위치 온 타임 계산부(133e)는 시퀀스 생성부(133d)에서 생성된 PWM 스위칭 시퀀스에서 각 상의 스위칭 온(On) 타임을 구한다. 예를 들면, 스위치 온 타임 계산부(133e)는 PWM 스위칭 시퀀스에서 각 상의 스위칭 온 타임을 구한다.
또한 상기와 같이 하여, 스위치 온 타임 보상부(133f)는 스위치 온 타임 계산부(133e)에서 계산한 각상의 스위칭 온 타임에 대한 각 보상 타임을 계산한다. 상술한 바와 같이 보상 타임은 +, 0 또는 -일 수 있다.
PWM 발생부(133g)는 상술한 바와 같이 제1직류링크 커패시터(C1)의 전압과 제2직류링크 커패시터(C2)의 전압의 차를 이용하여, 각 상의 스위치 온 타임을 보상하고 보상된 각 상의 스위치 온 타임으로 PWM 스위칭 시퀀스를 변형하여 각 상의 다수의 스위치에 인가한다.
이때, PWM 발생부(133g)는 제1직류링크 커패시터(C1) 전압의 크기와 제2직류링크 커패시터(C2) 전압의 크기를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 각 상의 스위치 온 타임을 보상한다.
즉, PWM 발생부(133g)는 제1직류링크 커패시터(C1) 전압(Vd_top)이 제2직류링크 커패시터(C2) 전압(Vd_bot)보다 크면, 각 상의 스위치 온 타임에 스위치 보상 타임을 더해서, 각 상의 스위치 온 타임을 보상한다. 이에 따라 제1직류링크 커패시터(C1)의 전압이 감소한다.
한편, PWM 발생부(133g)는 제1직류링크 커패시터(C1)의 전압(Vd_top)이 제2직류링크 커패시터(C2)의 전압(Vd_bot)보다 작으면, 각 상의 스위치 온 타임에 스위치 보상 타임을 빼서, 각 상의 스위치 온 타임을 보상한다. 이에 따라 제2직류링크 커패시터(C2)의 전압이 감소한다.
이러한 과정을 거쳐서 지령전압(Vref)이 도 7과 같이 섹터 I에 있을 때 중성점 전압 제어를 위한 PWM 스위칭 시퀀스는 상기 표 1과 같이 구해질 수 있다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100) 중에서 T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 중성점 전압 제어 알고리즘 사용시, P-타입 스위칭 스테이트 사용시 및 N-타입 스위칭 스테이트 사용 시 출력 선간 전압을 도시한 개략도이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 중성점 전압 제어 알고리즘 사용할 경우, Vd_bot = Vd_top(편차 0.5% 이하)이고, 이에 따라 출력 선간 전압에서 왜곡이 발생하지 않음을 볼 수 있다.
도 12b에 도시된 바와 같이, T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 중성점 전압 제어 알고리즘 사용하지 않아(P 타입 스위칭 스테이트 사용시), Vd_bot > Vd_top일 경우 출력 선간 전압에서 왜곡이 발생함을 볼 수 있다.
도 12c에 도시된 바와 같이, T형 3-레벨 3상 인버터(133)의 중성점 전압 제어 알고리즘 사용하지 않아(N 타입 스위칭 스테이트 사용시), Vd_bot < Vd_top일 경우 출력 선간 전압에서 왜곡이 발생함을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템
120; 배터리 130; 파워 컨버젼 시스템(PCS)
131; 전력 변환부 132; DC 링크부
133; 인버터 133a; 입력 전압 검출부
133b; 출력 전압 검출부 133c; 지령 전압 생성부
133d; 시퀀스 생성부 133e; 스위치 온 타임 계산부
133f; 스위치 온 타임 보상부 133g; PWM 발생부
134; 컨버터 135; 에너지 모니터링 시스템(EMS)
171; 제1스위치 172; 제2스위치
201; 태양광 발전 모듈 202; 그리드
203; 가전 제품 203; 인터넷망
204; 중앙 관리 서버 205; 모바일 단말기

Claims (7)

  1. 태양광 발전 모듈로부터 발전된 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터; 태양광 발전 모듈로부터 발전된 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 컨버터로부터 직류 전원을 공급받아 충전되는 배터리; 및 상기 컨버터 및 인버터를 제어하는 EMS을 포함하고, 상기 EMS은,
    주간에 태양광 발전 모듈의 발전시 컨버터를 제어하여 직류 전원으로 배터리를 충전하고, 인버터를 제어하여 가전 제품 및 그리드에 교류 전원을 공급하는 제1운영 모드, 그리드의 오프시 컨버터를 제어하여 배터리를 직류 전원으로 충전하고 인버터를 제어하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제2운영 모드, 컨버터를 제어하여 배터리를 충전하지 않고 인버터를 제어하여 가전 제품 및 그리드에 교류 전원을 공급하는 제3운영 모드,
    야간에 태양광 발전 모듈의 비발전시 컨버터 및 인버터를 제어하여 배터리의 전원을 변환하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제4운영 모드, 그리드의 오프시 컨버터 및 인버터를 제어하여 배터리의 전원을 변환하여 가전 제품에 교류 전원을 공급하는 제5운영 모드, 및 인버터와 컨버터를 제어하여 그리드의 전원을 배터리에 충전하여 UPS(uninterrupted power supply)로 사용하는 제6운영 모드 중 어느 한 모드로 동작하고,
    인버터는
    제1직류링크에 연결된 제1직류링크 커패시터와 제2직류링크에 연결된 제2직류링크 커패시터가 직렬 연결되며, 3개의 상(a,b,c)마다, 다수의 역병렬 다이오드 및 다수의 스위치가, 제1직류링크 및 제2 직류링크 사이에 연결되도록 구성된 T형 3-레벨 3상 인버터;
    T형 3-레벨 3상 인버터에서 출력되는 3상 전압을 검출하는 출력 전압 검출부;
    T형 3-레벨 3상 인버터에서 출력되는 3상 전류 및 그리드전압 위상각을 이용하여 각 상의 지령전압(Vref)을 생성하는 지령 전압 생성부;
    각 상의 지령전압의 공간전압벡터에서의 위치에 따라 존재하는 각 상의 스위칭 상태를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 시퀀스를 생성하는 시퀀스 생성부;
    PWM 스위칭 시퀀스에서 각 상의 스위치 온 타임을 구하는 스위치 온 타임 계산부;
    제1직류링크 커패시터의 전압(Vd_top)과 제2직류링크 커패시터의 전압(Vd_bot)의 차이를 검출하는 입력 전압 검출부;
    제1직류링크 커패시터와 제2직류링크 커패시터 사이의 연결 노드인 중성점(N)의 전압을 제어하기 위해, 제1직류링크 커패시터의 전압(Vd_top)과 제2직류링크 커패시터의 전압(Vd_bot)의 차이에 따라 스위치 온 타임 보상 타임(Tcomp)을 계산하여 스위치 온 타임을 보상하는 스위치 온 타임 보상부; 및
    각 상의 보상된 스위치 온 타임으로 각 상의 다수의 스위치에 인가하는 PWM 스위칭 시퀀스를 발생시키는 PWM 발생부를 포함하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    스위치 온 타임 보상부는
    제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 크면, 각 상의 스위치 온 타임에 보상 스위치 온 타임을 가산하여, 각 상의 스위치 온 타임을 증가시키고,
    제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 작으면, 각 상의 스위치 온 타임에서 보상 스위치 온 타임을 감산하여, 각 상의 스위치 온 타임을 감소시키는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 크면, 각 상의 보상 스위치 온 타임은 0보다 크고(Tcomp > 0),
    제1직류링크 커패시터의 전압이 제2직류링크 커패시터의 전압보다 작으면, 각 상의 스위치 온 타임은 0보다 작은(Tcomp < 0), 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    보상 스위치 온 타임(Tcomp)은 아래의 수학식으로 결정되는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
    Figure 112019079270920-pat00035

    여기서, iN _gen은 아래의 수학식으로 결정되고,
    Figure 112019079270920-pat00036

    i1st 내지 i4th는 각 스위칭 시퀀스에서의 중성점 전류이고(i1st = i4th), Ts는 총 7개의 스위칭 시퀀스중 전체 타임, Tmax는 a상의 중성점 전압(VaN)에 대한 5개의 스위치 온 타임, Tmid는 b상의 중성점 전압(VbN)에 대한 3개의 스위치 온 타임, Tmin은 c상의 중성점 전압(VcN)에 대한 1개의 스위치 온 타임
  7. 제 6 항에 있어서,
    각 상의 보상된 스위치 온 타임(Taj_comp,Tbj_comp,Tcj_comp)은 아래의 수학식으로 결정되는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
    Figure 112019079270920-pat00037

    여기서, Taj, Tbj, Tcj는 각 상의 스위치 온 타임이고, j는 각 상의 스위치 번호
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111146955A (zh) * 2020-01-21 2020-05-12 中南大学 T型三电平间接矩阵变换器拓扑结构
CN112994105A (zh) * 2021-03-25 2021-06-18 华为技术有限公司 一种光伏发电***、功率控制装置及储能***
KR102436391B1 (ko) * 2022-02-10 2022-08-25 (주)엔지피 에너지 저장 기능을 갖는 계통연계형 태양광발전 제어 시스템
KR102436399B1 (ko) * 2022-02-10 2022-08-25 (주)엔지피 에너지 저장 기능을 갖는 태양광발전 제어 시스템
KR102436415B1 (ko) * 2022-02-10 2022-08-25 (주)엔지피 계통연계형 태양광발전 제어 시스템
KR20230064453A (ko) * 2021-11-03 2023-05-10 목포대학교산학협력단 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기
TWI829573B (zh) * 2022-04-07 2024-01-11 達方電子股份有限公司 功率轉換系統

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027499A (ko) * 2014-08-29 2016-03-10 순천대학교 산학협력단 주간모드 및 야간모드 기능을 구비한 태양광발전 시스템의 제어 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027499A (ko) * 2014-08-29 2016-03-10 순천대학교 산학협력단 주간모드 및 야간모드 기능을 구비한 태양광발전 시스템의 제어 방법

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111146955A (zh) * 2020-01-21 2020-05-12 中南大学 T型三电平间接矩阵变换器拓扑结构
CN112994105A (zh) * 2021-03-25 2021-06-18 华为技术有限公司 一种光伏发电***、功率控制装置及储能***
KR20230064453A (ko) * 2021-11-03 2023-05-10 목포대학교산학협력단 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기
KR102611542B1 (ko) 2021-11-03 2023-12-06 목포대학교산학협력단 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기
KR102436391B1 (ko) * 2022-02-10 2022-08-25 (주)엔지피 에너지 저장 기능을 갖는 계통연계형 태양광발전 제어 시스템
KR102436399B1 (ko) * 2022-02-10 2022-08-25 (주)엔지피 에너지 저장 기능을 갖는 태양광발전 제어 시스템
KR102436415B1 (ko) * 2022-02-10 2022-08-25 (주)엔지피 계통연계형 태양광발전 제어 시스템
TWI829573B (zh) * 2022-04-07 2024-01-11 達方電子股份有限公司 功率轉換系統

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