KR20190061608A - Ess용 전력 변환 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 배터리와 연결되고, 상기 배터리 충전 시 벅 컨버터(Buck converter)로 동작하고, 상기 배터리 방전 시 부스트 컨버터(Boost converter)로 동작하는 컨버팅부, 그리고 상기 컨버팅부를 통해 상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리 충전 시 외부로부터 입력되는 3상 교류 입력전원을 직류 전원으로 변환하는 전파 정류기로 동작하고, 상기 배터리 방전 시 인버터로 동작하는 인버팅부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 3-level 제어와 함께 중성점 전압제어 알고리즘 및 전력품질을 향상시키는 알고리즘 적용에 적합한 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치에 관한 것이다.
최근에 환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다.
에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템이다. 이러한 에너지 저장 시스템은 부하의 전력 소비량에 따라서 다양한 용량을 가질 수 있다. 따라서 대용량의 전력을 공급하기 위하여 에너지 저장 시스템은 병렬로 연결된 복수의 전원과 연결되도록 구성될 수 있다.
그런데 신재생에너지에 주로 적용되는 종래의 PCS(Power Conversion System)는 주로 2-level 인버터 형식으로, 3-level 인버터를 통한 높은 효율성 확보가 요구되고 있다. 그리고 3-level 제어와 함께 중성점 전압제어 알고리즘 및 전력품질을 향상시키는 알고리즘 적용에 적합한 전력 변환 장치에 대한 요구가 증가하고 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 3-level 제어와 함께 중성점 전압제어 알고리즘 및 전력품질을 향상시키는 알고리즘 적용에 적합한 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 배터리와 연결되고, 상기 배터리 충전 시 벅 컨버터(Buck converter)로 동작하고, 상기 배터리 방전 시 부스트 컨버터(Boost converter)로 동작하는 컨버팅부, 그리고 상기 컨버팅부를 통해 상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리 충전 시 외부로부터 입력되는 3상 교류 입력전원을 직류 전원으로 변환하는 전파 정류기로 동작하고, 상기 배터리 방전 시 인버터로 동작하는 인버팅부를 포함한다.
상기 컨버팅부는, 직렬로 연결된 제1 내지 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')로 이루어진 제1 레그(leg-d)의 양 단에 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)가 연결될 수 있다.
상기 제1 전력 반도체 스위칭 소자(7)와 상기 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')의 접점에 상기 배터리의 일단이 연결되고, 상기 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)와 상기 제4 전력 반도체 스위칭 소자(8')의 접점에는 상기 배터리의 타단이 연결될 수 있다.
상기 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')와 상기 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)의 접점과 상기 제1 커패시터(C1)와 상기 제2 커패시터(C2)의 접점은 서로 연결될 수 있다.
상기 인버팅부(②)는 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 3상 브리지 형태로 포함할 수 있다.
상기 3상 브리지의 레그(leg-a)는 상기 제5 전력 반도체 스위칭 소자(1) 및 상기 제6 전력 반도체 스위칭 소자(2)를 포함하고, 상기 3상 브리지의 레그(leg-b)는 상기 제7 전력 반도체 스위칭 소자(3) 및 상기 제8 전력 반도체 스위칭 소자(4)를 포함하며, 상기 3상 브리지의 레그(leg-c)는 상기 제9 전력 반도체 스위칭 소자(5) 및 상기 제10 전력 반도체 스위칭 소자(6)를 포함할 수 있다.
상기 각 레그(leg-a, leg-b, leg-c)에 포함된 전력 반도체 스위칭 소자 사이의 접점은 각각 절체 스위치부(SW1, SW2, SW3)에 의해 상기 컨버팅부(①)의 상기 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')와 상기 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)의 접점과 연결될 수 있다.
상기 절체 스위치부(SW1, SW2, SW3)는 각각 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')을 포함하며, 상기 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')은 서로 반대 방향으로 스위칭되게 병렬 연결될 수 있다.
상기 제1 내지 제10 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7', 8, 8')는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)일 수 있다.
상기 배터리 충전 시 상기 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)는 오프(OFF)되고, 상기 제1 및 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 8')는 스위칭 동작을 함으로써, 상기 컨버팅부(①)는 벅 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 배터리 방전 시 상기 제1 및 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 8')는 오프되고, 상기 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)는 스위칭 동작을 함으로써, 상기 컨버팅부(①)는 부스트 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 배터리 충전 시 상기 인버팅부(②)는 상기 6개의 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 모두 오프시킴으로써, 상기 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)의 바디 다이오드(body diode)가 3상 브리지 형태로 연결되어 전파 정류기로 동작할 수 있다.
상기 배터리 방전 시, 상기 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')과 상기 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 미리 정해진 방식으로 스위칭 동작시켜 상기 인버팅부(②)를 인버터로 동작시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 3-level 제어와 함께 중성점 전압제어 알고리즘 및 전력품질을 향상시키는 알고리즘 적용에 적합한 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버팅부의 벅 컨버터 동작 모드에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버팅부의 부스트 컨버터 동작 모드에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버팅부의 인버터 동작 모드에서 각 스위치 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버팅부의 벅 컨버터 동작 모드에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버팅부의 부스트 컨버터 동작 모드에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버팅부의 인버터 동작 모드에서 각 스위치 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 4선식 3레벨 ESS(Energy Storage System)용 전력 변환 장치의 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 컨버팅부(①), 인버팅부(②) 및 필터부(③)를 포함할 수 있다.
컨버팅부(①)는 배터리와 연결되고, 배터리 충전 시 벅 컨버터(Buck converter)로 동작하고, 배터리 방전 시 부스트 컨버터(Boost converter)로 동작할 수 있다.
이를 위해 컨버팅부(①)는 직렬로 연결된 제1 내지 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')를 포함할 수 있다. 그리고 컨버팅부(①)는 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')로 이루어진 레그(leg-d)의 양 단에 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)가 연결될 수 있다.
제1 내지 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)로 구현할 수 있다.
제1 전력 반도체 스위칭 소자(7)와 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')의 접점에 에너지 저장 수단인 배터리의 일단이 연결되고, 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)와 제4 전력 반도체 스위칭 소자(8')의 접점에는 배터리의 타단이 연결될 수 있다.
그리고 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')와 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)의 접점과 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 접점은 서로 연결될 수 있으며, 그라운드(ground)에 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버팅부의 벅 컨버터 동작 모드에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 배터리 충전 시 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)는 오프(OFF)되고, 제1 및 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 8')는 스위칭 동작을 함으로써, 컨버팅부(①)는 도 2에 예시한 것과 같은 전류 흐름을 보이고 벅 컨버터로 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버팅부의 부스트 컨버터 동작 모드에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, 배터리 방전 시 제1 및 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 8')는 오프(OFF)되고, 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)는 스위칭 동작을 함으로써, 컨버팅부(①)는 도 3에 예시한 것과 같은 전류 흐름을 보이고 부스트 컨버터로 동작할 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 인버팅부(②)는 컨버팅부(①)를 통해 배터리와 연결되고, 배터리 충전 시 외부로부터 입력되는 3상 교류 입력전원을 직류 전원으로 변환하는 전파 정류기로 동작한다. 그리고 인버팅부(②)는 배터리 방전 시 인버터로 동작한다.
이를 위해 인버팅부(②)는 6개의 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 3상 브리지 형태로 포함한다. 레그(leg-a)는 제5 전력 반도체 스위칭 소자(1) 및 제6 전력 반도체 스위칭 소자(2)를 포함하고, 레그(leg-b)는 제7 전력 반도체 스위칭 소자(3) 및 제8 전력 반도체 스위칭 소자(4)를 포함하며, 레그(leg-c)는 제9 전력 반도체 스위칭 소자(5) 및 제10 전력 반도체 스위칭 소자(6)를 포함한다.
레그(leg-a, leg-b, leg-c)에 포함된 전력 반도체 스위칭 소자 사이의 접점은 각각 절체 스위치부(SW1, SW2, SW3)에 의해 컨버팅부(①)의 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)의 접점과 연결된다.
제5 내지 제10 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)로 구현할 수 있다.
절체 스위치부(SW1, SW2, SW3)는 각각 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')을 포함하는데, 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')은 서로 반대 방향으로 스위칭되게 병렬 연결되어 있다.
배터리 충전 시 인버팅부(②)에 포함된 6개의 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 모두 오프시킴으로써, 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)의 바디 다이오드(body diode)가 3상 브리지 형태로 연결되어 있기 때문에 전파 정류기로 동작하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버팅부의 인버터 동작 모드에서 각 스위치 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
배터리 방전 시 인버팅부(②)는 인버터로 동작하는데, 인버팅부(②)의 각 상에 포함되는 전력 반도체 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 모드 1 내지 모드 6과 같은 전류 흐름을 보인다.
도 4에서는 a 상에 포함되는 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 1', 2')의 스위칭 동작에 따른 모드 1 내지 모드 6의 전류 흐름을 나타낸 것이다.
먼저 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 1', 2')가 모두 오프되면서, 모드 1에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
그리고 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 2')는 오프되고, 전력 반도체 스위칭 소자(1')만 온 되면서, 모드 2에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
먼저 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 1', 2')가 모두 오프되면서, 모드 1에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
그리고 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 1')는 오프되고, 전력 반도체 스위칭 소자(2')만 온 되면서, 모드 2에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
다음으로 전력 반도체 스위칭 소자(1, 1', 2')가 오프되고, 전력 반도체 스위칭 소자(2)만 온 되면서, 모드 3에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
그리고 전력 반도체 스위칭 소자(2, 1', 2')는 오프되고, 전력 반도체 스위칭 소자(1)만 온 되면서, 모드 4에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
다음으로 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 2')가 오프되고, 전력 반도체 스위칭 소자(1')만 온 되면서, 모드 5에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
그리고 전력 반도체 스위칭 소자(1, 1', 2')가 오프되고, 전력 반도체 스위칭 소자(2)만 온 되면서, 모드 6에 나타낸 것과 같은 전류 흐름을 가진다.
인버팅부(②)는 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 1', 2')의 스위칭 동작에 따라 모드 1 내지 모드 6에 따른 전류 흐름을 나타내면서 인버터로 동작하게 된다.
다시 도 1을 참고하면, 필터부(③)는 인덕터와 커패시터로 이루어질 수 있으며, 인버팅부(②)에서 발생하는 고조파 성분 등을 제거하는 기능을 수행한다. 필터부(③)의 구성 및 동작에 대해서는 이미 주지된 내용이므로 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (9)
- 배터리와 연결되고, 상기 배터리 충전 시 벅 컨버터(Buck converter)로 동작하고, 상기 배터리 방전 시 부스트 컨버터(Boost converter)로 동작하는 컨버팅부, 그리고
상기 컨버팅부를 통해 상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리 충전 시 외부로부터 입력되는 3상 교류 입력전원을 직류 전원으로 변환하는 전파 정류기로 동작하고, 상기 배터리 방전 시 인버터로 동작하는 인버팅부
를 포함하는 전력 변환 장치. - 제 1 항에서,
상기 컨버팅부는,
직렬로 연결된 제1 내지 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 7', 8, 8')로 이루어진 제1 레그(leg-d)의 양 단에 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)가 연결되며,
상기 제1 전력 반도체 스위칭 소자(7)와 상기 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')의 접점에 상기 배터리의 일단이 연결되고, 상기 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)와 상기 제4 전력 반도체 스위칭 소자(8')의 접점에는 상기 배터리의 타단이 연결되고,
상기 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')와 상기 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)의 접점과 상기 제1 커패시터(C1)와 상기 제2 커패시터(C2)의 접점은 서로 연결되는 전력 변환 장치. - 제 2 항에서,
상기 인버팅부(②)는 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 3상 브리지 형태로 포함하고,
상기 3상 브리지의 레그(leg-a)는 상기 제5 전력 반도체 스위칭 소자(1) 및 상기 제6 전력 반도체 스위칭 소자(2)를 포함하고, 상기 3상 브리지의 레그(leg-b)는 상기 제7 전력 반도체 스위칭 소자(3) 및 상기 제8 전력 반도체 스위칭 소자(4)를 포함하며, 상기 3상 브리지의 레그(leg-c)는 상기 제9 전력 반도체 스위칭 소자(5) 및 상기 제10 전력 반도체 스위칭 소자(6)를 포함하며,
상기 각 레그(leg-a, leg-b, leg-c)에 포함된 전력 반도체 스위칭 소자 사이의 접점은 각각 절체 스위치부(SW1, SW2, SW3)에 의해 상기 컨버팅부(①)의 상기 제2 전력 반도체 스위칭 소자(7')와 상기 제3 전력 반도체 스위칭 소자(8)의 접점과 연결되는 전력 변환 장치. - 제 3 항에서,
상기 절체 스위치부(SW1, SW2, SW3)는 각각 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')을 포함하며,
상기 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')은 서로 반대 방향으로 스위칭되게 병렬 연결되는 전력 변환 장치. - 제 4 항에서,
상기 제1 내지 제10 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7', 8, 8')는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)인 전력 변환 장치. - 제 5 항에서,
상기 배터리 충전 시 상기 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)는 오프(OFF)되고, 상기 제1 및 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 8')는 스위칭 동작을 함으로써, 상기 컨버팅부(①)는 벅 컨버터로 동작하는 전력 변환 장치. - 제 6 항에서,
상기 배터리 방전 시 상기 제1 및 제4 전력 반도체 스위칭 소자(7, 8')는 오프되고, 상기 제2 및 제3 전력 반도체 스위칭 소자(7', 8)는 스위칭 동작을 함으로써, 상기 컨버팅부(①)는 부스트 컨버터로 동작하는 전력 변환 장치. - 제 7 항에서,
상기 배터리 충전 시 상기 인버팅부(②)는 상기 6개의 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 모두 오프시킴으로써, 상기 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)의 바디 다이오드(body diode)가 3상 브리지 형태로 연결되어 전파 정류기로 동작하는 전력 변환 장치. - 제 8 항에서,
상기 배터리 방전 시, 상기 전력 반도체 스위칭 소자 쌍(1', 2')(3', 4')(5', 6')과 상기 전력 반도체 스위칭 소자(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 미리 정해진 방식으로 스위칭 동작시켜 상기 인버팅부(②)를 인버터로 동작시키는 전력 변환 장치.
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