KR101116498B1

KR101116498B1 - 에너지 저장 시스템

Info

Publication number: KR101116498B1
Application number: KR1020100053427A
Authority: KR
Inventors: 이욱영; 정남성; 박정필; 홍성수; 노정욱; 한상규
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2012-02-27
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: KR20110133808A; US8942010B2; US20110299303A1

Abstract

본 발명의 한 실시예는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 입력단과 출력단이 전기적으로 절연되고, 부피가 작고, 가격이 저렴하며, 회로가 단순한 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 한 실시예는 DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터에 있어서, 상기 DC 링크에 연결된 직류-직류 컨버팅부; 및 상기 직류-직류 컨버팅부와 전력 계통 사이에 연결된 인버팅부를 포함하고, 상기 직류-직류 컨버팅부는 비제어(unregulated) 직류-직류 버스 컨버터인 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 개시한다. 여기서, 직류-직류 컨버팅부는 50% 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작한다.

Description

에너지 저장 시스템{ENERGY STORAGE SYSTEM}

본 발명의 한 실시예는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 태양 전지, 풍력 발전기 및 조력 발전기와 같은 신재생 에너지 저장 시스템은 발전된 에너지를 다양한 레벨의 교류 전원 또는 직류 전원으로 변환하기 위해 다수의 컨버터 및 인버터를 갖는다. 예를 들면, 태양 전지로부터 발전된 전원은 직류이므로, 이를 교류의 전력 계통에 공급하기 위해서는, 직류-교류 인버터가 필요하고, 또한 태양 전지로부터 발전된 전원은 배터리의 전원 레벨과 다르므로, 이를 배터리에 제공하기 위해서는, 직류-직류 컨버터가 필요하다.

현재 대부분의 인버터는 트랜스포머가 없는 형태 즉, 절연을 고려하지 않은 인버터가 주류를 이루고 있다. 그러나, 대부분의 전자기기와 마찬가지로 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터도 안전을 위해 입력과 출력의 절연이 반드시 필요하다. 이러한 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 위한 절연 방법에는 여러 방식이 존재 하지만, 종래의 방법은 부피가 증가되고, 가격이 상승하며, 회로가 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명의 한 실시예는 입력단과 출력단이 전기적으로 절연된 에너지 저장 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예는 부피가 작고, 가격이 저렴하며, 회로가 단순한 에너지 저장 시스템을 제공한다.

본 발명의 한 실시예는 DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터에 있어서, 상기 DC 링크에 연결된 직류-직류 컨버팅부; 및 상기 직류-직류 컨버팅부와 전력 계통 사이에 연결된 인버팅부를 포함하고, 상기 직류-직류 컨버팅부는 비제어(unregulated) 직류-직류 버스 컨버터이다.

상기 직류-직류 컨버팅부는 50% 고정 듀티 및 고정 주파수로 동작한다.

상기 직류-직류 컨버팅부는 상기 DC 링크의 전원을 고정 듀티로 출력하는 하프 브리지 스위칭부; 상기 하프 브리지 스위칭부로터 출력된 전원을 공진하는 공진부; 상기 공진부로부터 공진하는 전원을 다른 레벨의 전원으로 변환하여 출력하는 트랜스포머; 및, 상기 트랜스포머로부터 출력된 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 풀브리지 다이오드 정류부를 포함한다.

상기 하프 브리지 스위칭부는 상기 DC 링크의 제1전극에 연결된 제1스위치; 및 상기 제1스위치 및 상기 DC 링크의 제2전극에 연결된 제2스위치를 포함한다.

상기 공진부는 상기 하프 브리지 스위칭부에 연결된 입력 캐패시터; 상기 입력 캐패시터에 연결된 제1인덕터; 및, 상기 제1인덕터와 DC 링크에 연결된 제2인덕터를 포함한다.

상기 트랜스포머는 상기 제2인덕터에 병렬로 연결된 1차측 권선; 및, 상기 1차측 권선으로부터 절연되어 권취된 2차측 권선을 포함한다.

상기 인버팅부는 상기 직류-직류 컨버팅부에 연결된 풀브리지 스위칭부이다.

상기 신재생 에너지는 태양 전지, 풍력 발전기 또는 조력 발전기로부터 얻은 에너지일 수 있다.

본 발명의 한 실시예는 절연 트랜스포머를 이용함으로써, 입력단과 출력단이 전기적으로 절연된 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 제공한다.

본 발명의 한 실시예는 비제어(unregulated) 직류-직류 버스 컨버터를 이용함으로써, 부피가 작고, 가격이 저렴하며, 회로가 단순한 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 제공한다.

또한, 본 발명의 한 실시예는 무부하시 스위치의 영전압 스위칭(ZVS : Zero-Voltage Switching)이 보장됨으로써, 부하 변동이 심한 조건에서도 안정적으로 동작하는 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 제공한다.

또한, 본 발명의 한 실시예는 환류 전류가 작고, 스위치의 턴 오프시 스위치 최대 전류치가 적으므로, 턴-오프 스위칭 손실이 작은 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터의 주요 파형을 도시한 파형도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터에서 신재생 에너지의 발전 전력에 따른 최대 전력점 추종 컨버터, DC 링크 및 트랜스포머의 1차측 권선의 전류를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템(100)은 신재생 에너지(110), 최대 전력점 추종 컨버터(120), DC(Direct Current) 링크(130), 인버터(140), 부하(150), 계통 연계기(160), 전력 계통(170), 배터리(180), 배터리 모니터링 시스템(190), 양방향 컨버터(200) 및 통합 제어기(210)를 포함한다.

상기 신재생 에너지(110)(New Renewable Energy)는 태양, 바람, 물 및 지열 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 의미한다. 좀 더 구체적으로, 상기 신재생 에너지(110)는 태양 전지, 풍력 발전기, 조력 발전기 및 그 등가물로부터 얻어지는 전기 에너지일 수 있다. 이하의 설명에서는 상기 신재생 에너지(110)로서 태양 전지를 예로 든다. 더불어, 상기 신재생 에너지(110)는 에너지 소스로 정의될 수도 있다.

상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)는 상기 신재생 에너지(110)로부터 최대 전력을 추출하고, 이를 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 예를 들면, 태양 전지의 출력은 일사량과 표면 온도에 따라 비선형적으로 변한다. 이러한 현상은 태양 전지의 발전 효율을 저하시키는 주요 요인이다. 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)는 일사량과 태양 전지의 표면 온도에 따라 비선형적으로 변하는 태양 전지의 동작점이 항상 최대 전력점에서 동작되도록 한다. 더불어, 이와 같이 최대 전력점에서 추출된 직류 전원은 다른 레벨의 직류 전원으로 변환된 후, DC 링크(130)에 제공된다.

상기 DC 링크(130)는 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)로부터 제공된 직류 전압을 일시적으로 저장한다. 이러한 DC 링크(130)는 실질적으로 대용량의 커패시터일 수 있다. 따라서, 상기 DC 링크(130)는 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)로부터 출력되는 직류 전원으로부터 교류 성분을 제거하여 안정된 직류 전원을 저장한다.

상기 인버터(140)는 상기 DC 링크(130)로부터 제공되는 직류 전원을 상용 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 실질적으로, 이러한 인버터(140)는 상기 신재생 에너지(110) 또는 상기 배터리(180)로부터의 직류 전압을 가정(home)에서 사용할 수 있는 상용 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 더불어, 상기 인버터(140)는 상기 신재생 에너지(110) 또는 상기 배터리(180)로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공하기도 한다. 이러한 인버터(140)에 대해서는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.

상기 부하(150)는 상용 교류 전압을 사용하는 가정 또는 산업 시설일 수 있다. 이러한 부하(150)는 신재생 에너지(110), 배터리(180) 또는 전력 계통(170)으로부터 상용 교류 전원을 인가받는다.

상기 계통 연계기(160)는 상기 인버터(140)와 상기 전력 계통(170)을 연결한다. 예를 들면, 상기 계통 연계기(160)는 전압 변동 범위를 조절하고, 고조파를 억제하며, 직류 성분 등을 제거하여 상기 인버터(140)의 교류 전원을 전력 계통(170)에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통(170)의 교류 전원을 상기 인버터(140)에 제공한다.

상기 전력 계통(170)(電力系統, electric power system)은 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들면, 상기 전력 계통(170)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 형성되어 있는 전기적인 연계(連繫)이다. 이러한 전력 계통(170)은 통상 그리드(grid)라고도 한다.

상기 배터리(180)는 충전과 방전이 가능한 이차 전지일 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리(180)는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물이 가능하며, 여기서 그 배터리(180)의 종류를 한정하는 것은 아니다.

상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 상기 배터리(180)의 상태를 최적으로 유지 및 관리한다. 예를 들면, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(180)의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하고, 이상 발생시 사용자에게 경고를 한다. 더불어, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(180)의 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)를 계산하고, 각 배터리의 전압 또는 용량이 동일해지도록 하는 셀 밸런싱(cell balancing)을 수행하며, 배터리(180)의 과열 방지를 위해 냉각팬(도시되지 않음)을 제어한다.

상기 양방향 컨버터(200)는 상기 DC 링크(130)로부터의 직류 전원을 배터리(180)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다. 반대로, 상기 양방향 컨버터(200)는 배터리(180)의 직류 전원을 DC 링크(130)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다.

상기 통합 제어기(210)는 최대 전력점 추종 컨버터(120), 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200) 등을 감시 및 제어한다. 또한, 상기 통합 제어기(210)는 배터리 모니터링 시스템(190)과 통신하여, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)을 감시하기도 한다. 실질적으로 상기 통합 제어기(210)는 최대 전력점 추종 컨버터(120), 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200)로부터 전압, 전류 및 온도를 각각 센싱하고, 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120), 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200)를 각각 제어할 수 있다. 더불어, 상기 통합 제어기(210)는 상기 부하(150)와 계통 연계기(160) 사이에 설치된 차단기(155)를 위급한 상황에서 차단시킬 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, DC 링크(130)의 전원을 전력 계통(170)에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템(100)의 인버터(140)는 직류-직류 컨버팅부(141) 및 인버팅부(142)를 포함한다.

상기 직류-직류 컨버팅부(141)는 상기 DC 링크(130)의 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 상기 인버팅부(142)에 출력한다. 여기서, 상기 직류-직류 컨버팅부(141)는 비제어(unregulated) 직류-직류 버스 컨버터가 바람직하다. 즉, 상기 직류-직류 컨버팅부(141)는 듀티 및 동작 주파수가 제어되지 않는다(unregulated). 일례로, 상기 직류-직류 컨버팅부(141)는 제어되지 않고(unregulated), 대략 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작한다. 참고로, 제어(regulated) 직류-직류 버스 컨버터는 듀티 및 동작 주파수가 부하의 상황에 따라 변함을 의미한다.

상기 직류-직류 컨버팅부(141)는 하프 브리지 스위칭부(141a), 공진부(141b), 절연 트랜스포머(141c) 및 풀브리지 다이오드 정류부(141d)를 포함한다.

상기 하프 브리지 스위칭부(141a)는 상기 DC 링크(130)의 제1전극에 연결된 제1스위치(M1), 상기 제1스위치(M1) 및 상기 DC 링크(130)의 제2전극에 연결된 제2스위치(M2)를 포함한다. 여기서, 상기 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)는 통상의 MOSFET, IGBT 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

상기 제1스위치(M1)는 제1전극이 상기 DC 링크(130)의 제1전극에 연결된다. 또한, 상기 제1스위치(M1)는 제2전극이 제2스위치(M2)의 제1전극에 연결된다. 더불어, 상기 제1스위치(M1)는 제어 전극을 통해 대략 50% 고정 듀티로 제어 신호가 입력된다. 상기 제2스위치(M2)는 제1전극이 상기 제1스위치(M1)의 제2전극에 연결된다. 또한, 상기 제2스위치(M2)는 제2전극이 DC 링크(130)의 제2전극에 연결된다. 더불어, 상기 제2스위치(M2)는 제어 전극을 통해 대략 50% 고정 듀티로 제어 신호가 입력된다. 물론, 상기 제1스위치(M1)가 턴온되었을 경우 상기 제2스위치(M2)는 턴오프된다. 또한, 상기 제1스위치(M1)가 턴오프되었을 경우 상기 제2스위치(M2)는 턴온된다. 즉, 상기 제1스위치(M1)와 상기 제2스위치(M2)는 상보적으로 동작하며, 상기 DC 링크(130)의 에너지를 출력한다. 더불어, 상술한 바와 같이 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)는 제어되지 않고(unregulated), 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작함으로써, 영전압 스위칭 (ZVS: Zero-Voltage Switching)이 확실하게 보장된다.

상기 공진부(141b)는 입력 캐패시터(Cr), 제1인덕터(Lr) 및 제2인덕터(Lm)를 포함한다. 상기 입력 캐패시터(Cr)는 제1전극이 상기 제1스위치(M1)의 제2전극 및 상기 제2스위치(M2)의 제1전극에 연결된다. 또한 상기 입력 캐패시터(Cr)는 제2전극이 하기할 제1인덕터(Lr)의 제1전극에 연결된다. 상기 제1인덕터(Lr)는 제1전극이 상기 입력 캐패시터(Cr)의 제2전극에 연결된다. 또한, 상기 제1인덕터(Lr)는 제2전극이 상기 제2인덕터(Lm)의 제1전극에 연결된다. 상기 제2인덕터(Lm)는 제1전극이 상기 제1인덕터(Lr)의 제2전극에 연결된다. 상기 제2인덕터(Lm)는 제2전극이 DC 링크(130)의 제2전극에 연결된다. 이와 같이 하여 상기 공진부(141b)는 상기 하프 브리지 스위칭부(141a)로부터 출력된 전원을 공진하여 출력한다.

상기 절연 트랜스포머(141c)는 1차측 권선(n1) 및 2차측 권선(n2)을 포함한다. 상기 1차측 권선(n1)은 제1전극이 상기 제1인덕터(Lr)의 제2전극 및 상기 제2인덕터(Lm)의 제1전극에 연결된다. 또한, 상기 1차측 권선(n1)은 제2전극이 DC 링크(130)의 제2전극, 제2스위치(M2)의 제2전극, 제2인덕터(Lm)의 제2전극에 연결된다. 상기 2차측 권선(n2)은 상기 1차측 권선(n1)과 절연되고, 또한 풀브리지 다이오드 정류부(141d)에 연결된다. 이와 같이 하여 상기 절연 트랜스포머(141c)는 1차측 권선(n1)과 2차측 권선(n2)이 절연되어 있으며, DC 링크(130)의 전원을 1차측 권선(n1)에서 2차측 권선(n2)으로 전달한다. 물론, 상기 절연 트랜스포머(141c)는 1차측 권선(n1)과 2차측 권선(n2)의 권선비에 따른 전원을 출력한다.

상기 풀브리지 다이오드 정류부(141d)는 4개의 다이오드(d1 내지 d4) 및 1개의 출력 캐패시터(Cm)를 포함한다.

제1다이오드(d1)는 제1전극이 상기 2차측 권선(n2)의 제1전극 및 제3다이오드의 제2전극에 연결되고, 제2전극이 제4다이오드(d4)의 제2전극 및 출력 캐패시터(Cm)의 제1전극에 연결된다. 제2다이오드(d2)는 제1전극이 제3다이오드(d3)의 제1전극 및 출력 캐패시터(Cm)의 제2전극에 연결되고, 제2전극이 2차측 권선(n2)의 제2전극 및 제4다이오드(d4)의 제1전극에 연결된다. 제3다이오드(d3)는 제1전극이 제2다이오드의 제1전극 및 출력 캐패시터(Cm)의 제2전극에 연결되고, 제2전극이 제1다이오드(d1)의 제1전극 및 2차측 권선(n2)의 제1전극에 연결된다. 상기 제4다이오드(d4)는 제1전극이 제2다이오드(d2)의 제2전극 및 제2권선의 제2전극에 연결되고, 제2전극이 제1다이오드(d1)의 제2전극 및 출력 캐패시터(Cm)의 제1전극에 연결된다. 상기 출력 캐패시터(Cm)는 제1전극이 제1다이오드(d1)의 제2전극 및 제4다이오드(d4)의 제2전극에 연결되고, 제2전극이 제2다이오드(d2)의 제1전극 및 제3다이오드(d3)의 제1전극에 연결된다. 더불어, 상기 출력 캐패시터(Cm)의 제1전극 및 제2전극이 인버팅부(142)에 연결된다. 이와 같이 하여, 상기 풀브리지 다이오드 정류부(141d)는 일정 레벨의 반파 정현파 형태의 전압을 인버팅부(142)에 출력한다.

상기 인버팅부(142)는 4개의 스위치(M11 내지 M14)를 갖는 풀브리지 스위칭부일 수 있다. 상기 제1스위치(M11) 내지 제4스위치(M14)는 통상의 MOSFET, IGBT 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

제1스위치(M11)는 제1전극이 상기 출력 캐패시터(Cm)의 제1전극 및 상기 제4스위치(M14)의 제1전극에 연결되고, 제2전극이 제3스위치(M13)의 제1전극 및 전력 계통(170)에 연결된다. 제2스위치(M12)는 제1전극이 제4스위치(M14)의 제2전극 및 전력 계통(170)에 연결되고, 제2전극이 제3스위치의 제2전극 및 출력 캐패시터(Cm)의 제2전극에 연결된다. 제3스위치(M13)는 제1전극이 제1스위치(M11)의 제2전극 및 전력 계통(170)에 연결되고, 제2전극이 출력 캐패시터(Cm)의 제2전극 및 제2스위치(M12)의 제2전극에 연결된다. 상기 제4스위치(M14)는 제1전극이 제1스위치(M11)의 제1전극에 연결되고, 제2전극이 제2스위치(M12)의 제1전극 및 전력 계통(170)에 연결된다. 이와 같이 하여, 상기 인버팅부(142)는 상기 직류-직류 컨버팅부(141)로부터 출력되는 반파 정류 전압을 상기 전력 계통(170)의 전압과 동기시켜, 상기 전력 계통(170)에 출력한다. 물론, 이러한 인버팅부(142)를 이루는 제1스위치(M11) 내지 제4스위치(M14)의 듀티 또는 동작 주파수는, DC 링크(130)의 전압이 변동되지 않도록, 통합 제어기(210, 도 1참조)에 의해 제어됨은 당연하다. 여기서, 상기 DC 링크(130)의 전압에 변동이 발생하지 않도록, 인버팅부(142)를 이루는 제1스위치(M11) 내지 제4스위치(M14)의 듀티 또는 동작 주파수를 제어하는 방법은 당업자에게 주지된 내용이므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

이러한 구성을 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(140)의 동작을 설명한다.

먼저 직류-직류 컨버팅부(141)중에서 하프 브리지 스위칭부(141a)가 동작한다. 즉, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)가 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작한다. 다르게 설명하면, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)가 비제어 방식(unregulated)으로 제어된다. 예를 들면, 제1스위치(M1)가 턴온되었을 경우, 제2스위치(M2)는 턴오프된다. 또한 상기 제1스위치(M1)가 턴오프되었을 경우, 제2스위치(M2)는 턴온된다. 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)가 50% 고정 듀티로 제어되므로, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)는 확실하게 영전압 스위칭된다.

이와 같은 하프 브리지 스위칭부(141a)의 동작에 의해 공진부(141b)가 동작한다. 일례로, 제1스위치(M1)가 턴온되었을 경우 제1스위치(M1)의 제1전극과 제2전극 사이의 전압은 거의 0V에 이르고, 입력측 캐패시터(Cr)의 전압은 완만하게 증가한다. 또한, 이때 제1인덕터(Lr)를 통한 전류는 상대적으로 크게 증가한 후 약간 감소하고 이어서 일정하게 흐른다. 더욱이, 제2인덕터(Lm)를 통한 전류는 상대적으로 완만하게 증가한 후 일정하게 흐른다.

더불어, 제1스위치(M2)가 턴오프되었을 경우 제1스위치(M1)의 제1전극과 제2전극 사이의 전압은 증가하고, 입력측 캐패시터(Cr)의 전압은 완만하게 감소한다. 또한, 이때 제1인덕터(Lr)를 통한 전류는 상대적으로 크게 감소한 후 약간 증가하고 이어서 일정하게 흐른다. 더욱이, 제2인덕터(Lm)를 통한 전류는 상대적으로 완만하게 감소한 후 일정하게 흐른다.

한편, 이와 같은 동작에 의해 트랜스포머(141c)가 동작한다. 즉, 1차측 권선(n1)으로부터 2차측 권선(n2)으로 권선비에 대응하는 에너지가 풀브리지 다이오드 정류부(141d)로 전달된다. 물론, 이러한 트랜스포머(141c)에 의해 출력되는 전압은 교류 전압 형태이다. 더불어, 상기 풀브리지 다이오드 정류부(141d) 즉, 제1다이오드 내지 제4다이오드(d1 내지 d4) 및 출력 캐패시터(Cm)가 반파 정현파 형태의 전압를 출력한다.

마지막으로, 인버팅부(142) 즉, 제1내지 제4스위치(M11 내지 M14)가 상기와 같은 반파 정현파 형태의 전압을 전력 계통(170)에서의 전압과 같은 위상이 되도록 제어하여 전력 계통(170)에 출력한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터의 주요 파형을 도시한 파형도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들면 제1스위치(M1)의 제어 전극에 입력되는 제어 신호는 제1스위치(M1)의 양단 전압이 대략 0V가 된 후 턴온된다. 따라서, 직류-직류 컨버팅부(141)는 영전압 스위칭(ZVS : Zero-Voltage Switching)이 확실히 보장된다. 더불어, 제1스위치(M11)와 제2스위치(M2)는 상보적으로 동작하므로, 제2스위치(M2) 역시 영전압 스위칭이 확실히 보장됨을 알 수 있다.

또한, 절연 트랜스포머(141c)의 1차측 권선(n1)에 인가되는 전류는 상대적으로 작은 값을 가지며 완만하게 변화되는 반면, 2차측 권선(n2)으로부터 출력되는 전류는 상대적으로 큰 값을 가지며 급격하게 변화된다.

한편, 풀브리지 다이오드 정류부(141d)의 출력 전압은 대략 제1스위치(M1)에 인가되는 전압 파형과 유사한 파형을 가지며 출력된다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터에서 신재생 에너지의 발전 전력에 따른 최대 전력점 추종 컨버터, DC 링크 및 트랜스포머의 1차측 권선의 전류를 도시한 그래프이다.

여기서, 도 4a는 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 대략 1kW일 때, 도 4b는 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 대략 350W일 때, 도 4c는 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 대략 70W일 때를 각각 도시한 것이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 대략 1kW일 때, 인버터(140)의 입력인 DC 링크(130)의 전압은 인버팅부(142)에 의해 대략 400V로 제어되며, 이로 인해 간접적으로 제어되는 직류-직류 컨버팅부(141)의 입력인 최대전력점 추종 컨버터(120)의 출력 전압은 대략 352V로 유지된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 대략 350W일 때, 인버터(140)의 입력인 DC 링크(130)의 전압은 인버팅부(142)에 의해 대략 400V로 제어되며, 이로 인해 간접적으로 제어되는 직류-직류 컨버팅부(141)의 입력인 최대전력점 추종 컨버터(120)의 출력 전압은 대략 348V로 유지된다.

도 4c에 도시된 바와 같이, 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 70W일 때, 인버터(140)의 입력인 DC 링크(130)의 전압은 인버팅부(142)에 의해 대략 400V로 제어되며, 이로 인해 간접적으로 제어되는 직류-직류 컨버팅부(141)의 입력인 최대전력점 추종 컨버터(120)의 출력 전압은 대략 345V로 유지된다.

이와 같이 신재생 에너지에서 발전되는 전력이 대략 1kW에서 대략 70W로 대폭 변한다고 해도, 최대전력점 추종 컨버터(120)의 출력 전압은 대략 7V정도밖에 변동하지 않으므로, 별도의 제어가 필요없는 비제어 직류-직류 버스 컨버터를 직류-직류 컨버팅부(141)로 이용하여도 전혀 문제가 없음을 확인할 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터(140)는 DC 링크(130)와 직류-교류 인버팅부(142) 사이에 비제어 직류-직류 컨버터와 같은 직류-직류 컨버팅부(141)가 존재한다. 여기서, 상기 직류-직류 컨버팅부(141)는 입력단과 출력단을 절연하면서도, 대략 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작됨으로써, 입력 전압 변동에 따른 입력측에서의 전류 환류(circulating) 구간이 존재하지 않게 된다. 물론, 이에 따라 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터(140)는 도통 손실이 작고, 발열 현상이 작으며, 시스템 효율도 향상된다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터(140)는 낮은 부하 조건에서 영전압 스위칭이 보장되어 스위칭 손실이 작다. 즉, 직류-직류 컨버팅부(141)의 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)의 영전압 스위칭(ZVS : Zero-Voltage Switching) 동작이 보장됨으로써, 부하 변동이 심한 조건에서도 안정적인 동작이 이루어진다. 물론 이에 따라, 효율적인 측면에서 다른 컨버터 방식에 비해 환류 전류가 작고, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)의 턴 오프 시 스위치 최대 전류치가 작으므로, 턴-오프 스위칭 손실치가 작다. 더욱이, 스위칭 손실이 작아 대략 100kHz 이상의 고주파 구동을 통해 직류-직류 컨버팅부(141)의 크기를 최소화할 수 있고, 직류-직류 컨버팅부(141)를 제어하지 않으므로(unregulated) 회로 구조가 간단해진다. 그리고 DC 링크(130)의 전압을 대략 450V 이하로 낮출 수 있으므로 상용 캐패시터의 사용도 가능해진다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터(140)는 비제어 직류-직류 컨버터와 같은 직류-직류 컨버팅부(141)를 이용함으로써, 출력 인덕터가 존재하지 않으며, 리액티브 소자로서 절연형 트랜스포머(141c)만이 존재하므로, 회로 구조가 간단해지고, 장치 구조가 더욱 작아진다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 인버터를 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; 신재생 에너지 저장 시스템
110; 신재생 에너지 120; 최대 전력점 추종 컨버터
130; DC 링크 140; 인버터
141; 직류-직류 컨버팅부 141a; 하프 브리지 스위칭부
M1; 제1스위치 M2; 제2스위치
141b; 공진부 Cr: 입력 캐패시터
Lr; 제1인덕터 Lm; 제2인덕터
141c; 트랜스포머 n1; 1차측 권선
n2; 2차측 권선 141d; 풀브리지 다이오드 정류부
d1~d4; 제1내지 제4다이오드 Cm; 출력 캐패시터
142; 인버팅부 M11~M14; 제1내지 제4스위치
150; 부하 160; 계통 연계기
170; 전력 계통 180; 배터리
190; 배터리 모니터링 시스템 200; 양방향 컨버터
210; 통합 제어기

Claims

에너지 소스로부터 얻은 전력을 DC 링크를 통하여 전력 계통에 제공하는 에너지 저장 시스템에 있어서,
상기 에너지 소스 및 상기 DC 링크에 연결된 직류-직류 컨버팅부; 및,
상기 직류-직류 컨버팅부와 상기 전력 계통 사이에 연결된 인버팅부를 포함하고,
상기 직류-직류 컨버팅부는 비제어(unregulated) 직류-직류 버스 컨버터를 포함하며,
상기 에너지 소스와 상기 DC 링크 및 상기 직류-직류 컨버팅부의 사이에는 상기 에너지 소스로부터 최대 전력을 추출하는 동시에, 상기 직류-직류 컨버팅부의 출력 전압에 관계없이 일정 범위의 입력 전압을 상기 직류-직류 컨버팅부에 제공하는 최대 전력점 추종 컨버터가 더 연결된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 직류-직류 컨버팅부는
50% 고정 듀티로 동작함을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 직류-직류 컨버팅부는
상기 최대 전력점 추종 컨버터 및 상기 DC 링크에 연결되어 고정 듀티로 전원을 출력하는 하프 브리지 스위칭부;
상기 하프 브리지 스위칭부로터 출력된 전원을 공진하는 공진부;
상기 공진부로부터 공진하는 전원을 다른 레벨의 전원으로 변환하여 출력하는 트랜스포머; 및,
상기 트랜스포머로부터 출력된 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 풀브리지 다이오드 정류부를 포함함을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 하프 브리지 스위칭부는
상기 DC 링크의 제1전극에 연결된 제1스위치; 및
상기 제1스위치 및 상기 DC 링크의 제2전극에 연결된 제2스위치를 포함함을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 공진부는
상기 하프 브리지 스위칭부에 연결된 입력 캐패시터;
상기 입력 캐패시터에 연결된 제1인덕터; 및,
상기 제1인덕터와 상기 DC 링크에 연결된 제2인덕터를 포함함을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 트랜스포머는
상기 제2인덕터에 병렬로 연결된 1차측 권선; 및,
상기 1차측 권선으로부터 절연되어 권취된 2차측 권선을 포함함을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 인버팅부는
상기 직류-직류 컨버팅부에 연결된 풀브리지 스위칭부인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 에너지 소스는 태양 전지, 풍력 발전기 또는 조력 발전기로부터 얻은 에너지인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.