KR102035223B1 - Hybrid Energy Storage System - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to hybrid energy storage systems.
최근 석탄과 석유와 같은 화석 연료의 고갈 문제 및 환경 오염 문제의 심각성으로 인하여, 대체 에너지에 대한 다양한 모델이 제시되고 있다.Recently, due to the depletion of fossil fuels such as coal and oil and the seriousness of environmental pollution, various models of alternative energy have been proposed.
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.Power generation or heating using renewable energy such as solar, wind, and tidal power can reduce energy dependence on fossil fuels and create a pollution-free environment. It is developing rapidly.
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.On the other hand, power generated from renewable energy sources, even if direct current or alternating current, because the frequency is different, it can not be directly connected or supplied to the grid. Accordingly, there is a need to convert direct current to alternating current or to adjust frequency, for which a grid tie inverter is generally used.
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.However, such a grid tie inverter converts a DC power source from a renewable energy source into an AC power source, adjusts frequency, and directly connects / supplies to the grid, which is not suitable for general industrial or home use. For example, grid tie inverters are not designed to directly supply AC power and charge batteries for general industrial electronics or consumer electronics.
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.The above-described information disclosed in the background technology of the present invention is only for improving the understanding of the background of the present invention, and thus may include information that does not constitute the prior art.
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.Problems to be solved according to an embodiment of the present invention are various operation modes (for example, the first mode of the turn-on and peak power generation of the photovoltaic module, the second mode of the grid off, the third mode of the furnace battery, the night There is provided a small scale hybrid energy storage system having a fourth mode, a night mode and a fifth mode of grid off, a night mode and a sixth mode of using an uninterruptible power supply (UPS).
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.Another problem to be solved according to an embodiment of the present invention is that it is possible to maintain the voltage at the neutral point uniformly by adding a simple algorithm without additional circuitry, so that the efficiency is high, the total harmonic distortion (THD) is low, and the switch stress is low. To provide a hybrid energy storage system having a small, bulky T-type three-level three-phase inverter.
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.,Hybrid energy storage system according to an embodiment of the present invention includes a converter for converting the power generated from the solar power module to a DC power output; An inverter for converting and outputting power generated from the solar power module into AC power; A battery charged with DC power supplied from a converter; And an EMS (Energy Monitoring System) for controlling the converter and the inverter, wherein the EMS controls the converter during generation of the solar power module during the day to charge the battery with DC power, and controls the inverter to control home appliances and the The first operating mode of supplying AC power to the grid, the second operating mode of supplying AC power to home appliances by controlling the inverter when the grid is off and controlling the converter and the inverter by controlling the converter The third operating mode, which supplies AC power to home appliances and grids by controlling the inverter without charging, controls AC converters and inverters during the non-power generation of photovoltaic modules at night to convert AC power to home appliances The fourth operating mode to supply, control the converter and inverter when off the grid to convert the power of the battery to home appliances Flow by controlling a fifth operating mode, and the inverter and the converter to supply the power to charge the power to the grid, the battery can operate in any one of the sixth mode of the operating mode used in UPS (uninterrupted power supply).,
인버터는 T형 3-레벨 3상 인버터를 포함할 수 있다.The inverter may comprise a T-type three-level three phase inverter.
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.The inverter has a first DC link capacitor connected to the first DC link and a second DC link capacitor connected to the second DC link in series, and every three phases (a, b, c), a plurality of anti-parallel diodes and a plurality of A switch having a T-type three-level three-phase inverter configured to be connected between the first DC link and the second DC link; An output voltage detector for detecting a three-phase voltage output from the T-type three-level three-phase inverter; A command voltage generator configured to generate a command voltage V ref of each phase by using a three-phase current and a grid voltage phase angle output from the T-type three-level three-phase inverter; A sequence generator for generating a PWM (Pulse Width Modulation) switching sequence by using a switching state of each phase in accordance with a position in a space voltage vector of each phase command voltage; A switch-on time calculator configured to obtain a switch-on time of each phase in the PWM switching sequence; The first DC link voltage (V d _top) and the second DC link input voltage detection unit for detecting a difference between the voltage (V d _bot) of the capacitors in the capacitor; A first direct current link capacitor and the second to control the voltage of the connection node of the neutral point (N) between the DC link capacitor, a first DC link capacitor voltage (V d _top) and the second V voltage (the DC link capacitor d of _bot ) a switch-on time compensation unit configured to compensate for the switch-on time by calculating the switch-on time compensation time T comp ; And a PWM generator for generating a PWM switching sequence applied to the plurality of switches of each phase with a compensated switch on time of each phase.
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.When the voltage of the first DC link capacitor is greater than the voltage of the second DC link capacitor, the switch on time compensator may add the compensation switch on time to the switch on time of each phase to increase the switch on time of each phase. If the voltage of the DC link capacitor is less than the voltage of the second DC link capacitor, the switch on time of each phase may be reduced by subtracting the compensation switch on time of each phase.
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).If the voltage of the first DC link capacitor is greater than the voltage of the second DC link capacitor, the compensation switch on time of each phase may be greater than zero (T comp > 0), if the voltage of the first DC link capacitor is less than the voltage of the second DC link capacitor, the switch-on time of each phase may be less than zero (T comp <0).
보상 스위치 온 타임(Tcomp)은 아래의 수학식으로 결정될 수 있다.The compensation switch on time T comp may be determined by the following equation.
여기서, iN _gen은 아래의 수학식으로 결정되고,Here, N i _gen is determined by the equation below,
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 타임i 1st to i 4th are the neutral currents in each switching sequence (i 1st = i 4th ), T s is the total time of a total of seven switching sequences, and T max is the five switches for the neutral point voltage (V aN ) on a On time, T mid is three switch on times for the neutral point voltage (V bN ) on b, T min is one switch on time for the neutral voltage voltage (V cN ) on c
각 상의 보상된 스위치 온 타임(Taj_ comp,Tbj _ comp,Tcj _comp)은 아래의 수학식으로 결정될 수 있다.A compensation switch-on time of each phase (T aj_ comp, T _ comp bj, cj _comp T) can be determined by the equation below.
여기서, Taj, Tbj, Tcj는 각 상의 스위치 온 타임이고, j는 각 상의 스위치 번호Where T aj , T bj , T cj are the switch-on times of each phase, and j is the switch number of each phase.
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.The present invention provides a variety of operating modes (e.g., a first mode of turn-on and peak power generation of a photovoltaic module, a second mode of grid-off, a third mode of furnace battery, a fourth mode of night, night and grid-off of Small hybrid energy storage system having a fifth mode, a night mode, and a sixth mode of using a UPS).
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.The present invention can maintain the voltage at the neutral point uniformly by adding a simple algorithm without additional circuit, and thus has high efficiency, low THD (Total Harmonic Distortion), low switch stress, and small T-type 3-level 3 A hybrid energy storage system with a phase inverter is provided.
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.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a hybrid energy storage system according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are schematic diagrams showing the configuration of the hybrid energy storage system and the configuration of the hybrid inverter according to the embodiment of the present invention.
3A-3F are schematic diagrams illustrating various modes of operation of a hybrid energy storage system according to an embodiment of the invention.
4 is a schematic diagram showing the configuration of a T-type three-level three-phase inverter in a hybrid energy storage system according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing 27 spatial voltage vectors of a T-type three-level three-phase inverter.
6 is a schematic diagram showing the state of the neutral point (N) voltage according to the switching state of each phase of the T-type three-level three-phase inverter in the hybrid energy storage system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a case where the command voltage Vref is located in sector I. FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a center-aligned PWM switching sequence when the reference voltage is located on the spatial voltage vector as shown in FIG.
9 is a schematic diagram illustrating a combination of a P-type and N-type switching state in the center-aligned PWM switching sequence of FIG. 8.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating neutral point current calculation during one period in the center-aligned PWM switching sequence of FIG. 8.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating compensated switch on-time according to a neutral point voltage in the center-aligned PWM switching sequence of FIG. 8.
12A, 12B, and 12C illustrate a neutral voltage control algorithm of a T-type three-level three-phase inverter, a P-type switching state, and an N-type switching state in a hybrid energy storage system according to an embodiment of the present invention. A schematic diagram showing the output line voltage.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.
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.In addition, in the following drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description, the same reference numerals in the drawings refer to the same elements. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items. In addition, the term "connected" in this specification means not only the case where the A member and the B member are directly connected, but also the case where the A member and the B member are indirectly connected by interposing the C member between the A member and the B member. do.
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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "comprise, include" and / or "comprising, including" means that the features, numbers, steps, actions, members, elements, and / or groups thereof mentioned. It is intended to specify the existence and not to exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, members, elements and / or groups.
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.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, the first member, part, region, layer or portion, which will be described below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
"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.Terms relating to spaces such as "beneath", "below", "lower", "above", and "upper" are associated with one element or feature shown in the figures. It can be used for easy understanding of other elements or features. Terms related to this space are for easy understanding of the present invention according to various process conditions or use conditions of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in the figures is inverted, the element or feature described as "bottom" or "bottom" will be "top" or "top". Thus, "below" is a concept encompassing "top" or "bottom".
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.In addition, the controller (controller) and / or other related devices or components according to the present invention may be implemented using any suitable hardware, firmware (e.g., on-demand semiconductor), software, or a suitable combination of software, firmware and hardware. Can be. For example, various components of a controller (controller) and / or other related device or component according to the present invention may be formed on one integrated circuit chip or on a separate integrated circuit chip. In addition, various components of the controller (controller) may be implemented on a flexible printed circuit film, and may be formed on the same substrate as the tape carrier package, printed circuit board, or the controller (controller). In addition, the various components of the controller (controller) may be, in one or more computing devices, a process or thread running on one or more processors, which execute computer program instructions to perform the various functions described below. And interact with other components. Computer program instructions are stored in memory that can be executed in a computing device using a standard memory device, such as, for example, random access memory. Computer program instructions may also be stored in other non-transitory computer readable media, such as, for example, a CD-ROM, flash drive, or the like. In addition, those skilled in the art will appreciate that the functions of various computing devices may be combined with one another, integrated into one computing device, or that the functionality of a particular computing device is not limited to one or more other computing devices without departing from the exemplary embodiments of the invention. It should be recognized that they can be distributed among the fields.
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. In one example, a controller (controller) according to the present invention typically comprises a central processing unit, a mass storage device such as a hard disk or a solid state disk, a volatile memory device, an input device such as a keyboard or mouse, an output device such as a monitor or a printer. Can be run on a commercial computer.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템(100)의 전체 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a hybrid
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.As shown in FIG. 1, the hybrid
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.The
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.The
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.The
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.The hybrid
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.The power conversion system (PCS) 130 is a form suitable for the
PCS(130)는 전력 변환부(131), DC 링크부(132), 인버터(133), 컨버터(134)를 포함할 수 있다.The
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. The
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.The
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.The DC link voltage may become unstable due to an instantaneous voltage drop in the
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.The
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.The
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.The
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.The EMS (Energy Monitoring System) 135 monitors the status of the
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.The
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.For example, in order to supply power of the
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. When a ground fault or power failure occurs in the
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.The
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.In addition, in the embodiment of the present invention, the
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.In addition, the embodiment of the present invention may include a configuration in which the
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.2A and 2B are schematic views showing the configuration of the hybrid
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.As shown in FIG. 2A, according to an embodiment of the present invention, the hybrid
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.Hybrid
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.3A-3F are schematic diagrams illustrating various modes of operation (operation mode or operation mode) of the hybrid
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.As shown in FIG. 3A, in the first operation mode, the
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.As shown in FIG. 3B, in the second operating mode, the
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.As shown in FIG. 3C, in the third operation mode, the
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.As shown in FIG. 3D, in the fourth operation mode, the
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.As shown in FIG. 3E, in the fifth operation mode, the
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.As shown in FIG. 3F, in the sixth operation mode, the
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.4 is a schematic view showing the configuration of the T-type three-level three-
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.As shown in FIG. 4, the hybrid
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. The T-type three-level three-
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. Phase A of the three phases is composed of antiparallel diodes Da1, Da2, Da3, Da4 and switches Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, and the switch Sa1 and antiparallel diode Da1 are connected to the first DC link, and the second The switch Sa4 and the antiparallel diode Da4 are connected to the DC link, and are connected between the neutral point N, which is a connection node of the first DC link capacitor C1 and the second DC link capacitor C2, and a connection node of the switch Sa1 and the switch Sa4. , The switches Sa2, Sa3 and the antiparallel diodes Da2, Da3 are connected.
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. Among the three phases, b phase is composed of antiparallel diodes Db1, Db2, Db3, and Db4 and switches Sb1, Sb2, Sb3, and Sb4, and a switch Sb1 and an antiparallel diode Db1 are connected to a first DC link, and a second The switch Sb4 and the antiparallel diode Db4 are connected to the DC link, and the switches Sb2 and Sb3 and the antiparallel diodes Db2 and Db3 are connected between the neutral point N and the connection nodes of the switches Sb1 and Sb4.
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.The c phase of the three phases is composed of antiparallel diodes (Dc1, Dc2, Dc3, Dc4) and switches (Sc1, Sc2, Sc3, Sc4), and the switch Sc1 and the antiparallel diode Dc1 are connected to the first DC link, and the second The switch Sc4 and the antiparallel diode Dc4 are connected to the DC link, and the switches Sc2 and Sc3 and the antiparallel diodes Dc2 and Dc3 are connected between the neutral point N and the connection node of the switch Sc1 and the switch Sc4.
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.The
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.At this time, the magnitude of the voltage of the first DC link capacitor C1 and the voltage of the second DC link capacitor C2 depends on the switching state of each switch. Referring to FIG. 5, the T-type three-level three-
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.Small voltage vectors (POO / ONN, PPO / OON, OPO / NON, OPP / NOO, OOP / NNO, POP / ONO) can be divided into P type small voltage vector and N type small voltage vector according to the switching state. P type small vector vectors (POO, PPO, OPO, OPP, OOP, POP) are cases that include P and O states in a small vector switching combination, and N type small voltage vectors (ONN, OON, NON, NOO, NNO, ONO) is a case including the N and O states. And a pair of P type and N type small voltage vectors (POO / ONN, PPO / OON, OPO / NON, OPP / NOO, OOP / NNO, POP / ONO) that have redundancy each have voltage level but Are the opposite of each other. Therefore, the voltage fluctuation at the neutral point is also reversed.
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.This will be described in detail with reference to FIG. 6. 6 (a) shows a case of a zero voltage vector, and since the output terminal of the T-type three-level three-
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.That is, the T-type three-level three-
[표 1]TABLE 1
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.The small voltage vector of P type (switches Sx1 and Sx2 are turned on) increases the neutral point voltage as shown in FIG. 6B, and the small voltage vector of N type (switches Sx3 and Sx4 is turned on) is shown in FIG. As shown in (c), the neutral voltage is reduced. The intermediate voltage vector increases or decreases the neutral point voltage according to the current direction of the phase connected to the neutral point, as shown in FIG.
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.The
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.In one example, the d-axis command voltage converter includes a d-axis PI controller (not shown). The d-axis PI controller obtains a d-axis current error value Ide_err, which is a difference between the d-axis current red_Ide and the actual d-axis current Ide, and obtains a d-axis current error value Ide_err, an I controller gain Ki and The d-axis I controller output value (ref_Vde_fb_intg) is obtained by multiplying all system control cycles (Tsamp), and the d-axis I controller output value (ref_Vde_fb_intg) is multiplied by the value obtained by multiplying the d-axis current error value (Ide_err) and the P controller gain (Kp). In addition, the d-axis command voltage ref_Vde_fb is output. The q-axis command voltage converter includes a q-axis PI controller (not shown). The q-axis PI controller obtains the q-axis current error value Iqe_err, which is the difference between the q-axis current red_Iqe and the actual q-axis current Iqe, and calculates the q-axis current error value Iqe_err, I controller gain Ki and the system. Multiply all control periods Tsamp to obtain the q-axis I controller output value (ref_Vqe_fb_intg), and multiply the q-axis current error value (Iqe_err) and the P controller gain (Kp) by the q-axis I controller output value (ref_Vqe_fb_intg). The q-axis command voltage ref_Vqe_fb is output.
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.The dynamic coordinate system converting unit converts the d-axis command voltage (ref_Vde_fb) on the rotational coordinate system to the d-axis command voltage (ref_Vde) on the synchronous coordinate system and outputs it, and converts the q-axis command voltage (ref_Vqe_fb) on the rotational coordinate system to the q-axis command voltage ( ref_Vqe) and output it.
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.The fixed coordinate system converts the d-axis command voltage (ref_Vde) and the q-axis command voltage (ref_Vqe) of the synchronous coordinate system into the d-axis command voltage (ref_Vds) and the q-axis command voltage (ref_Vqs) of the fixed coordinate
[수학식 1][Equation 1]
이때 수학식 1에서 Angle은 계통 전압 위상을 나타낸다.In this case, Angle represents the system voltage phase.
지령 전압 생성부(133c)는 고정좌표계의 q축 지령전압 및 d축 지령전압을 아래의 수학식 2에 적용하여 3상 좌표계의 각 상의 지령전압을 구한다.The command
[수학식 2][Equation 2]
이때, ref_Va는 3상 좌표계의 a상 지령전압을 나타내고 ref_Vb는 3상 좌표계의 b상 지령전압을 나타내고 ref_Vc는 3상 좌표계의 c상 지령전압을 나타낸다.At this time, ref_Va represents the a-phase command voltage of the three-phase coordinate system, ref_Vb represents the b-phase command voltage of the three-phase coordinate system, and ref_Vc represents the c-phase command voltage of the three-phase coordinate system.
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.The
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.On the other hand, referring to Figure 7, when the command voltage (Vref) is located in one sector (Sector I), the PWM switching sequence by the four switching states [OON], [PON], [PPN], [PPO] It can be seen that it is composed of [OON]-[PON]-[PPN]-[PPO]-[PPN]-[PON]-[OON].
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.8 and 9 show a PWM switching sequence when the command voltage is located on the space voltage vector as shown in FIG. The P type small voltage vector and the N type small voltage vector generate the same output line voltage, but the opposite directions of the current flowing to the neutral point are applied to each other so that the neutral voltage can be maintained uniformly. This should be the same.
스위치 온 타임 계산부(133e)는 각 상의 스위치 온 타임을 계산한다.The switch on time calculation unit 133e calculates the switch on time of each phase.
일례로, 지령전압(Vref)가 sector 1, region 1에 있을 경우 아래와 같이 각 상의 전압을 계산할 수 있다.For example, when the command voltage (Vref) is in
스위치 온 타임으로부터 계산Calculated from Switch On Time
[수학식 3][Equation 3]
KVL을 계산하면 다음과 같다.The KVL is calculated as follows.
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
한편, 이때 인버터 부하에 걸리는 상전압은 다음과 같다.Meanwhile, the phase voltage applied to the inverter load is as follows.
[수학식 6][Equation 6]
[수학식 7][Equation 7]
여기서, 도 8로부터 스위치 온 타임에 대해 아래와 같은 수학식 8을 얻을 수 있다.Here, the following Equation 8 can be obtained for the switch-on time from FIG. 8.
[수학식 8][Equation 8]
또한, 수학식 8로부터 스위치 온타임을 다음과 같이 계산할 수 있다. In addition, the switch on time can be calculated from Equation 8 as follows.
Tc1Tc1 , , Tc2Tc2
수학식 8로부터 Tc1 = Tc2 = 0, 수학식 7로부터 아래 수학식 9를 도출할 수 있다.Equation 8 may be derived from Tc1 = Tc2 = 0 and
[수학식 9][Equation 9]
Ta1Ta1 , , Ta2Ta2
Van > 0이면, 수학식 3, 9로부터 Ta1 + Ta2 > Ts, Van - Vcn > Vd/2If Van> 0, then Ta1 + Ta2> Ts, Van-Vcn> Vd / 2
수학식 8로부터 From Equation 8
수학식 9로부터 From equation (9)
이면, 위와 같은 방법으로 , In the same way as above
Tb1 , Tb2 (위와 같은 방법으로) Tb1 , Tb2 (in the same way as above)
이면, , If, ,
이면, If,
이와 같이 하여, 6개의 sector(24개 region) 적용 시 스위치 온 타임은 아래와 같이 계산될 수 있다.In this way, the switch-on time in six sectors (24 regions) can be calculated as follows.
수학식 10
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.As shown in Fig. 9, by setting the on-times of the P-type and N-type switching states to be the same within one period, the output current distortion can be reduced to favor the neutral point voltage balance.
[수학식 11][Equation 11]
Tc1Tc1 , , Tc2Tc2
도 9의 스위칭 시퀀스로부터 Tc1 = 0,From the switching sequence of Figure 9, Tc1 = 0,
수학식 11로부터 From
Ta1Ta1 , , Ta2Ta2
도 9의 스위칭 시퀀스로부터 Ta2 = TsTa2 = Ts from the switching sequence of FIG.
수학식 11로부터 From
Tb1Tb1 , , Tb2Tb2
도 9의 스위칭 시퀀스로부터 Tb2 = TsTb2 = Ts from the switching sequence of FIG.
수학식 11로부터 From
이와 같이 하여, 결국 6개의 sector(24개의 region) 적용 시 아래 수학식 12와 같이 스위칭 온 타임이 계산될 수 있다.In this way, when six sectors (24 regions) are applied, the switching on time may be calculated as in
[수학식 12][Equation 12]
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)10, the neutral voltage according to the switching operation is calculated as follows. For example, if you calculate the neutral current for one period, there are four independent sequences out of a total of seven switching sequences, each of which can be calculated by multiplying the neutral current and the on time (P type and N type). Same on time)
중성점 전류(iN)은 아래와 같다.Neutral current iN is as follows.
이를 일반식으로 변환하면 아래와 같다.If this is converted to a general expression, it is as follows.
상기 일반식 및 도 10을 통해 알 수 있듯이, 중성점 전압이 안정화되지 않음을 알 수 있다.As can be seen from the general formula and FIG. 10, it can be seen that the neutral point voltage is not stabilized.
도 11을 함께 참조하여 중성점 보상 방법을 설명한다.A neutral point compensation method will be described with reference to FIG. 11.
우선 스위치 온 타임 (Tcomp)를 정의하면 다음과 같다.First, the switch on time (Tcomp) is defined as follows.
상기 식으로부터 i4th와 Tcomp가 중성점 전압에 영향을 줌을 알 수 있다.It can be seen from the above equation that i4th and Tcomp affect the neutral point voltage.
이에 본 발명의 실시예는 아래와 같이 Vd_bot - Vd_top에 비례하여 Tcomp를 가변한다.Accordingly, an embodiment of the present invention changes Tcomp in proportion to Vd_bot-Vd_top as follows.
이와 같이 하여, 보상된 스위치 온 타임은 다음과 같다.In this way, the compensated switch on time is as follows.
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.Finally, the compensated switch on time according to the neutral point voltage is as follows. Here, the blue dotted line means a case where the compensation switch on time is +, and the red dotted line means a case where the compensation switch on time is-.
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.As described above, the switch-on time calculator 133e obtains the switching-on time of each phase from the PWM switching sequence generated by the
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.In addition, as described above, the switch on
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.As described above, the
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.At this time, the
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. That is, when the first DC link capacitor C1 voltage Vd_top is greater than the second DC link capacitor C2 voltage Vd_bot, the
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.On the other hand, if the voltage Vd_top of the first DC link capacitor C1 is smaller than the voltage Vd_bot of the second DC link capacitor C2, the
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.Through this process, when the command voltage Vref is in sector I as shown in FIG. 7, the PWM switching sequence for controlling the neutral point voltage can be obtained as shown in Table 1 above.
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.12A, 12B and 12C illustrate the use of the neutral point voltage control algorithm of the T-type three-level three-
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.As shown in FIG. 12A, when the neutral voltage control algorithm of the T-type three-level three-
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.As shown in FIG. 12B, when the neutral point voltage control algorithm of the T-type three-level three-
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.As shown in FIG. 12C, since the neutral point voltage control algorithm of the T-type three-level three-
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.What has been described above is just one embodiment for implementing a hybrid energy storage system according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and as claimed in the following claims, the gist of the present invention Without departing from the technical spirit of the present invention to the extent that any person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains various modifications can be made.
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 단말기100; Hybrid energy storage system according to an embodiment of the present invention
120; A
131; A
133;
133b; An
133d; A sequence generator 133e; Switch on time calculator
133f; A switch on
134;
171;
201;
203;
204;
Claims (7)
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.A converter for converting and outputting power generated from the solar power module into direct current power; An inverter for converting and outputting power generated from the solar power module into AC power; A battery charged with DC power supplied from a converter; And an EMS controlling the converter and the inverter, wherein the EMS includes:
In the daytime, the solar cell module controls the converter to charge the battery with DC power, and the inverter controls the inverter to supply AC power to home appliances and the grid. A second operating mode that supplies AC power to home appliances by charging with DC power and controlling the inverter; a third operating mode that supplies AC power to home appliances and grid by controlling the inverter without charging the battery by controlling the converter;
The fourth operating mode of supplying AC power to home appliances by controlling the converter and inverter when the solar power module is not generating power at night, and controlling the converter and inverter when the grid is off, converting the battery power To operate in any one of the fifth operating mode of supplying AC power to home appliances, and the sixth operating mode of controlling the inverter and the converter to charge the power of the grid with the battery and use it as an uninterrupted power supply (UPS).
Inverter
The first DC link capacitor connected to the first DC link and the second DC link capacitor connected to the second DC link are connected in series, and every three phases (a, b, c), a plurality of anti-parallel diodes and a plurality of switches A T-type three-level three-phase inverter configured to be connected between the first DC link and the second DC link;
An output voltage detector for detecting a three-phase voltage output from the T-type three-level three-phase inverter;
A command voltage generator configured to generate a command voltage V ref of each phase by using a three-phase current and a grid voltage phase angle output from the T-type three-level three-phase inverter;
A sequence generator for generating a PWM (Pulse Width Modulation) switching sequence by using a switching state of each phase in accordance with a position in a space voltage vector of each phase command voltage;
A switch-on time calculator configured to obtain a switch-on time of each phase in the PWM switching sequence;
A first DC link input voltage detection unit for detecting a difference between the voltage (V d_top) and the second DC link voltage (V d_bot) of the capacitors in the capacitor;
A first direct current link capacitor and the second DC link for controlling the voltage of a connection node that is a neutral point (N) between the capacitor, the first voltage of the DC link voltage of the capacitor (V d_top) and the second DC link capacitor (V d_bot) A switch-on time compensator configured to compensate for the switch-on time by calculating a switch-on time compensation time T comp according to a difference of the difference; And
And a PWM generator for generating a PWM switching sequence applied to a plurality of switches of each phase with a compensated switch on time of each phase.
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.The method of claim 1,
The switch on time compensation unit
If the voltage of the first DC link capacitor is greater than the voltage of the second DC link capacitor, the compensation switch on time is added to the switch on time of each phase to increase the switch on time of each phase,
If the voltage of the first DC link capacitor is less than the voltage of the second DC link capacitor, subtract the compensation switch on time from the switch on time of each phase to reduce the switch on time of each phase.
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.The method of claim 4, wherein
If the voltage of the first DC link capacitor is greater than the voltage of the second DC link capacitor, the compensation switch on time of each phase is greater than zero (T comp > 0),
If the voltage of the first DC link capacitor is less than the voltage of the second DC link capacitor, the switch-on time of each phase is less than zero (T comp <0).
보상 스위치 온 타임(Tcomp)은 아래의 수학식으로 결정되는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
여기서, iN _gen은 아래의 수학식으로 결정되고,
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 타임The method of claim 4, wherein
The compensation switch on time (T comp ) is determined by the following equation, hybrid energy storage system.
Here, i N _gen is determined by the following equation,
i 1st to i 4th are the neutral currents in each switching sequence (i 1st = i 4th ), T s is the total time of a total of seven switching sequences, and T max is the five switches for the neutral point voltage (V aN ) on a On time, T mid is three switch on times for the neutral point voltage (V bN ) on b, T min is one switch on time for the neutral voltage voltage (V cN ) on c
각 상의 보상된 스위치 온 타임(Taj_comp,Tbj_comp,Tcj_comp)은 아래의 수학식으로 결정되는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
여기서, Taj, Tbj, Tcj는 각 상의 스위치 온 타임이고, j는 각 상의 스위치 번호The method of claim 6,
The compensated switch on time (T aj_comp , T bj_comp , T cj_comp ) of each phase is determined by the following equation.
Where T aj , T bj , T cj are the switch-on times of each phase, and j is the switch number of each phase.
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