KR101640468B1 - 복합발전 시스템의 컨버터 - Google Patents

복합발전 시스템의 컨버터 Download PDF

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Abstract

복합발전 시스템의 컨버터가 개시된다. 본 발명의 컨버터는, 제1전압에 연결되는 제1인덕터와 상기 제2전압에 연결되는 제2인덕터가 자기적으로 결합된 결합 인덕터를 포함하여, 전체적인 컨버터의 크기를 줄일 수 있고, 입력전류 리플을 감소시킬 수 있다.

Description

복합발전 시스템의 컨버터{CONVERTER FOR HYBRID GENERATION SYSTEM}
본 발명은 복합발전 시스템의 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력 및 태양광을 이용한 발전 시스템은, 각각 단일로 운용될 경우 일간 및 연간 기상조건에 따라 전력량 수급에 어려움을 가지게 되므로 복합적으로 발전하여 전력량의 평준화를 도모하고 있으며, 이를 복합발전 시스템이라고 한다. 이러한 복합발전 시스템에 의해 계절에 따라 전력수급이 일정한 상태를 유지할 수 있다.
종래의 복합발전 시스템에서는, 제너레이터를 통해 생성된 에너지를 일정 크기의 에너지로 변환하기 위해 컨버터를 사용한다.
도 1은 종래 복합발전 시스템에서 사용되는 컨버터의 구성도로서, 풍력 에너지 컨버터부(100), 및 태양광 에너지 컨버터부(200)로부터 각각 출력되는 전력이 배터리(300)에 저장된다.
도 2는 도 1에서 컨버터부(100, 200)의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 컨버터는, 스위치(S1)가 온(ON)을 유지하는 동안 인덕터(L)에 흐르는 전류가 상승하며, 에너지는 인덕터(L)에 축적된다. 스위치(S1)가 오프상태가 되면 인덕터(L)에 저장된 에너지는 다이오드(D1)를 통해 부하로 전달되며, 인덕터(L)를 흐르는 전류는 감소하게 된다.
이경우 출력측에는 입력전압과 인덕터(L)에 저장된 에너지가 가산되어 입력전압보다 더 높은 전압이 출력된다. 전류가 계속하여 흐를 경우 인덕터(L)에 흐르는 전류는 상승과 하강을 반복하게 된다.
이때 출력전압의 리플 성분을 감소시키기 위해 커패시터(C)의 용량을 크게 하거나, 주파수를 크게 증가시킬 수 있지만, 커패시터(C)의 용량을 무조건 크게 할 경우 시정수 증가로 인해 속응성이 현저하게 줄어들 우려가 있으며, 컨버터의 크기가 커지게 된다. 이러한 커패시턴스를 줄이기 위해 주파수를 증가시키는 방법이 많이 사용되고 있지만, 주파수를 높이면 스위칭 손실과 전류 스트레스가 커지는 문제점이 있다.
도 3은 종래 복합발전 시스템에서 사용되는 다른 컨버터의 구성도이고, 도 4는 도 3에서 각각의 컨버터부(400, 500)의 등가 회로도이다.
도면과 같이, 하나의 입력(V1)에 인덕터(L1, L2)를 병렬로 연결하여 스위치 S1과 S2가 180도 위상차를 가지고 동작한다. 도 1 및 도 2와 같은 종래 인덕터 방식에 비해 입력전류가 병렬연결된 단일 부스트 컨버터에 각각 분배되므로 소자의 전류정격 및 전류 스트레스를 줄일 수 있고, 이로 인해 출력전압의 리플을 저감할 수 있지만, 병렬로 연결한 인덕터로 인해 컨버터의 크기가 커지게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 결합 인덕터를 이용하여 일체형 컨버터를 구성함으로써, 인덕터의 크기, 입출력 전류리플, 출력 커패시터의 용량을 줄일 수 있는 복합발전 시스템의 컨버터를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 제1전압을 출력하는 제1제너레이터와, 제2전압을 출력하는 제2제너레이터로부터 각각 제1및 제2전압을 수신하여, 이를 일정한 크기의 전압으로 출력하는, 본 발명의 일실시예의 복합발전 시스템의 컨버터는, 상기 제1전압에 연결되는 제1인덕터와 상기 제2전압에 연결되는 제2인덕터가 자기적으로 결합된 결합 인덕터; 상기 제1인덕터에 연결되어 스위칭되는 제1스위치와, 상기 제2인덕터에 연결되어 스위칭되는 제2스위치를 포함하는 부스트 컨버터; 및 상기 제1 및 제2스위치의 스위칭을 제어하는 제1 및 제2스위칭 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 부스트 컨버터는, 출력 커패시터; 상기 제1스위치와 상기 출력 커패시터를 연결하는 제1다이오드; 및 상기 제2스위치와 상기 출력 커패시터를 연결하는 제2다이오드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 출력 커패시터에 걸리는 전압이 배터리로 입력될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2스위치에 대한 제1 및 제2스위칭 신호를 180의 위상차를 가지도록 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 제1 및 제2스위칭 신호의 듀티비를 0.5 이하로 생성할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 결합 인덕터를 사용함으로써 전체적인 컨버터의 크기를 줄일 수 있고, 입력전류 리플의 감소로 인해 소자의 용량이 줄어들기 때문에 제작단가를 줄이도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 복합발전 시스템에서 사용되는 컨버터의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 각 컨버터부의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
도 3은 종래 복합발전 시스템에서 사용되는 다른 컨버터의 구성도이다.
도 4는 도 3에서 각 컨버터부의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 복합발전 시스템의 컨버터의 구성도이다.
도 6은 도 5의 등가회로도이다.
도 7은 도 6의 스위치의 온/오프에 따른 스위칭별 모드를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8은 스위칭별 상전류를 나타낸 것이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 결합 인덕터에 의해 입력전류 리플이 감소하는 것을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 복합발전 시스템의 컨버터의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 제1제너레이터(10), 제1정류부(20), 제2제너레이터(30), 제2정류부(40), 결합 인덕터(50), 제1부스트 컨버터(60), 제2부스트 컨버터(70), 제어부(80) 및 배터리(90)를 포함한다.
제1제너레이터(10)는 태양광 에너지를 출력하며, 제1정류부(20)에 의해 직류로 변환될 수 있다. 제2제너레이터(30)는 풍력 에너지를 출력하며, 제2정류부(40)에 의해 직류로 변환될 수 있다. 다만, 본 발명에서, 제1제너레이터(10)가 태양광에, 제2제너레이터(30)가 풍력에 한정되는 것은 아니며, 다양한 복합발전 시스템에서 다양한 에너지의 출력에 본 발명이 적용될 수 있을 것이다.
결합 인덕터(50)는 각각 제1제너레이터(10)와 제2제너레이터(30)에 연결된 제1인덕터와 제2인덕터가 자기적으로 결합된 것이다. 도 6을 참조로 설명하기로 한다.
도 6은 도 5의 등가회로도이다.
도 6에서, 제1정류부(20)의 출력전압을 V1, 제2정류부(40)의 출력전압을 V2라 하고, 결합 인덕터(50)의 자기 인덕턴스를 각각 L1, L2, 상호 인덕턴스는 M이라 한다. 또한, 배터리(90)로 출력되는 전압은 V0이며, 제어부(80)는 입력되는 전압지령(VL *)과 실제 출력전압(VO)을 이용하여 전류지령을 구하고, 전류지령과 실제 출력되는 인덕터 전류(IL1, IL2)를 이용하여 비례적분(PI) 제어를 수행하여, 톱니파와의 비교를 통해 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호(PWM1, PWM2)를 출력하여, 각각 스위치(S1, S2)에 전달할 수 있다. 즉, 제어부(80)는 부스트 컨버터의 스위치(S1, S2)의 동작을 입력전류(IL1, IL2)와 출력전압(V0)에 따라 제어할 수 있다.
즉, 스위치 S1은 결합 인덕터 중 제1인덕터(L1)와 연결되어 스위칭되고, 스위치 S2는 결합 인덕터 중 제2인덕터(L2)와 연결되어 스위칭된다. 또한, 다이오드 D1은 스위치 S1와 출력 커패시터 사이에 연결되고, 다이오드 D2는 스위치 S2와 출력 커패시터 사이에 연결될 수 있다.
스위치(S1, S2)의 동작에 따라, 스위치(S1, S2), 다이오드(D1, D2) 및 출력 커패시터(C0)는 태양광 에너지를 승압하는 제1부스트 컨버터(60)로도, 풍력 에너지를 승압하는 제2부스트 컨버터(70)로도 사용될 수 있다. 제1 또는 제2부스트 컨버터(60, 70)로부터 출력되는 전압(V0)은 배터리(90)로 제공될 수 있다.
스위칭 신호(PWM1, PWM2)은 180의 위상차로 동작하며, 듀티비(duty ratio)는 0.5 이하로 스위치(S1, S2)에 인가될 수 있다. 즉, 스위치(S1, S2)는 DT동안 닫혀 있고, (1-D)T동안 열려 있다(D는 듀티비).
도 7은 도 6의 스위치의 온/오프에 따른 스위칭별 모드를 설명하기 위한 일예시도이며, 도 8은 스위칭별 상전류를 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 모드1에서는 S1이 온되고, S2가 오프되며, 모드2에서는 S1, S2가 오프된다. 모드3에서는 S1이 오프, S2가 온되며, 모드4에서는 S1, S2가 오프된다.
도 8에서, 모드1 내지 모드4가 하나의 사이클(듀티)을 형성하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 8에서 (a)는 스위칭 상태를 나타낸 것이고, (b)는 도 4의 인덕터에 흐르는 전류, (c)는 본 발명의 결합 인덕터에 흐르는 전류를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 감극성으로 연결된 결합 인덕터와 종래 인덕터의 다른 점은, 두 인덕터 중 하나에 흐르는 전류의 양이 변화할 경우 다른 인덕터에도 전압이 유도되어 전류가 발생되어, 전류양이 줄어드는 구간이 생기게 됨을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 종래의 인덕터를 사용하는 것에 비해, 인덕터를 흐르는 전류의 리플이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 결합 인덕터에 의해 입력전류 리플이 감소하는 것을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 도 3의 각 인덕터에 흐르는 입력전류의 리플보다, 본 발명의 결합 인덕터에 흐르는 입력전류의 리플이 감소하였음을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명은, 결합 인덕터를 사용함으로써 전체적인 컨버터의 크기를 줄일 수 있고, 입력전류 리플의 감소로 인해 소자의 용량이 줄어들기 때문에 제작단가를 줄일 수 있다.
이상에서는 신재생 에너지를 복합발전하는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 신재생 에너지와 디젤 발전기를 복합적으로 운용하는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 자명하다 할 것이다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10, 30: 제너레이터 20, 40: 정류부
50: 결합 인덕터 60, 70: 부스트 컨버터
80: 제어부 90: 배터리

Claims (5)

  1. 제1전압을 출력하는 제1제너레이터와, 제2전압을 출력하는 제2제너레이터로부터 각각 제1및 제2전압을 수신하여, 이를 일정한 크기의 전압으로 출력하는, 복합발전 시스템의 컨버터에 있어서,
    상기 제1전압에 연결되는 제1인덕터와 상기 제2전압에 연결되는 제2인덕터가 자기적으로 결합된 결합 인덕터;
    상기 제1인덕터에 연결되어 스위칭되는 제1스위치와, 상기 제2인덕터에 연결되어 스위칭되는 제2스위치를 포함하는 부스트 컨버터; 및
    상기 제1 및 제2스위치의 스위칭을 제어하는 제1 및 제2스위칭 신호를 생성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2스위치에 대한 제1 및 제2스위칭 신호를 180의 위상차를 가지도록 생성하며, 상기 제1 및 제2스위칭 신호의 듀티비는 0.5 이하로 생성되어 상기 제1 및 제2스위치에 인가되고,
    상기 제어부는 상기 부스트 컨버터의 제1 및 제2스위치의 동작을 상기 제1 및 제2인덕터를 통해 각각 흐르는 입력전류(IL1, IL2)와 상기 부스트 컨버터로부터 출력되는 출력전압(V0)에 따라 제어하되,
    상기 제어부는,
    입력되는 전압지령(VL)과 상기 출력전압(V0)을 이용하여 전류지령을 생성하고,
    상기 전류지령과 상기 인덕터 전류(IL1, IL2)를 이용하여 비례적분(PI) 제어를 수행하고,
    상기 비례적분(PI) 제어가 수행된 결과를 톱니파와 비교하여, 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호(PWM1, PWM2)를 생성하고,
    상기 펄스폭변조 신호(PWM1, PWM2) 각각을 상기 제1 및 제2스위치에 전달하는 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부스트 컨버터는,
    출력 커패시터;
    상기 제1스위치와 상기 출력 커패시터를 연결하는 제1다이오드; 및
    상기 제2스위치와 상기 출력 커패시터를 연결하는 제2다이오드를 더 포함하는 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 출력 커패시터에 걸리는 전압이 배터리로 입력되는 컨버터.
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