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문제 정의
- 본 논문에서 배터리 에너지저장에 적용이 가능한 새로운 구조의 계통연계형 전력변환장치에 대해 설명하고 있다. 제안하는 전력변환장치는 고정 시비율로 동작하는 LLC 공진형 컨버터와 가변 시비율로 동작하는 2상한 Chopper, 그리고 3상 PWM 인버터가 직렬로 결합된 구조로 되어 있다.
제안 방법
- 제안하는 충방전기에서는 직류단에 절연형 LLC 공진형 컨버터를 사용함으로써 첫째 배터리와의 절연으로 교류 측에 연계용 변압기를 제거할 수 있었고, 둘째 공진주파수를 이용한 소프트 스위칭을 사용하여 스위칭 주파수와 컨버터 효율을 제고가 가능하였다. 다음으로 2상한 Chopper는 IGBT와 MOSFET을 병열로 결합한 하이브리드 스위칭 방식을 채택하였다. 이 경우 IGBT가 turn-off 할 때 발생하는 긴 tail current를 제거함으로써 스위칭손실의 저감이 가능하고 스위칭 주파수를 제고할 수 있다.
- 사용된 LLC 공진컨버터는 IGBT 스위치를 ZVS로 동작하여 스위칭 손실을 개선하고 50kHz 고주파 스위칭이 가능하도록 하여 자화소자의 크기를 대폭 축소할 수 있었다. 또한 2상한 Chopper는 IGBT 스위치의 Tail Current에 의한 스위칭손실을 개선할 목적으로 IGBT와 병열로 FET를 연결하여 하이브리드 스위치로 구현하였다. 하이브리드 스위칭을 통해 손실을 1~2% 줄일 수 있어 고속 스위칭이 가능하여 스위칭 주파수를 제고할 수 있다.
- 그림 2는 본 논문에서 제안하는 충방전기의 구성을 나타낸 것이다. 배터리와 3상인버터 사이에 LLC 공진형 컨버터와 2상한 chopper로 구성된 2단 DC-DC 컨버터를 삽입하였다. LLC 공진형 컨버터에서는 배터리와의 절연된 상태에서 공진주파수를 이용한 소프트 스위칭이 가능하고 2상한 chopper에서는 hybrid-switching을 통하여 충방전 전류제어를 수행한다.
- 그림 5는 2상한 Chopper의 하이브리드 스위칭을 위한 게이팅 신호를 나타낸 것이다. 병열로 연결된 FET는 IGBT가 턴오프 될 때 나타나는 tail-current의 영향을 제거하고 턴오프만을 담당하기 위하여 2us이내의 짧은 gating을 하도록 설계하였으며, pulse 전류정격과 연속 전류정격이 틀려서 연속 전류정격의 3~4배의 전류를 도통할 수 있다. 또한 스위칭 손실을 1~2% 줄일 수 있어 고속 스위칭이 가능하여 스위칭 주파수를 제고할 수 있다.
- 본 논문에서는 시스템 효율 향상과 시스템 외형 축소를 위해 인버터와 배터리 사이에 삽입하는 DC-DC 컨버터로 LLC Half-Bridge 공진형 컨버터와 하이브리드 스위칭 2상 한 chopper를 직렬로 결합한 구조의 계통연계형 전력변환장치를 제안하였다. 제안하는 충방전기의 동작과 성능을 분석하기 위해 배터리를 포함한 전체시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하고 이를 기반으로 10kW 프로토타입을 제작하여 실험을 실시하였다.
- 앞의 시뮬레이션 결과를 기반으로 그림 12에 보인 바와 같이 10kW 용량의 배터리 충방전 전력변환기의 프로토타입을 제작하고 3상 380V 계통전압을 입력으로 납축전지를 대상으로 충방전 실험을 실시하였다.
- 이러한 단점들을 보상하기 위해 여러 연구자가 그림 1(b)에 보인 것처럼 DC-DC 컨버터를 소프트스위칭 방식으로 대체하고 주변압기를 제거한 구성을 제안하였다. 관건은 소프트스위칭 DC-DC 컨버터의 토폴로지를 어떻게 구성하여 고효율화와 제어 용이도를 개선하는 것이다.
- 본 논문에서 배터리 에너지저장에 적용이 가능한 새로운 구조의 계통연계형 전력변환장치에 대해 설명하고 있다. 제안하는 전력변환장치는 고정 시비율로 동작하는 LLC 공진형 컨버터와 가변 시비율로 동작하는 2상한 Chopper, 그리고 3상 PWM 인버터가 직렬로 결합된 구조로 되어 있다.
- 제안하는 충방전기는 시스템의 효율과 간단한 출력제어를 고려하여 앞에서 설명한 LLC 공진컨버터는 일정 시비율로 동작하고, 배터리의 충방전전류를 제어하는 2상한 Chopper는 IGBT 스위치의 턴오프 시 나타나는 Tail current를 제거하여 손실을 개선하고 스위칭주파수를 제고하기 위해 Hybridswitching을 사용한다. 일반적으로 IGBT는 턴온 특성과 도통 특성이 우수하고, FET는 턴오프 특성이 우수하기 때문에 둘을 병열로 결합한 하이브리드 스위칭을 구현하였다.
- LLC 공진형 컨버터에서는 배터리와의 절연된 상태에서 공진주파수를 이용한 소프트 스위칭이 가능하고 2상한 chopper에서는 hybrid-switching을 통하여 충방전 전류제어를 수행한다. 제안하는 충방전기에서 계통연계 인버터는 전력계통의 무효전력을 제어하고 DC 링크전압을 일정하게 유지한다. 또한 2상한 chopper에서는 전류제어를 통하여 배터리에 출입하는 유효전력을 제어한다.
- 본 논문에서는 시스템 효율 향상과 시스템 외형 축소를 위해 인버터와 배터리 사이에 삽입하는 DC-DC 컨버터로 LLC Half-Bridge 공진형 컨버터와 하이브리드 스위칭 2상 한 chopper를 직렬로 결합한 구조의 계통연계형 전력변환장치를 제안하였다. 제안하는 충방전기의 동작과 성능을 분석하기 위해 배터리를 포함한 전체시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하고 이를 기반으로 10kW 프로토타입을 제작하여 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 제안하는 전력변환장치의 동작과 성능을 확인할 목적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 분석을 실시하였다. 또한 실규모 하드웨어의 개발을 위해 시뮬레이션을 기반으로 10kW 프로토타입을 제작하고 실험을 통해 타당성을 확인하였다.
- 제안하는 충방전기의 동작과 성능을 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션으로 검증을 하였다. 시뮬레이션에 사용된 충방전기의 시스템 파라미터는 표 1과 같다.
성능/효과
- 그림 10은 LLC 공진컨버터의 동작파형을 나타낸 것이다. IGBT스위치가 50kHz의 스위칭 주파수로 동작함을 알 수 있으며, 1차와 2차 측의 공진전류는 스위칭에 따른 심한 노이즈와 링잉이 없이 정현에 가까운 파형을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 그림 11은 2상한 초퍼의 동작을 확인한 것으로 제안하는 시스템이 충전상태로 있다가 갑자기 방전상태로 전환할 때 DC 링크전압, LLC 컨버터의 출력전압, 그리고 배터리전류의 변동을 나타낸 것이다.
- 이러한 단자전압의 크기와 위상을 조절하므로 DC 링크전압이 일정하도록 제어하고 연계점의 무효전력을 제어한다. 결과적으로 3상 교류전원으로부터 리액터를 매개로 컨버터 입력 단에 교류전력으로 전달하며 이 교류전력은 PWM 인버터에 의해 직류전력으로 변환되어 DC 링크에 에너지를 충전 또는 방전한다.
- 제안하는 전력변환장치의 동작과 성능을 확인할 목적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 분석을 실시하였다. 또한 실규모 하드웨어의 개발을 위해 시뮬레이션을 기반으로 10kW 프로토타입을 제작하고 실험을 통해 타당성을 확인하였다. 제안하는 전력변환장치는 기존 시스템과 비교하여 상대적으로 높은 효율을 갖으며 계통연계를 위한 상용주파수 변압기를 제거하고 고주파변압기를 사용하여 전체적인 크기를 줄일 수 있을 것으로 보인다.
- 5% 방전은 92%를 나타내고 있다. 부분 측정 결과 제안하는 소프트스위칭 컨버터의 경우 충방전 시 효율이 96.5% 정도로 기존에 많이 사용되던 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터보다 효율이 다소 높은 것으로 나타났다.
- 그림 16는 제안하는 충방전 전력변환기의 효율을 배터리 정격전압에서 출력의 크기에 따라 실측하여 그래프로 나타낸 것이다. 전체적으로 효율은 출력이 증가하면서 증가하고 정격출력 10kW를 기준으로 할 때 충전은 92.5% 방전은 92%를 나타내고 있다. 부분 측정 결과 제안하는 소프트스위칭 컨버터의 경우 충방전 시 효율이 96.
- 제안하는 충방전기에서는 직류단에 절연형 LLC 공진형 컨버터를 사용함으로써 첫째 배터리와의 절연으로 교류 측에 연계용 변압기를 제거할 수 있었고, 둘째 공진주파수를 이용한 소프트 스위칭을 사용하여 스위칭 주파수와 컨버터 효율을 제고가 가능하였다. 다음으로 2상한 Chopper는 IGBT와 MOSFET을 병열로 결합한 하이브리드 스위칭 방식을 채택하였다.
후속연구
- 또한 실규모 하드웨어의 개발을 위해 시뮬레이션을 기반으로 10kW 프로토타입을 제작하고 실험을 통해 타당성을 확인하였다. 제안하는 전력변환장치는 기존 시스템과 비교하여 상대적으로 높은 효율을 갖으며 계통연계를 위한 상용주파수 변압기를 제거하고 고주파변압기를 사용하여 전체적인 크기를 줄일 수 있을 것으로 보인다.
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