태양열 에너지와 에너지 저장 시스템을 통합하기 위한 5가지 컨버터 토폴로지

해럴드 파주버 (Harald Parzhuber)

에너지 저장 시스템 가격이 더 저렴하고 전기 가격이 상승함에 따라 재생 가능한 에너지원에 대한 수요는 증가하고 있다. 현재 많은 주택들이 태양에너지 생성과 배터리 에너지 저장 시스템을 결합하여 태양전력이 수요를 지원할 수 없을 때 에너지를 사용할 수 있도록 하고 있다. 그림 1 은 주거용 사용 사례를 보여주며, 그림 2 는 일반적인 태양광 인버터 시스템을 에너지 저장 시스템과 통합하는 방법을 보여준다.

그림 1: 가정용 태양열 발전 및 에너지 저장 시스템 설치도

그림 2: 에너지 저장 시스템이 있는 일반적인 태양광 인버터 시스템

가장 바람직한 경우, 이 유형의 시스템은 AC/DC 및 DC/DC 변환을 위한 고효율 전력 관리 구성 요소와 (가능한 가장 작은 솔루션 크기) 신뢰성이 높고 출시 시간 단축해주는 높은 전력 밀도를 갖추고 있다. 이러한 요구 사항을 항상 동시에 충족할 수 있는 것은 아니므로, 이러한 균등지에 대한 최고의 전력 변환 토폴로지를 절충해야 한다.

AC/DC 및 DC/DC 벅 및 부스트 전력 컨버터의 기존 전력 토폴로지는 인터리브드, DC/DC 벅 및 부스트 전력 컨버터의 일반적인 방식 DC/DC 컨버터의 전력 수준을 증가시키거나, AC/DC 인버터의 3상 작동을 수행하거나, 역률 보정 단계에서 3개의 분기를 120도 위상 변이에 배치하여 구현한다. 그림 3 에는 5가지 전력 토폴로지의 간략한 회로도가 나와 있다.

그림 3: 하프 브리지 및 분기 등가 전원 토폴로지

첫번째 토폴로지: 2레벨 컨버터 토폴로지에서 PWM(펄스폭 변조) 신호가 전원 장치 Q1 및 Q2에 보완되어(스위칭 신호가 중복되어 슛스루를 방지하기 위한 데드 타임 지연)에 적용된다. 출력에서 양극 사인파의 경우 Q1에서 적용된 듀티 사이클이 50%를 넘는 것이다. 출력에서 음의 사인파의 경우 Q2에는 50% 이상의 듀티 사이클이 있다. 출력 전력을 제어하는 간단한 개념이지만 라인 필터 이전의 출력 신호는 전체 버스 전압 스윙을 가지므로 전자기 간섭을 줄이기 위해 더 큰 필터가 필요하다. 필터로 들어가는 리플 주파수는 필터 크기에 영향을 미치는 PWM 주파수다.

3레벨 토폴로지는 더 작은 패시브 부품을 사용할 수 있게 하며, 2레벨 컨버터에 비해 EMI가 낮습니다. 3레벨 토폴로지는 총 4가지가 있다:

두번째 토폴로지: T형 토폴로지는 트랜지스터가 중간점(VN)을 중심으로 배열되는 방식에 따라 이름이 지정된다. Q1과 Q2를 DC 링크로 연결하며, Q3과 Q4는 VN으로 직렬로 연결된다. 필터에서 보이는 리플 주파수는 Q1 ~ Q4의 스위치에 적용되는 PWM 주파수와 동일하다. 이것은 AC 라인 주파수에서 필요한 낮은 총 고조파 왜곡을 달성하기 위한 필터 부품의 크기를 정의한다. Q1 및 Q2 전체 버스 전압을 확인하고 시스템의 800V DC-링크 전압에서 1,200V로 정격해야 한다. Q3과 Q4가 VN에 연결되므로 버스 전압의 절반만 보고 800V DC 링크 전압 시스템에서 600V로 정격 조정될 수 있어 컨버터 유형의 비용을 절감할 수 있다. 자세한 내용은 10kW, 양방향 3상 3레벨(T형) 인버터 및 PFC 레퍼런스 디자인에서 참고할 수 있다.

세번째 토폴로지: 활성 중성점 클램프(ANPC) 컨버터 토폴로지에서 V_N 은 활성 스위치 Q5와 Q6 을 연결하고 DC-링크 전압 사이의 중간에 V_N 을 설정한다. T형 컨버터와 마찬가지로, 필터에서 나타나는 리플 주파수는 AC 라인 필터의 크기를 정의하는 PWM 주파수와 동일하다. 이 아키텍처의 좋은 점은 모든 스위치의 정격이 최대 DC 링크 전압의 절반에 이를 수 있다는 것이다. 800V 시스템에서는 600V 정격 스위치를 사용할 수 있어 비용에 긍정적인 영향을 미칩니다. 이 컨버터를 끌 때는 각 스위치의 모든 전압을 DC 링크 전압의 반으로 제한하는 것이 중요하다. 즉, 제어 마이크로컨트롤러(MCU)가 셧다운 시퀀싱을 처리해야 한다. C2000 제품군의 TI의 TMS320F280049C 및 기타 장치에는 하드웨어에서 셧다운 로직을 실현하여 MCU를 위한 소프트웨어 작업을 오프로드할 수 있는 구성 가능한 로직이 있습니다. 자세한 내용은 GaN 레퍼런스 디자인에 기반한 11kW, 양방향, 3상 ANPC에서 참고할 있다.

네번째 토폴로지: 중성점 클램프 (NPC, Neutral Point Clamped) 컨버터 토폴로지는 ANPC 토폴로지에서 파생된다. 여기서 V_N은 다이오드 D5와 D6을 통해 연결되고, DC 링크 전압 사이의 중간에 V_N을 설정한다. 필터에서 볼 수 있는 출력 리플 주파수는 AC 라인 필터의 크기를 정의하는 PWM 주파수와 같습니다. ANPC 토폴로지와 마찬가지로 모든 스위치의 정격은 최대 DC 링크 전압의 절반에 이를 수 있지만, 2개의 스위치를 추가하는 대신 2개의 패스트 다이오드가 있다. NPC 토폴로지는 ANPC 토폴로지에 비해 비용이 약간 낮지만 효율성이 약간 낮다. 종료 순서 지정 요구 사항은 ANPC 토폴로지와 동일하다. 위에 언급된 ANPC 레퍼런스 설계에서 NPC 토폴로지를 쉽게 도출할 수 있다.

다섯번째 토폴로지: 플라잉 커패시터 토폴로지는 이 컨버터에서 어떤 일이 발생하는지를 이미 알려준다. 커패시터는 Q1, Q2, Q3와 Q4에서 인식되는 적층형 하프 브리지의 스위치 노드에 연결된다. 커패시터 전압은 DC 링크 전압의 절반으로 제한되며 V+/V– 사이에서 정기적으로 이동한다. 그러면 전원이 전환될 때 전원이 이전된다. 이 토폴로지는 양극 및 음극 사인파 동안 모든 스위치를 사용한다. 이 토폴로지에서 필터에 나타나는 출력 리플 주파수는 플라잉 커패시터의 각 사이클 시프트할 때 PWM 주파수의 두 배이므로 더 작은 크기의 AC 라인 필터를 만들 수 있다. 모든 스위치는 최대 DC 링크 전압의 절반일 수 있으므로 비용에 긍정적인 영향을 미친다.

표 1 에는 위에서 설명한 토폴로지들의 이점과 과제들을 보여준다.

표 1: 여러 컨버터 토폴로지의 이점 및 과제

4가지 3레벨 토폴로지 모두 기존의 2레벨 컨버터에 비해 전력 밀도(가능한 가장 작은 솔루션 크기), 매우 안정적인 작동 및 빠른 출시 기간에 대한 분명한 이점을 제공한다. 와이드 밴드갭 장치와 고성능 MCU를 사용하면 유사한 비용으로 이러한 이점들을 더욱 확대할 수 있다.

참고 자료

• 태양 에너지 시스템 개발을 가속화하는 방법에 대해 자세히 알아기
• 레벨 3 전기차 충전소를 위한 양방향, 듀얼 활성 브리지 레퍼런스 디자인 알아보기
• 에너지 저장 시스템을 위한 배터리 관리 및 전력 변환 기술에 대해 알아보기

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