양방향 전원 공급장치의 응용 분야: 전기차 충전부터 그리드 안정화까지
2024. 8. 9
전 세계가 화석 연료에서 재생 가능 에너지로 전환하면서, 전력망도 함께 변화하고 있습니다. 독점적인 방식으로 소비자에게 전력을 공급하는 대형 석탄, 가스, 원자력 발전소의 오래된 방식은 공공 및 민간 공급업체의 전형적인 에너지원과 재생 가능한 에너지원을 결합한 스마트 그리드로 바뀌고 있습니다. 따라서 다양한 스마트 그리드 요소 간의 효율적인 전력 전송을 위해 양방향 전원 공급장치의 필요성도 증가하고 있습니다. 이 블로그에서는 양방향 전원 공급장치와 그 응용 분야, 고객이 이러한 새로운 요구를 충족하도록 RECOM이 돕는 방식을 설명합니다.
목차
변화하는 전력망
전형적인 전력망의 토대는 1935년으로 거슬러 올라갑니다. 이 당시 전력망은 단방향 흐름이 특징입니다. 전력은 발전소에서 배전망을 통해 소비자에게 공급됩니다. 출력은 비교적 고정적이며, 갑작스러운 수요 급증을 수용할 수 있는 초과 용량이 거의 없습니다.
결과적으로, 전형적인 그리드는 시스템이 빠른 부하 변화에 대응하기 어려워 전력 불안정이 발생합니다. 이전 전기기계 제어 기술에 의존하면 제어 능력이나 사용 패턴에 대한 최선 정보를 거의 얻을 수 없습니다. 단방향 전력 흐름으로 인해 풍력이나 태양열과 같은 재생 가능 에너지원의 혜택을 받기가 어렵습니다.
유틸리티 기업은 적극적으로 그리드를 업그레이드하고 있습니다. 스마트 그리드의 목적은 실시간 모니터링 및 제어를 제공하고 풍력 및 태양열 발전원을 통합하며 에너지 공급과 부하 수요의 균형을 맞추는 것입니다.
결과적으로, 전형적인 그리드는 시스템이 빠른 부하 변화에 대응하기 어려워 전력 불안정이 발생합니다. 이전 전기기계 제어 기술에 의존하면 제어 능력이나 사용 패턴에 대한 최선 정보를 거의 얻을 수 없습니다. 단방향 전력 흐름으로 인해 풍력이나 태양열과 같은 재생 가능 에너지원의 혜택을 받기가 어렵습니다.
유틸리티 기업은 적극적으로 그리드를 업그레이드하고 있습니다. 스마트 그리드의 목적은 실시간 모니터링 및 제어를 제공하고 풍력 및 태양열 발전원을 통합하며 에너지 공급과 부하 수요의 균형을 맞추는 것입니다.
에너지 저장: 퍼즐의 빠진 조각
풍력과 태양열에서 얻은 전력 비율이 증가하면 발전 용량의 불확실성도 증가합니다. 바람과 태양으로부터 이용할 수 있는 에너지양은 예측할 수 없는 방식으로 다양하기 때문에 재생 가능 에너지원의 전력은 화석 연료 및 원자력 발전소의 전력보다 더 가변적입니다. 일반적인 태양열 설비는 1년 동안 이론적인 최대 가능 출력(설비 이용률 또는 CF)의 25% 미만을 공급합니다. 풍력 발전용 터빈의 경우에는 40% 미만입니다. 원자력 발전소의 90% 이상 CF와 대조적입니다. 또한 분 단위 전력 수요를 충족하기 위해 재생 가능 에너지의 가용 용량을 늘릴 수 없습니다.
에너지 저장은 공급과 수요의 균형을 맞추는 한 가지 방법이 될 수 있습니다. 수요가 공급을 초과하면 저장 시스템이 그리드를 안정화하고 정전이나 가동 중단을 방지하기 위해 필요한 추가 전력을 제공합니다. 전기 공급이 수요를 초과하면 잉여 발전 용량은 저장 시스템을 충전하는 데 사용됩니다.
에너지 저장은 공급과 수요의 균형을 맞추는 한 가지 방법이 될 수 있습니다. 수요가 공급을 초과하면 저장 시스템이 그리드를 안정화하고 정전이나 가동 중단을 방지하기 위해 필요한 추가 전력을 제공합니다. 전기 공급이 수요를 초과하면 잉여 발전 용량은 저장 시스템을 충전하는 데 사용됩니다.
에너지 저장 및 재생 가능 에너지
양수 발전은 현재 가장 널리 사용되는에너지 저장 시스템(ESS) 기술 이지만, 배터리 기반 설계가 가장 확장성이 있는 기술이고 가장 큰 성장세를 보이고 있습니다.
그림 2: ESS 기능 블록(출처: SAFT 배터리)
그림 2는 에너지를 저장하기 위해 배터리를 사용하는 그리드 규모 ESS의 주요 기능 블록을 나타낸 것입니다. 양방향 전원 공급장치는 그리드에서 저장 시스템으로, 저장 시스템에서 그리드로 AC 전원을 전송합니다. 그리드의 AC 전원은 저장 시스템을 충전하기 위해 배터리에 DC 전원으로 변환됩니다. 저장 시스템이 그리드의 안정화를 돕는 동안, DC 전원은 AC 전원으로 변환되어 그리드로 다시 공급됩니다.
대부분의 경우 ESS는 재생 가능 에너지원과 결합합니다. 이 경우, 풍력 발전용 터빈(AC 소스) 또는 PV 어레이 (DC 소스)의 그린 에너지를 배터리 어레이로 보내거나 적절한 경우 그리드로 돌려보낼 수 있습니다. 상업용 또는 주거용 건물에 장착된 태양전지판 역시 ESS에 전원을 공급하거나 그리드로 돌려보낼 수 있습니다.
이 에너지 흐름을 모두 제어, 조정 및 모니터링해야 합니다. RECOM은배터리 관리 시스템 , 통신 네트워크, 신뢰할 수 있고 안전한 배터리 에너지 저장 시스템을 구축하는 데 필요한 다양한 전압, 전류, 온도, 화재, 압력 센서를 위해 많은 저전력 고절연 DC/DC 컨버터(최대 20kVDC 절연 전압 사용)를 제공합니다.
그림 2: ESS 기능 블록(출처: SAFT 배터리)
그림 2는 에너지를 저장하기 위해 배터리를 사용하는 그리드 규모 ESS의 주요 기능 블록을 나타낸 것입니다. 양방향 전원 공급장치는 그리드에서 저장 시스템으로, 저장 시스템에서 그리드로 AC 전원을 전송합니다. 그리드의 AC 전원은 저장 시스템을 충전하기 위해 배터리에 DC 전원으로 변환됩니다. 저장 시스템이 그리드의 안정화를 돕는 동안, DC 전원은 AC 전원으로 변환되어 그리드로 다시 공급됩니다.
대부분의 경우 ESS는 재생 가능 에너지원과 결합합니다. 이 경우, 풍력 발전용 터빈(AC 소스) 또는 PV 어레이 (DC 소스)의 그린 에너지를 배터리 어레이로 보내거나 적절한 경우 그리드로 돌려보낼 수 있습니다. 상업용 또는 주거용 건물에 장착된 태양전지판 역시 ESS에 전원을 공급하거나 그리드로 돌려보낼 수 있습니다.
이 에너지 흐름을 모두 제어, 조정 및 모니터링해야 합니다. RECOM은배터리 관리 시스템 , 통신 네트워크, 신뢰할 수 있고 안전한 배터리 에너지 저장 시스템을 구축하는 데 필요한 다양한 전압, 전류, 온도, 화재, 압력 센서를 위해 많은 저전력 고절연 DC/DC 컨버터(최대 20kVDC 절연 전압 사용)를 제공합니다.
전기차 충전
전기차는 양방향 전원 공급장치를 위한 또 다른 응용 분야로 성장하고 있습니다. 순전히 배터리 전원으로 작동되는 전기차의 시장 점유율이 계속 증가함에 따라, 차량당 장착된 배터리 용량도 늘어나고 있습니다. 또한 소비자는 더 큰 용량의 배터리를 더 빠르게 충전하기를 요구하고 있습니다. 이러한 요구에 따라 고성능 차량을 시작으로 배터리 작동 전압을 400V에서 800V로 늘리는 데 박차가 가해지고 있습니다.
배터리 용량이 충분한 전기차는 잠재적으로 ESS 역할을 할 수 있으며, V2H(vehicle-to-home) 발전, V2G(vehicle-to-grid) 기회, V2V(vehicle-to-vehicle) 충전, 다른 전기차 점프 시동과 같은 다양한 사용 사례가 가능합니다. 현재 전기차 충전소 및 전기차 탑재 충전기(OBC)는 단방향 시스템이지만, 이러한 새로운 사용 사례는 양방향 인프라로의 전환을 주도하고 있습니다.
전기차 및 전기차 충전소에 양방향 전원 공급장치를 요구하는 시나리오는 다음과 같습니다.
배터리 용량이 충분한 전기차는 잠재적으로 ESS 역할을 할 수 있으며, V2H(vehicle-to-home) 발전, V2G(vehicle-to-grid) 기회, V2V(vehicle-to-vehicle) 충전, 다른 전기차 점프 시동과 같은 다양한 사용 사례가 가능합니다. 현재 전기차 충전소 및 전기차 탑재 충전기(OBC)는 단방향 시스템이지만, 이러한 새로운 사용 사례는 양방향 인프라로의 전환을 주도하고 있습니다.
전기차 및 전기차 충전소에 양방향 전원 공급장치를 요구하는 시나리오는 다음과 같습니다.
- 그리드 또는 가정 내 마이크로그리드로 돌려보내는 전기차 전원 공급
- 상대적인 전기 가격에 따라 그리드 또는 저장된 에너지에서 전기차로 전원을 공급하는 전기차 충전소
- 현장 배터리 설치를 충전하는 전기차 충전소
단방향 vs 양방향 전력 아키텍처
양방향 전원 공급장치는 상응하는 단방향 공급장치와 다른 설계 접근 방식이 필요합니다. 고효율을 위해 설계된 단방향 AC-DC 전원 공급장치는 LLC 공진 컨버터와 같은 DC-DC 토폴로지를 구동하는 토템폴 역률 보정(PFC)프론트 엔드와 함께 와이드 밴드갭(WBG) SiC 또는 GaN 전원 장치를 사용합니다.
토템폴 PFC 토폴로지가 양방향이라고 하더라도, 공진 LLC는 그렇지 않습니다. 양방향 응용 분야의 경우, DC-DC 단계에서 CLLC 공진 컨버터가 선호됩니다. 충전 및 방전 모드 모두에서 높은 효율과 광범위한 출력 전압 범위를 결합하기 때문입니다. CLLC는 효율성을 극대화하기 위해 소프트 스위칭을 사용합니다. 즉, 1차 측에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 사용하고, 2차 측에서 ZVS와 제로 전류 스위칭(ZCS)을 결합하여 사용합니다. SiC 트랜지스터는 이러한 고출력 응용 분야에서 우세한 기술로 빠르게 자리 잡고 있습니다.
그림 3은 3상 충전을 위한 양방향 전력단의 한 예입니다. 이 설계에는 14개의 전력용 트랜지스터가 필요합니다. 이는 절연된 토폴로지이므로, 전력용 트랜지스터는 절연형 게이트 드라이버 및 절연형 DC/DC 전원 공급장치와 쌍을 이룹니다.
토템폴 PFC 토폴로지가 양방향이라고 하더라도, 공진 LLC는 그렇지 않습니다. 양방향 응용 분야의 경우, DC-DC 단계에서 CLLC 공진 컨버터가 선호됩니다. 충전 및 방전 모드 모두에서 높은 효율과 광범위한 출력 전압 범위를 결합하기 때문입니다. CLLC는 효율성을 극대화하기 위해 소프트 스위칭을 사용합니다. 즉, 1차 측에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 사용하고, 2차 측에서 ZVS와 제로 전류 스위칭(ZCS)을 결합하여 사용합니다. SiC 트랜지스터는 이러한 고출력 응용 분야에서 우세한 기술로 빠르게 자리 잡고 있습니다.
그림 3은 3상 충전을 위한 양방향 전력단의 한 예입니다. 이 설계에는 14개의 전력용 트랜지스터가 필요합니다. 이는 절연된 토폴로지이므로, 전력용 트랜지스터는 절연형 게이트 드라이버 및 절연형 DC/DC 전원 공급장치와 쌍을 이룹니다.
양방향 전원 공급장치를 위한 RECOM의 자원
RECOM은 여러 장치를 병렬로 연결한 전력 정격 최대 30kW 이상의 3상 AC 공급장치 에서 입증된 플랫폼 설계를 기반으로신뢰성이 높은 맞춤형 배터리 충전기 , 컨디셔너, 양방향 인버터를 공급할 수 있습니다.
또한 RECOM에는 빠른 턴어라운드, 고출력, 완전 맞춤형 솔루션을 전문으로 하는 자매 회사 PCS를 통한 광범위한 플랫폼 설계 라이브러리가 있습니다. 이렇게 입증된 설계는 종종 대규모 개발이나 인증 비용이 발생할 필요 없이 다른 응용 분야에 쉽게 적용할 수 있습니다.
또한 RECOM에는 빠른 턴어라운드, 고출력, 완전 맞춤형 솔루션을 전문으로 하는 자매 회사 PCS를 통한 광범위한 플랫폼 설계 라이브러리가 있습니다. 이렇게 입증된 설계는 종종 대규모 개발이나 인증 비용이 발생할 필요 없이 다른 응용 분야에 쉽게 적용할 수 있습니다.
결론
스마트 그리드의 출현과 재생 가능 에너지의 증가로 에너지원, 에너지 소비자, 저장 시스템 간에 AC 또는 DC 전력을 전송하는 양방향 전원 공급장치 에 대한 수요가 증가하게 되었습니다. RECOM은 배터리 관리 시스템 또는 풍력 발전용 터빈 제어 장치를 절연하는 데 사용되는 저전력 DC/DC 인버터부터 스마트 미터, 전기차 충전기, PV 인버터에 전력을 공급하는 낮은 대기 소비 AC/DC 모듈, 오프그리드, ESS 등 그 외 다양한 응용 분야를 위한 킬로와트 규모 컨버터에 이르기까지 스마트 그리드의 모든 요소에 관여합니다. 다음 설계 작업을 시작할 준비가 되셨습니까? 지금 RECOM에 문의하세요.