KR101173856B1 - 최대 전력점 추종 장치 및 방법, 이를 이용한 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법 - Google Patents

최대 전력점 추종 장치 및 방법, 이를 이용한 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

최대 전력점 추종 장치는 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력을 미리 정해진 전압 레벨의 제2 전력으로 변환하는 컨버터부, 및 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾고, 개방전압에서 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 제1 전력의 전압을 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 최대 전력점 제어부를 포함한다. 태양광 발전의 최대 전력점을 빠르게 찾아서 안정적으로 유지할 수 있으며, 이에 따라 태양광 발전의 효율을 높일 수 있다. 또한, 태양광 발전과 연계된 계통 연계형 전력 저장 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

최대 전력점 추종 장치 및 방법, 이를 이용한 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법{Apparatus and method of tracking maximum power point, and operating method of grid connected power storage system using the same}
본 발명은 최대 전력점 추종 장치 및 방법, 이를 이용한 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최대 전력점을 빠르게 찾아서 안정적으로 유지할 수 있는 최대 전력점 추종 장치 및 방법, 이를 이용한 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
최근 유럽 연합에서는 전체 발전원 중 신재생 에너지의 비중을 2020년까지 20%, 2050년까지 50%로 늘려가는 계획을 확정하였다. 미국도 신재생 에너지 의무할당제(Renewable Portfolio Standards, RPS)를 시행할 예정이다. 이와 같이, 신재생 에너지가 전체 발전원의 5%도 되지 않는 현재 상황에서 향후 30~40%까지 증가하는 상황에서 전력 시스템은 새로운 변화를 준비하여야 한다.
신재생 에너지는 발전량을 조절하는 것이 쉽지 않다. 신재생 에너지의 발전량은 태양광, 풍력, 파력 등의 자연 조건에 따라 달라지기 때문이다. 이러한 신재생 에너지의 변동성에 의해 발생될 수 있는 전력 시스템의 전력 품질 저하, 생산과 소비 시점의 불일치 등을 극복할 수 있는 방안에 대한 연구가 진행되고 있다. 전력 품질은 전압과 주파수로 평가되는데, 신재생 에너지의 수급량이 실시간으로 일치하지 않게 되면 전압과 주파수에 이상이 발생하여 전체 전력 시스템의 전력 품질을 저하시킬 수 있기 때문이다.
신재생 에너지의 변동성을 관리할 수 있는 대안으로 전력 저장 시스템이 주목받고 있다. 전력 저장 시스템은 신재생 에너지의 발전량이 많을 때 전기를 충전하고, 소비량이 많을 때 전기를 방전함으로써 수요와 공급을 효율적으로 조절할 수 있기 때문이다.
전력 저장 기술에는 양수 발전, CAES(Compressed Air Energy Storage), 플라이휠(Flywheel), 초전도 전력 저장(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES), 2차 전지 등이 있다. 양수 발전은 댐을 만들어 전기가 남을 때 물을 퍼 올리고, 전기가 모자라면 물을 방류하여 터빈을 돌림으로써 전기를 생산하는 방식이다. CAES는 지하나 바다 속에 공기를 압축해두었다가 필요할 때 공기를 방출시켜 전기를 생산하는 방식이다. 플라이휠은 전기가 남을 때 팽이를 회전시키고, 전기가 모자라면 돌고 있는 팽이로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 초전도 전력 저장은 저항이 0인 초전도 코일에 전류를 저장하는 원리를 이용하는 방식이다. 2차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 정전시 임시로 전기를 공급하는 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply, UPS)로 사용되어 왔으나, 최근에는 신재생 에너지의 보조전원으로 주목받고 있다.
신재생 에너지 중 태양광 발전은 주택이나 빌딩 등에 태양전지 모듈을 설치함으로써 쉽게 전력을 생산할 수 있다. 그러나 태양광 발전은 발전 효율이 낮아 최대 전력을 추출할 수 있는 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 제어가 수행되어야 한다. 태양광 발전은 최대 전력점 추종 제어에 따라 최대 전력점을 얼마나 빠르게 찾아서 얼마나 안정적으로 유지하는가에 의해 전력 생산 효율이 결정될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양광 발전의 최대 전력 추종 제어를 효율적으로 수행하는 최대 전력점 추종 장치 및 방법, 이를 이용한 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 장치는 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력을 미리 정해진 전압 레벨의 제2 전력으로 변환하는 컨버터부, 및 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾고, 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 상기 제1 전력의 전압을 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 최대 전력점 제어부를 포함한다.
상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압을 저장하는 LUT 부를 더 포함하고, 상기 최대 전력점 제어부는 상기 LUT 부에서 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾을 수 있다.
상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하여 상기 최대 전력점 제어부로 상기 측정된 온도 및 일사량을 전달하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 최대 전력점 제어부는 소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수의 횟수만큼 상기 태양전지 모듈의 출력 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시킬 수 있다.
상기 최대 전력점 제어부는 상기 P&O 알고리즘에 따라 주기적으로 상기 제1 전력의 변동이 있는지 여부를 검출하고, 상기 제1 전력의 변동이 있으면 상기 출력 전압이 상기 최대 전력점 전압으로 수렴하도록 상기 출력 전압을 소정 전압만큼 증가 또는 감소시킬 수 있다.
상기 소정 전압은 상기 단위 증분량보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법은 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하는 단계, 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하는 단계, 상기 태양전지 모듈의 출력 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계, 및 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘에 따라 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계를 포함한다.
상기 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하는 단계는, 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압이 저장된 룩업테이블에서 상기 측정된 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 찾는 단계를 포함할 수 있다.
상기 태양전지 모듈의 출력 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계는, 소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수의 횟수만큼 상기 출력 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 P&O 알고리즘에 따라 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계는, 주기적으로 상기 태양전지 모듈의 전력 변동이 있는지 여부를 검출하는 단계, 및 상기 태양전지 모듈의 전력 변동이 있는 경우, 상기 출력 전압이 상기 최대 전력점 전압으로 수렴하도록 상기 출력 전압을 소정 전압만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소정 전압은 상기 단위 증분량보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법은 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하여 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하고, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 일정하게 감소시켜 제1 전력을 형성하는 단계, 상기 제1 전력을 제2 전력으로 변환하는 단계, 상기 제2 전력의 전압을 일정 레벨의 DC 링크 전압으로 유지하는 단계, 상기 DC 링크 전압을 갖는 제2 전력을 직류의 제3 전력으로 변환하는 단계, 및 상기 제3 전력으로 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전력을 형성하는 단계는, 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하는 단계, 및 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압이 저장된 룩업테이블에서 상기 측정된 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전력을 형성하는 단계는, 소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수의 횟수만큼 상기 제1 전력의 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전력을 형성하는 단계는, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘에 따라 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법은 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하여 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하고, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 일정하게 감소시켜 제1 전력을 형성하는 단계, 상기 제1 전력을 제2 전력으로 변환하는 단계, 상기 제2 전력의 전압을 일정 레벨의 DC 링크 전압으로 유지하는 단계, 상기 DC 링크 전압을 갖는 제2 전력을 교류의 제3 전력으로 변환하는 단계, 및 상기 제3 전력을 상용 계통 및 부하 중 적어도 어느 하나에 공급하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전력을 형성하는 단계는, 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하는 단계, 및 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압이 저장된 룩업테이블에서 상기 측정된 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전력을 형성하는 단계는, 소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수의 횟수만큼 상기 제1 전력의 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전력을 형성하는 단계는, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘에 따라 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
태양광 발전의 최대 전력점을 빠르게 찾아서 안정적으로 유지할 수 있으며, 이에 따라 태양광 발전의 효율을 높일 수 있다. 또한, 태양광 발전과 연계된 계통 연계형 전력 저장 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 기능을 갖는 MPPT 컨버터를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 3의 최대 전력점 추종 방법에서 P&O 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 태양전지 모듈의 전류-전압 그래프의 일예를 나타낸다.
도 6은 태양전지 모듈의 전력-전압 그래프의 일예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 전력 관리 시스템(110) 및 전력 저장장치(120)를 포함한다.
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 발전 시스템(130), 상용 계통(140) 및 부하(150)와 연결된다.
발전 시스템(130)은 태양광, 풍력, 파력, 조력, 지열 등의 신재생 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템을 포함한다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템은 태양광을 전기 에너지로 변환하는 복수의 태양 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 태양전지 모듈을 포함한다.
상용 계통(140)은 화력, 수력, 원자력 발전 등을 통해 전력을 생산하는 발전소, 생산된 전력을 송전선로나 배전선로를 통하여 보내기 위해 전압이나 전류의 성질을 바꾸는 변전소나 송전소 등을 포함한다.
부하(150)는 전력을 소비하는 각종 전기 구동 장치 등을 의미한다. 예를 들어, 가정의 가전기기나 공장의 생산설비 등을 의미한다.
전력 관리 시스템(110)은 발전 시스템(130)의 전력, 상용 계통(140)의 전력, 전력 저장장치(120)의 전력 등의 전력 계통을 연계하는 시스템이다. 전력 관리 시스템(110)은 전력 저장장치(120)를 이용하여 전력 계통의 생산 및 소비의 시간적 불일치를 관리할 수 있다.
전력 저장장치(120)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지를 포함한다. 2차 전지로는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등이 있다. 전력 저장장치(120)는 복수의 2차 전지가 병렬 또는 직렬로 연결된 대용량 저장장치일 수 있다.
한편, 2차 전지의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 전력 저장장치(120) 또는 전력 관리 시스템(110)에 포함될 수 있다. BMS는 2차 전지의 전압, 전류, 온도를 검출하고 충전 상태(State of Charge, 이하 SOC) 및 수명(State of Health, 이하 SOH)을 모니터링함으로써, 2차 전지의 과충전, 과방전, 과전류, 과열 등으로부터 2차 전지를 보호하고 셀 밸런싱을 통하여 2차 전지의 효율을 향상시킨다.
전력 관리 시스템(110)은 제1 전력 변환부(111), 제2 전력 변환부(112), 제3 전력 변환부(113), 제1 스위치(116), 제2 스위치(117), DC 링크부(118) 및 제어부(119)를 포함한다.
제1 전력 변환부(111)는 발전 시스템(130)에 연결되며, 발전 시스템(130)에서 생산되는 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 발전 시스템(130)에서 생산되는 제1 전력은 직류 전력 또는 교류 전력일 수 있고, 제1 노드(N1)의 제2 전력은 직류 전력이다. 즉, 제1 전력 변환부(111)는 직류의 제1 전력을 다른 크기의 제2 전력으로 변환하는 컨버터의 기능을 수행하거나, 교류의 제1 전력을 직류의 제2 전력으로 변환하는 인버터의 기능을 수행할 수 있다. 제1 전력 변환부(111)는 발전 시스템(130)에서 생산되는 전력을 최대화하기 위한 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 MPPT) 제어를 수행한다. 즉, 제1 전력 변환부(111)는 최대 전력점 추종 기능을 갖는 MPPT 컨버터일 수 있다.
발전 시스템(130)이 태양 전지를 이용하는 태양광 발전 시스템인 경우, 제1 전력 변환부(111)는 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압(Maximum power point voltage, Vmpp)을 룩업테이블(lookup table, 이하 LUT)에서 찾아서 설정하고, 개방전압(Open-circuit voltage, Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 소프트 스타트(soft start) 방식으로 전압을 감소시킨 후 P&O(Perturbation and Observation) 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행한다.
DC 링크부(118)는 제1 노드(N1)에 연결되며, 제1 노드(N1)의 전압 레벨을 일정한 DC 링크 전압 레벨로 유지시킨다. DC 링크부(118)는 발전 시스템(130)의 출력 전압의 변동, 상용 계통(140)의 순간적 전압 강하, 부하(150)의 최대 부하 발생 등으로 인하여 제1 노드(N1)의 전압 레벨이 불안정해지는 것을 방지함으로써, 제2 전력 변환부(112) 및 제3 전력 변환부(113)가 정상 동작하도록 한다. DC 링크부(118)는 제1 노드(N1)와 제2 전력 변환부(112) 사이에 병렬로 연결되는 DC 링크용 커패시터일 수 있다. DC 링크용 커패시터로는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor) 등이 사용될 수 있다.
제2 전력 변환부(112)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제2 노드(N2)에는 상용 계통(140) 및 부하(150)가 연결된다. 제2 전력 변환부(112)는 제1 노드(N1)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 제2 노드(N2)에 전달한다. 그리고 제2 전력 변환부(112)는 제2 노드(N2)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)로 전달한다. 즉, 제2 전력 변환부(112)는 제1 노드(N1)의 직류 전력과 제2 노드(N2)의 교류 전력 간의 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 인버터의 기능을 수행할 수 있다. 제2 노드(N2)에는 상용 계통(140) 및 부하(150)로 공급하기 위한 교류 전력 또는 상용 계통(140)으로부터 공급되는 교류 전력이 형성된다.
제3 전력 변환부(113)는 제1 노드(N1)와 전력 저장장치(120) 사이에 연결된다. 제3 전력 변환부(113)는 제1 노드(N1)의 직류의 제2 전력을 전력 저장장치(120)에 저장하기 위한 직류의 제3 전력으로 변환하여 전력 저장장치(120)에 전달한다. 그리고 제3 전력 변환부(113)는 전력 저장장치(120)의 직류의 제3 전력을 직류의 제2 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 즉, 제3 전력 변환부(113)는 제1 노드(N1)의 직류 전력과 전력 저장장치(120)의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 컨버터의 기능을 수행할 수 있다.
제1 스위치(116)는 제2 전력 변환부(112)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제2 전력 변환부(112)와 제2 노드(N2) 사이의 전력 흐름을 차단한다. 제2 스위치(117)는 제2 노드(N2)와 상용 계통(140) 사이에 연결되며, 제2 노드(N2)와 상용 계통(140) 사이의 전력 흐름을 차단한다. 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)로는 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 등이 사용될 수 있다.
특히, 제2 스위치(117)는 상용 계통(140)의 이상 상황 발생시, 상용 계통(140)으로의 전력 공급을 차단하고 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 단독 운전을 구현한다. 제2 스위치(117)가 오프되면, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 상용 계통(140)과 분리되어 발전 시스템(130) 및 전력 저장장치(120)의 전력으로 단독 운전을 수행할 수 있으며, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)에서 출력되는 전력에 의해 상용 계통(140)이 비정상 상태에서 동작하는 것을 방지할 수 있다.
제어부(119)는 전력 관리 시스템(110)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(119)는 제1 전력 변환부(111)로부터 발전 시스템(130)에서 생산되는 전력 정보(전압, 전류, 온도의 센싱 신호)를 전달받고, 전력 저장장치(120)(또는 BMS)로부터 SOC, SOH 등을 포함하는 전력 저장 정보를 전달받으며, 상용 계통(140)으로부터 계통의 전압, 전류, 온도 등을 포함하는 계통 정보를 전달받는다. 제어부(119)는 발전 시스템(130)에서 생산되는 전력 정보, 전력 저장장치(120)의 전력 저장 정보, 상용 계통(140)의 계통 정보를 기반으로 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드를 제어한다.
제어부(119)는 제1 전력 변환부(111), 제2 전력 변환부(112) 및 제3 전력 변환부(113)로부터 전압, 전류, 온도의 센싱 신호를 전달받고, 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드에 따라 각 전력 변환부(111, 112, 113)의 전력 변환 효율을 제어한다. 제어부(119)는 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드에 따라 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)의 온-오프를 제어한다.
전력 관리 시스템(110)의 운전 모드는 전력 저장장치(120), 발전 시스템(130), 상용 계통(140) 및 부하(150) 중에서 2 이상 간의 전력 공급 방식에 따라 분류될 수 있다. 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드는 (1) 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급, (2) 발전 시스템(130)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급, (3) 발전 시스템(130)에서 부하(150)로의 전력 공급, (4) 전력 저장장치(120)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급, (5) 전력 저장장치(120)에서 부하(150)로의 전력 공급, (6) 상용 계통(140)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급, (7) 상용 계통(140)에서 부하(150)로의 전력 공급을 포함한다.
(1) 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116)로 오프 신호를 전송하여 제1 노드(N1)에서 제2 노드(N2)로의 전력 흐름을 차단한다. 발전 시스템(130)에서 생산된 제1 전력은 제1 전력 변환부(111)에서 직류의 제2 전력으로 변환되고, 제2 전력의 전압은 DC 링크부(118)에 의해 DC 링크 전압 레벨로 안정화된다. 이때, 제1 전력 변환부(111)는 최대 전력점 전압(Vmpp)을 LUT를 이용하여 설정하고, 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 소프트 스타트 방식으로 제1 전력의 전압을 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행한다. DC 링크 전압 레벨로 안정화된 제2 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 직류의 제3 전력으로 변환되어 전력 저장장치(120)에 공급되어 2차 전지를 충전시킨다.
(2) 발전 시스템(130)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제3 전력 변환부(113)로 오프 신호를 전송하여 제1 노드(N1)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 흐름을 차단한다. 제어부(119)는 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)에는 온 신호를 전송한다. 발전 시스템(130)에서 생산된 제1 전력은 제1 전력 변환부(111)에서 직류의 제2 전력으로 변환되고, 제2 전력의 전압은 DC 링크부(118)에 의해 DC 링크 전압 레벨로 안정화된다. 이때, 제1 전력 변환부(111)는 최대 전력점 전압(Vmpp)을 LUT를 이용하여 설정하고, 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 소프트 스타트 방식으로 제1 전력의 전압을 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행한다. DC 링크 전압 레벨로 안정화된 제2 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 상용 계통(140)으로 공급된다. 이때, 제2 전력 변환부(112)는 상용 계통(140)의 전압 및 전류의 전 고조파 왜형율(Total Harmonic Distortion, THD), 역률(power factor) 등의 전력 품질 기준에 부합하는 교류 전력을 출력한다.
(3) 발전 시스템(130)에서 부하(150)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제3 전력 변환부(113) 및 제2 스위치(117)로 오프 신호를 전송하여 제1 노드(N1)에서 전력 저장장치(120) 및 상용 계통(140)으로의 전력 흐름을 차단한다. 제어부(119)는 제1 스위치(116)에 온 신호를 전송한다. 발전 시스템(130)에서 생산된 제1 전력은 제1 전력 변환부(111)에서 직류의 제2 전력으로 변환되고, 제2 전력의 전압은 DC 링크부(118)에 의해 DC 링크 전압 레벨로 안정화된다. 이때, 제1 전력 변환부(111)는 최대 전력점 전압(Vmpp)을 LUT를 이용하여 설정하고, 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 소프트 스타트 방식으로 제1 전력의 전압을 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행한다.
제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 안정화된 제2 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 부하(150)로 공급된다. 부하(150)는 상용 계통(140)의 교류 전력을 이용할 수 있으며, 제2 전력 변환부(112)는 부하(150)에서 이용하는 상용 계통(140)의 전력 품질 기준에 부합하는 교류 전력을 출력한다.
(4) 전력 저장장치(120)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)에 온 신호를 전달한다. 전력 저장장치(120)의 출력 전압 레벨의 직류 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력으로 변환되고, DC 링크부(118)에 의해 안정화된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 안정화된 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 상용 계통(140)으로 공급된다.
(5) 전력 저장장치(120)에서 부하(150)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116)에 온 신호를 전달하고, 제2 스위치(117)에 오프 신호를 전달한다. 전력 저장장치(120)의 출력 전압 레벨의 직류 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력으로 변환되고, DC 링크부(118)에 의해 안정화된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 안정화된 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 부하(150)로 공급된다.
(6) 상용 계통(140)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)에 온 신호를 전달한다. 상용 계통(140)의 교류 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 정류되어 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력으로 변환된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 전력 저장을 위한 전압 레벨의 직류 전력으로 변환되어 전력 저장장치(120)로 공급된다.
(7) 상용 계통(140)에서 부하(150)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116)에 오프 신호를 전달하고, 제2 스위치(117)에 온 신호를 전달한다. 상용 계통(140)의 교류 전력은 부하(150)로 공급된다.
이상에서, 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드가 전력 저장 시스템(120), 발전 시스템(130), 상용 계통(140) 및 부하(150) 간에 전력 공급 방식에 따라 분류되는 것에 대하여 설명하였으나, 상술한 전력 공급 방식은 복합적으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드는 더욱 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120) 및 부하(150)로 전력을 공급하거나, 발전 시스템(130) 및 전력 저장장치(120)에서 부하(150)로 전력을 공급할 수 있다. 또는 발전 시스템(130) 및 전력 저장장치(120)에서 상용 계통(140) 및 부하(150)로 전력을 공급할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 기능을 갖는 MPPT 컨버터를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)에서 발전 시스템(130)이 태양광 발전 시스템일 때, MPPT 컨버터(210)는 MPPT 제어를 수행하면서 태양광 발전 시스템에서 생성되는 전력을 DC 링크 전압 레벨의 전력으로 변환할 수 있다.
발전 시스템(130)은 태양전지 모듈(131) 및 센싱부(132)를 포함한다. 태양전지 모듈(131)은 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 태양전지를 포함한다. 센싱부(132)는 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)을 측정한다.
MPPT 컨버터(210)는 컨버터부(211), 최대 전력점 제어부(212) 및 LUT 부(213)를 포함한다.
컨버터부(211)는 태양전지 모듈(131)에 연결되며, 태양전지 모듈(131)에서 출력되는 제1 전력을 미리 정해진 전압 레벨의 제2 전력으로 변환한다. 제2 전력은 DC 링크 전압 레벨의 전력일 수 있다.
태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 따라 태양전지 모듈(131)에서 생산되는 전력 특성이 달라진다. 태양전지 모듈(131)의 전력은 전압 및 전류로 표현되는데, 전압이 증가할수록 전류가 일정하게 유지되다가 특정 전압 이상에서 전류가 급격하게 감소하는 특성이 있다. 즉, 태양전지 모듈(131)의 전력은 전압이 증가함에 따라 증가하다가 특정 전압(최대 전력점 전압(Vmpp)) 이상에서 급격히 감소한다. 이러한 태양전지 모듈(131)의 최대 전력은 온도(T)가 증가할수록 감소하고, 일사량(S)이 증가할수록 증가하는 특성을 갖는다.
온도(T) 및 일사량(S)에 따른 태양전지 모듈(131)의 전압과 전류 특성을 나타내는 그래프를 생성할 수 있으며, 이 그래프에서 개방전압(Voc)을 구할 수 있다. 온도(T) 및 일사량(S)에 따른 태양전지 모듈(131)의 전압과 전력 특성을 나타내는 그래프를 생성할 수 있으며, 이 그래프에서 최대 전력점 전압(Vmpp)을 구할 수 있다.
LUT 부(213)는 온도(T) 및 일사량(S)에 따른 태양전지 모듈(131)의 전력 특성을 저장한다. 즉, LUT 부(213)는 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 따른 최대 전력점 전압(Vmpp) 및 개방전압(Voc)을 테이블화하여 저장할 수 있다.
최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압이 최대 전력점 전압(Vmpp)을 유지하도록 MPPT 제어를 수행한다. 최대 전력점 제어부(212)는 센싱부(132)로부터 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S) 정보를 전달받고, 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 대응하는 최대 전력점 전압(Vmpp) 및 개방전압(Voc)을 LUT 부(213)에서 찾는다. 최대 전력점 제어부(212)는 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)까지 소프트 스타트 방식으로 제1 전력의 전압을 감소시키고, P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행한다. 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압 및 전류를 측정할 수 있으며, 출력 전압 및 전류로써 태양전지 모듈(131)의 출력 전력을 구할 수 있다.
여기서는 센싱부(132)가 발전 시스템(130)에 포함되는 것으로 설명하였으나, 센싱부(132)는 MPPT 컨버터(210)와 함께 최대 전력점 추종 장치를 구성할 수 있다.
이제, 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 따른 최대 전력점 전압(Vmpp) 및 개방전압(Voc)을 저장하는 LUT을 이용한 최대 전력점 추종 방법을 도 3 내지 6을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 도 3의 최대 전력점 추종 방법에서 P&O 알고리즘을 나타내는 흐름도이다. 도 5는 태양전지 모듈의 전류-전압 그래프의 일예를 나타낸다. 도 6은 태양전지 모듈의 전력-전압 그래프의 일예를 나타낸다.
도 3 내지 6을 참조하면, 센싱부(132)는 태양전지 모듈의 온도(T) 및 일사량(S)을 측정한다(S110). 센싱부(132)는 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S) 정보를 최대 전력점 제어부(212)에 전달한다.
최대 전력점 제어부(212)는 온도(T) 및 일사량(S)에 대응하는 개방전압(Voc)을 초기값으로 설정한다(S120). 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 대응하는 개방전압(Voc)을 LUT 부(213)에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 최대 전력점 제어부(212)는 LUT 부(213)에서 태양전지 모듈(131)의 온도(T)가 25도이고, 일사량(S)이 100%인 경우의 개방전압(Voc)이 284.2V인 것을 찾을 수 있다.
도 5의 그래프는 태양전지 모듈(131)의 온도(T)가 25도이고 일사량(S)이 100%인 경우의 태양전지 모듈(131)의 전류-전압 그래프를 나타낸 것으로, 여기서 개방전압(Voc)이 284.2V인 것을 알 수 있다.
최대 전력점 제어부(212)는 LUT 부(213)에서 온도(T) 및 일사량(S)에 대응하는 최대 전력점 전압(Vmpp)을 찾아서 설정한다(S130). 예를 들어, 최대 전력점 제어부(212)는 LUT 부(213)에서 태양전지 모듈(131)의 온도(T)가 25도이고, 일사량(S)이 100%인 경우의 최대 전력점 전압(Vmpp)이 226.8V인 것을 찾을 수 있다.
도 6의 그래프는 태양전지 모듈(131)의 온도(T)가 25도이고 일사량(S)이 100%인 경우의 태양전지 모듈(131)의 전력-전압 그래프를 나타낸 것으로, 여기서 최대 전력점 전압(Vmpp)이 226.8V인 것을 알 수 있다.
최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압, 즉 컨버터부(211)의 입력 전압을 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 소프트 스타트 방식으로 감소시킨다(S140).
수학식 1은 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)까지 태양전지 모듈(131)의 출력 전압을 낮추는 소프트 스타트 방식을 나타낸다.
Figure 112010059407224-pat00001
여기서, Vpv는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압, Tss는 소프트 스타트 시간, Fs는 시스템 주파수를 의미하고, Vdelt는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 감소시키는 단위 증분량이다. 예를 들어, 태양전지 모듈(131)의 온도(T)가 25도이고 일사량(S)이 100%인 경우에 있어서, 개방전압(Voc)이 284.2V, 최대 전력점 전압(Vmpp)이 226.8V이며, 소프트 스타트 시간(Tss)이 1초, 시스템 주파수(Fs)가 1.5kHz이라고 하면, 단위 증분량(Vdelt)은 (284.2-226.8)/(1×15000) = 0.00383 V가 된다.
즉, 최대 전력점 제어부(212)는 소프트 스타트 시간(Tss) 동안 시스템 주파수(Fs)의 횟수만큼 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 단위 증분량(Vdelt) 단위로 감소시켜 최종적으로 출력 전압(Vpv)이 최대 전력점 전압(Vmpp)까지 감소되도록 한다. 이는 소프트 스타트 시간(Tss) 동안 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)이 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)까지 일정하게 감소하는 것을 의미한다(도 5, 6 참조). 또한, 이는 소프트 스타트 시간(Tss) 동안 태양전지 모듈(131)에서 컨버터부(211)로 흐르는 전류가 0에서 최대 전력점 전류(Impp)까지 일정하게 증가하는 것을 의미한다(도 5 참조). 또한, 이는 소프트 스타트 시간(Tss) 동안 태양전지 모듈(131)의 전력이 0에서 최대 전력점 전력(Pmpp)까지 일정하게 증가하는 것을 의미한다(도 6 참조).
소프트 스타트 방식에 따라 태양전지 모듈(131)의 출력 전압, 즉 컨버터부(211)의 입력 전압을 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 일정하게 감소시킴으로써, 컨버터부(211)에 순간적으로 큰 전류가 흐르게 되는 것을 방지하고 태양전지 모듈(131)에서 전력 관리 시스템(110)으로 안정적으로 전류가 흐르도록 할 수 있다.
최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Pv)을 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘을 수행하여 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Pv)이 최대 전력점 전압(Vmpp)을 유지하도록 한다(S150). P&O 알고리즘은 태양전지 모듈(131)의 현재의 출력 전력을 이전의 출력 전력을 주기적으로 비교하고 출력 전압(Vpv)을 증가 또는 감소시켜 태양전지 모듈(131)의 출력 전력이 최대 출력점 전력(Pmpp)이 되도록 하는 방식이다.
P&O 알고리즘은 도 4에서와 같이 수행될 수 있다. 도 4를 보면,
최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동값(dP)이 0인지 여부를 판단한다(S210). 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압 및 전류를 주기적으로 측정하고, 이로부터 출력 전력을 산출하여 출력 전력의 변동이 있는지 여부를 검출한다.
최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동이 있으면, 출력 전력의 변동값(dP)이 양(positive)인지 여부를 판단한다(S220).
최대 전력점 제어부(212)는 출력 전력의 변동값(dP)이 양인 경우, 태양전지 모듈(131)의 출력 전압의 변동값(dV)이 양(positive)인지 여부를 판단한다(S230). 또한, 최대 전력점 제어부(212)는 출력 전력의 변동값(dP)이 양이 아닌 경우에도 태양전지 모듈(131)의 출력 전압의 변동값(dV)이 양(positive)인지 여부를 판단한다(S240).
태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동값(dP)이 양이고 출력 전압의 변동값(dV)이 양이 아닌 경우(dP>0, dV≤0), 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 ΔV 만큼 감소시킨다(Vpv=Vpv-ΔV)(S231).
태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동값(dP)이 양이고 출력 전압의 변동값(dV)이 양인 경우(dP>0, dV>0), 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 ΔV 만큼 증가시킨다(Vpv=Vpv+ΔV)(S232).
태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동값(dP)이 양이 아니고 출력 전압의 변동값(dV)이 양인 경우(dP≤0, dV>0), 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 ΔV 만큼 감소시킨다(Vpv=Vpv-ΔV)(S241).
태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동값(dP)이 양이 아니고 출력 전압의 변동값(dV)이 양이 아닌 경우(dP≤0, dV≤0), 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 ΔV 만큼 증가시킨다(Vpv=Vpv+ΔV)(S242).
즉, 최대 전력점 제어부(212)는 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)이 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 수렴하도록 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 ΔV만큼 증가 또는 감소시킨 후, 정해진 주기에 따라 다시 태양전지 모듈(131)의 출력 전력의 변동이 있는지 여부를 확인한다.
태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 증가 또는 감소시키는 ΔV는 Vdelt 보다 작은 값으로 설정될 수 있다. 즉, ΔV = Vdelt×G (0<G<1)로 설정될 수 있다. G를 0보다 크고 1보다 작은 값으로 설정함으로써 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)이 최대 전력점(MPP)에서 흔들리는 것을 줄일 수 있다.
태양전지 모듈(131)로부터 전력 관리 시스템(110)으로 출력이 시작되는 초기부터 P&O 알고리즘을 적용하게 되면 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)까지 도달하는 동안 전류, 전압의 측정 오차 등에 따른 오류가 발생하며, 많은 연산 처리가 필요하다. 이에 따라, 태양전지 모듈(131)의 최대 전력점(MPP)을 찾는 시간도 많이 소요된다.
태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 따라 정해지는 최대 전력점 전압(Vmpp) 및 개방전압(Voc)을 LUT에 저장하고, 이를 이용하여 소프트 스타트 방식으로 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행하는 제안하는 방식에 의하면, 오류 없이 초기에 빠르게 최대 전력점 전압(Vmpp)에 도달할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 운전 모드 중에서 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120)로 전력을 공급하는 운전 모드이다.
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 LUT를 이용하여 최대 전력점(MPP)에서의 제1 전력을 형성한다(S310). 제1 전력은 발전 시스템(130)에서 생산되는 최대 전력점 전력(Pmpp)으로써, 도 3 내지 6에서 설명한 바와 같이 발전 시스템(130)이 태양광 발전 시스템일 때, 소프트 스타트 방식으로 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행하는 방식으로 형성된다. 이때, 개방전압(Voc) 및 최대 전력점 전압(Vmpp)은 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 따라 정해지며, 이들의 상관관계는 LUT에 저장되어 있다.
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 제1 전력 변환부(111)는 제1 전력을 직류의 제2 전력으로 변환한다(S320).
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 DC 링크부(118)는 제2 전력의 전압을 일정한 레벨의 DC 링크 전압으로 유지시킨다(S330).
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 제3 전력 변환부(113)는 DC 링크 전압을 갖는 제2 전력을 직류의 제3 전력으로 변환한다(S340). 제3 전력은 전력 저장장치(120)의 충전을 위한 레벨의 전압을 갖는다.
제3 전력은 배터리에 공급되어 배터리를 충전시킨다(S350).
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 운전 모드 중에서 발전 시스템(130)에서 상용 계통(140) 또는 부하(150)로 전력을 공급하는 운전 모드이다.
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 LUT를 이용하여 최대 전력점(MPP)에서의 제1 전력을 형성한다(S410). 제1 전력은 발전 시스템(130)에서 생산되는 최대 전력점 전력(Pmpp)으로써, 도 3 내지 6에서 설명한 바와 같이 발전 시스템(130)이 태양광 발전 시스템일 때, 소프트 스타트 방식으로 태양전지 모듈(131)의 출력 전압(Vpv)을 개방전압(Voc)에서 최대 전력점 전압(Vmpp)으로 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 MPPT 제어를 수행하는 방식으로 형성된다. 이때, 개방전압(Voc) 및 최대 전력점 전압(Vmpp)은 태양전지 모듈(131)의 온도(T) 및 일사량(S)에 따라 정해지며, 이들의 상관관계는 LUT에 저장되어 있다.
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 제1 전력 변환부(111)는 제1 전력을 직류의 제2 전력으로 변환한다(S420).
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 DC 링크부(118)는 제2 전력의 전압을 일정한 레벨의 DC 링크 전압으로 유지시킨다(S430).
계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 제2 전력 변환부(112)는 DC 링크 전압을 갖는 제2 전력을 교류의 제3 전력으로 변환한다(S440). 제3 전력은 상용 계통(140) 및 부하(150) 중 적어도 어느 하나에 공급하기 위한 교류 전력으로써, 상용 계통(140)의 전압 및 전류의 전 고조파 왜형율(THD), 역률 등의 전력 품질 기준에 부합하도록 형성된다.
제3 전력은 상용 계통(140) 및 부하(150) 중 적어도 어느 하나에 공급된다(S450).
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 계통 연계형 전력 저장 시스템
110 : 전력 관리 시스템
111 : 제1 전력 변환부
112 : 제2 전력 변환부
113 : 제3 전력 변환부
116 : 제1 스위치
117 : 제2 스위치
118 : DC 링크부
119 : 제어부
120 : 전력 저장장치
130 : 발전 시스템
140 : 상용 계통
150 : 부하

Claims (19)

  1. 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력을 미리 정해진 전압 레벨의 제2 전력으로 변환하는 컨버터부; 및
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾고, 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 상기 제1 전력의 전압을 감소시킨 후 P&O 알고리즘에 따라 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 최대 전력점 제어부를 포함하고,
    상기 최대 전력점 제어부는 소프트 스타트 시간 동안 상기 태양전지 모듈의 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정한 단위로 감소시키는 최대 전력점 추종 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압을 저장하는 LUT 부를 더 포함하고, 상기 최대 전력점 제어부는 상기 LUT 부에서 상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾는 최대 전력점 추종 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하여 상기 최대 전력점 제어부로 상기 측정된 온도 및 일사량을 전달하는 센싱부를 더 포함하는 최대 전력점 추종 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 최대 전력점 제어부는 상기 소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수에 따른 횟수만큼 상기 출력 전압을 단위 증분량 단위로 감소시키는 최대 전력점 추종 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 최대 전력점 제어부는 상기 P&O 알고리즘에 따라 주기적으로 상기 제1 전력의 변동이 있는지 여부를 검출하고, 상기 제1 전력의 변동이 있으면 상기 출력 전압이 상기 최대 전력점 전압으로 수렴하도록 상기 출력 전압을 소정 전압만큼 증가 또는 감소시키는 최대 전력점 추종 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 소정 전압은 상기 단위 증분량보다 작은 값으로 설정되는 최대 전력점 추종 장치.
  7. 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하는 단계;
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하는 단계;
    상기 태양전지 모듈의 출력 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계; 및
    상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘에 따라 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압이 저장된 룩업테이블에서 상기 측정된 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 찾는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈의 출력 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계는,
    소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수의 횟수만큼 상기 출력 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 P&O 알고리즘에 따라 상기 출력 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계는,
    주기적으로 상기 태양전지 모듈의 전력 변동이 있는지 여부를 검출하는 단계; 및
    상기 태양전지 모듈의 전력 변동이 있는 경우, 상기 출력 전압이 상기 최대 전력점 전압으로 수렴하도록 상기 출력 전압을 소정 전압만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 소정 전압은 상기 단위 증분량보다 작은 값으로 설정되는 최대 전력점 추종 방법.
  12. 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하여 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하고, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 일정하게 감소시켜 제1 전력을 형성하는 단계;
    상기 제1 전력을 제2 전력으로 변환하는 단계;
    상기 제2 전력의 전압을 일정 레벨의 DC 링크 전압으로 유지하는 단계;
    상기 DC 링크 전압을 갖는 제2 전력을 직류의 제3 전력으로 변환하는 단계; 및
    상기 제3 전력으로 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 전력을 형성하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하는 단계; 및
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압이 저장된 룩업테이블에서 상기 측정된 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾는 단계를 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 전력을 형성하는 단계는,
    소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수에 따른 횟수만큼 상기 제1 전력의 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계를 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 전력을 형성하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘에 따라 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계를 더 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  16. 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하여 개방전압 및 최대 전력점 전압을 설정하고, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 개방전압에서 상기 최대 전력점 전압까지 소프트 스타트 방식으로 일정하게 감소시켜 제1 전력을 형성하는 단계;
    상기 제1 전력을 제2 전력으로 변환하는 단계;
    상기 제2 전력의 전압을 일정 레벨의 DC 링크 전압으로 유지하는 단계;
    상기 DC 링크 전압을 갖는 제2 전력을 교류의 제3 전력으로 변환하는 단계; 및
    상기 제3 전력을 상용 계통 및 부하 중 적어도 어느 하나에 공급하는 단계를 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 전력을 형성하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량을 측정하는 단계; 및
    상기 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 따른 최대 전력점 전압 및 개방전압이 저장된 룩업테이블에서 상기 측정된 태양전지 모듈의 온도 및 일사량에 대응하는 최대 전력점 전압 및 개방전압을 찾는 단계를 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 전력을 형성하는 단계는,
    소프트 스타트 시간 동안 시스템 주파수에 따른 횟수만큼 상기 제1 전력의 전압을 단위 증분량 단위로 감소시켜 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 일정하게 감소시키는 단계를 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 전력을 형성하는 단계는,
    상기 태양전지 모듈에서 출력되는 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압까지 감소시킨 후, P&O 알고리즘에 따라 상기 제1 전력의 전압을 상기 최대 전력점 전압으로 유지하는 단계를 더 포함하는 계통 연계형 전력 저장 시스템의 운전 방법.
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