KR101226104B1

KR101226104B1 - 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템

Info

Publication number: KR101226104B1
Application number: KR1020110007202A
Authority: KR
Inventors: 정재기; 김홍성; 윤여영
Original assignee: 한빛이디에스(주)
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2013-01-23
Also published as: KR20120086017A

Abstract

본 발명은 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관한 것으로서, 전력회로 출력전압과 계통전압 사이에 인덕터를 구성함으로써, 출력 전력 제어가 용이한 전력 회로부 및 전력 회로부의 출력 전력을 제어하는 제어부가 구성된 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 태양전지로부터 발전된 직류 전원을 일방향으로 공급하기 위한 다이오드 및 제 1 커패시터를 포함하며, 상기 제 1 커패시터와 병렬 접속되어 각 상별로 스위칭을 수행하는 스위치부, 1차측이 상기 스위치부와 접속되며 2차측으로 출력 전압을 발생시키기 위한 다이오드부, 제 2 커패시터 및 인덕터와 접속되는 변압부를 포함하는 전력 회로부; 및 상기 전력 회로부의 출력 전력을 제어하는 제어부; 를 포함한다.

Description

직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템{POWER SYSTEM OF DC GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC PCS}

본 발명은 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 피씨에스(Power Conversion System: PCS)를 위한 전기적 안정성 및 기능성을 고려한 전력 회로부 및 태양광 피시에스의 출력전력을 제어하는 제어부가 구성된 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관한 것이다.

최근 컴퓨터, LED 조명, IDC(Internet Data Center)와 같은 직류부하가 증가하는 추세에 있다. 이러한 직류 부하를 구동하기 위해서는 상용 교류 입력을 직류로 변환한 후 사양에 맞는 DC 전원으로 변환하는 AC→DC→DC 또는 AC로의 2단계 변환을 필요로 한다.

따라서, 태양전지 및 연료전지와 같은 직류 출력을 가지는 전원의 출력이 이용되는 형태는 [표 1] 과 같이, 일반적으로 AC로 변환되어 상용 AC 계통에 연계된 후, 다시 DC로 변환된 후 용도에 맞는 직류 전원으로 변환되므로, 기본적으로 3단계의 변환과정을 필요로 한다.

3[kW]급 태양광 발전용 PCS의 경우, 분산전원의 출력을 DC/DC 변환과정을 거쳐서 AC로 변환하는 과정을 거치기도 하는데, 이러한 경우 총 4단계의 에너지 변환 과정을 거치게 된다.

그러므로, 최근 직류 부하 증가, 직류 출력형 분산전원(대표적인 예:태양광, 연료전지)의 사용증가라는 배경 하에 AC/DC 컨버터를 이용하여 DC 버스를 구성한 후, 이 직류 전원을 직류 부하가 직접 이용하는 직류 급전 시스템에 대한 관심이 증가되었다.

직류 급전 시스템을 이용할 경우, 직류 부하의 개별 AC/DC 변환과정이 생략되어 부하 개별 시스템 구성이 간단해지고, 부하자체의 효율이 상승하는 장점을 지니게 되며 발열현상이 감소되는 장점을 가진다. 또한, 직류 출력형 분산전원(대표적인 예:태양광, 연료전지)의 경우는 DC 버스에 직접 연결되어 사용될 수 있으므로 DC/AC 변환과정이 생략될 수 있어 [표 1] 과 같이 발전된 전원이 부하까지 도달하는 변환과정이 3단계(또는 4단계)에서 2단계로 짧아져서 보다 효율적인 전원 사용이 가능한 장점을 가진다.

직류형 분산전원의 출력이 직류 부하에 도달하는 과정

구 분	과 정
AC 급전 시스템에서 직류형 분산전원의 출력이 직류 부하에 도달하기 위한 일반적인 과정	DC(분산전원)→(DC) →상용AC→DC(계통)→용도에 맞게 재 변환된 DC : 채용되는 경우도 있음(예:3[kW] 계통연계 PCS)
DC 급전 시스템에서 직류형 분산전원의 출력이 직류 부하에 도달하기 위한 일반적인 과정	DC(분산전원)→DC(계통)→용도에 맞게 재 변환된 DC

직류 계통에 태양전지의 출력을 발전하기 위해서는 태양전지와 직류계통간의 매개장치로서 전력제어기능을 가지는 DC/DC 변환장치가 필요하다.

태양광과 같은 직류 분산전원의 출력을 직류로 변환하는 기존 기술은 분산전원의 출력이 낮아 DC/AC 변환용 PCS가 바로 사용하기에 무리가 있을 경우, 승압을 목적으로 이용되는 경우와, 배터리 충전용으로 강압을 목적으로 사용되는 경우가 대부분이다. 그러나, 직류 연계용 PCS는 직류 계통과 연계되므로 계통 전압이 고정되어 있고, 태양전지의 변동폭이 커다면 승/강압 기능을 모두 가져야 할 필요가 있다.

또한, PCS의 출력이 태양전지의 출력 변화에 따라 또는 직류 계통 전압 변동 시 출력 전력제어가 자유로운 형태로 제어계의 구성이 필요하다. 그러나, 일반적인 DC/DC 변환회로는 출력 전압제어가 용이하도록 회로가 구성되며, 제어계 설계방식도 이에 맞게 제안된 것이 대부분이므로 직류 연계용 태양광 PCS를 구성하기 위해서는 기존의 DC/DC 변환 회로의 적절한 수정과 새로운 제어계 구성방법이 필요하다.

그리고, DC 배전 시스템은 빌딩 위주로 구성될 가능성이 많으므로 이에 대한 고려가 필요하다. 빌딩용 전원의 경우 컴퓨터와 같이 전원의 질에 민감한 부하가 대다수 일 수 있음을 고려하면 연계용 PCS의 구성 시 전기적 안정성을 고려하여 전력회로가 구성될 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 전력회로 출력전압과 계통전압 사이에 인덕터를 구성함으로써, 출력 전력 제어가 용이한 전력 회로부 및 전력 회로부의 출력 전력을 제어하는 제어부가 구성된 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관한 것으로서, 태양전지로부터 발전된 직류 전원을 일방향으로 공급하기 위한 다이오드 및 제 1 커패시터를 포함하며, 상기 제 1 커패시터와 병렬 접속되어 각 상별로 스위칭을 수행하는 스위치부(130), 1차측이 상기 스위치부와 접속되며 2차측으로 출력 전압을 발생시키기 위한 다이오드부, 제 2 커패시터 및 인덕터와 접속되는 변압부를 포함하는 전력 회로부; 및 상기 전력 회로부의 출력 전력을 제어하는 제어부; 를 포함한다.

또한 상기 인덕터는, 전력회로 출력 전압(Vo)과 계통전압(Vuti) 간에 연결되어, 상기 인덕터의 양단에는 전력회로 출력 전압(Vo)과 계통전압(Vuti) 사이의 전위차(Vlf)가 인가되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어부는, 상기 태양전지로부터 공급되는 전류(isol) 및 스위치부로부터 공급되는 스위칭 신호(Vdc)를 기반으로 DC 전압의 추종값을 제어하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제어부는, 전력 기준신호를 생성하고, 생성된 상기 전력 기준신호를 출력 전압(Vo)으로 나누어 출력 전류 기준신호(

)를 생성하며, 생성된 상기 출력 전류 기준신호(

)를 이용하여 출력 전류(

)를 제어하며, PWM의 제어신호로 전송함으로써 상기 스위치부의 전류 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전력회로 출력 전압과 계통전압 사이에 인덕터가 구성됨으로써, 출력 전력 제어가 용이한 효과가 있다. 즉, 인덕터의 양단에는 전력회로 출력 전압과 계통전압 사이의 전위차가 인가되므로, 두 전압원의 사이에서 키르히호프의 전압법칙을 만족시키는 역할 및 고주파 성분에 대한 필터링 역할을 한다.

도 1 은 일반적으로 이용되는 일정전압 출력형 절연형 고정 주파수 직렬 공진 컨버터의 전력 회로 및 PWM 운전 파형을 나타낸 일예시도.
도 2 는 고정 주파수 직렬공진형 회로의 AC 등가회로에 관한 일예시도.
도 3 은 전압이득 곡선을 보이는 일예시도.
도 4 는 종래 출력 전압 제어형 시스템 제어계를 보이는 일예시도.
도 5 는 DC 계통연계용 피씨에스의 전력 제어 개념을 보이기 위한 일예시도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관한 구성도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관하여 도 1 내지 도 7 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

직류 연계형으로 이용될 수 있는 회로로는 절연형 flyback 컨버터, 풀브리지형 ZVZCS 컨버터, 직렬 공진형 컨버터 등이 있는데, 본 발명에서는 고정 주파수 직렬 공진형 컨버터를 이용하여 직류 연계형 PCS를 구성하였다.

도 1 은 일반적으로 이용되는 일정전압 출력형 절연형 고정 주파수 직렬 공진 컨버터의 전력 회로 및 PWM 운전 파형을 나타낸다. 또한, 도 1 의 직렬 공진 컨버터의 출력 특성을 해석하기 위한 AC 등가회로는 도 2 에 도시된 바와 같다.

도 2 와 AC 회로에서 전압이득 M(출력전압의 크기/입력전압의 크기)은 다음의 [수식 1] 과 같다.

[수식 1]

이를 풀어서 정리하면, 전압이득 M은 다음의 [수식 2] 와 같이 주파수 함수 형태로 표현된다.

[수식 2]

여기서,

도 3 은 공진 주파수 (

)가 20[kHz]일 경우, 전압이득 곡선을 보이는 일예시도이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 입력 전압의 주파수가 공진 주파수 근방에서 가장 큰 이득을 나타냄을 알 수 있다. 그러므로, 전력회로의 스위칭 주파수를 고정시킬 경우 듀티비(도 1 의 D에 해당) 제어를 통해, 출력 전압 제어가 가능함을 알 수 있다.

상기 도 1 과 같은 시스템의 일반적인 제어목적은 출력전압(Vo)를 일정하게 제어하는 것이며, 일반적으로 도 4 와 같이 제어계가 구성된다.

상기 도 1 과 같은 고정 주파수 직렬공진형 회로를 DC 계통 연계용 PCS로 이용하기 위해서는 도 5 와 같이 태양전지의 변동하는 출력에 따라, 계통측으로 발전되는 전력이 순시적으로 균형을 이루도록 하는 출력 전력 제어형 전력회로 및 제어계가 구성되어야 한다.

도 5 에서, Psol(t)은, 태양전지 출력 전력이며, Pout(t)은 DC 계통으로의 발전 전력이며, S(ωt)는 스위칭 신호(Q1, Q2, Q3, Q4)이다.

도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템에 관한 구성도이다.

도 6 의 (a) 는 직류 계통연계 태양광 PCS용 출력전력 제어형 고정주파수 직렬 공진 컨버터의 전력 회로부에 관한 일예시도이다.

도시된 바와 같이, 전력 회로부(100)는 태양전지(10)로부터 발전된 직류 전원을 일방향으로 공급하기 위한 다이오드(110) 및 제 1 커패시터(120)를 포함한다.

또한, 상기 제 1 커패시터(120)와 병렬 접속되어 각 상별로 스위칭을 수행하는 스위치부(130), 소정의 권선비를 갖고 1차측이 상기 스위치부(130)와 접속되며, 2차측이 다이오드부(140)와 접속되는 변압부(170), 2차측으로 출력 전압을 발생시키기 위한 다이오드부(140), 제 2 커패시터(150) 및 인덕터(160)를 포함한다.
이때, 상기 다이오드부(140)는 인덕터(160)와 병렬 접속되며, 변압부(170)의 2차측과 접속된다.

구체적으로, 제 2 커패시터(150)의 양단 전압(Vo)과 계통전압(Vuti) 사이에 인덕터(160)가 연결되어 있다.

이러한 인덕터(160)의 양단에는 제 2 커패시터(150)의 양단 전압(Vo)과 계통전압(Vuti)사이의 전위차(Vlf)가 인가되므로, 두 전압원의 사이에서 키르히호프의 전압법칙을 만족시키는 역할 및 고주파 성분에 대한 필터링 역할을 한다.

도 6 의 (b) 는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 회로부(100)를 제어하기 위한 제어부(200)에 관한 일예시도이다.

이때, 제어부(200)는 상기 도 5 에 도시된 바와 같이, 출력전류(io)의 제어를 통한 태양전지 출력과 계통으로의 발전전력간의 전력균형 제어 및 태양전지의 최대 출력 운전점 추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT)을 위해 구성된다.

구체적으로, 도 6 에 도시된 바와 같이, 태양전지 출력 전류(isol) 및 스위치부(130)의 입력 직류 전압(Vdc)를 센싱하여 최대 전력점 기준신호(Vdc*)를 생성하며, 상기 최대 전력점 기준신호(Vdc*)와 제 1 커패시터(120)의 양단 전압(Vdc)의 차이를 이용하여 시스템 출력 전력 기준신호(Po*)를 생성하고, 생성된 상기 전력 기준신호(Po*)를 제 2 커패시터(150)의 양단 전압(Vo)으로 나누어 출력 전류 기준신호(

)를 생성하며, 생성된 상기 출력 전류 기준신호(

)와 센싱된 출력 전류(

)의 차이를 이용하여 출력 전류(

)를 제어하기 위한 스위치부(130)의 듀티비(D)를 결정하며, 상기 듀티비(D)를 PWM의 제어신호로 전송함으로써, 스위치부(130)의 PWM 제어를 통해 출력 전류(

)의 제어를 수행한다.

삭제

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 전력 회로부 110: 다이오드
120: 제 1 커패시터 130: 스위치부
140: 다이오드부 150: 제 2 커패시터
160: 인덕터 200: 제어부

Claims

태양전지(10)로부터 발전된 직류 전원을 일방향으로 공급하기 위한 다이오드(110) 및 제 1 커패시터(120)를 포함하며, 상기 제 1 커패시터(120)와 병렬 접속되어 각 상별로 스위칭을 수행하는 스위치부(130), 소정의 권선비를 갖고 1차측이 상기 스위치부(130)와 접속되며, 2차측이 다이오드부(140)와 접속되는 변압부(170), 2차측으로 출력 전압을 발생시키기 위한 다이오드부(140), 제 2 커패시터(150) 및 인덕터(160)를 포함하는 전력 회로부(100); 및
상기 전력 회로부(100)의 출력 전력을 제어하는 제어부(200); 를 포함하되,
상기 다이오드부(140)는, 상기 인덕터(160)와 병렬 접속되며, 변압부(170)의 2차측과 접속되는 것을 특징으로 하며,
상기 제어부(200)는,
태양전지 출력 전류(isol) 및 스위치부(130)의 입력 직류 전압(Vdc)를 센싱하여 최대 전력점 기준신호(Vdc*)를 생성하며, 상기 최대 전력점 기준신호(Vdc*)와 제 1 커패시터(120)의 양단 전압(Vdc)의 차이를 이용하여 시스템 출력 전력 기준신호(Po*)를 생성하고, 생성된 상기 전력 기준신호(Po*)를 제 2 커패시터(150)의 양단 전압(Vo)으로 나누어 출력 전류 기준신호(
)를 생성하며, 생성된 상기 출력 전류 기준신호(
)와 센싱된 출력 전류(
)의 차이를 이용하여 출력 전류(
)를 제어하기 위한 스위치부(130)의 듀티비(D)를 결정하며, 상기 듀티비(D)를 PWM의 제어신호로 전송함으로써, 스위치부(130)의 PWM 제어를 통해 출력 전류(
)의 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 인덕터(160)는,
상기 제 2 커패시터(150)의 양단 전압(Vo)과 계통전압(Vuti) 간에 연결되어,
상기 인덕터(160)의 양단에는 상기 제 2 커패시터(150)의 양단 전압(Vo)과 계통전압(Vuti) 사이의 전위차(Vlf)가 인가되는 것을 특징으로 하는 직류 계통연계용 태양광 피씨에스의 전력 시스템.
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