KR101766433B1 - Energy storage system including power conversion apparatus for operation with grid-connected photovoltaic power and charging/discharging power of batterry - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템에 관한 것으로서, 태양광 발전 시스템에서 발전된 전력이나 에너지 저장장치인 배터리 충방전 전력을 일반 전력계통에 연계 운전할 수 있는 양방향 전력변환장치를 제공함에 있어, 동작 영역(CCM/DCM)과 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 참조하여 벅모드 혹은 부스트모드로 자동 절환하게 되며, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화하여 에너지저장장치에 제공할 수 있게 됨으로써, 안정적으로 부하에 전력을 공급할 수 있는 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of solar power generation and battery charge / discharge power, and more particularly, In providing a bidirectional power conversion device capable of operating in conjunction with a power system, the mode is automatically switched to the buck mode or the boost mode by referring to the average of current values flowing in the operation area (CCM / DCM) and the inverter side, It is possible to provide an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of the photovoltaic generation power capable of stably supplying power to the load and the battery charging / discharging power .
일반적으로, 태양광 발전시스템은 태양전지 모듈에서 태양광을 이용해 발생된 전기(DC)를 인버터에서 직류(AC)로 변환하고, 교류배전반에서 승압(380V ~ 22.9kV)하여 한국전력 배전계통(KEPCO)을 통해 전력계통으로 전량 역송하고 있다.Generally, the photovoltaic power generation system converts the electric power (DC) generated by solar light in the solar cell module from the inverter to the direct current (AC) and boosts (380V ~ 22.9kV) from the AC switchboard to the KEPCO ) To the power system.
그리고 현재 중소형 발전 설비뿐만 아니라, 대형 발전설비도 나날이 증가하고 있는 추세이다.At present, not only small- and medium-sized power generation facilities, but also large power generation facilities are increasing.
이러한 태양광 발전시스템은 대규모 집중형 전원과는 달리 소규모로 전력소비지역 부근에 분산하여 배치가 가능한 전원으로서, 전기사업법 제2조 제4호의 규정에 의한 발전사업자 또는 전기사업법 제2조 제12호의 규정에 의한 구역전기사업자의 발전설비를 의미하며, 전기사업법 제43조의 규정에 의한 전력시장운영규칙 제1.1.2조 제1호에서 정한 중앙급전발전기가 아닌 발전설비 또는 전력시장운영규칙을 적용받지 않는 발전설비를 말한다.This solar power generation system is a power supply that can be distributed in the vicinity of the power consumption area in a small scale, unlike a large scale concentrated power supply. It is a power generation company under Article 2, Item 4 of the Electricity Business Act or Article 12 Means the generation facility of the zone electric utility under the provisions of Article 43 of the Electricity Business Act and does not apply to the power generation facilities other than the central power generator set forth in Article 1.1.2, Refers to power generation facilities.
따라서, 간헐적인 발전 특성을 갖는 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지원의 획기적인 보급확대를 위해서는 출력변동이 심한 발전출력의 전력품질 개선이 절실히 요구된다.Therefore, in order to dramatically expand supply of renewable energy sources such as wind power and solar power having intermittent power generation characteristics, it is urgently required to improve the power quality of the power generation output, which is severely fluctuating in output.
한편, 일반적인 양방향 전력변환장치의 경우에는 양방향 컨버터를 포함하여 구성할 수 있는데, 이때 상기 양방향 컨버터는 부스트(Boost)와 벅(Buck)의 두 가지 모드로 제어가 가능하며, 에너지 저장장치 방향으로 전류가 들어가는 경우(즉, 에너지 저장장치의 충전을 의미 한다.) 벅(Buck)모드로 동작하며, 인버터 측으로 전류가 흘러가는 경우(에너지 저장장치의 방전) 부스트(Boost)모드로 동작한다.In the case of a general bidirectional power conversion device, a bidirectional converter may be included. In this case, the bidirectional converter can be controlled in two modes of boost and buck, (In other words, charging of the energy storage device) operates in a buck mode and operates in a boost mode when current flows to the inverter side (discharge of the energy storage device).
이때, 부스트/벅(Boost/Buck)모드의 절환은 DC-Link 측의 전류의 방향에 의해 결정되어 지는데, 모드의 절환 시 추가적인 기타 조건들을 고려하여 적절한 제어를 수행해야 안정적인 모드의 변환이 가능하지만, 현재 기술은 상기한 안정적인 모드의 변환이 불가능하여 전압 변동이 불규칙하게 되어 발전 출력의 전력품질이 저하되는 원인이 되고 있었다.At this time, the switching of the boost / buck mode is determined by the direction of the current on the DC-Link side. When switching the mode, it is necessary to perform appropriate control considering other additional conditions, , The present technology is unable to convert the stable mode described above, causing irregular voltage fluctuations and degrading the power quality of the power generation output.
한편, 최근 에너지 위기로 인해 신재생에너지에 대한 수요가 증가하고 있고, 이에 따라서 신재생에너지를 활용하는 발전시스템의 관심도 증가하고 있다. On the other hand, the demand for renewable energy is increasing due to the recent energy crisis, and accordingly, the interest in the power generation system utilizing the renewable energy is increasing.
많은 신재생에너지원 중에서 에너지 변환의 용이성, 지속성, 그리고 경제성 측면에서 태양광을 사용하는 태양광발전시스템에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있다.Among the many renewable energy sources, there are many studies on solar power generation systems that use solar energy in terms of ease of energy conversion, sustainability, and economy.
그러나, 태양광에너지를 사용하는 시스템은 밤에는 발전이 불가하고, 발전량 또한 일사량에 따라서 달라지는 불규칙적인 특성을 갖는다.However, systems using solar energy have irregular characteristics that can not be generated at night, and the amount of generated electricity also varies depending on the amount of solar radiation.
따라서, 태양광 에너지를 필요로 하는 시간과 공간에 적절하게 사용하기 위하여 에너지 저장장치와 연계하여 사용하는 방식에 대한 관심이 증가하고 있다.Therefore, there is an increasing interest in a method for use in conjunction with an energy storage device for proper use in the time and space requiring solar energy.
현재 태양광에너지 및 에너지 저장장치와 연계하여 사용되는 시스템은 정전시 백업을 위하여 독립운전 기능과 계통 연계기능을 수행할 수 있어야만 한다.Systems that are currently used in conjunction with photovoltaic energy and energy storage devices must be able to perform independent operating functions and grid linkage functions for backup in case of power failure.
예상치 못한 정전 발생시 상해, 데이터 손실, 경제적 손실 등 많은 문제들이 발생할 수 있기 때문이다.In the event of an unexpected power outage, it can cause many problems such as injury, data loss, and economic loss.
게다가 의료기관에서 사용되는 생명보조 장치, 반도체공장의 제조장비용 전원장치, 산업용 고정밀 제어기 등과 같이 민감한 부하들은 고품질의 전력을 요구하고 있다.In addition, sensitive loads such as life support systems used in medical institutions, power plants for semiconductor plant factory equipment, and industrial high-precision controllers are demanding high-quality power.
이러한 문제들로 인하여 최근 인버터의 제어 알고리즘의 개선을 통해 문제를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 모드절환 시 제어기의 과도상태로 인해 발생할 수 있는 THD(Total Harmonic Distortion)의 변화를 최소로 하여 중요 부하들의 안전을 위하여 계통의 사고와 같은 비정상적인 조건하에서 응답시간을 고려한 모드 절환 기법 기술을 필요로 하고 있다.Due to these problems, researches are being conducted to solve the problem by improving the control algorithm of the inverter, and it is important to minimize the change of THD (Total Harmonic Distortion) caused by the transient state of the controller during mode switching. For the safety of the load, there is a need for a mode switching technique considering response time under abnormal conditions such as system accidents.
따라서, 동작영역(CCM/DCM)과 부스트/벅(Boost/Buck)모드 절환시에 발생되는 전압 변동을 최소화할 수 있는 기술이 필요하게 된 것이다.Accordingly, there is a need for a technique capable of minimizing the voltage fluctuation occurring in the operation region (CCM / DCM) and the boost / buck mode switching.
본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 태양광 발전 시스템에서 발전된 전력이나 에너지 저장장치인 배터리 충방전 전력을 일반 전력계통에 연계 운전할 수 있는 양방향 전력변환장치를 제공함에 있어, 동작 영역(CCM/DCM)과 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 참조하여 벅모드 혹은 부스트모드로 자동 절환하게 되며, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화하여 안정적으로 모드 변환이 이루어지도록 함으로써, 전압 변동이 불규칙하게 되어 발전 출력의 전력품질이 저하되는 현상 및 시스템 소손 현상을 제거할 수 있도록 하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a power generation system and a power generation system capable of operating in conjunction with a general power system, In providing the bidirectional power conversion device, it is automatically switched to the buck mode or the boost mode by referring to the average value of the current flowing to the operation area (CCM / DCM) and the inverter side. Mode conversion is performed so that the voltage fluctuation becomes irregular and the power quality of the power generation output is lowered and the system burnout phenomenon can be eliminated.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 신재생발전원의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템은, 야간에 저장된 전력을 주간에 일정기간 동안 일정한 출력량을 유지하여 공급하기 위한 출력평준화제어부(310); 벅/부스트모드절환명령부로부터 벅모드 절환 신호를 획득할 경우 벅모드로 동작하며, 벅/부스트모드절환명령부로부터 부스트모드 절환 신호를 획득할 경우 부스트모드로 동작하기 위한 양방향DC-DC컨버터(320); 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 낸 값의 부호가 음의 값일 경우 벅모드로, 양의 값일 경우 부스트모드로 절환시키기 위한 절환 신호를 상기 양방향DC-DC컨버터로 제공하기 위한 벅/부스트모드절환명령부(330); 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)에서 벅모드 및 부스트모드별로 듀티를 계산하여 초기값을 선정하기 위한 초기값선정부(340); 벅모드 및 부스트모드별 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)이 되는 전류 구간을 판정하고, 벅모드 및 부스트모드별로 PI 게인값을 선정하기 위한 게인값선정부(350)를 포함하여 구성되는 전력변환장치(300)와, 상기 전력변환장치에 의해 제공되는 전력을 저장하고 있는 에너지저장장치(200)를 포함한다.In order to solve the above problems, an energy storage system including a power conversion device for a power grid interconnecting operation of a new and renewable power source according to the present invention supplies power stored at night at a constant amount of output during a certain period of time An output
본 발명에 의하면, 태양광 발전 시스템에서 발전된 전력이나 에너지 저장장치인 배터리 충방전 전력을 일반 전력계통에 연계 운전할 수 있는 양방향 전력변환장치를 제공함에 있어, 동작 영역(CCM/DCM)과 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 참조하여 벅모드 혹은 부스트모드로 자동 절환하게 되며, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화할 수 있는 효과를 발휘한다.According to the present invention, in providing a bidirectional power conversion apparatus capable of operating a power generation system or a battery charging / discharging power, which is an energy storage device, in conjunction with a general power system, It is automatically switched to the buck mode or the boost mode by referring to the average of the current values, and the effect of minimizing the voltage fluctuation occurring when the mode is switched is exhibited.
즉, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화하여 안정적인 모드 변환이 이루어지도록 함으로써, 전압 변동이 불규칙하게 되어 발전 출력의 전력품질이 저하되는 현상을 제거하게 된다.In other words, stable voltage mode fluctuation is minimized by minimizing voltage fluctuation occurring during mode switching, thereby eliminating the phenomenon that the voltage fluctuation becomes irregular and the power quality of the power generation output is lowered.
결국, 모드 자동 절환에 따른 매끄러운 운전이 가능한 기능을 전력변환장치로부터 에너지 저장장치에 제공하게 되어, 대용량 에너지 저장장치에 적용시 혹은 부하 조건과는 무관하게 일정한 전력 품질을 제공할 수 있게 된다.As a result, it is possible to provide the energy storage device with a function capable of smooth operation according to the automatic mode switching, thereby providing a constant power quality when applied to a large energy storage device or irrespective of a load condition.
도 1은 일 실시 예에 따른 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 전체 구성도.
도 2는 일 실시 예에 따른 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 전력변환장치 블럭도.
도 3은 일 실시 예에 따른 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 양방향 컨버터 구조도.
도 4는 일 실시 예에 따른 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 양방향DC-DC컨버터의 전압 및 전류 파형도.
도 5는 듀티 초기값을 계산하는 루틴과 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)에 따른 게인값을 결정해주는 루틴을 구성한 예시도.
도 6은 벅/부스트모드절환명령부의 구성도.
도 7은 안티와이드업을 포함한 PI 제어기의 구조도.
도 8은 계통연계시 양방향DC-DC컨버터의 모드 절환시의 주요 파형도.
도 9는 독립운전시 양방향DC-DC컨버터의 모드 절환시의 주요 파형도.
도 10은 이중루프 인버터 제어기 예시도.
도 11은 인버터 평균 모델 예시도.
도 12는 인버터의 메이슨 이득공식(MGF) 예시도.
도 13은 본 발명에서 채택된 인버터의 메이슨 이득공식(MGF) 예시도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a general view illustrating an example of an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of solar photovoltaic power and battery charge / discharge power according to an embodiment;
BACKGROUND OF THE
3 is a diagram illustrating a bidirectional converter structure illustrating an example of an energy storage system including a power conversion apparatus for power grid-connected operation of solar photovoltaic power and battery charge / discharge power according to an exemplary embodiment.
FIG. 4 is a graph showing voltage and current waveforms of a bidirectional DC-DC converter, which illustratively shows an example of an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of photovoltaic generation power and battery charge- Degree.
FIG. 5 is a diagram illustrating a routine for calculating a duty initial value and a routine for determining a gain value according to a current continuous mode (CCM) and a current discontinuous mode (DCM);
6 is a block diagram of a buck / boost mode switching instruction unit;
7 is a structural view of a PI controller including anti-wider up.
8 is a main waveform diagram at the time of mode switching of the bidirectional DC-DC converter in the grid connection.
9 is a main waveform diagram at the time of mode switching of the bidirectional DC-DC converter during independent operation.
10 is an illustration of a dual-loop inverter controller;
11 is an illustration of an average inverter model;
12 shows an example of a Mason gain formula (MGF) of an inverter;
Figure 13 is an illustration of a Mason gain formula (MGF) of an inverter employed in the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be obscured.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , ≪ / RTI > equivalents, and alternatives.
또한, 이하의 실시 예에서 개시되는 "포함하다", "구비하다" 또는 '이루어지다"등의 용어들은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것으로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 구비하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the terms such as " comprise ", "comprise ", or " comprise ", as used in the following examples, It should be understood that the present invention is not limited to the components but includes other components.
또한, 이하의 실시 예에서 개시되는 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템은 태양광 발전 시스템에서 발전된 전력이나 에너지 저장장치인 배터리 충방전 전력을 일반 전력계통에 연계 운전할 수 있는 양방향 전력변환장치를 제공함에 있어, 동작 영역(CCM/DCM)과 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 참조하여 벅모드 혹은 부스트모드로 자동 절환하게 되며, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화하는 특징을 제공한다.In addition, the energy storage system including the power conversion device for power grid-connected operation of the solar photovoltaic power and the battery charging / discharging power disclosed in the following embodiments can be applied to the electric power generated in the solar photovoltaic power generation system, In the bidirectional power conversion apparatus capable of operating power in conjunction with a general power system, it is automatically switched to a buck mode or a boost mode with reference to an average of current values flowing in the operation region (CCM / DCM) and the inverter side, And minimizes the voltage fluctuations that occur during the operation.
이하에서는, 신재생발전원의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템에 대하여 더욱 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, an energy storage system including a power conversion apparatus for a power system grid-connected operation of a new and renewable power generation source will be described in more detail.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 전체 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating an example of an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of solar photovoltaic power and battery charge / discharge power according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지저장 시스템의 전력변환장치(300)는 신재생에너지발전원(100)에서 생산된 교류전력을 직류로 변환하여 에너지저장장치(200)인 배터리에 저장하고, 배터리에 저장된 직류전력을 교류로 변환하여 전력계통으로 연계하는 기능을 수행하게 된다. Referring to FIG. 1, the
상기 신재생에너지발전원(100)이란, 예를 들어, 풍력발전기, 태양광발전기 등과 같은 에너지 발전원을 의미하며, 본 발명의 실시예에서는 태양광발전기를 예를 들어 설명하도록 하겠다.The
상기 에너지저장장치(200, ESS)는 상기 신재생에너지발전원에 의해 발전된 전력을 저장하기 위한 기능을 수행하게 되는데, 본 발명에서는 분산형으로 구성된 에너지저장장치를 이용하게 되며, 여기서는 배터리와 혼용하여 사용되도록 한다.The energy storage device 200 (ESS) performs a function of storing power generated by the renewable energy generation source. In the present invention, an energy storage device configured as a distributed type is used. Here, Be used.
한편, 종래의 일반적인 기술은, 초기에 계통연계운전으로 동작하고 있다가 중간에 계통에 사고(Grid Fault)가 발생하게 되었을 때, 단독운전 검출 알고리즘을 통하여 일정시간이 지난 후에 이상 검출을 한다. On the other hand, in the conventional general technology, when a grid fault occurs in the grid in the middle of operation in the grid-connected operation in the early stage, abnormal detection is performed after a certain period of time through the single operation detection algorithm.
또한, 단독 운전 검출 후 독립운전으로 운전모드 절환(SW off)이 발생하게 된다. In addition, the operation mode switching (SW off) occurs in the independent operation after detecting the single operation.
이때, 계통의 전압강하는 단독운전을 검출하는데 걸리는 시간과 모드 절환이 발생하였을 때 제어기의 과도상태로 인해 발생되는 문제이다.At this time, the voltage drop of the system is a problem caused by the time taken to detect the stand-alone operation and the transient state of the controller when the mode switching occurs.
또한, 독립운전모드에서 연계운전모드로 절환 시 계통전압과 에너지저장장치와의 위상차가 존재하는 것을 볼 수 있고, 이때 모드절환을 시도하게 되면 순간적으로 정격전류의 과전류(Over current)가 시스템으로 유입되어 최악의 경우 시스템의 소손이 발생할 수 있다.In addition, when switching from the independent operation mode to the cooperative operation mode, there is a phase difference between the grid voltage and the energy storage device. When the mode switching is attempted, the overcurrent of the rated current momentarily flows into the system In the worst case, the system may be burned out.
또한, 순간적으로 시스템에서 추종하는 주파수가 크게 변동하여 계통의 사고가 발생하지 않아도 발생한 것으로 인지할 수는 문제점이 발생하게 된다.Further, there arises a problem that it can not be recognized that the frequency followed by the system changes instantaneously and the system is not caused an accident.
따라서, 본 발명에서는 동작 영역(CCM/DCM)과 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 참조하여 벅모드 혹은 부스트모드로 자동 절환하게 되며, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화할 수 있는 전력변환장치를 제공하게 되는 것이다.Therefore, according to the present invention, a power conversion device capable of automatically switching to the buck mode or the boost mode by referring to the average of the current values flowing in the operation area (CCM / DCM) and the inverter side and minimizing the voltage variation occurring during mode switching .
결국, 모드 자동 절환에 따른 매끄러운 운전이 가능한 기능을 전력변환장치로부터 제공하게 되어, 대용량 에너지 저장장치에 적용시 혹은 부하 조건과는 무관하게 일정한 전력 품질을 제공할 수 있게 된다.As a result, a function capable of smooth operation due to automatic mode switching can be provided from the power conversion device, so that a constant power quality can be provided when applied to a large capacity energy storage device or irrespective of a load condition.
본 발명에서 설명하고 있는 일정한 전력 품질이란, 전통적인 관점에서 주파수 유지율, 규정 전압 유지율 및 정전의 측면에서 규정될 수 있는 개념이었으나, 최근에는 정밀기기, 정보화 기기, 자동화 생산시설 및 컴퓨터 등 극히 짧은 시간에 나타나는 파형 변화와 전압변화에 민감한 기기들의 보급이 증가하고 있는 추세에 따라, 기존에는 문제가 되지 않았던 고조파, 플리커, 전압 불평형, 순간 전압변동, 순시정전 및 써지 등과 같은 새로운 개념의 전력품질에 대한 관심이 증대되고 있다.The constant power quality described in the present invention is a concept that can be defined in terms of the frequency maintenance ratio, the specified voltage maintenance ratio and the power failure from the traditional point of view. Recently, however, With increasing trends in waveforms and voltage-sensitive devices, interest in new conceptual power quality such as harmonics, flicker, voltage imbalance, transient voltage transients, surges and surges Is increasing.
전력 품질의 문제 중 산업용 수용가에 가장 큰 영향을 미치는 순간 전압강하는 모드 절환시 가장 심하게 발생하게 되는데, 예를 들어, 계통 전원의 전압 강하나 순간 정전이 발생할 때, 이를 보상해야 하는 문제가 발생하게 되며, 본 발명은 상기 문제의 해결을 위해 창출된 것이다.Among the problems of power quality, the instantaneous voltage drop, which has the greatest influence on the industrial customer, occurs most severely when the mode is switched. For example, when the voltage of the system power supply or the momentary power failure occurs, , The present invention has been created to solve the above problems.
도 2는 일 실시 예에 따른 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 전력변환장치 블럭도이다.FIG. 2 is a block diagram of a power conversion apparatus as an example of an energy storage system including a power conversion apparatus for power grid-connected operation of photovoltaic generation power and battery charge / discharge power according to an embodiment.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력변환장치(300)는 신재생에너지발전원에서 생산된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 에너지저장장치(200)에 저장한다. 상기 에너지저장장치(200)에 저장된 직류전력을 전력 계통에 연계하여 교류전력으로 변환하기 위한 구성으로서, 본 발명에서는 출력평준화제어부(310), 양방향DC-DC컨버터(320), 벅/부스트모드절환명령부(330), 초기값선정부(340), 게인값선정부(350)가 포함되어 구비된다.As shown in FIG. 2, the
상기 출력평준화제어부(310)는 야간에 저장된 전력을 주간에 일정기간 동안 일정한 출력량을 유지하여 공급하기 위한 기능을 수행하게 된다.The output
일반적인 전력변환장치는 계통과 병렬로 연결되어 에너지저장장치를 충전하거나, 방전하는 역할을 수행하게 된다.A typical power conversion device is connected in parallel with the system to charge or discharge the energy storage device.
전력 회사의 요구에 의해 유효전력 공급, 무효전력 공급 등이 가능해야 하며, 유효/무효 전력량 제어, 에너지저장장치를 이용한 전력계통 신뢰도 향상, 전력 수요 피크시 저장에너지를 이용한 전력 공급 등을 제공하게 된다.According to the demand of the electric power company, it should be possible to supply active power, reactive power, etc., and to provide effective / reactive power control, improvement of reliability of power system using energy storage device, .
본 발명에서는 일반적인 단주기출력제어부 혹은 장주기출력제어부를 적용하지 않고, 전력품질의 효율성을 제고하기 위하여 상기와 같이 출력평준화제어부를 구성하는 것을 특징으로 하고 있다.The present invention is characterized in that the output leveling control unit is configured as described above in order to improve efficiency of power quality without applying a general short-cycle output control unit or a long-term output control unit.
이를 통해, 에너지저장장치에 발전 전력의 저장을 안정되게 수행할 수 있게 되는 것이다.As a result, it is possible to stably store the generated power in the energy storage device.
상기 단주기출력제어부는 에너지저장장치의 저장 용량이 설정된 용량 범위인지를 체크하고, 해당 용량 범위 내일 경우 발전출력 스무딩(smoothing) 기능을 수행하게 되는 것이다.The short-term output control unit checks whether the storage capacity of the energy storage device is within a set capacity range, and performs power generation output smoothing if the storage capacity is within the capacity range.
상기의 제어 방식은 에너지저장장치의 저장 용량이 상대적으로 작아도 상관없다.The control method may be such that the storage capacity of the energy storage device is relatively small.
그리고 상기 장주기출력제어부는 에너지저장장치의 저장 용량이 설정된 용량 범위인지를 체크하고, 해당 용량 범위 내일 경우 야간에 저장된 전력을 주간에 발전출력 스무딩 기능에 활용하도록 파워 쉬프팅하는 것이다.The long-term output control unit checks whether the storage capacity of the energy storage device is within the set capacity range, and if the capacity is within the capacity range, the power stored in the nighttime is power-shifted to utilize the power output smoothing function during the daytime.
예를 들어, 야간에 저장한 전력을 주간에 발전출력 스무딩 기능에 활용하도록 하는 것이며, 중용량 규모의 에너지저장장치에 적합한 방식이다.For example, the power stored in the nighttime is used for the power output smoothing function during the day, and it is suitable for an energy storage device of a medium capacity scale.
그러나 본 발명에서 적용하고 있는 출력평준화제어부(310)는 야간에 저장된 전력을 주간에 일정기간 동안 일정한 출력량을 유지하여 공급하기 위한 기능을 수행하게 된다.However, the output
즉, 야간에 저장한 전력을 주간에 예를 들어, 전력회사와 사전에 협의한 일정기간 동안 일정한 출력량을 유지하면서 공급하는 것이며, 이는 대용량 에너지 저장장치에 적합한 방식이다.That is, the power stored at night is supplied during the daytime, for example, while maintaining a predetermined amount of power for a predetermined period in consultation with the electric power company, which is suitable for the mass energy storage device.
상기 양방향DC-DC컨버터(320)는 벅/부스트모드절환명령부로부터 벅모드 절환 신호를 획득할 경우 벅모드로 동작하며, 벅/부스트모드절환명령부로부터 부스트모드 절환 신호를 획득할 경우 부스트모드로 동작하는 기능을 수행하게 된다.The bidirectional DC-
도 3의 양방향 컨버터 구조는 비절연형 Half-bridge 구조이다. The bidirectional converter structure of FIG. 3 is a non-isolated half-bridge structure.
즉, 에너지 저장장치가 컨버터 좌측단에 연결되고, 컨버터 우측단에 인버터가 연결되어 있으며, DC-Link(또는 DC링크, 본 발명에서는 DC-Link와 DC링크를 혼용하여 사용한다) 측의 전압을 일정하게 유지시켜 주는 역할은 양방향DC-DC컨버터가 담당하고, 인버터는 전력의 흐름에 변화하는 일종의 전류원으로 볼 수 있다.That is, the energy storage device is connected to the left end of the converter, the inverter is connected to the right end of the converter, and the voltage of the DC-Link (or DC link, in the present invention, DC- A bidirectional DC-DC converter plays the role of keeping it constant, and the inverter can be regarded as a kind of current source that changes in electric power flow.
동작 원리를 설명하자면, 스위치1(S1)이 동작할 때, 스위치2(S2)를 오프(OFF)시켜 다이오드2(D2)가 도통되며, DC-Link 측에서 에너지 저장장치 측으로 전류가 흐르는 벅(Buck)모드의 동작을 수행한다.When the switch 1 (S1) is operated, the switch 2 (S2) is turned off to conduct the diode 2 (D2), and the buck current Buck mode.
반대로 스위치2(S2)와 다이오드1(D1)을 이용하면 에너지 저장장치에서 DC-Link 측으로 전류가 흐르는 부스트(Boost)모드의 동작을 수행하게 된다.Conversely, when the switch 2 (S2) and the diode 1 (D1) are used, a boost mode operation in which current flows from the energy storage device to the DC-Link side is performed.
따라서, 벅/부스트모드절환명령부로부터 벅모드 절환 신호를 획득할 경우 벅모드로 동작하여 에너지 저장장치를 충전하게 되며, 벅/부스트모드절환명령부로부터 부스트모드 절환 신호를 획득할 경우에는 부스트모드로 동작하여 에너지 저장장치를 방전하게 되는 것이다.Accordingly, when the buck mode switching signal is obtained from the buck / boost mode switching instruction unit, the buck mode switching signal is charged to the energy storage device by operating in the buck mode. When the boost mode switching signal is obtained from the buck / And discharges the energy storage device.
즉, 에너지 저장장치의 충전과 방전시 안정적인 제어를 수행하기 위해 상기한 구성수단을 구비할 수 있는 것이다.That is, the above configuration means may be provided to perform stable control when charging and discharging the energy storage device.
상기한 양방향DC-DC컨버터는 인덕터에 흐르는 전류(IL)의 모양에 따라 연속모드와 불연속모드로 나눌 수 있으며 도 4와 같은 파형으로 나타낼 수 있다.The bidirectional DC-DC converter can be divided into a continuous mode and a discontinuous mode according to the shape of the current IL flowing in the inductor, and can be represented by a waveform as shown in FIG.
도 4의 (a)는 전류연속모드(CCM)이고 (b)는 전류불연속모드(DCM)의 파형으로서, 각각의 모드에서 상부의 파형은 스위칭에 의하여 인덕터에 걸리는 전압을 나타내고, 하부의 파형은 흐르는 전류를 나타낸다.Fig. 4A is a current continuous mode (CCM), Fig. 4B is a waveform of a current discontinuous mode (DCM), in which the upper waveform represents the voltage across the inductor by switching, It represents current flowing.
벅(Buck)모드로 동작할 때의 인덕터에 걸리는 전압과 흐르는 전류의 관계를 이용하여 식을 전개하면 수식 1)과 같은 방정식을 구할 수 있다.Equation (1) can be obtained by expanding the equation using the relationship between the voltage across the inductor and the current flowing when operating in buck mode.
수식 1)Equation 1)
Io = (Vi - Vo)D/2Lf + Lmin, D = Vo/Vi I o = (V i - V o ) D / 2Lf + L min , D = V o / V i
상기 수식 1) 의 IO 는 출력 전류의 평균, Vi와 VO는 각각 입력 전압과 출력 전압을 나타낸다. 또한, L은 인덕턴스, f는 스위칭 주파수이며, Lmin은 인덕터 전류가 가장 낮을 때의 값이다.I O in Equation (1) represents an average of output currents, and V i and V O denote an input voltage and an output voltage, respectively. L is the inductance, f is the switching frequency, and L min is the value when the inductor current is lowest.
이때, 주의할 점은 벅(Buck)모드이기 때문에 입출력이 반대라는 점이다. In this case, note that the input / output is reversed because it is a buck mode.
즉, 입력단이 DC-Link 측이고, 출력단이 에너지 저장장치이다.That is, the input terminal is the DC-Link side and the output terminal is the energy storage device.
전류의 불연속이 일어나는 지점은 Lmin 의 값이 0이 되는 지점이 되며, 그 지점을 나타내는 인덕턴스 값인 Lcri 를 전개하면 수식 2)와 같다.The point at which the current discontinuity occurs is L min And L cri , which is the inductance value representing the point, is expanded.
수식 2)(2)
Lcri = (Vi - Vo)D/2IOfL cri = (V i - V o ) D / 2 I O f
여기서 계산된 Lcri의 값이 실제로 사용된 인덕터의 L보다 클 경우에 전류불연속모드(DCM)으로 동작하며, 반대의 경우에는 전류연속모드(CCM)으로 동작한다.If the value of L cri calculated here is larger than L of actually used inductor, it operates in current discontinuous mode (DCM), and in the opposite case, it operates in current continuous mode (CCM).
L과 Lcri의 비를 람다 비율(λ, Lambda ratio)이라고 정의하고, 이를 식으로 나타내면 수식 3)과 같다.The ratio of L to L cri is defined as a lambda ratio (λ, Lambda ratio), and this can be expressed by Equation (3).
즉, 람다 비율(λ)이 양의 값이면 전류연속모드(CCM), 음의 값이면 전류불연속모드(DCM)라고 볼 수 있다.That is, the current continuous mode (CCM) can be regarded as a positive lambda ratio (λ), and the current discontinuous mode (DCM) can be regarded as a negative value.
수식 3)Equation 3)
λ = L/Lcri λ = L / L cri
같은 방법으로 부스트(Boost)모드의 식을 유도하면 수식 4)와 수식 5)와 같으며, 이때 입력단이 에너지 저장장치이고 출력단이 DC-Link이다.Equation 4) and Equation 5) are derived by the same method, and the input is the energy storage device and the output stage is DC-Link.
수식 4)Equation 4)
Io = Vi(1-D)D/2Lf + Imin(1-D), D = 1 - Vi/Vo I o = V i (1-D) D / 2Lf + I min (1-D), D = 1 - V i / V o
수식 5)Equation 5)
Io = Vi(1-D)D/2IOfI o = V i (1-D) D / 2 I O f
상기 벅/부스트모드절환명령부(330)는 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 낸 값의 부호가 음의 값일 경우에는 벅모드로, 양의 값일 경우에는 부스트모드로 절환시키기 위한 절환 신호를 상기 양방향DC-DC컨버터로 제공하기 위한 기능을 수행하게 된다.The buck / boost mode
이를 위하여, 상기 벅/부스트모드절환명령부(330)에는 디지털 방식으로 구성되는 PI 제어기가 사용될 수 있으며, 상기 PI 제어기의 구성과 동작은 일반적인 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.For this purpose, a PI controller configured in a digital manner can be used in the buck / boost mode
출력은 IGBT 스위치를 PWM(Pulse Width Modulation)으로 구동하기 위한 듀티(duty)이다. 부스트(Boost)모드의 경우 바람직하게는 0 ~ 0.8, 벅(Buck)모드의 경우 0 ~ 1까지 제한되게 된다.The output is a duty for driving the IGBT switch by PWM (Pulse Width Modulation). The boost mode is preferably limited to 0 to 0.8, and the buck mode to 0 to 1.
양방향DC-DC컨버터의 모드는 에너지 저장장치의 충방전시의 전력의 부호에 따라 결정된다. The mode of the bidirectional DC-DC converter is determined by the sign of the power at the time of charge / discharge of the energy storage device.
DC-Link 전압치가 일정하다고 가정하면 출력전류의 부호가 전력의 부호를 결정하기 때문에, Idc를 이용하여 양방향DC-DC컨버터의 모드를 결정한다.Assuming that the DC-Link voltage value is constant, the sign of the output current determines the sign of the power, so Idc is used to determine the mode of the bidirectional DC-DC converter.
예를 들어, Idc를 10회 평균 낸 값의 부호를 판단하여 음의 값일 때는 벅(Buck)으로, 양의 값일 때는 부스트(Boost)로 모드를 절환하는 것이다.For example, the sign of a value obtained by averaging Idc 10 times is determined, and the mode is switched to a buck (Buck) when the value is negative and to a boost (Boost) when the value is positive.
또한, 모드 절환 시 추가적으로 DC-Link 전압값도 고려해야 하는데, 일정 전압 이상으로 증가한 경우에는 벅(Buck)모드로서 도 3의 S1을 스위칭시켜 DC-Link 측의 커패시터(Capacitor)에 차오른 전압을 감소시킨다.In addition, when the mode is switched, the DC-Link voltage value must be taken into consideration. In the case where the voltage is increased beyond a predetermined voltage, S1 in FIG. 3 is switched as a buck mode to reduce the voltage applied to the capacitor on the DC- .
반대로 DC-Link 전압이 감소한 경우에는 부스트(Boost) 동작을 수행한다.Conversely, when the DC-link voltage is decreased, a boost operation is performed.
상기 초기값선정부(340)는 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)에서 벅모드 및 부스트모드별로 듀티를 계산하여 초기값을 선정하는 기능을 수행한다.The initial
본 발명의 양방향DC-DC컨버터의 모드 절환 시, PI 제어기를 초기화해 줄 필요가 있다. When switching the mode of the bidirectional DC-DC converter of the present invention, it is necessary to initialize the PI controller.
이때, PI 제어기를 초기화시킬 것이 아니라, 승압하고자 하는 출력에 해당하는 duty를 미리 계산하여 적용하면, duty가 안정적이고 보다 빨리 정상화되게 되는 장점이 있다.At this time, instead of initializing the PI controller, if the duty corresponding to the output to be stepped up is calculated and applied in advance, the duty is stabilized and normalized more quickly.
전류연속모드(CCM)에서의 듀티(duty)값은 입력전압과 출력전압을 이용해 쉽게 계산할 수 있으며 전류불연속모드(DCM)의 경우에도 간략하게 나타낼 수 있다.The duty value in the current continuous mode (CCM) can be calculated easily by using the input voltage and the output voltage, and can also be briefly shown in the case of the current discontinuous mode (DCM).
각 모드 별로 듀티(duty)를 계산하는 식은 표 1에 기술되어 있으며, 람다 비율(λ)을 계산하기 위해서는 인덕턴스, 스위칭주파수, 입력 전압, 출력 전압, 출력 전류에 대한 정보가 필요하다.The formula for calculating the duty for each mode is described in Table 1. In order to calculate the lambda ratio (?), Information on the inductance, the switching frequency, the input voltage, the output voltage, and the output current is required.
상기 게인값선정부(350)는 벅모드 및 부스트모드별 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)이 되는 전류 구간을 판정하고, 벅모드 및 부스트모드별로 PI 게인값을 선정하게 된다.The gain
도 5에 도시된 바와 같이, 전류연속모드(CCM)일 경우 출력전류가 증가할수록 양방향DC-DC컨버터의 손실이 증가하게 되므로 듀티(duty)가 변화하지만, 변화의 정도가 미미하다.As shown in FIG. 5, in the current continuous mode (CCM), as the output current increases, the loss of the bidirectional DC-DC converter increases, so the duty changes but the degree of change is insignificant.
하지만, 전류불연속모드(DCM)의 경우에는 전류의 크기에 따라 듀티(duty)가 변화하게 되므로, 전류연속모드(CCM)의 경우와 전류불연속모드(DCM)의 경우에 따라 PI 제어기의 게인(Gain)값을 다르게 적용해야 한다는 것이다.However, in the case of the current discontinuity mode (DCM), the duty changes according to the magnitude of the current. Therefore, the gain of the PI controller is changed according to the case of the current continuous mode (CCM) ) Values should be applied differently.
수식 2)와 수식 5)를 이용하여 각 모드별로 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)이 되는 전류 구간을 판정하고, 벅모드 및 부스트모드별로 PI 게인값을 선정하게 되는 것이다.(CCM) and current discontinuity mode (DCM) are determined for each mode by using Equation 2) and Equation 5, and PI gain value is selected for each of the buck mode and the boost mode.
도 5는 듀티 초기값을 계산하는 루틴과 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)에 따른 게인값을 결정해주는 루틴을 구성한 것이다.FIG. 5 shows a routine for calculating a duty initial value and a routine for determining a gain value according to a current continuous mode (CCM) and a current discontinuous mode (DCM).
한편, 부가적인 양태에 따라, 상기 벅/부스트모드절환명령부(330)는, 도 6에 도시한 바와 같이 비례적분 보상기를 이용하여 평균 전류모드 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, according to an additional aspect, the buck / boost mode
상한치가 변동 가능한 리미터를 이용하여 고전압 보상기(VH 보상기)와 저전압 보상기(VL 보상기)를 하나로 통합한 구조로서, 두 전압 보상기는 서로 상보적으로 동작하게 된다.(V H compensator) and a low-voltage compensator (V L compensator) are integrated into one by using a limiter capable of varying the upper limit value, so that the two voltage compensators operate complementarily with each other.
계통연계 모드에서 고전압측 전압 지령치의 경우, DC-bus의 정상 전압보다 약간 낮게 설정되도록 고전압 보상기가 포화되도록 하고, 전류 지령치의 경우 리미터 상한치인 저전압 보상기의 출력에 의해 결정되도록 한다.In the grid-connected mode, the high-voltage compensator is saturated so that it is set slightly lower than the steady-state voltage of the DC-bus in the case of the high-voltage-side voltage command value, and is determined by the output of the low-voltage compensator which is the upper limiter in the case of the current command value.
반대로 독립운전 모드에서의 전류 지령치의 경우, 고전압 보상기의 출력에 의해 결정되며, 저전압 보상기는 전류 지령치에 아무런 영향을 주지 못하고 포화된다.Conversely, in the case of the current command value in the stand-alone operation mode, it is determined by the output of the high-voltage compensator, and the low-voltage compensator saturates without affecting the current command value.
또한, 상기 벅/부스트모드절환명령부(330)는 각 보상기가 비활성되어 있을 경우, 내부 적분기의 누적 오차를 제한하기 위한 안티와인드업(Anti windup)이 필요하며, 안티와이드업을 포함한 PI 제어기의 구조는 도 7에 도시되었다.In addition, the buck / boost mode
한편, 도 8은 계통연계시 양방향DC-DC컨버터의 모드 절환시의 주요 파형도이다.8 is a main waveform diagram at the time of mode switching of the bi-directional DC-DC converter in the grid connection.
모드 1( ~ t1)의 경우, t1 이전에 고전압측 전압원을 정상동작하도록 하고, 고전압 보상기의 지령치(V* H)는 고전압측 정상 전압보다 상대적으로 약간 낮은 값으로 설정한다. In the case of mode 1 (~ t1), the high voltage side voltage source is operated normally before t1, and the command value (V * H ) of the high voltage compensator is set to a value slightly lower than the normal voltage on the high voltage side.
이를 통해, 고전압 보상기는 포화되어 있는 상태가 되고, 에너지 저장장치 전압지령치(V* L)는 에너지 저장장치의 최대 전압으로 설정된 상태에서 저전압 보상기 또한 포화된 상태가 된다. As a result, the high voltage compensator becomes saturated, and the low voltage compensator is also saturated when the energy storage voltage command value (V * L ) is set to the maximum voltage of the energy storage device.
결국, 전류 보상기의 지령치(I* L)는 저전압 보상기 출력의 리미터 상측값인 I* CC 에 의해 결정되게 되며, 본 발명의 에너지 저장장치는 양방향DC-DC컨버터를 통해 일정 전류로 충전되게 된다.As a result, the command value I * L of the current compensator is determined by the upper limit value I * CC of the low voltage compensator output, and the energy storage device of the present invention is charged with a constant current through the bidirectional DC-DC converter.
즉, 모드 변환시 발생되는 문제점을 제거하게 되므로, 일정한 전류 즉, 일정한 전력 품질을 유지하면서 저장되게 되는 것이다.That is, since the problems occurring during the mode conversion are eliminated, they are stored while maintaining a constant current, that is, a constant power quality.
요약하자면, 모드절환시 제어기의 과도상태로 인해 발생할 수 있는 THD(Total Harmonic Distortion)의 변화를 최소로 함으로써, 계통의 사고와 같은 비정상적인 조건을 발생시키지 않게 되어 중요 부하들의 안전이 확보될 수 있는 것이다.In summary, minimizing the change of THD (Total Harmonic Distortion) caused by the transient state of the controller during mode switching makes it possible to ensure safety of important loads by not generating abnormal conditions such as system accidents .
구체적으로 동작 과정을 설명하자면, 모드 2(t1 ~ t2)에서는 t1에서 고전압측 전압원에 이상이 발생되어 개방되면서 고전압측 전압이 감소되기 시작하며, 이때 포화되어 있던 고전압 보상기의 오차 또한 감소되기 시작한다.Specifically, in the mode 2 (t1 to t2), an abnormality occurs in the high voltage side voltage source at t1, and the voltage on the high voltage side starts to decrease while the saturation voltage error of the high voltage compensator starts to decrease .
모드 3(t2 ~ t3)에서는 고전압 보상기의 출력이 I* CC 보다 작아지는 상태에서 고전압 보상기가 활성화되어 고전압측 전압이 제어되기 시작하며 전류 지령치가 감소되게 된다.In mode 3 (t2 to t3), the high voltage compensator is activated in such a state that the output of the high voltage compensator becomes smaller than I * CC , so that the high voltage side voltage is controlled and the current command value is decreased.
따라서, 에너지 저장장치의 충전전류 또한 감소하게 된다.Therefore, the charging current of the energy storage device also decreases.
모드 4(t3 ~ )에서는 고전압측 전압은 일정하게 유지되고 전류 지령치는 음의 값이 되어, 양방향 컨버터의 전류 방향이 바뀌면서 에너지 저장장치의 전력이 고전압측 부하로 전달되게 된다.In mode 4 (t3 ~), the high voltage side voltage is kept constant and the current command value becomes negative value, so that the power of the energy storage device is transferred to the high voltage side load while the current direction of the bidirectional converter is changed.
한편, 도 9는 독립운전시 양방향DC-DC컨버터의 모드 절환시의 주요 파형도이다.9 is a main waveform diagram at the time of mode switching of the bidirectional DC-DC converter in independent operation.
도 9에 도시된 바와 같이, 모드 5( ~ t4)에서는 컨버터의 전류는 음의 방향으로 에너지 저장장치에서 고전압측 부하로 흐르고 있으며, 고전압측 전압은 양방향 컨버터에 의해 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.As shown in Fig. 9, in mode 5 (~ t4), the current of the converter flows in the negative direction from the energy storage device to the high voltage side load, and the high voltage side voltage is kept constant by the bidirectional converter have.
에너지 저장장치에서 전류가 흘러나가고 있기 때문에, 에너지 저장장치의 전압은 점차 감소하게 되고, 에너지 저장장치 전압 지령치보다 낮아지게 된다.Because the current is flowing out of the energy storage device, the voltage of the energy storage device gradually decreases and becomes lower than the energy storage device voltage reference value.
따라서 저전압 보상기는 포화되게 된다.Therefore, the low voltage compensator becomes saturated.
모드 6(t4 ~ t5)에서는 t4에서 고전압측에 개방되어 있던 전압원이 정상동작을 시작하여 고전압측 전압을 증가시키면서 고전압 보상기의 출력이 증가하여 전류 지령치가 증가하게 되며, 양방향 컨버터의 전류 방향이 바뀌게 된다.In the mode 6 (t4 to t5), the voltage source opened to the high voltage side at t4 starts normal operation, and the output of the high voltage compensator increases to increase the current command value while increasing the voltage at the high voltage side, and the current direction of the bidirectional converter is changed do.
모드 7(t5 ∼ t6)에서는 t5에서 고전압 보상기의 출력이 가변리미터의 상한치인 I* CC 보다 커지면서 고전압 보상기는 포화 되기 시작하고, 양방향 컨버터는 일정 전류(Constant current : CC)로 에너지 저장장치를 충전시키게 된다.In mode 7 (t5 to t6), the output of the high voltage compensator becomes larger than the upper limit value I * CC of the variable limiter at t5, so that the high voltage compensator starts to saturate, and the bidirectional converter charges the energy storage device with a constant current .
모드 8(t6 ~)에서는 증가하고 있는 에너지 저장장치 전압이 저전압 지령치까지 증가하면서 포화되어 있던 저전압 보상기가 활성화되기 시작하며, 충전 전류를 서서히 감소시켜 일정 전압(Constant voltage : CV)으로 충전이 시작되게 된다.In Mode 8 (t6 ~), as the energy storage device voltage increases to the low voltage command value, the saturating low voltage compensator starts to be activated, and the charging current is gradually decreased to start charging with a constant voltage (CV) do.
한편, 다른 실시예에 따라 본 발명의 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템은 계통측에 형성되어 전압 제어를 수행하되, 이중 루프로 구성되는 인버터제어기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of the photovoltaic generation power of the present invention and the battery charge / discharge power is formed on the system side to perform voltage control, And an inverter controller configured to control the inverter.
이때, 상기 인버터제어기는 DC-link 전압의 변화량을 이용하여 하기의 수식에 의해 DC-link측으로 흐르는 전류의 영향을 예측할 수 있는 것을 특징으로 한다.In this case, the inverter controller is capable of predicting the influence of the current flowing to the DC-link side by the following equation using the change amount of the DC-link voltage.
배터리와 계통은 양방향 운전이 가능하지만 전원 자체의 크기가 계통이 훨씬 크기 때문에 계통측 즉, 인버터가 전압제어를 수행하는 것이 바람직하다.Although the battery and the system can be operated in both directions, it is preferable that the inverter performs voltage control because the size of the power source itself is much larger than that of the system itself.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 이중루프로 구성된 인버터제어기를 구성하게 된다.Therefore, as shown in FIG. 10, an inverter controller composed of a dual loop is constituted.
이중루프로 구성된 인버터제어기는 DC-link 전압 지령을 추종하는 전압제어기와 생성된 전류 제어기 지령을 추종하는 전류제어기로 구성될 수 있다.An inverter controller consisting of a dual loop can be composed of a voltage controller following the DC-link voltage command and a current controller following the generated current controller command.
먼저 전압제어기를 얻기 위해서 인버터를 중심으로 한 시스템의 평균 모델을 도식화하면 도 11과 같이 나타난다.First, the average model of the system centering on the inverter is plotted as shown in FIG. 11 to obtain the voltage controller.
시스템 입장에서 태양광 측과 에너지 저장장치 측은 외부 전류원이라고 볼 수 있다. 즉, DC-link 측에서 볼 때 컨버터는 전류제어를 하기 때문에 전류원으로 등가 가능하고, 태양광 측과 에너지 저장장치 측의 2개의 전원은 역시 하나의 외부 전류원으로 가정이 가능하다.From the viewpoint of the system, the solar side and the energy storage side can be regarded as external current sources. In other words, as seen from the DC-link side, the converter can be used as a current source because of the current control, and the two power sources on the solar side and the energy storage side can also be assumed to be one external current source.
따라서, 외부 전류원은 하나의 icon_sum(t)로 가정하고, 인버터의 인덕턴스를 평균화하면 다음 수식 6)과 같다.Therefore, assuming that the external current source is one i con_sum (t), and the inductance of the inverter is averaged, the following equation (6) is obtained.
수식 6)Equation 6)
여기서, Lavr은 인버터 평균 모델 인덕턴스, Linv는 인버터의 인덕턴스, rL _avr은 인버터 평균 모델 인덕터 저항, rL은 인버터 모델 인덕터 저항이고, Kcg는 인버터 평균 모델 치환비로서 Vs/Vdc 이다. 이때, 인덕턴스의 전압은 수식 7)과 같이 표현할 수 있고, DC-link 전압은 수식 8)과 같이 표현된다.Where L avr is the inverter average model inductance, L inv is the inductance of the inverter, r L _avr is the inverter average model inductor resistance, r L is the inverter model inductor resistance, and K cg is the inverter average model replacement ratio, V s / V dc to be. In this case, the voltage of the inductance can be expressed by the following equation (7), and the DC-link voltage is expressed by the equation (8).
수식 7)Equation 7)
여기서, Lavr은 인버터 평균 모델 인덕턴스, iinv는 DC링크에서의 인버터측 전류, Vs는 계통 전압, Kcg는 인버터 평균 모델 치환비, vdc는 DC링크 전압, rL _avr은 인버터 평균 모델 인덕터 저항, rc는 DC링크 커패시터 내부 저항이다.Where L avr is the inverter average model inductance, i inv is the inverter side current in the DC link, V s is the grid voltage, K cg is the inverter average model replacement ratio, v dc is the DC link voltage, and r L _avr is the inverter average model inductor Resistor, and r c is the DC link capacitor internal resistance.
수식 8)Equation 8)
여기서. vdc는 DC링크 전압, rc는 DC링크 커패시터 내부 저항, Kcg는 인버터 평균 모델 치환비, iinv는 DC링크에서의 인버터측 전류, icon-sum은 DC링크에서의 외부전류 합, Cdc는 DC링크 커패스턴스, iinv -sum은 DC링크에서의 인버터측 전류 합이다.here. v dc is the DC link voltage, r c is the DC link capacitor internal resistance, K cg inverter average model substitution ratio, i inv inverter-side current in the DC link, i con-sum is a sum external current in the DC link, C dc is the DC link capacitance, and i inv -sum is the sum of the inverter side currents in the DC link.
이때, 상태방정식을 구하면 수식 9)와 같다.At this time, the state equation is obtained as in Equation 9).
수식 9)Equation 9)
여기서, iinv는 DC링크에서의 인버터측 전류, vdc는 DC링크 전압, rL _avr은 인버터 평균 모델 인덕터 저항, rc는 DC링크 커패시터 내부 저항, Kcg는 인버터 평균 모델 치환비, Lavr은 인버터 평균 모델 인덕턴스, Cdc는 DC링크 커패스턴스, Vs는 계통 전압, icon-sum은 DC링크에서의 외부전류 합, S는 스위칭 함수, C는 커패시턴스이다.Here, i inv inverter-side current in the DC link, v dc is the DC link voltage, r L _avr inverter average model inductor resistance, r c is the DC link capacitor internal resistance, K cg inverter average model substitution ratio, L avr Is the average model inductance of the inverter, C dc is the DC link capacitance, V s is the grid voltage, i con-sum is the sum of the external currents in the DC link, S is the switching function, and C is the capacitance.
도 11의 제어기를 구하기 위해서는 상기 수식 9)의 전달함수 모델을 구해야 한다.To obtain the controller of FIG. 11, the transfer function model of equation (9) should be obtained.
이를 위하여 수식 9)를 메이슨 이득공식(MGF, Mason’s gain formula)로 나타내면 도 12와 같다.For this, Equation 9) is expressed by Mason's gain formula (MGF), as shown in FIG.
도 12에서 icon_sum(t)는 DC-link 측으로 흐르는 전류이다.12, i con_sum (t) is a current flowing to the DC-link side.
시스템이 다수의 어플리케이션 즉 더 많은 태양광과 에너지 저장장치 측 컨버터가 연결되는 DC배전 구조로 된다고 가정한다.It is assumed that the system is a DC distribution structure in which a plurality of applications, i.e., more solar and energy storage side converters are connected.
이때, DC-link에 모두 센서를 연결하는 것도 시스템에 대해 경제적으로 문제가 되고, 프로세서를 다르게 운전하는 컨버터가 연결될 수 있는 문제도 발생될 수 있다.In this case, connecting the sensors to the DC-link is economically problematic for the system, and a problem may arise that a converter that operates differently from the processor may be connected.
이러한 경우에도 DC-link 전력제어가 가능한 에너지 저장 시스템이 되기 위해서 인버터는 icon_sum(t)을 알 수 없어도 전력제어가 가능하게 설계되어야 한다.In this case, in order to become an energy storage system capable of DC-link power control, the inverter must be designed to be capable of power control even when i con_sum (t) is unknown.
이에 본 발명에서는 icon_sum(t)를 외란으로 간주하고 이를 내부변수로 예측하여 외란이 없는 형식의 모델링을 하는 것이다.In the present invention, i con_sum (t) is regarded as a disturbance and is predicted as an internal variable, thereby modeling the disturbance-free model.
DC-link 전압의 변화량은 DC-link 입출력 전류 변화량의 적분치이기 때문에 icon_sum(t)의 영향을 예측하는 시스템으로 변환이 가능하다.Since the amount of change in the DC-link voltage is an integral value of the amount of change in the DC-link input / output current, it can be converted to a system that predicts the influence of i con_sum (t).
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본 발명에 적용된 MGF를 그리면 도 13과 같다.The MGF applied to the present invention is shown in FIG.
도 13에서의 MGF는 이전 MGF의 도 12와 비교하였을 때 icon_sum(t)가 사라지고 모두 인버터 내부변수로만 구성됨을 알 수 있다.13, it can be seen that i con_sum (t) disappears and is composed of all the inverter internal variables when compared with the previous MGF of FIG.
도 13을 이용해서 인버터 전류-DC-link 전압 모델 Gvdc iinv(s)를 구하면 수식 11)과 같다.13, the inverter current-DC-link voltage model G vdc iinv (s) is obtained as in Eq. (11).
수식 11)Equation 11)
여기서, Gvdc iinv(s)는 인버터 전류-DC-link 전압 모델, Gvs iinv(s)는 인버터 전류-계통 전압 모델, Gvs vdc(s)는 DC-link 전압-계통 전압 모델, Kcg는 인버터 평균 모델 치환비, Lavr은 인버터 평균 모델 인덕턴스, rc는 DC링크 커패시터 내부 저항, Cdc는 DC링크 커패스턴스, S는 스위칭 함수이다.Here, G vdc iinv (s) is the inverter current-DC-link voltage model, G vs iinv (s) is the inverter current-grid voltage model, G vs vdc (s) is a DC-link voltage-grid voltage model, K cg inverter average model substitution ratio, L avr inverter average model inductance, r c is the DC link capacitor internal resistance, C dc is the DC link greater path capacitance, S Is a switching function.
도 10에서 이중 루프 제어기 중 전류제어기는 제어속도가 전압제어기보다 빠르다.In Fig. 10, the current controller of the dual loop controller has a faster control speed than the voltage controller.
전압제어기의 교차 주파수는 수십Hz 인데 비하여 전류제어기의 교차주파수는 수kHz이다.The crossing frequency of the voltage controller is several tens of Hz, whereas the crossing frequency of the current controller is several kHz.
전류제어기 모델은 계통측 임피던스의 영향으로 공진주파수가 이동하는데 수kHz 대역에서는 영향을 받지 않는다.In the current controller model, the resonant frequency shifts due to the influence of the system side impedance, and is not affected in the frequency band of several kHz.
따라서, 인버터 전류제어기 소신호 모델은 DC-link 전압과 필터 인덕터에 의한 함수인 수식 12)와 같이 나타난다.Therefore, the inverter current controller small signal model is expressed by the function of the DC-link voltage and the filter inductor 12).
수식 12)Equation 12)
여기서, Giinv d(s)는 인버터 전류제어기 소신호 모델, Vdc는 DC링크 전압, S는 스위칭 함수, Lavr은 인버터 평균 모델 인덕턴스이다.Where G iinv d (s) is the inverter current controller small signal model, V dc is the DC link voltage, S is the switching function, and L avr is the inverter average model inductance.
상기와 같은 구성 및 동작을 통해, 동작 영역(CCM/DCM)과 인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 참조하여 벅모드 혹은 부스트모드로 자동 절환하게 되며, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화할 수 있는 효과를 발휘한다.Through the above-described configuration and operation, the voltage is automatically switched to the buck mode or the boost mode by referring to the average of the current values flowing to the operation area (CCM / DCM) and the inverter side, Effect.
즉, 모드 절환시 발생되는 전압 변동을 최소화함으로써, 안정적인 모드 변환이 불가능함으로써, 전압 변동이 불규칙하게 되어 발전 출력의 전력품질이 저하되는 현상을 제거하게 된다.That is, by minimizing the voltage fluctuation occurring at the time of mode switching, stable mode conversion is not possible, thereby eliminating the phenomenon that the voltage fluctuation becomes irregular and the power quality of the power generation output is lowered.
결국, 모드 자동 절환에 따른 매끄러운 운전이 가능한 기능을 전력변환장치로부터 에너지 저장장치에 제공하게 되어 대용량 에너지 저장장치에 적용시 혹은 부하 조건과는 무관하게 일정한 전력 품질을 제공할 수 있게 된다.As a result, a function capable of smooth operation due to automatic mode switching is provided from the power conversion device to the energy storage device, so that it is possible to provide a constant power quality when applied to a large capacity energy storage device or irrespective of load conditions.
이상에서 설명된 신재생발전원의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다.The energy storage system including the power conversion apparatus for the power grid-connected operation of the renewable power source described above can be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and can be recorded on a computer readable medium have.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
100 : 신재생발전원
200 : 에너지저장장치
300 : 전력변환장치100: New and renewable power generation source
200: Energy storage device
300: power conversion device
Claims (7)
야간에 저장된 전력을 주간에 일정기간 동안 일정한 출력량을 유지하여 공급하기 위한 출력평준화제어부(310);
에너지저장장치가 좌측단에 연결되고 인버터가 우측단에 연결되며, 벅/부스트모드절환명령부로부터 벅모드 절환 신호를 획득할 경우 벅모드로 동작하며, 벅/부스트모드절환명령부로부터 부스트모드 절환 신호를 획득할 경우에 부스트모드로 동작하기 위한 양방향DC-DC컨버터(320);
인버터 측으로 흐르는 전류값의 평균을 낸 값의 부호가 음의 값일 경우 벅모드로, 양의 값일 경우 부스트모드로 절환시키기 위한 절환 신호를 상기 양방향DC-DC컨버터로 제공하기 위한 벅/부스트모드절환명령부(330);
전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)에서 벅모드 및 부스트모드별로 듀티를 계산하여 듀티 초기값을 선정하기 위한 초기값선정부(340);
벅모드 및 부스트모드별 전류연속모드(CCM) 및 전류불연속모드(DCM)가 되는 전류 구간을 판정하고, 벅모드 및 부스트모드별로 PI 게인값을 선정하기 위한 게인값선정부(350);
를 포함하여 구성되는 전력변환장치(300); 및
상기 전력변환장치에 의해 제공되는 전력을 저장하고 있는 에너지저장장치(200);
를 포함하여 구성되고,
상기 벅/부스트모드절환명령부(330)는,
비례적분 보상기를 이용하여 평균 전류모드 제어를 수행하되,
고전압 보상기와 저전압 보상기; 및
상한치가 변동 가능한 리미터;
를 포함하여 구성되며,
계통연계 모드에서 고전압측 전압 지령치의 경우 DC-bus의 정상 전압보다 상대적으로 낮게 설정되도록 하여 상기 고전압 보상기가 포화되도록 하고, 전류 지령치의 경우 리미터 상한치인 저전압 보상기의 출력에 의해 결정되도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템.
1. An energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of solar power generation and battery charge / discharge power,
An output leveling control unit 310 for maintaining the power stored at night at a constant amount of output during a certain period of time during the day;
The energy storage device is connected to the left end and the inverter is connected to the right end and operates in the buck mode when acquiring the buck mode switching signal from the buck / boost mode switching instruction section, A bidirectional DC-DC converter 320 for operating in a boost mode when acquiring a signal;
A buck / boost mode switching command for providing a switching signal to the bidirectional DC-DC converter to switch to a buck mode when the sign of a value obtained by averaging current values flowing to the inverter side is a negative value and to a boost mode when the value is positive; (330);
An initial value line portion 340 for calculating a duty by buck mode and a boost mode in current continuous mode (CCM) and current discontinuous mode (DCM) to select a duty initial value;
A gain value line section 350 for determining a current section to be a current continuous mode (CCM) and a current discontinuous mode (DCM) for each of the buck mode and the boost mode, and to select a PI gain value for each of the buck mode and the boost mode;
A power conversion device 300 configured to include: And
An energy storage device (200) for storing power provided by the power conversion device;
And,
The buck / boost mode switching instruction unit 330,
An average current mode control is performed using a proportional integral compensator,
High voltage compensator and low voltage compensator; And
A limiter whose upper limit value is variable;
And,
The high-voltage side voltage command value is set to be lower than the normal voltage of the DC-bus in the grid-connected mode so that the high-voltage compensator is saturated, and in the case of the current command value, it is determined by the output of the low- And an energy storage system including a power conversion device for power grid-connected operation of the photovoltaic power and the battery charge / discharge power.
상기 벅/부스트모드절환명령부(330)는,
독립운전 모드에서의 전류 지령치의 경우, 고전압 보상기의 출력에 의해 결정되도록 PI제어기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템.
The method according to claim 1,
The buck / boost mode switching instruction unit 330,
And a PI controller for determining a current command value in a stand-alone operation mode according to an output of the high voltage compensator. The power converter for power grid-connected operation of the photovoltaic generation power and the battery charge / Included energy storage system.
상기 PI제어기는,
각각의 보상기가 비활성되어있을 경우 내부 적분기의 누적 오차를 제한하기 위한 안티와인드업(Anti windup)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템.
The method of claim 4,
The PI controller includes:
And an anti windup for limiting the cumulative error of the internal integrator when each compensator is inactive. The power conversion apparatus of claim 1, An energy storage system containing a device.
계통측에 형성되어 전압 제어를 수행하되, 이중 루프로 구성되는 인버터제어기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전전력과 배터리 충방전 전력의 전력계통 연계운전을 위한 전력변환장치가 포함된 에너지저장 시스템.
The method according to claim 1,
The power inverter includes a power converter for power grid-connected operation of the photovoltaic generation power and the battery charge / discharge power, wherein the inverter controller includes a dual loop Energy storage system.
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