KR100698355B1 - 여러 개의 배터리에 교대로 펄스충전하는 독립형태양광(풍력)발전용 충방전제어시스템 - Google Patents

Abstract

이 발명은 독립형 태양광 혹은 풍력 발전용 충방전 제어시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 태양전지모듈 혹은 풍력발전단의 발전 전력을 2 개 이상의 배터리에 교대로 펄스 전류 형태로 충전시킴으로써 배터리의 충전 효율 개선 및 황산납화 방지, 배터리 셀 간의 균등화 도모 등 PWM 충전 형태의 효과를 얻고자 하는 충방전제어시스템에 관한 것이다. 독립형 태양광 혹은 풍력 발전 시스템에서는 전력의 저장이 필요하고 이에 따라 배터리의 성능 및 수명 향상을 위하여 ON/OFF형태의 충전제어시스템이나 PWM 형태의 충전제어시스템, 더 나아가 최대전력추종점(MPPT) 충전제어시스템 등이 사용되고 있는 바, 2 개 이상의 배터리를 병렬 형태로 구성하여 효과적으로 PWM 충전 및 전류 증대 (current boost) 효과를 얻고자 하는 충전제어시스템 구성 및 알고리즘에 관한 것이다. 이미 PWM 충전 방식은 배터리의 수명을 연장하고, 충전 효율을 높이는 효과가 입증된 방식이나, 태양광 혹은 풍력 발전시스템의 경우 전류가 차단되는 시간 동안의 전력은 충전되지 못하고 버려지는 셈이다. 이에 두 개 이상의 배터리를 이용하여 하나의 배터리에 충전하다가 전류 공급을 차단하는 시기에 다른 배터리에 충전함으로써 각각의 배터리에 펄스 형태의 충전 전류를 공급하면서 동시에 버려지는 전력이 없게 함으로써 전력 보존의 효율을 높일 수 있는 태양광 혹은 풍력 발전시스템의 독립형 충전제어시스템를 제안한다.

독립형태양광발전, 독립형풍력발전, 충방전제어시스템, PCS, 납축전지

Description

여러 개의 배터리에 교대로 펄스충전하는 독립형 태양광(풍력)발전용 충방전제어시스템 {Parallel Pulse Charging Power Conditioning System using more than two batteries for the standalone solar or windpower generation}

도1은 이 발명에 따른 충방전 제어시스템의 구성도

도2는 이 발명에 따른 2 개의 납축전지에 공급되는 전류의 시간대별 흐름도

도3은 전류증대 효과를 도모하는 충방전 제어시스템의 구성도

태양광 혹은 풍력 발전 시스템의 경우 (이후 태양광 으로만 설명), 상용전력계통의 연계 여부에 따라 계통연계형과 독립형 시스템으로 분류한다. 계통 연계형 발전 시스템은 태양광 발전 시스템으로부터의 충분한 전력을 공급받을 때는 이 대체 에너지를 그대로 사용하고, 잉여 전력은 상용전력계통으로 되팔수 있으며, 야간이나 우천시 등 태양 에너지가 부족할 때에는 상용전력계통으로부터 전력을 공급받는 시스템을 말한다. 상용전력 공급이 원활한 지역의 주택이나 각종 시설은, 배터리와 같은 전력 저장 장치의 문제점 및 상용전력의 저렴한 KW당 전력요금 등의 이유로 계통 연계형 발전 시스템을 주로 사용한다. 여기서 말하는 전력 저장 장치의 문제점이란 전력 저장 장치의 투자 비용, 충방전 효율 , 부피, 무게, 수명 및 주기적인 교체 등 유지보수 등의 요소를 말한다. 그러나, 인공위성, 낙도나 산간 지방의 시설, 관개용수용 펌프 , 가로등 등 상용전력의 공급이 곤란한 경우에는 어쩔 수 없이 독립형 발전 시스템을 사용하여야 한다. 독립형 발전 시스템의 경우, 배터리와 같은 전력 저장 장치가 필수적이다. 전력 저장 장치중 현재까지 가격 대비 성능이 가장 우수한 것으로 황산납 축전지를 사용하고 있다. 이 납축전지는 충방전 형태에 따라 충전 효율 및 수명이 급변하기 때문에 이를 효과적으로 제어하기 위한 장치인 충전제어시스템을 사용하여야 한다. 예를 들어 납축전지의 경우, 과충전 ,과방전 혹은 잦은 저충전 등은 충방전 효율 및 수명을 현저히 단축시켜 납축전지의 구매 , 교체 및 그에 따른 시스템 서비스 중단 가능성 등 비용 부담이 크게 된다. 이 충전제어시스은는 PCS (Power Conditioning System)이라고도 부르는데, 다음과 같은 방식이 있다.

① 충전제어시스템이 없는 태양광 발전 시스템

발전 용량이나 부하 전력이 납축전지 용량에 비하여 충분히 작은 경우, 예를 들어 항해 부표 등에서는 충전제어시스템을 사용하지 않고 있다.

② 단순 ON/OFF 형 충전제어시스템

과충전 혹은 과방전을 방지하여 납축전지의 수명 저하를 방지하는 방식이다.

③ PWM 방식을 추가한 충전제어시스템

위의 ON/OFF 방식 충전제어시스템은 과충전-과방전 만을 방지하나, 태양광 발전 전력의 특성인 요행충전(opportunity charging)때문에 생기는 황산납화(sulfation) 현상을 피할 수는 없다. 이에 PWM 기능을 추가한 충전제어시스템은 납축전지의 전압이 낮을 때는 통상 충전 기법과 같이 태양광 발전시스템으로부터의 전력을 그대로 충전하다가 전압이 약 14.4V 초과시에 PWM방식으로 전류 펄스를 납축전지에 가하여 황산납화 현상을 방지하여, 충전 효율을 높이고, 납축전지의 수명을 향상시키는 방식이다. 그러나 이 방식은 납축전지가 만충전에 이를 경우에만 PWM 방식을 작동시킨다. 그 이유는 만충전 이전에 PWM 방식을 작동시키면 전류 차단시간 동안(OFF)의 전력은 저장되지 못하고 버려지게 되므로 발전 효율이 떨어 지게 되기 때문이다. 그래서, 부하 상황에 따라 만충전에 이르지 못하는 경우에는 PWM기능이 작동하지 않게 되며, 이 경우 단순 ON/OFF형 충전제어시스템에 불과하게 된다.

④ 최대전력추종제어 시스템(MPPT:Maximum Power Point Tracking system)

이 방식은 독립형 뿐만 아니라 연계형 발전시스템에서도 활발히 연구되고 채용되고 있는 방식의 충전제어시스템으로써, 태양광 발전 모듈의 발전 전압-전류와 납축전지 혹은 사용 부하의 전압-전류간의 균형(matching)을 통하여 최대 전력을 얻고자 하는 시스템으로 충전제어시스템의 완성된 기능으로 보고 있다. 그러나 이 방식은 디지탈신호처리 등을 이용한 복잡한 알고리즘 등으로 상대적으로 고가여서 500와트 이상의 발전 시스템에 적합하다고 할 수 있다.

이 발명의 목적은 PWM 방식의 충전제어시스템에서 납축전지가 만충전에 도달할 때쯤에야 펄스 형태의 전류를 공급하며, 그 이전 단계에서는 전력 효율 때문에 PWM 방식이 작동하지 못하는 것을 개선하기 위하여, 2개 혹은 그 이상의 납축전지 혹은 기타 전력저장장치에 교대로 펄스 전류를 가하게 함으로써, 충전 효율과 납축전지 수명을 연장시키고자 함에 있다. 아울러 이 발생된 펄스 전류를 코일 등에 인가하여 전류 증대 (current boost) 효과를 높여 발전 효율을 높이고자 함에 있다.

1. 교대로 펄스 충전하는 태양광 발전 충전제어시스템

도1은 이 발명에 따른 충전제어시스템의 구성도이다. 이 충전제어시스템은 태양광 모듈(1), 전류의 역류를 방지하는 다이오우드(2a.2b), 두 납축전지에 교대로 충전을 스위칭하는 전계효과트랜지스터(MOSFET, 이하 MOSFET 3a)스위치 ,충전 MOSFET 스위치를 구동하는 gate 드라이버단 (4a,4b),두 개의 납축전지 (7a,7b), 납축전지의 방전을 제어하는 방전 MOSFET 스위치(8a,8b), 인버터나 직류 전원을 그대로 사용하는 부하단(9), 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 이 충전제어시스템의 알고리즘을 동작하여 전압을 감지하고 MOSFET 스위치를 구동제어하는 마이크로프로세서제어부 등으로 구성된다. 전체적으로는 하나의 태양광 모듈(1)에 2개 혹은 그 이상의 충전제어스위치(3a,3b), 납축전지(7a,7b) 그리고 방전제어 스위치(8a,8b)의 조합, 그리고 부하단(9)으로 이루어져 있다. 태양광 모듈(1)의 출력전압이 2개의 납축전지 (7a,7b) 전압보다 높으면, 마이크로프로세서는 MOSFET 스위치의 gate driver인 4a와 4b를 통하여 각각 MOSFET 스위치인 3a와 3b를 교대로 ON/OFF 시킨다. 도면의 표현 구성상 도1에 표시되지 않은 방전 MOSFET 스위치를 구동하는 구동부는 충전 MOSFET 스위치를 구동하는 구동부(4a,4b)의 구조와 동일하다. 이 gate driver는 PVI4050N과 같은 전압전달소자로 간단하게 구현하거나 통상 전자 지식을 가진 사람은 MOSFET 스위치의 gate를 구동시킬 만한 충분한 전압을 공급할 수 있는 여러가지 형태의 회로도 가능하다. 이 gate에 공급되는 신호 파형을 도 2에 나타내었다. 도 2는 충전용 MOSFET 스위치의 gate 드라이버에 인가되는 신호를 나타낸 그림이다. 각각의 ON/OFF 시간 점유 비율(duty cycle)은 50:50이나 스위칭 손실등을 고려하여 49:51 등 하나의 gate와 다른 하나의 gate 간의 ON 신호 인가 사이에 약간의 휴지 시간을 둘 수도 있다. 신호의 크기는 MOSFET 스위치의 gate를 도통시킬 만한 충분한 크기의 전압이어야 한다. 신호의 시간 간격은 통상 수십 마이크로초(uS)에서 수 초(sec)로 가변이 가능하나, 스위칭 손실을 감안하여 수십 미리초(mS)에서 1 초 정도로 적용할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, PWM방식의 충전제어시스템는 납축전지의 전압이 낮을 충전 개시 초기에는 한계 전류내에서 최대로 충전하는 용적충전(bulk charging)을 시행하다 만충전에 도달할 무렵에 PWM 방식의 펄스 전류를 공급함에 따라, 만충전이 도달할 수 없는 환경인 경우, PWM 충전이 시행되지 않으며, 따라서 황산납 제거 , 충전 효율 향상 및 납축전지 수명 증대 등의 PWM충전 효과를 볼 수 없게 된다. 그런데 이 발명에서 제안하는 교대 펄스 충전형 충전제어시스템은 도 2에 나타낸 신호 파형처럼 충전 초기부터 펄스 형태의 충전 전류를 각각의 납축전지에 교대로 공급함으로써 하나의 납축전지 측면에서는 펄스 형태로 충전되므로, PWM충전 효과를 누릴 수 있게 되는 것이다. 도 1에서는 2개의 납축전지(7a,7b)를 설명하고 있으나, 필요시 그 이상의 다이오우드(2),충전 MOSFET 스위치(3), 충전 MOSFET 스위치 구동부(4),납축전지(7) 그리고 방전 MOSFET 스위치와 그 구동부 등의 추가 조합이 가능하다. 이 발명에서 제안하는 충전제어시스템의 방전 제어부는 도면 표현상 도면에 나타내지 않은 마이크로세서가 납축전지(8a,8b)의 전압을 감지하여 적절한 방전심도(DOD:Depth Of Discharge)를 유지하는 내에서 방전MOSFET스위치를 교대로 ON/OFF 시키며, 그 교대 시간은 스위칭 효율을 고려하여 수 십초이내이면 가능하다. 납축전지(8a,8b)의 전압이 규정치보다 낮으면, ON동작을 중지하다가 충전되어 규정치보다 약간 더 높은 전압에 이르면, 다시 ON동작을 하게 되는데 통상 히스테리시스 특성을 부여하여 방전 중지 전압과 방전 개시 전압의 차이를 두게 된다. 이 방전 특성 알고리즘은 통상 공지된 기술에 준하여 변경가능하다. 한편 방전 제어는 불가능하나, 부하단의 인버터 등에서 방전제어가 가능한 경우에는 방전MOSFET스위치(8a,8b)로 구성된 부분 대신에 간단하게 다이오우드 2개로 각각 병렬처리할 수도 있음은 물론이다.

2. 전류 증대 (current boost) 효과를 추가하는 충전제어시스템

이 발명에서 제안하는 충전제어시스템은, 충전 초기부터 펄스 형태의 충전전류를 인가함이 가능하므로 이를 응용하여 충전 회로상에 코일을 추가하고, 전류 궤환용 다이오우드를 그 앞단에 접지로 연결하여 전류 증대효과를 도모하는 충전제어시스템을 제안한다. 12V용 발전시스템의 예를 들면, 태양광 모듈의 발전 특성이 온도와 태양광량, 태양과의 입사각 등 여러 변수가 많으므로 납축전지에 충전하기에 충분한 전압으로 태양광 모듈의 출력 전압을 17V로 통상 설계한다. 그러나 납축전지가 방전을 어느 정도 하고 재충전을 기다리는 시기의 납축전지 전압은 방전 심도에 따라 다르나, 11.6 ~ 12.5V 정도로 태양광 모듈의 출력 전압인 17V보다 매우 낮다. 이로 인해 예를 들어 80 W의 전력을 출력할 수 있는 태양광 모듈인 경우, 최대 광량의 조건에서 17 V 전압에 4.7A 정도의 전류를 생산할 수 있는데 이를 현재 충전 대기 중인 12V의 납축전지에 접속하면 전압이 12V로 하강하게 되므로 저장되는 전력은 12V * 4.7A= 56.4W에 불과하게 된다. 나머지 23.6W는 사용되지 못하고 버려지는 셈이다. 동일한 갯수의 태양광발전소자를 직병렬 구성을 달리하여 12~13V 근처의 개방 전압으로 설계하면 더 많은 출력전류를 얻을 수 있겠으나, 한여름이나 사막과 같은 고온 지역에서는 출력전압이 낮아지므로 바람직한 해결 방법은 아니다. 이를 개선한 최적의 장치로는 최대전력추종알고리즘(MPPT)을 적용한 충전제어시스템이 있다. 하지만 이는 가격대비 아직 고가이므로 태양광 가로등과 같은 저전력 사용처에는 적합하지 않다. 이에 이 발명에서는 위에서 제안한 교대로 펄스 충전하는 충전제어시스템에다 MPPT 알고리즘과 유사한 기법으로 출력 전류를 증대하는 구조를 추가하는 충전제어시스템을 제안하는 바이다.

이 추가되는 회로는 공지기술이며, 그 구조는 도3에 도시되어 있다. 도 1의 기본 교대 펄스 충전형 충전제어시스템 구조에다 펄스 동작 주파수에 따라 적정 인덕턴스 값이 결정되는 코일(6a,6b), 펄스 충전 전류가 차단될 때 코일에 저장된 전류 에너지가 계속 흐를 수 있도록 회로를 형성하는 다이오우드(5a,5b)가 추가되는 구조이다. 먼저 MOSFET 스위치 3a에 ON 신호가 인가되어 충전 펄스 전류가 코일 6a 를 흐르면,코일 6a가 없는 도 1 경우에 비하여 태양광 모듈의 전압과 납축전지 전압의 차이에 비례하는 전류 에너지가 코일 6a에 저장된다. 시간 주기를 마치게 되면 MOSFET 스위치 3a에 ON 신호가 제거되어, 충전 펄스 전류가 차단되는데, 코일 6a가 없는 도 1의 경우에는 충전이 중단되나, 도 3의 코일이 있는 구조에서는 코일 6a에 저장된 전류에너지가 납축전지 7a 및 다이오우드 5a를 통하여 폐회로를 형성하면서 납축전지에 에너지를 저장하게 된다. 이로써 태양광 모듈과 납축전지의 전압 차이를 전류 형태로 변환시켜 저장케 함으로써 기존의 단순 충전제어시스템에서 손실되는 전력을 어느 정도 회수할 수 있어 전류 증대 효과를 나타낼 수 있게 된다. 이 발명은 독립형 태양광 발전시스템을 위주로 설명하였으나, 풍력 발전 시스템 등 대체 에너지를 통한 발전 전력을 저장하는 다른 대체에너지 원의 독립형 발전 시스템에도 적용될 수 있다.

이 발명에서는 전력 저장 장치가 필요한 독립형 대체에너지 발전 시스템의 충전제어시스템에 있어서, 충전 초기부터 2개 혹은 그 이상의 납축전지에 교대로 충전 펄스 전류를 인가함으로써, 납축전지의 황산납화 방지, 충전 효율 및 납축전지의 수명 연장을 이룰 수 있다. 아울러 충전 펄스 전류를 코일에 인가함으로써, 태양광 모듈의 전압과 납축전지 전압의 차이에 비례하는 전류 에너지를 코일에 저장하였다가 충전 펄스 전류가 차단되는 시기에 납축전지에 충전할 수 있어 전력 저장 효율을 높일 수 있다.

Claims (1)

1. 독립형 태양(대체) 에너지 발전용 충방전제어시스템에 있어서,

   전력의 저장 및 방전을 하는 납축전지, 충전을 제어하는 충전 스위치와 구동부, 방전을 제어하는 방전 스위치와 구동부, 충전 스위치 와 납축전지 사이에 인덕턴스 코일을 직렬로 연결하고, 그 앞단에 다이오우드를 접지로 연결한 충방전 제어구조가 2개 이상 여러 개로 병렬 구성되어 있고 이를 제어하는 마이크로프로세서 제어부로 구성되어, 태양(풍력)발전 모듈로부터의 전력을 펄스 형태로 각각의 납축전지에 교대로 충전시켜 충전 효율 및 납축전지 수명 연장을 도모하며, 태양광(풍력) 발전 모듈과 납축전지 간의 전압 차이를 코일을 이용하여 전류로 변환시킴으로써 발전 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 펄스 교대 충전 및 전류 증대형 충방전제어시스템.

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