KR100983035B1 - 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치가 개시된다. 전원 장치는 입력 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 컨버터부와, 컨버터부의 스위칭을 제어하여 최대 전력을 추종하기 위한 아날로그 소자로 구현된 최대 전력 추종부를 포함하며, 최대 전력 추종부는 입력 전원의 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압으로부터 전압 변화량 및 전력 변화량을 연산하는 연산기와, 전력 변화량을 전압 변화량으로 나눈 후 적분한 결과 값과 사전에 설정된 기준 신호와 비교하여 그 비교 결과에 따라 컨버터부의 스위칭 온 듀티를 제어하는 스위칭 제어 신호를 제공하는 스위칭 제어기를 포함함으로써, 마이크로 콘트롤러를 사용하지 않고 간단한 회로로 구현하여 제조 비용 및 회로 면적을 저감할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020080059286
태양광 발전 장치(Solar Photovoltatic Power Generator), 최대 전력(Maximum Power), 최대 전력 추종(Maximum Power Point Tracking;MPPT)

Description

최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치{POWER SUPPLY HAVING MAXIMUM POWER POINT TRACKING FUNCTION}
본 발명은 전원 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 전원 장치 특히 태양광을 이용하여 전원을 공급하는 태양광 발전 장치에 있어서 최대 전력값을 추종하도록 전력 변화량을 전압 변화량으로 나눈 값의 적분 결과에 따라 전원 스위칭을 제어하는 최대 전력 추종부를 마이크로 콘트롤러를 사용하지 않고 간단한 회로로 구현하여 제조 비용 및 회로 면적을 저감할 수 있는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치에 관한 것이다.
가전용 기기 및 산업용 기기에 구동 전원을 공급하는 전원 장치는 각 기기 구동에 있어서 필수적으로 채용된다.
이러한 전원 장치 중 태양광 발전 장치는 최근 들어 친환경적이고, 자원의 고갈이 없는 무한대의 에너지원을 사용하여 새로운 전원 공급 장치로 각광을 받고 있다.
이러한 태양광 발전 장치는 새로운 대체 에너지 제공 장치로서 각광을 받고 있으나, 발전 효율이 낮아 태양광 발전 장치에서 최대 전력을 추출할 수 있도록 하는 최대 전력 추종(Maximum Power Point Tracking;MPTT) 제어가 반드시 필요하다.
태양광 발전 장치에서 최대 전력을 추출할 수 있는 최대 전력점은 일사량 및 표면온도 등의 환경 조건에 따라 변동하고, 전력을 발생하는 동작점은 부하 조건에 따라 결정된다.
이에 따라, 태양광 발전 장치에서 최대 전력을 추출하기 위해서는 동작점이 최대 전력점을 추종하도록 동작점을 제어해야될 필요가 있다.
그러나, 이러한 최대 전력점을 추종하기 위해서는 마이크로 컨트롤러(Micro Controller)와 같은 고가의 제어 소자가 요구되어 지고, 이러한 제어 소자를 위한 복잡한 주변 회로가 필요하게 되어 제조 비용 상승과 회로 면적 증가의 문제점이 발생한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 최대 전력값을 추종하도록 전압 변화량과 전력 변화량의 나눈 값의 적분 결과에 따라 전원 스위칭을 제어하는 최대 전력 추종부를 마이크로 콘트롤러를 사용하지 않고 간단한 회로로 구현하여 제조 비용 및 회로 면적을 저감할 수 있는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 컨버터부와, 컨버터부의 스위칭을 제어하여 최대 전력을 추종하기 위한 아날로그 소자로 구현된 최대 전력 추종부를 포함하며, 최대 전력 추종부는 입력 전원의 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압으로부터 전압 변화량 및 전력 변화량을 연산하는 연산기와, 전력 변화량을 전압 변화량으로 나눈 후 적분한 결과 값과 사전에 설정된 기준 신호와 비교하여 그 비교 결과에 따라 컨버터부의 스위칭 온 듀티를 제어하는 스위칭 제어 신호를 제공하는 스위칭 제어기를 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 연산기는 상기 입력 전원으로부터 검출된 전류 및 전압을 곱하여 전력을 출력하는 곱셈 유닛과, 상기 곱셈 유닛으로부터의 전력을 샘플링하는 제1 샘플링 유닛과, 상기 제1 샘플링 유닛으로부터의 샘플링된 전력값과 상기 곱셈 유닛로부터의 곱셈 유닛으로부터 전력 변환량을 연산하는 제1 연산 유닛과, 상기 입력 전원으로부터 검출된 전압을 샘플링하는 제2 샘플링 유닛과, 상기 제2 샘플링 유닛으로터의 샘플링된 전압 값과 상기 검출된 전압 값으로부터 전압 변화량을 연산하는 제2 연산 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭 제어기는 상기 연산기로부터의 전력 변화량을 전압 변화량으로 나누는 나눗셈 유닛과, 상기 나눗셈 유닛으로부터의 결과값을 적분하는 적분 유닛과, 상기 적분 유닛으로부터의 적분 값이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 낮으면 상기 컨버터부의 스위칭 듀티를 늘리는 스위칭 제어 신호를 제공하고 상기 적분 유닛으로부터의 적분 값이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 높으면 상기 컨버터부의 스위칭 듀티를 줄이는 스위칭 제어 신호를 제공하는 비교 유닛을 포함할 수 있고, 상기 기준 신호는 사전에 설정된 신호 레벨을 갖는 톱니파일 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 컨버터부는 상기 입력 전원 의 전압 레벨을 승압하는 인덕터와, 상기 스위칭 제어 신호에 따라 상기 인덕터로부터의 전원을 스위칭하는 스위치와, 상기 스위치로부터의 스위칭된 전원을 정류하는 다이오드와, 상기 다이오드로부터의 정류된 전원을 안정화하는 캐패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전원 장치는 상기 컨버터부로부터의 직류 전원을 사전에 설정된 교류 전원으로 변환하는 인버터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 샘플링 유닛은 샘플 앤 홀드(Sample And Hold) 방식으로 상기 전력 값 또는 전압 값을 샘플링할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 입력 전원은 태양 전지판으로부터 입력된 전원일 수 있고, 상기 전원 장치는 태양광 발전 장치일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전원 장치 특히 태양광 발전 장치에 있어서 최대 전력 추종 기능을 구현하는 데 있어 최대 전력값을 추종하도록 전압 변화량과 전력 변화량의 나눈 값의 적분 결과에 따라 적분전원 스위칭을 제어하는 최대 전력 추종부를 마이크로 콘트롤러를 사용하지 않고 간단한 회로로 구현하여 제조 비용 및 회로 면 적을 저감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 전원 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 장치(100)는 컨버터부(10)와 최대 전력 추종부(120)를 포함한다. 이러한 본 발명의 전원 장치(100)는 태양 전지판(A)으로부터의 전원을 상용 전원으로 변환하는 태양광 발전 장치일 수 있다.
컨버터부(10)는 태양 전지판(A)으로부터의 입력 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원으로 변환한다.
이를 위해, 컨버터부(10)는 인덕터(L),스위치(S), 다이오드(D) 및 캐패시터(C)로 구성될 수 있다.
인덕터(L)는 태양 전지판(A)로부터의 전원의 전압 레벨을 승압하고, 스위치(S)는 인버터(L)로부터의 승압된 전원을 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭한다. 스위치(S)로부터의 스위칭된 전원을 다이오드(D)을 통해 정류되고, 캐패시터(C)을 통해 안정화된다.
한편, 태양 전지판(A)으로부터의 전류-전압 및 전력-전압 그래프는 도 2를 참조하면 알 수 있다.
도 2는 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프를 나타내며, 도 2를 참조하면, 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성은 전압이 증가되어도 전류가 일정하게 유지되다가, 특정 전압 이상이면 전류를 급격히 감소하게 된다. 이를 태양 전지판으로부터의 전력-전압 특성 그래프와 비교해보면, 전압의 증가에 따라 전력이 증가되고, 최대 전력점(Pmax) 이상에서는 전력이 급격히 감소하게되는 특성이 발생한다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 장치(100)의 최대 전력 추종부(120)는 태양 전지판(A)으로부터 전류 및 전압을 검출하고, 전압 변화량 및 전력 변화량을 연산하는 연산기(121)와, 연산기(121)로부터의 상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 후 적분한 결과 값과 사전에 설정된 기준 신호와 비교하여 그 비교 결과에 따라 컨버터부(10)의 스위칭 온 듀티를 제어하는 스위칭 제어 신호를 제공하는 스위칭 제어기 (122)를 포함할 수 있다.
더하여, 본 발명의 전원 장치(100)는 컨버터(10)로부터의 직류 전원을 사전에 설정된 교류 전원으로 변환하는 인버터부(130)을 더 포함할 수 있고, 인버터부(130)로부터의 교류 전원은 가전 제품과 같은 전자 제품을 구동할 수 있는 상용 교류 전원일 수 있다.
본 발명의 전원 장치(100)의 최대 전력 추종부(120)에 포함된 연산기(121)는 태양 전지판(A)으로부터 검출된 전류 및 전압을 곱셈하는 곱셈 유닛(121a)과, 곱셈 유닛(121a)로부터의 전력 값을 사전에 설정된 스텝 수로 샘플링하는 제1 샘플링 유닛(121b)과, 곱셈 유닛(121a)으로부터의 전력 값에 제1 샘플링 유닛(121b)로부터의 샘플링된 전력 값을 감산하는 제1 연산 유닛(121c)을 포함한다. 제1 연산 유닛(121c)으로부터의 전력 변화량(△P)은 스위칭 제어기(122)에 전달된다.
또한, 연산기(121)는 태양 전지판(A)으로부터 검출된 전압 값을 사전에 설정된 스텝 수로 샘플링하는 제2 샘플링 유닛(121d)과, 검출된 전압 값에 제2 샘플링 유닛(121d)로부터의 샘플링된 전압 값을 감산하는 제2 연산 유닛(121e)을 포함하고, 제2 연산 유닛(121e)으로부터의 전압 변화량(△V)은 스위칭 제어기(122)에 전달된다. 상술한 제1 및 제2 샘플링 유닛(121b, 121d)는 샘플 앤 홀드(Sample and Hold) 방식으로 전압값 또는 전력값을 샘플링할 수 있다.
스위칭 제어기(122)는 컨버터부(10)의 스위칭 제어를 위해 연산기(121)로부터의 전력 변화량(△P)을 전압 변화량(△V)으로 나누는 나눗셈 유닛(122a)과, 나눗셈 유닛(122a)으로부터의 나눗셈 결과 값을 적분하는 적분 유닛(122b)과, 적분 유닛(122b)으로부터의 적분 결과 값을 사전에 설정된 신호 레벨을 갖는 기준 신호와 비교하여 그 비교 결과에 따라 컨버터부(10)의 스위칭을 제어하는 비교 유닛(122c)을 포함한다.
적분 유닛(122b)는 다음의 수학식에 따라 나눗셈 유닛(122a)로부터의 나눗셈 결과 값을 적분한다.
(수학식)
Figure 112008044993450-pat00001
(여기서, K는 사전에 설정된 상수,
Figure 112008044993450-pat00002
는 전력 변화량,
Figure 112008044993450-pat00003
는 전압 변화량을 나타낸다.)
적분 유닛(122b)으로부터의 적분 결과를 전달받은 비교 유닛(122c)은 상기 적분 결과와 상기 기준 신호의 레벨을 비교한다. 여기서, 상기 기준 신호는 사전에 설정된 신호 레벨을 갖는 톱니파일 수 있으며, 그 비교 결과에 따라 컨버터부(10)의 스위치(S)의 온 듀티를 제어한다.
이에 따라, 나눗셈 유닛(122a)으로부터의 나눗셈 결과 값에 따라 스위칭 듀티가 결정되며, 나눗셈 결과 값이 음수이면 스위칭 온 듀티를 증가시키고, 양수이면 스위칭 온 듀티를 감소시키는 제어를 실행한다.
도 2를 참조하면, 태양 전지판(A)로부터의 출력 전압이 최대 전력점(Pmax)의 전압(VMPP)보다 크고, 초기 동작점의 전압(VOC)보다 작은 경우, 태양전지판(A)으로부터의 전류가 최대 전력점(Pamx)의 전류(IMPP)보다 작으므로, 컨버터부(10)의 스위치(S)의 스위칭 온 듀티를 증가시켜 태양 전지판(A)로부터의 출력 전류를 증가시킴으로 최대 전력점(Pmax)에서 동작하도록 한다.
반대로, 태양 전지판(A)로부터의 출력 전압이 최대 전력점(Pmax)의 전압(VMPP)보다 작은 경우 태양 전지판(A)로부터의 출력 전류는 최대 전력점(Pmax)의 전류(IMPP)보다 크고, 최대 전류(ISC)보다 작으므로, 컨버터부(10)의 스위치(S)의 스위칭 온 듀티를 감소시켜 태양 전지판(A)로부터의 출력 전류를 감소시킴으로 최대 전력점(Pmax)에서 동작하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 최대 전력 추종부(120)는 태양 전지판(A)으로부터의 전압 및 전력 변화량에 따라 컨버터부(10)의 스위치(S)의 스위칭 온 듀티를 제어하여 전원 장치(100)의 동작점이 최대 전력점(Pamx)을 추종하도록 제어한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 전원 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 전원 장치에 채용된 태양 전지판으로부터의 전류-전압 및 전압-전력 특성 그래프.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
100...전원 장치 10...컨버터부
120...최대 전력 추종부 121...연산기
121a...곱셈 유닛 121b...제1 샘플링 유닛
121c...제1 연산 유닛 121d...제2 샘플링 유닛
121e...제2 연산 유닛 122...스위칭 제어기
122a...나눗셈 유닛 122b...적분 유닛
122c...비교 유닛 130...인버터부

Claims (8)

  1. 입력 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하는 컨버터부; 및
    상기 컨버터부의 스위칭을 제어하여 최대 전력을 추종하기 위한 아날로그 소자로 구현된 최대 전력 추종부를 포함하며,
    상기 최대 전력 추종부는
    상기 입력 전원의 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압으로부터 전압 변화량 및 전력 변화량을 연산하는 연산기; 및
    상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 후 적분한 결과 값과 사전에 설정된 기준 신호와 비교하여 그 비교 결과에 따라 상기 컨버터부의 스위칭 온 듀티를 제어하는 스위칭 제어 신호를 제공하는 스위칭 제어기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 연산기는
    상기 입력 전원으로부터 검출된 전류 및 전압을 곱하여 전력을 출력하는 곱셈 유닛;
    상기 곱셈 유닛으로부터의 전력을 샘플링하는 제1 샘플링 유닛;
    상기 제1 샘플링 유닛으로부터의 샘플링된 전력값과 상기 곱셈 유닛로부터의 곱셈 유닛으로부터 전력 변환량을 연산하는 제1 연산 유닛;
    상기 입력 전원으로부터 검출된 전압을 샘플링하는 제2 샘플링 유닛; 및
    상기 제2 샘플링 유닛으로터의 샘플링된 전압 값과 상기 검출된 전압 값으로부터 전압 변화량을 연산하는 제2 연산 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어기는
    상기 연산기로부터의 전력 변화량을 전압 변화량으로 나누는 나눗셈 유닛;
    상기 나눗셈 유닛으로부터의 결과값을 적분하는 적분 유닛; 및
    상기 적분 유닛으로부터의 적분 값이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 낮으면 상기 컨버터부의 스위칭 듀티를 늘리는 스위칭 제어 신호를 제공하고 상기 적분 유닛으로부터의 적분 값이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 높으면 상기 컨버터부의 스위칭 듀티를 줄이는 스위칭 제어 신호를 제공하는 비교 유닛을 포함하고,
    상기 기준 신호는 사전에 설정된 신호 레벨을 갖는 톱니파인 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 컨버터부는
    상기 입력 전원의 전압 레벨을 승압하는 인덕터;
    상기 스위칭 제어 신호에 따라 상기 인덕터로부터의 전원을 스위칭하는 스위치;
    상기 스위치로부터의 스위칭된 전원을 정류하는 다이오드; 및
    상기 다이오드로부터의 정류된 전원을 안정화하는 캐패시터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원 장치는 상기 컨버터부로부터의 직류 전원을 사전에 설정된 교류 전원으로 변환하는 인버터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 샘플링 유닛은 샘플 앤 홀드(Sample And Hold) 방식으로 상기 전력 값 또는 전압 값을 샘플링하는 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 입력 전원은 태양 전지판으로부터 입력된 전원이고, 상기 전원 장치는 태양광 발전 장치인 것을 특징으로 하는 최대 전력 추종 기능을 갖는 전원 장치.
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