KR101032693B1 - 극한 서바이벌 모드로 배터리를 관리하는 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

극한 서바이벌 모드로 배터리를 관리하는 발전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 또는 풍력 등의 발전이 장시간 이루어지지 못하는 극한 상황에서 배터리 방전을 최대한 억제하여 배터리 완전 방전이 되지 않도록 함으로써, 배터리 교체에 대한 비용 손실을 없애고 태양광 또는 풍력 등의 발전이 다시 이루어지면 시스템이 신속히 가동이 회복되도록 하는 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

극한 서바이벌 모드로 배터리를 관리하는 발전 시스템 및 방법{Generation System and Method for Managing Battery Based on Limiting Survival Mode}
본 발명은 독립형 발전 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 태양광 또는 풍력 등의 발전이 장시간 이루어지지 못하는 극한 상황에서 배터리 방전을 최대한 억제하여 배터리 완전 방전이 되지 않도록 함으로써, 배터리 교체에 대한 비용 손실을 없애고 태양광 또는 풍력 등의 발전이 다시 이루어지면 시스템이 신속히 가동이 회복되도록 하는 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현재 태양광이나 풍력 발전용 인버터를 사용하는 독립형 발전 시스템은 별도로 계통망에서 전력을 공급받지 못하여 장기간 태양광 또는 풍력 발전이 멈추어 있을 경우 배터리가 완전 방전되어 배터리가 회생되지 못하는 상태가 되며, 다시 태양광이나 풍력 발전에 의해 에너지가 공급되더라도 배터리를 충전하지 못하고 시스템 가동 자체가 중단되게 된다. 이때 인력을 투입하여 배터리를 교체해야 하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제는 배터리로부터 전원을 인가받아 동작하는 마이컴의 제어에 의해 전체 시스템이 관리되기 때문이다. 주변 환경에 의해 극한 상황이 되면 태양광 또는 풍력 발전이 정지되는데 이 때에도 기존의 마이컴은 그대로 동작상태를 유지해 배터리 충전 준비와 전체 시스템 제어 상태를 유지하고 있으므로, 이에 따라 태양광 또는 풍력 차단 상태가 오래 지속되면 배터리 완전 방전에 의해 마이컴 동작도 정지된다. 이 상태에서 태양광 또는 풍력 발전이 다시 시작되더라도 마이컴에 전원이 공급되지 않기 때문에 배터리 충전이나 시스템 관리가 불가능하고, 발전 시스템은 동작 불능 상태에서 벗어날 수 없고, 불가피하게 완전 방전된 배터리를 완충된 배터리로 교체해 주어야만 한다. 대부분 독립형 태양광 또는 풍력 발전기가 도심에 밀집되어 있는 것은 아니므로, 배터리 교체 작업은 시간, 비용상의 많은 손실을 가져올 수 있다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 태양광 또는 풍력 등의 발전이 장시간 이루어지지 못하는 극한 상황에서 시스템 내에서 소비되는 주전력을 차단하고 극한의 최소 전력 소비로 배터리 방전을 최대한 억제하며, 태양광 또는 풍력 등의 발전이 다시 이루어지면 회생모드로 모든 발전 전력을 배터리 충전에만 사용하게 하여 배터리를 먼저 회생시킨 이후 정상 동작을 수행함으로써 시스템 전체의 가동 중단 상태에서의 회복 불능 상태를 회피할 수 있는 발전 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 독립형 발전 시스템의 발전 방법은, 배터리의 전력으로 동작하는 주제어 회로의 제어에 따라, 발전으로 생성된 전력을 충전회로를 통해 허용 최대 전류로 상기 배터리에 충전하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 변환기로 변환하여 계통에 공급하는 정상 모드 단계; 상기 배터리의 전압이 제1임계치 미만에서, 상기 주제어 회로의 동작을 차단하여 상기 배터리의 전력 소모를 줄이는 극한 서바이벌 모드 단계; 및 상기 배터리의 전압이 상기 제1임계치 이상에서 제2임계치가 될 때까지, 상기 주제어 회로의 동작 차단 상태를 유지하고, 상기 충전 회로가 상기 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 회생 모드 단계를 포함하고, 상기 회생 모드 단계에서 상기 배터리의 전압이 상기 제2임계치 이상으로 충전되면, 상기 정상 모드에 따른 충전과 계통 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 발전이 풍력, 태양광, 태양열, 조력, 수력, 또는 지열로 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 독립형으로 발전하는 발전 시스템은, 발전기에서 생성된 전력을 배터리로 충전하는 충전회로; 상기 배터리의 전력을 변환하여 계통에 공급하는 전력 변환기; 및 상기 배터리의 전력으로 동작하며, 정상 모드에서 상기 충전회로를 통해 상기 발전기에서 생성된 전력을 허용 최대 전류로 상기 배터리에 충전하도록 제어하고, 상기 전력 변환기를 통해 상기 배터리에 충전된 전력을 변환하여 계통에 공급하도록 제어하는 주제어 회로, 및 상기 배터리의 전력으로 동작하며, 상기 배터리의 전압을 감시하는 모드 제어 회로를 포함하는 제어부를 포함하고, 상기 모드 제어 회로는, 상기 배터리의 전압이 제1임계치 미만에서 극한 서바이벌 모드로 전환하여, 상기 주제어 회로의 동작을 차단하여 상기 배터리의 전력 소모를 줄이며, 상기 배터리의 전압이 상기 제1임계치 이상에서 회생 모드로 전환하여, 상기 배터리의 전압이 제2임계치가 될 때까지, 상기 주제어 회로의 동작 차단 상태를 유지하고, 상기 충전 회로가 상기 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 상기 배터리를 충전하도록 제어하며, 상기 배터리의 전압이 상기 제2임계치 이상으로 충전되면, 상기 정상 모드로 다시 전환하여 상기 정상 모드에 따른 충전과 계통 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전회로는 상기 회생 모드에서 상기 미리 설정된 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 제1회로와 상기 정상 모드에서 상기 허용 최대 전류로 상기 배터리를 충전하는 제2회로를 포함하고, 상기 회생 모드에서 상기 정상 모드로 다시 회복할 때, 상기 주제어 회로가 상기 제2회로를 동작시켜 상기 배터리를 충전하도록 제어하고 상기 제2회로에서 발생한 제어 신호에 따라 상기 제1회로의 동작을 정지시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발전 시스템 및 방법에 따르면, 태양광 또는 풍력 등의 발전이 장시간 이루어지지 못하는 극한 상황에서 배터리 방전을 최대한 억제하여 배터리 완전 방전이 되지 않도록 하고, 태양광 또는 풍력 등의 발전이 다시 이루어지면 시스템이 신속히 가동이 회복되도록 함으로써, 배터리 완전 방전 시에 인력을 파견하여 배터리를 교체해야 하는 비용 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 특허기술을 활용하여 발전 시스템에서 마이컴을 제외한 부분을 하나의 IC(집적회로)로 만들거나, 마이컴 등의 프로세서와 다수의 외부소자를 하나의 IC(집적회로)로 구성하면 전체적인 시스템의 간소화가 가능해지고, 고신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발전 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발전 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발전 시스템(100)은, 계통망에서 별도의 전력을 공급받지 않고 태양광이나 태양열 또는 풍력 등(이외에도 조력, 수력, 또는 지열 등일 수 있음)의 에너지 원을 이용하여 독립형으로 전력을 발생시켜 계통에 공급하기 위한 시스템으로서, 발전기(110), 충전회로(120), 배터리(130), 전력변환기(140), 및 제어부(150)를 포함한다. 제어부(150)는 주제어회로(151)와 모드 제어회로(152)를 포함한다. 주제어회로(151)는 마이콤(MOCOM) 등의 프로세서를 포함하고, 모드 제어회로(152)는 모드 제어를 위한 회로를 포함하며, 주제어회로(151)와 모드 제어회로(152)는 하나의 IC(집적회로)로 구성될 수 있고, 경우에 따라서는 충전회로(120)나 전력변환기(140)도 주제어회로(151)와 모드 제어회로(152)가 포함된 IC(집적회로) 내에 구현될 수도 있다.
제어부(150)는 배터리(130)의 전력으로 동작하며, 위와 같은 발전 시스템(100)의 각부의 구성 요소의 전반적인 제어를 담당한다. 특히, 주제어회로(151)는 하기하는 정상 모드에서 발전 시스템(100)의 각부의 구성 요소의 전반적인 제어를 담당하며, 모드 제어회로(152)는 배터리(130)의 전압을 감시하여 하기하는 극한 서바이벌 모드와 회생 모드에서 주제어회로(151)의 동작을 정지시키고 대기 상태로 유지시키며, 회생 모드에서는 충전회로(120)가 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 배터리(130)를 충전하도록 제어한다.
발전기(110)는 태양 전지 또는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전 수단들을 모두 포함한다. 예를 들어, 태양 전지는 복수의 반도체 소자를 2차원으로 배열한 구성을 가질 수 있으며, 태양광을 받으면 PN 접합 또는 금속-반도체 접합 구조의 접점에서 전자-정공쌍을 발생시켜 전류가 흐르도록 함으로써 일정 전압의 전기적 에너지를 발생시킬 수 있는 발전 장치이다. 또한, 태양열, 풍력, 조력, 수력, 또는 지열을 이용해 터빈을 회전시켜 모터 등의 발전 수단을 이용해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다.
충전회로(120)는 발전기(110)에서 생성된 전력을 배터리(130)로 충전하는 데, 도 2와 같이 정상 모드에서는 주제어회로(151)의 제어에 따라 정상 회로(121)를 통해 허용 최대 전류로 배터리(130)를 충전할 수 있으며, 극한 서바이벌 모드에서는 주제어회로(151)의 동작이 정지되므로 배터리(130) 충전을 중단하고, 다만, 회생 모드에서는 모드 제어회로(152)의 제어에 따라 회생 회로(122)를 통해 상기 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 배터리(130)를 충전할 수 있다.
전력변환기(140)는 발전기(110)가 배터리(130)를 충전함에 따라 배터리(130)의 전력을 변환하여 계통에 공급한다. 전력변환기(140)는 배터리(130)의 일정 DC 전압(예를 들어, 12V 등)을 일정 AC 전압(예를 들어, 220V, 330V 등)으로 변환하는 인버터 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력변환기(140)는 정상 모드에서 배터리(130)의 전력을 변환하여 계통에 공급함으로써 전력 회사에 판매하거나 수용가에서 전력을 사용하도록 할 수 있으며, 극한 서바이벌 모드에서 잠시 동작을 멈추고 회생 모드를 거쳐 정상 모드로 회복되면 다시 계통에 전력을 공급할 수 있다.
예를 들어, 정상 모드에서는, 제어부(150)의 주제어 회로(151)의 제어에 따라, 충전회로(120)의 정상회로(121)를 통해 발전기(110)에서 생성된 전력을 허용 최대 전류로 배터리(130)에 충전하도록 제어되며, 전력 변환기(140)를 통해 배터리(130)에 충전된 전력을 변환하여 계통에 공급하도록 제어된다(도 3의 S10 참조). 즉, <정상 모드>에서, 주제어 회로(151)의 마이콤 등을 통해 전체 시스템이 관리되며, 정상적인 발전 및 배터리(130) 충전이 이루어져 계통에 전력이 공급된다.
모드 제어회로(152)는 배터리(130)의 전압을 항상 감시하고 있으며, 배터리(130)의 전압이 제1임계치(예를 들어, 10V) 미만이 되면 극한 서바이벌 모드로 전환하여, 주제어회로(151)의 동작을 차단시켜 배터리(130)의 전력 소모를 줄이게 된다. 즉, 외부 환경에 의해 발전이 중단되면(도 3의 S20 참조) 배터리(130) 방전이 이루어지고, 발전 중단 상태가 오래 지속되어 배터리(130)의 전압이 제1임계치(예를 들어, 10V) 미만으로 저전압이 되면(도 3의 S30 참조) 모드 제어회로(152)는 <극한 서바이벌 모드>로 전환한다(도 3의 S31 참조). 극한 서바이벌 모드로 진입한다는 것은 일정 시간 후에 다시 태양광 또는 풍력 등 에너지원이 인가될 때 다시 회생하기 위함이다. 따라서, <극한 서바이벌 모드>에서 극한의 최소 전력을 소비하면서 배터리 방전을 최대한 지연시키며, 발전 중단 상황이 해소되고 다시 태양광 또는 풍력 등이 인가될 때 이를 감지하여 다시 배터리(130) 충전 및 전체 시스템을 활성화시키고자 한다. <극한 서바이벌 모드>에서는 전력 소비가 많은 주제어회로(151)의 동작을 차단시켜 충전 또는 전력 변환을 위한 제어에 소모되는 주전력이 차단되도록 한다(도 3의 S32 참조). 이때에는 배터리(130)가 저전압 상태가 되었기 때문에 배터리(130)를 통한 정상적인 전력 활용은 불가능한 상태가 되기 때문에 가장 많은 전력을 소모하는 주 전력을 차단한다. 이때 주제어회로(151)의 동작은 일시 멈추고 대기 상태를 유지하며, 태양광 또는 풍력 등의 인가 여부를 감지하기 위한 모드 제어회로(152) 이외의 모든 회로 동작을 중지시켜서 극한의 최소 전류만 소비하도록 한다(도 3의 S33 참조).
모드 제어회로(152)는 배터리(130)의 전압을 계속하여 감시하고 있으며, 태양광 또는 풍력 등이 다시 인가됨에 따라 배터리(130)의 전압이 점차 증가하면(도 3의 S40 참조), 배터리(130)의 전압이 제1임계치(예를 들어, 10V) 이상에서 회생 모드로 전환한다. 배터리(130)의 전압이 제2임계치(예를 들어, 14V)가 될 때까지 회생 모드가 유지되며(도 3의 S50 참조), 이때에는 아직 주제어회로(151)의 동작 차단 상태가 유지되며, 다만, 모드 제어회로(152)는 충전 회로(120)가 정상 모드에서의 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 배터리(130)를 충전하도록 제어한다(도 3의 S51 참조). 모드 제어회로(152)는 회생 모드에서 충전 회로(120)의 정상 회로(121)를 위와 같은 미리 설정된 충전 전류로 배터리(130)를 충전하도록 제어할 수 있다(도 3의 S52 참조). 이와 같이, 태양광 또는 풍력 등의 에너지원이 다시 인가되는 경우 극한 서바이벌 모드에서 벗어나 회생 모드로 진입하며, 회생 모드로 진입하면 태양광 또는 풍력 등에 의한 발전기(110)의 발전으로 생성되는 전력을 이용해 충전 회로(120)를 동작시켜서 배터리(130) 전압을 정상 전압 수준으로 상승시키는 것이다. 이때에는 사전 설정된 전류로 배터리(130)를 충전하고, 태양광 또는 풍력이 인가된다 하더라도 배터리가 아직 낮은 전압 상태이기 때문에 전체 시스템을 완전히 활성화시키고 정상 충전 상태로 가기에는 전력이 부족한 상황일 수 있다. 때문에 배터리가 정상 전압 수준에 이르기 전까지는 모든 전력을 배터리 충전에만 사용하게 하여 먼저 사전에 설정된 회생 모드시 충전전류 수준으로 배터리(130)를 충전하는 것이다.
한편, 배터리(130) 전압이 정상 수준이 되면, 예를 들어, 배터리(130)의 전압이 제2임계치(예를 들어, 14V)이상이 되면, 모드 제어회로(152)는 정상 모드로 다시 전환하며(도 3의 S60 참조), 정상적인 동작 상태를 유지하여 정상 모드에 따른 충전과 계통 공급이 이루어지도록 제어한다(도 3의 S61 참조). 모드 제어회로(152)는 주제어회로(151)의 마이컴 등에 배터리(130)의 전력을 공급하여 주제어회로(151)가 정상적으로 충전과 계통 공급을 제어하도록 하며, 이에 따라 주제어회로(151)는 충전 회로(120)의 정상 회로(121)를 동작시켜 정상 회로(121)가 허용 최대 전류로 배터리(130)를 충전하도록 제어할 수 있다(도 3의 S62 참조). 다만, 회생 모드에서 사전 설정된 전류로 배터리(130)를 충전하였던 회생 회로(122)는 정상 회로(121)에서 발생되는 소정 제어 신호(예를 들어, 스위칭 신호)에 따라 동작이 정지될 수 있다. 전력변환기(140)는 발전기(110)가 정상 모드에서 배터리(130)를 충전함에 따라 배터리(130)의 전력을 변환하여 계통에 공급한다(도 3의 S63 참조).
모드 제어회로(152)는 배터리(130)의 전압을 계속하여 감시하여 이와 같은 정상 모드, 극한 서바이벌 모드, 회생 모드 동작이 이루어지도록 제어하며, 이에 따라 본 발명에서는 태양광 또는 풍력 등의 발전이 장시간 이루어지지 못하는 극한 상황에서도 시스템 내에서 소비되는 주전력을 차단하고 극한의 최소 전력 소비로 배터리 방전을 최대한 억제하며, 태양광 또는 풍력 등의 발전이 다시 이루어지면 회생모드로 모든 발전 전력을 배터리 충전에만 사용하게 하여 배터리를 먼저 회생시킨 이후 정상 동작을 수행함으로써 시스템 전체의 가동 중단 상태에서의 회복 불능 상태를 회피할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
발전기: 110
충전회로: 120
배터리: 130
전력변환기: 140
제어부: 150
주제어회로: 151
모드제어회로: 152

Claims (4)

  1. 독립형 발전 시스템의 발전 방법에 있어서,
    배터리의 전력으로 동작하는 주제어 회로의 제어에 따라, 발전으로 생성된 전력을 충전회로를 통해 허용 최대 전류로 상기 배터리에 충전하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 변환기로 변환하여 계통에 공급하는 정상 모드 단계;
    상기 배터리의 전압이 제1임계치 미만에서, 상기 주제어 회로의 동작을 차단하여 상기 배터리의 전력 소모를 줄이는 극한 서바이벌 모드 단계; 및
    상기 배터리의 전압이 상기 제1임계치 이상에서 제2임계치가 될 때까지, 상기 주제어 회로의 동작 차단 상태를 유지하고, 상기 충전 회로가 상기 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 회생 모드 단계를 포함하고,
    상기 회생 모드 단계에서 상기 배터리의 전압이 상기 제2임계치 이상으로 충전되면, 상기 정상 모드에 따른 충전과 계통 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전이 풍력, 태양광, 태양열, 조력, 수력, 또는 지열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  3. 독립형으로 발전하는 발전 시스템에 있어서,
    발전기에서 생성된 전력을 배터리로 충전하는 충전회로;
    상기 배터리의 전력을 변환하여 계통에 공급하는 전력 변환기; 및
    상기 배터리의 전력으로 동작하며, 정상 모드에서 상기 충전회로를 통해 상기 발전기에서 생성된 전력을 허용 최대 전류로 상기 배터리에 충전하도록 제어하고, 상기 전력 변환기를 통해 상기 배터리에 충전된 전력을 변환하여 계통에 공급하도록 제어하는 주제어 회로, 및 상기 배터리의 전력으로 동작하며, 상기 배터리의 전압을 감시하는 모드 제어 회로를 포함하는 제어부를 포함하고,
    상기 모드 제어 회로는,
    상기 배터리의 전압이 제1임계치 미만에서 극한 서바이벌 모드로 전환하여, 상기 주제어 회로의 동작을 차단하여 상기 배터리의 전력 소모를 줄이며,
    상기 배터리의 전압이 상기 제1임계치 이상에서 회생 모드로 전환하여, 상기 배터리의 전압이 제2임계치가 될 때까지, 상기 주제어 회로의 동작 차단 상태를 유지하고, 상기 충전 회로가 상기 허용 최대 전류 보다 작은 수준의 미리 설정된 충전 전류로 상기 배터리를 충전하도록 제어하며, 상기 배터리의 전압이 상기 제2임계치 이상으로 충전되면, 상기 정상 모드로 다시 전환하여 상기 정상 모드에 따른 충전과 계통 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전회로는 상기 회생 모드에서 상기 미리 설정된 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 제1회로와 상기 정상 모드에서 상기 허용 최대 전류로 상기 배터리를 충전하는 제2회로를 포함하고,
    상기 회생 모드에서 상기 정상 모드로 다시 회복할 때, 상기 주제어 회로가 상기 제2회로를 동작시켜 상기 배터리를 충전하도록 제어하고 상기 제2회로에서 발생한 제어 신호에 따라 상기 제1회로의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11214735A (ja) 1998-01-27 1999-08-06 Fuji Electric Co Ltd 太陽光発電システムにおける蓄電池保護方式
KR20060057115A (ko) * 2004-11-23 2006-05-26 한전기공주식회사 태양광 발전시스템 및 방법
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