KR101097260B1 - 계통 연계형 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템 제어 방법 - Google Patents

계통 연계형 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컨버터 효율을 높일 수 있는 계통 연계형 전력 저장 시스템 및 이를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 계통 연계형 전력 저장 시스템은 발전 모듈의 발전 전력을 측정하여 컨버터를 선택적으로 구동함으로써 컨버터 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

계통 연계형 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템 제어 방법{Grid-connected energy storage system and method for controlling grid-connected energy storage system}
본 발명은 발전 시스템 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 계통 연계형 전력 저장 시스템 및 이를 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컨버터 효율을 높일 수 있는 계통 연계형 전력 저장 시스템 및 이를 제어하는 방법에 관한 것이다.
근래 국내외 환경변화에 따라 신재생 에너지의 중요성이 새롭게 재인식되고 있다. 신재생 에너지는 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 핵심 해결방안이라는 점에서 선진국을 비롯하여 각 국가에서 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 신재생 에너지 중 태양 에너지를 이용하여 전력을 발전시키는 태양광 발전 시스템은 공해가 없고, 설치 및 유지보수가 용이하다는 장점 등으로 인해 최근 각광을 받고 있다. 이러한 신재생 에너지 발전 시스템은 다수의 발전 모듈에 하나의 컨버터를 이용하여 전력을 변환하고 있어 각 모듈별로 에너지 발전량이 달라질 경우 컨버터의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전 모듈별로 에너지 발전량이 달라지더라도 컨버터의 효율을 높일 수 있는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 발전 모듈과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템은, 상기 다수의 발전 모듈 각각의 발전 전력을 특정 레벨의 직류 전력으로 변환하는 다수의 컨버터; 상기 다수의 발전 모듈 각각에 직렬로 연결되는 다수의 직렬 스위치와 상기 다수의 발전 모듈을 서로 연결하는 다수의 병렬 스위치를 포함하는 스위치부; 및 상기 각 발전 모듈을 상기 다수의 컨버터 중 상기 각 발전 전력을 기초로 선택된 컨버터로 연결하기 위해, 상기 다수의 직렬 스위치 및 상기 다수의 병렬 스위치를 제어하는 제어기;를 포함하고, 상기 제어기는 상기 다수의 발전 모듈의 발전 전력량에 따라 상기 다수의 컨버터 중 하나 이상의 컨버터를 선택적으로 구동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 발전 모듈과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템을 제어하는 방법은, 상기 다수의 발전 모듈 각각의 발전 전력을 측정하는 단계; 상기 다수의 발전 모듈 각각에 대응하는 다수의 컨버터 중 상기 발전 전력을 기초로 선택된 컨버터로 상기 각 발전 모듈을 연결하기 위해, 상기 다수의 발전 모듈 각각에 직렬로 연결되는 다수의 직렬 스위치와 상기 다수의 발전 모듈을 서로 연결하는 다수의 병렬 스위치를 제어하는 단계; 및 상기 연결된 컨버터가 입력 전력을 특정 레벨의 직류 전력으로 변환하는 단계를 포함하고, 상기 다수의 발전 모듈의 발전 전력량에 따라 상기 다수의 컨버터 중 하나 이상의 컨버터를 선택적으로 구동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 선택된 컨버터는 가동 시간이 최단 컨버터일 수 있다.
삭제
본 발명은, 상기 발전 전력이 제1 기준전력 이상인 경우, 상기 발전 모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시킨다.
또한 본 발명은, 상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 경우, 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 제2 기준전력 이하인지 판단하는 단계; 및 상기 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력 이하인 경우, 상기 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들을 미가동 컨버터들 중 선택된 하나의 컨버터로 연결하기 위해, 해당 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력을 초과하는 경우, 인접한 두 개의 발전 모듈의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력 이하인지 판단하는 단계; 및 상기 인접한 두 개의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력 이하인 경우, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈을 대응하는 컨버터들 중 선택된 하나의 컨버터로 연결하기 위해, 해당 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈의 발전 전력이 상기 제2 기준전력을 초과하는 경우, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 계통 연계형 전력 저장 시스템은 다수의 발전 모듈과 다수의 컨버 터를 포함하여 컨버터를 개별적, 독립적으로 구동시킬 수 있다.
또한 본 발명은 발전 모듈과 컨버터 사이에 연결된 직렬 스위치와 발전 모듈 간에 연결된 병렬 스위치를 구비하여 발전 모듈의 발전 전력을 기초로 컨버터를 선택하여 구동함으로써 컨버터 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)(이하 '전력 저장 시스템'이라 한다)은 발전 시스템(130)과 계통(140)을 연계하여 부하(150)에 전력을 제공한다.
발전 시스템(130)은 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 시스템이다. 발전 시스템(130)은 전기 에너지를 발전하여 전력 저장 시스템(100)으로 출력한다. 발전 시스템(130)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템일 수 있으며, 그 밖에 태양열, 지열 등과 같은 신재생 에너지(renewable energy)를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템을 모두 포함한다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(130)은 다수의 발전모듈(모듈1 내지 모듈n)을 병렬로 구비하여 발전모듈별로 에너지를 생성함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(140)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(140)은 정상 상태인 경우, 전력 저장 시스템(100) 또는 부하(150)로 전력을 공급하고, 전력 저장 시스템(100)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(140)이 비정상 상태인 경우, 계통(140)으로부터 전력 저장 시스템(100) 또는 부하(150)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(100)으로부터 계통(140)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(150)는 발전 시스템(130)으로부터 발전된 전력, 저장 장치(120)에 저장된 전력, 또는 계통(140)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
전력 저장 시스템(100)은 발전 시스템(130)으로부터 발전한 전력을 저장 장치(120)에 저장하고, 발전한 전력을 계통(140)으로 보낼 수 있고, 또한 저장 장치(120)에 저장된 전력을 계통(140)으로 전달하거나, 계통(140)에서 공급된 전력을 저장 장치(120)에 저장할 수 있다. 또한, 전력 저장 시스템(100)은 이상 상황, 예를 들면 계통(140)의 정전 발생 시에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(150)에 전력을 공급할 수 있고, 계통(140)이 정상인 상태에서도 발 전 시스템(130)이 발전한 전력이나 저장 장치(120)에 저장되어 있는 전력을 부하(150)로 공급할 수 있다.
전력 저장 시스템(100)은 컨버터(111), 양방향 인버터(112), 양방향 컨버터(113), 통합 제어기(114), 배터리 관리부(Battery Management System: 이하 'BMS'라 한다)(115), DC 링크부(116), 및 스위치 수단(117)을 포함한다.
컨버터(111)는 발전 시스템(130)과 제1 노드(N1) 사이에 연결되며, 발전 시스템(130)으로부터 발전한 전력을 제1 노드(N1)로 전달한다. 컨버터(111)의 동작은 발전 시스템(130)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 발전 시스템(130)이 교류 전력을 출력하는 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등인 경우, 컨버터(111)는 발전 시스템(130)의 교류 전력을 제1 노드(N1)의 직류 전력으로 변환한다. 발전 시스템(130)이 직류 전력을 출력하는 태양전지인 경우, 컨버터(111)는 발전 시스템(130)의 직류 전력을 제1 노드(N1)의 직류 전력으로 변환한다. 컨버터(111)는 통합 제어기(114)의 제어에 따라 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템 또는 조력 발전 시스템의 발전 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking, 이하 'MPPT'라 한다) 제어를 수행한다. 컨버터(111)는 발전 시스템(130)의 각 발전모듈에 대응하는 다수의 컨버터(컨버터1 내지 컨버터n)를 포함한다. 컨버터1 내지 컨버터n은 스위치 수단(117)을 통해 발전모듈1 내지 발전모듈n과 선택적으로 연결된다. 스위치 수단(117)은 하나 이상의 발전모듈을 하나 이상의 컨버터에 동시에 또는 순차적으로 연결할 수 있도록 구성된다.
DC 링크부(116)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(212) 사이에 연결되어 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 유지시킨다. 제1 노드(N1)는 발전 시스템(130) 또는 계통(140)의 순시 전압 강하, 부하(150)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나 제1 노드(N1)의 전압은 양방향 컨버터(113) 및 양방향 인버터(112)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(116)는 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨 안정화를 위해 구비될 수 있으며, 예를 들면, 커패시터 등으로 구현될 수 있다. 상기 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 DC 링크부(116)가 별도로 구비된 예를 도시하였지만, DC 링크부(116)가 양방향 컨버터(113), 양방향 인버터(112), 또는 컨버터(111) 내에서 구현되는 실시예 또한 가능하다.
양방향 인버터(112)는 제1 노드(N1)와 계통(140) 사이에 연결되는 전력변환기이다. 양방향 인버터(112)는 계통(140)으로부터 입력되는 AC 전압을 배터리(120)에 저장하기 위한 DC 전압으로 정류하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(112)는 발전 시스템(130) 또는 배터리(120)로부터 출력된 DC 전압을 계통(140)의 AC 전압으로 변환하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(112)는 계통(140)으로 출력되는 AC 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
양방향 컨버터(113)는 제1 노드(N1)와 배터리(120) 사이에 연결되는 전력변 환기이다. 양방향 컨버터(113)는 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압을 배터리(120)에 저장하기 위한 DC 전압으로 변환하고, 배터리(120)에 저장된 DC 전압을 제1 노드(N1)에 전달하기 위한 DC 링크 전압 레벨로 변환한다. 예를 들면, 양방향 컨버터(113)는 발전 시스템(130)에서 발전된 직류전력을 또는 계통(140)에서 공급된 교류 전력을 배터리(120)에 충전하는 경우, 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨을 배터리 저장 전압으로 감압하는 벅 컨버터로 동작한다. 또한, 양방향 컨버터(113)는 배터리(120)에 충전된 전력을 계통(140) 또는 부하(150)에 공급하는 경우, 배터리 저장 전압을 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 승압하는 부스트 컨버터로 동작한다.
배터리(120)는 발전 시스템(130) 또는 계통(140)으로부터 공급된 전력을 저장한다. 배터리(120)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들면 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리(120)의 개수는 전력 관리 시스템(110)에 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 결정될 수 있다.
BMS(115)는 배터리(120)에 연결되고, 통합 제어기(114)의 제어에 따라 배터리(120)의 충방전 동작을 제어한다. 배터리(120)로부터 양방향 컨버터(130)로의 방전 전류 및 양방향 컨버터(130)로부터 배터리(120)로의 충전 전류는 BMS(120)를 통해서 전달된다. 또한, BMS(115)는 배터리(120)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(115)는 배터 리(120)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명 등을 모니터링하고, 관련 정보를 통합 제어기(114)에 전송할 수 있다. 본 실시예에서는 BMS(115)가 배터리(120)와 분리되어 구비되어 있지만, BMS(115)와 배터리(120)가 일체로 배터리 팩으로 구성될 수 있음은 물론이다.
통합 제어기(114)는 계통(140)으로부터 계통의 전압, 전류, 온도 등을 포함하는 계통 정보를 제공받는다. 통합 제어기(114)는 이러한 계통 정보에 따라 계통(140)의 이상 상황 발생 여부 등을 판단한다. 통합 제어기(114)는 계통(140)이 비정상 상태일 때, 부하(150)로 배터리(120)에 저장된 전력 또는 발전 시스템(130)에서 발전된 전력을 출력하고, 전력 관리 시스템(100)으로부터 계통(140)으로 전력을 공급하는 것을 차단한다.
통합 제어기(114)는 배터리(120)에 저장된 전력을 계통(140)으로 공급하도록 전력 저장 시스템(100)의 각 구성 요소들을 제어한다. 전력 저장 시스템(100)은 배터리(120)에 저장된 전력을 계통(140)으로 공급하여, 전력을 계통(140)으로 무상 공급하거나 판매할 수 있다. 또한, 전력 저장 시스템(100)은 발전 시스템(130)으로부터 공급된 전력을 계통(140)으로 매전할 수 있다.
통합 제어기(114)는 컨버터(111), 양방향 인버터(112), 양방향 컨버터(113) 각각의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 제어 신호를 전송한다. 여기서, PWM 제어 신호는 각각의 컨버터 또는 인버터의 입력 전압에 따른 듀티 비 최적 제어를 통해 컨버터 또는 인버터의 전력 변환에 따른 손실을 최소화한다. 이를 위해, 통합 제어기(114)는 컨버터(111), 양방향 인버터(112), 양방향 컨버터(113)의 각각의 입력 단에서 전압, 전류, 온도를 감지한 신호를 제공받아, 이러한 감지 신호들을 기초로, 컨버터 제어 신호와 인버터 제어 신호를 전송한다. 통합 제어기(114)는 발전 시스템(130)을 구성하는 발전모듈의 출력 전력을 각각 측정하여 컨버터(111)에 선택적으로 연결한다. 통합 제어기(114)의 컨버터(111) 선택 동작은 이하 상세히 설명하겠다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 전력 저장 시스템에서 발전 시스템을 컨버터에 연결시키는 스위치 수단을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 도 2의 제어기(214)의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전력 저장 시스템(200)은 태양광 발전 시스템(230)을 발전시스템으로 하는 경우를 설명하며, 타 발전 시스템에도 동일하게 적용 가능하다.
전력 저장 시스템(200)은 태양광 발전 시스템(230)으로부터 발전된 전력을 배터리(220)에 저장하거나, 계통(240) 또는 부하(250)에 제공한다.
태양광 발전 시스템(230)은 일조량에 따라 직류전류를 출력하는 다수의 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)을 병렬로 구비한다. 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)은 일사량, 온도 및 운전 동작점 조건에 따라 출력이 변동된다. 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 각각은 원하는 용량의 출력을 얻기 위해서 다수의 태양전지 셀을 직렬 및 병렬 연결하여 사용할 수 있다. 도 2에서는 세 개의 태양전지모듈이 도시되어 있으나, 설치 장소 또는 목표 발전량을 위한 설계 사항에 따라 태양전지모듈은 세 개 이상 구비될 수 있다.
컨버터(211)는 발전 시스템(230)으로부터 출력된 직류 전력을 소정 레벨의 직류 전력으로 변환한다. 컨버터(211)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 개수에 대응하여 다수의 컨버터(211a, 211b, 211c)를 병렬로 구비한다. 따라서 태양전지모듈의 출력 전력을 개별적 및 독립적으로 변환하여 컨버터의 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 컨버터(211a, 211b, 211c)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 발전 전력량에 따라 선택적으로 동작하도록 제어된다. 예를 들어, 에너지를 생성하는데 좋지 않은 기후이거나, 모듈의 설치 장소 또는 방향에 따라 태양전지모듈별로 발전 전력이 달라질 수 있다. 이런 경우 각 태양전지모듈에 직렬로 연결된 컨버터를 모두 동작시키게 되면 컨버터의 효율이 떨어지게 된다. 따라서 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 발전 전력량에 따라 컨버터(211a, 211b, 211c)들 중 하나 이상의 컨버터를 선택 구동시킴으로써 컨버터의 효율을 높이도록 한다. 컨버터(211)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 상황에 따라 최대 출력점을 추종하도록 제어된다.
양방향 인버터(212)는 계통(240)으로부터 입력되는 AC 전압을 배터리(220)에 저장하기 위한 DC 전압으로 정류하여 출력한다. 또한 DC/AC 인버터(212)는 발전시스템(230) 또는 배터리(220)로부터 출력된 DC 전압을 계통(240)의 AC 전압으로 변환하여 출력한다.
양방향 컨버터(213)는 발전 시스템(230)으로부터 출력된 직류 전압을 배터리 저장 전압으로 감압하고, 배터리 저장 전압을 계통(240) 또는 부하(250)로 제공하기 위한 DC 링크 전압 레벨로 승압한다.
배터리(220)는 발전 시스템(230) 또는 계통(240)으로부터 공급된 전력을 저 장한다. 배터리(220)는 BMS(215)와 일체로 배터리 팩으로 구성된다.
스위치(217)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)을 컨버터(211a, 211b, 211c)로 직렬 연결하는 선로 상에 구비되는 직렬 스위치(SWa, SWb, SWc) 및 선로를 연결하여 태양전지모듈(230a와 230b, 230b와 230c, 230c와 230a)을 연결하는 병렬 스위치(SW1, SW2, SW3)를 포함한다. 직렬 스위치(SWa, SWb, SWc) 및 병렬 스위치(SW1, SW2, SW3)의 온/오프 동작은 제어기(214)의 동작 알고리즘에 따라 제어된다.
제어기(214)는 컨버터(211)가 최대 출력점을 추종하도록 제어한다. 이를 위해 제어기(214)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 출력전력을 측정하게 되고 다양한 알고리즘의 연산을 통해 컨버터(211)가 최대출력이 발생되는 운전 모드에서 동작하도록 제어하게 된다. 제어기(214)는 컨버터(211)의 발전효율을 최적화하기 위해, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)을 스위치(217)를 통해 컨버터(211a, 211b, 211c)로 연결한다. 예를 들어, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 각각의 발전 전력을 측정하고, 스위치(217)를 통해 발전 전력이 낮은 태양전지모듈은 컨버터와 연결을 차단시키거나, 다른 태양전지모듈과 함께 동일한 컨버터에 연결시킴으로써, 컨버터의 입력 전력을 높여 컨버터의 효율을 최대화할 수 있고, 또한 컨버터의 수명을 늘릴 수 있게 된다. 또한 제어기(214)는 주기적으로 컨버터 상태를 모니터링하여 고장 등으로 이상이 발생한 컨버터를 제외시킴으로써 시스템 동작의 오류를 최소화할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어기(214)는 발전량 측정부(301), 컨버터 모니터부(203), 연산부(305), 및 스위치 제어부(307)를 포함한다. 제어기(214)는 도 1의 통합 제어기(114)의 일 기능부로 동작하도록 구성될 수도 있고, 통합 제어기(114)와 별도로 구비될 수도 있다.
발전량 측정부(301)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 각각의 출력전력(Pout)을 측정한다(S400). 출력 전력은 정해진 주기로 측정될 수도 있고, 또는 상황에 따라 운영자의 제어에 의해 설정된 시기에 측정될 수도 있다.
컨버터 모니터부(203)는 컨버터(211a, 211b, 211c) 각각의 고장 여부 및 동작 상태를 주기적으로 모니터링하고 경고할 수 있다. 컨버터 모니터부(203)는 컨버터(211a, 211b, 211c) 각각에 대하여, 고장 및 교체 여부, 가동 횟수, 가동 시간 등의 기본 정보를 데이터베이스화하고, 주기적으로 업데이트한다.
연산부(305)는 발전량 측정부(301)로부터의 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 각각의 출력 전력과 컨버터 모니터부(203)로부터 컨버터(211a, 211b, 211c) 각각의 정보를 입력받는다. 연산부(305)는 입력된 정보를 기초로 각 태양전지모듈의 출력 전력을 기준 전력값과 비교 판단한다.
스위치 제어부(307)는 연산부(305)의 연산 결과에 따라 컨버터를 선택하고, 태양전지모듈을 선택된 컨버터에 연결하기 위해 해당하는 직렬 스위치 또는 병렬 스위치를 온시키는 제어 신호를 스위치(217)로 출력한다. 컨버터는 컨버터의 가동 시간, 컨버터의 가동 횟수, 컨버터의 배열 순서, 임의 선택 등을 기준으로 선택될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 이하에서는 도 3을 함께 참조하여 설명하겠다.
발전량 측정부(301)는 각 발전모듈의 발전 전력, 즉 출력 전력(Pout)을 측정한다(S400). 출력 전력은 정해진 주기마다 또는 운영자의 제어에 의해 설정된 시기에 측정될 수도 있다.
연산부(305)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 각각의 출력 전력을 제1 비교값과 비교한다(S410). 제1 비교값은 컨버터의 최대 출력 전력에 요구되는 입력 전력의 소정 비율로 설정되며, 예를 들어 입력 전력의 70%로 설정될 수 있다.
스위치제어부(307)는 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 중 출력 전력이 제1 비교값 이상인 발전모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시킨다(S420). 제1 비교값 이상인 발전모듈은 직렬 스위치에 의해 대응하는 컨버터와 직렬 연결되고, 연결된 컨버터는 전력 변환한다.
연산부(305)는 출력 전력이 제1 비교값보다 작은 나머지 태양전지모듈들에 대하여 모듈들의 출력 전력을 합산하고, 합산 값이 제2 비교값 이하인지를 판단한다(S430). 제2 비교값은 컨버터의 최대 출력 전력에 요구되는 입력 전력의 소정 비율로 설정되며, 제1 비교값보다 큰 값으로 설정되고, 예를 들어 입력 전력의 80%로 설정될 수 있다.
스위치제어부(307)는 출력 전력의 합산 값이 제2 비교값 이하이면, 미가동 컨버터들 중 가동시간이 가장 짧은 컨버터를 선택하고, 발전모듈들을 선택된 컨버터와 연결한다(S440). 각 발전모듈을 선택된 컨버터에 연결하기 위해 해당하는 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시킨다.
연산부(305)는 총 출력 전력이 제2 비교값을 초과하는 경우, 인접하는 두 개 의 태양전지모듈의 출력 전력을 합산하고, 합산한 값을 제2 비교값과 비교한다. (S450). 임의의 발전모듈(P)의 출력 전력과, 전단의 발전모듈(P-) 또는 후단의 발전모듈(P+)의 출력 전력의 합산 값을 제2 비교값과 비교한다.
스위치제어부(307)는 인접한 발전모듈들의 출력 전력 합산 값이 제2 비교값 이하인 경우, 인접한 두 개의 발전 모듈을, 대응하는 컨버터들 중 가동시간이 짧은 컨버터로 연결한다(S460). 각 발전모듈을 선택된 컨버터에 연결하기 위해 해당하는 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시킨다. 전단의 발전모듈(P-) 또는 후단의 발전모듈(P+)의 출력 전력과의 합산이 모두 제2 비교값보다 작으면, 그 값이 제2 비교값과 가까운 모듈들에 대하여 컨버터 선택 동작이 이루어질 수 있다.
스위치제어부(307)는 인접한 발전모듈들의 출력 전력 합산 값이 제2 비교값을 초과하는 경우, 각 발전모듈을 대응하는 컨버터로 연결한다(S470). 각 발전모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시킨다.
상술된 제어 방법을 적용한 일 예에서, 태양전지모듈(230a)의 출력 전력(P1)이 제1 비교값 이상인 경우, 직렬 스위치(SWa)를 온시킨다. 나머지 태양전지모듈(230b, 230c)의 출력 전력은 합산되고, 합산(P2+P3)이 제2 비교값 이하이면, 컨버터들(211b, 211c) 중 가동시간이 짧은 컨버터(211b)로 태양전지모듈(230b, 230c)을 연결한다. 따라서 직렬 스위치(SWb)와 병렬 스위치(SW2)가 온된다. 만일 태양전지모듈(230b, 230c)의 출력 전력의 합산(P2+P3)이 제2 비교값을 초과하면, 직렬 스위치(SWb)와 직렬 스위치(SWc)를 각각 온시킨다.
다른 예에서, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)이 모두 제1 비교값 미만이면, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 출력 전력을 모두 합산하고, 합산(P1+P2+P3)이 제2 비교값 이하이면, 컨버터들(211a, 211b, 211c) 중 가동시간이 짧은 컨버터(211b)로 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)을 연결한다. 따라서 직렬 스위치(SWb)와 병렬 스위치(SW1, SW2)가 온된다. 만일, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)의 출력 전력의 합산(P1+P2+P3)이 제2 비교값을 초과하면, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c) 각각에 대해 전단과의 합 또는 후단과의 합 중 제2 비교값 이하인 태양전지모듈들을 결정한다. (P1+P2)는 제2 비교값보다 크고, (P2+P3)는 제2 비교값보다 작으면, 태양전지모듈들(230b, 230c)을 컨버터(211b, 211c) 중 가동시간이 짧은 컨버터(211b)로 연결한다. 따라서 직렬 스위치(SWb)와 병렬 스위치(SW2)가 온된다. 나머지 태양전지모듈(230a)은 직렬 스위치(SWa)를 통해 컨버터(211a)로 연결될 수도 있고, 다음 발전 전력 측정 시기까지 대기될 수도 있다. (P1+P2)와 (P2+P3) 모두 제2 비교값보다 크면, 태양전지모듈(230a, 230b, 230c)은 각각 스위치(SWa, SWb, SWc)를 통해 컨버터(211a, 211b, 211c)에 연결된다. (P1+P2)와 (P2+P3) 모두 제2 비교값보다 작으면, 그 값이 제2 비교값과 가까운 모듈들(P1+P2)이 선택되고, 컨버터(211a, 211b) 중 가동시간이 짧은 컨버터(211b)로 연결한다. 따라서 직렬 스위치(SWb)와 병렬 스위치(SW1)가 온된다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 전력 저장 시스템에서 발전 시스템을 컨버터에 연결시키는 스위칭 수단을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 제어기의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 제어 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.

Claims (15)

  1. 다수의 발전 모듈과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템에 있어서,
    상기 다수의 발전 모듈 각각의 발전 전력을 특정 레벨의 직류 전력으로 변환하는 다수의 컨버터;
    상기 다수의 발전 모듈 각각에 직렬로 연결되는 다수의 직렬 스위치와 상기 다수의 발전 모듈을 서로 연결하는 다수의 병렬 스위치를 포함하는 스위치부; 및
    상기 각 발전 모듈을 상기 다수의 컨버터 중 상기 각 발전 전력을 기초로 선택된 컨버터로 연결하기 위해, 상기 다수의 직렬 스위치 및 상기 다수의 병렬 스위치를 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 다수의 발전 모듈의 발전 전력량에 따라 상기 다수의 컨버터 중 하나 이상의 컨버터를 선택적으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 각 발전 전력을 측정하는 발전량측정부;
    상기 각 발전 전력을 기준전력과 비교하는 연산부; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 각 발전 모듈을 선택된 컨버터로 연결하기 위해 해당 스위치로 온/오프 제어신호를 출력하는 스위치제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 컨버터는 가동 시간이 최단 컨버터인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 스위치제어부는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 이상인 발전 모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위치제어부는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 제2 기준전력 이하이면, 상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들을 미가동 컨버터들 중 선택된 하나의 컨버터로 연결하기 위해, 해당 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스위치제어부는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력을 초과하고, 인접한 두 개의 발전 모듈의 발전 전력이 상기 제2 기준전력 이하이면, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈을 대응하는 컨버터들 중 선택된 하나의 컨버터로 연결하기 위해, 해당 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 스위치제어부는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력을 초과하고, 인접한 두 개의 발전 모듈의 발전 전력이 상기 제2 기준전력을 초과하면, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 발전 모듈은 태양 전지인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템.
  9. 다수의 발전 모듈과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 다수의 발전 모듈 각각의 발전 전력을 측정하는 단계;
    상기 다수의 발전 모듈 각각에 대응하는 다수의 컨버터 중 상기 발전 전력을 기초로 선택된 컨버터로 상기 각 발전 모듈을 연결하기 위해, 상기 다수의 발전 모듈 각각에 직렬로 연결되는 다수의 직렬 스위치와 상기 다수의 발전 모듈을 서로 연결하는 다수의 병렬 스위치를 제어하는 단계; 및
    상기 연결된 컨버터가 입력 전력을 특정 레벨의 직류 전력으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 다수의 발전 모듈의 발전 전력량에 따라 상기 다수의 컨버터 중 하나 이상의 컨버터를 선택적으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 선택된 컨버터는 가동 시간이 최단 컨버터인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 스위치 제어 단계는,
    상기 각 발전 전력을 기준전력과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 각 발전 모듈을 선택된 컨버터로 연결하기 위해 해당 스위치로 온/오프 제어신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 온/오프 제어신호를 출력하는 단계는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 이상인 경우, 상기 발전 모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 온/오프 제어신호를 출력하는 단계는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 제2 기준전력 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력 이하인 경우, 상기 제1 기준전 력 미만인 발전 모듈들을 미가동 컨버터들 중 선택된 하나의 컨버터로 연결하기 위해, 해당 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 온/오프 제어신호를 출력하는 단계는,
    상기 발전 전력이 제1 기준전력 미만인 발전 모듈들의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력을 초과하는 경우, 인접한 두 개의 발전 모듈의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 인접한 두 개의 발전 전력의 합산이 상기 제2 기준전력 이하인 경우, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈을 대응하는 컨버터들 중 선택된 하나의 컨버터로 연결하기 위해, 해당 직렬 스위치 및 병렬 스위치를 온시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 온/오프 제어신호를 출력하는 단계는,
    상기 인접한 두 개의 발전 모듈의 발전 전력이 상기 제2 기준전력을 초과하는 경우, 상기 인접한 두 개의 발전 모듈에 연결된 직렬 스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 저장 시스템을 제어하는 방법.
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