KR101139476B1 - 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 최대전력점 추종 제어로 태양전지의 발전전압 크기를 조정하는 승압형 컨버터와, 축전지의 전력을 사용하여 부하에 전력을 공급하고 상용전원으로 축전지를 충전하도록 하는 쌍방향 인버터-충전기와, 태양전지의 발전전력과 부하 수요전력의 크기관계, 상용전원의 정전여부, 태양광 발전의 가능여부, 축전지의 만충전 여부 등을 포함한 다양한 상황에 대처할 수 있도록 전력흐름을 제어하는 제어부와, 태양광 발전전력, 소비부하 전력, 누적발전 전력량, 태양전지의 발생전압, 축전지의 충방전 전압, 고장 발생유무 및 고장 내용 등을 포함한 운전상황을 원격지에서 수시로 모니터링하고 감시할 수 있도록 하는 모니터링부를 구비함으로써, 전원공급의 안전성이 요구되는 설비, 피크전력을 해소해야 하는 전원설비, 정전에 대비한 비상전력이 필요한 전원장치, 설비증설에 대비한 전원용량 확장성이 보장되어야 하는 설비 등에 안정적으로 전원공급을 수행할 수 있는 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에 있어서, 상기 태양광 발전을 수행하는 태양전지; 상기 태양전지와 전기적으로 연결되어 최대전력점 추종(MPPT) 제어로 상기 태양전지의 발전전압의 크기를 조정하는 승압형 컨버터; 상기 승압형 컨버터와 전기적으로 연결되는 직류모선 전압부; 상기 직류모선 전압부와 전기적으로 연결되어 직류출력을 교류로 변환하는 인버터부; 상기 인버터부와 전기적으로 연결되는 연계출력 스위치; 상용교류전압을 사용하는 부하의 전자장해를 방지하기 위해 상기 연계출력 스위치와 상기 부하 사이에 구비되는 연계전원필터; 이차측이 상기 전원필터에 전기적으로 연결되는 변압기; 및 상기 변압기의 일차측과 상기 축전지에 전기적으로 연결되어 상기 축전지의 전력을 사용하여 상기 부하에 전력을 공급하고 상기 상용전원으로 상기 축전지를 충전하도록 하는 쌍방향 인버터-충전기(Inverter-Charger)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템을 제공한다.

Description

태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템{Multi-functional electric power supplying system for totally controlling solar cell, battery and commercial power source}

본 발명은 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 최대전력점 추종 제어로 태양전지의 발전전압 크기를 조정하는 승압형 컨버터와, 축전지의 전력을 사용하여 부하에 전력을 공급하고 상용전원으로 축전지를 충전하도록 하는 쌍방향 인버터-충전기와, 태양전지의 발전전력과 부하 수요전력의 크기관계, 상용전원의 정전여부, 태양광 발전의 가능여부, 축전지의 만충전 여부 등을 포함한 다양한 상황에 대처할 수 있도록 전력흐름을 제어하는 제어부와, 태양광 발전전력, 소비부하 전력, 누적발전 전력량, 태양전지의 발생전압, 축전지의 충방전 전압, 고장 발생유무 및 고장 내용 등을 포함한 운전상황을 원격지에서 수시로 모니터링하고 감시할 수 있도록 하는 모니터링부를 구비함으로써, 전원공급의 안전성이 요구되는 설비, 피크전력을 해소해야 하는 전원설비, 정전에 대비한 비상전력이 필요한 전원장치, 설비증설에 대비한 전원용량 확장성이 보장되어야 하는 설비 등에 안정적으로 전원공급을 수행할 수 있는 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에 관한 것이다.

최근 환경 문제와 에너지 문제가 주요 이슈가 되고 있다.

전통적인 발전설비에서는 석탄, 석유 등 화석연료를 이용하여 발전을 하는 바, 이들은 심각한 환경문제를 야기하고 있다. 특히, 이산화탄소의 배출에 따른 지구 온난화 문제가 큰 관심거리가 되고 있다.

이러한 상황에서 풍력, 파력 등과 함께 태양광을 이용한 발전방식에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 청정 에너지는 전세계적으로 차세대 성장동력으로 각광받고 있으며, 국가적 차원에서 많은 투자가 이루어지고 있다.

태양광을 이용한 발전방식 중 대표적인 것으로 태양전지가 있다. 태양전지는 다른 발전방식에 비하여 안전하고 취급이 용이하여 청정 에너지원으로 유망한 분야이다. 태양전지는 무한한 청정 에너지인 태양광 에너지를 에너지원으로 하여 전기에너지를 생산해 내는 것으로, 대체적으로 반도체 소자를 이용하고 있다.

태양전지에는 결정질 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 무정형 실리콘 태양전지, 구리 인듐 셀렌산염 태양전지, 복합 반도체 태양전지 등 반도체 재료에 따라 여러 가지가 있다. 이들 중에서도 비용 측면을 고려하여 박막 결정질 실리콘 태양 전지, 복합 반도체 태양 전지 및 무정형 실리콘 태양 전지에 대한 연구개발이 활발하다.

태양전지는 수명이 반영구적이고 소음이 없으며, 유지보수가 간단하고 소규모전원에서부터 대규모 발전소용까지 광범위한 적용이 가능한 장점이 있다. 현재 항공, 기상, 통신분야에까지 태양전지가 사용되고 있다. 태양전지에 대한 연구개발이 진전되어, 태양전지는 가로등 충전기에는 물론 주택이나 건물의 지붕과 벽체에 기존의 건축자재를 대신하여 사용되고 있는 실정이다. 또한, 최근에는 태양전지로 구동되는 태양광 자동차, 태양광 에어컨 등도 주목받고 있다.

태양광 발전의 경우 태양전지에 흡수된 일사량에 따라 전압과 전류가 변하는 특성을 가지고 있다. 따라서 이러한 태양광 전력을 축전지에 충전하기 위해서는 여러 번의 전력변환과정을 거쳐야 하며, 축전지에 충전된 잉여전력은 축전지에 저장하였다가 피크 전력시나 정전시 등 전원공급이 필요한 경우에 사용하게 된다.

태양광 발전에 의한 전력을 부하에 공급하고, 잉여전력을 축전지에 저장하며 상용전원과의 관계에서 전원공급을 원활히 수행하기 위해서는 일사량에 따른 태양전지의 최대전력을 이끌어 내면서 교류 발전전압을 일정하게 유지시키기 위한 직류변환부, 태양전지의 직류 전기에너지를 교류부하에서 사용하도록 변환하는 인버터 등을 포함하는 전원공급 시스템을 필요로 한다.

전력공급 시스템은 전원의 수요와 공급과 관련된 각 상황에서 적절히 제어하여 안정된 전원을 공급하여야 하고, 상용전원 부하에서 전력수요가 피크일 때 상용전력 부족으로 인한 전력 안정성 문제를 해결하여야 하며, 정전시에 대비하여 축전지에 의한 발전으로 비상전원으로의 역할을 수행하여야 할 뿐만 아니라, 정전 복구시에 태양광 발전 전력을 부하에서 사용하고 남은 전력은 축전지 충전 및 상용전력으로 역송전시킬 수 있어야 하고, 축전지의 충방전 관리를 통합적으로 제어할 수 있어야 한다.

그러나, 일반적인 태양광 발전용 전력공급 시스템은 이러한 다양한 기능들을 통합적으로 수행할 수 없으며, 각 상황별로 최적의 대응을 위한 제어가 이루어지지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 전원공급의 안정성을 극대화하고, 피크전력 상황에 유연하게 대처할 수 있으며, 상용전원의 정전시 비상전력을 공급할 수 있고, 설비 증설시 전원용량의 확장이 용이하도록 하는 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템은 상기 태양광 발전을 수행하는 태양전지; 상기 태양전지와 전기적으로 연결되어 최대전력점 추종(MPPT) 제어로 상기 태양전지의 발전전압의 크기를 조정하는 승압형 컨버터; 상기 승압형 컨버터와 전기적으로 연결되는 직류모선 전압부; 상기 직류모선 전압부와 전기적으로 연결되어 직류출력을 교류로 변환하는 인버터부; 상기 인버터부와 전기적으로 연결되는 연계출력 스위치; 상용교류전압을 사용하는 부하의 전자장해를 방지하기 위해 상기 연계출력 스위치와 상기 부하 사이에 구비되는 연계전원필터; 이차측이 상기 전원필터에 전기적으로 연결되는 변압기; 및 상기 변압기의 일차측과 상기 축전지에 전기적으로 연결되어 상기 축전지의 전력을 사용하여 상기 부하에 전력을 공급하고 상기 상용전원으로 상기 축전지를 충전하도록 하는 쌍방향 인버터-충전기(Inverter-Charger)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다기능 전력공급 시스템은 상기 변압기의 이차측에 전기적으로 연결되는 동기절체 스위치; 상기 상용전원과 상기 동기절체 스위치 사이에 구비되는 인버터-충전기 필터(Inverter-Charger Filter); 상기 태양전지의 발전전력과 상기 부하의 수요전력의 크기관계 및 상기 상용전원의 정전여부를 포함한 상황에 따라 전력흐름을 제어하는 제어부; 태양광 발전전력, 소비부하 전력, 누적발전 전력량, 상기 태양전지의 발생전압, 상기 축전지의 충방전 전압, 고장내용을 포함한 운전상황을 원격지에서 감시하기 위한 모니터링부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 태양광 발전전력이 상기 부하의 사용전력보다 큰 경우, 상기 제어부는 상기 연계출력 스위치를 온(ON) 시켜 상기 태양광 발전전력을 상기 부하에 공급하고, 잉여전력은 상기 변압기를 거쳐 상기 쌍방향 인버터-충전기에서 직류전압으로 변환한 후 상기 축전지를 충전하고, 상기 동기절체 스위치를 온(ON)시켜 상기 잉여전력을 상기 상용전원에 역송전하도록 제어하며, 상기 충전지가 만충전 상태이면 상기 축전지 충전을 정지하고 모든 잉여전력을 상기 상용전원에 역송전하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 태양광 발전전력이 상기 부하의 사용전력보다 작은 경우, 상기 제어부는 상기 태양광 발전전력과 상기 상용전원이 연계하여 상기 부하에 전력을 공급함으로써 상기 상용전원의 부담을 절감시킬 수 있다.

또한, 상기 상용전원이 정전인 경우 상기 제어부는 상기 태양광 발전전력과 상기 축전지의 전력을 동시에 상기 부하에 공급하고, 상기 상용전원의 정전이 복구될 경우 상기 제어부는 상기 동기절체 스위치를 무순단으로 동기절체하여 상기 태양광 발전전력과 상기 상용전원이 동시에 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.

본 발명에 의하면 최대전력점 추종 제어로 태양전지의 발전전압 크기를 조정하는 승압형 컨버터와, 축전지의 전력을 사용하여 부하에 전력을 공급하고 상용전원으로 축전지를 충전하도록 하는 쌍방향 인버터-충전기와, 태양전지의 발전전력과 부하 수요전력의 크기관계, 상용전원의 정전여부, 태양광 발전의 가능여부, 축전지의 만충전 여부 등을 포함한 다양한 상황에 대처할 수 있도록 전력흐름을 제어하는 제어부와, 태양광 발전전력, 소비부하 전력, 누적발전 전력량, 태양전지의 발생전압, 축전지의 충방전 전압, 고장 발생유무 및 고장 내용 등을 포함한 운전상황을 원격지에서 수시로 모니터링하고 감시할 수 있도록 하는 모니터링부를 구비함으로써, 전원공급의 안전성이 요구되는 설비, 피크전력을 해소해야 하는 전원설비, 정전에 대비한 비상전력이 필요한 전원장치, 설비증설에 대비한 전원용량 확장성이 보장되어야 하는 설비 등에 안정적으로 전원공급을 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템의 구성도,
도 2는 태양광 발전전력이 부하의 사용전력보다 큰 경우의 전력흐름도,
도 3은 도 2의 상황에서 축전지가 만충전되어 충전이 정지되고 모든 잉여전력이 상용전원으로 역송전되는 상태의 전력흐름도,
도 4는 태양광 발전전력이 부하의 사용전력보다 작은 경우의 전력흐름도,
도 5는 태양광 발전이 불가능한 경우의 전력 흐름도,
도 6은 도 5에서 축전지가 만충전 상태인 경우의 전력흐름도,
도 7은 상용전원이 정전된 상태에서 축전지와 태양광 발전전력이 연계하여 부하에 전력을 공급하는 경우의 전력흐름도,
도 8은 상용전원이 정전된 상태에서 태양광 발전이 불가능한 경우의 전력흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템은, 도 1을 참조하면, 태양전지(100), 승압형 컨버터(110), 직류모선 전압부(120), 인버터부(200), 연계출력 스위치(210), 연계전원필터(220), 축전지(300), 쌍방향 인버터-충전기(Inverter-Charger)(400), 변압기(500), 동기절체 스위치(520), 인버터-충전기 필터(Inverter-Charger Filter)(540), 제어부(800), 및 모니터링부(900)를 포함하여 이루어진다. 또한, 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 운영하기 위해 부하(600) 및 상용전원(700)이 상기 다기능 전력공급 시스템에 전기적으로 연결된다.

태양전지(100)는 청정 에너지인 태양광을 이용하여 전력을 생산함으로써, 환경영향을 최소화하고 고갈되어 가고 있는 화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지이다. 태양전지(100)는 다수개의 단위셀을 조합하여 모듈 형태로 설치되는 것이 일반적이다.

승압형 컨버터(110)는 태양전지(100)와 전기적으로 연결되어 태양전지(100)의 발전전압의 크기를 조정한다. 승압형 컨버터(110)는 태양전지의 전력을 최대한 끌어내기 위하여 최대전력점 추종(MPPT) 제어로 태양전지의 발전전압의 크기를 조절한다. 태양전지의 발전전력은 태양복사량, 온도, 전체 저항과 밀접한 관계가 있어 비선형 출력효율 특성을 갖는다. 승압형 컨버터(110)는 최대전력점 추종을 통해 어떠한 환경조건 하에서도 최대의 전력을 얻을 수 있도록 한다.

직류모선 전압부(120)는 승압형 컨버터(110)와 전기적으로 연결된다. 승압형 컨버터(110)에서 최대전력점 추종 제어를 하며 상용교류전압 변환에 부합하도록 승압시켜 직류모선 전압부(120)로 출력하게 된다.

인버터부(200)는 직류모선 전압부(120)와 전기적으로 연결되어 직류출력을 교류로 변환한다. 인버터부(200)는 직류모선 전압부(120)에서 출력되는 직류를 교류로 변환하여 상용교류전압에 동기하여 연계출력 스위치(210)로 출력한다.

연계출력 스위치(210)는 인버터부(200)와 전기적으로 연결되며, 제어부(800)에 의하여 온(ON)/오프(OFF)가 제어된다.

연계전원필터(220)는 상용교류전압을 사용하는 부하(600)의 전자장해를 방지하기 위해 연계출력 스위치(210)와 부하(600) 사이에 구비된다. 연계전원필터(220)는 연계출력 스위치(210)로부터의 송전을 필터링하여 부하(600)에 출력한다.

축전지(300)는 태양광 발전 불가능시, 상용전원 정전시 등 비상상황에서 부하에 전력을 공급하기 위해 구비된다. 전기는 발생 즉시 소비하지 않으면 없어지기 때문에 발전된 잉여전력은 반드시 저장하여야 하며, 이러한 전기저장매체로 본 발명에서는 축전지를 사용한다. 축전지(300)에 저장된 전력은 피크 전력시나 정전시 등 태양광 발전 또는 상용전원만으로 부하의 소비전력을 충당할 수 없을 경우에 사용된다.

쌍방향 인버터-충전기(400)는 변압기(500)의 일차측과 축전지(300)에 전기적으로 연결된다. 쌍방향 인버터-충전기(400)는 축전지(300)의 전력을 사용하여 부하(600)에 전력을 공급하고, 상용전원(700)으로 축전지(300)를 충전하도록 한다.

또한, 쌍방향 인버터-충전기(400)는 태양전지의 발전전력에 의한 잉여전력이 존재하는 경우, 변압기(500)를 거쳐 쌍방향 인버터-충전기(400)에서 교류를 축전지 충전을 위한 직류전압으로 변환하여 축전지(300)에 충전한다.

변압기(500)는 연계전원필터(220)와 쌍방향 인버터-충전기(400) 및 동기절체 스위치(520)에 전기적으로 연결된다. 보다 구체적으로 변압기(500)의 1차권선 측에는 쌍방향 인버터-충전기(400)가 전기적으로 연결되고, 2차권선 측에는 연계전원필터(220)와 동기절체 스위치(520)가 전기적으로 연결된다.

동기절체 스위치(520)는 변압기(500)의 이차측에 전기적으로 연결되어, 상용전원의 정전복구시 무순단으로 상용전원에 동기하여 절체되는 동기절체제어가 수행된다.

인버터-충전기 필터(540)는 상용전원(700)과 동기절체 스위치(520) 사이에 구비된다. 인버터-충전기 필터(540)는 태양전지의 발전전력에 의한 잉여전력이 존재하는 경우 동기절체 스위치(520)를 통해 송전된 전력을 필터링하여 상용전원(700)에 역송전할 수 있도록 한다.

제어부(800)는 태양전지(100)의 발전전력과 부하(600)의 수요전력의 크기관계, 상용전원(700)의 정전여부, 태양광 발전의 가능여부, 축전지(300)의 만충전 여부 등을 포함한 다양한 상황에 대처할 수 있도록 전력흐름을 제어한다. 제어부(800)의 구체적인 전력흐름 제어에 대해서는 도 2 내지 도 8에서 상세히 설명하기로 한다.

모니터링부(900)는 태양광 발전전력, 소비부하 전력, 누적발전 전력량, 태양전지의 발생전압, 축전지의 충방전 전압, 고장 발생유무 및 고장 내용 등을 포함한 운전상황을 원격지에서 수시로 모니터링하고 감시할 수 있도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합제어하는 다기능 전력공급 시스템은 승압형 컨버터를 통해 태양전지의 전력을 최대한 끌어내기 위한 최대전력점 추종 제어를 수행하고, 축전지의 발전전원에 연계되는 단위 역률제어를 수행한다. 또한, 상용전원 정전시에 출력을 정지시키는 단독운전 방지기능을 가지고 있고, 연계전원의 이상검출로서 고주파수 및 저주파수, 과전압 및 저전압 검출, 지락고장 검출기능이 있다. 또한, 상용전원 연계를 위한 출력전류 THD(Total Harmonics Distortion)의 차이가 3% 이내, 총합 5% 이내의 연계 인버터와 축전지를 사용한 인버터 기능과 상용전원 또는 태양광 발전전원을 이용하는 충전기능을 가지며, 정전 복구시에 무순단 절체가 가능한 쌍방향 인버터-충전기를 포함한다.

도 2는 태양광 발전전력이 부하의 사용전력보다 큰 경우의 전력흐름도이다. 도 3은 도 2의 상황에서 축전지가 만충전되어 충전이 정지되고 모든 잉여전력이 상용전원으로 역송전되는 상태의 전력흐름도이다.

태양광 발전전력이 부하의 사용전력보다 큰 경우, 제어부(800)는 연계출력 스위치(210)를 온(ON) 시켜 태양광 발전전력을 부하(600)에 공급하고, 잉여전력은 변압기(500)를 거쳐 쌍방향 인버터-충전기(400)에서 직류전압으로 변환한 후 축전지(300)를 충전한다. 그리고, 제어부(800)는 동기절체 스위치(520)를 온(ON) 시켜 잉여전력을 상용전원(700)에 역전송하도록 제어한다.

구체적으로, 태양전지(100)에서 발생된 직류 발전전압은 승압형 컨버터(110)에서 최대전력점 추종 제어를 하며, 상용교류전압 변환에 부합하도록 승압시켜 직류모선 전압부(120)에 출력한다. 이러한 직류모선 전압을 바탕으로 인버터부(200)에서 교류로 변환하여 상용교류전압에 동기하여 연계출력 스위치(210)로 투입하며, 이 전력은 부하에 전자장해가 발생하지 않도록 연계전원필터(220)를 거쳐 부하(600)에 출력된다.

부하(600)에 공급하고 남은 잉여전력은 변압기(500)를 거쳐 쌍방향 인버터-충전기(400)에서 축전지 충전용 직류전압으로 변환하여 축전지(300)를 충전하며, 상용전원 측의 동기절체 스위치(520)에 잉여전력이 투입되면 인버터-충전기 필터(540)를 통해 상용전원(700)에 역송전된다.

이때, 축전지(300)가 만충전 상태가 되어 충전전류가 정해진 값 이하로 떨어지면 충전운전은 정지하므로, 잉여전력은 전부 상용계통으로 역송전된다. 즉, 제어부(800)는 축전지가 만충전 상태이면 축전지 충전을 정지하고 모든 잉여전력을 상용전원(700)에 역송전하도록 제어한다(도 3 참조).

도 4는 태양광 발전전력이 부하의 사용전력보다 작은 경우의 전력흐름도이다.

태양광 발전전력이 부하의 사용전력보다 작은 경우, 예컨대 부하의 전력수요가 피크인 경우 상용전원과 태양광 발전전력이 부하에 전력을 공급한다. 즉, 제어부(800)는 태양광 발전전력과 상용전원(700)이 연계하여 부하(600)에 전력을 공급함으로써 상용전원(700)의 부담을 경감시킨다.

구체적으로, 상용전원(700)에서의 전력이 인버터-충전기 필터(540)를 거쳐 동기절체 스위치(520)를 투입하여 부하(600)에 전력을 공급하고, 태양광 발전출력도 도 2에서 설명한 전력흐름으로 부하(600)에 전력을 공급한다.

도 5는 태양광 발전이 불가능한 경우의 전력 흐름도이고, 도 6은 도 5에서 축전지가 만충전 상태인 경우의 전력흐름도이다.

태양광 발전이 불가능한 경우 상용전원(700)에서 입력된 전력으로 부하(600)에 전력을 공급하고, 동시에 축전지(300)에도 쌍방향 인버터-충전기(400)를 통하여 충전한다(도 5 참조).

이 상황에서 축전지(300)가 만충전 상태가 되면 쌍방향 인버터-충전기(400)는 충전을 멈추게 되어 충전운전은 정지되며, 상용전원(700)으로 부하(600)에 전력을 공급한다(도 6 참조).

도 7은 상용전원이 정전된 상태에서 축전지와 태양광 발전전력이 연계하여 부하에 전력을 공급하는 경우의 전력흐름도이고, 도 8은 상용전원이 정전된 상태에서 태양광 발전이 불가능한 경우의 전력흐름도이다.

상용전원(700)이 정전인 경우 태양광 발전을 할 수 있는 상황이면 제어부(800)는 태양광 발전전력과 축전지(300)의 전력을 동시에 부하(600)에 공급한다. 즉, 축전지(300)에 충전된 전력을 사용하여 쌍방향 인버터-충전기(400)에서 발전한 전력을 부하(600)로 공급함과 동시에, 태양광 발전전력도 부하(600)에 공급된다(도 7 참조).

상용전원(700)이 정전인 경우 태양광 발전을 할 수 없는 상황이면 제어부(800)는 축전지(300)에 의한 발전전력으로 부하(600)에 전력을 공급한다(도 8 참조).

한편, 상용전원(700)의 정전이 복구될 경우 제어부(800)는 동기절체 스위치(520)를 무순단으로 동기절체하여 태양광 발전전력과 상용전원이 동시에 부하에 전력을 공급하도록 제어한다. 즉, 상용전원(700)의 정전이 복구되면 도 6과 같이 동기절체 스위치(520)가 투입되어 무순단으로 축전지 발전전력에서 상용전력으로 절체된다.

상용전원 정전시에는 태양광 인버터는 발전을 즉각 정지하고, 고속도 ATS(자동절체스위치) 절체기능으로 절환하고 즉각 축전지에 의한 발전전력으로 부하에 전력을 공급하고 태양광 발전전력도 연계하여 부하에 전원을 공급한다.

상용전원의 정전 복구시에는 상용전원에 동기하는 절체 방식으로 무순단 절체제어기를 갖는다.

축전지는 항상 만충전 상태를 유지하고 관리되기 위해 상용전원 및 태양광 발전전력으로 부동충전, 균등충전, 균등충전시간 설정 등의 충전기능을 쌍방향 인버터-충전기가 수행한다. 또한, 저전압 축전지 또는 다양한 축전지 전압을 사용하여 상용전압으로 발전하기 위한 변압기를 구비하고 있으며, 모듈 형식으로 병렬운전을 수행할 수 있는 제어구조로 복수개 병렬구성에 의한 용량증설 및 삼상운전이 가능하도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 - 태양전지 110 - 승압형 컨버터
120 - 직류모선 전압부 200 - 인버터부
210 - 연계출력 스위치 220 - 연계전원필터
300 - 축전지 400 - 쌍방향 인버터-충전기
500 - 변압기 520 - 동기절체 스위치
540 - 인버터-충전기 필터 600 - 부하
700 - 상용전원 800 - 제어부
900 - 모니터링부

Claims (5)

1. 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에 있어서,
   상기 태양광 발전을 수행하는 태양전지;
   상기 태양전지와 전기적으로 연결되어 최대전력점 추종(MPPT) 제어로 상기 태양전지의 발전전압의 크기를 조정하는 승압형 컨버터;
   상기 승압형 컨버터와 전기적으로 연결되는 직류모선 전압부;
   상기 직류모선 전압부와 전기적으로 연결되어 직류출력을 교류로 변환하는 인버터부;
   상기 인버터부와 전기적으로 연결되는 연계출력 스위치;
   상용교류전압을 사용하는 부하의 전자장해를 방지하기 위해 상기 연계출력 스위치와 상기 부하 사이에 구비되는 연계전원필터;
   이차측이 상기 연계전원필터에 전기적으로 연결되는 변압기;
   상기 변압기의 일차측과 상기 축전지에 전기적으로 연결되어 상기 축전지의 전력을 사용하여 상기 부하에 전력을 공급하고 상기 상용전원으로 상기 축전지를 충전하도록 하며, 상용전원 연계를 위한 출력전류 THD(Total Harmonics Distortion)의 차이가 일정값 이내의 연계 인버터와 축전지를 사용한 인버터 기능과 상용전원 또는 태양광 발전전원을 이용하는 충전기능을 가지며, 정전 복구시에 무순단 절체가 가능한 쌍방향 인버터-충전기(Inverter-Charger);
   상기 변압기의 이차측에 전기적으로 연결되어 상용전원의 정전복구시 무순단으로 상기 상용전원에 동기하여 절체되는 동기절체제어를 수행하는 동기절체 스위치;
   상기 상용전원과 상기 동기절체 스위치 사이에 구비되는 인버터-충전기 필터(Inverter-Charger Filter);
   상기 태양전지의 발전전력과 상기 부하의 수요전력의 크기관계 및 상기 상용전원의 정전여부를 포함한 상황에 따라 전력흐름을 제어하는 제어부; 및
   태양광 발전전력, 소비부하 전력, 누적발전 전력량, 상기 태양전지의 발생전압, 상기 축전지의 충방전 전압, 고장내용을 포함한 운전상황을 원격지에서 감시하기 위한 모니터링부
   를 포함하며,
   상기 축전지의 발전전원에 연계되는 단위 역률제어를 수행하고, 상기 상용전원 정전시에 출력을 정지시키며, 연계전원의 이상검출로서 고주파수 및 저주파수, 과전압 및 저전압 검출, 지락고장 검출을 수행하고,
   상기 태양광 발전전력이 상기 부하의 사용전력보다 큰 경우, 상기 제어부는 상기 연계출력 스위치를 온(ON) 시켜 상기 태양광 발전전력을 상기 부하에 공급하고, 잉여전력은 상기 변압기를 거쳐 상기 쌍방향 인버터-충전기에서 직류전압으로 변환한 후 상기 축전지를 충전하고, 상기 동기절체 스위치를 온(ON)시켜 상기 잉여전력을 상기 상용전원에 역송전하도록 제어하며, 상기 축전지가 만충전 상태이면 상기 축전지 충전을 정지하고 모든 잉여전력을 상기 상용전원에 역송전하도록 제어하고,
   상기 태양광 발전전력이 상기 부하의 사용전력보다 작은 경우, 상기 제어부는 상기 태양광 발전전력과 상기 상용전원이 연계하여 상기 부하에 전력을 공급함으로써 상기 상용전원의 부담을 절감시키며,
   태양광 발전이 불가능한 경우 상기 상용전원에서 입력된 전력으로 상기 부하에 전력을 공급하고, 상기 쌍방향 인버터-충전기를 통하여 동시에 상기 축전지에 충전하되, 상기 축전지가 만충전 상태가 되면 상기 쌍방향 인버터-충전기는 충전을 멈추게 되어 충전운전은 정지되고, 상기 상용전원으로 상기 부하에 전력을 공급하며,
   상기 상용전원이 정전인 경우 상기 제어부는 상기 태양광 발전전력과 상기 축전지의 전력을 동시에 상기 부하에 공급하고, 상기 상용전원의 정전이 복구될 경우 상기 제어부는 상기 동기절체 스위치를 무순단으로 동기절체하여 상기 태양광 발전전력과 상기 상용전원이 동시에 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어하되, 태양광 발전이 가능한 경우 상기 제어부는 태양광 발전전력과 상기 축전지의 전력을 동시에 상기 부하에 공급하고, 태양광 발전이 불가능한 경우 상기 제어부는 상기 축전지에 의한 발전전력으로 상기 부하에 전력을 공급하며,
   상기 쌍방향 인버터-충전기는 상기 축전지가 만충전 상태로 유지되고 관리되기 위해 상기 상용전원 및 태양광 발전전력으로 부동충전, 균등충전, 균등충전시간 설정을 포함한 충전기능을 수행하고, 상기 축전지는 모듈 형식으로 병렬운전을 수행할 수 있는 제어구조로 복수개 병렬구성에 의한 용량증설 및 삼상운전이 가능한 것을 특징으로 하는 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템.
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