KR102211067B1 - 에너지 저장 시스템, 그리고 에너지 저장 시스템을 이용한 최대전력 추종 방법 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 시스템에서 사용될 수 있는 개선된 최대전력 추종 방법을 개시한다. 본 발명의 에너지 장 시스템에서의 최대전력 추종 방법은 히스테리 전력값, 과거전력 최소값, 기본 듀티값, 최종 듀티값을 산출하기 위한 특정한 방법 및 알고리즘을 제공한다.

Description

에너지 저장 시스템, 그리고 에너지 저장 시스템을 이용한 최대전력 추종 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM, AND MAXIMUM POWER POINT TRACKING METHOD USING ENERGY STORAGE SYSTEM THEREOF}

본 발명은 에너지 저장 시스템과 이를 활용한 최대전력 추종 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 에너지 저장시스템과, 상기 에너지 저장 시스템에서 사용될 수 있는 개선된 최대전력 추종 방법에 대한 것이다.

화석연료의 고갈과 이산화탄소 감소 요구로 인한 규제 등으로 인하여, 근래에는 신재생에너지에 대한 연구와 사용이 활발하게 진행되고 있다.

상기 신재생에너지원들 중 가장 대표적인 신재생에너지원은 태양광과 풍력을 들 수 있다. 상기 태양광이나 풍력 등을 이용하는 발전방식은 오랜 기간에 걸쳐 기술개발 및 개량이 이루어져 왔으나, 태생적인 한계로서 태양광의 경우 일사량, 풍력의 경우 불규칙한 풍량에 의존하여 발전이 이루어진다는 단점이 있었다. 날씨 및 기후 등에 의하여 불규칙하게 변화하는 상기 요소들로 인하여 태양광 발전이나 풍력 발전의 경우 발전량이 따라서 불안정해져, 종국에는 안정적인 전기 공급이 어려워지게 되는 것이다.

이러한 상기 태양광 및 풍력 발전의 단점을 상쇄하기 위하여, 상기 태양광 또는 풍력 발전의 경우에는 별도의 에너지 저장 시스템(ESS)을 사용하는 것이 일반적이다. 상기와 같은 에너지 저장 시스템은 일반적으로 하나 이상의 배터리를 이용하여, 발전되는 전력을 일정 시간동안 에너지 저장 시스템에 저장하였다가 발전이 끝난 시간에 일정한 값으로 방전함으로서 안정적으로 전력공급처에 전력을 공급할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하고 있다.

이들 중 태양광 발전에 사용되는 에너지 저장 시스템은 일반적으로 태양광 발전 에너지 저장 시스템(PV ESS; Photovoltaic Energy Storage System)으로 칭한다. 상기와 같은 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 경우, 특히 한국에서 2011년 9월 수도권에서 대규모 정전이 일어난 후, 전력 예비율 확보와 정전시 UPS(Uninterruptible Power Supply)기능을 보유한 태양광 발전 에너지 저장 시스템에 대한 연구가 진행되고 있는 실정이다.

본 발명은 태양광 발전 에너지 저장 시스템과, 여기서 사용되는 개선된 최대전력 추종(MPPT) 방법에 대한 것이다. 상기 최대전력 추종 방법은, 태양광 발전 인버터에 사용되는 기법으로서 태양전지 배열로부터 최대전력을 얻기 위한 것으로, 전지의 산출을 측정하고 저항을 적용하여 어떠한 환경에서도 최대의 전력을 얻는 것을 목적으로 하는 방법이다.

이러한 최대전력 추종방법으로는 P&O제어방법, I&C제어방법 등이 있다. 상기 P&O(Purturb and Observe)제어방법은 매 사이클마다 출력의 증가를 계속 모니터링하여 피드백하는 방식으로서 구현이 간단하다는 장점을 가지고 있으나 최대전력지점을 찾는 속도가 느리고 일사량의 변화가 심한 곳에서는 효율이 좋지 못하다는 단점을 가지고 있다.

또한 I&C(Increment and Conductance)제어방법은 태양광 전지 어레이 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대전력지점(MPP)를 추종하는 방법으로, 빠르게 변하는 일사량에서 효과적이며 최대전력에 도달 시 태양광 전지 어레이의 출력전력이 안정하다는 장점이 있다. 그러나 일사량이 급변하는 경우에는 응답속도가 느리고, 구현이 복잡하며 최대전력지점을 찾아가는 동안 전압 및 전력의 변동이 매끄럽지 않다는 단점 또한 가지고 있다.

상기와 같은 P&O제어방식과 I&C제어방식은 다양한 방법으로 사용되어, 최대전력추종과 관련된 많은 기술들이 현재 개시되어 사용되고 있다. 예를 들어, 등록특허 10-1598464호는 하이브리드 MPPT제어에 의한 태양광발전시스템의 효율개선 방법에 대하여 개시하고 있다. 상기의 등록특허는 최대전력을 출력할 수 있도록 일사량에 따라 태양광 발전 장치 및 그 제어방법을 개시하고 있다.

또 다른 등록특허 10-1573277호는 동적 최대전력지점 추종 태양광 발전 시스템 및 그 방법에 대하여 개시하고 있다. 상기의 등록특허는 일사량이 급변하는 동적 조건 하에서 최대전력지점의 전압을 신속하고 정확하게 추종하는 것을 목적으로 하고 있다.

그리고 다른 등록특허 10-0757320호는 태양광 발전 시스템의 센스리스 MPPT 제어장치 및 그 방법에 대하여 개시하고 있으며, 이외에도 등록특허 10-1741924호 및 공개특허 10-2013-0014395호 등에서 최대전력추종 방법에 대하여 개시하고 있다. 상기한 등록특허 및 공개특허들은 본 발명이 추구하는 최대전력지점 추종에 대한 방법들이라는 것에서 목적은 유사하지만, 이를 달성하기 위한 최대전력추종 방식이 완전히 달라, 본 발명과는 완전히 별개의 특허로 판단된다.

또한 본 발명의 출원인 역시 등록특허 10-1761606호를 통하여 본 발명과는 다른 방식으로 태양광 발전시스템의 최대전력점 추종 방법에 대하여 개시한 바 있다. 상기 등록특허는 P&O 방식과 I&C 방식의 장점을 결합하여 일사량 변동에 대응하면서 최대전력추종 지점에서의 변동 폭을 작게 하여 효율을 높이는 방식으로서, P&O 방식을 개선하면서도 상기 등록특허들을 포함하는 종래의 방식들이 갖는 복잡성을 줄여서 제어부의 연산량을 줄이면서도 효과적으로 최대전력추종 방식을 구현하는 것을 목적으로 하는 본 발명과는 그 사상 및 방식에서 완전히 다른 별개의 특허이다.

특히, 상기 등록특허와는 전술한 바와 같이 최대전력추종 방식을 구현하는 방식이 완전히 달라, 히스테리 전류값 및 듀티값 등 최대전력추종 방식에 반드시 필요한 각종 변수들을 구하는 방식 또한 완전히 다르다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술들과는 다른 방식으로 최대전력추종 방법을 구현한, 에너지 저장 시스템에서의 최대전력지점 추종 방법을 개시하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,

하나 이상의 배터리를 사용하는, 태양광 발전 에너지 저장시스템으로서 하나 이상의 태양전지를 포함하는 태양전지 단위체; 상기 태양전지 단위체가 생산하는 전력을 제어하고, DC/DC 컨버터를 포함하는 태양전지부; 상기 태양전지 단위체와 태양전지부 사이에 설치되는 태양전지 차단기; 상기 태양전지부와 전력계통 사이에 설치는 DC링크부; 상기 DC링크부와 상기 전력계통 사이에 설치되며, DC/AC 양방향 전력변환기를 포함하는 전력변환부; 하나 이상의 배터리를 포함하여, 전기에너지를 저장할 수 있는 배터리 단위체; 상기 배터리 단위체의 충전을 제어하고, 상기 DC링크부를 접점으로 하여 상기 태양전지부 및 전력변환부과 연결되며, DC/DC 컨버터를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 배터리 단위체 사이에 설치되는 배터리 차단기 및 배터리 스위치; 상기 배터리부와 DC부하 사이에 연결 설치되어, DC부하에 직류전원을 공급하기 위하여 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC부하부; 그리고 상기 태양전지부, 배터리부, DC링크부, 전력변환부 및 DC부하부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 에너지 저장시스템을 제공한다.

그리고 상기 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 최대전력추종(MPPT) 방법으로서,

히스테리시스 전력값(Pth)은 아래 수학식 1과 같이 구해지고,

[수학식 1]

α, β : 상수, P(k-1) : 시간 간격 k에서 1만큼 떨어진 과거전력 값.

과거전력 최소값(Pthmin)은 아래 수학식 2와 같이 구해지며,

[수학식 2]

출력 전압(Vout)은 아래 수학식 3과 같이 구해지고,

[수학식 3]

Vinput : 입력 전압. D : 부스트 컨버터 듀티값.

상기 부스트 컨버터 듀티값(D)은 아래 수학식 4와 같이 구해지며,

[수학식 4]

기본 듀티값(Dbasic)은 아래 수학식 5와 같이 구해지고,

[수학식 5]

k : 최대 듀티값. Vpv_avg : 태양전지 입력전압 평균값. Vdclink_avg : DC링크전압 평균값

PO듀티값(POstep)은 아래 수학식 6과 같이 구해지며,

[수학식 6]

BASICduty : 듀티기본값. PWMD(k-1) : 시간 간격 k에서 1만큼 떨어진 과거 PWM 듀티값. η : 비례상수.

현재 최종 PWM 듀티값(PWMD(k))은 아래 수학식 7와 같이 구하여 최대전력지점에 용이하게 다다를 수 있도록 한다.

[수학식 7]

상기에서, 수학식 7에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 결정하기 위하여,

PV전류값(Ipv(k)), PV전압값(Vpv(k))을 측정하는 측정 단계(S1); 현재 전력값(P(k)), 히스테리시스 전력값(Pth), 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)를 산출하는 산출 단계(S2); 그리고 상기 현재 전력값(P(k))과 과거 전력값(P(k-1)을 비교하는 단계(S3-1)를 실시하고,

상기 단계(S3-1)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 과거 전력값(P(k-1))보다 작거나 같으면 상기 현재 전력값(P(k))을 상기 과거전력 최소값(Pthmin)과 비교하는 단계(S3-2)를 실시하며,

상기 단계(S3-2)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 상기 과거전력 최소값(Pthmin) 미만이면 상기 과거 전력값(P(k-1))과 과거전력 최소값(Pthmin)을 갱신하는 현재전력값 결정단계(S4); 그리고 상기 단계(S4) 실시 후에 현재 측정된 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))과 과거의 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))을 비교하는 PV전압 비교단계(S5-1)를 실시하여,

상기 단계(S5-1)에서 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 높으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '+' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제1형태 듀티값 산출 단계(S61)를 실시하고, 상기 단계(S5-1)에서, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 작거나 같으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '-' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S62)를 실시하여 최종 PWM 듀티값(PWMD(k))을 산출하도록 한다.

또한 상기에서, 단계(S3-1)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 과거 전력값(P(k-1))을 초과하는 경우, 상기 단계(S4)를 실시한 뒤에 현재 측정된 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))과 과거의 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))을 비교하는 PV전압 비교단계(S5-2)를 실시하여, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 높으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '-' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S62)를 실시하고, 상기 단계(S5-1)에서 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 작거나 같으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '+' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S61)를 실시한다.

상기에서, 단계(S3-2)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 상기 과거전력 최소값(Pthmin)보다 크거나 같은 경우, 상기 단계(S5-2)를 실시하여 최종 PWM 듀티값을 산출한다.

상기에서, 수학식 1에서의 상수 α의 값은 0.001, β는 1이 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기에서, 최대전력추종 방법의 제어 시간은 400ms이고, 상기 기본 듀티값(Dbasic)의 변동 주기는 400ms로 하는 것이 바람직하다.

상기에서, 수학식 6에서의 비례상수 η는 0.2 이상 5 이하의 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 최대전력추종 방식을 사용함으로서 0.5kW에서 3.3kW까지의 발전영역에서 99.89~99.96%의 최대전력추종 효율이 나온다는 결과를 얻게 되었다. 상기한 효과는 기존의 최대전력추종 방식에 비하여 0.3에서 0.003% 이상 높은 수치로 종래에 비해 유의미하게 효과적인 방식이라는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명의 최대전력추종 방식은 최초동작때는 최대전력지점까지 도달하는 속도가 느리더라도, 일단 최대전력지점까지 도달하면 일사량 변동에 따른 추종 속도가 기존 방식과 동일한 성능을 가져, 종래의 최대전력추종 방식에 비하여 보다 경제적이고 프로세서의 자원을 소비가 크게 감소한 본 발명의 최대전력추종 방식에 비추어 볼 때 기존의 최대전력추종 방식에 비해 더 효율적이고 경제적으로 최대전력추종에 따른 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 최대전력추종 방법이 적용되는 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명의 최대전력추종 방법이 적용되는 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 회로도..
도 3은 종래의 최대전력추종 그래프.
도 4는 본 발명의 최대전력추종을 위한 듀티값 부호를 결정하기 위한 순서도.
도 5~도 13은 본 발명의 최대전력추종 방식을 시험 및 실시한 시험예 및 실시예에 따른 결과 그래프.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 실시와 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 최대전력추종 방법이 적용되는 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 구조도이며, 도 2는 상기 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 구조도를 구현한 회로도이다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 통해 본 발명의 최대전력추종 방법이 적용되는 태양광 발전 에너지 저장 시스템의 구조에 대하여 설명한다.

설명에 앞서, 도 1 내지 도 3에서 실선으로 이어진 부분은 전기에너지가 송수신되는 물리적인 회로 연결관계를 표시한 것이며, 도 1에서의 점선으로 이어진 부분은 각 구성요소간 신호 또는 정보를 주고받을 수 있도록 통신 가능하게 연결된 연결관계를 표시한 것으로, 도 1에서 실선과 점선 연결관계는 접점 없이 독립적으로 이루어진다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 발전 에너지 저장시스템은 태양전지(C)를 사용하여 발전, 전기에너지를 생산하는 발전시스템에 적용된다. 상기 태양전지(C)는 하나로 구성할 수도 있고, 또는 둘 이상 구성하여 직렬 및 병렬로 연결하여 구성할 수도 있다. 본 발명에서는, 상기와 같이 전기에너지를 생산하는 하나 이상의 태양전지(C)를 태양전지 단위체(110)로 구성하여 사용한다.

그리고 상기 태양전지 단위체(110)가 생산하는 전력을 제어하기 위하여, 태양전지부(100)가 상기 태양전지 단위체(110)에 연결된다. 상기 태양전지부(100)는 상기 태양전지 단위체(110)의 동작을 제어하기 위한 일련의 센서 및 연산장치, 저장장치 및 상기 저장장치에 내장된 하나 이상의 프로그램들을 포함할 수 있으며, 이러한 상기 태양전지부(100)의 구성은 일반적인 것이므로 이에 대한 설명은 생략한다.

특히, 상기 태양전지부(100)는 상기 태양전지 단위체(110)가 생산하는 전기에너지의 직류전원 전압을 변환하기 위한 DC/DC 컨버터를 포함하는데, 상기 태양전지부(100)의 DC/DC 컨버터는 일방향으로서, 상기 태양전지 단위체(110)가 생산한 전기에너지의 직류전원 전압을 변환하여 이동시키도록 한다.

또한 상기 태양전지부(100)와 태양전지 단위체(110) 사이로는 태양전지 차단기(120)가 설치될 수 있다.

그리고 상기 태양전지부(100)와 태양전지 단위체(110)가 생산하는 전기에너지 외, 기타 전기에너지가 인입될 수 있는 전력망, 즉 전력계통(G) 사이로는 DC링크부(300) 및 전력변환부(310)가 연결된다.

상기 DC링크부(300)는 상기 태양전지부(100)에서 송전하는 전기에너지에 대하여, 상기 전력계통(G)에 송전할 전류량의 기준값을 결정하는 부분이다.

또한 상기 DC링크부(300)와 연결되는 전력변환부(310)은 상기 전력계통(G)에서 인입되는 교류전원을 직류전원으로 변환하거나, 또는 상기 DC링크부(300)로부터 송신되는 직류전원을 교류전원으로 변환하기 위한 DC/AC 양방향 전력변환기를 포함하여, 직류전원을 교류전원으로 변환(역변환)하여 상기 전력계통(G)에 송전할 때는 인버터로서 동작하고, 반대로 전력계통(G)으로부터 송전되는 교류전원을 직류전원으로 변환(순변환)할 때는 컨버터로서 동작하도록 한다.

그리고 본 발명의 태양광 발전 에너지 저장시스템은, 상기 태양전지 단위체(110)가 생산한 전기에너지의 일부를 저장하기 위하여, 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 단위체(210)를 포함한다. 상기 배터리 단위체(210)의 구성요소로서 포함되는 하나 이상의 배터리는, 전기에너지를 충전시킬 수 있는 배터리라면 모두 사용할 수 있다.

그리고 상기 배터리 단위체(210)의 충전을 제어하기 위하여, 배터리부(200)가 상기 배터리 단위체(210)와 연결된다. 상기 배터리부(200)는 또한 상기 태양전지부(100) 및 상기 전력변환부(310)와는 상기 DC링크부(300)를 접점으로 하여 연결된다.

상기와 같은 배터리부(200)는, 주간에서는 상기 태양전지부(100)로부터 송신되는 전기에너지를 상기 배터리 단위체(210)로 전달하여 상기 배터리 단위체(210)를 충전시키는 역할을 하며, 야간이거나 또는 배터리가 저전압 상태인 경우에는 상기 전력계통(G)으로부터 송신되는 전기에너지를 상기 배터리 단위체(210)로 전달하여 상기 배터리 단위체(210)를 충전시키는 역할을 한다.

또한 상기 배터리부(210)는 상기 배터리 단위체(210) 내의 전기에너지를 방전하여 필요한 경우 다른 구성요소들에게 공급할 수도 있다.

이를 위하여, 상기 배터리부(200)는 상기 배터리 단위체(210)의 동작을 제어하기 위한 일련의 센서 및 연산장치, 저장장치 및 상기 저장장치에 내장된 하나 이상의 프로그램들을 포함할 수 있으며, 이러한 상기 배터리부(200)의 구성은 일반적인 것이므로 이에 대한 설명은 생략한다.

특히, 상기 배터리부(200)는 전기에너지의 직류전원 전압을 변환하기 위한 DC/DC 컨버터를 포함하는데, 상기 배터리부(200)의 DC/DC 컨버터는 양방향으로 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 배터리부(200)와 상기 배터리 단위체(210) 사이로는 배터리 차단기(220)와 배터리 스위치(230)가 포함되어 연결된다.

그리고 상기 태양전지 단위체(110)가 생산하는 직류전원이 교류전원으로의 변환 없이 직접 필요한 DC부하(D)에 직류전원을 공급하기 위하여, DC부하부(400)가 상기 배터리부(200)와 상기 DC부하(D) 사이에 연결된다.

상기 DC부하부(400)는 상기 배터리부(200) 또는 상기 배터리 단위체(210)로부터 공급되는 직류전원을 상기 DC부하(D)에 제공하기 위하여, 직류전원 전압을 변환하기 위한 일방향 DC/DC 컨버터를 포함한다.

그리고 본 발명은 상기 태양전지부(100), 배터리부(200), DC링크부(300), 전력변환부(310) 및 DC부하부(400)의 동작을 제어하기 위한 제어부(500)를 포함한다. 이러한 상기 제어부(500)는 상기한 구성요소들을 제어하기 위하여, 하나 이상의 연산장치 및 기억장치, 그리고 상기 기억장치 내 설치되는 하나 이상의 프로그램을 포함할 수 있다.

또한 상기 제어부(500)는 상기한 구성요소들 외에도 태양전지 단위체(110)나 배터리 단위체(210), 차단기(120, 220) 및 스위치(230)의 동작을 직접 제어할 수도 있다. 아니면 상기 태양전지 단위체(110) 및 태양전지 차단기(120)의 동작은 상기 태양전지부(100)가 제어하고, 상기 배터리 단위체(210) 및 배터리 차단기(220), 배터리 스위치(230)의 동작은 배터리부(200)가 제어하도록 할 수도 있다.

도 3은 종래의 최대전력추종 그래프, 도 4는 본 발명에서 사용하는 최대전력추종 순서를 나타낸 순서도이다. 이하에서는 본 발명의 에너지 저장 시스템에서 사용되는 최대전력추종 방법에 대하여 설명한다.

일반적인 태양광 발전 시스템에서는 부스트 컨버터의 스위칭에 따른 리플 전압과 전류가 발생한다. 이에 따라 종래의 최대전력추종 방식은, 도 3에서 도시된 바와 같이 최대전력지점(MPP)을 찾아가는 전력의 기울기가 선형적으로 되지 못하고 리플이 발생되어 이를 제대로 찾아가지 못하는 문제가 발생하였다.

상기와 같은 종래의 최대전력추종 방식과는 달리, 본 발명에서는 최대전력추종 방식 중에서도 P&O(Purturb and Observe) 방식을 개선한 본 발명만의 방식을 사용한다. 우선, 도 3에서 도시된 최대전력지점(MPP)에서의 진동하는 값을 최소화하기 위하여, 히스테리시스 전력값(Pth)을 아래 수학식 1과 같이 정하였다.

상기 수학식 1에서, P(k-1)은 현재의 시간 간격 k에서 1만큼 떨어진 과거전력 값이며, α와 β는 상수다. 이때, 상기한 바와 같이 최대전력지점(MPP)에서의 진동하는 값을 최소화하기 위하여, 상기 히스테리시스 전력값(Pth)은 정격전력의 0.1% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 상수 α는 0.001로, β는 1이 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)은 최대 3W로 제한하는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명의 최대전력추종 방법에서는, 리플 전력의 문제를 개선하기 위하여, 최대전력추종 제어 시간 및 PV전압 평균값을 종래의 P&O방식에서는 100ms(millisecond)가 아닌 400ms로 하여 제어에 필요한 계측값의 정밀도를 보완하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 PV전압 평균값을 늘림으로서, 또한 상기 히스테리시스 전력값(Pth)을 정격전력의 0.1% 수준으로 감소시켜도 최대전력지점(MPP)을 찾는데 문제가 없게 되는 것이다.

또한, 상기 히스테리시스 전력값(Pth)을 이용하여, 과거전력 최소값(Pthmin)을 아래 수학식 2와 같이 구한다

본 발명의 최대전력추종 방법에서, PO듀티값(POstep)은 부스트 컨버터의 입출력 관계식인 아래 수학식 3, 4, 5를 이용하여 수학식 6과 같이 구한다.

이에 대하여 자세히 설명하면, 우선 수학식 3을 통하여 출력전압(Vout)을 구한다.

상기 수학식 3에서, Vinput은 입력 전압이고, D는 부스트 컨버터의 듀티값(Duty Value)으로서 0~1.0 사이의 값을 가진다. 상기의 수학식 3에 적용되는 상기 부스트 컨버터 듀티값(D)은 아래 수학식 4와 같이 구한다.

상기 수학식 4에서, 전술한 바와 같이 Vinput은 입력 전압이며 Vout은 출력 전압이다. 상기의 수학식 4로 인하여 상기 부스트 컨버터 듀티값(D)을 산출하므로, 상기 부스트 컨버터 듀티값(D)은 상술한 범위 안에서만 그 값이 산정될 수 있다.

그리고 기본 듀티값(Dbasic)은 아래 수학식 5와 같이 구한다.

상기 수학식 5에서, k는 비례상수 값으로 최대 듀티값에 해당된다. 그리고 Vpv_avg는 태양전지 입력전압 평균값으로, 상기 태양전지 컨버터부(100)에서 측정되는 변동되는 전압 값이며, Vdclink_avg는 DC링크전압 평균값으로서 상기 DC부하부(400)에서 측정되는 변동되는 전압 값이다.

상기와 같이 구해지는 기본 듀티값(Dbasic)을 이용하여, 상기 PO듀티값(POstep)을 아래 수학식 6과 같이 구한다.

상기 기본 듀티값(Dbasic)은 400ms의 제어주기로 변동되는 것이 바람직한데, 그럼에도 상기 기본 듀티값(Dbasic)은 하나의 제어주기 내에서 크게 변동하지 않는다. 예를 들어, 상기 최대 듀티값(k)이 10,000이라고 할 때 상기 수학식 6에서,

의 값은 0±10 정도의 값으로 변동된다.

이에 따라, 상기 수학식 6에서의 η은 비례상수로서 기본 값은 1로 설정되고, 0.2~5의 범위에서 움직이도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 하는 이유는, 상기 비례상수(η)값이 5를 초과하면 듀티값이 변동하여 일사량 급변상황에서의 변동폭이 너무 커지고, 상기 비례상수(η)의 값이 0.2 미만으로 떨어지면 응답성이 느려지므로 상기 범위 내에서 상기 비례상수(η)값이 설정되는 것이 바람직하다.

그리고 듀티기본값(BASICduty)은 사용자가 설정하는 값이다. 바람직하게는, 상기 듀티기본값(BASICduty)은 2가 입력되고, 상기 최대 듀티값(k)은 10,000 이하의 값을 설정하여 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 수학식 3에서, PWMD(k-1)은 현재의 시간 간격 k에서 1만큼 떨어진 과거의 PWM 듀티값이다. 현재의 최종 PWM 듀티값(PWMD(k))은 아래 수학식 7와 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 7에서, 상기 PO듀티값(POstep)의 부호는 '+' 또는 '-' 가 될 수 있는데, 상기 PO듀티값(POstep)의 부호를 결정하는 방법이 도 4에 개시되어 있다. 이하에서는 도 4를 통하여 본 발명의 최대전력추종 방법에 대하여 설명한다.

우선 본 발명의 최대전력추종 방법은, 현재의 PV전류값(Ipv(k))과 현재의 PV전압값(Vpv(k))을 측정하는 측정 단계(S1)를 실시한다.

상기 단계(S1)에 따른 측정을 완료한 뒤, 산출 단계(S2)를 실시한다. 상기 산출 단계(S2)에서는 현재 전력값(P(k)), 히스테리시스 전력값(Pth), 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)을 산출하는데, 상기 히스테리시스 전력값(Pth)은 상기 수학식 1에서와 같은 방식으로 산출하며, 상기 현재 전력값(P(k))은 아래 수학식 8와 같이 구한다.

상기 수학식 8에서, Ipv_avg(k)값은 상기 측정된 현재 PV전류값(Ipv(k))의 평균값이며, Vpv_avg(k)값은 상기 측정된 현재 PV전압값(Vpv(k))의 평균값이다.

그리고 상기 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)을 결정하기 위하여, 상기 단계(S2)에서는 상기 히스테리시스 전력값(Pth)과 상기 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)을 비교한다. 만약 상기 히스테리시스 전력값(Pth)이 상기 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)을 초과하면, 상기 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)을 상기 히스테리시스 전력값(Pth)으로 갱신한다. 그렇지 않다면, 상기 히스테리시스 전력 한계값(Pth_limit)은 갱신되지 않는다.

상기 단계(S2) 후에, 현재 전력값(P(k))을 과거 전력값(P(k-1))과 비교하는 단계(S3-1)를 실시한다. 상기 단계(S3-1)에서, 상기 현재 전력값(P(k))이 과거 전력값(P(k-1))보다 작거나 같으면 상기 현재 전력값(P(k))을 상기 수학식 2를 통하여 구해져 있는 과거전력 최소값(Pthmin)과 비교하는 단계(S3-2)를 추가로 거친다.

그리고 상기 단계(S3-2)에서, 상기 현재 전력값(P(k))이 상기 과거전력 최소값(Pthmin)보다 작다면 현재전력값 결정단계(S4)를 실시한다.

상기 단계(S4)에서는, 상기 과거 전력값(P(k-1))을 상기 현재 전력값(P(k))과 동일한 값으로 갱신하고, 상기 과거전력 최소값(Pthmin)을 상기 수학식 2를 통하여 다시 산출하여 갱신한다.

상기 단계(S4) 후에는, 상기 현재 측정된 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))과 과거의 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))을 비교하는 PV전압 비교단계(S5-1)를 실시한다.

상기 단계(S5-1)에서, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 높으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '+' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제1형태 듀티값 산출 단계(S61)를 실시한다.

그리고, 상기 단계(S5-1)에서, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 작거나 같으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '-' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S62)를 실시한다.

또한 만약, 상기 단계(S2) 후에 현재 전력값(P(k)을 과거 전력값(P(k-1))과 비교하는 단계(S3-1)에서, 상기 현재 전력값(P(k))이 과거 전력값(P(k-1))을 초과하는 경우, 상기 단계(S4)를 실시한 뒤에 PV전압 비교단계(S5-2)를 실시한다.

상기 PV전압 비교단계(S5-2)에서는 전술한 상기 단계(S5-1)와는 조건에 따른 결과를 다르게 산출한다. 상기 단계(S5-2)에서, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 높으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '-' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S62)를 실시한다.

그리고, 상기 단계(S5-1)에서, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 작거나 같으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '+' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S61)를 실시하는 것이다.

또한 상기 단계(S3-2)에서, 상기 현재 전력값(P(k))이 상기 과거전력 최소값(Pthmin)보다 크거나 같은 경우, 상기 단계(S5-2)를 실시하여 최종 PWM 듀티값을 산출한다.

이하에서는 바람직한 시험예 및 실험예, 실시예를 통하여 본 발명의 에너지 저장 시스템이 사용하는 최대전력추종 방법의 바람직한 형태 및 효과에 대하여 살펴본다.

[시험예 1]

상기에서 제시한 본 발명의 최대전력추종 방법의 효과를 검증하기 위하여, 전기전력 시뮬레이터인 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 실시하고, 그 결과 실험예 1, 실험예 2의 결과를 얻게 되었다. 상기 실험예1, 실험예 2에 적용된 전체 시스템의 전기적 특성을 아래 표 1에서와 같이 입력하였다.

Parameter	Value
PV ESS	3.3kW
PV Voltage / Vmpp	320Voc / 250Vmpp
PV Impp / Ishort	12.2A / 15.6A
Vdc ref1	350V
Vdc ref2	355V
Battery Voltage	96V
Battery I ref	20A
Switching Frequency	16.8kHz
Grid Voltage	220V / 60Hz

상기 표 1에서와 같이 입력된 전기적 특성을 바탕으로 아래와 같이 실험하였다.

[실험예 1]

상기 PSIM에 표 1과 같이 입력하고, 종래의 PO 방식 중 어느 하나를 선택하여 제어시간을 100mS로 하고, 히스테리 전력값을 과거전력의 1%로 하여 도 5와 같은 그래프 파형을 얻었다.

도 5에서 도시된 바와 같이, 최대전력지점(MPP)을 찾는 시간은 2초가 소요되었고, PV 전압의 변동이 244V에서 254V로 10V 변동되었다

[실험예 2]

상기 PSIM에 표 1과 같이 입력하고, 본 발명의 최대전력추종 방법을 사용하여 제어시간을 400mS로 하고, 히스테리 전력값을 0.1%로 하여 도 6와 같은 그래프 파형을 얻었다.

도 6에서 도시된 바와 같이, 최대전력지점(MPP)을 찾는 시간은 8초가 소요되었고, PV전압의 변동이 248V에서 251V로 3V 변동되었다. 초기 동작이기 때문에 6초 정도 더 소요되었으나 상기 최대전력지점(MPP)에서의 일사량 변동이 있는 경우에는 전압의 변동폭이 상기 실험예 1에 표시된 변동폭보다 더 작았으므로 큰 차이가 발생되지 않음을 알 수 있다.

[시험예 2]

이하에서는 본 발명의 최대전력추종 방식이 적용된 태양전지를 이용한 에너지 저장 시스템의 성능을 검증하기 위하여, PV 시뮬레이터와 AC소스를 이용하여 실험하였다. 그 결과 아래 실험예 3~실험예 5와 같은 결과를 얻게 되었다.

[실험예 3]

태양전지의 최대전력지점(MPP) 전압을 250V(mpp)로 설정하여 기존의 P&O 방식과 본 발명의 최대전력추종 방식을 비교한 결과 도 7과 같은 그래프를 얻었다. 도 7에서, 황색으로 표시된 선이 본 발명의 최대전력추종 방식의 효율을 나타낸 것이며, 청색으로 표시된 선이 종래의 PO 방식의 효율을 나타낸 것이다.

상기 실시예 1을 통하여, 발전량의 전 영역에서 본 발명의 최대전력추종 방식의 효율이 더 높은 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 4]

종래의 P&O방식 및 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용하여, 3.3kW로 태양전지가 발전할 때의 태양전지 전압(Vpv) 및 태양전지 전류(Ipv), 계통전압, 전류의 파형을 측정하고 비교하여 도 8 및 도 9의 그래프 파형을 얻었다. 도 8은 종래의 P&O방식을 적용한 그래프이며, 도 9는 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용한 그래프이다.

도 8에서 확인할 수 있듯이, 종래의 P&O방식을 사용한 태양전지의 전압은 250V에서 ±5V 범위로 변동되었다. 이에 비해, 도 9에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용한 태양전지의 전압은 250V에서 ㅁ1.5V 범위로 변동됨을 확인할 수 있다.

[실험예 5]

실시예 2의 조건에 따라 3.3kW로 발전하던 태양전지의 전력을 3.3kW에서 1.65kW로 0.1초 변동시켜 태양전지 전압(Vpv) 및 태양전지 전류(Ipv), 계통전압, 전류의 파형을 측정하고 비교하여 도 10 및 도 11의 그래프 파형을 얻었다. 도 10은 종래의 P&O방식을 적용한 그래프이며, 도 11은 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용한 그래프이다.

이러한 실시예 3의 발전량 하강 조건은 일사량이 급변할 때의 상황을 가정하여 실시한 실시예이며, 이러한 상황에서 도 10 및 도 11을 비교화여 확인할 수 있듯이 본 발명의 최대전력추종 방식 역시 기존의 P&O방식 이상으로 급변상황을 추종할 수 있다는 것이 확인되었다.

상기와 같은 실험예 3~5의 효과를 실제로 확인하기 위하여, 태양전지와 LED전등이 설치된 장소에서 구현 및 실험하였다. 그 결과 아래 실시예 1과 같은 결과를 얻었다.

실제 태양전지가 설치된 장소에서 종래의 P&O방식과 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용하여 실시하였다. 태양전지의 개방 전압은 220Voc이고, 최대전력지점(MPP) 전압은 176V이다.

종래의 P&O방식을 적용하여 도 12와 같은 그래프를 얻었고, 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용하여 도 13과 같은 그래프를 얻었다. 종래의 P&O방식은 도 11에서 도시된 바와 같이, PV전압이 176V에서 ±5V 범위로 변동되었다. 이에 비해, 도 12에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 최대전력추종 방식을 적용한 태양전지의 전압은 176V에서 ㅁ2V 범위로 변동됨을 확인할 수 있다.

상기와 같은 실시예 1을 통하여, 실제 태양전지와 LED전등이 사용되는 태양광 발전 시스템 상에서도, 시험예 2에서 실험한 결과와 동일한 결과가 나타는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

1. 하나 이상의 태양전지를 포함하는 태양전지 단위체; 상기 태양전지 단위체가 생산하는 전력을 제어하고, DC/DC 컨버터를 포함하는 태양전지부; 상기 태양전지 단위체와 태양전지부 사이에 설치되는 태양전지 차단기; 상기 태양전지부와 전력계통 사이에 설치는 DC링크부; 상기 DC링크부와 상기 전력계통 사이에 설치되며, DC/AC 양방향 전력변환기를 포함하는 전력변환부; 하나 이상의 배터리를 포함하여, 전기에너지를 저장할 수 있는 배터리 단위체; 상기 배터리 단위체의 충전을 제어하고, 상기 DC링크부를 접점으로 하여 상기 태양전지부 및 전력변환부과 연결되며, DC/DC 컨버터를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 배터리 단위체 사이에 설치되는 배터리 차단기 및 배터리 스위치; 상기 배터리부와 DC부하 사이에 연결 설치되어, DC부하에 직류전원을 공급하기 위하여 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC부하부; 그리고 상기 태양전지부, 배터리부, DC링크부, 전력변환부 및 DC부하부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 태양광 발전 에너지 저장시스템의 최대전력추종(MPPT) 방법으로서,
   최대전력지점(MPP)에서의 진동하는 값을 최소화하기 위하여 우선 구해져야 하는 히스테리시스 전력값(Pth)은 아래 수학식 1과 같이 구해지고,
   [수학식 1]
   

   

   
   α, β : 상수, P(k-1) : 시간 간격 k에서 1만큼 떨어진 과거전력 값.
   상기 수학식 1에서 구해지는 히스테리시스 전력값(Pth)을 이용하여 과거전력 최소값(Pthmin)은 아래 수학식 2와 같이 구하며,
   [수학식 2]
   

   

   
   본 발명의 최대전력추종 방법에서의 PO듀티값(POstep)을 구하기 위하여, 우선 출력 전압(Vout)은 아래 수학식 3과 같이 구해지고,
   [수학식 3]
   

   

   
   Vinput : 입력 전압. D : 부스트 컨버터 듀티값.
   상기 수학식 3에서의 부스트 컨버터 듀티값(D)은 아래 수학식 4와 같이 구해지며,
   [수학식 4]
   

   

   
   기본 듀티값(Dbasic)은 아래 수학식 5와 같이 구해지고,
   [수학식 5]
   

   

   
   k : 최대 듀티값. Vpv_avg : 태양전지 입력전압 평균값. Vdclink_avg : DC링크전압 평균값
   상기 수학식 5를 통하여 구해진 PO듀티값(POstep)은 아래 수학식 6과 같이 구해지며,
   [수학식 6]
   

   

   
   BASICduty : 듀티기본값. PWMD(k-1) : 시간 간격 k에서 1만큼 떨어진 과거 PWM 듀티값. η : 비례상수.
   현재 최종 PWM 듀티값(PWMD(k))은 아래 수학식 7와 같이 구해지는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.
   [수학식 7]
   

   

   
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 수학식 7에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 결정하기 위하여,
   PV전류값(Ipv(k)), PV전압값(Vpv(k))을 측정하는 측정 단계(S1);
   현재 전력값(P(k)), 히스테리 전력값(Pth), 히스테리 전력 한계값(Pth_limit)를 산출하는 산출 단계(S2);
   그리고 상기 현재 전력값(P(k))과 과거 전력값(P(k-1)을 비교하는 단계(S3-1)를 실시하고,
   상기 단계(S3-1)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 과거 전력값(P(k-1))보다 작거나 같으면 상기 현재 전력값(P(k))을 상기 과거전력 최소값(Pthmin)과 비교하는 단계(S3-2)를 실시하며,
   상기 단계(S3-2)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 상기 과거전력 최소값(Pthmin) 미만이면 상기 과거 전력값(P(k-1))과 과거전력 최소값(Pthmin)을 갱신하는 현재전력값 결정단계(S4); 그리고 상기 단계(S4) 실시 후에 현재 측정된 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))과 과거의 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))을 비교하는 PV전압 비교단계(S5-1)를 실시하여,
   상기 단계(S5-1)에서 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 높으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '+' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제1형태 듀티값 산출 단계(S61)를 실시하고, 상기 단계(S5-1)에서, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 작거나 같으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '-' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S62)를 실시하는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 단계(S3-1)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 과거 전력값(P(k-1))을 초과하는 경우, 상기 단계(S4)를 실시한 뒤에 현재 측정된 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))과 과거의 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))을 비교하는 PV전압 비교단계(S5-2)를 실시하여, 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 높으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '-' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S62)를 실시하고, 상기 단계(S5-1)에서 상기 현재 PV전압 평균값(Vpv_avg(k))이 상기 과거 PV전압 평균값(Vpv_avg(k-1))보다 작거나 같으면, 상기 수학식 4에서의 PO듀티값(POstep)의 부호를 '+' 로 하여, 최종 PWM 듀티값을 산출하는 제2형태 듀티값 산출 단계(S61)를 실시하는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 단계(S3-2)에서 상기 현재 전력값(P(k))이 상기 과거전력 최소값(Pthmin)보다 크거나 같은 경우, 상기 단계(S5-2)를 실시하여 최종 PWM 듀티값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 수학식 1에서의 상수 α의 값은 0.001, β는 1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 최대전력추종 방법의 제어 시간은 400ms이고, 상기 기본 듀티값(Dbasic)의 변동 주기는 400ms임을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 수학식 6에서의 비례상수 η는 0.2 이상 5 이하의 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템의 최대전력추종 방법.

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