KR102233773B1 - 전력 변환 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최대 효율점 추적(MEPT: maximum efficiency point tracking)을 이용한 전력 변환 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다. 전력 변환의 제어 방법은, 제1 전력 변환장치 및 제1 전력 변환장치와 병렬로 연결된 제2 전력 변환장치를 포함하는 전력 변환 시스템의 제어 방법으로서, 전력 변환 시스템의 제1 효율을 결정하는 단계, 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 증가시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 감소시키는 제1 모드 및 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 감소시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 증가시키는 제2 모드 중 한 모드로 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경하고, 전력 변환 시스템의 제2 효율을 결정하는 단계, 제1 효율과 제2 효율을 비교하고, 비교 결과에 따라 전류 조절 모드를 제1 모드 또는 제2 모드로 결정하는 단계, 및 결정된 전류 조절 모드에 따라 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경하는 단계;를 포함한다.

Description

전력 변환 시스템 및 그의 제어 방법{SYSTEM FOR CONVERTING POWER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SYSTEM}
본 발명은 최대 효율점 추적(MEPT: maximum efficiency point tracking)을 이용한 전력 변환 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
최근 신재생 에너지원을 이용한 PCS(power conditioning system) 개발이 활발히 진행됨에 따라 에너지 저장 장치에 대한 요구가 높아지고 있다. 이에 따라 BESS(battery energy storage system)을 적용한 PCS가 점차 늘고 있으며, 그 용량 또한 커지고 있다. PCS의 용량이 커짐으로 인해, 안정적인 구동을 위해 전력 변환 장치들을 병렬로 구동시킴으로써 시스템의 안정성을 높이고, 확장의 용이성을 얻을 수 있지만, 낮은 용량의 전력에서 전력 변환 장치를 구동하는 경우, 효율이 낮아지는 단점이 있다.
국내 공개특허공보 제2013-0067338호
전술한 문제점 및/또는 한계를 해결하기 위해 안출된 것으로, 병렬로 구성된 양방향 전력 변환 장치들을 포함하는 전력 변환 시스템의 현재 전력 효율을 이전 전력 효율과 비교하여 각 전력 변환 장치로 유입되는 입력 전류의 양을 조절하여 전력 변환 시스템의 현재 전력 효율이 최대 전력 효율이 되도록 하는데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은, 제1 전력 변환장치 및 상기 제1 전력 변환장치와 병렬로 연결된 제2 전력 변환장치를 포함하는 전력 변환 시스템으로서, 상기 전력 변환 시스템의 제1 효율을 결정하고, 상기 제1 전력 변환 장치로 입력되는 제1 전류의 양과 상기 제2 전력 변환장치로 입력되는 제2 전류의 양을 각각 조절하는 제1 모드 및 제2 모드 중 한 모드로 상기 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경하고 상기 전력 변환 시스템의 제2 효율을 결정하며, 상기 제1 효율 및 상기 제2 효율의 비교 결과에 따라 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 전류 제어부; 및 상기 결정된 전류 조절 모드에 따라 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 분배하는 전류 분배부;를 포함할 수 있다.
상기 제1 모드는, 상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 증가시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 감소시키는 모드를 포함할 수 있다.
상기 제2 모드는, 상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 감소시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 증가시키는 모드를 포함할 수 있다.
상기 전류 제어부는, 상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 작으면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드에서 다른 모드로 변경할 수 있다.
상기 전류 제어부는, 상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 크으면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드로 유지할 수 있다.
상기 전류 제어부는, 상기 전류 조절 모드를 주기적으로 결정하고, 상기 전류 분배부는, 상기 결절된 전류 조절 모드에 따라 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 분배할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 제어 방법은 제1 전력 변환장치 및 상기 제1 전력 변환장치와 병렬로 연결된 제2 전력 변환장치를 포함하는 전력 변환 시스템의 제어 방법으로서, 상기 전력 변환 시스템의 제1 효율을 결정하는 단계; 상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 증가시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 감소시키는 제1 모드 및 상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 감소시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 증가시키는 제2 모드 중 한 모드로 상기 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경하고, 상기 전력 변환 시스템의 제2 효율을 결정하는 단계; 상기 제1 효율과 상기 제2 효율을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계; 및 상기 결정된 전류 조절 모드에 따라 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 변경하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계는, 상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 작으면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드에서 다른 모드로 변경하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계는, 상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 크면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드로 유지하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계 및 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 변경하는 단계를 반복적으로 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 병렬로 구성된 양방향 전력 변환 장치들을 포함하는 전력 변환 시스템의 현재 전력 효율을 이전 전력 효율과 비교하여 각 전력 변환 장치로 유입되는 입력 전류의 양을 조절하여 전력 변환 시스템의 전력 효율 감소를 줄이고 전력 변환 시스템의 현재 전력 효율이 최대 전력 효율이 되도록 하는데 일 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템 중 전류 제어부의 상세도를 도시한 도면이다.
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 발명이 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 제어 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 변환 시스템(1000)은 제1 전력 변환부(100), 제2 전력 변환부(200), 제1 전류 센서(300), 제2 전류 센서(400), 전류 제어부(500) 및 전류 분배부(600)를 포함할 수 있다.
제1 전력 변환부(100) 및 제2 전력 변환부(200)는 입력되는 전력을 변환시켜 다른 전력으로 출력할 수 있다. 본 실시 예에서 제1 전력 변환부(100)는 제2 전력 변환부(200)와 병렬로 연결된다. 제1 전력 변환부(100) 및 제2 전력 변환부(200)는 입력되는 전력의 종류에 따라 예컨대 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 입력되는 전력이 직류 전력인 경우 제1 전력 변환부(100) 및 제2 전력 변환부(200)는 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 회로, 또는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 인버터 회로를 포함할 수 있다. 입력되는 전력이 교류 전력을 생산하는 경우, 제1 전력 변환부(100) 및 제2 전력 변환부(200)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.
전류 제어부(500)는 제1 전류 센서(300)를 이용하여 전력 변환 시스템(1000)으로 유입되는 입력 전류(Iin)를 감지할 수 있다. 전류 제어부(500)는 제2 전류 센서(400)를 이용하여 전력 변환 시스템(1000)에서 유출되는 출력 전류(Iout)를 감지할 수 있다. 전류 제어부(500)는 전력 변환 시스템(1000)의 입력 전압(Vin) 및 출력 전압(Vout)을 감지할 수 있다.
전류 제어부(500)는 입력 전류(Iin) 및 입력 전압(Vin)을 기초로 입력 전력을 결정할 수 있고, 출력 전류(Iout) 및 출력 전압(Vout)을 기초로 출력 전력을 결정할 수 있다. 전류 제어부(500)는 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율을 나타내는 효율을 결정할 수 있다. 전류 제어부(500)는 이전 효율로써의 제1 효율 및 현재 효율로써의 제2 효율을 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 변환 시스템(1000)이 최대 효율점에서 동작할 수 있도록 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 조절하는 최대 효율점 추적 제어를 수행할 수 있다. 전류 제어부(500)는 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 조절하는 전류 조절 팩터(K)를 출력할 수 있다. 이하, 전류 제어부(500)의 상세한 내용은 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
전류 분배부(600)는 전류 제어부(500)에서 출력되는 전류 조절 팩터(K)에 의해 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 분배한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템 중 전류 제어부(500)의 상세도를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전류 제어부(500)는 효율 산출부(510), 효율 저장부(520), 비교부(530) 및 전류 조절부(540)를 포함할 수 있다.
효율 산출부(510)는 입력 전류(Iin) 및 입력 전압(Vin)을 기초로 결정되는 입력 전력 대비 출력 전류(Iout) 및 출력 전압(Vout)을 기초로 결정되는 출력 전력의 비율을 나타내는 현재 효율(En)을 산출할 수 있다. 산출된 현재 효율(En)은 효율 저장부(520)에 저장되었다가, 효율 비교 시에 이전 효율로써의 제1 효율(En-1)로 이용될 수 있다.
효율 산출부(510)는 제1 모드 및 제2 모드를 포함하는 전류 조절 모드 중 한 모드에 따라 제1 전류(I1)의 양과 제2 전류(I2)의 양을 변경하고, 전력 변환 시스템(1000)으로 유입되는 입력 전류(Iin) 및 입력 전압(Vin) 대비 전력 변환 시스템(1000)에서 유출되는 출력 전류(Iout) 및 출력 전압(Vout)의 비율을 나타내는 현재 효율(En)을 산출할 수 있다. 여기서 현재 효율(En)은 효율 비교 시에 현재 효율로써의 제2 효율(En)로 이용될 수 있다.
여기서, 전류 조절 모드 중 제1 모드는 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 소정의 양만큼 증가시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 소정의 양만큼 감소시키는 모드 일 수 있다. 그리고 전류 조절 모드 중 제2 모드는 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 소정의 양만큼 감소시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 소정의 양만큼 증가시키는 모드 일 수 있다.
비교부(530)는 제1 효율(En-1) 및 제2 효율(En)을 비교하고, 전류 조절부(540)는 제1 효율(En-1) 및 제2 효율(En)의 비교 결과에 따라 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정한다.
비교 결과 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 큰 경우, 전류 조절부(540)는 이전의 전류 조절 모드를 그대로 유지할 수 있다. 반대로 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 작은 경우, 전류 조절부(540)는 이전의 전류 조절 모드를 다른 모드로 변경할 수 있다.
예컨대, 이전 전류 조절 모드가 제1 모드인 경우, 비교 결과 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 큰 경우, 전류 조절부(540)는 전류 조절 모드를 제1 모드로 유지하고, 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 더 증가시키고, 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 더 감소시킬 수 있다. 예컨대, 전류 조절부(540)는 이전 전류 조절 팩터를 소정의 크기(예컨대, 0.01)만큼 증가시킨 전류 조절 팩터(K)를 출력할 수 있다.
본 예에서, 비교 결과 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 작으면, 전류 조절부(540)는 전류 조절 모드를 이전 전류 조절 모드인 제1 모드에서 제2 모드로 변경하고, 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 감소시키고, 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 증가시킬 수 있다. 예컨데, 전류 조절부(540)는 이전 전류 조절 팩터를 소정 크기(예컨대, 0.01)만큼 감소시킨 전류 조절 팩터(K)를 출력할 수 있다.
본 예에서 비교 결과, 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)과 동일한 경우, 전류 조절부(540)는 전류 조절 모드를 이전 전류 조절 모드인 제1 모드에서 제2 모드로 변경하도록 설정될 수 있다. 그러나, 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)과 동일한 경우, 전류 조절부(540)는 전류 조절 모드를 변경하지 않도록 설정될 수도 있다.
이와 같이 제1 효율(En-1) 및 제2 효율(En)의 비교에 따른 제1 모드 또는 제2 모드로 결정하고 그에 따라 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)의 양을 조절하는 과정을 전력 변환 시스템(1000)이 종료될 때까지 반복적으로 수행할 수 있다.
전류 분배부(600)는 전류 제어부(500)에서 출력되는 전류 조절 팩터(K)에 의해 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 분배한다. 예컨대, 전류 분배부(600)는 전류 조절 팩터(K)를 기초로 제1 전류 조절 팩터(K1) 및 제2 전류 조절 팩터(K2)를 결정할 수 있다. 제1 전류 조절 팩터(K1)와 제2 전류 조절 팩터(K2)의 합은 1이다. 예컨대, 전류 분배부(600)는 제1 전류 조절 팩터(K1)를 전류 조절 팩터(K)로 결정하고, 제2 전류 조절 팩터(K2)를 1-전류 조절 팩터(K)(즉, 1-K)로 결정할 수 있다.
제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 큰 경우, 전류 조절부(540)는 이전의 전류 조절 모드를 그대로 유지할 수 있다. 예를 들면, 이전 전류 조절 모드가 제1 모드인 경우, 전류 조절부(540)는 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 더 증가시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 더 감소시키기 위하여, 전류 조절 팩터(K)를 소정 크기(예컨대, 0.01)만큼 더 증가시킬 수 있다. 전류 분배부(600)는 상기 소정 크기만큼 더 증가된 새로운 전류 조절 팩터(K)를 수신하고, 새로운 전류 조절 팩터(K)에 기초하여 이전의 제1 전류 조절 팩터(K1)보다 상기 소정 크기(예컨대, 0.01)만큼 큰 새로운 제1 전류 조절 팩터(K1) 및 이전의 제2 전류 조절 팩터(K2)보다 상기 소정 크기(예컨대, 0.01)만큼 작은 새로운 제2 전류 조절 팩터(K2)를 결정할 수 있다. 전류 분배부(600)는 새로운 제1 전류 조절 팩터(K1) 및 입력 전류(Iin)의 곱에 해당하는 제1 전류(I1)를 제1 전력 변환부(100)로 출력하고, 새로운 제2 전류 조절 팩터(K2) 및 입력 전류(Iin)의 곱에 해당하는 제2 전류(I2)를 제2 전력 변환부(200)로 출력할 수 있다.
그러나, 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 작은 경우, 전류 조절부(540)는 이전의 전류 조절 모드를 다른 모드로 변경할 수 있다. 예를 들면, 이전 전류 조절 모드가 제1 모드인 경우, 전류 조절부(540)는 전류 조절 모드를 제2 모드로 변경할 수 있다. 전류 조절부(540)는 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 감소시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 증가시키기 위하여, 전류 조절 팩터(K)를 소정 크기(예를 들어, 0.01)만큼 감소시킬 수 있다. 전류 분배부(600)는 상기 소정 크기만큼 감소된 새로운 전류 조절 팩터(K)를 수신하고, 새로운 전류 조절 팩터(K)에 기초하여 이전의 제1 전류 조절 팩터(K1)보다 상기 소정 크기(예컨대, 0.01)만큼 작은 새로운 제1 전류 조절 팩터(K1) 및 이전의 제2 전류 조절 팩터(K2)보다 상기 소정 크기(예컨대, 0.01)만큼 큰 새로운 제2 전류 조절 팩터(K2)를 결정할 수 있다. 전류 분배부(600)는 새로운 제1 전류 조절 팩터(K1) 및 입력 전류(Iin)의 곱에 해당하는 제1 전류(I1)를 제1 전력 변환부(100)로 출력하고, 새로운 제2 전류 조절 팩터(K2) 및 입력 전류(Iin)의 곱에 해당하는 제2 전류(I2)를 제2 전력 변환부(200)로 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은 전력을 변환하는 PCS(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40)를 포함할 수 있다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 부하(4), 배터리 시스템(20) 및/또는 계통(3)에 공급할 수 있다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 및 통합 제어기(15)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크부(12)로 전달할 수 있다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 예컨대 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.
전력 변환부(11)는 도 1 및 도 2를 참조하여 서로 병렬로 연결된 제1 전력 변환부(100) 및 제2 전력 변환부(200), 제1 전류 센서(300), 제2 전류 센서(400), 전류 제어부(500)와 전류 분배부(600)를 포함할 수 있다. 제1 전류 센서(300)는 전력 변환 시스템(1000)으로 유입되는 입력 전류(Iin)를 감지할 수 있고, 제2 전류 센서(400)는 전력 변환 시스템(1000)에서 유출되는 출력 전류(Iout)를 감지할 수 있다. 전류 제어부(500)는 전력 변환 시스템(1000)으로 유입되는 입력 전류(Iin) 및 입력 전압(Vin) 대비 전력 변환 시스템(1000)에서 유출되는 출력 전류(Iout) 및 출력 전압(Vout)의 비율을 나타내는 효율을 결정할 수 있다. 전류 제어부(500)는 이전 효율로써의 제1 효율 및 현재 효율로써의 제2 효율을 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 변환 시스템(1000)이 최대 효율점에서 동작할 수 있도록 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 조절하는 최대 효율점 추적 제어를 수행할 수 있다. 전류 제어부(500)는 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 조절하는 전류 조절 팩터(K)를 출력할 수 있다. 전류 분배부(600)는 전류 제어부(500)에서 출력되는 전류 조절 팩터(K)에 의해 제1 전력 변환부(100)로 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)로 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 분배할 수 있다.
발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 변동에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 전력 변환부(11)의 동작이 중지됨으로써, 컨버터 회로나 정류 회로와 같은 상기 전력 변환 장치에서 소비되는 전력이 최소화 또는 감소될 수 있다.
발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 또는 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등과 같은 문제로 인하여, 직류 링크 전압의 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나, 직류 링크 전압은 컨버터(14) 및 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(12)는 전력 변환부(11), 인버터(13) 및 컨버터(14) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크부(12)는 예컨대 대용량 커패시터를 포함할 수 있다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 인버터(13)는 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터 제공되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 억제 또는 제한하기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상(transient phenomena) 보호 또는 감소 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(13)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 전력 변환 시스템(1000)의 형태로 구성될 수도 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 인버터(13)로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)에서 출력되는 직류 링크 전압 및/또는 인버터(13)에서 출력되는 직류 링크 전압을 적절한 전압 레벨(예컨대, 배터리 시스템(20)에서 요구하는 충전 전압 레벨)의 직류 전압으로 DC-DC 변환하여 배터리 시스템(20)으로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 경우에는 컨버터(14)의 동작이 중단됨으로써, 전력 소비가 최소화 또는 감소될 수도 있다. 또한 컨버터(14)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 전력 변환 시스템(1000)의 형태로 구성될 수도 있다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.
통합 제어기(15)는 모니터링 결과 및 미리 정해진 알고리즘에 따라서, 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 계통(3)에 정전이 발생할 경우, 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)에 저장된 전력 또는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이 부하(4)에 공급되도록 제어할 수 있다. 또한, 통합 제어기(15)는 부하(4)에 충분한 전력이 공급될 수 없을 경우에, 부하(4)의 전기 장치들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전기 장치들에 우선적으로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있다. 또한, 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 단락 및 개방 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)의 단락 및 개방 상태가 결정될 수 있다. 구체적으로, 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하거나, 계통(3)으로부터의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우, 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 계통(3)에 공급하거나 계통(3)으로부터의 전력을 부하(4)와 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나에 공급하는 경우에는, 제2 스위치(40)는 단락 상태가 된다.
계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)는 개방 상태가 되고 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 즉, 발전 시스템(2)과 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)에 공급되는 전력이 계통(3) 쪽으로 흐르는 것을 방지한다. 이와 같이, 에너지 저장 시스템(1)을 단독 운전 시스템(stand alone system)으로 동작시킴으로써, 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 발전 시스템(2) 또는 배터리 시스템(20)으로부터 전달되는 전력에 의하여 감전되는 사고를 방지할 수 있게 한다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 큰 전류에 견딜 수 있거나 큰 전류를 처리할 수 있는 릴레이(relay)와 같은 스위칭 장치를 포함할 수 있다.
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2)과 계통(3) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 저장하고, 저장하고 있는 전력을 부하(4)와 계통(3) 중 적어도 하나에 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명이 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템(1000)의 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전력 변환 시스템(1000)은 입력 전류(Iin) 및 입력 전압(Vin)을 기초로 결정되는 입력 전력 대비 출력 전류(Iout) 및 출력 전압(Vout)을 기초로 결정되는 출력 전력의 비율을 나타내는 제1 효율(En-1)을 결정한다(S410).
제1 효율(En-1)을 결정한 후, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 제1 모드와 제2 모드 중 한 모드로 결정하고, 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경한다(S420). 여기서, 전류 조절 모드 중 제1 모드는 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 소정의 양만큼 증가시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 소정의 양만큼 감소시키는 모드 일 수 있다. 그리고 전류 조절 모드 중 제2 모드는 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 소정의 양만큼 감소시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 소정의 양만큼 증가시키는 모드 일 수 있다.
제1 전류의 양과 제2 전류의 양이 변경된 후, 전력 변환 시스템(1000)은 입력 전류(Iin) 및 입력 전압(Vin)을 기초로 결정되는 입력 전력 대비 출력 전류(Iout) 및 출력 전압(Vout)을 기초로 결정되는 출력 전력의 비율을 나타내는 제2 효율(En)을 결정한다(S430).
전력 변환 시스템(1000)는 제1 효율(En-1) 및 제2 효율(En)을 비교하고(S440), 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1) 보다 큰가를 판단한다(S450).
비교 결과 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 큰 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 이전의 모드로 유지하고, 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 변경한다(S460).
예컨대, 이전 전류 조절 모드가 제1 모드인 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 제1 모드로 유지하면서, 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 더 증가시키고, 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 더 감소시킬 수 있다. 예컨대, 전력 변환 시스템(1000)은 이전 전류 조절 팩터를 소정의 크기(예컨대, 0.01)만큼 증가시킨 전류 조절 팩터(K)를 출력할 수 있다. 예컨대, 이전 전류 조절 모드가 제2 모드인 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 제2 모드로 유지하면서, 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 더 감소시키고, 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 더 증가시킬 수 있다. 예컨대, 전력 변환 시스템(1000)은 이전 전류 조절 팩터를 소정의 크기(예컨대, 0.01)만큼 감소시킨 전류 조절 팩터(K)를 출력할 수 있다.
그러나, 비교 결과 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)보다 작은 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 다른 모드로 변경하고, 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 변경한다(S470).
예컨대, 이전 전류 조절 모드가 제1 모드인 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 제2 모드로 변경할 수 있다. 전력 변환 시스템(1000)은 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 감소시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 증가시키기 위하여, 전류 조절 팩터(K)를 소정 크기(예를 들어, 0.01)만큼 감소시킬 수 있다. 예컨대, 이전 전류 조절 모드가 제2 모드인 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 제1 모드로 변경할 수 있다. 전력 변환 시스템(1000)은 제1 전력 변환부(100)에 입력되는 제1 전류(I1)의 양을 증가시키고 제2 전력 변환부(200)에 입력되는 제2 전류(I2)의 양을 감소시키기 위하여, 전류 조절 팩터(K)를 소정 크기(예를 들어, 0.01)만큼 증가시킬 수 있다.
본 예에서 비교 결과, 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)과 동일한 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 이전 전류 조절 모드인 제1 모드에서 제2 모드로 변경하도록 설정될 수 있다. 그러나, 제2 효율(En)이 제1 효율(En-1)과 동일한 경우, 전력 변환 시스템(1000)은 전류 조절 모드를 변경하지 않도록 설정될 수도 있다.
이와 같이 제1 효율(En-1) 및 제2 효율(En)의 비교를 통하여 전류 조절 모드를 제1 모드 또는 제2 모드로 유지하거나, 제1 모드에서 제2 모드로 또는 제2 모드에서 제1 모드로 변경하고, 제1 전류(I1)의 양 및 제2 전류(I2)의 양을 조절하는 반복적인 과정에 의해 전력 변환 시스템(1000) 최대 효율점 근처에서 동작하도록 할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들은 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것이며, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가적인 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 구현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같은 구체적인 언급이 없다면, 본 발명의 실시를 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 제1 전력 변환부
200: 제2 전력 변환부
300: 제1 전류 센서
400: 제2 전류 센서
500: 전류 제어부
510: 효율 산출부
520: 효율 저장부
530: 비교부
540: 전류 조절부
600: 전류 분배부

Claims (10)

  1. 제1 전력 변환장치 및 상기 제1 전력 변환장치와 병렬로 연결된 제2 전력 변환장치를 포함하는 전력 변환 시스템으로서,
    상기 전력 변환 시스템의 제1 효율을 결정하고, 상기 제1 전력 변환 장치로 입력되는 제1 전류의 양과 상기 제2 전력 변환장치로 입력되는 제2 전류의 양을 각각 조절하는 제1 모드 및 제2 모드 중 한 모드로 상기 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경하고 상기 전력 변환 시스템의 제2 효율을 결정하며, 상기 제1 효율 및 상기 제2 효율의 비교 결과에 따라 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 전류 제어부; 및
    상기 결정된 전류 조절 모드에 따라 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 분배하는 전류 분배부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 모드는,
    상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 증가시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 감소시키는 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 모드는,
    상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 감소시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 증가시키는 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전류 제어부는,
    상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 작으면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드에서 다른 모드로 변경하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전류 제어부는,
    상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 크면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드로 유지하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 제어부는, 상기 전류 조절 모드를 주기적으로 결정하고,
    상기 전류 분배부는, 상기 결정된 전류 조절 모드에 따라 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  7. 제1 전력 변환장치 및 상기 제1 전력 변환장치와 병렬로 연결된 제2 전력 변환장치를 포함하는 전력 변환 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 전력 변환 시스템의 제1 효율을 결정하는 단계;
    상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 증가시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 감소시키는 제1 모드 및 상기 제1 전력 변환 장치에 입력되는 제1 전류의 양을 감소시키고 제2 전력 변환 장치에 입력되는 제2 전류의 양을 증가시키는 제2 모드 중 한 모드로 상기 제1 전류의 양과 제2 전류의 양을 변경하고, 상기 전력 변환 시스템의 제2 효율을 결정하는 단계;
    상기 제1 효율과 상기 제2 효율을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 전류 조절 모드에 따라 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계는,
    상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 작으면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드에서 다른 모드로 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 제어 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계는,
    상기 제2 효율이 상기 제1 효율보다 크면, 상기 전류 조절 모드를 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 상기 한 모드로 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 제어 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 모드 또는 상기 제2 모드로 결정하는 단계 및 상기 제1 전류의 양과 상기 제2 전류의 양을 변경하는 단계를 반복적으로 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 제어 방법.
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