KR102262088B1

KR102262088B1 - Ess의 안전을 강화한 하이브리드 재생에너지 발전시스템

Info

Publication number: KR102262088B1
Application number: KR1020190170458A
Authority: KR
Inventors: 이광휘; 정태화; 정진화; 구혜림; 석 영 정; 서경희
Original assignee: 유한책임회사 일잡이
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-09
Also published as: KR20200080167A; KR20230011508A; KR102545353B1

Abstract

본 발명은 충격성 전력으로부터 ESS의 안전을 강화하면서 재생에너지발전설비와 EES가 융합 연동되어 전력을 생산하도록 연동하는 하이브리드 재생에너지 발전 기술에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 ESS와 재생에너지발전설비가 IoT 기반에서 ESS안전과 재생에너지설비의 효율적 가동을 위해 스스로 분리되고 결합되면서 발전전력을 생산하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템을 개시하고자 함에 있다.
본 발명은, 계통전원에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치); 계통전원으로부터의 충전계통에 연결되어 피크전력 때에 충전하였다가 전력생산 필요시 상기 전력생산용으로 방출하는 ESS(에너지저장장치); 재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비; 상기 ESS로부터의 방출 전력과 상기 재생에너지발전설비로부터의 생산 전력을 연합하되 전위차에 따라 제1출력경로 또는 제2출력경로로 전환 출력하는 하이브리드부; 상기 하이브리드부에 연결되어 발전용 전력을 PCS로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 ESS에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부;의 연동 구성을 포함하되, 상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 우선적으로 출력되도록 선순위 전위차가 형성되고, 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 상기 ESS로부터 방출되는 전력이 출력되도록 차순위 전위차가 형성되는 매트릭스부의 연동 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템 등의 구성을 개시한다.
본 발명에 의하면 시차적인 자동 분리 및 결합으로 ESS와 재생에너지발전설비를 연동함으로써 ESS의 안전강화와 재생에너지발전설비의 가동효율증대를 동시에 달성하는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면 ESS의 충전전력으로 전력을 생산하도록 하면서도 비저장 재생에너지발전설비로부터의 전력을 최우선으로 전력수요에 활용한 후에, 비축된 ESS에너지를 차선 순서로 발전에 활용하도록 연동 제어함으로써 탄소저감의 실효적 효과를 높이게 된다.

Description

ESS의 안전을 강화한 하이브리드 재생에너지 발전시스템{Hybrid renewable energy generation systems that enhance ESS safety}

본 발명은 충격성 전압이 발생되는 재생에너지 발전전력으로부터 ESS의 안전을 확보하면서 재생에너지 발전설비와 EES가 상보 융합 연동되어 전력을 생산하도록 연동하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템에 관한 것이다.

심야 시간대에 남아도는 피크전력을 충전했다가 필요시에 방출하여 전력을 생산하는 ESS(에너지저장장치)는 싼 요금의 전기를 저장했다가 전력수요가 많은 비싼 요금의 주간에 전기를 생산하여 재판매 할 수 있는 점에서 유용하게 활용되고 있다. 그러나 이는 계통전원을 시차적으로 분할 활용하는 완충기능, 즉 계통전원을 충전한 만큼 방전하는 것에 해당할 뿐 에너지 측면에서는 새로운 자원으로 볼 수 없다. 게다가 충방전에 따른 전력 손실은 기술적으로 볼 때 오히려 효율저하를 수반한다.

재생에너지발전기술 중 태양광, 풍력 등은 자가발전용 또는 여분의 전력을 계통전원으로 송출하는 전력생산 기술이다. 특히 화석연료를 포함하는 계통전원 발전기술과 대비할 때 탄소저감에 기여하고 자가발전을 지향하는 미래의 분산발전 정책에 부합한다.

한편, 이러한 재생에너지발전설비로도 ESS를 충전할 수 있어 부하(load) 전력으로 쓰고 남는 생산전력을 ESS충전에 활용하는 등 피크전력을 저장 활용하는 효율적 설비로 재생에너지발전설비에도 ESS가 적용되고 있다. 그러나 재생에너지발전설비가 ESS를 충전할 때는 충격성 펄스전류가 공급되므로 첨단 ESS의 충전일수록 정밀하게 안전을 강화할 필요성이 있다.

특히, 리튬배터리, 리튬이온배터리 등 첨단 ESS는 폭발 내지 화재위험이 있는 특수성이 있기에 태양광이나 풍력 등 발전설비에 첨단 ESS를 적용할 때는 정밀한 충방전 설계가 필요하다. 2018년12월18일자 조선일보에서 “2018년도 발생된 전국 ESS 화재 16건 중 태양광발전소에서의 화재가 8건, 풍력발전소에서의 화재가 3건”이라는 보도는 재생에너지발전설비가 ESS를 충전시킬 때 안전성에 대한 고려가 매우 중요함을 일깨우는 사례이다.

도 1a 내지 도 2d는 이에 대한 원인을 설명하기 위한 그래프 등이므로 이하 이를 이용하여 재생에너지발전설비로 ESS를 충전할 때의 위험요인에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 1a는 재생에너지발전설비에서 기후에 따라 전압 내지 전류가 변화되는 현상을 변동곡선으로 나타낸 것이다. 즉 태양광, 풍력 발전기 등의 재생에너지발전설비에서는 온도 내지 풍력 등 기후에 따라 발전전력 변동이 일어나는 바, 도 1a에서 P는 전류 또는 전압의 최대전력점, B는 최저전력점을 의미한다.

도 1b는 양호한 날에도 아침, 정오, 저녁 시간 또는 바람, 구름, 온도에 따라 전압 내지 전류의 양이 P점으로부터 B점까지 변동되는 모습을 나타낸 것이다. 이런 상태에서 고점 P와 저점 B의 변동 폭을 수렴하면서 ESS(이하 ‘축전기’ 또는 ‘배터리’라고도 한다)와 태양전지 모듈(이하 약칭하여 ‘솔라’, ‘솔라 모듈’ 또는 ‘태양전지’라 한다) 등을 원만하게 연동시키기 위해서는 펄스폭 제어(이하 ‘PWM’이라 한다) 기술이 이용된다. 펄스폭 제어로서 전압이 높은 P점에서는 유효 시간폭을 감소시키고 전압이 낮은 B점에서는 유효 시간폭을 증가시키는 시간함수로 제어하면 비록 솔라 모듈로부터의 전압이 변화되더라도 ESS 단자전압은 평균적인 일정 전압이 유지되는데, 이것은 ESS가 커패시터처럼 충격전압을 흡수하는 등가적인 평활특성을 갖기 때문이다.

하지만 이처럼 펄스폭 제어를 적용하기 위해서는 ESS전압이 B점의 높이임에도 불구하고 솔라 전압은 적어도 A점 이상이 되어야 할 것을 전제한다. 그래야 도 2b처럼 충전 가능한 자연낙차 전압이 항상 안정적으로 유지될 수 있기 때문이다. 만약 솔라의 전압을 도 1b의 A점처럼 높게 설정하지 않고 도 1b의 B점 부근으로 설정하게 되면, 태양에너지가 약해질 때인 B점 이하에서는 도 2a에서 보듯이 충전 가능한 자연낙차가 성립되지 않으므로 비록 솔라 내부에서 태양에너지로 전력을 생산하고 있더라도 외부 충전전류로 흘러나오지는 못하게 된다. 즉 이때의 솔라 전력은 무효전력이 되고 마는 것이다.

요컨대, 예를 들어 솔라를 이용하는 발전설비의 경우 온도변화 및 일조상태의 변동을 감안하면서 효과적인 ESS 충전을 이루도록 하기 위해서는 발전 전압을 A점만큼 상시 높게 설정하고 초과분을 PWM으로 조절해야 한다는 것인데, 이러한 PWM과 솔라의 개방전압의 특수성 때문에 PWM으로 on-off 작동될 때 큰 충격성 펄스가 발생하여 이하 설명과 같이 ESS에 악영향을 주게 된다.

예를 들어, 공칭전압 12V인 ESS의 단자전압은 충전 모드에 따라 12V, 13.5V, 14V, 14.5V, 15V 등으로 +20% 이상 전압이 변화되므로, 만약 12V ESS 충전용 솔라를 10% 정도인 13.5V로 설계한다면 정상적인 태양광 에너지(일사강도) 상태에서도 ESS가 만충전 될 수 없다. 따라서 일반적인 솔라 설비는 최대 ESS 단자전압인 15V에서도 충전이 가능할 만큼, ESS 공칭전압 대비 +25% 정도의 전압을 보상하며 또한 온도 보상을 위한 +20% 정도의 전압을 또 추가하여 전체적으로 솔라의 최대정격전압은 기본 ESS 전압(12V)의 150%인 18V, 즉 50%의 잉여 설비로 설계되고 있다.

솔라는 동절기가 되면 최대정격전압이 20% 정도 더 증가하게 된다. 이러한 전압 증가는 전력의 증산으로 볼 수 있으므로 바람직하다고 생각할 수 있지만 ESS의 단자전압 측면에서 보면 과전압으로 영향을 주므로 불필요한 전압의 증가는 오히려 바람직하지 않은 현상이 될 수 있다. 즉 겨울철에는 여름철에 의도하였던 +50%보다도 더 높은 +70%의 전압 높이에서 PWM가 작동하여 이로부터의 충격성 펄스가 악영향을 주게 되는 것이다(이하 도 2d에 관한 설명 참조).

더 나아가, 상기 잉여 설비에 첨가되어 더욱 더 악영향을 주게 되는 변수는 태양광 모듈의 최대정격전압과 개방전압의 차이이다. 즉, PWM에 의해 ESS로 충전이 차단되는 off기간 중에 솔라전압은 개방전압까지 상승하는 것이므로, 최대정격전압과 개방전압의 차이인 30% 정도의 전압까지 추가되어 잉여 설비로부터의 전체적인 과전압은 상기 +70%보다도 더 높은 +100%이상으로 까지도 상승되는 것이다. 특히 이처럼 100% 이상으로 전압이 상승되면 이에 반비례하여 펄스폭은 더 날카롭게 좁아지는데, 이처럼 날카롭게 상승된 좁은 시간폭의 펄스성 충격파가 100kHz~500kHz 주기로 계속 ESS에 충격성 전류로 가해진다는 것은 정전기로 점화를 일으키는 라이터(lighter) 작용과 유사한 자극을 주는 것과 맥을 같이 한다.

이러한 펄스성 충격파에 의한 위험성은 고전압 대전력의 발전설비일수록 우려되는 것으로, 이를 도식적으로 설명하는 것이 도 2d이다.

즉, 도 2d는 솔라 전압의 높이 및 PWM의 on-off 작동에 따라 충격성 펄스전압이 달라지는 모습으로서, 솔라의 전압이 낮은 상태인 (a) 내지 (c) 정도 레벨에서는 굳이 충격이라고 생각하지 않아도 될 만큼의 펄스 높이와 펄스폭을 가지지만, 솔라 전압이 그보다 높아지는 (d) 및 (e)에서는 심한 충격성 펄스(즉 충격성 첨두전압)가 발생됨을 나타낸 것이다.

예를 들어 200V를 단자전압으로 하는 ESS에서 솔라 모듈의 전압을 220V로 가했을 때는 정상적인 충전이어서 ESS 단자전압이 연동 상승하므로 (a)처럼 충격성 첨두전압이 없이 자연스럽게 ESS로 충전전류가 연속적으로 흐르지만, 솔라 모듈 전압을 230V로 가했을 때는 (b), 250V로 가했을 때는 (c)로서 ESS단자전압과 차이가 발생하면서 그 차이의 전압만큼 충격성 펄스전압이 발생된다(듀티비(duty rate) 이외의 시간에 충격성 펄스전압이 발생되는 것이다. 이러한 펄스전압 발생의 원리는 PWM을 이용하여 충전을 제어하는 기초적인 기술에 해당하는 바 이 분야 통상 이상의 기술을 가진 자라면 잘 알 수 있을 것이어서 더 이상 설명은 생략한다.)

그런데 솔라 전압을 300V로 가하는 (d)에서는 100V(즉, 300V-200V=100V)의 첨두전압으로 상기 펄스전압의 레벨이 증가가고, 특히 솔라 전압이 400V로 가해지는 (e)에서는 200V의 펄스 높이뿐만 아니라 펄스의 폭이 매우 날카롭게 좁아지므로 결국 날카로운 펄스 형태의 충격성 첨두전압으로 성질이 변화됨을 알 수 있을 것이다. 이것은 솔라 전압이 높을수록 펄스폭을 좁혀야 하고 또한 펄스폭의 on-off 작용에서는 솔라의 개방전압 범위까지가 충격성 펄스의 높이로 되는 악순환에 기인된 현상으로, 결국 고전압 대전력의 발전설비에 있어서 ESS 충전을 솔라에 의존할 경우 상기 예리한 충격성 펄스가 위해를 주어, 마치 라이터(lighter)에 비유될 정전기 충격으로 ESS단자에 자극을 주므로 ESS를 수명단축 내지는 폭발을 유발할 수 있게 되는 것이다.

요컨대, PWM으로 on-off 하면서 나타나는 충격성 첨두전압은 본래의 ESS 단자 전압의 2배에 이르는 정도까지 높아질 수 있는데, 비록 ESS의 평활특성에 의해 상기 첨두전압이 ESS의 단자전압을 상승시키는 외형적 현상으로 나타나지는 않는다고 하더라도 그에 따라 ESS 내면에 가해지는 전류 충격은 ESS 내부에서 화학적 반응을 초래하게 됨을 피할 수 없는 것이므로 이 충격성 펄스가 리튬배터리 등 첨단 ESS에 원하지 않는 가스를 발생시키는 등의 요인으로 될 수 있는 것이다. 이러한 충격성 첨두전압이 심하게 발생되면 ESS이거나 PCS이거나 둘 중 하나 또는 둘 다 모두 소손될 수 있고 이것이 화재를 일으키는 요인으로 될 가능성이 있는 것이다.

본 발명자가 발명한 대한민국 특허출원 10-2018-0001666, 10-2017-0153635, 10-2015-0008277들(이하 선행기술이라 한다)은 솔라 모듈과 ESS단자가 동일한 전압이라도 충전이 가능토록 연동하는 기술로서, 상기 50%의 잉여 설비를 0%이하로 까지도 감축하도록 하는 기술을 개시하고 있다. 즉, 이 선행기술은 도 2a와 같이 자연낙차가 성립되지 않은 상황에서 도 3a와 같은 보충전력(Level 1)을 공급함으로써 발전설비의 전력 출력점 전압을 레벨 2(Level 2)로 리프팅(Lifting)하는 기법을 개시하였다. 만약 발전설비의 전압(솔라 전압)이 더 낮아지면 도 3b처럼 보충전압의 레벨을 더 높이고 1일중 솔라 전압이 불규칙하게 변동되면 도 3c처럼 그에 추종하여 보충전력의 전압을 가감함으로써 출력단으로의 전력 출력을 안정시킨다.

특히, 이 선행기술은 솔라 전압이 ESS 전압보다 낮을 때 보충전력으로 리프팅하여 전압을 올림으로써 그 합산된 전력의 전압(이하 이처럼 합산된 전력의 개념에서 측정되는 전압을 ‘종합전위’ 또는 ‘종합전력’이라 한다)을 통해 무효전력을 모두 재생하는 것을 목적으로 하므로, 이를 이용하면 솔라 모듈의 전압은 ESS의 전압과 같거나 그 이하라도 ESS로 충전 전류를 흘릴 수가 있다. 즉 솔라 전압이 낮아 솔라로부터의 전력이 외부로 분출되지 못할 때 이를 외부로 분출하도록 마중물 전력을 공급하여 미분출된 전력을 분출상태로 전환시키므로 상기 선행기술은 이를 솔라의 설치 장소 및 설비비 부담을 경감하는 목적으로 개시하였다.

이 선행기술은 역발상의 개념에서 본 발명이 융합적으로 응용할 대상이므로, 이를 응용하는 구체적인 기술을 설명하기에 앞서 이 선행기술들의 공보에 게시된 구성도를 도 4a 및 도 4b에 발췌하여 소개하기로 한다.

도 4a 및 도 4b의 주요 원리로서, 솔라 모듈(11)의 전압이 ESS(2)의 단자전압보다 낮아지면 전력감지제어부(14)가 이를 감지하여 전력보충부(13)를 제어함으로써 보충전력(마중물 전력)을 도 3a 내지 도 3c에서의 Level 1에 상당하도록 공급하고 이로써 솔라 출력단(Level 2)의 전압이 상승되도록 작용한다. 도 4b에서 다이오드(10-1)는 솔라 모듈로 흘러 들어가는 역전류를 방지하는 부재인데 특히 복수개의 솔라 모듈을 병렬적으로 결합할 때 각 모듈 간의 간섭을 방지하는 데 유용하지만, 단일 구성이거나 직렬로 다단 결합할 때는 도 4a처럼 생략될 수 있다. 또한 다이오드(12)는 ESS의 단자전압이 매우 낮을 때 전력보충부가 개입하지 않아도 자연낙차로 전류통로를 형성하는 부재이지만, 이 경우에도 전력보충부(13) 내부의 플라이휠 다이오드를 이용하는 구성일 때는 생략될 수 있다.

도 4a는 전력보충부(13)와 전력감지제어부(14)가 연동된 마중물전력부(102)의 전원을 외부전원(2-0) 예를 들면 계통전원으로부터 정류기를 통해 공급받는 구성이고, 도 4b는 축전지(2)로부터 직접 직류로 공급받는 구성인데 어느 것이나 변압기를 이용하는 절연상태 또는 직류 접속 비절연상태로 연결되는 마중물 개념으로서 발전설비(11)에 전력을 보충하도록 연동된다.

도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b의 전력보충부를 더욱 상세히 설명하는 세부 도면으로서 자동레벨조절부(13-2)의 제어를 통해 전력보충부(13)가 마중물의 전력을 제어하게 되는 실행 원리를 도시한 것이다. 이에 관한 PWM 제어 등 더 이상의 설명은 본 발명 명세서에서는 생략하므로, 만약 더 이상 추가적인 설명이 필요하다면 상기 특허들의 명세서를 참조하기 바란다.

참고로 도 5a의 PWM은 주기 T 동안 유효하게 축전지로 전력을 공급하는 펄스폭 제어 개념의 구형파 신호이지만, 이 신호를 공급 받는 축전지는 평활 기능 때문에 반응속도가 느려서 실제로 축전지의 단자에 나타나는 전압은 도 2d의 (b), (c), (d), (e)의 상승곡선으로 보듯이 약간의 기울기함수를 가지는 삼각파 형태의 파형이 된다.

도 5c는 PWM 전용의 집적회로(IC)를 이용한 전력보충부(13)와 자동레벨조절부(13-2)의 연동 관계를 도시한 것인데, 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 모두 절연용 변압기가 없는 트랜스리스 방식으로 (-)극성이 공통라인으로 되어 있음을 알 수 있지만, 트랜스 방식을 통해 절연시켜서 적용할 수도 있다.

도 6은 이하 본 발명의 설명을 쉽게 하기 위하여 상기 도 4b의 전력레벨 천이 장치를 재정리한 블록다이어그램으로서, 도 6의 (A)는 전력레벨 천이 장치 전체 도면이고, (B)는 그 중에서 본 발명에도 개량 적용되는 마중물전력부(102) 부분을 재정리한 도면이다.

요컨대, 도 4a 내지 도 5c는 도 3c의 작용을 발휘토록 하기 위해 개시된 기술로서 솔라의 가동율을 올리기 위해 현재까지 개시된 기술 중 가장 진보된 기술로 평가되고 있다. 하지만 이 기술을 ESS 충전에 그대로 활용하면 전력수요가 많은 시간대에 오히려 재생에너지발전설비(솔라)의 발전량 일부가 ESS충전으로 소모되는 문제가 있다. 즉 솔라의 발전출력이 ESS충전에 활용됨에 따라 충전에 소모되는 전력분 만큼 발전설비의 용량이 추가되어야 한다라는 문제가 있는 것이므로, 이를 그대로 이용하면 전압 측면의 충격은 완화할 수 있는 반면에 전류를 더 강화해야 하는 기술적 모순이 발생한다. 또한 이 기술을 ESS 충전에 활용할 때는 솔라의 온도변화 특성과 ESS의 단자전압 변동 특성을 모두 수렴하기 때문에 발생되는 새로운 문제, 즉 예컨대 200V ESS에서 50V~100V 전압의 범위를 마중물전력부가 담당 제어함에 따른 발열, 내압 부담 및 효율저하의 문제가 대두된다.

만약, 설정된 조건에 따른 유기적인 융합기술로서 ESS가 심야 시간대에 충전하고 솔라와 함께 주간에 발전설비로 가동되며 마중물전력부와 종합적으로 어우러지는 하이브리드 발전시스템을 구축하면, ESS의 안전을 강화하는 안정된 충전, 효율적인 재생에너지발전 및 나아가 재생에너지로부터의 피크전력을 ESS 충전에 활용하면서도 충격성 첨두전압을 해소하는 새로운 재생에너지발전시스템이 제공되는바,

본 발명은 상기 제기된 기술적 모순을 해명의 원인으로 삼아 충격성 첨두전압을 해소하되, 낮은 제어범위의 마중물전력부를 통해 재생에너지발전설비를 우선으로 가동하고 ESS에 비축된 전력을 차선으로 가동하도록 융합 제어함으로써 궁극적으로는 ESS의 안전 및 탄소저감 효과를 향상하는 하이브리드 발전시스템이다. 구체적인 과제 해결의 내용을 이하에서 상세히 설명한다.

선행기술 1 : (대한민국)공개번호 10-2012-0108710(공개일자 2012년10월05일) ; 태양광 발전시스템의 직렬전압 보상장치. 선행기술 2 : (일본)출원번호 특원2005-511444(출원일자 2004년7월7일) ; 승압장치. 선행기술 3 : (대한민국)출원번호 10-2013-0153106(공고일자 2014년12월18일) ; 태양광 발전 배터리 시스템 및 발전 전력량 조절 방법. 선행기술 4 : (대한민국)공개번호 10-2011-0038975(공개일자 2011년4월15일) ; 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치. 선행기술 5 : (대한민국)출원번호 10-2008-0018570(공고일자 2008년11월11일) ; 태양 광 발전용 전력변환장치. 선행기술 6 : (대한민국)출원번호 10-2010-0111171(공고일자 2010년12월14일) ; 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법. 선행기술 7 : 대한민국 특허출원 10-2018-0001666(2018년01월05일) ; 재생에너지 발전설비의 전력레벨 천이 장치. 선행기술 8 : 대한민국 특허출원 10-2017-0153635(2017년11월17일) ; 재생에너지 발전설비의 전력레벨 천이 장치. 선행기술 9 : 대한민국 특허출원 10-2015-0008277(2015년01월16일) ; 발전설비의 전력레벨 천이 장치. 선행기술 10 : 대한민국 특허출원 10-2010-0125806호(2010년12월09일) ; 직류 전원 공급 장치 및 방법.

본 발명의 제1목적은 ESS와 재생에너지발전설비가 IT 기반에서 ESS의 안전 및 재생에너지설비의 효율적 가동을 목표로 스스로 분리되고 결합되는 연동 관계로 제어되면서 발전전력을 생산하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템을 개시하고자 함에 있다.

본 발명의 제2목적은 재생에너지발전설비로부터의 전력을 전력수요에 최우선으로 연동하고 ESS가 차선으로 전력을 생산하는 순위제어 체계의 재생에너지발전시스템 연동 기술을 개시하고자 함에 있다.

본 발명의 제3목적은 ESS 보호 전용의 마중물전력 공급 장치 및 이를 위해 최적화 하는 가동효율의 태양전지 어레이로 제품화 될 수 있는 기술을 개시함을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 재생에너지 발전시스템은 계통전원에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치); ESS(에너지저장장치); 재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비; 및 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력 또는 상기 ESS로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 전달하는 하이브리드부를 포함한다. 여기서, 상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 ESS로부터 출력된 전력보다 우선적으로 상기 PCS로 전달한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 재생에너지 발전시스템은 계통전원에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치); ESS(에너지저장장치); 재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비; 및 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 스위칭 전달하는 스위칭 구성을 가지는 하이브리드부를 포함한다. 여기서, 상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에는 상기 스위칭 구성이 온되어 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 ESS 및 상기 PCS로 전달하며, 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 유효전력 미만일 때에는 상기 스위칭 구성이 오프되어 상기 ESS로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 전달시킨다.

본 발명에 의하면 시차적인 자동 분리 및 결합으로 ESS와 재생에너지발전설비를 연동함으로써 ESS의 안전강화와 재생에너지발전설비의 가동효율증대를 동시에 달성하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면 ESS의 충전전력으로 전력을 생산하도록 하면서도 비저장 재생에너지발전설비로부터의 전력을 최우선으로 전력수요에 활용한 후에, 비축된 ESS에너지를 차선 순서로 발전에 활용하도록 연동 제어함으로써 저장된 에너지를 최대한 보존하는 한편 가능한 한 화석연료의 사용을 줄여 탄소저감의 실효적 효과를 높이게 된다.

또한 본 발명에 의하면 재생에너지발전설비의 시설규모를 필요최소한으로 감축하여 가동율을 향상하는 효과가 있다.

본 발명에 의하면 ESS전압보다 낮은 솔라 모듈을 ESS와 동등 수준으로 작동시키는 마중물전력 장치로 패키지화된 제품 및 나아가 이를 통해 ESS전압보다 낮은 솔라 모듈 그 자체로 설비의 가동효율을 극대화화한 태양전지 어레이를 패밀리 제품으로 산업화할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 특히 솔라의 가동율을 높이면서 솔라에서의 최대전력과 개방전압의 차이 및 온도변화특성 등에 따른 악영향은 원리적으로 차단되므로, PWM를 이용하는 기술에서 위험성을 내포하는 충격성 첨두전압은 해소되고 이에 따라 ESS가 발열이나 화재로부터 전기적인 보호가 가능하게 된다.

도 1a 및 도 21b는 재생에너지 변화에 따른 전압 내지 전류의 변화를 곡선으로 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2c는 재생에너지 준위에 따라 ESS에 충전경로가 미성립, 성립 및 과다로 되는 원리를 설명하는 도면.
도 2d는 재생에너지, 예를 들면 솔라 발전시스템에서 PWM 제어를 통해 ESS를 충전시킬 때 충격성 펄스가 발화 요인으로 악영향을 줄 수 있음을 설명하는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 역발상으로 응용되는 전력보충부가 솔라 모듈의 부족한 전압을 보충하여 활성화 하는 작용을 묘사한 도면.
도 4a 및 도 4b는 선행기술들의 기술적 내용을 도면 발췌로 간단히 소개한 블록다이어그램.
도 5a 내지 도 5c는 상기 도 4a 및 도 4b 중에서 전력보충부를 좀 더 상세히 도시한 블록다이어그램.
도 6의 (A)는 선행기술들의 전력보충부가 응용 개량되는 본 발명의 기술을 설명하기 위하여 기존 선행기술들에서 개시된 발전설비의 전력레벨 천이 장치를 전력보충부 중심으로 재구성한 블록다이어그램. 도 6의 (B)는 특히 전력펌프부와 전력감지제어부 구성을 통합하여 함축 도시한 본 발명의 마중물전력부 블록다이어그램.
도 7, 도 8은 본 발명의 제1 내지 제2 실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에서 솔라와 마중물의 결합 관계를 전력의 측면에서 비교 설명하는 그래프.
도 10은 상기 도 9a 내지 도 9e의 기초 하에 본 발명의 재생에너지발전설비 및 ESS가 연동되어 전력을 생산하는 원리를 소프트웨어적으로 나타낸 흐름도.
도 11은 도 10의 주요부분을 좀 더 상세히 설명하는 흐름도.
도 12 및 도 13a와 도 13b는 본 발명의 제3실시일례 및 제4실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 14 내지 도 17은 본 발명이 산업적 이용을 위한 패키지 장치로 구성되는 실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 18 및 도 19는 본 발명의 재생에너지발전설비에서 충격성 첨두전압을 방지하는 또 다른 실시일례를 도시한 블록다이어그램.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

< 제1실시일례 >

도 7은 본 발명의 제1실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

계통전원에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치, 105);

계통전원으로부터의 충전계통에 연결되어 피크전력 때에 충전하였다가 전력생산 필요시 상기 전력생산용으로 방출하는 ESS(에너지저장장치, 107);

재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비(101);

상기 ESS로부터의 방출 전력과 재생에너지발전설비(101)로부터의 생산 전력을 연합하되 전위차에 따라 제1출력경로(D1) 또는 제2출력경로(D2)로 전환 출력하는 하이브리드부(103);

하이브리드부(103)에 연결되어 발전용 전력을 PCS로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 ESS에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부(104);

의 연동 구성을 포함하되,

하이브리드부(103)는 재생에너지발전설비(101)가 유효출력을 발생하는 때에 재생에너지발전설비(101)로부터의 전력이 우선적으로 출력되도록 선순위 전위차(D1)가 형성되고, 재생에너지발전설비(101)로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 ESS(107)로부터 방출되는 전력이 출력되도록 차순위 전위차(D2)가 형성되는 매트릭스부(D1, D2)의 연동 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템을 개시한 것이다.

여기서, 전력송수부(104)는 재생에너지발전설비(101)가 작동되는 조건, 예를 들면 태양광의 일사강도가 적정 수준 이상인 주간에 하이브리드부(103)의 출력을 PCS(105)의 가동전력으로 공급하도록 연결하는 제1스위칭부(sw1)를 온 하고, 상기 ESS 충전 조건, 예를 들면 피크전력대의 심야에 계통전원으로부터 ESS 충전이 이루어지도록 연결하는 제2스위칭부(sw2)를 온 하는 구성을 포함할 수 있다. 또한 상기 제1, 제2스위칭부들은 반도체 스위치 부재이거나 릴레이 등 기계식 스위치 부재를 포함할 수 있다.

상기 재생에너지발전설비(101)는 태양광 또는 풍력 발전을 포함하되, 상기 재생에너지발전설비(101)는 ESS(107)와 균등전압 범위로 설정됨으로써 상기 재생에너지발전설비(101)에서 출력되는 전력이 ESS(107)에 충격성 피크전압으로 공급되지 않도록 구성함을 원칙으로 한다. 즉, 본 발명의 ESS(107)는 제2스위칭부(sw2)를 통해 심야의 안정된 계통전원으로부터 전력을 공급받아 충전을 할 수 있기 때문에 굳이 솔라에서 심하게 변동되는 충격성 첨두전압을 감수하면서까지 ESS(107)를 충전시킬 필요는 없게 된다.

더 나아가 재생에너지발전설비(101)로부터의 전압이 ESS(107)와 균등전압 범위로 되도록 작동시키는 마중물전력부(102)를 더 포함할 경우, 상기 재생에너지발전설비(101)는 출력 최대전압을 기본적으로 상기 ESS 전압과 동등 내지 낮게 설정할 수 있으므로 앞에서 언급한 충격성 첨두전압은 예방할 수 있게 된다.

이를 위해 마중물전력은 재생에너지발전설비(101)의 양극 또는 음극에 직렬로 공급될 수 있으며 마중물전력부(102)의 가동에 필요한 전력은 도 4a 또는 도 4b에서 보듯이 계통전원(2-0)으로부터 조달하거나 ESS(2)로부터 다운 컨버터(13)를 이용하여 조달할 수 있다.

상기 제1실시일례의 작용에 있어서 PCS, ESS, 재생에너지발전장치들은 배경기술에서 설명한 바 있으므로 더 이상 상세한 설명은 생략하기로 하고, 하이브리드부(103)와 전력송수부(104)에 대하여 이하 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 하이브리드부(103)에 관하여, 도 7의 상기 제1출력경로(D1)는 하나의 다이오드로 연결된 경로이고 제2출력경로(D2)는 2개 이상의 다이오드가 직렬로 연결된 매트릭스부(D1, D2)로 연합된 경로를 구성하고 있음을 알 수 있다. 이 구성에서는 만약 솔라(101)의 전압과 ESS(107)의 전압이 동일하고 각각의 다이오드 특성(전압강하 특성을 말한다)이 동일하다면 솔라(101)로부터의 전류가 우선적으로 전력송수부(104)로 공급된다. 예를 들어 솔라와 ESS의 전압이 모두 24V이고 다이오드 하나에 1V의 전압강하 특성을 갖는다면, (sw1)이 연결된 지점에서 볼 때 솔라로부터의 전압은 ‘24V-1V=23V’로 되지만, ESS로부터의 전압은 ‘24V-2V=22V’로 되므로 전위차가 큰 곳이 우선적으로 흐르는 전류흐름 원칙에 의해 솔라(101)로부터의 전력이 우선적으로 전력송수부(104)로 공급되는 것이다. 이러한 연동은 솔라(101)가 23V이하로 낮아지지 않는 한 지속적으로 유지되는데, 솔라가 설령 일정부분 전압이 낮아지더라도 상기 설정된 기준으로 작동하는 마중물전력부(102)가 솔라의 전압 부족을 자동적으로 보충하여, ESS(107)와 균등 내지는 충격성 첨두전압이 발생되지 않는 범위 내에서 솔라(101)의 전압은 ESS(107)보다 항상 높은 전위를 유지하므로 상기와 같은 솔라 전력이 우선적으로 연결된 작동은 주간 기간 동안 내내 유지된다(첨두전압의 최고치를 전력감지제어부(14)가 감지하여 적절한 높이로 제한하기 때문이다).

여기서, 충격성 첨두전압이 발생되지 않도록 하는 범위란 도 2d의 (d) 내지 (e)에서처럼 ESS에 위해를 가하는 충격성 첨두전압이 발생되지 않는 범위를 말하며, 이는 도 2d의 (a) 내지 (c)와 같은 적절한 PWM 레벨의 리플(ripple)로 작동되는 것은 정상적인 비충격성 첨두전압 상태로 본다는 것을 의미한다.

요컨대, 주간에 솔라(101)에서 전력이 생산되는 한, ESS(107) 측으로 솔라 전류는 흐르지 않으면서 ESS(107)에 기 비축된 전력은 보존되고 솔라(101)에서 생산되는 전력으로 PCS가 작동되는 것이다. 만약 PCS로 공급되는 전력(전류)이 약할 때는 그만큼 솔라(101)의 전압은 낮아지게 되고 이에 따라 솔라(101)와 병렬적으로 ESS(107)가 가동하여 전력을 생산하도록 연동되는 바, 이러한 일련의 작동이 하이브리드부(103)에서 무순단 자동으로 이루어지게 된다. 참고로 ESS(107)의 충전 및 혼합적인 발전 작용은 후술한다.

도 7에 도시된 2개의 다이오드(D2)는 반드시 복수개의 다이오드이어야 한다라는 의미는 아니며 다이오드(D1) 우선으로 전류통로가 형성되도록 전위차를 형성한다라는 취지로 표현된 개념이다. 따라서 다이오드는 전압강하가 크고 작은 규격으로 각각 하나로만 구성할 수도 있고 같은 특성을 D2에 배치하여 2개, 3개 등 여러 개로 배치할 수도 있다.

다음으로, 전력송수부(104)에 관하여, 도 7의 제2스위칭부(sw2)는 계통전원으로부터 충전제어기(106)를 통해 충전전력을 조달하도록 연결하고 상기 제1스위칭부(sw1)는 PCS(105)에 가동전력을 공급하여 그로부터 생산된 전력이 계통전원(200)으로 공급하는 계통적 체계로 연결되어 있다. (sw2)는 다이오드 또는 기타 반도체의 극성을 이용하여 역방향으로 전류가 차단되도록 구성되는 것이 바람직하다.

이때 제1스위칭부(sw1) 및 제2스위칭부(sw2)는 광센서, 풍력센서, 시각 타이머, 스마트그리드 등 IoT(Internet of Thing) 내지 IoE(Internet od Energy) 개념으로 연동됨으로써 디지털 또는 아날로그 신호에 의하여 각각 다음과 같이 작동 제어된다.

제2스위칭부(sw2)는 심야 시간대를 감지하여 온(on) 된다. 구체적으로는 설정된 시각을 계수하고 그로부터 일정한 타이머 기간 동안 작동을 지속하는 고정적인 경로개설 구성이 이에 채택될 수 있다. 또 하나는 스마트그리드를 통해 전력회사로부터 피크전력 여부를 감지함으로써 주간이건 심야이건 어느 때라도 피크전력이 발생될 때를 기점으로 온(on) 되는 구성을 채택할 수도 있다.

나아가 PCS(105)에서 생산되는 전력이 수요를 충족하고도 남는 경우 IoE 개념의 전력센서로 감지하여 충전제어기(106)가 피드백으로 이를 활용토록 제2스위칭부(sw2)를 개설하는 한편 PCS(105)에 연계되는 전력위상제어부(105-1)를 진상 또는 지상으로 제어하여 피드백 연결이 되도록 연동할 수 있다. 여기서 진상 또는 지상 제어라 함은 교류에 있어서 전압의 차이가 없이도 전위차 형성처럼 전류의 방향이 전환되도록 위상차를 조절하는 개념이다.

제1스위칭부(sw1)는 재생에너지발전설비(101)가 작동되는 조건인 때 온(on) 된다. 솔라인 경우 태양광의 일사강도가 적정한 발전조건을 충족하는지, 풍력발전기인 경우 풍력이 적정한 발전조건을 충족하는지를 판단하여 자동적으로 온(on) 되는 IoT 개념의 센서 연동 기술이다. 다만 솔라의 경우는 별도의 센서로 감지하거나 솔라 그 자체에서 생성되는 전압을 조도 센서(CDS 등) 역할에 갈음하는 용도로 활용함으로써 이를 이용하여 온 시킬 수 있다.

즉, 상기 전력송수부(104)는 상기 재생에너지발전설비(101)가 작동되는 조건, 예를 들면 솔라인 경우 주간에, 풍력인 경우 바람의 세기가 적정 수준에 달한 조건을 만족하면 상기 하이브리드부(103)의 출력을 PCS(105)의 가동전력으로 공급하도록 연결하는 제1스위칭부(sw1)를 온 하고, 상기 ESS 충전 조건, 예를 들면 피크전력대의 심야에는 계통전원으로부터 ESS 충전이 이루어지도록 연결하는 제2스위칭부(sw2)를 온 한다.

만약 PCS(105)의 출력이 수요전력을 초과하여 PCS 전력이 남아도는 때는 전력위상제어부(105-1)의 진상 제어를 통해 충전제어기(106)의 출력이 ESS(107)를 피드백 충전하도록 제어하는 구성을 포함할 수 있다. 여기서 위상 진상이란 PCS(105)의 교류출력 위상을 계통전원 위상보다 앞세워서 계통전원 보다 PCS 전력을 우선적으로 충전전력으로 활용토록 함을 의미한다. 통상적으로 진상과 지상은 전류의 흐름 적정성을 감안하여 계통전원에 대해 5%~10% 정도의 범위로 이루어지지만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 진상을 제어한다라는 것은 직류에서 전압의 차이로 제어하는 개념을 교류에서 위상의 차이로 전류의 흐름을 바꾸도록 제어하는 것을 의미하므로, 본 발명에서는 직류를 이용하든 교류를 이용하든 ESS에 공급되는 충전전압에서 충격성 첨두전압은 원리적으로 완전히 해소됨을 알 수 있을 것이다. 직류 전력에서 상기 충격성 첨두전압은 마중물전력부(102)가 방지하는 것으로, 이에 대한 마중물전력부(102)의 구체적인 작용은 이하 제2실시일례를 설명할 때 함께 설명하기로 한다.

상기 제1스위칭부(sw1)와 제2스위칭부(sw2)는 교호로 작동시킴이 바람직하지만, 진상제어가 적용되는 기간 동안은 병행 작동될 수 있다.

< 제2실시일례 >

도 8은 본 발명의 제2실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

상기 ESS(107)로부터의 방출 전력과 상기 재생에너지발전설비(101)로부터의 생산 전력을 연합하되 스위칭 제어에 따라 제1출력경로(sw3) 또는 제2출력경로(sw4)로 전환 출력하는 하이브리드부(103);

상기 하이브리드부(103)에 연결되어 발전용 전력을 PCS(105)로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 ESS(107)에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부(104);

의 연동 구성을 포함하되,

상기 하이브리드부(103)는 상기 재생에너지발전설비(101)가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비(101)로부터의 전력이 우선적으로 출력되도록 제1출력경로(sw3)가 스위칭 온 되고, 상기 재생에너지발전설비(101)로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 상기 ESS(107)로부터 방출되는 전력이 출력되도록 제2출력경로(sw4)가 스위칭 온 되는 스위칭제어부(sw3, sw4)의 연동 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템을 개시한 것이다.

즉 제1실시일례에서의 무순단 매트릭스부(D1, D2)가 작동되고 제2실시일례에서는 제1출력경로(sw3) 또는 제2출력경로(sw4)로 스위칭 전환되는 차이가 있을 뿐, 나머지 ESS의 충전 등은 제1실시일례와 동일하므로 이제부터는 차이 부분에 한하여 설명함으로써 중복된 언급을 피하고자 한다.

제2실시일례에서는, 필요 이상으로 솔라 모듈 전압이 상승하는 것을 방지하기 위해 모듈 전압을 최적화, 예컨대 ESS전압에 대비하여 +30%~-50%, 바람직하게는 +20%~-20% 이내의 모듈 전압으로 낮추는, 솔라 모듈 어레이의 최적화를 실시한다. 이는 이하 설명하는 마중물전력부(102)가 본 발명에 구비되기에 가능한 것으로, 이에 따라 본 발명으로 최적화 된 솔라에서는 배경기술에서 언급한 바의 충격성 첨두전압(예를 들어 종래기술에서의 +30%~+100%이상)이 애초부터 발생하지 않게 된다.

다만, 본 발명에서는 예를 들어 상기 -20%로 솔라 모듈 전압을 최적화 한 경우에 있어서 부족한 -20% 범위의 전압을 보충하기 위해 마중물전력부(102)가 작동한다. 구체적으로 이 마중물전력부(102)는 상기 재생에너지발전설비(101)와 상기 PCS(105) 사이에 개재되어 ESS(107)의 방전전압 보다 부족한 때의 상기 재생에너지발전설비 출력전압(-20%)을 상기 ESS(107)의 방전전압 수준으로 보충(+20%)하는 마중물 전력을 공급함으로써 상기 재생에너지발전설비(101)와 상기 ESS(107)가 균등전압 범위 내에서 혼합적 내지 교호적으로 PCS(105)에 가동전력을 공급하도록 제어하는 구성을 포함하는 것이다.

여기서 균등전압의 범위란 ESS(107)의 방전과 충전에 필요한 전압변동의 범위를 수용하는 범위에서 예를 들면 가장 바람직하게는 (+/- 5%) ~ (+/-10%) 범위로 솔라와 ESS 전압을 동등하게 유지하는 것을 말한다. 그러나 이 균등전압의 범위는 PWM이 가동되는 때의 펄스 충격 영향으로 +/-30%의 리플을 포함할 수도 있다.

스위칭제어부(sw3, sw4)의 구체적인 작동은 마중물전력부(102)의 유효성을 검사한 결과에 따라 스위칭 되도록 함이 바람직하다. 구체적으로는, 마중물전력부(102)의 작동에 대한 실익을 판단하여 일정한 실효적 범위를 미달할 때 제1출력경로(sw3)를 차단하면서 제2출력경로(sw4)로서 ESS(107)에 비축된 에너지를 방출하여 PCS(105)를 가동하는 개념으로 작동한다. 이하 이에 대하여 도 9a 내지 도 9e, 도 10 및 도 11을 참조하면서 구체적으로 설명하기로 한다.

도 9a의 (A)는 일반적인 솔라 모듈에서 태양의 일사강도에 따라 최대 전력점이 변화되는 모습을 나타낸 전력-전압 곡선(P-V곡선)이다. 이에 따르면 일사강도에 따라 전압이 변화하고 이와 더불어 전류도 변화하기 때문에 일사강도에 따라 전력의 피크점은 크게 변동함을 알 수 있다.

도 9a의 (B)는 솔라 모듈(101)과 마중물전력부(102) 및 이들의 결합 작용을 P-V곡선상에서 비교 설명하는 그래프이다.

(x1)은 솔라에서 생산되는 전력곡선이고, (x2)는 마중물로 공급되는 전력곡선이며, (x3)는 이들이 합산되어 종합전력으로서 생산되는 전력곡선을 개념적으로 도시한 것으로, 이에 따르면 솔라가 정상적인 범위로 전력을 생산하는 때(예컨대 -10% 전압범위; x1)에 마중물은 부족한 전력을 보충(즉 +10%; x2)하여 솔라의 총전력을 (x3)곡선으로 상승시킨다. (상기 x1은 도 7 및 도 8에 도시된 레벨 1과 레벨 2의 차이 전압에 따른 전력곡선이고, x2는 레벨 0와 레벨 1의 차이에 따른 전력곡선이며, x3는 레벨 0와 레벨 3의 차이에 상당하는 전력곡선이다.)

이때 마중물전력부(102)의 출력(x2)은 상기 전력감지제어부(14)를 통해 (x3)의 전체 전압이 0 ~ 30%(바람직하게는 +/-5% ~ +/-10%)를 초과하지 않도록 제어하기 때문에 50% ~ 100% 등의 범위로 충격성 첨두전압이 발생될 요인은 제거된다. 이를 위해 공급되는 마중물전력부(102)의 전원이 외부전원(2-0)인 경우는 계통전원 등과 협동으로, 그리고 ESS(107)로 조달되는 경우는 ESS(107)와 협동으로 재생에너지설비가 가동되는 하이브리드 방식이 된다. 요컨대 도 9a는 어디에서 마중물을 조달하든 소량의 마중물로서, 그리고 충격성 첨두전압이 없는 안정된 전압의 재생에너지발전설비를 가동하게 된다는 것으로, 이에 따라 충격성 첨두전압은 발생될 소지가 없게 된다.

도 9b는 태양광의 일사강도가 약해져서 솔라의 생산 전압이 낮아진 경우를 나타낸다. 마중물전력부(102)는 전체 전력(x3)을 일정하게 유지하도록 작동하므로 이때 마중물전력부는 출력전압(x2)을 증가하여 솔라의 출력전압(x1)이 부족해진 부분만큼을 충당 보충한다. 이에 따라 전체 생산전력(x3)을 변함이 없으되 그 전력을 생산하기 위해 부담한 역할은 도 9a에 비해 마중물전력부의 부담(x2)이 증가한 것을 알 수 있을 것이다. (실제로 태양광의 일사강도가 낮아져서 솔라의 전류가 줄어들면 그에 연동하여 마중물의 전류도 줄어들게 되므로, 전압 보충을 통해 충당되는 총전력은 도면의 총전력(x3) 곡선과는 다소 차이가 있게 되지만 설명을 용이하게 하기 위해 도면과 같이 도시한 것이므로 이에 대한 의미를 개념적으로 이해하기 바란다.)

도 9c는 태양광의 일사강도가 더 약해져서 솔라의 생산 전압이 더 낮아진 경우를 나타낸다. 이때도 마중물전력부(102)는 전체 전력(x3)을 일정하게 유지하도록 작동하므로 마중물전력부의 출력 전압(x2)을 증가하는데, 도 9c에서는 전체 생산전력(x3)은 변함이 없으되 그 전력을 생산하기 위해 부담한 역할에서 솔라의 역할(x1)보다 마중물전력부의 역할(x2)이 더 커졌음을 알 수 있을 것이다.

도 9d는 상기 도 9b와 도 9c의 중간 개념으로서 마중물전력을 무작정 공급할 것이 아니라 마중물을 공급하여 총전력(x3) 즉 종합전위를 얻되, 실익이 있는 범위 내에서만 작동시키는 원리를 그래프로 묘사한 것이다. 여기서 실익이란 도 8에서 제2출력경로(sw2)를 통해 ESS 단독으로 전력을 생산할 때보다 제1출력경로(sw1)를 통해 ‘솔라+마중물’이 협동 생산하는 것이 실익이 있는지 여부를 말하는 것으로, 이에 대한 판단은 도 8에서 “(x3 - (x2 + 마중물 가동 소모))”의 산식으로 얻은 결과가 이익이 있을 때 실익이 있다라고 판단할 수 있다.

도 9e는 상기 실익 조건에 따라 마중물의 최대 공급을 제한하는 설정을 할 수 있음을 나타낸다. 즉 도 9e에 따르면 마중물은 태양광 일사강도에 연동되어 전류는 동일한 범위 내에서 움직이되 전압은 K점 보다 더 오른쪽, 즉 과다한 전압으로 공급되지 않도록 제한할 수 있는 것이다. 이 K점의 좌측은 실익이 있고 우측은 실익이 없음을 의미한다.

도 10은 상기 도 9a 내지 도 9e의 기초 하에 본 발명의 재생에너지발전설비 및 ESS가 연동되어 전력을 생산하는 원리를 소프트웨어적으로 나타낸 흐름도이다.

즉, 솔라 모듈의 전압을 추종하여 보충하도록 마중물이 역할을 수행하되, 지나치게 마중물이 투입되면 소비 대 이익의 균형이 허물어지므로 이를 방지하기 위해 도 8의 MPU(109)가 상기 재생에너지발전설비(101)의 출력(x1 또는 x3)과 상기 마중물전력부(102)의 출력(x2)을 (x2 + 마중물 소모) 개념에서 실익을 비교하여 실익이 있을 때 상기 하이브리드부(103)의 제1출력경로를 연결하는 구성을 더 포함하는 개념인 것이다. MPU는 굳이 마이크로프로세서일 필요는 없으며, 상기 판단이 가능한 하드웨어적 구성으로도 가능하다.

도 10에서 (301)은 태양광 조도 센서, 풍력센서, 시각 타이머 또는 스마트그리드로부터의 데이터를 수신하는 등의 IoT 내지 IoE 센서이다. 이에 따라 충전을 할 것인지 발전을 할 것인지 등 앞에서 설명한 전력송수부(104)의 작동제어 여부를 판단한다.

(302) 및 (303)은 충전필요 조건을 충족하는 때에 충전을 개시하는 프로세스이다. 앞에서 설명한 다양한 방식으로 충전이 가능하지만 가장 바람직한 것은 계통전원을 이용한 심야 시간대의 충전이다. 그러나 주간에라도 남아도는 피크전력을 회수한다면 더욱 더 효과적인데 이를 이용하는 경우에도 본 발명은 충격성 첨두전압이 발생되지 않아 안전하게 사용할 수 있음을 앞에서 설명한바 있다.

(304)는 (301)의 결과에 따라 재생에너지발전설비가 가동조건에 부합하는지를 판단한다. 부합(yes)인 경우 발전설비를 가동한다.

(305) 및 (306)은 실익이 있는지를 판단하는 프로세스이다. 공급되는 마중물(x2 + 마중물 가동 소모)을 감안하고도 종합전력인 총전력(x3)에서 이득이 있다면 제1출력경로(sw3)를 온하여 솔라 단독으로 발전을 하게 된다. 이때 마중물전력부(102)는 솔라(101)의 부족분을 보충하는 역할을 하게 된다.

(307) 및 (308)은 솔라(101)로부터 발전은 가능하지만 투입되는 마중물(102)과 비교할 때 비교적 큰 이익이 없는(no) 경우에 해당한다. 또한 솔라로부터의 전력으로 PCS(105)를 가동하여서는 수요전력이 모두 충족되지 못하는 경우도 이에 해당한다. 예를 들면 태양광의 일사강도가 약해져서 전류가 낮아지는 경우에 그 보다 큰 수요전력이 발생하게 되면 이 프로세스가 가동된다. 이때 시스템은 제2출력경로(sw4)를 추가적으로 온하여 솔라+ESS의 혼합 가동으로 PCS(105)가 가동되도록 제어한다.

(309) 및 (310)은 마중물을 공급해서 솔라를 가동할 수는 있겠지만, 마중물에 소요되는 마중물전력, 즉 마중물전력 효율을 추가적으로 감안하여 마중물에서 소비되는 총마중물전력(x2 + 마중물 가동 소모)보다 종합전력인 총전력(x3)이 오히려 적은 경우 솔라를 가동해서 얻는 전력생산은 실익이 없는 것으로 판단하고, 시스템은 ESS 단독으로 전력을 생산한다. 물론, 이때 수요전력이 없거나 계통전원으로 전력을 송출하지 않는다면 굳이 PCS(105)는 가동하지 않아도 될 것이며 이에 따라 ESS에 축적된 전력은 그대로 보존이 된다. 가동 여부의 판단은 PCS(105) 부하단의 수요전력 필요 여부 검출(IoE 등)로 결정될 수 있다.

(311) 및 (312)는 ESS가 방전종지전압에 달한 경우이다. ESS의 과열 등 위험성이 발견된 경우도 이 프로세스를 적용할 수 있으며, 이에 따라 ESS를 통한 전력생산은 중단되고 ESS충전에 대비하게 된다.

(313) 및 (314)는 IoT 등으로 계측한 바의 솔라 작동조건 종료를 감지하여 솔라의 작동을 정지하는 프로세스이다. 다시금 작동조건(301)을 감지하지 않는 한 작동은 중지 상태로 되고 이어서 심야 시간대의 계통전원 등을 통한 ESS충전을 준비하게 된다(301, 302, 303).

도 11은 도 10의 주요부분을 좀 더 상세히 설명하는 흐름도이다.

도 11에서 작동조건이 충족되고(501) 나서 ESS(107)보다 솔라(101)의 이득이 크다고 판단되면(502) 시스템은 솔라(101) 우선으로 전력을 생산한다(503). 이때는 제1출력경로(sw3)가 우선으로 온 되는데, 무순단 전위차 제어(D1)이거나 스위칭 제어(sw3)가 적용될 수 있다.

도 11에서 작동조건이 충족되고(501) 나서 ESS(107)와 솔라(101)의 전위차 등 역할이 균등 유사한 수준이거나, 수요전력을 충당하기 위한 PCS(105) 가동에서 솔라(101)만으로는 부족하다고 판단되면(504) 시스템은 솔라(101)와 ESS(107)가 혼합적으로 PCS(105)를 가동하도록 제어한다(505). 이때는 제1출력경로(sw3)와 제2출력경로(sw4)가 동시에 온 되거나 PWM 등 시간차 또는 아날로그적으로 각 경로의 전류값을 제어하여 가능한 한 솔라(102)로부터의 전력을 우선적으로 활용하도록 제어할 수 있다. 이때의 PWM 출력은 도 5c에서와 같은 평활회로부(13-2-2)를 경유하여 연동함이 바람직하다.

도 11에서 작동조건이 충족되고(501) 나서 ESS(107)보다 솔라(101)를 경유하는 이득이 적다고 판단되면(506) 시스템은 ESS(107) 단독으로 전력을 생산한다(507). 이때는 솔라(101)를 경유하여 전력을 생산하는 것이 ESS(107)로 직접 전력을 생산하는 것보다 효율이 낮음을 의미하는 것이므로 효율저하를 예방하기 위해 제1출력경로(sw3)가 차단되고 제2출력경로(sw4)만 온 되는 것이 바람직하다.

상기 설명한 솔라의 전력생산은 풍력을 이용한 구성에도 적용되는 것이지만 이에 갈음하여 더 이상의 설명은 생략한다.

이러한 작용에 의하여, 상기 재생에너지발전설비(솔라 모듈)는 애초부터 충격성 첨두전압이 발생하지 않도록 낮은 전압 레벨로 설치하고 그 대신 부족한 전압을 마중물이 공급하여 보충하는 원리로 작동시킬 수 있는 것이다. 한편 심야의 시간대에 충전하는 때는 계통전원으로부터의 안정된 저전압을 공급 받으므로 솔라에서처럼 온도와 개방전압 계수까지 함께 영향을 주어 +50% ~ +100%를 초과하는 충격성 첨두전압의 문제는 일어나지 않으며, 이로써 통상적인 충방전 기능이 확보되어 ESS의 안전성이 강화되는 것이다.

도 8에서 미설명부호 (108)은 (x1, x2, x3)를 감지하는 전력레벨감지제어부이다.

< 제3실시일례 >

도 12는 본 발명의 제3실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

재생에너지발전설비 내지 계통전원으로부터의 충전계통에 연결되어 피크전력 때에 충전하였다가 전력생산 필요시 상기 전력생산용으로 방출하는 ESS(에너지저장장치, 107);

상기 ESS(107)로부터의 방출 전력과 상기 재생에너지발전설비(101)로부터의 생산 전력을 연합하되 스위칭 제어에 따라 출력경로(sw3)를 개방 또는 폐쇄하는 하이브리드부(103);

의 연동 구성을 포함하되,

상기 하이브리드부(103)는 상기 재생에너지발전설비(101)가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비(101)로부터의 전력으로 ESS 충전 및 PCS(105)를 가동하도록 출력경로(sw3)가 스위칭 온 되고, 상기 재생에너지발전설비(101)로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 상기 출력경로(sw3)가 스위칭 오프 됨으로써 상기 ESS(107)로부터 방출되는 전력이 PCS(105)로 공급되는 연동 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히 상기 도 12인 제3실시일례에서는 ESS(107)의 충방전 계통이 솔라 모듈(101)에 병렬로 통합 연결된 것이다. 이 구성은 솔라 모듈 그 자체가 낮은 전압으로 최적화 되는 한편 그 낮은 전압을 마중물전력부(102)가 전력감지제어부(108)를 통해 상기 충격성 첨두전압이 발생하지 않도록 하는 범위 내에서만 조절하는 특성을 최대한 활용하여 ESS(107)의 충전경로를 상시 온 상태로 한 것이다. 이에 따라 피크전력은 계통전원을 통해서 공급받거나 솔라(101)로부터 공급 받으면서 ESS(107)는 상시 비축된 전력을 보존할 수 있게 되는 한편, 수요전력을 충당하고 남는 솔라 전력을 피크전력으로 흡수하는 무순단 버퍼링 작용을 하게 된다. 충전제어기(106)와 ESS(107)가 연결된 경로에는 역방향 전류를 방지하는 다이오드를 연결할 수 있다.

기타 나머지 모든 구성요소는 제3실시예와 같은 맥락으로 작용하므로 중복된 설명은 생략한다.

< 제4실시일례 >

도 13a은 본 발명의 제4실시일례를 도시한 블록다이어그램이다. 특히 도 13a인 본 발명 제4실시일례는 마중물전력부(102)를 삭제하고 솔라(101)로만 실시한 제1실시일례의 변형이며, 이처럼 마중물전력부가 없는 제4일시일례에서도 직류적으로 솔라로부터의 직접 충전은 제2출력경로(D2)에서 차단하기 때문에 충격성 첨두전압은 ESS(107)에 가해지지 않아 ESS(107)의 안전성은 강화된다.

즉, 앞에서 설명한바 대로 충전은 제2스위칭경로(sw2)를 통해 계통전원으로부터 조달되므로 이를 통해서도 충격성 첨두전압은 가해지지 않으며, 설령 솔라(101)로부터 남아도는 피크전력이 있더라도 직류로서 충격성 첨두전압으로 직접 ESS(107)에 공급되는 것이 아니라 PCS(105) 후단에서 진상 및 지상 제어를 하는 전력위상제어부(105-1)를 통해 안정된 전압 범위 내에서 공급되므로 마찬가지로 충격성 첨두전압으로부터의 ESS 안전성은 보장된다.

참고로 PCS(105)는 도 13b로 보듯이 일정한 범위의 입력전압 융통성을 가지고 있기에 PCS(105)는 충격성 첨두전압에 내성이 있으며, 이에 비해 충격성 첨두전압에 취약한 ESS는 역극성 다이오드(D2)에 의해 ESS(107)를 솔라(101)로부터 직류적으로 분리하고 있으므로 PWM으로 비롯되는 ESS의 안전성에 대해서는 상기 제1, 2, 3실시일례에서와 유사하게 확보된다.

기타 나머지 부분은 이미 상술한 바 있어 중복된 설명은 생략한다.

도 14 내지 도 17은 본 발명이 산업적 이용을 위한 패키지 장치로 구성되는 실시일례를 도시한 블록다이어그램이다.

도 14는 마중물전력부(102)와 하이브리드부(103)와 전력송수부(104)가 패키지화(400) 된 구성으로서,

전력생산용 입력전원인 제1입력단을 솔라(102)에 연결 및 제2입력단을 ESS(107)에 연결하는 한편, 전력생산용 출력단을 PCS(105)에 연결하고 ESS(107) 충전용 입력단을 충전제어기(106)에 연결하는 체제로 패키지(400)를 구성한 것이다.

이 블록다이어그램에서 마중물전력부(102)는 솔라(101)의 정(+)극성 단자에 직렬로 연결된 것으로 예시되어 있다.

즉 상기 패키지화(400)된 본 발명의 입출력단 연동 구성을 포함하는 마중물전력 장치(400) 패키지가 종래의 각 부재들과 연합되는 제품으로서 산업화를 이루는 구성을 개시한 것으로, 이 구성에서 마중물전력부(102)는 최대전력의 상한 값을 디폴트로 설정하여 도 9e에서 지정된 바의 마중물전력제어 범위 내에서 작동하도록 함이 바람직하다. 즉 이 디폴트 설정에 의하여 과다한 충격성 첨두전압을 방지하면서 마중물을 효율적인 범위 내에서만 공급되도록 제한 설정할 수 있게 되는 것이다.

도 15는 마중물전력부(102)와 하이브리드부(103)와 전력송수부(104)와 전력감지제어부(108, 109)가 패키지화(400-1, 400-2) 된 구성으로서,

전력생산용 입력전원인 제1입력단을 솔라(102)에 연결 및 제2입력단을 ESS(107)에 연결하는 한편, 전력생산용 출력단을 PCS(105)에 연결하고 ESS(107) 충전용 입력단을 충전제어기(106)에 연결하는 체제로 패키지를 구성하되, 마이크로프로세서를 이용하여 솔라와 마중물 간의 효율을 판단하는 제어부(108, 109) 출력을 하이브리드부(103)의 제어입력단에 연결함으로써 제1출력경로(sw3) 및 제2출력경로(sw4)가 추가적으로 제어되는 패키지 체제를 구성한 것이다.

이 블록다이어그램에서 마중물전력부(102)는 솔라(101)의 정(+)극성 단자에 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있다.

즉 상기 패키지화(400-1, 400-2)된 본 발명의 입출력단 연동 구성을 포함하는 마중물전력 장치(400) 패키지가 종래의 각 부재들과 연합되는 제품으로서 산업화를 이루되, 여기서 마중물전력부(102)는 효율감지제어블록(400-2)을 통해 감지 제어되는 (x1, x2, x3), 특히 (x2, x3)의 검출 판단의 결과에 따라 제1, 2출력경로(sw3, sw4)를 자동으로 제어하는 구성이다. 이 자동제어 구성에 의하여 충격성 첨두전압을 방지하면서 마중물이 가장 효율적인 범위 내에서 자동으로 적정 제어된다.

도 16은 마중물전력부(102)와 하이브리드부(103)와 전력송수부(104)와 전력감지제어부(108. 109)가 패키지화(400-1, 400-2) 된 구성으로서,

전력생산용 입력전원인 제1입력단을 솔라(102)에 연결 및 제2입력단을 ESS(107)에 연결하는 한편, 전력생산용 출력단을 PCS(105)에 연결하고 ESS(107) 충전용 입력단을 충전제어기(106)에 연결하는 체제로 패키지를 구성하되, 마이크로프로세서(109)를 이용하여 솔라와 마중물 간의 효율을 판단하는 제어부 출력을 하이브리드부(103)의 제어입력단에 연결하여 제1출력경로(sw3) 및 제2출력경로(sw4)를 추가적으로 제어토록 하고, 패키지 내부에서 솔라로부터 일정 부분한 ESS 충전이 이루어지도록 연동 체제를 구성하고 있다. 그 외 나머지는 도 15에서와 같은 개념으로 산업화용 마중물전력 장치의 개념을 이루고 있다.

도 17은 마중물전력부(102)와 하이브리드부(103)와 전력송수부(104)가 패키지화(400) 된 구성으로서,

전력생산용 입력전원인 제1입력단을 솔라(102)에 연결 및 제2입력단을 ESS(107)에 연결하는 한편, 전력생산용 출력단을 PCS(105)에 연결하고 ESS(107) 충전용 입력단을 충전제어기(106)에 연결하는 체제로 패키지를 구성하고 있는데, 이 구성은 도 14와는 극성이 다르게 마중물전력부(102)가 솔라(101)의 부(-)극성 단자에 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있다. 이로써 보듯이 본 발명의 마중물전력부는 솔라와 연동될 때 정(+)극성이거나 부(-)극성 어느 쪽으로 연결하여도 자연법칙이 성립됨을 이해할 수 있게 될 것이다. 만약 극성 간 연결에서 난해한 부분이 있다면 그때는 트랜스를 이용하거나 포토커플러 등으로 직류적인 절연을 시키면 된다.

본 발명의 산업화에는 본 발명으로 인해 ESS 대비 잉여설비율 50% 정도로 시설하던 기존 솔라모듈 어레이를 ESS 대비 +20% 정도이거나 ESS 대비 동등하거나 ESS 대비 -30% 정도 하향하여 최적화 하는 솔라 모듈 어레이를 포함한다.

이에 따르면 잉여 설비가 포함된 기존의 솔라 모듈(150%)과 본 발명의 실사용 설비로만 된 본 발명의 솔라 모듈(예; 100%)은 일부의 마중물의 소모 전력만 차이가 있을 뿐, 동일 유사한 범위의 전력을 생산할 수 있게 되므로 본 발명은 기존 설비 대비 가동율에서 현저한 차이가 발생하게 되는 것이다.

도 18 및 도 19는 본 발명의 재생에너지발전설비에서 충격성 첨두전압을 방지하는 목적으로 또 다른 실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

도 18은 도 14에서 마중물전원을 외부전원(2-0) 또는 ESS(2)로부터 조달하는 구성을 솔라(101)로부터 조달하는 실시일례로 개량 도시한 것이다. 이에 따르면 솔라 전력으로부터 일정부분을 분기 받는 다운 컨버터(102-1)가 마중물전력부(102) 전원을 조달 역할을 한 후, 그로부터 얻어진 강압된 전압을 솔라(101)의 정(+)극성에 직렬로 중첩 결합함으로써 하이브리드부(103)에 리프팅된 전력을 공급하게 된다.

다만 도 18은 도시생략 된 기동전력 특성에서 일부 구성을 보강하는 것이 바람직하지만 이 구성만으로도 도 14와 같은 개념의 설명이 가능하므로 이를 실시일례로 개시하였다. 또한 마중물전력부(102)는 도 17의 경우처럼 부(-)극성의 결선도 가능하지만 이에 대하여도 여기서는 도시설명을 생략하기로 하는 바, 필요한 경우 관련 패밀리 특허들의 내용을 참조하기 바란다.

도 19는 도 14에서의 마중물전력부(102)를 부스트 컨버터(102-2)로 대체한 실시일례를 도시한 것이다. 이에 따르면 솔라(101)로부터의 전력은 모두 부스트 컨버터(102-2)가 받아들인 후, 다시금 승압된 전압으로 변환 출력하여 하이브리드부(103)에 공급하게 되는데, 이 경우는 마중물만큼만 일부 컨버팅하는 리프팅의 개념이 아니라 전체를 대상으로 전부 컨버팅하는 승압의 개념이므로 가동효율에서 차이가 발생하지만, 재생에너지발전설비로부터 충격성 첨두전압을 해소하고자 하는 본 발명의 목적은 달성될 수 있는 것이므로 이를 실시일례 중 하나로 개시하였다.

본 발명은 이외에도 다양한 실시예를 포함할 수 있지만 더 이상을 설명은 생략한다. 다만 생략은 본 발명의 청구범위가 개시하는 범위 내에서 균등 내지 치환의 범위를 권리에 포함하고 있는 것으로 해석됨을 전제로 한다.

본 발명 도 13a 내지 도 17에서 충전제어기(106)가 정전압으로 출력하는 한편 제2스위칭경로(sw2)를 상시 연결상태로 두게 될 경우 태양광이 미약한 상태로 됨에 따라 솔라(101)에서 출력전류가 감소하게 되면 ESS(107)과 더불어 자동적으로 전류를 보충하는 시소 형태의 작용을 하게 된다. 즉 마중물전력부(102)의 작동에도 불구하고 솔라(101)의 출력이 무효화되는 정전현상을 완벽히 예방할 수 있게 된다.

통상적으로 ESS를 충전시키기 위해서는 약 50%의 솔라모듈을 더 설계하는데, ESS가 만충전되면 전류가 흐르지 않게 되어 이 전압은 그대로 PCM 펄스의 첨두치가 되며, 여기에 더하여 이때는 개방전압으로의 상승까지 더해져 최대 100%가 더 추가된 전압 펄스가 발생되고 이것이 서지로는 3배로 더 승압되어 나타나게 되는 것이다. 본 발명의 서지 서프레서는 이때의 전압 펄스를 흡수하는 역할을 하게 된다. 서지 전류값은 크지 않기 때문에 제너 다이오드만을 써서라도 해결될 수 있는 것이다. 즉, 본 발명은 ESS에 가해지는 서지를 방지하기 위해 서지 서프레서 기능을 가지는 구성을 더 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

솔라모듈(1, 11, 101)
에너지저장장치(ESS, 2)
전력감지제어부(14)
전력보충부(13)
마중물전력부(102)
PCS(전력변환장치, 105);
ESS(에너지저장장치, 107);
재생에너지발전설비(101);
제1출력경로(D1)
제2출력경로(D2)
하이브리드부(103);
전력송수부(104);
매트릭스부(D1, D2)
제1스위칭부(sw1)
제2스위칭부(sw2)
계통전원(2-0)
충전제어기(106)
계통전원(200)
전력위상제어부(105-1)
(x1) : 솔라 양측단 전압 또는 전력
(x2) : 마중물 전압 또는 전력
(x3) : 솔라+마중물 전압 또는 전력, 종합전위, 총전력
(301) : IoT 내지 IoE 센서
(302) 및 (303) : 충전필요 조건을 충족하는 때에 충전 개시 프로세스
(304) : 가동조건에 부합하는지를 판단
(305) 및 (306) : 실익이 있는지를 판단하는 프로세스
(307) 및 (308) : 솔라+ESS의 혼합 가동 프로세스
(309) 및 (310) : ESS 단독으로 전력을 생산하는 프로세스
(311) 및 (312) : ESS가 방전종지전압에 달한 경우의 프로세스
(313) 및 (314) : IoT 등으로 계측하는 바의 솔라의 작동을 정지하는 프로세스
전력감지제어부(108, 109)
마중물전력 장치 패키지(400, 400-1, 400-2)
다운 컨버터(102-1)
부스트 컨버터(102-2)

Claims

계통전원 또는 부하단에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치);
ESS(에너지저장장치);
재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비;
상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력 또는 상기 ESS로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 전달하는 하이브리드부; 및
상기 하이브리드부에 연결되어 상기 하이브리드부로터 출력된 전력을 상기 PCS로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 상기 ESS에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부를 포함하되,
상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 ESS로부터 출력된 전력보다 우선적으로 상기 PCS로 전달하고,
상기 하이브리드부는,
상기 재생에너지발전설비와 상기 전력송수부 사이에 연결되는 제 1 스위치; 및
상기 ESS와 상기 전력송수부 사이에 연결되는 제 2 스위치를 포함하며,
상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 제 1 스위치가 온되고 상기 제 2 스위치가 오프되어 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력이 상기 전력송수부로 전달되며, 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 상기 제 1 스위치가 오프되고 상기 제 2 스위치가 온되어 상기 ESS로부터 출력된 전력이 상기 전력송수부로 전달되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
계통전원 또는 부하단에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치);
ESS(에너지저장장치);
재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비;
상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 스위칭 전달하는 스위칭 구성을 가지는 하이브리드부; 및
상기 하이브리드부에 연결되어 상기 하이브리드부로터 출력된 전력을 상기 PCS로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 상기 ESS에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부를 포함하되,
상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에는 상기 스위칭 구성이 온되어 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 ESS 및 상기 PCS로 전달하며, 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 유효전력 미만일 때에는 상기 스위칭 구성이 오프되어 상기 ESS로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 전달시키고,
상기 하이브리드부는,
상기 재생에너지발전설비와 상기 전력송수부 사이에 연결되는 제 1 스위치; 및
상기 ESS와 상기 전력송수부 사이에 연결되는 제 2 스위치를 포함하며,
상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 제 1 스위치가 온되고 상기 제 2 스위치가 오프되어 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력이 상기 전력송수부로 전달되며, 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 상기 제 1 스위치가 오프되고 상기 제 2 스위치가 온되어 상기 ESS로부터 출력된 전력이 상기 전력송수부로 전달되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드부는,
상기 재생에너지발전설비와 상기 전력송수부 사이에 연결되는 제 1 다이오드; 및
상기 ESS와 상기 전력송수부 사이에 연결되는 복수의 제 2 다이오드들을 포함하되,
상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 제 1 다이오드와 상기 제 2 다이오드들의 전위차로 인하여 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력이 상기 ESS로부터 출력된 전력보다 우선적으로 상기 전력송수부로 전달되며, 상기 재생에너지발전설비로부터의 전력이 유효전력 미만일 때 상기 ESS로부터 출력된 전력이 상기 전력송수부로 전달되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
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제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전력송수부는 상기 재생에너지발전설비가 작동되는 조건에 상기 하이브리드부의 출력을 상기 PCS의 가동전력으로 공급하도록 연결하는 제 1 스위칭부 및 ESS 충전 조건에 계통전원으로부터 상기 ESS의 충전이 이루어지도록 연결하는 제 2 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
제6항에 있어서, 상기 제 2 스위칭부는 상기 계통전원으로부터 충전제어기를 통해 충전전력을 조달하도록 연결하고 상기 제 1 스위칭부는 상기 계통전원으로 수요전력을 공급토록 상기 PCS를 연결하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
계통전원 또는 부하단에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치);
ESS(에너지저장장치);
재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비;
상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력 또는 상기 ESS로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 전달하는 하이브리드부; 및
상기 하이브리드부에 연결되어 상기 하이브리드부로터 출력된 전력을 상기 PCS로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 상기 ESS에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부를 포함하되,
상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 ESS로부터 출력된 전력보다 우선적으로 상기 PCS로 전달하고,
상기 전력송수부는 상기 재생에너지발전설비가 작동되는 조건에 상기 하이브리드부의 출력을 상기 PCS의 가동전력으로 공급하도록 연결하는 제 1 스위칭부 및 ESS 충전 조건에 계통전원으로부터 상기 ESS의 충전이 이루어지도록 연결하는 제 2 스위칭부를 포함하며,
상기 전력송수부는 상기 PCS의 출력이 수요전력을 초과하는 때에 위상 진상과 연동된 충전제어기의 출력이 상기 ESS를 피드백 충전하도록 된 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재생에너지발전설비는 태양광 또는 풍력 발전을 포함하고, 상기 재생에너지발전설비는 상기 ESS와 균등전압 범위로 설정됨으로써 상기 재생에너지발전설비에서 출력되는 전력이 상기 ESS에 충격성 피크전압으로 공급되지 않도록 제한하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
계통전원 또는 부하단에 발전전력을 공급하기 위한 PCS(전력변환장치);
ESS(에너지저장장치);
재생에너지원으로부터 전력을 생산하는 재생에너지발전설비;
상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력 또는 상기 ESS로부터 출력된 전력을 상기 PCS로 전달하는 하이브리드부; 및
상기 하이브리드부에 연결되어 상기 하이브리드부로터 출력된 전력을 상기 PCS로 공급하는 한편 계통전원으로부터의 전력을 상기 ESS에 충전용으로 스위칭 연결하는 전력송수부를 포함하되,
상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비가 유효출력을 발생하는 때에 상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상기 ESS로부터 출력된 전력보다 우선적으로 상기 PCS로 전달하고,
상기 재생에너지발전설비는 출력 최대전압을 기본적으로 상기 ESS 전압보다 낮게 설정한 후에 보충전력으로 공급되는 마중물 전압이 상기 낮게 설정된 재생에너지발전설비 경로를 직렬 보충하여 상기 재생에너지발전설비로부터의 전압이 상기 ESS와 균등전압 범위로 되도록 작동시키는 마중물전력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
제10항에 있어서, 상기 재생에너지발전설비의 출력과 상기 마중물전력부로의 공급전력을 비교하여 실익이 있을 때 상기 하이브리드부는 상기 재생에너지발전설비로부터의 출력을 상기 PCS로 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
제10항에 있어서, 상기 마중물 전력부는 상기 재생에너지발전설비의 정(+)극성 단자 또는 부(-)극성 단자에 직렬로 연결되되,
상기 마중물 전력부, 상기 하이브리드부 및 상기 전력 송수부가 하나의 패키지로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
제10항에 있어서,
상기 재생에너지발전설비로부터 일정 전력을 분기받아 상기 마중물전력부로 전력을 공급하는 다운 컨버터를 더 포함하되,
상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력과 상기 마중물전력부로부터 출력된 전력이 함께 상기 하이브리드부로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 재생에너지발전설비로부터 출력된 전력을 상승시키는 부스트 컨버터를 더 포함하되,
상기 부스트 컨버터에 의해 상승된 전력이 상기 하이브리드부로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 재생에너지 발전시스템.