KR102277455B1

KR102277455B1 - 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템 및 DCbus 전압 제어 방법

Info

Publication number: KR102277455B1
Application number: KR1020200011231A
Authority: KR
Inventors: 유승영; 양대기; 김민국; 오성진
Original assignee: 데스틴파워 주식회사
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: WO2021153835A1; KR102277455B9

Abstract

본 발명은 에너지원의 전압이 낮아지더라도 DC/DC 컨버터의 효율 및 시스템의 전체 효율을 일정 수준으로 유지할 수 있는 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서,
전기에너지를 생산하며, 상기 전기에너지의 전압은 제1 범위 내에서 가변되는 에너지원; 상기 에너지원과 전기적으로 연결되어 상기 에너지원의 전압을 승압시키는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터의 출력단에 DCbus에 의해 전기적으로 연결되어 상기 DC/DC 컨버터에서 출력되는 직류 전원을 교류로 변환시키며, 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 입력 전압으로 하여 설정된 제2 범위 내에서 구동되는 DC/AC 인버터; 상기 DC/AC 인버터의 출력단에 전기적으로 연결되는 교류 계통; 을 포함하며, 상기 DC/AC 인버터는 상기 에너지원의 전압(V_E)에 따라 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 가변되도록 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

저전압 에너지원의 계통 연계 시스템 및 DCbus 전압 제어 방법 {Grid linkage system of low voltage energy source And Control method of voltage of DCbus}

본 발명은 전기를 생산하는 에너지원의 전압을 인버터를 사용하여 변환하여 상용 교류 계통에 연계하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 인버터의 최소 구동 전압보다 에너지원의 전압이 낮은 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템 및 DCbus 전압 제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 에너지원의 계통 연계 시스템의 개략도이다. 이를 참조하면, 직류의 에너지원을 교류인 계통에 연계하기 위해서는 DC/AC 인버터(inverter)가 필수적이며, 에너지원의 구동 전압(V_E) 범위(V_{E_min}~ V_{E_max})에 따라 DC/DC 컨버터(converter)의 필요 유무가 결정된다. 그 이유는 국내외의 계통 전압은 일정한 AC 전압으로 규정 되어있고, 이를 DC 전압과 접속하여 DC/AC 인버터가 동작하기 위해서 일정한 전압(V_{dc_min})이상이 되어야 하기 때문이다. 따라서 에너지원의 구동 DC 전압이 V_{dc_min} 이하가 되면 DC/DC 컨버터가 필요하게 된다.

즉, 에너지원을 안정적으로 운영하기에 있어서 에너지원의 크기 및 전압이 결정되어야 전력전달을 하기위한 전력변환장치(Power conditioning system)의 토폴로지(topology) 제어방식이 결정된다.

DC/DC 컨버터가 필요한 시스템을 저전압 에너지원의 계통연계 시스템이라 했을 때, 이는 통상적으로 도면과 같이 DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터로 연계 되어있다. 이러한 시스템에서 DC/AC 인버터와 DC/DC 컨버터가 연계되는 부분을 DCbus라 하고, 이 지점의 전압을 V_dc라 한다.

이 시스템에서의 종래 방식은 DC/AC 인버터의 입력 전압을 일정하게 제어하고 DC/DC 컨버터는 에너지원에 따라 CC(Constant current), CV(Constant voltage), CP(Constant power)제어를 실시하게 된다.

이러한 방식에서 DC/AC 인버터는 에너지원의 구동전압보다 높은 V_dc로 일정하게 제어하고 전력전달되는 에너지량에 따라 효율이 결정되며, DC/DC 컨버터는 에너지원으로부터 V_dc까지 부스팅(Boosting)동작을 하게 되는데, 에너지원의 전압(V_E)과 DCbus의 전압(V_dc) 차이 및 전력전달하는 에너지량에 따라 효율이 결정된다.

따라서 전력전달 에너지량이 일정하다고 했을 때, 에너지원의 전압에 따라 DC/DC 컨버터의 효율이 상이하게 되고, 특히 에너지원의 전압이 낮은 경우 계통 연계 효율이 매우 낮아진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구체적으로는 에너지원의 전압에 따라 DC/DC 컨버터의 효율이 달라지며, 에너지원의 전압이 낮은 경우 DC/DC 컨버터의 효율이 낮아짐에 따라 계통 연계 효율이 특히 낮아지는 문제점을 개선한 에너지원의 계통 연계 시스템 및 DCbus 전압 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 에너지원의 전압이 낮아지더라도 DC/DC 컨버터의 효율 및 시스템의 전체 효율을 일정 수준으로 유지할 수 있는 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템 및 DCbus 전압 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 다음과 같은 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템을 제공한다.

본 발명은, 전기에너지를 생산하며, 상기 전기에너지의 전압은 제1 범위 내에서 가변되는 에너지원; 상기 에너지원과 전기적으로 연결되어 상기 에너지원의 전압을 승압시키는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터의 출력단에 DCbus에 의해 전기적으로 연결되어 상기 DC/DC 컨버터에서 출력되는 직류 전원을 교류로 변환시키며, 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 입력 전압으로 하여 설정된 제2 범위 내에서 구동되는 DC/AC 인버터; 상기 DC/AC 인버터의 출력단에 전기적으로 연결되는 교류 계통; 을 포함하며, 상기 DC/AC 인버터는 상기 에너지원의 전압(V_E)에 따라 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 가변되도록 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 DC/AC 인버터는, DC/DC 컨버터가 작동될 수 있는 차동전압을 고려하여 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 상기 에너지원의 전압(V_E)에 상기 차동전압의 최소값을 더한 값보다 크거나 같도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 DC/AC 인버터는, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 커질수록 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 커지도록 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 DCbus의 전압(V_dc)은, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 최소치(V_{E_min})인 경우, 상기 제2 범위의 최소치(V_{dc_min})로 제어되며, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V_{E_max})인 경우, 상기 에너지원의 전압(V_{E_max})에 상기 DC/DC 컨버터가 작동될 수 있는 차동전압의 최소값을 더한 값으로 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템의 DCbus 전압 제어 방법은, 전기에너지를 생산하는 에너지원을 교류 계통에 연계하는 시스템에 있어서, 상기 에너지원의 전압을 승압시키는 DC/DC 컨버터 가 작동될 수 있는 차동전압의 최소값을 입력시키는 최소차동전압(Vdiff) 입력 단계; 상기 에너지원의 전압을 전압계로 측정하여 제어부에 전달하는 에너지원의 전압(V_E) 측정 단계; 및 상기 최소차동전압(Vdiff) 및 상기 에너지원의 전압(V_E)을 이용하여 상기 DC/DC 컨버터와 상기 DC/DC 컨버터에 연결되는 DC/AC 인버터 사이의 DCbus 전압을 산출하는 DCbus의 전압(V_dc) 산출 단계; 를 포함하고, 상기 DCbus의 전압(V_dc) 산출 단계는, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 최소치(V_{E_min})인 경우, 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 최소치(V_{dc_min})로 산출되며, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V_{E_max})인 경우, 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 상기 에너지원의 전압(V_{E_max})에 상기 최소차동전압을 더한 값으로 산출되고, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 증가함에 따라 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 증가하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

본 발명에 따르면 에너지원에서 발생되는 전압의 크기 및 DC/DC 컨버터를 안정적으로 구동시킬 수 있는 Vdiff의 최소치를 고려하여 DC/AC 인버터가 입력단의 전압이 가변되도록 제어함으로써, DC/DC 컨버터의 효율이 최대로 유지될 수 있다. 따라서 종래 DC/AC 인버터 입력단의 전압이 고정되어, 저전압 상태에서도 DC/DC 컨버터의 효율이 급감하였던 문제를 해결할 수 있으며, 전체 에너지원 계통 연계 시스템의 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 일반적인 에너지원의 계통 연계 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템의 개략도,
도 3은 도 2에서 V_E에 따른 V_dc의 그래프 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템의 개략도, 도 3은 도 2에서 V_E에 따른 V_dc의 그래프 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 에너지원(10)과, DC/DC 컨버터(20), DC/AC 인버터(30), 교류 계통(40)을 포함한다. 에너지원(10)과 DC/DC 컨버터(20)는 에너지원연계링크(11)에 의해 전기적으로 연결되며, DC/DC 컨버터(20)와 DC/AC 인버터(30)는 DCbus(31)에 의해 전기적으로 연결된다. 또한 DC/AC 인버터(30)와 교류 계통(40)은 계통연계링크(32)에 의해 전기적으로 연결된다.

에너지원(10)은 태양광, 풍력, 연료전지 등을 이용하여 전기에너지를 생산하는 소스(source)를 의미한다. 에너지원(10)에서 생산되는 전기에너지는 전압을 에너지원의 전압(V_E)이라 하며, 본 발명에서 에너지원의 전압(V_E)은 제1 범위 내에서 가변될 수 있고, 직류 전압이다. 또한 제1 범위의 하한은 V_{E_min}, 상한은 V_{E_max}라 칭한다. 제1 범위의 상한 및 하한 값은 에너지원(10)의 구체적 구성에 의해 달라질 수 있다. 여기서 구성이란 에너지원(10)의 종류 및 생산된 전기를 DC/DC 컨버터(20) 측에 방전하는 구조 등을 모두 포함할 수 있다. 일반적으로 V_{E_min} 및 V_{E_max}는 100 내지 600 볼트(V) 내에서 형성될 수 있다.

DC/DC 컨버터(20)는 에너지원의 전압(V_E)을 직류 입력 전압으로 하여 이를 승압시키는 구성이다. 에너지원(10)을 교류 계통(40)에 연계하기 위하여 DC/AC 인버터(30)를 사용할 때, DC/AC 인버터(30)의 출력전압 특성 개선과 부하 토크변화에 따른 응답성을 확보하기 위해 DC/DC 컨버터(20)와 DC/AC 인버터(30)를 직렬로 연결한 구조를 사용한다. DC/DC 컨버터(20)의 출력 전압은 DC/AC 인버터(30)의 입력 전압이 되며, 즉 DCbus의 전압(V_dc)이 된다. DCbus의 전압(V_dc)은 DC/AC 인버터(30)의 출력 전압 크기, 스위칭 동작 방식 등에 의해 결정된다. 한편 DC/DC 컨버터(20)가

DC/AC 인버터(30)는 직류의 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 계통(40)에 연결하기 위한 구성이며 DC/DC 컨버터(20)의 출력 전압을 입력 전압으로 한다. 일반적으로 DC/DC 컨버터(20)는 에너지원의 전압(V_E)이 100 볼트(V)일 때, DCbus의 전압(V_dc)이 700 내지 750 볼트(V)가 되도록 직류 전압을 승압시킨다. 이는 DC/AC 인버터(30)를 통해 220 V의 상용 전원에 연계하기 위함이며, 즉 종래에는 DC/AC 인버터(30)의 출력 전압만을 고려하여 결정되는 값으로 DCbus의 전압(V_dc)이 고정되어 있다.

반면에 본 발명의 DC/AC 인버터(30)는 DC/DC 컨버터(20)와 연결되는 DCbus(31)와, 교류 계통(40)과 연결되는 계통연계링크(32)와, DCbus의 전압(V_dc)을 제어하는 제어부(33)와, 에너지원의 전압(V_E)을 측정하여 제어부(33)에 제공하는 전압계(34)를 더 포함하여, DCbus의 전압(V_dc)을 가변시키는 것에 특징이 있으며, 특히 에너지원의 전압(V_E) 및 DC/DC 컨버터(20) 특성에 따라 DCbus의 전압(V_dc)을 가변시킬 수 있다. 여기서 DC/DC 컨버터(20)의 특성이란, DC/DC 컨버터(20)를 구성하는 반도체 소자의 스위치 특성(tail current, switching time 등) 및 동작 제어 주기 등을 고려하여 부스팅 동작이 안정적으로 동작하는 입출력의 최소차동전압(V_diff)을 예로 들 수 있다.

더욱 구체적으로 설명하면, 제어부(33)에는 먼저 교류 계통(40)의 전압에 따른 DCbus(31)의 최소 구동 전압(V_{dc_min})과 상술한 DC/DC 컨버터(20)의 최소차동전압(Vdiff)이 설정된다. 이후 일정 시간 단위로 전압계(34)로부터 에너지원의 전압(VE) 값을 받아, DCbus의 전압(Vdc)을 산출한다.

DCbus의 전압(Vdc)은 에너지원의 전압(VE)과 증감을 같이 하여 DC/DC 컨버터(20)의 입출력단 전압차가 작게 유지되도록 산출된다. 다만 DC/AC 인버터(30)는 최소 구동 전압을 최소치로 하는 제2 범위 내에서 구동될 수 있으므로, 에너지원의 전압(VE)이 최소(V_{E_min})일 때 DCbus(31)의 최소 구동 전압(V_{dc_min})으로 제어되고, 에너지원의 전압(VE)이 최대(V_{E_max})일 때에는 에너지원의 전압(V_E) 최대값(V_{E_max})보다 최소차동전압(Vdiff) 만큼 큰 값으로 제어된다. 즉 에너지원의 전압(VE)이 최대(V_{E_max})일 때에는 최소차동전압(V_diff)으로 DC/DC 컨버터(20)가 구동되게 되는 것이다.

구체적으로, DCbus의 전압(Vdc)은 에너지원의 전압(V_E)에 따라 하기 수학식에 의해 산출될 수 있으며, 도 3 도시된 그래프의 (a) 직선과 같이 연속적으로 증가하도록 산출된다.

한편, 본 발명은 DCbus의 전압(V_dc)이 에너지원의 전압(V_E)이 증가하되 최소차동전압(V_diff)을 확보하도록 하기 위한 것인바, DCbus의 전압(V_dc)은 도 3의 (b) 또는 (c)와 같은 형태로 증가할 수도 있다. (b)는 DCbus의 전압(V_dc)을 DC/AC 인버터(30)의 최소 구동 전압(V_{dc_min})과 에너지원의 전압(VE) 최대값(V_{E_max})에 최소차동전압(V_diff)을 더한 값 범위 내에서 에너지원의 전압(V_E)에 따라 증가시키되 지수적으로 증가하도록 한 것이다. (c)는 에너지원의 전압(V_E)에 최소차동전압(V_diff)을 더한 값이 DC/AC 인버터(30)의 최소 구동 전압(V_{dc_min})보다 작은 경우에는 DC/AC 인버터(30)의 최소 구동 전압(V_{dc_min})으로, 그렇지 않은 경우에는 에너지원의 전압(VE)에 최소차동전압(Vdiff)을 더한 값으로 DCbus의 전압(V_dc)을 제어하는 것이다. 이 경우 DC/DC 컨버터(20)의 입출력 전압 차이를 최소로 할 수 있다.

본 발명 저전압 에너지원(10)의 계통 연계 시스템의 DCbus(31) 전압 제어 방법을 정리하면, 본 발 명은 DC/DC 컨버터(20)가 작동될 수 있는 차동전압의 최소값을 입력시키는 최소차동전압(V_diff) 입력 단계, 에너지원의 전압(V_E)을 전압계(34)로 측정하여 제어부(33)에 전달하는 에너지원의 전압(V_E) 측정 단계 및 최소차동전 압(V_diff) 및 에너지원의 전압(V_E)을 이용하여 DC/DC 컨버터(20)와 DC/AC 인버터(30)를 연결하는 DCbus의 전압(V_dc)을 산출하는 DCbus의 전압(V_dc) 산출 단계를 포함하여 DCbus의 전압(V_dc)을 제어할 수 있다. 여기서 최소차동전압(Vdiff) 입력 단계와 더불어 DC/AC 인버터(30)의 최소 구동 전압(V_{dc_min})이 입력될 수 있다. 또한 DCbus의 전압(V_dc) 산출 단계는, 에너지원의 전압(V_E)이 최소치(V_{E_min})인 경우, 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 최소치(V_{dc_min})로 산출되며, 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V _{E_max})인 경우, DCbus의 전압(V_dc)이 에너지원의 전압(V_{E_max})에 최소차동전압(Vdiff)을 더한 값으로 산출되되, 에너지원의 전압(VE)이 증가함에 따라 상기 DCbus의 전압(Vdc)이 증가하도록 도 3의 그래프 (a), (b) 또는 (c)와 같이 산출될 수 있다.

본 명세서에서는 각 실시예를 나누어 설명하였으나, 각 실시예를 조합하여 도출될 수 있는 실시예 역시 본 발명의 권리범위 내에 속하는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 에너지원 11 에너지원연계링크
V_E 에너지원의 전압 20 DC/DC 컨버터
Vdiff 최소차동전압 30 DC/AC 인버터
31 DCbus V_dc DCbus의 전압
32 계통연계링크 33 제어부
34 전압계 40 교류 계통

Claims

전기에너지를 생산하며, 상기 전기에너지의 전압은 제1 범위 내에서 가변되는 에너지원;
상기 에너지원과 전기적으로 연결되어 상기 에너지원의 전압을 승압시키는 DC/DC 컨버터;
상기 DC/DC 컨버터의 출력단에 DCbus에 의해 전기적으로 연결되어 상기 DC/DC 컨버터에서 출력되는 직류 전원을 교류로 변환시키며, 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 입력 전압으로 하여 설정된 제2 범위 내에서 구동되는 DC/AC 인버터;
상기 DC/AC 인버터의 출력단에 전기적으로 연결되는 교류 계통;
을 포함하며,
상기 DC/AC 인버터는 상기 에너지원의 전압(V_E)에 따라 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 가변되도록 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 제어하고,
상기 DC/AC 인버터는, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 커질수록 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 커지도록 상기 DCbus의 전압(V_dc)을 제어하며,
상기 DCbus의 전압(V_dc)은,
상기 에너지원의 전압(V_E)이 최소치(V_{E_min})인 경우, 상기 제2 범위의 최소치(V_{dc_min})로 제어되며,
상기 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V_{E_max})인 경우, 상기 에너지원의 전압(V_{E_max})에 상기 DC/DC 컨버터가 작동될 수 있는 차동전압의 최소값(Vdiff)을 더한 값으로 제어되어,
상기 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V_{E_max})인 경우 상기 DCbus의 전압(V_dc)은 상기 제2범위의 상한값인 V_{E_max} + Vdiff로 제어되는 것을 특징으로 하는 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템.
제1항에 있어서,
상기 DC/AC 인버터는, DC/DC 컨버터가 작동될 수 있는 차동전압을 고려하여 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 상기 에너지원의 전압(V_E)에 상기 차동전압의 최소값을 더한 값보다 크거나 같도록 제어하는 것을 특징으로 하는 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템.
삭제
삭제
전기에너지를 생산하는 에너지원을 교류 계통에 연계하는 시스템에 있어서,
상기 에너지원의 전압을 승압시키는 DC/DC 컨버터 가 작동될 수 있는 차동전압의 최소값을 입력시키는 최소차동전압(Vdiff) 입력 단계;
상기 에너지원의 전압을 전압계로 측정하여 제어부에 전달하는 에너지원의 전압(V_E) 측정 단계; 및
상기 최소차동전압(Vdiff) 및 상기 에너지원의 전압(V_E)을 이용하여 상기 DC/DC 컨버터와 상기 DC/DC 컨버터에 연결되는 DC/AC 인버터 사이의 DCbus 전압을 산출하는 DCbus의 전압(V_dc) 산출 단계;
를 포함하고,
상기 DCbus의 전압(V_dc) 산출 단계는,
상기 에너지원의 전압(V_E)이 최소치(V_{E_min})인 경우, 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 최소치(V_{dc_min})로 산출되며, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V_{E_max})인 경우, 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 상기 에너지원의 전압(V_{E_max})에 상기 최소차동전압을 더한 값으로 산출되고, 상기 에너지원의 전압(V_E)이 증가함에 따라 상기 DCbus의 전압(V_dc)이 증가하여,
상기 에너지원의 전압(V_E)이 최대치(V_{E_max})인 경우 상기 DCbus의 전압(V_dc)은 상기 제2범위의 상한값인 V_{E_max} + Vdiff로 제어되는 것을 특징으로 하는 저전압 에너지원의 계통 연계 시스템의 DCbus 전압 제어 방법.