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

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 (5)

1. 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.
   
2. 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.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 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.
   

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