KR102295755B1 - 벅-부스트 컨버터가 포함된 전력 시스템 및 전력 시스템 제어 방법 - Google Patents

벅-부스트 컨버터가 포함된 전력 시스템 및 전력 시스템 제어 방법 Download PDF

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Abstract

벅-부스트 컨버터를 포함한 전력 시스템 및 전력 시스템 제어 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 종래의 전력 시스템에 별도의 소자를 추가하지 않고도, 벅-부스트 컨버터 내부에 마련되는 복수의 컨버터 스위치들의 제어 방법을 변경함에 따라 전원부로부터 부하에 전달되는 전력의 전달 경로를 실시간으로 변경할 수 있으므로 전력 전달 효율을 극대화할 수 있다.

Description

벅-부스트 컨버터가 포함된 전력 시스템 및 전력 시스템 제어 방법{Power System and control method with Buck-Boost Converter}
본 발명은 제어 방법의 변경에 따라 부하에 전력이 전달되는 경로를 변경할 수 있는 전력 시스템 및 전력 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전 시스템이라 함은 태양전지를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전력 시스템으로서, 지구 온난화 해소 및 화석 연료 고갈에 대한 대책으로서 개발이 적극적으로 이루어지고 있다.
태양전지 패널은 온도와 일사량에 따라 출력하는 전력이 변경된다. 따라서 전력 전달시 온도와 일사량의 변화에 따라 변경되는 I-V 곡선의 최대 전력 동작점을 추적하기 위해 태양전지 패널의 출력과 연결되는 벅-부스트 컨버터의 입력측 전압을 가변하는 제어를 하면서, 최대 전력점을 추종하는 제어(MPPT;Maximum Power Point Tracking)를 사용한다. 이때, MPPT 제어를 통해 전력 전달시 60% 이상의 부하 조건에서는 약 95% 이상의 높은 전력 변환 효율을 갖지만 이보다 낮은 부하 조건에서는 전력 변환 효율이 낮아지는 단점이 있다.
본 발명은 종래의 전력 시스템에 별도의 소자를 추가하지 않고도 전원부로부터 부하에 전달되는 전력의 전달 효율을 높여 더 높은 전력을 출력할 수 있는 경로 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력 시스템은, 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 벅-부스트 컨버터부는, 상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터; 상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치; 상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치; 상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및 상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하며, 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교한 비교 결과에 따라 상기 제1 컨버터 스위치, 상기 제2 컨버터 스위치, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 제어할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하고, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제3 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제2 컨버터 스위치와 상기 제4 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 승압할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시킬 수 있다.
한편 상기 제어부는, 상기 제2 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산하고, 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하며, 상기 제2 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교한 비교 결과에 따라 상기 제1 컨버터 스위치, 상기 제2 컨버터 스위치, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 제어할 수 있다.
또한 이때 상기 제어부는, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하고, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
또한 이때 상기 제어부는, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제2 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제4 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제1 컨버터 스위치와 상기 제3 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 강압할 수 있다.
또한 이때 상기 제어부는, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시킬 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템은, 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 저장하는 입력측 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템은, 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 또는 강압된 전압을 저장하는 출력측 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 일 실시예는, 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 제1 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기 및 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하는 단계; 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서 상기 벅-부스트 컨버터부는, 상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터; 상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치; 상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치; 상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및 상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함할 수 있다.
이때 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하고, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
또한 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제3 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제2 컨버터 스위치와 상기 제4 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 승압하고, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 다른 실시예는, 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅 부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 제2 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기 및 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하는 단계; 상기 제2 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서 상기 벅-부스트 컨버터부는, 상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터; 상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치; 상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치; 상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및 상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함할 수 있다.
이때 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하고, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
또한 이때 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제2 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제4 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제1 컨버터 스위치와 상기 제3 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 강압하고, 상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전력 시스템 및 전력 시스템 제어 방법은 종래의 전력 시스템에 별도의 소자를 추가하지 않고도, 벅-부스트 컨버터 내부에 마련되는 복수의 컨버터 스위치들의 제어 방법을 변경함에 따라 전원부로부터 부하에 전달되는 전력의 전달 경로를 실시간으로 변경할 수 있으므로 전력 전달 효율을 극대화할 수 있다.
도 1a는 태양광 발전 전력 시스템에 있어서, 온도 변화에 따른 전력-전압(P-V) 곡선을 나타낸 것이고, 도 1b는 일사량 변화에 따른 P-V 곡선을 나타낸 것이다.
도 2는 태양광 전력 시스템에서 사용되는 벅-부스트 컨버터의, 부하율에 따른 효율을 나타낸 것이다.
도 3은 MPPT 제어를 하는 경우 및 MPPT 제어를 하지 않는 경우의 전력 전달량을 시뮬레이션을 통해 분석한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템의 개략도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템에 있어서 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 및 제3 전력 전달 경로를 형성하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 6a는 본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.
또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1a는 일사량이 1kW/m2일 때 온도 변화에 따른 전력-전압(P-V) 곡선을 나타내고, 도 1b는 온도가 25°C일 때 일사량 변화에 따른 P-V 곡선을 나타낸다.
태양광 패널은 온도와 일사량에 따라 출력하는 전력이 변경된다. 따라서, 온도와 일사량의 변화에 따라 변경되는 P-V 곡선의 최대 전력점을 추적하기 위해 태양광 패널의 출력과 연결되는 벅-부스트 컨버터부의 입력측 전압을 가변하는 MPPT 제어를 한다.
여기서, MPPT제어란 태양광 발전의 효율을 극대화시키기 위한 제어로서, 시스템을 항상 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)에서 동작하게 하여 전력을 최대로 이용할 수 있는 최대 전력점 추종 제어이다.
이러한, 최대 전력점 추종 제어를 위한 방법으로 P&O(Perturbation and Obsevation, 섭동후 추정) 방법이 일반적으로 사용되고 있다. P&O방법은 태양광 패널로부터 출력되는 전압을 주기적으로 증가, 감소시키는 가변을 하고 이전의 출력 전력과 현재의 출력 전력을 비교하여 최대 전력점을 추종하는 방식의 MPPT 제어 방법이다.
다만 최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 방법으로는 상술한 P&O 방법 외에도 InCond(Incremental Conductance) 방법 등의 다양한 MPPT 알고리즘이 공지되어 있으며 본 발명에서 언급하는 MPPT 제어를 위해 이러한 다양한 MPPT 알고리즘 중 어느 하나가 사용될 수 있음은 분명하다.
도 1a 및 도 1b에서 확인할 수 있듯이 P&O 방법의 MPPT 제어시에는 온도 또는 일사량에 따라 변경되는 P-V 곡선에 맞게 점선을 따라서 최대 전력점을 추종하면서, 벅-부스트 컨버터를 제어하여 부하로 전달되는 전압을 가변하는 방식으로 태양광 패널로부터 부하로 최대 전력이 전달되도록 한다.
이때, 벅-부스트 컨버터는 다른 종류의 DC-DC 컨버터들에 비해 높은 효율을 갖는 회로이지만, DC-DC 컨버터의 특성상 수십에서 수백 Mhz까지의 스위칭 동작을 하며, 전력 전달 경로에 존재하는 능동, 수동 소자들의 도통 손실 및 코어 손실에 의한 손실이 발생하게 된다.
도 2는 태양광 전력 시스템에서 사용되는 벅-부스트 컨버터의 부하율에 따른 전력 전달 효율을 나타낸 것이다. 60% 이상의 부하 조건에서 약 95% 이상의 높은 변환 효율을 갖지만, 60%보다 작은 부하 조건에서는 변환 효율이 높지 않다는 것을 알 수 있다.
한편, 일사량과 온도에 의해 변동되는 P-V 곡선에 따라 태양광 패널에서 출력하는 전력을 벅-부스트 컨버터를 통하지 않고 MPPT 제어 없이 부하에 전달할 때 더 많은 전력이 전달되는 경우가 있다.
도 3은 일사량 1000W/m2, 온도 25˚C 그리고 일사량 1000W/m2, 온도 75˚C 일 때의 2가지 경우에 대해서 MPPT 제어를 하면서 부하에 전력을 전달하는 경우와 MPPT 제어를 하지 않고 부하에 전력을 전달하는 경우의 전력 전달량을 시뮬레이션을 통해 분석한 그래프이다.
도 3은, 상기 2가지 경우의 일사량과 온도 조건에서 P-V 곡선을 분석한 것으로서, MPPT 제어를 할 때보다 MPPT 제어를 하지 않고 부하에 전력을 전달할 때 더 많은 전력을 부하로 전달하는 경우만을 음영으로 표시하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, MPPT 제어를 사용하는 경우에는 태양광 패널에서 출력되는 전압과 상관없이 항상 최대 전력을 출력할 수 있는 동작점을 추종하여 전압을 가변하면서 부하에 전력을 전달한다. 따라서, 부하 전압이 240V~320V인 구간에서, 부하 전압 또는 전원부 출력단에서 측정되는 개방 전압에 상관없이 항상 약 6750W, 5380W의 전력이 각각 전달된다.
즉, 부하로의 전력 전달시 MPPT 제어되는 벅-부스트 컨버터를 통하여 전력을 전달해야 유리한 경우가 있고, MPPT 제어를 사용하지 않고 벅-부스트 컨버터를 통하지 않고 전력을 전달해야 유리한 경우가 있는 것이다.
반면에 MPPT 제어를 사용하지 않는 경우에는 일사량 1000W/m2, 온도 25˚C일 때 부하 전압이 270V~315V인 구간에서 최대 약 300W를 더 출력할 수 있다. 또한 일사량 1000W/m2, 온도 75˚C 일 때에는 최대 약 200W를 더 출력할 수 있다.
도 3에서는 상술한 일사량 1000W/m2, 온도 25˚C 그리고 일사량 1000W/m2, 온도 75˚C 일 때의 2가지 경우에 대해서만 전력 전달량을 비교하였으나, 광량과 온도는 하루 중 연속적으로 변화하는 값이고, 각각 약 0~1500 W/m2, -20~+80˚C 정도 범위에서 변화하므로 도 3에서 음영으로 표시한 부분 외에도 MPPT 제어를 하지 않는 경우에 더 많은 전력을 전달할 수 있는 포인트가 다양한 일사량, 온도, 전압 조건에서 다수 존재할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템에 대해서 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)은 전원부(100), 벅-부스트 컨버터부(200) 및 제어부(300)를 포함한다.
전원부(100)는 전력을 생성하는 구성으로서, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 패널일 수 있고, 이때 태양광 패널은 태양광을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있는 태양전지 모듈의 조합으로 구성될 수 있다. 상기 태양전지 모듈은 태양전지의 직렬 연결, 병렬 연결 또는 직병렬 연결의 조합으로 이루어질 수 있다.
여기서, 도 4에는 부하(10)의 예시로서 직류 전원을 저장하기 위한 배터리가 도시되어 있으나 이에 한정되지는 않는다.
벅-부스트 컨버터부(200)는 전원부(100)로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 전달받아 승압 또는 강압하여 부하(10)에 전달할 수 있다. 보다 구체적으로, 벅-부스트 컨버터부(200)는 인덕터(210)와 복수의 컨버터 스위치들(S1~S4)을 포함한다.
이때, 벅-부스트 컨버터부(200)는 인덕터(210)와 복수의 컨버터 스위치들(S1~S4)이 H-브리지를 형성할 수 있다.
인덕터(210)는 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전류에 의해 전기 에너지가 충전되는 구성이다.
복수의 컨버터 스위치들(S1~S4) 중 제1 컨버터 스위치(S1)는 인덕터(210)의 일단과 전원부(100) 사이에 마련되고, 제2 컨버터 스위치(S2)는 인덕터(210)의 타단과 부하(10) 사이에 마련된다. 또한, 제3 컨버터 스위치(S3)는 인덕터(210)의 일단과 접지 사이에 마련되며, 제4 컨버터 스위치(S4)는 인덕터(210)의 타단과 접지 사이에 마련된다.
벅-부스트 컨버터부(200)에 포함되는 상기 복수의 컨버터 스위치들(S1~S4)은 도통(온 상태) 또는 비도통(오프 상태)이 되어 전류를 흐르게 할지 여부를 결정하는 소자로서 예를 들어, 반도체 스위치인 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)이 사용될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
한편, 벅-부스트 컨버터부(200)는, 상기 복수의 컨버터 스위치들(S1~S4)을 어떻게 제어하느냐에 따라 입력 전압을 승압시키는 부스트 컨버터로서 동작할 수도 있고, 입력 전압을 강압시키는 벅 컨버터로서 동작할 수도 있다.
예를 들어, 벅-부스트 컨버터부(200)는 제1 컨버터 스위치(S1)가 항상 온으로 동작하고 제3 컨버터 스위치(S3)가 항상 오프로 동작하는 상태에서, 제2 컨버터 스위치(S2)와 제4 컨버터 스위치(S4)의 온오프 교번동작에 의해 입력 전압이 승압되는 부스트 컨버터로서 동작할 수 있다.
또는 예를 들어, 벅-부스트 컨버터부(200)는, 제2 컨버터 스위치(S2)가 항상 온으로 동작하고 제4 컨버터 스위치(S4)가 항상 오프로 동작하는 상태에서, 제1 컨버터 스위치(S1)와 제3 컨버터 스위치(S3)의 온오프 교번동작에 의해 입력 전압이 강압되는 벅 컨버터로서 동작할 수도 있다.
제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 제어하는 구성으로서, 구체적으로 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 승압되는 과정을 거쳐 부하(10)로 전달되는 제1 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
또는 제어부(300)는, 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 강압되는 과정을 거쳐 부하(10)로 전달되는 제2 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
또는 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않고, 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 부하(10)로 전달되는 제3 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(300)는 상기 제1 전력 전달 경로로 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기(P1)를 연산하고, 상기 제3 전력 전달 경로로 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기(P3)를 연산할 수 있다. 이후, 제어부(300)는 연산된 제1 전력의 크기(P1) 및 제3 전력의 크기(P3)를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 벅-부스트 컨버터부(200)의 복수의 컨버터 스위치들(S1~S4)의 온오프를 제어할 수 있다.
여기서, 제1 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 부스트 컨버터로 동작시키면서 MPPT 제어 하는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이고 제3 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이다.
상기 제1 전력은 부하(10)로 전달되는 전압의 값을 MPPT 제어에 의해 변환시키면서 추종하는 최대 전력이므로, 제어부(300)가 전원부(100) 출력단의 개방 전압(V1) 및 단락 전류(I1)의 값을 전달받아 MPPT 알고리즘을 이용하여 연산할 수 있다.
또한, 상기 제3 전력은 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 부하(10)에 전달될 전력이므로, 제어부(300)가 부하(10)의 현재 전압(V2) 및 전류(I2)을 전달받아 연산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제어부(300)가 상기 제1 전력의 크기(P1) 및 상기 제3 전력의 크기(P3)를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제1 전력 전달 경로와 제3 전력 전달 경로 중 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 실시간으로 선택하도록 벅-부스트 컨버터부(200)의 제어 방법을 변경함으로써 전력 전달 효율이 극대화될 수 있다.
또는, 제어부(300)는 상기 제2 전력 전달 경로로 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기(P2)를 연산하고, 상기 제3 전력 전달 경로로 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기(P3)를 연산할 수 있다. 이후, 제어부(300)는 연산된 제2 전력의 크기(P2) 및 제3 전력의 크기(P3)를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 벅-부스트 컨버터부(200)의 복수의 컨버터 스위치들(S1~S4)을 제어할 수 있다.
여기서, 제2 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 벅 컨버터로 동작시키면서 MPPT 제어 하는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이고 제3 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이다.
상기 제2 전력은 부하(10)로 전달되는 전압의 값을 MPPT 제어에 의해 변환시키면서 추종하는 최대 전력이므로, 제어부(300)가 전원부(100) 출력단의 개방 전압(V1) 및 단락 전류(I1)의 값을 전달받아 MPPT 알고리즘을 이용하여 연산할 수 있다.
또한, 상기 제3 전력은 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어를 하지 않는 경우 부하(10)에 전달될 전력이므로, 제어부(300)가 부하(10)의 현재 전압(V2) 및 전류(I2)을 전달받아 연산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제어부(300)가 상기 제2 전력의 크기(P2) 및 상기 제3 전력의 크기(P3)를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제2 전력 전달 경로와 제3 전력 전달 경로 중 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 실시간으로 선택하도록 벅-부스트 컨버터부(200)의 제어 방법을 변경함으로써 전력 전달 효율이 극대화될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면 본 발명에 따른 전력 시스템(1000)은, 전원부(100)로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 저장하는 입력측 저장부(400)를 더 포함할 수 있다.
이때, 입력측 저장부(400)는 전원부(100)와 벅-부스트 컨버터부(200) 사이에 연결된다.
입력측 저장부(400)는 전원부(100)로부터 출력되는 입력측 전압에 노이즈가 끼거나 전압이 흔들릴 때 안정된 직류 전압을 공급할 수 있게 해주는 역할을 하며, 입력측 저장부(400)로는 커패시터가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 시스템(1000)은, 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 승압 또는 강압된 전압을 저장하는 출력측 저장부(500)를 더 포함할 수 있다.
이때, 출력측 저장부(500)는 벅-부스트 컨버터부(200)와 부하(10) 사이에 연결된다.
출력측 저장부(500)는 부하(10)에 직류전압을 공급하도록 전압을 정류시켜주는 역할을 하며, 출력측 저장부(500)로는 커패시터가 사용될 수 있다.
이하에서는 도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하여 보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)의 동작 과정에 대해 설명한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)에 있어서 제1 전력 전달 경로를 형성하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 제1 전력 전달 경로는 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 승압되는 과정을 거쳐 부하(10)로 전달될 때 형성되는 전력 전달 경로이다. 즉, 이때 벅-부스트 컨버터부(200)는 부스트 컨버터로서 동작한다.
제어부(300)는 제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같은 경우에 제1 전력 전달 경로를 형성하며, 여기서 제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어될 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로, 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하면서 전원부(100)에서 출력되는 전압을 승압하여 부하(10)에 전달한다.
이때, 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1)를 온시키고 제3 컨버터 스위치(S3)를 오프시킨 상태에서, 제2 컨버터 스위치(S2)와 제4 컨버터 스위치(S4)를 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 온오프 제어한다.
보다 구체적으로는, 제2 컨버터 스위치(S2)가 오프로 동작하고 제4 컨버터 스위치(S4)가 온으로 동작하는 동안 도 5a의 점선 방향으로 입력 전류가 흘러 인덕터(210)에 에너지가 충전되고, 제2 컨버터 스위치(S2)가 온으로 동작하고 제4 컨버터 스위치(S4)가 오프로 동작하는 동안 도 5a의 실선 방향으로 입력 전류가 흘러 인덕터(210)에 충전된 에너지와 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전류가 동시에 부하(10)로 전달되면서 입력 전압이 승압된다.
전원부(100)에서 출력되는 입력 전압은, 제어부(300)의 MPPT 제어에 의해 부하(10)에 최대 전력을 전달할 수 있도록 승압되므로, 부하(10)에는 MPPT 제어에 의해 추종된 최대 전력이 전달될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)에 있어서 제2 전력 전달 경로를 형성하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 5b를 참조하면, 제2 전력 전달 경로는 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 강압되는 과정을 거쳐 부하(10)로 전달될 때 형성되는 전력 전달 경로이다. 즉, 이때 벅-부스트 컨버터부(200)는 벅 컨버터로서 동작한다.
제어부(300)는 제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같은 경우에 제2 전력 전달 경로를 형성하며, 여기서 제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어될 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로, 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하면서 전원부(100)에서 출력되는 전압을 강압하여 부하(10)에 전달한다.
이때, 제어부(300)는 제2 컨버터 스위치(S2)를 온시키고 제4 컨버터 스위치(S4)를 오프시킨 상태에서, 제1 컨버터 스위치(S1)와 제3 컨버터 스위치(S3)를 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 온오프 제어한다.
보다 구체적으로는, 제1 컨버터 스위치(S1)가 온으로 동작하고 제3 컨버터 스위치(S3)가 오프로 동작하는 동안에는 도 5b의 점선 방향으로 입력 전류가 흐르면서 인덕터(210)에 에너지가 충전되는 동시에 부하(10)에 전력이 전달되다가, 제1 컨버터 스위치(S1)가 오프로 동작하고 제3 컨버터 스위치(S3)가 온으로 동작하는 동안에는 도 5b의 실선 방향으로 전류가 흘러 인덕터(210)에 저장된 에너지가 방출된다. 상기 제1 컨버터 스위치(S1)와 제3 컨버터 스위치(S3)의 온오프 동작이 교번으로 반복되면서 전원부(100)에서 출력되는 입력 전압은 강압되어 부하(10)로 전달된다.
전원부(100)에서 출력되는 입력 전압은, 제어부(300)의 MPPT 제어에 의해 부하(10)에 최대 전력을 전달할 수 있도록 강압되므로, 부하(10)에는 MPPT 제어에 의해 추종된 최대 전력이 전달될 수 있다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)에 있어서 제3 전력 전달 경로를 형성하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 5c를 참조하면, 제3 전력 전달 경로는 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 부하(10)로 전달될 때 형성되는 전력 전달 경로이다. 즉, 이때 벅-부스트 컨버터부(200)는 컨버터로서 동작하지 않는다.
제어부(300)는 제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작은 경우 또는 제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작은 경우에 제3 전력 전달 경로를 형성하며, 여기서 제1 전력의 크기(P1) 또는 제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어되지 않을 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않고, 전원부(100)에서 출력되는 전압이 그대로 부하(10)에 전달되도록 벅-부스트 컨버터부(200)를 제어한다.
이때, 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1)와 제2 컨버터 스위치(S2)는 온시키고, 제3 컨버터 스위치(S3)와 제4 컨버터 스위치(S4)는 오프시킨다.
제3 전력 전달 경로를 형성하는 경우, 현재의 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용되면서 벅-부스트 컨버터부(200)에 의한 스위칭 손실, 코어 손실, 도통 손실 없이 직접적으로 전력이 부하(10)에 공급된다. 인덕터(210)에는 직류 전압이 걸리게 되므로 단락회로처럼 동작하여 코어 손실이 발생하지 않는다
한편, 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용된다는 의미는 부하(10) 전압의 값이 그대로 전원부(100)에 걸린다는 것을 의미한다. 즉, 전원부(100)에서 출력되는 전류는 도 5c의 실선 방향으로 흐르면서 인덕터(210)만을 거쳐 그대로 부하(10)에 전달된다.
도 6a는 본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 일 실시예에 있어서 각 단계는, 앞서 설명한 전력 시스템(1000) 상에서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
먼저 제어부(300)는, 제1 전력 전달 경로를 통해 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기(P1) 및 제3 전력 전달 경로를 통해 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기(P3)를 연산한다(S110).
이때, 제1 전력 전달 경로는 전원부(10)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 승압되는 과정을 거쳐 부하(10)로 전달될 때 형성되는 전력 전달 경로이다. 즉, 이때 벅-부스트 컨버터부(200)는 부스트 컨버터로서 동작한다.
또한, 전력 시스템(1000)의 일 실시예에서도 상술한 바와 같이 제1 전력은, 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 부스트 컨버터로 동작시키면서 MPPT 제어 하는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이고 제3 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이다
여기서, 상기 제1 전력의 크기(P1)는 부하(10)로 전달되는 전압의 값을 MPPT 제어에 의해 변환시키면서 추종하는 최대 전력이므로, 제어부(300)가 전원부(100) 출력단의 개방 전압(V1) 및 단락 전류(I1)의 값을 전달받아 MPPT 알고리즘을 이용하여 연산할 수 있다.
또한, 상기 제3 전력의 크기(P3)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 부하(10)에 전달될 전력이므로, 제어부(300)가 부하(10)의 현재 전압(V2) 및 전류(I2)을 전달받아 연산할 수 있다.
다만, 이렇게 직접적으로 전원부(100) 출력단 및 부하(10)의 전압, 전류 센싱을 통해 제1 전력의 크기(P1)와 제3 전력의 크기(P3)를 연산할 수도 있지만 다른 방법을 통해 제1 전력의 크기(P1)와 제3 전력의 크기(P3)를 연산할 수도 있다.
예를 들어, 태양광 패널을 구성하는 태양광 셀과 동일한 모델의 1개의 셀을 전력 생성 목적이 아닌 센싱 및 연산 목적으로 따로 구비하고, 해당 온도 및 일사량에서 상기 1개의 셀의 전류, 전압을 센싱한 후, 태양광 패널 전체의 전력을 연산하는 방식으로 제1 전력의 크기(P1)를 연산할 수도 있다.
또는 전류, 전압, 기타 다른 종류의 파라미터 값을 센싱하여 제1 전력의 크기(P1) 및 제3 전력의 크기(P3)를 예측하는 방법이 사용될 수도 있다.
따라서 제1 전력의 크기(P1) 및 제3 전력의 크기(P3)를 연산하는 방법은 한정되지 않으며 본 발명에서 기재하고 있지 않은 여타의 연산 방식을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
다음으로, 제어부(300)는 상기 제1 전력의 크기(P1) 및 상기 제3 전력의 크기(P3)를 비교하고(S120) 이후, 상기 비교 결과에 따라 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1), 제2 컨버터 스위치(S2), 제3 컨버터 스위치(S3) 및 제4 컨버터 스위치(S4)를 제어한다(S130)
보다 구체적으로, 제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같은 경우에, 제어부(300)는 제1 전력 전달 경로를 형성하는 단계(S131)를 수행한다.
제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어될 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로, 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하면서 전원부(100)에서 출력되는 전압을 승압하여 부하(10)에 전달한다.
이때, 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1)를 온시키고 제3 컨버터 스위치(S3)를 오프시킨 상태에서, 제2 컨버터 스위치(S2)와 제4 컨버터 스위치(S4)를 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 온오프 제어한다.
보다 구체적으로는, 제2 컨버터 스위치(S2)가 오프로 동작하고 제4 컨버터 스위치(S4)가 온으로 동작하는 동안 입력 전류가 인덕터(210)로 흘러 인덕터(210)에 에너지가 충전되고, 제2 컨버터 스위치(S2)가 온으로 동작하고 제4 컨버터 스위치(S4)가 오프로 동작하는 동안 인덕터(210)에 충전된 에너지와 전원부(100)로부터 출력되는 입력 전류가 동시에 부하(10)로 전달되면서 입력 전압이 승압된다.
이때, 전원부(100)에서 출력되는 입력 전압은, 제어부(300)의 MPPT 제어에 의해 부하(10)에 최대 전력을 전달할 수 있도록 승압되므로, 부하(10)에는 MPPT 제어에 의해 추종된 최대 전력이 전달될 수 있다.
앞서도 언급한 바 있으나, MPPT 알고리즘은 P&O 방법, InCond(Incremental Conductance) 방법 등의 다양한 알고리즘이 공지되어 있으므로 본 발명에 따른 전력시스템의 제어 방법에서 언급하고 있는 MPPT 제어를 위해 이러한 다양한 MPPT 알고리즘 중 어느 하나가 사용될 수 있음은 분명하다.
제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작은 경우에는, 제어부(300)는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 단계(S132)를 수행한다.
제1 전력의 크기(P1)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어되지 않을 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않고, 전원부(100)에서 출력되는 전압이 그대로 부하(10)에 전달되도록 벅-부스트 컨버터부(200)를 제어한다.
이때, 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1)와 제2 컨버터 스위치(S2)는 온시키고, 제3 컨버터 스위치(S3)와 제4 컨버터 스위치(S4)는 오프시킨다.
제3 전력 전달 경로를 형성하는 경우, 현재의 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용되면서 벅-부스트 컨버터부(200)에 의한 스위칭 손실, 코어 손실, 도통 손실 없이 직접적으로 전력이 부하(10)에 공급된다. 인덕터(210)에는 직류 전압이 걸리게 되므로 단락회로처럼 동작하여 코어 손실이 발생하지 않는다
한편, 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용된다는 의미는 부하(10) 전압의 값이 그대로 전원부(100)에 걸린다는 것을 의미한다. 즉, 전원부(100)에서 출력되는 전류는 인덕터(210)만을 거쳐 그대로 부하(10)에 전달된다.
도 6b는 본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법의 다른 실시예에 있어서 각 단계는, 앞서 설명한 전력 시스템(1000) 상에서, 제어부(300)에 의해 수행될 수 있다.
먼저 제어부(300)는, 제2 전력 전달 경로를 통해 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기(P2) 및 제3 전력 전달 경로를 통해 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기(P3)를 연산한다(S210).
이때, 제2 전력 전달 경로는 전원부(10)로부터 출력되는 입력 전압이 벅-부스트 컨버터부(200)에 의해 강압되는 과정을 거쳐 부하(10)로 전달될 때 형성되는 전력 전달 경로이다. 즉, 이때 벅-부스트 컨버터부(200)는 벅 컨버터로서 동작한다.
또한, 전력 시스템(1000)의 일 실시예에서도 상술한 바와 같이 제2 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 벅 컨버터로 동작시키면서 MPPT 제어 하는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이고 제3 전력은 제어부(300)가 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이다
여기서, 상기 제2 전력의 크기(P2)는 부하(10)로 전달되는 전압의 값을 MPPT 제어에 의해 변환시키면서 추종하는 최대 전력이므로, 제어부(300)가 전원부(100) 출력단의 개방 전압(V1) 및 단락 전류(I1)의 값을 전달받아 MPPT 알고리즘을 이용하여 연산할 수 있다.
또한, 상기 제3 전력의 크기(P3)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않는 경우 부하(10)에 전달될 전력이므로, 제어부(300)가 부하(10)의 현재 전압(V2) 및 전류(I2)을 전달받아 연산할 수 있다.
다음으로, 제어부(300)는 상기 제2 전력의 크기(P2) 및 상기 제3 전력의 크기(P3)를 비교하고(S220) 이후, 상기 비교 결과에 따라 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1), 제2 컨버터 스위치(S2), 제3 컨버터 스위치(S3) 및 제4 컨버터 스위치(S4)를 제어한다(S230)
보다 구체적으로, 제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같은 경우에, 제어부(300)는 제2 전력 전달 경로를 형성하는 단계를 수행한다(S231).
제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 크거나 같다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어될 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로, 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하면서 전원부(100)에서 출력되는 전압을 강압하여 부하(10)에 전달한다.
이때, 제어부(300)는 제2 컨버터 스위치(S2)를 온시키고 제4 컨버터 스위치(S4)를 오프시킨 상태에서, 제1 컨버터 스위치(S1)와 제3 컨버터 스위치(S3)를 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 온오프 제어한다.
보다 구체적으로는, 제1 컨버터 스위치(S1)가 온으로 동작하고 제3 컨버터 스위치(S3)가 오프로 동작하는 동안에는 인덕터(210)에 에너지가 충전되는 동시에 부하(10)에 전력이 전달되다가, 제1 컨버터 스위치(S1)가 오프로 동작하고 제3 컨버터 스위치(S3)가 온으로 동작하는 동안에는 인덕터(210)에 저장된 에너지가 방출된다. 제1 컨버터 스위치(S1)와 제3 컨버터 스위치(S3)의 온오프 동작이 교번으로 반복되면서 전원부(100)에서 출력되는 입력 전압은 강압되어 부하(10)로 전달된다.
이때, 전원부(100)에서 출력되는 입력 전압은, 제어부(300)의 MPPT 제어에 의해 부하(10)에 최대 전력을 전달할 수 있도록 강압되므로, 부하(10)에는 MPPT 제어에 의해 추종된 최대 전력이 전달될 수 있다.
제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작은 경우에는, 제어부(300)는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 단계(S232)를 수행한다.
제2 전력의 크기(P2)가 제3 전력의 크기(P3)보다 작다는 것은, 벅-부스트 컨버터부(200)가 MPPT 제어되지 않을 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로 제어부(300)는 벅-부스트 컨버터부(200)를 MPPT 제어하지 않고, 전원부(100)에서 출력되는 전압이 그대로 부하(10)에 전달되도록 벅-부스트 컨버터부(200)를 제어한다.
이때, 제어부(300)는 제1 컨버터 스위치(S1)와 제2 컨버터 스위치(S2)는 온시키고, 제3 컨버터 스위치(S3)와 제4 컨버터 스위치(S4)는 오프시킨다.
제3 전력 전달 경로를 형성하는 경우, 현재의 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용되면서 벅-부스트 컨버터부(200)에 의한 스위칭 손실, 코어 손실, 도통 손실 없이 직접적으로 전력이 부하(10)에 공급된다. 인덕터(210)에는 직류 전압이 걸리게 되므로 단락회로처럼 동작하여 코어 손실이 발생하지 않는다
한편, 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용된다는 의미는 부하(10) 전압의 값이 그대로 전원부(100)에 걸린다는 것을 의미한다. 즉, 전원부(100)에서 출력되는 전류는 인덕터(210)만을 거쳐 그대로 부하(10)에 전달된다.
여기까지 도 6a 및 도 6b를 참조하여 본 발명에 따른 전력 시스템 제어 방법에 대해 설명하였다.
전력 시스템 제어 방법의 각 단계에 대한 그 외의 상세한 설명은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)에 대한 설명으로서 갈음할 수 있다.
또한, 제1 컨버터 스위치(S1), 제2 컨버터 스위치(S2), 제3 컨버터 스위치(S3) 및 제4 컨버터 스위치(S4)의 제어방법은 MPPT 제어에 의해 부하(10)로 전력을 전달하는 경로 또는 MPPT 제어를 하지 않고 부하(10)로 전력을 전달하는 경로를 선택하기 위해서라면 상술한 제어방법 이외의 다양한 방식으로 제어될 수 있고, 본 발명은 이러한 다양한 제어방법을 모두 포함한다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 기존의 전력 시스템 회로구조에 별도의 소자를 추가하지 않고도, 벅-부스트 컨버터부(200)의 컨버터 스위치들(S1~S4)의 제어 방법만을 변경함으로써, MPPT 제어가 이루어지는 경로와 MPPT 제어가 이루어지지 않는 경로 중 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 선택하여 부하에 전력을 전달할 수 있다. 따라서, MPPT 제어만을 할 때보다 더 높은 효율로 부하에 전력이 전달되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 사용된 H-브리지 타입의 벅-부스트 컨버터의 경우에 컨버터 스위치들(S1~S4)로서 일반적으로 FET(Field effect transistor)를 사용하는데, 제3 전력 전달 경로를 형성하는 경우 다이오드 소자가 포함된 DC-DC 컨버터를 사용할 때보다 소자에 의한 전력 손실이 매우 적으므로 전력 전달 효율이 더 높아질 수 있다.
이상 본 발명의 설명을 위하여 예시로 든 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태로 조합이 가능하다. 따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 특징이 있다고 할 것이다.
1000: 전력 시스템
100: 전원부
200: 벅-부스트 컨버터부
210: 인덕터
S1: 제1 컨버터 스위치
S2: 제2 컨버터 스위치
S3: 제3 컨버터 스위치
S4: 제4 컨버터 스위치
300: 제어부
400: 입력측 저장부
500: 출력측 저장부

Claims (20)

  1. 전력을 생성하는 전원부;
    상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및
    상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되고,
    상기 벅-부스트 컨버터부는,
    상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터;
    상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및
    상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하며, 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교한 비교 결과에 따라 상기 제1 컨버터 스위치, 상기 제2 컨버터 스위치, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 제어하고,
    상기 제어부는,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하고,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제3 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제2 컨버터 스위치와 상기 제4 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 승압하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  7. 전력을 생성하는 전원부;
    상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및
    상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되고,
    상기 벅-부스트 컨버터부는,
    상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터;
    상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및
    상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제2 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산하고, 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하며, 상기 제2 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교한 비교 결과에 따라 상기 제1 컨버터 스위치, 상기 제2 컨버터 스위치, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 제어하고,
    상기 제어부는,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하고,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제2 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제4 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제1 컨버터 스위치와 상기 제3 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 강압하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  11. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 저장하는 입력측 저장부를 더 포함하는 전력 시스템.
  12. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 또는 강압된 전압을 저장하는 출력측 저장부를 더 포함하는 전력 시스템.
  13. 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 제1 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기 및 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하는 단계;
    상기 제1 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 벅-부스트 컨버터부는,
    상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터;
    상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및
    상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함하며,
    상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하고,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제1 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제3 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제2 컨버터 스위치와 상기 제4 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 승압하고,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법.
  17. 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압 또는 강압하여 부하에 전달하는 벅-부스트 컨버터부; 및 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부하로 전력을 전달하는 제1 전력 전달 경로, 제2 전력 전달 경로 또는 제3 전력 전달 경로를 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 승압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되고, 상기 제2 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅-부스트 컨버터부에 의해 강압되는 과정을 거쳐 상기 부하로 전달되며, 상기 제3 전력 전달 경로가 형성되는 경우 상기 입력 전압이 상기 벅 부스트 컨버터부에 의해 승압 및 강압되는 과정을 거치지 않고 상기 부하로 전달되는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 제2 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기 및 상기 제3 전력 전달 경로를 통해 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제3 전력의 크기를 연산하는 단계;
    상기 제2 전력의 크기 및 상기 제3 전력의 크기를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 벅-부스트 컨버터부는,
    상기 전원부로부터 출력되는 전류에 의해 충전되는 인덕터;
    상기 인덕터의 일단과 상기 전원부 사이에 마련되는 제1 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 타단과 상기 부하 사이에 마련되는 제2 컨버터 스위치;
    상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 마련되는 제3 컨버터 스위치; 및
    상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 마련되는 제4 컨버터 스위치;를 포함하며,
    상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하여 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하고,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에는 상기 벅-부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터부를 제어하는 단계는,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에, 상기 제2 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제2 컨버터 스위치는 온시키고 상기 제4 컨버터 스위치는 오프시키며, 상기 제1 컨버터 스위치와 상기 제3 컨버터 스위치의 온오프 동작을 MPPT 알고리즘에 의한 듀티비에 따라 교번으로 제어하여 상기 입력 전압을 강압하고,
    상기 비교 결과, 상기 제2 전력의 크기가 상기 제3 전력의 크기보다 작은 경우에, 상기 제3 전력 전달 경로를 형성하기 위해, 상기 제1 컨버터 스위치 및 상기 제2 컨버터 스위치를 온시키고, 상기 제3 컨버터 스위치 및 상기 제4 컨버터 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 시스템의 제어 방법.
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