KR102566205B1 - 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치 - Google Patents

분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102566205B1
KR102566205B1 KR1020220071272A KR20220071272A KR102566205B1 KR 102566205 B1 KR102566205 B1 KR 102566205B1 KR 1020220071272 A KR1020220071272 A KR 1020220071272A KR 20220071272 A KR20220071272 A KR 20220071272A KR 102566205 B1 KR102566205 B1 KR 102566205B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
voltage
converter
reference voltage
output stage
Prior art date
Application number
KR1020220071272A
Other languages
English (en)
Inventor
김은서
Original Assignee
주식회사 커널로그
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 커널로그 filed Critical 주식회사 커널로그
Priority to KR1020220071272A priority Critical patent/KR102566205B1/ko
Priority to PCT/KR2022/013883 priority patent/WO2023243770A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102566205B1 publication Critical patent/KR102566205B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H02S40/32—Electrical components comprising DC/AC inverter means associated with the PV module itself, e.g. AC modules
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 시스템의 DC-DC컨버터는, 상기 DC-DC컨버터는 외부에너지를 수집하여 전기에너지로 변환하는 복수의 에너지 생성 모듈과 각각 연결되어, 상기 에너지 생성 모듈로부터 제공되는 직류 전력의 전압 레벨을 조절하며, 상기 DC-DC 컨버터는, 벅(buck) 컨버터; 상기 벅 컨버터에 인가되는 입력전압이 일정하게 유지될 수 있도록 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 메인루프회로; 및 상기 메인루프회로의 입력전압이 최대전력전압으로 되도록 가이드하는 보조루프회로;를 포함하되, 상기 최대전력전압은 상기 에너지 하베스팅 시스템이 최대전력으로 에너지를 생성할 수 있도록 하는 전압값이다.

Description

분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치{MAXIMUM POWER POINT TRACKING ALGORITHM WITH SEPARATE DOUBLE LOOPS AND DC-DC CONVERTER FOR EXECUTING THE ALGORITHM}
본 발명은 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종(maximum power point tracking, MPPT) 알고리즘에 관한 것이며, 이를 수행하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 시스템의 DC-DC컨버터를 개시한다.
에너지 하베스팅이란, 주위에서 발생하는 자연적인 에너지를 수집하고 이들을 전기에너지로 전환시켜 수확하는 기술이다.
대표적으로, 수집한 태양광을 전기에너지로 전환하여 공급하는 태양광 발전 설비를 예로 들 수 있다.
이러한 태양광 발전에서 가장 핵심적인 쟁점 중의 하나는, 태양광 셀의 배열로부터 가능한 최대의 전력을 지속적으로 생성하여 공급하는 것이다.
즉, 일조량, 기온, 부하 등 조건의 변화에 따른 태양광 패널의 최대 전력점을 찾는 작업이 필수적으로 요구되며, 이는 최대전력 추종(MPPT) 알고리즘에 의해 구현된다.
종래 MPPT 알고리즘의 하나로, 태양광 인버터에 설정된 P&O(Perturbation & observation) 알고리즘을 대표적으로 들 수 있다.
P&O 알고리즘은, 태양광 어레이의 출력전압을 조금씩 줄이거나 늘려가며 전후 전력값을 비교함으로써, P-V곡선(power-voltage curve)의 극대점을 추적하는 방식이다.
한편, 태양광 발전소에 있어 특정 패널에 그림자가 생기거나, 먼지, 눈 등에 의해 패널이 오염되거나, 물리적, 전기적으로 파손되는 등 다양한 원인에 의해 각 패널 간 편차가 발생한다. 이러한 패널 간 편차에 따라 다수의 극대점을 가지는 P-V곡선이 형성되는 것이 일반적인 현실이다.
이와 관련하여 기존 P&O 알고리즘은, 극대점이 여러 개일 수록, MPPT의 속도 및 정확도는 현저히 줄어들면서 진동이 발생하는 현상은 증가하는 문제가 있다. 즉, 극대점이 1개인 P-V곡선에 있어서는 효율적이나, 다수의 극대점을 가지는 경우 어느 극대점이 최대전력 지점인지 파악하기 어려워, MPPT의 성능 및 결과를 보장할 수 없다.
또한, 전류나 전압의 변화를 주는 과정에서 VOLTAGE NOISE가 발생하게 되는데, 이에 따라 전압 측정에 이상이 생기는 경우 잘못된 방향으로 듀티(duty)가 제어될 우려가 존재한다.
또한, 기존 인버터의 경우 일반적으로 계통(grid)에 직접 연계되기 때문에, 동작 가능한 주파수에 제약이 있다. 따라서, 주파수를 빠르게 변화시키면 계통 측에서 대응이 안될 가능성이 높아, 일정 속도 이상으로 MPPT를 수행하기 불가능한 한계에 봉착한다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 다른 동작 bandwidth를 가지는 이중 루프회로의 DC-DC컨버터를 통해 신속하고 정확한 MPPT를 이룩하여, 상시 최대전력을 생성하는 에너지 하베스팅을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 시스템의 DC-DC컨버터는, 상기 DC-DC컨버터는 외부에너지를 수집하여 전기에너지로 변환하는 복수의 에너지 생성 모듈과 각각 연결되어, 상기 에너지 생성 모듈로부터 제공되는 직류 전력의 전압 레벨을 조절하며, 상기 DC-DC 컨버터는, 벅(buck) 컨버터; 상기 벅 컨버터에 인가되는 입력전압이 일정하게 유지될 수 있도록 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 메인루프회로; 및 상기 메인루프회로의 입력전압이 최대전력전압으로 되도록 가이드하는 보조루프회로;를 포함하되, 상기 최대전력전압은 상기 에너지 하베스팅 시스템이 최대전력으로 에너지를 생성할 수 있도록 하는 전압값이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조루프회로는, 상기 벅 컨버터의 입력전압, 입력전류 쌍 및 출력전압, 출력전류 쌍 중 적어도 하나를 기초로 계산하여, 상기 벅 컨버터의 출력단의 전력을 산출하는 전력산출부; 상기 벅 컨버터의 출력단의 부하조정을 통한 전류변화가 발생될 경우, 전류변화가 발생되기 전인 N-1번째(N은 1보다 큰 자연수)의 출력단 전력과 전류변화가 발생된 후인 N번째의 출력단 전력 간의 전력차이를 산출하는 전력차이산출부; 및 상기 전력차이를 기초로 제1보정값을 생성하고, 상기 메인루프회로로 인가되는 기준전압에 상기 제1보정값을 반영하는 기준전압보정부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기준전압보정부는, 상기 출력단의 전력이 최대전력에 다다르도록 상기 기준전압에 상기 제1보정값을 플러스하거나 마이너스 연산하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, N번째의 출력단 전력이 N-1번째 출력단 전력보다 크고, N+1번째 출력단 전력이 N번째 출력단 전력보다 클 경우, N번째에 적용한 제1보정값의 플러스 또는 마이너스 연산부호를 N+1번째에도 그대로 유지하고, N번째의 출력단 전력이 N-1번째 출력단 전력보다 크지만, N+1번째 출력단 전력이 N번째 출력단 전력보다 작을 경우, N번째에 적용한 제1보정값의 플러스 또는 마이너스 연산부호와 반대의 연산부호를 N+1번째에 적용하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조루프회로는, 상기 N-1번째 기준전압에 상기 제1보정값을 플러스 또는 마이너스 연산하여 N번째 기준전압을 결정하고, 상기 메인루프회로로 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인루프회로는, 상기 기준전압과 상기 벅 컨버터의 입력전압 간의 차이를 연산하는 연산부; 및 상기 기준전압과 입력전압 간의 차이를 기초로 제2보정값을 산출하고, 상기 제2보정값을 기초로 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 듀티비제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2보정값에 대한 연산은, 상기 입력전압이 종전의 입력전압보다 낮을 경우 상기 듀티비가 종전 듀티비보다 작게 되도록, 상기 입력전압이 종전의 입력전압보다 클 경우 상기 듀티비가 종전 듀티비보다 크게 되도록, 수행되어, 상기 입력전압이 일정하게 유지되도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 DC-DC컨버터는, 피드백루프를 통해 상기 N-1번째의 기준전압에 대한 제2보정값을 반영하여 상기 N번째의 기준전압을 산출함으로써, 상기 입력전압과 상기 기준전압 간의 이격을 방지하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인루프회로가, 상기 기준전압과 상기 벅 컨버터의 입력전압 간의 차이를 연산하고, 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 1회의 과정을 메인루프 싸이클이라고 가정하고, 상기 보조루프회로가, 상기 벅 컨버터의 출력단의 전력변화에 따른 전력차이값을 산출하고, 상기 전력차이값을 기초로 상기 기준전압을 보정하는 1회의 과정을 보조루프 싸이클이라고 할 때, 상기 메인루프 싸이클이 복수회 실행될 때 상기 보조루프 싸이클은 1회 실행되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압의 증감 방향이 아닌 오직 전력이 증가, 감소하는지에 따라 MPPT 방향을 결정한다.
따라서, 극대점이 여러 개인 상황에서 보다 신속 정확하게 최대전력 지점을 찾을 수 있으며, 진동이나 노이즈 발생에 있어 대처가 용이하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, DC-DC컨버터의 입력전압이 고정되어 출력 전력이 유지되므로 한계용량 안에서 어느 전류가 요구되더라도 전압이 급격히 떨어지지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, MPPT알고리즘은 이중 루프 동작으로 설계되며, 입력전압을 유지하도록 하는 루프의 주기는 최대전력 지점을 찾는 루프의 주기보다 빠르게 설정된다.
따라서, 부하 조절에 따라 출력단에 흐르는 전류가 급격히 상승하거나 외부 요인에 의해 입력 전력이 갑자기 줄어드는 현상이 발생하더라도 대응이 가능하며, 입력전압은 일정하게 유지된다.
또한, 이중 루프로 구현되므로 잘못된 방향으로 MPPT가 진행될 우려가 없으며, 빠른 속도로 구동이 가능하면서도 안정성이 보장된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지 하베스팅을 통하여 상시 최대 전력의 에너지가 안정적으로 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 에너지 하베스팅 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 DC-DC컨버터의 개략적인 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 보조루프회로의 개략적인 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 메인루프회로의 개략적인 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 MPPT 알고리즘의 동작 과정을 개략적으로 나타내는 다이어그램의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 MPPT 알고리즘의 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 한편, '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, '~부'는 어드레싱 할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
본 명세서에서 "에너지 하베스팅 시스템(energy harvesting system)"이란, 주위에서 수집되는 자연에너지를 전기에너지로 전환시켜 수확하는 설비를 의미하는 것으로, 산업용 및 가정용 설비를 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템인 경우, 독립형과 계통(grid)연계형 시스템을 모두 포함할 수 있다.
본 발명에서의 재생에너지로 활용되는 자연에너지는, 신체에너지, 광에너지, 진동에너지, 열에너지, 전자파에너지, 중력에너지, 위치에너지 등 그 종류가 제한되는 것은 아니나, 설명을 위해 대표적으로 태양광 발전 시스템을 중심으로 기술하도록 한다.
본 명세서에서 "P-V곡선(current-voltage curve)"이란, 전자 장치의 작동 특성을 나타내는 정보 중 하나로서, 회로 안에서 일어나는 전력과 전압의 관계를 시각적으로 보여주는 그래픽 곡선의 집합으로 정의한다. 대표적으로, 본 발명에서는 DC-DC컨버터의 출력단에서의 전기적 특성을 정의하는 요소 중 하나로 활용된다.
본 명세서에서 "MPPT"란, 에너지 하베스팅 시스템 내에서 최대 발전전력을 추적하여 이를 제공하기까지의 일련의 프로세스를 의미한다. 대표적으로, 본 발명에서는 DC-DC컨버터의 P-V곡선 내 최대전력에 해당하는 극대점을 찾아가는 과정 및 이를 통해 최대전력의 출력을 유지하는 과정을 포함하는 것이다.
본 명세서에서 "최대전력전압"이란, 에너지 하베스팅을 통해 최대전력으로 에너지를 생성할 수 있도록 하는 전압값을 의미하는 것으로, MPPT에 의해 추적된 최대전력 지점(maximum point, MP)에 대응하는 전압이 이에 해당한다.
이하, 첨부된 도면을 활용하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 에너지 하베스팅 시스템의 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 에너지 하베스팅 시스템은, 에너지 생성 모듈(10) 및 DC-DC컨버터(100)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르는 에너지 생성 모듈(10)은 주위의 외부에너지를 수집하여 전기에너지로 변환하는 장치이다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템인 경우, 광전효과를 통해 전기를 생산하는 셀 단위의 "태양전지"일 수 있다. 바람직하게는, 복수의 태양전지가 종과 횡으로 연결되어 조립된 모듈 단위의 "태양광 패널"일 수 있다.
일 실시예에 따르는 에너지 생성 모듈(10)은 적어도 하나 이상의 복수 개가 서로 연결된 상태일 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템의 경우, 복수의 에너지 생성 모듈(10)이 직렬로 연결되어 어레이 형태로 구축될 수 있다.
일 실시예에 따르는 DC-DC컨버터(100)는 각각의 에너지 생성 모듈(10)과 연결되어 이들로부터 제공되는 직류 전력의 전압 레벨을 조절한다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템의 경우, DC-DC컨버터(100)는 단위용량에 따라 모듈화되어 시스템 내 설치된 태양광 패널(10) 각각과 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르는 DC-DC컨버터(100)는, 생성된 전기에너지를 전달하는 장치에 따라 입력되는 전압(Vin)을 미리 결정된 출력 전압(Vout)으로 변환한다. 예를 들어, 독립형 태양광 발전 시스템의 경우, 연결되는 배터리에 맞는 DC전압으로 승압 또는 강압시키거나, 계통연계형인 경우, 발전된 전력이 전력계통에 맞도록 안정화된 DC전원으로 변환시킨다.
한편, 기존 에너지 하베스팅 시스템에서의 MPPT는, 인버터에 의해 최대전력 지점이 추종되고, 이를 통해 파악된 최대전력전압으로 DC-DC컨버터의 출력전압을 조정하는 과정이 하나의 주기로 진행되었다. 따라서, 인버터와 연결된 계통에 따라 미리 설정된 주파수(예, 60헤르쯔) 내에서 동작해야 하는 제약이 있었다. 즉, 역률 등의 문제로, 설정 주파수보다 빠르게 변화시키면 계통 측과의 연계가 어긋날 가능성이 높아, 일정 수준 이상의 bandwidth로 MPPT를 수행하기는 불가하였다.
이와 같은 종래의 문제점을 개선하고자, 본 발명의 일 실시예는 분리된 이중 루프의 동작으로 MPPT를 수행하는 DC-DC컨버터(100)의 특징을 개시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 DC-DC컨버터의 개략적인 구조도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따르는 DC-DC컨버터(100)는, 보조루프회로(110), 메인루프회로(120) 및 벅(buck) 컨버터(130)를 포함할 수 있다.
먼저, DC-DC컨버터(100)에서 직류 변환기는 벅 컨버터(130)로 구성될 수 있다. 벅 컨버터(130)는 입력전압 보다 낮은 전압을 필요로 할 때 사용되는 전압 강압 컨버터(step-down converter)로, 전압의 발산이 없는 I-V특성(I-V Characteristics)이 나타나므로 안정적이다. 따라서, 다양한 인버터와의 호환이 가능하다. 또한, 상대적으로 덜 복잡한 구조로서 간단하게 구현할 수 있어 저가로 제작이 가능한 장점이 있다.
메인루프회로(120)는, 벅 컨버터(130)의 입력전압(Vin)을 피드백 받도록 벅 컨버터(130)와 연결된 피드백 루프로 구성될 수 있다.
메인루프회로(120)는, 벅 컨버터(130)의 입력단에 걸리는 전압(Vin)과 기준전압(Vref) 간의 차이를 연산하고 그 차이를 상쇄하도록 PWM(Pulse Width Modulation)신호의 듀티비를 조절한다. 즉, 메인루프회로(120)는, 벅 컨버터(130)에 인가되는 입력전압(Vin)이 일정하게 유지될 수 있도록 벅 컨버터(130)의 듀티비를 제어한다.
여기서, 위와 같은 과정이 1회 수행되는 주기를 메인루프 싸이클(cycle)이라고 정의한다.
일 실시예에 따르면, 기준전압(Vref)은 DC-DC컨버터(100)에 미리 설정된 것일 수 있으나, 최대전력 지점에 대응하는 최대전력전압(VMP)이 바람직하다.
보조루프회로(110)는, 벅 컨버터(130)의 입력전압(Vin), 입력전류(Iin), 출력전압(Vout), 출력전류(Vin)를 피드백 받도록 벅 컨버터(130)의 입출력단과 연결된 피드백 루프로 구성될 수 있다.
보조루프회로(110)는, 피드백 받은 입출력단의 전류 및 전압을 이용하여 벅 컨버터(130) 출력단의 전력변화에 따른 전력차이값을 산출한다. 이 후, 산출한 값을 기초로 기준전압(Vref)이 최대전력전압(VMP)으로 되도록 기준전압(Vref)을 보정한다. 즉, 보조루프회로(110)는, 메인루프회로(120)의 입력전압(Vin)이 최대전력전압(VMP)으로 되도록 가이드하는 역할을 수행한다.
여기서, 위와 같은 과정이 1회 수행되는 주기를 보조루프 싸이클이라고 정의한다.
일 실시예에 따르면, 보조루프 싸이클은, 메인루프회로(120)에서 듀티비를 변경하였을 때, 벅 컨버터(130)의 출력단에 듀티비 변경에 따른 전압(Vout)이 걸리거나 전류(Iout)가 흐르는 데까지 걸리는 시간을 기초로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 메인루프 싸이클과 보조루프 싸이클은 서로 다른 실행 속도를 가지도록 설계된다. 바람직하게는, 메인루프 싸이클이 복수회(k회) 실행될 때 보조루프 싸이클은 1회 실행되는 것으로, 메인루프가 k:1(k>1)의 비율로 상대적으로 빠르게 동작하도록 설계될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 MPPT는 분리된 이중 루프로 동작하기 때문에 MPPT진행 방향의 오류가 방지된다. 또한, 각 루프는 서로 다른 bandwidth로 동작함으로써 루프의 안정성을 보장하되, 주파수 제약이 완화된 신속한 MPPT가 구현된다. 이에 따라 태양광 입사량이 급변하는 등의 돌발상황에도 대처가 가능하여 안정적인 시스템 구축에 기여하게 된다.
이하, 도 3 및 도 4를 활용하여 본 발명의 이중 루프에 대한 일 실시예를 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 보조루프회로의 개략적인 구조도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따르는 보조루프회로(110)는, 전력산출부(111), 전력차이산출부(112) 및 기준전압보정부(113)를 포함할 수 있다.
개략적으로, 전력산출부(111)에서 벅 컨버터(130)의 출력단의 전력을 산출하여 전력차이산출부(112)로 전달하고, 전력차이산출부(112)는 전달받은 출력단 전력과 종전의 출력단 전력 간 차이를 산출하여 기준전압보정부(113)로 전달하고, 기준전압보정부(113)는 전달받은 전력차이를 기초로 메인루프회로(120)로 인가되는 기준전압을 현재의 최대전력전압으로 보정한다.
일 실시예에 따르는 전력산출부(111)는, 벅 컨버터(130)로부터 피드백 받은 입력전압(Vin), 입력전류(Iin), 출력전압(Vout) 및 출력전류(Vin) 중 적어도 두 개 이상의 측정값을 활용하여, 벅 컨버터(130)의 출력단의 전력을 산출하는 일종의 power calculator일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력산출부(111)는 입력전압(Vin), 입력전류(Iin) 쌍 및 출력전압(Vout), 출력전류(Vin) 쌍 중 적어도 하나를 기초로 출력단 전력을 산출할 수 있다. 즉, 전력산출부(111)에 의해 산출되는 전력은 입력전압(Vin)과 입력전류(Iin)의 곱 또는 출력전압(Vout)과 출력전류(Vin)의 곱일 수 있다. 물론, 에너지 보존 법칙을 만족하는 것을 전제로 하며, 직류 변환 과정에서 다소 전력 손실이 있다 하더라도 오차범위 이내인 것으로서 배제하여도 무방하다.
일 실시예에 따르면, 전력산출부(111)는 보조루프 싸이클 도중 적어도 한번 이상 벅 컨버터(130)의 출력단 전력을 계산할 수 있다. 즉, 여러 번 측정한 입출력단의 전류 및 전압을 활용하여 출력단 전력을 도출함으로써, 높은 MPPT의 신뢰도를 확보할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력산출부(111)는 보조루프 싸이클 도중 계산된 출력단 전력들의 평균값을 산출할 수 있다. 이러한 경우, 전류 및 전압값이 측정될 때나 측정값의 아날로그- 디지털 변환시 발생할 수 있는 노이즈의 영향을 최소화 할 수 있다.
일 실시예에 따르는 전력차이산출부(112)는, 저장되어 있던 종전 N-1번째의 출력단 전력과 전력산출부(111)로부터 전달받은 N번째의 출력단 전력 간의 전력차이를 산출한다. 여기서 N은 1보다 큰 자연수이다.
예를 들어, 전력차이산출부(112)는, 벅 컨버터(130)의 출력단에 연결된 부하 조정을 통한 전류변화가 발생하는 경우, 전류변화가 발생되기 전인 N-1번째 출력단 전력과 전류변화가 발생된 후인 N번째의 출력단 전력 간의 전력차이를 산출한다.
이와 같이 회로에 흐르는 전류가 갑자기 변하는 경우는 물론, 태양광 패널에 갑자기 그림자가 지는 등 입력 전력이 급변하는 경우도 마찬가지이다. 즉, 에너지 하베스팅에 있어 다양한 원인에 따라 조건이 급변할 수 있는데, 전력의 변화가 생기는 경우라면 본 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
일 실시예에 따르는 기준전압보정부(113)는, 전력차이산출부(112)로부터 전달받은 전력차이를 기초로 제1보정값을 생성하고, 메인루프회로(120)로 인가되는 기준전압(Vref)에 제1보정값을 반영한다. 제1보정값은, 기준전압(Vref)이 최대전력전압에 가까워지도록 기준전압(Vref)을 보정하는 값이다.
일 실시예에 따르면, 보조루프회로(110)를 통해 N-1번째 기준전압에 제1보정값이 플러스 또는 마이너스 연산되어 N번째 기준전압이 결정되며, 이는 메인루프회로(120)로 제공된다.
일 실시예에 따르면, 기준전압보정부(113)는, 벅 컨버터(130)의 출력단 전력이 현재 추적된 최대전력에 다다르도록, 종전 기준전압에 제 1보정값을 플러스 하거나 마이너스 연산함으로써, 기준전압(Vref)을 현재 추종된 최대전력전압으로 저장하고 메인루프회로(120)로 전달한다.
즉, 보조루프회로(110) 상에서의 최대전력지점 추종으로 인해 계속적으로 기준전압(Vref)이 최대전력전압에 가깝게 유지되며, 이는 메인루프회로(120)에서 입력전압(Vin)이 최대전력전압을 추종하도록 가이드하는데, 관련된 상세한 내용은 도 4를 활용하여 후술하도록 한다.
일 실시예에 따르면, 연산시 제1보정값의 부호는, 전력차이산출부(112)로부터 전달받은 전력차이를 토대로, 출력단 전력이 증가하거나 감소하는 흐름인지, 출력단 전력의 증감 흐름에 변화가 있는지에 따라 플러스 부호(+) 또는 마이너스 부호(-)로 결정된다.
구체적으로, N번째의 출력단 전력이 N-1번째 출력단 전력보다 크고, N+1번째 출력단 전력이 N번째 출력단 전력보다 큰 경우와 같이, 전력이 계속적으로 증가하는 상태인 경우, N번째에 적용한 제1보정값의 플러스 또는 마이너스 연산부호를 N+1번째에도 그대로 유지한다. 물론, 전력이 계속적으로 감소하는 상태인 경우에도 연산부호는 그대로 유지된다.
반면, N번째의 출력단 전력이 N-1번째 출력단 전력보다 크지만, N+1번째 출력단 전력이 N번째 출력단 전력보다 작을 경우와 같이, 전력이 증가하다가 감소하는 상태인 경우, N번째에 적용한 제1보정값의 플러스 또는 마이너스 연산부호와 반대의 연산부호를 N+1번째에 적용한다. 물론, 전력이 감소하다가 증가하는 상태인 경우에도 마찬가지이다. 즉, 전력이 흐름이 변경되는 경우에는 제1보정값의 연산부호를 반대로 변경한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 최대전력 추종은, 전압의 증감이 아닌 오로지 전력의 변화를 기준으로 추적 방향이 결정된다. 따라서, P-V곡선 내 극대점이 여러 개인 경우에도 잘못된 방향으로 진행되는 현상이 발생하지 않으며, 진동이나 노이즈의 영향을 받지 않고 최대전력 지점을 정확하게 찾을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 메인루프회로의 개략적인 구조도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따르는 메인루프회로(120)는 연산부(121) 및 듀티비제어부(122)를 포함할 수 있다.
개략적으로, 연산부(121)는 보조루프회로(110)로부터 전달받은 기준전압과 벅 컨버터(130)의 입력전압 간 차이를 연산하고, 듀티비제어부(122)는 이러한 차이가 상쇄되도록 PWM의 듀티비를 제어함으로써, 입력전압을 기준전압으로 유지시킨다.
일 실시예에 따르는 연산부(121)는, 현재 측정된 입력전압(Vin)과 현재 설정되어 있는 기준전압(Vref) 간의 차이를 산출한다. 즉, 현재 입력전압(Vin)이 기준전압(Vref)인 최대전력전압으로부터 얼만큼 떨어져 있는지를 파악하고 이를 듀티비제어부(122)로 전달한다.
일 실시예에 따르는 듀티비제어부(122)는, 연산부(121)로부터 전달받은 차이를 기초로 제2보정값을 산출한다. 제2보정값은, 입력전압(Vin)이 기준전압(Vref)에 다다르도록 입력전압(Vin)을 보정하기 위한 듀티비제어값을 의미할 수 있다. 이 후, 듀티비제어부(122)는 제2보정값을 기초로 벅 컨버터(130)의 PWM신호에 대한 듀티비를 제어한다.
일 실시예에 따르는 제2보정값에 대한 연산은, 현재 입력전압(Vin)이 종전의 입력전압보다 낮을 경우 현재 듀티비가 종전 듀티비보다 작게 되도록, 현재 입력전압(Vin)이 종전의 입력전압보다 클 경우 현재 듀티비가 종전 듀티비보다 크게 되도록, 수행될 수 있다.
즉, 듀티비제어부(122)는, 입력전압(Vin)이 증가하면 이를 감소시키기 위해 듀티비를 늘리고, 입력전압(Vin)이 감소하면 이를 증가시키기 위해 듀티비를 줄이는 제어를 수행한다. 이에 따라, 입력전압은 현재 추적된 최대전력전압인 기준전압(Vref)으로 고정되어 일정하게 유지될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(130)의 입력단에 걸리는 전압(Vin)이 기준전압(Vref)으로 고정되면 입력단에 흐르는 전류도 고정된다. 이에 따라 벅 컨버터(130)의 입력단에 발생하는 전력 또한 일정하게 고정된다.
에너지 보존에 따라, 벅 컨버터(130) 내 입력단에서의 전력과 출력단에서의 전력은 동일하므로, 출력단의 전력 또한 일정하게 고정된다. 전력은 전류와 전압의 곱이므로, 전력이 고정되면, 기준전압(Vref) 이하의 출력단 전압(Vout)에 대해서는 출력단 전류(Iout)와 반비례 관계가 성립된다. 즉, 종래 비선형적인 I-V특성이 아닌 출력단에 흐르는 전류가 상승하면 출력단에 걸리는 전압이 강하하는 선형적인 I-V특성으로 변환된다.
따라서, 출력단에 연결된 부하를 조정하거나 그 외의 원인으로 출력단 전류(Iout)가 일정 수준 이상으로 상승하더라도, 출력단 전압(Vout)은 급격하게 변하지 않는다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르는 DC-DC컨버터(100)는, 회로의 한계 용량 안이라면 흐르는 전류가 얼마이던지 간에 안정적으로 구동이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 기준전압(Vref) 이하에서 벅 컨버터(130) 출력단의 전류와 전압이 반비례 관계를 가지게 되므로, 기준전압(Vref) 이하에서의 P-V곡선은 완만한 기울기를 가지게 된다. 예를 들어, 복수의 에너지 생성 모듈(10)이 직렬로 연결된 어레이 단위에서 각 모듈(10)간 편차가 발생하더라도, P-V곡선 내 복수의 극대점이 아닌 하나의 극대점이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기준전압(Vref)은 보조루프회로(110)로부터 제공받은 최대전력전압(VMP)이며, 최대전력을 유지하기 위해 기준전압(Vref) 이하에서의 P-V곡선의 기울기는 "0"으로 설계되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 벅 컨버터(130)의 전압 강하 특성에 따라, 벅 컨버터(130)의 출력단에 걸리는 전압(Vout)은 기준전압(Vref)보다 낮은 전압이다. 따라서, 전술한 실시예에 따라, 기준전압(Vref) 이하에서의 P-V곡선이 saturation되므로, 상시 최대전력의 출력이 유지되어 에너지 하베스팅의 최대 효율을 도모할 수 있다.
전술한 바와 같이, 메인루프 싸이클은 k:1의 비율로 보조루프 싸이클보다 빠르게 설계될 수 있다. 즉, 메인루프는 보조루프 보다 빠른 bandwidth로 동작한다. 예를 들어 5:1의 비율이라면, 보조루프 싸이클 동안 입력전압(Vin)을 최대전력전압으로 일정하게 유지하는 루프는 5배로 빠르게 동작한다. 따라서, 출력단에서 전류를 갑자기 확 당기거나, 입력단 전력이 갑자기 줄어들더라도 최대전력전압이 일정하게 유지되므로, 급작스럽게 최대전력에서 벗어나는 현상은 발생하지 않는다.
또한, 메인루프가 빠르게 동작함과 동시에, 상대적으로 느린 보조루프를 통해 현재 시점의 최대전력 지점을 추적함으로써, 전력의 평균을 내는 등 더 정확한 값으로써 최대전력 지점에 가까워지도록 한다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 MPPT는, 종전 대비 현저하게 빠른 속도로 수행될 수 있으며, 동시에 정확한 최대전력의 출력을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, DC-DC컨버터(100)는 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref) 간의 이격을 방지하는 피드백루프를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 메인루프회로(120)는 N-1번째의 기준전압을 기준으로 산출한 제2보정값을 보조루프회로(120) 측으로 전달할 수 있다. 보조루프회로(120)는, N번째의 기준전압을 산출할 때, 제2보정값을 플러스하거나 마이너스 연산하는 등의 방식으로, 전달받은 제2보정값을 N번째 기준전압에 반영하는 보정을 수행할 수 있다. 이와 같이, 내부나 외부의 원인으로 입력단 전력이 급작스럽게 변하는 돌발 상황에서도 입력전압(Vin)을 기준전압(Vref)과 너무 멀어지지 않게 하여, MPPT가 잘못된 방향으로 진행하는 오류를 방지할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 MPPT 알고리즘에 대한 일 실시예를 설명하도록 한다. 여기서, DC-DC컨버터(100)의 입출력단의 전류 및 전압은 ADC(analog-to-digital converter)를 거쳐 디지털 신호로 측정된 상태임를 전제로 한다. 물론, 전술한 사항은 아날로그 회로를 기반으로 하는 동일한 알고리즘으로서, 중복되는 내용은 이에 갈음하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 MPPT 알고리즘의 동작 과정을 개략적으로 나타내는 다이어그램의 예시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 MPPT 알고리즘의 동작흐름도이다.
먼저, 단계 S61 내지 S65는 최대전력 지점을 찾는 과정으로서 보조루프 싸이클 마다 수행되며, 단계 S66은 단계 S65에서 도출된 최대전력전압으로 벅 컨버터의 입력단에 걸리는 전압을 고정하는 과정으로서 메인루프 싸이클 마다 수행된다. 여기서, 보조루프 싸이클이 1회 동작할 때 메인루프 싸이클은 복수회(k, k는 1보다 큰 수) 동작할 수 있다. 즉, 메인루프 싸이클은 보조루프 싸이클 보다 빠른 bandwidth로 설계될 수 있다.
따라서, 단계 S65에서 결정된 최대전력전압이 N-1번째라고 가정하면, 단계 S66을 통해 입력전압을 N-1번째 최대전력전압으로 고정하는 루프가 k번 동작하는 동안, 동시에 N번째 최대전력전압을 추적하는 루프는 1번 동작한다.
단계 S61에서, 벅 컨버터의 입력단 전압(adc_Vin), 출력단 전압(adc_Vout), 입력단 전류(adc_Iin) 및 출력단 전류(adc_Iout) 중 적어도 두 개 이상을 측정한다. 예를 들어, 입력단의 전압(adc_Vin) 및 전류(adc_Iin) 쌍 및 출력단의 전압(adc_Vout) 및 전류(adc_Iout)의 쌍 중 적어도 하나 이상을 측정한다.
단계 S62에서, 벅 컨버터 출력단의 전력(power)을 산출한다. 입력단의 전압(adc_Vin)와 전류(adc_Iin)를 곱하거나 출력단의 전압(adc_Vout) 및 전류(adc_Iout)를 곱하는 연산을 수행한다. 이 때, 보조루프 싸이클 동안 수집된 여러 측정값들을 통해 복수의 전력(power)이 산출될 수 있으며, 종국적으로 이들의 평균값을 통해 단계 S63이 진행될 수 있다.
단계 S63에서, 산출된 전력(power)을 기초로 제1보정값(err_s)을 산출한다. 바람직하게는 전력(power)의 변화율을 기초로 제1보정값(err_s)을 산출한다. 예를 들어, 부하의 조정이 있는 경우, 조정 전의 전력과 조정 후의 전력 간 변화율을 계산하며, P-V곡선에 기반하여 조정 후의 전력으로 다다르기 위해 필요한 전압값을 산출한다.
단계 S64에서, 제1보정값(err_s)의 연산부호(sign)를 결정한다. 즉, P-V곡선 상에서 최대전력 지점으로 다다르기 위해 제1보정값이 플러스되어야 하는지 또는 마이너스되어야 하는지를 결정한다. 이 때, 전력이 상승하거나 하강하는 흐름이 유지되는 경우 제1보정값의 부호는 산출된 상태 그대로 결정된다. 반면, 전력의 흐름이 변경되는 경우 제1보정값의 부호는 산출된 상태의 반대로 변경된다.
단계 S65에서, 제1보정값(err_s)을 반영하여 현시점의 최대전력전압에 상응하는 기준전압(adc_Vref)을 결정한다. 이 때, 연산부호(sign)에 기초하여 종전 기준전압에 제1보정값(err_s)을 적분할 수 있으며, 기 설정된 적분상수(KI)가 적용될 수 있다.
단계 S66에서, 단계 S66에서 결정된 기준전압(adc_Vref)과 벅 컨버터의 입력단에서 측정된 전압(adc_Vin) 간 차이를 산출한다. 또한, 산출된 전력차이를 기초로 입력전압(adc_Vin)이 기준전압(adc_Vref)에 다다르기 위한 제2보정값(err_p)을 산출한다. 이 때, 입력전압(adc_Vin)에 제2보정값(err_p)을 적분할 수 있으며, 기 설정된 적분상수(KI) 또는 비례상수(KP)가 적용될 수 있다. 이 후, 제2보정값(err_p)에 기초한 듀티비 제어가 진행되며, 이에 따라 입력전압(adc_Vin)이 기준전압(adc_Vref)으로 고정되어 최대전력의 출력을 유지하게 된다.
한편, 단계 S66에서, 입력전압(adc_Vin)과 기준전압(adc_Vref) 간 이격이 크게 발생하는 것을 방지하기 위해, N-1번째 기준전압에 대한 제2보정값(err_p)을 반영하여 N번째 기준전압이 산출될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 전술한 최대전력 추종과 관련된 일 실시예는, P-V곡선이 시간이 지남에 따라 항상 고정된 상태인 것을 가정하여 설명되었으나, P-V곡선에 소정의 변화가 생기는 경우(예로, 태양광 발전 시스템에서 입사하는 조도의 변화에 의해 시간에 따라 천천히 변하는 경우)에도 동일하게 적용될 수 있다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 에너지 생성 모듈
100: DC-DC컨버터
110: 보조루프회로
120: 메인루프회로
130: 벅 컨버터

Claims (9)

  1. 에너지 하베스팅(energy harvesting) 시스템의 DC-DC컨버터에 있어서,
    상기 DC-DC컨버터는 외부에너지를 수집하여 전기에너지로 변환하는 복수의 에너지 생성 모듈과 각각 연결되어, 상기 에너지 생성 모듈로부터 제공되는 직류 전력의 전압 레벨을 조절하며,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    벅(buck) 컨버터;
    상기 벅 컨버터에 인가되는 입력전압이 일정하게 유지될 수 있도록 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 메인루프회로; 및
    상기 메인루프회로의 입력전압이 최대전력전압으로 되도록 가이드하는 보조루프회로;를 포함하되,
    상기 최대전력전압은 상기 에너지 하베스팅 시스템이 최대전력으로 에너지를 생성할 수 있도록 하는 전압값이며,
    상기 보조루프회로는,
    상기 벅 컨버터의 입력전압, 입력전류 쌍 및 출력전압, 출력전류 쌍 중 적어도 하나를 기초로 계산하여, 상기 벅 컨버터의 출력단의 전력을 산출하는 전력산출부;
    상기 벅 컨버터의 출력단의 부하조정을 통한 전류변화가 발생될 경우, 전류변화가 발생되기 전인 N-1번째(N은 1보다 큰 자연수)의 출력단 전력과 전류변화가 발생된 후인 N번째의 출력단 전력 간의 전력차이를 산출하는 전력차이산출부; 및
    상기 전력차이를 기초로 제1보정값을 생성하고, 상기 메인루프회로로 인가되는 기준전압에 상기 제1보정값을 반영하는 기준전압보정부;
    를 포함하는, DC-DC컨버터.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기준전압보정부는,
    상기 출력단의 전력이 최대전력에 다다르도록 상기 기준전압에 상기 제1보정값을 플러스하거나 마이너스 연산하는 것인, DC-DC컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    N번째의 출력단 전력이 N-1번째 출력단 전력보다 크고, N+1번째 출력단 전력이 N번째 출력단 전력보다 클 경우, N번째에 적용한 제1보정값의 플러스 또는 마이너스 연산부호를 N+1번째에도 그대로 유지하고,
    N번째의 출력단 전력이 N-1번째 출력단 전력보다 크지만, N+1번째 출력단 전력이 N번째 출력단 전력보다 작을 경우, N번째에 적용한 제1보정값의 플러스 또는 마이너스 연산부호와 반대의 연산부호를 N+1번째에 적용하는 것인, DC-DC컨버터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 보조루프회로는,
    N-1번째 기준전압에 상기 제1보정값을 플러스 또는 마이너스 연산하여 N번째 기준전압을 결정하고, 상기 메인루프회로로 제공하는 것인, DC-DC컨버터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 메인루프회로는,
    상기 기준전압과 상기 벅 컨버터의 입력전압 간의 차이를 연산하는 연산부; 및
    상기 기준전압과 입력전압 간의 차이를 기초로 제2보정값을 산출하고, 상기 제2보정값을 기초로 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 듀티비제어부;
    를 포함하는, DC-DC컨버터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2보정값에 대한 연산은,
    상기 입력전압이 종전의 입력전압보다 낮을 경우 상기 듀티비가 종전 듀티비보다 작게 되도록,
    상기 입력전압이 종전의 입력전압보다 클 경우 상기 듀티비가 종전 듀티비보다 크게 되도록, 수행되어,
    상기 입력전압이 일정하게 유지되도록 하는 것인, DC-DC컨버터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 DC-DC컨버터는,
    피드백루프를 통해 상기 N-1번째의 기준전압에 대한 제2보정값을 반영하여 상기 N번째의 기준전압을 산출함으로써, 상기 입력전압과 상기 기준전압 간의 이격을 방지하는 것인, DC-DC컨버터.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 메인루프회로가, 상기 기준전압과 상기 벅 컨버터의 입력전압 간의 차이를 연산하고, 상기 벅 컨버터의 듀티비를 제어하는 1회의 과정을 메인루프 싸이클이라고 가정하고,
    상기 보조루프회로가, 상기 벅 컨버터의 출력단의 전력변화에 따른 전력차이값을 산출하고, 상기 전력차이값을 기초로 상기 기준전압을 보정하는 1회의 과정을 보조루프 싸이클이라고 할 때,
    상기 메인루프 싸이클이 복수회 실행될 때 상기 보조루프 싸이클은 1회 실행되는 것인, DC-DC컨버터.
KR1020220071272A 2022-06-13 2022-06-13 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치 KR102566205B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220071272A KR102566205B1 (ko) 2022-06-13 2022-06-13 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치
PCT/KR2022/013883 WO2023243770A1 (ko) 2022-06-13 2022-09-16 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220071272A KR102566205B1 (ko) 2022-06-13 2022-06-13 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102566205B1 true KR102566205B1 (ko) 2023-08-14

Family

ID=87565680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220071272A KR102566205B1 (ko) 2022-06-13 2022-06-13 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102566205B1 (ko)
WO (1) WO2023243770A1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8773077B1 (en) * 2010-03-05 2014-07-08 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Controllers for battery chargers and battery chargers therefrom
KR102312805B1 (ko) * 2020-05-29 2021-10-15 주식회사 스카이칩스 에너지 하베스팅 시스템에서의 최대 전력 지점 추적 장치 및 그 제어 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9225199B2 (en) * 2011-03-22 2015-12-29 Triune Ip, Llc Variable power energy harvesting system
KR102209065B1 (ko) * 2014-03-12 2021-01-28 삼성전자주식회사 승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치
KR101643817B1 (ko) * 2014-10-07 2016-07-28 서울시립대학교 산학협력단 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8773077B1 (en) * 2010-03-05 2014-07-08 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Controllers for battery chargers and battery chargers therefrom
KR102312805B1 (ko) * 2020-05-29 2021-10-15 주식회사 스카이칩스 에너지 하베스팅 시스템에서의 최대 전력 지점 추적 장치 및 그 제어 방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023243770A1 (ko) 2023-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jeong et al. Review of differential power processing converter techniques for photovoltaic applications
US7158395B2 (en) Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications
KR101223611B1 (ko) 가변 전압 증분을 이용한 섭동 및 관측 방법을 이용하여 최대 전력을 추정하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법
JP5856028B2 (ja) パワーコンディショナ及びその制御方法
WO2012109426A2 (en) Regulation of inverter dc input voltage in photovoltaic arrays
Kumar et al. Simulation of variable incremental conductance method with direct control method using boost converter
CN102118122B (zh) 实现最大功率点跟踪方法、发电模块、控制模块及系统
Hoang et al. Analysis of Uncertainties for the Operation and Stability of an Islanded Microgrid
Singh et al. Frequency stability analysis of hybrid power system based on solar PV with SMEs unit
Lueangamornsiri et al. Design and development of a stand-alone solar energy harvesting system by MPPT and quick battery charging
KR102566205B1 (ko) 분리된 이중 루프로 동작하는 최대전력 추종 알고리즘 및 이를 수행하는 직류 변환 장치
CN113014195A (zh) 光伏跟踪系统的功率降额方法、控制器及光伏跟踪系统
KR20190036914A (ko) Dc-dc 전압 레귤레이터를 이용한 태양광전원의 효율향상 장치
Hamdan et al. Random search optimization algorithm based control of supercapacitor integrated with solar photovoltaic system under climate conditions
Almi et al. A novel adaptive variable step size P&O MPPT algorithm
WO2015129147A1 (ja) 電力制御装置およびパワーコンディショナ
Azad et al. A novel control strategy for on-grid photovoltaic systems based on adaptive PI control
KR102472719B1 (ko) 태양광 발전 제어 방법 및 태양광 발전 장치
KR20150025977A (ko) 태양광 발전 시스템의 최대전력점 추적 방법 및 이를 이용한 태양광 발전 시스템
KR102524154B1 (ko) 전류-전압 특성을 변환하는 dc-dc 컨버터 및 이를 포함하는 에너지 변환 시스템
Kajiwara et al. Performance-Improved Maximum Power Point Tracking Control for PV System
Dalala et al. A new robust control strategy for multistage PV battery chargers
Haq et al. Photovoltaic Sudden Cloud Compensation Device Using Modified LCL Filter Converter Configuration
KR101761606B1 (ko) 태양광 발전 시스템의 최대전력점 추종 방법
JPH0318911A (ja) 太陽電池発電システムの出力制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant