KR102583606B1 - 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템 - Google Patents

태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광 발전 시스템 및 한전 상용전력 라인으로부터 전력을 공급받는 가정용 부하에 대해 전력 흐름을 제어하는 에너지 통합 관리 시스템에 있어서, 상기 에너지 통합 관리 시스템은 복수의 태양광 패널이 직병렬로 연결된 태양광 모듈군; 상기 태양광 모듈군의 발전 전력에 대해 최대 전력 추종 제어하되, 일정 용량별로 모듈화되어 병렬로 연결되는 모듈러 MPPT 컨버터; 전력을 저장하는 배터리 전력 저장 장치; 상기 모듈러 MPPT 컨버터로부터 전달된 전력 내지 한국 전력 거래소의 전력을 변환하여 배터리 전력 저장 장치에 충전하거나 배터리 전력 저장 장치의 전력을 가정용 부하의 전력 수요에 따라 전달하는 하이브리드 양방향 전력변환장치;를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템과 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치와 한전 상용전력라인 사이 및 가정용 부하 사이에 각각 설치되는 전력계와 상기 모듈러 MPPT 컨버터, 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치, 상기 배터리 전력 저장 장치 및 상기 전력계로부터 전압 전류 데이터를 수집하고 출력시그널을 출력하여 전력흐름을 제어하는 에너지 관리 시스템으로 구성되되 상기 에너지 관리 시스템은 가정용 부하가 한전 상용전력라인으로부터 전력을 사용하는 경우 한국전력거래소와 미리 설정된 수요 반응 계약에 따라 전력 사용을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템에 관한 것이다.

Description

태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템{Home-type Hybrid Energy Integrated Management System For Solar Power Generation}
본 발명은 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광 발전 시스템 및 한전 상용전력 라인으로부터 전력을 공급받는 가정용 부하에 대해 전력 흐름을 제어하는 에너지 통합 관리 시스템에 있어서, 상기 에너지 통합 관리 시스템은 복수의 태양광 패널이 직병렬로 연결된 태양광 모듈군; 상기 태양광 모듈군의 발전 전력에 대해 최대 전력 추종 제어하되, 일정 용량별로 모듈화되어 병렬로 연결되는 모듈러 MPPT 컨버터; 전력을 저장하는 배터리 전력 저장 장치; 상기 모듈러 MPPT 컨버터로부터 전달된 전력 내지 한국 전력 거래소의 전력을 변환하여 배터리 전력 저장 장치에 충전하거나 배터리 전력 저장 장치의 전력을 가정용 부하의 전력 수요에 따라 전달하는 하이브리드 양방향 전력변환장치;를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템과 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치와 한전 상용전력라인 사이 및 가정용 부하 사이에 각각 설치되는 전력계와 상기 모듈러 MPPT 컨버터, 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치, 상기 배터리 전력 저장 장치 및 상기 전력계로부터 전압 전류 데이터를 수집하고 출력시그널을 출력하여 전력흐름을 제어하는 에너지 관리 시스템으로 구성되되 상기 에너지 관리 시스템은 가정용 부하가 한전 상용전력라인으로부터 전력을 사용하는 경우 한국전력거래소와 미리 설정된 수요 반응 계약에 따라 전력 사용을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 ESS는 에너지 저장시스템으로써 배터리에 전력을 충전했다 필요할 때 방전시켜주는 시스템으로써, 충전과 방전 동작 자체가 아니라 충방전 시점을 어떻게 할 것인가가 큰 이슈이며, 일반적으로 부하 쉬프팅(Load shifting)으로 저렴한 시간대 충전하고 피크 시간대 방전하는 스케줄 제어 방식으로 사용하며, 한전 계통에서는 주파수 제어용으로 사용되기도 한다.
기존 가정용 태양광 인버터는 발전시간대에만 수용가 부하사용량 절감 및 계통 방전을 하고, 가정용 ESS는 단순 시간대별 충·방전 스케줄링만 가능한 수동적 자가 발전시스템인 경우가 대다수인 실정이다.
최근 DR 대응한 제어, 즉, 수용가의 에너지 사용량, 요금제도, 예상요금 등 에너지관련 다양한 정보 도출 및 전력 소비 패턴 분석을 통한 부하 관리, 시스템 제어가 가능하고, 계통 연계 및 독립협조가 가능한 통합적 에너지 관리 시스템의 필요성이 증대되고 있다.
이에 대해 한국 등록특허 제10-1652272호(발명의 명칭 : 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템, 공고일자 : 2016.08.30)에 따르면 에너지의 절감이나 사용하는 에너지량을 줄이기보다 월 목표 사용량 제어를 위한 시간대별 기준전력 생성기술, 전문가 지식을 적용한 레벨 기반의 자율적 운전 기법을 적용하여 효율적으로 전기 사용을 관리함으로써 전기 요금을 줄이고 안전을 도모하도록 한 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템을 제공하는바, 이는 단순히 수요전력을 예측하여 이에 대응하는 기술이 적용된 것으로서, 적극적으로 한국전력거래소와의 수용반응 계약에 따라 전력 사용을 제어하는 방식을 채택하지 않고 있어 통합적 에너지 관리 시스템으로는 기능하지 않는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1652272호(발명의 명칭 : 건물 및 빌딩의 멀티 오브젝티브 운영기술을 적용한 하이브리드 에너지 관리 시스템, 공고일자 : 2016.08.30)
본 발명인 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템은 다음과 같은 목적을 가진다.
(1) 본 발명의 목적은 기존 가정용 태양광 인버터와 가정용 ESS 또는 UPS기능을 하나의 제품으로 결합한 형태의 하이브리드 에너지 통합 관리시스템으로서, 기존 가정용 태양광 발전으로 인한 상계거래 수익과 수요반응시장 참여를 통한 추가수익 발생을 추구함을 목적으로 한다.
(2) 본 발명의 또다른 목적은 에너지 미터 즉 전력계를 통해 부하 전력 사용을 계측하여 피크절감 및 전체 부하 사용량 저감을 위해 전력량 제어가 가능한 ESS 자동 운전 시스템을 제공함에 있다.
(3) 본 발명의 또다른 목적은 기존 비절연 타입을 사용하여, 시스템 요소 일부에서 누전 또는 단락에 의해 전체 시스템에 영향을 끼쳐 안전사고로 발생할 우려가 컸던 가정용 ESS 시스템에서 벗어나, ESS와 인버터에 절연형의 TR을 도입하여 전체 시스템 고장 및 안전 사고에 대비함에 있다.
(4) 본 발명의 또다른 목적은 PV Array의 모듈 일부 고장이나 음영에 대한 전압보상 기능을 통해 전체 스트링 전압을 유지하여 태양광 발전 효율을 최적화 하는 것은 물론 태양광 패널의 직병렬을 일정 범위내에서 스위칭 절환하는 방식을 채택하여 최대전력추종 제어를 달성함에 있다.
(5) 본 발명의 또다른 목적은 특정 배터리셀의 충전전압이 사용자가 설정하거나 배터리셀 물성을 초과한 전압이 검측되는 경우 해당 배터리 셀에 대해서는 병렬 저항으로 이루어진 저항모듈을 포함하는 폐루프를 이루도록 하여 전력을 소비하도록 하고 동시에 타 배터리셀을 충전하는 배터리 셀 밸런싱을 배터리 관리 시스템에 임베딩할 수 있도록 함에 있다.
태양광 발전 시스템(SG) 및 한전 상용전력 라인(GRID)으로부터 전력을 공급받는 가정용 부하(LOAD)에 대해 전력 흐름을 제어하는 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템은 복수의 태양광 패널이 직병렬로 연결된 태양광 모듈군(100); 상기 태양광 모듈군(100)의 발전 전력에 대해 최대 전력 추종 제어하되, 일정 용량별로 모듈화되어 병렬로 연결되는 모듈러 MPPT 컨버터(200); 전력을 저장하는 배터리 전력 저장 장치(400); 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200)로부터 전달된 전력 내지 한국 전력 거래소(KPX)의 전력을 변환하여 배터리 전력 저장 장치(400)에 충전하거나 배터리 전력 저장 장치(400)의 전력을 가정용 부하(LOAD)의 전력 수요에 따라 전달하는 하이브리드 양방향 전력변환장치(300);를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템(SG)과 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)와 한전 상용전력라인(GRID) 사이 및 가정용 부하(LOAD) 사이에 각각 설치되는 전력계(500)와 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200), 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)), 상기 배터리 전력 저장 장치(400) 및 상기 전력계(500)로부터 전압 전류 데이터를 수집하고 출력시그널을 출력하여 전력흐름을 제어하는 에너지 관리 시스템(EMS)으로 구성된다.
상기 에너지 관리 시스템(EMS)은 가정용 부하(LOAD)가 한전 상용전력라인(GRID)으로부터 전력을 사용하는 경우 한국전력거래소(KPX)와 미리 설정된 수요 반응 계약에 따라 전력 사용을 제어함이 바람직하다.
상기 태양광 모듈군(100)에 이종 태양광 패널이 연결되는 경우에 이종 태양광 패널에 양방향 DC/DC 컨버터(110)를 설치하여, 기존의 태양광 패널에 대응되어 태양광 패널 병렬 전압을 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈러 MPPT 컨버터(200)는 태양광 발전이 사용자가 설정한 전력이하로 발전되는 경우 복수의 태양광 패널의 병렬 연결을 직렬 연결로 스위칭 절환하여 전압 보상하여 발전하고, 태양광 발전이 사용자가 설정한 전력을 초과하여 발전되는 경우 태양광 패널간의 직렬 연결을 병렬 연결로 스위칭 절환하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)는 가정용 부하(LOAD)와 한전 상용전력라인(GRID)에 연결된 인버터(320); 배터리셀의 연결체인 배터리 모듈(430)을 포함하는 배터리 전력 저장 장치(400); 상기 인버터(320)와 배터리 전력 저장 장치 (400)사이에 설치되는 절연형 풀브릿지 회로 방식의 ESS 컨버터(310);로 구성된다.
상기 인버터(320)와 ESS 컨버터(310) 사이에 양방향으로 전력 전달을 공유하는 공유 콘덴서(C)가 연결 설치되며, 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200)는 상기 공유 콘덴서(C)와 병렬로 연결 설치된다.
상기 에너지 관리 시스템(EMS)은 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)의 전력 흐름을 i) 태양광 모듈군(100)으로부터 발전된 전력으로부터 배터리 전력 저장 장치(400)의 배터리 모듈(430)에 충전하는 태양광 충전 모드,
ii) 한전의 상용전력(GRID)을 통해 배터리 전력 저장 장치(400)의 배터리 모듈(430)에 충전하는 상용전력 충전 모드,
iii)) 배터리 전력 저장 장치(400)에 저장된 전력을 계통 연계나 가정용 부하(LOAD)에 사용토록 방전하는 방전 모드
iv) 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 계통 연계나 가정용 부하에 사용토록 방전하는 태양광 전력 방전 모드로 구분하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 전력 저장 장치(400)는 배터리셀의 연결체인 배터리 모듈(430); 상기 배터리 모듈(430)의 충방전 전압 및 전류를 계측하고 전력 흐름을 제어하는 배터리 관리 시스템(410);으로 구성된다.
상기 배터리 관리 시스템(410)은 각각의 배터리 셀에 할당되어 연결되되, 전체 배터리 모듈(430)의 배터리 셀의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 전압밸런서(420)를 포함하되, 배터리 셀 개수와 동일한 개수의 배터리 셀 전압밸런서(420)는 배터리셀의 최상단 + 단자, 중간의 배터리 셀의 접점과 순서대로 연결되어 입력되되, 출력은 옆의 배터리 셀 전압밸런서의 입력라인과 연결되고, 최하단 배터리 셀의 - 단자와 연결되는 배터리 셀 전압밸런서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 셀 전압밸런서(420)는 배터리 셀의 최상단 + 단자 혹은 배터리 셀간 접점으로 연결되어 입력되는 입력단자와 다음 배터리 셀간 접점 혹은 최하단 배터리셀 - 단자와 연결되는 출력단자와 입력단자와 출력단자 사이에 입력단자에서 출력단자로 도통되는 도통스위치(421)와 복수의 저항이 병렬로 연결된 병렬저항모듈(422)이 연결되어 있고, 입력단자와 출력단자 사이의 전압을 센싱하여 사용자가 설정한 충전 전압을 초과하는 경우 상기 도통스위치(421)를 도통하는 시그널을 송출하도록 하여 배터리 셀간 전압 밸런싱을 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
(1) 본 발명은 기존 가정용 태양광 인버터와 가정용 ESS 또는 UPS기능을 하나의 제품으로 결합한 형태의 하이브리드 에너지 통합 관리시스템으로서, 기존 가정용 태양광 발전으로 인한 상계거래 수익과 수요반응시장 참여를 통한 추가수익 발생을 추구할 수 있도록 한다.
(2) 본 발명은 에너지 미터 즉 전력계를 통해 부하 전력 사용을 계측하여 피크절감 및 전체 부하 사용량 저감을 위해 전력량 제어가 가능한 ESS 자동 운전 시스템을 제공한다.
(3) 본 발명은 기존 비절연 타입을 사용하여, 시스템 요소 일부에서 누전 또는 단락에 의해 전체 시스템에 영향을 끼쳐 안전사고로 발생할 우려가 컸던 가정용 ESS 시스템에서 벗어나, ESS와 인버터에 절연형의 TR을 도입하여 전체 시스템 고장 및 안전 사고에 대비할 수 있도록 한다.
(4) 본 발명은 PV Array의 모듈 일부 고장이나 음영에 대한 전압보상 기능을 통해 전체 스트링 전압을 유지하여 태양광 발전 효율을 최적화 하는 것은 물론 태양광 패널의 직병렬을 일정 범위내에서 스위칭 절환하는 방식을 채택하여 최대전력추종 제어를 달성한다.
(5) 본 발명은 특정 배터리셀의 충전전압이 사용자가 설정하거나 배터리셀 물성을 초과한 전압이 검측되는 경우 해당 배터리 셀에 대해서는 병렬 저항으로 이루어진 저항모듈을 포함하는 폐루프를 이루도록 하여 전력을 소비하도록 하고 동시에 타 배터리셀을 충전하는 배터리 셀 밸런싱을 배터리 관리 시스템에 임베딩할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명인 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템을 다이어그램화하여 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 이종의 태양광 모듈을 적용가능하게 위해 태양광 모듈에 벅부스트 양방향 DC/DC 컨버터를 설치하는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 태양광 발전하기에 적합하지 않은 상황인 경우 태양광 패널을 병렬에서 직렬로 스위칭 절환을 통해 전압보상하여 최대전력을 추종하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템을 구성하는 요소인 태양광 패널, MPPT 컨버터, 하이브리드 양방향 전력변환장치 및 배터리 전력저장 장치의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 구성에서 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 배터리 전력 저장 장치에 충전하는 태양광 충전 모드를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 구성에서 한전의 상용전력을 통해 배터리 전력 저장 장치에 충전하는 상용전력 충전 모드를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4의 구성에서 배터리 전력 저장 장치에 저장된 전력을 계통 연계나 부하에 사용토록 방전하는 방전 모드를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 4의 구성에서 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 계통 연계나 부하에 사용토록 방전하는 태양광 발전 전력 방전 모드를 나타낸 도면이다.
도 9는 배터리 전력저장장치에서 배터리 관리 장치와 그 내부의 배터리 셀 전압밸런서를 표현한 도면이다.
도 10은 배터리가 충전중에 특정 배터리 셀이 완충 전압 이상으로 충전된 경우에 대응되는 배터리 셀 전압밸런서에 의해 특정 배터리 셀에 흐르는 충전전류를 소비하여 배터리 셀의 충전전압이 급격하게 상승됨을 방지하는 것을 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 일면에 있어서, 도 1은 본 발명인 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템을 다이어그램화하여 간략하게 나타낸 도면이고, 도 2는 이종의 태양광 모듈을 적용가능하게 위해 태양광 모듈에 벅부스트 양방향 DC/DC 컨버터를 설치하는 것을 나타낸 도면이며, 도 3은 태양광 발전하기에 적합하지 않은 상황인 경우 태양광 패널을 병렬에서 직렬로 스위칭 절환을 통해 전압보상하여 최대전력을 추종하는 것을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명인 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 관리 시스템을 구성하는 요소인 태양광 패널, 모듈러 MPPT 컨버터, 하이브리드 양방향 전력변환장치 및 배터리 전력저장 장치의 관계를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4의 구성에서 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 배터리 전력 저장 장치에 충전하는 태양광 충전 모드를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 구성에서 한전의 상용전력을 통해 배터리 전력 저장 장치에 충전하는 상용전력 충전 모드를 나타낸 도면이며, 도 7은 도 4의 구성에서 배터리 전력 저장 장치에 저장된 전력을 계통 연계나 부하에 사용토록 방전하는 방전 모드를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 4의 구성에서 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 계통 연계나 부하에 사용토록 방전하는 태양광 발전 전력 방전 모드를 나타낸 도면이며, 도 9는 배터리 전력저장장치에서 배터리 관리 장치와 그 내부의 배터리 셀 전압밸런서를 표현한 도면이고, 도 10은 배터리모듈이 충전중에 특정 배터리 셀이 완충 전압 이상으로 충전된 경우에 대응되는 배터리 셀 전압밸런서에 의해 특정 배터리 셀에 흐르는 충전전류를 소비하여 배터리 셀의 충전전압이 급격하게 상승됨을 방지하는 것을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 태양광 발전 시스템(SG) 및 한전 상용전력 라인(GRID)으로부터 전력을 공급받는 가정용 부하(LOAD)에 대해 전력 흐름을 제어하는 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템은 복수의 태양광 패널이 직병렬로 연결된 태양광 모듈군(100); 상기 태양광 모듈군(100)의 발전 전력에 대해 최대 전력 추종 제어하되, 일정 용량별로 모듈화되어 병렬로 연결되는 모듈러 MPPT 컨버터(200); 전력을 저장하는 배터리 전력 저장 장치(400); 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200)로부터 전달된 전력 내지 한국 전력 거래소(KPX)의 전력을 변환하여 배터리 전력 저장 장치(400)에 충전하거나 배터리 전력 저장 장치(400)의 전력을 가정용 부하(LOAD)의 전력 수요에 따라 전달하는 하이브리드 양방향 전력변환장치(300);를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템(SG)과 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)와 한전 상용전력라인(GRID) 사이 및 가정용 부하(LOAD) 사이에 각각 설치되는 전력계(500)와 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200), 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)), 상기 배터리 전력 저장 장치(400) 및 상기 전력계(500)로부터 전압 전류 데이터를 수집하고 출력시그널을 출력하여 전력흐름을 제어하는 에너지 관리 시스템(EMS)으로 구성된다.
에너지 미터 즉 전력계를 통해 부하전력 사용을 계측하여 피크절감 및 전체 부하 사용량 저감을 위해 전력량 제어가 가능하다.
도 1을 참조하면 상기 에너지 관리 시스템(EMS)은 가정용 부하(LOAD)가 한전 상용전력라인(GRID)으로부터 전력을 사용하는 경우 한국전력거래소(KPX)와 미리 설정된 수요 반응 계약에 따라 전력 사용을 제어함이 바람직하다.
즉 기존 가정용 태양광 인버터와 가정용 ESS 또는 UPS기능을 하나의 시스템으로 결합한 형태의 하이브리드 에너지 통합 관리시스템으로서, 기존 가정용 태양광 발전으로 인한 상계거래 수익과 수요반응시장 참여를 통한 추가수익 발생을 추구할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면 상기 태양광 모듈군(100)에 이종 태양광 패널이 연결되는 경우에 이종 태양광 패널에 양방향 DC/DC 컨버터(110)를 설치하여, 기존의 태양광 패널에 대응되어 태양광 패널 병렬 전압을 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 양방향 DC/DC 컨버터(110)는 벅부스트 컨버터를 활용함이 바람직한데, 복잡한 구성이 없이도 효율적으로 작동하기 때문이다.
도 3을 참조하면 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200)는 태양광 발전이 사용자가 설정한 전력이하로 발전되는 경우 복수의 태양광 패널의 병렬 연결을 직렬 연결로 스위칭 절환하여 전압 보상하여 발전하고, 태양광 발전이 사용자가 설정한 전력을 초과하여 발전되는 경우 태양광 패널간의 직렬 연결을 병렬 연결로 스위칭 절환하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈러 MPPT 컨버터는 DC/DC 컨버터이면 어떤 스키매틱의 컨버터를 사용해도 무방하다.
또한 스위칭 절환하는 장치는 기계적 스위치를 사용해도 무방하다.
도 4를 참조하면 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)는 가정용 부하(LOAD)와 한전 상용전력라인(GRID)에 연결된 인버터(320); 배터리셀의 연결체인 배터리 모듈(430)을 포함하는 배터리 전력 저장 장치(400); 상기 인버터(320)와 배터리 전력 저장 장치 (400)사이에 설치되는 절연형 풀브릿지 회로 방식의 ESS 컨버터(310);로 구성된다.
도 4를 참조하면 ESS 컨버터는 전형적인 풀브릿지 컨버터의 모습을 보여주고 있는바, 구성요소를 이루는 각각의 반도체 스위치, 인덕터, 평활콘덴서는 기존의 전력전자 분야에서 일반적으로 통용 내지 공지된 제어 방식을 따르는바, 본 발명의 설명에서는 세세하게 이를 설명하지 않는다.
도 4를 참조하면 상기 인버터(320)와 ESS 컨버터(310) 사이에 양방향으로 전력 전달을 공유하는 공유 콘덴서(C)가 연결 설치되며, 상기 모듈러 MPPT 컨버터(200)는 상기 공유 콘덴서(C)와 병렬로 연결 설치된다.
도 5 내지 8을 참조하면 상기 에너지 관리 시스템(EMS)은 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치(300)의 전력 흐름을 i) 태양광 모듈군(100)으로부터 발전된 전력으로부터 배터리 전력 저장 장치(400)의 배터리 모듈(430)에 충전하는 태양광 충전 모드,
ii) 한전의 상용전력(GRID)을 통해 배터리 전력 저장 장치(400)의 배터리 모듈(430)에 충전하는 상용전력 충전 모드,
iii)) 배터리 전력 저장 장치(400)에 저장된 전력을 계통 연계나 가정용 부하(LOAD)에 사용토록 방전하는 방전 모드
iv) 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 계통 연계나 가정용 부하에 사용토록 방전하는 태양광 전력 방전 모드로 구분하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 9 및 10을 참조하면 상기 배터리 전력 저장 장치(400)는 배터리셀의 연결체인 배터리 모듈(430); 상기 배터리 모듈(430)의 충방전 전압 및 전류를 계측하고 전력 흐름을 제어하는 배터리 관리 시스템(410);으로 구성된다.
도 9를 참조하면 상기 배터리 관리 시스템(410)은 각각의 배터리 셀에 할당되어 연결되되, 전체 배터리 모듈(430)의 배터리 셀의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 전압밸런서(420)를 포함하되, 배터리 셀 개수와 동일한 개수의 배터리 셀 전압밸런서(420)는 배터리셀의 최상단 + 단자, 중간의 배터리 셀의 접점과 순서대로 연결되어 입력되되, 출력은 옆의 배터리 셀 전압밸런서의 입력라인과 연결되고, 최하단 배터리 셀의 - 단자와 연결되는 배터리 셀 전압밸런서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 10을 참조하면 상기 배터리 셀 전압밸런서(420)는 배터리 셀의 최상단 + 단자 혹은 배터리 셀간 접점으로 연결되어 입력되는 입력단자와 다음 배터리 셀간 접점 혹은 최하단 배터리셀 - 단자와 연결되는 출력단자와 입력단자와 출력단자 사이에 입력단자에서 출력단자로 도통되는 도통스위치(421)와 복수의 저항이 병렬로 연결된 병렬저항모듈(422)이 연결되어 있고, 입력단자와 출력단자 사이의 전압을 센싱하여 사용자가 설정한 충전 전압을 초과하는 경우 상기 도통스위치(421)를 도통하는 시그널을 송출하도록 하여 배터리 셀간 전압 밸런싱을 하는 것을 특징으로 한다.
사용자가 설정한 충전전압은 배터리 셀의 물성과 관련이 있고, 특정 배터리 셀의 제조회사가 제조하는 충전전압 데이터 곡선상에서 과충전되어 급격하게 전압이 오르게 되는 변곡점의 전압이 보통 선택된다.
특정 배터리 셀만 사용자가 설정한 충전전압에 도달한 경우 그 해당 배터리 셀 양단간의 전압을 센싱한 배터리 관리 시스템(또는 에너지 관리 시스템)0에서 도통스위치를 On 시키는 시그널을 송출하게 되면, 병렬저항모듈로부터 설정되는 전류가 입력단자로부터 출력단자를 통하여 전류가 폐루프를 그리게 되고, 그에 따라 I^2*RT 에 따라 전력을 소비하게 되고, 전력이 소비되는 동안 타 배터리 셀들은 충전을 계속하게 된다.
상기 병렬저모듈은 각 저항을 흐르는 전류의 합이 300mmA ~ 500mmA이 되도록 저항값을 설정함이 바람직하다.
상기 도통스위치는 MosFET 혹은 IGBT 소자를 사용함이 바람직한데, 게이트에 대응 전압이 인가되면 도통되기 때문에 간편하다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
(1) 본 발명은 기존 가정용 태양광 인버터와 가정용 ESS 또는 UPS기능을 하나의 제품으로 결합한 형태의 하이브리드 에너지 통합 관리시스템으로서, 기존 가정용 태양광 발전으로 인한 상계거래 수익과 수요반응시장 참여를 통한 추가수익 발생을 추구할 수 있도록 한다.
(2) 본 발명은 에너지 미터 즉 전력계를 통해 부하 전력 사용을 계측하여 피크절감 및 전체 부하 사용량 저감을 위해 전력량 제어가 가능한 ESS 자동 운전 시스템을 제공한다.
(3) 본 발명은 기존 비절연 타입을 사용하여, 시스템 요소 일부에서 누전 또는 단락에 의해 전체 시스템에 영향을 끼쳐 안전사고로 발생할 우려가 컸던 가정용 ESS 시스템에서 벗어나, ESS와 인버터에 절연형의 TR을 도입하여 전체 시스템 고장 및 안전 사고에 대비할 수 있도록 한다.
(4) 본 발명은 PV Array의 모듈 일부 고장이나 음영에 대한 전압보상 기능을 통해 전체 스트링 전압을 유지하여 태양광 발전 효율을 최적화 하는 것은 물론 태양광 패널의 직병렬을 일정 범위내에서 스위칭 절환하는 방식을 채택하여 최대전력추종 제어를 달성한다.
(5) 본 발명은 특정 배터리셀의 충전전압이 사용자가 설정하거나 배터리셀 물성을 초과한 전압이 검측되는 경우 해당 배터리 셀에 대해서는 병렬 저항으로 이루어진 저항모듈을 포함하는 폐루프를 이루도록 하여 전력을 소비하도록 하고 동시에 타 배터리셀을 충전하는 배터리 셀 밸런싱을 배터리 관리 시스템에 임베딩할 수 있도록 한다.
SG : 태양광 발전 시스템 100 : 태양광 모듈군
110 : 양방향 DC/DC 컨버터
200 : 모듈러 MPPT 컨버터
300 : 하이브리드 양방향 전력변환장치
310 : ESS 컨버터 320 : 인버터
400 : 배터리 전력 저장 장치 410 : 배터리 관리 시스템
420 : 배터리 셀 전압밸런서 421 : 도통스위치
422 : 병렬저항모듈
430 : 배터리모듈
500 : 전력계
KPX : 한국전력거래소
EMS : 에너지 관리 시스템
GRID : 한전 상용전력라인
LOAD : 가정용 부하
Q1 ~ 12 : 반도체 스위치 L, L1, L2 : 인덕터
Ci, Co : 평활 콘덴서 C : 공유 콘덴서

Claims (6)

  1. 태양광 발전 시스템 및 한전 상용전력 라인으로부터 전력을 공급받는 가정용 부하에 대해 전력 흐름을 제어하는 에너지 통합 관리 시스템에 있어서,
    상기 에너지 통합 관리 시스템은
    복수의 태양광 패널이 직병렬로 연결된 태양광 모듈군; 상기 태양광 모듈군의 발전 전력에 대해 최대 전력 추종 제어하되, 일정 용량별로 모듈화되어 병렬로 연결되는 모듈러 MPPT 컨버터; 전력을 저장하는 배터리 전력 저장 장치; 상기 모듈러 MPPT 컨버터로부터 전달된 전력 내지 한국 전력 거래소의 전력을 변환하여 배터리 전력 저장 장치에 충전하거나 배터리 전력 저장 장치의 전력을 가정용 부하의 전력 수요에 따라 전달하는 하이브리드 양방향 전력변환장치;를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템과
    상기 하이브리드 양방향 전력변환장치와 한전 상용전력라인 사이 및 가정용 부하 사이에 각각 설치되는 전력계와
    상기 모듈러 MPPT 컨버터, 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치, 상기 배터리 전력 저장 장치 및 상기 전력계로부터 전압 전류 데이터를 수집하고 출력시그널을 출력하여 전력흐름을 제어하는 에너지 관리 시스템으로 구성되되
    상기 에너지 관리 시스템은 가정용 부하가 한전 상용전력라인으로부터 전력을 사용하는 경우 한국전력거래소와 미리 설정된 수요 반응 계약에 따라 전력 사용을 제어하며,
    상기 태양광 모듈군에 이종 태양광 패널이 연결되는 경우에 이종 태양광 패널에 양방향 DC/DC 컨버터를 설치하여, 기존의 태양광 패널에 대응되어 태양광 패널 병렬 전압을 유지하되,
    상기 모듈러 MPPT 컨버터는 태양광 발전이 사용자가 설정한 전력이하로 발전되는 경우 복수의 태양광 패널의 병렬 연결을 직렬 연결로 스위칭 절환하여 전압 보상하여 발전하고, 태양광 발전이 사용자가 설정한 전력을 초과하여 발전되는 경우 태양광 패널간의 직렬 연결을 병렬 연결로 스위칭 절환하는 장치를 포함하며,
    상기 하이브리드 양방향 전력변환장치는 가정용 부하와 한전 상용전력라인에 연결된 인버터; 배터리셀의 연결체인 배터리 모듈을 포함하는 배터리 전력 저장 장치; 상기 인버터와 배터리 전력 저장 장치 사이에 설치되는 절연형 풀브릿지 회로 방식의 ESS 컨버터;로 구성되며,
    상기 인버터와 ESS 컨버터 사이에 양방향으로 전력 전달을 공유하는 공유 콘덴서가 연결 설치되며,
    상기 모듈러 MPPT 컨버터는 상기 공유 콘덴서와 병렬로 연결 설치되되,
    상기 에너지 관리 시스템은 상기 하이브리드 양방향 전력변환장치의 전력 흐름을
    i) 태양광 모듈군으로부터 발전된 전력으로부터 배터리 전력 저장 장치의 배터리 모듈에 충전하는 태양광 충전 모드,
    ii) 한전의 상용전력을 통해 배터리 전력 저장 장치의 배터리 모듈에 충전하는 상용전력 충전 모드,
    iii)) 배터리 전력 저장 장치에 저장된 전력을 계통 연계나 부하에 사용토록 방전하는 방전 모드
    iv) 태양광 발전을 통해 발전된 전력을 계통 연계나 부하에 사용토록 방전하는 태양광 전력 방전 모드로 구분하여 제어하며,
    상기 배터리 전력 저장 장치는 배터리셀의 연결체인 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 충방전 전압 및 전류를 계측하고 전력 흐름을 제어하는 배터리 관리 시스템;으로 구성되되,
    상기 배터리 관리 시스템은 각각의 배터리 셀에 할당되어 연결되되, 전체 배터리 모듈의 배터리 셀의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 전압밸런서를 포함하며,
    배터리 셀 개수와 동일한 개수의 배터리 셀 전압밸런서는 배터리셀의 최상단 + 단자, 중간의 배터리 셀의 접점과 순서대로 연결되어 입력되되, 출력은 옆의 배터리 셀 전압밸런서의 입력라인과 연결되고, 최하단 배터리 셀의 - 단자와 연결되는 배터리 셀 전압밸런서로 구성되되,
    상기 배터리 셀 전압밸런서는 배터리 셀의 최상단 + 단자 혹은 배터리 셀간 접점으로 연결되어 입력되는 입력단자와 다음 배터리 셀간 접점 혹은 최하단 배터리셀 - 단자와 연결되는 출력단자와 입력단자와 출력단자 사이에 입력단자에서 출력단자로 도통되는 도통스위치와 복수의 저항이 병렬로 연결된 병렬저항모듈이 연결되어 있고, 입력단자와 출력단자 사이의 전압을 센싱하여 사용자가 설정한 충전 전압을 초과하는 경우 상기 도통스위치를 도통하는 시그널을 송출하도록 하여 배터리 셀간 전압 밸런싱을 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 가정형 하이브리드 에너지 통합 관리 시스템.
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