KR20110098346A - 전력 저장 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

전력 저장 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 저장 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 발전 시스템과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템으로서, 발전 시스템이 최대 전력을 생산하도록 제어하는 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 방법 또는 부하의 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하는 전압 제어 방법 중 어느 한 제어 방법에 의하여 동작하는 전력 변환부와, 전력 변환부의 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터와, 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부와, 직류 링크 전압을 계통의 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 전력 변환부, DC/DC 컨버터 및 인버터의 동작을 제어하는 통합 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템을 제공한다.

Description

전력 저장 시스템 및 그 제어방법{Energy storage system and controlling method of the same}
본 발명은 전력 저장 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 전력 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 부하량의 변동에 빠르게 반응할 수 있는 전력 저장 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예의 일 측면에 의하면, 발전 시스템과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템으로서, 발전 시스템이 최대 전력을 생산하도록 제어하는 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 방법 또는 부하의 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하는 전압 제어 방법 중 어느 한 제어 방법에 의하여 동작하는 전력 변환부와, 전력 변환부의 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터와, 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부와, 직류 링크 전압을 계통의 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 전력 변환부, DC/DC 컨버터 및 인버터의 동작을 제어하는 통합 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템을 제공한다.
이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 전력 변환부는 부하량의 변동량에 따라서 제어 방법을 결정할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 부하의 부하량을 측정하는 전력 측정부를 더 포함하고, 전력 변환부는, 부하량의 변동량이 기준 전력량 이상인 경우에 전압 제어 방법으로 동작하고, 부하량의 변동량이 기준 전력량 미만인 경우에 최대 전력점 추종 제어 방법으로 동작할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전압 제어 방법은 부하량의 변동량에 비례하여 승압 비율을 조절할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전압 제어 방법으로 전력 변환부의 출력 전압을 목표 전압으로 변경하는데 걸리는 시간이 최대 전력점 추종 제어 방법으로 전력 변환부의 출력 전압을 목표 전압으로 변경하는데 걸리는 시간 이하가 되도록 기준 전력량을 정할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전력 측정부는, 부하에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부와, 부하에 공급되는 전류를 측정하는 전류 측정부를 포함하고, 통합 제어기는 전압 및 전류를 곱하여 부하의 부하량을 계산할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전력 변환부는, 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 이상인 경우에 전압 제어 방법으로 동작하고, 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 미만인 경우에 최대 전력점 추종 제어 방법으로 동작할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전압 제어 방법은 직류 링크 전압의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하는 것일 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 전력 변환부에 포함된 스위칭 소자의 듀티비를 조절하여 승압 비율을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 측면에 의하면, 발전 시스템과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템의 제어방법으로서, 발전 시스템이 최대 전력을 생산하도록 제어하는 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 방법 또는 부하의 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하는 전압 제어 방법 중 어느 한 제어 방법을 결정하는 단계와, 결정한 제어 방법에 따라서 발전 시스템에서 생산한 전력을 직류 링크 전압을 갖는 전력으로 변환하는 단계와, 직류 링크 전압을 갖는 전력을 계통의 교류 전압을 갖는 전력으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법을 제공한다.
이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 부하의 부하량의 변동량에 따라서 제어 방법의 결정을 수행할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 부하의 부하량을 측정하는 단계를 더 포함하고, 부하량의 변동량이 기준 전력량 이상인 경우에 전압 제어 방법을 제어 방법으로 결정하고, 부하량의 변동량이 기준 전력량 미만인 경우에 최대 전력점 추종 제어 방법을 상기 제어 방법으로 결정할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 직류 링크 전압을 측정하는 단계를 더 포함하고, 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 이상인 경우에 전압 제어 방법을 제어 방법으로 결정하고, 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 미만인 경우에 최대 전력점 추종 제어 방법을 제어 방법으로 결정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하여 부하량의 변동에 빠르게 반응할 수 있는 전력 저장 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 따른 전력 변환부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 따른 전력 저장 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 부하량 변동에 따른 전력 변환부의 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 7 및 도 8은 도 6에 따른 전력 저장 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
<전력 저장 시스템 구성의 일 실시예>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타내는 블록도이며, 도 2는 도 1에 따른 전력 변환부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 전력 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있으며, 그 밖에 태양열이나 지열 등의 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 전력 저장 시스템(1)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(2)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 전력 저장 시스템(1) 또는 부하(4)로 전력을 공급하고, 전력 저장 시스템(1)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 전력 저장 시스템(1) 또는 부하(4)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)으로부터 생산된 전력, 배터리(40)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
전력 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 발전한 전력을 배터리(40)에 저장하고, 발전한 전력을 계통(3)으로 보낼 수 있다. 또한 전력 저장 시스템(1)은 배터리(40)에 저장된 전력을 계통(3)으로 전달하거나, 계통(3)에서 공급된 전력을 배터리(40)에 저장할 수 있다. 또한, 전력 저장 시스템(1)은 이상 상황, 예를 들면 계통(3)의 정전 발생 시에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있고, 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 발전한 전력이나 배터리(40)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.
전력 저장 시스템(1)은 전력 변환부(10), DC/DC 컨버터(11), DC 링크부(20), 양방향 인버터(30), 배터리(40), 배터리 관리 시스템(Battery Management System: 이하 'BMS'라 한다)(41), 양방향 컨버터(50), 제1 스위치(60), 제2 스위치(61), 전력 측정부(70) 및 통합 제어기(80)를 포함한다.
전력 변환부(10)는 발전 시스템(2)과 DC/DC 컨버터(11) 사이에 연결되며, 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC/DC 컨버터(11)로 전달한다. 전력 변환부(10)는 통합 제어기(80)로부터의 제어에 의하여 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 'MPPT'라 한다) 제어 모드 또는 전압 제어 모드 중 어느 하나의 모드에 의하여 동작할 수 있다.
MPPT 제어 모드란 태양광 발전 시스템 등의 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있는 동작 방법을 말한다. 예를 들어 태양광 발전의 경우, 태양광 발전 시스템을 구성하는 태양전지는 일사량, 기온, 부하 등의 외부 조건에 의하여 전압-전류(I-V) 특성 곡선 및 전력-전압(P-V) 특성 곡선이 비선형적으로 변한다. 이때, 태양전지가 최대 전력을 생산하도록 주어진 외부 조건에 대해 전력의 최대 출력점을 추종하여야 하며, 이를 MPPT 제어라고 한다.
전압 제어 모드란 전력 변환부(10)에서 외부의 특정 조건에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산된 전력의 출력 전압을 승압하는 비율을 조절하는 방법을 의미한다. 본 실시예의 경우, 외부의 특정 조건은 부하(4)에서 소비되는 전력량의 변동량, 즉 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하여 전압 제어 모드를 수행한다.
이러한 전력 변환부(10)는 컨버터의 일종으로서, 인덕터(11), 다이오드,(12), 커패시터(13), 스위칭 소자(14) 및 스위칭 제어부(15)를 포함할 수 있다.
스위칭 제어부(15)는 스위칭 소자(14)의 온/오프를 제어한다. 스위칭 제어부(15)는 MPPT 제어 모드의 경우, 발전 시스템(2)이 최대 전력을 출력하는 조건이 되도록 MPPT 알고리즘에 따라서 스위칭 소자(14)의 온/오프를 제어하여 전압 및 전류값을 결정한다. 반면에, 스위칭 제어부(15)는 전압 제어 모드의 경우, 통합 제어기(80)로부터 듀티비(Duty ratio)를 수신하고, 수신한 듀티비에 맞추어 스위칭 소자(14)의 온/오프를 제어하여 승압 비율을 조절한다.
스위칭 소자(14)는 스위칭 제어부(15)에 의한 온/오프 제어에 의하여 발전 시스템(2)으로부터 출력되는 전압 및 전류의 크기를 제어한다.
인덕터(11), 다이오드(12), 커패시터(13)는 스위칭 소자(14)의 동작에 따라서 발전 시스템(2)으로부터 출력된 전압 및 전류 값이 일정한 크기가 되도록 한다.
DC/DC 컨버터(11)는 전력 변환부(10)에서 출력된 전력의 출력 전압이 직류 링크 전압(Vlink)이 되도록 변압한다.
DC 링크부(20)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(30) 사이에 연결되어 제1 노드(N1)의 직류 링크 전압(Vlink)을 일정하게 유지시킨다. 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 순시 전압 강하, 부하(4)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 제1 노드(N1)에서의 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나 제1 노드(N1)의 전압은 양방향 인버터(30) 및 양방향 컨버터(50)의 안정적인 동작을 위하여 일정하게 유지될 필요가 있다. DC 링크부(20)는, 예를 들면 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등의 커패시터가 사용될 수 있다.
양방향 인버터(30)는 DC 링크부(20)와 제1 스위치(60) 사이에 연결되는 전력 변환기이다. 양방향 인버터(30)는 발전 시스템(2) 또는 배터리(40)로부터 출력된 직류 링크 전압(Vlink)을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(30)는 계통(3)의 전력을 배터리(40)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압(Vlink)으로 변환하여 출력한다. 양방향 인버터(30)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 양방향 인버터(30)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL: Phase Locked Loop) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 양방향 인버터(30)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
배터리(40)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리(40)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있으며, 각 배터리 셀은 복수의 베어셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(40)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리(40)는 전력 저장 시스템(1)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 그 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부하(4)의 소비 전력이 큰 경우에는 복수의 배터리(40)를 구비할 수 있으며, 부하(4)의 소비 전력이 작은 경우에는 하나의 배터리(40)만을 구비할 수도 있을 것이다.
BMS(41)는 배터리(40)에 연결되며, 통합 제어기(80)의 제어에 따라 배터리(40)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(41)는 배터리(40)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(41)는 배터리(40)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 관련 정보를 통합 제어기(80)에 전송할 수 있다. 본 실시예에서는 BMS(41)가 배터리(40)와 분리되어 구비되어 있지만, BMS(41)와 배터리(40)가 일체로 된 배터리 팩으로 구성될 수 있음은 물론이다.
양방향 컨버터(50)는 배터리(40)로부터 출력된 전력의 전압을 양방향 인버터(30)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압(Vlink)으로 DC-DC 변환한다. 또한 양방향 컨버터(50)는 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전 전력을 배터리(40)에서 요구하는 전압 레벨로 DC-DC 변환한다. 여기서, 충전 전력은 예를 들어 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)으로부터 양방향 인버터(30)를 통하여 공급되는 전력이다.
제1 스위치(60) 및 제2 스위치(61)는 양방향 인버터(30)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(80)의 제어에 따라서 온/오프 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(60)와 제2 스위치(61)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리(40)의 상태에 따라서 온/오프가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(4)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(60) 및 제2 스위치(61)를 모두 온 상태로 하여 발전 시스템(2), 계통(3)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 물론 발전 시스템(2) 및 계통(3)으로부터의 전력만으로는 부하(4)에서 요구하는 전력량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(40)에 저장된 전력이 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(3)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(61)를 오프 상태로 하고 제1 스위치(60)를 온 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(2) 또는 배터리(40)로부터의 전력을 부하(4)에 공급할 수 있으며, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흘러들어가 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
전력 측정부(70)는 부하(4)에서의 소비 전력량, 즉 부하량을 측정한다. 전력 측정부(70)는 부하량 측정을 위하여 부하(4)에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부(71)와 부하(4)로 공급되는 전류를 측정하는 전류 측정부(72)를 포함한다. 각각 측정된 전압값과 전류값은 통합 제어기(80)로 전송된다.
통합 제어기(80)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(40), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(10), DC/DC 컨버터(11), 양방향 인버터(30), BMS(41), 양방향 컨버터(50), 제1 스위치(60) 및 제2 스위치(61)를 제어한다.
통합 제어기(80)는 전력 측정부(70)에서 측정한 전압값 및 전류값을 수신하고, 전압값 및 전류값을 곱하여 부하(4)의 부하량을 계산한다. 또한, 전력 측정부(70)는 부하(4)의 전압값 및 전류값을 연속적으로 측정하므로, 통합 제어기(80)는 시간에 따른 부하량의 변동을 측정할 수 있다. 또한 통합 제어기(80)는 부하량의 변동량에 따라서 전력 변환부(10)의 동작 방법을 MPPT 제어 모드에 의할 것인지 전압 제어 모드에 의할 것인지를 결정하며, 전압 제어 모드에 의할 경우, 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절한다.
<전력 변환기의 제어 모드 결정 방법의 일 실시예>
도 3 및 도 4는 도 1에 따른 전력 저장 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
발전 시스템(2)에서 전력 생산이 있는 경우, 전력 저장 시스템(1)은 초기 구동시 또는 부하량의 변동이 적을 때 MPPT 제어 방법으로 전력 변환을 수행한다(S10). MPPT 제어 방법에 의하여 전력 변환부(10)가 동작하므로 최대 전력점을 추종하도록 발전 시스템(2)으로부터 출력되는 전압값 및 전류값을 서서히 변화시킨다.
그리고 전력 측정부(70)에서는 부하(4)에 인가되는 전압값과 부하(4)로 공급되는 전류값을 실시간으로 측정한다(S11, S12).
측정된 전압값 및 전류값은 통합 제어기(80)로 전송되고, 통합 제어기(80)는 이들 전압값 및 전류값을 곱하여 부하량을 계산하고(S13), 연속적 또는 일정 시간 간격으로 부하량을 반복하여 계산하여 부하량의 변동량(ΔPL)을 계산한다(S14).
통합 제어기(80) 또는 전력 변환부(10)는 계산된 부하량의 변동량(ΔPL)은 기준 전력량(Pref)과 비교하며(S15), 부하량의 변동량(ΔPL)이 기준 전력량(Pref) 이상인 경우에는 전력 변환부(10)의 동작 모드를 전압 제어 모드로 변환한다(S16). 반면에 부하량의 변동량(ΔPL)이 기준 전력량(Pref) 미만인 경우에는 MPPT 제어 모드를 유지한다.
여기서 기준 전력량(Pref)에 대하여 살펴본다.
종래에는 전력 변환부(10)는 MPPT 제어 모드에 의하여만 동작하였다. MPPT 제어 모드의 경우 발전 시스템(2)으로부터 최대 전력을 추출할 수 있으므로 전력 생산 효율이 좋기 때문이다. 그러나 MPPT 알고리즘은 목표 전력량 또는 목표 전력량에 해당하는 전압값에 도달하는데 시간이 오래 걸린다. MPPT 알고리즘은 현재 측정한 전력을 이전에 측정한 전력과 비교하고, 그 비교 결과에 따라서 출력하는 전류값 및 전압값을 증가 또는 감소시키며, 이러한 동작을 반복하여 최대 전력점을 추종하는 것이다. 그런데 최대 전력점 근처에서 미세한 제어를 하기 위하여는 증가 또는 감소시키는 전압 및 전류의 크기를 작게 하여야 한다. 따라서 부하(4)의 부하량에 급격한 변동이 발생한 경우에는 부하(4)에 의하여 요구되는 전력량을 출력하는데 많은 시간이 걸리게 된다. 예를 들어, MPPT 알고리즘의 한 번의 루프에 의하여 변경할 수 있는 전력량이 5kWh이고 부하(4)에서의 부하량 변동량이 100kWh인 경우 총 20회의 연산을 수행하여야 한다.
반면에 전압 제어 모드에 의하는 경우, 승압 비율을 계산하고, 계산한 승압 비율로 곧장 전압을 목표 전압으로 승압하기 때문에 많은 연산이 필요하지 않다. 즉, 부하량의 변동량을 계산하고, 계산한 부하량의 변동량에 비례하도록 승압 비율을 결정하면, 결정된 승압 비율로부터 듀티비를 계산할 수 있게 된다. 도 2와 같은 컨버터에서 승압 비율은 1-D:1이 되며(D는 스위칭 소자(14)의 듀티비) 부하량의 변동량이 클수록 D의 값을 1에 가깝게 하여 승압 비율을 높일 수 있다. 예를 들어 듀티비 D를 0.5로 하면 승압 비율이 0.5:1이 되어 입력 전압에 비하여 출력 전압이 두배가 되며, 듀티비 D를 0.9로 하면 승압 비율이 0.1:1이 되어 입력 전압에 비하여 출력 전압이 10배가 된다. 즉, 듀티비 계산에 필요한 연산 시간만으로 부하의 부하량 변동에 대처할 수 있게 된다.
따라서 기준 전력량 Pref는 전압 제어 모드에 의하여 부하(4)에서 요구하는 전력을 공급하는데 까지 걸리는 시간(목표 전압으로 변경하는데 걸리는 시간)이 MPPT 제어 모드에 의하여 부하(4)에서 요구하는 전력을 공급하는데 까지 걸리는 시간(목표 전압으로 변경하는데 걸리는 시간) 이하가 되도록 결정할 수 있다.
한편,동작 모드를 전압 제어 모드로 전환하는 경우, 전압 제어 모드에 의하여 전력 변환부(10)를 동작시켜 목표 전압이 출력되는지를 판단하고(S17), 목표 전압을 출력할 때까지 전력 변환을 계속하여 수행한다. 그리고 전력 변환부(10)가 목표 전압을 출력하게 되면, 즉 부하의 부하량 변동에 대처하게 되면 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지를 판단한다(S18). 발전 시스템(2)에서 계속 전력이 생산되고 있으면, 다시 MPPT 제어 모드로 돌아가 최대 전력을 추출할 수 있도록 한다. 반면에, 더 이상 발전 시스템(2)에서 전력 생산이 이루어지지 않으면 전력 변환의 동작을 종료한다.
이하, 전압 제어 모드에 의한 동작에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 통합 제어기(80)는 S14 단계에서 계산한 부하량 변동량을 사용하여 출력하고자 하는 목표 전압을 계산한다(S161). 그리고 계산한 목표 전압을 출력하기 위한 승압 비율을 계산하고(S162), 계산한 승압 비율을 달성하기 위한 스위칭 소자의 듀티비를 계산한다(S163). 그리고 계산한 듀티비에 따라서 스위칭 소자(14)의 온/오프를 제어하여 발전 시스템(2)으로부터의 출력 전압을 승압한다(S164).
도 5는 부하량 변동에 따른 전력 변환부의 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 첫 번째 그래프는 시간에 따른 부하량의 변동을 나타내는 그래프이며, 두 번째 그래프는 MPPT 제어 모드에 의하여 동작할 경우 시간에 따른 전력 변환부(10)의 출력 전력을 나타내는 그래프이며, 세 번째 그래프는 전압 제어 모드에 의하여 동작할 경우 시간에 따른 전력 변환부(10)의 출력 전력을 나타내는 그래프이다. 각 그래프는 가로축이 시간을 나타내며, 세로축이 전력을 나타낸다.
첫 번째 그래프를 살펴보면 t1에서 부하량이 급격히 증가한다. 증가한 부하량은 Pb-Pa이며, 이 값이 기준 전력량인 Pref보다 크다고 가정한다.
두 번째 그래프를 살펴보면, 전력 변환부(10)가 t1 이후에도 계속해서 MPPT 제어 모드로 동작하는 경우, t2에서야 부하(4)에서 요구하는 전력을 공급한다.
반면에 세 번째 그래프를 살펴보면, 전력 변환부(10)가 t1 이후에는 전압 제어 모드로 변환하게 되며, t2보다 앞선 시점인 t3에서 부하(4)에서 요구하는 전력을 공급할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 저장 시스템(1)에서는 부하량의 변동량에 따라서 MPPT 제어 모드와 전압 제어 모드를 적절히 선택하여 동작함으로 인하여 부하의 변동에 빠르게 대처할 수 있게 된다.
<전력 저장 시스템 구성의 다른 실시예>
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타내는 블록도이다. 본 실시예에 따른 전력 저장 시스템(1)에서는 도 1의 전력 저장 시스템(1)과 유사한 구성 및 기능을 가지므로 차이점에 대하여만 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 전력 저장 시스템(1)은 직류 링크 전압 측정부(90)를 포함한다. 직류 링크 전압 측정부(90)는 직류 링크 전압(Vlink) 값을 측정하는 부분으로, 직류 링크 전압(Vlink)의 변동으로부터 부하(4)의 부하량을 예측할 수 있게 된다. 직류 링크 전압(Vlink)의 전압값은 매우 크므로, 직류 링크 전압 측정부(90)는 전류 분배기 등을 포함할 수 있다. 측정한 직류 링크 전압(Vlink) 값은 통합 제어기(80)로 전송된다.
통합 제어기(80)는 직류 링크 전압 측정부(90)로부터 직류 링크 전압(Vlink) 값을 수신하고, 수신한 직류 링크 전압(Vlink)의 변동량을 계산한다. 또한 통합 제어기(80)는 직류 링크 전압(Vlink)의 변동량에 따라서 전력 변환부(10)의 동작 방법을 MPPT 제어 모드에 의할 것인지 전압 제어 모드에 의할 것인지를 결정한다. 직류 링크 전압(Vlink)은 부하량에 따라서 영향을 받으므로, 상기와 같이 제어 모드를 결정하는 것은 부하량의 변동량에 따라서 제어 모드를 결정하는 것과 유사하게 된다. 그리고 통합 제어기(80)는 전압 제어 모드에 의할 경우, 직류 링크 전압(Vlink)의 변동량에 따라서 전력 변환부(10)에서의 승압 비율을 조절한다.
<전력 변환기의 제어 모드 결정 방법의 일 실시예>
도 7 및 도 8은 도 6에 따른 전력 저장 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 전력 변환기의 제어 모드 결정 방법은 S21~S23 단계에서 직류 링크 전압(Vlink)의 변동량을 측정하고, 직류 링크 전압(Vlink)을 기준 전압과 비교하여 제어 모드를 결정하는 점에서 도 3의 S11~S15 단계와 차이가 있을뿐, 나머지 동작은 동일하다.
또한 전압 제어 모드에서도, 부하량의 변동량 대신 직류 링크 전압(Vlink)의 변동량을 사용하여 목표 전압, 승압 비율, 듀티비 등을 계산하는 점에서 도 4와 상이하며, 나머지 동작은 동일하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 저장 시스템(1)에서는 직류 링크 전압(Vlink)의 변동량에 따라서 MPPT 제어 모드와 전압 제어 모드를 적절히 선택하여 동작함으로 인하여 부하의 변동에 빠르게 대처할 수 있게 된다.
이상에서 언급된 본 실시예 및 그 변형예들에 따른 제어방법을 전력 저장 시스템에서 실행시키기 위한 프로그램은 기록매체에 저장될 수 있다. 여기서 기록매체라 함은 예컨대 프로세서가 읽을 수 있는 매체로서 반도체 기록매체(예컨대, Flash memory), 마그네틱 저장매체(예컨대, 롬(ROM), 하드디스크 등) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같은 통합 제어기(80)에 설치된 메모리에 프로그램이 저장될 수 있다. 상기 매체는 프로세서, 예컨데 도 1에 도시된 것과 같은 통합 제어기(80)에 의해 판독 가능하며, 상기 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 전력 저장 시스템 2 발전 시스템
3 계통 4 부하
10 전력 변환부 11 DC/DC 컨버터
20 DC 링크부 30 양방향 인버터
40 배터리 41 배터리 관리 시스템(BMS)
50 양방향 인버터 60 제1 스위치
61 제2 스위치 70 전력 측정부
80 통합 제어기 90 직류 링크 전압 측정부

Claims (13)

  1. 발전 시스템과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템으로서,
    상기 발전 시스템이 최대 전력을 생산하도록 제어하는 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 방법 또는 상기 부하의 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하는 전압 제어 방법 중 어느 한 제어 방법에 의하여 동작하는 전력 변환부;
    상기 전력 변환부의 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
    상기 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부;
    상기 직류 링크 전압을 상기 계통의 교류 전압으로 변환하는 인버터; 및
    상기 전력 변환부, 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 인버터의 동작을 제어하는 통합 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는 상기 부하량의 변동량에 따라서 상기 제어 방법을 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하의 부하량을 측정하는 전력 측정부를 더 포함하고,
    상기 전력 변환부는,
    상기 부하량의 변동량이 기준 전력량 이상인 경우에 상기 전압 제어 방법으로 동작하고, 상기 부하량의 변동량이 기준 전력량 미만인 경우에 상기 최대 전력점 추종 제어 방법으로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 제어 방법은 상기 부하량의 변동량에 비례하여 상기 승압 비율을 조절하는 방법인 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전압 제어 방법으로 상기 전력 변환부의 출력 전압을 상기 목표 전압으로 변경하는데 걸리는 시간이 상기 최대 전력점 추종 제어 방법으로 상기 전력 변환부의 출력 전압을 목표 전압으로 변경하는데 걸리는 시간 이하가 되도록 상기 기준 전력량을 정하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전력 측정부는,
    상기 부하에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 부하에 공급되는 전류를 측정하는 전류 측정부;를 포함하고,
    상기 통합 제어기는 상기 전압 및 상기 전류를 곱하여 상기 부하의 부하량을 계산하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전력 변환부는,
    상기 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 이상인 경우에 상기 전압 제어 방법으로 동작하고, 상기 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 미만인 경우에 상기 최대 전력점 추종 제어 방법으로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전압 제어 방법은 상기 직류 링크 전압의 변동량에 따라서 상기 승압 비율을 조절하는 방법인 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  9. 제4항 또는 제8항에 있어서,
    상기 전력 변환부에 포함된 스위칭 소자의 듀티비(Duty Ratio)를 조절하여 상기 승압 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  10. 발전 시스템과 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 전력 저장 시스템의 제어방법으로서,
    상기 발전 시스템이 최대 전력을 생산하도록 제어하는 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 방법 또는 상기 부하의 부하량의 변동량에 따라서 승압 비율을 조절하는 전압 제어 방법 중 어느 한 제어 방법을 결정하는 단계;
    상기 결정한 제어 방법에 따라서 상기 발전 시스템에서 생산한 전력을 직류 링크 전압을 갖는 전력으로 변환하는 단계; 및
    상기 직류 링크 전압을 갖는 전력을 상기 계통의 교류 전압을 갖는 전력으로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 부하의 부하량의 변동량에 따라서 상기 제어 방법의 결정을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 부하의 부하량을 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 부하량의 변동량이 기준 전력량 이상인 경우에 상기 전압 제어 방법을 상기 제어 방법으로 결정하고, 상기 부하량의 변동량이 기준 전력량 미만인 경우에 상기 최대 전력점 추종 제어 방법을 상기 제어 방법으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 직류 링크 전압을 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 이상인 경우에 상기 전압 제어 방법을 상기 제어 방법으로 결정하고, 상기 직류 링크 전압의 변동량이 기준 전압 미만인 경우에 상기 최대 전력점 추종 제어 방법을 상기 제어 방법으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
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