KR20150102765A - Photovoltaics System comprising energy storage means and Control method thereof - Google Patents

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KR20150102765A
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김영호
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이순령
허민호
원충연
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Abstract

The present invention relates to a photovoltaic system comprising energy storage device and a control method thereof. A photovoltaic system according to the present invention includes a photovoltaic module; a power conversion module which converts the DC output current of the photovoltaic module into the output current of pulsating current waveform; a DC link condenser which is connected to the power conversion module in parallel; a system connection inverter which is connected to the DC link condenser in parallel, converts the output current of the pulsating current waveform into a sine wave, and connects a commercial power system or a consumer-side load; an energy storage device which is connected to the DC link condenser in parallel, receives energy from the DC link condenser and stores the energy, or supplies energy to the DC link condenser; and a control part which determines the operation mode of the energy storage device and controls the energy storage device according to the determined operation mode.

Description

에너지 저장장치를 구비한 태양광 발전 시스템 및 제어방법 {Photovoltaics System comprising energy storage means and Control method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a photovoltaic power generation system having an energy storage device and a control method thereof,

본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 저장장치를 구비한 태양광 발전 시스템 및 태양광 발전 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar power generation system, and more particularly, to a solar power generation system having an energy storage device and a control method of the solar power generation system.

태양광 발전은 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 전력을 공급할 수 있는 태양광 발전시스템은 반도체소자인 태양전지 모듈, 전력을 저장하는 축전지, 직류전기를 교류로 변환하는 인버터로 구성된다. 태양광 발전은 연료가 불필요하고 열 공해(thermal pollution)와 환경오염이 없다는 장점이 있다. 또한, 소음공해, 방사능 위험, 폭발과 같은 위험이 없다. 더 나아가 태양광 발전의 운전 및 유지가 간편하고 무인화가 용이하다. 그러나 아직 발전단가가 높아 경제성이 약하고, 기상조건에 따라 한정된 일조시간으로 발전 가능한 시간에 제한을 받아 발전량이 일정하지 못하다. 결과적으로 태양광 발전에 의해 생산되는 전력은 여러 제한 사항에 의해 가변적이다. 태양광 발전에 의해 생산되는 전력을 소비하는 부하의 상황도 가변적일 수 있으며, 태양광 발전 시스템에 상용 전력 계통에 연계되어 동작할 때 사용 전력 계통의 부하의 상황은 시시각각 변화할 수 있다.Photovoltaic power generation is a technology that converts solar energy directly into electric energy using photovoltaic effect. A photovoltaic power generation system capable of supplying power is composed of a solar cell module as a semiconductor element, a storage battery for storing electric power, and an inverter for converting DC electricity into AC. Photovoltaic power generation has the advantage that no fuel is needed and there is no thermal pollution or environmental pollution. In addition, there is no risk of noise pollution, radioactive danger, explosion. Furthermore, operation and maintenance of the photovoltaic power generation is simple and unattended. However, the economic value is still low due to the high price of power generation, and the amount of electricity generated is limited due to the limited time available for sunshine hours due to weather conditions. As a result, the power generated by photovoltaic power generation is variable due to various limitations. The situation of the load consuming the power generated by the photovoltaic power generation may be variable, and when the photovoltaic power generation system is operated in connection with the commercial power system, the load condition of the power system used may vary from time to time.

태양광 발전 시스템에 의해 생산되는 전력량이 일정하지 아니하며, 부하의 상황이 가변적임에 따라 필연적으로 전력의 과부족 현상이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전력 생산량과 부하의 전력 소비량의 관계에서 전력 생산량이 부하의 전력 소비량을 초과하는 경우, 초과 생산된 전력을 저장하고, 부하의 전력 소비가 전력 생산량을 초과하는 경우 저장된 에너지를 제공하는 에너지 저장장치를 구비한 태양광 발전 시스템이 등장하였다.The amount of electric power produced by the photovoltaic power generation system is not constant, and due to the variable load conditions, electric power excess and inevitably occurs. In order to solve this problem, when the power generation amount exceeds the power consumption amount of the load in relation to the power generation amount and the power consumption amount of the load, the excess produced power is stored. When the power consumption of the load exceeds the power generation amount, A solar power generation system equipped with an energy storage device has emerged.

에너지 저장장치가 부가된 태양광 발전 시스템은 운용 과정에서 기본적으로 에너지 저장장치에 전력을 저장하는 동작 모드와 에너지 저장장치로부터 전력을 공급받는 동작모드간 전환이 이루어진다. 에너지 저장장치와 태양광 발전 시스템간의 효율적인 에너지 저장과 방전을 위한 제어방법에 대한 고려가 필요하다.In a solar power generation system with an energy storage device, the operation mode is basically switched between an operation mode of storing power in the energy storage device and an operation mode of receiving power from the energy storage device. Consideration should be given to control methods for efficient energy storage and discharge between the energy storage device and the PV system.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에너지 저장장치를 구비한 태양광 발전 시스템에서 에너지 저장장치와 상용 전력계통과 연계하는 양방향 컨버터의 제어방법 및 제어부의 구조를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a control method of a bidirectional converter connected to an energy storage device and a commercial power system in a solar power generation system having an energy storage device, and a structure of a control part.

본 발명의 일 양태에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 모듈, 상기 태양광 발전 모듈의 직류 출력 전류를 맥류 파형의 출력 전류로 변환하는 전력 변환 모듈, 상기 전력 변환 모듈에 병렬 연결된 직류 링크 콘덴서, 상기 직류 링크 콘덴서에 병렬 연결되어, 상기 맥류 파형의 출력 전류를 정현파로 변환하고, 상용 전력 계통 또는 수용가 부하를 연계시키는 계통 연계 인버터, 상기 직류 링크 콘덴서와 병렬 연결되어 상기 직류 링크 콘덴서로부터 에너지를 공급받아 저장하거나, 상기 직류 링크 콘덴서로 에너지를 공급하는 에너지 저장장치 및 상기 에너지 저장장치의 동작 모드를 결정하고 결정된 동작 모드에 따라 상기 에너지 저장장치를 제어하는 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a solar power generation system according to an embodiment of the present invention includes a solar power generation module, a power conversion module for converting a DC output current of the solar power generation module into an output current of a ripple waveform, A grid link inverter connected in parallel with the DC link capacitor to convert an output current of the pulsating current waveform into a sinusoidal wave and to connect a commercial power system or a consumer load; a DC link capacitor connected in parallel with the DC link capacitor; An energy storage device for receiving and storing energy from the DC link capacitor or supplying energy to the DC link capacitor, and a controller for determining an operation mode of the energy storage device and controlling the energy storage device according to the determined operation mode do.

상기 에너지 저장장치는 충전을 통하여 에너지를 저장하거나 방전을 통하여 에너지를 공급하는 배터리 및 상기 배터리의 직류 출력 전류를 맥류 파형의 출력 전류로 변환하여 상기 직류 링크 콘덴서에 공급하거나, 상기 직류 링크 콘덴서의 맥류 파형의 전류를 직류 전류로 변환하여 상기 배터리에 공급하는 양방향 컨버터를 포함할 수 있다.The energy storage device includes a battery that stores energy through charging or supplies energy through discharging, and a battery that converts the DC output current of the battery into an output current of a pulsating current waveform to supply the DC current to the DC link capacitor, And a bidirectional converter that converts the waveform current into a direct current and supplies the direct current to the battery.

상기 양방향 컨버터의 상기 동작모드는 승강압 모드(buck-boost mode) 또는 승압 모드(boost mode) 중 어느 하나일 수 있다.The operation mode of the bi-directional converter may be either a buck-boost mode or a boost mode.

상기 양방향 컨버터의 동작모드 결정은 상기 직류 링크 콘덴서의 양단에 걸린 전압 및 상기 배터리의 전압에 기반하여 결정될 수 있다.The operation mode determination of the bi-directional converter may be determined based on the voltage across the DC link capacitor and the voltage of the battery.

상기 양방향 컨버터의 동작모드는 상기 직류 링크 콘덴서의 양단에 걸린 전압이 상기 배터리의 전압에 미달하는 제1 구간 및 상기 직류 링크 콘덴서의 양단에 걸린 전압이 상기 배터리의 전압을 초과하는 제2 구간으로 나뉘어 결정될 수 있다.Wherein the operation mode of the bi-directional converter is divided into a first period in which a voltage across the DC link capacitor is less than a voltage of the battery, and a second period in which a voltage across both ends of the DC link capacitor exceeds a voltage of the battery Can be determined.

상기 배터리의 충전시, 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간에서의 상기 양방향 컨버터의 동작모드는 승강압 모드로 결정될 수 있다.When the battery is charged, the operation mode of the bidirectional converter in the first period and the second period may be determined to be a step-up / down mode.

상기 배터리의 방전시, 상기 제1 구간에서의 상기 양방향 컨버터의 동작모드는 승강압 모드로 결정되고, 상기 제2 구간에서의 상기 양방향 컨버터의 동작모드는 승압 모드로 결정될 수 있다.During the discharge of the battery, the operation mode of the bidirectional converter in the first section is determined to be the up / down mode, and the operation mode of the bidirectional converter in the second section may be determined to be the boost mode.

상기 전력 변환 장치는 상기 태양전지 모듈에 집적된 집적형 직류-직류 전력변환장치일 수 있다.The power conversion device may be an integrated DC-DC power conversion device integrated in the solar cell module.

본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터 제어 방법은 부하 상황에 따라 에너지 저장 장치의 배터리에 에너지를 저장하거나 배터리의 방전을 통해 부하에 에너지를 저장할 수 있어, 최대 부하에 대한 보상이 가능하다. 더불어 간단한 제어기 구조를 통하여 효율적인 제어가 가능하다.The bidirectional converter control method according to an embodiment of the present invention can store energy in a battery of an energy storage device or store energy in a load through discharge of a battery according to a load situation, and thus can compensate for a maximum load. In addition, a simple controller structure enables efficient control.

도 1은 본 발명의 실시례가 적용될 수 있는 에너지 저장 장치를 구비한 태양광 발전 시스템의 구성의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터(400) 구조의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 양방향 컨버터(400)의 입출력 파형을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터의 승강압 모드 동작을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터의 승압 모드 동작을 나타낸 것이다.
도 6은 직류 링크 콘덴서 전압에 따른 양방향 컨버터 동작 모드를 나타낸 그래프이다.
도 7은 양방향 컨버터의 동작 모드 선택 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 각각 배터리 충전시와 배터리 방전시 양방향 컨버터의 제어 구조도를 도시한 것이다.FIG. 1 illustrates an example of the configuration of a solar power generation system having an energy storage device to which an embodiment of the present invention can be applied.
2 is a diagram showing an example of the structure of a bidirectional converter 400 according to an embodiment of the present invention.
3 shows an input / output waveform of the bidirectional converter 400. In FIG.
4 shows the operation of the bidirectional converter according to the embodiment of the present invention in the step-up and step-down mode.
5 illustrates the boost mode operation of the bidirectional converter according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a bidirectional converter operation mode according to a DC link capacitor voltage.
7 is a flowchart illustrating an operation mode selection procedure of the bidirectional converter.
8 and 9 show a control structure of the bidirectional converter at the time of charging the battery and discharging the battery, respectively.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, in this specification, when an element is referred to as being "connected" or "connected" with another element, the element may be directly connected or directly connected to the other element, It should be understood that, unless an opposite description is present, it may be connected or connected via another element in the middle.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate a thorough understanding of the present invention, the same reference numerals are used for the same means regardless of the number of the drawings.

태양광 발전 시스템의 전력 생산량은 시간, 계절, 기후 등 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 태양광 발전 시스템의 전력 생산량은 가변적일 수 있다. 태양광 발전 시스템으로부터 전력을 공급받는 부하의 입장에서 불균일한 전력 공급이 문제될 수 있으며, 이러한 태양광 발전 시스템의 특징은 태양광 발전 시스템에 의한 에너지 공급 비중이 높은 경우 매우 심각한 문제를 초래할 수 있다.The power output of the photovoltaic system can be determined by various factors such as time, season, and climate. Thus, the power output of a photovoltaic system may be variable. Uneven power supply may be a problem in terms of the load supplied from the photovoltaic power generation system. The characteristics of such photovoltaic power generation system may cause serious problems when the proportion of energy supply by the photovoltaic power generation system is high .

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시례가 적용될 수 있는 태양광 발전 시스템은 에너지 저장 장치를 이용한다. 에너지 저장 장치를 양방향 전력변환 장치를 통해 태양광 발전 시스템과 접목 시킴으로써 불균일한 에너지 공급을 해결 할 수 있게 된다. 태양광 발전 시스템에 의해 생산된 전력을 저장했다가 전력 공급이 필요한 때에 부하에 적절하게 공급하여 태양광 에너지의 활용도 및 효율을 높일 수 있다.In order to solve such a problem, a solar power generation system to which the embodiment of the present invention can be applied uses an energy storage device. By combining an energy storage device with a solar power generation system through a bidirectional power conversion device, it is possible to solve the uneven energy supply. It is possible to store the power produced by the photovoltaic power generation system and appropriately supply the power to the load when necessary, thereby improving the utilization efficiency and efficiency of the photovoltaic energy.

도 1은 본 발명의 실시례가 적용될 수 있는 에너지 저장 장치를 구비한 태양광 발전 시스템의 구성의 일례를 도시한 것이다.FIG. 1 illustrates an example of the configuration of a solar power generation system having an energy storage device to which an embodiment of the present invention can be applied.

태양광 발전 시스템은 태양전지 모듈(100), 전력변환장치(200), 직류 링크 콘덴서(250), 계통 연계 인버터(300) 및 에너지 저장장치를 포함한다. 여기에서 에너지 저장 장치는 양방향 컨버터(400)와 배터리(20)를 포함할 수 있다.The solar power generation system includes a solar cell module 100, a power conversion device 200, a DC link capacitor 250, a grid-connected inverter 300, and an energy storage device. Here, the energy storage device may include a bidirectional converter 400 and a battery 20.

태양전지 모듈(100)은 태양광을 받아 전기를 생산하고, 전력 변환 장치(200)는 태양전지 모듈(100)에 직접 연결되며, 태양광 에너지 이용률을 높이기 위하여 최대 전력점 추종 제어를 수행할 수 있다. 전력 변환 장치(200)는 전류원으로 동작하여 직류 링크 콘덴서(250)에 정류된 정현파 형태의 전류를 공급할 수 있다. 전력 변환 장치(200)는 태양전지 모듈 집적형 직류-직류 전력변환장치일 수 있다.The solar cell module 100 generates electricity by receiving solar light. The power conversion device 200 is directly connected to the solar cell module 100, and can perform maximum power point follow-up control to increase the solar energy utilization rate have. The power converter 200 may operate as a current source to supply a sinusoidal current rectified to the DC link capacitor 250. The power conversion apparatus 200 may be a solar cell module integrated type DC-DC power conversion apparatus.

직류 링크 콘덴서(250) 측의 정류된 정현파 전류는 계통 연계 인버터(300)를 통해 전력 계통과 연계된다. 계통 연계 인버터(300)는 상용 전력 계통 주파수로 동작하여 전력을 부하(50)와 상용 전력 계통(10)으로 공급할 수 있다.The rectified sinusoidal current on the side of the DC link capacitor 250 is linked to the power system via the grid link inverter 300. The grid-connected inverter (300) operates at a commercial power system frequency and can supply power to the load (50) and the commercial power system (10).

배터리(20)는 태양전지 모듈(100)에서 발전된 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 공급하기 위해 양방향 컨버터(400)를 통해 직류 콘덴서 측과 병렬로 연결되어 있다.The battery 20 is connected in parallel with the DC capacitor through a bidirectional converter 400 to store energy generated from the solar cell module 100 and to supply stored energy.

에너지 저장장치는 태양광 발전 상황, 부하 상황에 따라 에너지를 저장하거나 공급한다. 배터리(20)는 전력 변환장치(200) 및 계통(10)으로부터 양방향 컨버터(400)를 통하여 전력을 공급받을 수 있다. 배터리(20)는 저장된 에너지를 양방향 컨버터(400)를 통해 계통(10)에 제공할 수 있다.The energy storage device stores or supplies energy according to the solar power generation situation and load situation. The battery 20 can receive power from the power converter 200 and the system 10 through the bidirectional converter 400. [ The battery 20 may provide stored energy to the system 10 via the bidirectional converter 400.

제어부는 태양광 발전 시스템의 동작 모드를 결정하고 결정된 동작 모드에 따라 양방향 컨버터(400)를 제어한다. 제어부의 동작모드 결정 방법 및 양방향 컨버터(400)의 제어 방법은 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.The control unit determines the operation mode of the solar power generation system and controls the bidirectional converter 400 according to the determined operation mode. The operation mode determination method of the control unit and the control method of the bidirectional converter 400 will be described in detail below.

도 2는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터(400) 구조의 일례를 나타낸 도면이다. 2 is a diagram showing an example of the structure of a bidirectional converter 400 according to an embodiment of the present invention.

양방향 컨버터(400)는 직류 링크 콘덴서(250)의 양단에 병렬로 연결되어 배터리(20)와 직류 링크 콘덴서(250) 사이에서 배터리의 충전, 방전 과정에서 전류의 흐름을 제어할 수 있다.The bidirectional converter 400 may be connected in parallel to both ends of the DC link capacitor 250 to control the flow of current during charging and discharging of the battery between the battery 20 and the DC link capacitor 250.

양방향 컨버터(400)는 배터리(20)의 전압이 311V보다 작다면 0V 에서 311V 까지 변화하는 직류 링크 콘덴서(250)와 양방향 승강압 동작이 가능하도록 제어된다. 여기에서 직류 링크 콘데서(250)의 양단 전압이 0V에서 311V(220√2)까지 변화하는 것은 상용 전력 계통이 220V인 경우의 일례로, 직류 링크 콘덴서(250) 양단의 전압은 연계된 상용 계통 전압의 크기에 따라 가변적일 수 있다.The bidirectional converter 400 is controlled so as to be capable of bidirectional up-down operation with the DC link capacitor 250 changing from 0 V to 311 V if the voltage of the battery 20 is less than 311 V. The voltage across the DC link capacitor 250 varies from 0 V to 311 V (220 V). This is an example of a case where the commercial power system is 220 V. The voltage across the DC link capacitor 250 is the voltage Lt; RTI ID = 0.0 > size. ≪ / RTI >

양방향 컨버터(400)는 4개의 양방향 컨버터 스위치(402, 403, 404, 405)와 양방향 컨버터 인덕터(406), 배터리측 링크 콘덴서(407)로 구성될 수 있다.The bidirectional converter 400 may be composed of four bidirectional converter switches 402, 403, 404, and 405, a bidirectional converter inductor 406, and a battery side link capacitor 407.

도 3은 양방향 컨버터(400)의 입출력 파형을 도시한 것이다.3 shows an input / output waveform of the bidirectional converter 400. In FIG.

도 3에서 파형 287은 직류 링크 콘덴서(250)의 전압 파형을, 파형 286은 직류 링크 콘덴서(250)의 전류 파형을 나타낸 것이다. 파형 411 및 파형 412는 각각 배터리(20)의 DC 전압, DC 전류 파형을 나타낸 것이다. 도 3의 예시와 같이 직류 링크 콘덴서(250)의 전압, 전류 파형 286, 287과 배터리(20)의 전압, 전류 파형 411, 412가 상이 하므로, 배터리(20)가 태양광 발전 시스템 및 상용 전력 계통과 연계하여 동작하기 위해서는 양방향 컨버터(400)에 대한 적절한 제어가 필요하다. 배터리(20)가 상용 전력 계통(10)과 연계되어 동작할 때 배터리(20)의 전류 파형(412)에는 상용 전력 계통(10)의 2배 주파수(상용 전력 계통의 주파수가 60Hz임을 가정하면 120MHz)의 리플 파형이 나타날 수 있다. 본 발명의 일 실시례에서 이러한 리플 파형은 배터리측 링크 콘덴서(407)의 용량을 증가시켜 최소화 할 수 있다. 이하에서는 양방향 컨버터(400)의 각 동작 모드에서의 동작과 그 제어방법을 보다 상세히 설명한다.3, the waveform 287 shows the voltage waveform of the DC link capacitor 250, and the waveform 286 shows the current waveform of the DC link capacitor 250. Waveform 411 and waveform 412 show DC voltage and DC current waveform of battery 20, respectively. The voltage of the DC link capacitor 250, the current waveforms 286 and 287 and the voltage of the battery 20 and the current waveforms 411 and 412 are different from each other as in the example of FIG. 3, so that the battery 20 is connected to the solar power generation system and the commercial power system Proper control of the bidirectional converter 400 is required. When the battery 20 operates in conjunction with the commercial power system 10, the current waveform 412 of the battery 20 is multiplied by two times the commercial power system 10 frequency (120 MHz, assuming that the commercial power system frequency is 60 Hz) ) May appear. In one embodiment of the present invention, such a ripple waveform can be minimized by increasing the capacity of the battery side link capacitor 407. [ Hereinafter, the operation of the bidirectional converter 400 in each operation mode and its control method will be described in more detail.

본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터(400)는 승강압 모드(buck-boost mode), 승압 모드(boost mode), 강압 모드(buck mode) 중 어느 하나로 동작할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터(400) 제어 방법에서 이용되는 승강압 모드 및 승압모드에서의 동작에 대해 설명한다.The bidirectional converter 400 according to the embodiment of the present invention can operate in either a buck-boost mode, a boost mode, or a buck mode. Hereinafter, the operation in the step-up / step-down mode and step-up mode used in the control method of the bidirectional converter 400 according to the embodiment of the present invention will be described.

도 4는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터의 승강압 모드 동작을 나타낸 것이다.4 shows the operation of the bidirectional converter according to the embodiment of the present invention in the step-up and step-down mode.

태양광 발전 시스템 또는 상용 전력 계통으로부터 전력을 공급받아 배터리(20)를 충전할 때, 승강압 모드는 도 4의 mode 1 및 mode 2 의 동작으로 수행될 수 있다.When the battery 20 is supplied with power from the photovoltaic power generation system or the commercial power system, the step-up / down mode can be performed by the operation of mode 1 and mode 2 of FIG.

Mode 1로 동작할 때, 스위치 1(402) 및 스위치 4(405)는 단락되고 스위치 2(403)와 스위치 3(404)이 개방되어 인덕터(406)에 에너지를 축적한다. Mode 2로 동작할 때에는 스위치 1,4(402,405)가 개방되면서 스위치 2,3(403,404)에 내장된 역병렬 다이오드를 통해 인덕터(406)에 저장된 에너지를 출력 측(배터리 측 링크 콘덴서)에 전달(배터리 충전)한다. 즉, Mode 1 과 Mode 2의 동작이 반복되어 직류 링크 콘덴서(250)에 저장된 에너지를 배터리측 링크 콘덴서(407)로 전달할 수 있다. When operating in Mode 1, switch 1 402 and switch 4 405 are shorted and switch 2 403 and switch 3 404 are open to store energy in inductor 406. Mode 2, the switches 1 and 4 (402 and 405) are opened and the energy stored in the inductor 406 is transmitted to the output side (battery side link capacitor) through the anti-parallel diode built in the switches 2 and 3 (403 and 404) Battery charging). That is, the operations of Mode 1 and Mode 2 are repeated to transfer the energy stored in the DC link capacitor 250 to the battery side link capacitor 407.

본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터(400)는 대칭형이므로 스위치 1,4(402,405)와 스위치 2,3(403,404)의 역할이 바뀐다면 배터리 측 링크 콘덴서(407)방향으로부터 직류 링크 콘덴서(250) 방향의 전력 흐름(배터리 방전)도 상술한 방법과 동일한 방법으로 가능하다. 즉, 배터리 방전은 스위치 2, 3이 단락되고 스위치 1, 4가 개방되어 배터리측 링크 콘덴서에 저장된 에너지(배터리에 저장된 에너지)가 인덕터(406)에 저장되고, 이후 스위치 2, 3이 개방되면 스위치 1, 4에 내장되어 있는 역병렬 다이오드를 통해 인덕터(406)에 저장된 에너지가 직류 링크 콘덴서(250)를 통해 상용 전력 계통 또는 부하에 전달될 수 있다.Since the bidirectional converter 400 according to the embodiment of the present invention is symmetrical, if the roles of the switches 1, 4 402 and 405 and the switches 2 and 3 403 and 404 are changed, the DC link capacitor 250 is disconnected from the battery side link capacitor 407, (Battery discharge) is also possible in the same manner as the above-described method. That is, when the switches 2 and 3 are opened and the switches 1 and 4 are opened, energy stored in the battery side link capacitor (energy stored in the battery) is stored in the inductor 406, The energy stored in the inductor 406 through the anti-parallel diodes incorporated in the DC link capacitors 250 and 250 can be transmitted to the commercial power system or load through the DC link capacitor 250.

도 5는 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터의 승압 모드 동작을 나타낸 것이다.5 illustrates the boost mode operation of the bidirectional converter according to an embodiment of the present invention.

배터리(20) 충전 시 승압 모드는 도 4에서 예시한 승강압 모드와 마찬가지로 양방향 컨버터(400)의 각 스위치 동작에 따라 도 5와 같이 2가지 모드(mode 1, mode 2)로 나누어진다.The boosting mode when charging the battery 20 is divided into two modes (mode 1 and mode 2) as shown in FIG. 5 according to the operation of each switch of the bidirectional converter 400, like the up / down mode shown in FIG.

Mode 1로 동작할 때, 스위치 1(402)과 스위치 4(405)가 단락되고, 스위치 2(403)와 스위치 3(404)이 개방 됨으로써 인덕터에 에너지를 축적한다. Mode 2로 동작할 때, 스위치 1(402)은 Mode 1로 동작할 때와 같이 계속 단락된 상태를 유지하며 스위치 4(405)만이 개방된다. 이 때, 스위치 2(403)에 내장된 역병렬 다이오드를 통해 입력단(직류 링크 콘덴서)의 전압과 인덕터(406)에 저장된 에너지에 의한 전압이 동시에 출력 측(배터리측 링크 콘덴서)에 인가되면서 승압을 하며 에너지를 전달한다. 컨버터가 대칭형이므로 앞서 설명한 승강압 모드와 마찬가지로 배터리 측 링크 콘덴서(407)방향으로부터 직류 링크 콘덴서(250) 방향의 전력 흐름(배터리 방전)도 같은 방법으로 가능하다.When operating in Mode 1, switch 1 402 and switch 4 405 are short-circuited, and switch 2 403 and switch 3 404 are opened to store energy in the inductor. When operating in Mode 2, switch 1 (402) remains in a shorted state, such as when operating in Mode 1, and only switch 4 (405) is open. At this time, the voltage of the input stage (DC link capacitor) and the voltage of the energy stored in the inductor 406 are simultaneously applied to the output side (battery side link capacitor) through the antiparallel diode built in the switch 2 403, And transmits energy. Since the converter is symmetrical, power flow (battery discharge) in the direction of the DC link capacitor 250 from the direction of the battery side link capacitor 407 can be performed in the same manner as the above-described step-up / down pressure mode.

도 6은 직류 링크 콘덴서 전압에 따른 양방향 컨버터 동작 모드를 나타낸 그래프이다. 6 is a graph showing a bidirectional converter operation mode according to a DC link capacitor voltage.

도 6에서 파형 287은 직류 링크 콘덴서(250) 양단의 전압을, 411은 직류 링크 콘덴서(250) 양단의 전압의 최대치를, 점선으로 표시된 412는 배터리(20)의 전압을, 413은 모드 전환이 이루어지는 모드 전환 전압을 각각 의미한다.6, reference numeral 287 denotes a voltage across the DC link capacitor 250, 411 denotes a maximum voltage across the DC link capacitor 250, 412 denotes a voltage of the battery 20, Quot; mode switching voltage "

본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터 제어 방법에 있어서, 앞서 설명한 승강압 모드와 승압 모드는 직류 링크 콘덴서(250) 양단 전압과 배터리 전압의 크기에 따라 구간을 나누어 동작할 수 있다. 배터리(20)의 방전 시 배터리 전압(412)을 기준으로 승압 구간과 강압 구간이 나누어 질 수 있다.In the method of controlling the bidirectional converter according to the embodiment of the present invention, the up-down voltage mode and the voltage-up mode described above may operate in divided periods according to the voltage across the DC link capacitor 250 and the magnitude of the battery voltage. The voltage rising period and the voltage falling period can be divided based on the battery voltage 412 during the discharge of the battery 20. [

이때 승강압 모드로 동작할 때에는 모든 구간에서 전류 출력이 가능하지만 도 4에서 예시한 바와 같이 2개의 스위치의 동작에 의하므로 스위칭 손실이 클 수 있다. 동작하는 스위치의 수에 따라 증가할 수 있는 스위칭 손실을 줄이기 위하여 본 발명의 실시례에 따른 제어 방법은 승압 구간을 하나의 스위치 동작으로 이루어지는 도 5와 같은 승압 모드로 동작하도록 하여, 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 또한 충전의 경우에는 정현파 곡선의 특성상 제어 방법을 단순화하기 위하여 승강압 모드로만 동작하도록 할 수 있다. 즉, 충전시에는 구간 a (415), 및 구간 b(416) 모두에서 승강압 모드로만 동작하도록 제어하고, 방전시에는 직류 링크 콘덴서 전압이 배터리 전압에 미달하는 구간 a(415) 에서는 승강압 모드로, 직류 링크 콘덴서 전압이 배터리 전압을 상회하는 구간 b(416)에서는 승압 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.At this time, when operating in the step-up / down mode, the current output is possible in all the sections. However, since the operation of the two switches is performed as illustrated in FIG. 4, the switching loss may be large. In order to reduce the switching loss that may increase depending on the number of operating switches, the control method according to the embodiment of the present invention allows the boosting section to operate in the boosting mode as shown in FIG. 5, . Also, in case of charging, it is possible to operate only in the up / down mode in order to simplify the control method due to the characteristic of the sinusoidal curve. That is, during charging, only the period a (415) and the period b (416) are controlled to operate in the step-up / down mode only. During the discharge, in the section a 415 in which the DC link capacitor voltage is less than the battery voltage, , And can be controlled to operate in the step-up mode in the section b (416) where the DC link capacitor voltage exceeds the battery voltage.

도 6의 예에서 배터리 전압(412)을 기준으로 동작모드 전환을 결정할 경우, 계통 전압의 변화, 외부 노이즈, 배터리 전압의 변화, 스위칭 할 때의 비율의 급격한 변화에 따라 오동작이 유발될 수 있다. 도 6의 예에서 전압(413)과 배터리 전압(412)간의 차(414)는 이를 고려한 것으로, 배터리 전압(412)보다 높은 전압을 모드 전환 전압(413)으로 설정한 예를 나타낸 것이다. 이때 모드 전환 전압(413)과 배터리 전압(412)간의 차(414)는 시스템의 신뢰성과 효율의 요구 정도에 따라 결정될 수 있다.In the example of FIG. 6, when the operation mode is switched on the basis of the battery voltage 412, a malfunction may be caused by a change in the system voltage, external noise, a change in the battery voltage, or a sudden change in the ratio in switching. In the example of FIG. 6, the difference 414 between the voltage 413 and the battery voltage 412 takes this into consideration, and a voltage higher than the battery voltage 412 is set as the mode switching voltage 413. At this time, the difference 414 between the mode switching voltage 413 and the battery voltage 412 can be determined according to the degree of reliability and efficiency of the system.

도 7은 양방향 컨버터의 동작 모드 선택 절차를 나타낸 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating an operation mode selection procedure of the bidirectional converter.

제어부의 부하-태양전지 전력 비교기는 부하 전력(PLoad)과 태양전지 전력(PPV)을 비교한다(S421). 비교 결과에 충전 모드(S422)와 방전 모드(423)를 결정하고 해당 모드로 전환할 수 있다. 충전 모드로 결정된 경우(S422) 앞서 설명한 바와 같이 승강압 모드로만 동작한다(S451). 방전 모드로 결정된 경우(S423), 제어부의 배터리 전압 검출기에서 배터리의 방전량을 확인한다(S424). 잔량이 없다면 대기모드로 동작(S426)하고, 잔량이 있을 경우에는 직류 링크 콘덴서-배터리 전압 비교기가 모드 전환 전압(도 6의 413)을 기준으로 승강압 모드(451)와 승압 모드(456) 중 어느 하나를 동작 모드로 결정한다.The load-solar battery power comparator of the control unit compares the load power (P Load ) with the solar battery power ( PV ) (S421). The charging mode (S422) and the discharge mode (423) can be determined and switched to the corresponding mode. When the charging mode is determined (S422), the charging / discharging mode is operated only as described above (S451). If the discharge mode is determined (S423), the battery voltage detector of the control unit checks the discharge amount of the battery (S424). If there is no remaining amount, the DC link capacitor-battery voltage comparator operates in the step-up / down mode 451 and the step-up mode 456 based on the mode switching voltage (413 in FIG. 6) And determines one of them as the operation mode.

도 8 및 도 9는 각각 배터리 충전시와 배터리 방전시 양방향 컨버터의 제어 구조도를 도시한 것이다.8 and 9 show a control structure of the bidirectional converter at the time of charging the battery and discharging the battery, respectively.

배터리 충전시 도 8과 같이 양방향 컨버터의 제어부는 배터리 지령 전압(501)과 실제 배터리 전압(502)에 대한 오차(504)를 비례적분 제어기(505)를 통하여 계산한 값과 상용 계통 전압(507)을 통하여 검출한 위상에 정류된 정현파(509)를 곱하여(510) 배터리 지령 전류(511)를 생성한다. 생성된 배터리 지령 전류(511)는 검출된 배터리 전류(512)와 다시 비례 적분기를 통하여 직류 기준파를 생성한다. 이 기준파와 양방향 컨버터의 스위칭 주파수로 설정한 반송파(513)와 비교하여 양방향 컨버터의 스위치 신호(515)를 출력한다.When the battery is charged, the control unit of the bidirectional converter, as shown in FIG. 8, calculates the error 504 for the battery command voltage 501 and the actual battery voltage 502 from the value calculated through the proportional-integral controller 505 and the commercial grid voltage 507, (510) and generates a battery command current (511) by multiplying the detected phase by the rectified sine wave (509). The generated battery command current 511 generates the DC reference wave through the detected battery current 512 and the proportional integrator again. And outputs the switch signal 515 of the bidirectional converter as compared with the reference wave and the carrier wave 513 set to the switching frequency of the bidirectional converter.

배터리 방전시 도 9와 같이 정류된 정현파를 기준파로 갖는 스위칭 동작을 한다. 즉, 직류링크 콘덴서 전압과 배터리 전압의 대소 비교를 통하여 승강압 모드와 승압모드 간 전환이 이루어지도록 한다. 배터리 방전시에는 배터리 충전시와 달리 전압제어 없이 배터리 전류만을 제어 한다. 배터리의 방전이 계속되면서 배터리 전압이 일전 전압(종지 전압)에 도달 하였을 경우 도 9의 제어기는 정지하고 대기모드로 동작(도 7의 S426)한다.When the battery is discharged, as shown in Fig. 9, a switching operation is performed with a rectified sine wave as a reference wave. That is, the switching between the step-up / down mode and the step-up mode is performed by comparing the magnitude of the DC link capacitor voltage and the battery voltage. Unlike battery charging, battery discharge only controls battery current without voltage control. When the battery voltage continues to be discharged and the battery voltage reaches the one-time voltage (end voltage), the controller in Fig. 9 stops and operates in the standby mode (S426 in Fig. 7).

상술한 에너지 저장장치를 구비한 태양광 발전 시스템에 있어서 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터 제어 방법은 부하 상황에 따라 에너지 저장 장치의 배터리에 에너지를 저장하거나 배터리의 방전을 통해 부하에 에너지를 저장할 수 있어, 최대 부하에 대한 보상이 가능하다. 본 발명의 실시례에 따른 양방향 컨버터 제어 방법은 간단한 구조를 통하여 효율적인 제어가 가능하다.In the solar power generation system having the above-described energy storage device, the bidirectional converter control method according to the embodiment of the present invention may store energy in the battery of the energy storage device or store energy in the load through discharge of the battery, It is possible to compensate for the maximum load. The bidirectional converter control method according to the embodiment of the present invention can be efficiently controlled through a simple structure.

상술한 실시예들은 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.The above-described embodiments include examples of various aspects. While it is not possible to describe every possible combination for expressing various aspects, one of ordinary skill in the art will recognize that other combinations are possible. Accordingly, it is intended that the invention include all alternatives, modifications and variations that fall within the scope of the following claims.

10 : 상용 전력 계통
20 : 배터리
50 : 부하
100 : 태양전지 모듈
200 : 전력 변환 장치
250 : 직류 링크 콘덴서
300 : 계통 연계 인버터
400 : 양방향 컨버터10: Commercial power system
20: Battery
50: Load
100: solar cell module
200: power conversion device
250: DC link capacitor
300: Grid-connected inverter
400: Bi-directional converter

Claims (8)

태양광 발전 모듈;
상기 태양광 발전 모듈의 직류 출력 전류를 맥류 파형의 출력 전류로 변환하는 전력 변환 모듈;
상기 전력 변환 모듈에 병렬 연결된 직류 링크 콘덴서;
상기 직류 링크 콘덴서에 병렬 연결되어, 상기 맥류 파형의 출력 전류를 정현파로 변환하고, 상용 전력 계통 또는 수용가 부하를 연계시키는 계통 연계 인버터;
상기 직류 링크 콘덴서와 병렬 연결되어 상기 직류 링크 콘덴서로부터 에너지를 공급받아 저장하거나, 상기 직류 링크 콘덴서로 에너지를 공급하는 에너지 저장장치; 및
상기 에너지 저장장치의 동작 모드를 결정하고, 결정된 동작 모드에 따라 상기 에너지 저장장치를 제어하는 제어부;를 포함하는 태양광 발전 시스템.
PV modules;
A power conversion module for converting a direct current output current of the photovoltaic generation module into an output current of a ripple waveform;
A DC link capacitor connected in parallel to the power conversion module;
A grid-connected inverter connected in parallel to the DC link capacitor to convert an output current of the pulsating current waveform into a sinusoidal wave and to couple a commercial power system or a consumer load;
An energy storage device connected in parallel with the DC link capacitor to receive and store energy from the DC link capacitor or to supply energy to the DC link capacitor; And
And a controller for determining an operation mode of the energy storage device and controlling the energy storage device according to the determined operation mode.
제1 항에 있어서, 상기 에너지 저장장치는:
충전을 통하여 에너지를 저장하거나 방전을 통하여 에너지를 공급하는 배터리;
상기 배터리의 직류 출력 전류를 맥류 파형의 출력 전류로 변환하여 상기 직류 링크 콘덴서에 공급하거나, 상기 직류 링크 콘덴서의 맥류 파형의 전류를 직류 전류로 변환하여 상기 배터리에 공급하는 양방향 컨버터를 포함하는 태양광 발전 시스템.
The apparatus of claim 1, wherein the energy storage device comprises:
A battery that stores energy through charging or supplies energy through discharging;
And a bidirectional converter for converting the direct current output current of the battery into an output current of a pulsating current waveform and supplying the direct current output current to the DC link capacitor or converting the current of the pulse current waveform of the DC link capacitor to a DC current, Power generation system.
제2 항에 있어서,
상기 양방향 컨버터의 상기 동작모드는 승강압 모드(buck-boost mode) 또는 승압 모드(boost mode) 중 어느 하나인 태양광 발전 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the operation mode of the bidirectional converter is one of a buck-boost mode and a boost mode.
제2 항에 있어서,
상기 양방향 컨버터의 동작모드 결정은 상기 직류 링크 콘덴서의 양단에 걸린 전압 및 상기 배터리의 전압에 기반하여 결정되는 태양광 발전 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the determination of the operating mode of the bi-directional converter is determined based on the voltage across the DC link capacitor and the voltage of the battery.
제2 항에 있어서,
상기 양방향 컨버터의 동작모드는 상기 직류 링크 콘덴서의 양단에 걸린 전압이 상기 배터리의 전압에 미달하는 제1 구간 및 상기 직류 링크 콘덴서의 양단에 걸린 전압이 상기 배터리의 전압을 초과하는 제2 구간으로 나뉘어 결정되는 태양광 발전 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the operation mode of the bi-directional converter is divided into a first period in which a voltage across the DC link capacitor is less than a voltage of the battery, and a second period in which a voltage across both ends of the DC link capacitor exceeds a voltage of the battery A photovoltaic system determined.
제5 항에 있어서,
상기 배터리의 충전시, 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간에서의 상기 양방향 컨버터의 동작모드는 승강압 모드로 결정되는 태양광 발전 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the operation mode of the bidirectional converter in the first section and the second section is determined to be a step-up / down mode when the battery is charged.
제5 항에 있어서,
상기 배터리의 방전시, 상기 제1 구간에서의 상기 양방향 컨버터의 동작모드는 승강압 모드로 결정되고,
상기 제2 구간에서의 상기 양방향 컨버터의 동작모드는 승압 모드로 결정되는 태양광 발전 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein when the battery is discharged, the operation mode of the bidirectional converter in the first section is determined as a step-up / down mode,
Wherein the operation mode of the bidirectional converter in the second section is determined to be a boosting mode.
제1 항에 있어서,
상기 전력 변환 장치는 상기 태양전지 모듈에 집적된 집적형 직류-직류 전력변환장치인 태양광 발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the power conversion device is an integrated DC-DC power conversion device integrated in the solar cell module.
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