KR20170014068A - Dc/dc 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양광(pv)으로 대표되는 신재생 에너지 발전 시스템 등에 적용 가능한 부스트 컨버터 등의 직류 링크 전압 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법은, DC/DC 컨버터에 적용되는 직류 링크 전압의 제어 방법에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 클 경우 상기 직류 링크 전압값을 상기 입력 전압값과 DCM 회피 전압값의 합으로 설정하는 제1 단계 및 상기 DC/DC 컨버터에 대한 입력 전압이 상기 계통 전압의 피크값 보다 작을 경우 상기 직류 링크 전압값을 상기 계통 전압 피크값과 마진값의 합으로 설정하는 제 2 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING DC-LINK VOLTAGE OF DC/DC CONVERTER}

본 발명은 부스트 컨버터와 같은 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양광(photovoltaic: pv)으로 대표되는 신재생 에너지 발전 시스템 등에 적용 가능한 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법에 관한 것이다.

오늘날 기존의 화석 에너지를 대신할 수 있는 신재생 에너지의 개발에 대한 투자와 관심의 증가가 계속되고 있다. 풍력, 연료전지, 태양광을 비롯하여 신재생 에너지원은 점차 지속 가능한 친환경적 재료를 활용하는 방향으로 변화하고 있으며, 앞으로는 선택적인 사용이 아닌 필수 불가결한 대상이 될 것이다.

태양광 발전의 장점에 관해서는 다양한 매체와 자료에 의해 보편적 사실이 될 만큼 널리 알려져 있다. 하지만 전체적인 전력 계통에 있어 석유, 석탄, 가스, 원자력 등 기존 에너지원 발전과 비교해 태양광 발전이 차지하고 있는 부분은 크지 않은 것이 또한 사실이다.

그러나 현 시대의 흐름에 비추어 앞으로 경제적 요소가 보완된다면, 태양광 발전의 효용성은 획기적으로 증대될 전망이다.

발전이라는 응용분야의 특성상 효율은 시스템 설계의 핵심이다. 태양광 발전 시스템에 있어서도 같은 특징을 갖는다. 따라서 보다 높은 효율을 지향하기 위해 다양한 기법들이 논의 되고 있다.

또한 태양광 발전은 태양광 어레이로부터 얻게 되는 낮은 출력 전압에 대한 승압이 요구되기 때문에 부스트 컨버터와의 연계가 불가피하고, 발전 효율 향상을 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추적) 알고리즘을 수행해야 한다.

이 과정에서 일사량과 온도에 따라 변화하는 최대 전력점을 추종하기 위해서는, 모드의 자동 절환에 따른 CCM(Continuous Conduction Mode)과 DCM(Discontinuous Conduction Mode)의 모든 구간에서 부스트 컨버터가 정확히 동작되어야 한다.

하지만 CCM과 달리 DCM은 영전류 구간이 존재함으로 인해 디지털 제어기에서 평균 전류를 구하는데 어려움이 발생한다는 문제점이 있다. 그리고 이로 인해 정확한 최대 전력점을 추적할 수 없어 결과적으로 높은 발전 효율을 기대하기 어렵게 만든다는 등의 문제점을 갖는다.

따라서, 태양광 발전 시스템 등에 있어서 고효율의 MPPT 알고리즘 수행이 가능할 수 있도록 DCM의 발생 방지가 가능한 부스트 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법을 제안하고자 한다.

참고로, 본 발명의 명세서에서는 태양광 발전 시스템과 이에 적용되는 부스트 컨버터를 중심으로 실시예를 설명하겠으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 부스트 컨버터를 포함하는 모든 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어에 적용 가능할 수 있음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 태양광(pv)으로 대표되는 신재생 에너지 발전 시스템 등에 적용 가능한 부스트 컨버터 등의 직류 링크 전압 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법은, DC/DC 컨버터에 적용되는 직류 링크 전압의 제어 방법에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 클 경우 상기 직류 링크 전압값을 상기 입력 전압값과 DCM 회피 전압값의 합으로 설정하는 제1 단계 및 상기 DC/DC 컨버터에 대한 입력 전압이 상기 계통 전압의 피크값 보다 작을 경우 상기 직류 링크 전압값을 상기 계통 전압 피크값과 마진값의 합으로 설정하는 제 2 단계를 포함하는 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법을 제공할 수 있다.

여기서, 상기 입력 전압의 기준값 및 상기 직류 링크 전압의 기준값은, 입력 전류 기준값 및 출력 전류 기준값을 생성한 후 이를 이용해 산출하도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 입력 전류 기준값은, 상기 입력 전압 및 입력 전압 기준값의 오차값을 이용한 비례적분 제어 과정을 통해 생성되고, 상기 출력 전류 기준값은, 상기 직류 링크 전압 및 직류 링크 전압 기준값의 오차값을 이용한 비례적분 제어 과정을 통해 생성되도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 부스트 컨버터 등의 직류 링크 전압 제어 방법에 의하면, 평균 전류 산정에 어려움이 있어 이로 인해 정확한 최대 전력점 등의 산정을 곤란하게 하던 DCM의 발생을 방지할 수 있게 됨으로써, 태양광 발전 시스템 등에 있어 보다 높은 발전 효율을 얻을 수 있도록 한다는 등의 장점이 있다.

다시 말해, 입력 조건이 상시 변화하고 이에 따라 낮은 입력 전력 및 전류에서 DCM 동작을 하게 되는 태양광 발전 시스템 등에 있어, DCM 동작의 발생을 방지하고 CCM 상태를 유지할 수 있도록 함으로써, 효율적인 MPPT 알고리즘의 수행 등이 가능할 수 있도록 작용한다.

도 1은 통상의 태양광 발전 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 부스트 컨버터의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 3은 도 2에 있어 입력 전류 기준값을 생성하기 위한 과정을 개념적으로 나타낸 설명도이다.
도 4는 도 2에 있어 출력 전류 기준값을 생성하기 위한 과정을 개념적으로 나타낸 설명도이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 통상의 태양광 발전 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.

도 1을 참조하면, 통상의 태양광 발전 시스템은 태양전지(pv) 어레이(10), 부스트 컨버터(20), 인버터(30) 및 계통(40) 등의 구성요소를 포함함을 확인할 수 있다.

부스트 컨버터(20)는 태양전지 어레이(10)의 입력 전압이나 출력 부하량에 관계없이 인버터(30)에 일정한 전압을 공급하도록 제어되어야 한다.

또한, DC-AC 인버터(30)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 부하나 계통(40)에 공급해주는데, 계통 연계형 태양광 인버터는 전력 품질을 높이기 위해 많은 제어 시스템이 필요하다. 인버터(30)의 출력 전류는 계통(40)의 전압과 동상이어야 하며 이를 위해 PLL(Phase Locked Loop) 제어 기술, 태양광 전지 어레이의 최고 전력을 유지하기 위한 MPPT 제어 기술 등이 필요하다.

이 과정에서, 일사량과 온도에 따라 변화하는 최대 전력점을 추종하기 위해서는, 모드의 자동 절환 등에 의해 구현되는 CCM(Continuous Conduction Mode)과 DCM(Discontinuous Conduction Mode)의 모든 구간에서 부스트 컨버터가 정확히 동작되어야 함에도 불구하고, CCM과 달리 DCM은 평균 전류를 구하는데 어려움이 있어 이로 인해 정확한 최대 전력점을 추적할 수 없도록 함으로써, 결과적으로 높은 발전 효율을 기대하기 어렵게 만든다는 등의 문제점을 갖는다고 배경기술을 통해 설명한 바 있다.

여기서, CCM(Continuous Condition Mode)은 전류의 크기가 충분히 크거나 리액터 양단 전압 차가 충분한 경우 리액터에 흐르는 전류가 연속이 되는 모드를 의미하며, DCM(Discontinuous Conduction Mode)은 전류의 크기가 작거나 리액터 양단 전압 차가 큰 경우 리액터에 흐르는 전류가 연속되지 못하는 모드를 의미한다.

도 2는 도 1에 적용되는 부스트 컨버터의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.

도 2를 참조하면, 통상의 태양광 발전 시스템 등에 적용되는 부스트 컨버터는, 스위치 모듈(110), 직류 인덕터(DCL, 120), 직류 변류기(DC CT, 130) 및 직류 링크 커패시터(140) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.

즉, 부스트 컨버터는 스위치 모듈(110)이 온(On)/오프(Off)를 반복하며 전력을 입력단으로부터 출력단으로 내보내는 동작을 하며, 이 과정에서 승압 등의 기능을 수행하게 된다.

이와 같은 부스트 컨버터는, 입력 전류가 작거나 직류 인덕터(120)의 인덕턴스 값이 작거나 또는 입력단과 출력단 사이의 전압차가 큰 경우 등에 DCM 동작을 하게 되며, 이 경우 직류 변류기(130)가 평균 전류값 등을 구하지 못해 전류 측정 오차를 발생하게 된다는 단점이 있다.

하지만, 직류 인덕터(120)의 경우 용량을 증가시키기 위해서는 제조 비용이나 시스템의 부피 및 무게 등이 증가된다는 한계가 있기 때문에, 본 발명에서는 입력단과 출력단의 전압차에 대한 보상값 생성을 통해 DCM 동작이 발생되는 것을 방지하는 방안을 제시하고자 한다.

즉, 본 발명은, 부스트 컨버터의 입력 전압과 계통 전압의 비교를 통해, 상황에 맞게 직류 링크 제어 전압을 실시간 보상함으로써, 결과적으로 입력단과 출력단 사이의 전압차를 최소화 시킬 수 있게 되어 부스트 컨버터가 상시적으로 CCM 동작을 수행하도록 하기 위한 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법은, 부스트 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 클 경우 직류 링크 전압값을 입력 전압값과 DCM 회피 전압값의 합으로 설정하며, 부스트 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 작을 경우 직류 링크 전압값을 계통 전압 피크값과 마진값의 합으로 설정하도록 하는 구성을 갖는다. 다시 말해, 직류 링크 전압값을, 입력 전압값과 계통 전압의 피크값 중 더 큰 값에 일정 수준의 보상값(DCM 회피 전압 또는 마진)을 더한 값으로 설정하도록 함으로써, 결과적으로 입력 전압값과 출력 전압값 사이의 균형을 유지시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 계통 전압의 피크값이라 함은, ωt의 주기를 갖기 때문에 V × sin(ωt)로 표현 가능한 계통 전압에 있어 V 값을 의미하며, DCM 회피 전압값이나 마진값은 실험 등을 통해 얻어질 수 있는 각각의 시스템 별 고유값을 의미한다.

즉, 각각의 시스템의 성능이나 구성 환경 등에 따라 직류 링크 제어 전압을 적절히 보상할 수 있도록 결정된 전압값을, 본 발명에서는 'DCM 회피 전압값'과 '마진값'으로 부르기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법에 적용되는 입력 전류 기준값 생성 과정을 개념적으로 나타낸 설명도이고, 도 4는 출력 전류 기준값을 생성하기 위한 과정을 개념적으로 나타낸 설명도이다..

먼저 도 3을 참조하면, 입력 전류 기준값(Ipv*)의 생성은, 신호 가감기(210)를 통해 입력 전압(Vpv) 및 입력 전압 기준값(Vpv*) 사이의 오차값(Vpv_err)을 생성한 후, 이를 비례적분 제어기(220)를 통한 비례적분 제어 과정과 신호 가산기(230)를 통한 신호 보상 과정 및 제한기(240)를 통한 신호 제한 과정 등을 통해 이루어짐을 확인할 수 있다. 여기서, 입력 전압 기준값(Vpv*)은 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추적) 알고리즘에 의해 구해지는 최대 전력점 추종 전압값과 동일한 값으로, 이를 이용해 입력 전압(Vpv)을 실시간 보상함으로써 결과적으로 입력 전압(Vpv)이 입력 전압 기준값(Vpv*)에 근접될 수 있도록 기능한다.

즉, 현재의 입력 전압(Vpv)과 입력 전압 기준값(Vpv*) 사이의 차이값(Vpv_err)을 이용해 여러 단계를 거쳐 입력 전류 기준값(Ipv*)을 생성할 수 있으며, 이와 같이 생성된 입력 전류 기준값(Ipv*)을 다시 입력 전압(Vpv)의 제어를 위해 사용할 수 있다.

다음 도 4를 살펴보면, 신호 가감기(310)를 통해 입력 전압(Vpv)이나 직류 링크 전압(Vdc)과 입력 전압의 기준값(Vpv*)이나 직류 링크 전압의 기준값(Vdc*) 사이의 오차(Vdc_err)를 생성한 후, 이를 비례적분 제어기(320)를 통한 비례적분 제어 과정과 신호 가산기(330)를 통한 신호 보상 과정 및 제한기(340)를 통한 신호 제한 과정 등을 통해 출력 전류 기준값(Iinv*)을 생성하게 됨을 확인할 수 있다.

즉, 직류 링크 전압의 기준값(Vdc*)은 인버터 시스템의 특성상 계통 전압의 피크값 보다 높은 값으로 존재해야만 계통 전압을 생성할 수 있으나, 입력 전압(Vpv)과의 차가 일정 수준을 벗어나는 경우 DCM 발생의 원인이 된다. 따라서, 직류 링크 전압의 기준값(Vdc*)과 입력 전압(Vpv) 사이의 차이를 실시간 확인하고, 이를 보상을 위한 DCM 회피 전압값이나 마진값 산정의 근거로 이용할 수 있도록 하는 것이다. 따라서, 현재의 입력 전압(Vpv)이나 직류 링크 전압(Vdc)과 입력 전압 기준값(Vpv*)이나 직류 링크 전압의 기준값(Vdc*) 사이의 차이값(Vdc_err)을 이용해 여러 단계를 거쳐 출력 전류 기준값(Iinv*)을 생성할 수 있으며, 이와 같이 생성된 출력 전류 기준값(Iinv*)을 이용해 직류 링크 전압(Vdc)의 제어를 위한 다양한 데이터들을 생성할 수 있다.

다시 말해, 본 발명이 입력 전압값과 출력 전압값 사이의 균형을 유지시킬 수 있도록 하기 위하여, 부스트 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 클 경우 직류 링크 전압값을 입력 전압값과 DCM 회피 전압값의 합으로 설정하며, 부스트 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 작을 경우 직류 링크 전압값을 계통 전압 피크값과 마진값의 합으로 설정하도록 하는 구성을 갖게 됨은 전술한 바 있다.

즉, 도 3 및 도 4는 상기 입력 전압의 기준값(Vpv*)이나 직류 링크 전압의 기준값(Vdc*) 등을 산출하기 위해 필요한, 입력 전류 기준값(Ipv*) 및 출력 전류 기준값(Iinv*)을 생성하기 위한 과정을 설명하고 있으며, 이와 같은 과정을 통해 얻어진 입력 전류 기준값(Ipv*) 및 출력 전류 기준값(Iinv*)을 이용해 입력 전압 기준값(Vpv*)이나 직류 링크 전압의 기준값(Vdc*) 등을 산출함으로써, 입력 전압값과 출력 전압값 사이의 균형 유지를 위해 필요한 DCM 회피 전압값이나 마진값을 계산할 수 있게 되는 것이다.

참고로, 도 3 및 도 4에 도시된 각각의 구성요소는 소프트웨어적인 기능부를 개념적인 구성요소로 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법이 적용되는 태양광 발전 시스템이나 이에 따른 부스트 컨버터 등에 상기의 구성요소들이 물리적으로 구비됨을 의미하지 않음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.

정리하자면, 태양광 발전 시스템에 있어서, 일사량과 온도에 따라 변화하는 최대 전력점을 추종하기 위해서는 CCM(Continuous Conduction Mode)과 DCM(Discontinuous Conduction Mode)의 모든 구간에서 부스트 컨버터가 정확히 동작되어야 하지만, DCM의 경우 정확한 최대 전력점 추적이 어렵다는 문제점을 갖는다. 이러한 DCM은 입력 전류가 작거나 직류 인덕터(DCL)의 인덕턴스가 작거나 또는 입력단과 출력단 사이의 전압차가 큰 경우 등에 주로 발생되지만, 직류 인덕터의 경우 용량을 증가시키기 위해서는 제조 비용이나 전체 시스템의 부피 및 무게 등이 증가된다는 한계가 있기 때문에, 본 발명은 입력단과 출력단의 전압차에 대한 보상값 생성을 통해 DCM 동작이 발생되는 것을 방지될 수 있도록 하는 방안을 제시하고자 하는 목적에서 제안되었다.

그리고 이에 따라, 본 발명에서는 직류 링크 전압값을, 입력 전압값과 계통 전압의 피크값 중 더 큰 값에 일정 수준의 보상값(DCM 회피 전압 또는 마진)을 더한 값으로 설정하도록 함으로써, 결과적으로 입력 전압값과 출력 전압값 사이의 균형을 유지시킬 수 있도록 하는 방법을 개시하고 있다. 이 경우, 직류 링크 전압값에 부가되는 DCM 회피 전압 또는 마진 등의 보상값은 시스템의 상황이나 조건 등에 따라 달라질 수 있음에 대해서는 전술한 바 있다.

또한, 입력 전압의 기준값이나 직류 링크 전압의 기준값 등의 산출을 위해 필요한, 입력 전류 기준값 및 출력 전류 기준값을 생성하는 과정에 대해서는 별도의 도면을 통해 설명한 바 있다.

아울러, 이상에서 설명한 본 발명이 태양광 발전 시스템과 이에 적용되는 부스트 컨버터를 중심으로 명세서에 기재되었으나 본 발명이 이에 한정되지 아니하며, 본 발명이 부스트 컨버터를 포함하는 모든 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어에 적용 가능할 수 있음에 대해서는 전술한 바 있다.

전술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

10: 태양전지 어레이 20: 부스트 컨버터
30: 인버터 40: 계통
110: 스위치 모듈 120: 직류 인덕터
130: 직류 변류기 140: 직류 링크 커패시터

Claims (4)

1. DC/DC 컨버터에 적용되는 직류 링크 전압의 제어 방법에 있어서,
   상기 DC/DC 컨버터에 대한 입력 전압이 계통 전압의 피크값 보다 클 경우 상기 직류 링크 전압값을 상기 입력 전압값과 DCM 회피 전압값의 합으로 설정하는 제1 단계; 및
   상기 DC/DC 컨버터에 대한 입력 전압이 상기 계통 전압의 피크값 보다 작을 경우 상기 직류 링크 전압값을 상기 계통 전압 피크값과 마진값의 합으로 설정하는 제 2 단계;를 포함하는 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 입력 전압의 기준값 및 상기 직류 링크 전압의 기준값은, 입력 전류 기준값 및 출력 전류 기준값을 생성한 후 이를 이용해 산출하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 입력 전류 기준값은, 상기 입력 전압 및 입력 전압 기준값의 오차값을 이용한 비례적분 제어 과정을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 출력 전류 기준값은, 상기 직류 링크 전압 및 직류 링크 전압 기준값의 오차값을 이용한 비례적분 제어 과정을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터의 직류 링크 전압 제어 방법.
   

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