KR20170058661A - 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법 - Google Patents

풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 설치비용을 절감하면서도 하이브리드 발전에 따른 충전 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법에 관한 것으로서, 풍력발전기의 3상을 개별적으로 단락시키는 전계효과트랜지스터(FET)를 포함하는 3상 개별제어 회로부; 상기 풍력발전기의 출력을 조절하여 최대출력점을 제어하는 금속산화막반도체전계효과트랜지스터(MOSFET)를 포함하는 스위칭부; 및 상기 스위칭부를 사용자 입력에 따른 능동 제어하여 상기 풍력발전기의 터빈에 대한 주행 및 브레이크 동작시키는 제어부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법{Solar wind-based hybrid charge controller and charge control method}
본 발명은 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 설치비용을 절감하면서도 하이브리드 발전에 따른 충전 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 발생시키기 위한 발전방법은 발전에 사용되는 원료에 따라 다양한 방법이 있다. 이에 대표적으로 전기를 발생시키기 위해 사용되고 있는 발전 방법에는 석탄 및 석유 등의 화석연료를 원료로 사용하는 화력발전이나 우라늄 등의 방사성 원소를 사용하는 원자력 발전 등이 널리 이용되고 있지만, 화력발전으로 인해 발생하는 폐연료를 매장하는데 한계가 있고, 원자력 발전에 의한 방사성 원소를 처리하는데 소요되는 비용 및 환경오염 등의 문제로 어려움이 있음에 따라 자연에너지를 이용한 발전 방법들이 지속적으로 연구되고 있다.
자연에너지는 신/재생에너지로도 불리는 것으로, 재생에너지로는 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 등이 있으며, 신에너지로는 연료전지, 석탄 액화/가스화, 수소화에너지 등으로 분류되어 있고, 이는 비고갈성 에너지이면서도 환경 친화적인 청정에너지로서 이런 에너지원에 따른 발전방법을 촉진하기 위한 사회적 계획이 계속해서 추진되고 있다. 이 중 태양에너지는 지구상에서 인류가 이용할 수 있는 최대 에너지원임과 동시에 이를 이용한 태양광 발전은 장소를 불문하고 어느 곳에나 설치될 수 있기 때문에 상대적으로 널리 이용되고 있다.
특히, 최근 클린 에너지원으로서 또한 무한 에너지원으로서 풍력과 태양광 발전 등의 재생에너지가 하이브리드 발전 형태로 널리 이용되고 있으며, 이를 위해 하이브리드 발전을 위한 충전 컨트롤러가 제안된 바 있다.
그러나, 종래의 충전 컨트롤러는 풍력터빈의 속도 제어를 위해 외부의 덤프로드를 사용해야 함으로 설치비용이 상승하고 설치면적을 낭비하게 되는 문제점이 있다.
그리고, 상기와 같은 종래의 충전 컨트롤러는 기동풍속 시점을 기준으로 동일한 전력이 생성되도록 발전기의 부하를 제어하기 때문에 풍동 지속 여건에 따라 전력 손실이 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 하이브리드 발전에서는 태양광 발전 효율이 낮아 알고리즘의 보완 및 개선이 필요한 실정이다.
덧붙여, 풍력과 태양광 기반으로 하이브리드 발전함에 있어 배터리의 잔량 계산 및 수명을 정확하게 예측하기 위해 배터리 SOC를 확인하여야 하나, 이를 위해서는 발전입력 및 부하출력을 차단하여야만 하기 때문에 충전 효율이 저하될 수 밖에 없는 문제점이 있다.
KR 10-1430134 B1 KR 10-1181822 B1 KR 10-0889179 B1 KR 10-1466080 B1 KR 10-1104127 B1 KR 10-1024791 B1 KR 10-1382417 B1 KR 10-0542156 B1 KR 10-1212200 B1 KR 10-1174714 B1
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 풍력터빈의 속도제어회로를 충전 컨트롤러 내부에 장착하여 안정적으로 풍력발전을 기동하고 설치비용을 절감하고 설치공간을 최소화할 수 있도록 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 블레이드에 최적화된 풍동 상황을 예측하고 최대전력량을 보다 효과적으로 제어할 수 있도록 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 하이브리드 발전에서 태양광발전 효율이 높일 수 있도록 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 발전에서 배터리의 잔량 및 수명 예측시 부하출력을 차단하지 않고 SOC를 산출할 수 있도록 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러 및 충전 제어방법을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러에 있어서, 풍력발전기의 3상을 개별적으로 단락시키는 전계효과트랜지스터(FET)를 포함하는 3상 개별제어 회로부; 상기 풍력발전기의 출력을 조절하여 최대출력점을 제어하는 금속산화막반도체전계효과트랜지스터(MOSFET)를 포함하는 스위칭부; 및 상기 스위칭부를 사용자 입력에 따른 능동 제어하여 상기 풍력발전기의 터빈에 대한 주행 및 브레이크 동작시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법에 있어서, 충전 시스템을 기설정된 알고리즘으로 초기화하는 단계(A); 풍력발전 및 태양광발전의 발전입력은 연결 상태를 유지하고 부하출력은 연결을 차단하여 배터리의 전압을 측정하는 단계(B); 상기 배터리 전압에 기초하여 배터리의 잔존용량(SOC)을 산출하는 단계(C); 및 상기 풍력발전 및/또는 상기 태양광발전의 가능 여부를 판단하고, 해당 발전모드(풍력발전, 태양광발전, 복합발전)로 상기 배터리를 충전하는 단계(D);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 C단계는, 상기 배터리의 개방전압 및 온도를 검출하는 단계(C-1)와, 상기 배터리의 개방전압을 이용하여 배터리의 잔존용량을 제1산출하는 단계(C-2)와, 상기 배터리의 충전전류 및 방전전류를 검출하는 단계(C-3)와, 상기 배터리의 방전전류를 실시간으로 모니터링하는 쿨롱 카운터를 이용하여 상기 배터리의 잔존용량을 제2산출하는 단계(C-4), 및 상기 쿨롱 카운터의 초기화 여부를 판단하는 단계(C-5)를 포함하며, 상기 쿨롱 카운터를 초기화하면 상기 C-1단계로 피드백되고, 상기 쿨롱 카운터를 초기화하지 않으면 상기 C-3단계로 피드백되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 쿨롱 카운터는 다음의 수학식에 의해 동작하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(여기서, η는 충전전류의 효율 95%이고, IC는 충전전류이고, ID는 방전전류이고, C0은 정격용량이다.)
바람직하게는, 상기 D단계에서 풍력발전은, 풍력발전기가 가동되는 시점에서부터 블레이드의 평균 회전 가속도 및 순간 회전 가속도를 측정하는 단계(D-a-1)와, 상기 측정된 평균 회전 가속도 및 순간 회전 가속도를 기설정된 부하제어변수 테이블에 적용하여 전력량을 기록하는 단계(D-a-2)와, 상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-2)단계를 수회 반복 수행하여 평균 회전 가속도와 순간 회전 가속도의 최대전력량이 출력되는 변수값을 산출하는 단계(D-a-3), 및 상기 변수값을 상기 풍력발전기의 가동구간에 적용하는 단계(D-a-4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (D-a-2)단계에서 출력되는 전력량과 상기 (D-a-3)단계에서 출력되는 변수값이 일정 크기 이상 커지면 상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-3)단계를 재수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 D단계에서 태양광발전은, 태양광발전의 출력전압을 주기적으로 증가 또는 감소시키면서 이전의 출력전력과 현재의 출력전력을 비교하여 최대전력점을 탐색하는 단계(D-b-1)와, 벅 컨버터(Buck Converter)를 제어하여 상기 태양광발전의 출력전압을 상기 최대전력점에 맞게 설정하는 단계(D-b-2)와, 기설정된 제1시간마다 P&O 알고리즘을 반복 수행하여 상기 최대전력점을 추적하는 단계(D-b-3), 및 기설정된 제2시간마다 상기 P&O 알고리즘을 정지한 후 상기 최대전력점을 탐색하는 단계로 피드백하는 단계(D-b-4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2시간의 시간간격은 상기 제1시간의 시간간격보다 큰 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1시간의 시간간격은 1초 이하이며, 상기 제2시간의 시간간격은 10분 이상인 것을 특징으로 한다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 풍력터빈의 속도제어회로를 충전 컨트롤러 내부에 장착할 수 있으므로 안정적으로 풍력발전을 기동하고 설치비용을 절감하고 설치공간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 블레이드에 최적화된 풍동 상황을 예측하고 최대전력량을 보다 효과적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 하이브리드 발전의 태양광발전에서 최대출력추종(MPPT(Maximum Power Point Tracker)를 이용해 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 발전에서 배터리의 잔량 및 수명 예측시 부하출력을 차단하지 않고 SOC를 산출할 수 있으므로 충전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 발전 시스템을 나타내는 블록도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러의 구체적인 회로구성을 도시하는 회로도이고,
도3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도4는 본 발명의 실시예에서 부가 한정될 수 있는 배터리 SOC 산출을 설명하기 위한 흐름도이고,
도5는 본 발명의 실시예에서 부가 한정될 수 있는 풍력발전 시뮬레이션 모델을 설명하기 위한 흐름도이고,
도6은 도5의 풍력발전 시뮬레이션 모델을 실시하기 위한 회로도이고,
도7은 도6에 따른 풍력발전 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 그래프이고,
도8은 본 발명의 실시예에서 부가 한정될 수 있는 태양광발전 시뮬레이션 모델을 설명하기 위한 흐름도이고,
도9는 도8에 따른 최대전력점 변화를 나타내는 그래프이고,
도10은 도8에 적용될 수 있는 P&O 알고리즘을 도시하는 흐름도이고,
도11은 도8의 태양광발전 시뮬레이션 모델을 실시하기 위한 회로도이고,
도12는 도11에 따른 태양광발전 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 그래프이고,
도13은 본 발명의 실시예에서 부가 한정될 수 있는 풍력-태양광 복합발전 시뮬레이션 모델을 실시하기 위한 회로도이고,
도14는 도13에 따른 복합발전 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 도1에 도시된 바와 같은 시스템 구성에 의해 구현될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러는, 도2에 도시된 바와 같이, 풍력발전기의 3상을 개별적으로 단락시키는 전계효과트랜지스터(FET)를 포함하는 3상 개별제어 회로부(20)와, 상기 풍력발전기의 출력을 조절하여 최대출력점을 제어하는 금속산화막반도체전계효과트랜지스터(MOSFET)를 포함하는 스위칭부(40)와, 및 상기 스위칭부(40)를 사용자 입력에 따른 능동 제어하여 상기 풍력발전기의 터빈에 대한 주행 및 브레이크 동작시키는 제어부(60)를 포함한다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법은, 도3에 도시된 바와 같이, 충전 시스템을 기설정된 알고리즘으로 초기화하는 단계(A)와, 풍력발전 및 태양광발전의 발전입력은 연결 상태를 유지하고 부하출력은 연결을 차단하여 배터리의 전압을 측정하는 단계(B)와, 상기 배터리 전압에 기초하여 배터리의 잔존용량(SOC, State Of Charge)을 산출하는 단계(C), 및 상기 풍력발전 및/또는 상기 태양광발전의 가능 여부를 판단하고, 해당 발전모드(풍력발전, 태양광발전, 복합발전)로 상기 배터리를 충전하는 단계(D)를 포함한다. 이때, 상기 (A)단계 이후에는 변수도 초기화할 수 있음은 물론이며, (C)단계 이후에 태양광발전 전압과 풍력팔전전압을 측정한다.
여기서, 상기 C단계는, 상기 배터리의 개방전압 및 온도를 검출하는 단계(C-1)와, 상기 배터리의 개방전압을 이용하여 배터리의 잔존용량을 제1산출하는 단계(C-2)와, 상기 배터리의 충전전류 및 방전전류를 검출하는 단계(C-3)와, 상기 배터리의 방전전류를 실시간으로 모니터링하는 쿨롱 카운터를 이용하여 상기 배터리의 잔존용량을 제2산출하는 단계(C-4), 및 상기 쿨롱 카운터의 초기화 여부를 판단하는 단계(C-5)를 포함한다. 이때, 상기 쿨롱 카운터를 초기화하면 상기 C-1단계로 피드백되고, 상기 쿨롱 카운터를 초기화하지 않으면 상기 C-3단계로 피드백되는 것이 바람직하다.
덧붙여, 상기 쿨롱 카운터는 다음의 수학식1에 의해 동작할 수 있다.
Figure pat00002
(여기서, η는 충전전류의 효율 95%이고, IC는 충전전류이고, ID는 방전전류이고, C0은 정격용량이다.)
상기 D단계에서 풍력발전은, 도5에 도시된 바와 같이, 풍력발전기가 가동되는 시점에서부터 블레이드의 평균 회전 가속도 및 순간 회전 가속도를 측정하는 단계(D-a-1)와, 상기 측정된 평균 회전 가속도 및 순간 회전 가속도를 기설정된 부하제어변수 테이블에 적용하여 전력량을 기록하는 단계(D-a-2)와, 상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-2)단계를 수회 반복 수행하여 평균 회전 가속도와 순간 회전 가속도의 최대전력량이 출력되는 변수값을 산출하는 단계(D-a-3), 및 상기 변수값을 상기 풍력발전기의 가동구간에 적용하는 단계(D-a-4)를 포함한다.
여기서, 상기 (D-a-1)단계에서는 가속도 검출시 3상 발전기의 AC 신호로부터 RPM 및 회전 속도를 측정하고, 이에 따른 평균 가속도와 순간 가속도를 산출한다.
한편, 도6에 예시된 모델링 회로 등을 통해 상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-2)단계를 반복 수행하여 자기 학습을 통한 히스테리시스 구간을 선정할 수 있으며, 이를 통해 부하 제어값을 가변적으로 제어하여 최대전력량을 생산할 수 있는 것이다.
도7은 도6에 따른 풍력발전 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 그래프이다. 여기서, 풍력발전에 대한 히스테리시스 밴드를 20V 내지 24V 설정하였으며, 시뮬레이션 결과 풍력발전전압이 히스테리시스 밴드 범위에서 제어됨을 확인할 수 있다.
덧붙여, 히스테리시스 구간은, 히스테리시스(Hysterisis) 곡선 특성을 이용한 것으로, 이러한 히스테리시스 곡선은 자화 곡선에서 자장을 증가시키면 자화도에 비례해서 증가하다가 어느 시점부터 증가추세가 점점 줄다가 포화되어 더 이상 증가하지 않게 되는데, 이때 자장을 반대로 줄여가면 비선형으로 증가하던 곡선을 따라 감소하는 것이 아니라 반대 곡선을 그리며 감소한다. 이와 같이 증가할 때와 감소할 때의 값의 차이를 히스테리시스라고 하는데 이 원리를 이용하여 히스테리시스 구간을 구성할 수 있다.
나아가, 상기 (D-a-2)단계에서 출력되는 전력량과 상기 (D-a-3)단계에서 출력되는 변수값이 일정 크기 이상 커지면 상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-3)단계를 재수행함으로써 보정을 통해 최대전력량 생산이 효과적으로 유지될 수 있도록 한다.
상기 D단계에서 태양광발전은, 도8에 도시된 바와 같이, 크게 Hunting 알고리즘(D-b-1, D-b-2)과 Tracking 알고리즘(D-b-3, D-b-4)으로 구성된다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, Hunting 구간을 일정 간격으로 측정하여 최대전력점을 찾고, 이 지점에서 다시 Tracking 알고리즘을 적용하여 최대전력점을 추종하도록 제어한다.
도8을 참조하여 구체적으로 설명하면, 태양광발전의 출력전압을 주기적으로 증가 또는 감소시키면서 이전의 출력전력과 현재의 출력전력을 비교하여 최대전력점을 탐색하는 단계(D-b-1)와, 벅 컨버터(Buck Converter)를 제어하여 상기 태양광발전의 출력전압을 상기 최대전력점에 맞게 설정하는 단계(D-b-2)와, 기설정된 제1시간마다 P&O 알고리즘을 반복 수행하여 상기 최대전력점을 추적하는 단계(D-b-3), 및 기설정된 제2시간마다 상기 P&O 알고리즘을 정지한 후 상기 최대전력점을 탐색하는 단계로 피드백하는 단계(D-b-4)를 포함한다.
여기서, 상기 (D-b-1)단계 이전에는 초기 동작시 필요한 데이터(PWM duty, 전압, 전류, 주기 등)를 초기화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기한 최대전력점 탐색 및 추적 단계는 도9를 참조하여 구체적으로 설명될수 있다.
태양광발전에서 일사량은 외부 환경에 의해 매우 빠르게 변화하므로 기존의 MPPT 제어 알고리즘은 추종 과정에서 전력-전압 곡선이 변화함으로 최대전력점을 제대로 찾지 못하고 오동작을 하게 된다.
따라서, 시간에 따라 일사량이 도9와 같이 변하는 경우(T-2 -> T-1 -> T), 기존의 MPPT 알고리즘은 과거의 전력과 현재의 전력을 비교하여 듀티비를 제어함으로써 최대전력점을 추종하므로, 비교하는 동안 일사량이 변하여 정확한 제어가 되지 못하는 현상이 발생하여 최대전력점을 추종하지 못하는 상황이 발생한다(도9의 X 표시). 이에 반하여, 본 발명은 일정 주기마다 듀티비에 따른 전체 전력값을 읽고 최대전력점으로 바로 이동함으로써 최대전력점을 정확하게 추정하게 된다(도9의 O 표시).
한편, 태양광은 비선형 전력원이기 때문에 출력전압을 제어하여 최대전력을 생산하기 위해 벅 컨버터를 이용한다. 즉, 태양광 출력전압보다 배터리 전압이 낮을 경우 전압하강 벅 컨버터를 이용하며, 태양광 출력전압보다 배터리 전압이 높을 경우 전압상승 벅 컨버터를 이용한다.
상기 S600단계에서 P&O 알고리즘은 도10을 참조하여 설명될 수 있다.
① 먼저, 현재 태양광판의 전압과 전류를 측정하고 전력을 계산한다. 순서도에 도시된 V(k)는 현재 전압이고, I(k)는 현재 전류이고, P(k)는 현재 전력이다.
② 다음으로, 현재 전력과 이전 전력을 비교하여 값이 서로 같으면 ①단계로 피드백되고, 값이 서로 다르면 아래 ③단계를 수행한다. 순서도에 도시된 k는 현재 전력이고, k-1은 이전 전력이다.
③ 다음으로, 현재 전력과 이전 전력을 비교하여 현재 전력이 크면 아래 ④단계를 수행하고, 현재 전력이 작으면 아래 ⑤단계를 수행한다.
④ 다음으로, 현재 전압과 이전 전압을 비교하여 현재 전압이 크면 현재 전압에 ΔV만큼 더하고, 현재 전압이 작으면 ΔV만큼 뺀다.
⑤ 한편, 현재 전압과 이전 전압을 비교하여 현재 전압이 크면 현재 전압에 ΔV만큼 빼고, 현재 전압이 작으면 ΔV만큼 더한다.
⑥ 마지막으로, ④단계 및 ⑤단계가 완료되면 ①단계로 피드백된다.
그리고, 상기 S600단계와 S800단계에 있어서, 상기 제2시간의 시간간격은 상기 제1시간의 시간간격보다 큰 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1시간의 시간간격은 1초 이하이며, 상기 제2시간의 시간간격은 10분 이상인 것이 바람직하다.
즉, 일정 시간(본 실시예에서는 10분)마다 한 번씩 상기 P&O 알고리즘을 정지시킨 후 태양광판의 전 구간을 탐색하여 최대전력점을 확인 후 태양광의 출력전압을 최대전력점으로 이동함으로써 효과적인 최대전력점 추적이 가능하도록 한다.
한편, 도11에 예시된 모델링 회로 등을 통해 상술한 태양광발전이 구현될 수 있다.
도12는 도11에 따른 태양광발전 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 그래프이다. 여기서, 날씨는 맑은 정도로 시뮬레이션되었으며, MPPT 제어를 하기 때문에 부하에 관계없이 배터리 충전 전력은 항상 태양광 패널의 최대 출력을 추종한다.
그리고, 도13은 본 발명의 실시예에서 부가 한정될 수 있는 풍력-태양광 복합발전 시뮬레이션 모델을 실시하기 위한 회로도이며, 히스테리시스 제어회로와 MPPT 제어회로가 동시에 적용되어 있다.
도14는 도13에 따른 복합발전 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 그래프이다. 여기서, 시뮬레이션 조건은 맑고 바람이 많은 날로 가정하였으며, 풍력 및 태양광에서 모두 발전되고 배터리에 충전되는 것을 확인할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 풍력터빈의 속도제어회로를 충전 컨트롤러 내부에 장착할 수 있으므로 안정적으로 풍력발전을 기동하고 설치비용을 절감하고 설치공간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 블레이드에 최적화된 풍동 상황을 예측하고 최대전력량을 보다 효과적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 하이브리드 발전의 태양광발전에서 MPPT(Maximum Power Point Tracker)를 이용해 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 발전에서 배터리의 잔량 및 수명 예측시 부하출력을 차단하지 않고 SOC를 산출할 수 있으므로 충전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20: 3상 개별제어 회로부
40: 스위칭부
60: 제어부

Claims (9)

  1. 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러에 있어서,
    풍력발전기의 3상을 개별적으로 단락시키는 전계효과트랜지스터(FET)를 포함하는 3상 개별제어 회로부;
    상기 풍력발전기의 출력을 조절하여 최대출력점을 제어하는 금속산화막반도체전계효과트랜지스터(MOSFET)를 포함하는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부를 사용자 입력에 따른 능동 제어하여 상기 풍력발전기의 터빈에 대한 주행 및 브레이크 동작시키는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 컨트롤러.
  2. 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법에 있어서,
    충전 시스템을 기설정된 알고리즘으로 초기화하는 단계(A);
    풍력발전 및 태양광발전의 발전입력은 연결 상태를 유지하고 부하출력은 연결을 차단하여 배터리의 전압을 측정하는 단계(B);
    상기 배터리 전압에 기초하여 배터리의 잔존용량(SOC)을 산출하는 단계(C); 및
    상기 풍력발전 및/또는 상기 태양광발전의 가능 여부를 판단하고, 해당 발전모드(풍력발전, 태양광발전, 복합발전)로 상기 배터리를 충전하는 단계(D);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 C단계는,
    상기 배터리의 개방전압 및 온도를 검출하는 단계(C-1)와,
    상기 배터리의 개방전압을 이용하여 배터리의 잔존용량을 제1산출하는 단계(C-2)와,
    상기 배터리의 충전전류 및 방전전류를 검출하는 단계(C-3)와,
    상기 배터리의 방전전류를 실시간으로 모니터링하는 쿨롱 카운터를 이용하여 상기 배터리의 잔존용량을 제2산출하는 단계(C-4), 및
    상기 쿨롱 카운터의 초기화 여부를 판단하는 단계(C-5)를 포함하며,
    상기 쿨롱 카운터를 초기화하면 상기 C-1단계로 피드백되고, 상기 쿨롱 카운터를 초기화하지 않으면 상기 C-3단계로 피드백되는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 쿨롱 카운터는 다음의 수학식
    Figure pat00003

    (여기서, η는 충전전류의 효율 95%이고, IC는 충전전류이고, ID는 방전전류이고, C0은 정격용량이다.)
    에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 D단계에서 풍력발전은,
    풍력발전기가 가동되는 시점에서부터 블레이드의 평균 회전 가속도 및 순간 회전 가속도를 측정하는 단계(D-a-1)와,
    상기 측정된 평균 회전 가속도 및 순간 회전 가속도를 기설정된 부하제어변수 테이블에 적용하여 전력량을 기록하는 단계(D-a-2)와,
    상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-2)단계를 수회 반복 수행하여 평균 회전 가속도와 순간 회전 가속도의 최대전력량이 출력되는 변수값을 산출하는 단계(D-a-3), 및
    상기 변수값을 상기 풍력발전기의 가동구간에 적용하는 단계(D-a-4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (D-a-2)단계에서 출력되는 전력량과 상기 (D-a-3)단계에서 출력되는 변수값이 일정 크기 이상 커지면 상기 (D-a-1)단계 내지 (D-a-3)단계를 재수행하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 D단계에서 태양광발전은,
    태양광발전의 출력전압을 주기적으로 증가 또는 감소시키면서 이전의 출력전력과 현재의 출력전력을 비교하여 최대전력점을 탐색하는 단계(D-b-1)와,
    벅 컨버터(Buck Converter)를 제어하여 상기 태양광발전의 출력전압을 상기 최대전력점에 맞게 설정하는 단계(D-b-2)와,
    기설정된 제1시간마다 P&O 알고리즘을 반복 수행하여 상기 최대전력점을 추적하는 단계(D-b-3), 및
    기설정된 제2시간마다 상기 P&O 알고리즘을 정지한 후 상기 최대전력점을 탐색하는 단계로 피드백하는 단계(D-b-4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2시간의 시간간격은 상기 제1시간의 시간간격보다 큰 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1시간의 시간간격은 1초 이하이며,
    상기 제2시간의 시간간격은 10분 이상인 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광 기반의 하이브리드 충전 제어방법.
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