KR20190111690A - 독립형 시스템하의 태양광용 dc-dc 컨버터 제어방법 - Google Patents

독립형 시스템하의 태양광용 dc-dc 컨버터 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법에 관한 것으로, 배터리 고장으로 인한 소자 소손 및 정전 사고의 최소화를 위해, 배터리 전압을 실시간으로 체크하여 비상 상황 감지시 태양광 전력조절용 DC-DC 컨버터를 정전압 출력되게 제어함으로써 배터리 고장 시 DC-Link단의 전압 안정화로 인해 전압의 급격한 상승을 방지하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 도모할 수 있는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

Description

독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법{DC-DC Converter Control Method for Photovoltaic System in Stand-alone Power Generation System}
본 발명은 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 배터리 고장으로 인한 소자 소손 및 정전 사고의 최소화를 위해, 배터리 전압을 실시간으로 체크하여 비상 상황 감지시 태양광 전력조절용 DC-DC 컨버터를 정전압 출력되게 제어함으로써 배터리 고장 시 DC-Link단의 전압 안정화로 인해 전압의 급격한 상승을 방지하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 도모할 수 있는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 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 발전 효율 향상을 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추적) 알고리즘을 수행해야 한다.
이러한 태양광 발전은 비가 오거나 구름이 많은 날에는 일사량이 낮아 부하가 만족하는 전력량만큼 생산을 하지 못하게 되므로 단독으로 구성되는 것이 아니고, 별도의 디젤발전기를 이용하여 배터리를 충전하게 된다.
도 1은 일반적인 독립형 태양광 발전 시스템의 예시로써 태양광 어레이(2), DC-DC 컨버터(4), 3상 인버터(10), 배터리 충전부(14), 배터리(8), 디젤 발전기와 같은 연료발전장치(12)로 구성된다.
DC-DC 컨버터(4)는 전압을 강압하는 역할을 하는 강압 컨버터(Buck converter) 타입이며 태양광 어레이(2)에서 발전된 전력의 최대점을 추종하는 MPPT 기능을 수행하고 있으며 3상 인버터(10)는 이렇게 생산된 전력을 정전압/정주파수 제어를 하여 안정적으로 계통에 전력을 공급해주는 역할을 한다.
한편, DC-Link부(6)에 배터리(8)를 연결하여 태양광으로부터 생산된 에너지가 남는 경우 충전하거나 야간에 방전을 수행하여 부하에 전력을 공급해준다. 비가 장기간 오거나 일사량이 낮은 날이 오랫동안 지속될 경우 태양광 발전전력이 부족하여 부하에 전력을 공급하기 어려워 디젤발전기를 기동시켜 생산된 전력을 배터리 충전기를 이용하여 배터리를 충전시켜주게 된다.
이러한 시스템에서 배터리는 DC-Link단 전압을 안정하게 유지시켜주는 역할을 함과 동시에 부하에 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 하는 매우 중요한 역할을 하고 있다.
하지만, 이때 배터리가 고장이 발생하게 되는 경우에는, 배터리 측 접촉기가 개방이 되고 DC-Link단 전압이 불안정해지게 된다. 경우에 따라서는 발전량 대비 부하량이 매우 적을 경우에 배터리 고장 시 DC-Link단 전압이 순간적으로 태양광 어레이의 개방전압 부근까지 상승할 수 있으며 이로 인해 DC-DC 컨버터 및 3상 인버터에 소자 소손과 같은 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 배터리 고장 시 불안정해진 DC-Link단 전압으로 인해 3상 인버터는 DC단 저전압 및 과전압, AC단 저전압과 같은 보호동작을 수행하여 결국 정지하게 되고 정전을 야기하게 된다.
선행기술 문헌 : ‘독립형 태양광 전력변환장치 연구’, 한국태양광에너지학회 학술대회논문집 제31권 제2호, 2011.
본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 배터리 고장으로 인한 소자 소손 및 정전 사고의 최소화를 위해, 배터리 전압을 실시간으로 체크하여 비상 상황 감지시 태양광 전력조절용 DC-DC 컨버터를 정전압 출력되게 제어함으로써 배터리 고장 시 DC-Link단의 전압 안정화로 인해 전압의 급격한 상승을 방지하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 도모할 수 있는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 DC 링크부의 전압제어를 위한 DC/DC 컨버터 제어방법에 있어서, a) 배터리 전압을 검출하는 단계와; b) 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우인지를 판단하는 단계와; c) 배터리의 검출전압이 설정전압 범위 이내이면, 컨버터 제어부가 MPPT(최대 전력점 추종) 제어모드를 유지하는 단계와; d) 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우라면, 컨버터 제어부가 비상 운전모드로 전환하여 DC 링크부로 정전압이 출력되도록 제어하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 b) 과정은 상기 배터리 전압이 “0”인지를 검출하는 단계인 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 b) 과정은 스마트 그리드와 연동되어 전체 부하를 고려한 상기 배터리 전압이 설정범위를 벗어나는 지를 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 d) 과정은 상기 컨버터 제어부가 MPPT 운전 경로상의 스위치(S1)를 턴오프시키도록 제어하는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 d) 과정은 모드 전환 시점에, 적분기 값을 초기화 하는 스위치(S2)가 일시적으로 스위칭됨과 동시에 적분기 출력값에 일정 Gain을 곱하는 연산이 포함된 제어가 수행되어 모드 변경시 응답속도를 높이도록 한 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 d) 과정은 배터리 설정전압과 상기 DC 링크부의 출력전압간 오차를 보상할 수 있도록 제어하는 과정인 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법이 제공된다.
본 발명에 따른 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법은 부하대비 미리 설정된 전압과 배터리 전압을 비교하여 배터리가 고장인지의 여부를 판단하고, 배터리 고장시 빠른 정전압을 제공함으로써 부품이나 연동장치의 소손을 방지하고, 수용가로 무정전 서비스를 제공하여 시스템 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 독립형 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광용 DC-DC 컨버터 제어장치가 부가된 독립형 시스템하의 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 블록구성도,
도 3은 도 2에 포함된 태양광용 DC-DC 컨버터 제어부의 구성을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터의 제어흐름을 도시한 플로우챠트,
도 5는 종래 시스템의 시뮬레이션 파형도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광용 DC-DC 컨버터 제어장치로 인한 출력파형,
도 7은 도 6의 확대 파형으로 인한 과도상태에서 DC-DC 컨버터가 제어되어 안정화되는 출력파형을 도시한 파형도이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광용 DC-DC 컨버터 제어장치가 부가된 독립형 시스템하의 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 블록구성도, 도 3은 도 2에 포함된 태양광용 DC-DC 컨버터 제어부의 구성을 도시한 구성도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광용 DC-DC 컨버터 제어장치가 부가된 독립형 시스템하의 태양광 발전 시스템은 배터리 고장으로 인한 소자 소손 및 정전 사고의 최소화를 위해, 배터리 전압을 실시간으로 체크하여 비상 상황 감지시 태양광 전력조절용 DC-DC 컨버터를 정전압 출력되게 제어함으로써 배터리 고장 시 DC-Link단의 전압 안정화로 인해 전압의 급격한 상승을 방지하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 도모할 수 있는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어를 수행할 수 있는 시스템이다.
보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광용 DC-DC 컨버터 제어장치가 부가된 독립형 시스템하의 태양광 발전 시스템은 기본적으로, 태양광 어레이(2), DC-DC 컨버터(4), 3상 인버터(10), 배터리 충전부(14), 배터리(8), 디젤 발전기와 같은 연료발전장치(12)를 포함하여 구성된다.
이때, DC-DC 컨버터(4)는 전압을 강압하는 역할을 하는 강압 컨버터(Buck converter) 타입이며 태양광 어레이(2)에서 발전된 전력의 최대점을 추종하는 MPPT 기능을 수행한다. 즉, 상기 DC/DC 컨버터(4)는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하여 얻어진 태양광 어레이(2)의 출력전압(VPV)을 기설정된 전압으로 변환한다.
또한, 본 발명의 태양광 발전 시스템(100)은 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 어레이(2)에 연결된 상기 DC/DC 컨버터(4)의 출력단과, 상기 배터리(8)로부터의 출력전압을 링크하여 직류 전압(VDC)을 생성하는 DC 링크부(6)와, 상기 DC 링크부(6)로부터의 직류 전압 (VDC)을 기설정된 교류 전압(Vac)으로 변환하는 3상 DC/AC 인버터(10)를 포함한다.
상기 태양광 어레이(2)는, 주간 등과 같이 태양광이 있는 시간과 야간 등과 같이 태양광이 없는 시간으로 구분되어, 태양광이 있는 시간에는 태양발전이 수행되어 태양발전에 의한 유효한 PV 전력을 생성하고, 태양발전이 수행되지 못하는 경우에는 유효한 PV 전력을 생성할 수 없다. 이와 같이, 상기 태양광 어레이(2)는 태양광 유무에 따라 태양발전이 일정하게 수행되지 못하므로, 상기 태양광 어레이(2)에 의해 생성되는 전력중에서 최대 전력점을 추적하는 최대 전력점 추종(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 통해서 최대 전력을 생성할 수 있도록 제어되어야 한다.
연료발전장치(12)는 디젤발전기 등으로 이루어진 연료를 통해 발전을 수행하는 장치로서, 그 출력단에 배터리 충전부(14)가 구비되고, 그 배터리 충전부(14)의 출력단이 상기 배터리(8)와 연결되어 상기 배터리(8)의 전압이 기설정 이하로 강하되면 연료발전장치(12)가 가동되어 무정전 시스템을 이룰 수 있도록 발전을 수행한다.
한편, 본 발명의 태양광 발전 시스템(100)은 배터리(8)의 전압을 검출하는 전압 감지부(20)와, 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우 특히, 상기 검출된 배터리 전압이 “0”이나, “0”에 근접한 경우, 고장으로 판단하여 MPPT 모드를 스위칭하여 해제하고 비상모드로 전환함으로써 DC 링크부(6)에 정전압이 입력되도록 DC-DC 컨버터(4)를 제어하는 컨버터 제어부(22)가 더 포함된다.
이때, 컨버터 제어부(22)는 바람직하게, 스마트 그리드와 연동되어 전체 부하를 고려한 상기 배터리 전압이 설정범위를 벗어나는 지를 판단하여, 보다 넓은 범위에서의 시스템 안정화를 도모할 수 있게 하는 것이 가능하다.
상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터의 제어흐름을 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터의 제어흐름을 도시한 플로우챠트, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광용 DC-DC 컨버터 제어장치로 인한 출력파형, 도 7은 도 6의 확대 파형으로 인한 과도상태에서 DC-DC 컨버터가 제어되어 안정화되는 출력파형을 도시한 파형도이다.
먼저, 태양광 어레이(2)와 연료 발전장치(12)의 가동에 의해 배터리(8)가 충전되고 DC-DC 컨버터(4)와 3상 DC-AC 인터버(10)를 매개하여 안정적으로 부하(16)에 전력을 공급하는 시스템에서, 특정 비상상황 바람직하게 상기 배터리(8)의 고장상황에서 돌발적으로 발생된 고장전압이 부품이나 연동 기기에 영향을 미치는 것을 방지하도록 DC 링크부의 전압제어를 위한 DC/DC 컨버터 제어 플로우가 상기 컨버터 제어부(22)를 통해 작동된다.
본 발명의 일실시예에 따른 독립형 시스템은 앞서 설명한 바와 같이, 최대 전력점 추종(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 통해서 최대 전력을 생성할 수 있도록 제어되는 바, 이때 상기 전압 감지부(20)는 상시 배터리 전압을 검출한다.
즉, 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우인지를 판단한다.
이때, 배터리의 검출전압이 설정전압 범위 이내이면, 컨버터 제어부가 MPPT(최대 전력점 추종) 제어모드를 유지하고, 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우라면, 배터리(8)의 고장이라고 판단해서, 상기 컨버터 제어부(22)가 비상 운전모드로 전환하여 DC 링크부로 정전압이 출력되도록 제어한다.
바람직하게, 상기 배터리(8)가 고장인지의 여부를 판단하는 것은, 상기 배터리 전압이 “0”인지를 검출하는 경우이거나 또는 더욱 바람직하게 스마트 그리드와 연동되어 전체 부하를 고려한 상기 배터리 전압이 설정범위를 벗어나는 지를 판단하는 경우가 해당된다.
만약, 상기 배터리(8)의 고장시 종래의 시스템이 적용되는 경우라면, 도 5에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션 파형이 생성된다.
즉, 첫 번째 파형은 배터리 고장 신호이며, 두 번재 파형은 DC-Link부 전압이고, 세 번째는 3상 인버터 출력 전압파형이다. 동 도면에 도시된 바와 같이 배터리 고장 시 DC-Link부 전압이 순간적으로 상승하게 되고 인버터(10)에서 DC-Link부(6)의 과전압을 감지하여 정지하게 된다. 따라서, 부하인 수용가에서는 도면에 도시된 바와 같이, 정전이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 시스템은 배터리(8)의 고장신호가 인가되면, 상기 컨버터 제어부(22)는 MPPT 운전 경로상의 스위치(S1)를 턴오프시키도록 제어하고, 비상 모드로의 모드 전환 시점에, 적분기 값을 초기화 하는 스위치(S2)가 일시적으로 스위칭됨과 동시에 적분기 출력값에 일정 Gain을 곱하는 연산이 포함된 제어가 수행되게 함으로써 모드 변경시 응답속도를 높이도록 한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 컨버터 제어부(22)는 배터리 설정전압과 상기 DC 링크부의 출력전압간 오차를 보상할 수 있도록 제어한다.
보다 상세하게, 평상시에는 PV측 전압과 전류를 센싱하여 MPPT를 위한 입력 전압 지령치를 만들게 되고 이 지령치를 추종하도록 PI제어기를 이용하여 입력단 전압제어를 수행하게 된다. 배터리 고장을 인지하게 되면 MPPT 제어는 정지하게 되고 출력단 전압제어로 변경이 된다.
여기서 S1 스위치는 MPPT 제어일 경우 Open되며 출력단 전압제어일 경우 Close된다. S2 스위치는 MPPT 제어 시, Open 되어 있다가 출력단 전압제어로 변경될 경우 한번만 Close 되었다가 곧바로 Open이 된다.
그 이유는 현재 남아있는 적분기 값을 초기화 하는 동시에 적분기 출력값에 일정 Gain을 곱하여 적용시켜줌으로써 제어가 변경되는 과도시점에서 응답속도를 빠르게 가져갈 수 있고 오버슈트를 줄일 수 있다.
도 6은 도 3과 같은 제어기를 사용하였을 경우 출력 파형을 보여주고 있다.
배터리 고장 발생 시 출력 전압제어 모드로 변경이 되어 DC-Link부(6)의 전압을 안정적으로 유지시킬 수 있기 때문에 수용가에서 정전 없이 안정적으로 전력을 공급받을 수 있다. Vdc_ref는 DC단 전압 지령치로 배터리 고장 당시 최종 DC_Link부(6)의 전압을 가지고 지령치를 만들어 준다.
도 7은 도 6의 확대파형으로 제어기가 변하는 과도상태의 경우 안정적으로 DC-Link부(6) 전압을 유지하고 있음을 보여주고 있으며 인버터(10)의 출력전압도 240V, 50Hz로 일정하게 유지하고 있음을 보여주고 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.
2:태양광 어레이, 4:DC-DC컨버터,
6:DC 링크부, 8:배터리,
10:3상 DC-AC 컨버터, 12:연료발전장치,
14:배터리 충전부, 16:부하,
20:전압감지부, 22:컨버터 제어부.

Claims (6)

  1. DC 링크부의 전압제어를 위한 DC/DC 컨버터 제어방법에 있어서,
    a) 배터리 전압을 검출하는 단계와;
    b) 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우인지를 판단하는 단계와;
    c) 배터리의 검출전압이 설정전압 범위 이내이면, 컨버터 제어부가 MPPT(최대 전력점 추종) 제어모드를 유지하는 단계와;
    d) 배터리의 검출전압이 설정전압 범위를 이탈한 경우라면, 컨버터 제어부가 비상 운전모드로 전환하여 DC 링크부로 정전압이 출력되도록 제어하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 과정은 상기 배터리 전압이 “0”인지를 검출하는 단계인 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 과정은 스마트 그리드와 연동되어 전체 부하를 고려한 상기 배터리 전압이 설정범위를 벗어나는 지를 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 d) 과정은 상기 컨버터 제어부가 MPPT 운전 경로상의 스위치(S1)를 턴오프시키도록 제어하는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 d) 과정은 모드 전환 시점에, 적분기 값을 초기화 하는 스위치(S2)가 일시적으로 스위칭됨과 동시에 적분기 출력값에 일정 Gain을 곱하는 연산이 포함된 제어가 수행되어 모드 변경시 응답속도를 높이도록 한 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 d) 과정은 배터리 설정전압과 상기 DC 링크부의 출력전압간 오차를 보상할 수 있도록 제어하는 과정인 것을 특징으로 하는 독립형 시스템하의 태양광용 DC-DC 컨버터 제어방법.
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KR20240038623A (ko) 2022-09-16 2024-03-25 주식회사 엘지에너지솔루션 Dc-dc 컨버터를 제어하는 전력 제어 장치 및 방법

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