KR20190120945A - 태양광 멀티레벨 전력제어장치 및 상기 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법 - Google Patents

태양광 멀티레벨 전력제어장치 및 상기 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 파워블록모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 복수의 파워블록의 선택 및 동작 조건을 결정하는 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성함으로써, 상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전력을 효율적으로 변환하여 상기 배터리 팩에 전송할 수 있도록 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치 및 태양광 멀티레벨 전력제어장치를 운영하는 방법을 제안한다.

Description

태양광 멀티레벨 전력제어장치 및 상기 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법 {A solar power multi-level conversion control unit and operating method for the unit}
본 발명은 태양광 멀티레벨 전력제어장치에 관한 것으로, 특히, 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 파워블록모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 복수의 파워블록의 선택 및 동작 조건을 결정하는 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성함으로써, 상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전력을 효율적으로 변환하여 상기 배터리 팩에 전송할 수 있도록 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치 및 상기 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법에 관한 것이다.
산업의 발전과 인구의 증가가 화석연료의 사용을 기하급수적으로 증가시킴으로써, 이산화탄소 또는 산성 오염물질로 인한 환경오염이 무시할 수 없는 정도가 되었다. 이러한 문제를 야기하는 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지로 바람, 조력 및 태양을 에너지원으로 하는 신 재생에너지의 연구 및 사용이 증가하고 있다. 특히, 태양광 에너지는 일사량이 높은 여러 나라에서 연구를 활발하게 진행하고 있다. 이는 원자력 발전시스템에서 생산하는 전기에너지의 종합적 단가에 비해 태양광 발전시스템에서 생산하는 전기에너지의 단가가 상대적으로 비싸기 때문인데, 이러한 단점을 해소하기 위해 태양광을 이용한 전기에너지의 생산효율 등과 같은 생산단가의 저감 방안을 모색 중이다.
태양은 하루 중 평균적으로 일정시간만 볼 수 있으며, 갑자기 비가 오거나 구름이 많이 끼는 경우 일조시간이 감소하게 될 것이다. 일조가 충분할 때에는 전력생산을 위해 사용하는 전력이 문제가 되지 않겠지만, 일조가 충분하지 않거나 태양이 떠오르기 전 또는 태양이 이미 진 후에도 전력생산에 필요한 전력이 소비된다면 이는 결과적으로 전력의 생산효율을 감소시키는 원인이 될 것이다.
특히, 태양광발전 시스템을 구성하는 배터리 중 최근에 출시된 리튬이온전지와 같이 고밀도 배터리는 배터리 자체를 보호하기 위해 설정전압 이하가 되면 내부 회로를 보호하기 위해, 배터리에 충전된 전력을 차단하는 기능이 설치되어 있다. 일단 전력을 차단하도록 설정된 후에는 이를 강제로 해제하지 않는 한 충전 및 방전 기능을 사실상 정지된다. 이를 위해, 배터리의 외부에서 배터리의 내부로 전력을 강제로 투입하여 내부 회로 보호 기능을 해제해야 한다는 단점이 있다.
태양광발전 어레이에서 생성된 전력을 변환할 때 최대출력점 제어알고리즘을 사용하던 도중, 태양의 일사량이 급변하는 경우 진행 중인 최대출력점 제어알고리즘의 경로를 이탈하게 되는데, 이때에는 강제로 최대출력점 제어알고리즘에 적합한 상태로 조절해야 하는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1533337(2015년6월26일)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 파워블록모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 복수의 파워블록의 선택 및 동작 조건을 결정하는 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성함으로써, 상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전력을 효율적으로 변환하여 상기 배터리 팩에 전송할 수 있도록 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치를 제안하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 파워블록모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 복수의 파워블록의 선택 및 동작 조건을 결정하는 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성함으로써, 상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전력을 효율적으로 변환하여 상기 배터리 팩에 전송할 수 있도록 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치를 운영하는 방법을 제안하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치는, 태양광발전 어레이로부터 수신한 전압을 감압하여 배터리 팩에 전달하는 것으로, DC 링크 커패시터, 출력 커패시터, 파워블록모듈 및 컨트롤러를 포함한다.
상기 DC 링크 커패시터는 일 단자가 상기 태양광발전 어레이에 연결된다. 상기 출력 커패시터는 일 단자가 상기 배터리 팩에 연결된다. 상기 파워블록모듈은 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호에 응답하여 상기 DC 링크 커패시터를 경유하여 입력되는 상기 태양광발전 어레이의 출력전압을 감압하여 상기 출력 커패시터를 경유하여 상기 배터리 팩으로 전송하는 복수의 파워블록을 포함하며, 상기 복수의 파워블록은 상기 DC 링크 커패시터의 다른 일 단자 및 상기 출력 커패시터의 다른 일 단자 사이에 병렬로 연결된다. 상기 컨트롤러는 상기 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 상기 파워 블록 모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 상기 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 상기 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성한다.
여기서 상기 최대출력점 제어알고리즘은 상기 태양광발전 어레이의 출력전력의 시간별 차이를 상기 복수의 선택신호 및 상기 복수의 PWM제어신호에 반영하는 메인 최대출력점 제어알고리즘 및 상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하던 도중에 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 전압의 시간에 따른 차이 및 전류의 시간에 따른 차이를 미리 설정한 값과 비교한 결과를 상기 복수의 선택신호 및 상기 복수의 PWM제어신호의 생성에 반영하는 서브 최대출력점 제어알고리즘을 포함하며, 상기 최적전력점 제어알고리즘은 상기 배터리 팩의 충전량에 따라 상기 파워블록모듈의 전압-전류 특성 곡선 중 특정 영역을 활용하여 상기 배터리 팩의 완충전을 유도하도록 하고, 상기 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘은 상기 파워블록모듈을 구성하는 각각의 파워블록의 정격을 기준으로 상기 복수의 파워블록을 동작의 우선순위가 되는 마스터 및 슬레이브로 선정하고, 활성화되는 파워블록의 동작 위상을 조정하도록 하며, 상기 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘은 미리 설정한 상기 배터리 팩의 과방전 및 과충전 전압에 따라 상기 복수의 PWM제어신호의 듀티를 조정한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법은, 상기 태양광 멀티레벨 전력제어장치를 구성하는 컨트롤러에서 수행하는 것으로, 초기동작 결정단계, 일반동작 제어단계 및 특수상황 제어단계를 수행한다.
상기 초기동작 결정단계에서는 상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전압의 크기, 상기 배터리 팩에 충전되는 전압의 크기와 미리 설정해 놓은 기준전압, 기준전류, 대기시간 및 듀티를 이용하여 상기 태양광 전력변환장치의 초기 동작 여부를 결정한다. 상기 일반동작 제어단계에서는 상기 태양광발전 어레이의 출력전력의 시간별 차이를 상기 복수의 선택신호 및 상기 복수의 PWM제어신호에 반영하는 메인 최대출력점 제어알고리즘, 상기 배터리 팩의 충전량에 따라 상기 파워블록모듈의 전압-전류 특성 곡선 중 특정 영역을 활용하여 상기 배터리 팩의 완 충전을 유도하도록 하는 최적전력점 제어알고리즘 및 상기 파워블록모듈을 구성하는 각각의 파워블록의 정격을 기준으로 상기 파워블록을 동작의 우선순위가 되는 마스터 및 슬레이브로 할당하고, 활성화된 파워블록의 동작 위상을 조정하도록 하는 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘을 수행한다. 상기 특수상황 제어단계에서는 상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하는 도중에 각각 수행하며, 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 전압의 시간에 따른 차이와 전류의 시간에 따른 각각의 차이를 미리 설정한 값과 비교한 결과를 상기 복수의 선택신호와 상기 복수의 PWM제어신호의 생성에 반영하는 서브 최대출력점 제어알고리즘 및 미리 설정한 상기 배터리 팩의 과충전 전압에 따라 상기 복수의 PWM제어신호의 듀티를 조정하도록 하는 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘을 수행한다.
본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치 및 상기 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법은, 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 파워블록모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 복수의 파워블록의 선택 및 동작 조건을 결정하는 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성함으로써, 상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전력을 효율적으로 변환하여 상기 배터리 팩에 전송할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법의 신호 흐름도이다.
도 3은 초기동작 결정단계의 신호 흐름도이다.
도 4는 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘을 설명한다.
도 5는 서브 최대출력점 제어알고리즘을 설명하는 신호 흐름도이다.
도 6은 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘을 설명하는 신호흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치(100)는 태양광발전 어레이(10)에서 생성한 전력을 감압하여 배터리 팩(20)에 전송하는 기능을 수행하며, DC 링크 커패시터(110), 파워블록모듈(120), 출력 커패시터(130) 및 컨트롤러(140)로 구현할 수 있다.
DC 링크 커패시터(110)는 일 단자가 태양광발전 어레이(10)에 연결되고 다른 일 단자는 파워블록모듈(120)의 입력단자에 연결된다.
출력 커패시터(130)는 일 단자가 상기 배터리 팩(20)에 연결되고 다른 일 단자는 파워블록모듈(120)의 출력단자에 연결된다.
파워블록모듈(120)은 복수의 선택신호(SEL1 ~ SELN, N은 2 이상의 자연수) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)에 응답하여 DC 링크 커패시터(110)를 경유하여 입력되는 태양광발전 어레이(10)의 출력 전압을 감압하여 출력 커패시터(130)를 경유하여 배터리 팩(20)으로 전송하는 복수의 파워블록(121~123)을 포함하며, 복수의 파워블록(121~123)은 DC 링크 커패시터(110) 및 출력 커패시터(130) 사이에 병렬로 연결되어 있다. 파워블록모듈(120)을 구성하는 파워블록(121~123)의 개수는 필요에 따라 선택할 수 있을 것이다. 파워모듈(121~123) 각각은 복수의 선택신호(SEL1 ~ SELN) 중 해당 선택신호에 응답하여 스위칭하는 적어도 하나의 스위치(Sw)와 일정한 듀티(duty cycle)를 가지는 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN) 중 해당 PWM제어신호에 응답하여 동작하는 충전모듈(C/M, Charging Module)로 구현할 수 있으며, 구성 및 동작은 이 분야의 통상의 기술자는 이미 알고 있으므로 자세하게 설명하지는 않는다.
컨트롤러(140)는 태양광발전 어레이(10)로부터 출력하는 어레이 출력전압(V_pv)과 어레이 출력전류(I_pv), 파워블록모듈(120)로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압(V_block)과 파워블록모듈 출력전류(I_block) 및 배터리 팩(20)의 입력전압(V_bat) 및 입력전류(I_bat) 값을, 최대출력점(Maximum Power Point) 제어알고리즘, 최적전력점(Optimal Power Point) 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 복수의 선택신호(SEL1 ~ SELN) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)를 생성한다.
여기서, 최대출력점 제어알고리즘은 메인(main) 최대출력점 제어알고리즘과 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하던 도중에 변하는 주변상황에 대처하는 서브(sub) 최대출력점 제어알고리즘으로 구분할 수 있다.
메인 최대출력점 제어알고리즘은 태양광발전 어레이(10)의 출력전력의 시간별 차이를 복수의 선택신호(SEL1 ~ SELN) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)에 반영한다. 서브 최대출력점 제어알고리즘은 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하던 도중에 태양광발전 어레이(10)로부터 출력되는 전압의 시간에 따른 차이 및 전류의 시간에 따른 차이를 미리 설정한 값과 비교한 결과를 복수의 선택신호(SEL1 ~ SELN) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)의 생성에 반영한다.
최적전력점 제어알고리즘은 배터리 팩(20)의 충전량에 따라 파워블록모듈(120)의 전압-전류 특성 곡선 중 특정 영역을 활용하여 배터리 팩(20)의 완충전을 유도한다.
파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘은 파워블록모듈(120)을 구성하는 각각의 파워블록(121~123)의 정격을 기준으로 파워블록(121~123)을 동작 우선순위가 되는 마스터 및 슬레이브로 구분하여 할당하고, 활성화된 파워블록의 동작 위상을 조정한다.
배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘은 미리 설정한 배터리 팩(20)의 과방전 및 과충전 전압에 따라 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)의 듀티를 조정한다.
상술한 알고리즘에 대해서는 후술한다.
도 2는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법의 신호 흐름도이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법(200)은 초기동작 설정단계(210), 일반동작 제어단계(220) 및 특수상황 제어단계(230)를 수행한다.
초기동작 설정단계(210)에서는 태양광발전 어레이(10)에서 출력하는 전압의 크기, 배터리 팩에 충전되는 전압의 크기와 미리 설정해 놓은 기준전압, 기준전류, 대기시간 및 듀티를 이용하여 태양광 전력변환장치의 초기동작 여부를 결정한다.
일반동작 제어단계(220)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전력의 시간별 차이를 복수의 선택신호(SEL1~SELN) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1~PWMN)에 반영하는 메인 최대출력점 제어알고리즘(221), 배터리 팩(10)의 충전량에 따라 파워블록모듈(120)의 전압-전류 특성 곡선 중 특정 영역을 활용하여 배터리 팩(20)의 완 충전을 유도하도록 하는 최적전력점 제어알고리즘(222) 및 파워블록모듈(120)을 구성하는 각각의 파워블록(121~123)의 정격을 기준으로 파워블록을 동작 우선순위가 되는 마스터 및 슬레이브로 할당하고, 활성화된 파워블록의 동작 위상을 조정하도록 하는 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘(223)을 수행한다.
특수상황 제어단계(230)에서는 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하는 도중에 각각 수행하며, 태양광발전 어레이(10)로부터 출력되는 전압의 시간에 따른 차이와 전류의 시간에 따른 각각의 차이를 미리 설정한 값과 비교한 결과를 복수의 선택신호(SEL1~SELN)와 복수의 PWM제어신호(PWM1~PWMN)의 생성에 반영하는 서브 최대출력점 제어알고리즘(231) 및 미리 설정한 배터리 팩(20)의 과충전 전압에 따라 복수의 PWM제어신호(PWM1~PWMN)의 듀티를 조정하도록 하는 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘(232)을 수행한다.
도 3은 초기동작 결정단계의 신호 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 초기동작 결정단계(210)에서는 초기값 설정단계(310), 전압 측정단계(320), 전압 비교단계(330), 제1 지연단계(340), 듀티 조정단계(350), 전류 측정단계(360), 전류 비교단계(370) 및 제2 지연단계(380)를 수행한다.
초기값 설정단계(310)에서는 기준전압(R_v), 기준전류(R_i), 대기시간(T1) 및 듀티(D)의 기본값 또는 초기값을 설정한다. 전압 측정단계(320)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전압(V_pv) 및 배터리 팩의 전압(V_bat)을 측정한다. 전압 비교단계(330)에서는 배터리 팩(20)의 전압(V_bat)에 기준전압(R_v)을 합한 전압(V_bat+R_v)과 태양광발전 어레이(10)의 출력전압(V_pv)의 크기를 비교한다. 제1 지연단계(340)에서는 전압 비교단계(330)에서의 비교결과, 태양광발전 어레이의 출력전압(V_pv)의 크기가 배터리 팩의 전압에 기준전압을 합한 전압(V_bat+R_v)의 크기에 비해서 작다고 판단한 때(No)에 수행되며, 대기시간(T1)이 경과 한 후 전압 측정단계(320)를 수행하도록 한다. 듀티 조정단계(350)에서는 전압 비교단계(330)에서의 비교결과, 태양광발전 어레이(10)의 출력전압(V_pv)의 크기가 배터리 팩(20)의 전압(V_bat)에 기준전압(R_v)을 합한 전압의 크기에 비해서 크다고 판단한 때(Yes)에 수행되며, 듀티(D)의 값을 1(one) 증가시킨다.
전류 측정단계(360)에서는 듀티 조정단계(350)를 수행한 후 태양광발전 어레이(10)의 출력전류를 측정한다. 전류 비교단계(370)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전류(I_pv)와 기준전류(R_i)를 비교하여, 태양광발전 어레이(10)의 출력전류(I_pv)가 기준전류(R_i)보다 크다고 판단한 때(Yes)에는 일반동작 제어단계(220)를 수행하도록 한다. 제2 지연단계(380)는 전류 비교단계(370)에서의 비교결과, 태양광발전 어레이(10)의 출력전류가 기준전류(R_i)보다 작다고 판단한 때(No)에 수행하며, 대기시간(T1)이 경과 한 후 전압 측정단계(380)를 수행하도록 한다.
도 4는 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘을 설명한다.
도 4a는 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘을 설명하는 신호 흐름도이고, 도 4b는 기준위상이 3일 때 생산전력과 위상 사이의 관계를 설명한다.
도 4a를 참조하면, 본 발명에 따른 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘(223)은, 기준값 설정단계(410), 마스터 파워블록 선택단계(420), 슬레이브 파워블록 선택단계(430) 및 듀티조정단계(440)를 수행한다.
기준값 설정단계(410)에서는 기준위상(R_ph) 및 적어도 하나의 기준비율(R_pr)을 설정한다. 설명의 편의를 위해서 본 발명에 따른 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법이 하나의 마스터 파워블록과 2개의 슬레이브 파워블록을 운영하는 것으로 한정하여 설명한다. 따라서, 기준위상(R_ph)은 3으로 설정되는 것으로 가정하고 설명한다. 기준비율(R_pr)의 값도 임의로 정할 수 있는데, 예를 들면 80% 또는 90%로 설정할 수 있다. 복수의 기준비율(R_pr)의 값들은 일정한 배수가 될 수도 있지만, 서로 차이가 나도록 한다면 어떤 값으로 선택되고 결정되어도 된다.
마스터 파워블록 선택단계(420)에서는 파워블록모듈(120)을 구성하는 각각의 파워블록(121~123)의 정격전력(P_pb)을 기준으로 복수의 파워블록(121~123) 중 최우선으로 동작하는 마스터 파워블록을 선택하며, 이를 위해, 전력측정단계(421), 제1전력비교단계(422) 및 마스터 파워블록 선택단계(433)를 수행한다.
전력측정단계(421)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전압(V_pv) 및 출력전류(I_pv)를 측정하여 이를 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)으로 변환(P_pv = V_pv x I_pv)한다. 전력비교단계(422)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)이 파워블록의 정격전력(P_pb)과 기준비율(R_pr)의 합보다 큰가를 비교하여, 비교결과 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)이 파워블록의 정격전력(P_pb)과 기준비율(R_pr)의 합보다 작다고 판단한 때(No)에는 슬레이브 파워블록 선택단계(430)를 수행하도록 한다. 이 단계에서 사용하는 기준비율을 제1기준비율(R_pr_1)이라고 가정한다. 마스터 파워블록 선택단계(433)는 전력비교단계(422)에서의 비교결과 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)이 파워블록의 정격전력(P_pb)과 제1기준비율(R_pr_1)의 합보다 크다고 판단한 때(Yes)에 수행하며, 임의의 파워블록을 마스터 파워블록으로 선택하며, 마스터 파워블록에 공급되는 PWM 제어신호의 위상을 제1위상(1 phase)으로 설정한다.
슬레이브 파워블록 선택단계(430)에서는 태양광발전 어레이(10)에서 출력되는 전력의 크기가 마스터 파워블록으로 선택된 파워블록의 정격보다 제2기준비율(R_pr_2) 이상이 되면, 마스터 파워블록으로 선택된 파워블록을 제외한 다른 파워블록을 슬레이브 파워블록으로 선택하여 활성화하며, 이를 위해 제2전력비교단계(431) 및 슬레이브 파워블록 선택단계(432)를 수행한다. 제2전력비교단계(431)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)이 파워블록의 정격전력(P_pb)과 제2기준비율(R_pr_2)의 합을 비교하여, 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)이 파워블록의 정격전력(P_pb)과 제2기준비율(R_pr_2)의 합보다 작다고 판단한 때에는 아이들(idle) 상태의 파워블록을 제1슬레이브 파워블록으로 선택하며, 제1슬레이브 파워블록에 공급되는 PWM제어신호의 위상을 제2위상(2 phase)으로 설정한다. 슬레이브 파워블록 선택단계(432)는 제2전력비교단계(431)에서의 판단결과 태양광발전 어레이(10)의 출력전력(P_pv)이 파워블록의 정격전력(P_pb)과 제2기준비율(R_pr_2)의 합보다 크다고 판단했을 때(No) 수행되며, 아이들(idle) 상태의 파워블록을 제2슬레이브 파워블록으로 선택하며, 제2슬레이브 파워블록에 공급되는 PWM제어신호의 위상을 제3위상(3 phase)으로 설정한다.
듀티 조정단계(440)에서는 제1위상(1 phase) 내지 제3위상(3 phase)을 계산한다. 도 4b를 참조하면, 마스터 파워블록 및 2개의 슬레이브 파워블록의 위상은 360°(degree)를 기준위상(R_ph)으로 설정된 3으로 나눈 값이 되므로, 각각의 위상차이는 120°가 될 것이다.
상술한 본 발명에 따른 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘(223)은, 태양광발전 어레이(10)의 발전량에 따라 순차적으로 파워모듈 선택하도록 하여 파워모듈을 가동하는데 소비되는 전력을 최소한으로 할 수 있을 뿐만 아니라, 활성화되는 파워모듈의 위상이 서로 겹치지 않도록 함으로써, 상전류 평형으로 인한 생성 전력의 품질을 최대한으로 할 수 있다.
도 5는 서브 최대출력점 제어알고리즘을 설명하는 신호 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 서브 최대출력점 제어알고리즘(231)은 전압&전류의 시간 변화 계산단계(510), 제1변화검출단계(520), 제1변화조치단계(530), 제2변화검출단계(540) 및 제2변화조치단계(550)를 수행한다.
전압&전류의 시간 변화 계산단계(510)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전압(V_pv(k), k는 자연수) 및 출력전류(I_pv(k))를 실시간으로 측정한 후, 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압증가량(V_sub1)과 전압감소량(V_sub2), 태양광발전 어레이(10)의 출력전류의 시간별 전류증가량(I_sub1)과 전류감소량(I_sub2)을 계산한다.
제1변화검출단계(520)에서는 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압증가량(V_sub1)이 미리 설정한 변동전압기준(α)보다 크거나 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류감소량(I_sub2)이 미리 설정한 변동전류기준(β)보다 큰가를 판단한다.
제1변화조치단계(530)는, 제1변화검출단계(520)의 판단결과 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압증가량(V_sub1)이 미리 설정한 변동전압기준(α)보다 크거나 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류감소량(I_sub2)이 미리 설정한 변동전류기준(β)보다 클 때(Yes)에 수행하며, 해당 파워블록에 공급하는 PWM제어신호의 듀티를 감소시킨 후 메인 최대출력전 제어알고리즘(221)을 수행하도록 한다. 듀티를 감소시키는 양은 미리 설정할 수 있으며, 본 발명에서는 이를 듀티 변동값(ε)이라고 가정한다. 따라서 제1변화조치단계(530)에서는 이전의 듀티에 비해 듀티 변동값(ε1) 만큼 감소한 듀티가 PWM제어신호의 듀티로 설정되게 될 것이다.
제2변화검출단계(540)는, 제1변화검출단계(520)의 판단결과 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압증가량(V_sub1)이 미리 설정한 변동전압기준(α)보다 작거나 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류감소량(I_sub2)이 미리 설정한 변동전류기준(β)보다 작을 때(No)에 수행하며, 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압감소율(V_sub2)이 변동전압기준(α)보다 크거나 태양광발전 어레이(10) 출력전류의 시간별 전류증가량(I_sub1)이 변동전류기준(β)보다 큰가를 비교하며, 비교결과 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압감소율(V_sub2)이 변동전압기준(α)보다 작거나 태양광발전 어레이(10) 출력전류의 시간별 전류증가량(I_sub1)이 변동전류기준(β)보다 작을 때(No)에는 메인 최대출력전 제어알고리즘(221)을 수행하도록 한다.
제2변화조치단계(550)는 제2변화검출단계(540)에서의 비교결과, 태양광발전 어레이(10)의 출력전압의 시간별 전압감소율(V_sub2)이 변동전압기준(α)보다 크거나 태양광발전 어레이(10) 출력전류의 시간별 전류증가량(I_sub1)이 변동전류기준(β)보다 클 때(Yes) 수행하며, 해당 파워블록에 공급하는 PWM제어신호의 듀티를 듀티 변동값(ε1) 만큼 증가시킨 후 메인 최대출력전 제어알고리즘(221)을 수행하도록 한다.
도 6은 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘을 설명하는 신호흐름도이다.
도 6을 참조하면, 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘(232)은 초기값 설정단계(610), 배터리 전력 측정단계(620), 배터리 저전압 검출단계(630) 및 디밍단계(640, 650)를 수행한다.
초기값 설정단계(610)에서는 배터리 팩(20)의 과방전 전압(V_bat_over), 완충전 전압(V_bat_f/c) 및 변동기준전류(R_i)를 설정한다. 배터리 전력 측정단계(620)에서는 배터리 팩(20)의 전압(V_bat) 및 전류(I_bat)를 측정한다. 배터리 저전압 검출단계(630)에서는 배터리 팩(20)의 현재 전압이 과방전 전압보다 낮고(and), 배터리 팩(20)으로 공급되는 전류(I_bat)가 변동기준전류(R_i)보다 적은가를 비교한다.
디밍 단계(640, 650)는 배터리 저전압 검출단계(630)에서의 판단 결과, 배터리 팩(20)의 현재 전압(V_bat)이 과방전 전압(V_bat_over)보다 낮고 배터리 팩(20)으로 공급되는 전류(I_bat)가 변동기준전류(R_i)보다 적을 때(Yes) 수행하며, 배터리 팩(20)이 완충전에 이르기까지(650) PWM 제어신호의 듀티를 증가(ε2, 640)시킨다.
배터리 저전압 검출단계(630)에서의 판단 결과, 배터리 팩(20)의 현재 전압이 과방전 전압보다 높거나 배터리 팩으로 공급되는 전류가 변동기준전류보다 많을 때(No) 및 디밍 단계(650)에서 배터리 팩(20)이 완충전에 이르렀다고 판단한 때(650, yes)에는 메인 최대출력점 제어알고리즘(221)을 수행하도록 한다.
최근 출시되는 리튬이온전지와 같은 고밀도 배터리는 배터리 보호를 위하여 설정전압 이하가 되면 내부 보호 회로에 의해서 출력이 차단되는 기능을 가지고 있기 때문에 내부 보호 회로를 해제해주지 못하면 충·방전이 불가능하다. 이러한 경우, 종래에는 배터리에 강제적으로 전력을 투입하여 내부 보호 회로를 해제해야 하는 관리상의 문제점을 내포하고 있다.
이를 개선하기 위하여, 제어기에서 저전압검출기(LVD)를 이용하여 1차적으로 배터리 내부회로의 차단을 방지하도록 한다. 그러나 제어기와 배터리 사이의 설치 거리에 따라서 전압강하가 변동되기 때문에 1차 LVD 검출 범위를 벗어날 수 있으며, 배터리 내부 회로 동작으로 인하여 배터리는 충전 불가 상태가 된다. 따라서, 2차적으로 배터리 내부 회로의 차단 상태를 해제해 줄 수 있도록 한다.
배터리의 내부 회로에 의해서 충전 불가 상태가 되었을 때, 배터리의 만충전 전압까지 전압을 상승시킨다. 이때 급격한 전압상승은 배터리 파손의 원인이 되기 때문에 디밍제어를 통해서 서서히 증가시킨다. 배터리 내부 회로의 차단이 해제되면, 다시 충전모드(221)로 전환되어 충전이 진행되도록 한다. 배터리의 보호와 수명 연장을 위하여 방전은 일정 SOC(State Of Charge) 이상이 되지 않으면 진행되지 않는다. 태양광가로등을 예를 들면, 전날 과방전 상태에서 다음날 충전이 개시되더라도 일정 SOC에 도달하지 않으면 저녁에 조명은 점등되지 않는다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
10: 태양광발전 어레이
20: 배터리 팩
110: DC 링크 커패시터
120: 파워블록모듈
130: 출력 커패시터
140: 컨트롤러

Claims (6)

  1. 태양광발전 어레이로부터 수신한 전압을 감압하여 배터리 팩에 전달하는 것으로,
    일 단자가 상기 태양광발전 어레이에 연결된 DC 링크 커패시터;
    일 단자가 상기 배터리 팩에 연결된 출력 커패시터;
    복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호에 응답하여 상기 DC 링크 커패시터를 경유하여 입력되는 상기 태양광발전 어레이의 출력전압을 감압하여 상기 출력 커패시터를 경유하여 상기 배터리 팩으로 전송하는 복수의 파워블록을 포함하며, 상기 복수의 파워블록은 상기 DC 링크 커패시터의 다른 일 단자 및 상기 출력 커패시터의 다른 일 단자 사이에 병렬로 연결된 파워블록모듈; 및
    상기 태양광발전 어레이로부터 출력하는 어레이 출력전압과 어레이 출력전류, 상기 파워 블록 모듈로부터 출력되는 파워블록모듈 출력전압과 파워블록모듈 출력전류 및 상기 배터리 팩의 입력전압 및 입력전류 값을, 최대출력점 제어알고리즘, 최적전력점 제어알고리즘, 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘 및 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘에 적용하여, 상기 복수의 선택신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성하는 컨트롤러; 를 포함하며,
    상기 최대출력점 제어알고리즘은 상기 태양광발전 어레이의 출력전력의 시간별 차이를 상기 복수의 선택신호 및 상기 복수의 PWM제어신호에 반영하는 메인 최대출력점 제어알고리즘 및 상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하던 도중에 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 전압의 시간에 따른 차이 및 전류의 시간에 따른 차이를 미리 설정한 값과 비교한 결과를 상기 복수의 선택신호 및 상기 복수의 PWM제어신호의 생성에 반영하는 서브 최대출력점 제어알고리즘을 포함하며,
    상기 최적전력점 제어알고리즘은 상기 배터리 팩의 충전량에 따라 상기 파워블록모듈의 전압-전류 특성 곡선 중 특정 영역을 활용하여 상기 배터리 팩의 완충전을 유도하도록 하고,
    상기 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘은 상기 파워블록모듈을 구성하는 각각의 파워블록의 정격을 기준으로 상기 복수의 파워블록을 동작의 우선순위가 되는 마스터 및 슬레이브로 선정하고, 활성화되는 파워블록의 동작 위상을 조정하도록 하며,
    상기 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘은 미리 설정한 상기 배터리 팩의 과방전 및 과충전 전압에 따라 상기 복수의 PWM제어신호의 듀티를 조정하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치.
  2. 제1항에 기재된 태양광 멀티레벨 전력제어장치를 구성하는 컨트롤러에서 수행하는 것으로,
    상기 태양광발전 어레이에서 출력하는 전압의 크기, 상기 배터리 팩에 충전되는 전압의 크기와 미리 설정해 놓은 기준전압, 기준전류, 대기시간 및 듀티를 이용하여 상기 태양광 전력변환장치의 초기 동작여부를 결정하는 초기동작 결정단계;
    상기 태양광발전 어레이의 출력전력의 시간별 차이를 상기 복수의 선택신호 및 상기 복수의 PWM제어신호에 반영하는 메인 최대출력점 제어알고리즘, 상기 배터리 팩의 충전량에 따라 상기 파워블록모듈의 전압-전류 특성 곡선 중 특정 영역을 활용하여 상기 배터리 팩의 완 충전을 유도하도록 하는 최적전력점 제어알고리즘 및 상기 파워블록모듈을 구성하는 각각의 파워블록의 정격을 기준으로 상기 파워블록을 동작의 우선순위가 되는 마스터 및 슬레이브로 할당하고, 활성화된 파워블록의 동작 위상을 조정하도록 하는 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘을 수행하는 일반동작 제어단계; 및
    상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하는 도중에 각각 수행하며, 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 전압의 시간에 따른 차이와 전류의 시간에 따른 각각의 차이를 미리 설정한 값과 비교한 결과를 상기 복수의 선택신호와 상기 복수의 PWM제어신호의 생성에 반영하는 서브 최대출력점 제어알고리즘 및 미리 설정한 상기 배터리 팩의 과충전 전압에 따라 상기 복수의 PWM제어신호의 듀티를 조정하도록 하는 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘을 수행하는 특수상황 제어단계; 중
    적어도 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법.
  3. 제2항에서, 상기 초기동작 설정단계에서는,
    상기 기준전압, 상기 기준전류, 상기 대기시간 및 상기 듀티를 설정하는 초기값 설정단계;
    상기 태양광발전 어레이의 출력전압 및 상기 배터리 팩의 전압을 측정하는 전압 측정단계;
    상기 배터리 팩의 전압에 상기 기준전압을 합한 전압과 상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 크기를 비교하는 전압 비교단계;
    상기 전압 비교단계에서의 비교결과, 상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 크기가 상기 배터리 팩의 전압에 상기 기준전압을 합한 전압의 크기에 비해서 작다고 판단한 때에 수행되며, 상기 대기시간이 경과 한 후 상기 전압 측정단계를 수행하도록 하는 제1 지연단계;
    상기 전압 비교단계에서의 비교결과, 상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 크기가 상기 배터리 팩의 전압에 상기 기준전압을 합한 전압의 크기에 비해서 크다고 판단한 때에 수행되며, 상기 듀티의 값을 1(one) 증가시키는 듀티 조정단계;
    상기 듀티 조정단계를 수행한 후 상기 태양광발전 어레이의 출력전류를 측정하는 전류 측정단계;
    상기 태양광발전 어레이의 출력전류와 상기 기준전류를 비교하여, 상기 태양광발전 어레이의 출력전류가 상기 기준전류보다 크다고 판단한 때에는 상기 일반동작 제어단계를 수행하도록 하는 전류 비교단계; 및
    상기 전류 비교단계에서의 비교결과, 상기 태양광발전 어레이의 출력전류가 상기 기준전류보다 크지 않다고 판단한 때에는, 상기 대기시간이 경과 한 후 상기 전압 측정단계를 수행하도록 하는 제2 지연단계; 를
    수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법.
  4. 제2항에서, 상기 파워블록 간 동작위상 가변 제어 알고리즘은,
    기준위상 및 기준비율을 설정하는 기준값 설정단계;
    상기 파워블록모듈을 구성하는 각각의 파워블록의 정격을 기준으로 상기 복수의 파워블록 중 최우선으로 동작하는 마스터 파워블록을 선택하는 마스터 파워블록 선택단계; 및
    상기 태양광발전 어레이에서 출력되는 전력의 크기가 마스터 파워블록으로 선택된 파워블록의 정격보다 상기 기준비율 이상이 되면, 상기 마스터 파워블록으로 선택된 파워블록을 제외한 다른 파워블록을 슬레이브 파워블록으로 선택하여 활성화하는 슬레이브 파워블록 선택단계; 를 수행하며,
    상기 마스터 파워블록 및 상기 슬레이브 파워블록의 위상차이는 360°(degree)를 상기 기준위상으로 나눈 값이 되는 것을 특징으로 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법.
  5. 제2항에서, 상기 서브 최대출력점 제어알고리즘은,
    상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 시간별 전압증가량이 미리 설정한 변동전압기준보다 크거나 상기 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류감소량이 미리 설정한 변동전류기준보다 클 때에는 듀티를 미리 설정한 듀티 변동값 만큼 감소시킨 후 상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하도록 하고,
    상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 시간별 전압증가량이 미리 설정한 변동전압기준보다 크지 않거나 상기 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류감소량이 미리 설정한 변동전류기준보다 크지 않을 때 수행하며, 상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 시간별 전압감소율이 상기 변동전압기준보다 크거나 상기 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류증가량이 상기 변동전류기준보다 클 때에는 듀티를 미리 설정한 듀티 변동값 만큼 증가시킨 후 그리고 상기 태양광발전 어레이의 출력전압의 시간별 전압감소율이 상기 변동전압기준보다 크지 않거나 상기 태양광발전 어레이 출력전류의 시간별 전류증가량이 상기 변동전류기준보다 크지 않을 때 상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법.
  6. 제2항에서, 상기 배터리 저전압 검출 & 해제 알고리즘은,
    상기 배터리 팩의 과방전 전압, 완충전 전압 및 변동기준전류를 설정하는 초기값 설정단계;
    상기 배터리 팩의 현재 전압이 상기 과방전 전압보다 낮고, 상기 배터리 팩으로 공급되는 전류가 상기 변동기준전류보다 적은가를 비교하는 배터리 저전압 검출단계; 및
    상기 배터리 저전압 검출단계에서의 판단 결과, 상기 배터리 팩의 현재 전압이 상기 과방전 전압보다 낮고 상기 배터리 팩으로 공급되는 전류가 상기 변동기준전류보다 적을 때 수행하며, 상기 PWM 제어신호의 듀티를 조절하여 상기 완충전 전압까지 상기 배터리 팩을 충전하도록 하는 디밍단계; 를 수행하도록 하며,
    상기 배터리 저전압 검출단계에서의 판단 결과, 상기 배터리 팩의 현재 전압이 상기 과방전 전압보다 높거나 상기 배터리 팩으로 공급되는 전류가 상기 변동기준전류보다 많을 때에는 상기 메인 최대출력점 제어알고리즘을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 멀티레벨 전력제어장치의 운영방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230111324A (ko) * 2022-01-18 2023-07-25 가천대학교 산학협력단 태양광 모듈 성능 향상을 위한 병렬 연결형 차동 전력 변환기 및 전력 제어 방법

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KR101533337B1 (ko) 2013-05-06 2015-07-06 주식회사 테크톤 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이로 구성되는 소규모 전력망의 전력을 제어하는 중앙제어시스템

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