KR20200090163A - 직류 버스 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 입력 전력 소스와 부하 사이를 접속하는 직류 버스의 전력 변동을 제어하는 직류 버스 제어 시스템으로서, 제1 충방전 요소 및 제1 전력 변환기를 갖는 주안정화 장치와, 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소 및 제2 전력 변환기를 갖는 적어도 하나의 준안정화 장치를 포함하며, 제1 전력 변환기는, 제1 충방전 요소의 축전량 지표에 따른 버스 전압 목표값을 구하고, 직류 버스의 전압이 버스 전압 목표값에 일치하게끔 제1 충방전 요소와 직류 버스 사이에서 직류 전력을 양방향으로 주고받도록 구성되며, 제2 전력 변환기는, 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소의 충전 또는 방전에 관한 문턱값과 직류 버스의 전압과의 차분에 따라 전류 목표값을 구하고, 전류 목표값과 동등한 전류가 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소에 흐르게끔 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소와 직류 버스 사이에서 직류 전력을 주고받도록 구성된다.
Description
본 개시 내용은 직류 버스 제어 시스템에 관한 것이다.
근래에 화석 에너지, 원자력 에너지 등의 대체 전력 소스로서, 태양광, 풍력, 파력 등 재생 가능 에너지를 이용한 전력 소스 시스템이 주목받고 있으며, 이 중 일부는 이미 실용화되어 있다.
이러한 종류의 전력 소스 시스템은, 기후, 계절, 입지 등에 따라 발전 전력이 크게 변동된다. 그러므로, 전력 소스 시스템이 접속되는 직류 버스의 전압을 소정의 허용 범위로 유지하려면, 태양 전지, 풍력 발전기 등의 전력 소스를, 입력 범위가 넓으면서 대용량인 전력 변환기를 통해 직류 버스에 접속시키는 것이 바람직하다. 그러나, 그러한 경우에는, 전력 변환기의 대용량화에 따라 시스템 전체가 대형화하고 복잡화, 고비용화를 초래하게 된다.
이와 관련하여, 전력 소스 시스템으로부터 직류 버스로 공급되는 전력이나 직류 버스 전압을 안정화시키는 종래 기술로서, 예를 들어, 특허문헌 1~3에 기재된 것이 알려져 있다. 그러나, 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템의 전력 변동이 크기 때문에, 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템의 출력 변동, 부하 변동에 기인하여 발생하는 직류 버스의 전력 변동을 효율적으로 제어하는 것이 곤란하였다.
이상을 고려할 때, 입력 전력 소스, 부하 등의 변동에 기인하여 발생하는 직류버스의 전력 변동을 효율적으로 제어하기 위한 제어 시스템을 제공할 것이 요구된다.
입력 전력 소스와 부하 사이를 접속하는 직류 버스의 전력 변동을 제어하는 직류 버스 제어 시스템은, 제1 충방전 요소 및 제1 전력 변환기를 갖는 주(主)안정화 장치와, 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소 및 제2 전력 변환기를 갖는 적어도 하나의 준(準)안정화 장치를 포함하며, 상기 제1 전력 변환기는, 상기 제1 충방전 요소의 축전량 지표에 따른 버스 전압 목표값을 구하고, 상기 직류 버스의 상기 전압이 상기 버스 전압 목표값에 일치하게끔 상기 제1 충방전 요소와 상기 직류 버스 사이에서 직류 전력을 양방향으로 주고받도록 구성되며, 상기 제2 전력 변환기는, 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소의 충전 또는 방전에 관한 문턱값과 상기 직류 버스의 상기 전압과의 차분에 따라 전류 목표값을 구하고, 상기 전류 목표값과 동등한 전류가 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소에 흐르게끔 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소와 상기 직류 버스 사이에서 직류 전력을 주고받도록 구성된다.
적어도 하나의 실시예에 의하면, 입력 전력 소스, 부하 등의 변동에 기인하여 발생하는 직류 버스의 전력 변동을 효율적으로 제어하기 위한 제어 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 직류 버스 제어 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 실시형태에 있어 준안정화 장치의 다른 예를 나타내는 구성도이다.
도 3은 태양광 발전 시스템 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 주안정화 장치 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 준안정화 장치 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 준안정화 장치 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 축전 장치의 충방전 전력, 물 전해 셀의 입력 전력, 연료 전지의 출력 전력 등과 버스 전압의 관계를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 8a는 주안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 8b는 주안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 9a는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 9b는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 10a는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 10b는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 11은 시뮬레이션에 사용한 직류 버스 제어 시스템 모델의 구성도이다.
도 12는 시뮬레이션에 사용한 주안정화 장치 주요부의 블록도이다.
도 13은 시뮬레이션에 사용한 준안정화 장치 주요부의 블록도이다.
도 14는 시뮬레이션에 사용한 준안정화 장치 주요부의 블록도이다.
도 15는 시뮬레이션 결과를 나타내는 각 부의 전압, 전류 파형도이다.
도 16은 시뮬레이션 결과를 나타내는 각 부의 전압, 전류 파형도이다.
도 2는 실시형태에 있어 준안정화 장치의 다른 예를 나타내는 구성도이다.
도 3은 태양광 발전 시스템 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 주안정화 장치 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 준안정화 장치 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 준안정화 장치 내 전력 변환기의 일 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 축전 장치의 충방전 전력, 물 전해 셀의 입력 전력, 연료 전지의 출력 전력 등과 버스 전압의 관계를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 8a는 주안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 8b는 주안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 9a는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 9b는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 10a는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 10b는 준안정화 장치의 작동 설명도이다.
도 11은 시뮬레이션에 사용한 직류 버스 제어 시스템 모델의 구성도이다.
도 12는 시뮬레이션에 사용한 주안정화 장치 주요부의 블록도이다.
도 13은 시뮬레이션에 사용한 준안정화 장치 주요부의 블록도이다.
도 14는 시뮬레이션에 사용한 준안정화 장치 주요부의 블록도이다.
도 15는 시뮬레이션 결과를 나타내는 각 부의 전압, 전류 파형도이다.
도 16은 시뮬레이션 결과를 나타내는 각 부의 전압, 전류 파형도이다.
이하에서 도면에 따라 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
도 1은 실시형태에 따른 직류 버스 제어 시스템의 전체 구성도이다. 도 1에 나타낸 직류 버스 제어 시스템은, 입력 전력 소스로서, 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템인 태양광 발전 시스템(10) 및 풍력 발전 시스템(20)을 포함한다. 이들 발전 시스템(10,20)은 병렬로 접속되며 그 출력측이 직류 버스(70)에 접속되어 있다. 태양광 발전 시스템(10)은 태양 전지(11) 및 전력 변환기(12)를 포함하며, 풍력 발전 시스템(20)은 풍력 발전기(21) 및 전력 변환기(22)를 포함한다.
입력 전력 소스는 임의의 것일 수 있다. 입력 전력 소스가 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템인 경우, 전술한 것 외에도 파력, 지열 등의 에너지를 이용한 것일 수도 있으며, 수력(소수력) 발전, 조력 발전, 조류 발전, 온도차 발전 등의 전력 소스 시스템일 수도 있다. 또한, 앞서 설명한 것도 포함해서 이들의 조합일 수도 있다.
또한, 서로 병렬로 접속되는 전력 소스 시스템의 갯수는 특별히 제한되지 않는다.
직류 버스(70)에는 주안정화 장치(30) 및 준안정화 장치(40,50,60)가 접속되어 있으며 또한 부하(90)가 접속되어 있다.
주안정화 장치(30)는, 기준 버스 전압(직류 버스(70)의 기준 전압)을 중심으로 한 소정의 허용 범위 내에서 가변의 버스 전압 목표값을 설정하고, 직류 버스(70) 쪽의 출력 전압이 버스 전압 목표값에 일치하도록 전력 변환기(32)를 작동시켜 축전 장치(31)를 충방전 제어한다.
또한, 준안정화 장치(40)는, 충방전 문턱값과 상기 직류 버스의 상기 전압과의 차분에 기초하여 입출력 전류 목표값을 연산하고, 입출력 전류가 상기 입출력 전류 목표값에 일치하도록 전력 변환기(42)를 작동시켜 축전 장치(41)를 충방전 제어한다.
여기에서, 축전 장치(31,41)는, 예를 들어, 배터리(이차 전지), 전기 이중층 컨덴서, 캐퍼시터, 플라이휠 또는 레독스 플로우 전지 등이다. 또한, 전력 변환기(32,42)는, 예를 들어, 절연형 DC/DC 컨버터 또는 쵸퍼(chopper) 등이며, 화살표로 나타내는 것처럼 직류 전력을 양방향으로 주고받을 수 있다.
준안정화 장치(50)는, 충전 문턱값과 상기 직류 버스의 상기 전압과의 차분에 기초하여 연산한 입출력 전류 목표값과 입출력 전류가 일치하도록, 전력 변환기(52)가 DC/DC 변환을 행하여 물 전해 셀(51)에 직류 전력을 공급(일종의 충전 작동)함으로써, 물을 전기 분해하여 수소 가스 및 산소 가스를 생성한다. 또한, 준안정화 장치(60)는, 연료 전지(61)의 전기 화학 반응에 의해 발생한 직류 전력을 전력 변환기(62)를 통해 직류 버스(70)로 공급(일종의 방전 작동)하는데, 이 때 방전 문턱값과 상기 직류 버스의 상기 전압과의 차분에 기초하여 연산한 입출력 전류 목표값과 입출력 전류가 일치하도록, 전력 변환기(62)가 DC/DC 변환을 행한다.
전술한 준안정화 장치(50,60)의 구성은 어디까지나 예시적인 것이어서, 물 전해 셀(51)에 대신하여, 전기 화학적으로 이산화탄소 환원을 행해서 C-H계의 결합(CH4, C2H4 등)이나 알코올을 제조하는 수단, 또는 질소를 환원하여 암모니아를 제조하는 수단일 수도 있으며, 연료 전지(61)에 대신하여, 알코올 등을 이용한 연료 전지나, 화학 물질(수소, C-H계, 알코올, 암모니아 등)을 연소시켜 터빈 등을 회전시키는 발전 수단일 수도 있다.
도 2는 준안정화 장치의 다른 구성예이다. 도시하는 바와 같이, 전술한 준안정화 장치(50,60)는, 수소 저장 장치(53)를 공유하는 일체 구조의 준안정화 장치(50A)일 수도 있다.
도 1에 있어서, 축전 장치(31,41)는 직류 전력을 흡수(충전), 방출(방전)할 수 있다. 또한, 물 전해 셀(51)(및 도 2의 수소 저장 장치(53))은 직류 전력을 가스로 변환시켜 축적할 수 있고, 연료 전지(61)(및 마찬가지로 수소 저장 장치(53))는 가스를 직류 전력으로 변환시키는 발전 작동을 할 수 있다. 축전 장치(31,41)는 충방전 요소를 구성하며, 물 전해 셀(51)(및 수소 저장 장치(53))은 충전 요소를 구성하며, 연료 전지(61)(및 수소 저장 장치(53))는 방전 요소를 구성한다.
전술한 바와 같이, 각 안정화 장치(30,40,50,60)는, 전력 변환기(32,42,52,62)의 작동에 의해 직류 버스(70)와의 사이에서 직류 전력을 각각 주고받는 전력 버퍼로 간주할 수 있다. 또한, 주안정화 장치(30) 및 준안정화 장치(40)는 충방전 기능을 갖는 전력 버퍼이고, 준안정화 장치(50)는 충전 기능을 갖는 전력 버퍼이며, 준안정화 장치(60)는 방전 기능을 갖는 전력 버퍼이다.
한편, 버스 전압 목표값 설정 기능을 갖는 주안정화 장치(30)는 1대이면 되나, 준안정화 장치는 전력 소스 시스템의 병렬 갯수, 부하(90)의 요구 전력 등에 따라 필요한 갯수만큼 설치하면 된다.
감시·지시 장치(80)는 각 발전 시스템(10,20), 주안정화 장치(30) 및 준안정화 장치(40,50,60)의 상태 정보(전압, 전류, 온도 등)를 수집하여 상태 감시, 작동 감시를 하고, 이들 감시 결과에 기초하여 각 부의 운전 지령(기동·정지 지령 등) 및 충방전 문턱값 지령 등을 생성한다. 감시·지시 장치(80)와 전술한 각 부 사이에서 유선 또는 무선에 의해 각종의 감시 신호 및 지령을 송수신할 수 있다.
부하(90)는 직류 전동기 등의 직류 부하, 또는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 DC/AC 변환기 및 그 교류 부하일 수 있다. 또한, 직류 버스(70)에 DC/AC 변환기를 통해 교류 전력 계통이 접속되어 있을 수도 있다.
이어서, 도 1에서의 각 부 구성에 대해 설명한다. 도 1의 구성에서는, 입력 전력 소스로서 태양광 발전 시스템(10) 및 풍력 발전 시스템(20)을 포함하고 있다.
태양광 발전 시스템(10) 및 풍력 발전 시스템(20)은, 재생 가능 에너지를 이용한 발전 전력을 전력 변환기(12,22)에 의해 직류 전력으로 변환시켜 직류 버스(70)로 공급한다는 점에서 공통된 기능을 가진다. 그러므로, 이하에서는 태양광 발전 시스템(10)을 예로 들어 설명한다.
도 3은 태양광 발전 시스템(10) 내 전력 변환기(12)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 전력 변환기(12)는 DC/DC 변환부(12A)와 제어 회로(12B)를 구비하고 있다.
DC/DC 변환부(12A)는, 반도체 스위칭 소자의 작동에 의해 태양 전지(11)의 직류 출력 전압을 소정 크기의 직류 전압으로 변환하여 직류 버스(70)로 출력하는 것이며, 예를 들어 승압 쵸퍼에 의해 구성되어 있다.
DC/DC 변환부(12A)를 제어하는 제어 회로(12B)에서는, 태양 전지(11)의 출력 전압 및 전류가 전압 검출부(12a) 및 전류 검출부(12b)에 의해 검출되며, 이들 검출값은 MPPT 제어부(12c)에 입력되어 있다. MPPT 제어부(12c)에서는, 등산법(exploratory method) 등에 의해 태양 전지(11)의 최대 출력점을 탐색하여 전압·전류 제어부(12d)로 출력한다.
전압·전류 제어부(12d)는 PWM(펄스폭 변조) 제어 등에 의해 생성된 구동 펄스를 구동 회로(12e)로 송출하고, 구동 회로(12e)는 상기 구동 펄스에 따라 DC/DC 변환부(12A)의 반도체 스위칭 소자를 온 및 오프시킨다.
또한, 직류 버스(70)의 전압이 전압 검출기(12f)에 의해 검출되며, 이 버스 전압 검출값은 후술하는 주안정화 장치(30)로부터 보내진 버스 전압 목표값과 함께 비교부(12g)에 입력되어 있다. 비교부(12g)는 버스 전압 검출값과 버스 전압 목표값의 편차에 따른 제어 신호를 생성하여 전압·전류 제어부(12d)로 출력한다.
전압·전류 제어부(12d)는 상기 제어 신호에 기초하여 버스 전압 검출값을 버스 전압 목표값에 일치시키는 구동 펄스를 연산하는 것이며, 예를 들어, 펄스 전압 검출값이 버스 전압 목표값보다 큰 경우에는, DC/DC 변환부(12A)의 출력 전압을 저하시키도록(운전 정지도 포함) 제어 작동한다.
도 4는 주안정화 장치(30) 내 전력 변환기(32)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 전력 변환기(32)는 DC/DC 변환부(32A) 및 제어 회로(32B)를 구비하고 있다.
DC/DC 변환부(32A)는 직류 버스(70)와 축전 장치(31) 사이에서 직류 전력을 양방향으로 주고받으며 축전 장치(31)를 충방전 제어하는 기능을 가지는데, 반도체 스위칭 소자를 구비한 절연형 DC/DC 컨버터, 쵸퍼 등에 의해 구성되어 있다. 축전 장치(31)에는 전압·전류 및 온도를 검출하는 센서(31a)가 설치되어 있다.
제어 회로(32B)의 구성은 이하와 같다.
전압 검출기(32a)에 의해 직류 버스(70)의 전압이 검출되며, 버스 전압 목표값 연산부(32b)에 의해 축전 장치(31)의 축전량 지표에 따라 버스 전압 목표값이 연산된다. 한편, 버스 전압 목표값의 연산 방법에 대해서는 후술한다.
상기 축전량 지표로는, 예를 들어 센서(31a)에 의해 검출되는 축전 장치(31)의 충방전 전류를 적분하여 얻어진 충전률(SOC: State of Charge)을 사용할 수 있다.
버스 전압 목표값과 버스 전압 검출값의 편차가 감산기(32c)에 의해 연산되며, 이 전압 편차가 충방전 제어부(32d)에 입력되어 있다.
충방전 제어부(32d)에는 축전 장치(31)의 전압·전류, 온도 및 충방전 문턱값이 입력되어 있으며, 충방전 제어부(32d)는 이들 입력 정보를 고려하면서 버스 전압 검출값이 버스 전압 목표값에 일치하도록 PWM 제어 등을 행하여 구동 펄스를 생성한다. 구동 회로(32e)는 상기 구동 펄스에 따라 DC/DC 변환부(32A)의 반도체 스위칭 소자를 온 및 오프시킨다. DC/DC 변환부(32A)는 상기와 같이 축전 장치(31)를 충방전 제어하여, 버스 전압 검출값을 버스 전압 목표값에 일치시킨다.
한편, 축전 장치(31)의 충방전 문턱값은, 제어 회로(32B)가 스스로 설정할 수도 있고, 도 1의 감시·지시 장치(80)로부터의 지령으로서 수신할 수도 있다.
도 5는 도 1의 준안정화 장치(40) 내 전력 변환기(42)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 전력 변환기(42)는 DC/DC 변환부(42A) 및 제어 회로(42B)를 구비하고 있다. 전력 변환기(42)는 직류 버스(70)와 축전 장치(41) 사이에서 직류 전력을 양방향으로 주고받는다는 점에서, 도 4의 전력 변환기(32)와 마찬가지의 기능을 갖는다. 축전 장치(41)에는, 상기 축전 장치(31)와 마찬가지로, 전압·전류 및 온도를 검출하는 센서(41a)가 구비되어 있다. 제어 회로(42B)는 전압 검출기(42a), 비교부(42b), 감산기(42c), 충방전 제어부(42d), 구동 회로(42e)를 포함한다.
도 5에 나타내는 전력 변환기(42)는 도 4의 전력 변환기(32)와는 이하의 점에서 다르다. 제어 회로(42B)는, 충방전 문턱값과 버스 전압 검출값의 편차에 기초하여 충방전 제어부(42d)가 입출력 전류 목표값을 연산한다. 충방전 제어부(42d)는 나아가, DC/DC 변환부(42A)의 입출력 전류가 입출력 전류 목표값에 일치하도록 축전 장치(41)에 대한 충방전 제어를 행한다. 여기에서 상기 충방전 문턱값은, 축전 장치(41)의 충방전에 관한 문턱값(충전 문턱값 및 방전 문턱값)일 수도 있고, 당해 문턱값과 직류 버스(70)의 전압과의 차분에 따라 입출력 전류 목표값을 정할 수도 있다.
또한, 제어 회로(42B)에 구비된 비교부(42b), 축전 장치(41)의 충방전 문턱값을 버스 전압 검출값과 비교하여 충전 문턱값 또는 방전 문턱값과 버스 전압 검출값의 대소 관계에 따라 충전 지령 또는 방전 지령을 출력함으로써, 충방전 제어부(42d)의 작동을 제어한다. 한편, 충방전 문턱값은, 제어 회로(42B)가 스스로 설정할 수도 있고, 감시·지시 장치(80)로부터 지령으로서 수신할 수도 있다.
도 6은 준안정화 장치(50) 내 전력 변환기(52)의 일 구성예를 나타내는 블록도이다. 전력 변환기(52)는 DC/DC 변환부(52A) 및 제어 회로(52B)를 구비하고 있다.
DC/DC 변환부(52A)는 직류 버스(70)의 직류 전력을 소정 크기로 변환하여 물 전해 셀(51)로 공급하는 기능을 가지며, 반도체 스위칭 소자를 구비한 절연형 DC/DC 컨버터, 쵸퍼 등으로 구성되어 있다. 물 전해 셀(51)은 DC/DC 변환부(52A)로부터 공급된 직류 전력을 이용하여 물을 전기 분해하여, 생성된 수소 가스를 외부의 저장 장치(미도시)에 저장하는 작동, 바꾸어 말하면, 일종의 충전 작동을 행한다.
DC/DC 변환부(52A)를 제어하는 제어 회로(52B)는, 대략 도 5의 제어 회로(42B)와 마찬가지로 구성되어 있다.
즉, 도 6의 제어 회로(52B)에 있어, 전압 검출기(52a)에 의해 직류 버스(70)의 전압이 검출되고, 충전 문턱값과 버스 전압 검출값의 편차가 감산기(52c)에 의해 연산되며, 이 전압 편차가 충전 제어부(52d)에 입력되어 있다. 또한, 버스 전압 검출값은 충전 문턱값과 함께 비교부(52b)에 입력되어 있으며, 비교부(52b)는 버스 전압 검출값이 충전 문턱값보다 크면 충전 지령을 충전 제어부(52d)로 출력한다. 여기에서, 충전 문턱값은 물 전해 셀(51)에 의한 전기 분해의 개시 전압에 상당한다. 즉, 상기 충전 문턱값은 물 전해 셀(51)의 충전에 관한 문턱값이다.
충전 제어부(52d)는, 감산기(52c)로부터 입력된 전압 편차에 기초하여 입출력 전류 목표값을 연산하며, DC/DC 변환부(52A)의 입출력 전류가 입출력 전류 목표값에 일치하도록, 충전 지령으로서의 구동 펄스를 생성하여 구동 회로(52e)로 출력한다. 구동 회로(52e)에서는, 상기 구동 펄스에 따라 DC/DC 변환부(52A)의 반도체 스위칭 소자를 온 및 오프시킴으로써 직류 전력을 물 전해 셀(51)로 공급하여 물을 전기 분해한다.
DC/DC 변환부(52A)는, 상기 작동에 의해 물 전해 셀(51)로 공급되는 직류 전력을 제어하면서 입출력 전류를 입출력 전류 목표값에 일치시키도록 작동한다.
도 1의 준안정화 장치(60)에 대해서는, 연료 전지(61)에 의한 발전 작동을 방전 작동이라 설정하고서, 도 6에 나타낸 준안정화 장치(50)의 물 전해 셀(51), 충전 문턱값, 충전 제어부(52d)를 각각 연료 전지(61), 방전 문턱값, 방전 제어부로 치환하여 구성할 수 있다. 이 경우의 방전 문턱값은 연료 전지(61)에 의한 발전의 개시 전압에 상당한다.
준안정화 장치(60)에서는, 버스 전압 검출값이 방전 문턱값보다 작을 때에 방전 지령에 상당하는 구동 펄스를 방전 제어부로 출력하여 DC/DC 변환부를 작동시킴으로써, 연료 전지(61)에 의한 발전 전력을 DC/DC 변환부를 통해 직류 버스(70)로 공급한다.
DC/DC 변환부는, 상기 작동에 의해 연료 전지(61)의 발전 전력을 제어하면서 입출력 전류를 입출력 전류 목표값에 일치시키도록 작동한다.
물 전해 셀(51), 연료 전지(61)에도 전압·전류 및 온도 등을 검출하는 센서가 구비되며, 이들 검출값이 충전 제어부(52d), 방전 제어부에 입력되어 있는데, 편의상 상기 센서의 도시를 생략한다.
또한, 충전 문턱값 및 방전 문턱값은, 각 제어 회로가 스스로 설정할 수도 있으며, 감시·지시 장치(80)로부터 지령으로서 수신할 수도 있다.
도3~도6에 나타낸 전력 변환기(12,32,42,52), 특히, 제어 회로(12B,32B,42B,52B)의 구성이나 작동은 어디까지나 예시적인 것으로서 본 발명의 어떠한 기술적 범위를 한정한 것도 아니며, 이들과 다른 구성을 채용할 수도 있다는 것은 말할 필요도 없다.
이어서, 도 7은, 직류 버스(70)의 전압에 따른 준안정화 장치(40)의 축전 장치(41)의 충방전 전력, 준안정화 장치(50)의 물 전해 셀(51)의 입력 전력, 준안정화 장치(60)의 연료 전지(61)의 출력 전력을 각각 모식적으로 나타낸 개념도이다. 도 7에서 삼각형 모양의 횡방향 폭은 각 전력의 크기를 나타내며, 폭이 넓을수록 전력값이 크다.
도 7에서는, 입력 전력 소스가 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템인 경우를 예시하고 있으며, 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템은, 예를 들어, 도 1의 태양광 발전 시스템(10) 및/또는 풍력 발전 시스템(20)이다. 이들 발전 전력이 공급되는 직류 버스(70)의 전압과 축전 장치(41), 물 전해 셀(51), 연료 전지(61)의 충방전 문턱값 등에 따라 각 부의 충방전 작동이 제어된다.
예를 들어, 축전 장치(41)에 관한 (a)에 나타내는 바와 같이, 버스 전압이 축전 장치(41)의 충전 문턱값보다 높으면 높을수록 축전 장치(41)로 공급되는 충전 전력이 크며, 버스 전압이 축전 장치(41)의 방전 문턱값보다 낮으면 낮을수록 축전 장치(41)로부터 방출되는 방전 전력이 크다. 마찬가지로, 버스 전압이 물 전해 셀(51)의 충전 문턱값보다 높으면 높을수록 물 전해 셀(51)로 공급되는 충전 전력이 크며, 버스 전압이 연료 전지(61)의 방전 문턱값보다 낮으면 낮을수록 연료 전지(61)로부터 발생하는 방전 전력이 크다.
축전 장치(41)에 관한 (b)는 기준 버스 전압에 따라 충전 문턱값 및 방전 문턱값을 (a)보다 낮게 설정한 경우이고, (c)는 충전 문턱값 및 방전 문턱값을 (a)보다 높게 설정한 경우이다. 같은 식의 문턱값 설정 변경 조작이 물 전해 셀(51)의 충전 문턱값 및 연료 전지(61)의 방전 문턱값에 대해서도 가능하다.
이와 같이, 축전 장치(41), 물 전해 셀(51), 연료 전지(61)의 충전 문턱값 및 방전 문턱값을 변화시켜 충방전 작동을 제어함으로써, 직류 버스(70)와 준안정화 장치(40,50,60) 사이에서 주고받는 직류 전력을 개별적으로 조정할 수 있다. 바꾸어 말하면, 각각의 전력 버퍼로서의 작동을 세밀하게 제어하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 충전 문턱값 및 방전 문턱값의 변경은, 감시·지시 장치(80)로부터의 지령에 기초하거나, 또는 전력 변환기(42,52,62)가 스스로 행할 수도 있다.
도 8a 및 도 8b는 주안정화 장치(30)의 작동 설명도이다.
도 8a에 파선(굵은선)으로 나타내는 바와 같이, 주안정화 장치(30)는 직류 버스(70)와 축전 장치(31) 사이에서 직류 전력을 주고받으며 축전 장치(31)를 충방전 제어한다. 전력 변환기(32) 내의 제어 장치(32B)는, 예를 들어, 도 8b에 나타내는 특성에 따라 축전 장치(31)의 축전량 지표(예를 들어, 충전율)에 기초하여 버스 전압 목표값을 설정한다.
이 버스 전압 목표값은, 직류 버스(70)의 전압 허용 범위 내에서 축전량 지표가 클수록 높으며 축전량 지표가 작을수록 낮도록 설정되며, 버스 전압 검출값이 이 버스 전압 목표값과 일치하도록, 제어 회로(32B)가 DC/DC 변환부(32A)를 제어한다.
도 9a 및 도 9b는 준안정화 장치(40,50)의 작동 설명도이다.
도 9a에 파선(굵은선)으로 나타내는 바와 같이, 준안정화 장치(40)의 전력 변환기(42)는 직류 버스(70)의 직류 전력을 이용하여 축전 장치(41)를 충전하며, 준안정화 장치(50)의 전력 변환기(52)는 직류 버스(70)의 직류 전력을 물 전해 셀(51)로 공급하여 물을 전기 분해한다.
이 경우의 충전 특성은 도 9b에 나타내는대로이며, 직류 버스(70)의 전압이 축전 장치(41) 또는 물 전해 셀(51)의 충전 문턱값보다 높을수록 충전 전류가 크게끔 전력 변환기(42,52)를 각각 제어한다.
도10a 및 도10b는 준안정화 장치(40,60)의 작동 설명도이다.
도 10a에 파선(굵은선)으로 나타내는 바와 같이, 준안정화 장치(40)의 전력 변환기(42)는 축전 장치(41)를 방전시켜 직류 전력을 직류 버스(70)로 공급하고, 준안정화 장치(60)의 전력 변환기(62)는 연료 전지(61)를 발전 작동시켜 직류 전력을 직류 버스(70)로 공급한다.
이 경우의 방전 특성은 도 10b에 나타내는대로이며, 직류 버스(70)의 전압이 축전 장치(41) 또는 연료 전지(61)의 방전 문턱값보다 낮을수록 방전 전류가 크게끔 전력 변환기(42,62)를 각각 제어한다.
이어서, 개시된 기술의 효과를 검증하기 위해 실시한 시뮬레이션에 대해 설명한다.
도 11은 시뮬레이션에 사용한 직류 버스 제어 시스템 모델을 나타내며, 태양광 발전 시스템(10), 주안정화 장치(30), 준안정화 장치(50,60), 직류 버스(70), 부하(90)를 구비하고 있다.
여기에서, 태양광 발전 시스템(10)의 전력 변환기(12)는, 가져오는 전류 및 전압을 0.1초마다 변경하는 MPPT(최대 전력점 추종) 제어를 행하는 것으로 한다.
주안정화 장치(30)의 전력 변환기(32)는, 0.1초마다 축전 장치(31)의 충방전 전류를 측정하여 추정 축전량 지표를 구하고, 이 추정 축전량 지표, 기준 축전량 지표, 기준 버스 전압에 기초하여 버스 전압 목표값을 연산한다.
도 12는 주안정화 장치(30)의 주요부를 나타내는 블록도이다. 도 12에 나타낸 구성은 발진기(1), 추정 축전량 지표 연산부(2), 감산기(3,6), 게인 승산기(乘算器)(4), 가산기(5), PID(비례·적분·미분) 컨트롤러(7)를 포함한다. 한편, K1은 기준 축전량 지표에 상당하는 정수이며, K2는 기준 버스 전압에 상당하는 정수이다.
도 13은 시뮬레이션에 사용한 준안정화 장치(50)의 주요부를 나타내는 블록도이다. 도 13에 나타내는 구성은, 버스 전압 검출값과 기준 버스 전압의 편차를 구하는 감산기(9), 상기 편차를 없애도록 작동하는 PID 컨트롤러(110), 메모리(111)를 포함하여, 물 전해 셀(51)로 출력할 전류를 연산한다.
또한, 도 14는 시뮬레이션에 사용한 준안정화 장치(60)의 주요부를 나타내는 블록도이다. 도 14에 나타내는 구성은, 기준 버스 전압과 연료 전지(61)의 전압 검출값과의 편차를 구하는 감산기(112), 상기 편차를 없애도록 작동하는 PID 컨트롤러(113)를 포함하여, 연료 전지(61)에 의한 발전 전류를 연산한다.
도 15 및 도 16은 시뮬레이션 결과를 나타내는 각 부 전압 및 전류의 파형도이다.
도 15에서 (a)는 태양 전지(11)의 전압을, (b)는 태양 전지(11)의 전류를, (c)는 버스 전압을, (d)는 부하 전류를 나타낸다. 도 16에서 (a)는 축전 장치(31)의 전압을, (b)는 축전 장치(31)의 전류를, (c)는 물 전해 셀(51)의 전류를, (d)는 연료 전지(61)의 전류(정상시의 누출 전류를 포함)를 나타낸다.
여기에서는, 시각 t1에서 태양 전지(11)의 출력 전류가 흐르기 시작하고 그 후 시각 t2에서 부하(90)가 기동되며, 시각 t3(=40초)에서 태양 전지(11)의 전류가 감소하며, 시각 t5(=80초)에서 부하 전류가 0이 되는 경우의 각 부 전압 및 전류의 거동을 시뮬레이션한다.
시각 t1에서 태양 전지(11)의 발전 개시에 따라 버스 전압이 축전 장치(31) 및 물 전해 셀(51)의 충전 문턱값보다 높아지면, 축전 장치(31) 및 물 전해 셀(51)로의 충전이 시작되어서, 축전 장치(31)의 전압은 높아지며(도 16의 (a)), 물 전해 셀(51)의 입력 전류는 증가한다(도 16의 (c)).
이로써 축전 장치(31)의 축전량 지표가 증가하므로, 버스 전압 목표값도 시각 t1 이후에는 높아진다(도 15의 (c))
시각 t2에서 부하(90)가 기동되면 버스 전압은 약간 저하된다(도 15의 (c)).
시각 t3에서 태양 전지(11)의 전류 및 버스 전압이 감소하여, 버스 전압이 축전 장치(31)의 방전 문턱값보다 작게 되어 축전 장치(31)가 방전되므로, 축전 장치(31)의 전압이 저하된다(도 16의 (a), (b)). 한편, 도 16의 (b)에서는 음방향의 전류가 방전 전류이다. 동시에 시각 t3 이후에는 물 전해 셀(51)의 전류도 0이 된다.
버스 전압이 연료 전지(61)의 방전 문턱값보다 작으면, 시각 t3 직후의 시각 t4에서 연료 전지(61)의 출력 전류가 증가하며(도 16의 (d)), 시각 t4 이후에는 버스 전압 및 축전 장치(31)의 전압이 거의 일정한 값으로 유지된다(도 15의 (c), 도 16의 (a)).
그 후, 시각 t5에서 부하 전류가 0으로 되면(도 15의 (d)), 버스 전압이 상승하기 시작하여 버스 전압이 연료 전지(61)의 방전 문턱값보다 커지면, 연료 전지(61)로부터의 방전 전류는 0이 된다(도 15의 (c), 도 16의 (d)). 또한, 버스 전압이 축전 장치(31)의 충전 문턱값보다 커짐으로써, 축전 장치(31)의 충전이 개시되며, 시각 t6까지 충전이 계속된다(도 16의 (a), (b)).
또한, 버스 전압이 물 전해 셀(51)의 충전 문턱값보다 커지면, 물 전해 셀(51)의 전압이 버스 전압에 거의 동등해질 때까지 물 전해 셀(51)로의 입력 전류가 증가해 가다가 시각 t6 이후에는 입력 전류가 거의 일정한 값으로 된다(도 16의 (c)).
상기 작동에 있어 도 15의 (c)에서의 버스 전압 목표값은 도 12에 나타낸 주안정화 장치(30)의 블록도에 의해 연산된다. 버스 전압 검출값은 버스 전압 목표값에 양호하게 추종하고 있다.
또한, 시뮬레이션 기간 중의 태양 전지(11)의 출력 변동, 부하 전류 변동에 관해서는, 축전 장치(31)를 갖는 주안정화 장치(30), 물 전해 셀(51)을 갖는 준안정화 장치(50), 연료 전지(61)를 갖는 준안정화 장치(60)가 각 충방전 문턱값과 버스 전압의 대소 관계에 따라 자율적으로 충전 동작 또는 방전 동작을 하여 전력 버퍼로서 작동한다. 이로써 버스 전압 검출값이 소정의 허용 범위(거의 379.7V~380.5V 범위)로 유지되고 있음을 알 수 있다.
여기에서, 직류 버스(70)의 공급 전력에 대해 말하자면, 상기와 같이 버스 전압 검출값이 버스 전압 목표값에 양호하게 추종하여 소정의 허용 범위 내에서 거의 일정하게 유지되므로, 직류 버스(70)에서의 전력 변동은 전류값 변동과 거의 일치한다. 따라서, 본 발명의 직류 버스 제어 시스템에서는, 주안정화 장치(30)에 의한 전압 제어와 준안정화 장치(50,60)에 의한 전류 제어에 의해, 직류 버스(70)의 전력 변동을 제어할 수 있게 된다.
한편, 충전 기능을 갖는 준안정화 장치(예를 들어, 물 전해 셀을 구비한 준안정화 장치)가 직류 버스(70)에 복수 대 접속되어 있는 경우에는, 응답이 빠른 준안정화 장치가 우선적으로 작동하여 직류 버스(70)의 전력 변동을 흡수해 버리므로, 다른 준안정화 장치가 작동하지 않을 가능성이 있다. 이러한 상황은 각 장치의 작동을 평준화시킨다는 관점에서는 바람직하지 않다. 또한, 방전 기능을 갖는 준안정화 장치(예를 들어, 연료 전지를 구비한 준안정화 장치)가 직류 버스(70)에 복수 대 접속되어 있는 경우, 충방전 기능을 갖는 준안정화 장치(예를 들어, 축전 장치를 구비한 준안정화 장치)가 직류 버스(70)에 복수 대 접속되어 있는 경우 등에도 같은 문제가 발생할 수 있다.
상기 문제에 대해서는, 동일한 기능(충전 기능 또는 방전 기능)을 갖는 복수 대의 준안정화 장치 간에, 출력 전류가 증가할수록 출력 전압을 저하시키는 드룹 제어(droop control)를 적용하여 드룹율(droop rate)을 조정함으로써, 각 장치의 부하(이용율, 작동 책무 등)를 소정 비율로 분담시키면 된다.
또한, 상기와 같이 복수 대의 준안정화 장치의 작동을 평준화시키는 운용 방법 외에도, 각각의 준안정화 장치의 반응 응답성, 충전 용량 등을 고려하여, 예를 들어 어떤 준안정화 장치에 대해서는 거의 가득 충전한 상태에서 작동시키고, 다른 준안정화 장치에 대해서는 거의 완전히 방전시킨 상태에서 작동시키는 식으로, 충전 전력 및 방전 전력에 우선 순위를 붙여 운용하는 방법도 생각할 수 있다.
본 출원은 일본국 특허청에 2017년 11월 21일자로 출원된 일본 특허출원2017-223808호에 기초한 우선권을 주장하는 것으로서, 그 전체 내용을 참조로써 이에 원용한다.
10
태양광 발전 시스템
11 태양 전지
12 전력 변환기
12A DC/DC 변환부
12B 제어 회로
12a,12f 전압 검출기
12b 전류 검출기
12c MPPT 제어부
12d 전압·전류 제어부
12e 구동 회로
12g 비교부
20 풍력 발전 시스템
21 풍력 발전기
22 전력 변환기
30 주안정화 장치
31 축전 장치
31a 센서
32 전력 변환기
32A DC/DC 변환부
32B 제어 회로
32a 전압 검출기
32b 버스 전압 목표값 연산부
32c 감산기
32d 충방전 제어부
32e 구동 회로
40 준안정화 장치
41 축전 장치
41a 센서
42 전력 변환기
42A DC/DC 변환부
42B 제어 회로
42a 전압 검출기
42b 비교부
42c 감산기
42d 충방전 제어부
42e 구동 회로
50,50A 준안정화 장치
51 물 전해 셀
52 전력 변환기
52A DC/DC 변환부
52B 제어 회로
52a 전압 검출기
52b 비교부
52c 감산기
52d 충전 제어부
52e 구동 회로
53 수소 저장 장치
60 준안정화 장치
61 연료 전지
62 전력 변환기
70 직류 버스
80 감시·지시 장치
90 부하
11 태양 전지
12 전력 변환기
12A DC/DC 변환부
12B 제어 회로
12a,12f 전압 검출기
12b 전류 검출기
12c MPPT 제어부
12d 전압·전류 제어부
12e 구동 회로
12g 비교부
20 풍력 발전 시스템
21 풍력 발전기
22 전력 변환기
30 주안정화 장치
31 축전 장치
31a 센서
32 전력 변환기
32A DC/DC 변환부
32B 제어 회로
32a 전압 검출기
32b 버스 전압 목표값 연산부
32c 감산기
32d 충방전 제어부
32e 구동 회로
40 준안정화 장치
41 축전 장치
41a 센서
42 전력 변환기
42A DC/DC 변환부
42B 제어 회로
42a 전압 검출기
42b 비교부
42c 감산기
42d 충방전 제어부
42e 구동 회로
50,50A 준안정화 장치
51 물 전해 셀
52 전력 변환기
52A DC/DC 변환부
52B 제어 회로
52a 전압 검출기
52b 비교부
52c 감산기
52d 충전 제어부
52e 구동 회로
53 수소 저장 장치
60 준안정화 장치
61 연료 전지
62 전력 변환기
70 직류 버스
80 감시·지시 장치
90 부하
Claims (12)
- 입력 전력 소스와 부하 사이를 접속하는 직류 버스의 전력 변동을 제어하는 직류 버스 제어 시스템으로서,
제1 충방전 요소 및 제1 전력 변환기를 갖는 주안정화 장치와,
제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소 및 제2 전력 변환기를 갖는 적어도 하나의 준안정화 장치를 포함하며,
상기 제1 전력 변환기는, 상기 제1 충방전 요소의 축전량 지표에 따른 버스 전압 목표값을 구하고, 상기 직류 버스의 상기 전압이 상기 버스 전압 목표값에 일치하게끔 상기 제1 충방전 요소와 상기 직류 버스 사이에서 직류 전력을 양방향으로 주고받도록 구성되며,
상기 제2 전력 변환기는, 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소의 충전 또는 방전에 관한 문턱값과 상기 직류 버스의 상기 전압과의 차분에 따라 전류 목표값을 구하고, 상기 전류 목표값과 동등한 전류가 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소에 흐르게끔 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소와 상기 직류 버스 사이에서 직류 전력을 주고받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 준안정화 장치는 복수 개의 준안정화 장치이며,
상기 복수 개의 준안정화 장치는 적어도, 상기 충전 요소를 갖는 준안정화 장치와, 상기 방전 요소를 갖는 준안정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 전력 변환기는 상기 직류 버스의 상기 전압의 소정 허용 범위 내로 들어오게끔 상기 버스 전압 목표값을 정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전력 변환기는, 제1 DC/DC 변환기를 포함하며, 상기 직류 버스의 상기 전압과 상기 제1 전력 변환기에 접속된 상기 제1 충방전 요소의 충방전 문턱값을 비교한 결과에 기초하여, 상기 제1 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 주안정화 장치 및 상기 준안정화 장치에 관한 운전 지령 및 상태 정보를 송수신할 수 있는 감시·지시 장치를 더 포함하며,
상기 감시·지시 장치는 상기 충방전 문턱값을 상기 제1 전력 변환기로 송신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전력 변환기는, 제2 DC/DC 변환기를 포함하며, 상기 제2 충방전 요소 또는 상기 충전 요소의 충전 문턱값이나 상기 제2 충방전 요소 또는 상기 방전 요소의 방전 문턱값과, 상기 직류 버스의 상기 전압을 비교한 결과에 기초하여, 상기 제2 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 주안정화 장치 및 상기 준안정화 장치에 관한 운전 지령 및 상태 정보를 송수신할 수 있는 감시·지시 장치를 더 포함하며,
상기 감시·지시 장치는 상기 충전 문턱값 또는 상기 방전 문턱값을 상기 제2 전력 변환기로 송신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축전량 지표가 클수록 상기 버스 전압 목표값을 크게 하는 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축전량 지표가 상기 제1 충방전 요소의 충전율인 것을 특징으로 하는 직류 버스 제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전력 변환기가, 상기 문턱값과 상기 직류 버스의 상기 전압과의 차분이 클수록, 상기 제2 충방전 요소 또는 충전 요소 또는 방전 요소의 충방전 전류를 크게 하는 것인 직류 버스 제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 입력 전력 소스로서 재생 가능 에너지 전력 소스 시스템을 더 포함하는 직류 버스 제어 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 부하를 더 포함하는 직류 버스 제어 시스템.
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