KR20210088231A - 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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김수산
이승민
정재엽
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 패널로부터 인가되는 전력을 변환하여 출력하는 제1 전력변환부, 제1 전력변환부가 출력한 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나, 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 제1 입출력단으로 출력하는 제2 전력변환부, 제1 전력변환부 또는 제2 전력변환부로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치를 충전하거나, 에너지 저장 장치에 충전된 전력을 제2 전력변환부로 전송하는 제3 전력변환부, 및 제2 전력변환부의 리플을 저감시키는 능동 전력 필터를 포함하고, 능동 전력 필터가 저장하는 전력을 제1 전력변환부에 전송한다.

Description

태양광 발전 시스템{Photovoltaic system}
본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 능동 전력 필터의 에너지를 회생시켜 리플을 저감하는 태양광 발전 시스템에 관한 발명이다.
태양광 발전은 친환경 에너지 발전 방식으로 기존 화학발전이나 원자력 발전을 대체하여 널리 보급되고 있다. 태양광 발전은 컨버터에 배터리가 접속되는 독립형과 전력계통과 연계되는 연계형태가 있고, 일반적으로 독립형 발전은 태양전지, 축전지, 전력변환 장치 등으로 구성되고 전력계통 연계형 시스템은 상용 전원과 연결하여 부하계통선과 전력을 상호 교류할 수 있도록 구성된다.
부하 또는 전력 계통과 전력을 상호 교류하기 위하여 AC를 DC로 또는 DC를 AC로 변환하는 컨버터가 필요하며, 장수명을 위하여 해당 컨버터의 전해 커패시터를 필름 커패시터로 대체하고 용량 값 저하로 인해 증가한 전압리플을 APF(Active Power Filter)를 이용하여 리플을 저감하는 방법을 이용한다. 하지만, APF의 입, 출력전압이 한계전압을 넘어가는 경우, 동작이 정지되고 리플을 저감하지 못해 불안정해지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 능동 전력 필터의 에너지를 회생시켜 리플을 저감하는 태양광 발전 시스템 및 양방향 전력변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 패널로부터 인가되는 전력을 변환하여 출력하는 제1 전력변환부; 상기 제1 전력변환부가 출력한 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나, 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 제2 전력변환부; 상기 제1 전력변환부 또는 상기 제2 전력변환부로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치를 충전하거나, 상기 에너지 저장 장치에 충전된 전력을 상기 제2 전력변환부로 전송하는 제3 전력변환부; 및 상기 제2 전력변환부의 리플을 저감시키는 능동 전력 필터를 포함하고, 상기 능동 전력 필터가 저장하는 전력을 상기 제1 전력변환부에 전송한다.
또한, 상기 능동 전력 필터는, 전력을 저장하는 에너지 저장 소자를 포함하되, 상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상인 경우, 상기 에너지 저장 소자에 저장된 전력 중 적어도 일부를 상기 제1 전력변환부로 전송할 수 있다.
또한, 상기 능동 전력 필터는, 상기 제2 전력변환부가 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신할 때 발생하는 리플을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 능동 전력 필터는, 상기 제2 전력변환부와 전력을 송수신하여 상기 제2 전력변환부에서 출력되는 전력의 AC 성분을 제거함으로써 상기 제2 전력변환부의 리플을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 능동 전력 필터에서 상기 제1 전력변환부로 전력을 전송하는 전송라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 능동 전력 필터에서 상기 제1 전력변환부로 전송되는 전력은 상기 제1 전력변환부 및 상기 제3 전력변환부를 통해 상기 에너지 저장 장치를 충전할 수 있다.
또한, 상기 제1 전력변환부는, 최대 전력점 추종을 이용하여 상기 태양광 발전 패널을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 전력변환부 및 상기 제3 전력변환부는 DC-DC 컨버터이고, 상기 제2 전력변환부는 양방향 인버터 또는 양방향 AC-DC 컨버터일 수 있다.
또한, 상기 제1 전력변환부, 상기 제2 전력변환부, 및 상기 제3 전력변환부를 연결하는 에너지 저장 소자를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 제1 전력변환부 또는 제3 전력변환부로부터 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 제2 전력변환부; 상기 제2 전력변환부가 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신할 때 발생하는 리플을 저감하는 능동 전력 필터; 상기 능동 전력 필터의 전력을 저장하는 에너지 저장 소자; 및 상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상인 경우, 상기 에너지 저장 소자에 저장된 전력 중 적어도 일부를 상기 제1 전력변환부에 전송하는 전송라인을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 능동 전력 필터가 저장가능한 에너지 이상의 에너지를 회생시켜 능동 전력 필터가 안정적으로 리플을 저감시킬 수 있다. 이를 통해, 컨버터의 동작의 중지 없이, 배터리를 충전할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템과의 비교예를 도시한 것이다.
도 4는 AC-DC 전력변환부에 형성되는 능동 전력 필터를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(100)은 태양광 발전 패널(110), 제1 전력변환부(120), 제2 전력변환부(130), 제3 전력변환부(140), 능동 전력 필터(160)를 포함하고, 에너지 저장 장치(150)를 더 포함할 수 있다.
태양광 발전 패널(110)은 태양광을 이용하여 전력을 생성한다.
보다 구체적으로, 태양광 발전(PV, Photovoltaic) 패널(110)은 태양광을 이용하여 광전효과를 이용하여 전력을 생성한다. 광전효과는 특정 주파수 이상의 빌치 특정 금속 물질에 부딪히면 전자 방출하는 것으로, P형 반도체와 n형 반도체를 이용하여 pn 접합을 형성하고, 광전효과에 의해 발생하는 전자를 이용하여 전류를 생성함으로써 전력을 생성한다. 태양광 발전 패널(110)은 실리콘 등을 이용하여 형성되며, 웨이퍼 형태로 형성될 수 있다. 태양광 발전 패널(110)은 태양광을 잘 받을 수 있는 야지나 건물의 외벽, 옥상 등에 위치하여, 태양광을 이용하여 전력을 생성한다. 이때, 태양광 발전 패널(110)은 건물과 일체형으로 형성되는 BIPV(건물 일체형 태양광 발전)로 형성될 수 있다.
제1 전력변환부(120)는 태양광 발전 패널(110)로부터 인가되는 전력을 변환하여 출력한다.
보다 구체적으로, 제1 전력변환부(120)는 태양광 발전 패널(110)에서 생성되는 전력을 저장하거나 연결된 부하 또는 전력 계통에 전송하기에 적합하도록 전력을 변환하여 출력한다. 제1 전력변환부(120)는 전력을 변환함에 있어서, 수신 전압을 승압하거나 감압하여 출력할 수 있다. 이때, 제1 전력변환부(120)는 컨버터일 수 있고, DC-DC 컨버터로 형성되어, DC 전압을 DC 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
제1 전력변환부(120)는 최대 전력점 추종을 이용하여 상기 태양광 발전 패널을 제어할 수 있다. 최대 전력점 추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking)을 이용하여 태양광 발전의 효율성을 높일 수 있다. 태양광 발전에 있어서 전류와 전압의 관계 및 전압과 전력과의 관계에서의 특성에 따라 최대 전력은 최대 전압이 아닌 최대 전압에서 약 80% 정도일 때의 전력이 될 수 있다. 이와 같은 최대전력 점은 태양광 발전 패널(110)에서 생성되는 전류의 크기에 따라 계속 변하기 때문에, 최대전력 점을 발생시킬 수 있는 지점을 계속 찾아야 한다. 즉, 최대전압이 아닌 최대전력을 추종하기 위하여, 최대전력이 되도록 전압과 전류의 크기를 가변할 수 있다. 즉, 전력이 커지는 방향으로 전압을 감소시키고 전류를 증가시키거나, 전압을 증가시키고, 전류를 감소시킬 수 있다. 제1 전력변환부(120)은 최대 전력 점 추종을 이용하여 태양광 발전 패널(110)에서 최대전력이 생성될 수 있도록 태양광 발전 패널(110)을 제어할 수 있다. 제1 전력변환부(120)는 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있고, 스위치의 시비율을 제어하여 최대 전력점을 추종할 수 있다. 여기서, 시비율은 전류가 흐르지 않는 시간에 대한 전류가 흐르는 시간의 비로, 스위치의 경우, 온시키는 비율을 의미하며, 시비율은 듀티 비(Duty ratio) 또는 듀티 사이클(duty cycle)이라고도 한다.
제2 전력변환부(130)는 제1 전력변환부(120)가 출력한 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나, 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력한다. 여기서, 제1 입출력단 및 제2 입출력단은 제2 전력변환부(130)의 두 개의 입출력단을 의미하며, 양방향으로 전력이 입출력될 수 있도록 형성된다. 제2 전력변환부(130)는 제1 입출력단을 통해 제1 전력변환부(120) 또는 제3 전력변환부(140)와 전력을 송수신할 수 있고, 제2 입출력단을 통해 부하(220) 또는 전력 계통(210)과 전력을 송수신할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 전력변환부(130)는 태양광 발전 패널(110)에서 생성되어 제2 전력변환부(130)에서 변환되어 출력된 전력을 부하(220)에 전송하거나, 전력 계통(210)에서 전송한다. 여기서, 부하(220)는 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 이용하도록 연결된 전력 수신 장치로, 건물 등에 태양광 발전 시스템이 구현되는 경우, 건물 내부에서 전력을 소비하는 장치들일 수 있다. 전력 계통(210)은 상용 전력 계통으로 그리드(grid)로 표현되는 전력 네트워크를 의미한다. 부하(220)에서 필요한 전력 이상의 전력을 전력 계통(210)으로 전송하여 전력을 판매할 수 있다. 제2 전력변환부(130)는 인버터일 수 있다. 여기서, 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 장치이다. 또는 제2 전력변환부(130)는 DC-AC 컨버터 또는 AC-DC 컨버터라 할 수 있다.
또한, 제2 전력변환부(130)는 태양광 발전 패널(110)에서 생성되어 제2 전력변환부(130)에서 변환되어 출력된 전력을 이용하여 충전된 에너지 저장 장치(150)의 전력을 제3 전력변환부(140)를 통해 수신하여 부하(220) 또는 전력 계통(210)에 전송할 수 있다. 즉, 제2 전력변환부(130)는 부하(220) 또는 전력 계통(210)에 전력을 전송함에 있어서, 제1 전력변환부(120)로부터 전력을 직접 수신하거나, 제2 전력변환부(130)에 저장된 전력을 수신할 수 있다.
제2 전력변환부(130)는 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 부하(220)나 전력 계통(210)에 전송할 뿐만 아니라, 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신할 수 있다. 태양광 발전이 어려운 환경이나, 외부 전력이 저렴한 시간 때에, 에너지 저장 장치(150)를 충전하기 위하여, 태양광 발전이 아닌 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신할 수 있다.
제2 전력변환부(130)는 DC 전력을 출력하는 제1 전력변환부(120)의 전력을 수신하여 부하(220) 또는 전력 계통(210)에서 이용되는 AC 전력으로 변환하여 출력한다. 즉, DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. DC를 AC로 변환하는바, 인버터(Inverter)라고도 할 수 있다. 또한, 제2 전력변환부(130)는 전력 계통(210)으로부터 전력 수신하여 제3 전력변환부(140)로 전력을 출력함에 있어서 전력 계통(210)으로부터 AC 전력을 수신하여 제3 전력변환부(140)에 이용되는 DC 전력으로 변환하여 출력한다. 즉, 제2 전력변환부(130)는 양방향으로 입출력이 달라질 수 있고, AC를 DC로, DC를 AC로 변환하는 양방향 인버터, 양방향 컨버터, 또는 양방향 AC-DC 컨버터라 할 수 있다.
제3 전력변환부(140)는 제1 전력변환부(120) 또는 제2 전력변환부(130)로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치(150)를 충전하거나, 에너지 저장 장치(150)에 충전된 전력을 제2 전력변환부(130)로 전송한다.
보다 구체적으로, 제3 전력변환부(140)는 태양광 발전 패널(110)에서 생성되어 제1 전력변환부(120)에서 출력된 전력을 수신하여 에너지 저장 장치(150)를 충전한다. 여기서, 에너지 저장 장치(150)는 배터리 모듈일 수 있다. 즉, 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 배터리에 저장하는 역할을 하는 컨버터이다. 제3 전력변환부(140)는 제1 전력변환부(120)에서 출력된 전력을 에너지 저장 장치(150)를 충전하기 위한 전력으로 변환한다. 제3 출력전환부(140)는 컨버터일 수 있다. 제1 전력변환부(120)에서 출력하는 전력은 DC 전력이고, 에너지 저장 장치(150)를 충전하는 전력 또한 DC 전력인 바, 제3 전력변환부(140)는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 또한, 일반적으로 제1 전력변환부(120)에서 출력하는 전압의 크기보다 배터리 모듈에서 이용하는 전압의 크기가 작기 때문에, 제3 전력변환부(140)는 수신 전압을 감압하여 출력할 수 있다.
에너지 저장 장치(150)를 충전함에 있어서, 제3 전력변환부(140)는 태양광 발전 전력을 변환하여 출력하는 제1 전력변환부(120)뿐만 아니라, 전력 계통(210)으로부터 수신한 전력을 변환하여 출력하는 제2 전력변환부(130)로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치(150)를 충전한다. 예를 들어, 태양광 발전으로부터 전력이 생성되는 경우에는 제1 전력변환부(120)로부터 전력을 수신하고, 태양광 발전을 통해 전력이 생성되지 않거나 전력 계통(210)의 저렴한 경우, 제2 전력변환부(130)로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치(150)를 충전한다.
제3 전력변환부(140)는 제1 전력변환부(120) 또는 제2 전력변환부(130)로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치(150)를 충전할 뿐만 아니라, 에너지 저장 장치(150)에 충전된 전력을 부하(220)로 전송하기 위하여, 제2 전력변환부(130)로 전력을 전송할 수 있다. 제2 전력변환부(130)로 전송된 전력은 제2 전력변환부(130)에서 AC로 변환되어 부하(220) 또는 전력 계통(210)으로 전송된다.
제1 전력변환부(120), 제2 전력변환부(130), 및 제3 전력변환부(140)는 에너지 저장 소자로 연결될 수 있다. 여기서, 에너지 저장 소자는 DC-Link 커패시터일 수 있다. DC-Link 커패시터는 평활 커패시터라고도 한다. 각 컨버터 사이에 연결되어 컨버터간 전력을 전송하는 버퍼 역할을 한다. 해당 지점은 DC-Link 단이라고 한다.
능동 전력 필터(160)는 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감시킨다.
보다 구체적으로, 능동 전력 필터(160)는 제2 전력변환부(130)의 출력에서 발생하는 리플을 저감한다. 여기서 리플(ripple)은 DC 성분 내에 생기는 AC 성분으로, 전압치의 평균에 대한 주기적인 편차를 의미할 수 있다. 능동 전력 필터(160)는 APF(Active Power Filter)로, AC 입력단의 고조파 성분을 트래킹(tracking)하여 AC 출력의 고조파 성분을 제거하거나, DC 성분에 포함된 AC 성분을 제거하는 필터이다.
태양광 발전 시스템의 내부 전력과 외부 전력을 연결하는 제2 전력변환부(130)는 양 단의 전력에 의해 리플이 많이 발생할 수 있다. 특히, 능동 전력 필터(160)는 제2 전력변환부(130)가 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신할 때 발생하는 리플을 저감시킬 수 있다. 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신하여 제3 전력변환부(140)로 전송하는 과정 즉, AC를 DC로 변환하는 과정에서 리플이 많이 발생할 수 있다. 제2 전력변환부(130)의 출력은 DC-Link 커패시터에 걸리는 VLink 인바, 능동 전력 필터(160)는 VLink 의 리플을 저감한다고 할 수 있다.
이때, 능동 전력 필터는 제2 전력변환부(130)와 전력(에너지)을 송수신하여 제2 전력변환부(130)에서 출력되는 전력의 AC 성분을 제거함으로써 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감시킬 수 있다. 제2 전력변환부(130)에서 출력되는 DC 전력에 AC 성분이 포함될 수 있는바, 능동 전력 필터(160)는 변환된 DC 성분에 포함된 AC 성분을 제거하는 역할을 한다. 능동 전력 필터(160)는 제2 전력변환부(130)에서 출력되는 전력에서 노이즈에 해당하는 리플에 해당하는 전압을 수신하거나 송신하여 제2 전력변환부(130)와 전력을 서로 주고받으며, 리플을 저감하는데, 수신되는 전압의 크기가 임계치를 넘어가는 비상적인(abnormal) 상황의 경우, 리플을 저감시키지 못하게 되어, 제2 전력변환부(130)의 동작 또는 전력의 입력을 중지해야 한다. 이를 해결하기 위하여, 능동 전력 필터(160)가 저장하는 전력을 제1 전력변환부(120)에 전송한다. 능동 전력 필터(160)는 에너지를 저장한다고 할 수 있고, 제2 전력변환부(130)와 에너지를 송수신하여 리플을 저감한다고 표현할 수도 있다.
능동 전력 필터(160)는 전력을 저장하는 에너지 저장 소자를 포함한다. 능동 전력 필터(160)는 제2 전력변환부(130)와 전력을 송수하기 위하여, 수신된 전력을 저장하는 에너지 저장 소자를 포함한다. 능동 전력 필터(160)에 포함된 에너지 저장 소자는 커패시터일 수 있다. 해당 커패시터는 APF 커패시터라 할 수 있다.
상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상인 경우, 상기 에너지 저장 소자에 저장된 전력(에너지) 중 적어도 일부를 제1 전력변환부(120)로 전송할 수 있다. 능동 전력 필터(160)의 에너지 저장 소자가 저장할 수 있는 전압이 임계치를 넘어가는 경우, 더이상 에너지 저장 소자가 전압을 저장할 수 없기 때문에, 능동 전력 필터(160)가 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감할 수 없게 된다. 리플을 저감할 수 없는 경우, 전력이 불안정해지기 때문에, 제2 전력변환부(130)의 동작을 정지해야 할 수 있다. 따라서, 이때, 에너지 저장 소자에 저장된 전력 중 적어도 일부를 제1 전력변환부(120)로 전송하여 능동 전력 필터(160)가 정상적으로 동작하도록 할 수 있다. 에너지 저장 소자에서 제1 전력변환부(120)로 전력을 전송할 때, 임계치 이상에 해당하는 전력을 전송하거나, 에너지 저장 소자(161)의 전압이 임계치보다 마진 전압만큼 작아지도록 해당 전력을 전송할 수 있다. 여기서, 임계치는 상기 에너지 저장소자의 한계전압일 수 있다. 또는, 한계전압에 마진 전압을 적용한 전압이거나, 사용자에 의해 설정될 수 있다. 능동 전력 필터(160)는 에너지 저장 소자에 저장된 에너지 중 적어도 일부를 제1 전력변환부(120)로 전송한다고 표현할 수도 있다.
능동 전력 필터(160)의 전력을 제1 전력변환부(120)로 전송하기 위하여, 전력을 전송하는 전송라인이 형성될 수 있다. 해당 전송라인은 전력을 전송하는 전력전송라인으로 전력케이블로 형성될 수 있다. 능동 전력 필터(160)의 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상인 경우, 상기 에너지 저장 소자에 저장된 전력 중 적어도 일부를 제1 전력변환부(120)로 전송하기 위하여, 상기 전송라인에는 스위치가 형성될 수 있다. 스위치는 상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상일 때, 턴 온되어 능동 전력 필터(160)의 전력을 제1 전력변환부(120)로 전송할 수 있다. 상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 미만일 때는 오프를 유지하여 능동 전력 필터(160)의 전력이 제1 전력변환부(120)로 전송되지 않을 수 있다. 태양광 발전 시스템(100)은 상기 스위치를 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
능동 전력 필터(160)에서 제1 전력변환부(120)로 전송되는 전력은 제1 전력변환부(120) 및 제3 전력변환부(140)를 통해 에너지 저장 장치(150)를 충전할 수 있다. 능동 전력 필터(160)의 전력을 제1 전력변환부(120)로 회생시켜, 능등 전력 필터를 안정적으로 동작시킴과 동시에 해당 전력을 효율적으로 이용할 수 있다. 제1 전력변환부(120)로 전송된 전력은 제1 전력변환부(120)를 통해 제3 전력변환부(140)로 전송되어 에너지 저장 장치(150)를 충전하는데 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구현예로, 태양광 발전 시스템은 DC-Link 커패시터를 중심으로 태양광 발전 패널인 PV(110)로부터 전력을 수신하는 DC-DC 컨버터인 제1 전력변환부(120), 배터리(150)를 충전하거나 배터리에 충전된 전력을 수신하는 배터리 DC-DC 컨버터인 제2 전력변환부(130), 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 집에 있는 장치와 같은 부하(220)나 그리드인 전력 계통(210)에 전송하거나 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신하는 양방향 AC-DC 컨버터인 제2 전력변환부(130)를 포함하고, 제2 전력변환부(130)에 포함되어 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감하는 능동 전력 필터(160) 및 에너지 저장 소자(161)를 포함할 수 있다. 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감하는 능동 전력 필터(160)에 포함된 에너지 저장 소자(161)의 전압이 임계치 이상일 때, 에너지 저장 소자(161)의 전력을 제1 전력변환부(120)의 입력(121)으로 전송하여 에너지 저장 소자(161)가 더 이상 전력을 저장하지 못해 능동 전력 필터(160)가 동작하지 않는 것을 방지할 수 있다. 또한, 에너지 저장 소자(161)의 전력을 제1 전력변환부(120)의 입력(121)으로 전송하여 회생함으로써 효율을 높일 수 있다.
이와 다르게, 도 3의 비교예에서는 능동 전력 필터(160)의 에너지 저장 소자(161)의 전력을 제1 전력변환부(120)로 전송하는 구성이 없는바, 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감하는 능동 전력 필터(160)에 포함된 에너지 저장 소자(161)의 전압이 임계치 이상인 경우, 제2 전력변환부(130)의 리플을 저감할 수 없어 능동 전력 필터(160)는 동작을 중지할 수 있고, 이로 인해 제2 전력변환부(130)가 불안해지게 되어 동작을 중지할 수 있다.
도 4는 AC-DC 컨버터에 형성되는 능동 전력 필터(160)를 도시한 것으로, 도 4를 참조하여 제2 전력변환부(130)가 AC를 DC로 변환하는 동작을 수행하는 경우에 능동 전력 필터(160)의 동작을 설명하도록 한다.
AC-DC 컨버터의 출력전압이 일정 수준 이상으로 상승하게 되면 능동 전력 필터 쪽으로 전력을 전달하게 되어 Cdc 의 전력를 Ccs 쪽으로 전달하고 일정 수준 이하로 떨어지게 되면 Ccs의 전력을 Cdc 쪽으로 방전하게 되는 동작을 한다. 이를 통하여 정해진 범위 안에서만 흔들리는 리플 전압을 갖게 된다. AC-DC 컨버터의 장수명화를 위해 전해캐패시터를 줄이게 되면 Cdc의 용량이 많이 줄게 되어 리플 전압이 커지게 되는데 이를 해결하기 위해서는 용량이 큰 Film 커패시터를 많이 추가하거나 능동 전력 필터 등의 회로를 사용하여 리플을 줄일 수 있다. 하지만, 능동 전력 필터의 비정상적인(abnormal)한 상황, 즉 Ccs 쪽으로 들어오는 전력이 많아 VCcs 값이 지속적으로 상승하려고 할 때 불안정해질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 도 4의 Ccs 의 전력을 제1 전력변환부(120)로 전송하여 비정상적인 상황에서도 능동 전력 필터가 정상적으로 동작하도록 하여 안정적으로 시스템을 동작시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 블록도이다. 도 5의 각 구성에 대한 설명은 도 1 내지 도 4의 태양광 발전 시스템(100)에 대한 설명에 대응하는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치(500)는 제2 전력변환부(510), 능동 전력 필터(520), 에너지 저장 소자(530), 및 에너지 저장 소자(530)에서 제1 전력변환부(120)로 연결되는 전송라인(540)을 포함한다.
제2 전력변환부(510)는 제1 전력변환부(120) 또는 제3 전력변환부(140)로부터 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력한다. 여기서, 제2 입출력단은 부하(220) 또는 전력 계통(210)에 연결되어 부하(220) 또는 전력 계통(210)에 전력을 전송하거나 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신할 수 있다. 양방향으로 AC를 DC로 또는 DC를 AC로 변환하는바, 양방향 인버터 또는 양방향 AC-DC 컨버터일 수 있다.
능동 전력 필터(520)는 제2 전력변환부(510)가 제2 입출력단 즉, 전력 계통(210)으로부터 전력을 수신할 때 발생하는 리플을 저감한다. 제2 전력변환부(510)와 전력을 주고받으며 제2 전력변환부의 출력에 발생하는 리플을 저감한다.
에너지 저장 소자(530)는 능동 전력 필터(520)의 전력을 저장한다. 에너지 저장 소자(530)는 능동 전력 필터(520)가 제2 컨터버(510)로부터 수신하는 전력을 저장한다.
전송라인(540)은 에너지 저장 소자(530)의 전압이 임계치 이상인 경우, 에너지 저장 소자(530)에 저장된 전력(에너지) 중 적어도 일부를 제1 전력변환부(120)에 전송한다. 에너지 저장 소자(530)에 저장된 전력을 제1 전력변환부(120)를 통해 회생함으로써 안정적으로 제2 전력변환부(510)가 동작하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 태양광 발전 시스템
110: 태양광 발전 패널
120: 제1 전력변환부
130, 510: 제2 전력변환부
140: 제3 전력변환부
150: 에너지 저장 장치
160, 520: 능동 전력 필터
161, 530: 에너지 저장 소자
210: 전력 계통
220: 부하
500: 양방향 전력변환장치
540: 전송라인

Claims (10)

  1. 태양광 발전 패널로부터 인가되는 전력을 변환하여 출력하는 제1 전력변환부;
    상기 제1 전력변환부가 출력한 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나, 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 제2 전력변환부;
    상기 제1 전력변환부 또는 상기 제2 전력변환부로부터 전력을 수신하여 에너지 저장 장치를 충전하거나, 상기 에너지 저장 장치에 충전된 전력을 상기 제2 전력변환부로 전송하는 제3 전력변환부; 및
    상기 제2 전력변환부의 리플을 저감시키는 능동 전력 필터를 포함하고,
    상기 능동 전력 필터가 저장하는 전력을 상기 제1 전력변환부에 전송하는 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동 전력 필터는,
    전력을 저장하는 에너지 저장 소자를 포함하되,
    상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상인 경우, 상기 에너지 저장 소자에 저장된 전력 중 적어도 일부를 상기 제1 전력변환부로 전송하는 태양광 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 능동 전력 필터는,
    상기 제2 전력변환부가 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신할 때 발생하는 리플을 저감시키는 태양광 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 능동 전력 필터는,
    상기 제2 전력변환부와 전력을 송수신하여 상기 제2 전력변환부에서 출력되는 전력의 AC 성분을 제거함으로써 상기 제2 전력변환부의 리플을 저감시키는 태양광 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 능동 전력 필터에서 상기 제1 전력변환부로 전력을 전송하는 전송라인을 포함하는 태양광 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 능동 전력 필터에서 상기 제1 전력변환부로 전송되는 전력은 상기 제1 전력변환부 및 상기 제3 전력변환부를 통해 상기 에너지 저장 장치를 충전하는 태양광 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력변환부는,
    최대 전력점 추종을 이용하여 상기 태양광 발전 패널을 제어하는 태양광 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력변환부 및 상기 제3 전력변환부는 DC-DC 컨버터이고,
    상기 제2 전력변환부는 양방향 인버터 또는 양방향 AC-DC 컨버터인 태양광 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력변환부, 상기 제2 전력변환부, 및 상기 제3 전력변환부를 연결하는 에너지 저장 소자를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  10. 제1 전력변환부 또는 제3 전력변환부로부터 전력을 제1 입출력단으로 수신하고 변환하여 제2 입출력단으로 출력하거나 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신하고 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 제2 전력변환부;
    상기 제2 전력변환부가 상기 제2 입출력단으로부터 전력을 수신할 때 발생하는 리플을 저감하는 능동 전력 필터;
    상기 능동 전력 필터의 전력을 저장하는 에너지 저장 소자; 및
    상기 에너지 저장 소자의 전압이 임계치 이상인 경우, 상기 에너지 저장 소자에 저장된 전력 중 적어도 일부를 상기 제1 전력변환부에 전송하는 전송라인을 포함하는 양방향 전력변환장치.
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