KR20220101569A - 그리드 레벨에서 모듈과 배터리를 결합한 하이브리드 태양광 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그리드(송전계통) 전압 레벨에 배터리를 연동하여 충전, 방전, 발전 기능을 동시 작동시키는, 독립형과 계통연계형이 혼합된 하이브리드 형태의 태양광 발전시스템 기술이다.
본 발명의 목적은 계통연계형 태양광 발전시스템에서 모듈과 축전지와 인버터가 동일한 라인선상에 병렬로 결합되어 충전, 방전으로 실시간 교대 작동되면서 무순단으로 발전 기능이 발휘되는 기술을 개시하고자 함을 목적으로 한다.
이와 같은 목적의 본 발명은 장치에 관한 그 일실시례로서,
태양광으로 전력을 생산하는 모듈;
모듈의 전력을 충전 및 방전하는 배터리;
직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터;
상기 배터리 전원과 모듈 전원을 연결 제어하는 스위칭제어부;
상기 스위칭제어부가 모듈 전원과 배터리 전원을 인버터로 연결 제어하되,
상기 배터리 전압보다 모듈 전압이 높을 때는 모듈 전원과 배터리 전원을 동시에 인버터의 입력단으로 연결하고,
상기 배터리 전압보다 모듈 전압이 낮을 때는 배터리 전원이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어로서 인버터에 공급되면서 무순단으로 인버터를 제어하는 구성을 개시한다.
본 발명에 의하면, 계통연계형 태양광 발전시스템에서도 부하의 순간순간 과다·과소에 따른 낭비전력 요소, 즉 부하 간헐이 보상되어 독립형의 경우처럼 전력효율이 향상된다. 특히 본 발명에 의하면 독립형과 계통연계형의 장점을 결합한 그 중간 형태의 하이브리드 태양광발전시스템이 탄생된다.

Description

그리드 레벨에서 모듈과 배터리를 결합한 하이브리드 태양광 발전시스템{Hybrid Photovoltaic system combining module and battery at grid level}

본 발명은 그리드(송전계통)에 대응되는 수준의 고전압 레벨에서 모듈과 배터리로 인버터에 전원을 공급하여 충전, 방전, 발전 기능을 동시 또는 이어서 가동하는, 독립형과 계통연계형 혼합 형태의 하이브리드 태양광 발전시스템 기술이다.

태양광 발전시스템은 독립형과 계통형(Grid)으로 대별된다. 독립형의 경우는 주로 자가발전용으로 운영되고, 계통형인 경우는 송전계통에 연계하여 전기를 판매하거나 상계할 목적으로 운영된다.

도 1은 독립형의 일례를 나타낸 블록다이어그램이다. 도 1에서 (1)은 태양전지판을 여러 개 어레이 내지 스트링으로 묶은 모듈이고, (2)는 배터리이며, (3)은 인버터이다. 인버터는 직류를 교류로 변환하는 기능을 한다. 독립형은 저전압의 배터리 전압이 인버터로 공급되는 구조이다.

도 1에서 (2c)는 BMS(Battery Management System)로서, 그 내부는 모듈의 높은 전압을 배터리 전압 수준으로 낮추어서 매칭하기 위한 충전제어부(2a)와 배터리 전압이 방전종지전압 이하로 낮아지는 것을 방지하기 위한 방전제어부(2b) 및 도시생략된 모니터링부 등으로 구성된다. 독립형에서는 인버터와 BMS를 합쳐서 PCS(Power Condition System)라 한다.

도 1에서 특징적인 부분은 인버터 가동을 위해 공급되는 전원은 배터리 단자전압 범위로 안정된다는 점이다. 따라서 도 1에서 인버터 인력전원은 충전완료전압으로부터 방전종지전압까지의 배터리전압 범위이다. 통상적으로는 +/-10~15%의 범위이며, 예를 들어 배터리의 공칭전압이 24V라면 전압의 변동범위는 28.8V~21.6V 정도이다.

모듈 전압은 온도, 수명 등을 감안하여 24V 배터리를 충전하기 위해 통상 36V로 설계하므로 그 차이를 충전제어부(2a)가 조절하도록 하고 있다. 충전제어부의 조절범위는 모듈전압 변동범위인 24V~45V까지인데, 모듈전압이 45V까지 상승하는 것은 무부하 상태인 개방전압(Voc)과 부하 상태인 최대전력점(Vmpp) 사이에서 모듈의 전압이 크게 변동하는 I-V곡선 특성 때문이다(이하 모듈의 변동전압이라 함). 충전제어부(2a)는 모듈 전압이 배터리 전압보다 높아지면 PWM(Pulse Width Modulation)의 듀티비(duty ratio)를 낮추는 방향으로 작동한다.

도 1의 전압 그래프는 24V 배터리를 예시하고 있는 바, 이 경우 배터리의 전압변동은 24V의 +/-10% 범위로 안정되는 반면 모듈의 전압은 개방전압을 포함하여 통상 36V~45V까지 변동된다.

도 1에서 사용되는 인버터, 즉 PCS는 최대전력점추적(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 기능이 없고 MPPT는 충전제어부(2a)에 포함될 수 있다.

도 2는 도 1을 회로적으로 표현한 블록다이어그램이다. 도 2에서 모듈은 다단(1-1,....1-n)으로 직렬 구성될 수 있고, BMS(2c)는 불안정한 고압의 모듈 전압을 받아서 배터리(2)를 충전하도록 조절하는 한편, 충전된 안정 상태의 배터리 전압(10)은 인버터(3)로 공급되도록 구성된다. 인버터(3)에서는 그와 같이 공급된 직류 전압(10)을 교류 전압(20)으로 변환하여 그 결과의 전력을 자가발전용 또는 송전전력으로 활용한다.

도 1 및 도 2가 나타내는 요지는 인버터와 배터리 방전계통은 안정된 범위이어야 한다는 것이다. 이러한 특성 때문에 독립형은 낮에 남아도는 전력을 배터리에 저장해 두었다가 야간에 방전하는, 시차적 전력생산 용도로 사용한다.

낮에는 모듈로부터 변동폭이 큰 전압을 충전제어부(2a)가 조절하여 배터리를 충전하고, 밤에는 방전제어부(2b)를 통해 변동폭이 적은 배터리 전압으로 인버터를 구동하게 되는데, 비록 낮에 함께 작동을 하는 경우라도 인버터에는 이처럼 변동폭이 적은 배터리 전압이 공급된다. 즉, 배터리가 모듈전압을 안정시키는 기본적인 역할을 하고 인버터는 그에 종속되는 전력변환 기능으로 작용하는 것이다.

도 2는 독립형 태양광 발전시스템에서 최대전압인 48V를 예시한 것이다. 독립형 태양광 발전시스템은 배터리를 이용하여 간헐을 보상하는 장점이 있지만 반면에 교류로 변환하고자 할 때는 24V~48V를 220V~384V로 변환해야 하는 데 따른 차이전압에 의한 변환손실이 크다는 단점이 있다.

도 3은 계통형의 태양광 발전시스템 구성을 나타낸다. 대전력의 경우 배터리 계통의 설비비가 큰 부담으로 되므로 계통형에서는 이처럼 대부분 배터리가 없이 시설된다. 그 대신 계통형에서는 배터리 전압으로 인한 제약이 없으므로 인버터의 입력전압을 높여서 차이전압에 의한 변환손실을 적게 한다.

도 3에서 (1)은 모듈이고, (3)은 인버터인데 독립형과 달리 배터리(2)가 없는 구조이므로 모듈의 변동전압(Vmpp~Voc)은 인버터의 입력으로 그대로 공급되는 한편, 그리드 수준의 높은 모듈 전압이 인버터로 공급되는 것이 특징이다. 높은 전압은 선로상 전송손실을 줄이는 HVDC(고전압직류송전)의 장점이 있다.

계통연계형 인버터에서는 MPPT로서 모듈의 P-V곡선도상의 최대전력점을 끊임없이 찾으며, 이를 위해 MPPT는 모듈에 무거운 부하를 주거나 가벼운 부하를 주는 등 부하저항을 경중으로 변경해가면서 (전류(I) x 전압(V))함수에 의한 최대전력점을 찾게 된다. 배터리가 없는 구조이므로 인버터의 작동기준은 그리드 전압(예를 들면 220V 또는 384V)이 되며, 부하의 경중은 그리드의 교류에 대하여 진상 혹은 지상으로 위상을 조절하면서 달성한다. MPPT가 모듈의 전원을 압착하면서 최대전력점을 추적할 때는 모듈의 개방전압인 최대전압으로부터 인버터의 가동전압이 허용되는 최저전압까지 모듈을 압착하게 되는데, 모듈전압이 낮아질 때는 그리드 전압보다 훨씬 낮은 점, 예를 들면 384V 그리드에서 모듈이 250V로 될 때까지 하강할 수도 있다. 배터리가 없어 모듈의 전압 변동은 그대로 인버터에 가해진다.

도 4는 도 3을 회로적으로 나타낸 블록다이어그램으로서, 모듈 어레이에 인버터가 단순히 연결되어서 모듈의 전압변동(Voc~Vmpp)이 그대로 인버터에 가해짐을 나타낸 것이다. 나머지 회로의 묘사 개념은 도 2의 구성과 같다. 본 발명은 이러한 MPPT(3b)를 적용한 인버터 시스템에 응용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 착상 동기인 스마트파워펌프(SPP; Smart Power Pump)의 일례를 나타낸 블록다이어그램이다.

본 발명자가 선행기술로 발명한 스마트파워펌프(SPP)는 모듈의 전류 중 일부를 피드백하거나 외부에서 전력을 조달 받아 모듈전압을 조절하므로, SPP가 적용된 태양광 발전시스템은 개방전압(Voc)의 높이가 무시될 만큼 낮아진다. 즉, 하나의 사례로서 SPP(4)가 적용된 모듈의 최상단(1-n) 전압은 부하단에서 요구하는 전압의 +/-2% 범위 내에서 안정된다. 예를 들어 부하단이 인버터이고, 인버터의 최량전압이 380V라면 SPP(4)는 직류전압(10)이 380V+/-8V 이내로 안정시키게 된다. 그러므로 이 회로에서 교류전압(20) 384V와 직류전압(10)의 380V 간에는 전력변환 손실이 최소화 될 수 있다. SPP(4)의 전압 안정기능은 인버터의 MPPT 가동 빈도를 현저하게 줄이므로 추적에 따른 시간손실이 없고 모듈의 수명연장이 가능한데, 본 발명은 이러한 SPP를 적용한 시스템에도 응용될 수 있는 것이다. SPP의 가동전원은 모듈 또는 배터리로부터 피드백 받거나 별도의 배터리 내지 계통전원으로부터 컨버터를 통해 공급될 수 있다.

도 6은 독립형의 원리를 계통형 태양광 발전시스템에 적용했을 때를 가상해서 도시한 독립형+계통형 태양광 발전시스템 구성을 나타낸다.

이 구성에서는 모듈(1)과 인버터(3)가 직결된 구조이므로 인버터의 MPPT가 작동함에 따른 모듈의 전압변동이 인버터의 입력 라인(L)상에 그대로 존재한다. 이때 라인(L)의 전압이 배터리 전압보다 높을 때는 충전제어부(2a)에서 PWM 또는 MPPT로 조절하지만, 인버터의 MPPT가 최대전력점을 찾기 위해 라인(L)의 전압을 배터리 전압보다 낮게 추적을 할 경우(즉, 구름이나 일몰 시점에서 태양 에너지가 약해지는 경우) 문제로 된다. 예를 들어 배터리가 384V인데, 인버터가 모듈전압을 250V까지 압박하면서 추적을 한다면 인버터가 모듈로부터 전력을 끌어가는 것이 아니라 배터리 전력을 끌어가면서 결국 쇼트(단락) 상태에 준하는 정도로 배터리에 과부하를 주게 되는 것이다. 방전제어부(2b)는 이러한 과부하를 방지하고자 방전종지전압에서 배터리의 경로를 차단하는 기능이지만, 이로 인해 경로가 차단되면 인버터는 MPPT 작동이 갑자기 중단되어 이를 다시 추적하는데 오랜 시간이 걸리는 헌팅의 문제를 일으키게 된다. I-V곡선도에서 전류가 제한되는 모듈과는 달리, 배터리는 부하저항으로 단자전압을 압박(즉 부하저항을 적게)할수록 부하로 분출되는 전류(전력)가 증가하므로 인버터의 MPPT는 이러한 배터리 압박을 지속하던 도중에 갑자기 방전제어부(2b)가 연결을 차단하면 추적 대상을 잃어버리기 때문에 그 변경 시점에서 MPPT 기능이 갑자기 정지되고, 그 결과 정상으로 회복하게 위해 MPPT가 방황하게 되는 헌팅 현상이 일어나게 되는 것이다.

즉, I-V곡선의 아날로그 특성을 가지는 모듈과 일정한 방전 전압에서 갑자기 출력이 중단되는 디지털 특성의 배터리 방전제어부를 병렬로 연결하는 구성을 인버터의 입력단 라인(L)에 병렬로 단순 연결하면 정상 품질의 전력이 생산될 수 없는 것이다.

따라서, 이제까지 태양광 발전시스템은 배터리로서 인버터의 입력전압을 안정화 한 독립형 또는 배터리 없이 인버터의 입력전압을 모듈의 변동전압 범위 전체로 연결하는 계통연계형(계통형)의 두 가지 형태만 있을 뿐, 그 중간 형태의 기술이나 이론은 존재하지 않았다.

도 7은 SPP(4)를 이용하여 독립형과 계통형을 결합한 구성을 나타낸다. 이 구성에서는 SPP(4)가 전체 모듈의 전압(10)을 자동적으로 조절하므로 이 구성을 이용하면 라인(L)에 걸리는 모듈의 최대전압은 배터리(2) 충전에 필요한 만큼만 상승된다.

하지만, 배터리와 인버터는 여전히 병렬 접속된 상태이므로 모듈전력이 낮아지면 인버터가 배터리로부터 최대전력을 무한정 끌어가는 도 6의 문제는 그대로 존치된다. 예를 들어 도 7에서도 인버터의 입력전압이 250V로 하강하면 그때는 모든 전력을 배터리로부터 끌어가서 배터리는 쇼트 상태에 준하는 과부하를 주게 되는 것이다.

따라서 MPPT가 적용되는 인버터를 이용할 때는 이러한 도 7의 구성처럼 단순하게 배터리에 병렬 접속해서는 정상적인 시스템 작동을 기대할 수가 없고, 이를 무시하여 무리하게 연결을 하게 되면 화재 내지 배터리 폭발 등의 위험을 줄 수 있다.

태양광 발전시스템은 일조량 불규칙에 따른 ‘일사량 간헐’ 및 부하전력이 순간순간 과다·과소로 변동되는 ‘부하 간헐’이 있다. 독립형은 대용량 배터리로 태양의 일조 기간 중 쓰고 남은 전력을 배터리에 저장하였다가 야간 또는 흐린 날에 방전하여 간헐을 보상하는 시스템이다. 즉, 충전시기와 방전시기가 서로 다르게 운용하면서 주로 ‘일사량 간헐’을 보상하기 위한 목적으로 운용한다.

‘부하 간헐’은 부하전력의 순간 변동에 따른 짧은 시간대의 불규칙 간헐이므로 충전과 방전을 동일 시간대로 작동시키면 해결될 수 있다. 그러나 불안정한 모듈 전압과 안정된 배터리 전압을 동시에 인버터에 입력하면, 앞에서 언급하였듯이 인버터는 모듈 전압이 낮은 순간에 배터리에 과부하를 주거나 배터리를 차단시켜 인버터의 동작에 헌팅이 일어나는 등 문제를 일으킨다.

이러한 문제를 해결하여, 만약 계통형에서도 ‘부하 간헐’을 보상한다면 부하의 순간순간 과다·과소에 따른 낭비전력 요소가 없어져 계통형의 경우도 독립형에 견줄 수 있게 전력효율이 올라갈 것은 당연하다.

본 발명은 이를 위해 착상된 것으로, 결과적으로 독립형과 계통형의 장점을 혼합한 형태의 하이브리드 태양광 발전시스템을 개시한다.

대한민국 특허출원 1020200089557 (2020.07.20) 대한민국 특허출원 1020190094849 (2019.08.05) 대한민국 특허출원 1020190036118 (2019.03.28) 대한민국 특허출원 1020190094844 (2019.08.05) 대한민국 특허출원 1020200039764 (2020.04.01) 대한민국 특허출원 1020150008277 (2015.01.16) 대한민국 특허출원 1020180154303 (2018.12.04) 대한민국 특허출원 1020180001666 (2018.01.05) 대한민국 특허출원 1020170153635 (2017.11.17) 대한민국 특허출원 1020190170458 (2019.12.19)

본 발명의 제1목적은 고전압의 계통연계형 태양광 발전시스템에서도 부하의 순간순간 과다·과소에 따른 낭비전력 요소, 즉 부하 간헐을 보상하여 독립형처럼 전력효율을 향상시키는 기술을 개시하고자 함을 목적으로 한다.

본 발명의 제2목적은 동일한 시간대 내에서 모듈과 축전지와 인버터가 동일한 라인선상에서 병렬로 결합되어 충전, 방전으로 실시간 교대 작동되면서 무순단(unbroken)으로 발전 기능이 발휘되는 기술을 개시하고자 함을 목적으로 한다.

본 발명의 제3목적은 독립형 배터리보다 적은 용량의 배터리로서 상기 제1 및 제2목적을 달성토록 함으로써 적은 비용에 의해 독립형의 장점이 널리 보급되도록 하고자 함에 있다.

본 발명의 제4목적은 태양의 유효일사량 상태에 따라 모듈과 배터리를 선택적으로 연결하면서 모듈과 배터리가 조화롭게 인버터를 가동하는 기술적 구성을 개시하고자 함에 있다.

이와 같은 목적의 본 발명은 장치에 관한 그 일실시례로서,

태양광으로 전력을 생산하는 모듈;

모듈의 전력을 충전 및 방전하는 배터리;

직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터;

상기 배터리 전원과 모듈 전원을 연결 제어하는 스위칭제어부;

상기 스위칭제어부가 모듈 전원과 배터리 전원을 인버터로 연결 제어하되,

인버터 공급 전력을 기준으로 상기 배터리 전력보다 모듈 전력이 높거나 같을 때는 모듈 전원과 배터리 전원을 동시에 인버터의 입력단으로 연결하고,

상기 배터리 전력보다 모듈 전력이 낮을 때는 배터리 전원이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어로서 인버터에 공급되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템을 개시한다.

여기서,

상기 인버터는 모듈 전압을 상하로 스윙하면서 모듈의 전력을 끌어내는 최대전력점추적(MPPT) 구성을 포함할 수 있다.

또한, 상기 스위칭제어부는 방전종지전압에서 배터리 전원의 공급을 차단하는 구성을 더 포함할 수 있다.

상기 스위칭제어부는 모듈과 배터리를 우선적으로 연결하여 충전이 개시되도록 하고, 인버터와 모듈 또는 인버터와 배터리는 배터리 전원이 설정된 레벨의 전압에 도달하였을 때 연결하는 딜레이스위칭부의 구성을 더 포함할 수 있다.

상기 스위칭제어부는 배터리 충전 중 단자전압이 설정된 레벨에 도달하였을 때 네거티브 전압함수에 따른 배터리 충전전류를 제어하는 구성을 더 포함할 수 있다.

상기 스위칭제어부는 배터리가 설정된 방전개시 전압에 달했을 때 방전경로를 연결하고, 배터리가 설정된 방전종지 전압에 달했을 때 방전경로를 차단하되,

배터리가 방전을 개시한 후 설정된 전압레벨부터 방전종지전압 레벨에 이르기 까지는 전압의 감소에 따라 전류의 감소도 연동되는 가변전력 제어 구성으로 실시될 수 있다.

상기 스위칭제어부는 제1입출력단이 모듈과 인버터에 연결되고, 제2입출력단이 배터리에 연결되는 네트워크를 형성하면서,

제1입출력단으로부터 제2입출력단으로 흐르는 전력은 네거티브 듀티비 제어함수로 작동되며, 제2입출력단으로부터 제1입출력단으로 흐르는 전력은 포지티브 듀티비 제어함수로서 서로 반대되는 전력제어 함수가 적용된 쌍방향 경로로 스위칭 되는 구성을 포함할 수 있다.

한편, 상기 스위칭제어부는 제1입출력단이 모듈에 연결되고, 제2입출력단이 배터리에 연결되며, 제3입출력단이 인버터에 연결되는 네트워크를 형성하면서,

제1입출력단으로부터 제2입출력단으로 흐르는 계통은 디지털 온(on)으로 개통되면서 배터리 전압이 설정된 상한 레벨에 도달하였을 때부터 네거티브 듀티비 제어함수에 의한 아날로그로 연결이 제어되며,

제1입출력단으로부터 제3입출력단으로 흐르는 계통은 배터리 전압이 설정된 전압에 도달되었을 때를 기점으로 디지털 온(on)으로 개통되어 모듈전압이 인버터를 가동하도록 경로가 연결되고,

제2입출력단으로부터 제3입출력단으로 흐르는 계통은 배터리 전압이 설정된 가동 레벨에 도달되었을 때부터 디지털 온(on)으로 개통되어 인버터를 가동하는 한편, 배터리의 방전 전압이 설정된 하한 레벨에 도달한 때부터 배터리로부터 인버터로 공급되는 전류가 포지티브 듀티비 제어함수에 의한 아날로그로 연결이 제어되는 구성을 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 장치에 관한 또 다른 일실시례로서,

태양광으로 전력을 생산하는 모듈;

상기 모듈에 의해 생산된 전력으로 충전하고, 상기 충전된 전력을 방전시키는 배터리;

직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터; 및

상기 모듈 또는 상기 배터리와 상기 인버터를 연결 제어하는 스위칭제어부를 포함하되,

태양의 유효일사량 상태에 따라 상기 모듈 또는 상기 배터리로부터의 전력이 결합 내지 선택되어 상기 인버터에 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하며,

상기 모듈이 선택 연결되었을 때 상기 배터리는 상기 인버터로의 전력 공급을 중지하고,

상기 배터리가 선택 연결되었을 때는 상기 배터리로부터의 전력이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어 조절을 통해 상기 인버터로 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템을 개시한다.

또한, 이와 같은 목적의 본 발명은 하드웨어 내지 소프트웨어를 포함한 제어방법에 관한 일실시례로서,

태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에 있어서,

고전압 상태에서 모듈 전원을 배터리 및 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계;

중전압 상태에서 배터리 전원을 벌크 또는 포지티브 듀티비 제어에 의해 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계;

저전압 상태에서 배터리 전원을 차단하고 모듈 전원을 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계;로 구성되어서, 모듈 전압의 높낮이에 따라 상기 모듈 전원과 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 인버터로 공급되는 각 단계의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템을 개시한다.

또한 본 발명은 제어방법에 관한 또 다른 일실시례로서,

태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에 있어서,

태양의 유효일사량 상태에서 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 배터리 및 상기 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계;

상기 태양의 유효일사량이 아닌 상태에서 상기 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 상기 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계; 및

상기 배터리가 저전압 상태에서 상기 배터리 전원을 차단하고 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계를 포함하되,

상기 태양의 유효일사량 상태 여부에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 상기 인버터로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 인버터 공급전원 스위칭제어 방법을 개시한다.

본 발명에 의하면, 계통연계형 태양광 발전시스템에서도 부하의 순간순간 과다·과소에 따른 낭비전력 요소, 즉 부하 간헐이 보상되어 독립형의 경우처럼 전력효율이 향상된다.

또한, ‘모듈+배터리+인버터’가 그리드 전압 레벨 수준에서 병렬로 결합되어 동일 시간대에서 모듈과 축전지와 인버터가 충전, 방전으로 실시간 교대 작동되면서도 무순단(중단 없이)으로 발전 기능이 발휘되어 고품질 전력생산이 가능하게 된다. 이를 통해 독립형 배터리보다 적은 용량의 배터리로 구성이 가능하여 배터리 관련 설비 비용이 절감되고, 배터리의 과부하를 예방한다.

특히 본 발명에 의하면 독립형과 계통연계형의 장점을 결합한 그 중간 형태의 하이브리드 태양광발전시스템이 탄생되는 것으로, 이를 통해 기 설치된 기존 인버터 설비에 그대로 확장 기능으로 적용될 수 있다.

본 발명에 의하면 배터리 방전 시 인버터로 가해지는 최대전력점 전압은 배터리 방전시간의 경과에 따라 직선적(Linear)으로 서서히 하강하므로 인버터의 MPPT가 배터리에 과부하를 주지 않으면서 배터리 방전종지 전압까지 충격전류가 없이 서서히 추종하면서 연착하는 효과가 있다.

본 발명에 의하면 태양의 유효일사량 상태에 따라 모듈과 배터리를 선택적으로 연결함과 동시에 배터리의 순간 방전에 대한 안전을 확보하므로, 모듈과 배터리의 혼합 공급 내지 배터리의 순간방전 폭주로 인한 (MPPT) 인버터의 전류폭주를 예방한다.

도 1은 독립형의 일례를 나타낸 시스템 블록다이어그램.
도 2는 도 1을 회로적으로 표현한 블록다이어그램.
도 3은 계통형의 태양광 발전시스템 구성을 나타낸 블록다이어그램.
도 4는 도 3을 회로적으로 나타낸 블록다이어그램.
도 5는 본 발명의 착상 동기인 스마트파워펌프(SPP; Smart Power Pump Apparatus)의 원리와 결합 일례를 나타낸 개념도.
도 6은 독립형의 원리를 계통형 태양광 발전시스템에 적용했을 때의 문제점을 설명하기 위해 도시한 단순 독립형+계통형 형태의 태양광 발전시스템을 나타낸 개념도.
도 7은 SPP(4)를 이용하여 독립형과 계통형을 결합한 구성을 나타낸 개념도.
도 8은 독립형과 계통형을 혼합한 본 발명 하이브리드 태양광 발전시스템의 실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 9는 배터리의 전압이 낮아지면 듀티비를 포지티브로 제어하는 원리를 설명하는 도면.
도 10은 포지티브 듀티비 제어와 네거티브 듀티비 제어의 개념을 24V 배터리를 예로 들어서 설명한 배터리 전압 레벨 도면.
도 11은 방전제어부(5b)와 충전제어부(5a)의 연결과 제어의 개념을 좀 더 구체적으로 도시한 블록다이어그램.
도 12는 본 발명의 다른 실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 13은 도 12의 구성을 회로적으로 도시하면서 SPP와 연동한 시스템 구성을 나타낸 블록다이어그램.
도 14는 도 12를 변형 실시한 일례를 도시한 블록다이어그램.
도 15는 본 발명의 스위칭제어부(5)의 제어방법을 설명하는 흐름도.
도 16 및 도 17은 도 15의 흐름도를 프로그램 알고리즘으로 도시한 시켄스도.
도 18 내지 도 20은 본 발명 하이브리드 태양광 발전시스템의 또 다른 실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 21은 도 18 및 도 19의 일실시례를 회로적으로 도시한 블록다이어그램.
도 22 및 도 23은 도 20의 일실시례를 회로적으로 표현한 블록다이어그램.
도 24는 도 18 내지 도 20의 블록다이어그램이 작동하는 원리를 도시한 흐름도.

본 발명은 이하 설명하는 것 외에도 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바 특정한 실시일례들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니므로, 이하 개시하는 구성은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으나, 예를 들어 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되고 있을 뿐, 이 구성요소들을 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등으로 용어를 붙여서 한정되는 것으로 이해를 하여서는 아니 된다. 상기 용어들은 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지의 원리로 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 첫 번째와 두 번째의 경우도 마찬가지이다.

이와 같은 원칙하에 본 발명에 따른 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 목적과 특징들은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다.

도 8은 독립형과 계통형을 혼합한 본 발명 하이브리드 태양광 발전시스템의 실시일례를 도시한 블록다이어그램이다. 즉, 본 발명은

태양광으로 전력을 생산하는 모듈(1);

모듈의 전력을 충전 및 충전된 전력을 방전하는 배터리(2);

직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터(3);

상기 배터리 전원과 모듈 전원을 연결 제어하는 스위칭제어부(5);

상기 스위칭제어부(5)가 모듈(1) 전원과 배터리(2) 전원을 인버터(3)로 연결 제어하되,

인버터 공급 전력을 기준으로 상기 배터리로부터의 전력보다 모듈로부터의 전력이 높거나 같을 때는 모듈 전원과 배터리 전원을 동시에 인버터의 입력단으로 연결하고,

상기 배터리로부터의 전력보다 모듈로부터의 전력이 낮을 때는 배터리 전원이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어로서 인버터에 공급되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템을 개시한 것이다.

여기서, 상기 인버터는 모듈 전압을 상하로 스윙하면서 모듈의 전력을 끌어내는 최대전력점추적(MPPT) 구성을 포함한다.

인버터의 MPPT는 당시에 모듈로부터 분출되는 전류와 전압을 곱한 전력 값의 최대치를 찾기 위하여 부하저항을 조절하는 개념으로 모듈을 압박하면서 모듈로부터 전류를 끌어내가는 작용을 한다. 이 과정에서 만약 태양이 구름에 가려졌거나, 날씨가 흐리거나, 일몰 시간에 모듈 전압이 배터리 전압보다 아래로 내려가면 MPPT는 모듈로부터 전력을 끌어가는 게 아니라 배터리로부터 전력을 끌어가게 되는데, 배터리는 부하저항이 적을수록 더 많은 전류를 분출하기 때문에 그대로 두면 배터리가 거의 완전 방전될 때까지 MPPT는 작동을 멈추지 않아 결국은 배터리가 완전 방전하는 상태로 이어진다. 본 발명 도 8 실시일례의 방전제어부(5b)는 이러한 인버터의 MPPT 작동으로부터 배터리를 보호하면서도 인버터의 MPPT 작동을 무순단(중단 없이) 유지시키도록 하는 구성요소이다.

본 발명에서 모듈로부터 정상적인 전력이 생산되는 상태를 “태양의 유효일사량 상태”라고 정의하고, 그렇지 않은 상태, 즉 태양이 구름에 가려졌거나, 날씨가 흐리거나, 일몰 시간 이후 등을 “태양의 유효일사량이 아닌 상태”라고 정의한다. 유효일사량이 아닌 상태란 모듈의 전력으로 인버터가 가동되기 어려운 또는 저전력 발전 상태를 의미한다.

상기 스위칭제어부(5)는 충전제어부(5a)와 방전제어부(5b)로서 구성된다. 다만 충전제어부(5a)는 모듈(1)이 아닌 별도의 보조전원으로부터 충전용 전원을 조달할 수도 있다. 방전제어부(5b)는 포지티브 듀티비 제어를 통해 배터리의 과부하를 방지하면서 인버터(3)의 MPPT를 방전 당시에 가장 높은 배터리 전압 점으로 추적하도록 유도하는 기능을 한다. 즉, 이 기능은 배터리의 전압이 낮아지면 듀티비를 포지티브로 제어하게 되는데 그 모습을 도 9에서 설명하고 있다.

도 9의 방전 듀티비제어신호(5b-2)와 방전 그래프(5b-3)를 참조하면, 듀티비(Dr)와 배터리 전압(Battery V)은 0%와 100% 사이에서 정비례로 변화됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 방전제어부(5b)는 배터리 전압에 연동되어 배터리 전압이 낮으면 듀티비도 함께 낮추어 인버터로 공급되는 전력을 줄이는 정비례 개념의 포지티브 제어를 하게 된다.

듀티비가 낮아지면 배터리로부터 방전되는 전류(Ir)가 줄어들고 전압도 낮아지므로, 인버터에 공급되는 전력은 전압 저하에 따라 점점 더 줄어들며, 그 결과 인버터는 배터리 전압을 무조건 압박하지 않고 전력이 더 이상 줄어들지 않는 최대의 전압 점에서 머무르게 된다. 부하저항을 감소시켜 배터리 단자 전압을 압박하면 전류가 증가하는 것이 아니라 오히려 감소(Ir)하기 때문이다. 결국 방전제어부(5b)는 인버터(3)의 MPPT를 방전 당시에 가장 높은 배터리 전압 점에 머무르도록 유도, 즉 계속 전압 하강을 방지하는 기능을 하게 되는 것이다.

포지티브 듀티비 제어는 배터리 전압이 설정된 기준점(100%)을 기점으로 시작하게 되는데, 이 기준점은 미리 고정적으로 설정된 전압이거나 순시 전류의 변동을 감지하여 전류의 량이 갑자기 증가할 때 듀티비가 순간적으로 감소하도록 구성될 수 있다. 순시 전력과 연동되는 듀티비 제어는 슈퍼 커패시터로 구성될 때 긴요하게 사용될 수 있다.

모듈(1) 전압이 배터리 충전전압 이상으로 회복되면 그때부터 배터리 전압이 일정한 레벨에 이를 때까지는 충전제어부(5a)를 통한 배터리(2) 충전과 인버터(1)를 통한 전력 생산용으로 함께 모듈(1)의 전원을 사용하게 된다.

이러한 충전 상태에서 시간이 경과해서 방전제어부(5b)를 통해 그동안 방전되었던 용량을 충당하게 되면 그때부터는 도 9의 (5a-2) 및 (5a-3)을 통한 네거티브 듀티비로 제어되어 배터리는 배터리 관리에 필요한 최소한의 전류(10% 정도)만 소모하고 나머지 대부분의 모듈(1) 전력은 인버터로 공급된다.

즉, 방전된 용량이 충당되는 즈음부터 충전제어부(5a)는 역할(100%)을 종료하거나 예를 들면 10%~50% 내외의 듀티비로 함께 작동하면서 모듈의 전력이 인버터로 공급되므로, 동일한 라인(L) 상에서 충전, 방전, 전력생산이 동시에 이루어지게 되는 것이다.

충전제어부(5a)는 방전제어부(5b)와는 정반대로 배터리 전압에 반비례하는 듀티비 제어를 하게 된다. 이에 관하여 도 9의 충전 듀티비제어신호(5a-2) 및 충전 그래프(5a-3)는 듀티비(Dr)가 전압(Battery V)의 변화와 반비례로 제어됨을 좀 더 자세히 설명하는 그래프이다.

도 9의 (5a-2) 및 (5a-3)을 참조하면, 본 발명의 충전제어부(5a)는 배터리 전압에 연동되되 배터리 전압이 높아지면 듀티비를 낮추고(10%) 배터리 전압이 낮아지면 듀티비를 높이는(100%) 반비례 개념의 네거티브 제어를 하게 됨을 알 수 있다. 듀티비가 낮아지면 배터리를 충전하는 전류(Ir)도 줄어들고 모듈 전압도 올라가므로, 결국 그에 따라 배터리에는 관리를 위한 최소한의 전류만 공급되고 모듈의 전력은 거의 대부분 인버터로만 공급되는 것이다.

포지티브 듀티비 제어와 네거티브 듀티비 제어의 개념을 24V 배터리를 예로 들어서 알기 쉽게 설명한 도면이 도 10이다.

도 10은 포지티브 듀티비 제어와 네거티브 듀티비 제어의 개념을 24V 배터리를 예로 들어서 설명한 배터리 전압 레벨 도면이므로, 이를 참조하면 24V를 기점으로 배터리 전압이 낮아지면 그 낮아지는 전압의 차이에 따라 벌크 방전(b)과 포지티브 듀티비 제어(a)가 차례로 작동하다가 방전을 종료한다. 그 반대로 24V를 기점으로 배터리 전압이 높아지면 그 높아지는 전압의 차이에 따라 벌크 충전(c)과 네거티브 듀티비 제어(d)가 차례로 작동하다가 충전을 완료한다.

충전이 완료되면 배터리에는 최소한의 전류(10%)로 관리가 시작되고, 방전이 종료되면 배터리의 연결은 차단(0%)되는 것이 바람직하다.

본 발명의 명세서는 이러한 24V 배터리를 32배로 승압한 384V를 기준으로 설명하는 것이므로, 도 10은 그와 같은 원리를 이해하도록 설명하는 측면에서 도시한 것이다.

도 8에서, 포지티브 듀티비 제어 개념의 방전제어부(5b)와 네거티브 듀티비 제어 개념의 충전제어부(5a)는 모듈과 인버터가 결합된 그리드 전압(예를 들면 384V) 수준의 라인(L)과 배터리의 사이에서 쌍방 매칭 경로를 구성하므로 이를 경유하여 계통형 인버터 전압 수준으로 배터리 전압을 높여서 직접 병렬로 연동이 가능하게 되는 것이다. 도 1에서 보는 통상적인 독립형 그대로를 계통형 그리드 수준 전압에 연결하면 배터리는 48V로 되고 그리드는 220V~384V로 되므로, 그 차이 전압만큼의 인버터 변환손실을 감수해야 된다. 하지만, 동일 전압 라인(L)상에서 함께 연동되는 본 발명의 도 8 구성에서는 이러한 전압 차이로 인한 인버터의 변환손실이 없게 되는 것이다.

상기 스위칭제어부(5)의 방전제어부(5b)는 배터리가 방전 종지전압에 도달하였을 때 배터리 전원의 공급을 차단하는 구성을 포함할 수 있다. 방전제어부(5b)에 포함된 이 기능은 포지티브 듀티비 제어 기능과 함께 어우러져 배터리에 과부하가 가해지지 않도록 인버터의 MPPT를 유도하면서 최종적으로는 배터리가 방전종지전압에 이르면 배터리의 개입을 해제하되, 이러한 개입과 해제가 부드럽게 무순단으로 이어갈 수 있게 하는 것이다(도 9의 5a-2, 5a-3 및 5b-2, 5b-3 참조).

결국 인버터에 공급되는 전압은 모듈의 개방전압으로부터 인버터의 최저입력전압까지이되 그 범위 내에서 배터리의 충전과 방전이 무순단으로 개입하여 병렬로 작동하게 된다. 무순단은 포지티브 듀티비가 가장 적은 시점에서 방전제어부(5b)의 개입을 차단하면서 이루어질 수 있다. 즉, 듀티비 0%를 차단으로 갈음하거나 최소의 듀티비에서 OFF 스위칭으로 전환되는 구성을 통해 차단 기능이 이루어질 수 있다. 그에 대한 역의 개념으로 벌크 충전 혹은 벌크 방전은 듀티비 100% 혹은 최대의 듀티비에서 ON 스위칭으로 전환되는 구성을 통한 완전 연결 기능으로 이루어질 수 있다.

도 11은 방전제어부(5b)와 충전제어부(5a)의 연결과 제어의 개념을 좀 더 구체적으로 도시한 블록다이어그램이다.

도 9에 도시된 각각의 듀티비 제어신호(5b-2 및 5a-2)는 (5b)를 실체적으로 구성하는 (스위치 B) 및 (5a)를 실체적으로 구성하는 (스위치 A)의 제어신호 입력단에 공급된다. 공급된 제어신호에 따라 각 스위치들은 시간 함수인 듀티비로 제어하게 되는데, 그 결과에 따라 앞에서 설명한 방전 또는 충전의 전류 조절, 즉 전력의 제어가 가능하게 된다.

스위치들의 출력단 경로에는 코일과 커패시터로 된 리플(ripple) 성형회로를 부가적으로 게재할 수 있다. 각 스위치들은 FET, GTR, TR, SCR, IGBT, TRIAC 등은 물론이고 그 외에도 3단자 제어소자 중 어느 하나로도 구성될 수 있으므로 특정한 소자로 한정되지는 않는다. 듀티비를 제어하는 회로는 연산증폭기(전압비교기)를 개념적으로 도시하였지만, 타이머, 마이컴, CR 발진기 등 듀티비 제어신호를 발생하는 어떠한 회로소자로도 구성할 수 있으므로 특정한 회로의 도시는 단순 예시를 한 것에 불과하고 회로의 구성 또는 부품 소자의 내용적 면에서 한정되지는 않는다.

도 11은 모듈(1)과 인버터(3)가 동일한 라인(L) 선상에서 직접 결합된 구조로 되어 있다. 즉, 모듈에서 전압이 발생되면 라인(L)을 따라 무조건 인버터로 공급되는 구조이다. 다만, 이러한 구조에서는 인버터의 MPPT가 배터리의 초기 충전에 지연을 초래할 수 있다.

예를 들어, 24V배터리(2) 구조에서 만약 일출 시 모듈(1)이 21V를 출력할 때부터 인버터(3)가 작동을 개시한다면 모듈은 배터리 충전에 필요한 전압에 도달될 때까지 배터리 충전이 약화된다. 또한 그 후 모듈(1)의 전압이 상승하더라도 전압이 24V~25V를 초과하게 되면 모듈로부터의 전류 중 일부는 배터리(2) 충전 전류로 흐르게 되므로 인버터(3)는 배터리로 전력을 빼앗기지 않는 최대전력점을 추적하기 위해 모듈의 전압을 압박하고 그에 따라 모듈 전압은 25V 이하로 유지하려 한다. 결과적으로 인버터가 배터리의 초기 기동시의 충전을 방해할 수 있다.

도 12는 이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 추가적인 다른 실시일례를 도시한 블록다이어그램이다.

도 12를 참조하면, 모듈(1)과 인버터(3)가 연결된 라인(L)에는 스위치 C가 게재 삽입되어 있다. 이 스위치 C는 배터리가 일정 수준으로 충전이 이루어질 때까지 기다린 후, 모듈과 인버터를 연결하는 딜레이스위칭부(5c)의 역할을 하게 된다.

즉, 스위칭제어부(5)는 모듈과 배터리를 우선적으로 연결하여 충전이 개시되도록 하는 스위치 A(5a)를 포함하는 한편, 배터리 전압이 일정 수준으로 올라가기를 기다렸다가 모듈(1)과 인버터(3)를 연결하는 스위치 C(5c)를 포함한다. 나아가 이와 관련하여 스위치 B(5b)도 배터리 전압이 일정 수준으로 올라갔을 때 인버터(3)와 배터리(2)를 연결하도록 작동시키는 것이 바람직하다(다만 반드시 이 기능 스위치 C가 포함되는 것으로 한정되지는 않는다). 이러한 구성들에 의해 스위칭제어부(5)는 배터리의 충전 경로를 최우선으로 확보하면서 모듈의 전압을 최상단의 개방전압으로부터 최하단의 인버터의 최저입력전압까지 자유롭게 MPPT 추적용으로 제공한다. 또한 그 추적용으로 제공하는 범위 내에서도 과부하 없이 무순단(unbroken)으로 충전 및 방전이 되도록 배터리를 개입 연동할 수 있게 되는 것이다.

정리하면, 상기 스위칭제어부(5)의 방전제어부(5b)는 배터리가 설정된 방전개시 전압에 달했을 때 방전경로를 연결하고, 배터리가 설정된 방전종지 전압에 달했을 때 방전경로를 차단하되, 배터리가 방전을 개시한 후 설정된 전압레벨부터 방전종지전압 레벨에 이르기까지는 전압의 감소에 따라 전류의 감소도 연동되는 가변전력 제어 구성을 포함한다. 한편 스위칭제어부(5)의 딜레이스위칭부(5c)는 배터리가 일정 수준으로 충전이 이루어질 때까지 기다린 후 모듈과 인버터를 비로소 연결하는 역할을 한다. 다만, 딜레이스위칭부(5c)는 취사선택적으로 포함될 수 있다.

한편, 본 발명에서 딜레이스위칭부(5c)는 용어가 의미하는 그대로 일정한 시간동안 지연을 주는 타이밍 회로로서 구성될 수도 있다.

앞에서 설명한 네거티브 듀티비 제어는 배터리의 과충전 보호를 위한 것이고 포지티브 듀티비 제어는 배터리가 개입될 때 무순단으로 연동되도록 하면서 전압하강에 따라 전류가 줄어들도록 하는 리니어 스위칭 기능이다. 포지티브 듀티비 제어는 전압의 변화에 따른 전류의 감소 제어로 실시될 수 있지만, 전류의 값을 일정하게 하는 정전류 제어로서도 실시될 수 있다. 정전류라 하더라도 전압이 낮아지면 전력을 줄어드는 것이기에 이러한 이론을 적용하여 인버터의 MPPT와 절충이 이루어지도록 실시될 수도 있는 것이다.

한편, 스위칭제어부(5a)의 충전제어부(5a-1)는 모듈에서 전압이 발생되면 충전경로를 우선 개설하고 배터리 충전 중 단자전압이 설정된 레벨에 도달하였을 때 네거티브 전압함수에 따라 배터리 충전 전류를 관리 모드로 제어한다.

도 12에서 (5a-3) 및 (5b-3)에 나타낸 전압의 (-)값은 각 스위치 A, B, C들이 직류전원의 (-)라인에 연결된 상태를 나타낸 것이다. 따라서 이 스위치들이 직류전원의 (+)에 연결되는 경우는 이러한 (-)값은 (+)값으로 치환된다.

한편, 도 11의 구성을 참조하면 상기 스위칭제어부(5)는 제1입출력단(1i/o, 3i/o)이 모듈-인버터 라인(L)에 연결되고, 제2입출력단(2i/o)이 배터리에 연결되는 쌍방향 네트워크를 형성하면서,

제1입출력단(1i/o, 3i/o)으로부터 제2입출력단(2i/o)으로 흐르는 전력은 네거티브 듀티비 제어함수로 작동되며, 제2입출력단(2i/o)으로부터 제1입출력단(1i/o, 3i/o)으로 흐르는 전력은 포지티브 듀티비 제어함수로서 서로 반대되는 전력제어 함수의 쌍방향 경로로 스위칭 되는 구성으로 정의될 수 있다.

모듈과 배터리 또는 모듈과 인버터는 도시생략 된 역류방지 회로(예를 들면 다이오드, TR 등)를 보조적으로 구성할 수 있다. 참고로 역류방지용 다이오드 등 도시생략 된 부가적인 보호회로는 본 발명 명세서의 전체 구성에 해당되는 사항으로 그에 관한 예시는 도 19의 MOSFET(5a, 5b)로 나타내었다.

또한, 도 12의 구성을 참조하면,

상기 스위칭제어부(5)는 제1입출력단(1i/o)이 모듈에 연결되고, 제2입출력단(2i/o)이 배터리에 연결되며, 제3입출력단(3i/o)이 인버터에 연결되는 3각 네트워크를 형성하면서,

제1입출력단(1i/o)으로부터 제2입출력단(2i/o)으로 흐르는 계통은 디지털 온(on)으로 연결되면서 배터리 전압이 설정된 상한 레벨에 도달하였을 때부터 네거티브 듀티비 제어함수에 의한 아날로그로 연결이 제어되며,

제1입출력단(1i/o)으로부터 제3입출력단(3i/o)으로 흐르는 계통은 배터리 전압이 설정된 전압에 도달되었을 때를 기점으로 디지털 온(on)으로 연결되어 모듈전압이 인버터를 가동하는 공급 경로가 개통되고,

제2입출력단(2i/o)으로부터 제3입출력단(3i/o)으로 흐르는 계통은 배터리 전압이 설정된 가동 레벨에 도달되었을 때부터 디지털 온(on)으로 연결되어 인버터를 가동하는 한편, 배터리의 방전 전압이 설정된 하한 레벨에 도달한 때부터는 배터리로부터 인버터로 공급되는 전류가 포지티브 듀티비 제어함수에 의한 아날로그로 연결로 제어되는 구성을 포함하는 것으로 정의된다.

이때 설정된 상한 레벨이란 벌크충전(최대 충전허용 전류) 레벨을 말하며 그로부터 네거티브 듀티비 함수라 함은 옵섭션, 플로팅 등의 충전 모드를 말한다. 설정된 하한 레벨이란 벌크방전(허용 정격전류 방전) 레벨을 말하며 그로부터 포지티브 듀티비 함수라 함은 방전종지전압까지 전압 강하에 따라 전류 들어들기 시작하는 시점을 말한다. 벌크방전 레벨의 설정기준은 배터리의 공칭(규격)전압과 같거나 혹은 그보다 더 높을 수도 있다.

도 13은 도 12의 구성을 회로적으로 도시하면서 SPP와 연동한 시스템 구성을 나타낸 블록다이어그램이다. 스위칭제어부(5)는 직류전원의 (-)계통에 연결되어 있으므로, 스위칭제어부(5)의 제1입출력단(1i/o)은 스마트파워펌프(4)를 경유하여 모듈의 (-)단자에 연결되어 있다. 스마트파워펌프는 모듈의 전압을 필요시에 승강압 조절하는 제어 기능을 하므로 스마트파워펌프(4)에 의해 모듈 최상단(1-n)의 (+)전압은 일정한 범위 내로 유지된다. 다만 본 발명은 SPP를 전제로 한정하지는 않는 것이므로 SPP는 취사선택적으로 적용될 수 있다.

스위칭제어부(5)의 제2입출력단(2i/o)은 배터리(2)의 (-)단자에 연결되어 있다. 스위칭제어부의 제3입출력단(3i/o)은 인버터(3)의 (-)단자에 연결되어 있다. 각각의 충전제어부(5a)와 방전제어부(5b)와 딜레이스위칭부(5c)는 각 입출력단자 간의 네트워크를 형성하면서 앞에서 설명한 디지털 온 내지 아날로그 연결 제어를 수행하게 된다. 디지털 온 내지 아날로그 연결 제어는 각각의 제어단자에 연결된 연산증폭기 내지 레벨콤퍼레이터(5a-1, 5b-1, 5c-1)의 듀티비 제어신호로서 달성한다. 물론, 마이컴을 적용할 수 있다.

도 14는 도 12를 변형 실시한 일례를 도시한 블록다이어그램이다. 도 12가 전원의 (-)라인에 스위칭제어부(5)를 게재함으로써 각 전압의 함수가 (-)계수로 적용됨에 비하여 도 14는 전원의 (+)라인에 스위칭제어부(5)가 게재되어 각 전압의 함수가 (+)의 계수로 적용된 차이가 있다. 또한 전원의 (+)라인에 스위칭제어부(5)가 게재됨에 따라 각 스위치들의 전류 방향이 서로 반대로 된 회로적 표현 외에는 기능적인 개념이 도 12와 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.

도 15는 본 발명의 스위칭제어부(5)의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.

즉, 본 발명은 태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에서,

고전압 상태에서 모듈 전원을 배터리 및 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계(201);

중전압 상태에서 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계(203);

저전압 상태에서 배터리 전원을 차단하고 모듈 전원을 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계(204);

로 구성되어서, 모듈 전압의 높낮이에 따라 상기 모듈 전원과 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 인버터로 공급되는 각 단계의 구성을 포함하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 스위칭제어부 제어방법을 개시한 것이다. 나아가 상기 중전압 상태의 협동연계단계에는 배터리 전원을 인버터로 방전 공급하는 배터리 전원 벌크 협동연계단계(202)를 더 포함할 수 있다.

이하 좀 더 구체적으로 도시한 도 16 및 도 17을 병행 참조하면서 상기 도 15의 단계별 작용을 설명하면 다음과 같다.

고전압 상태에서 모듈 전원을 배터리 및 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계(201);에는 일출 등에서 모듈전압이 정상(104)으로 올라가는 때 스위치 A로 모듈-배터리 간을 먼저 연결한다(105). 그 후 배터리 전압이 도 10의 제4레벨(도 10 참조)에 도달하면 스위치 B를 추가적으로 연결하여(108) 배터리 전원으로 인버터를 가동할 수 있도록 연결한다(109). 다만, 취사선택적인 도 17도의 경우처럼 여기서는 모듈전압이 정상(104)으로 올라가는 때 스위치 A를 on함과 동시에 모듈과 인버터를 연결하여 인버터를 동시에 가동하도록 통합된 프로세스로 구성할 수도 있다(105, 107, 108).

한편, 이러한 인버터의 가동과 병행하여 배터리 전압이 제4레벨(106)에 이른 후부터는 스위치 A를 네거티브 듀티비로 제어하여 리니어 개념의 전력으로 충전을 제어하며(110), 배터리 전압이 제5레벨이 도달하면(111) 스위치 A를 배터리 관리 정도의 최소한의 듀티비로 연결 제어한다(112).

이 과정 전체에서 인버터는 계속 가동(109)되므로 인버터 측으로 부하가 무겁지 않으면 기 설명한 (106)~(112)의 과정이 진행되지만, 만약 인버터 측으로 부하가 무거워져 배터리 전압이 도 10의 제2레벨로 떨어지게 되면(113), 스위치 B를 포지티브 듀티비로 제어(114)하여 배터리로부터 인버터로 공급되는 전력을 감소시키게 된다(115). (배터리 전압 레벨의 정의는 도 10을 참조.)

이때부터 중전압 상태에서 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계(203);를 수행한다. 즉, 배터리 전압이 내려갈수록 인버터로 공급되는 전력은 점점 더 줄어들게 되므로 인버터의 MPPT는 배터리 전원을 끌어 쓰기는 하되 전력이 줄어들지 않는 전압의 수준으로 머무르게 된다. 그 후 배터리가 방전되는 정도에 따라 배터리로부터 분출되는 최대전력점 전압은 점차 낮아지게 되므로 결국 인버터에 공급되는 전력은 무순단으로 가변 제어되는 것이다.

따라서 이러한 (201)~(203)의 과정에 의해 모듈로부터 전력이 높을 때는 모듈과 배터리 전압이 인버터에 병렬로 공급되고(108, 109), 모듈 전력이 낮을 때는 배터리 전원이 리니어로 조절되면서 인버터로 공급된다(114, 115). 리니어 조절에 의해 듀티비가 최소의 폭, 예를 들면 1%이하로 되면 실질적으로 그에 따른 연결 기능은 해제되는 것과 동일하게 된다.

이러한 구성을 통해 모듈 전압 내지 전력의 높낮이에 따라 상기 모듈 전원과 배터리 전원이 무순단으로 전환(109-115)되면서 인버터로 전원을 공급하게 되는데, 상기 중전압 상태의 협동연계단계에는 배터리 전원을 듀티비 100%로 인버터 측으로 방전 공급하는 배터리 전원 벌크 협동연계단계(202)를 더 포함할 수 있다.

저전압 상태에서 배터리 전원을 차단하고 모듈 전원을 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계(204);에서는 듀티비 최소값의 리니어 개념으로 스위치 B가 작동되며, 이러한 리니어의 최소값이 된다는 것은 배터리 연결이 실질적으로 해제(117)되고 모듈만 인버터에 연결된다는 의미가 된다(117, 118).

한편, 모듈전압이 정상(104)인 때 스위치 A로 모듈-배터리 간을 연결하는 구성(105)에서는 모듈-인버터 간을 상시 연결(도 17의 105, 107, 108) 또는 배터리 전압이 제4레벨에 도달한 때에 스위치 C를 연결하여 비로소 모듈-인버터 간을 연결(도 16의 106, 107, 108)하는 구성 중 어느 하나를 취사 선택적으로 포함할 수 있다.

일몰 등으로 모듈의 전압이 정상 값 이하로 되면 인버터에 공급되는 모듈의 전압은 최소 입력전압 이하가 되므로 시스템의 기능은 작동이 중지된다(119, 120, 121). 이 중지 기능은 스위칭제어부(5)에서 제어신호로 실시될 수도 있고, 인버터(3)의 최저입력전압 기능으로 자동 정지되도록 실시될 수도 있다. 또한 모듈의 유효전류를 감지하여 설정 값 이하로 될 때 정지하도록 구성할 수도 있다.

도 18 내지 도 23은 본 발명의 또 다른 일실시례를 도시한 블록다이어그램으로서,

태양광으로 전력을 생산하는 모듈(1);

상기 모듈(1)에 의해 생산된 전력으로 충전하고, 상기 충전된 전력을 방전시키는 배터리(2);

직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터(3); 및

상기 모듈(1) 또는 상기 배터리(2)와 상기 인버터(3)를 연결 제어하는 스위칭제어부(5)를 포함하되,

태양의 유효일사량 상태를 감지하는 유효일사량감지부(50b)의 결과에 따라 상기 모듈(1) 또는 상기 배터리(2)로부터의 전력이 결합 내지 선택되어 상기 인버터(3)에 공급되도록 상기 스위칭 제어부(5)가 동작하며,

상기 모듈이 선택 연결되었을 때 상기 배터리는 상기 인버터로의 전력 공급을 중지하는 한편, 상기 모듈의 인버터 연결을 중지할 수 있으며,

상기 배터리가 선택 연결되었을 때 상기 배터리로부터의 전력이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어 조절을 통해 상기 인버터로 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템을 개시한 것이다.

먼저, 도 18의 구성을 회로적으로 도식한 도 19를 참조하면서 도 18의 구성을 설명하면 다음과 같다.

도 18의 일실시례는 태양의 유효일사량이 아닌 상태에서 배터리를 연결하여 포지티브 듀티비 함수로서 방전하고, 태양의 유효일사량 상태에서는 배터리 방전을 차단하고 모듈의 전력으로만 인버터를 가동한다. 이러한 선택적 작동에 의하여 인버터에 가해지는 전력은 모듈이거나 배터리이거나 둘 중 하나이므로 모듈과 배터리가 한꺼번에 인버터로 전력을 공급할 때 자칫 과전력 공급이 일어나는 현상을 방지할 수 있음과 동시에 배터리에 의해 공급될 때도 포지티브 제어함수가 유도하는 어느 전압의 레벨로 인버터의 MPPT는 추종 제어된다.

도 18 및 도 19에서 모듈(1)과 인버터(3)는 상시 연결로 결선되어 있으나, 태양의 유효일사량 상태에서는 방전경로(5b)가 차단되고 충전경로(5a)만 연결되므로 방전경로(5b)는 인버터의 작용에 간섭을 주지 않게 된다. 또한 태양의 유효일사량이 아닌 상태에서는 방전경로(5b)가 연결되어 이 전압이 모듈과 인버터가 연결된 제1입출력단에도 가해지지만 이 전압은 충전전압에 이르지는 못하여 충전경로(5a)를 개통하지는 못하므로, 결국 논리적인 전류흐름 측면에서는 선택적인 연결이 된다.

도 20은 도 19의 구성에서 하드웨어적인 경로선택스위치(51)를 게재한 경우를 예시한 블록다이어그램이다.

경로선택스위치(51)는 인버터(3)의 입력단을 배터리 방전경로(5b) 또는 모듈(1) 출력경로 중 어느 하나로 택일 선택되는 스위치이다. 이 스위치에 의해 서로는 불특정한 과부하가 방지되면서 포지티브 듀티비 함수로 방전이 가능하게 된다.

도면 중 방전경로(5b) 및 충전경로(5a)는 앞에서 설명한 바의 포지티브 듀티비 함수 및 네거티브 듀티비 함수가 적용되는 스위치 B 및 스위치 A의 작동을 포함한다.

선택은 스위칭제어부(5)의 유효일사량감지부(50b)를 통해 이루어지는데, 유효일사량감지부(50b)는 태양의 유효일사량 상태, 즉 주간에 모듈에서 생산되는 전류가 10%~100%이상의 일사량 상태를 예로 들 수 있다. 이러한 일사량은 모듈(1-n 등)의 전압, 모듈 출력전류, 조도센서, 기타 태양광 발전의 감지기법 등을 통해 이루어질 수 있다.

본 발명에서 유효일사량이 아닌 상태라 함은 모듈에서 전력이 생산할 수 없는 상태로서 예를 들면 모듈 전류가 5%~10% 또는 그 이하인 상태일 수 있다. 주로 일몰 후 내지 흐린 날로 인해 실무적으로 모듈 전력생산이라 볼 수 없는 때를 말한다.

도 18 및 도 19의 실시일례는 딜레이스위치부(5c)가 없는 구성의 일실시례가 되는데, 주간에는 모듈로서, 야간이나 흐린 날 등에는 배터리로서 교호적으로 인버터를 가동하게 된다.

도 21은 도 19의 본 발명 실시일례를 회로적으로 좀 더 상세히 도시한 블록다이어그램이다. 도 21에서 스위칭제어부(5)의 각 스위치들은 MOSFET 등을 이용하여 구성될 수 있음을 나타내고, MOSFET는 게이트로 듀티비 제어 신호를 공급하여 앞에서 설명한 포지티브 듀티비 함수 신호발생기(53) 및 네거티브 듀티비 함수 신호발생기(52)의 구성이 가능함을 나타내고 있다. 도 21에서 C는 충전 시의 전류 흐름을 나타내고, D는 방전 시의 전류 흐름을 나타낸다. 다이오드(D10)는 방전경로에서 오류를 방지하기 위한 전류방향 설정 부재이다.

도 21에서 션트저항(Rsa, Rsb, Rsc)은 배터리의 충전전류, 배터리의 방전전류 및 모듈이 인버터로 공급하는 전류를 감지하기 위한 전류센서이다. 이러한 전류센서는 양극(+)에 설치할 수도 있고, 홀센서를 이용하여 아이솔레이션 상태로 검출할 수도 있다. 이 전류센서로서 스위치 B(5b), 스위치 A(5a)의 과전류 여부를 감지 제어가 가능하다. 모듈로 공급되는 전류센서(Rsc)는 태양의 유효일사량 여부를 유추하는데 활용될 수도 있다.

도 22는 도 20의 본 발명 실시일례를 회로적으로 좀 더 자세히 도시한 블록다이어그램이다.

도 21은 제3입출력단(3i/o)과 제1출력단(1i/o)이 상시 연결되고 스위치 B(5b)가 추가적으로 더 결합 제어되는 구조임에 비하여, 도 22의 직결스위치 C(5c)는 방전스위치 B(5b)와 교호로 접속하는 작용 위주로 연결된다. 즉, 모듈의 전류를 감지하는 (Rsc)에서 일정 이상의 전류가 발생되면 인버터는 모듈 스위치 C(5c)로 연결을 유지하고, 일정 이하의 전류가 발생되면 인버터는 방전스위치 B(5b)로 연결을 전환한다. 이때 스위치 B(5b)는 포지티브 듀티비 함수로 공급(53)하고, 스위치 C(5c)는 디지털 토글신호(on-off신호)로 공급(54)하여 연결을 하게 된다. 결과적으로 이러한 교호 접속으로 모듈과 배터리가 중첩 결합되어 인버터에 과전류를 발생시키는 전류폭주 현상이 없어진다. 도 22는 IGBT를 이용한 경우의 회로 개념이다. (52)는 충전 스위칭 제어(5a)를 위한 네거티브 듀티비 함수 발생기이다.

도 23은 도 22와 같은 개념이되, 스위치들을 배터리와 모듈의 양극(+)에 배치한 일례를 도시한 블록다이어그램이다. 개념적인 작용에서 도 20 내지 도 23은 모두 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.

도 24는 도 20 내지 도 23에 대한 인버터와 배터리 간의 시스템적인 제어작용을 흐름도로 정리한 것이다.

시스템은 먼저, 인버터에 공급되는 전력이 설정 값 이하인지를 검사한다(301, 302). 설정 값 이하라는 것은 태양의 유효일사량이 아닌 상태를 의미하므로, 만약 모듈 전력이 설정 값 이하라면 방전경로인 스위치 B를 연결 개통한다(303). 모듈 공급전력은 모듈 공급경로 전류감지부(Rsc)를 통해서 알 수 있다.

방전경로가 개통되면 배터리 전력은 포지티브 듀티비 함수로 인버터에 공급되고, 이 상태로 진행하여 배터리 전압이 방전 종지전압에 도달하면 배터리 전력은 설정 값 이하가 된다. 전압도 낮아지고 듀티비도 0%에 근접되기 때문이다(304).

이때 시스템은 스위치 C(5c)를 디지털 토글 방식으로 연결한다(305). 물론, 듀티비 제어로 연결할 수도 있다.

이 상태는 인버터에 공급되는 전력이 정상으로 올라갈 때까지 기다리게 되는 과정이다(306). 이 (306)의 상태에서 일출 등 태양의 유효일사량 상태가 되면 시스템은 처음으로 되돌아가 인버터 전력 감지 작용(302)를 하게 된다.

즉, 유효일사량 상태에서는 우선적으로 인버터가 모듈의 전력을 활용하면서 인버터의 부하 간헐로 인해 남는 전력을 배터리에 충전하고, 일몰 등 유효일사량이 아닌 상태에서 배터리에 충전되었던 전력을 안전하게 방전으로 사용한 후, 방전이 종료되면 여느 태양광발전시스템처럼 다음날의 유효일사량을 기다리게 되는 것이다.

기타 나머지 구성들에 대한 중복된 설명은 생략한다.

도 15, 도 16 및 도 17에 도시된 회로의 제어방법에 관하여 정리하면 본 발명은,

태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에 있어서,

상기 배터리가 고전압 상태에서 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 배터리 및 상기 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계;

상기 배터리가 중전압 상태에서 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 상기 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계; 및

상기 배터리가 저전압 상태에서 상기 배터리 전원을 차단하고 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계를 포함하되,

상기 태양광 모듈 또는 배터리의 전압 크기에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 상기 인버터로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 인버터 공급전원 스위칭제어 방법으로 정리된다.

도 24에 도시된 회로의 제어방법에 관하여 정리하면 본 발명은,

태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에 있어서,

태양의 유효일사량 상태에서 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 배터리 및 상기 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계;

상기 태양의 유효일사량이 아닌 상태에서 상기 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 상기 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계; 및

상기 배터리가 저전압 상태에서 상기 배터리 전원을 차단하고 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계를 포함하되,

상기 태양의 유효일사량 조건에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 상기 인버터로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 인버터 공급전원 스위칭제어 방법으로 정리된다.

위 각각의 제어방법에서 상기 중전압 상태의 협동연계단계에는 태양의 유효일사량에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원을 선택적으로 인버터로 공급하는 스위칭 단계를 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 각 제어방법은 앞에서의 설명으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.

각 도면에서 (5a-1)은 모듈-->배터리 제어신호부, (5b-1)은 배터리-->인버터 제어신호부, (5c-1)은 모듈-->인버터 제어신호부이다. 이들로 연계되는 구성 중 특히 본 발명의 방전제어부(5b)는 예를 들어 모듈의 변동전압이 배터리의 공칭(규격)전압 기준으로 +/-30%~+/-50% 범위로 변동하더라도 인버터가 배터리에 과부하를 주지 않도록 배터리를 보호하면서 인버터를 무순단으로 작동시킨다.

본 발명은 상기 실시일례로 도시한 각 구성의 예시로 한정되는 것이 아니며, 청구범위가 의미하거나 및 청구범위로부터 유추되는 다양한 포괄적 범위 하에서 각 블록들은 유사한 기능으로 대체되거나 균등한 개념으로 변형 실시될 수 있다.

일례로서 상기 배터리는 수 분 규모의 소용량 배터리에서 수 시간 규모의 ESS(에너지 저장 장치)로 구성될 수도 있고, 경우에 따라서는 울트라커패시터 내지 슈퍼커패시터로 대체될 수도 있다.

일례로, 방전제어부의 스위치 B 계통에는 전류감지기를 연동하여 전류의 증가에 따라 듀티비를 감소하거나 최대전류를 제한하는 전류연동제어부를 부가적으로 더 포함할 수 있다. 나아가 그와는 반대의 개념으로 충전제어부에도 이러한 전류연동제어의 개념을 포함할 수 있는데, 이때 전류연동제어는 충전전류가 증가할 때 듀티비를 네거티브로 제어하고 충전전류가 감소할 때 포지티브 제어로서 모듈전압을 승강 조절하는, 도시 생략된 논리적 결합(AND GATE 등) 구성을 더 포함할 수 있다.

도 11 내지 도 19의 구성들은 본 발명이 개시하는 기술적 사상의 범위에서 기술적 블록다이어그램 내지 회로설계들은 다양한 모습으로 실시될 수 있다. 본 발명에 개시된 실시예들은 그 중 일부를 예시한 것에 해당한다.

한편, 앞에서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. 본 발명은 모듈, 인버터, 충전제어기, ESS, 스마트파워펌프(SPP) 등 주변장치와 결합되어 산업화 될 수 있다. 독립적인 장치이거나 모듈, 인버터, 충전제어장치, ESS, 스마트파워펌프(SPP) 장치 중 어느 하나 이상에 장착되는 융합적 장치로 산업화 될 수도 있다.

모듈(1);
배터리(2);
인버터(3);
스마트파워펌프(4);
스위칭제어부(5);
충전제어부(5a);
방전제어부(5b);
방전 듀티비제어신호(5b-2);
방전그래프(5b-3);
듀티비곡선(Dr);
배터리 전압(Battery V);
배터리 전류(Battery I);
전류곡선(Ir);
충전 듀티비제어신호(5a-2);
충전그래프(5a-3);
모듈-인버터 연결 라인(L);
벌크 방전(b);
포지티브 듀티비 제어(a);
벌크 충전(c);
네거티브 듀티비 제어(d);
충전제어부 스위치 A(5a);
방전제어부 스위치 B(5b);
딜레이스위칭부 스위치 C(5c);
도 11의 제1입출력단(1i/o, 3i/o);
도 11의 제2입출력단(2i/o);
도 12, 13, 14의 제1입출력단(1i/o);
도 12, 13, 14의 제2입출력단(2i/o);
도 12, 13, 14의 제3입출력단(3i/o);
연산증폭기 내지 레벨컴퍼레이터(5a-1, 5b-1, 5c-1);
고전압 모듈 전원 연계단계(201);
중전압 배터리 전원 가변 협동연계단계(203);
저전압 모듈 전원 연결단계(204);
중전압 배터리 전원 벌크 협동연계단계(202);
(5a-1) : 모듈-->배터리 제어신호부,
(5b-1) : 배터리-->인버터 제어신호부,
(5c-1) : 모듈-->인버터 제어신호부.
선택스위칭제어부(51)
유효일사량감지부(50b)

Claims (15)

1. 태양광으로 전력을 생산하는 모듈;
   상기 모듈에 의해 생산된 전력으로 충전하고, 상기 충전된 전력을 방전시키는 배터리;
   직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터; 및
   상기 모듈 및 상기 배터리와 상기 인버터 사이의 연결을 제어하는 스위칭제어부를 포함하되,
   상기 인버터로 공급되는 전력을 기준으로 상기 모듈로부터의 전력이 상기 배터리로부터의 전력 이상일 때는 상기 모듈 및 상기 배터리로부터 전력이 상기 인버터로 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하며,
   상기 모듈로부터의 전력이 상기 배터리로부터의 전력보다 낮을 때는 상기 배터리로부터의 전력이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어 조절을 통해 상기 인버터로 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
2. 태양광으로 전력을 생산하는 모듈;
   상기 모듈에 의해 생산된 전력으로 충전하고, 상기 충전된 전력을 방전시키는 배터리;
   직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터; 및
   상기 모듈 또는 상기 배터리와 상기 인버터를 연결 제어하는 스위칭제어부를 포함하되,
   상기 스위칭 제어부는 모듈의 전력이 인버터에 연결되도록 상시 연결하는 한편, 태양의 유효일사량이 아닌 상태에서 상기 배터리로부터의 전력을 결합 연결하여 상기 인버터에 공급되도록 동작하며,
   상기 배터리가 결합 연결되었을 때는 상기 배터리로부터의 전력이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어 조절을 통해 상기 인버터로 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
3. 태양광으로 전력을 생산하는 모듈;
   상기 모듈에 의해 생산된 전력으로 충전하고, 상기 충전된 전력을 방전시키는 배터리;
   직류를 교류로 변환하여 그리드로 공급하는 인버터; 및
   상기 모듈 또는 상기 배터리와 상기 인버터를 연결 제어하는 스위칭제어부를 포함하되,
   상기 스위칭 제어부는 태양의 유효일사량 상태에 따라 상기 모듈 또는 상기 배터리로부터의 전력이 선택적으로 결합되어 상기 인버터에 공급되도록 동작하며,
   상기 모듈이 선택 연결되었을 때 상기 배터리는 상기 인버터로의 전력 공급을 중지하고,
   상기 배터리가 선택 연결되었을 때는 상기 배터리로부터의 전력이 포지티브 전압함수에 따른 가변 전력제어 조절을 통해 상기 인버터로 공급되도록 상기 스위칭 제어부가 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 스위칭 제어부는,
   상기 모듈로부터 상기 배터리로의 전력 충전을 제어하는 충전제어부; 및
   상기 배터리로부터 상기 인버터로의 전력 방전을 제어하는 방전제어부를 포함하되,
   상기 충전제어부와 상기 방전제어부는 서로 반대되는 듀티비 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 충전제어부는 상기 배터리의 전압이 높아지면 듀티비를 낮추는 네거티브 제어를 수행하고, 상기 방전제어부는 상기 배터리의 전압이 낮아지면 듀티비를 낮추는 포지티브 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 인버터는 상기 모듈의 전압을 상하로 스윙하면서 상기 모듈의 전력을 끌어내는 최대전력점추적(MPPT) 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 스위칭제어부는 방전종지전압에서 상기 배터리로부터 상기 인버터로의 전력 공급을 차단하는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 스위칭제어부는 태양의 유효일사량 상태에서 상기 모듈과 상기 배터리를 우선적으로 연결하여 충전이 개시되도록 하고, 배터리 전원이 설정된 레벨의 전압에 도달하였을 때 상기 인버터와 상기 모듈 또는 상기 인버터와 상기 배터리를 연결하는 딜레이스위칭부의 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 스위칭제어부는 배터리 충전 중 단자전압이 설정된 레벨에 도달하였을 때 네거티브 전압함수에 따른 배터리충전 전류제어 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스위칭제어부는 상기 배터리가 설정된 방전개시 전압에 달했을 때 방전경로를 연결하고, 상기 배터리가 설정된 방전종지전압에 도달했을 때 방전경로를 차단하되,
    상기 배터리가 방전을 개시한 후 설정된 전압레벨부터 방전종지전압 레벨에 이르기 까지는 전압의 감소에 따라 전류의 감소도 연동되는 가변전력 제어 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스위칭제어부는 제1입출력단이 모듈-인버터 라인에 연결되고, 제2입출력단이 상기 배터리에 연결되는 네트워크를 형성하면서,
    상기 제1입출력단으로부터 상기 제2입출력단으로 흐르는 전력은 네거티브 듀티비 제어함수로 작동되며, 상기 제2입출력단으로부터 상기 제1입출력단으로 흐르는 전력은 포지티브 듀티비 제어함수로서 서로 반대되는 전력제어 함수의 쌍방향 경로로 스위칭 되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스위칭제어부(5)는 제1입출력단이 상기 모듈에 연결되고, 제2입출력단이 상기 배터리에 연결되며, 제3입출력단이 상기 인버터에 연결되는 3각 네트워크를 형성하면서,
    상기 제1입출력단으로부터 상기 제2입출력단으로 흐르는 계통은 디지털 온으로 연결되면서 배터리 전압이 설정된 상한 레벨에 도달하였을 때부터 네거티브 듀티비 제어함수에 의한 아날로그로 연결이 제어되며,
    상기 제1입출력단으로부터 상기 제3입출력단으로 흐르는 계통은 상기 배터리 전압이 설정된 전압에 도달되었을 때를 기점으로 디지털 온으로 연결되어 경로가 개통되고,
    상기 제2입출력단으로부터 상기 제3입출력단으로 흐르는 계통은 상기 배터리 전압이 설정된 가동 레벨에 도달되었을 때부터 디지털 온으로 연결되는 한편, 상기 배터리의 방전 전압이 설정된 하한 레벨에 도달한 때부터 포지티브 듀티비 제어함수에 의한 아날로그로 연결이 제어되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템.
13. 태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에 있어서,
    상기 배터리가 고전압 상태에서 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 배터리 및 상기 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계;
    상기 배터리가 중전압 상태에서 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 상기 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계; 및
    상기 배터리가 저전압 상태에서 상기 배터리 전원을 차단하고 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계를 포함하되,
    상기 태양광 모듈 또는 배터리의 전압 크기에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 상기 인버터로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 인버터 공급전원 스위칭제어 방법.
14. 태양광 모듈, 배터리, 인버터; 및 스위칭제어부;를 포함하는 태양광 발전시스템의 전원 연결 스위칭제어 제어방법에 있어서,
    태양의 유효일사량 상태에서 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 배터리 및 상기 인버터로 공급하는 고전압 모듈 전원 연계단계;
    상기 태양의 유효일사량이 아닌 상태에서 상기 배터리 전원을 포지티브 듀티비 제어에 의해 상기 인버터로 방전하는 배터리 전원 가변 협동연계단계; 및
    상기 배터리가 저전압 상태에서 상기 배터리 전원을 차단하고 상기 태양광 모듈의 전력을 상기 인버터로 공급하는 저전압 모듈 전원 연결단계를 포함하되,
    상기 태양의 유효일사량 조건에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원이 무순단으로 전환되면서 상기 인버터로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 인버터 공급전원 스위칭제어 방법.
15. 제13항 또는 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 중전압 상태의 협동연계단계에는 태양의 유효일사량에 따라 상기 모듈 전원과 상기 배터리 전원을 선택적으로 인버터로 공급하는 스위칭 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 발전시스템의 인버터 공급전원 스위칭제어 방법.
    
    

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