KR20220134357A - Dc-dc 컨버터, 전력변환장치, 및 태양광 발전 시스템 - Google Patents

Dc-dc 컨버터, 전력변환장치, 및 태양광 발전 시스템 Download PDF

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KR20220134357A
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김수홍
정영우
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 통신 모듈은 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하는 최대전력점 추종제어부; 및 상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전력을 입력받고, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 정전류/정전압 제어부를 포함한다.

Description

DC-DC 컨버터, 전력변환장치, 및 태양광 발전 시스템{DC-DC converter, power converting apparatus, and photovoltaic system}
본 발명은 DC-DC 컨버터, 전력변환장치, 및 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 하나의 DC-DC 컨버터를 이용하여 최대전력점 추종제어 및 정전류/정전압 제어가 가능한 DC-DC 컨버터, 전력변환장치, 및 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.
태양발전(PV) 모듈과 인버터(12) 사이에 배터리를 연결할 수 있다. 도 1과 같이, 태양광패널(11)에서 출력되는 전압보다 배터리 전압이 낮거나 같은 경우, 최대전력점 추종을 수행하는 DC-DC 컨버터 1(14) 이외에 배터리(13)의 안정적인 충전을 위해 별도의 DC-DC 컨버터 2(15)가 필요 즉, 2 개의 DC-DC컨버터가 필요 하므로 비용/사이즈/무게 가 증가하고 효율은 감소하는 문제가 있다.
또한, 도 2와 같이, 태양광패널(11)에서 출력되는 전압보다 배터리(16) 최대 출력전압이 클 경우, 배터리 이용율을 최적화 할 수 없는 문제가 있다. 예를 들어, PV전압 범위가 350 ~ 550V이고, 배터리 전압이 500 ~ 800V 또는 1000V인 경우, PV전압이 승압(boosting)되어 DC-DC 컨버터 1(14)의 출력전압이 500V~550V 이고 배터리 전압이 500V인 경우 배터리(16) 전압보다 DC-DC 컨버터 1(14)의 출력전압이 높아 단일 배터리 이용율을 최적화 할 수 없는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하나의 DC-DC 컨버터를 이용하여 최대전력점 추종제어 및 정전류/정전압 제어가 가능한 DC-DC 컨버터, 전력변환장치, 및 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하는 최대전력점 추종제어부; 및 상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전력을 입력받고, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 정전류/정전압 제어부를 포함한다.
또한, 상기 정전류/정전압 제어부는 상기 최대전력점 제어부에서 출력되는 전압의 크기에 따라 정전압 제어 또는 정전류 제어를 선택적으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 정전류/정전압 제어부는 배터리 및 인버터 중 적어도 하나가 연결되는 출력단 연결부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정전류/정전압 제어부는, 상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 최대전력점 추종제어부는 상기 연결되는 태양광패널의 수에 따라 복수의 최대전력점 추종제어부를 포함하고, 상기 정전류/정전압 제어부는 상기 복수의 최대전력점 추종제어부와 연결될 수 있다.
또한, 상기 최대전력점 추종제어부는 태양광패널에서 출력되는 전력의 전압을 감압하는 감압회로로 구성되고, 상기 정전류/정전압 제어부는 상기 전압이 감압된 전력의 전압을 승압하는 승압회로로 구성되고, 상기 감압회로에서 전압이 감압된 전력은 제1 커패시터를 통해 상기 승압회로로 전달될 수 있다.
또한, 상기 감압회로는, 직렬로 연결되는 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자; 및 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되는 제1 인덕터를 포함하고, 상기 승압회로는, 상기 제1 인덕터와 연결되는 제2 인덕터; 및 직렬로 연결되는 제3 스위칭소자 및 제4 스위칭소자를 포함하고, 상기 제2 인덕터는 상기 제3 스위칭소자와 상기 제4 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되며, 상기 제1 커패시터는 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 최대전력점 추종제어부는 태양광패널에서 출력되는 전력의 전압을 승압하는 승압회로로 구성되고, 상기 정전류/정전압 제어부는 상기 전압이 승압된 전력의 전압을 감압하는 감압회로로 구성되고, 상기 승압회로에서 전압이 승압된 전력은 제2 커패시터를 통해 상기 감압회로로 전달될 수 있다.
또한, 상기 승압회로는, 상기 태양광패널의 출력단자와 연결되는 제3 인덕터; 및
직렬로 연결되는 제5 스위칭소자 및 제6 스위칭소자를 포함하고, 상기 제3 인덕터는 상기 제5 스위칭소자와 상기 제6 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되고, 상기 감압회로는, 직렬로 연결되는 제7 스위칭소자 및 제8 스위칭소자; 상기 제7 스위칭소자와 상기 제8 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되는 제4 인덕터를 포함하고, 상기 제2 커패시터는 상기 제5 스위칭소자와 상기 제7 스위칭소자 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하되, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 DC-DC 컨버터; 및 상기 DC-DC 컨버터의 출력을 부하 또는 전력 계통에 전송하거나, 상기 전력 계통으로부터 전력을 수신하는 인버터를 포함한다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터와 상기 인버터 사이의 DC 링크에 배터리가 연결되는 배터리 연결부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하되, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 DC-DC 컨버터; 상기 DC-DC 컨버터가 출력한 전력을 부하 또는 전력 계통에 전송하거나, 상기 전력 계통으로부터 전력을 수신하여 배터리로 인가하는 인버터; 및 상기 DC-DC 컨버터 또는 상기 인버터로부터 전력을 수신하여 충전되고, 상기 인버터로 전력을 출력하여 방전되는 배터리를 포함한다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 DC-DC 컨버터를 이용하여 최대전력점 추종제어 및 정전류/정전압 제어를 수행함으로써 전체 시스템 크기를 줄일 수 있고, 시스템 원가가 감소하며, 배터리 이용률을 최적화할 수 있다. 또한, 별도의 DC-DC 컨버터 없이 배터리를 연결할 수 있고, 태양광패널의 출력전압과 배터리 전압과 상관없이 고압 배터리 사용이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 비교 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 블록도이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(110)는 최대전력점 추종제어부(111) 및 정전류/정전압 제어부(112)로 구성된다.
최대전력점 추종제어부(111)는 태양광패널(120)과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행한다.
태양광패널(120)은 태양광을 이용하여 광전효과를 이용하여 전력을 생성하는 태양광 발전(PV, Photovoltaic)을 한다. 광전효과는 특정 주파수 이상의 빛이 특정 금속 물질에 부딪히면 전자 방출하는 것으로, P형 반도체와 n형 반도체를 이용하여 pn 접합을 형성하고, 광전효과에 의해 발생하는 전자를 이용하여 전류를 생성함으로써 전력을 생성한다. 태양광패널(120)은 실리콘 등을 이용하여 형성되며, 웨이퍼 형태로 형성될 수 있다. 태양광 패널(120)은 태양광을 잘 받을 수 있는 야지나 건물의 외벽, 옥상 등에 위치하여, 태양광을 이용하여 전력을 생성한다. 이때, 태양광패널(120)은 건물과 일체형으로 형성되는 BIPV(건물 일체형 태양광 발전)로 형성될 수 있다.
최대전력점 추종제어부(111)는 태양광패널(120)로부터 인가되는 전력을 변환하여 출력한다. 최대전력점 추종제어부(111)는 최대전력점 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 최대전력점은 태양광패널(120)에서 생성되는 전압 및 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. 최대전력점 추종제어부(111)는 하나 이상의 스위칭소자를 포함할 수 있고, 스위칭소자의 시비율을 제어하여 최대전력점을 추종할 수 있다. 여기서, 시비율은 전류가 흐르지 않는 시간에 대한 전류가 흐르는 시간의 비로, 스위칭소자의 경우, 온시키는 비율을 의미하며, 시비율은 듀티 비(Duty ratio) 또는 듀티 사이클(duty cycle)이라고도 한다.
최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전력은 도 4와 같이, 초기에 최대전력점을 추종하며, 전력이 커지며, 일정시간 이후에 최대전력추종을 통해 최대전력이 유지될 수 있다.
정전류/정전압 제어부(112)는 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전력을 입력받아, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력한다.
태양광패널(120)에서 생성된 전력은 최대전력점 추종제어부(111)를 통해 최대전력으로 생성되며, 배터리(140)를 충전하거나 인버터(130)를 통해 부하 또는 전력 계통으로 전송될 수 있다. 여기서, 정전류/정전압 제어부(112)는 배터리(140) 및 인버터(130) 중 적어도 하나가 연결되는 출력단 연결부(미도시)를 포함할 수 있다. 출력단 연결부는 DC 링크단일 수 있다.
DC-DC 컨버터(110)에서 출력되는 전력은 출력단 연결부에 연결되는 배터리(140)를 충전하거나 인버터(130)에 연결되는 부하 또는 전력 계통으로 전송될 수 있다. 여기서, 부하는 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 계통은 상용 전력 계통으로 그리드(grid)로 표현되는 전력 네트워크를 의미한다. 부하에서 필요한 전력 이상의 전력을 전력 계통으로 전송하여 전력을 판매할 수 있다.
인버터(130)는 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 부하나 전력 계통에 전송할 뿐만 아니라, 전력 계통으로부터 전력을 수신할 수 있다. 태양광 발전이 어려운 환경이나, 외부 전력이 저렴한 시간 때에, 배터리(140)를 충전하기 위하여, 태양광 발전이 아닌 전력 계통으로부터 전력을 수신할 수 있다.
인버터(130)는 DC 전력을 출력하는 DC-DC 컨버터(110)의 전력을 수신하여 부하 또는 전력 계통에서 이용되는 AC 전력으로 변환하여 출력할 수 있다. 즉, DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있다. 또한, 인버터(130)는 전력 계통으로부터 AC 전력을 수신하여 배터리(140)에 이용되는 DC 전력으로 변환하여 출력할 수 있다. 즉, 인버터(130)는 양방향으로 입출력이 달라질 수 있고, AC를 DC로, DC를 AC로 변환하는 양방향 AC-DC 컨버터라 할 수 있다.
최대전력점 추종제어부(111)에서 최대전력점 추종에 따라 출력되는 전력의 전압 및 전류가 일정하지 않고 변할 수 있는바, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 배터리를 충방전시 배터리의 이용률이 최적화되지 않는다. 배터리의 이용률을 최적화하기 위하여, 정전류/정전압 제어부(112)는 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전력을 입력받아, 전압이 일정한 전력 또는 전류가 일정한 전력으로 변환하여 배터리(140) 또는 인버터(130)로 출력한다. 도 4와 같이, 정전류 제어시 전류가 일정하게 유지되고, 정전압 제어시 전압이 일정하게 유지된다. 전류를 일정하게 유지하는 정전류 (Constant Current, CC)제어시에는 인가되는 전력에 따라 전류가 일정하도록 전압의 크기를 가변하고, 전압을 일정하게 유지하는 정전압(Constant Voltage, CV) 제어시에는 인가되는 전력에 따라 전압이 일정하도록 전류의 크기를 가변할 수 있다. 이외에 다양한 방식으로 정전류/정전압(CC/CV) 제어를 수행할 수 있다.
정전류/정전압 제어부(112)는 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전압의 크기에 따라 정전압 제어 또는 정전류 제어를 선택적으로 수행할 수 있다. 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전력의 전압의 크기가 임계범위 이내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 임계범위를 벗어나는 경우, 예를 들어, 임계범위보다 낮거나 임계범위보다 높은 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다.
정전류/정전압 제어부(112)는 출력단에 배터리(140) 또는 인버터(130)가 연결되는 경우, 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전압의 크기가 배터리(140)의 안전 범위 내이거나 인버터(130)의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전압의 크기가 배터리(140)의 안전 범위를 벗어나거나 인버터(130)의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다. 최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전압의 크기가 배터리(140)의 충전상태(State Of Charge, SOC)에 따른 전압의 안전 범위 내인 경우, 전압의 변화가 배터리(140)에 영향을 미치지 않는다. 이때, 전력의 전송은 전류가 흐름으로써 전송되는바, 배터리(140) 또는 인버터(130)로의 안정적인 전력전송을 위하여 정전류 제어를 수행한다.
여기서, 배터리(140)의 안전 범위는 연결되는 배터리(140)의 스팩에 따라 달라질 수 있다. 배터리(140)의 정격전압 또는 내구성 등에 따라 배터리(140)의 안전 범위를 달라질 수 있다. 배터리(140)의 안전 범위는 사용자에 의해 설정될 수도 있다. 인버터(130)의 동작범위는 인버터(130)를 통해 부하 또는 전력 계통에 필요한 전력을 전송하기 위해 필요한 최소 전압 및 인버터(130)를 구성하는 소자들의 정격 전압 내지 전류에 따른 최대 전압으로 설정될 수 있다.
최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전압의 크기가 배터리(140)의 안전 범위 내이거나 인버터(130)의 동작범위 내인 경우, 전압을 승압하거나 감압하지 않아도 배터리(140) 또는 인버터(130)가 정상동작하기 때문에, 정전류 제어를 수행한다.
최대전력점 추종제어부(111)에서 출력되는 전압의 크기가 배터리(140)의 안전 범위를 벗어나거나 인버터(130)의 동작범위를 벗어나는 경우에는, 전압의 크기가 배터리(140) 또는 인버터(130)의 동작에 영향을 미치기 때문에, 이때, 전압을 승압하거나 감압하여, 일정한 전압을 가지는 전력이 출력되도록 해야 한다. 예를 들어, 배터리(140)의 정격 전압을 넘는 높은 전압이 출력되는 경우, 배터리(140)에 손상을 일으킬 수 있는바, 이때, 출력 전압을 일정 전압으로 낮추기 위하여, 정전압 제어를 수행할 수 있다. 또는, 인버터가 정상동작하기 어려운 낮은 전압이 출력되는 경우, 인버터(130)로의 원활한 전력 전송이 이루어지도록 전압을 일정 전압으로 높이기 위하여, 정전압 제어를 수행할 수 있다. 정전압 제어가 가능하기 때문에, 고압 배터리 등 다양한 전압을 가지는 배터리를 연결할 수 있다. 이외에 다양한 조건하에서 정전류 제어 또는 정전압 제어를 수행할 수 있음은 당연하다.
상기 최대전력점 추종제어부는 상기 연결되는 태양광패널의 수에 따라 복수의 최대전력점 추종제어부를 포함하고, 상기 정전류/정전압 제어부는 상기 복수의 최대전력점 추종제어부와 연결될 수 있다. 도 5와 같이, 태양광패널의 수가 n개인 경우, 태양광패널(120 내지 120n)의 수에 따라 최대전력점 추종제어부도 복수로 형성될 수 있고, 복수의 최대전력점 추종제어부(111 내지 111n)은 하나의 정전류/정전압 제어부(112)에 연결될 수 있다. 하나의 정전류/정전압 제어부(112)에 대한 복수의 최대전력점 추종제어부(111 내지 111n)이 연결되는바, 멀티 입력 및 전력 용량 증대가 가능하다.
상기 최대전력점 추종제어부는 태양광패널에서 출력되는 전력의 전압을 감압하는 감압회로로 구성되고, 상기 정전류/정전압 제어부는 상기 전압이 감압된 전력의 전압을 승압하는 승압회로로 구성되고, 상기 감압회로에서 전압이 감압된 전력은 제1 커패시터를 통해 상기 승압회로로 전달될 수 있다.
최대전력점 추종제어부(111)는 감압회로로 구성되고, 감압된 전력은 최대전력점 추종제어부(111)와 정전류/정전압 제어부(112)의 공통 커패시터인 제1 커패시터를 통해 승압회로로 구성되는 정전류/정전압 제어부(112)로 전달될 수 있다.
도 6과 같이, 최대전력점 추종제어부(111)의 감압회로는, 직렬로 연결되는 제1 스위칭소자(601) 및 제2 스위칭소자(602) 및 상기 제1 스위칭소자(601)와 상기 제2 스위칭소자(602) 사이에 병렬로 연결되는 제1 인덕터(603)를 포함하고, 정전류/정전압 제어부(112)의 승압회로는, 상기 제1 인덕터(603)와 연결되는 제2 인덕터(606) 및 직렬로 연결되는 제3 스위칭소자(604) 및 제4 스위칭소자(605)를 포함하고, 상기 제2 인덕터(606)는 상기 제3 스위칭소자(604)와 상기 제4 스위칭소자(605) 사이에 병렬로 연결되며, 상기 제1 커패시터(607)는 상기 제1 인덕터(603)와 상기 제2 인덕터(606) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
최대전력점 추종제어부(111)는 두 개의 스위칭 소자(601, 602) 및 제1 인덕터(603)로 구성되는 벅(Buck) 회로로 구현될 수 있고, 정전류/정전압 제어부(112)는 제2 인덕터(606) 및 두 개의 스위칭 소자(604, 605)로 구성되는 부스트(Boost) 회로로 구현될 수 있다. 여기서, 스위칭 소자는 MOSFET일 수 있고, 제2 스위칭소자(602) 및 제3 스위칭소자(604)는 다이오드일 수 있다. 벅 회로를 통해 감압되는 전력은 제1 커패시터(607)를 통해 부스트 회로로 전달되어 승압될 수 있다. 태양광패널(120) 및 인버터(130) 측에는 전력의 변동성을 안정화시키기 위하여 커패시터(608, 609)가 연결될 수 있다. 배터리(140)는 정전류/정전압 제어부(112)의 출력단에 연결되되, BPU(160)를 통해 연결될 수 있다. 여기서, BPU(Battery Protection Unit)는 배터리 보호 장치로 퓨즈(Fuse), MOSFET, 릴레이(relay), 스위치-저항 등으로로 구성되어, 빠른 셧다운(Rapid Shut down)이 가능할 수 있다.
태양광패널이 복수개 연결되는 경우, 도 7과 같이, 최대전력점 추종제어부(111)에 해당하는 감압회로가 병렬로 추가되되, 감압회로의 두 개의 스위칭 소자 쌍들이 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 제1 인덕터는 추가되지 않고, 스위칭 소자의 개수만 배수로 늘어난다.
최대전력점 추종제어부(111)는 태양광패널에서 출력되는 전력의 전압을 승압하는 승압회로로 구성되고, 정전류/정전압 제어부(112)는 상기 전압이 승압된 전력의 전압을 감압하는 감압회로로 구성되고, 상기 승압회로에서 전압이 승압된 전력은 제2 커패시터를 통해 상기 감압회로로 전달될 수 있다.
도 8과 같이, 최대전력점 추종제어부(111)의 승압회로는, 상기 태양광패널의 출력단자와 연결되는 제3 인덕터(801) 및 직렬로 연결되는 제5 스위칭소자(802) 및 제6 스위칭소자(803)를 포함하고, 제3 인덕터(801)는 상기 제5 스위칭소자(802)와 상기 제6 스위칭소자(803) 사이에 병렬로 연결되고, 정전류/정전압 제어부(112)의 감압회로는, 직렬로 연결되는 제7 스위칭소자(804) 및 제8 스위칭소자(805), 상기 제7 스위칭소자(804)와 상기 제8 스위칭소자(805) 사이에 병렬로 연결되는 제4 인덕터(806)를 포함하고, 상기 제2 커패시터(807)는 상기 제5 스위칭소자(802)와 상기 제7 스위칭소자(804) 사이에 병렬로 연결될 수 있다.
벅-부스트로 구현되는 도 6과 달리 도 8과 같이 부스트-벅으로 구현될 수 있다. 구체적으로, 최대전력점 추종제어부(111)는 제3 인덕터(801) 및 두 개의 스위칭 소자(802, 803) 로 구성되는 부스트(Boost) 회로로 구현될 수 있고, 정전류/정전압 제어부(112)는 두 개의 스위칭 소자(804, 805) 및 제4 인덕터(806)으로 구성되는 벅(Buck) 회로로 구현될 수 있다. 여기서, 스위칭 소자는 MOSFET일 수 있고, 제5 스위칭소자(802) 및 제8 스위칭소자(805)는 다이오드일 수 있다. 부스트 회로를 통해 승압되는 전력은 제2 커패시터(807)를 통해 벅 회로로 전달되어 감압될 수 있다. 태양광패널(120) 및 인버터(130) 측에는 전력의 변동성을 안정화시키기 위하여 커패시터(808, 809)가 연결될 수 있다.
도 6의 경우, 감압후 승압이 이루어지고, 도 8의 경우에는 승압후 감압이 이루어진다. 도 6과 같이 감압이 먼저 이루어지면 제1 인덕터(603) 및 제2 인덕터(606)에 흐르는 전류가 커지게 되어, 인덕터의 사이즈가 커진다. 이에 반해, 도 8과 같이, 승압이 먼저 이루어지면 제2 커패시터(807) 및 스위칭 소자들에 걸리는 전압의 크기가 커져 정격전압이 큰 커패시터 및 스위칭 소자를 이용해야 한다. 도 6 또는 도 8에 따른 구현회로도는 사용자의 목적이나 선택에 따라 이용될 수 있다.
도 8의 구현 회로도에 태양광패널이 복수개 연결되는 경우, 도 9와 같이, 최대전력점 추종제어부(111)에 해당하는 승압회로가 병렬로 추가된다. 이때는, 도 7과 달리, 제1 인덕터 및 스위칭 소자 모두 배수로 늘어난다. 병렬 연결시에는 도 7의 경우가 도 9의 경우보다 늘어나는 소자의 수가 적으므로, 사이즈 및 비용면에서 유리할 수 있다.
도 10은 최대전력점 추종제어부(111)에 따른 태양패널 전력과 정전류/정전압 제어부(112)에 따른 DC-DC 컨버터 출력 전류를 도시한 것으로, 시간이 지남에 따라 최대전력점 추종제어부(111)의 최대전력점 추종을 통해 태양패널 전력은 최대전력이 되고, DC-DC 컨버터 출력 전류는 정전류 값에 따라 일정 전류를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다. 도 11 및 도 12의 각 구성에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 10의 DC-DC 컨버터에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(200)는 DC-DC 컨버터(110) 및 인버터(130)로 구성된다.
DC-DC 컨버터(110)는 태양광패널(120)과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하되, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력한다. 인버터(130)는 DC-DC 컨버터(110)의 출력을 부하 또는 전력 계통에 전송하거나, 상기 전력 계통으로부터 전력을 수신한다.
DC-DC 컨버터(110)와 인버터(130) 사이의 DC 링크에 배터리(140)가 연결되는 배터리 연결부(미도시)를 포함하고, DC-DC 컨버터(110)는 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(300)은 DC-DC 컨버터(110), 인버터(130), 및 배터리(140)로 구성되고, 태양광 패널(120)을 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터(110)는 태양광패널(120)과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하되, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력한다. 인버터(130)는 상기 DC-DC 컨버터가 출력한 전력을 부하 또는 전력 계통에 전송하거나, 상기 전력 계통으로부터 전력을 수신하여 배터리(140)로 인가한다. 배터리(140)는 DC-DC 컨버터(110) 또는 인버터(130)로부터 전력을 수신하여 충전되고, 인버터(130)로 전력을 출력하여 방전된다.
DC-DC 컨버터(110)는 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고, 상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: DC-DC 컨버터
111: 최대전력점 추종제어부
112: 정전류/정전압 제어부
120: 태양광패널
130: 인버터
140: 배터리
200: 전력변환장치
300: 태양광 발전 시스템

Claims (14)

  1. 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하는 최대전력점 추종제어부; 및
    상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전력을 입력받고, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 정전류/정전압 제어부를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정전류/정전압 제어부는 상기 최대전력점 제어부에서 출력되는 전압의 크기에 따라 정전압 제어 또는 정전류 제어를 선택적으로 수행하는 DC-DC 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정전류/정전압 제어부는 배터리 및 인버터 중 적어도 하나가 연결되는 출력단 연결부를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정전류/정전압 제어부는,
    상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고,
    상기 최대전력점 추종제어부에서 출력되는 전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행하는 DC-DC 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 최대전력점 추종제어부는 연결되는 태양광패널의 수에 따라 복수의 최대전력점 추종제어부를 포함하고,
    상기 정전류/정전압 제어부는 상기 복수의 최대전력점 추종제어부와 연결되는 DC-DC 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 최대전력점 추종제어부는 태양광패널에서 출력되는 전력의 전압을 감압하는 감압회로로 구성되고,
    상기 정전류/정전압 제어부는 상기 전압이 감압된 전력의 전압을 승압하는 승압회로로 구성되고,
    상기 감압회로에서 전압이 감압된 전력은 제1 커패시터를 통해 상기 승압회로로 전달되는 DC-DC 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감압회로는,
    직렬로 연결되는 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자; 및
    상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되는 제1 인덕터를 포함하고,
    상기 승압회로는,
    상기 제1 인덕터와 연결되는 제2 인덕터; 및
    직렬로 연결되는 제3 스위칭소자 및 제4 스위칭소자를 포함하고,
    상기 제2 인덕터는 상기 제3 스위칭소자와 상기 제4 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되며,
    상기 제1 커패시터는 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 병렬로 연결되는 DC-DC 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 최대전력점 추종제어부는 태양광패널에서 출력되는 전력의 전압을 승압하는 승압회로로 구성되고,
    상기 정전류/정전압 제어부는 상기 전압이 승압된 전력의 전압을 감압하는 감압회로로 구성되고,
    상기 승압회로에서 전압이 승압된 전력은 제2 커패시터를 통해 상기 감압회로로 전달되는 DC-DC 컨버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 승압회로는,
    상기 태양광패널의 출력단자와 연결되는 제3 인덕터; 및
    직렬로 연결되는 제5 스위칭소자 및 제6 스위칭소자를 포함하고,
    상기 제3 인덕터는 상기 제5 스위칭소자와 상기 제6 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되고,
    상기 감압회로는,
    직렬로 연결되는 제7 스위칭소자 및 제8 스위칭소자;
    상기 제7 스위칭소자와 상기 제8 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되는 제4 인덕터를 포함하고,
    상기 제2 커패시터는 상기 제5 스위칭소자와 상기 제7 스위칭소자 사이에 병렬로 연결되는 DC-DC 컨버터.
  10. 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하되, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 DC-DC 컨버터의 출력을 부하 또는 전력 계통에 전송하거나, 상기 전력 계통으로부터 전력을 수신하는 인버터를 포함하는 전력변환장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터와 상기 인버터 사이의 DC 링크에 배터리가 연결되는 배터리 연결부를 포함하는 전력변환장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고,
    상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행하는 전력변환장치.
  13. 태양광패널과 연결시 최대전력점 추종제어를 수행하되, 정전압 제어시 전압이 일정한 전력을 출력하고, 정전류 제어시 전류가 일정한 전력을 출력하는 DC-DC 컨버터;
    상기 DC-DC 컨버터가 출력한 전력을 부하 또는 전력 계통에 전송하거나, 상기 전력 계통으로부터 전력을 수신하여 배터리로 인가하는 인버터; 및
    상기 DC-DC 컨버터 또는 상기 인버터로부터 전력을 수신하여 충전되고, 상기 인버터로 전력을 출력하여 방전되는 배터리를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위 내이거나 상기 인버터의 동작범위 내인 경우, 정전류 제어를 수행하고,
    상기 최대전력점 추종제어에 따른 출력전압의 크기가 상기 배터리의 안전 범위를 벗어나거나 상기 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 정전압 제어를 수행하는 태양광 발전 시스템.
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