KR20240044626A - 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법 - Google Patents

발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 이러한 전력제어 방법은 먼저, 특정한 하이브리드 병렬형 전력변환기로 전력변환을 할 경우, 제어부에서 상기 전력변환기의 전력변환 동작을 모선(grid power)에 따라 상이하게 제어하여, 모선별로 각기 전력변환을 제어하는 것을 전제로 한다.
이러한 상태에서, 입력 전력원의 즉, 컨버터에 연결된 전력원의 입력전압과 출력전압의 상호 관계에 따라 입력 전압이 출력전압보다 높은 경우에는 벅 모드로 입력 전압이 낮은 경우에는 부스트 모드로 동작한다. 그리고, 배터리가 방전상태에서는 각 입력 전력의 최대 점을 제어하는 MPPT 제어를 수행하고, 배터리가 충전 상태에서는 배터리의 전압 상태에서 따라서 정전류 제어 모드와 정전압 제어 모드를 적용한다. 즉, 전력원의 입력 상태와 배터리의 상태 및 부하 전류의 상태에 따라서 제어 모드를 상시적으로 변동하면서 제어함으로써, 전술한 변환기에 적절한 전력제어를 할 수 있도록 한다.
따라서, 이를 통해 실시예는 압전소자에 의한 전력의 발생이 미미하므로 발생전력의 손실을 최소화하고, 발생전력을 효율적으로 저장할 수 있는 승압컨버팅방식과 이에 대한 적절한 전력제어 방식을 제공한다.
그리고, 이렇게 발생하는 전력을 최대화하고, 발생한 전력의 변환손실을 최소화하는 전력변환방식과 이를 효율적으로 저장 및 부하에 사용하고, 이에 대한 적절한 전력제어 방식을 제공하기도 한다.

Description

발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법{Method for controlling power used in dc-dc converter employing hybrid parallel for increasing of generation quantity}
본 명세서에 개시된 내용은 압전에너지 하베스팅의 전력변환기에 대한 전력제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 이러한 변환기를 통해 전력변환을 할 경우, 해당 변환기의 전력변환 동작을 모선(grid power)에 따라 상이하게 제어하여 전력을 변환할 수 있도록 한다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로, 친환경 녹색항만의 추진에 항만톨게이트용 스마트 압전에너지 시스템의 적용이 필요하다.
구체적으로는, 항만에서 사용하는 전력에 의한 이산화탄소 저감을 위해 환경친화적이고, 기존 에너지 생산체계의 한계로 인해 중소형 에너지자립 및 근접지원형 친환경 발전과 같은 에너지 생산의 친환경ㅇ사회수용성 요구가 증가하는 실정이다.
그래서, 이러한 기존 신재생에너지의 한계를 극복하기 위하여 시간적ㅇ공간적 제약 및 민원 발생의 여지가 적은 압전발전이 있을 수 있을 것이다.
그런데, 이러한 압전소자에 의한 전력의 발생은 대체적으로 미미하고, 발생한 전력의 전력변환손실도 어느 정도 고려해야 할 것이기도 하다. 그래서, 이렇게 발전량이 적은 점을 고려하여 전력분야(소재분야와 시공분야 포함) 등의 협업을 통한 완성이 필요하다. 그리고, 발전량의 증대를 위한 손실을 최소화하는 최대전력변환방식도 있어야 할 것이다.
부가하면, 이러한 배경의 선행기술은 아래의 문헌이 나오는 정도이다.
(특허문헌 0001) KR101794615 B1
참고적으로, 이러한 문헌 1은 본 명세서에 개시된 내용과 관련하여서는, 에너지 하베스팅 압전발전기에 있어서, 압전소자에 의한 전력을 승압하고, 승압 손실을 최소로 하는 것이다.
다만, 이를 위해 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 적층하는 스위칭 방식으로 승압함으로써, 승압 손실을 최소로 하도록 하는 정도를 개시한다.
개시된 내용은, 전술한 압전소자에 의한 전력의 발생이 미미하므로 발생전력의 손실을 최소화하고, 발생전력을 효율적으로 저장할 수 있는 승압컨버팅을 제공하도록 하는 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법을 제공하고자 한다.
그리고, 이러한 경우에 이렇게 발생하는 전력을 최대화하고, 발생한 전력의 변환손실을 최소화하는 전력변환방식과 이를 효율적으로 저장 및 부하에 사용할 수 있도록 한다.
실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법은,
먼저, 이러한 방법에 적용하는 전체적인 구성과 변환기의 구성을 개략적으로 설명한다.
전체적인 구성은 크게, 입력 전원으로 태양광 패널(PV Panel)과 압전에너지 하베스팅 모듈로 구성되며, 출력단은 배터리가 연결되고, 최종적으로 배터리와 DC-AC 컨버터가 연결되어 모선(grid power)으로 연결되는 것이다.
이를 위해서, 전력변환 장치는 DC-DC 컨버터로 만들며, 배터리 충전 및 방전 제어 기능을 포함하도록 한다. 이러한 상태에서, 전력변환기는 몇 가지 방식의 연계로 구성하고, 각 구성에 따른 장단점을 고려하여 만든 것이다.
다음, 변환기의 구성은 전술한 각 구성에 따른 장점과 단점을 고려하여, 별도의 배터리 충전회로가 없는 대신에, 각 개별 입력에 각각의 컨버터로 구성하여, 각 입력 전원에 가장 적합한 제어 방식이 만들어지는 구조이다.
먼저, 이러한 부스터형 DC-DC 컨버터 회로는 낮은 직류 입력단 전력원으로부터 태양광 인버터의 출력을 감안한 높은 직류 링크단 전압을 구현하기 위한 일반적인 전력변환 회로로 적용될 수 있다. 하지만, ESS(Energy Storage System)를 적용하기 위해서는 에너지 저장장치인 배터리를 적용하여 구성하여야 하고, 압전 하베스팅 모듈의 경우, 발전 전력이 매우 낮아서 직접적으로 높은 용량의 배터리를 충전하기 매우 어렵다. 따라서, 일반적인 가정용 태양광 패널 기준의 전력을 고려하면, 높은 직류단 링크 전압을 바로 전력원에서 출력하는 것은 어려우며, 배터리를 중심으로 회로를 만들어야 한다.
그래서, 태양광 및 압전 하베스팅 모듈을 입력으로 하는 ESS(배터리) 연계형 전력변환 장치를(두 개의 하이브리드 병렬형 전력변환기) 우선적으로 제공한다. 그리고, 각 컨버터는 입력단에 연결된 전력원(태양광 및 압전 하베스팅 모듈)에 따라, 최대 전력추종제어(MPPT, Maximum Power Point Tracking)를 수행할 수 있도록 구성한다. 또한, 출력단에 병렬로 배터리가 연결되어 출력 전압 및 전류를 배터리의 상태에 따라 제어하도록 한다.
특히, 다양한 형태의 컨버터가 태양광 및 압전 하베스팅 모듈에 적용될 수 있지만, 입력 전압의 범위가 매우 광범위하게 변동할 뿐만 아니라, 출력전압이 입력전압 보다 높은 경우가 있으므로, 단순한 벅(Buck) 컨버터로는 배터리 충전 기능을 수행할 수 없다. 따라서, 광범위한 입력전압의 범위에 대해서도 안정적인 출력 제어가 가능한 벅-부스트(buck-boost) 컨버터 구조를 가진다.
또한, 배터리 충전 제어를 위해 배터리 내부와 별도의 전류 경로를 사용하고, 이를 위해 두 개의 전력변환기를 교차 배선하여 배터리 충전 전류를 공유함으로써, 출력 전압을 제어하여 배터리의 최대 충전 전류를 함께 제한한다.
이러한 상태에서, 일실시예에 따른 전력제어 방법은 기존의 전력제어 방식과 달리, 이 제안된 전력변환 회로에서는 각 개별 전력원이 상이하고, 그 특성도 다르며, 배터리의 충전 상태와 부하 전력 상태에 따라서 다르게 제어할 수 있도록 한다.
구체적으로는, 전술한 입력 전력원의 즉, 컨버터에 연결된 전력원의 입력전압과 출력전압의 상호 관계에 따라 입력전압이 출력전압보다 높은 경우에는 벅(buck) 모드로 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우에는 부스트(boost) 모드로 동작한다. 그리고, 배터리가 방전상태에서는 각 입력 전력의 최대 점을 제어하는 MPPT 제어를 수행하고, 배터리가 충전 상태에서는 배터리의 전압 상태에서 따라서 정전류 제어 모드와 정전압 제어 모드를 적용한다. 즉, 전력원의 입력 상태와 배터리의 상태 및 부하 전류의 상태에 따라서 제어 모드를 상시적으로 변동하면서 제어함으로써, 전술한 변환기에 적절한 전력제어를 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
실시예들에 의하면, 압전소자에 의한 전력의 발생이 미미하므로 발생전력의 손실을 최소화하고, 발생전력을 효율적으로 저장할 수 있는 승압컨버팅방식과 이의 적절한 전력제어 방법을 제공한다.
그리고, 이렇게 발생하는 전력을 최대화하고, 발생한 전력의 변환손실을 최소화하는 전력변환방식과 이를 효율적으로 저장 및 부하에 사용하고, 이에 대한 적절한 전력제어 방법을 제공하기도 한다.
도 1은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 시스템을 전체적으로 도시한 도면
도 2는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기를 개념적으로 설명하기 위한 도면
도 3은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기의 벅-부스트 동작을 설명하기 위한 도면
도 4는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기의 추가적인 DC-AC 컨버터의 구성을 도시한 도면
도 5와 도 6은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 태양광 패널과 압전 하베스팅 모듈의 전압-전류 특성(곡선)을 설명하기 위한 도면
도 7과 도 8은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 배터리 상태에 따른 전력제어를 설명하기 위한 도면
도 10과 도 11은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전체 제어 블록도
도 12는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법을 순서대로 도시한 플로우 차트
도 13은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기의 양방향 벅-부스트 컨버터를 설명하기 위한 도면
도 14 내지 도 18은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법의 실험 결과를 나타낸 도면
도 1은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 시스템을 전체적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 시스템은 크게, 입력 전원으로 태양광 패널(PV Panel)과 압전에너지 하베스팅 모듈로 구성되며, 출력단은 배터리가 연결되고, 최종적으로 배터리와 DC-AC 컨버터가 연결되어 모선(grid power)으로 연결되는 것이다.
이를 위해서, 전력변환 장치는 DC-DC 컨버터로 만들며, 배터리 충전 및 방전 제어 기능을 포함하도록 한다. 이러한 상태에서, 전력변환기는 몇 가지 방식의 연계로 구성하고, 각 구성에 따른 장단점을 고려하여 만든다.
구체적으로는, 각 구성에 따른 장점과 단점을 고려하여, 별도의 배터리 충전회로가 없는 대신에, 각 개별 입력에 각각의 컨버터로 구성하여, 각 입력 전원에 가장 적합한 제어 방식이 만들어지는 구조이다.
먼저, 보다 상세하게는 이러한 부스터형 DC-DC 컨버터 회로는 낮은 직류 입력단 전력원으로부터 태양광 인버터의 출력을 감안한 높은 직류 링크단 전압을 구현하기 위한 일반적인 전력변환 회로로 적용될 수 있다. 하지만, ESS(Energy Storage System)를 적용하기 위해서는 에너지 저장장치인 배터리를 적용하여 구성하여야 하고, 압전 하베스팅 모듈의 경우, 발전 전력이 매우 낮아서 직접적으로 높은 용량의 배터리를 충전하기 매우 어렵다. 따라서, 일반적인 가정용 태양광 패널 기준의 전력을 고려하면, 높은 직류단 링크 전압을 바로 전력원에서 출력하는 것은 어려우며, 배터리를 중심으로 회로를 만들어야 한다.
그래서, 태양광 및 압전 하베스팅 모듈을 입력으로 하는 ESS(배터리) 연계형 전력변환 장치를(두 개의 하이브리드 병렬형 전력변환기) 우선적으로 제공한다. 그리고, 각 컨버터는 입력단에 연결된 전력원(태양광 및 압전 하베스팅 모듈)에 따라, 최대 전력추종제어(MPPT, Maximum Power Point Tracking)를 수행할 수 있도록 구성한다. 또한, 출력단에 병렬로 배터리가 연결되어 출력 전압 및 전류를 배터리의 상태에 따라 제어하도록 한다.
이를 위하여 각 컨버터의 구조는 동일하게 구성하되, 입력단의 전력원에 따라서 각 개별 컨버터가 서로 다른 제어 방식으로 구현될 수 있도록 프로그램에서 전력원을 식별하여 제어하는 하드웨어 및 펌웨어를 구현한다. 그리고, 모니터링 시스템에서 입력전력 및 출력전력을 모니터링 하도록 RS-485 통신을 구성한다.
특히, 다양한 형태의 컨버터가 태양광 및 압전 하베스팅 모듈에 적용될 수 있지만, 입력 전압의 범위가 매우 광범위하게 변동할 뿐만 아니라, 출력전압이 입력전압 보다 높은 경우가 있으므로, 단순한 벅(Buck) 컨버터로는 배터리 충전 기능을 수행할 수 없다. 따라서, 광범위한 입력전압의 범위에 대해서도 안정적인 출력 제어가 가능한 벅-부스트(buck-boost) 컨버터 구조를 가진다. 그리고, 이에 연계하여 제어 방식을 배터리 충전 상태에 따라서 MPPT 제어 및 배터리 충전 제어 모드를 구분하여 동작하도록 한다.
아울러, 배터리 충전 제어를 위해 배터리 내부와 별도의 전류 경로를 사용하고, 이를 위해 두 개의 전력변환기를 교차 배선하여 배터리 충전 전류를 공유함으로써, 출력 전압을 제어하여 배터리의 최대 충전 전류를 함께 제한하도록 한다.
부가적으로, 기존의 전력제어 방식과 달리, 제안된 전력변환 회로에서는 각 개별 전력원이 상이하고, 그 특성도 다르며, 배터리의 충전 상태와 부하 전력 상태에 따라서 다르게 제어해야 하는 어려움이 있다.
이를 위해, 압전에너지 하베스팅 모듈과 태양광 패널 모듈의 각 특성곡선으로부터 최대 전력 추종 제어를 수행하기 위한 전압과 전류 특성이 결정될 수 있다. 각 전압-전류 특성곡선에서 전압의 최고점까지는 출력전류를 유지할 수 있지만, 전압이 감소하는 지점에서는 출력전류의 크기를 감소시켜 최대 전력점을 유지하는 제어 방식이 일반적이며, 이를 위해서 입력 전압 및 입력 전력의 변화를 순시적으로 판단하여 출력전류의 최대값을 변경한다.
이러한 제어 방식은 배터리를 적용하지 않는 경우에는 매우 적합하지만, 배터리를 적용하는 경우에는 ESS의 배터리 상태에 따라서 서로 다른 제어 방식이 구현되도록 한다. 충전상태와 방전상태에 따라서 배터리의 전압 변동이 크게 발생하게 되므로, 배터리의 상태를 관측할 수 있으며, 배터리의 전압을 고려하여 정전류 제어(급속충전) 및 정전압 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로는, 방전모드에서는 최대 방전점이 발생하지 않는 범위에서 지속적인 전력 공급이 가능하지만, 충전모드에서는 배터리에 충전을 위한 과전압이 인가되지 않도록 제한하는 것이 필요하다.
도 2는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 전력변환기는 압전에너지 하베스팅 모듈과 태양광 입력에 각 개별로 구성된 벅-부스트(buck-boost) 컨버터구조를 나타낸다. 즉, 먼저 별도의 배터리 충전회로가 없는 대신에, 각 개별 입력에 컨버터를 구성한다. 그리고, 광범위한 입력전압의 범위에 대해서도 안정적인 출력 제어가 가능한 벅-부스트 구조를 가진다.
이에 더하여, 출력은 병렬로 배터리에 연결하여 발전된 에너지를 충전하여 사용할 수 있도록 한다. 특히, 배터리 충전 제어를 위해 배터리 내부와 별도의 전류 경로를 사용하고, 이를 위해 두 개의 전력변환기를 교차 배선하여 배터리 충전 전류를 공유함으로써, 출력 전압을 제어하여 배터리의 최대 충전 전류를 함께 제한한다.
구체적으로는, 이러한 구성은 크게, 제 1 벅-부스트 컨버터(101)와 제 2 벅-부스트 컨버터(!02) 및 배터리(103)를 포함한다. 추가적으로, DC-AC 컨버터를 포함하며, 이에 대해서는 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
상기 제 1 벅-부스트 컨버터(101)는 제 1 직류전원 모듈에 즉, 압전에너지 하베스팅 모듈에 연결되어, 입력전압과 해당 출력전압을 비교하여 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우 부스트 모드로서 승압한다. 그리고, 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써, 배터리의 충전 제어용 전원으로 변환하는 것이다. 부가적으로, 상기 제 1 직류전원 모듈은 발전 전력이 설정 전력보다 임계값만큼 이하로 낮은 압전에너지 하베스팅 모듈이고, 이러한 유형인 경우에 사용한다.
상기 제 2 벅-부스트 컨버터(102)는 상기 모듈과 상이한 제 2 직류전원 모듈에 즉, 태양광 패널 모듈에 연결되어, 마찬가지로 입력전압과 해당 출력전압을 비교하여 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우 부스트 모드로서 승압한다 그리고, 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써, 충전 제어용 전원으로 변환한다. 마찬가지로는, 상기 제 2 직류전원 모듈은 설정 링크 전압보다 임계값만큼 높은 직류단 링크 전압을 출력하는 태양광 패널 모듈 등의 유형이다.
상기 배터리(103)는 상기 제 1 벅-부스트 컨버터와 상기 제 2 벅-부스트 컨버터의 출력단에 각기 병렬로 연결되어, 각 충전 제어용 전원에 의한 출력 전압 및 전류를 배터리장치의 내부 상태에 따라 제어하도록 한다.
한편, 상기 제 1 벅-부스트 컨버터(101)와 상기 제 2 벅-부스트 컨버터(102)는 일실시예에 따라 각기 아래와 같다(단방향 방식).
즉, 크게는 제 1 MOSFET와 제 1 다이오드, 인덕터, 제 2 다이오드, 제 2 MOSFET 및 커패시터를 포함한다.
상기 제 1 MOSFET는 해당 직류전원 모듈의 입력단에 소스 단자가 연결되어, 상기 벅 모드일 경우에 온과 오프를 교대로 반복하는 것이다.
상기 제 1 다이오드는 기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 캐소드 단자가 연결되어, 상기 제 1 MOSFET가 온일 경우에 연동하여 오프하고 상기 제 1 MOSFET가 오프일 경우에 연동하여 온한다.
상기 인덕터는 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 일단이 연결된다.
상기 제 2 다이오드는 상기 인덕터의 타단에 애노드 단자가 연결된다.
상기 제 2 MOSFET는 상기 인덕터의 타단에 소스 단자가 연결되고 상기 다이오드의 애노드 단자에 드레인 단자가 연결되어, 상기 부스트 모드일 경우에 온과 오프를 상기 제 1 다이오드의 오프와 온에 연동하여 교대로 반복하는 것이다.
상기 커패시터는 상기 제 2 다이오드의 캐소드 단자와 모선 측에 연결된다.
그래서, 일실시예는 압전에너지 하베스팅 모듈과 태양광 입력에 각 개별로 구성된 벅-부스트 컨버터구조를 나타낸다. 그리고, 출력은 병렬로 배터리(103)에 연결하여 발전된 에너지를 충전하여 사용한다.
한편, 배터리(103) 충전 제어를 위해 배터리(103) 내부와 별도의 전류 경로를 사용하고, 이를 위해 두 개의 전력변환기(101, 102)를 교차 배선하여 배터리(103) 충전 전류를 공유함으로써, 출력 전압을 제어하여 배터리(103)의 최대 충전 전류를 함께 제한한다.
보다 상세하게는, 배터리(103) 단독 운전이 아닌 계통 연계 운전일 때, 배터리(103)의 단독 전류의 측정이 불가능하여, 배터리(103)를 이용한 에너지 저장이 안되고, 병렬 부하 공유만 수행이 가능하기에 이를 반영하여 아래와 같이 만든다.
구체적으로, 배터리(103) 충전 제어를 위해 배터리(103) 내부와 별도의 전류 경로를 사용한다. 단, 부하 전류를 감지하지 않아, 부하 전류(
Figure pat00001
)을 공유할 수 없지만, 배터리(103) 충ㅇ방전 전류(
Figure pat00002
)은 제안된 전류 경로를 따르며, 각각의 전력변환기(101, 102)에서 이를 측정이 가능하다. 배터리(103) 충전 전류를 공유하려면, 도면과 같이, 두 개의 전력변환기(101, 102)를 교차 배선해야 한다. 또한, 전력변환기(101, 102) 단일로 사용할 때는 단자 S(-)와 V(-)를 연결하여 즉, 배터리(103) 출력전압과 변환기(101, 102)의 출력전압을 연결하여 사용할 수 있다. 감지된
Figure pat00003
으로 각 전력변환기(101, 102)는 출력 전압을 제어하여, 배터리(103)의 최대 충전 전류를 함께 제한한다.
도 3은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기의 벅-부스트 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 벅-부스트 동작은 각 변환기의 입력 전압이 출력전압보다 낮으면 부스트 모드로 동작하여 전압을 승압시키는 것이다. 그리고, 입력 전압이 출력전압보다 높은면 벅 모드로 동작하여 전압을 감압시켜서 배터리 충전 제어에 적합한 전압 및 전류로 제어한다.
구체적으로는, 벅 모드일 경우는 제 1 MOSFET를 온과 오프를 교대로 반복하며, 부스트 모드일 경우에는 제 2 MOSFET를 온과 오프를 교대로 반복함으로써, 벅-부스트 동작을 수행한다.
도 4는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전력변환기의 DC-AC 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 DC-AC 컨버터는 먼저, 배터리충전 및 부하 공유 기능을 담당하지만, 전력변환기의 출력 전원은 DC전원이므로 AC전원을 사용하는 계통에 연계가 불가능하다. 따라서, DC-AC 컨버터 구조가 필요하다.
이러한 컨버터는 계통 연계를 위한 최대 전력변환기이며, 태양광 그리고 압전에너지 하베스팅 모듈에서 생성되는 전원을 개선된 최대 전력변환기를 통해 DC-DC 전력변환을 한 후, DC-AC 컨버터를 통해 계통 연계를 하는 것이다.
구체적으로는, 이 DC-AC컨버터의 회로는 제어기가 예를 들어, TMS320F28065를 사용하며, 지능형 전력 모듈(IPM)소자는 PM75B6L1C060으로, 풀 브릿지 스위칭 회로를 포함하며, 동시에 2채널 브레이크(2ch Brake) 회로도 포함하는 소자인 것이다. 그리고, DC-AC 컨버터의 출력과 입력측은 전류 센서를 통해 전류 감지를 하며, 출력 전원의 전압은 계측용 트랜스포머를 통해 측정하도록 한다.
도 5와 도 6은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 태양광 패널과 압전 하베스팅 모듈의 전압-전류 특성(곡선)을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 5는 태양광 패널의 전압-전류 특성곡선이고, 도 6은 압전 하베스팅 모듈의 전압-전류 특성곡선이다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 태양광 패널과 압전 하베스팅 모듈의 전압-전류 특성은 각 특성곡선으로부터 최대 전력 추종 제어를 수행하기 위한 전압과 전류 특성을 결정한다. 각 전압-전류 특성곡선에서 전압의 최고점까지는 출력전류를 유지할 수 있지만, 전압이 감소하는 지점에서는 출력전류의 크기를 감소시켜 최대 전력점을 유지하는 제어 방식이 일반적이며, 이를 위해서 입력 전압 및 입력 전력의 변화를 순시적으로 판단하여 출력전류의 최대값을 변경한다.
도 7과 도 8은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 배터리 상태에 따른 전력제어를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 7은 배터리의 충/방전 곡선을 나타내며, 도 8은 배터리의 충전상태에 따른 제어 모드의 변화를 나타낸 것이다.
도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 배터리의 충/방전은 충전상태와 방전상태에 따라서 배터리의 전압 변동이 크게 발생하게 되므로, 배터리의 상태를 관측할 수 있으며, 배터리의 전압을 고려하여 정전류 제어(급속충전) 및 정전압 제어를 수행한다. 도 7과 같이, 방전모드에서는 최대 방전점이 발생하지 않는 범위에서 지속적인 전력 공급이 가능하지만, 충전모드에서는 배터리에 충전을 위한 과전압이 인가되지 않도록 제한하는 것이 필요하다.
그리고, 도 8과 같이, 배터리가 충전상태일 때 완전충전의 90%까지는 설정 정전류 제어 모드를 수행하고, 그 이상에서는 최대 전압을 제한하여 설정 정전압 제어 모드를 통해서 배터리에 과충전으로 인한 수명 단축이 발생하지 않도록 한다.
도 9는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 압전 하베스팅 모듈 및 태양광을 적용한 배터리 제어 장치의 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 일실시예의 제어 방식은 먼저, 도 9와 같은 각 제어 모드는 배터리의 충전 및 방전상태를 나타내고 있는 배터리 전압(Battery Voltage) 곡선을 중심으로 각 입력 전력원의 입력전압(붉은색 점선)과의 상호 관계에 따라 동작한다. 즉, 입력 전압이 높은 경우에는 벅(buck) 모드로 입력 전압이 낮은 경우에는 부스트(boost) 모드로 동작한다. 배터리가 방전상태에서는 각 입력 전력의 최대 점을 제어하는 MPPT 제어가 수행되고, 배터리가 충전 상태에서는 배터리의 전압 상태에서 따라서 정전류 제어 모드와 정전압 제어 모드가 적용된다. 제안된 제어 방식은 전력원의 입력 상태와 배터리의 상태 및 부하 전류의 상태에 따라서 제어 모드를 상시적으로 변동하면서 제어한다.
도 10과 도 11은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 적용한 전체 제어 블록도이다.
구체적으로, 도 10은 이러한 제어 블록도이고, 도 11은 이 제어 블록도의 전류-전압 제어기를 나타낸 것이다.
도 10과 도 11에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 전체 제어 블록도는 입력단의 MPPT 곡선과 배터리의 상태 모니터링이 제어기에 내장하도록 한다. 그래서, 도 10과 같은 제어 알고리즘을 적용하는 것이다.
도 12는 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법을 순서대로 도시한 플로우 차트이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 일실시예의 전력제어 방법은 먼저 전술한 하이브리드 병렬형 전력변환기로 전력변환을 할 경우, 전력 제어기에서 상기 전력변환기의 전력변환 동작을 모선(grid power)에 따라 상이하게 제어하여, 모선별로 각기 전력변환하는 것이다.
참고로, 이러한 변환기는 제 1 직류전원 모듈과 연결된 제 1 벅-부스트 컨버터와, 상기 모듈과 상이한 제 2 직류전원 모듈에 연결된 제 2 벅-부스트 컨버터 및 상기 제 1, 2 벅-부스트 컨버터의 출력단에 각기 병렬로 연결된 배터리를 포함한다.
이러한 상태에서, 상기 전력변환을 할 경우, 제 1 직류전원 모듈의 입력전압과 출력전압을 비교하고(S1201), 상기 제 2 직류전원 모듈의 입력전압과 출력전압을 비교한다(S1206).
상기 비교 결과, 상기 제 1 직류전원 모듈의 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우(S1202) 부스트 모드로서 승압하고(S1203), 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써(S1204), 충전 제어용 전원으로 변환하고 충전을 수행한다(S1205).
그리고, 상기 제 2 직류전원 모듈의 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우(S1207) 부스트 모드로서 승압하고(S1208), 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써(S1209), 충전 제어용 전원으로 변환한다(S1205).
다음, 상기 제 1 직류전원 모듈과 상기 제 2 직류전원 모듈의 충전 제어용 전원에 의해 가변하는 상기 배터리의 내부 상태를 확인한다(S1210).
상기 확인 결과, 상기 배터리의 내부 상태가 방전상태인 경우에 각 입력 전력의 최대 점을 제어하는 MPPT 제어를 수행한다(S1211).
그리고, 상기 배터리의 내부 상태가 충전상태인 경우에는 완전충전의 설정값까지는 예를 들어, 90%까지는 정전류 제어 모드를 수행하고, 완전충전의 설정값보다 이상에서는 최대 전압을 제한하여 정전압 제어 모드를 수행한다(S1212).
이상과 같이, 일실시예는 먼저 전술한 하이브리드 병렬형 전력변환기로 전력변환을 할 경우, 전력 제어기에서 상기 전력변환기의 전력변환 동작을 모선(grid power)에 따라 상이하게 제어하여, 모선별로 각기 전력변환을 제어하는 것을 전제로 한다.
이러한 상태에서, 입력 전력원의 즉, 컨버터에 연결된 전력원의 입력전압과 출력전압의 상호 관계에 따라 입력 전압이 출력전압보다 높은 경우에는 벅 모드로 입력 전압이 낮은 경우에는 부스트 모드로 동작한다. 그리고, 배터리가 방전상태에서는 각 입력 전력의 최대 점을 제어하는 MPPT 제어를 수행하고, 배터리가 충전 상태에서는 배터리의 전압 상태에서 따라서 정전류 제어 모드와 정전압 제어 모드를 적용한다. 즉, 전력원의 입력 상태와 배터리의 상태 및 부하 전류의 상태에 따라서 제어 모드를 상시적으로 변동하면서 제어함으로써, 전술한 변환기에 적절한 전력제어를 할 수 있도록 한다.
그래서, 일실시예는 압전소자에 의한 전력의 발생이 미미하므로 발생전력의 손실을 최소화하고, 발생전력을 효율적으로 저장할 수 있는 승압컨버팅방식과 이에 대한 적절한 전력제어 방식을 제공한다.
그리고, 이렇게 발생하는 전력을 최대화하고, 발생한 전력의 변환손실을 최소화하는 전력변환방식과 이를 효율적으로 저장 및 부하에 사용하고, 이에 대한 적절한 전력제어 방식을 제공하기도 한다.
도 13은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기에 적용한 양방향 벅-부스트 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 양방향 벅-부스트 컨버터는 사용자의 편의성과 다양한 환경의 적용을 위해, 전술한 단방향으로 구성되었던 DC-DC 컨버터를 4-switch 양방향 DC-DC 컨버터로 보완한 것이다.
구체적으로는, 단방향 벅-부스트(Buck-Boost)의 출력 전압은
Figure pat00004
인 다이오드를 통해 출력된다(도 3 참조). 하지만 이 다이오드로 인해 입력단자와 출력 단자가 정해져 있으며, 이는 적용하기 위한 환경이 제한적이며 사용자의 편의성이 불편하다. 이러한 이유로 단방향 DC-DC컨버터의 다이오드를 스위칭 소자로 대체한 양방향 DC-DC컨버터로 개선한 것이다.
즉, 이러한 구성은 단방향 컨버터에서 다이오드를 스위칭 소자로 변경한 회로이며, 기본 동작원리는 단방향 구성과 동일하다.
부가적으로, 계측한 입력단과 출력단의 전류의 정보로 4-switch의 턴-온/오프(Turn-on/off) 시간을 조절하여, MPPT 제어가 용이하다.
보다 상세하게는, 이러한 구성은 단방향의 구조와 동일하고, 단지 전술한 다이오드를 MOSFET로 보완한 것이다.
즉, 상기 제 1 벅-부스트 컨버터와 상기 제 2 벅-부스트 컨버터는 각기 아래와 같다.
먼저, 해당 직류전원 모듈의 입력단에 소스 단자가 연결되어, 상기 벅 모드일 경우에 온과 오프를 교대로 반복하는 제 1 MOSFET를 포함한다.
그리고, 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 소스 단자가 연결되어, 상기 제 1 MOSFET가 온일 경우에 연동하여 오프하고 상기 제 1 MOSFET가 오프일 경우에 연동하여 온하는 제 2 MOSFET를 포함한다.
그래서, 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 일단이 연결된 인덕터와 상기 인덕터의 타단에 드레인 단자가 연결된 제 3 MOSFET를 더 포함한다.
이에 따라, 상기 인덕터의 타단에 소스 단자가 연결되고 상기 제 2 MOSFET의 드레인 단자에 드레인 단자가 연결되어, 상기 부스트 모드일 경우에 온과 오프를 상기 제 2 MOSFET의 오프와 온에 연동하여 교대로 반복하는 제 4 MOSFET를 포함한다. 그리고, 상기 제 3 MOSFET의 소스 단자와 모선 측에 연결된 커패시터를 포함한다.
도 14 내지 도 18은 일실시예에 따른 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법의 실험결과를 나타낸 도면이다.
구체적으로는, 도 14와 도 15는 이러한 배터리 충전 모드에서의 실험결과이고, 도 16은 태양광 단독 발전 시 시뮬레이션 결과이며, 도 17은 압전 하베스팅 모듈 단독 발전 시 시뮬레이션 결과이다. 그리고, 도 18은 다수개로 발전할 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 14 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 실험결과는 먼저, 배터리 충전 모드에서의 실험결과는 배터리 충전 시, 배터리 보호를 위한 정전류 제어모드와 정전압 제어모드 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다(도 14와 도 15 참조).
그리고, 도 16과 같이, 태양광 단독 발전 시 DC-DC 컨버터의 출력 전류
Figure pat00005
는 배터리도 충전되는 전류를 나타내며,
Figure pat00006
는 1[A]로 정전류 제어모드로 배터리를 충전하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 17에서는 압전 하베스팅 모듈 단독 발전 시 시뮬레이션 결과이며, 이러한 경우에 압전 하베스팅 모듈의 전압에 따라,
Figure pat00007
가 가변되어 MPPT제어가 이루어짐을 확인할 수 있으며, 이러한 결과를 통틀어서, 태양광 및 압전에너지의 발전 전압이 DC-DC컨버터의 출력전압
Figure pat00008
보다 작으면 Boost 컨버터 모드를, 이와 반대일 경우 Buck 컨버터 모드를 행하고 있는 것을 각 듀티비
Figure pat00009
와
Figure pat00010
에서 확인 가능하다. 또, 도 18에서와 같이, 태양광 및 압전 하베스팅 모듈 연계 발전 시 시뮬레이션 결과로서 이때, 각 발전 전압이 가변할 때 마다, 출력 전류가 바뀌는 것을 확인할 수 있으며, 이 결과들을 통해, 제안한 알고리즘의 타당성을 검증한다.
101 : 제 1 벅-부스트 컨버터
102 : 제 2 벅-부스트 컨버터
103 : 배터리

Claims (4)

  1. 하이브리드 병렬형 전력변환기에 의해 전력변환을 할 경우, 전력 제어기에서 상기 전력변환 동작을 다수의 상이한 모선(grid power)에 따라 상이하게 제어하여 수행하고,
    상기 하이브리드 병렬형 전력변환기는,
    제 1 직류전원 모듈과 연결된 제 1 벅-부스트 컨버터와, 제 2 직류전원 모듈에 연결된 제 2 벅-부스트 컨버터 및 상기 제 1, 2 벅-부스트 컨버터의 출력단에 각기 병렬로 연결된 배터리를 포함하고,
    상기 제 1, 2 벅-부스트 컨버터는,
    각기 입력단에 소스 단자가 연결되어, 벅 모드일 경우에 온과 오프를 교대로 반복하는 제 1 MOSFET, 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 캐소드 단자가 연결되어, 상기 제 1 MOSFET가 온, 오프일 경우에 연동하여 오프, 온하는 제 1 다이오드, 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 일단이 연결된 인덕터, 상기 인덕터의 타단에 애노드 단자가 연결된 제 2 다이오드, 상기 인덕터의 타단에 소스 단자가 연결되고 상기 다이오드의 애노드 단자에 드레인 단자가 연결되어, 상기 부스트 모드일 경우에 온과 오프를 상기 제 1 다이오드의 오프와 온에 연동하여 교대로 반복하는 제 2 MOSFET; 및 상기 제 2 다이오드의 캐소드 단자와 모선 측에 연결된 커패시터;
    를 포함하는 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 있어서,

    상기 전력변환 동작을 제어할 경우, 상기 제 1 직류전원 모듈의 입력전압과 출력전압을 비교하고, 상기 제 2 직류전원 모듈의 입력전압과 출력전압을 비교하는 제 1 단계;
    상기 비교 결과, 상기 제 1 직류전원 모듈의 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우 부스트 모드로서 승압하고, 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써, 상기 배터리의 충전 제어용 전원으로 변환하고,
    상기 제 2 직류전원 모듈의 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우 부스트 모드로서 승압하고, 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써, 상기 배터리의 충전 제어용 전원으로 변환하는 제 2 단계;
    상기 제 1 직류전원 모듈과 상기 제 2 직류전원 모듈의 충전 제어용 전원에 의해 가변하는 상기 배터리의 내부 상태를 확인하는 제 3 단계; 및
    상기 확인 결과, 상기 배터리의 내부 상태가 방전상태인 경우에 각 충전 제어용 전원에 의한 입력 전력의 최대 점을 제어하는 최대 전력추종제어(MPPT, Maximum Power Point Tracking)를 수행하고,
    상기 배터리의 내부 상태가 충전상태인 경우에는 완전충전의 설정값까지는 설정 정전류 제어 모드를 수행하고, 상기 완전충전의 설정값보다 이상에서는 최대 전압을 제한하여 설정 정전압 제어 모드를 수행하는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법.
  2. 하이브리드 병렬형 전력변환기에 의해 전력변환을 할 경우, 전력 제어기에서 상기 전력변환 동작을 다수의 상이한 모선(grid power)에 따라 상이하게 제어하여 수행하고,
    상기 하이브리드 병렬형 전력변환기는,
    제 1 직류전원 모듈과 연결된 제 1 벅-부스트 컨버터와, 제 2 직류전원 모듈에 연결된 제 2 벅-부스트 컨버터 및 상기 제 1, 2 벅-부스트 컨버터의 출력단에 각기 병렬로 연결된 배터리를 포함하고,
    상기 제 1, 2 벅-부스트 컨버터는,
    각기 입력단에 소스 단자가 연결되어, 벅 모드일 경우에 온과 오프를 교대로 반복하는 제 1 MOSFET, 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 소스 단자가 연결되어, 상기 제 1 MOSFET가 온, 오프일 경우에 연동하여 오프, 온하는 제 2 MOSFET, 상기 제 1 MOSFET의 드레인 단자에 일단이 연결된 인덕터, 상기 인덕터의 타단에 드레인 단자가 연결된 제 3 MOSFET, 상기 인덕터의 타단에 소스 단자가 연결되고 상기 제 2 MOSFET의 드레인 단자에 드레인 단자가 연결되어, 상기 부스트 모드일 경우에 온과 오프를 상기 제 2 MOSFET의 오프와 온에 연동하여 교대로 반복하는 제 4 MOSFET 및, 상기 제 3 MOSFET의 소스 단자와 모선 측에 연결된 커패시터;
    를 포함하는 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법에 있어서,

    상기 전력변환 동작을 제어할 경우, 상기 제 1 직류전원 모듈의 입력전압과 출력전압을 비교하고, 상기 제 2 직류전원 모듈의 입력전압과 출력전압을 비교하는 제 1 단계;
    상기 비교 결과, 상기 제 1 직류전원 모듈의 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우 부스트 모드로서 승압하고, 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써, 상기 배터리의 충전 제어용 전원으로 변환하고,
    상기 제 2 직류전원 모듈의 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우 부스트 모드로서 승압하고, 높은 경우에는 벅 모드로서 감압함으로써, 상기 배터리의 충전 제어용 전원으로 변환하는 제 2 단계;
    상기 제 1 직류전원 모듈과 상기 제 2 직류전원 모듈의 충전 제어용 전원에 의해 가변하는 상기 배터리의 내부 상태를 확인하는 제 3 단계; 및
    상기 확인 결과, 상기 배터리의 내부 상태가 방전상태인 경우에 각 충전 제어용 전원에 의한 입력 전력의 최대 점을 제어하는 최대 전력추종제어(MPPT, Maximum Power Point Tracking)를 수행하고,
    상기 배터리의 내부 상태가 충전상태인 경우에는 완전충전의 설정값까지는 설정 정전류 제어 모드를 수행하고, 상기 완전충전의 설정값보다 이상에서는 최대 전압을 제한하여 설정 정전압 제어 모드를 수행하는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 4 단계 후에,
    상기 배터리에 의해 충전 직류전원을 발생한 경우, 상기 배터리에 연결된 DC-AC 컨버터로부터 상기 충전 직류전원을 교류 계통의 부하 구동전원에 따라 상이하게 교류전원으로 변환함으로써, 교류 계통과 연계하는 제 5 단계; 를 더 포함하고,

    상기 DC-AC 컨버터는,
    상기 배터리에 연결되어, 상기 제 1, 2 직류전원 컨버터에 의한 배터리의 충전 직류전원을 풀 브릿지 스위칭 회로를 통해 교류로 변환하고, 출력과 입력측은 전류 센서로 전류 감지를 하며, 출력 전원의 전압은 계측용 트랜스포머를 통해 측정하는 것; 을 특징으로 하는 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 직류전원 모듈은,
    발전 전력이 설정 전력보다 임계값만큼 이하로 낮은 압전에너지 하베스팅 모듈이고,
    상기 제 2 직류전원 모듈은,
    설정 링크 전압보다 임계값만큼 높은 직류단 링크 전압을 출력하는 태양광 패널 모듈인 것; 을 특징으로 하는 발전량의 증대를 위한 하이브리드 병렬형 전력변환기의 전력제어 방법.
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