KR20240069650A - 전력변환장치 - Google Patents

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KR20240069650A
KR20240069650A KR1020230154913A KR20230154913A KR20240069650A KR 20240069650 A KR20240069650 A KR 20240069650A KR 1020230154913 A KR1020230154913 A KR 1020230154913A KR 20230154913 A KR20230154913 A KR 20230154913A KR 20240069650 A KR20240069650 A KR 20240069650A
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박허경
이종현
정다울
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는, DC 링크단과 연결되고, 상기 DC 링크단의 전압 및 전류를 입력받는 입력부, 상기 DC 링크단의 전압을 변환하는 전력변환부; 상기 변환된 전압을 출력하는 출력부, 및 상기 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 전력변환부를 제어하고, 상기 전력변환부의 동작에 따른 상기 DC 링크단의 전류를 이용하여 상기 기준 전압을 조정하는 제어부를 포함한다.

Description

전력변환장치{Power Converting Apparatus}
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 DC 링크단의 전압이 안정적인 전력변환장치에 관한 발명이다.
전기 에너지는 변환과 전송이 용이하여 널리 사용되고 있다. 이러한, 전기 에너지를 효율적으로 사용하기 위하여 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 사용한다. 에너지 저장 시스템은 전력을 공급받아 배터리에 충전한다. 또한, 에너지 저장 시스템은 전력이 필요한 경우 배터리에서 충전된 전력을 방전하여 전력을 공급한다. 이를 통해 에너지 저장 시스템은 전력을 유동적으로 공급할 수 있도록 한다.
구체적으로 전력 공급 시스템이 에너지 저장 시스템을 포함하는 경우 다음과 같이 동작한다. 에너지 저장 시스템은 부하 또는 계통이 과부하인 경우 배터리에 저장된 전기 에너지를 방전한다. 또한 부하 또는 계통이 경부하인 경우, 에너지 저장 시스템은 발전 장치 또는 계통으로부터 전력을 공급받아 배터리에 충전한다.
또한 전력 공급 시스템과 무관하게 에너지 저장 시스템이 독립적으로 존재하는 경우, 에너지 저장 시스템은 외부의 전력 공급원으로부터 유휴 전력을 공급받아 배터리에 충전한다. 또한 그리드 또는 부하가 과부하인 경우, 에너지 저장 시스템은 배터리에서 충전된 전력을 방전하여 전력을 공급한다.
이러한 에너지 저장 시스템은 배터리의 충전 또는 방전 동작시 안정도를 향상하기 위하여 드룹 제어를 한다. 특히, 에너지 저장 시스템은 배터리의 충전 상태(SOC)에 따라 드룹 제어를 하였다. 그러나, 기존 드룹 제어 방식은, 충방전 전압과 드룹 커브(Droop curve)가 고정되어 있어 정해진 드룹 커브를 따라서만 직류/직류 컨버터의 동작점이 변경된다는 단점이 있다. 또한, 유휴(Idle) 구간에서 전력 출력이 0으로 고정되어 있어 전압 강하시, 또는 상승시에 미 응답 구간이 생긴다는 문제가 있다. 또한, 링크 전압이 충전 전압 구간 내에 위치하는 경우 방전 및 유휴 운전이 불가하고, 방전 전압 구간 내에 위치하는 경우에는 충전 및 유휴 운전이 불가하며, 유휴 구간에서는 충전 및 방전이 불가하다는 문제가 있다.
공개특허공보 제 10-2011-0123130 호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, DC 링크단의 전압이 안정적인 전력변환장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 DC 링크단과 연결되고, 상기 DC 링크단의 전압 및 전류를 입력받는 입력부; 상기 DC 링크단의 전압을 변환하는 전력변환부; 상기 변환된 전압을 출력하는 출력부; 및 상기 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 전력변환부를 제어하고, 상기 전력변환부의 동작에 따른 상기 DC 링크단의 전류를 이용하여 상기 기준 전압을 조정하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차가 0이거나 소정의 범위 내가 될 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복할 수 있다.
또한, 상기 DC 링크단에 연결되는 장치들은 상기 DC 링크단의 전압에 따라 전력이 제어되는 드룹(Droop) 제어로 동작하고, 상기 기준 전압은 상기 드룹 제어의 드룹 제어 커브의 입력일 수 있다.
또한, 상기 출력부는 배터리와 연결되고, 상기 제어부는 상기 전력변환부를 제어하여 상기 배터리를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 상기 배터리를 충전하거나 방전할 전력량을 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 소정의 전력 범위내로 상기 전력변환부의 동작을 제한할 수 있다.
또한, 초기 기준 전압은 상기 DC 링크단에 연결되는 장치들이 충전 또는 방전되지 않는 상태에서의 전압으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 DC 링크단에 연결되는 장치들의 충전전력 또는 방전전력의 변화에 따라 상기 DC 링크단의 전압 또는 전류가 변하는 경우, 상기 기준 전압을 조정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 DC 링크단; 상기 DC 링크단과 연결되는 태양광 발전모듈; 상기 DC 링크단과 그리드 사이에 연결되는 인버터; 및 상기 DC 링크단과 배터리 사이에 연결되는 하나 이상의 DC-DC 컨버터를 포함하고, 상기 DC 링크단에 연결된 장치들은 기준전압에 따라 전력이 제어되는 드룹(Droop) 제어로 동작하고, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 DC 링크단에 연결된 장치 중 어느 하나의 장치의 전력이 변하는 경우, 상기 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 상기 배터리를 충전 또는 방전시키고, 상기 배터리의 충방전에 따른 상기 DC 링크단의 전류를 이용하여 상기 기준 전압을 조정한다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차가 0이거나 소정의 범위 내가 될 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, DC 링크단의 전압이 안정적인 드룹 제어를 수행할 수 있다. 또한, 인버터 등에서 소비(공급)하는 전력에 따라 링크 단 전압을 드룹커브에 따라 링크전압을 추적하기 때문에 타 전력변환장치와 병렬운전이 가능하다. 링크전압를 추적하는 전압동작점을 전압제어를 통해 제어함으로 전류제어기만 존재하는 경우에 비해 링크단 전압이 안정화된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 각 구성의 연결관계를 도시한 것이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
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.
본 실시예에 따른 변형례는 각 실시예 중 일부 구성과 다른 실시예 중 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 다양한 실시예 중 하나 실시예를 포함하되 일부 구성이 생략되고 대응하는 다른 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 반대일 수 있다. 실시예들에 설명할 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 각 구성의 연결관계를 도시한 것이고, 도 4 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 입력부(110), 전력변환부(120), 출력부(130), 및 제어부(140)로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 도 2와 같이, DC 링크단(210)에 연결되되, 태양광 발전 모듈(230), 인버터(240), 다른 전력변환장치(100), 부하(250) 등과 병렬로 연결될 수 있다. 입력부(110)는 DC 링크단(210)과 연결되고, DC 링크단(210)의 전압 및 전류를 입력받는다.
입력부(110)는 DC 링크단(210)과 연결되어 DC 링크단(210)의 전압을 수신하거나, DC 링크단(210)의 전압 또는 전류를 감지하는 신호를 수신할 수 있다. DC 링크단의 전압은 DC 링크단에 연결되는 DC 링크 커패시터의 전압일 수 있다. DC 링크단(210)의 전압 또는 전류를 감지하는 감지부(미도시)를 포함할 수 있다.
전력변환부(120)는 입력부(110)로 입력되는 DC 링크단의 전압을 변환한다.
전력변환부(120)는 입력되는 전력을 변환하여 출력하는 장치로, 컨버터(converter)일 수 있다. 전압을 높이는 승압형인 부스트(boost) 컨버터, 전압을 낮추는 강압형인 벅(buck) 컨버터, 전압을 높이거나 낮추는 강압/승압형인 벅-부스트 컨버터일 수 있다. 직류를 직류로 변환하는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 전력, 전압, 전류를 변환하는 다양한 장치를 포함할 수 있다.
출력부(130)는 전력변환부(120)에 변환된 전압을 출력한다.
출력부(130)는 배터리(220)와 연결될 수 있고, 전력변환부(120)는 배터리(220)를 충전하거나 방전할 수 있다. 전력변환부(120)는 DC 링크단(210)의 전력을 변환하여 배터리(220)를 충전하거나, 배터리(220)에 저장된 전력을 변환하여 DC 링크단(210)로 출력할 수 있다. 배터리(220)의 전력을 변환하여 DC 링크단(210)으로 출력시, 출력부(130)는 배터리 전압이 인가되는 입력부로 동작하고, 입력부(110)는 출력부로 동작할 수 있다. 전력변환부(120)는 배터리 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있고, 배터리 관리 시스템(BMS, battery monitoring system)를 포함할 수 있다.
제어부(140)는 전력변환부(120)와 연결되는 DC 링크단(Link)(220)의 DC 링크단의 전압에 따라 전력변환부(120)의 동작을 제어한다. 제어부(140)는 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, DC 링크단의 전압과 기준 전압의 차를 이용하여 전력변환부(120)를 제어한다. 전력변환부(120)의 동작시, DC 링크단의 전류를 이용하여 기준 전압을 조정할 수 있다.
제어부(140)는 DC 링크단의 전압에 따라 전력변환부(120)를 Droop 제어하여 상기 배터리(220)의 충전 또는 방전되는 전력을 제어할 수 있다. 제어부(140)는 전력변환부(120)의 전력변환 동작을 제어함에 있어서, Droop 제어를 수행한다. Droop 제어는 과도한 출력을 내지 않도록 방지하고, 일정한 출력이 유지되도록 하는 제어로, 컨버터가 출력하는 유효전력이 증가했을 때 출력 전압의 주파수가 강하하는 특성과 출력하는 무효전력이 증가했을 때 출력전압의 크기가 강하하는 특성을 이용한 제어 방법으로, 부하분담 제어라고 한다. 제어부(140)는 DC 링크단의 전압의 크기에 따라 전력변환부(120)의 동작을 제어하여 배터리(220)를 충전하거나 방전되도록 제어할 수 있다.
제어부(140)는 도 4와 같이, DC 링크단의 전압(V_Link)의 크기에 따라 구간을 나누고, 각 구간에서 Droop 제어를 수행할 수 있다. 도 2에서 가로축은 DC 링크단의 전압(V_Link)이고, 세로축은 출력전력(Output power)이다. 출력전력은 배터리(220)의 충전전력 또는 방전전력일 수 있고, 0보다 크면 충전되는 충전전력이고, 0보다 작으면 방전되는 방전전력을 의미한다.
DC 링크단(210)에는 다른 장치들이 연결되어 있을 수 있으나, DC 링크단의 전압을 이용하여 Droop 제어를 수행함으로써 각 장치에 대한 독립적인 운전이 가능하다.
제어부(140)는 상기 DC 링크단의 전압이 제1 구간(ideal area) 내인 경우, 전력변환부(120)를 동작시키지 않는다. 여기서, 제1 구간은 DC 링크의 전압이 안정적인 상태일 수 있다. DC 링크단(210)에는 다른 전력변환부가 연결될 수 있고, DC 링크단의 전압의 제1 구간은 상기 DC 링크단(210)로 입력되는 전력과 상기 DC 링크단(210)로부터 출력되는 전력의 차이가 제1값 이내인 구간일 수 있다. 예를 들어, DC 링크단(210)로 입력되는 전력이 DC 링크단(210)로부터 다른 전력변환부로 출력되어, 잉여전력이 남지 않는 상태일 수 있다. 또한, DC 링크단(210)로 입력되는 전력과 DC 링크단(210)로부터 출력되는 전력이 없는 상태일 수 있다.
여기서, 상기 다른 장치들은 전력변환부를 포함할 수 있고 일측이 DC 링크단(210)와 연결되고, 타측은 태양광 발전부, 부하부, 그리드, 및 충전부 중 적어도 하나와 연결될 수 있다.
태양광 발전 모듈(230)은 태양광 패널(PV panel) 및 옵티마이저(PV Optimizer)를 포함할 수 있다. 옵티마이저는 태양광 패널에서 출력되는 전력이 최대전력이 되도록 최대전력점 추정(MPPT)을 수행할 수 있다. 태양광 패널은 복수의 셀 스트링을 포함할 수 있다. 태양광 발전을 수행하는 태양광 셀은 복수의 셀이 직렬로 연결되는 셀 스트링 단위로 표현할 수 있다. 셀 스트링은 적어도 하나 이상의 셀을 포함할 수 있고, 복수의 셀을 포함하는 경우, 복수의 셀은 직렬로 연결될 수 있다. 셀 스트링은 태양광 셀을 포함하는 태양광 셀 스트링일 수 있다. 태양광 셀 스트링은 태양광 패널을 형성할 수 있다. 태양광 패널은 광발전(PV) 패널 또는 태양광 발전 패널이라고도 할 수 있다. 태양광 셀은 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. 태양광 셀은 실리콘 등을 이용하여 형성되며, 웨이퍼 형태로 형성될 수 있다. 태양광 셀은 태양광을 잘 받을 수 있는 야지나 건물의 외벽, 옥상 등에 위치하여, 태양광을 이용하여 전력을 생성한다. 이때, 태양광 셀은 건물과 일체형으로 형성되는 BIPV(건물 일체형 태양광 발전)로 형성될 수 있다.
하나의 태양광 셀에서 생성되는 전력의 크기가 부하나 전력계통에서 이용하기에는 부족하기 때문에, 하나의 태양광 셀이 아닌 복수의 태양광 셀을 직렬로 연결하여 태양광 셀 스트링을 형성함으로써 이용하기에 적합한 크기의 전력을 생성할 수 있다. 태양광 셀 스트링은 전력을 생성하는 기본 단위일 수 있다. 기본 단위인 셀 스트링을 복수 개를 패널로 형성하여 광발전 패널을 형성할 수 있다. 태양광 셀은 일조량, 기온 등에 따라 상이한 전압-전류 특성을 가지며, 최대 전력 점(MPP) 또한 변동된다. (발전전력 = 전압 X 전류) 옵티마이저(Optimizer)는 태양광 셀이 각 조건에서 전력이 최대가 되는 동작점인 최대 전력 점(MPP)에서 태양광 셀이 동작하도록 셀 스트링의 출력전력을 최적화하는 역할을 한다. 여기서, 옵티마이저는 모듈 레벨 파워 일렉트로닉스(Module-Level Power Electronics, MLPE)를 포함할 수 있다. 이를 최대전력점 추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking)이라 하고, 최대전력점 추종을 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 태양광 패널에서 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.
인버터(240)는 그리드(241)에 전력을 공급하거나, 그리드(241)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 인버터(240)는 DC 링크단(210)와 연결되어 DC 링크단(210)로부터 DC 전력을 수신하고 AC 전력으로 변환하여 부하 또는 그리드(241)에 전력을 공급할 수 있다. AC 전력을 필요로 하는 부하에 AC 전력을 공급하고, 여분의 전력을 그리드, 즉 계통으로 전달할 수 있다. 또는, 그리드(241)로부터 AC 전력을 수신하여 DC 전력으로 변환하여 DC 링크단(210)으로 출력할 수 있다. 여기서, 인버터(240)는 DC-AC 인버터를 포함할 수 있다.
태양광 발전 모듈부(230)에서 발전된 전력은 DC 링크단(210)로 전달되고, 인버터(240)를 통해 그리드(241)로 제공될 수 있다.
태양광 발전 모듈(230)에서 발전된 전력은 DC 링크단(210)로 전달되고, 전력변환부(120)를 통해 배터리(220)를 충전할 수 있다. 또는, 그리드(241)로부터 입력받은 전력은 인버터(240)를 통해 DC 링크단(210)로 전달되고, 전력변환부(120)를 통해 배터리(220)를 충전할 수 있다. 또한, 배터리(220)에 저장된 전력은 전력변환부(120)를 통해 DC 링크단(210)로 전달되고, 인버터(240)를 통해 부하 또는 그리드(241)로 제공될 수 있다.
부하는 DC 링크단(210)에 직접 연결될 수 있다. 여기서, 부하(250)은 DC 전력을 이용하는 부하일 수 있다. 이외에, 차량용 급속충전기와 같은 충전모듈, 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS), 등 다양한 장치들이 DC 링크단에 연결될 수 있다.
제어부(140)는 상기와 같이, 복수의 장치가 병렬연결되는 구성에서 다른 전력변환부 또는 그에 대응되어 연결되는 장치들의 정보가 아닌 DC 링크단의 전압을 이용하여 전력변환부(120)를 제어할 수 있다.
도 4의 제1 구간(idesl area)에서 태양광 발전 모듈(230)에서 출력되어 DC 링크단(210)으로 전달되는 전력이 인버터(240)를 통해 그리드(241)로 제공되어 DC 링크단의 전압이 안정적인 상태의 구간으로, 이때, 제어부(140)는 전력변환부(120)가 동작하지 않도록 할 수 있다.
제어부(140)는 상기 DC 링크단의 전압이 상기 제1 구간보다 낮은 제2 구간(discharging area)에서 배터리(220)를 방전시키도록 전력변환부(120)를 동작시키고, 상기 DC 링크단의 전압이 상기 제1 구간보다 높은 제3 구간(charging area)에서 배터리(220)를 충전시키도록 전력변환부(120)를 동작시킬 수 있다.
태양광 발전 모듈(230), 인버터(240), 부하(250)의 전력변환부도 각각 DC 링크단(210)의 전압에 따라 Droop 제어될 수 있다. 즉, DC 링크에 연결되는 장치들이 많더라도, 각 장치의 전력변환부들을 DC 링크단의 전압에 따라 Droop 제어를 통해 독립운전이 가능하다. DC 링크에 연결되는 장치가 많고, 제어가 통신 기반으로 수행되는 경우, 에너지 저장부의 충방전은 연계되는 PV 모듈, 인버터 모듈, 차저모듈의 발전, 출력량에 따라 결정될 수 있고, 해당 데이터를 통신을 통해 수신하는 시간은 병렬 연결되는 장치의 개수에 비례하여 길어질 수 있다. 즉, 연결되는 장치의 수량이 많아질수록 제어 주기가 길어지고 제어가 복잡해질 수 있다.
각 장치의 전력의 변화는 DC 링크단의 전압에 변화를 발생시키는 점을 이용하여 DC 링크의 전압에 따른 Droop 제어를 통해 각각 정보의 송수신없이 독립운전이 가능하다.
PV모듈의 발전량에서 DC-AC 인버터 출력량 및 차저(Charger) DCDC 출력량을 뺀 전력량과 배터리 DC-DC 충방전량이 같다는 조건을 만족하면 DC 링크단의 전압에 변동이 없게 된다. 즉, 발전량과 소비량이 같으면 DC 링크단의 전압은 일정하게 유지된다. 이때, DC 링크단의 전압이 낮아지는 것은 발전량보다 소비량이 크다는 것이고 DC 링크단의 전압이 높아지는 것은 발전량이 소비전력보다 크다는 것으로, DC 링크단의 전압의 변화를 통해 각 구성의 전력의 변화를 검출하여 필요한 조치(각 구성품들의 동작 결정)를 취하는 것이 Droop 제어이다. 이러한 Droop 제어를 통해 연결되는 제품의 병렬 수량에 상관없이 파워제어가 가능하고, DC 링크단의 전압에 따른 Droop 제어로 동작이 단순하고 독립 운전 시에도 빠른 부하대응이 가능하다.
Droop 제어시, 링크 단의 전압에 따라 각 장치의 출력전력이 스텝형태로 변경되는데, 이로 인하여, 전압리플이 발생할 수 있다. 스몰캡(Small cap)이적용된 다양한 인버터의 경우, 기준전압대비 피드백 전압차에 따라 전류지령 스텝으로 변경되는 경우, 링크 단 링잉이 발생하거나 전압이 발산할 가능성이 존재하여 안정적인 동작이 어려울 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(100)의 제어부(140)는 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, DC 링크단의 전압과 기준 전압의 차를 이용하여 전력변환부(120)를 제어하고, 전력변환부(120)의 동작에 따른 DC 링크단의 전류를 이용하여 기준 전압을 조정하여, DC 링크단(210)에 연결된 다른 장치들이 조정된 기준 전압을 따라 동작함으로써 DC 링크단(210)의 전압 리플을 방지할 수 있다.
출력부(130)에는 배터리(220)가 연결될 수 있고, 제어부(140)는 전력변환부(120)를 제어하여 배터리(220)를 충전 또는 방전시킬 수 있다. 여기서, 제어부(140)는 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 상기 배터리를 충전하거나 방전할 전력량을 산출할 수 있다. 이때, 산출되는 전력량을 모두 반영하는 경우, 갑자스런 동작에 따라 동작범위를 벗어날 수 있다. 이로 인해 고장 등이 발생하는 위험을 방지하기 위하여, 제어부(140)는 소정의 전력 범위내로 상기 전력변환부(120)의 동작을 제한할 수 있다. 예를 들어, 전체 동작범위 중 0.3 내지 0.95 범위로 제한할 수 있다.
제어부(140)는 상기 DC 링크단에 연결되는 장치들의 충전전력 또는 방전전력의 변화에 따라 상기 DC 링크단의 전압 또는 전류가 변하는 경우, 상기 기준 전압을 조정할 수 있다.
제어부(140)는 DC 링크단(210)의 전압이 이상적인 구간 즉 도 4의 제1 구간을 벗어나, 전력이 변화가 발생하는 경우, DC 링크단(210)의 전압을 바로 이용하여 동작하지 않고, DC 링크단(210)의 전압과 기준전압을 비교할 수 있다. 초기 기준 전압은 상기 DC 링크단에 연결되는 장치들이 충전 또는 방전되지 않는 상태에서의 전압으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 초기 기준 전압은 420 V로 설정될 수 있다. DC 링크단(210)의 전압과 기준전압을 비교하고, 두 값의 차이를 이용하여, 전력변환부(120)를 통해 배터리(220)를 충전하거나 방전시킬 전력을 산출할 수 있다. 그에 따라 전력변환부(120)를 제어하고, 전력변환부(120)가 충전동작시 DC 링크단(210)에서 전력을 수신할 수 있고, 방전동작시 DC 링크단(210)에 전력을 공급할 수 있다. 그로 인해, DC 링크단 전류에 변화가 발생할 수 있고, DC 링크단 전류를 이용하여 전력변환부(120)를 제어하는데 이용하는 기준 전압을 조정할 수 있다.
제어부(140)는 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차가 0이거나 소정의 범위 내가 될 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복할 수 있다. 전력변환부(120)의 동작에 의해 DC 링크단(210)에 공급되거나, DC 링크단(210)으로부터 소비되는 전력이 배터리(220)를 충전하거나 방전하게 되고, 이로 인해, DC 링크단의 전압이 달라질 수 있다. 그 과정에서 링크단의 전류를 반영하여 조정된 기준 전압과 링크단의 전압이 같아질 때까지 전력변환부(120)의 제어 및 기준 전압을 조정하는 과정을 반복할 수 있다. 서지(surge)성으로 변화된 전압은 빠른 시간 내에 제자리로 돌아오기 때문에, 기준 전압의 조정이 빨리 종료될 수 있다. 또는 전력이 지속으로 DC 링크단(210)으로 입력되거나 출력되는 경우, 그에 따른 DC 링크단의 전압과 기준 전압이 같아질 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복하게 되고, DC 링크단의 전압과 기준 전압이 같아지면 그에 따라 안정적으로 동작하게 된다. DC 링크단의 전압과 기준 전압의 차가 0이 아니더라도 소정의 범위, 예를 들어 오차 범위내가 될 때까지 기준 전압의 조정과정을 반복할 수 있다.
상기 기준 전압을 조정하는 과정의 반복을 통해, DC 링크단의 전력의 변화를 급하게 반영하여 리플이 발생하는 것을 방지하고, DC 링크단의 전력변화에 따른 전압을 따라가며 안정적으로 동작하도록 할 수 있다.
DC 링크단(210)으로 입력되거나 출력되는 전력의 변화에 따라 기준 전압을 조정하는 과정은 도 5 내지 도 11의 과정을 통해 수행될 수 있다.
제어부(140)는 도 5의 과정을 통해 동작할 수 있다. 먼저, V_ref1은 초기 기준 전압이고, DC 링크단(210)의 전력변화에 따라 DC 링크단의 전압이 변하면, 기준 전압인 V_ref2와 DC 링크단 전압인 V_fdk을 비교하여 그 차이인 V_err를 산출할 수 있다. 기준 전압은 아직 조정 전인바, 이때, V_ref1과 V_ref2는 동일한 값이다.
이후, DC 링크단 전압과 기준 전압의 차이 V_err를 이용하여 기준 전류 I_층 를 산출한다. 여기서, I_cmd는 I_ref 라 할 수 있다. 그에 따라 전력변환부(120)를 제어할 전력을 산출하고, 그에 따라 전력변환부(120)를 제어할 PWM 신호를 생성할 수 있다. 이때, 필터를 통해 전력변화량은 0.3 내지 0.95로 한정할 수 있다. 생성된 PWM 신호를 이용하여 전력변환부(120)가 동작하여 DC 링크 전류가 흐르는 경우, 인버터전류인 I_iPI_fbk(I_inv) 전류를 이용하여 기준 전압 V_ref1 에 반영하여, 기준 전압을 V_ref2로 조정한다.
기준 전압이 조정되어 반복되는 과정을 통해 도 6과 같이 각 시점에서의 값이 조정되거나 변할 수 있고, 이때, 각 구성간 변화는 도 7 내지 도 11과 같이 이루어질 수 있다.
먼저, DC 링크단(210)에 공급되는 전력이 0 kW로 안정적인 상태인 k-1 시점에서 DC 링크단 전압 V_link 과 기준 전압 V_ref는 초기 기준 전압인 420 V일 수 있다.
이때, k 시점에서 DC 링크단(210)으로 인버터(240)에서 3.5 kW가 공급되는 경우, 그로 인해, DC 링크단 전압이 420 V에서 435 V로 올라가게 되고, 도 7과 같이, DC 링크단 전류로 12 A가 인가된다. 또한, DC 링크단 전압과 기준 전압의 차인 V_err가 15 V가 된다. 아직, 전력변환부(120)는 동작하지 않는다.
이후, DC 링크단 전압과 기준 전압의 차를 이용하여 기준 전압의 조정이 이루어진다. k+1 시점에서, 제어부(140)에 의해 전력변환부(120)가 배터리(220)를 4 kW 충전하도록 동작하고, 전력변환부(120)의 동작에 의해 전력변환장치(100)로 12 A가 인가되고, 그로 인해, DC 링크단 전압은 430 V로 떨어지고, 기준 전압은 422 V로 올라가고, 그로 인해 DC 링크단 전압과 기준 전압의 차인 V_err는 8 V가 된다.
이후, 아직 DC 링크단 전압과 기준 전압에 차이가 있는바, 기준 전압의 조정이 반복된다. k+2 시점에서 DC 링크 전압이 떨어진 것이 반영되어 DC 링크단으로 입력되는 전류는 8.1 A가 되고, 전력변환장치로 인가되는 전류가 12 A에서 9 A가 인가되고, 그로 인해 DC 링크단 전압은 다시 433 V가 되고, 기준 전압은 430 V로 올라가고, 그로 인해 DC 링크단 전압과 기준 전압의 차인 V_err는 5 V로 줄어들게 된다.
아직 DC 링크단 전압과 기준 전압에 차이가 있는바, 기준 전압의 조정이 반복된다. k+3 시점에서 DC 링크 전압이 떨어진 것이 반영되어 DC 링크단으로 입력되는 전류는 8.1 A가 되고, 전력변환장치로 인가되는 전류가 9 A에서 8.1 A가 인가되고, 그로 인해 DC 링크단 전압은 430 V가 되고, 기준 전압인 430 V과 같아지고, 그로 인해 DC 링크단 전압과 기준 전압의 차인 V_err는 0 V가 된다.
k+3 시점에서 DC 링크단 전압과 기준 전압이 같아지게 되어 최종 기준 전압은 430 V가 되고, 그에 따라 전력변환장치(100)가 동작하게 된다. DC 링크단(210)의 입력되는 전력에 변화가 생기면 상기 과정을 반복하여 DC 링크단(210)의 전압을 추종하게 된다. 그 과정에서 상승했던 DC 링크단의 전압은 안정적인 전압으로 내려가고, 기준 전압도 DC 링크단의 전압과 같아지도록 조정된다.
이를 통해, DC 링크단의 전압이 안정적인 드룹 제어를 수행할 수 있다. 또한, 인버터 등에서 소비(공급)하는 전력에 따라 링크 단 전압을 드룹커브에 따라 링크전압을 추적하기 때문에 타 전력변환장치와 병렬운전이 가능하다.
DC 링크단(210)에 연결되는 장치들은 상기 DC 링크단의 전압에 따라 전력이 제어되는 드룹(Droop) 제어로 동작하고, 상기 기준 전압은 상기 드룹 제어의 드룹 제어 커브의 입력일 수 있다. 기준 전압은 장치별로 동일하거나 개별적으로 적용될 수 있다. DC 링크단(210)에 연결되는 장치들은 제어부(140)가 조정하는 기준 전압을 이용하여 droop 제어되거나, DC 링크단(210)의 전압을 기준 전압으로 이용하여 droop 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 DC 링크단(210), DC 링크단(210)과 연결되는 태양광 발전 모듈(230), DC 링크단(210)과 그리드(241) 사이에 연결되는 인버터(240), 및 DC 링크단(210)과 배터리(220) 사이에 연결되는 하나 이상의 DC-DC 컨버터(101,102)를 포함하고, DC 링크단(210)에 연결된 장치들은 기준전압에 따라 전력이 제어되는 드룹(Droop) 제어로 동작하고, DC-DC 컨버터(101,102)는 DC 링크단(210)에 연결된 장치 중 어느 하나의 장치의 전력이 변하는 경우, DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 상기 배터리를 충전 또는 방전시키고, 상기 배터리의 충방전에 따른 상기 DC 링크단의 전류를 이용하여 상기 기준 전압을 조정한다. DC-DC 컨버터는(101,102) 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차가 0이거나 소정의 범위 내가 될 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 태양광 발전 시스템의 각 구성에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11의 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
DC-DC 컨버터가 복수로 연결되는 경우, DC 링크단에 공급되는 전력의 변화를 분담하여 담당할 수 있어, 감당할 수 있는 전력의 변화의 크기가 커질 수 있고, 더 빠르게 안정될 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.
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.

Claims (10)

  1. DC 링크단과 연결되고, 상기 DC 링크단의 전압 및 전류를 입력받는 입력부;
    상기 DC 링크단의 전압을 변환하는 전력변환부;
    상기 변환된 전압을 출력하는 출력부; 및
    상기 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 전력변환부를 제어하고, 상기 전력변환부의 동작에 따른 상기 DC 링크단의 전류를 이용하여 상기 기준 전압을 조정하는 제어부를 포함하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차가 0이거나 소정의 범위 내가 될 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC 링크단에 연결되는 장치들은 상기 DC 링크단의 전압에 따라 전력이 제어되는 드룹(Droop) 제어로 동작하고,
    상기 기준 전압은 상기 드룹 제어의 드룹 제어 커브의 입력인 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는 배터리와 연결되고,
    상기 제어부는 상기 전력변환부를 제어하여 상기 배터리를 충전 또는 방전시키는 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 상기 배터리를 충전하거나 방전할 전력량을 산출하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    소정의 전력 범위내로 상기 전력변환부의 동작을 제한하는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    초기 기준 전압은 상기 DC 링크단에 연결되는 장치들이 충전 또는 방전되지 않는 상태에서의 전압으로 설정되는 전력변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 DC 링크단에 연결되는 장치들의 충전전력 또는 방전전력의 변화에 따라 상기 DC 링크단의 전압 또는 전류가 변하는 경우, 상기 기준 전압을 조정하는 전력변환장치.
  9. DC 링크단;
    상기 DC 링크단과 연결되는 태양광 발전모듈;
    상기 DC 링크단과 그리드 사이에 연결되는 인버터; 및
    상기 DC 링크단과 배터리 사이에 연결되는 하나 이상의 DC-DC 컨버터를 포함하고,
    상기 DC 링크단에 연결된 장치들은 기준전압에 따라 전력이 제어되는 드룹(Droop) 제어로 동작하고,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 DC 링크단에 연결된 장치 중 어느 하나의 장치의 전력이 변하는 경우, 상기 DC 링크단의 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차를 이용하여 상기 배터리를 충전 또는 방전시키고, 상기 배터리의 충방전에 따른 상기 DC 링크단의 전류를 이용하여 상기 기준 전압을 조정하는 태양광 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 DC 링크단의 전압과 상기 기준 전압의 차가 0이거나 소정의 범위 내가 될 때까지 상기 기준 전압의 조정을 반복하는 태양광 발전 시스템.
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