KR102488002B1 - 전력 변환 시스템 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

전력 변환 시스템 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은 공통 단자를 포함하는 DC 버스 라인, 공통 단자로 직류 전력을 제공하는 전력 생성 장치, 공통 단자로부터 제공되는 제1 입력 전력을 제1 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제1 인버터 및 제1 인버터가 동작하는 동안 제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 것에 응답하여 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제2 인버터를 포함한다.

Description

전력 변환 시스템 및 그것의 동작 방법{POWER CONVERSION SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 전력 변환 시스템에 관한 것으로써, 좀 더 상세하게는 복수의 인버터들을 포함하는 전력 변환 시스템 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
전력 변환 시스템은 태양광을 이용한 발전 시스템, 풍력을 이용한 발전 시스템 등 다양한 분야의 발전 시스템에서 사용된다. 태양광 발전 시스템에서 인버터는 태양광 패널에서 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환한다. 인버터는 태양광 패널 및 어레이(array)와의 조합 형태에 따라 MIC(Module-Integrated Converter), 스트링(string), 멀티스트링(multi-string), 센트럴(central) 및 멀티 센트럴(multi-central) 인버터로 등으로 구분될 수 있다.
MIC는 각 패널 별로 인버터를 부착하는 형태로, 설치가 용이하며, 그림자나 설치 조건의 차이 등으로 인해 패널간 일조 조건이 상이할 때에도 최대 에너지 수확이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 전력 변환 효율이 대형 인버터에 비해 다소 낮고, 대용량 시스템 구현 시 많은 수의 인버터가 사용되므로 비용 부담이 클 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 MIC를 효율적으로 동작시키는 전력 변환 시스템에 관한 연구가 진행되고 있지만, 종래 기술은 MIC의 하드웨어 구조를 변경시킴에 따라, 기존 MIC를 활용하는데 어려움이 있을 수 있다.
본 발명은 상술된 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 기존 MIC의 하드웨어 구조를 변경시키지 않고 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있는 전력 변환 시스템 및 그것의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은 공통 단자를 포함하는 DC 버스 라인, 상기 공통 단자로 직류 전력을 제공하는 전력 생성 장치, 상기 공통 단자로부터 제공되는 제1 입력 전력을 제1 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제1 인버터 및 상기 제1 인버터가 동작하는 동안 상기 제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 것에 응답하여 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제2 인버터를 포함한다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 인버터들이 동작을 수행할 때 상기 제2 입력 전력이 제2 임계 전력보다 작은 경우, 상기 제2 인버터가 동작을 정지할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 인버터의 제1 기동 전압은 상기 제2 인버터의 제2 기동 전압보다 낮게 설정될 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 인버터는 상기 제2 인버터보다 먼저 기동할 수 있는 전력 변환 시스템.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 인버터는 상기 공통 단자로부터 제공되는 공통 단자 전압 및 제1 입력 전류를 감지하여 최대 출력점 추종 제어(MPPT; maximum power point tracking)를 수행하고, 상기 제2 인버터는 상기 공통 단자 전압 및 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전류를 감지하여 최대 출력점 추종 제어를 수행할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 공통 단자 전압이 최대 출력 전압을 유지하다가 미리 정해진 시간 동안 상기 최대 출력 전압보다 높아지거나 상기 제1 및 제2 입력 전류 중 하나가 특정 크기로 커지는 경우, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 어느 하나는 상기 제1 및 제2 인버터들 중 다른 하나가 동작을 정지한 것으로 판별할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 공통 단자 전압이 최대 출력 전압을 유지하다가 미리 정해진 시간 동안 상기 최대 출력 전압보다 낮아지거나 상기 제1 및 제2 입력 전류 중 하나가 특정 크기로 작아지는 경우, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 어느 하나는 상기 제1 및 제2 인버터들 중 다른 하나가 정지 상태에서 동작을 시작한 것으로 판별할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 공통 단자 전압이 상기 제1 인버터의 제1 기동 전압보다 높아지고, 상기 공통 단자 전압이 개방 전압에서 최대 출력 전압으로 낮아지지 않는 경우, 상기 제2 인버터는 상기 제1 인버터를 기동 불능으로 판별할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 입력 전력이 제3 임계 전력을 초과하고, 상기 공통 단자 전압이 임계 전압으로 유지되는 경우, 상기 제1 인버터는 상기 제2 인버터를 기동 불능으로 판별할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기와 상기 제2 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기는 서로 소(relatively prime)일 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 적어도 하나는 상기 최대 출력점 추종 제어의 각각의 수행 주기에 기초하여 상기 최대 출력점 추종 제어와 대응하는 상기 공통 단자 전압의 변동을 판별하고, 상기 변동에 대하여 임의의 동작을 수행하지 않을 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 전력 생성 장치는 태양광 패널일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 제1 인버터 및 제2 인버터를 포함하는 전력 변환 시스템의 동작 방법은 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터가 전력 생성 장치로부터 DC 버스 라인의 공통 단자로 제공되는 공통 단자 전압을 감지하는 단계, 상기 제1 인버터가 상기 공통 단자 전압에 따라 상기 공통 단자로부터 제공되는 제1 입력 전력을 제1 교류 전력으로 변환하여 출력하는 단계 및 상기 제1 인버터가 동작하는 동안 상기 제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 것에 응답하여, 상기 제2 인버터가 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 출력하는 단계를 포함한다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 임계 전력은 상기 제1 인버터가 미리 정해진 효율 이상으로 동작할 수 있는 최소 전력의 2배 또는 상기 제1 인버터가 상기 미리 정해진 효율 이상으로 동작할 수 있는 최대 전력일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 동작 방법은 상기 제2 입력 전력이 제2 임계 전력보다 작은 경우, 상기 제2 인버터가 동작을 정지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제2 임계 전력은 상기 제2 인버터가 미리 정해진 효율 이상으로 동작할 수 있는 최소 전력일 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 인버터들은 최대 출력점 추종 제어(MPPT; maximum power point tracking)를 수행함으로써 상기 제1 교류 전력 및 상기 제2 교류 전력을 각각 출력할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제1 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기와 상기 제2 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기는 서로 소(relatively prime)일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 동작 방법은 상기 제1 및 제2 인버터들 중 적어도 하나가 상기 공통 단자 전압의 주파수 성분의 크기를 판별하는 단계, 상기 공통 단자 전압의 상기 주파수 성분의 크기가 미리 설정된 주파수 성분의 크기보다 큰 경우, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 적어도 하나가 주파수 성분의 크기 변동이 상기 최대 출력점 추종 제어와 대응하는 것인지 여부를 판별하는 단계 및 상기 주파수 성분의 크기 변동이 상기 최대 출력점 추종 제어와 대응하는 것이 아닌 경우, 상기 제1 및 제2 인버터 중 적어도 하나는 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기와 관계 없이 상기 최대 출력점 추종 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은 기존 MIC의 하드웨어 구조를 변경시키지 않고 인버터들의 동작 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 인버터의 동작에 따라 발생되는 상호 간섭을 효과적으로 제거할 수 있는 전력 변환 시스템의 동작 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 변환 시스템의 구현 예시를 보여준다.
도 3은 도 1의 인버터들의 동작 효율을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1의 인버터들의 최대 전력점 추종 제어를 설명하기 위한 예시를 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 1의 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 하나의 실시 예를 보여주는 순서도이다.
도 6은 도 1의 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 다른 실시 예를 보여주는 순서도이다.
도 7은 도 1의 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 다른 실시 예를 보여주는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터의 최대 출력점 추종 제어에 따른 상호 간섭을 회피하는 하나의 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터의 최대 출력점 추종 제어에 따른 상호 간섭을 회피하는 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 상호 간섭 회피와 관련된 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 하나의 실시 예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들이 상세하게 설명된다. 이하의 설명에서, 상세한 구성들 및 구조들과 같은 세부적인 사항들은 단순히 본 발명의 실시 예들의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된다. 그러므로 본 발명의 기술적 사상 및 범위로부터의 벗어남 없이 본문에 기재된 실시 예들의 변형들은 통상의 기술자 의해 수행될 수 있다. 더욱이, 명확성 및 간결성을 위하여 잘 알려진 기능들 및 구조들에 대한 설명들은 생략된다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명의 기능들을 고려하여 정의된 용어들이며, 특정 기능에 한정되지 않는다. 용어들의 정의는 상세한 설명에 기재된 사항을 기반으로 결정될 수 있다.
이하의 도면들 또는 상세한 설명에서의 모듈들은 도면에 도시되거나 또는 상세한 설명에 기재된 구성 요소 이외에 다른 것들과 연결될 수 있다. 모듈들 또는 구성 요소들 사이의 연결은 각각 직접적 또는 비직접적일 수 있다. 모듈들 또는 구성 요소들 사이의 연결은 각각 통신에 의한 연결이거나 또는 물리적인 접속일 수 있다.
상세한 설명에서 사용되는 부 또는 유닛(unit), 모듈(module), 계층(layer), 로직(logic) 등의 용어를 참조하여 설명되는 구성 요소들은 소프트웨어, 또는 하드웨어, 또는 그것들의 조합의 형태로 구현될 수 있다. 예시적으로, 소프트웨어는 기계 코드, 펌웨어, 임베디드 코드, 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 예를 들어, 하드웨어는 전기 회로, 전자 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어들, 압력 센서, 관성 센서, 멤즈(Micro Electro Mechanical System; MEMS), 수동 소자, 또는 그것들의 조합을 포함할 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 본문에서 사용되는 기술적 또는 과학적인 의미를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 이해될 수 있는 의미를 갖는다. 일반적으로 사전에서 정의된 용어들은 관련된 기술 분야에서의 맥락적 의미와 동등한 의미를 갖도록 해석되며, 본문에서 명확하게 정의되지 않는 한, 이상적 또는 과도하게 형식적인 의미를 갖도록 해석되지 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템 등 다양한 분야의 발전 시스템에 적용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템이 태양광 발전 시스템에 적용되는 것으로 가정하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 태양광 발전 시스템에 포함되는 태양광 패널은 다양한 종류의 전력 생성 장치 중 하나일 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템을 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 전력 변환 시스템(100)은 제1 태양광 패널(110), 제2 태양광 패널(120), DC 버스 라인(130), 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)를 포함한다. 제1 태양광 패널(110) 및 제2 태양광 패널(120)은 DC 버스 라인(130)을 통해 병렬로 연결되고, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 DC 버스 라인(130)을 통해 병렬로 연결된다.
제1 태양광 패널(110)은 입사하는 태양광 에너지에 기초하여 제1 직류 전력을 생성하고, 생성된 제1 직류 전력을 출력할 수 있다. 제1 태양광 패널(110)은 제1 직류 전력을 DC 버스 라인(130)으로 출력할 수 있다. 제1 직류 전력은 제1 태양광 패널(110)에 입사하는 태양광 에너지의 밀도에 따라 달라질 수 있고, 태양광 에너지의 밀도는 시간 및 기상 조건 등에 따라 달라질 수 있다.
제2 태양광 패널(120)은 입사하는 태양광 에너지에 기초하여 제2 직류 전력을 생성하고, 생성된 제2 직류 전력을 출력할 수 있다. 제2 태양광 패널(120)은 제2 직류 전력을 DC 버스 라인(130)으로 출력할 수 있다. 제2 직류 전력은 제1 직류 전력과 마찬가지로 제2 태양광 패널(120)에 입사하는 태양광 에너지의 밀도에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 제1 태양광 패널(110)과 제2 태양광 패널(120)에 입사하는 태양광 에너지의 밀도가 동일하고, 제1 태양광 패널(110)과 제2 태양광 패널(120)의 상태(예를 들어, 패널의 면적, 사용된 부품 및 소재, 패널의 오염 정도 등)가 동일한 경우, 제1 태양광 패널(110) 및 제2 태양광 패널(120)에서 출력되는 각각의 직류 전력은 동일할 수 있다.
DC 버스 라인(130)은 제1 태양광 패널(110)로부터 제1 직류 전력을 수신하고, 제2 태양광 패널(120)로부터 제2 직류 전력을 수신할 수 있다. DC 버스 라인(130)은 DC 버스 라인(130)의 공통 단자를 통해 제1 직류 전력과 제2 직류 전력을 수신할 수 있다. 이에 따라, 제1 직류 전력과 제2 직류 전력이 합해진 직류 전력이 DC 버스 라인(130)으로 제공될 수 있다.
제1 인버터(140)는 DC 버스 라인(130)을 통해 제공되는 제1 입력 전력을 수신하고, 제1 입력 전력을 제1 교류 전력으로 변환할 수 있다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 제1 인버터(140)는 직류-교류 변환에 필요한 전력회로 및 컨트롤러, DC 버스 라인(130)의 공통 단자로부터 공급되는 제1 입력 전력에 대한 전압 및 전류를 측정하는 센서 및 출력되는 교류 전력의 전류, 전압, 주파수 및 위상을 측정하는 센서를 포함할 수 있다.
제1 인버터(140)는 공통 단자로부터 공급되는 제1 입력 전력에 대한 제1 입력 전압(이하에서는, 제1 입력 전압이 공통 단자 전압과 동일하므로 공통 단자 전압으로 기재함) 및 제1 입력 전류를 감지하고, 감지 결과에 기초하여 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 인버터(140)는 공통 단자 전압이 제1 기동 전압(V1in-start)보다 높아지는 경우, 동작을 시작할 수 있다. 즉, 제1 기동 전압(V1in-start)은 제1 인버터(140)가 정지 상태에서 정상적으로 동작을 개시할 수 있는 최소의 전압일 수 있다.
제1 인버터(140)는 공통 단자 전압 및 제1 입력 전류를 감지하여 제1 인버터(140)가 최대 출력점(maximum power point)에서 동작할 수 있도록, 최대 출력점 추종 제어(MPPT; maximum power point tracking)를 수행할 수 있다. 이에 따라, 제1 인버터(140)는 DC 버스 라인(130)을 통해 제공되는 제1 입력 전력을 기반으로 최대의 교류 전력을 출력할 수 있다.
제2 인버터(150)는 DC 버스 라인(130)을 통해 제공되는 제2 입력 전력을 수신하고, 제2 입력 전력을 제2 교류 전력으로 변환할 수 있다. 도 1에는 도시하지 않았지만, 제2 인버터(150)는 직류-교류 변환에 필요한 전력회로 및 컨트롤러, DC 버스 라인(130)의 공통 단자로부터 공급되는 제2 입력 전력에 대한 전압 및 전류를 측정하는 센서 및 출력되는 교류 전력의 전류, 전압, 주파수 및 위상을 측정하는 센서를 포함할 수 있다.
제2 인버터(150)는 공통 단자로부터 공급되는 제2 입력 전압(이하에서는, 제2 입력 전압이 공통 단자 전압과 동일하므로, 공통 단자 전압으로 기재함) 및 제2 입력 전류를 감지하고, 감지 결과에 기초하여 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압이 제2 기동 전압(V2in-start)보다 높아지는 경우, 동작을 시작할 수 있다. 즉, 제2 기동 전압(V2in-start)은 제2 인버터(150)가 정지 상태에서 정상적으로 동작을 개시할 수 있는 최소의 전압일 수 있다.
예시적으로, 제1 인버터(140)의 제1 기동 전압(V1in-start)은 제2 인버터(150)의 제2 기동 전압(V2in-start)보다 낮게 설정될 수 있다. 이에 따라, 제1 인버터(140)가 제2 인버터(150)보다 먼저 동작을 시작할 수 있다.
제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 제2 입력 전류를 모니터할 수 있다. 제2 인버터(150)는 별도의 통신 장치를 이용하지 않고, 공통 단자 전압 및 제2 입력 전류의 변화에 기초하여 제1 인버터(140)의 동작 상태를 판별할 수 있다. 예를 들어, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 제2 입력 전류의 변화에 기초하여 제1 인버터(140)가 동작을 시작했는지, 동작을 정지했는지, 또는 기동 불능인지 여부를 판별할 수 있다.
또한, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 제2 입력 전류의 변화에 기초하여 제1 인버터(140)로 제공되는 제1 입력 전력의 크기를 판별할 수 있다. 제2 인버터(150)는 제1 입력 전력의 크기, 제1 인버터(140)의 동작 상태 등에 기초하여 제2 인버터(150)의 동작을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제2 인버터(150)는 동작 시작 및 동작 정지를 결정할 수 있다.
제1 인버터(140)가 단독으로 동작을 수행하는 경우(이하에서는 통합 운전이라 지칭함), 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력은 모두 제1 인버터(140)로 제공될 수 있다. 즉, 제1 입력 전력은 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력을 합한 값일 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)가 각각 동작을 수행하는 경우(이하에서는 개별 운전이라 지칭함), 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력은 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)로 분산되어 제공될 수 있다. 즉, 제1 입력 전력과 제2 입력 전력의 합이 제1 직류 전력과 제2 직류 전력을 합한 값일 수 있다.
제1 직류 전력과 제2 직류 전력을 합한 값이 제1 임계 전력보다 작은 경우, 인버터의 동작 효율을 향상시키기 위해 제1 인버터(140)가 단독으로 동작할 수 있다. 제1 임계 전력은 제1 인버터(140)가 단독으로 동작하는 동안, 특정 효율 이상을 유지할 수 있는 입력 전력의 최대 크기일 수 있다. 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)로 제공되는 제1 입력 전력의 크기가 제1 임계 전력보다 작은 경우, 제1 인버터(140)의 동작 효율이 향상될 수 있도록 정지 상태를 유지할 수 있다.
제1 직류 전력과 제2 직류 전력을 합한 값이 제1 임계 전력보다 큰 경우, 인버터의 동작 효율을 향상시키기 위해 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 개별적으로 동작할 수 있다. 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)로 제공되는 제1 입력 전력의 크기가 제1 임계 전력보다 큰 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)의 동작 효율이 향상될 수 있도록 동작을 시작할 수 있다.
제2 인버터(150)가 동작을 시작하는 경우, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 제2 입력 전류를 감지하여 최대 출력점 추종 제어를 수행할 수 있다. 이에 따라, 제2 인버터(150)는 DC 버스 라인(130)을 통해 제공되는 제2 입력 전력을 기반으로 최대의 교류 전력을 출력할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템(100)은 공통 단자를 포함하는 DC 버스 라인(130)을 포함하고, DC 버스 라인(130)을 통해 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키기 위해 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)를 포함할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 별도의 중앙 제어 장치 또는 통신 장치 없이 DC 버스 라인(130)으로 출력되는 직류 전력을 감지하여 동작을 시작할지 또는 동작을 정지할지 여부를 결정할 수 있다.
따라서, 전력 변환 시스템(100)은 직류 전력을 제1 인버터(140) 또는 제2 인버터(150)로 제공하기 위한 별도의 전력선 연결부 및 스위치를 포함하지 않을 수 있다. 또한, 전력 변환 시스템(100)의 하드웨어 구조를 변경하지 않고, 제1 인버터(140) 또는 제2 인버터(150)의 소프트웨어만을 변경하여 통합 운전 또는 개별 운전을 가능하게 할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 DC 버스 라인(130)으로 출력되는 직류 전력에 따라 통합 운전 또는 개별 운전을 선택함으로써 동작 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 전력 변환 시스템(100)이 2개의 태양광 패널들(110, 120) 및 2개의 인버터들(140, 150)을 포함하는 것으로 도시되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템(100)은 다양한 개수의 태양광 패널들 및 다양한 개수의 인버터들을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 2개의 태양광 패널들(110, 120) 및 2개의 인버터들(140, 150)을 포함하는 도 1의 전력 변환 시스템(100)을 기준으로 실시 예들이 설명될 것이다.
도 2는 도 1의 전력 변환 시스템의 구현 예시를 보여준다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 시스템(100')은 제1 태양광 패널(110), 제2 태양광 패널(120), DC 버스 라인(130), 제1 인버터(140), 제2 인버터(150) 및 AC 계통 전력선(160)을 포함한다. 전력 변환 시스템(100')의 제1 태양광 태널(110), 제2 태양광 패널(120), DC 버스 라인(130), 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 도 1의 전력 변환 시스템(100)의 제1 태양광 태널(110), 제2 태양광 패널(120), DC 버스 라인(130), 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)와 유사하게 동작하므로 상세한 설명은 생략된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 태양광 패널(110) 및 제2 태양광 패널(120)은 DC 버스 라인(130)의 공통 단자(131)와 병렬로 연결되고, 공통 단자(131)로 직류 전력을 출력할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 DC 버스 라인(130)의 공통 단자(131)와 병렬로 연결되고, 공통 단자(131)로부터 제공되는 전압 및 전류를 감지할 수 있다. 제1 인버터(140)는 공통 단자 전압(Vc) 및 제1 인버터(140)로 제공되는 제1 입력 전류(I1in)를 감지할 수 있다. 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압(Vc) 및 제2 인버터(150)로 제공되는 제2 입력 전류(I2in)를 감지할 수 있다. 감지 결과에 기초하여 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 공통 단자(131)를 통해 제공되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
제1 인버터(140)는 제1 컨트롤러(141)를 포함할 수 있다. 제1 컨트롤러(141)는 제1 인버터(140)가 최대 출력점에서 동작하도록 제1 인버터(140) 내의 회로들을 제어할 수 있다. 제2 인버터(150)는 제2 컨트롤러(151)를 포함할 수 있다. 제2 컨트롤러(151)는 제2 인버터(150)가 최대 출력점에서 동작하도록 제2 인버터(150) 내의 회로들을 제어할 수 있다.
제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)의 최대 출력점 추종 제어에 따라 생성되는 각각의 교류 전력은 AC 계통 전력선(160)의 공통 단자(161)로 출력될 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 각각은 생성되는 교류 전력의 전압, 주파수 및 위상을 측정하고, AC 계통 전력선(160)으로 출력되는 각각의 교류 전력의 전압, 주파수 및 위상을 일치시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 인버터들의 동작 효율을 보여주는 그래프이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1 인버터(140)를 기준으로 도 3을 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 3을 참조하면, 하단의 제1 가로축은 제1 인버터(140)가 출력할 수 있는 최대 출력 대비 제1 인버터(140)의 출력을 나타내고, 상단의 제2 가로축은 인버터로 제공되는 입력 전력을 나타낸다. 세로축은 제1 인버터(140)의 동작 효율을 나타낸다. 제1 인버터(140)의 동작 효율은 입력되는 전력 대비 출력되는 전력의 비로 산출될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 인버터(140)의 동작 효율은 일정하게 유지되지 않으며, 제1 인버터(140)의 출력에 따라 달라질 수 있다. 예시적으로, 제1 인버터(140)의 출력 범위가 최대 출력 대비 약 30% 내지 80%인 경우, 제1 인버터(140)는 특정 효율 이상의 동작 효율을 유지할 수 있다.
제1 인버터(140)가 동작을 계속할 수 있는 최소 입력 전력(Win-min)이 제1 인버터(140)로 제공되는 경우, 제1 인버터(140)의 출력은 최대 출력 대비 약 10%일 수 있고, 제1 인버터(140)의 동작 효율 또한 낮을 수 있다. 예시적으로, 최소 입력 전력(Win-min)은 제1 인버터(140)가 정지 상태에서 정상적으로 동작을 시작할 수 있는 최소 입력 전력(Win-start)과 동일한 값일 수 있다.
제1 인버터(140)는 동작 효율이 미리 설정된 효율(Ep)보다 커질 수 있는 최소 입력 전력(WFS-min) 및 최대 입력 전력(WFS-max)에 대한 정보를 포함할 수 있다. 최소 입력 전력(WFS-min)에 대한 제1 인버터(140)의 출력은 최대 출력 대비 약 30%일 수 있고, 최대 입력 전력(WFS-max)에 대한 제1 인버터(140)의 출력은 최대 출력 대비 약 80%일 수 있다. 제1 인버터(140)는 최소 입력 전력(WFS-min)부터 최대 입력 전력(WFS-max) 사이의 전력을 교류 전력으로 변환하는 경우, 미리 설정된 효율(Ep) 이상의 동작 효율을 가질 수 있다. 따라서, 제1 인버터(140)는 최소 입력 전력(WFS-min) 및 최대 입력 전력(WFS-max)에 대한 정보를 이용함으로써, 고효율의 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)로 제공되는 전력이 최소 입력 전력(WFS-min) 내지 최대 입력 전력(WFS-max) 사이의 값인 경우, 동작 정지 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 제1 인버터(140)는 미리 설정된 효율(Ep) 이상의 동작 효율을 가질 수 있다.
제1 인버터(140)가 정상적으로 동작할 수 있는 최대 입력 전력(Win-max)이 제1 인버터(140)로 제공되는 경우, 제1 인버터(140)의 출력은 최대 출력일 수 있다. 최대 입력 전력(Win-max) 이상의 전력이 제1 인버터(140)로 제공되는 경우, 제1 인버터(140)는 수용 가능한 전력(즉, 최대 입력 전력(Win-max))만을 이용하여 교류 전력을 생산할 수 있다. 이 경우, 제1 인버터(140)의 동작 효율은 미리 설정된 효율(Ep) 이하일 수 있고, 제1 인버터(140)의 동작 효율은 낮아질 수 있다. 따라서, 제1 인버터(140)는 최대 입력 전력(WFS-max)에 대한 정보에 기초하여 입력되는 전력이 최대 입력 전력(WFS-max)보다 크지 않도록 동작할 수 있다.
예를 들어, 제1 인버터(140)로 제공되는 전력이 최소 입력 전력(WFS-min)의 2배를 넘거나 제1 인버터(140)의 최대 입력 전력(WFS-max)이 되는 경우, 제2 인버터(150)는 동작을 시작할 수 있다. 제2 인버터(150)가 동작을 시작하면, 제1 인버터(140)로 공급되는 제1 입력 전류는 1/2로 줄어들 수 있다. 이에 따라, 제1 인버터(140)로 제공되는 전력은 최대 입력 전력(WFS-max)보다 커지지 않게 되고, 제1 인버터(140)는 고효율의 동작을 유지할 수 있다.
도 4는 도 1의 인버터들의 최대 전력점 추종 제어를 설명하기 위한 예시를 보여주는 그래프이다. 구체적으로, 도 4는 도 1의 태양광 패널들의 전압-전류 및 전력 출력 특성이 도시된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1 태양광 패널(110)을 기준으로 도 4를 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 4를 참조하면, 가로축은 전압, 좌측의 제1 세로축은 전류, 그리고 우측의 제2 세로축은 전력을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 태양광 패널(110)에 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)는 시간 및 기상 조건에 따라 달라질 수 있고, 이에 따라 제1 태양광 패널(110)의 출력 전력이 달라질 수 있다. 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 'A'인 경우, 전압에 따른 전류는 전류 A로 나타낼 수 있고, 이에 따른 제1 태양광 패널(110)의 출력 전력은 전력 A로 나타낼 수 있다. 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 'B'인 경우, 전압에 따른 전류는 전류 B로 나타낼 수 있고, 이에 따른 제1 태양광 패널(110)의 출력 전력은 전력 B로 나타낼 수 있다. 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 'C'인 경우, 전압에 따른 전류는 전류 C로 나타낼 수 있고, 이에 따른 제1 태양광 패널(110)의 출력 전력은 전력 C로 나타낼 수 있다. 도 4의 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)는 'A'가 가장 작고 'C'가 가장 클 수 있다.
태양광 에너지의 밀도(E)에 따라 제1 태양광 패널(110)의 개방 전압(Voc), 단락 전류(Isc) 및 최대 출력 전력(Wpmax)은 달라질 수 있다. 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 'A'인 경우, 제1 태양광 패널(110)의 단락 전류(Isc)는 제1 단락 전류(I1sc)일 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 태양광 패널(110)의 단락 전류(Isc)는 태양광 에너지의 밀도(E)가 증가할수록 커질 수 있다.
입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 'B'인 경우, 제1 태양광 패널(110)의 최대 출력 전력(Wpmax)은 제2 최대 출력 전력(W2pmax)일 수 있다. 이 경우, 최대 출력점에서의 입력 전압은 제2 전압(V2pmax)일 수 있고, 최대 출력점에서의 입력 전류는 제2 전류(I2pmax)일 수 있다.
입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 'C'인 경우, 제1 태양광 패널(110)의 개방 전압(Voc)은 제3 개방 전압(V3oc)일 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 태양광 패널(110)의 개방 전압(Voc)은 태양광 에너지의 밀도(E)가 증가할수록 커질 수 있다.
제1 및 제2 인버터들(140, 150)은 입력 전력에 대하여 최대 전력을 출력하기 위해 최대 출력점 추종 제어를 수행할 수 있다. 제1 및 제2 인버터들(140, 150)의 최대 출력점 추종 제어에 따라 제1 태양광 패널(110)은 공통 단자로 최대 출력 전력(Wpmax)을 출력하고, 공통 단자 전압 및 공통 단자 전류는 각각 최대 출력 전력에 대응하는 최대 출력 전압(Vpmax) 및 최대 출력 전류(Ipmax)일 수 있다. 따라서, DC 버스 라인(130)의 공통 단자 전압은 개방 전압(Voc)을 유지하다가, 제1 및 제2 인버터들(140, 150)의 동작에 따라 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 입사하는 태양광 에너지의 밀도(E)가 달라지는 경우, 제1 태양광 패널(110)의 최대 출력점이 달라지므로, 제1 및 제2 인버터들(140, 150)의 최대 출력점 추종 제어에 따라 제1 태양광 패널(110)로부터 출력되는 최대 출력 전력(Wpmax)은 달라질 수 있다.
도 5는 도 1의 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 하나의 실시 예를 보여주는 순서도이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, S101 단계에서, 제1 및 제2 인버터들(140, 150)은 제1 및 제2 태양광 패널들(110, 120)로부터 DC 버스 라인(130)의 공통 단자로 출력되는 공통 단자 전압을 감지할 수 있다.
S102 단계에서, 제1 인버터(140)는 공통 단자 전압이 제1 인버터(140)의 제1 기동 전압(V1in-start)보다 커지는지 여부를 판별할 수 있다. 공통 단자 전압이 제1 인버터(140)의 제1 기동 전압(V1in-start)보다 커지는 경우, S103 단계에서, 제1 인버터(140)는 최대 출력점 추종 제어를 수행하고, 공통 단자로 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 제1 인버터(140)가 동작을 시작하는 경우, 최대 출력점 추종 제어에 따라 DC 버스 라인(130)의 공통 단자 전압은 개방 전압(Voc)에서 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아질 수 있다. 이 경우, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압이 개방 전압(Voc)에서 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아지는 것을 감지함으로써 제1 인버터(140)의 기동을 확인할 수 있다. 공통 단자 전압이 제1 인버터(140)의 제1 기동 전압(V1in-start)보다 커지지 않는 경우, 제1 인버터(140)는 동작 정지 상태를 유지할 수 있다.
제1 인버터(140)가 최대 출력점 추종 제어를 수행하는 경우, 제1 태양광 패널(110) 및 제2 태양광 패널(120) 각각으로부터 출력되는 전류는 최대 출력 전류(Ipmax)일 수 있고, 공통 단자를 통해 제1 인버터(140)로 입력되는 제1 입력 전류는 최대 출력 전류(Ipmax)의 2배일 수 있다. 따라서, 제1 인버터(140)는 태양광 패널이 하나만 연결된 경우에 비해 2배의 입력 전력을 제공 받을 수 있고, 이에 따라 제1 인버터(140)의 동작 효율이 향상될 수 있다.
S104 단계에서, 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)로 제공되는 제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 커지는지 여부를 판별할 수 있다. 제1 임계 전력은 제1 인버터(140)가 단독으로 동작하는 동안, 특정 효율 이상을 유지할 수 있는 입력 전력의 크기일 수 있다. 제2 인버터(150)는 제1 임계 전력 값을 미리 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 임계 전력은 도 3의 최소 입력 전력(WFS-min)의 2배 또는 최대 입력 전력(WFS-max)일 수 있다.
제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 도 4의 태양광 패널의 출력 특성에 기초하여 제1 입력 전력의 크기를 산출할 수 있다. 예를 들어, 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)가 최대 출력점 추종 제어 기능을 정상적으로 수행한다는 전제 하에, 공통 단자 전압에 대응하는 최대 출력 전력으로서 제1 입력 전력의 크기를 산출할 수 있다.
제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 커지는 경우, S105 단계에서, 제2 인버터(150)는 최대 출력점 추종 제어를 수행하고, 공통 단자로 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 커지지 않는 경우, 제2 인버터(150)는 동작 정지 상태를 유지할 수 있다.
제2 인버터(150)가 동작을 시작하는 경우, 공통 단자 전류는 일시적으로 증가하고, 공통 단자 전압은 일시적으로 낮아질 수 있다. 즉, 제1 인버터(140)만 동작하는 경우, 공통 단자 전류는 최대 출력 전류(Ipmax)의 2배이고, 공통 단자 전압은 최대 출력 전압(Vpmax)일 수 있지만, 제2 인버터(150)의 동작 개시로 인해 공통 단자 전류는 일시적으로 증가하고, 공통 단자 전압은 일시적으로 낮아질 수 있다.
제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)가 개별적으로 동작하는 경우, 최대 출력점 추종 제어에 의해 공통 단자 전압은 최대 출력 전압(Vpmax)으로 복원되고 공통 단자 전류는 최대 출력 전류(Ipmax)의 2배로 복원될 수 있다. 또한, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)로 입력되는 전류는 각각 최대 출력 전류(Ipmax)일 수 있다.
따라서, 제1 태양광 패널(110) 및 제2 태양광 패널(120)들로부터 출력되는 전력이 큰 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 각각은 출력되는 전력이 나뉘어진 입력 전력을 제공 받을 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)로 제공되는 전력은 도 3의 최소 입력 전력(WFS-min)보다 클 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 인버터들(140, 150)의 동작 효율이 향상될 수 있다.
도 5에 도시된 바에 따르면, 먼저 제1 인버터(140)는 공통 단자 전압에 기초하여 통합 운전을 수행할 수 있다. 이후, 공통 단자로부터 제1 인버터(140)로 제공되는 전력이 증가하는 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 개별 운전을 수행할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)가 개별 운전을 수행하는 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)의 동작 효율이 향상될 수 있다.
도 6은 도 1의 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 다른 실시 예를 보여주는 순서도이다. 도 1, 도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5의 S105 단계 이후, S106 단계에서, 제2 인버터(150)는 제2 인버터(150)로 제공되는 제2 입력 전력이 제2 임계 전력보다 작아지는지 여부를 판별할 수 있다. 제2 임계 전력은 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)가 개별적으로 동작하는 동안, 제2 인버터(150)가 특정 효율 이상을 유지할 수 있는 입력 전력의 크기일 수 있다. 제2 인버터(150)는 제2 임계 전력 값을 미리 저장할 수 있다. 예를 들어, 제2 임계 전력은 도 3의 최소 입력 전력(WFS-min)일 수 있다.
제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 제2 입력 전류에 기초하여 제2 입력 전력의 크기를 산출할 수 있다. 또는 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압 및 도 4의 태양광 패널의 출력 특성에 기초하여 공통 단자 전류 및 제2 입력 전력의 크기를 산출할 수 있다.
제2 입력 전력이 제2 임계 전력보다 작은 경우, S107 단계에서, 제2 인버터(150)는 동작을 정지할 수 있다. 제2 인버터(150)가 동작을 정지하는 경우, 공통 단자 전류는 최대 출력 전류(Ipmax)의 2배에서 일시적으로 감소하고, 공통 단자 전압은 최대 출력 전압(Vpmax)에서 일시적으로 높아질 수 있다. 이후, 제1 인버터(140)의 최대 출력점 추종 제어에 의해 공통 단자 전압은 최대 출력 전압(Vpmax)으로 복원되고, 공통 단자 전류는 최대 출력 전류(Ipmax)의 2배로 복원될 수 있다.
제2 입력 전력이 제2 임계 전압보다 작아지지 않는 경우, 제2 인버터(150)는 동작 상태를 유지할 수 있다.
도 6에 도시된 바에 따르면, 개별 운전을 수행하던 제2 인버터(150)는 제2 인버터(150)로 제공되는 전력의 크기가 제2 임계 전력보다 작아지는 경우 동작을 정지할 수 있고, 이에 따라 제1 인버터(140)는 통합 운전을 수행할 수 있다. 제공되는 전력의 크기에 기초하여 제1 및 제2 인버터들(140, 150)이 개별 운전에서 통합 운전으로 전환하는 경우, 높은 효율의 동작을 유지할 수 있다.
도 7은 도 1의 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 다른 실시 예를 보여주는 순서도이다. 도 1, 도 5 및 도 7을 참조하면, 도 5의 S102 단계에서 공통 단자 전압이 제1 인버터의 제1 기동 전압(V1in-start)보다 커지는 것으로 판별되는 경우, S111 단계에서, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압이 개방 전압(Voc)에서 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아지는지 여부를 판별할 수 있다. 제1 인버터(140)가 정상적으로 기동하여 최대 출력점 추종 제어를 수행하는 경우, 공통 단자 전압은 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아질 수 있다. 제1 인버터(140)가 고장 등의 이유로 기동 불능 상태가 되어 최대 출력점 추종 제어를 수행하지 못하는 경우, 공통 단자 전압은 계속하여 개방 전압(Voc)을 유지할 수 있다.
공통 단자 전압이 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아지지 않는 경우, S112 단계에서, 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)를 기동 불능 상태로 판단할 수 있다. 공통 단자 전압이 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아지는 경우, 제2 인버터(150)는 제1 인버터(140)를 기동 상태로 판단할 수 있다.
S112 단계에서 제2 인버터(150)가 제1 인버터(140)를 기동 불능 상태로 판단하는 경우, S114 단계에서, 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압이 제2 인버터(150)의 제2 기동 전압(V2in-start)보다 커지는지 여부를 판별할 수 있다. 공통 단자 전압이 제2 기동 전압(V2in-start)보다 커지는 경우, S115 단계에서, 제2 인버터(150)는 최대 출력점 추종 제어를 수행할 수 있다. 제2 인버터(150)는 동작을 수행하여 공통 단자로 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 공통 단자 전압이 제2 기동 전압(V2in-start)보다 커지지 않는 경우, 제2 인버터(150)는 동작 정지 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 별도의 통신을 수행하지 않고 공통 단자의 모니터링을 통해 다른 인버터의 동작 상태를 판별할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 아래의 표 1의 방식으로 다른 인버터의 동작 상태를 판별할 수 있다.
상황 판별 결과
공통 단자 전압이 최대 출력 전압(Vpmax)을 유지하다가 미리 정해진 시간 동안 최대 출력 전압(Vpmax)보다 높아지는 경우 제1 및 제2 인버터들 중 하나가 동작을 정지
제1 및 제2 인버터들 중 어느 하나로 입력되는 입력 전류가 2배로 되는 경우 제1 및 제2 인버터들 중 다른 하나가 동작을 정지
공통 단자 전압이 최대 출력 전압(Vpmax)을 유지하다가 미리 정해진 시간 동안 최대 출력 전압(Vpmax)보다 낮아지는 경우 제1 및 제2 인버터들 중 하나가 동작을 시작
제1 및 제2 인버터들 중 어느 하나로 입력되는 입력 전류가 1/2이 되는 경우 제1 및 제2 인버터들 중 다른 하나가 동작을 시작
제1 인버터로 제공되는 입력 전력이 임계 전력을 초과하고, 공통 단자 전압이 임계 전압으로 유지되는 경우 제2 인버터를 기동 불능으로 판별
공통 단자 전압이 제1 인버터의 제1 기동 전압(V1in-start)보다 높아지고, 공통 단자 전압이 개방 전압에서 최대 출력 전압(Vpmax)으로 낮아지지 않는 경우 제1 인버터를 기동 불능으로 판별
표 1을 참조하면, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압, 각각의 인버터로 입력되는 전류 및 전력의 크기 변화를 감지하고, 감지 결과에 기초하여 다른 인버터의 동작 상태를 판별할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 다른 인버터의 동작 정지, 동작 시작 및 기동 불능 상태를 판별할 수 있다.
제1 인버터(140)로 제공되는 입력 전력이 임계 전력을 초과하고, 공통 단자 전압이 임계 전압으로 유지되는 경우, 제1 인버터(140)는 제2 인버터(150)를 기동 불능으로 판별할 수 있다. 예를 들어, 임계 전력은 도 3의 최대 입력 전력(WFS-max)일 수 있고, 임계 전압은 최대 입력 전력(WFS-max)에서의 입력 전압(VFS-max)일 수 있다. 제1 인버터(140)로 제공되는 입력 전력이 최대 입력 전력(WFS-max)에 도달하여 제2 인버터(150)가 동작을 시작하는 경우, 제1 인버터(140)로 제공되는 입력 전력이 낮아지고, 이에 따라 공통 단자 전압이 달라질 수 있다. 따라서, 제1 인버터(140)는 입력 전력 및 공통 단자 전압의 크기에 기초하여 제2 인버터(150)가 정상적으로 동작을 하는지 여부를 판별할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터의 최대 출력점 추종 제어에 따른 상호 간섭을 회피하는 하나의 실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 DC 버스 라인(130)의 공통 단자 전압을 나타낸다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 미리 정해진 주기에 따라 최대 전력점 추종 제어를 수행할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 중 하나가 최대 전력점 추종 제어를 수행할 때, 도 8에 도시된 바와 같이, DC 버스 라인(130)의 공통 단자 전압의 변동이 커질 수 있다.
제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 중 하나가 최대 전력점 추종 제어를 수행할 때, 다른 하나가 최대 전력점 추종 제어를 동시에 수행하는 경우, 전압 변동에 따른 상호 간섭으로 인해 최대 전력점 추종 제어에 문제가 발생할 수 있다. 이는 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)가 DC 버스 라인(130)의 공통 단자를 통해 직접 연결됨에 따라 발생되는 문제일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 인버터(140)의 최대 전력점 추종 제어의 수행 주기와 제2 인버터(150)의 최대 전력점 추종 제어의 수행 주기를 서로 소(relatively prime)가 되도록 하는 경우, 어느 하나의 최대 전력점 추종 제어가 다른 하나의 최대 전력점 추종 제어에 주는 영향을 최소화 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터의 최대 출력점 추종 제어에 따른 상호 간섭을 회피하는 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 주파수 성분의 크기를 나타낸다. 구체적으로, 도 9는 주파수 도메인에서 감지된 공통 단자 전압을 나타낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)가 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 경우, 공통 단자 전압의 변동에 따라 공통 단자 전압의 특정 주파수 성분의 크기는 미리 설정된 크기(Ap) 이상으로 변할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 각각은 미리 설정된 크기(Ap) 이상으로 변하는 주파수 성분의 크기 변동을 감지할 수 있다.
제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 각각은 서로 다른 인버터의 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기에 대한 정보를 저장할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 특정 시간에서 주파수 성분의 크기 변동을 감지하고, 이를 기준으로 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기에 대응하는 주파수 성분의 크기 변동을 감지하는 경우, 주파수 성분의 크기 변동이 다른 인버터의 최대 출력점 추종 제어에 의해 발생했다고 판단할 수 있다.
최대 출력점 추종 제어에 의해 주파수 성분의 크기 변동이 발생된 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 임의의 동작을 수행하지 않을 수 있다. 즉, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 미리 저장된 수행 주기에 따라 최대 출력점 추종 제어를 계속 수행할 수 있다. 최대 출력점 추종 제어에 의해 주파수 성분의 크기 변동이 발생되지 않은 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 미리 저장된 수행 주기와 관계 없이, 최대 출력점 추종 제어를 별도로 수행할 수 있다.
도 10은 도 9의 상호 간섭 회피와 관련된 전력 변환 시스템의 동작 순서에 대한 하나의 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 1, 도 5 및 도 9를 참조하면, S105 단계에 따라 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 최대 전력점 추종 제어를 수행할 수 있다. S121 단계에서, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 공통 단자 전압의 주파수 성분의 크기가 미리 설정된 주파수 성분의 크기보다 커지는지 여부를 판별할 수 있다.
공통 단자 전압의 주파수 성분의 크기가 미리 설정된 주파수 성분의 크기보다 큰 경우, S122 단계에서, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 주파수 성분의 크기 변동이 최대 출력점 추종 제어에 대응하는 것인지 여부를 판별할 수 있다. 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기에 대응하여 주파수 성분의 크기 변동이 발생되는 경우, 주파수 성분의 크기 변동을 최대 출력점 추종 제어와 관련된 것으로 판별할 수 있다.
주파수 성분의 크기 변동이 최대 출력점 추종 제어와 관련된 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 임의의 동작을 수행하지 않을 수 있다. 주파수 성분의 크기 변동이 최대 출력점 추종 제어와 관련되지 않은 경우, 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)는 최대 출력점 추종 제어를 수행할 수 있다. 최대 출력점 추종 제어가 수행되면, 공통 단자 전압은 최대 출력 전압(Vpmax)으로 복원될 수 있다.
상술한 전력 변환 시스템(100)의 간섭 회피 동작은 하나의 실시 예일 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전력 변환 시스템(100)은 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150) 각각의 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기를 랜덤(random)하게 설정하여 간섭 회피 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템(100)은 제1 및 제2 태양광 패널들(110, 120)로부터 출력되는 전력을 DC 버스 라인(130)을 통해 제1 인버터(140) 및 제2 인버터(150)로 전달함으로써, 제1 및 제2 인버터들(140, 150)의 통합 운전 또는 개별 운전의 전환을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 인버터들(140, 150)은 각 인버터의 동작 효율이 향상될 수 있도록 DC 버스 라인(130)의 공통 단자 전압을 감지하고, 감지 결과에 기초하여 자동으로 동작 개시 또는 동작 정지를 결정할 수 있다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 전력 변환 시스템
110: 제1 태양광 패널
120: 제2 태양광 패널
130: DC 버스 라인
140: 제1 인버터
150: 제2 인버터
160: AC 계통 전력선

Claims (19)

  1. 공통 단자를 포함하는 DC 버스 라인;
    상기 공통 단자로 직류 전력을 제공하는 전력 생성 장치;
    상기 공통 단자로부터 제공되는 제1 입력 전력을 제1 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제1 인버터; 및
    상기 제1 인버터가 동작하는 동안 상기 제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 것에 응답하여 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제2 인버터를 포함하고,
    상기 제1 인버터는 상기 공통 단자로부터 제공되는 공통 단자 전압 및 제1 입력 전류를 감지하여 최대 출력점 추종 제어(MPPT; maximum power point tracking)를 수행하고,
    상기 제2 인버터는 상기 공통 단자 전압 및 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전류를 감지하여 최대 출력점 추종 제어를 수행하는 전력 변환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인버터들이 동작을 수행할 때 상기 제2 입력 전력이 제2 임계 전력보다 작은 경우, 상기 제2 인버터가 동작을 정지하는 전력 변환 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 인버터의 제1 기동 전압은 상기 제2 인버터의 제2 기동 전압보다 낮게 설정되는 전력 변환 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 인버터는 상기 제2 인버터보다 먼저 기동하는 전력 변환 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 단자 전압이 최대 출력 전압을 유지하다가 미리 정해진 시간 동안 상기 최대 출력 전압보다 높아지거나 상기 제1 및 제2 입력 전류 중 하나가 특정 크기로 커지는 경우, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 어느 하나는 상기 제1 및 제2 인버터들 중 다른 하나가 동작을 정지한 것으로 판별하는 전력 변환 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 단자 전압이 최대 출력 전압을 유지하다가 미리 정해진 시간 동안 상기 최대 출력 전압보다 낮아지거나 상기 제1 및 제2 입력 전류 중 하나가 특정 크기로 작아지는 경우, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 어느 하나는 상기 제1 및 제2 인버터들 중 다른 하나가 정지 상태에서 동작을 시작한 것으로 판별하는 전력 변환 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 단자 전압이 상기 제1 인버터의 제1 기동 전압보다 높아지고, 상기 공통 단자 전압이 개방 전압에서 최대 출력 전압으로 낮아지지 않는 경우, 상기 제2 인버터는 상기 제1 인버터를 기동 불능으로 판별하는 전력 변환 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 입력 전력이 제3 임계 전력을 초과하고, 상기 공통 단자 전압이 임계 전압으로 유지되는 경우, 상기 제1 인버터는 상기 제2 인버터를 기동 불능으로 판별하는 전력 변환 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기와 상기 제2 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기는 서로 소(relatively prime)인 전력 변환 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인버터들 중 적어도 하나는 상기 최대 출력점 추종 제어의 각각의 수행 주기에 기초하여 상기 최대 출력점 추종 제어와 대응하는 상기 공통 단자 전압의 변동을 판별하고, 상기 변동에 대하여 임의의 동작을 수행하지 않는 전력 변환 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 생성 장치는 태양광 패널인 전력 변환 시스템.
  13. 제1 인버터 및 제2 인버터를 포함하는 전력 변환 시스템의 동작 방법에 있어서,
    상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터가 전력 생성 장치로부터 DC 버스 라인의 공통 단자로 제공되는 공통 단자 전압을 감지하는 단계;
    상기 제1 인버터가 상기 공통 단자 전압에 따라 상기 공통 단자로부터 제공되는 제1 입력 전력을 제1 교류 전력으로 변환하여 출력하는 단계; 및
    상기 제1 인버터가 동작하는 동안 상기 제1 입력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 것에 응답하여, 상기 제2 인버터가 상기 공통 단자로부터 제공되는 제2 입력 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 인버터들은 최대 출력점 추종 제어(MPPT; maximum power point tracking)를 수행함으로써 상기 제1 교류 전력 및 상기 제2 교류 전력을 각각 출력하는 동작 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 임계 전력은 상기 제1 인버터가 미리 정해진 효율 이상으로 동작할 수 있는 최소 전력의 2배 또는 상기 제1 인버터가 상기 미리 정해진 효율 이상으로 동작할 수 있는 최대 전력인 동작 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 입력 전력이 제2 임계 전력보다 작은 경우, 상기 제2 인버터가 동작을 정지하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 임계 전력은 상기 제2 인버터가 미리 정해진 효율 이상으로 동작할 수 있는 최소 전력인 동작 방법.
  17. 삭제
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기와 상기 제2 인버터의 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기는 서로 소(relatively prime)인 동작 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인버터들 중 적어도 하나가 상기 공통 단자 전압의 주파수 성분의 크기를 판별하는 단계;
    상기 공통 단자 전압의 상기 주파수 성분의 크기가 미리 설정된 주파수 성분의 크기보다 큰 경우, 상기 제1 및 제2 인버터들 중 적어도 하나가 주파수 성분의 크기 변동이 상기 최대 출력점 추종 제어에 대응하는 것인지 여부를 판별하는 단계; 및
    상기 주파수 성분의 크기 변동이 상기 최대 출력점 추종 제어에 대응하는 것이 아닌 경우, 상기 제1 및 제2 인버터 중 적어도 하나는 상기 최대 출력점 추종 제어의 수행 주기와 관계 없이 상기 최대 출력점 추종 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
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