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KR102282617B1 - 태양광 에너지용 에너지 저장 시스템 및 태양광 에너지 저장 방법 - Google Patents

태양광 에너지용 에너지 저장 시스템 및 태양광 에너지 저장 방법 Download PDF

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KR102282617B1
KR102282617B1 KR1020197002023A KR20197002023A KR102282617B1 KR 102282617 B1 KR102282617 B1 KR 102282617B1 KR 1020197002023 A KR1020197002023 A KR 1020197002023A KR 20197002023 A KR20197002023 A KR 20197002023A KR 102282617 B1 KR102282617 B1 KR 102282617B1
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존 씨. 팔롬비니
아푸르바 소마니
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다이너파워 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

재생 가능한 에너지 애플리케이션을 위한 에너지 시스템은 재생 가능한 에너지원, AC 버스 및 DC 버스에 연결된 양방향 인버터, 상기 양방향 인버터에 연결된 에너지 저장 유닛, 및 제어 시스템을 포함하며, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 제어기들을 포함하고, 상기 하나 이상의 제어기들은 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된다. 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 가능한 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결된다. 상기 시스템은 램프율(ramp rate) 제어의 이용을 통해 PV(photovoltaic) 어레이의 저 전력, 전형적으로는 인버터 클리핑(clipping)으로 손실되는 에너지를 포획하도록 구성된다.

Description

태양광 에너지용 에너지 저장 시스템 및 태양광 에너지 저장 방법
본 발명은 에너지 저장소에서 태양광(photovoltaic; PV) 에너지를 포획하기 위한 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다양한 에너지 자원을 인터페이스하기 위해 전력 변환 기기 및 관련 제어 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 시스템은 다양한 상호연결된 분산 에너지 자원(예컨대, 발전기 및 에너지 저장 유닛) 및 부하를 포함할 수 있다. 전력 시스템은 또한 유틸리티 그리드(utility grid) 또는 마이크로그리드(microgrid system) 시스템과 접속할 수 있다. 전력 시스템은 전력 변환(예컨대, AC/DC, DC/DC, AC/AC 및 DC/AC)을 채용하여 이러한 에너지 자원들 간의 전력을 변환한다.
전력 시스템은 부하에 연속적인 전력을 제공할 목적으로 전력을 공급하고, 전력을 조정하며, 그리고 하나의 소스에서 다른 소스에 전력을 전달하도록 설계될 수 있다. 에너지 생성의 가능한 최대량이 사용되도록 가능한 가장 효율적인 방식으로 전력을 공급하는 것이 바람직하다. 그러나, 토폴로지 제한 및 설계 요구는 궁극적으로 사용되는 에너지 생성에 대한 제한일 수 있다. 종래의 PV 설비는, PV 어레이 전압이 인버터의 웨이크업 전압보다 낮을 때 PV 어레이에 의해 생성되는 저 전압 에너지를 포획하지 못하고, 그럼으로써 "클리핑(clipping)이 이루어진" 에너지를 포획하지 못함으로써, 그리고 생산 제한(curtailment) 또는 에너지 가격을 고려하여 상기 그리드에 에너지를 공급할 수 없음으로써 PV 어레이에 의해 생성된 전력을 충분히 이용하지 않는다.
본 발명의 실시 예들은 PV 어레이에 의해 생성된 전력을 이용하는 장치 및 방법을 포함한다.
일 실시형태에서, 전원으로부터 저 전압 에너지를 포획하기 위한 전력 시스템은, DC 버스에 연결된 상기 전원; 상기 DC 버스 및 에너지 저장 기기에 연결된 DC/DC 전력 변환기; 상기 DC 버스 및 AC 버스에 연결된 전력 인버터; 및 제어 시스템;을 포함한다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 제어기들을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 제어기들은, 상기 전원에 의해 생성된 전압을 모니터링하도록 구성되고, 상기 전원이 제1의 사전에 결정된 문턱값보다 큰 전압을 생성하고 있는지를 결정하도록 구성되며, 상기 전원이 상기 제1의 사전에 결정된 문턱값보다 큰 전압을 생성하고 있다고 결정될 때 상기 전원이 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 작은 전압을 생성하고 있는지를 결정하도록 구성되고, 상기 전원이 상기 제1의 사전에 결정된 문턱값 및 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값 사이의 전압을 생성하고 있다고 결정될 때, 상기 DC/DC 전력 변환기를 제어해 MPPT 모드로 동작하여 상기 전원에 의해 생성된 에너지를 상기 에너지 저장 기기에 저장하도록 구성되며 그리고 상기 전력 인버터를 제어하여 MPPT 모드로 동작하지 않도록 구성되고, 상기 전원이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 크거나 같은 전압을 생성하고 있다고 결정될 때, 상기 전력 인버터를 제어해 MPPT 모드로 동작하여 상기 전원에 의해 생성된 에너지를 상기 AC 버스를 통해 전력 그리드에 공급하도록 구성되며 그리고 상기 DC/DC 전력 변환기를 제어하여 MPPT 모드로 동작하지 않도록 구성된다.
상기 제1의 사전에 결정된 문턱값은 상기 DC/DC 전력 변환기에서의 예상 손실들과 동일할 수 있다.
상기 전력 인버터는 상기 DC 버스에서의 전압이 상기 전력 인버터가 동작 가능하기까지 이르러야 하는 전압 크기인 웨이크업(wake up) 전압을 지니고, 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값은 상기 전력 인버터의 웨이크업 전압과 동일하다.
상기 전원에 의해 생성된 전압은 연속적으로 모니터링될 수 있고, 상기 제어 시스템은 상기 DC/DC 전력 변환기 및 상기 전력 인버터를 연속적으로 제어하여 MPPT 모드로 동작하는 것과 MPPT 모드로 동작하지 않는 것 사이에서 전이할 수 있게 해준다.
상기 전원이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 작은 전압을 생성하고 있는지를 결정함에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 DC 버스에서의 전압을 모니터링하도록 더 구성될 수 있다.
상기 DC 버스에서의 전압을 감지하고 감지된 전압을 상기 전력 시스템으로 송신하는 센서가 또한 포함될 수 있다.
다른 한 실시형태에서, 전원으로부터 클리핑된 에너지를 포획하기 위한 전력 시스템은, DC 버스에 연결된 전원(power source); 상기 DC 버스 및 에너지 저장 기기에 연결된 DC/DC 전력 변환기; 상기 DC 버스 및 AC 버스에 연결된 전력 인버터; 및 제어 시스템; 을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 제어기들을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 제어기들은, 상기 전력 인버터의 출력 전력을 모니터링하도록 구성되고, 상기 전력 인버터의 출력 전력을 사전에 결정된 문턱값과 비교하도록 구성되며, 상기 전력 인버터의 출력 전력이 상기 사전에 결정된 문턱값보다 클 경우, DC/DC 전력 변환기를 제어하여 상기 사전에 결졍된 문턱값을 초과하는 상기 전원의 출력 전력을 상기 에너지 저장 기기에 저장하도록 구성된다.
상기 사전에 결정된 문턱값은 상기 전력 인버터의 최대 정격 전력(maximum power rating)일 수 있다.
상기 전력 인버터의 출력 전력은 연속적으로 모니터링될 수 있고, 상기 제어 시스템은 상기 DC/DC 전력 변환기 및 상기 전력 인버터를 연속적으로 제어하여 상기 에너지 저장 기기에 상기 전원의 출력 전력을 저장하는 것과 상기 에너지 저장 기기에 상기 전원의 출력 전력을 저장하지 않는 것 사이에서 전이할 수 있게 해준다.
한 실시형태에서, 전원으로부터 에너지를 선택적으로 디스패치(disptch)하기 위한 전력 시스템은, DC 버스에 연결된 상기 전원; 상기 DC 버스 및 에너지 저장 기기에 연결된 DC/DC 전력 변환기; 상기 DC 버스 및 AC 버스에 연결된 전력 인버터; 및 제어 시스템; 을 포함한다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 제어기들을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 제어기들은, 상기 전력 시스템 외부의 매개변수들을 모니터링하도록 구성되고, 그리고 상기 DC/DC 전력 변환기를 선택적으로 제어하여 상기 모니터링된 매개변수들에 따라 상기 전원에 의해 생성된 전력을 상기 에너지 저장 기기에 저장하도록 구성된다.
상기 전력 시스템 외부의 매개변수들은 상기 AC 버스를 통해 전력 그리드에 공급되는 에너지를 위한 PV 에너지 가격설정 신호; 및 상기 전력 그리드에 공급되는 에너지의 양의 공급을 중단하거나 감소시키기 위한 출력제한(curtailment) 신호; 를 포함할 수 있다.
상기 DC/DC 전력 변환기는, 상기 PV 에너지 가격설정 신호의 가격이 사전에 결졍된 문턱값 미만일 경우, 상기 전원에 의해 생성된 전력을 상기 에너지 저장 기기에 저장할 수 있다.
상기 DC/DC 전력 변환기는, 상기 PV 에너지 가격설정 신호의 가격이 상기 사전에 결졍된 문턱값보다 크거나 같을 때, 상기 에너지 저장 기기에 저장된 에너지를 상기 전력 인버터를 통해 상기 전력 그리드에 공급할 수 있다.
상기 전력 시스템 외부의 매개변수들은 연속적으로 모니터링될 수 있고, 상기 제어 시스템은 상기 DC/DC 전력 변환기 및 상기 전력 인버터를 연속적으로 제어하여 상기 에너지 저장 기기에 상기 전원의 출력 전력을 저장하는 것과 상기 에너지 저장 기기에 상기 전원의 출력 전력을 저장하지 않는 것 사이에서 전이할 수 있게 해준다.
한 실시형태에서, 램프율(ramp rate)을 제어하기 위한 전력 시스템은, DC 버스에 연결된 전원(power source); 상기 DC 버스 및 에너지 저장 기기에 연결된 DC/DC 전력 변환기; 상기 DC 버스 및 AC 버스에 연결된 전력 인버터; 및 제어 시스템; 을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 제어기들을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 제어기들은, 상기 전력 인버터의 출력 전력 및 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율을 모니터링하도록 구성되고, 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율을 사전에 정의된 램프율과 비교하도록 구성되며, 그리고 상기 DC/DC 변환기를 제어하여 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율이 사전에 결정된 양 이상만큼 상기 사전에 정의된 램프율과 다를 경우, 상기 에너지 저장 기기를 충전 또는 방전시키도록 구성된다.
상기 전력 인버터의 출력 전력 및 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율은 연속적으로 모니터링될 수 있고, 상기 제어 시스템은 상기 DC/DC 전력 변환기를 연속적으로 제어하여 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율이 상기 사전에 결정된 양 이상만큼 상기 사전에 정의된 램프율과 더 이상 다르지 않을 때까지 상기 에너지 저장 기기를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
상기 DC/DC 전력 변환기는 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율이 상기 사전에 결정된 양 이상만큼 상기 사전에 정의된 램프율보다 클 경우, 상기 에너지 저장 기기에 전력을 공급할 수 있다.
상기 DC/DC 전력 변환기는 상기 전력 인버터의 출력 전력의 변화율이 상기 사전에 결정된 양 이상만큼 상기 사전에 정의된 램프율보다 작을 경우, 상기 에너지 저장 기기로부터 상기 전력 인버터를 통해 전력 그리드(power grid)로 전력을 방전할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 한 실시 예에 따른 태양광 에너지용 에너지 저장 시스템을 채용하는 전력 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2 는 솔라 어레이(solar array)로부터 PV(photovoltaic) 인버터 동작 과정을 통한 솔라 어레이 DC 전압 및 전류를 예시하는 도면이다.
도 3은 인버터 클리핑 동안 잠재적으로 소실된 에너지의 포획을 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시 예에 따른 대표적인 DC/DC 변환기의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시 예에 따른 DC/DC 변환기의 제어 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 저 전압 에너지 포획 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 인버터 클리핑 포획 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 디스패치 가능 PV 전력을 제공하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 램프율 제어 방법을 예시하는 흐름도이다
지금부터 본원 명세서의 일부를 구성하고 예시로서 특정한 대표적인 실시 예를 보여주는 첨부도면들이 참조될 것이다. 그러나, 본원 명세서에 기재된 원리들은 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다. 도면들에 도시된 구성요소들이 반드시 축척된 것은 아니며, 그 대신에 본 발명의 원리를 예시할 때 강조된 것이다. 또한, 도면들에서, 동일한 참조번호들은 상이한 뷰 전반에 걸쳐 대응되는 부분들을 지정하도록 배치될 수있다.
이하 본 발명의 설명에서, 특정 용어는 참고만을 목적으로 사용된 것뿐이며, 한정하려고 한 것이 아니다. 예를 들어, 제1, 제2 등의 용어들이 다양한 요소를 설명하기 위해 본원 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 이러한 용어들은 단지 한 요소를 다른 한 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 본 발명의 설명 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들 "한", "어떤" 그리고 "상기"가 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된 것이다. 또한 통상의 기술자라면 이해하겠지만 본원 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 연관되는 리스트된 용어들 중 하나 이상의 용어들 중 어느 하나 및 모든 가능한 조합들을 언급하고 포괄한다. 통상의 기술자라면 부가적으로 이해하겠지만 본원 명세서에서 사용될 때 "포함한다" 그리고/또는 "포함하는"이라는 용어는 기재된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성요소들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 실시 예들은 전형적으로 폐기되는 솔라 PV 설비들로부터의 추가 에너지를 포획하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 본 발명의 실시 예들은 PV 어레이의 저 전압 에너지를 포획하기 위해 PV 전력 생성 기능과 저장 기능을 인터페이싱하는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 실시 예들은 인버터 클리핑으로부터 에너지 손실들을 포획하기 위해 PV 전력 생성 기능과 저장 기능을 인터페이싱하는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 실시 예들은 디스패치 가능 PV 전력을 제공하기 위해 PV 전력 생성 기능과 저장 기능을 인터페이싱하는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 실시 예들은 램프율 제어를 제공하기 위해 PV 전력 생성 기능과 저장 기능을 인터페이싱하는 것을 포함한다.
도 1을 참조하면, PV 전력 생성 및 저장 시스템(100)은 PV 어레이(2), PV 인버터(31), 에너지 저장 기기(11), DC/DC 변환기(3), 제어기(110), DC 버스(130) 및 유틸리티 그리드(utility grid)에 접속될 수 있는 AC 버스(120), 및/또는 로컬 부하들, 및/또는 마이크로그리드(microgrid)를 포함한다,
한 실시 예에서, 상기 PV 전력 생성 및 저장 시스템(100)용 제어 시스템(110)은 상기 인버터(31) 및 상기 변환기(3)의 동작을 조정하는 제어기(110)를 포함할 수 있다. 다른 한 실시 예에서, 상기 PV 전력 생성 및 저장 시스템(100)용 제어 시스템(110)은 상기 PV 인버터(31) 및 상기 DC/DC 변환기(3) 각각에 대한 별도의 제어기들을 포함할 수 있다. 상기 PV 인버터(31) 및 상기 DC/DC 변환기(3) 각각에 대한 별도의 제어기들이 존재하는 경우에, 상기 제어 시스템(110)는 상기 PV 인버터(31) 및 상기 DC/DC 변환기(3) 각각의 별도의 제어기들을 통해 조정하는 마스터 제어기를 포함할 수 있다.
상기 PV 인버터(31)는 상기 인버터의 AC 측 AC 버스(120)에 접속된다. 상기 AC 버스(120)는 유틸리티 그리드, 마이크로그리드, 부하들, 및/또는 다른 AC 접속들에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 상기 인버터(31)의 DC 측은 상기 DC/DC 변환기(3) 및 상기 PV 어레이(2) 양자 모두에 접속된다. 간결하게 하기 위해, 상기 어레이는 단일 접속(single connection)으로 도시되어 있지만, 여기서 이해하여야 할 점은 본 발명의 실시 예들에서 스트링들이 상기 인버터 이전에 재결합기 박스에서 접속되는 경우 패널(panel)들이 스트링들로 접속되는 것이 가능하다는 점이다. 또한, 한 실시 예에서, 상기 PV 인버터(31)는 다수의 변환기(3)가 채용될 수 있는 경우에 하나 이상의 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking,MPPT) 입력들을 지닐 수 있다.
바람직하게는, 상기 DC/DC 변환기(3)는 상기 PV 인버터(31)의 DC 입력에 접속되고 또한 상기 에너지 저장 기기(11)에도 접속된다. 에너지 저장 기기는 예를 들어 배터리(battery), 배터리 뱅크(battery bank)등을 포함할 수 있다.
한 실시 예에서, 상기 PV 인버터(31)는 예컨대 중앙 또는 스트링 타입일 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리(11), DC/DC 변환기(3), 제어 시스템(110), 및 PV 인버터(31)가 케이블 길이를 감소시킴으로써 비용을 최소화하도록 서로 근접하게 배치되어 있으며, 상기 어레이의 북측(north side)과 같은 솔라 패널들의 임의의 쉐이딩(shading)을 최소화하는 위치에 위치한다. 그러나, 여기서 이해하여야 할 점은 본 발명이 이에 국한되지 않는다는 점이다. 또한, 상기 저장 기기(11), DC/DC 변환기(3), 및 제어기(110)를 포함하는 본 발명의 실시 예는 새로운 구성을 통해 설비될 수도 있고 기존의 솔라 PV 설비에 보강될 수도 있다.
본 발명의 실시 예들에서, 제어 시스템(110)은 구리 또는 광섬유를 거쳐 모드버스 TCP(Modbus TCP)와 같은 통신 수단을 통해서나 또는 단거리 무선 근거리 통신, 무선 근거리 통신 네트워크(wireless local area network) 등을 통해 무선으로 상기 DC/DC 변환기(3), 에너지 저장 기기(11), 및 PV 인버터(31)에 접속될 수 있다, 추가 통신 접속들은 상기 시스템의 동작 및 성능을 모니터링하도록 소유자, 운영자, 또는 제3자 데이터 수집 서비스에 의한 전력 시스템의 자산들 중 어느 하나에 대해 이루어질 수 있다, 이러한 원격 접속들은 예컨대, 셀룰러, 위성, 하드와이어드(hardwired) 접속 등을 거쳐 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 양방향 DC/DC 변환기(3)로서 사용될 수 있는 대표적인 양방향 DC/DC 변환기 토폴로지 및 제어 구조를 보여준다. 여기서 이해하여야 할 점은 상기 DC/DC 변환기(3)가 도 4 및 도 5 에 도시된 것에 국한되지 않으며 상기 변환기가 양방향 전력 흐름을 지닐 수 있는 한 다른 한 DC/DC 변환기 토폴로지일 수 있다는 점이다. 도 4 및 도 5의 DC/DC 변환기는 인용에 의해 전체가 보완되는 미국 출원 제15/895,565호에 구체적으로 기재되어 있다,
도 4 를 참조하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 DC/DC 변환기(400)는 서로 접속된 제1 변환 스테이지(410)및 제2 변환 스테이지(420)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 변환 스테이지(410, 420)는 양방향 DC/DC 변환기를 형성한다(다시 말하면, 전력 흐름이 양방향이다). 상기 제1 변환 스테이지(410) 상의 전압의 크기는 상기 제2 변환 스테이지 상의 전압의 크기보다 크거나 작을 수도 있고 상기 제2 변환 스테이지 상의 전압의 크기와 거의 동일할 수 있다. 따라서, 상기 DC/DC 변환기(400)의 어느 한쪽은 벅(buck) 또는 부스트(boost) 변환기로서 사용될 수 있다.
한 실시 예에서, 상기 제1 변환 스테이지(410)는 상기 배터리에 상응하는 입/출력의 전압의 크기가 상기 PV 어레이를 통한 전압에 상응하는 입력/출력에 걸린 전압의 크기보다 클 경우 상기 배터리에 상응하는 입력/출력 전압을 상기 PV 어레이에 상응하는 입력/출력에 걸린 원하는 크기로 변환하도록 동작 가능하다. 상기 제2 변환 스테이지(420)는 상기 PV 어레이에 상응하는 입력/출력의 전압의 크기가 상기 배터리에 상응하는 입력/출력에 걸린 전압의 크기보다 클 경우 상기 PV 어레이에 상응하는 입력/출력 전압을 상기 배터리에 상응하는 입력/출력에 걸린 원하는 크기로 변환하도록 동작 가능하다.
한 실시 예에서, 상기 DC/DC 변환기(400)는 직렬 H-브리지들의 캐스케이드 접속을 포함한다. 상기 제1 변환 스테이지(410)는 직렬로 접속된 제1 하프 브리지(412) 및 제2 하프 브리지(414)를 포함한다. 상기 제1 하프 브리지(412) 및 상기 제2 하프 브리지(414) 각각은 한 쌍의 스위치들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 포함할 수 있다, 상기 제2 변환 스테이지(420)는 직렬로 접속된 제3 하프 브리지(422) 및 제4 하프 브리지(424)를 포함한다. 상기 제3 하프 브리지(422) 및 상기 제4 하프 브리지(424) 각각은 한 쌍의 스위치들(Q5, Q6 및 Q7, Q8)을 각각 포함할 수 있다,
한 실시 예에서, 상기 제1 변환 스테이지(410) 및 상기 제2 변환 스테이지(420)는 인덕터들(L1, L2)를 이용하여 인터페이스된다. 다른 한 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 인덕터들(L1, L2)은 도 5에 도시된 바와 같은 절연형 변압기(T1)로 대체될 수 있다.
상기 제1 및 제2 변환 스테이지들(410, 420)이 상기 인덕터들(L1, L2)에 의해 인터페이싱되는 실시 예에서, 상기 DC/DC 변환기(400)는 옵션형 중심점 접속을 더 포함할 수 있다. 상기 중심점 접속(450)은, 예를 들어 중성인 상기 중심점 접속(450)에 의해 배터리 단자들 상의 잡음이 감소된다는 점에서 상기 입력/출력이 에너지 저장 기기(예컨대, 배터리/배터리들)에 접속되는 시나리오에서 유리할 수 있다. 그러나, 리플 성능(다시 말하면, 배터리 및 PV 포트들 상의 리플 전류 및 전압)이 어느 정도 타협된다는 점에서 상기 중심점 접속(450)에 대한 설계 트레이드-오프(design trade-off)가 존재한다.
한 실시 예에서, 하프 브리지들(412, 414, 422) 각각은 필터링 및 반도체 전압 오버슈트 감소를 위해 DC 버스 커패시터(C1-C4)에 근접하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 커패시터(C1)는 Q1 및 Q2 에 의해 형성된 하프-브리지용 필터 커패시터일 수 있다. 이러한 커패시터들(C1-C4) 각각은 개별 커패시터일 수도 있고 적절한 등급에 이르도록 몇 개의 이산(discrete) 커패시터들의 직렬 및 병렬 조합일 수도 있다.
한 실시 예에서, 스위치들(Q1-Q8)은 백-바디(back-body) 다이오드들을 갖는 반도체 스위치들이다. Q1-Q8용에 사용될 수 있는 반도체 스위치들의 예들에는 IGBT, MOSFET들 등이 포함되지만 이들에 국한되지 않는다.
도 5는 본 발명의 한 실시 예에 따른 DC/DC 변환기의 제어 구조를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제어 구조(600)는 외부 제어 루프(610) 및 내부 제어 루프(620)를 포함한다. 상기 외부 제어 루프(610)는 인터페이스 인덕터 전류들 중 하나(예컨대, Im1)를 제어하고, 상기 내부 제어 루프(620)는 상기 배터리/PV 전류의 크기 또는 상기 배터리/PV 전압의 크기를 제어한다.
도 5에 도시된 실시 예에서, 제어기 매개변수들(예컨대, 2 개의 PI 매개변수들)이 하드웨어 매개변수들에 적응하도록 튜닝(tunning)될 수 있다. 튜닝은 몇 가지 인자들, 예를 들어 1) 예컨대 상기 변환기가 1 ms 또는 100 ms 에서 정격 전류에 이르는 것이 바람직한지 필요한 응답 속도 - 상기 시스템의 제어 대역폭; 및 상기 시스템의 하드웨어 매개변수들 - 예컨대, 인덕턴스, 커패시턴스 및 스위칭 주파수 값들에 의존한다.
출력 제어 루프(610)는 배터리 전류 또는 PV 전압의 커맨드(command) 및 배터리 전류 또는 PV 전압의 피드백을 입력들로서 수신한다. 배터리 전류 또는 PV 전압의 커맨드 및 배터리 전류 또는 PV 전압의 피드백은 배터리 전류의 원하는 크기 또는 PV 전압의 원하는 크기일 수 있다. 배터리 전류 또는 PV 전압의 피드백은 상기 배터리 전류의 실제 크기 또는 상기 PV 전압의 실제 크기이다. 그 후에, 상기 원하는 크기는 예를 들면 상기 원하는 크기 및 실제 크기 간의 차를 취함으로써 상기 실제 크기와 비교된다. 이러한 차는 상기 인덕터들 중 하나를 통해 상기 인터페이스 인덕터 전류들 중 하나를 제어하기 위한 제어기(612)로 입력된다. 그 후에, 상기 제어기(612)는 상기 인터페이스 인덕터 전류의 전류 커맨드(Im_cmd)를 상기 내부 제어 루프(620)에 출력한다. 여기서, 상기 전류 커맨드(lm_cmd)는 상기 인터페이스 인덕터 전류의 실제 크기와 비교되는 상기 인터페이스 인덕터 전류의 원하는 크기일 수 있다.
도 5에 도시된 실시 예에서, 상기 제어기들(612, 622)은 비례-적분(proportional-integral; PI) 제어기들이다. 그러나, 여기서 이해하여야 할 점은 이러한 제어기들이 PI 제어기들에 국한되지 않는다는 점이며, 실제로는 상기 제어기들이 예컨대, 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative; PID) 제어기 및 비례(proportional; P) 제어기를 포함하는 임의의 폐쇄 루프 제어기일 수 있다.
상기 내부 제어 루프(620)는 입력들로서 인덕터 전류 커맨드(lm_cmd) 및 인덕터 전류(Im1)의 실제 크기를 수신한다. 그 후에, 상기 인덕터 전류 커맨드(lm_cmd)는, 예를 들어 상기 인덕터 전류 커맨드(Im_cmd) 및 상기 인덕터 전류(Im1) 간의 차를 취함으로써 상기 인덕터 전류(Im1)와 비교된다, 그 후에, 이러한 차는 스위치들(Q1-Q8)에 입력되는 스위칭 신호들의 듀티(duty) 값을 계산하기 위해 제어기(622)에 입력된다. 제어부(322)는 상기 스위칭 신호들의 듀티 값을 상기 DC/DC 변환기로 출력한다. 상기 듀티 값은 상기 스위치들에 대한 신호들의 듀티 사이클에 영향을 미치고, 이는 상기 DC/DC 변환기(400)의 스텝 업/스텝 다운(step up/step down)의 크기에 영향을 미친다. 듀티 비율은 상기 DC/DC 변환기(400)의 양측 전압의 비율에 의존한다.
상기 제어 구조(600)는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor; DSP), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array; FPGA:) 등과 같은 제어기 상에 구현될 수 있다, 그러나, 여기서 이해하여야 할 점은 상기 제어기가 이들에 국한되지 않고, 임의의 타입의 프로세서일 수 있다는 점이다. 긔 외에도, 상기 제어 구조(600)는 단일의 제어기 또는 복수의 제어기들(예컨대, 상기 외부 및 내부 루프용의 상이한 제어기) 상에 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 DC/DC 변환기(3)는 이러한 특정 구성에 국한되지 않고, 양방향 전력 흐름이 가능한 임의의 DC/DC 변환기일 수 있다.
저 전압 에너지
도 2는 PV 인버터(31) 동작 과정을 통한 PV 어레이(2)로부터의 솔라 어레이 DC 전압 및 전류를 보여주는 도면이다. 도 2는 PV 전력 생성 및 저장 시스템(100)이 소정의 문턱값(다시 말하면, '웨이크 업(wake up)' 전압) 미만인 저 전압 에너지를 저장하도록 DC/DC 변환기를 구현하는 본 발명의 한 실시 예의 설명을 돕기 위해 제공된 것이다.
DC 변환기(3)를 포함하며, 상기 DC 변환기(3)는 사전에 결정된 문턱값 이하로 낮은 전압 에너지를 저장하기 위해(즉, "웨이크 업(wake up)" 전압)을 포함할 수 있다.
전통적인 PV 인버터 토폴로지의 경우, PV 인버터는 전력 생성을 개시하기 위해 솔라 필드(예컨대, 솔라 어레이(2)에 의해 최소 DC 전압이 생성되기를 기다려야 한다. 이는 '웨이크 업(wake up)' 전압으로 언급될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 도시된 실시 예에서, 상기 DC/DC 변환기의 추가는 상기 PV 어레이 전압이 상기 인버터의 웨이크 업 전압보다 낮고 상기 인버터가 동작하고 있지 않을 때(다시 말하면, 상기 PV 어레이(2), DC/DC 변환기(3), 및 상기 인버터(31)의 DC 측이 접속될 경우) 상기 시스템으로 하여금 상기 PV 어레이로부터 에너지를 추출하게 할 수 있다.
도 2는 전형적인 PV 인버터 동작을 예시한 것이며, 여기서 블랙 트렌드(black trend)(즉, 상부 트렌드)는 솔라 어레이 DC 전압이며 그레이 트렌드(grey trend)(즉, 하부 트렌드)는 솔라 어레이로부터의 전류이다. 토폴로지 제한들은 PV 어레이가 웨이크 업 전압에 이르게 될 때까지 솔라 어레이로부터의 에너지를 그리드 에너지로 변환하려고 시도하는 것을 전형적인 PV 인버터가 제한하게 된다. 도 2를 참조할 때 알 수 있는 점은 상기 어레이 전압이 상기 웨이크 업 전압, 이 경우에 대략 700 VDC에 이를 때까지 상기 인버터가 상기 어레이로부터 전력을 생성할 수 없다는 점이다. 따라서, 따라서, 솔라 어레이(2)의 솔라 패널들 상에 태양광이 입사되는 지점에서부터 상기 어레이가 상기 웨이크 업 전압에 이르는 시점에 이르기까지 상기 패널들로부터 이용 가능한 에너지가 존재한다. 전통적인 구현 예들은 상기 웨이크 업 전압의 문턱값 미만으로 이용 가능한 에너지/전력을 포획할 수 없다.
한 실시 예에서, 저 전압 포획의 경우, 상기 DC/DC 변환기(3)는 최대 전력점 추적 모드로 동작하고 상기 에너지 저장 기기(11)에 상기 PV 생성 에너지를 저장한다. 그 후에, 상기 포획된 에너지는 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 저 전압 포획 에너지는 차후에 인버터(31)를 통해 그리드(120)로 방전될 수도 있고 차후에 로컬 부하들에 전력을 공급하는데 사용될 수도 있다.
상기 제어 시스템(110)은 상기 시스템(100)이 상기 저 전압 에너지를 포획하도록 상기 DC/DC 변환기(3) 및 PV 인버터(31)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 도 6 에 도시된 바와 같이, 한 실시 예에서, 시동 시에, 상기 제어 시스템은 다음과 같은 동작을 수행한다:
210: 상기 PV 어레이에 의해 생성된 전압을 모니터링한다.
220: 상기 PV 어레이(2)가 제1의 사전에 결졍된 문턱값보다 큰 전압을 생성하고 있는지를 결정한다. 한 실시 예에 의하면, 상기 제1의 사전에 결졍된 문턱값은 상기 DC/DC 변환기(3)에서의 예상된 손실들과 동일하도록 설정된다. 상기 제어 시스템(110)은 DC 버스(130) 및 옵션형 솔라 조사 센서들 상에서 감지된 전압을 사용함으로써 상기 PV 어레이(2)가 충분히 이용 가능한 전력을 지니는 지를 결정한다. 이는 상기 PV 어레이(2)에서 이용 가능한 전력이 상기 DC/DC 변환기(3)가 동작하고 있을 때 상기 DC/DC 변환기(3)에서 손실되는 것보다 크다는 것을 보장하도록 수행된다. 상기 DC/DC 변환기(3)가 저 전압 동작 동안 상기 PV 어레이(2)에서 이용 가능한 것보다 더 많은 전력의 손실을 초래한다면, 상기 에너지 저장 기기(11)에서는 방전 동작이 이루어질 수 있다.
230: 상기 PV 어레이(2)가 상기 제1의 사전에 결졍된 문턱값보다 큰 전압을 생성하고 있다고 상기 제어 시스템(110)이 결정하는 경우, 상기 제어 시스템(110)은 상기 PV 어레이(2)가 제2의 사전에 결졍된 문턱값보다 작은 전압을 생성하고 있는지를 결정한다. 한 실시 예에서, 전압에 대한 이러한 제2의 사전에 결졍된 문턱값은 상기 PV 인버터(31)의 웨이크 업 전압과 동일하도록 설정된다. 상기 제어 시스템(110)은, DC 버스(130) 전압이 웨이크 업 전압 미만인지를 결정하도록 DC 버스(130) 상의 전압을 모니터링함으로써 상기 PV 어레이(2)가 상기 제2의 사전에 결졍된 문턱값보다 작은 전압을 생성하고 있는지를 결정한다. 이러한 모니터링은 상기 DC 버스(130) 상의 전압의 크기를 감지하는 센서들의 사용을 통해 이루어질 수 있다.
240: 상기 PV 어레이(2)가 제1의 사전에 결졍된 문턱값보다 큰 이용 가능한 전력을 지니고 제2의 사전에 결졍된 문턱값보다 작은 전압을 생성한다고 상기 제어 시스템(110)이 결정하는 경우, 상기 제어 시스템(110)은 MPPT 모드로 동작하도록 상기 DC/DC 변환기(3)를 제어하고 PV 생성 에너지를 상기 에너지 저장 기기(11)에 저장하며, 상기 제어 시스템(110)은 MPPT 모드로 동작하지 않도록 상기 PV 인버터(31)를 제어한다.
제어 시스템(110)이 MPPT 모드로 동작하도록 DC/DC 변환기(3)를 제어하는 동안, 상기 제어 시스템(110)은 상기 PV 어레이 전압이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값(예컨대, 상기 웨이크 업 전압)에 이르렀는지를 결정하도록 계속 상기 PV 어레이 전압을 모니터링한다.
250: 상기 PV 어레이 전압이 상기 제2의 사전에 결졍된 문턱값에 이르렀다고 결정되는 경우, 상기 제어 시스템(110)은 MPPT 모드로 동작하도록 상기 PV 인버터(31)를 제어하여 상기 PV 어에 의해 생성된 에너지가 그리드(120)에 제공되게 한다. 상기 제어기(110)가 상기 인버터(31)를 MPPT 모드로 배치할 때, 상기 제어 시스템(110)은 상기 DC/DC 변환기(3)에 대한 MPPT 모드를 중지한다.
일단 상기 PV 어레이 전압이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값에 이르렀거나 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값을 초과하면, 상기 제어 시스템(110)은 상기 PV 어레이 전압의 크기가 상기 제2의 사전에 결졍된 문턱값 미만인지를 결정하도록 상기 PV 어레이 전압을 계속 모니터링한다. 이는 구름, 먼지 또는 다른 대상(object)이 상기 PV 어레이(2)에 입사되는 태양광에 장애를 초래하는 경우나 또는 태양이 지기 시작할 때 이루어질 수 있다. 상기 PV 어레이 전압이 상기 제2의 사전에 결졍된 문턱값 미만일 때, 상기 제어 시스템(110)은 다시 MPPT 모드로 동작하도록 상기DC/DC 변환기(3)를 제어하여 에너지 저장 기기(11)에 에너지가 저장되게 하고, 상기 PV 인버터(31)에 대한 MPPT 모드를 정지시킨다.
일단 상기 PV 어레이 전압이 상기 제2의 사전에 결졍된 문턱값 미만일 때, 상기 제어 시스템(110)은 상기 PV 어레이 전압의 크기가 다시 상기 제2의 사전에 결졍된 문턱값에 이르는지를 결정하도록 계속 상기 PV 어레이 전압을 모니터링하고, 이러한 시점에서 상기 제어 시스템은 다시 MPPT 모드로 동작하도록 상기 PV 인버터(31)를 제어하여 상기 PV 어레이(2)에 의해 생성된 에너지가 그리드(120)에 제공되게 하여 상기 DC/DC 변환기(3)에 대한 MPPT 모드를 중지시킨다.
비록 상기 DC/DC 변환기(3)가 에너지 저장 기기(11)에 접속되는 경우에 대해 상기 방법이 설명되어 있지만, 여기서 이해하여야 할 점은 본 발명이 이러한 특정 경우에 국한되지 않는다는 점이다. 예를 들어, 다른 한 실시 예에서, 일 측이 PV 어레이(2)에 연결되고 다른 일 측이 상기 PV 인버터(31)DP 연결되는 DC/DC 변환기(3)에 상기 제어 시스템(1)에 의해 유사한 방법이 적용된다. 이러한 경우에, 상기 DC/DC 변환기(3)는 에너지를 저장하는데 사용되지 않지만, 오히려 상기 DC/DC 변환기(3)는 저 전압 어레이 PV 출력 상황에서 상기 PV 인버터(31)의 웨이크 업 전압을 초과하도록 전압을 부스트한다. 따라서, 상기 PV 전압이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 작다고 상기 제어 시스템이 결정할 때, 상기 제어 시스템은 상기 PV 인버터(31)의 웨이크 업 전압 이상으로 전압을 부스트하도록 상기 DC/DC 변환기(3)를 제어한다.
인버터 클리핑 포획
도 3은 인버터 클리핑 동안 잠재적으로 손실되는 에너지의 포획을 예시하는 도면이다.
인버터 부하율(inverter loading ratio; ILR)은 AC 인버터(예컨대, 인버터(31)) 정격에 대한 설치된 DC PV 전력의 비로서 정의된다. 1 의 ILR은, 하루 동안 - 구름양(cloud cover) 및 다른 변화가 없는 이상적인 조사(irradiance)를 가정함 - 에 걸쳐 솔라 시스템의 전력 출력을 그래핑(graphing)할 때 연속적인 포물선을 생성한다. 상기 ILR보다 높은 경우, 상기 시스템은 그의 정격 출력 전력에 신속히 이르게 된다. 예를 들어, 1 의 ILR은 상대적으로 큰 ILR에 비해 인버터 최대 ㅈ정격 출력 전력에 이르기까지 상대적으로 느린 램프(ramp)를 지니게 된다. 이와는 대조적으로, 높은 ILR은 인버터 최대 정격 출력 전력에 이르도록 상대적으로 가파른 램프 및 상대적으로 빠른 시간을 생성하게 된다.
솔라 PV 설비로부터의 에너지 생산을 최대화하기 위해, 1 보다 큰 ILR이 배치될 수 있는데, 여기서 1.2 내지 1.3 ILR 값이 일반적이며 2보다 큰 ILR은 일반적이지 않다. 그러나, 상기 출력 전력이 상대적으로 신속하게 인버터 등급에 이르게 하면서 상대적으로 높은 ILR 값들을 채용할 때, 인버터 클리핑이 발생한다. 도 3에 도시된 예에서, 대략 1.3 MW PV 패널 및 1 MW PV 인버터(ILR = 1.3)가 존재한다. 이러한 구성은 PV 출력 전력을 1 MW로 제한하고, 어두운 그레이 음영 영역의 에너지를 수확하게 된다. 그러나, 이러한 구성은 밝은 그레이 영역으로서 도시된 1 MW 이상으로 이용 가능한 에너지 모두를 포획할 수 없다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 상기 변환기 및 제어 시스템은 상기 "클리핑된" 에너지를 상기 에너지 저장 기기(11)에 저장하고, 그 후 이는 차후에 디스패치될 수 있다.
상기 제어 시스템(110)은 상기 DC/DC 변환기(3) 및 PV 인버터(31)의 동작을 제어하여 상기 시스템(100)이 상기 클리핑된 에너지를 포획하게 된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 한 실시 예에서, 상기 제어 시스템은 다음과 같은 동작을 수행한다:
310: 상기 PV 인버터(31)의 출력 전력을 모니터링한다. 한 실시 예에서, 상기 제어 시스템(110)은 AC 버스(120) 상의 전압을 모니터링할 수 있다. 그러한 모니터링은 상기 PV 인버터(31)에 의해 출력되는 전압 및 전류의 크기를 감지하는 센서들의 사용을 통해 이루어질 수 있다. 그러한 센서는 예를 들어, 상기 PV 인버터(31)의 출력에나 또는 상기 PV 인버터의 케이스 내에 배치될 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 센서는 상기 PV 인버터에 통합될 수 있다.
320: 상기 PV 어레이 전력이 사전에 결정된 문턱값에 이르렀는지를 결정한다. 한 실시 예에서, 상기 제어 시스템(110)은 PV 인버터(31) 등급을 내부에 저장하고 상기 PV 인버터(31) 등급을 상기 사전에 결정된 문턱값으로서 설정한다. 예를 들어, 1 MW 솔라 인버터 및 1.5 MW 솔라 패널들이 존재하는 경우, 상기 제어 시스템은 상기 솔라 인버터(31)의 출력 전력의 크기를 모니터링하고, 일단 상기 솔라 인버터가 1 MW로 전력 제한되면, 상기 제어 시스템(110)은 상기 에너지 저장 기기(11)에 임의의 이용 가능한 초과 전력을 저장하도록 상기 DC/DC 변환기(3)를 제어한다.
330: 상기 출력 전력이 상기 사전에 결정된 문턱값을 초과한 후에, 상기 출력 전력이 상기 사전에 결정된 문턱값 미만인지를 결정하도록 계속 PV 인버터(31)의 출력 전력을 모니터링하고, 상기 출력 전력이 상기 사전에 결정된 문턱값 미만인 것으로 결정되면, 더 이상 저장될 초과 전력이 존재하지 않는다.
디스패치 가능 PV
한 실시 예에서, 상기 제어 시스템(110)은 상기 PV 어레이(2)에 의해 생성된 에너지를 상기 에너지 저장 기기(11)에 저장하여 상기 에너지가 차후에 디스패치될 수 있게 한다. 그 후, 솔라 설비가 제한되지 않을 때 또는 오프테이크(offtake)(예컨대, 전력 회사, 대규모 산업 시설, 도시 등)가 에너지에 대해 프리미엄을 지불하게 될 때, 상기 에너지가 사용될 수 있다.
예를 들어, 한 실시 예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제어 시스템(110)은 다음과 같은 동작을 수행한다.
710: PV 에너지를 그리드에 전송하는 대신에 PV 에너지를 사용하여 에너지 저장 기기(11)를 충전하는 것이 유리한지를 결정하기 위해 그리드 매개변수 및 에너지 가격설정을 모니터링한다. 예를 들어, 상기 제어 시스템(110)은 상기 그리드에 공급되는 에너지에 대한 가격설정 신호를 수신할 수도 있고, 상기 제어 시스템(110)은 유틸리티 또는 다른 엔티티로부터 상기 그리드로의 솔라 생성(solar generation)의 공급을 감소시키거나 또는 중단하게 하는 신호를 수신할 수도 있다.
720: 솔라 생성 에너지가 상기 그리드에 공급되지 않아야 한다고 결정하고, 상기 제어 시스템(110)은 상기 DC/DC 변환기(3)를 제어하여 상기 PV 어레이(2)로부터의 전력을 상기 에너지 저장 기기(11)에 저장하게 된다. 그 후, 상기 제어 시스템(110)은 예를 들어 사전에 결정된 시간의 경과에 의해 또는 엔터티(예컨대, 유틸리티)로부터의 신호를 수신함으로써 축소가 종료한다거나 또는 에너지 가격이 증가하여 그리드에 전력을 공급하는 것을 더 수익성 있게 한다고 결정할 수 있다.
730: 일단 축소가 종료하거나 에너지 가격이 증가하면, 상기 제어 시스템(110)은 상기 PV 인버터(31)를 제어하여 로컬 부하들, 유틸리티, 대규모 산업 시설, 도시 등을 포함할 수 있는 그리드(120)에 전력을 제공할 수 있게 된다.
이러한 실시 예는 솔라 설비에서의 솔라 어레이(2)가 축소될 경우(설령 축소가 하루만큼 길지라도) 총 손실 대신에 가능한 많은 에너지가 에너지 저장 기기에 저장된다는 점에서 유리하다. 어떠한 태양광이 존재하지 않기 때문에 솔라 설비가 오프라인인 차후 시점(예컨대, 야간)에, 상기 설비는 상기 에너지 저장 기기(11)를 상기 그리드(10)로 방전시킬 수 있다.
램프율 제어
PV 전력 생산(PV power production)은 일조(sunshine)에 의존하기 때문에, PV 전력 생산은 구름들 또는 다른 쉐이딩(shading) 이벤트들의 통과로 변동될 수 있다. 이러한 쉐이딩 이벤트들이 발생하면, 다운-램핑(down-ramping)이 이루어진다. 태양광이 복귀하면 업-램핑(up-ramping)이 이루어진다. 만약 예리한 업-램핑 또는 다운-램핑(down-ramping)이 존재하면, 전력 시스템이나 전력 시스템에 접속된 다른 시스템에 손상이 발생될 수 있다(예컨대, 높은 램프율로 인해 시스템 고장을 유발할 수 있는 과도/부족 주파수 이벤트가 발생할 수 있다). 예를 들어, 솔라 팜(solar farm)이 최대 전력으로 가동되는 동안 상당한 구름 커버리지가 발생하면 솔라 팜으로부터의 출력 전력이 최대 전력 또는 거의 최대 전력으로부터 매우 낮은 값으로 될 수 있으며 그리드 및 부하들은 매우 빠른 전력 변화율을 핸들링하도록 양호한 장비가 갖춰져 있지 않다. 한 실시 예에서, 상기 제어 시스템(110) 및 DC/DC 변환기(3)는 사전에 정의된 램프율(시간에 대한 전력 변화율)을 유지하기 위해 업-램핑 이벤트들 동안 부분적으로 충전하고 다운-램핑 이벤트들 동안 부분적으로 방전하는함으로써 쉐이딩에 의해 야기되는 업-램핑 및 다운-램핑 이벤트들 양자 모두를 완화시킨다.
상기 제어 시스템(110)은 상기 DC/DC 변환기(3) 및 상기 PV 인버터(31)의 동작을 제어하여, 상기 시스템(100)이 사전에 정의된 램프율을 유지하도록 램프 제어를 이루어 동작한다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 도 9 에 도시된 바와 같이, 상기 제어 시스템(110)은 다음과 같은 동작을 수행하도록 구성된다:
510: 램프 제어가 개시되면, 상기 제어 시스템(110)은 상기 그리드에 대한 상기 PV 인버터(21)의 출력 전력을 모니터링한다. 이러한 모니터링은 상기 PV 인버터(31)에 의해 출력되는 전압의 크기를 감지하는 센서들의 사용을 통해 이루어질 수 있다.
520: 상기 제어 시스템(110)은 설정된 양만큼 전력의 변화율이 사전에 정의된 램프율과 차이가 있는지를 결정한다.
530: 상기 설정된 양만큼 상기 변화율에 차이가 있다고 결정되면, 상기 제어 시스템(110)은 상기 DC/DC 변환기(3)를 제어하여 에너지 저장 기기(11)를 방전 또는 충전시킴으로써 램프-업(ramp-up) 또는 램프-다운(ramp-down) 속도를 늦추게 한다(예컨대, 상기 출력 전력의 램프율을 늦추기 위해 손실된 솔라 생산을 보충하게 한다).
본 발명의 실시 예들에서, 상기 DC/DC 변환기(3)는 PV 어레이(2)의 저 전압 에너지의 포획, 인버터 클리핑, 디스패치 가능 PV 및 램프율 제어에 대해 손실되는 에너지의 포획을 용이하게 한다. 실시 예들에서, 상기 DC/DC 변환기(3)는 에너지 저장 기기(11) 및 PV 어레이(2) 사이에 사용된다. 상기 PV 어레이(2)는 유틸리티 AC 그리드와 접속된 인버터를 지닐 수 있다. 그러므로, 상기 변환기의 전력 흐름은 양방향(PV로부터의 배터리 충전, PV 인버터를 통한 그리드로의 배터리 방전)이어야 한다, 상기 배터리(에너지 저장 기기) 전압은 전력 흐름의 양자 모두의 방향을 통해 PV 전압보다 크거나 작을 수도 있고 PV 전압과 거의 동일할 수도 있다. 그래서, 상기 변환기의 어느 한 측은 벅(buck) 또는 부스트(boost)로서 사용될 수 있다.
실시 예들에서, 상기 DC/DC 변환기(3)는 또한 서로 다른 화학물질의 병렬 다중 배터리에서 단일 인버터에 인터페이스하는데 사용될 수도 있고 새로운 배터리들이 기존 배터리 설비 용량을 업그레이드하도록 추가된 경우 배터리들의 전류 공유를 용이하게 하도록 사용될 수 있다.
이러한 시스템은 또한 어떠한 유틸리티 접속도 없는 마이크로그리드(microgrid)들에서 사용될 수 있다.
이러한 시스템은 또한 AC 인버터의 필요 없이 DC 부하들에 서비스를 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 솔라 PV 설비로부터 추가적인 에너지를 포획하여 투자에 대한 소유자의 복귀(owner's return on investment; ROI)를 개선하는 것을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시 예들은 솔라 PV 에너지 생산의 디스패치를 최고점을 다루기 위해 시간 이동시키고, 시간대(time of day; TOD) 비율에 기초하여 에너지를 디스패치하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 실시 예들은 사용자가 인버터 클리핑에 대해 또는 저 전압 어레이 시간 동안 손실된 에너지를 결정하도록 이력 데이터 또는 일부 시뮬레이션 소프트웨어(예컨대, PVSyst)에 기초한 PV 시스템의 생산을 평가할 수있게 하고 일단 저장 기기 및 변환기가 추가되면 수정된 ROI를 계산할 수 있게 한다.
위에서 검토된 특정한 대표적인 실시 예들에서, 상기 DC/DC 변환기(400)가 에너지 저장 기기 및 PV 어레이/인버터 사이에 연결되는 것으로 설명되어 있지만, 여기서 이해하여야 할 점은 본 발명이 이러한 적용에 국한되지 않는다는 점이다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시 예들이 상기 제1 및 제2 입력/출력 측들 상의 오버래핑 전압들이 DC/DC 변환에 필요한 적용과 같은 추가 적용에 적합하다는 것을 이해할 수 있을 것이다, 추가적인 예들은 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive; VFD) 적용에서의 백업 전력을 포함한다. 상기 DC/DC 변환기는 VFD의 DC 버스와 인터페이스될 수 있다. 그리드 전압이 존재할 때, DC 버스 전압은 그리드에 의해 확립되고 VFD는 모터에 전력을 공급한다. 그리드가 없어질 때(예컨대, 정전(power outage)), 상기 DC/DC 변환기는 상기 배터리들을 상기 VFD로 방전하여 상기 DC 버스를 유지하여, 상기 VFD가 중단 없이 실행되도록 할 수 있다.
이러한 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 전력 시스템에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시 내용의 다른 실시 예들은 본 개시 내용의 명세 및 실행을 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 예들은 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며 본 발명의 진정한 범위는 다음의 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해 나타내지는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 전원으로부터 저 전압 에너지를 포획하기 위한 전력 시스템으로서,
    상기 전력 시스템은,
    DC 버스에 연결된 상기 전원;
    상기 DC 버스 및 에너지 저장 기기에 연결된 DC/DC 전력 변환기;
    상기 DC 버스 및 AC 버스에 연결된 전력 인버터; 및
    제어 시스템;
    을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 하나 이상의 제어기들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 제어기들은,
    상기 전원에 의해 생성된 전압을 모니터링하도록 구성되고,
    상기 전원이 제1의 사전에 결정된 문턱값보다 큰 전압을 생성하고 있는지를 결정하도록 구성되며,
    상기 전원이 상기 제1의 사전에 결정된 문턱값보다 큰 전압을 생성하고 있다고 결정될 때 상기 전원이 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 작은 전압을 생성하고 있는지를 결정하도록 구성되고,
    상기 전원이 상기 제1의 사전에 결정된 문턱값 및 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값 사이의 전압을 생성하고 있다고 결정될 때,
    상기 DC/DC 전력 변환기를 제어해 MPPT 모드로 동작하여 상기 전원에 의해 생성된 에너지를 상기 에너지 저장 기기에 저장하도록 구성되며 그리고
    상기 전력 인버터를 제어하여 MPPT 모드로 동작하지 않도록 구성되고,
    상기 전원이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 크거나 같은 전압을 생성하고 있다고 결정될 때,
    상기 전력 인버터를 제어해 MPPT 모드로 동작하여 상기 전원에 의해 생성된 에너지를 상기 AC 버스를 통해 전력 그리드에 공급하도록 구성되며 그리고
    상기 DC/DC 전력 변환기를 제어하여 MPPT 모드로 동작하지 않도록 구성되는, 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 사전에 결정된 문턱값은 상기 DC/DC 전력 변환기에서의 예상 손실들과 동일한, 전력 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 인버터는 상기 DC 버스에서의 전압이 상기 전력 인버터가 동작 가능하기까지 이르러야 하는 전압 크기인 웨이크업(wake up) 전압을 지니고, 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값은 상기 전력 인버터의 웨이크업 전압과 동일한, 전력 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원에 의해 생성된 전압은 연속적으로 모니터링되고, 상기 제어 시스템은 상기 DC/DC 전력 변환기 및 상기 전력 인버터를 연속적으로 제어하여 MPPT 모드로 동작하는 것과 MPPT 모드로 동작하지 않는 것 사이에서 전이하게 하는, 전력 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원이 상기 제2의 사전에 결정된 문턱값보다 작은 전압을 생성하고 있는지를 결정함에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 DC 버스에서의 전압을 모니터링하도록 더 구성되는, 전력 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력 시스템은,
    상기 DC 버스에서의 전압을 감지하고 감지된 전압을 상기 전력 시스템으로 송신하는 센서;
    를 더 포함하는, 전력 시스템.
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