KR20180070077A - 다중센서기반의 ess용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템 - Google Patents
다중센서기반의 ess용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 최대전력구간을 추종하여 효율적으로 배터리를 충전하고 다양한 모듈과 연동하여 모니터링이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 일사량센서, 온도센서, 전압센서 및 전류센서를 포함하는 다중센서모듈과; 상기 다중센서모듈로부터 입력되는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC부와, 펄스폭 변조하는 PWM부와, 각 모듈 간 CAN 통신 방식으로 n:n 통신하는 CAN통신부를 포함하는 MPPT제어모듈과; 상기 MPPT제어모듈의 최대전력추종 알고리즘을 통해 충전 제어되어 발전하는 태양광발전모듈; 상기 태양광발전모듈과 병렬 연결되어 발전 전력을 저장하는 배터리모듈; 및 상기 다중센서모듈과, 상기 MPPT제어모듈, 상기 태양광발전모듈 및 상기 배터리모듈과 연결되어 각각의 상태를 모니터링하고 제어하는 모니터링모듈;을 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.
Description
본 발명은 최대전력구간을 추종하여 효율적으로 배터리를 충전하고 다양한 모듈과 연동하여 모니터링이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템에 관한 것이다.
가전용 기기 및 산업용 기기에 구동 전원을 공급하는 전원 장치는 각 기기 구동에 있어서 필수적으로 채용된다. 이러한 전원 장치 중 태양광 발전 장치는 최근 들어 친환경적이고, 자원의 고갈이 없는 무한대의 에너지원을 사용하여 새로운 전원 공급 장치로 각광을 받고 있다.
일반적으로 태양광 발전장치는 태양에너지를 전기에너지로 바꾸기 위해 하나 이상의 태양전지모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 어레이를 형성한다. 이와 같이 다수의 태양전지모듈을 연결하여 사용하는 이유는 하나의 태양전지모듈로부터 출력되는 전력량이 매우 작기 때문이다. 여기서, 태양전지모듈 어레이의 전압 크기는 직렬 연결된 태양전지모듈의 개수에 비례하고, 태양전지모듈 어레이의 전류 크기는 병렬 연결된 태양전지모듈의 개수에 비례한다. 또한, 상기 태양광 발전장치는 태양전지모듈로부터 생성된 직류전력을 부하 또는 계통에 적합한 교류전력으로 변환하기 위한 인버터 등이 포함될 수 있다.
이러한 태양광 발전 장치는 새로운 대체 에너지 제공 장치로서 각광을 받고 있으나, 발전 효율이 낮아 태양광 발전 장치에서 최대 전력을 추출할 수 있도록 하는 최대 전력 추종(Maximum Power Point Tracking;MPPT) 제어가 반드시 필요하다.
태양광 발전 장치에서 최대 전력을 추출할 수 있는 최대 전력점은 일사량 및 표면온도 등의 환경 조건에 따라 변동하고, 전력을 발생하는 동작점은 부하 조건에 따라 결정된다. 이에 따라, 태양광 발전장치에서 최대 전력을 추출하기 위해서는 동작점이 최대 전력점을 추종하도록 제어되어야 할 필요가 있다.
특히, 최근 대두되고 있는 태양광 발전 및 전기자동차의 상용화 등으로 인하여 증가 추세를 보이고 있는 에너지 저장 장치(ESS; Energy Storage System)에 대한 충전 제어 및 모니터링 개발 기술이 필요한 실정이다.
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 태양광 발전의 최대전력추종(MPPT) 제어를 통한 에너지 저장 장치(ESS; Energy Storage System)의 충전 효율 향상 및 모니터링이 용이한 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따른 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템은, 일사량센서, 온도센서, 전압센서 및 전류센서를 포함하는 다중센서모듈과; 상기 다중센서모듈로부터 입력되는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC부와, 펄스폭 변조하는 PWM부와, 각 모듈 간 CAN 통신 방식으로 n:n 통신하는 CAN통신부를 포함하는 MPPT제어모듈과; 상기 MPPT제어모듈의 최대전력추종 알고리즘을 통해 충전 제어되어 발전하는 태양광발전모듈; 상기 태양광발전모듈과 병렬 연결되어 발전 전력을 저장하는 배터리모듈; 및 상기 다중센서모듈과, 상기 MPPT제어모듈, 상기 태양광발전모듈 및 상기 배터리모듈과 연결되어 각각의 상태를 모니터링하고 제어하는 모니터링모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배터리모듈에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 상용전원과 연계되어 잉여전력을 판매하도록 제공하는 전력변환모듈과; 상기 태양광발전모듈에 의해 발전된 전력과, 상기 배터리모듈에 저장된 전력이 부하에 연결되어 소모되는 전력과, 상기 부하의 소모 전력 이외의 잉여전력을 상용전원으로 판매한 전력 데이터들을 저장하여 데이터베이스를 구축하는 서버모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 태양광 발전의 최대전력추종(MPPT) 제어를 통해 에너지 저장 장치(ESS; Energy Storage System)의 충전 효율 향상시키고 다양한 모듈과 연동하여 모니터링이 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템을 구체적으로 나타낸 블록도이고,
도 3은 본 발명에서 부가될 수 있는 전력센싱용 칩의 회로도를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템을 구체적으로 나타낸 블록도이고,
도 3은 본 발명에서 부가될 수 있는 전력센싱용 칩의 회로도를 나타낸 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다중센서모듈(10)과, MPPT제어모듈(20)과, 태양광발전모듈(30)과, 배터리모듈(40) 및 모니터링모듈(60)을 포함한다.
먼저, 상기 다중센서모듈(10)은 일사량센서(12), 온도센서(14), 전압센서(16) 및 전류센서(18)를 포함한다. 즉, 일사량과 온도 등을 실시간으로 측정함으로써 태양광 발전의 주변 상황에 따라 효율적으로 발전 제어할 수 있으며, 실시간으로 전압 및 전류를 측정하여 충방전을 제어할 수 있도록 한다.
다음으로, 상기 MPPT제어모듈(20)은 상기 다중센서모듈(10)로부터 입력되는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC부(22)와, 펄스폭 변조하는 PWM부(24)와, 각 모듈 간 CAN 통신 방식으로 n:n 통신하는 CAN통신부(26)를 포함한다.
여기서, 상기 MPPT제어모듈(20)은 최대전력추종 알고리즘을 포함하고 있으며, 실시간으로 변하는 일사량과 온도 변화에서 최대의 발전 효율을 가질 수 있도록 제어된다.
그리고 상기 MPPT제어모듈(20)은 배터리의 전력 잔량을 체크하여 배터리의 충전 여부를 결정하고, 태양광발전모듈(30)의 최대 출력 동작점을 추적하여 최대전력점에서 동작하도록 제어한다.
다음으로, 태양광발전모듈(30)은 최대전력추종 알고리즘을 통해 충전 제어되어 발전된다.
한편, 상기 태양광발전모듈(30)은 배터리의 전력 잔량에 따라 최대전력제어모드 및 정전압모드로 분류하여 제어될 수 있다.
상기 최대전력제어모드는 배터리 전압을 센싱하여 배터리에 충전이 필요한 경우, 배터리가 방전되는 것을 보호하기 위해 부하단을 차단하고 배터리가 충전되는 상태를 유지하도록 작동시킨다.
상기 정전압모드는 배터리가 완충된 경우 과충전을 방지하기 위해 배터리의 과전압수치를 넘을 경우 최대전력 추종점(MPPT : Maximum Power Point Tracking)을 변경하여 배터리가 과충전되지 않도록 정전압(Constant Voltage, CV) 모드로 동작시키도록 한다.
덧붙여, 상기 최대전력제어모드 작동시 발생하는 전력 증감률을 기준으로 인터리브드 벅 컨버터의 PWM 듀티비(Duty ratio)를 증감시켜 최대 전력구간을 추종한다. 듀티비란 전원이 인가되는 시간에 따른 비율로써, ON Time과 OFF Time의 비율을 말한다.
즉, 본 발명의 태양광발전모듈(30)은 전압 및 전력 변화량에 따라 인터리브드 벅 컨버터의 PWM 듀티 제어값을 증감시켜 최대 전력점을 추종하도록 제어된다.
다음으로, 배터리모듈(40)은 상기 태양광발전모듈(30)과 병렬 연결되어 발전 전력을 저장한다. 이러한 배터리모듈(40)은 수용가의 전력 사용량 및 발전량에 따라 임의적인 추가 구성, 용량을 증대시킬 수 있도록 구성되어진다. 이는 다양한 가정에 공급시 제품에 유연성을 부여하기 위함이다.
이때, 상기 배터리모듈(40)은 정확한 배터리 잔량 검출을 위해 배터리모듈(40)에 장착되는 전력센싱용 칩을 더 포함할 수 있다.
전력센싱용 칩의 회로도는 도 3과 같다. 태양광 발전에서 정확한 배터리 잔량 검출은 배터리의 수명 및 배터리의 전력을 예측하기 위한 중요한 요소이다. 종래에는 개방전압 검출만으로 배터리 잔량을 예측함으로써 정확도가 떨어지고 충전 특성이 좋지 않게 되어 최대 전력 제어에 정밀도가 저하되었다.
본 발명에서는 배터리 전력센싱용 칩을 적용하여 배터리의 정확한 잔량을 예측하고 이에 따른 충방전 제어를 통해 배터리의 충전 효율을 높이고 배터리의 내구성을 높일 수 있다.
다음으로, 모니터링모듈(60)은 상기 다중센서모듈(10)과, 상기 MPPT제어모듈(20), 상기 태양광발전모듈(30) 및 상기 배터리모듈(40)과 연결되어 각각의 상태를 모니터링하고 제어한다. 이러한 모니터링모듈(60)은 PC, HMI, 모바일기기 등의 모니터링이 가능한 장치들을 칭하며, 해당 장치들은 서버모듈이나 통신모듈 등에 연동되어 전체적인 스케쥴링, 전력사용량의 결정 등 사용자가 원하는 동작을 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)가 설치된 곳까지 이동하지 않고 원격 제어가 가능하도록 한다.
나아가, 상기 배터리모듈(40)에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 상용전원과 연계되어 잉여전력을 판매하도록 제공하는 전력변환모듈(50)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전력변환모듈(50)은 배터리에 충전된 전력을 일반 가정에서 사용하는 220VAC로의 공급을 담당하며, 사용자의 설정에 따라 부하제어, 비상전원으로의 사용, 스케쥴링에 의한 누진세 관리 등의 기능을 수행하고 배터리의 전력 출력을 조절한다.
더하여, 상기 태양광발전모듈(30)에 의해 발전된 전력과, 상기 배터리모듈(40)에 저장된 전력이 부하에 연결되어 소모되는 전력과, 상기 부하의 소모 전력 이외의 잉여전력을 상용전원으로 판매한 전력 데이터들을 저장하여 데이터베이스를 구축하는 서버모듈(70)을 더 포함할 수 있다.
상기한 서버모듈(70)은 실시간 발전량, 소모량, 전력판매량 등 사용자가 원격지에서 모니터링 및 제어가 가능하도록 하며, 발전전압, 발전전류, 소모전압, 소모전류, 상용공급전압, 상용공급전류, 일간데이터, 주간데이터, 월간데이터, 연간데이터 등의 데이터를 기록 DB화하여 사용자에게 계획적인 전력 소비를 가능하게 한다. 또한 사물인터넷(IOT) 기반의 서비스를 위한 게이트웨이로의 동작을 수행할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 태양광 발전의 최대전력추종(MPPT) 제어를 통해 에너지 저장 장치(ESS; Energy Storage System)의 충전 효율 향상시키고 다양한 모듈과 연동하여 모니터링이 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 다중센서모듈
12: 일사량센서
14: 온도센서
16: 전압센서
18: 전류센서
20: MPPT제어모듈
22: ADC부
24: PWM부
26: CAN통신부
30: 태양광발전모듈
32: DC/DC 컨버터
40: 배터리모듈
42: DC/DC 컨버터
50: 전력변환모듈
52: DC/AC 컨버터
60: 모니터링모듈
70: 서버모듈
12: 일사량센서
14: 온도센서
16: 전압센서
18: 전류센서
20: MPPT제어모듈
22: ADC부
24: PWM부
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30: 태양광발전모듈
32: DC/DC 컨버터
40: 배터리모듈
42: DC/DC 컨버터
50: 전력변환모듈
52: DC/AC 컨버터
60: 모니터링모듈
70: 서버모듈
Claims (2)
- 일사량센서, 온도센서, 전압센서 및 전류센서를 포함하는 다중센서모듈;
상기 다중센서모듈로부터 입력되는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 ADC부와, 펄스폭 변조하는 PWM부와, 각 모듈 간 CAN 통신 방식으로 n:n 통신하는 CAN통신부를 포함하는 MPPT제어모듈;
상기 MPPT제어모듈의 최대전력추종 알고리즘을 통해 충전 제어되어 발전하는 태양광발전모듈;
상기 태양광발전모듈과 병렬 연결되어 발전 전력을 저장하는 배터리모듈; 및
상기 다중센서모듈과, 상기 MPPT제어모듈, 상기 태양광발전모듈 및 상기 배터리모듈과 연결되어 각각의 상태를 모니터링하고 제어하는 모니터링모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 배터리모듈에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 상용전원과 연계되어 잉여전력을 판매하도록 제공하는 전력변환모듈과,
상기 태양광발전모듈에 의해 발전된 전력과, 상기 배터리모듈에 저장된 전력이 부하에 연결되어 소모되는 전력과, 상기 부하의 소모 전력 이외의 잉여전력을 상용전원으로 판매한 전력 데이터들을 저장하여 데이터베이스를 구축하는 서버모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중센서기반의 ESS용 태양광 충전컨트롤러의 최대전력점추종 연동 제어 모니터링 시스템.
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