KR101382800B1 - Photovoltaic power generation system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터; 상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및, 상기 카패시터의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 컨버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.Photovoltaic device according to an embodiment of the present invention is a solar cell; A converter connected to the output terminal of the solar cell; A capacitor connected to the output of the converter; An inverter connected to the capacitor and converting a DC voltage into an AC voltage; And a controller configured to control the converter by detecting the voltage Vd of the capacitor and adjusting the voltage within a predetermined range.
Description
본 발명은 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양광 발전시의 출력 전력을 제어하는 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photovoltaic device and a control method thereof, and more particularly, to a photovoltaic device for controlling output power during photovoltaic power generation and a control method thereof.
최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장치 등 매우 다양하게 활용되고 있다.Recently, as the problem of depletion of natural resources and the environment and stability of nuclear power generation and nuclear power generation have been raised, studies on solar energy and wind power, which are representative green green energy, are actively underway. In particular, photovoltaic power generation is widely used in the fields of automobiles, toys, residential power generation and street lamps, as well as unmanned lighthouses, clock towers, and communication devices, which are separated from system lines and distant places.
이러한 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로서, 일반적인 태양전지는 전기에너지원과는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 기존의 전기에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정하게 동작한다. 또한 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력/출력 조건에서도 항상 안정한 장치으로 동작한다. 즉 선형 전압원을 가지는 전기에너지원을 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수 있다.Such a solar cell transforms the light energy of the sun into electric energy, and a typical solar cell has electric characteristics which are considerably different from those of an electric energy source. Since the conventional electric energy has the characteristics of a linear voltage source, it maintains a constant voltage and operates stably at all times even if a linear or nonlinear load is applied to the load end. Also, since it has only one operating point, it always operates as a stable device under any input / output conditions. That is, when using an electric energy source having a linear voltage source, desired operating conditions can be obtained regardless of the load conditions.
그러나 태양전지는 비선형소스로 구분되어, 태양전지로부터 생성되는 전력은 부하조건, 입사되는 태양광에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다. 기후변화에 의해 태양전지의 발전량이 감소한 경우, 인버터는 최대전력점에서 동작하려고 하고 컨버터는 직류전압을 일정하게 유지하려고 하므로 태양전지의 전압은 더 감소하게 되어 동작범위를 벗어나는 경우가 발생한다.However, the solar cells are classified into nonlinear sources, and the power generated from the solar cells changes in size depending on load conditions and incident sunlight. When the solar cell power generation decreases due to climate change, the inverter tries to operate at the maximum power point and the converter tries to keep the DC voltage constant so that the voltage of the solar cell decreases further and it is out of the operating range.
본 발명은 태양전지의 전압이 동작범위로 설정된 최저전압에 도달하는 경우 최저전압을 유지하도록 컨버터를 제어하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to control the converter to maintain the minimum voltage when the voltage of the solar cell reaches the minimum voltage set in the operating range.
발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터; 상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및, 상기 카패시터의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 컨버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.Photovoltaic device according to an embodiment of the present invention is a solar cell; A converter connected to the output terminal of the solar cell; A capacitor connected to the output of the converter; An inverter connected to the capacitor and converting a DC voltage into an AC voltage; And a controller configured to control the converter by detecting the voltage Vd of the capacitor and adjusting the voltage within a predetermined range.
본 발명의 실시예에 의하면 태양전지의 전압이 감소하여도 정지하지 않고 인버터가 동작을 계속하는 태양광 발전 장치를 제공할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a photovoltaic device in which the inverter continues to operate without stopping even when the voltage of the solar cell decreases.
도 1은 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 3은 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프이다.
도 4는 종래 기술에 따른 각 노드에서의 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 발명의 실시예에 따른 각 노드에서의 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.1 is a block diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram illustrating a converter according to an embodiment of the invention.
3 is a graph of current-voltage characteristics and power-voltage characteristics of a solar cell.
Figure 4 is a graph showing the voltage and current at each node according to the prior art.
5 is a graph showing the voltage and current at each node according to an embodiment of the invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 장치는, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지(100), 상기 태양전지(100)의 출력단에 접속된 컨버터(200), 상기 컨버터(200)의 출력단에 접속된 카패시터(Cd), 상기 카패시터(Cd)와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터(300), 상기 인버터(300)의 출력단에 접속되고, 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있는 상용전원(400), 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 컨버터(200)를 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the photovoltaic device includes a
상기에서 컨버터(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 인덕터(L), 반도체 스위치(Q) 및 다이오드(D)로 구성되어 있으며, 인덕터(L)는 태양전지(100)로부터의 전원의 전압 레벨을 승압하고, 스위치(Q)는 인버터(L)로부터의 승압된 전원을 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭한다. 스위치(Q)에 의해 스위칭된 전원은 다이오드(D)를 통해 정류된다.As shown in FIG. 2, the
상기 인버터(300)로부터의 교류 전원은 가전 제품과 같은 전자 제품을 구동할 수 있는 상용 교류 전원일 수 있다.The AC power source from the
상기 제어부(500)는 감산기(510), 보상기(520), 저전압 제한기(530) 및 비교유닛(540)을 포함할 수 있다.The
상기 감산기(510)는 검출수단에서 검출된 Vd의 전압과 레퍼런스 전압을 감산한다. 상기 보상기(520)는 감산기(510)의 오차신호를 입력받아 비례 적분하여 출력한다. 상기 저전압 제한기(530)는 보상기(520)의 출력 값을 입력받아 기준전압 이하의 전압을 제한한다.The
감산기(510) 및 보상기(520)는 부궤환 제어(Negative Feedback Control)를 위한 구성요소이다. 구체적으로 설명하면 하기와 같다. 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)은 회로로부터 실제 출력되는 전압값이다. 상기 전압(Vd)을 특정값으로 지정하고 싶을 때, 그 목표전압값(레퍼런스 전압)이 VDref이다. 예를 들어, 회로로부터 출력되는 전압을 380V로 지정하고 싶을 때, VDref는 380V가 된다. 그리고 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 VDref인 380V으로 하기 위해 스위치(Q)의 듀티(Duty)를 제어한 결과, 378V가 측정되었을 때, 카패시터(Cd)의 전압(Vd)은 378V이 된다.The
상기 감산기(510)는 레퍼런스 전압과 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 감산한다. 상기 감산기(510)에서 VDref와 Vd를 연산하면 2V의 전압값이 출력되고 상기 출력된 2V의 전압값이 보상기(520)로 입력된다.The
상기 비교 유닛(540)은 컨버터(200)에 포함되는 스위치(Q)의 스위칭을 제어할 수 있다.The
즉, 상기 저전압 제한기(530)의 출력값과 기준 신호의 레벨을 비교한다. 여기서, 상기 기준 신호는 사전에 설정된 신호 레벨을 갖는 톱니파일 수 있으며, 그 비교 결과에 따라 컨버터부(200)의 스위치(Q)의 온-듀티를 제어한다.That is, the output value of the
이에 따라, 보상기(520)의 출력값이 양수이면 스위칭 온 듀티를 증가시키고, 음수이면 스위칭 온 듀티를 감소시키는 제어를 실행한다. 상기 과정에 의해 카패시터(Cd)의 전압(Vd)이 목표전압값인 VDref에 인접하도록 제어될 수 있다.Accordingly, if the output value of the
상기 보상기(520)는 제어부(500)의 안정화 및 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 목표전압값인 VDref에 수렴하도록 하기 위한 연산 기능을 수행한다. 상기 보상기(520)는 곱셈, 적분 및 미분 등의 연산을 수행하는 회로로 구성되어 있다.The
카패시터(Cd)의 전압(Vd)이 목표전압값인 VDref에 부족하기 때문에 스위치(Q)의 듀티(Duty)를 현재보다 더 크게 설정하여 VDref에 수렴하도록 제어된다.Since the voltage Vd of the capacitor Cd is short of the target voltage value VDref, the duty of the switch Q is set to be larger than that of the present and controlled to converge to VDref.
도 3은 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프를 나타내며, 도 3을 참조하면, 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성은 전압이 증가되어도 전류가 일정하게 유지되다가, 특정 전압 이상이면 전류를 급격히 감소하게 된다. 이를 태양 전지판으로부터의 전력-전압 특성 그래프와 비교해보면, 전압의 증가에 따라 전력이 증가되고, 최대 전력점(Pmax) 이상에서는 전력이 급격히 감소하게 되는 특성이 발생한다.FIG. 3 shows a current-voltage characteristic graph and a power-voltage characteristic graph from a solar panel. Referring to FIG. 3, the current-voltage characteristic from a solar panel is maintained at a constant voltage even when the voltage is increased, but above a specific voltage. In this case, the current is sharply reduced. Comparing this with the power-voltage characteristic graph from the solar panel, the power increases as the voltage increases, and the characteristic that the power decreases sharply above the maximum power point Pmax occurs.
종래기술에서는 기후변화에 의해 태양전지(100)의 발전량이 감소하여도 인버터(300)는 태양전지(100)의 전압이 감소되기 이전의 전력을 출력하려고 하므로 부족한 전력은 카패시터(Cd)로부터 공급받게 되어, Vd는 감소하게 된다.In the related art, the
따라서, 컨버터(200)는 Vd를 소정의 전압으로 제어하려고 하므로 태양전지로(100)부터 전력을 공급받으려고 한다. 그러면 도시된 바와 같이 태양전지의 VI 특성에 의해 전력을 취할 수 없는 동작점으로 이동하게 되어 태양전지의 전압은 인버터의 동작범위보다 낮은 전압이 되어 인버터가 정지하게 되는 문제점이 발생한다.Therefore, since the
상기 저전압 제한기(530)는 상기 태양전지(100)의 출력전압(Vs)이 일정 수준 이하로 감소되지 않는 이상은 동작하지 않는다. 이에 따라 상기 보상기(520)에서 출력된 신호가 변화하지 않고 그대로 상기 비교유닛(540)의 양전압 단으로 입력된다.The
예를 들어, 상기 저전압 제한기(530)로 입력되는 신호를 Sn이라고 하고, 출력되는 신호를 Sn+1이라고 하면, 상기 저전압 제한기(530)가 동작하지 않는 경우에는 Sn과 Sn+1는 동일하다. 이에 따라 Sn이 예를 들어, 1,2,3,4,5...로 증가하는 경우 Sn+1도 1,2,3,4,5...로 증가하게 된다.For example, if the signal input to the
상기 태양전지(100)의 출력전압(Vs)이 일정 수준 이하로 감소되어 상기 저전압 제한기(530)가 동작하면, Sn으로 어떤 값이 입력되어도, Sn+1은 상기 저전압 제한기(530)가 동작을 시작한 시점의 Sn값을 계속 출력하게 된다. When the output voltage Vs of the
예를 들어, 상기 저전압 제한기(530)가 동작하지 않는 경우 Sn이 1,2,3,4,5...로 증가함에 따라 Sn+1도 1,2,3,4,5...로 증가하게 되는데, Sn이 5의 값을 갖는 시점에서 상기 저전압 제한기(530)가 동작하게 되면 Sn이 6, 7, 8, 9...로 증가하게 되어도 Sn+1는 5의 값을 계속 출력하게 된다.For example, when the
이하, 도 4 및 도 5의 그래프를 참조하여 설명한다. 도 4는 종래 기술에 따른 각 노드에서의 전압 및 전류를 나타낸 그래프이고, 도 5는 발명의 실시예에 따른 각 노드에서의 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.Hereinafter, the graphs of FIGS. 4 and 5 will be described. Figure 4 is a graph showing the voltage and current at each node according to the prior art, Figure 5 is a graph showing the voltage and current at each node according to an embodiment of the invention.
도 4 및 도 5에서 solar panel voltage는 Vs를 의미하고, solar panel current는 Is를 의미하며, DC link voltage는 Vd를 의미한다. 도 4를 참고하면 도시된 바와 같이 시간이 경과함에 따라 Vs가 감소하는 경우, 일정 전압 이하로 감소하여도 전압이 높아지는 피드백이 없으므로 결국 동작지점 이하로 감소하게 된다.In FIG. 4 and FIG. 5, solar panel voltage means Vs, solar panel current means Is, and DC link voltage means Vd. Referring to FIG. 4, when Vs decreases as time passes, there is no feedback that the voltage increases even if the voltage decreases below a predetermined voltage, thereby decreasing to the operating point.
도 5를 참고하면 시간이 경과함에 따라 Vs가 감소하는 경우에도, 일정 전압 이하로 감소하면 저전압 제한기(530)가 동작하여 전압이 더 이상 감소하는 것을 방지할 수 있게 된다.Referring to FIG. 5, even when Vs decreases with time, when the voltage decreases below a predetermined voltage, the
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 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 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects and the like described in the embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects and the like illustrated in the embodiments can be combined and modified by other persons skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
Claims (7)
상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터;
상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터;
상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및,
상기 카패시터의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 컨버터를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는 레퍼런스 전압과 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 감산하는 감산기와,
상기 감산기의 감산 결과에 따른 오차신호를 입력받아 비례 적분하여 출력하는 보상기; 및,
상기 보상기의 출력값을 입력받아 기준전압 이하의 전압을 제한하는 저전압 제한기;를 포함하는 태양광 발전 장치.Solar cell;
A converter connected to the output terminal of the solar cell;
A capacitor connected to the output of the converter;
An inverter connected to the capacitor and converting a DC voltage into an AC voltage; And
And a controller configured to detect the voltage Vd of the capacitor and control the converter by adjusting the voltage within a predetermined range.
The control unit includes a subtractor for subtracting the reference voltage and the voltage Vd of the capacitor Cd;
A compensator that receives the error signal according to the subtraction result of the subtractor and proportionally integrates the output signal; And
And a low voltage limiter configured to receive an output value of the compensator to limit a voltage below a reference voltage.
상기 저전압 제한기의 출력값과 기준 신호의 레벨을 비교하는 비교유닛;을 더 포함하는 태양광 발전 장치.The method of claim 1,
And a comparison unit for comparing an output value of the low voltage limiter and a level of a reference signal.
상기 기준 신호는 톱니파 형태인 태양광 발전 장치.The method of claim 3,
The reference signal is a sawtooth wave photovoltaic device.
상기 태양전지와 연결된 컨버터의 출력전압과 상기 레퍼런스 전압의 차이를 보상하여 컨버터를 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 컨버터의 출력전압과 상기 레퍼런스 전압의 차이를 나타내는 전압은 저전압 제한기를 통과하는 태양광 발전 장치의 제어방법.Generating a reference voltage of the solar cell to enable the solar cell to output maximum power;
Compensating the difference between the output voltage of the converter connected to the solar cell and the reference voltage to control the converter;
And a voltage representing a difference between the output voltage of the converter and the reference voltage passes through a low voltage limiter.
상기 저전압 제한기는 상기 태양전지 전압이 일정 전압 이상인 경우 저전압 제한기의 입력과 출력 신호는 동일한 태양광 발전 장치의 제어방법.6. The method of claim 5,
The low voltage limiter is a control method of a photovoltaic device that the input and output signals of the low voltage limiter is the same when the solar cell voltage is above a predetermined voltage.
상기 저전압 제한기는 상기 태양전지 전압이 일정 전압 이하인 경우, 상기 저전압 제한기의 출력 신호는 상기 저전압 제한기가 동작하는 순간의 입력값을 계속해서 출력하는 태양광 발전 장치의 제어방법.6. The method of claim 5,
And the low voltage limiter continuously outputs an input value of the moment when the low voltage limiter operates when the solar cell voltage is lower than or equal to a predetermined voltage.
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