KR100944793B1

KR100944793B1 - 태양전지 어레이의 열화 진단기능 부가형 태양광 발전용전력변환장치 및 그 운용방법

Info

Publication number: KR100944793B1
Application number: KR1020070089907A
Authority: KR
Inventors: 안종보; 김응상; 최흥관; 유동욱; 민병덕
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2010-03-02
Also published as: KR20090024929A

Abstract

태양전지 어레이의 열화 진단기능 부가형 태양광 발전용 전력변환장치 및 그 운용방법이 개시된다. 본 발명은 태양전지 어레이의 출력으로부터 단상 혹은 3상의 교류전원을 발생시켜 계통 연계하거나 혹은 단독 운전하는 태양광 발전용 전력변환장치(PCS)에 있어서, 태양전지 어레이의 출력을 변환시키는 승압 컨버터부와 상기 승압 컨버터부에 연결된 직류를 교류로 변환시키는 인버터부와 상기 승압 컨버터부, 상기 인버터부와 각각 전기적으로 연결되어 신호 정보를 수신하여 상기 태양전지 어레이의 출력 전압, 전류계측 및 출력 연산기능을 하는 표시장치가 장착된 제어부와 상기 태양전지 어레이 상에 설치되어 출력이 상기 제어부에 입력되도록 하는 일사량계와 온도센서와 역시 상기 제어부와 연결되는 원격감시장치로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 태양광 발전시스템에 사용되는 태양전지 어레이의 열화상태나 고장상태를 감시하기 위해서 별도의 제어장치없이 단지 필요시에 일사량계와 온도센서를 접속하는 것에 의해 가능하도록 함으로서 간단하고 저가의 태양전지 어레이 감시기능을 제공하는데 있다.

태양전지, 태양광 발전, 어레이, 열화진단, 전력변환장치

Description

태양전지 어레이의 열화 진단기능 부가형 태양광 발전용 전력변환장치 및 그 운용방법 {Power Conditioning System with Diagnosis Function of Photovoltaic Array Deterioration and method for Processing thereof}

태양광 발전시스템은 태양전지 어레이와 전력변환장치(PCS, power conditioning system)로 구성되며 태양전지 어레이는 일사량, 온도 및 운전동작점 조건에 따라 출력이 변동되고 이러한 조건 하에서 PCS는 최대 출력점을 추종하도록 제어된다. 최대 출력점 추종제어를 하기 위해서 PCS의 제어부는 태양전지 어레이의 출력전압 및 전류를 계측하게 되고 다양한 알고리즘의 연산을 통해 최대출력이 발생되는 운전 전압에서 동작하도록 제어하게 된다.

한편, 태양전지 어레이는 원하는 용량의 출력을 얻기 위해서 다수의 태양전지모듈을 직렬 및 병렬 연결하여 사용하게 되는데 모듈 자체의 오염이나 열화, 배선 불량에 의해 출력이 변동되게 되며 심한 경우 출력이 최초의 설계치보다 매우 적은 출력을 얻게 된다. 따라서, 본 발명은 PCS의 제어부에서 이미 계측하고 있는 태양전지어레이의 출력전압, 전류 및 전력 값을 이용하고 여기에 일사량계와 온도계를 단순히 추가하는 것에 의해서 태양전지 어레이의 열화 혹은 불량상태를 진단 하는 기능을 제공함으로서 사용자가 용이하게 태양광 발전시스템의 운전 상태를 감시하고 유지 보수할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명과 관련된 종래 기술로는 특허등록 10-0725755호(출원인: 주식회사 텐코리아)로서, 상기 특허의 발명내용을 도 1을 참조해서 설명하면, 중앙통제본부에 설치되는 원격지 제어 시스템(10)과, 상기 원격지 제어시스템(10)과 연결된 중앙제어 메인장치(20), 네트워크망(30), 전력변환장치(40), 태양광 어레이 계측장치(45), 전력계통도 표시장치(50)로 이루어진 것에 있어서, 하나의 중앙제어 메인장치(20)에서 시스템의 오작동 등 이상발생시 다른 시스템이 자동으로 시스템을 절체하여 전체 시스템을 운영 보호하는 이중화 기능의 시스템 이중화장치(MCS DUAL)(25)와 전 장비의 계측, 제어를 위하여 시간의 정확도를 일치시키기 위해 GPS 기준시각 수신에 의한 시간 데이터 기능의 GPS 자동시각 수신장치(60)와 기상계측 기능과 표시 기능을 갖기 위하여 온도, 일사량, 강수량, 풍향, 풍속의 데이터를 계측하고 유지보수를 할수 있도록 설치가 되는 자동기상관측장치(70)와 전체 시스템 설치 장비의 영상감시 기능 및 경보센서가 설치된 장소의 출입자 감시 및 경보 기능등을 포함하는 영상감시장치(80)로 이뤄진 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치이다.

기존 특허는 자동기상관측장치를 보유하고 있어 일사량, 온도 등 변수에 따른 출력 특성을 감시하는 것 위주이며 이 기능이 원격지 제어시스템의 일부로 구성 되어 있으며 본 발명에서와 같이 전력 변환장치의 내부 기능과 통합이 되어 있지 않고 또한, 일사량등의 변수 측정을 통해 태양전지 어레이의 특성 열화를 진단하는 기능은 포함되어 있지 않다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 장기간 무인 운전되거나 혹은 전문가의 지속적인 유지관리 없이 운전되는 태양광 발전 시스템의 태양전지 어레이는 장기간 사용이나 표면의 오염에 따른 열화나 혹은 배선 불량등의 원인으로 출력이 감소하거나 나오지 않은 고장상태를 간단하고 저가로 구현할 수 있는 수단이 없다는 점이 있는데, 종래의 기술은 태양광 발전시스템과 별도로 감시제어장치를 설치하거나 혹은 전문가가 고가의 계측기를 사용하여 진단을 실시함으로서 추가적인 비용이 많이 들게 된다는 단점이 있다. 또 다른 한편으로는, 일사량계와 온도계를 설치한 경우에도 단순히 갱년변환에 따른 출력의 변화만을 기록하기 때문에 어느정도 열화되었는지를 정량적으로 판정할 수 없거나 전문가가 수동적으로 데이터를 관찰해야 하는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명은 태양광 발전시스템에 사용되는 태양전지 어레이의 열화상태나 고장상태를 감시하기 위해서 별도의 제어장치 없이 단지 필요할 때만 일사량계와 온도센서를 접속하는 것에 의하여 내부 알고리즘에 의하여 판정 가능하도록 함으로서 간단하고 저가의 태양전지 어레이 감시기능을 제공하고자 하는데 있는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 수단으로, 태양전지 어레이의 출력으로부터 단상 혹은 3상의 교류전원을 발생시켜 계통 연계하거나 혹은 단독 운전하는 태양광 발전용 전력변환장치(PCS)에 있어서, 태양전지 어레이의 출력을 변환시키는 승압 컨버터부와 상기 승압 컨버터부에 연결된 직류를 교류로 변환시키는 인버터부와 상기 승압 컨버터부, 상기 인버터부와 각각 전기적으로 연결되어 신호 정보를 수신하여 상기 태양전지 어레이의 출력 전압, 전류계측 및 출력 연산기능을 하는 표시장치가 장착된 제어부와 상기 태양전지 어레이상에 설치되어 출력이 상기 제어부에 입력되도록 하는 일사량계와 온도센서와 상기 제어부와 연결되는 원격감시장치와 상기 제어부는 입출력을 처리하는 디지털 입출력부와 입출력 신호를 전송하는 절연부와 상기 승압 컨버터부, 일사량계와 온도센서로부터의 신호를 처리하는 신호처리 입력부와 상기 신호처리 입력부에서 처리된 신호를 디지털화하는 A/D 변환부와 상기 A/D 변환부로부터 디지털 신호를 수신하여 처리하는 신호처리 프로세서와 상기 신호처리 프로세서와 연결되어 통신과 데이터를 주고받는 UART와 통신포트 및 속도 차이를 조율하는 버퍼와 상기 태양전지 어레이의 전압,전류 및 출력을 저장하는 메모리와 리얼타임 클럭을 포함하며, 상기 어레이 상에 설치된 온도센서 및 일사량계를 사용하여 전압, 전류 출력, 특성 곡선을 제한된 범위에서 얻고 시험할 수 없는 영역은 보상하는 방법으로 태양전지 어레이의 단락전류, 개방전압 및 최대출력 파라미터를 검출하는 것을 특징으로 하며, 상기 표시장치는 표시창에 경보 메세지를 표시하는 등의 방식으로 진단상태를 자체 표시가 가능하고 외부로의 접점형태로의 출력과 원격으로의 통신을 통한 표시도 가능하도록 이루어지는 것에 의하여 달성된다.

또한, 이 목적을 달성하기 위한 운용방법으로 태양전지 어레이의 전압-전류 특성곡선을 취득하는 방법에 있어서, 진단 모드 또는 통상 모드인지를 판단하는 단계와 통상 운전모드이면 최대 출력점 제어를 계속 행하는 단계와 진단 운전모드이면 일사량계와 온도센서가 접속되었는지를 검사하는 단계와 진단 운전모드일 경우, 어레이의 동작 전류 기준치를 0으로 설정하는 단계와 PCS(전력변환장치)의 동작을 시작하는 단계와 안정을 위하여 시간을 지연하는 단계와 전압, 전류, 전력을 입력, 저장하는 단계와 어레이의 출력전압(Vpv)이 최저전압(Vmin)보다 작은가를 판단하는 단계와 어레이의 출력전류(Ipv)가 최대전류(Imax)보다 큰가를 판단하는 단계와 어레이의 출력전압(Vpv)이 최저전압(Vmin)보다 클 경우 또는 출력 전류가 최대전류보다 작은 경우에는 진단 운전모드를 종료하고 정상 운전모드로 설정하는 단계와 진단알고리즘을 처리하는 단계와 상기 진단 알고리즘 결과를 경보 또는 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 어레이의 전압(Vpv)이 최저 전압(Vmin)보다 크고, 어레이의 출력전류가 최대전류(Imax)보다 작으면 전력 기준치를 증가시켜서 계속 시험을 하게 되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 일사량계와 온도센서중에서 둘중의 하나라도 접속되지 않았을 경우, 통상운전을 하게 되는 단계를 포함하며, 상기 진단 알고리즘은 최초의 시운전 상태인지를 검사하는 단계와 최초의 시운전인 경우는 초기 설치상태에서 일사량(Q0), 온도 (t0), 최대출력(Pm0)을 측정하는 단계와 최초 시운전이 아닌 경우에는 새로운 데이터 입력단계로 이동하는 단계와 (식 4), (식 5), (식 7)에 의한 최대출력 초기치(P_mpp0), 단락전류 초기치(I_SC0), 개방전압 초기치(V_OC0)를 계산하는 단계와 새로운 데이터가 입력되었는가 판단하는 단계와 입력되지 않으면 그 단계에서 대기하는 단계와 새로운 데이터가 입력되면 그 데이터로 (식 4), (식 5), (식 7)에 의한 최대출력 초기치(P_mpp1), 단락전류 초기치(I_SC1), 개방전압 초기치(V_OC1)를 계산하는 단계와 각각 계산된 값을 근거로 △P_m(P_mpp0- P_mpp1), △I_SC(I_SC0- I_SC1), △V_OC(V_OC0- V_OC1)를 구하는 단계와 상기 △P_m이 5%를 넘는지를 판단하여, 넘지 않으면 새로운 데이터 입력을 대기하도록 하는 단계로 복귀하는 단계와 상기 △I_SC이 5%를 넘는지를 판단하여, 넘지 않으면 열화진단 경보를 출력하는 단계와 상기 △V_OC(V_OC0- V_OC1)이 5%를 넘는지를 판단하여, 넘으면 진단고장을 출력하고, 넘지 않으면 열화진단 경보를 출력하는 단계와 상기 열화진단 경보출력 단계, 진단고장 출력 단계를 거치고 나면 다시 상기 새로운 데이터를 입력하는 단계로 자동으로 복귀하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

첫째로, 원격에서 무인으로 운전되거나 혹은 전문가가 아닌 일반인들이 설치 운영하는 태양 광발전 시설의 경우 태양전지 어레이의 갱년변화에 따른 열화나 고장상태를 감시하는 것은 용이하지 않기 때문에 PCS 자체가 태양전지 어레이의 열화 를 감시하고 경보해줌으로 해서 태양광 발전 시스템의 유지와 보수가 용이하게 된다.

두번째로, 태양전지 어레이의 열화나 고장에 따른 출력의 감소 혹은 정지를 감시함으로 발전시설의 이용률을 증가할 수 있어 발전시설의 투자 회수기간을 줄일수 있다.

세번째로, 생산자 입장에서 내부 소프트웨어 기능으로 구현함으로 추가비용이 들지않고 선택 사양으로 처리할수 있으며 사용자가 정기적으로 혹은 비정기적으로 센서를 연결하여 감시할수 있게 함으로서 1조의 센서만으로 다수의 태양광 발전시설을 진단할 수 있는 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 태양광 발전시스템의 감시 시스템이고, 도 2는 본 발명이 제안한 시스템의 구성도이고, 도 3은 태양전지 어레이의 전압-전류 온도의존성 특성도이고, 도 4는 태양전지 어레이의 전압-전류 일사량 의존성 특성도이고, 도 5는 태양전지 어레이의 최대 출력점, 단락전류, 개방전압을 나타낸 도면이다. 도 6은 전압-전류 특성 곡선 취득의 흐름도이고, 도 7은 특성시험에서의 시험 가능 영역의 도면이고, 도 8은 시험하지 못하는 영역의 데이터 보상기법을 나타낸 도면이고, 도 9는 열화 진단 알고리즘의 흐름도이고, 도 10은 본 발명에 의한 태양광 발전시스템의 응용 사례도이다.

도 1은 종래의 태양광 발전시스템의 감시 시스템의 도면으로서, 중앙 통제 본부에 설치되는 원격지 제어시스템(10)과 상기 원격지 제어시스템(10)과 연결된 중앙제어메인장치(20)와 네트워크망(30), 전력변환장치(40), 태양광 어레이 계측장치(45), 전력 계통도 표시장치(50)으로 이루어진 것에 있어서, 하나의 중앙제어 메인장치(20)에서 시스템의 오작동 등 이상발생시 다른 시스템이 자동으로 시스템을 절체하여 전체 시스템을 운영 보호하는 이중화 기능의 시스템 이중화장치(MCS DUAL)(25)와, 전 장비의 계측과 제어를 위하여 시간의 정확도를 일치시키기 위하여 GPS 기준시각 수신에 의한 시간 데이터 기능의 GPS 자동시각 수신장치(60)와, 기상계측 기능과 표시기능을 갖기 위해 온도, 일사량, 강수량, 풍향, 풍속의 데이터를 계측하고 유지 보수를 할수 있도록 설치되는 자동기상관측장치(70)와 전체 시스템 설치 장비의 영상감시기능 및 경보센서가 설치된 장소의 출입자 감시 및 경보기능등을 포함하는 영상감시장치(80)로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치이다.

도 2는 본 발명이 창안한 태양전지 어레이(100) 열화진단 기능부 태양광 발전 시스템의 구성도로서 본 구성에 관해 자세한 설명을 하면, 태양전지 어레이(100)의 출력을 변환시키는 승압 컨버터부(110)와 상기 승압 컨버터부(110)에 연결된 직류를 교류로 변환시키는 인버터부(120)와 상기 승압 컨버터부(110), 상기 인버터부(120)와 각각 전기적으로 연결되어 신호 정보를 수신하여 상기 태양전지 어레이(100)의 출력 전압, 전류계측 및 출력 연산기능을 하는 표시장치(155)가 장착된 제어부(140)와 상기 태양전지 어레이(100)상에 설치되어 출력이 상기 제어 부(140)에 입력되도록 하는 일사량계(150)와 온도센서(160)와 상기 제어부(140)와 연결되는 원격감시장치(170)로 이루어진다. 그리고, 상기 제어부(140)는 입출력을 처리하는 디지털 입출력부(149)와 입출력 신호를 전송하는 절연부(145)와 상기 승압 컨버터부(110), 일사량계(150)와 온도센서(160)로부터의 신호를 처리하는 신호처리 입력부(148)와 상기 신호처리 입력부(148)에서 처리된 신호를 디지털화하는 A/D 변환부(144)와 상기 A/D 변환부(144)로부터 디지털 신호를 수신, 처리하는 신호처리 프로세서(143)와 상기 신호처리 프로세서(143)와 연결되어 통신과 데이터를 주고받는 UART(146)와 통신포트(147) 및 속도 차이를 조율하는 버퍼(152)와 상기 태양전지 어레이(100)의 전압,전류 및 출력을 측정하여 저장하는 메모리(141)와 리얼타임 클럭(142)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 표시장치(155)는 표시창에 경보 메세지를 표시하는 등의 방식으로 진단상태를 자체 표시가 가능하고 외부로의 접점형태(113)로의 출력과 원격으로의 통신을 통한 표시도 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기 어레이(100) 상에 설치된 온도센서(160) 및 일사량계(150)를 사용하여 전압, 전류 출력, 특성 곡선을 제한된 범위에서 얻고 시험할 수 없는 영역은 보상하는 방법으로 태양전지 어레이(100)의 단락전류, 개방전압 및 최대출력 파라미터를 검출하는 것을 특징으로 하는 것이다.

태양전지 어레이(100), 승압용 직류-직류 컨버터부(110), 직류-교류 인버터부(120) 및 제어부(140), 표시장치(55), 원격감시장치(170)등은 기존의 시스템 구성과 동일하다. (따라서, 공지된 기술이므로 이에 관한 구성, 작용에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.) 그러나, 태양전지 어레이(100)상에 설치된 일사량계(150)와 온도센서(160)의 출력이 제어부(140)의 신호처리 입력부(148)로 입력되는 것에 차이점이 있는데, 이것은 어레이(100)의 열화 또는 불량상태를 진단하는 기능을 제공하는 것이다. 나머지 열화 진단의 기능은 후술할 소프트웨어로 구현되며 그 결과는 제어부(140)에 장착된 표시장치(155)에 메시지 형태로 표시되거나 혹은 디지털 출력(149)에서 접점형태(113)로 출력된다. 통신선로(171)는 원격감시장치(170)와 연결되어 설치된 경우, 원격의 장치에서도 표시될 수가 있는 것이다.

따라서, 도 2를 참조해서 다시 설명하면, 본 발명은 태양광 발전시스템의 전력변환장치(PCS)(180)의 제어부(140)에 태양전지 어레이(100) 상에 설치된 온도센서(160) 및 일사량계(150)를 접속하여 구성하며 제어부(140)의 내부 소프트웨어 기능에 의해 태양전지 어레이(100)의 열화상태 및 고장상태를 진단을 할수 있도록 하고 있다. 태양전지 어레이의 출력 특성은 일사량, 온도 및 부하상태에 따라 변하고 부하상태는 PCS(180)의 내부에서 이미 계측되고 있음으로 필요에 따라 외부에 일사량계(150)와 온도센서(160)를 접속하여 태양전지 어레이(100)의 출력을 가변 즉, PCS(180)의 출력을 가변하면 주어진 조건에서 출력 특성 및 전압-전류 특성을 구할 수 있고, 이 특성은 최초에 설치된 상태에서 기억한 특성도와 비교함으로서 태양전지 어레이(100)의 열화정도 및 고장을 감시할 수 있는 기능이 있는 것이다.

그러므로, 본 발명은 PCS의 전력변환장치(180)의 제어부(140)에서 이미 계측하고 있는 태양전지 어레이(100)의 출력전압, 전류 및 전력값을 이용하고 여기에 일사량계(150)와 온도센서(160)를 단순 추가에 의하여 어레이(100)의 열화 혹은 불 량상태의 진단기능을 제공하고 사용자가 쉽게 시스템 운전상태의 감시와 유지보수가 가능하고, 정기적 혹은 비정기적으로 감시기능을 수행할 수가 있는 것이다.

그리고, 태양광 발전 시스템의 태양전지 어레이(100)는 일사량, 온도 및 운전 동작점 조건에 따라 출력변동이 이루어지고 이 조건에서 PCS(180)는 최대출력점(530)을 추종하도록 제어된다. 최대 출력점(530) 추종제어를 하기 위해 제어부(140)는 어레이(100)의 출력 전력 및 전압을 계측하고 다양한 알고리즘의 연산을 통해 최대 출력이 발생되는 운전 전압에서 동작하도록 제어된다. 이하부터는 이에 관한 설명을 하기로 한다.

도 3은 태양전지의 전류-전압의 온도 의존성을 보여주는 것으로서 동일한 일사량 조건에서 태양전지의 표면온도가 고온이면 저온 일때 보다 전류는 증가하고 전압은 감소하는 것을 알수가 있다. 온도가 올라갈수록 동일한 일사량 조건에서 최대 출력도 감소하게 된다. 동일한 일사량 조건에서 표면온도 25℃에서의 최대출력을 P₀이라하면 표면온도 t℃에서의 최대출력 P_m (t)는 아래식으로 표현된다.

P_m (t) = P₀ (1-0.0045△T) (식 1)

(여기서, △T = t - 25)

도 4는 일정한 표면 온도조건에서 일사량의 변화에 따른 전압-전류 특성과 전압-출력 특성을 보여주고 있다. 상기 도 4에서 T25_Sxxx 표시는 25℃ 조건에서 일사량 xxx W/m²을 나타낸다. 즉, 일사량이 많을수록 개방전압과 단락전류 및 최대전력이 증가함을 알수 있다.

도 5는 태양전지 어레이의 최대 출력점, 단락전류, 개방전압을 나타낸 도면이다. 주어진 일사량과 온도조건에서의 전압-전류 특성(500), 전압-출력 특성(540)이 나타나 있으며 최대 출력점(530)이 나타나 있다. 전류가 0일 때의 전압을 개방전압(Voc)(520)이라 하고, 전압이 0일 때의 전류를 단락전류(Isc)(510)라 하며 최대 출력점(530)에서의 전압 및 전류를 각각 최대전압(Vmpp), 최대전류(Impp)이라 하면 충진률(fill factor)는 아래와 같이 정의 된다.

FF = [(Vmpp) X (Impp)] / (V_OC X I_SC) (식 2)

즉, 충진률은 개방전압(520)과 단략전류(510)의 곱(면적)에 대한 최대출력점 전압 및 전류의 곱(면적)의 비율이 되며 태양전지의 특성을 구분하는 한 파라미터이다.

도 6은 전압-전류 특성 곡선 취득의 방법을 나타낸 플로우 챠트이다. 태양전지 어레이는 전술한 도 3, 도 4, 도 5에서 보는 바와 같이, 주어진 일사량과 표면온도 조건에서 전압-전류-출력 특성이 결정되므로 실제 설치조건에서 이 특성을 추출하는 것이 태양전지 어레이의 특성 변화를 진단할 수 있는 기초 데이터가 된다. 그러면, 이하에서는 흐름도에 관하여 자세히 설명한다.

태양전지 어레이의 전압-전류 특성곡선을 취득하는 방법에 있어서, 진단 프로그램(600)이 시작되면 먼저, 진단 모드 또는 통상 모드인지를 판단하는 단계(S 601)를 거쳐서, 진단모드가 아닐 경우(621)는 즉, 통상 운전모드이면 통상의 운전을 계속하여, 최대 출력점 제어를 계속 행하는 단계(S 602)로 가고, 진단 운전모드이면 일사량계(150)와 온도센서(160)가 접속되었는지를 검사하는 단계(603, 605)를 거친다. 만약에, 상기 단계 (S 603, S 605)에서 일사량계(150)와 온도센서(160)가 둘중의 하나라도 접속되지 않았을 경우(S 604, S 606), 통상운전을 하게 되는 단계(S 604, S 606)를 거치게 된다.

이때, 진단 운전모드일 경우, 어레이의 동작 전류 기준치(Ipv*)를 0으로 설정하는 단계(S 607)로 가고 전력변환장치(180)의 인버터부(120) 동작을 시작하는 단계(S 608)를 실행한다. 그 다음에, 과도상태가 안정이 되도록 시간을 지연하는 단계(S 609)를 거친후 어레이(100)의 전압, 전류, 전력을 측정하여 그 값을 내부 메모리(141)에 저장하는 단계(S 610)를 실행한다. 이때, 최초에 저장되는 값은 주어진 일사량, 온도조건에서의 개방전압이 되고 이때의 전류 및 출력은 0이 된다. 그 다음에 어레이의 출력전압(Vpv)(111)이 최저전압(Vmin)보다 작은 전압인가를 검사하고(S 611), 어레이의 출력전류(Ipv)(112)가 최대전류(Imax)보다 큰가를 판단하는 단계(S 613)를 거친다. 여기서, 어레이(100)의 출력전류가 최대 전류(Imax)보다 크거나(614) 혹은 출력전압이 최소전압(Vmin)보다 낮은 경우(612)에, 시험모드를 종료하고 정상운전 모드(616)로 가게 된다. 상기 단계(S 611, S 613)에서 어레이(100)의 전압(Vpv)이 최저 전압(Vmin)보다 크고, 어레이(100)의 출력전류가 최대전류(Imax)보다 작으면 전력 기준치(Ipv*)를 증가(S 615)시켜서 계속 시험을 하게 되는 단계(S 616)를 거치게 된다. 그러나, 상기 단계(S 611, S 613)에서 어레이(100)의 출력전압(Vpv)이 최저전압(Vmin)보다 클 경우(S 612) 또는 출력 전류가 최대전류보다 작은 경우(S 614)에는 진단 운전모드를 종료하고 정상 운전모드로 설 정하는 단계(S 617)로 시험이 종료되면 진단 알고리즘을 처리하는 단계 (S 618)를 처리하는데, 진단 알고리즘을 처리하는 방법은 따로, 후술하기로 한다. 상기 진단 알고리즘 결과를 경보 또는 출력하는 단계(S 619)를 거쳐 본 알고리즘을 종료하게 되는 것이다.

이 시험에 있어서, 태양전지 어레이(100)의 동작 전류와 전압을 검사하면서 시험하는 이유는 이하 도 7에서 상세히 설명한다.

도 7은 특성시험에서의 시험 가능 영역의 도면이다. 도 6에서 설명한 전압-전류 특성곡선을 취득하는 방법에서 도 3에서 도 5까지 나타난 바와 같이, 전체 영역을 시험하지 못하고 일정 영역에서만 시험하는 이유는 태양광 발전 시스템을 구성하는 컨버터부(110)와 인버터부(120)를 구성하고 있는 스위칭 소자의 최대 전류 정격(Imax)(713) 때문이다. 전압 제한치(710)는 특히 컨버터부(110)의 입력 범위의 제한 때문으로 이는 통상의 전력변환장치의 승압용 컨버터부(110)가 승압할수 있는 비율이 정해져 있기 때문에 너무 낮은 전압인 최소전압(Vmin)(711) 이하에서는 직류단에 필요한 전압을 승압할 수 없기 때문에 입력 전압의 최소 범위를 제한하는 것이다. 한편, 입력 전압의 최대치(Vmax)(712)는 컨버터부(110)의 스위치 소자 및 캐페시터의 내압 제한 때문에 최대전압을 제한하고 있다. 통상적으로 주어진 온도 및 일사량 조건에서 어레이의 전류를 증가시켜 나가면 전압은 최대전압(Vmax)(712) 혹은 개방 전압(V_OC)(520)에서 점차 감소하게 되고 전류는 0에서 점차 증가하여 단락전류(Isc)(510)에 이르게 된다. 그러나, 이과정에서 먼저 최소입력전 압(Vmin)(711)에 도달하게 되므로 실제 시험가능영역은 전압-전류 특성곡선에서는 전류제한에 의한 시험가능영역(700)으로 제한되고 전압-출력 특성곡선에서는 전압제한에 의한 시험가능 영역(710)으로 제한되게 되는 것이다. 도 8은 시험하지 못하는 영역의 데이터 보상기법을 나타낸 도면이다. 도 8은 도 7에서 시험하지 못한 영역의 데이터 보상기법에 대해 설명한다. 일사량이 1000W/m²인 경우의 곡선(810)에서 전류-전압제한에 의해 시험 불가능한 영역(800)에서는 거의 일정한 전류값을 가지게 되므로 이를 이용하여 시험하지 못한 영역에서의 데이터 복원이 가능하다. 데이터 복원 영역에서 중요한 파라미터는 단락전류(Isc, 510)가 된다.

도 9는 열화 진단 알고리즘의 흐름도를 나타낸고 있다. 먼저 진단에 필요한 수식들을 전개하여 설명한다.

최초의 출하시에는 표준시험조건(STC, standard test condition, 온도 25℃,일사량 1000W/m²,표준 스펙트럼 AM 1.5)에서의 데이터를 제공하나 현장 설치 조건에 따라서 온도, 경사도 등 상태에 따라 파라미터들의 변동이 발생할 수 있다. 따라서, 최초의 설치시 운전 조건에 따라 초기 데이터를 저장할 수 있다. 이 운전조건은 시험한 시점에서의 온도 및 일사량을 기준으로 하므로 이를 표준시험조건으로 환산할 필요가 있다.

운전 조건을 표면온도 t℃, 일사량 Q W/m² 이라 하면 이때의 최대출력전력 및 단락전류, 개방 전압은 표준시험조건에서의 데이터를 이용하여 아래의 수식으로 표현할 수 있다.

P_mpp(t) = P_mpp × Q × [1 + α(t-25)] (식3)

여기서, P_mpp(t) : 동작조건에서의 최대출력

P_mpp : 표준시험조건에서의 출력 (온도 25℃, 일사강도 1000W/m²)

Q : 동작조건에서의 일사강도(W/m²)

t : 동작조건에서의 태양전지 표면온도 (℃)

α : 온도 계수 -0.005/℃

P_mpp(t), Q, t는 시험에 의해 측정할수 있는 값들이고, α는 상수이므로 표준시험 조건에서의 출력을 아래와 같이 역산할 수 있다.

P_mpp0 = P_mpp (t)/(Q × [1 + α(t-25)]) (식 4)

계산된 P_mpp0 는 표준 시험조건으로 환산한 설치장소의 운전조건을 고려한 기준 출력이 된다. 마찬가지로 단락전류에 대해서도 동일하게 적용을 할수 있다.

I_SC (t) = I_SC × Q ×(1/[1-ß(t-25)])

여기서, I_SC (t) : 동작상태에서의 동작 전류

I_SC : 표준시험조건에서의 단락전류 (온도 25℃, 일사강도 1000W/m²)

ß : 단락전류의 온도계수 (0.003/℃)

I_SC (t), Q, t는 시험에 의하여 측정이 가능하고 ß는 상수이므로 표준시험조건에서의 단락전류를 역산을 할수 있다.

I_SC0 = I_SC(t) · [1- ß(t-25)]/Q (식 5)

계산된 I_SC0는표준시험 조건으로 환산한 설치장소의 운전조건을 고려한 단락전류이다. 마찬가지로 개방전압에 대해서도 역시 동일한 적용이 가능한 것이다.

V_OC (t) = V_OC ·[ 1- τ(t-25) - δ(1-Q)] (식 6)

여기서, V_OC (t) : 동작 상태에서의 개방전압

V_OC : 표준시험 조건에서의 개방전압(온도 25℃, 일사강도 1000W/m²)

τ : 개방전압의 온도계수(-0.00377/℃)

δ : 개방전압의 일사량 계수[ 0.000475/(kW/m²)]

V_OC (t), Q, t는 측정이 가능한 값들이고, 나머지는 상수이므로 표준시험 조건에서의 개방전압을 역산할 수 있다.

V_OC0 = V_OC (t)/[1- τ(t-25)- δ(1-Q)] (식 7)

계산된 V_OC0 는 표준시험 조건으로 환산한 설치장소의 운전조건을 고려한 개방전압이다.

이러한 수식을 바탕으로 태양전지 어레이의 열화 진단 알고리즘(단계 S 618 에 대하여 자세히 설명하기 위하여)의 흐름도를 설명하기로 한다.

상기 진단 알고리즘을 처리하는 단계(S 618)를 상세히 설명하면, 최초의 시운전 상태인지를 검사하는 단계(S 901)를 거치는데, 이것은 최초의 시운전인 경우는 초기 설치상태에서 일사량(Q0), 온도 (t0), 최대출력(Pm0)을 측정하는 단계(S 903)로 이동한다. 만일, 최초 시운전이 아닌 경우에는 (S 905)단계로 이동하여 새로운 데이터의 입력을 기다리는 단계(S 902)로 간다. 그렇게 하여, 최초 시운전일 경우, 상기 설명한 (식 4), (식 5), (식 7)에 의한 최대출력 초기치(P_mpp0), 단락전류 초기치(I_SC0), 개방전압 초기치(V_OC0)를 계산하는 단계(S 904)로 가서, 새로운 데이터가 입력되었는가 판단하는 단계(S 905)와 입력되지 않으면 그 단계에서 대기하는 단계(S 906)를 거치게 되는 것이다.

새로운 데이터가 입력되면 그 데이터로 (식 4), (식 5), (식 7)에 의한 최대출력 초기치(P_mpp1), 단락전류 초기치(I_SC1), 개방전압 초기치(V_OC1)를 계산하는 단계(S 907)를 거치는데, 상기 단계에서 각각 계산된 값을 근거로 △P_m (P_mpp0 - P_mpp1), △I_SC(I_SC0 - I_SC1), △V_OC(V_OC0 - V_OC1)를 구하게 된다. 단계(S 908) 상기 변동분에 대해서는 상기 △P_m(최대출력의 변동분)이 5%를 넘는지를 판단(S 909)하여, 넘지 않으면 정상으로 판정하여 새로운 데이터 입력을 대기하도록 하는 단계(S 905)로 복귀하는 단계(S 910)를 거치는데 여기서, 이 값을 5%로 정한 이유는 어레이(100)의 데이터 상에서의 편차가 통상 ±5%로 되어 있기 때문이다. 계측의 오류등이 있을 수 있기 때문에 5%를 넘는 경우에는 다시 단락전류의 변동분(△I_SC)을 검사하게 된다(S 911). 만일, 여기서 5%를 넘지 않으면(S 912) 열화된 것으로 판정하지 않고, 열화진단 경보를 출력하는 단계(S 913)로 간다.

상기 △V_OC(개방전압 변동분)이 5%를 넘는지를 판단(S 914)하여, 넘으면 진단고장을 출력(S 916)하고, 넘지 않으면(S 915) 열화진단 경보를 출력하는 단계(S 913)로 가는데, 다시 설명하면, 단락전류 변동분(△I_SC)도 5%를 넘는 경우에는 최종적으로 개방전압의 변동분을 검사(S 914)하여 이값도 5%를 넘으면 열화에 의한 출력의 이상이 있는 것으로 판정하게 된다.(S 916) 단, 출력 변동분이 5%를 넘고 개방 전압 및 단락 전류 둘중의 한개가 5%를 넘는 경우는 열화 진단 경보를 출력한다.(S 913) 단, 여기에서 충진율 계산은 참고 자료용으로 사용될수 있다는 것임을 밝혀둔다..

상기 열화진단 경보출력(S 913), 진단고장 출력(S 916) 단계를 거치고 나면 다시 상기 (S 905) 단계로 복귀하는 단계(S 917)로 가서 계속적인 순환을 하는 것이다.

도 10은 본 발명에 의한 태양광 발전시스템의 응용사례도이다. 도 10에 도시한 데로, 태양전지 어레이(100)의 표면에 온도 센서(160) 및 일사량계(150)를 설치하고 출력신호를 전력변환장치(180)에 연결하는 것으로서 실시할 수 있다. 초기 설치시에는 데이터를 저장하기 위하여 설치하고 데이터를 취득한 후에는 제거해서 다 른 곳에서 사용을 할 수 있으며 진단이 필요한 시점에서만 재설치가 가능한 장점이 있는 것이다.

상기와 같이 본 발명은 하나의 실시예로서 본 발명의 특허 청구범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 변경하지 아니하는 범위내에서 다양한 수정, 변경이 가능한 것은 본 발명이 속하는 종사자에게 있어서 자명한 것임을 밝혀두도록 한다.

따라서, 본 발명에 의한 태양광 발전용 전력변환장치는 PCS 자체가 태양전지 어레이의 열화를 감시하고 경보해줌으로 인하여 시스템 유지보수가 쉽고, 태양광 발전 시스템에 사용되는 태양전지 어레이의 열화상태나 고장상태를 감시하기 위하여 별도의 제어장치 없이 단지 필요시에 일사량계와 온도센서를 접속하는 것에 의해 가능하도록 함으로서 간단하고 저렴한 태양전지 어레이 감시기능을 제공한다.

도 1은 종래의 태양광 발전시스템의 감시 시스템.

도 2는 본 발명이 제안한 시스템의 구성도.

도 3은 태양전지 어레이의 전압-전류 온도의존성 특성도.

도 4는 태양전지 어레이의 전압-전류 일사량 의존성 특성도.

도 5는 태양전지 어레이의 최대 출력점, 단락전류, 개방전압을 나타낸 도면.

도 6은 전압-전류 특성 곡선 취득의 흐름도.

도 7은 특성시험에서의 시험 가능 영역의 도면.

도 8은 시험하지 못하는 영역의 데이터 보상기법을 나타낸 도면.

도 9는 열화 진단 알고리즘의 흐름도.

도 10은 본 발명에 의한 태양광 발전시스템의 응용사례도.

<도면의 부호에 대한 설명>

10: 원격지 제어 시스템 20: 중앙제어 메인장치

25: 시스템 이중화 장치

30: 네트워크망 40: 전력변환장치

45: 태양광 어레이 계측장치 50: 전력계통도 표시장치

60: GPS 자동시각 수신장치 70: 자동기상관측장치

80: 영상감시장치 90: 인터넷 폰 장치

100: 태양전지 어레이 110: 승압 컨버터부

111: Vpv 112: Ipv

113: 접점형태 114: 스위치

120: 인버터부

140: 제어부 141: 메모리

142: 리얼타임 클럭 143: 신호처리 프로세서

144: A/D 변환부 145: 절연부

146: UART 147: 통신포트

148: 신호처리 입력부 149: 디디털 입출력부

150: 일사량계 155: 표시장치

160: 온도센서 170: 원격감시장치

171: 통신선로 180: 전력변환장치(PCS)

500: 전압-전류 특성 510: 단락 전류(Isc)

520: 개방전압(Voc) 530: 최대출력점

540: 전압-출력 특성 618: 진단알고리즘 처리부

700: 전류제한에 의해 시험가능영역 710: 전압제한에 의해 시험가능영역

711: 최소입력전압 (Vmin) 712: 최대전압 (Vmax)

800: 전류-전압제한에 의해 시험 불가능한 영역

810: 일사량이 1000W/m²인 경우의 곡선

Claims

태양전지 어레이(100)의 출력으로부터 단상 혹은 3상의 교류전원을 발생시켜 계통 연계하거나 혹은 단독 운전하는 태양광 발전용 전력변환장치(PCS)에 있어서,

태양전지 어레이(100)의 출력을 변환시키는 승압 컨버터부(110);

상기 승압 컨버터부(110)에 연결된 직류를 교류로 변환시키는 인버터부(120);

상기 승압 컨버터부(110), 상기 인버터부(120)와 각각 전기적으로 연결되어 신호 정보를 수신하여 상기 태양전지 어레이(100)의 출력 전압, 전류계측 및 출력 연산기능을 하는 표시장치(155)가 장착된 제어부(140);

상기 태양전지 어레이(100)상에 설치되어 출력이 상기 제어부(140)에 입력되도록 하는 일사량계(150)와 온도센서(160);

상기 제어부(140)와 연결되는 원격감시장치(170)를 포함하되,

상기 제어부(140)는,

입출력을 처리하는 디지털 입출력부(149)와 입출력 신호를 전송하는 절연부부(145);

상기 승압 컨버터부(110), 일사량계(150)와 온도센서(160)로부터의 신호를 처리하는 신호처리 입력부(148);

상기 신호처리 입력부(148)에서 처리된 신호를 디지털화하는 A/D 변환부(144);

상기 A/D 변환부(144)로부터 디지털 신호를 수신, 처리하는 신호처리 프로세서(143);

상기 신호처리 프로세서(143)와 연결되어 통신과 데이터를 주고받는 UART(146)와 통신포트(147) 및 속도 차이를 조율하는 버퍼(152);

상기 태양전지 어레이(100)의 전압,전류 및 출력을 저장하는 메모리(141)와 리얼타임 클럭(142)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 어레이(100) 상에 설치된 온도센서(160) 및 일사량계(150)를 사용하여 전압, 전류 출력, 특성 곡선을 제한된 범위에서 얻고 시험할 수 없는 영역은 보상하는 방법으로 태양전지 어레이(100)의 단락전류, 개방전압 및 최대출력 파라미터를 검출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치.
제1항에 있어서 상기 표시장치(155)는 표시창에 경보 메세지를 표시하는 등의 방식으로 진단상태를 자체 표시가 가능하고 외부로의 접점형태(113)로의 출력과 원격으로의 통신을 통한 표시도 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치(PCS).
태양전지 어레이의 전압-전류 특성곡선을 취득하는 방법에 있어서,

진단 모드 또는 통상 모드인지를 판단하는 단계(S 601);

통상 운전모드(S 621)이면 최대 출력점 제어를 계속 행하는 단계(S 602);

진단 운전모드이면 일사량계(150)와 온도센서(160)가 접속되었는지를 검사하는 단계(603, 605);

진단 운전모드일 경우, 어레이의 동작 전류 기준치(Ipv*)를 0으로 설정하는 단계(S 607);

전력변환장치(180)의 동작을 시작하는 단계(S 608);

안정을 위하여 시간을 지연하는 단계(S 609);

전압, 전류, 전력을 입력, 저장하는 단계(S 610);

어레이의 출력전압(Vpv)(111)이 최저전압(Vmin)보다 작은가를 판단하는 단계(S 611);

어레이의 출력전류(Ipv)(112)가 최대전류(Imax)보다 큰가를 판단하는 단계(S 613);

상기 (S 611, S 613)에서 어레이의 출력전압(Vpv)이 최저전압(Vmin)보다 클경우(S 612) 또는 출력 전류가 최대전류보다 작은 경우(S 614)에는 진단 운전모드를 종료하고 정상 운전모드로 설정하는 단계 (S 617);

진단알고리즘을 처리하는 단계 (S 618);

상기 진단 알고리즘 결과를 경보 또는 출력하는 단계 (S 619)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치의 운용방법.
제5항에 있어서, 상기 단계(S 611, S 613)에서 어레이의 전압(Vpv)이 최저 전압(Vmin)보다 크고, 어레이의 출력전류가 최대전류(Imax)보다 작으면 전력 기준치(Ipv*)를 증가(S 615)시켜서 계속 시험을 하게 되는 단계(S 616)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치의 그 운용방법.
제5항에 있어서, 상기 단계 (S 603, S 605)에서 일사량계(150)와 온도센서(160)가 둘중의 하나라도 접속되지 않았을 경우(S 604, S 606), 통상운전을 하게 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치의 그 운용방법.
제5항에 있어서, 상기 단계(S 618)는

최초의 시운전 상태인지를 검사하는 단계(S 901);

최초의 시운전인 경우는 초기 설치상태에서 일사량(Q0), 온도 (t0), 최대출력(Pm0)을 측정하는 단계(S 903)와 최초 시운전이 아닌 경우에는 (S 905)단계로 이동하는 단계(S 902);

(식 4), (식 5), (식 7)에 의한 최대출력 초기치(P_mpp0), 단락전류 초기치(I_SC0), 개방전압 초기치(V_OC0)를 계산하는 단계(S 904);

새로운 데이터가 입력되었는가 판단하는 단계(S 905)와 입력되지 않으면 그 단계에서 대기하는 단계(S 906);

새로운 데이터가 입력되면 그 데이터로 (식 4), (식 5), (식 7)에 의한 최대출력 초기치(P_mpp1), 단락전류 초기치(I_SC1), 개방전압 초기치(V_OC1)를 계산하는 단계(S 907);

각각 계산된 값을 근거로 △P_m(P_mpp0- P_mpp1), △I_SC(I_SC0- I_SC1), △V_OC(V_OC0- V_OC1)를 구하는 단계(S 908);

상기 △P_m이 5%를 넘는지를 판단(S 909)하여, 넘지 않으면 새로운 데이터 입력을 대기하도록 하는 단계(S 905)로 복귀하는 단계(S 910);

상기 △I_SC이 5%를 넘는지를 판단(S 911)하여, 넘지 않으면(S 912) 열화진단 경보를 출력하는 단계(S 913);

상기 △V_OC(V_OC0- V_OC1)가 5%를 넘는지를 판단(S 914)하여, 넘으면 진단고장을 출력(S 916)하고, 넘지 않으면(S 915) 열화진단 경보를 출력하는 단계(S 913);

상기 열화진단 경보출력(S 913), 진단고장 출력(S 916) 단계를 거치고 나면 다시 상기 (S 905) 단계로 복귀하는 단계(S 917)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 전력변환장치의 운용방법.

P_mpp0 = P_mpp(t)/(Q × [1 + α(t-25)]) (식 4)

I_SC0= I_SC(t) · [1- ß(t-25)]/Q (식 5)

V_OC0 = V_OC(t)/[1- τ(t-25)- δ(1-Q)] (식 7)