KR100961710B1 - 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템에 관한 것으로서, 태양광 발전시스템의 전력변환을 위한 인버터; 상기 인버터부 외부의 공기를 상기 인버터부 내부로 유입시키기 위한 송풍팬과 상기 인버터부 내부의 공기를 상기 인버터부 외부로 배출시키기 위한 환풍팬으로 구성된 냉각팬; 상기 인버터부의 내부온도를 조절하기 위하여 상기 송풍팬을 제어하는 송풍팬 제어부와 상기 인버터부의 내부온도를 조절하기 위하여 상기 환풍팬을 제어하는 환풍팬 제어부로 구성된 냉각팬 제어부;를 포함하여 구성되되, 상기 송풍팬 제어부는 상기 인버터부의 내부온도를 상기 인버터부의 내부온도 목표 값에 유지시키기 위한 제어 값을 출력하는 외부 궤환 제어기; 상기 인버터의 온도와 상기 외부 궤환 제어기에서 출력된 제어 값과의 차이에 따라 상기 송풍팬을 제어하는 내부 궤환 제어기; 상기 내부 궤환 제어기의 출력 범위를 제한하여 상기 송풍팬의 동작 조건을 설정하는 송풍 포화기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템에 따르면 팬의 온-오프제어 방식이 아닌 속도제어가능한 제어 방식을 사용하여 온도에 따라 팬의 속도를 조정함으로써 팬 동작시의 전력소모량을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 단상 인버터의 온도 및 인버터부 내부의 폐공간 온도를 측정하여 측정값과 설정 값의 비교에 따라 각 팬들의 동작을 제어할 뿐만 아니라 각 팬들의 동작을 상호 연계시켜 팬 동작 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템{Invert Cooling System For Control System Of Solar Cell Generation}

본 발명은 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템에 관한 것으로서, 특히 속도제어가능한 제어 방식을 사용하여 온도에 따라 팬의 속도를 조정함으로써 팬 동작시의 전력소모량을 줄일 수 있는 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광발전(PhotoVoltaic power generation, Photovolatics)은 발전기의 도움없이 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 방식으로서, 태양전지를 이용하여 실제 수요부하에 맞게 구성한 발전 시스템이다.

이는, 태양전지, 축전지, 인버터와 같은 전력변환장치로 구성되며, 태양빛이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 조사되면, 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공(Hole)과 전자(Electron)가 발생한다.

이때, 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위치가 발생하면 전류가 흐르게 되며, 이를 받아 인버터는 발생된 직류 전력을 상용 주파수, 전압의 교류로 변환하여 전력 계통에 연계함과 동시에, 시스템의 직류 및 교류측의 전기적인 감시 및 보호한다.

이 경우 태양광 발전시스템의 대용량 인버터는 3개의 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)를 사용하여 전력변환을 한다. 전력변환 반도체 소자인 IGBT는 고속스위칭이 가능하기 때문에 인버터에 많이 사용되지만, 그러한 고속 스위칭의 특성 때문에 발열량이 많다. 또한 IGBT를 포함한 인버터부는 폐공간으로 구성되기 때문에 IGBT에서 발생된 열이 외부로 방출되지 못하여 인버터 내부의 온도가 상승하게 된다. 따라서, 시스템의 정상적인 동작을 위하여 적정한 온도를 유지시켜줄 필요성이 있으며 팬을 사용하여 온도를 제어하는 것이 일반적이다. 특히 400kW급 이상의 태양광 시스템의 인버터부 방열은 다수의 팬을 사용한다.

이 경우 종래 발명에 의한 인버터부의 냉각은 일정온도 이상에서 모든 팬들을 가동시키고 일정온도 이하에서 팬이 정지하여 단지 온-오프 동작만으로 수행될 뿐, 온도에 따른 속도조절이 불가능하기 때문에 낭비되는 전력이 큰 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 팬의 온-오프제어 방식이 아닌 속도제어가능한 제어 방식을 사용하여 온도에 따라 팬의 속도를 조정함으로써 팬 동작시의 전력소모량을 줄일 수 있는 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템을 제공하는 것이다.

또한, 단상 인버터의 온도 및 인버터부 내부의 폐공간 온도를 측정하여 측정값과 설정 값의 비교에 따라 각 팬들의 동작을 제어할 뿐만 아니라 각 팬들의 동작을 상호 연계시켜 팬 동작 효율을 증대시킬 수 있는 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템을 제공하는 것이다.

태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템에 있어서, 태양광 발전시스템의 전력변환을 위한 인버터; 상기 인버터부 외부의 공기를 상기 인버터부 내부로 유입시키기 위한 송풍팬과 상기 인버터부 내부의 공기를 상기 인버터부 외부로 배출시키기 위한 환풍팬으로 구성된 냉각팬; 상기 인버터부의 내부온도를 조절하기 위하여 상기 송풍팬을 제어하는 송풍팬 제어부와 상기 인버터부의 내부온도를 조절하기 위하여 상기 환풍팬을 제어하는 환풍팬 제어부로 구성된 냉각팬 제어부;를 포함하여 구성되되, 상기 송풍팬 제어부는 상기 인버터부의 내부온도를 상기 인버터부의 내부온도 목표 값에 유지시키기 위한 제어 값을 출력하는 외부 궤환 제어기; 상기 인버터의 온도와 상기 외부 궤환 제어기에서 출력된 제어 값과의 차이에 따라 상기 송풍팬을 제어하는 내부 궤환 제어기; 상기 내부 궤환 제어기의 출력 범위를 제한하여 상기 송풍팬의 동작 조건을 설정하는 송풍 포화기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 한 특징으로는, 상기 외부 궤환 제어기는 상기 인버터부의 내부온도와 상기 인버터부의 내부 폐공간 목표 온도와의 온도 차이에 비례하는 제어 값을 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 특징으로는, 상기 내부 궤환 제어기는 상기 인버터의 온도와 상기 외부 궤환 제어기에서 출력된 제어 값과의 온도 차이에 비례하여 제어 값을 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 송풍 포화기는 상기 인버터부의 내부 폐공간 온도가 상기 목표 온도보다 낮으면 상기 내부 궤환 제어기의 출력을 제로로 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 외부 궤환 제어기와 상기 내부 궤환 제어기는 각각 입력 변수로부터 데이터를 입력받는 제 1레이어; 상기 입력 변수로부터 입력받은 데이터를 소속 함수를 이용하여 각각 퍼지 규칙에 대한 적합도 값을 산출하는 제 2레이어; 상기 퍼지 규칙에 대한 적합도 값과 상기 퍼지 규칙에서 정의된 소속 값을 이용하여 상기 외부 궤환 제어기 또는 상기 내부 궤환 제어기의 출력 변화량을 산출하는 제 3레이어; 상기 제 3레이어에서 산출된 상기 출력 변화량을 이용하여 최종출력을 산출하는 제 4레이어;를 포함하여 구성되는 퍼지 제어기인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 퍼지 제어기는 입력 값(e(k))이 상기 각 레이어를 통과하면서 연산되는 과정을 산출하되, 상기 제 1레이어는 상기 입력 값(e(k))을 받아 하기의 [수학식 2]에 의하여 상기 입력 값(e(k)) 및 이전 단계의 입력(e(k-1)) 값과 비교치인 변화량 값(Δe(k))에 각각 제 1 환산계수(G_e) 및 제 2 환산계수(G_d)만큼 대응되는 가중치(E, ΔE)를 상기 제 2레이어로 전달하며,

상기 제 2레이어는 상기 입력 값들을 일정한 상수 값에 대응되도록 정의된 소속 함수(μ_Ai, μ_Bi)를 이용하여 하기의 [수학식 3]에 의하여 상기 퍼지 규칙에 대한 적합도 값(w_i)을 산출하여 상기 제 3레이어로 전달하며,

상기 제 3레이어는 상기 규칙에 대한 적합도 값(w_i)을 하기의 [수학식 4]에 따라 상기 규칙에 대한 적합도 값(w_i)에 대응되는 소속 값(C_i)에 대한 가중치로 평균을 내어 상기 퍼지 제어기의 출력 변화량 값(ΔU)을 상기 제 4레이어로 전달하며,

상기 제 4레이어는 상기 퍼지 제어기의 출력 변화량 값(ΔU)을 하기의 [수학식 5]을 이용하여 제 3 환산계수(G_c)를 가중치로 곱한 값에 이전단계의 퍼지 제어기의 제어 값(u(k-1))을 합산하여 상기 퍼지 제어기의 최종 제어 값(u(k))을 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 퍼지 제어기는 상기 제 1레이어의 상기 변화량 값에 대해 소속 함수를 사용하여 1개의 출력 변수를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 냉각팬 제어부는 상기 인버터부의 내부온도 목표 값을 설정하고, 상기 인버터부의 외부온도가 상기 인버터부의 설정된 내부온도 목표 값 이상인 경우 상기 인버터부의 내부온도 목표 값을 상기 인버터부의 외부온도로 재설정하고, 상기 인버터부의 내부온도 목표 값이 상기 인버터부의 내부온도보다 작으면 상기 냉각팬 모두를 정지시키고, 상기 인버터부의 내부온도와 상기 인버터부의 내부온도 목표 값의 온도 차이에 대응되는 기설정된 온도차 구간에 따라 상기 냉각팬의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광 발전 제어 시스템의 인버터부 냉각시스템에 따르면 팬의 온-오프제어 방식이 아닌 속도제어가능한 제어 방식을 사용하여 온도에 따라 팬의 속도를 조정함으로써 팬 동작시의 전력소모량을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 단상 인버터의 온도 및 인버터부 내부의 폐공간 온도를 측정하여 측정값과 설정 값의 비교에 따라 각 팬들의 동작을 제어할 뿐만 아니라 각 팬들의 동작을 상호 연계시켜 팬 동작 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 시스템의 인버터부의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 시스템의 냉각팬의 인버터부의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 시스템의 냉각팬 제어부의 구조를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 송풍팬 제어부(210, 220, 230)를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 환풍팬 제어부(240)를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명에 따른 외부 궤환 제어기(211, 221, 231), 내부 궤환 제어기(212, 222, 232) 및 환풍 궤환 제어기(241)에 사용된 퍼지제어기(200a)의 제어구조를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 입력변수인 오차(E)와 오차의 변화량(ΔE)에 대한 소속함수와 출력변수인 출력의 변화량(ΔU)에 대한 소속함수를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7a 및 도 7b에 도시된 소속함수의 입력과 출력의 관계에 따른 퍼지규칙을 테이블로 도시한 도면이다.
도 9는 간략 추론법을 이용하여 퍼지제어기의 출력을 계산하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명에 따른 각 팬의 연동 스케쥴링을 예시한 도면이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 팬의 온-오프제어 방식이 아닌 속도제어가능한 제어 방식을 사용하여 온도에 따라 팬의 속도를 조정함으로써 팬 동작시의 전력소모량을 줄일 수 있다. 특히, IGBT 방열판 온도 및 인버터부(10) 내부온도를 측정하여 측정값과 설정 값의 비교에 따라 각 팬들의 동작을 제어할 뿐만 아니라 각 팬들의 동작을 상호 연계시켜 팬 동작 효율을 증대시킴으로써 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 시스템의 인버터부(10)는 냉각팬(100), 냉각팬 제어부(200) 및 인버터(300)으로 구성되어 있다.

냉각팬(100)은 각각 외부의 공기를 유입하거나 유출하기 위한 것으로 도 2에 예시된 바와 같이 태양광 시스템의 인버터부(10)의 전면에 송풍팬(110, 120, 130)이 구비되어 있고 상면에는 환풍팬(140, 150)이 구비되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 송풍팬이 3개, 환풍팬이 2개 구비된 것으로 예시되었으나 당업자의 설계변경에 의하여 송풍팬 및 환풍팬의 수를 조정할 수 있다.

냉각팬(100)의 전원은 태양광 발전시스템에 의해 생산된 자체 전력을 사용하기 때문에 팬의 전력소비를 줄임으로써 상대적으로 태양광 발전 시스템의 전력생산량을 향상시킬 수 있다.

인버터(300)는 태양광 발전시스템의 전력 변환을 위하여 사용되는 것으로 3상 교류출력을 위하여 풀브리지 방식의 3개의 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)로 구성될 수 있고, 각각의 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)는 각각 4개의 IGBT로 구성될 수 있다. 3개의 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)는 각각 방열판(311, 321, 331, 도면 미도시)이 장착되어 있다.

인버터부(10)의 전면에는 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)에 각각 대응되도록 3개의 송풍팬(110, 120, 130)이 장착되어 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)를 냉각시키며, 동시에 인버터부(10) 폐공간 내부의 온도를 조절할 수 있다.

냉각팬 제어부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 인버터부(10) 냉각을 위하여 외부의 공기를 유입시켜 송풍팬을 제어하는 송풍팬 제어부(210, 220, 230)와 송풍팬을 통하여 유입된 공기를 외부로 배출하기 위한 환풍팬 제어부(240)로 구성되어 있다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 송풍팬 제어부(210, 220, 230)를 도시한 도면이다. 송풍팬 제어부(210, 220, 230)는 인버터부(10)의 내부 온도 제어를 위한 외부 궤환 제어기(211, 221, 231), 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)의 온도를 제어하기 위한 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)와 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 출력을 일정범위내로 제한하기 위한 송풍 포화기(213, 223, 233)로 구성되어 있다.

송풍팬 제어부(210, 220, 230)는 팬의 속도제어를 통하여 방열판(310, 320, 330, 도면 미도시)과 인버터부(10) 폐공간의 두 가지 온도를 제어해야 하는 SIMO(single input multi output) 제어방법으로 이루어진다. 이러한 SIMO 제어방식을 위하여 Cascade 제어방법이 필요한데, Cascade 제어방법은 여러 개의 제어 단계가 연속으로 연결되어 있어서 한 제어 단위는 바로 앞 한 제어 단위의 제어를 받고, 마찬가지로 다음의 한 제어 단위를 제어하도록 된 제어 방법을 말한다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 송풍팬 제어부(210, 220, 230)의 제어 방법을 모식화한 도면이다. 본 발명에 실시예에서 예시된 3개의 송풍팬 제어부(210, 220, 230)는 모두 동일한 제어 구조를 가지는 것으로 설명되었으나 당업자의 설계 변경에 의하여 송풍팬 제어부(210, 220, 230) 중 일부 또는 전부가 동일하지 않은 제어 구조를 가질 수도 있다.

송풍팬 제어부(210, 220, 230)는 외부 궤환 제어기(211, 221, 231)의 출력 값(T_Out1, T_{Out2 ,} T_Out3)을 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 목표값으로 사용하여 내부온도(T_Inner)과의 차이에 따라 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 목표 값을 자동적으로 조정하는 방식으로 제어한다.

외부 궤환 제어기(211, 221, 231)는 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})과 내부온도(T_Inner)와의 차이를 입력받아 외부 궤환 제어기(211, 221, 231)의 출력 값(T_Out1, T_{Out2 ,} T_Out3)을 계산한다. 여기서 내부온도(T_Inner)는 인버터부(10) 폐공간 내부의 온도로서 인버터부(10)의 각 4면에 장착된 온도센서(400, 도면 미도시)에서 측정된 온도 값들의 평균값을 사용한다. 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})과 내부온도(T_Inner)의 차이가 커지면 외부 궤환 제어기(211, 221, 231)의 출력 값(T_Out1, T_{Out2 ,} T_Out3)도 증가하며 반대의 경우 출력 값은 감소한다.

내부 궤환 제어기(212, 222, 232)는 외부 궤환 제어기(211, 221, 231)의 출력 값(T_Out1, T_{Out2 ,} T_Out3)과 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)의 온도(T_{IGBT _1 ph ,} T_{IGBT_2ph,} T_{IGBT _3 ph})의 차를 입력으로 받아 제어기의 출력을 계산하여 송풍팬(110, 120, 130)의 동작을 제어한다.

송풍 포화기(213, 223, 233)는 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 출력 값을 제한하여 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 동작 조건을 설정한다. 즉, 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 출력범위를 설정하거나 내부온도(T_Inner)가 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})보다 작을때는 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 출력을 0으로 설정하여 송풍팬(110, 120, 130)이 동작하지 않도록 할수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 환풍팬 제어부(240)를 도시한 도면이다. 환풍팬 제어부(240)는 환풍 궤환 제어기(241)와 환풍 포화기(243)로 구성되어 있다. 환풍 궤환 제어기(241)는 송풍팬(110, 120, 130)에 의해 유입된 공기를 외부로 배출하도록 환풍팬(140, 150)을 제어한다.

구체적인 제어는 도 5에 도시된 바와 같이 폐루프 제어 구조를 사용하여 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})과 내부온도(T_Inner)와의 차이를 입력으로 받아 환풍 궤환 제어기(241)의 출력 값을 계산한다. 내부온도 목표값(T_{Inner _ ref})과 내부온도(T_Inner)의 차이가 커지면 환풍 궤환 제어기(241)의 출력 값도 증가하며 반대의 경우 출력 값은 감소하는 방법으로 이루어진다.

본 발명의 실시 예에서 환풍팬(140, 150)은 병렬로 환풍 궤환 제어기(241)의 제어신호를 받아 동일한 속도로 동작하는 것으로 도시되었으나, 당업자의 설계 변경에 의하여 각각의 환풍 팬의 속도를 달리할 수도 있다.

환풍 포화기(243)는 환풍 궤환 제어기(241)의 출력 값을 제한한다. 즉 환풍 궤환 제어기(241)의 출력 값의 범위를 설정하거나 내부온도(T_Inner)가 내부온도 목표값(T_{Inner _ ref})보다 작을 때는 내부 궤환 제어기(212, 222, 232)의 출력을 0으로 설정하여 송풍팬(110, 120, 130)이 동작하지 않도록 할 수 있다.

도 6는 본 발명에 따른 외부 궤환 제어기(211, 221, 231), 내부 궤환 제어기(212, 222, 232) 및 환풍 궤환 제어기(241)에 사용된 퍼지제어기(200a)의 제어구조를 도시한 도면이다. 본 발명에서는 상기 7개의 퍼지제어기(200a)의 제어구조에 대하여 모두 동일한 것으로 가정하였지만 당업자의 설계 변경에 의하여 일부 또는 전부의 제어기가 서로 다른 제어구조를 가질 수도 있다.

퍼지제어기(200a)는 구체적으로 오차(E)와 오차의 변화량(ΔE)를 입력으로 받아 퍼지추론에 의하여 퍼지제어기(200a) 출력의 변화량(ΔU)을 출력한다.

도 7a 및 도 7b는 입력변수인 오차(E)와 오차의 변화량(ΔE)에 대한 소속함수와 출력변수인 출력의 변화량(ΔU)에 대한 소속함수를 도시한 도면이다.

여기서, 퍼지 이론이란 애매하고 불분명한 상황에서 여러 문제들을 두뇌가 판단하고 결정하는 과정에 대하여 수학적으로 접근하려는 이론으로서, 각 대상이 어떤 집합에 속한다 또는 속하지 않는다는 이진법 논리로부터, 각 대상이 그 집합에 속하는 정도를 소속함수(Membership Function)로 나타냄으로써 수학적으로 표현하는 퍼지 집합을 기초로 한다.

다시 말하면, 기존의 집합 이론(Crisp Set)은 원소 x가 집합 A에 속할 때에는 1의 값을 가지고, 속하지 않는 경우에는 0의 값을 가지는, 즉 경계가 분명한 집합으로 구성된다.

반면에, 퍼지 집합에서는 원소 x가 집합 A에 속하는 정도를 -1과 1 사이의 값으로 나타내며, 이때 -1과 1 사이의 값, 즉 [-1, 1]으로 나타내는 것을 소속함수라 하는 것이다.

퍼지 모델은 상기 퍼지 이론을 바탕으로 한 데이터 동작형 모델링 방법이다. 퍼지 모델은 시스템의 물리적인 정보를 사용하지 않고 입출력 데이터를 이용하여 시스템을 표현하는 방식이기 때문에 복잡하거나 비선형 특성을 갖는 시스템의 모델링에 매우 유용하게 사용된다.

퍼지 모델은 [-1, 1]의 소속값을 갖는 소속함수에 의하여 입력공간을 분할하고 각 입력공간의 특성을 표현하는 로컬모델을 구성하고 최종적으로 로컬모델의의 선형결합으로써 모델의 출력을 계산한다.

본 발명에 따른 소속함수들의 구간은 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 [-1 1]로 정의되고 소속함수들은 등간격으로 할당된다. 본 발명의 실시에에서는 두 개의 입력에 각각 7개의 소속함수를 사용하였기 때문에 퍼지 규칙은 하기 수학식 1의 형식을 갖는 49개로 구성된다.

여기서 A_i, B_i , C_i는 i번째 규칙에서 사용되는 소속함수를 의미하며, 도 7a 및 도 7b에 도시된 소속함수의 입력과 출력의 관계는 도 8에 도시된 퍼지규칙 테이블로 나타낼 수 있다.

도 9는 간략 추론법을 이용하여 하기 수학식 2 내지 수학식 5를 이용하여 하기의 제 1 단계 내지 제 4단계에 따라 퍼지제어기(200a)의 출력(u(k))을 계산하는 과정을 도시한 순서도이다.

제 1 단계(S10)는 퍼지제어기(200a)의 입력부를 계산하는 단계로서 하기의 수학식 2에 나타난 바와 같이 입력(e(k))에 제 1 환산계수(G_e)를 곱하여 오차(E) 값을 산출하여 퍼지제어기(200a)의 첫 번째 입력으로 전달하고, 입력의 변화량(Δe(k))에 제 2 환산계수(G_d)를 곱하여 오차의 변화량(ΔE) 값을 산출하여 퍼지제어기(200a)의 두 번째 입력으로 전달하는 단계이다.

제 2 단계(S20)는 각 규칙에 대한 적합도(w_i) 값을 계산하는 단계로서 하기의 수학식 3에 나타난 바와 같이 제 1 단계(S10)에서 구한 오차(E) 값, 오차의 변화량(ΔE) 값을 입력 값으로 하여 도 7a 및 도 7b에 도시된 소속 함수를 이용하여 출력 값을 산출한 후 하기 수학식 3을 이용하여 이 출력 값들 중에서 가장 최소값을 퍼지 규칙에 대한 적합도 값(w_i)으로 선택한다.

제 3 단계(S30)는 퍼지제어기(200a)의 출력(ΔU)을 계산하는 단계로서 하기의 수학식 4에 나타난 바와 같이 제 2단계(S20)에서 구한 퍼지 규칙에 대한 적합도 값(w_i)과 각 적합도 값(w_i)에 대응되는 소속 값(C_i)을 하기 수학식 4에 대입하여 퍼지추론에 의한 출력(ΔU)을 구한다.

제 4 단계(S40)는 최종 출력값(u(k))을 계산하는 단계로서 하기의 수학식 5에 나타난 바와 같이 상기 수학식 4에서 구한 퍼지추론에 의한 출력(ΔU)에 제 3 환산계수(G_c)를 곱하여 산출되는 값으로부터 하기의 수학식 5에 의하여 최종 출력값(u(k))을 산출하는 단계이다. 여기서 최종 출력값(u(k))은 속도형 타입으로써 기존의 제어기 출력값(u(k-1))에 제어기 출력 변화량(Δu(k))을 구해 더해주는 방법으로 산출될 수 있다.

상기 제 1단계 내지 제 4단계에서 사용된 환산계수(G_e, G_d, G_c)는 퍼지제어기(200a)가 최적의 제어 성능을 얻도록 각 팬의 특성에 따라 적절히 설정되어야 한다. 즉 동일한 모델의 팬을 사용할지라도 각각의 특성이 조금씩 다르기 때문에 이를 고려하여 서로 다른 환산계수 값을 갖도록 설정되어야 한다.

본 발명에 의한 본 발명에 따른 태양광 시스템의 인버터부(10)는 총 7개의 퍼지제어기(211, 221, 231, 212, 222, 232, 241)가 사용되기 때문에 21개의 환산계수가 존재하며 각각의 퍼지제어기(211, 221, 231, 212, 222, 232, 241)에 대응되는 송풍팬(110, 120, 130) 및 환풍팬(140, 150)들의 특성에 따라 환산계수(G_e, G_d, G_c)값을 결정해야 한다. 환산계수의 수는 매우 많기 때문에 trial and error 방법으로 구하기에는 많은 어려움이 있으므로 유전자 알고리즘이나 PSO(Particle Swarm Optimization)등의 최적화 알고리즘을 이용하여 결정할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 각 팬(110, 120, 130, 140, 150)의 연동 스케쥴링 을 예시한 도면이다. 여기에서 3개의 송풍팬(110, 120, 130)을 각각 Fan1, Fan2, Fan3로 표시하였고, 2개의 환풍팬(140, 150)을 각각 Fan4, Fan5로 표시하였다.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 각 팬(110, 120, 130, 140, 150)의 연동 스케쥴링에 따르면 태양광 시스템의 인버터부(10)의 냉각은 냉각팬(100)만을 통하여 냉각되는 방식으로 태양광 시스템의 인버터부(10)의 외부온도(T_Outer) 이하로 냉각시키는 것은 어렵기 때문에 내부온도 목표값(T_{Inner _ ref})을 태양광 시스템의 인버터부(10)의 외부온도(T_Outer) 값에 따라 제어해야한다.

이 경우 태양광 시스템의 인버터부(10)의 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})과 태양광 시스템의 인버터부(10)의 외부온도(T_Outer)의 차이에 따라 팬(Fan1, Fan2, Fan3, Fan4, Fan5)의 일부만이 동작되도록 제어함으로써 전력소모를 최소화할 수 있다. 구체적인 제어방법은 하기와 같다.

제 1단계(S100)는 인버터부(10)의 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})을 상온으로 설정하는 단계이다. 이 경우 단상 인버터(310, 320, 330, 도면 미도시)의 특성에 따라 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})을 상온이 아닌 임의의 값으로 설정할 수도 있다. 본 발명에서는 하기 수학식 6과 같이 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})으로 상온인 25℃로 설정하였다.

제 2단계(S200)는 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})이 외부온도(T_Outer)보다 작은 지 여부를 판단하는 단계이다. 만약에 외부온도(T_Outer)가 25℃ 이상일 경우 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})을 외부온도(T_Outer)로 설정한다(S210). 이는 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})이 외부온도(T_Outer)보다 낮을 경우 팬(Fan1, Fan2, Fan3, Fan4, Fan5)을 계속 동작하여 인버터부(10) 내부를 냉각시켜도 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})에 도달하기 어려울 뿐만 아니라 모든 팬(Fan1, Fan2, Fan3, Fan4, Fan5)은 최고 속도로 계속 동작하게 되어 전력소모량이 커지게 되기 때문이다.

제 3단계(S300)는 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})이 내부온도(T_Inner)보다 작은 지 여부를 판단하는 단계이다. 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})이 내부온도(T_Inner)보다 작으면 모든 팬(Fan1, Fan2, Fan3, Fan4, Fan5)은 정지한다. 이경우 제어기(211, 221, 231, 241)의 출력은 내부온도(T_Inner)가 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})보다 작은 경우 그 차에 비례하여 자동적으로 모든 팬(Fan1, Fan2, Fan3, Fan4, Fan5)의 속도를 순차적으로 감속시킬 수도 있지만, 내부온도(T_Inner)가 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})보다 작은 순간부터 강제적으로 정지시킬 수도 있다.

제 4단계(S400, S410)는 내부온도(T_Inner)와 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})의 차에 따라 각 팬들의 동작 여부를 결정하는 단계이다. 본 발명의 실시예에서는 송풍팬(Fan1, Fan2, Fan3)의 가동여부를 결정하는 하한 값과 상한 값을 각각 5℃와 10℃로 정하였다.

이 단계에서는 내부온도(T_Inner)보다 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})이 항상 큰 값을 가지므로 송풍팬(Fan1, Fan2, Fan3)중 적어도 하나가 동작되어 이에 따라 환풍용 팬(Fan4, Fan5)는 항상 동작된다.

구체적인 동작은 ① 내부온도(T_Inner)와 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})의 차가 5℃미만이면 인버터부(10)의 내부온도가 적정온도에 근접하므로 Fan1, Fan3은 동작시키지 않고 Fan2만 동작시켜 최소 전력만으로 인버터부(10) 내부를 냉각시킨다. ② 내부온도(T_Inner)과 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})의 차가 5℃이상이고 10℃미만이면 인버터부(10)의 내부온도(T_Inner)를 일정 수준 이하로 냉각시킬 필요가 있으므로 Fan1, Fan3는 동작시키고 Fan2는 동작시키지 않아 중간 전력으로 인버터부(10) 내부를 냉각시킨다. ③ 내부온도(T_Inner)과 내부온도 목표값(T_{Inner_ref})의 차가 10℃이상이면 인버터부(10)의 내부온도(T_Inner)가 높은 상태이므로 Fan1, Fan2, Fan3를 보두 동작시켜 최대 전력으로 인버터부(10) 내부를 냉각시킨다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

10 : 인버터부 100 : 냉각팬
200 : 냉각팬 제어부 300 : 인버터
400 : 온도센서

Claims (8)

1. 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템에 있어서,
   태양광 발전시스템의 전력변환을 위한 인버터;
   상기 인버터부 외부의 공기를 상기 인버터부 내부로 유입시키기 위한 송풍팬과 상기 인버터부 내부의 공기를 상기 인버터부 외부로 배출시키기 위한 환풍팬으로 구성된 냉각팬;
   상기 인버터부의 내부온도를 조절하기 위하여 상기 송풍팬을 제어하는 송풍팬 제어부와 상기 인버터부의 내부온도를 조절하기 위하여 상기 환풍팬을 제어하는 환풍팬 제어부로 구성된 냉각팬 제어부;를 포함하여 구성되되,
   상기 송풍팬 제어부는
   상기 인버터부의 내부온도를 상기 인버터부의 내부온도 목표 값에 유지시키기 위한 제어 값을 출력하는 외부 궤환 제어기;
   상기 인버터의 온도와 상기 외부 궤환 제어기에서 출력된 제어 값과의 차이에 따라 상기 송풍팬을 제어하는 내부 궤환 제어기;
   상기 내부 궤환 제어기의 출력 범위를 제한하여 상기 송풍팬의 동작 조건을 설정하는 송풍 포화기;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 외부 궤환 제어기는
   상기 인버터부의 내부온도와 상기 인버터부의 내부 폐공간 목표 온도와의 온도 차이에 비례하는 제어 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 내부 궤환 제어기는
   상기 인버터의 온도와 상기 외부 궤환 제어기에서 출력된 제어 값과의 온도 차이에 비례하여 제어 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 송풍 포화기는
   상기 인버터부의 내부 폐공간 온도가 상기 목표 온도보다 낮으면 상기 내부 궤환 제어기의 출력을 제로로 조정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 외부 궤환 제어기와 상기 내부 궤환 제어기는 각각
   입력 변수로부터 데이터를 입력받는 제 1레이어;
   상기 입력 변수로부터 입력받은 데이터를 소속 함수를 이용하여 각각 퍼지 규칙에 대한 적합도 값을 산출하는 제 2레이어;
   상기 퍼지 규칙에 대한 적합도 값과 상기 퍼지 규칙에서 정의된 소속 값을 이용하여 상기 외부 궤환 제어기 또는 상기 내부 궤환 제어기의 출력 변화량을 산출하는 제 3레이어;
   상기 제 3레이어에서 산출된 상기 출력 변화량을 이용하여 최종출력을 산출하는 제 4레이어;
   를 포함하여 구성되는 퍼지 제어기인 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 퍼지 제어기는 입력 값(e(k))이 상기 각 레이어를 통과하면서 연산되는 과정을 산출하되,
   상기 제 1레이어는 상기 입력 값(e(k))을 받아 하기의 [수학식 2]에 의하여 상기 입력 값(e(k)) 및 이전 단계의 입력(e(k-1)) 값과 비교치인 변화량 값(Δe(k))에 각각 제 1 환산계수(G_e) 및 제 2 환산계수(G_d)만큼 대응되는 가중치(E, ΔE)를 상기 제 2레이어로 전달하며,
   

   

   
   

   

   
   상기 제 2레이어는 상기 입력 값들을 일정한 상수 값에 대응되도록 정의된 소속 함수(μ_Ai, μ_Bi)를 이용하여 하기의 [수학식 3]에 의하여 상기 퍼지 규칙에 대한 적합도 값(w_i)을 산출하여 상기 제 3레이어로 전달하며,
   

   

   
   상기 제 3레이어는 상기 규칙에 대한 적합도 값(w_i)을 하기의 [수학식 4]에 따라 상기 규칙에 대한 적합도 값(w_i)에 대응되는 소속 값(C_i)에 대한 가중치로 평균을 내어 상기 퍼지 제어기의 출력 변화량 값(ΔU)을 상기 제 4레이어로 전달하며,
   

   

   
   상기 제 4레이어는 상기 퍼지 제어기의 출력 변화량 값(ΔU)을 하기의 [수학식 5]을 이용하여 제 3 환산계수(G_c)를 가중치로 곱한 값에 이전단계의 퍼지 제어기의 제어 값(u(k-1))을 합산하여 상기 퍼지 제어기의 최종 제어 값(u(k))을 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
   

   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 퍼지 제어기는 상기 제 1레이어의 상기 변화량 값에 대해 소속 함수를 사용하여 1개의 출력 변수를 가지는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각팬 제어부는
   상기 인버터부의 내부온도 목표 값을 설정하고,
   상기 인버터부의 외부온도가 상기 인버터부의 설정된 내부온도 목표 값 이상인 경우 상기 인버터부의 내부온도 목표 값을 상기 인버터부의 외부온도로 재설정하고,
   상기 인버터부의 내부온도 목표 값이 상기 인버터부의 내부온도보다 작으면 상기 냉각팬 모두를 정지시키고,
   상기 인버터부의 내부온도와 상기 인버터부의 내부온도 목표 값의 온도 차이에 대응되는 기설정된 온도차 구간에 따라 상기 냉각팬의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 인버터부 냉각시스템.

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