KR101104097B1 - 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치 - Google Patents

태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는, 태양광을 직류전원으로 변환하여 출력하고 주(main) 태양전지모듈과 보조(auxiliary) 태양전지모듈로 구성된 태양전지모듈, 상기 주 태양전지모듈에 보조 태양전지모듈을 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 선택적으로 연결하는 스위치부, 상기 직류전원의 전압을 감지하는 전압감지부, 및 상기 감지된 직류전원의 전압에 따라 상기 스위치부의 동작을 제어하는 전압제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는, 태양전지모듈을 주(main) 태양전지모듈과 보조(auxiliary) 태양전지모듈로 별도로 분리하고 상기 태양전지모듈의 전체 출력전압에 따라 상기 주 태양전지모듈과 보조 태양전지모듈의 연결을 직렬 또는 병렬로 선택적으로 제어함으로써 상기 태양전지모듈의 전체 출력전압을 인버터의 정상운전 범위로 유지할 수 있기 때문에 종래 기술에 따른 태양광 발전시스템에서 발생되던 인버터의 저전압 트립 현상을 방지하여 전체적인 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
태양광, 태양전지, 인버터, 트립, 슬립

Description

태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치{Output Voltage Control Apparatus for Photovoltaic Power Generation System}
본 발명은 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 태양광 발전시스템에 사용되는 태양전지모듈의 출력전압을 인버터의 정상운전 범위로 유지함으로써 상기 출력전압을 입력전압으로 하여 부하에 상용 교류전원을 공급하는 인버터의 저전압 트립을 방지하여 전체적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따라 방출되는 이산화탄소에 의한 지구의 온난화와 원자력발전소의 사고 및 핵폐기물에 의한 방사능 오염 등의 심각한 문제가 나타나고, 지구의 환경과 에너지에 대한 관심이 증가하면서 청정 에너지원인 태양광을 사용하는 태양광 발전이 실용화되고 있다.
상기 태양광을 이용한 발전시스템의 경우 입사된 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지 셀을 일정 방식으로 다수 개 배열시킨 태양전지모듈로부터 생성된 직류전압을 인버터에 의해 상용 교류전압으로 변환시켜 전력 수용가에 전원을 공급하도록 구축되어 있다.
이러한 태양광 발전시스템에서 상기 태양전지모듈은 통상 수백 볼트 정도의 직류전압을 출력할 수 있도록 태양전지 셀이 배열되는데, 상기 인버터는 상기 직류전압(구체적으로는 약 480 내지 900 볼트)을 입력전압으로 하여 전술한 바와 같이 전력 수용가에 상용 교류전원을 공급하게 된다.
그러나, 일기 조건에 따라 일사량이 감소하거나 고온에 따른 태양전지 셀의 효율 저하 등의 원인으로 인하여 상기 태양전지모듈의 출력전압이 상기 인버터의 입력전압(즉, 운전전압) 이하로 감소하게 될 경우, 분산전원 연계기준에 따라 일정 시간(약 5분) 동안 상기 인버터가 트립(인버터 슬립 현상)되어 전력 수용가의 각 부하에 공급되던 전원이 차단되도록 구성되어 있다.
일반적으로 일사량 및 온도 등, 일기조건에 따라 저전압 트립이 발생하는데 외부적인 고장이 아님에도 저전압 트립이 발생한다. 이러한 트립은 분산전원 연계기준에 의해 동기화를 위한 대기시간(5분) 동안 전력을 생산할 수 있는 자연환경임에도 불구하고 전력을 생산하지 못해 전체적인 에너지 효율을 크게 저감시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양전지모듈의 출력전압을 인버터의 정상운전 범위로 유지함으로써, 상기 출력전압의 저하에 의하여 인버터가 트립되는 현상을 방지하여 전체적인 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있는 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는, 태양광을 직류전원으로 변환하여 출력하고 주(main) 태양전지모듈과 보조(auxiliary) 태양전지모듈로 구성된 태양전지모듈, 상기 주 태양전지모듈에 보조 태양전지모듈을 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 선택적으로 연결하는 스위치부, 상기 직류전원의 전압을 감지하는 전압감지부, 및 상기 감지된 직류전원의 전압에 따라 상기 스위치부의 동작을 제어하는 전압제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터를 더 포함하고, 상기 전압제어부는 상기 인버터의 저전압 트립을 방지하기 위해 상기 직류전원의 전압이 미리 설정된 설정값 이상이면 상기 주 태양전지모듈과 보조 태양전지모듈을 병렬로 연결하고, 상기 설정값 미만이면 주 태양전지모듈과 보조 태양 전지모듈을 직렬로 연결하도록 상기 스위치부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주 태양전지모듈은 각각 적어도 하나의 태양전지 셀이 직렬로 연결된 적어도 하나의 제1서브모듈이 병렬로 연결되어 구성되고, 상기 보조 태양전지모듈은 각각 적어도 하나의 태양전지 셀이 직렬로 연결된 제2서브모듈이 상기 제1서브모듈 각각에 직렬 또는 병렬로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는, 태양전지모듈을 주(main) 태양전지모듈과 보조(auxiliary) 태양전지모듈로 별도로 분리하고 상기 태양전지모듈의 전체 출력전압에 따라 상기 주 태양전지모듈과 보조 태양전지모듈의 연결을 직렬 또는 병렬로 선택적으로 제어함으로써 상기 태양전지모듈의 전체 출력전압을 항상 일정 전압 수준으로 유지할 수 있기 때문에 종래 기술에 따른 태양광 발전시스템에서 발생되던 인버터의 저전압 트립 현상을 방지하여 전체적인 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치의 구성을 나타낸 블럭도이고, 도 2는 도 1의 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치에 적용된 태양전지모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는 입사된 태양광을 직류전압의 전기에너지로 변환하여 실제 전력을 생산하는 태양전지모듈(10), 상기 태양전지모듈에서 출력되는 직류전압을 입력전압으로 하여 상용 교류전원으로 변화시켜 전력 수용가(30)의 각 부하에 전력을 공급하는 인버터(20), 상기 태양전지모듈(10)에서 출력되는 직류전압의 크기를 감지하는 출력전압 감지부(40), 상기 출력전압 감지부(40)에서 감지된 직류전압의 크기에 따라 후술하는 바와 같이 상기 태양전지모듈(10)에 구비된 스위치부(13)의 동작을 제어하는 출력전압 제어부(50)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 태양전지모듈(10)은 주(main) 태양전지모듈(11), 상기 주 태양전지모듈(11)과 별도로 구비된 보조(auxiliary) 태양전지모듈(12), 및 상기 주 태양전지모듈(11)에 보조 태양전지모듈(12)을 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 선택적으로 연결하는 스위치부(13)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 태양전지모듈(10)은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시켜 출력하는 여러 개의 태양전지 셀(cell)(16)을 직병렬로 연결함으로써 적정한 출력전압 레벨과 전류량을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는 상기 주 태양전지모듈(11)이 각각 적어도 하나의 태양전지 셀(16)이 직렬로 연결된 적어도 하나의 제1서브모듈(14)이 병렬로 연결되도록 구성하고, 상기 보조 태양전지모듈(12)은 각각 적어도 하나의 태양전지 셀(16)이 직렬로 연결된 제2서브모듈(15)이 상기 제1서브모듈(14) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결되도록 구성하였다.
또한, 상기 스위치부(13)는 전기 릴레이, 또는 트랜지스터와 같은 반도체 스위칭 소자 등 동일한 기능을 수행하는 여러 가지 공지된 스위칭 소자를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 일예로서, 상기 주 태양전지모듈(11)은 각각 22개의 태양전지 셀(16)이 직렬로 연결된 12개의 제1서브모듈(14)이 병렬로 연결되어 구성되고, 상기 보조 태양전지모듈(12)은 각각 하나의 태양전지 셀(16)로 구성된 12개의 제2서브모듈(15)이 상기 제1서브모듈(14) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결되도록 구성하였다.
한편, 전술한 바와 같이 태양광 발전시스템이 설치된 지역의 일기 조건이 변화되어 일사량이 감소되거나 고온 현상으로 인하여 태양전지모듈(10)을 구성하는 태양전지 셀(16) 각각의 에너지 변환효율이 감소되는 경우 상기 인버터(20)는 내부 회로의 보호를 위하여 일정 시간(일예로서, 5분) 동안 저전압 트립이 발생되며, 이로 인하여 인버터(20)는 분산전원 연계기준에 의해 전력을 생산할 수 있는 자연조건임에도 불구하고 전력을 생산하지 못하여 전체적인 상기 태양광 발전의 에너지 효율이 감소하며, 상기 인버터 트립시 발생하는 서지 및 아크로 인하여 부하 내부 회로가 치명적인 손상을 입게 되는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 이를 방지하기 위하여 상기 출력전압 제어부(50)가 상기 출력전압 감지부(40)에서 감지된 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압의 크기에 따라 상기 스위치부(13)의 동작을 제어함으로써 상기 인버터(20)의 입력전압(즉, 태양전지모듈(10)의 출력전압)을 인버터의 정상운전 범위로 유지하게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 먼저 상기 출력전압 제어부(50)는 상기 출력전압 감지부(40)에서 감지된 상기 직류전원의 전압이 미리 설정된 설정값 이상이면 상기 주 태양전지모듈(11)과 보조 태양전지모듈(12)을 병렬로 연결하도록 상기 스위치부(13)의 동작을 제어하게 된다.
이때, 상기 설정값은 인버터(20)의 정상적인 동작전압(일예로서 약 480V 내지 900V)으로 설정되는 것이 바람직한데, 이는 일사량 또는 태양전지 셀(16) 각각의 에너지 변환효율이 정상적인 경우에 있어서의 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압에 대응되는 값이다.
따라서, 본 실시예에서와 같이 상기 제1서브모듈(14)의 출력전압이 제2서브모듈(15)의 출력전압보다 크다고 가정할 경우(즉, 서로 직렬연결된 태양전지 셀(16)의 수가 제1서브모듈(14)이 제2서브모듈(15)보다 많은 경우), 상기와 같이 정상적인 운전조건에서의 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압(V출력)은 주 태양전지모듈(11)을 형성하는 제1서브모듈(14) 각각의 출력전압(V제1서브출력)과 동일하게 된다.
즉, 본 실시예의 경우 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압(V출력)은 아래의 [수식 1]과 같이 계산될 수 있으며, 이때 V셀은 제1서브모듈(14) 각각을 구성하는 하나의 태양전지 셀(16)에서 출력되는 전압이다.
V출력 = V제1서브출력 = V셀 * 22 ------------ [수식 1]
반면에, 상기 출력전압 감지부(40)에서 감지된 상기 직류전원의 전압이 상기 설정값 미만이면 상기 출력전압 제어부(50)는 주 태양전지모듈(11)과 보조 태양전지모듈(12)을 직렬로 연결하도록 상기 스위치부(13)의 동작을 제어하게 된다.
이와 같은 구성에 의하여, 일사량의 감소나 태양전지 셀의 효율저하로 인하여 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압(V출력)이 인버터(20)의 동작전압 이하로 떨어지는 경우 주 태양전지모듈(11)과 보조 태양전지모듈(12)이 직렬로 연결됨으로써 보조 태양전지모듈(12)을 구성하는 제2서브모듈(15) 각각의 출력전압(V제2서브출력) 만큼 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압(V출력)이 상승하게 된다.
따라서, 본 실시예의 경우 상기 태양전지모듈(10)의 출력전압(V출력)은 아래의 [수식 2]와 같이 계산될 수 있다.
V출력 = V제1서브출력 + V제2서브출력 = V셀 * 23(+) ---- [수식 2]
즉, 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는 외부 조건에 의하여 태양전지모듈(10)의 출력전압이 저감되는 경우 평상시에 주 태양전지모듈(11)에 병렬로 연결된 보조 태양전지모듈(12)을 직렬로 연결함으로써 상기 저감된 태양전지모듈(10)의 출력전압을 보상할 수 있다.
이때, 상기 보조 태양전지모듈(12)의 출력전압은 주 태양전지모듈(11)에 직 렬로 연결할 경우 전술한 바와 같이 비정상적인 운전조건에서 감소된 태양전지모듈(10)의 출력전압을 정상 운전상태에서의 출력전압 수준으로 유지시킬 수 있도록 정해지는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 일실시예로서 도 2에 도시한 바와 같이 주 태양전지모듈(11)과 보조 태양전지모듈(12)이 구성된 경우를 설명하였으나, 태양광 발전시스템의 발전용량 및/또는 인버터의 동작전압에 따라 상기 제1,2서브모듈(14,15)의 수 및 제1,2서브모듈(14,15) 각각을 구성하는 태양전지 셀(16)의 수를 다양하게 구성할 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치는 인버터(20)의 입력전압을 제공하는 태양전지모듈(10)의 출력전압을 인버터의 정상운전 범위로 유지함으로써 일사량 감소나 태양전지 셀의 효율 감소로 인하여 발생할 수 있는 상기 인버터(20)의 저전압 트립을 방지할 수 있기 때문에, 전술한 바와 같은 인버터(20)는 분산전원 연계기준에 의해 전력을 생산할 수 있는 자연조건임에도 불구하고 전력을 생산하지 못하여 전체적인 상기 태양광 발전의 에너지 효율이 감소하며 것을 방지하여 상기 태양광 발전시스템의 전체적인 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치의 구성을 나타낸 블럭도,
도 2는 도 1의 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치에 적용된 태양전지모듈의 구성을 나타낸 도면이다.

Claims (3)

  1. 태양광을 직류전원으로 변환하여 출력하고, 주(main) 태양전지모듈과 보조(auxiliary) 태양전지모듈로 구성된 태양전지모듈;
    상기 직류전원의 전압을 감지하는 전압감지부;
    상기 전압감지부에서 감지된 전압 값에 따라 상기 주 태양전지모듈과 보조 태양전지모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치부;
    상기 감지된 직류전원의 전압에 따라 상기 스위치부의 동작을 제어하는 전압제어부; 및
    상기 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터를 포함하되,
    상기 주 태양전지모듈은 복수의 태양전지 셀이 상호 직렬 연결된 복수의 제1서브모듈이 상호 병렬연결되고,
    상기 보조 태양전지모듈은 적어도 하나의 태양전지 셀이 상호 직렬 연결된 복수의 제2서브모듈 각각이 상기 복수의 제1서브모듈 각각에 1:1로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있도록 구성되되,
    상기 전압제어부는 상기 인버터의 저전압 트립을 방지하기 위해 상기 직류전원의 전압이 미리 설정된 설정값 이상이면 상기 복수의 제1서브모듈 각각과 상기 복수의 제2서브모듈 각각이 병렬연결되고, 상기 설정값 미만이면 상기 복수의 제1서브모듈 각각과 상기 복수의 제2서브모듈 각각이 직렬연결되도록 상기 스위치부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 출력전압 제어장치.
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