KR101114240B1

KR101114240B1 - 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템

Info

Publication number: KR101114240B1
Application number: KR1020110141512A
Authority: KR
Inventors: 박기주; 권영복; 이동준
Original assignee: 주식회사 케이디파워; (주)케이디티; 주식회사 라온테크
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-03-05

Abstract

본 발명은 내부적으로 구분된 복수의 변환부를 가지는 단일 인버터를 이용하여 각 태양전지 그룹에서 발생된 전력을 각 그룹의 용량에 맞는 변환부를 통해 변환하도록 함으로써, 태양광 발전의 효율은 높게 유지하면서도 인버터 설치에 따른 부대 비용의 증가를 방지하고, 효율적인 관리가 가능하도록 한 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템은 태양전지 모듈, 상기 태양전지 모듈이 다수 연결되어 구성되는 태양전지 스트링, 상기 태양전지 스트링이 다수 연결되어 구성되는 태양전지 어레이 중 어느 하나 이상이 그룹을 이루어 형성되는 복수의 태양전지 존; 상기 복수의 태양전지 존 각각에 대한 최대전력 추종을 수행하고, 상기 태양전지 존에서 발생된 전력을 변압하여 출력전압을 생성하는 복수의 스트링 옵티마; 및 상기 복수의 스트링옵티마로부터의 상기 출력전압을 교류전력으로 변환하기 위한 복수의 변환부, 상기 복수의 스트링옵티마로부터의 상기 출력전압을 상기 복수의 변환부에 분배하기 위한 배전부 및 상기 배전부의 분배를 제어하기 위한 인버터제어부를 구비하는 인버터;를 포함하여 구성된다.

Description

멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템{Multi zone-inverter photovoltaic power generation system}

본 발명은 복수의 태양전지 존으로부터 발생된 전력을 복수의 변환부를 가지는 인버터에 교류전력화하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템에 관한 것으로 특히, 내부적으로 구분된 복수의 변환부를 가지는 단일 인버터를 이용하여 각 태양전지 그룹에서 발생된 전력을 각 그룹의 용량에 맞는 변환부를 통해 변환하도록 함으로써, 태양광 발전의 효율은 높게 유지하면서도 인버터 설치에 따른 부대 비용의 증가를 방지하고, 효율적인 관리가 가능하도록 한 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.

태양광 발전에 있어서 현재 사용되고 있는 태양전지(Solar cell)의 출력은 매우 작기 때문에 필요한 출력을 효율적으로 얻기 위해서는 여러 개의 태양전지를 직렬로 연결하여 태양전지 모듈(PV Module : Photovaltaic Module)을 구성한다. 이와 같은 태양전지 모듈은 가로등, 무인 장치의 동작 전원용으로 사용이 가능하지만, 일반 상용 전력계통에 발전된 전력을 송전하기에는 전력이 작아 송전에 어려움이 있다.

이 때문에 전력 계통에 연결하여 발전 전력을 송전하고자 하는 경우 몇 개의 태양전지 모듈을 한 그룹으로 연결하거나, 이러한 그룹을 여러 개 병렬로 연결하여 태양전지 어레이(PV Arrary)를 형성함으로써 발전 및 송전에 필요한 전압 및 전력을 확보하도록 하고 있다. 특히, 발전된 전력의 교류 변환을 용이하게 하고, 인버터 등의 전력 설비를 규격화하기 위해 하나의 그룹을 형성하는 태양전지 모듈을 직렬로 연결한 스트링을 구성하여 이용하는 것이 보편적이다.

도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 태양광 발전장치는 복수의 태양광 모듈(PV, 10)을 직렬로 연결하여 하나의 스트링(20)을 구성하고, 이러한 스트링(20)을 여러 개 병렬로 연결하여 하나의 어레이(30)를 구성한다. 그리고 태양광 스트링(20) 또는 태양광 어레이(30)로부터의 출력은 인버터에 의해 교류 전력으로 변환되어 전력계통에 공급된다.

이러한 태양광 발전장치를 구성하는 태양전지 모듈, 태양전지 스트링 및 태양전지 어레이(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 태양전지 어레이(30) 단위의 발전뿐만 아니라 태양전지 모듈 수 개 이하, 하나의 스트링(20)에 의한 발전도 가능하다.

종래의 태양광 발전장치는 이와 같이 태양전지 그룹(1, 2)의 용량 또는 크기가 상이한 경우, 상이한 그룹(1, 2)별로 별도의 인버터(40, 41) 두어 발전된 전력을 교류전력으로 변환하며, 변환된 전력을 전력계통에 공급하게 된다.

이와 같이 인버터(40, 41)를 별도로 구성하는 이유는 서로 발전 용량 또는 발전전압이 상이한 태양전지 그룹을 하나의 인버터(40, 41)로 변환하는 경우 변환효율이 저하되어, 각각의 태양전지 그룹을 별도로 변환하는 경우에 큰 전력손실 및 태양전지의 손상을 발생시키기 때문이다. 때문에 도 1에서와 같이 용량에 따라 각각의 태양전지 그룹(1, 2)에 각각 인버터(40, 41)를 두어 각각의 그룹(1, 2)에서 생산된 전력을 개별적으로 변환하도록 하고 있다.

이로 인해 종래의 태양광 발전 시스템은 복수의 태양전지 그룹(1, 2)을 이용하여 발전을 수행하는 경우 인버터(40, 41)의 부가 설치에 따른 비용증대의 문제와 태양광 발전 시스템의 전반적인 효율이 저하되는 문제가 있다.

구체적으로 고압 변적을 수행하는 인버터를 복수로 설치하게 됨으로써 인버터의 구입 및 유지/보수에 따른 비용증대, 고압시설인 인버터의 격리시설 및 유지를 위한 비용 및 관리, 태양전지 증설에 따른 인버터의 교체, 각 인버터의 개별 제어를 위한 센서 등 부수 기자재의 증설과 제어의 복잡도 증가와 같은 다양한 문제가 발생되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 내부적으로 구분된 복수의 변환부를 가지는 단일 인버터를 이용하여 각 태양전지 그룹에서 발생된 전력을 각 그룹의 용량에 맞는 변환부를 통해 변환하도록 함으로써, 태양광 발전의 효율은 높게 유지하면서도 인버터 설치에 따른 부대 비용의 증가를 방지하고, 효율적인 관리가 가능하도록 한 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 각 태양전지 그룹으로부터의 발전용량을 산출하고, 이에 따라 각 그룹별 출력전압을 통일하거나 달리하여 변환부의 용량에 맞게 각 그룹의 출력을 취합 또는 개별적으로 변환하도록 함으로써 발전효율을 향상시키도록 한 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템은 태양전지 모듈, 상기 태양전지 모듈이 다수 연결되어 구성되는 태양전지 스트링, 상기 태양전지 스트링이 다수 연결되어 구성되는 태양전지 어레이 중 어느 하나 이상이 그룹을 이루어 형성되는 복수의 태양전지 존; 상기 복수의 태양전지 존 각각에 대한 최대전력 추종을 수행하고, 상기 태양전지 존에서 발생된 전력을 변압하여 출력전압을 생성하는 복수의 스트링 옵티마; 및 상기 복수의 스트링옵티마로부터의 상기 출력전압을 교류전력으로 변환하기 위한 복수의 변환부, 상기 복수의 스트링옵티마로부터의 상기 출력전압을 상기 복수의 변환부에 분배하기 위한 배전부 및 상기 배전부의 분배를 제어하기 위한 인버터제어부를 구비하는 인버터;를 포함하여 구성된다.

상기 복수의 변환부는 변환 용량이 동일하다.

상기 복수의 변환부는 변환 용량이 서로 다르다.

상기 인버터 제어부는 상기 스트링옵티마가 연결되는 상기 변환부에 따라 상기 스트링옵티마의 상기 출력전압을 가변시킨다.

상기 복수의 스트링옵티마는 각각의 발전량 정보를 실시간으로 상기 인버터 제어부에 전달한다.

상기 인버터 제어부는 상기 변환부 중 가동시간이 적은 상기 변환부에 상기 스티링옵티마로부터의 전력을 우선하여 공급한다.

상기 태양전지 존은 태양전지가 일정한 방향, 일정한 각도로 유지되도록 한 고정형 태양전지 모듈, 상기 고정형 태양전지 모듈에 의해 구성된 고정형 태양전지 스트링, 상기 고정형 태양전지 스트링에 의해 구성된 고정형 태양전지 어레이, 태양전지가 태양을 따라 각도 및 방향 중 어느 하나를 변경하도록 한 로봇 태양전지 모듈, 상기 로봇 태양전지 모듈에 의해 구성된 로봇 태양전지 스트링, 상기 로봇 태양전지 스트링에 의해 구성되는 로봇 태양전지 어레이 중 어느 하나 이상을 조합하여 구성된다.

상기 스트링 옵티마는 상기 태양전지 존을 구성하는 상기 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 스트링 각각과 연결되어, 상기 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 스트링 각각의 최대전력점 추종 제어를 수행하는 스트링 제어장치; 상기 태양전지 모듈의 발전량을 변화시키는 환경요소, 상기 스트링 제어장치로의 입력전압, 상기 스트링 제어장치로부터의 출력전압을 감지하여 상기 환경요소와 상기 입력전압 및 상기 출력전압에 대한 입출력값을 포함하는 감지값을 생성하는 감지부; 및 상기 감지값을 이용하여 상기 스트링 제어장치 각각에 대한 전력 추종 제어신호를 생성하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상기 스트링옵티마의 상기 제어부는 상기 태양전지 존 별로 구분되어 구성되고, 동일한 상기 태양전지 존을 구성하는 상기 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 스트링과 연결된 상기 스트링 제어장치에 대해 상기 전력 추종 제어신호를 공급한다.

상기 감지부는 일조량, 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 온도, 상기 태양전지 모듈 표면의 온도, 풍량, 풍속 및 습도 중 어느 하나 이상의 상기 환경요소를 감지한다.

상기 스트링 제어장치는 상기 태양전지 스트링 또는 상기 태양전지 모듈로부터의 상기 입력전압을 승압 또는 감압하는 컨버터; 상기 태양전지 스트링 또는 상기 태양전지 모듈과 상기 컨버터 사이에 연결되는 퓨즈; 상기 컨버터의 출력단에 연결되는 서킷브레이커; 상기 컨버터의 상기 승압 또는 감압을 위한 제어신호를 생성하는 엠피피티 제어기; 및 상기 엠피피티 제어기의 최대전력 추종제어를 위한 제어신호를 생성하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상기 스트링옵티마의 상기 제어부는 상기 감지값에 의해 최대전력 추종이 수행될 전류 또는 전압 범위가 포함된 추종범위 값을 산출하는 추종범위 산출부; 상기 추종범위 산출부로부터의 상기 추종범위 값, 상기 입력전압 및 상기 출력전압에 의해 최대전력 추종 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및 상기 추종범위 값을 상기 감지값과 대응시켜 저장하는 추종이력 저장부;를 포함하여 구성된다.

상기 추종범위 산출부는 상기 태양전지 모듈의 하루 발전 시간을 복수의 시간 구획으로 구분하고, 상기 시간 구획 각각의 기본 추종 범위를 산출한다.

상기 추종범위 산출부는 상기 기본 추종 범위에 상기 환경요소 감지값에 의한 발전량 변화 예상값을 반영하여 상기 추종범위 값을 산출한다.

상기 추종범위 산출부는 상기 입력전압 및 상기 출력전압이 일시적으로 상기 시간 구획에서 예상되는 최대 추종범위를 초과하는 경우 상기 입력전압 및 상기 출력전압의 초과에 대한 전력 추종을 생략한다.

본 발명에 따른 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템은 내부적으로 구분된 복수의 변환부를 가지는 단일 인버터를 이용하여 각 태양전지 그룹에서 발생된 전력을 각 그룹의 용량에 맞는 변환부를 통해 변환하도록 함으로써, 태양광 발전의 효율은 높게 유지하면서도 인버터 설치에 따른 부대 비용의 증가를 방지하고, 효율적인 관리가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 멀티 존-인버터 태양광 발전 시스템은 각 태양전지 그룹으로부터의 발전용량을 산출하고, 이에 따라 각 그룹별 출력전압을 통일하거나 달리하여 변환부의 용량에 맞게 각 그룹의 출력을 취합 또는 개별적으로 변환하도록 함으로써 발전효율을 향상시키는 것이 가능하다.

도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 멀티존 인버터 태양광 발전시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성예시도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 다른 멀티존 인버터 태양광 발전시스템의 구성을 도시한 예시도.
도 4는 도 2 및 도 3의 스트링 옵티마의 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도.
도 5는 스트링옵티마의 제어부 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도.
도 6는 환경요소 중 온도 및 조도에 따른 추종범위 산출을 설명하기 위한 예시도.
도 7은 시간에 따른 전력 추종을 설명하기 위한 예시도.
도 8은 추종이력 정보의 저장 및 이용방법을 설명하기 위한 예시도.
도 9는 본 발명에 의한 모바일 통신망을 사용한 안전 관제 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 10은 도 9의 로컬 유닛을 개략적으로 나타낸 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 멀티존 인버터 태양광 발전시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성예시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 멀티존 싱글 인버터 태양광 발전시스템(100)은 태양전지 존(101 : 101a, 101b, 101c), 스트링 옵티마(200) 및 싱글 인버터(300)를 포함하여 구성된다.

태양전지 존(101 : 101a, 101b, 101c)는 복수의 태양전지 모듈(110) 또는 복수의 태양전지 스트링(120) 또는 복수의 태양전지 어레이(130)가 하나의 그룹을 이루고, 태양광에 의해 전력을 생산한다.

여기서, 태양전지 존(101)은 태양전지 스트링(120) 또는 태양전지 어레이(130)와는 다른 의미로 정의된다. 태양전지 모듈(110), 태양전지 스트링(120) 및 태양전지 어레이(130)는 태양전지의 연결관계에 의한 구분으로 본 발명에서는 태양전지를 복수개 구성하여 하나의 패널을 형성한 형태를 태양전지 모듈(110), 태양전지 모듈(110) 복수개를 직렬로 연결한 형태를 태양전지 스트링(120), 둘 이상의 태양전지 스트링(120)을 병렬로 연결한 형태를 태양전지 어레이(130)로 정의한다. 그리고, 태양전지 존(101)은 태양전지 모듈(110), 태양전지 스트링(120) 및 태양전지 어레이(130)를 하나 이상 조합하여 그룹으로 형성한 것으로 정의된다.

특히, 태양전지 존(101)은 태양전지의 특성 차이에 의해 태양전지 어레이(130), 태양전지 스트링(120)과 구분될 수 있다. 즉, 태양전지 존(101)은 하나의 그룹을 형성하는 태양전지 군으로 하나 이상의 태양전지 모듈(110), 하나 이상의 태양전지 스트링(120), 하나 이상의 태양전지 어레이(130)로 구성될 수 있다. 태양전지에 의한 구성은 모듈(110), 스트링(120) 및 어레이(130)로 구성되지만, 태양전지 존(101)은 각 존에서 발생되는 총전력, 발전에 존(101)의 출력단에서 출력되는 전압, 태양전지 모듈(110) 하나 당 발전전력, 태양전지 스트링(120) 당 발전전력, 태양전지 모듈(110) 또는 태양전지 스트링(120)의 수, 태양전지 모듈(110)의 종류, 태양전지 그룹의 설치 위치와 같이 태양전지 특성 차이에 의해 구분되는 집단이다.

특히, 이러한 구분 특성 중 태양전지 존(101)의 구분은 동일한 존에 속한 태양전지 그룹은 동일한 온도 조건, 동일한 일사량 등 환경 조건에 노출되는 것으로도 정의될 수 있다. 또한, 태양전지 그룹을 모듈(110), 스트링(120) 또는 어레이(130) 단위로 구성했을 때 출력전압이 상이한 그룹 또는 출력 전력량이 상이한 그룹은 서로 다른 존(101)으로 구분될 수 있다. 즉, 태양전지 존(101)은 지리적 위치, 설치 형태, 설치된 태양전지의 특성에 따라 구분되지만, 특히, 동작특성에 따른 구분으로 유사한 동작특성을 가지며 인접한 위치에 설치된 복수의 태양전지 모듈(110) 또는 태양전지 스트링(120) 또는 태양전지 어레이(130) 즉, 태양전지 그룹을 하나의 존(101)으로 정의할 수 있다.

결과적, 태양전지 존(101)의 구분은 상기한 특성 중 사용자에 의해 제어대상이 되는 조건을 몇 가지 선정하여, 사용자에 의해 선정되는 그룹으로 정의되며, 이러한 그룹 선정의 조건으로 전술한 태양전지 특성, 동작 특성, 지리적 위치, 설치 형태, 설치된 태양전지의 발전전력, 최대 발전량과 같은 조건이 고려될 수 있다.

예를 들어 하나의 건물 벽 표면 3면(동, 서, 남으로 가정)에 각각 태양전지 어레이(130)가 설치되어 있다고 할 때, 본 발명에서는 3개의 존(101)으로 구분될 수 있다. 왜냐하면, 3면 각각에 동일한 형태의 태양전지 모듈(110), 이를 통해 구성된 동일한 형태의 태양전지 스트링(120) 및 태양전지 어레이(130)가 설치되었다고 하더라도, 3면에 설치된 태양전지 어레이(130)는 일사량에 따른 출력이 동일한 시간이라도 서로 상이하게 때문에 서로 다른 동작특성을 나타내며 동일한 시간, 환경대의 발전전력량도 상이해지게 된다. 때문에, 동작턱성과 발전전력을 고려하는 경우 태양전지 그룹의 형태가 동일하다 하더라도 서로 상이한 태양전지 존(101)으로 구분하여 제어를 수행할 수 있다.

이러한 존(101a)은 도 2에 도시된 바와 같이 동일한 태양전지 모듈(110)에 의해 태양전지 스트링(120)을 구성하고, 이러한 태양전지 스트링(120)를 병렬로 연결한 어레이(130)로 구성될 수 있다. 또한, 태양전지 존(101b)은 서로 다른 방식 일례로 고정형과 모빌형의 혼합형으로도 구성이 가능하다. 즉, 도 2에서와 같이 고정형 태양전지 스트링(120)과 모빌형 태양전지 모듈(111)로 구성된 태양전지 스트링(121)을 하나의 태양전지 존(101b)으로 간주할 수 있다. 다만, 이와 같이 혼합형으로 구성되는 태양전지 존(101b)에서는 동작특성이 상이한 고정형 스트링(120)과 모빌형 스트링(121)의 별도 제어 수단이 필요하다. 이와 같이 고정형과 모빌형이 혼합된 이종결합 태양전지 셀에 대해 본 발명의 다른 실시예를 통해 좀더 상세히 설명하기로 한다.

또한, 태양전지 존(103c)은 모빌형 또는 발전량이 적은 소용량 태양전지 그룹으로 구분될 수 있다. 소용량 태양전지 존(101c)은 전술한 태양전지 어레이(101a)에 비해 발전량이 적어질 수 밖에 없다. 이러한 경우 통상적으로 하나의 인버터(300)에 발전량이 큰 태양전지 그룹과 연결하면 인버터의 변환효율이 적어지고, 전력 손실을 야기함과 아울러 발전량이 큰 쪽 태양전지의 열화를 유발하게 된다. 하지만, 본 발명에서 소용량 태양전지 그룹인 태양전지 존(103c)과 대용량 태양전지 그룹인 태양전지 존(103a)의 혼용에 의한 발전 및 변전이 가능하다.

스트링 옵티마(200)는 각기 다른 태양전지 존(101)에 각각 연결되어 각 태양전지 존(101)의 출력 전압(Vi : Vi_11, Vi_21, Vi_31)을 인버터 입력전압(V_oi1)에 맞게 변승하는 역할을 한다. 구체적으로 복수의 태양전지 존(101)에서 생산된 전력을 변환하기 위하여 인버터(300)는 태양전지 존(101)에서 발전할 수 있는 최대전력을 고려하여 설계된다. 이를 효율적으로 수행하기 위해 일정한 범위의 입력전압 범위를 가지게 된다.

때문에 스트링 옵티마(200)는 각기 다른 태양전지 존(101)에 각각 연결되어, 각 태양전지 존(101)의 출력전압(Vi11, Vi21, Vi31)을 인버터(300)에서 처리 가능한 범위의 인버터 입력전압(VOI1 내지 VOI3)으로 변환한다.

특히, 본 발명에 따른 스트링 옵티마(200)는 각 태양전지 존(101)의 출력전압을 변환하는 과정에서 각 태양전지 존(101) 별로 최대전력점 추종을 수행하여 최대전력이 생산할 수 있도록 각각의 태양전지 존(101)을 제어한다. 또한, 최대전력점 추종에 있어서, 환경요소에 의한 발전추이를 적용하여 빠른 반응, 예측반응에 의한 최대전력점 추종을 수행하여 발전효율을 최대 상태로 유지함으로서 태양광 발전 시스템 전체의 발전효율을 향상시키게 된다.

이를 위해 스트링 옵티마(200)는 각 태양전지 존(101)과 연결되어, 각 태양전지 존(101)별 출력전압(Vi)의 DC-DC 변압 및 최대전력점 추종을 수행하는 스트링제어기(220 : 220a 내지 220c) 및 환경요소를 검출하여 최대전력점 추종 및 변압을 제어하는 제어부(210 : 210a 내지 210c)를 포함하여 구성된다.

또한, 스트링 옵티마(200)들은 인버터(300)의 인버터제어부(350)와 통신을 수행하고, 각 태양전지 존(101)에서 발전된 전력량을 인버터제어부(350)에 실시간으로 전달하게 된다. 이를 통해 스트링 옵티마(200)는 인버터제어부(350)로부터 인버터 입력전압(VOI : VOI1 내지 VOI3)의 전압값을 확인바고 이에 따라 변압정도를 조절하여 변승하게 된다.

이와 같은 스트링 옵티마(200)의 상세한 구성과 동작에 대해서는 이하의 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

인버터(300)는 복수의 스트링옵티마(200)로부터 공급되는 입력전압(VOI)을 교류의 출력전압(V_01)로 변환하고, 변환된 교류전력을 전력계통(390)에 공급한다. 특히, 본 발명의 인버터(300)는 복수의 변환부(370 : 370a 내지 370c)로 구성되고, 배전부(360)에 의해 스트링 옵티마(200)로부터의 발전전력을 분배하여 발전전력의 크기 및 입력전압(VOI)에 따라 교류변환을 수행하게 된다. 이를 위해 인버터(300)는 인버터제어부(350), 배전부(360) 및 변환부(370)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 인버터(300)는 복수의 변환부(370)로 구성된다. 이들 변환부(370)는 변환 용량이 모두 동일할 수도 있고, 모두 다를 수도 있으며, 또한, 용량이 같거나 틀린 변환부(370)를 몇 개 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 여기서, 도 2 및 도 3에서는 변환부(370)가 세 개의 변환부(370a 내지 370c)로 구성된 예를 도시하였으나, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

예를 들어, 복수의 태양전지 존(101)에서 생산하는 최대전력량이 250KVA라고 가정하면, 인버터(300)는 변환 최대 용량이 이에 상응하는 250KVA여야 한다. 이때, 각 변환부는 50KVA 단위의 5개로 구분될 수 있다. 또는 100KVA 변환부 하나와 50KVA 변환부 둘 및 25KVA 변환부 하나로 구성될 수도 있다. 이러한 변환부(370)의 조합은 태양전지 존(101)들의 최대 발전 전력량, 평균 발전 전력량, 최소 발전 전력량, 가장 장시간 유지되는 발전 전력량의 크기 등을 고려하여 결정하게 된다.

이러한 인버터(300)는 스트링옵티마(200)로부터 출력되는 컨버터 출력전압을 인버터 입력전압(VOI)로 받아들여, 교류변환을 수행한다. 이때, 각 태양전지 존(101)에 할당된 스트링옵티마(200)로부터의 출력은 배전부(360)로 공급된다. 배전부(360)는 각 스트링옵티마(200)로부터의 출력을 변환부(370)에 분배하는 역할을 한다. 이러한 배전부(360)에 의한 분배는 인버터 제어부(350)의 제어에 따라 이루어지게 된다.

즉, 스트링옵티마(200)를 통해 공급되는 발전전력의 총량이 120KVA이고 전술한 바와 같이 100KVA, 50KVAX2, 25KVAX2가 조합된 형태의 변환부(370)를 가지는 경우 배전부(360)는 100KVA와 25KVA 용량의 변환부(370)에 발전전력을 공급하여 변환이 이루어지게 하는 역할하며, 이를 통해 변환부(370)가 최대의 효율로 교류 변환을 수행하도록 하게 된다.

이러한 발전전력의 분배를 위해 인버터 제어부(350)는 각 스트링옵티마(200)와의 통신을 통해 실시간으로 생산되는 전력량을 확인하게 된다. 구체적으로 복수의 태양전지 존(101)으로부터 생산되는 전력량은 각각의 스트링옵티마(200)에 의해 산출되고, 산출된 각 태양전지 존(101)의 전력량은 인버터 제어부(350)에 보고된다.

인버터 제어부(350)는 각각의 스트링옵티마(200)를 통해 보고된 생산전력량에 따라 구동될 변환부(370)의 용량을 확인하고, 용량에 따라 배전부를 제어하여 변환부(370)에 적정한 용량이 분배되도록 제어한다.

특히, 이러한 배분 과정에서 인버터 제어부(350)는 복수의 변환부(370) 중 동작 시간이 적은 변환부(370)를 우선하여 이용함으로써, 복수의 변환부(370)가 균등하게 동작되도록 제어하며, 이를 통해 일부 변환부(370)에 과도한 부하 및 부담이 걸리는 것을 방지하고, 변환에 따른 부하를 변환부(370)에 고루 분산시키게 된다.

또한, 인버터 제어부(350)는 배분 과정에서 구동되는 변환부(370)의 파악과 함께 각 스트링 옵티마(200)에 대해 인버터 입력전압(VOI)를 지정하고, 이를 통해 스트링옵티마(200)가 지정된 입력전압(VOI)으로 최대전력점 추종 및 전력 변환을 수행하도록 제어한다.

구체적으로, 변환부(370)는 상술한 바와 같이 서로 다른 변환 용량을 가지도록 구성될 수 있다. 이러한 경우 각 변환부(370)의 동작 효율을 최상으로 유지하기 위한 입력전압은 상이해질 수 있다. 더욱이 동일한 용량의 변환부(370)라 할지라도 제조회사, 방식에 따라 입력전압은 상이해질 수 있다. 때문에 인버터제어부(350)는 서로 다른 변환부로 입력되는 스트링 옵티마(200)의 출력접압을 다르게 조정해야하며, 이를 위해 스트링옵티마(200)를 제어하게 된다.

한편, 본 발명의 스트링 옵티마(200), 최대전력점 추종 제어는 제1 및 제2실시예에 모두 적용된다. 때문에 스트링 옵티마(200), 최대전력점 추종제어와 같은 실시예의 공통 사항을 설명하기 전에 제2실시예의 구성 및 이에 대한 설명을 진행하고, 공통 사항에 대한 상세한 설명은 제2실시예 이후에 진행하기로 한다. 또한, 제2실시예를 설명함에 있어서, 제1실시예와 동일한 구성, 작용 및 효과에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 다른 멀티존 인버터 태양광 발전시스템의 구성을 도시한 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 발전시스템(600)은 태양전지 존(401 :401a, 401b, 401c), 스트링 옵티마(500) 및 싱글 인버터(300)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 제2실시예는 제1실시예와 달리 스트링 옵티마(500)가 각 태양전지 존(401)을 구성하는 각각의 스트링(420)과 연결되어, 스트링(420) 단위의 전력 변환 및 최대 전력점 추종제어를 수행하는 점이 상이하다.

때문에, 본 발명의 제2실시예에 따른 스트링 옵티마(500)는 제어부(510 : 510a 내지 510c)와 각 제어부(510)에 의해 최대 전력점 추종제어 및 dc-dc 변환 제를 수행하는 하나 이상의 스트링제어기(520 : 520a 내지 520c)를 포함하여 구성된다. 스트링제어기(520)는 스트링 옵티마(500)가 설치된 태양전지 존(401)에 포함된 태양전지 스트링(420)의 수오 같게 구성된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 스트링 옵티마(500)는 각 태양전지 스트링(420) 단위의 최대 전력점 추종 및 전력변환 제어를 수행한다. 이를 통해 제1실시예에 비해 태양전지 스트링(420) 별 최대 전력 생산 및 전압 변환을 수행하도록 함으로써 전력 생산 효율이 상승된다.

전술한 제1실시예와 제2실시예를 비교하면, 제1실시예의 경우 태양전지 존(101) 단위의 DC-DC 변환 및 최대전력점 추종을 수행하기 때문에 태양전지 존(101)에 속한 태양전지 모듈(110) 또는 태양전지 스트링(120)의 출력 저하에 따른 태양전지 존(101) 전체의 출력저하를 방지하기 다소 어려워진다. 특히, 태양전지 모듈(110) 일부의 오염, 빛가림, 손상이 발생하는 경우 태양전지 존(101) 전체의 출력저하를 야기하게 된다.

하지만, 제2실시예의 경우 스트링 단위의 변환제어 및 최대전력점 추종을 수행함으로써 출력 저하가 발생한 태양전지 스트링(420)의 파악이 용이해지고, 이에 따라 스트링 제어기(520)로 입력되는 태양전지 스트링(420)의 출력전압(Vi)을 인버터 입력전압(V-oi)으로 변환하는 변환율을 다르게 적용함으로써, 태양전지 스트링(420) 중 일부의 전압 강하에 의한 태양발전 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.

도 4는 도 2 및 도 3의 스트링 옵티마의 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도이다.

도 4를 참조하면, 스트링 옵티마(200, 500)는 태양전지 존(101) 또는 태양전지 스트링(420)과 스트링제어기(220)기 사이에 퓨즈(211)가 게재되어 연결된다. 퓨즈(211)는 태양전지 스트링(420) 또는 태양전지 존(101)의 과전압 발생시 자동으로 절단되어 회로를 보호하는 역할을 한다. 또한, 스트링옵티마(200, 500)의 출력단에는 서킷브레이커(212)가 설치되어 태양전지 존(101) 또는 태양전지 스트링(420) 또는 스트링 옵티마(200)의 이상 발생시 인버터(300)와 스트링옵티마(200, 500) 간의 연결을 끊는 역할을 한다.

스트링 제어기(220) 각각은 퓨즈(211)를 통해 태양전지스트링(120)에 연결되어, 태양전지스트링(120)으로부터 공급되는 전력의 전압을 인버터(300)의 입력전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(222)와 제어부(210)의 제어신호에 따라 컨버터(222)가 최대전력을 출력하도록 제어하는 MPPT 제어기(221)를 포함하여 구성된다.

이를 위해, 스트링 제어장치의 제어부(21)는 각 스트링 제어기(220)의 엠피피티 제어기(221)와 연결된다.

스트링 제어기(220) 각각으로 입력되는 입력전압 및 스트링 제어기(220) 각각으로부터 출력되는 출력전압은 MPPT 제어기에 의해 측정되어 제어부(210)에 전달되거나, 제어부(210)가 각 스트링 옵티마의 입출력단에 설치된 전압검출기로부터 직접 전압값을 전달받을 수 있다. 하지만, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도 5는 스트링제어장치의 제어부 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도이다.

도 5를 참조하면, 제어부(210)는 감지부(211), 추종범위산출부(310), 추종이력저장부(320) 및 제어신호 생성부(330)를 포함하여 구성된다.

감지부(211)는 제어신호의 생성을 위한 정보를 감지하여 추종범위산출부(310)에 전달한다. 이를 위해 감지부(211)는 입력전압검출부(301), 출력전압검출부(302) 및 센서(130)를 포함하여 구성된다. 입력전압검출부(301)는 스트링 제어기(220)로 입력되는 입력전력의 전압을 검출한다. 출력전압검출부(302)는 스트링 제어기(220)로부터 출력되는 전력의 전압을 검출한다. 이러한 입력전압검출부(301)와 출력전압검출부(302)는 복수의 스트링 제어기(220) 각각의 입력전압과 출력전압을 실시간으로 감지하여 추종범위산출부(310)에 전달한다. 센서(130)는 태양전지 존(100)에 영향을 끼치는 환경요소를 감지하고, 감지결과를 추종범위산출부(310)에 전달한다. 센서(130)에 의해 감지되는 환경요소는 태양전지 존(101, 401)에 조사되는 태양광의 광량, 조도, 태양전지 존(101, 401)이 설치된 지역의 온도, 습도, 태양전지 모듈(110) 각각의 표면온도 일 수 있으며, 이외에 발전량에 변화를 야기할 수 있는 요소이면 어떤 것이든 측정이 가능하다.

추종범위산출부(310)는 감지부(211)의 감지결과에 따라 최대전력 추정을 수행할 전압, 전류 범위를 선택하고, 선택된 범위 값을 제어신호 생성부(330)에 전달한다. 즉, 추종범위산출부(310)는 감지부(211)로부터의 입력전압과 출력전압 그리고 센서(130)에서 감지되는 정보에 따라 태양전지 스트링(120)으로부터 공급되는 전력의 크기를 파악함과 아울러, 현재 기상상태에 따른 태양전지 모듈(110)의 전력 생산치가 최대가 될 수 있는 전압과 전류 범위를 산출한다. 특히, 이러한 산출에 있어서 추종범위산출부(310)는 미리 입력되거나 운행에 따라 누적된 정보에 시각정보와 일자 또는 계절 정보를 반영하여 추종범위를 산출한다. 그리고, 추종범위산출부(310)는 입력전압과 출력전압을 제어신호 생성부(330)에 전달함과 아울러 산출된 추종범위 정보를 제어신호 생성부(330) 및 및 추종이력저장부(320)에 전달하게 된다. 이러한 추종범위산출부(310)에서 생성되는 추종범위는 태양전지 스트링(120) 각각에 대해 개별적으로 생성된다. 이러한 추종범위산출부(310) 및 이를 가지는 스트링옵티마(200, 500)의 동작은 도 6 및 이후의 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.

추종이력저장부(320)는 추종범위산출부(310)로부터 전달된 추종범위 정보를 감지부(211)에서 감지된 환경요소정보와 함께 저장하고, 추종범위산출부(310)의 요청에 따라 저장된 정보를 제공한다. 특히, 추종이력저장부(320)는 일자별 시간대, 계절별 또한 기상상태별 환경요소에 따른 입력전압, 출력전압 및 최대전력의 변화를 기록하여 유지하게 된다.

제어신호 생성부(330)는 추종범위산출부(310)를 통해 전달되는 입력전압 및 출력전압 값과 산출된 추종범위 값을 이용하여 엠피피티 제어기(222)의 전력변환율을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 해당 에피피티 제어기(222)에 전달한다.

도 6는 환경요소 중 온도 및 조도에 따른 추종범위 산출을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6를 참조하면, (a)는 온도에 따른 태양전지 스트링의 출력 전압전류 관계를 나타낸 그래프이고, (b)는 조도에 따른 태양전지 스트링의 출력 전압전류 관계를 나타낸 그래프이다.

(a)에서 조도가 일정할 때 온도가 낮아지면 태양전지 스트링으로부터 생산되는 전압의 크기가 작아져 전체적인 생산 전력이 작아진다. (a)에서는 A에 비해 C가 낮은 온도일 때의 전압전류 그래프이고, 전류가 비교적 일정한 값을 가지더라도 전압의 크기가 작아져 최대전력이 작아지게 된다.

마찬가지로 (b)에서 다른 조건이 일정할 때 조도가 변화되면 A' 내지 C'을 통해 알 수 있는 바와 같이 출력전압(V : Va 내지 Vc)과 출력전류(I : Ia 내지 Ic)의 값이 변화되어 최대전력이 변화한다.

때문에 본 발명의 스트링옵티마(200, 500) 특히, 추종범위산출부(310)는 감지부(211)를 통해 감지되는 환경요소에 따라 최대전력점이 형성될 전압, 전류 범위를 선정하고, 선정된 전압, 전류 범위 내에서 최대전력점 추종이 제어될 수 있도록 산출된 추종범위 값을 제어신호 생성부(330)에 전달하게 된다. 이를 통해, 엠피피티제어기(221)는 빠른 시간 내에 최대 전력 추종이 이루어질 수 있는 전압, 전류 값에서 전력 추종을 수행하게 되고 이를 통해 태양전지에 의한 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

구체적으로, 온도 특히, 발전에 직접적인 영향을 가지는 태양전지 모듈 표면의 온도는 다른 환경요소의 영향이 없는 한 시간에 따라 천천히 변화하는 특징을 가진다. 하지만, 겨울철과 같은 경우 바람에 의해 태양전지 모듈 표면의 온도가 급격하게 저하될 수 있다. 즉 도 6의 (a)에서 범위1(P1)에서 최대 전력점이 형성되다가 온도가 급격히 저하되어 범위2(P2)에서 최대 전력점이 형성될 수 있다. 이 경우 종래의 제어장치는 범위1(P1)에 해당되는 전압, 전류를 가변하여 범위2(P2)까지 최대전력 추종을 수행하게 되고, 이를 통해 소요되는 시간이 많아지게 된다. 특히, 일시적인 온도 저하 이후 온도가 빠른 속도로 회복되는 경우에는 최대전력 추종에 교란이 발생하며 정확한 추종까지 상당한 시간이 소요된다.

하지만, 본 발명에서와 같이 온도 변화에 따라 추종 범위를 선정하여 해당 범위에서 전력추종을 수행하도록 하면 빠른 추종이 가능해지고 그에 따라 발전 전력의 낭비를 최소화 하는 것이 가능해진다.

도 7은 시간에 따른 전력 추종을 설명하기 위한 예시도이다.

도 7의 (a)는 발전 시간을 시간대별로 구획한 것을 표현한 도면이고, (b)는 시간 구획에 따른 태양전지 스트링의 출력전압 및 출력전류의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, 태양광 발전에 있어서 가장 중요한 요소는 발전을 위한 광의 유무와 광량이다. 이러한 광량은 해가 떠서 지기까지 일정하게 유지되지 않고 시간대에 따라 변화하게 된다. 특히, 겨울철의 경우 정오 전후의 최대 광량 하에서도 최대 전력의 발전이 곤란해지는 경우가 빈번하게 발생된다. 특히, 겨울철의 경우와 동이 틀 무렵, 해가 질 무렵의 경우 일조량의 변화가 급격하게 발생한다. (a)의 그래프가 시계방향으로 진행함에 따라 (b)의 전압 전류 그래프는 출력이 증가하는 방향(x1)으로 변화하게 된다. 그리고 (a)에서 최대 출력 시점인 b5, b6 구간을 지나면 (b)의 그래프는 출력이 감소하는 방향(y1)으로 변화하게 된다.

이러한 시간대와 계절에 단순히 출력전압 및 입력전압에 의해 전력추종을 수행하는 경우 최대전력 추종을 수행하더라도 최대전력을 생산하기 어려워진다. 특히, 겨울철 또는 장마철과 같이 기상 및 온도가 비교적 급격히 변화하는 경우 더더욱 최대전력의 추종이 어려워지며 이는 곧 발전량의 손실로 이어지게 된다.

때문에 본 발명에서는 최대전력 추종 범위를 근사화 할 수 있는 시간대별로 발전시간을 구획(B1 내지 B10)하고, 각 범위별로 추종범위를 선정하여 엠피피티 제어기(221)의 제어를 위한 제어신호를 생성하게 된다.

구체적으로 (a)가 겨울철의 발전 가능 시간대를 구획한 것이라 가정하면 제1구획(b1), 제2구획(b2) 및 제9구획(b9), 제10구획(b10)에서는 일조량이 급격히 변화하여 빠른 최대전력 추종이 곤란해진다. 하지만, 이러한 시간에 일조량과 미리 정해진 구획 및 그에 따른 전압 전류 범위를 대조하여 추종범위를 산출하고, 산출된 추종범위 내에서 전력 추종을 수행하는 경우 최대 전력점 추종의 속도 및 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

즉, (b)에서와 같이 시간 대에 따라 출력 전압 및 출력 전류가 달라지면, 변화되기 이전의 최대 전력점으로부터 추종을 진행하는 것이 아니라, 해당 시간대에 해당하는 구획의 추종 범위 중 이전의 최대 전력점과 가까운 추종 범위에서 최대 전력점 추종을 수행하게 되고, 이를 통해 최대 전력점 추종에 소요되는 시간을 절약할 수 있게 됨으로써, 발전효율을 종래에 비해 높은 수준으로 유지할 수 있게 된다.

(b)와 같이 시간대별로 변화하는 추종 값을 가지는 경우 일시적인 온도 변화, 기후 변화가 발생하더라도, 시간대별로 변화하는 추종 값에 기후 변화에 따른 발전효율 저하 및 추종 범위의 변동을 적용함으로써 빠른 시간내에 최대 전력점의 탐색이 가능해지게 된다.

도 8은 추종이력 정보의 저장 및 이용방법을 설명하기 위한 예시도이다.

도 8을 참조하면, 태양전지 스트링(120)은 특정 시간에 도 8의 (a)와 같은 출력 그래프를 나타낼 수 있다. 이때 V-I 그래프 상에서 최대 출력 추종 범위는 P11이 된다. 추종범위 산출부(310)은 환경요소의 변동이 없는 경우 전압 Vp, 전류 Ip 지점 부근에서 전력 추종이 이루어지도록 추종범위를 선정하고, 제어신호 생성부(330)는 선정된 추종범위에 컨버터 입력 및 출력전압을 반영하여 전력추종을 수행함으로써 태양전지 스트링(120)이 최대전력을 생산하도록 동작하게 된다. 또한, 최대 전력점 추종이 이루어지는 조건 최대 전력 추종 범위의 전압, 전류값, 주변온도, 패널 온도, 일조량, 시간, 풍속 및 풍향 정보는 추종이력 저장부(330)에 저장되어 이후 유사 조건에 의한 전력 추종시 추종 범위를 확정하기 위한 정보로 이용된다.

이와 같이 (a) 그래프에 의해 최대전력 추종을 수행하던 중 환경요소가 변화하면 최대전력 추종을 위한 그래프 자체가 변화될 수 있다. 예를 들어, 작은 범위의 온도 변화, 일조량 변화의 경우 (a)의 그래프를 통해 최대 전력점 추종이 이루어질 수 있지만, 큰 폭의 온도 변화가 발생하거나, 일조량이 변화하게 되면 최대 전력점 추종을 위한 V-I 그래프도 값이 크게 변화하게 된다.

이러한 경우 전술한 바와 같이 입출력 전압의 피드백만을 가지고 최대 출력점 추종을 수행하면 소요시간이 오래 걸리고, 안정적인 추종 및 최대 전력 생산이 이루어지기까지 발전 시스템의 효율 저하를 가져오게 된다.

때문에 본 발명에서 이러한 요소에 환경 요소를 부가하여 최대 전력점 추종이 빠른 시간 내에 이루어질 수 있도록 제어하게 된다.

이와 같은 상태가 (b)에 도시되어 있다. (b)의 경우 (a)의 그래프에 의해 전력 추종이 이루어지던 태양전지 스트링(120)의 온도와 일조량이 변화하여 V-I 그래프가 변화된 경우이다. 이 경우 최대 전력점은 P11의 범위에서 형성되던 것이 P12의 범위로 변경된다. 이러한 V-I 그래프의 변화는 종래와 같이 입력전압 및 출력전압에 의해 추종하는 것도 가능하다. 하지만, 본 발명에서와 같이 환경요소의 변화와 그에 따른 출력률의 변화 또는 V-I 그래프의 변화를 적용하면 좀더 빠른 응답을 기대할 수 있다.

예를 들어 (b)의 그래프에서처럼 일조량과 온도가 변화한 경우 통상적으로 일조량과 변화된 온도만을 반영하여 추종범위를 선택할 수 있다. 하지만, 본 발명에서와 같이 환경요소를 추정범위에 반영하는 경우 주변 온도에 따라 패널의 온도변화를 예측하여 V-I그래프의 변화를 추종할 수 있다. 더욱이 겨울철과 같은 경우 태양광에 의해 태양전지 모듈이 가열되더라도 태양전지가 설치된 위치의 온도, 풍속에 따라 태양전지 패널의 온도는 달라지게 되며, 전력 생산에 있어서 직접적인 영향을 끼치게 된다. 이러한 경우, 추종 이력 저장부(330)에 저장된 이전의 추종 정보에서 유사 요인을 확인하여 적용함으로써 예상되는 추종범위를 미리 근사화할 수 있고, 태양전지 스트링(120)의 입력 및 출력전압이 변동되는 경우 예상된 추종범위에 입력 및 출력전압의 값을 적용하여 최대전력점 추종을 위한 전압 및 전류 범위를 손쉽게 찾아낼 수 있게 된다.

더욱이 도 7에 대한 설명에 언급한 바와 같이 본 발명의 스트링옵티마(200, 500)는 발전 시간을 여러 단계로 구획하고 각 시간 구획 별로 대표되는 추종 범위에 환경 요소 및 컨버터 입출력 전압을 반영하여 전력 추종을 수행한다.

이러한 시각 구획별 기본 추종 범위를 이용한 추종은 누적된 발전시간대와 온도와 같은 환경요소를 통해 발전이 진행중인 시점의 계절, 기후적 요소를 예측할 수 있으며, 이를 통해 추종범위의 변화를 예측, 추종하는 것이 용이해진다. 더욱이 겨울과 같이 계절에 따른 환경요소가 발전에 큰 영향을 미치는 경우 이러한 시간대별 구획에 의한 추종은 최대전력점 추종에 유리하게 작용한다.

최대 전력점 추종의 경우 지속적으로 변하는 전압 또는 전류에 의해 추종을 수행하게 되는데 일시적인 전압 또는 전류의 큰 변동이 발생할 수 있다. 이러한 경우 전압 또는 전류의 변동을 따라 추종을 수행하는 경우 일시적인 변동이 해제된 후의 추종에 있어서 효율이 저하되게 된다. 하지만, 시간을 구획하고 해당 시간이 속하는 계절적인 요소를 고려하여 추종 범위를 제한하게 되면 짧은 순간 동안 발생하는 전압, 전류의 큰 변동은 추종하지 않게 되며, 이를 통해 발전효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 시간대별 구획에 따라 전압 또는 전류가 상승할지 또는 하강할지 예측하고 이에 대해 환경요소 및 컨버터 입출력 전압을 반영함으로써 추종 방향을 결정하기 용이해지고, 빠른 응답의 최대 전력점 추종이 가능해진다. 더욱이 이러한 발전에 관여하는 환경적 요소들을 시간 구획 및 시간 구획에 따른 계절 구분에 따라 정렬 및 접근하여 추종 범위 선정에 이용함으로써 기존에 비해 크게 복잡하지 않은 알고리즘을 이용하여 빠른 추종이 가능해진다.

도 9는 본 발명에 의한 모바일 통신망을 사용한 안전 관제 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 10은 도 9의 로컬 유닛을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

본 발명은 스트링옵티마(200, 500) 또는 인버터(300)의 관리를 이용한 관제 시스템의 적용이 가능하며, 이러한 태양발전 시스템을 위한 관제시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 관제 대상 설비(1200)와, 상기 관제 대상 설비(1200)에 부착되어 데이터 취득 기능과 무선 통신 기능을 갖는 로컬 유닛(1100)과, 상기 로컬 유닛(1100)과 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 수행하는 스마트폰(1300)과, 상기 관제 대상 설비(1200)에 대한 제작 이력, 사고 이력, 유지 보수 및 교체 이력을 저장하고 ^{상기 스마트폰(130}0)에 정보를 제공함과 더불어 스마트폰(1300)을 통해 전달된 정보를 저장하는 관리 서버(1400)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 스마트폰(1300)을 통해 상기 관제 대상 설비(1200)와 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 행할 때 상기 관리 서버(1400)를 통해 상기 스마트폰(1300)에 대한 정보를 제공을 허여하는 인증 서버(1500)가 구성되어 있다.

상기 관리 서버(1400)와 인증 서버(1500)를 분리하여 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 상기 인증 서버(1500)를 상기 관리 서버(140)에 탑재하여 일체형으로 구성할 수도 있다.

상기 인증 서버(1500)는 상기 스마트폰(1300)에 대한 관리자의 정보를 사전에 등록된 상태에서 상기 스마트폰(1300)이 상기 관제 대상 설비(1200)와 통신하면 자동으로 인증을 거쳐 서비스를 제공할 수 있다.

즉, 상기 스마트폰(1300)을 통해 별도의 인증 작업을 실시하지 않고 상기 인증 서버(1500)에 저장된 상기 스마트폰(1300)을 정보를 근거로 상기 관제 대상 설비(1200)와 통신이 이루어질 때 실시간으로 상기 관리 서버(1400)와 원거리 통신을 통해 상기 관리 서버(1400)에 저장된 상기 관제 대상 설비(1200)의 누적 데이터에 대한 정보를 디스플레이하거나 상기 스마트폰(1300)을 통해 상기 관제 대상 설비(1200)의 현 데이터를 획득하고 누적 데이터와 비교하여 관제 대상 설비(1200)의 상태를 분석하고 상기 관리 서버(1400)에 전달하여 저장할 수 있다.

한편, 상기 관리자가 스마트폰(1300)을 통해 상기 관제 대상 설비(1200)에 부착된 로컬 유닛(1100)에 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 통해 접속하면, 상기 스마트폰(1300)는 현재의 관제 대상 설비(1200)에 대한 전력 피크치, 변압기 역률, 부하 불평형률, 온도, 전류, 전압, 전력변환 효율, 현재 입력전압, 출력전압, 누적전력 등의 데이터와 과거 이력 데이터의 변화 추세를 종합적으로 분석하여 상기 스마트폰(1300)의 화면에 디스플레이하고, 상기 스마트폰(1300)은 분석된 결과를 상기 관리 서버(1400)로 3G 또는 4G 통신망을 통해 전송한다.

또한, 상기 관리 서버(1400)는 상기 스마트폰(1300)에 관제 대상 설비별 DB를 구축하여 해당 전력설비의 제작 이력, 사고 이력, 유지 보수 및 교체 이력 등 종합적인 전력설비 이력 데이터를 자동/수동으로 입력받아 관리자가 필요시 제공한다.

상기 관리 서버(1400)는 상기 스마트폰(1300)에 결과 검색의 보안성을 제공하고, 고성능 서버 시스템의 분석 진단 결과와 DB에 저장된 설비 이력을 현장에서 손쉽게 확인하도록 함으로써 사고에 대해 정확하고 신속한 대처를 가능하게 하여 관제 대상 설비(1200)의 효율적인 유지 보수 및 관리할 수 있도록 한다.

따라서 상기 스마트폰(1300)이 상기 관제 대상 설비(1200)에 부착된 로컬 유닛(1100)에 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 통해 상기 관제 대상 설비(1200)에 접속하면 상기 관리 서버(1400)로부터 상기 관제 대상 설비(1200)에 대한 데이터를 전송받아 관제 대상 설비(1200)의 현재 데이터를 취합, 분석하고 증강현실을 이용하여 관제 대상 설비(1200)의 상태를 스마트폰(1110)의 화면에 디스플레이함으로써 관제 대상 설비(1200)를 진단할 수 있다.

상기 로컬 유닛(1100)은 도 2에 도시한 바와 같이, 저장부(1110), 분석부(1120) 및 통신부(1130)로 구성되어 있다.

상기 저장부(1110)는 상기 관제 대상 설비(1200)로 전달된 각종 정보를 저장하는 역할을 한다.

여기서, 상기 저장부(1110)는 관제 대상 설비(1200)에 대한 온도, 전류, 전압, 전력 피크치, 변압기 역률, 부하 불평형률 등의 센서들을 통해 얻어진 정보를 저장하는 곳이다.

상기 분석부(1120)는 상기 저장부(1110)에 저장된 데이터를 분석하여 상기 관제 대상 설비(1200)의 이상 유무를 판단하는 역할을 하고, 그 결과를 상기 통신부(1130)를 통해 외부로 전달한다.

여기서, 상기 분석부(1120)는 상기 관제 대상 설비(1200)의 상태는 과거 임계치를 사용한 단순 항목별 상태감시 및 진단과 차별화하여 임계치를 벗어난 항목이 발생하는 경우 그와 관련된 모든 각각의 항목별 데이터를 종합적으로 분석한다.

상기 저장부(1110)와 분석부(1120)는 하나의 프로세싱 유닛으로 본 발명의 실시예에서 초소형/저전력 MCU(Micro Controller Unit)로 구현될 수 있다. MCU에는 CPU, 프로그램 메모리, SRAM, EEPROM, ADC 등이 집적되며, 그 예로 아트멜의 ATMega128L, TI의MSP430, 마이크로칩의 PIC18F 등이 있다.

상기 통신부(1130)는 Wi-Fi, 블루투스를 이용하여 스마트폰(1300)과 연동 가능한 무선 통신 기능을 갖는 것으로서, 상기 관제 대상 설비(1200)로부터 얻어진 정보를 외부로 전달하는 역할을 한다.

여기서, 상기 통신부(1130)는 스마트폰(1300)의 Wi-Fi 또는 블루투스 등의 무선 통신망과 3G 또는 4G 무선 통신 기능을 사용하고 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 스마트폰(1300)을 하나의 예를 들어 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 Wi-Fi 또는 블루투스 기능을 갖는 PDA, 무선노트북 등을 사용할 수도 있다.

상기 스마트폰(1300)의 3G 또는 4G 통신을 이용하여 외부의 관리 서버(1400)에 상기 통신부(1130)를 통해 전달하거나 관제 대상 설비(1200)의 제작 이력, 사고 이력, 유지 보수 및 교체 이력 등 종합적인 전력설비 이력 데이터를 자동/수동으로 입력받아 관리자가 필요한 정보를 얻을 수 있다.

따라서 상기 스마트폰(1300)이 관제 대상 설비(1200)에 부착된 로컬 유닛(1100)의 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 통해 관제 대상 설비(1200)의 상태를 스마트폰(1300)의 화면에 디스플레이함으로써 스마트폰(1300)을 이용하여 상기 관제 대상 설비(1200)를 실시간으로 진단할 수 있다.

상기와 같이 데이터 취득 기능과 무선 통신 기능을 갖는 로컬 유닛(1100)을 관제 대상 설비(1200)의 일면이나 내부에 부착되어 대상 설비의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 상기 저장부(1120)에 저장하고 있다가 관리자가 스마트폰(1300)을 이용하여 접속하면 상기 통신부(1130)를 통해 스마트폰(1300)에 상기 저장부(1110)에 저장된 정보를 전달해준다.

상기 전달된 정보를 관리자는 스마트폰(1300)에 디스플레이되는 화면을 통해 상기 관제 대상 설비(1200)의 상태를 실시간으로 감시할 수가 있다.

따라서 데이터 취득 기능과 무선 통신 기능을 갖는 로컬 유닛(1100)은 관제 대상 설비(1200)의 상태를 내부 통신 인터페이스와 온도 센서 등의 기본적인 센서를 입력 가능한 통신 포트를 원칩 및 원모듈형으로 구성하여 설치를 간소화함과 더불어 설치 비용을 줄일 수가 있다.

본 발명에 의한 모바일 통신망을 사용한 관제 서비스 방법은 관제 대상 설비(1200)에 부착된 로컬 유닛(1100)의 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 통해 스마트폰(1300)으로 접속한다.

이어서, 상기 관제 대상 설비(1200)에 접속된 스마트폰(1300)이 등록된 스마트폰(1300)인지 인증 절차를 실시한다. 이때 상기 스마트폰(1300)에 대한 정보를 사전에 인증 서버(1500)에 저장해 두었다가 상기 스마트폰(1300)이 등록된 스마트폰인지를 판별한다. 한편, 상기 관제 대상 설비(1200)에 부착된 로컬 유닛(1100)과 스마트폰(1300)은 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 통한 단거리 통신을 수행하고, 상기 스마트폰(1300)과 인증 서버(1500)는 3G 또는 4G 통신을 통한 원거리 통신을 수행한다.

이어서, 상기 스마트폰(1300)이 등록된 스마트폰(1300)일 때 상기 관리 서버(1400)로부터 상기 관제 대상 설비(1200)에 대한 과거 누적 데이터를 상기 스마트폰(1300)에 제공하여 데이터를 획득한다. 이때 상기 관제 대상 설비(1200)의 누적 데이터는 제작 이력, 사고 이력, 유지 보수 및 교체 이력을 포함한다.

이어서, 상기 스마트폰(1300)을 통해 상기 관제 대상 설비(1200)에 부착된 로컬 유닛(1100)으로부터 상기 관제 대상 설비(1200)의 현 데이터를 획득한다. 여기서, 상기 관제 대상 설비(1200)의 현 데이터는 온도, 전류, 전압, 전력 피크치, 변압기 역률, 부하 불평형률을 감지하는 센서들을 통해 얻어진 정보이다.

이어서, 상기 스마트폰(1300)을 통해 상기 관리 서버(1400)로부터 획득된 누적 데이터와 로컬 유닛(1100)으로부터 획득된 현 데이터를 통해 상기 관제 대상 설비(1200)의 현 상태를 분석하여 화면에 디스플레이한다. 또한, 상기 스마트폰(1300)은 누적 데이터와 현재 데이터를 연동 분석하여 현재 상태 분석 및 과거 트렌드와 현재 값의 비교 분석을 통해 미래 예측 값을 분석하고 사용자에게 알려준다.

그리고 상기 스마트폰(1300)을 통해 분석된 결과를 3G 또는 4G 통신을 통해 관리 서버(1400)로 전송하여 저장한다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1, 2 : 태양전지 그룹
10, 110, 111, 410, 411 : 태양전지 모듈
20, 120, 121, 420, 421 : 태양전지 스트링
30, 130, 430 : 태양전지 어레이
40, 41, 300 : 인버터 50 : 계통전력
101, 401 ; 태양전지 존 130 : 센서
200, 500 : 스트링 옵티마 210, 510 : 제어부
211 : 감지부 220, 520 : 스트링 제어장치
301 : 입력전압 검출부 302 : 출력전압 검출부
310 : 추종범위 산출부 320 : 추종이력 저장부
330 : 제어신호 생성부

Claims

태양전지 모듈, 상기 태양전지 모듈이 다수 연결되어 구성되는 태양전지 스트링, 상기 태양전지 스트링이 다수 연결되어 구성되는 태양전지 어레이 중 어느 하나 이상이 그룹을 이루어 형성되고, 발전용량이 서로 다른 복수의 태양전지 존;
상기 복수의 태양전지 존 각각에 대한 최대전력 추종을 수행하고, 상기 태양전지 존에서 발생된 전력을 변압하여 출력전압을 생성하는 복수의 스트링 옵티마; 및
상기 복수의 스트링옵티마로부터의 상기 출력전압을 교류전력으로 변환하기 위한 복수의 변환부, 상기 복수의 스트링옵티마로부터의 상기 출력전압을 상기 복수의 변환부에 분배하기 위한 배전부 및 상기 배전부의 분배를 제어하기 위한 인버터제어부를 구비하는 인버터;를 포함하여 구성되고,
상기 복수의 스트링옵티마는
각각의 상기 태양전지 스트링에서 생산되는 생산전력량을 실시간으로 상기 인버터 제어부에 전달하며,
상기 인버터 제어부는 상기 변환부 중 가동시간이 적은 상기 변환부에 상기 스트링옵티마로부터의 전력을 우선하여 공급하는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 변환부는 변환 용량이 동일한 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 변환부는 변환 용량이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
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제 1 항에 있어서,
상기 태양전지 존은
태양전지가 일정한 방향, 일정한 각도로 유지되도록 한 고정형 태양전지 모듈, 상기 고정형 태양전지 모듈에 의해 구성된 고정형 태양전지 스트링, 상기 고정형 태양전지 스트링에 의해 구성된 고정형 태양전지 어레이,
태양전지가 태양을 따라 각도 및 방향 중 어느 하나를 변경하도록 한 로봇 태양전지 모듈, 상기 로봇 태양전지 모듈에 의해 구성된 로봇 태양전지 스트링, 상기 로봇 태양전지 스트링에 의해 구성되는 로봇 태양전지 어레이 중 어느 하나 이상을 조합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 스트링 옵티마는
상기 태양전지 존을 구성하는 상기 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 스트링 각각과 연결되어, 상기 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 스트링 각각의 최대전력점 추종 제어를 수행하는 스트링 제어장치;
상기 태양전지 모듈의 발전량을 변화시키는 환경요소, 상기 스트링 제어장치로의 입력전압, 상기 스트링 제어장치로부터의 출력전압을 감지하여 상기 환경요소와 상기 입력전압 및 상기 출력전압에 대한 입출력값을 포함하는 감지값을 생성하는 감지부; 및
상기 감지값을 이용하여 상기 스트링 제어장치 각각에 대한 전력 추종 제어신호를 생성하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 스트링옵티마의 상기 제어부는
상기 태양전지 존 별로 구분되어 구성되고,
동일한 상기 태양전지 존을 구성하는 상기 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 스트링과 연결된 상기 스트링 제어장치에 대해 상기 전력 추종 제어신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 감지부는
일조량, 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 온도, 상기 태양전지 모듈 표면의 온도, 풍량, 풍속 및 습도 중 어느 하나 이상의 상기 환경요소를 감지하는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 스트링 제어장치는
상기 태양전지 스트링 또는 상기 태양전지 모듈로부터의 상기 입력전압을 승압 또는 감압하는 컨버터;
상기 태양전지 스트링 또는 상기 태양전지 모듈과 상기 컨버터 사이에 연결되는 퓨즈;
상기 컨버터의 출력단에 연결되는 서킷브레이커;
상기 컨버터의 상기 승압 또는 감압을 위한 제어신호를 생성하는 엠피피티 제어기; 및
상기 엠피피티 제어기의 최대전력 추종제어를 위한 제어신호를 생성하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 스트링옵티마의 상기 제어부는
상기 감지값에 의해 최대전력 추종이 수행될 전류 또는 전압 범위가 포함된 추종범위 값을 산출하는 추종범위 산출부;
상기 추종범위 산출부로부터의 상기 추종범위 값, 상기 입력전압 및 상기 출력전압에 의해 최대전력 추종 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및
상기 추종범위 값을 상기 감지값과 대응시켜 저장하는 추종이력 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 추종범위 산출부는
상기 태양전지 모듈의 하루 발전 시간을 복수의 시간 구획으로 구분하고, 상기 시간 구획 각각의 기본 추종 범위를 산출하는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 추종범위 산출부는
상기 기본 추종 범위에 상기 환경요소 감지값에 의한 발전량 변화 예상값을 반영하여 상기 추종범위 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 멀티 존 인버터 태양광 발전 시스템.
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