KR101118548B1

KR101118548B1 - 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치 및 출력 저하 진단 방법

Info

Publication number: KR101118548B1
Application number: KR1020100056504A
Authority: KR
Inventors: 박정욱; 강병관; 김승탁
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-02-24
Also published as: KR20110136466A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치는, 광발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단하는 최대 전력점 영역 판단부; 상기 최대 전력점 영역 판단부의 판단 결과 상기 광발전 장치가 최대 전력점 영역에 있을 때 상기 광발전 장치에의 일사량(S)을 입력 받아 상기 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 산출하는 기준전류 산출부; 상기 광발전 장치의 출력 전류(I)가 상기 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하는 전류 판별식을 이용하여 상기 광발전 장치의 정상 혹은 비정상 여부를 판단하는 비교 판단부; 및 상기 광발전 장치가 정상인 것으로 판단될 때 정상 신호를 발생하고, 상기 광발전 장치가 비정상인 것으로 판단될 때 이상 신호를 발생하는 진단 신호 발생부를 포함한다.

Description

태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치 및 출력 저하 진단 방법{POWER OUTPUT LOWERING DETECTION APPARATUS OF PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM AND DETECTION METHOD OF POWER OUTPUT LOWERING OF PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 태양광 발전 시스템에서 태양전지 모듈(photovoltaic module, 이하 간단히 PV 모듈이라고도 함)이나 태양전지 어레이(photovoltaic array, 이하 간단히 PV 어레이라고도 함)와 같은 광발전 장치(photovoltaic device)의 노후화, 얼룩 또는 방해물 등에 의한 태양광 발전 시스템의 출력 저하를 진단할 수 있는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치 및 그 출력 진단 방법에 관한 것이다.

현재 사용 중인 에너지의 대부분을 차지하는 화석연료의 고갈과 기후협약에 의한 온실가스 감축에 의한 요인에 의해 신재생 에너지 기술이 각광받고 있다. 특히, 태양광 발전 시스템은 무한한 태양에너지를 이용하여 청정한 전력을 생산해 낼 수 있을 뿐만 아니라 진동과 소음이 없고, 수명이 반영구적이며 설비 자동화가 용이하다. 이러한 태양광 발전 시스템의 장점에 의해 그 보급이 확대되어지고 있으며, 이에 따라 태양광 발전 시스템의 유지 보수 및 이상 여부 판별에 관한 문제가 대두되고 있다.

도 1은 태양광 발전 시스템에 구비된 PV 어레이에 부분적인 그림자(예를 들어, 얼룩이나 방해물 등에 의한 그림자 등)가 발생된 상태를 나타낸다. PV 어레이는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 PV 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구성될 수 있으며, 개개의 PV 모듈은 하나 이상의 태양전지셀(solar cell)을 포함한다. PV 어레이(photovoltaic array)와 PV 모듈(PV module)을 통칭하여 '광발전 장치(photovoltaic device)'라고 할 수 있다. 이러한 광발전 장치(PV 어레이 또는 PV 모듈)에 부분적인 그림자가 발생한 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, I(출력 전류)-V(출력 전압) 곡선(도 2의 (a)) 및 P(출력 전력)-V(출력 전압) 곡선(도 2의 (b))에 특성 변화가 나타난다. 방해물, 얼룩 등에 의한 그림자 발생이나 PV 어레이 또는 모듈의 고장, 노후화 등이 발생하는 경우에는, 이를 제때에 정확히 파악하여 방해물이나 얼룩 제거, 혹은 PV 모듈이나 어레이 교체 등의 필요한 유지, 보수 작업을 효과적으로 수행하여야 한다. 이러한 비정상적인 환경이나 원인(방해물, 얼룩, 노후화, 고장 등)으로 인해 태양광 발전 시스템에 출력 저하가 발생된다.

그러나, 태양광 발전 시스템은, 일사량의 감소나 일시적인 태양의 가림 현상(예를 들어, 비행기나 구름 등) 혹은 태양광 발전 시스템의 일시적인 왜란, 최대전력점 추종 제어에 의한 전압 응답 등에 의해서도 PV 어레이 등에 일시적인(또는 순간적인) 출력 감소가 발생할 수 있다. 이러한 일사량의 감소나 구름 등에 의한 PV 어레의 출력 감소는, 태양광 발전 시스템의 교체나 보수와는 상관 없는 것으로 비정상적인 외부 환경이나 노후화 등(비정상 원인)에 의한 출력 저하와 구별되어야 한다.

본 발명의 실시예는 태양광 발전 시스템의 출력 저하를 효과적으로 판별하여 PV 모듈이나 PV 어레이와 같은 광발전 장치의 유지 보수에 유용하게 적용되고 태양광 발전 시스템의 출력 향상을 가져올 수 있는, 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는 태양광 발전 시스템의 출력 저하를 효과적으로 판별하여 PV 모듈이나 PV 어레이와 같은 광발전 장치의 유지 보수에 유용하게 적용되고 태양광 발전 시스템의 출력 향상을 가져올 수 있는, 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치는,

광발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단하는 최대 전력점 영역 판단부;

상기 최대 전력점 영역 판단부의 판단 결과 상기 광발전 장치가 최대 전력점 영역에 있을 때 상기 광발전 장치에의 일사량(S)을 입력 받아 상기 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 산출하는 기준전류 산출부;

상기 광발전 장치의 출력 전류(I)가 상기 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하는 전류 판별식을 만족하면 상기 광발전 장치가 정상인 것으로 판단하고, 기설정된 일정 시간 이상 지속해서 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 상기 광발전 장치가 비정상인 것으로 판단하고, 상기 기설정된 일정 시간 이내에만 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 상기 광발전 장치가 정상인 것으로 판단하는 비교 판단부; 및

상기 광발전 장치가 정상인 것으로 판단될 때 정상 신호를 발생하고, 상기 광발전 장치가 비정상인 것으로 판단될 때 이상 신호를 발생하는 진단 신호 발생부를 포함한다.

상기 기준전류 산출부는 선형 관계식 Iref = a*S+b을 이용하여 상기 광발전 장치에의 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출할 수 있다. 상기 선형 관계식에서 a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수이다.

상기 기준전류 산출부는 상기 광발전 장치의 표면 온도(T)를 추가로 입력받을 수 있다. 이 경우, 상기 기준전류 산출부는, 상기 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)일 경우에는 선형 관계식 Iref = a*S+b (a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수임)를 이용하여 상기 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출하고, 상기 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)가 아닐 경우에는 하기의 Iref, S, T 간의 관계식을 이용하여 상기 광발전 장치에의 일사량(S)과 상기 표면 온도(T)로부터 기준전류(Iref)를 산출할 수 있다.

상기 관계식에서 Tref는 미리 설정한 기준 온도(예를 들어, 25℃ 등)를 나타내고, A, B, C, D, α, β는 상기 광발전 장치의 특성에 따라 정해지는 상수(특성 계수)이다.

상기 전류 판별식은 p*Iref ＜ I ＜ q*Iref 일 수 있다. 이 전류 판별식에서 p와 q는 0＜p＜1, 1＜q를 만족하는 상수이다. p와 q는 0.5＜p＜0.98, 1.02＜q＜2의 범위 내에서 설정된 상수일 수 있다.

상기 최대 전력점 영역 판단부는, 상기 광발전 장치의 출력 전력의 변동량의 절대값이 설정치보다 크면 상기 광발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있지 않은 것으로 판단하고, 설정치 이하이면 상기 광발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는 것을 판단할 수 있다.

상기 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치는, 상기 진단 신호 발생부에 의해 이상신호가 발생되는 경우 상기 태양전지 어레이의 출력저하 진단 결과를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다. 상기 디스플레이부는 상기 이상신호가 발생된 경우 상기 광발전 장치의 보수가 필요함을 표시할 수 있다. 상기 광발전 장치는 태양전지 어레이 또는 태양전지 모듈일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법은,

광발전 장치에의 일사량(S), 출력 전압(V) 및 출력 전류(I)를 센싱하는 단계;

상기 센싱된 출력 전압(V) 및 출력 전류(I)로부터 도출된 상기 광발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단하는 단계;

상기 출력 전력(P)이 최대전력점 영역에 있으면 상기 센싱된 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 산출하는 단계;

상기 센싱된 출력 전류(I)가 상기 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하는 전류 판별식을 만족하면 정상신호를 발생하고, 기설정된 일정 시간 이상 지속해서 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 이상 신호를 발생하고, 상기 기설정된 일정 시간 이내에만 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 정상신호를 발생하는 단계를 포함한다.

상기 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법은, 상기 이상신호가 발생되는 경우 상기 광발전 장치의 출력 저하 진단 결과를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 이상신호가 발생된 경우 상기 광발전 장치의 보수가 필요함을 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 방해물 등에 의한 그림자 발생, 얼룩, 광발전 장치의 노후화 또는 부분적인 고장 등 이상원인에 의한 태양광 발전 시스템의 출력 저하 현상을 실시간으로 효과적으로 진단할 수 있고, 태양광 발전 시스템의 동작 동안에도 광발전 장치의 이상여부를 용이하게 확인할 수 있다. 이에 따라, 노후화된 PV 어레이나 모듈의 교체 시기 또는 방해물이나 얼룩 제거 등 유지 보수(세척 등)의 시기 등을 태양광 발전 시스템의 계속적인 동작 중에도 실시간으로 용이하게 판별할 수 있고, 또한 최대전력점 추총 제어기법을 변화시켜 적용하는 것 등 전체적인 PV 어레이 또는 모듈의 유지보수에 유용하게 적용가능하여 태양광 발전 시스템의 운용 효율을 높일 수 있다.

도 1은 태양전지 어레이(PV 어레이)의 개략적인 블록도로서 PV 어레이에 부분적인 그림자가 발생된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 부분적인 그림자에 의한 PV 어레이의 출력 특성 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 3은 태양광 발전 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치를 포함한 전체 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치의 블록도이다.
도 5는 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)-S(일사량) 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 6은 계통연계형 태양광 발전 시스템에 본 발명의 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치를 적용한 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 계통연계형 태양광 발전 시스템에 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치를 적용한 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 태양전지 어레이에 발생한 부분적인 그림자에 의한 태양전지 어레이의 출력 특성 곡선(a-c)과 출력 저하 진단 신호(d)를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 3은 태양광 발전 시스템 및 본 발명의 실시예로서 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치를 포함한 전체 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치(100)는 광발전 장치(PV 어레이 또는 PV 모듈)를 포함하는 태양광 발전 시스템(50)으로부터 광발전 장치의 일사량(S), 광발전 장치의 출력 전류(I) 및 출력 전압(V)을 입력받아 이상원인에 의한 태양광 발전 시스템의 출력 저하 유무를 진단하고 정상신호 또는 이상신호를 태양광 발전 시스템(50)에 출력할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 출력 저하 진단 장치(100)는 일사량(S)에 더하여 광발전 장치의 표면 온도(T)를 추가로 입력받아 이상원인에 의한 출력 저하 유무를 진단하고 정상신호 또는 이상신호를 출력할 수도 있다(도 7 참조). 태양광 발전 시스템(50)은, 이미 알려진 바와 같이, 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 장치에 의해 지속적으로 최대 전력점을 추종하도록 제어된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치의 블록도이다. 도 4를 참조하면 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치(100)는 최대 전력점 영역 판단부(110), 기준전류 산출부(120), 비교판단부(130), 진단신호 발생부(140) 및 디스플레이부(150)를 포함한다. 출력 저하의 진단 대상이 되는 태양광 발전 시스템에는 광발전 장치(PV 어레이 또는 PV 모듈)이 구비되어 있다. 광발전 장치(PV 어레이 또는 PV 모듈)에 적절히 설치된 일사량계(pyranometer 등)에 의해 광발전 장치에의 일사량이 센싱되고, 광발전 장치에 적절히 연결된 전압계 및 전류계에 의해 광발전 장치의 출력 전류(I)와 출력 전압(V)이 센싱될 수 있다. 이와 같이 센싱된 일사량(S), 출력 전류(I) 및 출력 전압(V)은 본 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치(100)로 입력된다.

최대 전력점 영역 판단부(110)는, 입력된 출력 전류(I) 및 출력 전압(V)으로부터 출력 전력(P=V*I)를 산출하고, 이 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단한다. 구체적으로는, 출력 전력의 변동량(P(k)-P(k-1))의 절대값이 설정치(εr)보다 큰 지 여부를 판단하여 출력 전력의 변동량의 절대값이 설정치(εr)보다 크면 아직 최대 전력점 영역에 있지 않다고 판단하고, 출력 전력의 변동량의 절대값이 설정치(εr) 이하이면 최대 전력점 영역에 있다고 판단한다. 출력 전력의 변동량은 현재 단계(k 번째)에서 산출된 출력 전력(P(k))과 직전 단계(k-1 번째)에서 산출된 출력 전력(P(k-1))의 차이를 나타낸다(도 8의 단계 S102 참조).

기준전류 산출부(120)는, 최대 전력점 영역 판단부(110)의 판단 결과, 광발전 장치의 출력 전력이 최대 전력점 영역에 있을 때 광발전 장치에의 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 산출한다. 구체적으로는, 후술하는 바와 같이 Iref-S 특성 곡선을 이용하여 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 구할 수 있다. 일 실시예로서, 기준전류 산출부(120)는 선형 관계식 Iref = a*S+b (a, b는 Iref-S 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수로서, 진단 대상 광발전 장치에 따라 정해지는 상수임)를 이용하여 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출할 수 있다. 여기서, 기준전류(Iref)는 진단 대상이 되는 광발전 장치가 비정상 원인 없이 이상적으로 동작할 때 최대 전력점에서 출력되는 출력 전류값이다. 후술하는 바와 같이, Iref-S 특성 곡선은 온도 변화에 상관없이 1차 선형식으로 근사시킬 수 있다(도 5 참조).

다른 실시예로서, 온도에 의한 오차를 줄여 더 정확한 기준전류(Iref)를 얻기 위해, 기준전류 산출부(120)는 일사량(S)뿐만 아니라 광발전 장치의 표면 온도(T)를 더 고려할 수 있다. 이 경우, 기준전류 산출부(120)는, 광발전 장치의 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)일 경우에는 선형 관계식 Iref = a*S+b (a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수임. 특히, T=Tref일 때의 Iref-S 특성 곡선으로부터 얻어질 수 있음)를 이용하여 상기 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출하고, 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)가 아닐 경우에는 Iref, S, T 간의 관계식을 이용하여 S와 T로부터 기준전류(Iref)를 구할 수 있는데, 이 Iref, S, T 간의 관계식은 아래와 같다.

위 관계식에서 Tref는 미리 설정한 기준 온도(예를 들어, 25℃ 등)를 나타내고, A, B, C, D, α, β는 광발전 장치의 특성에 따라 정해지는 상수(특성 계수)이다. 이러한 관계식은 각 일사량(S)과 온도(T)에 따른 광발전 장치의 I-V 특성 곡선과 P-V 특성 곡선으로부터 얻을 수 있다. 상술한 상수들(a, b, A, B, C, D, α, β, Tref)은 광발전 장치의 스펙으로서 제공될 수 있다.

비교 판단부(130)는 광발전 장치의 출력 전류(I)와 기준전류(Iref)를 비교하여 출력 전류(I)가 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도가 정상적인 정도인지 비정상적인 정도인지를 판단한다. 구체적으로는, 출력 전류(I)가 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하는 전류 판별식이 미리 정립된 상태에서, 출력 전류(I)가 이 판별식을 만족하면 비교 판단부(130)는 광발전 장치가 정상인 것으로 판단한다. 만약, 출력 전류(I)가 전류 판별식을 만족하지 않으면, 이러한 전류 판별식 불만족 상태가 기설정된 일정 시간이상 지속되는지 판단하여 그 기설정된 일정 시간 이상 지속되면 비정상인 것으로 판단한다. 그러나, 그 기설정된 일정 시간 이내에서만 출력 전류(I)가 전류 판별식을 불만족하면, 이는 일시적인 왜란 등에 의한 것이므로 정상인 것으로 판단한다. 상술한 기설정된 일정 시간은 태양광 발전 시스템 내의 스위칭 동작 시간, MPPT의 최대전력점 추종 시간, 일시적 왜란 지속 시간, 태양광 발전 시스템이 설치되는 지역의 특성 등을 고려하여 정해질 수 있다.

전류 판별식은, 광발전 장치의 출력 전류(I)가 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도가 정상적인 정도인지 여부를 판단하기 위한 판별식이다. 일 실시예로서, 전류 판별식은 출력 전류(I)와 기준전류(Iref)의 비를 일정 범위로 제한하는 부등식으로 표현될 수 있다. 이 경우, 전류 판별식은 p*Iref ＜ I ＜ q*Iref 로 표현될 수 있다. 이 전류 판별식에서 p와 q는 0＜p＜1, 1＜q를 만족하는 상수이다. p와 q는 0.5＜p＜0.98, 1.02＜q＜2의 범위 내에서 설정된 상수일 수 있다. Iref는 기준전류 산출부(110)에 의해 산출된 기준전류값이다. 예를 들어, 0.95*Iref ＜ I ＜ 1.05*Iref 로 표현되는 전류 판별식을 사용할 수 있는데, 광발전 장치의 출력 전류(I)가 이 범위를 만족하면 정상인 것으로 판단할 수 있다. 계수 0.95와 1.05는 태양광 발전시스템의 왜란, 스위칭 동작, 제어기에 의한 전류의 응답을 고려하여 5% 정도의 여유를 준 것으로 볼 수 있다.

진단신호 발생부(140)는, 상술한 비교 판단부(130)에 의한 판단 결과, 광발전 장치가 정상인 것으로 판단될 때 정상신호(Signal=0)를 발생하고, 광발전 장치가 비정상인 것으로 판단될 때 이상신호(Signal=1)을 발생한다. 이러한 정상신호/이상신호는 MPPT 제어기에 보내질 수 있고, 광발전 장치에의 일사량(일부 실시예에 따라서는, 부가적으로 광발전 장치의 표면 온도), 광발전 장치의 출력 전류 및 출력 전압을 다시 센싱하게 된다(도 8 참조).

태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치(100)는, 부가적으로 디스플레이부(150)를 포함할 수 있다. 이 디스플레이부(150)는 진단 신호 발생부(140)에 의해 이상신호가 발생되는 경우, 이러한 비정상 상태를 포함한 출력 저하 진단 결과를 표시할 수 있다. 또한 디스플레이부(150)는 이상신호가 발생된 경우 광발전 장치의 수리 또는 교체가 필요함으로 경고하거나 표시할 수 있다.

상술한 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치를 사용함으로써, 이상원인에 의한 출력 저하를 실시간으로 진단할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 발전 시스템의 지속적인 동작 중에도 이상원인에 의한 출력 저하 여부를 판단할 수 있다(즉, 출력 저하 진단을 위해 광발전 장치 혹은 태양광 발전 시스템의 동작을 멈출 필요가 없음). 더욱이, 이상원인에 의한 출력 저하를 진단하기 위해 필요한 측정 데이터(sensed data)로서 일사량(S), 출력 전압(V), 출력 전류(I) (혹은, S, T, V, I) 데이터 입력만 필요하므로 태양광 발전 시스템의 출력 저하를 손쉽게 진단할 수 있다. 또한, 태광 발전 시스템의 유지보수 담당자는 PV 어레이 혹은 PV 모듈과 같은 광발전 장치의 교체, 수리, 세척 시기를 효과적이고 용이하게 파악할 수 있다.

도 5는 태양전지 모듈의 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)-S(일사량) 특성 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 태양전지의 특성상, 일사량(S) 변화에 따라 최대 전력점에서의 기준 전류(Iref)는 상대적으로 크게 변화하는 반면에, 온도 변화에 따라서는 기준 전류(Iref)의 변화는 매우 작거나 무시할만하며, Iref-S 특성 곡선은 실질적으로 선형으로 그려진다. 따라서, 온도 변화(예를 들어 외부 환경의 온도 범위에서)에 무관하게 Iref는 하기의 수학식에 나타나 바와 같이 S의 일차식으로 표현될 수 있다.

Iref = a*S+b

위 일차식에서 a와 b는 태양전지 모듈의 특성에 따라 결정되는 것으로서 Iref-S 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수라 할 수 있다. 태양전지 모듈(PV 모듈)뿐만 아니라, 복수의 PV 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 태양전지 어레이(PV 어레이)도 도 5에 도시된 바와 같이, Iref는 온도변화에 무시할 만하며 S의 일차식으로 표현될 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 기준전류 산출부(120)는, 센싱된 일사량(S)으로부터 선형식 "Iref = a*S+b"을 이용하여 기준전류(Iref)를 손쉽게 산출할 수 있다.

도 6은 계통연계형 태양광 발전 시스템(500)에 본 발명의 실시예에 따른 출력저하 진단 장치(100)를 적용한 것을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 출력저하 진단 장치(100)는 일사량 센서로부터 일사량(S)을 입력받고 PV 어레이의 출력 전압(V)과 출력 전류(I)를 입력받아, 노후화나 방해물, 얼룩 등 비정상 원인에 의한 PV 어레이의 출력 저하를 진단하고 그 진단신호(정상 신호 혹은 이상 신호)를 제어기(예를 들어, MPPT 제어기)에 출력할 수 있다. 출력저하 진단 장치(100)의 진단 동안에 MPPT 제어기는 지속적으로 태양광 발전 시스템(500)이 최대 전력점을 추종하도록 제어한다. 또한, MPPT 제어기는 출력저하 진단 장치(100)로부터 출력된 진단신호에 따라 최대전력점 추종 제어방법을 변화시켜 적용할 수도 있다.

도 7은 계통연계형 태양광 발전 시스템에 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치를 적용한 것을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7의 실시예에서는, 출력저하 진단 장치(100)는 일사량 센서로부터 일사량(S)를 입력받고 PV 어레이의 출력 전압(V)과 출력 전류(I)를 입력받을 뿐만 아니라, 온도 센서로부터 PV 어레이의 표면 온도(T)를 입력받는다. 입력 받은 S, T, V, I 데이터로부터 비정상 원인에 의한 PV 어레이의 출력 저하를 진단하고, 그 진단신호(정상 신호 혹은 이상 신호)를 제어기에 출력할 수 있다.

도 6 및 7의 실시예에서는, 출력 저하 진단 장치(100)가 계통연계형 태양광 발전 시스템에 적용되고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 독립운전 태양광 발전 시스템에도 출력 저하 진단 장치(100)가 적용될 수 있다. 또한, PV 어레이를 출력 저하 진단 대상으로 하여 PV 어레이로부터 나오는 출력 전압 및 출력 전류를 진단의 입력 데이터로 사용하고 있으나, 출력 저하 진단 장치는 PV 모듈을 출력 저하 진단 대상으로 하여 PV 모듈로부터 나오는 출력 전압 및 출력 전류를 진단의 입력 데이터로 사용할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4와 도 8을 참조하면, 먼저 광발전 장치(PV 어레이 또는 PV 모듈)의 출력 전압(V), 출력 전류(I) 및 일사량(S)을 센싱한다(S101). 실시예에 따라서는, 부가적으로 광발전 장치의 표면 온도(T)를 센싱할 수도 있다(도 7 참조).

다음으로, 최대 전력점 영역 판단부(110)는, 상기 센싱된 출력 전압(V) 및 출력 전류(I)를 입력받아 출력 전력(P=V*I)를 도출하고, 도출된 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단한다(S102). 예를 들어, 출력 전력(P)의 변동량의 절대값(｜P(k)=P(k-1)｜)이 설정치(εr)보다 큰 지 여부를 판단하여 출력 전력의 변동량의 절대값(｜P(k)=P(k-1)｜)이 설정치(εr)보다 큰 경우에는 아직 최대 전력점 영역에 도달하지 못한 것으로 판단한다. 이 설정치(εr)는 전력 변동량의 절대값이 상대적으로 큰 지 여부를 결정하여 그 결정에 따라 태양광 발전 시스템이 현재 최대 전력점 영역에 해당되는지 여부를 판단하기 위한 상수로서 시스템 제어 설계자에 의해 해당지역의 일사량 수준이나 태양광 발전 시스템의 PCS(power conditioning system) 스펙 등에 따라 적절히 설정될 수 있다. 최대 전력점 영역에 도달하지 않은 것으로 판단한 경우, 출력저하 진단 장치(100)는 MPPT 제어기로 신호(정상신호)를 보내 광발전 장치(PV 어레이 또는 PV 모듈)의 출력 전압, 출력 전류 및 일사량이 다시 센싱되도록 한다. 출력 전력의 변동량의 절대값(｜P(k)=P(k-1)｜)이 설정치(εr)이하인 경우에는 최대 전력점 영역에 도달한 것으로 판단한다.

광발전 장치의 출력 전력이 최대 전력점 영역에 있는 것으로 판단된 경우, 기준 전류 산출부(120)는 센싱된 일사량(S)으로부터 기준 전류(Iref)를 산출한다(S103). 상술한 바와 같이, Iref-S 특성 곡선으로부터 얻어지는 선형 관계식 Iref = a*S+b를 이용하여 일사량(S)에서 기준 전류(Iref)값을 산출한다.

다른 실시예로서, 기준 전류 산출부(120)는, 센싱된 일사량(S)과 표면 온도(T)로부터 기준 전류(Iref)를 산출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 각 일사량(S) 및 표면 온도(T)에서의 I-V 특성 곡선과 P-V 특성 곡선으로부터 얻어질 수 있는 하기의 S, T, Iref 간의 관계식을 이용하여 일사량(S) 및 표면 온도(T)에서 기준 전류(Iref) 값을 산출할 수 있다.

위 관계식에서 Tref는 미리 정한 기준 온도로서 예를 들어 25℃로 정할 수 있다. 위 S, T, Tref 간의 관계식은 T≠Tref일 때 이용할 수 있는 관계식이며, T=Tref일 때는 상술한 선형식 Iref=a*S+b를 이용하여 S로부터 Iref를 구할 수 있다.

다음으로, 비교 판단부(130)는 출력 전류(I)가 기준 전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하여 광발전 장치의 정상 혹은 비정상 여부를 판단한다. 상술한 바와 같이, 비교 판단부(130)는 예를 들어 0.95*Iref ＜ I ＜ 1.05*Iref 로 표현되는 전류 판별식을 사용하여, 출력 전류(I)가 이 전류 판별식을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S104). 또한 비교 판단부(130)는 출력 전류(I)가 전류 판별식을 만족하지 않을 경우 이러한 불만족 상태가 기설정된 일정 시간 지속되는지 여부를 판단한다(S105).

출력 전류(I)가 전류 판별식을 만족하면, 비교 판단부(130)는 광발전 장치가 정상인 것으로 판단하고 진단신호 발생부(140)는 정상신호(신호=0)를 발생한다(S106). 만약 출력 전류(I)가 전류 판별식을 만족하지 않고 이러한 불만족 상태가 기설정된 일정 시간 이상 지속되면, 비교 판단부(130)는 광발전 장치가 비정상인 것으로 판단하고 진단신호 발생부(140)는 이상신호(신호=1)을 발생한다(S108). 그러나, 기설정된 일정 시간 이내로 출력 전류(I)가 전류 판별식을 만족하지 않는다면 비교 판단부(130)는 광발전 장치가 정상인 것으로 판단하여 진단신호 발생부(140)는 정상신호(신호=0)를 발생한다(S107). 이상신호(신호=1)가 발생되는 경우에는 진단 결과(예를 들어, PV 어레이가 "비정상 상태"임) 및 광발전 장치의 수리, 세척 혹은 교체 등의 보수 작업이 필요함을 디스플레이부(150)를 통해 표시할 수 있다.

도 9는 태양전지 어레이에 발생한 부분적인 그림자에 의한 태양전지 어레이의 출력 특성 곡선(a-c)과 출력 저하 진단 신호(d)를 나타낸 그래프이다. 도 9의 곡선 또는 그래프는 PSCAD/EMTDS 전력 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 얻은 그래프로서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 출력 저하 진단 장치 및 진단 방법의 유용성을 보여주는 시험 결과이다. 이 시뮬레이션에서 이상원인에 의한 부분적인 그림자는 시간(t)이 2초일 때 발생한 것으로 설정되었다.

도 9의 (a)는 일사량 1000 W/m²과 표면 온도 25℃에서의 이상적인 P-V 특성 곡선(10)과, 시간(t) 2초에서 부분적인 그림자 발생으로 인한 P-V 특성 곡선(20, 30)을 나타낸다. 도 9의 (b)는 상기 (a) 그래프가 시간(t)이 지남에 따라 어떤 모양인지 알 수 있는 P-t 특성 곡선을 나타낸다. 도 9의 (b)를 참조하면, 시간(t) 0초에서 2초까지는 이상적인 환경으로 태양광 발전 시스템이 최대전력점을 추종하여 최대전력 3.2kW를 출력하는 부분이 나타나 있다. 또한, t=2초에서 부분적인 그림자가 발생하여 2.7초까지 태양광 발전 시스템이 최대 전력점을 추종하여 새로운 최대 전력점에서는 1.5 kW의 출력을 생산하는 것이 나타나 있다. 도 9의 (c)는 시간(t)에 따른 I-t 곡선을 나타내는 것으로, PV 어레이의 출력 전류(I)와 전류 판별식(0.95*Iref ＜ I ＜ 1.05*Iref)의 상한(1.05*Iref) 및 하한(0.95*Iref)이 도시되어 있다. t=2초에서 부분적인 그림자 발생으로 출력 전류(I)가 급격히 떨어지고, 이후 최대 전력점을 추종하여 2.7초 정도에서 새로운 최대 전력점 영역에 도달하였음을 알 수 있다. 그러나, 새로운 최대 전력점에서는 출력 전류(I)가 전류 판별식의 범위 안에 있지 않음을 보여주고 있다. 도 9의 (d)를 참조하면, 부분적인 그림자 발생시 최대 전력점을 주종한 후 새로운 최대 전력점 영역에서 전류 판별식을 일정 시간 이상(예를 들어, 0.1초 이상) 지속해서 만족하지 않으므로 이상원인으로 인한 PV 어레이의 출력 저하가 의심되어 이상신호(신호=1)가 발생됨을 명확히 보여주고 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

50, 500: 태양광 발전 시스템
100: 태양광 발전시스템의 출력저하 진단 장치
110: 최대 전력점 영역 판단부 120: 기준전류 산출부
130: 비교 판단부 140: 진단신호 발생부
150: 디스플레이부

Claims

태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단하는 최대 전력점 영역 판단부;
상기 최대 전력점 영역 판단부의 판단 결과 상기 태양광 발전 장치가 최대 전력점 영역에 있을 때 상기 태양광 발전 장치에의 일사량(S)을 입력 받아 상기 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 산출하는 기준전류 산출부;
상기 태양광 발전 장치의 출력 전류(I)가 상기 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하는 전류 판별식을 만족하면 상기 태양광 발전 장치가 정상인 것으로 판단하고, 기설정된 일정 시간 이상 지속해서 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 상기 태양광 발전 장치가 비정상인 것으로 판단하고, 상기 기설정된 일정 시간 이내에만 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 상기 태양광 발전 장치가 정상인 것으로 판단하는 비교 판단부; 및
상기 태양광 발전 장치가 정상인 것으로 판단될 때 정상 신호를 발생하고, 상기 태양광 발전 장치가 비정상인 것으로 판단될 때 이상 신호를 발생하는 진단 신호 발생부를 포함하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 기준전류 산출부는 하기의 선형 관계식을 이용하여 상기 태양광 발전 장치에의 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
Iref = a*S+b
a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수임.
제1항에 있어서,
상기 기준전류 산출부는 상기 태양광 발전 장치의 표면 온도(T)를 추가로 입력받고, 상기 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)일 경우에는 선형 관계식 Iref = a*S+b (a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수임)를 이용하여 상기 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출하고, 상기 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)가 아닐 경우에는 하기의 Iref, S, T 간의 관계식을 이용하여 상기 태양광 발전 장치에의 일사량(S)과 상기 표면 온도(T)로부터 기준전류(Iref)를 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.

Tref는 미리 설정한 기준 온도를 나타내고, A, B, C, D, α, β는 상기 태양광 발전 장치의 특성에 따라 정해지는 상수임.
제1항에 있어서,
상기 전류 판별식은 p*Iref ＜ I ＜ q*Iref 인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
p와 q는 0＜p＜1, 1＜q를 만족하는 상수임.
제4항에 있어서,
상기 전류 판별식에 있어서, p와 q는 0.5＜p＜0.98, 1.02＜q＜2의 범위 내에서 설정된 상수인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 최대 전력점 영역 판단부는, 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력의 변동량의 절대값이 설정치보다 크면 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있지 않은 것으로 판단하고, 설정치 이하이면 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는 것을 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 진단 신호 발생부에 의해 이상신호가 발생되는 경우 상기 태양광 발전 장치의 출력저하 진단 결과를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
제7항에 있어서,
상기 디스플레이부는 상기 이상신호가 발생된 경우 상기 태양광 발전 장치의 보수가 필요함을 표시하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 태양광 발전 장치는 태양전지 어레이 또는 태양전지 모듈인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.
태양광 발전 장치에의 일사량(S), 출력 전압(V) 및 출력 전류(I)를 센싱하는 단계;
상기 센싱된 출력 전압(V) 및 출력 전류(I)로부터 도출된 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단하는 단계;
상기 출력 전력(P)이 최대전력점 영역에 있으면 상기 센싱된 일사량(S)으로부터 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)를 산출하는 단계;
상기 센싱된 출력 전류(I)가 상기 기준전류(Iref)로부터 벗어난 정도를 판별하는 전류 판별식을 만족하면 정상 신호를 발생하고, 기설정된 일정 시간 이상 지속해서 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 이상 신호를 발생하고, 상기 기설정된 일정 시간 이내에만 상기 출력 전류(I)가 상기 전류 판별식을 만족하지 않으면 정상 신호를 발생하는 단계를 포함하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.
제10항에 있어서,
상기 기준전류를 산출하는 단계에서, 상기 기준전류는 하기의 선형 관계식을 이용하여 상기 태양광 발전 장치에의 일사량(S)으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.
Iref = a*S+b
a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수임.
제10항에 있어서,
상기 센싱하는 단계에서 상기 태양광 발전 장치의 표면 온도(T)를 추가로 센싱하고,
상기 기준전류를 산출하는 단계에서 상기 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)일 경우에는 선형 관계식 Iref = a*S+b (a와 b는 일사량(S)과 최대 전력점에서의 기준전류(Iref)의 특성 곡선으로부터 얻어지는 상수임)를 이용하여 상기 일사량(S)으로부터 기준전류(Iref)를 산출하고, 상기 표면 온도(T)가 기준 온도(Tref)가 아닐 경우에는 하기의 Iref, S, T 간의 관계식을 이용하여 상기 일사량(S)과 상기 표면 온도(T)로부터 기준전류(Iref)를 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.

Tref는 미리 설정한 기준 온도를 나타내고, A, B, C, D, α, β는 상기 태양광 발전 장치의 특성에 따라 정해지는 상수임.
제10항에 있어서,
상기 전류 판별식은 p*Iref ＜ I ＜ q*Iref 인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.
p와 q는 0＜p＜1, 1＜q를 만족하는 상수임.
제13항에 있어서,
상기 전류 판별식에 있어서, p와 q는 0.5＜p＜0.98, 1.02＜q＜2의 범위 내에서 설정된 상수인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.
제10항에 있어서,
상기 태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는지 판단하는 단계에서, 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력의 변동량의 절대값이 설정치보다 크면 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있지 않은 것으로 판단하고, 설정치 이하이면 상기 태양광 발전 장치의 출력 전력(P)이 최대 전력점 영역에 있는 것을 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.
제10항에 있어서,
상기 이상 신호가 발생되는 경우 상기 태양광 발전 장치의 출력저하 진단 결과를 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 방법.
제16항에 있어서,
상기 이상 신호가 발생된 경우 상기 태양광 발전 장치의 보수가 필요함을 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 출력 저하 진단 장치.