KR101135386B1 - 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템 - Google Patents

단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 스트링별 개별적인 최대 전력점 추종을 수행하고, 태양전지 스트링별 발전 전력량, 발전 전압의 차이에 무관하게 인버터로 입력되는 입력전압을 동일하게 유지함으로써 인버터의 변환효율을 최대화하고, 이를 통해 태양광 발전 효율을 향상시키도록 한 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템은 복수의 태양전지 모듈이 연결되어 구성되는 복수의 태양전지 스트링 각각과 연결되어 상기 복수의 태양전지 모듈의 발전전압을 동일한 크기의 출력전압으로 변환하며, 상기 발전전압의 변환을 위한 상기 태양전지 스트링별 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 복수의 스트링 제어부; 상기 태양전지 모듈의 발전량을 변화시키는 환경요소, 상기 발전전압 및 상기 출력전압을 포함하는 감지값을 생성하는 감지부; 상기 감지값을 이용하여 상기 스트링 제어부 각각에 대한 전력 추종 제어신호를 생성하는 제어부; 및 상기 복수의 스트링 제어부로부터 출력되는 상기 출력전압을 취합하여 교류전력으로 변환하는 변환부;를 포함하여 구성된다.

Description

단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템{Photovoltaic power generation system perform the maximum power point tracking about the unit group}
본 발명은 태양전지에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 전력계통에 공급하는 인버터에 관한 것으로, 특히 태양전지 스트링별 개별적인 최대 전력점 추종을 수행하고, 태양전지 스트링별 발전 전력량, 발전 전압의 차이에 무관하게 인버터로 입력되는 입력전압을 동일하게 유지함으로써 인버터의 변환효율을 최대화하고, 이를 통해 태양광 발전 효율을 향상시키도록 한 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 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 연결한 태양전지 모듈(PV module : Photovoltaic module)을 사용한다. 이와 같은 태양전지 모듈 하나는 가로등, 소형 전자장치의 동작 전원용으로 사용이 가능하지만, 일반 상용전력 계통에 발전 전력을 송전하기에는 생산되는 전압의 크기가 작고, 전력량이 작아 무리가 따른다.
이 때문에 전력 계통에 연결하여 발전 전력을 송전하고자 하는 경우 몇 개의 태양전지 모듈을 한 그룹으로 연결하거나, 또는 이러한 그룹을 여러 개 병렬로 연결하여 태양전지 어레이(PV array)를 구성하고, 이를 통해 변전 및 송전에 필요한 전압 및 전력을 생산하도록 하고 있다. 특히, 직류로 발전되는 전력의 교류 변환을 용이하게 하고, 인버터 등의 전력 설비 규격화, 간소화를 위해 하나의 그룹을 형성하는 태양전지 모듈을 직렬로 연결한 스트링을 구성하여 이용하는 것이 보편적이다.
도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 태양광 발전 장치는 복수의 태양광 모듈(PV, 10)을 직렬로 연결하여 하나의 태양전지 스트링(20)을 구성하고, 이러한 태양전지 스트링(20)을 여러 개 병렬로 연결하여 하나의 태양전지 어레이(10A)를 구성한다.
그리고, 태양전지 어레이(10A)로부터의 출력은 인버터에 의해 교류 전력으로 변환되어 전력계통에 공급된다.
이러한, 태양광 발전 장치는 태양전지의 출력이 환경 요소에 크게 영향을 받아, 환경 요소의 변화에 따라 출력값이 크게 변동되어 일정한 출력을 얻기 곤란하다. 태양전지의 경우 환경요소 중 일사량에 가장 큰 영향을 받으며, 구름과 같은 장애물에 의한 일시적인 일사량 감소도 출력을 저하시키는 중요한 이유로 작용한다. 또한, 주변의 온도가 전체적으로 낮아 태양전지 모듈의 온도가 저하되는 경우에도 태양전지의 출력이 저하되는 요인으로 작용한다.
이러한 태양전지의 출력저하, 출력의 변동은 이를 변환하여 교류전력화 하는 인버터의 효율 저하로 이어지고, 결과적으로 전력계통으로의 전력 송전 시점에서는 발전효율이 크게 낮아지게 된다.
이와 같은 태양전지의 출력을 최대한 안정적으로 유지하기 위해서 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking : MPPT) 제어에 의한 발전을 수행하며, 이에 대한 다양한 방식의 제어방법이 개발되어 이용되고 있다.
종래의 최대 전력점 추종은 인버터의 입력단과 출력단의 전압을 비교하고, 비교값에 의해 변환율을 조정함으로써 전력량을조절하여 전력추종을 수행하는 것을 기본으로 하며, 이러한 변한율의 조정을 위해 다양한 알고리즘을 적용하고 있다.
하지만, 종래의 전력 추종을 위한 제어 알고리즘은 단순 제어의 경우, 제어시스템의 간소화와 제어가 용이한 장점은 있지만, 출력 변동이 큰 경우 빠른 대응이 어려우며, 환경요소에 대응한 제어는 곤란한 단점이 있었다.
또한, 퍼지 제어와 같은 복잡한 제어 알고리즘의 경우, 발전 효율의 향상이 가능한 장점은 있지만, 제어회로의 고성능화, 알로리즘의 복잡도 증가로 인한 적용이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 태양전지 스트링별 개별적인 최대 전력점 추종을 수행하고, 태양전지 스트링별 발전 전력량, 발전 전압의 차이에 무관하게 인버터로 입력되는 입력전압을 동일하게 유지함으로써 인버터의 변환효율을 최대화하고, 이를 통해 태양광 발전 효율을 향상시키도록 한 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단순 제어 방식에 환경적인 요인을 적용하여 용이하게 전력 추종을 수행함으로써 최대전력 생산 효율의 증가가 가능하도록 한 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 환경요인 및 전력 추종에 따른 전압, 전류 값을 저장 유지하고, 이후의 추종에 있어 이를 통해 예측 추정을 함으로써 추종 응답 속도를 향상시키고, 이를 통해 전력 생산 효율을 증가시키도록 한 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템은 복수의 태양전지 모듈이 연결되어 구성되는 복수의 태양전지 스트링 각각과 연결되어 상기 복수의 태양전지 모듈의 발전전압을 동일한 크기의 출력전압으로 변환하며, 상기 발전전압의 변환을 위한 상기 태양전지 스트링별 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 복수의 스트링 제어부; 상기 태양전지 모듈의 발전량을 변화시키는 환경요소, 상기 발전전압 및 상기 출력전압을 포함하는 감지값을 생성하는 감지부; 상기 감지값을 이용하여 상기 스트링 제어부 각각에 대한 전력 추종 제어신호를 생성하는 제어부; 및 상기 복수의 스트링 제어부로부터 출력되는 상기 출력전압을 취합하여 교류전력으로 변환하는 변환부;를 구비하는 인버터를 포함하여 구성된다.
상기 환경요소는 일조량, 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 온도, 상기 태양전지 모듈 표면의 온도, 풍량, 풍속 및 습도 중 어느 하나 이상을 포함한다.
상기 출력전압은 가변되는 것을 특징으로 한다.
상기 스트링 제어부는 상기 태양전지 스트링으로부터의 상기 입력전압을 승압 또는 감압하는 컨버터; 상기 태양전지 스트링과 상기 컨버터사이에 연결되는 퓨즈; 상기 컨버터의 출력단에 연결되는 서킷브레이커; 상기 컨버터의 상기 승압 또는 감압을 위한 제어신호를 생성하는 엠피피티 제어기; 및 상기 엠피피티제어기의 최대전력 추종제어를 위한 제어신호를 생성하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
상기 제어부는 상기 감지값에 의해 최대 전력점 추종이 수행될 전류 또는 전압 범위가 포함된 추종범위 값을 산출하는 추종범위 산출부; 상기 추종범위 산출부로부터의 상기 추종범위 값, 상기 입력전압 및 상기 출력전압에 의해 최대 전력점 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 예상 범위를 반영하여 상기 추종범위를 산출한다.
상기 추종범위 산출부는 상기 입력전압 및 상기 출력전압이 일시적으로 상기 시간 구획에서 예상되는 최대 추종범위를 초과하는 경우 상기 입력전압 및 상기 출력전압의 초과분에 대한 전력추종을 생략한다.
상기 태양전지 스트링은 상기 태양전지 모듈이 일정한 방향, 일정한 각도로 유지되는 고정형 태양전지 모듈 또는 상기 태양전지 모듈이 태양을 따라 각도 및 방향 중 어느 하나를 변경하는 로봇형 태양전지 모듈 중 어느 하나로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템은 태양전지 스트링별 개별적인 최대 전력점 추종을 수행하고, 태양전지 스트링별 발전 전력량, 발전 전압의 차이에 무관하게 인버터로 입력되는 입력전압을 동일하게 유지함으로써 인버터의 변환효율을 최대화하고, 이를 통해 태양광 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템은 단순 제어 방식에 환경적인 요인을 적용하여 용이하게 전력 추종을 수행함으로써 최대전력 생산 효율의 증가가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템은 환경요인 및 전력 추종에 따른 전압, 전류 값을 저장 유지하고, 이후의 추종에 있어 이를 통해 예측 추정을 함으로써 추종 응답 속도를 향상시키고, 이를 통해 전력 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 구성을 간략하게 도시한 구성예시도.
도 3은 인버터의 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도.
도 4는 스트링옵티마의 제어부 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도.
도 5는 환경요소 중 온도 및 조도에 따른 추종범위 산출을 설명하기 위한 예시도.
도 6은 시간에 따른 전력 추종을 설명하기 위한 예시도.
도 7은 추종이력 정보의 저장 및 이용방법을 설명하기 위한 예시도.
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 태양광 발전 시스템의 구성을 간략하게 도시한 구성예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인버터(300)는 스트링옵티마(200)와 변환부(390)를 포함하여 구성된다. 그리고, 스트링옵티마(200)는 제어부(210)와 스트링 제어부(220)를 포함하여 구성된다.
스트링 옵티마(200)는 각각의 태양전지 스트링(120)으로부터 공급되는 전력을 DC-DC 변환하여, 변환부(390)의 입력전압에 부합하는 전압으로 변환하여 공급한다. 이를 위해 스트링 옵티마(200)는 최대 전력점 추종 제어에 의한 DC-DC 변환을 수행하고, 최대 전력점 추종 제어시 환경 요소에 발전량 변화를 반영한다. 여기서, 태양전지 스트링(120)은 태양전지 모듈이 일정한 방향, 일정한 각도로 고정된 고정형 태양전지 모듈 또는 태양전지 모듈이 태양을 추적하는 추적형 태양전지 모듈일 수 있다.
이를 위해, 스트링 옵티마(200)는 각각의 태양전지 스트링(120)으로부터 공급되는 발전 전력의 전압에 대한 DC-DC 변환 및 최대 전력점 추종을 수행하는 스트링 제어부(220)와 환경요소 및 스트링 제어부(220)로의 입출력 전압을 감지값으로 하여 스트링 제어부(220)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부(210)를 포함하여 구성된다.
제어부(210)는 복수의 스트링 제어부(220)를 개별 제어하기 위한 제어신호를 생성한다. 특히, 제어부(210)는 스트링 제어부(220)로 전달되는 각각의 입력전압 및 출력전압에 의한 각 스트링별 전력추종을 수행하고, 이에 의해 생성된 제어신호를 해당 스트링 제어부(220)에 전달한다. 특히, 제어부(210)는 센서(130)에서 전달되는 환경정보에 따라 전력추종을 수행한다.
구체적으로 제어부(210)는 태양전지모듈(110) 또는 태양전지스트링(120)이 설치된 위치의 일사량, 설치 위치의 온도, 패널의 온도, 시간과 같은 환경정보에 따라 각각 다른 추종 범위를 적용하여 최대전력점을 추종하고 이에 따른 제어신호를 생성하여 스트링 제어부(220)에 전달한다. 이러한 제어방법에 대해서는 하기의 다른 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.
스트링 제어부(220)는 태양전지 스트링(120)으로부터 공급되는 직류 전압을 변환부(390)의 입력 직류전압으로 변환하여 공급하며, 이러한 변환을 제어부(210)의 제어하에 수행한다.
특히, 스트링 제어부(220)는 태양전지스트링(120)으로부터 스트링 제어부(220)로 입력되는 입력전압과, 변환 후 변환부(390)로 출력되는 출력전압 값을 제어부(210)에 전달한다. 스트링 제어부(220)에 대한 상세한 구성 및 동작은 이하의 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.
변환부(390)는 스트링옵티마(200)를 통해 입력전압이 균일화된 발전전력을 공급받아 직류-교류 변환을 수행하고, 변환된 전력을 전력계통(400)에 공급한다.
도 3은 인버터의 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도이다.
도 3을 참조하면, 인버터(300)는 스트링 제어부(220)와 태양전지 스트링(120) 사이에 퓨즈(211)에 의해 중계 연결된다. 퓨즈(211)는 태양전지 스트링(120)의 과전압, 과전류 발생시 자동으로 절단되어 회로를 보호하는 역할을 한다. 또한, 스트링옵티마(200)의 출력단에는 서킷브레이커(212)가 설치되어 태양전지 스트링(120) 또는 스트링옵티마(200)의 이상 발생시 변환부(390)와 스트링옵티마(200) 간의 연결을 끊는 역할을 한다.
스트링 제어부(220) 각각은 퓨즈(211)를 통해 태양전지스트링(120)에 연결되어, 태양전지스트링(120)으로부터 공급되는 전력의 전압을 변환부(390)의 입력전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(222)와 제어부(210)의 제어신호에 따라 컨버터(222)가 최대전력을 출력하도록 제어하는 엠피피티(MPPT) 제어기(221)를 포함하여 구성된다. 이를 위해, 스트링옵티마(200)의 제어부(210)는 각 스트링 제어부(220)의 엠피피티 제어기(221)와 연결된다.
스트링 제어부(220) 각각으로 입력되는 입력전압 및 스트링 제어부(220) 각각으로부터 출력되는 출력전압은 엠피피티제어기(221)에 의해 측정되어 제어부(210)에 전달되거나, 제어부(210)가 각 스트링 제어부(220)의 입출력단에 설치된 전압검출기로부터 직접 전압값을 전달받을 수 있다. 하지만, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 4는 스트링옵티마의 제어부 구성을 좀더 상세히 도시한 구성 예시도이다.
도 4를 참조하면, 제어부는 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 스트링제어부(220)로 입력되는 입력전력의 전압을 검출한다. 출력전압검출부(302)는 스트링제어부(220)로부터 출력되는 전력의 전압을 검출한다. 이러한 입력전압검출부(301)와 출력전압검출부(302)는 복수의 스트링 제어부(220) 각각의 입력전압과 출력전압을 실시간으로 감지하여 추종범위산출부(310)에 전달한다. 센서(130)는 태양전지 어레이(100)에 영향을 끼치는 환경요소를 감지하고, 감지결과를 추종범위산출부(310)에 전달한다. 센서(130)에 의해 감지되는 환경요소는 태양전지 어레이(100)에 조사되는 태양광의 광량, 조도, 태양전지 어레이(100)가 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)의 동작은 도 5 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 5는 환경요소 중 온도 및 조도에 따른 추종범위 산출을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5를 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) 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 5의 (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 6은 시간에 따른 전력 추종을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6의 (a)는 발전 시간을 시간대별로 구획한 것을 표현한 도면이고, (b)는 시간 구획에 따른 태양전지 스트링의 출력전압 및 출력전류의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6을 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 7은 추종이력 정보의 저장 및 이용방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 태양전지 스트링(120)은 특정 시간에 도 7의 (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, 추종이력 저장부(320)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 6에 대한 설명에 언급한 바와 같이 본 발명의 스트링옵티마(200)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.
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.
10, 110 : 태양전지 모듈 10A, 100 : 태양전지 어레이
20, 120 : 태양전지 스트링 30 : 접속반
130 : 센서 200 : 스트링 옵티마
210 : 제어부 211 : 감지부
213 : 퓨즈 212 : 서킷브레이커
220 : 스트링 제어부 300 : 인버터
301 : 입력전압 검출부 302 : 출력전압 검출부
310 : 추종범위 산출부 320 : 추종이력 저장부
330 : 제어신호 생성부 390 : 변환부
400 : 전력계통

Claims (9)

  1. 복수의 태양전지 모듈이 연결되어 구성되는 복수의 태양전지 스트링 각각과 연결되어 상기 복수의 태양전지 모듈의 발전전압을 동일한 크기의 출력전압으로 변환하며, 상기 발전전압의 변환을 위한 상기 태양전지 스트링별 최대 전력점 추종 제어를 수행하는 복수의 스트링 제어부;
    상기 태양전지 모듈의 발전량을 변화시키는 환경요소, 상기 발전전압 및 상기 출력전압을 포함하는 감지값을 생성하는 감지부;
    상기 감지값을 이용하여 상기 스트링 제어부 각각에 대한 전력 추종 제어신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 복수의 스트링 제어부로부터 출력되는 상기 출력전압을 취합하여 교류전력으로 변환하는 변환부;를 내부에 구비하는 인버터를 포함하여 구성되며,
    상기 제어부는 상기 감지값에 의해 최대 전력점 추종이 수행될 전류 또는 전압 범위가 포함된 추종범위 값을 산출하는 추종범위 산출부; 상기 추종범위 산출부로부터의 상기 추종범위 값, 상기 발전전압 및 상기 출력전압에 의해 최대 전력점 추종 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및 상기 추종범위 값을 상기 감지값과 대응시켜 저장하는 추종이력 저장부;를 포함하여 구성되고,
    상기 출력전압은 가변되는 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경요소는
    일조량, 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 온도, 상기 태양전지 모듈 표면의 온도, 풍량, 풍속 및 습도 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트링 제어부는
    상기 태양전지 스트링으로부터의 상기 발전전압을 승압 또는 감압하는 컨버터;
    상기 태양전지 스트링과 상기 컨버터사이에 연결되는 퓨즈;
    상기 컨버터의 출력단에 연결되는 서킷브레이커; 및
    상기 컨버터의 상기 승압 또는 감압을 위한 제어신호를 생성하는 엠피피티 제어기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 추종범위 산출부는
    상기 태양전지 모듈의 하루 발전 시간을 복수의 시간 구획으로 구분하고, 상기 복수의 시간 구획 각각의 기본 추종 범위를 산출하는 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 추종범위 산출부는
    상기 기본 추종 범위에 상기 환경요소 감지값에 의한 발전량 변화 예상 범위를 반영하여 상기 추종범위를 산출하는 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 추종범위 산출부는
    상기 발전전압 및 상기 출력전압이 일시적으로 상기 복수의 시간 구획 중 현재 시간 구획에서 예상되는 최대 추종범위를 초과하는 경우 상기 발전전압 및 상기 출력전압의 초과분에 대한 전력추종을 생략하는 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 태양전지 스트링은 고정형 또는 추적형 태양전지 모듈인 것을 특징으로 하는 단위 그룹별 최대전력점 추종을 수행하는 태양광 발전 시스템.
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