KR101135990B1 - 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양광 지능형 가변어레이 시스템은, 직렬 연결된 복수의 태양광 모듈을 포함하며, 제1단이 인버터의 제1극과 연결되는 제1 내지 제3 어레이, 직렬 연결된 복수의 태양광 모듈을 포함하며, 제1단이 상기 제1 내지 제3 어레이의 제2단에 각각 연결되고, 제2단이 상기 인버터의 제2극과 연결되는 제4 내지 제6 어레이, 일사량 또는 상기 인버터에 인가되는 직류 전압을 측정하기 위한 감지부, 그리고 상기 측정 데이터에 따라 상기 제1 내지 제6 어레이 사이의 연결 상태가 변경되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 태양광 모듈 어레이 회로의 직병렬 조합을 가변시켜 태양광시스템의 가동시간을 늘려 전체이용률을 향상시키고, 일사량에 따라 출력이 불안정한 어레이 모듈의 DC전압의 강하를 방지하며, 겨울철 어레이 모듈의 개방전압상승 방지한다. 또한, 모듈 어레이 DC 과전압에 의한 인버터의 정지 현상이 발생하지 않으며, 인버터 MPPT 제어기능을 향상시켜 인버터의 내구성이 증대시킬 수 있다. 또한 태양광 모듈과 인버터의 호환성이 향상되며, 스페어 모듈 방식 적용으로 실시간 모듈출력 대비 인버터의 출력을 최적화 할 수 있다.

Description

가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템{SOLAR PHOTOVOLTAIC GENERATING SYSTEM USING VARIABLE ARRAY}
본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감지된 일사량 또는 인버터 인가 전압 또는 전류에 따라 태양광 발전 구동 회로를 변경할 수 있는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전(solar photovoltaic)이란 태양 에너지에 의한 발전 기술의 하나이다. 즉, 태양의 빛 에너지를 태양광 모듈이라는 광-전 변환기를 사용하여 직접 전기 에너지로 변환시켜 이용하는 것이다. 태양광 발전은 빛을 이용하는 것이기 때문에 흐린 날이라도 밤이 아니면 발전이 가능하여 태양 에너지의 이용 효율이 열 발전보다 높기는 하지만, 똑같은 태양광발전 시스템을 부하밀집지역인 도심에 설치한 것과 비도심(농촌지역)에 설치한 것을 비교해보면 일사량이 비슷해도 도심에 설치한 태양광발전의 이용률이 비도심지역 보다 높다. 설치 후 변경이 불가능한 어레이 구성의 특성상 모듈 어레이의 출력전압이 인버터 최소입력전압에 못 미치면 발전을 할 수 없고, 최초 설계 시 인버터 제조사 마다 상이한 MPPT(허용입력 전압범위)를 고려하여 어레이 회로를 아래 수학식 1에 따라 설계해야만 한다.
Figure 112012001357878-pat00001
인버터는 변압기형과 무변압기형으로 나뉘는데, 통상적으로 변압기형 삼상인버터의 경우, MPPT가 210 ~ 450[V] 또는 290 ~ 600[V]으로서 범위가 240에서 310정도로 좁지만 동작시작전압(Vdc)이 통상 MPPT 최저전압이고, 변압기형의 경우는, MPPT가 200 ~ 800[V]로 범위가 600으로 넓지만 동작시작전압(Vdc)이 400[V]로서 MPPT 최저 전압치와 차이가 난다.
변압기형 인버터의 경우 동작시작전압(Vdc)이 보통 MPPT 최저전압이라고 명시는 되어있지만, 실제 모듈 어레이 출력이 인버터 MPPT 최저전압 보다 10%이상 높아야 기동이 되는 실정이다.
우리나라를 비롯하여 세계의 인버터 제조사들은 MPPT 범위를 넓게 하여 태양광발전이 최대한 오랜 시간 발전할 수 있도록 기술개발을 진행하고는 있지만, 인버터동작입력 전압범위를 확장은 곧, 인버터 효율 및 성능 그리고 제작비용에 영향을 주기 때문에 변압기를 사용하는 인버터의 경우, MPPT전압범위의 일정 폭은 현재 기술로는 어느 정도 고정되어 있다고 볼 수 있다.
태양광발전시스템은 날씨의 영향을 가장 크게 받기 때문에 어는 한 점의, 어는 한 날짜의 어는 한 월의 발전량이 아닌 계절별 월별 일별로 상이한 태양광발전의 1년 평균발전량이 중요함으로, 본 발명시스템은 일년운전을 기준으로 알고리즘 되어있다.
태양광 발전 시스템에서의 설계착오는 어레이 모듈의 직.병렬조합 및 모듈과 인버터의 결합이 맞지 않아서 발생하고 있는데, 태양광발전 시스템의 가장 큰 장점 중 하나가 설치 후 유지보수에 드는 비용이 거의 없다는 것이지만, 설치 후 25년 이상 발전이 가능한 태양광시스템에서 MPPT 제어를 할 수밖에 없는 인버터만큼은 예외이다.
종래 기술에 따른 태양광 발전 시스템은 인버터에 동작시작전압이 인가되면 인버터가 가동해 발전이 되다가 모듈출력이 불안정(일몰직전 또는 일출직후 또는 흐린 날 또는 청명한 날 등)해져서 MPPT 보다 작거나 큰 전압이 인버터에 인가되면 인버터 작동이 중지될 수 밖에 없는 한계점이 있었으며, 특히 인버터 제조사마다 상이한 MPPT로 인해서 특정인버터가 아니면 교체할 수도 없는 문제점 또한 대두되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허10-0934932호(2010. 01. 06 공고)에 기재되어 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 인버터의 가동중단 없이 매일 발생하는 일몰일출 시간에도 인버터의 가동이 가능하도록 하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템은, 직렬 연결된 복수의 태양광 모듈을 포함하며, 제1단이 인버터의 제1극과 연결되는 제1 내지 제3 어레이, 직렬 연결된 복수의 태양광 모듈을 포함하며, 제1단이 상기 제1 내지 제3 어레이의 제2단에 각각 연결되고, 제2단이 상기 인버터의 제2극과 연결되는 제4 내지 제6 어레이, 일사량 또는 상기 인버터에 인가되는 직류 전압을 측정하기 위한 감지부, 그리고 상기 측정 데이터에 따라 상기 제1 내지 제6 어레이 사이의 연결 상태가 변경되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 측정 데이터의 값이 작을수록, 하나의 어레이 내에 직렬 연결되는 태양광 모듈의 개수가 증가하도록 제어하고, 상기 측정 데이터의 값이 클수록, 병렬연결되는 어레이의 개수가 증가하도록 제어할 수 있다.
상기 측정 데이터가 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 제어부는, 상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이, 상기 제2 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제1 경로, 그리고 상기 인버터의 제1극, 상기 제4 어레이, 상기 제5 어레이, 상기 제6 어레이, 상기 제3 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제2 경로를 형성시킬 수 있다.
상기 측정 데이터가 상기 제1 기준값보다 크고 제2 기준값보다 작은 경우, 상기 제어부는, 상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이, 상기 제4 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제3 경로, 상기 인버터의 제1극, 상기 제2 어레이, 상기 제5 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제4 경로, 그리고 상기 인버터의 제1극, 상기 제3 어레이, 상기 제6 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제5 경로를 형성시킬 수 있다.
상기 측정 데이터가 상기 제2 기준값보다 큰 경우, 상기 제어부는, 상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제6 경로,
상기 인버터의 제1극, 상기 제2 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제7 경로, 상기 인버터의 제1극, 상기 제3 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제8 경로, 그리고 상기 인버터의 제1극, 상기 제4 어레이, 제5 어레이, 제6 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제9 경로를 형성시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 태양광 모듈 어레이 회로의 직병렬 조합을 가변시켜 태양광시스템의 가동시간을 늘려 전체이용률을 향상시키고, 일사량에 따라 출력이 불안정한 어레이 모듈의 DC전압의 강하를 방지하며, 겨울철 어레이 모듈의 개방전압상승을 방지한다. 또한, 모듈 어레이 DC 과전압에 의한 인버터의 정지 현상이 발생하지 않으며, 인버터 MPPT 제어기능을 향상시켜 인버터의 내구성을 증대시킬 수 있다. 또한 태양광 모듈과 인버터의 호환성이 향상되며, 스페어 모듈 방식 적용으로 실시간 모듈출력 대비 인버터의 출력을 최적화 할 수 있다.
따라서 태양광발전시스템의 단점인 봄, 가을에 비해 여름, 겨울이 발전효율이 낮다는 문제점을 보완시킬 수 있으므로 전력사용량이 폭증하는 여름과 겨울철 국가전력 수급관리에 많은 도움을 줄 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 구동 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 제어부의 제어 동작에 따른 전류 경로를 나타낸다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그리고 명세서 전체에서 전압을 유지한다는 표현은 특정 2점간의 전위 차가 시간 경과에 따라 변화하여도 그 변화가 설계상 허용될 수 있는 범위 내이거나 변화의 원인이 당업자의 설계 관행에서는 무시되고 있는 기생 성분에 의한 경우를 포함한다. 또한 방전 전압에 비해 반도체 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 문턱 전압이 매우 낮으므로 문턱 전압을 0V로 간주하고 근사 처리한다.
또한, 명세서 전체에서 설명한 스위치는 전기 회로의 개폐나 접속 상태를 변경하기 위하여 사용하는 모든 소자를 포함하며, SCR, GTO 사이리스터, 바이폴라 트랜지스터, MOSFET, IGBT 등과 같은 전력 제어용 반도체 소자를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 시스템은, 태양광 발전 구동 회로(100), 제어부(200), 인버터부(300) 및 감지부(400)를 포함한다.
태양광 발전 구동 회로(100)는 태양으로부터 입사되는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수집하는데, 복수의 태양광 모듈을 직렬로 연결하여 높은 전압을 발생시킨다.
태양광 발전 구동 회로(100)는 메인 어레이부(101)와 보조 어레이부(102)를 포함하며, 메인 어레이부(101)와 보조 어레이부(102)는 각각 복수의 태양 전지 모듈이 직렬 연결된 어레이들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 메인 어레이부(101)는 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)를 포함하며, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)는 각각 직렬 연결되어 있는 복수의 태양광 모듈을 포함하는 것으로 예시한다. 또한 보조 어레이부(102)는 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)를 포함하며, 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)는 각각 직렬 연결되어 있는 복수의 태양광 모듈을 포함하는 것으로 예시한다. 또한 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)의 제1단은 각각 인버터의 양(+)극과 연결되고, 제2단은 각각 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)의 제1단에 연결된다. 그리고, 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)의 제2단은 각각 인버터의 음(-)극과 연결된다. ,
제어부(200)는 태양광 발전 구동 회로(100)와 감지부(400)와 연결되며, 감지부(400)에 의해 감지된 일사량에 따라 출력이 불안정한 어레이 모듈의 DC전압의 강하를 방지하기 위하여 일사량에 따라 태양광 발전 구동 회로(100)에 포함된 스위치의 동작을 제어한다. 특히 제어부(200)는 측정된 일사량에 따라 상기 제1 내지 제6 어레이의 연결 상태를 변경하여 서로 다른 개수의 직렬 어레이를 형성시킨다. 예를 들어, 측정된 일사량이 제1 기준값보다 작은 경우, 제어부(200)는 제1 내지 제6 어레이부의 연결 상태를 변경하여, 직렬 연결된 2개의 어레이를 형성시키고, 제1 기준값보다 크고 제2 기준값보다 작은 경우, 제어부(200)는 직렬 연결된 3개의 어레이를 형성시킨다. 그리고, 측정된 일사량이 제2 기준값보다 큰 경우, 제어부(200)는 직렬 연결된 4개의 어레이를 형성시킨다.
그리고, 제어부(200)는 태양광 발전 구동 회로(100)로부터 인버터부(300)에 전달되는 전압이 허용전압을 초과하게 되면 이를 차단한다.
인버터부(300)는 태양광 발전 구동 회로(100)에 의해 직류로 변환된 전기 에너지를 교류에너지로 변환시켜 각종 부하에 공급하고, 감지부(400)는 현재의 일사량을 측정하여 제어부(200)로 전달한다.
감지부(400)는 현재의 일사량을 측정하여 측정된 일사량 데이터를 제어부(200)로 전달한다. 여기서, 일사량이 크면 인버터부(300)로 입력되는 직류 전압의 크기도 크므로, 감지부(400)는 일사량 대신에 인버터부(300)로 인가되는 직류 전압의 크기를 감지할 수도 있으며, 측정 데이터를 제어부(200)로 전달한다.
이하에서는, 도 2내지 도 4c를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 구동 회로에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 구동 회로를 나타낸 회로도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 태양광 발전 구동 회로(100)는 주 어레이부(101), 보조 어레이부(102) 및 복수의 스위치를 포함한다.
도 2에 따르면, 메인 어레이부에 해당하는 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)는 각각 직렬 연결되어 있는 15개의 태양광 모듈을 포함한다. 즉, 제1 어레이부(110)는 15개의 태양광 모듈(A1, A2, …, A14, A15)이 직렬로 연결되어 있으며, 제2 어레이부(120)는 15개의 태양광 모듈(B1, B2, …, B14, B15)이 직렬로 연결되어 있으며, 제3 어레이부(130)는 15개의 태양광 모듈(C1, C2, …, C14, C15)이 직렬로 연결되어 있다.
여기서 태양광 모듈은 태양으로부터 입사되는 빛 에너지를 직류 전압으로 변환시키는 것으로, 태양광 모듈의 개방 전압을 36.9V로 가정하면, 태양광 모듈 15개를 직렬 연결할 경우, 하나의 어레이에 걸리는 개방 전압은 36.9V * 15에 해당하는 553.5V가 된다.
그리고, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)의 제1단은 인버터부(300)의 양(+)극에 연결되고, 제2단은 각각 보조 어레이에 해당하는 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)의 제1단과 연결된다.
제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)는 각각 직렬 연결되어 있는 5개의 태양광 모듈을 포함한다. 즉, 제4 어레이부(140)는 5개의 태양광 모듈(D1, …, D5)이 직렬로 연결되어 있으며, 제5 어레이부(150)는 5개의 태양광 모듈(E1, …, E5)이 직렬로 연결되어 있으며, 제6 어레이부(160)는 5개의 태양광 모듈(F1, …, F5)이 직렬로 연결되어 있다. 또한 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)의 제2단은 인버터부(300)의 음(-)극에 연결된다.
그리고, 도 2에 나타난 것처럼 복수의 제1 스위치(A11)는 제1 어레이부(110)와 제4 어레이부(140) 사이, 제2 어레이부(120)와 제5 어레이부(150) 사이, 제3 어레이부(130)와 제6 어레이부(160) 사이에 각각 위치한다. 따라서, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)에 포함되는 복수의 태양광 모듈 중에서 마지막에 위치한 태양광 모듈(A15, B15, C15)는 제1 스위치(A11)을 통해 각각 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)에 포함되는 복수의 태양광 모듈 중에서 첫번째 태양광 모듈(D1, E1, F1)과 연결된다.
그리고 제2 스위치(B11), 제3 스위치(B12), 제4 스위치(B13)은 각각 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)의 마지막 태양광 모듈(A15, B15, C15)에 제1단이 연결된다.
그리고, 제5 스위치(B21)는 제4 어레이부(140)와 제5 어레이부(150) 사이에 연결되고, 제6 스위치(B22)는 제5 어레이부(150)와 제6 어레이부(160) 사이에 연결된다. 즉, 제5 스위치(B21)는 제4 어레이부(140)의 마지막 태양광 모듈(D5)와 제5 어레이부(150)의 첫번째 태양광 모듈(E1) 사이에 연결되고, 제6 스위치(B22)는 제5 어레이부(150)의 마지막 태양광 모듈(E5)과 제6 어레이부(160)의 첫번째 태양광 모듈(F1) 사이에 연결된다. 또한 제7 스위치(B23)는 제6 어레이부(160)의 마지막 태양광 모듈(F5)에 제1단이 연결되고, 제2단은 제16 스위치(E2)의 제2단에 연결된다.
또한 제8 스위치(C)는 인버터부(300)의 양(+)극과 제4 어레이부(140)의 첫번째 태양광 모듈(D1) 사이에 연결되며, 제9 스위치(A21)는 제4 어레이부(140)의 마지막 태양광 모듈(D5)에 제1단이 연결된다.
그리고, 제10 스위치(A22)는 제5 어레이부(150)의 마지막 태양광 모듈(E5)에 제1단이 연결되고, 인버터부(300)의 음(-)극에 제2단이 연결된다.
또한 제11 스위치(D1)는 제1단이 제9 스위치(A21)의 제2단에 연결되고, 인버터부(300)의 음(-)극에 제2단이 연결된다. 그리고, 제12 스위치(D2)는 제2 어레이부(120)의 첫번째 태양광 모듈(B1)에 제1단이 연결되고, 인버터부(300)의 음(-)극에 제2단이 연결된다.
또한 제13 스위치(D3)는 제3 어레이부(130)의 첫번째 태양광 모듈(C1)에 제1단이 연결되고, 인버터부(300)의 양(+)극에 제2단이 연결된다. 그리고, 제14 스위치(D4)는 제7 스위치(B23)의 제2단에 제1단이 연결되고, 인버터부(300)의 음(-)극에 제2단이 연결된다.
그리고, 제15 스위치(E1)는 제11 스위치(D1)의 제1단과 제12 스위치(D2)의 제1단 사이에 연결되고, 제16 스위치(E2)는 제3 어레이부(130)의 첫번째 태양광 모듈(C1)에 제1단이 연결되고, 제7 스위치(B23)의 제2단에 제2단이 연결된다.
이하에서는 도 3 내지 도 4c를 참고하여 감지된 일사량에 대응하여 제어부(200) 스위치 동작을 제어하는 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 제어 방법에 대한 순서도이고, 도 4a 내지 도 4c는 제어부의 제어 동작에 따른 전류 경로를 나타낸다.
먼저, 제어부(200)는 감지부(400)로부터 측정된 데이터를 수신받는데(S310), 여기서 측정 데이터는 앞서 설명한 것처럼 태양광 발전 시스템의 측정된 일사량일 수도 있고, 인버터부(300)로 입력되는 직류 전압의 크기일 수도 있다.
측정 데이터를 수신한 제어부(200)는 측정 데이터를 제1 기준 값과 비교한다(S320).
만일 일출 직전이나 흐린 날씨와 같이 일사량이 적은 경우, 즉 측정 데이터가 제1 기준 값보다 작은 경우, 제어부(200)는 제2 스위치(B11), 제3 스위치(B12), 제4 스위치(B13), 제5 스위치(B21) 제6 스위치(B22), 제15 스위치(E1) 제16 스위치(E2)를 턴온시킨다(S330).
그러면 60개의 태양광 모듈에 대하여 30개씩의 태양광 모듈이 직렬 연결되어 2개의 새로운 태양광 모듈 어레이가 형성된다.
즉, 흐린 날씨이거나 겨울철에는 일사량이 적으므로 인버터부(300)로 인가되는 직류 전압의 크기 또한 작아져서 인버터부(300)의 구동이 불안정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 인버터부(300)에 인가되는 전압을 보상하기 위해서 최대한 높은 전압을 인버터부(300)로 전달해야 하므로, 30개의 태양광 모듈이 직렬 연결되고, 2개의 병렬 연결이 생성되도록 제어부(200)는 태양광 발전 구동 회로(100)를 변경한다.
제어부(200)의 동작에 의해 인버터의 양(+)극, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제1 경로와 인버터의 양(+)극, 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150), 제6 어레이부(160) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제2 경로를 형성한다.
더욱 상세하게 설명하면 제1 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제1 어레이부(110)에 포함된 15개의 태양광 모듈(A1, A2, …, A14, A15), 제2 스위치(B11), 제15 스위치(E1), 제2 어레이부(120)에 포함된 15개의 태양광 모듈(B1, B2, …, B14, B15), 제3 스위치(B12) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
또한 제2 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제8 스위치(c), 제4 어레이부(140)에 포함된 5개의 태양광 모듈(D1, …, D5), 제5 스위치(B21), 제5 어레이부(150)에 포함된 5개의 태양광 모듈(E1, …, E5), 제6 스위치(B22), 제6 어레이부(160)에 포함된 5개의 태양광 모듈(F1, …, F5), 제16 스위치(E2), 제3 어레이부(130)에 포함된 15개의 태양광 모듈(C1, C2, …, C14, C15), 제4 스위치(B13) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 일사량이 낮거나 인버터부(300)에 인가되는 직류 전압의 크기가 작은 경우에는 최대한 많은 개수의 태양광 모듈이 직렬 어레이를 형성하도록 함으로써, 인버터부(300)의 구동상의 불안정성을 최소화한다.
한편 측정된 데이터가 제1 기준 값보다 크고 제2 기준 값보다 작은 경우, 제어부(200)는 복수의 제1 스위치(A11), 제5 스위치(B21), 제6 스위치(B22), 제9 스위치(A21), 제10 스위치(A22), 제11 스위치(D1), 제12 스위치(D2), 제13 스위치(D3), 제14 스위치(D4)를 턴온시킨다(S340).
그러면 60개의 태양광 모듈에 대하여 20개씩의 태양광 모듈이 직렬 연결되어 3개의 새로운 태양광 모듈 어레이가 형성된다.
즉, 인버터의 양(+)극, 제1 어레이부(110), 제4 어레이부(140) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제3 경로와 인버터의 양(+)극, 제2 어레이부(120), 제5 어레이부(150) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제4 경로, 그리고 인버터의 양(+)극, 제3 어레이부(130), 제6 어레이부(160) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제5 경로를 형성한다.
더욱 상세하게 설명하면 제3 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제1 어레이부(110)에 포함된 15개의 태양광 모듈(A1, A2, …, A14, A15), 제1 스위치(A11), 제4 어레이부(140)에 포함된 5개의 태양광 모듈(D1, …, D5), 제9 스위치(A21), 제11 스위치(D1) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
또한 제4 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제12 스위치(D2), 제2 어레이부(120)에 포함된 15개의 태양광 모듈(B1, B2, …, B14, B15), 제1 스위치(A11), 제5 어레이부(150)에 포함된 5개의 태양광 모듈(E1, …, E5), 제10 스위치(A22) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
그리고, 제5 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제13 스위치(D3), 제3 어레이부(130)에 포함된 15개의 태양광 모듈(C1, C2, …, C14, C15), 제1 스위치(A11), 제6 어레이부(160)에 포함된 5개의 태양광 모듈(F1, …, F5), 제12 스위치(D2) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
한편 측정된 데이터가 제2 기준 값보다 큰 경우, 제어부(200)는 제2 스위치(B11), 제3 스위치(B12), 제4 스위치(B13), 제5 스위치(B21), 제6 스위치(B22), 제8 스위치(c), 제11 스위치(D1), 제12 스위치(D2), 제13 스위치(D3) 및 제14 스위치(D4)를 턴온시킨다(S350).
그러면 60개의 태양광 모듈에 대하여 15개씩의 태양광 모듈이 직렬 연결되어 4개의 새로운 태양광 모듈 어레이가 형성된다.
즉, 청명한 날씨이거나 더운 여름철에는 일사량이 높으므로 인버터부(300)로 인가되는 직류 전압의 크기가 커져서, 인버터부(300)는 안정적으로 구동할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 역률을 높이고 전류의 흐름을 원활하게 하기 위하여 상대적으로 적은 15개의 태양광 모듈이 직렬 연결되고, 4개의 병렬 연결이 생성되도록 제어부(200)는 태양광 발전 구동 회로(100)를 변경한다.
제어부(200)의 동작에 의해, 인버터의 양(+)극, 제1 어레이부(110) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제6 경로와 인버터의 양(+)극, 제2 어레이부(120) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제7 경로, 인버터의 양(+)극, 제3 어레이부(130) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제8 경로, 인버터의 양(+)극, 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150), 제6 어레이부(160) 및 인버터의 음(-)극을 거치는 제9 경로를 형성한다.
더욱 상세하게 설명하면 제6 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제1 어레이부(110)에 포함된 15개의 태양광 모듈(A1, A2, …, A14, A15), 제2 스위치(B11), 제11 스위치(D1) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
그리고, 제7 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제2 어레이부(120)에 포함된 15개의 태양광 모듈(B1, B2, …, B14, B15), 제3 스위치(B12) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
또한 제8 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제13 스위치(D3), 제3 어레이부(130)에 포함된 15개의 태양광 모듈(C1, C2, …, C14, C15), 제4 스위치(B13) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
마지막으로 제9 경로는 인버터부(300)의 양(+)극, 제8 스위치(c), 제4 어레이부(140)에 포함된 5개의 태양광 모듈(D1, …, D5), 제5 스위치(B21), 제5 어레이부(150)에 포함된 5개의 태양광 모듈(E1, …, E5), 제6 스위치(B22), 제6 어레이부(160)에 포함된 5개의 태양광 모듈(F1, …, F5), 제14 스위치(D4) 및 인버터부(300)의 음(-)극을 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 일사량이 높거나 인버터부(300)에 인가되는 직류 전압의 크기가 큰 경우에는 직렬 연결되는 태양광 모듈의 개수를 줄이고, 안정적인 전류 흐름을 위해 병렬 연결의 개수를 늘리도록 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 메인 어레이부(101)와 보조 어레이부(102)는 각각 3개의 어레이부를 포함하고 있는 것으로 설명하였으나, 목표 발전량이나 주변 환경에 따라서 변경이 가능하다.
또한, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)는 각각 직렬 연결되어 있는 15개의 태양광 모듈을 포함하고, 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)는 각각 직렬 연결되어 있는 5개의 태양광 모듈을 포함하는 것으로 예시하였으나, 태양광 모듈의 개수는 마찬가지로 태양광 모듈의 사양 또는 발전 환경 등에 따라 설계 변경이 가능하다.
다만, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수는 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수보다 많아야 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 효율성이 증대된다고 볼 것이다. 특히, 메인 어레이부(101)와 보조 어레이부(102)는 각각 3개의 어레이부를 포함하고 있으므로, 제1 어레이부(110), 제2 어레이부(120) 및 제3 어레이부(130)에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수는 제4 어레이부(140), 제5 어레이부(150) 및 제6 어레이부(160)에 각각 포함된 태양광 모듈의 3배가 되는 것이 회로 구동상 바람직하다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 제1 기준값 및 제2 기준값 역시 태양광 모듈의 사양 또는 발전 환경 등에 따라 설계 변경이 가능하며, 측정 데이터가 인버터에 인가되는 전압인 경우에는 제1 기준값 및 제2 기준값은 Volt 단위로 나타낼 수 있고, 측정 데이터가 일사량인 경우에는 제1 기준값 및 제2 기준값은 단위당 Watt나 Joule 단위로 나타낼 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 흐린 날씨이거나, 일출 전, 겨울철과 같이 일사량이나 인버터 인가 전압의 크기가 낮은 경우, 병렬 연결되는 어레이를 줄이고 직렬 연결되는 태양광 모듈의 개수를 증가시켜 인버터의 전압 강하를 보상하여 안정적으로 인버터를 구동시킬 수 있도록 한다. 반대로, 청명하고 맑은 날씨이거나, 한낮, 여름철과 같이 일사량이나 인버터 인가 전압의 크기가 높은 경우, 병렬 연결되는 어레이를 늘이고 직렬 연결되는 태양광 모듈의 개수를 감소시켜 인버터에 안정적으로 전류 및 전압이 인가되도록 한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 태양광 모듈 어레이 회로의 직병렬 조합을 가변시켜 태양광시스템의 가동시간을 늘려 전체이용률을 향상시키고, 일사량에 따라 출력이 불안정한 어레이 모듈의 DC전압의 강하를 방지하며, 겨울철 어레이 모듈의 개방전압상승 방지한다. 또한, 모듈 어레이 DC 과전압에 의한 인버터의 정지 현상이 발생하지 않으며, 인버터 MPPT 제어기능을 향상시켜 인버터의 내구성이 증대시킬 수 있다. 또한 태양광 모듈과 인버터의 호환성이 향상되며, 스페어 모듈 방식 적용으로 실시간 모듈출력 대비 인버터의 출력을 최적화 할 수 있다.
이는 궁극적으로 향후 스마트그리드 시스템과 연동(전압전류제어)하여 분산형 전원의 대표주자인 태양광발전시스템의 단점인 봄, 가을에 비해 여름, 겨울이 발전효율이 낮다는 문제점을 보완시킬 수 있으므로 전력사용량이 폭증하는 여름과 겨울철 국가전력 수급관리에 많은 도움을 줄 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 태양광 발전 구동 회로, 101: 메인 어레이부,
102: 보조 어레이부, 110: 제1 어레이부,
120: 제2 어레이부, 130: 제3 어레이부,
140: 제4 어레이부, 150: 제5 어레이부,
160: 제6 어레이부, 200: 제어부,
300: 인버터부, 400: 감지부

Claims (15)

  1. 직렬 연결된 복수의 태양광 모듈을 포함하며, 제1단이 인버터의 제1극과 연결되는 제1 내지 제3 어레이,
    직렬 연결된 복수의 태양광 모듈을 포함하며, 제1단이 상기 제1 내지 제3 어레이의 제2단에 각각 연결되고, 제2단이 상기 인버터의 제2극과 연결되는 제4 내지 제6 어레이,
    일사량 또는 상기 인버터에 인가되는 직류 전압을 측정하기 위한 감지부, 그리고
    상기 일사량 또는 상기 인버터에 인가되는 직류 전압을 포함하는 측정 데이터에 따라 상기 제1 내지 제6 어레이 사이의 연결 상태가 변경되도록 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 측정 데이터가 제1 기준값보다 작은 경우,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이, 상기 제2 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제1 경로, 그리고
    상기 인버터의 제1극, 상기 제4 어레이, 상기 제5 어레이, 상기 제6 어레이, 상기 제3 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제2 경로를 형성시키는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정 데이터가 상기 제1 기준값보다 크고 제2 기준값보다 작은 경우,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이, 상기 제4 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제3 경로,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제2 어레이, 상기 제5 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제4 경로, 그리고
    상기 인버터의 제1극, 상기 제3 어레이, 상기 제6 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제5 경로를 형성시키는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정 데이터가 상기 제2 기준값보다 큰 경우,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제6 경로,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제2 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제7 경로,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제3 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제8 경로, 그리고
    상기 인버터의 제1극, 상기 제4 어레이, 제5 어레이, 제6 어레이 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 제9 경로를 형성시키는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서
    상기 제어부는,
    상기 측정 데이터의 값이 감소할수록, 하나의 어레이 내에 직렬 연결되는 태양광 모듈의 개수가 증가하도록 제어하고,
    상기 측정 데이터의 값이 증가할수록, 병렬연결되는 어레이의 개수가 증가하도록 제어하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 어레이의 제2단에 제1단이 각각 연결되는 복수의 제1 스위치,
    상기 제1 어레이의 마지막 태양광 모듈에 제1단이 연결된 제2 스위치,
    상기 제2 어레이의 마지막 태양광 모듈에 제1단이 연결되고 상기 인버터의 제2극에 제2단이 연결된 제3 스위치,
    상기 제3 어레이의 마지막 태양광 모듈에 제1단이 연결되고 상기 인버터의 제2극에 제2단이 연결된 제4 스위치,
    상기 제4 어레이의 마지막 태양광 모듈과 상기 제5 어레이의 첫번째 태양광 모듈 사이에 연결된 제5 스위치,
    상기 제5 어레이의 마지막 태양광 모듈과 상기 제6 어레이의 첫번째 태양광 모듈 사이에 연결된 제6 스위치,
    상기 제6 어레이의 마지막 태양광 모듈에 제1 단이 연결된 제7 스위치,
    상기 제4 어레이의 첫번째 태양광 모듈과 상기 인버터의 제1극 사이에 연결된 제8 스위치,
    상기 제4 어레이의 마지막 태양광 모듈에 제1단이 연결된 제9 스위치, 그리고
    상기 제5 어레이의 마지막 태양광 모듈에 제1단이 연결되고 상기 인버터의 제2극에 제2단이 연결된 제10 스위치를 더 포함하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제9 스위치의 제2단에 제1단이 연결되고, 상기 인버터의 제2극에 제2단이 연결된 제11 스위치,
    상기 제2 어레이의 첫번째 모듈에 제1단이 연결되고 상기 인버터의 제2극에 제2단이 연결된 제12 스위치,
    상기 제3 어레이의 첫번째 모듈에 제1단이 연결되고 상기 인버터의 제1극에 제2단이 연결된 제13 스위치,
    상기 제7 스위치의 제2단에 제1단이 연결되고 상기 인버터의 제2극에 제2단이 연결된 제14 스위치,
    상기 제11 스위치의 제1단과 상기 제12 스위치의 제1단에 연결된 제15 스위치, 그리고
    상기 제3 어레이의 첫번째 모듈에 제1단이 연결되고 상기 제7 스위치의 제2단에 제2단이 연결된 제16 스위치를 더 포함하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 측정 데이터가 상기 제1 기준값보다 작은 경우,
    상기 제어부는,
    제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치, 제5 스위치 제6 스위치, 제15 스위치, 제16 스위치를 턴온시켜 상기 제1 경로 및 제2 경로를 형성시키는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이에 복수의 태양광 모듈, 상기 제2 스위치, 상기 제15 스위치, 상기 제2 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제3 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하며,
    상기 제2 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제8 스위치, 상기 제4 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제5 스위치, 상기 제5 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제6 스위치, 상기 제6 어레이에 복수의 태양광 모듈, 상기 제16 스위치, 상기 제3 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제4 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 측정 데이터가 상기 제1 기준값보다 크고 상기 제2 기준값보다 작은 경우,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 제1 스위치, 제5 스위치, 제6 스위치, 제9 스위치, 제10 스위치, 제11 스위치, 제12 스위치, 제13 스위치, 제14 스위치를 턴온시켜 상기 제3 내지 제5 경로를 형성시키는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제1 스위치, 상기 제4 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제9 스위치, 상기 제11 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하며,
    상기 제4 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제12 스위치, 상기 제2 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제1 스위치, 상기 제5 어레이부에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제10 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하며,
    상기 제5 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제13 스위치, 상기 제3 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제1 스위치, 상기 제6 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제12 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 측정 데이터가 상기 제2 기준값보다 큰 경우,
    상기 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치, 제5 스위치, 제6 스위치, 제8 스위치, 제11 스위치, 제12 스위치, 제13 스위치 및 제14 스위치를 턴온시켜 상기 제6 내지 제9 경로를 형성시키는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제6 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제1 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제2 스위치, 상기 제11 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하며,
    상기 제7 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제2 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제3 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하며,
    상기 제8 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제13 스위치, 상기 제3 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제4 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하며,
    상기 제9 경로는,
    상기 인버터의 제1극, 상기 제8 스위치, 상기 제4 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제5 스위치, 상기 제5 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제6 스위치, 상기 제6 어레이에 포함된 복수의 태양광 모듈, 상기 제14 스위치 및 상기 인버터의 제2극을 포함하는 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 어레이에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수는 상기 제4 내지 제6 어레이에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수보다 많은 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 어레이에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수는 상기 제4 내지 제6 어레이에 각각 포함된 태양광 모듈의 개수의 3배인 가변 어레이를 이용한 태양광 발전 시스템.

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