KR101147806B1 - 마이크로 인버터를 이용한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 시스템은 태양 전지 모듈로부터 생성된 직류 전력을 승압하는 직류-직류 전력 변환부, 상기 승압 직류-직류 전력 변환부에 연결된 고주파 변압기; 및 상기 고주파 변압기에 연결된 직류-교류 전력 변환부를 포함하고, 상기 인버터의 출력단은 상용전원계통에 연결된다.

Description

마이크로 인버터를 이용한 태양광 발전 시스템{A SYSTEM USING A MICRO INVERTER}
본 발명은 태양광 발전 시스템 및 방법에 관한 것이며, 특히 각각의 태양 전지 모듈에 개별적으로 고효율의 고주파 방식의 마이크로 인버터를 연결함으로써 분산형 링크 구조로 상용전력계통에 교류 전력을 전달하고, 마이크로 인버터 출력단에서 상용전원계통을 실시간으로 감시하여 단독 운전(islanding operation)을 방지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 태양광 발전 시스템은 태양에너지를 전기에너지로 바꾸기 위해 태양 전지 모듈을 직/병렬 연결하여 어레이를 형성하고 태양 전지 어레이에서 생산된 직류 전력을 송전선망에 적용 가능한 교류 전력으로 변환하기 위한 인버터를 구비한다.
한편, 태양 전지의 특성은 일사량 및 온도 등 주변 환경에 따라 변하기 때문에 출력 전압, 및 출력 전류도 주변 환경에 따라 쉽게 변하게 되며, 이에 따라 태양 전지에서 발생되는 전압과 전류는 비선형성의 관계를 갖게 된다. 이러한 특성 때문에 태양 전지 모듈을 직렬이나 병렬로 연결할 경우 시간에 따라 다른 전압에서 최대 전력을 생산하는 것이 대부분이어서 효율성의 측면에서 문제점이 있다.
아울러 여러 개의 태양 전지 모듈을 직렬이나 병렬로 연결한 경우, 구름이 지나가거나 근처의 사물에 의해서 태양 전지 모듈에 그늘이 지게 되면 어레이 형태로 구성된 태양광 모듈의 전압 및 전류에 따라 최대 전력 발전을 할 수 있는 포인트가 달라지게 된다. 또한 결정질 태양전지, 비결정질 태양전지, 연료감응 태양전지 등 태양전지의 종류에 따라 발전 포인트가 달라질 수 있으며, 나아가 같은 종류의 태양전지 모듈이라도 생산 시 제조오차에 의해서 발전 포인트가 서로 다를 수 있다.
특히, 태양 전지 모듈이 직렬로 연결된 경우에는 가장 낮은 전류가 흐르는 모듈이 전체 전류 값을 결정하게 되고 병렬 연결될 경우에는 가장 낮은 전압이 전체 전압을 결정하게 된다. 이러한 현상 때문에 다수의 모듈이 다른 발전 포인트가 있지만 하나의 모듈에 의해서 발전 포인트가 결정되기 때문에 전체 태양광 발전 시스템의 효율이 저하될 수 있다. 또한 태양 전지 모듈의 전압이 인버터 동작 전압 이하로 내려가게 되면 인버터가 오프되어 발전 전력의 손실이 있을 수 있으며, 경우에 따라 인버터의 고장은 발전 전력 전체의 손실을 야기할 수 있다.
아울러 최근 들어 태양광 발전 시스템에서 단독 운전(Islanding) 발생이 화두가 되고 있다. 여기서 단독 운전이란 계통의 사고 또는 정전발생시 선로의 유지/보수 및 기타의 사유로 계통을 차단하였음에도 불구하고, 태양광 발전 시스템이 이를 검출하지 못하여 배전선에 계속해서 전력을 공급하는 것을 말한다. 이러한 상태에서 태양광 발전시스템에서 계통 측으로 전력공급을 계속하게 될 경우 안전에 문제가 발생할 수 있고, 나아가 부정확한 주파수에 동기하여 태양광 발전 시스템이 동작하게 되는 문제가 발생한다. 향후에 분산형 전원시스템이 보편화되는 경우에 이러한 독립운전에 대한 문제는 더욱 중요해지는데, 그 이유는 분산형 독립운전의 경우 여러 가지 전원이 계통 측에 연결되어 있으므로 계통의 배전부에서 독립현상이 발생할 경우 서로 다른 전원끼리 시스템에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
본 발명은 상기에 언급한 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 태양광 발전 시스템을 분산형 링크 구조로 구현하는 것을 그 과제로 한다.
본 발명은 또한 고효율의 고주파 방식의 인버터를 연결하여 발전 효율을 높이는 것을 그 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 태양광 발전 시스템은,
태양 전지 모듈로부터 생성된 직류 전력을 승압하는 직류-직류 전력 변환부;
상기 승압 직류-직류 전력 변환부에 연결된 고주파 변압기; 및
상기 고주파 변압기에 연결된 직류-교류 전력 변환부를 포함하고,
마이크로 인버터의 출력단은 상용전원계통에 연결된다.
바람직하게는, 마이크로 인버터는,
상기 출력단에서 전압, 임피던스, 및 주파수를 검출하는 검출부; 및
단독 운전(islanding operation)을 방지하기 위해 검출되는 데이터를 이용하여 상기 상용전원계통을 실시간으로 감시하는 감시부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 태양광 발전 시스템은,
상기 인버터와 무선으로 연결되는 원격 관리부를 더 포함하고,
상기 인버터는 상기 원격 관리부와 무선으로 연결되기 위해 RF 시스템을 포함하며,
상기 원격 관리부는 상기 인버터, 및 상기 상용전원계통을 실시간으로 감시한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 태양광 발전 시스템은 상용전원계통에 연결된 다수의 태양광 발전 어레이들을 포함하고, 상기 다수의 태양광 발전 어레이들 각각은,
상용전원계통에 직접 연결되는 마스터(master) 마이크로 인버터; 및
상기 마스터 마이크로 인버터를 이용하여 상기 상용전원계통에 간접 연결되는 다수의 슬레이브(slave) 마이크로 인버터들을 포함하고,
상기 마스터 마이크로 인버터 및 상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 각각은,
태양 전지 모듈로부터 생성된 직류 전력을 승압하는 직류-직류 전력 변환부;
상기 승압 직류-직류 전력 변환부에 연결된 고주파 변압기; 및
교류 입력단 및 교류 출력단을 포함하며, 상기 고주파 변압기에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 직류-교류 전력 변환부를 포함하고,
상기 마스터 마이크로 인버터 및 상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 각각은 캐스케이드(cascade) 방식으로 결선되어 있다.
바람직하게는,
상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 중 제 1 슬레이브 마이크로 인버터의 교류 출력단은 상기 마스터 마이크로 인버터의 교류 입력단으로 연결되고, 상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 중 제 2 슬레이브 마이크로 인버터의 교류 출력단은 상기 제 1 슬레이브 마이크로 인버터의 교류 입력단으로 연결되어 있다.
바람직하게는, 캐스케이드 방식은
너무 많은 마이크로 인버터를 캐스케이드 방식으로 연결하면 최종단의 마스터 마이크로 인버터에 높은 전류가 흐르게 되어 마스터 마이크로 인버터의 시스템의 손상을 초래할 수 있게 된다. 따라서 마이크로 인버터를 3~5개 정도를 캐스케이드 방식으로 연결하여 다수의 마스터 마이크로 인버터들을 상용전원계통에 직접 연결한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 태양광 발전 방법은,
태양 전지에 의해 태양광을 이용하여 직류 전력을 생성하는 단계;
직류-직류 전력 변환부에 의해 상기 생성된 직류 전력을 승압하는 단계;
교류-교류 전력 변환부에 의해 상기 승압된 직류 전력을 고주파 절연 방식을 적용하여 교류 전력으로 변환하는 단계; 및
상기 교류 전력을 상용전원계통에 전달하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
단독 운전(islanding operation)을 방지하기 위해 상기 상용전원계통의 전압, 임피던스, 및 주파수를 검출하여, 상기 상용전원계통을 실시간으로 감시하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 태양광 발전 시스템을 분산형 링크 구조로 구현할 수 있고, 이에 따라 전력 생산 효율을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 고효율의 고주파 방식으로 인버터를 연결하여 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 태양광 발전 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다수의 마이크로 인버터가 캐스케이드(cascade) 방식으로 연결된 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양광 발전 방법을 도시한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 태양광 발전 시스템을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 다수의 태양 전지 모듈(101a 내지 101i), 인버터(103), 부하(105), 상용전원계통(107)이 도시된다.
다수의 태양 전지 모듈(101a 내지 101i)은 서로 간에 직/병렬로 연결되어 태양 전지 모듈 어레이(101)를 형성한다. 한편, 도 1에는 9개의 태양 전지 모듈이 도시되어 있으나 이는 설명을 위한 예시에 불과한 것이며, 통상 임의의 개수의 태양 전지 모듈이 서로 연결 가능하다. 다수의 태양 전지 모듈(101a 내지 101i) 각각은 태양광을 흡수하여 직류 전력을 생성한다.
인버터(103)는 상기 태양 전지 모듈 어레이(101)에 연결되어, 다수의 태양 전지 모듈(101a 내지 101i)에서 생성된 직류 전력을 수신하며, 수신된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상용전원계통(107)으로 전달한다.
한편, 다수의 태양 전지 모듈(101a 내지 101i)은 서로 간에 직/병렬로 연결되어 있으므로, 개별 모듈의 동작은 다른 모듈들에 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 만일 태양 전지 모듈(101a)이 고장 나서 실질적으로 무한대의 저항값을 갖게 된다면, 태양 전지 모듈(101a)과 직렬로 연결되어 있는 태양 전지 모듈들(101d, 101g)에서 생성되는 전력은 인버터(103)로 전달되지 않게 되며, 이에 따라 이후의 전력 생산은 태양 전지 모듈들(101a, 101d, 101g)을 제외한 나머지 태양 전지 모듈에서만 생산되는 것과 동일한 결과를 야기한다.
또한 예컨대, 태양 전지 모듈 어레이(101)에서 생산되는 전력이 정상적인 생산량에 미치지 못하는 경우, 태양 전지 모듈 어레이(101) 중 적어도 하나의 모듈에 이상이 있다고 판단될 수 있다. 그러나 이러한 경우에도 어떤 모듈에 이상이 있는지 파악하기 위해서는 개별 모듈 전체에 대해 조사가 필요하며, 이는 전체 발전 시스템의 효율성 저하의 원인이 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템(200)을 도시한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 태양 전지(210), 마이크로 인버터(220), 및 상용전원계통(230)이 도시된다. 한편, 도 2에서는 1개의 태양 전지(210) 및 1개의 마이크로 인버터(220)가 도시되지만, 이는 보다 명확한 설명을 위한 일 예시에 불과하며, 본 발명에 따르면 실질적으로 다수개의 태양 전지가 각각 다수개의 마이크로 인버터와 일대일로 연결되는 분산형 링크 구조로 상용전력계통에 교류 전력을 제공한다.
태양 전지(210)는 태양광을 흡수하여 직류 전력을 생성한다. 태양 전지(210)에서 생성된 직류 전력은 마이크로 인버터(220)에 전달되며, 마이크로 인버터(220)는 교류 전력을 상용전원계통(230)으로 전달한다.
마이크로 인버터(220)는 직류-직류 전력 변환부(221), 고주파 변압기(222), 직류-교류 전력 변환부(223), 검출 감시부(224), 제어부(225), 및 RF 시스템(226)을 포함한다.
직류-직류 전력 변환부(221)는 태양 전지(210)로부터 직류 전력을 수신하여 이를 승압한다. 직류-교류 전력 변환부(223)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
한편, 본 발명은 고주파 변압기(222)를 직류-직류 전력 변환부(221)와 직류-교류 전력 변환부(223) 사이에 배치하며, 이를 통해 고주파 절연방식으로 적용할 수 있다. 이와 같이 고주파 절연방식을 적용함으로써 저주파 절연 방식보다 비용, 크기, 및 무게를 감소시킬 수 있으며, 또한 직류-교류 전력 변환부의 입력 전압을 일정하게 유지할 수 있다.
검출 감시부(224)는 검출부(224a; 도시되지 않음), 및 감시부(224b; 도시되지 않음)를 포함한다. 검출부(224a)는 상용전원계통(230)과 연결되어 있는 직류-교류 전력 변환부의 출력단에서 전압, 임피던스, 및 주파수를 검출한다. 감시부(224b)는 검출부(224a)에서 얻어지는 전압, 임피던스, 및 주파수 등의 데이터를 이용하여 상용전원계통(230)을 실시간으로 감시하며, 이에 따라 미리 정해진 기준에 따라 상용전원계통(230)이 정상 상태에 있는지, 비정상 상태에 있는지 판단할 수 있다.
제어부(225)는 직류-직류 전력 변환부(221), 고주파 변압기(222), 직류-교류 전력 변환부(223), 검출 감시부(224), 및 RF 시스템(226)의 동작을 제어한다. 일 예시로서, 제어부(225)는 감시부(224b)가 미리 정해진 기준에 따라 상용전원계통이 정상 상태에서 비정상 상태로 변경된 것으로 판단한 경우, 마이크로 인버터(220)를 상용전원계통(230)으로부터 분리시키도록 동작할 수 있다. 다른 예시로서, 제어부(225)는 감시부(224b)가 미리 정해진 기준에 따라 상용전원계통이 비정상 상태에서 정상 상태로 변경된 것으로 판단한 경우, 마이크로 인버터(220)를 상용전원계통과 연결시키도록 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시 예에서, 만일 상용전원계통(230)에 사고가 발생하여 정전이 된 경우, 검출 감시부(224)에서는 상용전원계통의 전압, 임피던스, 및 주파수의 변화를 검출하여 이를 통해 상용전원계통(230)이 비정상 상태로 변경된 것을 판단할 수 있다. 이에 응하여 제어부(225)는 마이크로 인버터(220)를 상용전원계통으로부터 분리시키도록 동작할 수 있으며, 이를 통해 마이크로 인버터(220)의 단독 운전을 방지할 수 있다.
일 예시로서, 마이크로 인버터(220)는 마이크로 인버터(220)의 상태, 및 상용전원계통(230)의 상태를 외부에 있는 원격 관리부(도시되지 않음)로 송신하기 위해 RF 시스템(226)을 포함할 수 있다. 상기 원격 관리부에서는 RF 시스템(226)을 통해 송신되는 신호를 수신하여 마이크로 인버터(220), 및 상용전원계통(230)을 실시간으로 감시할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양광 발전 시스템(300)을 도시하며, 태양광 발전 시스템(300)은 제 1 태양광 발전 어레이(3101), 제 2 태양광 발전 어레이(3102), ..., 제 n-1 태양광 발전 어레이(310n-1), 및 제 n 태양광 발전 어레이(310n)를 포함한다. 한편, 각각의 태양광 발전 어레이(3101, 3102, ..., 310n-1, 310n; 이하 통칭하여 310)는 다수의 마이크로 인버터(31411 내지 3141n, 31421 내지 3142n, ..., 314n-1?1 내지 314n-1?n, 및 314n1 내지 314nn; 이하 통칭하여 314)가 각각 일대일로 태양 전지(31211 내지 3121n, 31221 내지 3122n, ..., 312n-1?n 내지 312n-1?n, 및 312n1 내지 312nn; 이하 통칭하여 312)에 연결된 구조를 가지며, 상기 다수의 마이크로 인버터(314)는 각각 캐스케이드(cascade) 방식으로 연결된다.
(캐스케이드 방식에 대한 설명 추가)
제 1 태양광 발전 어레이는 태양 전지(31211) 내지 태양 전지(3121n), 및 마이크로 인버터(31411) 내지 마이크로 인버터(3141n)를 포함한다. 한편, 본 발명은 임의의 개수의 태양 전지 및 마이크로 인버터를 포함할 수 있다. 다만, 하나의 태양광 발전 어레이에 너무 많은 개수의 마이크로 인버터가 캐스케이드 방식으로 연결되면 최종단의 마스터 마이크로 인버터에 높은 전류가 흐르게 되어 시스템의 손상을 초래할 수 있으며, 본 발명자에 의한 연구 결과 하나의 태양광 발전 어레이에 최소 3개 최대 5개의 마이크로 인버터를 포함하는 것이 발전 효율 및 시스템 안정도 측면에서 바람직하다.
한편, 일일이 도시되지 않았으나 제 1 태양광 발전 어레이(3101)의 구성요소들은 나머지 태양광 발전 어레이들(3102, ..., 310n-1, 310n)의 구성요소에 대응한다.
아울러 도 3에 도시된 다수의 마이크로 인버터들(314)은 각각 도 2의 마이크로 인버터(220)에 대응하며, 이에 따라 직류-직류 전력 변환부, 고주파 변압기, 인버터를 각각 포함한다. 이에 추가하여, 도 3의 마이크로 인버터들(314)은 각각 교류 입력단, 및 교류 출력단을 포함한다.
도 3을 계속 참조하면, 각각의 태양 전지(312)는 일대일로 각각의 마이크로 인버터(314)와 연결된다. 설명의 편의를 위해 제 1 태양광 발전 어레이(3101)를 예를 들어 설명하면, 각각의 마이크로 인버터(31411 내지 3141n)는 도 3에 도시된 것과 같이 서로 간에 결선된다. 이중에 마스터 마이크로 인버터(31411)는 직접 상용전원계통에 연결되고, 슬레이브 마이크로 인버터들(31412 내지 3141n)은 마스터 마이크로 인버터(31411)를 이용하여 상용전원계통에 간접 연결된다. 즉, 슬레이브 마이크로 인버터들(31412 내지 3141n) 중 마이크로 인버터 2(31412)의 교류 출력단(31412o)은 마스터 마이크로 인버터(31411)의 교류 입력단(31411i)으로 연결되고, 마이크로 인버터 3(31413)의 교류 출력단(31413o)은 마이크로 인버터 2(31412)의 교류 입력단(31412i)으로 연결된다. 한편 이러한 연결 방식을 본 발명에서는 캐스케이드(cascade) 방식이라 정의한다.
도 3에 도시된 마스터 마이크로 인버터와 슬레이브 마이크로 인버터들의 연결은 예시에 불과한 것으로, 도 3에 도시된 원리 따라 마스터 마이크로 인버터와 슬레이브 마이크로 인버터들의 위치 및 역할은 바뀔 수 있고 다수의 마이크로 인버터들을 연결할 때 마스터 마이크로 인버터가 2개 이상이 될 수 도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 캐스케이드 방식으로 마이크로 인버터를 연결함으로써, 태양광 발전 시스템에서 태양 전지 모듈의 직/병렬 조합의 부조화에 의한 효율 저감 현상을 제거할 수 있으며, 나아가 계통연계형 태양광 인버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 태양광 발전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 단계(410)에서 태양 전지에 의해 태양광을 이용하여 직류 전력을 생성한다. 이어서 단계(420)에서 생성된 직류 전력을 직류-직류 전력 변환부에 의해 승압한다. 이어서 단계(430)에서 승압된 직류 전력을 인버터에 의해 고주파 절연 방식을 적용하여 교류 전력으로 변환한다. 이어서 단계(440)에서 교류 전력을 상용전원계통에 전달한다. 단계(450)에서는 상용전원계통의 전압, 임피던스, 및 주파수를 검출하여, 상용전원계통을 실시간으로 감시하며, 만일 미리 정해진 기준에 따라 상기 상용전원계통이 정상 상태에서 비정상 상태로 변경된 것으로 판단된 경우, 인버터를 상용 전원계통으로부터 분리시키고, 미리 정해진 기준에 따라 상기 상용전원계통이 비정상 상태에서 정상 상태로 변경된 것으로 판단된 경우, 인버터를 상기 상용전원계통과 연결시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명이 특정한 실시 예들에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이, 다양한 변경이 이뤄질 수 있고 또한 균등물들이 치환될 수 있다는 점은 당해 기술 분야에 숙련된 자들에게 이해될 것이다. 추가적으로, 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이, 특정한 상황이나 물적 요건을 본 발명의 지침에 맞게 조절할 수 있도록 다양한 개조가 이뤄질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정한 실시에 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 내에 들어오는 모든 실시 예들을 포함한다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 상용전원계통에 연결된 다수의 태양광 발전 어레이들을 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 다수의 태양광 발전 어레이들 각각은,
    상용전원계통에 직접 연결되는 마스터(master) 마이크로 인버터; 및
    상기 마스터 마이크로 인버터를 이용하여 상기 상용전원계통에 간접 연결되는 다수의 슬레이브(slave) 마이크로 인버터들을 포함하고,
    상기 마스터 마이크로 인버터 및 상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 각각은,
    태양 전지 모듈로부터 생성된 직류 전력을 승압하는 직류-직류 전력 변환부;
    상기 승압 직류-직류 전력 변환부에 연결된 고주파 변압기; 및
    교류 입력단 및 교류 출력단을 포함하며, 상기 고주파 변압기에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 직류-교류 전력 변환부를 포함하고,
    상기 마스터 마이크로 인버터 및 상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 각각은 캐스케이드 방식으로 결선되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 중 제 1 슬레이브 마이크로 인버터의 교류 출력단은 상기 마스터 마이크로 인버터의 교류 입력단으로 연결되고, 상기 다수의 슬레이브 마이크로 인버터들 중 제 2 슬레이브 마이크로 인버터의 교류 출력단은 상기 제 1 슬레이브 마이크로 인버터의 교류 입력단으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  6. 삭제
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  8. 삭제
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