KR101382946B1 - Photovoltaic power generation system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 인버터; 및, 상기 인버터의 출력신호를 검출하고 일정 범위 이내로 전류를 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.Photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention is a solar cell; A converter connected to the output terminal of the solar cell; An inverter connected to an output terminal of the converter; And a controller configured to control the inverter by detecting an output signal of the inverter and adjusting a current within a predetermined range.
Description
본 발명은 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양광 발전시 인버터의 출력 전류를 제어하여 고속응답이 용이하게 달성 가능하고 신뢰성이 개선된 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photovoltaic power generation system and a control method thereof, and more particularly, to a photovoltaic device and a method of controlling the output current of an inverter during photovoltaic power generation, which can be easily achieved at high speed and have improved reliability. It is about.
최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장치 등 매우 다양하게 활용되고 있다.Recently, as the problem of depletion of natural resources and the environment and stability of nuclear power generation and nuclear power generation have been raised, studies on solar energy and wind power, which are representative green green energy, are actively underway. In particular, photovoltaic power generation is widely used in the fields of automobiles, toys, residential power generation and street lamps, as well as unmanned lighthouses, clock towers, and communication devices, which are separated from system lines and distant places.
이러한 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로서, 일반적인 태양전지는 전기에너지원과는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 기존의 전기에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정하게 동작한다. 또한 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력/출력 조건에서도 항상 안정한 장치으로 동작한다. 즉 선형 전압원을 가지는 전기에너지원을 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수 있다.Such a solar cell transforms the light energy of the sun into electric energy, and a typical solar cell has electric characteristics which are considerably different from those of an electric energy source. Since the conventional electric energy has the characteristics of a linear voltage source, it maintains a constant voltage and operates stably at all times even if a linear or nonlinear load is applied to the load end. Also, since it has only one operating point, it always operates as a stable device under any input / output conditions. That is, when using an electric energy source having a linear voltage source, desired operating conditions can be obtained regardless of the load conditions.
그러나 태양전지는 비선형소스로 구분되어, 태양전지로부터 생성되는 전력은 부하조건, 입사되는 태양광에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기후변화에 의해 태양전지(10)의 발전전압(Vs)이 증가하여, 인버터(30)에 입력되는 전압(Vd)도 증가하게 된다. 그런데 인버터(30)의 출력전류는 계통전압이 변동하게 되면 그 영향을 많이 받기 때문에 시스템이 불안정해지는 문제점이 존재한다.However, the solar cells are classified into nonlinear sources, and the power generated from the solar cells changes in size depending on load conditions and incident sunlight. As shown in FIG. 1, the power generation voltage Vs of the
본 발명은 인버터의 출력전류가 계통전압의 변동에 의해 영향을 받게 되어 시스템이 불안정해지고, 나아가 시스템이 정지하는 경우를 방지하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to prevent the output current of the inverter is affected by the fluctuation of the grid voltage, the system becomes unstable, and further the system stops.
또한 최대전력점에서 동작하다가 이를 벗어나는 경우, 최대전력점에 추종하는데 필요한 시간을 감소시키는 것을 목적으로 한다.In addition, when operating at the maximum power point and out of it, it aims to reduce the time required to follow the maximum power point.
발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 인버터; 및, 상기 인버터의 출력전류를 제어하는 출력전류 제어기;를 포함한다.Photovoltaic device according to an embodiment of the present invention is a solar cell; A converter connected to the output terminal of the solar cell; An inverter connected to an output terminal of the converter; And an output current controller for controlling the output current of the inverter.
발명의 실시예에 따르면 태양전지의 계통전압의 변동을 제어할 수 있어, 소자의 신뢰성이 개선된다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to control the fluctuation of the grid voltage of the solar cell, thereby improving the reliability of the device.
또한, 간단한 구성의 피드 포워드 루프를 추가하여 최대전력점에 추종하는데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다.In addition, a simple forward feed forward loop can be added to reduce the time required to follow the maximum power point.
도 1은 종래 기술에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 출력전류 제어기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따라 출력전류 제어기가 포함되는 태양광 발전 시스템의 회로도이다.
도 5는 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프이다.1 is a block diagram of a solar cell apparatus according to the prior art.
2 is a configuration diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a configuration of an output current controller according to an embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram of a photovoltaic power generation system including an output current controller according to an embodiment of the invention.
5 is a graph of current-voltage characteristics and power-voltage characteristics of a solar cell.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
도 2는 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 장치는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지(100), 상기 태양전지(100)의 출력단에 접속되어, 상기 태양전지(100)에서 발생된 DC 전력을 임의의 직류전압으로 변환하는 컨버터(200), 상기 컨버터(200)의 출력단에 접속된 인버터(300), 상기 인버터(300)의 출력단에 접속되고, 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있는 상용전원(400), 상기 인버터(300)의 전류를 검출하고 일정 범위 이내로 전류를 조절하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.2 is a configuration diagram of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the photovoltaic device is connected to a
태양전지(100)는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양으로부터 공급되는 광 에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 태양 전지는 비정질 실리콘, 결정 실리콘, 또는 화합물 반도체 등으로 구현될 수 있다. 또한, 태양전지(100)는 부하(load)에서 요구하는 전력(Po)을 획득하기 위하여 다수의 태양 전지가 직병렬로 조합된 어레이 형태로 구성될수 있다.The
부하(load)는 전기 히터 또는 전기 모터 또는 상용 AC 전력 계통 등과 같은 고전력을 요구하는 동력 수단을 예로 들 수 있다. 또한 USN(Ubiquitous Sensor Network) 시스템과 같은 저전력으로 동작되는 부하일 수도 있다.The load may be, for example, a power means requiring high power, such as an electric heater or an electric motor or a commercial AC power system. It may also be a load operated at low power, such as a Ubiquitous Sensor Network (USN) system.
상기에서 컨버터(200)는 인덕터, 반도체 스위치 및 다이오드로 구성될 수 있으며, 태양전지(100)에서 출력되는 전압을 특정 전압으로 승압시키는 역할을 수행한다.The
제1 드라이버(210)는 상기 컨버터(200)의 스위치와 연결될 수 있으며, 온, 오프 듀티를 조절하여 상기 컨버터(200)의 출력전압을 제어할 수 있다.The
상기 인버터(300)는 단상 풀브릿지 또는 3상 인버터로 구성될 수 있으며, 제2 드라이버(310)는 상기 인버터(300)의 반도체 스위치를 구동시킨다. The
상용전원(400)의 계통에서 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있다.The grid voltage Vgrid may be detected in the grid of the
상기 제어부(500)는 전압 제어부(510), 출력전류 제어부(520), MPPT(최대 전력 추종부, Maximum Power Point Tracking:530) 및 출력전력 제어부(540)를 포함할 수 있다.The
제어부(500)에 포함되는 전압 제어부(510)는 컨버터(200)의 출력전압을 검출하여 전압의 제어신호를 상기 제1 드라이버(210)로 전달하고, 상기 제1 드라이버(210)는 상기 제어신호를 상기 컨버터(200)에 포함된 스위치로 전달하여 컨버터(200)의 출력전압을 제어한다.The
제어부(500)에 포함되는 출력전류 제어부(520)는 상기 인버터(300)의 출력전류를 검출하여 전류의 제어신호를 상기 제2 드라이버(310)로 전달하고, 상기 제2 드라이버(310)는 상기 제어신호를 상기 인버터(300)에 포함된 스위치로 전달하여 인버터(300)의 출력전압을 제어한다. 출력전류 제어부(520)의 구체적인 신호 흐름에 대해서는 후술한다.The output
제어부(500)에 포함되는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)(530)는 상기 전류 검출부 및 전압 검출부에 의해 검출된 태양전지(100)의 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 태양전지(100)의 출력 전력을 계산하고, 계산된 전력을 추종하여 태양전지(100)의 최대 전력점을 추출한다. 예를 들어, 상기 MPPT(530)는 상기 태양전지(100)의 동작 전압을 가변시키면서 이전 동작점 전력과 현재 동작점 전력의 차이를 비교하여 최대 전력점을 추종하는 Hill-Climbing 방식을 이용하여 상기 태양전지(100)의 최대 전력점을 추출한다.The maximum power point tracking (MPPT) 530 included in the
제어부(500)에 포함되는 출력전력 제어부(540)는 상기 MPPT(530)와 연결된다. 상기 출력전력 제어부(540)는 태양전지(100)와 인버터(300)의 출력전력을 비교하여, 특정 직류 전류값(Ioref)을 출력한다. 상기 Ioref와 계통전압값을 적산하는 것에 의해 출력전류 제어계의 목표값이 생성된다.The
도 3은 발명의 실시예에 따른 출력전류 제어기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4는 발명의 실시예에 따라 출력전류 제어기가 포함되는 태양광 발전 시스템의 회로도이다.3 is a diagram illustrating a configuration of an output current controller according to an embodiment of the present invention. 4 is a circuit diagram of a photovoltaic power generation system including an output current controller according to an embodiment of the invention.
도 3에 도시된 바와 같이 출력전류 제어기(520)는 전압 비례기(521), 곱산기(522), 감산기(523), 보상기(524), 가산기(525), 게이트 신호 발생기(526) 및 전류 비례기(527)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the output
도 3에 도시된 바와 같이 인버터(300)의 출력전압(Vcs)은 전압 비례기(521)로 입력된다. 전압 비례기(521)로 입력된 출력전압(Vcs)에는 전압 비례기(521)의 비례 상수인 1/Kvsense가 곱해진다. 상기 신호는 곱산기(522)로 입력된다. 상기 곱산기에 의해 Vcs/Kvsense 및 직류 전류값(Ioref)이 곱해지게 된다.As shown in FIG. 3, the output voltage Vcs of the
전압 비례기(521)에서 출력되는 신호는 인버터(300)의 출력전류의 목표값을 생성하기 위해 곱산기(522)로 입력된다. 도 3에서 Ioref는 직류 신호로, 이것과 교류 신호인 상용전압을 적산하는 것에 의해, 인버터(300)의 출력전류의 목표값을 생성하게 된다. 전압 비례기(521)에서 출력되는 다른 신호는 출력전압의 피드 포워드 신호로 가산기(525)에 입력된다.The signal output from the
상기 곱산기(522)는 출력전력 제어부(540)에서 출력되는 직류 전류값(Ioref)과, 전압 비례기(521)에서 출력되는 레퍼런스 전류(Iref)를 입력받아 곱산하여 출력값을 감산기(523)로 전달한다. The
상기 감산기(523)는 상기 곱산기(522)의 출력값과 전류 비례기(527)의 신호를 입력받아 오차를 계산하여 보상기(524)로 전달한다.The
상기 보상기(524)는 감산기(532)로부터의 전류 오차 신호를 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전류 오차를 보상하고, 그에 상응하는 신호를 출력하여 가산기(525)로 전달한다.The
상기 가산기(525)는 상기 보상기(524)의 출력신호와 상기 전압 비례기(521)의 출력신호를 입력받아 오차를 계산하여 게이트 신호 발생기(526)로 전달한다.The
게이트 신호 발생기(526)는 가산기(525)의 출력에 근거하여 인버터(300)에 포함되는 스위치 소자(예를 들어, MPDFET, IGBT 등)를 구동하는 신호를 생성한다. 일반적으로 가산기(525)의 출력과 캐리어(삼각파형, 톱날파형)과 비교하여 PWM 신호가 생성된다. 게이트 신호는 상기 제2 드라이버(310)의 입력신호가 되어 스위치 소자를 구동하기 때문에, 일정한 전압값으로 증폭된 신호가 상기 제2 드라이버(310)로부터 출력되어 상기 인버터(300)로 입력되어 전류가 제어된다.The
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 상기 각 블록으로 표시된 구성요소들의 수학적 표현에 따르는 간단한 계산으로, 도 3 및 도 4에 도시된 시스템의 전체 전달 함수가 통일성을 가지게 됨을 알 수 있다. 즉, 상기 도 3 및 도 4의 전류 피드 포워드 제어 시스템은 전류 제어의 트랙킹 응답성을 향상시킬 수 있음을 보여준다.In the above series of processes, it can be seen that the overall transfer function of the system shown in FIGS. 3 and 4 has uniformity by simple calculation according to the mathematical expression of the components represented by the blocks. That is, the current feed forward control system of FIGS. 3 and 4 can improve the tracking response of the current control.
도 4는 발명의 실시예에 따라 출력전류 제어기가 포함되는 태양광 발전 시스템의 회로도이다.4 is a circuit diagram of a photovoltaic power generation system including an output current controller according to an embodiment of the invention.
도 4에 도시된 바와 같이 인버터(300)의 출력단에는 필터(350)를 포함할 수 있다. 또한 상기 필터(350)로부터의 전압을 상용전원(400)에 전달할 수 있다.As shown in FIG. 4, the output terminal of the
도 4에서 iout와 iL은 엄밀하게 동일하지는 않으나, 스위칭 주파수가 상기 필터(350)의 컷오프(cut-off)주파수보다 충분히 낮으면(예를 들어, 10배 내지 20배) 동일한 것으로 고려해도 무방하다. 전압과 전류의 관계식을 나타내면 다음과 같다.In FIG. 4, iout and iL are not strictly the same, but may be considered to be the same if the switching frequency is sufficiently lower than the cut-off frequency of the filter 350 (eg, 10 to 20 times). . The relation between voltage and current is as follows.
수학식 1Equation 1
인버터(300)의 출력 역률이 1로 동작하는 것으로 가정하고 계통전압 Vcs를, Assuming that the output power factor of the
수학식 2Equation 2
로 설정하면, Is set to "
수학식 3Equation 3
가 성립된다. 이에 따라 하기의 수학식이 성립한다. . Accordingly, the following equation holds.
수학식 4Equation 4
Vcs를 피드 포워드하지 않으면 상용전압(계통전압)이 변화한 경우, VB가 크게 변화하지 않으면 소정의 출력 전류값을 얻을 수 없게 된다. 피드 포워드에 의해 VB가 크게 변화하지 않고 제어계의 추종성능이 향상된다.If the commercial voltage (system voltage) changes without the feed forward of Vcs, the predetermined output current value cannot be obtained unless V B changes significantly. The feed forward improves the tracking performance of the control system without significantly changing V B.
상기 수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이 Vcs를 피드 포워드함에 따라 전압을 효과적으로 제어할 수 있다.As can be seen in Equation 4, the voltage can be effectively controlled by feedforwarding Vcs.
도 5는 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프이다. 도 5를 참조하면, 태양 전지로부터의 전류-전압 특성은 전압이 증가되어도 전류가 일정하게 유지되다가, 특정 전압 이상이면 전류를 급격히 감소하게 된다. 이를 태양 전지판으로부터의 전력-전압 특성 그래프와 비교해보면, 전압의 증가에 따라 전력이 증가되고, 최대 전력점(Pmax) 이상에서는 전력이 급격히 감소하게 되는 특성이 발생한다. 상기 MPPT(550)는 최대 전력이 되는 전력 목표값을 생성하는 것으로, 태양 전지의 전류-전압 특성을 고려하여 최대전력을 출력할 수 있도록 전력값을 조절한다.5 is a graph of current-voltage characteristics and power-voltage characteristics of a solar cell. Referring to FIG. 5, the current-voltage characteristic from the solar cell maintains a constant current even when the voltage is increased, and rapidly decreases the current when the voltage is higher than a specific voltage. Comparing this with the power-voltage characteristic graph from the solar panel, the power increases as the voltage increases, and the characteristic that the power decreases sharply above the maximum power point Pmax occurs. The MPPT 550 generates a target power value of maximum power, and adjusts the power value to output the maximum power in consideration of the current-voltage characteristic of the solar cell.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects and the like described in the embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects and the like illustrated in the embodiments can be combined and modified by other persons skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
Claims (6)
상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터;
상기 컨버터의 출력단에 접속된 인버터; 및,
상기 인버터의 출력신호를 검출하고 일정 범위 이내로 전류를 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 컨버터와 연결되어 상기 컨버터를 제어하는 전압 제어부;
상기 인버터와 연결되어 상기 인버터를 제어하는 출력전류 제어부;
상기 태양전지와 연결되어 상기 태양전지의 최대 전력점을 추종하는 MPPT; 및
상기 MPPT 및 상기 출력전류 제어부와 연결되는 출력전력 제어부를 포함하고,
상기 출력전류 제어부는,
상기 인버터의 출력 전압에 비례 상수를 연산하여 출력하는 전압 비례기;
상기 인버터의 출력 전류에 비례 상수를 연산하여 출력하는 전류 비례기;
상기 전압 비례기의 출력값과 상기 출력전력 제어부의 출력값을 곱하는 곱산기;
상기 곱산기의 출력값과 상기 전류 비례기의 출력값을 감산하는 감산기;
상기 감산기의 출력값을 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전류 오차를 보상하고, 그에 상응하는 신호를 출력하는 보상기;
상기 보상기의 출력값과 상기 전압 비례기의 출력값을 가산하는 가산기;
상기 가산기의 출력값을 입력받아 상기 인버터의 제어신호를 출력하는 게이트 신호 발생기를 포함하는 태양광 발전 시스템.Solar cell;
A converter connected to the output terminal of the solar cell;
An inverter connected to an output terminal of the converter; And
A control unit for detecting the output signal of the inverter and controlling the inverter by adjusting a current within a predetermined range,
Wherein,
A voltage controller connected to the converter to control the converter;
An output current controller connected to the inverter to control the inverter;
An MPPT connected to the solar cell to follow the maximum power point of the solar cell; And
An output power control unit connected to the MPPT and the output current control unit;
The output current control unit,
A voltage proportioner configured to calculate and output a proportional constant to the output voltage of the inverter;
A current proportioner for calculating and outputting a proportional constant to the output current of the inverter;
A multiplier for multiplying the output value of the voltage proportionr by the output value of the output power controller;
A subtractor for subtracting the output value of the multiplier and the output value of the current proportioner;
A compensator receiving the output value of the subtractor to compensate for the current error by a predetermined algorithm and outputting a signal corresponding thereto;
An adder for adding an output value of the compensator and an output value of the voltage proportional unit;
And a gate signal generator configured to receive an output value of the adder and output a control signal of the inverter.
상기 인버터는 단상 풀브릿지 또는 3상 인버터로 구성되는 태양광 발전 시스템.The method of claim 1,
The inverter is a solar power generation system consisting of a single-phase full bridge or three-phase inverter.
상기 게이트 신호 발생기와 연결되고 상기 게이트 신호 발생기에서 출력되는 스위칭 신호를 이용하여 상기 인버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 제2 드라이버를 포함하는 태양광 발전 시스템.The method of claim 1,
And a second driver connected to the gate signal generator and driving a semiconductor device constituting the inverter by using a switching signal output from the gate signal generator.
상기 컨버터 및 전압 제어부와 연결되고 상기 전압 제어부에서 출력되는 스위칭 신호를 이용하여 상기 컨버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 제1 드라이버를 포함하는 태양광 발전 시스템. The method of claim 1,
And a first driver connected to the converter and the voltage controller and driving the semiconductor device constituting the converter by using a switching signal output from the voltage controller.
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