KR101385692B1 - 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법 - Google Patents

태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법 Download PDF

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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

태양광 모듈에 부분 그림자 현상 등에 의해 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 때도 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있도록 한 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법에 관한 것으로, 측정 대상인 태양광 모듈과의 연결을 단속하면서 상기 태양광 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정한 아날로그 전압을 디지털 측정전압으로 변환하는 변환부; 상기 측정부의 단속을 제어하고, 상기 변환부에서 변환된 디지털 측정전압과 측정 시간을 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 제어부를 포함함으로써, 태양광 모듈에 부분 그림자 현상 등에 의해 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 때도 간단한 회로 구성에 의해 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있게 된다.

Description

태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법{Apparatus for maximum power point tracking in photovoltaic module and method thereof}
본 발명은 태양광모듈(photovoltaic module)의 최대전력점 추종(MPPT; maximum power point tracking)에 관한 것으로, 특히 태양광 모듈에 부분 그림자 현상 등에 의해 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 때도 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있도록 한 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 모듈의 최대전력점 추종(MPPT)장치는 발전 효율을 높이기 위해서 인버터 등에 사용되는 장치이다. 최대전력점(MPP)을 찾기 위한 여러 가지 방법들이 있는 데, 그 중 가장 보편적으로 사용하는 방법이 P&O(Perturb and Observe)알고리즘이다. 이 방식은 태양광 모듈의 전압 및 전류를 측정해서 이로부터 전력을 계산하고, 전력의 변화량을 보고 최대전력점(MPP)을 찾는 방법이다.
P&O 방식은 구현하기가 용이한데 비해 태양광의 일사량이 변하거나 온도가 변할 때는 최대전력점을 찾기가 어려워진다는 단점이 있다.
도 1은 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력(power)-전압 특성 곡선으로서, 태양광의 일사량이 변함에 따라 특성 곡선이 변화하는 것을 보인 것이다.
도 2는 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선으로서, 태양광의 온도가 변함에 따라 특성 곡선이 변화하는 것을 보인 것이다.
또한, 태양광 모듈은 내부에 서브모듈(sub-module)들로 구성되어 있는데, 그 중 어느 서브모듈에 그림자가 지거나 서브모듈에 열화가 발생하면 전력-전압 곡선의 봉우리가 복수가 되어 P&O 방식으로는 최대전력점을 찾을 수 없는 단점이 있다.
도 3은 태양광 모듈의 내부에 부분 그림자가 지거나 서브모듈 열화 등 이상이 있을 때의 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선을 나타낸 것이다.
상기와 같은 단점을 해결하기 위해 전압의 전 범위에서 전력을 측정해서 최대전력점의 전압을 찾는 방법도 제안되고 있다.
한편, 태양광 모듈의 최대전력점을 추종하는 또 다른 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2007-070685호(2007.07.04. 공개) 및 <특허문헌 2> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0025286호(2013.03.11. 공개)에 개시된다.
개시된 <특허문헌 1>은 태양 전지판의 전압, 전류 측정부와 DC-DC변환기 및 마이콤을 포함한 펄스폭 변조(PWM) 제어부로 구성되어 간단한 회로와 소프트웨어 알고리즘으로 최대 전력점을 추적함으로써, 복잡한 회로구성 없이도 최대 전력점을 효율적으로 추적하게 된다.
아울러 개시된 <특허문헌 2>는 정상상태일 때 최대전력점 근접직선을 통해 도출한 최대전력점과 측정된 최대전력의 전류값과의 오차가 일정 이상인 경우에 미스매치 상태로 판단하고, 추가 최대전력점 추종을 수행하게 된다. 이로써 일부 셀에 그림자 또는 눈 등이 셀을 덮는 것과 같은 미스매치 상태에 의해 정상작동하지 않아 다수의 최대전력점이 발생했을 경우에도 최대전력 추종제어가 가능하다.
대한민국 공개특허 공개번호 10-2007-070685호(2007.07.04. 공개) 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0025286호(2013.03.11. 공개)
그러나 상기와 같은 종래기술들은 전압의 전 범위에서 전력을 측정해서 최대전력점의 전압을 찾는 방법이므로, 최대전력점을 찾는 시간이 많이 소요되고, 최대전력점을 찾는 시간 동안 발전 효율이 떨어지는 문제가 발생하였다.
또한, 종래의 기술들은 태양광 모듈 내부의 서브모듈에 그림자가 지거나 서브모듈에 열화가 발생하여 전력-전압 곡선의 봉우리가 복수일 경우 최대전력점을 찾는 것이 불가능한 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양광 모듈에 부분 그림자 현상 등에 의해 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 때도 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있도록 한 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 회로 구성에 의해 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있도록 한 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치는 측정 대상인 태양광 모듈과의 연결을 단속(斷續)하면서 상기 태양광 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정한 아날로그 전압을 디지털 측정전압으로 변환하는 변환부; 상기 측정부의 단속을 제어하고, 상기 변환부에서 변환된 디지털 측정전압과 측정 시간을 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 측정부는 상기 태양광 모듈과 연결을 단속하기 위한 제1스위치 및 제2스위치; 상기 제1스위치 및 제2스위치의 사이에 게재되고, 상기 제2스위치의 온시 방전을 하고, 상기 제1스위치의 온시 전압을 충전하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제어부는 상기 측정부 내의 제1스위치 및 제2스위치를 제어하는 스위치 제어부; 상기 변환부에서 출력되는 디지털 측정 전압과 측정 시간을 매핑하여 메모리에 저장하는 전압/전류 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제어부는 상기 메모리에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전압을 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전압 변화량을 산출하는 전압/전류 변화량 산출부; 상기 전압/전류 변화량 산출부에 의해 산출한 전압 변화량 중 전압 변화량이 가장 클 때의 전압을 최대전력점으로 선택하는 최대 전력점 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 측정부는 상기 태양광 모듈과 연결을 단속하기 위한 제3스위치 및 제4스위치; 상기 제4스위치 후단에 구비되어, 상기 제4스위치의 온시 방전을 하고, 상기 제3스위치 온 및 제4스위치 오프시 전류를 축적하는 인덕터; 상기 인덕터에서 출력되는 전류를 감쇄하여 기준 전류를 출력하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전압/전류 저장부는 상기 변환부에서 출력되는 디지털 측정 전류와 측정 시간을 매핑하여 메모리에 저장하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 전압/전류 변화량 산출부는 상기 메모리에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전류를 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전류 변화량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 최대 전력점 선택부는 상기 전압/전류 변화량 산출부에 의해 산출한 전류 변화량 중 전류 변화량이 가장 클 때의 전류를 최대전력점으로 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종방법은 (a) 측정 대상인 태양광 모듈과의 연결을 단속(斷續)하면서 상기 태양광 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 단계 ; (b) 상기 측정한 아날로그 전압 또는 전류를 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류로 변환하고, 상기 변환된 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류를 측정 시간과 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 태양광 모듈에 부분 그림자 현상 등에 의해 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 때도 간단한 회로 구성에 의해 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일사량 변화시 일반적인 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선도,
도 2는 온도 변화시 일반적인 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선도,
도 3은 태양광 모듈에 일부 그림자 또는 서브모듈의 열화 발생시 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선도,
도 4는 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치의 제1 실시 예 회로도,
도 5는 도 4의 제어부 실시 예 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치의 제2 실시 예 회로도,
도 7은 본 발명에서 시간별 전압, 전압제곱, 전압 제곱 미분 값의 관계도,
도 8 및 도 9는 본 발명에서 MATLAB 시뮬레이션을 통해 산출한 결과 그래프,
도 10 및 도 11은 초기 전압(전류)이 존재할 경우 MATLAB 시뮬레이션을 통해 산출한 결과 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종방법의 제1 실시 예를 보인 흐름도,
도 13은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종방법의 제2 실시 예를 보인 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시 예에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치의 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치는 태양광 모듈(10), 측정부(20), 변환부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
태양광 모듈(10)은 태양 전지를 이용하여 태양 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 역할을 한다.
측정부(20)는 상기 태양광 모듈(10)과의 연결을 단속(斷續)하면서 상기 태양광 모듈(10)의 전압 또는 전류를 측정하는 역할을 한다.
이러한 측정부(20)는 상기 태양광 모듈(10)과 연결을 단속하기 위한 제1스위치(S1) 및 제2 스위치(S2); 상기 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)의 사이에 게재되고, 상기 태양광 모듈(10)과 병렬로 접속되어, 상기 제2스위치(S2)의 온(on)시 방전을 하고, 상기 제1스위치(S1)의 온(on)시 전압을 충전하는 커패시터(C)를 포함한다.
변환부(30)는 상기 측정부(20)에서 측정한 아날로그 전압을 디지털 측정전압으로 변환하는 역할을 한다. 이러한 변환부(30)는 상기 측정부(20)에서 측정한 아날로그 전압을 분배하는 분배저항(R1)(R2), 상기 분배저항(R1)(R2)에서 분배된 전압을 디지털 측정전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(A/D)를 포함한다.
제어부(40)는 상기 측정부(20)의 단속을 제어하고, 상기 변환부(30)에서 변환된 디지털 측정전압과 측정 시간을 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 역할을 한다.
이러한 제어부(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 측정부(20) 내의 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)를 제어하는 스위치 제어부(41); 상기 변환부(30)에서 출력되는 디지털 측정 전압과 측정 시간을 매핑하여 메모리(45)에 저장하는 전압/전류 저장부(44); 시간 정보를 발생하는 시간 발생부(43); 상기 메모리(45)에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전압을 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전압 변화량을 산출하는 전압/전류 변화량 산출부(46); 상기 전압/전류 변화량 산출부(46)에 의해 산출한 전압 변화량 중 전압 변화량이 가장 클 때의 전압을 최대전력점(MPP)으로 선택하는 최대 전력점 선택부(47)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치의 제1 실시 예는 태양광 모듈(10)의 전압을 측정하기 위한 커패시터(C)를 태양광 모듈(10)에 병렬로 접속하고, 스위치의 단속을 이용하여 커패시터(C)를 상기 태양광 모듈(10)에 접속하거나 접속을 차단하는 방식을 이용하여 전압을 측정하게 된다.
예컨대, 태양광 모듈(10)의 전압을 측정하기 이전에 제어부(40)의 스위치 제어부(41)는 측정부(20)의 제1스위치(S1)를 오프하고, 제2스위치(S2)를 온(on) 상태로 제어하여, 커패시터(C)에 잔존하는 전압을 방전하게 된다. 이렇게 방전되는 전압은 변환부(30)를 통해 디지털 전압으로 변환되어 제어부(40)에 입력된다. 제어부(40)의 측정신호 입력부(42)는 입력되는 측정 전압을 스위치 제어부(41)에 전달한다. 스위치 제어부(41)는 입력되는 전압을 검색하여 0V가 되면(커패시터 완전 방전), 상기 측정부(20)의 제2스위치(S2)는 오프시키고, 제1스위치(S1)를 온시켜 태양광 모듈(10)의 출력 전압을 측정하게 된다.
이때 측정부(20)의 커패시터(C) 전압은 0V에서 태양광 모듈(10)의 개방회로(open circuit) 전압인 Voc까지 상승하게 되며, 이 전압을 변환부(30)에서 분배저항(R1)(R2)으로 분배하고, 아날로그/디지털 변환기(A/D)에서 샘플링하여 아날로그 측정 전압을 디지털 측정전압으로 제어부(40)에 전달한다.
제어부(40)의 측정신호 입력부(42)는 입력되는 전압을 스위치 제어부(41)에 전달하게 되고, 스위치 제어부(41)의 신호에 따라 전압/전류 저장부(44)는 시간 발생부(43)에서 발생한 시간 정보와 측정한 디지털 측정전압을 매핑하여 메모리(45)에 테이블 형태로 저장하게 된다.
예컨대, 커패시터(C) 방전전압이 0V에서 Voc까지 상승할 때까지를 일정 시간 간격(예를 들어, 1㎲)으로 나누어 전압을 측정하고, 그 측정한 전압과 시간 정보를 매핑하여 메모리(45)에 테이블 형태로 저장하게 되는 것이다.
이러한 과정으로 태양광 모듈(10)의 전압을 측정하여 저장하게 되고, 이후 측정 전압이 Voc전압이 되면 전압/전류 변화량 산출부(46)는 상기 메모리(45)에 저장한 시간별 디지털 측정전압을 제곱하고(전압^2), 그 제곱 치를 다시 미분하여 전압 변화량(Δ(전압^2))으로 상기 테이블에 저장하게 된다. 도 7은 상기 측정 시간, 디지털 측정 전압, 전압 제곱 치, 전압 변화량을 테이블로 표시한 것이다.
이후 최대전력점 선택부(47)는 상기 메모리(45)에 저장된 테이블을 기초로 전압 변화량이 가장 클 때의 전압을 최대전력점 지점으로 선택한다. 도 7에서 보면 최대 전력점(MPP) 지점은 시간대로 보면 101㎲ 및 102㎲가 된다.
이러한 방식으로 최대전력점 위치를 찾게 되면, 전압의 전 범위에서 전력을 측정해서 최대전력점의 전압을 찾는 방법에 비해서 최대전력점 위치를 찾는 시간을 단축할 수 있으며, 태양광 모듈에 그림자가 지거나 서브모듈의 열화로 전력-전압 곡선의 봉우리가 복수인 경우에도 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 8은 MATLAB 시뮬레이션을 통해 산출한 결과 그래프이다. 태양광 모듈(10)의 전류-전압 특성 함수는 I = f(V)와 같으므로 모듈의 전력은 하기 수식(1)과 같이 전압만으로 표현된다.
Figure 112013052739329-pat00001
커패시터가 태양광 모듈에 연결되면 모듈의 전류가 바로 커패시터의 전류가 되므로 수식 (2)와 같이 전력값은 커패시터 전압 제곱의 미분치에 비례하게 된다.
Figure 112013052739329-pat00002
이를 통해 본 발명에 의한 최대전력점 추종방식이 타당함을 알 수 있다. 이와 같은 시뮬레이션 결과를 토대로 태양광 모듈 내부에 부분 그림자가 발생해서 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 경우에도 최대전력점을 정확하게 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 10은 측정부(20)의 커패시터(C)에 초기 전압(예를 들어, 30V)이 존재할 경우, MATLAB 시뮬레이션을 통해 산출한 결과 그래프이다.
이러한 방식일 경우 커패시터(C)에 걸리는 태양광 모듈(10)의 전압이 0V까지 내려갈 필요 없이 특정 값에서 충전을 시작하면, 그 시작점부터 Voc사이의 최대전력점을 찾을 수 있어, 커패시터(C)를 완전히 방전시키는 방식에 비해 더욱 빨리 최대전력점을 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치의 제1 실시 예 회로도로서, 도 4의 측정부(20)를 전류 측정을 위한 측정부(50)로 대치한 것이다. 즉, 도 4는 커패시터를 이용한 전압 측정 방식이고, 도 6은 인덕터(L)를 이용한 전류 측정 방식이다.
도 6의 측정부(50)는 상기 태양광 모듈(10)과 연결을 단속하기 위한 제3스위치 및 제4스위치(S3 ~ S4); 상기 제4스위치(S4)의 후단에 위치하여, 상기 제4스위치(S4)의 온시 방전을 하고, 상기 제3스위치(S3) 온 및 제4스위치(S4)의 오프시 전류를 축적하는 인덕터(L); 상기 인덕터(L)에서 출력되는 전류를 감쇄하여 기준 전류를 출력하는 저항(Rs)을 포함한다.
그리고 제어부(40) 내의 전압/전류 저장부(44)는 상기 변환부(60)에서 출력되는 디지털 측정 전류와 측정 시간을 매핑하여 메모리(45)에 저장하고, 전압/전류 변화량 산출부(46)는 상기 메모리(45)에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전류를 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전류 변화량을 산출하게 된다.
아울러 최대 전력점 선택부(47)는 상기 전압/전류 변화량 산출부(46)에 의해 산출한 전류 변화량 중 전류 변화량이 가장 클 때의 전류를 최대전력점으로 선택하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치의 제2 실시 예는 태양광 모듈(10)의 전류를 측정하기 위한 인덕터(L)를 스위치 단속을 통해 태양광 모듈(10)에 접속하거나 차단하여 태양광 모듈(10)의 전류를 측정하게 된다.
예컨대, 태양광 모듈(10)의 전류를 측정하기 이전에 제어부(40)의 스위치 제어부(41)는 측정부(50)의 제3스위치(S3)를 오프하고, 제4스위치(S4)를 온(on) 상태로 제어하여, 인덕터(L)에 축적된 에너지를 방전하게 된다.
이렇게 방전되는 전류는 변환부(60)의 연산증폭기(OP)를 통해 증폭되고, 아날로그/디지털 변환기(A/D)를 통해 디지털 전류로 변환되어 제어부(40)에 입력된다. 제어부(40)의 측정신호 입력부(42)는 입력되는 측정 전류를 스위치 제어부(41)에 전달한다. 스위치 제어부(41)는 입력되는 전류를 검색하여 0A가 되면(인덕터 완전 방전), 상기 측정부(50)의 제4스위치(S4)는 오프시키고, 제3스위치(S3)는 온 시켜, 태양광 모듈(10)의 출력 전류를 측정하게 된다.
이때 측정부(50)의 인덕터(L)에는 전류가 흐르기 시작하고, 이후 태양광 모듈(10)의 단락 전류인 Isc까지 흐르게 되는 데, 이 전류를 변환부(60)에서 연산증폭기(OP)에서 증폭하고, 그 증폭된 전류를 아날로그/디지털 변환기(A/D)에서 샘플링하여 아날로그 측정 전류를 디지털 측정전류로 제어부(40)에 전달한다.
제어부(40)의 측정신호 입력부(42)는 입력되는 전류를 스위치 제어부(41)에 전달하게 되고, 스위치 제어부(41)의 신호에 따라 전압/전류 저장부(44)는 시간 발생부(43)에서 발생한 시간 정보와 측정한 디지털 측정전류를 매핑하여 메모리(45)에 테이블 형태로 저장하게 된다.
예컨대, 인덕터(L)의 방전전류가 0A에서 Isc까지 상승할 때까지를 일정 시간 간격(예를 들어, 1㎲)으로 나누어 전류를 측정하고, 그 측정한 전류와 시간 정보를 매핑하여 메모리(45)에 테이블 형태로 저장하게 되는 것이다.
이러한 과정으로 태양광 모듈(10)의 전류를 측정하여 저장하게 되고, 이후 측정 전류가 Isc전류가 되면 전압/전류 변화량 산출부(46)는 상기 메모리(45)에 저장한 시간별 디지털 측정전류를 제곱하고(전류^2), 그 제곱 치를 다시 미분하여 전류 변화량(Δ(전류^2))으로 상기 테이블에 저장하게 된다.
이후 최대전력점 선택부(47)는 상기 메모리(45)에 저장된 테이블을 기초로 전류 변화량이 가장 클 때의 전류를 최대전력점 지점으로 선택한다.
이러한 방식으로 최대전력점 위치를 찾게 되면, 전류의 전 범위에서 전력을 측정해서 최대전력점의 전류를 찾는 방법에 비해서 최대전력점 위치를 찾는 시간을 단축할 수 있으며, 태양광 모듈에 그림자가 지거나 서브모듈의 열화로 전력-전압 곡선의 봉우리가 복수인 경우에도 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 9는 MATLAB 시뮬레이션을 통해 산출한 결과 그래프이다. 태양광 모듈(10)의 전류-전압 특성 함수는
Figure 112013052739329-pat00003
와 같이 주어지고, 이때 모듈의 전력은 수식 (3)과 같이 전류만으로 표현된다.
Figure 112013052739329-pat00004
그리고 인덕터가 태양광 모듈에 연결된 경우 모듈의 전압이 바로 인덕터의 전압이 되므로 수식 (4)와 같이 전력값은 인덕터 전류 제곱의 미분치에 비례한다.
Figure 112013052739329-pat00005
이를 통해 본 발명에 의한 최대전력점 추종방식이 타당함을 알 수 있다. 이와 같은 시뮬레이션 결과를 토대로 태양광 모듈 내부에 부분 그림자가 발생해서 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 경우에도 최대전력점을 정확하게 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 11은 측정부(50)의 인덕터(L)에 초기 전류가 존재할 경우, MATLAB 시뮬레이션을 통해 산출한 결과 그래프이다.
이러한 방식일 경우 인덕터(L)에 걸리는 태양광 모듈(10)의 전류가 0A까지 내려갈 필요 없이 특정 값에서 충전을 시작하면, 그 시작점부터 Isc사이의 최대전력점을 찾을 수 있어, 인덕터(L)를 완전히 방전시키는 방식에 비해 더욱 빨리 최대전력점을 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종방법의 제1 및 제2 실시 예를 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다. 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 모듈의 최대전력점 추종방법의 제1 및 제2 실시 예는 (a) 측정 대상인 태양광 모듈(10)과의 연결을 단속(斷續)하면서 상기 태양광 모듈(10)의 전압 또는 전류를 측정하는 단계(S11 ~ S14)(S21 ~ S24); (b) 상기 측정한 아날로그 전압 또는 전류를 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류로 변환하고, 상기 변환된 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류를 측정 시간과 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 단계(S15)(S25)를 포함한다.
도 12의 방법은 태양광 모듈의 전압을 측정하여 최대전력점을 찾는 방식이고, 도 13의 방법은 태양광 모듈의 전류를 측정하여 최대전력점을 찾는 방식으로서, 입력 조건만 상이할 뿐 최대전력점을 찾는 방식이 동일하므로, 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 12에 도시한 전압을 이용하는 방식만을 설명하기로 한다.
먼저, 단계 S11에서 측정부(20)의 제1스위치(S1)를 오프하고, 제2스위치(S2)를 온 시켜 커패시터(C)의 충전 전압을 방전시킨다. 이후 단계 S12에서 상기 커패시터(C)의 방전전압이 0V인지를 확인하여, 상기 커패시터(C)의 방전전압이 0V이면 단계 S13으로 이동하여 상기 제2스위치(S2)를 오프하고, 상기 제1스위치(S1)을 온시켜 태양광 모듈(10)의 전압을 측정하게 된다.
그리고 단계 S14에서 태양광 모듈(10)의 개방회로 전압인 Voc까지 각각의 시간별로 전압을 측정하고, 이후 단계 S15로 이동하여 최대전력점을 결정한다.
여기서 최대전력점 결정은 시간별로 측정한 전압을 시간 정보와 함께 매핑하여 메모리에 저장하고, 상기 메모리에 저장한 시간별 디지털 측정전압을 제곱하고(전압^2), 그 제곱 치를 다시 미분하여 전압 변화량(Δ(전압^2))을 산출하여 테이블 형태로 저장하게 된다.
그리고 상기 메모리에 저장된 테이블을 기초로 전압 변화량이 가장 클 때의 전압을 최대전력점 지점으로 선택한다.
이러한 방식으로 최대전력점 위치를 찾게 되면, 전압의 전 범위에서 전력을 측정해서 최대전력점의 전압을 찾는 방법에 비해서 최대전력점 위치를 찾는 시간을 단축할 수 있으며, 태양광 모듈에 그림자가 지거나 서브모듈의 열화로 전력-전압 곡선의 봉우리가 복수인 경우에도 신속 정확하게 최대전력점을 찾을 수 있게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 태양광 모듈의 최대전력점 추종에 적용된다. 특히, 태양광 모듈의 부분 그림자 현상 등에 의해 복수의 봉우리가 전력-전압 곡선상에 존재할 때에 정확하게 최대전력점을 찾는 데 효과적으로 적용할 수 있다.
10… 태양광 모듈
20, 50… 측정부
30, 60… 변환부
40… 제어부
43… 시간 발생부
44… 전압/전류 저장부
45… 메모리
46… 전압/전류 변화량 산출부
47… 최대전력점 선택부

Claims (10)

  1. 태양광 모듈의 최대전력점을 추종하는 장치에 관한 것으로서,
    측정 대상인 태양광 모듈과의 연결을 단속하면서 상기 태양광 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부;
    상기 측정부에서 측정한 아날로그 전압 또는 아날로그 전류를 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류로 변환하는 변환부;
    상기 측정부의 단속을 제어하고, 상기 변환부에서 변환된 디지털 측정전압과 측정 시간을 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 제어부를 포함하고;
    상기 측정부는 상기 태양광 모듈과 연결을 단속하기 위한 제1스위치 및 제2스위치; 상기 제1스위치 및 제2스위치의 사이에 게재되고, 상기 제2스위치의 온시 방전을 하고, 상기 제1스위치의 온시 전압을 충전하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 상기 측정부 내의 제1스위치 및 제2스위치를 제어하는 스위치 제어부; 상기 변환부에서 출력되는 디지털 측정 전압과 측정 시간을 매핑하여 메모리에 저장하는 전압/전류 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부는 상기 메모리에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전압을 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전압 변화량을 산출하는 전압/전류 변화량 산출부; 상기 전압/전류 변화량 산출부에 의해 산출한 전압 변화량 중 전압 변화량이 가장 클 때의 전압을 최대전력점으로 선택하는 최대 전력점 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 최대 전력점 선택부는 상기 전압/전류 변화량 산출부에 의해 산출한 전류 변화량 중 전류 변화량이 가장 클 때의 전류를 최대전력점으로 선택하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 전압/전류 저장부는 상기 변환부에서 출력되는 디지털 측정 전류와 측정 시간을 매핑하여 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 전압/전류 변화량 산출부는 상기 메모리에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전류를 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전류 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  8. 태양광 모듈의 최대전력점을 추종하는 장치에 관한 것으로서,
    측정 대상인 태양광 모듈과의 연결을 단속하면서 상기 태양광 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 측정부;
    상기 측정부에서 측정한 아날로그 전압 또는 아날로그 전류를 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류로 변환하는 변환부;
    상기 측정부의 단속을 제어하고, 상기 변환부에서 변환된 디지털 측정전압과 측정 시간을 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 제어부를 포함하고;
    상기 측정부는 상기 태양광 모듈과 연결을 단속하기 위한 제3스위치 및 제4스위치; 상기 제4스위치의 후단에 구비되며, 상기 제4스위치의 온시 방전을 하고, 상기 제3스위치 온 및 제4스위치의 오프시 전류를 축적하는 인덕터; 상기 인덕터에서 출력되는 전류를 감쇄하여 기준 전류를 출력하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치.
  9. 태양광 모듈의 최대전력점을 추종하는 방법에 관한 것으로서,
    (a) 측정 대상인 태양광 모듈과의 연결을 단속하면서 상기 태양광 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 단계;
    (b) 측정한 아날로그 전압 또는 전류를 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류로 변환하고, 상기 변환된 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류를 측정 시간과 매핑하여 저장하며, 측정 시간별로 저장한 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하는 단계를 포함하고;
    상기 (b) 단계는 메모리에 저장한 측정 시간별 디지털 측정전압 또는 디지털 측정전류를 제곱하고, 그 제곱한 결과치를 미분하여 측정 시간별 전압 또는 전류 변화량을 산출하고, 산출한 전압 변화량 또는 전류 변화량 중 전압 변화량 또는 전류 변화량이 가장 클 때의 전압 또는 전류를 최대전력점으로 선택하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 최대전력점 추종방법.

  10. 삭제
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