KR101481452B1 - 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템은, 태양광으로부터 에너지를 수집하여 DC 전력을 생산하는 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과; 각각의 동일한 정격 전력변환용량을 가지는 것으로서, 상기한 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과 동일개수이며, 입력되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 다수의 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn)와; 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)에서 생산되는 전력을 합산하는 전력합산부(30)와; 정격 전력변환용량이 한 단위전력이 되도록, 합산전력을 하나 이상의 단위전력으로 분산하는 단위전력분산부(40)와; 분산된 단위전력의 개수에 대응되는 개수의 단위인버터로 상기 단위전력을 공급하는 분산전력공급부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템{PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터에서 손실되는 전력을 최소화하여 고효율 태양광 발전을 가능하게 하는 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전관리시스템에 관한 것이다.

태양광 발전장치는, 다수개의 태양광모듈을 이용하여 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로, 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없고 유지관리가 용이하고 수명이 길기 때문에 새로운 에너지원으로 각광받고 있다. 태양광 발전장치는 소형의 태양광모듈을 여러개 직렬 또는 병렬로 연결하여 구현되기 때문에 특정 구조물에 설치되어 소규모 발전이 가능하다.

이러한 태양광 발전장치는, 태양광으로부터 DC 전력을 생산하는 태양광모듈과, 입력되는 DC전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터와, 태양광모듈에서 발생된 DC전력을 인버터로 공급하는 접속반으로 구성된다.

일반 가정에서 가장 많이 사용하는 태양광 발전시스템을 구축하고자 할 경우, 전력생산량이 3KW 급 태양광모듈과 입력되는 DC 전력이 3KW 인 인버터를 사용한다. 현재 3KW 급의 태양광 발전시스템을 구축하는데 있어 인버터의 전력변환효율은 96% 전후이고, 약 4% 의 전력변환손실이 발생한다. 그리고 인버터가 작동되기 위한 정격전압은 100~500V 이며, 100V 이하의 입력전압이 인가될 때 인버터는 작동을 하지 못한다.

한편 대용량의 태양광 발전을 하고자 할 경우, 정격전력생산용량이 큰 대용량 태양광모듈과 대용량 정격 전력변환용량을 가지는 대용량 인버터를 사용한다.

그런데 대용량 인버터의 경우, DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 전력변환효율이 소용량 인버터에 비하여 떨어진다. 예를 들면 30KW 급의 태양광 발전장치에 채용되는 인버터의 전력변환효율이 93% 정도로 약 7% 의 전력변환손실이 발생한다. 이는 대용량 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 과정에서 많은 열이 발생하고, 또한 인버터를 구성하는 부품들이 대용량 전력에 대하여 충분한 전기적 내구성을 확보하기가 어렵기 때문이다.

이에 따라 본 출원인은, 다수개의 단위태양광모듈 및 소용량 인버터를 다수개 연결하여 고효율 태양광 발전시스템을 구현하기 위한 연구를 진행하고 있다.

그런데 다수의 소용량 태양광모듈과 다수의 소용량 인버터로 구성되는 태양광 발전시스템의 경우, 날씨가 흐리거나 주간에서 야간으로 변화되는 시간대에 태양광 모듈에서 발생되는 전압이 작아지게 되어 정격전압 이하가 되면 인버터가 작동되지 않게 되어 전력변환이 이루어지지 않게 된다. 더 나아가 낮은 정격전압에 근접할수록 인버터는 전력변환손실이 커지고, 이에 따라 각각에서의 전련변환손실이 더해져 결국 큰 전력변환손실이 발생되었다라는 문제점이 있었다.

이와 같이 인버터에서 발생하는 전력변환손실의 줄이기 위한 선행기술이 공개번호 10-2009-0096780에 태양광 발전용 계통연계형 인버터의 운전방법이란 명칭으로 개시된 바와 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 다수의 단위태양광모듈에서 생성되는 합산전력을 다수의 단위인버터로 분산 공급하여 전체적인 전력변환손실을 줄일 수 있는 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템은,
태양광으로부터 에너지를 수집하여 DC 전력을 생산하는 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn); 각각 동일한 정격 전력변환용량을 가지는 것으로서, 상기한 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과 동일개수이며, 입력되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 다수의 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn); 상기 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)에서 생산되는 전력을 합산하여 합산전력으로 만드는 전력합산부(30); 최대 전력점추종이 가능한 정격 전력변환용량이 한 단위전력이 되도록, 상기 합산전력을 하나 이상의 단위전력으로 분산하고, 분산후 그 단위전력보다 작은 전력이 남을 때 여분전력으로 분산하는 단위전력분산부(40); 상기 분산된 단위전력의 개수에 대응되는 개수의 단위인버터로 상기 단위전력을 공급하고, 상기 여분전력은 나머지 인버터들중 어느 하나로 공급하는 분산전력공급부(50); 및 합산전력이 몇개의 단위전력으로 분산되었는지를 관리자가 알 수 있도록 하기 위하여, 상기 단위전력분산부(40)에서 분산하는 단위전력를 표시하기 위한 단위전력표시부(60);를 포함하는 것을 특징으로 합니다.

삭제

본 발명에 있어서, 상기 다수의 단위인버터에서 AC 로 변환된 전력을 합산하는 변환전력합산부(70)를 더 포함한다.

삭제

본 발명에 따르면, 다수의 단위태양광모듈에서 생성되는 합산전력을 다수의 단위인버터로 분산 공급하여 인버터에서 발생되는 전체적인 전력변환손실을 줄일 수 있고, 이에 따라 고효율 태양광 발전을 가능하게 할 수 있다라는 작용, 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템의 구성을 설명하기 위한 도면,

이하, 본 발명에 따른 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템은, 태양광으로부터 에너지를 수집하여 DC 전력을 생산하는 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과; 각각 동일한 정격 전력변환용량을 가지는 것으로서, 상기한 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과 동일개수이며, 입력되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 다수의 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn)와; 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)에서 생산되는 전력을 합산하는 전력합산부(30)와; 상기 정격 전력변환용량이 한 단위전력이 되도록, 상기 합산전력을 하나 이상의 단위전력으로 분산하는 단위전력분산부(40)와; 분산된 단위전력의 개수에 대응되는 개수의 단위인버터로 상기 단위전력을 공급하는 분산전력공급부(50)와; 단위전력분산부(40)에서 분산하는 단위전력을 표시하기 위한 단위전력표시부(60)와; 상기 다수의 단위인버터에서 AC 로 변환된 전력을 합산하는 변환전력합산부(70)와; 상기한 전력합산부(30), 단위전력분산부(40), 분산전력공급부(50), 단위전력표시부(60) 및 변환전력합산부(70)와 유기적으로 연결되어 제어를 수행하는 제어부(미도시)를 포함한다. 상기한 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)의 개수와 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn)의 개수는 동일하며, 예를 들면 단위태양광모듈의 개수가 10개일 경우 단위인버터의 개수 역시 10개이다.

국내에서 일반 가정에 가장 많이 시공하는 단위태양광모듈의 전력생산용량은 3KW 이고, DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단위인버터의 정격 전력변환용량은 3KW 이다. 따라서 본 발명을 설명함에 있어, 상기 단위태양광모듈의 전력생산용량은 3KW 이고, 단위인버터 전력변환용량은 3KW 급인 것으로 상정하여 설명한다. 따라서 태양광 발전시스템을 구현함에 있어, 상기한 단위태양광모듈의 개수가 20 개일 경우 60KW 급의 태양광 발전이 가능한 것이다. 그러나 단위태양광모듈의 전력생산용량이나 단위인버터의 전력변환용량은 구현하고자 하는 태양광 발전시스템의 용량에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)은 다수의 태양전지셀로 이루어진 패널이 가로 및 세로 방향으로 연결되어 구현되며, 각각의 태양전지패널은 37~38V 의 전압을 발생하여 단위태양광모듈은 대략 500V 의 전압을 가지는 전력을 생산한다. 이러한 단위태양광모듈의 개수는 구현하고자 하는 태양광 발전시스템의 용량에 따라 달라진다.

단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn)는 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)에서 입력되는 DC 전력을 태양광 발전시스템이 연결된 가정이나 장치에서 사용할 수 있는 주파수 및 위상의 AC 전력으로 변환하고, 최대 전력점추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 유지하기 위한 전력 제어기이다. 이러한 단위인버터는 상기한 단위태양광모듈과 동일 개수를 채용한다.

전력합산부(30)는 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과 연결되어, 그 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)들에서 생산되는 전력을 합산한다. 예를 들면 단위태양광모듈이 20 개이고 날씨가 쾌청하여 각각의 단위태양광모듈이 3KW 를 생산할 경우, 전력합산부(30)에서 합산되는 총 합산전력은 60KW 가 된다. 그리고 날씨가 흐려 각각의 단위태양광모듈이 0.5KW 를 생산할 경우 전력합산부(30)에서 합산된 총 합산전력은 10KW 가 된다.

단위전력분산부(40)는 전력합산부(30)에서 합산된 총 합산전력을 하나의 단위인버터가 변환할 수 있는 최대 전력점추종이 가능한 정격 전력변환용량이 한 단위전력이 되도록, 상기 합산전력을 하나 이상의 단위전력으로 분산하고, 분산후 그 단위전력보다 작은 전력이 남을 때 여분전력으로 분산한다.
즉 단위인버터의 최대 전력점추종이 가능한 정격 전력변환용량이 3KW 일 경우, 단위전력은 3KW 가 되는 것이다. 따라서 전력합산부(30)에서 합산된 합산전력이 60KW 일 경우, 단위전력분산부(40)는 20 개의 단위전력으로 분산한다. 그리고 전력합산부(30)에서 합산된 합산전력이 10KW 일 경우, 3개의 단위전력으로 먼저 분산하고, 1 KW 의 여분전력으로 분산한다.

분산전력공급부(50)는, 단위전력분산부(40)에서 분산된 다수의 단위전력을, 다수의 단위전력 개수에 대응되는 단위인버터로 공급하고, 상기 단위전력보다 작은 여분전력은 나머지 인버터중 어느 하나의 인버터로 공급한다.

예를 들면 단위태양광모듈이 3KW의 전력을 생산할 때 전력합산부(30)에서 합산된 60KW 의 합산전력은 단위전력분산부(40)에 의하여 20 개의 단위전력으로 분산되고, 분산전력공급부(50)는 20개의 단위전력을 20개의 단위인버터로 분산 공급하는 것이다.

또한 입사량이 작아져 단위태양광모듈이 0.5KW의 전력을 생산할 때 전력합산부(30)에서 합산된 10KW 의 합산전력은 단위전력분산부(40)에 의하여 3개의 단위전력으로 먼저 분산되고, 1 KW의 여분전력으로 분산된다. 그러면 분산전력공급부(50)는 3개의 단위전력을 3개의 단위인버터로 공급하고, 1개의 여분전력을 나머지 단위인버터중 어느 하나의 단위인버터로 공급한다.

이때 단위태양광모듈이 0.5KW 이하의 전력을 생산할 때 그 태양광모듈은 단위인버터가 작동하기 위한 정격전압인 100V 이하의 전압을 가질 수 있다. 이 경우 단위인버터는 AC 로의 전력변환 작동을 하지 못하거나, 전력변환손실이 커지게 된다.

그러나 본 발명에서는 전력합산부(30), 단위전력분산부(40) 및 분산전력공급부(50)를 채용함으로써, 0.5KW 의 전력을 모두 합산한 후 최대 전력점추종이 가능한 단위전력으로 분산한 후 공급하므로, 결과적으로 단위인버터에 500V 전압의 전력을 공급하여 정상 전력변환을 가능하게 하고 전력변환손실을 최소화하는 것이다.

단위전력표시부(60)는, 단위전력분산부(40)에서 분산하는 단위전력 및 그 개수를 표시하기 위한 것이다. 이에 따라 합산전력이 몇개의 단위전력으로 분산되었는지를 관리자가 알 수 있게 하여, 보다 효과적인 관리가 가능하다.

변환전력합산부(70)는, 단위인버터에서 AC 로 변환된 전력을 합산한다. 이때 변환전력합산부(70)는, 생산된 전력을 사용하지 않을 때 한전으로 보낼 수 있도록 한전의 상용 전력선과 연결되어 있고, 따라서 단위태양광모듈에서 생산된 전력을 사용하지 않을 경우 한전으로 보내어진다.

다음, 본 발명에 따른 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템의 동작을 설명한다.

본 실시예에서는 전력생산량이 3KW 인 단위태양광모듈 20개를 채용하고, 정격 전력변환용량이 3KW 인 단위인버터 20개를 채용하여, 60KW 급 태양광 발전이 가능한 것으로 설명한다.

날씨가 좋을 때, 20개의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn) 각각은 3KW 씩 DC 전력을 생산하고, 이들 전력은 전력합산부(30)에서 합산되어 60KW 가 된다. 그리고 단위전력분산부(40)는 60KW 의 합산전력을 20개의 단위전력으로 분산하고, 분산전력공급부(50)는 20개의 단위전력을 20개의 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn)로 공급한다. 이후 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn)는 각각 AC 전력으로 변환한 후 출력한다.

날씨가 흐리거나 주간에서 야간으로 변화되는 시간대에, 태양광 모듈에서 발생되는 전압이 작아지며, 이때 발생되는 전압이 인버터가 작동하기 위한 최소 정격전압인 100V 이하가 될 수 있다. 이 경우, 인버터로 DC 전력이 입력되더라도 인버터는 작동되지 않아 AC 전력으로 변환하지 못하게 되거나, 전력변환손실이 커지기 된다.

그러나 본 발명은 전력합산부(30), 단위전력분산부(40) 및 분산전력공급부(50)가 유기적인 작동을 함으로서 날씨가 흐리거나 주간에서 야간으로 변화되는 시간대에도 태양광 발전을 지속하게 해준다.

예를 들면 각각의 단위태양광모듈이 3KW 인 정격 전력생산용량보다 적은 0.5KW 의 전력을 생산할 때 전압은 100V 이하가 될 수 있고, 이러한 전력을 단위인버터로 공급할 때 단위인버터는 AC 로의 전력번환 작동을 하지 못하거나, 전력변환손실이 커질 수 있다.

그러나 본 발명에서는, 전력합산부(30)가 각각의 태양광 모듈이 생산하는 전력 0.5KW 를 모두 합산하여 총 10KW 가 되도록 하고, 단위전력분산부(40)는 3개의 단위전력과 1개의 여분전력으로 분산한다. 그리고 분산전력공급부(50)는 3개의 단위전력을 3개의 단위인버터 각각으로 공급하고, 1개의 여분전력을 나머지 단위인버터중 어느 하나의 단위인버터로 공급한다.

여기서 단위전력은 3KW 가 되므로 500V 의 전압을 가지며, 이러한 단위전력을 공급받은 단위인버터는 정상적인 전력변환을 수행하게 된다. 또한 나머지 여분전력도 0.5KW 다 큰 1KW 가 되므로 100V 이상의 전압을 가지게 되며, 이에 따라 여분전력도 단위인버터에서 전력변환된다.

이와 같이, 날씨가 흐리거나 주간에서 야간으로 변화되는 시간대에도 태양광 발전을 가능하게 할 수 있어 고효율 태양광 발전을 가능하게 할 수 있는 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

S1, S2, S3,..., Sn : 단위태양광모듈
V1, V2,V3, ..., Vn : 단위인버터
30 ... 전력합산부
40 ... 단위전력분산부
50 ... 분산전력공급부
60 ... 단위전력표시부
70.... 변환전력합산부

Claims (4)

1. 태양광으로부터 에너지를 수집하여 DC 전력을 생산하는 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn);
   각각 동일한 정격 전력변환용량을 가지는 것으로서, 상기한 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)과 동일개수이며, 입력되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 다수의 단위인버터(V1, V2, V3, ... Vn);
   상기 다수의 단위태양광모듈(S1, S2, S3, ... Sn)에서 생산되는 전력을 합산하여 합산전력으로 만드는 전력합산부(30);
   최대 전력점추종이 가능한 정격 전력변환용량이 한 단위전력이 되도록, 상기 합산전력을 하나 이상의 단위전력으로 분산하고, 분산후 그 단위전력보다 작은 전력이 남을 때 여분전력으로 분산하는 단위전력분산부(40);
   상기 분산된 단위전력의 개수에 대응되는 개수의 단위인버터로 상기 단위전력을 공급하고, 상기 여분전력은 나머지 인버터들중 어느 하나로 공급하는 분산전력공급부(50); 및
   합산전력이 몇개의 단위전력으로 분산되었는지를 관리자가 알 수 있도록 하기 위하여, 상기 단위전력분산부(40)에서 분산하는 단위전력를 표시하기 위한 단위전력표시부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 단위인버터에서 AC 로 변환된 전력을 합산하는 변환전력합산부(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터제어를 이용한 고효율 태양광 발전시스템.
4. 삭제

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