KR101516344B1 - 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 신재생 에너지 모듈의 어레이 연결시 발생하는 절연 파괴에 의한 누설전류에 따른 성능 저하를 모듈 단위로 검증할 수 있도록 제공하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 신재생 에너지 모듈을 연결한 어레이 구성이 요구되지 않으며, 신재생 에너지 모듈 단위로 어레이에 상응하는 고전압을 직접 인가하여 가혹 조건에서 절연 파괴 상태를 용이하게 검출할 수 있으며, 모듈 단위로 누전에 따른 발전효율 저하를 정밀하게 검출할 수 있어 효율적이고 정밀한 신재생 에너지 모듈의 성능 검증 방식을 제공하는 효과가 있다.

Description

신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치 및 방법{Apparatus of the performance verification for renewable energy module by a unit module and method thereof}

본 발명은 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 신재생 에너지 모듈의 어레이 연결시 발생하는 절연 파괴에 의한 누설전류에 따른 성능 저하를 모듈 단위로 검증할 수 있도록 제공하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 햇빛, 물, 지열, 생물 유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생 에너지가 급부상하고 있으며, 이러한 신재생 에너지를 원하는 형태의 에너지로 변환하는 다양한 모듈이 등장하고 있다. 대표적인 신재생 에너지 모듈로서, 햇빛을 전기 에너지로 변환하는 태양전지나 바람을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 풍력발전기 등을 예로 들수 있다.

그러나, 기존의 전기에너지는 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 균일한 출력을 유지하고 안정하게 동작하는 반면, 신재생 에너지 모듈은 가변적 발전환경에 따라 비선형적인 특성을 보이는 전력원이다.

따라서, 신재생 에너지 모듈의 출력전압과 전류는 일정한 값이 아니고, 부하전류에 따라서 출력전압이 결정되는 비선형 전류원(Non-linear Current Source)의 특성을 지니고 있으며, 생성되는 전력(power) 또한 부하에 따라서 특성이 가변되는특징을 지니고 있다.

이와 같은 신재생 에너지 모듈의 효율을 검증하기 위해서는 항상 최대전력이 생성되는 지점을 정확히 검출하는 것이 요구된다.

상술한 바에 따라, 상기 신재생 에너지 모듈 중 태양전지를 이용하여 최대전력점 추적을 통해 효율을 판단하는 기존 태양전지의 성능 검증 장치를 예로 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 태양전지 어레이(1), 전류 측정장치(2) 및 전압 분배회로(3), 마이컴(4), 인버터(6), 부하(5)로 구성될 수 있다.

상기한 구성을 통한 상세 동작을 살펴보면, 태양전지(1)의 출력 전압은 전압 분배회로(3)를 거쳐 상기 마이컴(4)에 의해 측정되고, 공급 전류 또한 전류 측정 장치(2)를 통해 상기 마이컴(4)에 의해 측정된다. 이후, 상기 마이컴(4)은 입력신호를 기설정된 알고리즘을 통해 처리하여, 최대효율을 가질 수 있도록 상기 인버터(6)를 제어하여 부하(5)가 소비하는 전압 및 전류를 가변하는 식으로 동작한다.

그러나, 상술한 바와 같은 검증 장치는, 인버터(6)로 전압 및 전류를 케이블을 통해 전송하는 과정 중에서 케이블 저항에 따른 전력 손실이 발생하는데도 불구하고, 이를 고려하지 않고 측정되어 정확성이 떨어져 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 태양전지(1)가 순시로 출력을 가변하는 비선형 에너지원이므로, 부하(5)가 일정한 경우 태양전지(1)가 제공하는 전력을 완전히 소비하지 못하여 상기 마이컴(4)이 정확한 최대 효율의 검출이 어려우므로 상기 인버터(6)의 제어가 무의미하며, 부하(5)가 가변되는 경우에는 부하(5)의 가변에 대응하여 상기 인버터(6)를 정밀 제어하는 것이 어려울 뿐더러 인버터(6) 자체 내에서 소비되는 전력으로 인하여 정확한 최대 효율 측정의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

더하여, 전압 분배회로(3)와 전류 측정장치(2) 사이에서 전압과 전류 측정시점에 차이가 발생하므로 마이컴에서 전압과 전류의 측정시점에 대한 동기화 과정이 요구되며, 이에 따라 부하(5)에 제공하는 전류 및 전압값을 조정하는 인버터(6)와 상기 인버터(6)를 제어하는 마이컴(4) 사이의 동작 시간에 차이가 발생하여 동기화가 이루어지지 않으므로 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 이와 같은 구성은 최대전력을 위한 다양한 파라미터를 배제한 채 오로지 장치 구성의 간소화를 집중적으로 고려한 발명이므로, 정밀도를 기대하기엔 부족함이 많다.

또한, 충분한 발전전력을 보장하기 위하여 상기 신재생 에너지 모듈을 복수로 구성하여 어레이로 연결된 상태로 외부에 설치되는 것이 일반적이다.

이러한, 어레이로 연결된 복수의 신재생 에너지 모듈의 운용시 어레이에 위치하는 적어도 하나의 신재생 에너지 모듈은 고전압이 인가되며, 이러한 고전압으로 인하여 신재생 에너지 모듈에서 절연 파괴가 발생하여 누설전류가 생성되며, 이로 인해 발전효율 저하(이하, PID로 통칭: Potential induced degradation) 현상이 발생한다.

따라서, 상술한 최대전력점의 검출과 더불어 신재생 에너지 모듈의 PID 발생 정도를 정확히 검출하는 것이 요구된다.

이러한, PID 검출을 위한 종래의 신재생 에너지 모듈을 위한 성능 검증 장치의 실시예를 도 2를 통해 설명하면, 도시된 바와 같이 복수의 신재생 에너지 모듈(1)을 어레이로 연결하고, 상기 신재생 에너지 모듈(1) 어레이로부터 제공되는 전력을 부하(5)로 제공하는 인버터(6)를 제어하는 제어부(4)가 상기 신재생 에너지 모듈(1)의 누설전류를 추적하도록 구성된다.

상술한 바와 같은 구성에서, 상기 각 신재생 에너지 모듈(1)로부터 제공되는 전압을 측정하여 상기 제어부(4)로 제공하는 측정부(7)를 더 포함하며, 상기 제어부(4)는 상기 측정부(7)를 통해 취합되는 각 신재생 에너지 모듈(1)의 전압 및 전류를 합산하여 상기 신재생 에너지 모듈(1) 어레이에 걸리는 전체 전압을 연산할 수 있다.

이에 따라, 상기 제어부(4)는 어레이에 구성된 각 신재생 에너지 모듈(1)이 생성하는 전압에 의해 인가된 고전압에 의한 상기 각 신재생 에너지 모듈(1)의 절연파괴에 따른 누설전류를 어레이 단위로 측정하여 PID 발생 정도를 판단할 수 있다.

이러한 구성에서, 상기 PID를 측정하기 위하여 복수의 신재생 에너지 모듈(1)을 어레이로 연결하는 구성이 요구되어 설치에 번거로움이 있으며, 또한 빠른 성능 측정을 위해 가혹한 조건에서 테스트를 하기 위해서는 전압을 증가시키는 것이 요구되나 이를 위해서는 물리적으로 연결되는 신재생 에너지 모듈(1)의 수를 증가시켜 전압을 증가시켜야 하므로 신재생 에너지 모듈(1)의 추가에 따른 설치 번거로움이 더욱 증가하는 동시에 어레이 단위로 PID를 측정하므로 신재생 에너지 모듈(1) 자체에서 발생하는 발전효율 저하를 측정하는데 어려움이 있다.

또한, 어레이 단위로 PID 측정시 어레이를 구성하는 복수의 신재생 에너지 모듈(1) 중 어느 하나에서 절연 파괴가 발생하는 경우 발전량이 떨어지며, 이로 인해 지속적으로 어레이 전체에서 전압이 떨어지므로 가혹조건으로 설정된 고전압을 지속적으로 유지할 수 없어 절연파괴가 발생하지 않은 신재생 에너지 모듈(1)은 가혹조건으로 설정된 고전압보다 낮은 전압이 인가되며, 이로 인해 어레이 단위로 평가할 때마다 가혹조건의 상태가 변경되어 어레이 단위로 산출된 PID 평가정보를 평균화할 수밖에 없어, 정밀한 측정이 어려우므로 성능 평가의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

상술한 바와 같이 기존 신재생 에너지 모듈의 성능검증 장치의 문제점을 개선하기 위하여 모듈 단위로 신재생 에너지 모듈을 검증하기 위한 장치의 개발이 요구되고 있다.

한국등록특허 제10-1066445호

상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 신재생 에너지 모듈 단위로 외기 영향이나 고전압과 같은 가혹 조건에서 성능 검증이 이루어지도록 제공하며, 이를 통해 신재생 에너지 모듈을 어레이로 연결할 필요 없이 신재생 에너지 모듈 자체에 대한 발전 효율 저하를 검증할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 신재생 에너지 모듈에 걸리는 전압 변화를 용이하게 가변하여 용이하게 원하는 가혹 조건에서 성능 검증이 고속으로 이루어지도록 하여, 성능 검증을 위한 설치 편의성과 더불어 정밀 측정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치는 내부저항의 가변을 통해 신재생 에너지 모듈에서 출력되는 전력을 소모하며, 전기적으로 절연된 절연 전기부하와, 상기 절연 전기부하에 미리 설정된 고전압을 인가하여 상기 절연 전기부하 및 상기 신재생 에너지 모듈의 기준전위를 상승시키는 고전압 발생부와, 상기 절연 전기부하에 연결되어 전압 및 전류를 측정하는 측정부 및 상기 고전압 발생부를 제어하여 기준전위를 설정하고, 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전압과 전류를 이용하여 성능평가 정보를 생성하며, 상기 신재생 에너지 모듈의 미동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전류를 통해 PID(Potential induced degradation) 평가정보를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제어부는 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정부로부터 측정된 전압 및 전류를 수신하여 상기 절연 전기부하 제어와 동기화하며, 동기된 상기 절연 전기부하의 측정 전압과 전류를 근거로 MPPT 알고리즘을 통한 최대전력점을 추적하되, 상기 MPPT 알고리즘 동작 중에 상기 절연 전기부하를 조절하여 상기 신재생 에너지 모듈의 I-V 스위핑 결과에 따른 최대전력점을 상기 성능평가 정보로 수집하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제어부는 상기 신재생 에너지 모듈의 수명테스트를 위해 상기 최대전력점에서 측정된 전압의 수배 또는 수십배에 대응되는 고전압을 상기 고전압 발생부를 통해 인가하거나 상기 고전압의 극성을 가변시켜 인가하여 상기 기준전위를 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제어부는 상기 고전압 발생부를 통해 어레이를 구성하는 상기 신재생 모듈에 대한 상기 어레이에서의 위치를 고려하여 상기 고전압을 인가하고, 상기 절연 전기부하에서 상기 측정부를 통해 측정되는 누설전류 변화를 추적하여 상기 PID 평가정보를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 측정부는 상기 절연 전기부하의 전압센서 입력단에 상기 신재생 에너지 모듈의 출력단과 함께 4선 방식(4-wire method)으로 입력단이 연결되어 접촉저항과 전압측정을 위한 케이블의 내부 저항에 의한 왜곡이 배제된 전압을 측정하며, 상기 절연 전기부하에 흐르는 전류를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치는 상기 전압센서의 입력단과 상기 신재생 에너지 모듈의 출력단을 연결하는 케이블의 손실전력에 대응하여 기설정된 보상전력을 상기 절연 전기부하에 제공하는 부스트 파워부를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제어부는 I-V 스위핑 정보, 전압 대비 전류 특성 정보, 전압 대비 전력 특성 정보 및 측정시점별 최대전력점 추출 정보 중 적어도 하나를 포함하는 성능평가 정보를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 방법은, 내부저항의 가변을 통해 신재생 에너지 모듈에서 출력되는 전력을 소모하며 전기적으로 절연된 절연 전기부하에 미리 설정된 고전압을 인가하는 고전압 발생부를 통해 상기 절연 전기부하 및 상기 신재생 에너지 모듈의 기준전위를 상승시키는 기준전위 제공 단계와, 상기 절연 전기부하에 연결된 측정부를 통해 전압 및 전류를 측정하는 측정 단계와, 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정단계를 통해 측정된 전압과 전류를 이용하여 성능평가 정보를 생성하는 성능 평가 단계 및 상기 신재생 에너지 모듈의 미동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전류를 통해 PID 평가정보를 생성하는 PID 평가 단계를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 성능 평가 단계는 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 절연 전기부하 제어와 동기화하며, 동기된 상기 절연 전기부하의 측정 전압과 전류를 근거로 MPPT 알고리즘을 통한 최대전력점을 추적하되, 상기 MPPT 알고리즘 동작 중에 상기 절연 전기부하를 조절하여 상기 신재생 에너지 모듈의 I-V 스위핑 결과에 따른 최대전력점을 상기 성능평가 정보로 수집하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 PID 평가 단계는 상기 고전압 발생부를 통해 어레이를 구성하는 상기 신재생 모듈에 대한 상기 어레이에서의 위치를 고려하여 상기 고전압을 인가하고, 상기 절연 전기부하에 대하여 상기 측정부를 통해 측정되는 누설전류 변화를 추적하여 상기 PID 평가정보를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 복수의 신재생 에너지 모듈을 연결한 어레이 구성이 요구되지 않으며, 신재생 에너지 모듈 단위로 어레이에 상응하는 고전압을 직접 인가하여 가혹 조건에서 절연 파괴 상태를 용이하게 검출할 수 있으며, 모듈 단위로 누전에 따른 발전효율 저하를 정밀하게 검출할 수 있어 효율적이고 정밀한 신재생 에너지 모듈의 성능 검증 방식을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 시스템을 구성하는 케이블 저항 및 전압센서의 내부저항과 측정케이블에 의해 발생하는 전력손실을 보상 및 배제하여 실제 측정 데이터의 신뢰성을 높이고 최대전력점에 가장 근접한 결과를 산출할 수 있으며, 고전압에 따른 가혹조건을 용이하게 설정하여 실제 운용환경에 근접한 상태에서의 최대전력점을 추적할 수 있어 상기 신재생 에너지 모듈의 성능평가에 따른 신뢰성을 보장하는 효과가 있다.

더하여, 본 발명은 신재생 에너지 모듈의 최대전력점 추적을 통한 최대전력점에서의 측정전압을 기초로 어레이 구성시 필요한 신재생 에너지 모듈의 수에 따른 고전압을 용이하게 생성할 수 있으며, 신재생 에너지 모듈의 어레이 구성시 각 신재생 에너지 모듈의 발전상태가 균일하지 않아 고전압 상태를 유지할 수 없는 기존 측정 방식과 달리 고전압 발생부를 통해 고전압을 일정하게 유지하여 정확한 PID 특성 검출이 이루어질 수 있어, 신재생 에너지 모듈 단위의 성능 검증에 대한 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 태양전지의 성능 검증 장치를 도시한 구성도.
도 2는 PID 검출을 위한 종래의 신재생 에너지 모듈을 위한 성능 검증 장치에 대한 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치의 구성도.
도 4는 신재생 에너지 모듈의 절연파괴에 따른 누설전류 발생에 대한 예시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치의 상세 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치가 출력하는 전압 대비 전류 특성 정보 및 전압 대비 전력 특성 정보에 대한 그래프를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치에 의해 시간별로 수집된 최대전력점을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치에 의해 시간별로 수집된 누설전류에 대한 그래프.

본 발명은 상기 신재생 에너지 모듈의 성능 검증을 위해 기존에는 복수의 신재생 에너지 모듈을 직렬 연결한 어레이 단위로 실시하여, 어레이를 구성하는 각 신재생 에너지 모듈에 인가되는 고전압에 따른 가혹 조건에서 신재생 에너지 모듈의 절연 파괴로 인한 누설전류 여부를 측정하여 모듈 단위로 성능평가가 어려운 점을 개선하여, 하나의 신재생 에너지 모듈 단위로 고전압에 따른 가혹조건에서의 용이하고 정밀한 성능 검증이 이루어지도록 할 수 있으며, 이에 따른 최대전력점 추적을 실시하여 실제 운용환경과 근접한 상태에서 신재생 에너지 모듈의 성능 검증이 정확히 이루어지도록 한다.

상술한 바를 토대로, 이하 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치의 구성도로서, 도시된 바와 같이 신재생 에너지 모듈(10)과, 절연 전기부하(20)와, 측정부(30), 고전압 발생부(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.

우선, 상기 신재생 에너지 모듈(10)은 태양전지나 풍력 발전기 등과 같은 자연 에너지원을 전기 에너지로 변한하는 다양한 모듈을 포함할 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 태양전지를 예로 들어 설명한다.

상기 절연 전기부하(20)는 전압센서를 구비하며, 상기 전압센서의 입력단과 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 출력단이 케이블을 통해 상호 연결되어, 상기 신재생 에너지 모듈(10)로부터 전력을 제공받아 이를 소모하고, 외부 제어에 의해 부하의 크기가 조절될 수 있다.

이때, 상기 절연 전기부하(20)는 전기적으로 절연된 상태로 출력단이 상기 고전압 발생부에 연결될 수 있다.

또한, 상기 고전압 발생부(40)는 접지와 연결되어 상기 절연 전기부하(20)로 고전압을 인가할 수 있으며, 이를 통해 플로팅(floating) 상태의 상기 절연 전기부하(20)와 직렬 연결된 상기 신재생 에너지 모듈(10) 및 상기 절연 전기부하(20)를 고전압에 대응되는 기준전위로 상승시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 신재생 에너지 모듈(10)은 고전압이 인가된 상태에서 발전이 이루어지며, 상기 절연 전기부하(20)는 상기 기준전위 상태에서 전력을 소모할 수 있다.

즉, 기존에 복수의 신재생 에너지 모듈(10)을 어레이로 연결하여 각 신재생 에너지 모듈(10)에서 출력되는 전압을 이용하여 기준전위를 상승시키는 번거로움을 대신하여, 본 발명은 상기 고전압 발생부(40)를 통해 인가되는 고전압을 기초로 기준전위를 상승시켜 고전압에 따른 기준 전위가 인가된 상태에서 상기 신재생 에너지 모듈(10)에 대한 성능 평가 및 PID 평가가 이루어지도록 할 수 있다.

우선, 신재생 에너지 모듈의 동작(발전)에 따른 성능 평가를 위해, 상기 측정부(30)는 상기 절연 전기부하(20)에 연결되어 전압 및 전류를 측정할 수 있으며, 상기 제어부(50)는 상기 측정부(30)로부터 측정된 전압 및 전류를 수신하여, 측정 전압과 측정전류를 근거로 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 통한 최대전력점을 추적할 수 있다.

일례로, 상기 제어부(50)는 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 발전에 따른 동작시 상기 절연 전기부하(20)를 조절하여 상기 측정부(30)로부터 전압과 전류를 연속적으로 수신할 수 있으며, 전압 대비 전류 스위핑(이하, I-V 스위핑)을 통해 신재생 에너지 모듈(10)의 전압 대비 전류 특성정보를 산출하고, 상기 전압 대비 전류 특성정보로부터 최대 전력값을 가지는 최대전력점을 추출하여 성능 평가 정보를 산출할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 고전압에 따른 기준전위에서 발전하는 신재생 에너지 모듈(10)은 도 4에 도시된 바와 같이 고전압 또는 외부 기후변화에 따라 신재생 에너지 모듈을 구성하는 셀 단위로 절연 파괴(a)가 발생할 수 있으며, 이러한 절연 파괴로 인한 누전에 따라 누설전류가 발생한다.

따라서, 상기 측정부(30)는 상기 신재생 에너지 모듈의 미동작시 상기 절연 전기부하(20)를 통해 측정되는 누설전류를 상기 제어부(50)로 제공할 수 있으며, 상기 제어부(50)는 측정부(10)로부터 제공되는 상기 누설전류를 수집하여 시간변화에 따른 누설전류 변화를 집계하여 PID 평가정보를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 별도의 인버터 구성 없이 신재생 에너지 모듈(10)에 직렬 연결된 절연 전기부하(20)를 제어하여 신재생 에너지 모듈(10)의 최대전력점 추적에 따른 성능 평가가 정밀하게 이루어지도록 할 수 있으며, 고전압 발생부(40)를 통해 기준 전위를 인가하여 기존과 같이 신재생 에너지 모듈(10)을 어레이로 구성하는 번거로움을 해소하고 일정 기준전위를 지속적으로 제공하여 가혹조건에서 누설전류에 따른 PID 평가를 모듈 단위로 고속으로 실시할 수 있다.

도 5는 상기 도 3의 구성을 기초로 하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치의 상세 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 신재생 에너지 모듈을 위한 성능 검증 장치는 신재생 에너지 모듈(10)과, 절연 전기부하(20)와, 정밀 측정부(31), 고전압 발생부(40), 제어부(50) 및 부스트 파워부(60)를 포함할 수 있다.

상기 신재생 에너지 모듈(10) 및 절연 전기부하(20)의 구성은 도 3에서 설명한 바와 같으며, 상기 제어부(50)는 상기 고전압 발생부(40)를 통해 미리 설정된 고전압을 상기 신재생 에너지 모듈(10) 및 절연 전기부하(20)에 인가하여 상기 고전압에 대응되는 기준전위를 상기 신재생 에너지 모듈(10) 및 절연 전기부하(20)에 제공할 수 있다.

이를 통해, 본 발명은 상기 신재생 에너지 모듈이 실제 운용시에 상술한 어레이를 구성하는 복수의 신재생 에너지 모듈 중 어느 하나로 귀속되어 운용되는 실제 운용 환경과 유사한 테스트 환경을 용이하게 설정하여 제공할 수 있다.

한편, 상기 부스트 파워부(60)는 상기 절연 전기부하(20)와 상기 신재생 에너지 모듈(10)을 상호 연결하는 케이블을 통해 발생하는 전력 손실을 보상하기 위하여, 상기 케이블 저항값을 고려하여 기설정된 전력을 상기 절연 전기부하(20)로 제공할 수 있다.

또한, 상기 정밀 측정부(31)는 상기 측정부(30)의 구성을 대체하여 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 출력단과 함께 상기 전압센서에 입력단이 4선 방식(4-wire method)으로 연결되도록 구성할 수 있다.

이러한, 4선 방식은 고정된 저항의 저항값을 정밀하게 측정하기 위한 것이었으나, 본 발명에서는 가변적인 전압 센서를 통한 전압값을 측정함에 있어 접촉저항이나 측정을 위한 케이블 연결 및 이를 정밀 측정부(31)에서 측정하기 위한 추가 케이블 연결에서 발생하는 왜곡도 배제한 값을 얻기 위해서 적용한다.

이는, 신재생 에너지 모듈(10)이 실외에 구성되고 이를 측정하기 위한 측정 수단은 환경적으로 안정된 실내에 구성되기 때문에, 그 센싱을 위한 측정 케이블에 의한 신호왜곡이 무시할 수 없는 요인이 되기 때문이다.

이렇게, 상기 4 선 방식을 이용함으로써, 상기 정밀 측정부(31)는 접촉저항과 전압측정을 위한 케이블의 내부저항에 의한 왜곡이 배제된 실제 전압을 정밀하게 측정할 수 있다.

상기와 같이 접촉저항과 내부저항의 저항값에 의한 측정 전압의 왜곡을 배제하면 측정결과의 신뢰도를 높일 수 있고, 이를 기반으로 하는 최대점 추적이나 특성 측정 역시 신뢰도 및 정밀도를 높일 수 있다.

더불어, 상기 정밀 측정부(31)는 상기 절연 전기부하(20)가 소모하는 전류를 높은 해상도로 측정하기 위하여 상기 절연 전기부하(20)의 전류 출력단과 입력단이 연결되어 전류를 측정할 수 있다.

위와 같이 케이블 저항과 접촉 저항을 고려한 전압 및 전류의 측정 정밀도를 높임으로써, 기존 신재생 에너지 모듈의 성능 검증 장치에서 상기 절연 전기부하(20)에 내장된 전압센서를 이용하는 경우에 비해 측정 신뢰성을 크게 높일 수 있다.

한편, 상기 제어부(50)는 상기 정밀 측정부(31)로부터 측정된 전류와 전압 을 수신할 수 있으며, 상기 절연 전기부하(20)의 저항값을 변경하면서 특성을 모니터링 한다.

이 과정에서, 상기 제어부(50)는 상기 절연 전기부하(20)의 저항값 변경에 따라 기설정된 시점에 상기 정밀 측정부(31)에서 측정된 전압과 전류를 이용하게 되며, 이러한 상기 절연 전기부하(20)의 저항값 변경과 그에 따른 영향이 반영된 측정시점을 적절한 기준에 따라 동기화하는 것으로 측정 신뢰성을 유지한다.

이와 같은 구성을 통해, 케이블 저항 및 접촉저항을 고려하는 동시에 기존 전압과 전류 시점 차이로 발생하는 최대전력점 추출 오류를 용이하게 방지할 수 있으며, 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.

이후, 상기 제어부(50)는 상기 정밀 측정부(31)가 측정한 전압과 전류를 근거로 전력을 생성할 수 있으며, 이하 설명하는 최대전력점 추출을 통한 추적과정을 수행한다.

이때, 상기 제어부(50)는 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 성능 검증을 위하여 기설정된 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 통해 최대전력점을 추출하며, 상기 최대전력점 및 상기 최대전력점에서의 측정된 전류 및 전압을 포함하는 성능평가 정보를 출력할 수 있다.

이를 위해, 상기 제어부(50)는 상기 절연 전기부하(20)를 조절하여 상기 정밀 측정부(31)로부터 전압과 전류를 연속적으로 수신할 수 있으며, 전압 대비 전류 스위핑(이하, I-V 스위핑)을 통해 도 6에 도시된 바와 같이 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 전압 대비 전류 특성 정보를 산출할 수 있다.

이후, 상기 제어부(50)는 전압 대비 전류 특성 정보를 근거로 도 6에 도시된 전압 대비 전력 특성정보를 산출할 수 있으며, 상기 전압 대비 전력 특성정보를 근거로 최대전력점과, 최대 전력점의 전압을 추출하여 이를 설정전압으로 설정할 수 있다.

이때, 상기 제어부(50)는 상기 설정전압 뿐만 아니라, 상기 최대 전력점의 전류와, 상기 최대전력점에 대응하는 상기 절연 전기부하(20)의 저항을 추출할 수도 있다.

상기 신재생 에너지 모듈(10)은 전기로 변환하는 인자(태양빛, 바람, 전해질 등)의 변동에 의해서 출력전력이 일정하게 유지되지 않고 지속적으로 변동하므로, 최대 발전량을 알기 위해서는 항상 최대 출력을 낼 수 있도록 상기 절연 전기부하(20)를 지속적으로 최적화시켜야 한다.

따라서, 상기 제어부(50)는 상기 설정전압이 설정된 이후의 최대전력점 측정에 대하여 상기 절연 전기부하(20)의 저항값을 조절하여, 상기 설정전압을 기준으로 전압을 상하로 변동시킬 수 있으며, 변동된 전압에 대응하는 복수의 전력값을 상호 비교하여 최대값을 다음 최대전력점으로 선택할 수 있다.

이때, 상기 다음 최대전력점 이후의 최대전력점 측정에 대하여, 상기 제어부(50)는 상기 다음 최대전력점에 대응하는 전압으로 상기 설정전압을 갱신하고, 갱신된 전압을 기준으로 전압을 상하 변동하여 상술한 바와 같은 과정을 반복함으로써 순차적으로 최대전력점을 측정할 수 있다.

따라서, 상기 제어부(50)는 설정전압을 기준으로 전압을 상하로 변동하면서 측정시점별로 최대전력점을 추출하되, 매측정시점마다 상기 설정전압을 이전 최대전력점에 대응하는 전압으로 갱신하면서 최대전력점을 추출할 수 있다. 이때, 상기 제어부(50)는 측정시점마다 추출된 상기 최대 전력점을 도 7에 도시된 바와 같이 수집하여, 수집된 측정시점별 최대전력점 정보를 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 효율에 대한 성능 평가정보로 제공할 수 있다.

아울러, 상기 제어부(50)는 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 효율에 대한 성능평가 정보의 제공에 있어서 측정시점별 상기 최대전력점 정보 이외에도, 측정시점별 혹은 기설정된 주기 등으로 I-V 스위핑 정보, 전압 대비 전류 특성 정보, 전압 대비 전력 특성 정보 등을 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 성능평가 정보로서 제공할 수도 있다.

이에 따라, 사용자는 상기 성능평가 정보를 이용하여 용이하게 가혹조건으로 설정된 고전압에 따른 기준전위에서 상기 신재생 에너지 모듈의 성능을 판단할 수 있다.

한편, 상기 제어부(50)는 상술한 최대전력점 측정과정 이외에도 순시적으로 상기 I-V 스위핑을 통해 전압 대비 전류 특성 정보를 근거로 최대전력점을 측정하여 측정속도를 높일 수 있다.

이때, 상기와 같은 최대전력점 측정과정에서 절연 전기부하(20)만으로 측정할 경우 상기 최대전력점의 설정전압에 도달하는 시간이 소요되므로 동기화시점을 벗어날 수 있다.

따라서, 상기 부스트 파워부(60)는 상기 절연 전기부하(20)와 상술한 바와 같이 직렬연결되어 상기 절연 전기부하(20)에 기설정된 고정전압을 제공하여, 상기 신재생 에너지 모듈로부터 제공되는 전류의 소모가 상기 절연 전기부하(20)에서 빠르게 이루어지도록 함으로써 최대전력점에 이르는 시간 및 측정시점 사이클을 가속하며 이를 통해 측정시점의 동기화가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 신재생 에너지 모듈(10)의 지속적인 동작으로 인해 발생하는 절연파괴로 인한 PID 평가를 위해 상기 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치는 고전압 발생부(40)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 고전압 발생부(40)는 접지와 연결되어 고전압을 발생하며, 이를 통해 도 5에 도시된 바와 같이 상기 플로팅 상태의 신재생 에너지 모듈(10) 및 절연 전기부하(20)의 전위를 상기 고전압만큼 상승시킨 기준전위를 제공할 수 있다.

이때, 상기 제어부(50)는 도 2에서 설명한 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 어레이 구성시 상기 어레이에서 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 위치에 따라 서로 상이한 고전압이 인가되므로, 상기 신재생 에너지 모듈(10)이 상기 어레이에서의 위치를 고려하여 상기 고전압을 가변하여 설정할 수 있다.

이를 통해, 상기 제어부(50)는 상기 고전압 발생부(40)를 제어하여 상기 고전압을 발생시켜 상기 절연 전기부하(20) 및 상기 신재생 에너지 모듈(10)로 상기 고전압을 제공하며, 고전압에 따른 기준전위 상태에서 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 발전이 이루어지도록 할 수 있다.

이후, 기준 전위에서의 지속적인 발전에 따라 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 절연 파괴로 인해 발생되는 누설전류가 상기 절연 전기부하(20)로 제공되며, 상기 정밀 측정부(31)는 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 미동작시 상기 누설전류를 측정하여 상기 제어부(50)로 제공할 수 있다.

일례로, 상기 제어부(50)는 상기 고전압 발생부(40)를 통해 상기 절연 전기부하(20)에 고전압을 인가하여 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 기준 전위를 상승시키며, 도 8에 도시된 바와 같이 시간 변화에 따라 기준전위에서 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 절연파괴로 인해 순차적으로 상기 정밀 측정부(31)를 통해 측정되는 누설전류를 수집하고, 수집된 상기 누설전류 변화를 PID 평가정보로 생성하여 출력할 수 있다.

이때, 상기 제어부(50)는 상기 누설 전류 변화에 따른 발전전력 변화에 대한 정보를 PID 평가정보로 함께 제공하여, 사용자가 발전효율 저하 정도를 용이하게 판단할 수 있도록 제공할 수 있다.

한편, 상기 제어부(50)는 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 가혹조건에서의 수명테스트를 고속으로 진행하기 위하여, 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 최대전력점에서 측정된 설정전압의 수배 또는 수십배에 대응되는 고전압을 상기 고전압 발생부(40)를 통해 인가할 수 있다.

또한, 상기 제어부(50)는 상기 고전압 발생부(40)를 제어하여 상기 고전압의 극성을 가변시켜 역방향 전압을 인가하여, 상기 정밀 측정부(31)를 통해 상기 신재생 에너지 모듈(10)의 누설전류 변화를 수집할 수도 있다.

상술한 바를 토대로, 본 발명은 기존과 같이 복수의 신재생 에너지 모듈을 연결하여 어레이 구성이 요구되지 않으며, 신재생 에너지 모듈 단위로 어레이에 상응하는 고전압을 직접 인가하여 가혹조건에서의 절연 파괴 상태를 용이하게 검출할 수 있으며, 이를 토대로 신재생 에너지 모듈의 검증이 모듈 단위로 정밀하고 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

더하여, 본 발명은 신재생 에너지 모듈의 최대전력점 추적을 통한 최대전력점에서의 측정전압을 기초로 어레이 구성시 필요한 신재생 에너지 모듈의 수에 따른 고전압을 용이하게 생성할 수 있으며, 신재생 에너지 모듈의 어레이 구성시 각 신재생 에너지 모듈의 발전상태가 균일하지 않아 고전압 상태를 유지할 수 없는 기존 측정 방식과 달리 고전압 발생부를 통해 고전압을 일정하게 유지하여 정확한 PID 특성 검출이 이루어질 수 있다.

10: 신재생 에너지 모듈 20: 절연 전기부하
30: 측정부 31: 정밀 측정부
40: 고전압 발생부 50: 제어부
60: 부스트 파워부

Claims (10)

1. 내부저항의 가변을 통해 신재생 에너지 모듈에서 출력되는 전력을 소모하며, 전기적으로 절연된 절연 전기부하;
   상기 절연 전기부하에 미리 설정된 고전압을 인가하여 상기 절연 전기부하 및 상기 신재생 에너지 모듈의 기준전위를 상승시키는 고전압 발생부;
   상기 절연 전기부하에 연결되어 전압 및 전류를 측정하는 측정부; 및
   상기 고전압 발생부를 제어하여 기준전위를 설정하고, 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전압과 전류를 이용하여 성능평가 정보를 생성하며, 상기 신재생 에너지 모듈의 미동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전류를 통해 PID(Potential induced degradation) 평가정보를 생성하는 제어부
   를 포함하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정부로부터 측정된 전압 및 전류를 수신하여 상기 절연 전기부하 제어와 동기화하며, 동기된 상기 절연 전기부하의 측정 전압과 전류를 근거로 MPPT 알고리즘을 통한 최대전력점을 추적하되, 상기 MPPT 알고리즘 동작 중에 상기 절연 전기부하를 조절하여 상기 신재생 에너지 모듈의 I-V 스위핑 결과에 따른 최대전력점을 상기 성능평가 정보로 수집하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어부는 상기 신재생 에너지 모듈의 수명테스트를 위해 상기 최대전력점에서 측정된 전압의 수배 또는 수십배에 대응되는 고전압을 상기 고전압 발생부를 통해 인가하거나 상기 고전압의 극성을 가변시켜 인가하여 상기 기준전위를 설정하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 상기 고전압 발생부를 통해 어레이를 구성하는 상기 신재생 모듈에 대한 상기 어레이에서의 위치를 고려하여 상기 고전압을 인가하고, 상기 절연 전기부하에서 상기 측정부를 통해 측정되는 누설전류 변화를 추적하여 상기 PID 평가정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 측정부는 상기 절연 전기부하의 전압센서 입력단에 상기 신재생 에너지 모듈의 출력단과 함께 4선 방식(4-wire method)으로 입력단이 연결되어 접촉저항과 전압측정을 위한 케이블의 내부 저항에 의한 왜곡이 배제된 전압을 측정하며, 상기 절연 전기부하에 흐르는 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 전압센서의 입력단과 상기 신재생 에너지 모듈의 출력단을 연결하는 케이블의 손실전력에 대응하여 기설정된 보상전력을 상기 절연 전기부하에 제공하는 부스트 파워부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 I-V 스위핑 정보, 전압 대비 전류 특성 정보, 전압 대비 전력 특성 정보 및 측정시점별 최대전력점 추출 정보 중 적어도 하나를 포함하는 성능평가 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 장치.
   
8. 내부저항의 가변을 통해 신재생 에너지 모듈에서 출력되는 전력을 소모하며 전기적으로 절연된 절연 전기부하에 미리 설정된 고전압을 인가하는 고전압 발생부를 통해 상기 절연 전기부하 및 상기 신재생 에너지 모듈의 기준전위를 상승시키는 기준전위 제공 단계;
   상기 절연 전기부하에 연결된 측정부를 통해 전압 및 전류를 측정하는 측정 단계;
   상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정단계를 통해 측정된 전압과 전류를 이용하여 성능평가 정보를 생성하는 성능 평가 단계; 및
   상기 신재생 에너지 모듈의 미동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전류를 통해 PID 평가정보를 생성하는 PID 평가 단계
   를 포함하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 성능 평가 단계는 상기 신재생 에너지 모듈의 동작시 상기 측정부를 통해 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 절연 전기부하 제어와 동기화하며, 동기된 상기 절연 전기부하의 측정 전압과 전류를 근거로 MPPT 알고리즘을 통한 최대전력점을 추적하되, 상기 MPPT 알고리즘 동작 중에 상기 절연 전기부하를 조절하여 상기 신재생 에너지 모듈의 I-V 스위핑 결과에 따른 최대전력점을 상기 성능평가 정보로 수집하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 방법.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 PID 평가 단계는 상기 고전압 발생부를 통해 어레이를 구성하는 상기 신재생 모듈에 대한 상기 어레이에서의 위치를 고려하여 상기 고전압을 인가하고, 상기 절연 전기부하에 대하여 상기 측정부를 통해 측정되는 누설전류 변화를 추적하여 상기 PID 평가정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 모듈을 위한 모듈 단위 성능 검증 방법.

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