KR101528141B1 - 태양광 발전 시스템의 스마트 접속반 - Google Patents

태양광 발전 시스템의 스마트 접속반 Download PDF

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임정수
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Abstract

본 발명은 태양광 발전시스템의 스마트 접속반에 관한 것으로, 태양광 발전 시스템의 인버터로 전달될 DC전력의 DC 전압 및 전류를 센싱하고, 상기 인버터에서 분전반으로 전달될 발전전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하며, 외부에서 상기 분전반으로 인입되는 전력공급자 인입전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하여 입력받는 신호 입력부, 상기 신호 입력부가 입력받은 AC/DC 전압 및 전류들로 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나이상의 전기량의 정보를 계산하는 중앙처리부, 상기 중앙처리부에서 계산된 전기량의 정보를 저장하는 메모리부, 및 상기 중앙 처리부에서 계산된 전기량의 정보를 원격지의 출력부로 송신하는 통신부를 제공한다.

Description

태양광 발전 시스템의 스마트 접속반{SMART CONNECTION BOARD OF SOLAR ENERGY GENERATION SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전시스템의 스마트 접속반에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전 시스템은 태양 에너지의 무공해성 및 무한정성에 힘입어 지구 환경 문제와 미래 에너지원의 다각화 대책으로서 선진 각국에서 활발히 연구 개발이 진행되고 있다.
이러한 태양광 발전 시스템은 발전한 전력의 이용방법에 따라, 발전 전력을 축전지에 저장하여 필요한 시간에 전력을 공급하는 독립형 발전시스템과, 발전 전력을 부하에 공급하고 잉여전력을 계통에 공급하는 계통 연계형 발전시스템으로 구분된다.
최근에는 분산전원의 계통 영향 최소화, 사고에 대비한 계통보호 기술, 인버터의 제어기술 향상 등으로 계통 연계형 발전시스템의 보급이 확산되고 있다.
태양광 발전시스템은 태양의 빛을 받아서 P형 반도체와 N형 반도체의 전위 차이로 전기를 일으키는 최소단위인 셀(cell)을 조합하여 전기를 꺼내는 최소단위인 모듈(module)로 구성한다.
상기 모듈은 직렬 또는 병렬로 복수 개 조합되게 구성한 어레이(array)로 이루어진 태양전지가 구비되며, 이때 태양의 위치, 즉 태양의 궤적에 따라서 회전 및 틸팅되는 위치추적장치를 추가적으로 설치할 수 있으며, 이러한 태양광 발전시스템에는 태양전지에서 생성된 전기를 인버터(inverter)로 공급해주도록 전기적으로 배선 연결된 접속반이 구비된다.
종래 접속반은 대한민국 등록특허 제930132호(2009년 12월 8일자 공고)에 게재된 바와 같이 예전부터 사용되던 태양광 발전시스템에서 태양전지의 어레이로부터 공급되는 전력을 축전지로 충전하거나 인버터로 공급하는 기능만을 수행하던 기술에서 나아가, 태양전지 각 직렬 모듈군으로 부터 발전된 직류전원을 병렬군으로 조합하여 인버터에 안정적으로 직류전원을 공급한다.
본 발명은 태양광 발전전력, 전력공급자의 인입전력, 및 소비전력을 비교하여 전력의 과부족여부 정보를 원격지에서 모니터링할 수 있는 태양광 발전시스템의 스마트 접속반을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 실시간으로 계측되는 전류 및 전압 신호를 이용하여 전력품질을 유지하는 태양광 발전시스템의 스마트 접속반을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 태양광 발전 시스템의 스마트 접속반은, 태양광 발전시스템의 스마트 접속반에 있어서, 태양광 발전 시스템의 인버터로 전달될 DC전력의 DC 전압 및 전류를 센싱하고, 상기 인버터에서 분전반으로 전달될 발전전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하며, 외부에서 상기 분전반으로 인입되는 전력공급자 인입전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하여 입력받는 신호 입력부; 상기 신호 입력부가 입력받은 AC/DC 전압 및 전류들로 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나이상의 전기량의 정보를 계산하는 중앙처리부; 상기 중앙처리부에서 계산된 전기량의 정보를 저장하는 메모리부; 및 상기 중앙 처리부에서 계산된 전기량의 정보를 원격지의 출력부로 송신하는 통신부:를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 중앙 처리부는 상기 신호 입력부를 통해 들어오는 신호를 샘플링하고 양자화하여 연산 가능한 데이터로 가공하고, AC/DC 전압 및 전류의 각 전기량을 실시간으로 계측하는 AD 모듈; 상기 AD 모듈에서 가공한 데이터를 이용하여 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나 이상 필요한 전기량을 연산하는 연산모듈; 및 상기 연산모듈에서 연산한 전기량 데이터를 이용하여 과전류, 및 과전압 정보를 저장하고 상기 통신부로 전달하는 제어모듈;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소비전력은 하기의 관계식으로 연산될 수 있다.
관계식
Figure 112014022540002-pat00001
여기서, Pload는 소비전력, Ppv는 발전전력, 및 Pkep는 인입전력을 나타냄.
또한, 상기 신호 입력부는 상기 인버터에 전달되는 DC 전력을 센싱하여 DC 전류 및 전압을 입력받는 제1 센서부, 상기 인버터에서 분전반으로 전달되는 발전전력을 센싱하여 AC전류 및 전압을 입력받는 제2 센서부, 및 외부에서 상기 분전반에 전달되는 인입전력을 센싱하여 AC 전류 및 전압을 입력받는 제3 센서부로 부터 AC/DC 전류 및 전압을 전달 받을 수 있다.
또한, 상기 연산모듈은 AC/DC 전류 및 전압을 샘플링하여 양자화하고, 양자화된 AC/DC 전류 및 전압을 고속 푸리에 변환(FFT;Fast Fourier Transform)연산을 하여, 고속 푸리에 변환된 전류 및 전압의 기본파 성분 및 2-15조파 성분을 검출하고, 상기 기본파 및 2-15조파 성분으로 총 고조파 에너지 밀도를 산출할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 광범위한 태양전지 모듈의 작동 성능 및 전류를 지속적으로 점검하여 줌으로써 사용자의 이익을 극대화 시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 태양광 발전량과 건물 소비전력의 전력 과부족여부를 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 태양광 발전설비로부터 야기될 수 있는 계통전력품질 저하를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 스마트 접속반을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 접속반을 이용한 태양광 발전 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 발전전력, 소비전력 및 인입전력의 관계를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 스마트 접속반을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 접속반을 이용한 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면으로서, 태양광 발전 시스템의 스마트 접속반(100)은 신호 입력부(110), 중앙처리부(120), 메모리부(130), 및 통신부(140)를 포함한다.
스마트 접속반(100)은 크게 파워단과 신호단으로 구분되는데 파워단은 태양광 모듈에서 받은 전기를 전달받아 인버터(20)에 전달하여 공급하는 것으로 이는 일반적인 사항에 해당되어 본 발명에서는 신호단에 대한 설명을 중심으로 기술한다.
신호 입력부(110)는 태양광 발전 시스템의 인버터(20)로 전달될 태양전지 모듈(10)의 ① DC전력의 DC 전압 및 전류를 센싱하고, 인버터(20)에서 분전반(30)으로 인입되는 ② 발전전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하며, 외부에서 분전반(30)으로 인입되는 전력공급자의 ③ 인입전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하여 입력받는다.
④ 소비전력은 사용자가 소비하는 전력으로 상기 DC전력, 발전전력, 및 인입전력으로 도출할 수 있다.
이때, 상기 신호 입력부(110)는 상기 인버터(20)에 전달되는 DC 전력을 센싱하여 DC 전류 및 전압을 입력받는 제1 센서부(1), 상기 인버터(20)에서 분전반(30)으로 전달되는 발전전력을 센싱하여 AC전류 및 전압을 입력받는 제2 센서부(2), 및 외부의 전력공급자로부터 상기 분전반(30)에 전달되는 인입전력을 센싱하여 AC 전류 및 전압을 입력받는 제3 센서부(3)로 부터 AC/DC 전류 및 전압을 전달 받는다.
상기 제1 센서부(1), 제2 센서부(2), 및 제3 센서부(3)는 계기용 변류기(CT; Current Transformer), 및 계기용 변압기(PT; Potential Transformer)를 채택할 수 있다.
또한, 신호 입력부(110)는 불필요한 고주파 및 노이즈를 제거하기 위해 로우패스필터(미도시)를 구비함이 바람직하다.
중앙처리부(120)는 상기 신호 입력부(110)가 입력받은 AC/DC 전압 및 전류들로 발전전력, 인입전력, 및 소비전력을 계산하는 구성으로, 크게 AD모듈(121), 연산모듈(122), 및 제어모듈(123)로 구분할 수 있다.
여기서, AD 모듈(121)은 상기 신호 입력부(110)를 통해 들어오는 전압 및 전류 신호를 샘플링하고 양자화하여 연산 가능한 데이터로 가공하고, AC/DC 전압 및 전류의 각 전기량을 실시간으로 계측한다.
여기서, 연산모듈(122)은 상기 AD 모듈(121)에서 가공한 데이터를 이용하여 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나 이상 필요한 전기량을 연산한다.
이때, 상기 발전전력, 인입전력, 및 소비전력은 하기의 관계식에 따른다.
관계식
Figure 112014022540002-pat00002
여기서, Pload는 소비전력, Ppv는 발전전력, 및 Pkep는 인입전력을 나타냄.
도 3을 통해 소비전력, 발전전력, 및 인입전력의 관계를 살펴보면, ⓐ의 케이스와 같이 발전전력이 소비전력보다 크면 인입전력은 소비전력 쪽으로 치우쳐 소비전력과 같이 빼고, ⓑ의 케이스와 같이 발전전력과 소비전력이 같으면 인입전력은 인입되지 않고, ⓒ의 케이스와 같이, 발전전력이 소비전력보다 작으면 인입전력을 인입하여 발전전력을 대체하게 된다.
따라서, 사용자 입장에서 소비전력, 발전전력, 및 인입전력을 한 번에 모니터링 하여 전력 소비를 조절 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 연산모듈(122)은 AC/DC 전류 및 전압을 샘플링하여 양자화하고, 양자화된 AC/DC 전류 및 전압을 고속푸리에변환(FFT;Fast Fourier Transform)연산을 하여, 고속 푸리에 변환된 전류 및 전압의 기본파 성분 및 2-15조파 성분을 검출하고, 상기 기본파 및 2-15조파 성분으로 총 고조파 에너지 밀도를 산출하여 전력품질을 더 알 수 있다.
이때, 고조파 에너지 밀도가 10%가 넘으면 전력품질 이상신호를 원격지의 출력부(50)를 통해 전달한다. 여기서, 고조파 에너지 밀도의 제한치는 전력변환장치 계통에서는 10%에 해당하고, 일반 계통은 5%, 특수 계통은 3%로 제한한다.
여기서, 제어모듈(123)은 상기 연산모듈(122)에서 연산한 전기량 데이터를 이용하여 과전류, 및 과전압 여부를 판단한다.
또한, 제어모듈(123)은 연산모듈(122)의 발전전력량, 인입전력량, 및 소비전력량을 전달받아 실시간으로 통신부(140)에 전달한다.
메모리부(130)는 상기 중앙처리부(120)의 제어모듈(123)에서 계산된 전기량의 정보 및 과전류 및 과전압 정보의 이력을 저장한다.
통신부(140)는 상기 중앙처리부(120)의 제어모듈(123)에서 계산된 전기량의 정보, 과전류 및 과전압 정보를 원격지에 구비된 출력부(50)에 전송한다.
이때, 통신부(140)는 Zigbee 또는 와이파이(Wifi)와 같은 무선통신을 이용하여 출력부에 데이터를 송신할 수 있다. 물론, 출력부(150)에도 통신부(140)가 송신한 정보를 수신할 수 있는 수신수단(미도시)을 포함한다.
출력부(150)는 통신부(140)부터 전달받은 정보를 출력하여 사용자가 모니터링할 수 있도록 하며, 출력부(150)는 통신부(140)로부터 전달 받은 정보를 사용자가 용이하게 전달 받은 정보를 출력할 수 있는 레이아웃을 구비함이 바람직하다.
상기와 같은 스마트 접속반(100)을 구비한 태양광 발전 시스템은 도 2와 같다.
복수의 태양전지 모듈(10)들이 태양광 발전을 스마트 접속반(100)에 전달하고, 스마트 접속반(100)은 후위에 연결된 인버터(20)에 ① DC 전력을 전달하며, 인버터(20)는 상기 DC 전력을 변환하여 ② 발전전력(AC 전력)을 분전반(30)에 전달한다.
또한, 분전반(30)은 외부의 전력공급자로부터 ③ 전력공급자 인입전력을 전달 받는다.
그리고, 분전반(30)은 태양광 발전 전력 및 전력공급자 인입전력을 부하로 ④ 소비전력을 공급한다.
이에 스마트 접속반(100)은 입력되는 AC/DC 전압 및 전류의 각 전기량을 실시간으로 계측하고, 가공한 데이터를 이용하여 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나 이상 필요한 전기량을 연산하며, 전기량 데이터를 이용하여 전력품질, 과전류, 및 과전압을 원격지의 출력부(50)에 전달하여 사용자가 모니터링 할 수 있도록 한다.
따라서, 광범위한 태양전지 모듈의 작동 성능 및 전류를 지속적으로 점검하여 줌으로써 사용자의 이익을 극대화 시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 태양광 발전량과 건물 소비전력의 전력 과부족여부를 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 태양광 발전설비로부터 야기될 수 있는 계통전력품질 저하를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 태양광 발전시스템의 스마트 접속반은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100: 스마트 접속반 110: 신호 입력부
120: 중앙처리부 121: AD 모듈
122: 계측 모듈 123: 제어 모듈
130: 메모리부 140: 통신부
10: 태양전지 모듈 20: 인버터
30: 분전반 40: 부하
50: 출력부 1: 제1 센서부
2: 제2 센서부 3: 제3 센서부

Claims (5)

  1. 태양광 발전시스템의 스마트 접속반에 있어서,
    태양광 발전 시스템의 인버터로 전달될 DC전력의 DC 전압 및 전류를 센싱하고, 상기 인버터에서 분전반으로 전달될 발전전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하며, 외부에서 상기 분전반으로 인입되는 전력공급자 인입전력(AC전력)의 AC 전압 및 전류를 센싱하여 입력받는 신호 입력부;
    상기 신호 입력부가 입력받은 AC/DC 전압 및 전류들로 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나 이상의 전기량의 정보를 계산하는 중앙 처리부;
    상기 중앙 처리부에서 계산된 전기량의 정보를 저장하는 메모리부; 및
    상기 중앙 처리부에서 계산된 전기량의 정보를 원격지의 출력부로 송신하는 통신부:를 포함하되,
    상기 중앙 처리부는 상기 신호 입력부를 통해 들어오는 전압 및 전류신호를 샘플링하고 양자화하여 연산 가능한 데이터로 가공하고, AC/DC 전압 및 전류의 각 전기량을 실시간으로 계측하는 AD 모듈;
    상기 AD 모듈에서 가공한 데이터를 이용하여 발전전력, 인입전력, 및 소비전력 중 어느 하나 이상 필요한 전기량을 연산하는 연산모듈; 및
    상기 연산모듈에서 연산한 전기량 데이터를 이용하여 과전류, 및 과전압 정보를 저장하고 상기 통신부로 전달하는 제어모듈;을 포함하는 태양광 발전시스템의 스마트 접속반.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 소비전력은 하기의 관계식으로 연산되는 태양광 발전시스템의 스마트 접속반.
    관계식
    Figure 112014127556937-pat00003

    여기서, Pload는 소비전력, Ppv는 발전전력, 및 Pkep는 인입전력을 나타냄.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 입력부는 상기 인버터에 전달되는 DC 전력을 센싱하여 DC 전류 및 전압을 입력받는 제1 센서부, 상기 인버터에서 분전반으로 전달되는 발전전력을 센싱하여 AC전류 및 전압을 입력받는 제2 센서부, 및 외부에서 상기 분전반에 전달되는 인입전력을 센싱하여 AC 전류 및 전압을 입력받는 제3 센서부로 부터 AC/DC 전류 및 전압을 전달 받는 태양광 발전시스템의 스마트 접속반.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산모듈은 AC/DC 전류 및 전압을 샘플링하여 양자화하고, 양자화된 AC/DC 전류 및 전압을 고속 푸리에 변환(FFT;Fast Fourier Transform)연산을 하여, 고속 푸리에 변환된 전류 및 전압의 기본파 성분 및 2-15조파 성분을 검출하고, 상기 기본파 및 2-15조파 성분으로 총 고조파 에너지 밀도를 산출하는 태양광 발전시스템의 스마트 접속반.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100861499B1 (ko) * 2007-06-08 2008-10-02 서울마린 (주) 태양광 발전효율 계측장치

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