KR101598458B1 - 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
최대 전력을 출력할 수 있도록 계절 정보 및 일기 상태에 따라 태양광 발전의 출력이 최대로 될 수 있도록 연속적으로 최대 출력점을 제어하는 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 다수의 태양 전지가 마련된 태양광 발전용 패널, 상기 태양광 발전용 패널이 장착된 지역의 기상 정보를 수신하고, 최소 1년 동안의 계절 정보를 유지하며 일사량을 측정하는 계측 수단, 최소 1년 전의 상기 태양광 발전용 패널의 제어 정보를 저장하고, 상기 태양광 발전용 패널을 제어하기 위한 다수의 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 알고리즘으로 하여 각각 저장하는 저장 수단, 상기 계절 정보에 의한 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 상기 저장 수단에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 연속적으로 적용하여 상기 태양광 발전용 패널의 방향을 제어하는 제어 수단을 포함하고, 상기 최대 전력점 제어 방법은 PO(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함하는 구성을 마련하여, 태양광 발전의 최대 전력을 출력할 수 있다.
Description
본 발명은 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 최대 전력을 출력할 수 있도록 계절 정보 및 일기 상태에 따라 태양광 발전의 출력이 최대로 될 수 있도록 연속적으로 최대 출력점을 제어하는 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전 시스템은 무한한 태양에너지를 이용하여 친환경적인 전력 에너지를 생산해낼 수 있을 뿐만 아니라 진동과 소음이 없고 수명이 거의 반영구적인 장점을 갖는다. 또한, 설비 자동화가 용이하여 태양광 발전 시스템의 운전 및 유지 관리에 드는 비용을 최소화시킬 수 있다.
그러나 태양에너지는 에너지 밀도가 1[kW/m2] 정도로 낮고, 직/교류 전력변환 장치가 필요하다. 또한, 출력특성이 일사량과 온도 등의 자연조건에 따른 변동으로 불안정하며 태양전지의 광전변환 효율이 상용 제품의 경우 17% 정도로 낮고, 1W당 가격이 약 4$ 정도의 많은 초기 투자비가 소요되는 문제점이 있다.
태양광 발전에 대한 연구는 크게 재료적인 측면과 전력변환 측면으로 나누어진다. 그 중 전력변환 측면에서는 전력변환 효율 및 고성능화에 관심을 두고 집중적으로 연구를 하고 있다.
이러한 태양광 발전시스템은 발전 효율을 높이기 위해서, 태양전지 어레이 또는 태양광 모듈로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록 하는 제어가 필요하다. 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 간단히 MPPT 라고도 함) 제어는 태양광 모듈(즉, 태양광을 입사 받아 전압 및 전류를 출력하는 모듈. 예를 들어, 태양전지 어레이)을 제어하여 동작점이 최대 전력점을 추종하도록 동작시키기 위한 제어기법이다.
대표적으로는 태양전지의 MPP(Maximum Power Point)를 제어하기 위해 가장 많이 적용되는 방법으로 PO(Perturbation and Observation)방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법 등이 있다
PO 방법은 주기적으로 태양전지 전압과 전류를 측정하여 전력을 계산한 후 전력 값을 이용하여 MPP를 추적하는 방법이다. IC 제어 방법은 태양전지 전압과 전류를 측정하여 어레이의 단자전압 동작점의 변화에 대한 전력의 변화율이 '0'이 되도록 제어하는 방법이다. CV 제어 방법은 태양전지 어레이의 동작전압이나 전력에 상관없이 일정한 기준전압(ref V)으로 제어하는 방법이다.
그러나 각각의 제어방법들은 일사량 변동 등의 파라미터변화에 대한 장점과 단점을 가지고 있다.
이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 및 2 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 기준전압(Vref)에 따라 태양광 모듈의 출력 전압(V) 및 전류(I)에 따른 전력을 출력하는 전력 변환부, 상기 출력 전압(V), 출력 전류(I) 및 일사량(S)을 센싱하는 센서부, 센싱된 일사량(S)이 기설정된 일사량 임계치(ST)보다 큰지 여부를 판단하는 일사량 판별부, 센싱된 출력 전압(V) 및 출력 전류(I)에 의해 계산된 전력의 변동량(ΔP)과 출력 전류(I)에 따라, 기준 전압(Vref)의 스텝 사이즈를 가변하여 출력하는 스텝 사이즈 가변부 및 일정 전압을 기준전압으로 결정하여 상기 전력 변환부로 출력하거나 상기 스텝 사이즈 가변부로부터 출력되는 스텝 사이즈를 이전 기준전압에 가산 또는 감산하여 상기 전력 변환부로 출력하거나 이전 기준전압을 상기 전력 변환부로 출력하는 기준전압 결정부를 포함하는 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추종 제어장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 태양 전지와 부스트 컨버터를 포함하는 태양광 발전 시스템에서 최대 전력점 추종을 위한 전력 제어 방법에서, 상기 부스트 컨버터의 듀티비를 제어하는 제1 제어 신호로서 지속적인 온/오프 신호를 상기 부스트 컨버터로 인가하여 상기 최대 전력점을 찾는 과정 및 일정한 전압 명령에 따라 상기 태양광 발전 시스템의 동작점을 상기 최대 전력점에서 유지시키는 과정을 포함하고, 상기 최대 전력점을 찾는 과정은 초기 구동 시 상기 태양 전지가 개방 전압인 경우, 상기 제1 제어 신호로 지속적인 온 신호를 출력하여 상기 태양 전지의 출력 전압을 감소시키면서 상기 최대 전력점을 찾는 과정을 포함하는 전력 제어 방법에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 3에는 광량 센서의 입력과 모듈개방전압 측정주기의 변동을 활용하여 CV 제어 방법과 PO 제어 방법을 상황에 맞게 선택, 절환하여 지속적으로 최대 출력점 제어가 이루어지게 하는 광센서입력과 측정주기변동을 활용한 솔라셀 모듈용 듀얼모드 최대 출력점 제어기법에 대해 개시되어 있다.
태양광 발전 시스템의 최대 전력점 제어(MPPT) 기법 중 CV 제어 방법은 비교적 근사한 값으로 간단하게 최대 출력점을 찾을 수 있다는 장점이 있으나 근본적인 문제점이 두 가지 있다.
첫째, 개방전압의 측정을 위해 일정주기로 부하출력을 컷오프(cut off) 하여 부하에 영향을 주고 그 기간 동안 전력이 낭비된다는 문제점이다.
둘째, 측정전압의 정해진 비율로만 기준전압을 제어하므로 정확한 최대 출력점이 아닌 대략적인 추정 값 만으로 부정확하게 제어하게 된다는 문제점이다.
MPPT 기법 중의 PO 제어 방법은 매 사이클마다 출력의 증가를 계속 모니터링 하여 피드백이 이루어지므로, 어떤 조건에서는 안정되지 않고 파워의 오실레이션이 일어나기 쉽고 일사량 등 실제 환경조건의 변화에 민감하게 대응하지 못한다는 단점이 있다.
IC 제어 방법은 임피던스 비교법, 증분 컨덕턴스 방법으로 불린다. 이 방법은 태양광 전지 어레이 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 MPP를 추종하는 방법이다. 그리고 PO 제어 방법에서 간과하고 있는 일정온도에서 일사량이 증가할 경우, 전압의 변동 폭이 '0'이 되도록 제어 알고리즘이 추가되어 있으므로 좀 더 향상된 방법이라고 할 수 있다. 특히 빠르게 변하는 일사량에서 효과적인 방법이며 MPP에 도달 시 태양광 전지 어레이의 출력전력이 안정한 특징이 있다. 그러나 IC 제어 방법은 저 일사량에서도 MPP 추적이 가능하나 일사량이 급변하는 경우에 MPP 추적의 응답속도가 느린 단점이 있다.
또 상기 특허문헌 3에 개시된 기술은 기본적으로 전류, 전압, 일사량을 측정하고 먼저 CV 제어 모드를 동작시킨 후 일사량의 변동 여부에 따라 PO 제어 모드로 진입 제어를 수행하는 것으로서, 일사량이 근본적으로 적은 시간대이거나 일사량이 급변하는 경우에는 적합하게 대응하지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 상술한 태양광 발전에서는 단순히 일사량에 따른 제어만 실행하므로, 일사량에 대응하여 태양광 발전용 패널을 제어하므로 제어 장치에 무리가 발생한다는 문제도 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 각각의 MPPT 제어방법의 장점을 활용하여 계절 정보에 따라 MPPT 제어 방법이 변경되는 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최대 전력을 출력할 수 있도록 일사량에 따라 태양광 발전의 출력이 최대로 될 수 있도록 연속적으로 최대 출력점을 제어하는 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는 계절 정보를 이용하여 태양광 발전을 실행하는 태양광 발전 장치로서, 다수의 태양 전지가 마련된 태양광 발전용 패널, 상기 태양광 발전용 패널이 장착된 지역의 기상 정보를 수신하고, 최소 1년 동안의 계절 정보를 유지하며 일사량을 측정하는 계측 수단, 최소 1년 전의 상기 태양광 발전용 패널의 제어 정보를 저장하고, 상기 태양광 발전용 패널을 제어하기 위한 다수의 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 알고리즘으로 하여 각각 저장하는 저장 수단, 상기 계절 정보에 의한 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 상기 저장 수단에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 연속적으로 적용하여 상기 태양광 발전용 패널의 방향을 제어하는 제어 수단을 포함하고, 상기 최대 전력점 제어 방법은 PO(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 태양광 발전 장치에서, 상기 제어 수단은 10시 이전에 IC 제어 방법을 적용하고, 10시 초과부터 11시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 11시 초과부터 14시 이전에 CV 제어 방법을 적용하고, 14시 초과부터 16시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 16시 초과 이후에 IC 제어 방법을 연속적으로 적용하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 태양광 발전 장치에서, 상기 제어 수단은 상기 계측 수단에서 실시간으로 계측된 현재의 일기 상태가 1년 전 동일 날짜의 기상 상태와 다른 경우, 1년 전 동일 날짜에 근접한 일기 상태에서 제어하였던 제어 방법으로 태양광 발전용 패널을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 제어 방법은 계절 정보를 이용하여 태양광 발전을 실행하는 태양광 발전 장치를 제어하는 방법으로서, (a) 태양광 발전용 패널에 대해 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 저장 수단에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)에 따라 추정 선택 제어를 실행하는 단계, (b) 상기 단계 (a)의 실행 후, 계측 수단에 마련된 기상 계측기로 실시간의 일기 상태를 감지하는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 감지된 일기 상태에 근거하여 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 선택하는 단계, (d) 상기 단계 (a)에서의 추정 선택 제어와 상기 단계 (c)에서 선택된 실측 선택 제어를 비교하여 추정 선택 제어와 실측 선택 제어가 동일하면, 상기 단계 (a)를 실행하고, 상기 추정 선택 제어와 실측 선택 제어가 상이하면 실측 선택 제어를 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 최대 전력점 제어 방법(MPPT)은 PO(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 제어 방법에서, (f) 상기 태양광 발전용 패널의 제어를 실행하면서, 일기 상태의 변화를 지속적으로 모니터링 하여 일기 상태의 변화량이 실측 선택 제어를 선택하는 기준 값 이상으로 변화되었을 경우, 1년 전 동일 날짜에 근접한 일기 상태에서 제어하였던 제어 방법으로 태양광 발전용 패널을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 단계 (a)에서 10시 이전에 IC 제어 방법을 적용하고, 10시 초과부터 11시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 11시 초과부터 14시 이전에 CV 제어 방법을 적용하고, 14시 초과부터 16시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 16시 초과 이후에 IC 제어 방법을 연속적으로 적용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 해당지역에서의 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 해당 시간대에서 가장 효율이 높은 제어 방법을 선택하여 태양광 발전용 패널을 운용하므로, 태양광 모듈 제품의 회로에서 최대 출력점 전력제어 기능이 원활하게 되며, 태양광 모듈 제품의 출력효율을 높이여 사용자의 편리성과 유용성을 획기적으로 증대시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 일사량에 따라 태양광 발전의 출력이 최대로 될 수 있도록 연속적으로 최대 출력점을 제어하므로, 태양광 발전의 최대 전력을 출력할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 태양광 발전용 패널을 제어하므로 제어 장치에 무리가 발생한다는 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치의 구성 블록도,
도 2는 본 발명에 적용되는 PV 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 적용되는 공지된 PO MPPT 제어 알고리즘,
도 4는 본 발명에 적용되는 공지된 IC MPPT 제어 알고리즘,
도 5는 본 발명에 적용되는 공지된 CV MPPT 제어 알고리즘,
도 6은 본 발명에 적용되는 방향에 따른 일사량을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치를 제어하기 위한 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 2는 본 발명에 적용되는 PV 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 적용되는 공지된 PO MPPT 제어 알고리즘,
도 4는 본 발명에 적용되는 공지된 IC MPPT 제어 알고리즘,
도 5는 본 발명에 적용되는 공지된 CV MPPT 제어 알고리즘,
도 6은 본 발명에 적용되는 방향에 따른 일사량을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치를 제어하기 위한 과정을 설명하기 위한 흐름도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명에 적용되는 계절은 일 년 동안의 월일, 해와 달의 운행, 월식과 일식, 절기, 특별한 기상 변동 따위를 날의 순서에 따라 적은 정보로서, 이하의 '계절 정보'는 최소 1년 동안의 태양광 발전용 패널이 장착된 지역에서의 일기 상태에 따라 최대 전력점 제어 방법(MPPT)으로 태양광 발전용 패널을 제어한 정보를 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 태양광 발전은 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 실행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 계절 정보를 이용한 태양광 발전 장치의 구성 블록도 이다.
본 발명에 따른 태양광 발전 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 태양 전지가 마련된 태양광 발전용 패널(10), 상기 태양광 발전용 패널(10)이 장착된 지역의 기상 정보를 수신하고, 최소 1년 동안의 계절 정보를 유지하며 기상 상태 및 일사량을 측정하는 계측 수단(20), 최소 1년 동안의 상기 태양 발전용 패널(10)의 제어 정보를 저장하고 상기 태양 발전용 패널(10)을 제어하기 위한 다수의 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 알고리즘으로 하여 각각 저장하는 저장 수단(30), 상기 계절 정보에 의한 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 상기 저장 수단(30)에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 연속적으로 적용하여 상기 태양 발전용 패널(10)의 방향을 제어하는 제어 수단(40)을 포함한다.
상기 태양광 발전용 패널(10)은 위치 이동이 가능한 패널로서, 상기 제어 수단(40)의 제어에 따라 일사량 조건을 충족하도록 상하 방향 및 좌우 방향으로 이동 가능하게 장착된다. 이와 같은 태양광 발전용 패널(10)의 위치 이동에 대해서는 통상의 기술에 의해 용이하게 실현할 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 계측 수단(20)은 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전용 패널(10)이 장착된 위치에서 기상청의 일기 예보를 받아 맑음, 비 또는 눈, 흐림, 대체로 흐림으로 일일의 기상 정보를 계측하는 기상 계측기(21), 최소 1년 동안의 계절 정보에 따라 태양광 발전용 패널(10)이 장착된 위치에서 계절을 계측하는 계절 계측기(22), 다수의 태양 전지에서의 일사량을 감지하는 일사량 감지 센서(23)를 구비한다. 도 1에서는 설명의 편의상 기상 계측기(21)와 계절 계측기(22)를 구분하여 나타내었지만, 기상과 계절의 계측은 상기 제어 수단(40)에 의해 실현될 수도 있다. 또 상기 기상 계측기(21)에서는 아날로그 정보인 기상청의 일기 예보를, 예를 들어 2진수 정보인 '00'은 맑음, '01'은 비 또는 눈, '10'은 흐림, '11'은 대체로 흐림과 같은 디지털 정보로 변환하여 제어 수단(40)으로 전송한다. 상기 계절 계측기(22)는 예를 들어 태양광 발전용 패널(10)의 제어 상태를 1년간 계측하고, 1년 후의 태양광 발전용 패널(10) 제어를 위한 정보로서 제어 수단(40)으로 전송한다.
상기 저장 수단(30)은 최대 전력점 제어 방법(MPPT)의 알고리즘으로서 PO(Perturbation and Observation) 제어 방법(31), IC(Incremental Conductance) 제어 방법(32) 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법(33)을 저장하고 있으며, 본 발명에서 상기 제어 수단(40)은 상기 계측 수단(20)에서의 계측 결과에 따라 PO 제어 방법(31), IC 제어 방법(32) 및 CV 제어 방법(33) 중의 어느 하나를 해당지역에서의 계절 정보, 시간대에 따른 총입사 일사량에 근거하여 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태 및 시간대에서 가장 효율이 높은 제어 방법을 선택하여 연속적으로 실행하여 상기 태양광 발전용 패널(10)의 위치를 제어한다. 또 상기 저장 수단(30)은 상기 계절 계측기(22)에서 계측된 태양광 발전용 패널(10)의 제어 상태에 대한 정보를 책략 정보로서 저장한다.
상기 제어 수단(40)은 마이크로프로세서를 구비하고, 추정선택 제어와 실측선택 제어를 실행한다. 상기 추정선택 제어는 계절 정보 및 태양광 발전용 패널(10)에 대해 저장 수단(30)에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)에 따라 실행하는 것이고, 실측선택 제어는 계측 수단(20)에서의 계측 결과, 예를 들어 일사량 감지 센서(23)에서의 감지 결과에 따라 상기 저장 수단(30)에 저장된 PO 제어 방법(31), IC 제어 방법(32) 및 CV 제어 방법(33)의 알고리즘 중의 어느 하나를 독출하여 운영하고, 추정선택 제어와 실측선택 제어에 따라 태양광 발전용 패널(10)의 이동에 제어한다.
상술한 바와 같이 상기 제어 수단(40)에 의해 추정선택 제어와 실측선택 제어가 수행에 적용되는 시스템은 도 2에 나타난 바와 같으며, 이는 'Trans. KIEE. Vol. 59, No. 6, JUN, 2010'에 제시된 시스템을 기초로 하고 있으나, 이에 한정되지 아니하며 본 분야에서 활용되는 공지된 PV 제어시스템을 활용하여 후술하는 일사량에 따른 변환 효율표를 작성하여 활용할 수 있다.
도 2는 본 발명에 적용되는 PV 시스템의 구성도이다.
도 2에서의 시스템은 태양광에너지를 전기에너지로 변화하는 PV 모듈과 부스트(Boost) 컨버터로 구성된다. PV 모듈에서 전압과 전류를 측정하여 전력을 계산하여 일사량 변동에 대하여 MPPT를 수행한다. MPPT에서 나오는 기준 전압(ref V)를 이용하여 PWM을 통해 부스트 컨버터를 제어한다.
상기 제어 수단(40)은 PV 모듈로부터 출력되는 Vpv를 활용하여 일사량 감지 센서(23)에서 실제 측정되는 일사량을 연산하며, 상기 저장 수단(30)에는 일사량에 따른 제어 기법별 변환 효율표가 저장되고, 상기 제어 수단(40)은 저장 수단(30)에 저장된 효율표를 독출하여 활용한다.
본 발명에서 활용되는 제어 기법별 변환 효율의 예시는 하기 표 1에 나타낸 바와 같으며, Trans. KIEE. Vol. 59, No. 6, JUN, 2010에서 제시된 방법을 활용하여 본 발명자가 특정한 것이지만, 이는 하나의 예시로서 본 발명이 이에 한정되지 아니하며 시험 조건 등에 따라 변경될 수 있으며, 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위하여 예시적으로 제시된 것이다.
| 실측 일사량 | 제어 방법 |
| 600~1000 W/㎡ | IC |
| 300~600 W/㎡ | PO |
| 300 W/㎡ 미만 | CV |
본 발명에서 활용되는 태양 전지의 MPP(Maximum Power Point)를 제어하기 위해 가장 많이 적용되는 제어 방법은 저장 수단(30)에 저장된 알고리즘인 PO 제어 방법(31), IC 제어 방법(32) 및 CV 제어 방법(33)이며, 이러한 제어 방법은 공지의 알고리즘이다.
상기 PO 제어 방법(31)은 간단한 피드백 구조를 갖으며 소수의 측정 파라미터를 갖기 때문에 널리 사용된다. 이는 태양전지전압을 주기적으로 증가, 감소시킴으로써 동작하며, 이전의 교란주기 동안의 태양 전지 어레이 출력전력과 함께 현재 어레이의 출력전력을 비교하여 MPP를 연속적으로 추적하는 방법으로서 그 수행 알고리즘은 도 3과 같다.
도 3은 본 발명에 적용되는 공지된 PO MPPT 제어알고리즘이다. 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.
IC 제어 방법(32)은 임피던스 비교법, 증분 컨덕턴스방법으로 불린다. 이 방법은 태양광 전지 어레이 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 MPP를 추종하는 방법이다. 그리고 PO 제어방법(31)에서 간과하고 있는 일정온도에서 일사량이 증가할 경우, 전압의 변동 폭이 '0'이 되도록 제어 알고리즘이 추가되어 있으므로 좀 더 향상된 방법이라고 할 수 있다. 특히 빠르게 변하는 일사량에서 효과적인 방법이며 MPP에 도달 시 태양광 전지 어레이의 출력전력이 안정한 특징이 있다. PO 제어 방법(31)의 문제점을 개선하기 위한 IC 제어 방법(32)은 전압과 전류를 측정하여 전력 대 전압의 기울기를 계산한 후 기울기의 부호 즉, 양과 음을 판단하여 기준전압을 증가 혹은 감소시켜 MPP를 추종하는 방법이다. 많은 논문을 통하여 IC 제어방법 알려져 있음으로 구체적 설명을 생략하며 도 4와 같은 순서도에 의해 동작한다. 도 4는 본 발명에 적용되는 공지된 IC MPPT 제어알고리즘이다.
CV 제어 방법(33)은 태양전지의 최대 출력전압은 일사량과 태양전지 온도에 크게 영향을 받지 않는다. 태양전지 어레이의 출력전압은 일사량의 변화에 대해서 약간의 변동 폭을 가지는 정전압특성을 나타내고 있으므로, Vref = 0.76로 설정하여 정전압으로 제어하는 방법을 CV 제어 방법이라고 한다. 따라서 이 기법은 출력에 대해 전력량이 필요하지 않는다. 부스트 컨버터의 듀티는 제어 회로에 의해 결정되고, 출력 측 DC 전압은 정상상태 조건의 기준 전압(ref V) 값에 의해 일정한 값으로 유지되는 MPP를 추종하는 방법이다. 본 분야에서 공지된 방법이어서 구체적 설명을 생략하며 도 5와 같은 순서도에 의해 동작한다. 도 5는 본 발명에 적용되는 공지된 CV MPPT 제어알고리즘이다.
본 발명의 MPP 추적시 주요 변수로 작용하는 총 일사량은 PV 모듈이 설치되는 지역, 방향, PV 모듈의 설치 경사도 등에 영향을 받는다. 이에 따라서 본 발명과 같은 제어 수단(40)이 구비된 태양광 발전 장치를 설치하기 전 최대 전력량이 생산될 수 있도록 최대 일사량을 고려하여야 한다.
특히, 특정된 지역에 최대 일사량이 입사될 수 있도록 하기 위하여 최대 일사량을 추적하는 방법 및 조사 연구결과가 한국 조명 전기설비 학회 2010 춘계학술대회 논문집(2010.5.6~7) '주광 이용 극대화를 위한 태양 일사량 분석'에 이루어 져 있으며, 이를 보면 방향, 시간대, 계절 등에 다른 총 일사량이 나타나 있다. 이를 참조하여 본다면 우리나라에서는 도 6에 나타난 바와 같이 방향에 따라 시간대별 일사량의 차이가 현격하게 나타나고 있고, 여름이고 남향의 경우 대체적으로 12시에서 14시에서 최대 일사량을 나타내고 있으며, 다음은 오전 10시와 11시 및 오후 14시에서 16시가 중간 정도의 일사량을 나타내고, 나머지 주간 시간에서 가장 적은 일사량을 나타내고 있어 대체적으로 3개 구간으로 일사량 범위를 정할 수 있다. 도 6은 본 발명에 적용되는 방향에 따른 일사량을 나타내는 그래프이다.
물론 이는 실제 PV 모듈이 설치되는 지역의 조건에 따라 변경될 수 있으며, 계절에 따라 변경됨은 자명하다 할 것이다.
본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 상기 논문에 나타난 자료를 바탕으로 여름 남향인 경우, 시간대별 일사량을 3단계로 구분하여 시간대별 각 총 일사량에 적합한 MPP 추적시 최고 효율을 낼 수 있는 제어 기법을 하기 표 2와 같이 시간대별 총 일사량 테이블로 하여 저장 수단(30)에 저장하고, 제어 수단(40)은 저장 수단(30)에 저장된 시간대별 총 일사량 테이블을 독출하여 태양광 발전용 패널(10)의 위치 이동을 제어한다.
본 발명에서 설명의 편의를 위하여 표 2만을 제시 하나 이는 본 발명의 실시자들이 설치 조건에 따라 적합하게 변경할 수 있음은 자명하다 할 것이다.
| 시간대 | 제어 방법 |
| 10시 이전 | IC |
| 10시 초과부터 11시 이전 | PO |
| 11시 초과부터 14시 이전 | CV |
| 14시 초과부터 16시 이전 | PO |
| 16시 초과 이후 | IC |
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 수단(40)은 저장 수단에 저장된 표 1 및 표 2에 의거하여 시간대별 및 일사량별 제어를 실행한다. 제어 수단(40)은 10시 이전에 IC 제어 방법을 적용하고, 10시 초과부터 11시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 11시 초과부터 14시 이전에 CV 제어 방법을 적용하고, 14시 초과부터 16시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 16시 초과 이후에 IC 제어 방법을 연속적으로 적용하여 최적의 태양광 발전을 실행하는 것이다.
다음에 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 제어 방법에 대해 도 7에 따라 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 계절을 이용한 태양광 발전 장치를 제어하기 위한 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 태양광 발전용 패널(10)이 장착된 지역의 기상 정보를 수신하고, 최소 1년 동안의 계절 정보 등에 따라 상기 저장 수단(30)에 저장된 알고리즘인 최대 전력점 제어 방법(MPPT)에 의해 태양광 발전용 패널(10)에 대해 제어 수단(40)이 추정 선택 제어를 실행한다(S10).
따라서, 제어 수단(40)은 계측 수단(20)에 마련된 기상 계측기(21) 및 계절 계측기(22)에 의해 태양광 발전용 패널(10)이 작동할 때의 기상 및 계절 정보를 인식한다(S20).
이어서, 제어 수단(40)은 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 상기 저장 수단(30)에 저장된 계절 정보에 따른 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 독출하고(S30), 상기 표 1 및 표 2에 근거하여 시간대에 따른 총입사 일사량에 근거하여 해당 계절 정보에서 가장 효율이 높은 제어 방법을 저장 수단(30)에서 PO 제어 방법(31), IC 제어 방법(32) 및 CV 제어 방법(33) 중의 어느 하나를 독출하여 태양광 발전용 패널(10)을 운용한다. 즉 제어 수단(40)은 독출된 방법으로 제어를 실행한다(S40).
한편, 추정선택 제어를 실행한 후, 계측 수단(20)의 기상 계측기(21) 및 일사량 감지 센서(23)에서는 실제로 측정되는 실시간의 기상 상태 및 일사량(실측 기상 상태)를 감지한다(S50). 이어서 제어 수단(40)은 상기 단계 S50에서 감지된 일 기 상태에 따른 제어 방법을 저장 수단(30)에서 독출한다(S60). 즉, 상기 제어 수단(40)은 기상 계측기(21) 및 일사량 감지 센서(23)에서 감지된 기상 상태와 일사량에 근거하여 저장 수단(30)에 저장된 알고리즘 중, 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 선택한다.
다음에, 상기 제어 수단(40)은 태양광 발전용 패널(10)에 대해 운용되고 있는 추정선택 제어와 상기 단계 S60에서 기상 상태에 근거하여 선택되는 실측선택 제어와 일치 여부를 판단한다(S70).
상기 단계 S70에서의 판단 결과, 추정선택 제어와 실측선택 제어가 동일하면 추정 제어에서 선택된 제어 방법으로 태양광 발전용 패널(10)을 운용하도록 단계 S40으로 진행하여 상술한 과정을 반복하고, 상기 단계 S70에서 추정선택 제어와 실측선택 제어가 상이하면, 제어 수단(40)은 태양광 발전용 패널(10)을 실측선택 제어에서 선택된 방법으로 제어한다(S80).
또한, 상기 단계 S80에서 선택된 제어 방법으로 운전 중, 일기 상태의 변화를 지속적으로 측정하고(S90), 제어 수단(40)은 일기 상태의 변화량이 실측선택 제어를 선택하는 기준 값 이상으로 변화되었는지 판단한다(S100).
상기 단계 S100에서 일기 상태의 변화량이 실측선택 제어를 선택하는 기준 값 이상으로 변화하지 않는 경우 상기 단계 S80으로 진행하여 상술한 과정을 반복하고, 일기 상태의 변화량이 실측선택 제어를 선택하는 기준 값 이상으로 변화하는 경우, 상기 단계 S20으로 진행하여 상술한 과정을 반복한다.
또한, 상기 설명에서는 제어 수단(40)이 현재의 일기 상태가 1년 전 동일 날짜의 기상 상태와 다른 경우, 현재의 기상 상태에 따른 실측 정보로 제어하는 구성을 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 현재의 일기 상태가 1년 전 동일 날짜의 기상 상태와 다른 경우, 1년 전 동일 날짜에 근접한 일기 상태에서 제어하였던 제어 방법으로 태양광 발전용 패널(10)을 제어할 수 있다. 이와 같이 1년 전 기상 상태에 따라 태양광 발전용 패널(10)의 제어를 실행하는 경우, 현재의 기상 상태에 대한 정보는 기상 계측기(21)에서 계측만을 실행하므로, 태양광 발전용 패널(10)의 제어를 단순화할 수 있어 태양광 발전용 패널(10)의 제어에 따른 피로감을 해소할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 태양광 발전용 패널(10)의 운용을 해당지역에서의 해당지역에서의 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 가장 효율이 높은 방법으로 실행할 수 있다.
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 발명에 따른 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법을 사용하는 것에 의해 태양광 발전용 패널의 운용을 최적화하여 태양광 발전의 효율을 증가시킬 수 있다.
10 : 태양광 발전용 패널
20 : 계측 수단
30 : 저장 수단
40 : 제어 수단
20 : 계측 수단
30 : 저장 수단
40 : 제어 수단
Claims (7)
- 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템으로서,
다수의 태양 전지가 마련된 태양광 발전용 패널,
상기 태양광 발전용 패널이 장착된 지역의 기상 정보를 수신하고, 최소 1년 동안의 계절 정보를 유지하며 일사량을 측정하는 계측 수단,
최소 1년 전의 상기 태양광 발전용 패널의 제어 정보를 저장하고, 상기 태양광 발전용 패널을 제어하기 위한 다수의 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 알고리즘으로 하여 각각 저장하는 저장 수단,
상기 계절 정보에 의한 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 상기 저장 수단에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 연속적으로 적용하여 상기 태양광 발전용 패널의 방향을 제어하는 제어 수단을 포함하고,
상기 최대 전력점 제어 방법은 PO(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템. - 제1항에서,
상기 제어 수단은 10시 이전에 IC 제어 방법을 적용하고, 10시 초과부터 11시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 11시 초과부터 14시 이전에 CV 제어 방법을 적용하고, 14시 초과부터 16시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 16시 초과 이후에 IC 제어 방법을 연속적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템. - 제2항에서,
상기 제어 수단은 상기 계측 수단에서 실시간으로 계측된 현재의 일기 상태가 1년 전 동일 날짜의 기상 상태와 다른 경우, 1년 전 동일 날짜에 근접한 일기 상태에서 제어하였던 제어 방법으로 태양광 발전용 패널을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템. - 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템의 제어 방법으로서,
(a) 태양광 발전용 패널에 대해 1년 전 동일 날짜 또는 1년 전 동일 날짜에 가장 근접한 일기 상태에 대응하여 저장 수단에 저장된 최대 전력점 제어 방법(MPPT)에 따라 추정 선택 제어를 실행하는 단계,
(b) 상기 단계 (a)의 실행 후, 계측 수단에 마련된 기상 계측기로 실시간의 일기 상태를 감지하는 단계,
(c) 상기 단계 (b)에서 감지된 일기 상태에 근거하여 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 선택하는 단계,
(d) 상기 단계 (a)에서의 추정 선택 제어와 상기 단계 (c)에서 선택된 실측 선택 제어를 비교하여 추정 선택 제어와 실측 선택 제어가 동일하면, 상기 단계 (a)를 실행하고, 상기 추정 선택 제어와 실측 선택 제어가 상이하면 실측 선택 제어를 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전효율 개선을 위한 태양광 인버터 시스템의 제어 방법. - 제4항에서,
상기 최대 전력점 제어 방법(MPPT)은 PO(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템의 제어 방법. - 제5항에서,
(f) 상기 태양광 발전용 패널의 제어를 실행하면서, 일기 상태의 변화를 지속적으로 모니터링 하여 일기 상태의 변화량이 실측 선택 제어를 선택하는 기준 값 이상으로 변화되었을 경우, 1년 전 동일 날짜에 근접한 일기 상태에서 제어하였던 제어 방법으로 태양광 발전용 패널을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템의 제어 방법. - 제6항에서,
상기 단계 (a)에서 10시 이전에 IC 제어 방법을 적용하고, 10시 초과부터 11시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 11시 초과부터 14시 이전에 CV 제어 방법을 적용하고, 14시 초과부터 16시 이전에 PO 제어 방법을 적용하고, 16시 초과 이후에 IC 제어 방법을 연속적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템의 제어 방법.
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