KR101926326B1 - 태양광 인버터 시스템에서 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법 - Google Patents

태양광 인버터 시스템에서 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 태양광 인버터 시스템에서 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법을 개시한다. 본 발명은, 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 포함하는 태양광 시스템의 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치에 있어서, 일출 및 일몰시에 인버터 구동에 적합하지 않은 낭비전력을 저장할 수 있는 충전부와, 입력측은 DC링크 커패시터와 병렬로 연결되고 출력측은 충전부에 연결되어 태양광 모듈에서 발생되는 전력을 충전부로 전달할 수 있는 낭비전력 충전회로부를 포함한다. 낭비전력 충전회로부는 충전부로 전달되는 전력의 DC전압을 낮추어줄 수 있는 스위칭모듈과, DC전력을 계산하여, DC전력이 기동전력보다 작은 경우 충전부에 충전을 하도록 스위칭모듈을 제어하는 충전제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 일출 및 일몰시 인버터 구동할 수 없는 낭비 전력을 활용할 수 있을 뿐만 아니라 헌팅현상도 방지할 수 있다.

Description

태양광 인버터 시스템에서 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법{CHARGING DEVICE TO MINIMIZE WASTE POWER AT SUNRISE AND SUNSET IN SOLAR INVERTER SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 태양광 인버터 시스템에서 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭모듈을 DC링크 커패시터에 병렬로 연결하여 일출 및 일몰시 낭비되는 전력을 충전하여 활용할 수 있고, 최대전력 추종에 의한 정확한 DC전력 측정에 의하여 헌팅현상도 방지할 수 있는 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
태양광 시스템은 태양광 모듈, 태양광 모듈에서 얻어지는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 인버터부, 그리고 변환된 교류 전력이 흐르는 교류 전력 계통으로 구성된다.
태양광 모듈에 태양광이 비추어지면, 태양광 모듈에서 광전자 반응에 의해 직류 전력이 발생한다. 이러한 직류 전력은 일사량이 증가함에 따라 증가하여 한낮에는 태양광 모듈에 연결된 DC링크 커패시터에 1,000V 내외의 고전압을 발생시킨다.
계통연계형 태양광 인버터는 태양광 모듈에서 발생하는 DC전력을 입력으로 받아 계통전압인 AC전력 형태로 변환해주는 전력변환장치이다. 일반적으로 태양광 인버터로는 펄스폭변조(pulse width modulation; PWM) 제어를 이용한 PWM 방식의 인버터를 주로 사용한다.
일출시에, 태양광 모듈은 일사량이 상승함에 따라 태양광 모듈전압이 높아지게 되고, 모듈전압을 입력으로 받는 태양광 인버터는 입력전압범위 조건에 따라 운전조건이 되었는지 판단하여 운전을 시작한다.
그런데, 일출시에는 태양광 모듈로부터 출력되는 직류 전력이 작으므로, 태양광 모듈로부터의 직류 전력이 인버터부에서 소모하는 전력보다 작은 경우, 태양광 발전에 의해 오히려 전력을 사용하게 되므로 인버터는 다시 가동 중지 상태로 된다.
따라서, 일출시 인버터 운전 가능한 운전전압 조건이 되었음에도 불구하고, 일사량이 적어 기동 정지를 수회내지 수십 회 반복하게 되는 헌팅(hunting)현상이 발생한다. 이러한 헌팅현상은 특히 일사량이 적은 겨울철에 더욱 많이 발생할 수 있다.
일몰시에도, 태양광 모듈은 일사량이 하강함에 따라 발전 전력이 낮아지게 되며, 이 경우도 일출과 같이, 일사량 하강시 기동 정지를 수회 내지 수십회 반복하게 된다.
기동정지를 반복할수록 태양광 인버터내의 전자접촉기(magnetic contactor; MC)와, PCB내의 릴레이 등 스위칭 소자의 기계적인 사용횟수가 늘어나게 되고, 이는 제품의 수명하락으로 이어진다. 또한, 대용량 인버터가 인가주위에 설치될 경우 일출일몰시의 잦은 open/close 반복에 따라 소음이 증가여 불편함을 끼치는 문제가 있다. 따라서, 일출 및 일몰시 발생하는 헌팅현상을 방지하는 헌팅방지기술이 필요하다.
등록특허공보 제10-1223026호 “태양광 인버터 및 그 제어방법”에서는, 날씨가 흐려 일사량이 감소된 경우 반복되는 스위치의 온/오프 동작을 방지하기 위한 태양광 인버터 및 그 제어방법이 개시된다. 그러나 스위치의 동작을 제어하는 제어부는 초기 기동전압을 “Von = (Vmpp-Tmax + Vmpp-STC)ⅹ(초기 기동 전압 결정 계수)”와 같은 수식으로 계산해야 한다.
등록특허공보 제10-1436092호 “인버터 접속반 제어 시스템”에서는, 태양광 발전 시스템의 효율을 극대화하고, 인버터의 수명을 최대화 할 수 있는 인버터 접속반 제어 시스템을 개시한다. 그러나 기준전압 상승율을 “상향조정된 기준전압 상승율 = 상향조정전 기준전압 상승률 * (1 + 마진계수 + (기준전력 제1개폐기 재투입후 태양전지 출력전력) / 기준전력)”과 같은 수식에 따라 상향 조정해야 한다.
이러한 종래의 헌팅방지 기술은 수식 계산 등을 펌웨어로 구현하므로 정확한 Hunting방지가 되기 어려운 문제가 있다.
한편, 보다 효율적인 태양광 발전 시스템을 위해서는. 인버터 기동전에 낭비되는 전력의 활용 및 인버터 기동 후 헌팅방지 회로를 통해 낭비되는 전력의 활용이 필요하다.
등록특허공보 제10-1737461호 “ 태양전지에서 생성된 전력으로 제어 구동전원을 얻는 태양광 발전 시스템 및 그 방법”에서는, 태양광 발전 시스템에서 배터리를 구비하는 구성이 개시된다. 그러나 배터리는 정전발생시의 안정적인 공급원으로 채용된 것으로, 태양광 발전 시스템의 일출 및 일몰시의 낭비되는 전력을 활용하는 방법에 대해서는 직접적으로 개시되어 있지 않다.
등록특허공보 제10-1223026호 “태양광 인버터 및 그 제어방법” 등록특허공보 제10-1436092호 “인버터 접속반 제어 시스템” 등록특허공보 제10-1737461호 “ 태양전지에서 생성된 전력으로 제어 구동전원을 얻는 태양광 발전 시스템 및 그 방법”
본 발명의 목적은, 일출 및 일몰시 인버터의 가동에 적합하지 않은 낮은 전력을 활용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 일출 및 일몰시 인버터의 헌팅현상이 일어나지 않도록 하여, 태양광 시스템의 수명 감소를 방지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, DC링크 커패시터 전압의 방전시 활용가능한 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 포함하는 태양광 시스템의 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치에 있어서, 상기 인버터부의 가동을 제어하는 인버터 제어부; 일출 및 일몰시에 인버터 구동에 적합하지 않은 낭비전력을 저장할 수 있는 충전부; 및 입력측은 DC링크 커패시터와 병렬로 연결되고, 출력측은 상기 충전부에 연결되어, 태양광 모듈에서 발생되는 전력을 상기 충전부로 전달할 수 있는 낭비전력 충전회로부;를 포함한다.
상기 낭비전력 충전회로부는, 상기 DC링크 커패시터의 DC전압을 측정할 수 있는 DC전압 측정모듈; 상기 충전부로 전달되는 전류를 측정할 수 있는 기동전류 측정모듈; 상기 충전부로 전달되는 전력의 DC전압을 낮추어줄 수 있는 스위칭모듈; 및 상기 DC전압 측정모듈에서 측정된 DC전압과 상기 기동전류 측정모듈에서 측정된 전류를 이용하여 DC전력을 구하여, 상기 DC전력이 기동전력 이상인 경우 상기 스위칭모듈의 가동을 정지시키고, 인버터제어부가 인버터를 기동하도록 하는 충전제어부;를 포함한다.
상기 충전제어부는, 태양광 모듈로부터 최대전력을 추종하도록 상기 스위칭모듈을 제어할 수 있다.
상기 스위칭모듈은, IGBT, FET, GTO, IGCT, SCR로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 낭비전력 충전회로부는, 상기 충전부에 저장된 전하가 DC링크 커패시터로 방전되는 것을 방지하기 위하여, 입력단에 설치되는 역전류 방지 소자;를 더 포함할 수 있다.
상기 충전부는, 상기 기동전류 측정모듈과 연결되는 대용량 커패시터; 상기 커패시터로 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여, 상기 커패시터와 직렬로 연결되도록 설치되는 충전 전류 제한 소자;를 더 포함할 수 있다.
상기 낭비전력을 최소화하는 충전장치는, 상기 충전부의 전압을 검출할 수 있는 충전전압 검출모듈; 상기 충전부와 부하사이에 위치하여, 주전원 또는 상기 충전부를 부하에 연결할 수 있는 전원교체부; 및 상기 충전전압 검출모듈에서 검출한 전압이 상기 부하의 작동에 충분한 경우, 상기 전원교체부가 상기 충전부를 상기 부하에 연결하도록 동작시키는 전원선택모듈;을 더 포함할 수 있다.
상기 전원교체부는, 주전원과 부하를 연결하는 상시 폐쇄 접점 릴레이; 및 충전부와 부하를 연결하는 상시 개방 접점 릴레이;를 포함할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명은 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 포함하는 태양광 시스템의 일출시 낭비전력을 최소화하는 충전방법에 있어서, 충전제어부에서 스위칭모듈을 가동하여 낭비전력 충전회로부를 통해 충전부로 전력을 공급하는 단계; DC링크 커패시터의 DC전압과 기동전류 측정모듈을 통해 흐르는 기동전류를 검출하는 단계; 상기 기동전류 및 DC전압을 이용하여 DC전력이 기동전력 이상인지 판단하는 단계; 상기 DC전력이 기동전력 이상인 경우, 상기 스위칭모듈의 가동을 정지하여 충전부로의 전력 공급을 차단하는 단계; 및 인버터 제어부가 인버터부를 가동하는 단계;를 포함한다.
상기 충전제어부는, 태양광 모듈로부터 최대전력을 추종하도록 상기 스위칭모듈을 제어할 수 있다.
상기 낭비전력을 최소화하는 충전방법은, 상기 충전부의 충전전압을 검출하는 단계; 및 상기 충전전압이 부하 구동에 적합하다고 판단된 경우, 전원교체부에서 상기 충전부를 부하에 연결하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 포함하는 태양광 시스템의 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전방법에 있어서, 인버터 제어부가 DC링크 커패시터의 DC전압을 검출하는 단계; 상기 DC전압이 인버터 정지전압 이하인 경우, DC전력 또는 AC전력을 구하는 단계; 상기 구해진 전력이 인버터 정지전력 이하인 경우, 인버터 제어부가 인버터부를 가동 중지하는 단계; 충전제어부에서 스위칭모듈을 가동하여 낭비전력 충전회로부를 통해 충전부로 전력을 공급하는 단계; DC링크 커패시터의 DC전압과 기동전류 측정모듈을 통해 흐르는 기동전류를 검출하는 단계; 상기 DC전압과 기동전류를 이용하여 DC전력을 구하고, 기동전력 미만인지 판단하는 단계; 및 상기 DC전력이 기동전력 미만인 경우, 인버터 제어부의 가동을 정지하는 단계;를 포함한다.
상기 충전제어부는, 태양광 모듈로부터 최대전력을 추종하도록 상기 스위칭모듈을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치는, 일출 및 일몰시 인버터의 가동에 적합하지 않은 낮은 전력을 충전하여 활용할 수 있어서, 효율적인 태양광 발전이 가능하다.
본 발명에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치는, 일출 및 일몰시 최대전력 추종에 따른 DC전력을 이용하여 인버터의 헌팅현상이 일어나지 않도록 할 수 있어서, 태양광 시스템의 수명 감소를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치는, DC링크 커패시터 전압의 방전시 활용할 수 있어서, 안전한 유지보수 뿐만 아니라 전력 절감도 가능하다.
도 1은 일출 및 일몰시 태양광 모듈에서 출력되는 전력과 태양광 발전이 가능한 구간을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치와 이를 사용한 태양광 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 세부적인 구성 및 각 구성간의 연결관계를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 충전부에 부하가 연결되는 상태를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 구체적인 회로 요소로 구현한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 충전부와 부하가 릴레이를 사용하여 연결되는 상태을 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 사용하여 태양광 시스템을 일출시 기동하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 사용하여 태양광 시스템을 일몰시 정지하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 충전부를 부하에 연결하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 사용하여 DC링크 커패시터를 방전시키는 과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 인버터 시스템에서 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치 및 그 제어방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일출 및 일몰시 태양광 모듈에서 출력되는 전력과 태양광 발전이 가능한 구간을 나타낸 그래프이다.
일출이 시작되는 시각은 A로 표시되었고, 일몰이 완료된 시각은 D로 표시되었다. 태양광 발전이 가능한 시각은 일출이 완료된 B 시각부터 일몰이 시작되는 C 시각까지 이다. A~B 구간 및 C~D 구간에서는 태양광 모듈에서 생성되는 전력이 인버터 구동에 필요한 전력보다 적기 때문에, 태양광 발전에 사용되지 않는다. 즉, A~B 구간 및 C~D 구간에서 태양광 모듈이 생성한 전력은 낭비전력이 된다.
한편, 인버터는 가동시 PWM 스위칭의 듀티비를 조절하여 전류를 증가시키면서 최대전력점을 찾는 최대전력 추종(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 방법을 사용한다. 따라서 태양광 모듈에서 생성된 전압을 DC링크 커패시터에서 측정하여 전력을 예상할 수 있으나, 실제 인버터 가동시에는 최대전력을 소비하므로, A~B 구간 및 C~D 구간에서는 인버터의 가동이 정지되는 헌팅현상이 자주 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치와 이를 사용한 태양광 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.
태양광 시스템을 간략히 살펴보면, 태양광 모듈(110), 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 저장하는 DC링크 커패시터(120), 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 전환하는 인버터부(130), 그리고 교류 전력 계통(140)을 포함한다.
인버터부(130)의 가동은 인버터 제어부(160)에 의해서 제어할 수 있다. 낭비전력 충전회로부(150) 및 인버터 제어부(160)는 도면에 도시되지 않은 교류 또는 직류 제어 전원을 통해서 전력을 공급받을 수 있다.
낭비전력 충전회로부(150)의 입력측은 태양광 모듈의 출력인 DC링크 커패시터와 병렬로 연결된다. 일출이 시작되어 태양광 모듈에서 전력이 생성되기 시작하면, 낭비전력 충전회로부(150)는 출력측에 연결된 충전부(310)로 태양광 모듈에서 발생된 전력을 전달하여 충전할 수 있다. 즉, 충전부(310)는 일출 및 일몰시에 인버터 구동에 적합하지 않은 낭비전력을 저장할 수 있다.
낭비전력 충전회로부(150)는 최대전력 추종방법을 이용하여 충전부에 충전할 수 있다. 이때, 낭비전력 충전회로부(150)는 주기적으로 입력되는 DC전력을 측정할 수 있고, 측정된 DC전력이 헌팅이 발생하지 않는 인버터 기동 전력 이상인 경우, 충전부(310)로의 충전을 정지하고, 인버터 제어부(160)로 인버터기동신호를 송신한다.
인버터 제어부(160)는 낭비전력 충전회로부(150)를 통해 인버터기동신호를 수신한 경우, 기동시퀀스를 시작하여 인버터를 계통에 연결하고, 태양광 모듈로부터 출력된 전압을 교류로 변환하여 계통에 전달하는 정상 발전을 시작한다.
본 발명의 낭비전력 충전회로는 최대전력 추종방법을 이용하여, 정확한 헌팅방지가 가능하므로 헌팅방지 회로로 활용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 세부적인 구성 및 각 구성간의 연결관계를 나타내는 구성도이다.
낭비전력 충전회로부(헌팅방지 회로부)(150)는 DC전압 측정모듈(210), 기동전류 측정모듈(220), 스위칭모듈(230), 그리고 충전제어부(270)를 포함할 수 있다. 충전제어부(270)는 기동전류 검출모듈(240), DC전압 검출모듈(250), 그리고 스위칭 제어모듈(260)을 포함할 수 있다.
스위칭모듈(230)은 태양광 모듈에서 출력되는 직류 고전압을 입력받아서, 직류 저전압으로 낮추어 변환한 후, 충전부(310)로 전달할 수 있다. DC링크 커패시터(120)가 방전된 경우에도 충전부(310)에 저장된 전하가 DC링크 커패시터로 방전되는 것을 방지하기 위하여, 역전류 방지 소자를 스위칭모듈(230)의 입력 또는 출력부에 설치할 수 있다. 역전류 방지 소자로는 다이오드를 사용할 수 있다.
스위칭모듈(230)은, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT), 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET) 등의 트랜지스터 뿐만 아니라, 게이트 턴 오프 사이리스터 (Gate Turn-Off thyristor; GTO), 통합 게이트 정류 사이리스터(integrated gate-commutated thyristor; IGCT)를 포함한 사이리스터 또는 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier; SCR) 등과 같은 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
DC전압 측정모듈(210)은 DC링크 커패시터(120)의 DC전압을 측정하여, DC전압 검출모듈(250)로 전달한다. 기동전류 측정모듈(220)은 스위칭모듈(230)을 통해 충전부(310)로 전달되는 전류를 측정하여, 기동전류 검출모듈(240)으로 전달한다.
스위칭 제어모듈(260)은 DC전압 검출모듈(250)에서 검출된 DC전압과 기동전류 검출모듈(240)에서 검출된 기동전류를 이용하여, 태양광 모듈에서 출력되는 DC전력을 구하고, 구해진 DC전력이 인버터가 헌팅을 일으키지 않고 기동할 수 있는 기동전력 이상인지 비교하여, 인버터부(130)의 기동여부를 판단할 수 있다.
구해진 DC전력이 기동전력보다 작은 경우에는, 충전부(310)에 충전을 계속하도록 스위칭모듈(230)을 계속 작동시킨다. 즉, 태양광 발전에 사용할 수 없는 낭비전력을 저장하여 향후 활용할 수 있도록 함으로써 보다 효율적인 태양광 발전을 할 수 있다.
구해진 DC전력이 기동전력 이상인 경우에는, 인버터를 가동시켜 정상적인 태양광 발전이 가능하므로, 태양광 모듈로부터 발생한 출력을 모두 인버터에 공급하기 위해 스위칭모듈(230)의 가동을 정지시키고, 인버터 제어부로 인버터기동신호를 송신한다.
인버터 제어부(160)는 낭비전력 충전회로부(150)를 통해 인버터기동신호를 수신한 경우, 기동시퀀스를 시작하고, 인버터가 정상적인 동작이 가능한 상태이면, 인버터를 계통에 연결하여, 태양광 모듈로부터 출력된 전압을 교류로 변환하여 계통에 전달하는 정상 발전을 시작한다.
충전제어부(270)의 스위칭 제어모듈(260)은, 최대전력 추종방법(MPPT)을 이용하여 스위칭모듈(230)을 구동시켜 충전부(310)에 충전할 수 있다. 이 경우 구해진 DC전력은 인터터가 최대전력 추종방법(MPPT)으로 구동하는 경우와 동일한 조건으로 구해진다. 따라서 헌팅현상이 발생하지 않을 정도로 기동에 충분한 것으로 판단한 경우에만 인버터 제어부(160)로 인버터기동신호를 송신할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 이용하는 경우, 헌팅현상이 없이 정상적으로 인버터부를 기동시킬 수 있다.
한편, 충전부(310)에는 전원선택부(350)가 연결될 수 있다. 전원선택부(350)는 충전부에 충전된 전압을 검출하여, 부하에 전달하기 적당한 경우 부하에 충전부를 연결하도록 할 수 있다. 충전부(310)에 사용하는 충전소자로는 각종 배터리 및 대용량 커패시터를 사용할 수 있다. 대용량 커패시터를 사용하는 경우, 커패시터로 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 커패시터와 직렬로 연결되는 충전전류 제한 소자를 사용할 수 있다. 충전전류 제한 소자로는 각종 저항 등을 사용할 수 있다.
충전제어부(270), 전원선택부(350), 그리고 인버터 제어부(160)와 같은 제어부는 각각을 별도의 소자나 모듈로 구성할 수도 있으나, 둘 이상의 제어부를 하나의 소자나 모듈에 함께 구성하여 동작하도록 할 수도 있다. 충전제어부(270)와 인버터 제어부(160)를 하나의 소자로 구성한 경우, 각 모듈은 소자에 저장된 프로그램 명령으로 구성될 수 있고, 각 모듈간 신호의 전달은 각 모듈에서 수행하는 명령으로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 충전부에 부하가 연결되는 상태를 나타내는 구성도이다.
낭비전력 충전회로부(150)를 통해 충전부(310)에 충전된 전력은 전원교체부(420)를 통해 부하(440)로 전달될 수 있다.
충전부(310)에는 전원선택부(350)가 연결될 수 있다. 전원선택부(350)는 충전전압 검출모듈(360)과 전원선택모듈(430)을 포함할 수 있다. 도 4의 실시예에서는 충전전압 검출모듈(360)과 전원선택모듈(430)을 전원선택부(350)에 독립적으로 구성하였으나, 각각을 별도의 제어기에 구성할 수도 있다. 예를 들어, 도 6의 실시예에서 나타낸 것과 같이, 충전전압 검출모듈(360)을 충전제어부(270) 내에 구성하고, 전원선택모듈(430)은 인버터 제어부(160) 내에 구성할 수도 있다.
충전부(310)와 부하(440) 사이에 위치한 전원교체부(420)를 통해서, 주전원인 SMPS부(410) 또는 보조전원인 충전부(310)를 부하에 연결할 수 있다.
주전원인 SMPS부(410)는 별도의 교류전원에 의해 구동되어 부하에 언제든지 직류 전원을 공급할 수 있다. 보조전원인 충전부(310)는 충전부에 충전된 전력을 부하에 전달할 수 있도록 부하에 연결할 수 있다.
충전전압 검출모듈(360)은 충전부의 전압을 검출하여, 충전부의 전압이 부하의 구동에 적합한지 파악하는데 활용할 수 있다. 충전전압 검출모듈(360)은 충전부의 충전전압을 주기적으로 검출하여, 검출된 충전전압이 부하 구동에 적합한 전압인지 판단할 수 있다.
충전전압이 부하를 구동할 수 있는 구동전압 이상이 되어 부하 작동에 충분하다고 판단된 경우, 충전전압 검출모듈(360)은 전원을 충전전원으로 교체하도록 전원교체신호를 전원선택모듈(430)로 보낼 수 있다.
전원교체신호를 받은 전원선택모듈(430)은 전원교체부(420)를 동작시켜 부하에 연결되는 전원을 충전부(310)로 교체하도록 할 수 있다. 이 경우, 전원교체부(420)는 부하에 충전부(310)를 연결하고, SMPS부(410)는 부하에서 차단시킨다.
전원을 SMPS부에서 충전부로 교체하여, 충전부의 충전부에서 부하로 전력을 공급하도록 함으로써, 충전부의 전력을 사용하는 동안에는 SMPS부에서 부하로 공급되는 전력을 절약할 수 있다.
전원교체부(420)는 IGBT, FET, 전자접촉기(magnetic contactor; MC), 전자개폐기(magnetic switch; MS), 과부하계전기, 전력계전기, 반도체 릴레이 등의 스위칭 소자를 사용할 수 있다.
충전전압 검출모듈(360)에서 검출한 전압이 부하의 작동에 부족한 경우, 전원선택모듈(430)은 전원교체부(420)가 주전원인 SMPS부(410)를 부하에 연결하도록 동작시킬 수 있다.
충전부에 연결되어 전력을 공급받을 수 있는 부하(440)로는 인버터 시스템 내부의 제어용 부하, 냉각팬 구동용 부하, 터치 판넬 구동용 부하 등 다양한 부하가 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 구체적인 회로 요소로 구현한 회로도이다.
태양광 모듈(110)에서 발생하는 직류 전력은 DC링크 커패시터(120)를 통해서 인버터(131)로 전달된다. 인버터에서 교류 전력으로 변환된 전력은, 전자접촉기(133)를 통하여 교류 계통(140)으로 공급된다.
인버터 제어부(160)는 인버터(131) 및 전자접촉기(133)를 가동할 수 있다.
낭비전력 충전회로부(헌팅방지 회로부)(150)는 각종 소자들과 충전제어부(270)로 구성된다. 충전제어부(270)는 일출시 또는 일몰시 인버터 제어부(160)로 인버터 가동여부에 대한 신호(인버터기동신호)를 송신할 수 있고, 인버터 제어부(160)로부터 충전을 시작하라는 신호(충전개시신호)를 수신할 수 있다.
충전부는 대용량 커패시터(321)로 구성되어 있으며, 대용량 커패시터의 손상을 방지하기 위하여 충전전류 제한소자로 저항(237)을 직렬로 연결할 수 있다. 대용량 커패시터(321)는 낭비전력 충전회로부(150)의 출력 및 부하(440)에 연결된다. 대용량 커패시터(321)의 충전전압을 측정하기 위하여 충전전압 측정모듈(361)을 설치할 수 있다. 충전전압 측정모듈은 OP-amp를 사용하여 간단히 구현할 수 있다.
낭비전력 충전회로부(150)의 입력은 DC링크 커패시터와 병렬로 연결되도록 구성한다. 대용량 커패시터(321)에 충전된 전하가 DC링크 커패시터로 방전되는 것을 방지하기 위하여 역전류 방지소자로 다이오드(211)를 낭비전력 충전회로부(150)의 입력부에 설치할 수 있다.
DC전력을 구하기 위하여, 낭비전력 충전회로부(150)의 입력쪽에 DC전압 측정모듈(215)과 기동전류 측정모듈(221)을 설치한다. DC전압 측정모듈은 OP-amp를 사용하여 간단히 구현할 수 있다.
DC전압 측정모듈(215)에서 측정된 DC전압과, 기동전류 측정모듈(221)에서 측정된 기동전류는, 충전제어부(270)의 DC전압 검출모듈 및 기동전류 검출모듈로 전달된다. 충전제어부(270)의 스위칭 제어모듈은 전달된 DC전압과 기동전류를 이용하여 DC전력을 구하고, 구해진 DC전력을 기동전력과 비교하여, 인버터부의 기동여부를 판단한다.
구해진 DC전력이 기동전력보다 작은 경우, 충전제어부(270)의 스위칭 제어모듈은 스위칭모듈의 스위칭소자(232)를 동작시켜, 충전부의 대용량 커패시터(321)를 충전시킨다.
구해진 DC전력이 기동전력 이상인 경우, 인버터가 헌팅 없이 동작할 수 있으므로, 태양광 모듈에서 생성되는 전력을 모두 인버터로 공급하여 태양광 발전에 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 충전제어부(270)의 스위칭 제어모듈은 스위칭모듈의 스위칭소자(232)를 정지시키고, 인버터 제어부(160)로 인버터를 가동하도록 신호를 송신한다.
충전제어부(270)의 스위칭 제어모듈은 태양광 모듈에서 발생되는 전력을 최대전력 추종(MPPT)이 가능하도록 스위칭모듈을 제어하여 대용량 커패시터에 충전할 수 있다. 따라서 이런 상태에서 구한 DC전력이 기동전력 이상으로 판정된 경우, 인버터가 최대전력 추종(MPPT)으로 가동하여도 헌팅현상이 발생하지 않는다. 즉, 낭비전력 충전회로부(150)에 의하여, 일출 및 일몰시의 낭비전력을 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 헌팅 현상도 방지할 수 있는 효과가 있다.
스위칭모듈은 커패시터(231, 236), 스위칭소자(232), 다이오드(233), 인덕터(234)를 구비할 수 있으며, 필요한 경우 출력전류를 확인하기 위한 전류검출센서(235)를 추가로 설치할 수 있다.
스위칭소자(232)로는 IGBT, FET 등의 트랜지스터 뿐만 아니라, GTO, IGCT를 포함한 사이리스터 또는 SCR 등과 같은 반도체 소자 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
한편, 인버터 장치 등을 수리할 때, DC링크 커패시터에 고전압이 충전되어 있는 경우 작업자의 안전에 문제가 되므로, 방전시켜줄 필요가 있다. 차단스위치(111)를 태양광 모듈의 출력단에 설치하여, DC링크 커패시터를 태양광 모듈과 차단시킬 수 있도록 한다. 이때, 차단스위치(111)가 동작하여도 낭비전력 충전회로부(150)는 DC링크 커패시터와 연결된 상태를 유지할 수 있도록 한다. 이렇게 하면, 유지보수를 위해 DC링크 커패시터를 낭비전력 충전회로부로 방전시킬 수 있으며, 방전된 전력을 충전부에 충전할 수 있으므로 유지보수시에도 낭비전력을 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 충전부와 부하가 릴레이를 사용하여 연결되는 상태를 나타내는 회로도이다.
부하(440)에 주전원인 SMPS부(410) 또는 보조전원인 충전부(310)를 전원으로 연결할 수 있다. 각각의 전원은 전원교체부(420)를 통해서 부하에 연결된다.
주전원인 SMPS부(410)는 별도의 교류전원에 의해 구동되어 부하에 언제든지 직류 전원을 공급할 수 있다. 보조전원인 충전부(310)는 대용량 커패시터(321)에 충분히 충전된 경우, 대용량 커패시터(321)의 전압을 부하에 전달할 수 있도록 부하에 연결할 수 있다.
전원교체부(420)는, 주전원인 SMPS부와 부하를 연결하기 위해 상시 폐쇄 접점 릴레이(421)와 다이오드(423)를 포함하도록 구성할 수 있고, 보조전원인 충전부와 부하를 연결하기 위해 상시 개방 접점 릴레이(425)와 다이오드(427)를 포함하도록 구성할 수 있다.
충전전압 검출모듈(360)은 충전부의 충전전압을 주기적으로 검출하여, 스위칭 제어모듈(260)으로 전달할 수 있고, 스위칭 제어모듈(260)은 검출된 충전전압이 부하 구동에 적합한 전압인지 판단할 수 있다.
충전전압이 부하를 구동할 수 있는 구동전압 이상이 되어 부하 구동에 적합하다고 판단된 경우, 스위칭 제어모듈(260)은 전원선택모듈(430)로 전원을 충전부(310)로 교체하도록 전원교체신호를 보낼 수 있다.
전원교체신호를 받은 전원선택모듈(430)은 전원교체부(420)를 동작시켜 부하에 연결되는 전원을 충전부(310)로 교체하도록 할 수 있다.
전원교체부(420)는 릴레이 대신에 IGBT, FET, 전자접촉기, 전자개폐기, 과부하계전기, 전력계전기, 반도체 릴레이 등의 스위칭 소자를 사용할 수 있다.
전원교체부는 상시 개방 접점 릴레이(425)를 단락시켜 충전부의 충전부를 부하에 연결하고, 상시 폐쇄 접점 릴레이(421)를 개방시켜 SMPS부를 부하에서 차단시킬 수 있다. 즉, 전원을 SMPS부에서 충전부로 교체하여, 충전부의 충전부에서 부하로 전력을 공급하도록 함으로써, 충전부의 전력을 사용하는 동안에는 SMPS부에서 부하로 공급되는 전력을 절약할 수 있다.
대용량 커패시터(321)에 부하(440)가 연결되는 경우, 커패시터에 충전된 전압을 이용하여 부하로 전력을 공급할 수 있다.
대용량 커패시터는, 커패시턴스(C)가 58 F 이고 충전이 완료된 경우 전압이 16 V 인 커패시터 2개를 직렬로 연결하여 사용할 수 있다. 이 경우, 커패시턴스는 1/2 배가 되고 전압은 2배가 되므로, 전체 커패시터에서 충전되는 에너지는
Figure 112018057064476-pat00001
가 된다. 이 에너지를 1 Watt 소비전력 부하에 연결하게 되면, 1시간당 3,600 J 을 사용하므로, 14,848 / 3,600 = 4.12 시간 동안 사용할 수 있다.
여러가지 충전전압과 커패시턴스에 대한 충전에너지와 1W 부하의 사용시간을 표 1에 나타내었다. 충전에너지는 충전전압의 제곱에 비례하므로 충전전압이 높은 것이 유리하지만, 너무 높은 경우 일출 및 일몰시 인버터 가동전의 전압을 활용하는 목적을 달성하기 어렵다. 따라서 24V 내지 32V 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 커패시터의 용량은 너무 작으면 에너지 절감효과가 작고, 너무 큰 경우 부피가 커져서 설치상 어려움이 있으며 가격이 비싸지는 단점이 있다. 따라서 커패시터의 용량은 20F 내지 200F을 사용하는 것이 바람직하다.
충전전압 커패시턴스 충전에너지 1 W 부하 사용시간
24 V 20 F 5,760 J 1시간 36분
24 V 25 F 7,200 J 2시간
24 V 50 F 14,400 J 4시간
24 V 100 F 28,800 J 8시간
24 V 200 F 57,600 J 16시간
32 V 20 F 10,240 J 2시간 51분
32 V 25 F 12,800 J 3시간 33분
32 V 50 F 25,600 J 7시간 7분
32 V 100 F 51,200 J 14시간 13분
32 V 200 F 102,400 J 28시간 27분
도 6에는 충전전압 검출모듈(360)과 전원선택모듈(430)이 충전제어부(270)와 인버터 제어부(160)로 나뉘어 구성되어 있으나, 도 4와 같이 일체로 구성하여도 무방하다.
이하에서는 이러한 낭비전력 충전과 헌팅방지의 제어방법에 대하여 자세히 살펴본다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 사용하여 태양광 시스템을 일출시 기동하는 과정을 나타내는 순서도이다.
일출이 시작되면, 태양광 모듈에서 출력되는 전압에 의해 DC링크 커패시터의 직류(DC) 전압이 상승한다(S710).
DC링크 커패시터에 소정의 전압이 인가되면, DC링크 커패시터에 병렬로 연결된 낭비전력 충전회로부(헌팅방지 회로부)를 동작시킨다(S720). 이때 충전제어부는 스위칭모듈을 최대전력 추종(MPPT) 방법으로 가동하여, 태양광 모듈에서 생성되는 전력을 낭비전력 충전회로부를 통해 충전부로 공급할 수 있다.
충전부의 충전모듈(대용량 커패시터 등)에 공급된 전력을 충전한다(S730).
DC링크 커패시터의 DC전압과 기동전류 검출모듈로 기동전류 측정모듈을 통해 흐르는 기동전류를 검출할 수 있다(S740).
충전제어부는 정해진 시간 간격으로, 기동전류 및 DC전압을 이용하여 DC전력을 구하고, 구해진 DC전력이 기동전력 이상인지 판단한다(S750).
구해진 DC전력이 기동전력 미만인 경우, 아직 인버터부 기동에 충분한 전력이 생성되지 않으므로, 낭비전력 충전회로부 동작(S720)으로 돌아가 반복한다.
구해진 DC전력이 기동전력 이상인 경우, 인버터부 기동에 충분한 전력이 생성되는 것으로 판단되었으므로, 인버터부 가동을 위한 작업을 한다. 인버터부를 가동할 때에는 태양광 모듈로부터의 모든 전력을 인버터부로 전달하는 것이 바람직하므로, 인버터부의 가동 전에 낭비전력 충전회로부를 정지시키는 것이 바람직하다(S760). 즉, 충전제어부는 스위칭모듈의 가동을 정지시켜 충전부로의 전력공급을 차단키고, 인버터를 가동시키도록 인버터 제어부로 인버터 기동신호를 송신할 수 있다.
헌팅현상이 없이 인버터 기동이 가능한 충분한 전력이 태양광 모듈로부터 공급되므로, 인버터부의 기동 시퀀스를 시작한다(S770). 인버터부의 가동은 인버터 제어모듈에 의하여 수행될 수 있다. 인버터 제어모듈의 신호에 의해 계통연계장치가 인버터를 교류 계통과 연결시키고, 인버터의 PWM모듈이 가동을 시작한다(S780). 인버터의 가동에 의해 태양광 모듈의 직류 전력은 교류 전력으로 바뀌어 계통에 공급된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 사용하여 태양광 시스템을 일몰시 정지하는 과정을 나타내는 순서도이다.
인버터는 운전중 상시 최대전력점 추종(MPPT)방법으로 가동하고 있으며, 일몰시에는, 태양광 모듈에서 출력되는 직류(DC) 전압이 정지전압(인버터 가동 최소전압)으로 낮아진다(S810).
인버터 제어용 전원이 켜져 있으면, 인버터 제어부 내의 DC링크 커패시터의 DC전압 검출모듈을 통해 상시 DC전압을 주기적으로 검출할 수 있고, 검출된 DC전압이 인버터의 정지전압 이하인지 판단할 수 있다(S820).
검출된 DC전압이 인버터의 정지전압을 초과하는 경우, 정상적인 동작구간이므로 DC전압을 검출하여 인버터의 정지전압과 비교 판단하는 과정을 반복한다.
검출된 DC전압이 인버터 정지전압 이하인 경우, 일몰상태인지 확인하기 위하여, 추가로 전력을 구하여 구해진 전력이 인버터의 정지전력 이하인지 판단할 수 있다(S830). 이때 전력은 충전제어부에서 구해진 DC전력을 이용할 수도 있으나, 이미 인버터가 가동중이므로 도면에 도시되지 않은 AC전력 판단모듈을 통해 인버터에서 변환된 AC전력을 추가로 구하여, 구해진 AC전력이 인버터의 정지전력 이하인지 판단할 수 있다(S830).
구해진 전력이 인버터의 정지전력을 초과하는 경우, 아직 일몰 이전의 정상적인 동작구간으로 판단하여, DC전압을 검출하여 인버터의 정지전압과 비교 판단하는 과정으로 돌아가 반복한다.
구해진 전력이 인버터 정지전력 이하인 경우, 인버터 제어부는 인버터부를 가동 중지할 수 있다(S840). 인버터부를 가동 중지시키는 단계는 인버터의 PWM모듈을 가동 중지시키는 단계와, 계통연계장치를 이용하여 인버터를 교류 계통과 차단시키는 단계를 포함한다.
일몰시 인버터부 가동 중단 직후에 낭비되는 태양광 모듈로부터의 전력을 활용하기 위하여, 태양광 모듈의 직류 출력 부분에 DC링크 커패시터와 병렬로 연결된 낭비전력 충전회로부(헌팅방지 회로부)를 동작시킬 수 있다(S850).
이를 위해 인버터 제어부는 충전제어부로 충전개시 신호를 송신할 수 있다. 충전개시 신호를 수신한 충전제어부는, 스위칭모듈을 가동하여 낭비전력 충전회로부를 통해 충전부로 전력을 공급할 수 있다. 충전부는 공급된 전력을 이용하여 충전모듈(대용량 커패시터 등)에 충전할 수 있다(S860). 최대 전력으로 충전하기 위해, 충전제어부는 태양광 모듈로부터 공급되는 DC전력에 최대전력을 추종(MPPT)하도록 스위칭모듈을 제어할 수 있다.
DC전압 검출모듈로 DC링크 커패시터의 DC전압을 검출할 수 있고, 기동전류 검출모듈로 기동전류 측정모듈을 통해 흐르는 기동전류를 검출할 수 있다(S870).
정해진 시간 간격으로, 기동전류 및 DC전압을 이용하여 DC전력을 구하고, 구해진 DC전력이 기동전력 미만인지 판단할 수 있다(S880). 이때, DC전력은 충전중 MPPT 추종을 통하여 구한 전력을 이용하므로, 인버터 가동시 태양광 모듈로부터 발생하는 전력을 보다 정밀하게 판단할 수 있어서, 일출시와 마찬가지로 확실하게 헌팅을 방지할 수 있다.
구해진 DC전력이 기동전력 이상인 경우, 일몰 시기가 아니고 일시적인 먹구름 현상 등에 의한 것이므로, 인버터 기동을 재개할 수 있다(S885). 이 때, 인버터 재기동은 도 7의 (S760) 내지 (S780) 단계와 동일한 방법으로 수행할 수 있다.
만약, 구해진 DC전력이 기동전력 미만인 경우, 인버터 제어부의 가동을 정지할 수 있다(S890).
교류(AC) 정지전력과 직류(DC) 기동전압은 태양광 시스템 설치시 각각 특정 값으로 설정할 수 있으나, 일정기간마다 태양광 모듈의 상태 등에 따라 적절한 값으로 변경해 주는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치의 충전부를 부하에 연결하는 과정을 나타내는 순서도이다.
충전부의 충전전압이 부하를 구동하기에 부족한 경우에는, 주전원인 SMPS부에서 전원교체부를 통해서 부하로 전원이 공급된다(S910).
충전전압 검출모듈은 충전부의 충전전압을 주기적으로 검출할 수 있다(S920). 낭비전력 충전회로부가 동작하여 충전을 시작하면 충전전압이 상승하게 되고, 충전제어부는 검출된 충전전압이 부하 구동에 적합한 전압인지 판단할 수 있다(S930).
충전부의 충전전압이 부하 구동에 부적합한 경우, SMPS부에서 전원공급을 계속하며 충전전압 검출하는 과정을 반복한다.
충전전압이 부하를 구동할 수 있는 구동전압 이상이 되어 부하 구동에 적합하다고 판단된 경우, 충전제어부는 전원선택모듈로 전원을 충전부로 교체하도록 전원교체 신호를 보낼 수 있다. 전원교체 신호를 받은 전원선택모듈은 전원교체부를 동작시켜 부하에 연결되는 전원을 충전부로 교체하도록 할 수 있다.
전원교체부는 충전부의 충전부를 부하에 연결하고, SMPS부를 부하에서 차단시켜서 충전부로 전원을 교체하여(S940). 충전부에서 부하로 전력을 공급하도록 할 수 있다(S950).
충전부로 전원이 교체된 이후에도, 충전전압 검출모듈은 주기적으로 충전전압을 검출하고(S960), 충전제어부는 검출된 충전전압이 부하 구동에 적합한지 확인할 수 있다(S970).
충전전압이 부하 구동에 적합한 경우, 충전부에서 부하로 계속 전력을 공급할 수 있다.
충전전압이 구동전압 미만인 경우 부하구동에 부적합하므로, 충전전압 검출모듈에서 전원선택모듈로 전원복원 신호를 보낸다.
전원복원 신호를 받은 전원선택모듈은 전원교체부를 동작시켜 부하에 연결되는 전원을 다시 SMPS부로 복원시킬 수 있다(S980).
한편, 태양광 인버터가 정지하여도 DC링크 커패시터에는 고전압의 전기에너지가 저장되어 있는 경우가 많다. 태양광 인버터의 유지보수 등의 경우에는 안전을 위해서 DC링크 커패시터의 전압을 방전시키는 것이 바람직하다.
인버터부가 가동을 정지한 상태에서 DC링크 커패시터(120)를 방전시키기 위해서는, DC링크 커패시터에 저항을 병렬로 연결하여야 된다. 그러나 방전저항에 의한 손실전력(P = V2/R)이 발생하기 때문에, 이러한 손실을 줄이기 위해 방전저항으로는 일반적으로 50 kΩ 내지 200 kΩ 의 고저항을 사용한다. RC회로에서 방전시간은 시정수(τ = R*C)의 4배로 계산할 수 있는데, 방전저항이 커지면 방전시간도 커지게 된다.
표 2는 DC링크 커패시터의 커패시턴스가 3,000μF 이고, 700 V 의 전압이 인가된 상태인 경우의, 방전저항의 크기에 따른 손실전력과 방전시간의 데이터를 정리한 것이다. 표 2에서, 방전저항이 작아질 수록 방전시간이 짧아지는 대신에, 상시 손실전력이 커짐을 알 수 있다.
방전저항 손실전력 방전시간
50 Ω 9800 W 0.6 초
100 Ω 4900 W 1.2 초
200 Ω 2450 W 2.4 초
0.5 kΩ 980 W 6 초
1 kΩ 490 W 12 초
2 kΩ 245 W 24 초
50 kΩ 9.8 W 600 초 = 10 분
100 kΩ 4.9 W 1200 초 = 20 분
200 kΩ 2.45 W 2400 초 = 40 분
그런데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 이러한 방전저항을 사용하지 않고서도 DC링크 커패시터에 저장된 전하를 방전시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치를 사용하여 DC링크 커패시터를 방전시키는 과정을 나타내는 순서도이다.
우선, 유지보수를 위하여 인버터 제어부는 인버터부를 가동 중지시킨다(S1010). 그리고 차단스위치(111)를 개방하여 태양광 모듈로부터 DC링크 커패시터로 더 이상 전력 공급이 되지 않도록 차단시킨다(S1020).
충전제어부에서 스위칭모듈을 가동하여 낭비전력 충전회로부를 동작시킨다(S1030). 낭비전력 충전회로부가 동작하면, DC링크 커패시터에 충전되어 있던 고전압의 DC전력이 충전부의 충전모듈(대용량 커패시터)로 전달되어 충전된다(S1040). 충전중 주기적으로 DC전압 검출모듈을 통하여 DC전압을 검출하고(S1050), 방전전압과 비교하여 DC전압이 방전전압 이하인지 판단한다. 검출된 DC전압이 방전전압보다 큰 경우 충전을 계속한다.
검출된 DC전압이 방전전압 이하인 경우, 충분히 방전되어 유지보수 작업자의 안전이 보장되므로, 낭비전력 충전회로의 가동을 정지할 수 있다(S1070).
인버터 정지시에 DC링크 커패시터에 충전된 전압을 낭비전력 충전회로부를 이용하여 충전부에 충전하면서, DC링크 커패시터를 안전하게 방전할 수 있다. 그리고 인버터 가동시에는 낭비전력 충전회로부로 전류가 흐르지 않기 때문에, 인버터 가동중에 손실전력이 발생하지 않는다. 즉, 낭비전력 충전회로부를 이용함으로써, 인버터 가동중에 손실이 없으면서도, 유지보수가 필요한 경우 신속하게 DC링크 커패시터를 방전시킬 수 있을 뿐만 아니라 방전전력을 충전하여 나중에 사용할 수 있어 효율적인 에너지 운용이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 낭비전력을 최소화하는 충전장치는, 일출 및 일몰시 낭비되는 전력을 충전부에 충전하여 부하구동에 활용이 가능하므로 효율적인 태양광 발전이 가능하고, 헌팅방지를 정확하게 할 수 있어서 태양광 발전 시스템의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 저항을 사용하지 않고도 유지보수시 DC링크 커패시터를 방전할 수 있어서 에너지 절감이 가능하다.
110 : 태양광 모듈
120 : DC링크 커패시터
130 : 인버터부
140 : 교류 전력 계통
150 : 낭비전력 충전회로부(헌팅방지 회로부)
160 : 인버터 제어부
270 : 충전제어부
310 : 충전부
410 : SMPS부
420 : 전원교체부
440 : 부하

Claims (13)

  1. 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 포함하는 태양광 시스템의 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전장치에 있어서,
    상기 인버터부의 가동을 제어하는 인버터 제어부;
    일출 및 일몰시에 인버터 구동에 적합하지 않은 낭비전력을 저장할 수 있는 충전부;
    입력측은 DC링크 커패시터와 병렬로 연결되고, 출력측은 상기 충전부에 연결되어, 태양광 모듈에서 발생되는 전력을 상기 충전부로 전달할 수 있는 낭비전력 충전회로부;
    상기 충전부의 전압을 검출할 수 있는 충전전압 검출모듈;
    상기 충전부와 부하사이에 위치하여, 주전원 또는 상기 충전부를 부하에 연결할 수 있는 전원교체부; 및
    상기 충전전압 검출모듈에서 검출한 전압이 상기 부하의 작동에 충분한 경우, 상기 전원교체부가 상기 충전부를 상기 부하에 연결하도록 동작시키는 전원선택모듈;을 포함하며,
    상기 낭비전력 충전회로부는,
    상기 DC링크 커패시터의 DC전압을 측정할 수 있는 DC전압 측정모듈;
    상기 충전부로 전달되는 전류를 측정할 수 있는 기동전류 측정모듈;
    커패시터, 스위칭소자, 다이오드, 인덕터를 구비하여, 상기 태양광 모듈에서 출력되는 직류 고전압을 입력받아서, 상기 충전부로 전달되는 전력의 DC전압을 낮추어줄 수 있는 스위칭모듈; 및
    상기 DC전압 측정모듈에서 측정된 DC전압과 상기 기동전류 측정모듈에서 측정된 전류를 이용하여 DC전력을 구하여, 상기 DC전력이 기동전력 이상인 경우 상기 스위칭모듈의 가동을 정지시키고, 인버터제어부가 인버터를 기동하도록 하는 충전제어부;를 포함하며
    상기 충전제어부는, 태양광 모듈로부터 최대전력을 추종하도록 상기 스위칭 모듈을 구동시켜 충전부에 충전하고,
    상기 전원교체부는,
    주전원과 부하를 연결하는 상시 폐쇄 접점 릴레이; 및
    충전부와 부하를 연결하는 상시 개방 접점 릴레이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 낭비전력을 최소화하는 충전장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭모듈은, IGBT, FET, GTO, IGCT, SCR로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 낭비전력을 최소화하는 충전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 낭비전력 충전회로부는, 상기 충전부에 저장된 전하가 DC링크 커패시터로 방전되는 것을 방지하기 위하여, 입력단에 설치되는 역전류 방지 소자;를 더 포함하는 낭비전력을 최소화하는 충전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 기동전류 측정모듈과 연결되는 대용량 커패시터; 및
    상기 커패시터로 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여, 상기 커패시터와 직렬로 연결되도록 설치되는 충전 전류 제한 소자;를 더 포함하는 낭비전력을 최소화하는 충전장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 태양광 모듈에서 얻어지는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부를 포함하는 태양광 시스템의 일출 및 일몰시 낭비전력을 최소화하는 충전방법에 있어서,
    일출시에 태양광 모듈에서 발생되는 전력을 DC링크 커패시터와 병렬로 연결된 충전회로부로 전달하는 단계;
    상기 충전회로부의 충전제어부에서 커패시터, 스위칭소자, 다이오드, 인덕터를 구비하는 스위칭모듈을 가동하여, 최대전력을 추종하면서 상기 태양광 모듈에서 출력되는 직류 고전압을 낮추어 충전부로 전력을 공급하는 단계;
    상기 충전부에서 일출시에 인버터 구동에 적합하지 않은 낭비전력을 저장하는 단계;
    DC전압 측정모듈에서 DC링크 커패시터의 DC전압을 측정하는 단계;
    기동전류 측정모듈을 통해 흐르는 기동전류를 검출하는 단계;
    충전제어부가 상기 기동전류 및 DC전압을 이용하여 DC전력을 구하고, 상기 DC전력이 기동전력 이상인지 판단하는 단계;
    충전제어부가 상기 DC전력이 기동전력 이상인 경우, 상기 스위칭모듈의 가동을 정지하여 충전부로의 전력 공급을 차단하는 단계; 및
    인버터 제어부가 인버터부를 가동하는 단계;
    충전전압 검출모듈에서 상기 충전부의 충전전압을 검출하는 단계;
    상기 충전전압이 부하 구동에 적합하다고 판단한 경우, 전원선택모듈이 전원교체부를 동작시키는 단계;
    전원교체부가 상시 개방 접점 릴레이를 단락시켜 충전부를 부하에 연결하고, 상시 폐쇄 접점 릴레이를 개방시켜 주전원부를 부하에서 차단시키는 단계; 및
    상기 충전부에서 부하로 전력을 공급하는 단계;를 포함하는 낭비전력을 최소화 하는 충전방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    일몰시에 인버터 제어부가 인버터부를 가동 중지하는 단계;
    차단 스위치를 개방하여 DC링크 커패시터를 태양광 모듈로부터 차단하는 단계;
    충전제어부에서 스위칭모듈을 가동하여 낭비전력 충전회로부를 통해 충전부로 전력을 공급하는 단계;
    DC링크 커패시터의 DC전압을 검출하는 단계;
    상기 검출된 DC전압이 방전전압 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 검출된 DC전압이 방전전압 이하인 경우, 낭비전력 충전회로부의 가동을 정지하는 단계;를 더 포함하는 낭비전력을 최소화하는 충전방법.
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