KR101983759B1 - 발전효율 극대화를 위한 태양광 발전시스템의 접속함 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 어레이별 전압을 측정하여 제어부를 통해 측정된 값이 인버터의 MPPT 하한값 보다 작으면, 각 어레이의 선로를 순차적으로 직렬로 연결하여 인버터로의 인입전압이 MPPT 설정값 범위가 되도록 어레이의 선로를 직렬로 연결하고, 인버터와 직결방식으로 연결된 각 어레이의 전압값이 인버터의 MPPT 상한값을 초과하는 경우, 제어부는 전압 연산 프로그램으로 초과량을 산정하고, 산정된 값을 각 선로의 가변저항에 균등 부과하고 동시에 병렬 스위치를 순차적으로 제어(ON)하여 과전압 발생 방지용 분류회로를 생성하여 분류회로를 통해 인버터로의 인입전압을 MPPT 설정값 이내로 조절하는 태양광 발전시스템의 접속함 및 그 제어방법을 제안한다.

Description

발전효율 극대화를 위한 태양광 발전시스템의 접속함 및 그 제어방법 {CONNECTION BOX OF SOLAR POWER GENERATION SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 각 어레이별 전압을 측정하여 제어부를 통해 측정된 값이 인버터의 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 이하 "MPPT" 라 함) 하한값 보다 작으면, 각 어레이의 선로를 순차적으로 직렬 연결하여 인버터로의 인입전압이 MPPT 설정값 범위가 되도록 제어하고, 직결방식으로 연결된 각 어레이의 전압값이 인버터의 MPPT 상한값 보다 큰 경우, 제어부는 전압 연산 프로그램을 이용하여 초과 전류량을 산정해서 그 산정값을 각 선로의 가변저항에 저항값으로 부가한 후 병렬 스위치를 순차적으로 제어(ON)하여 과전압 발생 방지용 분류회로를 생성하여 인버터로의 인입전압을 MPPT 설정값 이내로 조절함으로써 발전효율을 극대화 할 수 있는 태양광 발전시스템의 접속함 및 그 제어방법에 관한 것이다.

태양광 발전 시스템(solar photovoltaic system)은 태양광 모듈에서 빛을 전기로 변환하는 광전작용에 의해 발전된 DC전류를 인버터를 통해 AC전류로 변환하여 사용처에 전력을 공급하는 시스템을 말한다.

그러나, 태양광 발전 시스템의 발전 효율은 음영(구름, 나무, 적설된 눈 혹은 낙엽), 일교차, 일사량, 기온 등에 직접적으로 영향을 받기 때문에 발전효율을 극대화하기 위해서는 위와 같은 상황의 발생 여부와 단선, 단락, 지락 등과 같은 설비의 이상 유무를 신속하게 파악 및 대응해야 한다.

특히, 태양광 발전 시스템의 설비 이상과 관련된 종래 기술로는 등록특허 제10-1073156호(효율적인 태양광 발전 시스템)와 등록특허 제10-1201863호(단위 모듈 감시가 가능한 태양광 진단 시스템)가 있다.

보다 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 등록특허 제10-1073156호는 특정 어레이(10)내의 태양광 모듈(1)의 발전이 비정상적인 경우, 복수의 태양광 모듈(10)이 직렬로 연결되는 발전회로로부터 분리되도록 양 분기 케이블(SC1)(SC2)사이에 바이패스 장치(도면에 미도시)를 장착하거나, 등록특허 제10-1201863호에서 처럼 각 태양광 모듈의 분기 케이블(SC1,SC2)간의 전압 차이를 측정하여 출력측 전압이 설정치보다 낮을 경우 해당 태양광 모듈의 선로를 어레이의 출력선로에서 탈락(off)시키는 기법이 통용되고 있다.

또 다른 종래의 기술로는 등록특허 제10-1354190호(태양광 모듈의 발전회로 제어모듈 및 이를 이용한 태양광 모듈의 발전량 감시시스템)가 있다.

전술한 등록특허 제10-1354190호는 어레이를 구성하는 태양광 모듈들 사이에서 비정상 태양광 모듈을 우회시킴으로써 발전효율을 극대화하는 것에 특징이 있고, 등록특허 제10-1073156호는 앞서 설명한 바와 같이 어레이의 비정상 태양광 모듈을 회로적으로 즉시 차단함으로써 각 어레이의 발전 효율이 저하되지 않도록 한 것에 특징이 있다.

그러나, 전술한 양 특허기술은 어레이를 구성하는 태양광 모듈에서 발전이 개시되는 순간부터 비정상적인 태양광 모듈의 선로를 발전선로에서 바로 차단시킴으로써 각 어레이의 발전 효율을 높이는 것이지만, 앞서 설명한 바와 같이 각 어레이의 태양광 모듈 사이 사이에 각각 바이패스장치를 설치해야 하고, 설치 후에도 지속적으로 유지 및 관리해야만 한다.

따라서, 사용자는 바이패스장치의 유지 및 관리에 따른 비용 상승 문제로 인해 채용을 기피하고 있어 앞서 설명한 발명들은 실질적인 상용화에 이르지 못하고 있는 실정이다.

또한 바이패스장치의 고장 시 해당 태양광 모듈은 2차 사고로 이어질 수 있는 문제가 있고, 또한 바이패스장치의 전력 소비로 인해 총 발전량을 감소시키는 문제가 있으며, 또한 음영 또는 오손으로 인해 발전 효율이 일시적으로 저하되더라도 대처할 수 없다는 뚜렷한 문제점을 가지고 있다.

또한 태양광 모듈은 반도체 재질로 제조되어 재질적 특성으로 인해 기온이 특정 온도 이상으로 상승하면 발전 효율이 저하되기 때문에 기온이 가장 높은 여름철에는 오히려 발전 전압이 떨어지는 태생적 문제를 가지고 있기 때문에 이 시기나 기상악화가 발생되는 환경에서는 비정상 태양광 모듈의 선로를 메인 출력선로에서 차단(OFF)시키더라도 항상 발전 효율이 향상되지는 않는다.

다시 말해서, 최대의 발전효율을 보이는 시기나 환경은 봄철 맑은 날씨로 알려져 있고, 태양광 모듈의 데이터 값은 25℃를 기준으로 하므로 이 기온 보다 높으면 오히려 태양광 모듈의 전압이 떨어지고, 반대로 기온이 영하로 떨어지는 동절기에는 과전압이 발생되면서 인버터 보호를 위해 과전압보호장치에 의해 인버터가 정지되는 문제가 생긴다.

따라서, DC→AC 인버터의 경우 태양광 모듈에서 발전된 직류전압을 교류로 변환할 수 있는 MPPT 설정값 범위 이내로 전압이 인입되어야 안정적이고 효율적인 발전이 유지되기 때문에 앞서 설명한 이유로 전술한 종래 기술은 항상 발전 효율을 향상시킨다고 말할 수 없는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래 기술로는 등록특허 10-0934932-0000와, 등록특허 1013524740000가 있다.

전술한 등록특허 10-0934932-0000는 기온에 대응하여 어레이의 발전전압을 회로적으로 변환하는 것에 특징이 있고, 등록특허 10-1352474-0000는 어레이의 모듈 연결수량을 상황에 따라 변경하는 것에 특징이 있으나, 어레이의 비율로 인하여 최대의 전력 효율을 이용할 수 없는 문제점이 있다.

또한 전술한 양 특허는 어레이의 태양광 모듈을 가감하여 인버터의 MPPT를 맞추는 방식으로써 한 개의 모듈을 가감하는 방식(수많은 전력 및 통신케이블, 스위치 설치필요)이 아닌 일정수량 이상의 모듈을 가감하는 제어방법을 채용하고 있다. 이러한 방식은 인버터의 MPPT 허용범위를 초과한 과전압이 인버터로 인가될 경우 이를 분류해 낼 수 있는 수단이 없어 인버터의 정지를 막을 방법이 없고, 위와 같이 MPPT 하한값 이상으로 인버터의 인입 전압값을 맞추려는 시도는 오히려 MPPT의 허용범위를 초과하는 결과를 초래할 수 있다. 즉, MPPT의 전압값을 유지하기 위해 물리적 방법을 채용함으로써 태양광 발전시스템의 세밀한 운전이 어려울 뿐만 아니라 설비 구성이 매우 복잡해지므로 가성비가 상당히 나빠질 수 있는 문제가 있다.

참고로 100kW급 태양광 발전 시스템의 경우에도 태양광 모듈의 수량이 대략 270여장이고 회로수도 15∼19회로이므로 기존 특허와 같은 시스템 구성 및 시공은 사실상 불가능에 가까우며, 더군다나 모듈을 한 장씩 가감하는 것은 더 더욱 실현성이 없는 설계 및 시공방법이다.

또한 어레이의 태양광 모듈 수량을 물리적으로 가감하기 위해서는 다수의 DC케이블 및 제어용 케이블을 어레이와 제어실 사이에 포설해야함으로 이에 따른 케이블의 단선, 지락, 인축의 감전사고 등의 가능성이 높아 안정적인 발전시스템 운영에 상당한 차질을 초래할 수 있다.

또한 일출 직후는 일사량이 미미하고 태양광 모듈의 방향도 정동향[주로 정남향으로 어레이 배치]이 아님으로 발전전압이 매우 낮다. 그래서, 100kW급의 경우 전체 태양광 모듈을 직렬로 연결해야만 인버터의 기동전압 이상의 전압을 일출 직후부터 얻을 수 있지만 기존 방식은 모든 태양광 모듈을 직렬로 연결할 수 있는 방법이 없음으로, 일출 후 발전개시까지 일정 정도의 지연시간이 발생할 수 있어 발전이 진행되고 있음에도 불구하고 이를 사용처로 전송할 수 없는 문제가 발생한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 제반 문제를 감안하여 창안하기에 이르렀고 괄목할 만한 성과가 있어 이를 본 발명을 통해 제안하고자 한다.

본 발명은 제어부가 각 어레이의 발전전압을 측정 및 판단하여, 이 값이 인버터의 MPPT 설정값 범위내인 경우 해당 선로의 츨력전압을 인버터로 송전하고, 측정값이 MPPT 하한값 보다 작은 경우 어레이를 순차적으로 직렬 결합하여 인버터로의 인입전압이 MPPT 설정값 범위가 되도록 접속함 내의 각 어레이의 선로를 제어하며, 측정된 전압값이 MPPT 상한값을 초과하는 경우 제어부의 전압 연산 소프트웨어를 이용하여 초과 전류량을 산정하고 그 결과값을 기존 선로 및 분류회로(대기회로)의 가변저항에 부가한 후 병렬 스위치를 순차적으로 제어(ON)함으로써 기존 회로에 발생된 과전압을 운전가능 전압으로 감압하고 인버터로 인입되는 전압값을 MPPT 설정값 이내로 조절하여 인버터의 중단없는 구동과 변환을 확보하며, 각 어레이에서 지락, 단락 등과 같은 고장 발생 시 인버터의 정지로 이어지지 않도록 직렬 스위치를 제어하여 해당 어레이의 선로를 접속함 내의 발전 선로로부터 신속히 분리함으로써 인버터의 안정적인 운전과 발전효율을 극대화 할 수 있는 태양광 발전시스템의 접속함 및 그 제어방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 태양광 발전시스템의 접속함을 구현하기 위한 해결수단은,

태양광 모듈을 통해 발전된 전압을 인버터로 송전되도록 선로로 연결되는 고유의 태그 번호가 부여된 어레이부와;

상기 선로들의 발전전압을 실시간으로 측정하여 제어부로 전송하는 제 1 전압측정부와;

각 어레이들의 직결, 직렬 및 병렬로 연결 후 인버터로 인입되는 인입 전압값을 실시간으로 측정하여 제어부로 전송하는 제 3 전압측정부와;

상기 각 선로에 부여된 고유한 태그 번호에 종속되는 태그 번호를 지니고, 각 선로를 직/병렬로 연결할 수 있는 스위치를 포함하고, 상기 각 선로에 각각 마련되는 가변저항 및 병렬 스위치에 의해 형성되는 과전압 방지용 분류회로를 갖춘 접속함과;

상기 제 1 전압측정부에 의해 측정된 전압값에 대응하여 고유 태그 번호를 지닌 회로 전환부를 조작하여 각 어레이가 인버터와 직결, 직렬 또는 병렬로 연결되도록 선로 제어를 통해 항상 인버터로 인입되는 전압값을 항상 MPPT 설정값 이내로 조절하고 각 어레이의 설비 고장 발생 시 이를 해당 선로의 직렬 스위치 제어(OFF)를 통해 접속함 내의 발전회로에서 분리시키는 제어부 및;

상기 각 어레이의 선로를 통해 송출되는 전압을 교류로 변환하는 인버터를 포함하고;

전술한 어레이 선로, 회로 제어부(직/병렬스위치) 및 가변저항은 각 어레이에 부여된 고유한 태그 번호에 종속되는 상세 태그 번호를 통해 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 태양광 발전시스템의 접속함 제어방법에 따른 해결수단은,

제 1 전압측정부를 통해 각 어레이별 발전전압을 측정하여 제어부로 전송하는 단계와;

제어부는 상기 제 1 전압측정부의 측정값이 MPPT 설정값 범위에 해당하는지 여부를 판단하되;

판단결과 측정값이 MPPT 설정값 이내인 경우, 제어부는 각 어레이를 인버터로 직결하여 해당 선로의 발전전압을 인버터로 송전되도록 제어하고,

판단결과 측정값이 MPPT 하한값 보다 작은 경우 제어부는 각 회로별 제 1 전압 측정값을 기초 데이터로 활용하여 몇 개의 어레이를 직렬로 연결하면 인버터의 MPPT 범위내로 전압값을 상승시킬 수 있는지 연산한 후 직렬스위치를 제어하여 필요 어레이들을 직렬로 연결하여 어레이 군을 형성하고 그 전압값을 인버터로 전송하며,

병렬로 연결된 어레이들의 전압을 제 3 전압 측정부를 통해 제어부에서 감시하며, 이 전압값이 인버터의 MPPT 범위를 초과할 경우 제어부는 개별 어레이의 출력 전압값을 제 3 전압 측정부의 측정값을 개별 어레이 전압값으로 환산한 후 연산을 통해 인버터의 MPPT 범위에 맞도록 어레이 그룹 내의 어레이 수량을 조절하여 새로운 어레이 군을 형성한다. 이후 개별 어레이의 출력 전압값이 인버터의 MPPT 범위까지 상승할 경우 직렬 스위치를 제어하여 개별 어레이가 인버터와 직결 되도록 제어하고,

동절기 및 일사량 증가로 인해 개별 어레이의 전압값이 인버터의 MPPT 상한값을 초과할 경우 제어부는 전체 어레이의 출력 전압값을 기초 자료로 활용하여 분류해야 할 전류값을 전압 연산 소프트웨어를 통해 산정하고 그 결과치를 가변저항에 인가하여 새로운 병렬회로를 추가한다. 이와 같은 과정을 거쳐 분류회로를 포함하는 전체 회로의 전압값이 동일하게 조절될 뿐만 아니라 인버터의 입력 전압값이 MPPT 범위내로 제어된다.

또한 제어부는 자연현상 및 시간경과에 따라 일사량이 감소하는 경우 상기와 같은 프로세스를 거쳐 항상 인버터로 인입되는 전압값을 인버터의 MPPT범위내로 유지하고,

개별 어레이의 선로에서 사고 발생 시 제 1 전압부와 제 3 전압부의 측정값을 토대로 사고가 발생된 선로의 직렬 스위치를 이용하여 신속히 발전회로에서 분리함으로써 사고로 인한 인버터의 비 정상적인 운전정지를 미연에 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일사량 변화 및 온도에 따른 출력 전압의 편차를 어레이 회로의 조합(직/병렬)을 통해 인버터로 인입되는 전압값을 항상 MPPT 허용범위내로 유지할 수 있으므로 인버터의 종류나 용량에 상관없이 발전효율을 극대화 할 수 있다.

또한 본 발명은 태양광 모듈의 재질적 특성에 기인한 출력값의 편차로 인해 발생되는 인버터의 효율저하 및 운전정지를 회피할 수 있고 발전효율이 저하되는 문제를 근원적으로 해결할 수 있다.

또한 일출 직후 매우 낮은 전압값에 대응하기 위해 전체 어레이의 직렬 연결을 통해 발전 전압값을 최대치로 변경하여 인버터로 전송할 수 있음으로 일출 후 발전개시까지의 시간을 최대한 단축함으로써 발전효율을 크게 재고할 수 있다.

또한 본 발명은 각 어레이의 출력 전압값이 인버터의 MPPT 설정값를 초과하더라도 인버터는 과전압방지 분류회로에 의해 보호되므로 인버터의 교환주기를 연장할 수 있고, 이에 따라 태양광 발전의 경제성을 증진시킬 수 있다.

또한 접속함의 외부 즉, 각 어레이에서 접속함으로 연결되는 선로에서 단선, 단락, 지락 등의 사고 발생 시 인버터의 운전정지로 연결될 수 있는 문제는 전압값을 이용하여 사고회로를 접속함의 발전회로에서 신속히 제거하여 발전정지를 원천적으로 방지하고 발전효율의 향상 또한 달성할 수 있다.

도 1은 종래의 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2은 본 발명에 따른 접속함의 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 태양광 발전 시스템의 기존단위의 발전회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발전회로 제어장치를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 발전회로 제어장치의 플로챠트이다.

이하, 본 발명에 따른 태양광 발전회로 제어장치에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 일련 부호로 도면에 표기하였다.

명세서 전반에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결 혹은 결합"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결 혹은 결합"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결 혹은 결합"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하는 것을 의미한다.

도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도로, 태양광 발전 시스템(100)은, 태양광 모듈을 포함하는 어레이부(A)와, 각 어레이부(A)의 선로를 따라 전송되는 전압을 측정하는 제 1 전압측정부(V1)와, 병렬로 연결되는 선로의 전압을 측정하는 제 3 전압측정부(V3)와, 분류회로의 전압을 측정하는 제 2 전압측정부(V2) 및 제 1 전압측정부(V1)에 의해 측정된 전압에 대응하여 회로 전환부(S,X)를 제어하여 각 어레이부(A) 선로를 가감하는 제어부(C)와, 인버터로 인입되는 부하전류를 수동으로 개폐하고 선로의 지락, 단락 등 사고 발생 시 자동으로 선로(P)를 차단(OFF) 시키는 차단부(T)(도 4의 차단기(Ta))를 포함하는 접속함(100a)과, 직류를 교류로 변환하는 인버터부(I)를 포함한다.

도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 도시된 태양광 발전 시스템(100)의 기본 단위의 발전 시스템에 대한 회로도로, 본 발명에 대한 이해를 높이기 위해 어레이(A1∼An)와 인버터부(I)간의 전기적 결합 상태를 보여주는 접속함(100a) 내의 회로도이다.

전술한 어레이부(A)는 태양광 모듈(도면에는 미도시)을 일정수량 직렬로 연결하는 어레이들을 통칭하는 용어로, 도 4에 도시된 바와 같이 독립적으로 고유의 태그 번호(TAG NO.)가 부여된 어레이(A1∼An)로 세분되고, 도 4에서 도면부호 V1, V2는 각 어레이(A1∼An) 및 분류회로(An-1) 선로(P)의 (+)극과 (-)극 케이블에 각각 결합되어 각 어레이 전압을 측정하는 제 1 전압측정부와 분류회로의 전압을 측정하는 제 2 전압측정부이고, 도면부호 S는 각 어레이(A1∼An)를 직렬로 연결시키기 위한 직렬 스위치(S1∼Sn, S1-1∼Sn-1)이며, X는 분류회로 생성을 위한 병렬 스위치(X1-a∼Xn-a, X1-b∼Xn-b)를 포함하는 회로 전환부이다.

상기 회로 전환부(S,X)는 세부적으로 도 4에 도시된 바와 같이 어레이별 각 선로(P)를 직렬로 연결하기 위한 (+)극과 (-)극 케이블에 각각 연결되는 직렬 스위치(S1∼Sn, S1-1∼Sn-1) 및 분류회로(An-1) 생성을 위한 병렬 스위치(X1-a∼Xn-a, X1-b∼Xn-b)의 통칭이며, 도면부호 P1과 P2는 어레이(A1∼An) 및 분류회로(An-1)의 (+)극 및 (-)극 케이블로, 각 어레이(A1∼An)와 인버터(I)사이에 전기적 선로(P)를 구성한다.

도 3 및 도 4에서 도면부호 R1 및 R2는 도 4에 도시된 바와 같이 주회로 (+)극과 분류회로(+)극 케이블에 각각 결합된 가변저항의 통칭으로, 각 선로(P)의 (+)극 케이블에 각각 설치되는 가변저항 "R1-a∼Rn-a"와 과전압 방지용 분류회로의 (+)극에 각각 설치되는 가변저항 "R1-b∼Rn-b"으로 세분된다. 또한 도 3에서 도면부호 I는 DC전류를 AC전류로 변환하는 인버터부(도 4의 인버터(Ia))이고, 도면부호 T는 부하전류를 수동으로 개폐하고 선로의 지락 혹은 단락 등의 사고 발생 시 자동으로 해당 선로(P)를 차단(OFF)시키기 위한 차단부(도 4의 차단기(Ta))이다.

전술한 선로(P)는 그 단부가 차단기(Ta)를 통해 인버터(Ia)에 전기적으로 연결되어 어레이(A1∼An)에서 발전된 전압을 인버터(Ia)(도 4)로 송전한다.

전술한 각 선로(P)에 마련된 제 1 , 제 2 및 제 3 전압측정부, 직렬 및 병렬스위치, 가변저항은 각 어레이에 부여된 고유한 태그 번호로 색인되는 세부 태그 번호를 지니고 있다.

따라서, 제어부는 각 선로에 설치되는 구성요소에 부여된 태그 번호를 통해 접속함(100a) 내의 발전회로를 제어 할 수 있다.

도 3에 도시된 태양광 발전 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 어레이부(A)와 인버터부(I) 사이에 연결된 각 선로(P)에 제 1, 제 2 및 제 3 전압측정부(V1)(V2)(V3)로 세분된 회로 전환부(S,X)를 갖추고, 각 선로(P)의 (+)극 케이블과 분류회로용 (+)극 케이블에는 양 가변저항(R1-a∼Rn-a, R1-b∼Rn-b)이 결합되어 있다.

제 1 전압측정부(V1)는 도 4에 도시된 바와 같이 각 어레이(A1∼An)의 발전전압을 실시간으로 측정하고, 제 2 전압측정부(V2)는 분류된 회로의 전압을 측정하며, 제 3 전압측정부(V3)는 복수의 선로들이 직결, 직렬 및 분류회로가 병렬로 연결되었을 때 연결된 선로의 전압값을 측정하여 제어부(C)로 전달한다.

제어부(C)는 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 전압측정부(V1) 및 제 3 전압측정부(V3)에 의해 측정된 각 어레이(A1∼An)별 출력 전압과 인버터(Ia)로 인입되는 전압을 판단하여 전술한 직렬 스위치(S1∼Sn, S1-1∼Sn-1) 및 병렬 스위치(X1-a∼Xn-a, X1-b∼Xn-b)를 태그 번호를 이용하여 제어함으로써 인버터(Ia)로 인입되는 전압값을 항상 MPPT 설정값 이내로 조절한다. 이를 부연하여 설명한다.

상기한 제어부는 제 1 전압측정부(V1)에 의해 측정된 전압이 인버터의 MPPT 설정값 이내에 해당하는 경우 개별 어레이를 인버터와 직결하여 전압을 전송하고, 직결된 어레이의 전압값이 인버터의 MPPT 상한값을 초과한 경우 분류회로(Vn-1)로 인가해야 할 전압값에 상응하는 전류량을 전술한 프로그램에 의해 산정하고, 이 상정된 값을 선로의 가변저항에 부가한 후 병렬스위치(X1-a∼Xn-a, X1-b∼Xn-b)를 온(ON)시켜 분류회로를 이용하여 과전압을 제어함과 동시에 인버터로 인입되는 전압값을 MPPT 범위 이내로 제어한다.

상기한 과전압방지용 분류회로에 의한 과전압 분류량은 이하에서 보다 상세히 설명한다.

상기한 회로 전환부(S,X)는 도 4에 도시된 바와 같이 제어부(C)의 제어에 따라 각 어레이(A1∼An)의 선로(P)를 직렬 및 분류회로로 변환하는데 사용되며, 상기 직렬 스위치는 3로 스위치로서, 어레이(A1∼An)의 각 선로(P)(도 4)들을 직렬로 연결할 수 있고, 병렬 스위치는 각 어레이(A1∼An)의 선로(P)와 분류회로(An-1)의 선로(P)를 병렬로 연결하기 위한 것이다.

따라서, 각 어레이(A1∼An)별 선로(P)는 인버터와 직결, 직렬 또는 분류 결합에 의해 개별적 혹은 복수로 인버터와 연결되므로 인버터(Ia)로의 인입전압(Vb)값은 항상 인버터(Ia)의 MPPT 설정값 범위 이내로 조절된 상태로 송전될 수 있다.

이에 대해서는 이하의 제어방법의 설명부분에서 보다 상세히 설명될 것이다.

상기한 선로(P)에는 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 퓨즈(F1)(F2)가 더 결합될 수 있다. 상기한 양 휴즈(F1)(F2)는 각 어레이(A1∼An)의 선로(P)에서 과전압이 발생되었을 때 과전압으로부터 선로(P)를 보호하기 위한 것으로, 제 1 휴즈(F1)는 각 어레이(A1∼An)와 차단기사이의 선로에서 과전압이 발생되는 경우 자동으로 용단(溶斷)되고, 제 2 휴즈(F2)는 직렬 스위치에 의해 가감된 선로의 전압 즉, 분류회로의 선로에서 차단기(T)로 인입되는 선로에 과전압이 발생되면 자동으로 용단되어 선로(P)를 보호한다.

도 5는 본 발명에 따른 제어부(C)의 제어 프로세스를 도시한 플로차트로, 첨부된 도 4와 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템(100)의 발전회로 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.

발전 용량의 설계에 따라 도 4에 도시된 어레이(A1∼An)의 설치 갯수와 그에 따른 인버터(Ia)의 용량은 제조자 혹은 사용자의 선택에 따라 변경될 수 있으므로 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.

이하에서는 설명의 편의와 이해도를 높이기 위해 각 어레이(A1∼An)에서 출력되는 전압을 "발전전압(Va)"(도 4 참조)이라 칭하고, 인버터(Ia)로 인입되는 전압을 "인입전압(Vb)"(도 4 참조)라 칭한다. 또한 인버터(Ia)의 MPPT 설정값은 메모리(도면에는 미도시)에 미리 설정된 것으로 전제한다.

또한 제어부의 판단 및 결과에 대해서는 설명의 명료성을 위해 발전전압(Va)과 인입전압(Vb)이 전술한 인버터의 MPPT 설정값 이내인지 여부를 부등호로 표현하여 설명한다.

태양광 발전 시스템(100)의 각 어레이(A1∼An)들은 각기 인버터와 직결된 상태로 발전이 개시(201)(도 5)되고, 각 어레이에서 발전된 전력은 각 선로(P)를 따라 차단기(T)를 통해 인버터(Ia)로 송전된다.

도 4에 도시된 제 1 전압측정부(V1)는 도 5에 도시된 바와 같이 해당 선로(P)의 전압을 개별적으로 측정하여 제어부(C)로 전송한다(202).

제어부(C)는 각 제 1 전압측정부(V1)에 의해 측정된 발전전압(Va)이 인버터(Ia)의 MPPT 설정값 범위내에 해당되는지 여부를 인버터의 MPPT 설정값과 대비하여 판단한다.

판단결과, 각 어레이의 발전 전압값이 인버터(Ia)의 MPPT 설정값 이내에 해당하는 경우(203a)(도 5 참조), 제어부(C)는 해당 어레이(A1∼An)를 인버터(Ia)로 직결하여 송전되도록 제어하고,

판단결과, 발전전압(Va)이 인버터의 MPPT 설정값보다 낮은 경우(203b)(도 5 참조), 제어부(C)는 전압 연산 프로그램을 이용하여 MPPT 설정값 범위을 충족시킬 수 있는 어레이의 수를 연산한 후 태그 번호를 통해 해당 어레이를 직렬 스위치(S1∼Sn, S1-1∼Sn-1)를 순차적으로 연결(ON)(205, 도 5 참조)하여 어레이 그룹을 구성한다(206).

상기와 달리 모든 어레이를 직렬로 연결(208)하였음에도 불구하고 인입전압(Vb)이 인버터의 기동 전압값에 미달되는 경우(일출 직후에서 주로 나타남) 이 값을 인버터로 송전하여 발전을 대기하고, 개별 어레이의 전압이 상승하여 전체 직렬로 연결된 어레이의 출력 전압이 인버터의 구동전압 이상이 될 경우 바로 인버터가 구동되도록 회로를 제어한다.

이 과정에서 직렬로 연결된 각 어레이 그룹의 선로를 제 3 전압측정부에 의해 측정되어진 측정값이 인버터의 MPPT 설정값 범위를 초과(203e)하는 경우, 이 값을 제어부에서 개별 어레이의 출력 전압값으로 환산(204)한 후 이 환산값을 이용하여 직렬 스위치를 통해 새로운 어레이 그룹을 형성한다. 이와 같은 과정을 개별 어레이가 인버터와 직결할 때까지 지속된다.

또한 날씨의 갑작스러운 변화 또는 일몰로 근접함에 따라 일사량이 감소하여 어레이(A1∼An)의 발전전압이 MPPT 하한값 이하로 떨어지는 경우(203b), 제어부(C)는 전압 연산 프로그램을 이용하여 각 선로의 직렬 스위치(S1∼Sn, S1-1∼Sn-1) 제어(ON)를 통해 어레이 그룹(206)을 재 형성하여 인버터로의 인입전압을 MPPT 설정값 이내로 유지되도록 제어한다.

이하에서는 직결 연결된 어레이 선로를 제 1 전압측정부(V1)로 측정한 측정값이 인버터의 MPPT 상한값을 초과하는 경우(203c)(도 5)에 대하여 설명한다.

제어부(C)는 전압 연산 프로그램을 이용하여 분류할 전류량을 산정(210)(분류회로(An-1)를 포함 전체회로의 전압값이 인버터(Ia)의 MPPT 범위값을 만족시킬 수 있는 전류량)하고, 산정된 전류량에 상응하는 저항값을 어레이 "A1"에서 어레이 "An" 순으로 각 가변저항(R1-a∼Rn-a, R1-b∼Rn-b)에 부가하고(211), 병렬 스위치(X1-a∼Xn-a, X1-b∼Xn-b)를 어레이"A1"에서 어레이"An"의 순으로 차례로 연결(ON)하여 각 어레이(A1∼An)의 선로(P)를 분류회로(An-1)와 병렬로 연결(212)하여 인버터로 인입되는 전압값을 MPPT 범위내로 제어(213)함으로써 과전압 발생으로 인한 인버터의 정지를 방지하고 인버터가 최적의 상태에서 운전되도록 관리한다.

이하에서는 개별 어레이가 인버터(Ia)와 직결 연결되어 운전 중 특정 어레이 선로의 문제(지락, 단락, 인입 전압값의 MPPT 범위 이탈 등) 발생 시(203d)(도 5) 제어부의 처리방법에 대하여 설명한다.

개별 선로(각 어레이 선로)와 인버터가 직결 연결된 상태로 운전 중 특정 어레이의 전압(Va)이 인버터의 MPPT 하한값 이하로 떨어지거나 지락, 단락 등의 사고로 인해 특정 어레이의 선로 전압(Va)이 급격히 상승하는 경우 해당 선로가 그 상태로 시스템에 연결되어 있으면 인버터(Ia)로 인입되는 최종 전압의 크기 감소 또는 발전 중단으로 이어지므로 인버터의 발전효율 유지에 상당한 악영향을 초래한다. 따라서, 제어부(C)는 직렬 스위치(S1∼Sn, S1-1∼Sn-1) 중 해당 선로의 직렬 스위치(S)(214)를 신속히 분리시켜 사고로 인한 문제가 더 확대되지 않도록 제어한다.

전술한 바와 같이 본 발명은 각 어레이 선로의 각 발전전압이 MPPT 설정값 범위에 해당하면 해당 어레이 선로는 인버터와의 직결에 의해 발전전압을 송전하고,

위 설정값에 미달하는 경우 복수의 어레이 선로를 직렬 결합하여 인버터의 MPPT 설정값을 만족시키고, 각 어레이의 출력 전압값이 인버터의 MPPT 설정값 범위이내로 발전되면 제어부는 직렬스위치를 제어(OFF)하여 직결로 인버터로 송전되도록 제어하며,

특정 시점 각 어레이 출력 전압값이 상승하여 인버터로 인입되는 전압값이 인버터의 MPPT 상한값을 초과하면, 초과된 전류량에 상응하는 값을 각 선로의 가변저항에 균등 부과하고 이를 병렬 스위치를 이용하여 분류회로를 형성함으로써 인버터(Ia)로 인입되는 전압값을 항상 인버터의 MPPT 설정값 이내가 되도록 제어한다.

이하에서는 본 발명을 채용한 접속함의 실질적 사례를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

발전 용량이 100kW인 태양광 발전 시스템(100)으로, 제어부(C)의 입력값은,

＊ 각 어레이(A1∼An)의 정상적인 출력 전압값은 702V

＊ 인버터(Ia)의 MPPT 480∼950V, 기동전압 300V 및 기동중지전압 1,000V

＊ 어레이는 18장(장 당 360W, 최대발전전압 47.3V) 직렬 및 15 병렬회로로 전체 270장의 모듈로 구성되는 것으로 가정한다.

일출 직후 태양광 모듈 한 장에서 발전되는 전압이 약2V라 가정하면 1개의 어레이에서 발전되는 전압은 36V이므로 기동전압에 한참 미치지 못한다. 따라서, 전체 태양광 모듈을 직렬로 연결하면 540V가 발전되므로 인버터는 일출 직후부터 발전이 가능해지며, 인버터의 기동전압까지의 전압 상승을 위한 대기 시간이 발생하지 않는다.

이후 일사량이 증가하여 개별 어레이의 발전 전압값 증가(전체 직렬로 연결된 어레이의 발전 전압값 증가)로 인해 전체 어레이가 직렬로 연결되어 운전하고 있는 어레이의 출력값(인입전압(Vb))이 인버터의 MPPT 상한값에 도달하면, 제어부는 이 값(Vb)를 각 어레이의 출력 전압값으로 환산한 후 인버터의 MPPT 범위를 충족시킬 수 있는 새로운 어레이 그룹의 수를 계산하고 이를 직렬 스위치(S)를 이용하여 재 편제한다.

즉, 하나의 태양광 모듈에서 출력되는 전압값이 2V에서 증가하여 10V가 되면 하나의 어레이에서 발전되는 전압은 180V이므로 개별 어레이로는 인버터의 MPPT 설정범위를 충족할 수 없으나 이를 2개의 어레이와 직렬로 연결하면 540V의 직렬 전압값이 출력됨으로 인버터의 MPPT 범위를 만족할 수 있다. 따라서, 3개씩 어레이를 직렬로 연결하고 이를 5개의 어레이 그룹으로 병렬로 조합(연결)하면 인버터의 입력 전압값이 MPPT값을 만족함으로 최대 변환효율을 유지해서 발전이 가능하다.

이와 같은 프로세스는 각 그룹의 출력전압이 인버터의 MPPT 상한값을 초과할 경우 제어부의 연산에 의해 반복 수행되며, 개별 어레이가 인버터와 직결될 때까지 계속된다.

반대로, 각각의 어레이가 오후로 접어들거나 돌발적인 강우나 구름 등으로 인해 일사량이 감소할 경우 각 어레이별 발전전압 또한 감소할 것이다. 그리고 어느 순간 MPPT 하한값 이하로 떨어질 경우, 제어부(C)는 각 어레이의 발전전압을 확인하여 어레이 조합을 계산한 후 직렬 스위치를 재 제어(ON)하여 인버터(Ia)로의 인입전압 값이 MPPT 하한값 이상이 되도록 새로운 어레이 그룹을 형성한다.

뿐 만 아니라 일사량이 더 줄어 들 경우, 상기와 같은 제어를 반복해서 인버터로의 인입전압 값이 항상 MPPT의 하한값 이상이 되도록 어레이 그룹을 조합한다.

하지만 일사량의 경우 일몰이 가까워지면서 그 세기가 점점 줄어들어 어느 순간 전체 어레이를 직렬로 연결하여도 어레이의 출력값이 MPPT 하한값 보다 작아질 경우, 전체 어레이를 직렬로 연결(일출 직후와 동일한 프로세스)하여 최대한 발전이 지속되도록 선로를 제어한다.

또한 태양광 모듈은 온도가 1℃ 변할 때마다 전압이 ±0.2V 변경되며, 겨울철 기온이 -20℃로 내려 갈 경우, 25℃ 기준 전압에서 태양광 모듈 한 장당 9V의 전압이 증가된다. 따라서, 기준 전압에 증가된 전압을 합산할 경우 정오 전후에는 하나의 어레이 당 1,013V의 전압이 발전되므로 인버터의 가동 중단을 초래할 수 있다.

따라서, 이를 방지하기 위해 분류회로를 이용한 병렬회로를 추가로 적용해야만 인버터 중지를 피할 수 있고 생산된 전력의 100%를 인버터로 전달할 수 있다. 이와 같은 프로세스는 아래의 식으로 설명한다.

인버터의 가동중지 전압값은 1,000V이상 이므로 겨울철 정오 전후에 생성될 가능성이 있는 전압값은 1,013V로 인버터의 가동중지 전압값 보다 최소 13V 이상 초과함으로 이를 분류하여 운전하여야 한다. 하지만 인버터로 인입되는 선로의 전압값은 동일해야 함으로 15병렬회로를 16병렬회로로 변경 시 회로당 506.5V의 전압값으로 분류해야만 인버터가 정지되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이를 회로이론으로 설명하면 다음과 같다.

분류된 전류는 다음의 공식으로 계산될 수 있다.

I2 = I0 ×R1 / (R1 + R2)와 같다.

여기서, I2: 분류회로로 흐르는 전류값,

I0: 분류 전 어레이 전류값,

R1: 기존회로의 가변저항값,

R2: 분류회로의 가변저항값이다.

따라서, 개별 어레이에서 변류회로로 전송해야 할 전력의 전압이 506.5V이므로 이를 위의 식을 이용해 계산하면 다음과 같이 된다.

506.5V = I2 × R2

개별 어레이(각 어레이)에서 생성되는 최대 전류치는 360W 모듈의 경우 9A이므로 506.5V/1013V이면 약 50%의 전류가 분류되는 것을 알 수 있다.

따라서, 분류되는 전류는 4.5A 이므로 I2 = 4.5A이고, 506.5 = 4.5 × R2이므로 R2 값은 112.5Ω이 산출된다.

결국, R1값은 4.5A = 9A × R1 / ( R1 + 112.5) 식에서 R1 = 112.5Ω이 도출된다.

이상과 같이 본 발명자는 태양광 발전시스템의 접속함 및 그 제어방법에 대해 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술분야에 통상의 지식을 가진 사람이면 본 발명을 통해 다양한 변경 및 응용을 할 수 있을 것이나 이러한 변경 예나 응용 예는 본 발명자가 의도하는 진정한 기술적 사상과 이하의 특허청구범위에서 정의하는 권리범위에 속한다는 것을 미리 밝혀두는 바이다.

100: 태양광 발전 시스템 100a : 접속함
A: 어레이부 A1∼An: 어레이
An-1: 분류회로 C: 제어부
I: 인버터부 Ia: 인버터
P: 어레이의 선로 R1-a∼Rn-a, R2-b∼Rn-b: 가변저항
S1∼Sn, S1-1∼Sn-1 : 직렬 스위치 V1: 제 1 전압측정부
V2: 제 2 전압측정부 V3: 제 3 측정부
S,X: 회로 전환부
X1-a∼Xn-a, X1-b∼Xn-b : 병렬 스위치

Claims (2)

1. 복수의 어레이에서 발전된 전력을 인버터로 전송하는 태양광 발전 접속함 제어방법에 있어서,
   태양광 모듈을 통해 발전된 전압을 인버터로 송전되는 고유의 태그 번호가 부여된 어레이부와;
   선로들의 발전전압을 실시간으로 측정하여 제어부로 전송하는 제 1 전압측정부와;
   각 어레이들의 직결, 직렬 및 병렬로 연결 후 인버터로 인입되는 인입 전압값을 실시간으로 측정하여 제어부로 전송하는 제 3 전압측정부와;
   상기 각 선로에 색인되는 고유 태그 번호를 지니고, 상기 선로를 직/병렬로 연결할 수 있는 스위치를 포함하고, 상기 각 선로에 마련되는 가변저항 및 병렬 스위치로 구성된 과전압 방지용 분류회로를 갖춘 접속함과;
   상기 제 1 전압측정부에 의해 측정된 전압값에 대응하여 고유 태그 번호를 지닌 회로 전환부를 제어하여 각 어레이가 인버터와 직결, 직렬 또는 병렬 연결을 제어하여 항상 인버터로 인입되는 전압값이 MPPT 설정값 이내가 되도록 제어하고, 각 어레이의 설비 고장 발생 시 이를 해당 선로의 직렬 스위치 제어(OFF)를 통해 접속함 내의 발전회로에서 분리시키는 제어부를 갖추고,
   상기 제어부는,
   상기 제 1 전압측정부의 측정값이 인버터의 MPPT 설정값 범위에 해당하는지 여부를 판단하여 측정값이 MPPT 설정값 이내인 경우,
   각 어레이를 인버터로 직결하여 어레이의 발전전압을 인버터로 송전되도록 제어하고, 상기 제 1 전압측정부의 측정값이 MPPT 설정값 보다 낮은 경우, 연산을 통해 인버터의 MPPT 설정값을 만족하는 어레이 수를 산출하고 산출된 어레이 수를 직렬 스위치의 태그 번호를 통해 제어(ON)하여 어레이 그룹을 구성하되,
   모든 어레이들이 직렬로 연결되었어도 인버터의 인입전압을 MPPT 설정값 이내로 조절할 수 없는 경우, 상기 인입전압이 MPPT 설정값 범위에 도달될 때까지 상기 접속함내의 선로를 그대로 유지되도록 제어하고,
   상기 제 3 전압측정부의 측정값이 MPPT 상한값을 초과하는 경우, 상기 제어부는 전압 연산 프로그램을 통해 초과량을 산정하고, 산정된 값을 각 선로에 마련된 가변저항에 균등 부가함과 동시에 태그 번호를 통해 병렬 스위치를 제어하여 상기 과전압 방지용 분류회로를 통해 상기 인입전압이 MPPT 설정값 이내가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 접속함 제어방법.
2. 삭제

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