KR102002106B1 - 태양광 발전 시스템 및 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법 - Google Patents

태양광 발전 시스템 및 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 태양전지 패널의 일측 출력단자의 전류를 감지하여 출력하는 전류 감지부, 상기 태양전지 패널의 양측 출력단자 사이의 전압을 감지하여 출력하는 전압 감지부, 그리고 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부에 연결되어 있고, 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호를 전력 조절 장치로 출력하도록 하고, 상기 펄스 신호를 출력한 후 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 상기 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하고, 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 패널 전력을 계산하여 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 최대 전력점 추적 제어 장치를 포함한다.

Description

태양광 발전 시스템 및 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법{PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM AND MAXIMUM POWER POINT TRACKING METHOD ITHEREOF}
본 발명은 태양광 발전 시스템 및 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법 에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
태양 전지에 빛이 입사되면 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되고, 분리된 전자와 정공은 각각 서로 다른 전극으로 수집되고 전자와 정공을 수집한 전극을 전선으로 연결하여 전력을 얻게 된다.
이러한 태양 전지는 단독으로도 이용 가능하지만, 좀더 효율적인 사용과 설치를 용이하기 위해 동일한 구조를 갖는 복수의 태양 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 전지 모듈을 제작한다.
따라서 사용자는 원하는 개수만큼의 태양 전지 모듈을 연결한 모듈 어레이인 태양전지 패널을 설치하고, 이 태양전지 패널로부터 최종 전력을 얻어 사용한다.
이러한 태양전지 패널의 효율은 약 20%로 낮으며, 태양전지 패널의 운전 조건에 따라서 태양전지 패널에서 출력되는 출력 전압의 차이가 크게 발생하게 된다.
따라서, 태양전지 패널의 발전 효율을 극대화시키기 위해, 태양전지 패널을 구비한 태양광 발전 시스템은 태양전지 패널에서 출력되는 전력 중에서 최대 크기의 전력을 갖는 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)을 추적하여 태양전지 패널의 동작을 제어하는 최대 전력점 추적법(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 이용한다.
태양전지 패널은 전압원과 전류원의 복합적인 특성을 갖고 있다.
따라서, 태양전지 패널은 단락 회로 운전점(Vpv=0, Ipv=Isc) 즉, 태양전지 패널의 출력 전압인 패널 출력전압(Vpv)은 0이고 태양전지 패널의 출력 전류인 패널 출력전류(Ipv)는 단락 전류(Isc)인 부근에서는 전류원의 형태로 동작하고, 개방 전압(Voc)의 동작점 부근에서는 전압원의 형태로 동작한다.
또한 최대 전력점에서 태양전지 패널은 전류원도 아니고 전압원도 아닌 비선형적 동작 특성을 갖는다.
따라서, 태양전지 패널의 출력 단자를 단락(short)시킬 경우 단락전류(Isc)가 흐르며, 태양전지 패널의 출력단자를 개방(open)시킬 경우 태양전지 패널의 출력 단자 사이의 전압은 최대 전압인 개방 전압(Voc)이 된다.
따라서, 태양전지 패널에서, 출력 전력이 최대가 되는 운전점인 최대 전력점(MPP)은 태양전지 패널의 두 운전 조건인 단락 조건과 개방 조건 사이에 존재함을 알 수 있다.
조사되는 빛의 양에 따라 태양전지 패널의 발전량이 정해지므로 태양전지 패널은 일사량에 비례하여 태양전지 패널의 단락 전류(Isc)가 증가하게 된다.
이로 인해, 일사량의 변화에 따라 최대 전력점 역시 바뀌게 되므로, 태양전지 패널의 발전 효율을 극대화하기 위해 최대 전력점 추적법을 이용하여 일사량에 따라 새로운 최대 전력점을 찾아야 된다.
하지만, 종래의 최대 전력점 추적법은 일사량의 변화가 없는 상황에서도 최대 전력점이 변동하는 문제가 발생하며, 또한, 나뭇잎 등으로 인해 태양전지 패널에 발생하는 그림자 등으로 태양전지 패널에 복수 개의 최대 전력점이 발생할 경우, 최대 전력점의 위치로 이동하지 못하고 다른 위치(즉, 지역적 극대 전력점 위치)에서 최대 전력점 추적 동작이 이루어져 태양전지 패널의 동작 효율을 극대화할 수 없게 된다.
대한민국 등록특허 등록번호 10-1595060(등록일자: 2016년 02월 11일, 발명의 명칭: 태양광 발전 시스템의 동적 최대전력지점 추종 기능을 구비한 인버터장치 및 상기 인버터장치의 동적최대전력지점 추종방법) 대한민국 등록특허 등록번호 10-1256433(등록일자: 2013년 04월 12일, 발명의 명칭: PV 전류를 이용한 최대 전력점 추적 방식의 태양광 발전 시스템)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 최대 전력점 추적 동작의 정확도와 안정성을 향상시켜 태양전지 패널의 발전 효율을 높이기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지 패널의 일측 출력단자의 전류를 감지하여 출력하는 전류 감지부, 상기 태양전지 패널의 양측 출력단자 사이의 전압을 감지하여 출력하는 전압 감지부, 그리고 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부에 연결되어 있고, 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호를 전력 조절 장치로 출력하도록 하고, 상기 펄스 신호를 출력한 후 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 상기 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하고, 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 패널 전력을 계산하여 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 최대 전력점 추적 제어 장치를 포함한다.
상기 펄스 신호의 듀티비는 스캔 시기를 기준으로 하여 최소 듀티비에서 최대 듀티비까지 듀티 변화량만큼 증가한 듀티비를 갖는 것이 좋다.
상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호를 출력한 후, 정해진 개수의 펄스가 인가되거나 설정 시간이 경과한 시기인 상기 스캔 시기에 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부를 이용하여 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정할 수 있다.
상기 전력 조절 제어부는 상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 기준 전압과 전압 감지부로부터의 패널 출력전압을 인가받아 상기 기준 전압과 상기 패널 출력전압의 차인 오차 전압을 산출해 출력하는 뺄셈기, 상기 뺄셈기에 연결되어 있고 상기 뺄셈기로부터 인가되는 상기 오차 전압을 이용하여 비례 적분을 실시하는 해당 크기의 전압을 출력하는 비례적분 제어기, 상기 비례적분 제어기에 비반전 단자가 연결되어 있고 삼각파 신호에 반전 단자가 연결되어 있으며 상기 전력 조절 장치에 출력 단자가 연결되어 있고 비반전 단자로 인가되는 전압과 상기 삼각파 신호를 이용하여 해당 크기의 펄스폭을 갖는 펄스 신호를 출력하는 비교기, 그리고 상기 비교기와 상기 동작 제어부에 연결되어 있고, 상기 동작 제어부로부터 인가되는 스위칭 제어 신호의 상태에 따라 스위칭 상태가 변하여 상기 최대 전력점 추적 제어 장치에서 출력되는 펄스 신호와 상기 비교기에서 출력되는 펄스 신호 중 하나를 선택하여 상기 전력 조절 장치로 출력하는 스위칭부를 포함하는 것이 좋다.
본 발명의 다른 특징에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지 패널의 일측 출력단자의 전류를 감지하여 출력하는 전류 감지부, 상기 태양전지 패널의 양측 출력단자 사이의 전압을 감지하여 출력하는 전압 감지부, 그리고 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부에 연결되어 있고, 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 전압값을 갖는 기준 전압을 전력 조절 제어부로 출력하여 상기 전력 조절 제어부가 상기 기준 전압에 해당하는 펄스 신호를 전력 조절 장치로 출력하도록 하고, 상기 펄스 신호를 출력한 후 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 상기 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하고, 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 패널 전력을 계산출하여 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 최대 전력점 추적 제어 장치를 포함한다.
상기 기준 전압의 전압값은 스캔 시기를 기준으로 하여 최소 전압값에서부터 최대 전압값까지 전압 변화량만큼 증가되는 것이 좋다.
상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압을 출력한 후 설정 시간이 경과한 시기인 상기 스캔 시기에 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부를 이용하여 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정할 수 있다.
상기 전압 변화량은 [(최대 전압값-최소 전압값)/(스캔시기 횟수)]일 수 있다.
상기 전력 조절 제어부는 상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 기준 전압과 전압 감지부로부터의 패널 출력전압을 인가받아 상기 기준 전압과 상기 패널 출력전압의 차인 오차 전압을 산출해 출력하는 뺄셈기, 상기 뺄셈기에 연결되어 있고 상기 뺄셈기로부터 인가되는 상기 오차 전압을 이용하여 비례 적분을 실시하는 해당 크기의 전압을 출력하는 비례적분 제어기, 그리고 상기 비례적분 제어기에 비반전 단자가 연결되어 있고 삼각파 신호에 반전 단자가 연결되어 있으며 상기 전력 조절 장치에 출력 단자가 연결되어 있고 비반전 단자로 인가되는 전압과 상기 삼각파 신호를 이용하여 해당 크기의 펄스폭을 갖는 상기 펄스 신호를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다.
상기 전력 조절 장치는 컨버터나 인버터일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법은 최대 전력점 추적 제어 장치가 최대 전력점 추적 주기에 도달했는지 판단하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 최대 전력점 추적 주기에 도달하면 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호를 전력 조절 제어부로 출력하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호를 출력한 후 전류 감지부와 전압 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 검출하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 현재 패널 전력을 계산하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 산출된 현재 패널 전력이 이전 패널 전력보다 크면 최대 전력점 전압을 판정된 패널 출력전압으로 하고, 현재 패널 전력을 이전 패널 전력으로 저장하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호의 듀티비가 최대 듀티비인지 판단하는 단계, 그리고 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호의 듀티비가 최대 듀티비가 아니면 상기 듀티비의 크기를 듀티 변화량만큼 증가시킨 후 증가된 듀티비를 갖는 펄스 신호를 전력 조절 제어부로 출력하는 단계를 포함한다.
상기 패널 출력전류와 패널 출력전압 검출 단계는 상기 펄스 신호가 출력된 후 정해진 개수의 펄스가 인가되거나 설정 시간이 경과한 시기인 스캔 시기에 상기 패널 출력전류와 상기 패널 출력전압을 검출할 수 있다.
상기 듀티 변화량은 [(최대 듀티비-최소 듀티비)/(스캔시기 횟수)]일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법은 최대 전력점 추적 제어 장치가 최대 전력점 추적 주기에 도달했는지 판단하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 최대 전력점 추적 주기에 도달하면 정해진 크기의 전압값을 갖는 기준 전압을 전력 조절 제어부로 출력하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압을 출력한 후 전류 감지부와 전압 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 검출하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 현재 패널 전력을 계산하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 계산된 현재 패널 전력이 이전 패널 전력보다 크면 최대 전력점 전압을 판정된 패널 출력전압으로 하고, 현재 패널 전력을 이전 패널 전력으로 저장하는 단계, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압의 전압값이 최대 전압값인지 판단하는 단계, 그리고 상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압의 전압값이 최대 전압값이 아니면 상기 전압값의 크기를 전압 변화량만큼 증가시킨 후 증가된 전압값을 갖는 기준 전압을 전력 조절 제어부로 출력하는 단계를 포함한다.
상기 패널 출력전류와 패널 출력전압 검출 단계는 상기 기준 전압이 출력된 후 설정 시간이 경과한 시기인 스캔 시기에 상기 패널 출력전류와 상기 패널 출력전압을 검출할 수 있다.
상기 전압 변화량은 [(최대 전압값-최소 전압값)/(스캔시기 횟수)]일 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 태양전지 패널의 넓은 전압운전 범위에 대하여 최대전력운전점을 탐색함으로써 안정적이고 정확한 최대 전력점 추적 동작이 이루어진다. 특히 태양전지 패널에 가해지는 그림자 등에 의해 형성되는 지역적 극대값에 빠져들지 않고 항상 최대전력 운전점을 추종하는 운전이 보장된다.
또한, 최대 전력점 추적 주기마다 도래하는 최대 전력점 추적 기간에도 전력 조절 장치로 제어 신호가 인가되어 전력 조절 장치를 동작시키므로, 최대 전력점을 추적하는 동안에도 태양광 발전 시스템의 전력 생산이 이루어져, 태양광 발전 시스템의 발전 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법의 동작 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 개략적인 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법의 동작 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따라 부스트 컨버터에 의한 배터리 충전용 태양광 발전 시스템에 대한 실험 장치의 전력 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시한 부스트 컨버터에 의한 배터리 충전용 태양광 발전 시스템을 본 발명의 최대 전력점 추적 방법에 따라 스캔한 스캔 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5를 이용한 실험의 스캔 결과를 이용하여 전류(I)-전압(V) 곡선 및 전력(P)-전압(V) 곡선을 도출한 파형도이다.
도 8은 도 5에 도시한 부스트 컨버터에 의한 배터리 충전용 태양광 발전 시스템의 스캔 동작 중에 발생한 전력 손실을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 벅 컨버터에 의한 저항 부하용 태양광 발전 시스템에 대한 실험 장치의 전력 회로도이다.
도 10은 도 9에 도시한 벅 컨버터에 의한 저항 부하용 태양광 발전 시스템을 본 발명의 최대 전력점 추적 방법에 따라 스캔한 스캔 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 도 9를 이용한 실험의 스캔 결과를 이용하여 전류(I)-전압(V) 곡선 및 전력(P)-전압(V) 곡선을 도출한 파형도이다.
도 12는 도 9에 도시한 부스트 컨버터에 의한 저항 부하용 태양광 발전 시스템의 스캔 동작 중에 발생한 전력 손실을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 13은 태양전지 패널에 형성된 그림자에 의해 다중 전력 극대점이 형성된 때 태양전지 패널에 대한 최대 전력점 추적 동작에 대한 시험 결과를 도시한 도면으로서, (a)는 태양전지 패널 중 어느 한 태양전지 모듈에 그림자가 형성된 경우를 도시한 도면이고, (b)는 태양전지 패널의 스캔 결과인 전류(I)-전압(V) 특성 곡선과 전력(P)-전압(V) 특성 곡선을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접속되어" 있다거나 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 접속되어 있거나 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 접속되어" 있다거나 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 1을 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(100)은 태양전지 패널(11), 태양전지 패널(11)의 제1 및 제2 출력 단자(+, -) 중 하나의 출력 단자[예, 제2 출력단자(-)]에 위치하는 전류 감지부(121), 태양전지 패널(11)의 제1 및 제2 출력단자(+, -) 사이에 연결되어 있는 전압 감지부(122), 전압 감지부(122)와 부하(Ro) 사이에 위치하고 있는 전력 조절 장치(PCS, power conditioning system)(13), 전류 감지부(121)에 의해 감지된 태양전지 패널(11)의 출력 전류[이하, 태양전지 패널(11)의 출력전류를 '패널 출력전류'라 함](Ipv)와 전압 감지부(122)에 의해 감지된 태양전지 패널(11)의 출력 전압[이하, 태양전지 패널(11)의 출력전압을 '패널 출력전압'이라 함](Vpv)을 이용하여 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 최대 전력점 추적 제어 장치(14), 그리고 최대 전력점 추적 제어 장치(14)와 전력 조절 장치(13)에 연결되어 있는 전력 조절 제어부(15)를 구비한다.
태양전지 패널(11)은 조사되는 빛의 양에 따라 해당하는 크기의 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 출력한다.
이미 기재한 것처럼, 전류 감지부(121)는 태양전지 패널(11)의 제2 출력단자(-)를 흐르는 전류를 감지하여 패널 출력전류(Ipv)으로서 최대 전력점 추적 제어 장치(14)로 출력한다.
또한, 전압 감지부(122)는 태양전지 패널(11)의 양 출력 단자(+, -) 사이의 전압을 감지하여 패널 출력전압(Vpv)으로서 최대 전력점 추적 제어 장치(14)로 출력한다.
전력 조절 장치(13)는 태양전지 패널(11)의 제1 출력단자(+)와 제2 출력단자(-)에 각각 일측 단자와 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터(즉, 평활용 커패시터)(Cdc), 태양전지 패널(11)의 제1 출력단자(+)에 입력 단자(예, 드레인 단자)가 연결되어 있고 전력 조절 제어부(15)에 제어 단자(예, 게이트 단자)가 연결되어 있는 스위칭 소자 (Sbuck), 스위칭 소자(Sbuck)의 출력 단자(예, 소스 단자)에 캐소드 단자가 연결되어 있고 태양전지 패널(11)의 제2 출력단자(-)에 애노드 단자가 연결되어 있는 다이오드(Df), 스위칭 소자(Sbuck)의 출력단자에 일측 단자가 연결되어 있고 부하 저항(Ro)의 일측에 타측 단자가 연결되어 있는 인덕터(Lf), 그리고 인덕터(Lf)의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 태양전지 패널(11)의 제2 출력단자(-)에 타측 단자가 연결되어 부하 저항(Ro)과 병렬로 연결되어 있는 커패시터(Cf)를 구비한다.
전력 조절 장치(13)는 스위칭 소자(Sbuck), 다이오드(Df), 인덕터(Lf) 및 커패시터(Cf)로 이루어진 벅 컨버터(buck converter)를 이용하지만, 이에 한정되지 않고, 벅 컨버터 이외에 프라이백 컨버터(flyback converter), 부스트 컨버터(boost converter), 또는 포워드 컨버터(forward converter) 등과 같이 다른 컨버터나 인버터(Inverter)를 사용할 수 있다.
도 1의 전력 조절 장치(13)는 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 인가되는 전력 조절 제어부(15)의 펄스 신호(P1, P2)에 따라 스위칭 소자(Sbuck)를 정해진 주기로 턴온 및 턴오프 시키고, 스위칭 소자(Sbuck)의 턴온 및 턴오프 동작에 따라 출력되는 펄스 모양의 전압을 리액터(Lf)와 커패시터(Cf)를 이용해 평활하여 해당 크기의 직류 전압을 출력하게 된다.
즉, 스위칭 소자(Sbuck)는 전력 조절 제어부(15)로부터 인가되는 펄스 신호(P1, P2)에 따라 턴온 또는 턴오프되어 전력 조절 장치(13)의 동작 상태를 제어한다.
따라서, 스위칭 소자(Sbuck)가 턴온될 때, 태양전지 패널(11)에서 출력되는 패널 출력전류(Ipv)는 턴온된 스위칭 소자(Sbuck)를 거처 리액터(Lf)로 흐르게 되어 리액터(Lf)로의 에너지 축적이 이루어지고 커패시터(Cf)와 부하 저항(Ro)을 통해 다이오드(Df) 쪽으로 흐르게 된다. 이때, 다이오드(Df)는 스위칭 소자(Sbuck)의 턴온 시 패널 출력전류(Ipv)의 경로를 리액터(Lf) 쪽으로 한정한다.
반대로, 스위칭 소자(Sbuck)가 턴오프되면, 다이오드(Df)가 전류 흐름 경로를 제공하므로, 리액터(Lf)에 축적된 에너지인 인덕터 전류는 커패시터(Cf)와 저항(Ro)을 통해 다이오드(Df)로 흐르게 된다.
또한, 커패시터(Cf)는 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되는 신호의 노이즈 성분을 제거하고 평활 기능도 수행한다.
이로 인해, 전압 감지부(122)는 커패시터(Cf) 양단에 인가되는 전압을 감지하여 패널 출력전압(Vpv)으로서 출력한다.
전력 조절 장치(13)의 두 입력단 사이에 연결되어 있는 평활용 커패시터(Cdc)는 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되는 전류를 평활한다.
최대 전력점 추적 제어 장치(14)는 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122)로부터 인가되는 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 인가받는 동작 제어부(141)와 동작 제어부(141)에 연결되어 있는 저장부(142)를 구비한다.
동작 제어부(141)는 정해진 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)마다 태양전지 패널(11)의 전압운전 영역을 스캔(scan)하여 최대 전력이 발생되는 패널 출력전압(Vpv)의 운전점인 최대 전력점(MPP)을 탐색하고, 이로 인해, 태양전지 패널(11)의 발전량을 최대화할 수 있도록 하며, 복수의 전력 극대점이 형성되는 경우에도 정확하게 최대 전력점을 탐색할 수 있도록 한다.
이를 위해, 본 예의 동작 제어부(141)는 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과하여 최대 전력점 추적 시기가 되면 정해진 시점마다 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122)에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 검출하고, 이들 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)으로 전력의 크기를 계산하여 최대 전력점(MPP)을 추적하며, 추적된 최대 전력점(MPP)일 때의 패널 출력전압(Vpv)(즉, 최대전력 운전전압)을 기준 전압(Vref)으로서 전력 조절 제어부(15)로 출력한다. 이때, 동작 제어부(141)는 스캔 동작이 행해지는 동안에도 전력 조절 장치(13)의 동작을 중지하지 않고 발전운전을 유지하면서 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 제어를 행한다.
이를 위해, 본 예의 동작 제어부(141)는 최대 전력점을 추적하는 최대 전력점 추적 기간 동안 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 정해진 듀티비(D)를 갖는 펄스 신호(P1)를 제어 신호로서 출력한다.
따라서, 스위칭 소자(Sbuck)는 동작 제어부(14)로부터 인가되는 펄스 신호(P1)의 듀티비(D)에 따라 스위칭 상태가 제어되어 발전 운전이 이루어지도록 한다.
이때, 듀티비(D)는 최소 듀티비(Dmin)에서부터 최대 듀티비(Dmax)까지 정해진 시점인 스캔 시기를 기준으로 정해진 듀티 변화량(Ddiff)만큼 증가한다.
스캔 시기[즉, 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 검출하는 시기]는 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되는 펄스 신호(P1)에 의해 전력 조절 장치(12)의 동작이 안정화되는 시점으로서, 본 예의 경우, 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되는 해당 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호(P1)의 인가 개수로 정해진다.
하지만, 대안적인 예에서, 스캔 시기는 해당 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호(P1)가 스위칭 소자(Sbuck)로 인가된 후 경과 시간을 이용하여 정해질 수 있다.
따라서, 동작 제어부(141)는 해당 듀티비의 펄스 신호(P1)가 정해진 개수만큼 출력되어 스캔 시기가 되면 패널 전류(Ipv)와 패널 전압(Vpv)을 검출하여, 최대 전력점 추적 기간이 도래하여 행해진 최대 전력점 추적 동작 중 최대 전력점 전압(Vmpp)을 판정한 후, 펄스 신호(P1)의 듀티비를 듀티 변화량(Ddiff)만큼 증가시켜 다시 스캔 시기에 패널 전류(Ipv)와 패널 전압(Vpv)을 이용한 최대 전력점 전압(Vmpp) 판정 동작을 반복하게 된다.
이러한 동작은 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되는 펄스 신호(P1)의 듀티비가 최대 듀티비(Dmax)일 때까지 반복된다.
따라서, 현재 스캔 시기에 대한 듀티비(D)는 바로 이전의 스캔 시기의 듀티비(D)에 비해 듀티 변화량(Ddiff)만큼 증가한 크기를 갖는다.
저장부(142)는 최대 전력점 추적 제어 장치(14)의 동작에 필요한 데이터와 동작 중에 생성된 데이터 등이 저장되어 있다.
또한, 저장부(142)는 매 스캔 시기마다 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122)를 이용하여 감지한 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 저장하여, 동작 제어부(141)에 의해 매 최대 전력점 추적 주기마다 스캔 동작이 행해지는 기간 동안 최대 전력점(MPP)의 추적 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
전력 조절 제어부(15)는 태양광 발전 시스템(100)의 동작 상태가 최대 전력점을 추적하기 위한 최대 전력점 추적 동작 상태, 즉 매 최대 전력점 추적 주기마다 스캔 동작을 실시하여 최대 전력점을 추적하는 기간(이하, 이 기간을 '최대 전력점 추적 기간'이라 함) 동안의 동작 상태가 아닌 일반적으로 전력을 생산하기 위한 일반 동작 상태일 때, 최대 전력점 추적 제어 장치(141)로부터 인가되는 기준 전압(Vref)(즉, 최대전력 운전전압)을 이용하여 펄스 신호(P2)를 생성한 후 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 인가하여, 전력 조절 장치(13)에 의한 전력 생산이 이루어지도록 한다.
이처럼, 태양광 발전 시스템(100)의 경우, 일반 동작 상태뿐만 아니라 최대 전력점 추적 동작 상태일 때에도 전력 조절 장치(13)가 동작하여 전력 생산이 이루어지도록 한다.
이처럼, 최대 전력점 추적 기간 동안에는 전력 조절 장치(13)가 동작하지 않는 타 방식에 비해, 본 제안 기술에서는 최대 전력점 추적 기간에도 전력 조절 장치(13)의 동작이 이루어지므로, 일반 동작 시보다는 적은 양이지만 최대 전력점 추적 동작에도 전력 조절 장치(13)의 동작에 의한 전력 생산이 계속 이루어진다. 이로 인해, 태양광 발전 시스템(100)의 생산성이 향상된다.
이러한 전력 조절 제어부(15)는, 도 1에 도시한 것처럼, 최대 전력점 추적 제어 장치(14)로부터 인가되는 기준 전압(Vref)과 패널 출력전압(Vpv)을 각각 (+) 입력단자(+)와 (-)입력단자로 인가받는 뺄셈기(151), 뺄셈기(151)의 출력 신호를 인가받는 비례적분(Proportional integral, PI) 제어기(152), 삼각파 신호를 출력하는 삼각파 발생기(153), 비례적분 제어기(152)의 출력 단자에 비반전 단자(+)에 연결되어 있고 삼각파 발생기(153)의 출력단자에 반전 단자(-)에 연결되어 기준 전압(Vref)에 의해 정해진 펄스 신호(P2)를 출력하는 비교기(154), 그리고 동작 제어부(141)에서 출력되는 펄스 신호(P1)와 비교기(154)의 출력 단자 및 동작 제어부(141)에서 출력되는 스위칭 제어 신호(S1)에 연결되어 있어 스위칭 제어 신호(S1)의 상태에 따라 두 펄스 신호(P1, P2) 중에서 하나를 선택하여 스위칭 소자(Sbuck)로 출력하는 스위칭부(155)를 구비한다.
본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 제어 동작은 최대 전력점 추적 주기마다 도래하는 최대 전력점 추적 기간에도 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 정해진 펄스폭을 갖는 제어 신호(즉, 펄스 신호)(P1)를 출력하여 전력 조절 장치(13)의 동작이 이루어지도록 하는 것이다.
다음, 도 2를 참고로 하여, 이러한 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(100)의 최대 전력점 추적 방법을 자세히 설명한다.
도 2를 참고로 하면, 태양광 전력 시스템(100)의 동작에 필요한 전원이 공급되어 태양광 전력 시스템(100)의 동작이 시작되면, 최대 전력점 추적 제어부(14)의 동작 제어부(141)의 동작 역시 시작된다(S10).
동작이 시작되면, 동작 제어부(141)는 도시하지 않는 타이머(timer)에서 출력되는 시간 정보를 이용하여 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과했는지 판단한다(S11). 이때, 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)는 경험치나 실험치에 의해 정해지며, 약 1초 내지 10초일 수 있다.
최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과하면 동작 제어부(141)는 최대 전력점 추적 동작을 실시한다.
하지만, 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과하지 않는 경우(S11), 동작 제어부(141)는 현재 태양광 발전 시스템(100)의 동작 상태를 최대 전력점을 추적하기 위한 동작 상태가 아니라, 이전 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)에서 결정된 기준 전압(Vref)으로 패널 출력전압(Vpv)을 운전할 수 있도록 전력 조절 장치(13)를 동작시켜 전력을 생성하는 일반 동작 상태로 판정한다.
따라서, 동작 제어부(141)는 일반 동작 루틴(도시하지 않음)으로 넘어가 바로 이전에 행해진 최대 전력점 추적 동작에 의해 산출된 기준 전압(Vref)을 최대 전력 조절 제어부(15)로 출력하여, 안정적인 최대전력 생산운전이 이루어질 수 있도록 한다.
일반 동작 루틴에 대한 동작 제어부(141)의 동작은 다음에 설명한다.
다시 도 2를 참고로 하면, 태양광 발전 시스템(100)의 동작 상태가 최대 전력점 추적을 위한 상태이면, 동작 제어부(141)는 제1 상태(예, 고레벨 상태)의 스위칭 제어 신호(S1)를 스위칭부(155)로 출력하여 두 개의 펄스 신호(P1, P2) 중에서 동작 제어부(141)에 출력되는 펄스 신호(P1)를 선택하여 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)로 출력되도록 한다(S121).
한 예로, 스위칭부(155)는 스위칭 제어 신호(S1)의 상태(예, 고레벨 상태나 저레벨 상태)에 따라 스위칭 상태가 달라지는 릴레이(relay)와 같은 전자 스위치로 이루어질 수 있다.
그런 다음, 동작 제어부(141)는 해당 듀티비(D)를 갖는 펄스 신호(P1)를 스위칭부(155)로 출력하여 해당 펄스 신호(P1)가 스위칭부(155)를 통해 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되도록 한다(S122). 이 시점의 듀티비(D)는 초기값인 최소 듀티비(Dmin)이므로, 동작 제어부(141)는 최소 듀티비(Dmin)의 펄스 신호(P1)을 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 출력한다.
그런 다음, 동작 제어부(141)는 펄스 신호(P1)를 출력한 후 정해진 개수의 펄스가 인가되었는지 판단한다(S123).
이때, 펄스 신호(P1)의 출력 후 인가되는 펄스의 설정 개수는 해당 듀티비(예, Dmin)의 펄스 신호(P1)를 스위칭 소자(Sbuck)로 인가한 후 전력 조절 장치(13)의 동작이 안정화될 때까지 대기하는 안정화 대기 시간을 참고로 하여 정해지며, 실험치나 사용자의 경험치에 의해 정해질 수 있다.
본 예의 경우, 설정 개수는 10개 내지 20개일 수 있다.
하지만, 이에 한정하지 않고 태양광 발전 시스템(100)의 용량이나 사양 등에 따라 설정 개수는 10개 내지 100개일 수도 있다.
이처럼 인가된 펄스 신호(P1)의 펄스 개수를 이용한 안정화 대기 시간이 경과하면(S123), 동작 제어부(141)는 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122)로부터 인가되는 신호를 각각 판독하여 현재의 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 검출한 후 저장부(142)에 저장한다(S124).
이와 같이 안정화 대기 시간이 경과한 후 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력 전압(Vpv)의 검출 동작이 이루어지므로, 동작 제어부(141)는 정확한 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 검출하게 되며, 또한 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)의 검출 시기 차이로 인한 오차 발생을 해소하게 된다.
그런 다음, 동작 제어부(141)는 판정된 현재의 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 곱하여 현재 단계에서 산출된 패널 전력(Ppv)인 현재 패널 전력(Pnew)을 계산한다(S125).
현재 패널 전력(Pnew)이 계산되면(S125), 동작 제어부(141)는 저장부(142)에 저장되어 있는 바로 이전 단계에서 계산된 패널 전력(Ppv)인 이전 패널 전력(Pold)을 읽어와 현재 패널 전력(Pnew)과 이전 패널 전력(Pold)의 크기를 비교한다(S126).
현재 패널 전력(Pnew)이 이전 패널 전력(Pold)보다 큰 경우(S126), 동작 제어부(141)는 저장부(142)에 저장되어 있는 현재의 패널 출력전압(Vpv)을 현재의 최대 전력점 전압(Vmpp)으로서 저장부(142)에 저장한다(S127). 즉, 최대 전력점 전압(Vmpp)을 현재의 패널 출력전압(Vpv)으로 변경한다.
그런 다음, 동작 제어부(141)는 현재 패널 전력(Pnew)을 이전 패널 전력(Pold)으로서 저장부(142)에 저장한다(S127).
하지만, 단계(S126)에서 현재 패널 전력(Pnew)이 이전 패널 전력(Pold)보다 크지 않는 경우, 동작 제어부(141)은 저장부(142)에 저장되어 있는 최대 전력점 전압(Vmpp)을 현재의 패널 출력전압(Vpv)으로 변경하지 않고 그대로 유지한 채, 현재 패널 전력(Pnew)을 이전 패널 전력(Pold)으로서 저장부(142)에 저장하여, 이전 패널 전력(Pold)을 변경한다(S127).
그런 다음, 동작 제어부(141)는 스위칭 소자(Sbuck)에 인가되는 현재 펄스 신호(P1)의 듀티비(D)의 크기가 최대 듀티비(Dmax)인지를 판단한다(S128).
현재 펄스 신호(P1)의 듀티비(D)의 크기(예, Dmin)가 최대 듀티비(Dmax)가 아니면(S128), 동작 제어부(141)는 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 인가되는 펄스 신호(P1)의 듀티비(D)를 정해진 듀티 변화량(Ddiff)만큼 증가시킨다(S129).
이때, 듀티 변화량(Ddiff)은 펄스 개수에 따라 정해지면, 최대 듀티비(Dmax)와 최소 듀티비(Dmin)의 차를 스캔시기 횟수로 나눈 값[=(Dmax-Dmin)/스캔시기 횟수]이 된다.
이처럼, 동작 제어부(141)는 듀티비(D)를 현재 크기(예, Dmin)에서 듀티 변화량(Ddiff)만큼 증가시킨 후, 동작 제어부(141)는 단계(S122)로 넘어가 현재의 듀티비(Dmin+Ddiff)를 갖는 펄스 신호(P1)를 스위칭 소자(Sbuck)로 출력하여 이미 설명한 동작(S123-S129)를 반복함으로써 다시 패널 출력전류(Ipv)과 패널 출력전압(Vpv)을 판정하여 최대 전력점 전압(Vmpp)의 판정 동작을 실시한다.
따라서, 동작 제어부(141)는 스캔 시기에서의 패널 출력전류(Ipv) 및 패널 출력전압(Vpv)을 이용한 최대 전력점 전압(Vmpp)의 검출 동작이 이루어지면, 이전 스캔 시기에서보다 듀티 변화량(Ddiff)만큼 증가한 새로운 듀티비(D=D+Ddiff)의 펄스 신호(P1)를 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 출력한 후, 설정 개수만큼의 펄스가 인가된 후 패널 출력전압(Vpv)과 패널 출력전류(Ipv)을 판정해 현재의 패널 전력(Pnew)을 계산하여 이전 패널 전력(Pold)과의 비교 동작을 이용하여 최대 전력점 전압(Vmpp)을 결정한다.
이러한 동작은 현재 펄스 신호의 듀티비(D)의 크기가 최대 듀티비(Dmax)가 될 때까지 반복된다.
본 예에서, 최소 듀티비(Dmin)는 0.2이고, 최대 듀티비(Dmax)는 0.8일 수 있다.
이와 같이, 변화하는 듀티비(D)에 의해, 정해진 최대 전력점 추적 기간 동안 최대 크기의 패널 전력을 출력할 때의 패널 출력전압(Vpv)인 최대 전력점 전압(Vmpp)이 판정되면, 동작 제어부(141)는 최대 전력점 추적 동작을 종료하여 최대 전력점 추적 동작을 위한 스캔 동작을 종료한다.
그런 다음, 동작 제어부(141)는 저장부(142)에 저장되어 있는 현재의 최대 전력점 전압(Vmpp)을 기준 전압(Vref)으로 판정하여, 판정된 기준 전압(Vref)을 전력조절 제어부(15)로 출력하고 또한 스위칭부(155)로 제2 상태(예, 저레벨 상태)의 스위칭 제어 신호(S1)을 출력하여 두 펄스 신호(P1, P2) 중에서 전력조절 제어부(15)에서 출력되는 펄스 신호(P2)가 스위칭 소자(Sbuck)로 인가되도록 한다(S14).
이와 같이, 해당 최대 전력점 추적 기간에 판정된 최대 전력점 전압(Vmpp)을 이용한 기준 전압(Vref)이 전력조절 제어부(15)로 인가되면, 태양광 발전 시스템(100)의 동작 상태는 취대 최대 전력점 추적 제어 장치(14)에서 결정한 기준 전압(Vref)으로 태양전지 패널(11)의 출력전압(Vpv)을 운전하면서 정상적으로 전력을 생산하기 위한 일반 동작 상태로 전환되고, 이로 인해, 동작 제어부(141)는 일반 동작 루틴으로 넘어간다.
이처럼, 태양광 발전 시스템(100)의 동작 상태가 일반 동작 상태가 되면, 뺄셈기(151)는 최대 전력점 추적 제어 장치(14)의 동작 제어부(141)로부터 기준 전압(Vref)을 인가받고 전압 감지부(122)로부터 패널 출력 전압(Vpv)을 인가되는다.
따라서, 뺄셈기(151)는 (+) 입력단자로 인가되는 기준 전압(Vref)과 (-) 입력단자로 인가되는 패널 출력전압(Vpv)을 이용하여 기준 전압(Vref)에서 패널 출력전압(Vpv)을 감산하여 기준 전압(Vref)과 패널 출력전압(Vpv)의 차인 오차 전압(Ve)(Ve=Vref-Vpv)을 산출해 비례적분 제어기(152)로 인가한다.
비례적분 제어기(152)는 뺄셈기(151)로부터 인가되는 오차 전압(Ve)에 대한 비례 적분 제어를 실시해 해당 크기의 전압을 비교기(154)의 비반전 단자(+)로 인가한다.
비교기(154)는 비례적분 제어기(152)로부터 인가되는 기준 전압(Vref)과 삼각파 발생기(153)로부터 인가되는 삼각파 신호를 이용한 펄스폭 변조 동작을 실시하여 해당 펄스폭을 갖는 펄스 신호(P2)를 생성한 후 스위칭부(155)로 출력한다.
따라서, 스위칭부(155)는 스위칭 제어 신호(S1)에 의해 비교기(154)에서 출력되는 펄스 신호(P2)를 선택하여 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 인가하므로, 전력 조절 장치(13)의 동작은 전력 조절 제어부(15)의 펄스 신호(P2)에 의해 이루어진다.
이때, 비례적분 제어기(152)에 의한 피드백 제어에 의해, 시간이 경과함에 따라 태양전지 패널(11)의 출력전압(Vpv)은 기준 전압(Vref)과 동일하게 되므로, 태양광 발전 시스템(100)은 최대 전력점 전압(Vmpp=Vref)을 이용한 발전 동작을 실시하여 최대 전력 효율을 갖게 된다.
이처럼, 본 예의 태양광 발전 시스템(100)은 최대 전력점을 추적하는 최대 전력점 추적 기간에도 정해진 크기의 듀티비(D)를 갖는 펄스 신호(P1)를 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)로 인가하여 전력 조절 장치(13)를 동작시키므로, 최대 전력점 추적 기간에도 중단 없이 발전 동작이 이루어진다.
이때, 최대 전력점 추적 기간 동안 듀티비(D)의 크기는 듀티 변화량(Ddiff)만큼 최소 듀티비(Dmin)에서부터 최대 듀티비(Dmax)까지 단계적으로 증가하여 해당 최대 전력점 추적 범위인 스캔 범위는 기존에 비해 크게 증가하게 된다.
즉, 최대 전력점 추적 범위는 최소 듀티비(Dmin)를 갖는 펄스 신호(P1)에 의해 스위칭 소자(Sbuck)가 동작될 때 검출되는 패널 출력전압(Vpv)의 크기에서부터 최대 듀티비(Dmax)를 갖는 펄스 신호(P1)에 의해 스위칭 소자(Sbuck)가 동작될 때 검출되는 패널 출력전압(Vpv)의 크기까지이다.
따라서, 최대 전력점 추적 범위가 기존의 Perturb and Observe(P&O) 알고리즘과 같은 경사법을 이용할 때의 최대 전력점 추적 범위보다 훨씬 증가하게 되므로, 기존의 경사법보다 정확하게 최대 전력점을 추적하게 된다.
즉, 기존의 경사법은 여러 개의 전력 극대점이 형성된 경우에 처음 검색된 전력 극대점을 중심으로 하여 최대 전력점 추적 동작이 이루어지는 지역적 극대점(Local maximum)에 빠져서 나오지 못하므로 실제 최대 전력점을 추적하지 못하는 문제가 있었다.
하지만, 본 예의 태양광 발전 시스템(100)은, 이미 기재한 것처럼, 최대 전력점 추적을 위한 스캔 범위가 펄스 신호의 듀티비에 의해 정해진 패널 출력전압의 범위가 되어, 기존의 경사법보다 최대 전력점 추적 범위인 스캔 범위가 크게 확대되므로 전력 극대점이 여러 개 형성되더라고 효율적이고 안정적으로 최대 전력점 추적 동작이 이루어진다.
다음, 도 3과 도 4를 참고로 하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(100a)의 최대 전력점 추적 동작을 설명한다.
먼저, 도 3을 참고로 하여 본 예에 따른 태양광 발전 시스템(100a)의 구조를 설명한다. 도 1의 태양광 발전 시스템(100)과 비교하여, 동일한 구조를 갖고 같은 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여한다.
도 1과 비교할 때, 본 예의 태양광 발광 시스템(100a)의 구조는 동작 제어부(141a)의 동작을 제외하면 도 1과 동일한 구조를 갖고 있다.
즉, 태양광 발광 시스템(100a)는 태양전지 패널(11), 태양전지 패널(11)에 연결되어 있는 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122), 태양전지 패널(11)에 연결되어 있는 전력 조절 장치(13), 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122)에 연결되어 있고 동작 제어부(141a)와 저장부(142)를 구비하고 있는 최대 전력점 추적 제어 장치(14a), 그리고 최대 전력점 추적 제어 장치(14a)와 전력 조절 장치(13)에 연결되어 있는 전력 조절 제어부(15a)를 구비한다.
본 예에서, 최대 전력점 추적 제어 장치(14a)의 동작 제어부(141a)는 최대 전력점 추적 기간 동안 정해진 크기의 기준 전압(Vref)을 전력 조절 제어부(15a)로 출력하여 전력 조절 장치(13)를 동작시킨다.
이때, 최대 전력점 추적 기간 동안 인가되는 기준 전압(Vref)은 최소 전압(Vmin)에서부터 최대 전압(Vmax)까지 스캔 시점마다 전압 변화량(Vdiff)만큼 증가된 크기를 갖는다.
전압 변화량(Vdiff)은 [(Vmax-Vmin)/펄스 개수]로 정해질 수 있다.
또한, 최대 전력점 추적 기간은 기준 전압(Vref)이 최소 전압(Vmin)에서부터 최대 전압(Vmax)까지 전압 변화량(Vdiff)만큼 증가하면서 최대 전력점 전압(Vmpp)을 검출하는 기간에 의해 정해진다.
따라서, 전력 조절 제어부(15a)는 최대 전력점 추적 기간에 인가되는 해당 크기의 기준 전압(Vref)을 이용하여 해당 상태의 펄스 신호(P2)를 생성하여 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)로 인가함에 따라, 최대 전력점 추적 기간 동안에도 전력 생산이 이루어지도록 한다.
이와 같이, 본 예의 동작 제어부(141a)는 최대전력점 추적기간 동안 펄스 신호(P1)를 직접 전력 조절 제어부(15a)로 출력하지 않으므로, 펄스 신호(P1)를 출력하기 위한 출력 단자는 따로 필요하지 않다.
또한, 전력 조절 제어부(15a)는 동작 제어부(141a)로부터 인가되는 펄스 신호(P1)와 비교기(154)에서 출력되는 펄스 신호(P2) 중 하나를 선택할 필요가 없으므로, 스위칭부(155)를 구비하고 않고, 이로 인해, 동작 제어부(141a)는 스위칭부(155)의 선택 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호(S1) 역시 스위칭부(155)로 출력하지 않는다.
다음 도 4를 참고로 하여, 이러한 구조를 갖는 본 예의 태양광 발전 시스템(100a)의 최대 전력점 추적 방법을 설명한다.
본 예의 경우, 최대 전력점 추적 제어 장치(14a)의 동작 제어부(141a)는 최대 전력점 추적 동작이 이루어진 후 정해진 시기마다 정해진 크기의 기준 전압(Vref)을 전력 조절 제어부(15a)로 출력하여 최적 전력점 추적 동작이 이루어지는 동안에서 인가된 기준 전압(Vref)에 해당하는 펄스 신호(P2)를 생성하여 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)의 제어 단자로 제어 신호로서 출력하게 된다.
즉, 도 4를 참고로 하면, 태양광 전력 시스템(100a)의 동작 시작에 의해 최대 전력점 추적 제어부(14a)의 동작 제어부(141a)의 동작이 시작되면(S20), 동작 제어부(141a)는 타이머(도시하지 않음)에 의해 판정된 시간 정보를 이용하여 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과했는지 판단한다(S21).
이때, 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)는 약 1초 내지 10초일 수 있다.
최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과하여 최적 전력점 추적 동작 시기가 되면(S21), 동작 제어부(141a)는 최대 전력점 추적 동작을 실시하고, 그렇지 않는 경우 일반 동작 루틴으로 넘어가 최대 전력점 추적 제어 장치(14a)에서 결정된 기준 전압(Vref)으로 태양전지 패널(11)의 출력전압(Vpv)을 운전하면서 최대전력 생산을 실시하는 통상적인 동작을 수행한다.
따라서, 동작 제어부(141a)의 동작 상태가 최대 전력점 추적 동작 상태가 되면 동작 제어부(141a)는 반복 단계에 따라 단계적으로 증가하는 기준 전압(Vref)을 전력 조절 제어부(15a)로 출력한다(S22). 첫번째 반복 단계에서 출력되는 기준 전압(Vref)의 크기는 초기값인 최소 전압값(Vmin)이므로, 이 경우 기준 전압(Vref)의 크기는 최소 전압값(Vmin)이 된다.
이와 같이, 최소 전압값(Vmin)의 기준 전압이 인가되면, 전력 조절 제어부(15a)는 동작 제어부(141a)로부터 인가되는 기준 전압(Vref)과 전압 감지부(122)로부터 인가되는 패널 출력전압(Vpv)을 이용한 동작을 실시하여, 기준 전압(Vref)의 크기에 따른 해당 상태의 펄스 신호(P2)를 생성하여 전력 조절 장치(13)의 스위칭 소자(Sbuck)로 출력한다. 따라서 전력 조절 장치(13)는 인가되는 펄스 신호(P2)에 따라 동작하여 해당 크기의 전력을 생산한다.
이처럼, 최소 전압값(Vmin)의 기준 전압(Vref)을 출력하여 전력 조절 제어부(15a)의 동작이 이루어지도록 한 후, 동작 제어부(141a)는 설정 시간이 경과했는지 판단한다(S23).
이때, 설정 시간은 전력 조절 제어부(15a)의 피드백 동작에 의해 패널 출력전압(Vpv)이 기준 전압(Vref)와 동일한 크기의 전압을 출력할 때까지의 기간과 전력 조절 장치(13)의 동작이 안정화될 때까지의 시간 중 적어도 하나를 기초로 하여 정해질 수 있다.
이러한 설정 시간에 의해, 동작 제어부(141a)는 태양광 발전 시스템(100a)의 동작 상태가 안정화 상태로 동작이 이루어지게 된다.
설정 시간이 경과하면, 즉, 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv) 검출을 위한 스캔 시기가 되면(S23), 동작 제어부(141a)는 최대 전력점을 탐색하기 위해 전류 감지부(121)와 전압 감지부(122)를 이용해 현재의 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 검출한 후 저장부(142)에 저장한다(S24).
그런 다음, 동작 제어부(141a)는 도 2의 단계(S125) 내지 단계(S127)를 참고로 하여 설명한 것과 동일한 동작을 통해 최대 전력점 전압(Vmpp)을 판정한다.
즉, 동작 제어부(141a)는 판정된 현재의 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 이용하여 현재 패널 전력(Pnew)을 계산하고, 계산된 현재 패널 전력(Pnew)과 이전 패널 전력(Pold)을 읽어와 현재 패널 전력(Pnew)과 이전 패널 전력(Pold)의 크기를 비교한다(S256, S26).
다음, 현재 패널 전력(Pnew)이 이전 패널 전력(Pold)보다 큰 경우(S26), 동작 제어부(141a)는 현재의 패널 출력전압(Vpv)을 현재의 최대 전력점 전압(Vmpp)으로서 저장부(142)에 저장하여(S27) 현재의 패널 출력전압(Vpv)으로 최대 전력점 전압(Vmpp)을 변경한 후, 현재 패널 전력(Pnew)을 이전 패널 전력(Pold)으로서 저장부(142)에 저장하고(S28), 현재 패널 전력(Pnew)이 이전 패널 전력(Pold)보다 작거나 같으면(S26) 최대 전력점 전압(Vmpp)의 변경 없이 현재 패널 전력(Pnew)을 이전 패널 전력(Pold)으로서 저장한다(S28).
이러한 최대 전력점 전압(Vmpp)의 추적 동작은 현재 행해진 최대 전력점 전압(Vmpp)의 추적 동작을 위해 인가된 현재의 기준 전압(Vref)이 최대 전압값(Vmax)인 경우까지까지 반복적으로 행해지므로, 현재의 기준 전압(Vref)이 최대 전압값(Vmax)이 아니면(S29), 동작 제어부(141a)는 현재의 기준 전압(Vref)을 전압 변화량(Vdiff)만큼 증가시킨 후(S30), 단계(S22)로 넘어간다.
이로 인해, 해당 시점에 해당 크기(Vref=Vref+Vdiff)의 기준 전압(Vref)을 전력 조절 제어부(15a)로 출력하여 전력 조절 장치(13)를 동작시킨다.
이때, 기준 전압(Vref)의 전압 변화량(Vdiff)은 스캔 횟수에 따라 정해지면, 최대 전압값(Vmax)과 최소 전압값(Vmin)의 차를 스캔시기 횟수로 나눈 값[=(Vmax-Vmin)/스캔시기 횟수]이 된다.
하지만, 현재의 기준 전압(Vref)이 최대 전압값(Vmax)이면, 동작 제어부(141a)는 최대 전력점 추적 동작을 종료하고, 이로 인해, 태양광 발전 시스템(100a)의 동작 상태는 일반 동작 상태로 전환된다.
따라서, 동작 제어부(141a)는 저장부(142)에 저장되어 있는 현재의 최대 전력점 전압(Vmpp)을 기준 전압(Vref)으로 판정하여, 판정된 기준 전압(Vref), 즉 최대 전력점 전압(Vmpp)과 동일한 크기를 갖는 기준 전압(Vref)을 전력조절 제어부(15a)로 출력한 후(S31), 단계(S21)로 넘어가 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 경과했는지 판단하여 정해진 주기마다 최대 전력점 추적 동작이 이루어지도록 한다.
따라서, 태양광 발전 시스템(100a)의 동작 상태가 일반 동작 상태가 되면, 이미 설명한 것과 동일하게, 최대 전력점 추적 제어 장치(14a)의 동작 제어부(141a)는 판정된 기준 전압(Vref)을 전력 조절 제어부(15a)로 출력하고, 전력 조절 제어부(15a)는 인가되는 기준 전압(Vref)와 패널 출력전압(Vpv)을 이용하여 해당 크기의 펄스폭을 갖는 펄스 신호(P2)를 생성한 후전력 조절 장치(13)로 출력해 태양광 발전 시스템(100a)의 발전 동작이 이루어지도록 한다.
본 예의 경우, 태양광 발전 시스템(100a)은 최대 전력점 추적 시기가 되면 최소 전압값(Vmin)에서부터 최대 전압값(Vmax)까지 전압 변화량(Vdiff)만큼 해당 시기에 기준 전압(Vref)의 크기를 증기시켜 전력 조절 제어부(15a)로 출력하여 최대 전력점 추적 동작을 수행하는 동안에도 중단 없이 발전 동작이 이루어진다.
이로 인해, 최대 전력점 추적 범위는 최소 전압값(Vmin)을 갖는 기준 전압(Vref)이 전력 조절 제어부(15a)로 인가될 때 검출되는 패널 출력전압(Vpv)의 크기에서부터 최대 전압값(Vmax)을 갖는 기준 전압(Vref)이 전력 조절 제어부(15a)로 인가될 때 검출되는 패널 출력전압(Vpv)의 크기까지로 정해지므로, 기존의 경사법의 경우보다 최대 전력점 추적 범위보다 훨씬 증가하게 되므로, 기존의 경사법보다 정확하게 최대 전력점을 추적하게 된다.
이로 인해, 이미 기술한 것처럼, 전력 극대점이 여러 개 형성되더라고 효율적이고 안정적으로 최대 전력점 추적 동작이 이루어진다.
다음, 본 발명에 따른 최대 전력점 추적 방법을 이용하여 행해진 최대 전력점 추적 동작에 대한 실험 결과에 대하여 기술한다.
실험에 사용된 태양전지 패널(11)에 대한 데이터는 다음의 [표 1]과 같다.
항 목 태양전지 모듈
(ASI-F 10/12: 박막형 태양전지 모듈)
정격 출력(Rated Power, Pmax) 3.70W
정격 출력 시의 전압(Vmp) 20.59V
정력 출력 시의 전류(Imp) 179.69mA
단락 전류(short-circuit Current) (Isc) 437.19mA
개방 전압(open-circuit Voltage)(Voc) 23.98V
도 5에는 부스트 컨버터(Boost converter)에 의한 배터리 충전용 태양광 발전 시스템에 대한 실험 장치의 전력 회로도를 도시한다.
도 5에서, 부스트 컨버터 인터리빙 방식의 회로를 채용하였으므로, 입력단 전압에 대하여 출력단 전압은 4배까지 증폭 가능했다. 다시 말해 배터리 공칭전압이 24V이므로 태양전지 패널(11)의 전압은 6V~24V의 범위에서 운전이 가능했다.
본 실험에서는 듀티비 변화에 따른 최대 전력점 추적을 위한 스캔 동작을 실시하였으며 [표 2]에 최대 전력점 추적 제어에 사용된 항목(parameter)의 값을 보인다.
항 목 설정값
대기 시간(Tset) [ms] 1
최대 전력점 추적 주기(Tmppt) [ms] 5000
스캔 횟수 100
최소 듀티비(Dmin) 0
최대 듀티비(Dmax) 1
본 실험에서의 듀티 변화량(Ddiff)은 다음과 같다.
Ddiff =(Dmax-Dmin)/(스캔시기 횟수)=1/100=0.01
즉, 최대 전력점 추적 동작이 이루어지는 기간 중에 설정 시간(Tset)(Tset=1㎳)마다 펄스 신호(P1)의 듀티비(D)를 0에서 1까지 0.01씩 증가시켜가며 태양전지 패널(11)의 패널 출력전압과 패널 출력전류를 검출하며 패널 전력을 계산하면서 최대 전력이 출력되는 운전전압인 최대 전력점 전압(Vmpp)을 찾았다.
도 6은 도 5에 도시한 부스트 컨버터에 의한 배터리 충전용 태양광 발전 시스템을 본 발명의 최대 전력점 추적 방법에 따라 스캔한 스캔 결과를 도시한 도면이다.
도 6에 도시한 것처럼, 듀티비(D)가 0 내지 0.2인 초기의 구간 동안(0~20ms), 태양전지 패널(11)의 패널 출력전압과 패널 출력전류는 크게 변하지 않았다.
이 후, 듀티비(D)가 0.2 내지 0.8인 구간 동안(20~80ms), 태양전지 패널(11)의 패널 출력전압과 패널 출력전류에는 큰 변화가 발생하며 이 구간 내에 최대 전력점(MPP=Pmax)이 존재하였다.
다음으로 듀티비(D)가 0.8 내지 1.0의 구간 동안(80~100ms)은 실제적으로 부스트 컨버터의 정상적인 동작이 불가능한 구간으로, 태양전지 패널(11)의 패널 출력전압과 패널 출력전류의은 도 6에 도시한 것처럼 불안정하게 관측되며, 이 구간에서는 최대 전력점은 존재하지 않았다.
따라서, 본 실험의 경우, 최대 전력점 추적을 위한 스캔 범위는 듀티비(D)가 0.2 내지 0.8인 구간임을 알 수 있었다.
도 7은 본 실험을 통한 스캔 결과를 이용하여 전류(I)-전압(V) 곡선 및 전력(P)-전압(V) 곡선을 도출한 파형을 도시한다. 스캔 결과, 도 5 및 도 6에 도시한 것처럼, 최대 전력점 추적 기간인 약 60ms 동안 최대 전력점 전압 즉, 최대 크기의 전력(Pmax)을 갖는 최대 전력점(MPP)에서의 전압(Vmp)은 20.32V로 검색되었다.
도 8은 도 5에 도시한 부스트 컨버터에 의한 배터리 충전용 태양광 발전 시스템의 스캔 동작 중에 발생한 전력 손실을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8에서, 최대 전력점 추적 기간(Tscan)인 60ms 동안의 구간에 의하여 구획된 사각형은 최대 전력점을 이상적으로 정확히 추종하였을 때 예상되는 산출 전력량이고, 사각형 내의 검정색으로 표시된 부분은 제안하는 본 발명의 최대 전력점 추적 동작을 수행하는 과정에서 예상되는 손실 전력량이다.
60ms의 최대 전력점 추적 기간(Tscan)동안 대략 30%의 전력량 손실이 발생하였다.
하지만, 본 발명에서 제안하는 최대 전력점 추적 동작은 나머지 기간동안 최대 전력점을 정확히 추종하므로 결론적으로는 종래에 비해 높은 전력량 생산이 가능함을 알 수 있다.
예를 들어, 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 5초로 설정되는 경우, 최대 전력점 추적 기간 동안의 전력 손실량이 전체 최대 전력점 추적 주기에 미치는 영향은 (30ㅧ60)/5000=0.36%에 지나지 않는다. 다시 말해, 제안하는 본 발명의 최대 전력점 추적 동작은 최대 전력점 추적 주기를 5초로 설정하는 경우 최대 99.64%의 전력효율을 목표로 할 수 있다.
도 9는 벅 컨버터(Buck converter)에 의한 저항 부하용 태양광발전 시스템에 대한 시험 장치의 전력 회로도를 도시한다.
벅 컨버터는 인터리빙 방식의 회로를 채용하였으므로 입력단 전압에 대하여 출력단 전압은 1/4배까지 낮추어 출력되었다.
도 10은 벅 컨버터에 의한 저항 부하용 태양광 발전 시스템을 제안한 본 발명의 최대 전력점 추적 방법에 따라 스캔 결과를 도시한 도면이다.
도 10에 도시한 것처럼, 초기 구간인 듀티비(D)가 1.0 내지 0.8인 구간 동안(0~20ms), 태양전지 패널(110의 패널 출력전압과 패널 출력전류은 크게 변하지 않았다.
듀티비(D)가 0.8 내지 0.2인 구간 동안(20~80ms), 태양전지 패널(11)의 패널 출력전압과 패널 출력전류에에는 큰 변화가 발생하며 이 구간 내에 최대 전력점(MPP)이 존재하였다.
다음, 듀티비(D)가 0.2 내지 0인 구간동안(80~100ms)에는 벅 컨버터의 동작 효율이 떨어져서 실질적으로 사용되지 않는 구간이며, 이 구간에서는 최대 전력점(MPP)이 존재하지 않았다.
따라서, 도 9을 이용하여 실시한 실험에서, 최대 전력점 추적을 위한 스캔 범위는 듀티비(D)가 0.2 내지 0.8인 구간임을 알 수 있었다.
도 11은 본 실험의 스캔 결과를 이용하여 전류(I)-전압(V) 곡선 및 전력(P)-전압(V) 곡선을 도출한 파형을 보인다. 스캔 결과, 도 10 및 도 11에 도시한 것처럼, 최대 전력점 추적 기간(약 60ms) 동안 최대 크기의 전력(Pmax)을 가질 때의 전압인 최대 전력점 전압(Vmp)은 19.9V로 검색되었다.
도 12는 도 9에 도시한 벅 컨버터에 의한 저항 부하용 태양광 발전 시스템에서의 스캔 동작 중에 발생한 전력 손실을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 12에서, 최대 전력점 추적 기간(Tscan=60ms)의 구간에 의하여 구획된 사각형은 최대 전력점을 이상적으로 정확히 추종하였을 때 예상되는 산출 전력량이고, 사각형 내의 검정색으로 표시된 부분은 제안하는 본 발명의 최대 전력점 추적 동작을 수행하는 과정에서 예상되는 손실 전력량이다.
60ms의 최대 전력점 추적 기간(Tscan)동안 대략 45%의 전력량 손실이 발행하였다.
하지만, 본 발명에서 제안하는 최대 전력점 추적 동작은 나머지 기간동안 최대 전력점을 정확히 추종하므로 결론적으로는 종래에 비해 높은 전력량 생산이 가능하였다.
예를 들어, 최대 전력점 추적 주기(Tmppt)가 5초로 설정되는 경우, 최대 전력점 추적 기간 동안의 전력 손실량이 전체 최대 전력점 추적 주기에 미치는 영향은 45ㅧ60/5000=0.54%에 지나지 않는다. 즉, 최대 전력점 추적 주기를 5초로 설정하는 경우, 본 발명의 경우 최대 99.46%의 전력효율을 목표할 수 있다.
또한, 본 발명의 최대 전력점 추적 동작에 따르면, 그림자 등에 의해 태양전지 패널(11)[도 13의 (a)]에 다중 전력 극대점(MP1, MP2)이 형성된 경우에도, 전력(P)-전압(V) 곡선의 전 구간을 실질적으로 스캔할 수 있으므로, 정확히 최대 전력점의 탐색이 가능하고, 이로 인해, 태양광 발전 시스템은 정확하게 탐색된 최대 전력점에 따른 최대 전력점 전압으로 운전하게 된다.
이에 비하여 기존의 경사법을 이용한 최대 전력점 탐색 방식은 다중 전력 극대점이 형성된 경우, 어느 지역적 극대점(Local maximum)을 중심으로 한 최대 전력점 추적 동작이 이루어져 해당 지역점 극대점에서 빠져 나오지 못하고, 이로 인해, 정확하게 다중 전력 극대점 중에서 가장 큰 전력을 생성하는 최대 전력점(MP2)을 정확히 탐색하지 못하므로 최대 전력점 추적 동작의 효율이 크게 저하되는 문제가 있다.
도 13에는 그림자에 의하여 다중 전력 극대점(MP1, MP2)이 형성된 전지 패널(11)의 어레이의 최대 전력점 추적 시험 결과를 도시한다.
도 13의 (a)는 태양전지 패널(11) 중 어느 한 태양전지 모듈(111)에 그림자(SH11)가 형성된 경우를 도시한 도면이고, 도 13의 (b)는 태양전지 패널(11)의 스캔결과인 전류(I)-전압(V) 특성 곡선과 전력(P)-전압(V) 특성 곡선을 도시한다.
[표 3]에는 실험에 사용된 태양 전지 모듈과 태양 전지 모듈의 어레이인 태양전지 패널의 데이터를 나타낸다. 실험에 사용된 태양전지 모듈은 총 6개로서, 세 개의 태양전지 모듈(111)이 직렬로 연결된 두 개의 태양전지 어레이가 서로 병렬 연결되어 있는 구조(3S2P)이다. 표 3에서 '1EA'는 하나의 태양 전지 모듈(111)을 의미하는 것으로 하나의 태양 전지 모듈(111)에 대한 동작 특성을 나타낸다.
이미 기재한 것처럼, 기존의 경사법은 다중 전력 극대점(MP1, MP2) 중 하나의 전력 극대점(MP1)에서 빠져 나올 수 없어서 최대 전력점(MP2)을 탐색하지 못해 최대 출력 전력을 낼 수 없지만, 본 발명에 따르면 전력 극대점(MP1에서 최대 전력점인 전력 극대점(MP2)으로 이동하여 최대 전력점을 정확히 탐색해 태양광 발전 시스템이 최대 출력 전력을 낼 수 있도록 한다.
태양전지 패널 태양전지 모듈(6개)
1RA 3S2P
정격출력(Rated Power)(Pmax) 325W 1,950W
정격출력 시의 전압(Vmp) 37.3V 111.9V
정격출력 시의 전류(Imp) 8.72A 17.44A
동작전압(Operating Voltage) 25V~47V 70V~142V
단락전류(short-circuit Current)(Isc) 9.20A 19.4A
개방전압(open-circuit Voltage)(Voc) 47.3V 142.2V
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
11: 태양전지 패널 121: 전류 감지부
122: 전압 감지부 13: 전력 조절 장치
14, 14a: 최대 전력점 추적 제어 장치
15: 전력 조절 제어부 151: 뺄셈기,
152: 비례적분 제어기 153: 삼각파 발생기
154: 비교기 Cdc: 커패시터
Sbuck: 스위칭 소자

Claims (17)

  1. 태양전지 패널의 일측 출력단자의 전류를 감지하여 출력하는 전류 감지부,
    상기 태양전지 패널의 양측 출력단자 사이의 전압을 감지하여 출력하는 전압 감지부, 그리고
    상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부에 연결되어 있고, 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호(P1)가 전력 조절 제어부를 통해 전력 조절 장치로 출력되도록 하고, 상기 펄스 신호를 출력한 후 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 상기 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하고, 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 패널 전력을 계산하여 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 최대 전력점 추적 제어 장치
    를 포함하고,
    상기 전력 조절 제어부는,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 상기 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호(P1)를 수신하여 상기 전력 조절 장치로 출력하거나,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 인가되는 기준 전압(Vref)을 이용하여 펄스 신호(P2)를 생성하여 상기 전력 조절 장치로 출력하고,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는,
    상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부를 이용하여 감지한 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 저장하는 저장부;
    를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 펄스 신호의 듀티비는 스캔 시기를 기준으로 하여 최소 듀티비에서 최대 듀티비까지 듀티 변화량만큼 증가한 듀티비를 갖는 태양광 발전 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호를 출력한 후, 정해진 개수의 펄스가 인가되거나 설정 시간이 경과한 시기인 상기 스캔 시기에 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부를 이용하여 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하는 태양광 발전 시스템.
  4. 제2항에서,
    상기 듀티 변화량은 [(최대 듀티비-최소 듀티비)/스캔시기 횟수]인 태양광 발전 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 전력 조절 제어부는,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 기준 전압과 전압 감지부로부터의 패널 출력전압을 인가받아 상기 기준 전압과 상기 패널 출력전압의 차인 오차 전압을 계산해 출력하는 뺄셈기,
    상기 뺄셈기에 연결되어 있고 상기 뺄셈기로부터 인가되는 상기 오차 전압을 이용하여 비례 적분을 실시하는 해당 크기의 전압을 출력하는 비례적분 제어기,
    상기 비례적분 제어기에 비반전 단자가 연결되어 있고 삼각파 신호에 반전 단자가 연결되어 있으며 상기 전력 조절 장치에 출력 단자가 연결되어 있고 비반전 단자로 인가되는 전압과 상기 삼각파 신호를 이용하여 해당 크기의 펄스폭을 갖는 펄스 신호를 출력하는 비교기, 그리고
    상기 비교기와 상기 최대 전력점 추적 제어 장치에 연결되어 있고, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치의 동작 제어부로부터 인가되는 스위칭 제어 신호의 상태에 따라 스위칭 상태가 변하여 상기 최대 전력점 추적 제어 장치에서 출력되는 펄스 신호와 상기 비교기에서 출력되는 펄스 신호 중 하나를 선택하여 상기 전력 조절 장치로 출력하는 스위칭부
    를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  6. 태양전지 패널의 일측 출력단자의 전류를 감지하여 출력하는 전류 감지부,
    상기 태양전지 패널의 양측 출력단자 사이의 전압을 감지하여 출력하는 전압 감지부, 그리고
    상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부에 연결되어 있고, 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 전압값을 갖는 기준 전압(Vref)을 전력 조절 제어부로 출력하여 상기 전력 조절 제어부가 상기 기준 전압에 해당하는 펄스 신호(P2)를 전력 조절 장치로 출력하도록 하고, 상기 펄스 신호(P2)를 출력한 후 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 상기 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하고, 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 패널 전력을 계산하여 최대 전력점 추적 동작을 실시하는 최대 전력점 추적 제어 장치
    를 포함하고,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는,
    상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부를 이용하여 감지한 패널 출력전류(Ipv)와 패널 출력전압(Vpv)을 저장하는 저장부;
    를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 기준 전압의 전압값은 스캔 시기를 기준으로 하여 최소 전압값에서부터 최대 전압값까지 전압 변화량만큼 증가되는 태양광 발전 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압을 출력한 후 설정 시간이 경과한 시기인 상기 스캔 시기에 상기 전류 감지부와 상기 전압 감지부를 이용하여 패널 출력전류와 패널 출력전압을 판정하는 태양광 발전 시스템.
  9. 제7항에서,
    상기 전압 변화량은 [(최대 전압값-최소 전압값)/스캔시기 횟수]인 태양광 발전 시스템.
  10. 제6항에서,
    상기 전력 조절 제어부는,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 기준 전압과 전압 감지부로부터의 패널 출력전압을 인가받아 상기 기준 전압과 상기 패널 출력전압의 차인 오차 전압을 계산해 출력하는 뺄셈기,
    상기 뺄셈기에 연결되어 있고 상기 뺄셈기로부터 인가되는 상기 오차 전압을 이용하여 비례 적분을 실시하는 해당 크기의 전압을 출력하는 비례적분 제어기, 그리고
    상기 비례적분 제어기에 비반전 단자가 연결되어 있고 삼각파 신호에 반전 단자가 연결되어 있으며 상기 전력 조절 장치에 출력 단자가 연결되어 있고 비반전 단자로 인가되는 전압과 상기 삼각파 신호를 이용하여 해당 크기의 펄스폭을 갖는 상기 펄스 신호를 출력하는 비교기
    를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  11. 제1항 또는 제6항에서,
    상기 전력 조절 장치는 컨버터나 인버터인 태양광 발전 시스템.
  12. 최대 전력점 추적 제어 장치는 최대 전력점 추적 주기에 도달했는지 판단하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 최대 전력점 추적 주기에 도달하면 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호를 전력 조절 제어부로 출력하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호를 출력한 후 전류 감지부와 전압 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 검출하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 현재 패널 전력을 계산하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 계산된 현재 패널 전력이 이전 패널 전력보다 크면 최대 전력점 전압을 판정된 패널 출력전압으로 하고, 현재 패널 전력을 이전 패널 전력으로 하여 저장부에 저장하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호의 듀티비가 최대 듀티비인지 판단하는 단계, 그리고
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 펄스 신호의 듀티비가 최대 듀티비가 아니면 상기 듀티비의 크기를 듀티 변화량만큼 증가시킨 후 증가된 듀티비를 갖는 펄스 신호를 전력 조절 제어부로 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 펄스 신호를 전력 조절 제어부로 출력하는 단계는,
    상기 전력 조절 제어부가, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 상기 최대 전력점 추적 주기마다 정해진 크기의 듀티비를 갖는 펄스 신호(P1)를 수신하여 전력 조절 장치로 출력하거나, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 인가되는 기준 전압(Vref)을 이용하여 펄스 신호(P2)를 생성하여 상기 전력 조절 장치로 출력하는 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 패널 출력전류와 패널 출력전압 검출 단계는 상기 펄스 신호가 출력된 후 정해진 개수의 펄스가 인가되거나 설정 시간이 경과한 시기인 스캔 시기에 상기 패널 출력전류와 상기 패널 출력전압을 검출하는 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 듀티 변화량은 [(최대 듀티비-최소 듀티비)/스캔시기 횟수]인 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법.
  15. 최대 전력점 추적 제어 장치는 최대 전력점 추적 주기에 도달했는지 판단하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 최대 전력점 추적 주기가 경과하면 정해진 크기의 전압값을 갖는 기준 전압을 전력 조절 제어부로 출력하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압을 출력한 후 전류 감지부와 전압 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 태양전지 패널의 패널 출력전류와 패널 출력전압을 검출하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 판정된 패널 출력전류와 패널 출력전압을 이용하여 현재 패널 전력을 계산하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 계출된 현재 패널 전력이 이전 패널 전력보다 크면 최대 전력점 전압을 판정된 패널 출력전압으로 하고, 현재 패널 전력을 이전 패널 전력으로 하여 저장부에 저장하는 단계,
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압의 전압값이 최대 전압값인지 판단하는 단계, 그리고
    상기 최대 전력점 추적 제어 장치는 상기 기준 전압의 전압값이 최대 전압값이 아니면 상기 전압값의 크기를 전압 변화량만큼 증가시킨 후 증가된 전압값을 갖는 기준 전압을 전력 조절 제어부로 출력하는 단계
    를 포함하고,
    상기 기준 전압을 전력 조절 제어부로 출력하는 단계는,
    상기 전력 조절 제어부가, 상기 최대 전력점 추적 제어 장치로부터 인가되는 기준 전압(Vref)을 이용하여 펄스 신호(P2)를 생성하여 전력 조절 장치로 출력하는 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 패널 출력전류와 패널 출력전압 검출 단계는 상기 기준 전압이 출력된 후 설정 시간이 경과한 시기인 스캔 시기에 상기 패널 출력전류와 상기 패널 출력전압을 검출하는 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 전압 변화량은 [(최대 전압값-최소 전압값)/스캔시기 횟수]인 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 추적 방법.
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