KR102157639B1 - 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템에 있어서, MPPT 알고리즘이 지속되는 중에도 태양광 패널에 발생하는 전기적인 오류(예컨대, 단락(Line-Line Fault) 또는 지락(Line-Ground Fault))를 검출함으로써, 태양광 발전 시스템의 안정성을 향상키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 태양광 발전시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 MPPT 특성을 분석하고 그 결과에 의해 전기적인 오류 검출 기준을 설정함으로써, 상기 전기적인 오류 검출 기준에 의거하여 태양광 패널의 전기적인 오류를 검출할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해, 본 발명은 태양광 패널의 전기적인 오류를 검출함으로써, 태양광 발전 시스템의 화재를 예방할 수 있는 장점이 있다.

Description

태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FAULT OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 및 그 방법에 관한 것이다.
태양광 발전(Photo Voltaic, PV)은 햇빛을 직류 전기로 바꾸어 전력을 생산하는 발전 방법으로서, 여러 개의 태양 전지들이 붙어있는 태양광 패널을 이용한다.
재생 가능 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 이러한 태양광 발전의 보급률이 증가하고 있는 추세이며, 태양광 발전 시스템의 화재 발생률 또한 늘고 있다.
태양광 발전 시스템 화제의 주된 원인은 태양광 패널의 전기적인 오류(예컨대, 지락(Lint-Ground Fault) 또는 단락(Line-Line Fault))인 것으로 판명되었다. 따라서 태양광 발전 시스템에는 OCPD(Over Current Protect Device), GFPD(Ground Fault Protect Device)) 등과 같은 전기적인 오류 감시 회로를 적용하고, 상기 회로를 통해 고장이 감지되면 태양광 발전 시스템을 차단할 수 있도록 하고 있다.
한편, 상기 태양광 패널은 I(전류)-V(전압) 특성 곡선 및 P(전력)-V(전압) 특성 곡선이 비선형적(Nonlinear)이며, 특히 P-V 특성 곡선은 여러 가지 외부 영향(예컨대, 일사량, 온도, 바람, 먼지 등)에 따라 가변적인 특징이 있다. 이로 인해, 태양광 발전 시스템에는 상기 태양광 패널의 P-V 특성 곡선에 존재하는 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)을 일정하게 유지하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘이 적용되고 있다. 상기 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘은 태양광 패널의 P-V 특성 곡선으로부터 상기 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(일명, MPP 전압)을 도출하고, 상기 태양광 패널의 I-V 특성 곡선으로부터 상기 MPP 전압에 대응된 전류값을 도출한 후, 그 전류값에 의거하여 상기 태양광 패널로 전류를 흘려주도록 제어하는 알고리즘이다. 이러한 MPPT 알고리즘의 대표적인 예로, 전압과 전류를 센싱하고 이를 전력과 비교하여 MPP 지점을 찾아 유지할 수 있도록 제어하는 P&O(Perturb and Observe) 알고리즘이 있다.
그런데, 종래에는 이와 같은 MPPT 알고리즘과 상기 전기적인 오류 감시 회로를 태양광 발전 시스템에 함께 적용함으로써, 상기 전기적인 오류 감시 회로가 그 기능을 제대로 발휘하지 못하는 문제가 있다. 즉, 특정 태양광 패널에 고장이 발생하여 그 태양광 패널의 P-V 곡선에 존재하는 MPP가 이동한 경우, 상기 MPPT 알고리즘이 해당 태양광 패널의 P-V 특성 곡선 및 I-V 특성 곡선으로부터 고장 발생시의 MPP 전압을 검출하고 상기 MPP 전압에 의해 태양광 패널로 인가되는 전류를 제어함으로써, 상기 전기적인 오류 감시 회로가 고장 전류를 검출할 수 없게 된다.
즉, 종래의 태양광 발전 시스템은 태양광 패널에 전기적인 오류(예컨대, 단락(Line-Line Fault) 또는 지락(Line-Ground Fault)가 발생하고, 이로 인해 고장이 발생한 경우에도 상기 MPPT 알고리즘에 의해 그 태양광 패널의 전압 및 전류가 자동 제어됨으로써, 고장 발생을 감지하지 못하여 적절하게 대응하지 못하는 문제가 있었다. 특히, 상기와 같은 전기적인 오류로 인해 발생하는 화재를 미연에 방지하지 못하는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 10-1256433호(2013.04.23.공고, 명칭: PV 전류를 이용한 최대 전력점 추적 방식의 태양광 발전 시스템)
따라서 본 발명은 MPPT 알고리즘이 지속되는 중에도 태양광 패널에 발생하는 전기적인 오류(예컨대, 단락(Line-Line Fault) 또는 지락(Line-Ground Fault))를 검출함으로써, 태양광 발전 시스템의 안정성을 향상시키는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 MPPT 특성을 분석하고 그 결과에 의해 전기적인 오류 검출 기준을 설정함으로써, 상기 전기적인 오류 검출 기준에 의거하여 태양광 패널의 전기적인 오류를 검출할 수 있는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 태양광 패널의 전기적인 오류를 검출함으로써, 태양광 발전 시스템의 화재를 예방할 수 있도록 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치는 m개의 태양광 패널이 직렬로 연결된 스트링과, n개의 스트링이 병렬로 연결된 태양광 어레이를 포함하는
Figure 112020026398565-pat00001
구조의 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 최대전력점 추적(MPPT) 특성을 분석하는 분석부; 상기 MPPT 특성 분석결과에 의해 설정된 전기적인 오류검출 기준과, 상기 오류 검출 기준에 의한 전기적인 오류 검출을 위해 설정된 진단 기준값 및 MPPT 동작 조건을 포함하는 초기화 정보를 저장하는 저장부; 상기 저장부에 저장된 MPPT 조건에 의거하여 상기 태양광 어레이의 최대 전력점(MPP)에 대응한 전압을 추적하되, 상기 태양광 어레이를 구성하는 다수의 태양광 패널들 각각의 일사량 차이로 인한 하나 이상의 최대 전력점들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00002
)을 추적하는 추적부; 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00003
)에 의거하여, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 진단하기 위한 추가정보들을 산출하되, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00004
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00005
), 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00006
), 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00007
)를 포함하는 추가정보들을 산출하는 연산부; 및 상기 저장부에 저장된 오류검출 기준 및 진단 기준값, 상기 추적부에서 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00008
) 및 상기 연산부에서 산출된 추가정보들에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템의 고장 여부를 판단하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 분석부는 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성을 분석하고, 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압을 분석하고, 상기 태양광 어레이가 정상 동작 중일 때, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하고, 상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우, 상기 최대 전력점(MPP)들 중 최우측 지점(RP)의 위치를 분석하고, 상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하고, 상기 최우측 지점의 전압(
Figure 112020026398565-pat00009
)이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건을 결정하고, 정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건을 결정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 저장부는
Figure 112020026398565-pat00010
배열로 배치된 다수의 태양광 패널들을 포함하는 태양광 어레이가 받을 수 있는 일사량의 변화를 고려하여 설정한 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00011
) 범위; 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00012
); 및 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00013
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00014
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00015
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00016
)를 포함하는 초기화 정보를 저장할 수 있다.
바람직하게는, 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00017
) 범위는 상기 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00018
)과, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00019
) 사이일 수 있다.
바람직하게는, 상기 진단부는 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00020
)이, 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00021
) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00022
) 보다 작을 때, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00023
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00024
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00025
) 이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00026
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00027
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00028
) 이상인 조건을 만족하는 경우, 상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 진단부는 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00029
)이 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00030
) 이하이면서, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00031
)보다 클 때, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00032
)가 '0' 보다 크고, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00033
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00034
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00035
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00036
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00037
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00038
) 이상이고, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00039
)가 '0' 이상인 조건을 모두 만족하는 경우, 상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법은 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 최대전력점 추적(MPPT) 특성을 분석하는 MPPT 특성 분석 단계; 상기 MPPT 특성 분석 결과에 의해 전기적인 오류를 검출하기 위한 기준을 설정하는 오류 검출 기준 설정 단계; 상기 오류 검출 기준에 의한 전기적인 오류 검출을 위해 필요한 진단 기준값 및 MPPT 동작 조건을 설정하는 초기화 단계; 상기 초기화 단계에서 설정된 MPPT 조건에 의거하여 상기 태양광 어레이의 최대 전력점(MPP)에 대응한 전압을 추적하되, 상기 태양광 어레이를 구성하는 다수의 태양광 패널들 각각의 일사량 차이로 인한 하나 이상의 최대 전력점들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00040
)을 추적하는 추적 단계; 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00041
)에 의거하여, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 진단하기 위한 추가정보를 생성하는 추가정보 생성 단계; 및 상기 초기화 단계에서 설정된 기준값, 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00042
) 및 상기 추가정보들에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류 여부를 결정하는 고장 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 MPPT 특성 분석 단계는 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성을 분석하는 제1 분석단계; 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압을 분석하는 제2 분석단계; 태양광 어레이가 정상 동작 중일 때, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하는 제3 분석단계; 상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우, 상기 최대 전력점(MPP)들 중 최우측 지점(RP)의 위치를 분석하는 제4 분석 단계; 상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하는 제5 단계; 상기 최우측 지점의 전압(
Figure 112020026398565-pat00043
)이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건을 결정하는 제6 분석 단계; 및 정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건을 결정하는 제7 분석 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 오류 검출 기준 설정 단계는 상기 전기적인 오류 검출을 위한 하기의 (수학식1) 및 (수학식 2)를 설정할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112020026398565-pat00044
이 때,
Figure 112020026398565-pat00045
는 상기 최우측 지점의 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00046
는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00047
은 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00048
는
Figure 112020026398565-pat00049
의 변화의 크기이고,
Figure 112020026398565-pat00050
는 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00051
)과 상기
Figure 112020026398565-pat00052
의 차이임.
(수학식 2)
Figure 112020026398565-pat00053
이 때,
Figure 112020026398565-pat00054
는 상기 최우측 지점의 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00055
는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00056
은 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00057
는
Figure 112020026398565-pat00058
의 변화의 크기이고,
Figure 112020026398565-pat00059
는 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00060
)과 상기
Figure 112020026398565-pat00061
의 차이이고,
Figure 112020026398565-pat00062
는 상기 최우측 지점의 전류 변화,
Figure 112020026398565-pat00063
는 상기 최우측 지점의 전력 변화임.
바람직하게는, 상기 초기화 단계는
Figure 112020026398565-pat00064
배열로 배치된 다수의 태양광 패널들을 포함하는 태양광 어레이가 받을 수 있는 일사량 변화를 고려하여 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00065
) 범위를 설정하는 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00066
) 범위 설정단계; 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00067
)을 산출하는 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00068
) 산출단계; 및 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00069
) 범위 설정단계에서 설정된 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00070
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00071
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00072
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00073
)를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00074
) 범위 설정단계는 상기 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00075
)을 입력받고, 상기 입력된 전압(
Figure 112020026398565-pat00076
)에 의거하여 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00077
)을 산출한 후, 상기 입력된 전압(
Figure 112020026398565-pat00078
)과 상기 산출된 전압(
Figure 112020026398565-pat00079
)에 의거하여 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00080
) 범위를 설정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00081
) 산출단계는 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 패널들 중 하나의 패널에만 오류가 발생했을 때 공급 가능한 전압을 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00082
)으로 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 추가정보 생성 단계는 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00083
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00084
); 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00085
); 및 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00086
)를 포함하는 추가정보를 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 고장 진단 단계는 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00087
)이, 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00088
) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00089
) 보다 작을 때, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00090
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00091
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00092
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00093
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00094
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00095
) 이상인 조건을 만족하는 경우, 상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 고장 진단 단계는 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00096
)이, 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00097
) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00098
)보다 클 때, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00099
)가 '0' 보다 크고, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00100
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00101
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00102
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00103
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00104
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00105
) 이상이고, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00106
)가 '0' 이상인 조건을 모두 만족하는 경우, 상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정할 수 있다.
본 발명은 태양광 발전 시스템에 있어서, MPPT 알고리즘이 지속되는 중에도 태양광 패널에 발생하는 전기적인 오류(예컨대, 단락(Line-Line Fault) 또는 지락(Line-Ground Fault))를 검출함으로써, 태양광 발전 시스템의 안정성을 향상키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 태양광 발전시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 MPPT 특성을 분석하고 그 결과에 의해 전기적인 오류 검출 기준을 설정함으로써, 상기 전기적인 오류 검출 기준에 의거하여 태양광 패널의 전기적인 오류를 검출할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해, 본 발명은 태양광 패널의 전기적인 오류를 검출함으로써, 태양광 발전 시스템의 화재를 예방할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 MPPT 특성 분석 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 MPPT 특성 분석 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 MPPT 특성 분석 결과로 설정된 오류 검출 기준의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 초기화 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일실시 예에 따른 고장진단 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하되, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 한편 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 상세한 설명을 생략하여도 본 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 부분의 설명은 생략하였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치에 대한 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치(100)는 m개의 태양광 패널이 직렬로 연결된 스트링과, n개의 스트링이 병렬로 연결된 태양광 어레이 포함하는
Figure 112020026398565-pat00107
구조의 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 검출하기 위해, 저장부(110), 분석부(120), 추적부(130), 연산부(140), 진단부(150), 제어부(160) 및 사용자 I/F(170)를 포함한다.
저장부(110)는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치(100)를 동작시키기 위한 초기 정보 및 태양광 발전 시스템의 고장 진단 과정에서 발생되는 데이터들을 저장한다. 특히, 저장부(110)는 MPPT 특성 분석결과에 의해 설정된 전기적인 오류검출 기준과, 상기 오류 검출 기준에 의한 전기적인 오류 검출을 위해 설정된 진단 기준값 및 MPPT 동작 조건을 포함하는 초기화 정보를 저장한다.
상기 오류 검출 기준은, 태양광 패널의 전기적 오류 여부를 결정하기 위해, 태양광 패널의 P-V 특성 곡선으로부터 도출된 전압 조건(도 10 참조)으로서, 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 MPPT 특성을 분석한 분석부(120)의 분석 결과에 의해 도출될 수 있다.
상기 진단 기준값은
Figure 112020026398565-pat00108
배열로 배치된 다수의 태양광 패널들을 포함하는 태양광 어레이가 받을 수 있는 일사량의 변화를 고려하여 설정한 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00109
) 범위와, 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00110
)과, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00111
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00112
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00113
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00114
)를 포함할 수 있다.
상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00115
) 범위는 하기의 (수학식 1)과 같다.
Figure 112020026398565-pat00116
이 때,
Figure 112020026398565-pat00117
은 상기 태양
Figure 112020026398565-pat00118
광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압이고, 은 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점에 대응된 전압으로서,
Figure 112020026398565-pat00119
은 시스템 관리자 등에 의해 입력되고,
Figure 112020026398565-pat00120
은 (수학식 2)에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112020026398565-pat00121
이는, 분석부(120)의 분석 결과에 의해 도출된 값으로서, 정상 동작 중인 태양광 어레이에서 일사량 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석한 결과이다. 즉, 정상 동작 중인 태양광 어레이의 일사량이 최대(
Figure 112020026398565-pat00122
) 일 때와, 최소(
Figure 112020026398565-pat00123
)일 때 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00124
)을 비교한 결과, 그 차이가 10% 이내인 것에 근거하여 도출된 결과이다.
상기 MPPT 동작 조건은 MPPT 알고리즘 종류 및 해당 알고리즘의 초기화 정보를 포함한다. 일반적으로, 전압 및 전류를 센싱하고 전력과 비교하여 MPP(Maximum Power Point, MPP) 지점을 찾아 유지하도록 하는 P&O(Perturb and Observe) 알고리즘이 사용되며, 이 경우 듀티 범위 등을 초기화 정보로 함께 저장할 수 있다.
분석부(120)는 상기 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 최대전력점 추적(MPPT) 특성을 분석한다. 분석부(120)는 저장부(110)에 저장된 상기 오류 검출 기준을 도출하기 위해, 다음의 7가지 분석을 수행할 수 있다.
1. 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성 분석
2. 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압 분석
3. 상기 태양광 어레이가 정상 동작 중일 때, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성 분석
4. 상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우, 상기 최대 전력점(MPP)들 중 최우측 지점(RP)의 위치 분석
5. 상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성 분석
6. 상기 최우측 지점의 전압(
Figure 112020026398565-pat00125
)이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건 결정
7. 정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건 결정
상기 각각의 분석과정에 대하여는 도 3 내지 도 10을 참조한 설명에서 보다 상세히 설명할 것이다.
추적부(130)는 상기 태양광 어레이의 최대 전력점(MPP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00126
)을 추적한다. 이 때, 추적부(130)는 저장부(110)에 저장된 최대 전력점 추적 조건(예컨대, P&O(Perturb and Observe) 알고리즘 등)에 의거하여 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00127
)을 추적하되, 상기 태양광 어레이를 구성하는 다수의 태양광 패널들 각각의 일사량 차이로 인해 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생할 경우(도 6c 참조), 이들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최대 전력점(RP)(이하, 최우측 최대 전력점(RP)이라 칭함)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00128
)을 추적할 수 있다. 이는 상기 최우측 최대 전력점(RP)의 크기 및 변화량 등이 전기적 오류 검출에 유효한 특징이 있기 때문이다. 즉,
Figure 112020026398565-pat00129
가 다수의 최대 전력점(MPP) 전압들(
Figure 112020026398565-pat00130
) 중 가장 큰 값을 가짐으로써, 전기적인 오류 발생 여부 판단의 정확성을 높일 수 있기 때문이다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템이 정상 동작 중일 때, 특정 태양광 패널에 그늘짐이 발생한 경우를 나타내는 도 6c의 경우, 상기
Figure 112020026398565-pat00131
가 모두
Figure 112020026398565-pat00132
보다 큰 값을 가지지만, 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 경우를 나타내는 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기
Figure 112020026398565-pat00133
가 모두
Figure 112020026398565-pat00134
보다 작은 값을 가진다. 따라서, 추적부(130)는 다수의 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00135
)들 중
Figure 112020026398565-pat00136
를 추적하여 태양광 발전 시스템의 전기적 오류 검출에 활용할 수 있도록 한다.
연산부(140)는 추적부(130)에서 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00137
)에 의거하여, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 진단하기 위한 추가정보들을 산출한다. 상기 추가정보들은 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00138
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00139
)와, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00140
)와, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00141
)를 포함한다. 이를 위해, 연산부(140)는 해당 태양광 발전 시스템의 P-V 특성 곡선 및 I-V 특성 곡선을 참고할 수 있다.
진단부(150)는 저장부(110)에 저장된 오류 검출 기준 및 진단 기준값, 추적부(130)에서 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00142
) 및 연산부(140)에서 산출된 추가정보(
Figure 112020026398565-pat00143
,
Figure 112020026398565-pat00144
,
Figure 112020026398565-pat00145
)들에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템의 고장 여부를 판단한다.
특히, 진단부(150)는 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00146
)이 (수학식 3)의 조건을 만족하는 경우, 즉, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00147
)이 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00148
) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00149
) 보다 작을 때, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00150
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00151
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00152
) 이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00153
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00154
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00155
) 이상인 조건을 만족하는 경우, 상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정한다.
Figure 112020026398565-pat00156
이 때,
Figure 112020026398565-pat00157
는 상기 최우측 지점의 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00158
는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00159
은 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00160
는
Figure 112020026398565-pat00161
의 변화의 크기이고,
Figure 112020026398565-pat00162
는 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00163
)과 상기
Figure 112020026398565-pat00164
의 차이이다.
또는, 진단부(150)는 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00165
)이 (수학식 4)의 조건을 만족하는 경우, 즉, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00166
)이 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00167
)이 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00168
) 이하이면서, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00169
)보다 클 때, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00170
)가 '0' 보다 크고, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00171
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00172
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00173
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00174
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00175
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00176
) 이상이고, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00177
)가 '0' 이상인 조건을 모두 만족하는 경우, 상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정한다.
Figure 112020026398565-pat00178
이 때,
Figure 112020026398565-pat00179
는 상기 최우측 지점의 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00180
는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00181
은 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00182
는
Figure 112020026398565-pat00183
의 변화의 크기이고,
Figure 112020026398565-pat00184
는 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00185
)과 상기
Figure 112020026398565-pat00186
의 차이이고,
Figure 112020026398565-pat00187
는 상기 최우측 지점의 전류 변화,
Figure 112020026398565-pat00188
는 상기 최우측 지점의 전력 변화이다.
제어부(160)는 미리 설정된 알고리즘, 또는 사용자 I/F(170)를 통한 입력정보에 의거하여 태양광 발전 시스템의 고장 진단 장치(100)의 동작을 제어한다.
사용자 I/F(170)는 사용자와의 인터페이스를 제공한다. 예를 들어, 사용자 I/F(170)는 태양광 발전 시스템의 고장 진단을 위한 초기화 정보 또는 태양광 발전 시스템의 동작을 위한 MPPT 알고리즘 선택정보를 사용자로부터 입력받아 제어부(160)로 전달할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법에 대한 개략적인 처리 흐름도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법은 다음과 같다.
먼저, 단계 S100에서는, 분석부(120)가 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 최대전력점 추적(MPPT) 특성을 분석한다. 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 MPPT 특성 분석 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도로서, 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 MPPT 특성 분석을 위해, 분석부(120)는 다음과 같은 단계를 수행한다.
1. 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성 분석(S110)
단계 S110에서, 고장시의 MPPT 출력 특성을 분석한다. 즉, 단계 S110에서는, 분석부(120)가 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성 분석한다. 이를 위해 분석부(120)는 도 4에 예시된 도면을 참고할 수 있다. 도 4는 이러한 MPPT 출력 특성을 분석하기 위한 도면으로서, 태양광 발전 시스템을 구성하는 태양광 패널에 고장이 일어나기 전의 출력 I-V 특성 곡선과 지락이나 단락으로 인하여 고장이 발생하였을 때의 출력 I-V 특성 곡선을 동시에 보여준다. 도 4를 참조하면, 태양광 발전 시스템이 정상 동작할 때, 어레이의 I-V 특성 곡선은 빨간색 곡선, 스트링의 I-V 특성 곡선은 초록색 곡선의 형태를 보이며, 이들 각각의 MPP는 PA 및 PB이다. 이 때, 지락(Lint-Ground Fault)이나 단락(Line-Line Fault)에 의한 고장이 발생할 경우 어레이의 빨간색 I-V 특성 곡선은 파란색의 곡선으로 변화하게 되며, 스트링의 초록색 I-V 특성 곡선은 보라색의 곡선으로 변화하게 된다. 따라서 정상적인 상황에서 LL/LG 사고가 발생할 경우 어레이의 MPP(PA)과 스트링의 MPP(PB)이 각각 PC 및 PD로 변화하게 된다. 이 때, PD는 재생성된 보라색의 I-V 특성 곡선에서 0보다 작은 위치에 있음으로써, 역전류가 흐르게 되지만 지속적인 MPPT 수행에 의하여 PD는 PG으로 이동하게 된다. 또한, LL/LG 사고로 인해 스트링간에 폐루프가 형성됨에 따라 어레이 출력측으로 전력이 이동하지 않아야 하지만 지속적인 MPPT에 의해 PC가 PF로 이동하게 된다. 한편 PE는 고장 발생시의 순간 고장 전류를 나타내고, PH는 MPPT 수행 결과 최적화된 고장 전류를 나타낸다. 이러한 도 4의 분석 결과 전기 고장시 발생하는 전력 감소는 작동 전압의 감소 때문이며, 전류는 거의 동일하게 유지됨을 알 수 있다. 또한, 고장 발생시 큰 전압 감소는 고장난 모듈의 바이패스로 인한 것이고, 어레이 개방 회로 전압 및 MPP 전압이 급감하는 경우 전기적인 오류가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
2. 상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압 분석(S120)
단계 S120에서는, 분석부(120)가 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압 분석한다. 이를 위해, 분석부(120)는 도 5a 내지 도 5c에 예시된 도면들을 참고할 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는 고장의 레벨에 따른 어레이와 스트링 단위의 P-V 특성 곡선들로서, 도 5a는 태양광 발전 시스템이 정상 동작할 경우, 도 5b는 태양광 발전 시스템에 LL/LG의 고장이 낮은 레벨로 발생하였을 경우, 도 5c는 태양광 발전 시스템에 LL/LG의 고장이 높은 레벨로 발생하였을 경우, 각각에 대한 어레이와 스트링 단위의 P-V 특성 곡선을 나타낸다. 도 5a 내지 도 5c에서, 실선은 어레이의 P-V 특성 곡선을, 점선은 스트링 단위의 P-V 특성 곡선을 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 태양광 발전 시스템이 정상 동작할 경우, 스트링 단위의 전압 MPP 지점(P2)과 어레이 단위의 전압 MPP 지점(P1)이 동일한 모습을 볼 수 있다. 도 5b를 참조하면, 태양광 발전 시스템에 낮은 레벨의 LL/LG 고장이 발생한 경우, 어레이의 MPP 전압 지점(P3)으로부터 예측된 스트링의 MPP 전압지점(P4)이 실제 스트링 MPP 전압 지점(P5)보다 큰 것을 알 수 있다. 도 5c를 참조하면, 태양광 발전 시스템에 높은 레벨의 LL/LG 고장이 발생한 경우에도, 어레이의 MPP 전압 지점(P6)으로부터 예측된 스트링의 MPP 전압지점(P7)이 실제 스트링 MPP 전압 지점(P8)보다 크되, 도 5b의 예에 나타난 차이보다 더 큰 차이를 나타냄을 알 수 있다.
이로 인해, 분석부(120)는 LL/LG 고장시 고장 크기의 레벨에 상관없이 어레이 MPP 전압 지점이 스트링 MPP 전압 지점보다 크게 나타나고, LL/LG 고장시 어레이 전압이 가질 수 있는 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00189
)은 스트링 중 하나의 패널이 불균형을 때임을 알 수 있다. 따라서 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00190
)은 하기의 (수학식 5)와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020026398565-pat00191
이 때,
Figure 112020026398565-pat00192
는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
Figure 112020026398565-pat00193
은 태양광 스트링 단위에 포함된 태양광 패널의 수,
Figure 112020026398565-pat00194
은 태양광 스트링의 수,
Figure 112020026398565-pat00195
는 태양광 어레이의 최대 전력점 전압을 나타낸다.
3. 상기 태양광 어레이가 정상 동작 중일 때, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성 분석(S130)
단계 S130에서는, 분석부(120)가 정상 동작 중인 태양광 어레이에서 일사량 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석한다. 이를 위해, 분석부(120)는 도 6a 내지 도 6c를 참조할 수 있다. 도 6a는 일사량이 균등히 변화할 경우 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선을 나타내고, 도 6b는 5개의 스트링을 기준으로 설정된 4개의 부분적인 일사량 조건에 대한 예를 나타낸 표이고, 도 6c는 도 6b에 예시된 조건으로 일사량이 변하는 경우에 대한 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선을 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 일사량이
Figure 112020026398565-pat00196
부터
Figure 112020026398565-pat00197
까지 균등하게 변할 경우, 일사량이
Figure 112020026398565-pat00198
일 때의 MPP(
Figure 112020026398565-pat00199
) 로부터 연장된 선(
Figure 112020026398565-pat00200
)과, 일사량이
Figure 112020026398565-pat00201
일 때의 MPP(
Figure 112020026398565-pat00202
) 로부터 연장된 선(
Figure 112020026398565-pat00203
)에 의해 각각의 전압을 비교하면, 약 6%의 차이를 보이게 된다. 여기서 정확한 차이점을 구별하기 위해 4%의 차이를 추가한 약 10%의 차이를 이용해 균등하게 최소 일사량을 받았을 때의 MPP 전압
Figure 112020026398565-pat00204
을 산출할 수 있다(수학식 2 참조).
도 6b를 참조하면, 조건 1(PSC 1)은 스트링 1,2,3번(Row 1, Row 2, Row 3) 패널들의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00205
, 스트링 4,5번(Row 4, Row 5) 패널들의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00206
으로 설정되고, 조건 2(PCS2)는 스트링 1번(Row 1) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00207
, 스트링 2번(Row 2) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00208
, 스트링 3번(Row 3) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00209
, 스트링 4번(Row 4) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00210
, 스트링 5번(Row 5) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00211
으로 설정되고, 조건 3(PSC3)은 스트링 1번(Row 1) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00212
, 스트링 2,3번((Row 2, Row 3) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00213
, 스트링 4번(Row 4) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00214
, 스트링 5번(Row 5) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00215
으로 설정되고, 조건 4(PCS4)는 스트링 1번(Row 1) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00216
, 스트링 2번(Row 2) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00217
, 스트링 3번(Row 3) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00218
, 스트링 4번(Row 4) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00219
, 스트링 5번(Row 5) 패널의 일사량이
Figure 112020026398565-pat00220
으로 설정되었음을 알 수 있다.
도 6c를 참조하면, 도 6b에 예시된 바와 같이 부분적으로 일사량이 변화하는 경우 상기 각 조건들(PCS1, PCS2, PCS3, PCS4)별로 다수의 MPP 지점이 발생함을 알 수 있다. 이는, 태양광 패널 하나의 고장으로 인해 인접한 패널이 연쇄적으로 다운되는 것을 방지하기 위해, 각 패널마다 병렬로 부착한 바이패스 다이오드의 영향이다. 즉, 태양광 발전 시스템을 구성하는 패널별로 상기 바이패스 다이오드를 병렬로 부착한 경우, 도 6b에 예시된 바와 같은 조건으로 부분적인 그늘짐이 발생하게 되면, 그 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선은 도 6c에 예시된 바와 같이 다수의 MPP 지점을 갖게 된다. 이 때, 다수의 MPP 지점 중 최대의 전력점인 지점을
Figure 112020026398565-pat00221
(Maximum Point), 그 외의 지점을
Figure 112020026398565-pat00222
(Not Maximum Point), 이러한 MPP 지점 중 가장 오른쪽의 MPP 지점을
Figure 112020026398565-pat00223
(Right most Point)라고 한다. 도 6c의 예에서, 조건1(PSC1) 및 조건2(PSC2)의 경우
Figure 112020026398565-pat00224
및
Figure 112020026398565-pat00225
,
Figure 112020026398565-pat00226
및
Figure 112020026398565-pat00227
가 각각 동일하고, 조건3(PSC3) 및 조건4(PSC4)의 경우
Figure 112020026398565-pat00228
및
Figure 112020026398565-pat00229
,
Figure 112020026398565-pat00230
및
Figure 112020026398565-pat00231
가 각각 다른 위치에 존재함을 알 수 있다.
그런데, 이 때, 각 조건별
Figure 112020026398565-pat00232
들(즉,
Figure 112020026398565-pat00233
,
Figure 112020026398565-pat00234
,
Figure 112020026398565-pat00235
,
Figure 112020026398565-pat00236
)이 모두, 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00237
)과 연장된 라인(L1)보다 항상 큰 지점에 위치함을 알 수 있다. 즉, 상기 조건별
Figure 112020026398565-pat00238
들(즉,
Figure 112020026398565-pat00239
,
Figure 112020026398565-pat00240
,
Figure 112020026398565-pat00241
,
Figure 112020026398565-pat00242
)에 대응된 전압은 모두
Figure 112020026398565-pat00243
보다 큰 값을 가진다.
4. 상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우, 상기 최대 전력점(MPP)들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최우측 지점(RP)의 위치 분석(S140)
단계 S140에서는, 상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우(도 6c 참조), 상기 최대 전력점(MPP)들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최우측 지점(RP)의 위치 분석한다. 즉, 상기 단계 S130에서의 분석 결과에 의거하여 찾아진
Figure 112020026398565-pat00244
들(즉,
Figure 112020026398565-pat00245
,
Figure 112020026398565-pat00246
,
Figure 112020026398565-pat00247
,
Figure 112020026398565-pat00248
)의 위치를 좀 더 세부적으로 분석한다. 이는 단계 S130의 분석결과, 각 조건별
Figure 112020026398565-pat00249
들(즉,
Figure 112020026398565-pat00250
,
Figure 112020026398565-pat00251
,
Figure 112020026398565-pat00252
,
Figure 112020026398565-pat00253
)이 모두, 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00254
)과 연장된 라인(L1)보다 항상 큰 지점에 위치하지만, 모든 경우에서 이러한 조건이 일치하지 않을 수 있기 때문에, 이러한 경우를 고려하기 위함이다. 즉, 단계 S140에서, 분석부(120)는 이러한 이유로 인해
Figure 112020026398565-pat00255
의 전압 한계를 분석한다.
균등한 일사량일 때 한 스트링의 전압(
Figure 112020026398565-pat00256
)은 (수학식 6)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020026398565-pat00257
이 때,
Figure 112020026398565-pat00258
은 해당 스트링을 구성하는 태양광 패널의 개수이다.
여기서
Figure 112020026398565-pat00259
번에 그늘짐이 생기게 된다면 나머지
Figure 112020026398565-pat00260
개의 패널들은
Figure 112020026398565-pat00261
번의 패널이 생산하는 전류와 동일한 전류를 내보내기 위하여 전압을 높이는 현상이 발생하게 된다. 이에 따라 그늘짐이 발생하였을 경우를 포함한 식을 나타낸다면 (수학식 7)과 같다.
Figure 112020026398565-pat00262
균등한 일사량의 조건에서
Figure 112020026398565-pat00263
는 항상
Figure 112020026398565-pat00264
보다 클 것이 분명하다. 이것을 검증하기 위하여 도 7과 같은 상황을 가정하였다. 도 7은 부분적으로 일사량이 변하는 태양광 어레이의 구성 예를 도시한 도면으로서, 도 7의 (case a)는 전체 15개의 패널들 중, 하부의 6개의 패널에 그늘짐이 생긴 경우의 예로서, 그늘짐이 없는 9개의 패널들의 일사량은
Figure 112020026398565-pat00265
이고, 그늘짐이 있는 6개의 패널들의 일사량은
Figure 112020026398565-pat00266
인 경우를 예시하고, 도 7의 (case b)는 전체 15개의 패널들 중, 왼쪽 하부 2개의 패널에 그늘짐이 생긴 경우의 예로서, 그늘짐이 없는 12개의 패널들의 일사량은
Figure 112020026398565-pat00267
이고, 그늘짐이 있는 3개의 패널들의 일사량은
Figure 112020026398565-pat00268
인 경우를 예시하고, 도 7의 (case c)는 전체 15개의 패널들 모두에 그늘짐이 생기되, 상부 3개에는 상대적으로 약한 그늘짐이 생긴 경우의 예로서, 상부 3개 패널들의 일사량은
Figure 112020026398565-pat00269
이고, 그 하부에 있는 12개의 패널들의 일사량은
Figure 112020026398565-pat00270
인 예를 도시하고 있다. 따라서, 분석부(120)가 상기 경우들 각각에 대하여 동작 특성 곡선을 살펴보면, 그늘짐 패널의 수가 정상 패널의 수보다 적은 경우,
Figure 112020026398565-pat00271
은
Figure 112020026398565-pat00272
보다 크게 나타나고, 그늘짐 패널의 수가 정상 패널의 수보다 많으면
Figure 112020026398565-pat00273
은
Figure 112020026398565-pat00274
보다 작고, 최소 일사량(
Figure 112020026398565-pat00275
)으로 균일하게 빛을 받았을 때의 전압
Figure 112020026398565-pat00276
보다 높다.
따라서, 이를 수식으로 표현하면 (수학식 8)과 같다.
Figure 112020026398565-pat00277
5. 상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성 분석(S150)
단계 S150에서는, 상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우, 분석부(120)가 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석한다. 즉, 단계 S150에서는, 분석부(120)가 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에 일사량이 정상일 때와, 부분 그늘짐이 발생했을 때의 MPPT 출력 특성을 분석한다.
도 8a는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서, 일사량이 정상일 때의 P-V 특성 곡선을 나타내고, 도 8b는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서, 부분 그늘짐이 발생했을 때의 P-V 특성 곡선을 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서, 일사량이 정상일 때, 4가지 case들(LL1, LL2, LG1, LG2) 각각에 대한
Figure 112020026398565-pat00278
들(즉,
Figure 112020026398565-pat00279
,
Figure 112020026398565-pat00280
,
Figure 112020026398565-pat00281
,
Figure 112020026398565-pat00282
) 각각에서 연장된 라인들(L3, L4, L5, L6)은 모두 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00283
)과 연장된 라인(L2) 보다 낮은 위치에 위치함을 알 수 있다.
도 8b를 참조하면, 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서, 부분 그늘짐이 발생했을 때, 4가지 case들(LL4, LL3, LG4, LG3) 각각에 대한
Figure 112020026398565-pat00284
들(즉,
Figure 112020026398565-pat00285
,
Figure 112020026398565-pat00286
,
Figure 112020026398565-pat00287
,
Figure 112020026398565-pat00288
) 각각에서 연장된 라인들(L7, L8, L9, L10)은 모두 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00289
)과 연장된 라인(L2) 보다 낮은 위치에 위치함을 알 수 있다.
즉, 도 8a 및 도 8b의 예를 참조하면, LL1, LG1이 발생하였을 경우의
Figure 112020026398565-pat00290
는 일사량의 변화에 관계없이 모두
Figure 112020026398565-pat00291
보다 작다는 것을 알 수 있다.
6. 상기 최우측 지점의 전압(
Figure 112020026398565-pat00292
)이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건 결정(S160)
단계 S160에서는, 분석부(120)가, 최우측 지점의 전압(
Figure 112020026398565-pat00293
)이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건을 결정한다.
즉, 상기 단계 S150에서는, 전기적인 오류가 발생한 경우,
Figure 112020026398565-pat00294
는 일사량의 변화에 관계없이 모두
Figure 112020026398565-pat00295
보다 작다는 것을 알아냈다. 하지만,
Figure 112020026398565-pat00296
은 스트링에 직렬로 연결되어 있는 태양광 패널의 수(
Figure 112020026398565-pat00297
)에 크게 의존하며 이에 따라
Figure 112020026398565-pat00298
가
Figure 112020026398565-pat00299
보다 클 경우가 존재할 수 있다.
이러한 경우를 찾아내기 위해,
Figure 112020026398565-pat00300
가 10일 때를 가정하면 다음과 같은 현상이 나타나게 된다. 도 9는 10x3 구조를 갖는 태양광 시스템일 때의 어레이 P-V 특성 곡선을 나타낸다. 도 9를 참조하면, 전기적인 오류에 의해 MPP가
Figure 112020026398565-pat00301
에 위치하는 경우, 이 때의 전압은 정상 동작 하에서, 일사량이
Figure 112020026398565-pat00302
인 경우의 특성 곡선에 표시된 MPP(
Figure 112020026398565-pat00303
)보다 더 큰 것을 알 수 있다. 즉,
Figure 112020026398565-pat00304
가
Figure 112020026398565-pat00305
보다 크게 나타나는 경우가 발생하는 것이다. 따라서, RP 전압의 변화량
Figure 112020026398565-pat00306
, 전류의 변화량
Figure 112020026398565-pat00307
, 전력의 변화량
Figure 112020026398565-pat00308
을 이용하면
Figure 112020026398565-pat00309
가
Figure 112020026398565-pat00310
보다 크게 나타나는 경우를 효율적으로 찾아낼 수 있다. 즉, 일반적으로 LL/LG 고장이 발생한 경우, 전류의 변화는 거의 없고, 전압의 변화가 크게 나타나지만, 정상적인 경우에서 그늘짐이 발생한 경우 전류의 변화량이 크고 전압의 변화량이 작음을 알 수 있다.
따라서, 이러한 속성을 이용하여, (수학식 4) 적용할 경우, LL/LG 고장을 용이하게 식별할 수 있다.
7. 정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건 결정(S170)
단계 S170에서는, 분석부(120)가 정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건을 결정한다.
Figure 112020026398565-pat00311
변화에 대한 또 다른 원인은 태양광 패널의 온도로 볼 수 있다. 즉, 패널의 온도가 높으면
Figure 112020026398565-pat00312
의 전압이 크게 감소할 수 있다. 따라서, 온도를 고려한 LL/LG의 고장을 분석하는 것이 더욱 효과적이다. 이에 따라 온도에 대한 전압을 수학식으로 표현하면 (수학식 10)과 같다.
Figure 112020026398565-pat00313
이와 관련하여 참고문헌[21 - 23]에서 온도를 고려한 태양광 패널의 특성을 분석하였는데 결과적으로 태양광 패널의 전압을 1V 강하하기 위해서는 모듈 당
Figure 112020026398565-pat00314
가 증가해야 함을 알 수 있다. 즉, 온도 변화에 따라 전압의 변화는 매우 느리기 때문에 (수학식 11)과 같은 전압 한계를 설정함으로써 온도변화에 의한 전압 강하와, LL/LG 오류에 의한 전압 강하를 쉽게 구별이 가능하다.
Figure 112020026398565-pat00315
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기한 바와 같이 오류 검출 기준 설정을 위한 MPPT 특성 분석(S100)이 종료되면, 단계 S200에서, 분석부(120)는 그 결과에 의거하여 오류 검출 기준을 설정한 후 이를 저장부(110)에 저장한다. 이 때, 설정된 오류 검출 기준이 도 10에 예시되어 있다. 도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 MPPT 특성 분석 결과로 설정된 오류 검출 기준의 예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 10을 참조하면,
Figure 112020026398565-pat00316
,
Figure 112020026398565-pat00317
,
Figure 112020026398565-pat00318
,
Figure 112020026398565-pat00319
값에 따른 오류 검출 기준이 예시되어 있다. 도 10의 예에서, 1번부터 4번, 6번부터 8번의 조건들은 정상 동작 조건에 해당되고, 5번 및 9번의 경우가 오류 검출 조건에 해당된다. 즉, 상기 저장부(도 1의 '110')를 설명할 때, 언급한 (수학식 3) 및 (수학식 4)의 조건을 만족하는 경우 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 도 10의 예에서, 2번 조건의 경우는, 부분 그늘짐이 발생한 상태를 나타내고, 4번 및 7번 조건의 경우는 전기적인 오류가 아닌 온도의 상승으로 인한 전압변화이므로, 이 경우는 정상 동작으로 판단한다.
단계 S300에서는, 상기 설정된 오류 검출 기준에 의한 전기적인 오류 검출을 위해 필요한 진단 기준값 및 MPPT 동작 조건을 설정한다. 이러한 초기화 과정(S300)에 대한 구체적인 처리 과정이 도 11에 예시되어 있다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 초기화 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도이다. 도 1 및 도 11을 참조하면, 단계 S310에서는, 제어부(160)가 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00320
) 범위를 설정한다. 즉, 단계 S310에서, 제어부(160)는,
Figure 112020026398565-pat00321
배열로 배치된 다수의 태양광 패널들을 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 태양광 어레이가 받을 수 있는 일사량 변화를 고려하여 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00322
) 범위를 설정한다. 이를 위해, 제어부(160)는 상기 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00323
)을 입력받고, 상기 입력된 전압(
Figure 112020026398565-pat00324
)에 의거하여 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00325
)을 산출한 후, 상기 입력된 전압(
Figure 112020026398565-pat00326
)과 상기 산출된 전압(
Figure 112020026398565-pat00327
)에 의거하여 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00328
) 범위를 설정할 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점 전압 (
Figure 112020026398565-pat00329
) 범위 및 이를 위한 산출식의 예가 (수학식 1) 및 (수학식 2)에 예시되어 있다.
단계 S320에서, 제어부(160)는 고장시 공급 가능한 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00330
)을 산출한다. 즉, 단계 S320에서, 제어부(160)는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00331
)을 산출한다. 이 때, 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00332
)은 태양광 어레이에 포함된 태양광 패널들 중 하나의 패널에만 오류가 발생했을 때 공급 가능한 전압을 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00333
)으로 산출할 수 있으며, 이를 위한 산출식의 예가 (수학식 5)에 예시되어 있다.
단계 S330에서는, 고장시 최대 전력점 전압과 최대 전압의 차이(
Figure 112020026398565-pat00334
)를 산출한다. 즉, 단계 S330에서는, 제어부(160)가 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00335
) 범위 설정단계에서 설정된 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00336
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00337
)과, 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00338
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00339
)를 산출한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 단계 S400에서, 추적부(130)는 단계 S300에서 설정된 MPPT 조건에 의거하여 상기 태양광 어레이의 최대 전력점(MPP)에 대응한 전압을 추적한다. 특히, 단계 S400에는, 추적부(130)가 상기 태양광 어레이를 구성하는 다수의 태양광 패널들 각각의 일사량 차이로 인한 하나 이상의 최대 전력점들이 발생한 경우(도 6c 참조), 이들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최대 전력점(RP)(이하, 최우측 최대 전력점(RP)이라 칭함)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00340
)을 추적할 수 있다.
단계 S500에서는, 연산부(140)가 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00341
)에 의거하여, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 진단하기 위한 추가정보를 생성한다. 즉, 단계 S500에서는, 연산부(140)가 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
Figure 112020026398565-pat00342
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00343
); 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
Figure 112020026398565-pat00344
); 및 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00345
)를 포함하는 추가정보를 산출한다. 이를 위해, 연산부(140)는 해당 태양광 발전 시스템의 P-V 특성 곡선 및 I-V 특성 곡선을 참고할 수 있다.
단계 S600에서는, 진단부(150)가 상기 단계 S300에서 설정된 기준값, 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00346
) 및 상기 추가정보들에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류 여부를 결정한다. 이를 위해, 진단부(150)는 저장부(110)에 저장된 오류 검출 기준(도 10 참조)을 참고할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시 예에 따른 고장진단 과정(S600)에 대한 개략적인 처리 흐름도이다. 도 1, 도 2 및 도 12를 참조하면, 단계 S605 내지 단계 S625에서, 진단부(150)는
Figure 112020026398565-pat00347
와
Figure 112020026398565-pat00348
를 비교한다. 상기 비교 결과,
Figure 112020026398565-pat00349
와
Figure 112020026398565-pat00350
가 동일한 상태에서,
Figure 112020026398565-pat00351
와
Figure 112020026398565-pat00352
도 동일한 것으로 판단되면, 진단부(150)는 단계 S615에서, 태양광 발전 시스템이 정상동작(ideal)인 것으로 진단한다. 만약,
Figure 112020026398565-pat00353
가
Figure 112020026398565-pat00354
보다 큰 상태에서,
Figure 112020026398565-pat00355
와
Figure 112020026398565-pat00356
가 다른 것으로 판단되면, 진단부(150)는 단계 S620에서, 태양광 발전 시스템이 부분 그늘짐이 발생한 상태에서 정상 동작하는 것으로 진단한다.
한편,
Figure 112020026398565-pat00357
가
Figure 112020026398565-pat00358
보다 작은 경우, 진단부(150)는 단계 S630에서,
Figure 112020026398565-pat00359
와
Figure 112020026398565-pat00360
를 비교한다. 이 때,
Figure 112020026398565-pat00361
에 1.05값을 곱한 것은 센서의 오차 범위를 보정하기 위한 것이다. 상기 비교 결과,
Figure 112020026398565-pat00362
가
Figure 112020026398565-pat00363
보다 크다면, 진단부(150)는 단계 S635에서, 태양광 발전 시스템이 정상 동작하는 것으로 진단한다.
단계 S630의 비교 결과,
Figure 112020026398565-pat00364
가
Figure 112020026398565-pat00365
보다 작거나 같은 경우, 진단부(150)는 단계 S640 내지 단계 S675를 수행하면서, 태양광 발전 시스템의 정상 동작 여부를 진단한다.
즉, 단계 S640 내지 단계 S645를 거쳐, 상기 추적된 전압(
Figure 112020026398565-pat00366
)이 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
Figure 112020026398565-pat00367
) 보다 작으면서, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00368
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00369
)가
Figure 112020026398565-pat00370
이상인 경우, 진단부(150)는 단계 S650에서, 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류 가 발생한 것으로 진단한다. 이 때,
Figure 112020026398565-pat00371
는 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00372
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00373
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00374
)의 차이이다.
한편, 단계 S640의 비교 결과,
Figure 112020026398565-pat00375
가
Figure 112020026398565-pat00376
보다 큰 경우, 진단부(150)는 단계 S655 내지 단계 S665를 거치면서, 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류 가 발생했는지 여부를 결정한다. 즉, 단계 S640의 비교 결과,
Figure 112020026398565-pat00377
가
Figure 112020026398565-pat00378
보다 큰 경우, 진단부(150)는,
Figure 112020026398565-pat00379
가 '0' 보다 크고, 상기 전압(
Figure 112020026398565-pat00380
) 변화의 크기(
Figure 112020026398565-pat00381
)가, 상기 최대 전력점 전압(
Figure 112020026398565-pat00382
)이 최대일 때의 값(
Figure 112020026398565-pat00383
)과 상기 최대 전압(
Figure 112020026398565-pat00384
)의 차이(
Figure 112020026398565-pat00385
) 이상이고, 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
Figure 112020026398565-pat00386
)가 '0' 이상인 조건을 모두 만족하는 경우, 단계 S670에서, 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 진단한다.
그리고 상기 조건을 만족하지 않는 경우, 진단부(150)는 단계 S675에서, 태양광 발전 시스템이 정상 동작하는 것으로 진단한다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명이 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

Claims (16)

  1. m개의 태양광 패널이 직렬로 연결된 스트링과, n개의 스트링이 병렬로 연결된 태양광 어레이를 포함하는
    Figure 112020093484914-pat00387
    구조의 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 최대전력점 추적(MPPT) 특성을 분석하는 분석부;
    상기 MPPT 특성 분석결과에 의해 설정된 전기적인 오류검출 기준과, 상기 오류 검출 기준에 의한 전기적인 오류 검출을 위해 설정된 진단 기준값 및 MPPT 동작 조건을 포함하는 초기화 정보를 저장하는 저장부;
    상기 저장부에 저장된 MPPT 조건에 의거하여 상기 태양광 어레이의 최대 전력점(MPP)에 대응한 전압을 추적하되, 상기 태양광 어레이를 구성하는 다수의 태양광 패널들 각각의 일사량 차이로 인한 하나 이상의 최대 전력점들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최대 전력점(RP)(이하, 최우측 최대 전력점(RP)이라 칭함)에 대응한 전압(
    Figure 112020093484914-pat00388
    )을 추적하는 추적부;
    상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00389
    )에 의거하여, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 진단하기 위한 추가정보들을 산출하는 연산부; 및
    상기 저장부에 저장된 오류검출 기준 및 진단 기준값, 상기 추적부에서 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00390
    ) 및 상기 연산부에서 산출된 추가정보들에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템의 고장 여부를 판단하는 진단부를 포함하되,
    상기 연산부는
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
    Figure 112020093484914-pat00510
    ) 변화의 크기(
    Figure 112020093484914-pat00511
    ), 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00512
    ), 상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00513
    )를 포함하는 추가정보들을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분석부는
    상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성을 분석하고,
    상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압을 분석하고,
    상기 태양광 어레이가 정상 동작 중일 때, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하고,
    상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우, 상기 최대 전력점(MPP)들 중 최우측 지점(RP)의 위치를 분석하고,
    상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하고,
    상기 최우측 지점의 전압(
    Figure 112020026398565-pat00391
    )이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건을 결정하고,
    정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 저장부는
    Figure 112020026398565-pat00392
    배열로 배치된 다수의 태양광 패널들을 포함하는 태양광 어레이가 받을 수 있는 일사량의 변화를 고려하여 설정한 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00393
    ) 범위;
    전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00394
    ); 및
    상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00395
    )이 최대일 때의 값(
    Figure 112020026398565-pat00396
    )과 상기 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00397
    )의 차이(
    Figure 112020026398565-pat00398
    )를 포함하는 초기화 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00399
    ) 범위는
    상기 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00400
    )과, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점에 대응된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00401
    ) 사이인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 진단부는
    상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00406
    )이, 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00407
    ) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00408
    ) 보다 작을 때,
    상기 전압(
    Figure 112020093484914-pat00409
    ) 변화의 크기(
    Figure 112020093484914-pat00410
    )가, 상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020093484914-pat00411
    ) 이 최대일 때의 값(
    Figure 112020093484914-pat00412
    )과 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00413
    )의 차이(
    Figure 112020093484914-pat00414
    ) 이상인 조건을 만족하는 경우,
    상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 진단부는
    상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00415
    )이 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00416
    ) 이하이면서, 상기 전압(
    Figure 112020093484914-pat00417
    )보다 클 때,
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00418
    )가 '0' 보다 크고,
    상기 전압(
    Figure 112020093484914-pat00419
    ) 변화의 크기(
    Figure 112020093484914-pat00420
    )가, 상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020093484914-pat00421
    )이 최대일 때의 값(
    Figure 112020093484914-pat00422
    )과 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00423
    )의 차이(
    Figure 112020093484914-pat00424
    ) 이상이고,
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00425
    )가 '0' 이상인 조건을 모두 만족하는 경우,
    상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 장치.
  8. 태양광 발전 시스템의 동작 상황 및 조건별로 다르게 나타나는 최대전력점 추적(MPPT) 특성을 분석하는 MPPT 특성 분석 단계;
    상기 MPPT 특성 분석 결과에 의해 전기적인 오류를 검출하기 위한 기준을 설정하는 오류 검출 기준 설정 단계;
    상기 오류 검출 기준에 의한 전기적인 오류 검출을 위해 필요한 진단 기준값 및 MPPT 동작 조건을 설정하는 초기화 단계;
    상기 초기화 단계에서 설정된 MPPT 조건에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템에 포함된 태양광 어레이의 최대 전력점(MPP)에 대응한 전압을 추적하되, 상기 태양광 어레이를 구성하는 다수의 태양광 패널들 각각의 일사량 차이로 인한 하나 이상의 최대 전력점들 중 상기 태양광 어레이의 P-V 특성 곡선의 전압축을 기준으로 가장 우측에 위치한 최대 전력점(RP)(이하, 최우측 최대 전력점(RP)이라 칭함)에 대응한 전압(
    Figure 112020093484914-pat00426
    )을 추적하는 추적 단계;
    상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00427
    )에 의거하여, 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류를 진단하기 위한 추가정보를 생성하는 추가정보 생성 단계; 및
    상기 초기화 단계에서 설정된 기준값, 상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00428
    ) 및 상기 추가정보들에 의거하여 상기 태양광 발전 시스템의 전기적인 오류 여부를 결정하는 고장 진단 단계를 포함하되,
    상기 추가정보 생성단계는
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전압(
    Figure 112020093484914-pat00514
    ) 변화의 크기(
    Figure 112020093484914-pat00515
    );
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00516
    ); 및
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00517
    )를 포함하는 추가정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 MPPT 특성 분석 단계는
    상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 경우의 MPPT 출력 특성을 분석하는 제1 분석단계;
    상기 태양광 발전 시스템에 고장이 발생한 후의 태양광 어레이 전압을 분석하는 제2 분석단계;
    태양광 어레이가 정상 동작 중일 때, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하는 제3 분석단계;
    상기 태양광 어레이에 부분 그늘짐 현상 발생으로 인해, 하나 이상의 최대 전력점(MPP)들이 발생한 경우, 상기 최대 전력점(MPP)들 중 최우측 지점(RP)의 위치를 분석하는 제4 분석 단계;
    상기 태양광 어레이에 전기적인 오류가 발생한 경우, 상기 태양광 어레이에 비추는 일사량의 변화에 따른 MPPT 출력 특성을 분석하는 제5 단계;
    상기 최우측 지점의 전압(
    Figure 112020026398565-pat00429
    )이 미리 설정된 전압 범위를 초과할 때 전기적인 오류를 검출하기 위한 조건을 결정하는 제6 분석 단계; 및
    정상온도 변화 내에서 전기적인 오류를 식별하기 위한 조건을 결정하는 제7 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 오류 검출 기준 설정 단계는
    상기 전기적인 오류 검출을 위한 하기의 (수학식1) 및 (수학식 2)를 설정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
    (수학식 1)
    Figure 112020026398565-pat00430

    이 때,
    Figure 112020026398565-pat00431
    는 상기 최우측 지점의 전압이고,
    Figure 112020026398565-pat00432
    는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
    Figure 112020026398565-pat00433
    은 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압이고,
    Figure 112020026398565-pat00434
    는
    Figure 112020026398565-pat00435
    의 변화의 크기이고,
    Figure 112020026398565-pat00436
    는 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00437
    )과 상기
    Figure 112020026398565-pat00438
    의 차이임.
    (수학식 2)
    Figure 112020026398565-pat00439

    이 때,
    Figure 112020026398565-pat00440
    는 상기 최우측 지점의 전압이고,
    Figure 112020026398565-pat00441
    는 전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압이고,
    Figure 112020026398565-pat00442
    은 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압이고,
    Figure 112020026398565-pat00443
    는
    Figure 112020026398565-pat00444
    의 변화의 크기이고,
    Figure 112020026398565-pat00445
    는 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때 최대 전력점에 대응된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00446
    )과 상기
    Figure 112020026398565-pat00447
    의 차이이고,
    Figure 112020026398565-pat00448
    는 상기 최우측 지점의 전류 변화,
    Figure 112020026398565-pat00449
    는 상기 최우측 지점의 전력 변화임.
  11. 제8항에 있어서, 상기 초기화 단계는
    Figure 112020026398565-pat00450
    배열로 배치된 다수의 태양광 패널들을 포함하는 태양광 어레이가 받을 수 있는 일사량 변화를 고려하여 상기 태양광 발전 시스템의 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00451
    ) 범위를 설정하는 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00452
    ) 범위 설정단계;
    전기적인 오류가 발생한 태양광 어레이에서 공급 가능한 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00453
    )을 산출하는 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00454
    ) 산출단계; 및
    상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00455
    ) 범위 설정단계에서 설정된 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00456
    )이 최대일 때의 값(
    Figure 112020026398565-pat00457
    )과 상기 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00458
    )의 차이(
    Figure 112020026398565-pat00459
    )를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00460
    ) 범위 설정단계는
    상기 태양광 어레이가 최대 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00461
    )을 입력받고, 상기 입력된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00462
    )에 의거하여 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점에 대응된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00463
    )을 산출한 후, 상기 입력된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00464
    )과 상기 산출된 전압(
    Figure 112020026398565-pat00465
    )에 의거하여 상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020026398565-pat00466
    ) 범위를 설정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00467
    ) 산출단계는
    상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 패널들 중 하나의 패널에만 오류가 발생했을 때 공급 가능한 전압을 상기 최대 전압(
    Figure 112020026398565-pat00468
    )으로 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서, 상기 고장 진단 단계는
    상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00473
    )이, 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00474
    ) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00475
    ) 보다 작을 때,
    상기 전압(
    Figure 112020093484914-pat00476
    ) 변화의 크기(
    Figure 112020093484914-pat00477
    )가, 상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020093484914-pat00478
    )이 최대일 때의 값(
    Figure 112020093484914-pat00479
    )과 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00480
    )의 차이(
    Figure 112020093484914-pat00481
    ) 이상인 조건을 만족하는 경우,
    상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 고장 진단 단계는
    상기 추적된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00482
    )이, 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00483
    ) 이하이면서, 상기 태양광 어레이가 최소 일사량을 받았을 때의 최대 전력점(MPP)에 대응된 전압(
    Figure 112020093484914-pat00484
    )보다 클 때,
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전류의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00485
    )가 '0' 보다 크고,
    상기 전압(
    Figure 112020093484914-pat00486
    ) 변화의 크기(
    Figure 112020093484914-pat00487
    )가, 상기 최대 전력점 전압(
    Figure 112020093484914-pat00488
    )이 최대일 때의 값(
    Figure 112020093484914-pat00489
    )과 상기 최대 전압(
    Figure 112020093484914-pat00490
    )의 차이(
    Figure 112020093484914-pat00491
    ) 이상이고,
    상기 최우측 최대 전력점(RP)에 대응한 전력의 변화(
    Figure 112020093484914-pat00492
    )가 '0' 이상인 조건을 모두 만족하는 경우,
    상기 태양광 발전 시스템에 전기적인 오류가 발생한 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 화재 방지용 고장 진단 방법.
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