KR102175430B1 - 태양광 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 시스템 확장성 및 모듈화가 용이한 태양광 발전 장치가 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 전기적으로 서로 연결되어 하나의 태양광 모듈 열(string)을 형성하는 복수의 태양광 모듈을 포함하고, 상기 복수의 태양광 모듈 각각은 짝수개의 태양광 패널을 갖는 태양광 패널 그룹; 및 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널에 각각 연결되어 해당 태양광 패널의 전력 변환 동작하도록 제어하고, 해당 태양광 패널에서 발생되는 전력을 후단의 태양광 모듈에 전달하는 복수의 컨버터를 갖는 컨버터 모듈을 구비하며, 상기 컨버터 모듈은 상기 태양광 패널 그룹의 짝수개의 태양광 패널 중 하나의 태양광 패널에 배치될 수 있다.

Description

태양광 발전 장치{APPARATUS FOR PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION}

본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것이다.

태양광 발전이란, 태양광을 태양광패널(Photovoltaic panel)에 집광시켜 전기를 발생시키는 것을 말한다. 이러한 태양광패널을 이용한 태양광 발전원리는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용한 것으로, 실리콘 결정 위에 n형 도핑을 하여 p-n접합을 한 태양 전지판에 태양광을 조사하면 광 에너지에 의해 전자-정공에 의한 기전력이 발생하게 되며, 이를 광기전력 효과라고 한다.

예컨대, 외부에서 광이 태양광패널에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도대의 전자가 입사된 광에너지에 의해 가전자대로 여기되고, 이렇게 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍을 형성하게 되며, 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.

이와 같이 태양광 발전에서 사용되는 태양광은 화석원료를 바탕으로 하는 기존 에너지원과는 달리 지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출, 소음, 환경파괴 등의 위험성을 초래하지 않는 청정 에너지원이며 무궁무진한 태양광을 바탕으로 하기 때문에 고갈의 염려도 없다. 태양에너지의 이용 가능량은 2005년 기준 전 세계 연간 에너지 소요량의 2,890배이며 입지조건이 여타 풍력이나 해수력과 달리 설치가 자유롭고 유지비용이 저렴하다. 또한 기술혁신에 따른 원가절감과 효율성 제고로 발전단가가 하락하였고, 향후 박막형 태양전지 등의 기술개발로 발전단가는 더욱 하락할 것으로 예측된다. 따라서 부존자원이 빈약한 나라에서는 자원안보의 관점에서도 적극적으로 수용하려는 움직임이 최근 활발히 일어나고 있다.

대한민국 공개특허번호 제10-2016-0075959호

본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템 확장성 및 모듈화가 용이한 태양광 발전 장치가 제공된다.

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 전기적으로 서로 연결되어 하나의 태양광 모듈 열(string)을 형성하는 복수의 태양광 모듈을 포함하고, 상기 복수의 태양광 모듈 각각은 짝수개의 태양광 패널을 갖는 태양광 패널 그룹; 및 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널에 각각 연결되어 해당 태양광 패널의 전력 변환 동작하도록 제어하고, 해당 태양광 패널에서 발생되는 전력을 후단의 태양광 모듈에 전달하는 복수의 컨버터를 갖는 컨버터 모듈을 구비하며, 상기 컨버터 모듈은 상기 태양광 패널 그룹의 짝수개의 태양광 패널 중 하나의 태양광 패널에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 발전 효율이 증가하고, 불균일한 태양빛 조건 아래 시스템 발전량 감소 문제도 해결이 가능하며, 와이어 결선의 복잡도를 낮추고, 컨버터의 정격 전력을 낮추어 결과적으로 설치 비용을 감소시킬 수 있으며, 태양광 모듈을 추가로 설치하는 경우 시스템 구성이 용이할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 제어부의 전압 밸런식 동작을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 제어부의 최대 전력점 추정 동작을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전기적 특징을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치(100)는 서로 전기적으로 연결되어 하나의 태양광 모듈 열(string)을 형성하는 복수의 태양광 모듈을 포함할 수 있다.

복수의 태양광 모듈 각각은 짝수개의 태양광 패널을 갖는 태양광 패널 그룹(PV)과 태양광 패널 그룹(PV)의 태양광 패널 각각의 전력 변환 동작을 제어하는 복수의 컨버터를 갖는 컨버터 모듈(DPP)을 포함할 수 있다. 더하여, 컨버터 모듈(DPP)은 각 컨버터의 동작을 제어하는 제어부(111)를 더 포함할 수 있다.

태양광 패널 케이블의 표준 길이는 한 패널을 인접한 패널에 연결할 수 있을 정도이므로 표준 길이의 케이블로 가정한다면 4개에서 8개 정도의 태양광 패널을 그룹화 하는 것이 적당하다. 이 배열을 사용하면 연결해야 하는 전선의 수를 줄일 수 있다.

컨버터 모듈(DPP)은 태양광 패널 그룹(PV)의 짝수개의 태양광 패널 중 하나의 태양광 패널에 배치되고, 도시된 배선과 같이 컨버터 모듈(DPP)의 각 컨버터(DPP1, DPP2, DPP3, DPP4)은 해당 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4)에 전기적으로 연결될 수 있다. 더하여, 복수의 태양광 모듈 각각의 컨버터 모듈(DPP)들은 서로 전기적으로 연결되어 전체 스트링을 구성할 수 있다. 각 컨버터(DPP1, DPP2, DPP3, DPP4)는 차동 전력 조절(Differential Power Processing; DPP) 컨버터일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 개략적인 회로도이다.

도 1과 함께, 도 2를 참조하면, 컨버터 모듈(DPP)의 각 컨버터(DPP1, DPP2, DPP3, DPP4)은 해당 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4)에 전기적으로 연결되어 각 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4)의 전력 변환 동작을 제어할 수 있다.

태양광 발전 장치의 전체 태양광 패널의 개수를 n, 하나의 컨버터 모듈에 연결된 태양광 패널의 개수를 m이라 할 때, 패널의 수학적 개수는 1<m<n의 범위를 가진다. 태양광패널의 개수는 각각의 패널이 표준 케이블의 길이로 하나의 컨버터 모듈에 연결될 수 있도록 설정되어야 한다. 예를 들어, 표준 케이블을 사용하여 연결할 수 있는 태양광 패널의 최대 개수가 8개라고 할 때, m의 범위는 2<m<8이 될 수 있다.

제어부(111)는 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4)의 전압(PVV1, PVV2, PVV3, PVV4)을 검출하여 해당 컨버터(DPP1, DPP2, DPP3, DPP4)에 제어 신호(DPPS1, DPPS2, DPPS3, DPPS4)를 제공하여 컨버터의 기준 전류 값을 제어할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 컨버터의 개략적인 회로도이다.

도 3을 참조하면, m개의 태양광 패널들은 각각 DPP 컨버터와 연결되며, 각 컨버터는 양방향이고 동작 시 입력과 출력사이에 전기적 절연되어 있어야 한다. DPP 컨버터의 한쪽은 태양광 패널의 양극과 음극에 연결되고 다른 한쪽에는 m개의 태양광 패널의 전압 합인 모듈 전압 버스의 양극과 음극에 연결될 수 있다.

양방향 플라이백 컨버터가 DPP 컨버터로 사용하기 적절한 토폴로지 이지만 양방향이며 전기적 절연이 적용된 다양한 dc-dc 컨버터로도 사용 가능하다.

제어측면에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 컨버터의 동작은 매우 유기적이므로, 모듈의 최대 전력점 추종 제어는 간단하지 않다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 컨버터의 제어 알고리즘은 두 가지 단계인 전압 밸런싱 (voltage balancing)과 실제 최대 전력점 추종 (true maximum power point tracking (MPPT))으로 이루어져 있다.

두 단계의 알고리즘에서는 양방향 DPP 컨버터 (예를 들어, 양방향 플라이백 컨버터)의 전류가 제어된다. 이 전류는 입력전류 (태양광 패널(PV) 단) 또는 출력전류 (세그먼트 버스(Bus) 단)가 된다.

초기 DPP 컨버터의 전류 기준 값은 0A로 정해진다. 각각의 컨버터는 전류 기준 값이 0이 아닐 때, 기준 값을 목표로 두어 조절하는 표준 피드백 제어를 구현한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 제어부의 전압 밸런식 동작을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.

도 4를 참조하면, 제어부(111)는 m개의 태양광 패널 각각의 전압(V_pv)을 측정한다(S1). 만약 모든 전압 값(V_{pv _max}, V_{pv _min})들이 미리 정해 둔 허용 오차 (V_tol)의 범위 안이면 각 컨버터의 기준 전류 값들(I_DPP,ref)을 변경하지 않는다(S2,S3,S5). 만약 모든 전압들이 허용 오차 (V_tol) 범위에 있지 않다면 가장 높은 전압을 가지는 태양광 패널의 전압을 식별하여 해당 패널에 연결된 DPP 컨버터의 기준 전류 (I_DPP,ref,old)값을 지정해둔 값(ΔI) 만큼 증가시키고(I_DPP,ref), 가장 낮은 전압을 가지는 태양광 패널의 전압을 식별하여 해당 DPP 컨버터의 기준 전류 값(I_DPP,ref,old)을 지정해둔 값(ΔI) 만큼 감소시킨다(S4).

플라이백 컨버터의 경우에 이러한 기준 전류 값(I_DPP,ref)은 양수, 음수, 0 이 될 수 있다. 기준 전류 값이 양수일 경우(S7), DPP 컨버터의 전력은 순방향 (태양광 패널(PV)단에서 버스(bus)단)으로 흐르며(S9), 기준 전류 값이 음수일 경우 DPP 컨버터의 전력은 역방향 (버스(bus)단에서 태양광 패널(PV)단)으로 흐르게 된다(S10). 기준 전류 값이 0이 되면(S6) 컨버터의 작동이 정지된다(S8). 알고리즘에서 설정된 만큼의 시간이 흐르면 다시 전압 밸런싱 알고리즘이 시작된다(S11). 일부 시스템에서는, 전압 밸런싱만으로도 최대전력점 근처에서 동작하여 충분히 높은 성능을 낼 수 있다.

전압 밸런싱이 되면, 시스템은 각 태양광 패널의 최대전력점 근처에 도달하지만 시스템의 실제 최대 전력점은 아니다. 컨버터 모듈의 최대 전력점 추종(MPPT)을 위해, 다른 알고리즘이 추가로 사용되어야 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 제어부의 최대 전력점 추정 동작을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.

도 5를 참조하면, 컨버터 모듈의 MPPT 알고리즘을 나타낸 순서도이다. 모듈의 스트링 전류는 스트링-레벨(string-level) MPPT 알고리즘을 가진 계통 연계형 인버터와 같은 외부 부하에 의해 결정된다. 스트링 전류가 외부 요인에 의해 결정되기 때문에, 컨버터 모듈의 최대 전력점은 m개의 태양광 패널의 전압 값이 최대가 되는 전력점이 된다. 컨버터 모듈에서 DPP 컨버터 동작은 유기적이기 때문에, 제어부(111)는 하나의 DPP 컨버터 기준 전류 값만 정해진 변화량만큼 진행방향으로 변경시킨다(S21).

하나의 기준 전류 값이 변한 뒤, 전체 전압(V_bus)을 측정한다. 전체 전압이 증가하였다면(S23), 변경한 새로운 기준 전류 값을 유지시킨다(S24). 반대로, 전체 전압이 감소하였다면, 전류 기준 값은 이전 값으로 변경되고 진행 방향을 반대로 바꾼다(S25). 각 DPP 컨버터에 관하여 순차적으로 상술한 알고리즘을 진행하며(S26, S27, S28, S29, S30), 마지막 컨버터를 제어한 뒤에 다시 첫 번째 컨버터로 되돌아가 알고리즘을 반복한다(S31, S32).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전기적 특징을 나타내는 그래프이다. 제안된 회로 구성과 제어 알고리즘을 적용하여 4개의 태양광패널, 4개의 DPP 컨버터로 구성된 태양광 발전 장치의 시뮬레이션을 진행했다

시스템 작동점은 특정한 스트링 전류 값 조건에서 최대전력점에 도달했다. 이는 배열과 제어 알고리즘이 최대전력점에서 올바르게 작동하고 출력 전압이 최적화됨을 나타낸다.

도 6의 (a) 및 (c)를 참조하면, 제어부(111)의 전압 밸런싱 동작에 의해 제4 태양광 패널의 전압(V_pv:4)이 나머지 제1 내지 제3 태양광 패널의 전압(V_pv:1, V_pv:2, V_pv:3)과 균일해지고, 이후 최대 전력점 추종 동작에 의해 각 태양광 패널의 전압이 최대 전력점에서 출력되는 것을 볼 수 있다.

도 6의 (b)를 참조하면, 제어부(111)에 의해 각 컨버터의 기준 전류값(I_{dpp_ref}:1, I_{dpp _ ref}:2, I_{dpp _ ref}:3, I_{dpp _ ref}:4)이 제어되는 것을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기존의 FPP 컨버터 태양광 발전 시스템에 비해 더 높은 시스템 효율을 얻을 수 있다. 또한 기존의 FPP 컨버터 시스템에서 발생했던 불균일한 태양빛 조건 아래 시스템 발전량 감소 문제도 해결이 가능하다. 또한 세그먼트 DPP 모듈을 적용함에 따라 와이어 결선의 복잡도를 낮추고, 컨버터의 정격 전력을 낮추어 결과적으로 설치 비용 감소의 효과를 얻을 수 있다. 기존의 DPP 컨버터와 달리, 이미 구현된 시스템에서 태양광 모듈을 추가로 설치할 경우 비교적 쉽게 시스템을 구성할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

100: 태양광 발전 장치
PV: 태양광 패널 그룹
DPP: 컨버터 모듈
111: 제어부

Claims (5)

1. 서로 전기적으로 연결되어 하나의 태양광 모듈 열(string)을 형성하는 복수의 태양광 모듈을 포함하고,
   상기 복수의 태양광 모듈 각각은 짝수개의 태양광 패널을 갖는 태양광 패널 그룹; 및 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널에 각각 연결되어 해당 태양광 패널의 전력 변환 동작하도록 제어하고, 해당 태양광 패널에서 발생되는 전력을 후단의 태양광 모듈에 전달하는 복수의 컨버터를 갖는 컨버터 모듈을 구비하며,
   상기 컨버터 모듈은 상기 태양광 패널 그룹의 짝수개의 태양광 패널 중 하나의 태양광 패널에 배치되고,
   상기 컨버터 모듈은 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하고, 전압 밸런싱 유지 후 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는
   상기 전압 밸런싱 유지시, 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널의 전압이 사전에 설정된 허용 조차 범위 안이면 각 태양광 패널의 컨버터의 기준 전류값을 유지하고, 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널의 전압 중 가장 높은 전압값을 갖는 태양광 패널의 컨버터의 기준 전류값을 증가시키고, 가장 낮은 전압값을 갖는 태양광 패널의 컨버터의 기준 전류값을 감소시키며,
   상기 전압 밸런싱 유지 후, 상기 컨버터 모듈 중 하나의 컨버터의 기준 전류값을 사전에 설정된 진행 방향으로 변경시켜, 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널의 전체 전압 값이 증가하면 변경된 기준 전류값을 유지하고, 상기 태양광 패널 그룹의 각 태양광 패널의 전체 전압 값이 감소하면 변경 이전의 기준 전류값으로 변경하고 상기 진행 방향을 반대 방향으로 변경하며,
   사전에 설정된 시간이 지나면 상기 전압 밸런싱 유지 동작을 재시작하는 태양광 발전 장치.
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