KR102254719B1 - 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치에 있어서, 태양광을 받아서 전기 에너지를 생성하는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3); 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3); 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)를 포함하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전압을 검출하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 오프(OFF)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제1 직류전압(VDC1)보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제2 직류전압(VDC2)보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하며; 상기 제1 직류전압(VDC1)은 상기 제2 직류전압(VDC2)과 상이(相異)한 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치를 제안한다.
Description
본 발명은 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종을 위한 태양광 발전 장치 및 방법에 관한 것이다. 최근 태양전지는 신재생 에너지로서 가장 각광받고 있으며, 전기 생산을 위하여 원자력, 화석연료, 천연가스(CNG) 등을 대체하기 위한 새로운 에너지원으로 각광받고 있다. 최근 태양전지를 이용하여 스마트그리드(Smart-Grid) 및 마이크로그리드(Micro-Grid) 등의 계통에 이용되고 있으며, 구름, 눈, 그림자 등으로 인하여 특정(特定) 태양전지 어레이(Array)에서 출력이 제대로 나오지 못하는 문제점이 있었다. 본 발명은 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상이 발생하는 경우, 이를 해결하기 위하여 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 (1)부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법 및 (2)멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 적용한 태양광 발전 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 태양전지는 신재생 에너지로서 각광받고 있으며, 일사량이 풍부한 지역에 상당히 설치되고 있다. 또한, 태양전지 발전에서 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 태양광 발전 시스템에 대하여 다양한 연구가 진행되었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1729217호, 공고일 2017년 5월 2일(이하 [특허문헌1]이라고 함)에서는 태양광 발전 시스템의 인버터 MPPT 성능 진단장치 및 방법을 공개하였다. 상기 [특허문헌1]에서는 다수의 태양전지 어레이(Array), 상기 태양전지 어레이로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키기 위한 인버터, 상기 태양전지 어레이의 일사량, 모듈온도 및 외부 온도를 측정하는 기상 센서부, 각 정보를 계측하는 계측부, 최대 출력전압 추정부 및 진단부를 이용하여 태양광 발전 시스템의 인버터 MPPT 성능 진단장치 및 방법을 제안하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1598464호, 공고일 2016년 3월 2일(이하 [특허문헌2]이라고 함)에서는 하이브리드 MPPT 제어에 의한 태양광 발전 시스템의 효율개선 방법을 공개하였다. 상기 [특허문헌2]에서는 태양광 발전용 패널, 계측수단, 다수의 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 알고리즘으로 하여 각각 저장하는 저장 수단, 제어수단 및 상기 제어 방법은 P&O(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함하는 태양광 발전 장치를 제안하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1250880호, 공고일 2013년 5월 6일(이하 [특허문헌3]이라고 함)에서는 태양전지 모듈에 개별적으로 내장된 MPPT 제어 기능을 가지는 정션박스 및 그 구동방법을 공개하였다. 상기 [특허문헌3]에서는 태양전지 모듈의 전압 및 전류를 감지하는 전압 및 전류 센서, 온도센서, 최대 전력점을 트래킹하는 MPPT 제어부, 전압 제어부 및 무선 송신부를 포함하는 태양전지 모듈에 개별적으로 내장된 MPPT 제어 기능을 가지는 정션박스를 제안하였다.
태양전지 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 태양광 발전 시스템과 관련하여 아래와 같은 선행기술문헌이 존재하고 있다.
본 발명에서는 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상이 발생하는 경우가 상당히 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 미스매치 현상을 해결하며, 복수의 태양전지 어레이(Array)가 모두 최대 전력점(MPPT)에서 동작시키는 태양광 발전 장치를 위하여 (1)부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법 및 (2)멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 적용한 태양광 발전 장치 및 방법을 해결하려는 최종적인 과제로 한다.
본 발명에서는 상기 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상을 해결하기 위하여 첫째, 부분음영이 없는 경우와 부분음영이 있는 경우에 따른 태양전지 어레이(Array)의 출력 특성을 분석하며, 둘째, 상기 태양전지 어레이(Array)에서 Rsh와 Rs를 추출 위한 알고리즘을 제안하며, 셋째, 태양전지 전압, 전류 및 전력의 출력특성을 가장 빠르게 출력하기 위하여 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법보다 연산속도가 빠른 테이블(Table)법 또는 테일러 급수(Taylor Series) 방법을 이용하여 태양전지의 전압, 전류 및 전력의 출력특성과 가장 유사하면서 연산량이 빠른 태양광 발전 장치를 제안하며, 넷째, 테이블(Table) 방식에서 전압 값은 전압 테이블의 정보가 정확하게 일치하지 않는 경우, 즉 테이블의 두 전압 사이에 있다면 이 두 전압과 전류의 직선의 방정식을 계산하고 이 방정식에 측정된 전압을 대입하여 전류 지령값을 추정하는 방법을 제안하며, 다섯째, (1)부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법과 (2)멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 제안하며, 여섯째, 하드웨어 적으로는 1대의 3상 인버터(150)와 복수(n대)의 승압형 컨버터(140-1,140-2,140-3)를 사용하는 태양광 전력변환 장치를 제안하며, 일곱째, 인버터의 스위치 전압 스트레스를 1/2로 저감시키며, 인버터 효율을 향상시키기 위하여 3레벨 인버터(160) 및 T형 3레벨 인버터(170)를 적용하는 것을 과제의 해결수단으로 한다. (도 32 참고, 태양전지 어레이1(PV1) 조건 100% 및 태양전지 어레이2(PV2) 조건 60%[제2 태양전지 어레이에 40%가 음영을 가짐]일 때, 일반 MPPT는 6[kW]이며, 본 발명에서 제안하는 부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) MPPT는 7.45[kW]이며, 또한, 본 발명에서 제안하는 Multi-MPPT는 9.59[kW]임)
즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치는, 태양광을 받아서 전기 에너지를 생성하는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3); 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3); 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)를 포함하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 것을 특징으로 하며, 상기 LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며; 상기 부분음영이 발생 여부는, 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부로 판단하되, 상기 0(Zero)에 근사 여부는, 상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 미리 정해진 오차범위 내에서 0(Zero)에 수렴한 경우인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 3상 인버터(150)는 2레벨 인버터, 3레벨 인버터 및 T형(T Type) 3레벨 인버터 중에서 선택할 수 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법은, 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3) 및 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)에서 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법으로서, 제1 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출하는 단계; 제2 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계; 제3 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계를 특징으로 하며, 상기 LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며; 상기 부분음영이 발생 여부는, 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부로 판단하되, 상기 0(Zero)에 근사 여부는, 상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 미리 정해진 오차범위 내에서 0(Zero)에 수렴한 경우인 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치는, 태양광을 받아서 전기 에너지를 생성하는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3); 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3); 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)를 포함하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 것을 특징으로 하며, 상기 LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며; 상기 부분음영이 발생 여부는, 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부로 판단하되, 상기 0(Zero)에 근사 여부는, 상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 미리 정해진 오차범위 내에서 0(Zero)에 수렴한 경우인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 3상 인버터(150)는 2레벨 인버터, 3레벨 인버터 및 T형(T Type) 3레벨 인버터 중에서 선택할 수 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법은, 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3) 및 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)에서 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법으로서, 제1 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출하는 단계; 제2 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계; 제3 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계를 특징으로 하며, 상기 LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며; 상기 부분음영이 발생 여부는, 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부로 판단하되, 상기 0(Zero)에 근사 여부는, 상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 미리 정해진 오차범위 내에서 0(Zero)에 수렴한 경우인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 태양광 발전 장치는 첫째, 복수의 태양전지 어레이(Array)이 모두 최대 전력점(MPPT) 또는 상기 최대 전력점(MPPT) 근처에서 동작시키기 때문에 태양전지 모듈에서 발생하는 출력을 최대로 할 수 있으며, 둘째, 3상 인버터(150)를 단지 1대 사용하기 때문에 전체 태양광 발전 장치가 경제적이며, 셋째, 제1 태양전지 어레이(Array)(PV1)의 조건 100%, 제2 태양전지 어레이(Array)(PV2)의 조건 60%일 때[제2 태양전지 어레이(Array)에 40%가 음영을 가짐]때, 일반 MPPT는 6[kW]이며, 제안하는 부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) MPPT는 7.45[kW]이며, 제안하는 Multi-MPPT는 9.59[kW]이다. 즉 (1)제안하는 부분일사량 고려 하이브리드(Hybrid) MPPT와 비교하여 129%의 출력이 더 생성하며, (2)제안하는 Multi-MPPT는 일반 MPPT와 비교하여 160%출력이 더 발생하는 매우 상승된 효과가 있다.
도 1은 태양전지 셀(Cell)의 등가회로
도 2는 태양전지 셀(Cell) 모델링에 따른 출력
도 3은 부분음영에 의한 태양전지 어레이(Array)
도 4는 부분음영에 의한 태양전지 어레이(Array)의 출력특성
도 5는 Rsh와 Rs 추출을 위한 알고리즘
도 6은 뉴튼-랩슨(Newton-Raphson) 방법
도 7은 테일러 급수(Taylor Series) 방법
도 8은 테이블(Table) 방법
도 9는 테이블(Table) 방법을 이용한 전류값 추출을 위한 알고리즘
도 10은 태양광 발전 장치에 사용되는 스위치
도 11은 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법을 기준으로 테일러 급수(Taylor-Series)법 및 테이블 출력(Table-Output)법의 태양전지 전류 출력특성 비교
도 12는 제안하는 태양광 발전 장치 회로도
도 13은 제작된 태양광 발전 장치
도 14는 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법의 연산시간
도 15는 테일러 급수(Taylor-Series)법의 연산시간
도 16은 테이블 출력(Table-Output)법의 연산시간
도 17은 P&O(Perturbation and Observation) 기법 알고리즘
도 18은 InCond(Incremental Conductance) 기법 알고리즘
도 19는 LA(Linear Approximation) 기법 개념도
도 20은 제안된 Hybrid MPPT 기법 알고리즘
도 21은 제안된 Multi-MPPT 기법 알고리즘(제1 실시예)
도 22는 제안된 Multi-MPPT 기법 알고리즘(제2 실시예)
도 23은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 24는 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 n대로 구성된 태양광 발전 장치
도 25는 제안된 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 26은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 27은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 28은 승압형 컨버터 1대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 29는 승압형 컨버터 n대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 30은 승압형 컨버터 1대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 31은 승압형 컨버터 n대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 32는 부분일사량 별 태양광 어레이 조건
도 33은 일반 MPPT, 제안된 Hybrid-MPPT 및 제안된 Multi-MPPT의 비교 출력표
도 2는 태양전지 셀(Cell) 모델링에 따른 출력
도 3은 부분음영에 의한 태양전지 어레이(Array)
도 4는 부분음영에 의한 태양전지 어레이(Array)의 출력특성
도 5는 Rsh와 Rs 추출을 위한 알고리즘
도 6은 뉴튼-랩슨(Newton-Raphson) 방법
도 7은 테일러 급수(Taylor Series) 방법
도 8은 테이블(Table) 방법
도 9는 테이블(Table) 방법을 이용한 전류값 추출을 위한 알고리즘
도 10은 태양광 발전 장치에 사용되는 스위치
도 11은 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법을 기준으로 테일러 급수(Taylor-Series)법 및 테이블 출력(Table-Output)법의 태양전지 전류 출력특성 비교
도 12는 제안하는 태양광 발전 장치 회로도
도 13은 제작된 태양광 발전 장치
도 14는 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법의 연산시간
도 15는 테일러 급수(Taylor-Series)법의 연산시간
도 16은 테이블 출력(Table-Output)법의 연산시간
도 17은 P&O(Perturbation and Observation) 기법 알고리즘
도 18은 InCond(Incremental Conductance) 기법 알고리즘
도 19는 LA(Linear Approximation) 기법 개념도
도 20은 제안된 Hybrid MPPT 기법 알고리즘
도 21은 제안된 Multi-MPPT 기법 알고리즘(제1 실시예)
도 22는 제안된 Multi-MPPT 기법 알고리즘(제2 실시예)
도 23은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 24는 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 n대로 구성된 태양광 발전 장치
도 25는 제안된 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 26은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 27은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 28은 승압형 컨버터 1대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 29는 승압형 컨버터 n대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 30은 승압형 컨버터 1대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 31은 승압형 컨버터 n대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 32는 부분일사량 별 태양광 어레이 조건
도 33은 일반 MPPT, 제안된 Hybrid-MPPT 및 제안된 Multi-MPPT의 비교 출력표
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 태양전지 셀(Cell)의 등가회로를 나타낸다. 태양전지 셀(Cell)의 전기적인 등가회로는 광생성 정전류원(10), 다이오드(11), 병렬저항(12) 및 직렬저항(13)으로 구성되어 있다. 이상적인 태양전지 등가회로는 광생성 정전류원(10)과 다이오드가 병렬로 연결된 구조이다. 전류원은 태양광 조사에 의해서 직접 비례하는 경우 광전류(Iph)를 발생시킨다. 태양광이 비조사(non-irradeated) 상태에서 접합이 전압(Vpv)으로 바이어스 되면 소수 운반자의 전류는 포화전류이고, 다수 운반자 전류는 지수함수(指數函數)적으로 증가하게 된다. 하지만 실제의 태양전지는 외부 전극의 접촉저항과 태양전지 셀의 벌크(Bulk) 고유저항에 기인한 저항성 손실이 무시할 수 없는 저항이며, 등가 회로적으로 직렬저항(Rs)으로 정의된다. 또한, 태양전지에서 단락회로 병렬 전류를 포함한 누설 전류가 발생하기에 병렬저항(Rsh)을 회로적으로 고려하게 된다.
따라서 이를 기반으로 최종적으로 실제 태양전지 셀(Cell)의 등가회로는 도 1과 같다. 또한, 도 1을 기반으로 아래의 식(1) 내지 식(3)의 출력전류(Io)의 수학적인 관계식으로 정의될 수 있다.
위의 식(1) 내지 식(3)은 기존의 태양광 발전의 특성을 모의(시뮬레이션) 할 수 있는 식이다. 특히 직렬저항(Rs) 및 병렬저항(Rsh)의 파라미터에 따라서 실제 태양전지 패널(Panel)의 특성을 계산하고, 태양광 패널의 각 전류, 전압, 저항을 식(4) 내지 식(10)에 의하여 계산할 수 있다.
여기서,
또한, 위의 식을 바탕으로 실시간으로 전압에 따라서 전류 지령치를 식(11) 내지 식(13)을 통해서 실시간으로 계산이 가능하다.
위의 식(11) 내지 식(13)으로부터 태양전지의 출력전압, 출력전류 및 출력전력을 실시간으로 계산할 수 있다. 실시간의 계산을 위해서는 연산량이 적을수록 구현할 수 있으며, 전체 시스템의 성능을 더욱 개선시킬 수 있다.
도 2는 태양전지 셀(Cell) 모델링에 따른 출력을 나타낸다. 도 2에서는 단락전류 7[A] 개방전압을 43[V]가 설정되는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 부분음영에 의한 태양전지 어레이(Array)를 나타낸다. 태양전지 어레이(Array)는 복수의 태양전지 셀(Cell)이 직렬연결된 것이며, 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상이 발생할 수 있다.
도 4는 부분음영에 의한 태양전지 어레이(Array)의 출력특성을 나타낸다. 도 4(a)는 부분음영이 없는 경우 태양전지 어레이(Array)의 출력 전력을 나타내며, 도 4(b)는 부분음영이 있는 경우 태양전지 어레이(Array)의 출력 전력을 나타내며, 도 4(c)는 부분음영이 없는 태양전지 어레이(Array) 및 있는 태양전지 어레이(Array)가 있는 경우 출력 전력을 나타낸다.
도 4(a)에서 부분음영이 없는 경우 최대전력은 6[kW]이며, 도 4(b)에서 부분음영이 발생하는 경우 최대전력은 3.8[kW]이다. 이 둘을 합하면 최대 전력은 9.6[kW]가 출력되어야 하지만, 도 4(c)와 같이 부분음영이 없는 태양전지 어레이(Array) 및 있는 태양전지 어레이(Array)가 있는 경우 최대전력은 7.9[kW]가 된다. 따라서 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상을 해결하며, 도 4(a)에서 부분음영이 없는 경우 최대전력은 6[kW]이며, 도 4(b)에서 부분음영이 발생하는 경우 최대전력은 3.8[kW]의 합인 최대 전력이 9.6[kW]가 출력되도록 하는 새로운 제어방식이 요구되고 있다.
도 5는 Rsh와 Rs 추출을 위한 알고리즘을 나타낸다.
시작(E11)이후에 태양전지 어레이(Array)에 따른 초기값을 설정(A11)한다.
그 이후에 Idm, Io, Vdm, Rs, Rsh의 관계식(A12)에 의해서 계산을 하게 된다.
Idm은 식(9)에 의해서, Io는 식(5)에 의해서, Vdm은 식(6)에 의해서, Rs는 식(7)에 의해서 각각 계산할 수 있으며, Rsh는 다음의 식(15)에 의해서 계산할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 정확한 Rs와 Rsh 추출을 위하여 식(16)(S11) 및 식(17)(S12)과 같이 0.1% 이하로 정확하게 수렴하는 경우에 이를 출력하는 알고리즘을 제안하였다. Rs와 Rsh가 0.1%를 초과하는 경우에는 이를 각각 Rsold 및 Rshold로 입력하고 Idm, Io, Vdm, Rs, Rsh의 관계식(A12)에 의해서 다시 계산함을 통하여 정확하게 계산할 수 있다. 식(1),식(2),식(3),식(5) 및 식(12)의 전류에 관한 방정식을 참고로 하면 지수함수로 인하여 일반해를 구하기가 어렵기 때문에 도 5에서 제안하는 수치해석 기법을 통하여 더욱 빠르고 정확하게 Rsh와 Rs 추출할 수 있는 상승된 효과가 있다.
도 6은 뉴튼-랩슨(Newton-Raphson) 방법을 나타낸다. 상기 뉴튼-랩슨(Newton-Raphson) 방법은 f(x) = 0의 근을 반복법(Iterative method)으로 구하는 대표적인 방법이다. 상기 뉴튼 랩슨법은 역함수를 구할 수 없을 때 컴퓨터로 함수값을 구하는 대표적인 방법이다. 이는 일반적으로 접선 방정식의 일차함수를 바탕으로 미분해서 대입하고, 초기 값을 임의로 정해서 해를 빠르게 구하는 방법이다.
여기서
q : 1.6022 × 10-19
k : 1.38 × 10-23
T : 273 + 25
A : 1～2
식(14)에서
계속적인 뉴튼 랩슨 연산을 통해서 수렴할 때까지 Rs값을 구하고 이를 바탕으로 Iph값을 구할 수 있다. 상기에 소개된 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법을 통하여 태양전지의 출력전압, 출력전류 및 출력전력을 가장 정밀하게 계산할 수 있다. 하지만 무엇보다 정밀한 값을 얻기 위해서 수학적인 수렴을 위해서 적어도 6번 이상의 수렴과정이 필요하기에 연산량 및 연산시간이 많아지는 근본적인 문제점이 있다.
도 7은 테일러 급수(Taylor Series) 방법을 나타낸다.
상기 테일러 급수 방법은 복잡한 함수를 다루기 쉬운 다항함수로 근사화시키는 방법이며, 어떤 점(Point)에서 무한으로 미분가능한 함수를 그 점에서 미분 계수 값으로 계산할 수 있는 무한급수로 표현된다.
테일러 급수(Taylor-Series)는 어떤 함수에서 미분 가능한 한 점의 값으로 이루어진 무한의 합으로 구성된 함수이며, 이를 테일러 다항식의 극한으로 간주되기도 한다. 테일러 급수(Taylor-Series)법은 아래의 식(21)로 나타낼 수 있다.
상기 식(21)을 공식화 하면 식(22)와 같다.
상기 식(21) 및 식(22)를 통해서 테일러 급수(Taylor-Series)법으로도 태양전지의 출력전압, 출력전류 및 출력전력을 계산할 수 있다.
따라서 상기 태양전지 어레이(Array)의 출력전압, 출력전류 및 출력전력을 테일러 급수(Taylor-Series)법으로 연산하는 경우, 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법과 비교하여 더욱 빠른 시간에 연산할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 테이블(Table) 방법을 나타낸다. 상기 테이블(Table) 방법은 태양전지 어레이(Array)의 전압 및 전류의 특성을 테이블(Table)로 구성하는 것을 기술적 특징으로 하며, 태양전지의 전압의 값에 대응하는 전류의 값이 정확해야 태양전지 어레이(Array)의 특성을 정확하게 나타낼 수 있다. 상기 테이블(Table) 형식으로 구현된 태양전지 어레이(Array)의 출력특성은 무엇보다 특별한 연산과정이 없으며, 단지 테이블(Table) 상에서 전압에 대응하는 전류 값을 매칭(matching)해주면 되는 것이기 때문에, 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법 및 테일러 급수(Taylor-Series)법과 비교하여 가장 빠른 시간에 태양전지 출력을 도출 할 수 있는 기술적 특징이 있다.
다만 1가지 단점은 기본적으로 테이블(Table)에 입력되는 전압 및 전류 값이 오차가 있을 수 있으며, 온도특성에 따른 오차 등으로 인하여 실제 태양전지 어레이(Array)와 상이한 특성이 발생할 수 있는 소지가 있다.
도 9는 테이블(Table) 방법을 이용한 전류값 추출을 위한 알고리즘을 나타낸다.
완성한 테이블 데이터는 측정되는 전압 값과 데이터를 일치하는 테이블 전압 값을 찾아 이와 짝이 되는 전류 데이터를 출력하는 것이 기술적 특징이다. 하지만, 테이블 방식에서 전압 값은 전압 테이블의 정보가 정확하게 일치하지 않을 수 있으며, 테이블의 두 전압 사이에 있다면 이 두 전압과 전류의 직선의 방정식을 계산하고 이 방정식에 측정된 전압을 대입하여 전류 지령값을 추정하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 다음의 식(23) 내지 식(25)를 제안하고자 한다.
기존의 테이블(Table) 방법은 단순하게 테이블에 입력된 전압 및 전류 정보만 이용하였지만, 본 발명에서는 테이블의 두 전압 사이에 있다면 이 두 전압과 전류의 직선의 방정식을 계산하고 이 방정식에 측정된 전압을 대입하여 전류 지령값을 추정할 수 있기 때문에 더욱 정확하게 출력을 예측할 수 있는 상승된 효과가 있다.
도 10은 태양광 발전 장치에 사용되는 스위치를 나타낸다.
도 10(a)는 IGBT이며, 도 10(b)는 MOSFET이며, 도 10(c)는 양방향으로 연결된 IGBT이며, 도 10(d)는 양방향으로 연결된 MOSFET를 나타낸다. 본 발명에서 전력변환장치는 IGBT 또는 MOSFET를 사용할 수 있으며, 회로도에서 표시를 도 10(e)와 같이 표시하여 사용하였다.
도 11은 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법을 기준으로 테일러 급수(Taylor-Series)법 및 테이블 출력(Table-Output)법의 태양전지 전류 출력특성 비교한 것이다. 실제 태양전지 어레이(Array)의 특성은 가장 연산량이 많은 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법으로 계산된 태양전지 전류 출력특성이 가장 정확하며, 테일러 급수(Taylor-Series)법도 뉴튼 랩슨법과 거의 유사한 출력특성을 보인다. 하지만, 테이블(Table) 형식으로 구현된 태양전지 어레이(Array)의 전류는 뉴튼 랩슨법 및 테일러 급수법과 비교하여 약간이 오차가 있었다.
하지만, 이는 테이블(Table) 형식으로 구현된 태양전지 어레이(Array)의 출력특성에서 태양전지 어레이(Array)의 전압 및 전류의 정확도가 다소 오차가 있기 때문이며, 더욱 많은 태양전지 어레이(Array)의 전압 및 전류 정보를 테이블(Table) 값에 입력함을 통하여 상기의 오차를 극복할 수 있다.
도 12는 제안하는 태양광 발전 장치 회로도를 나타낸다.
교류(AC) 단상전원(40)을 입력전원으로 하며, 4개의 스위치(100-1,100-2,100-3,100-4)로 구성된 단상 풀브리지 컨버터(100), 2개의 스위치(200-1,200-2) 및 제1 인덕터(200-3)로 구성된 양방향 컨버터(200), 출력단 커패시터(300-2) 및 제1,2 저항(300-1,300-3)으로 구성된 출력부(300)로 구성되어 있다.
상기 단상 풀브리지 컨버터(100)는 교류(AC) 단상전원(40)을 검출하는 입력단 전압센서(43-1)로부터 입력전압을 검출하여 위상동기루프(PLL: Phase Lock Loop)(60)를 거쳐 위상을 동기시키며, 동시에 위상(θ)을 검출한다. 또한, 입력단 전류센서(43-2)로부터 입력전류(Iα)를 검출하고, 상기 위상(θ) 및 입력전류(Iα) 값은 dq 변환기(61)에 입력된다. 상기 단상 풀브리지 컨버터(100)의 출력전압은 뱅크단 전압검출부(48)에서 검출하고, 검출된 전압(Vdc)은 기준전압(Vdc’)와 비교하고, 제1 PI 제어기(62)를 통하여 d축 기준전류(I*de)를 만들어 낸다. 상기 d축 기준전류(I*de)를 제1 전류제어기(63)를 통하여 제어 기준전압(V*α)를 생성하며, 벡터(Vector) 제어기(64)를 통하여 상기 단상 풀브리지 컨버터(100)의 제1 내지 4 스위치(100-1,100-2,100-3,100-4)를 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
출력단 전류센서(57)에서 출력전류(Io)를 검출하고, 기준 출력전류(Io’)와 비교하고, 이를 제2 PI 제어기(70)를 통하여 새로운 기준 출력전류를 만들며, 상기 출력단 전압검출부(56)에서 출력전압(Vo) 및 상기 새로운 기준 출력전류를 제2 전류제어기(71)에 입력하고, 이를 비교기(72)에서 삼각파(73)와 비교하며, 신호를 그대로 전달하는 버퍼(74-1) 및 신호를 반전하여 전달하는 인버터(74-2) 및 데드타임(Dead time) 회로(75), 양방향 컨버터의 게이트 구동회로(80)를 통하여 상기 양방향 컨버터(200)의 제1,2 스위치(200-1,200-2)를 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 도 12의 출력부(300)는 출력단 커패시터(300-2) 및 상기 출력단 커패시터(300-2)와 직렬로 연결된 제1 저항(300-1), 상기 출력단 커패시터(300-2)와 병렬로 연결된 제2 저항(300-3)으로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 13은 제작된 태양광 발전 장치를 나타낸다.
상기 제작된 태양광 발전 장치에는 교류(AC)가 입력이 되면, 태양전지 어레이(PV 출력)이 발생하는 것을 특징으로 한다.
도 14 내지 도 16은 뉴튼 랩슨(Newton-Raphson)법, 테일러 급수(Taylor-Series)법 및 테이블(Table) 연산법에 대한, 연산시간을 나타내는 것이다. 상기 뉴튼 랩슨법은 65.4[usec]이며, 테일러 급수법은 8.8[usec]이며, 테이블 연산법은 7.2[usec]로서 테이블 연산법이 실질적인 계산이 없으므로 가장 연산 시간이 짧다.
무엇보다 뉴튼 랩슨법(65.4[usec])과 비교하여 테일러 급수법(8.8[usec]) 및 테이블 연산법(7.2[usec])은 1/5시간 이하로 연산 시간이 짧은 것이 가장 큰 특징이며, 테일러 급수법은 뉴튼 랩슨법과 거의 유사한 출력 특성을 가지며 비교적 짧은 8.8[usec]의 연산시간을 보이며, 테이블 연산법은 가장 빠른 7.2[usec]의 연산시간을 가지지만, 테이블에 입력된 전압 및 전류 정보가 근본적인 오차가 있을 수 있지만, 상기 도 9에서 테이블(Table) 방법을 이용한 전류값 추출을 위한 알고리즘을 적용하여 전압 값이 테이블의 두 전압 사이에 있다면, 이 두 전압과 전류의 직선의 방정식을 계산하고 이 방정식에 측정된 전압을 대입하여 전류 지령값을 추정하는 방법을 이용하여 최대한 오차를 저감시킬 수 있다.
도 17은 P&O(Perturbation and Observation) 기법 알고리즘을 나타낸다.
상기 P&O(Perturbation and Observation) 기법 알고리즘은 최대 전력점(MPPT) 기법에 가장 기초가 되는 기존의 방법이며, 최대 전력점(MPPT)에 도달할 때까지 동작 전압 또는 전류를 서서히 증가 또는 감소를 시키며 전력의 변화에 때라 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 제어 기법이다. 도 17에서 전압 지령값(Vref)을 변경하여 최대 전력점(MPPT)을 찾아가는 알고리즘이며, 전압(V)을 변경하기 전의 전력(P)과 현재의 전력을 비교하고 현재의 전력이 더 크다면 전압 지령값을 한 번 더 증가시키며, 전압(V)을 변경하기 전의 전력(P)과 현재의 전력을 비교하고 현재의 전력이 더 작다면 전전압 지령값을 한 번 더 감소시키는 알고리즘으로 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 방법이다. 상기 P&O(Perturbation and Observation) 기법 알고리즘은 매우 간단한 제어 알고리즘으로 높은 일사량 변동 및 그림자에 관한 외부요인에 약하며 초기 및 빠른 일사량 추종에 어려우며, 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상이 발생하는 경우, 이를 해결하기 하는 최대 전력점(MPPT) 추종에는 적합하지 못한 문제점이 있다.
도 18은 InCond(Incremental Conductance) 기법 알고리즘을 나타낸다.
도 18(a)는 InCond(Incremental Conductance) 기법 알고리즘을 나타내며, 도 18(b)는 InCond(Incremental Conductance) 기법에 의한 최대 전력점(MPPT) 추종방식을 나타낸다. 상기 InCond(Incremental Conductance) 기법 알고리즘에서는 기울기의 dP/dV의 기울기가 0이 되는 것을 찾아가는 방법이며, 기울기의 크기와 부호에 따라서 동작점을 유지, 증가 및 감소하는 원리로 동작시키는 것을 기술적 특징으로 한다. 상기 도 18(a)에서 dP는 현재 전력에서 이전의 전력을 뺀 값이며, dV는 현재 전압에서 이전의 전압을 뺀 값을 나타내며, dP/dV = 0이 되는 기울기를 찾는 알고리즘이다. 도 18(b)에서 기울기가 음수(-)이면 최대 전력점(MPPT)에서 오른쪽에 위치하는 것으로 판단하여 전압을 감소시키며, 기울기가 양수(+)이면 최대 전력점(MPPT)에서 왼쪽에 위치하는 것으로 판단하여 전압을 증가시키는 방법이다. 상기 InCond(Incremental Conductance) 기법은 최대 전력점(MPPT)에 도달하는 경우 이론상 dP/dV = 0이 되어서 진동이 없지만, 실제로는 완전하게 dP/dV = 0이 되지 않기 때문에 진동이 발생하는 문제점이 있다.
도 19는 LA(Linear Approximation) 기법 개념도를 나타낸다. 상기 LA(Linear Approximation) 기법은 태양전지에의 출력을 일사량에 따라서 최대 전력점 데이터의 예상치를 미리 계산하여 작성하고 저장하며, 미리 예상하여 작성된 MP(Maximum Power) 그래프와 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선을 비교하여 최대 전력점을 추종하는 기법이다. 상기 LA(Linear Approximation) 기법은 P&O(Perturbation and Observation) 기법 또는 InCond(Incremental Conductance) 기법과 비교하여 저장된 데이터를 통해 추종하는 기법이기 때문에 빠르게 최대 전력점(MPPT)에 도달할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 일사량에 관한 데이터를 기준으로 하기 때문에 바람과 온도에 따른 변화에 취약한 단점을 가지고 있다.
도 20은 본 발명에서 제안하는 Hybrid MPPT 기법 알고리즘을 나타낸다. 기존의 P&O(Perturbation and Observation) 기법, InCond(Incremental Conductance) 기법 및 LA(Linear Approximation) 기법은 모두 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상이 발생하는 경우, 최대 전력점(MPPT) 추종에는 그 적용에 한계가 있었다. 따라서 본 발명에서는 초기에는 LA(Linear Approximation) 기법을 적용하여, 부분음영 발생 여부를 검사하고, 부분음영 발생시에는 P-V Curve Scanning 기법을 적용하며, 정상 운전시에는 IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 Hybrid MPPT 기법 알고리즘의 특징은 초기에 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 태양전지 어레이의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출한 이후에 그 점에서 기울기를 계산한다. 정상적으로 태양광 발전이 출력한다면 (도 20 (b)의 점선 커브), 기울기는 0에 가까울 것이며 부분일사량 또는 외부의 영향으로 변경되는 기울기는 0이 아닌 다른 값을 가질 것이다. 기울기가 0이 아닌 다른 값을 가질 경우는 (도 20 (b)의 실선 커브), P-V Curve Scanning 기법을 실시한다. P-V Curve Scanning 기법은 개방전압 점에서 80%되는 지점에서 30%가 전압까지 변경하여 그 때의 전력을 저장하고 최대전력을 갖는 전압을 찾아 그 전압점으로 제어되도록 하는 기법이 바로 본 발명에서 제안하는 Hybrid MPPT 기법 알고리즘이다.
본 발명에서 제안하는 Hybrid MPPT 기법
(1) 초기에 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 특성곡선과 겹치는 점을 추출
(2) 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종
(3) 정상 운전시(부분음영이 발생하지 않는 경우)는 IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종
도 20(a)에서는 Hybrid MPPT 기법 알고리즘을 나타내며, 도 20(b)는 Hybrid MPPT 기법 개념도를 나타낸다. 상기 Hybrid MPPT 기법 알고리즘에서는 전압의 기울기(dV)와 전력의 기울기(dP)를 계산(A61)하며, LA(Linear Approximation) 기법(S61)을 적용하고, LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며, 아래의 식(26)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부를 판단(S63)하게 된다.
상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)이면, IncCond(Incremental Conductance) 기법(S64)를 적용하고, LA(Linear Approximation) 기법과 IncCond(Incremental Conductance) 기법에서 동작 점 전력 및 전압 차의 범위가 그 이내(S66)인지 판단한다.
상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)이 아니면, P-V Curve Scanning 기법을 적용(S65)한다. 상기 P-V Curve Scanning 기법은 개방전압(Voc)이 30% 내지 80%로서 설정하고, 기준전압(Vref)을 상승시킨다. 이를 통하여 최대 전력점(MPPT)을 찾아가는 방법이며, 그 후에는 IncCond(Incremental Conductance) 기법(S67)을 적용하고, 최종적으로 IncCond(Incremental Conductance) 기법에서 동작 점 전력 및 전압 차의 범위가 그 이내인지 판단(S68)하는 과정으로 찾아간다.
도 20(a)를 통해서 제안하는 Hybrid MPPT 기법 알고리즘에서 LA Range(S62)는 LA(Linear Approximation) 기법과 최대 전력점(MPPT)의 안정도 범위를 의미하며, Inc_Range(S66)는 LA(Linear Approximation) 기법과 IncCond(Incremental Conductance) 기법에서 동작 점 전력 및 전압 차의 범위를 의미하며, Inc_Range2(S68)는 IncCond(Incremental Conductance) 기법에서 동작 점 전력 및 전압 차의 범위를 의미한다.
도 20(b)를 통해서 제안하는 Hybrid MPPT 기법 개념은 (1) 초기에 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 특성곡선과 겹치는 점을 추출하고, (2) 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하며, (3) 정상 운전시(부분음영이 발생하지 않는 경우)는 IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 개념을 종합하여 최대 전력점(MPPT)의 다양한 기법을 이용하기 때문에 Hybrid MPPT 기법이라고 정의하였다.
도 21은 제안된 Multi-MPPT 기법 알고리즘(제1 실시예)을 나타낸다.
도 21에서는 태양전지 어레이1(PV1) 및 태양전지 어레이2(PV2)의 각 전압과 DC-Link 전압(V_DC)을 검출(A14,A15)하며, 인버터에서 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)(S21)가 오프(OFF) 상태인지 판단하며, 오프(OFF)이면, 승압형(Boost) 컨버터의 전압을 확인하며, 태양전지 어레이1(PV1)의 전압이 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 크다면 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 오프(OFF)되며, 상기 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 작으면 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON)상태를 유지하게 된다.
마찬가지로 태양전지 어레이2(PV2)의 전압이 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 크다면 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 오프(OFF)되며, 상기 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 작으면 승압형 컨버터2(Boost1_Mode)가 온(ON)상태를 유지하게 된다.
또한, 인버터에서 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)(S21)가 온(ON) 상태이면, 태양전지 어레이1(PV1)이 제2 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제2 직류전압을 DC 600[V]로 함) 이하인 경우, 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON)상태를 유지하게 된다. 또한, 태양전지 어레이2(PV2)의 전압이 제2 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제2 직류전압을 DC 600[V]로 함)보다 작으면 승압형 컨버터2(Boost1_Mode)가 온(ON)상태를 유지하게 되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 Multi-MPPT 기법 알고리즘을 정리하면,
(1) 태양전지 어레이1(PV1) 및 태양전지 어레이2(PV2)의 전압과 DC-Link 전압(V_DC)을 검출한다.
(2) 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)인지 오프(OFF)인지 판단한다.
(3) 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 오프(OFF)인 경우,
(3-1) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 > 제1 직류전압 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 오프(OFF) 동작
(3-2) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 < 제1 직류전압 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON) 동작
(3-3) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 > 제1 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 오프(OFF) 동작
(3-4) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 < 제1 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 온(ON) 동작
(4) 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)인 경우,
(4-1) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 < 제2 직류전압 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON) 동작
(4-2) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 > 제2 직류전압 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 오프(OFF) 동작
(4-3) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 < 제2 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 온(ON) 동작
(4-4) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 > 제2 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 오프(OFF) 동작
여기서, 제1 직류전압 > 제2 직류전압인 것을 본 발명의 Multi-MPPT 기법 알고리즘에서 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
도 22는 제안된 Multi-MPPT 기법 알고리즘(제2 실시예)을 나타낸다.
도 22에서는 태양전지 어레이1(PV1) 및 태양전지 어레이2(PV2)의 각 전압과 DC-Link 전압(V_DC)을 검출(A14,A15)하며, 인버터에서 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)(S21)가 오프(OFF) 상태인지 판단하며, 오프(OFF)이면, 승압형(Boost) 컨버터의 전압을 확인하며, 태양전지 어레이1(PV1)의 전압이 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 크다면 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 오프(OFF)되며, 상기 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 작으면 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON)상태를 유지하게 된다.
마찬가지로 태양전지 어레이2(PV2)의 전압이 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 크다면 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 오프(OFF)되며, 상기 제1 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제1 직류전압을 DC 620[V]로 함)보다 작으면 승압형 컨버터2(Boost1_Mode)가 온(ON)상태를 유지하게 된다.
또한, 인버터에서 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)(S21)가 온(ON) 상태이면, 태양전지 어레이1(PV1)이 제2 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제2 직류전압을 DC 600[V]로 함) 이하인 경우 또는 태양전지 어레이2(PV2)의 전력이 태양전지 어레이1(PV1)의 전력보다 제1 전력[W](본 발명의 실시예에서는 제1 전력을 100[W]로 함)보다 큰 경우(S25), 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON)상태를 유지하게 된다. 또한, 태양전지 어레이2(PV2)의 전압이 제2 직류전압(본 발명의 실시예에서는 제2 직류전압을 DC 600[V]로 함)보다 작으면 승압형 컨버터2(Boost1_Mode)가 온(ON)상태를 유지하게 되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 Multi-MPPT 기법 알고리즘을 정리하면,
(1) 태양전지 어레이1(PV1) 및 태양전지 어레이2(PV2)의 전압과 DC-Link 전압(V_DC)을 검출한다.
(2) 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)인지 오프(OFF)인지 판단한다.
(3) 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 오프(OFF)인 경우,
(3-1) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 > 제1 직류전압 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 오프(OFF) 동작
(3-2) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 < 제1 직류전압 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON) 동작
(3-3) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 > 제1 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 오프(OFF) 동작
(3-4) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 < 제1 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 온(ON) 동작
(4) 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)인 경우,
(4-1) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 < 제2 직류전압 또는
태양전지 어레이2(PV2)의 전력 - 태양전지 어레이1(PV1)의 전력 > 제1 전력
인 경우 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 온(ON) 동작
(4-2) 태양전지 어레이1(PV1)의 전압 > 제2 직류전압 또는
태양전지 어레이2(PV2)의 전력 - 태양전지 어레이1(PV1)의 전력 < 제1 전력
인 경우 : 승압형 컨버터1(Boost1_Mode)이 오프(OFF) 동작
(4-3) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 < 제2 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 온(ON) 동작
(4-4) 태양전지 어레이2(PV2)의 전압 > 제2 직류전압 : 승압형 컨버터2(Boost2_Mode)가 오프(OFF) 동작
여기서, 제1 직류전압 > 제2 직류전압인 것을 본 발명의 Multi-MPPT 기법 알고리즘에서 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
도 23은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치를 나타낸다. 도 23에서 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치는 가장 일반적인 방식이며, 태양전지 어레이(Array)(130)는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)가 모두 병렬로 연결되며, 1 대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 3상 인버터(150)로 구성되어 있다. 이 경우 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상으로 발생하는 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 것에 한계가 있다.
도 24는 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 n대로 구성된 태양광 발전 장치를 나타낸다. 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)과 제1 내지 제3 3상 인버터(150-1 내지 150-3)이 연결되어 있다. 이 경우 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상을 해소할 수 있지만, 비용이 많이 소요되는 단점이 존재한다.
도 25는 본 발명에서 제안하는 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치를 나타낸다. 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)과 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 3상 인버터(150)에 연결되는 것을 기술적 특징으로 한다. 또한, 도 20 및 도 21을 통하여 제안하는 (1)부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법(Hybrid-MPPT 기법) 및 (2)멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법(Multi-MPPT 기법)을 적용하므로 복수의 태양전지 어레이(Array)가 모두 최대 전력점(MPPT)에서 동작시키는 태양광 발전 장치를 제안하고자 한다.
도 26은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 27은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 28은 승압형 컨버터 1대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 29는 승압형 컨버터 n대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 30은 승압형 컨버터 1대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 31은 승압형 컨버터 n대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타낸다.
도 26에서는 1대의 태양전지 어레이(Array)(130)와 1대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 3상 인버터(150)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 3상 인버터(150)은 가장 일반적인 2레벨 인버터로서 상기 3상 인버터(150)의 스위칭 소자가 6개(151 내지 156)이며, 제1 내지 제3 계통연결 인덕터(157 내지 159)를 통하여 3상의 계통전원(190)을 공급하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 27에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)과 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 3상 인버터(150)에 연결되는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 28에서는 1대의 태양전지 어레이(Array)(130)와 1대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 3레벨 인버터(160)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터의 경우 1개의 레그(Lag)에 4개의 스위치가 직렬로 연결되어 있으며, 환류 다이오드가 위치하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 장점이 있다.
도 29에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)과 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 3레벨 인버터(160)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터의 경우 1개의 레그(Lag)에 4개의 스위치가 직렬로 연결되어 있으며, 환류 다이오드가 위치하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 장점이 있다.
도 30에서는 1대의 태양전지 어레이(Array)(130)와 1대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 T형 3레벨 인버터(170)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다. T형 3레벨 인버터의 경우 2레벨 인버터처럼 6개의 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제6 스위치(171 내지 176)로 구성되어 있으며, 또한, 상부 스위치(171,173,175)와 하부 스위치(172,174,176) 사이의 접점과 상측 뱅크(Bank) 커패시터(148)와 하측의 뱅크(Bank) 커패시터(149)의 접점 사이에 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제3 양방향 스위치(177 내지 179)가 배치되어 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터(160)는 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)와 6개의 다이오드로 구성되지만, 제안된 T형 3레벨 인버터(170)은 단지 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)를 사용하기에 3레벨 인버터(160)와 비교하여 6개의 다이오드 수가 저감되어 경제적이며, 동시에 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 상승된 장점이 존재한다.
도 31에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)과 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 T형 3레벨 인버터(170)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다.
T형 3레벨 인버터의 경우 2레벨 인버터처럼 6개의 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제6 스위치(171 내지 176)로 구성되어 있으며, 또한, 상부 스위치(171,173,175)와 하부 스위치(172,174,176) 사이의 접점과 상측 뱅크(Bank) 커패시터(148)와 하측의 뱅크(Bank) 커패시터(149)의 접점 사이에 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제3 양방향 스위치(177 내지 179)가 배치되어 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터(160)는 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)와 6개의 다이오드로 구성되지만, 제안된 T형 3레벨 인버터(170)은 단지 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)를 사용하기에 3레벨 인버터(160)와 비교하여 6개의 다이오드 수가 저감되어 경제적이며, 동시에 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 상승된 장점이 존재한다.
도 32는 부분일사량 별 태양광 어레이 조건을 나타낸다. 무엇보다 태양광 어레이1,2(PV1,PV2)에서 부분일사량 비율 100[%]에서는 태양전지 어레이(Array)에 음영이 없는 경우이며, 부분일사량 비율 60[%]에서는 태양전지 어레이(Array)에 40[%]의 음영을 가지는 것을 정의한 것이다.
(1) 태양광 어레이1,2(PV1,PV2)에서 부분일사량 비율 100[%] :
Imp = 9.100[A], Vmp = 653.0[V], Pmpp = 6.0[kW]
(2) 태양광 어레이1,2(PV1,PV2)에서 부분일사량 비율 90[%] :
Imp = 9.050[A], Vmp = 583.3[V], Pmpp = 5.3[kW]
(3) 태양광 어레이1,2(PV1,PV2)에서 부분일사량 비율 80[%] :
Imp = 9.230[A], Vmp = 520,0[V], Pmpp = 4.8[kW]
(4) 태양광 어레이1,2(PV1,PV2)에서 부분일사량 비율 70[%] :
Imp = 9.070[A], Vmp = 462.6[V], Pmpp = 4.2[kW]
(5) 태양광 어레이1,2(PV1,PV2)에서 부분일사량 비율 60[%] :
Imp = 9.231[A], Vmp = 390.0[V], Pmpp = 3.6[kW]
도 33은 일반 MPPT, 제안된 Hybrid-MPPT 및 제안된 Multi-MPPT의 비교 출력표를 나타낸다. 무엇보다 태양전지 어레이1(PV1)이고, 태양전지 어레이2(PV2) 조건 60%[제2 태양전지 어레이에 40%가 음영을 가짐]일 때, 일반 MPPT는 6[kW]이며, 본 발명에서 제안하는 부분일사량 고려한 Hybrid-MPPT는 7.45[kW]이며, 또한, 본 발명에서 제안하는 Multi-MPPT는 9.59[kW]이다. 즉 일반 MPPT와 비교하여 Hybrid-MPPT는 129%의 출력이 더 생성하며, 제안하는 Multi-MPPT는 160%출력이 더 생성하는 매우 향상된 효과가 있다. 따라서 일반 MPPT의 경우, 태양전지 어레이1(PV1)이고, 태양전지 어레이2(PV2)가 10[%] 이상 전력 발생량이 차이가 나는 경우 전력 발생이 적은 태양전지 어레이에서는 출력이 발생하지 못하는 단점이 있었다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 부분일사량 고려한 Hybrid-MPPT 및 Multi-MPPT는 이러한 한계를 극복하며, 상기 Multi-MPPT에서 가장 많은 출력이 발생한다.
본 발명에서는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치에 있어서, 태양광을 받아서 전기 에너지를 생성하는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3); 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3); 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)를 포함하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전압을 검출하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 오프(OFF)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제1 직류전압(VDC1)보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제2 직류전압(VDC2)보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하며; 상기 제1 직류전압(VDC1)은 상기 제2 직류전압(VDC2)과 상이(相異)한 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치에 있어서, 태양광을 받아서 전기 에너지를 생성하는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3); 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3); 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)를 포함하며; 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 특성곡선과 겹치는 점을 추출하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하며; 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3) 및 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)에서 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법에 있어서, 제1 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전압을 검출하는 단계; 제2 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 오프(OFF)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제1 직류전압(VDC1) 보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하는 단계; 제3 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제2 직류전압(VDC2)보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하는 단계를 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3) 및 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)에서 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법에 있어서, 제1 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전압을 검출하는 단계; 제2 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 오프(OFF)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제1 직류전압(VDC1) 보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하는 단계; 제3 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위한 모드(INV_MODE)가 온(ON)에서 특정(特定) 태양전지 어레이의 전압이 제2 직류전압(VDC2)보다 작은 경우, 상기 특정(特定) 태양전지 어레이와 대응되는 특정(特定) 승압형 컨버터가 동작(ON)하는 단계; 제4 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3) 중에서 특정(特定) 2개의 태양전지 어레이(130-1 및 130-2/ 130-2 및 130-3/ 130-3 및 130-1) 사이에 전력(Power)의 차이가 일정(一定) 전력보다 보다 큰 경우, 상기 특정(特定) 2개의 태양전지 어레이(130-1 및 130-2/ 130-2 및 130-3/ 130-3 및 130-1) 중에서 보다 작은 전력(Power)을 출력하는 태양전지 어레이와 대응되는 승압형 컨버터가 동작(ON)하는 단계; 상기 제1 직류전압(VDC1)은 상기 제2 직류전압(VDC2)과 상이(相異)한 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법을 제안하고자 한다.
끝으로 본 발명에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3) 및 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)에서 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법에 있어서, 제1 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 특성곡선과 겹치는 점을 추출하는 단계; 제2 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계; 제3 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계를 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법을 제안하고자 한다.
본 발명은 이 분야의 통상의 지식을 가진자가 다양한 변형에 의하여 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치 및 방법에 적용시킬 수 있으며, 기술적으로 용이하게 변형시키는 기술의 범주도 본 특허의 권리범위에 속하는 것으로 인정해야 할 것이다.
10 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 정전류원
11 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 다이오드
12 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 병렬저항
13 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 직렬저항
40 : 교류(AC) 단상전원
41 : 입력단 필터 커패시터
42 : 입력단 필터 인덕터
43-1 : 입력단 전압센서
43-2 : 입력단 전류센서
48 : 뱅크단 전압검출부
49 : 뱅크(Bank) 커패시터
56 : 출력단 전압검출부
57 : 출력단 전류센서
60 : 위상동기루프(PLL: Phase Lock Loop)
61 : dq 변환기
62 : 제1 PI 제어기
63 : 제1 전류제어기
64 : 벡터(Vector) 제어기
65 : 풀브리지 컨버터의 게이트 구동회로
70 : 제2 PI 제어기
71 : 제2 전류제어기
72 : 비교기
73 : 삼각파
74 : 버퍼(Buffer) 및 인버터(Inverter)
74-1 : 버퍼(Buffer)
74-2 : 인버터(Inverter)
75 : 데드타임(Dead time) 회로
80 : 양방향 컨버터의 게이트 구동회로
100 : 단상 풀브리지 컨버터
100-1 : 단상 풀브리지 컨버터의 제1 스위치
100-2 : 단상 풀브리지 컨버터의 제2 스위치
100-3 : 단상 풀브리지 컨버터의 제3 스위치
100-4 : 단상 풀브리지 컨버터의 제4 스위치
130 : 태양전지 어레이(Array)
130-1 : 제1 태양전지 어레이(Array)
130-2 : 제2 태양전지 어레이(Array)
130-3 : 제3 태양전지 어레이(Array)
140 : 승압형 컨버터
140-1 : 제1 승압형 컨버터
140-2 : 제2 승압형 컨버터
140-3 : 제3 승압형 컨버터
141 : 입력단 커패시터
141-1 : 제1 입력단 커패시터
141-2 : 제2 입력단 커패시터
141-3 : 제3 입력단 커패시터
142 : 승압 인덕터
142-1 : 제1 승압 인덕터
142-2 : 제2 승압 인덕터
142-3 : 제3 승압 인덕터
143 : 승압형 컨버터의 주 스위치
143-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 스위치
143-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 스위치
143-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 스위치
144 : 승압형 컨버터의 주 다이오드
144-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 다이오드
144-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 다이오드
144-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 다이오드
145 : 출력단 커패시터
145-1 : 제1 출력단 커패시터
145-2 : 제2 출력단 커패시터
145-3 : 제3 출력단 커패시터
147 : 뱅크(Bank) 커패시터
148 : 상측 뱅크(Bank) 커패시터
149 : 하측 뱅크(Bank) 커패시터
150 : 3상 인버터
150-1 : 제1 3상 인버터
150-2 : 제2 3상 인버터
150-3 : 제3 3상 인버터
151 : 3상 인버터의 제1 스위치
152 : 3상 인버터의 제2 스위치
153 : 3상 인버터의 제3 스위치
154 : 3상 인버터의 제4 스위치
155 : 3상 인버터의 제5 스위치
156 : 3상 인버터의 제6 스위치
157 : 제1 계통연결 인덕터
158 : 제2 계통연결 인덕터
159 : 제3 계통연결 인덕터
160 : 3레벨 인버터
161 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그
161-1 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제1 스위치
161-2 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제2 스위치
161-3 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제3 스위치
161-4 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제4 스위치
162 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그
162-1 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제1 스위치
162-2 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제2 스위치
162-3 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제3 스위치
162-4 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제4 스위치
163 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그
163-1 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제1 스위치
163-2 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제2 스위치
163-3 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제3 스위치
163-4 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제4 스위치
164 : 제1 스위치 레그의 환류 다이오드
164-1 : 제1 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
164-2 : 제1 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
165 : 제2 스위치 레그의 환류 다이오드
165-1 : 제2 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
165-2 : 제2 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
166 : 제3 스위치 레그의 환류 다이오드
166-1 : 제3 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
166-2 : 제3 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
170 : T형 3레벨 인버터
171 : T형 3레벨 인버터의 제1 스위치
172 : T형 3레벨 인버터의 제2 스위치
173 : T형 3레벨 인버터의 제3 스위치
174 : T형 3레벨 인버터의 제4 스위치
175 : T형 3레벨 인버터의 제5 스위치
176 : T형 3레벨 인버터의 제6 스위치
177 : T형 3레벨 인버터의 제1 양방향 스위치
178 : T형 3레벨 인버터의 제2 양방향 스위치
179 : T형 3레벨 인버터의 제3 양방향 스위치
190 : 계통전원
191 : 계통의 a상
192 : 계통의 b상
193 : 계통의 c상
200 : 양방향 컨버터
200-1 : 양방향 컨버터의 제1 스위치
200-2 : 양방향 컨버터의 제2 스위치
200-3 : 양방향 컨버터의 제1 인덕터
300 : 출력부
300-1 : 제1 저항
300-2 : 출력단 커패시터
300-3 : 제2 저항
11 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 다이오드
12 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 병렬저항
13 : 태양전지 셀(Cell)의 등가 직렬저항
40 : 교류(AC) 단상전원
41 : 입력단 필터 커패시터
42 : 입력단 필터 인덕터
43-1 : 입력단 전압센서
43-2 : 입력단 전류센서
48 : 뱅크단 전압검출부
49 : 뱅크(Bank) 커패시터
56 : 출력단 전압검출부
57 : 출력단 전류센서
60 : 위상동기루프(PLL: Phase Lock Loop)
61 : dq 변환기
62 : 제1 PI 제어기
63 : 제1 전류제어기
64 : 벡터(Vector) 제어기
65 : 풀브리지 컨버터의 게이트 구동회로
70 : 제2 PI 제어기
71 : 제2 전류제어기
72 : 비교기
73 : 삼각파
74 : 버퍼(Buffer) 및 인버터(Inverter)
74-1 : 버퍼(Buffer)
74-2 : 인버터(Inverter)
75 : 데드타임(Dead time) 회로
80 : 양방향 컨버터의 게이트 구동회로
100 : 단상 풀브리지 컨버터
100-1 : 단상 풀브리지 컨버터의 제1 스위치
100-2 : 단상 풀브리지 컨버터의 제2 스위치
100-3 : 단상 풀브리지 컨버터의 제3 스위치
100-4 : 단상 풀브리지 컨버터의 제4 스위치
130 : 태양전지 어레이(Array)
130-1 : 제1 태양전지 어레이(Array)
130-2 : 제2 태양전지 어레이(Array)
130-3 : 제3 태양전지 어레이(Array)
140 : 승압형 컨버터
140-1 : 제1 승압형 컨버터
140-2 : 제2 승압형 컨버터
140-3 : 제3 승압형 컨버터
141 : 입력단 커패시터
141-1 : 제1 입력단 커패시터
141-2 : 제2 입력단 커패시터
141-3 : 제3 입력단 커패시터
142 : 승압 인덕터
142-1 : 제1 승압 인덕터
142-2 : 제2 승압 인덕터
142-3 : 제3 승압 인덕터
143 : 승압형 컨버터의 주 스위치
143-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 스위치
143-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 스위치
143-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 스위치
144 : 승압형 컨버터의 주 다이오드
144-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 다이오드
144-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 다이오드
144-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 다이오드
145 : 출력단 커패시터
145-1 : 제1 출력단 커패시터
145-2 : 제2 출력단 커패시터
145-3 : 제3 출력단 커패시터
147 : 뱅크(Bank) 커패시터
148 : 상측 뱅크(Bank) 커패시터
149 : 하측 뱅크(Bank) 커패시터
150 : 3상 인버터
150-1 : 제1 3상 인버터
150-2 : 제2 3상 인버터
150-3 : 제3 3상 인버터
151 : 3상 인버터의 제1 스위치
152 : 3상 인버터의 제2 스위치
153 : 3상 인버터의 제3 스위치
154 : 3상 인버터의 제4 스위치
155 : 3상 인버터의 제5 스위치
156 : 3상 인버터의 제6 스위치
157 : 제1 계통연결 인덕터
158 : 제2 계통연결 인덕터
159 : 제3 계통연결 인덕터
160 : 3레벨 인버터
161 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그
161-1 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제1 스위치
161-2 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제2 스위치
161-3 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제3 스위치
161-4 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제4 스위치
162 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그
162-1 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제1 스위치
162-2 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제2 스위치
162-3 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제3 스위치
162-4 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제4 스위치
163 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그
163-1 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제1 스위치
163-2 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제2 스위치
163-3 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제3 스위치
163-4 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제4 스위치
164 : 제1 스위치 레그의 환류 다이오드
164-1 : 제1 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
164-2 : 제1 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
165 : 제2 스위치 레그의 환류 다이오드
165-1 : 제2 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
165-2 : 제2 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
166 : 제3 스위치 레그의 환류 다이오드
166-1 : 제3 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
166-2 : 제3 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
170 : T형 3레벨 인버터
171 : T형 3레벨 인버터의 제1 스위치
172 : T형 3레벨 인버터의 제2 스위치
173 : T형 3레벨 인버터의 제3 스위치
174 : T형 3레벨 인버터의 제4 스위치
175 : T형 3레벨 인버터의 제5 스위치
176 : T형 3레벨 인버터의 제6 스위치
177 : T형 3레벨 인버터의 제1 양방향 스위치
178 : T형 3레벨 인버터의 제2 양방향 스위치
179 : T형 3레벨 인버터의 제3 양방향 스위치
190 : 계통전원
191 : 계통의 a상
192 : 계통의 b상
193 : 계통의 c상
200 : 양방향 컨버터
200-1 : 양방향 컨버터의 제1 스위치
200-2 : 양방향 컨버터의 제2 스위치
200-3 : 양방향 컨버터의 제1 인덕터
300 : 출력부
300-1 : 제1 저항
300-2 : 출력단 커패시터
300-3 : 제2 저항
Claims (9)
- 삭제
- 삭제
- 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치에 있어서,
태양광을 받아서 전기 에너지를 생성하는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3);
상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3);
상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)를 포함하며;
상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출하며;
상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하며;
상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 것을 특징으로 하며,
상기 LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며;
상기 부분음영이 발생 여부는, 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부로 판단하되, 상기 0(Zero)에 근사 여부는, 상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 미리 정해진 오차범위 내에서 0(Zero)에 수렴한 경우인 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치 - 삭제
- 삭제
- 청구항 제3항에 있어서,
상기 3상 인버터(150)는 2레벨 인버터, 3레벨 인버터 및 T형(T Type) 3레벨 인버터 중에서 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 장치 - 삭제
- 삭제
- 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)와 각각 연결된 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3) 및 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)의 출력을 공급받아 계통전원(190)을 생성시키는 3상 인버터(150)에서 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법에 있어서,
- 제1 단계 : 상기 최대 전력점(MPPT) 추종을 위하여 LA(Linear Approximation) 기법을 사용하여 미리 예상하여 작성된 MPP(Maximum Power Point) 그래프가 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 현재 출력되는 전력에 따른 P-V 특성곡선과 겹치는 점을 추출하는 단계;
- 제2 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영 발생시 P-V Curve Scanning 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계;
- 제3 단계 : 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)에서 부분음영이 발생하지 않는 경우, IncCond(Incremental Conductance) 기법을 적용하여 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 단계를 특징으로 하며,
상기 LA(Linear Approximation) 기법의 안정도 범위를 판단하며;
상기 부분음영이 발생 여부는, 상기 제1 내지 제3 태양전지 어레이(130-1 내지 130-3)의 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 0(Zero)에 근사한지 여부로 판단하되, 상기 0(Zero)에 근사 여부는, 상기 전력의 기울기(dP)를 전압의 기울기(dV)로 나눈 절대값이 미리 정해진 오차범위 내에서 0(Zero)에 수렴한 경우인 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종을 위한 태양광 발전 방법
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