KR102307646B1 - 태양광 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 일사량 변화와 PV 패널 출력 전력 간의 비례 관계에 따라 전력 변환 동작을 제어하는 태양광 발전 장치가 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 복수의 태양광 패널을 갖는 패널부, 상기 패널부의 상기 복수의 태양광 패널 각각의 패널 출력 전력을 사전에 설정된 출력 전력으로 변환하는 전력 변환부, 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력과 검출된 일사량 변화간의 비례 여부에 따라 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 메인 제어부를 포함할 수 있다.

Description

태양광 발전 장치{APPARATUS FOR PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION}
본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 패널이 복수개 구비되는 경우 각 태양광 패널을 직렬연결하여 사용하게 된다. 이러한 태양광 패널에 그림자가 지거나 일사량을 균일하게 받지 못하게 되면 각 패널들의 특성이 불균일하게 된다. 이러한 현상은 각 패널의 최대 전력점에서의 전류가 달라지게 되어, 태양광 패널이 직렬 연결이 되어있을 경우 전력손실을 유발하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 태양광 패널을 개별 제어하는 컨버터를 사용하여 각 패널이 최대 전력점에서 동작할 수 있도록 한다. 이러한 컨버터를 전체 전력 조절 (Full Power Processing; FPP) 컨버터라 하며, FPP 컨버터는 각 태양광 패널에서 발생하는 전체 전력을 처리한다.
그러나, 상술한 바와 같이 전체 전력을 처리할 경우, 컨버터에 의한 전력 손실이 크기 때문에, 차동 전력 조절(Differential Power Processing; DPP) 컨버터가 채용될 수 있는데, n개의 패널로 이루어진 시스템에서는 DPP 컨버터의 승압비는 n배가 되어야 하며, 배선 또한 복잡해서, 시스템 규모가 큰 경우에도 DPP 동작을 할 수 있는 전력 변환 장치가 필요하다.
또한, PV 패널에 부분 음영이 발생하는 경우 및 그렇지 않은 경우에도 필요한 전력을 제공할 수 있는 전력 변환 장치가 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1615747호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일사량 변화와 PV 패널 출력 전력 간의 비례 관계에 따라 전력 변환 동작을 제어하는 태양광 발전 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 복수의 태양광 패널을 갖는 패널부, 상기 패널부의 상기 복수의 태양광 패널 각각의 패널 출력 전력을 사전에 설정된 출력 전력으로 변환하는 전력 변환부, 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력과 검출된 일사량 변화간의 비례 여부에 따라 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 메인 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 부분 음영 발생 여부에 영향없이 태양광 패널의 출력을 유지시킬 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 동작을 나타내는 플로우챠트이다.
도 3a 및 도 3b는 부분 음영의 발생 여부에 따른 일사량 변화와 태양광 패널 출력간의 비례 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전력 변환부의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전력 변환부의 전압 밸런싱 동작을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전력 변환부의 최대 전력점 추종 동작을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 8은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치 간의 출력을 비교한 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 패널부(110), 전력 변환부(120) 및 메인 제어부(130)를 포함할 수 있다.
패널부(110)는 직렬 연결된 복수의 태양광 패널(PV1,PV2,PV3,PV4)을 포함할 수 있다. 복수의 태양광 패널(PV1,PV2,PV3,PV4)의 개수는 네개로 도시되어 있으나, 이보다 적거나 많을 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
전력 변환부(120)는 복수의 태양광 패널(PV1,PV2,PV3,PV4)의 각 패널 출력 전력을 사전에 설정된 출력 전력으로 변환할 수 있다.
메인 제어부(130)는 복수의 태양광 패널(PV1,PV2,PV3,PV4)의 패널 출력 전력과 검출된 일사량 변화간의 비례 여부에 따라 전력 변환부(120)의 동작을 제어할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 부분 음영의 발생 여부에 따른 일사량 변화와 태양광 패널 출력간의 비례 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 태양광 패널의 패널 출력 전력은 일사량에 의해 결정되는데, 직렬로 연결된 전체 태양광 패널이 균일한 일사량을 받는 경우에는 일사량에 변화에 비례하여 태양광 패널의 패널 출력 전력이 변한다.
이에 대비하여, 도 3b를 참조하면, 태양광 패널에 부분음영이 발생한 경우에는 태양광 패널의 패널 출력 전력의 변화량이 일사량의 변화에 비례하지 않는 것을 볼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 개략적인 동작을 나타내는 플로우챠트이다.
도 1과 함께, 도 2를 참조하면, 메인 제어부(130)는 기상반에 의해 측정된 일사량(Irr)과 전력 변환부(120)를 통해 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4) 각각의 패널 출력 전력(P)을 측정할 수 있다(S100). 일정시간을 기다린 후(S200), 일사량(Irr_new)과 전력(P_new)을 재측정하여(S300) 변화량(△P, △Irr)을 계산한다(S400). 이때, 단위시간(△t)당 일사량의 변화량(△Irr/△t)의 일정 비율(A)을 기준값으로 설정하여, 단위시간당 전력변화량(△P/△t)이 상기 기준값 이상이면(S500) 태양광 패널에 일사량이 균일하게 들어오거나 음영의 영역이 적은 경우이므로 전력 변환부(120)가 동작하지 않도록 제어할 수 있다(S600). 반대로, 단위시간당 전력변화량이 상기 기준값 미만인 경우에는(S500) 부분음영으로 인한 성능저하현상으로 판단하여 전력 변환부(120)를 동작하도록 할 수 있다(S700). 예를 들어, 상기 기준값은 일사량의 변화량(△Irr/△t)의 70% 내지 90%의 범위 중의 값으로 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전력 변환부의 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치(100)의 전력 변환부(120)는 복수의 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4) 각각의 전력 변환 동작을 제어하는 복수의 컨버터를 갖는 컨버터부(122) 및 각 컨버터의 동작을 제어하는 제어부(121)를 포함할 수 있다.
제어부(121)는 전압 밸런싱부(121a) 및 최대 전력점 추종부(121b)를 포함할 수 있다.
컨버터부(122)의 각 컨버터들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 각 컨버터(DPP1, DPP2, DPP3, DPP4)는 차동 전력 조절(Differential Power Processing; DPP) 컨버터일 수 있다.
컨버터부(122)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 패널들은 각각 컨버터와 연결되며, 각 컨버터는 양방향이고 동작 시 입력과 출력사이에 전기적 절연되어 있어야 한다. 컨버터의 한쪽은 태양광 패널의 양극과 음극에 연결되고 다른 한쪽에는 복수의 태양광 패널의 전압 합인 모듈 전압 버스의 양극과 음극에 연결될 수 있다.
상기 컨버터는 양방향 플라이백 컨버터일 수 있으며, 양방향이며 전기적 절연이 적용된 다양한 직류-직류 컨버터도 사용 가능하다.
제어부(121)는 태양광 패널(PV1, PV2, PV3, PV4)의 전압(SS1, SS2, SS3, SS4)을 검출하여 해당 컨버터(DPP1, DPP2, DPP3, DPP4)에 제어 신호(S1, S2, S3, S4)를 제공하여 컨버터의 기준 전류 값을 제어할 수 있다.
제어부(121)는 각 태양광 패널의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하고 각 태양광 패널이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어할 수 있다.
제어부(121)의 전압 밸런싱부(121a)는 각 태양광 패널의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지할 수 있고, 최대 전력점 추종부(121b)는 각 태양광 패널이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어할 수 있다.
상기 복수의 태양광 패널 및 상기 복수의 컨버터는 태양광 모듈을 구성할 수 있고, 복수의 태양광 모듈은 서로 전기적으로 연결되어 하나의 태양광 모듈 열(string)을 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 전력 변환부의 전압 밸런싱 동작을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 4와 함께, 도 5를 참조하면, 전압 밸런싱부(121a)는 컨버터의 1차측 전류를 제어할 수 있다.
즉, 1차측 전류의 제어 값 (Iref) 이 양수일 경우 컨버터는 순방향 (PV단에서 bus 단)으로 흐르며, 음수일 경우 역방향 (bus단에서 PV단)으로 흐른다. 제어전류 값이 0일 경우 컨버터의 동작은 정지된다.
전압 밸런싱부(121a)는 각 태양광 패널의 전압을 측정하여 모든 전압이 허용범위 안으로 들어올 수 있도록 한다.
보다 상세하게는, 태양광 패널은 전류가 커지면 전압이 작아지는 특성이 있기 때문에 이를 이용하여 전압 밸런싱을 할 수 있다. 전압 밸런싱부(121a)는 각 태양광 패널의 전압을 측정하여(S11), 만약 각 전압들이 허용범위안에 있지 않다면 가장 높은 전압을 가진 태양광 패널을 식별하여 해당 패널에 연결된 컨버터의 전류를 증가시키고, 가장 낮은 전압을 가지는 패널에 연결된 컨버터의 전류를 감소시켜 모든 전압의 차이가 허용범위안으로 들어올 수 있도록 한다(S12,S13).
전압 밸런싱으로 전압을 일정 범위안으로 모으게 되면 각 태양광 패널은 최대전력점 근처에 도달하게 된다. 상술한 바와 같이, 전압 밸런싱이 수행된 후에 최대 전력점 추종부(121b)가 동작하게 된다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 최대 전력점 추종 동작을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 최대 전력점 추종부(121b)는 먼저 태양광 패널의 전류와 전압측정을 통해 각 태양광 패널의 전력을 측정한다(S21,S22, S31,S32). 컨버터(DPP)의 1차측 제어 전류 값을 정해진 변화량만큼 변화시킨 후 전체 전력을 측정하여 이전의 전체 전력과 비교한다. 만약 이전의 전체전력보다 감소하였다면 해당 제어 전류의 방향을 바꾸고, 이전의 전류 값으로 되돌린다(S23,S24,S25,S26, S33,S34,S34,S36). 각 컨버터의 동작은 서로 유기적이기 때문에 동시에 최대 전력점 추종 제어를 하기 어렵다. 그렇기 때문에 각 컨버터의 1차측 제어 전류값를 순차적으로 변화시켜 최대의 전력값을 찾아갈 수 있도록 한다. 만약 컨버터의 개수가 4개로 구성된 시스템일 경우, 네번째 컨버터의 알고리즘이 수행된 이후 다시 첫번째 컨버터의 알고리즘을 수행하게 된다(S27,S28,S29, S37,S38,S39).
다음과 같이 전체 전력을 비교하는 최대 전력점 추종부(121b)의 경우, 각 태양광 패널의 전력을 측정하기 위해 각 패널의 전압과 전류를 측정하는 센서와 컨버터를 제어하기 위해 컨버터의 1차측 전류를 측정하는 센서가 요구된다. 이렇게 될 경우 n개의 태양광 패널로 이루어진 시스템의 경우, 3n개의 센서가 필요하게 된다. 시스템에 사용되는 센서의 개수가 많아질수록 제어기의 계산 시간이 길어지며 센서가 소비하는 전력량이 커지게 된다.
이를 해결하기 위해 두가지 방법을 제시할 수 있다. 첫번째 방안으로는 도 6에 도시된 바와 같이, 태양광 패널의 전류를 직접 측정하는 것이 아니라, 컨버터의 1차측 전류(Idpp,k)와 서브스트링(Iss) 전류를 측정하는 것으로 패널의 전류(Ipv,k)를 측정하는 것이다. 즉, 패널의 전류(Ipv,k)는 컨버터의 1차측 전류(Idpp,k)와 서브스트링 전류(Iss)의 합으로 나타낼 수 있다. (Ipv,k = Idpp,k + Iss) 이러한 방식을 사용할 경우 필요한 센서는 각 패널의 전압센서와 DPP 컨버터의 1차측 전류센서 그리고 서브스트링 전류로, 2n+1개의 센서가 요구된다. 하지만 1차측 전류의 경우 기본적으로 전류리플을 포함하고 있어 태양광 패널의 전압을 계산할 때, 리플성분이 포함되기 때문에 averaging 함수가 추가적으로 필요하여 제어가 복잡해지고 측정이 부정확한 문제가 있다.
컨버터의 스트링 전류는 스트링 레벨의 최대 전력점 추종알고리즘을 가진 계통연계형 인버터와 같은 외부 부하에 의해 결정된다. 이 때문에, 최대가 되는 전력점은 n개의 태양광 패널의 전압의 합이 최대가 되는 전압점이 된다. 그렇기 때문에 두번째 방안으로 도 7과 같이 최대 전력점 추종부(121b)는 패널의 전체 전압을 비교할 수 있다. 이와 같이 전체 전압을 비교하는 경우, 태양광 패널의 전압을 측정하는 센서와 컨버터의 1차측 전류를 측정하는 센서가 필요하게 되며, n개의 태양광 패널로 이루어진 시스템에서 2n개의 센서가 요구된다.
도 8은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치 간의 출력을 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 부분 음영에 따라 전력 변환부의 동작을 제어하지 않는 종래와 대비하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 출력이 향상되는 것을 볼 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
110: 패널부
120: 전력 변환부
121: 제어부
121a: 전압 밸런싱부
121b: 최대전력점 측정부
122: 컨버터부
130: 메인 제어부

Claims (11)

  1. 복수의 태양광 패널을 갖는 패널부;
    상기 패널부의 상기 복수의 태양광 패널 각각의 패널 출력 전력을 사전에 설정된 출력 전력으로 변환하는 전력 변환부; 및
    복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력과 검출된 일사량 변화간의 비례 여부에 따라 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 메인 제어부를 포함하고,
    상기 메인 제어부는 사전에 설정된 단위 시간당 상기 일사량의 변화량의 일정 비율을 기준값으로 설정하여, 상기 단위 시간당 상기 패널 출력 전력의 전력 변화량이 상기 기준값 이상이면 일사량이 균일하게 들어오거나 음영의 영역이 적은 경우로 판단하여 상기 전력 변환부가 동작하지 않도록 제어하고, 상기 기준값 미만이면 부분음영으로 인한 성능저하현상으로 판단하여 상기 전력 변환부를 동작시키는 태양광 발전 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어부는 상기 기준값을 일사량의 변화량의 70% 내지 90%의 범위 중의 값으로 설정하는 태양광 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는
    상기 복수의 태양광 패널에 각각 연결되어 해당 태양광 패널의 전력 변환 동작하도록 제어하는 복수의 컨버터;
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하고 각 태양광 패널이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 제어부
    를 포함하는 태양광 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하는 전압 밸런싱부; 및
    상기 복수의 태양광 패널 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 최대 전력점 추종부
    를 포함하는 태양광 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 밸런싱부는 상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압 중 가장 높은 전압값을 갖는 태양광 패널의 컨버터의 기준 전류값을 증가시키고, 가장 낮은 전압값을 갖는 태양광 패널의 컨버터의 기준 전류값을 감소시켜 전압 밸런싱을 유지하는 태양광 발전 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 최대 전력점 추종부는 상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전류를 검출하여 상기 복수의 태양광 패널의 전체 패널 출력 전력 또는 전체 전압 값을 계산하여 상기 복수의 태양광 패널 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 태양광 발전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최대 전력점 추종부는 상기 복수의 태양광 패널의 전체 전력값이 감소하면, 컨버터의 전류의 전달 방향을 반대로 변경하는 태양광 발전 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 최대 전력점 추종부는 상기 복수의 태양광 패널의 전체 전압값이 감소하면, 컨버터의 전류의 전달 방향을 반대로 변경하는 태양광 발전 장치.

  10. 복수의 태양광 패널을 갖는 패널부;
    상기 패널부의 상기 복수의 태양광 패널 각각의 패널 출력 전력을 사전에 설정된 출력 전력으로 변환하는 전력 변환부; 및
    복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력과 검출된 일사량 변화간의 비례 여부에 따라 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 메인 제어부를 포함하고,
    상기 전력 변환부는
    상기 복수의 태양광 패널에 각각 연결되어 해당 태양광 패널의 전력 변환 동작하도록 제어하는 복수의 컨버터;
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하고 각 태양광 패널이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하는 전압 밸런싱부; 및
    상기 복수의 태양광 패널 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 최대 전력점 추종부를 포함하고,
    상기 최대 전력점 추종부는
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전류를 검출하여 상기 복수의 태양광 패널의 전체 패널 출력 전력 또는 전체 전압 값을 계산하여 상기 복수의 태양광 패널 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하며, 상기 복수의 태양광 패널의 전체 전력값이 감소하면, 컨버터의 전류의 전달 방향을 반대로 변경하는 태양광 발전 장치.
  11. 복수의 태양광 패널을 갖는 패널부;
    상기 패널부의 상기 복수의 태양광 패널 각각의 패널 출력 전력을 사전에 설정된 출력 전력으로 변환하는 전력 변환부; 및
    복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력과 검출된 일사량 변화간의 비례 여부에 따라 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 메인 제어부를 포함하고,
    상기 전력 변환부는
    상기 복수의 태양광 패널에 각각 연결되어 해당 태양광 패널의 전력 변환 동작하도록 제어하는 복수의 컨버터;
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하고 각 태양광 패널이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전압에 따라 해당 태양광 모듈의 컨버터의 동작을 제어하여 전압 밸런싱을 유지하는 전압 밸런싱부; 및
    상기 복수의 태양광 패널 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하는 최대 전력점 추종부를 포함하고,
    상기 최대 전력점 추종부는
    상기 복수의 태양광 패널의 패널 출력 전력의 전류를 검출하여 상기 복수의 태양광 패널의 전체 패널 출력 전력 또는 전체 전압 값을 계산하여 상기 복수의 태양광 패널 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 해당 컨버터를 제어하며, 상기 복수의 태양광 패널의 전체 전압값이 감소하면, 컨버터의 전류의 전달 방향을 반대로 변경하는 태양광 발전 장치.
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