KR102351616B1 - 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템을 제공한다. 일부 예들에서, 본 발명은 다수의 태양광 모듈을 갖는 다수의 스트링; 다수의 스트링이 병렬 연결된 접속반; 및 접속반에 연결되어 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 가능한 인버터를 포함하고, 다수의 스트링 내의 태양광 모듈은 각각 MPPT 제어 가능한 마이크로 컨버터를 내장하고, 마이크로 컨버터는 제어부 및 컨버터를 포함하되, 제어부는 태양광 모듈의 전압 및 전류를 센싱하여 전력을 계산하고, 전력의 시간당 기울기를 참조하여 일사량의 급변 여부를 추정하고, 일사량이 급변되지 않은 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터를 바이패스하여 인버터가 MPPT 제어를 수행하도록 하고, 일사량이 급변된 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터에 의해 MPPT 제어되도록 하는, 태양광 발전 시스템을 제공한다.

Description

무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템{Solar power generation system with micro converter with lossless bypass function}
본 발명의 실시예는 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
화석 연료의 고갈 문제와 화석 연료의 사용으로 인한 지구 온난화 문제 등으로 대체 에너지 개발 및 보급이 시급한 실정이어서 정부는 국내에서 소비하는 에너지 중 대체 에너지의 비중을 점차 확대하는 정책을 추진하고 있다.
오늘날 대체 에너지 가운데 가장 친환경적이고 무한한 에너지원으로서 태양광으로부터 직접 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전 시스템이 각광을 받고 있으며, 정부의 지원으로 보급이 급속히 확대되고 있다.
이러한, 태양광 발전 시스템은 태양광으로부터 전기에너지를 얻는 다수의 태양광 모듈로 구성되어 있으며, 다수의 태양광 모듈을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 필요로 하는 전력을 얻고 있다. 태양광 발전시스템은 일반적으로 전류 용량을 크게 하기 위해서 태양광 모듈을 병렬로 연결하고, 전압을 크게 하기 위해서 직렬로 연결하여 사용한다.
한편, 이러한 태양광 발전 시스템은 발전 효율을 높이기 위해서, 태양광 모듈로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록 하는 제어가 필요하다. 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 간단히 MPPT라고도 함) 제어는 태양광 모듈(즉, 태양광을 입사 받아 전압 및 전류를 출력하는 모듈. 예를 들어, 태양전지 어레이)을 제어하여 동작점이 최대 전력점을 추종하도록 동작시키기 위한 제어 기법이다.
여기서, 대부분의 인버터가 갖는 MPPT 효율은 대략 99% 이상이며, 이는 일사량 변화가 없는 정상 상태일때 효율로, 일사량 변화 등에 따른 부분 음영이 발생한 경우 MPPT 효율은 급격히 떨어진다. 특히, 부분 음영에 의한 태양광 모듈간 편차는 인버터의 MPPT로는 제어하지 못한다. 즉, 인버터는 전체 시스템의 합으로 MPPT를 수행하므로 부분 음영시 각 모듈간 Vmp 점이 다르기 때문이다. 따라서, 종래에는 이러한 부분 음영 발생시 효율 개선을 위해 태양광 모듈마다 마이크로 컨버터를 설치하여 기존 태양광 발전 시스템의 문제를 해결하였다.
그런데, 이러한 태양광 발전 시스템은 마이크로 컨버터 동작에 의한 손실과, 인버터의 내부 컨버터 동작에 의한 손실이 이중으로 발생하는 새로운 문제가 발생하였다. 즉, 일사량의 급변이 없는 경우에도 마이크로 컨버터는 동작하므로 불필요한 손실 발생하였고, 오히려 국내의 경우 일사량 급변보다 급변하지 않는 시간이 많아 마이크로 컨버터의 설치 시 전체 발전량의 손실을 초래하는 문제가 있었다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 부분 음영이 없는 경우 인버터의 MPPT 효율은 99% 이상이므로 마이크로 컨버터를 무손실 바이패스 모드로 운전하는 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 마이크로 컨버터가 일사량 변화에 따른 부분 음영에 대하여 인버터가 제어하지 못하는 영역에서만 MPPT 제어를 하고, 부분 음영이 사라진 후에는 바이패스 모드로 동작하여 인버터가 MPPT를 수행하는 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 마이크로 컨버터가 태양광 모듈의 전압, 전류에 의한 발전 전력을 계측하고, 발전 전력의 기울기가 설정값 이상인 경우 일사량 급변(부분 음영)이 발생 한 것으로 판단하고, 반대로 설정값 이내 범위로 기울기가 낮아지고, 이 기울기가 설정된 시간 이상인 경우 부분 음영이 사라진 것으로 판단하여, 마이크로 컨버터가 바이패스 모드로 동작하는 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템은 다수의 태양광 모듈을 갖는 다수의 스트링; 다수의 스트링이 병렬 연결된 접속반; 및 접속반에 연결되어 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 가능한 인버터를 포함하고, 다수의 스트링 내의 태양광 모듈은 각각 MPPT 제어 가능한 마이크로 컨버터를 내장하고, 마이크로 컨버터는 제어부 및 컨버터를 포함하되, 제어부는 태양광 모듈의 전압 및 전류를 센싱하여 전력을 계산하고, 전력의 시간당 기울기를 참조하여 일사량의 급변 여부를 추정하고, 일사량이 급변되지 않은 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터를 바이패스하여 인버터가 MPPT 제어를 수행하도록 하고, 일사량이 급변된 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터에 의해 MPPT 제어되도록 하되, 컨버터는 태양광 모듈의 양극 단자에 직렬 연결된 제1스위치, 제1스위치에 직렬 연결된 인덕터, 인덕터에 직렬 연결된 제1다이오드, 제1스위치와 인덕터 사이의 노드와 태양광 모듈의 음극 단자에 병렬 연결된 제2다이오드, 인덕터와 제1다이오드 사이의 노드와 태양광 모듈의 음극 단자에 병렬 연결된 제2스위치, 및 제1스위치와 태양광 모듈의 양극 단자 사이의 노드와 제1다이오드와 접속반 사이의 노드의 사이에 연결된 바이패스용 릴레이를 포함하고, 릴레이는 NC(Normally Close)(b 접점) 타입이며, 제어부는 릴레이를 온 상태에서 오프 상태로 전환하거나 또는 오프 상태에서 온 상태로 전환하기 전에 제1스위치를 먼저 턴온시켜 제1스위치, 인덕터 및 제1다이오드에 의한 전류 패스를 미리 제공할 수 있다.
제어부는 전력의 시간당 기울기가 0보다 작을 경우 일사량이 급변한 것으로 판단한다.
제어부는 일사량이 급변된 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터에 의해 부스트 동작 또는 벅 동작에 의해 MPPT 제어되도록 한다.
제어부는 컨버터를 부스트 동작에 의해 MPPT 제어할 경우 제1스위치를 턴온하고 제2스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어한다.
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삭제
제어부는 컨버터를 벅 동작에 의해 MPPT 제어할 경우 제2스위치를 턴오프하고 제1스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어한다.
본 발명의 예시적 해결하고자 하는 과제는 부분 음영이 없는 경우 인버터의 MPPT 효율은 99% 이상이므로 마이크로 컨버터를 바이패스 모드로 운전하는 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 예시적 해결하고자 하는 과제는 마이크로 컨버터가 일사량 변화에 따른 부분 음영에 대하여 인버터가 제어 하지 못하는 영역에서만 MPPT 제어를 하고, 부분 음영이 사라진 후에는 바이패스 모드로 동작하여 인버터가 MPPT를 수행하는 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 예시적 해결하고자 하는 과제는 마이크로 컨버터가 태양광 모듈의 전압, 전류에 의한 발전 전력을 계측하고, 발전 전력의 기울기가 설정값 이상인 경우 일사량 급변(부분 음영)이 발생 한 것으로 판단하고, 반대로 설정값 이내 범위로 기울기가 낮아지고, 이 기울기가 설정된 시간이상인 경우 부분 음영이 사라진 것으로 판단하여, 마이크로 컨버터가 바이패스 모드로 동작하는 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템의 동작을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템 중 주요 구성을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터의 예시적 동작 순서를 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
일례로, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러)는 중앙처리장치, 하드디스크 또는 고체상태디스크와 같은 대용량 저장 장치, 휘발성 메모리 장치, 키보드 또는 마우스와 같은 입력 장치, 모니터 또는 프린터와 같은 출력 장치로 이루어진 통상의 상용 컴퓨터에서 운영될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템(100)의 구성 및 동작을 도시한 개략도이다.
본 발명의 예시적 태양광 발전 시스템(100)은 다수의 스트링(110A,110B), 접속반(120) 및 인버터(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 설명의 편의상 스트링(110A,110B)은 제1스트링(110A) 및 제2스트링(110B)으로 나눠 설명하나, 스트링(110A,110B)의 갯수는 이보다 많거나 작을 수 있다.
제1,2스트링(110A,110B)은 각각 다수의 태양광 모듈(111)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1,2스트링(110A,110B)에 구비된 각각의 태양광 모듈(111)은 직렬로 연결될 수 있다. 태양광 모듈(111)은 태양 전지(112) 및 마이크로 컨버터(113)(아래에서 다시 설명함)를 포함하며, 이들은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 출력할 수 있다.
접속반(120)은 제1,2스트링(110A,110B)에 병렬로 연결될 수 있다. 접속반(120)은 다수의 스트링(110A,110B)으로부터 출력된 전력을 병렬로 모아서 인버터(130)에 공급할 수 있다.
인버터(130)는 접속반(120)에 연결되어 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하나 그리드에 출력할 수 있다. 일부 예들에서, 인버터(130)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기능을 가짐으로써, 제1,2스트링(110A,110B)으로부터 입력되는 전체 전력에 대하여 최대 출력점을 찾아 가장 효율적인 전력을 출력하도록 한다.
한편, 제1,2스트링(110A,110B) 내의 태양광 모듈(111)은 각각 인버터(130)와 마찬가지로 MPPT 제어 기능을 갖는 마이크로 컨버터(113)를 포함할 수 있으며, 이는 컨버터 제어부(114) 및 직류-직류 컨버터(115)를 포함할 수 있다. 일례로, 마이크로 컨버터(113) 역시 MPPT 제어 기능을 가짐으로써, 태양광 모듈(111)로부터 입력되는 전압을 조정하여 태양광 모듈(111)의 최대 출력점을 찾아 가장 효율적인 전력을 출력하도록 한다. 예를 들어, 태양광 모듈(111)이 20V 및 100W의 전력을 생산하였을때 전류는 5A가 되는데 MPPT 방식은 전압을 14V로 낮추고 전류는 7.1A로 변경(100W/14V=7.1A)하여 출력할 수 있다. 따라서, MPPT 기능을 갖는 마이크로 컨버터(113)는 구름, 나무, 눈에 의해서 그림자가 생겨 여러 개의 최대 전력을 나타낼 경우에도, 전력 손실없이 더 낮은 전압에서 여분의 전류로 변환하여 출력할 수 있다. 다르게 설명하면, 최대 출력점이 여러 지점인 경우 PWM 방식으로는 이 지점을 찾기 어렵지만 MPPT 제어하에서는 최대 출력점을 빠르고 정확하게 찾아 태양광 모듈(111)의 전력 손실을 줄이고 효율적으로 출력할 수 있다.
일부 예들에서, 제어부(114)는 태양광 모듈(111)의 전압 및 전류를 센싱하여 전력을 계산하고, 전력의 시간당 기울기를 참조하여 일사량의 급변 여부를 추정할 수 있다.
일부 예들에서, 제어부(114)는 전력의 시간당 기울기가 0보다 작을 경우(또는 클 경우) 일사량이 급변한 것으로 판단할 수 있다. 이밖에도 본 발명은 별도의 일사량 측정 센서를 더 구비하고, 이로부터 제어부(114)는 일사량의 급변 여부를 추정할 수 있다.
일부 예들에서, 시간당 기울기의 시간은 마이크로초, 밀리초, 또는 초(1초 내지 60초)를 의미하며, 일례로 1시간을 의미하는 것은 아니다.
일부 예들에서, 제어부(114)는 일사량이 급변된 스트링(110A)의 경우 태양광 모듈(111)의 발전 전력이 컨버터(115)에 의해 MPPT 제어되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 동일한 스트링(110A)이라고 하더라도 일사량이 급변하지 않은 태양광 모듈(111)의 경우 제어부(114)는 컨버터(115)가 부스트 동작에 의해 MPPT 제어되도록 하고, 또한 일사량이 급변한 태양광 모듈(111)의 경우 제어부(114)는 컨버터(115)가 벅 동작에 의해 MPPT 제어되도록 할 수 있다(도 2b의 제1스트링(110A) 참조).
또한, 일부 예들에서, 제어부(114)는 일사량이 급변되지 않은 스트링(110B)의 경우 태양광 모듈(111)의 발전 전력이 컨버터(115)를 바이패스하여 인버터(130)가 MPPT 제어를 수행하도록 할 수 있다(도 2b의 제2스트링(110B) 참조).
이와 같이 하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템(100)은, 일례로, 음영이 발생하지 않은 제2스트링(110B)의 마이크로 컨버터(113)는 전부 바이패스 동작을 수행하도록 하고, 발전량의 기울기를 판단하여 일사량이 급변 상태로 판단되면, 동일한 제1스트링(110A) 내에서도 음영진 태양광 모듈(111)과 음영지지 않은 태양광 모듈(111)에 따라 마이크로 컨버터(113)가 부스트 또는 벅 동작을 수행하도록 한다.
도 3은 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템(100) 중 주요 구성을 도시한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일례로, 하나의 태양광 모듈(111)에 내장되는 마이크로 컨버터(113)는 컨버터 제어부(114) 및 직류-직류 컨버터(115)를 포함할 수 있다.
제어부(114)는 전압 센서를 이용하여 태양 전지(112)의 양극 단자(또는 양극 전력선)와 음극 단자(또는 음극 전력선) 사이의 전압을 센싱하고, 또한 전류 센서를 이용하여 전력선에 흐르를 전류를 센싱함으로써, 전력을 계산할 수 있다. 더불어, 제어부(114)는 전력의 시간당 기울기(변화량)를 계산하여, 기울기가 0인지 아닌지 판단하며, 이를 기초로 하여 일사량이 급변되었는지 아닌지 판단할 수 있다. 여기서, 기울기가 "0"인 것을 기준값으로 설명하였지만, 이는 "0"이 아닌 다른 값일 수도 있다.
한편, 컨버터(115)는 태양 전지(112)의 양극 전력선에 직렬 연결된 제1스위치(SW1)와, 제1스위치(SW1)에 직렬 연결된 인덕터(L1)와, 인덕터(L1)에 직렬 연결된 제1다이오드(D1)와, 제1스위치(SW1)와 인덕터(L1) 사이의 노드와 태양 전지(112)의 음극 전력선에 병렬 연결된 제2다이오드(D2)와, 인덕터(L1)와 제1다이오드(D1) 사이의 노드와 태양 전지(112)의 음극 전력선에 병렬 연결된 제2스위치(SW2)와, 제1스위치(SW1)와 제1다이오드(D1)의 사이에 연결된 바이패스용 릴레이(RELAY1)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1다이오드(D1)와 음극 전력선의 사이에 병렬로 캐패시터(C1) 및 제3다이오드(D3)가 더 연결될 수 있다.
일부 예들에서, 제1,2스위치(SW1,SW2)는 제어부(114)의 제어 신호(턴온 신호, 턴오프 신호 또는 PWM 신호)에 의해 제어되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제어부(114)는 태양 전지(112)에 입사되는 일사량이 급변된 것으로 판단될 경우, 태양광 모듈(111)의 발전 전력이 컨버터(115)에 의해 부스트 동작 또는 벅 동작에 의해 MPPT 제어되도록 한다.
일례로, 제어부(114)는 컨버터(115)를 부스트 동작에 의해 MPPT 제어할 경우 제1스위치(SW1)를 턴온하고 제2스위치(SW2)를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어할 수 있다. 일례로, 제어부(114)는 컨버터(115)를 벅 동작에 의해 MPPT 제어할 경우 제2스위치(SW2)를 턴오프하고 제1스위치(SW1)를 PWM 제어할 수 있다.
일반적으로, 반도체 소자는 전압차가 있어 손실이 필연적이지만, 릴레이(RELAY1)는 기계적인 스위치이기 때문에 손실이 거의 "0"에 가깝다. 일례로, 릴레이(RELAY1)없이 제1스위치(SW1), 인덕터(L1) 및 제1다이오드(D1)를 이용하여 바이패스 기능을 구현할 경우, 제1스위치(SW1)와 제1다이오드(D1)는 반도체이므로 턴온 손실 및 순방향 손실이 발생하고, 인덕터(L1) 역시 동손에 의한 손실이 발생하여 전체 발전량을 저하시킬 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 릴레이(RELAY1)가 바이패스 기능을 수행함으로써, 이러한 손실이 발생하지 않는다.
일부 예들에서, 릴레이(RELAY1)는 NC(Normally Close)(b 접점) 타입일 수 있다. 따라서, 일례로, 마이크로 컨버터(113)의 고장에 의한 릴레이(RELAY1)가 제어 불능 상태일 경우 바이패스 기능이 자동적으로 동작되도록 할 수 있다. 또한, 일사량 변화가 없어 바이패스 모드로 동작시 릴레이(RELAY1)가 NC(b 접점) 타입이므로 에너지 소비를 줄일 수 있다. 물론, 일사량 급변시 MPPT 제어를 위하여 릴레이(RELAY1)는 제어부(114)의 제어 신호에 의해 오픈될 수 있다.
일부 예들에서, 제어부(114)는 릴레이(RELAY1)를 온 상태에서 오프 상태로 전환하거나 또는 오프 상태에서 온 상태로 전환하기 전에 제1스위치(SW1)를 먼저 턴온시킬 수 있다.
따라서, 일례로, 릴레이(RELAY1) 온,오프 시 부하가 있거나(오프->온 동작), 릴레이(RELAY1)로 전류가 흐르는 경우(온->오프 동작), 아크 발생으로 릴레이(RELAY1)의 수명이 단축될 수 있는데, 상술한 바와 같이 미리 제1스위치(SW1)를 온 상태로 해 놓고 이후 릴레이(RELAY1)를 온 또는 오프하여 아크 현상을 최소화할 수 있다. 즉, 제1스위치(SW1)의 턴온에 의해 제1스위치(SW1), 인덕터(L1) 및 제1다이오드(D1)에 의한 전류 패스가 미리 형성되어 릴레이(RELAY1)의 온 또는 오프시 아크 발생이 최소화된다.
이와 같이 본 발명의 실시례는 태양 전지(112)의 전압 및 전류에 의한 발전 전력을 이용하여 발전 전력의 기울기를 판단하고, 이를 통해 일사량 변화를 추정할 수 있다. 또한, 마이크로 컨버터(113)의 토폴로지는 일사량 급변시만 PWM에 의한 동작을 수행 하므로, PWM 지속 시간이 짧아 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 다이오드, 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2)의 부품류를 저가형으로 구현이 가능하다. 또한, 지속적인 동작을 하지 않으므로 발열에 대하여 매우 효율적이며, 방열 구조 설계 있어 매우 경제적으로 구현 가능하다.
도 4는 본 발명의 예시적 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터의 예시적 동작 순서를 도시한 순서도이다. 여기서, 제어의 주체는 마이크로 컨버터(113)(제어부(114))이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(100)은 전압/전류 검출 단계(S1), 일사량 급변 판단 단계(S2), 바이패스 동작 단계(S3), 음영 발생 판단 단계(S4), 부스트 MPPT 동작 단계(S5) 및/또는 벅 MPPT 동작 단계(S6)를포함할 수 있다.
전압/전류 검출 단계(S1)에서, 제어부(114)는 전압 센서를 이용하여 태양 전지(112)의 출력 전압을 센싱하고, 전류 센서를 이용하여 태양 전지(112)의 출력 전류를 검출한다.
일사량 급변 판단 단계(S2)에서, 제어부(114)는 검출된 출력 전압 및 전류를 이용하여 출력 전력을 계산하고, 또한 시간당 출력 전력의 기울기가 예를 들면 0인지 아닌지 판단한다. 일부 예들에서, 출력 전력의 기울기가 0일 경우 일사량이 급변하지 않은 것으로 판단하여 단계(S3)를 수행하고, 출력 전력의 기울기가 0이 아닐 경우 일사량이 급변한 것으로 판단하여 단계(S4)를 수행한다.
바이패스 동작 단계(S3)에서, 제어부(114)는 일사량이 급변하지 않은 것으로 판단하여, 컨버터(115)의 릴레이(RELAY1)를 온 상태로 유지하도록 한다. 일부 예들에서, 릴레이(RELAY1)가 NC 타입이므로, 제어부(114)는 릴레이(RELAY1)에 별도의 제어 신호를 출력하지 않아도 릴레이(RELAY1)에 의해 바이패스 동작이 자연스럽게 수행될 수 있다.
일부 예들에서, 단계(S3)는 스트링(110A,110B) 단위로 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 2에서와 같이, 일사량이 급변했다고 판단된 제1스트링(110A)에 대해서는 MPPT 동작이 수행되도록 하고, 일사량이 급변하지 않았다고 판단된 제2스트링(110B)에 대해서는 바이 패스 동작이 수행되도록 한다.
음영 발생 판단 단계(S4)에서, 일례로, 제1스트링(110A)에 구비된 다수의 태양광 모듈(111)중 음영이 발생한 태양광 모듈(111)을 구분한다(도 2 참조). 즉, 제1스트링(110A)에서 음영이 발생한 태양광 모듈(111) 및 음영이 발생하지 않은 태양광 모듈(111)을 구분한다.
음영 판단 단계는 상술한 일사량 급변 판단 단계와 유사하거나 동일할 수 있다. 즉, 태양광 모듈(111)별로 전압 및 전류에 따른 전력을 계산하고, 전력의 기울기를 이용하여 음영 발생 여부를 판단한다. 동일 스트링(110A) 내에서 음영이 발생하지 않았다고 판단되면 단계(S5)를 수행하고 음영이 발생하였다고 판단되면 단계(S6)를 수행한다.
부스트 MPPT 동작 단계(S5)에서, 제어부(114)는 음영이 발생하지 않은 것으로 판단한 태양광 모듈(111)에 대하여, 컨버터(115)를 부스트 모드로 MPPT 동작이 수행되도록 한다. 여기서, 제어부(114)는 음영이 발생하지 않은 태양광 모듈(111)에 설치된 것이다.
벅 MPPT 동작 단계(S6)에서, 제어부(114)는 음영이 발생하였다고 판단한 태양광 모듈(111)에 대하여, 컨버터(115)를 벅 모드로 MPPT 동작이 수행되도록 한다. 여기서, 제어부(114)는 음영이 발생한 태양광 모듈(111)에 설치된 된 것이다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템(100)에서 인버터(130)는 상시 MPPT를 수행하고, 일사량 급변시 마이크로 컨버터(113)가 보조 MPPT를 수행하도록 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 무손실 바이패스 기능을 겸비한 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 태양광 발전 시스템
110A; 제1스트링 110B; 제2스트링
111; 태양광 모듈 112; 태양 전지
113; 마이크로 컨버터 114; 컨버터 제어부
115; 직류-직류 컨버터 SW1: 제1스위치
L1: 인덕터 D1: 제1다이오드
D2: 제2다이오드 SW2: 제2스위치
C1: 캐패시터 D3: 제3다이오드
RELAY1: 바이패스용 릴레이 120; 접속반
130; 인버터

Claims (8)

  1. 다수의 태양광 모듈을 갖는 다수의 스트링;
    다수의 스트링이 병렬 연결된 접속반; 및
    접속반에 연결되어 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 가능한 인버터를 포함하고,
    다수의 스트링 내의 태양광 모듈은 각각 MPPT 제어 가능한 마이크로 컨버터를 내장하고, 마이크로 컨버터는 제어부 및 컨버터를 포함하되, 제어부는 태양광 모듈의 전압 및 전류를 센싱하여 전력을 계산하고, 전력의 시간당 기울기를 참조하여 일사량의 급변 여부를 추정하고, 일사량이 급변되지 않은 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터를 바이패스하여 인버터가 MPPT 제어를 수행하도록 하고, 일사량이 급변된 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터에 의해 MPPT 제어되도록 하되,
    컨버터는 태양광 모듈의 양극 단자에 직렬 연결된 제1스위치, 제1스위치에 직렬 연결된 인덕터, 인덕터에 직렬 연결된 제1다이오드, 제1스위치와 인덕터 사이의 노드와 태양광 모듈의 음극 단자에 병렬 연결된 제2다이오드, 인덕터와 제1다이오드 사이의 노드와 태양광 모듈의 음극 단자에 병렬 연결된 제2스위치, 및 제1스위치와 태양광 모듈의 양극 단자 사이의 노드와 제1다이오드와 접속반 사이의 노드의 사이에 연결된 바이패스용 릴레이를 포함하고,
    릴레이는 NC(Normally Close)(b 접점) 타입이며,
    제어부는 릴레이를 온 상태에서 오프 상태로 전환하거나 또는 오프 상태에서 온 상태로 전환하기 전에 제1스위치를 먼저 턴온시켜 제1스위치, 인덕터 및 제1다이오드에 의한 전류 패스를 미리 제공하는, 태양광 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 전력의 시간당 기울기가 0보다 작을 경우 일사량이 급변한 것으로 판단하는, 태양광 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 일사량이 급변된 스트링의 경우 태양광 모듈의 발전 전력이 컨버터에 의해 부스트 동작 또는 벅 동작에 의해 MPPT 제어되도록 하는, 태양광 발전 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 컨버터를 부스트 동작에 의해 MPPT 제어할 경우 제1스위치를 턴온하고 제2스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하는, 태양광 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 컨버터를 벅 동작에 의해 MPPT 제어할 경우 제2스위치를 턴오프하고 제1스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하는, 태양광 발전 시스템.
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