KR102361318B1 - 지능형 태양광 모듈 컨트롤러 제어 방법 및 이를 위한 전력변환장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 발전 시스템에 있어서 태양광 모듈 2장을 직렬로 연결하거나 또는 병렬로 연결하는 직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 구비하고, 해당 태양광 모듈 컨트롤러의 외부연결 단자쌍 또는 복수의 컨트롤러를 직렬 연결하는 스트링을 통하는 전류의 변화에 따라 직렬/병렬 연결을 제어함으로써 발전 효율을 극대화 할 수 있는 방법 및 이를 위한 전력변환장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 다수의 태양광 모듈이 배열된 태양광 발전 시스템의 발전 효율을 극대화하기 위해 제어신호에 따라 태양광 모듈의 전기적 연결을 변경할 수 있는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러 제어방법 및 이를 위한 전력변환장치에 관한 것이다.
태양광으로부터 직류 전기를 일으키는 최소 단위를 셀(cell)이라고 하고, 다수의 셀이 연결되어 전기를 꺼내는 최소 단위인 모듈(module)이 구성된다. 일반적으로 태양광 발전 시스템은 다수의 태양광 모듈이 직렬 연결된 하나 이상의 어레이(array)와 DC-DC 또는 DC-AC 전력변환을 하는 전력변환장치를 포함하여 구성된다. 도 1은 종래의 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
태양광 모듈은 여러 장의 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 원하는 발전량을 갖도록 설계된다. 국제표준시험조건(입사조도 1000W/m, 태양전지 온도 25℃, 대기질량 1.5)에서 하나의 셀에서 발생하는 개방전압의 크기는 약 0.5~0.6V 정도이고 단락전류의 크기는 8 A 정도인데 이는 셀의 크기와 품질에 따라 차이가 있을 수 있다. 태양광 모듈에서 발전하는 전기의 전압-전류 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 온도와 일사량이다. 온도가 상승하면 전압이 낮아지고 온도가 낮아지면 전압이 높아지는데, 예를 들어 실리콘 태양전지의 경우 온도가 1℃ 상승하면 에너지 변환효율이 약 0.4% 떨어지는 것으로 알려져 있다. 즉, 일사량이 충분하더라도 여름철에 셀 표면 온도가 60-70℃로 오를 경우 셀당 발전 전압이 낮아져 발전량은 오히려 감소될 수 있다. 동일 전압 조건에서 태양광 모듈이 흘릴 수 있는 전류 크기는 일사량에 비례하는데, 일사량이 크면 전류가 증가하지만 셀이 흘릴 수 있는 최대 전류에 이르면 일사량이 더 많아도 전류는 더 이상 증가하지 못한다. 따라서 최대 전압이 되는 지점에서 최대 전류가 흐르도록 할 때 이상적인 최대전력이 생산될 수 있다.
태양광 모듈은 직렬 연결된 다수의 셀을 포함하는데, 특정 셀에만 일사량이 부족하여 전류가 감소하면 이 셀에 병목현상이 발생하여 다른 셀에 대해 부하로서 동작하게 된다. 직렬 연결된 특정 셀에서의 전류 감소는 직렬 연결 라인의 전체 전류를 감소시켜 발전 효율을 현격히 떨어뜨리고, 심하면 열점(hot spot) 현상으로 해당 셀이 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 고장 셀의 발열은 모듈 전체에 대한 2차 고장의 원인이 되기도 한다. 이러한 문제를 회피하기 위해 셀들을 그룹핑하여 고장이 발생한 그룹의 셀들을 우회하도록 바이패스 회로가 설치될 수 있고, 태양광 모듈의 발전 전압이 낮아질 경우 역전류가 흐르게 되는 것을 방지하기 위한 역전류 방지 다이오드가 설치될 수 있다.
날씨, 그림자, 오염 등 다양한 요인으로 실시간 변하는 일사량, 온도 또는 사고, 고장으로 인한 태양광 모듈의 전압-전류의 변동성은 태양광 발전 효율을 저해하는 중요한 요인이다. 최대전력을 생산할 수 있는 전류-전압 관계가 변화하는데, 변화되는 조건에 따라 전체 태양광 발전 시스템의 발전 효율을 높이기 위한 다양한 최대전력 추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어 방법이 공지되어 있다. 예를 들어 공개특허공보(KR) 제10-2013-0025286호에는 최대전력점을 추종하도록 전력변환장치를 제어하는 기술이 제시되어 있다.
그런데 전력변환장치를 제어하여 최대전력점을 추종하도록 하더라도 태양광 모듈 어레이 전압이 전력변환장치의 가동 범위보다 낮아지는 상황에서는 전력변환장치의 동작이 정지될 수밖에 없는 문제가 있다. 일기 조건이 변화되어 일사량이 감소되거나 고온 현상으로 인하여 태양전지 모듈을 구성하는 셀의 에너지 변환효율이 감소되는 경우 전력변환장치는 내부 회로의 보호를 위하여 일정 시간(일예로서, 5분) 동안 저전압 트립이 발생되며, 이로 인하여 전력을 생산할 수 있는 일기 조건임에도 불구하고 전력을 생산하지 못하여 태양광 발전의 전체적인 에너지 효율이 감소하고 상기 저전압 트립시 발생할 수 있는 서지 혹은 아크로 인하여 부하 내부 회로가 손상되거나 혹은 수명이 단축될 수 있다. 이에 대해 공개특허공보(KR)제10-2011-0038975호에는 태양전지모듈의 전체 출력전압에 따라 주 태양전지모듈과 보조 태양전지모듈의 연결을 직렬 또는 병렬로 선택적으로 제어함으로써 상기 태양전지모듈의 전체 출력전압을 전력변환장치(인버터)의 정상운전 범위로 유지할 수 있도록 하는 기술이 제시되어 있지만, 이를 위해서는 별도의 보조 배터리 내지 전압을 승압시키기 위한 부스터가 설치되어야 하는 문제가 있고, 통상 이러한 전압 보조는 전력변환장지가 정지되지 않도록 잠시동안 제공될 수 있을 뿐이다.
또한 구름 등으로 인한 그림자(음영), 셀 표면 오염, 고장 등의 원인으로 특정 태양광 모듈의 발전량이 저하되어 흐를 수 있는 전류가 제한되는 병목현상이 발생한 경우, 해당 모듈과 직렬 연결된 태양광 모듈 어레이 전체의 전류가 감소하여 전체 발전 효율이 저하되는 문제가 발생하는데, 일시적으로 어레이 전압을 승압하더라도 정상인 태양광 모듈에서 생산되는 발전 전력이 손실되는 문제는 피할 수 없다. 이에 대해 각 태양광 모듈마다 센서모듈과 바이패스 회로를 설치하여 불량 또는 고장이 발생한 태양광 모듈을 발전 라인에서 제외(바이패스)함으로써 태양광 발전의 정상적인 효율과 동작이 지속되도록 관리하기 위한 기술이 등록특허공보(KR) 제10-1743908호에 제시되어 있다. 고장 등이 발생한 태양광 모듈을 바이패스하도록 제어하기 위해서는 각각의 태양광 모듈마다 고장 등 상황을 감시하는 센서와 바이패스 스위치 회로가 설치되어야 하는데, 이는 비용 상승의 요인이 되어 태양광 발전 시스템의 수익성을 악화시킨다. 또한 날씨, 환경 변화, 고장 등 상황은 각 태양광 모듈에서 생산되는 전류에 민감하게 영향을 미치지만 스트링상에 직렬로 연결되어 있는 각 태양광 모듈에는 동일하게 전체 전류가 흐르므로 특정 태양광 모듈에서 생산 전류가 작아지더라도 어느 모듈에 기인하여 전체 전류가 감소되었는지 파악하기 어렵다. 전압에의 영향은 상대적으로 작고 전압 변화가 반드시 전체 전류 감소로 이어지는 것은 아니기 때문에, 각 모듈의 발전 전압을 감시하는 것으로는 각 태양광 모듈에서의 생산 전류 감소를 감시하는데 한계가 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 태양광 모듈 사이의 전기적 연결을 직렬 또는 병렬로 제어함으로써 태양광 발전의 효율을 개선하고 유지관리를 쉽게 하기 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 위와 같은 제어 방법을 위한 전력변환장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법은, 태양전지 셀이 집적된 태양광 모듈 사이의 전기적 연결을 변환하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러 제어 방법으로서; 상기 태양광 모듈 컨트롤러는 제1 태양광 모듈의 (+)단자 및 (-)단자와 각각 전기적으로 연결되는 제1 입력 단자쌍; 제2 태양광 모듈의 (+)단자 및 (-)단자와 각각 전기적으로 연결되는 제2 입력 단자쌍; 전력변환장치와 전기적으로 연결되거나, 또는 다른 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 전기적으로 직렬 연결되는 (+), (-) 외부연결 단자쌍; 상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이에서 상기 제1 입력 단자쌍의 어느 한 단자 및 그와 다른 극성을 가지는 상기 제2 입력 단자쌍의 한 단자가 전기적으로 연결되고 상기 제1, 제2 입력 단자쌍의 남은 단자는 외부연결 단자의 (+)단자와 (-)단자에 각각 전기적으로 연결되는 직렬접속 회로; 상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이에서 상기 제1 입력 단자쌍의 (+), (-) 단자가 제2 입력 단자쌍의 동일한 극성을 가지는 (+), (-) 단자와 각각 전기적으로 연결되고, 전기적으로 연결된 각 단자가 외부연결 단자쌍의 (+), (-) 단자와 각각 연결되는 병렬접속 회로; 상기 직렬접속 회로와 상기 병렬접속 회로 중 어느 하나의 회로를 선택적으로 상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이를 연결하도록 스위칭하는 스위치 회로; 상기 스위치 회로의 직렬접속 또는 병렬접속 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 스위치 회로가 상기 직렬접속 회로에서 상기 병렬접속 회로로 스위칭된 경우 상기 외부연결 단자쌍을 통하는 전류 변화를 감지하는 단계; 및 상기 감지된 전류 변화 정도에 기초하여 상기 회로 전환 전의 회로로의 복귀 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 회로 전환 전의 회로로의 복귀 여부를 결정하는 단계는 상기 감지된 전류 크기를 회로 전환 전에 감지된 전류 크기와 비교하여 소정 값 이상 증가된 경우 전환을 유지하고, 그렇지 않으면 전환 전 회로 연결로 복귀하도록 결정하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 전류 변화를 감지하는 단계는, 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 외부연결 단자쌍에 접속된 스트링을 통하는 전류 변화를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전력변환장치의 제어부가 발전 상태를 점검하기 위하여 상기 미리 설정된 주기에 의하여 병렬접속 회로가 연결되도록 상기 스위칭 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 고유한 식별코드(ID)를 가지고 전력변환장치와 통신하는 통신부를 더 포함하고, 상기 통신부로 회로 제어 명령이 수신된 경우 상기 제어부가 그 명령에 따라 직렬접속 회로 또는 병렬접속 회로가 연결되도록 상기 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전력변환장치에 설치되어 외부연결 단자쌍에 접속된 스트링으로 직렬연결된 2 이상의 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 통신하여 2 이상의 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 원격 제어하되, 상기 회로 전환 전의 회로로의 복귀 여부를 결정하는 단계는 상기 감지된 전류 크기를 회로 전환 전에 감지된 전류 크기와 비교하여 소정 값 이상 증가된 경우 전환을 유지하고, 그렇지 않으면 전환 전 회로 연결로 복귀하도록 결정하고, 상기 전환을 유지하는 경우 고유한 식별코드(ID)에 의하여 해당 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 식별하여 발전 상태 정보를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 외부연결 단자쌍을 통하는 전류 변화를 감지하는 단계는 상기 2 이상의 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러가 직렬연결된 스트링을 통하는 전류 변화를 상기 전력변환장치의 감지부가 감지하여 각각의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전력변환장치가 미리 설정된 조건에 의하여 원격지의 관리자에게 이상 상황을 통지하거나, 원격지에서 조회하는 정보를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 날씨 변화, 온도, 오염, 고장 등 다양한 원인에 의하여 특정 태양광 모듈의 전압/전류 크기가 저하될 때, 지능형 태양광 모듈 컨트롤러가 태양광 모듈 사이의 전기적 연결을 적응적으로 직렬 또는 병렬로 전환하여 최대 전력을 추종할 수 있다. 이러한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 하나의 스트링으로 연결된 태양광 모듈 어레이에 유용하며, 기존의 태양광 발전 시스템에도 부가적으로 설치가 가능하다.
본 발명은 각 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 전압 또는 전류를 감지하고 분석하여 태양광 모듈 사이의 직렬/병렬 연결을 실시간 전환할 수 있으며, 측정된 전압 또는 전류 정보에 의하여 문제가 발생한 특정 태양광 모듈을 찾아 필요한 조치를 할 수 있다.
또한 태양광 모듈의 전기적 연결을 직렬/병렬 변환함으로써 전력변환장치가 MPPT 범위에서 운전을 계속하도록 할 수 있고, 이는 운전 정지 횟수를 줄여 발전 효율을 높이고 전력변환장치의 수명 단축, 고장을 방지하는 효과가 있다.
본 발명 위하여 예시된 실시 예의 도면에 대한 간단한 설명은 다음과 같다.
도 1은 종래의 기술인 태양광 발전시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1은 종래의 기술인 태양광 발전시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
도 2는 태양광 모듈 2장의 전기적 연결을 직렬접속 또는 병렬접속으로 제어할 수 있는 본 발명의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 구성을 나타낸다. 본 발명의 일실시예인 지능형 태양광 모듈 컨트롤러(100)는 2개의 태양광 모듈(110)의 (+)단자 및 (-)단자와 각각 전기적으로 연결되는 2개의 입력 단자쌍을 포함하고 있으며, 또한 이웃하는 전력변환장치 또는 다른 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 전기적으로 직렬 연결되는 (+), (-) 외부연결 단자쌍을 포함하고 있다. 다수의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러(100)의 외부연결 단자쌍이 직렬로 연결되어 하나의 태양광 모듈 어레이를 구성하며, 이 어레이의 출력 전압은 각 태양광 모듈 컨트롤러의 외부연결 단자쌍의 전압의 총합과 같다.
예를 들어, 출력 전압이 40V인 태양광 모듈 2장이 직렬접속 상태라면 정상상태에서 태양광 모듈 컨트롤러의 외부연결 단자쌍의 전압은 80V이고 이러한 태양광 모듈 컨트롤러 10개가 직렬 연결된 어레이의 출력 전압은 800V가 된다. 태양광 모듈 컨트롤러는 모두 직렬로 연결되므로 어레이 내 태양광 모듈에는 모두 동일한 크기의 전류가 흐르게 된다. 만일 이때 10A의 전류가 흐른다면 총 발전 전력은 800V×10A=8000W가 된다. 태양광 모듈 컨트롤러에서 모두 태양광 모듈 2장의 전기적 연결이 병렬접속으로 바뀐다면 어레이의 출력 전압은 400V가 되고, 대신 출력 전류는 20A가 될 것이다. 이때 총 발전 전력은 400V×20A=8000W가 되므로, 태양광 모듈에 이상이 없다면 어레이 전체가 직렬접속인 경우와 생산 전력이 동일하다. 그렇지만 어느 하나의 태양광 모듈 컨트롤러라도 직렬접속으로 연결되어 있다면 어레이 전체 전류는 하나의 태양광 모듈 전류인 10A로 제한될 수 있다.
직렬/병렬 스위칭 회로부(120)는 직렬접속 회로, 병렬접속 회로 및 이들을 스위칭하는 스위치 회로를 포함한다. 상기 2장의 태양광 모듈과 접속되는 태양광 모듈 컨트롤러(100)의 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이에서 상기 제1 입력 단자쌍의 어느 한 단자 및 그와 다른 극성을 가지는 상기 제2 입력 단자쌍의 한 단자가 전기적으로 연결되고 상기 제1, 제2 입력 단자쌍의 남은 단자는 외부연결 단자의 (+)단자와 (-)단자에 각각 전기적으로 연결되는 직렬접속 회로 및 상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이에서 상기 제1 입력 단자쌍의 (+), (-) 단자가 제2 입력 단자쌍의 동일한 극성을 가지는 (+), (-) 단자와 각각 전기적으로 연결되고, 전기적으로 연결된 각 단자가 외부연결 단자쌍의 (+), (-) 단자와 각각 연결되는 병렬접속 회로가 구비된다. 상기 스위치 회로는 제어부(130)의 신호에 따라 상기 직렬접속 회로와 상기 병렬접속 회로 중 어느 하나의 회로를 선택하여 상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이를 연결하도록 스위칭한다.
본 발명의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치는 상기 외부연결 단자쌍을 통하는 전류 또는 전압 감지를 통해 태양광 모듈의 발전 상태를 감시하고 필요한 직렬/병렬 연결을 위한 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 제어부(220)는 스위칭 회로의 전환이 있을 때 감지된 전류 또는 전압 크기를 전환 전 감지된 전류 또는 전압 크기와 비교할 수 있다. 전환 전 감지된 전류 또는 전압 크기는 감지부(210)에 저장되어 필요시 제어부로 전달되거나, 또는 제어부로 전달되어 저장될 수 있다. 상기 제어부(220)는 미리 설정된 조건에 따라 스스로 상기 스위치 회로의 직렬접속 또는 병렬접속 스위칭 동작을 제어할 수 있고, 통신부(160)가 구비된 경우에는 전력변환장치로부터의 명령에 따라 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 스위칭 동작을 제어할 수도 있다. 전력변환장치가 운전을 유지하기 위해서는 태양광 모듈 어레이의 전체 전압이 최소가동 설정전압보다 높아야 하므로, 일출, 일몰, 날씨 등 영향으로 어레이 전체 전압이 최소가동 설정전압 이하가 될 때는 병렬접속 회로에 연결된 스위치 회로를 모두 직렬접속 회로에 연결되도록 제어할 수 있다.
전력변환장치(200)의 감지부(210)는 외부연결 단자쌍을 통하는 전류를 감지한다. 상기 스위치 회로가 병렬접속 회로를 연결시킨 경우 감지된 전류 정보는 제어부(220)로 전달되어 스위치 회로의 직렬 또는 병렬접속 회로의 전환 여부 판단에 제공되거나, 통신부(240)로 전달되어 지능형 태양광 모듈 컨트롤러로 송신될 수 있다. 통신부(240)는 전력변환장치에 내장되는 경우를 포함하여 전력변환장치 내에 설치될 수 있으나, 그와 달리 태양광 모듈 어레이의 중간이나 원격지에 별도로 설치될 수도 있다. 통신부(240)는 각 지능형 태양광 모듈 컨트롤러들을 통합하여 통제하는 것도 가능하다. 전력변환장치와 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 유/무선 네트워크 통신을 이용하여 통신할 수 있다.
지능형 태양광 모듈 컨트롤러에 접속된 2장의 태양광 모듈 중 어느 하나에서 문제가 발생한 경우, 문제가 발생한 태양광 모듈에서의 발전되는 전류 크기에 민감한 영향을 미치게 된다. 그러므로 두 태양광 모듈이 병렬접속 회로에 연결된 경우 외부연결 단자쌍을 통하는 전류의 크기를 측정하여 이것이 전환 전에 저장된 전류 크기보다 큰 경우, 태양광 모듈의 발전 상태에 문제가 생긴 것으로 판단할 수 있다. 태양광 모듈 어레이 내의 다수 태양광 모듈들 중 일부가 병렬접속 회로에 연결되어도 직렬접속 회로에 연결된 다른 태양광 모듈에 흐르는 최대 전류가 증가할 수 없다. 그러므로 정상 상태에서는 어느 하나의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에서 직렬접속 회로를 병렬접속 회로로 전환하더라도 외부연결 단자쌍을 통하는 전체 전류가 증가하지 못한다. 그러나 해당 태양광 모듈 컨트롤러에 접속된 두 태양광 모듈 중 하나가 전류의 병목 현상을 발생시키고 있었다면, 이것이 병렬 접속으로 전환되었을 때 전체 전류가 증가할 수 있다. 이렇게 어느 한 태양광 모듈에서의 생산 전류가 작아지면 직렬 연결된 전체 어레이의 전류 크기가 작은 전류로 제한되므로, 비록 다른 태양광 모듈들이 정상적으로 발전하더라도 전체 전류가 감소하여 발전 전력 손실이 발생한다. 따라서 감지부(210)에서 병렬접속 회로 전환 후 감지된 전류 크기가 전환 전 전류 크기보다 크다면, 두 태양광 모듈의 병렬접속을 유지하도록 스위치 회로를 제어하여 전체 어레이 전류가 낮은 전류로 제한되는 상황을 방지할 수 있다. 이러한 스위치 회로 전환 및 유지 여부의 판단은 2장의 태양광 모듈이 병렬로 연결되어 어레이의 전체 전압이 감소됨으로써 발생하는 전력 손실과, 직렬로 연결되었을 때 어레이 전류가 작은 전류로 제한됨으로써 정상 발전하는 다른 태양광 모듈의 전류까지 제한됨으로써 발생할 수 있는 전력 손실을 고려하여 결정할 수도 있다.
병렬접속 전후의 전류 크기를 비교하지 않으면 태양광 모듈들이 직렬접속 회로에 연결된 상태에서 어떤 태양광 모듈에서 문제가 발생하여 전류가 작아졌는지 확인하기 어려우므로, 감지부(210)에서 감지되는 전류는 일시 저장될 필요가 있다. 상기 제어부(220)는 미리 설정된 주기에 따라 병렬접속 회로가 연결되도록 스위치 회로를 제어하고, 감지부(210)가 각 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 외부연결 단자쌍을 통하는 전류를 감지한다. 이러한 발전 상태 점검을 위한 회로 전환 동작은 각 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에서 자체적으로 이루어질 수도 있고, 통신부(160)가 구비된 경우 다른 태양광 모듈 컨트롤러와의 상호 작용 또는 전력변환장치(200)의 명령에 따라 순차적으로 이루어질 수도 있다. 병렬접속되는 태양광 모듈 사이에 전압 차이가 있더라도, 상용 태양광 모듈에는 일반적으로 역류방지회로가 구비되어 있므로 태양광 모듈간 전압 차로 인한 역전류 문제는 발생하지 않는다.
또한, 상기 전력변환장치의 감지부(210)는 전압을 감지할 수 있다. 즉, 각 태양광 모듈의 제1, 제2 입력 단자쌍이 직렬접속 회로에 연결되어 있는 경우 감지부(210)는 외부연결 단자쌍에 인가된 전압 크기를 감지한다. 감지된 전압의 크기가 미리 설정된 소정 전압 크기보다 작다면, 태양광 모듈의 발전 상태에 문제가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 태양광 모듈간에 어느 정도 일사량 차이가 발생하더라도 발전 전압의 크기는 전류에 비하여 민감하게 변화되지 않는다. 만일 감지된 전압 크기가 현저히 낮다면 전류 역시 감소했을 가능성이 높으므로, 상기 제어부(220)는 병렬접속 회로가 연결되도록 상기 스위치 회로를 제어하고 감지부(210)가 전류 크기를 감지한다. 병렬접속 전환 후 감지되는 전류 크기와 전환 전 직렬접속의 전류 크기를 비교하여 변화 정도에 별 차이가 없다면 다시 직렬접속 회로와 연결되도록 스위치 회로를 제어한다. 일몰 등으로 전력변환장치에서 요구하는 최저 전압보다 어레이의 출력 전압이 낮아져 운전이 정지되는 경우 각 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 스위치 회로는 직렬접속 회로에 연결된 상태에서 정지된다.
본 발명의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러(100)는 고유한 식별코드(ID)를 가지고 전력변환장치(200)와 통신하는 통신부(160)를 포함할 수 있다. 통신부(160)에서는 전류감지부(140) 또는 전압감지부(150)에서 감지된 전압/전류 크기 정보, 회로 스위치 상태 정보 등을 어레이 전체 출력을 통제하는 전력변환장치(200)로 송신하며, 또한 직렬/병렬 회로 제어 명령을 수신한다.
한편, 전력변환장치(200)는 별도의 전류 감지부를 두어 전력변환장치측으로 입력되는 태양광 모듈 어레이 전체 전류를 감지할 수 있다. 이 경우 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에는 전류감지부(140) 또는 전압감지부(150)가 설치되지 않을 수 있다. 전력변환장치(200)는 별도의 전류감지부로부터 전류 변화를 판단하여 직렬/병렬 접속 회로를 전환하도록 특정 식별코드(ID)를 가진 태양광 모듈 컨트롤러의 통신부로 명령을 송신할 수 있다. 태양광 모듈 컨트롤러들은 외부연결 단자쌍들이 상호 직렬연결되어 있으므로, 외부연결 단자쌍을 통하는 전류는 전력변환장치측의 어레이 전체 전류와 동일하다. 따라서 전력변환장치(200)는 특정 태양광 모듈 컨트롤러로의 통신부(160)로 병렬접속 회로 연결 명령을 송신하고, 그에 따라 회로 전환이 실행된 후 변화되는 어레이 전체 전류의 변화를 감지하여 이를 기초로 해당 컨트롤러의 병렬접속 회로 유지 여부를 통제할 수 있다. 예를 들어 특정 태양광 모듈 컨트롤러의 스위치 회로를 병렬접속 회로로 전환한 후 전체 전류가 증가한다면, 해당 컨트롤러에 접속된 태양광 모듈에 전류의 병목현상이 있는 상태이므로 병렬접속을 유지하도록 하고, 그렇지 않다면 직렬접속으로 복귀하도록 한다. 태양광 모듈 컨트롤러의 통신부(160)에서 전력변환장치(200)가 송신한 회로 제어 명령을 수신하면, 전류감지부(140) 및/또는 전압감지부(150)가 구비된 경우라 하더라도 제어부(130)는 스스로의 제어에 우선하여 수신된 전력변환장치의 제어 명령에 따라 스위칭 회로의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 입력 단자쌍으로부터 공급되는 발전 전력을 사용하여 내부 부품에 동작 전력을 공급하기 위한 전원공급부(170)를 포함할 수 있다.
본 발명의 외부 연결 단자에는 외부로부터의 전류 역류를 방지하는 역류방지 회로가 연결될 수 있는데, 이 역류방지 회로에는 고장이나 사고로 발생할 수 있는 과전력을 차단하는 퓨즈 또는 PTC(positive temperature coefficient)가 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 전력변환장치의 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치는 상기 감지부(210)를 통해 검출된 전류 및/또는 전압의 정보를 근거로 상기 제어부(220)에서 상기 태양광모듈의 이상 유무를 적극적으로 파악할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(220)에서는 일정한 시간을 설정하여 주기적으로 모든 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에 전기적으로 연결된 태양광 모듈 2장을 직렬화 시킨 후 상기 감지부(210)에서 검출된 전압/전류 정보를 비교 판단할 수 있다. 직렬접속 회로에 연결된 상태에서 측정되는 외부연결 단자쌍의 전류 크기는 어레이 전체 전류 크기와 동일한데, 이를 초기 전류값으로 저장한다. 이후 병렬접속 회로에 연결되었을 때의 전류 크기를 감지하면 직렬-병렬 연결 변화에 따른 전류의 크기 변화를 비교 판단할 수 있다. 만약 실질적인 전류 값이 상승하면 병렬 연결을 유지하고 그렇지 않다면 병렬로 변환시켰던 것을 직렬로 원상 복귀하는 제어를 스스로 실행할 수 있다. 특정 태양광 모듈 컨트롤러의 스위치 회로가 병렬접속 전환된 후 상기 외부연결 단자쌍을 통하는 전류가 증가하지 않는 것은 해당 태양광 모듈 컨트롤러에 접속되어 있는 태양광 모듈들의 발전 상태에 이상이 없음을 보여주는 것이다. 각 지능형 태양광 모듈 컨트롤러가 순차적으로 직렬접속 회로를 병렬접속 회로로 전환하면서 변환 전/후 전류값을 감지하는 점검을 진행하도록 하면, 어레이의 전체 전압 변동을 최소화하면서 태양광 모듈의 발전 상태를 점검할 수 있다.
따라서, 다수의 태양광 모듈이 구비되는 경우, 2개의 태양광 모듈 사이의 전기적 연결을 직렬 또는 병렬로 스위칭 전환하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러가 복수개 구비될 수 있으며, 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 각각 고유한 식별코드(ID)를 가지므로 이상상황 발생된 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 확인할 수 있으며, 이것에 의해 다수의 태양광 모듈 중 해당 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에 연결된 2개의 태양광 모듈을 특정하여 이상여부를 확인할 수 있다.
본 발명의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 스트링(190)을 통해 직렬로 연결되어 태양광 발전 전력을 전력변환장치로 전달하며, 전류감지부(140) 및/또는 전압감지부(150)를 두어 직렬/병렬 접속 변환을 스스로 제어 가능하므로, 별도의 통제장치가 없는 기존의 태양광 발전 시스템의 태양광 모듈에도 적용이 가능하다. 스트링(190)에 연결된 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 요구되는 전체 전압에 맞추어 수량이 결정될 수 있으며, 또한 하나의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에 접속되는 태양광 모듈의 수도 전체 발전 시스템의 설치 환경이나 용량에 따라 적절히 설계될 수 있다.
본 발명에 의하면 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치가 태양광 모듈의 직렬 연결과 병렬 연결을 적응적으로 실시간 제어함으로써 일부 태양광 모듈에 대한 환경, 고장 등의 요인으로 발생할 수 있는 전류 병목현상을 방지할 수 있다. 또한 전체 발전 전압이 전력변환장치가 요구하는 최저 전압보다 낮아지는 경우에는 전력변환장치의 운전이 정지되는 상황을 방지하기 위해 병렬접속되어 있던 태양광 모듈의 연결을 직렬화할 수 있다. 전압은 일출, 일몰, 구름 등 환경변화에 의해 변화가 심하고, 평상시에는 전압의 변동이 거의 없다. 그러나 급격한 전압 저하가 발생하여 전압이 전력변환장치가 요구하는 최저 전압값보다 낮게 될 경우 제어부(220)는 전류의 변화로 병렬화 되어 있던 스위치 회로를 전류의 변화에 관계없이 직렬화 되도록 하는 것이 가능하다.
본 발명의 전력변환장치(200)는 관리자가 원격에서 모니터링을 통해 모든 지능형 태양광 모듈 컨트롤러(100)에 속한 태양광 모듈(110)의 이상 유무 상태를 손쉽게 파악할 수 있도록 정보를 제공할 수 있으며, 어떤 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 이상 상태 확인 시 즉각적인 대응과 보수를 가능하게 함으로써 발전 효율을 증가시키고 시스템 관리를 쉽게 할 수 있다. 미리 설정된 조건에 따라 무선네트워크 통신으로 원격지의 관리자에게 이상 상황을 통지하거나, 원격지에서 조회하는 정보를 제공하는 것이 가능하다. 또한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러에 제어 명령을 송신함으로써 발전 상태를 점검하고 그에 따라 직렬/병렬 접속 회로의 연결을 전환할 수 있다. 상기 전력변환장치(200)는 스트링(190)을 통하는 전체 전류를 감지하는 감지부(210)를 구비할 수 있으며, 이 경우 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 접속 회로 전환에 따른 전체 전류 변화를 감지하여 제어 명령을 상기 컨트롤러의 통신부로 송신할 수 있으므로 상기 전력변환장치(200)의 제어 명령에 따라 동작하는 상기 컨트롤러는 별도로 전류감지부(140) 및/또는 전압감지부(150)를 구비하지 않을 수 있다.
본 발명의 도 4은 본 발명에 따른 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 일 실시예를 보여준다. 하나의 스트링상에 지능형 태양광 모듈 컨트롤러가 10EA, 태양광 모듈(최대전압 40V, 최대전류 10A)은 20EA가 설치된 경우, 정상일 때는 전체 직렬 시 스트링상(190)의 총전압은 800V, 전류는 10A, 총 전력은 8KW이다. 또한 전체 병렬시 스트링(190)상의 총전압은 400V, 전류는 20A, 총 전력은 8KW가 된다(만약 일부만 병렬로 된다면 전체 전류는 20A가 아닌 10A로 제한될 수 있다). 그런데 전체 직렬시 어떤 태양광 모듈(110)에서 외부환경에 의하여 전류가 감소하여 1A가 되면, 전체 전류가 1A로 제한될 수 있어 발전 전력에 큰 손실이 발생한다. 이때 지능형 태양광 모듈 컨트롤러(100)가 문제가 발생한 태양광 모듈과 정상 상태인 태양광 모듈 사이를 병렬화 시키면 전체 전류는 1A로 제한되지 않을 수 있다. 기존의 태양광발전시설들은 태양광 모듈들이 직렬로 고정되어 있어 이러한 능동적인 대응이 불가하다.
직·병렬을 위한 지능형 태양광 모듈 컨트롤러(100)의 설치 개수와 각 컨트롤러에 연결되는 태양광 모듈의 개수, 그리고 그에 따른 전력변환장치의 용량은 제조자 혹은 사용자의 선택에 따라 변경될 수 있으므로 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.
또한, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 이러한 변형과 응용은 본 발명의 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 지능형 태양광 모듈 컨트롤러
110: 태양광 모듈
120: 스위칭 회로부 130: 제어부
140: 전류감지부 150: 전압감지부
160: 통신부 170: 전원공급부
180: 역류방지 회로부 190: 스트링
200: 전력변환장치 210: 전력변환장치 감지부
220: 전력변환장치 제어부 230: INVERTER OR PCS
240: 전력변환장치 통신부
110: 태양광 모듈
120: 스위칭 회로부 130: 제어부
140: 전류감지부 150: 전압감지부
160: 통신부 170: 전원공급부
180: 역류방지 회로부 190: 스트링
200: 전력변환장치 210: 전력변환장치 감지부
220: 전력변환장치 제어부 230: INVERTER OR PCS
240: 전력변환장치 통신부
Claims (9)
- 태양전지 셀이 집적된 태양광 모듈 사이의 전기적 연결을 변환하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러 제어 방법으로서;
상기 태양광 모듈 컨트롤러는 제1 태양광 모듈의 (+)단자 및 (-)단자와 각각 전기적으로 연결되는 제1 입력 단자쌍;
제2 태양광 모듈의 (+)단자 및 (-)단자와 각각 전기적으로 연결되는 제2 입력 단자쌍;
전력변환장치와 전기적으로 연결되거나, 또는 다른 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 전기적으로 직렬 연결되는 (+), (-) 외부연결 단자쌍;
상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이에서 상기 제1 입력 단자쌍의 어느 한 단자 및 그와 다른 극성을 가지는 상기 제2 입력 단자쌍의 한 단자가 전기적으로 연결되고 상기 제1, 제2 입력 단자쌍의 남은 단자는 외부연결 단자의 (+)단자와 (-)단자에 각각 전기적으로 연결되는 직렬접속 회로;
상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이에서 상기 제1 입력 단자쌍의 (+), (-) 단자가 제2 입력 단자쌍의 동일한 극성을 가지는 (+), (-) 단자와 각각 전기적으로 연결되고, 전기적으로 연결된 각 단자가 외부연결 단자쌍의 (+), (-) 단자와 각각 연결되는 병렬접속 회로;
상기 직렬접속 회로와 상기 병렬접속 회로 중 어느 하나의 회로를 선택적으로 상기 제1, 제2 입력 단자쌍과 상기 외부연결 단자쌍 사이를 연결하도록 스위칭하는 스위치 회로;
상기 스위치 회로의 직렬접속 또는 병렬접속 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 스위치 회로가 상기 직렬접속 회로에서 상기 병렬접속 회로로 스위칭된 경우 상기 외부연결 단자쌍을 통하는 전류 변화를 감지하는 단계; 및
상기 감지된 전류 변화 정도에 기초하여 상기 회로 전환 전의 회로로의 복귀 여부를 결정하는 단계를 포함하며;
상기 전류 변화를 감지하는 단계는, 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러의 외부연결 단자쌍에 접속된 스트링을 통하는 전류 변화를 감지하며;
상기 제어부는 미리 설정된 조건에 따라 스스로 상기 스위치 회로의 직렬접속 또는 병렬접속 스위칭 동작을 제어할 수 있으며;
상기 회로 전환 전의 회로로의 복귀 여부를 결정하는 단계는, 상기 감지된 전류 크기를 회로 전환 전에 감지된 전류 크기와 비교하여 소정 값 이상 증가된 경우 전환을 유지하고, 그렇지 않으면 전환 전 회로 연결로 복귀하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 전력변환장치의 제어부가 발전 상태를 점검하기 위하여 미리 설정된 주기에 의하여 병렬접속 회로가 연결되도록 상기 스위칭 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러는 고유한 식별코드(ID)를 가지고 전력변환장치와 통신하는 통신부를 더 포함하고,
상기 통신부로 회로 제어 명령이 수신된 경우 상기 제어부가 그 명령에 따라 직렬접속 회로 또는 병렬접속 회로가 연결되도록 상기 스위치 회로의 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 전력변환장치에 설치되어 외부연결 단자쌍에 접속된 스트링으로 직렬연결된 2 이상의 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러와 통신하여 2 이상의 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 원격 제어하되,
상기 회로 전환 전의 회로로의 복귀 여부를 결정하는 단계는 상기 감지된 전류 크기를 회로 전환 전에 감지된 전류 크기와 비교하여 소정 값 이상 증가된 경우 전환을 유지하고, 그렇지 않으면 전환 전 회로 연결로 복귀하도록 결정하고,
상기 전환을 유지하는 경우 고유한 식별코드(ID)에 의하여 해당 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 식별하여 발전 상태 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 외부연결 단자쌍을 통하는 전류 변화를 감지하는 단계는 상기 2 이상의 상기 지능형 태양광 모듈 컨트롤러가 직렬연결된 스트링을 통하는 전류 변화를 상기 전력변환장치의 감지부가 감지하여 각각의 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 전력변환장치가 미리 설정된 조건에 의하여 원격지의 관리자에게 이상 상황을 통지하거나, 원격지에서 조회하는 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 지능형 태양광 모듈 컨트롤러를 제어하는 전력변환장치의 제어 방법.
- 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 제어 방법을 수행하는 지능형 전력변환장치.
Priority Applications (4)
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