KR102386899B1 - 직류 전력량계 및 태양광 발전의 mppt 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

직류 전력량계 및 태양광 발전의 MPPT 제어 방법이 개시된다. 직류 전력량계는, 각 발전 현장에 설치된 PV 어레이에서 생산된 직류 전기가 흐르는 전력 라인에 설치된 계측부로부터 원시 계측 신호를 입력받아 변환 계측 신호로 변환하는 변환부; 상기 변환 계측 신호를 디지털 신호 형태의 계측 정보로 변환하는 AD 컨버터; 및 상기 계측 정보에 미리 지정된 분석 기법을 적용하여 상기 PV 어레이에서 생산된 발전 전력량을 산출하고, 상기 전력 라인에서의 과전류 여부 및 직류 아크 전류 발생 여부를 판별하여 생성한 분석 정보를 생성하는 분석부를 포함하되, 발전 현장들에 각각 설치된 직류 전력량계에서 생성된 분석 정보는 통신망을 통해 상기 관리 서버에 수집된다.

Description

직류 전력량계 및 태양광 발전의 MPPT 제어 방법{DC watt-meter and MPPT control method for solar power generation}
본 발명은 직류 전력량계 및 태양광 발전의 MPPT 제어 방법에 관한 것이다.
전세계적으로 사용되는 화석 연료로 인한 환경 오염의 증가와 화석 연료 매장량의 한계로 인해, 대체 에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광 발전 밀도가 높은 여러 나라에서는 대체 에너지 중에서 태양광 발전 시스템을 중심으로 개발 및 확산하고 있다.
태양광 발전 시스템은 시스템 가격 저감과 효율 향상을 중심으로 개선되고 있으며, 소비자 측면에서도 발전 효율 향상과 안정적인 운영에 관심을 기울이고 있다.
도 1에는 일반적인 태양광 발전 시스템이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 태양광 발전 시스템은 PV 어레이(Photovoltaic array)(110) 및 PV PCS(Power Conditioning System)(120)를 포함한다.
PV PCS(120)는 연결된 다수개의 PV 어레이(110)에서 발생되는 최대 출력을 유지하기 위한 최대 전력점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 기능, ESS(Energy Storage System) 또는 DC 전원과의 출력값을 보정하는 기능(DC-DC 변환), 계통 등에 전력을 공급하기 위해 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 기능(Inverter) 등을 포함할 수 있다.
일반적으로 태양광 발전 시스템의 효율은 PV 어레이(110), 인버터, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘 효율로 분류할 수 있다. 이중 MPPT 알고리즘의 효율은 약 98% 정도로 알려져 있다.
태양광 발전 시스템에 MPPT 알고리즘이 적용되는 경우에도, 태양광 발전 시스템이 설치되어 있는 현장의 환경 조건이 변경되거나 해당 현장의 환경 조건에 부적합한 MPPT 알고리즘이 적용된 경우에는 시스템 효율이 변동될 수 있다.
그러나, 종래기술에 따른 태양광 발전 시스템은 PV PCS(120)에 규정된 MPPT 알고리즘이 특정되어 있어, 환경 조건의 변화에 대응하거나, 보다 높은 발전 효율을 얻기 위한 목적으로 쉽게 조정될 수 없는 한계가 있다.
또한, PV 어레이(110)에서 발전된 직류 전기의 발전량을 계측하기 위해 설치되는 종래의 직류 전력량계는 전력 라인에서의 전선 발열이나 아크 발생에 따른 위험성을 미리 감지하거나 예측하지 못하는 한계도 있다.
한국등록특허 제10-15595060호(2016.02.17 공고)
본 발명은 인접 지역에 설치된 태양광 발전 시스템의 발전량과의 비교를 통해 각 태양광 발전 시스템의 상태를 파악할 수 있고, 각 태양광 발전 시스템에 대한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘의 최적화를 통해 발전량을 극대화할 수 있는 직류 전력량계 및 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 각 태양광 발전 시스템의 발전량 정보를 통합 관리함으로써 인접 지역에 설치될 태양광 발전 시스템의 발전량을 사전에 예측하는 경제성 분석 자료를 제공할 수 있는 직류 전력량계 및 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 발전된 직류 전기가 공급되는 전력 라인에서의 전선 발열이나 아크 발생에 따른 위험성을 미리 예측하여 통보함으로써, 태양광 발전 시스템의 안전한 운영을 보장할 수 있는 직류 전력량계 및 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 통신망을 통해 관리 서버와 연결되고, 미리 설정된 발전 현장들 각각에 설치되는 직류 전력량계로서, 각 발전 현장에 설치된 PV 어레이에서 생산된 직류 전기가 흐르는 전력 라인에 설치된 계측부로부터 원시 계측 신호를 입력받아 변환 계측 신호로 변환하는 변환부; 상기 변환 계측 신호를 디지털 신호 형태의 계측 정보로 변환하는 AD 컨버터; 및 상기 계측 정보에 미리 지정된 분석 기법을 적용하여 상기 PV 어레이에서 생산된 발전 전력량을 산출하고, 상기 전력 라인에서의 과전류 여부 및 직류 아크 전류 발생 여부를 판별하여 생성한 분석 정보를 생성하는 분석부를 포함하되, 발전 현장들에 각각 설치된 직류 전력량계에서 생성된 분석 정보는 통신망을 통해 상기 관리 서버에 수집되는 것을 특징으로 하는 직류 전력량계가 제공된다.
상기 관리 서버는, 각 발전 현장의 날씨 데이터와 상기 분석 정보에 포함된 각 발전 현장의 발전 전력량을 참조하여, 설치된 발전 설비에 따른 예상 발전 전력량에 비해 기준값 이상의 오차가 발생된 비효율 발전 현장이 존재하는지 판단하고, 비효율 발전 현장이 존재하면, 지리적으로 인근에 위치하거나 날씨 데이터에 기반하여 유사한 날씨를 나타내는 다른 발전 현장들 중 상대적으로 높은 발전 효율을 나타내는 발전 현장에 적용된 MPPT 제어 기법이 상기 비효율 발전 현장에 적용되도록 하기 위해 제어 설정 정보를 상기 비효율 발전 현장에 설치된 PV PCS(photovoltaic power conditioning system)에 전송할 수 있다.
상기 관리 서버는, 상기 분석 정보에 포함된 개별 발전 현장에 설치된 복수개의 PV 어레이들 각각의 발전 전력량을 참조하여, 상대적으로 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하는지 판단하고, 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하면, 해당 PV 어레이에 대한 유지 보수 작업을 요청하는 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송할 수 있다.
상기 관리 서버는, 수집된 분석 정보 내에 과전류 발생 및 직류 아크 전류 발생 중 하나 이상을 의미하는 위험 정보가 존재하는지 여부를 판단하고, 위험 정보가 존재하면, 위험 정보가 포함된 분석 정보가 생성된 발전 현장에 대한 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송할 수 있다.
과전류 발생 여부에 관한 분석 정보를 생성하기 위하여 상기 분석부는, 전류 계측에 따른 계측 정보를 이용하여 전선 발열량을 산출하고, 지속적으로 누적 산출되는 제1 전선 발열량 누적값이 미리 지정된 제1 기준값 이상이면 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성하고, 상기 제1 전선 발열량 누적값이 상기 제1 기준값 미만인 경우에는 미리 지정된 단위 시간 동안 누적 산출된 제2 전선 발열량 누적값이 미리 지정된 제2 기준값 이상인 경우에 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성할 수 있다.
직류 아크 전류의 발생 여부에 관한 분석 정보를 생성하기 위해 상기 분석부는, 전류 계측에 따른 계측 정보를 푸리에 변환하여, 교류분 전류의 크기가 미리 지정된 제3 기준값 이상이면 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성하고, 교류분 전류의 크기가 상기 제3 기준값 미만인 경우, 미리 지정된 아크 전류에 따른 위험 조건이 만족되면 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성할 수 있다.
상기 계측부는 변류기(CT), 플럭스 게이트 전류 센서, 직류 전압 계측기 및 영상 변류기(ZCT) 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 수행하도록 하는 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 하여금 이하의 단계들을 수행하도록 하며, 상기 단계들은, PV 어레이에서 생산된 직류 전기가 흐르는 전력 라인에 설치된 계측부에 의한 계측 신호를 이용하여 분석 정보를 생성하도록 발전 현장들 각각에 설치된 직류 전력량계부터 분석 정보가 수집되는 단계; 각 발전 현장의 날씨 데이터와 상기 분석 정보에 포함된 각 발전 현장의 발전 전력량을 참조하여, 설치된 발전 설비에 따른 예상 발전 전력량에 비해 기준값 이상의 오차가 발생된 비효율 발전 현장이 존재하는지 판단하는 단계; 및 비효율 발전 현장이 존재하면, 지리적으로 인근에 위치하거나 날씨 데이터에 기반하여 유사한 날씨를 나타내는 다른 발전 현장들 중 상대적으로 높은 발전 효율을 나타내는 발전 현장에 적용된 MPPT 제어 기법이 상기 비효율 발전 현장에 적용되도록 하기 위해 제어 설정 정보를 상기 비효율 발전 현장에 설치된 PV PCS(photovoltaic power conditioning system)에 전송하는 단계를 포함하는 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
상기 컴퓨터 프로그램은, 상기 분석 정보에 포함된 개별 발전 현장에 설치된 복수개의 PV 어레이들 각각의 발전 전력량을 참조하여, 상대적으로 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하는지 판단하는 단계; 및 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하면, 해당 PV 어레이에 대한 유지 보수 작업을 요청하는 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 프로그램은, 수집된 분석 정보들 중 과전류 발생 및 직류 아크 전류 발생 중 하나 이상을 의미하는 위험 정보가 포함된 분석 정보가 존재하는지 판단하는 단계; 및 존재하면, 위험 정보가 포함된 분석 정보가 생성된 발전 현장에 대한 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인접 지역에 설치된 태양광 발전 시스템의 발전량과의 비교를 통해 각 태양광 발전 시스템의 상태를 파악할 수 있고, 각 태양광 발전 시스템에 대한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘의 최적화를 통해 발전량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 각 태양광 발전 시스템의 발전량 정보를 통합 관리함으로써 인접 지역에 설치될 태양광 발전 시스템의 발전량을 사전에 예측하는 경제성 분석 자료를 제공할 수 있는 효과도 있다.
또한, 발전된 직류 전기가 공급되는 전력 라인에서의 전선 발열이나 아크 발생에 따른 위험성을 미리 예측하여 통보함으로써, 태양광 발전 시스템의 안전한 운영을 보장할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 일반적인 태양광 발전 시스템을 간략히 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 태양광 발전 시스템과 관리 서버간의 연결 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 연결 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 블록 구성도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 발전량 정보의 관리 기법을 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 과전류 검출 방법을 나타낸 순서도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 직류 아크 검출 방법을 나타낸 순서도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 태양광 발전 시스템과 관리 서버간의 연결 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 연결 구조를 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 블록 구성도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 발전량 정보의 관리 기법을 예시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 각각의 발전 현장에는 태양광 발전 시스템이 구비되고, 각 태양광 발전 시스템은 통신망을 통해 관리 서버(220)와 통신하도록 설정된다.
태양광 발전 시스템과 관리 서버(220)는 예를 들어 전력선 통신 방식 등과 같은 유선 통신 방식, IOT 전용 네트워크 기술로 구현된 LPWA(장거리 통신 기술)에 해당되는 로라(LoRa) 또는 시그폭스(Sigfox) 등과 같은 무선 통신 방식으로 통신하도록 설정될 수 있을 것이다.
각 발전 현장에 구비되는 태양광 발전 시스템은 PV 어레이(110), PV PCS (120), 직류 전력량계(210)를 포함할 수 있다.
각 발전 현장에 PV 어레이(110)는 다수개로 설치될 수 있으며(도 3 참조), PV PCS(120)는 연결된 다수개의 PV 어레이(110)에서 발생되는 최대 출력을 유지하기 위한 최대 전력점 추적(MPPT) 기능, ESS 또는 DC 전원과의 출력값을 보정하는 기능(DC-DC 변환), 계통 등에 전력을 공급하기 위해 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 기능(Inverter) 등을 수행할 수 있다.
각 PV 어레이(110)에서의 발전량을 산출하고, 발전된 직류 전기를 공급하는 전력 라인에서의 전선 발열이나 아크 발생에 따른 위험성을 사전에 감지할 수 있도록 직류 전력량계(210)가 구비된다. 전력 라인에는 예를 들어 과부하 및 단로 등 이상 상태를 감지하여 선로를 차단하는 MCCB(Molded Case Circuit Breaker) 등의 차단기가 구비될 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 직류 전력량계(210)는 예를 들어 한 개의 도선에 직렬 결선하여 하여 전류를 계측하는 변류기(CT, Current Transformer), 비접촉 방식으로 전류를 계측하는 플럭스 게이트 전류 센서, 두 개의 도선에 병렬로 연결하여 전압을 계측하는 직류 전압 계측기 등과 같은 다양한 계측부로부터 계측 신호를 입력받아 직류 전류, 직류 전압 및 발전 전력량을 계측할 수 있다. 직류 전력량계(210)에 설치된 영상 변류기(ZCT, Zero Current Transformer)의 계측 신호를 참조하여 직류 누설 전류의 발생 여부를 더 검출할 수도 있다.
직류 전력량계(210)는 계측된 전류의 크기와 변화를 이용하여 과전류 검출, 직류 아크 검출 등 위험성 예측에 대한 분석을 더 수행할 수 있다.
직류 전력량계(210)에 의해 분석된 분석 정보는 실시간 또는 미리 지정된 주기 등에 따라 통신망을 통해 관리 서버(220)로 전송될 수 있다. 여기서, 분석 정보는 예를 들어, 각 PV 어레이(110)의 발전 전력량, 각 PV 어레이(110)에 연결된 전력 라인의 전류와 전압에 대한 계측 정보, 해당 발전 현장에서의 총 발전 전력량과 단위 기간동안의 적산 발전 전력량, 분석 결과에 따른 과전류 검출이나 직류 아크 검출에 관한 위험 정보 등이 포함될 수 있다.
관리 서버(220)는 각 발전 현장에 설치된 각각의 직류 전력량계(210)로부터 통신망을 통해 분석 정보를 수신하고, 구비한 데이터베이스(도시되지 않음)에 저장하여 관리한다.
관리 서버(220)는 직류 전력량계(210)로부터 수신한 분석 정보를 참조하여 해당 발전 현장의 발전 전력량 및 단위 기간 동안의 적산 전력량을 확인하고 관리할 수 있다. 또한, 도 5의 (a)에 예시된 바와 같이, 발전 전력량 및 적산 전력량은 해당 시점 및 기간의 날씨 데이터와 연관되어 관리될 수도 있다.
관리 서버(220)는 각 지역에 각각 설정된 발전 현장에 구비된 각 직류 전력량계(210)로부터 수신한 분석 정보를 참조하여, 각 발전 현장의 발전 전력량을 개별적으로 관리할 수도 있고, 타 발전 현장과 대비되도록 관리할 수 있다(도 6 참조). 아울러, 관리 서버(220)는 각 발전 현장에 상응하는 날씨 데이터를 참조하여, 미리 지정된 단위 기간(예를 들어, 1일, 1주일, 1년 등) 동안 실제 발전된 발전 전력량이 적정한지 여부도 판단할 수 있다.
또한, 관리 서버(220)는 도 5의 (b)에 예시된 바와 같이, 해당 발전 현장의 실제 발전 전력량이 시공된 발전 설비에 따른 예상 발전 전력량에 비해 미리 지정된 기준값 이상으로 오차(△d)가 발생된 경우에는 비효율 발전 현장인 것으로 판단할 수 있다. 이때, 설치 이후 기간에 따른 노후화 정도가 함께 고려될 수도 있다.
비효율 발전 현장인 것으로 판단되면, 관리 서버(220)은 인근에 위치하였거나 날씨 데이터에 기반하여 유사한 날씨를 나타내는 다른 발전 현장들 중 상대적으로 높은 발전 효율을 나타내는 발전 현장에 적용된 MPPT 제어 기법이 해당 발전 현장에 적용되도록 하기 위해 제어 설정 정보를 해당 발전 현장의 PV PCS(120)로 전송할 수 있다.
이를 위해, PV PCS(120)에는 관리 서버(220)로부터 제어 설정 정보를 수신하기 위한 수신 모듈이 구비될 수 있다. PV PCS(120)는 수신 모듈을 통해 제어 설정 정보가 수신되면, 수신된 제어 설정 정보에 의해 지정된 MPPT 제어 기법에 따른 동작을 수행하도록 미리 설정될 수 있다.
발전 현장에서 적용될 수 있는 MPPT 제어 기법은 인버터 회로의 부하 제어 입력을 최대 전력 동작점(MPOP)이 변화하는 파라미터인 온도나, 일사량을 입력하여 가변시켜 최대 전력 전달점을 찾아내는 직접 제어 기법, 태양전지 어레이의 출력전압을 주기적으로 증가 감소시키고 이전의 출력전력과 현재의 출력전력을 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 Perturb and Observe 기법, PV 어레이(110) 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력동작점을 추종하는 Incremental Conductance 기법, Hysterisis-band 변동 제어 기법 등으로 다양할 수 있다.
또한, 관리 서버(220)는 동일한 발전 현장에 배치된 복수의 PV 어레이(110) 각각의 발전 전력량을 대비하여, 현저히 차이가 나타나는 등의 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이(110)가 존재하는 경우, MPPT 제어 기법을 변경하도록 처리하거나, 해당 PV 어레이(110)에 대한 유지 보수 작업을 실시하도록 통지할 수도 있다.
대부분 같은 구조로 같은 지역에 설치되는 복수의 PV 어레이(110)는 같은 방식으로 MPPT 제어된다. 그러나, 예상치 못한 음영의 발생, 전지판의 노후로 인한 발전 불량, 설치시 소손을 파악하지 못하여 발생한 불량, 전지판 겉면의 오염물질 부착등 다양한 이유로 각 PV 어레이(110) 별로 발전 전력량은 달라질 수 있다.
따라서, 관리 서버(220)는 발전 초기에 비해 일정 기간이 경과한 후 발전 전력량에 현저한 차이를 보이는 PV 어레이(110)가 존재하는 경우, 유지 보수 처리에 대한 통지를 실시함으로써 전지판 겉면의 오염 물질 부착, 낙뢰로 인한 어레이 소손 등의 문제를 해결할 수 있고, 또한 이를 통해 최적 효율의 발전이 가능하도록 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 직류 전력량계(210)는 변환부(310), AD 컨버터(312), 분석부(314), 표시부(316), 통신부(318) 및 저장부(320)를 포함할 수 있다.
변환부(310)는 발전된 직류 전력을 제공하기 위한 전력 라인들에 구비된 각각의 계측부들로부터 전류 또는 전압에 대한 원시 계측 신호를 입력받고, 입력된 계측 신호를 분석부(314) 등에서 인식하여 처리할 수 있는 크기의 변환 계측 신호로 변환한다.
AD 컨버터(312)는 변환부(310)에 의해 변환된 변환 계측 신호를 디지털 신호 형태의 계측 정보로 변환하여 분석부(314)로 제공한다.
분석부(314)는 입력된 계측 정보를 이용하여 계측부가 설치된 전력 라인에 대한 직류 전류와 직류 전압을 산출할 수 있고, 개별 PV 어레이(110) 및 해당 발전 현장에 대한 발전 전력량 및 단위 기간 동안의 적산 전력량 등을 산출하여 분석 정보를 생성할 수 있다.
분석부(314)는 영상 변류기(ZCT)에서 계측된 계측 정보를 참조하여, 영상 변류기가 설치된 전력 라인에 대한 누설 전류 발생 여부, 누설 전류량 등에 대한 정보를 더 생성할 수도 있다.
또한, 분석부(314)는 각 전력 라인에 설치된 변류기(CT)에서 계측된 전류값을 이용하여 과전류 검출, 직류 아크 검출 등 위험성 예측에 대한 분석을 더 수행할 수 있으며, 분석 결과로서 과전류 검출, 직류 아크 전류 검출 등 위험 상황인 것으로 판단되면 위험 정보를 생성할 수도 있다.
분석부(314)에 의해 생성된 정보들은 분석 정보로 통신망을 통해 관리 서버(220)에 제공될 수 있다.
이하, 분석부(314)에서 위험 상황인지 여부를 판단하기 위해 과전류 검출, 직류 아크 전류 검출을 수행하는 과정에 대해 간략히 설명한다.
일 예로, 분석부(314)는 과전류 검출을 위해 예를 들어 전선 발열량을 산출하는 방식을 이용할 수 있다. 전선 발열량(H)은 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112020054021121-pat00001
여기서, I는 계측된 전류값, R은 저항값, t는 시간을 의미한다.
전선 발열량 누적값은 해당 전력 라인에서 현재 계측된 전류값에 따른 1초당 전선 발열량에서 정격 전류시 1초당 전선 발열량을 차감한 값을 지속적으로 또는/및 미리 지정된 단위 시간 동안 누적하여 산출할 수 있다. 이때, 전선 발열량 누적값이 산출 과정에서 0(zero) 이하로 떨어지는 경우에는 0으로 적용하여 산출할 수 있다.
설명의 편의를 위해, 특정의 전력 라인의 단위 시간을 시간적으로 연속하는 A, B, C, D 구간으로 구분하고, A 구간 동안은 20A, B 구간 동안은 15A, C 구간 동안은 5A, D 구간 동안은 15A의 직류 전류가 각각 흐르는 것으로 가정하고, 해당 전력 라인의 정격 전류는 15A이고, 저항값(R)은 1Ω인 것으로 가정한다.
이때, 정격 전류시 전선 발열량은 54[cal](=0.24x152x1x1)로 산출될 수 있다. 이에 비해, A 구간동안 흐르는 직류 전류값이 20A이므로, 전선 발열량은 96[cal](=0.24x202x1x1)로 산출된다. 따라서, A 구간에서 계측된 전류값이 20A로 예를 들어 1분간 유지된다면, 전선 발열량 누적값은 2520[cal](=(96-54)x60)로 산출될 수 있다.
A 구간에서는 정격 전류인 15A보다 큰 20A가 계측되기 때문에, 전선 발열량 누적값은 시간 경과에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 이때, 분석부(314)는 전선의 온도가 지속적으로 상승하는 것으로 분석할 수 있을 것이다.
그러나, B 구간과 같이 정격 전류와 같은 크기의 전류가 계측되는 동안에는 전선 발열량 누적값이 고정된 상태로 유지되며, B 구간에서는 A 구간 동안 상승된 전선의 온도가 동일하게 유지되는 것으로 분석될 수 있다.
그러나, C 구간과 같이 정격 전류보다 상대적으로 낮은 크기의 전류가 계측되는 동안에는 전선 발열량이 정격 전류의 경우보다 상대적으로 작기 때문에, 전선 발열량 누적값은 점차 감소하는 것으로 분석된다.
이후, D 구간과 같이 다시 정격 전류와 같은 크기의 전류가 계측되면, 전술한 B 구간과 마찬가지로 전선 발열량 누적값이 고정된 상태를 유지하게 된다. 따라서, D 구간에서는 C 구간 동안 감소된 전선의 온도가 동일하게 유지되는 것으로 분석될 수 있다.
전술한 바와 같이, 변류기가 설치된 해당 전력 라인에 어떤 크기의 전류값이 계측되는지에 따라 전선 발열량 누적값은 변동되며, 전선 발열량 누적값을 참조하여 전선의 온도가 추정될 수 있다.
이러한 특징을 이용하여, 분석부(314)는 전선 발열량 누적값이 미리 지정된 제1 기준값 이상인 경우, 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220)로 전송되도록 할 수 있다. 물론, 이러한 경우 등에 위험 경고가 미리 지정된 수신 장치(예를 들어, 관리소, 관리 서버, 사용자 장치 등)로 더 전송되도록 할 수도 있다.
또한, 분석부(314)는 전선 발열량 누적값이 제1 기준값 이하일지라도, 차단기의 차단 조건을 고려하여 미리 설정된 위험 상황인 것으로 판단되면, 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 할 수 있다.
예를 들어, MCCB인 차단기가 정격 전류의 200%에 해당되는 전류가 미리 지정된 시간(예를 들어, 최소 20초에서 최대 1분 30초 이내) 동안 흐르는 경우, 차단하도록 차단 조건이 설정되어 있다면, 분석부(314)는 예를 들어 전선 발열량 누적값을 참조하여 200% 또는 그 이상에 해당하는 전류가 10초간 연속하여 흐른 것으로 분석되면, 과전류 발생 가능성에 따른 위험 상황인 것으로 판단하여 통신부(318)를 통해 위험 경고가 미리 지정된 수신 장치로 전송되도록 할 수 있다.
예를 들어, 정격 전류 15A의 2배인 30A가 10초간 흐르는 경우의 전선 발열량 누적값인 1620[cal](=0.24x302x1x10-0.24x152x1x10)를 제2 기준값으로 설정하고, 제2 기준값을 초과하는 단위 시간(예를 들어 10초) 동안의 전선 발열량 누적값이 산출되면, 분석부(314)는 과전류 발생이 가능한 상황인 것으로 판단할 수 있다.
물론, 분석부(314)가 전선 발열량을 참조하여 과전류 발생 여부를 판단할 때 전선의 굵기가 고려되어 제1 및 제2 기준값이 설정될 수 있음은 당연하다.
또한, 분석부(314)는 각 전력 라인에 설치된 변류기에서 계측된 전류값에 대한 푸리에 변환을 수행하여 스위치 접점 등에서 발생되는 직류 아크 전류의 검출을 수행할 수 있다.
분석부(314)는 전류에 관한 계측 정보를 푸리에 변환하였을 때 직류 성분 이외에 교류 성분이 존재하는 경우에는, 아크 전류가 발생된 것으로 판단할 수 있다.
푸리에 분석을 수행하였을 때, 아크 전류는 직류를 제외한 전 주파수 영역에 나타날 수 있고, 분석부(314)는 주파수가 0Hz인 직류 성분 이외의 전류 성분인 교류분 전류를 아크 전류로 인식할 수 있다.
분석부(314)는 교류분 전류의 크기가 미리 지정된 제3 기준값보다 큰 것으로 판단하는 경우에는 아크 전류가 위험 크기인 것으로 판단하여 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 할 수 있다.
또한, 분석부(314)는 미리 지정된 크기(즉, 제3 기준값보다 작게 설정된 특정 크기)보다 큰 아크 전류가 미리 지정된 시간 조건(예를 들어, 1초 이상 지속 발생 또는 5분 내에서 2초 이상 발생 등)을 만족하도록 미리 규정된 아크 전류 위험 조건을 만족하면, 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 할 수도 있다.
다시 도 4를 참조하면, 표시부(316)에는 미리 지정된 방식으로 직류 전력량계(210)의 동작 상황에 관한 정보가 표시되도록 처리될 수 있다. 또한, 표시부(316)에는 분석부(314)에 의해 분석된 정보 및 위험 상황 여부에 관한 정보가 더 표시되도록 처리될 수도 있다.
통신부(318)는 통신망을 통해 관리 서버(220) 및 미리 지정된 수신 장치(예를 들어, 관리소, 관리 서버, 사용자 장치 등)와 통신을 수행한다. 통신부(318)는 예를 들어 전력선 통신 방식 등의 유선 통신 방식, LPWA(장거리 통신 기술)에 해당되는 로라(LoRa) 또는 시그폭스(Sigfox) 등의 무선 통신 방식으로 통신하도록 미리 설정될 수 있다.
저장부(320)에는 직류 전력량계(210)의 운용을 위한 프로그램 및 관련 데이터 등이 저장될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 단계 610에서 관리 서버(220)는 발전 현장들에 각각 설치된 직류 전력량계(210)로부터 분석 정보를 수집한다. 여기서, 분석 정보는 예를 들어 해당 발전 현장에서의 총 발전 전력량과 단위 기간동안의 적산 발전 전력량, 해당 발전 현장에 설치된 각 PV 어레이(110)의 발전 전력량, 각 PV 어레이(110)에 연결된 전력 라인의 전류와 전압에 대한 계측 정보, 전력 라인별 분석 결과에 따른 과전류 검출이나 직류 아크 검출에 관한 위험 정보 등이 포함될 수 있다.
단계 620에서, 관리 서버(220)는 수집된 분석 정보에 위험 정보가 존재하는지 여부를 판단한다.
위험 정보가 존재하면, 관리 서버(220)는 수집된 분석 정보들을 참조하여 위험 정보가 생성된 발전 현장이 어디인지를 인식하고, 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치(예를 들어, 관리소, 관리 서버, 사용자 장치 등)로 전송한다(단계 630).
그러나 만일 위험 정보가 존재하지 않는 경우에는, 단계 640에서, 관리 서버(220)는 수집된 분석 정보에 포함된 각 발전 현장의 PV 어레이(110)별 발전 전력량 등을 참조하여 각 발전 현장에 설치된 다수개의 PV 어레이(110) 중에서 상대적으로 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이(110)가 존재하는지 여부를 판단한다.
만일 상대적으로 비정상적인 PV 어레이(110)가 존재하면, 관리 서버(220)는 해당 PV 어레이(110)에 대한 유지 보수 작업을 요청하기 위한 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치(예를 들어, 관리소, 관리 서버, 사용자 장치 등)로 전송한다(단계 630). 유지 보수 작업을 통해 해당 PV 어레이(110)의 전지판 겉면의 오염 물질 제거, 불량 부품 교체 등의 처리가 진행될 수 있고, 이를 통해 최적 효율의 발전이 가능해질 수 있다.
그러나 만일 상대적으로 비정상적인 PV 어레이(110)가 존재하지 않으면, 단계 650에서 관리 서버(220)는 해당 발전 현장의 실제 발전 전력량이 시공된 발전 설비에 따른 예상 발전 전력량에 비해 미리 지정된 기준값 이상으로 오차(△d)가 발생된 경우에는 비효율 발전 현장인 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 설치 이후 기간에 따른 노후화 정도가 더 고려될 수도 있다.
만일 비효율 발전 현장이 존재하는 것으로 판단되면, 단계 660에서, 관리 서버(220)는 인근에 위치하였거나 날씨 데이터에 기반하여 유사한 날씨를 나타내는 다른 발전 현장들 중 상대적으로 높은 발전 효율을 나타내는 발전 현장에 적용된 MPPT 제어 기법이 해당 발전 현장에 적용되도록 하기 위해 제어 설정 정보를 해당 발전 현장의 PV PCS(120)로 전송할 수 있다. PV PCS(120)는 관리 서버(220)로부터 제어 설정 정보가 수신되면, 수신된 제어 설정 정보에 의해 지정된 MPPT 제어 기법에 따른 동작을 수행하도록 미리 설정될 수 있다.
그러나 만일 비효율 발전 현장이 미존재하거나, 제어 설정 정보의 전송이 완료되면, 발전 현장들에 대한 최적 발전 효율 유지를 위해 관리 서버(220)는 다시 단계 610으로 진행한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 과전류 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 참조하면, 단계 810에서, 직류 전력량계(210)의 분석부(314)는 계측부에서 계측된 전류값에 상응하는 계측 정보를 입력받고, 단계 820으로 진행하여, 계측 정보를 이용하여 과전류 검출을 위한 전선 발열량 누적값을 산출한다.
단계 820에서 산출되는 전선 발열량 누적값은 지속적으로 연속하여 누적되도록 산출되는 전선 발열량 누적값과, 단위 시간(예를 들어, 10초)당 누적 산출되는 전선 발열량 누적값 등일 수 있다.
단계 830에서, 분석부(314)는 연속하여 누적 산출된 전선 발열량 누적값이 미리 지정된 제1 기준값 이상인지 여부를 판단한다. 제1 기준값은 전선의 굵기 등에 따라 전선이 발열에 견딜 수 있는 허용값을 기준으로 미리 선정될 수 있다.
만일 누적 산출된 전선 발열량 누적값이 제1 기준값 이상인 경우에는 단계 840으로 진행하여, 분석부(314)는 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 한다.
그러나 만일 누적 산출된 전선 발열량 누적값이 제1 기준값 미만인 경우에는 단계 850으로 진행하여, 단위 시간 누적된 전선 발열량 누적값이 미리 설정된 제2 기준값 이상인지 여부를 판단한다. 제2 기준값은 차단기의 차단 조건을 고려하여 미리 선정될 수 있으며, 제2 기준값을 만족하는 경우에는 전선의 발열과는 별개로 전선에 과전류가 발생 가능한 상황인 것으로 해석될 수 있다.
만일 단위 시간 누적된 전선 발열량 누적값이 제2 기준값 이상이면, 단계 840으로 진행하여, 분석부(314)는 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 한다.
그러나 만일 단위 시간 누적된 전선 발열량 누적값이 제2 기준값 미만이면, 계측 정보를 이용한 과전류 검출을 지속하기 위해 단계 410으로 다시 진행한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력량계의 직류 아크 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9를 참조하면, 단계 910에서, 직류 전력량계(210)의 분석부(314)는 계측부에서 계측된 전류값에 상응하는 계측 정보를 입력받고, 단계 920으로 진행하여, 계측 정보를 이용한 푸리에 변환을 수행한다.
전류에 관한 계측 정보를 푸리에 변환하였을 때 직류 성분 이외에 교류 성분이 존재하면, 아크 전류가 발생된 것으로 판단할 수 있다. 즉, 아크 전류는 직류를 제외한 전 주파수 영역에 나타날 수 있고, 분석부(314)는 주파수가 0Hz인 직류 성분 이외의 전류 성분인 교류분 전류를 아크 전류로 인식할 수 있다.
단계 930에서, 분석부(314)는 푸리에 변환에 따른 교류분 전류의 크기가 미리 지정된 제3 기준값 이상인지 여부를 판단한다.
만일 교류분 전류의 크기가 제3 기준값 이상인 경우라면, 분석부(314)는 단계 940에서 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 할 수 있다.
그러나 만일 교류분 전류의 크기가 제3 기준값 미만인 경우에는, 분석부(314)는 단계 950에서 아크 전류에 따른 위험 조건을 만족하는지 여부를 판단한다. 여기서, 아크 전류에 따른 위험 조건은 예를 들어 미리 지정된 크기(즉, 제3 기준값보다 작게 설정된 특정 크기)보다 큰 아크 전류가 미리 지정된 시간 조건(예를 들어, 1초 이상 지속 발생 또는 5분 내에서 2초 이상 발생 등)을 만족하도록 발생된 경우 만족되는 것으로 미리 설정될 수 있다.
아크 전류에 따른 위험 조건을 만족하는 경우라면, 분석부(314)는 단계 940으로 진행하여 통신부(318)를 통해 위험 경고가 관리 서버(220) 등으로 전송되도록 할 수 있다.
그러나 만일 아크 전류에 따른 위험 조건이 만족되지 않은 경우라면, 계측 정보를 이용한 직류 아크 검출을 지속하기 위해 단계 910으로 다시 진행한다.
상술한 태양광 발전의 MPPT 제어 방법은 디지털 처리 장치에 내장된 소프트웨어 프로그램, 어플리케이션 등으로 구현되어 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램 등을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : PV 어레이 120 : PV PCS
210 : 직류 전력량계 220 : 관리 서버
310 : 변환부 312 : AD 컨버터
314 : 분석부 316 : 표시부
318 : 통신부 320 : 저장부

Claims (10)

  1. 통신망을 통해 관리 서버와 연결되고, 미리 설정된 발전 현장들 각각에 설치되는 직류 전력량계로서,
    각 발전 현장에 설치된 PV 어레이에서 생산된 직류 전기가 흐르는 전력 라인에 설치된 계측부로부터 원시 계측 신호를 입력받아 변환 계측 신호로 변환하는 변환부;
    상기 변환 계측 신호를 디지털 신호 형태의 계측 정보로 변환하는 AD 컨버터; 및
    상기 계측 정보에 미리 지정된 분석 기법을 적용하여 상기 PV 어레이에서 생산된 발전 전력량을 산출하고, 상기 전력 라인에서의 과전류 여부 및 직류 아크 전류 발생 여부를 판별하여 생성한 분석 정보를 생성하는 분석부를 포함하되,
    발전 현장들에 각각 설치된 직류 전력량계에서 생성된 분석 정보는 통신망을 통해 상기 관리 서버에 수집되고,
    상기 관리 서버는,
    각 발전 현장의 날씨 데이터와 상기 분석 정보에 포함된 각 발전 현장의 발전 전력량을 참조하여, 설치된 발전 설비에 따른 예상 발전 전력량에 비해 기준값 이상의 오차가 발생된 비효율 발전 현장이 존재하는지 판단하고,
    비효율 발전 현장이 존재하면, 지리적으로 인근에 위치하거나 날씨 데이터에 기반하여 유사한 날씨를 나타내는 다른 발전 현장들 중 상대적으로 높은 발전 효율을 나타내는 발전 현장에 적용된 MPPT 제어 기법이 상기 비효율 발전 현장에 적용되도록 하기 위해 제어 설정 정보를 상기 비효율 발전 현장에 설치된 PV PCS(photovoltaic power conditioning system)에 전송하는 것을 특징으로 하는 직류 전력량계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관리 서버는,
    상기 분석 정보에 포함된 개별 발전 현장에 설치된 복수개의 PV 어레이들 각각의 발전 전력량을 참조하여, 상대적으로 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하는지 판단하고,
    비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하면, 해당 PV 어레이에 대한 유지 보수 작업을 요청하는 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 직류 전력량계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관리 서버는,
    수집된 분석 정보 내에 과전류 발생 및 직류 아크 전류 발생 중 하나 이상을 의미하는 위험 정보가 존재하는지 여부를 판단하고,
    위험 정보가 존재하면, 위험 정보가 포함된 분석 정보가 생성된 발전 현장에 대한 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 직류 전력량계.
  5. 제4항에 있어서,
    과전류 발생 여부에 관한 분석 정보를 생성하기 위하여 상기 분석부는,
    전류 계측에 따른 계측 정보를 이용하여 전선 발열량을 산출하고, 지속적으로 누적 산출되는 제1 전선 발열량 누적값이 미리 지정된 제1 기준값 이상이면 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성하고,
    상기 제1 전선 발열량 누적값이 상기 제1 기준값 미만인 경우에는 미리 지정된 단위 시간 동안 누적 산출된 제2 전선 발열량 누적값이 미리 지정된 제2 기준값 이상인 경우에 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 전력량계.
  6. 제4항에 있어서,
    직류 아크 전류의 발생 여부에 관한 분석 정보를 생성하기 위해 상기 분석부는,
    전류 계측에 따른 계측 정보를 푸리에 변환하여, 교류분 전류의 크기가 미리 지정된 제3 기준값 이상이면 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성하고,
    교류분 전류의 크기가 상기 제3 기준값 미만인 경우, 미리 지정된 아크 전류에 따른 위험 조건이 만족되면 위험 정보가 포함된 분석 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 전력량계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계측부는 변류기(CT), 플럭스 게이트 전류 센서, 직류 전압 계측기 및 영상 변류기(ZCT) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 직류 전력량계.
  8. 태양광 발전의 MPPT 제어 방법을 수행하도록 하는 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 하여금 이하의 단계들을 수행하도록 하며, 상기 단계들은,
    PV 어레이에서 생산된 직류 전기가 흐르는 전력 라인에 설치된 계측부에 의한 계측 신호를 이용하여 분석 정보를 생성하도록 발전 현장들 각각에 설치된 직류 전력량계부터 분석 정보가 수집되는 단계;
    각 발전 현장의 날씨 데이터와 상기 분석 정보에 포함된 각 발전 현장의 발전 전력량을 참조하여, 설치된 발전 설비에 따른 예상 발전 전력량에 비해 기준값 이상의 오차가 발생된 비효율 발전 현장이 존재하는지 판단하는 단계; 및
    비효율 발전 현장이 존재하면, 지리적으로 인근에 위치하거나 날씨 데이터에 기반하여 유사한 날씨를 나타내는 다른 발전 현장들 중 상대적으로 높은 발전 효율을 나타내는 발전 현장에 적용된 MPPT 제어 기법이 상기 비효율 발전 현장에 적용되도록 하기 위해 제어 설정 정보를 상기 비효율 발전 현장에 설치된 PV PCS(photovoltaic power conditioning system)에 전송하는 단계를 포함하는 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분석 정보에 포함된 개별 발전 현장에 설치된 복수개의 PV 어레이들 각각의 발전 전력량을 참조하여, 상대적으로 비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하는지 판단하는 단계; 및
    비정상적인 발전 전력량을 나타내는 PV 어레이가 존재하면, 해당 PV 어레이에 대한 유지 보수 작업을 요청하는 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송하는 단계를 더 포함하는 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  10. 제8항에 있어서,
    수집된 분석 정보들 중 과전류 발생 및 직류 아크 전류 발생 중 하나 이상을 의미하는 위험 정보가 포함된 분석 정보가 존재하는지 판단하는 단계; 및
    존재하면, 위험 정보가 포함된 분석 정보가 생성된 발전 현장에 대한 대응 지시 정보를 미리 지정된 수신 장치로 전송하는 단계를 더 포함하는 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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