KR102412303B1 - 전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등 전압을 추종하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 태양광 발전 시스템은 다수의 태양전지 모듈로 구성된 다수의 태양전지 스트링들; 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결되어 대응된 태양전지 스트링의 출력이 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압을 균등 전압으로 추종하도록 상기 태양전지 스트링 단위로 최대 전력점 추종을 수행하는 다수의 스트링 옵티마들; 및 상기 최대 전류값에 대응한 최대 전력점을 자동으로 추적하고, 그 결과를 AC 전력으로 변환하여 계통에 연계하는 인버터를 포함하되, 상기 스트링 옵티마는 임의의 제1 태양전지 스트링으로부터 발전전력을 입력받는 입력 처리부; 상기 입력 처리부를 통해 입력된 발전전력을 부스팅하거나 바이패스하여 출력하는 부스터부; 상기 부스터부의 출력을 뒷단으로 출력하는 출력 처리부; 및 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력으로부터 감지된 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압을 균등 전압으로 추종하도록 상기 부스터부의 동작을 제어하는 메인 컨트롤러 장치를 포함함으로써, 환경 요소(예컨대, 일출, 일몰, 구름, 빙설 등)에 따른 태양전지의 출력 불균형을 해소하고, 태양 전지의 최대 출력(예컨대, 최대 일사량 상태에서의 출력)을 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등 전압을 추종하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템{STRING OPTIMA FOR TRACKING EQUAL VOLTAGE IN STRING UNITS USING CURRENT VALUE, AND SOLAR POWER GENERATION SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 태양전지 어레이의 스트링별로 전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등 전압을 추종하는 MPPT를 수행하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전은 높은 발전단가에 비해 전력 생산 효율이 낮은 단점이 있다. 그러나 화석 에너지의 감소와 무공해라는 환경적인 요구가 증가함에 따라 현재에는 태양광 발전 효율 개선에 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 태양으로부터 받은 에너지를 태양전지를 통해 변환할 수 있는 전기에너지의 비율은 전체 태양에너지의 약 15~20%에 불과하다.
구체적으로, 태양광 발전을 일으키는 태양전지(solar cell)의 출력은 매우 작으므로 필요한 출력을 얻기 위해, 태양전지를 여러 개를 직렬로 연결하여 태양전지 모듈(PV Module, PhotoVoltanic Module)을 구성하고 상기 태양전지 모듈을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양전지 어레이(PV Array)를 구성한다.
태양전지 어레이의 전압 크기는 직렬 연결된 태양전지 모듈 개수에 비례하며, 태양전지 어레이의 전류 크기는 병렬 연결된 선로의 개수에 비례한다.
한편, 태양광 발전 장치는 태양전지의 출력이 주변 환경에 따라 출력 값이 달라지기 때문에 여타의 발전 방식보다 안정적인 전기 공급이 어렵다.
다시 말하면, 태양광 발전 장치는 태양전지의 출력이 일사량, 온도, 구름 등의 주변 환경에 따라 전압과 전류가 비선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있다.
이러한 태양전지의 낮은 효율 및 불안정한 전력공급을 개선하기 위해서는 태양전지 자체의 성능을 높여 효율을 개선하는 것이 가장 근본적인 대책이지만 현재까지의 기술로는 뚜렷한 개선이 어려운 실정이다.
그러므로 태양광 발전의 경쟁력을 높이기 위해서는 발전 장치의 성능을 높여 효율을 개선하는 것도 중요하지만, 태양광 발전의 효율을 유지하기 위해 최대 출력을 안정적으로 유지할 수 있는 시스템이 요구되며, 최대 출력을 생산하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력점 추종) 제어가 필수적이다.
도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치는, 다수의 태양전지(PV) 모듈(10)이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 태양전지 어레이(10A)와, 접속반(30) 및 인버터(40)로 구성된다.
상기 태양전지 모듈(10)은 태양광을 DC 전력으로 변환하여 접속반(30)을 통해 인버터(40)로 전송하며, 상기 인버터(40)는 각 태양전지 모듈(10)을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환해주는 역할을 한다.
여기서, 태양광 발전 장치의 용량에 따라 태양전지 모듈(10)이 직렬과 병렬로 연결되는데, 상기 태양전지 모듈(10)이 직렬로 연결되어 하나의 스트링(20, string)이 구성되고, 이들 스트링이 병렬로 연결되어 태양전지 어레이(10A)가 구성된다.
상기 접속반(30)은 스트링 옵티마와 역류 방지 다이오드를 포함하여 이루어지는데, 스트링 옵티마는 태양전지 어레이부(10A)의 전압을 취합하고, 상기 역류 방지 다이오드를 통한 다수의 태양전지 어레이(10A)로부터의 전력을 통합하여 인버터(40)의 입력단으로 공급한다.
상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치는 각 태양전지 모듈(10)로부터 생산된 전력을 상기 접속반(30)을 통해 상기 인버터(40)로 전송되고, 상기 인버터(40)에서 MPPT를 제어하여 발전하고 있다.
한편, 상기 MPPT 제어는 인버터(40)에서 이루어지는데, 태양광 발전 장치의 동작점으로 최대 전력점(MPP)을 자동으로 추적하는 기능을 수행한다.
그러나 이러한 종래의 태양광 발전 장치는 인버터에서 MPPT 제어시, 스트링 옵티마의 출력 전압이 서로 균등하지 않고, 이로 인해 효율이 상대적으로 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로서, 대한민국 공개특허 제10-2013-0133413호에는, 태양광으로부터 전기 에너지를 생성하는 태양광 모듈; 상기 태양광 모듈로부터의 전기 에너지를 후단에 연결될 인버터의 동작을 위해 필요한 적절한 전압 레벨로 상승시키기 위한 부스터; 상기 부스터와 병렬로 연결된 스위치부; 및 상기 부스터의 출력을 입력받아 전력 계통 등에 전달하기 위한 교류 전원으로 변환하기 위한 인버터로 구성된 태양광 발전 장치가 개시되어 있다.
상기 특허에 의하면, 스위치부는 상기 부스터와 전기적으로 병렬 연결되어, 태양광 모듈과 인버터 사이의 2개의 경로를 형성하는데, 이러한 종래의 태양광 발전 장치는 단순히 부스터가 미동작시 스위치부를 동작시켜 에너지 손실을 방지할 뿐 균등한 전압을 출력하지 못하는 문제점이 있다.
한국 공개특허 제 10-2013-0133413 호
따라서 상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양광 발전 시스템의 인버터단에서 이루어지는 인버터 제어 MPPT 이전에, 태양전지 어레이의 스트링별 전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등전압을 추종하는 스트링 MPPT 제어를 더 수행함으로써, 환경 요소(예컨대, 일출, 일몰, 구름, 빙설 등)에 따른 태양전지의 출력 불균형을 효과적으로 해소하고, 태양 전지의 최대 출력(예컨대, 최대 일사량 상태에서의 출력)을 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 태양전지 스트링들 각각에 대응한 스트링 옵티마들이 대응된 태양전지 스트링들 각각의 출력 전류를 상호 공유하고, 그 결과에 의거하여 출력 전류가 낮은 태양전지 스트링의 출력 전류를 부스팅하도록 함으로써, 태양전지의 출력 불균형을 효과적으로 해결할 수 있으며, 안정적인 전기 공급이 가능하도록 하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 외부 망을 통해 원격지에서 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 모니터링하고, 그 동작을 제어하는 모니터링 시스템과 연동함으로써, 태양광 발전 시스템 발전 전력의 지역별 불균형을 해소할 수 있도록 하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 스트링 옵티마는, 태양광 발전 시스템을 구성하는 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결되어 대응된 태양전지 스트링의 발전전력을 부스팅하여 출력하는 스트링 옵티마에 있어서, 임의의 제1 태양전지 스트링으로부터 발전전력을 입력받는 입력 처리부; 상기 입력 처리부를 통해 입력된 발전전력을 부스팅하거나 바이패스하여 출력하는 부스터부; 상기 부스터부의 출력을 뒷단으로 출력하는 출력 처리부; 및 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력으로부터 감지된 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압을 균등 전압으로 추종하도록 상기 부스터부의 동작을 제어하는 메인 컨트롤러 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에서 제공하는 태양광 발전 시스템은 다수의 태양전지 모듈로 구성된 다수의 태양전지 스트링들; 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결되어, 대응된 태양전지 스트링의 출력이 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압을 균등 전압으로 추종하도록 상기 태양전지 스트링 단위로 최대 전력점 추종을 수행하는 다수의 스트링 옵티마들; 및 상기 최대 전류값에 대응한 최대 전력점을 자동으로 추적하고, 그 결과를 AC 전력으로 변환하여 계통에 연계하는 인버터를 포함하되, 상기 스트링 옵티마는 임의의 제1 태양전지 스트링으로부터 발전전력을 입력받는 입력 처리부; 상기 입력 처리부를 통해 입력된 발전전력을 부스팅하거나 바이패스하여 출력하는 부스터부; 상기 부스터부의 출력을 뒷단으로 출력하는 출력 처리부; 및 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력으로부터 감지된 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압을 균등 전압으로 추종하도록 상기 부스터부의 동작을 제어하는 메인 컨트롤러 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 시스템의 인버터단에서 이루어지는 인버터 제어 MPPT 이전에, 태양전지 어레이의 스트링별 전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등전압을 추종하는 스트링 MPPT 제어를 더 수행함으로써, 환경 요소(예컨대, 일출, 일몰, 구름, 빙설 등)에 따른 태양전지의 출력 불균형을 효과적으로 해소하고, 태양 전지의 최대 출력(예컨대, 최대 일사량 상태에서의 출력)을 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 태양전지 스트링들 각각에 대응한 스트링 옵티마들이 대응된 태양전지 스트링들 각각의 출력 전류를 상호 공유하고, 그 결과에 의거하여 출력 전류가 낮은 태양전지 스트링의 출력 전류를 부스팅하도록 함으로써, 태양전지의 출력 불균형을 효과적으로 해결할 수 있으며, 안정적인 전기 공급이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외부 망을 통해 원격지에서 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 모니터링하고, 그 동작을 제어하는 모니터링 시스템과 연동함으로써, 태양광 발전 시스템 발전 전력의 지역별 불균형을 해소할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 일실시 예에 따른 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 스트링 옵티마에 대한 개략적인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예예 따른 통합 제어부에 대한 개략적인 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 성능 개선 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명하되, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 한편 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 상세한 설명을 생략하여도 본 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 부분의 설명은 생략하였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이(100), 스트링 옵티마(210)를 포함하는 접속반(200), 인버터(300), 전력계통(400), 및 모니터링 시스템(500)을 포함할 수 있다.
태양전지 어레이(100)는 다수의 태양 전지 모듈(111)로 구성된 다수의 태양전지 스트링들(110)을 포함한다.
접속반(200)은 태양전지 어레이(100)와 인버터(300) 사이에 연결되며, 접속반(200)에 포함된 스트링 옵티마(210)는 태양전지 스트링(110)의 출력단과 인버터 사이에 연결되어, 태양전지 스트링(110)별 발전전력을 부스팅한 후, 균등전압을 출력하되, 태양전지 스트링(110)들 각각의 전류값을 이용하여 스트링 단위로 상기 균등전압을 추종하도록 한다.
이를 위해, 접속반(200) 내에는 다수의 스트링 옵티마(210), 다수의 전류 센서(220), 최대전류값 검출부(230), 및 통합 제어부(240)를 포함할 수 있다.
다수의 스트링 옵티마(210)들은 다수의 태양전지 스트링(110)들 각각에 대응되어, 대응된 태양전지 발전전력을 부스팅함으로써, 태양전지 스트링(110) 단위로 최대 전력점 추종(MPPT)을 수행할 수 있도록 한다. 이러한 스트링 옵티마(210)에 대한 보다 상세한 설명은 도 3을 참조하여 후술할 것이다.
전류센서(220)는 스트링 옵티마(210)들 각각의 출력단에 연결되어, 대응된 스트링 옵티마(210)의 출력으로부터 전류값을 측정하고, 상기 측정된 전류값(이하, 측정 전류값이라 칭함)을 스트링 옵티마(210)로 피드백한다. 이 때, 전류센서(220)는 상기 측정된 전류값을 전압으로 출력하되, 도 2에 예시된 바와 같이, 스트링 옵티마(210)의 출력단에 연결되어, 대응된 스트링 옵티마(210)의 출력으로부터 전류값을 측정하거나, 스트링 옵티마(210) 내부에 구비될 수 있다.
최대전류값 검출부(230)는 다수의 태양전지 스트링(110)들 각각의 출력으로부터 측정된 전류값들을 입력으로 받고, 상기 입력된 전류값들과 상기 측정 전류값을 비교하여 최대 전류값을 검출한다. 이를 위해, 최대전류값 검출부(230)는 상기 입력된 전류값들 및 측정 전류값을 OR개념으로 연결하여, 최대 전류값만을 출력하도록 할 수 있다. 예를 들어, 최대전류값 검출부(230)는 각각의 태양전지 스트링(110) 별로 캐소드(cathode)와 애노드(anode)가 형성되도록 다이오드를 연결하여, 높은 전압만 출력되도록 구성할 수 있다.
통합 제어부(240)는 다수의 스트링 옵티마(210)들과 통신망(예컨대, 유/무선 통신망)으로 연결되어, 다수의 스트링 옵티마(210)들의 동작을 통합 관리한다. 이러한 통합 제어부(240)에 대한 보다 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술할 것이다.
인버터(300)는 상기 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각에서 출력되는 균등전압으로부터 최대 전력점을 자동으로 추적하고, 그 결과를 AC 전력으로 변환하여 전력 계통(400)으로 연계한다.
모니터링 시스템(500)은 외부 망(예컨대, 유/무선 인터넷 망 등)을 통해 태양광 발전 시스템과 통신하고, 원격지에서 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 모니터링하거나, 태양광 발전 시스템의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 시스템(500)은 외부 망을 통해 다수의 태양광 발전 시스템들과 통신을 수행하고, 각 태양광 발전 시스템별 동작 상태, 및 해당 태양광 발전 시스템이 구축된 지역별 환경 상태(예컨대, 일사량, 온도, 습도 등)를 고려하여, 지역별로 태양광 발전 시스템의 발전 전력량 등을 제어할 수 있다.
특히, 모니터링 시스템(500)은 통합 제어부(230)와 통신을 수행하여, 태양전지 스트링(110)들 각각의 출력 효율을 모니터링하고, 그 출력이 상대적으로 낮은 태양전지 스트링(110) 출력에 대하여 부스팅을 수행하도록 대응된 스트링 옵티마(210)의 동작을 제어할 수 있다.
이 때, 모니터링 시스템(500)은 무선망(예컨대, WiFi 망 등)을 통해, 관리자의 휴대 단말장치(예컨대, 스마트 폰 등)(600)와 통신하며, 태양광 발전 시스템의 모니터링 정보 및 제어 정보를 휴대 단말장치(600)로 전송하거나, 휴대 단말장치(600)를 통해 전달된 관리자의 선택 정보에 의거하여 대응된 태양광 발전 시스템을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 전달할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 스트링 옵티마에 대한 개략적인 블록도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 스트링 옵티마(210)는 입력 처리부(211), 부스터부(212), 출력 처리부(213), 메인 컨트롤러 장치(MCU) (214), 통신 I/F(215), 전류센서(216), 및 최대전류값 검출부(217)를 포함한다.
입력 처리부(211)는 태양전지 스트링(110)에서 출력되는 발전전력을 입력받는다.
부스터부(212)는 입력 처리부(211)를 통해 입력된 발전전력을 부스팅하거나 바이패스하여 출력한다. 이를 위해, 부스터부(212)는 메인 컨트롤러 장치(MCU) (214)의 제어를 받을 수 있으며, 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 대응된 태양전지 스트링(110)에서 출력되는 발전전력의 전류값을 주변의 다른 태양전지 스트링(110)에서 출력되는 발전전력의 전류값과 비교하여 부스팅 여부를 결정한 후, 부스터부(212)를 제어할 수 있다.
출력 처리부(213)는 부스터부(212)의 출력을 뒷단으로 출력할 수 있다. 즉, 출력 처리부(213)은 부스터부(212)의 출력을 인버터(300) 측으로 전달할 수 있다.
메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 스트링 옵티마(210)의 동작을 제어하기 위해 미리 설정된 처리 알고리즘에 의거하여 동작한다. 특히, 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 스트링 단위의 최대 전력점 추종(MPPT)를 제어한다. 이를 위해, 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 입력 처리부(211)를 통해 입력된 발전 전력으로부터 대응된 태양전지 스트링(110)의 출력 전압 및 전류를 측정하고, 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력으로부터 감지된 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압이 상기 균등 전압을 추종하도록 부스터부(212)의 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 전류센서(216)(또는, 도 2의 전류센서(220))로부터 측정된 전류값(이하, ‘측정 전류값’이라 칭함)과, 최대전류값 검출부(217)에서 검출된 최대전류값을 전달받아, 상기 측정 전류값 및 상기 최대 전류값에 의거하여 부스터부(212)의 동작을 제어하여 MPPT할 수 있다. 이 때, 최대전류값 검출부(217)는, 도 2를 참조한 설명에서 언급한 최대전류값 검출부(230)와 같이, 다수의 태양전지 스트링(110)들 각각의 출력으로부터 측정된 전류값들(A)을 입력으로를 받고, 상기 입력된 전류값들과 상기 측정 전류값을 비교하여 최대 전류값을 검출한다. 이를 위해, 최대전류값 검출부(230)는 상기 입력된 전류값들 및 측정 전류값을 OR개념으로 연결하여, 최대 전류값만을 출력하도록 할 수 있다. 예를 들어, 최대전류값 검출부(230)는 각각의 태양전지 스트링(110) 별로 캐소드(cathode)와 애노드(anode)가 형성되도록 다이오드를 연결하여, 높은 전압만 출력되도록 구성할 수 있다.
상기 측정 전류값과, 최대 전류값을 전달받은 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 상기 측정 전류값과 상기 최대 전류값을 비교하고, 상기 두 값의 차이가 미리 설정된 기준값(예컨대, 0.5A) 이상인 경우 대응된 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하도록 부스터부(212)를 제어하여 MPPT한다.
통신 I/F(215)는 접속반(200)에 포함된 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각이 필요한 정보를 서로 공유할 수 있도록, 상호간에 통신을 위한 통신 인터페이스를 제공한다. 즉, 통신 I/F(215)는 서로 다른 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결된 다른 스트링 옵티마(210)들 상호간에 통신을 위한 인터페이스를 제공한다. 다시 말해, 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각의 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 통신 I/F(215)를 통해 대응된 태양전지 스트링(110)의 출력으로부터 감지된 전류값들을 상호 공유할 수 있고, 메인 컨트롤러 장치(MCU)(214)는 그 값들의 비교 결과에 의거하여 부스터부(212)의 부스팅 여부를 결정할 수 있게 된다.
예를 들어, 태양전지 어레이에 제1 내지 제n 태양전지 스트링들이 포함되고, 상기 제1 내지 제n 태양전지 스트링들 각각에 제1 내지 제n 스트링 옵티마들이 연결된 경우, 상기 제1 내지 제n 스트링 옵티마들 각각의 MCU들(즉, 제1 내지 제n MCU들)은 통신 I/F를 통해, 대응된 제1 내지 제n 태양전지 스트링들의 출력으로부터 감지된 제1 내지 제n 전류값들을 상호 공유하고, 상기 상호 공유한 전류값들에 의거하여 부스팅 여부를 결정할 수 있다.
이 때, 상기 제1 내지 제n 전류값들은 가장 큰 전류값에 해당하는 전압만 출력되도록 OR 개념으로 연결되어 있어, 제1 내지 제n 태양전지 스트링 각각의 출력에 대한 전류의 전압 중 가장 큰 전압을 각 MCU들이 공유하고, 상기 최대값을 기준으로 부스팅 여부를 결정하거나, 각각의 전류값들의 비교에 의해 부스팅 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 MCU는 다른 MCU들(즉, 제2 내지 제n MCU)과 상호 공유한 최대 전류값에 대한 전압값과 자신의 전류값인 제1 전류값에 대한 전압을 비교하여, 대응된 태양전지 스트링(즉, 제1 태양전지 스트링)의 출력으로부터 감지된 전류값(즉, 제1 전류값)에 대한 전압이 상기 최대 전류값에 대한 전압보다 작되, 그 차이가 미리 설정된 기준값(예컨대, 0.5A)을 초과하는 경우 대응된 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하도록 제어할 수 있다.
또는, 제1 MCU는 대응된 제1 태양전지 스트링의 출력으로부터 감지된 제1 전류값이 제1 태양전지 스트링을 제외한 다른 태양전지 스트링들(즉, 제2 내지 제n 태양전지 스트링들) 각각에 연결된 스트링 옵티마들(즉, 제2 내지 제n 스트링 옵티마들) 각각에서 감지한 전류값들(즉, 제2 내지 제n 전류값들) 보다 소정값 이상 낮은 경우 제1 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하도록 제어할 수 있다.
또는, 제1 MCU는 상기 제1 전류값이 상기 모든 스트링 옵티마들(즉, 제1 내지 제n 스트링 옵티마들) 각각에서 감지한 전류값들(즉, 제1 내지 제n 전류값들)의 평균값 보다 소정값 이상 낮은 경우 제1 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하도록 제어할 수 있다.
또는, 제1 MCU는 상기 제1 전류값이 상기 모든 스트링 옵티마들(즉, 제1 내지 제n 스트링 옵티마들) 각각에서 감지한 전류값들(즉, 제1 내지 제n 전류값들) 중 최소값인 경우 제1 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하도록 제어할 수 있다.
즉, 상기 예시된 조건을 만족하는 경우, 상기 제1 스트링 옵티마는 상기 제1 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하여 출력하도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예예 따른 통합 제어부에 대한 개략적인 블록도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 통합 제어부(240)는 내부 통신 내부통신 인터페이스부(I/F)(241), 저장부(242), 외부망 통신 인터페이스부(I/F)(243), 및 제어부(244)를 포함한다.
내부 통신 내부통신 인터페이스부(I/F)(241)는 접속반(200) 내부 장치들간의 통신 인터페이스를 제공한다. 특히, 내부 통신 내부통신 인터페이스부(I/F)(241)는 다수의 스트링 옵티마(210)들과의 통신 인터페이스를 제공하여, 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각의 상태 정보를 수신하되, 스트링 옵티마(210)들 각각이 대응된 태양전지 스트링의 출력으로부터 감지된 전류값을 수신할 수 있다.
저장부(242)는 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각의 동작을 통합 관리하기 위해 미리 설정된 제어 알고리즘, 및 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각으로부터 수신된 데이터들을 저장하되, 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각으로부터 수신된 실시간 측정 전류값을 저장할 수 있다.
외부망 통신 인터페이스부(I/F)(243)는 외부망(예컨대, WiFi 등)과의 인터페이스를 제공하되, 외부망으로 연결된 모니터링 시스템(500)과 통합 제어부(240) 사이의 통신 인터페이스를 제공한다. 특히, 외부망 통신 인터페이스부(I/F)(243)는 내부 통신 인터페이스부(I/F)(241)를 통해 수신된 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각의 상태정보를 모니터링 시스템(500)으로 전달하고, 모니터링 시스템(500)으로부터 다수의 스트링 옵티마(210)들의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 수신하여 제어부(244)로 전달할 수 있다.
제어부(244)는 저장부(242)에 저장된 정보에 의거하여, 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각의 동작을 제어하되, 특히, 스트링 옵티마(210)들 각각의 부스팅 또는 최대 전력점 추종을 제어할 수 있다. 특히, 제어부(244)는 다수의 스트링 옵티마(210)들 각각으로부터 수신된 실시간 측정 전류값들의 비교 결과에 의거하여 태양전지 스트링들 각각의 발전 효율을 예측하고, 그 결과에 의거하여 상기 스트링 옵티마들 각각의 부스팅 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 접속반(200)에 n개의 스트링 옵티마(210)들이 포함된 경우, 제어부(244)는 n개의 스트링 옵티마(210)들 각각으로부터 실시간 측정 전류값을 수신하고, 그 수신된 값들을 비교하여 태양전지 스트링 각각의 발전 효율을 예측하되, 상기 실시간 측정 전류값들 전체의 평균값 보다 소정 값 이상 낮은 전류값이 측정되는 태양전지 스트링, 또는 상기 실시간 측정 전류값이 전체 실시간 측정 전류값들 중 최소인 태양전지 스트링의 발전 효율이 낮은 것으로 예측하고, 발전 효율이 낮은 태양전지 스트링의 출력을 부스팅하도록 하는 제어할 수 있다. 즉, 제어부(244)는 상기 제어를 위한 제어신호를 생성하여 내부 통신 인터페이스부(I/F)(241)를 통해 대응된 스트링 옵티마(210)로 전송할 수 있다.
또한, 제어부(244)는 외부망 통신 인터페이스부(I/F)(243)를 통해, 모니터링 시스템(500)으로부터 전달된 원격 제어신호를 수신하고, 상기 원격 제어신호에 의거하여 스트링 옵티마(210)들 각각의 동작을 제어할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 태양광 발전 시스템은, 지역별 태양광 발전 시스템들의 동작을 원격지에서 모니터링하는 모니터링 시스템(500)의 제어를 받을 수 있음으로써, 지역간 전력 불균형을 해소할 수 있는 특징이 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 성능 개선 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 스트링별 전압이 다른 경우 태양광 발전 시스템의 PV 그래프를 예시하고 있다.
도 5를 참조하면, 최대전압(Vmp)이 696V이고, 개방전압(Voc)이 848V인 태양전지 스트링(스트링 #1)과, 최대전압(Vmp)이 566V이고, 개방전압(Voc)이 689V인 태양전지 스트링(스트링 #2)이 병렬로 연결된 경우, 인버터는 848V에서 MPPT로 전압을 스캐닝하되, 요구 전류를 올리면서 전압을 낮춤으로써, MPPT 제어를 한다. 이 때, 인버터는 스트링 #1의 전류가 10A이고, 최대전압(Vmp)이 696V인 지점(Pmp)을 최대 전력점(MPP)으로 판단하고, 696V을 기준으로 MPPT를 수행한다.
이 경우, 종래에는 인버터의 MPPT 전압이, 스트링 #2의 개방전압(Voc)까지 도달하지 않아 스트링 #2의 출력이 발생하지 않게 된다. 즉, 종래의 경우, 도 5에 예시된 바와 같이, 스트링별 전압이 다른 스트링 #1과 스트링 #2이 병렬로 연결되고, 스트링 #1과 스트링 #2의 최대전압(Vmp)이 특정전압(예컨대, 130V) 이상 차이가 날 경우, 인버터의 발전전압이 스트링 #2의 개시전압까지 도달하지 않음으로써, 스트링 #1의 최대점인 696mV 근처에서 인버터가 발전하고, 스트링 #2는 발전하지 않는다.
한편, 도 6을 참조하면, 최대전압(Vmp)이 696V이고, 개방전압(Voc)이 848V인 태양전지 스트링(스트링 #1)과, 최대전압(Vmp)이 620V이고, 개방전압(Voc)이 755V인 태양전지 스트링(스트링 #2)이 병렬로 연결된 경우, 도 5의 예에서와 같이, 인버터는 848V에서 MPPT로 전압을 스캐닝하되, 요구 전류를 올리면서 전압을 낮춤으로써, MPPT 제어를 하고, 이로 인해, 스트링 #1의 전류가 10A이고, 최대전압(Vmp)이 696V인 지점(Pmp)을 최대 전력점(MPP)으로 판단하게 된다. 이 경우, 종래에는, 스트링 #1의 최대 전력점(MPPT)인 696V인 지점(P)에서, 스트링 #2의 출력 전력이 매우 낮음으로써, 도 5의 예에서와 같이, 스트링 #2가 발전을 하지 않는다..
하지만, 도 6의 예에서, 스트링 #1의 전류가 10A인 최대전압(Vmp) 지점(즉, 696V인 지점)에서, 스트링 #2에는 대략 4A의 전류가 흐른다. 본 발명은 이와 같이, 스트링 #1의 최대 전력점(MPPT)에서 낮은 전력을 출력하지만, 전류가 흐르는 스트링 #2에 대하여, 그 출력전류값을 부스팅함으로써, 스트링 #2가 발전할 수 있도록 한다. 즉, 스트링 #2의 스트링에 대한 MPPT 출력을 보내 줌으로써, 스트링 #2에서도 Vmp로 최대 발전을 할 수 있도록 한다. 다시 말해, 도 6과 같이 출력전압이 서로 다른 스트링 #1과 스트링 #2를 병렬 연결하여 스트링 #1의 최대점인 Vmp 696V 부근에서 인버터가 발전할 경우, 본 발명을 적용하면, 최대 전류값을 출력하는 스트링 #1의 전류값(10A)을 기준으로 스트링 #2의 전류값(4A)을 부스팅함으로써, 스트링 #1 뿐만 아니라, 스트링 #2도 최대전압 620V(Vmp)에서 부스팅하여 696V로 발전함으로써, 최대 전력을 추종할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 각각의 출력에 대한 전류값을 이용하여 스트링 단위의 균등 전압을 추종하도록 하되, 태양전지 스트링별로 연결된 스트링 옵티마들 간에 OR 개념으로 연결된 연결라인, 또는 통신을 통해 서로의 전류값을 상호 공유하고, 출력효율이 떨어지는 스트링의 출력을 부스팅하도록 함으로써, 도 6에 예시된 바와 같이 모든 스트링들이 발전에 참여할 수 있게 되는 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명은 태양전지 어레이의 스트링별 전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등전압을 추종하도록 함으로써, 일출, 일몰, 구름, 빙설 등과 같은 환경 요소에 따른 태양 전지의 출력 불균형을 해소하고, 최대 일사량 상태에서의 태양전지의 출력을 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 특징이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명이 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 태양전지 어레이 110: 태양전지 스트링
111: 태양전지 모듈 200: 접속반
210: 스트링 옵티마 211: 입력처리부
212: 부스터부 213: 출력처리부
214: MCU 215: 통신 인터페이스부
216, 220: 전류센서 217, 230: 최대전류값 검출부
240: 통합 제어부 241: 내부통신 인터페이스부
242: 저장부 243: 외부망 통신 인터페이스부
244: 제어부 300: 인버터
400: 전력계통 500: 모니터링 시스템
600: 휴대 단말장치

Claims (12)

  1. 태양광 발전 시스템을 구성하는 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력단과 인버터 사이에 연결되어, 균등전압을 출력하는 스트링 옵티마에 있어서,
    임의의 제1 태양전지 스트링으로부터 발전전력을 입력받는 입력 처리부;
    상기 입력 처리부를 통해 입력된 발전전력을 부스팅하거나 바이패스하여 출력하는 부스터부;
    상기 부스터부의 출력을 뒷단으로 출력하는 출력 처리부;
    상기 출력 처리부의 출력으로부터 전류값을 측정하는 전류센서;
    상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력으로부터 측정된 전류값들을 입력으로 받고, 상기 입력된 전류값들과 상기 전류센서에서 측정한 전류값(이하, 측정 전류값이라 칭함)을 비교하여 최대 전류값을 검출하는 최대전류값 검출부; 및
    상기 측정 전류값을 상기 최대 전류값으로 부스팅하고, 상기 최대 전류값에 대응한 전압이 상기 균등 전압을 추종하도록 상기 부스터부의 동작을 제어하는 스트링 단위의 최대 전력점 추종(MPPT)을 수행하는 메인 컨트롤러 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트링 옵티마.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인 컨트롤러 장치는
    상기 측정 전류값과 상기 최대 전류값을 비교하고,
    상기 두 값의 차이가 미리 설정된 기준값 이상인 경우 상기 측정 전류값을 부스팅하도록 상기 부스터부를 제어하는 것을 특징으로 하는 스트링 옵티마.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스트링 옵티마는
    서로 다른 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결된 다른 스트링 옵티마들과 통신을 위한 인터페이스를 제공하는 통신부를 더 포함하고,
    상기 메인 컨트롤러 장치는
    상기 통신부를 통해, 상기 스트링 옵티마에 대응된 태양전지 스트링의 출력으로부터 측정된 측정 전류값을, 상기 다른 스트링 옵티마들과 공유하고, 상기 스트링 옵티마에 대응된 태양전지 스트링의 출력으로부터 측정된 측정 전류값과, 상기 다른 스트링 옵티마들로부터 수신된 측정 전류값들의 비교 결과에 의거하여 상기 부스터부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 스트링 옵티마.
  5. 태양광 발전 시스템에 있어서,
    다수의 태양전지 모듈로 구성된 다수의 태양전지 스트링들;
    상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결되어 대응된 태양전지 스트링의 출력이 상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 전류값들 중 최대 전류값에 대응한 전압을 균등 전압으로 추종하도록 상기 태양전지 스트링 단위로 최대 전력점 추종(MPPT)을 수행하는 다수의 스트링 옵티마들; 및
    상기 다수의 스트링 옵티마들 각각에서 출력되는 균등전압으로부터 최대전력점을 자동으로 추적하고, 그 결과를 AC 전력으로 변환하여 계통에 연계하는 인버터를 포함하되,
    상기 스트링 옵티마는
    임의의 제1 태양전지 스트링으로부터 발전전력을 입력받는 입력 처리부;
    상기 입력 처리부를 통해 입력된 발전전력을 부스팅하거나 바이패스하여 출력하는 부스터부;
    상기 부스터부의 출력을 뒷단으로 출력하는 출력 처리부;
    상기 출력 처리부의 출력으로부터 전류값을 측정하는 전류센서;
    상기 다수의 태양전지 스트링들 각각의 출력으로부터 측정된 전류값들을 입력으로 받고, 상기 입력된 전류값들과 상기 전류센서에서 측정한 전류값(이하, 측정 전류값이라 칭함)을 비교하여 최대 전류값을 검출하는 최대전류값 검출부; 및
    상기 측정 전류값을 상기 최대 전류값으로 부스팅하고, 상기 최대 전류값에 대응한 전압이 상기 균등 전압을 추종하도록 상기 부스터부의 동작을 제어하는 스트링 단위의 최대 전력점 추종(MPPT)을 수행하는 메인 컨트롤러 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서, 상기 메인 컨트롤러 장치는
    상기 측정 전류값과 상기 최대 전류값을 비교하고,
    상기 두 값의 차이가 미리 설정된 기준값 이상인 경우 상기 측정 전류값을 부스팅하도록 상기 부스터부를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 상기 스트링 옵티마는
    서로 다른 태양전지 스트링들 각각의 출력단에 연결된 다른 스트링 옵티마들과 통신하는 통신부를 더 포함하고,
    상기 메인 컨트롤러 장치는
    상기 통신부를 통해, 상기 스트링 옵티마에 대응된 태양전지 스트링의 출력으로부터 측정된 측정 전류값을, 상기 다른 스트링 옵티마들과 공유하고, 상기 스트링 옵티마에 대응된 태양전지 스트링의 출력으로부터 측정된 측정 전류값과, 상기 다른 스트링 옵티마들로부터 수신된 측정 전류값들의 비교 결과에 의거하여 상기 부스터부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 태양광 발전 시스템은
    상기 다수의 스트링 옵티마들과 통신망으로 연결되어, 상기 다수의 스트링 옵티마들의 동작을 통합 관리하는 통합 제어부를 더 포함하고,
    상기 통합 제어부는
    상기 다수의 스트링 옵티마들과의 통신 인터페이스를 제공하고, 상기 다수의 스트링 옵티마들 각각의 상태 정보를 수신하는 내부 통신 인터페이스부;
    상기 다수의 스트링 옵티마들 각각의 동작을 통합 관리하기 위해 미리 설정된 제어 알고리즘, 및 상기 다수의 스트링 옵티마들 각각으로부터 수신된 데이터들을 저장하되, 상기 다수의 스트링 옵티마들 각각으로부터 수신된 실시간 측정 전류값을 저장하는 저장부; 및
    상기 저장부에 저장된 정보에 의거하여, 상기 스트링 옵티마들 각각의 부스팅 또는 최대 전력점 추종을 제어하되, 상기 실시간 측정 전류값들의 비교 결과에 의거하여 상기 스트링 옵티마들 각각의 부스팅 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 태양광 발전 시스템은
    외부 망을 통해 원격지에서 상기 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 모니터링하고, 상기 태양광 발전 시스템의 동작을 제어하는 모니터링 시스템을 더 포함하고,
    상기 통합 제어부는
    상기 모니터링 시스템과 통신하는 외부망 통신 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 외부망 통신 인터페이스부는
    상기 내부 통신 인터페이스부를 통해 수신된 상기 다수의 스트링 옵티마들 각각의 상태정보를 상기 모니터링 시스템으로 전달하고, 상기 모니터링 시스템으로부터 상기 다수의 스트링 옵티마들의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 수신하여 상기 제어부로 전달하고,
    상기 제어부는
    상기 제어신호에 의거하여 상기 스트링 옵티마들 각각의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
KR1020210157971A 2020-12-31 2021-11-16 전류값을 이용하여 스트링 단위로 균등 전압을 추종하는 스트링 옵티마, 및 이를 적용한 태양광 발전 시스템 KR102412303B1 (ko)

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