KR102472835B1 - 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 역률 및 출력 전압을 제어하여 선로 전압이 상승 하지 않도록 하고, 이에 따라 대규모 정전을 방지할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다. 이를 위해, 본 발명의 실시예는 태양광 발전 모듈; 태양광 발전 모듈에 전기적으로 연결된 접속반; 접속반에 전기적으로 연결된 인버터; 및 인버터와 선로 사이에 전기적으로 연결된 수배전반을 포함하되, 인버터는 선로 전압을 센싱하는 선로 전압 센서와, 인버터 단자 전압을 센싱하는 단자 전압 센서와, 인버터 역률을 조정하는 인버터 역률 조정부와, 인버터 출력 전압을 조정하는 인버터 출력 전압 조정부와, 선로 전압 센서 및 단자 전압 센서로부터 선로 전압 및 단자 전압을 입력받아 인버터 역률 조정부 및 인버터 출력 전압 조정부를 제어하는 인버터 제어부를 포함하는, 태양광 발전 시스템을 제공한다.

Description

선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템{Solar power generation system with line voltage stabilization and output control function}
본 발명의 실시예는 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 모선 또는 선로에는 다수의 태양광 발전 시스템 및 수용가(부하)가 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 선로와 태양광 발전 시스템 사이에는 선로 임피던스가 존재하여 전위차가 발생하므로, 태양광 발전 시스템에서 인버터의 단자 전압은 선로 전압보다 높을 수 있다.
일반적으로, 태양광 발전 시스템은 인버터의 단자 전압이 과전압 설정치에 도달하면 인버터를 정지하도록 구성되어 있다. 이와 같이 인버터가 정지하면 단자 전압이 다시 과전압 설정치보다 낮아지므로 인버터는 다시 기동하게 된다. 또한, 인버터가 기동하여 발전량이 점차 증가하면 다시 단자 전압이 과전압 상태가 되므로, 인버터는 동작을 정지하게 된다. 이와 같이 인버터가 정지/기동을 반복하게 되어 선로 전압을 안정화시키고 있다.
그러나, 최근 하나의 선로에 다수의 태양광 발전 시스템(즉, 분산 전원 발전 시스템)이 더욱 많이 연결됨으로써, 선로의 전압 변화가 더욱 커지고 있다. 예를 들어, 전력 소모가 적은 시간에 태양광 발전 시스템과 같은 분산 전원이 발전을 많이 하는 경우 선로의 전압이 상승할 수 있고 이와 반대로 전력 소모가 많은 시간대에 발전량이 적은 경우 또는 여러 이유로 선로 전압이 낮아 질 수 있다.
따라서, 큰 폭의 선로 전압 변화로 인해 대규모 정전이 발생하기 쉽고, 이에 따라 수용가는 정전으로 인한 피해를 입고, 발전 사업자는 발전을 못하여 피해를 볼 수 있다. 따라서, 선로 전압 안정화를 위한 추가적인 기술 개발이 필요한 실정이다.
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 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 역률 및 출력 전압을 제어하여 선로 전압이 상승 하지 않도록 하고, 이에 따라 대규모 정전을 방지할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 전압 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 선로의 전압을 모니터링하여 선로 전압이 상승하지 않도록 1차적으로 선로에 무효 전력을 인가하면서 발전하고, 이후에도 선로 전압이 상승하는 경우 2차적으로 설정값을 넘지 않도록 출력 전압을 감소시켜 발전할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 전압 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 전압 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 모듈; 태양광 발전 모듈에 전기적으로 연결된 접속반; 접속반에 전기적으로 연결된 인버터; 및 인버터와 선로 사이에 전기적으로 연결된 수배전반을 포함하되, 인버터는 선로 전압을 센싱하는 선로 전압 센서와, 인버터 단자 전압을 센싱하는 단자 전압 센서와, 인버터 역률을 조정하는 인버터 역률 조정부와, 인버터 출력 전압을 조정하는 인버터 출력 전압 조정부와, 선로 전압 센서 및 단자 전압 센서로부터 선로 전압 및 단자 전압을 입력받아 인버터 역률 조정부 및 인버터 출력 전압 조정부를 제어하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다.
인버터 제어부는 선로 전압 센서로부터 센싱한 선로 전압이 단자 전압 센서로부터 센싱한 단자 전압보다 높을 경우 인버터 역률 조정부를 제어하여 진상 역률을 보상할 수 있다.
인버터 제어부는 단자 전압 센서로부터 센싱한 단자 전압이 선로 전압 센서로부터 센싱한 선로 전압보다 높을 경우 인버터 역률 조정부를 제어하여 지상 역률을 보상할 수 있다.
인버터 제어부는 선로 전압 센서로부터 센싱한 선로 전압이 설정 전압보다 높을 경우 인버터 출력 전압 조정부를 제어하여 출력 전압을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 에너지 모니터링 시스템을 더 포함할 수 있고, 인버터는 인버터 역률 및 인버터 출력 전압의 정보를 에너지 모니터링 시스템에 전송할 수 있다.
인버터 역률 조정부는 진상 역률 및 지상 역률을 보상하도록 선로에 접속 및 분리 가능한 리액터 모듈 및 캐패시터 모듈을 포함할 수 있다.
인버터 출력 전압 조정부는 인버터 출력 전압을 조정하도록 PWM 신호로 제어하는 다수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 역률 및 출력 전압을 제어하여 선로 전압이 상승 하지 않도록 하고, 이에 따라 대규모 정전을 방지할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 전압 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 선로의 전압을 모니터링하여 선로 전압이 상승하지 않도록 1차적으로 선로에 무효 전력을 인가하면서 발전하고, 이후에도 선로 전압이 상승하는 경우 2차적으로 설정값을 넘지 않도록 출력 전압을 감소시켜 발전할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 전압 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템을 제공한다.
도 1은 선로에 연결된 태양광 발전 시스템 및 수용가(부하)를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템중에서 인버터 등의 구성을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템중에서 인버터 역률 조정부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템중에서 인버터 출력 조정부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템의 동작을 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 인버터 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 인버터 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 인버터의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 인버터와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 인버터의 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.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템(100)의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템(100)은 태양광 발전 모듈(110), 접속반(120), 인버터(130), 수배전반(140), 그리드(선로)(150) 및 에너지 모니터링 시스템(160)을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템(100)은 인터넷망(201), 서버(202) 및 모바일 단말기(203)를 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스템(100)은 태양광 발전 모듈(110)과 접속반(120)의 사이에 연결된 에너지 저장 시스템(예를 들면, 컨버터와 배터리를 포함함, 미도시)을 더 포함할 수 있다.
태양광 발전 모듈(110)은 발전 전력을 그리드(150)에 공급할 수 있다. 일부 예들에서, 태양광 발전 모듈(110)은 발전 전력을 상술한 에너지 저장 시스템이나 수배전반(140)에 연결된 수용가(부하)에 공급할 수도 있다.
그리드(150)는 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 그리드(150)는 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템이나 수용가에 전력을 공급할 수 있다. 또한 그리드(150)는 태양광 발전 모듈(110)이나 에너지 저장 시스템으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 그리드(150)가 비정상 상태인 경우(예를 들면, 지락 고장 또는 정전 발생 시), 그리드(150)로부터 에너지 저장 시스템/수용가로의 전력 공급은 차단될 수 있고, 에너지 저장 시스템으로부터 그리드(150)로의 전력 공급 또한 차단될 수 있다. 수용가는 태양광 발전 모듈(110)에서 생산된 전력, 에너지 저장 시스템에 저장된 전력, 및/또는 그리드(150)로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다.
접속반(120)은 태양광 발전 모듈(110)에 직류 선로를 통하여 연결될 수 있다. 일반적으로 직류 링크 전압은 태양광 발전 모듈(110) 또는 그리드(150)에서의 순시 전압 강하, 수용가의 급격한 부하 변화나 높은 부하량 요구 등으로 인하여 불안정해 지는 경우가 있는데, 직류 링크 전압은 인버터(130)의 정상 동작을 위하여 안정화되어야 한다. 접속반(120)은 태양광 발전 모듈(110)과 인버터(130) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. 접속반(120)은, 예를 들어, 다수개의 대용량 캐패시터 등을 포함할 수 있다.
인버터(130)는 직류 선로를 통하여 접속반(120)에 연결될 수 있다. 인버터(130)는 접속반(120)과 수배전반(140) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(130)는 방전 모드에서 접속반(120)으로부터의 직류 출력 전압을 그리드(150)의 교류 전압으로 변환하는 인버터 유닛을 포함할 수 있다. 또한, 인버터(130)는 충전 모드에서 그리드(150)의 전력을 에너지 저장 시스템에 저장하기 위하여, 그리드(150)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉, 인버터(130)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터 유닛일 수 있다.
인버터(130)는 그리드(150)로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(130)는 무효 전력 손실을 억제하기 위하여 인버터(130)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 그리드(150)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(130)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena)에 대한 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(130)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중지할 수도 있다.
일부 예들에서, 인버터(130)는 전력 변환부를 더 포함할 수 있다. 전력 변환부는 접속반(120)을 통하여 태양광 발전 모듈(110)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 변환부는 태양광 발전 모듈(110)에서 발전한 전력을 인버터(130)로 전달할 수 있다. 전력 변환부는 태양광 발전 모듈(110)의 직류 전력의 전압 레벨을 접속반(120)이나 인버터(130)의 직류 전력의 전압 레벨로 변환하기 위한 컨버터를 포함할 수 있다. 특히, 전력 변환부는 일사량, 온도 등의 상태 변화에 따라서 태양광 발전 모듈(110)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 변환부는 태양광 발전 모듈(110)에서 발전되는 전력이 없을 때에는 소비 전력을 최소화시키기 위하여 동작을 중지할 수도 있다.
수배전반(140)은 교류 선로를 통하여 인버터(130)에 연결될 수 있다. 여기서, 태양광 발전 모듈(110) 및/또는 그리드(150)(예를 들면, 발전소)에서 생산된 전력을 받는 것을 "수전"이라고 하고, 각각의 수용가에서 필요로 하는 만큼의 전력량으로 분배해주는 것을 "배전"이라고 한다. 따라서, 수배전반(140)은 태양광 발전 모듈(110) 및/또는 그리드(150)로 생산된 전력을 수용가까지 보내주는 전기 설비와 관련된 기자재(전력기기)를 포함하는 전기용 판넬을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 수배전반(140)은 자체적으로 전력기기의 운전, 정지, 개폐 상태를 표시하고, 이상 발생 시 경보를 울려주는 감시기능전력기기의 운전을 수동, 자동 변환시키면서 운전시킬 수 있으며 이상 발생 시 제어 기능을 가질 수 있다. 또한, 수배전반(140)은 부하 또는 기기의 계기 상태를 파악하고 측정하는 계측 기능도 가질 수 있다. 더불어, 수배전반(140)은 측정값을 자동 기록하고, 데이터를 집계하여 사용량을 기록하는 기능도 가질 수 있다.
에너지 모니터링 시스템(160)은 태양광 발전 모듈(110), 접속반(120), 인버터(130), 수배전반(140) 및 그리드(150)를 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라서 미리 정해진 다양한 보호 동작을 수행할 수 있다. 일부 예들에서, 에너지 모니터링 시스템(160)은 태양광 발전 모듈(110), 접속반(120), 인버터(130) 및/또는 수배전반(140)에 각각 고장 전류가 발생하거나, 누설 전류가 발생하거나, 또는 화재가 발생하였을 경우, 직류 전로 및/또는 교류 선로에 설치된 스위치(미도시)를 턴오프할 수 있다.
일부 예들에서, 에너지 모니터링 시스템(160)이 모니터링 결과에 따라 태양광 발전 모듈(110), 접속반(120), 인버터(130) 및 수배전반(140)의 동작을 제어할 수도 있다. 더불어, 에너지 모니터링 시스템(160)은 그리드(150)에 정전이 발생하였는지 여부 또는 지락 고장이 발생하였는지 여부, 태양광 발전 모듈(110)에서 전력이 발전되는지 여부, 태양광 발전 모듈(110)에서 전력을 발전하는 경우 그 발전량, 에너지 저장 시스템의 충전 상태, 수용가의 소비 전력량, 타임 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 에너지 모니터링 시스템(160)은, 예를 들어 그리드(150)에 정전이 발생하는 등, 수용가로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 수용가의 가전 제품에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 가전 제품을 개별적으로 제어할 수도 있다.
에너지 모니터링 시스템(160)은 그리드(150)에서 지락 또는 정전이 발생한 경우, 수배전반(140)과 그리드(150) 사이의 전력을 차단한다. 즉, 태양광 발전 모듈(110) 및/또는 에너지 저장 시스템으로부터의 전력을 수용가에 공급하는 동시에, 수용가로 공급되는 전력이 그리드(150)로 흐르는 것을 방지한다. 태양광 발전 모듈(110) 등이 지락 고장 또는 정전이 발생한 그리드(150)와 단절되어 그리드(150)로 전력을 공급하는 것을 방지한다. 이로 인하여 그리드(150)의 전력선 등에서 작업하는, 예를 들어 그리드(150)의 정전을 수리하는 인부가 태양광 발전 모듈(110)로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 에너지 모니터링 시스템(160)이 인터넷망(201)을 통하여 중앙 관리 서버(202) 및 모바일 단말기(203)에 연결된 구성을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 에너지 모니터링 시스템(160)은 고장 전류 여부, 누설 전류 여부, 화재 여부 외에도 하기할 역률 정보 및 출력 전압 정보를 인터넷망(201)을 통하여 서버(202) 및 모바일 단말기(203)에 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)중에서 인버터(130) 등의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 태양광 발전 시스테(100)중에서 인버터(130)는 선로 전압 센서(131), 단자 전압 센서(132), 인버터 역률 조정부(133), 인버터 출력 전압 조정부(134) 및 인버터 제어부(135)를 포함할 수 있다. 더불어, 인버터(130)는 선로 전류 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
선로 전압 센서(131)는 그리드(150) 또는 그리드(150)에 연결된 수배전반(140)의 전압을 센싱하여 인버터 제어부(135)에 그 정보를 전송한다. 단자 전압 센서(132)는 인버터(130)의 출력 단자의 전압을 센싱하여 인버터 제어부(135)에 그 정보를 전송한다. 인버터 역률 조정부(133)는 인버터 제어부(135)의 제어 신호에 따라 진상 역률 또는 지상 역률을 보정한다. 인버터 출력 전압 조정부(134)는 인버터 제어부(135)의 제어 신호에 따라 인버터 출력 전압 조정부(134)의 출력 전압을 제어한다. 즉, 인버터 제어부(135)는 선로 전압 센서(131) 및 단자 전압 센서(132)로부터 선로 전압 및 단자 전압을 각각 입력받아 인버터 역률 조정부(133) 및/또는 인버터 출력 전압 조정부(134)를 각각 제어한다.
일례로, 인버터 제어부(135)는 선로 전압 센서(131)로부터 센싱한 선로 전압이 단자 전압 센서(132)로부터 센싱한 단자 전압보다 높을 경우 인버터 역률 조정부(133)를 제어하여 진상 역률을 보상한다. 다른 예로, 인버터 제어부(135)는 단자 전압 센서(132)로부터 센싱한 단자 전압이 선로 전압 센서(131)로부터 센싱한 선로 전압보다 높을 경우 인버터 역률 조정부(133)를 제어하여 지상 역률을 보상하도록 한다. 또다른 예로, 인버터 제어부(135)는 선로 전압 센서(131)로부터 센싱한 선로 전압이 미리 정한 설정 전압보다 높을 경우 인버터 출력 전압 조정부(134)를 제어하여 출력 전압을 감소시킨다. 따라서, 이러한 동작에 의해 선로 전압이 증가하지 않게 되고, 이에 따라 대규모 정전을 효율적으로 방지할 수 있다.
한편, 인버터(130)는 상술한 인버터 역률 및/또는 인버터 출력 전압의 정보를 에너지 모니터링 시스테(100)에 전송하고, 또한 에너지 모니터링 시스테(100)은 상기 정보를 인터넷망(201)을 통하여 서버(202) 및 모바일 단말기(203)에 각각 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)중에서 인버터 역률 조정부(133)의 일례를 도시한 회로도이다.
일부 예들에서, 인버터 역률 조정부(133)는 인버터(130)가 아닌 수배전반(140)에 설치될 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이 선로 전압 센서(131) 및 선로 전류 센서를 통한 선로 전압 및 선로 전류의 정보와, 단자 전압 센서(132)를 통한 단자 전압의 정보가 인버터 제어부(135)에 입력될 수 있고, 이에 기반하여 인버터 제어부(135)는 인버터 역률 조정부(133)를 직접 제어할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 인버터 역률 조정부(133)는 리액터 모듈(133a), 캐패시터 모듈(133e), 제1스위치 모듈(133f), 제2스위치 모듈(133g), 제3스위치 모듈(133h), 차단 모듈(133i)을 포함할 수 있으며, 이들은 모두 인버터 제어부(135)의 직접적인 제어를 받는다.
일례로, 인버터 제어부(135)는 인버터(130)와 그리드(150) 상의 선로에 설치된 선로 전압 센서(131)로부터 센싱된 정보와 인버터(130)의 단자에 설치된 단자 전압 센서(132)로부터 센싱된 정보의 관계에 기반하여 인버터 역률 조정부(133)를 제어한다. 즉, 인버터 제어부(135)는 인버터 역률 조정부(133)를 제어하여 지상 역률 보상 동작 또는 진상 역률 보상 동작이 수행되도록 한다.
일례로, 인버터 역률 조정부(133)는 선로 전압이 단자 전압보다 높으면 진상 역률 보상 동작을 수행하고, 단자 전압이 선로 전압보다 높으면 지상 역률 보상 동작을 수행한다. 이러한 진상 역률 보상 및/또는 지상 역률 보상은 하기에서 설명되는 캐패시터 모듈(133e)의 진상 무효 전력을 투입 또는 차단하는 동작과 리액터 모듈(133a)의 지상 무효 전력의 투입 또는 차단하는 동작에 의해 수행될 수 있다.
리액터 모듈(133a)은 직렬 리액터(133b), 보조 리액터(133c) 및 철심(133d)을 포함할 수 있으며, 인버터 제어부(135)가 진상 역률 보상을 제어하는 경우 인버터 역률 조정부(133)의 직렬 리액터(133b) 및 보조 리액터(133c)를 접속시켜 분로 리액터로 이용할 수 있다. 일반적인 직렬 리액터(133b)는 지상 역률을 보상하는 경우 전력용 캐패시터의 사용시 고조파에 의한 전압 파형의 왜곡을 방지하며, 전력용 캐패시터의 투입시 돌입 전류를 억제하고, 전력용 캐패시터의 개방시 재점호한 경우 선로의 과전압을 억제하며, 고조파 발생원에 의한 고조파 전류의 유입을 억제하고, 계전기의 오작동을 방지한다.
직렬 리액터(133b)는 인버터 역률 조정부(133)가 지상 보상을 수행하는 경우에는 일반적인 직렬 리액터(133b)의 기능을 수행하나, 인버터 역률 조정부(133)가 진상 보상을 수행하려는 경우에는 보조 리액터(133c)와 접속되어 분로 리액터로 사용될 수 있다.
또한 직렬 리액터(133b) 및 보조 리액터(133c)의 접속시, 보조 리액터(133c)의 리액턴스값(Xa)은 직렬 리액터(133b)의 리액턴스값(Xs)과 분로 리액터에 인가되는 정격 전압(Vp)을 감안하여 알맞은 리액턴스값(직렬 리액터(133b)의 리액턴스 용량이 캐패시터 모듈 용량의 6%인 경우 : XA [Ω] ≒ 167XS [Ω])을 직렬로 접속시키고, 직렬 리액터(133b) 및 보조 리액터(133c)은 철심(133d)을 공유할 수 있도록 하여 공간 및 비용 절약 효과를 발휘할 수 있다. 직렬 리액터(133b) 및 보조 리액터(133c)는 철심(133d)에 권선을 감는 등의 형태로 구현될 수 있다. 또한 직렬 리액터(133b)의 정격 전압(Vp) = 직렬리액터리액턴스용량(QR)/캐패시터용량(QC)로 표현되며, 진상 보상시 보조 리액터(133c)가 추가되므로 분로 리액터로 사용될 때의 용량은 보조 리액터(133c)의 용량만큼 증가하게 된다. 일반적으로 분로 리액터의 소요 용량은 적용 전기설비의 용량과 예상역률, 부하의 특성에 따라 다르지만 지상 보상 시의 캐패시터 용량 대비 적은 용량으로도 진상 보상을 해결할 수 있으며, 별도의 분로 리액터 설치 장소가 불필요함과 동시에 초기 투자비를 줄일 수 있다.
인버터 역률 조정부(133)의 리액터 모듈(133a) 및 캐패시터 모듈(133e)은 단수 또는 복수개로 구성할 수 있고, 선로의 3상과 병렬로 접속되며, 인버터 제어부(135)가 기 설정된 목표 역률값을 유지하도록 하는 지상 또는 진상 역률 보상 제어에 따라 단수 또는 복수개의 캐패시터 모듈(133e) 또는 분로 리액터가 제어된다. 즉 캐패시터 모듈(133e) 및 분로 리액터의 용량 제어에 지상 또는 진상 무효전력이 제어된다.
인버터 역률 조정부(133)의 제1스위치 모듈(133f)은 선로와 직렬 리액터(133b) 사이에 위치하여 선로와 직렬 리액터(133b) 및 캐패시터 모듈(133e)의 접속을 제어할 수 있다. 인버터 역률 조정부(133)의 제2스위치 모듈(133g)은 선로와 보조 리액터(133c) 사이에 위치하여 선로와 보조 리액터(133c)의 접속을 제어하여 상호 직렬로 연결된 직렬 리액터(133b)와 보조 리액터(133c)를 y결선으로 연결할 수 있다. 인버터 역률 조정부(133)의 제3스위치 모듈(133h)은 리액터 모듈(133a)와 캐패시터 모듈(133e)의 사이에 위치하여 리액터 모듈(133a)을 Y결선으로 연결함과 동시에 캐패시터 모듈(133e)의 단자를 단락시켜 캐패시터 모듈(133e)의 기능을 중지시킬 수 있다. 제1스위치 모듈(133f), 제2스위치 모듈(133g) 및 제3스위치 모듈(133h)은 각각 단수 또는 복수의 스위치를 포함할 수 있으며, 상기 스위치는 마그네트 스위치 또는 반도체 스위치일 수 있다.
인버터 역률 조정부(133)의 차단 모듈(133i)은 인버터 제어부(135)에 의해 제어되며, 이는 제1스위치 모듈(133f) 및 제2스위치 모듈(133g)과 선로 사이에 위치하여 선로와 제1스위치 모듈(133f) 및 제2스위치 모듈(133g)의 접속을 제어하여, 캐패시터 모듈(133e) 또는 분로 리액터가 발생시키는 지상 또는 진상 무효 전력을 투입 또는 차단할 수 있다.
즉, 본 발명에서 선로 전압에 비해 단자 전압이 높을 경우 지상 보상 동작이 수행되는데 이때 인버터 제어부(135)의 제어에 따라 인버터 역률 조정부(133)의 제2스위치 모듈(133g) 오프 및 제3스위치 모듈(133h) 오프 후에 역률 상태에 따라 제1스위치 모듈(133f) 온, 오프를 조절하여 지상 역률을 개선하고, 선로 전압이 단자 전압보다 높을 경우 진상 보상 시에는 제1스위치 모듈(133f) 오프 후에 제3스위치 모듈(133h) 온 한 후, 역률 상태에 떠라 제2스위치 모듈(133g)을 온, 오프 조절하여 진상 역률을 개선할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)중에서 인버터 출력 전압 조정부(134)의 일례를 도시한 회로도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 선로 전압이 미리 설정된 설정 전압보다 높을 경우, 인버터 제어부(135)가 PWM 신호를 변화시켜 인버터 출력 전압 조정부(134)에 의한 출력 전압이 감소되도록 한다. 즉, 인버터 제어부(135)는 인버터 출력 전압 조정부(134)의 스위칭 소자(FET 또는 IGBT)에 대한 듀티비를 제어함으로써(낮춰), 인버터(130)를 통한 인버터(130)의 출력 전압이 감소되도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)의 동작을 도시한 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)의 동작은 선로 전압 및 단자 전압 센싱 단계(S1)와, 선로 전압이 단자 전압보다 큰지 판단하는 단계(S2)와, 진상 역률 보상 단계(S3)와, 단자 전압이 선로 전압보다 큰지 판단하는 단계(S4)와, 지상 역률 보상 단계(S5), 선로 전압이 설정 전압보다 큰지 판단하는 단계(S6)와, 인버터 출력 전압 감소 단계(S7)를 포함할 수 있다. 여기서, 제어의 주체는 인버터 제어부(135)를 포함할 수 있다.
선로 전압 및 단자 전압 센싱 단계(S1)에서, 인버터 제어부(135)는 선로 전압 센서(131) 및 단자 전압 센서(132)를 이용하여 선로 상의 전압과 인버터 단자의 전압을 각각 센싱하여 그 정보를 획득한다.
선로 전압이 단자 전압보다 큰지 판단하는 단계(S2)에서, 인버터 제어부(135)는 선로 전압이 단자 전압보다 큰지 여부를 판단한다. 인버터 제어부(135)는 선로 전압이 단자 전압보다 크면 단계(S3)를 수행하고 그렇치 않으면 단계(S4)를 수행한다.
진상 역률 보상 단계(S3)에서, 인버터 제어부(135)는 인버터 역률 조정부(133)를 제어하여 진상 역률이 보상되도록 한다. 즉, 상술한 바와 같이, 인버터 제어부(135)는 인버터 역률 조정부(133)를 구성하는 제1스위치 모듈(133f), 제2스위치 모듈(133g) 및/또는 제3스위치 모듈(133h)을 제어하여 인버터 역률 조정부(133)를 구성하는 리액터 모듈(133a) 및 캐패시터 모듈(133e)의 전기적 연결 관계를 조정함으로써, 진상 역률이 보상되도록 한다.
단자 전압이 선로 전압보다 큰지 판단하는 단계(S4)에서, 인버터 제어부(135)는 단자 전압이 선로 전압보다 큰지 여부를 판단한다. 인버터 제어부(135)는 단자 전압이 선로 전압보다 크면 단계(S5)를 수행하고 그렇치 않으면 단계(S6)를 수행한다.
지상 역률 보상 단계(S5)에서, 인버터 제어부(135)는 인버터 역률 조정부(133)를 제어하여 지상 역률이 보상되도록 한다. 즉, 상술한 바와 같이, 인버터 제어부(135)는 인버터 역률 조정부(133)를 구성하는 제1스위치 모듈(133f), 제2스위치 모듈(133g) 및/또는 제3스위치 모듈(133h)을 제어하여 인버터 역률 조정부(133)를 구성하는 리액터 모듈(133a) 및 캐패시터 모듈(133e)의 전기적 연결 관계를 조정함으로써, 지상 역률이 보상되도록 한다.
선로 전압이 설정 전압보다 큰지 판단하는 단계(S6)에서, 인버터 제어부(135)는 선로 전압이 미리 설정된 설정 전압보다 큰지 여부를 판단한다. 인버터 제어부(135)는 선로 전압이 설정 전압보다 크면 단계(S7)를 수행하고 그렇치 않으면 단계(S1)를 수행한다.
인버터 출력 전압 감소 단계(S7)에서, 인버터 제어부(135)는 인버터 출력 전압 조정부(134)를 구성하는 다수의 스위치 소자에 대한 PWM 듀티비를 조정함으로써(낮춰), 인버터(130)를 통해 출력되는 출력 전압이 감소되도록 한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 역률 및 출력을 제어하여 선로 전압이 상승 하지 않도록 하고, 이에 따라 대규모 정전을 방지할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 선로의 전압을 모니터링하여 선로 전압이 상승하지 않도록 1차적으로 선로에 무효 전력을 인가하면서 발전하고, 이후에도 선로 전압이 상승하는 경우 2차적으로 설정값을 넘지 않도록 출력 전력을 감소시켜 발전할 수 있는 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 태양광 발전 시스테(100)을 제공한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 선로 전압 안정화 및 출력 제어 기능을 겸비한 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
110; 태양광 발전 모듈 120; 접속반
130; 인버터 131; 선로 전압 센서
132; 단자 전압 센서 133; 인버터 역률 조정부
134; 인버터 출력 전압 조정부 135; 인버터 제어부
140; 수배전반 150; 그리드
160; 에너지 모니터링 시스템 201; 인터넷망
202; 서버 203; 모바일 단말기

Claims (7)

  1. 태양광 발전 모듈; 태양광 발전 모듈에 전기적으로 연결된 접속반; 접속반에 전기적으로 연결된 인버터; 및 인버터와 그리드의 선로 사이에 전기적으로 연결된 수배전반을 포함하되,
    인버터는 선로 전압을 센싱하는 선로 전압 센서와, 인버터 단자 전압을 센싱하는 단자 전압 센서와, 인버터 역률을 조정하는 인버터 역률 조정부와, 인버터 출력 전압을 조정하는 인버터 출력 전압 조정부와, 선로 전압 센서 및 단자 전압 센서로부터 선로 전압 및 단자 전압을 입력받아 인버터 역률 조정부 및 인버터 출력 전압 조정부를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고,
    인버터 제어부는 선로 전압 센서로부터 센싱한 선로 전압이 단자 전압 센서로부터 센싱한 단자 전압보다 높을 경우 인버터 역률 조정부를 제어하여 진상 역률을 보상하도록 하며,
    인버터 제어부는 단자 전압 센서로부터 센싱한 단자 전압이 선로 전압 센서로부터 센싱한 선로 전압보다 높을 경우 인버터 역률 조정부를 제어하여 지상 역률을 보상하도록 하고,
    인버터 제어부는 선로 전압 센서로부터 센싱한 선로 전압이 설정 전압보다 높을 경우 인버터 출력 전압 조정부를 제어하여 출력 전압을 감소시키며,
    에너지 모니터링 시스템을 더 포함하고, 인버터는 인버터 역률 및 인버터 출력 전압의 정보를 에너지 모니터링 시스템에 전송하고,
    인버터 역률 조정부는 진상 역률 및 지상 역률을 보상하도록 선로에 접속 및 분리 가능한 리액터 모듈 및 캐패시터 모듈을 포함하며,
    인버터 출력 전압 조정부는 인버터 출력 전압을 조정하도록 PWM 신호로 제어하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는, 태양광 발전 시스템.

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