KR102645222B1 - 태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 pv 시스템의 진단 장치 - Google Patents
태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 pv 시스템의 진단 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 PV 시스템의 진단 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 태양전지 등가모델 및 I-V 곡선 추정을 통해 측정된 일사량 및 모듈 온도만으로 출력 전압 및 출력 전류 추정이 가능하여 PV 시스템의 발전량 예측이 가능하며, 태양광 모듈의 출력 전류 및 출력 전압의 측정값과 추정값을 비교하여 PV 시스템의 고장 여부를 진단 가능함과 동시에 고장 원인 진단 또한 가능한 태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 PV 시스템의 진단 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 적어도 하나의 위치에 설치된 적어도 하나의 PV 시스템(photovoltaic system)의 태양광 발전량을 예측하기 위한 태양광 발전량 진단 시스템에 있어서, 진단하고자 하는 PV 시스템에 포함된 태양광 모듈에 도달하는 일사량과, 태양광 모듈의 온도를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 일사량과 온도를 수신받아 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 전압/전류 추정부; 및 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 출력 전압 및 출력 전류를 통해 해당 PV 시스템의 발전량을 산출하는 발전량 산출부;를 포함한다.
이를 위해 본 발명은 적어도 하나의 위치에 설치된 적어도 하나의 PV 시스템(photovoltaic system)의 태양광 발전량을 예측하기 위한 태양광 발전량 진단 시스템에 있어서, 진단하고자 하는 PV 시스템에 포함된 태양광 모듈에 도달하는 일사량과, 태양광 모듈의 온도를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 일사량과 온도를 수신받아 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 전압/전류 추정부; 및 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 출력 전압 및 출력 전류를 통해 해당 PV 시스템의 발전량을 산출하는 발전량 산출부;를 포함한다.
Description
본 발명은 태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 PV 시스템의 진단 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 태양전지 등가모델 및 I-V 곡선 추정을 통해 측정된 일사량 및 모듈 온도만으로 출력 전압 및 출력 전류 추정이 가능하여 PV 시스템의 발전량 예측이 가능하며, 태양광 모듈의 출력 전류 및 출력 전압의 측정값과 추정값을 비교하여 PV 시스템의 고장 여부를 진단 가능함과 동시에 고장 원인 진단 또한 가능한 태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 PV 시스템의 진단 장치에 관한 것이다.
태양광 발전은 햇빛을 직류 전기로 바꾸어 전류를 생산하는 발전 방법으로서, 여러 개의 태양 전지들이 붙어있는 태양광 패널을 대규모로 펼쳐 태양광 에너지를 이용하여 전기를 생산하게 된다.
세계적으로 환경오염 및 자원고갈 문제를 해결하기 위하여 신재생 에너지 사업을 활발히 추진하고 있다.
우리나라에서도 환경오염 및 에너지 위기에 대응하려는 배경 하에 태양 에너지를 이용한 태양광 전원의 설치는 매년 증가하고 있으며, 성능향 상을 위한 상태진단 기술 및 발전량 예측기술이 요구되고 있다.
태양광발전 시스템인 PV 시스템은 일사량에 변화에 따라 발전출력의 변동 가능성이 높다. PV 시스템의 비중이 증가함에 따라 태양광 발전 시스템의 발전출력 변동이 전력계통 품질과 신뢰도에 부정적인 영향을 미치고 있다.
전력계통에 연결된 PV 시스템의 규모가 빠르게 증가함에 따라 대규모 PV 시스템의 발전량을 수용하도록 전력계통 운영에 증감발률 제어, LVRT(Low-Voltage Ride Through)기능 확보 및 무효전력 제어와 같은 기술적 요구사항이 필요해진다.
기존의 발전량 예측기술로는 AMPP, FFv, Osterwald's 알고리즘 등이 있지만, 온도, 일사량, 개방 전압, 단락 전류, 내부 저항, 시리즈 저항 등 많은 파라미터를 고려해야 하고, 동일조건에서 모듈상태에 따라 다르게 출력되는 모듈의 발전량 차이를 고려하기 어렵다.
태양광 모듈의 온도는 기온, 풍속 또는 일사량 등에 의해 한편, 일사량과 일사의 시간 분포는 어떤 지역에서 태양의 고도와 기후, 구름에 따라서 변화된다.
현재 PV 시스템의 태양광 발전량 산출은 별도로 해당 PV 시스템에 설치된 발전량 센서를 포함한 다양한 센서를 통해 금일 발전량, 현재 출력 및 발전 시간 등을 모니터링하고 있다.
이러한 단순 수치로는 해당 PV 시스템의 효율이 높은 상태인지 낮은 상태인지 정확한 진단이 어려운 실정이다.
이러한 진단의 어려움으로 인해 PV 시스템의 유지 보수관리가 정기적으로 진행될 수 밖에 없어 관리 비용을 증가 요인으로 작용된다.
따라서 PV 시스템의 발전량 산출 및 해당 PV 시스템의 효율 진단을 정확하게 수행하여 적기에 유지 보수관리가 수행될 수 있는 PV 시스템의 진단 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 태양전지 등가모델 및 I-V 곡선 추정을 통해 측정된 일사량 및 모듈 온도만으로 출력 전압 및 출력 전류 추정이 가능하여 PV 시스템의 발전량 예측이 가능하며, 태양광 모듈의 출력 전류 및 출력 전압의 측정값과 추정값을 비교하여 PV 시스템의 고장 여부를 진단 가능함과 동시에 고장 원인 진단 또한 가능한 태양광 모듈의 전압 및 전류 추정을 통한 PV 시스템의 진단 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 적어도 하나의 위치에 설치된 적어도 하나의 PV 시스템(photovoltaic system)의 태양광 발전량을 예측하기 위한 태양광 발전량 진단 시스템에 있어서, 진단하고자 하는 PV 시스템에 포함된 태양광 모듈에 도달하는 일사량과, 태양광 모듈의 온도를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 일사량과 온도를 수신받아 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 전압/전류 추정부; 및 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 출력 전압 및 출력 전류를 통해 해당 PV 시스템의 발전량을 산출하는 발전량 산출부;를 포함한다.
여기서 상기 전압/전류 추정부는, 태양광 모듈의 STC(Standard Test Conditions)기준 스펙 정보 상에서 태양전지 등가 모델을 이용한 I-V 곡선 추정을 통해 물리 모델식을 생성하고, 생성된 물리 모델식을 통해 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정한다.
또한 상기 태양전지 등가 모델은 하기 식(1)과 같다.
식(1) 
여기서, I는 태양광 모듈의 출력 전류이고, V는 다이오드의 전압이며, I_ph는 태양광 셀로부터의 광전류이고, I_0는 다이오드 포화 전류이며, R_sh는 병렬저항이고, n은 다이오드 인자이고, q는 기본 전하량이며, k는 볼츠만 상수이며, T는 태양광 모듈의 셀 캘빈 온도이므로 'I_0exp[qV/nkT]'는 다이오드의 톨린 전류와 쇼트키 장벽을 극복하기 위해 필요한 에너지 사이의 관계이며, V/R_sh는 병렬 저항을 통한 전류 누설이다.
아울러 상기 센싱부는, 상기 PV 시스템의 태양광 모듈에 설치되어 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 측정하는 전압 센서와 전류 센서 및 상기 PV 시스템의 태양광 모듈에 설치되어 태양광 모듈의 발전량을 측정하는 발전량 센서가 더 포함되고, 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류와, 상기 발전량 산출부로부터 산출된 발전량을 각각 수신받고, 상기 전압 센서, 전류 센서 및 발전량 센서로부터 측정된 출력 전압, 출력 전류 및 발전량을 각각 수신받아 태양광 모듈의 고장 여부를 판단하는 고장 진단부;를 더 포함한다.
여기서 상기 고장 진단부는, 상기 센싱부로부터 측정된 출력 전압 및 출력 전류의 측정값과, 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 전압 및 전류의 추정값 간 차이가 설정 범위를 벗어난 경우, 해당 태양광 모듈은 고장이 발생된 것으로 판단하되, 고장이 발생된 경우, 상기 추정값과 상기 측정값의 전압 및 전류를 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 상기 측정값이 위치하는 영역에 따라 고장 원인을 판단한다.
본 발명에 따르면 PV 시스템에서의 태양광 모듈에 도달하는 일사량과 모듈 온도 측정치를 통해 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류의 추정이 가능하여 발전량의 예측이 가능한 효과가 있다.
아울러 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류에 대한 추정값과 측정값을 비교함에 따라 태양광 모듈의 고장 진단이 가능함과 동시에 고장 원인의 진단이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 진단 장치의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈의 태양전지 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 STC 기준 태양광 모듈 정보 및 이를 통해 I-V 곡선 추정 및 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류 추정 그래프를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센싱부로부터 센싱된 일사량과 모듈 온도의 일예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 일사량과 모듈 온도를 통해 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 일예를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 맑은 날과 비오는 날의 태양광 모듈의 출력 전압, 출력 전류 및 발전량 추정값과 측정값을 비교한 일예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 맑은 날의 태양광 모듈에 강제 음영 처리를 한 후 출력 전압, 출력 전류 및 발전량 추정값과 측정값을 비교한 일예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 고장 진단부가 출력 전압 및 출력 전류의 측정값과 추정값을 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 상기 측정값이 위치하는 영역에 따라 고장 원인을 판단하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 고장 진단부가 각각 정상 및 고장인 것으로 판단하는 PV 시스템의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈의 태양전지 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 STC 기준 태양광 모듈 정보 및 이를 통해 I-V 곡선 추정 및 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류 추정 그래프를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센싱부로부터 센싱된 일사량과 모듈 온도의 일예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 일사량과 모듈 온도를 통해 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 일예를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 맑은 날과 비오는 날의 태양광 모듈의 출력 전압, 출력 전류 및 발전량 추정값과 측정값을 비교한 일예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 맑은 날의 태양광 모듈에 강제 음영 처리를 한 후 출력 전압, 출력 전류 및 발전량 추정값과 측정값을 비교한 일예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 고장 진단부가 출력 전압 및 출력 전류의 측정값과 추정값을 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 상기 측정값이 위치하는 영역에 따라 고장 원인을 판단하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 고장 진단부가 각각 정상 및 고장인 것으로 판단하는 PV 시스템의 예를 나타내는 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 진단 장치의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈의 태양전지 등가 모델을 나타내는 도면이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 STC 기준 태양광 모듈 정보 및 이를 통해 I-V 곡선 추정 및 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류 추정 그래프를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센싱부로부터 센싱된 일사량과 모듈 온도의 일예를 나타내는 도면이며, 도 6은 도 5의 일사량과 모듈 온도를 통해 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 일예를 나타내는 도면이다.
또한 도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 맑은 날과 비오는 날의 태양광 모듈의 출력 전압, 출력 전류 및 발전량 추정값과 측정값을 비교한 일예를 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 맑은 날의 태양광 모듈에 강제 음영 처리를 한 후 출력 전압, 출력 전류 및 발전량 추정값과 측정값을 비교한 일예를 나타내는 도면며, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 고장 진단부가 출력 전압 및 출력 전류의 측정값과 추정값을 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 상기 측정값이 위치하는 영역에 따라 고장 원인을 판단하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 고장 진단부가 각각 정상 및 고장인 것으로 판단하는 PV 시스템의 예를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PV 시스템의 진단 장치(1000)는 도 1에 도시된 바와 같이 진단하고자 하는 PV 시스템에 포함된 태양광 모듈에 도달하는 일사량 및 태양광 모듈의 온도를 측정하는 센싱부(100)와, 상기 센싱부(100)로부터 일사량과 온도를 수신받아 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 전압/전류 추정부(200)와, 상기 전압/전류 추정부(200)로부터 추정된 출력 전압 및 출력 전류를 통해 해당 PV 시스템의 발전량을 산출하는 발전량 산출부(300) 및 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류와, 상기 발전량 산출부로부터 산출된 발전량을 각각 수신받고, 센싱부(100)에 포함되는 전압 센서, 전류 센서 및 발전량 센서로부터 측정된 출력 전압, 출력 전류 및 발전량을 각각 수신받아 태양광 모듈의 고장 여부를 판단하는 고장 진단부(400)로 구성된다.
여기서 상기 센싱부(100)는 진단하고자 하는 PV 시스템에 포함된 태양광 모듈에 도달하는 일사량 및 태양광 모듈의 온도를 측정하도록 구비되는데, 이러한 센싱부(100)는 태양광 모듈 일측에 설치되어 일사량을 측정하는 일사량 측정 센서(110)와, 태양광 모듈의 일측에 설치되어 모듈 온도를 측정하는 온도 센서(120)로 구성될 수 있다.
물론 본 발명의 일예에 따라 고장 진단부(400)가 제외된 발전량 산출부(300)만 구성되는 경우, 상기 센싱부(100)는 일사량 측정 센서(110)와 온도 센서(120)로만 구성될 수 있고, 다른 일예에 따라 고장 진단부(400)가 포함되는 경우, 상기 PV 시스템의 태양광 모듈에 설치되어 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 측정하는 전압 센서(130)와 전류 센서(140) 및 상기 PV 시스템의 태양광 모듈에 설치되어 태양광 모듈의 발전량을 측정하는 발전량 센서(150)가 더 포함되어야 할 것이다.
여기서 일사량 센서(110)는 태양광 모듈의 경사각과 동일한 경사각을 갖도록 배치되어야 함은 물론이며, 상기 발전량 센서(150)가 생성하는 발전량은 태양광 모듈로부터 출력되는 측정 전력량이 될 것이다.
한편 상기 전압/전류 추정부(200)는, 도 2에서와 같이 태양광 모듈의 STC(Standard Test Conditions)기준 스펙 정보 상에서 태양전지 등가 모델을 이용한 I-V 곡선 추정을 통해 물리 모델식을 생성하고, 생성된 물리 모델식을 통해 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정한다.
여기서 상기 태양전지 등가 모델은 도 2와 같이 나타낼 수 있으며, 이에 따라 출력 전류 및 출력 전압은 하기 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
식(1) 
여기서, I는 태양광 모듈의 출력 전류이고, V는 다이오드의 전압이며, I_ph는 태양광 셀로부터의 광전류이고, I_0는 다이오드 포화 전류이며, R_sh는 병렬저항이다.
또한 n은 다이오드 인자이고, q는 기본 전하량이며, k는 볼츠만 상수이며, T는 태양광 모듈의 셀 캘빈 온도이다. 따라서 'I_0exp[qV/nkT]'는 다이오드의 톨린 전류와 쇼트키 장벽을 극복하기 위해 필요한 에너지 사이의 관계이며, V/R_sh는 병렬 저항을 통한 전류 누설이다.
따라서, 이 등가모델식에서 전압-전류 특성곡선에 의한 모델로 구현 가능한 출력 전력은 MPP(Maximum Power Point)이다.
아울러 상기 I_ph는 하기 식(2)로 나타낼 수 있다.
식(2) 
여기서 I_ph,stc는 상온에서의 단락 전류이고, G는 태양광의 일사량이며, G_stc는 상온에서의 일사량이고, a_0는 단락 전류의 온도 계수이며, T_stc는 상온을 나타낸다.
아울러 I_0는 하기 식(3)으로 나타낼 수 있다.
식(3) 
여기서, C_0는 포화전류 계수이고, E_gap은 태양광 소자의 band-gap 에너지를 나타낸다.
이에 따라 태양광의 일사량에 따라 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류는 물리 모델식을 통해 추정될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 STC 기준 태양광 모듈 정보를 통해 I-V 곡선 추정 및 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류 추정 그래프를 나타낼 수 있다.
위 태양전지 등가 모델식을 통해 일사량에 따른 시뮬레이션을 진행하고 이 결과를 활용하여 각 태양광 모듈의 최대 전력점(Vmp, Imp)을 결정하고 회귀 분석을 수행한다.
이를 통해 태양광 모듈의 출력 전압과 출력 전류의 일사량 의존성을 추정한다. 커브 피팅을 사용하여 각 모듈에 대한 파라미터인 av, bv, cv와, ai, bi를 구한다.
여기서 상기 파라미터 av, bv 및 cv는 각 모듈에 대한 전압의 최대 전력점에 관한 파라미터이고, 상기 파라미터 ai 및 bi는 전류의 최대 전력점에 관한 파라미터이다.
이를 통해 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류 물리 모델식은 하기 식(4) 및 식(5)와 같이 나타낼 수 있다.
식(4) 
식(5) 
여기서, G는 측정한 경사면 일사량(W/㎡)이다.
또한 측정한 모듈 온도를 고려하여 태양광 모듈의 최종 출력 전압과 출력 전류를 추정하며, 이는 식(6) 및 식(7)로 표현할 수 있다.
식(6) 
식(7) 
여기서, βV는 모듈 제조사에서 제공하는 전압 온도계수이고, αI는 모듈 제조사에서 제공하는 전류 온도계수이고, Tmod는 측정한 모듈 온도(℃)이며 Tref는 STC 기준 모듈 온도인 25℃ 이다.
이에 따라 센싱부(100)로부터 센싱된 일사량과 모듈 온도를 통해 도 5 및 도 6에서와 같이 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류의 산출이 가능해진다.
아울러 이러한 출력 전압 및 출력 전류의 추정을 통해 해당 PV 시스템의 발전량이 산출 가능해지는데, 이러한 발전량 산출은 발전량 산출부(300)를 통해 수행된다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 전압/전류 추정부(200) 및 발전량 산출부(300)가 추정한 PV 시스템의 출력 전압, 출력 전류 및 발전량은 센싱부(100)의 전압 센서(130), 전류 센서(140) 및 발전량 센서(150)로부터 측정된 측정값과 거의 흡사함을 알 수 있다.
하지만, 도 9에 도시된 바와 같이 강제 음영 처리를 할 경우, 전압/전류 추정부(200)에서 추정한 출력 전압과 전압 센서(130)를 통해 측정한 측정값 간 차이가 발생됨을 알 수 있고, 이로 인해 발전량 또한 차이가 발생됨을 알 수 있다.
한편 본 발명은 PV 시스템의 출력 전압, 출력 전류 및 발전량의 추정값과 측정값의 비교를 통해 해당 PV 시스템이 정상적으로 동작하는지 또는 고장이 발생된 것인지 판단하도록 하는 고장 진단부(400)가 구비되는데, 이러한 고장 진단부(400)는 전술한 바와 같이 상기 전압/전류 추정부(200)로부터 추정된 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류와, 상기 발전량 산출부(300)로부터 산출된 발전량을 각각 수신받고, 센싱부(100)에 포함되는 전압 센서(130), 전류 센서(140) 및 발전량 센서(150)로부터 측정된 출력 전압, 출력 전류 및 발전량을 각각 수신받아 태양광 모듈의 고장 여부를 판단하게 된다.
여기서 상기 고장 진단부(400)는, 상기 센싱부(100)로부터 측정된 출력 전압 및 출력 전류의 측정값과, 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 전압 및 전류의 추정값 간 차이가 설정 범위를 벗어난 경우, 해당 태양광 모듈은 고장이 발생된 것으로 판단한다.
이때 설정 범위는 측정값과 추정값 간 차이가 5% 이상, 보다 구체적으로는 7% 이상 차이가 발생되는 범위로 설정됨이 바람직하다.
이에 따라 고장 진단부(400)는 상기 설정 범위 이상으로 측정값과 추정값 간 차이가 발생되는 것으로 판단되는 경우, 해당 PV 시스템이 고장난 것으로 판단하고, 고장 발생 정보를 생성하여 별도의 알림 수단이나 출력 수단을 통해 관리자에게 관련 정보를 제공하고, 외부 서버 또는 외부 단말기로 고장 발생 정보를 전송하도록 구성될 수 있다.
아울러 상기 고장 진단부(400)는 고장 유형을 판단하기 위해 상기 추정값과 상기 측정값의 전압 및 전류를 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 상기 측정값이 위치하는 영역에 따라 고장 원인을 판단할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 출력 전압 및 출력 전류의 추정값을 각각 단위 지수인 1로 치환하고, 측정된 출력 전압 및 출력 전류의 측정값을 추정값의 치환 비율로 동일하게 치환하여 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 보면, 해당 PV 시스템에서 고장이 발생된 경우, 고장의 유형을 알 수 있다.
도 10의 녹색 영역의 경우, 정상이고, 붉은 영역, 푸른 영역, 황색 영역, 하늘색 영역 및 분홍색 영역 등 각 영역 별로 고장의 유형이 추정될 수 있다.
이에 따라 도 11 및 도 12에서와 같이 진단하고자 하는 PV 시스템의 고장 여부와 고장의 유형이 각각 산출될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 센싱부
110 : 일사량 측정 센서
120 : 온도 센서
130 : 전압 센서
140 : 전류 센서
150 : 발전량 센서
200 : 전압/전류 추정부
300 : 발전량 산출부
400 : 고장 진단부
1000 : PV 시스템의 진단 장치
110 : 일사량 측정 센서
120 : 온도 센서
130 : 전압 센서
140 : 전류 센서
150 : 발전량 센서
200 : 전압/전류 추정부
300 : 발전량 산출부
400 : 고장 진단부
1000 : PV 시스템의 진단 장치
Claims (6)
- 적어도 하나의 위치에 설치된 적어도 하나의 PV 시스템(photovoltaic system)의 전압 및 전류 추정을 통한 PV 시스템의 진단 장치에 있어서,
진단하고자 하는 PV 시스템에 포함된 태양광 모듈에 도달하는 일사량과, 태양광 모듈의 온도를 측정하는 센싱부;
상기 센싱부로부터 일사량과 온도를 수신받아 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하는 전압/전류 추정부; 및
상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 출력 전압 및 출력 전류를 통해 해당 PV 시스템의 발전량을 산출하는 발전량 산출부;를 포함하되,
상기 전압/전류 추정부는,
태양광 모듈의 STC(Standard Test Conditions)기준 스펙 정보 상에서 태양전지 등가 모델을 이용한 I-V 곡선 추정을 통해 물리 모델식을 생성하고, 생성된 물리 모델식을 통해 일사량에 따른 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 추정하고,
상기 태양전지 등가 모델은 하기 식(1)이고,
식(1)
(여기서, I는 태양광 모듈의 출력 전류이고, V는 다이오드의 전압이며, I_ph는 태양광 셀로부터의 광전류이고, I_0는 다이오드 포화 전류이며, R_sh는 병렬저항이고, n은 다이오드 인자이고, q는 기본 전하량이며, k는 볼츠만 상수이며, T는 태양광 모듈의 셀 캘빈 온도이므로 'I_0exp[qV/nkT]'는 다이오드의 톨린 전류와 쇼트키 장벽을 극복하기 위해 필요한 에너지 사이의 관계이며, V/R_sh는 병렬 저항을 통한 전류 누설이다.)
상기 I_ph는 하기 식(2)이고,
식(2)
(여기서 I_ph,stc는 상온에서의 단락 전류이고, G는 태양광의 일사량이며, G_stc는 상온에서의 일사량이고, a_0는 단락 전류의 온도 계수이며, T_stc는 상온이다.)
상기 I_0는 하기 식(3)이고,
식(3)
(여기서, C_0는 포화전류 계수이고, E_gap은 태양광 소자의 band-gap 에너지이다.)
상기 센싱부는,
상기 PV 시스템의 태양광 모듈에 설치되어 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류를 측정하는 전압 센서와 전류 센서 및
상기 PV 시스템의 태양광 모듈에 설치되어 태양광 모듈의 발전량을 측정하는 발전량 센서가 더 포함되는,
PV 시스템의 진단 장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 태양광 모듈의 출력 전압 및 출력 전류와, 상기 발전량 산출부로부터 산출된 발전량을 각각 수신받고, 상기 전압 센서, 전류 센서 및 발전량 센서로부터 측정된 출력 전압, 출력 전류 및 발전량을 각각 수신받아 태양광 모듈의 고장 여부를 판단하는 고장 진단부;를 더 포함하는,
PV 시스템의 진단 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 고장 진단부는,
상기 센싱부로부터 측정된 출력 전압 및 출력 전류의 측정값과, 상기 전압/전류 추정부로부터 추정된 전압 및 전류의 추정값 간 차이가 설정 범위를 벗어난 경우, 해당 태양광 모듈은 고장이 발생된 것으로 판단하되,
고장이 발생된 경우, 상기 추정값과 상기 측정값의 전압 및 전류를 각각 x 좌표 및 y 좌표로 표시하여 상기 측정값이 위치하는 영역에 따라 고장 원인을 판단하는,
PV 시스템의 진단 장치.
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Citations (4)
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| KR20180121754A (ko) * | 2017-04-28 | 2018-11-08 | 한국에너지기술연구원 | 다채널 태양광 dc 어레이 고장진단 장치 |
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| KR20230076695A (ko) | 2021-11-24 | 2023-05-31 | 고려대학교 산학협력단 | 태양광 주기성에 적합한 시간 변수를 반영한 태양광 발전량 예측 장치 및 방법 |
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2023
- 2023-09-21 KR KR1020230125998A patent/KR102645222B1/ko active IP Right Grant
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