KR20040058151A - 최대전력추적 태양광 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부하조건에 상관없이 최대전력이 생성되는 지점에 전압 및 전류를 고정시켜주는 최대전력추적을 위한 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 태양전지 어레이가 있는 발전장치, 발전된 전기를 충전하는 컨버터장치, 충전된 전기를 보관하는 배터리가 있는 저장장치와, 그리고 상기 발전장치, 컨버터장치, 저장장치를 제어하는 제어장치를 포함하여 구성되는 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 컨버터장치는, 상기 제어장치에 의해 생성된 PWM신호를 전달받아 충전전압을 조절시키는 PWM단계와; 상기 제어장치에 의해 상기 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하여, 검출 순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차이를 비교하여 최대출력점에 해당되는지 판단하여 충전전류를 조절시키는 최대전력추적단계;를 포함하여 작동되는 것을 특징으로 하는 최대전력추적 태양광 발전시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 일사량, 온도 등이 변하여도 항상 그 때의 최대전력점을 추종하여 제어신호를 내보내므로 태양전지 어레이에서 배터리로 유입되는 전력은 항상 최대로 유지할 수 있게 해주며, 충전효율이 뛰어난 이점이 있다.

Description

최대전력추적 태양광 발전시스템{PV power generation by maximum power point tracking}
본 발명은 부하조건에 상관없이 최대전력이 생성되는 지점에 전압 및 전류를 고정시켜주는 최대전력추적을 위한 태양광 발전시스템에 관한 것이다.
최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신장비 등 매우 다양하게 활용되고 있다.
이러한 태양 전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자로서, 일반적인 전기에너지원(대표적으로 전기화학적 배터리, 발전기)과는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 기존의 전기에너지는 선형전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정(stable)하게 동작한다.
또한 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력/출력 조건에서도 항상 안정한(stable) 시스템으로 동작한다. 즉 선형전압원을 가지는 전기에너지원을 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수 있게 된다.
그러나 태양전지는 기존의 전기에너지와는 완전히 다른 전기적인 특성을 가지고 있는 대표적인 비선형소스(Non-linear source)로 구분되며, 태양전지 어레이의 특성은 컨버터와 제어시스템에 커다란 영향을 끼치므로, 이하에서는 이들에 대해 살펴보고자 한다.
도 1과 도2((a)입사량과 온도변화에 따른 I-V 특성커브, (b)입사량과 온도변화에 따른 P-V 특성커브)는 태양전지의 전기적인 모델링과 특성커브에 대해 나타내었다.
도 1의 전기적 등가회로에 대한 수학적인 모델링은 다음 수학식 1과 같이 주어진다.
여기에서 Ig=태양열에 의해 발생하는 전류(Current generated by solar radiation), Io=역포화 전류(Reverse saturation current), q=전하량(Charge of electron), V,I=종단전압, 전류(Terminal voltage, current), A=피팅상수(Fitting constant), k=볼츠만상수(Boltzman constant), T=절대온도(Absolute temperature), Rs=직렬저항(Series resistance), Rsh=병렬저항(Parallel resistance)이다.
수학식 1에서 보는 바와 같이 태양전지의 출력변수 I, V를 결정하는 것은 입력변수 Ig, T이고, 나머지는 모두 상수값이다. 즉 입사되는 태양빛의 강도(Ig)와 태양전지의 온도(Absolute Temperature)에 따라 태양전지의 전기적인 특성이 결정되는 것이다. 입력변수 Ig와 T에 따른 I, V의 특성변화를 도 2(a)에, 전력변화를 도2(b)에 나타내었다.
도 2(a),(b)에서 보는 것처럼 태양전지의 출력전압과 전류는 일정한 값이 아니고, 부하전류에 따라서 출력전압이 결정되는 비선형 전류원(Non-linear Current Source)의 특성을 지니고 있으며, 또한 생성되는 전력(power) 또한 부하전류에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다. 이것은 태양전지의 에너지를 효율적으로 이용한다는 측면에서 큰 의미를 지니고 있다.
즉 태양전지에서 얻어낼 수 있는 에너지는 항상 일정하게 고정된 것이 아니고, 부하조건에 따라서 50[W], 200[W], 500[W] 등의 에너지를 생성할 수 있다는 말이 된다. 도 3은 동작전압에 따른 생성에너지 변화량을 나타내고 있다. 이것은 특정입력조건(Ig, T)에 대한 태양전지의 커브이고, 태양전지의 전압을 변화시킬 때(V1->V2->V3->V4->V5), 생성되는 전력도 변화하는 것을 보여주고 있다(200[W]->300[W]->400[W]->300[W]->50[W]).
따라서, 태양전지에서 최대의 에너지를 얻기 위해서는 부하조건에 상관없이 항상 최대전력이 생성되는 지점에 전압을 고정시켜주는 장치가 필요하게 된다.
본 발명은 상기 문제점 및 필요성에 의해 안출된 것으로서, 부하조건에 상관없이 최대전력이 생성되는 지점에 전압 및 전류를 고정시켜주는 최대전력추적을 위한 태양광 발전시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
도 1 - 태양전지의 전기적인 모델링을 나타낸 등가회로도.
도 2 - (a)입사량과 온도변화에 따른 I-V 특성커브를 나타낸 도, (b)입사량과 온도변화에 따른 P-V 특성커브를 나타낸 도.
도 3 - 태양전지의 동작전압에 따른 생성에너지 변화량을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명에 따른 최대전력추적 태양광 발전시스템의 개략적인 블럭도.
도 5 - 최대전력추적 알고리즘 순서도.
도 6 - 본 발명의 컨버터장치의 등가회로도.
도 7 - (a)아날로그 스위칭 회로를 구성한 후 측정한 파형, (b)아날로그 시스템을 최적으로 설계하여 재배치한 후 측정한 파형, (c)본 발명에 따른 스위칭 알고리즘을 적용한 장치에서 측정한 파형, (d)본 발명을 위해 스위칭용으로 제작한 펄스트랜스를 회로구성에 적용하고, 컨버터 스위칭 회로를 최적으로 설계(구성소자의 용량을 실험을 통하여 결정함)하여 실험한 결과 파형을 나타낸 도.
도 8 - 도 7에 의한 각각의 컨버터장치에 대한 실험데이터.
도 9 - 도 8에 의한 실험데이터에 의한 전력변환효율.
상기 구성에 의한 본 발명은, 태양전지 어레이가 있는 발전장치, 발전된 전기를 충전하는 컨버터장치, 충전된 전기를 보관하는 배터리가 있는 저장장치와, 그리고 상기 발전장치, 컨버터장치, 저장장치를 제어하는 제어장치를 포함하여 구성되는 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 컨버터장치는, 상기 제어장치에 의해 생성된 PWM신호를 전달받아 충전전압을 조절시키는 PWM단계와; 상기 제어장치에 의해 상기 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하여, 검출 순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차이를 비교하여 최대출력점에 해당되는지 판단하여 충전전류를 조절시키는 최대전력추적단계;를 포함하여 작동되는 것을 특징으로 하는 최대전력추적 태양광 발전시스템을 기술적 요지로 한다.
또한 상기 최대전력추적단계는, 태양전지 어레이의 순간파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))를 검출하는 검출단계와; 상기 검출부에서 측정된 순간파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))와 측정값 직전의 순간파라미터(순간전압V(n-1), 순간전류I(n-1))와의 차이(ΔV, ΔI)를 계산하는 연산단계와; 상기 측정된 순간파라미터(V(n), I(n))와 측정값 직전의 순간파라미터(V(n-1), I(n-1))의 값에 의한 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1), P(n)=V(n)ㆍI(n), P(n-1)=V(n-1)ㆍI(n-1))가 영(zero)이 되는 전압과 전류를 추적하는 추적단계;로 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 최대전력추적단계는, 상기 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1))가 영(zero)이 되는 순간의 전력값을 업데이트하여 저장하고, 다음 제어루프가 수행되도록 형성되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 최대전력추적단계는, 상기 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1))가 영(zero)이 아니면, 영이 되도록 상기 컨버터장치의 스위치의 튜티비가 조절되도록 형성되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이에 따라 일사량, 온도 등이 변하여도 항상 그 때의 최대전력점을 추종하여 제어신호를 내보내므로 태양전지 어레이에서 배터리로 유입되는 전력은 항상 최대로 유지할 수 있게 해주며, 충전효율이 뛰어난 이점이 있다.
또한 상용전원의 사용이 어려운 해양시설물, 가로등과 같이 특수한 목적을 가지는 곳에 주로 사용되는, 독립형 시스템에 적용이 가능한 이점이 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 태양전지의 전기적인 모델링을 나타낸 등가회로도이고, 도 2는 (a)입사량과 온도변화에 따른 I-V 특성커브를 나타낸 도, (b)입사량과 온도변화에 따른 P-V 특성커브를 나타낸 도이고, 도 3은 태양전지의 동작전압에 따른 생성에너지 변화량을 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명에 따른 최대전력추적 태양광 발전시스템의 개략적인 블럭도이고, 도 5는 최대전력추적 알고리즘 순서도이고, 도 6은 본 발명의 컨버터장치의 등가회로도이고, 도 7은 (a)아날로그 스위칭 회로를 구성한 후 측정한 파형, (b)아날로그 시스템을 최적으로 설계하여 재배치한 후 측정한 파형, (c)본 발명에 따른 스위칭 알고리즘을 적용한 장치에서 측정한 파형, (d)본 발명을위해 스위칭용으로 제작한 펄스트랜스를 회로구성에 적용하고, 컨버터 스위칭 회로를 최적으로 설계(구성소자의 용량을 실험을 통하여 결정함)하여 실험한 결과 파형을 나타낸 도이고, 도 8은 도 7에 의한 각각의 컨버터장치에 대한 실험데이터이며, 도 9는 도 8에 의한 실험데이터에 의한 전력변환효율이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 최대전력추적 태양광 발전시스템은 태양전지 어레이가 있는 발전장치, 발전된 전기를 충전하는 컨버터장치, 충전된 전기를 보관하는 배터리가 있는 저장장치, 그리고 상기 발전장치, 컨버터장치, 저장장치를 제어하는 제어장치로 크게 구성되어져 있다.
상기 컨버터장치는, 상기 발전장치, 저장장치와 상기 제어장치와 연결되어 있다.
상기 컨버터장치는, 먼저 상기 태양전지 어레이에 의해 전압을 충전받고, 상기 제어장치에 의해 생성된 PWM(펄스폭변조)신호를 전달받아 충전전압을 조절시키는 PWM단계와, 상기 제어장치에 의해 상기 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하여, 검출순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차이를 비교하여 최대출력점에 해당되는지 판단하여 충전전류를 조절시키는 최대전력추적단계를 포함하여 작동되므로서, 최적의 전압과 전류를 찾게 되며, 이에 의해 최대전력추적이 이루어지도록 한다.
상기 컨버터장치는 상기 제어장치 내부에 포함된 마이크로프로세서에 의해 생성된 디지털 기반의 PWM신호는 펄스트랜스에 전달되고, 이로 인해 컨버터장치에 포함된 스위치가 작동되게 된다. 상기 마이크로프로세서에 의해 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하고, 검출순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차를 비교하여 동작점이 최대출력점에 해당되는지 여부를 판단하게 된다.
여기에서 상기 펄스트랜스는 배터리 충전최대전압, 충전전류밀도 등에 따라서 턴수(감는 비율)가 결정되며, 본 발명에서는 임펄스 순간의 충전전압(태양전지에서 배터리 충전전압)이 38V까지 충전되도록 하며, 충전전류는 평균이 연속성을 갖도록 펄스트랜스의 턴수를 결정한다. 여기서 충전전압의 결정은 생산되고 있는 태양전지의 제품의 최대출력전압의 상한값을 기준으로 하며, 전류의 연속성은 연속성 알고리즘과 실험으로 결정되게 된다.
만약 전력값차가 0이면 태양전지가 현재 최대출력이라 판단할 수 있으므로, 그 전의 전력값을 순간의 전력값으로 업데이트하여 저장하고 다음 제어루프를 수행하게 된다. 그러나 전력값차가 0이 아니면 0이 되도록 상기 컨버터장치의 회로에 포함된 스위치에 의해 스위치 ON/OFF시간(듀티비)을 조절하여 동작점이 최대출력점에 해당되도록 한다.
여기에서 상기 컨버터장치는 벅컨버터(buck converter) 특성을 갖는 것으로, PWM알고리즘으로 작동되며, 연속전류모드로 운전되도록 PWM알고리즘으로 스위칭 기법을 구축한다.
도 6은 상기 컨버터장치의 등가회로도를 나타낸 것이다. 상기 컨버터장치의 스위치가 이상적인 스위치라면, T(Ton+Toff)는 제어주기, Ton/T는 듀티(duty)비이고, 0≤Ton/T≤1이다. 상기 컨버터장치는 최대전력추적점을 찾기 위한 스위칭 기능을 수행하며, ON과 OFF 두가지 운전 상태를 가지며, 출력전압은 항상 입력전압보다 크거나 같게 된다. 수학식 2는 이를 나타낸 것이다.
도 6에서 스위치가 ON상태이면 태양전지 어레이로부터 에너지는 인덕터 Lm에 저장되고, 스위치가 OFF상태이면 에너지는 DC연결 배터리 Cb에 전달된다. 스위치의 ON상태를 다음 수학식 3과 4에 나타내었다.
스위치의 OFF상태를 수학식 5에 나타내었다.
만일 다이오드, 스위칭 트랜지스터와 인덕터의 손실을 무시한다면, 다음 수학식 6과 같이 나타나게 된다.
상기 수학식 2,3,4,5,6으로 부터, V는 스위치의 OFF 시간에 의해 제어된다. 스위치의 Ton/T비는 상기 최대전력추적단계에 의해 제어되며, 태양광 발전시스템은 최적의 Ton/T값을 유지하기 위해 끊임없이 변하게 된다.
상기 최대출력점을 추적하기 위한 최대전력추적(MPPT, maximum power point tracking)단계는 태양전지 어레이의 순간파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))를 검출하는 검출단계와, 상기 검출부에서 측정된 순간파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))와 측정값 직전의 순간파라미터(순간전압V(n-1), 순간전류I(n-1))와의 차이(ΔV, ΔI)를 계산하는 연산단계와, 상기 측정된 순간파라미터(V(n), I(n))와 측정값 직전의 순간파라미터(V(n-1), I(n-1))의 값에 의한 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1), P(n)=V(n)ㆍI(n), P(n-1)=V(n-1)ㆍI(n-1))가 영(zero)이 되는 전압과 전류를 추적하는 추적단계;로 구성되게 된다.
여기에서 상기 최대전력추적단계는, 상기 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1))가 영(zero)이 되는 순간의 전력값을 업데이트하여 저장하고, 다음 제어루프가 수행되도록 하거나, 상기 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1))가 영(zero)이 아니면, 영이 되도록 상기 컨버터장치의 스위치의 튜티비가 조절되도록 하는 것이 바람직하다.
도 5에는 최대전력추적을 위한 알고리즘을 나타낸 순서도를 나타내었으며,V(n), I(n), P(n)은 태양전지 어레이의 순간 전압, 전류 및 전력이다. 그리고 V(n-1), I(n-1), P(n-1)은 측정값 직전의 전압, 전류 및 전력값이다. 여기에서 Vr은 제어를 위한 기준전압이다. 도시된 바와 같이 최대전력추적을 위해서는 전력귀환 제어 하에서 dP/dV=0이 되도록 제어하고자 하며, 0이 아닌 경우에는 상기 컨버터장치의 PWM스위칭을 통해 기준전압 Vr에 대한 제어를 하게 된다.
이하에서는 본 발명의 작용효과에 대해 설명하고자 한다.
하루 중 높은 일사량으로 태양전지로부터 배터리에 Full로 충전되는 시간은 약 3~4시간이다. 이 때의 높은 전압을 단시간에 최대로 충전하기 위해서는 많은 전류량이 배터리에 충전되도록 해야한다. 태양전지 어레이의 전압이 높을 때, 스위치의 ON시간이 길어지면 배터리의 충전 전압이 낮아질 수 있다. 따라서 스위치의 ON시간을 줄여서 높은 전압을 유지한 상태에서 배터리에 충전을 한다면 순간적으로 전류를 밀어 넣어 배터리에 충전할 수 있다. 이처럼 스위치의 ON 시간을 나타내는 듀티비를 조절하여 최대의 충전효율을 얻는다.
도 7은 스위칭 알고리즘의 변화에 따른 각각의 실험 측정 파형을 나타낸다. (a)는 아날로그 스위칭 회로를 구성한 후 측정한 파형이며, (b)는 각각의 아날로그 시스템을 최적으로 설계하여 재배치한 후 측정한 파형이다. (c)는 본 발명에 따른 스위칭 알고리즘을 적용한 장치에서 측정한 것이며, (d)는 본 발명을 위해 스위칭용으로 제작한 펄스 트랜스를 회로구성에 적용하고, 컨버터 스위칭 회로를 최적으로 설계(구성소자의 용량을 실험을 통하여 결정함)하여 실험한 결과 파형이다.
도 7(a),(b),(c),(d)의 각 파형에서 오실로스코프 채널(Ch)1은 아날로그 및 디지털 PWM스위칭 신호를 표시하며, Ch2는 스위칭 소자의 구동신호, Ch3은 실제로 배터리에 저장되는 전류량을 션트를 거쳐 전압으로 변환한 후 증폭시켜 나타낸 것이다.
도 8은 도 7에 의한 각각의 컨버터장치의 실험데이터인 전압(VPV), 태양전지 어레이의 출력전류(IPV), 배터리전압(VBT), 배터리 유입전류(IBT)를 나타낸 것이다. 도 9는 도 8의 실험데이터로 태양전지 어레이의 출력전력(PPV), 배터리 입력전력(PBT), 컨버터의 전력변환효율((PBT/PPV)X100)을 나타낸다. 도 9에서 나타낸 바와 같이 아날로그 스위칭 회로로 구성한 도 7(a)와 (b)의 변환효율은 약 40%인 반면, 디지털 스위칭 회로로 구성한 도 7(c)와 (d)의 변환효율은 약 90%로 아날로그보다 두배의 높은 효율을 나타냄을 알 수 있다.
실제로 외부환경에서는 구름한점 없이 맑은 날의 경우를 제외하고, 일사량, 온도 등이 시시각각 변하는 경우가 많다. 아날로그 시스템의 경우 둔감한 PWM듀티비로 인해 변화하는 최대전력점을 추종하여 동작하기 어렵다. 그러나 디지털 시스템의 경우, MPPT 알고리즘에 의해 일사량, 온도 등이 변하여도 항상 그 때의 최대전력점을 추종하여 제어신호를 내보내므로 태양전지 어레이에서 배터리로 유입되는 전력은 항상 최대로 유지할 수 있게 해준다.
따라서 본 발명에 따른 PWM단계와 최대전략추적단계에 의한 충전시스템은 아날로그 방식에 비하여 충전효율을 개선할 수 있고, 회로의 간략화로 신뢰성을 회복할 수 있게 된다.
상기 구성에 의한 본 발명은, 일사량, 온도 등이 변하여도 항상 그 때의 최대전력점을 추종하여 제어신호를 내보내므로 태양전지 어레이에서 배터리로 유입되는 전력은 항상 최대로 유지할 수 있게 해주며, 충전효율이 뛰어난 효과가 있다.
또한 상용전원의 사용이 어려운 해양시설물, 가로등과 같이 특수한 목적을 가지는 곳에 주로 사용되는, 독립형 시스템에 적용이 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 태양전지 어레이가 있는 발전장치, 발전된 전기를 충전하는 컨버터장치, 충전된 전기를 보관하는 배터리가 있는 저장장치와, 그리고 상기 발전장치, 컨버터장치, 저장장치를 제어하는 제어장치를 포함하여 구성되는 태양광 발전시스템에 있어서,
    상기 컨버터장치는,
    상기 제어장치에 의해 생성된 PWM신호를 전달받아 충전전압을 조절시키는 PWM단계와;
    상기 제어장치에 의해 상기 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하여, 검출 순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차이를 비교하여 최대출력점에 해당되는지 판단하여 충전전류를 조절시키는 최대전력추적단계;를 포함하여 작동되는 것을 특징으로 하는 최대전력추적 태양광 발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 최대전력추적단계는,
    태양전지 어레이의 순간파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))를 검출하는 검출단계와;
    상기 검출부에서 측정된 순간파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))와 측정값 직전의 순간파라미터(순간전압V(n-1), 순간전류I(n-1))와의 차이(ΔV, ΔI)를 계산하는 연산단계와;
    상기 측정된 순간파라미터(V(n), I(n))와 측정값 직전의 순간파라미터(V(n-1), I(n-1))의 값에 의한 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1), P(n)=V(n)ㆍI(n), P(n-1)=V(n-1)ㆍI(n-1))가 영(zero)이 되는 전압과 전류를 추적하는 추적단계;로 구성됨을 특징으로 하는 최대전력추적 태양광 발전시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 최대전력추적단계는,
    상기 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1))가 영(zero)이 되는 순간의 전력값을 업데이트하여 저장하고, 다음 제어루프가 수행되도록 형성되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 최대전력추적 태양광 발전시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 최대전력추적단계는,
    상기 전력차이(ΔP=P(n)-P(n-1))가 영(zero)이 아니면, 영이 되도록 상기 컨버터장치의 스위치의 튜티비가 조절되도록 형성되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 최대전력추적 태양광 발전시스템.
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