KR20060044698A - 태양광 발전 시스템의 부분 그늘 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법에 관한 것으로, 태양전지 모듈을 직렬 접속한 다수의 직렬접속 어레이를 병렬 접속하고, 상기 직렬접속 어레이를 컨버터에 접속시킴으로써 상기 컨버터에서 최종전력을 출력시키게 되는 태양광 발전 시스템을 이용한 부분그늘 보상 방법에 있어서, 상기 각각의 태양전지 모듈의 출력단에 보조 전원부를 접속시키고, MPPT 제어기에서 저일사량이 검출되면 상기 보조 전원부를 통해 부족한 전압부분을 일시에 공급하여 정전압을 유지하여 시스템의 일시적인 셧다운을 방지하고, 각각의 직렬접속 어레이의 태양전지 모듈에 초퍼를 다단으로 병렬 연결하고, 상기 MPPT 제어기에서 각각의 초퍼의 오프 시비율을 제어하여 태양전지 모듈의 동작전압비를 가변시켜 각 태양전지 모듈의 직렬접속 어레이에서 최대출력이 발생되도록 하는 것을 특징으로 한다.

태양광 발전, 그늘 보상, 태양전지 모듈, MPPT, 초퍼

Description

태양광 발전 시스템의 부분 그늘 보상 방법{METHOD FOR PARTIAL SHADE COMPASATION OF PV}

도 1은 본 발명이 적용된 발전 제어 회로의 일예를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명이 적용된 발전 제어 회로의 스위칭 시퀀스 및 리엑터 전류 파형을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법의 흐름도.

도 4는 본 발명이 적용된 발전 전력점 제어 회로도를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명이 적용된 발전 전력점 제어 회로도에서 인덕터 L과 각부 전류 파형을 나타내는 도면.

도 6은 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법이 적용된 회로도를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법이 적용된 회로도에서 일사량의 급변시 각부 동작파형을 나타내는 도면.

도 8은 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 실험 회로도를 나타내는 도면.

도 9는 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 실험 회로도에서 각 태양전 지의 제어전후 출력특성을 나타내는 도면.

본 발명은 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 발전시스템의 저일사량시 태양전지 모듈의 부족한 전압부분을 일시에 공급하여 정전압을 유지하여 시스템의 일시적인 셧다운을 방지하고, 각 태양전지 모듈의 직렬접속 어레이에서 최대출력이 발생되도록 하는 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법에 관한 것이다.

현재 우리나라는 신재생 에너지 확대 보급을 촉진하기 위한 대체에너지 개발 및 이용 보급 촉진정책을 수립하고 기술 개발을 지원하려 하고 있다.

이러한 가운데 태양광발전은 자연에너지를 이용한다는 관점에서 오래 전부터 많은 연구가 진행되고 있으며, 최근 가정용 발전장치 실용화에도 박차를 가하고 있다.

이러한 태양광을 이용하는 에너지를 생산할 수 있는 태양광발전 시스템은 일반적으로 태양전지 모듈 여러 개를 직병렬 접속하여 전력변환장치에 접속하게 된다. 그 이유는 태양전지 모듈 단독으로는 출력전압이 30V이하로 낮으므로 계통연계형 인버터 입력전압으로 승압하기 위해서는 모듈(Module)의 직렬접속과 승압 컨버터가 필요하게 된다. 이러한 직렬접속 어레이(Array)를 다수 병렬로 연결하여 최종 전력을 얻게 된다.

그러나 태양전지 모듈어레이는 각 모듈의 출력특성이 일사량, 온도, 부하변동 등에 의해 그 동작점이 변화하게 된다. 따라서 이러한 요소로 인한 변동에 대하여 태양전지는 항상 최대출력을 낼 수 있는 최대출력추종(MPPT: Maximum Power Point Tracking)제어 기법을 컨버터에 적용하여야 한다. 기존의 MPPT 제어 알고리즘은 여러 가지 알고리즘이 연구되었으며 크게 아날로그방식과 마이크로 프로세서를 이용한 디지털방식이 있다. 다시 제어대상으로서 정전압 제어방식의 MPPT 제어 알고리즘과 이것을 개선한 P&O(Perturbation and Observation Method) MPPT 알고리즘, Inc Cond(Incremental Conductance) MPPT 알고리즘, 전류궤환 알고리즘으로 나뉘어진다. 기존의 MPPT 제어 알고리즘은 높은 일사량에서는 MPPT가 비교적 잘 동작하지만 저 일사량에서는 MPPT 제어가 원활히 동작하지 않아 발전량이 저감되는 특성을 가지고 있다. 따라서 기존의 알고리즘을 개량한 형태가 다수 연구되고 있다.

또한, 알고리즘 측면과 더불어 태양광발전 시스템의 설치에 있어서 태양전지를 건물 밀집지역의 일반가정이나 설치면적의 제약이 있는 곳에 이용하는 것을 고려한다면 인접하는 건물 등의 음영이나 설치장소가 달라 일조량이 다른 경우 태양전지의 직렬 접속시 발전전력이 상당히 저하된다. 이 문제를 부분적으로 개선하기 위해 태양전지에 바이패스 다이오드를 접속하는 방법을 사용한다. 이와 달리 최근 발전효율을 높이기 위해 각 모듈에 MPPT 제어 알고리즘을 설치하거나 하드웨어적으로 일시적인 전압감소 보상 등의 연구가 진행되고 있다.

본 발명에서는 알고리즘 문제와는 달리 설치여건과 일시적인 발전량 저하 문 제에 대한 개선책으로서 각 모듈마다 초퍼를 다단으로 적용하여 각 직렬접속 어레이의 발전을 제어하여 최대전력을 항상 공급 할 수 있는 시스템과 디지털 제어기와 스위칭 토포로지를 적용한 보조회로를 혼합한 개선된 방법을 제안하였으며, 시뮬레이션과 소용량의 회로를 구성하여 저 일사량시 또는 부분 그늘을 보상 등의 효용성을 이루고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 각각의 태양전지 모듈의 출력단에 보조 전원부를 접속시키고, MPPT 제어기에서 저일사량이 검출되면 보조 전원부를 통해 부족한 전압부분을 일시에 공급하여 정전압을 유지하여 시스템의 일시적인 셧다운을 방지하도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 각각의 직렬접속 어레이의 태양전지 모듈에 초퍼를 다단으로 병렬 연결하고, MPPT 제어기에서 각각의 초퍼의 오프 시비율을 제어하여 태양전지 모듈의 동작전압비를 가변시켜 각 태양전지 모듈의 직렬접속 어레이에서 최대출력이 발생하도록 하는 데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법은, 태양전지 모듈을 직렬 접속한 다수의 직렬접속 어레이를 병렬 접속하고, 상기 직렬접속 어레이를 컨버터에 접속시킴으로써 상기 컨버터에서 최종전력을 출력시키게 되는 태양광 발전 시스템을 이용한 부분그늘 보상 방법에 있어서, 상기 각각의 태양전지 모듈의 출력단에 보조 전원부를 접속시키고, MPPT 제어기에서 저일사량이 검출되면 상기 보조 전원부를 통해 부족한 전압부분을 일시에 공급하여 정전압을 유지하여 시스템의 일시적인 셧다운을 방지하고, 각각의 직렬접속 어레이의 태양전지 모듈에 초퍼를 다단으로 병렬 연결하고, 상기 MPPT 제어기에서 각각의 초퍼의 오프 시비율을 제어하여 태양전지 모듈의 동작전압비를 가변시켜 각 태양전지 모듈의 직렬접속 어레이에서 최대출력이 발생되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 보조 전원부는 상기 MPPT 제어기의 제어에 따라 스위칭되는 스위치와; 상기 스위치의 스위칭에 따라 충전된 전압을 방전하는 커패시터 또는 소용량 배터리를 포함하여 구성된다.

여기에서 또한, 상기 MPPT 제어기는 상기 직렬접속 어레이의 기준전압(Vref)을 제어 범위의 최저범위 동작전압으로 설정한뒤 기준전압(Vref)값을 증가시킨 후 상기 직렬접속 어레이의 출력 전압(V(k))값을 검출하여 그 값이 기준전압(Vref)보다 큰 경우 상기 스위치를 동작시키지 않고, 상기 기준전압(Vref)을 최대로 증가시킨후 일사량이나 부하의 변동으로 인하여 상기 직렬접속 어레이의 출력 전압값(V(k))이 감소하는 경우 기준전압(Vref)을 줄인다.

여기에서 또, 상기 MPPT 제어기는 상기 각각의 초퍼를 상호 교번시켜 스위칭시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하에서 본 발명은 각 태양전지 모듈마다 다단의 초퍼를 적용하여 각 모듈 의 직렬접속 어레이의 발전을 제어하여 직렬접속 어레이에서 최대전력을 항상 공급하고, MPPT 제어기로도 최대 출력 전압이 항상 공급되도록 함으로써 저 일사량시 또는 부분 그늘 발생시 어레이 전체의 출력이 현저히 낮아지는 문제점을 개선해 최대전력점을 얻도록 하여 부분 그늘 보상 제어가 가능함과 동시에 최대전력점을 제어함으로서 부분 그늘이 발생하더라도 정출력을 얻을 수 있게 하는 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법을 바람직한 실시예로 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

우선, 본 발명의 그늘보상 MPPT 기법에 대하여 설명한다.

전체 시스템 구성에서 태양전지의 발전 제어 회로는 발전불균형상태 문제를 개선하는 방법으로서 도 1에 태양전지를 두개 직렬연결시의 발전 제어 회로를 나타내었다. 도 2는 스위치 SW1, SW2의 스위칭 시퀀스와 리액터 전류파형을 나타내고 있다. 이때, 스위칭 시퀀스는 스위치SW1과, 스위치 SW2가 동시에 오프되지 않고 상호 교번하여 동작하도록 제어한다.

한편, 스위치 SW1, SW2의 오프 시비율을 다음의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 1에 나타난 스위치 SW1, SW2의 오프 시비율과 각 태양전지의 동 작전압 관계를 다음의 수학식 2 내지 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

상기의 수학식 2 내지 수학식 6에 개시된 바와 같이 각 스위치 오프 시비율의 비를 변화시킨 것으로 각 태양전지 동작전압의 비(V₁:V₂)를 자유로이 설정 가능하다는 것을 알 수 있다.

기존의 방식과는 달리 MPPT 제어가 되지 않는 저일사량을 검출한 경우 스위치와, 커패시터로 이루어진 보조 전원부를 동작시킨다. 이 보조 전원부의 커패시터 는 대용량 커패시터인 슈퍼 커패시터의 사용이 가능하고, 또는 소용량의 배터리를 사용할 수 있다. 커패시터 또는 배터리에 충전된 전압을 이용하여 입력전압으로 충전하게 함으로서 일정시간 부족전압을 보충하여 일시적인 발전을 가능하게 한다.

이때, 기준전압(Vref)을 MPPT 제어 범위의 최저범위 동작전압으로 설정한뒤 기준전압(Vref)값을 증가시킨 후 출력전압(V(k))값을 검출하여 그 값이 기준전압(Vref)보다 큰 경우 보조 전원부의 스위치를 동작시키지 않고, 기준전압(Vref)을 최대로 증가시킨후 일사량이나 부하의 변동으로 인하여 출력전압(V(k))이 감소하게 되면 기준전압(Vref)을 감소시킨다.

다시 말하면 알고리즘에서 검출된 전력 P(k)와 P(k-1)을 비교하여 값이 같으면 MPPT를 수행하지 않고, 두 전력의 차이가 발생하였을 경우 어레이 전압을 따라 추종하다가 전력의 감소가 이루어지면 다시 전압의 기준치를 줄이도록 동작하게 된다. 이 과정에서 전압의 기준치는 일정시간동안 유지되지만 기존의 P&O MPPT와는 유사하나 기준전압(Vref)의 증가와 감소값의 의미는 다르다.

이러한 개선된 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법의 흐름도를 도 3에 도시하였다.

도 4는 본 발명이 적용된 발전 전력점 제어 회로도를 나타내는 도면.PSIM을 이용하여 발전 제어회로를 구성한 회로도이다. 도 4에서 ms_user6.dll은 태양전지의 특성을 적용한 태양전지 모델이고, ms_user7.dll은 시간에 따라 일사량이 변하는 환경을 만들기 위해 적용된 것이며, ms_user8.dll은 알고리즘의 형태를 프로그램한 것이다.

도 5는 본 발명이 적용된 발전 전력점 제어 회로도에서 인덕터 L과 각부 전류 파형을 나타내는 도면으로서 이론적인 파형과 동일한 특성을 얻을 수 있음을 나타내었다.

또한, 도 6은 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법이 적용된 회로도를 나타내는 도면으로서, 개선된 IncCond 제어기법을 적용하기 위한 회로도를 나타내었다.

또, 도 7은 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법이 적용된 회로도에서 일사량의 급변시 각부 동작파형을 나타내는 도면으로서, 각부의 동작파형을 나타낸 것이다. 기존의 제어기법과 비교해 볼 때 빠른 추종속도와 실제 전력량과 발전 전력량과의 오차가 저감되었다.

한편, 도 8은 본 발명이 적용된 본 발명이 적용된 태양광 발전 시스템의 실험 회로도를 나타내는 도면으로서, 실험에 사용된 태양전지는 GMG01531이고, 사용된 태양전지의 특징은 정격최대출력 53[W], 개로전압 21.7[V], 단락전류 3.25[A], 최대동작전압 17.4[V], 최대동작전류 3.05[A]이다.

각 태양전지의 출력특성과 제어전후의 각 동작점 추이를 도 9에 나타내었다. 제어전 PV2에 부분그늘이 발생하게 되어 바이패스 다이오드를 통하여 전류가 흐르게 되어 발전량이 저하되었으나, 발전 전력점 제어 동작함으로서 PV1, PV2의 발전량을 동일하게 얻을 수 있다.

본 발명에서는 기존의 MPPT 제어 알고리즘에서 모두 저 일사량일 경우 발전이 되지 않는 점과 일사량이 급변시에 추종 응답 속도가 느린 단점을 개선하기위하 여 개선된 MPPT 제어 알고리즘을 제안하였다. 이 방법은 간단한 구성으로서 저일사량을 검출하여 태양전지의 출력단에 접속된 보조 전원부의 스위치를 동작시켜 부족한 전압부분을 일시에 공급함으로서 정전압을 유지할 수 있음으로 시스템의 일시적 셧다운을 막을 수 있다.

또한, 이들 시스템 모두 직렬 또는 병렬 연결시 부분 그늘이 발생하게 되면 어레이 전체의 출력이 현저히 낮아지는 문제점을 개선하기 위하여 다단의 초퍼를 병렬 연결하여 최대 전력점을 얻도록 제어함으로서 부분 그늘 보상 제어가 가능함과 동시에 최대전력점을 제어함으로서 부분그늘이 발생하더라도 정출력을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 나타난 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법은 각 태양전지 모듈마다 다단의 초퍼를 적용하여 각 모듈의 직렬접속 어레이의 발전을 제어하여 직렬접속 어레이에서 최대전력을 항상 공급하고, MPPT 제어기로도 최대 출력 전압이 항상 공급되도록 함으로써 저 일사량시 또는 부분 그늘 발생시 어레이 전체의 출력이 현저히 낮아지는 문제점을 개선해 최대전력점을 얻도록 하여 부분 그늘 보상 제어가 가능함과 동시에 최대전력점을 제어함으로서 부분 그늘이 발생하더라도 정출력을 얻을 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 태양전지 모듈을 직렬 접속한 다수의 직렬접속 어레이를 병렬 접속하고, 상기 직렬접속 어레이를 컨버터에 접속시킴으로써 상기 컨버터에서 최종전력을 출력시키게 되는 태양광 발전 시스템을 이용한 부분그늘 보상 방법에 있어서,

   상기 각각의 태양전지 모듈의 출력단에 보조 전원부를 접속시키고, MPPT 제어기에서 저일사량이 검출되면 상기 보조 전원부를 통해 부족한 전압부분을 일시에 공급하여 정전압을 유지하여 시스템의 일시적인 셧다운을 방지하고, 각각의 직렬접속 어레이의 태양전지 모듈에 초퍼를 다단으로 병렬 연결하고, 상기 MPPT 제어기에서 각각의 초퍼의 오프 시비율을 제어하여 태양전지 모듈의 동작전압비를 가변시켜 각 태양전지 모듈의 직렬접속 어레이에서 최대출력이 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 전원부는,

   상기 MPPT 제어기의 제어에 따라 스위칭되는 스위치와;

   상기 스위치의 스위칭에 따라 충전된 전압을 방전하는 커패시터 또는 소용량 배터리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 MPPT 제어기는,

   상기 직렬접속 어레이의 기준전압(Vref)을 제어 범위의 최저범위 동작전압으로 설정한뒤 기준전압(Vref)값을 증가시킨 후 상기 직렬접속 어레이의 출력 전압(V(k))값을 검출하여 그 값이 기준전압(Vref)보다 큰 경우 상기 스위치를 동작시키지 않고, 상기 기준전압(Vref)을 최대로 증가시킨후 일사량이나 부하의 변동으로 인하여 상기 직렬접속 어레이의 출력 전압값(V(k))이 감소하는 경우 기준전압(Vref)을 줄이는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 MPPT 제어기는,

   상기 각각의 초퍼를 상호 교번시켜 스위칭시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 부분그늘 보상 방법.

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