KR20120017416A - 그리드 연계형 태양광 시스템 및 방법 - Google Patents

그리드 연계형 태양광 시스템 및 방법 Download PDF

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피터 에프. 제라딩거
데이비드 알. 펠트너
리차드 엘. 애쉬톤
로버트 제이. 시몬스
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넥스트로넥스 인크.
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Abstract

그리드 연계형 시스템은 복수의 태양광 패널, 복수의 인버터 - 각각의 인버터는 직류를 교류로 변환하기 위해 적어도 하나의 태양광 패널과 전기 연통하고, 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적하기 위한 추적 구성요소를 포함함 -, 및 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링하기 위해 적어도 하나의 인버터와 연통하는 제어기를 포함한다.

Description

그리드 연계형 태양광 시스템 및 방법 {A GRID TIE SOLAR SYSTEM AND A METHOD}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2009년 4월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/211,649호; 2009년 12월 7일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/267,192호; 2010년 2월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/304,036호에 기초하여 우선권을 주장한다. 각각의 상기 출원은 본 명세서에 전체적으로 참조로 통합되었다.
본 발명은 대체로 발전을 위한 태양광 패널에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 복수의 태양광 패널에 의해 발생된 전류를 전기 그리드 시스템 내로 연계시키기 위한 그리드 연계형 인버터 시스템 및 이를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
광발전(PV) 어레이는 광 에너지를 광발전 효과에 의해 직류 전류(DC)로 변환하는 다중 상호 연결 태양광 셀로 이루어진, 태양광 패널(모듈)들의 연동형 집합체이다. 그러나, 전기의 대부분의 상업용 및 주거용 용도는 전형적으로 석탄, 핵 물질, 또는 물을 이용하는 발전 설비에 의해 제공되는 교류 전류(AC)를 요구한다. 교류 전류를 발생시킬 때, 발전 설비는 발생된 교류 전류를 전기 그리드 시스템 내로 전달한다.
대부분의 상업용 및 주거용 사용자가 태양광 패널에 의해 발생된 전기를 이용하게 하기 위해, 태양광 패널로부터의 직류는 전형적으로 교류로 변환된다. 이는 인버터로서 공지된 전기 장치에 의해 달성되고, 인버터의 출력은 이후에 전기 그리드 시스템으로 연계된다. 결국, 교류가 전기 그리드 시스템을 거쳐 상업용 및 주거용 장소로 분배된다.
현재, 미국에서, (예를 들어, 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 또는 비정질 규소로 구성된) 종래의 태양광 패널 스트링은 직렬 배선된 6개의 태양광 패널을 포함하고, 각각의 그러한 태양광 패널 스트링은 고유하게 0.87 암페어의 작동 전류에서 대략 372 VDC의 전압으로 작동한다. 직렬 태양광 패널 스트링들의 세트가 그 다음 병렬로 배선되어 열을 형성하고, 열들의 세트는 원하는 총 전류를 생성하는 태양광 어레이를 형성한다.
대체로, 공중에 대한 전기 안전에 관하여, 공중에 대한 노출은 미국 전기공사 규정(NEC)에 의해 규제되고, 이때 사람들은 42 볼트(V)를 넘는 전압과 접촉하게 되어서는 안 되고, (설비는 600V를 넘는 전압을 가져서는 안 된다). 따라서, 많은 구성요소(예컨대, 와이어, 퓨즈, 및 스위치)들이 600V 한도까지의 600V 한도를 포함한 작동을 위한 등급이다.
다른 한편으로, 미국 전기공사 안전 규정(NESC)은 설비의 숙련된 작업자가 600 볼트를 초과할 수 있는 고전압에 노출될 수 있는 발전 및 분배 설비를 규제한다.
많은 작업이 태양광 패널에 의해 직류를 발생시킨 다음 직류를 전기 그리드 내로의 연계를 위해 교류로 인버팅하기 위해 행해졌지만, 태양광 산업은 인버터에 의해 태양광 에너지를 사용 가능한 교류로 변환하는 것과 관련된 전체적으로 낮은 전력 효율 등급에 의해 지장을 받아 왔다.
태양광 어레이를 전기 그리드에 연계시키기 위한 그리드 연계형 시스템 및 그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법을 개발하는 것이 바람직하고, 시스템 및 방법은 시스템의 인버터의 선택적인 활성화를 통해 낮은 광 수준 상태 하에서의 에너지의 수확 및 시스템의 신뢰성을 최대화한다.
본 발명과 부합되고 일치하여, 태양광 어레이를 전기 그리드에 연계시키기 위한 그리드 연계형 시스템 및 그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법 - 시스템 및 방법은 시스템의 인버터의 선택적인 활성화를 통해 낮은 광 수준 상태 하에서의 에너지의 수확 및 시스템의 신뢰성을 최대화함 - 이 놀랍게도 발견되었다.
일 실시예에서, 그리드 연계형 시스템은 복수의 태양광 패널; 복수의 인버터 - 각각의 인버터는 직류를 교류로 변환하기 위해 적어도 하나의 태양광 패널과 전기 연통하고, 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적하기 위한 추적 구성요소를 포함함 -; 및 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링하기 위해 적어도 하나의 인버터와 연통하는 제어기를 포함한다.
다른 실시예에서, 그리드 연계형 시스템은 서로 병렬로 전기 연통하는 복수의 패널 스트링을 포함하는 태양광 어레이 - 각각의 패널 스트링은 복수의 태양광 패널을 포함함 -; 각각의 직렬 배선된 패널 스트링과 전기 연통하는 직류 전도 버스; 태양광 어레이에 의해 발생된 직류를 수신하고 직류를 교류로 변환하기 위해 직류 버스 링과 전기 연통하는 복수의 인버터 - 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적함 -; 각각의 인버터로부터 피드백 신호를 수신하고 각각의 피드백 신호의 분석에 기초하여 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 토글링하기 위해 각각의 인버터와 연통하는 제어기 - 피드백 신호는 관련된 인버터의 작동 특징에 대한 정보를 포함함 - 를 포함한다.
본 발명은 또한 그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법을 포함한다.
하나의 방법은 복수의 태양광 패널을 제공하는 단계; 복수의 인버터를 제공하는 단계 - 각각의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널과 전기 연통하여 그로부터 직류를 수신하고 직류를 교류로 변환하고, 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적함 -; 적어도 하나의 인버터의 작동 특징에 대한 정보를 포함하는 피드백 신호를 발생시키는 단계; 피드백 신호를 분석하는 단계; 및 피드백 신호의 분석에 응답하여 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 토글링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 장점은 첨부된 도면에 비추어 고려될 때 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그리드 연계형 시스템의 개략도이다.
도 1b는 도 1a의 그리드 연계형 시스템의 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 그리드 연계형 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1a-1c의 그리드 연계형 시스템의 직렬 스트링의 개략도이다.
도 3은 도 1a-1c의 그리드 연계형 시스템의 분리 박스의 개략도이다.
도 4는 도 1a-1c의 그리드 연계형 시스템의 제1 클램핑 회로의 개략도이다.
도 5는 도 1a-1c의 그리드 연계형 시스템의 제2 클램핑 회로의 개략도이다.
도 6은 도 1a-1c의 그리드 연계형 시스템의 제3 클램핑 회로의 개략도이다.
도 7은 "1 태양(one sun)" 조명 중의 태양광 패널의 전기적 특징의 그래프이다.
도 8은 가변 조명 중의 태양광 패널의 전기적 특징의 그래프이다.
도 9는 복수의 인버터의 동적 토글링을 도시하는, 도 1a-1c의 그리드 연계형 시스템의 전기적 특징의 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그리드 연계형 시스템의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그리드 연계형 시스템의 개략도이다.
도 12a는 도 11의 그리드 연계형 시스템의 변압기의 사시도이다.
도 12b는 도 12a의 변압기의 측면도이다.
다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 설명하고 도시한다. 설명 및 도면은 본 기술 분야의 당업자가 본 발명을 만들고 사용하는 것을 가능케 하도록 역할하고, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 개시되는 방법에 대해, 제시되는 단계들은 본질적으로 예시적이며, 따라서 단계들의 순서는 필수적이거나 중요치 않다.
도 1a-1c 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 에너지를 수확하기 위한 그리드 연계형 시스템(10: 그리드 연계형 태양광 시스템 또는 그리드 연계형 광발전(PV) 시스템으로도 공지됨)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 복수의 열(14)을 각각 포함하는 2개의 부분(12a, 12b)을 포함하고, 열(14)은 집합적으로 태양광 어레이로 불린다. 비제한적인 예로서, 각각의 열(14)은 복수의 직렬 스트링(16)을 포함한다.
도 2에 더 명확하게 도시된 바와 같이, 각각의 스트링(16)은 직렬로 함께 배선된 복수의 태양광 패널(18)을 포함한다. 각각의 열(14)을 구성하는 스트링(16)들은 병렬로 함께 배선된다. 소정의 실시예에서, 각각의 스트링(16)은 대략 372 VDC의 전압, 0.87 암페어의 작동 전류, 및 500 VDC의 개방 회로 전압으로 작동하도록 직렬로 배선된 6개의 태양광 패널(18)을 포함한다. 소정의 실시예에서, 각각의 스트링(16)은 대략 496 VDC의 전압, 1.16 암페어의 작동 전류, 및 672 VDC의 개방 회로 전압으로 작동하도록 직렬로 배선된 8개의 태양광 패널(18)을 포함한다. 소정의 실시예에서, 각각의 스트링(16)은 대략 620 VDC의 전압, 2.03 암페어의 전류, 및 840 VDC의 개방 회로 전압으로 작동하도록 10의 태양광 패널(18)을 포함한다. 임의의 개수의 스트링(16) 및 패널(18)이 태양광 어레이를 형성하기 위해 사용될 수 있음이 이해된다.
비제한적인 예로서, 각각의 부분(12a, 12b)은 44개의 열(14)을 포함하고, 각각의 열(14)은 20의 스트링(16)을 포함하고, 각각의 스트링(16)은 8개의 태양광 패널(18)을 포함한다. 따라서, 시스템(10)은 88개의 열(14)을 포함하고, 각각의 열(14)은 160개의 패널(18)을 포함한다. 그러나, 달리 표현되지 않으면, 본 발명은 어레이 부분(12a, 12b), 열(14), 스트링(16), 또는 패널(18)의 개수 또는 구성에 의해 제한되지 않는다.
시스템(10)은 각각의 스트링(16)과 전기 연통하는 직류 전도 버스(20: DC 버스), DC 버스(20)와 전기 연통하는 복수의 인버터(22) - 각각의 인버터(22)는 활성 상태 및 비활성 상태를 가짐 -, 각각의 인버터(22)와 전기 연통하는 교류 전도 버스(24: AC 버스), AC 버스(24)와 연통하여 그로부터 교류를 수신하고, AC 출력 전압을 AC 그리드(28)의 분배 라인과 일치하도록 상승시키기 위한 전기 변압기(26), 및 적어도 하나의 인버터(22)를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링하기 위해 적어도 하나의 인버터(22)와 연통하는 제어기(30)를 추가로 포함한다.
도 1a-1c에 도시된 실시예에서, DC 버스(20)는 실질적으로 선형이다. 그러나, 링 형상과 같은 다른 구성이 사용될 수 있다. 각각의 열(14)은 병렬 구성으로 DC 버스(20)에 전기적으로 연결되어 그를 통해 DC 전류를 전달한다. 그러나, 다른 전기적 구성이 사용될 수 있다.
인버터(22)는 DC 버스(20)에 전기적으로 결합되어 DC 전류(입력)를 수신하고 DC 전류를 출력 AC 전류로 변환하고, AC 전류는 AC 버스(24)로 전달된다. 소정의 실시예에서, DC 버스(20)로부터 각각의 인버터(22)의 DC 입력부로의 연결은 3 미터(10 피트) 이하이고, 각각의 인버터(22)의 출력부로부터 AC 버스(24)로의 배선은 대략 3 미터(10 피트)의 "피그테일" 케이블에 의한다. 그러나, 인버터(22), DC 버스(20), 및 AC 버스(24) 사이에서 임의의 길이의 배선을 사용하는 임의의 구성이 사용될 수 있다.
비제한적인 예로서, 적어도 하나의 인버터(22)는 적어도 하나의 태양광 패널(18)의 최대 전력 점을 추적하기 위한 최대 전력 점 추적기(31: MPPT)를 포함한다. MPPT(31)는 최대 전력 점을 탐색하고 적어도 하나의 인버터(22)가 관련 장치 (즉, 열(14), 스트링(16), 패널(18) 등)으로부터 이용 가능한 최대 전력을 추출하는 것을 허용하도록 인버터(22)의 설정을 조정하기 위한 임의의 유형의 제어 회로, 장치, 또는 로직일 수 있음이 이해된다.
인버터(22)는 DC 입력을 변환하여 출력 전력을 전달하기 위해 필요에 따라 이용된다. 임의의 개수의 인버터(22)가 제어기(30)(예컨대, 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC))에 의해 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링된다. 비제한적인 예로서, 제어기(30)는 하나 이상의 RS485 직렬 통신 프로토콜 커넥터(S1-S7)에 의해 각각의 인버터(22)와 신호 연통한다. 다른 커넥터 및 프로토콜이 사용될 수 있다. 추가의 비제한적인 예로서, 각각의 인버터(22)는 열 관리를 위한 공기 입구(32)를 포함한다.
AC 버스(24)는 실질적으로 선형이다. 그러나, 다른 구성이 사용될 수 있다. 각각의 인버터(22)는 병렬 구성으로 AC 버스(24)에 전기적으로 연결되어 그를 통해 AC 전류를 전달한다. 그러나, 다른 전기적 구성이 사용될 수 있다.
AC 버스(24)는 AC 전류를 변압기(26)로 전도시키는 접속/분리기(33)를 포함한다. 다른 스위치 및 릴레이가 AC 전류를 변압기(26)로 전도시키도록 사용될 수 있음이 이해된다. 변압기(26)는 AC 출력 전압이 AC 그리드(28)의 분배 라인과 일치하도록 입력 전압을 상승시킨다. 또한, 변압기(26)는 인버터(22)를 전기 AC 그리드(28)로부터 전기적으로 격리시키고, 이는 단독운전에 대한 보호를 제공한다. 도 1a-1c에 도시된 실시예가 하나의 변압기(26)를 포함하지만, 임의의 개수의 변압기(26)가 사용될 수 있음이 이해된다. 아울러, 변압기(26)가 시스템(10) 내의 임의의 위치(예컨대, 부하측) 내에 전기적으로 통합될 수 있음이 이해된다.
비제한적인 예로서, 복수의 분리 박스(34) 및 복수의 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)가 열(14)과 DC 버스(20) 사이에 배치된다. 구체적으로, 각각의 분리 박스(34)는 적어도 하나의 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)와 DC 버스(20) 사이에 배치된다. 임의의 개수의 분리 박스(34)가 사용될 수 있음이 이해된다.
도 3에 더 명확하게 도시된 바와 같이, 각각의 분리 박스(34)는 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)와 DC 버스(20) 사이에 개재된 쌍극 양접점 스위치(38)를 포함한다. 각각의 분리 박스(34)는 복수의 보호 장치를 포함한다. 비제한적인 예로서, 분리 박스(34)는 복수의 퓨즈(F1, F2)에 의해 과전류 보호를 제공하고, 낙뢰 보호가 복수의 금속 산화물 바리스터(MOV1, MOV2)에 의해 제공된다. 각각의 열(14)의 출력부에서의 분리 박스(34)의 배치는 종래의 태양광 어레이가 요구하는 바와 같은 각각의 직렬 스트링(16) 내에 퓨즈를 배치할 필요를 최소화함이 이해된다. 아울러, 분리 박스(34)는 임의의 열(14)이 임의의 시간에 서비스 또는 유지보수를 위해 DC 버스 링(20)으로부터 분리되도록 허용함이 이해된다.
적어도 하나의 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)가 태양광 패널(18) 내의 구성요소를 가로질러 가해지는 600 VDC를 초과하는 전압을 방지하도록 열(14)과 DC 버스(20) 사이에 배치될 수 있다 (예컨대, AC 그리드(28)가 맑은 날 중간에 "중단"될 때의 상황). 대체로, 전압 클램핑은, 예를 들어, 개별적인 하나의 열(14)에 대한 유지보수를 수행하기 위해 또는 하나 이상의 열(14)이 충분한 DC 출력을 생성하지 않을 때, 수동으로 개시될 수 있다. 또한, 클램핑은, 예를 들어, 제어기(30)에 의해 자동으로 동작될 수 있다. 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)는 예를 들어 600 VDC 및 1000 VDC와 같은 임의의 소정의 전압으로 전압을 클램핑하도록 구성될 수 있음이 이해된다.
도 4는 쌍극 양접점 스위치(40)를 포함하는 제1 클램핑 회로(36a)를 도시한다. 단락 위치에서, 쌍극 양접점 스위치(40)의 접속부는 관련된 하나의 열(14)을 단락 상태로 위치시키기 위해 관련된 하나의 열(14)의 출력부로부터의 유입 양 단자를 유입 음 단자로 단락시킨다. 단락 상태는 예를 들어 과전압 상태로부터 패널(18)의 전체 회로를 보호한다. 이후에, 관련된 하나의 열(14)이 다시 "온라인"이 되어야 할 때, 제어 신호가 열(14)의 DC 출력 전류가 하나의 분리 박스(34)를 거쳐 DC 버스(20)로 흐르도록 허용하기 위해 스위치(40)를 토글링하도록 (제어기(30)로부터 전기적으로 또는 기계적 수단에 의해) 수신된다.
도 5는 하나의 열(14)에 의해 발생되는 DC 전류(lop)의 크기에 대해 적절하게 크기가 결정된 게이트-턴오프(GTO) 사이리스터(42)를 포함하는 제2 클램핑 회로(36b)를 도시한다. 사이리스터(42)의 게이트(G) 상에서의 (예컨대, 제어기(30)로부터의) 제어 신호에 의해, 열(14)의 출력부는 제1 클램핑 회로(34a)에 대해 위에서 설명된 바와 같이 단락되지만, 사이리스터(42)를 가로질러 1 내지 3 VDC 강하가 있다. 역으로, 제어 신호가 게이트(G) 상에 존재하지 않으면, 열(14)의 DC 전류 출력부는 관련된 하나의 분리 박스(38)의 입력부에 대해 제시된다. 사이리스터(42)가 전도성일 때, 다이오드(D1)는 DC 버스 링(20)에 의해, 사이리스터(42)가 손상되기 쉬운 전체 시스템(10)의 단락을 방지한다.
도 6은 스위치(40)와 매우 유사한 쌍극 양접점 스위치(44)를 포함하는 제3 클램핑 회로(34c)를 도시한다. 그러나, 관련된 하나의 열(14)의 유입 출력부의 양 단자를 유입 음 단자로 직접 단락시키는 대신에, 제3 클램핑 회로(36c)는 그들 사이에 배치된 저항(R)을 포함한다. 따라서, 제3 클램핑 회로(36c)는 제1 클램핑 회로(36a)와 유사하게 기능하지만, 그를 통해 흐르는 전류를 제한하기 위해 저항(R)을 가로지른 전압 강하를 제시한다. 이후에, 제어 신호가 (예컨대, 제어기(30)로부터 또는 기계적 수단에 의해) 수신되면, 쌍극 양접점 스위치(44)의 접속부는 열(14)의 DC 전류 출력부를 분리 박스(34)의 입력부에 대해 제시한다.
이는 직관에 반대되는 것으로 보이지만, 하나의 열(14)을 시스템(10)으로 전류를 공급하는 것으로부터 분리할 때, 태양광 패널(18)이 개방 회로가 되기보다는 단락되게 하는 것이 더 양호하다. 따라서, 예를 들어, 스트링(16)의 하나의 열(14)의 클램핑은 스트링(16)이 NEC에 포함되는, 개방 회로 상태를 경험할 때, 스트링(16)이 600 VDC를 초과하는 전압을 경험할 위험을 최소화한다.
그러나, 숙련된 유틸리티 작업자만이 접근하는 최고 보안의 태양광 어레이에서, 600 VDC의 최대 전압을 유지하는 것은 요구되지 않는다. 이러한 경우에, NESC 표준이 적용된다. 또한, 세계의 다른 장소(예를 들어, 유럽)에서, 태양광 어레이는 예를 들어, 1000 VDC까지의 더 높은 전압 수준을 가질 수 있다. 따라서, 전압 클램핑은 태양광 셀의 재료 조성 및 더 큰 전압에 대한 그의 내성에 따라, 필요치 않을 수 있다.
사용 시에, 시스템(10)은 분리 박스(34) 및 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)를 거쳐 인버터(22)로 전달되는 DC 전류를 발생시킨다. 인버터(22)는 DC 전류를 출력 AC 전류로 변환하고, 이는 AC 버스(24)를 거쳐 변압기(26)로 전달된다. 변압기(26)는 인버터(22)의 수신된 출력에 대한 전기적 격리 및 (공칭 360V AC로부터 분배 전압, 전형적으로 12,500V AC로의) 전압 상승을 제공한다. 소정의 실시예에서, 변압기(26)는 각각의 인버터(22)에 대한 분리된 임피던스 균형 1차 권선을 제공한다.
각각의 분리 박스(34)로부터의 누적 작동 전류는 DC 버스(20)를 거쳐, "활성" 상태로 토글링된 인버터(22)로 전도됨이 이해된다. 구체적으로, 제어기(30)는 어떤 인버터(22)가 켜지고 꺼질지를 선택적으로 결정하기 위해 정보를 전후로 통과시키도록 인버터(22)와 협동함으로써 DC 출력이 흐르는 경로를 결정한다. 제어기(30)는 시스템(10)의 전력 출력을 최대화하고 시스템(10) 내의 전력 손실을 감소시키기 위해, DC 전류를 AC 전류로 변환하기 위한 선택된 개수의 인버터(22)로 DC 전류를 효과적으로 유도한다. "비활성" 상태로 토글링된 인버터(22)는 전형적으로 정지 손실을 최소화하여, 그리드 연계형 시스템(10)의 효율을 최대화하기 위해 AC 버스(24) 및 AC 그리드(28)로부터 분리된다.
도 7-8은 하나의 태양광 패널(18)의 전형적인 전기적 특징의 특징 곡선(46)을 도시하고, 여기서 I는 전류이고, V는 전압이고, lsc는 단락 전류이고, lop는 작동 전류이고, Vop는 작동 전압이고, Voc는 개방 회로 전압이고, Pmax는 최대 전력 점이다. 특히, 도 7은 "1 태양" 조명 (즉, 종래의 태양광 패널이 평가되는 표준) 하에서의 하나의 태양광 패널(18)의 IV(전류/전압) 곡선(48)을 도시한다. IV 곡선 상에서, 전압 및 전류의 곱 (즉, 전력)이 최대화되는 단지 하나의 지점 (즉, 최대 전력 점)이 있음이 이해된다. 비제한적인 예로서, 작동 전압(Vop)은 개방 회로 전압(Voc)보다 약 20% 더 낮다.
도 8은 가변 조명 하에서의 도 7에 도시된 동일한 하나의 태양광 패널(18)의 그래프(50)를 도시한다. 전류는 태양광 수준에 직접 비례하여 변한다. 그러나, 개방 회로 전압은 일정하게 유지된다. 복수의 IV 곡선(52) 각각은 전압 및 전류의 곱이 최대화되는 하나의 지점 (즉, 최대 전력 점)을 갖는다.
온라인이 되면, 인버터(22)는 관련된 개수의 스트링(16)으로부터 수신된 DC 전력에 기초하여 개별 최대 전력 점(MPP)을 계산하기 위해 분배 제어를 이용한다. 예를 들어, 인버터(22)는 전통적인 "전력 비교(perturb and observe)" 알고리즘에 기초하여 제어된다. 연결된 개수의 직렬 스트링(16)의 DC 전력 출력이 특정 시간에 연결되는 인버터(22)들의 집합적 커패시티를 초과할 때, 제어기(30)는 더 많은 인버터(22)를 "활성" 상태로 토글링한다. 결국, "활성" 상태로 토글링된 각각의 인버터(22)는 그러한 특정한 하나의 인버터(22)에 의해 이용되는 개별 MPP를 결정하고, 이미 온라인인 다른 인버터(22)들은 본질적으로 그들의 최대 전류 점(Imax)에 남겨둔다. 이러한 방식으로, 최종 온라인 인버터(22)는 (DC 버스(20)를 거쳐) 시스템(10)의 작동 전압을 조절하고, 나머지 인버터(22)들은 DC 버스(20)의 그들 각각의 부분으로부터 최대 전류를 계속 인버팅한다. 결과적으로, 각각의 인버터(22)는 임의의 주어진 시간에 그 자신의 전류를 결정하여 안전하게 처리하고, 유입 전류의 저항 손실을 최소화한다. 또한, 각각의 인버터(22)는 그 자신의 단독운전 방지 보호를 제공한다.
예시적인 예로서, 도 9는 미국 오하이오주 톨레도에서의 여름 날에 기초한 인버터(22)의 동적 토글링의 도면을 도시한다. 복수의 점선은 각각의 인버터(22)에 대한 85% 전력 수준을 나타내고, 적어도 한 쌍의 인버터(22)가 부하를 비례적으로 공유한다. 집합적 열(14)들의 DC 전력 출력이 하루 종일 변하므로, 임의의 개수의 인버터(22)가 부하를 공유하기 위해 "활성"과 "비활성" 상태 사이에서 토글링될 수 있다.
개별 열에 직접 배선된 인버터를 갖는 종래의 태양광 어레이에 비교하여, DC 버스(20)는 열(14)들의 집합적 DC 출력 전류를 AC 버스(24)로 전도되는 AC 전류로 인버팅하기 위해 임의의 조합의 인버터(22)들이 사실상 동일한 방식으로 이용되도록 허용한다. 본 발명의 주요한 이점은 더 높은 전압에서의 더 낮은 전류의 전달이고, 이에 의해 요구되는 배선 및 연결 장치의 치수를 최소화하고, 이는 결과적으로 구성 및 유지보수 비용을 최소화함이 이해된다.
비제한적인 예로서, 스트링(16)은 (예컨대, 미국 애리조나주 피닉스 소재의 퍼스트 솔라, 인코포레이티드(First Solar, Incorporated)에 의해 제조되는) CdTe 직렬 배선 태양광 패널(18)을 포함하고, 575W 정도의 전력을 생성하기 위해 496 VDC 정도의 공칭 작동 전압을 갖는다. 각각의 열(14)이 20개의 스트링(16)을 포함하는 경우에, 각각의 스트링(16)은 23A DC 정도의 전류 및 11.5KW의 전력을 발생시키기 위해 직렬로 배선된 8개의 패널(18)을 포함한다. 따라서, 변압기(26)는 360 VAC-3상의 전압을 제공받고, 이는 변압기(26)의 유틸리티측 (즉, 그리드(28)측) 상에서 12,470V/7,200V-3상으로 변환된다. 시스템(10)의 출력은 277 VAC-3상을 제공할 직렬로 배선된 종래의 6개의 패널과 대조적임이 이해된다.
추가의 예로서, 각각의 스트링(16)이 10개의 패널(18)을 포함하는 경우에, 공칭 작동 전압은 719W 정도의 전력을 생성하는 620 VDC 정도일 것이다. 각각의 열(14)이 16개의 직렬 스트링(16)을 포함하는 경우에, 18.6A DC 정도의 출력 전류 및 11.5KW의 전력. 변압기(26)는 480 VAC-3상의 전압을 제공받고, 이는 변압기(26)의 유틸리티측(그리드(28)) 상에서 12,470V/7,200V-3상으로 변환된다.
상기 특정 예가 CdTe 직렬 스트링(16)에 관한 것이지만, 기술된 동일한 경향 및 제한이 직렬/병렬 스트링(16, 16')으로 배선된 임의의 유형의 태양광 패널(18), 예를 들어, 비정질 규소 패널에 대해 존재할 것이다.
도 7은 본 명세서에서 아래에서 설명되는 바를 제외하고는, 시스템(10)과 유사한 본 발명의 다른 실시예에 따른, 그리드 연계형 태양광 시스템 또는 그리드 연계형 광발전(PV) 시스템으로도 공지된, 그리드 연계형 시스템(100)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 복수의 열(104)을 각각 포함하는 2개의 부분(102a, 102b)을 포함한다. 비제한적인 예로서, 각각의 열(104)은 복수의 직렬 스트링(106)을 포함한다. 각각의 스트링(106)은 직렬로 함께 배선된 복수의 태양광 패널(108)을 포함한다. 각각의 열(104)을 구성하는 스트링(106)들은 병렬로 함께 배선된다. 임의의 개수의 스트링(106) 및 패널(108)이 태양광 어레이를 형성하기 위해 사용될 수 있음이 이해된다.
태양광 어레이(100)는 각각의 직렬 배선된 패널 스트링(106)과 전기 연통하는 직류 전도 버스(110: DC 버스), DC 버스(110)에 인접하게 배치되어 그에 전기적으로 결합된 복수의 인버터(112) - 각각의 인버터(112)는 활성 상태 및 비활성 상태를 가짐 -, 각각의 인버터(112)와 전기 연통하는 교류 전도 버스(114: AC 버스), AC 버스(114)와 연통하여 그로부터 교류 전류를 수신하고 AC 출력 전압을 AC 그리드(118)의 분배 라인과 일치하도록 상승시키는 전기 변압기(116), 및 적어도 하나의 인버터(112)를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링하기 위해 적어도 하나의 인버터(112)와 연통하는 제어기(120)를 추가로 포함한다.
DC 버스(110)는 실질적으로 링 형상이다. 그러나, 링 형상과 같은 다른 구성이 사용될 수 있다. 각각의 열(104)은 병렬 구성으로 DC 버스(110)에 전기적으로 연결되어 그를 통해 DC 전류를 전달한다. 그러나, 다른 전기적 구성이 사용될 수 있다.
인버터(112)는 DC 전류(입력)를 수신하고 DC 전류를 출력 AC 전류로 변환하기 위해 DC 버스(110)에 전기적으로 결합된다. 비제한적인 예로서, 적어도 하나의 인버터(112)는 적어도 하나의 태양광 패널(108)의 최대 전력 점을 추적하기 위한 최대 전력 점 추적기(121: MPPT)를 포함한다. MPPT(121)는 최대 전력 점을 탐색하고 적어도 하나의 인버터(112)가 관련 장치 (즉, 열(104), 스트링(106), 패널(108) 등)으로부터 이용 가능한 최대 전력을 추출하도록 허용하기 위한 임의의 유형의 제어 회로 또는 로직일 수 있음이 이해된다.
인버터(112)는 DC 입력을 변환하고 출력 전력을 전달하기 위해 필요에 따라 이용된다. 소정의 실시예에서, 임의의 개수의 인버터(112)가 제어기(120)(예컨대, 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC))에 의해 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링된다. 비제한적인 예로서, 제어기(120)는 RS485 직렬 통신 프로토콜 커넥터(S1-S8)에 의해 각각의 인버터(112)와 신호 연통한다. 다른 커넥터 및 프로토콜이 사용될 수 있다. DC 버스(110)의 링 내에 인버터(112)를 중심 위치시킴으로써, 인버터(112)와 DC 버스(110) 사이의 상호 연결을 위해 사용되는 와이어 치수가 최소화됨이 이해된다.
AC 버스(114)는 실질적으로 말굽 형상이다. 그러나, 링 형상과 같은 다른 구성이 사용될 수 있다. 각각의 인버터(112)는 병렬 구성으로 AC 버스(114)에 전기적으로 연결되어 그를 통해 AC 전류를 전달한다. 그러나, 다른 전기적 구성이 사용될 수 있다.
AC 버스(114)는 AC 전류를 변압기(116)로 전도하는 접속/분리기(122)를 포함한다. 다른 스위치 및 릴레이가 DC 전류를 변압기(116)로 전도하기 위해 사용될 수 있음이 이해된다. 변압기(116)는 AC 출력 전압이 AC 그리드(118)의 분배 라인과 일치하도록 입력 전압을 상승시킨다. 종래의 태양광 어레이가 요구하는 바와 같은 다중 변압기 (즉, 각각의 종래의 인버터의 출력부 상의 하나의 변압기) 대신에, 하나의 대형 유틸리티 규모 변압기(116)가 AC 출력 전압을 AC 그리드(118)의 분배 라인과 일치하도록 상승시킨다. 또한, 단일 변압기(116)는 전기 AC 그리드(118)로부터 인버터(112)를 전기적으로 격리시키고, 이는 단독운전에 대한 보호를 제공한다.
비제한적인 예로서, 복수의 분리 박스(124) 및 복수의 클램핑 회로(126a, 126b, 126c)가 열(104)과 DC 버스(110) 사이에 배치된다. 구체적으로, 각각의 분리 박스(124)는 적어도 하나의 클램핑 회로(126a, 126b, 126c)와 DC 버스(110) 사이에 배치된다. 임의의 개수의 분리 박스(124)가 사용될 수 있음이 이해된다. 각각의 열(104)의 출력부에서의 분리 박스(124)의 배치는 종래의 태양광 시스템이 요구하는 바와 같은 각각의 직렬 스트링(106) 내에 퓨즈를 배치할 필요를 최소화함이 이해된다. 아울러, 분리 박스(124)는 임의의 열(104)이 임의의 시간에 서비스 또는 유지보수를 위해 DC 버스 링(110)으로부터 분리되도록 허용함이 이해된다.
클램핑 회로(124a, 124b, 124c)는 AC 그리드(118)가 맑은 날의 중간에 "중단"될 때의 상황과 같은 태양광 패널(108) 내의 구성요소들을 가로질러 가해지는 600 VDC를 초과하는 개방 회로 전압을 방지하도록 열(104)과 DC 버스(110) 사이에 배치될 수 있다. 대체로, 전압 클램핑은, 예를 들어, 개별 열에 대한 유지보수를 수행하기 위해 또는 하나의 열(104)이 충분한 DC 출력을 생성하지 않을 때, 수동으로 개시될 수 있다. 또한, 클램핑은, 예를 들어, 제어기(120)에 의해 자동으로 동작될 수 있다. 소정의 실시예에서, 분리 박스는 클램핑 회로(124a, 124b, 124c)와 DC 버스(110) 사이에 배치된다.
사용 시에, 태양광 패널(108)은 태양광 에너지에 대한 노출에 응답하여 DC 전압을 발생시킨다. 적어도 하나의 인버터(112)가 발생되는 DC 전압의 존재를 감지하고, 적어도 하나의 태양광 패널(108)의 DC 전압을 강하시키는 전류를 인입한다. 매우 빠른 타임라인 상에서 (예컨대, 2초마다), 적어도 하나의 인버터(112)는 적어도 하나의 태양광 패널(108)의 최대 전력 점을 확인하기 위해 "전력 비교" 루틴을 실행한다. "전력 비교" 루틴은 전압을 변화시키고 결과적인 전류의 변화를 측정하는 것을 포함할 수 있음이 이해된다. 아울러, 임의의 "전력 비교" 루틴 또는 알고리즘이 사용될 수 있음이 이해된다. 최대 전력 점이 결정되면, 적어도 하나의 인버터(112)는 최대 전력 점 추적으로 보편적으로 불리는, 전압-전류 비율을 유지함으로써 최대 전력 점 상으로 "로킹"된다. 인버터(112)는 DC 전류를 출력 AC 전류를 변환하고, 이는 변압기(112)로 전달된다. 변압기(116)는 인버터(112)의 수신된 출력에 대해 전기적 격리 및 (공칭 360V AC로부터 분배 전압, 전형적으로 12,500V AC로의) 전압 상승을 제공한다. 소정의 실시예에서, 변압기(116)는 각각의 인버터(112)에 대한 분리된 임피던스 균형 1차 권선을 제공한다.
도 8은 그리드 연계형 시스템(10)과 유사한 본 발명의 다른 실시예에 따른, 그리드 연계형 태양광 시스템 또는 그리드 연계형 광발전(PV) 시스템으로도 공지된 태양광 어레이(200)를 도시한다. 그리드 연계형 시스템(200)은 (예컨대, 태양광 스트링을 형성하기 위해 직렬로 배열된) 복수의 태양광 패널(202)을 포함한다. 소정의 실시예에서, 태양광 패널(202)은 DC 버스(204)에 병렬로 연결되고, 복수의 인버터(206)와 전기 연통한다. 임의의 개수의 태양광 패널(202) 및 인버터(206)가 사용될 수 있음이 이해된다. 아울러, 임의의 전기적 구성이 사용될 수 있음이 이해된다. 비제한적인 예로서, 태양광 패널(202) 및 인버터(206)는 시스템(10) 또는 시스템(100)의 구성과 유사한 구성으로 배열된다.
인버터(206)는 DC 전류(입력)를 수신하고 DC 전류를 출력 AC 전류로 변환하기 위해 태양광 패널(202)에 전기적으로 결합된다. 비제한적인 예로서, 적어도 하나의 인버터(206)는 적어도 하나의 태양광 패널(202)의 최대 전력 점을 추적하기 위한 최대 전력 점 추적기(MPPT)(207)를 포함한다. MPPT(207)는 최대 전력 점을 탐색하고 적어도 하나의 인버터(206)가 관련 장치 (즉, 임의의 개수의 태양광 패널(202))로부터 이용 가능한 최대 전력을 추출하도록 허용하기 위한 임의의 유형의 제어 회로 또는 로직일 수 있음이 이해된다.
도시된 바와 같이, 회로(208)가 적어도 하나의 태양광 패널(202)과 적어도 하나의 인버터(206) 사이에 개재된다. 비제한적인 예로서, 회로(208)는 시스템(10)의 분리 박스(34)와 유사한 분리 박스(도시되지 않음)를 포함한다. 추가의 비제한적인 예로서, 회로(208)는 시스템(10)의 하나의 클램핑 회로(36a, 36b, 36c)와 유사한 클램핑 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 임의의 개수의 회로(208)가 사용될 수 있음이 이해된다.
인버터(206)는 DC 입력을 변환하고 출력 전력을 전달하도록 필요에 따라 이용된다. 소정의 실시예에서, 임의의 개수의 인버터(206)가 제어기(209)(예컨대, 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC))에 의해 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링된다.
도시된 바와 같이, 그리드 연계형 시스템(200)은 각각의 인버터(206)의 출력부에 결합된 적어도 하나의 변압기(210)를 추가로 포함한다. 비제한적인 예로서, 변압기(210)는 복수의 전기적으로 병렬인 델타 1차 권선 및 와이 2차 권선을 갖는 델타-와이 격리형 변압기이다. 각각의 델타 1차 권선은 하나의 인버터(206)의 AC 출력부에 전기적으로 결합되고, 2차 권선은 분배 라인에 전기적으로 결합된다. 소정의 실시예에서, 변압기(210)는 미국 가특허 출원 제61/267,192호에 도시되고 설명된 유틸리티 변압기와 유사하다.
도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기(210)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 변압기는 복수의 전기적으로 병렬인 델타 1차 권선 및 와이 2차 권선을 갖는 델타-와이 격리형 변압기이다. 각각의 델타 1차 권선은 복수의 1차 커넥터(214) 중 적어도 하나를 거쳐 하나의 인버터(206)의 AC 출력부에 전기적으로 결합된다. 2차 권선은 복수의 2차 커넥터(216) 중 적어도 하나를 거쳐 분배 라인에 전기적으로 결합된다. 인버터, 변압기, 및 그리드로의 분배 라인 사이의 다양한 전기적 연결이 다양한 상승 변압을 제공할 수 있음이 이해된다.
사용 시에, 태양광 패널(202)은 태양광 에너지에 대한 노출에 응답하여 DC 전압을 발생시킨다. 적어도 하나의 인버터(206)가 발생되는 DC 전압의 존재를 감지하고, 적어도 하나의 태양광 패널(202)의 DC 전압을 강하시키는 전류를 인입한다. 소정의 타임라인 상에서 (예컨대, 2초마다), 적어도 하나의 인버터(206)는 태양광 패널(202)의 최대 전력 점을 확인하기 위해 "전력 비교" 루틴을 실행한다. 전력 비교 루틴은 전압을 변화시키고 결과적인 전류의 변화를 측정하는 것을 포함할 수 있음이 이해된다. 아울러, 임의의 전력 비교 루틴이 사용될 수 있음이 이해된다. 최대 전력 점이 결정되면, 적어도 하나의 인버터(206)는 최대 전력 점 추적으로 보편적으로 불리는, 전압-전류 비율을 유지함으로써 최대 전력 점 상으로 "로킹"된다.
소정의 실시예에서, 인버터(206)는 소정의 가변 전력 수준에 응답하여 "필요에 따라" 비활성 상태로부터 활성 상태로 토글링된다. 이상적으로는, 하나의 인버터(206)만이 위에서 설명된 바와 같이, 전체 시스템(200)에 대한 최대 전력 점을 관리한다. 제어기(209)는 (마스터 인버터(212)로 불리는) 하나의 인버터(206)를 활성 상태로 선택적으로 토글링한다. 비제한적인 예로서, 각각의 인버터(206)는 관련된 하나의 인버터(206)의 작동 특징 또는 이력에 관련된 정보를 갖는 제어기(209)로 피드백 신호를 전달하기 위해 제어기(209)와 연통하는 내장형 구성요소(예컨대, 제어 회로)를 포함한다. 추가의 예로서, 피드백 신호는 인버터 "온라인 시간"; 인버터 모드(제어기(209)로부터 제어 가능함: 최대 전력 점 추적 모드 또는 특정 전류 출력); 전류 출력 판독; DC 전압 입력 판독; AC 전압 입력 판독; 인버터가 경험하는 오류/결함; 현재까지의 전력 생성 연차; 및 (월, 일, 시간, 분 등의 단위의) 생성 전력에 관련된 정보를 포함한다. 인버터(14)의 선택의 순위를 확립하기 위해, 제어기(209)는 각각의 인버터(206)에 질의하고, 그로부터 피드백 신호를 수신하고, 질의된 인버터(206)들로부터 마스터 인버터를 선택하기 위해 피드백 신호에 의해 나타나는 정보를 분석함이 이해된다. 전형적으로, 제어기(209)는 최저 "온라인 시간"을 갖는 하나의 인버터(206)를 선택하도록 미리 프로그램된다. 그러나, 제어기(209)는 임의의 파라미터 또는 분석에 기초하여 마스터 인버터(212)를 선택하도록 프로그램될 수 있다.
선택되면, 마스터 인버터(212)는 소정의 기간 동안 시스템(200)에 대한 최대 전력 점을 관리하는 하나의 인버터(206)이다. (비마스터 인버터(213)로 불리는) 추가의 인버터(206)들이 활성 상태로 토글링되면, 추가의 비마스터 인버터(213)는 전류를 인입하지만, 마스터 인버터(212)는 태양광 패널(202)의 최대 전력 점을 계속 추적한다.
비제한적인 예로서, 최대 전력 점(MPP)을 관리하고 있는 마스터 인버터(212)는 (240A)에서 150 KVA의 한도까지 작동할 수 있다. 마스터 인버터(212)는 240A 한도의 대략 80%가 도달될 때까지 구동된다. 그러한 지점에서, (전형적으로, 제어기(209)에 의한 질의에 기초하여 결정되는) 순위 내의 다음의 하나의 비마스터 인버터(213)가 활성 상태로 토글링되고, 관련 전류 한도(240A)의 대략 80%로 구동된다. 전류 또는 전력 한도의 임의의 백분율이 임계값으로서 사용될 수 있음이 이해된다. 동시에, 마스터 인버터(212)는 MPP의 관리를 유지하기 위해 240A 한도의 대략 20%로 조정된다. 마스터 인버터(212)는 다시 마스터 인버터(212)가 240A 한도의 대략 80%로 구동될 때까지 최대 전력 점을 계속 추적한다. 그러한 지점에서, 순위 내의 다음의 하나의 비마스터 인버터(213)가 활성 상태로 토글링되고, 관련 한도의 대략 80%로 구동된다. 마스터 인버터(212)는 MPP를 계속 관리하고, 활성인 비마스터 인버터(213)는 마스터 인버터(212)와 협동하여 이용 가능한 전류를 관리하거나 "요약(digest)"한다. 마스터 인버터(212)가 전류 한도의 대략 80%에 도달하면, 하나의 활성인 비마스터 인버터(213)(예컨대, 활성화되어야 하는 제2 인버터(206))가 전류 한도의 거의 100%로 구동되고, MPP가 모니터링되고, 마스터 인버터(212)의 수준이 적어도 하나의 비마스터 인버터(213)의 출력을 변화시킴으로써 변형된다. 간헐적으로 구름이 끼는 날에, 태양광 전력은 하루 종일 변할 것임이 이해된다. 따라서, 시간 상수 또는 임계치가 인버터(206)의 과도한 토글링 및 절환을 제거하기 위해 도입된다.
"활성" 인버터(206)는 DC 전류를 수신하고, DC 전류를 출력 AC 전류로 변환하고, AC 전류를 변압기(210)로 전달하도록 조정된다. 변압기(210)는 2개의 기능을 하나의 패키지 내로 조합한다. 변압기(210)의 1차 기능은 인버터(210)의 수신된 출력에 대한 전기적 격리 및 (공칭 360 VAC로부터 분배 전압, 전형적으로 12,500 VAC로의) 전압 상승을 제공하는 것이다. 변압기(210)의 2차 기능은 각각의 인버터(206)에 대한 분리된 임피던스 균형 1차 권선을 제공하는 것이다.
제어기(209)를 포함하는 그리드 연계형 시스템(200)은 시스템(200) 내의 각각의 인버터(206) 사이에서 거의 동일한 운전 시간을 유지하기 위해 인버터(206)를 효과적으로 "회전"시킨다. 따라서, 그리드 연계형 시스템(200) 및 시스템(200)을 제어하는 방법은 낮은 광 수준 상태 하에서 에너지의 수확을 최대화하고; "필요에 따라" 각각의 인버터(206)를 선택적으로 토글링함으로써 신뢰성을 최대화하고; 하나의 인버터(206)의 고장의 경우에 전력을 재안내한다.
발전 및 배전의 분야에서, 600V 이상(예를 들어, 1000 VDC)에 대한 노출이 NESC에 의해 규제되는 경우에 그리고 설비들이 600V 한도를 초과할 수 있는 국가에서, 직렬로 배선된 8개 또는 10개의 태양광 패널이 종래의 그리드 연계형 태양광 시스템보다 대략 30% 더 높은 전압을 제공하고, 이는 더 낮은 치수의 와이어 크기에서의 더 높은 효율로 해석된다 (즉, 종래의 6개의 직렬 배선된 패널 스트링에 대해 요구되는 것보다 더 작은 적어도 하나의 AWG 구리 와이어 크기). 또한, 다른 전도체 물품의 커패시티는 더 낮은 전류만을 처리하도록 요구되므로 상대적으로 더 낮고/더 작으며 (즉, 시스템 재료의 더 낮은 비용 및 더 낮은 전기 손실이 경험됨), 이에 의해 대체로 태양광 어레이가 옴의 법칙(P = I x V)에 따라 설정된 전력량을 생성하도록 제공되는 경우에, 시스템(10, 100, 200)으로부터 대체로 동일한 AC 전력 출력(예컨대, 1MW, 250KW, 125KW 등)을 생성한다.
본 발명에서, 인버터(22, 112, 206)가 필요에 따라 켜지고 꺼질 수 있으므로, 각각의 인버터(22, 112, 206)의 누적 운전 시간은 크게 감소된다. 예를 들어, 구름이 많고 부분적으로 흐린 날씨의 미국 오하이오주 톨레도와 같은 지역에서, 본 발명의 각각의 인버터(22, 112, 206)는, 전형적으로 종래의 태양광 어레이의 수명 전체에 걸쳐 연속적인 종래의 태양광 어레이의 인버터의 수명과 대조적으로, 태양광 어레이의 20년의 수명 중 7.5년 동안만 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에서, 인버터(22, 112, 206)가 고장나면, 나머지 인버터(22, 112, 206)들이 출력 전류를 상승시킬 것이다. 종래의 태양광 어레이에서, 인버터가 결함이 있으면, 그는 그러한 특정 인버터에 배선된 열로부터 출력 전류를 수집하기 위해 교체되어야 한다.
대체로, 인버터는 그들이 그들의 피크 전력 등급으로 또는 그 부근에서 운전될 때 가장 효율적이라는 것도 공지되어 있다. 종래의 태양광 어레이에 대해, 인버터가 정격 전력의 10%로만 작동하는 경우에, 인버터는 단지 85% 효율일 수 있다. 본 발명에서, 현재 켜져 있는 인버터(22, 112, 206)는 96% 효율 이상으로 에너지를 일관되게 송출한다.
인버터(22, 112, 206)를 필요에 따라 작동시키는 것은 비용을 낮추고, 인버터 효율 등급을 개선하는 결과를 가져오고, 예를 들어, 인버터는 야간에 오프라인이 될 수 있다. 또한, 스테이지간 및 인버터간 변압기가 본 발명의 인버터(22, 112, 206)에서 배치되지 않아서, 장비, 설치, 및 유지보수 비용을 절감하는 결과를 가져온다. 요약하자면, 본 발명은 시스템(10, 100, 200) 내에서의 더 적은 구성요소의 결과를 가져오고, 이는 더 높은 전력 효율로 해석된다.
상기 설명으로부터, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명의 본질적인 특징을 쉽게 확인할 수 있고, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이, 본 발명을 다양한 용도 및 조건에 적응시키기 위해 본 발명에 다양한 변화 및 변형을 가할 수 있다.

Claims (20)

  1. 그리드 연계형 시스템이며,
    복수의 태양광 패널과,
    복수의 인버터로서, 각각의 인버터는 직류를 교류로 변환하기 위해 적어도 하나의 태양광 패널과 전기 연통하고, 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적하기 위한 추적 구성요소를 포함하는, 복수의 인버터와,
    적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 선택적으로 토글링하기 위해 적어도 하나의 인버터와 연통하는 제어기를 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 태양광 패널과 적어도 하나의 인버터 사이에 전기 연통을 제공하기 위해 각각의 태양광 패널 및 각각의 인버터와 전기 연통하는 직류 전도 버스를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 인버터와 적어도 하나의 태양광 패널 사이에 배치되어 이들 사이에서 선택적인 전기적 연통을 제공하는 분리 박스를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 태양광 패널을 가로지른 전압을 제한하기 위해 적어도 하나의 인버터와 적어도 하나의 패널 스트링 사이에 배치된 클램핑 회로를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 클램핑 회로는 회로를 단락 상태가 되도록 토클링하기 위해 쌍극 양접점 스위치 및 사이리스터 중 적어도 하나를 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 인버터로부터 교류를 수신하고 전압을 그리드의 전압과 일치하도록 상승시키기 위해 전기 그리드 및 인버터와 연통하는 전기 변압기를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 인버터와 변압기 사이에서 교류를 전달하기 위해 각각의 인버터의 출력부 및 변압기와 전기 연통하는 교류 버스를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적하기 위해 "전력 비교(perturb and observe)" 루틴을 실행하는
    그리드 연계형 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 인버터는 제어기로 피드백 신호를 전달하고, 피드백 신호는 적어도 하나의 인버터의 작동 특징을 나타내고, 제어기는 각각의 피드백 신호의 분석에 기초하여 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 토글링하는
    그리드 연계형 시스템.
  10. 그리드 연계형 시스템이며,
    서로 병렬로 전기 연통하고 복수의 태양광 패널을 각각 포함하는 복수의 패널 스트링을 포함하는 태양광 어레이와,
    각각의 직렬 배선된 패널 스트링과 전기 연통하는 직류 전도 버스와,
    태양광 어레이에 의해 발생된 직류를 수신하고 직류를 교류로 변환하기 위해 직류 버스 링과 전기 연통하는 복수의 인버터로서, 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적하는, 복수의 인버터와,
    각각의 인버터로부터 피드백 신호를 수신하고 각각의 피드백 신호의 분석에 기초하여 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 토글링하기 위해 각각의 인버터와 연통하는 제어기로서, 피드백 신호가 인버터들 중 관련된 인버터의 작동 특징에 대한 정보를 포함하는, 제어기를 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 인버터와 적어도 하나의 패널 스트링 사이에 배치되어 이들 사이에서 선택적인 전기적 연통을 제공하는 분리 박스를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 패널 스트링에 의해 발생되는 전압을 제한하기 위해 적어도 하나의 인버터와 적어도 하나의 패널 스트링 사이에 배치된 클램핑 회로를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 인버터로부터 교류를 수신하고 전압을 그리드의 전압과 일치하도록 상승시키기 위해 전기 그리드 및 인버터와 연통하는 전기 변압기를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 변압기는 각각의 인버터를 위한 분리된 임피던스 균형 1차 권선을 포함하는
    그리드 연계형 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 확인하기 위해 "전력 비교" 루틴을 실행하는
    그리드 연계형 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 직류 전도 버스는 대체로 링 형상이고, 적어도 하나의 인버터는 직류 전도 버스의 링 형상 내에 배치되는
    그리드 연계형 시스템.
  17. 그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법이며,
    복수의 태양광 패널을 제공하는 단계와,
    복수의 인버터를 제공하는 단계로서, 각각의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널과 전기 연통하여 그로부터 직류를 수신하고 직류를 교류로 변환하고, 각각의 인버터는 활성 상태 및 비활성 상태를 갖고, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 추적하는, 복수의 인버터 제공 단계와,
    적어도 하나의 인버터의 작동 특징에 대한 정보를 포함하는 피드백 신호를 발생시키는 단계와,
    피드백 신호를 분석하는 단계와,
    피드백 신호의 분석에 응답하여 적어도 하나의 인버터를 활성 상태와 비활성 상태 사이에서 토글링하는 단계를 포함하는
    그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 태양광 패널과 인버터 사이에서 전기적 상호 연통을 제공하기 위해 각각의 태양광 패널 및 인버터와 전기 연통하는 직류 전도 버스를 제공하는 단계를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 전기 그리드의 전압과 일치하도록 교류를 변환하는 단계를 추가로 포함하는
    그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 적어도 하나의 인버터는 적어도 하나의 태양광 패널의 최대 전력 점을 확인하기 위해 "전력 비교" 루틴을 실행하는
    그리드 연계형 시스템을 제어하는 방법.
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