KR20120136114A - 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법 - Google Patents

태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전 어레이들의 출력 전력 합계를 계산하는 단계, 상기 출력 전력 합계와 인버터의 최대 전력 용량을 비교하는 단계, 및 상기 인버터의 전력 할당 효율에 따라 각 인버터에 상기 출력 전력을 할당하는 단계를 포함하는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법에 관한 것이다.

Description

태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법{OPTIMIZED POWER ALLOCATION METHOD OF INVERTER IN PHOTOVOLTAIC POWER GENERATING SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전 시스템의 효율성을 향상시키기 위한 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법에 관한 것이다.
태양광 발전 시스템은 태양빛을 직접 전기에너지로 변환하는 발전장치로서 햇빛을 받아 전기를 발생시키는 로 구성된 과 전력변환장치(인버터)로 구성한다.
전력변환장치는 태양전지에서 생성되는 직류전기를 교류전기로 변환하여 전력계통에 공급하는 역할을 하며 태양광 발전 시스템의 태양전지를 제외하고 가장 큰 비중을 차지한다.
또한, 태양광 전력 발전 기술의 실용적인 응용 프로그램에 대한 주요 장애물 중 하나는 태양광 발전 시스템의 낮은 효율성이다.
태양광 발전 배열의 효율은 보통 30% 전력 변환기의 손실 때문에, 높은 설치비용에도 불구하고 낮은 시스템 효율을 얻는다는 문제가 있다.
따라서, 태양광 발전 시스템의 전반적인 효율성을 높이기 위해 가장 좋은 방법은 태양광 발전 배열 자체의 효율성을 향상시킬 수 있지만, 그것을 위해서는 더 많은 시간과 노력이 필요하다.
이러한 부분에서 이미 많은 노력 끝에 태양광 어레이에 의해 생성된 에너지는 가능한 최대 범위까지 전력 변화기의 효율을 향상시키고 있으므로, 우리는 태양광 발전 시스템의 전반적인 효율성을 제고하기 위한 다양한 방법을 모색해야 한다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양광 발전 시스템의 고효율 조건에 최적화된 전력을 상황에 따라 인버터에 할당하는 최적의 전력 할당 방법을 채택하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 인버터에 할당되는 최적의 전력 할당방법은 태양광 발전 어레이들의 출력 전력 합계를 계산하는 제1 단계; 상기 출력 전력 합계와 인버터의 최대 전력 용량을 비교하는 제2 단계; 및 상기 인버터의 전력 할당 효율에 따라 각 인버터에 상기 출력 전력을 할당하는 제3 단계;을 포함한다.
상기 제2 단계에서, 상기 인버터의 최대 전력 용량이 상기 출력 전력 합계보다 작으면, 각 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율과 각 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율을 구한다.
또한, 상기 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율은, 상기 출력 전력 합계를 인버터의 수로 나누었을 때 각 인버터에 할당된 전력과 인버터의 최대 전력 용량의 비율로 나타내는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율은, 상기 출력 전력 합계를 각 인버터에 최대 효율 전력으로 할당하고, 남은 출력 전력을 할당되지 않은 인버터에 할당한 후, 출력 전력 합계와 할당된 인버터의 수에 따른 전력의 평균과 인버터의 최대 전력 용량의 비율로 나타내는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율이 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율보다 크면, 각 인버터에 평균 전력을 할당하고 아니면 각 인버터에 최대효율 전력을 할당한다.
또한, 상기 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 방법은, 첫번째 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 단계; 상기 출력 전력 합계가 태양광 발전 어레이의 출력 전력보다 크면 다음 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 단계; 및 상기 출력 전력 합계에서 각 인버터에 최대 효율 전력을 할당하고 남은 출력 전력이 출력 전력보다 작으면 남은 전력을 다음 인버터에 할당하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 제2 단계에서, 상기 인버터의 최대 전력 용량이 상기 출력 전력 합계보다 크면, 오직 하나의 인버터를 이용한다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 효율에 따른 선택적인 전력 할당방법으로 인버터의 효율을 증대시켜 극대화 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법 중 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3Kw 용량의 인버터의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법의 효율을 나타낸 시뮬레이션 케이스이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법 은, 먼저, 태양광 발전 어레이들의 출력 전력 합계(Ptotal)를 계산한다(S10). 이때, 출력 전력 합계(Ptotal)는 이하의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, k는 태양광 발전 배열의 번호를 의미하고, Pl은 태양광 발전 배열의 출력전력을 나타낸다.
또한, 태양광 발전 어레이의 출력 전력(Pl)은 이하의 [수학식 2]를 통해 얻을 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, vsl는 태양광 어레이의 출력전압을 의미하고, isl은 현재의 출력 태양광 어레이를 나타낸 것이다.
이어서, 출력 전력 합계와 인버터의 최대 전력 용량을 비교한다(S20). 이때, 상기 출력 전력 합계가 상기 인버터의 최대 전력 용량보다 크면, 각 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율(ηave)과 각 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율(ηMEP) 을 구한다(S30).
또한, 상기 출력 전력 합계가 상기 인버터의 최대 전력 용량보다 작으면, 오직 하나의 인버터를 이용하는 태양광 발전 시스템의 인버터에 할당한다(S40)
여기서, 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율(ηave)은, 출력 전력 합계를 인버터의 수로 나누었을 때 각 인버터에 할당된 전력과 인버터의 최대 전력 용량의 비율로 나타낸다.
또한, 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율(ηMEP)은, 상기 출력 전력 합계를 각 인버터에 최대 효율 전력으로 할당하고, 남은 출력 전력을 할당되지 않은 인버터에 할당한 후, 출력 전력 합계와 할당된 인버터의 수에 따른 전력의 평균과 인버터의 최대 전력 용량의 비율로 나타낸다.
마지막으로, 인버터의 전력 할당 효율에 따라 각 인버터에 출력 전력을 할당한다.
즉, 인버터에 최대 효율 전력을 할당 할 때의 효율이 인버터에 평균 전력을 할당 할 때의 효율보다 크면(S50), 최대 효율 전력을 할당하고(S60), 인버터에 평균 전력을 할 때의 효율이 인버터에 최대 효율 전력을 할당 할 때의 효율보다 크면, 평균 전력을 할당한다(S70).
여기서, 최대 효율 전력을 할당 할 때의 방법은 다음과 같다.
먼저, 출력 전력 합계 중 첫번째 인버터에 최대 효율 전력을 할당한다(S81).
이어서, 아래의 [수학식 3]가 만족될 때까지 다음 인버터에 최대 효율 전력을 할당한다(S82).
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, Pn은 각 인버터에 할당된 전력을 의미하고, 즉, n은 설치된 인버터의 수를 의미한다.
마지막으로, 상기 출력 전력 합계에서 각 인버터에 최대 효율 전력을 할당하고 남은 출력 전력이 출력 전력보다 작으면 남은 전력을 다음 인버터에 할당한다(S83).
상기에서 도시한 내용을 바탕으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
태양광 인버터가 동일한 용량으로 설계 되어야 하며 인버터의 효율 특성 데이터를 사전에 알고 있음을 가정하고, 도 3과 같이 최대 전력 용량이 3kw인 인버터의 효율을 나타낸 임의의 그래프에서 인버터의 최대효율이 2.4kw일 때 90%이고, 1.8kw는 86%이라 하자.
또한, 태양광 발전 시스템의 모듈의 구성에서 5개의 인버터를 구비하고, 태양광 발전 시스템의 태양광 발전 어레이가 9Kw를 발생시킨다고 가정하자.
인버터에 평균 전력을 할당하는 방식을 채택하는 경우, 태양광 발전 어레이가 발생한 9kw를 인버터의 수인 5로 나누어 동일한 전력을 각각 인버터에 할당 한다. 즉 1.8kw씩 5개의 인버터에 할당함으로써 인버터의 효율은 86%가 된다.
이에 반하여, 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 방식을 채택하는 경우, 인버터의 최대 효율인 2.4kw씩 각 인버터에 할당하되, 5개의 인버터에 2.4kw씩 할당하게 되면 태양광 발전어레이가 발생한 9kw를 넘어 서게 되므로, 9kw가 넘지 않은 선에서 3개의 인버터에 2.4kw를 할당하고, 남은 1.8kw는 다른 인버터에 할당한다. 이때, 사용되는 인버터는 4개이므로 1개는 오프 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 인버터의 효율을 살펴 보면 사용된 9kw에 사용된 4개의 인버터의 평균 효율이 88%가 되는 것을 알 수 있다.
즉, 여기서는 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 방식을 채택하여 2%의 효율을 더 얻을수 있다. 여기서 2%는 작은 수치일 수 있으나 전력이 증대되면 될수록 2%에 해당하는 전력에 대한 효율이 높아지므로 대용량의 태양광 발전 시스템에서 실질적으로 많은 전력 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 인버터의 최대 효율 전력 및 인버터 수에 따른 평균 전력에 따라 효율을 더 높일 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 인버터에 할당되는 전력할당 방법은 효율에 따라 다른 할당 방법을 선택한다.
도 4와 같이, 최대효율 전력 할당의 효율(83.60%)이 평균 전력 할당의 효율(81.32%)보다 큰 경우 최대 효율 전력 할당 방법을 채택하여 각 인버터에 인버터의 최대 효율의 전력을 할당하고 남은 부분에 대해서는 다음 인버터에 할당하여 처리한다.
이와 같이 최대 효율 전력을 할당하는 경우는 작동되지 않아도 되는 인버터가 발생되므로 인버터의 수명을 연장시킬 수 있으며, 사용되는 각 인버터는 최대 효율을 전력을 할당 함으로써 인버터의 사용 효율을 높이는 이점이 있다.
도 5와 같이, 최대효율 전력 할당의 효율(82.67%)이 평균 전력 할당의 효율(82.68%)보다 큰 경우 각 인버터에 평균 전력을 할당하여 처리한다.
그러나, 이전에 채택된 할당 방법이 최대 효율 전력 할당 방법이고 양쪽의 효율이 크게 차이가 나지 않으면 이전에채택된 할당 방법을 채택할 수 있음이 바람직하다.
또한, 도 6과 같이 최대효율 전력 할당의 효율(84.00%)이 평균 전력 할당의 효율(84.00%)이 동일한 경우, 이전에 채택된 할당 방법을 그대로 유지하여 전력을 할당한다.
즉, 이전에 최대 효율 전력 할당 방법으로 인버터에 전력을 할당했을 경우 최대 효율 전력 할당 방법을 유지하여 전력을 할당하고, 이전에 평균 전력 할당 방법으로 인버터에 전력을 할당했을 경우, 평균 전력할당 방법을 유지하여 전력을 할당하는 것이 바람직하다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 태양광 발전 어레이들의 출력 전력 합계를 계산하는 제1 단계;
    상기 출력 전력 합계와 인버터의 최대 전력 용량을 비교하는 제2 단계; 및
    상기 인버터의 전력 할당 효율에 따라 각 인버터에 상기 출력 전력을 할당하는 제3 단계;를 포함하는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단계에서, 상기 인버터의 최대 전력 용량이 상기 출력 전력 합계보다 작으면, 각 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율과 각 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율을 구하는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율은, 상기 출력 전력 합계를 인버터의 수로 나누었을 때 각 인버터에 할당된 전력과 인버터의 최대 전력 용량의 비율로 나타내는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율은, 상기 출력 전력 합계를 각 인버터에 최대 효율 전력으로 할당하고, 남은 출력 전력을 할당되지 않은 인버터에 할당한 후, 출력 전력 합계와 할당된 인버터의 수에 따른 전력의 평균과 인버터의 최대 전력 용량의 비율로 나타내는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터에 평균 전력을 할당할 때의 효율이 인버터에 최대 효율 전력을 할당할 때의 효율보다 크면, 각 인버터에 평균 전력을 할당하고 아니면 각 인버터에 최대효율 전력을 할당하는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 방법은, 첫번째 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 단계;
    상기 출력 전력 합계가 태양광 발전 어레이의 출력 전력보다 크면 다음 인버터에 최대 효율 전력을 할당하는 단계; 및
    상기 출력 전력 합계에서 각 인버터에 최대 효율 전력을 할당하고 남은 출력 전력이 출력 전력보다 작으면 남은 전력을 다음 인버터에 할당하는 단계;를 포함하는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단계에서, 상기 인버터의 최대 전력 용량이 상기 출력 전력 합계보다 크면, 오직 하나의 인버터를 이용하는 태양광 발전 시스템에서 인버터의 전력 할당 방법.
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