KR20130049095A - 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents

계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 간단한 회로 소자를 이용하여 계통 측에 흐르는 누설전류를 검출함으로써 계통 연계형 태양광 발전 장치의 신뢰성을 향상시킨다. 본 발명의 실시 예들은 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하고 이를 이용하여 계통의 입력단에 구비된 계통 릴레이를 구동함으로써 태양광 발전 효율을 증대하고 시스템의 안정성을 제고한다.

Description

계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법{PHOTOVOLTAIC POWER GENERATING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD OF THE SAME IN GRID-CONNECTED SYSTEM}
본 발명은 계통 연계형 시스템에 직류 전원을 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
석유 등의 석탄 연료의 고갈로 인해 재생 에너지에 관심이 높아지고 있다. 특히, 에너지원으로 풍력, 태양광, 연료전지 등에 관심이 높아지고 있는데, 이들을 이용하는 경우에 있어서, 각각의 독립적이고, 전용의 전력변환장치 및 이를 제어하는 장치를 제조 또는 사용한다.
예를 들어, 풍력을 이용하는 경우에는, 교류-직류 변환장치(AC-DC Converter, 컨버터)와 직류-교류 변환장치(DC-AC Converter, Inverter, 인버터)를 직렬로 연결하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 풍속과 터빈의 속도에 의하여 발생하는 최대전력을 추종하도록 하는 최대 출력점 추종제어를 사용한다.
한편, 연료전지 또는 태양광을 이용하는 경우에는, 직류-직류 변환장치(DC-DC Converter 또는 DC-DC Booster)와 직류-교류 변환장치(Inverter)를 이용하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 운전조건이나 태양광 일사 조건에 따라 얻을 수 있는 최대전력을 출력하기 위한 제어 알고리즘 및 이를 탑재한 제어장치를 사용한다.
본 발명의 실시 예들은 계통 측에 흐르는 누설전류를 검출할 수 있는 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법을 제공하는 데에 일 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하고 이를 이용하여 계통의 입력단에 구비된 계통 릴레이를 구동하는 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
일 실시 예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치는, 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하고 발전한 직류 전원을 계통에 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치에 있어서, 상기 직류 전원의 입력 전압을 교류 전압으로 변환하고 상기 교류 전압을 상기 계통에 공급하는 인버터와, 상기 계통의 입력단에 구비되고 누설전류를 검출하는 누설전류 검출 유닛과, 상기 누설전류를 근거로 상기 인버터를 구동하는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.
일 실시 예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법은, 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하고, 인버터를 이용하여 발전한 직류 전원의 입력 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통에 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치에 있어서, 상기 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하는 단계와, 상기 누설전류가 검출되지 아니하면 상기 인버터와 상기 계통을 연결하는 단계와, 상기 누설전류가 검출되면 상기 인버터 및 계통의 연결을 차단하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예들은 계통 측에 흐르는 누설전류를 검출함으로써 계통 연계형 태양광 발전 장치의 신뢰성을 향상시킨다.
본 발명의 실시 예들은 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하고 이를 이용하여 계통의 입력단에 구비된 계통 릴레이를 구동함으로써 태양광 발전 효율을 증대하고 시스템의 안정성을 제고한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구성을 개략적으로 보인 도들;
도 3 및 도 4는 도 1 또는 도 2에서의 누설전류 검출 유닛을 개략적으로 보인 도들; 및
도 5는 일 실시 예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법을 개략적으로 보인 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치는, 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하고 발전한 직류 전원을 계통에 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치에 있어서, 상기 직류 전원(10)의 입력 전압을 교류 전압으로 변환하고 상기 교류 전압을 상기 계통에 공급하는 인버터(20)와, 상기 계통의 입력단에 구비되고 누설전류를 검출하는 누설전류 검출 유닛(30)과, 상기 누설전류를 근거로 상기 인버터를 구동하는 제어 유닛(100)을 포함하여 구성된다. 제어 유닛(100)은, 상기 누설전류가 검출되면, 상기 인버터(20)의 구동을 정지한다.
도 2를 참조하면, 상기 계통 연계형 태양광 발전 장치는, 누설전류 검출 유닛(30)의 전단에 구비되고 교류 전압을 필터링하여 필터링된 교류 전압을 계통에 공급하는 계통 필터(70)를 더 포함하여 구성된다. 또, 상기 태양광 발전 장치는, 인버터(20)와 계통 필터(70)의 사이에 구비되는 계통 릴레이(40)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 제어 유닛(100)은, 누설전류가 검출되면, 계통 릴레이(40)를 개방시켜 인버터(20) 및 계통 필터(70)의 연결을 차단한다.
계통 필터(70)는 인버터(20)의 출력단과 부하의 입력단의 사이에 구비된다. 계통 필터(70)는 계통, 특히 부하에 맞게 계통에 입력되는 전압, 전류의 잡음을 제거한다. 특히, 계통 필터(70)는 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동 소자들로 구성되어 고주파 성분을 제거한다.
계통 릴레이(40)는 계통의 입력단에 구비된다. 즉, 계통 릴레이(40)는 인버터(20)의 출력단에 연결되어 인버터로부터 출력되는 전압, 전류를 개폐한다. 계통 릴레이(40)는 부하가 직류 전원(10)으로부터 전력을 공급받도록 하거나, 전력 공급을 차단하는 기능을 수행한다. 제어 유닛(100)은 입력 전압, 직류 링크 전압, 부하 전압 등을 이용하여 계통 릴레이(40)를 구동한다. 이때, 계통 필터(70)는 계통 릴레이의 스위칭에 따른 소음 등을 제거하도록 설계될 수 있다.
인버터(20)는, 복수의 스위칭 소자, 예를 들어 MOSFET, IGBT로 구성된다. 인버터(20)는 단상 또는 3상에 따라 스위칭 소자의 개수를 달리한다. 인버터(20)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 입력단에 구비되고 입력 전압에 포함된 고조파를 제거하는 입력 리액터(22)를 포함할 수 있다. 또, 인버터(20)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 제어 유닛(100)의 제어 신호에 따라 구동되어 입력 리액터(22)를 거친 입력 전압을 교류 전압으로 변환하는 변환부(23)를 더 포함할 수 있다. 또, 인버터(20)는, 출력단에 구비되고 변환부(23)를 통해 변환된 교류 전압에 포함된 고조파를 제거하는 출력 리액터(24)를 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 계통 연계형 태양광 발전 장치는, 계통 필터(70)의 출력단에 구비되고, 제어 유닛(100)의 구동에 따라 계통 필터(70)와 부하를 연결하거나, 또는 계통 필터(70) 및 부하의 연결을 차단하는 부하 릴레이(50)를 더 포함할 수 있다.
누설전류가 발생하면, L선과 N선에 흐르는 전류 사이에 차이가 발생한다. 즉, 누설전류가 발생하지 아니하면, iL = iN이나, 누설전류가 발생하면 iL ≠ iN이 된다. 도 3을 참조하면, 누설전류 검출 유닛(30)은 누설전류 레벨을 결정하는 감지 저항(31)과, 전류 값을 전달하는 주변 소자부(32)와, 누설전류를 검출하는 검출부(33)를 포함하여 구성된다. 주변 소자부(32)는 커패시터 등으로 구성되어 검출 전류 값에 따른 전압 신호를 검출부(33)에 전달한다. 검출부(33)는, 예를 들어 누설 차단기용 검출 IC,와 같은 소자로 구성되고, 누설전류를 검출하면 이에 대응하는 검출 신호를 출력한다(예, High 신호). 제어 유닛(100)은, 검출 신호를 수신하면 누설전류가 검출된 것으로 판단하고, 상기 인버터(20)의 구동을 정지한다. 이때, 제어 유닛(100)은, 검출 신호의 수신 지속 시간을 더 확인할 수 있다. 즉, 제어 유닛(100)은, 누설전류 검출 유닛(30)의 검출 신호 출력이 일정 시간 지속하는지 여부를 확인하여 누설전류가 발생한 것으로 판단하여 일련의 동작을 수행한다. 누설전류의 검출은 일반적으로 계통의 양의 구간에서만 검출되나, 브리지 다이오드를 추가하여 음의 구간에서도 검출될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 계통 연계형 태양광 발전 장치는, 상기 제어 유닛(100)과 상기 누설전류 검출 유닛(30)의 사이에 구비되고, 상기 누설전류 검출 유닛(30)에 구동 전원을 인가하거나 차단하는 리셋 회로(35)를 더 포함하여 구성된다. 리셋 회로(35)는 두 개의 트랜지스터, 하나의 NPN 트랜지스터와 하나의 PNP 트랜지스터,를 구성될 수 있다.
리셋 회로(35)를 이용한 누설전류 검출 유닛(30)의 리셋 시퀀스를 설명한다. 검출부(33)가 검출 신호를 출력하면, 제어 유닛(100)은 일정 시간 이후에 로우(Low) 신호를 출력한다. 로우 신호에 따라 검출부(33)의 12V 전원이 차단된다. 검출부(33)는 로우 신호를 출력하고, 제어 유닛(100)은 일정 시간 이후에 하이 신호를 출력한다. 이렇게 되면, 검출부(33)에는 12V 전원이 인가된다. 즉, 리셋 회로(35)를 통해 누설전류 검출 유닛(30)과 제어 유닛(100)이 서로 연결되고 서로 신호를 주고 받음으로써 누설전류 검출 유닛(30)은 리셋된다.
제어 유닛(100)은 누설전류 검출 유닛(30)의 전원을 직접 제어하여 리셋할 수 있고, 누설전류 검출 유닛(30)을 계속해서 리셋함으로써 누설전류가 일정 시간 동안 계속 발생하는지를 검출한다. 예를 들어, 제어 유닛(100)은 계통의 입력선, L선과 N선의 전류 차 30mA가 일정 시간 30ms 동안 흐르면 누설전류가 흐르는 것으로 판단할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 계통 연계형 태양광 발전 장치는, 입력 전압을 평활화하고 직류 링크 전압으로 저장하는 직류 링크 커패시터(21)를 더 포함하여 구성된다. 제어 유닛은, 직류 링크 전압과 부하 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 계통 릴레이(40)를 구동한다. 예를 들어, 직류 링크 전압과 부하 전압의 피크 값을 비교할 수 있다. 제어 유닛(100)은, 직류 링크 전압이 부하 전압의 피크 값보다 크면 계통 릴레이(40)를 턴-온하고, 직류 링크 전압이 부하 전압의 피크 값 이하이면 상기 계통 릴레이(40)를 턴-오프한다. 즉, 직류 링크 전압이 부하 전압의 피크 값보다 크면 계통 릴레이(40)는 턴-온되어 인버터의 출력 전압을 부하에 공급한다. 반면, 직류 링크 전압이 부하 전압의 피크 값 이하이면 계통 릴레이(40)는 턴-오프되어 인버터의 출력 교류 전압이 부하에 공급되는 것을 차단한다.
도 1 또는 도 2를 참조하면, 태양광 발전 장치는 계통(1)에 연결된다. 계통(1)은 상용 전원 또는 태양광 발전 장치로 연결하는 스위치, 부하가 사용하고자 하는 에너지를 저장하는 배터리를 포함할 수 있다.
또, 태양광 발전 장치는 인버터 및 직류 링크 커패시터의 입력단에 구비되어 직류 전압을 일정 범위의 직류 전압으로 변환하는 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 컨버터는 DC-DC 컨버터로서 하나 이상의 다이오드로 구성되거나, 또는 다이오드와 함께 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 컨버터는 승압 기능을 포함할 수 있고, 또 역률 개선 회로를 더 구비할 수 있다.
도 2를 참조하면, 태양광 발전 장치는, 계통 필터(70)의 출력단에 구비되고, 입력 전압을 근거로 구동되어 계통 필터와 계통을 연결하거나, 또는 계통 필터 및 계통의 연결을 차단하는 부하 릴레이(50)를 포함하여 구성된다. 태양광 발전 장치는, 직류 전원(10)의 출력단에 구비되고 태양 전지를 통한 발전량이 일정량 이하인 경우, 태양광 발전을 요구하지 아니하는 경우에 이를 차단하는 입력 릴레이(60)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어 유닛(100)은 누설 전류가 검출되면 입력 릴레이(50)를 개방시켜 직류 전원(10)과 인버터(20)의 연결을 차단할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법은, 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하고, 인버터를 이용하여 발전한 직류 전원의 입력 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통에 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치에 있어서, 상기 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하는 단계(S100)와, 상기 누설전류가 검출되지 아니하면 상기 인버터와 상기 계통을 연결하는 단계와, 상기 누설전류가 검출되면 상기 인버터 및 계통의 연결을 차단하는 단계(S300)를 포함하여 구성된다. 이하 장치의 구성은 도 1 내지 도 4를 참조한다.
누설전류를 검출하는 단계(S100)는, 상기 계통의 입력단에 구비된 L선과 N선에 흐르는 전류를 검출하는 과정(S110)과, L선 전류와 N선 전류의 차가 일정 기준 전류 이상이면 누설전류로 판단하는 과정(S120)을 포함하여 구성된다. 태양광 발전 장치는 계통의 입력단에 누설전류 검출 유닛을 구비한다. 먼저 누설전류 검출 유닛은 계통의 입력선, L선과 N선에 각각 흐르는 전류를 검출한다. 누설전류가 발생하면, L선과 N선에 흐르는 전류 사이에 차이가 발생한다. 즉, 누설전류가 발생하지 아니하면, iL = iN이나, 누설전류가 발생하면 iL ≠ iN이 된다. 또, 누설전류로 판단하는 과정은, 전류차가 상기 기준 전류 이상으로 일정 시간 유지되면 상기 누설전류로 판단한다(S200). 예를 들어, 전류 차 30mA가 일정 시간 30ms 동안 흐르면 누설전류가 흐르는 것으로 판단할 수 있다.
상기 구동 방법은, 상기 누설전류가 검출되면, 상기 인버터의 구동을 정지하는 단계(S300)를 더 포함하여 구성된다. 또, 상기 태양광 발전 장치는, 누설전류가 검출되면, 계통 릴레이를 개방시켜 인버터 및 계통 필터(계통)의 연결을 차단한다(S300).
태양광 발전 장치는, 태양 전지로부터 출력된 입력 전압을 평활화하고(S10), 이를 저장한다. 태양광 발전 장치는 인버터 등을 이용하여 평활화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다(S20). 또, 태양광 발전 장치는, 직류 링크 전압과 부하 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 계통 릴레이를 구동한다(S30). 예를 들어, 직류 링크 전압과 부하 전압의 피크 값을 비교할 수 있다. 직류 링크 전압이 부하 전압의 피크 값보다 크면 계통 릴레이는 턴-온되어 인버터의 출력 전압을 부하에 공급한다(S41, S42). 반면, 직류 링크 전압이 부하 전압의 피크 값 이하이면 계통 릴레이는 턴-오프되어 인버터의 출력 교류 전압이 부하에 공급되는 것을 차단한다(S43, S44).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 이의 구동 방법은 간단한 회로 소자를 이용하여 계통 측에 흐르는 누설전류를 검출함으로써 계통 연계형 태양광 발전 장치의 신뢰성을 향상시킨다. 본 발명의 실시 예들은 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하고 이를 이용하여 계통의 입력단에 구비된 계통 릴레이를 구동함으로써 태양광 발전 효율을 증대하고 시스템의 안정성을 제고한다.
10: 직류 전원 20: 인버터
21: 직류 링크 커패시터 30: 누설전류 검출 유닛
40: 계통 릴레이 50: 부하 릴레이
60: 입력 릴레이 70: 계통 필터
100: 제어 유닛

Claims (15)

  1. 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하고 발전한 직류 전원을 계통에 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치에 있어서,
    상기 직류 전원의 입력 전압을 교류 전압으로 변환하고 상기 교류 전압을 상기 계통에 공급하는 인버터;
    상기 계통의 입력단에 구비되고 누설전류를 검출하는 누설전류 검출 유닛; 및
    상기 누설전류를 근거로 상기 인버터를 구동하는 제어 유닛;을 포함하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 누설전류가 검출되면, 상기 인버터의 구동을 정지하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 누설전류 검출 유닛의 전단에 구비되고 상기 교류 전압을 필터링하여 필터링된 교류 전압을 상기 계통에 공급하는 계통 필터; 및
    상기 인버터와 상기 계통 필터의 사이에 구비되는 계통 릴레이;를 더 포함하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 누설전류가 검출되면, 상기 계통 릴레이를 개방시켜 상기 인버터 및 상기 계통 필터의 연결을 차단하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛과 상기 누설전류 검출 유닛의 사이에 구비되고, 상기 누설전류 검출 유닛에 구동 전원을 인가하거나 차단하는 리셋 회로;를 더 포함하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 전압을 평활화하고 직류 링크 전압으로 저장하는 직류 링크 커패시터;를 더 포함하는 직류 전원 공급 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 직류 링크 전압과 상기 계통의 부하 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 계통 릴레이를 구동하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 직류 링크 전압이 상기 부하 전압의 피크 값보다 크면 상기 계통 릴레이를 턴-온하고,
    상기 직류 링크 전압이 상기 부하 전압의 피크 값 이하이면 상기 계통 릴레이를 턴-오프하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 인버터는,
    상기 인버터의 입력단에 구비되고 상기 입력 전압에 포함된 고조파를 제거하는 입력 리액터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 제어 유닛의 제어 신호에 따라 구동되어 상기 입력 리액터를 거친 입력 전압을 상기 교류 전압으로 변환하는 변환부; 및
    상기 인버터의 출력단에 구비되고 상기 변환부를 통해 변환된 교류 전압에 포함된 고조파를 제거하는 출력 리액터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  10. 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하고, 인버터를 이용하여 발전한 직류 전원의 입력 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통에 공급하는 계통 연계형 태양광 발전 장치에 있어서,
    상기 계통의 입력단에 흐르는 누설전류를 검출하는 단계;
    상기 누설전류가 검출되지 아니하면 상기 인버터와 상기 계통을 연결하는 단계; 및
    상기 누설전류가 검출되면 상기 인버터 및 계통의 연결을 차단하는 단계;를 포함하는 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 누설전류를 검출하는 단계는,
    상기 계통의 입력단에 구비된 L선과 N선에 흐르는 전류를 검출하는 과정; 및
    L선 전류와 N선 전류의 차가 일정 기준 전류 이상이면 누설전류로 판단하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 누설전류로 판단하는 과정은,
    전류차가 상기 기준 전류 이상으로 일정 시간 유지되면 상기 누설전류로 판단하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 누설전류가 검출되면, 상기 인버터의 구동을 정지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법.
  14. 제10 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 전압을 평활화하고 직류 링크 전압으로 저장하는 단계;
    상기 직류 링크 전압을 상기 교류 전압으로 변환하는 단계;
    상기 직류 링크 전압과 상기 계통의 부하 전압을 비교하는 단계; 및
    비교 결과에 따라 상기 인버터와 상기 계통을 연결하거나, 또는 상기 인버터 및 계통의 연결을 차단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 인버터 및 계통을 연결 또는 차단하는 단계는,
    상기 직류 링크 전압이 상기 부하 전압의 피크 값보다 크면 상기 인버터와 상기 계통을 연결하고,
    상기 직류 링크 전압이 상기 부하 전압의 피크 값 이하이면 상기 인버터 및 계통의 연결을 차단하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치의 구동 방법.
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