KR20130050108A - 태양광 발전 장치 연계형 전력 공급 장치 및 전력 공급 시스템 - Google Patents

태양광 발전 장치 연계형 전력 공급 장치 및 전력 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

태양광 발전 장치 연계형 전원 공급 장치 및 전원 공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 기상 정보, 특히 운량, 일사량 등을 이용하여 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 예측할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시 예들은 부하에 대한 전력 운용 스케쥴을 효율적으로 수립할 수 있게 한다. 본 발명의 실시 예들은 태양광 발전량을 연산하고 태양광 발전량과 부하 요구량을 비교하며, 비교 결과를 근거로 상용 전원과 연결하거나 또는 잔여 전력을 저장함으로써 부하에 공급하는 공급 전력의 배분을 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

태양광 발전 장치 연계형 전력 공급 장치 및 전력 공급 시스템{POWER APPLYING APPARATUS AND SYSTEM CONNECTING PHOTOVOLTAIC POWER GENERATING APPARATUS}
본 발명은 태양광 발전 장치와 연계되어 부하에 전원을 공급하는 태양광 발전 장치 연계형 전력 공급 장치 및 전력 공급 시스템에 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 기상 정보를 이용하여 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 예측할 수 있는 태양광 발전 장치 연계형 전력 공급 장치 및 전력 공급 시스템을 제공하는 데에 일 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 태양광 발전량을 연산하고 태양광 발전량과 부하 요구량을 비교하며, 비교 결과에 따라 부하에 대한 전력 운용 스케쥴을 수립하고, 부하에 전력을 공급하는 태양광 발전 장치 연계형 전력 공급 장치 및 전력 공급 시스템을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
일 실시 예에 다른 전력 공급 장치는, 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하는 태양광 발전 장치와 연계되어 부하에 전력을 공급하는 전력 공급 장치에 있어서, 기상 정보를 근거로 상기 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 연산하는 발전량 연산 유닛과, 상기 태양광 발전량과 상기 부하에 대한 부하 요구량을 근거로 상기 부하에 공급하는 공급 전력을 배분하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 태양광 발전량이 상기 부하 요구량보다 작으면, 상용 전원으로부터 계통 전력을 공급받도록 한다.
일 실시 예에 따른 전력 공급 시스템은, 하나 이상의 태양전지를 이용하여 발전하고, 발전한 직류 전원을 공급하는 태양광 발전 장치와, 상기 태양광 발전 장치의 태양광 발전량과 부하에 대한 부하 요구량을 근거로 상기 부하에 공급하는 공급 전력을 배분하는 전력 공급 장치를 포함하고, 상기 전력 공급 장치는, 기상 정보를 근거로 상기 태양광 발전량을 연산하는 발전량 연산 유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예들은 기상 정보, 특히 운량, 일사량 등을 이용하여 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 예측할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시 예들은 부하에 대한 전력 운용 스케쥴을 효율적으로 수립할 수 있게 한다.
본 발명의 실시 예들은 태양광 발전량을 연산하고 태양광 발전량과 부하 요구량을 비교하며, 비교 결과를 근거로 상용 전원과 연결하거나 또는 잔여 전력을 저장함으로써 부하에 공급하는 공급 전력의 배분을 효율적으로 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전력 공급 시스템을 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 일 실시 예에 다른 전력 공급 장치를 개략적으로 보인 블록도;
도 3은 도 1의 전력 공급 시스템을 상세하게 보인 도;
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예들에 연계된 태양광 발전 장치를 개략적으로 보인 도;
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따라 부하에 전력을 공급하는 동작을 설명하기 위한 태양광 발전량과 부하 요구량을 도시한 그래프; 및
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 태양광 발전량을 예측하는 동작을 설명하기 위한 도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 전력 공급 시스템은, 하나 이상의 태양전지를 이용하여 발전하고, 발전한 직류 전원을 공급하는 태양광 발전 장치(200)와, 상기 태양광 발전 장치(200)의 태양광 발전량과 부하에 대한 부하 요구량을 근거로 상기 부하에 공급하는 공급 전력을 배분하는 전력 공급 장치(100)를 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 다른 전력 공급 장치는, 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하는 태양광 발전 장치와 연계되어 부하에 전력을 공급하는 전력 공급 장치에 있어서, 기상 정보를 근거로 상기 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 연산하는 발전량 연산 유닛(110)과, 상기 태양광 발전량과 상기 부하에 대한 부하 요구량을 근거로 상기 부하에 공급하는 공급 전력을 배분하는 제어 유닛(120)을 포함하여 구성된다. 여기서, 제어 유닛(120)은, 상기 태양광 발전량이 상기 부하 요구량보다 작으면, 상용 전원으로부터 계통 전력을 공급받도록 한다.
도 4 또는 도 5를 참조하면, 태양광 발전 장치(200)는, 상기 태양광 발전 장치로부터 입력된 입력 전압을 평활화하고 직류 링크 전압으로 저장하는 직류 링크 커패시터(221)와, 상기 직류 링크 전압을 상기 부하에 따라 교류 전압으로 변환하는 인버터(220)와, 상기 인버터와 상기 부하의 사이에 구비되는 계통 릴레이(240)와, 상기 입력 전압 및 부하 전압을 근거로 상기 계통 릴레이를 구동하는 구동 유닛(250)을 포함하여 구성된다.
태양광 발전 장치(200)는 부하의 입력단에 구비되는 계통 필터(230)를 더 포함할 수 있다. 계통 필터(230)는 인버터(220)의 출력단과 부하의 입력단의 사이에 구비된다. 계통 필터(230)는 계통, 특히 부하에 맞게 계통에 입력되는 전압, 전류의 잡음을 제거한다. 특히, 계통 필터(230)는 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동 소자들로 구성되어 고주파 성분을 제거한다.
계통 릴레이(240)는 계통의 입력단에 구비된다. 즉, 계통 릴레이(240)는 인버터(220)의 출력단에 연결되어 인버터로부터 출력되는 전압, 전류를 개폐한다. 계통 릴레이(240)는 부하가 태양광 발전 장치의 직류 전원(210)으로부터 전력을 공급받도록 하거나, 전력 공급을 차단하는 기능을 수행한다. 구동 유닛(250)은 입력 전압, 직류 링크 전압, 부하 전압 등을 이용하여 계통 릴레이(240)를 구동한다. 이때, 계통 필터(230)는 계통 릴레이의 스위칭에 따른 소음 등을 제거하도록 설계될 수 있다.
인버터(220)는, 복수의 스위칭 소자, 예를 들어 MOSFET, IGBT로 구성된다. 인버터(220)는 단상 또는 3상에 따라 스위칭 소자의 개수를 달리한다. 인버터(220)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 입력단에 구비되고 입력 전압에 포함된 고조파를 제거하는 입력 리액터(222)를 포함할 수 있다. 또, 인버터(220)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 구동 유닛(250)의 구동 신호에 따라 구동되어 입력 리액터(222)를 거친 입력 전압을 교류 전압으로 변환하는 변환부(223)를 더 포함할 수 있다. 또, 인버터(220)는, 출력단에 구비되고 변환부(223)를 통해 변환된 교류 전압에 포함된 고조파를 제거하는 출력 리액터(224)를 더 포함할 수 있다.
직류 링크 커패시터(221)는 입력 전압을 평활화하고 직류 링크 전압으로 저장한다. 구동 유닛(250)은, 직류 링크 전압과 부하 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 계통 릴레이(240)를 구동한다. 예를 들어, 구동 유닛은, 직류 링크 전압과 부하 전압의 피크 값을 비교하고, 비교 결과에 따라 계통 릴레이(240)를 구동할 수 있다.
도 5를 참조하면, 태양광 발전 장치(200)는 인버터 및 직류 링크 커패시터의 입력단에 구비되어 직류 전압을 일정 범위의 직류 전압으로 변환하는 컨버터(270)를 더 포함할 수 있다. 컨버터(270)는 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 3을 참조하면, 태양광 발전 장치(200)는 전력 공급 장치(100)에 연결된다. 전력 공급 장치(100)는, 상기 부하에 공급하고 남은 잔여 전력을 저장하는 배터리(130)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 전력 공급 장치는 상기 기상 정보를 이용하여 연산한 상기 태양광 발전량과 상기 배터리에 저장된 잔여 전력의 합이 상기 부하 요구량보다 작으면, 상기 계통 전력을 공급받는다.
도 2를 참조하면, 전력 공급 장치(100)는, 상기 기상 정보가 저장된 서버에 접속하고 상기 서버로부터 상기 기상 정보를 수신하는 통신 유닛(140)을 더 포함하여 구성된다. 발전량 연산 유닛(110)은, 상기 기상 정보에 포함된 운량을 근거로 일사량을 산출하고, 상기 일사량을 이용하여 상기 태양광 발전량을 연산한다. 통신 유닛(140)은 유무선 통신 방식, 위성 통신 방식 등 가용한 통신 방식과 이에 대응하는 프로토콜을 구비한다. 통신 유닛(140)은 RS-485 등의 시리얼 통신, 유무선 인터넷, Wi-Fi 등의 무선 통신 등을 이용하여 기상 정보가 저장된 서버, 예를 들어 기상청 데이터 서버, 인터넷 서버 등에 접속할 수 있다.
예를 들어, 통신 유닛(140)은 유무선 인터넷 등을 이용하여 기상 정보가 저장된 기상청의 서버에 접속하여 기상청에서 제공하는 XML 형식의 기상 정보를 수신한다. 전력 공급 장치(100)는, 도 7에 도시한 바와 같은, 기상청에서 제공하는 XML 형식의 기상데이터를 분석하여 특정 정보, 예를 들어 운량(운량(雲量),를 획득하여 태양광 발전량을 예측한다. 제어 유닛(120)은, 태양광 발전량과 부하 요구량, 예를 들어 가정 내 평균 전력 사용량,을 고려하여 효율적인 전력 운용 스케줄을 산출한다. 즉, 전력 공급 장치(100)는 기상청에서 제공하는 각 지역의 기상정보를 분석하여 해당 지역의 태양광 발전량을 예측한다.
또, 도 2를 참조하면, 전력 공급 장치는, 상기 운량과 상기 일사량의 관계를 미리 데이터베이스화하여 저장하는 저장 유닛(150)을 더 포함할 수 있다. 저장 유닛(150)은 평년, 예를 들어 최근 10년간, 동안의 운량과 일사량 데이터를 저장한다. 저장 유닛(150)은 평년 동안의 운량 및 일사량 데이터를 각 시기별로 데이터베이스화하여 저장할 수 있다. 발전량 연산 유닛(110)은 해당일의 운량이 결정되면 저장 유닛(150)에 저장된 운량 및 일사량의 관계로부터 일사량을 도출하고, 이를 이용하여 태양광 발전량을 연산할 수 있다.
또, 발전량 연산 유닛(110)은 일정 기간, 예를 들어 최근 일주일 간, 동안의 데이터를 참조하여 예측되는 운량과 유사한 기상 조건일 경우에 해당하는 일사량을 이용할 수 있다. 예를 들어, 발전량 연산 유닛(110)은 평년데이터에 기반한 일사량에 일정 계수(0.4)를 곱한 값과, 최근 일주일 간 데이터에 기반한 일사량에 다른 일정 계수(0.6)를 곱한 값을 합산하여 일사량을 산출한다. 그런 다음, 발전량 연산 유닛(110)은 일사량과 태양 전지 면적, 그리고 시스템 효율을 이용하여 태양광 발전량을 연산한다.
제어 유닛(120)은 발전량 연산 유닛(110)이 연산한 태양광 발전량을 이용한다. 도 6은, 일정 기간, 예를 들어 한 달, 동안의 태양광 발전량과 부하 사용량을 보인 그래프이다. 즉, 도 6은 실제로 태양광 발전 장치의 태양광 발전량, 부하 사용량으로서 결과를 그래프로 도시화한 것이다. 이를 참조하여, 전력 공급 장치가 부하에 전력을 공급하는 동작을 설명한다. 여기서, 부하 사용량은 바꾸어 말하면 부하 요구량이 된다. 각 계절에 따라 A, B, C, D 값이 달라진다. 예를 들어, 4계절 중 여름인 8월의 경우, A = 2.8KWh, B = 6.5KWh, C = 3.7KWh, D = 3.4 KWh이다. 반면, 봄, 가을의 경우, A = 2.9KWh, B = 6.9KWh, C = 2.5KWh, D = 3.0 KWh, 겨울인 1월의 경우, A = 3.2KWh, B = 6.4KWh, C = 2.9KWh, D = 3.5 KWh로 달라질 수 있다. 또, 일정 기간을 달리하거나 계측기간을 달리하면 위의 수치는 달라진다(상기의 값들은 설명을 위해 임시로 사용한 값들이다). 하루의 태양광 발전량은 B + D영역이고, 하루의 부하 요구량은 A + D + C영역이 된다. 또, A, C영역은 부하 요구량이 태양광 발전량보다 큰 영역이고, B, D 영역은 낮 시간으로서 태양광 발전량이 부하 요구량보다 커서 여유 전력이 발생하는 영역이다. 그 중, D 영역은 낮 시간의 부하 요구량에 해당하는 영역이고, B 영역은 여유 전력에 해당하는 영역이다. 이로부터, 태양광 발전량 중 낮 시간 부하 공급 후 잔여 전력은 평균 6.4 ~ 6.9 KWh이고, 하루 중 태양광 발전량으로 충당되지 아니하는 부하 요구량은 A + C영역으로서, 5.4 ~ 6.5 KWh임을 알 수 있다.
잔여 전력은 상기 배터리(130)에 저장될 수 있다. 배터리(130)에 저장된 잔여 전력은 A + C 영역, 즉 야간에 부하에 공급될 수 있다. 이때, 배터리(130)의 용량은, 최소로 A, C영역에서 공급 가능한 용량, 최대로 B 영역을 최대로 수용했을 때의 용량으로 설정되는 것이 좋다. 제어 유닛(120)은 발전량 연산 유닛(110)이 연산한 태양광 발전량과 배터리(130)에 저장된 잔여 전력을 부하 요구량과 비교한다. 비교 결과, 태양광 발전량과 잔여 전력의 합이 부하 요구량보다 작으면 상용 전원과 연결되어 전력을 공급받도록 한다. 전력 공급 장치는, 특히 심야시간대에 상용 전원으로부터 미리 전력을 공급받아 배터리(130)에 저장할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 태양광 발전 장치 연계형 전원 공급 장치 및 전원 공급 시스템은, 기상 정보, 특히 운량, 일사량 등을 이용하여 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 예측할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시 예들은 부하에 대한 전력 운용 스케쥴을 효율적으로 수립할 수 있게 한다. 본 발명의 실시 예들은 태양광 발전량을 연산하고 태양광 발전량과 부하 요구량을 비교하며, 비교 결과를 근거로 상용 전원과 연결하거나 또는 잔여 전력을 저장함으로써 부하에 공급하는 공급 전력의 배분을 효율적으로 수행할 수 있다.
100: 전력 공급 장치 200: 태양광 발전 장치
110: 발전량 연산 유닛 130: 배터리

Claims (13)

  1. 하나 이상의 태양 전지를 이용하여 발전하는 태양광 발전 장치와 연계되어 부하에 전력을 공급하는 전력 공급 장치에 있어서,
    기상 정보를 근거로 상기 태양광 발전 장치의 태양광 발전량을 연산하는 발전량 연산 유닛; 및
    상기 태양광 발전량과 상기 부하에 대한 부하 요구량을 근거로 상기 부하에 공급하는 공급 전력을 배분하는 제어 유닛;을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 태양광 발전량이 상기 부하 요구량보다 작으면, 상용 전원으로부터 계통 전력을 공급받도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 부하에 공급하고 남은 잔여 전력을 저장하는 배터리;를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 기상 정보를 이용하여 연산한 상기 태양광 발전량과 상기 배터리에 저장된 잔여 전력의 합이 상기 부하 요구량보다 작으면, 상기 계통 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 기상 정보가 저장된 서버에 접속하고 상기 서버로부터 상기 기상 정보를 수신하는 통신 유닛;을 더 포함하는 전력 공급 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 발전량 연산 유닛은,
    상기 기상 정보에 포함된 운량을 근거로 일사량을 산출하고, 상기 일사량을 이용하여 상기 태양광 발전량을 연산하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 운량과 상기 일사량의 관계를 미리 데이터베이스화하여 저장하는 저장 유닛;을 더 포함하는 전력 공급 장치.
  7. 하나 이상의 태양전지를 이용하여 발전하고, 발전한 직류 전원을 공급하는 태양광 발전 장치;
    상기 태양광 발전 장치의 태양광 발전량과 부하에 대한 부하 요구량을 근거로 상기 부하에 공급하는 공급 전력을 배분하는 전력 공급 장치;를 포함하고,
    상기 전력 공급 장치는,
    기상 정보를 근거로 상기 태양광 발전량을 연산하는 발전량 연산 유닛;을 포함하는 전력 공급 시스템.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 전력 공급 장치는,
    상기 부하에 공급하고 남은 잔여 전력을 저장하는 배터리;를 더 포함하고,
    상기 기상 정보를 이용하여 연산한 상기 태양광 발전량과 상기 배터리에 저장된 잔여 전력의 합이 상기 부하 요구량보다 작으면, 상용 전원으로부터 계통 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기상 정보가 저장된 서버에 접속하고 상기 서버로부터 상기 기상 정보를 수신하는 통신 유닛;을 더 포함하는 전력 공급 시스템.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 발전량 연산 유닛은,
    상기 기상 정보에 포함된 운량을 근거로 일사량을 산출하고, 상기 일사량을 이용하여 상기 태양광 발전량을 연산하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 운량과 상기 일사량의 관계를 미리 데이터베이스화하여 저장하는 저장 유닛;을 더 포함하는 전력 공급 시스템.
  12. 제7 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 태양광 발전 장치는,
    상기 태양광 발전 장치로부터 입력된 입력 전압을 평활화하고 직류 링크 전압으로 저장하는 직류 링크 커패시터;
    상기 직류 링크 전압을 상기 부하에 따라 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 부하의 사이에 구비되는 계통 릴레이; 및
    상기 입력 전압 및 부하 전압을 근거로 상기 계통 릴레이를 구동하는 구동 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  13. 제12 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 전력 공급 시스템.
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