KR20130104161A - 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 태양전지 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되며, 상기 태양전지 모듈을 통해 태양광이 직류전류로 변환되어 생산되는 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이에 연결되어 상기 태양전지 어레이로부터 인가되는 직류전류가 충전되고, 상기 직류전류가 태양전지 어레이로 역류되는 것을 방지하는DC 전력 조절 장치, 상기 DC 전력 조절 장치에 연결되어 상기 DC 전력 조절 장치로부터 인가되는 상기 직류전류를 교류전류로 변환하여 부하회로를 포함하여 구성되는 전력 계통에 전달하는 온 그리드(On-Grid) 인버터, 상기 온 그리드 인버터에 연결되어 상기 온 그리드 인버터로부터 인가되는 전력이 소비되는 계통 연계, 상기 온 그리드 인버터에 연결되어 프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 통해서 상기 DC 전력 조절 장치에서 인가된 상기 직류전류를 에너지 저장 장치로 전달하는 오프 그리드(Off-Grid) 인버터 및 상기 오프 그리드 인버터에 연결되어 상기 태양전지 어레이에서 과잉 생산된 잉여전력이 저장되는 에너지 저장 장치를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템이다.

Description

태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법 {System and control method for Photovoltaics}
본 발명은 태양광 발전에 사용되는 태양전지 어레이와 계통 연계 사이에 위치하여 그 연결과 전력 공급을 담당하는 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 에너지 저장 장치, 온 그리드 인버터 및 오프 그리드 인버터가 구비되어 태양광 발전을 통해서 생산되는 잉여전력을 제어하는 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
전세계적으로 신재생에너지의 사용 확대 및 전력의 수요 증가로 인해 에너지 저장 장치에 관한 시장이 급팽창할 전망이다. 이때, 에너지 저장 장치는 전력 생산이 불안정한 신재생에너지의 안정적인 계통 연계를 위해 필수적이며, 과잉 생산된 전력을 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급하여 에너지 사용 효율을 높이는 장치이다.
본 발명은 프로그램 제어 방식으로 자동 제어되는 온 그리드 인버터 및 오프 그리드 인버터를 에너지 저장 장치와 연결하며, 이를 통해 에너지 사용 효율을 극대화하도록 구성된 태양광 발전 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
한국 공개 특허 10-0119523호("고밀도 2차 전지를 적용한 계통 연계형 충방전 인버터 시스템 및 그 운용 방법", 이하 선행기술 1)는 태양광 발전을 통해서 생산되는 전력에 대해서 각각의 충전기와 방전기를 별도로 구비하여 이를 이용하여 과잉 생산된 잉여전력을 충전하거나, 방전하는 일반적인 구조를 개시하고 있다.
한국공개특허 제 01196523호 (공개일자 2010.11.09)
본 발명의 목적은 온 그리드 인버터 및 오프 그리드 인버터를 에너지 저장 장치에 연결함으로써, 에너지 사용 효율을 극대화 할 수 있도록 하는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 프로그램 제어 방식(PLC)을 통해 자동 제어되는 온 그리드 인버터 및 오프 그리드 인버터를 이용해서 과잉 생산되어 계통 연계에서 소비되지 못하는 잉여전력을 저장하거나 필요시에 소비하는 방법을 에너지 저장 장치를 통해서 단순하게 하는 태양광 발전 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되며, 상기 태양전지 모듈을 통해 태양광이 직류전류로 변환되어 생산되는 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이에 연결되어 상기 태양전지 어레이로부터 인가되는 직류전류가 충전되고, 상기 직류전류가 태양전지 어레이로 역류되는 것을 방지하는DC 전력 조절 장치, 상기 DC 전력 조절 장치에 연결되어 상기 DC 전력 조절 장치로부터 인가되는 상기 직류전류를 교류전류로 변환하여 부하회로를 포함하여 구성되는 전력 계통에 전달하는 온 그리드(On-Grid) 인버터, 상기 온 그리드 인버터에 연결되어 상기 온 그리드 인버터로부터 인가되는 전력이 소비되는 계통 연계, 상기 온 그리드 인버터에 연결되어 프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 통해서 상기 DC 전력 조절 장치에서 인가된 상기 직류전류를 에너지 저장 장치로 전달하는 오프 그리드(Off-Grid) 인버터 및 상기 오프 그리드 인버터에 연결되어 상기 태양전지 어레이에서 과잉 생산된 잉여전력이 저장되는 에너지 저장 장치를 포함하여 구성된다.
상기 에너지 저장 장치는 상기 계통 연계에서 소비되는 전력이 부족하면, 상기 에너지 저장 장치에 저장된 상기 잉여전력이 오프 그리드 인버터를 거쳐서 온 그리드 인버터로 역 전송되는 것이 바람직하다.
상기 프로그램 제어 방식은 상기 온 그리드 인버터 또는 오프 그리드 인버터를 제어하며, 상기 계통 연계로 인가되는 상기 전력의 흐름을 통제하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양광 발전 제어 방법은 상기 계통 연계에서 소비되는 최소 전력량이 감지되는 단계, 감지된 상기 전력량을 통해서 상기 계통 연계에서 소비되는 최소 전력이 상기 온 그리드 인버터를 거쳐서 상기 계통 연계로 공급되는 단계, 감지된 상기 전력량을 통해서 상기 계통 연계에서 소비되는 최소 전력을 초과하는 전력의 공급이 차단되는 단계, 공급이 차단된 상기 과잉 전력은 상기 오프 그리드 인버터를 거쳐서 상기 에너지 저장 장치로 공급되는 단계, 상기 계통 연계로 공급되는 최소 전력량의 부족 여부가 판단되는 단계, 및 상기 최소 전력량이 부족하면, 상기 에너지 저장 장치에 인가된 상기 과잉 전력이 상기 오프 그리드 인버터로 역 전송되며, 상기 오프 그리드 인버터를 거쳐서 온 그리드 인버터로 공급되는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 태양광 발전 제어 방법은 프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 이용하여 상기 온 그리드 인버터 또는 오프 그리드 인버터를 제어하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 태양광 발전 시스템은 온 그리드 인버터, 오프 그리드 인버터 및 에너지 저장 장치로 구성을 취함으로써 태양광 발전을 통해 과잉 생산되고 계통 연계에서 소비되지 못하는 잉여전력을 쉽게 제어함으로써 에너지 사용 효율을 극대화하는 효과가 있다.
보다 구체적으로는, 프로그램 제어 방식으로 자동 제어되는 온 그리드 인버터 및 오프 그리드 인버터를 이용해서 잉여전력을 에너지 저장 장치에 저장하거나, 저장된 잉여전력을 계통 연계에서 추가 전력이 필요 시, 별도의 비용이나 추가 인력 없이도 자동으로 계통 연계로 전력이 인가되어 소비될 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성에 대해 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법에 대해 나타낸 순서도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 태양광 발전 시스템 및 제어 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성에 대해 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이(10), DC 전력 조절 장치(20), 온 그리드 인버터(30), 계통 연계(40), 오프 그리드 인버터(50) 및 에너지 저장 장치(60)를 포함하여 이루어진다.
도 1을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
일반적으로 온 그리드 인버터를 이용한 태양광 발전 시스템은 직류로 공급되는 태양광 전력을 온 그리드 인버터를 통해 교류로 변환시켜 안정된 전력을 계통 연계에서 소비하는 방식이며,
오프 그리드 인버터를 이용한 태양광 발전 시스템은 일반적으로 직류로 공급되는 태양광 전력을 그대로 저장해두었다가 소비하는 방식이다.
태양전지 어레이(10)는 태양전지 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되며, 태양전지 모듈을 통해 태양광이 직류전류로 변환되어 생산하는 장치이다. 일반적으로, 태양광 발전 시스템을 포함하여 구성되는 신재생에너지 시스템은 전력의 발전량과 발전 시점이 불규칙함으로 전력 공급을 일정하게 조절해야 할 필요가 있다.
DC 전력 조절 장치(20)는 태양전지 어레이(10)에 연결되어 태양전지 어레이(10)로부터 인가되는 직류전류가 충전되고, 충전된 직류전류를 온 그리드 인버터(30)로 전달할 수 있다. 또한 전달된 직류 전류가 태양전지 어레이(10)로 역류하는 것을 방지할 수도 있다. 태양전지 어레이(10)에서 만들어지는 전류량은 온 그리드 인버터(30)를 원활하게 구동하는데 미흡한 부분이 있기 때문에, 태양전지 어레이(10)에서 생산되는 직류전류가 DC 전력 조절 장치(20)에 충전됨으로써 온 그리드 인버터(30)을 원활하게 구동하기 위한 충분한 전류가 안정적으로 인가되는 것이 가능할 수 있다.
온 그리드(On-Grid) 인버터(30)는 DC 전력 조절 장치(20)에 연결되어 DC 전력 조절 장치(20)로부터 인가되는 직류전류를 교류전류로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 교류전류를 전력 계통에 전달되어 소비될 수 있다.
계통 연계(40)는 온 그리드 인버터(30)에 연결되어 온 그리드 인버터(30)로부터 인가되는 전력이 소비되며, 전력이 소비되는 전력 계통 장치로는 발전소, 변전소, 송전선 등으로 볼 수 있다.
오프 그리드(Off-Grid) 인버터(50)는 온 그리드 인버터(30)에 연결되어 프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 통해서 제어될 수 있다. 아울러, DC 전력 조절 장치(20)로부터 인가되는 직류전류를 에너지 저장 장치(60)로 전달할 수 있다. 이때, 프로그램 제어 방식(PLC)은 온 그리드 인버터(30) 및 오프 그리드 인버터(50)를 자동 제어함으로써, 온 그리드 인버터(30) 또는 오프 그리드 인버터(50)를 거쳐서 계통 연계(40)로 인가되는 전력의 흐름을 통제할 수 있다.
에너지 저장 장치(60)는 오프 그리드 인버터(50)에 연결되어 태양전지 어레이(10)에서 생산되었지만, 계통 연계(40)에서 소비하지 못한 잉여전력, 즉 과잉 생산된 전력을 저장할 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치(60)는 계통 연계(40)에서 소비되는 전력이 부족하면, 에너지 저장 장치(60)에 저장되어 있는 잉여전력을 오프 그리드 인버터(50)를 거쳐서 온 그리드 인버터(30)로 역 전송할 수 있다. 이를 통해, 태양전지 어레이(10)에서 생산된 전력의 사용 효율을 극대화하며, 그 과정을 프로그램 제어 방식(PLC)을 통해 자동 제어함으로써, 필요 인력 및 비용을 절감하는 효과가 있다.
다시 말하자면, 에너지 저장 장치(60)는 신재생에너지 시스템이 가지고 있는 시간 또는 장소에 따라 전력 생산이 불안정한 단점을 해결하기 위하여, 과잉 생산되어 남게 된 잉여전력을 에너지 저장 장치(60)에 저장해두었다가 일정하게 전력을 공급하거나, 전력의 소비가 증가하게 되는 피크시간에 더 많은 전력을 공급할 수 있게 된다. 즉, 공급 전력과 소비 전력이 양방향으로 정보를 교환하여 최적의 시간에 전력을 주고받음으로써, 가장 효율적인 전력의 생산과 소비를 가능하게 하는 장치이다.
도 2를 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명인 태양광 발전 제어 방법은 온 그리드 인버터(30) 및 오프 그리드 인버터(50)를 자동 제어하여 태양전지 어레이(10)에서 과잉 생산된 잉여전력을 에너지 저장 장치(60)로 저장하거나, 저장된 잉여전력을 필요 시에 계통 연계(40)로 전달하여 소비하는 방법으로서, 프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 이용하여 온 그리드 인버터(30) 및 오프 그리드 인버터(50)를 자동 제어할 수 있다. 이때, 프로그램 제어 방식(PLC)은 제어 장치의 일종으로서 미리 정해진 순서로 조건에 따라 각종 기계 및 공정을 제어하는 장치이다.
계통 연계(40)에서 소비되는 최소한의 전력량만이 인가될 수 있도록 최소의 전력량을 감지한다.(S210)
감지된 계통 연계(40)에서 최소한으로 소비되는 전력량을 통해서 최소한의 전력만을 프로그램 제어 방식(PLC)을 이용하여 온 그리드 인버터(30)를 통해서 계통 연계(40)로 공급한다.(S220) 온 그리드 인버터(30)를 통과함으로써, 태양전지 어레이(10)를 통해서 생산된 직류전류는 안정적인 교류전류로 변환되어 계통 연계(40)로 공급될 수 있다.
이때, 계통 연계(40)에서 소비된 최소한의 전력을 제외한 태양전지 어레이(10)를 통해 과잉 생산된 잉여전력의 계통 연계(40)로의 공급은 차단된다.(S230)
태양전지 어레이(10)를 통해 과잉 생산되어 계통 연계(40)로의 공급이 차단된 잉여전력은 오프 그리드 인버터(50)를 거쳐서 에너지 저장 장치(60)로 공급된다.(S240) 이때, 오프 그리드 인버터(50)를 통과함으로써, 태양전지 어레이(10)를 통해서 생산된 직류전류는 직류전류 그대로 에너지 저장 장치(60)에 저장될 수 있다.
최소한으로 소비될 수 있는 전력량만이 공급된 계통 연계(40)의 소비 전력 부족 여부를 판단한다.(S250)
판단 결과에 따라, 최소한의 소비 전력량이 부족하면, 에너지 저장 장치(60)에 저장되어 있는 태양전지 어레이(10)에서 생산된 잉여전력이 오프 그리드 인버터(50)로 역 전송되며, 오프 그리드 인버터(50)에 인가된 잉여전력을 온 그리드 인버터(30)로 공급한다.(S260)
이때, 온 그리드 인버터(30)로 공급된 잉여전력은 온 그리드 인버터(30)를 통해서 직류전류에서 교류전류로 변환되어 계통 연계(40)로 공급될 수 있다.(S220) 또한, 계통 연계(40)의 소비 전력 부족 여부를 판단함에 있어서(S250), 공급된 전력이 부족하지 않다고 판단되면 제어를 종료할 수 있다.
다시 말하면, 이러한 과정이 프로그램 제어 방식(PLC)을 통해서 온 그리드 인버터(30) 및 오프 그리드 인버터(50)를 자동으로 제어함으로써, 태양전지 어레이(10)에서 과잉 생산된 잉여전력을 에너지 저장 장치(60)에 저장하거나, 필요시 에너지 저장 장치(60)에 저장되어 있는 잉여전력을 소비하는 과정이 단순해지는 특징이 있다. 이에 따라, 에너지 저장 장치(60)를 통해 태양전지 어레이(10)에서 생산된 에너지 사용 효율을 극대화할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에서의 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 태양전지 어레이 20 : DC 전력 조절 장치
30 : 온 그리드 인버터 40 : 계통 연계
50 : 오프 그리드 인버터 60 : 에너지 저장 장치

Claims (5)

  1. 태양전지 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되며, 상기 태양전지 모듈을 통해 태양광이 직류전류로 변환되어 생산되는 태양전지 어레이;
    상기 태양전지 어레이에 연결되어 상기 태양전지 어레이로부터 인가되는 직류전류가 충전되고, 상기 직류전류가 태양전지 어레이로 역류되는 것을 방지하는DC 전력 조절 장치;
    상기 DC 전력 조절 장치에 연결되어 상기 DC 전력 조절 장치로부터 인가되는 상기 직류전류를 교류전류로 변환하여 부하회로를 포함하여 구성되는 전력 계통에 전달하는 온 그리드(On-Grid) 인버터;
    상기 온 그리드 인버터에 연결되어 상기 온 그리드 인버터로부터 인가되는 전력이 소비되는 계통 연계;
    상기 온 그리드 인버터에 연결되어 프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 통해서 상기 DC 전력 조절 장치에서 인가된 상기 직류전류를 에너지 저장 장치로 전달하는 오프 그리드(Off-Grid) 인버터; 및
    상기 오프 그리드 인버터에 연결되어 상기 태양전지 어레이에서 과잉 생산된 잉여전력이 저장되는 에너지 저장 장치;
    를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는
    상기 계통 연계에서 소비되는 전력이 부족하면, 상기 에너지 저장 장치에 저장된 상기 잉여전력이 오프 그리드 인버터를 거쳐서 온 그리드 인버터로 역 전송되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프로그램 제어 방식은
    상기 온 그리드 인버터 또는 오프 그리드 인버터를 제어하며, 상기 계통 연계로 인가되는 상기 전력의 흐름을 통제하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항의 시스템에 의한 태양광 발전 제어 방법에 있어서,
    A) 상기 계통 연계에서 소비되는 최소 전력량이 감지되는 단계;
    B) 감지된 상기 전력량을 통해서 상기 계통 연계에서 소비되는 최소 전력이 상기 온 그리드 인버터를 거쳐서 상기 계통 연계로 공급되는 단계;
    C) 감지된 상기 전력량을 통해서 상기 계통 연계에서 소비되는 최소 전력을 초과하는 전력의 공급이 차단되는 단계;
    D) 공급이 차단된 상기 과잉 전력은 상기 오프 그리드 인버터를 거쳐서 상기 에너지 저장 장치로 공급되는 단계;
    E) 상기 계통 연계로 공급되는 최소 전력량의 부족 여부가 판단되는 단계;및
    F) 상기 최소 전력량이 부족하면, 상기 에너지 저장 장치에 인가된 상기 과잉 전력이 상기 오프 그리드 인버터로 역 전송되며, 상기 오프 그리드 인버터를 거쳐서 상기 온 그리드 인버터로 공급되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 태양광 발전 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    프로그램 제어 방식(PLC, Programmable Logic Controller)을 이용하여 상기 온 그리드 인버터 또는 오프 그리드 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 방법.
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