KR20140032877A - 태양광 발전 설비 - Google Patents

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노어버트 블락카
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아에게 파워 솔루션즈 베.파우
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Abstract

- 다수의 스트링(2)에 상호 접속되는, 전류 생성을 위한 태양광 발전 모듈(1),
- 태양광 발전 모듈에 의해 생성된 전기 에너지를 전력 공급망 내의 전압의 전압 형태에 상응하는 전압 형태의 전압을 갖는 전기 에너지로 변환하기 위한 제 1 중앙 교류 변환기(5) 및,
- 변환된 전류를 전력 공급망에 공급하기 위한 출력부를 포함하는 태양광 발전 설비로서,
상기 제 1 교류 변환기(5)는 샤프트들이 서로 결합된 적어도 하나의 전기 모터(51)와 동기 발전기(52)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전 설비{PHOTOVOLTAIC POWER PLANT}
이 발명은 병렬 접속된 다수의 스트링에 상호 접속되는, 전류 공급을 위한 태양광 발전 모듈, 태양광 발전 모듈에 의해 생성된 전기 에너지를 전력 공급망 내의 전압의 전압 형태에 상응하는 형태의 전압을 갖는 전기 에너지로 변환하기 위한 제 1 중앙 교류 변환기 및, 변환된 전류를 전력 공급망에 공급하기 위한 출력부를 포함하는 태양광 발전 설비에 관한 것이다.
오늘날 태양광 발전 설비는 세계의 여러 곳에서 보편적으로 이용된다. 일반적으로 작은 전력만을 보유하는 독립 작동식 태양광 발전 설비 외에 계통 연계식 태양광 발전 설비가 점점 중요해지고 있다. 독립 작동식 태양광 발전 설비와 달리, 계통 연계식 설비는 획득된 전기 에너지를 대부분 저장하는 것이 아니라, 상기 에너지를 전력 공급망에 공급한다. 공급받는 공급망은 저전압 공급망, 중전압 공급망, 고전압 공급망일 수 있고, 이 경우 독일에서는 현재 대부분 저 또는 중간 수준에서, 즉 저전압 공급망 또는 중전압 공급망에서 공급이 이루어진다.
전기 에너지의 주요 공급원은 대부분의 공업 국가에서 화력 발전 및 수력 발전이다. 화력 발전은 석탄, 가스 또는 오일의 화학 에너지 또는 원자력 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 수력 발전은 물의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 생성한다. 화력 또는 물에 의해 일반적으로 동기 발전기가 구동되고, 상기 발전기는 발전소의 출력부에 사인파의 전압을 제공하고, 상기 전압이 전력 공급망에 인가한다. 동기 발전기로부터 생성된 전압에는 상부 고조파와 하부 고조파가 거의 발생하지 않는다.
태양광 발전 설비는 경우 특히 복잡하게 이루어질 수 있는데, 그 이유는 태양광 발전 설비의 태양광 발전 모듈은 먼저 직류 전압을 생산하고, 상기 직류 전압은 스트링 인버터 또는 중앙 인버터라고 하는 인버터에 의해 교류 전압으로 변환되기 때문이다. 변환은 현재 대량으로 적절한 가격으로 공급되는 파워 전자 소자에 의해 이루어진다. 그러나 인버터에 의해 제공되는 전압에는 기본적으로 상부 고조파 또는 하부 고조파가 발생한다. 따라서 생성된 전기 에너지를 전력 공급망에 공급하기 전에 상부 고조파 및 하부 고조파를 필터링하기 위해 현재로서는 복잡한 공정이 요구된다. 특히 대형 태양광 발전 설비의 경우에는 공정이 매우 복잡하다.
전력 공급망에 태양광 발전 설비가 접속하기 전에, 전기 에너지의 공급에 대한 전력 공급망 조작자의 요구가 반영되었음이 전력 공급망 조작자에게 검증되어야 한다. 이때, 기본적으로 발전 설비의 전력이 클수록 검증 과정이 복잡해진다.
이 발명의 목적은 이러한 복잡도를 낮추는 것이다.
이 발명의 과제는, 태양광 발전 설비에 의해 생성된 전기 에너지의 공급이 가능한 한 상부 고조파 및 하부 고조파가 없이 가능하도록 태양광 발전 설비를 개선하는 것이다.
상기 과제는 이 발명에 따라, 태양광 발전 설비의 제 1 중앙 교류 변환기가 샤프드들이 서로 결합되는 적어도 하나의 전기 모터와 동기 발전기를 포함함으로써 해결된다.
태양광 발전 설비의 역사적인 발전은 지난 세기의 80-90년대에 낮은 전력의 최초의 태양광 발전 설비가 전기 회로망에 에너지를 공급하기 위해 전력 공급망에 접속했던 태양광 발전의 선구자들에 의해 시작된다. 이러한 태양광 발전 선구자들의 일부에 의해 직접 설계된 태양광 발전 설비는 지금도 여전히 사용되는 기본 형태의 인버터를 구비하고 있었다. 사용된 파워 반도체 소자와 그로부터 구축된 인버터는 이후 계속해서 기술적으로 개선되었다. 모듈과 인버터의 성능은 확장되었다. 상기 모듈과 인버터는 태양광 발전 설비를 대형화시킬 수 있었으므로, 오늘날 수 메가와트의 전력을 보유한 태양광 발전 설비가 가능하다.
기본적으로, 과거에는 태양광 발전 설비의 토폴로지는 거의 변화가 없었다. 공급 전에 반도체 소자를 포함하는 인버터에 의해 직류에서 교류로 변환이 이루어졌고, 여전히 이루어지고 있다. 다른 개선 사항들을 검색하였지만 공지되어 있지 않다.
오래전부터 공개된 전기 모터와 동기 발전기를 이용한 이 발명에 따른 직류에서 교류로 변환은 일련의 장점들을 제공한다.
먼저 태양광 발전 설비는 전력 공급망에 접속될 수 있고, 이때 태양광 발전 설비로부터 상부 고조파 또는 하부 고조파가 전력 공급망으로 전달될 위험은 없다.
또한 전력 공급망에 일치시키는 전기 에너지의 변환과 전압의 제공은 다른 장점들을 제공한다:
전기 모터 및 동기 발전기는 회전자로 인해 회전하는 질량을 갖는다. 이러한 회전하는 질량은 운동 에너지를 저정하고, 예컨대 구름에 의해 일시적으로 변경되는 태양 복사에 의한 태양광 발전 모듈의 전력 변동은 갑작스러운 전력 감소 시 회전자와 샤프트의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환됨으로써 완화될 수 있다.
동기 발전기는 수십 년 전부터 공급망에 맞는 전기 에너지를 생성하기 위해 사용되고 있다. 공급망 조작자는 전력 공급망에 대한 동기 발전기의 가능한 작용과 기술을 인지하고 있다. 따라서 이 발명에 따른 태양광 발전 설비의 공급망 접속의 허용은 전력 공급망 조작자의 판단을 따른다. 공급망측 장애를 복구하지 않아도 되고, 오히려 가용 전기의 품질이 개선되기 때문에, 전력 공급망 조작자는 바람직하게 태양광 발전 설비를 공급망에 접속시킬 수 있다.
종래의 인버터와 달리 동기 발전기에서 여자 조절에 의해 유휴 전력이 저장 또는 제어될 수 있다.
본질적으로 동기 발전기는 반도체 소자들을 포함하는 인버터와 달리 단락 및 과전압에 대해 강하다.
이러한 여러 장점들은 대형 태양광 발전 설비의 설계자 및 개발자들도 인식하지 못하였다. 과거에는 물론 현재에도 반도체 소자를 포함하는 인버터를 통한 태양광 발전 설비의 접속에 대한 통찰력은 부족하다.
이 발명에 따른 태양광 발전 설비에서 적어도 하나의 샤프트는 회전 질량에 연결될 수 있거나 또는 회전 질량은 샤프트들 중 하나에 의해 구동될 수 있다. 회전 질량은 운동 에너지의 추가 저장을 가능하게 하고, 이는 태양광 발전 설비가 태양 복사의 일시적인 변화와 무관하게 만든다.
회전 질량은 이 발명의 특히 바람직한 실시예에서 커플링을 통해 샤프트들 중 하나에 연결될 수 있다. 커플링의 상태에 따라 에너지는 샤프트로부터 회전 질량으로 전달될 수 있거나 또는 회전 질량으로부터 샤프트로 전달될 수 있거나 또는 에너지는 회전 질량 내에 그대로 저장된다. 커플링이 결합되면, 에너지가 전달된다. 커플링이 결합 해제되면, 에너지 전달은 이루어지지 않는다. 따라서 운동 에너지는 필요에 따라 저장되거나 또는 전기 에너지로 변환될 수 있다.
이 발명에 따른 태양광 발전 설비는 제 1 중앙 교류 변환기 외에 제 2 교류 변환기, 즉 태양광 발전 모듈에 의해 생성될 수 있는 직류를 교류로 변환하는 중앙 인버터를 포함할 수 있다. 상기 교류는 상부 고조파 및 하부 고조파를 포함할 수 있다. 제 1 중앙 교류 변환기의 전기 모터는 바람직하게 비동기 모터이고, 상기 모터는 상기 중앙 교류 변환기로부터 전기 에너지를 공급받는다. 중앙 교류 변환기는 전류를 제공하고, 상기 전류는 이 발명에서 공급에 대한 공급망 조작자의 요구를 만족시키지 않아도 된다. 이는 중앙 교류 인버터와 전력 공급망 사이에 전기적 커플링이 이루어지지 않기 때문에 해가 되지 않는다. 비동기 모터는, 중앙 교류 변환기의 출력부의 상부 고조파 및 하부 고조파와 무관하게 작동될 수 있도록 설계된다. 특히 중앙 교류 변환기의 출력부에서 필터가 필요 없다.
이 발명에 따른 태양광 발전 설비는 제 1 중앙 교류 변환기 외에 분산형 교류 변환기, 특히 스트링 인버터를 포함할 수 있고, 상기 교류 변환기는 각각의 스트링에 접속됨으로써, 스트링의 태양광 발전 모듈에 의해 생성될 수 있는 직류는 교류로 변환될 수 있다. 또한, 이러한 태양광 발전 설비에서 제 1 중앙 교류 변환기의 적어도 하나의 전기 모터는 비동기 모터일 수 있다. 또한, 스트링 인버터에도 전류가 제공되고, 상기 전류는 이 발명에서 공급에 대한 공급망 조작자의 요구를 만족시키지 않아도 된다. 따라서, 태양광 발전 설비의 출력부에 공급망에 일치하는 전압을 얻기 위한 특수 필터는 필요 없다.
제 1 및 제 2 교류 변환기가 다수의 비동기 모터를 포함할 수 있고, 상기 모터들의 샤프트는 서로 결합된다. 각각의 비동기 모터에 태양광 발전 설비의 하나 또는 다수의 스트링이 할당되고, 비동기 모터는 상기 스트링을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 비동기 모터의 샤프트들은 서로 견고하게 결합될 수 있다. 또한, 샤프드들은 커플링 및/또는 기어, 즉 수동 기어에 의해 서로 결합될 수도 있다.
사용된 비동기 발전기(들)은 다상-비동기 모터, 특히 3상-비동기 모터일 수 있다. 상의 개수는 태양광 발전 설비의 스트링의 개수에 상응할 수 있거나 또는 스트링 개수의 적분비(integral fraction)일 수 있다.
비동기 모터의 고정자 또는 동기 모터의 고정자는 하나 이상의 극 쌍을 포함할 수 있다. 극 쌍의 개수는 태양광 발전 설비의 스트링의 개수 또는 스트링의 개수의 적분비에 상응할 수 있다.
또한, 제 1 중앙 교류 변환기의 전기 모터는 직류 모터일 수 있다. 태양광 발전 모듈로부터 생성된 전류의 변환은 불필요할 수 있다.
제 1 중앙 교류 변환기와 발전 설비의 출력부 사이에 변압기가 접속될 수 있으므로, 제 1 중앙 교류 변환기에 의해 제공될 수 있는 전압은 전력 공급망의 전압으로 승압될 수 있다. 전압 형태에는 실질적으로 영향을 미치지 않는 이러한 변압기는 예컨대 화력- 또는 원자력 발전 설비에 의해 공지되어 있다.
이 발명에 따른 태양광 발전 설비의 특수한 장점은, 태양광 발전 설비의 스트링들이 지리적으로 분배되어 배치될 수 있다는 것이다. 스트링들에 속하는 태양광 발전 모듈은 수 킬로미터 서로 떨어져 설치될 수 있고, 라인을 통해 모듈에 의해 생성된 전류를 경우에 따라서는 공급망에 일치하는 전류로 변환하기 위해, 제 1 중앙 교류 변환기에 인버터가 접속함으로써 안내될 수 있다. 모듈의 지리적 분배는, 태양광 발전 설비가 지역적인 조건, 특히 특정 장소의 날씨 조건과 무관하다는 장점을 제공한다. 이로 인해 이러한 태양광 발전 설비의 전력은 특정 장소의 조건에만 노출되는 태양광 발전 설비보다 균일하다. 심한 전력 변화가 방지될 수 있고, 이는 전력 공급망 작동자에게 전력 공급망에 대한 태양광 발전 설비의 용이한 접속을 가능하게 한다.
바람직하게는, 이 발명에 따른 태양광 발전 설비는 100 kW 이상, 특히 1 MW 이상의 전력을 보유한다. 이 발명에 따른 태양광 발전 설비의 장점들은 특히 양호하게 이용될 수 있다.
이 발명에 따른 태양광 발전 설비의 실시예는 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 태양광 발전 설비의 개략적인 회로도.
이 발명에 따른 태양광 발전 설비는 다수의 태양광 발전 모듈(1)을 포함하고, 상기 모듈은 다수의 스트링(2)에 직렬 접속된다. 스트링(2)은 스트링 인버터(3)에 접속된다. 스트링 인버터(3)의 출력부에 10 kV의 전압이 제공된다. 스트링 인버터(3)의 출력부는 중전압 라인(4)을 통해 태양광 발전 설비의 제 1 중앙 교류 변환기(5)에 접속된다. 중전압 라인(4)은 다수의 외부 도체를 포함할 수 있다.
제 1 중앙 교류 변환기(5)는 비동기 기계(51)를 포함하고, 상기 기계의 경우는 다수의 극 쌍을 가진 다상 비동기 모터일 수 있다. 상의 개수는 바람직하게 중전압 라인(4)의 외부 도체의 개수에 상응한다. 상 개수와 비동기 기계의 극 쌍의 개수의 곱은 태양광 발전 설비의 스트링(2)의 개수에 상응할 수 있다.
비동기 모터(51)의 샤프트는 동기 발전기(52)의 샤프트에 견고하게 연결된다. 또한, 동기 발전기(52)는 제 1 중앙 교류 변환기(5)의 부분이다. 따라서 비동기 모터(51)는 동기 발전기(52)를 작동시키고 전류를 생성한다.
동기 발전기(52)는 변압기(6) 후방에 접속되고, 상기 변압기는 동기 발전기(52)의 출력부에 인가하는 전압을 전력 공급망, 여기에서는 전송 회로망의 전압으로 증폭 변환한다. 전송 회로망의 전압은 예컨대 110 kV이다.
변압기(6)의 상기 제 2 측면은 110 kV 전압을 갖는 고전압 라인(7)을 통해 전송 회로망(8)에 연결된다. 고전압 라인(7)의 단부는 태양광 발전 설비의 출력부를 나타낸다.
태양광 발전 설비는 제어부 또는 제어 유닛(10)을 포함하고, 상기 제어부 또는 제어 유닛에 의해 인버터(3), 비동기 모터(5) 및 동기 발전기(52)가 제어될 수 있다. 제어 유닛(10)은 전송 회로망(8)의 조작자의 제어 유닛(9)에 연결된다. 제어 유닛(10)은 전송 회로망 조작자의 제어 유닛(9)에 태양광 발전 설비의 상태와 가용능력, 즉 예비 전력을 전달한다. 반대로 전송 회로망 사용자의 제어 유닛(9)은 발전 설비의 조작자의 제어 유닛(10)에 제공될 유휴 전력(Q)과 조절될 유효 전력 팩터(cosφ)를 전달한다.
전송 회로망 조작자의 정보에 따라 발전 설비 조작자는 제어 유닛(10)에 의해 태양광 발전 설비를 제어 및 조절한다. 특히 비동기 모터의 슬립, 극성 휠 각도(δ) 및 여자 전류(IE)가 제어 또는 조절된다. 인버터(3)의 전력도 제어 유닛에 의해 조절될 수 있다.
태양광 발전 설비 내의 공급망은 전송 공급망(8)에 의해 갈바니 전기 또는 전자기적으로 완전히 디커플링된다. 2개의 공급망들 사이의 유일한 연결은 기계적으로 서로 결합된 비동기 기계(51)와 동기 발전기(52)의 샤프트들에 의해 이루어진다. 이러한 전자기적 디커플링에 의해 태양광 발전 설비의 공급망 내에서 발생하거나 또는 발생할 수 있는 교란이 작용이 전송 회로망(8)에는 미치치 못한다. 태양광 발전 설비의 공급망 내에서 발생하는 상부 고조파와 하부 고조파는 회전 교류 변환기(5)를 통해 전달되지 않는다. 또한, 교류 변환기(5)에 의해, 발전 설비는 태양광 발전 설비의 전력 변동이 회전 질량 및 교류 변환기의 회전부의 관성에 의해 약화된 상태로만 전송 회로망(8)에 영향을 미치는 장점을 갖는다. 또한, 태양광 발전 설비의 다양한 스트링(2)의 지리적 분배 가능성에 의해 태양광 발전 설비의 전력이 더 균일해질 수 있는데, 그 이유는 스트링(2)의 태양광 발전 모듈(1)이 국부적으로 차단되어도 태양광 발전 설비의 전력이 부분적으로만 감소하는 한편, 공지된 다른 태양광 발전 설비의 경우에 부분적인 차단은 전체 발전 설비의 급격한 전력 변동을 일으킬 수 있기 때문이다.
1 태양광 발전 설비
2 스트링
3 인버터
5 교류 변환기
6 변압기
51 전기 모터
52 동기 발전기

Claims (15)

  1. - 다수의 스트링(2)에 접속되는, 전류 생성을 위한 태양광 발전 모듈(1),
    - 태양광 발전 모듈에 의해 생성된 전기 에너지를 전력 공급망 내의 전압의 전압 형태에 상응하는 전압 형태의 전압을 갖는 전기 에너지로 변환하기 위한 제 1 중앙 교류 변환기(5) 및,
    - 변환된 전류를 전력 공급망에 공급하기 위한 출력부를 포함하는 태양광 발전 설비에서,
    상기 제 1 교류 변환기(5)는 샤프트들이 서로 결합된 적어도 하나의 전기 모터(51)와 동기 발전기(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  2. 제 1 항에서, 샤프들 중 적어도 하나의 샤프트는 회전 질량에 연결되거나 또는 회전 질량은 샤프드들 중 하나의 샤프트에 의해 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  3. 제 2 항에서, 상기 회전 질량은 커플링을 통해 상기 샤프트들 중 하나의 샤프트에 연결될 수 있고, 커플링의 상태에 따라 에너지가 샤프트로부터 회전 질량으로 전달되거나 또는 상기 회전 질량으로부터 상기 샤프트로 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에서,
    - 상기 태양광 발전 설비는 제 1 중앙 교류 변환기(5) 외에 제 2 중앙 교류 변환기, 즉 상기 태양광 발전 모듈(1)에 의해 생성될 수 있는 직류를 교류로 변환하는 중앙 인버터를 포함하고,
    - 상기 제 1 교류 변환기(5)의 상기 전기 모터(51)는 비동기 모터인 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에서,
    - 상기 태양광 발전 설비는 상기 제 1 중앙 교류 변환기(5) 외에 분산형 교류 변환기(3), 특히 스트링 인버터를 포함하고, 상기 교류 변환기들은 각각의 스트링에 접속되므로, 스트링(2)의 상기 태양광 발전 모듈(1)에 의해 생성될 수 있는 직류가 교류로 변환될 수 있고
    - 상기 제 1 중앙 교류 변환기(5)의 상기 적어도 하나의 전기 모터(51)는 비동기 모터인 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  6. 제 5 항에서, 상기 제 1 중앙 교류 변환기(5)는 다수의 비동기 모터들(51)을 포함하고, 상기 모터들의 샤프트는 서로 결합되는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  7. 제 6 항에서, 각각의 비동기 모터(51)에 상기 태양광 발전 설비의 하나 이상의 스트링(2)이 할당되고, 상기 비동기 모터(51)는 상기 스트링(2)을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  8. 제 4 항 또는 제 5 항에서, 상기 비동기 모터(51)는 다상 비동기 모터, 특히 3상 비동기 모터인 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  9. 제 6 항에서, 상의 개수는 상기 태양광 발전 설비의 상기 스트링(2)의 개수에 상응하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  10. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서, 상기 비동기 모터(51)의 고정자는 하나 이상의 극 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  11. 제 8 항에서, 상기 극 쌍의 개수는 상기 태양광 발전 설비의 상기 스트링(2)의 개수에 상응하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에서, 상기 제 1 중앙 교류 변환기(5)의 상기 전기 모터(51)는 직류 모터인 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에서, 상기 제 1 중앙 교류 변환기(5)와 상기 태양광 발전 설비의 출력부 사이에 변압기(6)가 접속되므로, 상기 제 1 교류 변환기로부터 제공될 수 있는 전압은 전력 공급망의 전압으로 승압할 수 있는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에서, 상기 스트링(2)은 지리적으로 분배되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에서, 상기 태양광 발전 설비는 100 kW 이상의 전력을 보유하는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 설비.
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