KR20150034929A - 전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통연계형 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부 계통으로부터 유입되어 인버터에 공급되는 전원의 특성을 측정하는 전력측정장치를 갖는 계통연계형 태양광 발전시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광발전시스템은 태양광 모듈, 인버터 및 전력계통으로부터 입력되는 계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하여 상기 인버터로 전송하는 전력측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 전력측정장치가 고장이 날 경우 인버터를 교체하거나 다른 부품을 교체할 필요가 없고 전력측정장치만을 교체해주면 되기 때문에 인버터와 같은 고가의 부품을 교체하지 않아 전체적인 설비의 유지관리 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

Description

전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법{PHOTOVOLTAIC SYSTEM ASSOCIATED WITH POWER LINE HAVING POWER MEASURING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 계통연계형 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부 계통으로부터 유입되어 인버터에 공급되는 전원의 특성을 측정하는 전력측정장치를 갖는 계통연계형 태양광 발전시스템에 관한 것이다.
최근 국제 유가의 급등 및 지구온난화를 해결하기 위한 온실가스 저감 문제 등으로 화석연료를 대체할 신재생에너지에 관한 연구가 전 세계적으로 주목받고 있다. 특히, 에너지의 97%이상을 수입에 의존하는 우리나라는 에너지 산업구조를 원천적으로 개선하기 위해 총 에너지의 5%를 신재생에너지로 공급한다는 목표를 성정하였으며, 이 중 태양광 발전 시스템인 경우, 태양광 주택 10만호 건설사업, 일반보급사업, 지역보급 사업 등 정부 미 지역자치단체 주도하에 급속하게 보급이 확대되고 있다.
태양광 발전시스템은 상용 전력계통 연계 유무에 따라 크게 독립형과 계통연계형으로 분류할 수 있다.
축전시스템 또는 오프그리드솔라(off-grid solar)라고도 불리는 독립형 태양광 발전시스템이란 전력회사의 전원을 사용하지 않고 태양광모듈로 낮 동안에 발전한 전력을 축전하였다가 필요할 때 전기를 사용하는 것이 가능하도록 하는 것이다. 즉 계통연계를 하지 않고 생산한 전기를 모두 축전지에 모은 다음 전기가 필요할 때마다 축전지에서 꺼내어 사용하는 방식이다.
반면 계통연계형 태양광 발전시스템은 태양광모듈로부터 발생한 전기를 전기회사에 판매하는 것이 목적으로, 일반적으로 축전지를 사용하지 않고 바로 전력회사(국내의 경우, 한전)의 송전망(계통)에 접속시켜 햇볕이 있는 낮에는 태양광 발전으로 생산된 전기를 사용하며 남는 전기는 전력회사에 판매하고 야간이나 발전량이 모자랄 때는 전력회사의 전기를 사용하는 방식이다.
따라서 계통연계형 태양광 발전시스템은 전력회사의 계통에 시스템이 연동되어 있어 계통의 전력상태에 의해 일정한 영향을 받을 수 있는 구조로 되어 있다.
도 1은 종래의 계통연계형 태양광 발전시스템의 기본 구조를 보여주는 도면으로, 도 1을 참조하면 계통연계형 태양광 발전시스템은 태양전지모듈(30)로부터 발전된 전기를 인버터(10)를 통해 가정의 부하(40)나 송전망 전력계통(50)에 연결하는 구조로 되어있다.
이러한 구조의 종래의 계통연계형 태양광 발전시스템은 단순히 태양광으로부터 발전된 전력을 인버터의 제어에 의하여 계통에 공급하는 방식으로 일사량이 있는 주간에만 이용할 수 있어 높은 설치비에 비하여 이용률(5~6시간/일)이 매우 저조할 뿐만 아니라, 주택 및 오피스 빌딩 등과 같은 비선형 및 역률 부하에 적용시 태양광 발전에 의한 유효전력 지원으로 계통의 역률은 오히려 악화되는 문제점을 가지고 있다. 또한 역률 악화는 계통의 전력품질 저하에 영향을 미치게 된다.
전력계통에서 유효전력(P)은 아래의 식과 같이 계산된다.
P=VIcosθ, 여기서 V는 전압, I는 전류, cosθ는 역률
위의 식에서 보는 바와 같이 어떤 부하에 소정의 전력을 공급해야 할 때 부하의 역률이 낮으면 동일 전압에 큰 전류를 흘려야 한다. 전류가 크면 발전기, 송전선, 변압기 등을 포함한 송전계통에서의 열손실이 커지고, 따라서 이와 같은 기기의 용량(보통 VA로 표시된다)이 큰 것이 요구된다. 뿐만 아니라, 송전선에서의 전압강하가 증가하여 전압변동률이 나빠진다. 그러므로 부하의 역률을 개선하여 이것을 가급적 1에 가깝게 하는 것이 궁극적으로는 전력품질을 향상시키는데 영향을 미치며, 이를 위해 역률보상 무효전력을 제어하는 기술이 필요하다.
일반적으로 계통에 역률이 발생하면 동일한 유효전력 수요에도 무효전력을 고려하여 공급해야 하기 때문에 계통의 공급전력요구량이 증가하게 된다. 설치된 시스템의 규모가 작으면 계통에 큰 문제가 되지 않지만, 계통연계형 태양광 발전시스템의 수와 양이 늘어난다면 계통연계에 의한 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 계통연계형 태양광 발전시스템에 있어서 역률 보상은 중요한 문제이며, 종래에는 태양광 발전시스템의 구성요소들 중 인버터에서 계통의 전압 및 전류를 측정하여 역률을 보상하는 방식을 사용하였다.
그러나, 이러한 종래의 역률보상방식은 계통의 전압이나 전류를 측정하는 부분이 고장이 날 경우 인버터 전체를 교체하여야 하는 문제점이 있다. 인버터는 태양광발전시스템의 핵심적인 부품으로 인버터의 교체는 설비를 유지하는 비용을 급격히 증가시키는 문제를 발생시킨다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명에 따르면, 계통과 부하에 태양광발전을 통해 발전한 전력을 인버터를 통해 전달하는 기존의 태양광발전 구조에서 계통과 인버터사이에 계통 전압 전류를 계측하고 이 데이터를 인버터로 전송하는 전력측정 장치를 추가한 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광발전시스템이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광발전시스템은 태양광 모듈, 인버터 및 전력계통으로부터 입력되는 계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하여 상기 인버터로 전송하는 전력측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전력측정장치는 전력계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하기 위한 측정부 및 상기 측정된 전압, 전류 및 역률을 상기 인버터로 전송하기 위한 통신부를 포함하여 구성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 통신부는 RS422 또는 RS485통신을 이용한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 인버터는 상기 전력측정장치로부터 전송되는 전압, 전류 및 역률값을 수신하기 위한 수신부 및 상기 전압, 전류 및 역률값으로부터 상기 전력계통의 무효성분과 유효성분을 계산하고 상기 계산된 무효성분과 미리 설정된 무효성분의 값을 비교하여 역률을 보상하는 역률제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광발전시스템의 제어방법은 전력측정장치에서 전력계통으로부터 입력되는 전원의 전압, 전류 및 역률을 측정하는 단계, 상기 전력측정장치가 상기 전압, 전류 및 역률의 측정값을 상기 인버터로 전송하는 단계, 상기 인버터가 상기 전압, 전류 및 역률의 측정값을 이용하여 상기 전력계통의 무효성분 및 유효성분을 계산하는 단계 및 상기 인버터가 상기 무효성분 및 유효성분의 값을 이용하여 역률을 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 계통과 인버터사이에 계통 전압 전류를 계측하고 이 데이터를 인버터로 전송하는 전력측정 장치를 추가함으로써, 전력측정 장치에서 계통(한전)의 역률을 측정하여 인버터로 데이터를 전송하면, 전력의 유효전력과 무효전력을 계산하고 태양광 발전량이 부하의 소비량보다 적을 때 역률보상 시퀀스를 동작시킴으로써 전력품질을 향상시킨다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전력측정장치가 고장이 날 경우 인버터를 교체하거나 다른 부품을 교체할 필요가 없고 전력측정장치만을 교체해주면 되기 때문에 인버터와 같은 고가의 부품을 교체하지 않아 전체적인 설비의 유지관리 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 계통연계형 태양광 발전시스템의 기본 구조를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 계통연계형 태양광 발전시스템의 구조를 보여주는 도면,
도 3은 도 2의 인버터와 전력측정장치의 세부구성을 보여주는 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 계통연계형 태양광 발전시스템의 구조를 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2의 인버터와 전력측정장치의 세부구성을 보여주는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템은 태양광 모듈(300), 인버터(100) 및 전력측정장치(200)로 구성된다.
상기 태양광 모듈(300)은 모듈의 표면에 입사되는 태양광을 일정 전압으로 변환시켜주고, 상기 인버터(100)는 상기 태양광모듈(300)에서 발생된 전압을 미리 설정된 전압으로 변환시켜 에너지원으로 사용할 수 있는 안정적인 전기로 만들어준다. 상기 전력측정장치(200)는 변압기 및 송전선 등을 통해 입력되는 외부 전력계통(500)의 전압, 전류 및 역률을 측정하기 위한 것으로, 계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하여 상기 인버터(100)로 전송한다.
태양광모듈(300)에서 생성된 전기는 인버터(100)를 통해 부하(400) 또는 상황에 따라서는 전력계통(500)으로 공급된다.
상기 전력측정장치(200)는 측정부(210)와 통신부(220)로 구성되며, 상기 측정부(210)는 전력계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하기 위한 것이고, 상기 통신부(220)는 상기 측정부에서 측정된 전압, 전류 및 역률을 상기 인버터로 전송하기 위한 것이다. 상기 통신부(220)는 RS422 또는 RS485통신을 이용한다.
상기 인버터(100)에는 상기 전력측정장치로부터 전송되는 전압, 전류 및 역률값을 수신하기 위한 수신부(110)와 역률을 보상하기 위한 역률제어부(120)를 포함하여 구성된다. 상기 역률제어부(120)는 상기 전압, 전류 및 역률값으로부터 상기 전력계통의 무효성분과 유효성분을 계산하고 상기 계산된 무효성분과 미리 설정된 무효성분의 값을 비교하여 역률을 보상한다.
본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템에서는 인버터(100)와 전력측정장치(200)가 별개의 장치로 구성된다. 인버터(100)와 전력측정장치(200)를 한 개의 모듈로 구현할 경우 전력측정장치(200)가 고장나거나 문제가 생길 경우 인버터기능과 전력측정기능을 함께 수행하는 모듈 전체를 교체해야 하기 때문에 시스템을 유지보수하는 비용이 커진다는 문제가 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템에서는 인버터(100)와 전력측정장치(200)를 별개의 장치로 구현함으로써 인버터(100)가 고장나거나 전력측정장치(200)가 고장날 경우 이들 각각의 장치만을 교체할 수 있도록 하였다.
이하에서는 상기와 같이 태양광 모듈(300), 인버터(100) 및 전력측정장치(200)로 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템의 동작에 대하여 설명한다.
전력계통(500)으로부터 전력이 공급되면 상기 전력측정장치(200)에서 전력계통으로부터 입력되는 전원의 전압, 전류 및 역률을 측정하고, 이렇게 측정된 전압, 전류 및 역률의 측정값은 상기 전력측정장치(200)에서 상기 인버터(100)로 전송된다.
이렇게 전송된 전압, 전류 및 역률의 측정값을 이용하여 상기 인버터(100)에서는 전력계통의 무효성분 및 유효성분을 계산한 후 무효성분 및 유효성분의 값을 이용하여 역률을 보상한다.
이처럼 계통으로부터 입력되는 전력의 전압과 전류 등을 측정하는 기능과 인버터 기능을 분리하여 전류 측정은 전력측정장치(200)에서 수행하도록 하고 인버터(100)에서는 인버팅 기능만을 수행하도록 함으로써 인버터 또는 전력측정 기능 중 어느 하나의 기능에 문제가 생길 경우 해당 장치만을 교체하거나 수리하여 사용할 수 있도록 하였다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100 : 인버터
200 : 전력측정장치

Claims (5)

  1. 태양광 모듈;
    상기 태양광모듈에서 발생된 전압을 미리 설정된 전압으로 변환시켜주는 인버터; 및
    전력계통으로부터 입력되는 계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하여 상기 인버터로 전송하는 전력측정장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전력측정장치는,
    전력계통의 전압, 전류 및 역률을 측정하기 위한 측정부; 및
    상기 측정된 전압, 전류 및 역률을 상기 인버터로 전송하기 위한 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 통신부는 RS422 또는 RS485통신을 이용하는 것을 특징으로 하는 전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 전력측정장치로부터 전송되는 전압, 전류 및 역률값을 수신하기 위한 수신부; 및
    상기 전압, 전류 및 역률값으로부터 상기 전력계통의 무효성분과 유효성분을 계산하고 상기 계산된 무효성분과 미리 설정된 무효성분의 값을 비교하여 역률을 보상하는 역률제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  5. 태양광 모듈, 인버터 및 전력측정장치로 구성되는 계통연계형 태양광 발전시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 전력측정장치에서 전력계통으로부터 입력되는 전원의 전압, 전류 및 역률을 측정하는 단계;
    상기 전력측정장치가 상기 전압, 전류 및 역률의 측정값을 상기 인버터로 전송하는 단계;
    상기 인버터가 상기 전압, 전류 및 역률의 측정값을 이용하여 상기 전력계통의 무효성분 및 유효성분을 계산하는 단계;
    상기 인버터가 상기 무효성분 및 유효성분의 값을 이용하여 역률을 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 제어방법.
KR20130114904A 2013-09-27 2013-09-27 전력측정장치를 구비한 계통연계형 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 KR20150034929A (ko)

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WO2017191986A1 (ko) * 2016-05-02 2017-11-09 엘지전자 주식회사 태양광 모듈, 및 이를 구비하는 태양광 시스템

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