KR20170064874A - 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템 - Google Patents

역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 계통과 연계하여 태양광 발전 시스템의 최대 전력 공급 조건을 추적하고, 추적된 최대 전력점에 따라 태양광 발전 시스템의 출력 전력으로 전력을 공급하며, 전력 계통에 무효 전력의 공급에 의해서 전압강하에 따른 전력품질의 저하를 방지하여 최적의 전력품질을 유지할 수 있는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템은, 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여, 태양광 인버터(100)에 의해 전력을 출력하는 태양광 접속반(2)을 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 태양광 접속반(2)은 상기 태양전지 어레이(1)에서 입력받은 직류전력을 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력하는 태양광 인버터(100); 상기 태양전지 어레이 및 상기 인버터의 출력 전압을 입력받아 최대 전력점 추적을 통해 태양광 최대 출력 전력 및 레퍼런스 전압을 출력하는 MPPT 제어부(200); 부하 전류를 abc 좌표계에서 αβ좌표계로 변환하는 전류 변환부(300); 전력 계통 전압을 abc 좌표계에서 αβ좌표계로 변환하는 전압 변환부(400); 상기 전류 변환부 및 전압 변환부에서 변환된 전류 및 전압으로 상기 인버터에서 출력되는 무효 전력을 제어하는 무효전력 제어부(500); 상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 태양광 유효전력 및 상기 무효전력 제어부에서 출력되는 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출하는 PQ제어부(600); 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류를 abc 좌표계로 변환하는 전력 변환부(700); 및 상기 인버터(100)에서 출력되는 인버터 전류를 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류로 보상하는 PWM제어부(800)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템{PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR GRID CONNECTED WITH POWER-FACTOR IMPROVEMENT}
본 발명은 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 계통과 연계하여 태양광 발전 시스템의 최대 전력 공급 조건을 추적하고, 추적된 최대 전력점에 따라 태양광 발전 시스템의 출력 전력으로 전력을 공급하며, 전력 계통에 무효 전력의 공급에 의해서 전압강하에 따른 전력품질의 저하를 방지하여 최적의 전력품질을 유지할 수 있는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전(PhotoVoltaic power generation, Photovolatics)은 높은 발전단가에 비해 전력 생산 효율이 낮은 단점이 있다. 그러나, 화석 에너지의 감소와 무공해라는 환경적인 요구가 증가함에 따라 현재에는 태양광 발전의 효율을 개선시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 태양으로부터 받은 에너지를 태양전지를 통해 변환할 수 있는 전기에너지의 비율은 전체 태양에너지의 약 15~20%에 불과하다.
상기 태양광 발전은 발전기의 도움없이 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 방식으로서, 태양전지를 이용하여 실제 수요부하에 맞게 구성한 발전 시스템이다.
구체적으로, 태양광 발전을 일으키는 태양전지(solar cell)의 출력은 매우 작으므로 필요한 출력을 얻기 위해 태양전지를 여러 개 직렬로 연결하여 태양전지 모듈(PV Module, PhotoVoltanic Module)을 구성하고, 상기 태양 전지 모듈을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양전지 어레이(PV Array)를 구성한다. 여기서, 태양전지의 출력 특성은 일사량, 동작 전압 및 온도 등에 따른 변수로 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)이 변하기 때문에, 태양광 발전의 효율을 극대화시키기 위해서는 항상 최대 전력점에서 동작되도록 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 'MPPT'라 칭함) 제어를 해야한다.
MPPT란 인버터에서 일사량 변화에 따른 최대 전력을 생산하기 위한 제어 방식으로서, 일사량이 변하게 되면 직류 전압의 크기가 변하게 되므로 전압의 증감으로 인한 인버터의 효율이 낮아지게 된다. 이에 따라 태양광의 최대 전력점을 추적하기 위한 다양한 방법의 MPPT 알고리즘이 개발되었다.
한편, 등록특허공보 제10-1256433호에는 PV 전류를 이용한 최대 전력점 추적 방식의 태양광 발전 시스템이 개시되어 있다.
상기 기술은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광기전성 패널; 상기 광기전성 패널의 출력 전압을 승압하는 대칭 승압 컨버터; 상기 광기전성 패널의 출력 전압 및 출력 전류를 디지탈 광 출력 전압 및 디지탈 광 출력전류로 변환하는 A/D컨버터; 상기 A/D 컨버터로부터의 상기 디지탈 광 출력 전압 및 상기 디지탈 광 출력 전류에 근거하여 디지탈 광 출력 전력을 산출하고, 상기 디지탈 광 출력 전력과 이전의 디지탈 광 출력 전력의 비교 및 상기 디지탈 광 출력 전류와 이전의 디지탈 광 출력 전류의 비교를 수행하고, 그 비교 결과에 따라 일정한 감소 및 증가 보상량 중 어느 하나를 발생하는 최대 전력점 추종부; 상기 최대 전력점 추종부로부터의 상기 보상량을 이용하여 기준전류를 조절하는 기준전류 조절부; 상기 기준전류 조절부로부터의 상기 조절된 기준전류와 상기 A/D 컨버터로부터의 디지탈 광 출력 전류에 근거하여 충격계수를 조절하는 충격계수 조절부; 상기 A/D 컨버터로부터의 상기 디지탈 광 출력 전류와 상기 기준전류 조절부로부터의 상기 조절된 기준전류에 근거하여 상기 최대 전력점 추종부의 동작을 제어하는 최고점 전류 제어기; 및 상기 충격계수 조절부로부터의 상기 조절된 충격계수에 해당하는 펄스 폭을 가지는 PWM 제어 신호를 발생하고 그 PWM 제어 신호를 이용하여 상기 대칭 승압 컨버터의 스위칭 주기를 제어하는 PWM 제어기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술은 MPPT 방식의 태양광 시스템에서 MPP를 빠르게 추종할 수 있으며 응답속도를 향상시킬 수 있는 장점은 있으나, 태양광 발전 시스템은 분산전원의 특성상 전력망에서 거리가 많이 떨어진 지역에 설치되어 운영되는 경우가 많기 때문에 선로에 의한 전압강하, 부하전력의 급격한 변화에 대한 전압과 주파수의 보상, 인접 선로의 사고나 고장으로 인한 전력품질의 저하에 대한 대응을 기대할 수 없는 단점이 있다.
KR 10-1256433 B1 (2013. 04. 12. 등록)
본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 태양광 발전 시스템의 최대 전력점에서 동작되도록 최대 전력 추종하여 태양광 발전 시스템으로 공급할 수 있는 최대 전력을 유효전력과 무효전력으로 분배하여 전력 계통에 공급하고, 태양광 발전 시스템으로부터 발전되는 전력이 없는 야간의 경우, 태양광 인버터를 통해 AC 그리드에 무효전력을 공급하여 전력품질을 개선할 수 있는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템은, 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여, 태양광 인버터(100)에 의해 전력을 출력하는 태양광 접속반(2)을 포함하는 것으로서, 상기 태양광 접속반(2)은 상기 태양전지 어레이(1)에서 입력받은 직류전력을 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력하는 태양광 인버터(100); 상기 태양전지 어레이 및 상기 인버터의 출력 전압을 입력받아 최대 전력점 추적을 통해 태양광 최대 출력 전력 및 레퍼런스 전압을 출력하는 MPPT 제어부(200); 부하 전류를 abc 좌표계에서 αβ좌표계로 변환하는 전류 변환부(300); 전력 계통 전압을 abc 좌표계에서 αβ좌표계로 변환하는 전압 변환부(400); 상기 전류 변환부 및 전압 변환부에서 변환된 전류 및 전압으로 상기 인버터에서 출력되는 무효 전력을 제어하는 무효전력 제어부(500); 상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 태양광 유효전력 및 상기 무효전력 제어부에서 출력되는 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출하는 PQ제어부(600); 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류를 abc 좌표계로 변환하는 전력 변환부(700); 및 상기 인버터(100)에서 출력되는 인버터 전류를 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류로 보상하는 PWM제어부(800)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 PQ제어부(600)는 상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 태양광 유효전력이 없는 경우, 상기 무효전력 제어부에서 출력되는 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MPPT 제어부(200)는 증분 컨덕턴스(IncCond, Incremental Conductance) 방식으로 최대 출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 PQ제어부(600)에 입력되는 태양광 유효전력은 상기 MPPT 제어부(200)에서 PV 전압(Vpv) 및 PV 전류(Ipv)에 근거하여 산출된 레퍼런스 전압(Vref)과 인버터(100)의 실제 출력전압(Vdc)의 차이에 근거하여 비례적분이득부(900)에서 비례 동작과 적분 동작의 조합에 의해 손실전력(PLOS)을 합산한 유효전력인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PWM제어부(800)는 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류에 대하여 상기 인버터(100)에서 출력되는 인버터 전류를 설정된 밴드폭(H)의 범위 내에서 제어하는 히스테리시스 전류제어 방식으로 상기 인버터 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전력 계통과 연계하여 태양광 발전 시스템의 최대 전력 공급 조건을 만족할 수 있으며, 태양광 발전 시스템에서 전력이 출력되지 않는 야간에는 전력 계통에 무효 전력을 공급하여 전압강하에 따른 전력품질의 저하를 방지하여 최적의 전력품질을 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 순시 전력에 대한 지역 부하의 급격한 부하전력에 대응하여 전압과 주파수를 보상할 수 있으므로, 역률 개선에 따른 소비자의 부담을 경감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 3상 결선 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 최대 출력점 추적과정을 나타낸 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 유효 전력의 산출 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 히스테리시스 전류제어 방식에 따른 블록도.
도 7은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 적용한 전류 위상을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 적용한 유효 전력을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 태양 복사에 의한 태양광 발전 전력이 없는 경우의 유효 전력을 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 태양 복사(a)에 대한 태양광 발전 유효 전력(Ppv), 그리드 유효 전력(Pgrid) 및 부하 유효 전력(PI)을 나타낸 그래프.
또 11은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템이 적용된 경우의 무효전력과 배제된 경우의 무효전력을 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 전력 계통과 연계하여 태양광 발전 시스템의 최대 전력 공급 조건을 추적하고, 추적된 최대 전력점에 따라 태양광 발전 시스템의 출력 전력으로 전력을 공급하며, 전력 계통에 무효 전력의 공급에 의해서 전압강하에 따른 전력품질의 저하를 방지하여 최적의 전력품질을 유지할 수 있는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이(1), 태양광 접속반(2), AC그리드(3) 및 부하를 포함하여 이루어진다.
상기 태양전지 어레이(1)는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 어레이(1)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다.
대부분의 태양전지 어레이(1)는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. 태양전지 어레이(1)의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지에는 셀이 복수 개로 사용된다. 즉, 가정에서 사용되는 필요 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여, 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지 어레이(1)가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.
상기 태양광 접속반(2)은 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여, 인버터에 의해 전력을 출력하는 장치로서, 태양전지 어레이(1)로부터 발전된 직류전력을 입력받으며, 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기(또는 배선용 차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker)), 부스바(또는 단자대), 마그네틱 스위치, 다이오드, 전력용 퓨즈 및 피뢰소자(SPD, ZNR) 등으로 구성되는 주회로 장치(도시되지 않음)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 태양광 접속반(2)에는 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다.
상기 태양광 접속반(2)은 태양광 태양전지 어레이(1)로부터 발전되어 출력되는 최대 전력 공급 조건을 추적하고, 이에 근거하여 태양광 발전 시스템의 출력 전력을 최대로하여 공급하며, 전력 계통에 무효 전력을 공급하여 전력 품질을 유지하도록 구성된다.
상기 태양광 접속반(2)에서 출력되는 전력은 AC 그리드(3)와 연계하여 부하에 전력을 공급하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 구성도를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템의 3상 결선 구성도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 접속반(2), AC그리드(3) 및 부하를 포함하고, 태양광 접속반(2)에는 태양광 인버터(100), MPPT 제어부(200), 전류 변환부(300), 전압 변환부(400), 무효전력 제어부(500), PQ제어부(600), 전력 변환부(700) 및 PWM제어부(800)를 포함하여 구성된다.
상기 인버터(100)는 태양전지 어레이(1)에서 입력받은 직류전력을 하나의 직류전력으로 통합한 후, 이를 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력한다. 상기 인버터(100)에서 출력된 교류전력은 AC 그리드(3)에 공급되어 수용가의 부하로 공급된다.
상기 MPPT 제어부(200)는 최대 전력점 추적을 통해 후술되는 PQ 제어부(600)와 연계하여 유효전력 및 무효전력을 AC 그리드(3)에 공급하도록 이루어지며, 태양전지 어레이(1)로부터 출력되는 전력이 없는 야간에는 동작하지 않도록 구성된다.
여기서, 상기 MPPT 제어부(200)에서 이루어지는 최대 출력점 추적은 P&O(Perturb and Observe) 및 증분 컨덕턴스(IncCond, Incremental Conductance) 방식이 주로 사용되고 있다.
상기 P&O방식은 태양전지 어레이의 출력 전압을 주기적으로 증가시키거나 또는 감소시키고 이전 출력 전력과 현재 출력 전력을 비교하여 최대전력 동작점을 찾는 방식이고, 증분 컨덕턴스 방식은 태양전지 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 방식이다.
이에 따라, 상기 MPPT 제어부(200)에서 이루어지는 최대 전력점 추적은 P&O 또는 증분 컨덕턴스 방식 중 선택된 하나의 방식을 채택하여 구성될 수 있으나, 상기 P&O 방식은 전압 변동이 큰 구간에서는 MPP의 추적 속도는 증가하지만 출력전압의 변동폭이 넓어지고, 반대로 전압 변동이 작은 구간에서는 MPP의 추적 속도는 느려지지만 출력전압의 변동폭이 좁아지는 특징이 있다.
이에, 상기 MPPT 제어부(200)에서 이루어지는 최대 출력점 추적은 증분 컨덕턴스(IncCond) 방식을 적용하여 구성하였다.
상기 증분 컨덕턴스를 설명하기 앞서, 먼저 태양전지 어레이(1)에서 출력되는 전류 및 전압 특성에 대해서 설명한다.
태양전지 어레이에서 출력되는 전력은 태양 복사와 주변 온도에 영향을 받는다. 이에 온도의 변화값에 따른 광 전류는 다음의 수학식 1)로 표현된다.
수학식 1)
Figure pat00001
여기서, Iph는 광 전류, Iph (ref)는 공칭 광 전류, G는 태양 복사, Gref는 공칭 태양 복사 및 Isc (ref)는 공칭 단락 전류이다.
상기의 수학식 1을 이용하여 태양전지 어레이에서 출력되는 태양전지 출력 전류는 다음의 수학식 2로 표현된다.
수학식 2)
Figure pat00002
여기서, Ipv는 태양전지의 출력 전류(이하 'PV 전류'라 한다), p는 태양전지의 병렬 연결 개수, s는 태양전지의 직렬연결 개수, Io는 다이오드 포화 전류, Vpv는 태양전지의 출력 전압(이하 'PV 전압'이라 한다), Iph는 광 전류, Rs는 태양 전지의 직렬 저항, VT는 열전압이다.
또한, 태양전지 어레이에서 출력되는 태양전지 출력 전압(PV 전압)은 다음의 수학식 3으로 표현된다.
수학식 3)
Figure pat00003
여기서, Vph는 PV 전압, p는 태양전지의 병렬 연결 개수, s는 태양전지의 직렬연결 개수, Io는 다이오드 포화 전류, Iph는 광 전류, VT는 열전압, Rs는 태양 전지의 직렬 저항이다.
상기의 수학식 2 및 수학식 3에 따른 태양전지의 출력전력(이하 'PV 전력'이라 한다)은 다음의 수학식 4로 정의된다.
수학식 4)
Figure pat00004
여기서, Ppv는 PV 전력, Vpv는 PV 전압, Ipv는 PV 전류이다.
상기의 수학식 1 내지 3을 참조하여, 본 발명의 증분 컨덕턴스 방식을 이용한 최대 출력점 추적 과정을 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 최대 출력점 추적과정을 나타낸 흐름도이다.
상기 최대 출력점 추적은 먼저, 현재 주기의 PV 전압(V(k)) 및 PV 전류(I(k))를 검출(S10)한다.
다음으로, 검출된 PV 전압(V(k)) 및 PV 전류(I(k))를 이용하여 PV 전압 증분량(dV), PV 전류 증분량(dI), PV 전력 증분량(dP)을 산출(S20)한다.
상기 산출된 값 중에서, PV 전압 증분량(dV)을 판단(S30)하여, 판단 결과 PV 전압 증분량(dV)의 변화가 있는 경우, 증분 컨덕턴스(conductance)와 현재 주기의 검출 컨덕턴스를 비교(S40)한다.
이때, 증분 컨덕턴스(dI/dV)에 대하여 현재 주기의 검출 컨덕턴스(-I/V)를 비교하고, 증분 컨덕턴스와 검출 컨덕턴스 값의 비교 결과 동일하면, 현재 주기의 출력전력을 최대 출력점으로 판단한다. 최대 출력점으로 판단되면, 이전 주기의 출력전압을 레퍼런스 전압으로 하여 PV 전력(Ppv) 및 레퍼런스 전압(Vref)을 출력(S50)하고, 이전 주기의 PV 전압(V(k-1))과 PV 전류(I(k-1))을 현재 주기의 PV 전압(V(k))과 PV 전류(I(k))로 갱신(S60)한다.
상기에서 증분 컨덕턴스(dI/dV)에 대하여 현재 주기의 검출 컨덕턴스(-I/V)를 비교하고, 증분 컨덕턴스와 검출 컨덕턴스 값의 비교 결과 증분 컨덕턴스(dI/dV)가 검출 컨덕턴스(-I/V)보다 큰지를 판단(S45)한다.
상기의 판단(S45) 결과 증분 컨덕턴스(dI/dV)가 검출 컨덕턴스(-I/V)보다 크면 레퍼런스 전압(Vref)은 상기 레퍼런스 전압(Vref)에 PV 전압 증분량(dV)을 증가(S46)시키고, 증분 컨덕턴스(dI/dV)가 검출 컨덕턴스(-I/V)보다 작으면 레퍼런스 전압(Vref)은 상기 레퍼런스 전압(Vref)에 PV 전압 증분량(dV)을 감소(S47)시킨다.
상기의 과정에서 PV 전압 증분량(dV)을 판단(S30)한 결과 PV 전압 증분량(dV)의 변화가 없으면 PV 전류 증분(dI=I(k)-I(k-1))이 있는지를 판단(S70)한다.
상기의 판단(S70) 결과 PV 전류 증분(dI)이 0인 경우, 레퍼런스 전압(Vref)은 조정하지 않고 현재 상태의 레퍼런스 전압(Vref)을 유지하고, PV 전력(Ppv) 및 레퍼런스 전압(Vref)을 출력(S50)한다.
상기에서 PV 전류 증분(dI=I(k)-I(k-1))이 있는지의 판단(S70) 결과, 증분이 있으면 증가된 값이 0보다 큰지 또는 작은지를 판단(S75)한다.
상기의 판단(75) 결과 PV 전류 증분이 양수인 것으로 판단되면, 레퍼런스 전압(Vref)은 상기 레퍼런스 전압(Vref)에 PV 전압 증분량(dV)을 증가(S76)시킨다. 또한, 상기의 판단(75) 결과 PV 전류 증분이 음수인 것으로 판단되면, 레퍼런스 전압(Vref)은 상기 레퍼런스 전압(Vref)에 PV 전압 증분량(dV)을 감소(S77)시킨다.
즉, PV 전류 증분이 양수이면 레퍼런스 전압(Vref)은 증가되며, PV 전류 증분이 음수이면 레퍼런스 전압(Vref)은 감소된다.
이와 같은, 증분 컨덕턴스 방식을 이용한 최대 출력점 추적은 일사량이나 온도 변화 등 외부 조건이 급변하는 경우에도 최대 출력점(MPP)를 잘 추적하게 된다.
다음으로, 무효전력을 공급하기 위한 구성에 대해서 설명한다.
이때, 무효전력의 변수들은 상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 출력 전력(Ppv), 커패시터의 전압(Vdc), 전력 계통의 전압(usa, usb, usc), 인버터의 출력 전류(ica, icb, icc) 및 부하에 공급되는 부하 전류(iLa, iLb, iLc)이다.
상기 전류 변환부(300) 및 전압 변환부(400)는 순시전력에 근거하여 AC 그리상의 전압 및 부하 전류의 abc 좌표계에서 αβ 좌표계로 변환하여 무효전력 제어부(500)에 변수 값으로 입력하기 위한 것이다.
상기 전류 변환부(300)에 입력되는 부하 전류(iLa, iLb, iLc)에 대한 abc 좌표계에서 αβ 좌표계로 변환할 수 있으며, 좌표계의 변환은 다음의 수학식 5로 표현될 수 있다.
수학식 5)
Figure pat00005
또한, 상기 전압 변환부(400)에 입력되는 전력 계통의 전압(ua, usb, usc)에 대한 abc 좌표계에서 αβ 좌표계로 변환하게 되면 다음의 수학식 6으로 표현될 수 있다.
수학식 6)
Figure pat00006
상기의 수학식 5 및 6에서 iL,αβ는 부하 전류(iLa, iLb, iLc)에 대한 αβ 좌표계의 전류 및 iL,abc는 부하 전류(iLa, iLb, iLc) 각각에 대한 전류이다. 또한, M은 클라크(Clarke) 변환의 매트릭스이며, 상기 M과 M-1은 다음의 수학식 7로 표현된다.
수학식 7)
Figure pat00007
상기의 수학식 5 내지 7에 의해서 부하 전류 및 전력 계통의 전압은 abc 좌표계에서 αβ 좌표계로 변환되어 무효전력 제어부(500)에 입력된다.
상기 무효전력 제어부(500)는 부하 전류 및 전력 계통의 전압에 근거하여 인버터에서 출력되는 무효 전력을 제어하는 기능을 수행하는 것으로서, 부하 전류 및 전력 계통의 전압에 근거하여 무효 전력을 산출하고, 산출된 무효 전력을 출력하게 된다.
상기 무효 전력은 순시무효전력(q)을 계산하여 이루어질 수 있으며, 순시무효전력은 다음의 수학식 8로 정의된다.
수학식 8)
Figure pat00008
여기서, q는 순시무효전력, usα와 usβ는αβ 좌표계의 전압, iLα와 iLβ는 αβ 좌표계의 전류이다.
상기 PQ제어부(600)는 상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 태양광 유효전력 및 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출한다.
이때, 상기 PQ제어부(600)는 태양전지 어레이(1)에서 출력되는 유효전력이 없는 야간에는 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출하게 된다.
여기서 상기 PQ제어부(600)는 p-q이론에 근거하여 αβ 좌표계에서 기준 전류를 산출하게 되는 데, 기준 전류의 산출은 다음의 식 9에 의하여 정의된다.
수학식 9)
Figure pat00009
여기서, ic*α와 ic*β는 αβ 좌표계에서 기준 전류, usα와 usβ는αβ 좌표계의 전압, Ppv는 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 출력 전력, PLOS는 비례적분이득에 따른 회로내의 손실전력이다.
상기에서 회로내의 손실전력(PLOS)에 대하여 설명한다.
MPPT 제어부(200)는 태양전지 어레이(1)의 최대 출력점과 그에 따른 태양전지 최대 출력 전력(Ppv)을 제공하게 되는 데, 이때, 태양광 인버터의 자동 전환에 따라 회로 내에서는 전력 손실이 발생된다.
즉, 상기의 MPPT 제어부(200)는 PV 전압(Vpv) 및 PV 전류(Ipv)에 근거하여, 레퍼런스 전압(Vref)을 산출하는 데, 산출된 레퍼런스 전압은 인버터(100)에서 실제 출력되는 인버터 전압(Vdc)과 차이가 발생되며, 이러한 차이에 따라 손실전력이 발생된다.
도 5는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 유효 전력의 산출 블록도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 5를 참조하면, MPPT 제어부(200)에서 PV 전압(Vpv) 및 PV 전류(Ipv)에 근거하여 산출된 레퍼런스 전압(Vref)과 태양광 인버터(100)의 실제 출력전압(Vdc)의 차이에 따라 ΔV에 해당하는 전압차이가 발생될 수 있다. 상기 전압차이(ΔV)는 비례적분이득부(PI, 900)에서 비례 동작과 적분 동작의 조합에 의해 손실전력(PLOS)이 산출된다.
상기 비례적분이득부(900)에서 산출된 손실전력(PLOS)은 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 PV 전력(PPV)과 합산되어 PQ제어부(600)로 입력된다.
상기 PQ제어부(600)에서 산출된 기준 전류 ic*α와 ic*β는 αβ 좌표계에서의 기준 전류에 해당하는 것으로서, 상기 산출된 기준 전류 ic*α와 ic*β는 abc 좌표계로 역 변환하는 과정이 수반되어야 한다.
역 변환은 전력 변환부(700)에서 이루어지며, 상기 전력 변환부에서 이루어지는 계산은 다음의 수학식 10으로 정의된다.
수학식 10)
Figure pat00010
여기서, ic*a, ic*b, ic*c는 각각 a상 b상 c상의 기준 전류, ic*α와 ic*β는 각각 αβ 좌표계에서의 기준 전류이다.
상기 PWM제어부(800)는 인버터(100)에서 출력되는 인버터 전류(ica, icb, icc)를 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류로 보상하기 위한 기능을 수행하는 것으로서, 출력 전류를 기준 전류로 보상하기 위한 방식은 히스테리시스 전류제어 방식으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 PWM제어부(800)는 스위칭 소자인 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 스택을 포함하여 구성된다.
도 6은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 히스테리시스 전류제어 방식에 따른 블록도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 상기 히스테리시스 전류제어는 기준 전류에 대하여 설정된 밴드폭(H)의 범위 내에서 출력 전류를 조정하는 것으로서, 기준 전류를 0으로 설정하고 출력 전류가 설정된 밴드폭(H)의 범위내에서 출력하도록 스위칭 소자를 제어하는 것이다. 즉, 출력 전류가 상위 밴드값(+H/2)에 도달하면 -전압을 인가하여 전류를 낮추고, 출력 전류가 하위 밴드값(-H/2)에 도달하면 +전압을 인가하여 전류를 높이도록 구성된다.
상기 구성에서 밴드폭(H)을 좁게 설정하게 되면 기준 전류에 근접한 출력 전류를 얻을 수 있으나, 스위칭 소자의 스위칭 횟수가 증가되어 스위칭 소자에 많은 열이 발생되는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 출력 전류가 상위 밴드값(+H/2)에 도달하면 0 전압을 인가하여 전류를 서서히 낮추고, 출력 전류가 하위 밴드값(-H/2)에 도달하면 0 전압을 인가하여 전류를 서서히 높이도록 구성될 수 있다.
즉, 출력 전류가 기준 전류를 중심으로 상위 밴드와 하위 밴드 사이에서 삼각파 형태로 출력되는 데, 출력 전류가 상위 밴드 또는 하위 밴드에 도달하였을 경우, 0전압을 인가하게 되면 상위 밴드에서 하위 밴드로의 접근 시간 또는 하위 밴드에서 상위 밴드로의 접근 시간을 늘릴 수 있다. 이러한 방식에 의해서, 출력 전류가 상위 밴드 및 하위 밴드에 도달하는 시간이 증가됨에 따라 스위칭 동작의 횟수를 감소시켜 스위칭 소자인 IGBT 스택의 발열을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서, 본 발명에 적용된 태양광 인버터는 그리드의 전압(us) 및 부하계통의 전류(iL)에 근거하여 무효전력을 산출하고, 산출된 상기 무효전력, 최대 전력점 추적을 통해 출력되는 태양광 전력(Ppv), 레퍼런스 전압(Vref)과 상기 태양광 인버터의 실제 전력(VDC)에 따른 회로내의 손실전력(PLOS)을 p-q이론에 근거하여 기준 전류를 산출하고, 상기 태양광 인버터의 출력 전류(ic)를 산출된 상기 기준 전류에 근접시키도록 히스테리시스 전류제어 방식으로 출력 전류를 제어하게 된다. 이에 따라 유효전력의 공급에 따라 무효전력을 적절히 공급할 수 있으므로, 역률을 개선할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 태양 복사가 없는 야간에는 상기 태양광 인버터의 실제 전력(VDC)에 따른 회로내의 손실전력(PLOS)을 p-q이론에 근거하여 기준 전류를 산출하고, 상기 태양광 인버터의 출력 전류(ic)를 산출된 상기 기준 전류에 근접시키도록 히스테리시스 전류제어 방식으로 출력 전류를 제어함에 따라, 주간 뿐만 아니라 야간에도 무효 전력을 적절히 공급하여 역률을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 적용한 전류 위상을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 7을 참조하면, 인버터의 출력 전류(ica)와 전력 계통의 출력 전류(isa)의 합이 부하 전류(iLa)의 위상 특성과 일치하는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 적용한 유효 전력을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 태양광 발전 시스템은 최대 출력점 추적을 통해 최대 전력점에서 동작되도록 최대 전력 추종하여 유효 전력을 공급하고, 전력 계통에서 나머지 유효 전력을 부하에 공급한다.
도 9는 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 태양 복사에 의한 태양광 발전 전력이 없는 경우의 유효 전력을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 9의 (a)는 태양광 발전 전력이 감소하는 과정에서의 부하 전류(ila), 계통 전류(isa) 및 인버터 전류(ica)의 출력을 나타낸 그래프로서, 태양광 인버터에서 출력되는 전류(ica)가 감소함에 따라 계통 전류(isa)는 증가되어 태양복사에 따른 유효전력 및 무효전력의 공급이 정상적으로 이루어지는 것으로 도출되었다. 또한, 태양광 인버터의 출력에 대한 계통 전류가 가변하여 부하에 공급됨으로써 전력의 품질을 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 첨부된 도 9의 (b)는 도 9 (a)의 상태(태양광 인버터의 전류 출력이 감소하는 경우)에서 유효 전력 출력을 나타낸 그래프로서, 계통 전력(Pgrid)과 태양광 인버터에서 출력되는 유효 전력(Ppv)이 부하 전력과 동일하고, 이 경우의 무효 부하 전류도 동일하게 도출되는 것으로 나타났다.
도 10은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서, 태양 복사(a)에 대한 태양광 발전 유효 전력(Ppv), 그리드 유효 전력(Pgrid) 및 부하 유효 전력(PI)을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하면, 태양 복사가 존재하는 구간에서 본 발명에 따른 태양광 발전의 유효 전력(Ppv)은 계통 연계된 그리드에서 공급하는 그리드 유효 전력(Pgrid)을 초과하여 공급할 수 있으며, 이는 상용 전력의 부담을 경감시킬 수 있는 것으로 도출되었다.
또 11은 본 발명에 따른 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템이 적용된 경우의 무효전력과 배제된 경우의 무효전력을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템이 배제된 경우의 무효전력은 3.6KVar 정도로 도출되었으나, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템이 적용된 경우의 무효전력은 0KVar에 근접하여 도출된 것으로 나타났다. 즉, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 적용에 의해 무효전력을 공급함에 따라 역률이 1에 근접할 수 있는 발전 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전력 계통과 연계하여 태양광 발전 시스템의 최대 전력 공급 조건을 만족할 수 있으며, 태양광 발전 시스템에서 전력이 출력되지 않는 야간에는 전력 계통에 무효 전력을 공급하여 전압강하에 따른 전력품질의 저하를 방지하여 최적의 전력품질을 유지할 수 있고, 또한, 순시 전력에 대한 지역 부하의 급격한 부하전력에 대응하여 전압과 주파수를 보상할 수 있으므로, 역률 개선에 따른 소비자의 부담을 경감할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
1: 태양전지 어레이 2: 태양광 접속반
3: AC그리드
100: 태양광 인버터 200: MPPT 제어부
300: 전류 변환부 400: 전압 변환부
500: 무효전력 제어부 600: PQ제어부
700: 전력 변환부 800: PWM제어부
900: 비례적분이득부

Claims (5)

  1. 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여, 태양광 인버터(100)에 의해 전력을 출력하는 태양광 접속반(2)을 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 태양광 접속반(2)은,
    상기 태양전지 어레이(1)에서 입력받은 직류전력을 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력하는 태양광 인버터(100);
    상기 태양전지 어레이 및 상기 인버터의 출력 전압을 입력받아 최대 전력점 추적을 통해 태양광 최대 출력 전력 및 레퍼런스 전압을 출력하는 MPPT 제어부(200);
    부하 전류를 abc 좌표계에서 αβ좌표계로 변환하는 전류 변환부(300);
    전력 계통 전압을 abc 좌표계에서 αβ좌표계로 변환하는 전압 변환부(400);
    상기 전류 변환부 및 전압 변환부에서 변환된 전류 및 전압으로 상기 인버터에서 출력되는 무효 전력을 제어하는 무효전력 제어부(500);
    상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 태양광 유효전력 및 상기 무효전력 제어부에서 출력되는 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출하는 PQ제어부(600);
    상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류를 abc 좌표계로 변환하는 전력 변환부(700); 및
    상기 인버터(100)에서 출력되는 인버터 전류를 상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류로 보상하는 PWM제어부(800);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 PQ제어부(600)는,
    상기 MPPT 제어부(200)에서 출력되는 태양광 유효전력이 없는 경우, 상기 무효전력 제어부에서 출력되는 무효전력에 근거하여 기준 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 MPPT 제어부(200)는,
    증분 컨덕턴스(IncCond, Incremental Conductance) 방식으로 최대 출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 하는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 PQ제어부(600)에 입력되는 태양광 유효전력은,
    상기 MPPT 제어부(200)에서 PV 전압(Vpv) 및 PV 전류(Ipv)에 근거하여 산출된 레퍼런스 전압(Vref)과 인버터(100)의 실제 출력전압(Vdc)의 차이에 근거하여 비례적분이득부(900)에서 비례 동작과 적분 동작의 조합에 의해 손실전력(PLOS)을 합산한 유효전력인 것을 특징으로 하는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 PWM제어부(800)는,
    상기 PQ제어부(600)에서 출력되는 기준 전류에 대하여 상기 인버터(100)에서 출력되는 인버터 전류를 설정된 밴드폭(H)의 범위 내에서 제어하는 히스테리시스 전류제어 방식으로 상기 인버터 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 역률개선 기능을 갖는 계통연계형 태양광 발전 시스템.
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