KR20180023162A - 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템은 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 미니 태양광 발전장치, 수용가의 전력소비형태 분석을 위해서, 계통의 전압, 전류를 측정하고, 측정된 전압, 전류값을 이용하여 소비전력을 계산하는 전력 측정장치 및 전력 측정장치에서 계산된 소비전력을 수신하고, 수신된 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하고, 분석된 전력소비형태에 대응하여 미니 태양광 발전장치를 제어하는 신호를 송출하는 서버를 포함하고, 미니 태양광 발전장치는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 복수의 태양 전지 모듈이 결합된 태양 전지 어레이, 태양 전지 어레이가 발전하는 직류 전력의 전압을 컨버팅하는 MPPT 컨버터, MPPT 컨버터에서 컨버팅된 직류 전력을 교류 전력으로 인버팅하는 인버터, MPPT 컨버터에서 컨버팅된 직류 전력을 이용하여 배터리를 충전시키거나 방전시키는 배터리 충방전부, 배터리 충방전부에 의하여 충전되거나 방전되는 배터리, 서버와 네트워크 통신이 가능한 통신부 및 인버터, 배터리 충방전부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부하조건 및 배터리의 상태에 따라서 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성하는 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
현재까지의 산업 발전은 주로 화석 에너지의 소비로 인한 산업, 기술 발전으로 인한 것으로, 전 세계 각국에서 산성비, 대기오염 등의 여러 가지 환경문제를 야기시키고 있다. 따라서, 세계 각국은 이에 대한 해결 방안으로 무공해 신재생 에너지의 개발에 역량을 집중시키고 있는데, 무공해 신재생 에너지 중에서 공해가 전혀 발생하지 않아 청정하고, 기계적인 진동과 소음이 적으며, 무제한의 에너지원이라는 점에서 태양광 발전 시스템이 그 해결책으로 대두되고 있다.
다만, 태양광 발전 시스템에 의해서도 태양광의 에너지 변환 효율이 높지 않고, 초기 설치 비용이 높기 때문에 비교적 소용량이 필요한 가정용 주택이나 아파트에 적용하기 어려운 문제가 존재하고 있다.
즉, 미니 태양광 발전시스템, 기존의 3KW급 가정용 태양광 발전시스템의 설치가 어려운 아파트, 연립주택, 설치 공간이 적은 단독 주택 등을 대상으로 한 소용량(250W~500W) 태양광 발전 시스템에서는 태양을 향한 방향과 층수에 따라 달라지는 일사량의 차이, 예컨대, 낮 시간에 햇빛이 잘 드는 베란다에서는 발전 전력량이 최대가 되나, 그늘이 잘 지는 저층에서는 발전 효율이 낮아지는 등의 발전 전력량의 편차가 심하게 발생하는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 부하조건 및 배터리의 상태에 따라서 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성하는 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템은 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 미니 태양광 발전장치, 수용가의 전력소비형태 분석을 위해서, 계통의 전압, 전류를 측정하고, 측정된 전압, 전류값을 이용하여 소비전력을 계산하는 전력 측정장치 및 전력 측정장치에서 계산된 소비전력을 수신하고, 수신된 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하고, 분석된 전력소비형태에 대응하여 미니 태양광 발전장치를 제어하는 신호를 송출하는 서버를 포함하고, 미니 태양광 발전장치는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 복수의 태양 전지 모듈이 결합된 태양 전지 어레이, 태양 전지 어레이가 발전하는 직류 전력의 전압을 컨버팅하는 MPPT 컨버터, MPPT 컨버터에서 컨버팅된 직류 전력을 교류 전력으로 인버팅하는 인버터, MPPT 컨버터에서 컨버팅된 직류 전력을 이용하여 배터리를 충전시키거나 방전시키는 배터리 충방전부, 배터리 충방전부에 의하여 충전되거나 방전되는 배터리, 서버와 네트워크 통신이 가능한 통신부 및 인버터, 배터리 충방전부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 부하조건 및 배터리의 상태에 따라서 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 부하조건 및 배터리의 상태에 따라서 인버터의 전류가 지령 전류에 따라 추종하도록 하기 위한 PWM 스위칭 패턴을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버는 첨두부하 제거(Peak cutting) 또는 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하기 위해서, 일별, 월별, 계절별, 년별로 수용가의 전력소비형태를 분석하고, 분석된 전력소비형태에 따라서 인버터 지령값을 연산하고, 연산된 지령값을 미니 태양광 발전장치로 송신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버는 분석된 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후 제거해야 할 첨두부하를 미리 설정된 시간 주기마다 연산하고, 연산된 첨두부하를 이용하여 인버터 지령전류값을 계산하여 미니 태양광 발전장치로 송신하고, 제어부는 전송받은 인버터 지령값을 미니 태양광 발전 전류와 비교하여, 인버터로 하여금 인버터의 출력 전류가 지령값을 추종하도록 인버터를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버는 분석된 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후 미리 설정된 시간 주기의 부하수요 관리스케줄을 결정하고, 결정된 부하수요 관리스케쥴을 이용하여 평균부하전력보다 높은 전력소비 구간과 낮은 전력소비 구간을 확인하고, 확인된 소비전력 구간에 따라서 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 계산하여 미니 태양광 발전 장치로 송신하고, 제어부는 전송받은 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 미니 태양광 발전전류와 비교하여, 인버터로 하여금 인버터의 출력 전류가 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 추종하도록 인버터를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법은, 계통의 전압, 전류를 측정하고, 측정된 전압, 전류값을 이용하여 소비전력을 계산하는 단계, 계산한 소비전력을 서버로 송신하는 단계, 수신된 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하는 단계, 분석된 전력소비형태에 대응하여 미니 태양광 발전 장치를 제어하는 신호를 송출하는 단계 및 송출된 신호에 따라서 인버터 지령 전류를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 지령 전류를 생성하는 단계는 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 지령 전류를 생성하는 단계는 인버터의 전류가 지령 전류에 따라 추종하도록 하기 위한 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예로써, 전술한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치에 의하면, 스마트 그리드에 적합한 전력흐름제어를 통하여 전체 전력 최적화를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치에 의하면, 부하수요관리 및 첨두부하 제거 기능을 수행하여, 태양광 발전시스템의 효율을 최적화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법 및 그 장치에 의하면, 실시간 모니터링이 가능하도록 함으로써, 미니 태양광 발전시스템의 감시, 진단, 분석, 처방이 가능한 최적의 에너지 사용 가이드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 미니 태양광 발전장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전장치(100)의 등가회로도를 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 모드에 따른 벡터도를 나타낸 도면으로, 도 3의 (a)는 PCS 동작 모드의 벡터도, 도 3의 (b)는 DSM 모드에서 방전 모드의 벡터도, 도 3의 (c)는 DSM 모드에서 충전 모드의 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전장치의 제어 알고리즘 블록도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 블록도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 웹에 기반한 모니터링 개념도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 24시간 동안의 전력소비형태 분석 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전장치(100)의 등가회로도를 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 모드에 따른 벡터도를 나타낸 도면으로, 도 3의 (a)는 PCS 동작 모드의 벡터도, 도 3의 (b)는 DSM 모드에서 방전 모드의 벡터도, 도 3의 (c)는 DSM 모드에서 충전 모드의 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전장치의 제어 알고리즘 블록도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 블록도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 웹에 기반한 모니터링 개념도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 24시간 동안의 전력소비형태 분석 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템(1000)의 미니 태양광 발전장치(100)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 미니 태양광 발전장치는 태양 전지 어레이(10), MPPT 컨버터(20), 인버터(30), 배터리 충방전부(40), 배터리(42), 제어부(60) 및 통신부(60)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 어레이(10)는 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 복수개의 태양 전지 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 장치이다. 즉, 태양 전지 어레이(10)는 복수개의 태양 전지 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어, 흡수한 태양에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정의 전압과 전류를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 컨버터(20)는 태양 전지 어레이(10)가 발전한 직류 전력의 전압을 컨버팅 할 수 있다. 미니 태양광 발전장치(100)는 소용량 계통 연계형 발전장치로, 태양 전지 어레이(10)가 생산하는 전력의 전압이 작기 때문에, 인버터(30)로 전달하기 위해서는 태양 전지 어레이(10)가 생산, 공급하는 전력의 전압을 승압할 필요가 있다. 따라서, MPPT 컨버터(20)는 태양 전지 어레이(10)가 생산, 공급한 전력을 최대 전력값을 추종하면서(MPPT; Maximum Power Point Tracking), 인버터(30)가 입력받을 수 있는 전압의 크기로 컨버팅할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(30)는 MPPT 컨버터(20)에서 컨버팅된 직류 전력을 부하 또는 계통으로 교류 전력으로 전달하기 위해서, 직류 전력을 교류 전력으로 인버팅할 수 있다. 즉 수용가에서 전기의 사용은 교류 전력을 사용하므로, 인버터(30)는 MPPT MPPT 컨버터(20)에서 컨버팅된 직류 전력을 교류 전력으로 인버팅할 수 있다.
또한, 수용가에서 사용되는 전기 기구의 허용 가능한 전력에는 한계가 있으므로, 인버터(30)는 전기 기구의 사용에 손상이 없이 장기간 무리없이 사용할 수 있는 최대전력으로 정격 전력을 정하여 인버팅할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전부(40)는 MPPT 컨버터(20)에서 컨버팅된 직류 전력을 이용하여 배터리(42)에 전기 에너지를 충전하거나, 배터리(42)를 방전시켜 인버터쪽으로 직류 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 수용가에서 즉시 필요한 전력이 태양 전지 어레이(10)가 생산, 공급하고 있는 전력보다 작은 경우에는 인버터(30)를 통하여 수용가로 전기 에너지를 공급함과 동시에, 배터리 충방전부(40)를 이용하여 배터리에 전기 에너지를 충전할 수 있다. 또한, 수용가에서 즉시 필요한 전력이 태양 전지 어레이(10)가 생산, 공급하고 있는 전력보다 큰 경우에는 배터리 충방전부(40)를 이용하여 이미 충전되어 있던 배터리(42)를 방전시켜 필요 전력의 부족분을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(42)는 배터리 충방전부(40)의 제어에 의하여 전기 에너지를 충전하거나 방전할 수 있다. 예를 들어, 배터리(42)는 배터리 충방전부(40)의 제어에 따라서, MPPT 컨버터(20)에서 컨버팅된 직류 전력을 전기 에너지의 형태로 저장하거나, 전력 공급을 위해서 인버터쪽으로 전기 에너지를 방전할 수 있다. 여기에서 배터리는 재충전이 가능한 납축전지, 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리 및 리튬이온 배터리 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통신부(50)는 서버(300)와 네트워크 통신이 가능하도록 할 수 있다. 즉, 통신부(50)는 서버(300)가 미니 태양광 발전장치(100)의 상태를 확인할 수 있도록, 미니 태양광 발전장치(100)의 상태 정보값을 서버로 전송할 수 있다. 예를 들어, 통신부(50)는 태양 전지 어레이(10), MPPT 컨버터(20), 인버터(30), 배터리 충방전부(40), 배터리(42)의 상태 정보, 즉 미니 태양광 발전장치(100)에 포함된 각 구성요소의 온도, 전류, 전압값 정보를 서버(300)에 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 통신부(50)는 서버(300)로부터 미니 태양광 발전 장치(100)의 제어 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 서버(300)는 효율적으로 미니 태양광 발전 장치(100)를 운용할 수 있도록, 수용가의 전력소비형태를 분석할 수 있는데, 서버(300)는 분석한 전력소비형태에 따른 미니 태양광 발전 장치(100)의 제어 신호를 통신부(50)를 통하여 제어부(60)로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(60)는 태양 전지 어레이(10)에서 공급한 전기 에너지를 수용가로 공급하기 위해서, 인버터(30) 및 배터리 충방전부(40)를 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(60)는 수용가의 필요 전력량에 대응하여, 현재 태양 전지 어레이(10)로부터 공급되는 전력, 인버터(30)에 공급될 전력 및 배터리에 충전되거나 방전될 전력을 계산하여, 각각의 전력량에 적합한 제어 조건으로 인버터(30) 및 배터리 충방전부(40)를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(60)는 기본적으로 계통의 품질 향상을 위하여 PCS(Power conditioning System) 기능을 수행하면서 부하수요관리를 위한 부하분담(DSM; Demand Side Management) 제어를 수행할 수 있다. 즉, 제어부(60)는 부하 조건 및 배터리의 상태에 따라서 PCS와 DSM 모드를 수행하도록 인버터를 제어할 수 있다. 여기에서 DSM 모드는 계통의 최대전력을 감소시키기 위해 부하에 전력을 공급하는 방전 모드와 배터리에 전력을 저장하는 충전 모드로 구분할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전장치(100)의 등가회로도를 나타낸 도면이고, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 모드에 따른 벡터도를 나타낸 도면으로, 도 3의 (a)는 PCS 동작 모드의 벡터도, 도 3의 (b)는 DSM 모드에서 방전 모드의 벡터도, 도 3의 (c)는 DSM 모드에서 충전 모드의 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 인버터(30)는 등가회로도에서 AC 전류원으로 해석이 가능하며, 계통 전압(Vg), 부하 전압(VL) 및 인버터 전압(Vc)은 병렬로 연결된 형태로 크기 및 위상이 같으며, 부하 전류(IL)는 계통 전류(Ig)와 인버터 전류(Ic)의 합으로 다음의 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
한편, 계통 전류(Ig)를 유효 및 무효 성분으로 표현하면 다음의 <수학식 2>로 나타낼 수 있다.
여기서, 첨자 p는 각 전류의 유효성분, 첨자 q는 각 전류의 무효성분을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 도 3의 (a)의 계통의 품질을 향상시키기 위한 PCS 모드에서는 계통 전류(Ig)는 항상 유효 전류(Igp)만을 공급해야 하므로 계통 전류(Ig)는 부하에서 요구하는 유효전류(ILp = Igp)성분만을 포함하며 인버터 전류 Ic는 부하에서 요구하는 무효전류(ILq = Icq)성분만을 공급하여야 한다. 따라서, 계통 전류는 부하 조건에 관계없이 항상 유효전력성분만을 공급할 수 있으며 다음 <수학식 3>과 같이 계산할 수 있다.
따라서, 인버터(30)가 계통의 고조파 및 역률 개선을 위하여 PCS 기능을 수행하는데 요구되는 전류 Ic * 는 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.
여기서, PL은 부하유효전력을 QL은 부하무효전력을 나타낸다.
또한, 도 3을 참조하면 도 3의 (b), (c)처럼 DSM 모드에서는 부하조건에 따라 배터리(42)를 이용하여 전력을 공급하거나 저장할 수 있으며, PCS 기능도 동시에 수행할 수 있다.
도 3의 (b)의 방전 모드는 배터리(42)의 전력을 방전하는 모드로, 현재 수용가의 필요 전력량이 태양 전지 어레이(10)에서 공급되는 전력량을 초과하는 경우에는 배터리(42)의 전력을 방전하게 되므로, 부하 유효전력성분의 일부를 배터리(42)가 분담할 수 있다. 즉, 첨두부하시에는 방전 모드가 작동하여, 부하 유효전력성분의 일부를 배터리가 분담하기 때문에, 요구되는 계통의 전력(PL-Pbat)을 일정부분 감소시킬 수 있으며 무효전력은 인버터에서 전부 부담하게 된다.
도 3의 (c)의 충전 모드는 배터리(42)에 전력을 충전하는 모드로 낮은 부하일 때 계통의 유효전력은 부하 및 배터리에 공급(PL+Pbat)되고 부하의 무효전력은 인버터에서 전부 부담하게 된다. 따라서, PCS 와 DSM 기능을 동시에 수행하는데 요구되는 계통전류 및 인버터 전류는 각각 <수학식 5>와 <수학식 6>으로 계산할 수 있다.
따라서, 제어부(60)는 인버터의 전류를 제어함으로써 계통 전류의 고조파를 상쇄시키고 역률을 항상 1로 유지시킬 수 있으며, 부하조건 및 배터리(42)의 상태에 따라 전력을 공급하거나 저장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전장치(100)의 제어 알고리즘 블록도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 제어 알고리즘은 부하조건 및 배터리(42)의 상태에 따라 인버터 지령 전류(Ic *)를 생성하여 PCS 와 DSM 기능을 수행하는 계통 제어 알고리즘과 실제 인버터 전류를 지령 전류 Ic *에 따라 추종하도록 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 스위칭 제어 알고리즘으로 구분할 수 있다. 도 4의 계통 제어 알고리즘에서 필요한 정보는 계통 전압(Vg)의 위상 및 크기, 부하 조건(Vg, IL)및 배터리의 전력(Vbat, Ibat)이다.
즉, 제어부(60)는 측정된 값을 이용하여 계통의 유효전력을 계산하고 부하조건 및 배터리의 상태에 따라서 <수학식 5>를 이용하여 유효전력 제어를 위한 계통 전류 Ig *를 계산할 수 있다. 또한, 계산된 계통 전류 Ig * 및 측정된 인버터 전류 IL 및 PLL에 의해 계통 전압과 동기화된 위상정보(sinwt*)를 가지고 <수학식 6>을 이용하여 최종적인 인버터 지령 전류 Ic *를 생성할 수 있다. 즉, 제어부(60)는 부하조건 및 배터리의 상태에 따라서 PCS 와 DSM 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정장치(200)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하면, 전력 측정장치(200)는 분전반(240)에 설치되고, 누전 차단기(230)와 연결되어, 계통의 전압, 전류를 측정할 수 있다. 전력 측정장치(200)는 계통의 전압, 전류를 측정하기 위한 전력 측정부(210) 및 통신부(220)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정부(210)는 계통의 전압, 전류를 측정하고, 측정된 값들을 이용하여 다양한 파라미터들을 계산할 수 있다. 예를 들어, 전력 측정부(210)는 측정된 전압, 전류를 이용하여 피상전력, 유효전력(소비전력), 무효전력, 역률, 전고조파왜곡률(THD; Total Harmonic Distortion) 등을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통신부(220)는 전력 측정부(210)가 계산한 파라미터들을 미리 정해진 소정의 시간 간격마다 서버(300)로 전송할 수 있다. 즉, 서버(300)는 일정 시간 주기로 파라미터들을 전송받아, 수용가의 전력소비형태, 미니 태양광 발전장치(100)의 상태 등을 파악할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템(1000)의 블록도를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템(1000)의 웹에 기반한 모니터링 개념도를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 서버(300)는 미니 태양광 발전장치(100) 및 전력 측정장치(200)로부터 미리 설정된 시간 간격으로 각 수용가의 전력소비형태 및 각 미니 태양광 발전장치(100)의 상태와 관련된 파라미터들을 전송받고, 전송받은 파라미터들을 이용하여 미니 태양광 발전(출력) 특성 및 전력소비형태를 파악하고, 미니 태양광 발전장치(100)를 제어하는 신호를 송출할 수 있다. 미니 태양광 발전장치(100)는 서버(300)가 송출한 제어 신호를 수신 받고, 수신한 제어 신호에 대응하여 인버터(30) 및 배터리 충방전부(40)를 제어함으로써, 태양광 발전 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 서버(300)는 전송받은 파라미터들 중에서 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하고, 분석된 전력소비형태에 대응하여 미니 태양광 발전장치(100)를 제어하는 신호를 송출할 수 있다.
또한, 서버(300)는 파라미터 데이터를 수신하면, 데이터 오류 검사를 수행하여 정상인 경우에 수신완료 신호를 미니 태양광 발전장치(100) 및 전력 측정장치(200)로 전송할 수 있다. 또한, 미니 태양광 발전장치(100) 및 전력 측정장치(200)는 서버(300)의 수신완료 신호를 받기 전까지는 계속 파라미터 데이터를 서버(300)로 전송할 수 있다.
또한, 서버(300)는 전송받은 파라미터들을 이용하여 데이터베이스화하고, 각각의 수용가의 전력소비형태 및 미니 태양광 발전장치(100)의 운영 현황의 분석 자료를 생성할 수 있다.
또한, 사용자 디바이스(400)는 서버(300) 또는 미니 태양광 발전장치(100)로부터 미니 태양광 발전장치(100)의 상태에 관련된 문자 서비스, SMS 서비스 등을 수신할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 현재 태양광 발전전력량 또는 미니 태양광 발전장치의 이상 유무 등에 관하여 사용자 디바이스(400)를 사용하여 문자, SNS, 애플리케이션 앱 등으로 확인할 수 있다. 즉, 사용자는 사용자 디바이스(400)를 사용하여 미니 태양광 발전장치(100)를 원격으로 모니터링 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 24시간 동안의 전력소비형태 분석 그래프이다.
도 8을 참조하면, 전력소비(600)가 평균부하전력(700)보다 높게 나타나는 첨두부하 구간(900)과 전력소비(600)가 평균부하전력(700)보다 낮게 나타나는 경부하 구간(800)이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버(200)는 첨두부하 제거(Peak cutting) 방법, DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하여, 각 수용가의 에너지 소비 및 발전 설비를 최적화 시킬 수 있다.
첨두부하 제거(Peak cutting)는 전력소비형태에서 첨두부하만을 제거하는 방식으로, 수용가의 최대전력사용구간을 제거하여 계통의 최대전력수요를 감소시킴으로써, 전력예비율을 확보하는 방법이다.
부하수요관리(DSM) 기능은 부하에 적합하게 수요를 관리하는 기능으로, 도 8을 참조하면, 경부하 구간(800)인 경우에는 태양광 발전으로 남는 전력을 배터리(42)에 저장하고, 첨두부하 구간(900)인 경우에는 필요전력 부족분을 배터리(42)에 저장한 에너지를 방전하여 부족분을 보충함으로써, 에너지를 효율적으로 사용하는 방법이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버(300)는 첨두부하 제거(Peak cutting) 또는 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하기 위해서, 전력 측정장치(200)로부터 전달받은 파라미터들을 이용하여, 일별, 월별, 계절별, 년별로 수용가의 전력소비형태를 분석하고, 분석된 전력소비형태에 따라서 인버터 지령값을 연산하고, 연산된 지령값을 미니 태양광 발전장치(100)로 송신할 수 있다.
예를 들어, 서버(300)는 첨두부하 제거를 위해 분석된 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후 제거해야 할 첨두부하를 미리 설정된 시간 주기마다 연산할 수 있다. 예컨대, 미리 설정된 시간 주기를 10분으로 가정하면, 첨두부하(W) 및 첨두부하 지령값은 다음 <수학식 7> 및 <수학식8>로 나타낼 수 있다.
여기에서, 첨두부하는 평균부하전력보다 높은 전력소비 구간을 의미하며, 지령값은 지령전류값으로 치환이 가능하다.
즉, 서버(300)는 미리 설정된 시간 주기로 첨두부하를 이용하여 인버터 지령전류값을 계산하여 미니 태양광 발전장치(100)로 송신할 수 있고, 제어부(60)는 전송받은 인버터 지령값을 미니 태양광 발전 전류와 비교하여, 인버터로 하여금 인버터의 출력 전류가 첨두부하 지령전류값을 추종하도록 인버터(30)를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 서버(300)는 분석된 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후, 미리 설정된 시간 주기의 부하수요 관리스케줄을 결정할 수 있고, 결정된 부하수요 관리스케쥴을 이용하여 평균부하전력보다 높은 전력소비 구간과 낮은 전력소비 구간을 확인할 수 있다. 미리 설정된 시간 주기를 10분으로 가정하면 부하수요 관리스케쥴은 다음 <수학식 9>로 나타낼 수 있다.
여기에서, 평균부하전력보다 높은 전력소비 구간은 첨두부하 구간(900)이 되므로, 서버(300)는 첨부부하 지령전류값을 계산하여 제어부(60)로 전송한다. 첨부부하 지령전류값은 전술한 <수학식 7> 및 <수학식 8>을 이용하여 계산할 수 있다.
또한, 평균부하전력보다 낮은 전력소비 구간은 경부하 구간(800)이 되므로, 서버(300)는 부하수요 지령전류값을 계산하여 제어부(60)로 전송한다. 즉, 서버(300)는 경부하 구간(800)에서는 부하수요 관리량을 계산하고, 계산한 부하수요 관리량을 이용하여 부하수요 지령값을 계산할 수 있다. 부하수요 관리량 및 부하수요 지령값(Ah)은 다음의 <수학식 10>, <수학식 11>을 이용하여 계산할 수 있다.
여기에서, 1일전 총 첨두부하량은 하루전 발생했던 첨두부하의 총합을 의미하고, 1일전 태양광 발전전력 총합은 하루전 생산했던 태양광 발전전력 총합을 의미한다.
또한, 부하수요 관리량이 수학적으로 음수(-)이면 부하수요 지령값은 0이 된다. 즉, 태양광 발전 전력량이 첨두부하량보다 많기 때문에 배터리를 저장할 필요가 없음을 의미한다.
즉, 부하수요 관리량이란 경부하 구간(800)에서 계통의 전력을 이용하여 배터리(42)에 저장해야 할 전력의 총합으로, 최종적인 부하수요 지령전류(A)는 다음의 <수학식 12>를 이용하여 계산할 수 있다.
예를 들어, 부하수요 지령전류가 10(Ah)이고, 부하수요 관리시간(경부하 구간)이 5시간이면, 지령전류는 2(A)가 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(60)는 서버(300)로부터 전송받은 첨두부하 지령전류값(첨두부하 구간) 또는 부하수요 지령전류값(경부하 구간)이 미니 태양광 발전 전류보다 작은 경우에는 인버터 출력 전류가 인버터 지령값을 추종하도록 제어하면서 남은 전력을 배터리 충방전부(40)를 통해 배터리(42)로 저장할 수 있다.
또한, 제어부(60)는 서버(300)로부터 전송받은 첨두부하 지령전류값(첨두부하 구간) 또는 부하수요 지령전류값(경부하 구간)이 미니 태양광 발전 전류보다 큰 경우에는 인버터 출력 전류가 인버터 지령값을 추종하도록 인버터의 출력 전류를 제어하고, 배터리 충방전부(40)를 통해 배터리(42)에 저장된 전기 에너지를 방전할 수 있다. 만약, 미니 태양광 발전 전류 및 배터리에 저장된 전기 에너지가 없는 경우에는 인버터(30)와 연결된 스위치를 개방하고, 미니 태양광 발전 전류가 발생할 때가지 대기할 수 있다.
또한, 제어부(60)는 서버(300)로부터 전송받은 첨두부하 지령전류값(첨두부하 구간) 또는 부하수요 지령전류값(경부하 구간)이 미니 태양광 발전 전류와 같은 경우에는 인버터 출력 전류가 인버터 지령값을 추종하도록 인버터의 출력 전류를 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 서버(300)는 첨두부하 제거(Peak cutting) 또는 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하기 위해서, 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후 미리 설정된 시간 주기의 부하수요 관리스케줄을 결정하고, 결정된 부하수요 관리스케쥴을 이용하여 평균부하전력보다 높은 전력소비 구간(첨두부하 구간)과 낮은 전력소비 구간(경부하 구간)을 확인하고, 확인된 소비전력 구간에 따라서 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 계산하여 미니 태양광 발전 장치(100)로 송신하고, 제어부(60)는 전송받은 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 미니 태양광 발전전류와 비교하여, 인버터로 하여금 인버터의 출력 전류가 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 추종하도록 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 전압 측정장치(20)는 계통의 전압, 전류를 측정하고, 측정된 전압, 전류값을 이용하여 소비전력을 계산하고(S10), 계산한 소비전력을 서버(300)로 송신할 수 있다(S20). 서버(300)는 수신된 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하고(S30), 분석된 전력소비형태에 대응하여 미니 태양광 발전 장치(100)를 제어하는 신호를 송출할 수 있다(S40). 제어부(60)는 송출된 신호에 따라서 인버터를 제어하는 인버터 지령 전류를 생성할 수 있다(S50).
또한, 제어부(60)가 인버터 지령 전류를 생성하는 알고리즘은 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성하는 알고리즘과 인버터의 전류가 지령 전류에 따라 추종하도록 하기 위한 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 알고리즘을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미니 태양광 발전시스템(1000)의 제어 방법에 관련하여서는 전술한 미니 태양광 발전시스템(1000)에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 미니 태양광 발전시스템(1000)의 제어 방법과 관련하여, 전술한 미니 태양광 발전시스템(1000)에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 태양전지 어레이
20: MPPT 컨버터
30: 인버터 40: 배터리 충방전부
42: 배터리 50: 통신부
60: 제어부 100: 미니 태양광 발전장치
200: 전력 측정장치 210: 전력 측정부
220: 통신부 230: 누전 차단기
240: 분전반 300: 서버
400: 사용자 디바이스 600: 전력소비
700: 평균부하전력 800: 경부하 구간
900: 첨두부하 구간 1000: 미니 태양광 발전시스템
30: 인버터 40: 배터리 충방전부
42: 배터리 50: 통신부
60: 제어부 100: 미니 태양광 발전장치
200: 전력 측정장치 210: 전력 측정부
220: 통신부 230: 누전 차단기
240: 분전반 300: 서버
400: 사용자 디바이스 600: 전력소비
700: 평균부하전력 800: 경부하 구간
900: 첨두부하 구간 1000: 미니 태양광 발전시스템
Claims (10)
- 미니 태양광 발전시스템에 있어서,
태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 미니 태양광 발전장치;
수용가의 전력소비형태 분석을 위해서, 계통의 전압, 전류를 측정하고, 상기 측정된 전압, 전류값을 이용하여 소비전력을 계산하는 전력 측정장치; 및
상기 전력 측정장치에서 계산된 소비전력을 수신하고, 상기 수신된 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하고, 상기 분석된 전력소비형태에 대응하여 상기 미니 태양광 발전장치를 제어하는 신호를 송출하는 서버; 를 포함하고,
상기 미니 태양광 발전장치는
태양광을 전기에너지로 변환시키는 복수의 태양 전지 모듈이 결합된 태양 전지 어레이;
상기 태양 전지 어레이가 발전하는 직류 전력의 전압을 컨버팅하는 MPPT 컨버터;
상기 MPPT 컨버터에서 컨버팅된 직류 전력을 교류 전력으로 인버팅하는 인버터;
상기 MPPT 컨버터에서 컨버팅된 직류 전력을 이용하여 배터리를 충전시키거나 방전시키는 배터리 충방전부;
상기 배터리 충방전부에 의하여 충전되거나 방전되는 배터리;
상기 서버와 네트워크 통신이 가능한 통신부; 및
상기 인버터, 배터리 충방전부를 제어하는 제어부; 를 포함하는 미니 태양광 발전시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 부하조건 및 상기 배터리의 상태에 따라서 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성하는 미니 태양광 발전시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 부하조건 및 상기 배터리의 상태에 따라서 상기 인버터의 전류가 지령 전류에 따라 추종하도록 하기 위한 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 미니 태양광 발전시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 서버는 첨두부하 제거(Peak cutting) 또는 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하기 위해서, 일별, 월별, 계절별, 년별로 수용가의 전력소비형태를 분석하고, 상기 분석된 전력소비형태에 따라서 상기 인버터 지령값을 연산하고, 상기 연산된 지령값을 상기 미니 태양광 발전장치로 송신하는 미니 태양광 발전시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 서버는 상기 분석된 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후 제거해야 할 첨두부하를 미리 설정된 시간 주기마다 연산하고, 상기 연산된 첨두부하를 이용하여 상기 인버터 지령전류값을 계산하여 상기 미니 태양광 발전장치로 송신하고,
상기 제어부는 전송받은 상기 인버터 지령값을 미니 태양광 발전 전류와 비교하여, 상기 인버터로 하여금 상기 인버터의 출력 전류가 상기 지령값을 추종하도록 상기 인버터를 제어하는 미니 태양광 발전시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 서버는 상기 분석된 일별, 월별, 계절별, 년별의 전력소비형태 자료를 이용하여, 해당 일 또는 1일전 평균부하전력을 결정한 후 미리 설정된 시간 주기의 부하수요 관리스케줄을 결정하고, 상기 결정된 부하수요 관리스케쥴을 이용하여 상기 평균부하전력보다 높은 전력소비 구간과 낮은 전력소비 구간을 확인하고, 상기 확인된 소비전력 구간에 따라서 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 계산하여 상기 미니 태양광 발전 장치로 송신하고,
상기 제어부는 전송받은 상기 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 미니 태양광 발전전류와 비교하여, 상기 인버터로 하여금 인버터의 출력 전류가 상기 첨두부하 지령전류값 또는 부하수요 지령전류값을 추종하도록 상기 인버터를 제어하는 미니 태양광 발전시스템.
- 미니 태양광 발전시스템의 제어 방법에 있어서,
계통의 전압, 전류를 측정하고, 상기 측정된 전압, 전류값을 이용하여 소비전력을 계산하는 단계;
상기 계산한 소비전력을 서버로 송신하는 단계;
상기 수신된 소비전력을 분석하여 전력소비형태를 분석하는 단계;
상기 분석된 전력소비형태에 대응하여 미니 태양광 발전 장치를 제어하는 신호를 송출하는 단계; 및
상기 송출된 신호에 따라서 인버터 지령 전류를 생성하는 단계를 포함하는 미니 태양광 발전시스템 제어 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 인버터 지령 전류를 생성하는 단계는 PCS(Power conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 기능을 수행하도록 인버터 지령 전류를 생성하는 단계를 포함하는 미니 태양광 발전시스템 제어 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 인버터 지령 전류를 생성하는 단계는 상기 인버터의 전류가 지령 전류에 따라 추종하도록 하기 위한 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 단계를 더 포함하는 미니 태양광 발전시스템 제어 방법.
- 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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