KR20180057861A

KR20180057861A - 태양광 발전시스템

Info

Publication number: KR20180057861A
Application number: KR1020160156230A
Authority: KR
Inventors: 이영희; 이권준
Original assignee: 주식회사 에스아이비; 이영희
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-05-31
Also published as: KR101929562B1

Abstract

개시되는 태양광 발전시스템은, 분산형 최대출력점 추적기; 분산형 최대출력점 추적기가 각각 구비되는 다수의 태양전지 모듈; 상기 다수의 태양전지 모듈이 직렬로 연결되어 구성되는 스트링; 상기 스트링이 병렬로 연결되어 구성되는 어레이; 및 상기 어레이와 연결된 태양광 인버터;을 포함하며, 상기 분산형 최대출력점 추적기가 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행할 수 있도록, 상기 태양광 인버터의 입력전압을 상기 어레이의 최대출력점 전압보다 높게 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전시스템{Photovoltaic Power Generation System}

본 발명(Disclosure)은, 각각의 태양전지 모듈에서 최대출력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 수행하는 분산형 최대출력점 추적장치 및 태양광 인버터 그리고 그의 제어방법에 관한 것으로, 태양전지 모듈 간의 최대출력점 전압 및 최대출력점 전류 등과 같은 전기적 특성차이 따른 전력 부정합 손실을 최소화하여 최대전력을 수확할 수 있는 태양전지 발전시스템에 관한 것이다.

여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

일반적으로, 태양광 발전시스템은 태양전지(Photovoltaic cell)를 이용하여 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시켜 상용 전력 계통으로 전송해주기 위한 장치로서, 이 과정에서 환경오염이 발생하지 않으며 반영구적으로 사용 가능하다.

태양전지 발전에 이용되는 태양전지는 무기물 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지 등 다양한 종류가 개발되고 있으며, 이러한 태양전지는 출력전압이 낮고 상대적으로 전류가 높다. 반대로 출력전압이 높고 상대적으로 전류가 낮기 때문에 보편적으로 여러 개의 태양전지를 연결하여 하나의 모듈 형태로 만들어 사용하며, 이를 태양전지 모듈이라 하며, 다수의 상기 태양전지 모듈이 직렬로 연결된 것을 스트링(string)이라 하고, 다수의 상기 스트링이 병렬로 연결된 것을 어레이(array)이라 한다.

일반적으로, 태양광 발전시스템은 상기 스트링 혹은 상기 어레이가 태양광 인버터(Inverter)에 연결된 구조로 최대출력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 기능을 내장한 태양광 인버터(inverter)에 의하여 태양전지 모듈의 최대출력점 추적이 이루어진다.

다시 말하면, 기존 태양광 발전시스템은 태양광 인버터에 내장된 하나의 최대출력점 추적장치를 이용하여, 직렬 또는 직.병렬로 연결된 다수의 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수는 구조로, 하나의 최대출력점 추적장치에 연결된 모든 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것으로 하기와 같은 문제가 있다.

먼저, 동일한 상기 스트링 내에 흐르는 전류는 반드시 동일해야 한다. 다시 말하면 이것을 구성하는 모든 태양전지 모듈의 최대전력점 전류(Imp)는 반드시 일치하여야 한다.

그러나 제조과정에서 태양전지 모듈의 최대전력점 전류의 편차는 반드시 발생하며, 태양광 발전과정에서도 일사량, 온도 그림자 등과 같은 환경적 요인에 의하여 태양전지 모듈 간의 최대전력점 전류의 편차 더욱 커지며 이로 인하여 태양전지 모듈 간의 최대출력점 전류의 부정합에 의한 전력 부정합 손실이 많이 발생한다.

그리고 병렬로 연결된 스트링 간의 전압은 반드시 동일해야 한다. 즉 이것을 구성하는 모든 태양전지 모듈의 최대전력점 전압(Vmp)가 일치하여야 한다.

그러나 제조과정에서 태양전지 모듈의 최대전력점 전압의 편차는 반드시 발생하며, 태양광 발전과정에서도 일사량, 온도 그림자 등과 같은 환경적 요인에 의하여 태양전지 모듈 간의 최대전력점 전압의 편차 더욱 커지며 이로 인하여 태양전지 모듈 간의 최대출력점 전압의 부정합에 의한 전력 부정합 손실이 많이 발생한다.

따라서 기존의 태양광 발전시스템은 태양광 인버터에 내장된 하나의 최대전력점 추적장치를 이용하여 직.병렬로 연결된 다수의 태양전지 모듈의 최대전력점 추적을 수행하는 구조로 태양전지 모듈 간의 전기적 특성 차이에 의한 전력 부정합 손실이 발생하여 이로 인한 최대전력 수확에 어려움의 문제가 있다.

1. 한국공개특허공보 제10-2011-0020002호 2. 한국공개특허공보 제10-2007-070685호 3. 한국공개특허공보 제10-2013-0025286호

본 발명(Disclosure)은, 태양전지 모듈에 간에 최대출력점 전압(Vmp) 및 최대출력점 전류(Imp) 등과 같은 전기적 특성차이로 인한 전력 부정합 손실을 최소화하기 위한 분산형 최대출력점 추적장치 및 태양광 인버터 그리고 그의 제어 방법의 제공을 일 목적으로 한다.

여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).

상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 태양광 발전시스템은, 분산형 최대출력점 추적기; 분산형 최대출력점 추적기가 각각 구비되는 다수의 태양전지 모듈; 상기 다수의 태양전지 모듈이 직렬로 연결되어 구성되는 스트링; 상기 스트링이 병렬로 연결되어 구성되는 어레이; 및 상기 어레이와 연결된 태양광 인버터;을 포함하며, 상기 분산형 최대출력점 추적기가 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행할 수 있도록, 상기 태양광 인버터의 입력전압을 상기 어레이의 최대출력점 전압보다 높게 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 분산형 최대출력점 추적기는, 듀티(duty) 변화에 따라 출력 임피던스가 가변되는 Half bridge DC-DC 컨버터;를 포함하며, 상기 태양전지 모듈과 병렬로 연결되어 상기 Half Bridge DC-DC 컨버터의 듀티(duty) 변경에 따른 출력 변화를 비교하여 출력이 증가하는 방향으로 듀티를 변경시켜 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 분산형 최대출력점 추적기는, 듀티(duty) 변화에 따라 출력 임피던스(Impedance)가 가변되는 Half bridge DC-DC 컨버터; 전압/전류를 측정하기 위한 제1 아날로그회로 및 제2 아날로그회로; 상기 제1 아날로그회로 및 상기 제2 아날로그회로로부터 전송된 전압/전류를 측정하여 현재 전력과 변경된 듀티의 전력을 비교하여 최대출력점 추적 알고리즘을 수행하는 제어기; 및 상기 제어기 및 상기 Half bridge DC-DC 컨버터에 필요한 전력을 공급하기 위한 전원 공급기;를 포함하고, 상기 Half Bridge DC-DC 컨버터의 듀티(duty) 변화에 따른 상기 태양광 인버터에 전달되는 전력의 증감을 비교하여 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 Half bridge DC-DC 컨버터는, 다수의 모스펫(MOSFET);과, 다수의 커패시턴스;와 인덕터; 및 High and Low Side Driver;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 분산형 최대출력점 추적기는, 초기화 단계(S710); 상기 태양광 인버터의 동작을 확인하는 단계(S720); 상기 태양광 인버터가 상기 스트링의 최대출력점 전압을 측정하는 동안 초기 듀티를 유지하면서 대기하는 단계(S725); 현재 듀티(D)에서 전력(P1)을 측정하는 단계(S730); 듀티를 증가(D=D+Δd)시킨 후, 전력(P2)을 측정하고 듀티를 감소(D=D-Δd)시키는 단계(S740); 현재 듀티 전력(P1)과 듀티 변경 후 전력(P2)을 비교하는 단계(S750); P1보다 P2가 크면 듀티를 증가(D=D+Δd)시키고 일정시간 지연하는 단계(S760); 및 P1이 P2보다 크면 듀티를 감소(D=D-Δd)시키고 일정시간 지연하는 단계(S770);를 포함하되, 상기 S730부터 상기 770까지를 순차로 반복 수행하여 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 분산형 최대출력점 추적기에 의하여 각각의 태양전지 모듈의 최대출력점을 추적함으로 태양전지 모듈 간의 최대출력점 전압(Vmp) 및 최대출력점 전류(Imp)와 같은 전기적 특성차이로 인한 전력 부정합 손실을 최소화하여 태양광 발전시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

또한, 그림자와 같은 환경적 요인에 의한 전력 부정합이 심한 경우도 이에 따른 손실을 최소화하여 태양광 발전시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 태양광 발전시스템의 구조를 나타낸 블럭 구성도.
도 2는 태양전지 모듈 구조를 나타낸 블럭 구성도.
도 3은 스트링의 구조를 나타낸 블럭 구성도.
도 4는 분산형 최대출력점 추적기를 나타낸 블럭 구성도.
도 5는 분산형 최대출력점 추적기(400)에 의해 이루어지는 제어방법의 일 예를 보인 플로우 챠트(Flow chart).
도 6은 태양전지 모듈의 출력특성을 나타낸 그래프.
도 7은 태양광 인버터를 나타낸 블럭 구성도.

이하, 본 발명에 따른 태양광 발전시스템을 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

다만, 본 발명의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.

또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 기술적 내용을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.

먼저, 본 발명에 의한 태양광 발전시스템에 대하여 설명하기에 앞서, 기존의 태양광 발전시스템에서의 태양전지 모듈의 전력 부정합을 분석하여 본다.

동일한 스트링을 구성하는 모든 태양전지 모듈에 흐르는 전류는 반드시 동일해야 한다. 따라서 모든 태양전지 모듈의 최대출력점 전류가 일치해야 한다. 그러나 태양전지 모듈 자체의 전기적 특성 편차와 온도, 일사량 등과 같은 환경에 따라 나타나는 전기적 편차에 의하여 태양전지 모듈 간의 최대출력점 전류의 편차는 더욱 커져 이로 인한 전력 부정합 손실이 발생한다.

또한, 하나의 태양광 인버터에 하나 이상의 스트링이 병렬로 연결된 어레이(Array) 구조에서는 각각의 스트링의 전압은 동일해야 한다. 따라서 모든 태양전지 모듈의 최대출력점 전압이 일치해야 한다.

그러나 태양전지 모듈 자체의 전기적 특성 편차와 온도, 일사량 등과 같은 환경에 따라 나타나는 전기적 편차에 의하여 태양전지 모듈 간의 최대출력점 전압의 편차는 더욱 커져 이로 인한 전력 부정합손실이 더욱 많이 발생한다.

이하에서는, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양광 발전시스템에 대해 자세히 설명한다.

<태양광 발전시스템>

도 1은 태양광 발전시스템의 구조를 나타낸 블럭 구성도이다.

도 1을 참조하면, 태양광 발전시스템(100)은 N 개의 상기 스트링(500), 태양광 인버터(200) 및 역류방지 다이오드(110)를 포함한다.

또한, 태양광 발전시스템(100)에서, 스트링(500)과 역류방지 다이오드(110)는 직렬로 연결되어 태양광 인버터(200)에 연결되고, 스트링(500) 상호 간으로 병렬로 연결된다.

그리고 스트링(500)을 구성하는 태양전지 모듈(300)의 갯 수는 태양광 인버터(200)의 입력전압 허용 범위를 고려하여 결정하는 것이 좋다.

<태양전지 모듈 구조>

도 2는 태양전지 모듈 구조를 나타낸 블럭 구성도이다.

도 2를 참조하면, 태양전지 모듈(300)은 다수의 태양전지(310) 및 졍션 박스(320)(Junction Box)를 포함하고, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 한다.

<스트링 구조>

도 3은 스트링의 구조를 나타낸 블럭 구성도이다.

도 3을 참조하면, 스트링(500)은 N개의 태양전지 모듈(300)과 각각의 태양전지 모듈(300)에 구비되는 분산형 최대출력점 추적기(400)를 포함한다.

분산형 최대출력점 추적기(400)의 입력단자(470)는 태양전지 모듈(300)과 병렬로 연결되고, 출력단자(480)는 서로 직렬연결로 구성된다.

스트링(500)을 구성하는 태양전지 모듈(300)의 갯 수는 동일하게 구성하는 것이 좋다.

<분산형 최대출력점 추적기>

도 4는 분산형 최대출력점 추적기를 나타낸 블럭 구성도이다.

도 4를 참조하면, 분산형 최대출력점 추적기(400)는, Half bridge DC-DC 컨버터(410), 제어기(420), 전원 공급기(430), 제1 아날로그회로(440), 제2 아날로그회로(450), 다이오드(460), 입력단자(470) 및 출력단자(480)를 포함한다.

분산형 최대출력점 추적기(400)는, 개별적으로 태양전지 모듈(300)의 최대출력점 추적을 수행하는 역할을 한다.

먼저, Half bridge DC-DC 컨버터(410)는 다수의 모스펫(411)(MOSFET: Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), 인덕터(412)(Inductor), 다수의 커패시터(413)(Capacitor) 및 High and Low Side Driver(414)를 포함하고, 모스펫(411)의 스위칭 ON/OFF 시간의 비율, 즉 듀티(Duty)에 따라 출력 임피던스(Impedance)가 가변되는 것을 이용하여 태양전지 모듈(300)에서 생산된 전력을 태양광 인버터(200)로 보내는 전력을 가변시키는 중요한 역할을 한다.

모스펫(411)은, 제1 모스펫(411-1) 및 제2 모스펫(411-2)을 포함한다.

제1 모스펫(411-1)은 인덕터(412)와 직렬연결된다.

제2 모스펫(411-2)의 일 측은 인덕터(412)와 제1 모스펫(411-1) 사이에 연결되고, 반대 측은 접지(GND)에 연결된다.

모스펫(411)은 반도체 스위칭 소자로서 전류의 흐름을 제어하여, 인덕터(412)에 자기장 에너지를 저장하고 방출시키는 역할 및 커패시터(413)에 전기장 에너지를 저장하고 방출시키는 역할을 한다.

환류에 의한 전력손실을 감소시키기 위하여 다이오드 대신 제2 모스펫(411-2)을 사용한다.

또한, 전력손실을 최소화하기 위하여 모스펫(411)의 ON 저항은 작은 것이 좋으며 10mohm 이하가 좋다.

인덕터(412)는 일 측이 입력과 연결되고, 타 측은 제1 모스펫(411-1)과 연결되고, 모스펫(411)의 전류 흐름의 제어에 따라 자기장 에너지를 저장하고 방출시키는 역할을 한다.

커패시터(413)는 일 측이 제1 모스펫(411-1)과 연결되고, 타 측은 접지와 연결되며, 제1 모스펫(411-1)과 커패시터(413) 사이에 출력이 연결된다.

커패시터(413)는 모스펫(411)의 전류 흐름의 제어에 따라 전기장 에너지를 저장하고 방출시키는 역할을 한다.

High and Low Side Driver(414)는 제1 모스펫(411-1)을 위하여 High Side Driver 측과 연결하고, 제2 모스펫(411-2)을 위하여 Low Side Driver 측에 연결되어 스위칭 ON/OFF 시간의 비율, 즉 듀티(Duty) 신호를 모스펫(411)에 전달하여 전류 흐름을 제어하는 역할을 한다.

또한, 입력된 하나의 PWM 신호를 이용하여 두 개의 PWM 신호를 만들고, 레벨 쉬프트 (Level shift)를 이용하여 High side driver 신호를 만드는 역할을 한다.

다음은, 제어기(420)는 PWM 회로(421)(PWM: Pulse Width Modulation), 다수의 ADC 회로(422)(ADC: Analog to Digital Converter) 및 알고리즘 처리기(423)를 포함하고, Half bridge DC-DC 컨버터(410)의 듀티를 가변시켜 태양전지 모듈(300)의 최대출력점 추적을 제어하는 역할을 한다.

태양전지 모듈(300)에서 생산된 전력이 태양광 인버터(200)로 전달되는 전력이 항상 증가하는 방향으로 Half bridge DC-DC 컨버터(410)의 듀티를 제어하는 역할을 한다.

이를 위하여, MCU(MCU: Micro Controller Unit)와 같은 디바이스(Device)를 이용할 수 있다.

PWM 회로(421)는 High and Low Side Driver(414)와 연결되어 알고리즘 처리기(423)에서 결정된 듀티를 펄스 폭 변조 회로를 통하여 아날로그 신호로 변경하여 High and Low Side Driver(414)로 보내는 역할을 한다.

ADC 회로(422)는, 제1 ADC회로(422-1) 및 제2 ADC회로(422-2)를 포함하고, 아날로그 데이터를 제어기(420)에서 처리할 수 있는 디지털 데이터로 변환하는 역할을 한다.

알고리즘 처리기(423)는 최대출력점 추적 알고리즘을 처리하는 마이크로프로세서(Microprocessor)와 같은 역할을 하는 것으로서, Half bridge DC-DC 컨버터(410)의 듀티를 변경하여 태양전지 모듈(300)의 최대출력점을 추적하는 역할을 한다.

다음으로, 제1 아날로그회로(440)는 태양전지 모듈(300)의 전압/전류를 측정하기 위한 아날로그회로를 제공하는 역할을 하며, 전압측정은 분배저항 회로를 이용하여 제1 ADC 회로(422-1)에서 측정 가능한 전압범위 이내로 낮추는 것이 좋고, 전력소비를 줄이기 위하여 분배저항의 크기는 10 Kohm 이상 높은 것이 좋다.

전류는 홀 센서(Hall sensor)와 같은 회로를 이용하여 측정하는 것이 좋다.

다음으로, 제2 아날로그회로(450)는 Half bridge DC-DC 컨버터(410)의 출력 전압/전류를 측정하기 위한 아날로그회로를 제공하는 역할을 하고, 전압측정은 분배저항 회로를 이용하여 제2 ADC 회로(422-2)에서 측정 가능한 범위 이내로 전압을 낮추는 것이 좋고, 전력소비를 줄이기 위하여 분배저항의 크기는 10 Kohm 이상 높은 것이 좋다.

여기서도, 전류는 홀 센서(Hall sensor)와 같은 회로를 이용하여 측정하는 것이 좋다.

다음으로, 전원 공급기(430)는 태양전지 모듈(300)로부터 전원을 공급받아 감압회로를 이용하여 High and Low side 드라이버(414) 및 제어기(420)에 필요한 전원을 공급하는 역할을 한다.

다음으로, 다이오드(460)는 Half bridge DC-DC 컨버터(410) 등의 문제로 인하여 전력전달에 이상이 발생할 경우, 우회 통로 역할을 한다.

다음으로, 입력단자(470)는 태양전지 모듈(300)과 분산형 최대출력점 추적기(400) 사이의 전기적 연결을 용이하게 하는 역할을 하는 것으로, 연결의 용이성을 높이기 위하여 컨넥터(Connector) 형태로 구성하는 것이 바람직하다.

다음으로, 출력단자(480)는 분산형 최대출력점 추적기(400)와 분산형 최대출력점 추적기(400) 사이의 전기적 연결을 용이하게 하는 역할을 하는 것으로, 연결의 용이성을 높이기 위하여 컨넥터(Connector) 형태로 구성하는 것이 바람직하다.

분산형 최대출력점 추적기(400)의 동작을 살펴보면, 먼저 제어기(420)는 ADC 회로(422)를 이용하여 현재의 전압/전류를 측정하고 이것을 이용하여 현재전력(P = 전압 x 전류)을 계산한 다음, 변경된 듀티를 상기 PWM 회로(421)를 통하여 PWM 신호로 변경되어 High and Low side Driver(414)에 전달된다.

이로 인하여, 모스펫(411)의 듀티가 변경되며, 태양전지 모듈(300)에서 생산되는 전력이 태양광 인버터(200)에 전달되는 전력 또한 변경된다.

현재 전력과 변경된 전력을 비교하여 전력이 항상 증가하는 방향으로 듀티를 변경시켜 태양전지 모듈(300)의 최대출력점 추적을 수행하는 역할을 한다.

이하에서는 분산형 최대출력점 추적기(400)에 의해 이루어지는 제어방법을 보다 상세하게 설명한다.

<분산형 최대출력점 추적 제어 흐름>

도 5는 분산형 최대출력점 추적기(400)에 의해 이루어지는 제어방법의 일 예를 보인 플로우 챠트(Flow chart) 이다.

도 5를 참조하면, 분산형 최대출력점 추적기(400)는 초기화 단계(S710), 태양광 인버터(200) 동작확인 단계(S720), 대기 단계(S725), 현재 듀티 전력(P1) 측정 단계(S730), 듀티증가(D=D+Δd) & 전력(P2) 측정 & 듀티감소(D=D-Δd) 단계(S740), 전력비교(P1<P2) 단계(S750), 듀티 증가(D=D+Δd) & 시간 지연 단계(S760) 및 듀티감소(D=D-Δd) & 시간 지연 단계(S770);를 포함하며, 단계 S730에서 단계 S770를 반복적으로 순환하여 수행하면서 태양전지 모듈(300)의 최대출력점 추적을 수행한다.

첫 번째 단계인, 단계 S710에서는 최대 출력점 추적에 필요한 초기 듀티 및 듀티 증감폭(Δd) 및 지연시간(Δt) 및 개방전압(Voc: Open Circuit Voltage) 등의 변수들을 초기화한다.

이어서, 단계 S720에서, 태양광 인버터(200)의 동작을 확인하는 단계로, 제1 아날로그회로(440) 및 제2 아날로그회로(450)의 아날로그 데이터를 ADC 회로(422)를 통하여 변환된 전압/전류 값이 태양전지 모듈(300)의 개방전압보다 높거나 혹은 기준 전류 이하로 흐르면 단계 S710를 반복수행하며 태양광 인버터(200)가 정상동작 할 때까지 대기한다.

반대 경우, 태양광 인버터(200)는 스트링(500)의 개방전압을 확인하고 정상동작을 시작한 것으로 판단하고 단계 S725로 진행한다.

이어서, 단계 S725에서, 분산형 최대출력점 추적기(400)는 태양광 인버터(200)에서 스트링(500)의 최대출력점 전압을 확인하는 동안 초기 듀티를 유지하면서 일정시간 대기한 후 단계 S730으로 진행한다.

이어서, 단계 S730에서, 현재 듀티에서 전력을 측정하는 단계로 ADC 회로(422)를 통하여 전압/전류 값을 측정하여 현재 전력(P1)(= 전압 x 전류)을 계산하고 S740단계로 진행한다.

이어서, 단계 S740에서, 듀티 변경에 따른 전력의 변화를 측정하는 단계로, 알고리즘 처리기(423)는 현재 듀티(D)를 증감폭(Δd) 만큼 증가시켜 듀티(D = D+Δd)로 변경하고 PWM 회로(421)에 전달한다.

이로 인하여 변경된 PWM 신호가 상기 High and Low side 드라이버(414)에 전달되고, 모스펫(411)의 스위칭 듀티는 D에서 D+Δd로 변경되어 출력 임피더스 (Impedance)가 변경된다.

이로 인하여 태양전지 모듈(300)에서 태양광 인버터(200)에 전달되는 전력이 변경된다.

이때, ADC(422) 회로를 통하여 변경된 전압/전류 값을 측정하여 듀티 변경에 따른 전력(P2)을 계산한 후, 듀티(D+Δd)를 증감폭(Δd) 만큼 차감(D = D + Δd - Δd)하여 원래 듀티(D)로 되돌리고 단계 S750을 진행한다.

이어서, 단계 S750는, 듀티 증감폭(Δd) 변경에 따른 전력 변화를 비교하는 단계로, 이를 통하여 태양전지 모듈(300)의 현재 출력점이 최대출력점을 기준으로 좌측에 있는지 혹은 우측에 있는지를 판단한다.

현재 전력(P1)이 듀티 변경 후의 전력(P2)보다 작으면 현재의 출력점은 최대출력점보다 우측에 위치하며, 현재의 출력점을 최대출력점으로 보내기 위해서는 듀티를 증가시키면 된다. 이를 위하여 단계 S760로 진행한다.

반대 경우, 현재 전력(P1)이 듀티 변경 후의 전력(P2)보다 크면 현재 출력점은 최대출력점보다 좌측에 위치하며, 현재의 출력점을 최대출력점으로 보내기 위해서는 듀티를 감소시키면 된다. 이를 위하여 단계 S770로 진행한다.

이어서, 단계 S760는, 현재 듀티를 듀티 증감폭(Δd) 만큼 증가시키면 현재 출력은 상승하여 최대출력점 방향으로 이동하는 단계로서, 알고리즘 처리기(423)는 듀티(D)를 듀티 증감폭(Δd) 만큼 증가(D = D + Δd)시켜 상기 PWM 회로(421)를 통하여 PWM 신호를 상기 High and Low side Driver(414)에 전달한다.

이에 의하여, 모스펫(411)의 스위칭 듀티가 증가 되어, 태양전지 모듈(300)에서 생산된 전력을 상기 태양광 인버터(200)에 증가시켜 전달된다.

그리고 동일한 스트링(500)을 구성하는 다른 태양전지 모듈(300)의 듀티 변경에 따른 전력의 측정왜곡을 줄이기 위하여 일정시간 동안 대기한 후에 단계 S730으로 진행한다.

이어서, 단계 S770는, 현재 듀티를 듀티 증감폭(Δd) 만큼 감소시키면 현재 출력은 상승하여 최대출력점 방향으로 이동하는 단계로서, 알고리즘 처리기(423)는 듀티(D)를 듀티 증감폭(Δd) 만큼 감소(D = D - Δd)시켜 PWM 회로(421)를 통하여 PWM 신호를 상기 High and Low side Driver(414)에 전달한다.

이에 의하여, 모스펫(411)의 스위칭 듀티가 감소 되어, 태양전지 모듈(300)에서 생산된 전력을 태양광 인버터(200)에 증가시켜 전달된다.

그리고 동일한 스트링(500)을 구성하는 다른 태양전지 모듈(300)의 듀티 변경에 따른 전력의 측정왜곡을 줄이기 위하여 일정시간 동안 대기한 후에 다음 단계 S730으로 진행한다.

분산형 최대출력점 추적기(400)는 단계 S730부터 상기 단계 S770까지를 반복적으로 수행하여 태양전지 모듈(300)의 최대출력점 추적을 수행한다.

이로 인하여 상기 태양광 발전시스템(100)은 최대출력을 수확할 수 있다.

도 6은 태양전지 모듈의 출력특성을 나타낸 그래프이다.

도 6을 참조하면, 태양전지 모듈(300)의 최대출력점(Pmax)은 최대출력전류(Imp)와 최대출력전압(Vmp)에 의하여 결정되며, 최대출력점(Pmax)을 기준으로 좌측은 최대출력전류(Imp)보다 높게 전류가 태양광 인버터(200)에 전달되어 최대출력점을 벗어나는 것이고, 반대로 우측은 최대출력전류(Imp)보다 낮게 전류가 상기 태양광 인버터(200)에 전달되어 최대출력점을 벗어난다.

도 7 태양광 인버터를 나타낸 블럭 구성도이다.

도 7을 참조하면, 태양광 인버터(200)는 DC-DC 컨버터(210), DC-AC 인버터(220), 인버터 제어기(230), 제3 아날로그회로(240), 제4 아날로그회로(250), 출력장치(260) 및 전원 공급장치(270)를 포함하며, 태양전지 모듈(300)로부터 제공되는 직류 전압을 교류전압으로 변환하고, 변환된 교류전압을 계통에 제공하는 역할을 한다.

또한, 스트링(500)의 최대출력점 전압보다 높게 태양광 인버터(200)의 입력전압을 유지하여, 분산형 최대출력점 추적기(400)가 태양전지 모듈(300)의 최대출력점을 추적할 수 있도록 하는 역할을 한다.

입력전압은 스트링(500)의 최대출력점 전압보다 8%에서 20% 높게 유지하는 것이 좋다.

먼저, DC-DC 컨버터(210)는 스트링(500)과 연결되고, 듀티에 따라 임피던스 가변되는 특성을 이용하여, 입력전압을 스트링(500)의 최대출력점 전압보다 8%에서 20% 높게 유지하는 역할을 한다. 또한, 타 측은 상기 DC-AC 인버터(220)에 연결된다.

다음, DC-AC 인버터(220)는 DC-DC 컨버터(210)로부터 전달받은 직류전압을 교류전압으로 변환하고, 계통에 전달하는 역할을 한다.

다음, 제어기(230)는 제3 ADC 회로(231-1), 제4 ADC 회로(231-2) 및 명령처리기(232)를 포함하고, 제3 아날로그회로(240) 및 상기 제4 아날로그회로(250)의 아날로그 데이터를 제3 ADC 회로(231-1) 및 제4 ADC 회로(231-2)를 이용하여 디지털 데이터로 변환한다.

상기 변환된 데이터를 이용하여 명령처리기(232)는 DC-DC 컨버터(210)의 입력전압을 스트링(500)의 최대출력점 전압보다 8%에서 20% 높게 유지되도록 하는 역할을 한다.

또한, 출력장치(260)에 사용자에게 필요한 정보를 표시하는 역할을 한다.

다음, 제3 아날로그회로(240)는 태양광 인버터(200)의 입력전압/전류를 측정하기 위한 아날로그회로를 제공하는 역할을 한다.

태양광 인버터(200)와 다수의 스트링(300)은 병렬로 연결되어, 스트링(300) 간의 전압은 동일하다.

전압측정은 분배저항 회로를 이용하여 제3 ADC 회로(231-1)에서 측정 가능한 전압범위 이내로 낮추는 것이 좋고, 전력손실을 최소화하기 위하여 분배저항의 크기는 10 Kohm 이상 높은 것이 좋다.

또한, 전류측정은 다수의 스트링(500)의 전류가 합산되어 높은 전류를 측정할 수 있는 홀 센서와 같은 회로를 이용할 수 있다.

다음, 제4 아날로그회로(250)는 DC-DC 컨버터(210)의 출력전압/전류를 측정하기 위한 아날로그회로를 제공하는 역할을 한다.

전압측정은 분배저항 회로를 이용하여 제4 ADC 회로(231-2)에서 측정 가능한 전압범위 이내로 낮추는 것이 좋고, 전력손실을 최소화하기 위하여 분배저항의 크기는 10 Kohm 이상 높은 것이 좋다.

또한, 전류측정은 높은 전류를 측정할 수 있는 홀 센서와 같은 회로를 이용할 수 있다.

다음, 출력장치(260)는 사용자에게 필요한 정보를 제공하는 역할을 한다.

예를 들면, 현재 태양전지 모듈(300)에서 생산되는 전력(전압/전류) 및 계통으로 전달되는 전력(전압/전류) 및 태양광 인버터(200)의 동작상태 등의 정보를 제공한다.

다음, 전원 공급장치(270)는 스트링(500)의 높은 전압을 감압회로를 이용하여 제어기(230)등에 필요한 전원을 공급하는 역할을 한다.

태양전지 모듈의 출력과 병렬로 연결된 부스트 DC-DC컨버터를 구비한 분산형 최대출력점 추적기와 분산형 최대출력점 추적기와 직렬로 연결된 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터를 구비한 태양광 인버터를 구비한 태양전지 발전 시스템에 있어서, 태양광 인버터의 DC-DC 컨버터의 입력전압을 스트링의 최대전력점 전압보다 높게 일정하게 유지시키면 스트링 내에 있는 모든 태양전지 모듈은 최대출력점 전류보다 낮게 되어 최대출력점을 벗어나게 된다.

이때 분산형 최대출력점 추적기의 부스트 DC-DC컨버터의 듀티를 증가시키면 출력전압이 상승되고 입력전압(=태양전지 모듈의 출력전압)이 최대출력점 전압 방향으로 이동된다. 부스트 DC-DC컨버터의 듀티를 최대출력점 전압에 도달할 때까지 듀티를 증가시키면 모든 태양전지 모듈이 최대전력점에서 동작하여 최대 출력을 수학할 수 있다.

두 번째로 태양전지 모듈의 출력과 병렬로 연결된 벅 DC-DC컨버터를 구비한 분산형 최대출력점 추적기와 분산형 최대출력점 추적기와 직렬로 연결된 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터를 구비한 태양광 인버터를 구비한 태양전지 발전 시스템에 있어, 태양광 인버터의 DC-DC 컨버터의 입력전압을 스트링의 최대전력점 전압보다 낮게 일정하게 유지시키면 스트링 내에 있는 모든 태양전지 모듈은 최대출력점 전압보다 낮게 되어 최대출력점을 벗어나게 된다.

이때 분산형 최대출력점 추적기의 벅 DC-DC컨버터의 듀티를 감소시키면 출력전압은 감압되어 입력전압(=태양전지 모듈의 출력전압)이 최대출력점 방향으로 이동된다.

DC-DC컨버터의 듀티를 최대출력점에 도달할 때까지 듀티를 감소시키면 모든 태양전지 모듈이 최대전력점에서 동작하여 최대 출력을 수학할 수 있다.

Claims

분산형 최대출력점 추적기;
분산형 최대출력점 추적기가 각각 구비되는 다수의 태양전지 모듈;
상기 다수의 태양전지 모듈이 직렬로 연결되어 구성되는 스트링;
상기 스트링이 병렬로 연결되어 구성되는 어레이; 및
상기 어레이와 연결된 태양광 인버터;을 포함하며,
상기 분산형 최대출력점 추적기가 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행할 수 있도록, 상기 태양광 인버터의 입력전압을 상기 어레이의 최대출력점 전압보다 높게 유지하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분산형 최대출력점 추적기는, 듀티(duty) 변화에 따라 출력 임피던스가 가변되는 Half bridge DC-DC 컨버터;를 포함하며, 상기 태양전지 모듈과 병렬로 연결되어 상기 Half Bridge DC-DC 컨버터의 듀티(duty) 변경에 따른 출력 변화를 비교하여 출력이 증가하는 방향으로 듀티를 변경시켜 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분산형 최대출력점 추적기는,
듀티(duty) 변화에 따라 출력 임피던스(Impedance)가 가변되는 Half bridge DC-DC 컨버터;
전압/전류를 측정하기 위한 제1 아날로그회로 및 제2 아날로그회로;
상기 제1 아날로그회로 및 상기 제2 아날로그회로로부터 전송된 전압/전류를 측정하여 현재 전력과 변경된 듀티의 전력을 비교하여 최대출력점 추적 알고리즘을 수행하는 제어기; 및
상기 제어기 및 상기 Half bridge DC-DC 컨버터에 필요한 전력을 공급하기 위한 전원 공급기;를 포함하고
상기 Half Bridge DC-DC 컨버터의 듀티(duty) 변화에 따른 상기 태양광 인버터에 전달되는 전력의 증감을 비교하여 상기 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 Half bridge DC-DC 컨버터는, 다수의 모스펫(MOSFET);과, 다수의 커패시턴스;와 인덕터; 및 High and Low Side Driver;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분산형 최대출력점 추적기는,
초기화 단계(S710);
상기 태양광 인버터의 동작을 확인하는 단계(S720);
상기 태양광 인버터가 상기 스트링의 최대출력점 전압을 측정하는 동안 초기 듀티를 유지하면서 대기하는 단계(S725);
현재 듀티(D)에서 전력(P1)을 측정하는 단계(S730);
듀티를 증가(D=D+Δd)시킨 후, 전력(P2)을 측정하고 듀티를 감소(D=D-Δd)시키는 단계(S740);
현재 듀티 전력(P1)과 듀티 변경 후 전력(P2)을 비교하는 단계(S750);
P1보다 P2가 크면 듀티를 증가(D=D+Δd)시키고 일정시간 지연하는 단계(S760); 및
P1이 P2보다 크면 듀티를 감소(D=D-Δd)시키고 일정시간 지연하는 단계(S770);를 포함하되,
상기 S730부터 상기 770까지를 순차로 반복 수행하여 태양전지 모듈의 최대출력점 추적을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템.