KR20190101672A

KR20190101672A - 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템

Info

Publication number: KR20190101672A
Application number: KR1020180021944A
Authority: KR
Inventors: 정규범
Original assignee: 우석대학교 산학협력단
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2019-09-02
Also published as: KR102051208B1

Abstract

본 발명은 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양광을 받아 직류 전력을 생산하는 태양전지판을 포함하는 태양전지 모듈; 상기 태양전지 모듈에서 출력된 전력에 대해 최대전력점 추종제어를 수행하기 위해, 인덕터 및 제1 제어기를 포함하는 컨버터부; 및 상기 컨버터부에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리부를 포함하고, 상기 제1 제어기는, 전압과 전력의 전력 특성 곡선의 임의의 제1 전력값을 기준전압으로 설정하고 상기 인덕터의 기준전압에 대한 전류를 일정한 제1 전류로 계산하여 제1 출력전력을 계산하고, 상기 전력 특성 곡선의 임의의 제2 전력값을 기준전압으로 설정하고 상기 인덕터의 기준전압에 대한 전류를 일정한 제2 전류로 계산하여 제2 출력전력을 계산하며, 상기 컨버터부는 상기 제1 및 제2 출력전력을 이용하여 최대전력점 추종제어를 수행할 수 있다. 본 발명에 의하면, 태양전지판에서 출력되는 전류를 측정하지 않으면서, 컨버터부의 효율에 따라 최대전력점 추종제어를 수행할 수 있어, 컨버터의 상태가 가변되더라도 태양광 발전 시스템에서 출력되는 전력이 최대전력점에 이르도록 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템{SOLAR GENERATING SYSTEM OF MAXIMUM POWR TRACKING CONTROL}

본 발명은 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광에서 발전된 전력을 변환하는 컨버터의 효율을 고려한 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.

태양광 발전 시스템은 태양에너지를 전기에너지로 바꾸기 위한 하나 이상의 태양전 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 어레이를 형성한다. 이러한 태양광 발전 시스템은, 태양전지 모듈에서 생성된 직류 전력을 부하 또는 계통에 공급하기 위해 교류전력으로 변환하기 위해 컨버터가 구비된다.

특히, 계통에 연계된 컨버터에서는 계통 부하를 무한대로 변동 가능한 부하로 볼 수 있기 때문에 시스템의 효율을 높이기 위해 태양전지에서 발생하는 전력을 최대로 이용할 수 있도록 최대전력점 추종 제어를 수행한다.

종래에 태양전지 모듈에서 최대전력점 추종 제어를 위해, 태양전지 모듈에 전류 센서와 전압 센서를 설치하여, 측정된 전류와 전압을 이용하여 전력을 계산하고, 태양전지 모듈을 최대전력점 제어하는 알고리즘을 통해 최대전력점 추종 제어를 수행한다. 이러한 방법은 태양전지 모듈의 전력을 최대전력점 추종 제어하는 방식으로 효과적인 방법 중 하나이다.

도 1은 종래의 태양전지 모듈의 전압과 전류를 측정하여 최대전력점 추종 제어를 수행하는 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈(100)에서 생성된 전력을 배터리에 저장하기 위한 벅 컨버터 회로는 최대전력전 추종 제어를 하기 위해 태양전지판의 출력전압과 태양전지판의 출력 전류를 측정하고, 측정된 전압과 전류를 이용하여 출력전력이 최대 전력이 되도록 제어한다. 또한, 태양전지 모듈(100)에서 생성된 전력으로 배터리를 충전하기 위해 배터리의 충전 전류인 인적터 전류를 인덕터 전류 센서(210)에서 측정하고, 태양전지 모듈(100)의 출력 전압이 최대전력이 되도록 제어한다. 이때, 배터리의 상태를 파악하기 위해 배터리 전압 센서(310)를 통해 배터리의 전압을 측정하여 배터리의 충전 상태를 조절한다.

이러한 종래의 태양광 발전 시스템은 태양전지 모듈(100)에서 생성된 전력을 최대전력점으로 제어할 수 있지만, 컨버터의 상태에 따라 컨버터 내에서 전력이 손실되는 현상이 발생할 수 있는 문제가 있다. 그에 따라 태양광 발전 시스템에서 출력되는 전력은 최대전력점에 이르지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 태양전지 모듈에서 생성된 전력이 컨버터를 통해 손실되는 것을 최소화할 수 있는 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양광을 받아 직류 전력을 생산하는 태양전지판을 포함하는 태양전지 모듈; 상기 태양전지 모듈에서 출력된 전력에 대해 최대전력점 추종제어를 수행하기 위해, 인덕터 및 제1 제어기를 포함하는 컨버터부; 및 상기 컨버터부에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리부를 포함하고, 상기 제1 제어기는, 전압과 전력의 전력 특성 곡선의 임의의 제1 전력값을 기준전압으로 설정하고 상기 인덕터의 기준전압에 대한 전류를 일정한 제1 전류로 계산하여 제1 출력전력을 계산하고, 상기 전력 특성 곡선의 임의의 제2 전력값을 기준전압으로 설정하고 상기 인덕터의 기준전압에 대한 전류를 일정한 제2 전류로 계산하여 제2 출력전력을 계산하며, 상기 컨버터부는 상기 제1 및 제2 출력전력을 이용하여 최대전력점 추종제어를 수행할 수 있다.

이때, 상기 제1 출력전력은 상기 제1 전류와 상기 배터리부의 전압을 이용하여 계산되고, 상기 제2 출력전력은 상기 제2 전류와 상기 배터리부의 전압을 이용하여 계산될 수 있다.

그리고 상기 컨버터부는, 상기 제2 출력전력이 상기 제1 출력전력보다 크면, 상기 기준전압이 감소하도록 제어할 수 있다.

또는, 상기 컨버터부는, 상기 제2 출력전력이 상기 제1 출력전력보다 작으면, 상기 기준전압이 증가하도록 제어할 수 있다.

여기서, 상기 제2 전력값은 상기 제1 전력값보다 작은 값일 수 있다.

그리고 상기 제2 출력전력의 계산은 상기 제1 출력전력이 계산된 이후, 일정 시간이 경과된 이후에 계산될 수 있다.

이때, 상기 일정 시간은, 상기 컨버터부가 안정화되는 시간일 수 있다.

본 발명에 의하면, 태양전지판에서 출력되는 전류를 측정하지 않으면서, 컨버터부의 효율에 따라 최대전력점 추종제어를 수행할 수 있어, 컨버터의 상태가 가변되더라도 태양광 발전 시스템에서 출력되는 전력이 최대전력점에 이르도록 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 컨버터부에 포함된 인덕터부의 전류가 컨버터부의 안정화되는 일정 시간이 경과되면 일정해지는 것을 이용하여 태양광 발전 시스템의 최대전력점 추종제어를 수행함으로써, 태양전지판에서 출력되는 전류를 측정하지 않아도 되어 종래보다 태양광 발전 시스템의 구성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 태양전지 모듈의 전압과 전류를 측정하여 최대전력점 추종 제어를 수행하는 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템을 최대전력점으로 제어하는 것을 설명하기 위한 전력 특성 곡선이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대전력점 추종 제어를 위한 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템을 최대전력점으로 제어하는 것을 설명하기 위한 전력 특성 곡선이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양전지 모듈(100), 컨버터부(200), 배터리부(300) 및 부하부(400)를 포함한다.

태양전지 모듈(100)은, 복수의 단위 셀이 모듈 형태로 설치된 태양전지판과 태양전지판에서 출력되는 전압을 측정하기 위한 전압 센서(102)를 포함한다.

이때, 전압 센서(102)는 태양전지판과 병렬로 연결되어, 태양전지판에서 출력되는 전압을 측정할 수 있다.

컨버터부(200)는 본 실시예에서, 벅 컨버터가 이용될 수 있고, 태양전지 모듈(100)과 전기적으로 연결된다. 그리고 컨버터부(200)는 배터리부(300)와 전기적으로 연결되어 태양전지 모듈(100)에서 생성된 전원을 배터리부(300)로 출력할 수 있다. 컨버터부(200)는 태양전지 모듈(100)에서 출력되는 전압을 승압시키거나 감압시킬 수 있다.

배터리부(300)는 컨버터부(200) 및 부하부(400) 사이에 배치되며, 도시된 바와 같이, 컨버터부(200)와 병렬로 연결될 수 있다. 그리고 배터리부에 포함된 배터리의 상태를 파학하기 위해 배터리의 전압을 측정하기 위한 배터리 전압 센서(310)를 포함할 수 있다.

그리고 부하부(400)는 컨버커부(200) 및 배터리부(300)와 전기적으로 연결되어, 컨버터부(200) 또는 배터리부(300)로부터 전원을 공급받을 수 있다.

먼저 도 2의 (a)를 참조하면, 최대전력점 제어를 위해 태양전지 모듈(100)에 포함된 전압 센서(102)에서 태양전지판의 출력전압을 제어한다. 이때, 도 2의 (b)에 도시된 제어 블록도를 보면, 제1 제어기의 기준전압(VREF)을 도 3의 (a)에 도시된 제1 전압(Vpv1)으로 설정한다. 이때, 제1 전압(Vpv1)은 전력 특성 곡선에서 전압(VPV)의 임의의 한 점일 수 있다.

그리고 태양전지판에서 출력되는 출력 전압을 제어하기 위해 제1 제어기를 거치면, 인덕터의 기준전압에 대한 전류(IREF)가 일정한 제1 전류(IL1)로 계산된다. 이렇게 계산된 제1 전류(IL1)에 의해 인덕터 전류(iL)는 제1 전류(IL1)로 제어될 수 있다. 여기서, 인덕터 전류(iL)는 인덕터 전류 센서(210)를 이용하여 측정할 수 있다.

상기와 같이, 인덕터 전류(iL)가 제어되는 동안, 컨버터부(200)의 제어가 과도상태를 지나면, 인턱터 전류(iL)의 평균은 일정한 제1 전류(IL1)에 의해 제어되는데, 이때, 컨버터부(200)의 제1 출력전력(PV1)은 제1 전류(IL1)와 배터리의 전압(VB)의 곱(PV1 = IL1 x VB)으로 계산될 수 있다.

이때, 제1 제어기를 통과한 출력을 인덕터 전류(iL)의 기준 전류(IREF)로 설정하여 제2 제어기에 입력하고, 제2 제어기를 통과한 출력을 이용하여 컨버터부(200)에 대한 온/오프(on/off) 제어할 수 있다.

그리고 과도상태를 지나 일정 시간이 경과되면, 다시 태양전지판의 출력전압의 기준전압(VREF)을 제2 전압(VPV2)로 설정하고, 상기에서 설명한 방법으로, 인덕터 전류(iL)의 평균은 일정한 제2 전류(IL2)로 제어된다. 그리고 컨버터부(200)의 제2 출력전력(PV2)은 제2 전류(IL2)와 배터리의 전압(VB)의 곱(PV2 = IL2 x VB)으로 계산될 수 있다. 이때, 제2 전압(VPV2)은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 전력 특성 곡선에서 전력(VPV)의 임의의 한 점일 수 있으며, 제1 전압(VPV1)보다 작은 값을 가질 수 있다.

그리고 상기와 같이, 계산된 제1 출력전력(PV1)과 제2 출력전력(PV2)을 비교하여, 제2 출력전력(PV2)이 크면, 기준전압(VREF)은 계속 감소시키고, 제2 출력전력(PV2)이 작으면, 기준전압(VREF)을 계속 증가시켜 태양광 발전 시스템의 최대전력점 추종제어를 수행할 수 있다.

여기서, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 최대전력점일 때의 전압(VM)을 기준으로, 제1 전압(VPV1) 및 제2 전압(VPV2)이 우측에 있으면, 제2 출력전력(PV2)이 제1 출력전력(PV1)보다 큰 값을 가지기 때문에 기준전압(VREF)을 감소시켜 최대전력점으로 수렴하도록 제어할 수 있다.

그리고 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 최대전력점일 때의 전압(VM)을 기준으로, 제1 전압(VPV1) 및 제2 전압(VPV2)이 좌측에 있으면, 제2 출력전력(PV2)이 제1 출력전력(PV1)보다 작은 값을 가지기 때문에 기준전압(VREF)을 증가시켜 최대전력점으로 수렴하도록 제어할 수 있다.

또한, 컨버터의 출력전력과 비교하여 배터리의 전압은 매우 느리게 변동된다. 그에 따라 최대전력점에 대한 계산은 인덕터 전류(iL)의 증감만으로 계산할 수 있다. 그리고 배터리의 상태를 파악하기 위해 배터리 전압 센서(310)를 통해 배터리의 전압을 측정하여 배터리의 충전 상태를 조절한다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

100: 태양전지 모듈
101: 전류 센서
102: 전압 센서
200: 컨버터부
210: 인덕터 전류 센서
300: 배터리부
310: 배터리 전압 센서
400: 부하부

Claims

태양광을 받아 직류 전력을 생산하는 태양전지판을 포함하는 태양전지 모듈;
상기 태양전지 모듈에서 출력된 전력에 대해 최대전력점 추종제어를 수행하기 위해, 인덕터 및 제1 제어기를 포함하는 컨버터부; 및
상기 컨버터부에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리부를 포함하고,
상기 제1 제어기는,
전압과 전력의 전력 특성 곡선의 임의의 제1 전력값을 기준전압으로 설정하고 상기 인덕터의 기준전압에 대한 전류를 일정한 제1 전류로 계산하여 제1 출력전력을 계산하고,
상기 전력 특성 곡선의 임의의 제2 전력값을 기준전압으로 설정하고 상기 인덕터의 기준전압에 대한 전류를 일정한 제2 전류로 계산하여 제2 출력전력을 계산하며,
상기 컨버터부는 상기 제1 및 제2 출력전력을 이용하여 최대전력점 추종제어를 수행하는 태양광 발전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 출력전력은 상기 제1 전류와 상기 배터리부의 전압을 이용하여 계산되고,
상기 제2 출력전력은 상기 제2 전류와 상기 배터리부의 전압을 이용하여 계산되는 태양광 발전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터부는, 상기 제2 출력전력이 상기 제1 출력전력보다 크면, 상기 기준전압이 감소하도록 제어하는 태양광 발전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터부는, 상기 제2 출력전력이 상기 제1 출력전력보다 작으면, 상기 기준전압이 증가하도록 제어하는 태양광 발전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 전력값은 상기 제1 전력값보다 작은 값인 태양광 발전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 출력전력의 계산은 상기 제1 출력전력이 계산된 이후, 일정 시간이 경과된 이후에 계산되는 태양광 발전 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 일정 시간은, 상기 컨버터부가 안정화되는 시간인 태양광 발전 시스템.