KR20190120944A - 태양광발전 전력변환장치 및 태양광발전 전력변환장치의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광발전 어레이의 최대 출력점을 추적하여 에너지를 최대로 생산할 수 있도록 하며, 벅모듈 어레이를 구성하는 복수의 벅모듈에 인터리브드 구조를 적용하여 생산되는 전력의 리플을 최소로 하고, 일몰 및 일출을 자동으로 업데이트하여 계절의 변화 및 조명량의 변화를 복수의 벅모듈의 동작을 제어하는 신호에 반영하도록 하여 태양광발전의 효율을 최대로 할 수 있도록 하는 태양광발전 전력변환장치 및 태양광발전 전력변환장치의 제어방법을 제안한다.
Description
본 발명은 태양광발전에 관한 것으로, 특히, 태양광발전 어레이의 최대 출력점을 추적하여 에너지를 최대로 생산할 수 있도록 하며, 벅모듈 어레이를 구성하는 복수의 벅모듈에 인터리브드 구조를 적용하여 생산되는 전력의 리플을 최소로 하고, 일몰 및 일출을 자동으로 업데이트하여 계절의 변화 및 조명량의 변화를 복수의 벅모듈의 동작을 제어하는 신호에 반영하도록 하여 태양광발전의 효율을 최대로 할 수 있도록 하는 태양광발전 전력변환장치 및 태양광발전 전력변환장치의 제어방법에 관한 것이다.
산업의 발전과 인구의 증가가 화석연료의 사용을 기하급수적으로 증가시킴으로써, 이산화탄소 또는 산성 오염물질로 인한 환경오염이 무시할 수 없는 정도가 되었다. 이러한 문제를 야기하는 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지로 바람, 조력 및 태양을 에너지원으로 하는 신 재생에너지의 연구 및 사용이 증가하고 있다. 특히, 태양광 에너지는 일사량이 높은 여러 나라에서 연구를 활발하게 진행하고 있다. 이는 원자력 발전시스템에서 생산하는 전기에너지의 종합적 단가에 비해 태양광 발전시스템에서 생산하는 전기에너지의 단가가 상대적으로 비싸기 때문인데, 이러한 단점을 해소하기 위해 태양광을 이용한 전기에너지의 생산효율 등과 같은 생산단가의 저감 방안을 모색 중이다.
일반적으로 태양광 발전 시스템은 PV 셀(Photo-Voltaic Cell), 인버터, 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 알고리즘으로 구분할 수 있다. 이들 중 인버터에서 출력되는 전기신호는 인버터 회로의 특성에 의해 상당한 크기의 리플(ripple)이 존재하기 때문에 생성되는 에너지의 손실이 상당하며, PV 셀로부터 인가되는 전하의 크기가 균일하지 않을 때의 발전효율을 최대로 할 수 있는 방안에 제안되어야 한다.
태양은 하루 중 평균적으로 일정시간만 볼 수 있으며, 비가 오거나 구름이 많이 낀 날은 일조시간이 감소하게 될 것이다. 태양광 발전시스템도 전력을 생산하기 위해 일정한 양의 전력이 필요하게 되는데, 일반적으로는 일조가 충분한 때를 기준으로 동작시간이 설정되어 있으며, 계절에 따라 태양의 일조량에 따라 이를 조절하게 된다.
일조가 충분할 때에는 전력생산을 위해 사용하는 전력이 문제가 되지 않겠지만, 일조가 충분하지 않거나 태양이 떠오르기 전 또는 태양이 이미 진 후에도 전력생산에 필요한 전력이 소비된다면 이는 결과적으로 전력의 생산효율을 감소시키는 원인이 될 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광발전 어레이의 최대 출력점을 추적하여 에너지를 최대로 생산할 수 있도록 하며, 벅모듈 어레이를 구성하는 복수의 벅모듈에 인터리브드 구조를 적용하여 생산되는 전력의 리플을 최소로 하고, 일몰 및 일출을 자동으로 업데이트하여 계절의 변화 및 조명량의 변화를 복수의 벅모듈의 동작을 제어하는 신호에 반영하도록 하여 태양광발전의 효율을 최대로 할 수 있도록 하는 태양광발전 전력변환장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 태양광발전 전력변환장치를 이용하여 최대의 전력을 생산하고 저장할 수 있도록 하는 태양광발전 전력변환장치의 제어방법을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치는 태양에너지를 전압으로 변환하는 태양광발전 어레이로부터 출력하는 전압을 감압하여 전원부에 전달하는 것으로, 벅 모듈 어레이, 입력단 커패시터, 출력단 커패시터, 제1역류방지회로, 제2역류방지회로, 이중전원 선택회로, 일몰 & 일출 검출장치 및 고속 MPPT 제어기를 포함한다.
상기 벅 모듈 어레이는 입력단자와 출력단자에 병렬로 연결되며, 복수의 선택제어신호 및 복수의 PWM제어신호에 응답하여 상기 입력단자를 통해 입력되는 전압을 감압하여 상기 출력단자로 전송하는 복수의 벅모듈을 포함한다. 상기 입력단 커패시터는 일 단자가 상기 벅모듈 어레이의 입력단자와 연결된다. 상기 출력단 커패시터는 일 단자가 상기 벅모듈 어레이의 출력단자와 연결된다. 상기 제1역류방지회로는 상기 태양광발전 어레이의 출력단자와 상기 입력단 커패시터의 다른 일 단자에 사이에 설치되어, 상기 태양광발전 어레이의 출력단자의 극성이 양(+)일 때에는 상기 태양광발전 어레이의 출력단자와 상기 입력단 커패시터의 다른 일 단자를 연결하며, 상기 태양광발전 어레이의 출력단자의 극성이 음(-)일 때에는 상기 태양광발전 어레이의 출력단자와 상기 입력단 커패시터의 다른 일 단자의 연결을 차단한다. 상기 제2역류방지회로는 상기 출력단 커패시터의 다른 일 단자와 배터리 사이에 설치되어, 상기 배터리의 입력단자의 극성이 양(+)일 때에는 상기 출력단 커패시터의 다른 일 단자를 상기 배터리와 연결하고, 상기 배터리의 입력단자의 극성이 음(-)일 때에는 상기 출력단 커패시터의 다른 일 단자와 상기 배터리의 연결을 차단한다. 상기 이중전원 선택회로는 태양광발전 어레이의 출력전압과 상기 배터리의 전압 중 상대적으로 높은 전압준위를 가지는 것을 선택하여 상기 전원부로 공급한다. 상기 일몰 & 일출 검출장치는 일출 감지센서를 이용하여 미리 설정한 일수 동안 검출한 일출시각의 평균을 연산하여 새로운 일출시각을 예상하고, 조명량 감지센서에서 측정된 조도를 이용하여 상기 태양광 전력변환장치가 설치된 주변의 조명에 의한 일몰의 감도 제어를 수행하여 새로운 일몰시각을 연산한다. 상기 고속 MPPT 제어기는 상기 태양광발전 어레이의 출력전압과 출력전류, 상기 배터리의 입력전압과 입력전류, 및 상기 일몰 & 일출 검출장치에서 생성한 새로운 일출시각 및 새로운 일몰시각을 이용하여 상기 복수의 선택제어신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성한다. 여기서 상기 복수의 PWM제어신호는 인터리브드 방식으로 동작한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 제어방법은, 청구항 제1항에 기재된 상기 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 상기 고속 MPPT 제어기에서 수행하는 것으로, 충전량 및 전력 측정단계, 충전량 비교단계, 고속 최대출력점 추적단계 및 최적전력점 제어단계를 수행한다.
상기 충전량 및 전력 측정단계에서는 상기 배터리의 전압준위 및 상기 배터리로 흐른 전류의 누적량을 이용하여 상기 배터리의 충전량을 연산하고, 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 전압 및 전류를 측정한다. 상기 충전량 비교단계에서는 배터리의 충전량이 설정충전량보다 적은가를 판단한다. 상기 고속 최대출력점 추적단계에서는 상기 충전량 비교단계에서 배터리의 충전량이 설정충전량보다 적다고 판단한 때에 수행한다. 상기 최적전력점 제어단계에서는 상기 충전량 비교단계에서 배터리의 충전량이 설정충전량보다 크다(No)고 판단한 때에 수행한다.
상기 고속 최대출력점 추적단계에서는, 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 현재전력과 바로 이전에 측정된 과거전력이 동일한가를 비교하는 전력비교 제1단계, 상기 전력비교 제1단계에서 현재전력과 과거전력이 동일하지 않다고 판단한 때 수행하며, 현재전력이 과거전력보다 큰가를 비교하는 전력비교 제2단계, 상기 전력비교 제1단계에서 현재전력과 과거전력이 동일하다고 판단한 때 및 상기 전력비교 제2단계에서 현재전력이 과거전력보다 크다고 판단한 때에 상기 듀티를 1(one) 증가시키는 제1조정단계 및 상기 전력비교 제2단계에서 현재전력이 과거전력보다 작다고 판단한 때에 상기 듀티를 1(one) 감소시키는 제2조정단계를 수행하는 듀티 조정단계 및 변수(k)의 값을 1(one) 증가시킨 후 상기 충전량 및 전력 측정단계를 수행하도록 하는 변수값 변경단계를 수행한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치 및 태양광발전 전력변환장치의 제어방법을 사용하면, 최대의 전력을 생산하고 저장할 수 있도록 하며, 종래에는 사용자가 직접 조정하였던 태양광발전 전력변환장치의 동작시간을 자동으로 조정할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 벅모듈 어레이의 실시 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 역류 방지회로의 실시 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 이중전원 선택회로의 실시 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 제어방법의 신호 흐름도이다.
도 6은 최적전력점 제어단계에서 수행할 때 참조하는 태양광 전류-전압 특성 곡선을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 벅모듈 어레이의 실시 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 역류 방지회로의 실시 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 이중전원 선택회로의 실시 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 제어방법의 신호 흐름도이다.
도 6은 최적전력점 제어단계에서 수행할 때 참조하는 태양광 전류-전압 특성 곡선을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치(100)는 태양에너지를 전압으로 변환하는 태양광발전 어레이(PV 어레이, 10)로부터 출력하는 전압을 감압하여 전원부(180)에 전달하는 기능을 수행하며, 이를 위해 제1역류방지회로(110), 벅모듈 어레이(120), 제2역류방지회로(130), 고속 MPPT 제어기(140), 일몰 & 일출 검출장치(150), 이중전원 선택회로(160), 입력단 커패시터(CI) 및 출력단 커패시터(Co)를 포함한다.
제1역류방지회로(110)는 태양광발전 어레이(10)의 출력단자와 입력단 커패시터(CI)의 다른 일 단자에 사이에 설치되어, 태양광발전 어레이(10)의 출력단자의 극성이 양(+)일 때에는 태양광발전 어레이(10)의 출력단자와 입력단 커패시터(CI)의 다른 일 단자를 연결하며, 태양광발전 어레이(10)의 출력단자의 극성이 음(-)일 때에는 태양광발전 어레이(10)의 출력단자와 입력단 커패시터(CI)의 다른 일 단자의 연결을 차단한다.
입력단 커패시터(CI)는 일 단자가 벅모듈 어레이(120)의 입력단자와 연결되고 다른 일 단자는 제1역류방지회로(110)의 출력단자와 연결된다.
벅모듈 어레이(120)는 복수의 벅모듈을 포함하며, 복수의 벅모듈 각각은 벅모듈 어레이(120)의 입력단자와 출력단자에 병렬로 연결되어 복수의 선택제어신호(SEL1 ~ SELN, N은 2 이상의 자연수) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)에 응답하여 입력단자를 통해 입력되는 전압을 감압하여 출력단자로 전송한다.
출력단 커패시터(Co)는 일 단자가 벅모듈 어레이(120)의 출력단자와 연결되고 다른 일 단자가 제2역류방지회로(130)의 입력단자에 연결된다.
제2역류방지회로(130)는 출력단 커패시터(Co)의 다른 일 단자와 배터리(미도시) 사이에 설치되어, 배터리의 입력단자의 극성이 양(+)일 때에는 출력단 커패시터(Co)의 다른 일 단자를 배터리와 연결하고, 배터리의 입력단자의 극성이 음(-)일 때에는 출력단 커패시터(Co)의 다른 일 단자와 배터리의 연결을 차단한다.
고속 MPPT 제어기(140)는 태양광발전 어레이(10)의 출력전압과 출력전류, 배터리(170)의 입력전압과 입력전류, 및 일몰 & 일출 검출장치(150)에서 생성한 새로운 일출시각 및 새로운 일몰시각을 이용하여 복수의 선택제어신호(SEL1 ~ SELN) 및 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)를 생성한다. 여기서 복수의 PWM제어신호(PWM1 ~ PWMN)는 벅모듈 어레이(120)를 구성하는 복수의 벅모듈의 동작을 인터리브드 방식으로 동작하도록 하여 벅모듈 어레이(120)에 출력되는 전원에 포함되는 리플을 최소로 한다.
일몰 & 일출 검출장치(150)는 일출 감지센서(151, 미도시)를 이용하여 미리 설정한 일수 동안 검출한 일출시각의 평균을 연산하여 새로운 일출시각을 예상하고, 조명량 감지센서(152, 미도시)에서 측정된 조도를 이용하여 태양광 전력변환장치(100)가 설치된 주변의 조명에 의한 일몰의 감도 제어를 수행하여 새로운 일몰시각을 연산한다.
이중전원 선택회로(160)는 태양광발전 어레이의 출력전압 즉 제2역류방지회로(130)로부터 출력되는 전압과 배터리(170)의 전압 중 상대적으로 높은 전압준위를 가지는 것을 선택하여 전원부(180)로 공급한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 벅모듈 어레이의 실시 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 벅모듈 어레이(120)는 제1벅모듈(121), 제2벅모듈(122) 및 제N벅모듈(123)을 포함하며, 복수의 벅모듈(121~123)은 입력단 커패시터(CI) 및 출력단 커패시터(Co)에 병렬로 연결되어 있다는 것을 알 수 있다.
제1벅모듈(121)은 제1선택제어신호(SEL1) 및 제1PWM제어신호(PWM1)에 응답하여 동작하고, 제2벅모듈(122)은 제2선택제어신호(SEL2) 및 제2PWM제어신호(PWM2)에 응답하여 동작하며, 제N벅모듈(123)은 제N선택제어신호(SELN) 및 제NPWM제어신호(PWMN)에 각각 응답하여 동작한다는 것을 알 수 있다.
인터리브드 방식으로 동작하는 예를 설명하기 위해, 벅모듈 어레이(120)에 3개의 벅모듈이 포함되어 있다고 가정한다. 선택제어신호에 의해 3개의 벅모듈이 모두 활성화된 상태에서 위상으로 계산할 때 각각 120°의 차이가 있는 PWM제어신호가 각각의 벅모듈에 인가될 때, 3개의 벅모듈의 동작은 각각 120°위상 차이를 가지면 활성화될 것이다. 실시 예에 따라서는, 3개의 선택제어신호도 각각 120°의 위상차이로 활성화되는 PWM제어신호의 위상과 동일한 위상으로 해당 벅모듈을 활성화시키도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 역류 방지회로의 실시 예를 나타낸다.
도 3a는 제1역류방지회로(110)의 예이고 도 3b는 제2역류방지회로(130)의 실시 예이다.
도 3a를 참조하면, 제1역류방지회로(110)는 P형 단자는 태양광발전 어레이(10)의 출력단자에 연결되고 N형 단자는 입력단 커패시터(CI)의 일 단에 연결된 제1 다이오드(D1) 및 제1 다이오드(D1)와 병렬로 연결되어 태양광발전 어레이(10)의 출력단자의 전류준위 정보에 따라 개폐되는 제1스위치(SW1)를 포함한다.
도 3b를 참조하면, 제2역류방지회로(130)는 P형 단자는 배터리(170)의 입력단자에 연결되고 N형 단자는 출력단 커패시터(Co)의 일 단자의 다른 일 단자에 연결된 제2 다이오드(D2) 및 제2 다이오드(D2)와 병렬로 연결되어, 배터리 전압준위 정보에 따라 개폐되는 제2스위치(SW2)를 포함한다.
여기서 배터리 전압준위 정보를 수신하여 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)의 동작은 고속 MPPT 제어기(140)에서 수행하도록 하거나 연산장치(미도시)를 별도로 설치하여 사용할 수 있을 것이다.
기기 사이의 역전류를 방지하기 위하여 일반적으로 다이오드를 사용하지만, 대전류가 다이오드를 통과하면서 발생하는 과열은 회로 소손과 소비전력 증가의 주 원인이 된다. 릴레이(SW1, SW2)와 다이오드(D1, D2)로 구성된 역류 보호 회로를 구성하여 역전류를 방지하고, 역극성 연결에 의한 피해를 방지하며, 소비전력을 절감한다. 일정전류 이하의 저전류에서는 다이오드를 통과하도록 하여 역전류와 역극성 결합에 의한 소손을 방지하고, 일정 전류 이상에서는 다이오드를 우회하도록 하여 소비전력을 감소시킨다는 것이 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치(100)를 구성하는 역류 방지회로(110, 130)의 기능이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 이중전원 선택회로의 실시 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이중전원 선택회로(160)는 2개의 다이오드(D3, D4)와 달링톤 회로(161)로 구현할 수 있다. 제3 다이오드(D3)는 P형 단자가 배터리(170)의 입력단자에 연결되고 N형 단자가 전원부(180)에 연결된다. 제4 다이오드(D4)는 N형 단자가 전원부(180)에 연결된다. 달링톤 회로(161)는 입력단자가 제2역류방지회로(130)에 연결되고 출력단자가 제4 다이오드(D4)의 P형 단자에 연결된다.
달링톤 회로(161)는 2개의 바이폴라 트랜지스터(T1, T2), 저항(R), 커패시터(C) 및 제너 다이오드(ZD)로 구현할 수 있다. 제1바이폴라 트랜지스터(T1)의 제1단자가 제2역류방지회로(130)에 연결되고 제2단자가 제4 다이오드(D4)의 P형 단자에 연결된다. 제2바이폴라 트랜지스터(T2)는 제1단자가 제2역류방지회로(130)에 연결되고 제2단자 및 제3단자가 제4 다이오드(D4)의 P형 단자에 연결된다. 저항(R)은 제2역류방지회로(130)와 제1바이폴라 트랜지스터(T1)의 제3단자를 연결한다. 커패시터(C)는 제1바이폴라 트랜지스터(T1)의 제3단자 및 저항(R)의 공통단자를 접지(GND)와 연결한다. 제너 다이오드(ZD)는 커패시터(C)와 병렬로 연결되며, P형 단자가 접지(GND)와 연결된다.
태양광발전에 의한 전력을 저장했다가 다시 사용하면 전력변환 과정에서 손실이 발생하기 때문에 주간 및 야간으로 구분하여 전력 손실을 최소화한다. 전원부는 2개 전원(태양광발전과 배터리) 중 전위차가 높은 쪽의 전원 선택하여 주변 IC에 맞게 전압-전류로 가공한다. 주간에는 태양광발전에 의해서 전원을 공급받아 동작하고, 야간에는 배터리에 의해서 전원을 공급받아서 동작하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 제어방법의 신호 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 태양광발전 전력변환장치의 제어방법(500)은 도 1에 도시된 태양광발전 전력변환장치(100)를 구성하는 고속 MPPT 제어기(140)에서 수행하는 것으로, 설정단계(501), 충전량 및 전력 측정단계(502), 충전량 비교단계(510), 고속 최대출력점(MPPT) 추적단계(520) 및 최적전력점(OPP) 제어단계(530)를 수행한다.
설정단계(501)에서는 설정충전량(CH_ref), 듀티(D), 변수(k), 전력(P), 태양광발전 어레이(10)로부터 출력되는 전압(VPV) 및 전류(IPV), 전압(V) 및 전류(I)에 대해서 정의하거나 설정한다. 여기서 설정충전량(CH_ref)은 고속 최대출력점(MPPT) 추적단계(520) 및 최적전력점(OPP) 제어단계(530) 중 하나를 수행하는 기준이 되는 값으로, 배터리(170)에 충전되어 있는 양과 비교되는 양이다. 설정충전량(CH_ref)은, 사용자에 따라 임의로 정할 수 있지만, 배터리(170)의 충전량이 최대 충전량의 90%인 것으로 정할 것을 제안한다. 듀티(D)는 위에서 설명한 PWM 제어신호의 듀티를 의미한다. 변수(k)에서 k는 자연수이며, 초기에는 1(one)로 설정되어 있다. 전력(P)은 태양광발전 어레이(10)로부터 출력되는 전압(VPV) 및 전류(IPV)를 곱한 것으로 정의하며, 전력(P)의 초기값은 0(zero)이다.
충전량 및 전력 측정단계(502)에서는 배터리(170)의 전압준위 및 배터리(170)로 흐른 전류의 누적량을 이용하여 배터리(170)의 충전량(CH_bat)을 연산하고, 태양광발전 어레이(10)로부터 출력되는 전압(VPV) 및 전류(IPV)를 측정한다.
충전량 비교단계(510)에서는 배터리의 충전량(CH_bat)이 설정충전량(CH_ref)보다 적은가를 판단하여, 배터리의 충전량(CH_bat)이 설정충전량(CH_ref)보다 적다고 판단한 때(Yes)에는 고속 최대출력점(MPPT) 추적단계(520)를 수행하도록 하고, 반대로 배터리의 충전량(CH_bat)이 설정충전량(CH_ref)보다 크다(No)고 판단한 때에는 최적전력점(OPP) 제어단계(530)를 수행하도록 한다.
고속 최대출력점(MPPT) 추적단계(520)에서는 전력비교 제1단계(521), 전력비교 제2단계(522), 듀티조정단계(523) 및 변수값 변경단계(524)를 수행한다.
전력비교 제1단계(521)에서는 태양광발전 어레이(10)로부터 출력되는 현재전력(P(k))과 바로 이전에 측정된 과거전력(P(k-1))이 동일한가를 비교한다.
전력비교 제2단계(522)에서는 전력비교 제1단계(521)에서 현재전력(P(k))과 과거전력(P(k-1))이 동일하지 않다고 판단한 때(No) 수행하며, 현재전력(P(k))이 과거전력(P(k-1))보다 큰가를 비교한다.
듀티 조정단계(523)에서는 전력비교 제1단계(521)에서 현재전력(P(k))과 과거전력(P(k-1))이 동일하다고 판단한 때(Yes) 및 전력비교 제2단계(522)에서의 판단 결과에 따라 듀티(D)를 증가시키는 제1조정단계(523-1) 및 듀티(D)를 감소시키는 제2조정단계(523-2)를 선택적으로 수행한다. 제1조정단계(523-1)는 전력비교 제1단계(521)에서 현재전력(P(k))과 과거전력(P(k-1))이 동일하다고 판단한 때(Yes) 및 전력비교 제2단계(522)에서의 판단 결과 현재전력(P(k))이 과거전력(P(k-1))보다 크다고 판단한 때(Yes)에 수행된다. 제2조정단계(523-2)는 전력비교 제2단계(522)에서의 판단 결과 현재전력(P(k))이 과거전력(P(k-1))보다 작다고 판단한 때(No)에 수행된다.
변수값 변경단계(524)에서는 변수(k)의 값을 1(one) 증가시킨 후 충전량 및 전력 단계(502)를 수행하도로 한다.
최적전력점(OPP) 제어단계(530)에서는 전류제어단계(531) 및 조치단계(532)를 수행한다.
전류제어단계(531)에서는 태양광 전류-전압 특성 곡선에 따라 전류 값을 순차적으로 감소시키기 위해 듀티(D)를 감소시킨다. 조치단계(532)에서는 배터리의 현재 충전량(CH_bat)을 측정(532-1)하고, 배터리의 충전량(CH_bat)과 설정충전량(CH_ref)이 같은가를 비교(532-2)하여, 배터리의 충전량(CH_bat)과 설정충전량(CH_ref)이 같을 때(Yes)에는 충전을 중지(END)시키고, 배터리의 충전량(CH_bat)과 설정충전량(CH_ref)이 같지 않을 때(No)에는 전류제어단계(531)를 수행하도록 한다.
도 6은 최적전력점 제어단계에서 수행할 때 참조하는 태양광 전류-전압 특성 곡선을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 태양광 전류-전압 특성 곡선에서 배터리(170)가 충전되면서 충전전류(ISC)가 감소하여 배터리의 SOC(State Of Charge)의 90% VOC에 도달할 때까지는 고속 최대출력점(MPPT) 추적단계(520)를 수행하지만, 이후에는 최적전력점(OPP) 제어단계(530)를 수행하도록 함으로써, 배터리(170)의 충전용량을 최대로 할 수 있다.
배터리의 충전 전력이 배터리의 SOC 잔여 용량보다 너무 크게 되면 배터리의 전압이 설정된 배터리 완충전 전압을 넘게 되어 충전이 중지되는 현상이 발생하며 이로 인하여 충전 용량이 감소한다. 예를 들어 12V 배터리에서, 14.4V가 만충전 전압인데 입력 전력이 너무 높으면 실제 배터리의 공칭 전압은 13V인데도, 측정된 전압은 14.4V를 넘게 되어 충전이 중지되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 태양광모듈의 고유 특성 곡선 내에서 배터리로 충전되는 전력을 제어한다. 이러한 과정을 거치게 되면 배터리의 SOC를 100%에 가깝게 확보하여 충전용량을 최대화할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
10: 태양광발전 어레이
110: 제1역류방지회로
120: 벅 모듈 어레이
130: 제2역류방지회로
140: 고속 MPPT 제어기
150: 일몰&일출 검출장치
160: 이중전원 선택회로
170: 배터리
180: 전원부
CI: 입력단 커패시터
Co: 출력단 커패시터
110: 제1역류방지회로
120: 벅 모듈 어레이
130: 제2역류방지회로
140: 고속 MPPT 제어기
150: 일몰&일출 검출장치
160: 이중전원 선택회로
170: 배터리
180: 전원부
CI: 입력단 커패시터
Co: 출력단 커패시터
Claims (5)
- 태양에너지를 전압으로 변환하는 태양광발전 어레이로부터 출력하는 전압을 감압하여 전원부에 전달하는 태양광발전 전력변환장치로,
입력단자와 출력단자에 병렬로 연결되며, 복수의 선택제어신호 및 복수의 PWM제어신호에 응답하여 상기 입력단자를 통해 입력되는 전압을 감압하여 상기 출력단자로 전송하는 복수의 벅모듈을 포함하는 벅모듈 어레이;
일 단자가 상기 벅모듈 어레이의 입력단자와 연결되는 입력단 커패시터;
일 단자가 상기 벅모듈 어레이의 출력단자와 연결되는 출력단 커패시터;
상기 태양광발전 어레이의 출력단자와 상기 입력단 커패시터의 다른 일 단자에 사이에 설치되어, 상기 태양광발전 어레이의 출력단자의 극성이 양(+)일 때에는 상기 태양광발전 어레이의 출력단자와 상기 입력단 커패시터의 다른 일 단자를 연결하며, 상기 태양광발전 어레이의 출력단자의 극성이 음(-)일 때에는 상기 태양광발전 어레이의 출력단자와 상기 입력단 커패시터의 다른 일 단자의 연결을 차단하는 제1역류방지회로;
상기 출력단 커패시터의 다른 일 단자와 배터리 사이에 설치되어, 상기 배터리의 입력단자의 극성이 양(+)일 때에는 상기 출력단 커패시터의 다른 일 단자를 상기 배터리와 연결하고, 상기 배터리의 입력단자의 극성이 음(-)일 때에는 상기 출력단 커패시터의 다른 일 단자와 상기 배터리의 연결을 차단하는 제2역류방지회로;
태양광발전 어레이의 출력전압과 상기 배터리의 전압 중 상대적으로 높은 전압준위를 가지는 것을 선택하여 상기 전원부로 공급하는 이중전원 선택회로;
일출 감지센서를 이용하여 미리 설정한 일수 동안 검출한 일출시각의 평균을 연산하여 새로운 일출시각을 예상하고, 조명량 감지센서에서 측정된 조도를 이용하여 상기 태양광 전력변환장치가 설치된 주변의 조명에 의한 일몰의 감도 제어를 수행하여 새로운 일몰시각을 연산하는 일몰 & 일출 검출장치; 및
상기 태양광발전 어레이의 출력전압과 출력전류, 상기 배터리의 입력전압과 입력전류, 및 상기 일몰 & 일출 검출장치에서 생성한 새로운 일출시각 및 새로운 일몰시각을 이용하여 상기 복수의 선택제어신호 및 복수의 PWM제어신호를 생성하는 고속 MPPT 제어기; 를 포함하며,
상기 복수의 PWM제어신호는 인터리브드 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 전력변환장치. - 제1항에서,
상기 제1 역류방지회로는,
P형 단자는 상기 태양광발전 어레이의 출력단자에 연결되고 N형 단자는 상기 입력단 커패시터의 일 단에 연결된 제1 다이오드; 및
상기 제1 다이오드와 병렬로 연결되어 상기 태양광발전 어레이의 출력단자의 전류준위 정보에 따라 개폐되는 제1스위치; 를 포함하며,
상기 제2 역류방지회로는,
P형 단자는 상기 배터리의 입력단자에 연결되고 N형 단자는 상기 출력단 커패시터의 일 단자의 다른 일 단자에 연결된 제2 다이오드; 및
상기 제2 다이오드와 병렬로 연결되어, 상기 배터리 전압준위 정보에 따라 개폐되는 제2 스위치; 를
포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 전력변환장치. - 제1항에서, 상기 이중전원 선택회로는,
P형 단자가 상기 배터리의 입력단자에 연결되고 N형 단자가 상기 전원부에 연결된 제3 다이오드;
N형 단자가 상기 전원부에 연결된 제4 다이오드; 및
입력단자가 상기 태양광발전 어레이의 출력단자에 연결되고 출력단자가 상기 제4 다이오드의 P형 단자에 연결된 달링톤 회로; 를
포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 전력변환장치.
- 제1항에 기재된 상기 태양광발전 전력변환장치를 구성하는 상기 고속 MPPT 제어기에서 수행하는 것으로,
상기 배터리의 전압준위 및 상기 배터리로 흐른 전류의 누적량을 이용하여 상기 배터리의 충전량을 연산하고, 상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 전압 및 전류를 측정하는 충전량 및 전력 측정단계;
배터리의 충전량이 설정충전량보다 적은가를 판단하는 충전량 비교단계;
상기 충전량 비교단계에서 배터리의 충전량이 설정충전량보다 적다고 판단한 때에 수행하는 고속 최대출력점 추적단계; 및
상기 충전량 비교단계에서 배터리의 충전량이 설정충전량보다 크다(No)고 판단한 때에 수행하는 최적전력점 제어단계; 를 수행하며,
상기 고속 최대출력점 추적단계에서는,
상기 태양광발전 어레이로부터 출력되는 현재전력과 바로 이전에 측정된 과거전력이 동일한가를 비교하는 전력비교 제1단계;
상기 전력비교 제1단계에서 현재전력과 과거전력이 동일하지 않다고 판단한 때 수행하며, 현재전력이 과거전력보다 큰가를 비교하는 전력비교 제2단계;
상기 전력비교 제1단계에서 현재전력과 과거전력이 동일하다고 판단한 때 및 상기 전력비교 제2단계에서 현재전력이 과거전력보다 크다고 판단한 때에 상기 듀티를 1(one) 증가시키는 제1조정단계 및 상기 전력비교 제2단계에서 현재전력이 과거전력보다 작다고 판단한 때에 상기 듀티를 1(one) 감소시키는 제2조정단계를 수행하는 듀티 조정단계; 및
변수(k)의 값을 1(one) 증가시킨 후 상기 충전량 및 전력 측정단계를 수행하도록 하는 변수값 변경단계; 를
수행하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 전력변환장치의 제어방법. - 제4항에서, 상기 최적전력점 제어단계는,
태양광 전류-전압 특성 곡선에 따라 전류 값을 순차적으로 감소시키기 위해 듀티를 감소시키는 전류제어단계; 및
배터리의 현재 충전량을 측정하고, 측정된 배터리의 현재 충전량과 상기 설정충전량이 같은가를 비교하여, 상기 배터리의 현재 충전량과 상기 설정충전량이 같을 때에는 충전을 중지시키고, 상기 배터리의 현재 충전량과 상기 설정충전량이 같지 않을 때에는 상기 전류제어단계를 수행하도록 하는 조치단계; 를
수행하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 전력변환장치의 제어방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180044344A KR20190120944A (ko) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | 태양광발전 전력변환장치 및 태양광발전 전력변환장치의 제어방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180044344A KR20190120944A (ko) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | 태양광발전 전력변환장치 및 태양광발전 전력변환장치의 제어방법 |
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| KR101533337B1 (ko) | 2013-05-06 | 2015-07-06 | 주식회사 테크톤 | 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이로 구성되는 소규모 전력망의 전력을 제어하는 중앙제어시스템 |
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