KR20210028501A - 태양광 인버터의 최대 전력점 추종 장치 및 그 방법 - Google Patents

태양광 인버터의 최대 전력점 추종 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본원의 제1 발명에 따른 최대 전력점 추종 장치는, 태양 전지 어레이로부터 출력되는 태양 전지 어레이 출력 전압이 직류 링크 지령치 전압보다 낮으면 제1 PWM 신호에 제어되어 상기 태양 전지 어레이 출력 전압을 소정 레벨의 직류 링크 전압(Vdc)으로 변환하여 출력하는 DC/DC 부스트 컨버터; 제2 PWM 신호에 제어되어 평활화된 직류 링크 전압을 상용의 그리드 전압으로 변환하는 DC/AC 인버터; 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류와 출력 전압을 검출하는 제1 검출부; 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류와 출력 전압을 이용하여 태양 전지 어레이 기준 전압을 생성하는 최대 전력점 추종부; 상기 DC/AC 인버터로부터 출력되는 그리드 전압와 그리드 전류를 검출하는 제2 검출부; 상기 태양 전지 어레이 출력 전압이 직류 링크 지령치 전압보다 낮으면 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류와 출력 전압 그리고 상기 태양 전지 어레이 기준 전압을 이용하여 상기 제1 PWM 신호를 출력하는 제1 PWM 발생부; 및 상기 직류 링크 전압 지령치가 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압보다 높으면, 상기 직류 링크 지령치 전압을 이용하고, 상기 직류 링크 전압 지령치가 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압을 이용하여 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 PWM 발생부를 포함한다.

Description

태양광 인버터의 최대 전력점 추종 장치 및 그 방법{MAXIMUM PPOWER POINT TRACKING APPARATUS FOR PHOTOVOLTAIC INVERTER AND ITS METHOD}
본 발명은 최대 전력점 추종 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부분적으로 그림자가 생기는 조건 하에서 태양광 인버터의 검색 및 생략을 이용한 최대 전력점 추종 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
태양광 발전(PV : Photovoltaic)은 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 방식으로 햇빛만 있으면 어디서나 전기에너지를 얻을 수 있기 때문에 다른 발전방식과 달리 소음, 진동 등의 2차 공해가 없는 에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 태양광 발전은 구름이나 그늘에 의해서 출력전력이 감소하며, 태양이 떠있을 때에만 이용이 가능하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 태양전지의 전력을 최대로 사용할 수 있는 MPPT기법에 대한 연구가 필요하며, 그에 대한 연구가 활발히 진행되어 오고 있다.
구름이나 건물 등의 영향으로 태양전지 어레이에 부분적으로 음영이 발생하였을 때 태양전지 특성은 다수의 국부 최대 전력점(LMPP : local maximum power point)을 가지게 된다. 이 때 기존의 일반적인 MPPT 기법인 P&O, Hill Climbing, IncCond는 전역 최대 전력점(GMPP : global maximum power point)을 추종하지 못하고 LMPP에 머물게 된다. 따라서 부분음영에 의해 다수의 LMPP가 발생하였을 때에 대한 분석과 GMPP를 추적할 수 있는 MPPT기법에 대한 연구가 필요하다. 여기서, GMPP라 함은 실제 최대전력점을 의미한다.
부분음영 하에서 GMPP를 찾기 위한 MPPT 기법에는 Particle Swarm Optimization, Two-stage, Fibonacci search 등이 있다. Particle Swarm Optimization 기법은 GMPP의 추적에 사용되는 무작위 변수로 인해 검색에 걸리는 시간이 일정하지 않고 엔지니어의 경험에 의해 선정되는 값이 많아 제어알고리즘이 복잡하다는 단점을 갖는다. Two-stage 기법은 시스템에 부가적인 회로를 추가한 방법으로 여러 개의 LMPP가 존재하여도 GMPP를 추종할 수 있으나 부가회로가 요구된다는 단점이 있다. Fibonacci search 기법은 빠르고 정확하지만 일부음영 조건에서 GMPP를 놓칠 수 있다.
등록특허 제10-1403556호 계통연계형 태양광 인버터의 최대전력점 추정 방법 등록특허 제10-1534369호 태양광 발전 시스템에서의 최대 전력점 추종 방법 등록특허 제10-1138907호 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈 등록특허 제10-1385692호 태양광 모듈의 최대전력점 추종장치 및 그 방법
본 발명은 부분 그림자 조건 하에서 태양광 인버터의 검색 및 생략을 이용한 최대 전력점 추종 장치 및 그 방법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직류 링크 전압 지령치와 태양 전지 어레이의 출력 전압의 비교를 통해 DC/DC 부스트 컨버터를 달리 제어함으로써 DC/DC 부스트 컨버터의 변환 동작으로 인한 손실을 저감할 수 있는 최대 전력점 추종 장치 및 그 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
본원의 제1 발명에 따른 최대 전력점 추종 장치는, 태양 전지 어레이로부터 출력되는 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)보다 낮으면 제1 PWM 신호(PWM1)에 제어되어 상기 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)을 소정 레벨의 직류 링크 전압(Vdc)으로 변환하여 출력하는 DC/DC 부스트 컨버터(1003); 상기 DC/DC 부스트 컨버터(1003)로부터 출력되는 직류 링크 전압(Vdc)을 평활화하는 평활 캐패시터(1005); 제2 PWM 신호(PWM2)에 제어되어 평활화된 직류 링크 전압(Vdc)을 상용의 그리드 전압(Vg)으로 변환하는 DC/AC 인버터(1007); 상기 DC/AC 인버터(1007)로부터 출력되는 그리드 전압(Vg)에 포함된 고조파 성분을 필터링하는 LC 필터(1009); 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv)을 검출하는 제1 검출부(1013); 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv)을 이용하여 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 생성하는 최대 전력점 추종부(1025); 상기 LC 필터(1009)에 인가되는 그리드 전압(vg)와 상기 LC 필터(1009)를 흐르는 그리드 전류(ig)를 검출하는 제2 검출부(1031); 상기 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)보다 낮으면 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv) 그리고 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 이용하여 상기 제1 PWM 신호(PWM1)를 출력하는 제1 PWM 발생부; 및 상기 직류 링크 전압 지령치(Vdc*)가 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)보다 높으면, 상기 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)을 이용하고, 상기 직류 링크 전압 지령치(Vdc*)가 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 이용하여 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 PWM 발생부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 PWM 발생부는, 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)과 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)의 편차를 태양 전지 어레이 편차 전압으로 출력하는 제1 감산기(1015); 상기 태양 전지 어레이 편차 전압에 이득을 곱하여 태양 전지 어레이 편차 전압 이득분을 출력하는 태양 전지 어레이 편차 전압 이득 계산부(1017); 상기 태양 전지 어레이 편차 전압 이득분과 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)의 편차를 태양 전지 어레이 편차 전류로 출력하는 제2 감산기(1021); 상기 태양 전지 어레이 편차 전류에 이득을 곱하여 태양 전지 어레이 편차 전류 이득분을 출력하는 태양 전지 어레이 편차 전류 이득 계산부(1021); 및 상기 태양 전지 어레이 편차 전류 이득분을 이용하여 제1 PWM 신호(d1)를 생성하는 제1 PWM 신호 생성부(1023)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 PWM 발생부는, 상기 그리드 전압(vg)과 상기 그리드 전류(ig)를 동기 좌표계의 d축 전압(vde), q축 전압(vqe), d축 전류(ide), q축 전류(iqe)로 변환하는 정지/동기 좌표 변환부(1033); 상기 직류 링크 전압(Vdc)과 수학식 7에 따른 조건 전압의 편차를 직류 편차 전압분으로 출력하는 제3 감산기(1035); 제3 감산기(1035)로부터 출력되는 직류 편차 전압분에 직류 편차 전압 이득을 곱하여 기준 전류(iref)를 출력하는 직류 편차 전압 이득 계산부(1037); 직류 편차 전압 이득 계산부(1037)로부터 출력되는 기준 전류(iref)와 동기 좌표계 q축 전류(iqe)의 편차를 q축 편차 전류분으로 출력하는 제4 감산기(1039); 상기 q축 편차 전류분에 q축 편차 전류 이득을 곱하여 q축 편차 전압분을 출력하는 q축 편차 전압 이득 계산부(1041); 상기 q축 편차 전압분과 동기 좌표계 q축 전압(vqe)을 가산하여 동기 좌표계 q축 지령치 전압(vqe*)을 출력하는 가산기(1043); 0과 동기 좌표계 d축 전류(ide)의 편차를 d축 편차 전류분으로 출력하는 제5 감산기(1045); 상기 d축 편차 전류분에 d축 편차 전류 이득을 곱하여 동기 좌표계 d축 지령치 전압(vde*)을 출력하는 d축 지령치 전압 계산부(1047); 상기 동기 좌표계 q축 지령치 전압(vqe*)과 상기 동기 좌표계 d축 지령치 전압(vde*)을 정지 좌표계의 q축 및 d축 지령치 전압(vqs*, vds*)으로 변환하는 동기/정지 좌표 변환부(1049); 상기 d축 지령치 전압(vds*)을 이용하여 제2 PWM 신호(d2)를 생성하는 제2 PWM 신호 생성부(1051)를 포함한다.
수학식
mode 1:
Figure pat00001
mode 2:
Figure pat00002
바람직하게는, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는, 상기 태양 전지 어레이의 어레이 개방전압(Voc_arr)을 검출하고, 상기 어레이 개방전압(Voc_arr)을 직렬 모듈 수(Ns)로 나눈 모듈 개방전압(Voc_mod)을 설정하고, 상기 모듈 개방전압(Voc_mod)의 소정 비율에 해당하는 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정하는 제1 단계; 및 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 비교하여(S920), 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 최신화하는 제2 단계를 수행한다.
바람직하게는, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는, 이후 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 소정 전압(
Figure pat00003
)만큼 증가시키고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높은 지를 판단하여 최대 전력점의 추적을 종료하고, 전력 변동분(
Figure pat00004
)이 0.1보다 작거나 같으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 유지하고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)인지 판정하는 제3 단계를 더 수행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는, 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점이면, 차기 단락 전류(I sc( j+1) )를 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)로 저장하고, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높은지를 비교하여 소정 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하는 제4 단계; 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교하여, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 작거나 같으면 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 전력 변동분(dp)을 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 큰지를 비교하는 제5 단계; 및 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 크면, 상기 제2 단계로 복귀하는 제6 단계를 더 수행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는, 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 작거나, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 작으면 현재 단락 전류(I sc j )를 차기 단락 전류(I sc( j+1 ))로 저장하고, 상기 제4 단계로 복귀하는 제7 단계; 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 상기 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 전역 최대 전력 점(Pm)에서의 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 설정하는 제8 단계; 및 동작 구간 동안 전력 변동분(
Figure pat00005
)이 글로벌 최대전력점의 0.1을 초과하면, 상기 제1 단계로 복귀하는 제9 단계를 더 수행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 단계는, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)이 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)보다 크면, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)으로, 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 최신화하는 단계; 및 상기 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)이 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)보다 크면, 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)을 유지하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제3 단계에서, 상기 전력 변동분(
Figure pat00006
)은 상기 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)과 상기 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)의 차를 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)으로 나눈 값이다.
바람직하게는, 상기 제4 단계에서, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높으면, 태양 전지 어레이 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하고, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 낮으면, 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)을 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장한다.
또한, 본원의 제2 발명에 따른 최대 전력점 추종 방법은, 태양 전지 어레이의 최대 전력점 추종 방법에 있어서, 상기 태양 전지 어레이의 어레이 개방전압(Voc_arr)을 검출하고, 상기 어레이 개방전압(Voc_arr)을 직렬 모듈 수(Ns)로 나눈 모듈 개방전압(Voc_mod)을 설정하고, 상기 모듈 개방전압(Voc_mod)의 소정 비율에 해당하는 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정하는 제1 단계; 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 비교하여(S920), 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 최신화하는 제2 단계; 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 소정 전압(
Figure pat00007
)만큼 증가시키고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높은 지를 판단하여 최대 전력점의 추적을 종료하고, 전력 변동분(
Figure pat00008
)이 0.1보다 작거나 같으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 유지하고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)인지 판정하는 제3 단계; 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점이면, 차기 단락 전류(I sc( j+1) )를 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)로 저장하고, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높은지를 비교하여 소정 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하는 제4 단계; 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교하여, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 작거나 같으면 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 전력 변동분(dp)을 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 큰지를 비교하는 제5 단계; 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 크면, 상기 제2 단계로 복귀하는 제6 단계; 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 작거나, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 작으면 현재 단락 전류(I sc j )를 차기 단락 전류(I sc( j+1 ))로 저장하고, 상기 제4 단계로 복귀하는 제7 단계; 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 상기 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 전역 최대 전력 점(Pm)에서의 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 설정하는 제8 단계; 및 동작 구간 동안 전력 변동분(
Figure pat00009
)이 글로벌 최대전력점의 0.1을 초과하면, 상기 제1 단계로 복귀하는 제9 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 단계는, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)이 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)보다 크면, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)으로, 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 최신화하는 단계; 및 상기 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)이 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)보다 크면, 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)을 유지하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제3 단계에서, 상기 전력 변동분(
Figure pat00010
)은 상기 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)과 상기 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)의 차를 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)으로 나눈 값이다.
바람직하게는, 상기 제4 단계에서, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높으면, 태양 전지 어레이 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하고, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 낮으면, 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)을 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장한다.
본 발명에 따르면 부가적인 회로를 사용하지 않고 부분음영에 의해 다수의 LMPP가 발생하였을 때에 실제 최대전력점인 전역 최대 전력점을 추적할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 직류 링크 전압 지령치와 태양 전지 어레이의 출력 전압의 비교를 통해 DC/DC 부스트 컨버터를 달리 제어함으로써 DC/DC 부스트 컨버터의 변환 동작으로 인한 손실을 저감할 수 있다.
도 1은 일반적인 PV 모듈의 I-V 및 P-V 출력 곡선,
도 2(a)는 복사조도 조건에 따른 PV 모듈의 P-I 출력 특성 곡선,
도 2(b)는 복사조도 조건에 따른 PV 모듈의 P-V 출력 특성 곡선,
도 3은 3*2 모듈로 구성된 PV 어레이,
도 4는 3*2 어레이에서의 I-V, P-V 출력 특성 곡선,
도 5는 3*2 어레이에서 일부 음영이 있는 경우의 I-V, P-V 출력 특성 곡선,
도 6(a)는 GMPP가 좌측에 있을 때, 글로벌 최대전력점 추종 동작 흐름도,
도 6(b)는 GMPP가 중앙에 있을 때, 글로벌 최대전력점 추종 동작 흐름도,
도 6(c)는 GMPP가 우측에 있을 때, 글로벌 최대전력점 추종 동작 흐름도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 글로벌 최대전력점 추종 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 ESSJ-GMPPT동작 P-V 출력 특성 곡선,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 글로벌 최대전력점 추종 순서도, 및
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 연계 태양광 인버터 시스템 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 기술자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일반적인 PV 모듈의 I-V 및 P-V 출력 곡선이다.
Voc_mod와 Isc_mod는 각각 태양광 모듈의 개방전압과 단락전류이고, Pmpp는 태양광 모듈의 최대 전력점이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 모듈은 하나의 최대 전력점을 가지는데, 최대 전력점은 대략 개방전압의 80%, 단락전류의 90% 부근이다. 그러므로, 개방전압 Voc_mod과 단락전류 Isc_mod는 각각 수학식 1 및 수학식 2와 같다.
Figure pat00011
Figure pat00012
도 2(a)는 복사조도 조건에 따른 PV 모듈의 P-I 출력 특성 곡선이고, 도 2(b)는 복사조도 조건에 따른 PV 모듈의 P-V 출력 특성 곡선이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복사조사가 줄어들수록 출력 전류 및 개방전압이 낮아지고, 출력 전력이 줄어든다.
도 3은 3*2 모듈로 구성된 PV 어레이로서, PV 어레이는 태양광 모듈을 직렬 및 병렬로 연결하여 구성된다. 개방전압은 직렬연결된 모듈수에 따라 증가하고, 단락전류는 병렬연결된 모듈수에 따라 증가하는 특징이 있다. 따라서 PV 어레이의 개방전압(Voc_arr)과 단락전류(Isc_arr)은 수학식 3 및 수학식 4로 표현된다.
Figure pat00013
Figure pat00014
여기서, Ns는 직렬 모듈 수이고, Np는 병렬 모듈 수이다.
도 4는 3*2 어레이에서의 I-V, P-V 출력 특성 곡선으로서, 3*2 PV 어레이의 개방전압은 모듈 개방 전압의 3배이고, 단락전류는 모듈 단락 전류의 2배이다.
도 5는 3*2 어레이에서 일부 음영이 있는 경우의 I-V, P-V 출력 특성 곡선이다.
도 3에서 PV5의 음영이 50% 발생하고, PV6의 음영이 완전히 발생하면, PV5의 출력전류는 절반이 되고, PV6의 출력전류는 0이 된다. 그러므로, 도 5에 보이는 바와 같이, 몇개의 국부최대전력점(LMPP)이 발생하고, 그 중 하나가 글로벌최대전력점(GMPP)이 된다. 이때, 최전력점의 위치가 변동한다.
도 5는 국부최대전력점(LMPP)과 글로벌최대전력점(GMPP)의 위치가 각 모듈의 최대전력점 위치를 따르는 것을 보인다. 따라서 제1 최대점(Vmpp1)의 위치는 대략 0.8Voc_mod이고, 제2 및 제3 최대점 위치는 각각 대략 1.8Voc_mod과 2.8Voc_mod이다.
그러므로 부분 음영인 경우에 각각의 최대점 위치를 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
도 6(a)은 GMPP가 좌측에 위치하는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 서치-스킵-판단 글로벌 최대전력점 추종 동작 흐름도, 도 6(b)은 GMPP가 중앙에 위치하는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 서치-스킵-판단 글로벌 최대전력점 추종 동작 흐름도, 도 6(c)는 GMPP가 우측에 있을 때, 본 발명의 일실시예에 따른 서치-스킵-판단 글로벌 최대전력점 추종 동작 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 글로벌 최대전력점 추종 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 서치-스킵-판단 글로벌 최대전력점 추종 방법은 불필요한 국부최대전력점들을 스킵함으로써 탐색 전압 범위를 줄인다. 이 방법에 따르면, 부가적인 회로나 센서 없이 최대전력점을 빠르게 추종할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 서치-스킵-판단 글로벌 최대전력점 추종 방법이 3*2 PV 어레이를 사용하여 설명된다. 3*2 PV 어레이에서, 3개의 다른 위치로 설명될 수 있다.
V pv_ref : 태양전지 어레이 전압 지령치
V oc_mod : 태양전지 모듈 개방 전압
V oc_arr : 태양전지 어레이 개방 전압
P pv , P pv_old , P pv_old2 : 태양전지 어레이 현재 출력 전력, 이전 출력 전력, 그이전 출력 전력
P m , P m_old : 태양전지 어레이 추적 최대 출력 전력, 이전 추적 최대 출력 전력
V m , V m_old : 태양전지 어레이 추적 최대 출력 전력에서의 전압(태양전지 어레이 추적 최대 출력 전압), 이전 추적 최대 출력 전력에서의 전압
도 6에서 원문자로 기재된 부호의 의미는 다음과 같다.
① 초기화 및 시작(Initialization)
모든 스위치를 턴오프하고, 어레이 개방전압(Voc_arr)을 검출하고, 어레이 개방전압(Voc_arr)을 직렬 모듈 수(Ns)로 나누어 모듈 개방전압(Voc_mod)을 설정한다. 모듈 개방전압(Voc_mod)의 60%에 해당하는 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정한다(S715). PV 기준 전압(Vpv_ref)을 모듈 개방전압(Voc_mod)의 60%로 설정하는 이유는 온도와 복사조도량으로 인해 개방전압 오류를 고려하기 때문이다.
② 서치(Search)
태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 비교하여(S720), 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)이 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)보다 크면, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)으로, 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 최신화한다(S722). 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)이 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)보다 크면, 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)을 유지한다(S724).
이후 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 소정 전압 변동분(
Figure pat00016
)만큼 증가시키고(S725) 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교한다(S730).
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면 추적을 종료하고, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 지정하고, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)의 차를 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)으로 나눈 전력 변동분(
Figure pat00017
)을 계산한다(S760). 여기서, 추적 종료 전압(Vend)이라 함은 태양 전지 어레이 개방 전압(Voc_arr)의 90%에 해당하는 전압이다.
전력 변동분(
Figure pat00018
)이 0.1보다 크면, 단계 S710으로 회귀하고, 전력 변동분(
Figure pat00019
)이 0.1보다 작거나 같으면, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 유지한다(S770).
③ 스킵(Skip)
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 낮으면, 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)인지 판정한다(S735). 여기서, 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)이라 함은, 전압 변동에 따른 전력 변동율(dp/dv)이 음에서 양으로 바뀌는 지점을 의미한다.
차기 단락 전류(I sc( j+1) )를 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)로 저장한다(S738).
차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))을 수학식 6과 같이, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정하고(S740), j를 1씩 증가시킨다(S745).
Figure pat00020
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교하여(S750), 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면, 추적을 종료하고 전역 최대 전력점 추종 동작(단계 S760)으로 이행하고, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 작거나 같으면 판단 동작으로 이행한다.
④ 판단(Judge)
태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 전력 변화(dp)를 전압 변화(dv)로 나눈 값이 0보다 큰지를 비교한다(S755). 둘 다 크면, 서치 동작(단계 S720)으로 복귀하고, 둘 중 어느 하나라도 작으면 현재 단락 전류(I sc j )를 차기 단락 전류(I sc( j+1 ))로 저장하고(S765) 스킵 동작(단계 S740)으로 복귀한다. 여기서, 최대 전력점 전류를 0.85Iscj로 정한 이유는 스킵 동작 지점의 위치가 태양 전지 모듈 단락 전류(Isc)의 90% 지점에 존재하고, 전류 변동폭에 대한 여유분을 고려한 것이다.
⑤ 전역 최대 전력점 추종
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면(S750), 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 전역 최대 전력 점(Pm)에서의 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 설정한다(S760). 그 이유는 최대전력 점은 어레이 개방전압(Voc_arr)의 90%보다 큰 경우는 존재하지 않기 때문이다.
이후, 전력 변동분(
Figure pat00021
)이 동작 구간 동안 글로벌 최대전력점의 0.1을 초과하는지를 판단하고(S770), 새로운 글로벌 최대전력점을 다시 얻기 위하여 상기 절차들이 반복된다. 여기서, 전력 변동분(
Figure pat00022
)은 현재 전력(Ppv)과 글로벌 최대전력점(Pm) 사이의 차를 글로벌 최대전력점(Pm)으로 나눈 값이다(S760).
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 글로벌 최대전력점 추종 동작에 의한 P-V 출력 특성 곡선이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 글로벌 최대전력점 추종 순서도이다.
① 초기화 및 시작(Initialization)
모든 스위치를 턴오프하고, 어레이 개방전압(Voc_arr)을 검출하고, 어레이 개방전압(Voc_arr)을 직렬 모듈 수(Ns)로 나누어 모듈 개방전압(Voc_mod)을 설정한다. 모듈 개방전압(Voc_mod)의 60%에 해당하는 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정한다(S915). 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 모듈 개방전압(Voc_mod)의 60%로 설정하는 이유는 온도와 복사조도량으로 인해 개방전압 오류를 고려하기 때문이다.
② 서치(Search)
태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 비교하여(S920), 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)이 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)보다 크면, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)으로, 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 최신화한다(S922). 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)이 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)보다 크면, 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)을 유지한다(S924).
이후 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 소정 전압(
Figure pat00023
)만큼 증가시키고(S925) 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높은를 판단하고(S930), 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면 최대 전력점의 추적을 종료하고, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 지정하고, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)의 차를 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)으로 나눈 전력 변동분(
Figure pat00024
)을 계산한다(S960). 여기서, 추적 종료 전압(Vend)이라 함은 태양 전지 어레이 개방 전압(Voc_arr)의 90%에 해당하는 전압이다.
전력 변동분(
Figure pat00025
)이 0.1보다 크면, 단계 S910으로 회귀하고, 전력 변동값(
Figure pat00026
)이 0.1보다 작거나 같으면, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 유지한다(S970).
③ 스킵(Skip)
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 낮으면, 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)인지 판정한다(S935). 여기서, 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)이라 함은, 전압 변동에 따른 전력 변동율(dp/dv)이 음에서 양으로 바뀌는 지점을 의미한다.
태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)이면, 차기 단락 전류(I sc( j+1) )를 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)로 저장한다(S938).
차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높은지를 비교한다(S940).
차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높으면, 태양 전지 어레이 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장한다(S942).
차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 낮으면, 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하고(S944), j를 1씩 증가시킨다(S945).
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교하여(S950), 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면, 추적을 종료하고 전역 최대 전력점 추종 동작(단계 S960)으로 이행한다.
한편, 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 작거나 같으면 판단 동작(S955)으로 이행한다.
④ 판단(Judge)
태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 전력 변동분(dp)을 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 큰지를 비교한다(S955).
둘 다 크면, 서치 동작(단계 S920)으로 복귀하고, 둘 중 어느 하나라도 작으면 현재 단락 전류(I sc j )를 차기 단락 전류(I sc( j+1 ))로 저장하고(S965), 스킵 동작(단계 S940)으로 복귀한다. 여기서, 최대 전력점 전류를 0.85Iscj로 정한 이유는 스킵 동작 지점의 위치가 태양 전지 모듈 단락 전류(Isc)의 90% 지점에 존재하고, 전류 변동폭에 대한 여유분을 고려한 것이다.
⑤ 전역 최대 전력점 추종
태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면(S950), 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 전역 최대 전력점(Pm)에서의 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 설정한다(S960). 그 이유는 최대 전력점이 어레이 개방전압(Voc_arr)의 90%보다 높은 경우는 존재하지 않기 때문이다.
이후, 전력 변동분(
Figure pat00027
)이 동작 구간 동안 글로벌 최대전력점의 0.1을 초과하는지를 판단하고(S970), 초과하면, 다시 새로운 글로벌 최대전력점을 얻기 위하여 상기 절차들이 반복된다. 여기서, 전력 변동분(
Figure pat00028
)은 현재 전력(Ppv)과 글로벌 최대전력점(Pm) 사이의 차를 글로벌 최대 전력점(Pm)으로 나눈 값이다(S960).
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 연계 태양광 인버터 시스템 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 계통 연계 태양광 인버터 시스템은 태양 전지 어레이(1001), DC/DC 부스트 컨버터(1003), 평활 캐패시터(1005), DC/AC 인버터(1007), LC 필터(1009), 그리드 전압(1011), 제1 검출부(1013), 제1 PWM 발생부(1025, 1027, 1029, 1021, 1023), 최대 전력점 추종부(1025), 제2 검출부(1031), 제2 PWM 발생부(1033, 1035, 1037, 1039, 1041, 1043, 1045, 1047, 1049, 1051)를 포함한다.
DC/DC 부스트 컨버터(1003)는 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)보다 낮으면 제1 PWM 발생부로부터 출력되는 제1 PWM 신호(PWM1)에 제어되어 태양 전지 어레이(1001)로부터 출력되는 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)을 소정 레벨의 직류 링크 전압(Vdc)으로 변환하여 출력한다.
평활 캐패시터(1005)는 DC/DC 컨버터(1003)로부터 출력되는 직류 링크 전압(Vdc)를 평활화한다.
DC/AC 인버터(1007)는 제2 PWM 발생부로부터 출력되는 제2 PWM 신호(PWM2)에 제어되어 평활화된 직류 링크 전압(Vdc)을 상용의 그리드 전압(Vg)으로 변환한다.
LC 필터(1009)는 DC/AC 인버터(1007)로부터 출력되는 그리드 전압(Vg)에 포함된 고조파 성분을 필터링한다.
제1 검출부(1013)는 태양 전지 어레이(1001)의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv)를 검출한다.
제1 PWM 발생부(1025, 1027, 1029, 1021, 1023)는 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)과 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)의 편차를 태양 전지 어레이 편차 전압으로 출력하는 제1 감산기(1015), 태양 전지 어레이 편차 전압에 이득을 곱하여 태양 전지 어레이 편차 전압 이득분을 출력하는 태양 전지 어레이 편차 전압 이득 계산부(1017), 태양 전지 어레이 편차 전압 이득분과 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)의 편차를 태양 전지 어레이 편차 전류로 출력하는 제2 감산기(1021), 태양 전지 어레이 편차 전류에 이득을 곱하여 태양 전지 어레이 편차 전류 이득분을 출력하는 태양 전지 어레이 편차 전류 이득 계산부(1021), 태양 전지 어레이 편차 전류 이득분을 이용하여 제1 PWM 신호(d1)를 생성하는 제1 PWM 신호 생성부(1023)를 포함한다.
최대 전력점 추종부(1025)는 태양 전지 어레이(1001)의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv)을 이용하여 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 생성한다.
제2 검출부(1031)는 LC 필터(1009)에 인가되는 그리드 전압(vg)와 LC 필터(1009)를 흐르는 그리드 전류(ig)를 검출한다.
제2 PWM 발생부(1033, 1035, 1037, 1039, 1041, 1043, 1045, 1047, 1049, 1051)는 제2 검출부(1031)로부터 출력되는 그리드 전압(vg)과 그리드 전류(ig)를 동기 좌표계의 d축 전압(vde), q축 전압(vqe), d축 전류(ide), q축 전류(iqe)로 변환하는 정지/동기 좌표 변환부(1033), 평활 캐패시터(1005)에 인가되는 직류 링크 전압(Vdc)과 수학식 7에 따른 조건 전압의 편차를 직류 편차 전압분으로 출력하는 제3 감산기(1035), 제3 감산기(1035)로부터 출력되는 직류 편차 전압분에 직류 편차 전압 이득을 곱하여 기준 전류(iref)를 출력하는 직류 편차 전압 이득 계산부(1037), 직류 편차 전압 이득 계산부(1037)로부터 출력되는 기준 전류(iref)와 동기 좌표계 q축 전류(iqe)의 편차를 q축 편차 전류분으로 출력하는 제4 감산기(1039), 제4 감산기(1039)로부터 출력되는 q축 편차 전류분에 q축 편차 전류 이득을 곱하여 q축 편차 전압분을 출력하는 q축 편차 전압 이득 계산부(1041), q축 편차 전압 이득 계산부(1041)으로부터 출력되는 q축 편차 전압분과 동기 좌표계 q축 전압(vqe)을 가산하여 동기 좌표계 q축 지령치 전압(vqe*)을 출력하는 가산기(1043), 0과 동기 좌표계 d축 전류(ide)의 편차를 d축 편차 전류분으로 출력하는 제5 감산기(1045), 제5 감산기(1045)로부터 출력되는 d축 편차 전류분에 d축 편차 전류 이득을 곱하여 동기 좌표계 d축 지령치 전압(vde*)을 출력하는 d축 지령치 전압 계산부(1047), 가산기(1043)로부터 출력되는 동기 좌표계 q축 지령치 전압(vqe*)과 d축 지령치 전압 계산부(1047)로부터 출력되는 동기 좌표계 d축 지령치 전압(vde*)을 정지 좌표계의 q축 및 d축 지령치 전압(vqs*, vds*)으로 변환하는 동기/정지 좌표 변환부(1049), 동기/정지 좌표 변환부(1049)로부터 출력되는 d축 지령치 전압(vds*)을 이용하여 제2 PWM 신호(d2)를 생성하는 제2 PWM 신호 생성부(1051)를 포함한다.
Figure pat00029
Figure pat00030
, mode 2
1) mode 1
수학식 7과 같이, 직류 링크 전압 지령치(Vdc*)가 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)보다 높으면, 제1 PWM 발생부(1025, 1027, 1029, 1021, 1023)는 최대 전력점 추종부(1025)로부터 출력되는 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)를 이용하여 제1 PWM 신호를 생성함으로써 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)를 제어한다. 그리고, 제2 PWM 발생부(1033, 1035, 1037, 1039, 1041, 1043, 1045, 1047, 1049, 1051, 1053)는 제2 PWM 신호를 생성하여 직류 링크 전압(Vdc)를 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)으로 제어한다.
2) mode 2
한편, 직류 링크 전압 지령치(Vdc*)가 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)보다 낮으면, 제1 PWM 발생부(1025, 1027, 1029, 1021, 1023)는 제1 PWM 신호를 출력하지 않고, 제2 PWM 발생부(1033, 1035, 1037, 1039, 1041, 1043, 1045, 1047, 1049, 1051, 1053)는 제2 PWM 신호를 생성하여 직류 링크 전압(Vdc)을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 제어한다.
두 가지 모드로 동작하는 이유는 다음과 같다. 전력을 생산하기 위해서 직류 링크 전압(Vdc)은 시스템에서의 피크 전압보다 높아야 한다. 따라서 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 시스템에서의 피크 전압보다 낮을 때 모드 1이 요구된다.
그러나, 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 시스템에서의 피크 전압보다 높으면, 직류 링크 전압(Vdc)이 시스템에서의 피크 전압보다 높다. 이 때에는 DC/DC 부스트 컨버터(1003)가 동작할 필요가 없고, DC/DC 부스트 컨버터(1003)의 변환 동작으로 인한 손실이 모드 2에서 저감될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1001: 태양 전지 어레이
1003: DC/DC 부스트 컨버터
1005: 평활 캐패시터
1007: DC/AC 인버터
1009: LC 필터
1011: 그리드 전압
1013: 제1 검출부
1021, 1023, 1025, 1027, 1029: 제1 PWM 발생부
1025: 최대 전력점 추종부
1031: 제2 검출부
1033, 1035, 1037, 1039, 1041, 1043, 1045, 1047, 1049, 1051, 1053: 제2 PWM 발생부

Claims (14)

  1. 태양 전지 어레이로부터 출력되는 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)보다 낮으면 제1 PWM 신호(PWM1)에 제어되어 상기 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)을 소정 레벨의 직류 링크 전압(Vdc)으로 변환하여 출력하는 DC/DC 부스트 컨버터(1003);
    상기 DC/DC 부스트 컨버터(1003)로부터 출력되는 직류 링크 전압(Vdc)을 평활화하는 평활 캐패시터(1005);
    제2 PWM 신호(PWM2)에 제어되어 평활화된 직류 링크 전압(Vdc)을 상용의 그리드 전압(Vg)으로 변환하는 DC/AC 인버터(1007);
    상기 DC/AC 인버터(1007)로부터 출력되는 그리드 전압(Vg)에 포함된 고조파 성분을 필터링하는 LC 필터(1009);
    상기 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv)을 검출하는 제1 검출부(1013);
    상기 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv)을 이용하여 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 생성하는 최대 전력점 추종부(1025);
    상기 LC 필터(1009)에 인가되는 그리드 전압(vg)와 상기 LC 필터(1009)를 흐르는 그리드 전류(ig)를 검출하는 제2 검출부(1031);
    상기 태양 전지 어레이 출력 전압(Vpv)이 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)보다 낮으면 상기 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)와 출력 전압(Vpv) 그리고 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 이용하여 상기 제1 PWM 신호(PWM1)를 출력하는 제1 PWM 발생부; 및
    상기 직류 링크 전압 지령치(Vdc*)가 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)보다 높으면, 상기 직류 링크 지령치 전압(Vdc*)을 이용하고, 상기 직류 링크 전압 지령치(Vdc*)가 상기 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 이용하여 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 PWM 발생부
    를 포함하는 최대 전력점 추종 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 PWM 발생부는,
    상기 태양 전지 어레이의 출력 전압(Vpv)과 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)의 편차를 태양 전지 어레이 편차 전압으로 출력하는 제1 감산기(1015);
    상기 태양 전지 어레이 편차 전압에 이득을 곱하여 태양 전지 어레이 편차 전압 이득분을 출력하는 태양 전지 어레이 편차 전압 이득 계산부(1017);
    상기 태양 전지 어레이 편차 전압 이득분과 태양 전지 어레이의 출력 전류(Ipv)의 편차를 태양 전지 어레이 편차 전류로 출력하는 제2 감산기(1021);
    상기 태양 전지 어레이 편차 전류에 이득을 곱하여 태양 전지 어레이 편차 전류 이득분을 출력하는 태양 전지 어레이 편차 전류 이득 계산부(1021); 및
    상기 태양 전지 어레이 편차 전류 이득분을 이용하여 제1 PWM 신호(d1)를 생성하는 제1 PWM 신호 생성부(1023)
    를 포함하는 최대 전력점 추종 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제2 PWM 발생부는,
    상기 그리드 전압(vg)과 상기 그리드 전류(ig)를 동기 좌표계의 d축 전압(vde), q축 전압(vqe), d축 전류(ide), q축 전류(iqe)로 변환하는 정지/동기 좌표 변환부(1033);
    상기 직류 링크 전압(Vdc)과 수학식 7에 따른 조건 전압의 편차를 직류 편차 전압분으로 출력하는 제3 감산기(1035);
    제3 감산기(1035)로부터 출력되는 직류 편차 전압분에 직류 편차 전압 이득을 곱하여 기준 전류(iref)를 출력하는 직류 편차 전압 이득 계산부(1037);
    직류 편차 전압 이득 계산부(1037)로부터 출력되는 기준 전류(iref)와 동기 좌표계 q축 전류(iqe)의 편차를 q축 편차 전류분으로 출력하는 제4 감산기(1039);
    상기 q축 편차 전류분에 q축 편차 전류 이득을 곱하여 q축 편차 전압분을 출력하는 q축 편차 전압 이득 계산부(1041);
    상기 q축 편차 전압분과 동기 좌표계 q축 전압(vqe)을 가산하여 동기 좌표계 q축 지령치 전압(vqe*)을 출력하는 가산기(1043);
    0과 동기 좌표계 d축 전류(ide)의 편차를 d축 편차 전류분으로 출력하는 제5 감산기(1045);
    상기 d축 편차 전류분에 d축 편차 전류 이득을 곱하여 동기 좌표계 d축 지령치 전압(vde*)을 출력하는 d축 지령치 전압 계산부(1047);
    상기 동기 좌표계 q축 지령치 전압(vqe*)과 상기 동기 좌표계 d축 지령치 전압(vde*)을 정지 좌표계의 q축 및 d축 지령치 전압(vqs*, vds*)으로 변환하는 동기/정지 좌표 변환부(1049);
    상기 d축 지령치 전압(vds*)을 이용하여 제2 PWM 신호(d2)를 생성하는 제2 PWM 신호 생성부(1051)
    를 포함하는 최대 전력점 추종 장치.
    수학식
    mode 1:
    Figure pat00031

    mode 2:
    Figure pat00032

  4. 청구항 3에 있어서, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는,
    상기 태양 전지 어레이의 어레이 개방전압(Voc_arr)을 검출하고, 상기 어레이 개방전압(Voc_arr)을 직렬 모듈 수(Ns)로 나눈 모듈 개방전압(Voc_mod)을 설정하고, 상기 모듈 개방전압(Voc_mod)의 소정 비율에 해당하는 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정하는 제1 단계; 및
    태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 비교하여(S920), 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 최신화하는 제2 단계
    를 수행하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는,
    이후 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 소정 전압(
    Figure pat00033
    )만큼 증가시키고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높은 지를 판단하여 최대 전력점의 추적을 종료하고, 전력 변동분(
    Figure pat00034
    )이 0.1보다 작거나 같으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 유지하고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)인지 판정하는 제3 단계
    를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는,
    상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점이면, 차기 단락 전류(I sc( j+1) )를 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)로 저장하고, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높은지를 비교하여 소정 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하는 제4 단계;
    상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교하여, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 작거나 같으면 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 전력 변동분(dp)을 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 큰지를 비교하는 제5 단계; 및
    상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 크면, 상기 제2 단계로 복귀하는 제6 단계
    를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 최대 전력점 추종부(1025)는,
    상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 작거나, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 작으면 현재 단락 전류(I sc j )를 차기 단락 전류(I sc( j+1 ))로 저장하고, 상기 제4 단계로 복귀하는 제7 단계;
    상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 상기 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 전역 최대 전력 점(Pm)에서의 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 설정하는 제8 단계; 및
    동작 구간 동안 전력 변동분(
    Figure pat00035
    )이 글로벌 최대전력점의 0.1을 초과하면, 상기 제1 단계로 복귀하는 제9 단계
    를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제2 단계는,
    태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)이 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)보다 크면, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)으로, 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 최신화하는 단계; 및
    상기 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)이 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)보다 크면, 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)을 유지하는 단계
    를 포함하는 최대 전력점 추종 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 전력 변동분(
    Figure pat00036
    )은 상기 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)과 상기 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)의 차를 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제4 단계에서, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높으면, 태양 전지 어레이 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하고,
    상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 낮으면, 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)을 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하는 최대 전력점 추종 장치.
  11. 태양 전지 어레이의 최대 전력점 추종 방법에 있어서,
    상기 태양 전지 어레이의 어레이 개방전압(Voc_arr)을 검출하고, 상기 어레이 개방전압(Voc_arr)을 직렬 모듈 수(Ns)로 나눈 모듈 개방전압(Voc_mod)을 설정하고, 상기 모듈 개방전압(Voc_mod)의 소정 비율에 해당하는 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 설정하는 제1 단계;
    태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 비교하여(S920), 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 최신화하는 제2 단계;
    이후 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 소정 전압(
    Figure pat00037
    )만큼 증가시키고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 높은 지를 판단하여 최대 전력점의 추적을 종료하고, 전력 변동분(
    Figure pat00038
    )이 0.1보다 작거나 같으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 유지하고, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 낮으면, 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점(SDP: Section Dividing Point)인지 판정하는 제3 단계;
    상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 섹션 분할 시점이면, 차기 단락 전류(I sc( j+1) )를 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)로 저장하고, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높은지를 비교하여 소정 전압을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하는 제4 단계;
    상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)과 추적 종료 전압(Vend)을 비교하여, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 추적 종료 전압(Vend)보다 작거나 같으면 상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 전력 변동분(dp)을 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 큰지를 비교하는 제5 단계;
    상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 크고, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 크면, 상기 제2 단계로 복귀하는 제6 단계;
    상기 태양 전지 어레이 출력 전류(Ipv)가 최대 전력점 전류(0.85Iscj)보다 작거나, 상기 전력 변동분(dp)을 상기 전압 변동분(dv)으로 나눈 값이 0보다 작으면 현재 단락 전류(I sc j )를 차기 단락 전류(I sc( j+1 ))로 저장하고, 상기 제4 단계로 복귀하는 제7 단계;
    상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)이 상기 추적 종료 전압(Vend)보다 높으면, 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)을 전역 최대 전력 점(Pm)에서의 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 설정하는 제8 단계; 및
    동작 구간 동안 전력 변동분(
    Figure pat00039
    )이 글로벌 최대전력점의 0.1을 초과하면, 상기 제1 단계로 복귀하는 제9 단계
    를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제2 단계는,
    태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)이 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)보다 크면, 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)을 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)으로, 태양 전지 어레이 현재 전압(Vpv)을 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)으로 최신화하는 단계; 및
    상기 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)이 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)보다 크면, 태양 전지 어레이 최대 출력 전력(Pm)과 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전압(Vm)을 유지하는 단계
    를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 전력 변동분(
    Figure pat00040
    )은 상기 태양 전지 어레이 현재 전력(Ppv)과 상기 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)의 차를 태양 전지 어레이 추적 최대 출력 전력(Pm)으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 최대 전력점 추종 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제4 단계에서, 상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 높으면, 태양 전지 어레이 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))을 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하고,
    상기 차기 단락 전압(Pm/Isc(j+1))이 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)보다 낮으면, 상기 차기 모듈 개방 전압(((j+1)-0.4)*Voc_mod)을 상기 태양 전지 어레이 기준 전압(Vpv_ref)으로 저장하는 최대 전력점 추종 방법.
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