KR20210034853A

KR20210034853A - 태양전지 mppt 제어 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20210034853A
Application number: KR1020190116712A
Authority: KR
Inventors: 김주은; 오용승; 유원호; 안강순
Original assignee: 주식회사 윌링스
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-31

Abstract

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템은, 태양전지 어레이로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력하는 검출부; 상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단하는 저출력점 판단부;및 상기 태양전지 어레이가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종하는 MPPT 제어부;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지 출력이 저출력인 경우 MPPT 제어시 전압 스텝값을 가변하여 안정적으로 최대전력점을 추종하여 태양전지 출력의 제어 효율을 높일수 있다.

Description

태양전지 MPPT 제어 시스템 및 그 방법{MPPT control system and method of solar cells}

본 발명은 태양전지 MPPT 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 태양전지 출력이 저출력인 경우 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 추종하는 태양전지 MPPT 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

에너지는 전 세계적으로 화석연료로부터 얻어왔지만 그 매장량에 한계가 있으며, 화석연료의 사용으로 인한 이산화탄소 또는 산성의 오염물질 증가로 인해 환경오염이 발생하고 있다. 이러한 화석에너지의 단점으로 인해 선진국을 중심으로 대체 에너지를 개발하고 있으며 대체 에너지 중에서도 무한하며 재생 가능한 에너지인 신재생에너지의 사용을 확산시키고 있다. 그 중에서도 주목받고 있는 태양광에너지는 태양광 발전 밀도가 높은 여러 나라에서 태양광 발전 시스템에 대한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 이러한 연구 활동의 결과 신재생에너지의 보급이 확대되면서 태양광 발전시스템이 많은 나라에 설치되어 운전 중이다.

최근의 태양광 발전 시스템의 활용을 위한 연구방향은 시스템가격 저감 방안과 효율향상에 있다. 소비자 측면에서는 발전효율 향상과 안정적인 운영에 관심이 많다.

태양전지 시스템은 온도, 일사량 등의 환경적인 요인에 의한 태양전지 출력이 낮아진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 태양전지 셀 자체의 효율을 높이거나 태양광 발전 제어용 전력변환 시스템의 변환효율 및 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 하여 높이는 방법, 태양전지 모듈의 태양 추적식 방법 등 다방면의 해결책이 사용되고 있다.

별도의 추가 설비 없이 태양광 발전시스템의 발전 효율을 향상시키기 위해 일반적으로 MPPT 제어가 가장 용이한 방법이다. 그러나, 종래의 MPPT 제어방법의 거의 대부분은 일사량 저조에 따른 태양전지 저출력에 대한 경우 MPPT 제어 실패에 대해서는 고려하지 않았다.

태양전지의 출력은 셀 온도와 일사량 등 여러 환경적인 요소에 크게 영향을 받는다. 예로, 온도가 상승하면 개방전압이 감소하게된다. 도 1을 참조하면, 도 1의 V-I 곡선은 셀 표면의 온도가 증가할 때 출력이 크게 변화되는 것을 나타내며, 온도상승에 따라 태양전지 출력 전압은 낮아지고 그래프는 왼쪽으로 이동한다.

또한, 도 2를 참조하면, 도 2는 일사량이 70[

]에서 100[

]까지 10[

]씩 증가함에 따른 태양전지 출력특성을 나타내는 V-I 곡선으로, 일사량 변동에 따라 태양전지 최대전류와 일사량은 비례하여 변화되지만 전압은 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다.

이에 따라, 태양전지 시스템의 발전 환경에 의한 저출력 시의 발전효울을 향상시키기 위한 MPPT 제어방법은 태양전지 전압, 전류의 변화뿐 아니라, 태양전지 저출력을 고려하여야 한다.

이에, 종래기술로서 특허문헌1은 태양광 발전 시스템의 운용 및 발전효율을 향상시키기 위한 기술로서 저출력 판단점 이하로부터 일정 전압의 범위에서 기준모듈에서 측정한 I-V 커브를 이용함으로써 MPPT 제어 효율을 높여 발전용량이 증가하는 기술을 제시한다.

그러나 위 종래기술은 I-V 커브를 이용하는 것으로 태양전지 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 찾아 제어하는 본 발명과는 차이가 있다.

국내공개특허 제10-2019-0052364호

본 발명은 태양전지 출력이 저출력인 경우 MPPT 제어시 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 안정적으로 추종하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 MPPT 제어 시스템은, 태양전지 어레이로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력하는 검출부; 상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단하는 저출력점 판단부;및 상기 태양전지 어레이가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종하는 MPPT 제어부;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 저출력점 판단부는, 상기 검출된 전압 및 산출된 전력이 기 설정된 값 이하이면 저출력점으로 판단하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 MPPT 제어부는, 상기 저출력점 판단부에서 저출력점으로 판단되면 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 추종하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 검출된 전압이 650[V] 미만, 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이 출력의 10% 이하인 경우 저출력점으로 판단하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 전압 스텝값은 태양전지 설치 용량, 전압, 태양광 일사량 또는 온도에 따라 가변되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 저출력점으로 판단된 경우, 상기 스텝값은 하기 수학식에 의해 산출되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 MPPT 제어 방법은, 태양전지 어레이로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력하는 검출 단계; 상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단하는 저출력점 판단 단계;및 상기 태양전지 어레이가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종하는 최대전력점 추종단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 저출력점 판단 단계는, 상기 검출된 전압 및 산출된 전력이 기 설정된 값 이하이면 저출력점으로 판단하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 저출력점 판단 단계에서 저출력점으로 판단되면, 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 추종하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 검출된 전압이 650[V]미만, 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이 출력의 10% 이하인 경우 저출력점으로 판단하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 태양전지 출력이 저출력인 경우 MPPT 제어시 전압 스텝값을 가변하여 안정적으로 최대전력점을 추종하여 태양전지 출력의 제어 효율을 높일수 있다.

도 1은 온도변화에 따른 태양전지 V-I 곡선을 도시한 도면이다.
도 2는 일사량 변화에 따른 태양전지 V-I 곡선을 도시한 도면이다.
도 3은 일사량 변화에 따른 MPPT 추종 그래프를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 MPPT P&O 제어 알고리즘 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예인 태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 6은 도 3의 B점을 포함하는 곡선에서 전압 스텝값의 가변을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예를 적용한 MPPT P&O 제어 알고리즘 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 일사량 변화에 따른 MPPT 추종 그래프를 도시한 도면이다.

도 4는 종래 MPPT P&O 제어 알고리즘 순서도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 태양전지의 출력특성은 비선형적이고 온도, 일사량 등의 환경적 영향을 많이 받는다. MPPT 제어는 태양광발전 시스템의 출력 및 효율을 증가시키기 위한 기술이며 종래의 P&O(Perturbation & ObserVation)와 IC(Incremental conductance) 등은 정해진 전압 스텝값으로 태양전지 전압을 주기적으로 강가, 감소시킴으로써 최대전력점(MPP : Maximum Power Point)을 찾는 방법이며, 태양전지 출력이 낮을 경우 MPPT 제어를 제대로 수행하지 못한다.

MPPT P&O 제어는 태양전지 전압 스텝값을 주기적으로 증가, 감소시킴으로써 동작하며, 이전의 교란주기 동안의 태양전지 출력전력과 함께 현재 출력전력을 비교하여 최대전력점을 연속적으로 추적하며 찾는다. 전력이 증가하면 교란은 다음 주기 동안 계속해서 같은 방향으로 증가할 것이며 그렇지 않으면 교란의 방향은 반대가 된다.

도 3과 같이 일사량 변화에 따른 MPPT 추종 그래프(V-P)와 같이 태양전지 출력이 낮아지면 A점에서 B점으로 최대전력점이 이동한다. 여기서, B점을 포함하는 곡선이 태양전지 출력이 저출력일 때의 MPPT 제어 특성이다. 태양전지 출력이 낮은 B점을 포함하는 곡선은 기울기가 0에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 일반적인 경우, MPPT 제어시 태양전지 전압 스텝값은 고정이며, 태양전지 출력에 관계없이 제어하면 0에 가까운 기울기에서 최대전력점을 찾기란 쉽지 않으며, 이는 즉 최대전력점 추종을 실패할 수 있다는 것을 의미한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예인 태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템은, 검출부(100), 저출력점 판단부(200) 및 MPPT 제어부(300)를 포함하여 구성된다.

상기 검출부(100)는 태양전지 어레이(10)로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력한다.

상기 저출력점 판단부(200)는 상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단한다.

상기 MPPT 제어부(300)는 상기 태양전지 어레이(10)가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종한다.

본 발명은 저출력점 판단부(200)를 구비하여 이에 따라 MPPT 제어부(300)에서 최대전력점을 추종하는 것에 그 특징이 있다.

상기 저출력점 판단부(200)는 상기 검출된 전압 및 산출된 전력이 기 설정된 값 이하이면 저출력점으로 판단한다. 일 실시 예로, 상기 검출된 전압이 650[V] 미만이고, 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10% 이하인 경우 저출력점으로 판단할 수 있다.

상기 저출력점 판단부(200)에서 저출력점으로 판단된 경우, 상기 MPPT 제어부(300)는 전압 스텝값을 가변할 수 있다. 종래 MPPT P&O제어에서(도4 참조) 전압 스텝값은 예를 들면 0.1[V]로 고정이며, 태양전지 출력과 상관없이 같은 전압 스텝값으로 최대전력점을 추종한다.

상기 MPPT 제어부(300)는 상기 저출력점 판단부(200)에서 저출력점으로 판단되면 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 추종한다. 일 실시 예로, 상기 검출된 전압이 650[V] 미만이고, 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10% 이하인 경우 저출력점으로 판단되어 전압 스텝값을 가변할 수 있다. 상기 전압 스텝값은 태양전지 설치 용량, 전압, 태양광 일사량 또는 온도에 따라 가변될 수 있고, 하기 수학식1에 의해 산출된다.

상기 수학식1에 의하면 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10[%] 이하이고, 검출된 전압 Vpv 가 649로 떨어지면 스텝값은 0.104가 된다. 또한, 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10[%] 이하이고, 검출된 전압 Vpv 가 550이 되면 스텝값은 0.5가 된다. 즉, 검출된 전압이 650[V] 미만으로 떨어지고 태양광 시스템이 운전할 수 있는 최소 전압이 550[V]이라 하면 스텝값은 0.1~0.5[V] 사이에서 그 가변값을 가질 수 있다.

도 6은 도 3의 B점을 포함하는 곡선에서 전압 스텝값의 가변을 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지 출력이 낮아져 태양전지 출력 곡선이 도 6과 같을 때, 전압 스텝값이 가변되어, 기존 전압스텝값이 0.1[V]라면, 0.5[V]로 증가되어 스텝값을 크게 함으로써 최대전력점을 추종을 빠르고 정확하게 할 수 있다. 이는 태양전지 출력이 낮아지면 태양전지 출력 곡선의 기울기가 완만하게 되므로 전압 스텝가변값이 작으면, 최대전력점 추종 시간이 길어지거나 실패하기 때문이다. 이에 전압 스텝값을 기존보다 크게하여 최대전력점을 추종하므로 제어의 정확도를 높일 수 있고, 제어 시간을 빠르게 진행할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예를 적용한 MPPT P&O 제어 알고리즘 순서도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법은, 태양전지 어레이(10)로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력하는 검출 단계(S100)가 수행된다. 검출부(100)에서 먼저 태양전지 전압 및 전류를 검출하고(S110), 이어서 상기 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출한다.(S120)

이어서, 상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단하는 저출력점 판단 단계(S200)가 수행된다. 상기 저출력점 판단 단계(S200)는 저출력점 판단부(200)에서 수행되며, 상기 검출된 전압 및 산출된 전력이 기 설정된 값 이하이면 저출력점으로 판단할 수 있다. 보다 구체적으로, 먼저 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10[%]이하인지 판단하고(S210), 검출 전압이 650[V] 미만인지 판단한다. 상기 저출력점 판단부(200)가 저출력점이라 판단하면 상기 MPPT 제어부(300)는 전압 스텝값을 가변한다. 즉, 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10[%]이하고, 검출 전압이 650[V] 미만이면 상기 저출력점 판단부(200)는 저출력점으로 판단하고 상기 MPPT 제어부(300)는 전압 스텝값을 가변한다(S310). 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이(10) 출력의 10[%]이하가 아니거나, 검출 전압이 650[V] 미만이 아니면 전압 스텝값은 기존 세팅값으로 적용(S320)하여 최대전력점을 추종하는 단계로 넘어간다.

이어서, 상기 태양전지 어레이(10)가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종하는 최대전력점 추종단계(S300)가 수행된다. S300 단계에서는 S200단계의 저출력점 판단에 따라 기존 또는 가변된 전압 스텝값으로 최대전력점을 추종한다. 상기 S300 단계는 MPPT 제어부(300)에서 수행된다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10 태양전지 어레이
100 검출부
200 저출력점 판단부
300 MPPT 제어부

Claims

태양전지 어레이로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력하는 검출부;
상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단하는 저출력점 판단부;및
상기 태양전지 어레이가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종하는 MPPT 제어부;를 포함하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 저출력점 판단부는,
상기 검출된 전압 및 산출된 전력이 기 설정된 값 이하이면 저출력점으로 판단하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 MPPT 제어부는,
상기 저출력점 판단부에서 저출력점으로 판단되면 전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 추종하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 검출된 전압이 650[V] 미만, 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이 출력의 10% 이하인 경우 저출력점으로 판단하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템.
제3항에 있어서,
상기 전압 스텝값은 태양전지 설치 용량, 전압, 태양광 일사량 또는 온도에 따라 가변되는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템.
제4항에 있어서,
저출력점으로 판단된 경우, 상기 스텝값은 하기 수학식에 의해 산출되는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 시스템.
태양전지 어레이로부터 생성되어 출력되는 전압 및 전류를 검출하고, 검출된 전압 및 전류로부터 전력을 산출하여 출력하는 검출 단계;
상기 검출 전압 및 산출된 전력을 입력받아 저출력점을 판단하는 저출력점 판단 단계;및
상기 태양전지 어레이가 최대 전력을 출력하도록 최대전력점을 추종하는 최대전력점 추종단계;를 포함하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 저출력점 판단 단계는,
상기 검출된 전압 및 산출된 전력이 기 설정된 값 이하이면 저출력점으로 판단하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 저출력점 판단 단계에서 저출력점으로 판단되면,
전압 스텝값을 가변하여 최대전력점을 추종하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 검출된 전압이 650[V]미만, 상기 산출된 전력이 상기 태양전지 어레이 출력의 10% 이하인 경우 저출력점으로 판단하는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 전압 스텝값은 태양전지 설치 용량, 전압, 태양광 일사량 또는 온도에 따라 가변되는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법.
제10항에 있어서,
저출력점으로 판단된 경우, 상기 스텝값은 하기 수학식에 의해 산출되는,
태양전지 저출력을 고려한 MPPT 제어 방법.