KR20210121588A - 태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위한 차동 전력변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전에서 사용되는 두 개 이상의 태양광 모듈들에서 발전되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 가정용 및 산업용으로 사용하는 태양광 발전 시스템에서, 일부 태양광 모듈에 순간적으로 그림자가 드리워지거나 고장 혹은 성능 열화가 발생할 때 그 영향(태양광 발전 출력의 저하)이 해당 태양광 모듈만이 아닌 전체 시스템으로 확대되어 나타나는 문제를 개선하기 위한 차동 전력변환기에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 직렬로 연결된 복수의 태양광 모듈(PV)에 각각 병렬로 연결된 복수의 전력 변환 모듈(DPP)의 전력을 제어하기 위한 전력 제어장치의 전력 제어 방법에 있어서, 태양광 모듈 각각에 대한 전압 및 전류 값을 측정하는 단계와, 복수의 전력 변환 모듈의 변환 전력값을 각각 연산하는 단계와, 상기 복수의 전력 변환 모듈에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력 값을 이용하여 스트링 전압값을 추종 하도록 상기 복수의 전력 변환 모듈을 제어하는 단계를 포함하는 전력 제어 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 보다 경제적으로 태양광 발전 시스템을 구축할 수 있다.

Description

태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위한 차동 전력변환기{Differential power conditioning system for improving performance of photovoltaic power generation system}

본 발명은 태양광 발전에서 사용되는 두 개 이상의 태양광 모듈들에서 발전되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 가정용 및 산업용으로 사용하는 태양광 발전 시스템에서, 일부 태양광 모듈에 순간적으로 그림자가 드리워지거나 고장 혹은 성능 열화가 발생할 때 그 영향(태양광 발전 출력의 저하)이 해당 태양광 모듈만이 아닌 전체 시스템으로 확대되어 나타나는 문제를 개선하기 위한 차동 전력변환기에 관한 것이다.

태양광발전시스템은 태양광으로 얻는 에너지원을 전기에너지로 변환하는 기술로 PV모듈과 전력변환기(Power Conditioning System, PCS)로 구성된다. 태양광 발전으로 생산된 전력은 직류고, 전력계통에서 전송하는 전력은 교류다. 때문에 태양광발전 직류전력을 전력계통에 전송하기 위해서는 교류로 변환할 필요가 있어 태양광 발전 전력인 직류를 교류로 변환하는 전력변환기(태양광 인버터)를 사용해야 한다. 이 전력변환기는 두 부분으로 구성되는데, 태양광 발전 직류 전력을 낮은 전압 상태로 처음에 받아서 다음 단계에 적합한 전압으로 승압하고, 태양광 패널이 최대의 전력을 발전하도록 조절하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 수행하는 앞단의 직류(DC)- 직류(DC) 컨버터와, 이렇게 생산되어 적절한 전압으로 승압된 직류전력을 최종적인 교류 전력으로 변환하고 전력계통으로 전송하는 후단의 직류(DC)- 교류(AC) 인버터로 구성된다.

기존의 태양광 발전시스템은 제조비용을 절감하기 위해 여러 개의 태양전지 모듈을 한 줄로 직렬 연결해서 스트링을 만들고 이를 하나의 전력변환기에 연결한다. 이 경우에 스트링을 구성하는 일부 태양광 모듈에 문제가 생겨 부분적으로 태양광 발전량이 감소했을 때 스트링을 구성하는 나머지 모듈 전체의 발전량도 급격히 저하된다. 이는 직렬회로 연결에서 일부 구성요소를 흐르는 전류가 줄어들 경우 나머지 구성 요소의 전류도 병목현상에 의해 줄어들기 때문이다. 대표적인 경우가 건물에 설치하는 태양광 발전시스템이나 도심형 태양광 발전에서 일부 태양광 모듈에 그늘이 져서 발전량이 줄어드는 부분 그늘짐(Partial Shading) 현상이다. 이는 그늘진 일부 태양광 발전 모듈의 발전 전력이 줄어들면서 나머지 그늘이지지 않은 태양광 모듈의 발전전력까지 줄어들도록 영향을 끼치는 현상이다. (그림 2)

이를 해결하기 위해서 최근에는 태양광 모듈 하나당 한 개의 인버터 (마이크로 인버터)를 설치하는 새로운 소형 인버터(마이크로인버터) 방식이 제안되고 있다. 마이크로인버터는 스트링 전체에서 모아진 전기를 DC에서 AC로 전환하는 중앙집중식(스트링 인버터 방식)이 아닌 개별 모듈 각각에 작은 전력변환기 (마이크로인버터)를 설치해 모듈 단위에서 직류를 교류로 변환하고 이를 공통 병렬회로에 연결해 발전전력을 모아서 전력계통에 전송하는 분산형 시스템이다.

마이크로인버터 방식은 개별 모듈마다 전용 인버터를 사용하기 때문에 태양전지 모듈 당 더 많은 발전이 이루어지도록 하는 최대전력점추종(MPPT) 제어기능을 갖출 수 있고, 병렬연결 구조이기 때문에 일부 태양광 모듈에 부분 음영이 생길 경우에도 해당 모듈의 발전량만 감소하고 나머지 모듈의 성능은 정상적인 상태를 유지할 수 있는 방식이다.

그러나 마이크로인버터 구조는 마이크로인버터가 고가의 장치이기 때문에 이를 모든 패널마다 연결하면 가격이 비싸지고, 또 소형 인버터를 가지고 상대적으로 낮은 전압의 직류를 AC 교류망에 적합한 높은 전압의 교류로 변환하기 때문에 변압비(1차측 입력전압 대비 2차측 출력전압의 비율)가 높아서 전력변환기의 효율이 나빠지는 단점이 있다.

본 특허에서 출원하는 차동전력변환기는 최근에 연구되고 있는 새로운 방식의 태양광발전 전력변환기 구조다. 그림 4가 대표적인 경우 중 하나인데, 이 방식에서는 4개의 태양광 패널(PV1부터 PV4까지)이 각각 다른 발전출력으로 발전하는 경우다. 기존 방식에서는 PV1과 PV4는 5.0A를 발전하고, PV2는 5.2A, PV3는 4.2A를 발전할 때 최종적으로 4.2A만 발전하던 것과 달리 DPP 방식에서는 병렬 연결된 우회로를 설치하고 각 모듈 사이의 전력차이(차동전력)를 계산해서 가능한 만큼은 직렬연결된 경로로 전송하고, 나머지에 해당하는 차동전력만큼은 병렬연결된 우회로를 통해 처리해서 결과적으로 총 4.85A(원래 발전전류의 산술평균으로, 각각의 태양광 모듈 모두가 최선을 다해 발전한 결과)를 출력한다. 즉, 4.2A 출력을 4.85A 출력으로 개선한다.

이때 주목할 점은 차동전력을 처리하는 전력변환기인 DPP는 모듈 간의 전력 차이만 변환하기 때문에 스트링 인버터나 마이크로인버터 방식과 비교해서 크게 작은 전력을 처리해서(보통 마이크로인버터 용량의 1/4 수준) 전력변환기의 가격을 낮추고, 변환손실도 줄일 수 있다는 점이다. (전력변환 손실은 처리 전력량에 비례한다. 가령 효율이 90%인 전력변환기로 100W의 전력을 처리할 때는 손실이 10W가 되고, 20W의 전력을 처리할 때는 손실이 2W로 줄어들게 된다.)

5.0A를 발전하고, PV2는 5.2A, PV3는 4.2A를 발전할 때 최종적으로 4.2A만 발전하던 기존 방식과 달리 DPP 방식은 병렬 연결된 우회로를 통해 각 모듈 사이의 전력차이(차동전력)을 처리해서 총 4.85A(원래 발전전류의 산술평균으로, 각각의 태양광 모듈 모두가 최선을 다해 발전한 결과)를 출력한다.

그러나 이런 장점에도 불구하고 기존 DPP 방식은 큰 단점을 가지고 있다. 즉, 그림 5에서와 같이 N개의 태양광 모듈을 처리하는 경우 많은 수의 커넥터를 추가해야 하거나, 이를 줄이기 위해서는 모든 DPP 요소 간 1:N 혹은 N:N통신이 필요해 비용이 비싸지게 된다는 점이다. 이런 이유로 기존 DPP는 3개를 초과하는 태양광 패널의 직렬연결에는 사용하지 않는 것이다.

본 발명은 3개 이상의 태양광 모듈을 직렬 연결하는 태양광발전 시스템의 성능향상을 위한 차동전력변환기(DPP)를 추가 커넥터의 수를 최소화하고, 통신기능이 필요없도록 개선하는 방식으로, 이를 통해 태양광 발전 시스템에 DPP를 설치할 때 장착 및 현장 교체 설치가 용이하게 만들고, 설치비를 최소화하는 구조와 제어방법 및 관련 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 직렬로 연결된 복수의 태양광 모듈(PV)에 각각 병렬로 연결된 복수의 전력 변환 모듈(DPP)의 전력을 제어하기 위한 전력 제어장치의 전력 제어 방법에 있어서, 태양광 모듈 각각에 대한 전압 및 전류 값을 측정하는 단계와, 복수의 전력 변환 모듈의 변환 전력값을 각각 연산하는 단계와, 상기 복수의 전력 변환 모듈에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력 값을 이용하여 스트링 전압값을 추종 하도록 상기 복수의 전력 변환 모듈을 제어하는 단계를 포함하는 전력 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 의해 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

가. 이전 DPP 방식과 다르게 많은 수의 태양광 발전 모듈이 직렬 연결된 경우에도, 각각의 태양광 발전 모듈에 DPP를 단순하게 연결할 수 있는 구성 방식이며, 연결을 위한 추가 커넥터의 필요성이 제거되어 보다 경제적으로 태양광 발전 시스템을 구축할 수 있다.

나. 다수의 DPP를 사용하는 경우에도 기존 방식과 다르게 연속적인 연결이 가능하며, 또한 통신기능의 필요성을 제거하여 시스템 구축 및 운영 비용을 절감하고, 고장이 날 가능성도 제거하여 신뢰성도 높일 수 있는 수단이 된다.

다. 태양광 모듈에서 나오는 출력전력을 변환 처리하는 방식이 아닌, 모듈 간의 출력전력의 차이(보통 태양광 모듈 출력의 일부)만을 변환 처리하므로 DPP는 기존 마이크로인버터 등에 비해 아주 작은 크기롸 정격용량으로 제작할 수 있어 제작비용도 저렴하고, 설치도 쉽고 간단해 설치비용도 절감할 수 있다.

라. 우회 스위치(by pass switch)를 사용하기 때문에 차동전력변환기가 일부 부품이 고장나서 동작이 되지 않는 경우에 자동으로 우회동작 (=by-pass)이 가능하다.

한편 차동전력변환기 내부에 장치되는 DC/DC 변환기는 기존의 방식에서는 역접속 강압형 변환기를 사용하는데, 제안하는 방식에서는 일반적인 비절연 방식의 DC/DC 전력변환기를 사용할 수 있다. 역접속 강압형 변환기를 사용하는 경우 제작 시에 단일 부품으로 변환기를 꾸며야 하므로 가격이나 효율, 그리고 평균고장율(=MTBF) 측면에서 불리할 수도 있는데 반하여, 제안하는 방식에서 사용하는 일반적인 비절연 방식 DC/DC 전력변환기는, 기존의 많은 반제품이나 구성품 중 저렴하고 신뢰성이 있는 부품으로 DC/DC 변환기를 구성할 수 있어 가격과 효율 측면에서 유리하다. 최근에는 이러한 DC/DC 전력변환기의 효율을 99% 수준으로 향상시키기 위해서, 전력용 diode의 손실을 최소화하는 동기정류형(synchronous rectification) 기술 그리고 인덕터의 크기를 작게하고 심지어는 PCB 방식의 공심인덕터까지도 적용 가능하며 스위칭 손실이 zero에 가까울 정도로 초고주파 스위칭이 가능한 GaN FET를 사용한 기술이 적용되고 있다. 그림 8이 동기정류형 기술이 적용된 비절연형 DC/DC 변환기 구조이며, 여기에 GaN FET를 사용하면, 통상적으로 1단 변환에서 99% 정도의 전력변환 효율을 얻을 수 있다고 알려져 있다. 이 점도 제안하는 방식의 특별한 장점이다.

그림 9는 최초 설계된 병렬형 차동전력변환기의 양면 동박 PCB 기판 배치이다. 현재의 크기가 94 x 51mm인데, 이 크기는 현재 시판되는 가장 작은 마이크로인버터와 비교해서 부피가 1/10 이하가 된다. 향후 실제 대량생산할 경우에는 현재의 크기보다 1/2 이하의 설계 및 제조가 가능할 것으로 여겨진다.

제안하는 DPP 방식에서는 통신이 안 되는 경우나 없는 경우에도 각각의 전력 변환 모듈은 자신이 연결된 태양광 모듈과 전체 직렬로 연결된 패널 전체에 대해 그림 10처럼 최대전력점으로 동작시킬 수 있다.

그림 11은 일반적인 250W급 태양광 패널의 기온 25도에서의 V-I 특성이다. 동작온도에 따라서, 태양광 패널의 V-I 특성은 매우 급격하게 변화며, 시간에 따른 용량 감소까지를 포함하면 직렬연결된 다수 패널 간의 출력 편차는 더 커질 수 있다. 그러므로 제안하는 DPP를 적용해서 큰 개선효과를 기대할 수 있을 것이다.

그림 12는 250W 3개의 태양광 모듈을 병렬 연결해서 운전하는 기존의 마이크로인버터 방식과 제안하는 차동전력변환기의 동작 비교 예제이다. 태양광 패널의 병렬 연결운전은 직렬 연결 운전에 비해 DC/AC 전력변환기의 입력 전압이 낮으므로, 수% 정도 전력변환기의 효율이 낮아지나, 태양광 모듈의 회로 모델 특징 상 좀 더 높은 발전량을 얻을 수 있어서, 소형 또는 가정용 태양광 발전에서 많이 적용하는 방식이다. 1번 패널에 200W/cm^2, 2번 패널에 600W/cm^2, 3번 패널에 1000W/cm^2의 태양광이 조사되는 경우, 기존의 경우(그림 11, 좌측) 스트링 전압은 가장 낮은 전압인 1번 패널의 31V로 나타나서, 2번, 3번 패널의 동작점도 31V로 이동하게 되고, 스트링 전류는 11.8A로 AC 출력 전력은 중앙집중형 DC/AC 전력변환기의 효율을 곱하여 330W가 된다. 제안하는 DPP를 패널 별로 설치하면(그림 11, 우측) 기존과 같은 조건에서 패널 3의 DPP3은 동작을 하지 않고, by-pass 된다. 패널 2의 DPP2는 스트링 전압인 35V에 맞추기 위해, 패널2에서 발전되는 전력의 일부(=4.4W)를 사용하여 전압(=1V)을 발생한다. 그리고 4.4W의 전력을 패널2에서 DPP2가 중간에 빼내서 사용한다. 패널1의 DPP1은 스트링 전압값인 35V에 맞추기 위해 패널1에서 발전되는 전력의 일부 (=4.8W)를 사용하여, 전압(=4V)을 발생한다. 그리고 DPP1이 4.8W의 전력을 패널1에서 중간에 빼서 사용한다. 스트링 전류값은 12.83A가 되어, 태양광 모듈에서 발전되는 총 DC 전력은 450W이고, 중앙집중형 DC/AC 전력변환기의 효율을 곱하여 404W가 된다. 결과적으로 제안하는 DPP를 설치하면 기존 방식 대비 22% 이상 발전량이 증가하게 된다.

도 1에서 태양광 발전 DC-AC 인버터의 내부 구조는 1단계 DC-DC 컨버터와 2단계 DC-AC 인버터로 구성된다.
도 2 : 태양광 발전에서의 부분 그늘짐에 의한 전체 발전전력 저하 현상
도 3 : 스트링 인버터 방식과 마이크로인버터 방식의 비교
도 4 : 4개의 태양광 모듈을 처리하는 DPP(차동전력변환기) 방식: PV1과 PV4는 5.0A를 발전하고, PV2는 5.2A, PV3는 4.2A를 발전할 때 최종적으로 4.2A만 발전하던 기존 방식과 달리 DPP 방식은 병렬 연결된 우회로를 통해 각 모듈 사이의 전력차이(차동전력)을 처리해서 총 4.85A(원래 발전전류의 산술평균으로, 각각의 태양광 모듈 모두가 최선을 다해 발전한 결과)를 출력한다.
도 5 : 기존 DPP(차동전력변환기)의 문제점: 3개가 넘는 N개의 태양광 모듈을 처리하는 경우 많은 수의 커넥터를 추가해야 하거나, 이를 줄이기 위해서는 모든 DPP 요소 간 1:N 혹은 N:N통신이 필요해 비용이 비싸지게 됨
도 6a : 인덕터 방식 DPP 구조
도 6b : 캐패시터 방식 DPP 구조
도 7 : 차동전력변환기 연결 전의 태양광 모듈과 차동전력변환기 연결 후의 간단한 결선 구조: 추가 커넥터가 없고, 연속적인 직렬 연결에 대응 가능한 구조
도 8 : 차동전력변환기 내부의 비절연형 2단 강압형 DC/DC 변환기 구조
도 9 : PCB 상태로 제작된 차동전력변환기(제안 방식)
도 10 : 통신이 없는 경우의 P&O 최대 전력측정 알고리즘
도 11 : 250W 태양광 패널의 V-I 특성
도 12 : 기존의 250W 패널 3개 병렬운전과 병렬형 차동전력변환기 동작 예제
도 13 : 기존 250W 패널 3병렬 + 중앙집중형 DC/AC 변환기(=case1)와 제안하는 차동전력변환기 부착 이후의 발전량 비교: 도 12 기준

본 발명은 태양광 모듈 성능 향상을 위한 병렬연결형 차동전력변환기의 제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 태양광 발전 시스템 중 특히 다수개의 태양광 패널이 직렬 연결된 경우의 패널에 개별로 병렬 장착되는 차동전력변환기의 구조와 그 제어 방법에 관한 것이다.

작동 방식은 다음과 같다.

(1) 모든 태양광 모듈이 정상동작해서 동일한 발전전력을 출력할 경우, 패널 간의 전력 차이(차동전력)은 0이거나 기 설정된 값 이하가 됨: 이 경우는 우회 스위치(by pass switch)가 On 상태가 되어, 차동전력변환기 회로는 작동하지 않음

(2) 일부 태양광 모듈이 비정상 작동하는 경우, 모듈들은 서로 다른 발전전력을 출력하게 되고, 이 경우의 전력 차이(차동전력)은 기 설정된 값보다 커지게 됨: 이 경우는 우회 스위치(by pass switch)가 Off 상태가 되어, 차동전력변환기 회로가 작동하게 되고 차동전력을 처리하게 됨

(3) 차동전력변환기에 입력된 차동전력은 그 양에 비례하는 만큼 2차측 캐패시터에 충전되고, 충전된 전력은 인접한 다른 차동전력변환기의 출력단 회로와 병렬 상태로 공통의 선로에 연결되고 최종 태양광 발전 시스템 출력단으로 흐르게 됨

아울러 제안하는 방식은 태양광 발전 모듈 각각에 DPP를 일대일로 병렬 연결하고, DPP의 출력단을 기존 방식과 다르게 공통 선로에 병렬 연결되는 간단하고 단순한 연결 방식을 제공한다. 이웃한 DPP과 병렬 구조로 최종 태양광 발전 인버터 입력 측의 공통 선로에 연결하도록 함으로써 아주 단순하고 직접적인 방식으로 전체 시스템을 구성할 수 있는 수단을 제공한다.

본 발명에서의 제안하려는 DPP를 태양광 모듈에 간편하게 연결하는 방식에 대해 더 자세히 살펴보면, 그림 7과 같다. 그림 7에서와 같이 기존 태양광 모듈에 설치되어 있는 기설 MC4 커넥터에 추가할 DPP를 간단히 plug하면 작업이 완료된다. 연결에는 추가 커넥터가 필요 없으며, DPP의 출력단도 공통 선로에 병렬 방식으로 연속적으로 연결되므로 다수의 태양광 모듈이 연결된 스트링에 간단하게 적용할 수 있는 수단이 된다.

Claims (1)

1. 태양광 발전 모듈 각각에 DPP를 일대일로 병렬 연결하고, DPP의 출력단을 기존 방식과 다르게 공통 선로에 병렬 연결되는 태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위한 차동 전력변환기.

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