KR20210142217A - 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법 - Google Patents
전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20210142217A KR20210142217A KR1020200058763A KR20200058763A KR20210142217A KR 20210142217 A KR20210142217 A KR 20210142217A KR 1020200058763 A KR1020200058763 A KR 1020200058763A KR 20200058763 A KR20200058763 A KR 20200058763A KR 20210142217 A KR20210142217 A KR 20210142217A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- power
- current
- converter
- voltage
- circuit
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 51
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 title description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 21
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 7
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 23
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 11
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 10
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 6
- 102100020750 Dipeptidyl peptidase 3 Human genes 0.000 description 5
- 101000931862 Homo sapiens Dipeptidyl peptidase 3 Proteins 0.000 description 5
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 102100020751 Dipeptidyl peptidase 2 Human genes 0.000 description 4
- 101000931864 Homo sapiens Dipeptidyl peptidase 2 Proteins 0.000 description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 102100029921 Dipeptidyl peptidase 1 Human genes 0.000 description 3
- 101000793922 Homo sapiens Dipeptidyl peptidase 1 Proteins 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- ZJPGOXWRFNKIQL-JYJNAYRXSA-N Phe-Pro-Pro Chemical compound C([C@H](N)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(O)=O)C1=CC=CC=C1 ZJPGOXWRFNKIQL-JYJNAYRXSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 235000013599 spices Nutrition 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000009469 supplementation Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/66—Regulating electric power
- G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/381—Dispersed generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
- H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
- H02S40/30—Electrical components
- H02S40/38—Energy storage means, e.g. batteries, structurally associated with PV modules
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
- H02J2300/22—The renewable source being solar energy
- H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
- H02J2300/26—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin involving maximum power point tracking control for photovoltaic sources
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
- Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Electrical Variables (AREA)
Abstract
본 발명은 태양광 발전 시스템 중 두 개 이상의 태양광 모듈을 직렬로 연결하여 고출력을 내는 PV 스트링을 구성한 후, 하나 혹은 여러 개의 스트링에서 발전되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 가정용 및 산업용으로 사용하는 태양광 발전 시스템에서, 일부 태양광 모듈에 순간적으로 그림자가 드리워지거나 중장기적인 고장 혹은 성능 열화가 발생할 때, 직렬로 연결된 회로 구성에서 전류가 가장 적게 흐르는 요소가 전류 흐름에 병목을 일으켜 다른 정상적인 요소들의 전류를 제약하는 방식으로 태양광 발전 출력의 저하 현상이 해당 태양광 모듈만이 아닌 전체 시스템으로 확대되어 나타나는 문제를 개선하기 위한 차동 전력변환기(Differential Power Processing: 이하 DPP)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법에 관한 것이며, 구체적으로 추가 커넥터의 수를 최소화하고, 통신기능이 없어도 복수의 모듈에 대한 최대전력점추종제어가 가능한 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법에 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.
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.
기존의 중앙 집중식 전력조절기의 구성은 <도 4>에 나타내었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 그늘짐이 발생한 모듈 별로 각각의 독립적인 전력조절기를 설치해야 한다. 독립적인 전력조절기를 설치하면 그늘짐이 발생한 태양전지의 최대전력점을 그늘짐이 발생하지 않은 태양 전지의 최대전력점과 분리해서 각각의 전력점을 개별적으로 동작하게 할 수 있는데, 이러한 구성을 <도 5>에 나타내었다. 다만, 이 두 가지 구성에서도 각 모듈이 직렬연결되기 때문에 직렬로 흐르는 전류의 병목현상을 피할 수 없어 일부분에 그늘짐이 생기면 전체 발전출력도 크게 영향을 받게 된다.
직렬연결로 인한 전류의 병목현상을 해소하기 위해서는 각 모듈의 전류출력단을 병렬연결하는 방식이 필요하다. 이와 같은 병렬연결 방식의 분산 모듈형 전력변환기 구성은 두 가지로 나눌 수 있다. <도 6>과 같이 PV 모듈마다 DC-AC 변환을 하는 마이크로인버터를 사용하는 분산 모듈형 구조와 <도 7>과 같이 PV 모듈마다 DC-DC 변환을 하는 DC옵티마이저를 사용해 1차 변환을 하고, 각 직류전력을 모아 2차 DC-AC변환을 하는 분산 모듈형 구조가 있다.
상기 두 가지 방식에서 각각의 전력조절기들은 연결된 태양전지 모듈의 최적 상태에서 작동하여 최대발전전력을 생산할 수 있다. <도 7>의 분산 모듈형 컨버터(DC옵티마이저) 구조는 종래 중앙집중식 인버터 구조(도 1 참조)의 내부 구성에서 1차측 승압형 DC-DC 컨버터를 2차측 인버터와 분리시키고 이를 외부로 빼내어 태양전지 모듈에 설치하는 구조라고 볼 수 있다. 즉, 종래 2단 구성형 중앙집중식 인터버에서 최대출력점추종(MPPT) 제어와 승압 기능을 담당하던 1차측 DC-DC 컨버터를 다수의 소용량으로 나눠 각각을 DC옵티마이저로 만들고 이를 태양광 모듈에 설치해서 각 모듈 상황에 맞는 최대출력점추종(MPPT) 제어를 수행하도록 한 것이다. 이렇게 각각의 태양전지 모듈에 최대출력점추종(MPPT) 제어를 수행하는 전력조절기가 설치되므로 모든 모듈이 자신의 상황에 맞는 최대 전력점추종((MPPT) 운전을 하게 되므로, 기존의 중앙집중식에서 부분음영 발생 시 나타나던 최대전력점추종(MPPT) 제어 실패 현상을 개선할 수 있다. 또한 DC옵티마이저의 출력측을 병렬로 묶어 DC-AC 인버터로 보내므로, 직렬 연결 방식에서 나타나던 전류병목 현상도 해결할 수 있어, 각각의 태양광 발전 모듈들은 각각이 처한 조건에서 낼 수 있는 최대 전력을 발전할 수 있게 된다. 결국 음영이 발생한 모듈의 전류출력 저하로 인해 전체 시스템의 전력출력을 떨어뜨리는 현상이 발생하지 않으므로, 태양광 발전시스템의 발전효율을 획기적으로 개선할 수 있다.
이러한 분산 모듈형 컨버터 구조는 장점도 있으나 단점도 여러 가지가 있다.
1) 우선, 분산형은 중앙집중식 전력조절기에 비해 방수형 밀폐구조여서 냉각이 어렵고,
2) 설치되는 사용 환경이 보통 모듈 뒤쪽이어서 온도가 높아 제작비용이 상대적으로 비싸지며,
3) 중앙집중식 대비 용량이 작아서 상대적으로 소형인 승압 변압기를 사용해서 변압기 용량 감소에 따른 효율저하가 나타나고,
4) 분산형이므로 제어기가 여러 개 필요하고 제어기 자체의 전력소비가 커지게 된다.
결국 대용량의 중앙집중식 전력변환기를 사용하는 방식 대비 분산형 방식 사용으로 발전효율 개선도 기대할 수 있으나, 수 % 이상의 효율저하도 감수해야 한다.
<도 8>은 동일조건에서 중앙집중형 DC/AC 변환기 방식과 병렬연결한 분산형 DC/AC 변환기 방식이 동작하는 경우에 대한 설명이다. 각각의 경우에서, 패널 1에는 200W/cm^2, 패널 2에는 500W/cm^2, 패널 3에는 1000W/cm^2의 태양광이 조사 중인 것으로 가정하였다. 여기서 패널의 I-V 및 P-V 곡선은 <도 9>를 기준으로 하였다.
기존 중앙집중식의 경우 스트링 전류는 가장 작은 발전전류를 가지는 패널 1(발전전류 1.8A, 패널전압 35V, 발전전력 63W)이 병목으로 작용해 나머지 다른 패널 2와 패널 3도 같은 전류(1.8A)가 된다. 이때 패널 2와 패널 3에서 발전되지 못한 태양광은 열로 바뀌어 패널의 온도를 높이게 된다. 결국 패널 1, 2, 3의 발전전력 합계는 63W×3 = 189W의 직류 전력이 되며, 통상적인 1 kW 중앙집중형 DC/AC 변환기의 효율인 90% 효율을 고려하면 최종 발전 교류전력은 170W가 발전된다.
병렬연결 분산형 DC/AC 변환기의 경우에는 패널 1에서는 동일하게 63W의 직류가 발전되어 교류로 변환되나, 병렬연결에서는 전류병목 현상이 없어서 패널 2는 147W, 패널 3은 297W의 직류전력을 발전할 수 있고, 각각 설치된 분산형 DC/AC 변환기 효율이 중앙집중식 전력변환기보다 낮은 85%를 고려할 때 총 430W의 교류전력이 발전된다. 앞의 경우와 비교해보면 무려 253%가 된다.
이처럼 일부 패널에 그림자가 지는 경우나 일부 패널이 노화되거나 고장이 나서 발전 편차가 생기는 경우에서 분산형 DC/AC 변환기는 탁월한 성능을 나타낼 수 있다. 다만, 분산형 DC/AC 변환기는 옥외에 패널 뒷면에 장착되므로 냉각 및 밀폐측면에서 고가의 기술을 적용해야 하여, 중앙집중형 DC/AC 변환기에 비해 제조원가가 비싸지게 된다. 이로 인해 태양광 발전소 건설 시 초기 투자비용이 커져서 분산형 DC/AC 변환기 확산에 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 2개 이상의 태양광 모듈을 직렬 연결해 구성하는 태양광발전 시스템의 성능향상을 위해 추가 커넥터의 수를 최소화하고, 통신기능이 없이도 2개 이상의 모듈에 대한 최대전력점추종(MPPT) 제어가 가능하며, 특히 제어기 내부의 전력변환기가 고장날 경우에도 태양광 패널이 동작 가능하도록 우회회로(by pass switch)를 가지는 제어방법 및 그 장치를 제공하고, 동시에 이를 통해 태양광 발전 시스템에 차동전력변환기(DPP)를 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 연결된 하나 혹은 복수의 전력 변환 모듈의 전력을 제어하기 위한 전력 제어장치의 전력 제어 방법에 있어서,
1) 해당 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 측정하고, 각각의 태양광 모듈이 최대전력점(MPP)에서 발전을 하도록 전력 변환 모듈의 전류를 결정하여,
2) 복수의 태양광 모듈에 연결 설치된 전력변환기 모두를 직렬연결한 상태에서 모든 태양광 모듈이 최대전력점(MPP)에서 동작하도록 스트링 전류값을 변화시키면서 상기 전압 및 전류 값을 이용하여 상기 스트링 전류를 가변하여 전력변환기를 제어하고,
3) 전력변환기를 우회하는 별도의 전력회로 및 최대전력제어 회로와 분리된 우회 회로 제어기 단계를 포함하는 직렬연결형 임피던스 흐름제어 방식 차동전력변환기 전력제어 방법,
4) 사용하는 DC/DC 전력변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형이며, 태양광 모듈에 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결되는 방식,
5) 최대전력제어기는 OP-amp와 디지털 회로를 복합해 구성하고, 우회회로가 동작할 때 최대전력점에서 동작하도록 자동으로 제어하여 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어 방식,
6) 차동전력변환기를 현장에서 쉽게 설치하거나 교체할 수 있도록 태양광 발전 시스템용 표준 커넥터인 MC4 커넥터 +/- 2개의 쌍으로만 구성해서 커넥터 및 배선의 추가나 배전작업이 필요없는 외부접속 및 설치 방법,
7) 사용하는 DC/DC 전력변환기는 전력손실을 줄이기 위해 GaN 기반 FET 반도체 소자를 사용하고 100kHz 이상의 스위칭 주파수로 구동하는 동기형 강압 변환기로 하고 이에 대한 제어 방법,
8) 복수의 태양광 모듈에 각각 병렬로 연결된 복수의 차동전력변환 모듈의 전력은 통신 없이 각자 독립 제어되어야 하며, 이를 위해서 상기 태양광 발전 모듈 각각에 대한 전압 및 전류 값을 센싱하는 센싱부와, 이 전류 값을 변화시키면서 그에 따른 전압 및 전류 값을 이용하여 전류 값 별로 상기 복수의 전력변환 모듈의 변환 전력 값을 각각 연산하는 연산부와, 상기 복수의 전력 변환 모듈에 대응하여 연산 된 각각의 상기 변환 전력값을 이용하여, 상기 스트링 전류 값 중에서 최대전력추종 제어를 위한 스트링 전류 값을 탐색하는 탐색부, 및 상기 탐색 된 스트링 전류값을 추종 하도록 상기 복수의 전력변환 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 전력 제어 장치,
9) 또한 직렬로 연결된 패널 중 모든 패널에 차동전력변환기를 장착하기 않고, 음영이 많이 발생하는 패널이나 특성 열화로 출력이 감소한 패널에만 장착해도 임피던스 흐름을 제어하여 다른 직렬 연결 패널의 정상 출력 동작을 방해하지 않고 정상작동 할 수 있도록 하는 전력제어 장치,
10) 직렬로 연결된 여러 개 패널에 설치되는 복수의 전력변환기는 전력변환기가 고장날 경우에 대비하여, 설치된 태양광 모듈에 병렬로 우회회로(by pass switch)를 보유하여, 전력변환기가 동작하지 않아도 태양광 모듈을 외부 회로에 연결하는 제어부를 포함하는 전력 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 태양광 PV 모듈 성능 향상을 위한 직렬연결형 임피던스 흐름제어 방식 차동전력변환기는 모듈간 직렬로 연결된 태양광 발전 시스템에서 개별 태양광 모듈에 연결되는 하나 혹은 복수개의 전력변환기가 담당하는 변환 대상 전력값이 최소가 되어 크기와 무게가 줄어들고 원가가 절감되며, 전력변환기의 효율이 같더라도 변환손실을 줄일 수 있다.
또한 PV 모듈 2개 이상의 직렬연결이 용이하며 이미 동작 중인 태양광 발전기에 설치된 PV 모듈에 대해서도 신규 배선 공사 없이, 추가적인 제어용 통신 기능 없이 쉽고 빠르고 경제적으로 교체해서 성능을 향상시킬 수 있다. 특히 차동전력변환기가 일부 부품이 고장나서 동작이 되지 않는 경우에 자동으로 우회동작 (=by-pass)이 가능하다.
특히 모든 PV 모듈에 차동전력변환기를 장착하지 않고, 음영이 많이 발생하는 패널이나 특성이 열화되어 출력전류가 일부 저하된 패널에만 선택적으로 부분 장착이 가능하여, 음영이 발생한 패널이나 출력이 저하된 패널에 대해서만 임피던스를 제어하는 동작을 추가해 최소의 비용으로 발전전력량을 증대시킬 수 있다.
아울러 직렬연결된 모듈을 1개 이상 병렬 연결하는 경우, 최대전력점 제어 회로의 동작점을 넓게 제어하는 동작이 가능하여, 병렬형 차동전력변환기를 추가 장착하지 않고도 높은 효율로 전력변환이 가능하다.
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 장착되는 차동전력변환기의 구조와 그 제어 방법에 관한 것이다.
<도 12>가 제안하는 발명의 차동전력변환기(DPP) 회로 구성이고 <도 13>은 제안하는 차동전력변환기에서 수행하는 최대전력점추종(MPPT) 알고리즘, 그리고 우회회로 작동을 결정하는 바이패스 영역(by-pass zone)에 대한 개념 설명도이다. 제안 차동전력변환기 회로는 일반적인 형태의 동기형 강압 변환기(synchronous buck converter) 구조이고, FET 및 Hot swap 제어기로 구성된 우회로 장치를 갖춘다.
<도 13>의 차동전력변환기용 MPPT 알고리즘은 통신기능 없이 PV 패널 자체의 최대전력점에서 나오는 전력을 전력변환기로 출력하면서, 직렬 연결된 다른 PV 패널의 최대 전류에 맞추어 가는 전력 측정 및 제어 알고리즘이다. 이러한 방식은 일반적으로 알려진 MPPT (Maximum power point tracking)과 동일하며, 패널의 출력 전압(V_in)와 전류 (I_in)을 측정하여, 패널의 전력(P)를 추정/계산하고, 패널의 P-V 곡선에서 전압과 전력의 시간에 대한 미분값을 계산하고(①), 계산된 미분값의 양수/음수(부호)에 따라 전력(P)과 전압(V_in)이 증가하는 방향으로(②) 이동하도록 출력을 제어한다. 이와 같은 방식을 반복하며 전력(P)과 전압(V_in)이 최대점(③)에 도달하도록 제어한다.
최종적으로 PV 패널이 최대전력점(MPP)에서 동작하고, 패널 전압(Vin)과 출력 전압(Vo)의 차이가 적은 경우(by pass zone으로 설정한 일정한 범위 내인 경우)에는 우회 회로를 작동하여, 전력변환기를 차단함으로써 회로 손실을 최소화 한다.
이러한 방식으로 작동하는 전체 제어기는 통신이 불가능한 경우나 없는 경우에도 각각의 전력변환기가 독립적으로 자신이 연결된 태양광 모듈 및 다른 PV 패널과 직렬로 연결되어 구성된 스트링 전체에 대해 최대전력점(MPP)에서 동작하도록 제어할 수 있다.
<도 14>는 상기 제안하는 차동전력변환기(DPP)를 태양광 패널에 설치 및 연결하는 방식을 보여준다. 그림에서 오른쪽(b)을 예로 설명하면, 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(도 13의 bu pass zone에서 동작): 이 경우는 우회 스위치(by pass switch)가 On 상태가 되어, 차동전력변환기 회로는 작동하지 않음(PV3과 DPP3)
(2) PV1, PV2와 같이 일부 태양광 모듈이 비정상 작동하는 경우, 모듈들은 조건에 따라 서로 다른 발전전력을 출력하게 되고, 이 경우의 <도 13>과 같이 최대전력점추종(MPPT) 알고리즘에서 계산한 전력 차이(차동전력: 패널 전압(Vin)과 출력 전압(Vo)의 차이로부터 계산)가 기 설정된 값보다 커지게 됨: 이 경우는 우회 스위치(by pass switch)가 Off 상태가 되어, 차동전력변환기 회로가 작동하게 되고 다음과 같은 방식으로 차동전력을 처리하게 됨
(3) 차동전력변환기에 입력된 차동전력은 각각의 2차측 캐패시터에 충전되고, 충전된 전력에 비례하여 캐패시터 양단 전압이 높아지게 됨.(DPP1, DPP2) 이에 따라 인접한 다른 차동전력변환기의 출력단 전압이 각각의 출력전류에 비례해 증가하고, 결국 각각의 PV가 발전한 전력은 모두 손실없이 최종 발전전력으로 출력될 수 있게 됨
제안하는 회로방식의 아이디어를 다시 설명하면 다음과 같다. 제안방식은 직렬연결된 요소를 흐르는 전류에 제약이 생겨 전체 출력전력이 저하되는 문제를 해결하기 위해 직렬연결된 캐패시터 구조를 이용한다. 즉, PV 모듈에서 입사 빛 에너지량에 따라 발전전력이 변화할 때 PV 양단 전압은 거의 일정하고 전류가 변화하는 방식으로 나타나는 현상(도 16 참조)임을 고려해서 각기 다른 전력을 발전하는 PV 패널에 DPP를 설치해 이웃한 PV 패널이 출력하는 전류차이(전압이 일정하므로 결국 전력차이에 비례함. 이것이 차동전력임)만큼을 우회스위치(by pass switch)를 사용해 우회회로로 빼낸다. 그리고 이 차동전력을 DPP가 캐패시터에 충전시켜 그에 상응하는 전압(서로 다른 전압)을 가지게 하고, 이를 최종 발전전력으로 출력시키는 것이다. 이때 직렬연결된 PV 패널을 흐르는 전류값은 일정한 값(사례에서는 가장 많이 발전하는 PV3의 전류인 8.3A이 됨)이 되고, 직렬연결된 각각의 캐패시터 전압이 충전전력량에 비례해서 달라지게 된다. 그 결과 각각의 PV 패널에서 최대전력점추종(MPPT) 제어를 통해 생산된 전력을 캐패시터 전압을 이용해 전류병목 현상이 없이 최종 태양광 발전 시스템 출력전력으로 출력할 수 있게 된다.
아울러 제안하는 방식은 태양광 발전 모듈 각각에 DPP를 일대일로 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, <도 17>과 같다. 그림에서와 같이 기존 태양광 모듈에 설치되어 있는 기설 MC4 커넥터에 추가할 DPP를 간단히 plug하면 작업이 완료된다. 연결에는 추가 커넥터가 필요 없으며, DPP의 출력단도 연속적으로 연결되므로 다수의 태양광 모듈이 연결된 스트링에 간단하게 적용할 수 있는 수단이 된다. 연결 후에는 무선통신 없이 동작되며, <도 17>에 표시된 무선통신 연결 장치는 유지보수 관리 등을 위한 외부 모니터링용이다.
<도 17>에 본 발명의 실시 예를 설명한다. <도 17>의 차동전력변환기는 제어기, 전압/전류측정기, 무선통신 연결장치, 바이패스 스위치(by pass switch), DC/DC 변환기와 PV 모듈연결용 MC4 커넥터, 외부연결용 MC4 커넥터로 구성된다.
먼저, 전압/전류측정기는 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 측정한다. 제어기는 태양광 패널의 최대전력점(MPP) 연산 및 제어를 담당하는데, <도 20>의 방법으로 초기값을 구한 후, 주변온도에 대한 보상과 기타 오차를 추가 연산으로 보상하여, 태양광 패널의 최대전력점(MPP)을 구한 후, 필요한 제어명령을 내려 DC/DC 변환기를 동작시킨다.
이때 스트링 전류값을 변화(증가 또는 감소) 시키면서, 앞서 측정한 전압 및 전류 값을 이용하여 상기 스트링 전류값 별로 상기 복수의 차동전력변환기가 변환할 변환전력 값을 각각 연산한다. 상기 복수의 차동전력변환기에 대웅하여 연산된 각각의 변환전력 값을 이용하여, 변화시킨 스트링 전류 값 중에서 최대전력점(MPP) 제어를 위한 스트링 전류 값을 탐색한다. 이때 제어부는 상기 탐색된 최대전력점 스트링 전류 값을 추종하도록 컨버터를 조절하여 상기 복수의 차동전력변환기를 빠르게 반복 제어한다. 선택적으로 장착된 무선통신 연결 장치는 내부값을 외부로 모니터링하는 보조적인 기능을 위해 사용할 수 있으며, 초기 설치나 점검을 위한 다양한 용도로 편리하게 사용할 수 있다.
<도 18>은 여러 개의 태양광 패널로 구성된 스트링에 차동전력변환기(DPP)를 설치하기 전과 후의 비교 그림이다.
<도 19>가 본 발명에서 제안하는 차동전력변환기의 정상상태 모델(Steady-state Model)을 보여준다. <도 19>에는 5개의 PV 패널 중 하나(PV Panel #1)에 제안하는 차동전력변환기(DPP)가 설치되어 있다. 이와 같은 정상상태 회로모델은 많은 부분이 생략되어 표현되지만 이 그림을 통해 제안하는 차동전력변환기가 어떤 원리로 직렬연결된 다수의 패널(#2, 3, 4, 5)에서 각각의 발전 전류 및 전체 전류를 결정하는 지 확인할 수 있다.
제안하는 차동전력변환기는 MPPT 제어회로에 의해 입력측 종속전류원과 출력측 종속전압원으로 이루어지는 2 포트 모델(2 port model)로 분리하여 해석될 수 있다. 입력측 종속전류원은 #1 패널의 P-V 곡선(도 13)에 따라 계산되어 최대전력점이 되도록 I_in을 전류제어한다. 출력단의 종속전압원은 전압원 모델이므로 직렬임피던스가 없거나 매우 작은 회로 소자이다. 출력단 제어기의 동작 주파수가 매우 빠르지 않다고 하면, 정상상태에서 출력단은 종속전압원으로만 구성되어, #2, 3, 4, 5의 정전류원을 낮은 임피던스 상태에서 흐를 수 있도록 전류 흐름을 제어할 수 있다. 따라서 이러한 정상상태 회로 모델을 유지할 수 있는 조건에서는 항상 전류 흐름 제어가 가능하다. 이러한 원리 및 모델을 기반으로 제안하는 차동전력변환기의 방식을 "직렬연결형 임피던스 흐름제어 방식 차동 전력변환기"라고 부를 수 있다.
이때 <도 20>이 제안하는 차동전력변환기의 제어회로이다. 설치된 태양광 패널의 전압(V_in)과 전류(I_in)를 측정한 입력값을 이용해 아날로그 곱셈기로 전력을 구하고, 전압과 전력의 1차 아날로그 미분기에서 차단 주파수 16kHz로 각각의 미분값을 구하고, 그 극성을 TTL XOR 회로를 통해 출력을 얻은 후, 디지털 신호를 +/- 극성의 아날로그 회로 넣기 위해 합이 0이 되도록 만들고, 얻어진 +/- 전압값 크기가 같은 아날로그 신호를 차단 주파수 16Hz의 1차 아날로그 적분기를 거친 후 100kHz 삼각파와 비교하여 전력변환기의 게이트 드라이버로 보내 동기형 강압 변환기를 동작시킨다. 이러한 적분기의 느린 동작주파수로 인해 제안하는 <도 20> 차동전력변환기의 정상상태 회로 모델이 유효하게 된다.
본 발명에서는 차동전력변환기의 내부 DC/DC 전력변환기로 스위칭 손실과 도통손실(Conducting Loss)이 가장 작으며 상대적으로 높은 온도에서도 정상작동할 수 있고, 100kHz 이상 수 Mhz에 이르는 고주파 스위칭(High Frequency Switching)이 가능해 99% 이상의 아주 높은 초고효율 전력변환이 가능한 GaN FET를 전력변환 소자로 사용하고, 전력용 diode의 손실을 최소화하는 synchronous rectification 기술을 적용하고 있다. 통상적으로 95% 이상 99%가 넘는 정도의 전력변환 효율을 얻을 수 있다고 알려져 있다. <도 21>과 같은 형태의 전력변환기는 입력전압 대비 전압은 낮추고 전류는 증가시키는 강압형 커버터(Buck Converter 혹은 Step-down Converter)로 알려진 형태이다.
<도 21>은 강압형 변환기가 입력 전압보다 출력 전압을 낮추도록 전력을 변환해서 전류를 증가시키는 작동 방식을 설명한다. 강압형 변환기는 출력 동작점을 이동하는 기능 즉, 입력측이 OP1의 전압/전류 동작점에서 같은 전력값을 유지하면서 전압은 낮고 전류가 커진 OP2 동작점으로 이동하는 기능을 수행한다. 이때 95% 이상의 전력변환 효율을 쉽게 달성할 수 있으며, GaN FET를 사용하고 100kHz 이상의 변환주파수를 사용하면 최대 99%를 넘는 전력변환 효율도 가능하다.
<도 22>와 <도 23>은 직류회로에서 회로 투입 시 대용량 캐패시터가 달린 경우 돌입전류 억제 문제에 대한 설명이다. <도 22>는 회로 투입 시 전류가 제어되지 않아서, 직렬 스위치로 사용된 FET에 순간 발열이 일어나 안전영역(SOA: Safe Operation Area)를 벗어날 수 있음을 보여준다. 태양광 발전 시스템 등에서 직류 아크가 발생하는 경우나 초기 구축공사 시 활선 상태에서 접속되는 경우에 많이 발생하는 현상이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 보통 직류회로에서 돌입전류 억제 및 아크 발생 억제 그리고 Hot Swap(활선공사)용 전류 억제 기능을 하는 반도체 IC를 사용한다. 이러한 Hot Swap IC를 사용하여 내부 우회 회로를 구성하면, 내부 전력변환기 고장 시에 우회 회로 동작이 가능하며, 과전류 차단, 직류 아크 억제 및 보호동작도 가능하고, Hot Swap(활선공사) 시에 요구되는 전류 억제 등의 기능을 제공할 수 있다. <도 22>와 <도 23>에는 FET 스위칭 동작 시 초기에 나타나는 돌입전류가 표시되어 있다. 이와 같은 대책을 적용하지 않은 <도 22>에서는 정상상태보다 2배 이상 높은 피크전류 값을 확인할 수 있으나, Hot Swap IC를 사용한 <도 23>에서는 피크전류 값이 낮게 잘 제어됨을 볼 수 있다.
<도 24>는 제안하는 차동전력 제어기 발명의 타당성을 검증하기 위하여 LTspice로 시뮬레이션 및 검증하는 방식을 설명한다.
LTspice는 미국 Analog Device라는 반도체 회사에서 제공하는, Spice에 기반을 두고 개발된 아날로그 및 디지털 회로 시뮬레이션 도구(tool)다. 이 시뮬레이션 도구는 반도체용 트랜지스터 및 다이오드, 수동소자 단계에서의 전자회로 시뮬레이션에 적합한 것으로 알려져 있으며 전 세계 관련 전문가들이 일반적으로 사용하는 해석 도구다.
<도 24>은 LTspice 시뮬레이션을 위해 직렬연결된 60W 태양광 패널 5개를 PV Cell 단위 수준으로 자세하게 모델링 표현한 것이다. 태양광 패널 내부를 구성하는 PV Cell을 정전류원과 선로 저항, 등가 diode의 조합으로 구성된 모델을 사용해서 자세하게 표현하고 있다. LTspice 시뮬레이션은 #1 PV 패널은 음영 상태에 있어 200W/cm^2의 태양광이 조사되고 있고, 나머지 4개의 PV 패널은 정상적인 상태로 각각 1000W/cm^2의 태양광이 조사하는 경우를 해석한다.
이때 차동전력 제어기가 동작하지 않는 경우는 부하저항에 흐르는 직렬 전류가 1A가 되는데, 이는 60W(12V-5A) 출력을 내는 PV 패널 정력전류(5A)의 1/5에 해당하는 값이다. 음영이 진 #1 PV 패널이 전류병목으로 작용해서 최종 전류를 1/5(1A)로 제약한 것이다. 그런데 제안하는 차동전력 제어기를 장착한 후에는 부하저항에 5A의 전류가 흐르는 것을 Op-amp level의 회로로 동작을 확인하였다. 이러한 동작은 <도 12>에 제시된 본 발명의 차동전력변환기가 구성 형태는 Full Power Processing(FPP: 차동전력이 아닌 전체 전력을 변환하는 방식)과 매우 유사하면서도, 전압/전력 출력 동작은 패널의 전압에 따라 출력 전압이 가변되는 일반적인 기존 차동 전력변환기와 유사함을 알 수 있다. 이 점이 본 발명이 기존 차동전력변환 방식의 문제점을 해결하는 방식이다.
<도 25>, <도 26>, <도 27>에는 300W 태양광 패널 3개와 차동전력변환기(DPP)를 적용해 태양광 발전 스트링을 구성한 후 최종적으로 중앙집중형 DC/AC 전력변환기를 통해 교류전력을 출력하는 태양광 발전 시스템의 동작 방식을 설명하고 있다.
<도 25>에서는 <도 8>과 동일하게 PV 패널 1에는 200W/cm^2, 패널 2에는 500W/cm^2, 패널 3에는 500W/cm^2의 빛 에너지가 조사되고 있으며, 이 경우 PV 패널 2, 3의 DPP2, DPP3은 동작을 하지 않고, by-pass 된다. 본 발명이 제안하는 차종전력변환기(DPP)는 고장이 나거나, 동작할 필요가 없는 경우에는 회로 구조상 자동으로 손실이 최소인 상태로 by-pass가 된다.
PV 패널 2의 DPP2는 스트링 전류값인 8.3A에 맞추기 위해, PV 패널 2에서 발전되는 전력의 일부(71W)를 사용하여 출력측 전압을 낮추고(35V에서 17.7V로 강압) 전류를 키워(4.2A + 4.1A = 8.3A), 스트링 전류값에 해당하는 8.3A을 만들어 낸다.
PV 패널 3의 DPP3은 스트링 전류값 8.3A에 맞추기 위해 PV 패널 3에서 발전되는 전력의 일부(49W)를 사용하여, 출력측 전압을 낮추고 (35V에서 7.6V로) 전류를 키워(1.8A + 6.5A = 8.3A), 스트링 전류값 8.3A를 만들어 낸다. 결국 스트링을 흐르는 전류는 모두 동일하게 8.3A가 되어 병목현상이 없고, 스트링 전압은 총 60.3V가 되어 효율 90%인 중앙집중형 DC/AC 변환기를 통해 DC/AC 변환된 결과로 총 450W의 전력을 생산한다. 이 결과는 <도 8>에 나온 기존 방식(중앙집중형 스트링 인버터 방식)의 170W보다 크게 늘어난 결과이고, 고가의 마이크로 인버터를 사용하는 방식의 430W보다도 약 4.7% 향상된 결과인데 차동전력변환기가 크게 저렴함을 고려하면 매우 큰 효과라 할 것이다.
<도 26>에서는 PV 패널 1에 200W/cm^2, 패널 2에 500W/cm^2, 패널 3에는 500W/cm^2의 빛 에너지가 조사되고 있으며, 이 경우 PV 패널 3의 DPP3은 동작을 하지 않고, by-pass 된다. PV 패널 1의 DPP1은 패널1에서 발전되는 전력의 일부(63W)를 사용하여 전압을 낮추고 (35V에서 15V로) 전류를 증폭하여(1.8A에서 4.2A로) 스트링 전류값인 4.2A를 만들어 낸다.
<도 27>에서는 PV 패널 1, 패널 2 및 패널 3 모두에 동일한 200W/cm^2의 빛 에너지가 조사되고 있으며, 이 경우 PV 패널 1, 2, 3의 DPP1, DPP2, DPP3은 동작을 하지 않고, 모두 by-pass 된다.
<도 28>은 300W 태양광 패널의 개별 동작점에 대한 설명이다. 최대전력점(MPP) 동작을 하는 영역은 <도 25>처럼 전력(P)이 클수록 더 좁은 영역이 되고, 전력이 작을수록 더 넓은 영역이 된다. 즉, 300W 출력점은 대략 34-38V 범위에서 흔들리고(dithering) 75W 출력점은 24-38V의 좀 더 넓은 영역에서 흔들리게(dithering) 된다.
이러한 최대전력점의 동작 영역 특성은 실제 여러 개의 PV 패널이 직렬로 연결된 상태에서 순간적인 스위칭 동작을 통해 이 직렬회로 구성을 병렬회로 구성으로 변경하는 경우, 병렬 회로의 전압이 유지되면서도 최대전력점을 유지하는 동작점 작동을 이해하는 방법이다. 물론 이러한 동작점을 벗어나는 직렬/병렬 회로에서는 P-V 동작점 상 변환 효율이 떨어져 추가적인 회로적인 보완이 없는 경우, 전체 효율이 감소하는 형상이 발생한다.
<도 29>는 <도 25>, <도 26>, <도 27>에서 설명한 300W 태양광 패널 3개와 차동전력변환기(DPP)를 적용해 태양광 발전 스트링을 구성한 후 이렇게 구성한 스트링 3개를 병렬로 묶어 동작시키는 경우에 대한 설명이다.
<도 25>에서 설명한대로 PV 패널 3은 by-pass 상태이고 패널 1, 2는 <도 25>에서보다 좀 더 높은 전압(각각 17.7V & 7.6V에서 20.8V & 8.9V로), 낮은 전류(8.4A에서 7.1A로)인 최대전력 동작점으로 이동하여 최종 스트링 출력전압이 60.3V에서 72V로 제어된다.
PV 패널 4, 5, 6의 직렬 회로는 <도 26>과 조건이 같은데 패널 5, 6은 by-pass 상태에서 <도 25>와 유사하게 최대전력점이 조정되어, 30V-5A(4.2A에서 5A로)의 150W 전력이 출력된다. 나머지 패널 4는 출력 12V에 5A로 제어되어 결국 최종 스트링 출력 전압은 72V로 제어된다.
PV 패널 7, 8, 9의 직렬 회로는 모두 by-pass 상태다. <도 25>의 출력 63W 운전점 전압의 최소값인 24V로 동작되며, 이때 전류는 2.6A로 최종 스트링 출력 전압은 72V에서 3개 PV 패널 모두 63W의 출력전력으로 제어된다.
100 : 전력제어장치
Claims (5)
- 직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 연결된 하나 혹은 복수의 전력변환기의 전력을 제어하기 위한 전력 제어장치의 전력 제어 방법에 있어서, 해당 태양광 모듈의 전압/전류 값을 측정하고, 전압과 전류의 전 디지털 혹은 일부분 아날로그 회로로 구성된 곱셈기로 전력을 구하고, 전압과 전력의 1차 혹은 2차 이상의 전 디지털 혹은 일부 아날로그 미분기에서 차단 주파수 10kHz-100kHz 사이로 각각의 미분값을 구한 후 그 극성을 디지털 회로의 전압과 전력이 커지는 방향으로 판정하고 출력을 얻은 후 디지털 신호를 +/- 극성의 전 디지털 혹은 일부 아날로그 회로에 넣기 위해 합이 0이 되도록 만들고, 얻어진 +/- 전압값 크기가 같은 전 디지털 혹은 일부 아날로그 신호를 차단 주파수 미분기 대비 1/10 - 1/1000배 느린 차단 주파수를 가지는 1차 혹은 2차 이상의 전 디지털 혹은 일부 아날로그 적분기를 거친 후 10kHz-100kHz 사이의 전 디지털 혹은 일부 아날로그 삼각파와 비교하여 전력변환기의 모듈을 제어하고 전력변환기를 우회하는 별도의 전력회로와 최대전력제어 회로와 분리된 우회 회로 제어기 단계를 포함하는 직렬 연결형 임피던스 흐름제어 방식 차동 전력변환기 전력제어 방법.
- 청구항 1에 있어서, DC/DC 전력변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형이며, 태양광 모듈에 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결되는 방식.
- 청구항 2에 있어서, 최대전력제어기는 OP-amp와 디지털 회로의 복합적 회로로 구성되어 있고, 우회회로의 동작에 대해 최대전력동작점에서 자동으로 우회회로를 동작하여 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어 방식.
- 청구항 3에 있어서, 전력제어기는 현장에서 쉽게 교체할 수 있도록 태양광표준 MC4 커넥터 +/- 2개의 쌍으로만 구성되어서 추가현장 배전작업이 필요 없는 외부접속방법.
- 청구항 2에 있어서, DC/DC 전력 변환기는 전력손실을 줄이기 위해 동기형 강압 변환기를 사용하고, 100kHz 이상의 스위칭 시 GaN FET 소자를 사용하는 제어 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200058763A KR20210142217A (ko) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200058763A KR20210142217A (ko) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210142217A true KR20210142217A (ko) | 2021-11-25 |
Family
ID=78745800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200058763A KR20210142217A (ko) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210142217A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023140566A1 (ko) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | 가천대학교 산학협력단 | 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기 |
-
2020
- 2020-05-18 KR KR1020200058763A patent/KR20210142217A/ko unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023140566A1 (ko) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | 가천대학교 산학협력단 | 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20120161526A1 (en) | Dc power source conversion modules, power harvesting systems, junction boxes and methods for dc power source conversion modules | |
| KR101408855B1 (ko) | 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법 | |
| KR20210121588A (ko) | 태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위한 차동 전력변환기 | |
| KR102599736B1 (ko) | 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기 | |
| Du et al. | Analysis of a battery-integrated boost converter for module-based series connected photovoltaic system | |
| KR20210125834A (ko) | 다수개의 태양광 모듈이 직렬 연결된 태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위한 차동 전력변환기 및 그것을 이용한 전력제어장치 | |
| KR20210142217A (ko) | 전력변환기의 손실을 최소화하는 전력제어방법 | |
| Mujumdar et al. | Parallel MPPT for PV based residential DC nanogrid | |
| Luo et al. | Distributed MPPT control under partial shading condition | |
| Chreang et al. | A study of nonlinear DC and AC loads connected to PV microgrid | |
| KR101281079B1 (ko) | 전력 품질이 개선된 태양광 발전시스템 및 그 운용 방법 | |
| Macaulay et al. | An emulated PV source based on an Indoor Solar Panel with external excitement current and voltage compensation | |
| Jeon et al. | Differential Power Processing converter with cell balancing operation of multiple photovoltaic module systems | |
| KR20210142216A (ko) | 직렬 연결형 임피던스 흐름제어 방식 차동 전력변환기를 가지는 전력제어장치 및 방법 | |
| Joshi et al. | Incremental Conductance Based Maximum Power Point Tracking for PV Multi-string Power Conditioning System | |
| Lacerda et al. | A single-phase single-stage, high power factor grid-connected PV system, with maximum power point tracking | |
| Seguel et al. | Methodology for the design of a stand-alone photovoltaic power supply | |
| Boyar et al. | Design and analysis of a two-phase interleaved boost converter based microinverter | |
| Zarkov et al. | DC-DC Converter for Adaptation of Thin-Film PV Panel IV Characteristics for Microinverter | |
| Sarfo et al. | An improved P&O MPPT algorithm under partial shading conditions | |
| WO2020105031A1 (en) | A dc pullup system for optimizing solar string power generation systems | |
| KR20230099351A (ko) | 성능상태회로와 우회회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력변환기 | |
| US20240004413A1 (en) | An extender and stabilizer for solar string power generation systems and a method thereof | |
| Shahria et al. | Solar PV Panel Automatic Shading Analysis Using Boost Regulator and Inverter System | |
| Macellari et al. | Series-connected converters with individual MPPT for BIPV |