KR20220061544A

KR20220061544A - 태양광 모듈 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치

Info

Publication number: KR20220061544A
Application number: KR1020200147654A
Authority: KR
Inventors: 석 영 정; 김광민; 위태찬; 김찬수; 정진화
Original assignee: (주)에스디시스템; (주) 에이피 시스템; 유한책임회사 일잡이
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-05-13
Also published as: KR102580869B1

Abstract

본 발명은 태양전지용 전압안정기를 양산하는 데 필요한 검사장치 기술에 관한 것으로서, 전압안정기의 작동을 확인하는 되는데 사용되는 상용전원 기반의 시험용 파워 서플라이를 공급하는 목적으로 착상된 것이다.
구성으로서 본 발명은 상용전원으로부터 전력을 조달하는 변압기부; 상기 변압기의 입력단 혹은 출력단에 게재 삽입되는 전력스위칭부; 상기 전력스위칭부의 후단에 연결되는 정류기부; 상기 정류기부에 연결되어 첨두전압을 감지하는 전압감지센서부; 상기 정류기부의 출력단에 직렬로 게재되는 전류감지센서부; 상기 첨두전압센서부에 연결되는 한편 상기 전류센서부에 연결되어 정류기부로부터의 첨두전압과 정류기부로부터의 최대전류를 제한하는 전압전류감지제어부; 상기 전압전류감지제어부의 출력단에 연결되어 상기 전압전류감지제어부의 제어신호에 의해 상기 전력스위칭부의 스위칭을 제어하는 트리거부; 상기 전류감지센서부를 경유하는 상기 정류기부의 출력단에 전압안정기를 연결하여 상용전원의 첨두전압과 실효전압의 특성을 이용하여 전압안정기에 시험용 전력을 공급하는 구성을 포함한다.
본 발명에 의하면 상용전원 정류기로서 간단히 시험용 파워 서플라이를 마련할 수 있어 단일 공장 내의 검사만으로도 솔라의 최대전력점전압(Vmp)을 추적하는 전압안정기의 작용을 확인할 수 있게 된다.

Description

태양광 모듈 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치{Power Supply and Test device for Testing Solar Module Voltage Stabilizer}

본 발명은 태양전지용 전압안정기를 양산하는 데 필요한 검사장치 기술에 관한 것이다. 특히 야외에 설치될 전압안정기의 MPPT 내지 MCPT 기능을 실내 공장 내에서 상용전원을 이용하여 정밀 검사할 수 있도록 하는 기술이다.

태양광 발전시스템에서는 날씨와 온도 차이에 의해 생산되는 전류와 전압이 변동된다. 도 1은 태양광 에너지의 강약에 따라 전압 내지 전류가 변동되는 현상을 곡선으로 나타낸 도면이다. 여기서 P는 전류 또는 전압의 피크점, B는 최저점을 나타낸다.

도 2는 맑은 날에도 아침, 정오, 저녁 시간 또는 구름과 온도에 따라 전압 내지 전류의 양이 P점으로부터 B 점까지 변동되는 현상을 그래프로 나타낸 도면이다.

P와 B의 변동 폭을 수렴하면서 배터리와 태양전지 모듈을 안정적으로 연동하기 위해 펄스폭 제어(PWM) 기술이 이용된다. 펄스폭 제어를 적용하기 위해서는 배터리 전압이 B점의 높이임에도 불구하고 솔라의 전압은 적어도 A점 이상이 되어야 할 것을 전제한다. 그래야 충전 가능한 자연낙차 전압이 상시 안정적으로 유지될 수 있기 때문이다.

모듈은 부하단을 개방하였을 때의 개방전압(Voc)과 부하단을 연결하였을 때의 최대전력점전압(Vmp) 특성이 성능을 좌우한다. 통상적으로는 그 차이가 122% 정도이다.

솔라(모듈, 패널)와 ESS(축전지, 배터리)와의 연동 관계는 태양에너지의 강약에 불구하고 적어도 도 3에서만큼의 충전 가능한 자연낙차 전압 차이를 유지하여야 정상적인 충전이 가능하다.

만약 솔라의 전압을 도 2의 A점처럼 높게 설정하지 않고 도 2의 B점으로 설정하게 되면, 태양에너지가 약해질 때인 B점 이하에서는 도 4에서처럼 충전 가능한 자연낙차가 성립되지 않는다. 결과적으로 솔라에서 전력을 생산하고 있더라도 외부 충전전류로 흘러나오지 못하게 된다. 즉 이때의 솔라 전력은 무효전력이 된다.

또한, 배터리(12V)의 단자전압은 충전 모드에 따라 12V, 13.5V, 14V, 14.5V 등으로 변화된다. 따라서 12V 배터리 충전용 솔라를 13.5V로 설계한다면 배터리가 완전방전 상태가 아닌 한, 정상적인 태양에너지 상태에서도 충전이 불가능한 상태로 될 수 있다.

일반적인 솔라는 최대 배터리 단자전압 15V에서도 충전이 가능한 +10%의 전압 및 이에 더하여 온도변화 시에도 안정을 보장하기 위한 +10%를 또 추가하므로 결국 솔라의 전압은 18V로 설계되고 있다. 이에 따라 솔라 전압은 기본 배터리 전압(12V)의 150%인 18V, 즉 50%의 잉여 설비가 더 필요로 하게 된다.

이하 선행기술들은 잉여 설비를 줄이기 위해 처음부터 잉여 설비를 0%~20% 정도로 최소화 한 후, 필요할 당시에 보충전력을 공급하여 부족분을 충족하는 역발상 기술이다. 뿐만 아니라 이를 통해 처음부터 태양전지 셀을 줄일 수 있어 결과적으로 개방전압(Voc)을 배터리 대비 10%~20%의 수준으로 낮출 수 있다. 이러한 보충전력 공급 장치를 본 발명에서는 태양전지용 전압안정기(약칭 전압안정기 또는 전압안정장치)라 칭하기로 한다. 이러한 태양전지용 전압안정기는 태양광 패널의 효율향상 및 전압안정을 목적으로 태양광 발전시스템과 부하단 사이에 게재된다.

다만, 이하 선행기술들에서 개시된 전압안정기의 정상 작동 여부는 도 8 또는 도 9와 같은 필드(field)에서, 그리고 부하와 태양광시스템이 연동된 조건 하에서 발생되는 다양한 파라미터로 시험을 해야만 정상 작동 여부를 확인할 수 있어 실내 공장에서 양산을 하려면 이에 대하여 실내에서 간소하게 측정할 수 있는 측정장치의 추가적인 연구가 필요하다.

본 발명은 전압안정기를 제조하는 공장 내에서 모의적인 태양광 발전시스템 환경에 대응되는 파라미터를 교류를 정류하는 정류기 특성을 이용하여 검사를 할 수 있도록 착상된 발명이다.

대한민국 특허출원 10-2018-0001666 대한민국 특허출원 10-2017-0153635 대한민국 특허출원 10-2015-0008277 상기 선행기술들은 도 4와 같이 자연낙차가 성립되지 않은 상황에서 도 5에서처럼 보충전력(Level 1)을 공급함으로써 발전설비의 전력 출력점 전압을 레벨 2(Level 2)로 리프팅(Lifting)하는 기술이다. 만약 발전설비의 전압(솔라 전압)이 더 낮아지면 도 6에서처럼 보충전압의 레벨을 더 높이고 1일중 솔라 전압이 불규칙하게 변동되면 도 7에서처럼 그에 추종하여 보충전력의 전압을 레벨 1-1 내지 레벨 1-2로 가감함으로써 출력단으로의 전력 출력을 부하단 전압(13a, 13b) 보다 상시 일정한 높이만큼 안정적으로 높여서 공급한다. 이러한 기능은 결과적으로 태양전지 패널이 최대전력점전압(Vmp)과 개방전압(Voc)으로 변동됨에 불구하고 부하단으로 가해지는 전압의 크기는 어느 범위 내로 일정하게 유지시키는 것이 가능하게 된다. 즉 태양전지의 개방전압(Voc) 변동을 극소화 할 수 있게 된다. 나아가 전압안정기는 태양광 모듈의 최대전력점전압(Vmpp)을 추적하게 하는 MPPT 또는 MCPT 기능을 수행한다. 본 발명은 이 선행기술들을 제품으로 양산하는 데 필요한 치공구(Jig) 기술이므로 시험대상인 이 선행기술들의 원리를 이해할 수 있도록 공보에 게시된 구성도를 도 8, 도 9, 도 10에 발췌하였다. 주요 원리는 솔라 모듈(11)의 전압이 배터리(13a) 또는 부하단(13b)의 단자전압보다 낮은 상태를 전력감지제어용 매칭컨트롤러(MC; Matching Controller, 142)가 감지하여 전력조절부(PC; Power Controller, 141)를 제어함으로써 보충전력(마중물 전력)을 도 5 내지 도 7에서의 Level 1에 상당하도록 공급 조절하고 이로써 솔라 출력단(Level 2)의 전압이 필요한 만큼만 상승되도록 한 것이다. 상기 전력조절부(PC)와 매칭컨트롤러(MC)가 통합된 구성이 태양전지용 전압안정기(14; Photovoltaic Stabilizer(PS)이다. 도 8에서 (11b)는 솔라 모듈의 전압이 배터리(13a) 전압보다 클 때 전압안정장치(14)를 거치지 않고 직접 솔라모듈과 배터리 간에 전류를 흘리는 바이패스다이오드이다. 도 8은 개념적 시스템 구성을 나타낸 것으로서 실제 필드에서는 발전설비(11)와 배터리(13a)의 사이에 충전전압을 제어하는 충전컨트롤러가 삽입 게재될 수 있다(도 9 참조). 도 10은 도 8의 전력조절부(141)의 내부 구성을 도시한 도면이다. 도 10에서 (141-2)는 PWM블록이며, 내부에는 PWM신호발생기(141-2b)와 코일(141-2a), 커패시터(141-2d), 쇼트키다이오드(141-2c), FET 등의 파워소자로 결합을 이루어고 있고, 이러한 PWM블록으로서 출력단(11b)의 전압이 조절된다. 이때 조절은 다운컨버터 또는 부스트컨버터로 기능을 수행토록 구성할 수 있다. 매칭컨트롤러(142-1)는 부하단으로부터의 전압을 감지하고 이를 설정된 전압의 높이에 이르도록 피드백 제어하는 기능으로 PWM블록을 연동 제어한다. 도 8에서 매칭컨트롤러는 기준전압(142-2)과 비교입력단(sensing C)로 입력되는 전압의 차이를 감지하는 한편 전력조절부(PC)에 전원을 입력하는 기능을 하는 것으로 도시되어 있지만, 매칭컨트롤러는 전압 차이를 감지 제어하는 기능만 하고 전력조절부(PC)로는 별도의 경로를 통해 전원을 공급할 수 있음은 이 분야 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 도 8에서 (14-1)는 전력조절부(141)로 입력되는 전력을 감지하는 홀센서이고, (14-2)는 전력조절부(141)로부터의 전력과 솔라(11)로부터의 전력이 합산된 발전전력을 검출하는 홀센서이다. 전압안정기(14)에는 전류를 감지하는 제1센서(14-1) 및 제2센서(14-2)의 감지 값 비율 변화에 따라 전압안정기(14) 출력을 조절하는 기능을 포함할 수 있다. (14-2a)는 (14-2)를 위치 이동하여 설치할 수 있음을 나타낸다. 홀센서는 경우에 따라 저항 센서 및 연동 회로로서도 가능하다.

본 발명의 제1목적은 전압안정기의 작동을 확인하는 되는데 사용되는 상용전원 기반의 시험용 파워 서플라이를 개시하고자 함에 있다.

본 발명의 제2목적은 상용전원 정류 특성과 솔라 모듈의 전압 전류 특성을 매치하여 시험용 전원으로 대용하고자 함에 있다.

본 발명은 다음을 요지로 하는 전압안정기 검사장치 기술을 개시한다. 즉,

상용전원으로부터 전력을 조달하는 변압기부;

상기 변압기의 입력단 혹은 출력단에 게재 삽입되는 전력스위칭부;

상기 전력스위칭부의 후단에 연결되는 정류기부;

상기 정류기부에 연결되어 첨두전압을 감지하는 전압감지센서부;

상기 정류기부의 출력단에 직렬로 게재되는 전류감지센서부;

상기 전압센서부에 연결되는 한편 상기 전류센서부에 연결되어 정류기부로부터의 첨두전압과 정류기부로부터의 최대전류를 제한하는 전압전류감지제어부;

상기 전압전류감지제어부의 출력단에 연결되어 상기 전압전류감지제어부의 제어신호에 의해 상기 전력스위칭부의 스위칭을 제어하는 트리거부;

상기 전류감지센서부를 경유하는 상기 정류기부의 출력단에 전압안정기를 연결하여 상용전원의 첨두전압과 실효전압의 특성을 이용하여 전압안정기에 시험용 전력을 공급하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치를 개시한다.

본 발명의 각 구성들에서 변압기부는 절연변압기로 제작될 수 있으며, 전력스위칭부는 사이리스터, 트리거부는 사이리스터를 구동하는 트리거 펄스 회로로 구성될 수 있다. 또한 상기 첨두전압감지부는 교류의 실효전압을 기준으로 교류의 실효전압보다

이상 내지

이하의 높이로 설정되는 설정범위를 초과하거나 미달될 때 상기 트리거부를 구동하는 구성을 포함할 수 있다. 이를 이용하는 전압안정기는 파워서플라이의 출력전압에 대한 압착을 강화하거나 약화하는 구성을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면

야외 태양광 발전설비를 연결하지 않더라도 전압안정기의 검사가 가능하여 전압안정기의 공장 내 대량생산 환경을 구축할 수 있는 효과가 있다. 특히 상용전원 정류기로서 간단히 시험용 파워 서플라이를 마련할 수 있어 결과적으로 단일 공장 내의 검사만으로도 솔라의 최대전력점전압(Vmp)을 추적하는 전압안정기의 작용을 확인할 수 있게 된다.

도 1은 태양에너지 변화에 따른 전압 내지 전류의 변화를 곡선으로 나타낸 도면.
도 2는 1일 중 태양에너지의 시간적인 변화를 전압 내지 전류 곡선으로 나타낸 도면.
도 3은 정상적인 태양에너지 하에서 ESS(배터리)에 충전 경로가 성립되는, 자연낙차에 의한 충전원리를 설명하는 도면.
도 4는 태양광에너지의 약화, 솔라모듈 온도의 상승 또는 배터리 단자전압의 상승으로 충전이 되지 못하는 원리를 나타낸 도면.
도 5는 선행기술들에서 상기 도 4의 미충전 상태를 보충하기 위한 보충전력 공급 원리를 묘사한 도면이고, 도 6은 보충전력 공급이 강화되는 모습을 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5 내지 도 6의 상태가 레벨(1-1)로부터 레벨(1-2)로 연속 변화되면서 추종하는 상태를 나타낸 도면.
도 8 내지 도 10은 전압안정기를 중심으로 솔라와 배터리와 부하단이 연동되는 상태 및 전압 조절의 원리를 선행기술들의 도면 발췌로 간단히 소개한 블록다이어그램.
도 11은 본 발명의 전압안정기 시험용 파워 서플라이를 도시한 블록다이어그램.
도 12는 상용전원 정류기 특성과 솔라 모듈 특성에 부합하는 원리를 설명한 파형도.
도 13은 도 11의 세부 회로의 일부를 도시한 상세 블록다이어그램.
도 14는 도 11의 작용을 통해 전압안정기 시험이 가능한 원리를 설명한 블록다이어그램.

본 발명은 특정한 실시예들을 도면에 대표적으로 예시하고 상세한 설명에서 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니므로, 이하 개시하는 구성은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으나, 예를 들어 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되고 있을 뿐, 이 구성요소들을 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등으로 용어를 붙여서 한정되는 것으로 이해를 하여서는 아니 된다. 상기 용어들은 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지의 원리로 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 첫 번째와 두 번째의 경우도 마찬가지이다.

이와 같은 원칙하에 본 발명에 따른 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 목적과 특징들은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다.

도 9는 전압안정기(14)가 공간적으로 태양광 발전시스템에 어떻게 연동되고 작동되는지를 설명하는 도면이다. 즉, 도 9에서 전압안정기(14)는 야외(건물 옥상 또는 노지 등 태양에너지를 받을 수 있는 공간)에 설치되는 솔라(11), 배터리 보관 장소에 설치되는 배터리(13a)와 충전제어장치(12), 그리고 접속함 내지 상용전원 전주 등 계통전원에 연결되는 부하단계통(13b, 13c, 13d)과 연결된다. 따라서 전압안정기(14)가 제대로 제작되었는지를 확인하려면 야외에 설치된 솔라에 우선 연결되어야함을 알 수 있을 것이다. 당연히 주간에 태양에너지가 가해질 때만 측정이 가능하다.

태양광 발전용 인버터만을 시험하기 위해서는 태양광 발전설비와 등가적인 전력을 생산하는 파워서플라이(전원장치)로 실내에서 시험을 할 수 있다. 하지만 도 9와 같이 충전제어장치, 배터리, 인버터, 솔라로 일체화 결합된 태양광 발전시스템에 설치될 전압안정기는 상기 파워서플라이에서 발전시스템과 등가적인 파라미터를 만들어낼 수 없기 때문에 실내에서 시험을 기대하기는 어렵다. 설령 가능하다 하더라도 그러한 시험에는 고가의 시뮬레션 시스템이 필요하다. 그러나 전압안정기의 양산을 위해서는 시험용 시뮬레이터는 필요한 바, 이것이 상용전원의 단순 정류기를 이용하는 저가형 시험용 파워 서플라이를 착안하게 된 동기이다.

도 9에서 (14-6)은 전압안정기(14)를 작동시키기 위한 전원을 솔라 전력으로부터 피드백 받는 루트이고, (14-7)은 배터리로부터 공급받는 루트이다. 그 외에도 상용전원이나 독립된 솔라로부터 받을 수도 있으나 여기서는 도시 생략하였다.

도 11은 본 발명의 전압안정기 시험용 파워서플라이(전압안정기로의 파워공급과 시험을 함께 수행한다는 견지에서 "파워공급및시험장치"로 명명될 수 있음)를 개념적으로 도시한 블록다이어그램이다. 즉, 도 11의 본 발명은,

상용전원으로부터 전력을 조달하는 변압기부(201);

상기 변압기의 입력단 혹은 출력단에 게재 삽입되는 전력스위칭부(202);

상기 전력스위칭부의 후단에 연결되는 정류기부(203, 204);

상기 정류기부에 연결되어 첨두전압을 감지하는 전압감지센서부(R1,R2);

상기 정류기부의 출력단에 직렬로 게재되는 전류감지센서부(Rs);

상기 전압감지센서부에 연결되는 한편 상기 전류감지센서부에 연결되어 정류기부로부터의 첨두전압과 정류기부로부터의 최대전류를 제한하는 전압전류감지제어부(205);

상기 전압전류감지제어부의 출력단에 연결되어 상기 전압전류감지제어부의 제어신호에 의해 상기 전력스위칭부의 스위칭을 제어하는 트리거부(206);

상기 전류감지센서부를 경유하는 상기 정류기부의 출력단에 전압안정기(207)를 연결하여 상용전원의 첨두전압과 실효전압의 특성을 이용하여 전압안정기에 시험용 전력을 공급하는 구성의 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치를 개시한 것이다.

이하 각 작용을 설명하면서 세부 구성을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

변압기부(201)는 상용전원으로부터 절연 상태로 전력을 공급받는 부재이다. 절연상태라 함은 복권 방식으로 제작된 트랜스를 예로 들 수 있다. 바람직하게는 이 변압기의 전압을 조절하여 고정된 전압의 220V로부터 적정한 모듈전압으로 다운 시켜서 시험 대상의 파워 서플라이 전압을 설정할 수 있는 것이다.

경우에 따라서는 수동식 슬라이닥 변압기를 부가하거나 모터 구동식 슬라이닥 변압기 등을 부가하여 모듈 전압과 자유롭게 매칭 시킬 수도 있다.

전력스위칭부(202)는 상기 변압기부의 입력단 혹은 출력단에 게재 삽설된다. 전력스위칭부는 전원과 직렬로 연결되어 교류의 위상을 제어하는 구성일 수 있다. 경우에 따라서는 고속 구동 방식의 모터로서 변압기 전원을 직접 조절하는 슬라이딩 접점 방식의 구성일 수도 있다. 전력스위칭부를 제어하기 위한 제어기술을 본 발명에서는 통칭하여 트리거부라 칭하기로 한다.

상기 전력스위칭부는 트라이악, SCR, GTR, FET 등을 구성소자로 하는 사이리스터 계열로 구성될 수 있다. 이때 상기 트리거부는 사이리스터를 구동하는 트리거 펄스 회로, 예를 들어 사이리스터가 트라이악이라면 다이악 또는 포토 다이악으로 구성될 수 있다. 트리거부에는 제로크로싱 스위치를 포함할 수 있다.

정류기부(203, 204)는 전력스위칭부(202)에 의해 제어되는 전압을 정류하기 위한 기능을 수행하므로 상기 전력스위칭부의 후단에 연결된다. 정류기부에는 평활회로부(204)가 연결되는데 넓은 의미에서 정류기부는 평활회로부를 포함한다.

전압감지센서부(R1,R2)는 상기 정류기부에 연결되어 첨두전압을 감지하는 기능을 하는 구성요소이다.

도 12를 참조하면서 설명한다.

파형도 [A]로 묘사된 일반 상용전원 교류전압을 브릿지 다이오드 등으로 정류하면 파형도 [B]로 도시된 반 사이클 맥류전압이 만들어진다. L1(Vpeak)은 그와 같이 만들어진 맥류전압의 피크이다.

파형도 [C]는 실효전압인 L2(Vrms)를 나타낸 것으로 L1과 L2는 이론적으로

의 레벨차이를 갖는다.

라는 것은 실효전압에서 볼 때 +41.4%를 초과하는 전압을 말하는 것이다. 이 실효전력은 파형도 [C]에서 a면적과 b면적이 동등하여 서로 기하학적으로 평준화 된 직류전력을 의미한다. 이러한 직류전력은 평활회로의 커패시터와 부하전력의 매칭 여부와 관계된다.

즉, 평활회로 시정수보다 부하단이 지나치게 가벼우면 실효전압은 첨두전압(L1)에 가깝게 높아지며, 평활회로의 시정수보다 지나치게 부하단이 무거우면 실효전압은 낮아져서 출렁거리는 물결모양의 리플을 발생한다. 이것은 커패시터의 용량 부족으로 파형도 [C]의 a영역 전력이 b영역의 부하 수요를 충당하지 못하기 때문이다.

적정한 평활시정수로 구성된 정류기의 실효전압(Vrms)은 솔라 모듈에서 부하로 공급되는 최대전력점전압(Vmpp)에 갈음될 수 있다. 변압기로부터 공급전압을 최대전력점전압이 되도록 맞추면 그 때의 실효전압은 최대전력점전압으로 갈음될 수 있기 때문이다. 다만 이렇게 맞추었을 때도 모듈의 개방전압(Voc)과 정류기의 첨두전압(Vpeak)은 서로 일치되지 않는다.

솔라 모듈의 개방전압인 L3(Voc)와 관련하여 첨두전압(Vpeak)에 대비해 본 파형도가 도 12의 [D]이다. 통상적으로 부하단으로부터 분리된 솔라 모듈의 개방전압L3(Voc)은 최대전력점전압(Vmpp)의 +22%이므로 수치로는 대략

에 해당한다.

즉, 모듈 Voc-Vmpp의 전압차이인

와 상용전원 Vpeak-Vrms의 전압차이인

는 서로 높이가 다른 것이며, 따라서 비록 실효전압(Vrms)과 최대전력점전압(Vmpp) 레벨이 동일하다고 간주되더라도 부하단의 경중에 따라 변동되는 첨두전압(

)과 개방전압(

)은 그 전압의 높이가 서로 상이한 것이다.

그러므로 이와 같이 전압 특성이 서로 다른 상태에서 서로를 전압안정기의 시험용으로 대용할 경우 그 결과는 신뢰하지 못할 것이 당연하다. 설령 신뢰할 수 있다하더라도 전압의 차이가 커서 자칫 시험 중 소손 사고가 있을 수도 있다.

결국 이를 신뢰 및 안전 범위로 유지하기 위하여는 모듈의 Voc-Vmpp의 차이인

와 상용전원의 Vpeak-Vrms의 차이인

를 일치시킬 필요가 있다.

이를 위해 Voc-Vmpp의 차이와 상용전원의 Vpeak-Vrms의 차이를, 예를 들면 설정된

범위로 제한하여 서로를 매치시키는 구성이 바로 본 발명의 전압전류감지제어부(205), 트리거부(206), 전력스위칭부(202)의 역할인 것이다. 이를 통해 예를 들면 첨두전압을

이하로 제한할 수 있다(도 11의 205블록 출력 참조).

전압전류감지제어부(205)는 교류의 실효전압의

이상 내지

미만의 높이로 사용자가 설정하는 범위를 기준으로 하여 이를 초과하거나 미달될 때 상기 트리거부를 구동하는 구성을 포함할 수 있다. 트리거부가 구동되면 상용전원 계통과 직렬로 연결된 전력스위칭부가 작동하므로 이를 통해 정류기의 출력전압은 상승되거나 하강될 수 있어 사용자가 설정한, 예를 들어 무부하 시의 첨두전압이 실효전압*

의 범위 내지 그 이하를 유지하게 된다.

사용자의 설정은 도 11에서 R1, R2로 감지되는 전압에 대한 비교대상 레벨을 조절함에서 이루어진다. 이를 통해

이상

미만의 임의의 점에 사용자가 기준을 설정할 수 있게 되는 것이다.

구체적인 회로 구성은 도 13의 (205-1) 비교기 회로로부터 알 수 있을 것이다. (205-1)의 VR1은 R1, R2에서 감지된 첨두전압이 임의의 설정 기준으로 유지하도록 조절하는 구성요소이다.

한편, 도 11에서 전류감지센서부(Rs)는 정류기부(203, 204)의 출력단에 직렬로 게재되는 구성요소이다. 솔라 모듈은 단락 상태에서도 모듈에서 정해진 전류 이상으로 전류가 흐르지 않는다. 이것을 단락전류(Isc)라 하며 규격으로는 가장 강한 태양광 하에서 출력될 수 있는 것을 한계로 잡고 있다. 그러나 상용전원의 경우는 단락을 시킬 경우 전류가 무한정 흐르므로, 변압기를 소손하거나 기타 부분품들을 망가트리게 할 수 있다. 설령 망가지게 하지는 않을지라도 그와 같은 상태에서 시험을 하는 것이 정상이라 할 수는 없는 것이다.

따라서 본 발명의 전류감지센서부(Rs)와 전압전류감지제어부(205), 트리거부(206), 전력스위칭부(202)는 이때 모듈의 단락전류(Isc)로 정류기(203, 204) 출력을 제한하는 역할을 하게 된다.

전압전류감지제어부(205)는 전압감지센서부(R1,R2)와 전류감지센서부(Rs)에 연결되어 구동되는 회로들을 통합 수용하여 트리거부를 통해 전력스위칭부를 제어하는 구성요소이다. 결국 그 출력을 트리거부(206)를 경유하여 정류기 전원공급 경로인 전력스위칭부(202)에 피드백 연결함으로써 정류기부로부터의 첨두전압과 정류기부로부터의 최대전류를 제한하는 기능을 하게 된다.

트리거부(206)는 상기 전압전류감지제어부(205)의 출력단에 연결되어 상기 전압전류감지제어부의 제어신호에 의해 상기 전력스위칭부의 스위칭을 제어하는 신호를 발생한다. 결국 트리거부는 전압전류감지제어부와 전력스위칭부 간의 인터페이스인 것이다. 본 발명의 실시일례인 도 11에서 트리거부(206)는 도 13에서 볼 수 있듯이 절연 특성의 옵토 다이악으로 구성될 수 있음을 나타내었다.

본 발명은 상기 전류감지센서부를 경유하는 상기 정류기부의 출력단에 전압안정기(207)를 연결하여 상용전원의 첨두전압과 실효전압의 특성을 이용하여 전압안정기에 시험용 전력을 공급하는 구성을 포함한다.

결과적으로 상기 파워공급및시험장치에 연결되는 전압안정기(207)는 파워공급및시험장치의 전압의 압착을 강화하거나 약화하는 구성을 포함하는데 이 기능이 바로 전압안정기가 작동하여 최대전력을 추적하는 기능에 상당하는 것이다.

즉, 전압안정기는 부하단에 공급되는 최대전력점(Pmax) 또는 부하단을 흐르는 최대전류점(Imax)이 되도록 정류기부 및 평활부(204)를 압착하게 되며 이 압착은 곧 부하전력을 소모하는 기능에 갈음되므로 이에 따라 파워 서플라이는 첨두전압으로부터 실효전압으로 바뀌게 되는 것이다.

이때 유지되는 실효전압이 곧 전압안정기가 추적하는 최대전력점전압(Vmpp)이 되는 것이고, 이때의 압착전류와 최대전력점전압의 곱이 바로 최대전력(Pmax)이 되는 원리로 작동한다. 즉, 전류가 늘어나면 전압이 줄어 들게 되므로 서로는 적정한 최대전력점에서 밸런스를 잡게 되는데 그 밸런스 잡은 일련의 작동이 정상 범위인 전압안정기의 추적 동작이 되는 것이다.

도 14는 실제 측정되는 상황을 나타낸 시스템 구성도이다.

도 14에서 부하단에 공급되는 시스템 출력전압 Vp1은 (Vp2 + Vp3)이다. 여기서 Vp2는 파워서플라이 전압이고, Vp3는 전압안정기 출력이다. 따라서 이러한 시스템 연동 구성에서 부하단 전압 Vp1을 변동시킨 경우 Vp2가 고정이라면 전압안정기의 출력전압인 Vp3가 자동으로 변동되어 Vp1 = (Vp2 + Vp3)의 식을 만족하도록 작동한다. 부하단 전압 Vp1을 고정하고 파워서플라이 출력전압 Vp2를 변화시킨 경우에도 식을 만족하기 위해 전압안정기는 출력전압인 Vp3를 변동한다.

이러한 동작으로 Vp2가 변화되든 Vp1이 변화되든 추적을 하게 되므로 전압정기의 균등성 제어 기능 확인은 이 식의 원리로서 확인된다.

다음으로 최대전력점 전압은 전류감지센서부(Rs)를 가변하는 조작으로 확인이 가능하다. 즉 전류감지제어부(Rs)가 연결된 회로상의 설정을 변화시키면 전압전류감지제어부(205)는 트리거 신호를 발생하여 전력스위칭부(202)를 제어하게 된다. 예를 들면, 이 제어에 의하여 일정 전류 이상에서는 파워서플라이(201~206)의 출력전압(Vp2)이 낮아지게 되고 그에 따라 전압안정기는 출력전압(Vp3)을 상승하게 되는 대응 반응이 일어나게 된다.

한편, 전압안정기의 출력전압이 상승한다는 것은 입력전원의 소모를 크게 하는 것인데, 그 입력전원이 파워서플라이의 출력전압(Vp2)에 의존하는 것인 이상 어느 정도 이상이 되면 Vp2가 감소, 즉 과부하에 의하여 실효전압(Vrms) 이하로 내려가면서 결국 전압안정기의 가동출력이 저하하게 된다.

따라서 전압안정기(207)의 가동출력과 관계되는 부하전류(Ip3)와 전압안정기의 입력 소모전류(Ip3)의 균형이 잡히면 그에 연동되는 Vp3와 Vp2가 밸런스를 잡게 되는 것이다. 이러한 피드백 원리에 의하여 결국 밸런스가 잡힌 상태의 Vp2 전압이 시스템에서 출력하는 최대전력점전압으로 되는 것이며, 이것은 곧 솔라 모듈에 연결될 때 솔라 모듈이 가동되는 최대전력점전압(Vmpp)에 갈음되는 것이다.

이처럼 전류감지센서의 값을 변경시키면 전압안정기의 전압변동 추적 및 전류변동 추적 기능을 확인할 수 있게 되는 것이다.

결국, 도 13의 파워공급및시험장치(파워서플라이)를 이용하여 부하단 전압, 솔라 모듈전압, 솔라 모듈전류의 변동에 대응하여 전압안정기가 추적 작동을 하는지 기능 검사가 가능하게 되는 것이다.

상기 전압 및 전류의 변경 설정 작업은 시뮬레이션 프로그램으로 수행할 수 있으며, 이 기능은 곧 시뮬레이션 검사장치로 발전된다.

따라서 전술된 실시예의 장치적인 구성요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있으며, 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

본 발명은 이외에도 다양한 실시예를 포함할 수 있지만 더 이상을 설명은 생략한다. 다만 생략은 본 발명의 청구범위가 개시하는 범위 내에서 균등 내지 치환의 범위를 권리에 포함하고 있는 것으로 해석됨을 전제로 한다.

본 발명은 하나의 검사장치로서 야외 기반의 태양광 발전시스템에서 발생될 수 있는 파라미터를 생성하여 태양전지용 전압안정기를 정밀하게 검사할 수 있게 되는 것이다. 본 발명의 권리범위는 이들을 선택적으로 수용하거나 일괄 수용한 태양전지용 전압안정기 전용의 테스트 시뮬레이터의 생산, 사용 등의 법률 내지 사실적 행위로 한다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

전압안정기(14) (207),
솔라(11),
배터리(13a),
충전제어장치(12),
부하단계통(13b, 13c, 13d),
전압안정기 전원공급 루트(14-6, 14-7),
변압기부(201)
전력스위칭부(202)
정류기부(203, 204)
전압감지센서부(R1,R2)
전류감지센서부(Rs)
전압전류감지제어부(205)
트리거부(206)
전압안정기(207)
파형도 [A], [B], [C], [D]
첨도전압; L1(Vpeak)
실효전압; L2(Vrms)
개방전압; L3(Voc)
부하단 전압(Vp1)
파워공급및시험장치 출력전압(Vp2)
전압안정기 출력전압(Vp3)
전압안정기 가동전류(Ip1)
파워공급및시험장치 출력전류(Ip2-1)
전압안정기 출력전류(Ip2-2)
시스템 출력전류(Ip3)

Claims

상용전원을 정류하는 정류기부;
상기 정류기부와 전압안정기 사이에 연결되며, 상기 전압안정기로 입력되는 첨두전압을 감지하는 전압감지센서부;
상기 정류기부와 상기 전압안정기 사이에 연결되어 상기 정류기부로부터 출력되는 전류를 감지하는 전류감지센서부; 및
상기 감지된 첨두전압과 상기 감지된 전류에 응답하여 상기 정류기부로부터 출력되는 첨두전압 또는 최대전류를 기설정값 이하로 제한하는 전압전류감지제어부를 포함하되,
상기 전압전류감지제어부는 상기 파워공급및시험장치가 단락되었을 때에도 상기 첨두전압 또는 상기 최대전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제1항에 있어서, 상기 파워공급및시험장치는 상기 상용전원의 첨두전압과 실효전압의 특성을 이용하여 상기 전압안정기에 시험용 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제1항에 있어서,
상기 상용전원으로부터 전력을 조달하는 변압기부;
상기 변압기의 입력단 혹은 출력단과 상기 정류기부 사이에 연결되는 전력스위칭부; 및
상기 전압전류감지제어부의 출력단에 연결되어 상기 전압전류감지제어부의 제어신호에 의해 상기 전력스위칭부의 스위칭을 제어하는 트리거부를 더 포함하되,
상기 트리거부에 의해 상기 전력스위칭부의 스위칭이 제어됨에 따라 상기 정류기부로부터 출력되는 첨두전압 또는 최대전류가 제한되는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제3항에 있어서, 상기 변압기부는 절연변압기로 제작된 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제3항에 있어서,
상기 전력스위칭부는 사이리스터로 구성되고, 상기 트리거부는 사이리스터를 구동하는 트리거 펄스 회로로 구성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제3항에 있어서,
상기 전압전류감지제어부는 교류의 실효전압을 기준으로 실효전압보다
이상 내지
이하의 높이에서 설정되는 설정범위를 초과하거나 미달될 때 상기 트리거부를 구동하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제1항에 있어서, 상기 전압안정기는 태양광 발전 시스템에 사용되되,
상기 파워공급및시험장치는 상기 전압안정기의 전압, 상기 태양광 발전 시스템의 전압 또는 상기 전류감지센서부의 값을 가변시키는 방법을 통하여 상기 전압안정기가 상기 태양광 발전 시스템의 최대전력점전압을 정상적으로 추적하는지를 시험하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
제1항에 있어서,
상기 파워공급및시험장치에 연결되는 전압안정기는 모듈 전압의 압착을 강화하거나 약화하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.
태양광 발전 시스템에 사용되는 전압안정기를 시험하기 위한 파워공급및시험장치에 있어서,
상용전원을 정류하는 정류기부;
상기 정류기부와 상기 전압안정기 사이에 연결되며, 상기 전압안정기로 입력되는 첨두전압을 감지하는 전압감지센서부;
상기 정류기부와 상기 전압안정기 사이에 연결되어 상기 정류기부로부터 출력되는 전류를 감지하는 전류감지센서부; 및
상기 감지된 첨두전압과 상기 감지된 전류에 응답하여 상기 정류기부로부터 출력되는 첨두전압 또는 최대전류을 제어하는 전압전류감지제어부를 포함하되,
상기 전압안정기의 전압, 상기 태양광 발전 시스템의 전압 또는 상기 전류감지센서부의 값을 가변시키는 방법을 통하여 상기 전압안정기가 상기 태양광 발전 시스템의 최대전력점전압을 정상적으로 추적하는지를 시험하는 것을 특징으로 하는 전압안정기 시험용 파워공급및시험장치.