KR20220074229A - 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 다수의 PV모듈과, 상기 PV모듈 각각에 일대일 대응하여 설치되며, 인버터를 포함하여, 상기 PV모듈에서 생산된 전력을 AC 전력으로 변환하여 AC라인을 통해 전력망에 공급하는 발전효율 최적화부를 포함한다.

Description

태양광 발전 시스템{System for photovoltaics}
본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 효율적인 관리가 가능한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 아파트나 주택에 태양광 패널을 설치하고, 생산된 전력을 가정에서 이용하거나 전력망에 전력을 제공하는 사례가 증가하고 있다.
태양광 발전 시스템의 예로서, 등록특허 10-2034431호(2019년 10월 11일 등록, 태양광 패널의 최대 전력 발생 시스템)가 있다.
위의 등록특허에 기재된 내용에 따르면 다수의 태양전지 패널 각각에 발전효율 최적화부(옵티마이저)를 부가하고, 하나의 인버터를 사용하여 각 태양전지 패널에서 생산된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 역할을 한다.
발전효율 최적화부는 제어부로부터 출력전압이 태양전지 패널의 최대 전력 점 전압보다 높은 경우 출력전압 강압신호를 수신하고, 벅 모드로 동작시켜 출력전압을 낮추며, 최대 전력 점 전압보다 낮은 경우, 출력전압 승압신호를 생성하여 발전효율 최적화부로 전송하여, 부스트모드로 동작시켜 출력전압을 승압하는 동작을 한다.
그러나 종래의 태양광 발전 시스템은, 하나의 인버터를 사용하기 때문에 인버터에 고장이 발생하면 모든 생산전력의 변환이 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 위의 등록특허에 기재된 바와 같이 발전효율 최적화부는 직렬통신인 UAART, SPI, I2C를 포함하는 것으로, 제어기와 각 발전효율 최적화부간의 직렬통신을 통해 전압, 전류, 온도 및 동작지령과 같은 다양한 정보를 송수신하기 때문에 통신 속도가 상대적으로 낮은 문제점이 있었다.
도 1은 종래 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면 종래 태양광 발전 시스템은, 다수의 PV모듈(100)과, 상기 다수의 PV모듈(100) 각각에서 생산된 에너지를 최적화하는 발전효율 최적화부(200)와, 상기 발전효율 최적화부(200)와 통신을 수행함과 아울러 PV모듈(100)에서 생산된 에너지를 변환하여 배터리(400)에 저장하거나, 교류전원으로 변환하여 에너지 미터(500)를 통해 전력망(600)으로 공급하는 전력변환기(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발전효율 최적화부(200)는 최대 전력 생산을 위한 최적화 기능을 수행함과 아울러 각 PV모듈(100)의 상태를 모니터링하여 전력변환기(300)로 제공하고, 전력변환기(300)의 제어에 따라 최적화를 수행한다.
전력변환기(300)는 제어기(310)와, 인버터(320)를 포함하고 있으며, 필요에 따라 컨버터(330)가 부가될 수 있다. 컨버터(330)의 부가는 배터리(400)의 사용 여부에 따라 결정되는 것으로 한다.
도면에서는 전력을 사용하는 가정의 부하는 생략했다.
각 PV모듈(100)에서 생성된 에너지는 PV라인(1)을 통해 발전효율 최적화부(200)로 제공되며, 각 발전효율 최적화부(200)는 각각에 1:1 대응되는 PV모듈(100)의 상태를 모니터링하고, 생산전력을 제어하는 최적화를 수행한다.
PV모듈(100)에서 생성된 에너지는 PV라인(1)을 통해서 전력변환기(300)로 제공되고, PV라인(1)을 통해 공급된 직류의 전기에너지는 인버터(320)를 통해 교류의 전기에너지로 변환되어 AC라인(3)을 통해 에너지 미터(500)로 제공되어 계측된 후, 전력망(600)으로 공급될 수 있다.
또한, 필요시 전력변환기(300)는 PV라인(1)을 통해 공급되는 각 PV모듈(100)의 에너지를 컨버터(330)를 통해 DC/DC 변환 후, 배터리 라인(2)을 통해 배터리(400)에 저장할 수 있다.
전력변환기(300)의 제어기(310)는 앞서 설명한 바와 같이 각 발전효율 최적화부(200)와 직렬 통신을 하거나, 상기 PV라인(1)을 통한 전력선통신(PLC, Power Line Communication)을 수행할 수 있다.
이와 같은 종래의 구성에서 각 발전효율 최적화부(200)는 하나의 인버터(320)를 공유하기 때문에 인버터(320)에 고장이 발생하는 경우에는 전체 PV모듈(100)을 통해 생산된 전력을 전력망(600)에 공급할 수 없게되는 문제점이 있었다.
이와 동일하게 각 발전효율 최적화부(200)는 하나의 DC/DC 컨버터를 공유하기 때문에 DC/DC 컨버터의 고장시에도 배터리(400)에 충전을 할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전압의 변환을 위한 수단을 다중화하여, 특정 수단에 이상이 있는 경우에도 전력망에 에너지를 공급하거나 배터리에 충전을 수행할 수 있는 태양광 발전 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 태양광 발전 시스템은, 다수의 PV모듈과, 상기 PV모듈 각각에 일대일 대응하여 설치되며, 인버터를 포함하여, 상기 PV모듈에서 생산된 전력을 AC 전력으로 변환하여 AC라인을 통해 전력망에 공급하는 발전효율 최적화부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 발전효율 최적화부는, 상기 PV모듈에서 생산된 전력을 변환하여 배터리 라인을 통해 배터리에 충전하는 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 발전효율 최적화부는, 상기 PV모듈의 상태를 검출하는 모니터링부와, 상기 모니터링부에서 검출된 정보를 제어기의 제어부로 송신하는 통신 모듈부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 발전효율 최적화부는, 상기 PV의 상태에 따라 RSD(Rapid Shut Down)을 수행하는 RSD 모듈부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 발전효율 최적화부와 상기 배터리 라인을 이용한 전력선 통신을 수행할 수 있다.
본 발명은 발전효율 최적화부들 각각에 인버터를 포함하여 AC라인에 직접 연결되도록 설계함으로써, 특정 인버터에 고장이 발생한 경우에도 정상 동작하는 다른 발전효율 최적화부를 이용하여 전력망에 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 발전효율 최적화부들에 배터리 라인을 연결하여, 배터리를 직접 충전함과 아울러 배터리 라인을 통해 제어기와 전력선 통신을 수행함으로써, DC/DC 컨버터의 일부에 고장이 발생한 경우에도 배터리에 에너지를 충전할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 3은 도 2에서 발전효율 최적화부의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면 본 발명 태양광 발전 시스템은, 다수의 PV모듈(10)과, 다수의 PV모듈(10) 각각에 연결되어 발전효율을 최적화함과 아울러 PV모듈(10)에서 생산된 직류 전기에너지를 교류로 변환하여 에너지 미터(50)를 통해 전력망(60)에 공급하는 발전효율 최적화부(20)와, 상기 발전효율 최적화부(20)에서 검출된 모니터링 정보를 확인하고, 제어하는 제어기(30)를 포함한다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 태양광 발전 시스템의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, PV모듈(10)의 수는 필요에 따라 결정될 수 있으며, 각 PV모듈(10)에는 발전효율 최적화부(20)가 부가된다.
상기 발전효율 최적화부(20)는 MLPE(Module Level Power Electronics)로 구현할 수 있으며, 도 2의 예에 적합한 발전효율 최적화부(20)의 구성을 도 3에 도시하였다.
즉, 발전효율 최적화부(20)는 인버터(21)를 포함하며, PV모듈(10)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 검출하는 모니터링부(23)와, 모니터링된 정보를 상기 제어기(30)로 제공할 수 있는 통신 모듈부(24)를 포함할 수 있다.
또한, 설비의 이상시 동작을 신속하게 차단하는 RSD(Rapid Shut Down) 모듈(22)을 포함할 수 있다.
상기 통신 모듈부(24)는 제어기(30)와 다양한 방식의 통신을 수행할 수 있으며, 이후에 설명되는 본 발명의 특징적인 전력선 통신 외에 직렬통신이 사용될 수 있다.
본 발명의 발전효율 최적화부(20)는 인버터(21)를 포함하여, PV모듈(10)에서 생산된 에너지를 PV라인(1)을 통해 공급받아 교류 에너지로 변환한 후, AC라인(3)을 통해 전력망(60)에 공급할 수 있다.
이때, 에너지 미터(50)에 의해 공급 전력이 계측된다.
이상 설명한 구조에서 특정 발전효율 최적화부(20)의 인버터(21)에 고장이 발생한 경우에는, 고장이 발생한 인버터(21)를 포함하는 발전효율 최적화부(20)를 제외한 다른 발전효율 최적화부(20)는 전력의 변환이 정상적으로 이루어지기 때문에 전력망(60)에 전력을 공급하는 것이 가능하게 된다.
즉, 종래에는 각 발전효율 최적화부의 직류 전기에너지를 하나의 인버터를 사용하여 교류전력으로 변환하여 전력망에 공급하였으나, 본 발명은 각 발전효율 최적화부(20)에서 PV모듈(10)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 직접 전력망(60)에 공급함으로써, 일부 인버터(21)에 이상이 발생한 경우에도 전력공급을 유지할 수 있는 특징이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면 본 발명은, 발전효율 최적화부(20) 각각에 DC/DC 변환을 위한 컨버터(25)를 더 포함하여, 필요에 따라 PV모듈(10)에서 생산된 DC 전력을 배터리(32)의 충전에 적합한 DC 전력으로 변환하여 배터리(32)에 각각 충전할 수 있다.
이때, 배터리(32)는 제어기(30)에 포함되는 것으로 한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구성과 작용에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.
발전효율 최적화부(20)는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 구성에 컨버터(25)를 더 포함하여 구성된다. 앞서 언급한 바와 같이 발전효율 최적화부(20)는 MLPE로 구현되는 것이며, 필요에 따라 기능 모듈을 추가할 수 있다.
상기 컨버터(25)는 DC/DC 컨버터이며, 각 PV모듈(10)에서 생산된 전력을 배터리(32)의 충전에 적합한 전력으로 변환한다.
즉, PV라인(1)을 통해 공급되는 PV모듈(10)의 전력을 변환하여 배터리 라인(2)을 통해 배터리(32)에 직접 공급한다.
따라서 발전효율 최적화부(20)들 중 일부에 포함된 컨버터(25)에 고장이 발생한 경우라도, 다른 정상 컨버터(25)를 포함하는 발전효율 최적화부(20)에 의해 배터리(32) 충전이 가능하게 된다.
또한, 제어기(30)의 제어부(31)는 배터리 라인(2)을 통해 발전효율 최적화부(20)와 전력선통신을 수행할 수 있다.
즉, 별도의 통신선의 연결 또는 PV라인의 확장 없이도, 배터리 라인(2)을 통한 통신이 가능하기 때문에 시스템의 설치가 용이하고, 비용을 줄일 수 있다.
아울러 배터리 라인(2)을 통한 전력선 통신은 발전효율 최적화부(20)들 사이의 통신도 가능하기 때문에 다양한 응용 및 확장이 가능한 특징이 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10:PV모듈 20:발전효율 최적화부
21:인버터 25:컨버터
30:제어기 31:제어부
32:배터리 60:전력망

Claims (5)

  1. 다수의 PV모듈; 및
    상기 PV모듈 각각에 일대일 대응하여 설치되며, 인버터를 포함하여, 상기 PV모듈에서 생산된 전력을 AC 전력으로 변환하여 AC라인을 통해 전력망에 공급하는 발전효율 최적화부를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전효율 최적화부는,
    상기 PV모듈에서 생산된 전력을 변환하여 배터리 라인을 통해 배터리에 충전하는 컨버터를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발전효율 최적화부는,
    상기 PV모듈의 상태를 검출하는 모니터링부; 및
    상기 모니터링부에서 검출된 정보를 제어기의 제어부로 송신하는 통신 모듈부를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발전효율 최적화부는,
    상기 PV의 상태에 따라 RSD(Rapid Shut Down)을 수행하는 RSD 모듈부를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 발전효율 최적화부와 상기 배터리 라인을 이용한 전력선 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
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