KR20230091757A - 태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 mpp 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 mpp 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위한 태양광 발전 제어 시스템에 관한 것으로, 태양광 패널; 상기 태양광 패널의 MPP(Maximum Power Point)를 추정하고, 사전에 설정된 복수의 초기섭동값과 상기 태양광 패널로부터 측정되는 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP(Maximum Power Point)에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 MPP 추정장치; 및 상기 태양광 패널 및 상기 MPP 추정장치와 연결되고, 상기 목표값에 기초하여 임피던스 제어를 수행하는 컨트롤러를 포함하는 부스트 컨버터를 포함하고, 상기 MPP 추정장치는, 상기 복수의 초기섭동값에 기초하여 복수의 유동섭동값을 산출할 수 있다. 이에 의해 종래의 P&O 알고리즘에 비해 정상 상태 구간과 과도 응답 구간에서 더 작은 리플 및 더 빠른 응답 속도를 가질 수 있도록 하여 태양광 패널의 최대 전력의 추정 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 MPP 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법{MPP ESTIMATION APPARATUS FOR ESTIMATING THE MAXIMUM POWER OF A SOLAR PANEL, AND A SOLAR POWER GENERATION CONTROL SYSTEM AND METHOD INCLUDING THE SAME}
본 발명은 태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 MPP 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양 복사에 따라 스텝 크기가 달라지는 태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 MPP 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석연료로 인한 환경문제로 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오 등 재생에너지에 대한 관심 및 수요가 증대되고 있다. 이 중 태양광 에너지 사용이 전 세계적으로 증가하고 있는 추세인데 이는 단순한 설비, 무인 발전, 소형 에너지 발전 시스템 등 많은 장점을 가지고 있기 때문이다.
그러나 태양광 에너지의 낮은 효율성은 여전히 해결해야할 문제로 남아있으며, 태양광 에너지 효율을 높이기 위해서 복사 조도 조건에 따라 태양광 태양광 패널의 최대 전력을 추출하는 방법으로 최대 전력 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 적용하고 있다.
이에 많은 산업 현장에서는 단순한 설계와 낮은 비용 때문에 대표적인 MPPT 알고리즘으로 P&O(Perturbation and Observation) 알고리즘을 널리 사용하고 있다.
태양광 패널은 태양 복사, 온도, 전체 저항과 같은 복잡한 관계를 가지고 있어 V-I 곡선으로 불리는 비선형 특성의 곡선이 그려지게 되는데, 최대 전력을 얻기 위해 사용되는 이러한 P&O 알고리즘은 전압 또는 전류를 주기적으로 증가 또는 감소시켜 현재 동작 지점을 MPP(Maximum Power Point)로 이동시키는 방법이다.
하지만 종래의 P&O 알고리즘은 전압 또는 전류의 고정된 섭동 값을 사용하는데, 이러한 섭동 값으로 큰 섭동 값을 사용할 경우 과도 응답은 빠르지만 정상 상태 응답에서 리플이 증가하고, 반대로 작은 섭동 값을 사용하면 정상 상태 응답에서 리플이 감소하지만 과도 응답은 느려진다는 문제가 있다.
또한 복사 조도의 크기에 따라 V-I 곡선의 크기가 달라지는데 고정된 섭동 값을 사용하게 되면 모든 영역에서 균일한 성능을 내는 것이 어렵다는 문제가 있다.
한국등록특허공보 제10-1006100호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 태양 복사에 따라 스텝 크기가 달라지는 적응형 P&O 알고리즘을 통해 종래의 P&O 알고리즘에 비해 정상 상태 구간과 과도 응답 구간에서 더 작은 리플 및 더 빠른 응답 속도를 가질 수 있는 태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 MPP 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위한 태양광 발전 제어 시스템은, 태양광 패널; 상기 태양광 패널의 MPP(Maximum Power Point)를 추정하고, 사전에 설정된 복수의 초기섭동값과 상기 태양광 패널로부터 측정되는 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP(Maximum Power Point)에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 MPP 추정장치; 및 상기 태양광 패널 및 상기 MPP 추정장치와 연결되고, 상기 목표값에 기초하여 임피던스 제어를 수행하는 컨트롤러를 포함하는 부스트 컨버터를 포함하고, 상기 MPP 추정장치는, 상기 복수의 초기섭동값에 기초하여 복수의 유동섭동값을 산출한다.
여기서 상기 MPP 추정장치는, 상기 태양광 패널의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 상에서 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도와 반지름을 산출할 수 있다.
그리고 상기 MPP 추정장치는, 상기 복수의 유동섭동값으로 상기 부스트 컨버터가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값 및 상기 부스트 컨버터가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값을 산출하되, 상기 제2 유동섭동값을 상기 현재 동작점에 대응하는 반지름에 기초하여 산출할 수 있다.
또한 상기 MPP 추정장치는, 상기 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류를 이전 동작전류와 비교한 차이값을 산출하고, 산출된 차이값을 기설정된 임계값과 비교할 수 있다.
그리고 상기 MPP 추정장치는, 상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 이상이면, 상기 과도 응답인 것으로 판단하여 상기 제1 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 컨트롤러로 전달할 수 있다.
또한 상기 MPP 추정장치는, 상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 미만이면, 현재 동작전력 및 이전 동작전력을 비교한 결과에 기초하여 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 컨트롤러로 전달할 수 있다.
그리고 상기 MPP 추정장치는, 상기 현재 동작전력이 이전동작 전력과 동일하면 상기 목표값을 이전 동작점에 대응하는 각도와 동일하게 산출할 수 있다.
또한 상기 MPP 추정장치는, 상기 현재 동작전력이 이전 동작전력과 동일하지 않으면, 상기 정상 상태 응답인 것으로 판단하여 상기 제2 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출할 수 있다.
한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 패널 및 상기 태양광 패널의 임피던스 제어를 수행하는 부스트 컨버터와 연결되어 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 MPP 추정장치는, 상기 태양광 패널의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 및 사전에 설정된 복수의 초기섭동값을 저장하는 저장부; 상기 태양광 패널로부터 동작전압 및 동작전류를 측정하는 측정부; 상기 복수의 초기섭동값과 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 복수의 유동섭동값을 산출하는 유동섭동값 산출부; 및 상기 유동섭동값과 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 목표값 산출부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 유동섭동값 산출부는, 상기 V-I 곡선 상에서 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도와 반지름을 산출할 수 있다.
그리고 상기 유동섭동값 산출부는, 상기 복수의 유동섭동값으로 상기 부스트 컨버터가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값 및 상기 부스트 컨버터가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값을 산출하되, 상기 제2 유동섭동값을 상기 현재 동작점에 대응하는 반지름에 기초하여 산출할 수 있다.
또한 상기 목표값 산출부는, 상기 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류를 이전 동작전류와 비교한 차이값을 산출하고, 산출된 차이값을 기설정된 임계값과 비교할 수 있다.
그리고 상기 목표값 산출부는, 상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 이상이면, 상기 과도 응답인 것으로 판단하여 상기 제1 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 부스트 컨버터에 포함된 컨트롤러로 전달하고, 상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 미만이면, 현재 동작전력 및 이전 동작전력을 비교한 결과에 기초하여 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 컨트롤러로 전달할 수 있다.
한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 패널 및 상기 태양광 패널의 임피던스 제어를 수행하는 부스트 컨버터와 연결되어 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 MPP 추정장치에서 수행되는 태양광 발전 제어 방법은 복수의 초기섭동값이 저장되는 단계; 상기 태양광 패널로부터 동작전압 및 동작전류를 측정하는 단계; 상기 태양광 패널의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 상에서 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도와 반지름을 산출하는 단계; 상기 복수의 초기섭동값 및 상기 반지름에 기초하여 상기 부스트 컨버터가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값 및 상기 부스트 컨버터가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값을 포함하는 복수의 유동섭동값을 산출하는 단계; 상기 복수의 유동섭동값과 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 단계; 및 산출된 목표값을 상기 부스트 컨버터에 전달하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류를 이전 동작전류와 비교한 차이값을 산출하고, 산출된 차이값을 기설정된 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고, 상기 목표값을 산출하는 단계에서는, 상기 차이값이 기설정된 임계값 이상이면, 상기 과도 응답인 것으로 판단하여 상기 제1 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하고, 상기 차이값이 기설정된 임계값 미만이면, 상기 정상 상태 응답인 것으로 판단하여 현재 동작전력 및 이전동작전력을 비교한 결과와 상기 제2 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 태양광 패널의 최대 전력을 추정하는 MPP 추정 장치, 이를 포함하는 태양광 발전 제어 시스템 및 방법을 제공함으로써, 고정된 섭동값을 사용하는 종래의 P&O 알고리즘에 비해 정상 상태 구간과 과도 응답 구간에서 더 작은 리플 및 더 빠른 응답 속도를 가질 수 있도록 하여 태양광 패널의 최대 전력의 추정 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 시스템을 설명하기 위한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPP 추정장치를 설명하기 위한 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPP 추정장치가 MPP를 추적하는 알고리즘을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도, 그리고
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
그리고 본 발명에 따른 구성요소들은 물리적인 구분이 아니라 기능적인 구분에 의해서 정의되는 구성요소들로서 각각이 수행하는 기능들에 의해서 정의될 수 있다. 각각의 구성요소들은 하드웨어 또는 각각의 기능을 수행하는 프로그램 코드 및 프로세싱 유닛으로 구현될 수 있을 것이며, 두 개 이상의 구성요소의 기능이 하나의 구성요소에 포함되어 구현될 수도 있을 것이다. 따라서 이하의 실시예에서 구성요소에 부여되는 명칭은 각각의 구성요소를 물리적으로 구분하기 위한 것이 아니라 각각의 구성요소가 수행되는 대표적인 기능을 암시하기 위해서 부여된 것이며, 구성요소의 명칭에 의해서 본 발명의 기술적 사상이 한정되지 않는 것임에 유의하여야 한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 시스템(10)을 설명하기 위한 블록도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPP 추정장치(300)를 설명하기 위한 블록도, 그리고 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPP 추정장치(300)가 MPP를 추적하는 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 태양광 발전 제어 시스템(10, 이하 시스템)은 태양광 발전의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위해 마련된다. 구체적으로 기존의 고정된 섭동값을 이용하는 P&O 알고리즘과는 다르게 과도 응답 또는 정상 상태 응답에서 섭동 값을 각각 나눠서 사용하여 복사 조도의 크기에 따라 V-I 곡선의 크기가 달라지더라도 모든 영역에서 균일한 성능을 낼 수 있도록 한다.
이러한 시스템(10)은 태양광패널(100), MPP 추정장치(300), 부스트 컨버터(200) 및 부하(500)를 포함하여 마련될 수 있다.
태양광 패널(100)은 태양광과 같은 에너지가 강한 빛과 접촉하면 전기가 발생하는 광기전 효과(photovoltaic effect)를 이용하여, 태양으로부터 오는 빛을 전기 에너지로 변환하기 위해 마련되고 부스트 컨버터(200)와 연결될 수 있다.
부스트 컨버터(200)는 태양광 패널(100)의 출력인 DC 신호를 AC나 DC 전압으로 변환하는 장치로, 태양광 패널(100) 및 MPP 추정장치(300)와 연결된다.
MPP를 추출하려면 태양광 패널(100)의 부하 임피던스가 MPP의 임피던스 값과 일치해야 하므로 태양광 패널(100)의 부하(500)에 연결된 부스트 컨버터(200)는 MPP 추정장치(300)에서 산출된 목표값에 기초하여 임피던스 제어를 수행하는 컨트롤러(210)를 포함하여 마련될 수 있다. 그리고 부스트 컨버터(200)에 포함되는 컨트롤러(210)는 추정장치(300)에서 산출된 목표값을 전달받아 부스트 컨버터(200)를 컨트롤할 수 있으며, 도시된 바와 같이 PWM 기능이 있는 프로세서일 수 있다.
한편 MPP(Maximum Power Point) 추정장치(300, 이하 장치)는 태양광 패널(100)의 MPP를 추정하고, 태양광 패널(100)의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 목표값을 산출하여 컨트롤러(210)로 전달하기 위해 마련될 수 있다.
이러한 태양광 패널(100), 부스트 컨버터(200) 및 MPP 추정장치(300)를 포함하는 시스템(10)에서 MPPT의 절차는 태양광 전지 모델에서 V-I 곡선을 획득할 수 있고, 장치(300)에서 산출된 유동섭동값을 사용하여 MPP를 찾기 위해 원하는 PV 전압 또는 전류를 유도하게 된다. 그 후 원하는 PV 전압 또는 전류를 추적하기 위해 컨트롤러(210)에 의해 부스트 컨버터(200)의 PWM 신호가 생성되게 된다.
이를 위해 장치(300)는 사전에 설정되는 복수의 초기섭동값(P1, P2)과 태양광 패널(100)로부터 측정되는 동작전압(
Figure pat00001
) 및 동작전류(
Figure pat00002
)에 기초하여 태양광 패널의 전력이 MPP(Maximum Power Point)에 도달되도록 하는 목표값을 산출할 수 있다.
그리고 장치(300)는 저장부(310), 측정부(320), 산출부(330)를 포함하여 마련될 수 있다.
저장부(310)는 태양광 발전 제어를 수행하는 과정에 필요한 각종 정보를 저장하기 위해 마련될 수 있으며, 태양광 패널(100)의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 및 설정된 복수의 초기섭동값(P1, P2)을 저장할 수 있다.
측정부(320)는 태양광 패널(100)로부터 출력되는 동작전압(
Figure pat00003
) 및 동작전류(
Figure pat00004
)를 측정하기 위해 마련되며, 측정된 동작전압(
Figure pat00005
) 및 동작전류(
Figure pat00006
)를 산출부(330)로 전달할 수 있다.
산출부(330)는 사전에 설정된 복수의 초기섭동값 및 측정부(320)에서 측정된 동작전압(
Figure pat00007
) 및 동작전류(
Figure pat00008
)를 이용하여 태양광 패널의 전력이 MPP이 도달되도록 하는 목표값을 산출할 수 있으며 이를 위해 유동섭동값 산출부(331) 및 목표값 산출부(333)를 포함할 수 있다.
유동섭동값 산출부(331)는 설정된 복수의 초기섭동값(P1, P2)과 측정부(320)에서 측정된 동작전압(
Figure pat00009
) 및 동작전류(
Figure pat00010
)에 기초하여 유동섭동값(
Figure pat00011
) 산출할 수 있다.
그리고 유동섭동값 산출부(331)는 유동섭동값(
Figure pat00012
)을 산출하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 태양광 패널(100)의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 상에서 동작전압(
Figure pat00013
) 및 동작전류(
Figure pat00014
)에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도(
Figure pat00015
)와 반지름(
Figure pat00016
)을 하기의 수학식 1에 기초하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00017
Figure pat00018
또한 유동섭동값 산출부(331)는 유동섭동값(
Figure pat00019
)으로 부스트 컨버터(200)가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값(
Figure pat00020
) 및 부스트 컨버터(200)가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값((
Figure pat00021
)을 산출할 수 있다. 이 때 제2 유동섭동값(
Figure pat00022
)은 현재 동작점에 대응하는 반지름(
Figure pat00023
)에 기초하여 산출할 수 있다.
한편 목표값 산출부(333)는 유동섭동값(
Figure pat00024
)과 동작전압((
Figure pat00025
) 및 동작전류(
Figure pat00026
)에 기초하여 태양광 패널(100)의 전력(
Figure pat00027
)이 MPP에 도달되도록 하는 목표값(
Figure pat00028
)을 산출하기 위해 마련될 수 있다.
이러한 목표값 산출부(333)는 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류(
Figure pat00029
)를 이전 동작전류(
Figure pat00030
)와 비교한 차이값(
Figure pat00031
)을 산출하고, 산출된 차이값(
Figure pat00032
)을 기설정된 임계값(
Figure pat00033
)과 비교할 수 있다. 이러한 임계값(
Figure pat00034
)은 부스트 컨버터(200)의 상태가 과도 응답인지 정상 상태 응답인지를 판단하기 위한 기준으로 사전에 설정될 수 있다.
목표값 산출부(333)는 산출된 차이값(
Figure pat00035
)이 기설정된 임계값(
Figure pat00036
) 이상이면, 과도 응답인 것으로 판단하여 제1 유동섭동값(
Figure pat00037
)을 이용해 목표값(
Figure pat00038
)을 산출하고, 산출된 목표값(
Figure pat00039
)을 컨트롤러(210)로 전달할 수 있다. 이를 위해 MPP 추정장치(300)와 컨트롤러(210)는 유무선 통신을 위한 구성을 포함할 수 있다.
그리고 목표값 산출부(333)는 산출된 차이값(
Figure pat00040
)이 기설정된 임계값(
Figure pat00041
) 미만이면, 현재 동작전력(
Figure pat00042
) 및 이전 동작전력(
Figure pat00043
)을 비교한 결과에 기초하여 목표값(
Figure pat00044
)을 산출하고, 산출된 목표값(
Figure pat00045
)을 컨트롤러로 전달할 수 있다.
이때 목표값 산출부(333)는 현재 동작전력(
Figure pat00046
) 및 이전 동작전력(
Figure pat00047
)을 비교한 결과, 현재 동작전력(
Figure pat00048
)이 이전 동작 전력(
Figure pat00049
)과 동일하면 목표값(
Figure pat00050
)을 이전 동작점에 대응하는 각도
Figure pat00051
와 동일하게 산출할 수 있다.
그리고 목표값 산출부(333)는 현재 동작전력(
Figure pat00052
) 및 이전 동작전력(
Figure pat00053
)을 비교한 결과, 현재 동작전력(
Figure pat00054
)이 이전 동작 전력(
Figure pat00055
)과 동일하지 않으면, 정상 상태 응답인 것으로 판단하여 제2 유동섭동값(
Figure pat00056
)을 이용해 목표값(
Figure pat00057
)을 산출할 수 있다.
이러한 목표값 산출부(333)는 MPP에 도달하기 위한 기준에 대한 각도를 목표값(
Figure pat00058
)으로 산출하며, 하기의 수학식 2에 기초하여 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00059
Figure pat00060
여기서
Figure pat00061
은 시간 지수,
Figure pat00062
는 동작지점의 태양광 패널(100) 전력을 의미하고,
Figure pat00063
는 아직 정의되지 않은 섭동값을 의미하는 것으로, 상술한 유동섭동값 산출부(331)에서 산출된 복수의 유동섭동값 중 하나가 사용된다.
그리고
Figure pat00064
는 모든 시간 단계에서 목표값 산출부(333)에 의해 산출되고, 컨트롤러(210)를 통해 추적하도록 하며, 이러한 과정은 태양광 패널(100)의 작동점이 MPP에 도달될 때까지 반복될 수 있다.
일반적인 종래의 P&O 알고리즘에서는 수학식 2의
Figure pat00065
는 고정된 값을 사용하지만, 이 경우 절충에 대한 문제로 과도 및 정상 상태 응답 모두에서 높은 MPPT 성능을 얻기가 어렵다는 한계가 있다.
하지만 본 발명에서는 유동섭동값 산출부(331)를 통해 적응형 섭동값, 즉 유동섭동값을 아래의 수학식 3에 기초하여 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00066
여기서
Figure pat00067
및
Figure pat00068
는 상술한 바와 같이 초기섭동값으로,
Figure pat00069
은
Figure pat00070
보다 크게 설정된다. 이러한 초기섭동값과 임계값
Figure pat00071
모두 양수이며, 복수의 유동섭동값(
Figure pat00072
,
Figure pat00073
)은 과도 응답 및 정상 상태 응답 모두에서 MPPT 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
목표값 산출부(333)는 이렇게 산출된 복수의 유동섭동값(
Figure pat00074
,
Figure pat00075
)중 과도 응답에서는 MPP에 빠르게 도달하기 위해 상대적으로 큰 값인 제1 유동섭동값(
Figure pat00076
)을 사용하고, 이를 통해 빠른 과도 응답을 얻을 수 있게 된다.
반면 정상 상태 응답에서는 리플을 줄이기 위해 상대적으로 작은 값인 제2 유동섭동값(
Figure pat00077
)을 사용한다. 이러한 제2 유동섭동값(
Figure pat00078
)을 산출하는 유동섭동값 산출부(331)는 상술한 수학식 3에서와 같이 리플 감소를 돕기 위해 1/
Figure pat00079
를 사용하는데 이는
Figure pat00080
가 MPP에서 가장 크기 때문이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도, 그리고 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법은 도 3 및 도 4에 도시된 장치(300)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 3 및 도 4의 장치(300)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
태양광 발전 제어 방법은 태양광 패널(100) 및 태양광 패널의 임피던스 제어를 수행하는 부스트 컨버터(200)와 연결되어 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 MPP 추정장치(300)에서 수행된다.
먼저 복수의 초기섭동값(P1, P2)이 저장되는 단계가 수행될 수 있다(S110).
이후 태양광 패널(100)로부터 동작전압(
Figure pat00081
) 및 동작전류(
Figure pat00082
)를 측정하는 단계를 수행할 수 있다(S120).
그리고 나서 태양광 패널(100)의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 상에서 동작전압(
Figure pat00083
) 및 동작전류(
Figure pat00084
)에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도(
Figure pat00085
)와 반지름(
Figure pat00086
)을 산출할 수 있다(S130).
이후 초기섭동값(P1, P2)과 반지름(
Figure pat00087
)을 산출하는 단계(S130)에서 산출된 반지름에 기초하여 복수의 유동섭동값(
Figure pat00088
)을 산출할 수 있다(S140).
복수의 유동섭동값(
Figure pat00089
)을 산출하는 단계(S140)에서는, 복수의 초기섭동값(P1, P2) 및 반지름(
Figure pat00090
)에 기초하여 부스트 컨버터(200)가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값(
Figure pat00091
) 및 부스트 컨버터(200)가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값(
Figure pat00092
)을 포함하는 복수의 유동섭동값(
Figure pat00093
)을 산출할 수 있다.
그리고 나서 복수의 유동섭동값(
Figure pat00094
)과 동작전압(
Figure pat00095
) 및 동작전류(
Figure pat00096
)에 기초하여 태양광 패널(100)의 전력(
Figure pat00097
)이 MPP에 도달되도록 하는 목표값(
Figure pat00098
)을 산출할 수 있다(S150)
이때, 목표값을 산출하는 단계(S150)는 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류(
Figure pat00099
)를 이전 동작전류(
Figure pat00100
)와 비교한 차이값(
Figure pat00101
)을 산출하고, 산출된 차이값(
Figure pat00102
)을 기설정된 임계값(
Figure pat00103
)과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 목표값을 산출하는 단계(S160)에서는, 차이값(
Figure pat00104
)이 기설정된 임계값(
Figure pat00105
) 이상이면, 과도 응답인 것으로 판단하여 제1 유동섭동값(
Figure pat00106
)을 이용해 목표값(
Figure pat00107
)을 산출하고, 차이값(
Figure pat00108
)이 기설정된 임계값(
Figure pat00109
) 미만이면, 정상 상태 응답인 것으로 판단하여 현재 동작전력(
Figure pat00110
) 및 이전 동작전력(
Figure pat00111
)을 비교한 결과와 제2 유동섭동값(
Figure pat00112
)이용해 목표값(
Figure pat00113
)을 산출할 수 있다.
이하에서는 도 6을 참고하여 목표값을 산출하는 단계(S150)를 보다 자세하게 설명하기로 한다.
목표값 산출부(333)는 차이값(
Figure pat00114
)이 임계값(
Figure pat00115
)이상이면 현재 동작전력(
Figure pat00116
)과 이전 동작전력(
Figure pat00117
)을 비교하고, 현재 동작전력(
Figure pat00118
)이 이전 동작전력(
Figure pat00119
)보다 작으면서 현재 동작전류(
Figure pat00120
)도 이전 동작전류(
Figure pat00121
)보다 작으면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00122
)에 제1 유동섭동값을 더하여 목표값(
Figure pat00123
)을 산출할 수 있다.
만약 현재 동작전력(
Figure pat00124
)이 이전 동작전력(
Figure pat00125
)보다 작지만 현재 동작전류(
Figure pat00126
)는 이전 동작전류(
Figure pat00127
)보다 크면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00128
)에서 제1 유동섭동값(
Figure pat00129
)을 빼는 방식으로 목표값(
Figure pat00130
)을 산출할 수 있다.
그리고 현재 동작전력(
Figure pat00131
)이 이전 동작전력(
Figure pat00132
)보다 크지만, 현재 동작전류(
Figure pat00133
)는 이전 동작전류(
Figure pat00134
)보다 작으면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00135
)에서 제1 유동섭동값(
Figure pat00136
)을 빼는 방식으로 목표값(
Figure pat00137
)을 산출할 수 있다.
반면 현재 동작전력(
Figure pat00138
)이 이전 동작전력(
Figure pat00139
)보다 크고, 현재 동작전류((
Figure pat00140
)도 이전 동작전류보다 크면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00141
)에 제1 유동섭동값(
Figure pat00142
)을 더하여 목표값(
Figure pat00143
)을 산출할 수 있다.
한편 목표값 산출부(333)는 차이값(
Figure pat00144
)이 임계값(
Figure pat00145
) 미만이면 현재 동작전력(
Figure pat00146
)과 이전 동작전력(
Figure pat00147
)을 비교하고, 현재 동작전력(
Figure pat00148
)과 이전 동작전력(
Figure pat00149
)이 동일하면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00150
))를 목표값(
Figure pat00151
)으로 산출하여 현상태를 유지하도록 할 수 있다.
이때 도 6 에서는 미도시되었으나, 차이값(
Figure pat00152
)이 기설정된 임계값(
Figure pat00153
) 이상이어도 현재 동작전력(
Figure pat00154
)과 이전 동작전력(
Figure pat00155
)이 동일하면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00156
))를 목표값(
Figure pat00157
)으로 산출하여 현상태를 유지하도록 할 수 있다.
반면 현재 동작전력(
Figure pat00158
)이 이전 동작전력(
Figure pat00159
)보다 작으면서 현재 동작전류(
Figure pat00160
)도 이전 동작전류(
Figure pat00161
)보다 작으면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00162
))에 제2 유동섭동값을 더하는 방식으로 목표값(
Figure pat00163
)을 산출할 수 있다.
만약 현재 동작전력(
Figure pat00164
)이 이전 동작전력(
Figure pat00165
)보다 작지만 현재 동작전류(
Figure pat00166
)는 이전 동작전류(
Figure pat00167
)보다 크면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00168
))에서 제2 유동섭동값(
Figure pat00169
)을 빼는 방식으로 목표값(
Figure pat00170
)을 산출할 수 있다.
그리고 현재 동작전력(
Figure pat00171
)이 이전 동작전력(
Figure pat00172
)보다 크지만, 현재 동작전류(
Figure pat00173
)는 이전 동작전류(
Figure pat00174
)보다 작으면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00175
))에서 제2 유동섭동값(
Figure pat00176
)을 빼는 방식으로 목표값(
Figure pat00177
)을 산출할 수 있다.
반면 현재 동작전력(
Figure pat00178
)이 이전 동작전력(
Figure pat00179
)보다 크고, 현재 동작전류(
Figure pat00180
)도 이전 동작전류(
Figure pat00181
보다 크면 이전 동작지점에 대응하는 각도(
Figure pat00182
))에 제2 유동섭동값(
Figure pat00183
더하여 목표값(
Figure pat00184
)을 산출할 수 있다.
이후 산출된 목표값(
Figure pat00185
)을 부스트 컨버터(200)에 전달할 수 있다(S160).
한편, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 태양광 발전 제어 방법의 성능을 확인하기 위해 MATLAB/Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 객관적인 비교를 위해 종래의 P&O 알고리즘과 비교 분석하였다.
도 7은 방사 조도 400~500W/m2를 인가한 경우의 시뮬레이션 결과로, 객관적인 비교를 위해 본 발명의 태양광 발전 제어 방법과 기존 P&O 알고리즘의 성능을 비슷하게 파라미터 튜닝을 진행하였다.
도 7 (a)는 일반적인 그래프이고, 도 7 (b)는 도 7 (a)를 확대한 그래프로, 도시된 바와 같이 방사 조도 400~500W/m2가 일정하게 증감하는 시뮬레이션 결과를 볼 수 있다.
그리고 도 8은 도 7에서 사용한 고정된 파라미터값들을 가지고 다른 구간에서도 동일한 성능을 제공하는지 확인하기 위해 방사 조도 100~200W/m2를 인가한 경우의 시뮬레이션 결과로써, 도 8 (a)는 일반적인 그래프이고, 도 8(b)는 확대한 그래프이다.
도 8을 통해 알 수 있듯이 본 발명에 따른 적응형 섭동값인 유동섭동값을 사용하는 P&O 알고리즘이 종래의 고정된 섭동값을 사용하는 P&O 알고리즘보다 정상 상태에서 더 작은 리플을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 태양광 발전 제어 방법을 통해 조도 변화에 따라 적당한 섭동값을 사용할 수 있는 것은 물론, 유동섭동값, 즉 적응형 섭동값을 사용함으로써 고정된 섭동값을 사용하는 종래기술에 비해 MPP 추적 성능을 향상시킴을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 태양광 발전 제어 방법은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 태양광 발전 제어 시스템 100 : 태양광 패널
200 : 부스트 컨버터 210 : 컨트롤러
300 : MPP 추정장치 500 : 부하

Claims (15)

  1. 태양광 발전의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위한 태양광 발전 제어 시스템에 있어서,
    태양광 패널;
    상기 태양광 패널의 MPP(Maximum Power Point)를 추정하고, 사전에 설정된 복수의 초기섭동값과 상기 태양광 패널로부터 측정되는 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP(Maximum Power Point)에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 MPP 추정장치; 및
    상기 태양광 패널 및 상기 MPP 추정장치와 연결되고, 상기 목표값에 기초하여 임피던스 제어를 수행하는 컨트롤러를 포함하는 부스트 컨버터를 포함하고,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 복수의 초기섭동값에 기초하여 복수의 유동섭동값을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 태양광 패널의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 상에서 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도와 반지름을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 복수의 유동섭동값으로 상기 부스트 컨버터가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값 및 상기 부스트 컨버터가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값을 산출하되, 상기 제2 유동섭동값을 상기 현재 동작점에 대응하는 반지름에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류를 이전 동작전류와 비교한 차이값을 산출하고, 산출된 차이값을 기설정된 임계값과 비교하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 이상이면, 상기 과도 응답인 것으로 판단하여 상기 제1 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 컨트롤러로 전달하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 미만이면, 현재 동작전력 및 이전 동작전력을 비교한 결과에 기초하여 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 컨트롤러로 전달하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 현재 동작전력이 이전동작 전력과 동일하면 상기 목표값을 이전 동작점에 대응하는 각도와 동일하게 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 MPP 추정장치는,
    상기 현재 동작전력이 이전 동작전력과 동일하지 않으면, 상기 정상 상태 응답인 것으로 판단하여 상기 제2 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 시스템.
  9. 태양광 패널 및 상기 태양광 패널의 임피던스 제어를 수행하는 부스트 컨버터와 연결되어 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 MPP 추정장치에 있어서,
    상기 태양광 패널의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 및 사전에 설정된 복수의 초기섭동값을 저장하는 저장부;
    상기 태양광 패널로부터 동작전압 및 동작전류를 측정하는 측정부;
    상기 복수의 초기섭동값과 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 복수의 유동섭동값을 산출하는 유동섭동값 산출부; 및
    상기 유동섭동값과 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 목표값 산출부를 포함하는 MPP 추정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유동섭동값 산출부는,
    상기 V-I 곡선 상에서 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도와 반지름을 산출하는 것을 특징으로 하는 MPP 추정장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유동섭동값 산출부는,
    상기 복수의 유동섭동값으로 상기 부스트 컨버터가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값 및 상기 부스트 컨버터가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값을 산출하되, 상기 제2 유동섭동값을 상기 현재 동작점에 대응하는 반지름에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 MPP 추정장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 목표값 산출부는,
    상기 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류를 이전 동작전류와 비교한 차이값을 산출하고, 산출된 차이값을 기설정된 임계값과 비교하는 것을 특징으로 하는 MPP 추정장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 목표값 산출부는,
    상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 이상이면, 상기 과도 응답인 것으로 판단하여 상기 제1 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 부스트 컨버터에 포함된 컨트롤러로 전달하고,
    상기 차이값이 상기 기설정된 임계값 미만이면, 현재 동작전력 및 이전 동작전력을 비교한 결과에 기초하여 상기 목표값을 산출하여 산출된 목표값을 상기 컨트롤러로 전달하는 것을 특징으로 하는 MPP 추정장치.
  14. 태양광 패널 및 상기 태양광 패널의 임피던스 제어를 수행하는 부스트 컨버터와 연결되어 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 MPP 추정장치에서 수행되는 태양광 발전 제어 방법에 있어서,
    복수의 초기섭동값이 저장되는 단계;
    상기 태양광 패널로부터 동작전압 및 동작전류를 측정하는 단계;
    상기 태양광 패널의 복사 조도에 기초한 V-I 곡선 상에서 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 현재 동작점에 대응하는 각도와 반지름을 산출하는 단계;
    상기 복수의 초기섭동값 및 상기 반지름에 기초하여 상기 부스트 컨버터가 과도 응답인 경우 사용되는 제1 유동섭동값 및 상기 부스트 컨버터가 정상 상태 응답인 경우 사용되는 제2 유동섭동값을 포함하는 복수의 유동섭동값을 산출하는 단계;
    상기 복수의 유동섭동값과 상기 동작전압 및 동작전류에 기초하여 상기 태양광 패널의 전력이 MPP에 도달되도록 하는 목표값을 산출하는 단계; 및
    산출된 목표값을 상기 부스트 컨버터에 전달하는 단계를 포함하는 태양광 발전 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 현재 동작점에 대응하는 현재 동작전류를 이전 동작전류와 비교한 차이값을 산출하고, 산출된 차이값을 기설정된 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    상기 목표값을 산출하는 단계에서는,
    상기 차이값이 기설정된 임계값 이상이면, 상기 과도 응답인 것으로 판단하여 상기 제1 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하고, 상기 차이값이 기설정된 임계값 미만이면, 상기 정상 상태 응답인 것으로 판단하여 현재 동작전력 및 이전동작전력을 비교한 결과와 상기 제2 유동섭동값을 이용해 상기 목표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 제어 방법.
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