KR20230111323A

KR20230111323A - 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기

Info

Publication number: KR20230111323A
Application number: KR1020220007001A
Authority: KR
Inventors: 홍준희; 박상영
Original assignee: 가천대학교 산학협력단
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-25
Also published as: WO2023140566A1; KR102599736B1

Abstract

본 발명은, 직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 직렬 연결된 하나 혹은 복수의 직류 전력 변환기의 직류 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치의 전력 제어 방법을 포함하는 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기에 있어서, 상기 전력 제어 방법은, 상기 태양광 모듈의 전압/전류값을 측정하는 단계; 전력 변환 모듈의 전류를 제어하여 최대 전력점이 되도록 하는 단계; 및 상기 태양광 모듈과 연결된 상기 전력 변환 모듈 전체의 통합 전압/전류가 직렬 연결된 상태에서 최대 전력점이 되도록 PV 스트링 전류값을 변화시키면서 전력 변환 모듈을 제어하는 단계;를 포함하며, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는, 제어기 내부에 각각의 성능 상태 회로가 존재하며, 상기 성능 상태 회로에서 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 미만인 경우에는 상기 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 전달하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전압과 전류를 전달하도록 내부 전력 회로를 동작시키는 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 포함하는 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기를 제공한다.

Description

성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기{DIFFERENTIAL POWER PROCESSING UNIT WITH STATE OF HEALTH AND BY-PASS CIRCUIT FOR THE SERIAL CONNECTED PV MODULE}

본 발명은 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기에 관한 것이다.

태양광 발전 시스템은 태양광으로 얻는 에너지원을 전기 에너지로 변환하는 기술로 PV 모듈과 전력 변환기(Power Conditioning System, PCS)로 구성된다.

통상적으로, PV 모듈을 사용한 태양광 발전에 의해서 생산된 전력은 직류이고, 가정용 또는 산업용의 전력 계통에서 전송하는 전력은 교류이다.

즉, 태양광 발전의 직류 전력을 전력 계통에 전송하기 위해서는 교류로 변환할 필요가 있으며, 이를 위해서 태양광 발전 전력인 직류를 교류로 변환하는 전력 변환기(태양광 인버터)를 사용해야 한다.

이 전력 변환기는 두 개의 부분으로 구성되는데, 태양광 발전의 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 직류 전력을 최종적인 교류 전력으로 변환하고 전력 계통으로 전송하는 후단의 직류(DC)- 교류(AC) 인버터로 구성된다(도 1 참조).

기존의 태양광 발전 시스템에서는, 제조 비용을 절감하기 위해 여러 개의 태양 전지 모듈을 한 줄로 직렬 연결해서 PV 스트링(이하, 단순히 '스트링'이라고도 기재함)을 만들고 이를 하나의 전력 변환기에 연결하고 있다.

이 경우에 PV 스트링을 구성하는 일부 태양광 모듈의 발전량이 감소할 때, 예를 들어, 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 일으키는 경우, PV 스트링을 구성하는 나머지 모듈 전체의 발전량도 급격히 저하된다.

이는, 직렬 회로 연결에 있어서, 일부 구성 요소를 흐르는 전류가 줄어들면 나머지 다른 구성 요소의 전류도 이에 상응하는 병목 현상에 의해 줄어들기 때문이다.

대표적인 경우가 건물에 설치하는 태양광 발전 시스템이나 도심형 태양광 발전에서 일부 태양광 모듈에 그늘이 져서 발전량이 줄어드는 부분 그늘짐(Partial Shading) 현상을 들 수 있다.

그늘진 일부 태양광 발전 모듈의 발전 전력이 줄어들면서 나머지 그늘이 지지 않은 태양광 모듈의 발전 전력까지 줄어들도록 영향을 끼치는 현상을 일으킨다(도 2 참조).

이를 해결하기 위해서 최근에는 태양광 모듈 하나당 한 개의 인버터 (마이크로 인버터)를 설치하는 새로운 소형 인버터(마이크로 인버터) 방식이 제안되고 있다.

마이크로 인버터 방식은 PV 스트링 전체에서 모아진 전기를 DC에서 AC로 전환하는 중앙 집중식(스트링 인버터 방식)이 아닌 개별 모듈 각각에 작은 전력 변환기(마이크로 인버터)를 설치해 PV 모듈 단위에서 직류를 교류로 변환하고 이를 공통 병렬 회로에 연결해 발전 전력을 모아서 전력 계통에 전송하는 방식이다.

마이크로 인버터 방식은 개별 모듈마다 전용 인버터를 사용하기 때문에 태양 전지 모듈 당 더 많은 발전이 이루어지도록 하는 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 기능을 갖출 수 있고, 병렬 연결 구조이기 때문에 일부 태양광 모듈에 부분 음영이 생길 경우에도 해당 모듈의 발전량만 감소하고 나머지 모듈의 성능은 정상적인 상태를 유지할 수 있는 방식이다.

그러나, 마이크로 인버터 구조는 마이크로 인버터가 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(1 차측 입력 전압 대비 2 차측 출력 전압의 비율)가 높아서 전력 변환기의 효율이 나빠지는 단점이 있다(도 3 참조).

또한, 기존의 중앙 집중식 전력 조절기의 구성은 도 4에 나타내었다.

상술한 제반 문제점을 해결하기 위해서는 그늘짐이 발생한 모듈 별로 각각의 독립적인 전력 조절기를 설치해야 한다.

독립적인 전력 조절기를 설치하면 그늘짐이 발생한 태양 전지의 최대 전력점을 그늘짐이 발생하지 않은 태양 전지의 최대 전력점과 분리해서 각각의 전력점을 개별적으로 동작하게 할 수 있는데, 이러한 구성을 도 5에 나타내었다.

다만, 이 두 가지 구성에서도 각 모듈이 직렬 연결되기 때문에 직렬로 흐르는 전류의 병목 현상을 피할 수 없어 일부분에 그늘짐이 생기면 전체 발전 출력도 크게 영향을 받게 된다.

직렬 연결로 인한 전류의 병목 현상을 해소하기 위해서는 각 모듈의 전류 출력단을 병렬 연결하는 방식이 필요하다.

이와 같은 병렬 연결 방식의 분산 모듈형 전력 변환기 구성은 두 가지로 나눌 수 있다.

먼저, 도 6에 나타낸 바와 같이 PV 모듈마다 DC-AC 변환을 하는 마이크로 인버터를 사용하는 분산 모듈형 구조가 있다.

또한, 도 7에 나타낸 바와 같이 PV 모듈마다 DC-DC 변환을 하는 DC 옵티마이저(DC optimizer)를 사용해 1 차 변환을 하고, 각 직류 전력을 모아 2 차 DC-AC 변환을 하는 분산 모듈형 구조가 있다.

상기 두 가지 방식에서 각각의 전력 조절기는 연결된 태양 전지 모듈의 최적 상태에서 작동하여 최대 발전 전력을 생산할 수 있다.

도 7의 분산 모듈형 컨버터(DC 옵티마이저) 구조는 종래 중앙 집중식 인버터 구조(도 1 참조)의 내부 구성에서 1 차측 승압형 DC-DC 컨버터를 2 차측 인버터와 분리시키고, 이를 외부로 빼내어 태양 전지 모듈에 설치하는 구조라고 볼 수 있다.

즉, 종래 2 단 구성형 중앙 집중식 인터버에서 최대 출력점 추종(MPPT) 제어와 승압 기능을 담당하던 1 차측 DC-DC 컨버터를 다수의 소용량으로 나눠 각각을 DC 옵티마이저로 만들고 이를 태양광 모듈에 설치해서 각 모듈 상황에 맞는 최대출력점추종(MPPT) 제어를 수행하도록 한 것이다.

이렇게 각각의 태양 전지 모듈에 최대 출력점 추종(MPPT) 제어를 수행하는 전력 조절기가 설치되므로 모든 모듈이 자신의 상황에 맞는 최대 전력점 추종((MPPT) 운전을 하게 되므로, 기존의 중앙 집중식에서 부분 음영 발생시 나타나던 최대 전력점 추종(MPPT) 제어 실패 현상을 개선할 수 있다.

또한 DC 옵티마이저의 출력측을 병렬로 묶어 DC-AC 인버터로 보내므로, 직렬 연결 방식에서 나타나던 전류 병목 현상도 해결할 수 있어, 각각의 태양광 발전 모듈들은 각각이 처한 조건에서 낼 수 있는 최대 전력을 발전할 수 있게 된다.

따라서, 음영이 발생한 모듈의 전류 출력 저하로 인한 전체 시스템의 전력 출력을 떨어뜨리는 현상이 발생하지 않으므로, 태양광 발전 시스템의 발전 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

이러한 분산 모듈형 컨버터 구조는 장점도 있으나 단점도 여러 가지가 있다.

1) 우선, 분산형은 중앙 집중식 전력 조절기에 비해 방수형 밀폐 구조여서 냉각이 어렵고,

2) 설치되는 사용 환경이 보통 모듈 뒤쪽이어서 온도가 높아 제작 비용이 상대적으로 비싸지며,

3) 중앙 집중식 대비 용량이 작아서 상대적으로 소형인 승압 변압기를 사용해서 변압기 용량 감소에 따른 효율 저하가 나타나고, 또한

4) 분산형이므로 제어기가 여러 개 필요하고 제어기 자체의 전력 소비가 커지게 된다.

결국 대용량의 중앙 집중식 전력 변환기를 사용하는 방식 대비 분산형 방식 사용으로 발전 효율 개선도 기대할 수 있으나, 수 % 이상의 효율 저하도 감수해야 한다.

도 8은 동일 조건에서 중앙 집중형 DC/AC 변환기 방식과 병렬 연결한 분산형 DC/AC 변환기 방식이 동작하는 경우에 대한 설명이다.

각각의 경우에서, 패널 1에는 200 W/m², 패널 2에는 500 W/m², 패널 3에는 1000 W/m²의 태양광이 조사 중인 것으로 가정하였다.

여기서 패널의 I-V 및 P-V 곡선은 도 9를 기준으로 하였다.

기존 중앙 집중식의 경우 스트링 전류는 가장 작은 발전 전류를 가지는 패널 1(발전 전류 1.8 A, 패널 전압 35 V, 발전 전력 63 W)이 병목으로 작용해 나머지 다른 패널 2와 패널 3도 같은 전류(1.8 A)를 가지게 된다.

이때 패널 2와 패널 3에서 발전되지 못한 태양광은 열로 바뀌어 패널의 온도를 높이게 된다.

결국 패널 1, 2, 3의 발전 전력 합계는 63 W × 3 = 189 W의 직류 전력이 되며, 통상적인 1 kW 중앙 집중형 DC/AC 변환기의 효율인 90 % 효율을 고려하면 최종 발전 교류 전력은 170 W가 발전된다.

병렬 연결 분산형 DC/AC 변환기의 경우에는 패널 1에서는 동일하게 63 W의 직류가 발전되어 교류로 변환되나, 병렬 연결에서는 전류 병목 현상이 없어서 패널 2는 147 W, 패널 3은 297 W의 직류 전력을 발전할 수 있고, 각각 설치된 분산형 DC/AC 변환기 효율이 중앙 집중식 전력 변환기보다 낮은 85 %를 고려할 때 총 430 W의 교류 전력이 발전된다.

앞서 설명한 기존 중앙 집중식의 경우와 비교해 보면 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 밀폐 측면에서 고가의 기술을 적용해야 하여, 중앙 집중형 DC/AC 변환기에 비해 제조 원가가 비싸지게 된다.

이로 인해 태양광 발전소 건설 시 초기 투자 비용이 커져서 분산형 DC/AC 변환기 확산에 걸림돌이 되고 있다.

최근 새로운 방식의 태양광 발전 전력 변환기 구조로서 차동 전력 변환기가 제안되고 있다.

도 10이 대표적인 경우 중의 하나인데, 이 방식에서는 4 개의 태양광 패널(PV 1부터 PV 4까지)이 각각 다른 발전 출력으로 발전하는 경우이다.

기존 방식에서는 PV1과 PV4는 5.0 A를 발전하고, PV2는 5.2 A, PV3는 4.2 A를 발전할 때 최종적으로 4.2 A만 발전하던 것과 달리 DPP 방식에서는 병렬 연결된 우회로를 설치하고 각 모듈 사이의 전력 차이(차동 전력)를 계산해서 가능한 만큼은 직렬 연결된 경로로 전송하고, 나머지에 해당하는 차동 전력만큼은 병렬 연결된 우회로를 통해 처리해서 결과적으로 총 4.85 A(원래 발전 전류의 산술 평균으로, 각각의 태양광 모듈 모두가 최선을 다해 발전한 결과)를 출력한다.

즉, 4.2 A 출력을 4.85 A 출력으로 개선한다.

이때 주목할 점은 차동 전력을 처리하는 전력 변환기인 DPP는 모듈 간의 전력 차이만 변환하기 때문에 스트링 인버터나 마이크로 인버터 방식과 비교해서 크게 작은 전력을 처리해서(보통 마이크로 인버터 용량의 1/4 수준) 전력 변환기의 가격을 낮추고, 변환 손실도 줄일 수 있다는 점이다.

전력 변환 손실은 처리 전력량에 비례한다.

가령 효율이 90 %인 전력 변환기로 100 W의 전력을 처리할 때는 손실이 10 W가 되고, 20 W의 전력을 처리할 때는 손실이 2 W로 줄어들게 된다.

도 10에서, PV1과 PV4는 5.0 A를 발전하고, PV2는 5.2 A, PV3는 4.2 A를 발전할 때 최종적으로 4.2 A만 발전하던 기존 방식과 달리 DPP 방식은 병렬 연결된 우회로를 통해 각 모듈 사이의 전력 차이(차동 전력)을 처리해서 총 4.85 A(원래 발전 전류의 산술 평균으로, 각각의 태양광 모듈 모두가 최선을 다해 발전한 결과)를 출력한다.

그러나 이런 장점에도 불구하고 기존 DPP 방식은 큰 단점을 가지고 있다.

즉, 도 11에서와 같이 N 개의 태양광 모듈을 처리하는 경우 많은 수의 커넥터를 추가해야 하거나, 이를 줄이기 위해서는 모든 DPP 요소 간 1:N 혹은 N:N 통신이 필요해 비용이 비싸지게 된다는 점이다.

이런 이유로 기존 DPP는 3 개를 초과하는 태양광 패널의 직렬 연결에는 사용하지 않는 것이다.

도 11에 나타낸 기존 DPP(차동 전력 변환기)는 3 개가 넘는 N 개의 태양광 모듈을 처리하는 경우 많은 수의 커넥터를 추가해야 하거나, 이를 줄이기 위해서는 모든 DPP 요소 간 1:N 혹은 N:N 통신이 필요해 비용이 비싸지게 된다는 문제를 나타낸다.

도 12에 DC optimizer라고 알려진 FPP(full power processing) 장치와 우회 회로가 장착된 DPP가 3 개의 태양광 패널에서 직렬 연결 동작하는 경우에 대해 설명하고 있다.

FPP의 경우, 내부 MPPT 회로에 의해 최대 전력을 전달하며, 출력 전압은 최대 전력이 스트링에 전달하기 위해 조절되며, 출력 전류는 도 12의 좌측에 보는 것과 같이 스티링 최대 전류로 자동으로 조정되는 동작 특성을 가지고 있다.

FPP는 비절연형 DC/DC 전력 변환기로 구성되며, 매우 높은 전력 변환 효율(> 93 %)과 낮은 발열 특성을 가지고 있으며 synchronous rectifier 구조로 설계하는 경우 97 % 이상의 효율로도 구성할 수 있다.

FPP1과 FPP2의 경우는 출력 전압을 낮추고 출력 전류를 증가시켜 전력 변환을 하고 있으나, FPP3는 입력 전압과 출력 전압이 거의 동일하게 동작됨을 알 수 있다.

이러한 경우 강압형 컨버터(buck converter)로 구성한 경우, 스위칭 on/off 비율이 거의 '1'이 되어 off되는 시간이 거의 없음을 알 수 있다.

이러한 경우에는 강압형 컨버터의 발열이 심해지고, 가장 많이 사용되는 스위칭 회로인 일반적인 boot strap 회로의 동작이 불가능해져서, 추가적인 회로 없이는 스위칭 on/off 비율이 '1'이 연속적으로 되지 않는다.

도 13에 Inverterd Buck 전력 변환기를 사용한 차동 전력 변환기의 예가 있다.

이러한 전력 변환기는 구조가 매우 간단하고, 저렴하면서 효율이 높은 DC/DC 변환기이다.

태양광 패널에 직류 DC 변환기를 부착하여, 태양광 패널의 발전량을 전기적인 방법으로 더 늘리는 종래 기술은 도 14 및 도 15에 나타내었다.

도 14는 미국 특허 7602080에 개시된 구성이며, 매우 간단한 구조의 전력 변환기를 장착하여, 다수의 패널이 달린 상태에서 발전되는 전류를 보상하는 장치이다.

전력 변환기의 구조상 필요한 인덕터가 없는 형태인데, 별도의 선로가 짧은 경우 인덕터를 장착하거나 혹은 선로가 충분히 긴 경우 선로를 인덕터로 사용할 수 있다.

도 15는 미국 특허 7843085에 개시된 구성이며, 태양광 패널용 직류 전력 변환기 중 가장 큰 판매 규모를 가진 SolarEdge사의 특허이다.

통상 매 패널 당 1 개의 직류 전력 변환기를 장착하여, 이러한 직류 전력 변환기를 직렬로 연결하여, 태양광 패널에서 발생하는 응영 시의 문제를 해결하고, 얻어진 직류를 하나의 중앙 DC/AC 인버터로 교류로 발전하는 방식으로 제안하는 DC 변환기는 도 15에 나타낸 바와 같이 4 개의 스위치를 가지는 승/강압형 DC 변환기이다.

이러한 변환기 구조로 인해, 차동 전력 변환기(= DPP)와 구분하여, 특허 내용상 항상 전력 변환기를 동작한다고 해서 Full Power processing(= FPP)로도 부른다.

도 16은 미국 특허 US 7900361B2에 개시된 구성으로서, 태양광 패널에 달린 FPP에 있어서, FPP 내부 고장이 발생하는 경우에 직렬로 연결된 다른 패널의 에너지를 포함하여, 전체 직렬 회로가 발전이 안되는 문제를 해결하기 위해, 고장이 나더라도, 내부 회로를 통해, bypass하는 회로에 대한 기술이다.

이러한 bypass 기술은 여러개의 태양광 패널을 직렬로 연결해야 하는 구조에서는 필수적이다.

미합중국 등록특허 제7602080호(2009.10.13. 허여) 미합중국 등록특허 제7900361호(2011.03.08. 허여)

본 발명은 2 개 이상의 태양광 모듈을 직렬 연결해 구성하는 태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위해 추가 커넥터의 수를 최소화하고, 통신 기능이 없이도 2 개 이상의 모듈에 대한 최대 전력점 추종(MPPT) 제어가 가능하며, 특히 제어기 내부의 전력 변환기가 고장날 경우에도 태양광 패널이 동작 가능하도록 우회 회로(by pass switch)를 가지는 제어 방법 및 그 장치를 제공하고, 더 나아가서 우회 회로를 좀 더 적극적으로 사용하여, 성능 상태 회로(SOH: state of health)가 회로의 입력/출력 전압/전류를 감시하여, 우회 회로를 통해 전력 변환기의 동작을 전력 손실이 더 적은 방향으로 동작하는 것이 가능하게 하며, 이를 통해 태양광 발전 시스템에 차동 전력 변환기(DPP)를 설치할 때 장착 및 현장 교체 설치가 용이하게 만들고, 설치비를 최소화하는 구조와 제어 방법 및 관련 장치를 제공하는데 목적이 있다.

즉, 기존의 태양광용 FPP의 장점인, 간단한 구조와 차동 전력 변환기의 장점인 낮은 발열의 장점을 합쳐서, 성능 상태 회로 동작으로 전력 변환기가 스위칭되지 않는 구간에서도 최대 전력점 추종 제어가 가능하도록 하는 새로운 형태의 차동 전력 증폭기를 제안하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 통상의 기술자라면 이하의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 직렬로 연결된 복수의 태양광 모듈(PV)에 각각 연결된 하나 혹은 복수의 전력 변환 모듈의 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치의 전력 제어 방법에 있어서,

1) 해당 태양광 모듈의 전압 및 전류값을 측정하고, 각각의 태양광 모듈이 최대 전력점(MPP)에서 발전을 하도록 전력 변환 모듈의 전류를 결정하여,

2) 복수의 태양광 모듈에 연결 설치된 전력 변환기 모두를 직렬 연결한 상태에서 모든 태양광 모듈이 최대 전력점(MPP)에서 동작하도록 스트링 전류값을 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 스트링 전류를 가변하여 전력 변환기를 제어하고,

3) 전력 변환기를 우회하는 전력회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 전력 변환기의 스위칭 손실 없이 우회 회로로 전력을 변환하는 판단을 성능 상태 회로가 기능하는 것을 포함하는 직렬 연결형 차동 전력 변환기 전력제어 방법,

4) 여기서 전력 변환기를 전력 손실을 최소화하기 하고, 동작부품의 개수를 최소화 하면서, 전력 변환기 스위치의 on과 off 비율을 100%로 가능하게 하기 위해 전력 변환기의 스위치의 on/off 비율이 '1'인 경우가 가능하도록 네거티브 강압형 전력 변환기 회로를 포함하는 전력 변환기 구조,

5) 전력 변환기를 우회(bypass)하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고, 네거티브 강압형 전력 변환기를 우회 전력회로와 회로의 동작을 위한 성능상태 회로는 태양광 모듈의 전압과 전력 변환기 출력 전압의 차이를 감시하여 동작하는데, 그 차이가 95 % 이상이면 동작하는 회로로 구성되며, 그 동작 시간은 랜덤으로 구성되는데, 그 오프와 온의 비율은 1/10보다 작다.

6) 사용하는 DC/DC 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형이며, 태양광 모듈에 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결되는 방식,

7) 최대 전력제어기는 완전 디지털 회로와 디지털 제어 알고리즘으로 일정한 시간 간격으로 샘플하여 동작하는 형태로 구성하되며, 성능 상태 회로(SOH)가 동작하여 우회 회로가 동작하여, 전력 변환기의 스위칭 손실을 최소화 하는 최대 전력점에서 동작하도록 자동으로 제어하여 전력 변환기의 손실을 최소화하는 전력제어 방식,

8) 성능 상태 회로(SOH)가 동작한 이후에 우회 회로도 동작이 되므로 패널의 최대 전력점이 이동되었는지 확인할 수 없으므로, 직렬로 연결된 다른 변환기와 동작시간이 겹치지 않게 불 규칙적으로 우회 회로를 off하고 전력 변환기를 켜서, 최대 전력점이 이동되지 않았는지 확인하는 동작 후 최대 전력점의 이동을 확인하여 성능 상태(SOH)에 따라 계속 우회 회로를 동작 시킬지 전력 변환기를 동작 시킬 지 판단하는 방법,

9) 차동 전력 변환기를 현장에서 쉽게 설치하거나 교체할 수 있도록 태양광 발전 시스템용 표준 커넥터인 MC4 커넥터 +/- 2 개의 쌍으로만 구성해서 커넥터 및 배선의 추가나 배전작업이 필요없는 외부접속 및 설치 방법,

10) 사용하는 DC/DC 전력 변환기는 전력 손실을 줄이기 위해 GaN 기반 FET 반도체 소자를 사용하고 200 kHz 이상의 스위칭 주파수로 구동하는 동기형 강압 변환기로 하는 구성 및 이에 대한 제어 방법.

더욱 구체적으로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는, 직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 직렬 연결된 하나 혹은 복수의 직류 전력 변환기의 직류 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치의 전력 제어 방법을 포함하는 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기이며, 상기 전력 제어 방법은, 상기 태양광 모듈의 전압/전류값을 측정하는 단계; 전력 변환 모듈의 전류를 제어하여 최대 전력점이 되도록 하는 단계; 및 상기 태양광 모듈과 연결된 상기 전력 변환 모듈 전체의 통합 전압/전류가 직렬 연결된 상태에서 최대 전력점이 되도록 PV 스트링 전류값을 변화시키면서 전력 변환 모듈을 제어하는 단계;를 포함하며, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는, 제어기 내부에 각각의 성능 상태 회로가 존재하며, 상기 성능 상태 회로에서 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 미만인 경우에는 상기 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 전달하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전압과 전류를 전달하도록 내부 전력 회로를 동작시키는 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형 DC/DC 전력 변환기이며, 상기 태양광 모듈과의 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기를 우회하는 추가적인 전력 회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 내부의 전력 변환기의 전력을 변환하도록 성능 상태 회로가 동작할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는 그 전력 손실을 최소화하기 위해 음극형 강압 DC 변환기 구조로 구성되며, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위치 온/오프의 시간 비율이 '1'인 경우가 가능하도록 하는 스위치 전원 공급 장치 회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기를 우회하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고 상기 음극형 강압 DC 변환기 구조의 전력 변환기의 스위치와 출력 인덕터를 통해 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 회로의 우회 동작을 위한 성능 상태 회로는 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이를 감시하여 상기 전압의 차이가 5 % 이하이면 동작하며, 상기 전력 회로의 동작 시간은 그 오프(off)와 온(on)의 비율이 1/10 미만이 되도록 랜덤으로 설정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 제어기는 추가 현장 배전 작업이 필요하지 않으면서 현장에서 쉽게 교체할 수 있도록 태양광 표준 MC4 커넥터 +/- 2 개의 쌍으로만 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 비절연형 DC/DC 전력 변환기는 300 kHz 이상의 스위칭시 GaN FET 소자를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 태양광 모듈에 각각 병렬 연결된 상기 복수의 직류 전력 변환기는 전압, 전류, 전력이 통신없이 독립 제어되며, 상기 독립 제어를 수행하기 위해서, 상기 복수의 태양광 모듈 각각에 대한 전압 및 전류값을 측정하는 측정부; 상기 전류값을 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 전류값 별로 상기 복수의 전력 변환 모듈의 변환 전력값을 각각 연산하는 연산부; 및 상기 복수의 전력 변환 모듈에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력값을 이용하여, 상기 PV 스트링 전류값 중에서 최대 전력 추종 제어를 위한 PV 스트링 전류값을 탐색하는 탐색부;를 포함하며, 상기 탐색된 PV 스트링 전류값을 추종하도록 상기 복수의 직렬 연결 차동 전력 변환기를 제어하는 제어부와는 다른 성능 상태 회로를 더 포함하며, 상기 성능 상태 회로에서 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 이하인 경우에 신호를 발생시켜, 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전달하는 우회 전력 회로를 동작시키도록 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법은, 직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 직렬로 연결된 복수의 직류 전력 변환기의 직류 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치가 한 개 혹은 여러 개 병렬 연결된 직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법이며, 상기 전력 변환기 별로 상호 통신 없이 태양광 모듈의 양단 사이에 흐르는 PV 스트링 전류값과, 상기 태양광 모듈 각각에 대한 전압 및 전류값을 측정하는 단계; 상기 PV 스트링 전류값을 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 PV 스트링 전류값 별로 복수의 전력 변환 모듈의 변환 전력값을 각각 연산하는 단계; 상기 복수의 전력 변환기에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력값을 이용하여, 상기 PV 스트링 전류값 중에서 최대 전력 제어를 위한 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계; 및 상기 탐색된 PV 스트링 전류값을 추종하도록 상기 복수의 전력 변환기를 제어하고, 제어기 내부에 성능 상태 회로를 더 포함하고 있어 상기 성능 상태 회로에서 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 이하인 경우에 신호를 발생시켜, 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전달하는 우회 전력 회로를 동작시키도록 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 제어하는 단계;를 포함하며, 상기 복수의 태양광 모듈에 각각 병렬 연결된 상기 복수의 직류 전력 변환기는 전압, 전류, 전력이 통신없이 독립 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계는, 상기 PV 스트링 전류값 각각에 대하여 상기 복수의 전력 변환기에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력값 중에서 최대 절대치를 도출하는 단계; 및, 도출된 상기 최대 절대치를 가지는 변환 전력값 중에서 최대값을 가질 때의 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계;를 포함하며, 상기 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계는 상기 탐색된 PV 스트링 전류값이 복수개면 최대 전력값의 전류값에 해당하는 PV 스트링 전류값을 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형 DC/DC 전력 변환기이며,

상기 태양광 모듈과의 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기를 우회하는 추가적인 전력 회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 별도의 우회 회로로 전력을 변환하도록 상기 성능 상태 회로가 동작하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 변환기는 그 전력 손실을 최소화하기 위해 음극형 강압 DC 변환기 구조로 구성되며, 상기 전력 변환기의 스위치 온/오프의 시간 비율이 '1'인 경우가 가능하도록 하는 스위치 전원 공급 장치 회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 회로의 우회 동작을 위한 성능 상태 회로는 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이를 감시하여 상기 전압의 차이가 5 %를 초과하면 동작하며, 상기 전력 회로의 동작 시간은 그 오프(off)와 온(on)의 비율이 1/10 미만이 되도록 랜덤으로 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 변환기를 우회하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고 상기 음극형 강압 DC 변환기 구조의 전력 변환기의 스위치와 출력 인덕터를 통해 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 전력 제어 방법은, 직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 연결된 하나 혹은 복수의 직류 전력 변환기의 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치의 전력 제어 방법이며, 디지털 제어기의 프로그램 가능한 알고리즘을 이용하여 상기 복수의 태양광 모듈의 전압/전류값을 일정 시간마다 샘플 방식으로 측정하는 단계; 각각의 상기 복수의 태양광 모듈이 최대 전력점이 되도록 일정 시간마다 샘플 방식으로 전력 변환 모듈의 출력 전류를 결정하는 단계; 상기 복수의 태양광 모듈과 연결된 전력 변환 모듈 전체의 통합 전압/전류가 직렬 연결된 상태에서 최대 전력점이 되도록 PV 스트링 전류값을 디지털로 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 PV 스트링 전류를 디지털 제어로 가변하여 전력 변환 모듈을 제어하는 단계; 및 별도의 디지털 방식 성능 상태 회로가 존재하여 상기 성능 상태 회로에서 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 상기 직류 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 이하인 경우에 신호를 발생시켜, 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전달하는 우회 전력 회로를 동작시키도록 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형 DC/DC 전력 변환기이며, 상기 태양광 모듈과의 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 변환기를 우회하는 추가적인 전력 회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 추가적인 우회 회로로 전력을 변환하도록 성능 상태 회로가 동작하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전력 변환기를 우회하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고 상기 음극형 강압 DC 변환기 구조의 전력 변환기의 스위치와 출력 인덕터를 통해 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 디지털 제어기는 추가 현장 배전 작업이 필요하지 않으면서 현장에서 쉽게 교체할 수 있도록 태양광 표준 MC4 커넥터 +/- 2 개의 쌍으로만 구성될 수 있다.

기타 본 발명의 바람직한 실시예의 구체적인 내용은 이하의 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목 및 첨부 도면에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 이를 달성하는 방법은 첨부 도면을 참조하여 설명하고 있는 이하 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목의 각 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 설명하는 실시예만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 각 실시예는 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 기술자에게 본 발명의 범위 및 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구 범위의 각 청구항의 범위에 의해 정의됨을 알아야 한다.

본 발명에 따른 태양광 PV 모듈 성능 향상을 위한 직렬 연결 차동 전력 변환기는 모듈 간 직렬로 연결된 태양광 발전 시스템에서 개별 태양광 모듈에 연결되는 하나 혹은 복수개의 전력 변환기가 담당하는 변환 대상 전력값이 최소가 되어 크기와 무게가 줄어들고 원가가 절감되며, 전력 변환기의 효율이 같더라도 변환 손실을 줄일 수 있다.

즉, 기존의 FPP의 장점인 간단한 연결 구조와 기존의 차동 전력 변환기의 장점인 전력 변환기 용량의 감소를 통한 낮은 발열을 합쳐서, 새로운 차동 전력 변환기를 제공할 수 있다.

용량 상태(SOH: state of health)라는 새로운 개념을 통해, 전력 변환기의 스위칭이 없는 상태에서도 직렬 연결된 패널의 최대 전력점을 유지하거나, 더 높은 전력점으로 통신없이 전력 변환하는 것이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

또한, PV 모듈 2 개 이상의 직렬 연결이 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, 차동 전력 변환기가 일부 부품이 고장나서 동작이 되지 않는 경우에 자동으로 우회 동작(= by-pass)이 가능하다.

더 나아가서 우회 회로를 좀 더 적극적으로 사용하여, 성능 상태 회로(SOH: state of health)가 회로의 입력/출력 전압/전류를 감시하여, 우회 회로를 통해 전력 변환기의 동작을 전력 손실이 더 적은 방향으로 동작하는 것이 가능하게 하며, 이를 통해 태양광 발전 시스템에 차동 전력 변환기(DPP)를 설치할 때 장착 및 현장 교체 설치가 용이하게 만들고, 설치비를 최소화하는 구조와 제어 방법 및 관련 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 다른 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은, 태양광 발전 DC-AC 인버터의 내부 구조(1 단계 DC-DC 컨버터와 2 단계 DC-AC 인버터)를 나타낸 도면.
도 2는, 태양광 발전에서의 부분 그늘짐에 의한 전체 발전 전력 저하 현상을 나타낸 도면.
도 3은, 스트링 인버터 방식과 마이크로 인버터 방식을 비교한 도면.
도 4는, 기존 중앙 집중식 및 스트링 방식 전력 변환기 구성을 나타낸 도면.
도 5는, DC-DC 컨버터를 사용하는 분산 모듈형 전력 변환기 구성을 나타낸 도면.
도 6은, PV 모듈마다 DC-AC 변환을 하는 마이크로 인버터를 사용하는 분산 모듈형 구조를 나타낸 도면.
도 7은, PV 모듈마다 DC-DC 변환을 하는 DC 옵티마이저(DC optimizer)를 사용해 1 차 변환을 하고, 각 직류 전력을 모아 2 차 DC-AC변환을 하는 분산 모듈형 구조를 나타낸 도면.
도 8은, 통상적인 300 W 패널 3 개를 직렬 연결한 중앙 집중형 DC/AC 변환기 방식과 병렬 연결한 분산형 DC/AC 변환기 방식을 비교한 도면.
도 9는, 300 W급 태양광 패널의 I-V 및 P-V 특성을 나타낸 도면.
도 10은, 4 개의 태양광 모듈을 처리하는 DPP(차동 전력 변환기) 방식을 나타낸 도면.
도 11은, 기존 DPP(차동 전력 변환기)의 문제점을 나타낸 도면.
도 12는, FPP(Full Power processing 또는 DC optimizer)의 패널 연결 동작을 나타낸 도면.
도 13은, 비절연형 역접속 강압 DC/DC 변환기를 사용한 병렬형 차동 전력 변환기를 나타낸 도면.
도 14는, 종래의 태양광 패널용 전류 균형 장치를 나타낸 도면.
도 15는, 종래의 태양광 패널용 고효율 장치를 나타낸 도면.
도 16은, 종래의 전류 bypass 회로를 나타낸 도면.
도 17은, Spice를 사용한 400 W급 동기 정류형 강압 DC 변환기 회로, 역전압 강압 DC 변환기 회로 및 bypass 상태에서의 전력 변환 효율을 나타낸 도면.
도 18은, 역전압 강압형 DC 변환기의 open loop 제어 V-I 특성을 나타낸 도면.
도 19는, 일반적인 FPP or DC optimizer V-I 곡선 실험 결과를 나타낸 도면.
도 20은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DPP의 V-I 실험 결과를 나타낸 도면.
도 21은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DPP의 초기 Power on 후 동작 특성(개선된 CV 알고리즘)을 나타낸 도면.
도 22은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개선된 constant voltage MPPT 알고리즘을 나타낸 도면.
도 23은, 차동 전력 변환기 연결 전의 태양광 모듈(우측)과 DPP를 간단하게 결선한 구조(중앙), 그리고 DPP 시제품 사진(좌측)을 나타낸 도면.
도 24는, 여러 개의 태양광 패널로 구성된 스트링에 차동 전력 변환기(DPP)를 설치하기 전과 후의 비교 도면.
도 25는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 전력 변환기의 정상 상태 모델(Steady-state Model)을 나타낸 도면.
도 26은, 성능 상태 회로(SOH: state of health)의 동작 예제를 나타낸 도면.
도 27 내지 도 29는, 300 W 태양광 패널 3 개와 차동 전력 변환기(DPP)를 적용해 태양광 발전 스트링을 구성한 후 최종적으로 중앙 집중형 DC/AC 전력 변환기를 통해 교류 전력을 출력하는 태양광 발전 시스템의 동작 방식을 설명한 도면.
도 30은, 300 W 태양광 패널의 개별 동작점에 대한 설명을 나타낸 도면.
도 31은, 도 27 내지 도 29에서 설명한 300 W 태양광 패널 3 개와 차동 전력 변환기(DPP)를 적용해 태양광 발전 스트링을 구성한 후 이렇게 구성한 스트링 3 개를 병렬로 묶어 동작시키는 경우에 대한 설명을 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 대해서 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 단수의 의미만을 가지는 것으로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

더욱이, 본 명세서 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 임의의 구성 요소를 더 포함할 수 있음을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되거나, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이때 제 3 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 이 제 3 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~ 사이에"나 "바로 ~ 사이에", 또는 "~에 이웃하는"이나 "~에 직접 이웃하는" 등의 표현도 동일한 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 관련 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 각 구성 요소의 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 구성 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 첨부 도면에 나타낸 각각의 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호에 의해서 지시하고 있다.

또한, 첨부 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 본 명세서에 있어서 단계를 포함하는 방법의 기재는, 기재되는 경우, 각 단계의 표시를 위한 식별 부호(도면 부호)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것일 뿐이며, 이들 식별 부호는 각 단계의 순서를 확정적으로 지정하여 설명하는 것이 아니며, 문맥상 각 단계의 특정 순서를 명시적으로 기재하지 않는 이상 본 명세서에 기재된 단계의 순서와 상이하게 발생할 수도 있다.

즉, 본 발명의 각 단계는 본 명세서에서 기재된 순서대로 발생할 수도 있고, 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며, 필요하다면 순차적으로 진행하는 것이 아니라 이와 정반대로 역방향의 순서대로 수행될 수도 있으며, 필요에 따라서 일부 단계를 생략한 채로 수행될 수도 있음을 알아야 한다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 기타 통상의 기술자라면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 구성, 및 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 구성 등에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 첨부 도면을 참조하면서 본 명세서 중의 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 다양한 특징적인 구성 및 실시예를 참조하면 본 발명이 청구하고자 하는 범위를 완전히 이해할 수 있을 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

본 발명은 성능 상태 회로(SOH)와 우회 회로(by-pass)가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기에 관한 것으로서, 태양광 발전 시스템 중 특히 다수개의 태양광 패널이 직렬 연결된 경우의 패널에 개별로 장착되는 차동 전력 변환기의 구조와 그 제어 방법에 관한 것이다.

도 17의 (a)에 동기 정류기 방식의 강압 DC 변환기의 spice 모델 회로를 나타내었다.

도 17의 (a)로부터, 대략 100 kHz에서 일반적인 gate driver IC로 380 W 수준의 전력 변환에서 대략 96.8 %의 효율이 나옴을 알 수 있다.

이와 같은 동기 정류기 방식의 경우, 온/오프 듀티를 '1'로 하기 위해서는 별도의 추가 회로가 필요하다.

도 17의 (b)에는 앞의 도 13에서 소개한 역전압 강압 DC 변환기에 대해서 일반적인 gate driver IC로 390 W에서 97.4 % 정도의 전력 변환 효율이 나옴을 알 수 있다.

이런 역전압 강압 DC 변환기는 그 구조가 간단하여, 매우 저렴하고 특히 온/오프 듀티를 '1'로 하는데 별도의 회로가 필요로 하지 않는다.

도 17의 (c)에는 이러한 역전압 강압 DC 변환기가 온/오프 듀티를 '1'로 했을 경우의 437 W에서의 전력 변환 효율이 99.3 %가 나옴을 알 수 있다.

도 18은 역전압 강압형 DC 변환기의 open loop 제어 시의 온/오프 듀티 별로 V-I 특성을 측정한 것으로, 온/오프 듀티가 낮아지면, 전류의 증폭이 매우 잘됨을 알 수 있다.

도 19는 일반적인 FPP 또는 DC optimizer의 400 W 전자 부하를 부착하여 시험된 V-I 동작 곡선에 대한 실험 결과이다.

일반적인 FPP는 MPPT 동작 알고리즘이 P&O 방법을 사용하여, 매우 특징적인 V-I 특성이 발생하여, 특히 전류 증폭 영역에서 매우 좁은 전류 증폭율을 보여 주며, 진동이 매우 크고, 진동을 낮추기 위해 응답 속도를 낮추면, MPPT 효율이 낮아지는 특징이 있다.

그리고 일반적인 FPP 회로는 승/강압형 DC 변환기를 사용하는데, 이 경우 항상 전력 변환기를 스위칭 동작하므로, 스위칭 손실 만큼의 효율 저하가 발생하게 된다(즉, 효율 > 97 %).

도 20은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 차동 전력 변환기(DPP)의 400 W 전자 부하를 통해 시험된 V-I 실험 결과이다.

낮은 전류 영역에서는 by pass로 동작하여, 전력 변환기의 스위칭 동작을 하지 않고 있다가, 특정 전류 이상에서 전류 증폭을 하며, 전류 증폭을 하는 영역에 기존의 FPP에 비해 실험적으로 넒음을 알 수 있다.

바이패스(by pass, 우회) 영역에서는 도 17의 (c)에서처럼 99.3 % 수준의 전력 효율이 나오다가, 정전력 구간이 되면, 97 % 수준의 전력 효율로 출력 전류를 높은 비율로 증폭하고, 비례하여 출력 전압은 낮아진다.

이러한 특징으로 EU 기준 전력 변환기의 효율이 98.5 % 이상 높게 나올 수 있다.

도 21은, DPP의 초기 Power on 이후 동작 특성을 설명하고 있다.

도 20에서처럼, 특정한 전류 이하에서는 by-pass 상태로 동작하다가, 전류가 정전력 구간을 벗어나는 순간의 패널 전압에 계수를 곱하여, 개선된 constant voltage MPPT 알고리즘을 동작시킨다.

도 22는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서 구현된 DPP에서 사용하는 개선된 CV(= constant voltage) MPPT 알고리즘의 흐름도이다.

일반적으로 사용하는 CV와 매우 유사하나, 도 21과 도 20에서 보는 것처럼, by pass 영역에서 스위칭으로 하는 시점까지의 변환에 대해서 새로이 추가된 부분이 있다.

본 발명의 특징적인 DPP를 태양광 모듈에 간편하게 연결하는 방식에 대해 도 23을 참조하여 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

도 23에 나타낸 바와 같이, 기존 태양광 모듈에 설치되어 있는 기설 MC4 커넥터에 추가할 DPP를 간단히 플러그(plug)하면 작업이 완료된다.

연결에는 추가 커넥터가 필요없으며, DPP의 출력단도 연속적으로 연결되므로 다수의 태양광 모듈이 연결된 스트링에 간단하게 적용할 수 있는 수단이 된다.

연결 후에는 무선 통신없이 동작된다.

참고로, 도 23에 표시된 통신 연결 장치는 유지 보수 관리 등을 위한 외부 모니터링용이다.

도 23에 나타낸 바와 같이, 추가 커넥터가 없고, 연속적인 직렬 연결에 대응 가능한 구조임을 알 수 있다.

도 23을 추가적으로 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 23의 차동 전력 변환기는 제어기, 전압/전류 측정기, 무선 통신 연결 장치, 바이패스 스위치(by pass switch)가 합쳐진 DC/DC 변환기와 PV 모듈 연결용 MC4 커넥터, 외부 연결용 MC4 커넥터로 구성된다.

먼저, 전압/전류 측정기는 태양광 모듈의 전압 및 전류값을 측정한다.

제어기는 태양광 패널의 최대 전력점(MPP) 연산 및 제어를 담당하는데, 도 22의 방법으로 초기값을 구한 후, 주변 온도에 대한 보상과 기타 오차를 추가 연산으로 보상하여, 태양광 패널의 최대 전력점(MPP)을 구한 후, 필요한 제어 명령을 내려 DC/DC 변환기를 동작시킨다.

이때 스트링 전류값을 변화(증가 또는 감소)시키면서, 앞서 측정한 전압 및 전류값을 이용하여 상기 스트링 전류값 별로 상기 복수의 차동 전력 변환기가 변환할 변환 전력값을 각각 연산한다.

상기 복수의 차동 전력 변환기에 대웅하여 연산된 각각의 변환 전력값을 이용하여, 변화시킨 스트링 전류값 중에서 최대 전력점(MPP) 제어를 위한 스트링 전류값을 탐색한다.

이때 제어부는 상기 탐색된 최대 전력점 스트링 전류값을 추종하도록 컨버터를 조절하여 상기 복수의 차동 전력 변환기를 빠르게 반복 제어한다.

선택적으로 장착된 무선 통신 연결 장치는 내부값을 외부로 모니터링하는 보조적인 기능을 위해 사용할 수 있으며, 초기 설치나 점검을 위한 다양한 용도로 편리하게 사용할 수 있다.

도 24의 (a)는 기존 PV 모듈 연결 방식을, 도 24의 (b)는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 DPP 연결 방식을 나타내고 있다.

도 25는, 본 발명에서 제안하는 차동 전력 변환기의 정상 상태 모델(Steady-state Model)을 보여준다.

도 25에는 5 개의 PV 패널 중 하나(PV Panel #1)에 제안하는 차동 전력 변환기(DPP)가 설치되어 있다.

이와 같은 정상 상태 회로 모델은 많은 부분이 생략되어 표현되지만 도 25에서 제안하는 차동 전력 변환기가 어떤 원리로 직렬 연결된 다수의 패널(#2, 3, 4, 5)에서의 각각의 발전 전류 및 전체 전류를 결정하는지 확인할 수 있다.

본 발명의 차동 전력 변환기는 MPPT 제어 회로에 의해 입력측 종속 전류원과 출력측 종속 전압원으로 이루어지는 2 포트 모델(2 port model)로 분리하여 해석될 수 있다.

입력측 종속 전류원은 #1 패널의 P-V 곡선(도 9 참조)에 따라 계산되어 최대 전력점이 되도록 I_in을 전류 제어한다.

출력단의 종속 전압원은 전압원 모델이므로 직렬 임피던스가 없거나 매우 작은 회로 소자이다.

출력단 제어기의 동작 주파수가 매우 빠르지 않다고 하면, 정상 상태에서 출력단은 종속 전압원으로만 구성되어, #2, 3, 4, 5의 정전류원을 낮은 임피던스 상태에서 흐를 수 있도록 전류 흐름을 제어할 수 있다.

따라서 이러한 정상 상태 회로 모델을 유지할 수 있는 조건에서는 항상 전류 흐름 제어가 가능하다.

도 26은 성능 상태(SOH) 회로의 동작 예제이다.

여기서 패널1, 2와 DPP1, 2는 FPP(= full power processor)와 동일하게 패널의 전력을 100 % MPPT 변환화여 출력 전압이 패널 전압보다 작게 나오고, 출력 전류는 직렬 연결된 다른 패널의 최대 전류에 의해 정해진다.

패널3과 DPP3은 초기 동작으로 성능 상태 회로에 의해 패널의 전압과 출력 전압이 동일하게 나오므로 바이패스 회로(또는 우회 회로)가 동작하여, 전력 변환기의 스위칭 손실이 '0'으로 동작된다.

바이패스 회로가 동작된 후에 시간이 변하면서 패널3의 출력이 변하는 경우를 감시하기 위해 랜덤한 시간 간격으로 바이패스 회로를 off하고 전력 변환기를 on하여, 짧은 시간동안 MPPT 회로를 동작하는 것이 필요하다.

이후에 패널의 전압과 출력 전압이 거의 같으면 다시 성능 상태 회로가 동작하여 바이패스 회로를 on하고, 다시 랜덤한 시간 이후 다시 바이패스 off 및 전력 변환기 on을 반복하는 동작을 하며, 이러한 바이패스 off/on의 시간 폭은 1/10 - 1/100 또는 더 짧게도 동작될 수 있다.

도 27 내지 도 29에는 300 W 태양광 패널 3 개와 차동 전력 변환기(DPP)를 적용해 태양광 발전 스트링을 구성한 후 최종적으로 중앙 집중형 DC/AC 전력 변환기를 통해 교류 전력을 출력하는 태양광 발전 시스템의 동작 방식을 나타내었다.

도 27에서는, 도 8과 동일하게, PV 패널 1에는 200 W/m², 패널 2에는 500 W/m², 패널 3에는 500 W/m²의 빛 에너지가 조사되고 있으며, 이 경우 PV 패널 2, 3의 DPP2, DPP3은 동작을 하지 않고, by-pass 된다.

본 발명에 따른 차동 전력 변환기(DPP)는 고장이 나거나, 동작할 필요가 없는 경우에는 회로 구조상 자동으로 손실이 최소인 상태로 by-pass 상태가 된다.

PV 패널 2의 DPP2는 스트링 전류값인 8.3 A에 맞추기 위해, PV 패널 2에서 발전되는 전력의 일부(71 W)를 사용하여 출력측 전압을 낮추고(35 V에서 17.7 V로 강압) 전류를 키워(4.2 A + 4.1 A = 8.3 A), 스트링 전류값에 해당하는 8.3 A를 만들어 낸다.

PV 패널 3의 DPP3은 스트링 전류값 8.3 A에 맞추기 위해 PV 패널 3에서 발전되는 전력의 일부(49 W)를 사용하여, 출력측 전압을 낮추고(35 V에서 7.6 V로 강압) 전류를 키워(1.8 A + 6.5 A = 8.3 A), 스트링 전류값 8.3 A를 만들어 낸다.

결국 스트링을 흐르는 전류는 모두 동일하게 8.3 A가 되어 병목 현상이 없고, 스트링 전압은 총 60.3 V가 되어 효율 90 %인 중앙 집중형 DC/AC 변환기를 통해 DC/AC 변환된 결과 총 450 W의 전력을 생산한다.

이 결과는 도 8에 나온 기존 방식(중앙 집중형 스트링 인버터 방식)의 170 W 보다 크게 늘어난 결과이고, 고가의 마이크로 인버터를 사용하는 방식의 430 W 보다도 약 4.7 % 향상된 결과인데 차동 전력 변환기가 크게 저렴함을 고려하면 매우 큰 효과라 할 것이다.

도 28에서는 PV 패널 1에 200 W/m², 패널 2에 500 W/m², 패널 3에는 500 W/m²의 빛 에너지가 조사되고 있으며, 이 경우 PV 패널 3의 DPP3은 동작을 하지 않고, by-pass된다.

PV 패널 1의 DPP1은 패널 1에서 발전되는 전력의 일부(63 W)를 사용하여 전압을 낮추고(35 V에서 15 V로) 전류를 증폭하여(1.8 A에서 4.2 A로) 스트링 전류값인 4.2 A를 만들어 낸다.

도 29에서는 PV 패널 1, 패널 2 및 패널 3 모두에 동일한 200 W/m²의 빛 에너지가 조사되고 있으며, 이 경우 PV 패널 1, 2, 3의 DPP1, DPP2, DPP3은 동작을 하지 않고, 모두 by-pass 된다.

도 27은 케이스 1(Case 1)에 대응하며, 300 W 태양광 패널 3 직렬 + 차동 전력 변환기 회로 구성을 나타낸 도면으로, 서로 다른 음영 상태인 PV 패널 3 개와 직렬 연결 상태를 나타내고 있다.

도 28은 케이스 2(Case 2)에 대응하며, 300 W 태양광 패널 3 직렬 + 차동 전력 변환기 회로 구성을 나타낸 도면으로, 같은 음영 상태의 PV 패널 2 개와 다른 음영 상태인 PV 패널 1 개와 직렬 연결 상태를 나타내고 있다.

도 29는 케이스 3(Case 3)에 대응하며, 300 W 태양광 패널 3 직렬 + 차동 전력 변환기 회로 구성을 나타낸 도면으로, 모두 같은 음영 상태의 PV 패널 3 개와 직렬 연결 상태를 나타내고 있다.

도 30은 300 W 태양광 패널의 개별 동작점에 대한 설명이다.

도 30은 300 W 태양광 패널의 차동 전력 변환기 전력 dithering 전압 허용 동작점(온도 25 도)을 나타내고 있다.

최대 전력점(MPP) 동작을 하는 영역은 도 30처럼 전력(P)이 클수록 더 좁은 영역이 되고, 전력이 작을수록 더 넓은 영역이 된다.

즉, 300 W 출력점은 대략 34 - 38 V 범위에서 흔들리고(dithering), 75 W 출력점은 24 - 38 V의 좀 더 넓은 영역에서 흔들리게(dithering) 된다.

이러한 최대 전력점의 동작 영역 특성은 실제 여러 개의 PV 패널이 직렬로 연결된 상태에서 순간적인 스위칭 동작을 통해 이 직렬 회로 구성을 병렬 회로 구성으로 변경하는 경우, 병렬 회로의 전압이 유지되면서도 최대 전력점을 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 현상이 발생한다.

도 31은 도 27 내지 도 29에서 설명한 300 W 태양광 패널 3 개와 차동 전력 변환기(DPP)를 적용해 태양광 발전 스트링을 구성한 후 이렇게 구성한 스트링 3 개를 병렬로 묶어 동작시키는 경우에 대한 설명이다.

도 27을 참조하여 설명한 바와 같이, PV 패널 3은 by-pass 상태이고 패널 1, 2는 도 27에서보다 좀 더 높은 전압(각각 17.7 V & 7.6 V에서 20.8 V & 8.9 V로), 낮은 전류(8.4 A에서 7.1 A로)인 최대 전력 동작점으로 이동하여 최종 스트링 출력 전압이 60.3 V에서 72 V로 제어된다.

PV 패널 4, 5, 6의 직렬 회로는 도 28과 조건이 같은데 패널 5, 6은 by-pass 상태에서 도 27과 유사하게 최대 전력점이 조정되어, 30 V - 5 A(4.2 A에서 5 A로)의 150 W 전력이 출력된다.

나머지 패널 4는 출력 12 V에 5 A로 제어되어 결국 최종 스트링 출력 전압은 72 V로 제어된다.

PV 패널 7, 8, 9의 직렬 회로는 모두 by-pass 상태다.

도 29의 출력 63 W 운전점 전압의 최소값인 24 V로 동작되며, 이때 전류는 2.6 A로 최종 스트링 출력 전압은 72 V에서 3 개 PV 패널 모두 63 W의 출력 전력으로 제어된다.

도 31은, 300 W 3 직렬, 3 스트링 병렬 연결 회로, 전체 9 PV 패널을 갖는 차동 전력 변환기의 동작을 나타내고 있다.

지금까지 본 발명에 관한 여러 가지 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라 이 청구 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 청구 범위에 의하여 나타내어지며, 그 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 직렬 연결된 하나 혹은 복수의 직류 전력 변환기의 직류 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치의 전력 제어 방법을 포함하는 성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기에 있어서,
상기 전력 제어 방법은,
상기 태양광 모듈의 전압/전류값을 측정하는 단계;
전력 변환 모듈의 전류를 제어하여 최대 전력점이 되도록 하는 단계; 및
상기 태양광 모듈과 연결된 상기 전력 변환 모듈 전체의 통합 전압/전류가 직렬 연결된 상태에서 최대 전력점이 되도록 PV 스트링 전류값을 변화시키면서 전력 변환 모듈을 제어하는 단계;를 포함하며,
상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는,
제어기 내부에 각각의 성능 상태 회로가 존재하며, 상기 성능 상태 회로에서 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 미만인 경우에는 상기 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 전달하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전압과 전류를 전달하도록 내부 전력 회로를 동작시키는 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 1에 있어서,
상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형 DC/DC 전력 변환기이며,
상기 태양광 모듈과의 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 2에 있어서,
상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기를 우회하는 추가적인 전력 회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 내부의 전력 변환기의 전력을 변환하도록 성능 상태 회로가 동작하는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 2에 있어서,
상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기는 그 전력 손실을 최소화하기 위해 음극형 강압 DC 변환기 구조로 구성되며,
상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위치 온/오프의 시간 비율이 '1'인 경우가 가능하도록 하는 스위치 전원 공급 장치 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 4에 있어서,
상기 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기를 우회하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고 상기 음극형 강압 DC 변환기 구조의 전력 변환기의 스위치와 출력 인덕터를 통해 구성되는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 5에 있어서,
상기 전력 회로의 우회 동작을 위한 성능 상태 회로는 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이를 감시하여 상기 전압의 차이가 5 % 이하이면 동작하며,
상기 전력 회로의 동작 시간은 그 오프(off)와 온(on)의 비율이 1/10 미만이 되도록 랜덤으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 2에 있어서,
상기 제어기는 추가 현장 배전 작업이 필요하지 않으면서 현장에서 쉽게 교체할 수 있도록 태양광 표준 MC4 커넥터 +/- 2 개의 쌍으로만 구성되는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 5에 있어서,
상기 비절연형 DC/DC 전력 변환기는 300 kHz 이상의 스위칭시 GaN FET 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 태양광 모듈에 각각 병렬 연결된 상기 복수의 직류 전력 변환기는 전압, 전류, 전력이 통신없이 독립 제어되며,
상기 독립 제어를 수행하기 위해서,
상기 복수의 태양광 모듈 각각에 대한 전압 및 전류값을 측정하는 측정부;
상기 전류값을 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 전류값 별로 상기 복수의 전력 변환 모듈의 변환 전력값을 각각 연산하는 연산부; 및
상기 복수의 전력 변환 모듈에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력값을 이용하여, 상기 PV 스트링 전류값 중에서 최대 전력 추종 제어를 위한 PV 스트링 전류값을 탐색하는 탐색부;를 포함하며,
상기 탐색된 PV 스트링 전류값을 추종하도록 상기 복수의 직렬 연결 차동 전력 변환기를 제어하는 제어부와는 다른 성능 상태 회로를 더 포함하며,
상기 성능 상태 회로에서 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 이하인 경우에 신호를 발생시켜, 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전달하는 우회 전력 회로를 동작시키도록 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는,
성능 상태 회로와 우회 회로가 장착된 태양광 모듈용 직렬 연결 차동 전력 변환기.
직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 직렬로 연결된 복수의 직류 전력 변환기의 직류 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치가 한 개 혹은 여러 개 병렬 연결된 직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법에 있어서,
상기 전력 변환기 별로 상호 통신 없이 태양광 모듈의 양단 사이에 흐르는 PV 스트링 전류값과, 상기 태양광 모듈 각각에 대한 전압 및 전류값을 측정하는 단계;
상기 PV 스트링 전류값을 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 PV 스트링 전류값 별로 복수의 전력 변환 모듈의 변환 전력값을 각각 연산하는 단계;
상기 복수의 전력 변환기에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력값을 이용하여, 상기 PV 스트링 전류값 중에서 최대 전력 제어를 위한 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계; 및
상기 탐색된 PV 스트링 전류값을 추종하도록 상기 복수의 전력 변환기를 제어하고, 제어기 내부에 성능 상태 회로를 더 포함하고 있어 상기 성능 상태 회로에서 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 이하인 경우에 신호를 발생시켜, 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전달하는 우회 전력 회로를 동작시키도록 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로를 제어하는 단계;를 포함하며,
상기 복수의 태양광 모듈에 각각 병렬 연결된 상기 복수의 직류 전력 변환기는 전압, 전류, 전력이 통신없이 독립 제어되는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계는, 상기 PV 스트링 전류값 각각에 대하여 상기 복수의 전력 변환기에 대응하여 연산된 각각의 상기 변환 전력값 중에서 최대 절대치를 도출하는 단계; 및,
도출된 상기 최대 절대치를 가지는 변환 전력값 중에서 최대값을 가질 때의 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계;를 포함하며,
상기 PV 스트링 전류값을 탐색하는 단계는 상기 탐색된 PV 스트링 전류값이 복수개면 최대 전력값의 전류값에 해당하는 PV 스트링 전류값을 선택하는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 직렬 연결 차동 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형 DC/DC 전력 변환기이며,
상기 태양광 모듈과의 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 직렬 연결 차동 전력 변환기를 우회하는 추가적인 전력 회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 상기 직렬 연결 차동 전력 변환기의 스위칭 손실없이 별도의 우회 회로로 전력을 변환하도록 상기 성능 상태 회로가 동작하는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 전력 변환기는 그 전력 손실을 최소화하기 위해 음극형 강압 DC 변환기 구조로 구성되며,
상기 전력 변환기의 스위치 온/오프의 시간 비율이 '1'인 경우가 가능하도록 하는 스위치 전원 공급 장치 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 전력 회로의 우회 동작을 위한 성능 상태 회로는 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이를 감시하여 상기 전압의 차이가 5 %를 초과하면 동작하며,
상기 전력 회로의 동작 시간은 그 오프(off)와 온(on)의 비율이 1/10 미만이 되도록 랜덤으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 전력 변환기를 우회하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고 상기 음극형 강압 DC 변환기 구조의 전력 변환기의 스위치와 출력 인덕터를 통해 구성되는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제어기는 추가 현장 배전 작업이 필요하지 않으면서 현장에서 쉽게 교체할 수 있도록 태양광 표준 MC4 커넥터 +/- 2 개의 쌍으로만 구성되는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 비절연형 DC/DC 전력 변환기는 300 kHz 이상의 스위칭시 GaN FET 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는,
직렬 연결 차동 전력 변환기의 전력 제어 방법.
직렬 구조를 가지는 복수의 태양광 모듈에 각각 연결된 하나 혹은 복수의 직류 전력 변환기의 전력을 제어하기 위한 전력 제어 장치의 전력 제어 방법에 있어서,
디지털 제어기의 프로그램 가능한 알고리즘을 이용하여 상기 복수의 태양광 모듈의 전압/전류값을 일정 시간마다 샘플 방식으로 측정하는 단계;
각각의 상기 복수의 태양광 모듈이 최대 전력점이 되도록 일정 시간마다 샘플 방식으로 전력 변환 모듈의 출력 전류를 결정하는 단계;
상기 복수의 태양광 모듈과 연결된 전력 변환 모듈 전체의 통합 전압/전류가 직렬 연결된 상태에서 최대 전력점이 되도록 PV 스트링 전류값을 디지털로 변화시키면서 상기 전압 및 전류값을 이용하여 상기 PV 스트링 전류를 디지털 제어로 가변하여 전력 변환 모듈을 제어하는 단계; 및
별도의 디지털 방식 성능 상태 회로가 존재하여 상기 성능 상태 회로에서 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 상기 직류 전력 변환기의 출력 전압의 차이가 5 % 이하인 경우에 신호를 발생시켜, 상기 복수의 태양광 모듈의 전압과 전류를 그대로 PV 스트링 쪽으로 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 전달하는 우회 전력 회로를 동작시키도록 최대 전력 제어 회로와 성능 상태 회로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 19에 있어서,
상기 전력 변환기는 내부에 고주파 변압기가 없는 비절연형 DC/DC 전력 변환기이며,
상기 태양광 모듈과의 입력은 직렬로 연결되고 출력은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 20에 있어서,
상기 전력 변환기를 우회하는 추가적인 전력 회로와 성능 상태 회로를 통해 입력/출력 전압/전류를 감시하여 상기 전력 변환기의 스위칭 손실없이 추가적인 우회 회로로 전력을 변환하도록 성능 상태 회로가 동작하는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 전력 변환기는 그 전력 손실을 최소화하기 위해 음극형 강압 DC 변환기 구조로 구성되며,
상기 전력 변환기의 스위치 온/오프의 시간 비율이 '1'인 경우가 가능하도록 하는 스위치 전원 공급 장치 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 22에 있어서,
상기 전력 회로의 우회 동작을 위한 성능 상태 회로는 상기 태양광 모듈의 전압과 상기 전력 변환기의 출력 전압의 차이를 감시하여 상기 전압의 차이가 5 % 이하이면 동작하며,
상기 전력 회로의 동작 시간은 그 오프(off)와 온(on)의 비율이 1/10 미만이 되도록 랜덤으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 22에 있어서,
상기 전력 변환기를 우회하는 전력 회로는 별도의 스위치를 장착하지 않고 상기 음극형 강압 DC 변환기 구조의 전력 변환기의 스위치와 출력 인덕터를 통해 구성되는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 20에 있어서,
상기 디지털 제어기는 추가 현장 배전 작업이 필요하지 않으면서 현장에서 쉽게 교체할 수 있도록 태양광 표준 MC4 커넥터 +/- 2 개의 쌍으로만 구성되는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.
청구항 24에 있어서,
상기 비절연형 DC/DC 전력 변환기는 300 kHz 이상의 스위칭시 GaN FET 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는,
전력 제어 장치의 전력 제어 방법.