KR20230166594A - 무선통신 기반 제어 시스템 - Google Patents

무선통신 기반 제어 시스템 Download PDF

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장현수
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주식회사 현태
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Abstract

다수의 제어시스템과 이를 통합 제어 관리하기 위한 서버 간에 있어서, 제어시스템을 산간오지나 벽지에도 설치할 수 있도록 제어부 네트워크를 구성하여 연결시키고, 각 제어시스템 간 태양광 발전시설을 포함하여 전력을 공급시킬 수 있도록 하는 무선통신 기반 제어 시스템을 개시한다. 본 발명의 무선통신 기반 제어 시스템은 둘 이상의 제어부; 상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되는 서버; 그리고 상기 서버와 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되는 하나 이상의 단말기를 포함하고, 상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와 각각과 통신 가능하게 연결되어 있는 하나 이상의 태양광 발전설비를 포함하고, 상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와, 상기 제어부와 통신 가능하게 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비를 단위로 하여 하나의 제어시스템이 형성되며, 상기 제어시스템은 제어부의 숫자와 동일하게 둘 이상 포함되고, 상기 둘 이상의 제어시스템 내 포함되는 제어부는 제어부 서로간에 통신 가능하게 연결되어 제어부 네트워크를 형성하며, 상기 제어부 네트워크를 형성하는 제어부 간 통신 가능하게 연결된다.

Description

무선통신 기반 제어 시스템{WIRELESS COMMUNICATION-BASED CONTROL SYSTEM}
본 발명은 무선통신 기반 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 제어시스템과 이를 통합 제어 관리하기 위한 서버 간에 있어서, 제어시스템을 산간오지나 벽지에도 설치할 수 있도록 제어부 네트워크를 구성하여 연결시키고, 각 제어시스템 간 태양광 발전시설을 포함하여 전력을 공급시킬 수 있도록 하는 무선통신 기반 제어 시스템에 관한 것이다.
제어시스템의 대상이 되는 수배전반이나 MCC반 또는, 태양광 발전의 배후시설로서 설치되는 에너지 저장 시스템(ESS)나 계통연계 인버터, 변전시스템 등은 과거에는 도심지 등에 설치되었지만 현재는 태양광이라고 하는 설치가 간이하고 장소 제약이 없는 발전방식이 대두됨에 따라 일반적인 전력계통이나 통신연결이 어려운 산간벽지나 오지에도 설치가 가능해지고 있으며, 또한 그 설치 수요 또한 늘어나고 있는 실정이다.
하지만 제어시스템의 전력 공급은 태양광 발전을 통하여 제공한다고 하더라도, 통신연결의 어려움으로 인하여 시스템의 제어를 위한 제어부는 독립적으로 개별 구성해야 하거나, 또는 통신 연결을 위한 유선라인의 연결 등 비경제적인 방식을 사용해야 하는 것이 일반적이었다.
또한 태양광 발전을 통하여 제어시스템에 전력을 공급한다고 하더라도, 태양광 발전의 기상 등으로 인한 불확실성, 발전량 자체의 부족문제 등으로 인하여 보다 효율적이고 최대한의 성능으로 최대의 발전량을 담보할 수 있는 태양광 발전 방식 또한 필요하게 되었다.
본 발명의 출원인은 과거, 등록특허 10-1630232호를 통하여 무선제어를 적용한 MCC반을 출원함으로서, MCC반에 대하여 서버, 스마트폰 등의 단말기를 연계한 제어 시스템을 출원 및 등록받은 바 있다. 하지만 위의 등록특허를 사용함에 있어서, MCC반 하나에 대한 제어방식이기 때문에 둘 이상의 MCC반에 대한 통합제어가 필요하게 되었고, 또한 이러한 MCC반을 오지나 산간벽지 등에 설치하고자 하는 설치수요가 늘어남에 비하여 종래의 방식으로는 상술한 문제점을 해결하기 어렵다는 점에 대하여 착안하여, 본 발명을 안출하게 되었다.
KR등록특허 10-2383046호 KR등록특허 10-0878158호 KR등록특허 10-1654367호 KR등록특허 10-2374435호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 제어시스템을 산간벽지나 오지에 설치하더라도 다른 제어시스템과의 제어부 네트워크를 형성하여 서버와 통신을 함에 있어서 다른 제어부를 라우터로 하여 경유하여 데이터를 제공할 수 있도록 하고, 제어시스템에 전력을 제공하는 태양광 발전시설에 있어서도 최대 효율의 전력을 공급할 수 있도록 하는 무선통신 기반 제어시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,
둘 이상의 제어부; 상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되는 서버; 그리고 상기 서버와 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되는 하나 이상의 단말기를 포함하고, 상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와 각각과 통신 가능하게 연결되어 있는 하나 이상의 태양광 발전설비를 포함하며, 상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와, 상기 제어부와 통신 가능하게 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비를 단위로 하여 하나의 제어시스템이 형성되고, 상기 제어시스템은 제어부의 숫자와 동일하게 둘 이상 포함되고, 상기 둘 이상의 제어시스템 내 포함되는 제어부는 제어부 서로간에 통신 가능하게 연결되어 제어부 네트워크를 형성하며, 상기 제어부 네트워크를 형성하는 제어부 간 통신 가능한 연결은 무선통신 방식으로 연결되는 무선통신 기반 제어 시스템을 제공한다.
상기에서, 제어부 네트워크간 무선통신 연결 방식은 지그비(Zigbee; IEEE 802.15.4-2003)를 사용하는 것이 적합하여 바람직하다.
상기에서, 서버는 각각의 제어시스템과 관련된 데이터 및 정보를 구분 저장하는 제어시스템 데이터베이스; 상기 하나 이상의 태양광 발전설비에 대하여 제어를 실시하는 발전설비 제어부; 그리고 서버 통신부를 포함하며, 상기 제어부는 제어 통신부; 해당 제어부와 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비를 제어하는 전력제어부; 그리고 해당 제어부와 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비에 대하여 직접 제어명령을 입력하고 가시적으로 상황을 확인할 수 있는 수동 입출력부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기에서, 둘 이상의 제어부는 각각 시스템 유닛을 포함하고, 상기 서버는 상기 둘 이상의 제어부 내 각각 포함된 시스템 유닛을 개별적으로 제어하기 위한 시스템 유닛 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기에서의 시스템 유닛은 수배전반 또는 MCC반 중 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는, 상기에서의 시스템 유닛은 에너지 저장 시스템(ESS), 계통연계형 인버터 또는 변압시스템 중 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수도 있다.
상기에서, 제어시스템 데이터베이스는 각각의 제어시스템 별로 구분되어 있는 개별 제어시스템 데이터베이스를 둘 이상 포함하고, 상기 개별 제어시스템 데이터베이스는 각각 일반정보 데이터; 하나 이상의 발전설비 제어 데이터; 그리고 시스템 유닛 제어 데이터를 포함하며, 상기 일반정보 데이터는 하나 이상의 발전설비 ID; 제어부 ID; 그리고 시스템 타입 데이터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기에서, 제어부 네트워크의 연결 토폴로지는 선형, 트리형, 성형, 링형, 메쉬형, 그리고 완전연결형 중 선택된 어느 하나 이상을 사용한다.
상기에서, 서버 또는 제어부 중 선택된 어느 하나는 상기 하나 이상의 태양광 발전설비 중 어느 하나를 제어하기 위하여, 현재의 전압(V(k)), 전류(I(k)), 그리고 태양광량을 측정하는 측정 단계(S1); 상기 단계(S1) 이후, 과거 대비 현재의 전압 변화량(ΔV(k)), 전력량(P(k)), 그리고 전력량 변화량(ΔP(k))을 산출하는 산출 단계(S2); 상기 단계(S1, S2) 이후, 상기 단계(S1, S2)를 통해 측정되거나 또는 구해진 값들을 통하여 현재의 추종위치를 판단하는 판단 단계(S3); 상기 단계(S3) 이후, 전압을 이동시키는 전압 이동 단계(S4); 그리고 상기 단계(S4) 이후, 최대전력점(MPPT)에 도달했다고 판단되는 지점에 대하여 최대전력점 여부를 검사 및 판단하는 최대전력점 검사단계(S5)를 실시하여 최대전력점에 도달하도록 제어한다.
상기에서, 판단 단계(S3)는 상기 단계(S2) 이후 태양광량(S)이 250W/m²를 초과하는지 판단하는 태양광량 판단단계(S31); 상기 단계(S31)에서 태양광량(S)이 250W/m²를 초과한다면, 현재의 전압 변화량(ΔV(k)) 대비 전력 변화량(ΔP(k))의 비(ΔP(k)/ΔV(k))가 0이 되는지 판단하는 최대전력점 도달여부 판단단계(S32); 상기 단계(S32)에서 전압 대비 전력 변화량(ΔP(k)/ΔV(k))이 아니라면, 상기 전력 변화량(ΔP(k))의 부호를 판단하는 전력 변화량 부호 판단단계(S33)를 실시하고, 상기 단계(S33)에서 상기 전력 변화량(ΔP(k))이 양수이면 상기 전압 변화량(ΔV(k))이 0을 초과하는지 측정하여 부호를 판단하는 저1 전압변화량 부호 판단단계(S34)를 실시하며, 상기 단계(S33)에서 상기 전력 변화량(ΔP(k))이 음수이면 상기 전압 변화량(ΔV(k))이 0 미만인지 측정하여 부호를 판단하는 제2 전압변화량 부호 판단단계(S35)를 포함하며, 그리고 상기 단계(S31)에서 태양광량이 250W/m² 이하이거나, 상기 단계(S32)에서 전압 대비 전력 변화량(ΔP(k)/ΔV(k))이 0이면 단계를 종료하도록 한다.
상기에서, 전압 이동 단계(S4)는 4개의 설정전압값 조정 세부단계(S41~S44)를 포함하고, 상기 4개의 설정전압값 조정 세부단계(S41~S44)는 각각 아래의 수학식 1에 따라 설정전압값을 조정한다.
[수학식 1]
Vref(k+1)=V(k)+ΔV(k) *S41에 따른 설정전압값*
Vref(k+1)=V(k)-ΔV(k) *S42에 따른 설정전압값*
Vref(k+1)=V(k)+2ΔV(k) *S43에 따른 설정전압값*
Vref(k+1)=V(k)-2ΔV(k) *S44에 따른 설정전압값*
또한 상기 최대전력점 검사단계(S5)는 4개의 세부단계(S51~S52)를 포함하고, 상기 4개의 세부단계 중 최대전력점 검사단계 2(S52)와 및 최대전력점 검사단계 3(S53)는 각각 전력 변화량(ΔP(k))이 0인지 판단하는 전력 변화량 판단단계(S521); 상기 단계(S521)에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0인 것으로 판단되면, 먼저 구해진 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))을 V01로 별도 저장하고, 상기 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))에 따른 전력값(Pref(k+1))을 P01로 별도 저장하며, n을 2로 세팅하고, na를 기 설정된 값으로 세팅하는 준비 단계(S522); k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구하는 다음 순번 설정 전력값 측정 단계(S523); 상기 단계(S523)에서 구해진, k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))에 따른 전력값(Pref(k+n))을 구하고, 이 값이 상기 P01 값보다 큰지 비교하는 전력값 비교단계(S524); 그리고 상기 상기 단계(S524)에서 k+n시점 전력값(Pref(k+n))이 P01을 초과하면, 현재 구해진 k+n시점의 설정 전압값(Vref(k+n))을 k+1시점으로 초기화시키는 시점 초기화 단계(S525)를 실시한 뒤 해당 단계(S52)를 벗어나 최대전력추종을 계속하며, 상기 단계(S524)에서 k+n시점 전력값(Pref'(k+n))은 P01'(Pref'(k+1)) 이하이면, 상수 n과 na를 비교하여 동일한지 판단하는 상수 비교단계(S526); 상기 단계(S526)에서 상수 n과 na가 같다면, k+1번째 설정 전압값(Vref(k+1))을 V01로 초기화시키는 전압값 초기화 단계(S527)를 실시한 다음 해당 단계(S52)를 벗어나 최대전력추종을 계속하며, 상기 단계(S526)에서 상수 n이 na와 다르다면, 상수 n에다가 1을 더하는 상수 갱신단계(S528)를 실시한 뒤 재귀하여 상기 단계 S523를 실시하도록 제어한다.
상기에서, 상기 단계(S51~S54) 중 최대전력점 검사단계 2(S52) 및 최대전력점 검사단계 3(S53)은 상기 단계(S523)에서 k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구할 때, k+(n-1)시점 설정 전압값(Vref(k+(n-1))에 전압 변화량(ΔV)을 빼서 구한다.
상기에서, 상기 단계(S51~S54) 중 최대전력점 검사단계 1(S51) 및 최대전력점 검사단계 4(S54)는 상기 단계(S523)에서 k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구할 때, k+(n-1)시점 설정 전압값(Vref(k+(n-1))에 전압 변화량(ΔV)을 더해서 구한다.
본 발명에 의하면, 제어시스템을 산간오지나 벽지에 독립형으로 설치하더라도 별도의 제어구성 없이 서버와의 원활한 연결구성을 통해 중앙제어를 효과적으로 받을 수 있도록 할 수 있으며, 또한 제어시스템에 전력을 공급하는 태양광 발전시설에 대하여도 최대전력점을 원활하게 추종할 수 있도록 함으로서 전력 제공 효율을 극대화시킴으로서, 제어시스템의 제어대상이 되는 시스템 유닛을 전력공급 및 통신망 연결이 어려운 산간오지나 벽지 등에도 설치할 수 있다.
도 1은 본 발명의 시스템의 개략 구조도.
도 2 및 도 2a는 본 발명의 시스템의 구체적인 구성요소 구조도.
도 3은 제어 네트워크의 토폴로지 예시도.
도 4는 일반적인 태양광 발전 최대전력추종 그래프.
도 5는 본 발명의 태양광 발전 최대전력추종 순서도.
도 6은 이례적인 태양광 발전 최대전력추종 그래프.
도 7 및 도 8, 도 9 및 도 10은 각각 본 발명의 태양광 발전 최대전력추종 구체 순서도 및 그 결과 그래프.
이하에서는 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해와 실시를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형이나 수정 또는 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 무선통신 기반 제어 시스템의 개략적인 구성 및 구조를 도시한 구조도이다. 이하에서는 도 1을 통하여 본 발명의 무선통신 기반 제어 시스템의 개략적인 구성요소 및 연결구조에 대하여 설명한다.
설명에 앞서, 도 1에서 구성요소들끼리 가는 점선으로 연결된 것은 상호간에 정보 또는 데이터를 주고받을 수 있도록 통신 가능하게 연결되어 있는 것을 의미하며, 굵은 점선의 사각형 박스는 구성요소들을 묶어서 하나의 집합 개념으로 통칭하여 설명하기 위한 것이다.
본 발명의 무선통신 기반 제어 시스템은, 둘 이상의 제어부(20)와, 상기 둘 이상의 제어부(20) 각각과 통신 가능하게 연결되어 있는 하나 이상의 태양광 발전설비(30)를 포함한다.
여기서, 상기 각각의 태양광 발전설비(30)는, 통상의 태양광 발전설비로서 발전에 필요한 태양광 패널과 필요한 하나 이상의 센서를 포함하고 있으며, 필요에 따라 인버터 및 컨버터, ESS 시스템의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 이러한 태양광 발전설비(30) 내 구성요소는 그 규모에 따라 달라질 수 있으며, 또한 규모와 관계 없이 통상의 구성요소들을 사용하면 되므로 이에 대한 설명은 생략한다.
상기와 같이, 둘 이상의 제어부(20a; 20) 중 어느 하나와, 상기 제어부(20a)와 통신 가능하게 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비(30a, 30b, 30c; 30)를 단위로 하여 하나의 제어시스템(CS1; CS)이 형성될 수 있다.
상기와 같은 제어시스템(CS)은, 본 발명에서 둘 이상 있을 수 있으며(CS1, CS2), 다수가 포함될 수도 있을 것이되(CS1~CS4), 각각의 제어시스템의 내부적 구성요소는 상술한 바와 같다.
그리고 상기 제어시스템(CS)이 둘 이상 포함될 때, 상기 제어시스템(CS) 내 포함되는 각각의 제어부(20)들은, 서로간에 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되어 제어부 네트워크(N)를 형성하도록 한다.
이때, 상기 제어부 네트워크(N)를 형성하기 위하여, 각각의 제어부(20)은 통신을 위한 제어 라우터부(211)를 포함하여, 상기 각각의 제어부(20a, 20b, 20c, 20d...)에 각각 포함되어 있는 제어 라우터부(211a, 211b, 211c, 211d...)가 상호간에 유선 또는 무선으로 연결됨으로서, 상기 제어부 네트워크(N)를 형성할 수 있게 된다.
이때, 상기 제어부 네트워크(N)를 형성하는 상기 라우터부(211)간 연결 방식은 유선 또는 무선 중 선택된 어느 하나 이상의 방식으로 구현할 수 있으며, 그 방식은 본 발명의 시스템을 구축하는 서비스 제공자가 필요에 따라 선택하여 구현할 수 있다. 따라서 상기 제어부 네트워크(N)는 상호간에 연결이 유선 또는 무선, 또는 유선과 무선이 혼합된 연결구조를 가질 수 있다.
여기서 바람직하게는, 상기 제어부 네트워크(N)를 형성하는 상기 라우터부(211)간 통신 연결은 무선 통신 방식으로 연결되고, 이에 따라 상기 제어 라우터부(211)는 각각 무선 통신 연결을 위한 구성을 하나 이상 포함하고 있는 것이 바람직하다.
또한 여기서 더 바람직하게는, 상기 제어부 네트워크(N)간의 무선통신 연결 방식은 지그비(Zigbee; IEEE 802.15.4-2003) 프로토콜 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 무선통신 방식 중 본 발명에서의 제어부 네트워크(N)에서 지그비 프로토콜을 사용하는 것이 바람직한 이유는, 지그비가 다른 무선통신 방식에 비하여 구현이 쉽고 전력을 적게 소모하기 때문에 유지보수가 쉽고 오래 지속되며, 안정성과 신뢰성이 높아 임베디드 시스템을 주로 사용하는 산업용 무선통신에 매우 적합한 것으로 알려져 있기 때문이다.
특히, 본 발명에서 상기 제어부(20) 간 통신연결은 본 발명의 시스템이 산간벽지나 오지에 설치될 수 있는 것을 그 전제조건 중 하나로 하고 있기 때문에, 데이터의 주고받는 용량 자체는 다소 적더라도 장기간의 통신지속성 및 신뢰성, 안정성이 매우 중요하여 여러 가지 통신방식 중 지그비를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단되었으며 실제로도 가장 적합하였기 때문이다.
마찬가지로, 유선통신이 아닌 무선통신 방식을 선택한 것 역시 본 발명의 시스템에 포함되는 상기 제어시스템(CS)이 오지나 산간벽지와 같이 유선 통신 개설이 어려운 곳에 설치되는 것을 고려한 것이다. 제어시스템(CS) 내의 구성요소, 즉 제어부(20)과 하나 이상의 태양광 발전설비(30) 내 구성요소들간의 통신은 거리가 짧기 때문에 유선만으로 연결해도 부담이 없고, 전력의 공급 또한 상기 태양광 발전설비(30)에서 공급받는 것이 가능하기 때문에 유선만으로 연결하는 데 큰 어려움이 없으므로 서비스 제공자가 시스템을 구성할 때 선택하여 자유롭게 할 수 있다.
이에 비하여, 오지나 산간벽지에 설치된 제어부(20)가 인터넷과 같은 공중의 전기통신망에 직접 연결되는 것은 어려울 수 있다. 무선통신이 되지 않는 곳에서 제어부(20)가 공중의 전기통신망에 접속하기 위하여, 통신망이 갖춰진 곳까지 유선을 통하여 연결하는 것은 실질적으로 어렵고 경제적인 부담이 될 수 있다. 따라서, 상기 제어부(20)끼리 독립적인 무선 연결 네트워크를 갖춤으로서, 제어부(20)이 라우터의 구실을 하여 산간벽지의 제어부(20b, 20c, 20d)와 통신망과 연결된 제어부(20a) 중 어느 하나를 경유하여 데이터를 주고받을 수 있는 구조를 갖추고자 하는 것이다.
따라서, 본 발명의 시스템은 데이터를 저장하고 제어신호를 수신하는 등의 기능을 포함하는 서버(10)를 포함하고, 상기 서버(10)와 상기 제어부 네트워크(N)에 포함된 어느 하나의 제어부(20a)의 라우터부(211a)간에는 공중의 전기통신망(I)을 통하여 통신 가능하게 일대일로 유선 또는 무선으로 연결된다.
이때 상기 서버(10)와 상기 라우터부(211a)간의 일대일 통신 연결은, 유선 연결되도록 하는 것이 바람직한데 이는 상기 서버(10)와 라우터부(211a)간 높은 통신 신뢰성 통신용량을 확보하여 및 다량의 데이터를 송수신 및 처리하는 데 적합하기 때문이다.
따라서 상기한 오지나 산간벽지의 제어부, 예를 들어 제4 제어시스템(CS4)이 통신망이 갖춰지지 않은 산간벽지에 설치되어 있는 상태라면, 상기 제4 제어시스템(CS4)의 제어부(20d)는 상기 서버(10)와의 통신을 위해, 자신과 무선으로 연결되어 있는 다른 제어부(20c)에게 송신하고자 하는 데이터를 전송하고, 이러한 방식으로 상기 제 제어시스템 제어부(20d)가 송신한 데이터는 다른 제어부(20c, 20b)의 라우터(211c, 211b)를 경유하여 상기 서버(10)와 연결되어 있는 제1 제어시스템(CS1)의 제어부(20a)까지 도달할 수 있고, 상기 제1 제어시스템 제어부(20a)가 상기 서버(10)에 상기 제4 제어시스템 제어부(20d)가 송신한 데이터를 전달함으로서, 산간오지나 벽지에 위치한 제4 제어시스템(CS4)의 데이터가 상기 서버(10)까지 도달할 수 있는 것이다.
이때, 어느 하나의 제어부(20)이 송신한 데이터가 하나 이상의 라우터부(211)를 경유하여 서버(10)에 도달할 때까지의 경로는, 상기 제어부 네트워크(N)의 라우터부(211)간 연결 형태, 즉 네트워크 토폴로지(Topology)에 따라 달라질 수 있다. 이러한 상기 제어부 네트워크(N)의 연결 형태에 대하여는 차후에 설명하도록 한다.
또한 본 발명의 시스템은, 상기 서버(10)와 유선 또는 무선으로 공중의 전기통신망(I)을 통해 통신 가능하게 연결되며, 상기 제어시스템(CS)을 관리하는 관리자(P)가 제어시스템(CS)들의 현황을 확인하고 제어 명령을 송신할 수 있는 단말기(40)를 하나 이상 포함한다.
이때 상기 단말기(40)는, 상기 서버(10)와 통신 가능하고, 하나 이상의 연산장치와 기억장치, 그리고 디스플레이를 포함하여 인터넷 웹 페이지를 확인할 수 있거나, 또는 프로그램 내지는 애플리케이션 등의 소프트웨어를 설치할 수 있는 종래의 스마트폰이나 태블릿, 데스크탑, 랩탑 컴퓨터 등의 종래의 단말기 장치를 사용할 수 있다. 따라서, 상기 서버(10)가 상기 단말기(40)에게 데이터를 가시적으로 제공하는 방법 또한 통상의 방식을 따르면 되므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 시스템에서 서버(10) 및 제어부(20)의 구체적인 구조도이며, 도 2a는 본 발명의 서버(10) 내 DB의 구조도이다. 이하에서는 도 2 및 도 2a를 통하여 본 발명의 서버(10) 및 제어부(20)의 구체적인 구성요소에 대하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템에 포함되는 서버(10)는, 각각의 제어시스템(CS)과 관련된 데이터 및 정보를 구분하여 저장하고 있는 데이터베이스인 제어시스템 데이터베이스(110), 그리고 각각의 제어시스템(CS) 내 포함되는 하나 이상의 발전설비(30)에 대하여 개별적인 제어신호를 송신함으로서 제어를 실시하는 발전설비 제어부(120), 상기 각각의 제어시스템(CS) 내 포함되는 시스템 유닛(24)에 대하여 개별적인 제어신호를 송신함으로서 제어를 실시하는 시스템 유닛 제어부(130), 그리고 상기 각각의 제어부(20) 중 어느 하나의 라우터부(211)와 공중의 전기통신망을 통해 통신 가능하게 연결되며, 또한 상기 단말기(40)와 공중의 전기통신망을 통해 통신 가능하게 연결되어 통신을 실시하는 서버 통신부(140)를 포함한다.
여기서 상기 서버 통신부(140)와 상기 라우터부(211) 간의 통신 방식 및 구성, 그리고 상기 서버 통신부(140)와 단말기(40)간의 통신 방식 및 구성은 종래의 일반적인 방식을 따르므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 제어부(20)는, 제어시스템(CS)의 구성요소로서 자신과 함꼐 포함되어 있는 하나 이상의 태양광 발전설비(30)와 통신을 실시하기 위한 종래의 구성요소를 포함하며, 또한 다른 제어부 또는 서버(10)와 통신 가능하게 연결되어 있는 라우터부(211), 그리고 자신과 다른 제어반을 구분하기 위하여 고유하게 책정되어 있는 ID 또는 고유번호가 저장되어 있는 제어부 ID(212)를 포함하는 제어 통신부(21)를 포함한다.
또한 상기 제어부(20)는, 자신과 연결된 상기 하나 이상의 태양광 발전설비(30)를 보조적으로 제어하기 위한 전력제어부(22)와, 상기 태양광 발전설비(30)에 대하여 서버를 거치지 않고 관리자(P)가 현장에서 직접 제어명령을 입력하고 상기 제어부(20) 및 제어시스템(CS) 전체의 상황을 가시적으로 확인할 수 있는 수동 입출력부(23)를 포함한다.
여기서, 상기 태양광 발전설비(30)에 대한 제어는 상기 서버(10)가 상기 발전설비 제어부(120)를 통해 실시하는 것이 바람직하지만, 상술한 바와 같이 상기 관리자(P)가 상기 수동 입출력부(23) 및 전력제어부(22)를 통해 직접 제어를 실시할 수도 있다. 따라서, 평시에는 상기 전력제어부(22) 및 수동 입출력부(23)는 비활성화된 상태이며, 상기 관리자(P)가 별도의 절차를 밟아 활성화될 때에만 상기 전력제어부(22) 및 수동 입출력부(23)가 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 제어부(20)는, 시스템 유닛(24)을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 시스템 유닛(24)은 상기 제어부(20)가 연결된 상기 하나 이상의 태양광 발전설비(30)의 발전 목적물이 되는 것으로, 상기 태양광 발전설비(30)의 발전 배후에 있는 통상의 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이거나 또는, 계통 송전을 위한 계통연계형 인버터, 또는 변압시스템 중 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는, 상기 시스템 유닛(24)은 상기 태양광 발전설비(30)로부터 전력을 제공받아 동작하는 별도의 제어 시스템일 수도 있는데, 예를 들어 통상의 수배전반 또는 MCC(Motor Control Center)반일 수도 있다.
만약 상기 시스템 유닛(24)이 수배전반 또는 MCC반일 경우, 상기 시스템 유닛(24)은 상기 제어부(20)와 연결된 태양광 발전설비(30)에 대하여 일반적인 종래의 방법을 통하여 필요한 제어를 할 수도 있으나, 독립적으로 구분되어 별도의 기능을 할 수 있도록 구성할 수도 있다. 여기서 상기 시스템 유닛(24)이 태양광 발전설비(30)와 독립되어 있으면, 상기 태양광 발전설비(30)는 시스템 유닛(24)에게 전력만 제공하면 될 것이다.
그리고 상기 시스템 유닛(24)은 상술한 서버(10)의 시스템 유닛 제어부(130)의 제어명령에 따라 동작한다. 하지만 비상사태를 대비하여, 관리자가 현장에서 직접 제어를 실시할 수 있도록 상기 전력제어부(22)가 시스템 유닛(24)을 제어할 수 있는 제어명령을 생성하여 송신할 수 있도록 하여, 관리자(P)가 상기 수동 입출력부(23)를 통해 상기 전력제어부(22)가 시스템 유닛(24)을 제어할 수 있는 명령을 입력하고 상황을 확인할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
그리고 상술한 바와 같이, 본 발명의 시스템에서 제어시스템(CS)은 둘 이상 포함되며, 따라서 상기 서버 내 제어시스템 데이터베이스(110)는 각각의 제어시스템(CS) 별로 구분하여 개별 제어시스템 데이터베이스(111, 112, 113, 114....)가 포함되어 있다. 모든 개별 제어시스템 데이터베이스(111, 112, 113, 114....)는 그 구성요소가 모두 동일하므로, 이하에서는 도 2a를 통하여 그 중 어느 하나의 개별 제어시스템 데이터베이스(111)의 구성요소를 일예시로 하여 설명한다.
개별 제어시스템 데이터베이스(111)는, 해당 제어시스템의 일반정보를 포함하는 일반정보 데이터(1111), 그리고 해당 제어시스템에 포함되는 하나 이상의 발전설비에 대한 제어 데이터가 개별적으로 구분 저장되어 있는 발전설비 제어 데이터(1112), 그리고 해당 제어시스템 내 제어부(20)에 포함되는, 시스템 유닛(24)에 대한 제어 데이터가 개별적으로 구분 저장되어 있는 시스템 유닛 제어 데이터(1113)를 포함한다.
이때 상기 제어시스템에 포함되는 태양광 발전설비(30)는 둘 이상일 수도 있는데, 이에 따라 상기 발전설비 제어 데이터(1112)는 각각의 태양광 발전설비들에 따라 그 데이터가 구분 저장되어 있어야 할 것이다.
상기 일반정보 데이터(1111)는, 해당 제어시스템에 포함되는 하나 이상의 태양광 발전설비에 대하여 구분 식별을 위한 ID 또는 고유번호를 포함하는 발전설비 ID(1111a), 해당 제어시스템에 포함되는 제어부의 구분 식별을 위한 ID 또는 고유번호를 포함하는 제어부 ID(1111b), 그리고 해당 제어시스템(CS)에 대하여 관리자가 설정하는 시스템 타입 데이터(1111c)를 포함한다.
여기서, 상기 발전설비 ID(1111a)는, 상기 태양광 발전설비(30)가 해당 제어시스템(CS)에 하나 이상 포함되어 있으므로, 둘 이상일 경우 상기 발전설비 ID(1111a)에는 둘 이상의 ID 또는 고유번호가 저장되어 있을 수 있으며, 이 때는 상기 발전설비 ID(1111a) 내 상기 태양광 발전설비의 ID 또는 고유번호가 구분 저장되어 있거나, 또는 아예 상기 일반정보 데이터(1111) 내 발전설비 ID(1111a)가 하나 이상 포함될 수 있다.
또한 상기 발전설비 제어 데이터(1112)는, 해당되는 태양광 발전설비(30)가 둘 이상일 경우, 내부적으로 각각의 태양광 발전설비(30) 관련 제어 데이터를 구분 저장하기 위한 세부적인 데이터 항목들을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 시스템 타입(1111c)은, 상기 시스템 유닛(24)의 성질에 따라 관리자(P)가 평가하여 표시한 것이다. 예를 들어, 상기 시스템 유닛(24)이 에너지 저장 장치 또는 계통 송전을 위한 계통연계 인버터나 변압시스템일 경우, 해당 제어시스템(CS)의 시스템 타입(1111c)은 발전 타입이 될 수 있다.
또는, 상기 시스템 유닛(24)이 다른 장치 또는 시스템을 운용하기 위한 수배전반 또는 MCC반일 수도 있다. 이럴 경우, 상기 시스템 타입(1111c)은 제어 타입이 될 수 있다.
상기와 같은 시스템 타입(1111c)은 관리자가 시스템을 구축할 때 필요에 따라 임의로 설정하여 적용하는 것으로서 그 선정 및 구축 방식은 종래의 방식을 따르면 된다.
도 3은 본 발명의 다수의 제어부(20) 간 제어부 네트워크(N)의 연결 형태인 토폴로지(Topology) 예시도이다. 이하에서는 도 3을 통하여 본 발명에 포함되는 다수의 제어부(20)가 상호간에 연결되는 제어부 네트워크(N)의 연결 형태에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 다수의 제어부(20)는 상호간에 연결되어 제어부 네트워크(N)를 형성하고, 상기 제어부 네트워크(N)에 속한 다수의 제어부 중 어느 하나의 라우터(제1라우터; 211a)는 서버(10)와 통신 가능하게 연결된다. 그리고 상기 제어부 네트워크(N)에 속한 제어부의 라우터들(211a~211h)간에는 통신 연결 방식을 무선 통신 방식으로 연결되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 제1라우터(211a)와 서버(10)간의 통신 연결 방식은 유선 통신 방식으로 공중의 전기통신망을 통해 연결되도록 하는 것이 바람직하다.
이때 상기 제어부 네트워크(N)간의 연결 형태로서 선택 가능한 토폴로지는 도 3의 선형(A; Linear), 트리형(B; Tree), 성형(C; Star), 링형(D; Ring), 메쉬형(E; Mash), 그리고 완전연결형(F; Fully connected) 중 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
도 4는 일반적인 태양광 발전 시스템에서의 전력(P)-전압(V) 그래프이며, 도 5는 본 발명의 시스템에서 상기 제어부(20)가 태양광 발전설비(30)의 전압을 결정하기 위한 최대전력추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 방식의 순서도이다.
또한 도 6은 본 발명의 제어 대상이 되는 P-V 그래프이고, 도 7 및 도 8, 그리고 도 9 및 도 10은 각각 각각 상기 도 5의 순서도 내 세부 순서도 및 그 결과 그래프이다.
이하에서는 먼저, 도 5 를 통하여 본 발명의 시스템에서 상기 하나 이상의 태양광 발전설비(30) 각각을 제어하기 위한 최대전력추종 방법의 각 단계에 대하여 설명한다.
설명에 앞서, 상기 도 5의 최대전력추종 제어의 주체가 되는 제어주체는 상기한 서버(10) 내 발전설비 제어부(120)로서, 상기 발전설비 제어부(120)는 제어 객체가 되는 태양광 발전설비(30)에 포함된, 각종의 센서 및 제어에 필요한 데이터를 제공받아 자신이 포함된 제어시스템의 개별 데이터베이스(111. 112, 113, 114....)에 포함된 데이터를 참조하여 도 5의 절차에 따른 해당 발전설비(30)에 대한 최대전력추종 제어를 실시하게 된다.
따라서, 상기 제어시스템(CS)은, 포함되어 있는 하나 이상의 태양광 발전설비(30)의 정해진 센싱 데이터를 주기적으로 상기 서버(10)에 제공해야 하며, 이러한 데이터의 송수신 및 제공 방식 등은 종래의 방식을 그대로 따르면 되므로 이에 대한 설명은 생략한다.
일반적으로 태양광 발전 시스템에서의 P-V 관계 그래프는 도 4와 같은 형태를 이루는 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 최대전력점(MPPT)을 추종하기 위하여, x축의 전압값을 변동시켜서 최종적으로 최대전력점(MPPT)에 따른 설정전압값(Vref) 및 설정전력값(Pref)을 갱신 설정하는 것이 태양광 발전에서의 최대전력추종의 목표가 된다.
그리고 본 발명의 시스템에서 사용하는 최대전력추종 방식이 도 5에 도시되어 있다. 이하에서는 도 5를 통하여 본 발명의 시스템에서 상기 제어부(20)가 연결된 태양광 발전설비(30)를 제어하기 위한 방법에 대하여 설명한다.
설명에 앞서, 도 5의 순서도에서 결말로서 'return' 은 도 5의 순서도에 따른 각 단계가 최종적으로 실현된 뒤, 재귀하여 다시 'start' 부터 다시 반복적으로 수행되어야 하는 것을 의미한다. 따라서 도 5의 순서도에 따른 각 단계는, 단계 완료 후 종결되는 것이 아니라, 실시간으로 기 설정된 일정 시간 간격을 두고 반복 수행되는 것이다.
또한, 이하에서 'V' 는 상기 태양광 발전설비(30) 내 태양전지를 통하여 실제로 측정한 전기에너지의 전압값이며, 'Vref' 는 상기 서버(10) 내에 기 설정되어 있으며 시간대별로 구분 저장 또는 갱신 저장될 수 있는 전압 설정값이다. 물론 상기 실 측정 전압값(V) 또한 서버 내에 시간대별로 구분 저장 또는 갱신 저장될 수 있다.
먼저 상기 태양광 발전설비(30) 내 포함되어 있는 하나 이상의 통상의 태양전지를 통하여 발전되고 있는 전기에너지에 대한 현재의 전압(V(k)), 전류(I(k)), 그리고 태양광량(S)을 측정하는 측정 단계(S1)를 실시한다.
여기서 k는 시간의 흐름을 표현하기 위한 통상의 시간 흐름 시점을 표현한 것이다.
그리고 과거 대비 현재의 전압 변화량(ΔV(k)), 전력량(P(k)), 그리고 전력량 변화량(ΔP(k))을 산출하는 산출 단계(S2)를 실시한다.
그리고 상기 단계(S1, S2)를 통해 측정되거나 또는 구해진 값들을 통하여 현재의 추종위치를 판단하는 판단 단계(S3)를 실시한다.
상기 판단 단계(S3)는 여러 세부단계(S31~S35)를 실시함으로서 상기 태양광 발전설비(30)의 발전 상태를 파악할 수 있는데, 먼저 상기 발전설비(30) 내 포함될 통상의 광량센서를 통하여 측정된 태양광량(S)이 250W/m²를 초과하는지 판단하는 태양광량 판단단계(S31)가 실시된다.
만약 상기 태양광 판단단계(S31)에서 태양광량(S)이 250W/m²이하라면, 태양광량(S)이 발전에 충분할 정도가 되지 않아 최대전력점 추종을 하는 것이 무의미하다는 것을 의미하므로, 전압 설정값(Vref)을 기 설정된 설정값으로 입력하여 갱신 저장하고 과정을 종료한다.
그리고 상기 단계(S31)에서 태양광량(S)이 250W/m²를 초과한다면, 태양광량(S)이 발전에 충분할 정도로 제공되고 있다는 것을 의미하므로, 현재의 전압 변화량(ΔV(k)) 대비 전력 변화량(ΔP(k))의 비(ΔP(k)/ΔV(k))가 0이 되는지 판단하는 최대전력점 도달여부 판단단계(S32)가 실시된다.
만약 상기 최대전력점 도달여부 판단단계(S32)에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0이어서 전압 대비 전력 변화량(ΔP(k)/ΔV(k))이 0으로 계산된다면, 현재 전력 변화량(ΔP(k))이 0이어서 변동이 없고, 이는 현재 최대전력점에 위치하고 있다는 것을 의미하므로 단계를 종료한다.
또는 현재 전력변화량(ΔP(k))이 0이 아니라면, 이는 아직 최대전력점에 도달하지 않았다는 것을 의미하므로, 다음 단계로 넘어간다.
상기 도달여부 판단단계(S32)에서 전압 대비 전력 변화량(ΔP(k)/ΔV(k))이 0이 아니라면, 전력 변화량(ΔP(k))값이 0을 초과하는지를 측정함으로서, 부호를 판단하는 전력 변화량 부호 판단단계(S33)를 실시한다.
만약 상기 단계(S33)에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0을 초과하는, 즉 양수의 값을 가진다면, 상기 전압 변화량(ΔV(k))이 0을 초과하는지 측정함으로서 부호를 판단하는 제1 전압 변화량 부호 판단단계(S34)를 실시한다.
그리고 상기 단계(S33)에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0 이하인, 즉 음수의 값을 가진다면, 상기 전압 변화량(ΔV(k))이 0 미만인지 측정함으로서 부호를 판단하는 제2 전압 변화량 부호 판단단계(S35)를 실시한다.
상기 단계(S34, S35)의 실시 이후, 전압 이동 단계(S4)가 실시된다.
이때, 상기 단계(S34, S35)의 실행에 따라 총 네 가지 경우의 수가 발생하게 되는데, 따라서 상기 전압 이동 단계(S4)는 상기 단계(S33~S35)에 따라 파생되는 네 가지 경우의 수에 각각 대응하기 위한 네 가지 설정전압값 조정 세부 단계(S41~S44)를 포함한다. 각 파생 조건에 따른 세부 단계의 실행조건은 아래의 표 1과 같이 정리할 수 있다.
단계S33에서의
ΔP(k) 부호		 단계 S34에서의
ΔV(k) 부호		 단계 S35에서의
ΔV(k) 부호		 단계 S4에서 실행할 세부단계
+ + S41
+ _ S42
_ + S43
_ - S44
상기 표 1과 같은 조건에 따라 세부 단계(S41~S44)가 실행되는데, 상기 세부 단계(S41~S44)는 설정 전압값(Vref)을 갱신하기 위한 것이다.
상술한 바와 같이, 상기 태양광 발전시설(30)의 태양전지를 통해 측정된 실제 전압값(V)과 설정전압값(Vref)은 다를 수 있는데, 상기 설정전압값(Vref)을 최대전력을 추종할 수 있는 값으로 설정하고 이를 통하여 실제 전압값(V)을 설정전압값(Vref)과 동기화시킴으로서 상기 태양광 발전시설(30)이 최대전력점을 추종할 수 있도록 하는 것이 태양광 발전에서의 최대전력점 추종 제어의 일반적인 방법으로서, 본 발명의 시스템에서 최대전력점을 추종하는 방법 또한 이러한 일반적인 최대전력점 추종 제어를 포함하고 있다. 따라서 상기 전압 이동 단계(S4) 내 설정전압값 조정 세부단계(S41~S44)는 실제 전압값(V(k))과 그 변화량(ΔV(k))을 기반으로 설정 전압값(Vref)을 구하게 되는데, 이때의 설정 전압값은 한 시간 단위 뒤, 즉 미래 시간대인 k+1 시점의 설정 전압값(Vref(k+1))이 되며, 이때 구해진 설정 전압값(Vref(k+1))은 다음 시간 단위 뒤 회차에서 상기 태양광 발전시설(30) 내 태양전지의 전압값 설정에 사용되는 것이다.
이때 상기 설정전압값 조정 세부단계(S41~S44)에서 다음 시점의 설정 전압값(Vref(k+1))은 도 5에 도시된 바와 같이, 아래 수학식 1~4와 같이 구해진다.
먼저, 단계 S41에서의 다음 시점 설정전압값(Vref(k+1))은 아래 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
그리고 단계 S42에서의 다음 시점 설정전압값(Vref(k+1))은 아래 수학식 2과 같다.
Figure pat00002
그리고 단계 S43에서의 다음 시점 설정전압값(Vref(k+1))은 아래 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
마지막으로 단계 S44에서의 다음 시점 설정전압값(Vref(k+1))은 아래 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
이때 수학식 1~4에서, 단계 S43 및 S44는 전압 변화량(ΔV(k))의 2배수만큼 적용시키는데, 이는 상기 단계(S43, S44)는 상기 단계(S33)에서 전력 변화량(ΔP(k))의 부호가 음수일 때 적용되는 것으로서, 전압이 전력을 감소시키는 잘못된 방향(S43, S44)으로 이동할 경우 반대방향으로 2배만큼 스텝 크기를 전력 변화량(ΔP(k))이 증가하는 방향으로 하여 응답속도를 빠르게 하도록 하기 위한 것이다.
이하에서는 도 4 및 도 5의 S1~S4단계를 통하여 일반적인 최대전력점 추종 방식을 간단히 설명한다.
전제해야 할 것은, 먼저 일반적인 구성을 따르는 본 발명의 태양광 발전설비(30)에서의 태양광 인버터는, 항상 상기 설정 전압값(Vref)의 초기 세팅은 최대전압(Voc; Voltage Open Circuit) 지점에 있다는 것이다. 따라서 상기 설정 전압값(Vref)은 초기 세팅에 따라 최대값으로 설정되어 있으며, 따라서 도 4의 ① 방향에 따라 설정 전압값(Vref)을 감소시키는 제어를 해야 하고, 따라서 도 5에서의 S42 단계를 실시하여 설정 전압값(Vref)을 감소시킨다.
상기 단계(S42)를 통해 설정 전압값(Vref)을 감소시키는 제어를 하다 보면, 최대전력점(MPPT)을 지나치게 되고, 조건에 따라 S42 단계에서 S44 단계로 넘어가게 된다.
상기 제어부(20)는 이를 인지하고, 제어를 변경하여 도 4의 ② 방향을 실현시키기 위하여 S41 단계를 실시하여 설정 전압값(Vref)을 증가시킨다.
상기 단계(S41)를 실시하다 보면, 또 최대전력점(MPPT)을 지나치게 되고, 조건에 따라 S43 단계로 넘어가게 되면, 상기 제어부(20)가 이를 인지하여 도 4의 ③ 방향을 실현시키기 위하여 다시 상기 단계(S42)를 실시한다.
상기와 같이 각 단계들(S41~S44)이 순환적으로(S42→S44→S41→S43→S42...) 실행됨에 따라 상기 제어부(20)는 최대전력점(MPPT)을 따라 상기 설정 전압값(Vref)을 진동하듯이 수렴해 나갈 수 있게 됨으로서 최종적으로 상기 최대전력점(MPPT)에 따른 설정 전압값(Vref)을 위치시킬 수 있게 되는 것(도 4의 ④ 방향)이다.
그런데 도 4의 일반적인 P-V 관계 그래프와 다르게, 도 6과 같은 형태의 P-V 관계 그래프가 형성되는 경우가 있는 것이 발견되었다.
도 4에서의 그래프 형태에서는 그래프의 꼭지점(Vertex)이 하나이고 곧 최대값으로서 최대전력점(MPPT)이 되며, 따라서 도 5를 통해 설명한 일반적인 최대전력점 추종방식에 따르면, 전력 변화량(ΔP(k))이 0이 되는 지점은 곧 꼭지점으로서 최대전력점으로 판단하기 때문에 유효하였다. 하지만 도 6에서와 같은 그래프 형태에서는 꼭지점이 적어도 둘 이상(Vertex 1~3) 있을 수 있고, 이중 최대전력점(MPPT)은 그 중 하나(Vertex 3)인 상태에다.
그런데 도 6과 같은 P-V관계에서 일반적인 최대전력점 추종 방식을 적용하게 되면, 전력 변화량(ΔP(k))이 0이 되는 지점은 3군데(Vertex 1~3)가 되므로, 상기 제어부(20)는 최대전력점(MPPT)이 제1꼭지점(Vertex 1) 또는 제2꼭지점(Vertex 2)인 것으로 오판할 수 있다. 이는 상기 태양광 발전시설(30)의 지속적인 성능 저하를 유발할 수 있다.
따라서 이러한 상황을 피하기 위하여, 본 발명의 최대전력점 추종방법은 최대전력점(MPPT)에 도달했다고 판단되는 지점에 대하여, 이 지점이 최대전력점이 맞는지 검사하는 최대전력점 검사단계(S5)를 추가적으로 실시하여 해당 지점이 최대전력점이 맞는지 검사한다.
그런데 상기 단계(S4)에 따른 설정 전압값(Vref) 변동상태는 4개의 경우가 있으므로, 이에 대응하여 상기 최대전력점 검사단계(S5) 또한 상기 4개의 경우와 일대일로 대응하는 4개의 세부 단계(S51~S54)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 최대전력점 검사단계(S5)에서 최대전력점 검사단계 2(S52)의 세부 단계 순서도이며, 도 8은 도 6의 그래프에서 A부분의 확대 그래프이다. 이하에서는 도 7 및 도 8을 통하여, 상기 최대전력점 검사단계(S52)의 세부 단계 순서에 대해 설명한다.
상기 최대전력점 검사단계 2(S52)가 실행되기 바로 전 단계는 S42로서, 전압 변화량(ΔV(k))이 음의 값을 가지는 구간으로 따라서 상기 설정 전압값(Vref)은 전압 변화량(ΔV(k))값만큼 계속 줄어들게 된다.
상기 단계(S42)가 실행됨으로서 설정 전압값의 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))이 구해진 뒤, 상기 최대전력점 검사단계 2(S52)에 진입하여 전력 변화량(ΔP(k))이 0인지 판단하는 전력 변화량 판단단계(S521)가 실시되는데, 만약 여기에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0이 아니라면, 꼭지점(Vertex)에 도달하지 않았다는 뜻이므로 S1~S4를 다시 한 번 실시하면 된다.
그리고 만약 상기 전력 변화량 판단단계(S521)에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0인 것으로 판단되면, 꼭지점(Vertex)에 도달한 것으로 판단되는 것인데 예를 들어 도 8의 4번 꼭지점(Vertex 4)에 도달하여 전력 변화량(ΔP(k))이 0이 되어 해당 지점이 최대전력점인지 확인해야 할 수 있다.
이를 위하여, 우선 먼저 구해진 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))을 V01로 별도 저장하고, 상기 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))에 따른 전력값(Pref(k+1))을 P01로 별도 저장하며, n을 2로 세팅하고, na를 기 설정된 값으로 세팅하는 준비 단계(S522)가 실시된다.
상기 단계(S522)에서, 상기 상수 na는 상기 관리자(P)가 상기 서버(10) 내에 별도로 설정하여 저장한 숫자 값이다.
상기 단계(S522)가 실시된 후, k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구하는 다음 순번 설정 전력값 측정 단계(S523)가 실시된다.
이때 상기 n은 상기 단계(S522)에서 초기에 2로 세팅되어 있으므로, 상기 단계(S523)에서 구해지는 시점은 k+2시점이고, 따라서 상기 단계(S523)에서는 k+2시점의 설정 전압값(Vref(k+2))이 구해진다.
여기서 상기 k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구하는 방법은, 도 7에 도시된 바와 같이 k+(n-1)시점 설정 전압값(Vref(k+(n-1))에 전압 변화량(ΔV)을 빼서 구하면 될 것이다.
그리고 상기 단계(S523)에서 구해진, k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))에 따른 전력값(Pref(k+n))을 구하고, 이 값이 상기 P01 값보다 큰지 비교하는 전력값 비교단계(S524)를 실시한다.
상기 단계(S524)에서 k+n시점 전력값(Pref(k+n))이 P01보다 크다면, 이는 상기 4번 꼭지점(Vertex 4)보다 전력값이 크게 측정되는 부분이 있다는 뜻이므로, 상기 4번 꼭지점(Vertex 4)이 최대전력값이 아니라는 뜻이 된다. 실제로 도 8에서 그래프 G1(실선)을 따를 경우, 4번 꼭지점(Vertex 4) 이후에도 전력값이 계속 올라가므로, 이때는 현재 구해진 k+n시점의 설정 전압값(Vref(k+n))을 k+1시점으로 초기화시키는 시점 초기화 단계(S525)를 실시한 뒤 해당 단계(S52)를 벗어나 최대전력추종을 계속하도록 한다.
그리고 만약 그래프가 도 8에서 G2(점선)을 따를 경우 상기 단계(S524)에서 k+n시점 전력값(Pref'(k+n))은 P01'(Pref'(k+1)) 이하가 되며, 이때눈 상수 n과 na를 비교하여 동일한지 판단하는 상수 비교단계(S526)가 실시된다.
이때 상기 상수 n은 초기 상태로서 2이고, na는 기 설정된 값인 5이므로 서로 다른데 이때는 상수 n에다가 1을 더하는 상수 갱신단계(S528)를 실시한다.
상기 단계(S528)를 통하여 상수는 2에서 3이 되고, 그 다음에는 재귀하여 다시 상기 단계 S523을 실시하여 반복적으로 전력값에 대한 비교를 진행하게 된다.
그리고 상기 단계(S526)에서 상수 n이 na와 동일해졌다면, 이는 na번 비교를 하였는데도 불구하고 P01값이 그 뒤에 구해진 전력값보다 크다는 것을 의미하며, 이는 P01 전횟차 k번째의 부분인 4번 꼭지점(Vertex 4)이 최대전력점인 것을 의미하므로, k+1번째 설정 전압값(Vref(k+1))을 V01로 초기화시키는 전압값 초기화 단계(S527)를 실시한 다음 해당 단계(S52)를 벗어나 다음 최대전력 추종 단계(S1~S4)에서 4번 꼭지점이 최대전력점으로서 파악될 수 있도록 한다.
도 9는 본 발명의 최대전력점 검사단계(S5)에서 최대전력점 검사단계 1(S51)의 세부 단계 순서도이며, 도 10은 도 6의 그래프에서 B부분의 확대 그래프이다. 이하에서는 도 9 및 도 10을 통하여, 상기 최대전력점 검사단계 1(S51)의 세부 단계 순서에 대해 설명한다.
상기 단계(S51) 또한 상술한 단계 S52와 동일한 형태로 동작하되, 이때 최대전력추종 방향성에 있어서 전력 변화량(ΔV(k))이 양수이므로, 설정 전압값(Vref(k))은 증가하는 방향으로 움직인다. 따라서 준비 단계(S512) 이후 수행되는 다음 순번 설정 전력값 측정 단계(S513)에서는, 전력 변화량(ΔV(k))을 이전에 측정된 n-1회차 설정 전압값(Vref(k+(n-1))에 더해준다.
그 외 나머지 단계는 상기한 단계 S52와 동일하게, 전력값 비교단계(S514)를 실시하고, 실시 결과에 따라 시점 초기화 단계(S515) 또는 상수 비교단계(S516)를 실시하며, 상기 상수 비교단계(S516)의 실행 결과에 따라 전압값 초기화 단계(S517)를 실시하거나 또는 상수 갱신단계(S528)를 실시한 뒤 상기 단계 S513부터 다시 실시하게 된다.
그리고 상기 단계(S5)에서의 나머지 단계들, 즉 최대전력점 검사단계 3(S53)는 상술한 최대전력점 검사단계 2(S52)와 구성 및 동작이 동일하고, 또한 최대전력점 검사단계 4(S54) 또한 상술한 최대전력점 검사단계 1(S51)와 구성 및 동작이 동일하여 이에 대한 설명은 생략한다.
10 : 서버. 110 : 제어시스템 데이터베이스.
120 : 발전설비 제어부. 130 : 시스템 유닛 제어부.
140 : 서버 통신부. 20 : 제어부.
21 : 제어 통신부. 211 : 라우터부.
212 : 제어부 ID. 22 : 전력제어부.
23 : 수동 입출력부. 24 : 시스템 유닛.
30 : 태양광 발전설비. CS : 제어시스템.
N : 제어부 네트워크.

Claims (14)

  1. 둘 이상의 제어부;
    상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되는 서버;
    그리고 상기 서버와 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 연결되는 하나 이상의 단말기를 포함하고,
    상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와 각각과 통신 가능하게 연결되어 있는 하나 이상의 태양광 발전설비를 포함하고,
    상기 둘 이상의 제어부 중 어느 하나와, 상기 제어부와 통신 가능하게 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비를 단위로 하여 하나의 제어시스템이 형성되며,
    상기 제어시스템은 제어부의 숫자와 동일하게 둘 이상 포함되고,
    상기 둘 이상의 제어시스템 내 포함되는 제어부는 제어부 서로간에 통신 가능하게 연결되어 제어부 네트워크를 형성하며,
    상기 제어부 네트워크를 형성하는 제어부 간 통신 가능한 연결은 무선통신 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부 네트워크간 무선통신 연결 방식은 지그비(Zigbee; IEEE 802.15.4-2003)인 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 서버는 각각의 제어시스템과 관련된 데이터 및 정보를 구분 저장하는 제어시스템 데이터베이스;
    상기 하나 이상의 태양광 발전설비에 대하여 제어를 실시하는 발전설비 제어부;
    그리고 서버 통신부를 포함하며,
    상기 제어부는 제어 통신부;
    해당 제어부와 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비를 제어하는 전력제어부;
    그리고 해당 제어부와 연결된 하나 이상의 태양광 발전설비에 대하여 직접 제어명령을 입력하고 가시적으로 상황을 확인할 수 있는 수동 입출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 제어부는 각각 시스템 유닛을 포함하고,
    상기 서버는 상기 둘 이상의 제어부 내 각각 포함된 시스템 유닛을 개별적으로 제어하기 위한 시스템 유닛 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 시스템 유닛은 수배전반 또는 MCC반 중 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 시스템 유닛은 에너지 저장 시스템(ESS), 계통연계형 인버터 또는 변압시스템 중 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제어시스템 데이터베이스는 각각의 제어시스템 별로 구분되어 있는 개별 제어시스템 데이터베이스를 둘 이상 포함하고,
    상기 개별 제어시스템 데이터베이스는 각각 일반정보 데이터; 하나 이상의 발전설비 제어 데이터; 그리고 시스템 유닛 제어 데이터를 포함하며,
    상기 일반정보 데이터는 하나 이상의 발전설비 ID; 제어부 ID; 그리고 시스템 타입 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부 네트워크의 연결 토폴로지는 선형, 트리형, 성형, 링형, 메쉬형, 그리고 완전연결형 중 선택된 어느 하나 이상임을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 서버 또는 제어부 중 선택된 어느 하나는 상기 하나 이상의 태양광 발전설비 중 어느 하나를 제어하기 위하여,
    현재의 전압(V(k)), 전류(I(k)), 그리고 태양광량을 측정하는 측정 단계(S1);
    상기 단계(S1) 이후, 과거 대비 현재의 전압 변화량(ΔV(k)), 전력량(P(k)), 그리고 전력량 변화량(ΔP(k))을 산출하는 산출 단계(S2);
    상기 단계(S1, S2) 이후, 상기 단계(S1, S2)를 통해 측정되거나 또는 구해진 값들을 통하여 현재의 추종위치를 판단하는 판단 단계(S3);
    상기 단계(S3) 이후, 전압을 이동시키는 전압 이동 단계(S4);
    그리고 상기 단계(S4) 이후, 최대전력점(MPPT)에 도달했다고 판단되는 지점에 대하여 최대전력점 여부를 검사 및 판단하는 최대전력점 검사단계(S5)를 실시하여 최대전력점에 도달하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 판단 단계(S3)는, 상기 단계(S2) 이후 태양광량(S)이 250W/m²를 초과하는지 판단하는 태양광량 판단단계(S31);
    상기 단계(S31)에서 태양광량(S)이 250W/m²를 초과한다면, 현재의 전압 변화량(ΔV(k)) 대비 전력 변화량(ΔP(k))의 비(ΔP(k)/ΔV(k))가 0이 되는지 판단하는 최대전력점 도달여부 판단단계(S32);
    상기 단계(S32)에서 전압 대비 전력 변화량(ΔP(k)/ΔV(k))이 아니라면, 상기 전력 변화량(ΔP(k))의 부호를 판단하는 전력 변화량 부호 판단단계(S33)를 실시하고,
    상기 단계(S33)에서 상기 전력 변화량(ΔP(k))이 양수이면 상기 전압 변화량(ΔV(k))이 0을 초과하는지 측정하여 부호를 판단하는 저1 전압변화량 부호 판단단계(S34)를 실시하며,
    상기 단계(S33)에서 상기 전력 변화량(ΔP(k))이 음수이면 상기 전압 변화량(ΔV(k))이 0 미만인지 측정하여 부호를 판단하는 제2 전압변화량 부호 판단단계(S35)를 포함하며,
    그리고 상기 단계(S31)에서 태양광량이 250W/m² 이하이거나, 상기 단계(S32)에서 전압 대비 전력 변화량(ΔP(k)/ΔV(k))이 0이면 단계를 종료하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 전압 이동 단계(S4)는 4개의 설정전압값 조정 세부단계(S41~S44)를 포함하고, 상기 4개의 설정전압값 조정 세부단계(S41~S44)는 각각 아래의 수학식 1에 따라 설정전압값을 조정하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
    [수학식 1]
    Vref(k+1)=V(k)+ΔV(k) *S41에 따른 설정전압값*
    Vref(k+1)=V(k)-ΔV(k) *S42에 따른 설정전압값*
    Vref(k+1)=V(k)+2ΔV(k) *S43에 따른 설정전압값*
    Vref(k+1)=V(k)-2ΔV(k) *S44에 따른 설정전압값*
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 최대전력점 검사단계(S5)는 4개의 세부단계(S51~S52)를 포함하고,
    상기 4개의 세부단계 중 최대전력점 검사단계 2(S52)와 및 최대전력점 검사단계 3(S53)는 각각
    전력 변화량(ΔP(k))이 0인지 판단하는 전력 변화량 판단단계(S521);
    상기 단계(S521)에서 전력 변화량(ΔP(k))이 0인 것으로 판단되면, 먼저 구해진 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))을 V01로 별도 저장하고, 상기 k+1시점 설정 전압값(Vref(k+1))에 따른 전력값(Pref(k+1))을 P01로 별도 저장하며, n을 2로 세팅하고, na를 기 설정된 값으로 세팅하는 준비 단계(S522);
    k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구하는 다음 순번 설정 전력값 측정 단계(S523);
    상기 단계(S523)에서 구해진, k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))에 따른 전력값(Pref(k+n))을 구하고, 이 값이 상기 P01 값보다 큰지 비교하는 전력값 비교단계(S524);
    그리고 상기 상기 단계(S524)에서 k+n시점 전력값(Pref(k+n))이 P01을 초과하면, 현재 구해진 k+n시점의 설정 전압값(Vref(k+n))을 k+1시점으로 초기화시키는 시점 초기화 단계(S525)를 실시한 뒤 해당 단계(S52)를 벗어나 최대전력추종을 계속하며,
    상기 단계(S524)에서 k+n시점 전력값(Pref'(k+n))은 P01'(Pref'(k+1)) 이하이면, 상수 n과 na를 비교하여 동일한지 판단하는 상수 비교단계(S526);
    상기 단계(S526)에서 상수 n과 na가 같다면, k+1번째 설정 전압값(Vref(k+1))을 V01로 초기화시키는 전압값 초기화 단계(S527)를 실시한 다음 해당 단계(S52)를 벗어나 최대전력추종을 계속하며,
    상기 단계(S526)에서 상수 n이 na와 다르다면, 상수 n에다가 1을 더하는 상수 갱신단계(S528)를 실시한 뒤 재귀하여 상기 단계 S523를 실시하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단계(S51~S54) 중 최대전력점 검사단계 2(S52) 및 최대전력점 검사단계 3(S53)은 상기 단계(S523)에서 k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구할 때, k+(n-1)시점 설정 전압값(Vref(k+(n-1))에 전압 변화량(ΔV)을 빼서 구하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 단계(S51~S54) 중 최대전력점 검사단계 1(S51) 및 최대전력점 검사단계 4(S54)는 상기 단계(S523)에서 k+n시점 설정 전압값(Vref(k+n))을 구할 때, k+(n-1)시점 설정 전압값(Vref(k+(n-1))에 전압 변화량(ΔV)을 더해서 구하는 것을 특징으로 하는, 무선통신 기반 제어 시스템.
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