WO2011087342A2 - 최대전력점 추종 방법 - Google Patents

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WO2011087342A2
WO2011087342A2 PCT/KR2011/000356 KR2011000356W WO2011087342A2 WO 2011087342 A2 WO2011087342 A2 WO 2011087342A2 KR 2011000356 W KR2011000356 W KR 2011000356W WO 2011087342 A2 WO2011087342 A2 WO 2011087342A2
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이기수
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엘에스산전 주식회사
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S323/00—Electricity: power supply or regulation systems
    • Y10S323/906—Solar cell systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for tracking the maximum power point in photovoltaic power generation, and more particularly, to a method for tracking the maximum power point that can be performed in a grid-connected inverter of a photovoltaic power generation system.
  • the control algorithms required for grid-connected photovoltaic systems include maximum power point tracking (MPPT) control, DC-DC converter input current control, phase locked loop control, DC link voltage control, and inverter output. It can be divided into current control, isolation operation prevention, and protection technology.
  • MPPT maximum power point tracking
  • the maximum power point tracking (MPPT) control is a control method of maximizing efficiency by finding the maximum power point because the solar energy has nonlinear characteristics according to the amount of solar radiation and temperature.
  • the DC-DC converter input current control is performed through the input reference current of the DC-DC converter generated through the maximum power point tracking control.
  • PLL control detects the phase of grid voltage and is used to generate the inverter's output reference current.
  • the DC link voltage control constantly controls the DC link voltage of the inverter, thereby generating a magnitude of the inverter output reference current.
  • inverter output reference current is generated through phase and magnitude generated through PLL control and DC link voltage control to control inverter output current.
  • MPPT maximum power point following
  • the present invention seeks to provide a fast and accurate maximum power point tracking method for a photovoltaic system.
  • the present invention is to provide a maximum power point tracking method that can reflect the change in solar radiation amount.
  • the maximum power point tracking method for achieving the above object, the next voltage command value using the measured voltage and power at the current measurement time point (current time point) and the previous measurement time point (previous time point). Making a temporary decision; If the increase or decrease of the voltage command value has been continued for a predetermined number of times or more, determining that the next voltage command value temporarily determined to increase is decreased, and determining the next voltage command value temporarily determined to be decreased to increase; And adjusting the output voltage of the solar cell according to the determined next voltage command value.
  • Solar cell system for achieving the above object, a solar panel; A measuring unit measuring electrical characteristics of power generated in the solar panel; A DC-DC converter configured to convert DC-DC power generated by the solar panel; And temporarily determining a next voltage command value using the measured voltage and power at the present time and the previous measurement time point, and increasing or decreasing the voltage command value to perform a maximum power point tracking method for power generated in the solar panel. Is continued for more than a predetermined number of times, the next voltage command value temporarily determined to increase in the temporary decision is determined to decrease, and the next voltage command value temporarily determined to decrease in the temporary decision is determined to increase, and the determined next voltage And a control unit for adjusting the output voltage of the solar cell according to the command value.
  • FIG. 1 is a flow chart illustrating a method for tracking a maximum power point (P & O) and an observation (Observation).
  • FIG. 2 is a graph illustrating a maximum power point tracking principle according to the maximum power point tracking method of FIG. 1 in a normal situation.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a maximum power point tracking method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a maximum power point tracking method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a maximum power point tracking principle according to a maximum power point tracking method according to an embodiment of the present invention in an abnormal situation.
  • Figure 6 is a block diagram showing a solar cell system for performing the maximum power point tracking method of the present invention.
  • the present invention is a form of the invention further improved the perturbation and Observation (P & O) maximum power point tracking technology to escape the case of following the wrong maximum power point when the solar radiation changes.
  • Figure 1 shows a representative maximum power point tracking technique called Perturbation and Observation (P & O).
  • P & O Perturbation and Observation
  • the current power P (k) and the previous power P (k-1) are determined to determine the voltage command value Vr (k + 1) for the next measurement time point k + 1. Comparing (S210); Comparing the current voltage Vc (k) with the previous voltage Vc (k-1) (S220); If the current power P (k) is greater than the previous power P (k-1) and the current voltage Vc (k) is greater than the previous voltage Vc (k-1), then the current voltage command value ( Determining a next voltage command value Vr (k + 1) with a value of increasing Vr (k) (S290); If the current power P (k) is greater than the previous power P (k-1) and the previous voltage Vc (k-1) is greater than the current voltage Vc (k), then the previous voltage setpoint ( Determining a next voltage command value Vr (k + 1) with a value of decreasing Vr (k) (S280); If the previous power P (k-1) is greater than the current power P (k) and the current voltage Vc (k).
  • the voltage command value of the solar cell is maintained as it is. (S210, S500). On the other hand, if not, it is determined whether the power P (k) measured at the current time k is increased or decreased compared to the power P (k-1) measured at the previous time k-1. (S220). In addition, it is determined whether the current voltage V (k) of the solar cell at this time is increased or decreased compared to the previous voltage V (k-1) of the solar cell (S230 and S240).
  • the voltage command value of the solar cell is increased by a certain amount (S290). Or, if the power is increased but the voltage is reduced, the voltage command value of the solar cell is reduced by a certain amount (S280). In addition, if the power decreases and the voltage decreases, the voltage command value of the solar cell is increased by a certain amount (S270). If the power decreases and the voltage is increased, the voltage command value of the solar cell is reduced by a certain amount (S260).
  • FIG. 2 the PV characteristic curve of the solar cell is shown. When the solar radiation is constant, the solar cell operates under the characteristic curve.
  • the maximum power point tracking method of FIG. 1 first measures voltage and current of a solar cell at regular time intervals, and calculates power of the solar cell. If there is no change between the previous power and the current power, the solar cell voltage set point is maintained.
  • the current power is increased or decreased compared with the previous power, and the voltage of the solar cell at this time is increased compared to the voltage of the previous solar cell, or Determine if it has decreased. If the power increases and the voltage increases, the voltage command of the solar cell is increased by a certain amount.
  • the voltage command value of the solar cell is decreased by a certain amount. Also, if the power decreases and the voltage decreases, the voltage command value of the solar cell is increased by a certain amount. If the power decreases and the voltage is increased, the voltage command value of the solar cell is reduced by a certain amount.
  • the grid-connected inverter operates according to the voltage command value of the solar cell thus determined to follow the maximum power point.
  • the maximum power point tracking method shown in FIG. 1 is the simplest and most effective method for following the maximum power point when the amount of insolation is constant. In practice, however, solar radiation will continue to change with the climate and under certain conditions may not be able to follow the maximum power point or take longer. In particular, in the case of a severe weather change, when the solar radiation decreases and then increases, when the voltage command value of the solar cell is decreased by a certain amount, the solar voltage decreases compared to the previous voltage, but since the solar radiation increases, the solar power increases. In fact, the voltage setpoint of the solar cell should be increased, but rather decreased, and the solar power increases as the amount of insolation increases, so that the voltage setpoint of the solar cell continues to decrease, moving against the actual maximum power point. have. Of course, when the maximum and minimum values of the voltage command value are set and the deviation is made, the maximum power point following control can be reset, but in this case, the maximum power point following can be caused by the ups and downs.
  • the illustrated maximum power point tracking method uses the measured voltage (S100) and the power at the current measurement time k and the previous measurement time k-1 to determine the next voltage command value Vr (k + 1). Determining temporarily (S200); Confirming a continuous number of increases or decreases in the voltage command value Vr (S300); If the increase or decrease of the voltage command value Vr has been continued for more than a predetermined number of times, the next voltage command value Vr (k + 1) temporarily determined to increase is determined to decrease, and the next voltage command value (temporarily determined to decrease) Determining Vr (k + 1) as increasing (S400); And adjusting the output voltage of the photovoltaic module according to the determined next voltage command value (S500).
  • Steps S100 and S200 are the same as in the case of the maximum power point tracking of the P & O method of FIG. 1. However, in the case of FIG. 3, there is only a difference in that the next voltage command value is temporarily determined in step S200.
  • the voltage command value Vr (k + 1) of the solar cell at the next time point is determined in one of the steps S260 to S290 shown, the voltage command value Vr (k + 1) in steps S300 and S400. Identify trends of increase / decrease in
  • step S300 it is determined whether the voltage command value increases or decreases from the current time k to the next time point k + 1, and as a result of the determination, the voltage command value Vr of the solar cell continues to increase, Or if it decreases, increase the solar cell voltage setpoint counter Vr_cnt. Otherwise, the solar cell voltage setpoint counter Vr_cnt is initialized to zero.
  • step S300 comparing the voltage command value Vr (k-1) at the previous time point k-1 of the solar cell with the voltage command value Vr (k) at the present time point k (S310). ); Comparing the current voltage command value Vr (k) with a voltage command value Vr (k + 1) at a next time point k (S320, S330); The current voltage command value Vr (k) is greater than the previous voltage command value Vr (k-1), and the next voltage command value Vr (k + 1) is greater than the current voltage command value Vr (k).
  • step S400 if the increase or decrease of the solar cell voltage command value continues more than a predetermined reference number n, the direction of the increase or decrease of the voltage command value temporarily determined in step S200 is changed to determine the voltage command value.
  • the step S400 the step of comparing the voltage command value counter (Vr_cnt) and a predetermined reference number (n) (S410); When the voltage command value counter Vr_cnt is larger and the next voltage command value Vr (k + 1) is larger than the current voltage command value Vr (k), the next voltage command value Vr (k + 1) is determined. Determining the current voltage command value Vr (k) to a reduced value (S440); When the voltage command value counter Vr_cnt is larger and the current voltage command value Vr (k) is larger than the next voltage command value Vr (k + 1), the next voltage command value Vr (k + 1) is obtained. Confirming the current voltage command value Vr (k) to an increased value (S430); And if the predetermined reference number n is greater, determining the temporarily determined next voltage command value Vr (k + 1).
  • step S440 in order to convert the next voltage command value Vr (k + 1) that is temporarily determined to an increased value to a decrease, a double of the increase / decrease coefficient C is added to the temporarily determined next voltage command value Vr (k + 1).
  • step S430 in order to convert the voltage command value determined temporarily to the increased value to increase, it is possible to add twice the increase / decrease coefficient C to the next voltage command value Vr (k + 1) that has been temporarily determined.
  • step S500 the next voltage command value Vr (k + 1) determined in the step S400 is returned, and the inverter (or converter) of the photovoltaic system generates the next voltage command value Vr (k + 1). To control solar power.
  • FIG. 3 is a flowchart for clearly distinguishing a maximum power point tracking method according to an embodiment of the present invention from a general P & O maximum power point tracking process and processes proposed by the present invention.
  • the same step is repeatedly performed several times. In fact, the same step is performed only once before the first step, and then the steps are determined according to the result of the previous step. Specifically, the determination result in step S310 is already determined depending on whether any of the steps S260 to S290 through, and in step S420 performs what was performed in step S320 or S330 again.
  • FIG. 4 is a flowchart in which the same overlapping steps of FIG. 3 are not repeated.
  • FIG. 4 if the current voltage and the previous voltage are within the same range, there is a difference in further including the steps S1230, S1240, and S1299 of determining the previous voltage command value as the next voltage command value.
  • FIG. 5 schematically illustrates a maximum power point following path 9 in a normal situation, a maximum power point following path 10 in an abnormal situation, and a maximum power point following path 11 according to an embodiment of the present invention in an abnormal situation.
  • the solar cell system includes a solar panel 10, a measuring unit 20, a DC-DC converter 30, a PWM controller 44, a DA converter 43, and a microcomputer.
  • the load may be a satellite rechargeable battery, a heating system, an electric motor, a commercial AC system, or a combination of these loads.
  • the solar panel 10 may be formed of a solar cell including a semiconductor such as amorphous silicon, microcrystalline silicon, crystalline silicon, single crystal silicon, a compound semiconductor, or the like.
  • a plurality of solar cells are arranged in an array or string so as to obtain a set voltage and a current by combining a plurality of solar cells in a series / parallel form.
  • the measuring unit 20 measures the voltage and current of the solar panel 10, and is composed of a voltage meter 21 and a current meter 22.
  • the voltage meter 21 includes a voltage divider using two resistors
  • the current meter 22 includes a measurement resistor having a low resistance value, an operational amplifier, and a bipolar junction transistor (BJT). Can be configured.
  • the output of the voltage meter 21 is preferably limited to within 5V. Therefore, the resistances R1 and R2 of the voltage meter 21 have a resistance value ratio of 1. It consists of: 4.
  • the outputs of the voltage meter 21 and the current meter 22 are connected to the analog input pins AIN.D and AIN.C of the A / D converter 42.
  • the A / D converter 42 converts an analog input into digital under the control of the microcomputer 41 and has a 1-Wire interface.
  • the DC-DC converter 30 converts the DC power of the solar panel 10 into power and supplies the load to a load.
  • the DC-DC converter 30 includes a self-cancelling switching device, and the power flow of the DC-DC converter 30 I / O voltage and output frequency can be controlled by adjusting the ratio of gate pulses or on / off speed.
  • the DC-DC converter 30 has various forms, it is preferable to apply a Buck Topology, which is a step-down type, considering the battery charging voltage of the satellite and the maximum power point voltage of the solar panel.
  • the DC-DC converter 30 in the present invention aims to control input power connected to a solar cell.
  • the microcomputer 41 increases the rate of application of the pulse width modulated signal, so that the DC-DC converter 30 increases the short-circuit time to increase the solar panel 10. ), The output current provided to the load increases, and the output voltage of the solar panel 10 decreases. If the output voltage of the solar panel 10 is lower than the maximum power point voltage, the microcomputer 41 reduces the ratio of the pulse width modulated signal, so that the DC-DC converter 30 reduces the internal switch short-circuit time, Since the output current provided to the load in 10 decreases, the output voltage of the solar panel 10 becomes high.
  • the controller 40 temporarily determines a next voltage command value using the measured voltage and power at the current time point and the previous measurement time point to perform the maximum power point tracking method for the power generated in the solar panel 10. And if the increase or decrease of the voltage command value has continued for more than a predetermined number of times, the next voltage command value that is temporarily determined to increase in the temporary decision is determined to decrease, and the next voltage command value that is temporarily determined to decrease in the temporary decision increases. And the output voltage of the solar cell is adjusted according to the determined next voltage command value.

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Abstract

본 발명의 최대 전력점 추종 방법은, 현재 측정 시점 및 이전 측정 시점에서의 측정된 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계; 전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 증가하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 감소시키는 것으로 확정하고, 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 증가시키는 것으로 확정하는 단계; 및 상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양 전지의 출력 전압을 조정하는 단계를 포함한다.

Description

최대전력점 추종 방법
본 발명은 태양광 발전에서의 최대전력점 추종 방법에 관한 것으로, 특히, 태양광 발전 시스템의 계통연계형 인버터에서 수행될 수 있는 최대전력점 추종 방법에 관한 것이다.
계통 연계형 태양광발전 시스템에 있어서 필요한 제어 알고리즘에는 최대 전력점 추종(MPPT:Maximum Power Point Tracking)제어, DC-DC 컨버터 입력전류제어, PLL(Phase Locked Loop) 제어, 직류링크전압제어, 인버터 출력전류제어, 고립운전방지, 보호 기술로 구분할 수 있다.
최대 전력점 추종(MPPT)제어는 태양광에너지의 전력이 일사량과 온도에 따라 비선형 특성을 가지므로 최대 전력점을 찾아 효율을 최대화하는 제어 방법이다. 최대 전력점 추종제어를 통해 발생된 DC-DC 컨버터의 입력기준전류를 통하여 DC-DC 컨버터 입력전류제어를 수행한다. PLL 제어는 계통 전압의 위상을 검출하여 인버터의 출력기준전류를 만드는데 사용한다. 그리고, 직류링크전압제어는 인버터의 직류링크전압을 일정하게 제어하는 것으로, 인버터 출력기준전류의 크기를 생성하게 된다. 또한 PLL제어와 직류링크 전압제어를 통해 발생한 위상과 크기를 통해 인버터 출력 기준 전류를 발생하여 인버터 출력전류제어를 실시하게 된다.
이들 중 상기 최대전력점 추종(MPPT) 제어는, 다른 제어 보다 우선 수행되므로, 신속하면서도 정확할 것이 요구된다.
본 발명은 태양광 발전 시스템을 위한 신속하고 정확한 최대전력점 추종 방법을 제공하고자 한다.
특히, 본 발명은 일사량이 변하는 것을 반영할 수 있는 최대전력점 추종 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 최대전력점 추종 방법은, 현재 측정 시점(현재 시점) 및 그 직전 측정 시점(이전 시점)에서의 측정된 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계; 전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 증가하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 감소시키는 것으로 확정하고, 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 증가시키는 것으로 확정하는 단계; 및 상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양 전지의 출력 전압을 조정하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지 시스템은, 태양전지판; 상기 태양전지판에서 발전되는 전력의 전기적 특성을 측정하는 측정부; 상기 태양전지판에서 발전된 전력을 DC-DC 변환하는 DC-DC 변환기; 및 상기 태양전지판에서 발전되는 전력에 대한 최대 전력점 추종 방법을 수행하기 위해, 현재 시점 및 이전 측정 시점에서의 측정된 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치를 임시 결정하고, 전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 상기 임시 결정에서 증가하는 것으로 임시 결정된 다음 전압 지령치는 감소시키는 것으로 확정하며, 상기 임시 결정에서 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 증가시키는 것으로 확정하고, 상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양 전지의 출력 전압을 조정하는 제어부를 포함한다.
상기 구성에 따른 본 발명의 최대 전력점 추종 방법을 실시함에 의해 태양광 발전 시스템에 일사량이 변하는 것을 신속하고 정확하게 반영할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 P&O(Perturbation and Observation) 최대 전력점 추종 방법을 도시한 흐름도.
도 2는 정상적인 상황에서 도 1의 최대 전력점 추종 방법에 따라 최대 전력점 추종 원리를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 비정상적인 상황에서 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법에 따라 최대 전력점 추종 원리를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 최대 전력점 추종 방법을 수행하는 태양 전지 시스템을 도시한 블록도.
본 발명은 일사량이 변화할 때 잘못된 최대 전력점을 추종하는 경우를 벗어나기 위해 P&O(Perturbation and Observation) 최대 전력점 추종 기술을 추가적으로 개선한 형태의 발명이다.
도 1은 P&O(Perturbation and Observation)라는 대표적인 최대 전력점 추종 기법을 나타낸다. 먼저 일정한 시간 간격을 두고 태양 전지의 전압과 전력을 측정한다. 전력의 경우 전압 측정값 및 전류 측정값으로부터 계산되는 것이 일반적이나, 편의상 전력 측정이라 칭하겠다.
도시한 바와 같이, 다음 측정 시점(k+1)에 대한 전압 지령치(Vr(k+1))를 결정하기 위해, 현재 전력(P(k))과 이전 전력(P(k-1))을 비교하는 단계(S210); 현재 전압(Vc(k))과 이전 전압(Vc(k-1))을 비교하는 단계(S220); 현재 전력(P(k))이 이전 전력(P(k-1))보다 더 크고, 현재 전압(Vc(k))이 이전 전압(Vc(k-1))보다 더 크면, 현재 전압 지령치(Vr(k))를 증가시킨 값으로 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 결정하는 단계(S290); 현재 전력(P(k))이 이전 전력(P(k-1))보다 더 크고, 이전 전압(Vc(k-1))이 현재 전압(Vc(k))보다 더 크면, 이전 전압 지령치(Vr(k))를 감소시킨 값으로 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 결정하는 단계(S280); 이전 전력(P(k-1))이 현재 전력(P(k))보다 더 크고, 현재 전압(Vc(k))이 이전 전압(Vc(k-1))보다 더 크면, 이전 전압 지령치(Vr(k))를 감소시킨 값으로 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 결정하는 단계(S260); 및 이전 전력(P(k-1))이 현재 전력(P(k))보다 더 크고, 이전 전압(Vc(k-1))이 현재 전압(Vc(k))보다 더 크면, 이전 전압 지령치(Vr(k))를 증가시킨 값으로 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 결정하는 단계(S270)를 포함한다.
만약, 이전 시점(k-1)에 측정된 전력(P(k-1))과 현재 시점(k)에 측정된 전력(P(k))에 변화가 없다면, 태양 전지의 전압 지령치를 그대로 유지하게 된다(S210, S500). 반면, 그렇지 않다면, 이전 시점(k-1)에 측정된 전력(P(k-1))에 비해 현재 시점(k)에 측정된 전력(P(k))이 증가하였는지, 혹은 감소하였는지를 판별한다(S220). 또한, 이때의 태양 전지의 현재 전압(V(k))이 태양 전지의 이전 전압(V(k-1))에 비해 증가하였는지, 혹은 감소하였는지를 판단한다(S230, S240).
만약, 측정된 전압 및 전력이 증가하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 증가시킨다(S290). 또는, 전력은 증가하였는데 전압은 감소하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 감소시킨다(S280). 또한 전력은 감소하고 전압도 감소하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 증가시키고(S270), 전력이 감소하고 전압은 증가하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 감소시킨다(S260).
도 2에서는 태양 전지의 PV 특성곡선을 나타낸 것으로 일사량이 일정할 경우 태양 전지는 이러한 특성 곡선 하에서 동작하게 된다.
도 1의 최대 전력점 추종 방식은 먼저 일정한 시간 간격을 두고, 태양 전지의 전압과 전류를 측정하고, 태양 전지의 전력을 계산한다. 만약 이전의 전력과 현재의 전력에 변화가 없다면 태양 전지의 전압 지령치를 그대로 유지하게 된다.
이때 이전의 전력과 현재의 전력에 변화가 있다면 이전의 전력에 비해 현재의 전력이 증가하였는지, 혹은 감소하였는지를 판별하고, 또한 이때의 태양 전지의 전압이 이전의 태양 전지의 전압에 비해 증가하였는지, 혹은 감소하였는지를 판별한다. 만약 전력이 증가하고 전압이 증가하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 증가시킨다.
또는 전력은 증가하였는데 전압은 감소하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 감소시킨다. 또한 전력은 감소하고 전압도 감소하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 증가시키고, 전력이 감소하고 전압은 증가하였다면, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 감소시킨다. 이렇게 정해진 태양 전지의 전압 지령치에 따라 계통연계형 인버터가 동작하여 최대 전력점을 추종하게 된다.
도 1에 도시한 최대 전력점 추종 방법의 경우 일사량이 일정할 경우에는 최대 전력점을 추종하는데 가장 간단하고 효과적인 방법이다. 하지만 실제로는 일사량은 기후에 따라 계속해서 변화하게 되고 특정한 조건에서는 최대 전력점을 추종하지 못하거나 그 시간이 오래 걸리게 된다. 특히, 날씨의 변화가 심한 날의 경우, 일사량이 낮아졌다가 높아지는 경우, 태양 전지의 전압 지령치를 일정량 감소시킨 경우 태양 전압은 이전의 전압에 비해 감소하였지만 일사량은 증가하였으므로, 태양 전력은 오히려 증가하게 되어 사실은 태양 전지의 전압 지령치를 증가시켜야 하지만 오히려 감소시키게 되고, 또 일사량이 증가하면서 태양 전력은 증가하게 되므로 계속해서 태양 전지의 전압 지령치를 감소시키게 되어, 실제 최대 전력점과 반대로 움직이게 되는 문제점을 가지고 있다. 물론, 전압 지령치의 최대 및 최소값을 설정하여, 이를 벗어나는 경우, 최대 전력점 추종 제어를 리셋시킬 수 있지만, 이 경우, 최대 전력점 추종에 기복이 발생하게 된다.
도 3은 본 발명에서 제안한 개선된 최대 전력점 추종 방법을 도시한다.
도시한 최대 전력점 추종 방법은, 현 측정 시점(k) 및 그 직전 측정 시점(k-1)에서의 측정된(S100) 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 임시 결정하는 단계(S200); 전압 지령치(Vr)의 증가 또는 감소의 연속 회수를 확인하는 단계(S300); 전압 지령치(Vr)의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 증가하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))는 감소시키는 것으로 확정하고, 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))는 증가시키는 것으로 확정하는 단계(S400); 및 상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양광 발전 모듈의 출력 전압을 조정하는 단계(S500)를 포함한다.
상기 S100 단계 및 S200 단계는 도 1의 P&O 방식의 최대 전력점 추종의 경우와 동일하다. 다만, 도 3의 경우 S200 단계에서는 다음 전압 지령치가 임시 결정됨에 차이가 있을 뿐이다. 도시한 S260 단계 내지 S290 단계 중 하나의 단계에서 다음 시점의 태양 전지의 전압 지령치(Vr(k+1))가 정해지면, 상기 S300 단계 및 S400 단계에서 상기 전압 지령치(Vr(k+1))의 증가/감소 추이를 파악한다.
즉, 상기 S300 단계에서는, 현재 시점(k)에서 다음 시점(k+1) 사이에 전압 지령치가 증가 또는 감소하는가를 판별하고, 상기 판별 결과, 태양 전지의 전압 지령치(Vr)가 계속해서 증가, 혹은 감소하였다면, 태양 전지 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)를 증가시킨다. 반면, 그렇지 않은 경우 태양 전지 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)를 0으로 초기화한다.
구체적으로, 상기 S300 단계는, 태양 전지의 이전 시점(k-1)의 전압 지령치(Vr(k-1))와 현재 시점(k)의 전압 지령치(Vr(k))를 비교하는 단계(S310); 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))와 다음 시점(k)의 전압 지령치(Vr(k+1))를 비교하는 단계(S320, S330); 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))가 상기 이전 전압 지령치(Vr(k-1)) 보다 크고, 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))가 상기 현재 전압 지령치(Vr(k)) 보다 크면, 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)를 증가시키는 단계(S380); 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))가 상기 이전 전압 지령치(Vr(k-1))보다 크고, 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))가 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))보다 크면, 상기 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)를 0으로 리셋하는 단계(S370); 상기 이전 전압 지령치(Vr(k-1))가 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))보다 크고, 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))가 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))보다 크면, 상기 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)를 증가시키는 단계(S380); 및 상기 이전 전압 지령치(Vr(k-1))가 상기 현재 전압 지령치(Vr(k)) 보다 크고, 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))가 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))보다 크면, 상기 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)를 0으로 리셋하는 단계(S370)를 포함할 수 있다.
다음, S400 단계에서는, 태양 전지 전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 기준 회수(n) 보다 연속되면, 상기 S200 단계에서 임시 결정된 전압 지령치의 증가 또는 감소의 방향을 바꾸어 주어, 전압 지령치를 확정한다.
구체적으로 상기 S400 단계는, 상기 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)와 소정 기준 회수(n)를 비교하는 단계(S410); 상기 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)가 더 크고, 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))가 상기 현재 전압 지령치(Vr(k)) 보다 크면, 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))를 감소시킨 값으로 확정하는 단계(S440); 상기 전압 지령치 카운터(Vr_cnt)가 더 크고, 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))가 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1)) 보다 크면, 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 상기 현재 전압 지령치(Vr(k))를 증가시킨 값으로 확정하는 단계(S430); 및 상기 소정 기준 회수(n)가 더 크면, 상기 임시 결정된 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 확정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 S440 단계에서는, 증가된 값으로 임시 결정된 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 감소로 전환시키기 위하여, 임시 결정된 다음 전압 지령치(Vr(k+1))에 증감계수 C의 2배를 빼 주고, 상기 S430 단계에서는, 감소된 값으로 임시 결정된 전압 지령치를 증가로 전환시키기 위하여, 임시 결정된 다음 전압 지령치(Vr(k+1))에 증감계수 C의 2배를 더해 줄 수 있다.
도시한 S500 단계에서는, 상기 S400 단계에서 확정된 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 리턴하며, 태양광 발전 시스템의 인버터(혹은 컨버터)는 상기 다음 전압 지령치(Vr(k+1))로 태양광 발전을 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 방법을, 일반적인 P&O 최대 전력점 추종 과정 및 본 발명에서 제안하는 과정들을 명확히 구분하여 나타내기 위한 흐름도이다. 도 3에 도시한 과정 그대로 구현하면, 동일 단계가 수차례 반복 수행되는데, 실제로는 동일 단계는 가장 앞서 1번만 수행되고, 그 후에는 앞서 수행한 결과에 따라 정해진 단계들을 수행한다. 구체적으로, S310 단계에서의 판단 결과는, 상기 S260 단계 내지 S290 단계들 중 어느 것을 경유하였는가에 따라 이미 결정된 것이며, S420 단계에서는 S320 단계 또는 S330 단계에서 수행한 것을 다시 수행한다.
도 4는 도 3의 중복되는 동일한 단계들을 반복 수행하지 않는 형태로 표현한 흐름도이다. 또한, 도 4에서는, 현재 전압과 이전 전압이 동일 범위 내에 있다면, 이전 전압 지령치를 다음 전압 지령치로 확정하는 단계(S1230, S1240, S1299)를 더 포함하는 것에도 차이가 있다.
도 5는 정상적인 상황에서 최대 전력점 추종 경로(9), 비정상적인 상황에서 최대 전력점 추종 경로(10), 비정상적인 상황에서 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종 경로(11)을 개략적으로 표현한 것이다.
일사량이 낮은 상태에서 최대 전력점에서 동작하고 있는 상황에서 일사량이 급격히 증가하게 되면 태양 전지의 특성곡선이 점차 증가하게 되는데, 정상적인 경우(태양전지의 현재 전압 지령치가 증가된 경우)에는 도시한 바와 같이 최대 전력 점을 추종하게 된다(line 9).
그러나, 태양 전지의 현재 전압 지령치(Vr(k))를 감소시킨 상황에서, 일사량이 급격히 증가하는 경우에는 태양 전압이 감소했음에도 전력은 증가하였으므로, 도 1의 알고리즘에 따라, 태양 전지의 다음 전압 지령치(Vr(k+1))를 감소시키게 되고, 다음번 최대 전력점 추종 과정에서도 전력은 증가하므로 계속해서 태양 전지의 전압 지령치는 감소하게 되어 실질적인 최대 전력 점에서 점점 멀어지게 된다(line 10). P&O 기법만으로 본다면 이것은 정상적인 동작이지만 실제로는 잘못된 동작이 되어, 최대 전력점에 도달하는데 많은 시간을 소요하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 최대 전력점 추종의 경우, line 10과 같은 비정상적인 상황에서도, 일정한 방향으로 태양 전지의 전압 지령치가 계속될 경우, 태양 전지의 전압 지령치를 반대 방향으로 바꿔주어(line 11) 실제의 최대 전력점으로 빠르게 추종하도록 하는 방식이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 시스템은, 태양전지판(10), 측정부(20), DC-DC 변환기(30), 및 PWM 제어기(44)와 DA 변환기(43) 및 마이콤(41)으로 구성된 제어부(40)를 포함하여 태양전지판(10)의 최대 전력점을 추적하고 DC-DC 변환기(30)에 의해 정류한 후 부하(도면 중 미도시)에 인가하는 것이다.
부하는 인공위성의 충전 배터리, 전열시스템, 전기 모터, 상용 AC 시스템 등 또는 이들 부하의 결합체일 수 있다.
태양전지판(10)은 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 결정 실리콘, 단결정 실리콘 등의 반도체, 화합물 반도체 등을 포함하는 태양전지로 구성될 수 있다. 일반적으로, 복수의 태양전지를 직/병렬 형태로 조합하여 설정 전압 및 전류를 얻을 수 있도록 어레이 또는 스트링 형태로 배열한다.
측정부(20)는, 태양 전지판(10)의 전압과 전류를 측정하는 것으로 전압 측정기(21)와 전류 측정기(22)로 구성된다. 여기서, 전압 측정기(21)는 두 개의 저항을 사용한 전압 분배기(Voltage Divider)로 구성되고, 전류 측정기(22)는 낮은 저항치를 가지는 측정 저항과 연산증폭기, 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transister, BJT)로 구성될 수 있다.
만약, 태양 전지판(10)에서 공급되는 최대 전압이 약 24.5V일 경우 전압 측정기(21)의 출력은 5V 이내로 제한하는 것이 바람직하므로, 전압 측정기(21)의 저항 R1과 R2는 저항값 비를 1:4로 구성한다.
전압 측정기(21)와 전류 측정기(22)의 출력은 A/D 변환기(A/D converter;42)의 아날로그 입력 핀(AIN.D, AIN.C)으로 연결된다. A/D 변환기(42)는 마이콤(41)의 제어를 받아 아날로그 입력을 디지털로 변환하며 1-Wire 인터페이스를 가진다.
DC-DC 변환기(30)는 태양전지판(10)의 직류전원을 전력 변환하여 부하로 공급하는 것으로 자기 소거형 스위칭 장치로 구성되고, DC-DC 변환기(DC-DC Converter;30)의 전력흐름, 입출력 전압, 출력 주파수는 게이트 펄스의 시비율 또는 온/오프 속도 조정으로 제어할 수 있다. DC-DC 변환기(30)는 여러 가지 형태가 있지만 인공위성의 배터리 충전 전압과 태양 전지판의 최대 전력점 전압을 고려하였을 때 강압형인 Buck Topology를 적용하는 것이 바람직하다.
일반적인 DC-DC 변환기는 일정 범위의 입력 전력을 고정된 출력 전력으로 변환하는 것을 목적으로 하지만, 본 발명에서의 DC-DC 변환기(30)는 태양전지와 연결된 입력 전력을 제어하는데 목적을 둔다. DC-DC 변환기(30)는 펄스폭 변조신호의 시비율이 증가하면 단락 시간이 증가하여 출력 전류가 증가하고, 시비율이 감소하면 단락시간이 감소하여 출력 전류가 감소한다. P=VI이므로 출력 전류가 증가하면 전압이 낮아지고, 출력 전류가 감소하면 전압이 증가한다.
따라서, 태양전지판(10)의 출력 전압이 최대 전력점 전압보다 높으면 마이콤(41)은 펄스폭 변조신호의 시비율을 증가시키므로, DC-DC 변환기(30)는 단락시간이 증가하여 태양전지판(10)에서 부하로 제공되는 출력 전류가 증가하고, 태양전지판(10)의 출력 전압은 낮아진다. 태양전지판(10)의 출력 전압이 최대 전력점 전압보다 낮으면 마이콤(41)은 펄스폭 변조신호의 시비율을 감소시키므로, DC-DC 변환기(30)는 내부스위치 단락시간이 감소하면서 태양전지판(10)에서 부하로 제공되는 출력 전류가 감소하므로 태양전지판(10)의 출력 전압은 높아진다.
상기 제어부(40)는 상기 태양전지판(10)에서 발전되는 전력에 대한 최대 전력점 추종 방법을 수행하기 위해, 현재 시점 및 이전 측정 시점에서의 측정된 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치를 임시 결정하고, 전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 상기 임시 결정에서 증가하는 것으로 임시 결정된 다음 전압 지령치는 감소시키는 것으로 확정하며, 상기 임시 결정에서 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 증가시키는 것으로 확정하고, 상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양 전지의 출력 전압을 조정한다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 현재 시점 및 이전 측정 시점에서의 측정된 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계;
    전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 상기 전압 지령치를 임시 결정하는 단계에서 증가하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 감소시키는 것으로 확정하고, 상기 전압 지령치를 임시 결정하는 단계에서 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 증가시키는 것으로 확정하는 단계; 및
    상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양 전지의 출력 전압을 조정하는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 지령치를 임시 결정하는 단계 이후,
    상기 전압 지령치의 증가 또는 감소의 연속 회수를 확인하는 단계를 더 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전압 지령치의 증가 또는 감소의 연속 회수를 확인하는 단계는,
    이전 전압 지령치와 현재 전압 지령치를 비교하는 단계;
    상기 현재 전압 지령치와 상기 다음 전압 지령치를 비교하는 단계;
    상기 현재 전압 지령치가 상기 이전 전압 지령치 보다 크고, 상기 다음 전압 지령치가 상기 현재 전압 지령치 보다 크면, 전압 지령치 카운터를 증가시키는 단계;
    상기 현재 전압 지령치가 상기 이전 전압 지령치 보다 크고, 상기 현재 전압 지령치가 상기 다음 전압 지령치 보다 크면, 상기 전압 지령치 카운터를 리셋하는 단계;
    상기 이전 전압 지령치가 상기 현재 전압 지령치 보다 크고, 상기 현재 전압 지령치가 상기 다음 전압 지령치 보다 크면, 상기 전압 지령치 카운터를 증가시키는 단계; 및
    상기 이전 전압 지령치가 상기 현재 전압 지령치 보다 크고, 상기 다음 전압 지령치가 상기 현재 전압 지령치 보다 크면, 상기 전압 지령치 카운터를 리셋하는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 지령치를 확정하는 단계는,
    상기 전압 지령치 카운터와 소정 기준 회수를 비교하는 단계;
    상기 전압 지령치 카운터가 더 크고, 상기 다음 전압 지령치가 상기 현재 전압 지령치 보다 크면, 상기 다음 전압 지령치를 현재 전압 지령치를 감소시킨 값으로 확정하는 단계;
    상기 전압 지령치 카운터가 더 크고, 상기 현재 전압 지령치가 상기 다음 전압 지령치 보다 크면, 상기 다음 전압 지령치를 상기 현재 전압 지령치를 증가시킨 값으로 확정하는 단계; 및
    상기 소정 기준 회수가 더 크면, 상기 임시 결정된 다음 전압 지령치를 확정하는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 지령치를 임시 결정하는 단계는,
    현재 전력과 이전 전력을 비교하는 단계;
    현재 전압과 이전 전압을 비교하는 단계;
    상기 현재 전력이 더 크고, 상기 현재 전압이 더 크면, 상기 이전 전압 지령치를 증가시켜 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계;
    상기 현재 전력이 더 크고, 상기 이전 전압이 더 크면, 상기 이전 전압 지령치를 감소시켜 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계;
    상기 이전 전력이 더 크고, 상기 현재 전압이 더 크면, 상기 이전 전압 지령치를 감소시켜 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계; 및
    상기 이전 전력이 더 크고, 상기 이전 전압이 더 크면, 상기 이전 전압 지령치를 증가시켜 다음 전압 지령치를 임시 결정하는 단계를 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 현재 전력과 상기 이전 전력이 동일 범위 내에 있다면, 상기 이전 전압 지령치를 상기 다음 전압 지령치로 확정하는 단계를 더 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 현재 전압과 상기 이전 전압이 동일 범위 내에 있다면, 상기 이전 전압 지령치를 상기 다음 전압 지령치로 확정하는 단계를 더 포함하는 최대 전력점 추종 방법.
  8. 태양전지판;
    상기 태양전지판에서 발전되는 전력의 전기적 특성을 측정하는 측정부;
    상기 태양전지판에서 발전된 전력을 DC-DC 변환하는 DC-DC 변환기; 및
    상기 태양전지판에서 발전되는 전력에 대한 최대 전력점 추종 방법을 수행하기 위해, 현재 시점 및 이전 측정 시점에서의 측정된 전압 및 전력을 이용하여 다음 전압 지령치를 임시 결정하고, 전압 지령치의 증가 또는 감소가 소정 회수 이상 연속되었으면, 상기 임시 결정에서 증가하는 것으로 임시 결정된 다음 전압 지령치는 감소시키는 것으로 확정하며, 상기 임시 결정에서 감소하는 것으로 임시 결정된 상기 다음 전압 지령치는 증가시키는 것으로 확정하고, 상기 결정된 다음 전압 지령치에 따라 태양 전지의 출력 전압을 조정하는 제어부를 포함하는 태양 발전 시스템.
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