WO2015170903A1 - Micro-converter device for photovoltaic energy generation source - Google Patents

Micro-converter device for photovoltaic energy generation source Download PDF

Info

Publication number
WO2015170903A1
WO2015170903A1 PCT/KR2015/004584 KR2015004584W WO2015170903A1 WO 2015170903 A1 WO2015170903 A1 WO 2015170903A1 KR 2015004584 W KR2015004584 W KR 2015004584W WO 2015170903 A1 WO2015170903 A1 WO 2015170903A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
controller
duty
current
string
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/004584
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
조경호
김정렬
조창익
Original Assignee
(주)알티에스에너지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)알티에스에너지 filed Critical (주)알티에스에너지
Publication of WO2015170903A1 publication Critical patent/WO2015170903A1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic 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
    • G05F1/66Regulating electric power
    • G05F1/67Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30Electrical components
    • H02S40/36Electrical components characterised by special electrical interconnection means between two or more PV modules, e.g. electrical module-to-module connection
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a micro converter device for a photovoltaic energy generating source, and more particularly to a micro converter device for directly searching for and controlling an optimum duty of each solar module.
  • the present invention relates to a research project carried out with the support of the Small and Medium Business Administration of Korea (Task No .: S2216876, Title: Development of Current Level Compensation Compensator (MCCU) Module Level Power Management Unit having a maximum Insertion Loss of 3% or less).
  • MCCU Current Level Compensation Compensator
  • photovoltaic power generation system is a pollution-free and unlimited system of converting solar energy directly into electrical energy, which has recently been spotlighted as renewable energy.
  • Such a photovoltaic system is essentially equipped with a photovoltaic module (PV module), and maximum power point tracking (hereinafter referred to as 'MPPT') in the central inverter to increase photovoltaic efficiency. Do this. Up to thousands of photovoltaic modules are connected to one inverter. Since the output voltage and current of one photovoltaic module is small, the voltage output from a string in which a plurality of photovoltaic modules are connected in series as the input of the inverter (increased output The output current (raised output current) from the plurality of strings connected in parallel with the voltage is supplied.
  • PV module photovoltaic module
  • 'MPPT' maximum power point tracking
  • the current-voltage and power-voltage characteristic curves change as the amount of solar radiation changes.
  • the reason why the characteristics of a particular module in the string is deteriorated is due to shadows, dust, fallen leaves, characteristic changes due to deterioration between modules, and the like.
  • the shadowed solar modules have a lower current value according to this characteristic curve, and the current of the entire string is determined based on the lowest current value.
  • two or more submodules are usually connected in series in the solar module, and when one of the submodules is shadowed, the current of the entire solar module falls.
  • the micro-converter receives 100% of the output power of the photovoltaic module, adjusts the voltage of the photovoltaic module so that it is in the MPP (Maximum Power Point) state, and exports the power as a string.
  • the micro-converter consumes 2 ⁇ 3% of energy by itself (this is called 'Insertion loss'), so the micro-converter is installed in a situation where the solar radiation is high, there is no cloud, and there is no deterioration between modules. There is a problem that the production power is lower than when not.
  • P & O Perturbation & observation
  • the voltage (PV voltage) of the photovoltaic module must be changed to the target voltage determined by the P & O algorithm.
  • a high-speed proportional-integral controller (hereinafter referred to as "PI controllers)
  • hardware implementations of PI controllers add cost, and even if implemented in software, a 32-bit high-performance CPU is required. There is a problem.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a micro-converter device for a photovoltaic module that simplifies the maximum power point tracking by the duty direct control method by the pattern search instead of the P & O algorithm.
  • the first solar module may be a solar module connected to the last of the series connected solar modules.
  • the plurality of micro-converters may be connected in parallel with the plurality of photovoltaic modules and compensate for power deviation by providing a bypass path to the output of the photovoltaic module when a difference in production power occurs between the corresponding photovoltaic modules. .
  • the micro-converter includes an inductor providing a bypass path for current deviation compensation, first and second switches installed at one end of the inductor to set a current path, and a driver for driving the first and second switches at a predetermined duty.
  • the module controller may further include a voltage and current measurement value of the corresponding solar module to the string controller, and perform a duty cycle of the switch based on the duty value received from the string controller. Can be controlled.
  • the string controller may include a module voltage / current detector for detecting voltage and current of the first solar module, a string current detector for measuring string currents of the plurality of solar modules connected in series, and the module voltage / current detector.
  • the pattern search algorithm is used based on the detected voltage and current values of the first photovoltaic module, the string current values detected by the string current detector, and the voltage and current values of the photovoltaic module transmitted by the module controller.
  • a string controller for calculating the first duty value and transmitting the calculated first duty value to each module controller.
  • the string controller changes a duty value performed in each module controller based on a reference duty value and a duty variation value as a reference for a previous pole, and among the string stage output power values calculated in one pole, After determining the higher value of the maximum value of the trial and the previous pole, the duty value at that time can be set as the new reference duty value.
  • the string controller stores all voltage values of the photovoltaic module when the output power of the corresponding photovoltaic module is increased during an attempt to increase or decrease the duty value of each module controller, and then outputs the duty from the module voltages. Calculation can be used as a basis for a new pole.
  • the maximum power point tracking can be simplified by the duty direct control method using the pattern search, thereby reducing the system implementation cost and simplifying the device implementation.
  • FIG. 1 is a view showing the current-voltage and power-voltage characteristics of a typical solar module when the solar radiation changes.
  • FIG. 2 is a view showing the configuration of a cell, a sub module, and a module described in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of I-V characteristics of a cell, a submodule, and a module.
  • FIG. 4 is a block diagram of a micro converter device for a solar module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating in detail the micro-converter 130 and the string control unit 140 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a detailed view of the string controller 143 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates a maximum power point tracking process using a GPS algorithm.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a soft start according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a soft stop according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a photovoltaic module microconverter device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating the micro-converter shown in FIG. 13 in more detail.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a cell, a sub module, and a module described in an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating I-V characteristics of a cell, a sub module, and a module.
  • a plurality of solar cells (for example, 60 or 72) 40 are connected in series to one solar module 60.
  • all cells are limited by the output current due to the nature of the series connection. Therefore, the bypass diodes 70 are connected in parallel to each of the submodules 50 in which a predetermined number (for example, 20 or 24) cells are grouped.
  • a predetermined number for example, 20 or 24
  • 20 or 24 cells are connected in series to form one submodule, and three submodules having parallel connected bypass diodes are configured as one single module.
  • the present invention is not limited thereto and may be configured by changing the number of cells constituting the submodule as necessary. For example, to reduce the number of bypass diodes, 60 cells are determined as one submodule and one module has one submodule, or 60 submodules are connected by connecting bypass diodes in each cell. It is also possible to configure as a module.
  • the current of the submodule is equal to the current of the unit cell and the magnitude of the submodule.
  • the voltage is equal to the sum of the magnitudes of the voltages of the plurality of unit cells.
  • the voltage of one module is equal to the sum of the magnitudes of the voltages of the plurality of submodules, and the current of the module is equal to the current of one submodule.
  • Cells, sub-modules, and modules described in the embodiments of the present invention are all solar energy generating sources.
  • a module is described as an example of a solar energy generation source, but the present invention is not limited thereto.
  • the module may be directly applied to a cell or a sub module.
  • FIG. 4 is a block diagram of a micro converter device for a solar module according to the first embodiment of the present invention.
  • the micro converter device for a solar module includes a junction box 120, a micro converter 130, and a string controller 140.
  • the junction box 120 is combined with the solar module 110 to serve as an interface for outputting the output of the solar module 110 to another solar module or another device.
  • the micro-converter 130 serves to compensate for the current deviation between the solar modules by varying the path of the current according to the difference in the production power of the solar module 110.
  • the micro converter 130 is connected in parallel with the solar module 110, and manages a plurality of solar modules. According to the first embodiment of the present invention, when there is no mismatch of the production power between the solar modules, it operates as if there is no micro-converter, and only when there is a difference in the production power between the solar modules, By providing a bypass path to compensate for mismatched current, the problem of the cascade type micro-converter is improved.
  • the string controller 140 adjusts the voltage (PV voltage) of the solar module by controlling the duty cycle of the micro-converter 130 based on the production power of the solar module output from the micro-converter 130. do.
  • the string controller 140 performs control in units of strings.
  • FIG. 5 is a view illustrating in detail the micro-converter 130 and the string control unit 140 shown in FIG.
  • the micro-converter 130 includes an inductor 131, switches 132 and 133 installed at one end of the inductor for setting a current path, a driver 134 for driving the switch, and a module for controlling the duty cycle of the switch. Controller 135.
  • the inductor 131 serves to provide a bypass path for current deviation compensation, and switches 132 and 133 are installed at one end of the inductor 131 to bypass the current path (that is, through the inductor). Path or direct path between solar modules).
  • the driver 134 drives the switches 132 and 133 in an on or off state under the control of the module controller 135. At this time, the switch 132 provided on the left side of the one end of the inductor 131 and the switch 133 provided on the right side of the one end of the inductor 131 operate opposite to each other.
  • the module controller 135 transmits the voltage and current measurement values of the solar module 110 to the string controller 140 and based on the duty cycle control data and the operation control data received from the string controller 140.
  • the duty cycle of 132 and 133 is controlled.
  • the module controller 135 is connected between the two photovoltaic module 110 to operate by sending the power deviation of the two modules to the output through the path inside the module controller.
  • the module controller 135 determines the voltage ratio of the two solar modules 110 connected to the module controller, and is connected to the existing one in a situation in which mismatches (ie, power deviations) occur between the solar modules. Bypass the serial connection path between photovoltaic modules to the inductor path.
  • the module controller 135 is configured to have one-to-one correspondence to the N-1 solar modules 110, but only the last solar modules 110 and PV N constituting the string are strings instead of the module controller 135. It is directly connected to the controller 140.
  • the string controller 140 directly measures the power of the solar module 110 (PV N ) connected to the last, and the power of the remaining solar modules PV1, ... PV N-1 is the module controller of the module. Acquire through 135.
  • the string controller 140 may adjust the pulse width modulation (PWM) duty value of each module controller 135 by using a pattern search algorithm described below based on the power values obtained through the module controller 135. It calculates and controls each module controller 135.
  • PWM pulse width modulation
  • the string controller 140 includes a module voltage / current detector 142 that detects the voltage and current of the solar module PV N connected last, and a string current detector 141 that measures the string current Itot. ), The voltage and current values detected by the module voltage / current detector 142, the string current values detected by the string current detector 141, and the voltage and current of the remaining solar modules transmitted from each module controller 135.
  • FIG. 6 is a detailed view of the string controller 143 according to the first embodiment of the present invention.
  • the string controller 143 communicates with the module controller 135 to receive voltage and current measurements of the photovoltaic module 110, and transmits the photovoltaic module to the module controller 135.
  • Communication module 143a transmitting control data for control, voltage and current values of the photovoltaic module received through the communication module 143a, and current and string currents of the photovoltaic module 110 measured directly
  • a duty cycle to the module controller 135 according to the maximum power point tracking unit 143b and the maximum power point tracking unit 143b that calculate the maximum power point using a pattern search algorithm based on
  • the duty controller 143c transmits a control signal to adjust the voltage of the solar module 110.
  • the micro-converter device is connected to only the last photovoltaic module 110 (PV N ), not to receive the voltage across the high voltage string from the string controller 140.
  • the module controller 135 measures the voltage and current of the connected solar module 110, and transmits it to the string controller 143 through an internal communication module (not shown).
  • the communication module is preferably implemented as a wireless communication module.
  • the module controller 135 transmits the voltage and current measurement values of the photovoltaic module 110 to the string controller 143, the module controller 135 transmits the measured values and the unique number (ID) of the corresponding photovoltaic module 110 together. It is desirable to distinguish the solar modules.
  • the string controller 143 can easily know which solar module voltage and current measurement values are received.
  • the communication module 143a of the string controller 143 receives voltage and current measurement values of each photovoltaic module transmitted from the plurality of module controllers 135 and transmits them to the duty controller 143c.
  • the duty controller 143c converts the input voltage and current measurement values into corresponding digital voltage and current values, stores them in the internal memory, and transfers them to the maximum power point follower 143b.
  • the module current detector 142 of the string controller 140 directly measures the module voltage (V N ) and the current (I N ) of the photovoltaic module (110, PV N ) connected to the last of the string unit, and the duty controller (143c). ), And the string current detector 141 detects the current I tot of the entire string and delivers it to the duty controller 143c.
  • the duty controller 143c converts the voltage and current values V N and I N and the string current values I tot of the last solar module 110 and PV N transmitted as described above into digital current values. At the same time it is stored in the transfer to the maximum power follower (143b).
  • the duty controller (143c) is on the basis of the current (I tot), and the module current value (I 1, I 2, ..I n) transmitted from the respective controller module (135) flowing through the string having each module controller
  • the currents I L1 , I L2 , ..I Ln flowing through the inductor are calculated using Equation 1 below.
  • the duty controller 143c performs a soft stop algorithm that temporarily exits the maximum power point following mode to prevent the overcurrent from flowing. If the current flowing through all the inductors is normal, the maximum power point tracking unit 143b calculates the maximum power point for adjusting the voltage of the solar module.
  • the maximum power point tracking unit 143b uses the generalized pattern search algorithm (hereinafter referred to as 'GPS') instead of the P & O algorithm conventionally used for the maximum power point tracking. To follow.
  • 'GPS' generalized pattern search algorithm
  • a string controller 143 a new reference voltage (V 1, V 2, .., V N) Duty (d 1, d 2, each module control unit 135 therefrom when the decision ... After determining, d N-1 ), the determined duty d 1 , d 2 ,..., d N-1 is transmitted wirelessly to each module controller. Then, the controller calculates the string 143 is the power (P 1, P 2, ..., P N) receives the new voltage, the current value of the photovoltaic module, the drive over the air by the transfer duty, and the calculated According to the power increase and decrease, a new reference voltage is determined, a new duty is determined, and then a cycle of transmitting to each module controller 135 is repeated.
  • V 1, V 2, .., V N Duty
  • each module of a photovoltaic module is applied by applying a pattern search algorithm used in control engineering. Directly search for the optimum duty performed in the controller.
  • a pattern search algorithm used in an embodiment of the present invention a generalized pattern search algorithm (called 'GPS') and a modified generalized pattern search algorithm (called 'MGPS') may be used.
  • 'GPS' generalized pattern search algorithm
  • 'MGPS' modified generalized pattern search algorithm
  • GPS algorithm GPS algorithm
  • MGPS MGPS
  • pattern search described in the embodiment of the present invention may be used as a term including all combinations or modifications of GPS, MGPS, GPS, or MGPS.
  • FIG. 8 illustrates a maximum power point tracking process using a GPS algorithm.
  • the number of module controllers 135 is (N-1) and the duty values of all the module controllers 135 are set to a certain size (duty fluctuation). Value) to increase or decrease the value of the photovoltaic module.
  • the duty and the duty variation value are defined as in Equation 2 below.
  • the duty variation value is a concept corresponding to the size of a mesh in a GPS algorithm generally used in control engineering.
  • N-1 2 (N-1) attempts should be made, which is one poll. It is defined as.
  • one poll may be expressed as in Equation 3 below.
  • D prev means a reference duty value which is a reference in the previous pole
  • the duty variation value is set to a value that is increased or decreased compared to the previous pole according to whether the attempt in each pole is successful, as will be described later. Can be.
  • the pattern GPS algorithm increases the magnitude of the new duty variation value in the new pole to the previous value (e.g., twice the previous duty variation value) to speed up the maximum power point tracking.
  • the pole is considered to be a decreasing output pole and the new duty variation value of the new pole is maintained while maintaining the reference to the previous pole. Decreases (eg, 1/4 of the previous duty change).
  • the maximum power point may be tracked using a modified generalized pattern search algorithm (called 'MGPS').
  • 'MGPS' modified generalized pattern search algorithm
  • MGPS deformation pattern search
  • the MGPS algorithm does not seek the highest value of the output values of the string stages calculated in one pole, but rather when the output power of the solar module 110 is increased during an attempt to increase or decrease the duty value of each module controller. After storing all the voltage values of the optical module, the duty is calculated from these module voltages and used as the reference for the new pole. Therefore, MGPS can change the duty of all module controllers at the same time per pole.
  • every attempt is to calculate the output power by sensing the output voltage and output current in the unit of the solar module
  • the solar module of the attempt to increase the output power of the solar module Remember the voltage.
  • the reference duty is set by calculating a voltage ratio between the photovoltaic modules with respect to a voltage at which the output power of the photovoltaic module is increased.
  • the output power P 1 , 1 of the solar module 110 controlled by the duty value d 1 , 1 performed by the first module controller of the first attempt is previously determined.
  • the output power of the corresponding photovoltaic module 110 is increased, and the new duty value d 1 to be used in the next pole is calculated based on the photovoltaic module voltage value V PV1,1 .
  • the output power P 2, k of the solar module 110 at the duty value d 2, k at the second module controller of the kth trial is equal to the output power of the previously corresponding solar module 110. Since it is increased, the new duty value d 2 to be used in the next pole is calculated based on the photovoltaic module voltage value V PV2, k at this time.
  • the magnitude of the new duty variation value in the new pole is increased from the previous value (e.g., twice the previous duty variation value) to speed up the maximum power point tracking. Let's do it. However, if there is no duty vector that produces more power than the maximum of the previous pole in a single pole, then the pole is considered to be a decreasing output pole and the new duty variation value of the new pole is maintained while maintaining the reference to the previous pole. Decreases (eg, 1/4 of the previous duty change).
  • an algorithm of a combination of GPS and MGPS is also possible when searching for a pattern. For example, when starting a new poll, it is also possible to perform both GPS and MGPS, and then compare the results to determine the condition of the maximum output power as the reference for the new poll.
  • FIG. 10 illustrates a simulation result of four solar modules using a GPS algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the initial duty values are set to 0.4, 0.4, and 0.5, respectively, and the x-axis of each graph represents the number of attempts for the duty variation, and FIGS. 10A, 10B, 10C, and 10D are shown in FIGS.
  • the y-axis of the graph represents the solar module voltage, the output power, the solar module current, and the duty value of the module controller, respectively.
  • N 4
  • the solar module micro-converter device since the optimum duty of each solar module is directly searched and controlled by pattern search, following the maximum power point is simplified. In this way, there is no need for a PI controller, which reduces the cost of system implementation while simplifying device implementation.
  • the module controller is turned off (S13).
  • the duty of the module controller is turned on. Therefore, check if there is a module controller with overcurrent in the inductor.
  • the module controller belonging to the inductor close to zero is next turned off. (S16, S14, S15) This operation is repeated until the overcurrent falls below the reference point.
  • the municipal ring soft stop function is used.
  • the string controller 140 periodically checks the current of the inductor, and when the current flowing through the inductor is less than the first reference level (S20), determines that there is no current deviation, and turns off the corresponding module controller.
  • S21 When the current flowing through the inductor is higher than the first reference level, it is determined whether the current flowing through the inductor flows at a value higher than the second reference level (that is, whether the overcurrent flows) (S22), and the current of the inductor If there is a module that flows to a value higher than the second reference level, as shown in FIG. 11, the controller of the module having the inductor current close to zero is checked by checking the inductor current in both directions from the adjacent module to the inductor. After the duty off, check whether the current of the inductor that the overcurrent flowed falls below the reference value. (S23)
  • the pattern search algorithm according to the embodiment of the present invention described above, the solar module micro-converter device according to the first embodiment of the present invention shown in Figures 4 to 6 (hereinafter referred to as "parallel structured micro-converter device"
  • the present invention is not limited thereto, and the present invention is also applicable to a conventional series solar module micro converter device (hereinafter referred to as a 'serial structure micro converter device').
  • FIGS. 13 and 14 a micro converter device for a solar module according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the micro-converter apparatus for a solar module includes a plurality of micro-converters 230, string controllers 240, and string inverters connected one-to-one to a plurality of solar modules. 220.
  • the plurality of micro converters 230 are connected in series.
  • the micro-converter 230 is connected in one-to-one correspondence to the N-1 solar modules 110, but is directly connected to the string controller 240 instead of the micro-converter 230 to the last solar module 110 constituting the string. do.
  • each micro-converter 230 includes an inductor 231, switches 232, 233, 234, and 235 provided at both ends of the inductor, a driver 236 for driving the switch, and a duty cycle of the switch. It includes a module controller 237 for controlling.
  • the driver 236 drives the switches 232, 233, 234, and 235 in an on or off state under the control of the module controller 237.
  • the module controller 237 transmits the voltage and current measurements of the solar module 110 to the string controller 240 and based on the duty cycle control data and the operation control data received from the string controller 240.
  • the duty cycle of (232, 233, 234, 235) is controlled.
  • the string controller 240 directly measures the power of the last solar module 110 connected, and the power of the remaining solar modules is obtained through the module controller 237 of the module.
  • the string controller 240 calculates a pulse width modulation (PWM) duty value of each module controller 237 using the GPS algorithm or the MGPS algorithm described above based on the power values obtained through the module controller 237. Thereby controlling each module controller 237.
  • PWM pulse width modulation
  • the string inverter 230 converts the DC voltage output from the string into an AC voltage.
  • the photovoltaic module according to the first embodiment of the present invention is similar to the photovoltaic module microconverter device by the pattern search.
  • the maximum power point tracking can be simplified, and there is an advantage of simplifying device implementation while reducing system implementation cost by eliminating the need for a PI controller.
  • the GPS controller or the MGPS algorithm is performed by the string controller 240, but may be independently performed by each micro converter. That is, depending on the performance of the CPU built in the communication module of the module controller of the micro-converter, GPS or MGPS may be performed in the micro converter or may be performed in the string controller.
  • the present invention is applied to a photovoltaic device.
  • the string controller directly measures the power of the photovoltaic module, and based on this, it is effectively applied to a technique for calculating the maximum power point using a pattern search algorithm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

A micro-converter device for photovoltaic modules, according to the present invention, comprises: a plurality of micro-converters which are connected to a plurality of photovoltaic modules connected in series, and which include module controllers for measuring power of the respective corresponding photovoltaic modules and controlling output power of the corresponding photovoltaic modules according to a first duty value; and a string control unit which directly measures power of a first photovoltaic module among the plurality of photovoltaic modules, and which calculates the first duty value by using a pattern search algorithm for directly searching for an optimum duty of each photovoltaic module so as to transmit the first duty value to each module controller, on the basis of power of the photovoltaic modules received from a plurality of module controllers and the directly measured power of the first photovoltaic module. According to the present invention, a tracking of a maximum power point can simply be performed though a direct duty controlling method by pattern searching, and thus, system implementation costs can be reduced and a device can be simply implemented.

Description

태양광 에너지 발생 소스용 마이크로 컨버터 장치Micro Converter Units for Solar Energy Sources
본 발명은 태양광(photovoltaic) 에너지 발생 소스용 마이크로 컨버터(micro converter) 장치에 관한 것으로서, 각 태양광 모듈의 최적의 듀티를 직접 탐색하여 제어하는 마이크로 컨버터 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro converter device for a photovoltaic energy generating source, and more particularly to a micro converter device for directly searching for and controlling an optimum duty of each solar module.
본 발명은 대한민국 중소기업청의 지원을 받아 수행한 연구과제(과제번호:S2216876, 과제명: 최대 Insertion Loss 3% 이하인 전류편차보상기(MCCU)형 Module Level Power Management Unit 개발)와 관련된 것이다. The present invention relates to a research project carried out with the support of the Small and Medium Business Administration of Korea (Task No .: S2216876, Title: Development of Current Level Compensation Compensator (MCCU) Module Level Power Management Unit having a maximum Insertion Loss of 3% or less).
일반적으로, 태양광 발전시스템은 무공해이면서 무한정의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 시스템으로서, 근래 신 재생에너지로 각광받고 있다.In general, photovoltaic power generation system is a pollution-free and unlimited system of converting solar energy directly into electrical energy, which has recently been spotlighted as renewable energy.
이러한 태양광 발전시스템에는 필수적으로 태양광 모듈(PhotoVoltaic Module; PV 모듈)이 구비되며, 태양광 발전 효율을 높이기 위해 중앙의 인버터에서 최대전력점 추종(Maximum Power Point Tracking; 이하 'MPPT'라 함)을 수행한다. 한 개의 인버터에는 수천 개까지의 태양광 모듈이 연결되는데, 태양광 모듈 한 개의 출력 전압 및 전류가 작기 때문에, 인버터의 입력으로서 복수의 태양광 모듈이 직렬로 연결된 스트링에서 출력된 전압(상승된 출력전압)과 병렬로 연결된 복수의 스트링들에서 출력한 전류(상승된 출력전류)가 공급된다. Such a photovoltaic system is essentially equipped with a photovoltaic module (PV module), and maximum power point tracking (hereinafter referred to as 'MPPT') in the central inverter to increase photovoltaic efficiency. Do this. Up to thousands of photovoltaic modules are connected to one inverter. Since the output voltage and current of one photovoltaic module is small, the voltage output from a string in which a plurality of photovoltaic modules are connected in series as the input of the inverter (increased output The output current (raised output current) from the plurality of strings connected in parallel with the voltage is supplied.
이때 스트링 단위로 보면, 내부의 태양광 모듈들이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 어느 한 태양광 모듈의 특성이 떨어져 주변의 다른 모듈에 비해 적은 전류를 출력하면 특성이 떨어진 태양광 모듈의 전류 값을 기준으로 스트링 전체에 전류가 흐르는 문제가 발생한다. 또한, 스트링들이 다수 개가 병렬로 연결이 되어있는 구조에서는 스트링의 전압들이 일치하지 않을 때에도 가장 낮은 전압으로 전체가 낮아지는 문제가 발생한다. In this case, since the internal solar modules are connected in series, if the characteristics of one solar module are reduced and output less current than other modules in the vicinity, the current value of the solar modules is inferior. This causes a problem that current flows through the entire string. In addition, in a structure in which a plurality of strings are connected in parallel, a problem arises in that the whole is lowered to the lowest voltage even when the voltages of the strings do not match.
한편, 태양광 모듈은 태양광의 일사량이 변함에 따라 도 1에 도시한 바와 같이, 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선이 변한다.Meanwhile, in the solar module, as shown in FIG. 1, the current-voltage and power-voltage characteristic curves change as the amount of solar radiation changes.
여기서 스트링 내부의 특정 모듈의 특성이 떨어지는 이유는 그림자, 먼지, 낙엽, 모듈 간의 열화에 의한 특성 변화 등에 기인한다. 예컨대, 스트링 내부에 부분적으로 그림자가 질 경우 그림자가 진 태양광 모듈들은 이 특성 곡선에 따라서 전류 값이 떨어지고 가장 낮은 전류 값을 기준으로 스트링 전체의 전류가 결정이 된다. 또한, 태양광 모듈 내부에도 보통 둘 이상의 서브 모듈들이 직렬로 연결되어 있는 데, 이 서브 모듈의 어느 한 개가 그림자가 지면 전체적인 태양광 모듈의 전류가 떨어지게 된다.The reason why the characteristics of a particular module in the string is deteriorated is due to shadows, dust, fallen leaves, characteristic changes due to deterioration between modules, and the like. For example, when the shadow is partially shadowed inside the string, the shadowed solar modules have a lower current value according to this characteristic curve, and the current of the entire string is determined based on the lowest current value. In addition, two or more submodules are usually connected in series in the solar module, and when one of the submodules is shadowed, the current of the entire solar module falls.
한편, 근래에는 태양광 모듈 단위로 최대 전력점 추종을 수행하는 마이크로 컨버터를 장착하여 특정 태양광 모듈의 특성이 떨어지는 것을 어느 정도는 보상하고 있다. 마이크로 컨버터는 태양광 모듈의 출력 전력을 100% 받아서 MPP(Maximum Power Point) 상태가 되도록 태양광 모듈의 전압을 조정하고, 그 전력을 스트링으로 내보내는 역할을 한다. 이때, 마이크로 컨버터에서 자체적으로 에너지를 2 ~ 3% 정도 소모(이를 ‘삽입 손실(Insertion loss)’이라 함)하게 되기 때문에, 일사량이 높고 구름이 없으며 모듈 간에 열화가 없는 상황에서는 오히려 마이크로 컨버터를 장착하지 않았을 때보다 생산 전력이 떨어지는 문제점이 발생한다.On the other hand, in recent years, by mounting a micro-converter that performs the maximum power point tracking in the unit of the solar module to compensate to some extent that the characteristics of the specific solar module is inferior. The micro-converter receives 100% of the output power of the photovoltaic module, adjusts the voltage of the photovoltaic module so that it is in the MPP (Maximum Power Point) state, and exports the power as a string. At this time, the micro-converter consumes 2 ~ 3% of energy by itself (this is called 'Insertion loss'), so the micro-converter is installed in a situation where the solar radiation is high, there is no cloud, and there is no deterioration between modules. There is a problem that the production power is lower than when not.
한편, 마이크로 컨버터에서 수행되는 최대 출력점 추종 알고리즘으로, P&O(Perturbation & observation) 알고리즘이 동작 원리가 매우 간단하고 구현방법이 간단하다는 이유로 많이 사용되고 있다. 마이크로 컨버터에서 P&O 알고리즘을 구현하기 위해서는 P&O 알고리즘이 결정하는 목표전압으로 태양광 모듈의 전압(PV 전압)을 변동시켜야 하는데, PV 전압을 목표전압으로 움직이기 위해서는 고속의 비례-적분제어기((Proportional Integral Controller, 이하 ‘PI 제어기’라 함)를 구현해야 한다. 그러나, PI 제어기를 하드웨어적으로 구현하면 비용이 추가되고 소프트웨어적으로 구현하더라도 32비트 급의 고성능 CPU가 필요하기 때문에, 역시 비용이 증가하는 문제점이 있다.  On the other hand, as the maximum output point tracking algorithm performed in the micro-converter, P & O (Perturbation & observation) algorithm is widely used because of its very simple operation and simple implementation. In order to implement the P & O algorithm in the micro-converter, the voltage (PV voltage) of the photovoltaic module must be changed to the target voltage determined by the P & O algorithm.In order to move the PV voltage to the target voltage, a high-speed proportional-integral controller ( Controllers (hereinafter referred to as "PI controllers"), however, hardware implementations of PI controllers add cost, and even if implemented in software, a 32-bit high-performance CPU is required. There is a problem.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, P&O 알고리즘 대신 패턴탐색에 의한 듀티 직접 제어방식으로 최대전력점 추종을 간단하게 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a micro-converter device for a photovoltaic module that simplifies the maximum power point tracking by the duty direct control method by the pattern search instead of the P & O algorithm.
본 발명의 특징에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치는 Photovoltaic module micro-converter device according to the characteristics of the present invention
직렬로 연결된 다수의 태양광 모듈에 연결되며, 각각 대응하는 태양광 모듈의 전력을 측정하며 제1 듀티 값에 따라 대응하는 태양광 모듈의 출력 전력을 제어하는 모듈 제어기를 포함하는 다수의 마이크로 컨버터; 및 상기 다수의 태양광 모듈 중 제1 태양광 모듈의 전력을 직접 측정하고, 다수의 모듈 제어기로부터 수신된 태양광 모듈의 전력과 상기 직접 측정한 상기 제1 태양광 모듈의 전력을 기초로, 각 태양광 모듈의 최적의 듀티를 직접 탐색하는 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 상기 제1 듀티 값을 산출하여 각 모듈 제어기에 전송하는 스트링 제어부를 포함한다. A plurality of micro-converters connected to a plurality of solar modules connected in series, each of the micro-converters including a module controller measuring power of the corresponding solar modules and controlling output power of the corresponding solar modules according to the first duty value; And directly measuring the power of the first solar module of the plurality of solar modules, and based on the power of the solar module received from the plurality of module controllers and the power of the first measured solar module directly, And a string controller for calculating and transmitting the first duty value to each module controller using a pattern search algorithm for directly searching for an optimal duty of the solar module.
여기서, 상기 제1 태양광 모듈은 상기 직렬 연결된 태양광 모듈 중 마지막에 연결된 태양광 모듈일 수 있다. Here, the first solar module may be a solar module connected to the last of the series connected solar modules.
상기 다수의 마이크로 컨버터는 상기 다수의 태양광 모듈과 병렬로 연결되며, 대응하는 태양광 모듈사이의 생산전력의 차이가 발생한 경우 태양광 모듈의 출력에 우회경로를 제공하여 전력편차를 보상할 수 있다. The plurality of micro-converters may be connected in parallel with the plurality of photovoltaic modules and compensate for power deviation by providing a bypass path to the output of the photovoltaic module when a difference in production power occurs between the corresponding photovoltaic modules. .
상기 마이크로 컨버터는 전류 편차 보상을 위한 우회경로를 제공하는 인덕터, 상기 인덕터의 일단에 설치되어 전류경로를 설정하는 제1 및 제2 스위치, 및 상기 제1 및 제2 스위치를 소정 듀티로 구동하는 드라이버를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 모듈제어기는 대응하는 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어부에 전송하고, 상기 스트링 제어부로부터 수신된 상기 듀티 값을 기초로 상기 스위치의 듀티 사이클을 제어할 수 있다. The micro-converter includes an inductor providing a bypass path for current deviation compensation, first and second switches installed at one end of the inductor to set a current path, and a driver for driving the first and second switches at a predetermined duty. The module controller may further include a voltage and current measurement value of the corresponding solar module to the string controller, and perform a duty cycle of the switch based on the duty value received from the string controller. Can be controlled.
상기 스트링 제어부는 상기 제1 태양광 모듈의 전압 및 전류를 검출하는 모듈 전압/전류 검출기, 상기 직렬로 연결된 다수의 태양광 모듈의 스트링 전류를 측정하는 스트링 전류 검출기, 및 상기 모듈 전압/전류 검출기에서 검출한 상기 제1 태양광 모듈의 전압 및 전류 값, 상기 스트링 전류 검출기에서 검출한 스트링 전류 값과 상기 모듈 제어기에 의해 전송되는 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 기초로 상기 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 상기 제1 듀티 값을 산출하여 각 모듈 제어기에 전송하는 스트링 제어기를 포함할 수 있다. The string controller may include a module voltage / current detector for detecting voltage and current of the first solar module, a string current detector for measuring string currents of the plurality of solar modules connected in series, and the module voltage / current detector. The pattern search algorithm is used based on the detected voltage and current values of the first photovoltaic module, the string current values detected by the string current detector, and the voltage and current values of the photovoltaic module transmitted by the module controller. And a string controller for calculating the first duty value and transmitting the calculated first duty value to each module controller.
상기 스트링 제어부는 이전 폴에서의 기준이 되는 기준 듀티 값과 듀티 변동 값을 기초로 각 모듈 제어기에서 수행되는 듀티 값에 변화를 주도록 하며, 한 번의 폴에서 계산된 스트링 단의 출력 전력 값들 중에서 최고치의 시도와 그 전 폴의 최고치 중에서 큰 값을 판단 한 후, 그 때의 듀티 값을 새로운 기준 듀티값으로 설정할 수 있다. The string controller changes a duty value performed in each module controller based on a reference duty value and a duty variation value as a reference for a previous pole, and among the string stage output power values calculated in one pole, After determining the higher value of the maximum value of the trial and the previous pole, the duty value at that time can be set as the new reference duty value.
또한, 상기 스트링 제어부는 각 모듈 제어기의 듀티 값이 증가 혹은 감소되는 시도 중 대응 태양광 모듈의 출력 전력이 증가되었을 때의 태양광 모듈의 전압 값들을 모두 기억 한 후, 이 모듈 전압들로부터 듀티를 계산하여 새로운 폴의 기준으로 정할 수 있다. Further, the string controller stores all voltage values of the photovoltaic module when the output power of the corresponding photovoltaic module is increased during an attempt to increase or decrease the duty value of each module controller, and then outputs the duty from the module voltages. Calculation can be used as a basis for a new pole.
본 발명의 실시예에 따르면 패턴탐색에 의한 듀티 직접 제어방식으로 최대전력점 추종을 간단하게 할 수 있어, 시스템 구현 비용을 절감하면서도 장치 구현을 간소화할 수 있는 장점이 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, the maximum power point tracking can be simplified by the duty direct control method using the pattern search, thereby reducing the system implementation cost and simplifying the device implementation.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 스트링 단위의 맨 마지막에 연결된 태양광 모듈의 전압, 전류를 스트링 제어부에서 직접 측정함으로써, 최대전력점 계산시 오차와 계산량이 줄어드는 장점이 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by directly measuring the voltage and current of the photovoltaic module connected to the last of the string unit in the string controller, there is an advantage that the error and calculation amount when calculating the maximum power point is reduced.
도 1은 일사량 변화시 일반적인 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력-전압 특성을 나타내는 도면이다. 1 is a view showing the current-voltage and power-voltage characteristics of a typical solar module when the solar radiation changes.
도 2는 본 발명의 실시예에서 설명하는 셀, 서브 모듈 및 모듈의 구성을 나타나는 도면이다. 2 is a view showing the configuration of a cell, a sub module, and a module described in the embodiment of the present invention.
도 3은 셀, 서브모듈, 모듈의 I-V 특성예를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating an example of I-V characteristics of a cell, a submodule, and a module.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도이다. 4 is a block diagram of a micro converter device for a solar module according to the first embodiment of the present invention.
도 5는 도 4에 도시된 마이크로 컨버터(130)와 스트링 제어부(140)를 보다 상세하게 나타낸 도면이다. 5 is a view illustrating in detail the micro-converter 130 and the string control unit 140 shown in FIG.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스트링 제어기(143)를 상세하게 나타낸 도면이다. 6 is a detailed view of the string controller 143 according to the first embodiment of the present invention.
도 7은 P&O 알고리즘을 이용한 최대전력점추종 과정을 도시한 것이다.7 shows a maximum power point tracking process using the P & O algorithm.
도 8은 GPS 알고리즘을 이용한 최대전력점 추종 과정을 도시한 것이다.8 illustrates a maximum power point tracking process using a GPS algorithm.
도 9은 MGPS 알고리즘을 이용한 최대전력점 추종 과정을 도시한 것이다.9 illustrates a maximum power point tracking process using the MGPS algorithm.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 MGPS 알고리즘을 사용한 경우의 시뮬레이션결과이다. 10 is a simulation result when using the MGPS algorithm according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 스타트를 설명하기 위한 순서도이다. 11 is a flowchart illustrating a soft start according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 스톱을 설명하기 위한 순서도이다. 12 is a flowchart illustrating a soft stop according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도이다. FIG. 13 is a configuration diagram of a photovoltaic module microconverter device according to a second embodiment of the present invention.
도 14는 도 13에 도시된 마이크로 컨버터를 보다 상세하게 나타낸 도면이다. FIG. 14 is a diagram illustrating the micro-converter shown in FIG. 13 in more detail.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.
이하 본 발명의 실시예에 따른 태양광 에너지 발생 소스용 마이크로 컨버터장치 및 그 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a micro converter device for a solar energy generation source and a control method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에서 설명하는 셀, 서브 모듈 및 모듈의 구성을 나타나는 도면이고, 도 3은 셀, 서브모듈, 모듈의 I-V 특성을 나타내는 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a cell, a sub module, and a module described in an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating I-V characteristics of a cell, a sub module, and a module.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 태양광 모듈(60)에는 다수의 태양광 셀(예를 들어, 60개 혹은 72개)(40)이 직렬 연결되어 있다. 직렬 연결된 다수의 태양광 셀에 부분적인 그림자가 지는 경우에는, 직렬연결의 특성상 모든 셀이 출력전류에 제한을 받게 된다. 따라서 소정 수(예를 들어, 20개 또는 24개)의 셀을 그룹으로 묶은 서브모듈(50)마다 바이 패스다이오드(70)를 병렬로 연결한다. 그 결과 부분적인 그림자가 지는 경우에도 태양광 모듈 전체의 발전을 포기하지 않고, 그림자가 진 서브모듈만 바이패스 할 수 있으므로 효율적인 전력생산을 할 수 있게 된다. According to an embodiment of the present invention, a plurality of solar cells (for example, 60 or 72) 40 are connected in series to one solar module 60. In the case of partial shadowing of multiple solar cells connected in series, all cells are limited by the output current due to the nature of the series connection. Therefore, the bypass diodes 70 are connected in parallel to each of the submodules 50 in which a predetermined number (for example, 20 or 24) cells are grouped. As a result, even in the case of partial shadows, the power generation of the photovoltaic module can be bypassed, and only the shadowed submodules can be bypassed, resulting in efficient power production.
도 2에 도시한 본 발명의 실시예에 따르면, 20개 혹은 24개의 셀이 직렬 연결되어 하나의 서브모듈로 구성되고, 병렬 연결된 바이패스다이오드를 가지는 3개의 서브모듈이 하나의 단일 모듈로 구성되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라서는 서브모듈을 구성하는 셀의 수에 변화를 주어 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어 바이패스 다이오드의 개수를 줄이기 위해 60개의 셀을 하나의 서브모듈로 결정하고 하나의 모듈이 하나의 서브모듈을 가지는 구성이나, 하나의 셀 마다 바이패스 다이오드를 병렬 연결하여 60개의 서브모듈을 하나의 모듈로 구성하는 것도 가능하다. According to the exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 2, 20 or 24 cells are connected in series to form one submodule, and three submodules having parallel connected bypass diodes are configured as one single module. However, the present invention is not limited thereto and may be configured by changing the number of cells constituting the submodule as necessary. For example, to reduce the number of bypass diodes, 60 cells are determined as one submodule and one module has one submodule, or 60 submodules are connected by connecting bypass diodes in each cell. It is also possible to configure as a module.
도 3에 도시한 바와 같이, 서브 모듈은 하나 이상의 셀(이를 ‘단위 셀’이라 함)을 직렬로 연결한 것이기 때문에, 서브 모듈의 전류는 단위 셀의 전류와 그 크기가 동일하고, 서브모듈의 전압은 복수의 단위 셀의 전압의 크기의 합과 동일하다. 이와 마찬가지로, 하나의 모듈의 전압은 복수의 서브 모듈의 전압의 크기의 합과 동일하며, 모듈의 전류는 하나의 서브 모듈의 전류와 동일하다. As shown in FIG. 3, since the submodule is a series of one or more cells (called unit cells) in series, the current of the submodule is equal to the current of the unit cell and the magnitude of the submodule. The voltage is equal to the sum of the magnitudes of the voltages of the plurality of unit cells. Similarly, the voltage of one module is equal to the sum of the magnitudes of the voltages of the plurality of submodules, and the current of the module is equal to the current of one submodule.
본 발명의 실시예에서 설명하는 셀, 서브 모듈, 모듈은 모두 태양광 에너지 발생 소스이다. 이하에서는 설명의 편의상 태양광 에너지 발생 소스로서 모듈을 예로서 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 셀이나 서브 모듈에도 직접 적용이 가능한 것은 물론이다. Cells, sub-modules, and modules described in the embodiments of the present invention are all solar energy generating sources. Hereinafter, for convenience of description, a module is described as an example of a solar energy generation source, but the present invention is not limited thereto. Of course, the module may be directly applied to a cell or a sub module.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도이다.4 is a block diagram of a micro converter device for a solar module according to the first embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치는 정션 박스(Junction box)(120), 마이크로 컨버터(130) 및 스트링 제어부(140)를 포함한다.As shown in FIG. 4, the micro converter device for a solar module according to the first embodiment of the present invention includes a junction box 120, a micro converter 130, and a string controller 140.
정션 박스(120)는 태양광 모듈(110)과 결합되어, 태양광 모듈(110)의 출력을 다른 태양광 모듈이나 다른 기기에 출력하기 위한 인터페이스 역할을 한다.The junction box 120 is combined with the solar module 110 to serve as an interface for outputting the output of the solar module 110 to another solar module or another device.
마이크로 컨버터(130)는 태양광 모듈(110)의 생산 전력의 차이에 따라 전류의 경로를 가변하여 태양광 모듈 간의 전류 편차를 보상하는 역할을 한다. 이러한 마이크로 컨버터(130)는 상기 태양광 모듈(110)과 병렬로 연결되며, 복수의 태양광 모듈을 관장한다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 태양광 모듈간 생산전력의 미스매치가 없는 경우에는 마이크로 컨버터가 없는 것처럼 동작을 하며, 태양광 모듈간 생산전력에 차이가 발생한 경우에만 태양광 모듈의 출력에 우회경로를 제공하여 전력편차(Mismatched Current)를 보상함으로써 기존의 직렬구조(Cascade)형 마이크로 컨버터의 문제점을 개선하게 된다.The micro-converter 130 serves to compensate for the current deviation between the solar modules by varying the path of the current according to the difference in the production power of the solar module 110. The micro converter 130 is connected in parallel with the solar module 110, and manages a plurality of solar modules. According to the first embodiment of the present invention, when there is no mismatch of the production power between the solar modules, it operates as if there is no micro-converter, and only when there is a difference in the production power between the solar modules, By providing a bypass path to compensate for mismatched current, the problem of the cascade type micro-converter is improved.
스트링 제어부(140)는 상기 마이크로 컨버터(130)에서 출력된 태양광 모듈의 생산 전력을 기초로 상기 마이크로 컨버터(130)의 듀티 사이클을 제어하여 태양광 모듈의 전압(PV 전압)을 조정하는 역할을 한다. 여기서 스트링 제어부(140)는 스트링 단위로 제어를 수행한다.The string controller 140 adjusts the voltage (PV voltage) of the solar module by controlling the duty cycle of the micro-converter 130 based on the production power of the solar module output from the micro-converter 130. do. Here, the string controller 140 performs control in units of strings.
도 5는 도 4에 도시된 마이크로 컨버터(130)와 스트링 제어부(140)를 보다 상세하게 나타낸 도면이다. 5 is a view illustrating in detail the micro-converter 130 and the string control unit 140 shown in FIG.
도 5에서, 마이크로 컨버터(130)는 인덕터(131), 인덕터의 일단에 설치되어 전류경로를 설정하는 스위치(132, 133), 스위치를 구동하는 드라이버(134) 및 스위치의 듀티 사이클을 제어하는 모듈 제어기(135)를 포함한다. In FIG. 5, the micro-converter 130 includes an inductor 131, switches 132 and 133 installed at one end of the inductor for setting a current path, a driver 134 for driving the switch, and a module for controlling the duty cycle of the switch. Controller 135.
도 5에서, 인덕터(131)는 전류 편차 보상을 위한 우회경로를 제공하는 역할을 수행하며, 스위치(132, 133)는 상기 인덕터(131)의 일단에 설치되어 전류 경로(즉, 인덕터를 통한 우회경로 또는 태양광 모듈간 직접 연결된 경로)를 설정한다. In FIG. 5, the inductor 131 serves to provide a bypass path for current deviation compensation, and switches 132 and 133 are installed at one end of the inductor 131 to bypass the current path (that is, through the inductor). Path or direct path between solar modules).
드라이버(134)는 상기 모듈 제어기(135)의 제어에 따라 상기 스위치(132, 133)를 온(on) 또는 오프(off) 상태로 구동시킨다. 이때, 인덕터(131) 일단의 좌측에 설치된 스위치(132)와 상기 인덕터(131) 일단의 우측에 설치된 스위치(133)는 서로 반대로 동작한다.The driver 134 drives the switches 132 and 133 in an on or off state under the control of the module controller 135. At this time, the switch 132 provided on the left side of the one end of the inductor 131 and the switch 133 provided on the right side of the one end of the inductor 131 operate opposite to each other.
모듈 제어기(135)는 태양광 모듈(110)의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어부(140)에 전송하고 상기 스트링 제어부(140)로부터 수신된 듀티 사이클 제어 데이터와 동작 제어 데이터를 기초로 상기 스위치(132, 133)의 듀티 사이클을 제어한다. 또한, 모듈 제어기(135)는 두개의 태양광 모듈(110) 사이에 연결되어 두 모듈의 전력 편차를 모듈제어기 내부의 경로를 통해 출력으로 보내는 방식으로 동작한다. The module controller 135 transmits the voltage and current measurement values of the solar module 110 to the string controller 140 and based on the duty cycle control data and the operation control data received from the string controller 140. The duty cycle of 132 and 133 is controlled. In addition, the module controller 135 is connected between the two photovoltaic module 110 to operate by sending the power deviation of the two modules to the output through the path inside the module controller.
이를 구체적으로 설명하면, 모듈 제어기(135)는 모듈 제어기에 연결된 두 태양광 모듈(110)의 전압비를 결정하고, 태양광 모듈간 미스매치(즉, 전력편차)가 발생하는 상황에서는 기존에 연결되어 있는 태양광 모듈간 직렬 연결경로를 인덕터 경로로 우회시키도록 한다. Specifically, the module controller 135 determines the voltage ratio of the two solar modules 110 connected to the module controller, and is connected to the existing one in a situation in which mismatches (ie, power deviations) occur between the solar modules. Bypass the serial connection path between photovoltaic modules to the inductor path.
도 5에서, 모듈 제어기(135)는 N-1개의 태양광 모듈(110)에 일대일 대응하게 구성되나, 스트링을 구성하는 맨 마지막 태양광 모듈(110, PVN)만 모듈 제어기(135) 대신 스트링 제어부(140)에 직접 연결된다. In FIG. 5, the module controller 135 is configured to have one-to-one correspondence to the N-1 solar modules 110, but only the last solar modules 110 and PV N constituting the string are strings instead of the module controller 135. It is directly connected to the controller 140.
상기 스트링 제어부(140)는 맨 마지막에 연결된 태양광 모듈(110, PVN)의 전력을 직접 측정하고, 나머지 태양광 모듈(PV1, ...PVN-1)의 전력은 해당 모듈의 모듈 제어기(135)를 통해 획득한다. 그리고, 스트링 제어부(140)는 모듈 제어기(135)를 통해 획득한 전력 값들을 기초로 후술하는 패턴탐색(Pattern Search) 알고리즘을 이용하여 각 모듈 제어기(135)의 펄스폭변조(PWM) 듀티 값을 계산하여 각 모듈 제어기(135)를 제어하는 역할을 한다.The string controller 140 directly measures the power of the solar module 110 (PV N ) connected to the last, and the power of the remaining solar modules PV1, ... PV N-1 is the module controller of the module. Acquire through 135. The string controller 140 may adjust the pulse width modulation (PWM) duty value of each module controller 135 by using a pattern search algorithm described below based on the power values obtained through the module controller 135. It calculates and controls each module controller 135.
도 5에서, 스트링 제어부(140)는 맨 마지막에 연결된 태양광 모듈(PVN)의 전압 및 전류를 검출하는 모듈 전압/전류 검출기(142), 스트링 전류(Itot)를 측정하는 스트링 전류 검출기(141), 상기 모듈 전압/전류 검출기(142)에서 검출한 전압 및 전류 값과 상기 스트링 전류 검출기(141)에서 검출한 스트링 전류 값과 각 모듈 제어기(135)로부터 전송되는 나머지 태양광 모듈의 전압 및 전류를 기초로 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 최대전력점을 산출하고, 산출한 최대전력점에 따라 각 모듈 제어기(135)의 펄스폭변조 듀티 값을 계산하여 각 모듈 제어기(135)에 전송하는 스트링 제어기(133)를 포함한다.In FIG. 5, the string controller 140 includes a module voltage / current detector 142 that detects the voltage and current of the solar module PV N connected last, and a string current detector 141 that measures the string current Itot. ), The voltage and current values detected by the module voltage / current detector 142, the string current values detected by the string current detector 141, and the voltage and current of the remaining solar modules transmitted from each module controller 135. A string controller for calculating a maximum power point using a pattern search algorithm, calculating a pulse width modulation duty value of each module controller 135 based on the calculated maximum power point, and transmitting the calculated pulse width modulation duty value to each module controller 135. 133).
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스트링 제어기(143)를 상세하게 나타낸 도면이다. 6 is a detailed view of the string controller 143 according to the first embodiment of the present invention.
도 6에 도시한 바와 같이, 스트링 제어기(143)는 상기 모듈 제어기(135)와 통신을 하여 태양광 모듈(110)의 전압 및 전류 측정값을 수신하고, 상기 모듈 제어기(135)에 태양광 모듈(110) 제어를 위한 제어 데이터를 전송하는 통신 모듈(143a), 상기 통신 모듈(143a)을 통해 수신한 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 직접 측정한 태양광 모듈(110)의 전류 및 스트링 전류를 기초로 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 최대전력점을 산출하는 최대전력점 추종부(143b), 상기 최대전력점 추종부(143b)에서 산출한 최대전력점에 따라 상기 모듈 제어기(135)에 듀티 사이클 제어신호를 전송하여 태양광 모듈(110)의 전압을 조정하는 듀티 제어기(143c)를 포함한다.As shown in FIG. 6, the string controller 143 communicates with the module controller 135 to receive voltage and current measurements of the photovoltaic module 110, and transmits the photovoltaic module to the module controller 135. Communication module 143a transmitting control data for control, voltage and current values of the photovoltaic module received through the communication module 143a, and current and string currents of the photovoltaic module 110 measured directly A duty cycle to the module controller 135 according to the maximum power point tracking unit 143b and the maximum power point tracking unit 143b that calculate the maximum power point using a pattern search algorithm based on The duty controller 143c transmits a control signal to adjust the voltage of the solar module 110.
도 4 내지 도 6에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 컨버터장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the micro-converter device according to the first embodiment of the present invention shown in Figures 4 to 6 will be described in detail.
본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 컨버터 장치는 스트링 제어부(140)에서 고압의 스트링 양단 전압을 입력받는 것이 아니고 마지막 태양광 모듈(110, PVN)에만 연결되어 있다. The micro-converter device according to the first embodiment of the present invention is connected to only the last photovoltaic module 110 (PV N ), not to receive the voltage across the high voltage string from the string controller 140.
먼저, 모듈 제어기(135)는 연결된 태양광 모듈(110)의 전압 및 전류를 측정하고, 이를 내부의 통신 모듈(도시하지 않음)을 통해 스트링 제어기(143)에 전송한다. 이때 통신 모듈은 무선 통신 모듈로 구현하는 것이 바람직하다. 아울러 모듈 제어기(135)는 태양광 모듈(110)의 전압 및 전류 측정값을 스트링 제어기(143)에 전송할 때, 측정값과 그에 대응하는 태양광 모듈(110)의 고유번호(ID)를 함께 전송하여 태양광 모듈을 구분하는 것이 바람직하다. 여기서 태양광 모듈별로 각각의 고유번호(ID)를 부여함으로써, 스트링 제어기(143)에서는 수신한 전압 및 전류 측정값이 어느 태양광 모듈의 전압, 전류인지를 쉽게 알 수 있게 된다.First, the module controller 135 measures the voltage and current of the connected solar module 110, and transmits it to the string controller 143 through an internal communication module (not shown). In this case, the communication module is preferably implemented as a wireless communication module. In addition, when the module controller 135 transmits the voltage and current measurement values of the photovoltaic module 110 to the string controller 143, the module controller 135 transmits the measured values and the unique number (ID) of the corresponding photovoltaic module 110 together. It is desirable to distinguish the solar modules. Here, by assigning each unique number ID for each solar module, the string controller 143 can easily know which solar module voltage and current measurement values are received.
스트링 제어기(143)의 통신 모듈(143a)은 복수의 모듈 제어기(135)에서 송출되는 각 태양광 모듈의 전압, 전류 측정값을 수신하여 듀티 제어기(143c)에 전달한다. 듀티 제어기(143c)는 입력되는 전압, 전류 측정값을 그에 상응하는 디지털 전압, 전류 값으로 변환을 하여, 내부 메모리에 저장함과 동시에 최대전력점 추종부(143b)에 전달한다.The communication module 143a of the string controller 143 receives voltage and current measurement values of each photovoltaic module transmitted from the plurality of module controllers 135 and transmits them to the duty controller 143c. The duty controller 143c converts the input voltage and current measurement values into corresponding digital voltage and current values, stores them in the internal memory, and transfers them to the maximum power point follower 143b.
스트링 제어부(140)의 모듈 전류 검출기(142)는 스트링 단위의 맨 마지막에 연결된 태양광 모듈(110, PVN)의 모듈 전압(VN) 및 전류(IN)를 직접 측정하여 듀티 제어기(143c)에 전달하고, 스트링 전류 검출기(141)는 스트링 전체의 전류(Itot)를 검출하여 상기 듀티 제어기(143c)에 전달한다. 듀티 제어기(143c)는 이와 같이 전달되는 맨 마지막 태양광 모듈(110, PVN)의 전압 및 전류 값(VN,IN)과 스트링 전류 값(Itot)을 디지털 전류 값으로 변환하여 내부 메모리에 저장함과 동시에 상기 최대전력 추종부(143b)에 전달한다.The module current detector 142 of the string controller 140 directly measures the module voltage (V N ) and the current (I N ) of the photovoltaic module (110, PV N ) connected to the last of the string unit, and the duty controller (143c). ), And the string current detector 141 detects the current I tot of the entire string and delivers it to the duty controller 143c. The duty controller 143c converts the voltage and current values V N and I N and the string current values I tot of the last solar module 110 and PV N transmitted as described above into digital current values. At the same time it is stored in the transfer to the maximum power follower (143b).
이때, 듀티 제어기(143c)는 스트링에 흐르는 전류(Itot)와 각 모듈 제어기(135)로부터 전송된 모듈 전류 값(I1, I2, ..In)을 기초로 각 모듈 제어기에 구비된 인덕터에 흐르는 전류(IL1, IL2, ..ILn)를 하기의 수학식 1을 이용하여 계산한다.At this time, the duty controller (143c) is on the basis of the current (I tot), and the module current value (I 1, I 2, ..I n) transmitted from the respective controller module (135) flowing through the string having each module controller The currents I L1 , I L2 , ..I Ln flowing through the inductor are calculated using Equation 1 below.
수학식 1
Figure PCTKR2015004584-appb-M000001
Equation 1
Figure PCTKR2015004584-appb-M000001
수학식 1로부터 계산된 특정 인덕터에 흐르는 전류가 과전류이면, 듀티 제어기(143c)는 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 잠시 최대전력점 추종모드를 벗어나는 소프트 스톱 알고리즘을 수행한다. 만일 모든 인덕터에 흐르는 전류가 정상적이라면 최대전력점 추종부(143b)를 통해 태양광 모듈의 전압을 조정하기 위한 최대전력점을 산출하도록 한다.If the current flowing through the specific inductor calculated from Equation 1 is overcurrent, the duty controller 143c performs a soft stop algorithm that temporarily exits the maximum power point following mode to prevent the overcurrent from flowing. If the current flowing through all the inductors is normal, the maximum power point tracking unit 143b calculates the maximum power point for adjusting the voltage of the solar module.
본 발명의 실시예에 따르면, 최대전력점 추종부(143b)는 최대전력점추종을 위해 종래 이용하는 P&O 알고리즘 대신 패턴탐색(Generalized Pattern Search; 이하 'GPS'라 함) 알고리즘을 이용하여 최대전력점을 추종한다. According to an embodiment of the present invention, the maximum power point tracking unit 143b uses the generalized pattern search algorithm (hereinafter referred to as 'GPS') instead of the P & O algorithm conventionally used for the maximum power point tracking. To follow.
도 7은 P&O 알고리즘을 이용한 최대전력점추종 과정을 도시한 것이다. 7 shows a maximum power point tracking process using the P & O algorithm.
P&O 알고리즘에 의하면, 스트링 제어기(143)는 새로운 기준 전압(V1, V2, .., VN)이 결정되면 이로부터 각 모듈 제어기(135)의 듀티(d1, d2,...,dN-1)를 결정한 후, 결정된 듀티(d1, d2,...,dN-1)를 무선으로 각 모듈 제어기에 전송한다. 이후, 스트링 제어기(143)는 전송된 듀티에 의해 구동된 태양광 모듈의 새로운 전압, 전류 값을 무선으로 받아서 전력(P1, P2,..., PN)을 계산하고, 그 계산된 전력의 증감에 따라 새로운 기준 전압을 결정하여 새로운 듀티를 결정한 후 각 모듈 제어기(135)에 전송하는 사이클을 반복하게 된다. According to the P & O algorithm, a string controller 143, a new reference voltage (V 1, V 2, .., V N) Duty (d 1, d 2, each module control unit 135 therefrom when the decision ... After determining, d N-1 ), the determined duty d 1 , d 2 ,..., d N-1 is transmitted wirelessly to each module controller. Then, the controller calculates the string 143 is the power (P 1, P 2, ..., P N) receives the new voltage, the current value of the photovoltaic module, the drive over the air by the transfer duty, and the calculated According to the power increase and decrease, a new reference voltage is determined, a new duty is determined, and then a cycle of transmitting to each module controller 135 is repeated.
따라서 이러한 P&O 알고리즘 방식은 최대전력점을 추종하는 시간이 오래 걸릴 수 있다. 또한, 스트링 전압을 제어해야하기 때문에 스트링 제어기 내부에 고전압 DC/DC 변환기가 필요하다는 단점이 있다. Therefore, this P & O algorithm can take a long time to follow the maximum power point. In addition, there is a disadvantage in that a high voltage DC / DC converter is required inside the string controller because the string voltage must be controlled.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 패턴 탐색 알고리즘을 설명한다. 패턴 탐색(Pattern Search; 'PS'라 함)알고리즘은 제어공학에서 최적 해를 구하는 알고리즘으로서 사용되는 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 제어공학에서 사용되는 패턴탐색 알고리즘을 응용하여 태양광 모듈의 각 모듈 제어기에서 수행되는 최적의 듀티를 직접 탐색한다. Hereinafter, a pattern search algorithm according to an embodiment of the present invention will be described. The pattern search algorithm is used as an algorithm for obtaining an optimal solution in control engineering. In an embodiment of the present invention, each module of a photovoltaic module is applied by applying a pattern search algorithm used in control engineering. Directly search for the optimum duty performed in the controller.
본 발명의 실시예에서 사용되는 패턴 탐색 알고리즘으로서는, 일반화된 패턴 탐색 알고리즘(Generalized Pattern Search; 'GPS'이라 함)과 변형 패턴 탐색 알고리즘(Modified Generalized Pattern Search; ‘MGPS'이라 함)이 사용될 수 있으며, GPS 알고리즘과 MGPS가 결합된 형태의 알고리즘도 사용될 수 있다. As a pattern search algorithm used in an embodiment of the present invention, a generalized pattern search algorithm (called 'GPS') and a modified generalized pattern search algorithm (called 'MGPS') may be used. In addition, a combination of GPS algorithm and MGPS can be used.
본 발명의 실시예에서 설명하는 “패턴 탐색”이라는 용어는 GPS, MGPS, GPS 또는 MGPS의 일부 결합이나 변형 등을 모두 포함하는 용어로 사용될 수 있다. The term “pattern search” described in the embodiment of the present invention may be used as a term including all combinations or modifications of GPS, MGPS, GPS, or MGPS.
도 8은 GPS 알고리즘을 이용한 최대전력점 추종 과정을 도시한 것이다.8 illustrates a maximum power point tracking process using a GPS algorithm.
본 발명의 실시예에 따른 GPS 알고리즘에 의하면, N개의 태양광 모듈을 제어하는 경우 모듈 제어기(135)의 개수는 (N-1)개이고 모든 모듈 제어기(135)의 듀티 값을 일정 크기(듀티 변동값)만큼 증가 또는 감소시켜 이에 따른 그에 따른 태양광 모듈의 전력 값에 대한 변화를 기억한다. According to the GPS algorithm according to the embodiment of the present invention, when controlling the N solar modules, the number of module controllers 135 is (N-1) and the duty values of all the module controllers 135 are set to a certain size (duty fluctuation). Value) to increase or decrease the value of the photovoltaic module.
이를 한 번의 시도(trial)라고 정의하며, 한 번의 시도에서는 하나의 모듈제어기의 듀티만을 변화시킨다. This is defined as a trial, and in one trial only the duty of one module controller is changed.
본 발명의 실시예에 따른 GPS 알고리즘에서, 듀티와 듀티 변동 값은 아래의 수학식 2와 같이 정의한다. 여기서, 듀티 변동 값은 제어공학에서 일반적으로 사용되는 GPS 알고리즘에서는 격자(mesh)의 크기에 대응하는 개념이다. In the GPS algorithm according to the embodiment of the present invention, the duty and the duty variation value are defined as in Equation 2 below. Here, the duty variation value is a concept corresponding to the size of a mesh in a GPS algorithm generally used in control engineering.
수학식 2
Figure PCTKR2015004584-appb-M000002
Equation 2
Figure PCTKR2015004584-appb-M000002
도 8에 도시한 바와 같이, N-1개의 모든 모듈 제어기(135)의 듀티값 변화에 대한 전력변화를 알아내기 위해서는 총 2(N-1)번의 시도가 있어야 하는데, 이를 한 번의 폴(poll) 이라고 정의한다.As shown in FIG. 8, in order to find out the power change with respect to the duty value change of all the N-1 module controllers 135, a total of 2 (N-1) attempts should be made, which is one poll. It is defined as.
이때, 한 번의 폴(Poll)은 하기의 수학식 식3과 같이 표현할 수 있다.In this case, one poll may be expressed as in Equation 3 below.
수학식 3
Figure PCTKR2015004584-appb-M000003
Equation 3
Figure PCTKR2015004584-appb-M000003
여기서, Dprev는 이전 폴에서의 기준이 되는 기준 듀티 값을 의미하며, 듀티 변동값은 후술하는 바와 같이 각 폴에서의 시도가 성공하였는지 여부에 따라 이전 폴에 비해 증감 또는 감소되는 값으로 설정될 수 있다. Here, D prev means a reference duty value which is a reference in the previous pole, and the duty variation value is set to a value that is increased or decreased compared to the previous pole according to whether the attempt in each pole is successful, as will be described later. Can be.
본 발명의 실시예에 따른 GPS 알고리즘은, 한 번의 폴에서 계산된 스트링 단의 출력 전력 값(Ptot,k)들 중에서 최고치의 시도(도 8에서는 k번째 시도)와 그 전 폴의 최고치 중에서 큰 값을 판단 한 후, 그때의 듀티 값을 새로운 기준 듀티값(Dprev)으로 삼는 방식이다. 따라서 한 번의 폴마다 하나의 듀티 만을 바꾸는 방식이라고 정의할 수 있으며 도 8은 이를 위한 내부 테이블 구성의 예를 보인 것이다. 도 8에서는 한 번의 폴 중에 k 번째의 듀티를 다음 폴의 기준으로 결정하는 방식을 표현하고 있다.GPS algorithm according to an embodiment of the present invention, the highest value of the output power values (Ptot, k) of the string stage calculated in one pole (k th attempt in Figure 8) and the highest value of the highest value of the previous pole After the determination, the duty value at that time is set as the new reference duty value D prev . Therefore, it can be defined as a method of changing only one duty per pole, and FIG. 8 shows an example of an internal table configuration for this. In FIG. 8, a method of determining the k th duty of one pole as a reference of the next pole is illustrated.
본 발명의 실시예에 따른 패턴 GPS 알고리즘은 새로운 폴에서의 새로운 듀티 변동 값의 크기는 최대전력 점 추종을 빠르게 하기 위해 이전 값보다 증가(예컨대,이전 듀티 변동값의 2배)시킨다. 그러나 한 번의 폴에서 그 전 폴의 최대치보다 높은 전력을 만들어 주는 듀티 벡터가 없으면, 그 폴은 출력전력이 감소하는 폴이라고 판단하고 하고 이전 폴에 대한 기준을 유지한 채로 새로운 폴의 새로운 듀티 변동 값은 감소(예컨대, 이전 듀티 변동값의 1/4배)시킨다. The pattern GPS algorithm according to an embodiment of the present invention increases the magnitude of the new duty variation value in the new pole to the previous value (e.g., twice the previous duty variation value) to speed up the maximum power point tracking. However, if there is no duty vector that produces more power than the maximum of the previous pole in a single pole, then the pole is considered to be a decreasing output pole and the new duty variation value of the new pole is maintained while maintaining the reference to the previous pole. Decreases (eg, 1/4 of the previous duty change).
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 한 번의 폴을 2(N-1)까지 시도하는 것이 아니라 중간에라도 그 전 폴의 최대 전력 값보다 큰 값이 나오면 폴을 성공으로 처리하고 다음 폴을 준비하는 변형된 방식도 가능하다. 또한, 듀티가 계산된 후, 듀티 값에 상한선 및 하한선을 두어서 듀티가 어느 범위 밖으로 벗어나지 않게 함으로써, 급격한 인덕터 전류 변화를 사전에 막을 수가 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, if one pole is not attempted up to 2 (N-1), but a value greater than the maximum power value of the previous pole appears in the middle, the pole is treated as a success and the next pole is prepared. Modified schemes are also possible. In addition, after the duty is calculated, an abrupt inductor current change can be prevented in advance by placing an upper limit and a lower limit on the duty value so that the duty does not deviate from a certain range.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변형된 형태의 패턴 탐색(Modified Generalized Pattern Search; 이라 'MGPS'라 함)알고리즘을 사용하여 최대전력점을 추종할 수 있다. Meanwhile, according to another exemplary embodiment of the present invention, the maximum power point may be tracked using a modified generalized pattern search algorithm (called 'MGPS').
도 9은 변형 패턴 탐색(MGPS) 알고리즘을 이용한 최대전력점 추종 과정을 도시한 것이다.9 illustrates a maximum power point following process using a deformation pattern search (MGPS) algorithm.
MGPS 알고리즘은 한 번의 폴에서 계산된 스트링 단의 출력 값들 중 최고치의 시도를 찾는 것이 아니라 각 모듈 제어기의 듀티 값이 증가 혹은 감소되는 시도 중 태양광 모듈(110)의 출력 전력이 증가되었을 때의 태양광 모듈의 전압 값들을 모두 기억 한 후 이 모듈 전압들로부터 듀티를 계산하여 새로운 폴의 기준으로 정하는 방식이다. 따라서 MGPS는 한 번의 폴마다 동시에 모든 모듈 제어기의 듀티를 바꾸는 것이 가능하다.The MGPS algorithm does not seek the highest value of the output values of the string stages calculated in one pole, but rather when the output power of the solar module 110 is increased during an attempt to increase or decrease the duty value of each module controller. After storing all the voltage values of the optical module, the duty is calculated from these module voltages and used as the reference for the new pole. Therefore, MGPS can change the duty of all module controllers at the same time per pole.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 MGPS 알고리즘에 따르면, 모든 시도마다 태양광 모듈 단위로 출력전압 및 출력전류를 센싱하여 출력전력을 계산하고, 태양광 모듈의 출력전력이 증가하는 시도의 태양광 모듈 전압을 기억한다. 이후, 다음 폴의 기준을 정할 때 태양광 모듈의 출력전력이 증가되는 전압에 대한 태양광 모듈 사이의 전압비를 계산하여 기준 듀티를 설정하는 방식이다. That is, according to the MGPS algorithm according to an embodiment of the present invention, every attempt is to calculate the output power by sensing the output voltage and output current in the unit of the solar module, the solar module of the attempt to increase the output power of the solar module Remember the voltage. Subsequently, when setting the reference of the next pole, the reference duty is set by calculating a voltage ratio between the photovoltaic modules with respect to a voltage at which the output power of the photovoltaic module is increased.
도 9를 참조하여 구체적으로 설명하면, 첫 번째 시도의 첫 번째 모듈 제어기가 수행하는 듀티 값(d1,1)으로 제어되는 태양광 모듈(110)의 출력 전력(P1,1)이 이전의 대응하는 태양광 모듈(110)의 출력 전력보다 증가하였고, 이때의 태양광 모듈 전압 값(VPV1,1)에 기초하여 다음 폴에서 사용될 새로운 듀티 값(d1)을 계산한다. Specifically, referring to FIG. 9, the output power P 1 , 1 of the solar module 110 controlled by the duty value d 1 , 1 performed by the first module controller of the first attempt is previously determined. The output power of the corresponding photovoltaic module 110 is increased, and the new duty value d 1 to be used in the next pole is calculated based on the photovoltaic module voltage value V PV1,1 .
또한, k 번째 시도의 두번째 모듈 제어기에서의 듀티 값(d2,k)에서의 태양광 모듈(110)의 출력 전력(P2,k)이 이전의 대응하는 태양광 모듈(110)의 출력 전력보다 증가하였기 때문에, 이때의 태양광 모듈 전압 값(VPV2,k)에 기초하여 다음 폴에서 사용될 새로운 듀티 값(d2)을 계산한다. Also, the output power P 2, k of the solar module 110 at the duty value d 2, k at the second module controller of the kth trial is equal to the output power of the previously corresponding solar module 110. Since it is increased, the new duty value d 2 to be used in the next pole is calculated based on the photovoltaic module voltage value V PV2, k at this time.
본 발명의 실시예에 따른 MGPS 알고리즘에서도 GPS 알고리즘과 마찬가지로, 새로운 폴에서의 새로운 듀티 변동 값의 크기는 최대전력 점 추종을 빠르게 하기 위해 이전 값보다 증가(에컨대,이전듀티 변동값의 2배)시킨다. 그러나 한 번의 폴에서 그 전 폴의 최대치보다 높은 전력을 만들어 주는 듀티 벡터가 없으면, 그 폴은 출력전력이 감소하는 폴이라고 판단하고 하고 이전 폴에 대한 기준을 유지한 채로 새로운 폴의 새로운 듀티 변동 값은 감소(예컨대, 이전 듀티 변동값의 1/4배)시킨다.  In the MGPS algorithm according to the embodiment of the present invention, as in the GPS algorithm, the magnitude of the new duty variation value in the new pole is increased from the previous value (e.g., twice the previous duty variation value) to speed up the maximum power point tracking. Let's do it. However, if there is no duty vector that produces more power than the maximum of the previous pole in a single pole, then the pole is considered to be a decreasing output pole and the new duty variation value of the new pole is maintained while maintaining the reference to the previous pole. Decreases (eg, 1/4 of the previous duty change).
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 패턴 탐색을 할 때 GPS 및 MGPS를 혼합한 형태의 알고리즘도 가능하다. 예컨대, 새로운 폴을 시작할 때, GPS와 MGPS를 모두 수행한 후 결과를 비교하여 출력 전력이 최대가 되는 조건을 새로운 폴의 기준으로 결정하는 것도 가능하다. Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, an algorithm of a combination of GPS and MGPS is also possible when searching for a pattern. For example, when starting a new poll, it is also possible to perform both GPS and MGPS, and then compare the results to determine the condition of the maximum output power as the reference for the new poll.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 GPS 알고리즘을 사용하여 태양광 모듈이 4개일 경우 시뮬레이션을 한 결과이다. FIG. 10 illustrates a simulation result of four solar modules using a GPS algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에서 듀티 초기치는 각각 0.4, 0.4, 0.5호 설정하였으며, 각 그래프의 x축은 듀티 변동에 대한 시도 횟수를 나타내고, 도 10의 (A), (B), (C), (D) 그래프의 y축은 각각 태양광 모듈 전압, 출력 전력, 태양광 모듈 전류 및 모듈 제어기의 듀티 값을 나타낸다. 도 9에서, 태양광 모듈이 4(N=4)개일 경우 한 번의 폴은 6(=2(N-1))의 시도를 가지며, 수십 차례의 시도(즉, 10번 이하의 폴)를 통해 안정적으로 최대전력점을 찾음을 알 수 있다.In the embodiment of the present invention, the initial duty values are set to 0.4, 0.4, and 0.5, respectively, and the x-axis of each graph represents the number of attempts for the duty variation, and FIGS. 10A, 10B, 10C, and 10D are shown in FIGS. The y-axis of the graph represents the solar module voltage, the output power, the solar module current, and the duty value of the module controller, respectively. In FIG. 9, when there are 4 (N = 4) solar modules, one pole has 6 (= 2 (N-1)) attempts, and through dozens of attempts (i.e., 10 or fewer poles). It can be seen that the maximum power point is stably found.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치에 의하면 패턴탐색에 의해 각 태양광 모듈의 최적의 듀티를 직접 탐색하여 제어하기 때문에, 최대전력점 추종을 간단하게 할 수 있다고, PI 제어기가 필요 없어 시스템 구현 비용을 절감하면서도 장치 구현을 간소화할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the solar module micro-converter device according to the first embodiment of the present invention, since the optimum duty of each solar module is directly searched and controlled by pattern search, following the maximum power point is simplified. In this way, there is no need for a PI controller, which reduces the cost of system implementation while simplifying device implementation.
한편, 도 4 내지 도 6에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치에 의하면, 태양광 모듈간 미스 매치가 심하게 발생하거나 미스 매치가 발생한 태양광 모듈들이 연속적으로 있으면, 그렇지 않은 모듈과의 경계에 있는 모듈 제어기의 인덕터에 과전류가 흐르는 문제점이 발생한다. On the other hand, according to the micro-converter device for a solar module according to the first embodiment of the present invention shown in Figures 4 to 6, if there is a severe mismatch between the solar modules or if the solar modules that have mismatch occurs continuously However, there is a problem that an overcurrent flows through the inductor of the module controller at the boundary with the module that is not.
본 발명의 실시예에서는 이러한 문제점에 대한 대책으로서, 초기 기동시에는 도 11에 도시한 소프트 스타트 방식을 이용한다. In the embodiment of the present invention, as a countermeasure against such a problem, the soft start method shown in FIG.
즉, 태양광 모듈의 상황과 관련 없이 모듈 제어기(마이크로 컨버터)의 제1 및 제2 스위치를 d=0.5를 초기치로 해서 무조건 기동하는 것이 아니라, 초기에는 모든 모듈 제어기의 스위치를 오프하고(S10), 각 모듈 제어기의 듀티(di)를 순차 온 시킨다. 이때 모듈 제어기의 듀티를 작동하기 전후의 전체 전력량의 변화를 측정하여 변화가 줄어들면(S12), 해당 모듈 제어기를 듀티 오프한다.(S13) 반대로 전체 전력량이 증가하면, 이 모듈제어기의 듀티가 온됨으로 인해 인덕터에 과전류가 흐르는 모듈 제어기가 존재하는지를 확인한다. (S14)That is, irrespective of the situation of the solar module, the first and second switches of the module controller (micro converter) are not unconditionally started with d = 0.5 as an initial value, but are initially switched off at all module controllers (S10). , Turn on the duty (d i ) of each module controller sequentially. At this time, if the change is reduced by measuring the change in the total amount of power before and after operating the duty of the module controller (S12), the module controller is turned off (S13). On the contrary, when the total amount of power is increased, the duty of the module controller is turned on. Therefore, check if there is a module controller with overcurrent in the inductor. (S14)
만약, 과전류가 발생한 인덕터가 있다면 그 인덕터를 중심으로 인접한 모듈부터 먼 쪽으로 양방향으로 인덕터 전류를 확인하여, 0에 가까운 인덕터 전류를 가진 모듈 제어기를 듀티 오프한 후, 과전류가 흐르던 인덕터의 전류가 기준치 이하로 떨어지는지를 확인한다. (S15)If there is an inductor that has an overcurrent, check the inductor current in both directions from the adjacent module to the inductor center, and turn off the module controller with the inductor current close to zero. Check if it falls to (S15)
만약, 과전류가 흐르던 인덕터의 전류가 기준치 이하로 떨어지지 않으면 그 다음으로 0에 가까운 인덕터가 속한 모듈 제어기를 듀티 오프한다. (S16, S14, S15)과전류가 기준점 이하로 내려올 때까지 이런 동작을 반복한다.If the current of the inductor through which the overcurrent flows does not fall below the reference value, the module controller belonging to the inductor close to zero is next turned off. (S16, S14, S15) This operation is repeated until the overcurrent falls below the reference point.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 태양광 모듈간 미스 매치가 심하게 발생한 모듈과 그렇지 않은 모듈과의 경계에 있는 모듈 제어기의 인덕터에 과전류가 흐르는 문제점을 해결하기 위해, 초기 동작이 아닌 정상 동작 중에는 도 12에 도시환 소프트 스톱 기능을 사용한다. On the other hand, according to an embodiment of the present invention, in order to solve the problem that the excessive current flows through the inductor of the module controller at the boundary between the module that is seriously mismatched between the photovoltaic module and the module that is not, during the normal operation rather than the initial operation In Fig. 12, the municipal ring soft stop function is used.
스트링 제어부(140)는 주기적으로 인덕터의 전류를 확인하여, 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨보다 적은 경우(S20)에는 전류 편차가 없는 것으로 판단하여 대응하는 모듈 제어기를 듀티 오프한다. (S21) 인덕터에 흐르는 전류가 제1 기준레벨 보다 높은 경우에는, 인덕터에 흐르는 전류가 제2 기준레벨 보다 높은 값으로 흐르는지(즉, 과전류가 흐르는지)를 판단하여(S22), 인덕터의 전류가 제2 기준레벨보다 높은 값으로 흐르는 모듈이 존재하면, 도 11에 도시한 소프트 스타트처럼 그 인덕터를 중심으로 인접한 모듈부터 먼 쪽으로 양방향으로 인덕터 전류를 확인하여 0에 가까운 인덕터 전류를 가진 모듈 제어기를 듀티 오프후, 과전류가 흐르던 인덕터의 전류가 기준치 이하로 떨어지는 지를 확인한다. (S23)The string controller 140 periodically checks the current of the inductor, and when the current flowing through the inductor is less than the first reference level (S20), determines that there is no current deviation, and turns off the corresponding module controller. (S21) When the current flowing through the inductor is higher than the first reference level, it is determined whether the current flowing through the inductor flows at a value higher than the second reference level (that is, whether the overcurrent flows) (S22), and the current of the inductor If there is a module that flows to a value higher than the second reference level, as shown in FIG. 11, the controller of the module having the inductor current close to zero is checked by checking the inductor current in both directions from the adjacent module to the inductor. After the duty off, check whether the current of the inductor that the overcurrent flowed falls below the reference value. (S23)
이 확인 결과 인덕터의 전류가 기준치 이하로 떨어지지 않으면 0에 가까운 인덕터가 속한 모듈 제어기를 듀티 오프 한다. 과전류가 기준점 이하로 내려올 때까지 이런 동작을 반복하게 된다.As a result of this check, if the current of the inductor does not fall below the reference value, the module controller belonging to the inductor close to zero is duty-off. This operation is repeated until the overcurrent drops below the reference point.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 패턴 탐색 알고리즘 도 4 내지 도 6에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈형 마이크로 컨버터 장치(이하 '병렬 구조형 마이크로 컨버터 장치'이라 함)에 적용되지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 종래의 직렬형의 태양광 모듈형 마이크로 컨버터 장치(이하 '직렬 구조형 마이크로 컨버터 장치'라 함)에도 적용가능하다. On the other hand, the pattern search algorithm according to the embodiment of the present invention described above, the solar module micro-converter device according to the first embodiment of the present invention shown in Figures 4 to 6 (hereinafter referred to as "parallel structured micro-converter device" However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is also applicable to a conventional series solar module micro converter device (hereinafter referred to as a 'serial structure micro converter device').
이하에서는 도 13 및 도 14를 참조하여 발명의 제2 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치를 설명한다. Hereinafter, a micro converter device for a solar module according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치는 다수의 태양광 모듈에 일대일로 연결된 다수의 마이크로 컨버터(230), 스트링 제어기(240) 및 스트링 인버터(220)를 포함한다. 다수의 마이크로 컨버터(230)는 직렬로 연결되어 있다. 마이크로 컨버터(230)는 N-1개의 태양광 모듈(110)에 일대일 대응하게 연결되나, 스트링을 구성하는 맨 마지막 태양광 모듈(110)에는 마이크로 컨버터(230) 대신 스트링 제어기(240)에 직접 연결된다. As shown in FIG. 13, the micro-converter apparatus for a solar module according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of micro-converters 230, string controllers 240, and string inverters connected one-to-one to a plurality of solar modules. 220. The plurality of micro converters 230 are connected in series. The micro-converter 230 is connected in one-to-one correspondence to the N-1 solar modules 110, but is directly connected to the string controller 240 instead of the micro-converter 230 to the last solar module 110 constituting the string. do.
각 마이크로 컨버터(230)는, 도 14에 도시한 바와 같이 인덕터(231), 인덕터의 양단에 설치되는 스위치(232, 233, 234, 235), 스위치를 구동하는 드라이버(236) 및 스위치의 듀티 사이클을 제어하는 모듈 제어기(237)를 포함한다.As illustrated in FIG. 14, each micro-converter 230 includes an inductor 231, switches 232, 233, 234, and 235 provided at both ends of the inductor, a driver 236 for driving the switch, and a duty cycle of the switch. It includes a module controller 237 for controlling.
도 14에서, 드라이버(236)는 상기 모듈 제어기(237)의 제어에 따라 상기 스위치(232, 233, 234, 235)를 온(on) 또는 오프(off) 상태로 구동시킨다. 모듈 제어기(237)는 태양광 모듈(110)의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어기(240)에 전송하고 상기 스트링 제어기(240)로부터 수신된 듀티 사이클 제어 데이터와 동작 제어 데이터를 기초로 상기 스위치(232, 233, 234, 235)의 듀티 사이클을 제어한다. In FIG. 14, the driver 236 drives the switches 232, 233, 234, and 235 in an on or off state under the control of the module controller 237. The module controller 237 transmits the voltage and current measurements of the solar module 110 to the string controller 240 and based on the duty cycle control data and the operation control data received from the string controller 240. The duty cycle of (232, 233, 234, 235) is controlled.
스트링 제어기(240)는 맨 마지막에 연결된 태양광 모듈(110)의 전력을 직접 측정하고, 나머지 태양광 모듈의 전력은 해당 모듈의 모듈 제어기(237)를 통해 획득한다. 그리고, 스트링 제어기(240)는 모듈 제어기(237)를 통해 획득한 전력 값들을 기초로 이전에 설명한 GPS 알고리즘 또는 MGPS 알고리즘을 이용하여 각 모듈 제어기(237)의 펄스폭변조(PWM) 듀티 값을 계산하여 각 모듈 제어기(237)를 제어하는 역할을 한다.The string controller 240 directly measures the power of the last solar module 110 connected, and the power of the remaining solar modules is obtained through the module controller 237 of the module. The string controller 240 calculates a pulse width modulation (PWM) duty value of each module controller 237 using the GPS algorithm or the MGPS algorithm described above based on the power values obtained through the module controller 237. Thereby controlling each module controller 237.
스트링 인버터(230)는 스트링에서 출력한 직류 전압을 교류 전압으로 변환시킨다. The string inverter 230 converts the DC voltage output from the string into an AC voltage.
도 14 및 도 15에 도시한 제2 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치에 의하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치와 마찬가지로 패턴탐색에 의해 각 태양광 모듈의 최적의 듀티를 직접 탐색하여 제어하기 때문에, 최대전력점 추종을 간단하게 할 수 있다고, PI 제어기가 필요 없어 시스템 구현 비용을 절감하면서도 장치 구현을 간소화할 수 있는 장점이 있다.According to the photovoltaic module micro-converter device according to the second embodiment shown in FIGS. 14 and 15, the photovoltaic module according to the first embodiment of the present invention is similar to the photovoltaic module microconverter device by the pattern search. By directly searching for and controlling the optimal duty of, the maximum power point tracking can be simplified, and there is an advantage of simplifying device implementation while reducing system implementation cost by eliminating the need for a PI controller.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다. 예컨대, 도 14 및 도 14에서는 스트링 제어기(240)에서 GPS 또는 MGPS 알고리즘을 수행하나, 각 마이크로 컨버터에서 독자적으로 수행할 수도 있다. 즉, 마이크로 컨버터의 모듈제어기의 통신모듈에 내장된 CPU의 성능에 따라서 GPS 또는 MGPS를 마이크로 컨버터에서 수행할 수도 있고 스트링 제어기에서 수행 할 수도 있다. Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various other changes and modifications are possible. For example, in FIG. 14 and FIG. 14, the GPS controller or the MGPS algorithm is performed by the string controller 240, but may be independently performed by each micro converter. That is, depending on the performance of the CPU built in the communication module of the module controller of the micro-converter, GPS or MGPS may be performed in the micro converter or may be performed in the string controller.
본 발명은 태양광 발전 장치에 적용된다. 특히, 태양광 모듈의 전압을 조정하기 위해 스트링 제어기에서 직접 태양광 모듈의 전력을 측정하고, 이를 기초로 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 최대전력점을 계산하는 기술에 효과적으로 적용된다.The present invention is applied to a photovoltaic device. In particular, in order to adjust the voltage of the photovoltaic module, the string controller directly measures the power of the photovoltaic module, and based on this, it is effectively applied to a technique for calculating the maximum power point using a pattern search algorithm.

Claims (12)

  1. 직렬로 연결된 다수의 태양광 모듈에 연결되며, 각각 대응하는 태양광 모듈의 전력을 측정하며 제1 듀티 값에 따라 대응하는 태양광 모듈의 출력 전력을 제어하는 모듈 제어기를 포함하는 다수의 마이크로 컨버터; 및 A plurality of micro-converters connected to a plurality of solar modules connected in series, each of the micro-converters including a module controller measuring power of the corresponding solar modules and controlling output power of the corresponding solar modules according to the first duty value; And
    상기 다수의 태양광 모듈 중 제1 태양광 모듈의 전력을 직접 측정하고, 다수의 모듈 제어기로부터 수신된 태양광 모듈의 전력과 상기 직접 측정한 상기 제1 태양광 모듈의 전력을 기초로, 각 태양광 모듈의 최적의 듀티를 직접 탐색하는 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 상기 제1 듀티 값을 산출하여 각 모듈 제어기에 전송하는 스트링 제어부를 포함하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. And directly measuring the power of a first solar module of the plurality of solar modules, and based on the power of the solar module received from the plurality of module controllers and the power of the first measured solar module directly. And a string controller which calculates and transmits the first duty value to each module controller using a pattern search algorithm for directly searching for an optimal duty of the optical module.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 제1 태양광 모듈은 상기 직렬 연결된 태양광 모듈 중 마지막에 연결된 태양광 모듈인 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. The first photovoltaic module is a micro-converter device for a photovoltaic module that is the last photovoltaic module of the series connected photovoltaic modules.
  3. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 다수의 마이크로 컨버터는 상기 다수의 태양광 모듈과 병렬로 연결되며, 대응하는 태양광 모듈사이의 생산전력의 차이가 발생한 경우 태양광 모듈의 출력에 우회경로를 제공하여 전력편차를 보상하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. The plurality of micro converters are connected in parallel with the plurality of photovoltaic modules and provide a bypass path to the output of the photovoltaic module to compensate for power deviations when a difference in production power occurs between the corresponding photovoltaic modules. Micro converter unit for modules.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 The method of claim 3, wherein the micro converter
    전류 편차 보상을 위한 우회경로를 제공하는 인덕터,Inductors provide bypass paths for current deviation compensation
    상기 인덕터의 일단에 설치되어 전류경로를 설정하는 제1 및 제2 스위치, 및 First and second switches installed at one end of the inductor to set a current path, and
    상기 제1 및 제2 스위치를 소정 듀티로 구동하는 드라이버를 추가로 포함하며, A driver for driving the first and second switches to a predetermined duty,
    상기 모듈제어기는 대응하는 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어부에 전송하고, 상기 스트링 제어부로부터 수신된 상기 듀티 값을 기초로 상기 스위치의 듀티 사이클을 제어하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. The module controller transmits the voltage and current measurement values of the corresponding solar module to the string controller, and controls the duty cycle of the switch based on the duty value received from the string controller. Device.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스트링 제어부는 The method of claim 1, wherein the string controller
    상기 제1 태양광 모듈의 전압 및 전류를 검출하는 모듈 전압/전류 검출기,A module voltage / current detector for detecting voltage and current of the first solar module,
    상기 직렬로 연결된 다수의 태양광 모듈의 스트링 전류를 측정하는 스트링 전류 검출기, 및 A string current detector for measuring string currents of the plurality of solar modules connected in series;
    상기 모듈 전압/전류 검출기에서 검출한 상기 제1 태양광 모듈의 전압 및 전류 값, 상기 스트링 전류 검출기에서 검출한 스트링 전류 값과 상기 모듈 제어기에 의해 전송되는 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 기초로 상기 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 상기 제1 듀티 값을 산출하여 각 모듈 제어기에 전송하는 스트링 제어기를 포함하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. Based on the voltage and current values of the first photovoltaic module detected by the module voltage / current detector, the string current values detected by the string current detector, and the voltage and current values of the photovoltaic module transmitted by the module controller. And a string controller configured to calculate and transmit the first duty value to each module controller using the pattern search algorithm.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스트링 제어기는 The method of claim 5, wherein the string controller
    상기 모듈 제어기와 통신을 하여 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 수신하고 상기 모듈 제어기에 태양광 모듈 제어를 위한 제어 데이터를 전송하는 통신 모듈,A communication module communicating with the module controller to receive voltage and current measurement values of the solar module and transmitting control data for controlling the solar module to the module controller;
    상기 통신 모듈을 통해 수신한 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 직접 측정한 상기 제1 태양광 모듈의 전압/전류 및 스트링 전류를 기초로 패턴탐색 알고리즘을 이용하여 최대전력점을 산출하는 최대전력점 추종부, 및 Maximum power point for calculating the maximum power point using a pattern search algorithm based on the voltage and current value of the solar module received through the communication module and the voltage / current and string current of the first solar module directly measured Followers, and
    상기 최대전력점 추종부에서 산출한 최대전력점에 따라 상기 모듈 제어기에 듀티 사이클 제어신호를 전송하여 상기 태양광 모듈의 전압을 조정하는 듀티 제어기를 포함하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. And a duty controller for adjusting a voltage of the solar module by transmitting a duty cycle control signal to the module controller according to the maximum power point calculated by the maximum power point follower.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 6,
    상기 스트링 제어부는 The string controller
    이전 폴에서의 기준이 되는 기준 듀티 값과 듀티 변동 값을 기초로 각 모듈 제어기에서 수행되는 듀티 값에 변화를 주도록 하며, Change the duty value performed in each module controller based on the reference duty value and the duty variation value, which are the reference for the previous poll,
    한 번의 폴에서 계산된 스트링 단의 출력 전력 값들 중에서 최고치의 시도와 그 전 폴의 최고치 중에서 큰 값을 판단 한 후, 그 때의 듀티 값을 새로운 기준 듀티값으로 설정하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. The microconverter device for photovoltaic module that determines the highest value among the output power values of the string stage calculated in one pole and the highest value of the previous pole value, and sets the duty value at that time as the new reference duty value. .
  8. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 듀티 변동값은 각 폴에서의 시도가 성공하였는지 여부에 따라 이전 폴에 비해 증감 또는 감소되는 값으로 설정되는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치. And said duty variation value is set to a value that is increased or decreased from the previous pole according to whether the attempt at each pole is successful.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 6,
    상기 스트링 제어부는 각 모듈 제어기의 듀티 값이 증가 혹은 감소되는 시도 중 대응 태양광 모듈의 출력 전력이 증가되었을 때의 태양광 모듈의 전압 값들을 모두 기억 한 후, 이 모듈 전압들로부터 듀티를 계산하여 새로운 폴의 기준으로 정하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치.The string controller stores all voltage values of the photovoltaic module when the output power of the corresponding photovoltaic module is increased during an attempt to increase or decrease the duty value of each module controller, and then calculates a duty from the module voltages. Micro-converter device for photovoltaic module which sets new pole standard.
  10. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein
    상기 스트링 제어부는 The string controller
    기동 초기에 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 오프하고, 각 모듈 제어기의 듀티를 순차 온 시킨 후, 상기 모듈 제어기의 듀티를 작동하기 전후의 전체 전력량의 변화를 측정하여 전력량이 감소하면 해당 듀티를 오프하고, 전력량이 증가하면 현재 듀티를 유지하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치.Turn off the first switch and the second switch at the beginning of the startup, turn on the duty of each module controller sequentially, measure the change in the total amount of power before and after the duty of the module controller and measure the corresponding duty if the amount of power decreases. A micro-converter device for photovoltaic modules that is off and maintains its current duty when the amount of power increases.
  11. 제10항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 스트링 제어부는 현재 듀티를 유지한 상태에서 인덕터에 과전류가 흐르는 모듈 제어기가 존재하는지를 확인하여, 과전류가 발생한 인덕터가 존재하면 그 인덕터를 중심으로 인접한 모듈부터 먼 쪽으로 양방향으로 인덕터 전류를 확인하여, 0에 가까운 인덕터 전류를 가진 모듈 제어기의 듀티를 오프하는 방식으로 모듈 제어기의 듀티를 제어하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치.The string controller checks whether there is a module controller through which an overcurrent flows in the inductor while maintaining a current duty. If there is an inductor that has an overcurrent, the string controller checks the inductor current in both directions away from an adjacent module around the inductor. A micro-converter device for a photovoltaic module that controls the duty of the module controller by turning off the duty of the module controller having an inductor current close to that.
  12. 제10항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 스트링 제어부는 정상 동작 중 주기적으로 인덕터의 과전류를 확인하여, 인덕터의 전류가 기준 이상으로 흐르는 모듈이 존재하면, 그 인덕터를 중심으로 인접한 모듈부터 먼 쪽으로 양방향으로 인덕터 전류를 확인하여 0에 가까운 인덕터 전류를 가진 모듈 제어기의 듀티를 오프하는 방식으로 모듈 제어기의 듀티를 제어하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치.The string controller periodically checks the overcurrent of the inductor during normal operation, and if there is a module in which the current of the inductor flows more than the reference, the inductor close to zero by checking the inductor current in both directions away from the adjacent module. A micro-converter device for photovoltaic modules that controls the duty of the module controller by turning off the duty of the module controller with the current.
PCT/KR2015/004584 2014-05-08 2015-05-08 Micro-converter device for photovoltaic energy generation source WO2015170903A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2014-0054590 2014-05-08
KR1020140054590A KR101561640B1 (en) 2014-05-08 2014-05-08 Micro converter device using power deviation handling of needless high-voltage DC-DC converter and control method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015170903A1 true WO2015170903A1 (en) 2015-11-12

Family

ID=54392700

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2015/004584 WO2015170903A1 (en) 2014-05-08 2015-05-08 Micro-converter device for photovoltaic energy generation source

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101561640B1 (en)
WO (1) WO2015170903A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11394235B2 (en) 2017-05-05 2022-07-19 Signify Holding B.V. Power conversion system and method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102658826B1 (en) * 2021-12-10 2024-04-19 주식회사 나눔에너지 Solar power generation system for optimally controlling individual module that provides the augmented reality-based status information

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100308662A1 (en) * 2007-10-15 2010-12-09 Ampt, Llc High Efficiency Remotely Controllable Solar Energy System
KR101135386B1 (en) * 2011-12-23 2012-04-12 주식회사 케이디파워 Photovoltaic power generation system perform the maximum power point tracking about the unit group
US20130026840A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Tigo Energy, Inc. Systems and Methods to Reduce the Number and Cost of Management Units of Distributed Power Generators
KR101386528B1 (en) * 2013-02-19 2014-04-17 한서대학교 산학협력단 Photovoltaic power generation system using multistage switches and driving method therefor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100308662A1 (en) * 2007-10-15 2010-12-09 Ampt, Llc High Efficiency Remotely Controllable Solar Energy System
US20130026840A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Tigo Energy, Inc. Systems and Methods to Reduce the Number and Cost of Management Units of Distributed Power Generators
KR101135386B1 (en) * 2011-12-23 2012-04-12 주식회사 케이디파워 Photovoltaic power generation system perform the maximum power point tracking about the unit group
KR101386528B1 (en) * 2013-02-19 2014-04-17 한서대학교 산학협력단 Photovoltaic power generation system using multistage switches and driving method therefor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11394235B2 (en) 2017-05-05 2022-07-19 Signify Holding B.V. Power conversion system and method

Also Published As

Publication number Publication date
KR101561640B1 (en) 2015-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2022145907A1 (en) String optima for tracking equal voltage in units of strings, and solar power generation system to which same is applied
Khan et al. Review and qualitative analysis of submodule-level distributed power electronic solutions in PV power systems
WO2010147420A9 (en) Maximum power tacking device using orthogonal-perturbation signal and maximum power tracking control method thereof
US20140333135A1 (en) High Performance Voltage Compensation
WO2010087608A2 (en) Charge equalization apparatus and method for series-connected battery string
US20120319489A1 (en) Power Shuffling Solar String Equalization System
US20110068637A1 (en) Method for maximum power point tracking of photovoltaic cells by power converters and power combiners
WO2013147412A1 (en) Battery charge balancing device and battery charge balancing system
WO2017018584A1 (en) Multi-frequency control system and method for microgrid
EP2622704A1 (en) Power conversion system for energy storage system and controlling method of the same
WO2016099034A1 (en) Power control method for minimum power point tracking control and apparatus therefor
WO2011126346A2 (en) Solar photovoltaic device and a control method therefor
WO2021088491A1 (en) Photovoltaic control apparatus and method, and system
WO2015163583A1 (en) Photovoltaic system
WO2020133056A1 (en) Central and distributed photovoltaic power plant and control system therefor
WO2015170903A1 (en) Micro-converter device for photovoltaic energy generation source
KR102175429B1 (en) Apparatus for photovoltaic power generation
US9148021B2 (en) Method for controlling alternating current output of photovoltaic device and alternating current photovoltaic device
WO2020166877A1 (en) Power management apparatus usable in battery having plurality of cells connected in series
WO2022203484A1 (en) Power conversion device having multi-level structure
WO2022203475A1 (en) Power conversion apparatus having multi-level structure
CN108306353B (en) Improved multi-module parallel digital current sharing system and method
WO2016108597A1 (en) Power control apparatus for sub-module of mmc converter
WO2023243770A1 (en) Maximum power point tracking algorithm with separate double loops, and dc-dc converter for executing same
CN110198073B (en) Energy supply system and energy management method

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15789077

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15789077

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1