KR101065862B1 - 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법 - Google Patents

태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 관한 것으로, 태양광 어레이의 전압이 급변하면, 태양광 어레이의 출력 전압(V)에 대한 상기 태양광 어레이의 출력 전력(P)의 순간 변화량(
Figure 112011039675545-pat00051
)을 통하여 부분 음영을 판단하고, 부분 음영이 발생하면 최대전력점 추정을 재수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 따르면, 음영 부분의 PV모듈의 상태를 감시 진단하여 출력저하가 발생하는 시간과 그 원인을 실시간으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 부분 음영 시에도 최대출력점에서 MPPT가 실행되게 함으로서 태양광 발전시스템의 효율을 최적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법{Solar Cell Generation System Tracking Maximum Power Point According to Determining Partial Shade of Solar Cell Array}
본 발명은 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 관한 것으로, 구체적으로 부분 음영이 발생하는 경우에도 안정적인 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정 제어가 가능한 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 관한 것이다.
태양광발전은 높은 발전단가에 비해 전력 생산 효율이 낮은 단점이 있다. 그러나, 화석 에너지의 감소와 무공해라는 환경적인 요구가 증가함에 따라 현재에는 태양광 발전 효율 개선에 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 태양으로부터 받은 에너지를 태양전지를 통해 변환할 수 있는 전기에너지의 비율은 전체 태양에너지의 약 15~20%에 불과하다.
구체적으로, 태양광 발전을 일으키는 태양전지(solar cell)의 출력은 매우 작으므로 필요한 출력을 얻기 위해, 도 1과 같이 태양전지를 여러 개를 직렬로 연결하여 태양전지 모듈(PV Module, PhotoVoltanic Module)을 구성하고 상기 태양전지 모듈을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양전지 어레이(PV Array)를 구성한다.
태양전지 어레이의 전압 크기는 직렬 연결된 태양전지 모듈 개수에 비례하며, 태양전지 어레이의 전류 크기는 병렬 연결된 선로의 개수에 비례한다.
도 2는 직·병렬 연결에 따른 태양 전지 어레이의 출력 특성을 도시한 도면이다. 여기서
Figure 112011000192749-pat00001
와
Figure 112011000192749-pat00002
는 개별 태양전지 모듈의 단락(Short Circuit)전류와 개방(Open Circuit)전압이며,
Figure 112011000192749-pat00003
와
Figure 112011000192749-pat00004
는 직렬 또는 병렬 연결에 따른 태양전지 어레이의 출력이다. 태양 전지 어레이의 전류 출력 특성은 도 2a에 도시한 바와 같이 개방회로로 동작하기 전까지 전압에 관계없이 일정한 전류 값이 유지된다. 한편, 도 2c에 도시한 바와 같이 태양전지 어레이의 전력 출력이 최대가 되는 전류 값(
Figure 112011000192749-pat00005
)과 전압 값(
Figure 112011000192749-pat00006
)의 쌍을 최대 전력점(MPP, Maximum Power Point)이라고 한다.
한편, 태양광발전은 태양전지의 출력이 주변 환경에 따라 출력 값이 달라지기 때문에 여타의 발전 방식보다 안정적인 전기 공급이 어렵다. 도 3은 온도와 일사량에 따른 태양 전지 출력의 변화를 도시한 도면이다. 다시 말하면, 태양광 발전시스템은 태양전지의 출력이 일사량, 온도, 구름 등의 주변 환경에 따라 전압과 전류가 비선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있다.
이러한 태양전지의 낮은 효율 및 불안정한 전력공급을 개선하기 위해서는 태양전지 자체의 성능을 높여 효율을 개선하는 것이 가장 근본적인 대책이지만 현재까지의 기술로는 뚜렷한 개선이 어려운 실정이다. 그러므로 태양광 발전의 경쟁력을 높이기 위해서는 시스템의 성능을 높여 효율을 개선하는 것도 중요하지만, 태양광발전의 효율을 유지하기 위해 최대 출력을 안정적으로 유지할 수 있는 시스템이 요구된다. 최대 출력을 생산하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어가 필수적이다.
MPPT 제어란 주위 환경에 의해 출력이 비선형적으로 변화하는 태양전지 시스템에서 최대전력을 안정적으로 생산할 수 있도록 시스템의 동작점을 자동으로 조절하는 기술로서 대표적인 제어 방법으로는 P&O(Perturbation and Observation) 방식과 IncCond(Incremental Conduction) 방식이 있다. 도 4는 MPPT 제어를 이용한 최대전력점을 추적하는 방법을 도시한 도면이다.
P&O 방식은 태양전지 어레이의 출력 전압을 주기적으로 증가시키거나 또는 감소시키고, 이전 출력 전력과 현재 출력 전력을 비교하여 최대전력 동작점을 찾는 방법이고, IncCond 방식은 태양전지 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 방법이다.
P&O 방식은 MPP의 판단을 측정된 전압(V)과 전류(I)로부터 계산된 전력(P=VI)의 변화량을 이용하고, InCond 방식은 컨덕턴스(G=I/V)를 이용한다는 차이가 있다.
한편, MPPT 제어는 태양전지 시스템의 동작점으로 최대 전력점(MPP)을 자동으로 추적하는 기능을 수행한다. 하지만 이러한 MPPT 제어는 태양전지에 부분 음영이 발생하는 경우 정확한 최대 전력점을 추정하지 못하는 단점이 있다. 즉, 태양전지 어레이는 여러 개의 모듈이 직렬 또는 병렬 연결로 연결되어 있기 때문에 태양전지 어레이에 부분 음영이 발생할 경우 도 5에 도시한 바와 같이 국부적 최대전력점(Local MPP)이 발생하므로 MPPT제어가 국부적 최대 전력점 근처에서 동작하여 실제의 최대전력점을 찾지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
예컨데, 아래 도 6에 도시한 바와 같이 어레이의 A-1 라인의 M-1 모듈에 음영이 발생하면 해당 직렬 라인에 전체적으로 전류가 감소하여 전체적인 출력이 감소되어 음영이 발생한 태양전지 모듈에 열이 발생되는 Hot spot 현상이 발생 된다. 그러므로 이러한 현상방지를 위해 바이패스(bypass) 다이오드를 이용하여 해당 모듈을 바이패스 시킨다. 이런 경우 해당 모듈이 단락되므로 이렇게 바이패스된 모듈이 존재하는 A-1 라인의 개방 전압 값은 다른 어레이의 개방 전압에 비해 감소하게 되고, 상기 A-1 라인의 개방 전압 값이 일정 값 이하로 떨어지면 A-1 라인은 전류가 흐르지 않게 된다. 상기와 같이 1개 이상의 라인에 전류가 흐르지 않게 되면 전체적인 P-V곡선 상에서 국부적인(Local) MPP가 발생되는 것이다.
따라서, 전술한 바와 같이 종래 기술에 따르면 태양전지 어레이에 부분 음영이 발생하여 국부적인 MPP가 발생하는 경우에는 최대 전력점에서 MPP를 추정하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 태양광 어레이의 출력 전압(V)에 대한 상기 태양광 어레이의 출력 전력(P)의 순간 변화량(
Figure 112011039675545-pat00007
)을 통하여 부분 음영을 판단하고, 부분 음영이 발생하면 최대전력점 추정을 재수행함으로써 태양전지 어레이에 부분 음영이 발생한 경우라도 항상 최대 전력점에서 최대전력점 추정을 수행할 수 있는 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 MPPT 기울기를 이용한 태양전지 어레이 부분 음영 검출방법은, 태양광 어레이의 출력 전력(
Figure 112011000192749-pat00008
)과 이전 출력 전력(
Figure 112011000192749-pat00009
)의 비(
Figure 112011000192749-pat00010
)가 기 설정된 상수 값 이상인지 판단하는 제1단계, 상기 출력 전력의 비가 기 설정된 상수 값인
Figure 112011000192749-pat00011
이상이면, 상기 태양광 어레이의 출력 전압(V)에 대한 상기 태양광 어레이의 출력 전력(P)의 순간 변화량(
Figure 112011000192749-pat00012
)이 양의 값인지 판단하여 상기 태양광 어레이에 음영이 발생하였는지 판단하는 제2단계, 태양광 어레이에 음영이 발생하였으면 상기 순간 변화량(
Figure 112011000192749-pat00013
)의 제곱이 기 설정된 상수 값
Figure 112011000192749-pat00014
이내인지 판단하여 상기 태양광 어레이에 부분 음영이 발생하였는지 판단하는 제3단계를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 어레이의 최대전력 추정방법은, 상기 제3단계에서, 상기 태양광 어레이에 부분 음영이 발생되었다고 판단되면, 기존에 수행중이던 태양전지 어레이의 최대전력 추정을 중지하며, 태양광 어레이의 전 범위 출력 전압 값에 대하여 전력을 재산출하고 상기 재산출된 전력 값 중 최대 전력 값에 대응되는 전압 값(
Figure 112011000192749-pat00015
)을 산출하여 상기 전압 값(
Figure 112011000192749-pat00016
)에 대하여 다시 태양전지 어레이의 최대전력 추정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 따르면, 음영 부분의 PV모듈의 상태를 감시 진단하여 출력저하가 발생하는 시간과 그 원인을 실시간으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 부분 음영 시에도 최대출력점에서 MPPT가 실행되게 함으로서 태양광 발전시스템의 효율을 최적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부분 음영 판단을 위해 별도의 센서나 추가적인 회로 없이 기존회로를 보완하여 시스템을 구성할 수 있어 저렴한 비용으로 기존 시스템을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1는 통상적인 태양전지 어레이 구성을 도시한 도면이다.
도 2a는 통상적인 태양전지 어레이의 전류-전압특성을 도시한 도면이다.
도 2b는 통상적인 태양전지 어레이의 전력-전압특성을 도시한 도면이다.
도 2c는 통상적인 어레이의 최대출력점을 도시한 도면이다.
도 3은 온도 일사량 따른 통상적인 태양 전지 출력 변화를 도시한 도면이다.
도 4는 MPPT 제어를 이용한 최대전력점 추정과정을 도시한 도면이다.
도 5는 부분 음영 발생시 태양전지 어레이의 P-V 출력 특성을 도시한 도면이다.
도 6은 bypass된 모듈이 연결된 어레이에 부분 음영이 발생하는 경우를 도시한 도면이다.
도 7은 일사량 급변시 순간적인
Figure 112011000192749-pat00017
의 전압 위치를 도시한 도면이다.
도 8은 부분 음영 발생시
Figure 112011000192749-pat00018
의 전압 위치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 블록선도를 도시한 도면이다.
도 10은 부분 음영이 발생했지만 출력변화가 작은 경우에 있어서 MPPT 동작을 도시한 도면이다.
이하에서는 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 대한 일 실시예를 설명한다.
태양광 발전시스템의 출력에 큰 영향을 미치는 요인은, 태양전지 어레이 전체에 일사량이 줄어드는 경우 또는 태양전지 어레이에 국부적으로 음영이 발생하는 경우이다. 태양전지 어레이에 전체적으로 일사량이 줄어드는 경우에는 일사량이 급변하더라도 국부적인 MPP가 발생하지 않는다. 따라서, 추가적인 MPPT제어를 행하지 않아도 최대전력으로 발전이 가능하다.
부분 음영이 발생하는 경우 전술한 바와 같이 국부적인 MPP에서 MPPT가 동작할 수 있다. 그러므로 태양광 발전시스템의 출력이 급변하는 경우 부분 음영 발생여부를 판단하는 것이 반드시 필요하다. 본 발명에서는 전술한 바와 같이 태양광 발전시스템의 출력이 급변하는 경우 IncCond MPPT의 기울기를 이용하여 부분 음영 발생 여부를 판단하였다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 당업자의 설계가능한 범위 내에서 다른 방법을 이용하여 부분 음영 발생 여부를 판단할 수 있음은 물론이다.
IncCond MPPT 방식은 태양전지의 V-P 출력곡선의 기울기를 이용하는 방식으로 그 특성이 안정적이고, 구현방법이 간단하여 P&O 방식과 함께 현재 가장 많이 사용되고 있는 방법 중 하나이다. IncCond MPPT는 최대 전력점에서 V-P 특성곡선의 기울기가 0(Zero)라는 것을 이용하여 최대 전력점을 찾는 방식이다. 본 발명에서는 태양광 발전 시스템의 출력이 급변하는 경우 IncCond MPPT의 기울기
Figure 112011000192749-pat00019
를 비교하여 부분 음영 발생여부를 판단하였다. 여기서
Figure 112011000192749-pat00020
는 태양광 어레이에서 전력의 변화량을 의미하며,
Figure 112011000192749-pat00021
는 태양광 어레이의 출력 전압의 변화량을 의미한다.
MPPT 제어 시, 태양전지 어레이에 전체적 음영이 발생하였을 경우에는 도 7과 같이
Figure 112011000192749-pat00022
의 값이 순간적으로 크게 변화하며, 부분 음영으로 인하여 태양전지 어레이의 출력전력이 급변하는 경우에는 도 8과 같이
Figure 112011000192749-pat00023
의 값은 거의 변하지 않는다. 본 발명에서는 태양전지 어레이의 출력전력 값이 급변하나 IncCond MPPT의
Figure 112011000192749-pat00024
값이 일정 범위 내의 값인 경우 부분 음영이 발생하였다고 판단하여, 모든 영역에서 전력을 계산한 후 실제 최대전력점에 해당하는 전압을 구하여 MPPT를 실행하였다.
본 발명에서는 IncCond MPPT의 기울기에 따라 부분 음영이 발생하였다고 판단되면 MPPT를 일시적으로 중단시킨 후, 시스템의 단순화와 계산 시간 단축을 위해 모의실험 또는 경험에 따른 미리 설정된 전압에 대하여 전력을 구하여 그 중에서 최대값에 해당하는 전력의 전압에 대하여 MPPT가 재실행 되도록 하였다.
다음은 본 발명에 따른 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법에 대한 단계를 구체적으로 설명한다. 도 9는 본 발명에 따른 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법을 도시한 도면이다.
이에 따르면, 첫번째 단계는 태양광 어레이의 출력전력을 측정하는 단계이다(S100). 태양광 어레이의 출력전력은 일정 단위 시간에 측정된 태양광 어레이의 전압과 전류 값을 곱하여 산출된다. 여기에서
Figure 112011000192749-pat00025
은 각각 태양광 발전 시스템의 현재 출력 전력과 현재 출력으로부터 단위시간 이전의 출력 전력 값을 의미한다.
두번째 단계는 태양광 어레이의 출력전력 감시단계이다(S200). 태양광 어레이의 음영여부 판단은 태양광 어레이의 출력 전력 급변 여부에 따라 판단한다. 태양광 어레이의 출력 전력 급변 여부는 일사량의 상태에 따라 상대적으로 판단하며,
Figure 112011000192749-pat00026
값이 기 설정된 상수 값(
Figure 112011000192749-pat00027
)을 비교하여 판단한다. 상기에서 기 설정된 상수 값(
Figure 112011000192749-pat00028
)은 출력 전력 급변 여부를 판단할 수 있는 임계값이며, 반복적인 실험이나 경험에서 취득될 수 있다. 만약
Figure 112011000192749-pat00029
값이 기 설정된 상수 값(
Figure 112011000192749-pat00030
)보다 크면 태양광 어레이에 음영이 발생하였는지 판단하기 위하여 세번째 단계로 진행한다.
세번째 단계는 태양광 어레이의 음영 발생여부 판단단계이다(S300). 태양광 어레이의 음영발생여부는 태양광 어레이의 출력 전압에 대한 출력 전력의 순간 변화량(
Figure 112011000192749-pat00031
)을 측정하여 판단한다. 상기 순간 변화량(
Figure 112011000192749-pat00032
)이 양의 값을 갖는 경우 태양광 어레이에 음영이 발생하였다고 판단하고 다음 단계로 진행한다.
네번째 단계는 태양광 어레이의 부분 음영 발생여부 판단단계이다(S400). 태양광 어레이의 부분 음영 발생여부 판단은 태양광 어레이의 출력 전압에 대한 출력 전력의 순간 변화량(
Figure 112011000192749-pat00033
)의 제곱과 기 설정된 상수 값(
Figure 112011000192749-pat00034
)을 비교하여 판단한다. 상기에서 기 설정된 상수 값(
Figure 112011000192749-pat00035
)은 부분 음영여부를 판단할 수 있는 전력의 순간 변화량의 임계값이며 반복적인 실험이나 경험에서 취득될 수 있다. 상기 순간 변화량(
Figure 112011000192749-pat00036
)의 제곱이 기 설정된 상수 값(
Figure 112011000192749-pat00037
)보다 작으면 부분 음영이 발생한 것으로 판단하고 다음 단계로 진행한다.
다섯번째 단계는 부분 음영 발생 시 수행 중이던 MPPT를 중지하고 태양광 어레이의 전 범위 출력 전압 값에 대하여 전력을 구하고 그 중에서 최대가 되는 전력을 가지는 전압 값(
Figure 112011000192749-pat00038
)을 산출하여 상기 전압 값(
Figure 112011000192749-pat00039
)에 대하여 MPPT가 재실행 되도록 하는 단계이다(S500).
한편, 전술한 S400단계와 S500단계에서 부분 음영이 발생한 경우에도
Figure 112011000192749-pat00040
가 크게 변화는 경우가 발생할 수도 있지만, 이 경우는 도 10에 도시한 바와 같이 출력 변화가 일정 범위 안에서 일어나는 경우에 해단된다. 즉, 국부적인 MPP는 발생하지만 MPPT 제어가 실제 MPP를 변함없이 추정하므로 실제 MPP를 찾기 위한 S500 단계를 수행할 필요가 없다. 다시 말하면, S400단계와 S500단계에서 부분 음영이 발생하는 경우라도 태양광 발전의 출력이 일정 범위이상 변화는 경우에만 최대 전력점 전압 계산을 재실행하였다.
전술한 바와 같이 본 발명은 MPPT의 기울기
Figure 112011000192749-pat00041
비교를 통해 부분 음영 여부를 판단하고, 부분 음영 발생 시 실제 최대전력점에서 MPPT가 실행될 수 있는 태양광 발전 시스템에 대한 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 음영 부분의 PV모듈의 상태를 감시 진단하여 출력저하가 발생하는 시간과 그 원인을 실시간으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 부분 음영 시에도 최대출력점에서 MPPT가 실행되게 함으로서 태양광 발전시스템의 효율을 최적으로 유지할 수 있는 효과가 있다. 즉, 기존의 태양광발전 시스템보다 안정된 최대 출력을 지속적으로 유지할 수 있다. 종래의 기술에 의한 태양광 발전 시스템에서는 부분 음영 발생 시 최대 출력점을 찾지 못하고 국부적인 MPP에서 MPPT를 수행하였으나, 본 발명에 의하면 음영발생 시에도 실제 최대출력점에서 MPPT 수행이 가능하다.
또한, 본 발명은 부분 음영 판단을 위해 별도의 센서나 추가적인 회로 없이 기존회로를 보완하여 시스템을 구성할 수 있어 저렴한 비용으로 기존 시스템을 개선할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
10: 태양광 발전 시스템

Claims (2)

  1. 태양광 어레이의 출력 전력(
    Figure 112011039675545-pat00042
    )과 이전 출력 전력(
    Figure 112011039675545-pat00043
    )의 비(
    Figure 112011039675545-pat00044
    )가 기 설정된 상수 값 이상인지 판단하는 제1단계;
    상기 출력 전력의 비가 기 설정된 상수 값인
    Figure 112011039675545-pat00045
    이상이면, 상기 태양광 어레이의 출력 전압(V)에 대한 상기 태양광 어레이의 출력 전력(P)의 순간 변화량(
    Figure 112011039675545-pat00046
    )이 양의 값인지 판단하여 상기 태양광 어레이에 음영이 발생하였는지 판단하는 제2단계;
    태양광 어레이에 음영이 발생하였으면 상기 순간 변화량(
    Figure 112011039675545-pat00047
    )의 제곱이 기 설정된 상수 값
    Figure 112011039675545-pat00048
    이내인지 판단하여 상기 태양광 어레이에 부분 음영이 발생하였는지 판단하는 제3단계;
    를 포함하여 구성되는 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 태양광 어레이에 부분 음영이 발생되었다고 판단되면, 기존에 수행중이던 태양전지 어레이의 최대전력 추정을 중지하며, 태양광 어레이의 전 범위 출력 전압 값에 대응되는 출력 전력을 재산출하고 상기 재산출된 출력 전력 값 중 최대 출력 전력 값에 대응되는 전압 값(
    Figure 112011039675545-pat00049
    )을 산출하여 상기 전압 값(
    Figure 112011039675545-pat00050
    )에 대하여 다시 태양광 발전시스템의 최대전력 추정을 수행하는 제 4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법.
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