KR101349479B1 - 태양광 발전 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

태양광 발전 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터; 상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및, 상기 카패시터의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

태양광 발전 장치 및 그 제어방법{Photovoltaic power generation system and control method thereof}
본 발명은 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양광 발전시의 출력 전압을 제어하여 인버터를 보호하는 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장치 등 매우 다양하게 활용되고 있다.
이러한 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로서, 일반적인 태양전지는 전기에너지원과는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 기존의 전기에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정하게 동작한다. 또한 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력/출력 조건에서도 항상 안정한 장치으로 동작한다. 즉 선형 전압원을 가지는 전기에너지원을 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수 있다.
그러나 태양전지는 비선형소스로 구분되어, 태양전지로부터 생성되는 전력은 부하조건, 입사되는 태양광에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기후변화에 의해 태양전지(10)의 발전전압(Vs)이 증가하여, 인버터(30)에 입력되는 전압(Vd)도 증가하게 된다. 이에 따라 상기 인버터(30)를 구성하는 반도체 소자 또는 콘덴서의 내압을 초과하는 경우가 발생한다.
본 발명은 태양전지로부터 생성되는 전압이 증가하여 인버터를 구성하는 반도체 소자 및 콘덴서가 손상되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터; 상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및, 상기 카패시터의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.
발명의 실시예에 따르면 태양전지로부터 생성되는 전압이 인버터를 구성하는 반도체 소자 또는 콘덴서의 내압을 증가하는 것을 신속하게 억제할 수 있어, 소자의 신뢰성이 개선된다.
또한, 일사량이 증가함에 따라 최대전력점이 보다 대전력 점으로 이동한 경우에는 신속하게 이를 추종할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 전압 특성 그래프이다.
도 4는 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 장치는, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지(100), 상기 태양전지(100)의 출력단에 접속된 컨버터(200), 상기 컨버터(200)의 출력단에 접속된 카패시터(Cd), 상기 카패시터(Cd)와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터(300), 상기 인버터(300)의 출력단에 접속되고, 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있는 상용전원(400), 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 검출하고 일정 범위 이내로 전압을 조절하여 상기 인버터(300)를 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.
상기에서 컨버터(200)는 인덕터, 반도체 스위치 및 다이오드로 구성될 수 있으며, 인덕터는 태양전지(100)로부터의 전원의 전압 레벨을 승압하고, 스위치는 인버터로부터의 승압된 전원을 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭한다. 스위치에 의해 스위칭된 전원은 다이오드를 통해 정류된다.
상기 인버터(300)로부터의 교류 전원은 가전 제품과 같은 전자 제품을 구동할 수 있는 상용 교류 전원일 수 있다.
상기 제어부(500)는 감산기(510), 비례기(520), 합산기(530), 제어기(540) 및 MPPT(최대 전력 추종부, Maximum Power Point Tracking:550)를 포함할 수 있다.
상기 감산기(510)는 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)과 레퍼런스 전압(Vdref) 간의 오차를 계산한다.
상기 전압(Vd)을 특정값으로 지정하고 싶을 때, 그 목표전압값(레퍼런스 전압)이 VDref이다. 예를 들어, 회로로부터 출력되는 전압을 380V로 지정하고 싶을 때, VDref는 380V가 된다. 그리고 카패시터(Cd)의 전압(Vd)을 VDref인 380V으로 하기 위해 스위치의 듀티(Duty)를 제어한 결과, 378V가 측정되었을 때, 카패시터(Cd)의 전압(Vd)은 378V이 된다.
이에 따라 전압의 변화량(△Vd)는 카패시터(Cd)의 전압(Vd)에서 레퍼런스 전압인 VDref의 차이로 얻어질 수 있다. 즉, 상기 감산기(510)에서 출력되는 신호(△Vd)는 Vd-VDref로 얻어질 수 있다.
상기 감산기(510)와 비례기(520)의 사이에 형성된 다이오드는 정류작용을 통해 한 방향으로만 전압이 흐르도록 조절한다.
상기 비례기(520)는 상기 감산기(510)로부터 전압 오차 신호를 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전압 오차를 보상하고, 피드포워드(feed forward) 전력 신호를 출력한다. 상기 소정의 알고리즘은 피드 포워드 게인(Kfvd)을 곱하여 계산될 수 있다. 즉, △Vd와 Kfvd를 곱한 값이 상기 비례기(520)의 출력값일 수 있다. 여기서 상기 비례기(520)의 출력값은 전력단위일 수 있다.
상기 비례기(520)의 출력단에 형성된 합산기(530)는 상기 비례기(520)의 출력값인 Kfvd×△Vd와 MPPT(550)의 출력값인 Poref를 합산할 수 있다.
즉, 상기 합산기(530)의 출력값(Poref new)은 Poref+Kfvd×△Vd일 수 있다. 여기서 상기 합산기(530)의 출력값(Poref new)은 피드포워드 제어후의 새로운 목표값이다. 상기 피드 포워드 제어는 출력전력 목표값에 한정하지 않고 전력제어에 영향을 미치는 값이면 어떤 신호도 이용될 수 있다.
도 4는 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프를 나타내며, 도 4를 참조하면, 태양 전지로부터의 전류-전압 특성은 전압이 증가되어도 전류가 일정하게 유지되다가, 특정 전압 이상이면 전류를 급격히 감소하게 된다. 이를 태양 전지판으로부터의 전력-전압 특성 그래프와 비교해보면, 전압의 증가에 따라 전력이 증가되고, 최대 전력점(Pmax) 이상에서는 전력이 급격히 감소하게 되는 특성이 발생한다. 상기 MPPT(550)는 최대 전력이 되는 전력 목표값을 생성하는 것으로, 태양 전지의 전류-전압 특성을 고려하여 최대전력을 출력할 수 있도록 전력값을 조절한다.
상기 제어기(540)는 인버터(300)에 포함되는 스위치의 스위칭을 제어할 수 있다. 상기 인버터(300)는 단상 풀브릿지 인버터 또는 3상 인버터로 구성될 수 있는데, 이를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생부(미도시) 및 상기 PWM 발생부에서 출력되는 스위칭 신호를 이용하여 상기 인버터(300)를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 게이트 드라이버(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 전압 특성 그래프이다. 상부의 그래프는 종래 기술에 따른 전압 특성 그래프이고, 하부의 그래프는 발명의 실시예에 따른 전압 특성 그래프이다. 도시된 바와 같이, 카패시터(Cd)의 전압(Vd)이 종래기술에서는 410V에 인접한 전압값이 출력되나, 발명의 실시예에 따르면 390V에 인접한 전압값이 출력되므로, 고전압으로부터 인버터(300)를 보호할 수 있어, 소자의 신뢰성이 개선될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 태양전지;
    상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터;
    상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터;
    상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및,
    상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    레퍼런스 전압과 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)의 오차를 계산하는 감산기와,
    상기 감산기로부터 전압 오차 신호를 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전압 오차를 보상하고, 피드포워드(feed forward) 전력 신호를 출력하는 비례기와,
    상기 비례기의 출력값과 MPPT의 출력값을 합산하는 합산기와,
    상기 합산기의 출력값을 입력받아 상기 인버터를 제어하는 제어기를 포함하는 태양광 발전 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 단상 풀브릿지 인버터 또는 3상 인버터로 구성되는 태양광 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 단상 풀브릿지 인버터를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생부 및 상기 PWM 발생부에서 출력되는 스위칭 신호를 이용하여 상기 인버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 게이트 드라이버를 포함하는 태양광 발전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감산기와 비례기 사이에 다이오드;를 더 포함하는 태양광 발전 장치.
  6. 태양전지;
    상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터;
    상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터;
    상기 카패시터와 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및,
    상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    레퍼런스 전압과 상기 카패시터(Cd)의 전압(Vd)의 오차를 계산하는 감산기와,
    상기 감산기로부터 전압 오차 신호를 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전압 오차를 보상하고, 피드포워드(feed forward) 전력 신호를 출력하는 비례기와,
    상기 비례기의 출력값과 MPPT의 출력값을 합산하는 합산기와,
    상기 합산기의 출력값을 입력받아 상기 인버터를 제어하는 제어기;를 포함하며,
    상기 카패시터의 전압을 Vd, 레퍼런스 전압을 VDref로 하였을 때, 상기 감산기에서 출력되는 신호(△Vd)는 Vd-VDref이고, 상기 비례기의 출력값은 피드 포워드 게인(Kfvd)을 곱한 Kfvd×△Vd인 태양광 발전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 MPPT의 출력값이 Poref이고, 합산기의 출력값은 Poref+Kfvd×△Vd인 태양광 발전 장치.
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