KR101382946B1

KR101382946B1 - 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101382946B1
Application number: KR1020120095256A
Authority: KR
Inventors: 타케시 우에마츠; 김춘봉
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-04-23
Also published as: KR20140028629A

Abstract

발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 인버터; 및, 상기 인버터의 출력신호를 검출하고 일정 범위 이내로 전류를 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

태양광 발전 시스템 및 그 제어방법{Photovoltaic power generation system and control method thereof}

본 발명은 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양광 발전시 인버터의 출력 전류를 제어하여 고속응답이 용이하게 달성 가능하고 신뢰성이 개선된 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. 그런데 인버터(30)의 출력전류는 계통전압이 변동하게 되면 그 영향을 많이 받기 때문에 시스템이 불안정해지는 문제점이 존재한다.

본 발명은 인버터의 출력전류가 계통전압의 변동에 의해 영향을 받게 되어 시스템이 불안정해지고, 나아가 시스템이 정지하는 경우를 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한 최대전력점에서 동작하다가 이를 벗어나는 경우, 최대전력점에 추종하는데 필요한 시간을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 인버터; 및, 상기 인버터의 출력전류를 제어하는 출력전류 제어기;를 포함한다.

발명의 실시예에 따르면 태양전지의 계통전압의 변동을 제어할 수 있어, 소자의 신뢰성이 개선된다.

또한, 간단한 구성의 피드 포워드 루프를 추가하여 최대전력점에 추종하는데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 출력전류 제어기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따라 출력전류 제어기가 포함되는 태양광 발전 시스템의 회로도이다.
도 5는 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 접속되어, 상기 태양전지(100)에서 발생된 DC 전력을 임의의 직류전압으로 변환하는 컨버터(200), 상기 컨버터(200)의 출력단에 접속된 인버터(300), 상기 인버터(300)의 출력단에 접속되고, 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있는 상용전원(400), 상기 인버터(300)의 전류를 검출하고 일정 범위 이내로 전류를 조절하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.

태양전지(100)는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양으로부터 공급되는 광 에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 태양 전지는 비정질 실리콘, 결정 실리콘, 또는 화합물 반도체 등으로 구현될 수 있다. 또한, 태양전지(100)는 부하(load)에서 요구하는 전력(Po)을 획득하기 위하여 다수의 태양 전지가 직병렬로 조합된 어레이 형태로 구성될수 있다.

부하(load)는 전기 히터 또는 전기 모터 또는 상용 AC 전력 계통 등과 같은 고전력을 요구하는 동력 수단을 예로 들 수 있다. 또한 USN(Ubiquitous Sensor Network) 시스템과 같은 저전력으로 동작되는 부하일 수도 있다.

상기에서 컨버터(200)는 인덕터, 반도체 스위치 및 다이오드로 구성될 수 있으며, 태양전지(100)에서 출력되는 전압을 특정 전압으로 승압시키는 역할을 수행한다.

제1 드라이버(210)는 상기 컨버터(200)의 스위치와 연결될 수 있으며, 온, 오프 듀티를 조절하여 상기 컨버터(200)의 출력전압을 제어할 수 있다.

상기 인버터(300)는 단상 풀브릿지 또는 3상 인버터로 구성될 수 있으며, 제2 드라이버(310)는 상기 인버터(300)의 반도체 스위치를 구동시킨다.

상용전원(400)의 계통에서 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있다.

상기 제어부(500)는 전압 제어부(510), 출력전류 제어부(520), MPPT(최대 전력 추종부, Maximum Power Point Tracking:530) 및 출력전력 제어부(540)를 포함할 수 있다.

제어부(500)에 포함되는 전압 제어부(510)는 컨버터(200)의 출력전압을 검출하여 전압의 제어신호를 상기 제1 드라이버(210)로 전달하고, 상기 제1 드라이버(210)는 상기 제어신호를 상기 컨버터(200)에 포함된 스위치로 전달하여 컨버터(200)의 출력전압을 제어한다.

제어부(500)에 포함되는 출력전류 제어부(520)는 상기 인버터(300)의 출력전류를 검출하여 전류의 제어신호를 상기 제2 드라이버(310)로 전달하고, 상기 제2 드라이버(310)는 상기 제어신호를 상기 인버터(300)에 포함된 스위치로 전달하여 인버터(300)의 출력전압을 제어한다. 출력전류 제어부(520)의 구체적인 신호 흐름에 대해서는 후술한다.

제어부(500)에 포함되는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)(530)는 상기 전류 검출부 및 전압 검출부에 의해 검출된 태양전지(100)의 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 태양전지(100)의 출력 전력을 계산하고, 계산된 전력을 추종하여 태양전지(100)의 최대 전력점을 추출한다. 예를 들어, 상기 MPPT(530)는 상기 태양전지(100)의 동작 전압을 가변시키면서 이전 동작점 전력과 현재 동작점 전력의 차이를 비교하여 최대 전력점을 추종하는 Hill-Climbing 방식을 이용하여 상기 태양전지(100)의 최대 전력점을 추출한다.

제어부(500)에 포함되는 출력전력 제어부(540)는 상기 MPPT(530)와 연결된다. 상기 출력전력 제어부(540)는 태양전지(100)와 인버터(300)의 출력전력을 비교하여, 특정 직류 전류값(Ioref)을 출력한다. 상기 Ioref와 계통전압값을 적산하는 것에 의해 출력전류 제어계의 목표값이 생성된다.

도 3은 발명의 실시예에 따른 출력전류 제어기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4는 발명의 실시예에 따라 출력전류 제어기가 포함되는 태양광 발전 시스템의 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 출력전류 제어기(520)는 전압 비례기(521), 곱산기(522), 감산기(523), 보상기(524), 가산기(525), 게이트 신호 발생기(526) 및 전류 비례기(527)를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이 인버터(300)의 출력전압(Vcs)은 전압 비례기(521)로 입력된다. 전압 비례기(521)로 입력된 출력전압(Vcs)에는 전압 비례기(521)의 비례 상수인 1/Kvsense가 곱해진다. 상기 신호는 곱산기(522)로 입력된다. 상기 곱산기에 의해 Vcs/Kvsense 및 직류 전류값(Ioref)이 곱해지게 된다.

전압 비례기(521)에서 출력되는 신호는 인버터(300)의 출력전류의 목표값을 생성하기 위해 곱산기(522)로 입력된다. 도 3에서 Ioref는 직류 신호로, 이것과 교류 신호인 상용전압을 적산하는 것에 의해, 인버터(300)의 출력전류의 목표값을 생성하게 된다. 전압 비례기(521)에서 출력되는 다른 신호는 출력전압의 피드 포워드 신호로 가산기(525)에 입력된다.

상기 곱산기(522)는 출력전력 제어부(540)에서 출력되는 직류 전류값(Ioref)과, 전압 비례기(521)에서 출력되는 레퍼런스 전류(Iref)를 입력받아 곱산하여 출력값을 감산기(523)로 전달한다.

상기 감산기(523)는 상기 곱산기(522)의 출력값과 전류 비례기(527)의 신호를 입력받아 오차를 계산하여 보상기(524)로 전달한다.

상기 보상기(524)는 감산기(532)로부터의 전류 오차 신호를 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전류 오차를 보상하고, 그에 상응하는 신호를 출력하여 가산기(525)로 전달한다.

상기 가산기(525)는 상기 보상기(524)의 출력신호와 상기 전압 비례기(521)의 출력신호를 입력받아 오차를 계산하여 게이트 신호 발생기(526)로 전달한다.

게이트 신호 발생기(526)는 가산기(525)의 출력에 근거하여 인버터(300)에 포함되는 스위치 소자(예를 들어, MPDFET, IGBT 등)를 구동하는 신호를 생성한다. 일반적으로 가산기(525)의 출력과 캐리어(삼각파형, 톱날파형)과 비교하여 PWM 신호가 생성된다. 게이트 신호는 상기 제2 드라이버(310)의 입력신호가 되어 스위치 소자를 구동하기 때문에, 일정한 전압값으로 증폭된 신호가 상기 제2 드라이버(310)로부터 출력되어 상기 인버터(300)로 입력되어 전류가 제어된다.

이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 상기 각 블록으로 표시된 구성요소들의 수학적 표현에 따르는 간단한 계산으로, 도 3 및 도 4에 도시된 시스템의 전체 전달 함수가 통일성을 가지게 됨을 알 수 있다. 즉, 상기 도 3 및 도 4의 전류 피드 포워드 제어 시스템은 전류 제어의 트랙킹 응답성을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

도 4는 발명의 실시예에 따라 출력전류 제어기가 포함되는 태양광 발전 시스템의 회로도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 인버터(300)의 출력단에는 필터(350)를 포함할 수 있다. 또한 상기 필터(350)로부터의 전압을 상용전원(400)에 전달할 수 있다.

도 4에서 iout와 iL은 엄밀하게 동일하지는 않으나, 스위칭 주파수가 상기 필터(350)의 컷오프(cut-off)주파수보다 충분히 낮으면(예를 들어, 10배 내지 20배) 동일한 것으로 고려해도 무방하다. 전압과 전류의 관계식을 나타내면 다음과 같다.

수학식 1

인버터(300)의 출력 역률이 1로 동작하는 것으로 가정하고 계통전압 Vcs를,

수학식 2

로 설정하면,

수학식 3

가 성립된다. 이에 따라 하기의 수학식이 성립한다.

수학식 4

Vcs를 피드 포워드하지 않으면 상용전압(계통전압)이 변화한 경우, V_B가 크게 변화하지 않으면 소정의 출력 전류값을 얻을 수 없게 된다. 피드 포워드에 의해 V_B가 크게 변화하지 않고 제어계의 추종성능이 향상된다.

상기 수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이 Vcs를 피드 포워드함에 따라 전압을 효과적으로 제어할 수 있다.

도 5는 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프이다. 도 5를 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.

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

태양전지;
상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터;
상기 컨버터의 출력단에 접속된 인버터; 및,
상기 인버터의 출력신호를 검출하고 일정 범위 이내로 전류를 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 컨버터와 연결되어 상기 컨버터를 제어하는 전압 제어부;
상기 인버터와 연결되어 상기 인버터를 제어하는 출력전류 제어부;
상기 태양전지와 연결되어 상기 태양전지의 최대 전력점을 추종하는 MPPT; 및
상기 MPPT 및 상기 출력전류 제어부와 연결되는 출력전력 제어부를 포함하고,
상기 출력전류 제어부는,
상기 인버터의 출력 전압에 비례 상수를 연산하여 출력하는 전압 비례기;
상기 인버터의 출력 전류에 비례 상수를 연산하여 출력하는 전류 비례기;
상기 전압 비례기의 출력값과 상기 출력전력 제어부의 출력값을 곱하는 곱산기;
상기 곱산기의 출력값과 상기 전류 비례기의 출력값을 감산하는 감산기;
상기 감산기의 출력값을 입력받아 소정의 알고리즘에 의해 전류 오차를 보상하고, 그에 상응하는 신호를 출력하는 보상기;
상기 보상기의 출력값과 상기 전압 비례기의 출력값을 가산하는 가산기;
상기 가산기의 출력값을 입력받아 상기 인버터의 제어신호를 출력하는 게이트 신호 발생기를 포함하는 태양광 발전 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 인버터는 단상 풀브릿지 또는 3상 인버터로 구성되는 태양광 발전 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 게이트 신호 발생기와 연결되고 상기 게이트 신호 발생기에서 출력되는 스위칭 신호를 이용하여 상기 인버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 제2 드라이버를 포함하는 태양광 발전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨버터 및 전압 제어부와 연결되고 상기 전압 제어부에서 출력되는 스위칭 신호를 이용하여 상기 컨버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 제1 드라이버를 포함하는 태양광 발전 시스템.