KR101408855B1 - 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

삽입 손실(insertion loss)을 최소화하고 인덕터에 과전류가 흐를 때에도 대처할 수 있도록 한 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 태양광 모듈에 구비되는 정션 박스와 연동하고, 태양광 모듈의 생산 전력의 차이에 따라 전류의 경로를 가변하여 태양광 모듈 간의 전류 편차를 보상하는 마이크로 컨버터; 상기 마이크로 컨버터에서 출력된 태양광 모듈의 생산 전력을 기초로 상기 마이크로 컨버터의 듀티 사이클을 제어하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 스트링 제어기를 포함하고, 두 개의 마이크로 컨버터를 한 개의 박스안에 구현하여 두 개의 모듈마다 설치함으로써, 태양광 모듈의 전압을 조정하는 마이크로 컨버터 박스의 개수를 최소로 구현할 수 있으며, 인덕터에 과전류가 흐를 경우 실시간으로 대처할 수 있다.

Description

태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법{Micro convertor device using photovoltaic module and control method thereof}

본 발명은 태양광 모듈(photovoltaic module)용 마이크로 컨버터(micro convertor)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 삽입 손실(insertion loss)을 최소화하고 인덕터에 과전류가 흐를 때에도 대처할 수 있도록 한 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광 발전시스템은 무공해이면서 무한정의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 시스템으로서, 근래 신 재생에너지로 각광받고 있다.

이러한 태양광 발전시스템에는 필수적으로 태양광모듈(PhotoVoltaic Module; PV 모듈)이 구비되며, 태양광 발전 효율을 높이기 위해 중앙의 인버터에서 최대전력점 추종(MPPT)을 한다. 한 개의 인버터에는 수천 개까지의 태양광 모듈이 연결되는 데, 태양광 모듈 한 개의 출력 전압 및 전류가 작기 때문에 인버터에 연결되기까지 스트링(string) 단위로는 전압을 올리고, 스트링을 병렬로 연결하여 전류를 올리는 구조로 구성된다.

이때 스트링 단위로 보면, 내부의 태양광 모듈들이 직렬로 연결되어 있기 때문에 어느 한 모듈의 특성이 떨어져서 전류를 주변의 다른 모듈에 비해 적게 내보내면 스트링 전체가 이 모듈의 전류 값으로 흐른다. 또한, 스트링들이 다수 개가 병렬로 연결이 되어있는 구조에서 스트링의 전압들이 일치하지 않을 때에도 가장 낮은 전압으로 전체가 낮아지는 문제가 발생한다. 이런 현상들은 중앙의 인버터에서 최대전력점 추종을 수행해도 그 효과가 그리 높지 않다.

여기서 스트링 내부의 특정 모듈의 특성이 떨어지는 이유는 그림자, 먼지, 낙엽, 모듈 간의 열화에 의한 특성 변화 등 다양하고 필연적이다.

근래에는 모듈 단위로 최대 전력점 추종을 수행하는 마이크로 컨버터가 상용화되고 있어서, 이를 장착하여 특정 모듈의 특성이 떨어지는 것을 어느 정도는 보상한다.

한편, 태양광 모듈은 태양광의 일사량이 변함에 따라 도 1에 도시한 바와 같이, 전류-전압 및 전력(power)-전압 특성 곡선이 변한다.

따라서 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.

한편, 태양광 모듈 내부에도 보통 세 개의 서브 모듈들이 직렬로 연결이 되어 있는 데, 이 서브 모듈의 어느 한 개가 그림자가 지면 전체적인 태양광 모듈의 전류가 떨어지게 된다.

도 2는 이런 직렬구조(Cascade 방식)에서 태양광 모듈에 MPPT장치 및 직류/직류 변환기를 설치한 마이크로 컨버터 시스템의 구성도이다.

여기서 참조부호 10은 하나의 태양광 모듈을 나타내고, 참조부호 11은 정션박스(J/B)를 나타내며, 참조부호 12는 정션 박스(11)와 일 대 일로 대응하는 마이크로 컨버터를 나타낸다.

마이크로 컨버터(12)는 태양광 모듈(10)의 출력 파워를 100% 받아서 MPP상태가 되도록 태양광 모듈의 전압을 조정하고, 그 파워를 스트링으로 내보내는 역할을 한다. 이때 마이크로 컨버터(12)에서 자체적으로 에너지를 2 ~ 3% 정도 소모하게 된다. 따라서 일사량이 높고 구름이 없으며 모듈 간에 열화가 없는 상황에서는 마이크로 컨버터를 장착하지 않았을 때보다 생산 전력이 떨어지게 되며, 이를 삽입 손실(Insertion loss)이라고 한다.

한편, 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 장치에 대한 종래 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1245827호(2013.03.20. 공고)에 개시된다.

상기 <특허문헌 1>은 태양광 발전시스템 분야에 대한 에너지 효율 향상 및 원가 절감을 개선하기 위해 각 태양광 모듈(PV모듈)에 마이크로 인버터 컨버터를 구비하고, 상기 마이크로 인버터 컨버터에서 실시간 모듈단위의 환경/상황요인에 대응, 전력/환경 감시를 수행한다.

대한민국 등록특허 등록번호 10-1245827호(2013.03.20. 공고)

그러나 상기와 같은 종래기술들은 특정 모듈의 특성이 저하하는 것을 방지하기 위해서 마이크로 컨버터를 이용하는 데, 이때 마이크로 컨버터를 모듈당 설치해야하므로 시스템 가격이 상승하는 문제점이 발생하였다.

또한, 일사량이 좋고 모듈이 균일할 경우에는 오히려 마이크로 컨버터가 불필요하게 에너지를 소모하여 오히려 생산 전력이 떨어지는 삽입 손실이 발생하였다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 삽입 손실(insertion loss)을 최소화하고 인덕터에 과전류가 흐를 때에도 대처할 수 있도록 한 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 출력 효율을 높이기 위해 장착되는 마이크로 컨버터의 설치 개수를 최소화하여, 태양광 발전 시스템의 설치 가격을 낮출 수 있도록 한 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치는 태양광 모듈에 구비되는 정션 박스와 연동하고, 태양광 모듈의 생산 전력의 차이에 따라 전류의 경로를 가변하여 태양광 모듈 간의 전류 편차를 보상하는 마이크로 컨버터; 상기 마이크로 컨버터에서 출력된 태양광 모듈의 생산 전력을 기초로 상기 마이크로 컨버터의 듀티 사이클을 제어하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 스트링 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 상기 태양광 모듈과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 복수의 태양광 모듈의 전류 경로를 가변하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 인접한 태양광 모듈의 생산 전력의 차이만을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 상기 정션 박스와는 별개로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 상기 정션 박스와 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 상기 태양광 모듈 내의 서브 모듈 단위로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 전류 편차 보상을 위한 인덕터; 상기 인덕터의 일단에 설치되어 전류 경로를 설정하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 스위치는 인덕터의 일단에 2개 설치되어, 상호 반대로 동작하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어기에 전송하고, 상기 스트링 제어기로부터 전송된 듀티 사이클 제어 데이터와 동작 제어 데이터를 수신하고, 이를 기초로 상기 스위치의 듀티 사이클을 제어하는 모듈 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 상기 모듈 제어기의 제어에 따라 상기 스위치를 온 또는 오프 상태로 구동시키기 위한 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 태양광 모듈에 구비된 정션 박스는 태양광 모듈에서 생산된 전력을 직렬 구조로 다른 태양광 모듈에 결합되는 정션 박스에 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 스트링 제어기는 태양광 모듈이 최대전력점 추종을 유지하도록 하는 직류-직류 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 스트링 제어기는 상기 마이크로 컨버터와 통신을 하여 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 수신하고, 상기 마이크로 컨버터에 제어 데이터를 전송하는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 스트링 제어기는 상기 통신 모듈을 통해 수신한 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 기준으로 최대전력점을 산출하는 최대전력점 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 스트링 제어기는 상기 최대전력점 산출부에서 산출한 최대전력점에 따라 상기 마이크로 컨버터에 듀티 사이클 제어신호를 전송하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 듀티 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 듀티 제어기는 상기 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 기준값을 비교하여 셧-다운 및 과전류 여부를 판단하고, 셧-다운 모드시 상기 마이크로 컨버터에 셧다운(shutdown) 데이터를 전송하여 삽입 손실을 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 듀티 제어기는 상기 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 기준값을 비교하여 과전류로 판단되면, 마이크로 컨버터의 듀티 사이클은 유지하면서 전체 전압을 상승시켜 인덕터의 전류를 감소시키거나 또는 그림자가 진 모듈의 전압을 낮추고 나머지 모듈은 전압을 높이도록 듀티를 조정하여 인덕터의 전류를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법은 (a) 태양광 모듈의 출력 경로를 조정하는 마이크로 컨버터에서 태양광 모듈의 전압 및 전류를 측정하여 스트링 제어기에 보고하는 단계; (b) 상기 측정한 전류가 미리 설정된 최대치일 경우 듀티 사이클 변경을 상기 스트링 제어기에 요청하는 단계; (c) 상기 스트링 제어기로부터 변경된 듀티 사이클 수신시 이를 기초로 스위치의 듀티 사이클을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법은 (a) 태양광 모듈의 출력 경로를 조정하는 마이크로 컨버터를 제어하는 스트링 제어기에서 특정 마이크로 컨버터를 웨이크-업 시키는 단계; (b) 상기 웨이크-업한 마이크로 컨버터로부터 전송된 태양광 모듈의 전압 및 전류를 기초로 최대전력점을 추종하고, 그 추종한 최대전력점에 따라 듀티 사이클을 생성하여 상기 마이크로 컨버터에 전송하는 단계; (c) 상기 수신한 태양광 모듈의 전류가 과전류인지를 확인하여, 과전류일 경우 전체 전압을 상승시키거나 그림자진 모듈의 전압은 낮추고 나머지 모듈의 전압을 높여 인덕터의 전류를 낮추는 단계; (d) 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류를 검색하여 셧-다운 모드일 경우 상기 마이크로 컨버터를 셧-다운시키기 위해 상기 마이크로 컨버터에 셧-다운 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 삽입 손실(insertion loss)을 최소화할 수 있으며, 인덕터에 과전류가 흐를 때에도 대처할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 출력 효율을 높이기 위해 장착되는 마이크로 컨버터의 설치 개수를 최소화하여, 태양광 발전 시스템의 설치 가격을 낮출 수 있는 장점도 있다.

도 1은 일사량 변화시 일반적인 태양광 모듈의 전류-전압 및 전력-전압 특성 곡선도,
도 2는 종래 태양광 발전 시스템에 적용된 마이크로 컨버터장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치의 구성도,
도 4는 도 3의 케이블 결선도,
도 5는 도 3의 마이크로 컨버터의 실시 예 구성도,
도 6은 도 3의 스트링 제어기의 실시 예 구성도,
도 7은 본 발명에서 정션 박스와 마이크로 컨버터를 일체화로 구현한 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도,
도 8은 본 발명에서 서브모듈 단위의 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도,
도 9는 본 발명에서 서브모듈 단위의 독립형 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도,
도 10은 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치를 시뮬레이션한 결과도,
도 11은 본 발명에서 인덕터에 과전류가 흐를 경우의 모듈 전류 패턴 예시도,
도 12는 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법 중 모듈 제어기에서의 제어 과정을 보인 흐름도,
도 13은 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법 중 스트링 제어기에서의 제어 과정을 보인 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치 및 그 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치의 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치는 태양광 모듈(110), 정션 박스(Junction box)(120), 마이크로 컨버터(130) 및 스트링 제어기(140)를 포함한다.

정션 박스(120)는 태양광 모듈(110)과 결합되어, 태양광 모듈(110)의 출력을 다른 태양광 모듈이나 기타 다른 기기에 출력하기 위한 인터페이스 역할을 한다.

마이크로 컨버터(PMU)(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. 여기서 마이크로 컨버터(130)는 상기 정션 박스(120)와는 별개로 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 마이크로 컨버터(130)는 도 5에 도시한 바와 같이, 전류 편차 보상을 위한 인덕터(L3, L4); 상기 인덕터(L3, L4)의 일단에 설치되어 전류 경로를 설정하는 스위치(d4,

, d3,

); 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어기(140)에 전송하고, 상기 스트링 제어기(140)로부터 전송된 듀티 사이클(Duty sycle) 제어데이터와 동작 제어 데이터를 수신하고, 이를 기초로 상기 스위치(d4,

, d3,

)의 듀티 사이클을 제어하는 모듈 제어기(131); 상기 모듈 제어기(131)의 제어에 따라 상기 스위치(d4,

, d3,

)를 온(on) 또는 오프(off) 상태로 구동시키기 위한 드라이버(Driver)(132)(133)를 포함한다. 여기서 인덕터의 일단 좌측에 설치된 스위치(d4, d3)와 상기 인덕터의 일단 우측에 설치된 스위치(

,

)는 상호 반대로 동작한다.

스트링 제어기(String Controller)(140)는 상기 마이크로 컨버터(130)에서 출력된 태양광 모듈의 생산 전력을 기초로 상기 마이크로 컨버터(130)의 듀티 사이클을 제어하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 역할을 한다. 여기서 스트링 제어기(140)는 스트링 단위로 제어를 한다.

이러한 스트링 제어기(140)는 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로 컨버터(130)와 통신을 하여 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 수신하고, 상기 마이크로 컨버터(130)에 제어 데이터를 전송하는 통신 모듈(141); 상기 통신 모듈(141)을 통해 수신한 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 기준으로 최대전력점(MPP)을 산출하는 최대전력점 산출부(142); 상기 최대전력점 산출부(142)에서 산출한 최대전력점에 따라 상기 마이크로 컨버터(130)에 듀티 사이클 제어신호를 전송하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 듀티 제어기(143)를 포함한다.

상기 듀티 제어기(143)는 바람직하게 상기 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 기준값을 비교하여 셧-다운 및 과전류 여부를 판단하고, 셧-다운 모드시 상기 마이크로 컨버터(130)에 셧-다운(shutdown) 데이터를 전송하여 삽입 손실Insetion loss)을 제거한다. 더욱 바람직하게 듀티 제어기(143)는 상기 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 기준값을 비교하여 과전류로 판단되면, 마이크로 컨버터(130)의 듀티 사이클은 유지하면서 전체 전압을 상승시켜 인덕터의 전류를 감소시키거나, 그림자가 진 모듈의 전압은 낮추고 나머지 모듈의 전압을 높여 인덕터의 전류를 낮추게 된다.

여기서 스트링 제어기(140)는 스트링 단위의 모든 마이크로 컨버터와 통신을 하여 정보(전압, 전류)를 취합하고, 그 취합한 정보를 기반으로 동시에 모든 마이크로 컨버터를 제어하게 되나, 설명의 편의를 위해서 이하에서는 하나의 마이크로 컨버터(130)를 제어하는 것에 대해서만 설명하기로 한다.

또한, 스트링 제어기(140)는 태양광 모듈이 최대전력점 추종을 유지하도록 전압을 조정하기 위해 직류-직류 컨버터를 구비한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치는 태양광 모듈(110)의 출력은 종래와 같이 직렬로 연결되고, 마이크로 컨버터(130)는 태양광 모듈(110)과 병렬로 연결되는 구조이다. 이러한 구조는 태양광 모듈(110)이 마치 마이크로 컨버터(130)가 없는 것처럼 동작을 하며, 마이크로 컨버터(130)는 태양광 모듈 간 생산 전력에 차이가 발생한 경우에만 태양광 모듈 출력의 경로를 변경하여 전류 편차(Mismatched Current)를 보상해줌으로써 기존 캐스케이드(cascade)의 문제점을 개선하게 된다.

예컨대, 스트링 내 모든 태양광 모듈들이 같은 조건에서 최상의 전력을 내보내고 있어서, 전류가 서로 같은 경우에는 마이크로 컨버터는 전력 처리를 하지 않고 셧-다운 모드로 들어감으로써 삽입 손실을 최소화한다. 아울러 스트링 내 태양광 모듈 간의 전력 출력에 차이가 발생할 경우에는 마이크로 컨버터들이 새로운 전류 경로를 만들어서 이를 처리하는 구조이다.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치는 도 4에 도시한 바와 같이, 태양광 모듈 2개(예를 들어, PV5, PV4)마다 한 개의 마이크로 컨버터(13)가 결합하는 형태이다. 이로써 종래 캐스케이드 방식에 비해 마이크로 컨버터의 개수를 줄이게 된다.

마이크로 컨버터(130)에 구비된 모듈 제어기(131)는 도면에는 도시하지 않았지만 각각의 태양광 모듈의 전압 및 전류를 측정하고, 이를 내부의 통신 모듈을 통해 스트링 제어기(140)에 전송한다. 이때 통신 모듈은 무선 통신 모듈로 구현하는 것이 바람직하다. 아울러 모듈 제어기(131)는 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 스트링 제어기(140)에 전송할 때, 측정값과 그에 대응하는 태양광 모듈의 고유번호(ID)를 함께 전송하여 태양광 모듈을 구분한다. 여기서 태양광 모듈별로 각각 고유번호(ID)를 부여함으로써, 스트링 제어기(140)에서는 용이하게 수신한 전압 및 전류 측정값이 어느 태양광 모듈의 전압, 전류인지를 알 수 있게 된다.

스트링 제어기(140)의 통신 모듈(141)은 복수의 마이크로 컨버터에서 송출되는 각 태양광 모듈의 전압, 전류 측정값을 수신하여 듀티 제어기(143)에 전달한다. 듀티 제어기(143)는 입력되는 전압, 전류 측정값을 그에 상응하는 디지털 전압, 전류 값으로 변환을 하여, 내부 메모리에 저장함과 동시에 최대전력점 산출부(142)에 전달한다.

상기 최대전력점 산출부(142)는 디지털 측정전압의 변화량을 산출한 후 그 산출한 변화량을 기초로 최대전력점을 추종하게 된다. 여기서 최대전력점 추종은 기존에 태양광 발전 설비에서 통상적으로 수행하는 최대전력점 추종 방식을 그대로 채택하여 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 추종된 최대전력점은 듀티 제어기(143)에 전달된다.

아울러 듀티 제어기(143)는 각각의 태양광 모듈에 대한 전압, 전류 측정값이 입력되면, 태양광 모듈의 셧-다운 모드를 판단하기 위해 각 모듈의 전류 값들을 비교하여 그 차이를 추출하고, 이를 기반으로 태양광 모듈의 셧-다운 모드 여부를 판단한다. 여기서 셧-다운 모드의 조건은 모든 태양광 모듈이 같은 환경 조건으로 인해서 같은 전류 값을 가질 경우인데, 이 경우 모든 마이크로 컨버터의 직류-직류 변환부를 셧-다운시키고, 지속적으로 각 모듈의 전압, 전류 값을 관찰하여 전류의 변동이 발생할 경우에 정상 모드로 돌아간다.

이 판단 결과 셧-다운 모드일 경우, 마이크로 컨버터 동작 제어 데이터(셧-다운 데이터)를 생성하여 통신 모듈(141)을 통해 마이크로 컨버터(130)에 전송한다. 이때 실질적으로 모든 마이크로 컨버터에 동작 제어 데이터가 전송된다.

마이크로 컨버터(130) 내의 모듈 제어기(131)는 동작 제어 데이터를 수신하여 분석한다. 그 분석 결과 동작 제어 데이터가 셧-다운 데이터이면 드라이버(132)(133)의 구동을 오프하고, 스트링 제어기(140)와 통신을 수행하기 위한 통신 모듈 및 전압, 전류 센서 모듈만 동작을 하고, 직류-직류 변환장치는 셧-다운 상태로 동작한다. 상기 드라이버(132)(133)의 구동이 오프되면 그에 연계된 스위치(d4,

, d3,

)도 모두 오프 상태가 되어 동작을 하지 않게 된다. 즉, 태양광 모듈이 정상상태이면 마이크로 컨버터의 동작을 셧-다운 모드로 동작시켜, 삽입 손실을 최소화하게 된다.

한편, 스트링 제어기(140)의 듀티 제어기(143)는 각각의 태양광 모듈에서 측정한 전압, 전류 값을 검색하여 태양광 모듈 간의 전력 출력 차이가 발생한 경우에는 이를 보상하기 위해 최대전력점 산출부(142)에서 산출한 최대전력점을 기반으로 각각의 태양광 모듈의 전압 조정을 위한 듀티 사이클을 생성한다.

여기서 듀티 사이클 생성을 위한 관계식은 다음과 같다.

여기서 L은 인덕터를 나타내고, d는 듀티 사이클을 나타내며, v는 태양광 모듈에서 측정한 측정 전압을 나타낸다.

상기와 같은 관계식을 통해 태양광 모듈 간의 출력 전력 차이에 따른 듀티 사이클을 생성하면, 이를 통신 모듈(141)을 통해 마이크로 컨버터(130)로 전송한다.

상기 마이크로 컨버터(130) 내의 모듈 제어기(131)는 이를 수신하고, 그 수신한 듀티 사이클에 따라 드라이버(132)(133)를 구동시켜, 인덕터(L3, L4) 일단의 스위치를 동작시킨다. 이때, 인덕터 일단의 두 개의 스위치는 정상동작시 서로 반대로 동작한다. 즉, 스위치(d4)가 온 상태가 되면 스위치(

)는 오프가 되고, 이와는 반대로 스위치(d4)가 오프되면 스위치(

)는 온 상태로 동작한다.

이러한 스위치의 동작과 인덕터에 의해 각각의 태양광 모듈에서 출력되는 전력 라인의 출력 경로가 변경된다. 이러한 출력 전력 경로의 변경에 따라 태양광 모듈의 전압이 최적으로 조정되어, 태양광 모듈의 출력 전력 편차에 따른 보상이 이루어지게 되는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 제1 실시 예는 마이크로 컨버터를 정션 박스와는 별도로 구성한 것이다. 이러한 경우는 이미 설치된 태양광 모듈에 마이크로 컨버터를 추가로 장착하여 태양광 발전 시스템을 구현하는 경우이다.

한편, 태양광 발전 시스템을 처음으로 설치하는 경우에는 본 발명의 다른 실시 예로서 마이크로 컨버터와 정션 박스를 일체로 구현하게 된다.

예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이, 태양광 모듈(210)과 연동하는 정션 박스(220)의 내부에 마이크로 컨버터를 내장시켜 마이크로 컨버터와 정션 박스를 일체형으로 구현한다. 이 경우 전체적인 동작은 도 3에 구현된 실시 예와 동일하게 동작한다. 여기서 스트링의 맨 첫 번째 정션 박스(230)에 스트링 제어기(231)를 내장하는 것이 바람직하며, 나머지 정션 박스에는 상기 스트링 제어기(231)와 통신을 수행하면서 셧-다운 모드에서는 셧-다운 상태로 동작하고, 태양광 모듈 간의 출력 전력 차이가 발생할 경우에는 듀티 사이클에 따라 태양광 모듈의 전압을 조정하는 상태로 동작하게 된다. 아울러 태양광 모듈 간의 출력 전력차이가 심하게 발생해서 특정 인덕터에 과전류가 흐를 때는 과전류를 감소시키는 모드로 동작하게 된다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로서 하나의 태양광 모듈(310)에 내장되는 다수개의 셀(311 ~ 313)과 마이크로 컨버터(320)를 직-병렬 상태로 결합하여, 태양광 발전 장치를 구현할 수도 있다. 통상 하나의 태양광 모듈에는 세 개의 서브모듈(셀)이 직렬 구조로 결합되고, 그 출력 단자는 네 개의 리본 형태로 나와있다. 따라서 네 개의 리본 형태의 출력 단자를 정션 박스 일체형 마이크로 컨버터(320)에 결합 된다. 네 개의 출력 단자를 결합하기 위해서 마이크로 컨버터(320)는 3개의 인덕터(L20, L21, L22)와 3개의 인덕터(L20, L21, L22)의 양단에 각각 2개씩의 스위치(d20,

, d21,

, d22,

)가 구비된다.

각각의 스위치 제어 방식은 본 발명의 제1 실시 예와 동일하게 이루어진다. 이와 같이 서브모듈 단위의 마이크로 컨버터를 구현할 경우, 태양광 모듈 단위의 마이크로 컨버터에 비해 효율을 증가할 수 있는 태양광 발전 설비의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 이 경우 태양광 모듈 단위에 비해 마이크로 컨버터의 개수가 증가하게 되므로, 비용이 증가하는 단점을 유발할 수도 있다. 따라서 태양광 모듈 발전 설비의 설계자는 이를 고려하여 태양광 발전 설비를 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로서 도 9와 같이 서브모듈 단위의 독립형으로 마이크로 컨버터를 구현할 수도 있다. 여기서 참조부호 411 ~ 413은 서브모듈을 나타내고, 참조부호 420은 마이크로 컨버터를 나타낸다. 이러한 구조에 따르면 태양광 모듈 내부의 서브모듈(411 ~ 413) 간에만 마이크로 컨버터(420)가 동작한다. 따라서 외부에서 보면 일반적인 캐스케이드 마이크로 컨버터와 같은 구조가 된다. 이런 구조는 태양광 모듈 단위의 캐스케이드에 비해서 서브모듈단위로 동작하기 때문에 성능이 더욱 향상되며, 케이블도 캐스케이드 구조처럼 간단하게 결합할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치를 시뮬레이션한 결과를 도식화한 것이다. 스트링 내 일부 태양광 모듈에 그림자가 질 때, 각 태양광 모듈에 흐르는 전류 값을 산출한 것이다. 정상적인 태양광 모듈에서는 8A를 생산하고, 그림자가 진 모듈에서는 6A가 생산될 때, 두 개의 인접한 태양광 모듈에 그림자가 졌을 때의 결과를 도식화한 것이다. 이러한 구조에 본 발명에 따른 마이크로 컨버터를 적용하지 않는 경우에는 6A의 전류가 흐르나, 본 발명에 따른 마이크로 컨버터 장치를 적용하면, 7.33A의 전류가 흐름을 알 수 있다. 이러한 실험 결과에 의해 본 발명에 따른 마이크로 컨버터 장치가 태양광 발전 시설에서 효율 향상을 도모함을 알 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법 중 마이크로 컨버터에 설치된 모듈 제어기에서 제어하는 과정을 나타낸 것이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치 제어방법은 (a) 태양광 모듈의 출력 경로를 조정하는 마이크로 컨버터에서 태양광 모듈의 전압(

) 및 전류(

)를 측정하여 스트링 제어기에 보고하는 단계(S11); (b) 상기 측정한 전류가 미리 설정된 최대치(max)일 경우 듀티 사이클(

) 변경을 상기 스트링 제어기에 요청하는 단계(S12 ~ S13); (c) 상기 스트링 제어기로부터 변경된 듀티 사이클 수신시 이를 기초로 스위치의 듀티 사이클을 변경하는 단계(S14 ~ S15); 상기 스트링 제어기로부터 새로운 명령이 수신될 경우 해당 명령에 따라 제어 동작을 수행하는 단계(S16 ~ S17)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터장치 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 단계 S11에서 마이크로 컨버터 내의 모듈 제어기는 태양광 모듈의 전압(

) 및 전류(

)를 측정하여 스트링 제어기에 보고한다.

아울러 단계 S12에서는 측정한 인덕터별 전류(

)와 미리 설정된 최대치(max)를 비교하여, 상기 인덕터별 전류가 상기 최대치 이상일 경우, 단계 S13으로 이동하여 상기 스트링 제어기에 듀티 사이클(

) 변경을 요청한다. 또 다른 실시예로서 마이크로 컨버터가 인덕터 전류(

)를 측정하지 않고 스트링 제어기가 이를 계산해서 특정 인덕터에 과전류가 흐름을 판단하고 듀티 사이클 변경 명령이 필요할 경우 각 마이크로 인버터에 명령을 전송할 수 있다.

이후 단계 S14에서 상기 스트링 제어기로부터 변경된 듀티 사이클이 수신되는지를 확인하여, 변경된 듀티 사이클이 수신될 경우 단계 S15으로 이동하여 이를 기초로 스위치의 듀티 사이클을 변경하게 된다.

아울러 수신한 듀티 사이클로 스위치를 동작시키거나 새로운 듀티 사이클이 수신되지 않은 상태에서 단계 S16에서와 같이 스트링 제어기로부터 새로운 명령이 수신되면 단계 S17로 이동하여 해당 명령에 따라 동작을 수행하게 된다. 여기서 새로운 명령은 다양할 수 있으며, 그 일 예로서 마이크로 컨버터 셧-다운 명령이 될 수도 있다.

도 13은 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법 중 스트링 제어기에서 마이크로 컨버터를 제어하는 과정을 보인 흐름도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법은 (a) 태양광 모듈의 출력 경로를 조정하는 마이크로 컨버터를 제어하는 스트링 제어기에서 특정 마이크로 컨버터를 웨이크-업 시키는 단계(S21); (b) 상기 웨이크-업한 마이크로 컨버터로부터 전송된 태양광 모듈의 전압 및 전류를 기초로 최대전력점을 추종하고, 그 추종한 최대전력점에 따라 듀티 사이클을 생성하여 상기 마이크로 컨버터에 전송하는 단계(S22, S23); (c) 상기 수신한 태양광 모듈의 전류를 계산하여 과전류가 흐르는지를 확인하여, 과전류일 경우 전체 전압을 상승시켜 인덕터의 전류를 낮추거나 출력 파워가 떨어진 모듈의 전압은 낮추고, 나머지 모듈의 전압을 올리는 방향으로 새로이 듀티 사이클을 계산하여 마이크로컨버터에 듀티 값을 전송하는 단계(S24 ~ S26); (d) 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류를 검색하여 셧-다운 모드일 경우 상기 마이크로 컨버터를 셧-다운시키기 위해 상기 마이크로 컨버터에 셧-다운 데이터를 전송하는 단계(S27 ~ S28)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 단계 S21에서 태양광 모듈의 출력 경로를 조정하는 마이크로 컨버터를 제어하는 스트링 제어기에서 특정 마이크로 컨버터를 웨이크-업 시키고, 상기 웨이크-업한 마이크로 컨버터로부터 전송된 태양광 모듈의 전압(

), 전류(

)를 수신한다.

상기와 같은 과정을 모든 태양광 모듈에 대해서 수행한 후(S22), 단계 S23에서는 수신한 전압을 기초로 최대전력점을 추종하고(MPPT), 그 추종한 최대전력점에 따라 듀티 사이클(

)을 생성하여 상기 마이크로 컨버터에 전송한다.

한편, 스트링 내에 일부 인접한 태양광 모듈들이 그림자가 질 경우 그에 인접한 마이크로 컨버터 내부의 인덕터에 과전류가 흐를 수가 있다. 이처럼 특정 인덕터에 정격이상의 과전류가 흐를 때의 대처 방안이 필요하다.

이를 위해 단계 S24에서는 각 인덕터의 전류를 하기의 수식으로 산출한다.

여기서 상기와 같은 인덕터 전류는 스트링 제어기에서도 계산으로 가능하지만, 각각의 마이크로 컨버터에서 직접 측정하여 통신 모듈을 통해 스트링 제어기에 전송해주는 방식도 가능하다.

다음으로, 단계 S25에서 상기 산출한 인덕터의 전류가 미리 설정된 최대치(max) 이상인지를 확인하여, 상기 인덕터의 전류가 상기 최대치 이상일 경우 단계 S26으로 이동하여 인덕터의 전류를 감소시키기 위한 제어 동작을 수행하게 된다.

여기서 특정 인덕터에 과전류가 흐르면, 스트링 제어기는 여러 가지 정책을 세워서 대처할 수가 있다. 가장 간단한 방법으로는 모든 마이크로 컨버터를 셧-오프하는 것이고, 다른 방법으로는 과전류가 검출한 인덕터를 구비한 마이크로 컨버터만을 셧-오프하는 것이다.

또 다른 방법으로는 상기 [수학식 2]를 보면 인덕터

의 전류는

에 의해서 결정됨을 알 수 있다.

따라서 스트링 제어기는 이 값들을 알고 있기 때문에 인덕터의 전류가 정격이상으로 흐르는지를 계산상으로 예측할 수 있고, 정격이상으로 흐를 경우에는 각 모듈 제어기의 듀티 사이클은 그대로 두고, 전체 전압을 조금씩 올려서 각각 태양광 모듈의 전압을 Voc 방향으로 조금씩 올려주면, 그만큼 전류가 적게 흐르기 때문에 인덕터의 전류를 줄일 수 있게 된다. 이때, 또 다른 실시 예로서, 모듈 전류가 낮은 모듈의 전압을 낮게 해서 전류가 더 흐르게 하고, 나머지 모듈들의 전압은 앞의 방법처럼 높게 해서 전류가 작게 흐르게 할 수도 있는 데, 이 경우 새로이 계산된 전압 값에 따라서 각 모듈들의 듀티 사이클이 변하므로 이를 마이크로컨버터에 전송해 주어야 한다.

도 11은 인덕터에 과전류가 흐를 경우 태양광 모듈 전류의 패턴을 도시한 것이다. 즉, 특정 인덕터에 과전류가 흐를 경우 어떤 태양광 모듈들이 그림자가 심하게 져서 전류가 적게 나오는지를 보여주고 있다. 이로부터 인덕터에 과전류가 흐를 때, 원인이 된 태양광 모듈을 알 수 있다.

다음으로, 단계 S27에서는 모든 태양광 모듈의 전류가 같은 셧-다운 모드인지를 확인하여, 모든 태양광 모듈이 셧-다운 모드일 경우에는 단계 S28로 이동하여 마이크로 컨버터를 셧-다운시키기 위해 상기 마이크로 컨버터에 셧-다운 데이터를 전송하게 된다. 이러한 셧-다운 데이터에 의해 마이크로 컨버터는 셧-다운 모드로 동작을 하게 되며, 이로써 삽입 손실을 최소화할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 태양광 발전 장치에 적용된다. 특히, 태양광 모듈의 전압을 조정하는 마이크로 컨버터 박스의 개수를 최소로 구현하고, 인덕터에 과전류가 흐를 경우 이를 대처하기 위한 태양광 발전 장치에 효과적으로 적용할 수 있다.

110… 태양광 모듈
120… 정션 박스
130… 마이크로 컨버터
131… 모듈 제어기
132,133… 드라이버
140… 스트링 제어기
141… 통신 모듈
142… 최대전력점 산출부
143… 듀티 제어기
150… 양방향 직류-직류 컨버터

Claims (20)

1. 태양광 모듈에 구비되는 정션 박스와 연동하고, 태양광 모듈의 생산 전력의 차이에 따라 전류의 경로를 가변하여 태양광 모듈 간의 전류 편차를 보상하는 마이크로 컨버터;
   상기 마이크로 컨버터에서 출력된 태양광 모듈의 생산 전력을 기초로 상기 마이크로 컨버터의 듀티 사이클을 제어하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 스트링 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 상기 태양광 모듈과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 하나의 마이크로 컨버터가 복수의 태양광 모듈의 전류 경로를 가변하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 인접한 태양광 모듈의 생산 전력의 차이만을 처리하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 상기 정션 박스와는 별개로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 상기 정션 박스와 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 상기 태양광 모듈 내의 서브 모듈 단위로 구현되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 전류 편차 보상을 위한 인덕터; 상기 인덕터의 일단에 설치되어 전류 경로를 설정하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
9. 청구항 8에 있어서, 상기 스위치는 인덕터의 일단에 2개 설치되어, 상호 반대로 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
   
10. 청구항 8에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 상기 스트링 제어기에 전송하고, 상기 스트링 제어기로부터 전송된 듀티 사이클 제어 데이터와 동작 제어 데이터를 수신하고, 이를 기초로 상기 스위치의 듀티 사이클을 제어하거나 셧-다운 모드로 동작하는 모듈 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 상기 모듈 제어기의 제어에 따라 스위치를 온 또는 오프 상태로 구동시키기 위한 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
12. 청구항 1에 있어서, 상기 정션 박스는 태양광 모듈에서 생산된 전력을 직렬 구조로 다른 태양광 모듈에 결합된 정션 박스에 전달하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
13. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 컨버터는 태양광 모듈이 최대전력점 추종을 유지하도록 스트링 컨버터 내에 직류-직류 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
14. 청구항 1에 있어서, 상기 스트링 제어기는 상기 마이크로 컨버터와 통신을 하여 태양광 모듈의 전압 및 전류 측정값을 수신하고, 상기 마이크로 컨버터에 제어 데이터를 전송하는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
15. 청구항 14에 있어서, 상기 스트링 제어기는 상기 통신 모듈을 통해 수신한 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값을 기준으로 최대전력점을 산출하는 최대전력점 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
16. 청구항 15에 있어서, 상기 스트링 제어기는 상기 최대전력점 산출부에서 산출한 최대전력점에 따라 상기 마이크로 컨버터에 듀티 사이클 제어신호를 전송하여 태양광 모듈의 전압을 조정하는 듀티 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
17. 청구항 16에 있어서, 상기 듀티 제어기는 상기 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 기준값을 비교하여 셧-다운 및 과전류 여부를 판단하고, 셧-다운 모드시 상기 마이크로 컨버터에 셧다운(shutdown) 데이터를 전송하여 삽입 손실을 제거하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
18. 청구항 16에 있어서, 상기 듀티 제어기는 상기 각 태양광 모듈의 전압 및 전류 값과 기준값을 비교하여 과전류로 판단되면, 마이크로 컨버터의 듀티 사이클은 유지하면서 전체 전압을 상승시켜 인덕터의 전류를 감소시키거나, 그림자가 진 모듈의 전압을 낮추고 나머지 모듈은 전압을 높이도록 듀티를 조정하여 인덕터의 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치.
    
19. 삭제
20. (a) 태양광 모듈의 출력 경로를 조정하는 마이크로 컨버터를 제어하는 스트링 제어기에서 특정 마이크로 컨버터를 웨이크-업 시키는 단계;
    (b) 상기 웨이크-업한 마이크로 컨버터로부터 전송된 태양광 모듈의 전압을 기초로 최대전력점을 추종하고, 그 추종한 최대전력점에 따라 듀티 사이클을 생성하여 상기 마이크로 컨버터에 전송하는 단계;
    (c) 수신한 태양광 모듈의 전류 및 직접 측정한 스트링 전류로부터 각 태양광 모듈의 인덕터 전류가 과전류인지를 확인하여, 과전류일 경우 전체 전압을 상승시켜 인덕터의 전류를 낮추거나, 출력 파워가 떨어진 모듈의 전압은 낮추고, 나머지 모듈의 전압을 올리는 방향으로 새로이 듀티 사이클을 계산하여 마이크로컨버터에 듀티 값을 전송하는 단계;
    (d) 상기 태양광 모듈의 전압 및 전류를 검색하여 셧-다운 모드일 경우 상기 마이크로 컨버터를 셧-다운시키기 위해 상기 마이크로 컨버터에 셧-다운 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈용 마이크로 컨버터 장치 제어방법.
    

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