KR101761269B1 - 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템 - Google Patents

Abstract

접속 반에서 역 전류 방지 다이오드와 배기 팬(fan)을 제거하고 모니터링 기능을 수행하지 않도록 하여 접속 반의 구성을 단순화할 수 있도록 한 태양광 발전시스템에 관한 것으로서, 태양광 모듈에 대응하게 구성되어, 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 마이크로 컨버터; 및 상기 마이크로 컨버터에서 출력된 직류 전압을 후단의 인버터에 전달하는 접속 반을 포함하고, 상기 접속 반은 화재방지를 위해 화재를 감지하는 화재 계측부; 상기 화재 계측부에서 통합 감지된 접속 반 내 온도, 습도, CO2 및 VOC, 외기 온도 측정값을 기초로 화재 이상 징후를 판단하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 화재감시모듈을 포함하여, 스트링 전원 차단 기능과 역 전류 방지 기능 및 화재 및 전력감시 기능을 마이크로 컨버터에서 수행하도록 함으로써, 접속 반을 단순화하여 고신뢰성을 부여할 수 있으며, 접속 반에서 발열 요소가 생략됨에 따라 방열을 할 필요가 없어, 접속 반의 방진·방수등급을 옥외 설치사양에 적합하게 최적화할 수 있어, 배기 팬이 없는 밀폐된 구조의 특성에서 추가로 탑재된 화재감시모듈의 정밀도를 최적화하여 구현함으로써 높은 신뢰성의 태양광발전 시스템을 구현한다.

Description

마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템{Solar power systems using micro-converter}

본 발명은 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전에 관한 것으로, 특히 접속 반에서 역 전류 방지 다이오드와 방열용 배기 팬(fan)을 제거하고 발전 모니터링 기능을 마이크로컨버터에서 수행함으로써 접속 반 내부에서 모니터링 기능을 수행하지 않도록 하여 접속 반의 구성을 단순화하고 저전력 환경감지센서를 적용한 복합형 화재감지모듈을 탑재하여 신뢰성을 향상시킨 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 대형 태양광 발전 시스템은 다수개의 태양전지모듈을 직렬로 연결한 스트링으로부터 DC 1000V 급의 고전압 인입 선들이 접속 반에 병렬 구조로 모여서, 한 쌍의 DC출력 라인이 인버터로 연결되는 구조이다. 이때 스트링 간의 발전 상태가 상이함으로 각 스트링간 전압 차로 인해 특정 어레이들로 역 전류가 흘러갈 수 있는 데, 이를 방지하기 위해서 역 전류 방지 다이오드가 각 스트링 별로 직렬연결이 되어 있고, 아크 폴트(Arc Fault) 등의 과전류에 따른 기기 소손을 방지하기 위한 퓨즈 및 전원 차단기 등이 설치되어 있다. 그러나 실제로는 스트링에서의 사고 시 역 전류 다이오드의 영향으로 과전류용 퓨즈는 동작하지 않으며, 또한, 접속 반 수준에서 각 채널을 모니터링하기 위해서는 상시 AC 전원 또는 별도의 DC전원이 인가되며 별도의 전원공급장치와 모니터링 보드가 장착된다.

한편, 대형 태양광 발전 시스템에 적용되는 접속 반은 역 전류 방지 다이오드에서 많은 열이 발생하기 때문에, 방열부가 추가로 설치되어 있으나, 추가된 방열부만으로는 최적의 방열이 이루어지지 않아 별도의 배기 팬을 마련하여 접속 반 외부로 배출하게 된다.

도 1은 일반적인 대형 태양광 발전 시스템의 접속반 및 어레이의 구성도로서, 태양광 어레이(11 ~ 10N), 접속반(20)을 포함한다.

접속반(20)은 다수개의 태양광 어레이(11 ~ 10N)로부터 출력되는 고압의 DC 출력선들을 병렬 형태로 모아서, 한 쌍의 DC출력 라인으로 출력한다.

이러한 접속반(20)은 퓨즈(21), 역 전류 방지 다이오드(22), 감시 보드(23), 마이크로 컨버터(MCCB)(24) 및 배기 팬(25)을 포함한다. 여기서 퓨즈 및 역 전류 방지 다이오드는 각각의 태양광 어레이 별로 마련되는 것이 바람직하다.

예컨대, 다수개의 태양광 어레이(11 ~ 10N)로부터 케이블이 접속되는 데, 보통 -선(접지선)들을 한곳에 묶어서 MCCB라는 전원 차단기(24)에 연결을 하고, +선은 퓨즈(21) 및 역 전류 방지 다이오드(22)를 통과한 후, 한 곳에 묶여서 상기 전원 차단기(24)에 연결이 된다. 그리고 전원 차단기(24)의 출력이 후단의 인버터에 연결된다. 아울러 채널별(스트링별) 모니터링 기능을 구비한 태양광 발전 시스템은 감시용 디지털 보드 및 전류 센싱 장치와 전압검출을 위한 전압센서 및 션트(Shunt) 저항기 등이 필요하기 때문에 이를 구동하기 위한 상시 AC 전원과 이를 DC로 변환하는 직류변환 전원공급장치도 보조적으로 필요해진다.

한편, 마이크로 컨버터를 적용한 태양광 발전 장치에 대한 종래 기술이 하기의 <특허문헌 1>에 개시된다.

상기 <특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 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/상황 요인에 대응, 전력/환경 감시를 수행한다.

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

그러나 상기와 같은 일반적인 태양광 발전 시스템 및 종래기술에는 역 전류 방지 다이오드와 방열을 위한 배기 팬이 설치되어 있는 접속 반이 마련되어 있는 데, 통상 옥외에 설치하는 접속 반의 방수 기능이 배기 팬 및 이를 위한 개구부로 인해 만족하지 못하는 문제점을 유발하였다.

또한, 일반적인 태양광 발전 시스템의 접속 반에는 모니터링을 하기 위한 복잡한 디지털 보드의 추가로 인해 접속 반의 구성이 복잡해짐은 물론 신뢰성이 저하되고, 고장 율이 높아지는 단점도 있었다.

또한, 종래의 기술에서는 전압 및 전류 등급이 다른 여러 디바이스들이 동일함체 내에 구획되지 않고 배치되어 있어 고저압 혼촉사고의 위험이 내포되어 있었고, 다이오드의 발열을 외부로 배출하기 위한 개구부가 존재하여 이로 인해 배기 팬의 가동시 공기순환에 따라 외부로부터 습기와 먼지가 유입되어 접속반내 도체부에 침착되어 절연파괴로 이어져 빈번하게 화재가 발생되는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 종래의 기술에서는 역 전류 방지 다이오드가 설치되어 있어 발전전압이 낮은 스트링으로의 역 전류를 방지하는 기능을 부여했으나, 실제 이 결과로 태양전지 모듈과 모듈 사이를 직렬로 구성한 스트링 내에서 지락 또는 단락사고가 발생시 사고 역전류가 흐르지 않아 접속 반에 설치된 스트링 보호용 퓨즈는 동작하지 않고 지속적으로 필드에서 DC사고 동작을 반복하게 됨으로서, 결국에 규정치 이상의 과도전압이나 과전류가 흐를 경우 일시에 다이오드가 도통되거나 파괴되어 아크폴트로 인한 화재로 이어지기도 하는 문제점을 내포하고 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 대형 태양광 발전 시스템 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 접속 반 내에서 역 전류 방지 다이오드와 배기 팬(fan)을 제거하는 대신에 모니터링 기능을 접속 반 외부에서 수행하도록 하여 접속 반의 구성을 단순화하여 방수·방진 등급을 높이고, 주된 화재요인을 파악하여 발화 이전에 화재 위험을 감지하여 회로를 차단하는 기능을 갖춘 고신뢰성 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 접속 반 내에서 스트링 모니터링 기능을 제거하여 상시 교류 전원(AC전원) 및 이에 따른 제반 디바이스를 필요 없도록 하여, 접속 반이 스마트하고 높은 안전성이 구현되도록 한 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 역 전류 방지 기능이 특정 마이크로컨버터에서 수행될 수 있도록 한 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템은 태양광 모듈에 대응하게 구성되어, 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 마이크로 컨버터; 상기 마이크로 컨버터에서 출력된 직류 전력을 후단의 인버터에 전달하는 접속 반을 포함하고,

상기 접속 반은 화재방지를 위해 화재를 감지하는 화재 계측부; 상기 화재 계측부에서 통합 감지된 접속 반 내 온도, 습도, CO2 및 VOC, 외기 온도 측정값을 기초로 화재 이상 징후를 판단하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 화재감시모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 마이크로 컨버터는 태양광 모듈로부터 출력된 전압을 검출하는 전압 검출기; 태양광 모듈로부터 출력된 전류를 검출하는 제1전류 검출기; 역 전류를 검출하는 제2 전류 검출기; 입력 전류 및 역 전류 검출 값을 기초로 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단하며, 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단한 결과를 기초로 스위치 제어신호를 발생하고, 다른 마이크로 컨버터와의 데이터 통신을 제어하는 메인 컨트롤 유닛(MCU); 상기 메인 컨트롤 유닛과 다른 마이크로 컨버터 간의 통신을 위한 통신 모듈; 및 상기 메인 컨트롤 유닛에서 발생하는 스위치 제어신호에 따라 입력 전압을 후단의 인버터에 출력하거나 차단하는 전원 제어부를 포함한다.

상기에서 메인 컨트롤 유닛은 입력 전류를 측정하여 스트링 전원 차단 유무를 판단하고, 상기 전원 제어부의 출력 전류를 측정하여 역 전류를 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 접속반은 과전류를 차단하기 위한 퓨즈, 상기 퓨즈를 통과한 전압을 후단의 인버터에 전달하기 위한 전원 차단기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템은 복수의 태양광 모듈 사이에 개재된 마이크로 컨버터; 상기 마이크로 컨버터에 연결되어, 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 스트링 제어기; 상기 스트링 제어기에서 출력된 직류 전압을 후단의 인버터에 전달하는 접속반을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 스트링 제어기는 상기 마이크로 컨버터로부터 출력된 전류 및 역 전류를 검출하는 전압 검출기 및 제1 전류 검출기; 인버터에 출력되는 전류를 역 전류로 검출하는 제2 전류 검출기; 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단하며, 역 전류 또는 스트링 전원 차단 판단 결과를 기초로 스위치 제어신호를 발생하고, 최대전력점 추종을 위한 전압 및 전류 측정값의 송신을 제어하는 메인 컨트롤 유닛; 상기 마이크로 컨버터와 통신을 위한 통신 모듈; 상기 메인 컨트롤 유닛에서 발생하는 스위치 제어신호에 따라 입력 전압을 인버터에 출력하거나 차단 신호 및 접속 반의 화재 이상 징후신호에 따라 회로를 차단하는 전원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 메인 컨트롤 유닛은 입력 전류를 측정하여 스트링 전원 차단 유무를 판단하고, 상기 전원 제어부의 출력 전류를 측정하여 역 전류를 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 접속반은 과전류를 차단하기 위한 퓨즈, 상기 퓨즈를 통과한 전압을 후단의 인버터에 전달하기 위한 전원 차단기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 접속 반에 역 전류 방지 다이오드가 없기 때문에 열이 나지 않아 별도의 방열부와 배기 팬 및 개구부를 설치할 필요가 없으며, 마이크로컨버터에서 모니터링 기능을 무선방식으로 수행함으로써 접속 반에서 모니터링 디지털 보드가 필요 없기 때문에 상시 AC 전원도 필요 없어 통신 및 AC 전원공급라인, 서지 보호설비 등의 부수적인 설비 공사비의 절감과 함께 접속 반의 소형화 설계가 가능해지고 방진·방수 기능 등급을 높게 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 접속 반에서 발열부 및 배기 팬의 삭제에 따라 내부 공기의 유동이 없어 밀폐된 접속 반 내에서 화재감시모듈의 정밀도를 높게 구현할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 일반적인 태양광 발전시스템에 적용되는 접속 반과 태양광 어레이의 구성도,
도 2는 태양광 발전시스템에 적용되는 직렬형 마이크로 컨버터의 구성도,
도 3은 태양광 발전시스템에 적용되는 병렬형 마이크로 컨버터와 스트링 제어기의 구성도,
도 4는 본 발명에서 스마트 접속 반과 스트링 전원차단 및 역 전류 방지 기능이 있는 직렬형 마이크로 컨버터가 구비된 태양광 발전시스템의 제1 실시 예 구성도,
도 5는 본 발명에서 스마트 접속 반과 스트링 전원차단 및 역 전류 방지기능이 있는 스트링 제어기가 구비된 태양광 발전시스템의 제2 실시 예 구성도,
도 6은 본 발명에 적용된 역 전류 방지 기능 및 스트링 전압 차단 기능이 있는 마이크로 컨버터 또는 스트링 제어기의 구성도,
도 7a는 본 발명에서 역 전류 방지 과정을 보인 흐름도, 도 7b는 본 발명에서 스트링 전압 차단 과정을 보인 흐름도,
도 8은 본 발명에서 스마트 접속 반 내에 구성되어 접속 반 내의 화재 이상 징후를 판단하는 기능을 하는 화재감시모듈을 포함한 태양광 발전시스템의 구성도,
도 9a는 본 발명에서 화재 이상 징후를 감지하고 판단된 디지털신호를 발생하는 과정을 보인 흐름도,
도 9b는 본 발명에서 화재 이상 판단 디지털신호를 수신하여 마이크로컨버터에서 회로 차단 과정을 보인 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에서 스마트 접속 반과 스트링 전원차단 및 역 전류 방지 기능이 있는 직렬형 마이크로 컨버터가 구비된 태양광 발전시스템의 제1 실시 예 구성도이다.

본 발명에 따른 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템의 제1 실시 예는 태양광 모듈(110), 마이크로 컨버터(120) 및 접속 반(130)을 포함한다.

마이크로 컨버터(120)는 태양광 모듈(110)에 대응하게 구성되어, 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 역할을 한다.

이러한 마이크로 컨버터(120)는 태양광 모듈과 일대일 대응하게 구성되며, 도 6에 도시한 바와 같이, 태양광 모듈(110)로부터 출력된 전압을 검출하는 전압 검출기(121); 태양광 모듈(110)로부터 출력된 전류를 검출하는 제1전류 검출기(122); 역 전류를 검출하는 제2 전류 검출기(123); 입력 전류 및 역 전류 검출 값을 기초로 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단하며, 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단한 결과를 기초로 스위치 제어신호를 발생하고, 다른 마이크로 컨버터와의 데이터 통신을 제어하는 메인 컨트롤 유닛(MCU)(124); 상기 메인 컨트롤 유닛(124)과 다른 마이크로 컨버터 간의 통신을 위한 통신 모듈(125); 및 상기 메인 컨트롤 유닛(124)에서 발생하는 스위치 제어신호에 따라 입력 전압을 후단의 인버터에 출력하거나 차단하는 전원 제어부(126)를 포함한다.

여기서 메인 컨트롤 유닛(124)은 입력 전류를 측정하여 스트링 전원 차단 유무를 판단하고, 상기 전원 제어부(126)의 출력 전류를 측정하여 역 전류를 판단하는 것이 바람직하다.

상기 접속 반(130)은 상기 마이크로 컨버터(120)에서 출력된 직류 전압을 후단의 인버터에 전달하는 역할을 한다.

이러한 접속 반(130)은 과전류를 차단하기 위한 퓨즈(131), 상기 퓨즈(131)를 통과한 전압을 후단의 인버터에 전달하기 위한 전원 차단기(MCCB)(132)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 스마트 접속 반과 스트링 전원차단 및 역 전류 방지 기능이 있는 직렬형 마이크로 컨버터가 구비된 태양광 발전시스템의 제1 실시 예의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템은 도 2와 같이, 태양광 모듈(1)의 출력이 일대일로 연결되는 마이크로 컨버터(2)의 입력으로 인가되고, 마이크로 컨버터(2)의 출력이 직렬로 연결되는 직렬형 마이크로 컨버터 형태의 시스템과, 도 3에 도시한 바와 같이, 태양광 모듈(4)의 사이에 마이크로 컨버터(5)가 구비되고, 스트링 단위로 마지막 태양광 모듈에 스트링 제어기(6)가 구비되는 병렬형 마이크로 컨버터 형태의 시스템으로 대별된다.

도 4는 태양광 발전시스템이 직렬형 마이크로 컨버터 구조를 갖는 경우에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 적용된 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 나타낸다.

각각의 태양광 모듈(110)로부터 출력되는 전압(Vpv(+))은 일대일로 대응하게 접속된 마이크로 컨버터(120)에 입력된다. 마이크로 컨버터(120)의 전압 검출기(121)는 입력되는 전압의 레벨을 검출하여 전압 검출 값(AV)을 메인 컨트롤 유닛(124)에 전달하며, 제1 전류 검출기(122)는 입력 전류의 레벨을 검출하여 전류 검출 값(AI)을 상기 메인 컨트롤 유닛(124)에 전달한다.

메인 컨트롤 유닛(124)은 입력되는 전압 검출 값 및 전류 검출 값을 스트링 전압 차단을 위해 미리 설정된 전압 및 전류 기준 값과 비교하여, 상기 전압 검출 값이 전압 기준 값보다 크거나 상기 전류 검출 값이 상기 전류 기준 값보다 클 경우, 스트링 전압 차단으로 판단을 하고, 스트링 전압 차단을 위한 스위치 제어신호를 발생한다. 스트링 전압 차단을 위한 스위치 제어신호에 대응하여 전원 제어부(126)는 내부 스위치를 개방하여(오프상태) 태양광 모듈로부터 출력되는 전압이 후단의 접속반(130)으로 전달되는 것을 차단한다. 물론, 전압 검출이 전압 기준 값 이하이고, 전류 검출 값이 전류 기준 값 이하일 경우, 스트링 전압 차단 동작을 하지 않게 된다. 이 경우에는 전원 제어부(126)의 내부 스위치가 폐쇄되어(온상태) 태양광 모듈에서 출력되는 전압이 후단의 접속반(130)에 전달된다.

아울러 상기 마이크로 컨버터(120)는 역방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서, 제2전류 검출기(123)를 통해 접속반(130)으로 흐르는 전류를 검출한다. 이때 검출되는 전류 값은 역 전류 검출 값(AI2)으로 메인 컨트롤 유닛(124)에 전달된다. 예컨대, 스트링 간에 전위차가 발생할 경우에는 특정 스트링으로 역 전류가 흐르게 된다. 따라서 스트링에 있는 한 개의 마이크로 컨버터의 내부에 역 전류 방지회로(RCP, Reverse Current Protection)를 구현하여, 역 전류가 감지되면 역 전류를 차단하도록 한다. 메인 컨트롤 유닛(124)은 검출한 역 전류 검출 값을 역 전류 여부를 판단하기 위해 미리 설정된 역 전류 기준 값과 비교하여, 상기 역 전류 검출 값이 상기 역 전류 기준 값보다 작을 경우에는 역 전류가 흐르지 않는 것으로 판단을 하고, 전원 제어를 수행하지 않는다. 이와는 달리 상기 역 전류 검출 값이 상기 역 전류 기준 값보다 클 경우에는 역 전류가 흐르는 것으로 판단을 하고, 상기 전원 제어부(126)에 역 전류 방지를 위한 스위치 제어신호를 전달한다. 전원 제어부(126)는 전달되는 역 전류 방지를 위한 스위치 제어신호에 따라 내부 스위치를 개방하여, 접속 반(130)으로 전류가 흐르는 것을 차단한다. 상기 내부 스위치는 FET 스위치로 구현할 수 있으며, 메인 컨트롤 유닛(124)은 정상적인 동작 시에는 PWM 동작을 수행하고, 역 전류 감지 시에는 출력 전원 즉, 스트링 전원을 차단하는 역할을 하게 된다.

아울러 통신모듈(125)은 메인 컨트롤 유닛(124)의 제어에 따라 태양광 모듈로부터 검출한 전압 및 전류 값을 다른 마이크로 컨버터 또는 제어기에 전달하여, 최대전력점 추종에 이용되도록 한다. 이렇게 마이크로 컨버터에서 태양광 모듈의 전력을 개별적으로 감시함으로써, 접속 반에서 전력 감시 기능을 수행할 필요가 없게 된다.

다음으로, 접속 반(130)은 각각의 마이크로 컨버터(120)로부터 출력되는 전압(Vout(+), Vout(-))을 퓨즈(131)를 통해 전달받고, 퓨즈(131)를 통과한 전압은 집속된 후 전원 차단기(132)에 전달된다. 이때 퓨즈(131)는 정해진 전류 이상의 과전류가 흐를 경우 자동으로 단락되어 후단에 과전류가 인가되는 것을 방지한다. 마찬가지로 전원 차단기(132)는 입력 전류를 검출하여 정해진 전류 이상의 과전류가 흐를 경우 후단의 스트링 인버터에 전원이 공급되는 것을 차단한다.

이와 같이 본 발명의 제1 실시 예는, 직렬형 마이크로 컨버터 시스템에서 기존 접속 반에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위해, 스트링 전원 차단 및 역 전류 방지 기능을 마이크로 컨버터에 구성함으로써, 접속 반에서는 스트링 전원 차단 및 역 전류 방지 기능, 그리고 전력 감시 기능을 수행할 필요가 없게 된다. 이로 인해 접속반에 역 전류 방지 다이오드를 구현할 필요가 없으므로, 방열을 위한 별도의 배기 팬도 구현할 필요가 없으며, 전력 감시를 위한 모니터링 디지털 보드도 필요 없기 때문에 상시 AC 전원도 필요 없게 된다. 따라서 접속 반의 소형화 설계가 가능해지고, 배기 팬도 필요 없게 되므로 방수 기능도 최적으로 구현할 수 있게 된다.

상기 접속 반에서 모니터링이 필요 없는 이유는 마이크로 컨버터가 장착이 되면 개별 모니터링이 가능하기 때문에, 접속 반에 모니터링을 위한 디지털 보드를 추가할 필요가 없게 된다.

도 5는 태양광 발전시스템이 병렬형 마이크로 컨버터 구조를 갖는 경우에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 적용된 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템의 제2 실시 예는 태양광 모듈(210), 스트링 제어기(220) 및 접속 반(230)을 포함한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 도 3에 도시한 바와 같이, 실제 태양광 모듈의 사이 사이에 전원 제어를 위한 병렬형 마이크로 컨버터가 구비된다. 이하, 본 발명의 제2 실시 예는 병렬형 마이크로 컨버터가 구비된 태양광 발전시스템에 적용되는 것으로 설명한다.

스트링 제어기(220)는 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 역할을 한다.

이러한 스트링 제어기(220)는 도 6에 도시한 바와 같이, 마이크로 컨버터로부터 출력된 전류 및 역 전류를 검출하는 전압 검출기(121) 및 제1 전류 검출기(122); 인버터에 출력되는 전류를 역 전류로 검출하는 제2 전류 검출기(123); 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단하며, 역 전류 또는 스트링 전원 차단 판단 결과를 기초로 스위치 제어신호를 발생하고, 최대전력점 추종(MPPT)을 위한 전압 및 전류 측정값의 송신을 제어하는 메인 컨트롤 유닛(124); 상기 마이크로 컨버터와 통신을 위한 통신 모듈(125); 상기 메인 컨트롤 유닛(124)에서 발생하는 스위치 제어신호에 따라 입력 전압을 인버터에 출력하거나 차단하는 전원 제어부(126)를 포함한다.

도 6에 도시한 회로는 도 4에 도시한 마이크로 컨버터에 대한 회로이나, 태양광 발전시스템이 병렬형 마이크로 컨버터를 이용하는 시스템일 경우, 스트링 제어기(220)가 도 4의 마이크로 컨버터와 같이, 역 전류 방지 기능, 스트링 전압 차단 기능, 전력 감시 기능을 수행하게 된다.

상기 접속반(230)은 과전류를 차단하기 위한 퓨즈(231), 상기 퓨즈(231)를 통과한 전압을 후단의 인버터에 전달하기 위한 전원 차단기(232)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 제2 실시 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 각각의 태양광 모듈(110)로부터 출력되는 전압(Vpv(+))은 태양광 모듈 사이사이에 개재된 마이크로 컨버터를 통과한다. 아울러 스트링 단위의 맨 마지막 태양광 모듈에는 스트링 제어기(220)가 마련된다.

맨 마지막 마이크로 컨버터 및 태양광 모듈을 통과한 전압은 스트링 제어기(220)에 입력된다. 스트링 제어기(220)의 전압 검출기(121)는 입력되는 전압의 레벨을 검출하여 전압 검출 값(AV)을 메인 컨트롤 유닛(124)에 전달하며, 제1 전류 검출기(122)는 입력 전류의 레벨을 검출하여 전류 검출 값(AI)을 상기 메인 컨트롤 유닛(124)에 전달한다.

메인 컨트롤 유닛(124)은 입력되는 전압 검출 값 및 전류 검출 값을 스트링 전압 차단을 위해 미리 설정된 전압 및 전류 기준 값과 비교하여, 상기 전압 검출 값이 전압 기준 값보다 크거나 상기 전류 검출 값이 상기 전류 기준 값보다 클 경우, 스트링 전압 차단으로 판단을 하고, 스트링 전압 차단을 위한 스위치 제어신호를 발생한다. 스트링 전압 차단을 위한 스위치 제어신호에 대응하여 전원 제어부(126)는 내부 스위치를 개방하여(오프상태) 마이크로 컨버터로부터 출력되는 전압이 후단의 접속반(230)으로 전달되는 것을 차단한다. 물론, 전압 검출이 전압 기준 값 이하이고, 전류 검출 값이 전류 기준 값 이하일 경우, 스트링 전압 차단 동작을 하지 않게 된다. 이 경우에는 전원 제어부(126)의 내부 스위치가 폐쇄되어(온상태) 마이크로 컨버터에서 출력되는 전압이 후단의 접속반(230)에 전달된다.

아울러 상기 스트링 제어기(220)는 역방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서, 제2전류 검출기(123)를 통해 접속반(230)으로 흐르는 전류를 검출한다. 이때 검출되는 전류 값은 역 전류 검출 값(AI2)으로 메인 컨트롤 유닛(124)에 전달된다. 예컨대, 스트링 간에 전위차가 발생할 경우에는 특정 스트링으로 역 전류가 흐르게 된다. 따라서 스트링에 있는 한 개의 스트링 제어기의 내부에 역 전류 방지회로(RCP, Reverse Current Protection)를 구현하여, 역 전류가 감지되면 역 전류를 차단하도록 한다. 메인 컨트롤 유닛(124)은 검출한 역 전류 검출 값을 역 전류 여부를 판단하기 위해 미리 설정된 역 전류 기준 값과 비교하여, 상기 역 전류 검출 값이 상기 역 전류 기준 값보다 작을 경우에는 역 전류가 흐르지 않는 것으로 판단을 하고, 전원 제어를 수행하지 않는다. 이와는 달리 상기 역 전류 검출 값이 상기 역 전류 기준 값보다 클 경우에는 역 전류가 흐르는 것으로 판단을 하고, 상기 전원 제어부(126)에 역 전류 방지를 위한 스위치 제어신호를 전달한다. 전원 제어부(126)는 전달되는 역 전류 방지를 위한 스위치 제어신호에 따라 내부 스위치를 개방하여, 접속반(230)으로 전류가 흐르는 것을 차단한다. 상기 내부 스위치는 FET 스위치로 구현할 수 있으며, 메인 컨트롤 유닛(124)은 정상적인 동작 시에는 PWM 동작을 수행하고, 역 전류 감지 시에는 출력 전원 즉, 스트링 전원을 차단하는 역할을 하게 된다.

아울러 통신모듈(125)은 메인 컨트롤 유닛(124)의 제어에 따라 태양광 모듈로부터 검출한 전압 및 전류 값을 마이크로 컨버터에 전달하여, 최대전력점 추종에 이용되도록 한다. 병렬형 마이크로 컨버터 시스템은 마이크로 컨버터가 독자적으로 최대출력점(MPP)을 찾지 못하기 때문에, 스트링 단위로 스트링 제어기가 필요한데, 이런 목적의 스트링 제어기에는 전압 및 전류 측정과 최대출력점추종(MPPT) 알고리즘을 수행하기 위해 마이크로 컨버터와 통신을 하기 위한 통신 모듈을 구비하는 것이다. 이렇게 스트링 제어기(220)에서 태양광 모듈의 전력을 개별적으로 감시함으로써, 접속반(230)에서 전력 감시 기능을 수행할 필요가 없게 된다.

다음으로, 접속 반(230)은 각각의 스트링 제어기(220)로부터 출력되는 전압(Vout(+), Vout(-))을 퓨즈(231)를 통해 전달받고, 퓨즈(231)를 통과한 전압은 집속된 후 전원 차단기(232)에 전달된다. 이때 퓨즈(231)는 정해진 전류 이상의 과전류가 흐를 경우 자동으로 단락되어 후단에 과전류가 인가되는 것을 방지한다. 마찬가지로 전원 차단기(232)는 입력 전류를 검출하여 정해진 전류 이상의 과전류가 흐를 경우 후단의 스트링 인버터에 전원이 공급되는 것을 차단한다.

이와 같이 본 발명의 제2 실시 예는, 병렬형 마이크로 컨버터 시스템에서 기존 접속 반에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위해, 스트링 전원 차단 및 역 전류 방지 기능을 스트링 제어기에 구성함으로써, 접속 반에서는 스트링 전원 차단 및 역 전류 방지 기능, 그리고 전력 감시 기능을 수행할 필요가 없게 된다. 이로 인해 접속 반에 역 전류 방지 다이오드를 구현할 필요가 없으므로, 방열을 위한 별도의 배기 팬도 구현할 필요가 없으며, 전력 감시를 위한 모니터링 디지털 보드도 필요 없기 때문에 상시 AC 전원도 필요 없게 된다. 따라서 접속 반의 소형화 설계가 가능해지고, 배기 팬도 필요 없게 되므로 방수 기능도 최적으로 구현할 수 있게 된다.

상기 접속 반에서 모니터링이 필요 없는 이유는 스트링 제어기에서 개별 모니터링이 가능하기 때문에, 접속 반에 모니터링을 위한 디지털 보드를 추가할 필요가 없게 된다.

도 7a는 본 발명에서 역 전류 방지 과정을 보인 흐름도이고, 도 7b는 본 발명에서 스트링 전압 차단 과정을 보인 흐름도이다.

도 7a에 도시한 바와 같이, 역 전류를 감지하여, 역 전류가 감지되면, 스트링 스위치(전원 제어부의 스위치)를 오프하여, 역 전류를 방지한다. 아울러 역 전류가 감지되지 않을 경우에는 정상 동작을 수행한다.

아울러 도 7b에 도시한 바와 같이, 스트링 전압을 검출하여, 과전류가 흐를 경우 스트링 스위치(전원 제어부의 스위치)를 오프하여 과전류가 인버터로 흐르는 것을 차단한다. 아울러 과전류가 감지되지 않을 경우에는 정상 동작을 수행한다.

도 8은 본 발명에서 스마트 접속 반 내에 구성되어 접속 반 내의 화재 이상 징후를 판단하는 기능을 하는 화재감시모듈(240)을 포함하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템의 구성도이다.

화재감시모듈(240)은 화재방지를 위해 화재를 감지하는 화재 계측부(246); 상기 화재 계측부(246)에서 통합 감지된 접속 반 내 온도, 습도, CO2 및 VOC, 외기 온도 측정값을 기초로 화재 이상 징후를 판단하는 마이크로컨트롤러(242); 상기 마이크로 컨트롤러(242)에 연계하여 화재 이상 징후 판단 신호를 무선신호로 만들어 상기 마이크로컨버터(120) 또는 스트링 제어기(220)로 전송하는 무선신호 송신부(241)를 포함한다.

여기서 화재 계측부(246)는 접속 반 내의 온도 및 습도를 계측하는 온습도 계측부(243); 접속 반 내의 CO2 및 VOC와 같은 가스를 계측하는 가스 계측부(245); 외기 온도를 계측하는 외부온도 계측부(244)를 포함한다.

또한, 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템은 상기 화재감시모듈(240)의 안정적인 24시간 자가전력 공급을 위해 마이크로 전력 저장장치(263)과 DC전원공급과 충전을 위한 단방향 DC컨버터(262)가 내장된 정전압 레귤레이터(261)와 소형 솔라셀 모듈(260)을 포함할 수 있다.

도 9a는 접속 반 내의 온습도 계측부(243), 가스(CO2 농도, VOC 농도) 계측부(245) 및 외부온도 계측부(244)의 계측정보를 바탕으로 화재 이상 징후를 판단하는 로직을 포함하는 마이크로 컨트롤러(242)에서 화재 이상 징후를 판단하여 신호를 송신하는 과정을 보인 흐름도이다.

도 9b는 본 발명에서 마이크로 컨버터(120) 또는 스트링 제어기(220)에서 이상신호를 수신하여 화재경보를 중앙관제 시스템에 통보하고 스트링 전압을 제어하여 회로를 차단하는 과정을 보인 흐름도이다.

상기 화재감시모듈(240)은 접속 반(230) 내에 탑재되어 로컬 스트링에 구성된 마이크로 컨버터(120) 또는 스트링 제어기(220)와 무선으로 연동하여 화재감시 및 이상신호 판정시 스트링 회로를 차단하는 동작을 수행한다. 특히, 로컬 네트워크 방식의 무선통신이 채용된 본 발명에 따른 태양광 발전시스템은 일시적인 또는 국부적인 이상으로 중앙관제 시스템과의 통신이 두절되는 상황에서도 이에 영향을 받지 않고 안정적인 기능을 수행할 수 있도록 화재감시모듈(240)에 사전에 기준 값 및 판정조건을 입력하여 비교를 통해 제어동작하는 특징을 가진다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이 마이크로 컨버터(120) 또는 스트링 제어기(220)에서의 회로차단 이후 별도의 중앙관제시스템(250)과 연동하여 회로차단 상태에서 이상 유무를 점검하는 로직을 가동하여 재기동 조건이 성립되면 재기동할 수 있는 기능도 가지고 있어, 기기 에러에 의한 회로차단으로 발생하는 발전 손실을 최소화하면서도 안정성을 확보할 수 있는 특징이 있다.

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 시스템에서 역 전류 방지, 스트링 전원 차단 및 방열 기능에 효과적으로 적용할 수 있다.

110, 210: 태양광 모듈
120: 마이크로 컨버터
124: 메인 컨트롤 유닛(MCU)
125: 통신모듈
126: 전원 제어부
130, 230: 접속반
220: 스트링 제어기
240: 화재감시모듈
241: 무선신호 송신부
242: 마이크로컨트롤러
243: 온습도 계측부
244: 외부온도 계측부
245: 가스 계측부
250: 중앙관제시스템
260: 소형 솔라셀 모듈
261: 정전압 레귤레이터
262: 단방향 정전압 DC 컨버터
263: 마이크로 전력저장장치

Claims (11)

1. 태양광 모듈에 대응하게 구성되어, 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 마이크로 컨버터; 및
   상기 마이크로 컨버터에서 출력된 직류 전압을 후단의 인버터에 전달하는 접속 반을 포함하고,
   상기 접속 반은 화재방지를 위해 화재를 감지하는 화재 계측부; 상기 화재 계측부에서 통합 감지된 접속 반 내 온도, 습도, CO2 및 VOC, 외기 온도 측정값을 기초로 화재 이상 징후를 판단하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 화재감시모듈을 포함하며,
   상기 마이크로 컨버터는 태양광 모듈로부터 출력된 전압을 검출하는 전압 검출기; 태양광 모듈로부터 출력된 전류를 검출하는 제1전류 검출기; 역 전류를 검출하는 제2 전류 검출기; 입력 전류 및 역 전류 검출 값을 기초로 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단하며, 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단한 결과를 기초로 스위치 제어신호를 발생하고, 다른 마이크로 컨버터와의 데이터 통신을 제어하는 메인 컨트롤 유닛(MCU); 상기 메인 컨트롤 유닛과 다른 마이크로 컨버터 간의 통신을 위한 통신 모듈; 및 상기 메인 컨트롤 유닛에서 발생하는 스위치 제어신호에 따라 입력 전압을 후단의 인버터에 출력하거나 차단하는 전원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
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3. 청구항 1에서, 상기 메인 컨트롤 유닛은 입력 전류를 측정하여 스트링 전원 차단 유무를 판단하고, 상기 전원 제어부의 출력 전류를 측정하여 역 전류를 판단하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
4. 청구항 1에서, 상기 접속 반은 과전류를 차단하기 위한 퓨즈, 상기 퓨즈를 통과한 전압을 후단의 인버터에 전달하기 위한 전원 차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
5. 복수의 태양광 모듈 사이에 개재된 마이크로 컨버터에 연결되어, 스트링 전원을 차단하고 역 전류를 방지하며 모니터링 기능을 수행하는 스트링 제어기; 및
   상기 스트링 제어기에서 출력된 직류 전압을 후단의 인버터에 전달하는 접속 반을 포함하고,
   상기 접속 반은 화재방지를 위해 화재를 감지하는 화재 계측부; 상기 화재 계측부에서 통합 감지된 접속 반 내 온도, 습도, CO2 및 VOC, 외기 온도 측정값을 기초로 화재 이상 징후를 판단하는 마이크로컨트롤러를 포함하는 화재감시모듈을 포함하고,
   상기 스트링 제어기는 상기 마이크로 컨버터로부터 출력된 전류 및 역 전류를 검출하는 전압 검출기 및 제1 전류 검출기; 인버터에 출력되는 전류를 역 전류로 검출하는 제2 전류 검출기; 역 전류 또는 스트링 전원 차단 유무를 판단하며, 역 전류 또는 스트링 전원 차단 판단 결과를 기초로 스위치 제어신호를 발생하고, 최대전력점 추종을 위한 전압 및 전류 측정값의 송신을 제어하는 메인 컨트롤 유닛; 상기 마이크로 컨버터와 통신을 위한 통신 모듈; 상기 메인 컨트롤 유닛에서 발생하는 스위치 제어신호에 따라 입력 전압을 인버터에 출력하거나 차단하는 전원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
6. 삭제
7. 청구항 5에서, 상기 메인 컨트롤 유닛은 입력 전류를 측정하여 스트링 전원 차단 유무를 판단하고, 상기 전원 제어부의 출력 전류를 측정하여 역 전류를 판단하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
8. 청구항 5에서, 상기 접속 반은 과전류를 차단하기 위한 퓨즈, 상기 퓨즈를 통과한 전압을 후단의 인버터에 전달하기 위한 전원 차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
9. 청구항 5에서, 상기 화재감시모듈은 화재방지를 위해 화재를 감지하는 화재 계측부; 상기 화재 계측부에서 통합 감지된 접속 반 내 온도, 습도, CO2 및 VOC, 외기 온도 측정값을 기초로 화재 이상 징후를 판단하는 마이크로컨트롤러; 상기 마이크로 컨트롤러에 연계하여 화재 이상 징후 판단 신호를 무선신호로 만들어 상기 마이크로컨버터 또는 상기 스트링 제어기로 전송하는 무선신호 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
   
10. 청구항 9에서, 상기 화재 계측부는 접속 반 내의 온도 및 습도를 계측하는 온습도 계측부; 접속 반 내의 CO2 및 VOC와 같은 가스를 계측하는 가스 계측부; 외기 온도를 계측하는 외부온도 계측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
    
11. 청구항 5에서, 상기 마이크로컨버터 또는 상기 스트링 제어기와 상호 무선으로 연동되어 상기 마이크로컨버터 또는 상기 스트링 제어기를 제어할 수 있는 중앙 관제 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.
    

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