KR20110133696A - 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치 및 고장 진단 방법 - Google Patents

태양광 발전시스템의 고장 진단 장치 및 고장 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치는 태양광 어레이의 측정된 표면온도에서 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 출력전류, 출력전압을 입력받고, 상기 출력전압으로부터 상기 표면온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전류를 산출하는 기준전류 산출부, 상기 출력전류와 상기 기준전류를 비교하여 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위에 부합하면 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단하고 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 지속되면 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단하는 비교판단부 및 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때 정상신호를 발생하고, 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때 이상신호를 발생하는 진단신호 발생부를 포함한다.

Description

태양광 발전시스템의 고장 진단 장치 및 고장 진단 방법{FAULT DETECTION APPARATUS AND METHOD FOR PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전시스템의 고장 유무, 특히 태양광 어레이의 이상 유무를 진단할 수 있는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치에 관한 것이다.
현재 사용 중인 에너지의 대부분을 차지하는 화석연료의 고갈과 기후협약에 의한 온실가스 감축에 의한 요인에 의해 대체에너지 기술이 각광받고 있다. 이중 태양광 발전시스템은 에너지원의 다양화 분산화가 추진되는 상황에서 지역에 상관 없고 설치 규모를 필요에 따라 자유롭게 결정할 수 있는 장점에 의해 보급이 확대되고 있다. 태양광 발전시스템의 보급 확대에 따른 유지보수 및 고장 진단에 대한 문제가 점차 대두하고 있다.
본 발명의 실시예는 태양광 어레이의 표면온도, 상기 표면온도에서 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 출력전압 및 출력전류를 이용하여 일사량이 변하더라도 일사량을 측정하지 않고 태양광 발전시스템의 고장 유무를 진단할 수 있는 고장 진단 장치 및 고장 진단 방법을 제공한다. 또한, 태양광 발전시스템이 발전 중에도 실시간으로 고장 여부를 진단할 수 있어 태양광 발전시스템의 운용효율을 높일 수 있는 고장 진단 장치 및 고장 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치는 태양광 어레이의 측정된 표면온도에서 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 출력전류, 출력전압을 입력받고, 상기 출력전압으로부터 상기 표면온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전류를 산출하는 기준전류 산출부, 상기 출력전류와 상기 기준전류를 비교하여 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위에 부합하면 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단하고 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 지속되면 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단하는 비교판단부 및 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때 정상신호를 발생하고, 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때 이상신호를 발생하는 진단신호 발생부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치는 태양광 어레이의 측정된 표면온도에서 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 출력전류, 출력전압을 입력받고, 상기 출력전류로부터 상기 표면온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 발전시스템의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전압을 산출하는 기준전압 산출부, 상기 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위에 부합하면 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단하고 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 지속되면 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단하는 비교판단부 및 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때 정상신호를 발생하고, 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때 이상신호를 발생하는 진단신호 발생부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법은 태양광 발전시스템의 표면온도, 출력전류, 출력전압을 측정하는 단계, 상기 출력전류, 상기 출력전압으로부터 도출된 출력전력이 상기 표면온도에서 최대전력에 해당하는지 판단하는 단계, 상기 출력전력이 상기 표면온도에서 상기 최대전력 범위에 해당되면 상기 표면온도, 상기 출력전압, 상기 출력전류가 고장 진단장치에 입력되는 단계, 상기 입력된 표면온도, 상기 출력전압을 일정 온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전류를 산출하는 단계 및 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위 내이면 정상신호를 발생하고, 상기 기준전류의 일정 범위 밖이고 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생하고 일정 시간 이내로 지속되면 정상신호를 발생하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법은 태양광 어레이의 표면온도, 태양광 발전시스템의 출력전류, 출력전압을 측정하는 단계, 상기 출력전류, 출력전압으로부터 도출된 출력전력이 상기 표면온도에서 상기 태양광 발전시스템의 최대전력 범위에 해당하는지 판단하는 단계, 상기 출력전력이 상기 표면온도에서 상기 최대전력 범위에 해당되면 상기 표면온도, 상기 출력전압, 상기 출력전류가 고장 진단장치에 입력되는 단계, 상기 입력된 표면온도, 상기 출력전류를 일정 온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전압을 산출하는 단계 및 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위 내이면 정상신호를 발생하고, 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위 밖이고 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생하고 일정 시간 미만 지속되면 정상신호를 발생하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 일사량이 변하더라도 일사량을 측정하지 않고 태양광 어레이의 고장 유무를 진단할 수 있는 장점이 있다. 또한, 태양광 발전시스템이 발전 중에도 실시간으로 고장 여부를 진단할 수 있어 태양광 발전시스템의 운용효율을 높일 수 있다.
도 1은 태양광 발전시스템 및 본 발명의 실시예로서 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치의 시스템 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고장 진단 장치의 블록도이다.
도 3 및 도 4는 태양광 어레이의 특정 표면온도에서 일사량의 변화에 대한 태양광 발전시스템의 최대전력점에서의 출력전압과 출력전류를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치를 이용하여 태양광 발전시스템의 고장 여부를 진단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 태양광 발전시스템이 다양한 조건에 놓여 있을 때 태양광 발전시스템의 특성을 각각 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 태양광 발전시스템 및 본 발명의 실시예로서 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치의 시스템 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치(100)는 태양광 어레이를 포함하는 태양광 발전시스템(50)으로부터 태양광 어레이의 표면온도(T), 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 출력전류(IPV), 출력전압(VPV)을 입력받아 태양광 발전시스템의 고장 유무를 진단하고 정상신호 또는 이상신호를 태양광 발전시스템(50)에 출력한다. 도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치의 블록도이다. 도 2의 (a)를 참조하면 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치(100A)는 기준전류 산출부(120A), 비교판단부(130A), 진단신호 발생부(110) 및 디스플레이부(140)를 포함한다. 기준전류 산출부(120A)는 태양광 어레이의 표면온도에서 태양광 발전시스템이 출력전력이 최대일 때 측정된 출력전압(VPV)로부터 상기 표면온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 발전시스템의 특성 곡선으로부터 도출된 기준전류 산출식을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전류(Iref)을 산출한다. 비교판단부(130A)는 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 측정된 출력전류(IPV)와 상기 기준전류(Iref)를 비교한다. 비교판단부(130A)는 상기 출력전류(IPV)가 상기 기준전류(Iref)의 일정 범위에 부합하면 정상신호를 발생한다. 비교판단부(130A)는 상기 출력전류(IPV)가 상기 기준전류(Iref)의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생한다. 상기 기준전류(Iref)의 일정 범위는 일 예로 0.95Iref≤ Ipv ≤1.05Iref 일 수 있다. 계수 0.95와 1.05는 태양광 발전시스템의 왜란, 스위칭 동작, 제어기에 의한 전류의 응답을 고려하여 5% 정도의 여유를 준 것이다. 상기 계수는 임의로 변경 가능하다. 상기 일정 시간은 사용자가 필요에 따라 변경할 수 있다. 진단신호 발생부(110)는 비교판단부(130A)가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때는 정상신호를 발생하고, 비교판단부(130A)가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때는 이상신호를 발생한다. 디스플레이부(140)는 이상신호가 발생하는 경우 태양광 발전시스템의 고장 진단 결과를 표시한다. 디스플레이부(140)는 상기 이상 신호가 발생한 후, 상기 출력전류(IPV)가 상기 기준전류(Iref)의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시할 수 있다. 또한, 디스플레이부(140)는 상기 출력전류(IPV)가 상기 기준전류(Iref)의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시할 수 있다. 도 2의 (b)에 도시된 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치(100B)는 기준전압 산출부(120B), 비교판단부(130B), 진단신호 발생부(110) 및 디스플레이부(140)를 포함한다. 기준전압 산출부(120B)는 태양광 어레이의 표면온도(T), 태양광 발전시스템의 출력전류(IPV), 출력전압(VPV)을 입력받아 표면온도(T)에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선으로부터 도출된 기준전압 산출식을 이용하여 상기 표면온도(T)에서의 기준전압(Vref)을 산출한다. 비교판단부(130B)는 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 측정된 출력전압(VPV)과 상기 기준전압(Vref)을 비교한다. 비교판단부(130B)는 상기 출력전압(VPV)이 상기 기준전압(Vref)의 일정 범위에 부합하면 정상신호를 발생한다. 상기 출력전압(VPV)이 상기 기준전압(Vref)의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생한다. 상기 기준전압(Vref)의 일정 범위는 일 예로 0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref 일 수 있다. 계수 0.99와 1.01은 태양광 발전시스템의 왜란, 스위칭 동작, 제어기에 의한 전압의 응답을 고려하여 1% 정도의 여유를 준 것이다. 상기 계수는 임의로 변경 가능하다. 상기 일정 시간은 사용자가 필요에 따라 변경할 수 있다. 진단신호 발생부(110)는 비교판단부(130B)가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때는 정상신호를 발생하고, 비교판단부(130B)가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때는 이상신호를 발생한다.
이하 도 3 및 도 4를 이용하여 태양광 발전시스템이 최대전력일 때, 출력전압(VPV), 출력전류(IPV)로부터 각각 기준전류, 기준전압을 산출하는 기준전류 산출식 및 기준전압 산출식을 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 태양광 어레이의 특정 표면온도에서 일사량의 변화에 대하여 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때, 출력전압(VPV)과 출력전류(IPV)를 나타내는 그래프이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 태양광 어레이의 표면온도가 35℃일 때 전압과 전류의 관계를 실선으로 나타내고 표면온도가 25℃일 때 전압-전류의 관계를 점선으로 나타내었다. 본 예에서 태양광 어레이의 기준 표면온도는 25℃로 설정하였다. 도 3의 (b)의 굵은 선은 태양광 어레이의 표면온도가 25℃일 때의 전압 전류 그래프를 x축(전압축)을 따라 평행이동한 그래프이다. 굵은 선은 표면온도가 35℃일 때의 전압 전류 그래프와 거의 일치함을 알 수 있다. 도 3의 (c)를 참조하면, 태양광 어레이의 표면온도가 15℃일 때 출력전압과 출력전류의 관계를 실선으로 나타내고 표면온도가 25℃일 때 출력전압-출력전류의 관계를 점선으로 나타내었다. 도 3의 (d)의 굵은 선은 태양광 어레이의 표면온도가 25℃일 때의 출력전압-출력전류 그래프를 x축(전압축)을 따라 평행이동한 그래프이다. 굵은 선은 표면온도가 15℃일 때의 출력전압-출력전류 그래프와 거의 일치함을 알 수 있다. 이를 통해 태양광 어레이의 현재 표면온도에서 태양광 어레이의 기준전류 산출식을 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00001
n: 일사량 변화에 따라 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 전압-전류 관계를 나타내는 곡선을 함수로 근사한 차수(임의로 선정 가능)
Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류,
Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압,
T: 태양광 어레이의 현재 표면온도,
Tref: 태양광 어레이의 기준 표면온도,
a1, a2,…,an: Vpv-Iref 관계를 나타내기 위한 계수,
b: 온도변화에 따른 전압 그래프의 평행이동을 위한 계수
도 4의 (a), (b)는 각각 도 3의 (a), (b)의 x축과 y축을 서로 바꾸어 x축을 출력전류로 y축을 출력전압으로 바꾸어 도시한 그래프이다. 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 태양광 어레이의 표면온도가 25℃일 때의 출력전압-출력전류 그래프를 y축(전압축)을 따라 평행 이동시킨 것이 굵은 선으로 나타낸 그래프이다. 굵은 선으로 된 그래프는 태양광 어레이의 표면온도가 35℃일 때의 출력전압-출력전류 그래프와 거의 일치함을 알 수 있다. 이를 통해 태양광 어레이의 현재 표면온도에서 태양광 어레이의 기준전압 산출식을 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00002
n: 일사량 변화에 따라 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 전압-전류 관계를 나타내는 곡선을 함수로 근사한 차수(임의로 선정 가능)
Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압,
Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류,
T: 태양광 어레이의 현재 표면온도,
Tref: 태양광 어레이의 기준 표면온도,
c1, c2,…, cn: Vref-Ipv 관계를 나타내기 위한 계수,
d: 온도변화에 따른 전압 그래프의 평행이동을 위한 계수
기준전류 산출식으로부터 산출한 기준전류를 이용하여 태양광 발전시스템의 이상 유무를 판단할 수 있는 판별식은 다음과 같다.
0.95Iref≤ Ipv ≤1.05Iref
Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류,
Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류
계수 0.95와 1.05는 태양광 발전시스템의 왜란, 스위칭 동작, 제어기에 의한 전류의 응답을 고려하여 5% 정도의 여유를 준 것이다. 이는 임의로 변경 가능하다. 현재 출력전류(Ipv)가 상기 판별식의 기준 범위에 있는지를 확인하여 기준 범위를 벗어났을 때, 기준범위를 벗어난 상태가 미리 정한 시간 이상 지속되었을 시 이상신호가 발생하고, 그렇지 않은 경우는 정상신호를 발생하여 태양광 어레이의 이상 유무를 확인한다.
기준전압 산출식으로부터 산출한 기준전압을 이용하여 태양광 발전시스템의 이상 유무를 판단할 수 있는 판별식은 다음과 같다.
0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref
Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압,
Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압
이때 계수 0.99와 1.01는 태양광 발전시스템의 왜란, 스위칭 동작, 제어기에 의한 전압의 응답을 고려하여 1% 정도의 여유를 준 것이다. 이는 임의로 변경 가능하다. 현재 출력전압(Vpv)이 상기 판별식의 기준 범위에 있는지를 확인하여 기준 범위를 벗어났을 때, 기준범위를 벗어난 상태가 미리 정한 시간 이상 지속되었을 시 이상신호가 발생하고, 그렇지 않은 경우는 정상신호를 발생하여 태양광 어레이의 이상 유무를 확인한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치를 이용하여 태양광 발전시스템의 고장 여부를 진단하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 태양광 어레이의 표면온도, 태양광 발전시스템의 출력전류, 출력전압을 측정한다(510). 표면온도, 출력전류, 출력전압을 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치에 입력하여 출력전력을 산출하고 출력전력 변화량의 크기를 기준 변화량과 비교한다(520). 출력전력 변화량은 현재 산출된 출력전력과 직전에 산출된 출력전력 간 차이의 절대값으로 정의된다. 출력전력 변화량의 크기가 기준 변화량보다 크면 태양광 발전시스템이 최대전력에 아직 도달하지 않은 것으로 볼 수 있다. 따라서 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치는 최대전력점 추적(MPPT) 제어기로 신호를 보내 태양광 어레이의 표면온도, 출력전류, 출력전압을 다시 측정한다. 산출된 출력전력 변화량의 크기가 기준 변화량보다 작으면 산출된 출력전력이 최대전력에 도달한 것으로 간주하고, 기준전압 산출부는 측정된 출력전류를 이용하여 상기 표면온도에서 기준전압을 산출한다(530). 비교판단부는 출력전압이 기준전압의 일정 범위 내에 해당하는지 판단한다(540). 상기 기준전압의 일정 범위는 일 예로 0.99Vref ≤Vpv≤ 1.01Vref 일 수 있다(Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압, Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압). 출력전압이 기준전압의 일정 범위 내에 해당하면 정상신호를 발생하고 일정 범위 밖에 해당하면 일정 시간 이상 지속되는지 판단한다(550). 일정 시간 내로 지속되면 비교판단부는 정상신호를 발생하고, 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생한다. 이상신호가 발생한 후 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나는지 판단한다(560). 사용자가 미리 설정한 시간은 상기 일정 시간과 비교하여 더 긴 시간일 수 있다. 출력전압이 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 디스플레이부는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시한다. 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 디스플레이부는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시한다(570).
도 6을 참조하면, 태양광 어레이의 표면온도, 태양광 발전시스템의 출력전류, 출력전압을 측정한다(610). 표면온도, 출력전류, 출력전압을 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치에 입력하여 출력전력을 산출하고 출력전력의 변화량의 크기를 기준 변화량과 비교한다(620). 출력전력의 변화량은 현재 산출된 출력전력과 직전에 산출된 출력전력 간 차이의 절대값으로 정의된다. 산출된 출력전력 변화량의 크기가 기준 변화량보다 크면 태양광 발전시스템이 최대전력에 아직 도달하지 않은 것으로 볼 수 있다. 따라서 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치는 최대전력점 추적(MPPT) 제어기로 신호를 보내 태양광 어레이의 표면온도, 출력전류, 출력전압을 다시 측정한다. 출력전력 변화량의 크기가 기준 변화량보다 작으면 기준전류 산출부는 측정된 출력전압을 이용하여 상기 표면온도에서 기준전류를 산출한다(630). 비교판단부는 출력전압이 기준전류의 일정 범위 내에 해당하는지 판단한다(640). 상기 기준전류의 일정 범위는 일 예로 0.95Iref≤ Ipv ≤1.05Iref 일 수 있다(Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류, Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류).
출력전류가 기준전류의 일정 범위 내에 해당하면 정상신호를 발생하고 일정 범위 밖에 해당하면 일정 시간 이상 지속되는 지 판단한다(650). 일정 시간 내로 지속되면 비교판단부는 정상신호를 발생하고, 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생한다. 이상신호가 발생한 후 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나는지 판단한다(660). 사용자가 미리 설정한 시간은 상기 일정 시간과 비교하여 더 긴 시간일 수 있다. 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 디스플레이부는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시한다. 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 디스플레이부는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시한다(670).
도 7은 태양광 발전시스템이 다양한 조건에 놓여 있을 때 태양광 발전시스템의 특성을 각각 나타내는 그래프이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 일사량 900 W/m2 , 표면온도 25℃에서의 출력전력- 출력전압(P-V) 특성 곡선(710)과 일사량 500 W/m2, 표면온도 25℃에서의 P-V 특성곡선(720), 그리고 태양광 어레이에 부분적인 그림자가 형성되었을 때 P-V 특성 곡선(730)을 나타낸다. 도 7의 (b)는 도 7의 (a)의 출력전력(P)을 시간(t)에 대해 나타내는 P-t 특성 곡선이다. 도 7의 (b)를 참조하면, 약 0 ~ 약 3초 구간은 이상적인 환경으로 일사량 900 W/m2 , 표면온도 25℃일 때 태양광 발전시스템의 출력전력을 나타낸다. 태양광 발전시스템이 최대전력점을 추종하여 최대전력 약 2.8kW을 출력하는 것으로 나타난다. 약 3 ~ 약 5초 구간은 이상적인 환경으로 일사량 500 W/m2, 표면온도 25℃일 때 태양광 발전시스템의 출력전력을 나타낸다. 태양광 발전시스템이 최대전력점을 추종하여 최대전력 약 1.7kW을 출력하는 것으로 나타난다. 약 5초부터 태양광 어레이에 부분적인 그림자가 형성됐을 때 태양광 어레이의 최대전력점을 추종하여 최대전력 약 1.5kW를 출력하는 것으로 나타난다. 도 7의 (c) 는 태양광 어레이의 출력전압과 판별식의 범위를 나타낸다. 일사량 900 W/m2 , 표면온도 25℃ 인 약 0 ~ 약 3초 구간에서 태양광 발전시스템의 출력전류를 기준전압 산출식에 대입하여 기준전압을 구하였다. 태양광 발전시스템의 출력전압은 판별식 0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref 의 범위 안에 포함되는 것을 확인할 수 있다. 태양광 발전시스템의 출력전압이 상기 범위를 일시적으로 이탈하나 일정 시간 이상 벗어나지 않으면 정상 범위에 해당하는 것으로 간주할 수 있다. 3 ~ 6초에서 일사량을 500 W/m2으로 유지하였을 경우에도 태양광 발전시스템의 출력전압은 판별식 0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref 의 범위 안에 포함되므로 태양광 발전시스템이 이상 없이 동작함을 알 수 있다. 약 5초부터 태양광 어레이에 부분적인 그림자가 발생하여 최대전력점이 1.5kW에 추종하였을 때 태양광 발전시스템의 출력전압은 판별식 0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref 의 범위로부터 일정 시간 이상 크게 벗어남을 알 수 있다. 도 7의 (d)를 참조하면 약 5.9초 이전에는 정상신호(signal=0)를 발생하고 약 5.9초부터 태양광 발전시스템이 이상신호(signal=1)를 발생하였다. 태양광 발전시스템의 출력전압은 판별식 0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref 의 범위를 약 5초부터 계속 벗어났지만, 일정 시간 이상 지속되어야 이상신호가 발생하므로 약 5.9초부터 이상신호가 발생하였다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치는 태양광 어레이의 표면온도, 상기 표면온도에서 태양광 발전시스템의 최대전력점에서의 출력전압 및 출력전류를 이용하여 일사량이 변하더라도 일사량을 측정하지 않고 태양광 어레이의 고장 유무를 진단할 수 있다. 또한, 태양광 발전시스템이 발전 중에도 실시간으로 고장 여부를 진단할 수 있어 태양광 발전시스템의 운용효율을 높일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
50: 태양광 발전시스템
100, 100A, 100B: 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치
110: 진단신호 발생부
120A: 기준전류 산출부 120B: 기준전압 산출부
130: 비교판단부 140: 디스플레이부

Claims (20)

  1. 태양광 어레이의 표면온도 및 상기 표면온도에서 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 출력전류, 출력전압을 입력받고, 상기 출력전압으로부터 상기 표면온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전류를 산출하는 기준전류 산출부;
    상기 출력전류와 상기 기준전류를 비교하여 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위에 부합하면 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단하고 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 지속되면 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단하는 비교판단부; 및
    상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때 정상신호를 발생하고, 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때 이상신호를 발생하는 진단신호 발생부를 포함하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준전류 산출부는 하기 기준전류 산출식으로부터 상기 기준전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
    Figure pat00003

    n: 일사량 변화에 따라 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 전압-전류 관계를 나타내는 곡선을 함수로 근사한 차수
    Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류,
    Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압,
    T: 태양광 어레이의 현재 표면온도,
    Tref: 태양광 어레이의 기준 표면온도,
    a1, a2,…,an: Vpv-Iref 관계를 나타내기 위한 계수,
    b: 온도변화에 따른 전압 그래프의 평행이동을 위한 계수
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준전류의 일정 범위는
    0.95Iref≤ Ipv ≤1.05Iref
    인 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
    Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류,
    Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이상신호가 발생하는 경우 태양광 발전시스템의 고장 진단 결과를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 이상신호가 발생한 후, 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시하고, 상기 출력전류가 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
  6. 태양광 어레이의 표면온도 및 상기 표면온도에서 태양광 발전시스템의 출력전력이 최대일 때 출력전류, 출력전압을 입력받고, 상기 출력전류로부터 상기 표면온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 발전시스템의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전압을 산출하는 기준전압 산출부;
    상기 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위에 부합하면 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단하고 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 벗어나고 일정 시간 지속되면 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단하는 비교판단부; 및
    상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 정상인 것으로 판단할 때 정상신호를 발생하고, 상기 비교판단부가 상기 태양광 발전시스템이 비정상인 것으로 판단할 때 이상신호를 발생하는 진단신호 발생부를 포함하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준전압 산출부는 하기 기준전압 산출식으로부터 상기 기준전압 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
    Figure pat00004

    n: 일사량 변화에 따라 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 전압-전류 관계를 나타내는 곡선을 함수로 근사하는 차수
    Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압,
    Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류,
    T: 태양광 어레이의 현재 표면온도,
    Tref: 태양광 어레이의 기준 온도,
    d: 온도변화에 따른 전압 그래프의 평행이동을 위한 계수,
    c1, c2,…, cn: Vref-Ipv 관계를 나타내기 위한 계수
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기준전압의 일정 범위는
    0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref
    인 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
    Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압,
    Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압
  9. 제6항에 있어서,
    상기 이상신호가 발생하는 경우 태양광 발전시스템의 고장 진단 결과를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 이상 신호가 발생한 후, 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시하고, 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 장치.
  11. 태양광 발전시스템의 표면온도, 출력전류, 출력전압을 측정하는 단계;
    상기 출력전류, 상기 출력전압으로부터 도출된 출력전력이 상기 표면온도에서 최대전력에 해당하는지 판단하는 단계;
    상기 출력전력이 상기 표면온도에서 상기 최대전력 범위에 해당되면 상기 표면온도, 상기 출력전압, 상기 출력전류가 고장 진단장치에 입력되는 단계;
    상기 입력된 표면온도, 상기 출력전압을 일정 온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전류를 산출하는 단계; 및
    상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위 내이면 정상신호를 발생하고, 상기 기준전류의 일정 범위 밖이고 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생하고 일정 시간 이내로 지속되면 정상신호를 발생하는 단계를 포함하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기준전류는 하기 기준전류 산출식으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
    Figure pat00005

    n: 일사량 변화에 따라 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 전압-전류 관계를 나타내는 곡선을 함수로 근사한 차수
    Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류,
    Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압,
    T: 태양광 어레이의 현재 표면온도,
    Tref: 태양광 어레이의 기준 표면온도,
    a1, a2,…,an: Vpv-Iref 관계를 나타내기 위한 계수,
    b: 온도변화에 따른 전압 그래프의 평행이동을 위한 계수
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기준전류의 일정 범위는
    0.95Iref≤ Ipv ≤1.05Iref
    인 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
    Iref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전류,
    Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류
  14. 제11항에 있어서,
    상기 이상 신호가 발생하면 상기 고장 진단장치는 상기 태양광 발전시스템의 고장 내용을 표시하는 단계를 포함하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이상 신호가 발생하면 상기 고장 진단장치는 상기 태양광 발전시스템의 고장 내용을 표시하는 단계는,
    상기 이상 신호가 발생한 후, 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 상기 고장 진단장치는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시하고, 상기 출력전류가 상기 기준전류의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 상기 고장 진단장치는 상기 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
  16. 태양광 어레이의 표면온도, 태양광 발전시스템의 출력전류, 출력전압을 측정하는 단계;
    상기 출력전류, 출력전압으로부터 도출된 출력전력이 상기 표면온도에서 상기 태양광 발전시스템의 최대전력 범위에 해당하는지 판단하는 단계;
    상기 출력전력이 상기 표면온도에서 상기 최대전력 범위에 해당되면 상기 표면온도, 상기 출력전압, 상기 출력전류가 고장 진단장치에 입력되는 단계;
    상기 입력된 표면온도, 상기 출력전류를 일정 온도에서 일사량 변화에 대한 태양광 어레이의 특성 곡선을 이용하여 상기 표면온도에서의 기준전압을 산출하는 단계; 및
    상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위 내이면 정상신호를 발생하고, 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위 밖이고 일정 시간 이상 지속되면 이상신호를 발생하고 일정 시간 미만 지속되면 정상신호를 발생하는 단계를 포함하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 기준전압은 하기 기준전압 산출식으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
    Figure pat00006

    n: 일사량 변화에 따라 태양광 발전시스템이 최대전력을 출력할 때 전압-전류 관계를 나타내는 곡선을 함수로 근사하는 차수
    Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압,
    Ipv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전류,
    T: 태양광 어레이의 현재 표면온도,
    Tref: 태양광 어레이의 기준온도,
    d: 온도변화에 따른 전압 그래프의 평행이동을 위한 계수,
    c1, c2,…, cn: Vref-Ipv 관계를 나타내기 위한 계수
  18. 제16항에 있어서,
    상기 기준전압의 일정 범위는
    0.99Vref≤ Vpv ≤ 1.01Vref
    인 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
    Vref: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템의 기준전압,
    Vpv: 표면온도 T에서 태양광 발전시스템이 최대전력일 때 출력전압
  19. 제16항에 있어서,
    상기 이상신호가 발생하면 상기 고장 진단장치는 상기 태양광 발전시스템의 고장 내용을 표시하는 단계를 포함하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 이상 신호가 발생하면 상기 고장 진단장치는 상기 태양광 발전시스템의 고장 내용을 표시하는 단계는,
    상기 이상 신호가 발생한 후, 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 이상 벗어나면 상기 고장 진단장치는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요한 상태임을 표시하고, 상기 출력전압이 상기 기준전압의 일정 범위를 사용자가 미리 설정한 시간 미만으로 벗어나면 상기 고장 진단장치는 태양광 어레이의 수리 또는 교체가 필요하지 않은 상태임을 표시하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 고장 진단 방법.
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