KR20140093355A

KR20140093355A - 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템

Info

Publication number: KR20140093355A
Application number: KR1020130004548A
Authority: KR
Inventors: 박영호; 류승표; 전세봉; 김종철
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-07-28

Abstract

본 발명은 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 표준 스트링(300)과 표준 스트링(300)보다 모듈 직렬 연결 매수가 적은 비표준 스트링(400)으로 구성된 다수의 태양광 모듈(200)과 계통 연계형 PCS로 구성된 태양광 발전시스템이며, 비표준 스트링(400)과 접속함(600) 사이에 승압기(500)가 연결되어 있는 것이 특징이며 비표준 스트링(400)을 표준 스트링(300) 전압으로 승압시키는 비율은 승압기(500)가 자체적으로 자동 연산하여 결정하는 것이 특징이고, 비표준 스트링(400)의 전압을 전력소자 PWM 스위칭 제어를 통해 구현하는 것이 특징이며, 비표준 스트링(400)의 전압 및 출력전력에 따라 승압기(500)의 자동 기동 및 정지가 결정되는 것을 특징으로 하고, 비표준 스트링(400)의 최대전력점 추종제어를 승압기(500)가 자체적으로 실시하는 것이 특징인 태양광 발전시스템이다.

Description

스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템{Photovoltaic system that contains the string voltage booster}

본 발명은 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발절시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 태양광 모듈을 직/병렬 조합하여 태양광 어레이를 구성할 때 스트링 모듈 연결 매수가 표준 스트링보다 적은 비표준 스트링이 함께 존재하여도 비표준 스트링에서 최대 발전 출력을 간편하게 얻을 수 있도록 한 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 사용에 기인하는, 이산화탄소 등의 방출에 의한 지구의 온난화와 원자력발전소의 사고 및 핵폐기물에 의한 방사능 오염 등의 심각한 문제가 나타나고, 지구의 환경과 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 환경하에서, 태양광을 사용하는 태양광발전, 지열력을 사용하는 지열발전 및 풍력을 사용하는 풍력발전 등은 무한하고 깨끗한 에너지원으로서 세계적으로 실용화되어 있다.

이들 에너지원 중에서, 수W 내지 수천kW의 출력범위에 따라서 태양전지를 사용하는 태양광발전의 다양한 형태가 있다.

태양전지를 사용하는 대표적인 시스템은 태양전지에 의해 발생된 DC전력을 인버터 등에 의하여 AC전력(DC-AC변환)으로 변환하고 발생된 전력을 수요자의 부하 또는 상용전력계통(이하, "시스템"이라고 간단하게 칭함)에 공급하는 태양광 발전시스템이다.

도 1은 종래의 태양광 발전시스템의 예제 블록도를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 태양광 발전시스템은 단위로서 직렬접속된 복수개의 태양전지셀로 이루어진 태양광 모듈(11)을 사용하고, 상기 태양광 모듈(11)을 직렬로 연결하면 스트링(String)(10)을 구성하게 된다.

상기 스트링(10)의 출력전압 및 출력전력은 태양광 모듈(11)의 직렬 연결 매수에 비례하여 증가한다.

최대로 태양광 모듈(11)을 직렬 연결할 수 있는 개수는 태양광 모듈(11)의 최대 시스템 전압(Maximum System Voltage) 및 태양광 PCS의 입력 전압 범위, 그리고 설치 공사에 사용하는 접지 종류에 따라 제약조건이 있다.

따라서, 접속함(20)을 이용하여 복수의 스트링(10)을 병렬로 연결하여 전압 크기를 일정하게 한 채로 전류 크기를 증가시켜 태양광 발전시스템 용량을 증가시킬 수 있다.

상기의 접속함(20)에서는 태양전지 스트링(10)을 한 곳에 모아 태양광 PCS로 중계해 주는 역할을 하며, 상기 접속함(20)을 거친 직류 전력은 태양광 PCS에 접속되어 DC/AC 인버터(30)에 의해 직류/교류 전력변환이 이루어지고 계통전원(40)으로 발전 출력을 병입시켜준다.

모든 태양광 모듈(11)에 균일한 크기의 일사 조건이 주어지면, 스트링(10)의 전기적 특성은 도 2에 나타낸 것과 같은 P-V 커브(출력전력-출력전압 곡선) 관계를 갖는다.

기본적으로 스트링의 P-V 커브는 전류가 흐르지 않을 때의 개방전압에서 전압이 감소함에 따라 출력전력값이 증가하고, 특정 전압을 지나면 반대로 출력전력값이 지속적으로 감소하게 되어, 단 하나의 최대출력점이 존재하게 된다.

도 2에는 두 스트링의 P-V 커브가 표시되어 있으며, 직렬 연결 매수가 다른 스트링은 최대출력점도 서로 다른 크기의 전압에서 존재하게 된다.

태양광 발전용 PCS(Power Conditioning System)는 태양광 어레이의 P-V 커브 상에서 동작점을 이동시키면서 최대출력점을 탐색하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대출력점 추종) 제어를 실시하므로 스트링 간에 모듈 직렬 매수가 다를 경우, 도 2에 나타낸 커브 특성에 의해 직렬 연결 매수가 많은 표준 스트링(101)의 최대출력점(102) 전압에서 동작하게 되면 직렬 연결 매수가 표준 스트링보다 적은 비표준 스트링(103)은 최대출력점(104)에서 동작할 수 없게 되어 출력이 줄어들거나 전혀 출력을 내보내지 못하게 된다.

이에 따라, 종래에는 병렬로 연결하는 각 스트링의 모듈 직렬 연결 매수는 같도록 하고 균일한 일사량 조건을 갖도록 각각의 모듈을 설치하여 스트링 전압이 서로 일치하도록 태양광 발전시스템을 구성하였다.

그러나, 종래에는 태양광 발전시스템을 설치하고자 하는 장소의 조건이 모듈 설치 면적이 협소하거나, 형태가 복잡할 경우에는 태양광 모듈을 햇빛이 잘 드는 남향 방면에 같은 각도로 모두 설치하는 것이 불가능하며, 각 스트링의 모듈 매수가 동일해야 함으로써 가용 면적을 전부 활용하지 못하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 모듈을 설치하고자 하는 장소의 넓이가 협소하거나 주변 형태가 복잡하여 태양광 모듈을 같은 직렬 연결 매수로 동일한 일사 조건에 놓이도록 설치하기 어려운 상황에서도 스트링의 직렬 연결 매수가 동일하게 설치해야 하는 기준 설치 조건에 얽매이지 않고 유동적으로 태양광 어레이를 설치할 수 있도록 하고, 스트링을 구성하는 모듈의 직렬 매수가 다르더라도 모든 스트링이 최대출력점에서 동작하도록 하여 제품성을 극대화할 수 있는 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력변환장치인 승압기는 태양광 어레이를 구성하는 스트링 가운데 직렬 연결 매수가 가장 많은 표준 스트링을 기준으로 직렬 연결 매수가 적은 비표준 스트링에 직접 연결되어 비표준 스트링이 최대출력점에서 동작하도록 자체적인 MPPT 제어를 수행하고, 승압기 출력 전압이 표준 스트링 전압과 동일하도록 능동 제어를 실시하여 접속함에 접속된 모든 스트링의 전압이 일치하도록 하여 접속함에서 모든 태양광 모듈의 집중된 직류 전원을 계통 연계형 인버터가 계통전원 측으로 전력을 변환하도록 한다.

상기 승압기는 비표준 스트링의 직류 전압 및 직류 전류를 센싱하여 MPPT 제어를 실시하여 동작점의 기준 전압을 생성하고, 현재의 스트링 직류 전압과 차감하는 감산기를 거쳐 차신호의 편차를 PI(Proportaional and Integral) 제어를 통해 오차가 제로가 되도록 조정하고, 그 제어 결과값이 승압기 정격 입력전류 및 정격 출력전력을 상회하지 않는 값이 되도록 제한을 시켜주어 제어용 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고, 생성된 게이트 신호로 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 승압기는 입력전압이 적정 범위에 있음을 확인하고, 출력전압이 적정 범위에 있을 경우에 기동 조건을 스스로 판단하여 자동 운전개시를 하고, 비표준 스트링의 직류전력이 최대출력점에 동작하도록 제어를 수행하며, 일사 조건 및 인버터 운전 및 정지와 같은 외부 조건에 따라 스트링 전압 및 입력 전류, 그리고 출력전압이 적정 범위를 벗어났을 때 자동으로 운전을 정지하고 지속적으로 자동 기동 조건에 부합한지 아닌지를 체크하는 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템을 제공함에 있다.

이와 같이 본 발명에서 설명하는 승압기는 표준 스트링과 비표준 스트링이 함께 구성된 태양광 발전시스템에서 간편한 방법으로 모듈 직렬 연결 매수에 무관하게 다수의 태양전지 모듈을 모두 최적의 발전상태로 동작할 수 있도록 함으로써제품성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양광 어레이를 구성할 때 종래에 비해 직/병렬 시스템 구성을 매우 유연하게 선택할 수 있으므로 동일 설치 공간에 더 많은 태양전지 모듈을 설치할 수 있게 되어 제품의 효율성 및 공간 활용도를 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 승압기는 자체적인 MPPT 제어 기능을 갖고 있으므로 비표준 스트링이 위치한 방면이나 각도 등이 표준 스트링과 일치하지 않더라도 독립적으로 최대전력을 출력할 수 있게 되어 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 태양광 발전시스템의 예제 블록도.
도 2는 표준 스트링과 비표준 스트링의 P-V 커브를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 승압기를 적용한 태양광 발전시스템의 실시 예제 블록도.
도 4는 본 발명에서 제시하는 승압기 전력변환장치의 제어 장치를 도시한 예시도.
도 5는 본 발명에서 제시하는 승압기의 제어 방법을 도시한 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 스트링 전압 자동 승압기를 적용한 태양광 발전시스템의 실시 예제 블록도를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 태양광 모듈(200)의 직렬 연결 매수가 가장 많은 표준 스트링(300)이 2개가 제시되어 있다.

실제로는 태양광 발전시스템을 구성하는 표준 스트링(300)의 개수는 최소 1개 이상이어야 하며, 2개 이상으로 구성되어도 상관이 없다.

또한, 표준 스트링(300)보다 직렬 연결 매수가 적은 비표준 스트링(400)이 2개 제시되어 있고 승압기(500)도 2개 제시되어 있다.

실제로는 비표준 스트링(400)의 개수는 최소 1개 이상이어야 하며, 2개 이상으로 구성되어도 상관이 없다.

본 발명에 따른 태양광 발전시스템은 표준 스트링(300)의 출력 전압은 접속함(600)에 직접 연결이 되며, 비표준 스트링(400)의 출력 전압은 각각의 승압기(500)를 거쳐서 승압기(500)의 출력이 접속함(600)에 연결이 된다.

그리고, 상기 접속함(600)에서 집중된 직류 회로는 일괄로 태양광 PCS에 접속되어 DC/AC 인버터(700) 전력변환장치에 의해 전력이 교류 계통전원(800)으로 병입되게 된다.

도 4는 본 발명에서 제시하는 승압기 전력변환장치의 제어 장치를 나타낸 예시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 승압기(500)의 입력부는 비표준 회로의 직류측 양극 전원과 음극 전원을 인가하게 되고, 상기 입력부를 거쳐 장치 내부에 있는 DC 차단기(510)를 거쳐 입력측 EMI 필터(520)와 연결된다.

상기 입력측 EMI 필터(520)의 이후에는 승압형 DC/DC 컨버터 전력변환장치(530)가 존재하며, 비표준 회로의 전압을 표준 회로의 전압으로 자동 조정시킨 출력 전압은 출력측 EMI 필터(521)를 거쳐 출력부로 연결된다.

상기 승압형 DC/DC 컨버터 전력변환장치(530)의 내부에는 비표준 스트링(400)의 MPPT 제어 및 출력 전압을 표준 스트링 전압으로 자동 조정할 수 있도록 제어하는 제어회로(531)가 포함되어 있다.

이때, 상기 제어회로(531)는 PWM 제어를 실시하기 위해 입력전압(Vpv), 입력전류(Ipv), 출력전압(Vdc)에 해당하는 정보를 센싱하게 된다.

도 5는 본 발명에서 제시하는 승압기의 제어 방법을 나타낸 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 비표준 회로의 입력전압과 입력전류를 센싱하면, 본 발명에 따른 승압기(500)는 두 값을 곱해서 입력전력(Ppv_cur) 현재값을 계산하며, 직전에 연산했던 과거 입력전력(Ppv_prv) 값과 현재 계산된 입력전력을 비교하는 단계와 직전 입력전압(Vpv_prv)과 현재 읽어들인 입력전압(Vpv_cur) 값을 비교하는 단계를 거쳐 승압기(500)는 기준 동작전압(Vpv*)을 생성한다.

그리고, 상기 기준 동작전압(Vpv)과 현재 입력전압(Ipv)을 차감하는 차감기를 거친 오차 신호(Vpv_Err)는 전압 제어를 수행하는 PI 제어기(550)를 통과하여 오차 신호가 제로가 되도록 제어를 실시한다.

상기 PI 제어기(550)의 출력은 승압기(500)의 전력 소자의 스위칭 듀티(Duty)에 대한 크기로 값이 출력되어 PWM을 실시할 수 있는 입력 신호로 전달이 된다.

이때, 이 값이 승압기(500)의 정격 최대 입력전류를 상회하지 않도록 전류제한기(560)를 거치게 되며, 또한 이 값이 승압기(500)의 정격 최대 출력전력을 상회하지 않도록 전력제한기(570)를 거치게 된다.

이에 제어 결과값이 승압기 정격 입력전류 및 정격 출력전력을 상회하지 않는 값이 되도록 제한을 시켜주어 제어용 PWM 신호를 생성하고, 생성된 게이트 신호로 스위칭 소자를 제어하게 된다.

또한, 상기 승압기(500)는 비표준 스트링(400)이 최대전력점에서 동작하도록 자체적인 MPPT 제어기(540)를 형성하여 최대전력점 추종제어를 승압기(500)가 자체적으로 실시하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 태양광 발전시스템은 비표준 스트링(400)과 접속함(600) 사이에 승압기(500)가 연결되며, 비표준 스트링(400)을 표준 스프링 전압으로 승압시키는 비율은 승압기(500)가 자체적으로 자동 연산하여 결정하고, 비표준 스트링(400)이 전압을 전력소자 PWM 스위칭 제어를 통해 구현하며, 비표준 스트링(400)의 전압 및 출력전력에 따라 승압기(500)의 자동 기동 및 정지가 결정되고 비표준 스트링(400)의 최대전력점 추종제어를 승압기(500)가 자체적으로 실시하여 최대발전전력을 출력할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

200 : 태양광 모듈 300 : 표준 스트링
400 : 비표준 스트링 500 : 승압기
510 : DC 차단기 520 : 입력측 EMI 필터
521 : 출력측 EMI 필터 530 : 승압형 DC/DC 컨버터 전력변환장치
531 : 제어회로 540 : MPPT 제어기
550 : PI 제어기 560 : 전류제한기
570 : 전력제한기

Claims

태양광 모듈(200)이 직렬로 연결되어 출력 전압이 접속함(600)에 직접 연결된 표준 스트링(300)과;
상기 표준 스트링(300) 보다 태양광 모듈(200)의 직렬 연결 매수가 적은 비표준 스트링(400)과;
상기 비표준 스트링(400)과 접속함(600) 사이에 비표준 스트링(400)이 최대출력점에서 동작하도록 자체적으로 MPPT 제어를 수행하며 출력 전압이 표준 스트링(300) 전압과 동일하게 능동 제어를 실시하여 접속함(600)에 접속된 모든 스트링의 전압이 일치하도록 승압기(500)가 연결된 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 승압기(500)의 입력부는 비표준 회로의 직류측 양극 전원과 음극 전원을 인가하게 되고, 상기 승압기(500) 내부에 있는 DC 차단기(510)를 거쳐 입력측 EMI 필터(520)와 연결되며, 상기 입력측 EMI 필터(520)에 승압형 DC/DC 컨버터 전력변환장치(530)가 형성되고 상기 승압형 DC/DC 컨버터 전력변환장치(530)에서 비표준 회로의 전압을 표준 회로의 전압으로 자동 조정시킨 출력 전압은 출력측 EMI 필터(521)를 거쳐 출력부로 연결되어 비표준 스트링(400)을 표준 스트링(300) 전압으로 승압시키는 비율을 승압기(500)가 자체적으로 자동 연산하여 결정하는 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 승압형 DC/DC 컨버터 전력변환장치(530) 내부에는 비표준 스트링(400)의 MPPT 제어 및 출력 전압을 표준 스트링 전압으로 자동 조정하게 제어하며, PWM 제어를 실시하기 위해 입력전압(Vpv), 입력전류(Ipv), 출력전압(Vdc)에 해당하는 정보를 센싱하게 되는 제어회로(531)가 형성된 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 승압기(500)는 기준 동작전압과 현재 입력전압을 차감하는 차감기를 거친 오차 신호(Vpv_Err)는 전압 제어를 수행하는 PI 제어기(550)를 통과하여 오차 신호가 제로가 되도록 제어하며, 상기 PI 제어기(550)에서 출력된 값이 승압기(500)의 정격 최대 입력전류를 상회하지 않도록 전류제한기(560)를 거치고 승압기(500)의 정격 최대 출력전력을 상회하지 않도록 전력제한기(570)를 거쳐 제한을 시켜주어 제어용 PWM 신호를 생성하고 생성된 게이트 신호로 스위칭 소자를 제어하게 되는 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 PI 제어기(550)의 출력은 승압기(500)의 전력 소자의 스위칭 듀티에 대한 크기로 값이 출력되어 PWM 스위칭 제어를 실시할 수 있는 입력 신호로 전달되는 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 승압기(500)는 비표준 스트링(400)이 최대전력점에서 동작하도록 자체적인 MPPT 제어기(540)를 형성하여 최대전력점 추종제어를 승압기(500)가 자체적으로 실시하게 되는 것을 특징으로 하는 스트링 전압 승압기를 포함하는 태양광 발전시스템.