KR20200080238A - 광전지 발전소 - Google Patents

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Abstract

광전지(PV) 발전소는 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛을 포함한다. AC 전력 생성 유닛은 PV 전지판들과 같은 DC 전력 생성기로부터 DC 에너지를 공급받는 에너지 저장소를 포함한다. 에너지 저장소는 에너지를 저장하기 위한 버퍼로서 사용되고, PV 발전소의 효율을 개선한다. 에너지 저장소가 사용되는지 여부에 관계없이, 분리 디바이스들은 발전소에 의해 그리드에 전달되는 전력의 양을 감소시킬 수 있는 전력 소멸을 방지하는데 사용될 수 있다. PV 발전소의 시스템 통합에서, 전력 그리드 규약(power grid convention)에서의 DC/AC 컨버터의 공표된 정격을 전력 변환 능력으로서 간주해서는 안된다는 것을 알 수 있다.

Description

광전지 발전소
광전지(PV) 발전소는 태양 에너지를 전기로 변환함으로써 전기를 생성한다. 그 생성된 전기는 이후 전력 그리드에 제공된다. 태양 에너지 소스(즉, 수신된 태양 광선)는 시변 강도(time varying intensity)를 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이러한 PV 발전소들 내의 PV 전력 생성기들은 전력 생성 최적화 디바이스("최적화기"로도 지칭됨)를 포함한다. 최적화기의 한가지 타입은 MPPT 디바이스가 PV 발전소의 동작을 제어하는데 사용하는 순간 최대 전력 생산점(MPPP) 전압을 추적하는 "최대 전력점 추적기(MPPT)"(또는 "MPPT 디바이스")라고 명명된다. 이러한 실시는 본 명세서에서 "블라인드 MPPT 형태"로 지칭된다. MPPT 디바이스는 일반적으로 소프트웨어 또는 펌웨어이고; 시변 태양 에너지 소스로부터 최대 전력 생산을 초래하는 시변 전압을 추적한다.
본 명세서에서 청구하는 요지는 전술한 바와 같은 환경들에서만 작용하거나 임의의 단점을 해소하는 실시예들에 한정되지 않는다. 오히려, 본 배경기술은 본 명세서에서 설명된 몇몇 실시예들이 실시될 수 있는 하나의 예시적인 기술 영역을 설명하기 위해 제공된 것일 뿐이다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛을 포함하는 광전지(PV) 발전소와 관련된다. PV 전력 상태의 일 실시예에 따르면, 각각의 AC 전력 생성 유닛은 DC 전력 생성기, 제1 DC/AC 3상 컨버터(들), 에너지 저장소, 및 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)를 포함한다. DC 전력 생성기는 x MW 태양열 스트링들로 구성되며, x는 양수이다. 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)는 y MW의 총 공표된 전력 정격을 갖는다. 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)는 DC 전력 생성기에 의해 제공된 DC 전력을 수신하고, 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 그 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공한다. 에너지 저장소는 DC 전력 생성기에 의해 생성된 DC 전력의 나머지 부분의 적어도 일부를 수신한다. 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)는 z MW의 총 공표된 전력 정격을 가지며, z는 양수이고, y와 z의 합은 x보다 크다. 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)는 에너지 저장소로부터 DC 전력을 수신하고, 에너지 저장소로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공한다. y와 z의 합이 x보다 크기 때문에, 이 실시예에 따른 발전소는 전력 그리드에 더 많은 전력을 전달한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예에 따르면, 각각의 AC 전력 생성 유닛은 x MW 태양열 스트링들로 구성되는 DC 전력 생성기, 에너지 저장소, 및 z MW의 총 공표된 전력 정격을 갖는 DC/AC 3상 컨버터들을 포함하고, z는 x보다 크다. 에너지 저장소는 DC 전력 생성기에 의해 생성된 DC 전력의 나머지 부분의 적어도 일부를 수신한다. DC/AC 3상 컨버터(들)는 에너지 저장소로부터 DC 전력을 수신하고, 에너지 저장소로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공한다. z가 x보다 크기 때문에, 본 실시예에 따른 발전소는 전력 그리드에 더 많은 전력을 전달한다.
본 명세서에 설명된 또 다른 실시예에 따르면, 각각의 AC 전력 생성 유닛은 태양열 스트링들로 구성된 DC 전력 생성기를 포함한다. DC/AC 3상 컨버터(들)는 분리기를 통해 DC 전력 생성기로부터 DC 전력을 수신하고, 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 그 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공한다. 분리기의 사용은 발명자들이 전력 소멸 현상에 관련하여 발견한 문제점들을 회피하게 함으로써, 발전소가 그리드에 전달할 수 있는 전력의 양을 증가시킨다.
이 요약은 상세한 설명에서 아래에 추가로 설명되는 개념들의 선택을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공되는 것이다. 이 요약은 청구된 요지의 주요 특징부 또는 기본 특징부를 확인하고자 하는 것도 청구된 요지의 범주를 결정하는데 도움이 되고자 하는 것도 아니다.
상술 및 다른 이점들 및 특징들이 획득될 수 있는 방식을 설명하기 위하여, 다양한 실시예의 더 특정한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 제공될 것이다. 따라서, 이들 도면은 단지 샘플 실시예들을 나타내기 때문에 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해하면서, 실시예들은 첨부된 도면들의 사용을 통해 추가의 특이성 및 세부사항으로 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 분리 디바이스(decoupling device)들이 에너지 저장소와 함께 사용되는 다양한 발전소들의 블록도들을 도시하고;
도 2a는 실험에서 셋업되고, 통상적으로 셋업되는 2개의 AC 전력 생성 유닛이 있고, 각각의 전력 생산 유닛의 출력을 측정하는 전력 및 에너지계(power and energy meter)들을 갖는 발전소의 블록도를 도시하고;
도 2b는 분리 디바이스들 및 에너지 저장소를 포함하도록 수정한 후의 도 2a의 발전소의 블록도를 도시하는 것으로, 이는 그리드로의 향상된 에너지 출력을 검증하는데 사용되고;
도 3은 2개의 전력 전달 채널이 있는 발전소의 블록도를 도시하는 것으로, 하나의 채널은 에너지 저장소의 사용을 호출하고, 다른 하나는 에너지 저장소의 사용자를 호출하지 않고;
도 4는 도 3의 더 넓은 실시예를 나타내는 발전소의 블록도를 도시하고;
도 5는 에너지 저장소의 사용을 통해 전력이 전달되는 발전소의 블록도를 도시하고;
도 6은 도 5의 더 넓은 실시예를 나타내는 발전소의 블록도를 도시하고;
도 7은 발전소의 블록도를 도시하고;
도 8은 본 명세서에 기술된 원리들에 따른 MEUPT(Maximum Energy Utilization Point Tracking) 제어기의 블록도를 도시하고;
도 9는 발전소와 관련하여 도 8의 MEUPT 제어기의 블록도를 도시한다.
특허 공보들, US2016/0036232 및 US2017/0149250 A1(그 내용들은 본 명세서에 참고로 포함됨)는 블라인드 MPPT 형태를 실시하는 PV 에너지 시스템들이 그리드에 제공되는 차선의 전기량을 달성한다고 개시하고 있다. 이 특허 공보들은 에너지 이용을 위해 전기를 효율적으로 추출하기 위해, 생성된 전기 에너지를 효과적으로 그리고 효율적으로 추출하기 위해 에너지 추출 디바이스의 특성들을 매칭시켜야 한다는 것을 교시하고 있다. 또한, 이 특허 출원들은 관련 디바이스들이 또한 효율적인 에너지 이용을 위해 추출된 전기를 조절 및/또는 전달하도록 매칭되어야 한다는 것을 교시하고 있다.
이 특허 공보들은 에너지 이용 효율이 전력 생산에 더하여 전력 수요에 불가분하게 의존한다는 사실을 추가로 강조하고 있다. 또한, 이들은 임의의 에너지 시스템에서, 에너지 및 전하 보존 법칙들에 부합할 때에도 전형적인 전력 소비가 전력 생산과 반드시 동일하지는 않다는 것을 교시하고 있다.
MPPT 디바이스를 태양열 발전소들에 대한 최적화기로서 사용하는 대신에, 참조된 특허 공보들은 "최대 에너지 이용점 추적기" 또는 "MEUPT 디바이스"를 PV 발전소 최적화기로서 사용하는 것을 제안하였다. 이러한 최적화기는 본 명세서에서 "MEUPT 최적화기"로 지칭될 것이다. 참조된 특허 공보들에 따르면, MEUPT 최적화기는, 생성되지만 이용을 위해 전력 그리드에 추출 및/또는 전달되지 않는 전기 에너지로서 정의되는 "잉여 에너지"로서 언급되는 것을 캡처하도록 설계된다. "잉여 에너지"의 정의가 또한 본 명세서에서 사용된다.
MEUPT 최적화기는 또한 캡처된 잉여 에너지를 에너지 저장소 내에 임시 저장하도록 설계되고; 그 후 이 전기 에너지를 이용을 위해 전력 그리드에 준비 및 전달한다. 따라서, MEUPT 최적화기를 통합할 때 PV 발전소의 전기 판매 수익이 향상될 수 있다.
섹션 1: MEUPT 최적화기의 기능
US2016/0036232 및 US2017/0149250 A1("참조된 특허 공보들")에 기술된 원리들에 따르면, 본 명세서에 개시된 일 실시예의 MEUPT 최적화기는 잉여 에너지 추출기, 에너지 저장소, 및 MEUPT 제어기를 포함한다. MEUPT 제어기는 에너지 추출기들 및 DC/AC 컨버터들과 협력하여 작동한다. (정확히 동일하지는 않지만) "전력" 및 "에너지"라는 용어들은 본 기술분야에서 교환가능하게 사용된다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 각각의 용어는 동일한 의미를 갖는다.
에너지 추출기는 생성된 DC 전력 소스로부터 초기 발진 전력 트레인을 추출한다. 추출된 초기 전력 체인은 전력 그리드의 AC 전력 그리드 요건들을 따른다. 다시 말해서, 추출된 초기 전력 체인은 전력 그리드 전압 범위에 따르는 피크 전압을 갖는 시변 정현파 전압을 갖는다. 또한, (전압의 제곱에 비례하는) 전기 전력은 전력 그리드와 동기화되는(동일한 위상 및 동일한 주파수를 갖는) 형태(sin2(ωt) 또는 cos2(ωt)를 취한다.
한편, 잉여 에너지 추출기는 생성된 DC 전력으로부터 초기 발진 전력 트레인을 차감하고 남은 나머지 발진 전력 트레인을 추출한다. 다시 말해서, 이러한 나머지 발진 전력 트레인은 초기 발진 전력 트레인을 전력 그리드에 제공한 후에 남아있는 남겨진(left-over) 발진 전력 트레인이다. 나머지 발진 전력 트레인은 전력 그리드에 제공된 초기 발진 전력 트레인과 비교하여 90° 위상 시프트를 갖는다. 90° 위상 시프트로 인해, 이러한 나머지 발진 전력 트레인은 동일 전력 그리드 상에 제공하기 위해 즉각적으로 AC 전력으로 변환될 수 없다. 따라서, 나머지 발진 전력 트레인의 잉여 에너지를 일시적으로 저장하기 위해 에너지 저장소가 사용된다. 그 후, 저장된 에너지는 DC/AC 컨버터에 공급되어; 저장된 잉여 에너지는 동일한 전력 그리드로(동일한 위상 및 주파수로) 동기화된 AC 전력으로 변환될 수 있다.
MEUPT 제어기는 저장소의 에너지 레벨을 측정하고; 추출될 수 있는 저장소 내의 에너지의 양을 추정하고; 이 에너지 양이 DC/AC 컨버터(들)에 의해 추출될 수 있도록 이 정보를 관련 DC/AC 컨버터(들)에 전달한다. 그 후, DC/AC 컨버터(들)는 적절한 진동 전력 트레인(pulsating power train)의 형태로 AC 전력으로의 변환을 위해 저장소로부터 저장된 에너지를 추출하고, 그 AC 전력을 전력 그리드에 제공한다. 따라서, PV 발전소들은 MEUPT 최적화기를 통합할 때 거의 모든 생성된 전기 에너지를 전력 그리드에 제공할 수 있다. 대조적으로, MEUPT 최적화기 없이, 참조된 특허 공보들에 따른 PV 발전소는 단지 전력 그리드에 생성된 전력/에너지의 절반 미만을 제공할 수 있다.
섹션 2: MEUPT로 종래의 PV 발전소 개선
태양열 발전소들은 종종 소정 수의 메가와트(MW)의 관점에서 평가된다. 통상적으로, 태양열 발전소가 x MW(여기서 x는 소정의 양수)로 평가되는 것으로 공표될 때, 이것은 모든 태양열 스트링들의 DC 전력 생산 등급의 총합이 x MW임을 의미한다. 이러한 종래의 태양열 발전소들은 또한 3상 DC/AC 컨버터들을 가지며, 이들은 x MW보다 크지 않은 총 메이커 공표된 DC/AC 변환 능력을 갖는다. 이 원리는 종래의 MPPT 실시에 따른 종래의 발전소의 동작들을 요약한다.
다시 말해서, 정격 x MW의 종래의 PV 발전소는 태양 에너지를 DC 전기로 변환하는 x MW PV 태양 전지판의 스트링으로 구성된다. 다음으로, 생성된 DC 전기가 추출되고 3상 DC/AC 컨버터들에 의해 전력 그리드의 모든 AC 전력 요건들에 따르는 적절한 AC 전력으로 변환되고, 그 후 전력 그리드에 제공된다. 전력 그리드에 제공되는 이러한 AC 전기 전력은 본 명세서에서 "초기 발진 전력 트레인"으로도 지칭된다. DC/AC 컨버터들의 총 메이커 공표된 DC/AC 변환 능력은, 태양 전지판 산업에 의해 공표된 설치된 태양 전지판의 DC 생성 능력의 총량인 x MW보다 크지 않다는 것을 상기한다.
참조된 특허 공보들, US2016/0036232 및 US2017/0149250 A1의 설명에 따르면, 태양 전지판 스트링들에 의해 생성된 총 DC 전력으로부터 초기 발진 전력 트레인(에너지 추출기에 의해 추출됨)을 차감할 때 초래되는 나머지 발진 전력 트레인이 존재한다. 다시 말해서, 이 전력 트레인은 에너지 추출기에 의해 추출되고 전력 그리드에 제공되는 초기 발진 전력 트레인으로부터 약 90° 위상차를 갖는 나머지 발진 전력 그리드이다.
나머지 발진 전력 트레인은 전력 그리드로부터 위상이 약 90° 벗어나기 때문에, 이러한 나머지 발진 전력 트레인은 직접 컨디셔닝되고, AC 전력으로 변환되어 동일한 전력 그리드에 제공될 수 없다. 참조된 특허 공보들에 개시된 원리들에 따르면, 에너지 저장소는 (나타낸 잉여 에너지를 저장할 때) 이 위상이 90° 벗어난 나머지 발진 전력 트레인에 포함된 에너지를 일시적으로 저장한다. 이러한 잉여 에너지가 에너지 저장소 내에 저장된 후, 잉여 에너지는 DC/AC 컨버터에 공급될 수 있는 DC 에너지로서 기능할 수 있다. 다음으로, 이 잉여 에너지는 (전력 그리드와의 동기화를 포함하는) 모든 전력 그리드 요건들에 따르는 AC 전력으로 변환될 수 있어서, 결과적인 AC 전력은 동일한 그리드에 제공될 수 있다.
섹션 3: 에너지 저장소로부터의 에너지 누설 방지
MEUPT 최적화기에 대한 에너지 저장소 설계 고려사항에 대해 상세히 설명하기 전에, 중요한 문제가 먼저 본원에서 설명된다. 구체적으로, 태양 전지판 스트링들은 해질녘에 매우 높은 저항을 가질 수 있지만, 태양 전지판 스트링은 태양이 정오에 강할 때 어느 한 방향으로 상당한 전류를 전도할 수 있다. 따라서, 저장소 내에 저장된 전기 에너지는 주간 동안 태양 전지판들을 통해 누설되고 가열될 수 있다. 따라서, 분리 다이오드들은 태양 전지판 스트링들 각각에 추가되어, 전기 에너지가 각각의 태양 전지판 스트링으로부터 유동하여 저장소를 충전할 수 있지만, 저장소 내의 에너지는 저장소로부터 태양 전지판 스트링들 내로 역 유입될 수 없다. 이제 이러한 분리를 달성하는 다양한 에너지 저장소 시스템들이 도 1a, 도 1b 및 도 1c와 관련하여 설명될 것이다.
섹션 4: 에너지 저장소에 대한 설계 고려사항
도 1a는 DC/AC 컨버터(1200A)가 그 전력을 AC 전력으로 변환할 때 DC/AC 컨버터(1200A)에 의해 인출된 전력을 차감하는 태양열 스트링들(1100A)의 세트로부터 생성된 전력 스트림으로부터 생기는 잉여 전력을 임시로 저장하도록 설계된 에너지 저장소(1300A)를 도시하는 블록도를 나타낸다. AC 전력은 변압기(1500A)를 통해 AC 전력 그리드(1600A)에 제공된다. 저장소(1300A)는 분리 다이오드 세트(1400A)를 통해 나머지 발진 전력 트레인을 수신한다. 일례에서, 이 에너지 저장소(1300A)는 1 MW PV 발전소의 잉여 에너지를 2분 동안 임시로 저장하도록 설계된다.
단지 예로서, 1차 에너지 소스는 2분 동안 일정한 강도로 유지할 수 있다고(그리고 일정한 1 MW 생성기의 전력 생산을 허용하기 위해 PV 스트링들(1100A)의 전력 생산이 유지된다고) 가정한다. 다음의 분석을 위해, 초기 및 나머지 발진 전력 트레인들 모두는 동일한 반복 형태들을 갖지만, 90도 위상 차이를 갖는다. 첫째로, 에너지 저장소가 브루트 포스(brute force)를 사용하여 어떻게 설계될 수 있는지를 검사한다. 에너지 저장소의 목적은 DC/AC 컨버터들이 나중에 이 저장된 에너지를 변환할 수 있도록 잉여 에너지를 일시적으로 저장하는 것임을 명심한다.
참조된 특허 공보들에서 논의된 바와 같이, 생성된 DC 전기 에너지에 대한 잉여 에너지의 추정된 비율은 전형적인 종래의 PV 발전소에 대해 0.5를 초과한다. 분석을 위해, PV 발전소가 1 MW PV 태양 전지판 스트링들을 가지고; DC 전력은 AC 전력으로 변환되어 50 헤르츠 및 라인 전압 380 VAC 3상 AC 전력인 그리드에 제공된다고 가정한다. 이 경우, 하나의 전력 사이클의 지속 시간은 약 0.01초와 동일하고 총 위상 전류는 최대 1,000,000/(380/1.732)이고, 여기서 1.732는 3의 제곱근의 값이다. 이 비율은 피크 전압 대 라인 전압(3상 AC 전력에서의 라인 대 위상 전압(line-to-phase voltage), 또는 "위상 전압")의 비율이다. 이 발전소에 대한 전력 사이클에서 잉여 에너지와 연관된 전하를 저장하는 것은 대략 8V 패러데이의 등가 충전 용량(0.5*0.01*1,000,000/(380/1.732))을 요구할 것이며, 여기서 "V"는 충전 전후의 설계된 저장소의 전압 차이이다.
이 PV 발전소의 에너지 이용을 최대화하기 위해, 일부 실시예에서, MEUPT 최적화기의 동작 전압은 PV 최대 전력 생산 전압의 75% 이내이다. 다시 말해서, 75% 최대 전력 생산의 전압 범위는 MEUPT 최적화기의 그 실시예에서 관찰되어야 한다. 측정된 I-V 데이터는 통상적으로 이 범위가 약 80 볼트라는 것을 나타낸다. 이 전압 범위가 에너지 저장소에 대한 충방전 전압 범위(즉, V=80 볼트)로서 선택될 때, 에너지 저장소의 충전 용량은 (전력 사이클이 0.01초 지속될 경우) 전력 사이클 당, MW 당 약 0.1 패러데이이다.
설계 고려사항이 이(2) 분에 걸쳐 축적되는 이 잉여 에너지의 최대 양을 저장하는 경우, 요구되는 등가 충전 용량은 1 MW PV 발전소의 1200 패러데이(100*120*0.1)와 동일하다. 이러한 요구되는 등가 충전 용량은 "완전 최대 충전 용량"으로서 지칭되고, 연관된 저장소 저장 에너지의 양은 본 명세서에서 "완전 최대 에너지 저장소 용량", 또는 "완전 최대 잉여 에너지"로서 지칭된다.
이 요구되는 충전 용량을 충족시키기 위해 박막 커패시터들만을 사용할 경우, 충전 용량을 달성하는데 요구되는 박막 커패시터들의 세트는 부피가 엄청나게 크고 비용이 많이 들 것이다. 따라서, 박막 커패시터들만으로 구성되는 그러한 에너지 저장소를 설계하는 것은 실용적이지 않다.
이러한 브루트 포스 설계에 대한 변형으로서, 부피 및 크기를 감소시키기 위해 패러데이 디바이스들(배터리들 등)을 설계에 통합할 수 있다. 발명자들의 주의 깊은 분석들은 요구되는 전하 커패시턴스가 실제로는 박막 커패시터들 및 패러데이 디바이스들을 갖는 에너지 저장소에 대해 기술적으로 관리가능하다는 것을 드러낸다. 그러나, 이러한 저장소의 비용은, 배터리의 가격이 동일한 성능을 유지하면서 적어도 3배만큼 떨어질 수 없다면, 여전히 유리하기에는 너무 높다.
전해 커패시터들을 사용할 경우 요구되는 자본 비용을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 그러나, 그러한 것은 이러한 커패시터들의 상대적으로 짧은 수명으로 인해 동작 비용을 증가시킬 것이다. 따라서, 현재, 전해 커패시터들의 사용은 실용적이지 않다. 따라서, 브루트 포스는 요구되는 완전 최대 에너지 저장소 용량을 갖는 경제적으로 유리한 설계들을 달성하지 못한다.
본 명세서에 설명된 원리들은 이 문제를 해결하기 위해 발명자들에 의해 관찰된 다음의 사실들을 이용한다:
(1) 대부분의 기존 DC/AC 컨버터들은 1초 내에 쉽게 전력을 3% 올리거나 내릴 수 있고; 또한 기존 500kW DC/AC 컨버터들은 동작 동안 1초 내에 쉽게 10kW 초과하여 램프 업 또는 다운될 수 있다.
(2) 대략적인 관찰로서, 전형적인 1 MW PV 발전소는 매일 아침마다 전력 생산을 제로 전력으로부터 시작하고, 그것의 정상적인 일과 동작에서 10kW/초보다 빠르게 그 전력 생산을 램프 업시키는 경우는 거의 없다.
(3) MW급 PV 발전소(정격 1 MW 초과)는 짧은 전력 버스트 동안 초당 10kW보다 큰 램핑 업 속도를 때때로 경험할 수 있다. 그러나, 이 짧은 버스트(또는 심지어 초당 100kW 버스트 초과)에 포함된 에너지는 MW급 발전소에서 생산된 총 일일 에너지와 비교할 때 중요하지 않다.
이들 3개의 사실로부터, 발명자들은 (1) 태양 전지판 스트링들 각각에서의 전력 생산이 아침마다 0으로부터 시작하고; (2) PV 생성기는 순간적으로 풀 전력을 생성하지 않는다고 판정하였다. 따라서, 나머지 발진 전력 트레인은 즉시 그것의 최대값까지 램프 업하지 않는다. 다시 말해서, 나머지 발진 전력 트레인은 통상적으로 DC/AC 컨버터들의 램프 업 속도보다 훨씬 더 선명하게 증가한다. 또한, 임의의 짧은 램프 업 버스트에서의 에너지의 양은 1 MW 이상으로 정격화된 PV 발전소들의 에너지 수집에서 중요한 문제가 아니다.
따라서, 최대 전체 양의 잉여 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장소를 설계하는 대신에, 본 명세서에 설명된 원리들은 저장소내에 입력된 잉여 에너지와 DC/AC 컨버터(들)이 저장소로부터 추출한 에너지 사이의 차이와 동일한 순 에너지 양(2분 이상)을 저장하도록 저장소를 설계하는 것을 제안한다. 이러한 양의 에너지는 본 명세서에서 "최대 차분 잉여 에너지"로서 지칭된다. 이러한 최대 차분 잉여 에너지의 양은 최대 전체 잉여 에너지보다 훨씬 더 작다. 따라서, 그러한 더 작은 에너지 저장소를 설계하는 것이 더 용이하며; 이는 기술면에서 관리가능하고, 또한 비용 효과적이다.
도 1b는 DC/AC 컨버터(1201B)에 의해 인출된 전력을 차감한 태양열 스트링들(1100B)의 세트로부터 생산된 전력 스트림으로부터 발생하여 잉여 전력을 저장하는 에너지 저장소(1300B)를 상징적으로 도시한 블록도를 나타낸다. 동시에, 다른 DC/AC 컨버터(1202B)는 MEUPT 제어기(1310B)에 의해 (잉여 전력을 포함하는) 에너지 저장소(1300B)로부터 대략 동일한 양의 DC 에너지를 수신하도록 지시받는다. DC/AC 컨버터들(1201B 및 1202B) 둘 다는 수신된 DC 에너지를 AC 전력으로 동시에 변환하고, 그 AC 전력을 동일한 변압기(1500B)를 통해 동일한 그리드(1600B)에 제공한다. 그렇게 함에 있어서, 저장소(1300B)에 대한 순 에너지 저장 부담은 도 1a에 도시된 저장소(1300A)의 것과 비교할 때 매우 작은 용량으로 감소될 수 있다.
도 1c는 도 1b에 도시된 구성으로부터 수정되었지만, 도 1b에 도시된 구성과 거의 동일한 성능을 갖는 구성을 나타낸다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 에너지 저장소(1300C)는 PV 태양열 스트링들(1100C)에 의해 생산된 DC 전력 스트림을 다이오드 세트(1400C)를 통해 저장한다. 2개의 DC/AC 컨버터들(1201C 및 1202C)은 MEUPT 제어기(1310C)에 의해 PV 스트링에 의해 생산된 DC 에너지 입력과 대략 동일한 양으로 에너지 저장소(1300C)로부터 대략 동일한 총 DC 전력을 (모두 합쳐서) 수신한다. 따라서, 저장소(1300C)의 입력들 및 출력들에는 매우 작은 순 전력 입력 균형만이 존재한다. 1201C 및 1202C 둘 다는 수신된 DC 전력을 동일한 변압기(1500C)를 통해 동일한 그리드(1600B)에 제공된 AC 전력으로 동시에 변환한다.
요약하면, (적절히 분리될 경우) 도 1b에 도시된 바와 같이, 에너지 저장소는 생산된 DC 전력이 (DC/AC 컨버터(1201B)의 모듈로서 내장될 수 있는) 에너지 추출기에 의해 추출된 후에 남아있는 나머지 발진 전력 트레인의 형태로 잉여 에너지를 추출 및 저장할 수 있다. 다른 DC/AC 컨버터(1201B)는 저장소 내에 저장된 잉여 에너지의 순 양을 감소시키기 위해 에너지 저장소(1300B) 밖으로 대략 동일한 양의 에너지를 추출하도록 설계된다. 따라서, 비교적 작은 저장소가 적절하다.
또한 도 1c에 도시된 바와 같이, (적절히 분리될 경우) 에너지 저장소(1300C)는 PV 스트링들(1100C)로부터 모든 생산된 DC 전력을 수신할 수 있다. 다음으로, 발진 전력 트레인은 DC/AC 컨버터들(1201C 및 1202C)에 의해 추출되는 반면, 잉여 에너지(남겨진 전력)는 또한 에너지 저장소(1300C) 내에, 위상이 90° 벗어난 나머지 발진 전력 트레인의 형태로 암시적으로 저장된다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 잉여 에너지는 또한 암시적으로 자동으로 추출되어 저장소(1300C) 내에 저장된다.
도 1b(또는 도 1c)에 도시된 어느 하나의 설계를 적용하면, 설계된 에너지 저장소는 MEUPT 최적화기를 위한 에너지 저장소로서 역할을 할 수 있으며; 이것은 위상이 90° 벗어난 소량의 순 잉여 에너지를 일시적으로 저장한다. 에너지 저장소 설계의 어려운 작업은 이제 적절한 MEUPT 제어기를 설계하는 작업으로 시프트된다.
섹션 5: MEUPT 제어기의 필요한 기능들
제어기는 연관된 DC/AC 컨버터(들)가 저장소 내에 충전되는 잉여 전력의 양과 실질적으로 동일한 적절한 양의 에너지를 저장소로부터 일관되게 인출하도록 지시할 수 있어야 한다. 그렇게 함에 있어서, 저장소로의 에너지 저장의 순 양을 최소화할 수 있고; 저장소 내에 적절하게 균형이 맞추어진 에너지 저장을 유지함으로써 시스템 동작을 안정화할 수 있다. 그렇게 하는 경우, 에너지 저장소는 작은 지속 시간 내에 DC/AC 컨버터(들)에 의해 인출된 전력과 충전된 잉여 전력 사이의 에너지 차이를 저장(또는 제공)하기만 하면 된다.
유능한 제어기에 의해, 에너지 차이는 관리가능하게 작도록 설계될 수 있다. 지속 시간은 DC/AC 컨버터(들)가 잉여 에너지와 매칭하는데 있어서 램프 업 또는 다운하기에 충분히 길고; 시스템 동작을 안정적으로 유지하면서도 저장소의 용량을 현저하게 감소시킬만큼 충분히 짧도록 설계될 수 있다. 따라서, 추정된 저장소의 용량은 최대 전체 잉여 에너지의 0.001배보다 작게 감소할 수 있다. 이 용량은 1 MW PV 발전소 당 2 패러데이보다 작고; 박막 커패시터들을 사용하는 경우에도 관리 가능한 충전 용량이다. 적합한 MEUPT 제어기의 예는 이하에서 이하의 섹션 12 내지 14와 관련하여 후술될 것이다.
섹션 6: 커패시터/배터리 결합된 에너지 저장소
다른 문제는 양호한 박막 커패시터가 여전히 그의 원래의 커패시턴스의 80퍼센트를 초과하여 유지하면서 10 내지 15년 동안 지속될 수 있는 반면, 양호한 배터리는 5년 미만 지속될 수 있고 그 시간 이후에는 그의 충전 용량의 대략 70퍼센트를 갖는다는 것이다. 따라서, 경제적 비용을 최적화하기 위해 주의 깊은 설계 균형이 제안된다. 또한, 저장소 내의 에너지의 양은 항상 동작을 안정화시킬만큼 충분히 커야만 한다. 설계 시뮬레이션은 현재의 박막 커패시터 및 배터리 가격으로, 1 MW PV 발전소에 대한 통상적인 20년의 최적 에너지 저장소 설계가 적절한 동작 전압을 갖는 대략 50 암페어-시간 자동 배터리 스트링과 결합된 0.1 내지 1 패러데이 박막 커패시터를 갖는 설계라는 것을 보여준다.
섹션 7: PV 스트링에서의 상호 전력 소멸 방지
전술한 바와 같이, 도 1b 및 도 1c에 적용된 분리 기술은 태양 전지판들의 스트링들이 에너지 저장소를 충전하는 것을 허용하지만; 전력이 저장소로부터 PV 태양열 스트링들 내로 역 유입하는 것을 방지한다. 분리 다이오드 세트를 적절히 적용할 때, 이 기술은 PV 태양 전지판 스트링들을 통한 저장소로부터의 에너지 누설을 방지할 뿐만 아니라, 발명자들에 의해 발견된 현상을 방지할 수 있다. 이 현상은 본 명세서에서 "PV 스트링 현상 중 상호 전력 소멸", "상호 전력 소멸 현상" 또는 "전력 소멸 현상"으로서 지칭된다.
이 현상은 병렬 접속된 몇몇 PV 스트링들이 생성된 전력을 수집할 때 발생한다. 이러한 현상은 병렬 접속된 PV 스트링들이 매우 상이한 I-V 특성들, 광전 변환 효율들, 및/또는 최대 전력 생산 전압들을 가질 때 특히 현저하다.
예를 들어, 모든 스트링들보다 적은 수의 모든 태양 전지판이 그림자들로 캐스팅될 때, 그림자 내에 있는 스트링들은 그림자 외부에 있는 것보다 더 낮은 광전 변환 효율을 가질 것이다. 다시 말해서, 이러한 태양열 스트링들은 그림자들의 상이한 캐스팅으로 인해, 하루 중 동일한 시간에서조차 매우 상이한 I-V 특성들을 가질 것이다. 이들 태양열 스트링들이 병렬로 접속할 때, 고효율 스트링들은 그들의 생산된 전력의 일부를 더 낮은 효율의 태양열 스트링들로 방전시켜서 PV 태양열 스트링들에서의 전력 생산을 방해할 수 있다. 본 발명자들은 이러한 현상을 실험적으로 확인하였다. 실험은 또한 PV 태양열 스트링들이 적절히 분리될 때 이 현상이 방지될 수 있다는 것을 보여준다.
또한, 전력 소멸 현상은 병렬 접속된 PV 스트링들이 매우 상이한 최대 전력 생산 전압들을 가질 때 발생할 수도 있다. 예를 들어, 병렬 접속된 2개의 태양 전지판 스트링 -하나는 15개의 스트링된 태양 전지판을 갖고 다른 하나는 19개의 스트링된 태양 전지판을 가짐-이 있다고 가정한다. 19개 전지판을 갖는 스트링에서 생산된 전력은 15개의 전지판을 갖는 스트링을 통해 명확하게 흐를 것이고, 전력 소멸 현상이 발생한다. 실험은 상기 병렬 접속된 2개의 스트링으로부터 수신된 전력이 19개의 전지판을 갖는 스트링 단독으로 생산한 것의 절반보다 작게 감소할 수 있다는 것을 보여준다. 적절히 분리될 때, 상기 2개의 병렬 접속된 스트링으로부터 수신된 전력은 19개의 전지판을 갖는 스트링 단독으로 생산한 것의 약 1.53배까지 복구할 수 있다. 상기 실험은 (a) 상호 전력 소멸 현상이 존재하고; (b) 적절하게 분리 기술들이 현상을 방지할 수 있다는 것을 보여준다.
하나의 다른 실험에서, PV 설비는 2개의 전력 생성 유닛을 갖도록 배열되었으며; 각각의 유닛은 동일한 메이커 및 모델의 85개의 태양 전지판으로 구성된다. 2개의 전력 생성 유닛 각각은 생성된 DC 에너지를 수집하기 위해 다섯(5)개의 병렬 접속된 PV 스트링으로 구성되었다. 2개의 PV 스트링은 직렬 접속된 15개의 전지판들, 직렬 접속된 17개의 전지판들을 갖는 2개의 스트링, 및 직렬 접속된 21개의 전지판을 갖는 다른 스트링으로 구성되었다. 이러한 10개의 스트링의 최대 전력 생산 전압들이 맑은 하늘의 정오에 개별적으로 측정될 때, 최대 전력 생산 전압들은 최저 420 볼트에서 최고 610 볼트까지 이르게 된다. 따라서, 이러한 병렬 접속된 PV 태양열 스트링들은 동일한 맑은 하늘 하에서 매우 상이한 최대 전력 생산 전압들을 갖는다.
전력 생성 유닛들 각각은 수집된 DC 전력을 상이한 DC/AC 컨버터를 통해 AC 전력으로 변환한다. 각각의 생성 유닛에서 생성된 에너지 및 전력을 측정하기 위해, 킬로 전력량계 및 전력계가 각각의 제조 유닛의 DC/AC 컨버터들 각각의 AC 출력에 접속되었다. 다음으로, 이들 유닛은 AC 전력을 그리드에 제공하기 위해 변압기에 접속되었다. 36일 기간에 걸친 2개의 전력계의 72개의 동일한 판독치와, 36일 기간의 끝에서 2킬로 전력량계의 동일한 판독치를 이용하면, 이 2개의 전력 생성 유닛(2개의 세트의 측정 계량기를 포함함)의 모든 요소가 실질적으로 동일한 것으로 확인된다.
다음으로, 하나의 전력 생성 유닛은 21개의 전지판 (및 사용되고 있지 않은 1개의 전지판)의 4개의 스트링으로 구성되도록 수정되지만; 다른 전력 생성 유닛은 상술한 5개의 스트링들로부터 변경되지 않은 채로 유지되었다. 수정된 전력 생성 유닛의 측정된 전력 생성은 전형적으로 정오 및 맑은 하늘에서 다른 전력 생성 유닛보다 4.1배 컸다. 다음으로, 2킬로 전력량계의 판독치로부터 유도된, 측정된 육십(60) 일의 축적된 에너지가 제공되었다. 수정된 전력 생성 유닛은 수정되지 않은 전력 생성 유닛의 3.38배의 그리드에 에너지를 제공하였다. 상기 실험은 상호 전력 소멸 현상이 실제로 병렬 접속된 PV 스트링들에 존재하며; 특히 스트링들이 매우 상이한 I-V 특성들 또는 매우 상이한 최대 전력 전압들을 갖는다는 것을 명확하고 확실하게 입증하였다.
결론적으로, 본 명세서에 설명된 원리에 따른 적절한 분리 기술은 태양열 스트링들을 통해 에너지 저장소로부터의 에너지 누설을 방지할 수 있고; 또한 PV 스트링 사이에서 발견된 상호 전력 소멸 현상을 방지할 수 있다.
섹션 8: 잉여 에너지의 존재를 입증하는 실험
MEUPT 최적화기의 설계들을 설명하기 전에, 이 섹션은 이러한 PV 발전소들에서 잉여 에너지의 존재를 명확하게 증명하기 위한 실험들을 설명하며; 이는 참조된 특허 공보들, US2016/0036232 및 US2017/0149250 A1에 의해 예측된다. 다시 말하면, 참조된 특허 공보들은 잉여 에너지를 열로 전환하기 전에 생성되지만 추출 및/또는 이용되지 않은 전기 에너지로서 정의한다. 구체적으로, PV 발전소에서, "잉여 에너지"는 생성된 DC 에너지가 추출되고 3상 DC/AC 컨버터들에 의해 AC 전력으로 변환된 후에 존재하는 남겨진 전기 에너지를 포함한다. MEUPT 최적화기는 이 남겨진 전기 에너지, 잉여 에너지를 캡처/이용하도록 설계될 수 있다. 다음은 실험의 실험 셋업들 및 단계별 실행들을 설명한다.
도 2a는 2개의 AC 전력 생성 유닛들(2100A 및 2200A)을 포함하는 PV 발전소(2000A)의 시작 셋업을 도시한다. AC 전력 생성 유닛들(2100A 및 2200A) 각각은 블라인드 MPPT 형태를 실시하고; 전력 그리드(2600A)에 3상 AC 전력을 제공한다. AC 전력 생성 유닛(2100A)은 DC 전력 생성기(2110A) 및 3상 DC/AC(15 kW) 컨버터(2130A)로 구성된다. AC 전력 생성 유닛(2200A)은 DC 전력 생성기(2220A) 및 3상 DC/AC(15 kW) 컨버터(2230A)로 구성된다. 전력 생성기(2110A)는 2개의 병렬 접속된 PV 스트링들(2111A 및 2112A)을 사용하여 DC 전기를 생성한다. 전력 생성기(2220A)는 DC 전기를 생성하기 위해 다른 2개의 병렬 접속된 태양열 스트링들(2221A 및 2222A)을 사용한다. 4개의 PV 스트링들 각각은 25개의 직렬 접속된 태양 전지판들로 구성되고; 각각의 전지판은 정오 및 맑은 하늘에서 250W의 전력을 생산할 수 있다.
DC 전력 생성기(2110A)는 DC 전력을 3상 DC/AC 컨버터(2130A)에 공급하고; DC 전력 생성기(2220A)는 DC 전력을 3상 DC/AC 컨버터(2230A)에 공급한다. 이들 2개의 컨버터(2130A 및 2230A)는 그 후 공급된 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환한다. 실험에서, 전력 생성 유닛들(2100A 및 2200A)의 AC 출력 전력은 각각 2개의 3상 AC 전력계(kW)(2351A 및 2352A)에 의해 측정되었다. 이들 2개의 전력 생성 유닛(2100A 및 2200A)의 AC 에너지 생성(kW*시간)은 또한 각각 2개의 kW 시간계(2361A, 2362A)에 의해 측정되었다. 다음으로, 생성된 3상 AC 전력은 변압기(2500A)를 통해 그리드(2600A)에 제공되었다. PV 발전소가 작동되었고; 2개의 AC 전력 생성 유닛들(2100A 및 2200A)의 에너지 생성이 7일 동안 측정되었다.
2개의 kW 시간계의 판독치들은 이 시간 기간 동안 매일 동일한 값들을 보였다. 이것은 (측정을 위한 2개의 기구 세트를 포함하는) 이러한 2개의 전력 생성 유닛(2100A 및 2200A)의 모든 요소들이 실질적으로 동일하다는 높은 신뢰도를 제공한다. 이 단계 후에, 2개의 AC 전력 생성 유닛(2200A) 중 하나는 변경되지 않은 채로 유지되는 한편, 다른 AC 전력 생성 유닛(2100A)은 도 2b의 좌측에 도시된 바와 같이 상이한 구성(2100B)으로 수정되었다.
도 2b의 전력 생성 유닛(2200B)은 수정되지 않은 도 2a의 전력 생성 유닛(2200A)이다. 또한, 도 2b의 요소들(2351B, 2361B, 2352B, 2362B, 2500B, 2600B)은 도 2a의 요소들(2351A, 2361A, 2352A, 2362A, 2500A, 2600A)과 각각 동일하다. 또한, 전력 생성 유닛(2100B)의 구성이 도 2b에서 도 2a의 전력 생성 유닛(2100A)과 상이하지만, 도 2b의 전력 생성 유닛(2100B)의 요소들 중 일부는 도 2a의 전력 생성 유닛(2100A) 내에 포함되는 것들과 동일하다. 예를 들어, 도 2의 PV 스트링들(2111B 및 2112B)은 도 2a의 PV 스트링들(2111A 및 2112A)과 각각 동일하다. 마찬가지로, 도 2b의 DC/AC 컨버터(2130B)는 도 2a의 DC/AC 컨버터(2130A)와 동일하다.
다음의 여섯(6)개의 단계는 전력 생성 유닛(2100A)이 2100B의 구성으로 어떻게 수정되었는지를 설명하고, 도 2b의 좌측에 대해 설명된다. 단계 1은 블라인드 MPPT 형태를 실시하고 있는, 태양열 스트링들(2111B 및 2112B)과 3상 DC/AC 컨버터(2130B) 사이에 분리 다이오드들(2311B)의 세트를 추가하는 것이다. 단계 2는 에너지 저장소(2410B)를 구성에 추가하는 것이다. 단계 3은 에너지 저장소(2410B)를 다른 세트의 분리 다이오드들(2312B)을 통해 그리고 스위치 SW1을 통해 DC/AC 컨버터(2130B)의 DC 단자들에 접속시키는 것이다. 단계 4는 다른 3상 DC/AC 컨버터(2130S)(20 kW)를 구성에 추가하는 것으로, 이 컨버터(2130S)는 설계된 MEUPT 제어기(2420B)의 방향에 따라 동작되었다. 단계 5는 DC/AC 컨버터(2130S)를 다른 세트의 분리 다이오드들(2313B)을 통해 그리고 스위치 SW2를 통해 에너지 저장소(2410B)에 접속시키는 것이다. 단계 6은 컨버터(2130S)의 출력 단자들을 스위치 SW3을 통해 전력 및 에너지 측정 기구 세트(2351B 및 2361B)에 접속시키는 것이다. 참조된 "분리 다이오드 세트"는 본 기술분야에서 "차단 다이오드들(blocking diodes)"이라고 하는 다이오드들일 수 있다는 점에 유의한다. 또한, 스위치들 SW1, SW2, 및 SW3은 도 1b에 도시된 바와 같이 추가되어, 관련 디바이스들이 아래에 설명되는 설계된 실험 실행 단계들에서 적절한 시간에 실험들에 도입(또는 그로부터 제거)될 수 있다는 점에 유의한다.
상기 수정이 이루어진 후의 첫번째 밤(night)에; SW1은 스위치들 SW2 및 SW3이 턴 오프되었던 동안 턴온되었다. 컨버터들(2130B 및 2230B)은 다음 아침 일찍 실행되기 시작했다. 전력 생성 유닛들(2100B 및 2200B)의 2개의 출력을 측정하는 전력계들(2351B 및 2352B)은 동일한 판독치를 보였다. 저장소(2410B)도 저장소(2410B)의 높은 단자 전압의 측정에 의해 표시된 바와 같이 충전을 시작한다. 시스템은 하루 종일 설명된 바와 같이 동작했다. 2개의 전력 생성 유닛(2100B 및 2200B)으로부터 제공되는 측정된 에너지는; kW 시간계(2361B 및 2362B)의 판독치로 도시된 바와 같이 동일하였다. 이 실험 단계는 추가된 분리 다이오드 세트들(2311B) 및 저장소(2410B)가 전력 생성 유닛(2100B)의 전력 및 에너지 생산들을 변경하지 않는다는 것을 입증하였다.
스위치들 SW1, SW2, 및 SW3은 첫날 동작 후 밤(두번째 밤)에 턴온되었다. 컨버터들(2130B 및 2230B)은 이른 아침(2일째)에 일찍 가동되기 시작한 반면, 컨버터(2130S)는 컨버터들(2130B 및 2230B)이 가동되기 시작한 후, 약 15분에 더 낮은 전력 변환 레벨에서 가동되기 시작했다. 그 후, 컨버터(2130)는 그의 변환 전력 레벨을 약 2분마다 증가시켰으며; 이는 제어기 설계 및 저장소 에너지 레벨의 증분과 일치한다. (유닛(2100B)에 대한) 전력계(2351B)의 판독치는 거의 일몰까지의 전체 요일에 대한 (유닛(2200B)에 대한) 전력계(2352B)의 판독치의 약 2배에 달한다. 2일째의 끝에 2개의 전력 생성 유닛(2100B 및 2200B)으로부터 제공된 에너지는 2kW 시간계의 판독치로부터 도출되었다. 결과는 수정된 전력 생성 유닛(2100B)으로부터 제공된 에너지가 수정되지 않은 전력 생성 유닛(2200B)으로부터 제공된 에너지의 2 배보다 더 많다는 것을 보여주었다. 다음의 연속 6일 동안, 스위치들 SW1, SW2 및 SW3은 온 상태로 있었고, 수정된 전력 생성 유닛(2100B)으로부터 제공되는 에너지는 매일 전력 생성 유닛(2200B)보다 일관되게 2배보다 더 많았다.
다음 날 밤에, 스위치들 SW2 및 SW3이 턴 오프되었다. 전력 생성 유닛들(2100B 및 2200B)로부터 제공되는 측정된 에너지는 스위치들 SW2 및 SW3이 오프 상태로 있는 동안에 다음의 연속 5일 동안 동일한 레벨로 복귀되었다. 다음 날 밤에, 스위치들 SW2 및 SW3은 다시 턴온되었다. 전력 생성 유닛(2100B)의 측정된 에너지 생성은 스위치들 SW2 및 SW3이 온 상태로 있는 다음의 연속 5일 동안 매일 전력 생성 유닛(2200B)의 2배를 다시 초과하게 되었다.
전술한 바와 같이, 이 실험들의 단계별 실행은 특허 공보들(US2016/0036232 및 US2017/0149250 A1)이 예측한 바와 같이 PV 발전소에서 참조된 잉여 에너지의 존재를 명확하게 입증한다. 구체적으로, 생성된 DC 에너지가 3상 DC/AC 컨버터에 의해 추출될 때 PV 발전소에서는, 남겨진 에너지가 여전히 존재한다. MEUPT 최적화기는 이러한 잉여 에너지를 캡처하고 이용하여 전력 그리드에 제공된 전기를 증가시킬 수 있다.
섹션 9: 설계된 MEUPT 최적화기의 구성들
(위에서 설명되고 도 2b에 도시된 바와 같이) 수정된 전력 생성 유닛(2100B)은 MEUPT 최적화기를 포함하는 PV 전력 생성 유닛의 예로서 역할할 수 있다. 이 경우, MEUPT 최적화기는 3개의 분리 다이오드 세트(2311B, 2312B, 2313B); 저장소(2140B), 및 MEUPT 제어기(2320B)를 포함한다. 분리 다이오드 세트는 이하에서 "분리 디바이스"로서 지칭된다는 점에 유의한다.
MEUPT 최적화기 모듈의 접속은 도 2b에 도시하고 위에서 설명하였다. 잉여 에너지는 이 실시예에서 에너지 저장소(2410B)에 의해 수동적으로 추출된다는 점에 유의한다. 다른 전력 추출기는 저장소(2410B)에 저장된 잉여 에너지를 추출하는 3상 DC/AC 인버터(2130S) 내의 모듈로서 포함된다. 컨버터(2130S)의 AC 전력 변환 레벨은 에너지 저장소(2410B) 내로의 전력 전하들이 에너지 저장소(2410B)로부터 방전된 전력과 대략 균형을 맞추도록 MEUPT 제어기(2320B)에 의해 조절된다. 따라서, 기간 내에 저장소 내에 충전된 "순(net)" 전력은 원하는 만큼 작아질 수 있다. 더 작은 순 전력 전하는 MEUPT 제어기(2320B)에 의한 보다 엄격한 제어를 희생하면서 더 작은 에너지 저장소(2410B)를 허용하는 이점을 갖는다.
다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이 실시예는 500kW 태양 전지판들(3110)을 사용하여 태양열 전력을 DC 전력으로 변환하는 단 하나의 AC 전력 생성 유닛(3100)을 포함하는 MEUPT 최적화기를 포함하는 PV 발전소(3000)의 구성을 예시한다. 다시 말해서, AC 전력 생성 유닛(3100)은 DC 전력 생성기(3110) 및 3상 DC/AC(500kW) 컨버터(3130)로 구성된다. 전력 생성기(3110)는 80개의 병렬 접속된 태양열 스트링들을 사용하여 DC 전기를 생성한다. 80개의 태양열 스트링들 각각은 25개의 직렬 접속된 태양 전지판들로 구성되고; 각각의 전지판은 정오 및 맑은 하늘에서 250W DC 전력 생산 능력을 갖는 것으로 공표된다. 이 DC 생성기(3110)는 500kW 전기 전력 생성기(80*25*250W=500kW)로서 지칭되고; 이 PV 발전소는 500kW PV 발전소로서 지칭된다는 점에 유의한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전력 생성기(3110)는 분리 디바이스(3311)를 통해 DC 전력을 (500kW로 공표된) 3상 DC/AC 컨버터(3130)에 공급한다. 생성기(3110)는 또한 분리 디바이스(3312)를 통해 에너지 저장소(3410)에 DC 전력을 공급하고, 에너지 저장소(3410)를 충전하는 DC 에너지 소스로서 역할을 한다. 따라서, 잉여 에너지는 저장소(3410)에 의해 수동적으로 추출된다. 그 후, 저장소(3410)는 분리 디바이스(3313)를 통해 (500kW로 공표된) 다른 3상 DC/AC 컨버터(3130S)에 DC 전력을 공급(또는 방전)한다. 컨버터(3130)는 MPPT 최적화기로서 동작하는 반면, 컨버터(3130S)는 MEUPT 제어기로서 동작한다. 컨버터들(3130 및 3130S)은 별도로 공급된 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하고, 동일한 변압기(3500)를 통해 그리드(3600)에 전력을 공급한다.
상기 설명에서 사용되는 DC/AC 컨버터들은 2가지 타입으로 분류될 수 있는데; 즉, 하나의 타입은 PV 태양열 스트링들로부터 직접 그 DC 전력을 수신하고, 다른 타입은 에너지 저장소로부터 그 DC 전력을 수신한다는 점에 유의한다. 컨버터 타입 구별이 본 개시내용에서 그리고 이하의 상세한 설명에서 필요한 경우, PV 태양열 스트링들로부터 DC 전력을 수신하는 것은 "PS DC/AC 컨버터"로도 지칭되는 반면; 에너지 저장소로부터 DC 전력을 수신하는 다른 것은 본 명세서에서 "ER DC/AC 컨버터"로도 지칭된다. 본 개시내용에서 3상 DC/AC 컨버터들을 사용하는 경우에 구별이 필요할 때, 컨버터들은 또한 본 명세서에서 각각 "PS 3상 DC/AC 컨버터"와 "ER 3상 DC/AC 컨버터"로서 분류되어 지칭될 것이다.
더 넓은 레벨에서 반복하기 위해; 도 4에 도시된 구성에 나타난 바와 같이, 이 MEUPT 최적화기는 정격 x MW 전력 생산 능력을 갖는 적절히 배열된 태양 전지판 스트링들을 갖는 x MW PV 발전소에 최적화 서비스를 제공한다. 생성된 DC 전력은 분리 디바이스(4311)를 통해 메이커 공표된 y MW "PS 3상 DC/AC 컨버터"(4130)에 의해 추출된다. 남겨진 전력은 다른 분리 디바이스(4312)를 통해 에너지 저장소(4410) 내에 충전되고; 그에 따라 잉여 에너지를 추출 및 저장한다. 그 후, 저장된 잉여 에너지는 다른 분리 디바이스를 통해 다른 메이커 공표된 z MW "ER 3상 DC/AC 컨버터"(4130S)에 의해 변환된다. 컨버터들(4130) 중 하나는 MPPT 최적화기에 의해 조절되는 한편, 다른 컨버터(4130S)는 MEUPT 제어기에 의해 조절된다. 컨버터들 양쪽 모두 적절한 양의 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하고; 동일한 변압기(4500)를 통해 3상 AC 전력을 전력 그리드(4600)에 제공한다. 이 구성에서 x=y=z=0.5라는 점에 유의한다.
도 5는 대형 PV 발전소에 MEUPT 최적화기를 통합하는 다른 실시예를 도시한다. 발전소는 정격 0.5 MW 태양 전지판 스트링들(5110) 및 2개의 공표된 500kW 3상 DC/AC 컨버터들(5130 및 5130S)을 구비한다. 이 실시예는 MEUPT 최적화기에 대한 다른 구성을 예시한다. PV 발전소(5000)는 하나의 AC 전력 생성 유닛(이하, "AC 전력 생성 유닛(5100)"이라고도 함)을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. AC 전력 생성 유닛(5100)은 정격 500kW 태양 전지판들로 구성되는 DC 전력 생성기(5110), 및 (각각 500kW로 공표된) 2개의 3상 DC/AC 컨버터들(5130 및 5130S)로 구성된다. 전력 생성기(5110)는 DC 전기를 생성하는 80개의 병렬 접속된 태양열 스트링들을 사용한다. 80개의 태양열 스트링들 각각은 25개의 직렬 접속된 태양 전지판들로 구성되고; 각각의 태양 전지판은 250W 전력 생산 능력을 갖도록 정격화된다. 에너지 저장소(5410)는 분리 디바이스(5311)를 통해 생성기(5110)로부터 DC 전력을 수신한다. 2개의 3상 DC/AC 컨버터(5130 및 5130S)는 컨버터(5130)에 대한 분리 디바이스(5312), 및 컨버터(5130S)에 대한 분리 디바이스(5313)를 포함하는 2개의 별개의 분리 디바이스를 통해 저장소(5410)로부터 DC 전력을 수신한다. 컨버터들(5130 및 5130S)은 저장소(5410)로부터 적절한 양의 전력을 인출하기 위해 MEUPT 제어기에 의해 조절되고, DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하여 변압기(5500)를 통해 전력 그리드(5600)에 제공한다.
도 5에 도시된 구성을 보다 광범위하게 자세히 설명하기 위해: MEUPT 최적화기는 최적화 서비스를 x MW PV 발전소에 제공한다. 이 PV 발전소는 총 정격 DC 전력 생산 능력 x MW를 갖는 태양 전지판 스트링들을 갖는 하나의 AC 전력 생성 유닛을 갖는다. DC 생성기는 분리 디바이스를 통해 에너지 저장소를 충전한다. 에너지 저장소는 분리 디바이스들의 2개의 별개 세트들을 통해 DC 전기를 2개의 3상 DC/AC 컨버터에 공급한다. 2개의 "ER 3상 DC/AC 컨버터"의 총 메이커 공표된 변환 능력은 z1+z2=z MW이다. 2개의 컨버터는 적절한 양의 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하기 위해 MEUPT 제어기에 의해 조절된다. 2개의 컨버터에 의해 생성된 전기는 동일한 변압기를 통해 전력 그리드에 제공된다. 전술한 구성은 도 6에 수정되어 도시되어 있다. 이 구성에서 x=0.5, y=0, z=1이라는 점을 유의한다.
이 설명은 이제 도 4 및 도 6에 도시된 2개의 구성을 비교할 것이다. 도 4에 도시된 구성에서, DC 생성기는 DC 전력을 메이커 공표된 y MW의 능력을 갖는 "PS 3상 DC/AC 컨버터"에 공급하고; 남겨진 전력을 에너지 저장소에 충전한다. 도 4에서, 에너지 저장소는 DC 전력을 메이커 공표된 z MW의 능력을 갖는 "ER 3상 DC/AC 컨버터"에 공급한다. 도 6에 도시된 구성에서 "PS 3상 DC/AC 컨버터"가 없는 경우(즉, y=0), 모든 생성된 DC 전력 전하들은 분리 디바이스를 통한 에너지 저장소 내에 충전되고; 에너지 저장소는 분리 디바이스의 2개의 별개의 세트를 통해 DC 전기를 2개의 "ER 3상 DC/AC 컨버터"내에 공급한다. 따라서, 도 3의 구성에서는 x=y=z=0.5인 반면; 도 6의 구성에서는 x=0.5, y=0, z=1이다. 도 6의 하나의 추가 실시예에서는, 에너지 저장소(6410)가 존재하지 않는다. 대신에, 태양열 스트링들(6110)은 분리 디바이스(6311)를 통해 DC 전력을 컨버터들(6130)에 제공한다.
이제, MEUPT 최적화기에 대해 유일하게 남아있는 설계 문제는 태양열 스트링들의 정격 능력을 나타내는 파라미터들과 컨버터들 간의 최적 전력 매칭 관계를 식별하는 것이다. 구체적으로, 작업은 최적의 상황에서 x, y 및 z의 값 사이의 관계를 식별하는 것이다. 다시 말해, 합 y+z의 값은 섹션 2에서 설명된 바와 같이 종래의 PV 발전소에서의 값 x보다 크지 않다.
또한, 값 x는 PV 스트링들의 정격 DC 전력 생산 능력의 MW 값에 대해 지정되고; 값 y는 PV 스트링들에 의해 공급된 DC 에너지를 변환하는 "PS 3상 DC/AC 컨버터"의 메이커 공표된 능력의 총 MW 값에 대해 지정되는 반면; 값 z는 에너지 저장소에 의해 공급된 DC 에너지를 변환하는 "ER 3상 DC/AC 컨버터"의 메이커 공표된 능력의 총 MW 값에 대해 지정된다는 점에 유의한다.
예를 들어, 도 6에서, x는 0.5, 0.5 MW 메이커의 공표된 총 PV 능력과 동일하고; y는 "PS 3상 DC/AC 컨버터"가 설치되어 있지 않다는 것을 의미하는 0과 동일하고; z는 2개의 "ER 3상 DC/AC 컨버터"의 1 MW 총 메이커의 공표된 능력이 에너지 저장소로부터 DC 전력을 수신하고 DC 에너지를 3상 AC 전력으로 변환하는 것을 포함한다는 것을 의미하는 1과 동일하다. y+z의 값은 전술한 구성들 양쪽 모두에서 x값의 2배 이상이라는 점에 유의한다. "능력"이라는 용어는 또한 디바이스의 "전력 정격"으로서 지칭되며; 달리 지시되지 않는 한, 이하에서 변경가능하다.
섹션 10: 최적 전력 매칭 관계
상이한 분야들(산업들)로 인해, 태양 전지판들에 대한 전력 정격의 정의는 DC/AC 컨버터들의 정의와 상이하다. 태양 전지판들의 전력 정격은 태양 전지판이 맑은 하늘의 정오에 생성할 수 있는 최대 DC 전력으로서 정의된다. 태양 전지판 제조 산업은 맑은 하늘을 시뮬레이션하기 위해 미리 결정된 타입의 조명 램프(본 명세서에서는 "표준 램프"로서 지칭됨)를 사용하고; 정오는 태양 전지판 표면을 통해 수직으로 광 플럭스를 조명함으로써 시뮬레이션된다. 따라서, 메이커 공표된 전력 생산 능력은 실제 DC 생성기의 능력에 매우 가깝게 될 수 있다. 발명자들에 의해 수행된 실험들은 또한 상기 진술을 확인한다. 따라서, PV 태양열 스트링들의 총 DC 전력 생산 능력은 신뢰할 만한 것으로 판정되고; 본 명세서에서 타이틀 "메이커 공표된 능력"은 태양열 스트링들의 전력 정격을 설명할 때 생략된다. 한편, DC/AC 컨버터 제조 산업은 본 명세서에서 "전력 그리드 규약"으로 지칭되는 전력 그리드 산업의 규약에 따라 DC/AC 컨버터들의 전력 정격을 정의한다. 이 규약과 DC/AC 컨버터 능력의 정의는 다음과 같이 상세히 설명된다.
AC 전력 그리드 산업은 구성된 3상 AC 전력 그리드가 공표된 전력 전달 능력을 충족시킬 수 있는 것을 보장하기 위해 규약(전력 그리드 규약이라고 지칭됨)을 시행한다. 3상 AC 전력 그리드는 전력 라인들의 각각의 쌍에서 전압 및 전류의 시변 정현파 함수들을 하나의 위상으로 전달할 수 있는 3개 또는 4개의 전력 라인으로 구성된다. 전력 그리드 규약은 사양에서 공표된 전압을 전력 라인들이 견딜 수 있는 "표준" 최대 전압("라인 전압"으로 지칭됨)으로서 정의한다. 마찬가지로, 사양에서 공표된 특정 최대 전류는 전력 라인들이 운반할 수 있는 최대 전류("최대 위상 전류"로서 지칭됨)이다. 디바이스가 전력 그리드 규약을 준수하도록 제조될 때, 디바이스의 사양에서 공표된 전압은 모든 관련된 컴포넌트들이 견뎌야 하는 최대 전압이다. 마찬가지로, 사양에서 공표된 최대 전류는 한 쌍의 전력 라인에 접속되는, 하나의 위상의 모든 관련 컴포넌트에 대한 최대 전류 운반 능력이다. 디바이스의 전압 및 전류의 시변 함수들은 또한 AC 전력 그리드에서 각각의 위상의 정현파 함수에 따를 필요가 있다.
다시 말하면, 3상 DC/AC 컨버터의 특정 전압은 3상 전력의 라인 전압으로서 정의되고; 특정 최대 전류는 각각의 위상에 대한 전력 라인들의 쌍의 최대 전류 운반 능력으로서 정의되고; 특정 최대 전력은 3개의 위상이 견딜 수 있는 최대 전력 능력의 총합으로서 정의된다. 다시 말해서, 전력 그리드 규약에 따를 때, 각각의 위상의 전력 라인들 및 접속된 전력 디바이스들은 특정 최대 전력의 삼분의 일(1/3)을 다른 방식으로 상태로 송신할 수 있어야 하고, 3상 DC/AC 컨버터의 "메이커 공표된 전력 정격"은 3*U*I이고, 여기서 U는 위상 전압이고 I는 위상 전류이다. 전력 라인들의 각각의 쌍은 U*I 전력을 전달할 수 있거나, "메이커 공표된 전력 정격"의 1/3일 수 있고; 전력 그리드 규약에 따르는 경우, 전력 라인의 쌍에 접속되는 각각의 모듈은 또한 공표된 특정 전력 정격의 1/3을 운반하거나 전달할 필요가 있다.
예를 들어, AC 전압=315 VAC; 최대 전류=916 암페어; 최대 전력 출력=500kW"를 특정하는 3상 DC/AC 컨버터를 예로 들 수 있다. 사양 "AC 전압=315 VAC"는 "이 컨버터의 출력 라인 전압이 315 볼트"로서 판독되어야 한다. 또는, 3상이 균형맞춰질 때, 모든 위상의 위상 전압 U는 U=315/1.732=181.9 볼트이다(여기서, 1.732는 위상 전압에 대한 라인 전압의 비율인 3의 제곱근이다). 특정된 "최대 전류=916 암페어"는 전력 라인들 및 각각의 위상에서의 모든 컴포넌트들이 I=916 암페어의 전류 운반 능력을 보장하도록 설계되는 것으로 판독되어야 한다. 특정된 "최대 전력 출력=500kW"는 각각의 DC/AC 변환 단계=U*I=181.9*916=500/3 KW의 모든 컴포넌트들의 최대 전력 변환 및 전달 능력으로서 이해되어야 하고; 3개의 변환 단계에서 관련 모듈들의 총 최대 전력 변환 및 전달 능력은 각각의 위상의 합이고, 3*U*I=3*181.9*916=500kW이고, 이것은 이전 단락에서 언급된 전력 그리드 규약에 따를 때 정의된 "메이커 공표된 전력 정격"=3*U*I이다.
3상 DC/AC 컨버터에서 3상은 엄격하게 120°위상 차이를 갖도록 상관된다. 다시 말해서, 한 쌍의 전력 라인(위상)은 U*I sin2(ωt)의 시변 전력을 전달하는 반면; 제2 위상은 U*I sin2(ωt+120°)의 시변 전력을 전달하고; 제3 위상은 U*I sin2 (ωt-120°)의 시변 전력을 전달한다. 3개의 위상들의 전력 라인들의 각각의 쌍은 엄격한 상관을 갖는 서로 관련된 3개의 발진 AC 전력 트레인들을 전달한다. 전력 변환 용량 P(t)는 정의된 "메이커 공표된 전력 정격"과 동일하지 않다는 점에 유의한다. 전력 변환 용량 P(t)는 시간의 함수로서 표현되고 정의된 3상 AC 전력 제한들에 따라 도출된다.
다시 말해서, DC/AC 전력 변환 용량 P(t)는 120°의 엄격하게 상관된 위상차를 갖고; sin2(ωt) 또는 cos2(ωt)의 제곱 사인파 진동들을 준수하는 전력 파형들을 갖는 3개의 위상의 시변 전력 출력들의 합으로부터 도출되고; 각 주파수(angular frequency) ω가 일정하게 유지되는 전력 그리드(동일 위상 및 주파수)와 동기화된다.
이제, 3상 DC/AC 컨버터의 시변 전력 변환 용량 P(t)를 도출한다. 시간의 함수로서의 3상 DC/AC 컨버터의 전력 변환 용량은 P(t)=U*I*(sin2(ωt)+sin2(ωt+120°)+sin2(ωt+120°))이다. 위에서 정의된 바와 같이, U는 위상 전압이고, I는 위상 전류이고, ω는 전력 그리드의 일정한 각 주파수이다. 또한, sin2(ωt+120°)+sin2(ωt-120°)=cos2(ωt)+1/2임을 알 수 있다. 따라서, 시간의 함수로서의 3상 DC/AC 컨버터의 전력 변환 용량 P(t)는 P(t)=U*I*(sin2(ωt)+sin2(ωt+120°)+sin2(ωt-120°))=U*I*(sin2(ωt)+cos2(ωt)+1/2)=U*I*(1+1/2)=3/2(U*I)이다.
다시 말해서, 3개의 위상들에서의 이러한 엄격하게 상관된 3개의 진동 전력 트레인들의 총합은 상수이다. 다시 말해서, 이러한 3쌍의 전력 라인의 총 전력 전달은 상수이다. 또는 3개의 위상들과 관련된 3개의 모듈들의 총합은 상수이다. 그러나, 이 상수는 "공표된 전력 능력"의 절반(1/2)과 동일하다. 이것은 전력 그리드 규약에 따를 때 3상 DC/AC 컨버터의 전력 변환 용량과 정의된 "공표된 전력 능력" 사이의 관계이다.
전술한 바와 같이, 전력 그리드 규약에 따를 때, 3상 DC/AC 컨버터의 "메이커 공표된 전력 정격" 또는 참조된 "메이커 공표된 전력 능력"이 3*U*I라는 것을 상기한다. 이것을 상기 도출된 전력 변환 용량과 비교하면, P(t)=3/2(U*I)이고; 3상 DC/AC 컨버터의 도출된 DC/AC 전력 변환 용량은 단지 "메이커 공표된 전력 능력"의 절반이라는 것이 명백하다.
예로서, "AC 전압=315 VAC"; 최대 위상 전류=916 암페어; 및 최대 전력 출력=500kW"를 특정하는 전술한 3상 DC/AC 컨버터를 다시 사용한다. 실제로, 이 3상 DC/AC 컨버터의 DC/AC 전력 변환 용량은 단지 250kW이다. 상기 결론을 도출하기 위해, 먼저 공표된 최대 전력 500kW가 실제로 3*U*I와 동일하다는 것을 확인하였으며, 여기서 U는 특정된 라인 전압으로부터 도출된 위상 전압이고, I는 공표된 최대 전류이고; 이 컨버터의 전력 변환 용량은 3/2*U*I=250kW와 동일하다.
(정의된 바와 같은) 파라미터들 x, y, 및 z에 대한 최적 전력 매칭 관계는 (y+z)의 값이 2x보다 작지 않을 것이라는 것이다. 관련 PV 발전소는 x MW PV 태양열 스트링들로 구성될 경우; "PS 3상 DC/AC 컨버터들"은 y MW의 전체 "메이커 공표된 전력 능력"을 갖고; "ER 3상 DC/AC 컨버터들"은 z MW의 전체 "메이커 공표된 전력 능력"을 갖는다. "PS 3상 DC/AC 컨버터들" 및 "ER 3상 DC/AC 컨버터들"은 하나 이상의 MPPT 제어기에 의해, 또는 하나 이상의 MEUPT 제어기에 의해 동작될 수 있다. MEUPT 최적화를 실시하기 위해, MEUPT 제어기(들)에 의해 모든 DC/AC 컨버터들을 동작시키는 것이 바람직하다.
섹션 11: 요약
도 7은 PV 태양열 발전소(7000)의 구성을 추상적으로 도시한다. 발전소는 태양열 스트링들(7100)로 배열된 전체 x MW 태양 전지판을 포함한다. 태양열 스트링들(7100)에서 생성된 DC 전력은 분리 디바이스(7201)를 통해 3상 DC/AC 컨버터들(7301)의 그룹에 입력되는 DC 전력을 제공하고; 분리 디바이스(7202)를 통해 잉여 전력을 저장소(7400) 내에 충전한다. 에너지 저장소(7400)는 분리 디바이스(7203)를 통해 3상 DC/AC 컨버터들(7302)의 그룹에 입력되는 DC 전력을 제공한다. 3상 DC/AC 컨버터들(7301 및 7302) 양쪽 모두가 변환된 3상 AC 전력을 변압기(7500)를 통해 전력 그리드(7600)에 제공한다. 컨버터들(7301)의 전체 "메이커 공표된 능력"은 y MW이다. 컨버터들(7302)의 전체 "메이커 공표된 능력"은 z MW이다. 합 (y+z)의 값은 2x의 값보다 작지 않다. 섹션 2에서 설명된 바와 같이 종래의 PV 발전소를 설명하기 위해 유사한 구성을 사용할 때, (y+z)의 값은 x의 값보다 크지 않다는 것을 상기한다. 따라서, 값이 (y+z)인 설계가 x보다 크거나 심지어 x의 1.1 배 더 나은 경우, 이는 전력 그리드에 제공되는 전기 에너지를 향상시키기 위해 잉여 에너지의 일부가 캡처될 수 있다는 것을 의미한다.
컨버터들(7301 및 7302)은 모두 전술한 MEUPT 제어기(들)에 의해 동작될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨버터들 중 일부 또는 하나가 MEUPT 제어기에 의해 동작되거나, 이들 중 어느 것도 MEUPT 제어기에 의해 동작되지 않는다. 또한, 일부 실시예들에서, 분리 디바이스들(7201, 7202, 및 7203) 중 하나 또는 일부는 구성에서 생략될 수 있다. PV 태양열 스트링들(7100)은 컨버터(7301)에 입력되는 DC 전력을 제공한다. 따라서, 이들을 본 명세서에서 "PS 컨버터"라고 칭한다. 에너지 저장소(7400)는 컨버터들(7302)에 입력되는 DC 전력을 제공한다. 따라서, 이들을 본 명세서에서 "ER 컨버터들"이라고 칭한다. 전체 "메이커 공표된 전력 정격 "및 전체 "메이커 공표된 전력 능력"이라는 용어들은 본 명세서에서 "공표된 전력"으로서 약칭될 것이다.
도 7에 도시된 구성의 설명을 반복하기 위해: PV 발전소(7000)는 DC 전력 생성기로서 x MW 태양열 스트링들(7100)을 포함한다. DC 전력 생성기(7100)는 "PS 컨버터들"(7301)에, y MW의 "공표된 전력"을 갖는 입력을 분리 디바이스(7201)를 통해 제공하고; 다른 분리 디바이스(7202)를 통해 남겨진 전력을 저장소(7400)에 충전한다. 저장소(7400)는 분리 디바이스(7203)를 통해 z MW의 "공표된 전력"을 갖는 입력을 "ER 컨버터들"(7302)에 제공한다. 모든 3상 DC/AC 컨버터들(7301 및 7302)은 변압기(7500)를 통해 변환된 3상 AC 전력을 전력 그리드(7600)에 제공한다. 일부 실시예에서, (y+z)의 값은 2x의 값보다 작지 않다. 그러나, (y+z)의 값이 x의 값보다 클 때, 설계는 전력 그리드에 대한 전기 에너지 판매를 향상시키기 위해 부분적인 이익을 얻을 수 있다.
본 명세서에 설명된 원리들에 따른 MEUPT 최적화기는 하나 이상의 AC 전력 생성 유닛(들)을 포함하는 소형 PV 발전소 또는 대형 PV 발전소를 제공할 수 있다. 또한, 적절히 설계된 분리 디바이스에 의해, 에너지 저장소로부터 PV 태양열 스트링들을 통한 에너지 누설이 방지될 수 있다. 또한, 적절히 설계된 분리 디바이스에 의해, 발견된 "상호 전력 소멸" 현상이 방지될 수 있다. 또한, 에너지 저장소는 "PS 컨버터"의 에너지 추출 후에 잉여 에너지만을 수신하거나, 임의의 추출 전에 모든 생성된 DC 에너지를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 마지막으로, MEUPT 최적화기는 또한 단일 위상 DC/AC 컨버터(들)를 구비한 PV 발전소에 대한 서비스를 제공할 수 있다.
섹션 12: MEUPT 제어기의 설계 제약
도 8은 도 2b의 MEUPT 제어기(2320B)의 일례를 나타내는 MEUPT 제어기(8000)("시스템 제어기"로도 지칭됨)를 나타낸다. MEUPT 제어기(8000)는 3개의 실행가능 컴포넌트: 검출 컴포넌트(8100), 결정 컴포넌트(8200), 및 전달 컴포넌트(8300)를 포함한다.
검출 컴포넌트(8100)는 저장소(8400)에 저장된 에너지 레벨을 측정한다. 저장소의 예는 도 2b의 저장소(2410B), 도 3의 에너지 저장소(3410), 도 4의 에너지 저장소(4410), 도 5의 에너지 저장소(5410), 도 6의 에너지 저장소(6410), 및 도 7의 에너지 저장소(7410)이다.
결정 컴포넌트(8200)는 에너지 저장소(8400)에 제공되고 이로부터 방전되는 전하와 거의 균형을 맞추기 위해 적절한 전력 인출 레벨(power drawing level)을 결정한다.
전달 컴포넌트(8300)는 결정된 적절한 전력 인출 레벨의 코딩된 메시지를 잉여 DC/AC 컨버터(들)(8500)에 전달한다. 컨버터들은 코딩된 메시지를 해석하고, 코딩된 메시지를 준수하여, 컨버터(들)가 지시받은 전력 레벨에서 계속해서 동작하고, 그에 의해 내부-충전 에너지(in-charging energy)가 거의 균형을 맞출 수 있게 할 수 있다. 저장소(8400)로부터 인출되는 컨버터들(8500)의 예는 도 2b의 컨버터들(2130S), 도 3의 컨버터들(3130S), 도 4의 컨버터들(4130S), 도 5의 컨버터들(5130S), 도 6의 컨버터들(6130S), 도 3의 컨버터들(7302)이다.
MEUPT 경제적 이익 최적화기를 도출하기 위해, MEUPT 제어기의 설계는 다음의 파라미터들 및 변수들, (1) 에너지 저장소(8400)의 용량; (2) DC/AC 컨버터들(8500)의 램핑 업/다운 속도; (3) 태양열 스트링들의 I-V 특성들; (4) PV 발전소의 위치에서의 기후; 및 (5) 잉여 DC/AC 컨버터가 에너지 저장소에 제공되는 전하량과 에너지 저장소로부터 인출되는 전하량 사이의 차이(또는 균형)를 최소화하는 동작을 하는 MEUPT 제어기의 능력을 고려한다. 간단한 설계는 단지 이러한 파라미터들 및 변수들을 고려하여 각각의 및 모든 PV 발전소에 대해 맞춤 설계된 제어기를 적용할 때 도출될 수 있다.
섹션 13: MEUPT 제어기 설계
MEUPT 제어기를 사용하는 각각의 및 모든 하나의 PV 발전소에 대해 MEUPT 제어기를 맞춤 설계하는 것은 비실용적이다. 한편, 요구되는 MEUPT 제어기에 대한 간단한 설계를 추구하는 것은; 특히, 맞춤 설계 제어기들이 허용되지 않을 때, 매우 어렵다. 그러나, 에너지 저장소의 단자 전압은 5개의 파라미터들 및 변수들 각각에 의해 영향을 받은 측정으로서 보여질 수 있다. 따라서, 상기 5개의 설계 제약들은 MEUPT 에너지 저장소의 단자 전압이 결정 파라미터로서 선택될 때 2개의 부분으로 붕괴될 수 있다.
측정된 단자 전압을 사이트 특정 "표준 전압 간격들"의 세트와 비교할 때; 전력 추출 레벨이 (1) 너무 낮거나, (2) 너무 높거나, (3) 딱 적당함에 따라, 시스템에 의해 현재 실행 중인 전력 추출 및 변환 레벨이 양자화될 수 있다는 것이 발명자들에게 명백해졌다. 따라서, MEUPT 제어기 설계 작업은 1) 통상의 산업 제어기, 플러스 2) 맞춤 구성된 사이트-특정 "표준 전압 간격들" 테이블(본 명세서에서는 "전압 간격 테이블"로서 지칭됨)로 분리될 수 있다.
PV 발전소에 대해 사이트-특정 전압 간격 테이블이 구성되면; 전압 간격 테이블은 산업 제어기와 협력하여 동작하여 필요한 MEUPT 제어기 기능들을 달성할 수 있다. 그 후, 산업 제어기는 도 8에 또한 도시된 바와 같이, 검출 컴포넌트, 결정 컴포넌트, 및 전달 컴포넌트로 구성된다. 그러나, 이 경우에, 검출 컴포넌트(8100)는 에너지 저장소(8400)의 단자 전압을 측정한다. 결정 컴포넌트(8200)는 측정된 전압을 전압 간격 테이블과 비교하고; 내부-충전 에너지와 거의 균형을 맞추기 위해 적절한 전력 인출량을 결정한다. 전달 컴포넌트(8300)는 다시 상기 결정된 적절한 전력 인출 레벨의 코딩된 메시지를 잉여 DC/AC 컨버터(들)에 전달하여; 컨버터(들)가 에너지 저장소(8400)의 유입 및 유출 전하와 거의 균형을 맞추기 위해 지시된 전력 레벨에서 연속적으로 동작할 수 있게 한다.
일 실시예에서, MEUPT 제어기(8000)의 검출 컴포넌트(8100)는 잉여 에너지 저장소(8400)의 단자 전압을 실시간으로 측정한다. 그럼에도 불구하고, 결정 컴포넌트(8200)는 지정된 시간 간격 비교마다 (전압 인터페이스 테이블에 대한 측정된 전압의) 비교를 여전히 수행할 수 있다. 이 비교는 다음 3가지 상황 중 하나를 초래할 수 있다:
(1) 측정된 전압과 전압 간격 테이블의 비교가 전력 레벨이 너무 낮다는 것을 나타내면, 제어기(8000)는 (전달 컴포넌트(8300)를 통해) 3상 DC/AC 컨버터(8500)가 다음 지정된 시간 간격에 대한 한 레벨의 전력 추출 및 변환에 의해 증가하도록 요청할 수 있고;
(2) 측정된 전압과 전압 간격 테이블의 비교가 전력 레벨이 너무 높다는 것을 나타내면, 제어기(8000)는 (전달 컴포넌트(8300)를 통해) 3상 DC/AC 컨버터(8500)가 다음 지정된 시간 간격에 대한 한 레벨의 전력 추출 및 변환에 의해 감소하도록 요청할 수 있고;
(3) 측정된 전압과 전압 간격 테이블의 비교가 전력 레벨이 딱 적당하다는 것을 나타내면, 제어기(8000)는 3상 DC/AC 컨버터(8500)가 다음의 지정된 시간 간격 동안, 적어도 그 다음의 비교가 발생할 때까지 동일한 전력 추출 레벨에 머무르도록 요청할 수 있다.
DC/AC 컨버터의 전력 추출/변환 조정 레벨이 충분히 작을 때, 상기 설계는 모든 종류의 에너지 저장소 용량에 대해; 모든 종류의 DC/AC 컨버터의 업/다운 램핑 속도에 대해; 모든 종류의 태양열 스트링들의 I-V 특성들에 대해; 및 PV 사이트의 모든 기후에 대해 작업할 수 있다. 따라서, 제어기는 에너지 저장소로부터 전력을 인출하는 3상 DC/AC 컨버터에 대해 작은 조정 단계들을 지시할 수 있는 것이 중요하다.
통상적인 종래의 중앙집중형 3상 DC/AC 컨버터들은 지시될 때 매우 작은 조정 단계들에서 동작할 수 있다. 그러나, 본 기술분야에서 "건식 접속 박스(dry connection box)"로서 지칭되는 (그리고 본 명세서에서 언급되는) 구비된 통신 채널은 통상적으로 광학 메시지들을 통해 6비트 통신 채널들만을 갖는다. 건식 접속 박스를 통해 6개보다 많은 전력 추출 레벨을 명령하기 위해, 인코딩-디코딩 기술이 채용된다. 이 기술은 전력 추출 레벨들을 명령하기 위해 26=64 메시지까지 통과하는 것을 허용한다. 최대 64개의 조정 전력 추출 레벨에 의해, 저장소의 유입 에너지 및 유출 에너지에 필요한 거의 제로 순 균형(zero net balancing)이 기술적으로 달성될 수 있다.
섹션 14: MEUPT 최적화기를 통합하는 PV 발전소
도 9에 도시된 바와 같이, PV 발전소(9000)는 MEUPT 제어기(9210)로 구성된 MEUPT 최적화기(9200)를 포함한다. MEUPT 제어기(9200)는 3개의 실행가능 컴포넌트; 즉, 잉여 에너지 저장소(9400)의 단자 전압을 측정하는 검출 컴포넌트(9211); 측정된 전압을 PV 발전소의 전압 간격 테이블과 비교하기 위한 결정 컴포넌트(9212); 및 전달 컴포넌트(4213)를 통해 3상 DC/AC 컨버터(4502)에게 부트-업, 드롭-다운, 또는 동일하게 유지하라고 통지하기 위한 전달 컴포넌트(9213)를 포함한다. 도 9의 컴포넌트들(9211, 9212 및 9213)은 각각 도 8의 컴포넌트들(8100, 8200 및 8300)의 예들이다. 도 9의 에너지 저장소(9400)는 도 8의 에너지 저장소(8400)의 예이다. 컨버터들(9502)은 도 8의 컨버터들(8500)의 예들이다.
PV 발전소(9000)도 PV 태양열 스트링들(9100)을 포함한다. 태양열 스트링들(9100)은 태양 에너지를 전기로 변환하고; 생성된 DC 전력을 분리 디바이스(9320)를 통해 잉여 에너지 저장소(9400)에 전달한다. 3상 DC/AC 컨버터(9502)는 분리 디바이스(9330)를 통해 잉여 에너지 저장소(9400)로부터 입력되는 DC 전력을 수신한다. 도 9의 태양열 스트링들(9100)은 집합적으로 에너지 저장소를 충전하기 위한 DC 에너지 소스이고, 도 2b의 태양열 스트링들(2111A 및 2111B), 도 3의 태양열 스트링(3110), 도 4의 태양열 스트링(4110), 도 5의 태양열 스트링(5110), 도 6의 태양열 스트링(6110), 및 도 7의 태양열 스트링(7110)의 예들이다. 도 9의 분리 디바이스(9320)는 도 2b의 분리 디바이스(2312B), 도 3의 분리 디바이스(3312), 도 4의 분리 디바이스(4312), 도 5의 분리 디바이스(5311), 도 6의 분리 디바이스(6311), 및 도 7의 분리 디바이스(7202)의 예이다. 도 9의 분리 디바이스(9330)는 도 2b의 분리 디바이스(2313B), 도 3의 분리 디바이스(3313), 도 4의 분리 디바이스(4313), 도 5의 분리 디바이스(5313), 도 6의 분리 디바이스(6313), 및 도 7의 분리 디바이스(7203)의 예이다.
전술한 바와 같이, MEUPT 제어기(9210)는 3상 DC/AC 컨버터(9502)가 에너지 저장소(9400)로부터 적절한 양의 에너지를 인출하여 태양열 스트링들(9100)로부터의 입력 에너지 충전을 균형맞추도록 지시하며; 이 결과, 거의 제로 에너지가 저장소(9400)에 내부-충전 또는 외부-인출되는 것으로 나타났다. 따라서, 작은 에너지 저장소(9400)는 PV 발전소에 적합하다. DC/AC 컨버터로부터의 변환된 AC 전력은 변압기(9600)를 통해 접속된 전력 그리드(9700)에 제공된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "실행가능한 컴포넌트"는 도 8 및 도 9와 관련하여 사용된다. 용어 "실행가능한 컴포넌트"는 컴퓨팅 분야에서 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합일 수 있는 구조인 것으로 본 기술 분야의 통상의 기술자가 잘 이해할 수 있는 구조에 대한 명칭이다. 예를 들어, 소프트웨어로 구현될 때, 본 기술분야의 통상의 기술자는 실행가능 컴포넌트의 구조가 소프트웨어 객체들, 루틴들, 컴퓨팅 시스템 상에서 실행될 수 있는 방법들, 이러한 실행가능 컴포넌트가 컴퓨팅 시스템의 힙(heap)에 존재하는지, 또는 실행가능 컴포넌트가 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상에 존재하는지를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이러한 경우에, 본 기술분야의 통상의 기술자는 컴퓨팅 시스템의 하나 이상의 프로세서에 의해(프로세서 스레드에 의해) 해석될 때, 컴퓨팅 시스템이 기능을 수행하게 되도록 실행가능한 컴포넌트의 구조가 컴퓨터 판독가능 매체 상에 존재한다는 것을 인식할 것이다. 이러한 구조는 (실행가능한 컴포넌트가 이진수인 경우와 같이) 프로세서들에 의해 직접 컴퓨터 판독가능할 수 있다. 대안적으로, 구조는 프로세서들에 의해 직접 해석 가능한 그러한 이진수를 생성하기 위해 (단일 스테이지에서 또는 다수의 스테이지에서) 해석 가능하고/해석 가능하거나 컴파일되도록 구조화될 수 있다. 실행가능한 컴포넌트의 예시적인 구조들의 이러한 이해는 용어 "실행가능한 컴포넌트"를 사용할 때 컴퓨팅의 기술 분야의 통상의 기술자의 이해 내에 있다.
용어 "실행가능한 컴포넌트"는 또한 통상의 기술자에 의해, FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 또는 임의의 다른 전문화된 회로 내에서와 같이, 펌웨어 또는 하드웨어에 독점적으로 또는 거의 독점적으로 구현되는 구조들을 포함하는 것으로 이해된다. 따라서, 용어 "실행가능한 컴포넌트"는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 조합으로 구현되든지 간에, 컴퓨팅의 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 잘 이해되는 구조에 대한 용어이다.
본 발명은 그의 정신 또는 핵심 특징을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 기술된 실시예는 단지 도시를 위해 그리고 비제한적으로 모든 측면에서 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해 표시된다. 청구항과 등가의 것의 의미 및 범주 내에서 이뤄지는 모든 변형은 이의 범주 내에서 수용된다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛을 포함하는 PV 발전소로서,
    상기 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛 중 하나 이상의 각각은:
    x MW 태양열 스트링들로 구성된 DC 전력 생성기 -x는 양수임-;
    y MW의 총 공표된 전력 정격을 갖는 하나 이상의 제1 DC/AC 3상 컨버터 -상기 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)는 상기 DC 전력 생성기에 의해 제공되는 DC 전력을 수신하고 상기 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고 상기 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공함-;
    상기 DC 전력 생성기에 의해 생성된 상기 DC 전력의 나머지 부분의 적어도 일부를 수신하는 에너지 저장소; 및
    z MW의 총 공표된 전력 정격을 갖는 하나 이상의 제2 DC/AC 3상 컨버터 -z는 양수이고, 상기 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)는 상기 에너지 저장소로부터 DC 전력을 수신하고, 상기 에너지 저장소로부터의 상기 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 상기 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 상기 전력 그리드에 제공함- 를 포함하고,
    y와 z의 합은 x보다 큰 PV 발전소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 y와 z의 합은 x의 2배보다 큰 PV 발전소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 y와 z의 합은 x의 1.1배와 2배 사이인 PV 발전소.
  4. 제1항에 있어서,
    y는 x보다 작은 PV 발전소.
  5. 제1항에 있어서,
    z는 x보다 큰 PV 발전소.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛은 복수의 AC 전력 생성 유닛이고, (y+z)/x의 비는 상기 복수의 AC 전력 생성 유닛 각각에 대해 실질적으로 동일한 PV 발전소.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제1 분리 디바이스를 통해 상기 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함-;
    제2 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제2 분리 디바이스를 통해 상기 에너지 저장소에 DC 전력을 제공함-; 및
    제3 분리 디바이스 -상기 에너지 저장소가 상기 제3 분리 디바이스를 통해 상기 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함- 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 PV 발전소.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제1 분리 디바이스를 통해 상기 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함-;
    제2 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제2 분리 디바이스를 통해 상기 에너지 저장소에 DC 전력을 제공함-; 및
    제3 분리 디바이스 -상기 에너지 저장소가 상기 제3 분리 디바이스를 통해 상기 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함- 중 적어도 2개를 추가로 포함하는 PV 발전소.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제1 분리 디바이스를 통해 상기 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함-;
    제2 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제2 분리 디바이스를 통해 상기 에너지 저장소에 DC 전력을 제공함-; 및
    제3 분리 디바이스- 상기 에너지 저장소가 상기 제3 분리 디바이스를 통해 상기 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함-를 추가로 포함하는 PV 발전소.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 DC/AC 3상 컨버터(들)는 MEUPT 제어기를 사용하여 동작하는 PV 발전소.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 DC/AC 3상 컨버터(들) 또한 MEUPT 제어기를 사용하여 동작하는 PV 발전소.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 DC/AC 3상 컨버터(들)는 MEUPT 제어기를 사용하여 동작하는 PV 발전소.
  13. 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛을 포함하는 PV 발전소로서,
    상기 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛 중 하나 이상의 각각은:
    x MW 태양열 스트링들로 구성된 DC 전력 생성기 -x는 양수임-;
    상기 DC 전력 생성기에 의해 생성된 상기 DC 전력의 적어도 일부를 수신하는 에너지 저장소; 및
    z MW의 총 공표된 전력 정격을 갖는 하나 이상의 DC/AC 3상 컨버터 -z는 양수이고, 상기 DC/AC 3상 컨버터(들)는 상기 에너지 저장소로부터 DC 전력을 수신하고, 상기 에너지 저장소로부터의 상기 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 상기 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공함- 를 포함하고,
    z는 x의 1.1배보다 큰 PV 발전소.
  14. 제13항에 있어서,
    z는 x의 2배보다 큰 PV 발전소.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛은 복수의 AC 전력 생성 유닛이고, z/x의 비는 상기 복수의 AC 전력 생성 유닛 각각에 대해 실질적으로 동일한 PV 발전소.
  16. 제13항에 있어서,
    분리 디바이스를 추가로 포함하고, 에너지 저장소가 상기 분리 디바이스를 통해 상기 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공하는 PV 발전소.
  17. 제13항에 있어서,
    분리 디바이스를 추가로 포함하고, 상기 DC 전력 생성기가 상기 분리 디바이스를 통해 상기 에너지 저장소에 DC 전력을 제공하는 PV 발전소.
  18. 제13항에 있어서,
    제1 분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 제1 분리 디바이스를 통해 상기 에너지 저장소에 DC 전력을 제공함-; 및
    제2 분리 디바이스 -상기 에너지 저장소가 상기 제2 분리 디바이스를 통해 상기 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함-를 추가로 포함하는 PV 발전소.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 DC/AC 3상 컨버터(들) 중 적어도 하나는 MEUPT 제어기를 사용하여 동작하는 PV 발전소.
  20. 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛 및 DC 전력 생성기를 포함하는 PV 발전소로서,
    상기 적어도 하나의 AC 전력 생성 유닛 중 하나 이상의 각각은:
    하나 이상의 DC/AC 3상 컨버터 -상기 DC/AC 3상 컨버터(들)는 상기 DC 전력 생성기로부터 DC 전력을 수신하고, 상기 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 상기 변환된 AC 전력을 변압기를 통해 전력 그리드에 제공함-; 및
    분리 디바이스 -상기 DC 전력 생성기가 상기 분리 디바이스를 통해 상기 DC/AC 3상 컨버터(들)에 DC 전력을 제공함-를 포함하는 PV 발전소.
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