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KR101065247B1 - 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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KR101065247B1
KR101065247B1 KR1020090045530A KR20090045530A KR101065247B1 KR 101065247 B1 KR101065247 B1 KR 101065247B1 KR 1020090045530 A KR1020090045530 A KR 1020090045530A KR 20090045530 A KR20090045530 A KR 20090045530A KR 101065247 B1 KR101065247 B1 KR 101065247B1
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solar
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박정욱
김승탁
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연세대학교 산학협력단
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    • H02S40/30—Electrical components
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

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  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은, 본 발명의 일측면은, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지 패널과, 상기 태양전지 패널의 출력 전압을 입력받아 승압하는 DC-DC 컨버터와, 상기 태양전지 패널에 연결되며, 상기 태양전지 패널의 출력 전압과 기설정된 태양전지 패널 기준전압의 차이를 출력하는 비교부와, 상기 비교부의 출력신호에 의해 상기 DC-DC 컨버터를 제어하는 제어부, 및 상기 비교부와 상기 DC-DC 컨버터 사이에 연결되어 상기 태양전지 패널과 상기 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거하는 필터를 포함하는 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
태양광, 발전, 노이즈

Description

태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 {PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM AND METHOD OF CONTROL THE SAME}
본 발명의 일측면은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는,태양전지 패널과 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거할 수 있는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
태양광 발전 시스템은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지를 사용하여 발전을 하는 시스템으로 친환경 발전 방식으로 그 사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 종래기술에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지 패널 및 상기 태양전지 패널에서 출력되는 직류 전기를 승압하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
태양광 발전 방식은 기존의 화석연료를 사용하는 발전과 다른 전력원을 사용하기 때문에 태양광 발전 특성에 따른 특정 주파수 성분이 발생하는 문제 뿐만 아니라 발전 방식에 따른 독특한 제어방식에 의한 특정 주파수 성분이 발생하게 되는 이러한 주파수 성분에 의해 의해 상기 태양전지 패널과 DC-DC 컨버터 사이에서 노 이즈 성분이 발생될 수 있다. 이러한 노이즈 성분은 태양광 발전 시스템의 출력 전력의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 태양전지 패널과 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거할 수 있는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지 패널과, 상기 태양전지 패널의 출력 전압을 입력받아 승압하는 DC-DC 컨버터와, 상기 태양전지 패널에 연결되며, 상기 태양전지 패널의 출력 전압과 기설정된 태양전지 패널 기준전압의 차이를 출력하는 비교부와, 상기 비교부의 출력신호에 의해 상기 DC-DC 컨버터를 제어하는 제어부, 및 상기 비교부와 상기 DC-DC 컨버터 사이에 연결되어 상기 태양전지 패널과 상기 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거하는 필터를 포함하는 태양광 발전 시스템을 제공할 수 있다. .
상기 DC-DC 컨버터는, 부스트 컨버터일 수 있다.
상기 필터는, 기설정된 주파수 대역을 차단시키는 노치필터일 수 있다.
상기 필터는, 상기 비교부와 상기 제어부 사이에 배치될 수 있다.
상기 필터는, 상기 제어부와 상기 DC-DC 컨버터 사이에 배치될 수도 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지 패널 및 상기 태양전지 패널에서 출력되는 전압을 승압시키는 DC-DC 컨버터를 포함하는 태양광 발전 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 태양전지 패널에서 출력되는 최대 전력으로부터 태양전지 패널 기준 전압을 추출하는 단계와, 상기 태양전지 패널 기준전압과 상기 태양전지 패널의 실제 출력 전압의 차이인 비교신호를 출력하는 단계와, 상기 출력된 비교신호에서 기설정된 주파수 대역의 신호를 차단시키는 단계, 및 상기 출력된 비교신호에 의해 DC-DC 컨버터를 조절하는 단계를 포함하는 태양광 발전 시스템 제어방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지 패널과 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거할 수 있어 태양전지의 출력 효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 더불어 태양광 발전 시스템의 출력 전력의 품질을 높일 수 있고 태양전지의 수명을 늘릴 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템(100)은, 태양전지 패널(110), DC-DC 컨버터(120), 비교부(130), 노치필터(140), 제어부(150)를 포함할 수 있다.
상기 태양전지 패널(110)은, 광발전 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 본 실시형태에서 상기 태양전지 패널(110)은 태양광을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있는 태양전지 모듈의 조합으로 형성될 수 있다. 상기 태양광 발전 시스템에서 원하는 용량의 출력을 얻기 위해서 다수의 태양전지 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결하여 사용할 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터(120)는, 상기 태양전지 패널(110)에서 출력되는 전압을 승압하여 출력할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 DC-DC 컨버터는 부스트 컨버터가 사용될 수 있다.
본 실시형태에서는 상기 DC-DC 컨버터(120)에 DC-AC 컨버터(160)가 연결될 수 있다. 상기 DC-AC 컨버터(160)는 상기 승압된 직류 전압을 교류 전압으로 바꾸어 로드(170)에 제공할 수 있다.
상기 비교부(130)는, 상기 태양전지 패널(110)에 연결되며, 상기 태양전지 패널의 출력 전압과 기설정된 태양전지 패널 기준전압(Vpv *) 의 차이를 출력할 수 있다. 상기 태양전지 패널의 출력 전압은, 여러가지 주변 환경에 따라 수시로 변경될 수 있다.
상기 기설정된 태양전지 패널의 기준 전압(Vpv *)을 구하기 위해서 상기 태양전지 패널(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 기초로 태양전지 패널의 출력 전력을 계산하여 최대 전력점을 추출하고, 그 최대 전력점에서의 출력전압 및 출력 전류를 찾아낼 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점에서의 출력전압이 상기 기설정된 태양전지 패널 기준전압(Vpv *)이 될 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점을 추출하는 방법으로는 인크리멘털 컨덕턴스(Incremental Conductance) 방식이 사용될 수 있다.
상기 제어부(150)는, 상기 비교부(130)의 출력신호에 의해 상기 DC-DC 컨버터를 제어할 수 있다. 상기 제어부(150)에서는 상기 비교부(130)에서 출력되는 신호에 따라 상기 DC-DC 컨버터(120)로 입력되는 제어 신호의 듀티비를 조절할 수 있다.
상기 노치필터(140)는, 상기 비교부(130)의 출력신호에서 상기 태양전지 패널과 상기 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
본 실시형태에서는 상기 비교부(130)와 제어부(150) 사이에 상기 노치필 터(140)가 형성되었으나, 상기 노치필터의 위치는 상기 비교부(130)에서 출력되는 신호에서 노이즈 성분을 제거할 수 있는 한 다양하게 변화될 수 있다. 즉, 노치필터(140)는 상기 제어부(150)와 DC-DC 컨버터(120) 사이에 위치할 수도 있다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템의 구성 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템(200)은, 태양전지 패널(210), DC-DC 컨버터(220), 비교부(230), 노치필터(240), 제어부(250)를 포함할 수 있다.
상기 태양전지 패널(210)은, 광발전 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 본 실시형태에서 상기 태양전지 패널(110)은 태양광을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있는 태양전지 모듈의 조합으로 형성될 수 있다. 원하는 용량의 출력을 얻기 위해서 다수의 태양전지 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결하여 사용할 수 있다.
본 실시형태에서 상기 태양전지 패널(210)은, 전류원(IS), 다이오드(D1), 및 저항(RS)으로 표현될 수 있다. 상기 태양전지 패널(210)을 전압원을 포함하는 등가회로로 표현하는 경우에는 상기 태양전지 패널(210)과 DC-DC 컨버터(220) 사이에 발생되는 노이즈 성분을 제대로 표현하기가 어려운 문제점이 있다. 본 실시형태에서는 상기 태양전지 패널(210)의 등가회로를 전류원(Is)을 포함하는 형태로 표현하 고 이에 기초하여 상기 태양광 발전 시스템을 제어함으로서, 상기 태양전지 패널(210)과 DC-DC 컨버터(220) 사이에 발생되는 특정 주파수 성분에 대해 명확히 표현할 수 있다. 즉, 상기 태양전지는 포토 다이오드의 일종으로 빛을 받으면 일정량의 전류를 발생시키므로 상기 전류원으로 모델링하는 것이 물리적인 구조를 더 잘 반영한 모델일 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터(220)는, 상기 태양전지 패널(210)에서 출력되는 전압을 승압하여 출력할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 DC-DC 컨버터는 부스트 컨버터가 사용될 수 있다. 상기 DC-DC 컨버터(220)는 리액터(L), 반도체 스위치(T), 다이오드(D2)를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 DC-DC 컨버터(220)의 내부에는 캐패시터 성분(C2)이 발생될 수 있다.
상기 태양전지 패널(210)이 전류원이므로 상기 태양전지 패널의 출력을 전압을 변화시키는 DC-DC 컨버터(220)의 입력으로 사용하기 위해서 상기 태양전지 패널(210)과 DC-DC 컨버터(220) 사이에 캐패시터(C1)가 형성될 수 있다. 상기 태양전지 패널(210)과 DC-DC 컨버터(220)를 연결하면 상기 캐패시터(C1)와 DC-DC 컨버터의 리액터(L) 사이의 공진 노이즈가 발생될 수 있으므로 상기 노이즈 성분을 제거할 필요가 있다.
상기 비교부(230)는, 상기 태양전지 패널(210)에 연결되며, 상기 태양전지 패널의 출력 전압과 기설정된 태양전지 패널 기준전압의 차이를 출력할 수 있다.
상기 기설정된 태양전지 패널의 기준 전압(Vpv *)을 구하기 위해서 상기 태양전지 패널(210)의 출력 전압 및 출력 전류를 기초로 태양전지 패널의 출력 전력을 계산하여 최대 전력점을 추출하고, 그 최대 전력점에서의 출력전압 및 출력 전류를 찾아낼 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점에서의 출력전압이 상기 기설정된 태양전지 패널 기준전압(Vpv *)이 될 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점을 추출하는 방법으로는 인크리멘털 컨덕턴스(Incremental Conductance) 방식이 이용될 수 있다.
상기 제어부(250)는, 상기 비교부(230)의 출력신호에 의해 상기 DC-DC 컨버터를 제어할 수 있다. 상기 제어부(250)에서는 상기 비교부(230)에서 출력되는 신호에 따라 상기 DC-DC 컨버터(220)로 입력되는 제어 신호의 듀티비를 조절할 수 있다.
상기 노치필터(240)는, 상기 비교부(230)의 출력신호에서 상기 태양전지 패널과 상기 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
본 실시형태에서는 상기 태양전지 패널(210)과 DC-DC 컨버터(220) 사이의 캐패시터 성분때문에 공진 노이즈 성분이 발생될 수 있다. 이러한 노이즈 성분은 특정 주파수 성분에 포함되어 있으므로 상기 특정 주파수 성분을 차단하면 상기 노이 즈 성분이 상기 DC-DC 컨버터에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 본 실시형태에는 특정 주파수 대역의 신호를 차단시키는 노치필터를 사용함으로서 상기 태양전지 패널(210)과 DC-DC 컨버터(220) 사이에서 발생된 노이즈 성분이 다시 상기 DC-DC 컨버터로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템의 제어방법은, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지 패널 및 상기 태양전지 패널에서 출력되는 전압을 승압시키는 DC-DC 컨버터를 포함하는 태양광 발전 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 태양전지 패널에서 출력되는 최대 전력으로부터 태양전지 패널 기준 전압을 추출하는 제1 단계(310)와, 상기 태양전지 패널 기준전압과 상기 태양전지 패널의 실제 출력 전압의 차이인 비교신호를 출력하는 제2 단계(330)와, 상기 출력된 비교신호에 의해 DC-DC 컨버터를 조절하는 제3 단계(350), 및 상기 출력된 비교신호에서 기설정된 주파수 대역의 신호를 차단시키는 제4 단계(340)를 포함할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 DC-DC 컨버터는 시스템 함수(G(s))로 표현될 수 있다. 본 실시형태에서 상기 시스템 함수는 출력단 전압이 일정할 때 듀티비에 따른 입력단의 전압을 나타낼 수 있다. 본 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템에서 상기 DC-DC 컨버터의 출력단 전압은 인버터 컨트롤에 의해 일정하게 유지된다고 가정하고 태양전지 패널의 출력을 조절하기 위해 상기 태양전지 패널의 양단에 걸리는 전압을 제어할 수 있다.
상기 제1 단계(310)에서는, 상기 태양전지 패널의 기준 전압(Vpv *)을 구하기 위해서 상기 태양전지 패널의 출력 전압 및 출력 전류를 기초로 태양전지 패널의 출력 전력을 계산하여 최대 전력점을 추출하고, 그 최대 전력점에서의 출력전압 및 출력 전류를 찾아낼 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점에서의 출력전압이 상기 기설정된 태양전지 패널 기준전압(Vpv *)이 될 수 있다. 이 때, 상기 최대 전력점을 추출하는 방법으로는 인크리멘털 컨덕턴스(Incremental Conductance) 방식이 이용될 수 있다.
상기 제2 단계(330)는, 상기 태양전지 패널 기준전압(Vpv *)과 상기 태양전지 패널의 실제 출력 전압의 차이인 비교신호를 출력할 수 있다. 여기서, 상기 태양전지 패널의 실제 출력 전압은, 여러가지 주변 환경에 따라 수시로 변경될 수 있다. 이처럼 실제 출력 전압이 일정하지 않으므로 출력전압이 변함에 따라 출력전압을 피드백 받아 제어함으로서 시스템에서 출력되는 전압을 일정하게 유지할 수 있다.
상기 제3 단계(350)에서는, 상기 제2 단계(330)를 거쳐 출력되는 비교신호에 의해 DC-DC 컨버터를 제어할 수 있다. 본 단계에서는 상기 비교신호에 따라 상기 DC-DC 컨버터로 입력되는 신호의 듀티비를 조절할 수 있다. 본 실시형태에서는 본 단계에서 지연 보상 제어기(lag compensator control)를 사용할 수 있다.
상기 제4 단계(340)는, 노치 필터의 특성을 이용하여 상기 태양전지 패널과 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 노이즈 성분이 포함된 특정 주파수 대역을 차단시킬 수 있다. 본 실시형태에서는 노치 필터의 특성을 전달함수 H(S)로 나타낼 수 있다. 이러한 전달함수 특성을 갖는 노치필터를 사용하면, 차단주파수(ωn)를 기준으로 일정 대역의 주파수 성분이 차단될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d 는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 태양광 발전 시스템을 종래 기술에 따른 태양광 발전 시스템과 비교하기 위한 비교예이다.
도 4a는, 상기 노치필터를 사용하지 않았을 때의 태양전지에서의 출력 전압을 나타내는 그래프이며, 도 4b는 노치필터를 사용하지 않았을 때의 태양전지에서의 출력 전력 및 상기 태양광 발전 시스템의 출력 전력을 나타내는 그래프이다.
도 4c는, 상기 노치필터를 사용한 경우의 태양전지에서의 출력 전압을 나타내는 그래프이며, 도 4d는 노치필터를 사용한 경우의 태양전지에서의 출력 전력 및 상기 태양광 발전 시스템의 출력 전력을 나타내는 그래프이다.
본 실시예에서는 상기 도 3에 기재된 시스템에서 노치필터의 전달함수에서 K = 1, β = 1, ω/Q = 20 으로 하였으며, 차단 주파수(ωn) 는
Figure 112009031266876-pat00001
으로 하 였고, L = 0.026H, C1 = 1100 ㎌ 으로 하였으며, 태양전지 패널의 용량은 3 kW 로 하였다.
상기 도 4a 내지 도 4d 를 참조하면, 노치필터를 사용하지 않은 경우에 태양전지에서의 출력전압(①)에 비해 노치필터를 사용한 경우의 태양전지에서의 출력전압(①')이 노이즈가 제거된 것을 볼 수 있다.
또한, 노치필터를 사용한 경우의 태양전지에서의 출력전력(②')은 노치필터를 사용하지 않은 경우의 태양전지에서의 출력 전력(②)에 비해 노이즈도 제거되고 약 0.017 kW 증가된 것을 볼 수 있다. 노치필터를 사용한 경우의 태양광 발전 시스템의 출력 전력(③')은 노치필터를 사용하지 않은 경우의 태양광 발전 시스템의 출력 전력(③)에 비해 약 0.025 kW 향상되었으며 보다 안정화된 출력을 내는것을 볼 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다. 즉, 본 명세서에 기재된 태양전지 패널의 형태, 컨버터의 회로 구성, 노치필터의 배치 등은 다양하게 변형이 가능할 것이다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 발전 시스템 제어방법을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 4a 내지 도 4d 는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 태양광 발전 시스템과 종래기술에 따른 태양광 발전 시스템의 효과를 비교하기 위한 비교 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
110 : 태양전지 패널 120 : DC-DC 컨버터
130 : 비교부 140 : 노치필터
150 : 제어부 160 : DC-AC 컨버터
170 : 로드(load)

Claims (6)

  1. 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지 패널;
    상기 태양전지 패널의 출력 전압을 입력받아 승압하는 DC-DC 컨버터;
    상기 태양전지 패널에 연결되며, 상기 태양전지 패널의 출력 전압과 기설정된 태양전지 패널 기준전압의 차이를 출력하는 비교부;
    상기 비교부의 출력신호에 의해 상기 DC-DC 컨버터를 제어하는 제어부; 및
    상기 비교부와 상기 DC-DC 컨버터 사이에 연결되어 상기 태양전지 패널과 상기 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 공진 노이즈 성분을 제거하는 필터
    를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    부스트 컨버터인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터는,
    기설정된 주파수 대역을 차단시키는 노치필터
    인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 비교부와 상기 제어부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 제어부와 상기 DC-DC 컨버터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  6. 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지 패널 및 상기 태양전지 패널에서 출력되는 전압을 승압시키는 DC-DC 컨버터를 포함하는 태양광 발전 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 태양전지 패널에서 출력되는 최대 전력으로부터 태양전지 패널 기준 전압을 추출하는 단계;
    상기 태양전지 패널 기준전압과 상기 태양전지 패널의 실제 출력 전압의 차이인 비교신호를 출력하는 단계;
    상기 출력된 비교신호에서 기설정된 주파수 대역의 신호를 차단시키는 단계; 및
    상기 출력된 비교신호에 의해 상기 DC-DC 컨버터를 조절하는 단계
    를 포함하며,
    상기 기설정된 주파수 대역은 상기 태양전지 패널과 상기 DC-DC 컨버터 사이에서 발생되는 공진 노이즈 성분이 포함되는 주파수 대역인 태양광 발전 시스템 제어방법.
KR1020090045530A 2009-05-25 2009-05-25 태양광 발전 시스템 및 그 제어방법 KR101065247B1 (ko)

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