KR101305634B1

KR101305634B1 - 태양광 발전 장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101305634B1
Application number: KR1020120051694A
Authority: KR
Inventors: 타케시 우에마츠; ?스케 이나바; 김춘봉
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-09-09

Abstract

실시예에 따른 태양광 발전 장치는 태양전지; 상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터; 상기 카패시터의 출력단에 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및, 상기 카패시터로부터의 전압 또는 전류를 검출하고 일정 범위 이내로 전력을 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

태양광 발전 장치 및 그 제어방법{Photovoltaic power generation system and control method thereof}

본 발명은 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양광 발전시의 출력 전력을 제어하는 태양광 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장치 등 매우 다양하게 활용되고 있다.

이러한 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로서, 일반적인 태양전지는 전기에너지원과는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 기존의 전기에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정하게 동작한다. 또한 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력/출력 조건에서도 항상 안정한 장치으로 동작한다. 즉 선형 전압원을 가지는 전기에너지원을 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수 있다.

그러나 태양전지는 비선형소스로 구분되어, 태양전지로부터 생성되는 전력은 부하조건, 입사되는 태양광에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다. 이것은 태양전지에서 최대 전력을 추출함에 있어 제한요소로 작용할 수 있다.

본 발명은 직류전압을 검출하여 일정 범위를 벗어난 경우, 이를 제어함으로써 최대 전력 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

그리고 태양전지의 발전량이 변화하여도 인버터가 정상동작을 계속할 수 있어, 신뢰성이 향상될 수 있다.

본 발명에 따르면, 태양광을 이용하여 전력을 발생하는 태양광 발전 장치의 최대 전력 추종 기능을 구현하는 데 있어 태양전지의 발전량이 변화하여도 정상동작 범위내에서 인버터를 구동시킴으로서, 태양광 발전 장치에서 최대 전력을 출력할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 3은 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 장치는, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지(100), 상기 태양전지(100)의 출력단에 접속된 컨버터(200), 상기 컨버터(200)의 출력단에 접속된 카패시터(Cp), 상기 카패시터(Cp)의 출력단에 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터(300), 상기 인버터(300)의 출력단에 접속되고, 계통전압(Vgrid)을 검출할 수 있는 상용전원(400), 상기 카패시터(Cp)로부터의 전압 또는 전류를 검출하고 일정 범위 이내로 전력을 조절하여 상기 인버터(300)를 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있다.

상기에서 컨버터(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 인덕터(L), 반도체 스위치(Q) 및 다이오드(D)로 구성되어 있으며, 인덕터(L)는 태양전지(100)로부터의 전원의 전압 레벨을 승압하고, 스위치(Q)는 인버터(L)로부터의 승압된 전원을 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭한다. 스위치(Q)로부터의 스위칭된 전원은 다이오드(D)를 통해 정류된다.

상기 인버터(300)는 상기 PWM 발생부(540)로부터 인가되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 컨버터(200)에서 출력되는 전원을 상용전원(400)에서 요구되는 전원으로 변환하여 출력한다. 상기 인버터(300)로부터의 교류 전원은 가전 제품과 같은 전자 제품을 구동할 수 있는 상용 교류 전원일 수 있다.

도 3은 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성 그래프와 전력-전압 특성 그래프를 나타내며, 도 3을 참조하면, 태양 전지판으로부터의 전류-전압 특성은 전압이 증가되어도 전류가 일정하게 유지되다가, 특정 전압 이상이면 전류를 급격히 감소하게 된다. 이를 태양 전지판으로부터의 전력-전압 특성 그래프와 비교해보면, 전압의 증가에 따라 전력이 증가되고, 최대 전력점(Pmax) 이상에서는 전력이 급격히 감소하게 되는 특성이 발생한다.

일반적인 태양광 발전 장치에서, 환경 변화에 따라 태양전지의 발전량이 변화하는 경우에도, MPPT는 최대 전력을 유지하기 위한 추종 지령값을 바로 변경할 수는 없다. 이 때문에 발전량이 증가한 경우에 직류전압인 Vd는 상승하고, 발전량이 감소한 경우에 직류전압인 Vd는 저하된다. 이러한 직류전압 Vd의 변화는 컨버터(200)에 의해 억제되나 Cp가 대용량이기 때문에 그 변화량이 신속하게 반영되지 못하는 경우도 있다.

여기서 상기 Cp가 대용량인 이유는 수명이 존재하는 카패시터가 이용되기 때문이고, 인버터의 수명을 늘리기 위해서는 카패시터의 병렬 연결수를 늘릴 필요가 있기 때문이다.

상기 제어부(500)는 전압제한기(510), 비례계수 곱산기(520), MPPT(550), 감산기(530), PWM 발생부(540)를 포함한다.

상기 전압제한기(510)는 상기 카패시터(Cp)의 전압(Vd)을 검출하여 상기 전압(Vd)이 기준전압 이상의 과전압을 벗어나는 경우에는 이를 제한할 수 있다.

상기 전압제한기(510)를 통과한 신호는 상기 전압제한기(510)의 신호를 입력받아 비례계수(Kp)를 곱하는 비례계수 곱산기(520), 상기 비례계수 곱산기(520)를 통과한 전압과 MPPT(550)에서 출력되는 전력을 감산하는 감산기(530), 및 상기 감산기(530)에서 출력되는 신호를 상기 인버터(300)로 입력시키는 PWM 발생부(540)를 경유할 수 있다.

상기 신호의 흐름을 자세히 설명하면 하기와 같다. 우선 직류전압의 목표치 Vdref에 대해 일정 범위의 △Vd를 설정한다. 예를 들어, Vdref는 380V로 설정될 수 있고, △Vd는 30V로 설정될 수 있다.

상기 전압제한기(510)는 카패시터(Cp)의 전압(Vd)이 상한값인 Vdref+△Vd에 도달한 경우에 출력전압 지령치(또는 인버터 출력전류 지령치)는 상기 카패시터(Cp)의 전압(Vd)이 Vdref+△Vd에 도달하지 않은 경우의 출력인 Poref에 대해 Poref+Kp{Vd-(Vdref+△Vd)}를 새로운 목표값으로 설정한다.

동일하게, Vd가 하한값인 Vdref-△Vd에 도달한 경우에 출력전압 지령치(또는 인버터 출력전류 지령치)인 Poref에 대해 Poref+Kp{Vd-(Vdref-△Vd)}를 새로운 목표값으로 설정한다.

상기와 같이 Vd가 상한 또는 하한의 범위를 벗어난 경우에 새로운 목표값을 설정하여 PWM 발생부(540)로 출력하게 되고, 상기 PWM 발생부(540)는 이 신호를 수신하여 인버터(300)로 공급하게 된다. 이에 따라 전력이 조절될 수 있다.

도시하지는 않았으나 상기 PWM 발생부(540)와 연결되고 인버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.

상기 인버터(300)는 상기 PWM 발생부(540)로부터 인가되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 컨버터(200)에서 출력되는 전원을 새로운 목표치에 부합하는 전원으로 변환하여 출력한다.

상기 구성에 의해 MPPT의 추종 정밀도가 향상됨과 함께, 태양전지의 발전량이 변화하여도 인버터가 정상동작을 계속할 수 있게 된다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

태양전지;
상기 태양전지의 출력단에 접속된 컨버터;
상기 컨버터의 출력단에 접속된 카패시터;
상기 카패시터의 출력단에 접속되고, 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 및
상기 카패시터로부터의 전압 또는 전류를 검출하고 일정 범위 이내로 전력을 조절하여 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는,
전압제한기;
상기 전압제한기의 신호를 입력받아 비례계수(Kp)를 곱하는 비례계수 곱산기;
상기 비례계수 곱산기를 통과한 전압과 MPPT에서 출력되는 전력을 감산하는 감산기; 및
상기 감산기에서 출력되는 신호를 상기 인버터로 입력시키는 PWM 발생부;를 포함하는 태양광 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 인버터의 출력단에 접속되고, 계통전압을 검출할 수 있는 상용전원;을 포함하는 태양광 발전 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 PWM 발생부와 연결되고 상기 인버터를 구성하는 반도체 소자를 구동하는 게이트 드라이버;를 포함하는 태양광 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압제한기는 상기 카패시터의 전압(Vd)이 상한값인 Vdref+△Vd에 도달한 경우에 출력전압 지령치(또는 인버터 출력전류 지령치)는 상기 카패시터의 전압(Vd)이 Vdref+△Vd에 도달하지 않은 경우의 출력인 Poref에 대해 Poref+Kp{Vd-(Vdref+△Vd)}를 새로운 목표값으로 설정하는 태양광 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압제한기는 상기 카패시터의 전압(Vd)이 하한값인 Vdref-△Vd에 도달한 경우에 출력전압 지령치(또는 인버터 출력전류 지령치)인 Poref에 대해 Poref+Kp{Vd-(Vdref-△Vd)}를 새로운 목표값으로 설정하는 태양광 발전 장치.