듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이의 제어방법{Photovoltaic power generating system with dual inverters and method for controlling thereof}

본 발명은 태양광발전 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

태양광발전은 다른 발전에 비해 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 청정에너지로써, 연료의 수송 및 발전설비의 유지관리가 거의 불필요하며 장치의 수명이 길고 설비 규모의 선택과 설치공사가 쉬운 장점이 있으며, 지구 온난화와 일본 원전 사고로 기존 화석에너지 및 원자력 에너지에 대한 불안감이 커짐으로 인하여, 안전하고 친환경적인 신재생 에너지에 대한 관심이 증폭되고 있는 상황에서 태양광 산업의 엄청난 경제적인 파급효과와 고부가가치의 창출이 전망되고 있다.

태양광발전 시스템(photovoltaic power generating system)은 광기전력 효과를 이용한 태양전지를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 부하에 적합한 전력을 공급하기 위하여 구성된 장치 및 이들에 부속되는 장치의 총체를 일컷는다.

태양광발전 시스템은 일반적으로 운용 방식에 따라 독립형과 계통연계형 태양광발전 시스템으로 구분되며, 독립형 태양광발전 시스템은 상용 전원이 없는 고립지역 즉, 도서지역, 산간벽지 등 계통전원 공급이 어려운 지역에 전력을 전력을 공급하기 위하여 사용되며, 일반적으로 태양전지 모듈, 충전조절기, 인버터, 축전지로 구성된다.

도1의 일반적인 독립형 태양광발전 시스템은 입사되는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 다수의 태양전지 모듈로 이루어지는 태양전지 어레이; 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 축전기에 저장하도록 하는 충전조절기; 충전조절기로부터 출력되는 전기 에너지를 저장하는 축전지; 상기 충전지로부터 직류전기 에너지를 교류로 변환하여 부하에 공급하는 인버터; 상기 충전 조절기와 인버터를 제어하는 제어부로 구성된다.

위와 같은 일반적인 태양광발전 시스템에 있어서는 태양광의 세기가 날씨 및 시간대에 따라 변동되어 부하에 일정한 전력을 공급할 수 없는 한계로 인하여 태양전지 어레이로부터의 전기 에너지를 직접 부하에 공급하지 않고 축전지에 충전한 뒤 이를 부하에서 필요로 하는 교류로 변환하여 공급하는 방식을 채택하고 있다.

이와 같이 종래의 태양광 발전 시스템은 축전지를 사용하여 부하에 안정된 전력 공급을 할 수 있도록 설계되었지만, 실질적으로 태양광의 세기가 불규칙적으로 계속 변하게 되면 축전지가 동작점(충전 및 방전의 기준 전압)을 기준으로 충전 및 방전을 반복하므로 축전지의 수명을 단축시키며 이에 따라, 안정적인 전원을 부하에 공급할 수 없게 되어 부하까지 손상시키는 문제점이 있다. 나아가, 인버터 등 태양광발전 시스템의 구성의 전부 또는 일부의 성능이 열화되어 전체 시스템 또는 구성의 사용수명이 짧아지는 문제점이 있어왔다.

또한, 하기 특허문헌 "태양광발전용 전력조절기의 제어장치 및 제어방법"과 같이, 부하로 전력공급을 하는 태양전지와 축전지의 전압을 실시간으로 체크함으로써 과충전 및 과방전으로 인한 축전지 및 부하의 손상을 방지하는 안정성을 제공하여 축전지의 수명단축과 안정적인 전원의 공급을 목적으로 하는 기술이 있으나, 이 역시 일시적이 과도한 태양광이 입사되는 경우 또는 축전지의 측면에서 과충전 및 과방전이 이루어지는 비정상적인 상황에 의한 축전지 및 부하의 손상을 방지하는 구성을 가질 뿐이며, 정상적인 작동상황에서의 상술한 축전지의 수명이 단축되는 문제 또는 안정적이지 않은 전원을 공급하게 되는 문제를 여전히 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여 독립형 태양광발전 시스템의 충/방전의 반복으로 인한 축전지의 수명단축의 문제를 해결하고, 부하에 안정적인 전원을 공급하며, 나아가 태양광발전 시스템의 성능수명을 연장시키는 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템에 관한 것으로, 입사되는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 하나 이상의 태양전지 모듈로 이루어지는 태양전지 어레이(10); 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 축전지에 저장하도록 출력하는 충전컨트롤러(20); 상기 충전컨트롤러에 연결되어 충전컨트롤러로부터 출력되는 전기 에너지를 저장하는 축전지를 포함하는 축전지부(30); 상기 충전컨트롤러에 연결되어 상기 충전컨트롤러로부터 전기 에너지를 공급받아 사전 설정된 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제1 인버터(40); 상기 축전지부에 연결되어 상기 축전지로부터 전기 에너지를 공급받아 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제2 인버터(50); 및 상기 충전컨트롤러, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어하는 데이터 컨트롤 유닛(60)을 포함하여, 상기 데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 변환된 교류 전력 중 하나 이상을 선택적으로 부하에 제공하는 되도록 상기 충전컨트롤러, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 부하의 소비전력 상태를 측정하여 상기 부하의 소비전력이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지 이상인 경우 상기 제1 인버터의 가동이 정지하고 상기 제2 인버터가 가동되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직하게는, 상기 데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 부하의 소비전력 상태를 측정하여 상기 부하의 소비전력이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지 미만인 경우 상기 제2 인버터를 정지하고 상기 제1 인버터가 가동되도록 제어한다.

여기서, 상기 데이터 컨트롤 유닛(60)은 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지와 상기 부하의 소비전력의 차이인 잉여전력(PS-PL)이 상기 축전지부에 충전되도록 상기 충전컨트롤러를 제어하는 것이 바람직하다.

아울러, 바람직하게는, 상기 부하의 소비전력 상태를 측정하여 무부하 상태로 판단되면 상기 데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 제1 인버터 및 제2 인버터가 정지되도록 제어한다.

또한, 상기 데이터 컨트롤 유닛(60)은, 상기 충전컨트롤러로부터 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지에 관한 정보를 포함하는 발전상태정보를 취득하고 상기 충전컨트롤러로 제어명령을 전송하는 통신부(61); 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동을 제어하는 인버터 작동 제어부(62); 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 변환된 교류 전력 중 하나 이상을 부하에 제공하도록 제어되는 교류 전원 공급부(63); 상기 발전상태정보를 해석하여 인버터 작동 제어부 및 교류 전원부의 동작을 제어하고 상기 제어명령을 생성하여 상기 통신부를 통하여 충전컨트롤러로 전송하도록 제어하여 충전컨트롤러를 제어하는 마이크로 컨트롤러(64); 및 부하에서 소비되는 소비전력의 연산에 필요한 부하에 공급되는 전류 및 전압을 검출하여 상기 마이크로 컨트롤러(64)에 전달하는 소비전력상태측정부(65)를 포함하여, 마이크로 컨트롤러(64)는 상기 측정된 전류 및 전압으로부터 연산되는 소비전력에 기초하여 소비전력상태를 결정하고, 상기 발전상태정보에 포함된 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지와 상기 소비전력상태에 따라 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어하도록 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 인버터 작동 제어부(62)는 상기 마이크로 컨트롤러(64)의 제어에 따라 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로 공급되는 직류전력을 온(on) 또는 오프(off)로 제어하는 릴레이 회로를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또 다른 측면에서 본 발명은 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지인 태양광 어레이 출력 전력을 측정하는 태양광 어레이 출력전력 모니터링 단계(S10); 상기 태양광발전 시스템에 연결된 부하의 소비 전력을 측정하여 이에 따라 부하의 소비 전력 상태를 판단하는 소비 전력 상태 모니터링 단계(S20); 상기 측정된 태양광어레이 출력전력과 소비전력 상태에 기초하여, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동과 상기 축전지부의 전기 에너지의 충전/방전을 제어하는 듀얼 인버터 및 축전지 충전/방전 제어 단계(S30); 및 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 하나 이상으로부터 출력되는 교류 전력을 부하에 공급하는 부하 전력 공급 제어단계(S40);를 포함하여 수행된다.

여기서, 상기 듀얼 인버터 및 축전지 충전/방전 제어 단계(S30)에 있어 상기 부하의 소비전력이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지 미만인 경우 상기 제2 인버터의 가동이 정지하고 상기 제1 인버터가 가동되도록 제어하는 것이 바람직하며, 상기 듀얼 인버터 및 축전지 충전/방전 제어 단계(S30)는 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지와 상기 부하의 소비전력의 차이인 잉여전력(PS-PL)이 상기 축전지부에 충전되도록 제어하는 것이 더욱 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 충/방전의 반복으로 인한 독립형 태양광발전 시스템의 축전지의 수명단축의 문제를 해결하여 축전지의 사용수명을 연장할 수 있으며, 안정적인 전원의 공급이 가능하고, 인버터 등 각 구성의 사용수명이 연장되어 성능수명이 연장된 독립형 태양광발전 시스템의 제공이 가능해 진다.

구체적으로는, 부하의 소비전력 상태에 따라 능동적으로 축전지의 전력공급과는 독립된 축전지와 연결된 인버터와는 별도의 인버터를 적용하여 함께 제어함으로써 축전지에 연결된 인버터의 작동 및 이에 따른 축전지의 충전/방전의 횟수를 줄임으로써 축전지의 사용수명과 안정적인 전원의 공급이 가능해지는 효과가 있다.

도1은 종래의 독립형 태양광발전 시스템의 개략적인 구성도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 기능 블록도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 통신부의 구현 회로도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 인버터 작동제어부의 구현 회로도이다.
도6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 소비전력상태측정부의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 구현 회로도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 인버터 작동제어 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도8은 본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법의 흐름도이다.
도9은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 상세 제어 흐름도이다.
도10는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 태양전지 어레이의 구성예이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시예에 기초하여 설명한다.

이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

<듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템>

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 구성도이다.

도2를 참조하여, 실시예를 통하여 본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템을 설명한다.

본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템은 입사되는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 하나 이상의 태양전지 모듈로 이루어지는 태양전지 어레이(10), 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 축전지에 저장하도록 출력하는 충전컨트롤러(20), 상기 충전컨트롤러에 연결되어 충전컨트롤러로부터 출력되는 전기 에너지를 저장하는 축전지를 포함하는 축전지부(30), 상기 충전컨트롤러에 연결되어 상기 충전컨트롤러로부터 전기 에너지를 공급받아 사전 설정된 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제1 인버터(40), 상기 축전지부에 연결되어 상기 축전지로부터 전기 에너지를 공급받아 교류 전력으로 변환하여 출력하는 제2 인버터(50), 및 상기 충전컨트롤러, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어하는 데이터 컨트롤 유닛(60)을 포함하여 구성된다.

태양전지 어레이(10)는 입사되는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 하나 이상의 태양전지 모듈로 이루어지며, 다수의 태양광 모듈이 직/병렬 형태로 연결되어 요구되는 출력인 생산전력을 출력하는 태양전지 어레이가 구성된다.

도10은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 태양전지 어레이의 구성예로서, 도10의 태양전지 어레이의 경우에는 생산전력의 태양광 모듈이 직렬로 2개 병렬로 2개 총 4개의 태양광 모듈로 구성되어, 도10에서와 같이, 최대 생산전력은 Pmax(최대전력)= 15.86A x 60.6v = 961watt 로서 대략 1kw 급 태양전지 어레이가 구성된 경우이다.

충전컨트롤러(20)는 기본적으로 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 축전지에 저장하도록 축전지부(30)으로 출력하는 기능을 수행하며, 데이터 컨트롤 유닛(60)의 제어 명령에 따라, 하기 제1 인버터로 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 전부 출력하고 축전지부(30)로의 전기 에너지의 공급을 차단하거나, 축전지부(30)로의 전기 에너지의 공급을 차단하지 않고 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지의 일부 즉, 부하에서 소요되는 전력을 제1 인버터로 출력하고 남은 전력을 축전지부(30)로 공급하여 축전지에 저장할 수 있도록 제어된다.

상기 충전컨트롤러로는 데이터 컨트롤 유닛(60)의 작동제어의 기초가 되는 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지에 관한 정보를 포함하는 발전상태정보를 취득하여 데이터 컨트롤 유닛(60)으로 전송한다.

충전컨트롤러(20)에서 취득되어 데이터 컨트롤 유닛(60)으로 제공되는 발전상태정보는 태양광전지 어레이의 발전 전압 및 태양광전지 어레이의 발전 전류를 기본적으로 포함하며, 현재 상태의 축전지 전압(축전지 전압), 현재 축전지에 제공되는 전압(충전전압), 현재 축전지에 제공되는 전류(충전 전류), 축전지 온도, 충전컨트롤러의 방열판온도, 현재 태양전지 어레이에서 생산되는 전력의 소비전력(소비전력), PWM duty (축전지 충전이 PWM으로 행하여 지는 경우) 등의 정보를 포함할 수 있다.

또한, 과전압감지 회로(미도시)를 구비하여, 운전중 과도한 태양광이 입사되는 경우 즉, 기후의 변화로 적운층(cumulus cloud)구름이 형성될 때는 구름에 의한 태양빛의 산란효과로 일시적으로 태양광의 강도가 최대 1400watt/ 에 이르는 순간 등에 충전컨트롤러에서 전압을 감지하고 전류의 인입을 차단하여 전체시스템을 보호하도록 구성되는 것이 바람직하다.

아울러, 충전컨트롤러(20)는 축전지부에 전력을 공급할 때 일정한 정수 전압을 공급하지 않고 펄스 형태로 전압을 공급하여 그 충전되는 전력을 제한하는 것이 가능한 방식 즉, 축전지의 만 충전 지점에 이를수록 공급되는 펄스폭(듀티비)을 줄여서 과충전이 되지않도록 축전지를 보호하면서 충전이 이루어지도록 제어 가능한 PWM(Pulse width Modulation)방식으로 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 축전지에 저장하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, MPPT 충전방식 즉, 최대전력추적방식으로 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지를 축전지에 저장하도록 구성될 수 있다. MPPT 충전방식은 ON/OFF방식이나 PWM방식과 달리, 태양전지에서 발생하는 전기의 전압과 축전지의 전압을 매치시켜 최대한의 충전효율을 얻어내는 방법이다.

나아가, 상술한, (1) 과전압, 과전류 방지 및 보호기능뿐만 아니라, 사용환경 등 요구사항에 따라, (2) 역전류 방지기능(해가 비치지 않는 흐린 날이나 야간에는 축전지 전압이 태양전지에서 발생되는 전압보다 높기 때문에 전기가 축전지에서 태양전지로 흘러 축전지가 방전된다. 이것을 방지하기 위하여 블로킹 다이오드(Blocking diode) 등을 직렬로 연결하여 전기가 항상 태양전지 어레이에서 축전지로만 흐르도록 한다.) (3) 과충전, 과방전(LVD:Low Voltage disconnection) 보호기능(즉, 축전지가 과충전되어 축전지 전압이 과도하게 높아지면 축전지 내부 전해질 속의 물이 산소와 수소로 분해되어 가스가 발생하게 되고 이 과정에서 증류수가 줄어들어 축전지가 폭발할 가능성이 있거나 축전지가 열화 되어 수명이 급속히 단축된다. 따라서 축전지의 충전전압이 일정한 전압에 도달하면 전류의 흐름을 차단시켜 과충전현상이 일어나지 않도록 한다. 또한 축전지의 특성상 기준 전압 이하로 소모되면 축전지의 수명이 단축되므로. 과방전방지기능(LVD기능)을 추가하여 축전지의 전압이 일정 전압 이하로 떨어지면 출력회로를 차단하고 다시 일정전압 이상으로 충전되었을 때 출력 전류의 흐름을 연결시켜 준다.) (4) 과부하 보호기능(즉, 충전컨트롤러는 일정 전류이상이 흐르면 데이터 컨트롤 유닛과의 통신을 통해 인버터 또는 축전지로 흐르는 전류를 차단한다.) (5) 밤과 낮의 구분동작(야간인식) 기능 (6) 축전지 상태 표시기능(led) (7) RS-232C 를 이용한 상태 데이터 전송기능 (8) 온도보상 기능(표준온도보다 편차가 1 도 차이 날 때마다 0.05V 를 보상) 기능의 하나 이상을 포함하여 구현되는 것이 바람직하다.

축전지부(30)는 축전지를 포함하여 상기 충전컨트롤러에 연결되어 충전컨트롤러로부터 출력되는 전기 에너지를 저장하며, 충전컨트롤러에 의하여 충전이 제어되고, 후술하는 연결된 제2 인버터가 동작 제어됨에 따라, 제2 인버터가 가동되도록 제어되는 경우 저장된 전기 에너지를 부하 측으로 방전한다. 납축전지, 리튬이온 축전지 등 다양한 2차 전지가 사용될 수 있으며, 그 용량은 완충작용을 하고 지속적인 사용이 가능하도록 태양전지 어레이의 최대 출력보다 큰 예를들어, 1kw급 태양전지 어레이가 구성된 경우 3~4Kw급 용량의 축전지가 사용된다.

또한, 축전지부(30)은 데이터 컨트롤 유닛(60)으로 축전지부의 상태정보를 측정하여 데이터의 형태로 제공하도록 구현될 수 있다. 이 경우 데이터의 형태의 축전지부의 상태정보는 예컨데, 축전지를 구성하는 Battery Pack 전체전압(예시 : 26.12, 단위 : [V]), Battery Pack 충방전전류(예시 : -123.3, 단위 : [A]), 가장 높은 전압을 가진 셀의 전압(예시 : 3.738, 단위 [V]), 가장 낮은 전압을 가진 셀의 전압(예시 : 3.729 단위 : [V]), 가장 높은 Point 온도(예시 : 37.75,), 가장 낮은 Point의 온도(예시 : 34.03,), Battery Pack SOC(예시 : 0, 단위 : [%]),과충전(Over Voltage) Byte(0은 정상, 1은 과충전), 과충전 알람(Over Voltage_1) Byte(0은 정상, 1은 과충전), 충전알람(Under Voltage_1) Byte(0은 정상, 1은 충전알람), 과방전(Under Voltage_2) Byte(0은 정상, 1은 과방전), 전압편차(Voltage Gap) Byte(0은 정상, 1은 비정상), 과열(Over Temperature) Byte(0은 정상, 1은 과열), 과전류(Over Current) Byte(0은 정상, 1은 과전류), 시스템 상태 Byte(0은 정상, 1은 비정상) 등의 형태로 구현된다.

본 발명의 제1 인버터(40)는 상술한 도1의 종래 독립형 태양광발전 시스템과는 달리, 축전지를 경유하지 않고 충전컨트롤러에 연결되어 상기 충전컨트롤러로부터 전기 에너지를 공급받아 사전 설정된 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 제1 인버터의 작동 여부(가동 또는 정지)는 데이터 컨트롤 유닛에 의하여 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지와 부하의 소비전력상태에 기초하여 결정되며, 이에 따라 제어된다.

즉, 제1 인버터(40)는 부하가 연결되어 부하의 전력소모가 있고(무부하 상태가 아닌 경우), 측정된 부하의 소비전력(PL)이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지의 전력(PS) 이상인 경우에 가동이 정지되도록 제어되며, 이 경우 부하로의 전기 에너지의 공급은 축전지부로부터 이루어지며 제2 인버터가 가동된다. 무부하 상태의 경우 제1 인버터는 제2 인버터와 함께 작동이 정지하도록 제어된다.

한편, 측정된 부하의 소비전력(PL)이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지의 전력(PS) 미만인 경우에 제1 인버터가 가동되며, 잉여 전력(PS-PL)은 축전지에 충전되도록 충전컨트롤러가 제어된다.

제2 인버터(50)는 상기 축전지부에 연결되어 상기 축전지로부터 전기 에너지를 공급받아 교류 전력으로 변환하여 출력하며, 제1 인버터와 마찬가지로 제2 인버터의 작동 여부(가동 또는 정지)는 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지와 부하의 소비전력상태에 기초하여 결정되어 제어된다.

즉, 제2 인버터(50)는 부하가 연결되어 부하의 전력소모가 있고(무부하 상태가 아닌 경우), 측정된 부하의 소비전력(PL)이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지의 전력(PS) 미만인 경우에는 가동이 정지된다. 이 경우 부하로의 전기 에너지의 공급은 충전컨트롤러로부터 직접 이루어지며 제1 인버터가 가동된다. 무부하 상태의 경우 제2 인버터는 제1 인버터와 함께 작동이 정지하도록 제어된다.

제2 인버터의 가동은 축전지에 저장된 전기 에너지의 방전을 의미하고, 축전지에 저장된 전기 에너지의 사용이 필요한 경우 제2 인버터가 가동된다. 무부하 상태를 포함하는 제2 인버터의 작동의 정지시 축전지부의 축전지가 충전되도록 제어된다.

또한, 통상 축전지에 저장된 전기 에너지의 전력은 태양전지 어레이의 출력전력보다 큰 값을 가지며, 부하의 소비전력이 태양전지 어레이의 출력전력을 초과하여 축전지의 출력전력을 초과하는 경우 제1 인버터 및 제2 인버터 모두 가동하여, 일시적으로 또는 가능한 시간 범위에서 태양전지 어레이의 출력전력과 축전지에 저장된 전기 에너지를 동시에 부하에 제공하도록 제어되는 방식으로 구현될 수도 있다.

데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 충전컨트롤러, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어하며 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 변환된 교류 전력 중 하나 이상을 선택적으로 부하에 제공하는 되도록 상기 충전컨트롤러, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어하도록 구성된다.

상기 충전컨트롤러(20)에서 취득된 발전상태정보에 포함된 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지와 부하의 측정된 부하로 공급되는 전류 및 전압값으로부터 부하의 소비전력을 연산하여, 태양전지 어레이의 출력전력과 부하의 소비전력을 비교하여, 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어한다.

즉, 부하에서 소비되는 소비전력으로부터, 무부하 상태, 태양전지 어레이 출력전력 미만상태, 태양전지 어레이 출력전력 이상상태의 소비전력상태를 구분하여, 상기 소비전력상태에 따라 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작을 제어한다. 아울러, 축전지의 충전/방전을 제어하며, 이는 실시예에 따라 충전컨트롤러를 및/또는 제2 인버터의 제어를 통하여 구현된다.

또한, 실시예에 따라서는 축전지부를 직접제어하여 충전/방전을 제어할 수도 있다. 이에 따라, 축전지의 사용수명을 연장할 수 있으며, 안정적이고 효율적인 전원의 공급이 가능해지며, 에너지의 이용효율을 향상시키게 된다.

데이터 컨트롤 유닛(60)에서의 발전상태정보 및 소비전력상태에 따른 제1 인버터 및 제2 인버터의 제어방식의 구현예는 도9와 같다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 기능 블록도이며,도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 통신부의 구현 회로도, 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 인버터 작동제어부의 구현 회로도, 도6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 소비전력상태측정부의 동작원리를 설명하기 위한 도면, 도6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 구현 회로도, 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 컨트롤 유닛의 인버터 작동제어 조건을 설명하기 위한 도면이다

위 도3 내지 도7을 참조하여 데이터 컨트롤 유닛의 구체적인 구현예를 설명한다. 데이터 컨트롤 유닛은 물리적으로 구분된 구성이 아니라 기능에 따라 정의된 것으로, 실시예에 따라서는 데이터 컨트롤 유닛 각 기능블록의 일부는 충전컨트롤러(20) 및 축전지부(30)의 자체기능으로 구현되어 충전컨트롤러(20) 및 축전지부(30)를 구성하거나 별도의 회로 또는 기능부로 구현될 수도 있다.

도3을 참조하면, 데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 충전컨트롤러로부터 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지에 관한 정보를 포함하는 발전상태정보를 취득하고 상기 충전컨트롤러로 제어명령을 전송하는 통신부(61), 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동을 제어하는 인버터 작동 제어부(62), 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 변환된 교류 전력 중 하나 이상을 부하에 제공하도록 제어되는 교류 전원 공급부(63), 및 상기 발전상태정보를 해석하여 인버터 작동 제어부 및 교류 전원부의 동작을 제어하고 상기 제어명령을 생성하여 상기 통신부를 통하여 충전컨트롤러로 전송하도록 제어하는 마이크로 컨트롤러(64)로 구성된다.

또한, 부하의 접속 상태 및 부하에서 소비되는 소비전력을 측정하는 소비전력상태 측정하는 소비전력상태측정부(65)를 포함한다.

통신부(61)는 도4와 같은 회로로 구현되어 기본적으로, 충전컨트롤러로부터 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지에 관한 정보를 포함하는 발전상태정보를 데이터 또는 신호 형태로 수신하고 이를 마이크로 컨트롤러(64)로 전송하며, 상기 마이크로 컨트롤러(64)에서 생성된 제어명령을 충전컨트롤러로 전송하는 기능을 수행하며, 앞서 살핀 바와 같이, 축전지부의 상태정보 수신한다.

제1 인버터 및 제2 인버터의 작동을 제어하는 인버터 작동 제어부(62)는 마이크로 컨트롤러(64)에서 생성된 제어신호 형태의 제어명령에 따라, 각각에 연결된 릴레이 회로를 제어하여 제1 인버터 및 제2 인버터의 하나 이상의 상기 충전컨트롤러로 또는 축전지부로부터 공급되는 직류 전력을 온/오프시키는 도5와 같은 릴레이 구동 회로를 포함하여 구현될 수 있다.

실시예에 따라서는, 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동을 제어하는 인버터 작동 제어부(62)는 마이크로 컨트롤러(64)에서 생성된 제어신호 형태의 제어명령에 따라, 제1 인버터 및 제2 인버터의 하나 이상의 출력단의 전력 연결을 온/오프시키는 방식으로 구현될 수도 있다. 이 경우 출력단의 온/오프에 따라 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동이 교류 전력의 선택적 공급과 함께 제어된다.

상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 변환된 교류 전력 중 하나 이상을 부하에 제공하도록 제어되는 교류 전원 공급부(63)는 제1 인버터 및 제2 인버터의 변환된 교류 전력을 입력받아 마이크로 컨트롤러(64)에서 생성된 제어신호 형태의 제어명령에 따라, 부하에 교류 전력을 공급하며, 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동 즉, 제1 인버터로 상기 충전컨트롤러로에서 공급되는 직류 전력의 온/오프 및 제2 인버터로 상기 축전지부로부터 공급되는 직류 전력을 온/오프시키는 제어와 연동하여 동작하도록 구현된다.

실시예에 따라서는, 교류 전원 공급부(63)는 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 하나 이상으로부터 공급되는 교류 전력을 부하로 수동적으로 전달하는 단순한 전력인터페이스 형태로 구현될 수 있으며, 마이크로 컨트롤러(64)에 의하여 제어되어 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동과 연동하여 능동적으로 제1 인버터 및 제2 인버터의 하나 이상의 교류 전력을 선택하여 부하에 제공하는 다접점 AC 스위치의 형태로 구현될 수 있다.

한편, 제1 인버터 및 제2 인버터의 입력 또는 출력 전력의 온/오프 동작과 다접점 AC스위치의 온/오프 동작에 의한 부하에 공급되는 교류 전력의 절환은 필수적으로 시간적인 지연이 고려되어야 한다. 시간적 지연에 관하여 부가 설명하면 교류 전력의 경우 교류 전기는 전압의 극성(+, -)이 1초에 60회 정반대로 바뀌게 되며(60Hz) 또 하나의 특성으로 도 7a에서와 같이 AC220v/60Hz 의 교류 전력의 경우 시간의 변화에 따라 전압도 사인 곡선으로 변화한다. 도 7a의 부하시 즉, 교류전력을 소비하고 있을 때 가동중인 인버터의 출력 교류 전력을 차단하는 시간을 교류 전압이 0볼트 지나는 시점(제로 크로스포인트)에서 차단한다면 인버터에 전압이 존재하지 않는 시간에 전원을 차단하게 되므로 인버터에는 전기적으로 아무런 손상이 없게 되며 부하 차체에도 손상이 없게 된다. 또 다시 부하에 전원을 인가하는 시간을 교류 전압이 0볼트 지나는 시점 (제로 크로스포인트:Cross point) 스위치를 온 한다면 전압은 0볼트부터 서서히 증가하며(Soft start) 공급되게 되므로 부하에 초기 전력의 공급으로 부하에 주는 부담을 최소화할 수 있다.

만일 사용중인 기기를 동작상에 아무런 문제 없이 껐다가 다시 켜야 한다면 제로크로스에서 오프하고 곧바로 다음에 오는 제로크로스에서 켜야할 것이다. 도7b 의 AC220v/60Hz의 이상적인 전원 오프시간과 같이, 오프명령을 하달한 시간과 실제 전원이 오프되는 시간은 최대 반주기에 가까은 1/60초의 반인 1/120초 이내일 것이고 어떤 전압의 높이에서 오프명령이 내려질지 모르지만 8.33msec 이내에는 오프될 것이다.

또한, 전원 오프 명령을 하달한 후 8.33msec 이내에는 전원이 오프 될 것이고 최대 지연 시간 8.33msec 후에 다시 전원 온 명령을 하달하면 도7c의 AC220v/60Hz의 이상적인 전원 온시간과 같이, 역시 8.33msec 이내에 실제 전원이 온 될 것이다. 전원의 온,오프 전체 절환시간은 8.33msec + 8.33msec = 16.66msec 가 소요되며 AC 스위치 절환은 기기의 보호를 위하여 제로크로스를 적용한다. 따라서 AC전압의 변동이 60Hz 이므로 전압이 0볼트를 지나는 제로크로스 포인트에서 절환이 이루어진다. 따라서, 스위치 온 명령이 실행된 후 최대 1/60Hz 시간인 16.66msec 후에 절환이 행하여진다.

그러므로, 릴레이 작동회로 및/또는 다접점 AC 스위치에 의하여 부하에 교류 출력을 제공하는 인버터를 전환하는 경우(즉, 제1 인버터에서 출력되는 통한 교류전력을 공급하다 제2 인버터에서 출력되는 교류 전력을 공급하는 경우 및 그 반대의 경우) 오프될 인버터의 작동 정지 명령과 온 될 인버터의 가동 명령이 수행된 후 일정의 지연시간의 경과후 상술한 제로크로스 오프 상태에서 다접점 AC 스위치를 절환이 이루어지도록 제어되는 것이 바람직하다.

마이크로 컨트롤러(64)는 발전상태정보를 해석하여 인버터 작동 제어부 및 교류 전원부의 동작을 제어하고 상기 제어명령을 생성하여 상기 통신부를 통하여 충전컨트롤러로 전송하도록 제어하며, 상기 발전상태정보에 포함된 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지와 소비전력상태측정부(65)에서 제공되는 부하에서 소비되는 소비전력의 연산에 필요한 측정된 부하에 공급되는 전류 및 전압으로부터 연산되는 소비전력에 기초하여 소비전력상태를 결정하고 이에 따라, 제1 인버터 및 제2 인버터의 동작 및 축전지의 충전/방전을 제어한다. 소비전력상태는 무부하 상태, 태양전지 어레이 출력전력 미만상태, 태양전지 어레이 출력전력 이상상태로 구분될 수 있으며, 무부하 상태의 경우 소비전력이 0인 경우 또는 감지 가능한 최소 전력 예를 들어 1w미만인 경우를 무부하 상태로 판단할 수 있다.

소비전력상태측정부(65)는 부하에서 소비되는 소비전력의 연산에 필요한 부하에 공급되는 전류 및 전압을 검출하여 컨트롤러(64)에 전달하며, 전류의 측정은 도8의 CT(current transformer)를 사용하여 부하에 흐르는 유도전류를 취득한 다음 정류회로를 거쳐 특정로직에 의하여 변환하여 감지하는 방식이 상용되며, 도9에서와 같은 전압감지회로를 포함하여 구현되어 전압을 검출하여 마이크로 컨트롤러(64)에 전달한다. 실시예에 따라서는, 측정된 전류와 전압을 기초로 소비전력을 연산한 뒤 이를 마이크로 컨트롤러(64)에 전달하도록 구성될 수도 있다.

<듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법>

이하, 도면을 참조하여 상기 시스템의 실시예의 설명과 중복되지 않는 범위에서 본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법을 설명한다.

도8은 본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법의 흐름도이다.

도8을 참조하면 본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법은 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지인 태양광 어레이 출력 전력을 측정하여, 상기 측정된 태양광 어레이 출력 전력을 측정하는 태양광 어레이 출력전력 모니터링 단계(S10), 상기 태양광발전 시스템에 연결된 부하의 소비 전력을 측정하여 이에 따라 부하의 소비전력상태를 판단하는 소비 전력 상태 모니터링 단계(S20), 상기 측정된 태양광 어레이 출력전력과 소비전력상태에 기초하여, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동과 상기 축전지부의 전기 에너지의 충전/방전을 제어하는 듀얼 인버터 및 축전지 충전/방전 제어 단계(S30); 및 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 하나 이상으로부터 출력되는 교류 전력을 부하에 공급하는 부하 전력 공급 제어단계(S40)를 수행하며, 각 단계의 수행은 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 각 구성 및 이들의 유기적인 작동에 의하여 수행된다.

상기 듀얼 인버터 및 축전지 충전/방전 제어 단계(S30)에 있어 상기 부하의 소비전력이 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지 미만인 경우 상기 제2 인버터의 가동이 정지하고 상기 제1 인버터가 가동되도록 제어하며, 상기 듀얼 인버터 및 축전지 충전/방전 제어 단계(S30)는 태양전지 어레이에서 출력되는 전기 에너지와 상기 부하의 소비전력의 차이인 잉여전력(PS-PL)이 상기 축전지부에 충전되도록 제어하는 바람직하다.

도9은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어 흐름도로서, 본 발명의 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템의 제어방법의 일 실시예에 해당한다.

도9를 참조하면, 태양광 어레이의 출력 측정 과정은 충전컨트롤러(20)를 통하여 발전상태정보에 포함되어 데이터 컨트롤 유닛(60)에 전송되며, 데이터 컨트롤 유닛(60)은 상기 발전상태정보에 포함된 태양전지 어레이로부터 출력되는 전기 에너지의 출력전력(PS)와 측정되어 연산된 부하소비전력(PL)으로부터 소비전력상태를 판단하여, 무부하 상태인 경우 제1 인버터 및 제2 인버터의 작동을 정지하고, 충전컨트롤러를 제어하여 축전지에 전기 에너지를 공급하여 충전이 이루어지도록 제어한다.

소비전력 상태가 무부하 상태가 아닌 경우, 태양전지 어레이 출력전력(PS)와 부하 소비전력(PL)을 비교하여 부하소비전력(PL)이 태양전지어레이 출력전력(PS)이상인 경우 제1 인버터를 정지시키고, 제2 인버터를 가동하여 축전지에 저장된 전기 에너지가 방전되어 부하에 공급되로록 한다. 작동 중 소비전력상태가 태양전지어레이 출력전력이상으로 변경되는 경우에는 각 인버터의 작동 전환 및 충전/방전이 능동적으로 변환되도록 제어된다.

한편, 태양전지 어레이 출력전력(PS)와 부하 소비전력(PL)을 비교하여 부하소비전력(PL)이 태양전지어레이 출력전력(PS)미만인 경우 제2 인버터를 정지시키고, 제1 인버터를 가동하여 충전컨트롤러를 통하여 태양전지어레이의 출력전력이 직접 부하에 공급되도록 제어되며, 이 경우 잉여전력(PS-PL)은 축전지부에 전달되어 축전지의 충전에 사용되도록 충전컨트롤러가 제어된다. 작동 중 소비전력상태가 태양전지어레이 출력전력 미만으로 변경되는 경우에는 각 인버터의 작동 전환 및 충전/방전이 능동적으로 변환되도록 제어된다.

태양광발전 시스템의 작동 중 지속적으로 태양광 어레이의 출력측정, 부하소비전력측정 및 소비전력상태에 따른 상술한 제어는 동시 또는 순차적으로 수행되어, 태양광 어레이의 출력의 변화 및 부하의 소비전력 상태의 변화에 능동적으로 대응하도록 태양광발전 시스템이 제어될 수 있다.

10: 태양전지 어레이 20: 충전컨트롤러
30: 축전지부 40: 제1 인버터
50: 제2 인버터 60: 데이터 컨트롤 유닛