2.1 기존의 태양광 전원의 운용 특성

일반적으로, 태양광 전원은 모듈을 직, 병렬로 조합하여 전체 시스템을 구성하고, 여러 개의 스트링이 하나의 3상 인버터에 연결되어 운용되고 있다. 그러나, 일부 태양광 모듈에 문제가 발생할 경우, 해당 스트링의 전압 및 전류의 불균형으로 인하여, 전체 태양광 전원의 출력이 감소할 수 있다^[8-10]. 또한, 태양광 모듈의 출력저하를 야기시키는 음영은 대표적으로 일시적인 음영과 설치 장소에 따른 음영으로 분류될 수 있다. 여기서, 일시적인 음영은 황사, 구름, 새의 배설물, 매연, 낙엽, 눈 등에 의해 간헐적으로 발생할 수 있고, 지역 또는 계절에 따라 상이하다. 또한, 설치장소에 따른 음영은 그림 1과 같이 건물 또는 안테나, 피뢰침, 지붕, 어레이 간격 등으로 인해 음영이 반복적으로 발생할 수 있는데, 이는 음영에 의해 발생하는 손실의 대부분을 차지한다.

한편, 태양광 전원은 모듈을 직렬로 연결한 스트링들이 인버터에 연계되어 있어, 음영 및 낮은 일사량에 의해 태양광 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 범위를 벗어나게 되면, 그림 2와 같이 인버터에서 탈락하는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 음영에 의한 태양광 전원용 인버터의 탈락을 방지하여, 운용 효율을 향상시킬 수 있는 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치를 제안한다.

2.2 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 구성

태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치는 그림 3과 같이 회로변경 장치부, 전압보상 장치부, 감시제어 장치부 등으로 구성한다. 여기서, section A는 회로변경 장치부로서 음영으로 인해 계통연계용 인버터가 탈락하는 경우, 음영이 발생하지 않은 정상 모듈을 연결하여 인버터 최소 동작전압 범위 이내로 스트링을 재구성하는 장치로서, 절체 스위치(magnetic contactor, MC)와 측정 센서, 통신기기 등으로 구성한다. 또한, section B는 리튬이온배터리와 충전기, 제어장치 등으로 구성된 전압보상 장치부로, 상기에서 남은 정상 모듈과 배터리를 투입하여 인버터 최소 동작전압 이상이 되도록 스트링을 구성하는 장치이다. 한편, section C는 프로그래머블 로직 컨트롤러(programmable logic controller, PLC)와 전압, 전류 센서 등으로 구성된 감시제어 장치부로, 센서를 통해 각 태양광 스트링과 모듈의 전압, 전류를 모니터링하고, 배터리관리시스템(battery management system, BMS)를 통해 리튬이온배터리의 잔존용량 (state of charge, SOC)를 실시간으로 수집하여, 회로변경 장치부와 전압보상 장치부를 제어하는 기능을 수행한다.

3.1 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 방안

태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치는 예비 동작모드, 주 동작모드로 구성되는데, 그림 4와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 4(a)는 태양광 스트링의 전압이 인버터의 동작범위 이내를 유지하여, 회로변경이나 전압보상을 하지 않는 예비(바이패스) 동작모드를 나타낸다. 즉, 태양광 모듈의 출력은 에너지 하베스팅 장치의 바이패스 회로를 통해 인버터 측으로 전달된다. 또한, 그림 4(b)는 음영으로 인해 태양광 스트링의 전압이 인버터 최소 동작전압을 벗어나는 경우, 회로변경 장치와 전압보상 장치를 이용하여 스트링의 전압을 보상시켜, 인버터의 탈락을 방지하는 주 동작모드를 나타낸다. 여기서, 회로변경 장치는 태양광 스트링의 전압이 인버터 최소 동작전압 이하로 감소하는 경우, 스트링에 속한 모듈의 전압을 측정하여 기준값 이하의 비정상 모듈은 MC를 통해 바이패스 회로로 연결하고, 기준값 이상의 정상 모듈을 직렬로 연결하여 인버터 최소 동작전압 이상인 정상 스트링으로 재구성한다. 또한, 전압보상 장치는 회로변경 장치를 실행한 후 나머지 정상 PV 모듈을 이용하여, 적정한 배터리 모듈을 투입하여 정상 스트링으로 재구성한다.

3.2 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘

상기에서 제시한 운용 방안을 바탕으로, 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘을 구체적으로 나타내면 다음과 같다.

[Step 1] 태양광 스트링의 수($N_{str}$)와 스트링의 최대 모듈 수($N_{str,\: \bmod }$), 인버터 최소 동작전압($V_{in v,\: \min }$) 등의 태양광 전원의 사양과 배터리 모듈의 정격전압($V_{bat}$), 개수($N_{bat}$), 최소 운용 SOC($SOC_{\min }$) 등의 에너지 하베스팅 장치의 사양을 상정한다. 또한, 태양광 스트링의 번호($s$), 모듈의 번호($m$), 배터리 모듈의 번호($b$), 등을 선정하고, 태양광 스트링의 전압($V_{str}(t,\: s)$)과 모듈의 전압($V_{\bmod }(t,\: s,\: m)$)를 산정한다.

[Step 2] 각 운용 시간대($t$)에 대하여, 정상적인 태양광 모듈의 전압의 합($V_{\sum ,\: \bmod }(t)$)을 0으로 초기화하고, $s$, $m$, $b$는 1로 설정한다.

[Step 3] 각 시간대에 대하여 $s$번째 태양광 스트링의 전압($V_{str}(t,\: s)$)이 인버터 최소 동작전압($V_{in v,\: \min }$)보다 작아서 해당 스트링이 탈락하는 경우에는 [Step 4]로 진행하고, 정상적이면 [Step 6]으로 이동한다.

[Step 4] 식 (1)에 따라 $s$번째 스트링에서 $m$번째 모듈의 전압($V_{\bmod }(t,\: s,\: m)$)이 인버터 최소 동작전압을 모듈의 개수로 나눈 값보다 크면 정상 모듈로 분류하고, 식 (2)에 따라 모든 스트링에 대하여 정상 모듈의 전압을 누적한다.

여기서, $V_{\bmod }$: 태양광 모듈의 전압, $V_{in v,\: \min }$: 인버터 최소 동작전압, $N_{str,\: \bmod }$: 스트링의 최대 모듈 수, $t$: 운용시간, $s$: 태양광 스트링 번호, $m$: 태양광 모듈 번호, $V_{\sum ,\: \bmod }$: 음영이 발생된 저전압 스트링 내 정상 모듈 전압의 합

[Step 5] $m$의 값이 스트링의 최대 모듈 수($N_{str,\: \bmod }$)이면 [Step 6]으로 진행하고, 아니면 [Step 4]로 이동한다.

[Step 6] $s$의 값이 최대 스트링의 수($N_{str}$)이면 [Step 7]로 진행하고, 아니면 [Step 3]으로 이동한다.

[Step 7] 회로변경 장치에 의해 재구성하는 스트링의 수($I_{str}(t)$)는 식 (3)에 따라 $V_{\sum ,\: \bmod }(t)$을 $V_{in v,\: \min }$으로 나눈 값($P_{str}(t)$) 가운데, 정수부만을 고려하여 산정한다.

여기서, $I_{str}$: 회로변경 장치에 의해 재구성하는 스트링의 수, $J_{str}$: 회로변경한 후 남은 정상 모듈의 전압을 $V_{in v,\: \min }$로 나눈 값

[Step 8] 식 (3)에서 $I_{str}(t)$가 0이 아니면, 회로변경 장치를 실행한다. 즉, MC를 통해 정상 모듈을 직렬로 연결하여 $I_{str}(t)$개의 새로운 스트링으로 재구성한다.

[Step 9] 식 (3)에서 회로변경 장치를 실행한 후 남은 정상 모듈의 전압의 합($J_{str}(t)$)이 0이 아니면, [Step 10]으로 진행하고, 아닌 경우 [Step 13]으로 이동한다.

[Step 10] 인버터 최소 동작전압 이상의 스트링을 구성하기 위한 최소 보상전압($V_{comp,\: \min }(t)$)은 식 (4)에 따라 회로변경 장치를 실행한 후 남은 정상 모듈의 전압을 고려하여 산정한다. 또한, 전압보상 장치의 배터리 탭($I_{bat,\: tap}(t)$)은 식 (5)에 따라 최소 보상전압을 배터리 모듈의 정격전압($V_{bat}$)으로 나눈 값을 절상하여 산정한다.

여기서, $V_{comp,\: \min }$: 정상 스트링을 구성하기 위한 최소 보상전압, $I_{bat,\: tap}$: 전압보상 장치의 배터리 탭

[Step 11] 배터리 탭이 0이면 [Step 13]으로 이동하고, 아니면 회로변경 장치를 실행한 후 남은 정상 모듈과 배터리를 투입하여, 전압보상 장치에 의해 정상적인 스트링으로 재구성한다.

[Step 12] $t$시간대에 대하여 모든 배터리 모듈의 SOC를 측정하고, 최소 운용 SOC($SOC_{\min }$) 이하이면 개별적으로 충전한다.

[Step 13] $t$가 $t_{\max }$이면 알고리즘을 종료하고, 아니면 [Step 2]로 이동하여 해당 과정을 반복한다.

따라서, 상기의 알고리즘을 플로우차트로 나타내면 그림 5와 같다.

4.1 태양광 스트링부

태양광 스트링부는 그림 6과 같이 태양광 모듈을 직·병렬로 연결한 4개의 스트링으로 구성되며, 태양광 모듈은 PSCAD/EMTDC 라이브러리를 바탕으로 다수의 태양전지 셀과 바이패스 다이오드를 이용하여 모델링한다.

4.2 계통연계용 인버터부

IGBT, DC 링크 커패시터, LCL filter 등으로 구성된 계통연계용 인버터는 그림 7과 같다. 여기서, IGBT는 PWM의 스위칭 신호를 바탕으로 태양광 스트링에서 생성된 DC 출력을 120°의 위상차를 갖는 3상 AC 출력으로 변환시킨다. 한편, 목표로 하는 유효전력과 무효전력을 제어하기 위한 인버터의 전류제어기는 그림 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 전류제어기의 제어 알고리즘은 식 (6)과 식 (7)과 같이 나타낼 수 있으며, 디커플링 회로에 의하여 유효전력과 무효전력을 독립적으로 제어할 수 있다.

여기서, $V_{d}$, $V_{q}$: 인버터 출력을 위한 d-q축 전압, $I_{ref-d}$, $I_{ref-q}$: 인버터 출력의 기준전류, $I_{d}$, $I_{q}$ : d-q 동기좌표계에 의한 계통전류, $V_{sq}$: 계통의 순시전압

4.3 회로변경 장치부

회로변경 장치부는 그림 9와 같이 전압 센서, by-pass 및 회로변경용 MC, 등으로 구성한다. 여기서, 전압 센서는 스트링과 모듈의 전압을 계측하고, by-pass용 MC는 감시제어 장치부의 제어신호에 따라 기준전압 이하인 비정상 모듈을 스트링으로부터 분리하며, 회로변경용 MC는 병렬로 연결된 스트링의 정상 모듈을 직렬로 연결하여 새로운 스트링을 재구성한다. 즉, 태양광 스트링에 음영이 발생하는 경우, 회로변경 장치부는 정상 모듈을 선택하여, 인버터의 최소 동작전압 이상으로 스트링을 재구성하여 인버터의 탈락을 방지시킨다.

4.4 전압보상 장치부

전압보상 장치부는 그림 10과 같이, 다수의 배터리 모듈로 구성된 배터리 팩과 충전기 등으로 구성한다. 여기서, 상기의 회로변경 장치에 의하여 남은 정상적인 태양광 모듈을 바탕으로 새로운 스트링을 구성하기 위하여, 적정한 개수의 배터리 모듈을 멀티탭 방식으로 투입한다. 즉, 전압보상 장치부는 감시제어 장치부를 통해 산정된 적정 용량의 배터리 모듈의 탭을 투입하여, 인버터 최소 동작전압 이상이 되는 새로운 스트링으로 재구성한다. 또한, 전압보상 장치부의 충전기는 태양광 전원을 운용하지 않는 시간대에 배터리 팩을 충전시키는 역할을 수행한다.

4.5 전체 시스템

상기의 내용을 바탕으로, 20[kW]급 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 전체 시스템을 나타내면 그림 11과 같다. 여기서, Part A는 태양광 스트링부, Part B는 계통연계용 인버터부, Part C는 회로변경 장치부, Part D는 전압보상 장치부이며, Part E는 감시제어 장치부로 태양광 스트링의 음영이 발생하는 경우, 회로변경 장치부와 전압보상 장치부를 동작시켜 태양광 전원의 운용 효율을 상승시킨다.

5.1 태양광 스트링부

태양광 스트링부는 그림 12와 같이, 태양광 모듈 12개를 직렬로 연결한 5[kW]급의 스트링 4개로 구성한다. 본 논문에서 제안한 에너지 하베스팅 장치의 운용특성을 분석하기 위하여, 1,2번 스트링은 기존의 방식을 사용하고, 3,4번 스트링은 에너지 하베스팅 장치를 적용한다. 여기서, 각 태양광 모듈의 전기적 특성은 표 1과 같다.

5.2 계통연계용 인버터부

IGBT, DC 링크 커패시터, LC filter 등으로 구성된 계통연계용 인버터는 그림 13과 같고, 상세 사양은 표 2와 같다.

5.3 회로변경 장치부

회로변경 장치부는 그림 14와 같이, 전압 센서, by-pass용과 회로변경용 MC, 등으로 구성한다. 태양광 스트링에 음영이 발생하는 경우, 회로변경 장치부는 정상상태의 태양광 모듈을 분리시켜, 인버터의 최소 동작전압 이상으로 스트링을 재구성하여, 인버터의 탈락을 방지시킨다.

5.4 전압보상 장치부

전압보상 장치부는 상기 4.4절과 마찬가지로 그림 15와 같이, 배터리 팩과 충전기 등으로 구성한다.

5.5 감시제어 장치부

감시제어 장치부는 태양광 스트링에 설치된 센서를 통해, 태양광 모듈, 계통연계용 인버터의 전압, 일사량, 온도, 배터리 전압과 SOC 등의 운용 데이터를 실시간으로 수집하여, 3장에서 제시한 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘을 바탕으로 회로변경 장치와 전압보상 장치를 운용한다. 여기서, 감시제어 장치부는 Autobase S/W와 MS SQL DB를 사용하고, 메인 메뉴는 그림 16과 같다.

5.6 전체 시스템

태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치를 적용한 전체 태양광 전원을 나타내면 그림 17과 같다. 여기서, A는 태양광 스트링부, B는 계통연계용 인버터부, C는 회로변경 장치부, D는 전압보상 장치부, E는 감시제어 장치부를 나타낸다.

6.1 시뮬레이션 및 시험 조건

태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용특성을 평가하기 위한 시뮬레이션 및 시험 조건은 표 3과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 태양광 스트링의 정격용량은 5[kW], 정격전압은 480[V]이고, 계통연계용 인버터의 정격용량은 20[kW], 운용전압 범위는 300~500[VDC]로 상정하며, 전압보상 장치는 40[V], 1[kWh]의 배터리 모듈 4개를 사용한다. 또한, 에너지 하베스팅 장치의 운용 조건은 계통연계용 인버터의 최소 동작전압을 고려하여 표 4와 같이 상정하며, 기존 방식(Case I ~ Case III)과 제안한 방식(Case IV ~ Case VII)의 음영 발생 정도에 따라 분류한다. 예를 들어, Case III은 그림 18과 같이 태양광 스트링의 5/12만큼 음영이 발생한 시나리오로, 인버터의 최소 동작 전압을 벗어나 인버터가 탈락되는 경우를 나타낸다.

6.2 모델링에 의한 태양광 전원의 운용특성

6.3 에너지 하베스팅 장치에 의한 태양광 전원의 운용특성

6.4 종합분석

상기에서 제안한 모델링과 시험장치를 바탕으로, 기존의 방식과 제안한 방식에 따른 태양광 전원의 전압 및 출력 변동특성을 종합하면, 표 5와 표 6과 같이 나타낼 수 있다. 먼저, 정상상태 시 태양광 스트링의 전압은 모델링과 시험장치에서 각각 480[V], 484[V]이고, 계통연계용 인버터의 출력은 모두 10[kW]으로 산정된다. 또한, 음영이 스트링의 4/12만큼 발생하면, 스트링의 전압은 각각 320[V], 318[V]이고, 인버터의 출력은 모두 7[kW]로 감소하며, 음영이 5/12 이상이면 스트링 전압이 계통연계용 인버터의 최소 동작전압 이하로 감소하여 인버터가 탈락함을 알 수 있다.

한편, 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치를 적용하는 경우, 음영이 스트링의 5/12 이상 발생하면 회로변경과 전압보상 장치를 통해 2개의 스트링으로 재구성하여 인버터의 탈락을 방지시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 태양광 스트링의 전압은 모델링과 시험장치에서 각각 320[V], 322[V]이고, 인버터의 출력은 모두 6[kW]으로 산정되어 태양광 전원의 출력을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 제안한 모델링과 시험장치를 바탕으로 음영 조건에 따른 에너지 하베스팅 장치의 운용특성을 종합적으로 평가한 결과, 시뮬레이션 및 시험 결과가 거의 일치하고, 태양광 전원의 효율을 개선시킬 수 있으므로, 본 논문에서 제안한 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 유효성을 확인할 수 있다.