2.1 태양광모듈용 전압보상장치의 운용모드

일반적으로, 태양광전원은 태양의 위치 변화나 구름 및 나무 등으로 발생하는 음영에 의해 출력 손실이 발생한다. 특히, 일부 태양광모듈에 부분 음영이 발생하면 스트링의 전압이 인버터의 동작전압 범위를 벗어나 인버터로부터 탈락되고, 스트링의 출력은 0[W]로 감소하게 되어, 태양광전원의 전체적인 운용효율이 저하되는 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 이러한 부분 음영에 의한 태양광모듈의 운용효율 저하 현상을 방지하는 방안이 제시되고 있지 않아, 이에 대한 대책이 필요한 실정이다^(9-13).

따라서, 본 논문에서는 태양광 스트링이 음영에 의하여 인버터에서 탈락되는 것을 방지하기 위하여, 태양광모듈에 리튬이온 배터리를 직렬로 연결한 가정용 태양광모듈 전압보상장치를 제안한다. 이 장치는 배터리 모듈부와 충전기로 구성되고, 태양광 스트링과 계통연계형 인버터 사이에 직렬로 삽입되며, 음영에 의하여 전압저하가 발생할 경우, 태양광 스트링의 전압을 다단형태의 배터리 모듈부가 적정하게 전압을 보상하는 역할을 수행한다. 특히, 가정용 태양광모듈에 적용되므로, 비교적 작은 용량의 배터리를 통해 태양광모듈 전체의 출력을 증폭시킬 수 있는 장점이 있다.

먼저, 그림 1은 스트링의 전압이 인버터의 동작범위 이내를 유지하여, 정상적인 상태에서의 태양광발전 운용모드를 나타낸다. 여기서, 태양광모듈의 전압보상장치는 바이패스 모드에 의해 동작하지 않고, 태양광 스트링의 출력은 인버터를 통해 계통으로 전달된다. 또한, 그림 2는 태양광모듈의 일부가 음영으로 인해 스트링의 전압이 인버터의 동작범위를 벗어나는 경우, 인버터가 탈락하는 현상을 방지하기 위해, 태양광모듈의 전압보상장치에 의하여 전압저하분을 보상하는 운용모드이다. 여기서, 태양광모듈의 전압보상장치는 인버터의 최소 동작전압보다 저하된 스트링 전압의 크기에 따라 투입할 배터리 모듈의 개수를 산정하고, 이를 바탕으로 직렬로 연결된 다단형태의 배터리 모듈부를 제어하여 적정한 전압저하분을 보상하고, 태양광모듈의 출력과 배터리의 보상된 출력을 인버터를 통해 계통으로 전달한다. 한편, 그림 3은 배터리 모듈부의 SOC가 설정치 미만인 경우, AC 상용계통으로부터 태양광모듈용 전압보상장치의 배터리 모듈부에 충전하는 운용모드이다. 여기서, 태양광모듈용 전압보상장치는 방전된 배터리 모듈부에 대하여, 충전기를 이용해 배터리 모듈별 SOC에 따라 개별적으로 충전한다.

그림. 1. 태양광 전원의 정상운전 모드

Fig. 1. Normal operation mode of PV system

그림. 2. 태양광모듈 전압보상장치의 주 동작 모드

Fig. 2. Main operation mode of voltage compensation device for PV module

그림. 3. 태양광모듈 전압보상장치의 충전 모드

Fig. 3. Charging mode of voltage compensation device for PV module

2.2 태양광모듈용 전압보상장치의 메커니즘

상기에서 제시한 태양광모듈의 전압보상장치는 태양광모듈과 배터리를 직렬로 연결하여 구성되므로, DC/AC 변환을 위한 계통연계형 인버터는 태양광모듈 뿐만 아니라, 배터리의 특성까지 고려하여 MPPT 제어를 수행하게 된다. 즉, 태양광모듈용 전압보상장치의 MPPT 제어회로는 그림 4와 같으며, 여기서, 태양광모듈만 연계된 경우, 인버터는 (A) 회로구성에 의한 MPPT 제어를 수행하고, 배터리가 추가되는 경우에는 (B) 회로구성까지 동시에 고려하여 MPPT 제어를 수행하게 된다.

그림. 4. 태양광모듈 전압보상장치의 MPPT 제어 회로

Fig. 4. MPPT control circuit of voltage compensation device for PV module

그림. 5. 태양광모듈 전압보상장치의 전류 및 출력 특성

Fig. 5. Current and output characteristics of voltage compensation device for PV module

3.1 태양광 모듈부

태양광모듈은 60개의 태양전지 셀과 3개의 바이패스 다이오드로 구성되며, 20개의 셀마다 하나의 다이오드가 설치되어 있다. 또한, 그림 6과 같이 PSCAD/EMTDC를 이용하여 2[㎾]급 태양광 스트링을 250[W]급 태양광모듈 8개를 직렬로 연결하여 구성한다.

그림. 6. 태양광 모듈부 모델링

Fig. 6. Modeling of 2kW-scaled PV string

3.2 태양광모듈용 전압보상장치부

태양광모듈의 전압보상장치부는 그림 7과 같이 전압보상을 위한 배터리팩과 AC전원 계통으로부터 배터리의 충전을 위한 충전기로 구성된다. 여기서, 배터리팩은 PSCAD/EMTDC 라이브러리 내 리튬이온전지를 이용하며, 153[Wh]급 4직렬의 모듈로 구성하여 총 612[Wh]의 용량을 가진다. 또한, 전압보상장치부는 부분 음영으로 인해 태양광모듈의 전압이 저하되는 경우, 배터리의 방전을 통해 태양광전원이 발전을 지속할 수 있도록 회로를 제어한다.

그림. 7. 태양광모듈 전압보상장치부 모델링

Fig. 7. Modeling of voltage compensation device for PV module

3.3 계통연계형 인버터부

계통연계형 인버터부의 모델링은 그림 8과 같이 나타낼 수 있으며, PWM으로부터 나온 6개의 스위칭 신호에 의하여 태양광전원에서 생성된 DC 출력을 120°의 위상차를 갖는 3상의 AC출력으로 변환시킨다. 또한, 일사량이나 태양광 모듈의 탈락 등으로 인해 입력되는 전압 및 전류가 변동되더라도 인버터는 PLL 제어를 통해 계통의 위상을 추종하도록 한다.

그림. 8. 계통연계형 인버터부 모델링

Fig. 8. Modeling of grid-connected inverter

3.4 전체 시스템

상기의 내용을 바탕으로 태양광 모듈부, 전압보상장치부, 계통연계형 인버터부로 구성된 전체 시스템을 나타내면 그림 9와 같다. 여기서, 그림 9의 A부분은 태양광 모듈부, B부분은 전압보상장치부, 그리고 C부분은 계통연계형 인버터부로 구성된다.

그림. 9. 태양광모듈의 전압보상장치 모델링

Fig. 9. Modeling of entire system of voltage compensation device for PV module

4.1 태양광 모듈부

태양광모듈은 60개의 태양전지 셀과 3개의 바이패스 다이오드로 구성되며, 20개의 셀마다 하나의 다이오드가 설치되어 있다. 또한, 그림 10과 같이 2[㎾]급 태양광 스트링은 250[W]급 태양광모듈 8개를 직렬로 연결하여 구성하며, 각 태양광모듈의 전기적 특성은 표 1과 같다.

그림. 10. 2kW급 태양광 스트링 구성

Fig. 10. Configuration of 2kW-scaled PV string

4.2 태양광모듈용 전압보상장치부

태양광모듈의 전압보상장치는 그림 11과 같이 전압보상을 위한 배터리팩과 AC전원 계통으로부터 배터리의 충전을 위한 충전기, 그리고 이를 감시하고 안전하게 제어하기 위한 BMS(battery management system)로 구성한다. 여기서, 배터리팩은 153[Wh]급 4직렬의 모듈로 구성하고 총 612[Wh]의 용량을 가지며, 상세한 사양은 표 2와 같다. 또한, BMS는 각 모듈에 연결된 센서로부터 전압, 전류, 온도 등을 측정하여, 배터리의 SOC(state of charge)를 평가하거나, 부분 음영으로 인해 태양광모듈의 전압이 저하되는 경우, 배터리의 방전을 통해 태양광전원이 발전을 지속할 수 있도록 회로를 제어한다.

그림. 11. 태양광모듈 전압보상장치 구성

Fig. 11. Configuration of voltage compensation device for PV module

4.3 계통연계형 인버터부

계통연계형 인버터는 그림 12와 같이, 입력 Filter, DC/DC Booster, IGBT, 출력 Reactor 등으로 구성되며, 입력전압을 DC/DC Booster로 승압하고, 3상 380[V]의 AC로 변환해 전력계통과 연계되도록 구현한다. 또한, 입력전압의 범위는 115∼500[V]이고, 정격용량은 3[kW]이며, 상세한 사양은 표 3과 같다. 한편, 일사량이나 태양광 모듈의 탈락 등으로 인해 입력되는 전압 및 전류가 변동되더라도 인버터는 PLL 제어를 통해 계통의 위상을 추종하도록 한다.

그림. 12. 계통연계형 인버터 구성도

Fig. 12.Configuration of grid-connected inverter

4.4 전체시스템

상기의 태양광 스트링, 태양광모듈의 전압보상장치, 계통연계형 인버터로 구성된 전체 시스템은 그림 13과 같다.

그림. 13. 태양광모듈의 전압보상장치 구현

Fig. 13. Configuration of voltage compensation device for PV module

5.1 시뮬레이션 및 시험 조건

본 논문에서 제안한 가정용 태양광모듈 전압보상장치의 운용특성을 확인하기 위하여, 여기서는 앞장에서 구현한 시험장치를 이용하여 부분음영 발생 시, 전압보상장치가 없는 방식(Case I ~ Case III)과, 전압보상장치를 통해 전압저하분을 보상하는 방식(Case IV ~ Case XI)의 운용특성을 비교 분석한다. 음영 발생 면적에 따른 리튬이온 배터리의 운용조건은 표 4와 같이 상정하며, 6개의 Case별로 약 10분간 지속하여 시험을 수행한다.

그림. 14. 태양광모듈의 음영 조건

Fig. 14. Shading conditions of PV string

5.2 시험장치에 의한 전압보상장치 운용특성

5.2.1 전압보상장치가 없는 경우의 운용특성

음영이 발생되는 경우, 태양광 모듈의 운용효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 전압보상장치가 없는 경우(Case I ~ Case III)에 의한 태양광전원 전압 및 출력 특성을 나타내면 그림 15와 같다. 여기서, 그림 15(a)는 음영에 따른 스트링의 전압 변동특성을 나타낸 것이고, 그림 15(b)는 스트링의 출력과 인버터의 출력 변동특성을 나타낸 것이다. 즉, 그림 15(a), (b)의 Case I과 같이 음영이 발생되지 않은 경우, 스트링의 전압은 246[V], 스트링의 출력은 1,640[W]가 발생된다.

하지만, 그림 15(a), (b)의 Case II와 같이, 음영이 스트링 면적의 50%만큼 발생하면 스트링 전압은 117[V], 스트링 출력은 821[W]로 감소하고, Case III와 같이 음영이 스트링 면적의 5/8만큼 발생하면 스트링의 전압은 인버터의 최소 동작전압범위(115[V])를 벗어나, 인버터의 동작이 정지되어 출력은 0[W]로 감소하게 된다. 따라서, 부분 음영으로 인하여 스트링은 인버터로부터 탈락되고, 태양광전원의 운용효율이 감소하게 됨을 알 수 있다.

그림. 15. 기존방식의 태양광 스트링의 출력특성(Case I ~ Case III)

Fig. 15. Output characteristics of PV string with existing method(Case I ~ Case III)

5.2.2 태양광모듈 전압보상장치를 이용한 운용특성

상기와 같이 부분음영에 의한 태양광 스트링의 탈락을 방지하기 위하여, 본 논문에서 제안한 태양광모듈 전압보상장치의 운용특성을 나타내면 그림 16과 같다. 여기서, 그림 16(a)는 음영에 따른 스트링의 전압, 그림 16(b)는 스트링의 출력과 인버터의 출력을 나타낸다. 즉, 그림 16(a), (b)의 Case IV과 같이 음영이 발생하지 않은 경우, 태양광 스트링의 전압은 246[V], 스트링의 출력은 1,640[W]정도 유지되지만, 그림 16(a), (b)의 Case V와 같이 음영이 스트링 면적의 50%정도 발생하면, 스트링의 전압 및 출력은 118[V], 823[W]로 감소됨을 알 수 있다.

또한, 음영이 스트링 면적의 5/8만큼 발생하면 인버터의 동작이 정지되어 출력이 0[W]로 감소하지만, 그림 16(a), (b)의 Case VI와 같이 본 연구에서 제안한 전압보상장치의 리튬이온 배터리 모듈 2대를 투입하면, 태양광 스트링의 전압은 74.8[V]로 감소되지만, 리튬이온 배터리 모듈이 51.2[V]만큼 전압을 보상하여, 인버터의 입력전압은 134[V]까지 회복하게 된다. 따라서, 태양광 스트링의 출력은 563.6[W], 리튬이온 배터리 모듈의 출력은 400.8[W]가 발생하여, 인버터 입력 측 전력은 두 값을 합산한 964.4[W]가 발생된다. 즉, 리튬이온 배터리 모듈에 의하여 전압이 보상되어, 태양광 스트링이 저전압 현상으로 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 발생하여, 기존의 제어방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 그림 16(a), (b)의 Case VII과 같이, 음영이 스트링 면적의 5/8만큼 발생하고, 리튬이온 배터리 모듈을 1대만 투입하는 경우, 배터리 모듈이 태양광 스트링 전압을 충분히 보상하지 못하여, 인버터의 최소 동작전압범위(115[V])를 벗어나, 인버터가 동작을 정지하여 출력은 0[W]로 감소하게 됨을 알 수 있다. 즉, 태양광 스트링 전압을 충분하게 보상할 수 있는 배터리 용량이 필요함을 알 수 있다.

그림. 16. 제안한 방식의 태양광 스트링의 출력특성(Case IV ~ Case VII)

Fig. 16. characteristics of PV string with proposed method(Case IV ~ Case VII)

한편, 그림 17(a), (b)는 음영에 따른 스트링의 전압, 그림 17(b)는 스트링의 출력과 인버터의 출력을 나타내며, Case IV, Case V의 경우, 그림 15(a), (b)의 Case IV, Case V와 동일한 특성이 나타남을 알 수 있다. 또한, 음영이 스트링 면적의 6/8만큼 발생하면 인버터의 동작이 정지되어 출력이 0[W]로 감소하지만, 그림 17(a), (b)의 Case VIII와 같이 본 연구에서 제안한 전압보상장치의 리튬이온 배터리 모듈 3대를 투입하면, 태양광 스트링의 전압은 52.2[V]로 감소되지만, 리튬이온 배터리 모듈이 76.8[V]만큼 전압을 보상하여, 인버터의 입력전압은 129[V]까지 회복하게 된다. 따라서, 태양광 스트링의 출력은 365.5[W], 리튬이온 배터리 모듈의 출력은 520.9[W]가 발생하여, 인버터 입력 측 전력은 두 값을 합산한 886.4[W]가 발생된다. 즉, 리튬이온 배터리 모듈에 의하여 전압이 보상되어, 태양광 스트링이 저전압 현상으로 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 발생하여, 기존의 제어방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 그림 17(a), (b)의 Case IX과 같이, 음영이 스트링 면적의 6/8만큼 발생하고, 리튬이온 배터리 모듈을 2대만 투입하는 경우, 배터리 모듈이 태양광 스트링 전압을 충분히 보상하지 못하여, 인버터의 최소 동작전압범위(115[V])를 벗어나, 인버터가 동작을 정지하여 출력은 0[W]로 감소하게 됨을 알 수 있다. 즉, 태양광 스트링 전압을 충분하게 보상할 수 있는 배터리 용량이 필요함을 알 수 있다.

그림. 17. 제안한 방식의 태양광 스트링의 출력특성(Case IV ~ Case IX)

Fig. 17. Output characteristics of PV string with proposed method(Case IV ~ Case IX)

한편, 그림 18(a)는 음영에 따른 스트링의 전압, 그림 18(b)는 스트링의 출력과 인버터의 출력을 나타내며, Case IV, Case V의 경우, 그림 15(a), (b)의 Case IV, Case V와 동일한 특성이 나타남을 알 수 있다. 또한, 음영이 스트링 면적의 7/8만큼 발생하면 인버터의 동작이 정지되어 출력이 0[W]로 감소하지만, 그림 18(a), (b)의 Case X와 같이 본 연구에서 제안한 전압보상장치의 리튬이온 배터리 모듈 4대를 투입하면, 태양광 스트링의 전압은 19.6[V]로 감소되지만, 리튬이온 배터리 모듈이 102.4[V]만큼 전압을 보상하여, 인버터의 입력전압은 122[V]까지 회복하게 된다. 따라서, 태양광 스트링의 출력은 126.8[W], 리튬이온 배터리 모듈의 출력은 715.3[W]가 발생하여, 인버터 입력 측 전력은 두 값을 합산한 842.1[W]가 발생된다. 즉, 리튬이온 배터리 모듈에 의하여 전압이 보상되어, 태양광 스트링이 저전압 현상으로 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 발생하여, 기존의 제어방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 그림 18(a), (b)의 Case XI과 같이, 음영이 스트링 면적의 7/8만큼 발생하고, 리튬이온 배터리 모듈을 3대만 투입하는 경우, 배터리 모듈이 태양광 스트링 전압을 충분히 보상하지 못하여, 인버터의 최소 동작전압범위(115[V])를 벗어나, 인버터가 동작을 정지하여 출력은 0[W]로 감소하게 됨을 알 수 있다. 즉, 태양광 스트링 전압을 충분하게 보상할 수 있는 배터리 용량이 필요함을 알 수 있다.

그림. 18. 제안한 방식의 태양광 스트링의 출력특성(Case IV ~ Case XI)

Fig. 18. Output characteristics of PV string with proposed method(Case IV ~ Case XI)

5.3 시뮬레이션에 의한 전압보상장치 운용특성

본 논문에서 제안한 전압보상장치의 모델링에 의하여, 전압을 보상하는 특성을 나타내면 그림 19와 같다. 여기서, 시뮬레이션 조건은 5.2항의 시험장치의 조건과 동일하며, 그림 19(a)는 음영에 따른 스트링의 전압, 그림 19(b)는 스트링의 출력과 인버터의 출력을 나타낸다. 즉, 그림 19(a), (b)의 Case IV와 같이 음영이 발생하지 않은 경우, 태양광 스트링의 전압 및 출력은 245[V], 1,804[W] 정도로 유지하지만, Case V와 같이 음영이 스트링 면적의 50%정도 발생하면, 스트링의 전압 및 출력은 117[V], 901[W]로 감소됨을 알 수 있다.

또한, 음영이 스트링 면적의 5/8만큼 발생하면 인버터의 동작이 정지되어 출력이 0[W]로 감소하지만, 그림 17(a), (b)의 Case VI과 같이 본 연구에서 제안한 전압보상장치의 리튬이온 배터리 모듈 2대를 투입하면, 태양광 스트링의 전압은 81.5[V]이고, 여기에 리튬이온 배터리 모듈이 52.3[V]만큼 보상하여, 인버터의 입력전압이 133.8[V]까지 회복하게 된다. 따라서, 태양광 스트링 및 리튬이온 배터리 모듈의 출력은 각각 645.9[W], 417.9[W]이고, 인버터 입력 측 전력은 1,063.8[W]가 발생된다. 즉, 리튬이온 배터리 모듈에 의하여 전압이 보상되어, 태양광 스트링이 저전압 현상으로 인버터에서 탈락되지 않고 지속적으로 출력을 발생하여, 기존의 제어방식에 비하여 운용효율이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 그림 17(a), (b)의 Case VII과 같이, 리튬이온 배터리 모듈을 1대만 투입하는 경우, 배터리 모듈이 태양광 스트링 전압을 충분히 보상하지 못하여, 인버터의 최소 동작전압범위(115[V])를 벗어나, 인버터가 정지하여 출력은 0[W]로 감소함을 알 수 있다. 즉, 태양광 스트링 전압을 충분하게 보상할 수 있는 배터리 용량이 필요함을 알 수 있다.

그림. 19. 제안한 방식의 태양광 스트링의 출력특성(Case IV ~ Case VII)

Fig. 19. Output characteristics of PV string with proposed method(Case IV ~ Case VII)

5.4 종합 분석

상기의 시험장치 및 모델링에 의한 태양광 스트링의 운용특성을 비교하면 표 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 음영이 스트링 면적의 5/8(Case IV ~ Case VII) 정도까지 발생할 경우, 기존의 방식에서는 스트링의 출력이 0[W]로 감소하지만, 본 연구에서 제안한 전압보상장치의 리튬이온 배터리 모듈 2개를 투입하면 인버터의 최소 동작전압(115V) 이상을 유지 할 수 있어 태양광 출력을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 시험장치와 시뮬레이션에 의한 인버터의 전압이 각각 134[V], 133.8[V]로 산정되어, 거의 동일함을 알 수 있었다. 또한, 스트링 면적의 6/8, 7/8(Case IV ~ Case XI) 음영이 발생하는 경우, 기존에 방식에서는 출력이 0[W]로 감소하지만, 리튬이온 배터리 모듈을 3개 및 4개를 투입하여 태양광 출력을 계속 유지할 수 있음을 알 수 있었고, 여기서 시험장치와 시뮬레이션의 결과가 거의 동일함을 알 수 있었다. 따라서, 시험장치와 시뮬레이션에 의한 결과가 계측 오차를 고려하면 거의 일치하여, 본 논문에서 수행한 시험장치와 모델링의 유효성을 알 수 있었다.