신형 모듈형 모니터링 솔루션을 통한 태양광 및 에너지 저장 발전 시스템 관리

1. 소개 및 연구 배경​

​1.1 태양광 산업의 현황​
가장 풍부한 재생 에너지 자원 중 하나인 태양 에너지의 개발과 활용은 글로벌 에너지 전환의 핵심이 되었습니다. 최근 몇 년 동안 세계 각국의 정책에 의해 태양광(PV) 산업은 폭발적인 성장을 이룩했습니다. 통계에 따르면 중국의 PV 산업은 "제12차 5개년 계획" 기간 동안 168배 증가했습니다. 2015년 말까지 설치된 PV 용량은 40,000 MW를 초과하여 3년 연속 세계 1위를 기록했으며, 향후에도 계속해서 성장할 것으로 예상됩니다.

​1.2 기존 문제점 및 기술적 도전 과제​
빠른 발전에도 불구하고, 기존의 PV 에너지 저장 시스템은 실제 적용에서 많은 기술적 병목 현상을 겪고 있습니다:

• ​PV 배열 문제:​​ 부하 전압 및 전력 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 많은 수의 개별 PV 셀을 직렬 및 병렬로 연결합니다. 이러한 구조는 부분적인 그늘림으로 인해 "불일치" 손실과 핫스팟 효과를 일으켜 시스템 발전 효율성과 안전성을 크게 저하시킵니다.
• ​에너지 저장 배터리 패키지 문제:​​ 배터리 패키지도 직렬-병렬 구성을 사용하며, 근본적으로 균형 문제를 겪습니다. 규모가 커질수록 배터리의 불일치가 심해져 시스템 복잡성을 증가시키고 용량 감소와 수명 단축을 초래하여 대규모 적용을 방해합니다.
• ​기존 기술의 부족:​​ 일부 연구자들은 수동 균형 관리 기법을 제안했지만, 이러한 방법들은 단순히 균형 문제를 이동시킬 뿐 다중 모듈 직렬 연결이 하위 회로에 미치는 영향을 충분히 고려하지 않았습니다. 또한 PV 셀과 같은 주요 구성 요소 선택에 대한 과학적인 지침이 부족합니다.

​II. 전체 시스템 솔루션 및 위상​

이 솔루션의 핵심은 새로운 모듈식이고 확장 가능한 전력 시스템 위상을 구축하는 것입니다.

​2.1 계층적 시스템 구성​
시스템은 기본 단위부터 3단계로 계층적으로 구성됩니다:

1. ​모듈 (기본 단위):​​
• ​구성:​​ 단일 PV 셀, 단일 저장 배터리(매칭된 전압 및 용량), 4개의 전력 스위치, 독립적인 컨트롤러.
• ​기능:​​ 가장 작은 자율 단위로서, 컨트롤러는 4개의 스위치를 관리하여 PV 셀과 배터리의 독립적인 연결/절단을 가능하게 하며, 5가지 운영 모드 간의 유연한 전환이 가능합니다.
2. ​직렬 문자열:​​
• ​구성:​​ 위의 여러 모듈을 직렬로 연결하여 형성됩니다.
• ​기능:​​ 문자열의 총 출력 전압을 증가시켜 하위 DC/DC 부스트 컨버터의 입력 전압 범위와 일치시킵니다.
3. ​시스템:​​
• ​구성:​​ 여러 직렬 문자열을 병렬로 연결하고, DC/DC 컨버터를 통해 공통 DC 버스로 수렴합니다.
• ​기능:​​ DC 버스는 직접 DC 부하에 전력을 공급하거나, DC/AC 인버터를 통해 AC 부하에 전력을 공급할 수 있습니다.

​2.2 핵심 장점​
이 위상은 개별 셀 수준의 독립적인 제어를 통해 물리적으로 전통적인 직렬 구조의 고유한 그늘 효과와 배터리 균형 문제를 근본적으로 해결합니다. 적절한 구성 요소 선택을 통해 PV 셀이 최대 전력 점(MPP) 근처에서 지속적으로 작동하도록 하여 추가적인 MPPT 회로와 복잡한 배터리 관리 시스템(BMS)의 필요성을 없애줍니다.

​III. 계층적 모니터링 전략​

이 솔루션은 계층적 제어 전략을 채택하여 지역에서 전역 수준까지 세밀한 모니터링을 실현합니다.

​3.1 모듈 수준 모니터링 전략 (자율 제어)​​
각 모듈은 자체 상태(PV 출력 전압, 배터리 전압)에 따라 다음 5가지 운영 모드 사이에서 자율적으로 전환합니다:

​3.2 문자열 수준 모니터링 전략 (전압 조정 제어)​​
문자열 수준 모니터링은 DC/DC 컨버터의 입력 전압(U_in)을 주요 매개변수로 사용하여 모듈의 연결/분리를 통해 전압을 안정화합니다.

• ​제어 목표:​​ U_in이 DC/DC 회로의 허용 운전 범위(예: 12V ~ 22V) 내에 있도록 합니다.
• ​임계값 제어 논리 (예: 24V 시스템):​​
• ​저전압 임계값 (16V):​​ U_in < 16V인 경우, 모니터링 시스템은 문자열 내에서 대기 모드이지만 배터리 충전이 정상적인 모듈을 자동으로 찾아 연결 명령을 내려, DC/DC가 저전압으로 인해 종료되는 것을 방지합니다.
• ​고전압 임계값 (20V):​​ U_in > 20V인 경우, 새로운 모듈의 연결을 제한하여 U_in이 DC/DC의 최대 입력 전압을 초과하지 않도록 합니다.
• ​보호 임계값 (12V):​​ U_in < 12V인 경우, 문자열은 소진된 것으로 간주되어 강제로 분리됩니다. 모든 모듈은 대기 모드로 들어가서 충분한 수의 배터리가 충전될 때까지 유지됩니다.

​3.3 시스템 수준 모니터링 전략 (전역 보호)​​
시스템 수준 모니터링은 전력 공급 품질을 보장하는데 중점을 두며, DC 버스 전압(U_bus)을 주요 모니터링 포인트로 합니다.

• ​제어 논리:​​ DC 버스 전압은 실시간으로 모니터링됩니다. 전압이 임계 값(예: 24V 시스템 등급의 80%, 즉 22V) 아래로 떨어지는 경우, 전체 시스템 에너지가 부족함을 나타냅니다. 모니터링 시스템은 인버터와 부하 장비를 보호하기 위해 전역 종료 명령을 실행하여 AC 측 전력 품질을 보장합니다.

​IV. 주요 구성 요소 선택 방법​

PV 셀과 저장 배터리 간의 매칭 문제를 해결하기 위해, 이 솔루션은 태양 에너지 활용 효율을 최대화하기 위한 선택 방법을 제안합니다.

• ​핵심 아이디어:​​ 이 시스템에서 PV 셀의 작동 전압은 배터리 전압에 의해 클램핑되므로, 그들의 전압 매개변수의 매칭이 중요합니다.
• ​선택 모델:​​ PV 셀의 공학 수학적 모델(온도 및 일사 효과를 고려)을 기반으로, 시스템 효율 η는 배터리 전압 U_BAT와 PV 셀의 최대 전력 점 전압 U_mp의 함수로 도출됩니다.
• ​결론:​​ 3.7V 저장 배터리의 경우, 3.9V~4.0V 정도의 작동 전압에서 시뮬레이션 결과, PV 셀의 U_mp가 약 4.25V일 때 시스템의 태양 에너지 활용 효율이 가장 높습니다. 따라서 실제로 선택할 때는 PV 셀의 U_mp를 4.2V ~ 4.3V 범위로 제어해야 합니다.

​V. 기대되는 결과​

1. ​유의미한 효율 향상:​​ 모듈식 독립 운영은 직렬 구조의 고유한 "버킷 브리게이드 효과"와 핫스팟 문제를 완전히 제거하여 각 단위가 효율적으로 작동하도록 합니다. 동시에, PV와 저장 간의 정확한 전압 매칭은 추가 회로 없이 대략적인 최대 전력 점 추적(MPPT)을 가능하게 하여 발전 효율을 크게 향상시킵니다.
2. ​수명 및 신뢰성 향상:​​ 모듈식 구조는 배터리 패키지의 불일치로 인한 균형 문제를 근본적으로 해결하여 과충전과 과방전을 피하고, 전체 시스템 수명을 효과적으로 연장합니다. 계층적 모니터링 전략은 지역에서 전역 수준까지 다중 보호를 제공하여 시스템의 강건성을 크게 향상시킵니다.
3. ​비용 최적화 및 편리한 O&M:​​ 이 설계는 복잡한 MPPT 트래커와 배터리 관리 시스템(BMS)의 필요성을 성공적으로 제거하여 하드웨어 비용을 줄입니다. "레고처럼" 설계된 아키텍처는 설치, 유지 관리, 확장을 매우 편리하게 만듭니다. 단일 모듈의 고장이 전체 운영에 영향을 미치지 않아 전체 수명 주기 비용을 줄입니다.