[논문]계통연계형 태양광발전시스템의 성능 추정방법

소정훈; 이봉섭; 유진수; 황혜미; 유권종

[국내논문] 계통연계형 태양광발전시스템의 성능 추정방법
Performance Estimation Method of Grid-Connected Photovoltaic System 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.30 no.6, 2010년, pp.95 - 101

소정훈 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 이봉섭 (강원대학교 삼척캠퍼스 제어계측공학과) , 유진수 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 황혜미 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 유권종 (한국에너지기술연구원 태양광연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents performance estimation approach of grid-connected photovoltaic(PV) system to predict energy yield from irradiance to PV system using normalized yield model for changing meteorological conditions. The accuracy and validity of proposed performance estimation method is identified by compared measured with estimated yield using monitored data. These results will indicate that it is useful to estimate various loss factors causing the system performance obstruction and enhance the lifetime yield of PV system.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PV시스템에서 수집된 운전 자료로 부터 등가 가동시간을 이용한 성능추정모델을 사용하여 설치용량과 상관없이 PV시스템 성능저하, 고장 혹은 결함 등의 이상 유무를 보다 쉽고 신속하게 판단하는데 필요한 정보를 정량적인 값으로 나타낼 수 있는 범용성과 유용성을 가진 PV시스템의 정규화 성능 추정방법을 제시하고자 한다. 그리고 성능 추정모델에 의한 PV시스템의 추정값과 실측값을 종합적으로 비교 분석하여 제시한 성능 추정방법의 정밀도와 유효성에 대해서 고찰하였다.
PV시스템은 수십W급에서 MW급까지의 설치용량을 가진 다양한 시스템으로 설치가 가능하고 PV 구성기기뿐만 아니라 일사강도, 온도 및 풍속 등의 주변 환경 변화에 따라서 성능도 변화한다. 따라서 설치용량과 상관없이 주변 환경의 변화에 따른 PV시스템의 성능을 추정하기 위하여 등가 가동시간을 이용한 범용성과 유용성을 가진 정규화 성능 추정 방법을 제시한다. PV시스템의 입력에너지인 경사면 일사강도에서 시스템의 출력전력과의 관계로부터 등가 가동시간을 이용한 정규화 성능 추정방법은 다음과 같다.
본 논문에서는 PV시스템에서 수집된 운전 자료로 부터 등가 가동시간을 이용한 성능 추정모델을 사용하여 주변 환경의 변화에 따른 PV시스템의 정규화 성능 추정방법을 제시하였고 그 결과에 대해서 종합적으로 고찰하였다.

제안 방법

본 논문에서는 PV시스템에서 수집된 운전 자료로 부터 등가 가동시간을 이용한 성능추정모델을 사용하여 설치용량과 상관없이 PV시스템 성능저하, 고장 혹은 결함 등의 이상 유무를 보다 쉽고 신속하게 판단하는데 필요한 정보를 정량적인 값으로 나타낼 수 있는 범용성과 유용성을 가진 PV시스템의 정규화 성능 추정방법을 제시하고자 한다. 그리고 성능 추정모델에 의한 PV시스템의 추정값과 실측값을 종합적으로 비교 분석하여 제시한 성능 추정방법의 정밀도와 유효성에 대해서 고찰하였다.
계통연계형 PCS의 정격출력은 3kW, 동작전압은 120～350V 그리고 변환효율은 정격에서 92%이상이다. PV시스템의 성능 추정모델을 설계하기 위해서 전기적 및 기상 센서로부터 운전자료를 수집할 수 있는 감시계측시스템을 구축 운영하여 1초 간격의 샘플링시간으로 PV시스템의 전기적 입출력 및 기상정보를 분별, 시간별로 운전자료를 수집 저장한다.²⁾³⁾
2008년부터 2009년까지 수집된 운전자료로부터 식(4)-(7)의 성능 추정모델을 사용하여 PV시스템의 Y_A 와 Y_A에 대한 추정값과 실측값을 비교 분석하였다. PV시스템의 성능 추정에 사용한 모델 파라미터는 표 1과 같다.
(1)PV시스템의 성능과 발생 손실과의 상관관계로부터 등가 가동시간을 이용한 성능추정모델을 사용하여 설치용량과 상관없이 PV시스템의 성능을 정량적인 값으로 추정할 수 있는 범용성과 유용성을 가진 성능 추정방법을 제시하였다.

대상 데이터

제시한 PV시스템의 성능 추정방법의 정밀도와 유효성을 확인하기 위해서 설치 운전중인 2kW급 계통연계형 PV시스템을 적용대상 시스템으로 하였다. 그림 5는 적용대상인 2kW급 계통연계형 PV시스템을 보여준다.

성능/효과

³⁾주변 환경의 변화에 따른 PV시스템의 장기간 성능저하, 고장 혹은 결함 등의 이상 유무를 신속하고 보다 쉽게 판단할 수 있는 신뢰성과 유효성을 가진 정보가 제공되지 않는다면 PV시스템의 장기간 성능과 품질을 보증할 수 없으므로 진정한 의미의 친환경적인 에너지원이라고 할 수 없다.⁴⁾ 따라서 주변 환경변화에 대하여 PV시스템의 성능을 정량적인 값으로 추정할 수 있는 방법이 제시된다면 PV시스템의 성능저하나 고장 혹은 결함 등의 이상 유무를 신속하고 보다 쉽게 판단할 수 있어 PV시스템은 수명이 다할 때까지 항상 좋은 성능을 유지할 수 있다.⁵⁾
(2)성능 추정모델에 의한 PV시스템의 추정값과 실측값을 비교 분석한 결과 성능 잔차 R_A 및 R_P가 0.1이하에서 R_A는 92% 그리고 R_P는 97%의 분포를 나타내어 제시한 성능 추정방법의 정밀도와 유효성을 확인하였다.
(3)제시한 성능추정 방법은 설치용량과 상관없이 주변 환경의 변화에 대해서 성능을 추정할 수 있으므로 손실저감을 통한 성능향상 및 최적화를 위한 범용성과 유용성을 가진 성능진단 도구로의 응용이 가능하다.

후속연구

에 대한 시간별 성능 추정곡선을 나타낸다. PV시스템의 성능 추정결과는 PV시스템의 실제 성능과 비교함으로써 시스템의 고장 혹은 결함 등으로 성능이 떨어지는 원인을 미리 파악할 수 있고, 또한 발생 손실에 대해서도 정량적인 값으로 산출할 수 있어 시스템의 최적설계 및 유지관리 기술 개발로의 적용이 가능하다.
1이상에서 R_A는 8% 그리고 R_P는 2%의 분포를 나타내는데, 이것은 낮은 일사강도, 적설 및 오염 등의 주변 환경의 급격한 변화 혹은 PV시스템의 성능저하나 고장 혹은 결함 등의 성능장애로 인해서 정상적인 운전되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 제시한 성능 추정방법에 의한 PV시스템의 추정값을 실측값과 비교 분석하여 PV구성기기 및 주변 환경의 변화에 따른 성능저하 혹은 성능장애에 대해서 진단평가를 할 수 있으므로 PV시스템의 장기간의 신뢰성과 안정성과 함께 수명이 다할 때 까지 항상 최대성능을 유지하는데 중요한 도구로의 응용이 가능할 것이다.
향후에는 설치환경 및 설계구성에 따른 다양한 PV시스템의 성능데이터베이스 구축과 함께 정밀도와 유효성의 개선과 함께 고장검출 진단방법에 대해서 연구를 계속 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광발전 시스템은 어떻게 구성되는가?	태양광발전(PV, Photovoltaic)시스템은 입력에너지인 일사강도로부터 직류출력으로 변환하는 PV어레이, 직류출력을 교류출력으로 변환하는 태양광 인버터(PCS, PowerConditioning System)로 구성되는데, 실제 PV시스템은 PV모듈, PV어레이 및 PCS의 성능뿐만 아니라, 일사강도, 온도 및 풍속 등의 주변 환경 변화에 따라서 성능도 변화한다.1) 따라서 표준시험조건(STC, Standard TestConditions)인 일사강도 1kW/m2, PV모듈 표면온도 25℃및 AM(Airmass)1.
	등가 가동시간을 이용한 성능 추정모델을 사용하여 주변 환경의 변화에 따른 PV시스템의 정규화 성능 추정방법을 고찰한 결과는 어떠한가?	(1)PV시스템의 성능과 발생 손실과의 상관관계로부터 등가 가동시간을 이용한 성능추정모델을 사용하여 설치용량과 상관없이 PV시스템의 성능을 정량적인 값으로 추정할 수 있는 범용성과 유용성을 가진 성능 추정방법을 제시하였다. (2)성능 추정모델에 의한 PV시스템의 추정값과 실측값을 비교 분석한 결과 성능 잔차 RA 및 RP가 0.1이하에서 RA는 92% 그리고 RP는 97%의 분포를 나타내어 제시한 성능 추정방법의 정밀도와 유효성을 확인하였다. (3)제시한 성능추정 방법은 설치용량과 상관없이 주변 환경의 변화에 대해서 성능을 추정할 수 있으므로 손실저감을 통한 성능향상 및 최적화를 위한 범용성과 유용성을 가진 성능진단 도구로의 응용이 가능하다.
	PV시스템의 성능이 초기 설계보다 낮게 나타나는 이유는 무엇인가?	PV시스템은 다른 재생에너지원과 비교해서 내구수명이 길어 유지점검이 거의 필요 없다고 하지만, 실제 PV어레이의 그늘발생, 온도상승, 미스매치, 오염·열화, PCS의 성능저하, PV시스템의 설계 및 시공 등에 따른 고장 혹은 결함으로 초기 설계 시에 기대했던 성능이 나오지 않는 경우가 발생한다.2) 현재까지의 방법으로는 단지 발전량 및 운전유무 등의 운전현황에 대한 조사를 통하여 정성적으로 파악하거나 PV시스템의 성능지수인 성능계수(PR, Performance RaTio)로부터 성능을 비교 분석하지만, PR에는 많은 손실을 포함하고 있기 때문에 단지 PR만으로는 PV시스템의 성능저하, 고장 혹은 결함 등의 이상 유무를 정확하게 판단하기가 어렵다.

참고문헌 (7)

S.K. Firth et al, A Simple Model of PV System Performance and Its Use in Fault Detection, Solar Energy 84, 2010, pp.624-635.

상세보기
소정훈 외, PV시스템 최적화를 위한 손실 요인 분석, 전력전자학회 논문집, 11권 1호, 2006, pp.22-28.
소정훈 외, 50kW급 계통연계형 태양광발전시스템의 성능모니터링 결과 및 평가분석, 한국태양에너지학회 논문집, 27권 2호, 2007, pp.29-36.

원문보기 상세보기
A. Drews et al, Monitoring and Remote Failure Detection of Grid-Connected PV Systems Based on Satellite Observations, Solar Energy 81, 2007, pp.548-564.

상세보기
N. M. Pearsall et al, Progress on the Modernization of the European PV System Monitoring Guidelines, 23rd EURO PVSEC, 2008, pp3208-3216.
Yuzuru Ueda et al, Performance Analysis of Various System Configurations on Grid-Connected Residential PV System, Solar Energy Materials & Solar Cells, 93, 2009, pp.945-949.

상세보기
Jayanta Deb Mondol et al, The Impact of Array Inclination and Orientation on the Performance of a Grid-Connected Photovoltaic System, Renewable Energy, 32, 2007, pp.118-140.

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