KR100859495B1 - Photovoltaic system using step-up converter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템에 관한 것이다.

본 발명이 개시하는 태양광 발전시스템은 기본적으로 태양전지 모듈, 승압컨버터, 전력저장 모듈, 인버터 그리고 각 구성들을 제어하는 제어모듈을 구성한다. 본 발명의 특징적인 양상에 따른 승압컨버터는, 태양전지 모듈로부터 출력되는 제1 직류전원을 공급받아 스위칭 소자 및 절연변압기를 통해 제2 직류전원으로 승압하고, 제1 직류전원 및 제2 직류전원을 평활하여 출력한다.

본 발명과 같이 절연변압기를 구성한 승압컨버터를 이용하면, 전력저장 모듈에 인가되는 충전전류를 연속되게 조절할 수 있으므로 승압컨버터(승압용 DC-DC컨버터)의 전력변환 효율은 물론이고 축전지의 수명저하를 방지할 수 있다.

Figure R1020070002942

태양광, 태양전지, 승압컨버터, 절연변압기

The present invention relates to a photovoltaic power generation system using a boost converter.

The photovoltaic power generation system disclosed in the present invention basically comprises a solar cell module, a boost converter, a power storage module, an inverter, and a control module for controlling each component. A boost converter according to a characteristic aspect of the present invention receives a first DC power output from a solar cell module and boosts the voltage to a second DC power through a switching element and an isolation transformer, and boosts the first DC power and the second DC power. Output smoothly.

When using a boost converter configured with an isolation transformer as in the present invention, the charging current applied to the power storage module can be continuously adjusted, thereby reducing the lifespan of the battery as well as the power conversion efficiency of the boost converter (step-up DC-DC converter). You can prevent it.

Figure R1020070002942

Photovoltaic, Solar Cell, Boost Converter, Insulation Transformer

Description

승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템{PHOTOVOLTAIC SYSTEM USING STEP-UP CONVERTER}PV system using boost converter {PHOTOVOLTAIC SYSTEM USING STEP-UP CONVERTER}

도 1은 종래 태양광 발전시스템의 개략적 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a conventional solar power system,

도 2는 종래 승압컨버터에 대한 개략적 회로도,2 is a schematic circuit diagram of a conventional boost converter;

도 3은 종래 승압컨버터에 따른 비연속적인 출력전류를 보인 예시도,3 is an exemplary view showing a discontinuous output current according to a conventional boost converter;

도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 개략적 구성도,4 is a schematic configuration diagram of a photovoltaic power generation system according to the present invention;

도 5는 본 발명의 승압컨버터에 대한 개략적 회도로.5 is a schematic circuit diagram of a boost converter of the present invention.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ** ** Description of symbols for the main parts of the drawing **

100 : 본 발명의 태양광 발전시스템100: solar power generation system of the present invention

110 : 태양전지 모듈110: solar cell module

120 : 승압컨버터120: boost converter

130 : 전력저장 모듈130: power storage module

140 : 인버터140: inverter

150 : 제어모듈150: control module

본 발명은 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 특히 승압컨버터를 통해 전력저장 모듈에 인가되는 충전전류를 연속되게 조절함으로써, 승압컨버터의 전력변환 효율은 물론이고 축전지의 수명저하를 방지할 수 있는 승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a photovoltaic power generation system, and in particular, by continuously adjusting the charging current applied to the power storage module through a boost converter, a boost converter capable of preventing the life of the battery as well as the power conversion efficiency of the boost converter. It relates to a photovoltaic power generation system using.

전력수요의 급증은 곧 전력생산을 위한 에너지 자원의 소비 급증으로 이어진다. 이는 비용적 그리고 환경적인 문제를 초래한다. 따라서 최근, 청정 에너지원인 태양광을 이용한 발전시스템 개발이 활발히 진행되고 있다. 태양광 발전시스템은 크게 두 가지 형태로 개발되고 있다. 그 하나는 태양전지에서 발생하는 직류전원을 인버터를 통해 상용전원선(계통)에 실시간으로 공급하는 이른바 계통연계형 태양광 발전시스템이고, 또 하나는 야간에도 사용할 수 있도록 태양전지에서 발생하는 직류전력을 전력저장 모듈(축전지)에 저장하였다가 직류 혹은 교류 형태로 개별 부하에 공급하는 독립형 태양광 발전시스템이다. 전력저장 모듈은 독립형뿐만 아니라 계통연계형에도 채용하기 위한 연구가 진행 중에 있다.Soaring demand for electricity leads to a surge in the consumption of energy resources for power generation. This leads to cost and environmental problems. Therefore, in recent years, development of a power generation system using solar energy, which is a clean energy source, is being actively progressed. Photovoltaic power generation system is developed in two types. One is the so-called grid-connected photovoltaic power generation system that supplies the DC power generated from the solar cell to the commercial power line through the inverter in real time. The other is the DC power generated from the solar cell for use at night. Is a stand-alone solar power system that stores power in a power storage module (storage battery) and supplies it to individual loads in the form of DC or AC. Power storage modules are being researched to be adopted not only as stand-alone but also as grid-connected.

첨부도면 도 1은 종래 태양광 발전시스템의 개략적인 구성도이다. 도면에 예시된 태양광 발전시스템(10)은, 다수의 태양전지 배열을 구성한 태양전지 모듈(11)과, 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류전원을 승압하여 출력하는 승압컨버터(12)와, 승압컨버터로부터 출력되는 직류전원을 충전하는 전력저장 모듈(13)과, 승압컨버터 또는 전력저장 모듈로부터 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하는 DC-AC형 인버터(14), 그리고 각 구성들(11~14)을 제어하는 제어모듈(15)을 구성한다.1 is a schematic configuration diagram of a conventional photovoltaic power generation system. The solar power generation system 10 illustrated in the drawing includes a solar cell module 11 constituting a plurality of solar cell arrays, a boost converter 12 for boosting and outputting DC power output from the solar cell module, and a boost converter. A power storage module 13 for charging the DC power output from the power supply, a DC-AC inverter 14 for converting the DC power output from the boost converter or the power storage module into an AC power and supplying it to the system or the load, and each Configure the control module 15 to control the components (11 to 14).

이러한 구성을 갖는 종래 태양광 발전시스템(10)의 승압컨버터(12)는 도 2와 같은 회로로 구현된다. 이 회로의 특징은 태양전지 모듈(11)로부터 출력되는 직류전압이 전력저장 모듈(13)로 100% 모두 인가된다는데 있다. 물론, 스위칭 소자(S)의 손실을 무시하였을 경우에 한한다. 이때, 정상상태의 스위칭 한 주기 내에서 인덕터(L)에 걸리는 전압의 평균치는 0이다. 이는 다음의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.The boost converter 12 of the conventional photovoltaic power generation system 10 having such a configuration is implemented with a circuit as shown in FIG. The characteristic of this circuit is that 100% of the direct current voltage output from the solar cell module 11 is applied to the power storage module 13. Of course, this is limited to the case where the loss of the switching element S is ignored. At this time, the average value of the voltage applied to the inductor (L) within one period of the steady state switching is zero. This can be expressed by the following Equation 1.

Figure 112007002596643-pat00001
............... [수학식 1]
Figure 112007002596643-pat00001
............... [ Equation 1 ]

여기서, D는 스위칭 소자(S)의 듀비티(duty ratio)이고, TS는 한 주기 스위칭 시간이며, D·TS는 스위칭 소자(S)의 온(ON) 시간이다.Here, D is the duty ratio of the switching element S, T S is one cycle switching time, and D · T S is the ON time of the switching element S.

위와 같은 [수학식 1]을 정리하면, 태양전지 모듈(11)의 전압 Vsol 및 전력저장 모듈의 축전지(B)에 걸리는 전압 Vba 사이에는 다음의 [수학식 2]와 같은 관계가 성립한다.To summarize the above [Equation 1], the following relationship is established between the voltage V sol of the solar cell module 11 and the voltage V ba applied to the storage battery (B) of the power storage module. .

Figure 112007002596643-pat00002
..................... [수학식 2]
Figure 112007002596643-pat00002
..................... Equation (2)

이때, 상기 듀비티 D는 1보다 작으므로 Vba가 Vsol에 비해 높을 수 있음을 알 수 있다. In this case, since the duty D is smaller than 1, it can be seen that V ba may be higher than V sol .

그러나 상기 전력저장 모듈(13)에 인가되는 충전전류 iB는 다이오드 D2의 iD2_sol로부터 공급되는데, 이 iD2_sol은 도 3에서 보이는 바와 같이 불연속적이다. 따 라서, 충전전류 iB 역시 불연속적으로 전력저장 모듈(13)의 축전지(B)에 공급되는바, 축전지의 수명이 저하되는 문제점이 있다.However, the charging current i B that is applied to the power storage module 13 is fed from the i D2_sol of the diode D2, the i D2_sol is discontinuous as shown in Fig. Therefore, the charging current i B is also discontinuously supplied to the storage battery B of the power storage module 13, and there is a problem in that the life of the storage battery is reduced.

상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 본 발명의 주된 목적은, 절연변압기를 구성한 승압컨버터를 통해 전력저장 모듈에 인가되는 충전전류를 연속되게 조절함으로써, 승압컨버터의 전력변환 효율은 물론이고 축전지의 수명저하를 방지할 수 있는 승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템을 제공함에 있다.The main object of the present invention, which was devised to solve the above-mentioned problems, is to continuously control the charging current applied to the power storage module through a boost converter that constitutes an isolation transformer, thereby saving power as well as power conversion efficiency of the boost converter. The present invention provides a photovoltaic power generation system using a boost converter that can prevent the life of the battery.

이러한 특징적인 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 발전시스템은, 태양전지 모듈(110)과, 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류전원을 승압하는 승압컨버터(120)와, 승압컨버터로부터 출력되는 직류전원을 충전하는 전력저장 모듈과, 승압컨버터 또는 전력조절 모듈로부터 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터(140), 및 각 구성들을 제어하는 제어모듈(150)을 포함하여 구현되며, 이때 승압컨버터(120)는, 태양전지 모듈로부터 출력되는 제1 직류전원(Vsol)을 공급받아 스위칭 소자(S) 및 절연변압기(T)를 통해 제2 직류전원(V1)으로 승압하고, 제1 직류전원 및 제2 직류전원을 평활하여 출력한다.The solar power generation system of the present invention for achieving this characteristic object, the solar cell module 110, a boost converter 120 for boosting the DC power output from the solar cell module, and a direct current power output from the boost converter It includes a power storage module for charging the inverter, the inverter 140 for converting the DC power output from the boost converter or the power control module to AC power, and the control module 150 for controlling the respective components, wherein the boost converter The 120 receives the first DC power supply V sol output from the solar cell module and boosts the voltage to the second DC power supply V 1 through the switching element S and the isolation transformer T, and the first DC power supply. The power supply and the second DC power supply are smoothed and output.

바람직하게 승압컨버터(120)는, 태양전지 모듈(110)의 양극라인(P)과 음극라인(G) 사이에 병렬접속되는 커패시터(C)와, 1차 권선(N1)의 일단이 양극라인에 접속되고 그 타단이 스위칭 소자(S)를 통해 음극라인에 접속되며, 3차 권선(N3)의 일 단이 제1 다이오드(D1)를 통해 평활용 인덕터(L)의 입력측에 접속되고 그 타단이 양극라인에 접속됨과 아울러 제2 다이오드(D2)를 통해 상기 인덕터의 입력측에 접속되는 절연변압기(T)를 구성한다.Preferably, the boost converter 120 includes a capacitor C connected in parallel between the anode line P and the cathode line G of the solar cell module 110, and one end of the primary winding N1 is connected to the anode line. Connected to the cathode line via the switching element S, one end of the tertiary winding N3 is connected to the input side of the smoothing inductor L via the first diode D1, and the other end thereof An insulating transformer T is connected to the anode line and connected to the input side of the inductor through the second diode D2.

본 발명의 절연변압기(T)는 자화전류 리셋용 2차 권선(N2)을 포함하되, 2차 권선의 일단이 양극라인에 접속되고 그 타단이 제3 다이오드(D3)를 통해 음극라인에 접속되어, 스위칭 소자의 한 주기마다 자화전류를 제거한다.Insulation transformer T of the present invention includes a secondary winding (N2) for resetting the magnetization current, one end of the secondary winding is connected to the anode line and the other end thereof is connected to the cathode line through the third diode (D3) The magnetizing current is removed at each cycle of the switching element.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. In the meantime, when it is determined that the detailed description of the known functions and configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, it should be noted that the detailed description is omitted.

도 4는 본 발명에 따른 승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템(이하, '발전시스템')의 개략적 구성도이다. 4 is a schematic configuration diagram of a photovoltaic power generation system (hereinafter, referred to as a 'power generation system') using a boost converter according to the present invention.

도면의 참조하면, 발전시스템(100)은, 다수의 태양전지 배열을 구성하여 태양광을 직류전원으로 변환하는 태양전지 모듈(110)과, 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류전원을 승압하여 출력하는 승압컨버터(120)와, 승압컨버터로부터 출력되는 직류전원을 충전하는 전력저장 모듈(130)과, 승압컨버터 또는 전력저장 모듈로부터 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통 또는 부하에 공급하는 인버터(140), 그리고 각 구성들(110~140)을 제어하는 제어모듈(150)을 구성한다.Referring to the drawings, the power generation system 100 comprises a solar cell module 110 for converting sunlight into direct current power by forming a plurality of solar cell arrays, and boosting the output by boosting the direct current power output from the solar cell module. Converter 120, the power storage module 130 for charging the DC power output from the boost converter, and the inverter 140 for converting the DC power output from the boost converter or power storage module into an AC power supply to the system or load And, to configure the control module 150 for controlling each component (110 ~ 140).

본 발명의 특징적인 양상에 따른 승압컨버터(110)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈(110)의 제1 직류전원(Vsol)을 공급받아 스위칭 소자(S) 및 절연변압기(T)를 통해 승압하고, 이 승압된 제2 직류전원(V1)과 상기 제1 직류전원(Vsol)을 함께 평활용 인덕터(L)를 통해 출력한다. As shown in FIG. 5, the boost converter 110 according to a characteristic aspect of the present invention is supplied with the first DC power supply V sol of the solar cell module 110 and has a switching element S and an insulation transformer ( The step-up is performed through T), and the boosted second DC power supply V 1 and the first DC power supply V sol are output through the smoothing inductor L together.

보다 구체적으로 승압컨버터(120)는, 태양전지 모듈(110)의 양극라인(P)과 음극라인(G) 사이에 병렬접속되는 커패시터(C)와, 1차 권선(N1)의 일단이 상기 양극라인(P)에 접속되고 그 타단이 스위칭 소자(S)를 통해 음극라인(G)에 접속되며, 3차 권선(N3)의 일단이 제1 다이오드(D1)를 통해 평활용 인덕터(L)의 입력측에 접속되고 그 타단이 상기 양극라인(P)에 접속됨과 아울러 제2 다이오드(D2)를 통해 상기 인덕터(L)의 입력측에 접속되는 절연변압기(T)를 구성한다.More specifically, the boost converter 120 includes a capacitor C connected in parallel between the anode line P and the cathode line G of the solar cell module 110, and one end of the primary winding N1 is positive. Is connected to the line P and the other end thereof is connected to the cathode line G through the switching element S, and one end of the tertiary winding N3 is connected to the smoothing inductor L through the first diode D1. An insulation transformer T is connected to the input side, the other end thereof is connected to the anode line P, and is connected to the input side of the inductor L through the second diode D2.

이때, 스위칭 소자(S)는 제어모듈(150)로부터 출력되는 PWM 제어신호에 의해 제어된다. 절연변압기(T)는 자화전류 리셋용 2차 권선(N2)을 포함하는데, 이 2차 권선은 그 일단이 상기 양극라인(P)에 접속되고 그 타단이 제3 다이오드(D3)를 통해 음극라인(G)에 접속된다. 이러한 2차 권선(N2)는 스위칭 소자(S)의 한 주기마다 절연변압기(T) 내의 자화전류를 제거(demagnetizing)하게 된다.In this case, the switching element S is controlled by the PWM control signal output from the control module 150. The isolation transformer T includes a secondary winding N2 for resetting the magnetizing current, the secondary winding of which one end is connected to the anode line P and the other end thereof through the third diode D3. It is connected to (G). The secondary winding N2 demagnetizes the magnetizing current in the insulation transformer T at each cycle of the switching element S.

제1 다이오드(D1)는 3차 권선(N3)의 일단과 인덕터(L)의 입력측 사이에 순방향 접속되어, 제2 다이오드(D2)를 통해 유입되는 전류가 3차 권선으로 역류되지 않게 한다. 물론, 이러한 역류 방지를 위해 제2 다이오드(D2)는, 도 5와 같이 양극라인(P)과 인덕터(L)의 입력측 사이에 순방향으로 접속되어야 한다.The first diode D1 is forward connected between one end of the tertiary winding N3 and the input side of the inductor L so that current flowing through the second diode D2 does not flow back into the tertiary winding. Of course, in order to prevent such a reverse flow, the second diode D2 should be connected in the forward direction between the anode line P and the input side of the inductor L as shown in FIG. 5.

한편, 3차 권선(N3)으로부터 출력되는 제2 직류전원(V1)은 스위칭 소자(S)의 듀비티(D: duty ratio) 및 절연변압기(T)의 권선비(N1:N3)를 통해 조절된다. 이는 다음의 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.Meanwhile, the second DC power source V 1 output from the tertiary winding N3 is controlled by the duty ratio D of the switching element S and the winding ratio N1: N3 of the insulation transformer T. do. This can be expressed by the following [Equation 3].

Figure 112007002596643-pat00003
........................ [수학식 3]
Figure 112007002596643-pat00003
..... [ Equation 3 ]

앞서 언급한 바와 같이 전력저장 모듈(130) 전단의 전압 VO는 "Vsol+V1"이 된다. 따라서 도 2의 승압컨버터에 비해 전력저장 모듈(130)에 인가되는 충전전류(iB)가 연속적으로 제어될 수 있다.As mentioned above, the voltage V O in front of the power storage module 130 becomes "V sol + V 1 ". Therefore, compared to the boost converter of FIG. 2, the charging current i B applied to the power storage module 130 may be continuously controlled.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 절연변압기를 구성한 승압컨버터를 통해 전력저장 모듈에 인가되는 충전전류를 연속되게 조절할 수 있으므로, 승압컨버터의 전력변환 효율을 비롯한 축전지의 수명저하를 방지할 수 있다.According to the present invention as described above, since the charging current applied to the power storage module can be continuously controlled through the boost converter configured as the insulation transformer, it is possible to prevent the life of the battery including the power conversion efficiency of the boost converter.

Claims (4)

태양전지 모듈(110)과, 상기 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류전원을 승압하는 승압컨버터(120)와, 상기 승압컨버터로부터 출력되는 직류전원을 충전하는 전력저장 모듈(130)과, 상기 승압컨버터 또는 전력조절 모듈로부터 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터(140), 및 각 구성들을 제어하는 제어모듈(150)을 포함하는 태양광 발전시스템(100)으로서,A solar cell module 110, a boost converter 120 for boosting the DC power output from the solar cell module, a power storage module 130 for charging the DC power output from the boost converter, and the boost converter or A solar power generation system 100 including an inverter 140 for converting DC power output from a power regulation module into AC power, and a control module 150 for controlling respective components. 상기 승압컨버터는, 상기 태양전지 모듈의 양극라인(P)과 음극라인(G) 사이에 병렬접속되는 커패시터(C); 및 1차 권선(N1)의 일단이 상기 양극라인에 접속되고 그 타단이 스위칭 소자(S)를 통해 음극라인에 접속되며, 3차 권선(N3)의 일단이 제1 다이오드(D1)를 통해 평활용 인덕터(L)의 입력측에 접속되고 그 타단이 양극라인에 접속됨과 아울러 제2 다이오드(D2)를 통해 상기 인덕터의 입력측에 접속되는 절연변압기(T);를 구성하여, 상기 태양전지 모듈로부터 출력되는 제1 직류전원(Vsol)을 공급받아 상기 스위칭 소자 및 절연변압기를 통해 제2 직류전원(V1)으로 승압하고, 상기 제1 직류전원 및 제2 직류전원을 평활하여 출력하며,The boost converter may include a capacitor (C) connected in parallel between an anode line (P) and a cathode line (G) of the solar cell module; And one end of the primary winding N1 is connected to the anode line and the other end thereof is connected to the cathode line through the switching element S, and one end of the third winding N3 is flat through the first diode D1. An insulation transformer T connected to the input side of the utilization inductor L, the other end of which is connected to the anode line, and connected to the input side of the inductor through a second diode D2; and outputs from the solar cell module. Receiving a first DC power supply (V sol ) to be boosted to a second DC power supply (V 1 ) through the switching element and the isolation transformer, and smoothing and outputting the first DC power supply and the second DC power supply, 상기 절연변압기는, 자화전류 리셋용 2차 권선(N2)을 포함하되, 상기 2차 권선의 일단이 상기 양극라인에 접속되고 그 타단이 제3 다이오드(D3)를 통해 음극라인에 접속되어, 상기 스위칭 소자(S)의 한 주기마다 자화전류를 제거하는 것을 특징으로 하는 승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.The insulation transformer includes a secondary winding (N2) for resetting the magnetizing current, one end of the secondary winding is connected to the anode line and the other end thereof is connected to the cathode line through the third diode (D3). Photovoltaic power generation system using a boost converter, characterized in that to remove the magnetizing current for each cycle of the switching element (S). 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 다이오드(D1)는 3차 권선(N3)의 일단과 인덕터의 입력측 사이에 순방향 접속되며, 상기 제2 다이오드(D2)는 양극라인과 인덕터의 입력측 사이에 순방향 접속되는 것을 특징으로 하는 승압컨버터를 이용한 태양광 발전시스템.The first diode D1 is forward connected between one end of the tertiary winding N3 and the input side of the inductor, and the second diode D2 is forward connected between the anode line and the input side of the inductor. Solar power generation system using a converter.
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