KR100923331B1 - Utility-Interactive inverter system using high frequency transformer having variable voltage ratio - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 대체에너지 발전시스템에서 생산된 직류전력을 상용 계통과 연계하여 부하에 인가하는 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서, 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC변환부와, 상기 DC/AC변환부에서 출력되는 교류전력을 승압하는 고주파 트랜스포머와, 상기 고주파 트랜스포머에서 승압된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 AC/DC변환부를 포함하는 승압수단; 상기 승압수단에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터 시스템에 관한 것이다.The present invention provides a system-linked inverter system for applying a DC power produced in an alternative energy generation system to a load in connection with a commercial system, the DC / AC converter for converting the DC power to AC power, and the DC / Boosting means including a high frequency transformer for boosting AC power output from an AC converter, and an AC / DC converter for converting AC power boosted by the high frequency transformer into DC power; It relates to a system-linked inverter system including an inverter unit for converting the direct current power output from the boosting means into AC power.

본 발명에 따르면, 계통연계형 인버터 시스템에서 태양전지의 출력전압에 따라 승압비를 적절히 조절할 수 있기 때문에 넓은 동작범위를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 입출력간의 절연을 통해 전기적 안정성을 높일 수 있다. According to the present invention, the step-up ratio can be properly adjusted according to the output voltage of the solar cell in the grid-connected inverter system, thereby ensuring a wide operating range and increasing electrical stability through insulation between input and output.

계통 연계형 인버터부, 고주파 트랜스포머 Grid-linked inverter section, high frequency transformer

Description

가변 승압비를 갖는 고주파 트랜스를 이용한 계통 연계형 인버터 시스템{Utility-Interactive inverter system using high frequency transformer having variable voltage ratio}Utility-Interactive inverter system using high frequency transformer having variable voltage ratio

도 1은 종래의 계통 연계형 인버터 시스템의 구성도1 is a block diagram of a conventional grid-linked inverter system

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성도 및 상세 회로도2 and 3 are a configuration diagram and a detailed circuit diagram of the grid-linked inverter system according to an embodiment of the present invention, respectively

도 4는 가변 턴비 고주파 트랜스포머를 나타낸 회로도4 is a circuit diagram illustrating a variable turn ratio high frequency transformer;

도 5는 턴비 변동의 기준이 되는 입력전압을 예시한 도면5 is a diagram illustrating an input voltage as a reference for turn ratio variation.

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

110: 태양전지 120: 풀브릿지 컨버터부110: solar cell 120: full bridge converter

124; 고주파 트랜스포머 130; 인버터부124; High frequency transformer 130; Inverter

140: 필터부 150: 제어부140: filter unit 150: control unit

본 발명은 계통연계형 인버터 시스템에 관한 것으로서 구체적으로는 가변 승압비를 갖는 고주파 트랜스포머를 이용한 인버터 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a grid-connected inverter system, and more particularly, to an inverter system using a high frequency transformer having a variable step-up ratio.

계통연계형 인버터 시스템은 대체에너지원인 태양전지, 풍력발전기 등으로부터 생성된 직류전력을 스위칭소자를 이용하여 교류전력으로 변환한 후에 소정의 부하로 공급하고 잉여전력은 상용 계통으로 공급하는 전력 변환시스템을 말한다.The grid-connected inverter system converts DC power generated from solar cells and wind power generators, which are alternative energy sources, into AC power using a switching element, and then supplies it to a predetermined load, and supplies surplus power to a commercial system. Say.

종래 많이 사용되는 계통연계형 인버터 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지(10) 등으로부터 입력된 직류전력을 승압시키는 부스터컨버터(20)와, 상기 부스터컨버터(20)에서 승압된 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부(30)와, 상기 인버터부(30)의 출력을 필터링하는 필터부(40)를 포함한다. 필터부(40)를 거쳐 출력된 전력은 소정의 부하(60)에 인가된다.Conventionally used grid-connected inverter system as shown in Figure 1, the booster converter 20 for boosting the DC power input from the solar cell 10, etc., and the DC power boosted by the booster converter 20 Inverter unit 30 for converting the power into AC power, and the filter unit 40 for filtering the output of the inverter unit 30. The power output through the filter unit 40 is applied to the predetermined load 60.

또한 부스터컨버터(20)와 인버터부(30)는 제어부(50)에 의해 그 동작이 제어된다.In addition, the operation of the booster converter 20 and the inverter unit 30 is controlled by the control unit 50.

한편 종래의 계통연계형 인버터 시스템은 크게 비절연 방식과 저주파트랜스 방식으로 구분될 수 있다.Meanwhile, the conventional grid-connected inverter system can be largely divided into a non-isolated method and a low frequency transformer method.

비절연 방식은 인버터 시스템에 트랜스포머가 포함되지 않은 방식으로서 입출력간에 전기적인 절연이 이루어지지 않기 때문에 서지 전류와 같은 위험요소의 전달을 방지하지 못하는 문제점이 있다.The non-isolated method does not include a transformer in the inverter system, and there is a problem in that it does not prevent the transmission of a risk factor such as a surge current because electrical isolation is not performed between input and output.

저주파트랜스 방식은 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터부의 후단에 교류전력의 승압을 위한 저주파 트랜스포머를 설치하는 방식이다. The low frequency transformer method is a method of installing a low frequency transformer for boosting AC power at the rear end of an inverter unit converting DC power into AC power.

그런데 저주파 트랜스포머는 그 물리적인 크기가 크고 중량이 무겁기 때문에 설치 및 유지보수에 어려움이 있고, 승압비가 고정되어 있어서 태양전지 출력의 영향을 직접적으로 받기 때문에 동작범위가 제한되는 문제점이 있다.However, low-frequency transformers are difficult to install and maintain due to their physical size and weight, and have a problem in that their operating range is limited because they are directly affected by the output of the solar cell due to a fixed step-up ratio.

본 발명은 종래의 인버터 시스템이 가지는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 입출력간에 전기적인 절연이 가능하면서도 태양전지의 출력변동에도 불구하고 넓은 동작범위를 확보할 수 있는 방법을 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem that a conventional inverter system has, and an object of the present invention is to provide a method capable of electrically insulating between input and output while ensuring a wide operating range despite a change in output of a solar cell.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 대체에너지 발전시스템에서 생산된 직류전력을 상용 계통과 연계하여 부하에 인가하는 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서, 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC변환부와, 상기 DC/AC변환부에서 출력되는 교류전력을 승압하는 고주파 트랜스포머와, 상기 고주파 트랜스포머에서 승압된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 AC/DC변환부를 포함하는 승압수단; 상기 승압수단에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a system-linked inverter system for applying a DC power produced in an alternative energy generation system to a load in connection with a commercial system, DC / AC for converting the DC power to AC power Boosting means including a converter, a high frequency transformer for boosting the AC power output from the DC / AC converter, and an AC / DC converter for converting the AC power boosted by the high frequency transformer into DC power; It provides a grid-connected inverter system including an inverter unit for converting the DC power output from the boosting means into AC power.

상기 DC/AC변환부는 고속의 영전압 스위칭 동작을 수행하는 인버터회로를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The DC / AC converter may include an inverter circuit that performs a high speed zero voltage switching operation.

또한 상기 고주파 트랜스포머는 상기 고주파 트랜스포머의 턴비를 조절할 수 있는 턴비 가변수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the high frequency transformer may be characterized in that it comprises a turn ratio variable means for adjusting the turn ratio of the high frequency transformer.

여기서 상기 턴비 가변수단은, 상기 고주파 트랜스포머의 1차측 권선에 형성되는 다수의 탭; 상기 DC/AC변환부의 출력단과 상기 다수의 탭을 선택적으로 연결하는 스위칭수단을 포함할 수 있다.Here, the turn ratio variable means, a plurality of tabs formed in the primary winding of the high frequency transformer; It may include a switching means for selectively connecting the output terminal of the DC / AC converter and the plurality of taps.

또한 상기 턴비 가변수단의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부에는 상기 고주파 트랜스포머의 입력전압이 증가할 때 상기 턴비를 제1 비율에서 제2 비율로 변동시키는 기준이 되는 제1 기준전압을 상기 입력전압이 감소할 때 상기 턴비를 상기 제2 비율에서 상기 제1 비율로 변동시키는 기준이 되는 제2 기준전압보다 높게 설정해 두는 것을 특징으로 할 수 있다.And a control unit for controlling the operation of the turn ratio variable means, wherein the control unit includes a first reference voltage serving as a reference for changing the turn ratio from a first ratio to a second ratio when an input voltage of the high frequency transformer is increased. When the input voltage decreases, the turn ratio may be set higher than a second reference voltage which becomes a reference for changing the second ratio from the second ratio.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 인버터 시스템은 도 2의 블록도와 도 3의 상세 회로도에 도시된 바와 같이, 태양전지(110)나 풍력발전기 등으로부터 입력된 직류전력을 승압시키는 풀브릿지 컨버터부(120)와, 상기 풀브릿지 컨버터부(120)에서 승압된 후 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부(130)를 포함한다.In the grid-connected inverter system according to an embodiment of the present invention, as shown in the block diagram of FIG. 2 and the detailed circuit diagram of FIG. 3, a full bridge converter unit for boosting DC power input from a solar cell 110 or a wind power generator, etc. 120 and an inverter unit 130 for converting DC power output after being boosted by the full bridge converter unit 120 into AC power.

또한 상기 인버터 시스템은 인버터부(130)의 출력에서 노이즈를 제거하는 필 터부(140)와, 상기 풀브릿지 컨버터부(120)와 인버터부(130)의 동작을 각각 제어하는 제어부(150)를 포함한다. 상기 필터부(140)를 통해 출력된 전력은 소정의 부하(160)에 인가되고 잉여전력은 상용 계통에 공급된다.In addition, the inverter system includes a filter unit 140 for removing noise from an output of the inverter unit 130, and a controller 150 for controlling the operations of the full bridge converter unit 120 and the inverter unit 130, respectively. do. Power output through the filter unit 140 is applied to a predetermined load 160 and surplus power is supplied to a commercial system.

여기서 인버터부(130)는 풀브릿지 컨버터부(120)의 출력전압이 인가되면 PWM 스위칭 기법을 적용하여 상용계통과 동일한 형태의 전력을 출력한다.In this case, when the output voltage of the full bridge converter unit 120 is applied, the inverter unit 130 outputs power having the same form as a commercial system by applying a PWM switching technique.

풀브릿지 컨버터부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 스위칭소자를 포함하는 인버터회로를 이용하여 직류를 교류로 변환하는 DC/AC변환부(122)와, 상기 DC/AC변환부(122)의 출력전압을 승압시키는 고주파 트랜스포머(124)와, 정류회로를 이용하여 상기 고주파 트랜스포머(124)의 AC출력을 다시 DC로 변환하는 AC/DC변환부(126)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the full bridge converter 120 includes a DC / AC converter 122 for converting DC into AC using an inverter circuit including a switching device, and the DC / AC converter 122. And a high frequency transformer 124 for boosting the output voltage of the AC and an AC / DC converter 126 for converting the AC output of the high frequency transformer 124 back to DC using a rectifier circuit.

DC/AC변환부(122)는 고속의 스위칭을 수행하여 AC전력을 출력하며, 특히 스위칭손실을 최소화하기 위하여 영전압스위칭(zero voltage switching) 방식을 적용하였다.The DC / AC converter 122 outputs AC power by performing high-speed switching, and in particular, a zero voltage switching method is applied to minimize switching loss.

고주파 트랜스포머(124)는 시스템의 입력과 출력을 절연시키는 역할을 하기 때문에 시스템의 전기적 안정성을 향상시키는 역할을 한다.The high frequency transformer 124 serves to insulate the input and output of the system, thereby improving the electrical stability of the system.

특히, 본 발명의 실시예에서는 고주파 트랜스포머(124)가 태양전지(110)의 출력전압에 따라 턴비(turn ratio)를 조절할 수 있는 턴비 가변수단(128)을 포함하는 점에 특징이 있으며, 이를 통해 종래보다 인버터 시스템의 동작범위를 크게 넓히는 장점을 가진다.In particular, the embodiment of the present invention is characterized in that the high frequency transformer 124 includes a turn ratio variable means 128 that can adjust the turn ratio according to the output voltage of the solar cell 110, through which It has the advantage of greatly widening the operating range of the inverter system than the conventional.

턴비 가변수단(128)은 도 4의 회로도에 도시된 바와 같이, 고주파 트랜스포머(124)의 1차측 권선에 연결되는 다수의 탭(T1,T2,T3,T4)과, 상기 다수의 탭과 DC/AC변환부(122)의 출력단을 선택적으로 연결하는 제1 및 제2스위칭수단(S1,S2)을 포함한다.The turn ratio variable means 128 has a plurality of taps T1, T2, T3, T4 connected to the primary winding of the high frequency transformer 124, as shown in the circuit diagram of FIG. It includes first and second switching means (S1, S2) for selectively connecting the output terminal of the AC converter 122.

제1 및 제2 스위칭수단(S1,S2)의 동작은 제어부(150)가 입력전압(Vin)의 크기에 따라 생성한 제어신호에 의해 이루어진다.Operation of the first and second switching means S1 and S2 is performed by a control signal generated by the controller 150 according to the magnitude of the input voltage Vin.

만일 턴비 가변수단(128)의 각 탭(T1,T2,T3,T4)이 균등한 간격으로 형성되었다면, 예를 들어 제1 스위칭수단(S1)을 T2에 연결하고 제2 스위칭수단(S2)을 T3에 연결하는 경우(이하 'A연결')가 제1 스위칭수단(S1)을 T1에 연결하고 제2 스위칭수단(S2)을 T4에 연결하는 경우(이하 'C연결)에 비하여 3배의 턴비(n2/n1)를 가진다.If the taps T1, T2, T3, T4 of the turn ratio variable means 128 are formed at equal intervals, for example, the first switching means S1 are connected to T2 and the second switching means S2 are connected. When connected to T3 (hereinafter referred to as' A connection ') connects the first switching means (S1) to T1 and the second switching means (S2) to T4 (hereinafter referred to as' C connection) 3 times the turn ratio has (n2 / n1).

또한 A연결은 제1 스위칭수단(S1)을 T2에 연결하고 제2 스위칭수단(S2)을 T4에 연결하는 경우(이하 'B연결')에 비해서는 2배의 턴비(n2/n1)를 가진다.In addition, the A connection has a double turn ratio n2 / n1 compared to the case where the first switching means S1 is connected to T2 and the second switching means S2 is connected to T4 (hereinafter referred to as 'B connection'). .

그런데 Vout = (n2/n1)Vin 이기 때문에, A연결일 때의 Vout은 C연결일 때에 비해서는 3배, B연결일 때에 비해서는 2배만큼 커진다.However, since Vout = (n2 / n1) Vin, Vout at A connection is three times larger than at C connection and twice as large as at B connection.

따라서 이러한 턴비 가변수단(128)을 사용하면, 어떤 원인에 의하여 태양전지(110)의 출력이 낮아지면 턴비를 높여서 Vout을 상승시키고, 태양전지(110)의 출력이 높아지면 턴비를 낮추어서 Vout을 낮추는 것이 가능해진다.Therefore, if the turn ratio variable means 128 is used, if the output of the solar cell 110 is lowered for some reason, the turn ratio is increased to increase Vout, and if the output of the solar cell 110 is increased, the turn ratio is lowered to lower Vout. It becomes possible.

즉, 태양전지(110)의 출력변동에도 불구하고 인버터 시스템의 출력을 일정 범위내에서 안정적으로 유지할 수 있고, 턴비를 변화시켜 출력범위를 넓힐 수도 있 다.That is, despite the output variation of the solar cell 110, the output of the inverter system can be stably maintained within a certain range, and the output range can be widened by changing the turn ratio.

도 5는 턴비 가변수단(128)에서 턴비를 변화시키는 기준이 되는 기준전압을 예시한 것이다. 5 illustrates a reference voltage serving as a reference for changing the turn ratio in the turn ratio variable means 128.

즉, DC/AC변환부(122)의 출력단을 통해 고주파 트랜스포머(124)로 공급되는 입력전압(Vin)이 감소하는 경우에는 (a)에 도시된 바와 같이 입력전압(Vin)이 예를 들어 250V가 되기 이전까지는 C연결을 유지하다가, 250V에서 B연결로 스위칭하고, 입력전압(Vin)이 계속 하강하여 190V가 되면 다시 A연결로 스위칭한다.That is, when the input voltage Vin supplied to the high frequency transformer 124 through the output terminal of the DC / AC converter 122 decreases, as shown in (a), the input voltage Vin is 250V, for example. It maintains C connection until it becomes, then switches from 250V to B connection. When the input voltage (Vin) continues to fall to 190V, it switches back to A connection.

반대로 입력전압이 증가하는 경우에는 (b)에 도시된 바와 같이 입력전압(Vin)이 예를 들어 210v가 되기 이전까지는 A연결을 유지하다가, 210V에서 B연결로 스위칭하고, 입력전압(Vin)이 계속 증가하여 275V가 되면 다시 C연결로 스위칭한다.On the contrary, when the input voltage increases, as shown in (b), the connection A is maintained until the input voltage Vin becomes 210v, for example, and the switch is switched to the connection B at 210V, and the input voltage Vin is It continues to increase to 275V and switch back to C connection.

이때 턴비 가변수단(128)에서 턴비를 스위칭하는 기준 전압을 입력전압(Vin)이 증가할 때와 감소할 때 서로 다르게 적용하는 이유는 기준전압을 단일화 시키면 입력전압의 변동에 대하여 민감하게 턴비 스위칭이 발생하기 때문에 이를 방지하여 안정적인 스위칭 동작을 확보하기 위한 것이다.In this case, the reason why the reference voltage for switching the turn ratio is differently applied when the input voltage Vin increases or decreases in the turn ratio variable means 128 is that the turn ratio switching is sensitive to variations in the input voltage when the reference voltage is unified. It is to prevent this from happening to ensure a stable switching operation.

한편 이상에서는 태양전지의 출력전력을 이용하는 경우를 예를 들어 본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 인버터 시스템을 설명하였으나 그밖의 대체에너지 발전시스템(풍력발전 등)에서 생산되는 전력에 대하여도 전술한 시스템을 적용할 수 있음은 물론이다.Meanwhile, the grid-connected inverter system according to the embodiment of the present invention has been described, for example, using the output power of the solar cell. However, the power generated in other alternative energy generation systems (wind power generation, etc.) has been described above. Of course, the system can be applied.

본 발명에 따르면, 계통연계형 인버터 시스템에서 태양전지의 출력전압에 따라 승압비를 적절히 조절할 수 있기 때문에 넓은 동작범위를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 입출력간의 절연을 통해 전기적 안정성을 높일 수 있다.According to the present invention, the step-up ratio can be properly adjusted according to the output voltage of the solar cell in the grid-connected inverter system, thereby ensuring a wide operating range and increasing electrical stability through insulation between input and output.

Claims (5)

대체에너지 발전시스템에서 생산된 직류전력을 상용 계통과 연계하여 부하에 인가하는 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서,In the grid-connected inverter system for applying the DC power produced by the alternative energy generation system to the load in conjunction with the commercial system, 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC변환부와, 상기 DC/AC변환부에서 출력되는 교류전력을 승압하는 고주파 트랜스포머와, 상기 고주파 트랜스포머에서 승압된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 AC/DC변환부를 포함하는 승압수단;A DC / AC converter for converting the DC power into AC power, a high frequency transformer for boosting the AC power output from the DC / AC converter, and AC / converting the AC power boosted by the high frequency transformer to DC power. Boosting means including a DC converter; 상기 승압수단에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부;An inverter unit for converting DC power output from the boosting unit into AC power; 를 포함하여 이루어지며,It is made, including 상기 고주파 트랜스포머는 상기 고주파 트랜스포머의 턴비를 조절할 수 있는 턴비 가변수단 및 상기 턴비 가변수단의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,The high frequency transformer includes a turn ratio variable means for adjusting the turn ratio of the high frequency transformer and a control unit for controlling the operation of the turn ratio variable means, 상기 제어부에는 상기 고주파 트랜스포머의 입력전압이 증가할 때 상기 턴비를 제1 비율에서 제2 비율로 변동시키는 기준이 되는 제1 기준전압을 상기 입력전압이 감소할 때 상기 턴비를 상기 제2 비율에서 상기 제1 비율로 변동시키는 기준이 되는 제2 기준전압보다 높게 설정해 두는 것The controller may be configured to change the turn ratio from the second ratio when the input voltage decreases a first reference voltage, which is a reference for changing the turn ratio from a first ratio to a second ratio when the input voltage of the high frequency transformer increases. To be set higher than the second reference voltage serving as the reference to be changed at the first rate 을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템.Grid-connected inverter system characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 DC/AC변환부는 고속의 영전압 스위칭 동작을 수행하는 인버터회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템The DC / AC converter includes an inverter circuit for performing a high speed zero voltage switching operation. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 턴비 가변수단은,The turn ratio variable means, 상기 고주파 트랜스포머의 1차측 권선에 형성되는 다수의 탭;A plurality of tabs formed in the primary winding of the high frequency transformer; 상기 DC/AC변환부의 출력단과 상기 다수의 탭을 선택적으로 연결하는 스위칭수단;Switching means for selectively connecting the output terminal of the DC / AC converter and the plurality of taps; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템Grid-connected inverter system comprising a 삭제delete
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