KR100911122B1 - 복수의 ｄｃ 전원을 교류로 변환하는 개선된 전력변환장치 - Google Patents

복수의 ｄｃ 전원을 교류로 변환하는 개선된 전력변환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 DC 전원을 교류로 변환하는 개선된 전력변환장치에 관한 것으로, 특히 태양전지와 같은 직류 전원 공급원과 이로부터 생성되는 직류 전원을 PWM 제어에 의해 교류 전원으로 변환하는 DC-AC 변환기를 2개 구비하고 각각 출력되는 교류 전원 출력단과 직렬로 같이 연결된 단일 복권 변압기를 구비하여 DC-AC 변환기 양쪽의 펄스폭 제어 시작점에 임의의 시간차가 생기도록 제어함으로써 서로 더해진 교류 전압이 변압기에 전달되는 전력변환장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 변조주파수를 증가시키거나 리액터의 값을 높이거나 DC-AC 변환기의 출력 전압레벨을 높이지 않고도 고주파 전류의 함량을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 변조주파수가 등가적으로 2배가 되므로 리액터의 크기를 작게 할 수 있어 리액터 내부 전력손실을 줄이는 효과가 있으며, DC-AC 변환기의 변조주파수를 반으로 낮출 수 있으므로 DC-AC 변환기 내의 도통 손실을 줄일 수 있어 전력효율이 증가하는 효과가 있다. 또한, 2대의 DC-AC 변환기를 사용하더라도 단일 복권변압기만을 사용하므로 변압기의 크기와 무게를 줄일 수 있는 효과가 있다.
태양전지, 펄스폭변조, 인버터, 변압기, 계통연계

Description

복수의 ＤＣ 전원을 교류로 변환하는 개선된 전력변환장치{ENHANCED POWER CONVERTING DEVICE CONVERTING MULTIPLE DC ELECTRIC POWER SOURCE TO AC}
본 발명은 복수의 DC 전원을 교류로 변환하는 개선된 전력변환장치에 관한 것으로, 특히 태양전지와 같은 직류 전원 공급원과 이로부터 생성되는 직류 전원을 PWM 제어에 의해 교류 전원으로 변환하는 DC-AC 변환기를 2개 구비하고 각각 출력되는 교류 전원 출력단과 직렬로 같이 연결된 단일 복권 변압기를 구비하여 DC-AC 변환기 양쪽의 펄스폭 제어 시작점에 임의의 시간차가 생기도록 제어함으로써 서로 더해진 교류 전압이 변압기에 전달되는 전력변환장치에 관한 것이다.
태양광발전에 사용되는 태양전지는 반도체에 빛에너지가 투입되면 전자의 이동이 일어나서 전류가 발생하는 장치이다. 따라서 태양전지에서는 항상 직류 전기가 생산된다.
그러나, 가정에서 사용하는 전기제품들은 일반적으로 교류 전기에 맞도록 만들어진 제품들이므로 태양광발전을 활용하기 위해서는 태양전지에서 생산된 직류 전기를 교류로 변환해주어야 한다.
직류 전원을 교류로 변환하는 전력변환장치는 태양전지와 같은 직류 전원 공급원으로부터 직류 전원을 공급받아 교류로 변환하고 변압기를 통해 변압처리하여 교류 전원을 출력한다. 또한, 변압기는 계통연계로 이어져서 전선망을 통해 전력을 전력공급회사로 보낼 수 있다.
[도 1]은 종래 기술에 따른 DC-AC 전력변환장치의 전체 구성도이다.
[도 1(A)]는 단일 DC-AC 변환기와 단일 복권 변압기를 사용하여 교류 전기를 발생시키는 시스템을 나타낸 것이다.
태양전지(10)에서 발생하는 직류 전기는 DC-AC 변환기(20)를 거쳐 교류 전기로 변환된다.
이때, DC-AC 변환기(20) 내에서는 링크 커패시터(21)를 거쳐 직류 전기가 평활 처리되며, IGBT나 MOSFET과 같은 다수의 전력용 반도체 스위치(22)를 통해 펄스폭변조(PWM : pulse width modulation) 과정에 의해서 교류 구형파가 만들어진다. 이때, 출력되는 교류 전기는 단상으로 구현할 수도 있고 [도 1(A)]에 도시된 것과 같이 3상으로 구현할 수도 있다. 또한, 교류 전기를 3상 이상으로 출력하도록 구현하는 것도 가능하다.
DC-AC 변환기(20) 내의 필터(23)는 리액터(reactor)로 구성되며 전류의 흐름을 제어하고 교류 구형파를 필터링하여 교류 정현파로 변환해준다. 또한, 교류 전기의 질을 향상시키기 위해 커패시터, 리액터, 저항 등으로 구성된 필터가 더 추가 될 수도 있다.
DC-AC 변환기(20)에서 출력되는 교류 전기는 복권 변압기(30)의 1차 권선(31)으로 입력되고 2차 권선(32)을 통해서는 자기적 결합에 의해 변압처리된 교류 전기가 생성되어 전력계통(40)으로 전달된다.
[도 1(B)]는 2개의 DC-AC 변환기와 2개의 복권 변압기를 사용하여 대용량의 태양광발전 시스템을 구현한 예를 나타낸 것이다. 앞서 [도 2(A)]의 구성이 그대로 사용되었으며 변압기(30, 70)의 출력라인을 공통으로 결선하여 전력계통(40)으로 연결되도록 구성하였다.
[도 1(B)]와 같은 구성을 통해 [도 1(A)]의 경우보다 큰 용량의 전력변환을 발생시킬 수 있다.
또한, [도 1(B)]와 같은 구성 외에도 2개의 복권 변압기를 사용하는 대신에 1개의 3권선 변압기를 사용하는 방법도 있다. 3권선 변압기의 경우 DC-AC 변환기(20, 60) 각각에 연결되는 독립된 2개의 입력권선이 구비되어 있다.
이상의 구성을 통해 펄스폭변조 방식에 따라 생성되는 교류전기에는 고주파 성분이 포함되어 있으므로 필터링을 통해 전력계통(40)에 적합한 양질의 교류전력으로 변환되어야 한다.
이를 위해서는 충분히 큰 수동소자로 구성된 필터(23, 63)를 사용하거나, 충분히 높은 변조주파수를 사용하거나, 출력 전압레벨이 높은 DC-AC 변환기를 사용하는 방법이 있다. 또는, 위의 세가지 방법이 조합되어 사용될 수 있다.
먼저, 고주파 성분을 여과하기 위한 첫 번째 방법으로서 충분히 큰 부피의 필터를 사용하는 경우에는 필터(23, 63)의 크기와 무게가 증가하며 이로 인해 전체 가격이 상승하는 문제점이 있다. 특히 필터(23, 63)는 전력용량이 증가하면서 가격, 크기, 무게의 증가율이 매우 높아지는 면이 있다.
그리고, 고주파 성분을 여과하기 위한 두 번째 방법으로서 펄스폭변조를 위해 상대적으로 높은 변조주파수를 사용할 경우, 고주파 성분을 여과하기 위한 필터(23, 63)의 부피는 충분히 줄일 수 있지만 DC-AC 변환부(20, 60) 내에서 발생하는 전력손실이 매우 증가하므로 태양광발전 시스템의 전체 전력변환 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있다. 또한, DC-AC 변환부(20, 60) 내에서 발열이 증가하므로 이를 냉각하기 위한 냉각장치의 부피와 비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.
출력 전압레벨이 높은 DC-AC 변환기를 사용하게 되면 보다 깨끗한 형태의 교류 파형을 만들어낼 수 있다. 예컨대, 3레벨의 구조를 갖는 DC-AC 변환기의 경우 [도 1]에 도시된 2레벨 DC-AC 변환기와 비교해볼 때 출력전압의 고주파 함유량이 많이 감소하게 된다.
그러나, 3레벨의 DC-AC 변환기는 2레벨 DC-AC 변환기에 비해 전력용 반도체 소자의 개수가 2배로 필요하게 되며 스너버 회로 등으로 인해 구조가 매우 복잡해지므로 시스템 구현 상 현실성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 변조주파수를 증가시키거나 리액터의 값을 높이거나 DC-AC 변환기의 출력 전압레벨의 수를 높이지 않고도 고주파 전류의 함량을 줄일 수 있는 전력변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 계통 연계형 전력변환장치로서, 제 1 직류 전원 공급원으로부터 직류 전원을 공급받아 PWM 과정에 의해 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 DC-AC 변환부; 제 2 직류 전원 공급원으로부터 직류 전원을 공급받아 PWM 과정에 의해 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 2 DC-AC 변환부; 제 1 DC-AC 변환부에서 출력되는 교류 전원과 제 2 DC-AC 변환부에서 출력되는 교류 전압이 일정 시간차를 갖도록 제 1 DC-AC 변환부와 제 2 DC-AC 변환부의 PWM 과정을 제어하는 제어부; 및 제 1 DC-AC 변환부의 교류 전원 출력단과 제 2 DC-AC 변환부의 교류 전원 출력단 사이에 직렬로 배치되는 1차 권선부와, 계통 전원과 연결되며 1차 권선부에 인가된 전압을 권선비에 따라 변압하여 계통 전원으로 제공하는 2차 권선부를 포함하는 변압기;를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치에서 제어부는 제 1 DC-AC 변환부 내에서 생성되는 교류 구형파 전압과 제 2 DC-AC 변환부 내에서 교류 구형파 전압이 동일 시점에 중첩되었을 경우 3레벨의 교류 구형파 전압이 생성되도록 제 1 DC-AC 변환부와 제 2 DC-AC 변환부의 PWM 과정을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치에서 제어부는 제 1 DC-AC 변환부 내에서 생성되는 교류 구형파 전압과 제 2 DC-AC 변환부 내에서 생성되는 교류 구형파 전압이 동일 시점에 중첩되었을 경우 두 교류 구형파 전압 사이의 시간차에 의해 서로 진폭이 겹치는 구간없이 본래 교류 구형파 전압의 2배 주파수를 갖는 교류 구형파 전압이 생성되도록 제 1 DC-AC 변환부와 제 2 DC-AC 변환부의 PWM 과정을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치에서 제 1 DC-AC 변환부와 제 2 DC-AC 변환부는 3상 교류 전원 발생장치로서 교류 전압 출력을 위한 3개의 출력라인을 각각 구비하고, 변압기의 1차 권선부는 제 1 DC-AC 변환부의 개별 출력라인과 제 2 DC-AC 변환부의 개별 출력라인 사이에 각각 직렬로 연결되며 서로 분리되어 배치된 3개의 권선을 포함하여 구성된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치는, 제 1 DC-AC 변환부와 변압기 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 1 교류 전원 연결 스위치(710); 제 2 DC-AC 변환부와 변압기 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 2 교류 전원 연결 스위치(720); 제 1 직류 전원 공급원과 제 1 DC-AC 변환부 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 1 직류 전원 연결 스위치(740); 제 2 직 류 전원 공급원과 제 2 DC-AC 변환부 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 2 직류 전원 연결 스위치(750); 및 변압기의 1차 권선부를 이루는 권선이 서로 연결되도록 스위칭하는 결선 변환 스위치(730);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치는, 제 1 직류 전원 공급원과 제 2 직류 전원 공급원을 서로 연결하도록 스위칭하는 전원 공급원 연결 스위치(760);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치에서 제어부는, 제 1 선택에 의해 제 1 교류 전원 연결 스위치(710), 제 2 교류 전원 연결 스위치(720), 제 1 직류 전원 연결 스위치(740), 제 2 직류 전원 연결 스위치(750)를 온시키고, 전원 공급원 연결 스위치(760), 결선 변환 스위치(730)를 오프시키도록 제어하고, 제 2 선택에 의해 전원 공급원 연결 스위치(760), 결선 변환 스위치(730), 제 1 직류 전원 연결 스위치(740), 제 1 교류 전원 연결 스위치(710)를 온시키고, 제 2 직류 전원 연결 스위치(750), 제 2 교류 전원 연결 스위치(720)를 오프시키도록 제어하고, 제 3 선택에 의해 전원 공급원 연결 스위치(760), 결선 변환 스위치(730), 제 2 직류 전원 연결 스위치(750), 제 2 교류 전원 연결 스위치(720)를 온시키고, 제 1 직류 전원 연결 스위치(740), 제 1 교류 전원 연결 스위치(710)를 오프시키도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치에서 결선 변환 스위치(730)는 1차 권선부의 3개 권선의 중앙부에 각각 연결된 3개의 도선을 구비하여 3개의 도선이 동시에 도통됨에 의해 1차 권선부를 Y-결선 형태로 변형시키는 스위칭 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치에서 결선 변환 스위치(730)는 1차 권선부를 구성하는 3개의 권선에 대하여 각 권선의 제 1 DC-AC 변환부측 출력라인과 타 권선의 제 2 DC-AC 변환부측 출력라인을 각각 도통시켜 1차 권선부를 Δ-결선 형태로 변형시키는 스위칭 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 변조주파수를 증가시키거나 리액터의 값을 높이거나 DC-AC 변환기의 출력 전압레벨을 높이지 않고도 고주파 전류의 함량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 변조주파수가 등가적으로 2배가 되므로 리액터의 크기를 작게 할 수 있어 리액터 내부 전력손실을 줄이는 효과가 있으며, DC-AC 변환기의 변조주파수를 반으로 낮출 수 있으므로 DC-AC 변환기 내의 도통 손실을 줄일 수 있어 전력효율이 증가하는 효과가 있다.
또한, 2대의 DC-AC 변환기를 사용하더라도 단일 복권변압기만을 사용하므로 변압기의 크기와 무게를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[도 2]는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치의 개념적인 전체 구성도이다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(1000)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 계통 연계형 전력변환장치로서, 2개의 DC-AC 변환부(200, 300), 제어부(400), 변압기(500)를 포함하여 구성된다.
제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)는 태양전지(101, 102)와 같은 직류 전원 공급원과 각각 연결되어 직류 전원을 공급받아 PWM 과정에 의해 교류 전원으로 변환한다.
이때, 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)는 단상 교류 전원을 출력할 수도 있고, 또는 3상 교류 전원 발생장치로서 [도 2]에 도시된 바와 같이 교류 전원 출력을 위한 3개의 출력라인을 구비할 수도 있다.
제어부(400)는 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)의 동작을 제어하고, 추가적으로 후술하는 [도 9]의 실시예의 경우와 같이 각 스위치의 동작을 제어할 수도 있다.
이때, 제어부(400)는 제 1 DC-AC 변환부(200)에서 출력되는 구형파 교류 전압과 제 2 DC-AC 변환부(300)에서 출력되는 구형파 교류 전압이 각 구형파간 일정 시간차를 갖도록 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)의 PWM 과정을 제어한다.
이처럼, 시간차를 갖는 두 구형파 교류 전압을 합성함으로써 3레벨의 교류 전압을 만들 수도 있고 구형파 교류 전압의 등가변조주파수를 2배로 늘릴 수 있는 효과가 있다. 시간차를 갖는 두 구형파 교류 전압의 합성을 위해 직렬로 연결되는 변압기(500)의 구성이 [도 2]에 도시되어 있으며, 이러한 효과를 내는 PWM 제어 방식에 대해서는 이후 [도 5] ~ [도 8]을 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
변압기(500)는 3권선변압기가 아닌 복권변압기로서 1차 권선부(510)와 2차 권선부(520)를 포함하여 구성되며, 1차 권선부(510)를 통해서는 교류 정현파 전원을 제공받아 변압하여 2차 권선부(520)를 통해 출력한다. 2차 권선부(520)는 1차 권선부(510)에 인가된 전압을 권선비에 따라 변압하여 계통 전원으로 제공한다.
이때, 1차 권선부(510)를 이루는 각 권선(511, 512, 513)은 서로 분리되어 배치되며 제 1 DC-AC 변환부(200)의 교류 전원 출력라인과 제 2 DC-AC 변환부(300)의 교류 전원 출력라인 사이에 각각 직렬로 연결된다. [도 2]에 도시된 바와 같이 3상의 교류 전원 출력라인이 구비된 경우에는 1차 권선부(510)에 3개의 권선이 서로 분리되도록 배치되어 제 1 DC-AC 변환부(200) 및 제 2 DC-AC 변환부(300) 각각의 개별 교류 전원 출력라인과 직렬로 연결된다.
[도 3]은 [도 2]의 보다 구체적인 실시예에 따른 전력변환장치의 전체 구성도이다.
앞서 [도 2]에서 설명한 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)는 링크 커패시터(201, 301), 전력용 반도체 스위치(202, 302), 필터(203, 303)을 포함하여 구성될 수 있고, 이 중에서 필터(203, 303)는 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300) 중 어느 한 쪽에만 구비되어도 무방하다.
링크 커패시터(201, 301)는 외부로부터 공급받은 직류 전원을 고르게 평활처리한다.
전력용 반도체 스위치(202, 302)는 복수 개가 구비되며 링크 커패시터(201, 301)로부터 평활처리된 직류 전원을 제공받아 PWM(pulse width modulation)에 의해 직류 전원을 교류 구형파 전압으로 변환하여 출력한다. [도 3]에는 3개의 위상차를 갖는 3상 출력이 이루어지도록 구현된 실시예가 도시되어 있다.
필터(203, 303)는 전력용 반도체 스위치(202, 302)에 의해 발생되는 교류 구형파 전압을 필터링하여 교류 정현파 전압으로 변환처리한다. 이때, 필터(203, 303)는 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)에 모두 구비될 필요없이 어느 한쪽에만 구비되더라도 양쪽의 교류 구형파 전압을 모두 필터링하는 효과를 낼 수 있다.
[도 4]는 [도 3]의 전력변환장치의 회로 구성에 대한 단상 등가회로이다.
[도 4(A)]는 [도 3]의 전체 구성에 대한 단상 등가회로를 나타낸 것이며, [도 4(B)]는 [도 4(A)]의 회로를 보다 파악하기 쉽게 정리한 회로이다.
[도 4(A)]의 단상 등가회로에서 리액터는 앞서 [도 3]의 필터(203, 303)에 해당되는 구성으로서 복수의 리액터가 구비되더라도 직렬로 연결되므로 단일 리액터가 직렬로 연결된 것과 등가 회로를 이룬다.
[도 4(B)]에서 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)에 의해 출 력되는 전압의 합이 변압기와 리액터 양단에 인가된다.
태양전지(101, 102)는 일사량, 온도 등에 따라 발생 전압이 변동하는데, 리액터와 변압기의 양단에 인가되는 전압이 제어논리에 따라 결정되면 제어부(400)에서는 태양전지(101, 102)의 전압이 높을수록 출력전압이 높게 분배되고 태양전지(101, 102)의 전압이 낮을수록 출력전압도 낮게 분배되도록 제어한다.
또한, 두 태양전지(101, 102)에서 발생하는 전압이 동일할 경우에는 제 1 DC-AC 변환부(200)의 출력 전압과 제 2 DC-AC 변환부(300)의 출력 전압이 동일하게 분배되도록 제어한다.
[도 5]는 본 발명의 전력변환장치에서 두 DC-AC 변환부 사이에 위상차를 두어 PWM 과정이 이루어지는 방식을 나타낸 도면이다.
즉, 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)의 펄스폭 변조를 위한 시작점 간에 위상차를 줌으로써 변압기(500)의 1차 권선부(510)에 인가되는 교류 전압의 형태를 변형시킬 수 있다.
후술하는 [도 6] ~ [도 8]을 통해 이러한 제어 과정을 보다 자세히 설명하기로 한다.
[도 6]은 [도 5]의 방식에 따라 3레벨의 값을 갖는 교류 구형파가 생성되는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
[도 6(A)]는 제 1 DC-AC 변환부(200) 내에서 1상 신호와 2상 신호 간의 차에 의해 발생하는 구형파 신호를 나타낸 것이며, [도 6(B)]는 제 2 DC-AC 변환부(300) 내에서 1상 신호와 2상 신호 간의 차에 의해 발생하는 구형파 신호를 나타낸 것이다.
[도 6(C)]는 2개 구형파 신호의 합성에 의해 얻어지는 3레벨 구형파 신호를 나타낸다. 즉, 제어부(400)는 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)의 펄스폭 변조 시작점을 약 180도 정도 차이가 나도록 제어함으로써 두 구형파 신호가 동일 시점에 중첩되었을 경우에 3레벨의 값을 갖는 교류 구형파가 발생하는 효과를 가져온다.
[도 7]은 [도 6]에서 PWM 제어에 의해 생성된 3레벨의 교류 구형파의 실제 출력예를 나타낸 도면이다.
[도 7]에 표시된 점선은 50㎐ 또는 60㎐ 계통전원과 동일한 주파수를 가지는 DC-AC 변환기의 출력 교류전압의 기본파 성분을 보여준다.
앞서 [도 6]에서는 설명의 편의를 위하여 [도 7]에서 표현되는 구형파 중 일부분만 알아보기 쉬운 형태의 3레벨 구형파 신호를 예로 들어 설명하였으나, 실제로는 [도 7]과 같이 50㎐ 또는 60㎐의 교류 전압을 보다 정교하게 나타낼 수 있는 3레벨 교류 구형파가 생성되도록 PWM 제어가 이루어진다.
[도 8]은 [도 5]의 방식에 따라 2배의 주파수를 갖는 교류 구형파가 생성되는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
[도 8(A)]는 제 1 DC-AC 변환부(200) 내에서 1상 신호와 2상 신호 간의 차에 의해 발생하는 구형파 신호를 나타낸 것이며, [도 8(B)]는 제 2 DC-AC 변환부(300) 내에서 1상 신호와 2상 신호 간의 차에 의해 발생하는 구형파 신호를 나타낸 것이다. 앞서 [도 6]의 경우와는 달리 두 결과값이 동시점에 겹치는 구간이 발생하지 않도록 제어가 이루어진다.
[도 8(C)]는 2개 구형파 신호의 합성에 의해 얻어지는 구형파 신호이다. 즉, 제어부(400)는 앞서 [도 6]의 경우와 마찬가지로 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)의 펄스폭 변조 시작점을 약 180도 정도 차이가 나도록 제어함으로써 구형파의 발생 빈도가 2배 증가하는 효과를 가져온다.
이때, 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)에서 생성되는 교류 구형파 전원이 동일 시점에 중첩되었을 경우에 서로 진폭이 겹치는 구간이 발생하지 않도록 제어가 이루어져야 한다.
또한, 2배의 주파수를 갖는 교류 구형파가 생성되므로 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300)의 변조주파수를 1/2로 낮추더라도 1배의 변조주파수가 유지되므로 필터(203, 303)로 사용되는 리액터의 부피를 줄일 수 있고 DC-AC 변환부에서의 전력손실을 줄일 수 있다.
[도 9]는 [도 2]의 전력변환장치에 교류 전원 연결 스위치(710, 720), 직류 전원 연결 스위치(740, 750), 결선 변환 스위치(730), 전원 공급원 연결 스위치(760)를 추가 설치한 실시예를 나타낸 도면이다.
이상의 각 스위치들은 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300) 중 어느 한 쪽에 문제가 발생하더라도 나머지 한 쪽을 정상적으로 동작시키기 위한 것으로, 스위치가 온 상태가 되면 전류가 흐르고 스위치가 오프 상태가 되면 전류의 흐름이 차단된다.
제 1 교류 전원 연결 스위치(710)는 제 1 DC-AC 변환부(200)와 변압기(700) 사이의 전류 흐름을 스위칭하고, 제 2 교류 전원 연결 스위치(720)는 제 2 DC-AC 변환부(300)와 변압기(500) 사이의 전류 흐름을 스위칭한다.
제 1 직류 전원 연결 스위치(740)는 제 1 직류 전원 공급원(101)과 제 1 DC-AC 변환부(200) 사이의 전류 흐름을 스위칭하고, 제 2 직류 전원 연결 스위치(750)는 제 2 직류 전원 공급원(102)과 제 2 DC-AC 변환부(300) 사이의 전류 흐름을 스위칭한다.
결선 변환 스위치(730)는 변압기(500)의 1차 권선부(510)를 이루는 권선이 서로 연결되도록 스위칭한다. 즉, 1차 권선부(510)의 권선은 서로 분리되도록 배치되어 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300) 사이에 직렬로 연결되는데, 2개의 DC-AC 변환부 중 어느 한 쪽만을 동작시키는 경우가 발생하면 1차 권선부(510)의 결선을 종래의 Y-결선이나 Δ-결선의 형태로 변형시켜야 한다.
따라서, 결선 변환 스위치(730)는 두 개의 DC-AC 변환부 중 하나만을 동작시키는 경우에는 서로 분리된 권선이 특정 형태로 도통되도록 스위칭이 이루어지게 해주며, 이에 대해서는 후술하는 [도 10]과 [도 11]에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
전원 공급원 연결 스위치(760)는 제 1 직류 전원 공급원(101)과 제 2 직류 전원 공급원(102)을 서로 연결하도록 스위칭한다. 예컨대, 2개의 태양전지(101, 102) 사이에 배치됨으로써 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300) 중 어느 쪽에 문제가 발생할 경우에 스위치를 온시켜서 2개의 태양전지(101, 102)를 한쪽의 DC-AC 변환부에 동시에 연결킨다. 따라서, 하나의 DC-AC 변환부만을 사용하는 경우에도 2개의 태양전지를 모두 사용할 수 있게 된다.
이상의 각 스위치(710 ~ 760)는 수동으로 스위칭할 수도 있지만, 제어부(400)의 제어 동작에 의해 자동으로 스위칭되도록 구현될 수 있다.
[도 10]은 [도 9]에서 변압기(500)와 결선 변환 스위치(730)의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
변압기(500)는 1차 권선부(510)와 2차 권선부(520)로 구성되며, 1차 권선부(510)는 하나 이상의 권선을 포함하여 구성된다. 3상 장치의 경우 3개의 권선(511, 512, 513)이 구비된다.
각각의 권선(511, 512, 513)은 서로 분리되어 배치되며 제 1 DC-AC 변환부(200)와는 라인(531, 532, 533)을 통해 직렬로 연결되고 제 2 DC-AC 변환부(300)와는 라인(541, 542, 543)을 통해 직렬로 연결된다.
그리고, 각 권선(511, 512, 513)의 특정 위치로부터 추가적인 출력선(551, 552, 553)을 뽑아 결선 변환 스위치(730)의 한쪽 단자에 결선되고, 결선 변환 스위치(730)의 다른쪽 단자들은 공통점(731)에서 묶이도록 결선이 이루어진다.
이상과 같은 결선 변환 스위치(730)의 구성을 통해 스위치가 온 상태로 연결되고 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300) 중 어느 한 쪽이 동작하지 않아 전류 흐름이 차단되면 결과적으로 1차 권선부(510)의 3개의 권선(511, 512, 513)은 Y-결선의 형태를 이루게 된다. 따라서, 종래에 사용되던 방식으로 동작이 이루어진다.
[도 11]은 [도 10]에서 결선 변환 스위치(730)의 스위칭 제어에 의해 변압기(500) 내의 결선이 변형된 실시예를 나타낸 도면이다.
[도 11(A)]는 결선 변환 스위치(730)가 오프 상태로서 2개의 DC-AC 변환부(200, 300)가 모두 사용되는 경우이다.
[도 11(B)]는 결선 변환 스위치(730)가 온 상태로 되어 단자 {④,⑤,⑥}이 공통이 묶여 도통 상태가 되고 단자 {①,②,③}이 출력단자로 사용됨으로써 1차 권선부(510)의 3개의 권선이 Y-결선 형태로 변형된 경우이다.
[도 11(C)]는 결선 변환 스위치가 온 상태로 됨에 따라 1차 권선부(510)의 3개의 권선이 Δ-결선 형태로 변형된 경우를 나타낸다. 이때, 결선 변환 스위치의 구성은 [도 10]에서 제시하는 방식으로 동작하지 않으며, 1차 권선부(510)를 구성하는 3개의 권선에 대하여 각 권선의 제 1 DC-AC 변환부측 출력라인과 타 권선의 제 2 DC-AC 변환부측 출력라인을 각각 도통시켜 1차 권선부(510)의 3개의 권선을 Δ-결선 형태로 변형시킨다.
예컨대, 단자 {①,⑤}를 공통으로 묶어 도통시키고 {②,⑥}, {③,④}도 각각 도통시키도록 스위칭이 이루어짐으로써 [도 11(C)]에서 제시하는 삼각형 형태의 연결이 만들어지며, 제 1 DC-AC 변환부(200)와 제 2 DC-AC 변환부(300) 중 어느 한 쪽은 동작시키지 않으므로 결과적으로 하나의 DC-AC 변환부에 대한 Δ-결선 형태의 변압기 입력부를 이루게 된다.
[도 12]는 [도 9]에서 2개의 DC-AC 변환부(200, 300)가 모두 정상 동작되도록 제어하는 경우에 스위치를 각각 온 또는 오프시킨 상태를 나타낸 도면이다.
즉, 전류가 흐르도록 스위치가 온 상태가 되는 스위치는 제 1 교류 전원 연결 스위치(710), 제 2 교류 전원 연결 스위치(720), 제 1 직류 전원 연결 스위치(740), 제 2 직류 전원 연결 스위치(750)이다.
그리고, 오프 상태가 되는 스위치는 전원 공급원 연결 스위치(760), 결선 변환 스위치(730)이다.
[도 13]은 [도 9]에서 제 1 DC-AC 변환부(200)만이 정상 동작되도록 제어하는 경우에 스위치를 각각 온 또는 오프시킨 상태를 나타낸 도면이다.
즉, 전류가 흐르도록 스위치가 온 상태가 되는 스위치는 전원 공급원 연결 스위치(760), 결선 변환 스위치(730), 제 1 직류 전원 연결 스위치(740), 제 1 교류 전원 연결 스위치(710)이다.
그리고, 오프 상태가 되는 스위치는 제 2 직류 전원 연결 스위치(750), 제 2 교류 전원 연결 스위치(720)이다.
[도 14]는 [도 9]에서 제 2 DC-AC 변환부(300)만이 정상 동작되도록 제어하는 경우에 스위치를 각각 온 또는 오프시킨 상태를 나타낸 도면이다.
즉, 전류가 흐르도록 스위치가 온 상태가 되는 스위치는 전원 공급원 연결 스위치(760), 결선 변환 스위치(730), 제 2 직류 전원 연결 스위치(750), 제 2 교류 전원 연결 스위치(720)이다.
그리고, 오프 상태가 되는 스위치는 제 1 직류 전원 연결 스위치(740), 제 1 교류 전원 연결 스위치(710)이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[도 1]은 종래 기술에 따른 DC-AC 전력변환장치의 전체 구성도,
[도 2]는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 DC 전원을 교류 전원으로 변환하는 개선된 전력변환장치의 개념적인 전체 구성도,
[도 3]은 [도 2]의 보다 구체적인 실시예에 따른 전력변환장치의 전체 구성도,
[도 4]는 [도 3]의 전력변환장치의 회로 구성에 대한 단상 등가회로,
[도 5]는 본 발명의 전력변환장치에서 두 DC-AC 변환부 사이에 위상차를 두어 PWM 과정이 이루어지는 방식을 나타낸 도면,
[도 6]은 [도 5]의 방식에 따라 3레벨의 값을 갖는 교류 구형파가 생성되는 과정을 개념적으로 나타낸 도면,
[도 7]은 [도 6]에서 PWM 제어에 의해 생성된 3레벨의 교류 구형파의 실제 출력예를 나타낸 도면,
[도 8]은 [도 5]의 방식에 따라 2배의 주파수를 갖는 교류 구형파가 생성되는 과정을 개념적으로 나타낸 도면,
[도 9]는 [도 2]의 전력변환장치에 교류 전원 연결 스위치(710, 720), 직류 전원 연결 스위치(740, 750), 결선 변환 스위치(730), 전원 공급원 연결 스위치(760)를 추가 설치한 실시예를 나타낸 도면,
[도 10]은 [도 9]에서 변압기(500)와 결선 변환 스위치(730)의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면,
[도 11]은 [도 10]에서 결선 변환 스위치(730)의 스위칭 제어에 의해 변압기(500) 내의 결선이 변형된 실시예를 나타낸 도면,
[도 12]는 [도 9]에서 2개의 DC-AC 변환부(200, 300)가 모두 정상 동작되도록 제어하는 경우에 스위치를 각각 온 또는 오프시킨 상태를 나타낸 도면,
[도 13]은 [도 9]에서 제 1 DC-AC 변환부(200)만이 정상 동작되도록 제어하는 경우에 스위치를 각각 온 또는 오프시킨 상태를 나타낸 도면,
[도 14]는 [도 9]에서 제 2 DC-AC 변환부(300)만이 정상 동작되도록 제어하는 경우에 스위치를 각각 온 또는 오프시킨 상태를 나타낸 도면이다.

Claims (9)

  1. 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 계통 연계형 전력변환장치로서,
    제 1 직류 전원 공급원으로부터 직류 전원을 공급받아 PWM 과정에 의해 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 1 DC-AC 변환부;
    제 2 직류 전원 공급원으로부터 직류 전원을 공급받아 PWM 과정에 의해 교류 전원으로 변환하여 출력하는 제 2 DC-AC 변환부;
    상기 제 1 DC-AC 변환부에서 출력되는 교류 전원과 상기 제 2 DC-AC 변환부에서 출력되는 교류 전압이 일정 시간차를 갖도록 상기 제 1 DC-AC 변환부와 상기 제 2 DC-AC 변환부의 상기 PWM 과정을 제어하는 제어부; 및
    상기 제 1 DC-AC 변환부의 교류 전원 출력단과 상기 제 2 DC-AC 변환부의 교류 전원 출력단 사이에 직렬로 배치되는 1차 권선부와, 계통 전원과 연결되며 상기 1차 권선부에 인가된 전압을 권선비에 따라 변압하여 상기 계통 전원으로 제공하는 2차 권선부를 포함하는 변압기;
    를 포함하여 구성되는 전력변환장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 DC-AC 변환부 내에서 생성되는 교류 구형파 전압과 상기 제 2 DC-AC 변환부 내에서 교류 구형파 전압이 동일 시점에 중첩되었을 경우 3레벨의 교류 구형파 전압이 생성되도록 상기 제 1 DC-AC 변환부와 상기 제 2 DC-AC 변환부의 상기 PWM 과정을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 DC-AC 변환부 내에서 생성되는 교류 구형파 전압과 상기 제 2 DC-AC 변환부 내에서 생성되는 교류 구형파 전압이 동일 시점에 중첩되었을 경우 상기 두 교류 구형파 전압 사이의 시간차에 의해 서로 진폭이 겹치는 구간없이 본래 교류 구형파 전압의 2배 주파수를 갖는 교류 구형파 전압이 생성되도록 상기 제 1 DC-AC 변환부와 상기 제 2 DC-AC 변환부의 상기 PWM 과정을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 DC-AC 변환부와 상기 제 2 DC-AC 변환부는 3상 교류 전원 발생장치로서 교류 전압 출력을 위한 3개의 출력라인을 각각 구비하고,
    상기 변압기의 1차 권선부는 상기 제 1 DC-AC 변환부의 개별 출력라인과 상기 제 2 DC-AC 변환부의 개별 출력라인 사이에 각각 직렬로 연결되며 서로 분리되어 배치된 3개의 권선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전력변환장치는,
    상기 제 1 DC-AC 변환부와 상기 변압기 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 1 교류 전원 연결 스위치;
    상기 제 2 DC-AC 변환부와 상기 변압기 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 2 교류 전원 연결 스위치;
    상기 제 1 직류 전원 공급원과 상기 제 1 DC-AC 변환부 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 1 직류 전원 연결 스위치;
    상기 제 2 직류 전원 공급원과 상기 제 2 DC-AC 변환부 사이의 전류 흐름을 스위칭하는 제 2 직류 전원 연결 스위치; 및
    상기 변압기의 1차 권선부를 이루는 상기 권선이 서로 연결되도록 스위칭하는 결선 변환 스위치;
    를 더 포함하여 구성되는 전력변환장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전력변환장치는,
    상기 제 1 직류 전원 공급원과 상기 제 2 직류 전원 공급원을 서로 연결하도록 스위칭하는 전원 공급원 연결 스위치;
    를 더 포함하여 구성되는 전력변환장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는,
    제 1 선택에 의해 상기 제 1 교류 전원 연결 스위치, 상기 제 2 교류 전원 연결 스위치, 상기 제 1 직류 전원 연결 스위치, 상기 제 2 직류 전원 연결 스위치를 온시키고, 상기 전원 공급원 연결 스위치, 상기 결선 변환 스위치를 오프시키도록 제어하고,
    제 2 선택에 의해 상기 전원 공급원 연결 스위치, 상기 결선 변환 스위치, 상기 제 1 직류 전원 연결 스위치, 상기 제 1 교류 전원 연결 스위치를 온시키고, 상기 제 2 직류 전원 연결 스위치, 상기 제 2 교류 전원 연결 스위치를 오프시키도록 제어하고,
    제 3 선택에 의해 상기 전원 공급원 연결 스위치, 상기 결선 변환 스위치, 상기 제 2 직류 전원 연결 스위치, 상기 제 2 교류 전원 연결 스위치를 온시키고, 상기 제 1 직류 전원 연결 스위치, 상기 제 1 교류 전원 연결 스위치를 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 결선 변환 스위치는 상기 1차 권선부의 3개 권선의 중앙부에 각각 연결된 3개의 도선을 구비하여 상기 3개의 도선이 동시에 도통됨에 의해 상기 1차 권선부를 Y-결선 형태로 변형시키는 스위칭 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 청구항 7에 있어서
    상기 결선 변환 스위치는 상기 1차 권선부를 구성하는 3개의 권선에 대하여 각 권선의 제 1 DC-AC 변환부측 출력라인과 타 권선의 제 2 DC-AC 변환부측 출력라인을 각각 도통시켜 상기 1차 권선부를 Δ-결선 형태로 변형시키는 스위칭 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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