KR100920152B1

KR100920152B1 - 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 ｐｃｓ 장치

Info

Publication number: KR100920152B1
Application number: KR1020090061919A
Authority: KR
Inventors: 조정구; 김준하; 구태근; 송두익
Original assignee: (주)그린파워테크놀로지스
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2009-10-06

Abstract

본 발명은 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS(POWER CONDITIONING SYSTEM) 기술에 관한 것으로, 특히 태양전지와 같은 직류전력 공급원에 연결하는 DC-AC 변환부와 계통에 연결되는 복수개의 탭을 가진 변압기와 복수개의 탭을 선택적으로 연결할 수 있는 탭 절환 스위치부를 구비하고 태양전지와 같은 직류전원의 출력전압의 변화에 연동하여 탭이 적절하게 절환되도록 제어하는 제어수단을 구비하여 출력 전류를 항시 낮게 유지시킬 수 있는 계통 연계형 PCS 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 계통 연계형 태양광 발전에 있어서 일사량 증가에 따른 태양전지의 출력 전압의 변화에 따라서 변압기의 탭을 적절히 절환해줌으로써 PCS의 출력 전류를 항시 낮게 유지시킬 수 있어, 전력변환소자의 전류용량을 감소시킬 수 있고 방열시스템의 비용을 절감시키는 효과가 있다. 또한, 변압기 1차측의 큰 전류에 따른 전도손실을 감소시킬 수 있어 PCS의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

태양전지, PCS, MPPT, 최대전력점 추적, 탭 절환, 계통연계

Description

변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 ＰＣＳ 장치{GRID-TIE PCS DEVICE USING TRANSFORMER TAP CHANGING}

본 발명은 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS(POWER CONDITIONING SYSTEM) 기술에 관한 것으로, 특히 태양전지와 같은 직류전력 공급원에 연결하는 DC-AC 변환부와 계통에 연결되는 복수개의 탭을 가진 변압기와 복수개의 탭을 선택적으로 연결할 수 있는 탭 절환 스위치부를 구비하고 태양전지와 같은 직류전원의 출력전압의 변화에 연동하여 탭이 적절하게 절환되도록 제어하는 제어수단을 구비하여 출력 전류를 항시 낮게 유지시킬 수 있는 계통 연계형 PCS 기술에 관한 것이다.

태양광 발전에 사용되는 계통 연계형 PCS(POWER CONDITIONING SYSTEM)는 외부로부터 공급받은 직류 전원을 계통연계에 적합한 전압과 주파수의 교류전원으로 변환하여 주는 전력변환장치를 지칭한다.

태양광 발전 시스템에서 태양전지로부터 출력되는 전원은 일사량과 온도에 따라 큰 폭으로 변하며, 이러한 특성에 의해 태양광 발전용 PCS의 입력전압의 상한치와 하한치는 수십 퍼센트의 차이를 갖게 된다. 태양광 계통연계형 PCS는 최대전력점 추적 알고리즘(MPPT)을 사용하여 직류 전압이 최대 전력점을 상시 따라가도록 제어함으로써 최대 효율을 얻도록 설계된다.

일반적으로, 계통 연계형 PCS는 변압기 사용여부에 따라 절연형 PCS와 비절연형 PCS로 나누어지며 중/대용량급에서 신뢰성 확보를 위해 절연형 PCS가 주로 사용된다. 변압기는 1차적으로 전기적인 절연을 해주고 PCS에서 만들어진 교류전압을 계통전압과 동일하도록 승압해주는 역할을 한다.

종래의 계통 연계형 태양광 발전용 PCS에서 변압기 1차 권선의 전압은 태양전지의 최저 출력 전압을 기준으로 낮게 설계됨으로써 변압기 1차측에는 2차측에 비해 상시 2~3배의 큰 전류가 흐르게 된다. 특히 일사량의 증가로 태양전지의 출력 전력 및 전압이 증가할 경우에는 전도손실의 상승이 전류의 크기에 비례하여 큰 폭으로 증가하기 때문에 전력변환소자의 전류용량 증가와 방열 시스템의 추가비용뿐만 아니라 PCS 효율 감소 등의 문제점이 있다.

태양광 발전 시스템은 십수년 동안 지속적으로 발전하기 때문에 단 1%의 효율개선에도 축적되는 전력량이 매우 크다고 볼 수 있다. 따라서 국내외에서 태양광 발전용 시스템의 효율개선을 위한 많은 연구가 수행되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 태양전지와 같이 환경조건에 따른 발생전압의 편차가 큰 직류 전원을 계통에 연계하는 과정에서 변압기의 탭 절환을 이용하여 PCS의 전류를 최소로 줄임으로써 높은 효율을 내는 계통 연계형 PCS 기술을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 계통 연계형 PCS 장치로서, 외부 전력 공급원으로부터 직류 전원을 입력받고, 직류 전원을 외부 제어수단에 의해 전류량이 조절된 교류 전원으로 변환하여 출력하고, 교류 전원의 전류량을 증가시킬수록 직류 전원의 전압을 감소시키는 DC-AC 변환부; 교류 전원을 제공받아 출력하는 복수 개의 출력라인을 구비하고, 출력라인에는 전류 흐름을 스위칭하는 스위치가 각각 구비되는 탭 절환 스위치부; 권선비가 다른 지점에 위치하며 출력라인과 각각 연결된 복수 개의 탭을 구비하는 1차 권선부와, 계통 전원과 연결되며 1차 권선부에 인가된 전압을 권선비에 따라 변압하여 계통 전원으로 제공하는 2차 권선부를 포함하는 변압기; 및 외부 전력 공급원의 직류 전압과 직류 전류에 의해 발생하는 전력량이 최대값을 내도록 DC-AC 변환부의 교류 전원의 출력 전류량을 제어하고, 외부 전력 공급원의 직류 전압이 미리 설정된 범위 이상으로 상승하면 교류 전원이 현재 연결된 탭보다 권선비가 높은 탭으로 절환되도록 탭 절환 스위치부의 스위치 연결을 제어하고 외부 전력 공급원의 직류 전압이 미리 설정된 범위 이하로 하강하면 현재 연결된 탭보다 권선비가 낮은 탭으로 스위치 연결을 절환 제어하되 DC-AC 변환부로부터 1차 권선부로 유입되는 교류 전류를 탭 절환에 의해 선택가능한 전류량 중 최소로 유지되도록 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치에서 탭 절환 스위치부는 출력라인마다 DC-AC 변환부와 동일한 범위의 용량을 갖는 기계적 스위치를 포함하고, 제어부는 탭 절환시 먼저 DC-AC 변환부의 출력 교류전류를 영으로 제어하고, 현재 탭에 연결된 기계적 스위치를 오프시킨 후, 전류를 흐르게 하려는 탭에 연결된 기계적 스위치를 온시키고, DC-AC 변환부의 출력 교류전류량의 제어를 시작하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치에서 탭 절환 스위치부는 출력라인마다 DC-AC 변환부와 동일한 범위의 용량을 갖는 반도체 스위치를 포함하고, 제어부는 탭 절환시 DC-AC 변환부의 출력 교류전류량 제어가 이루어지는 중에 현재 탭에 연결된 반도체 스위치를 먼저 오프시킨 후 전류를 흐르게 하려는 탭에 연결된 반도체 스위치를 온시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치에서 제어부는 교류 전원의 전압이 영이 되는 시점(제로 크로스 시점)에서 탭 절환 스위치부를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치에서 탭 절환 스위치부는 출력라인마다 서로 병렬로 연결된 반도체 스위치와 기계적 스위치가 혼합된 하이브리드 스위치를 포함하고, 기계적 스위치는 DC-AC 변환부와 동일한 범위의 용량을 갖는 것을 특징으로 하고, 제어부는 탭 절환시 먼저 DC-AC 변환부의 출력 교류전류를 영으로 제어하고, 반도체 스위치의 연결을 먼저 제어한 후 기계적 스위치의 연결을 제어하고, 탭 절환된 후에는 반도체 스위치를 오프시키고 기계적 스위치에 의해 탭의 연결상태가 유지되도록 제어하고, DC-AC 변환부의 출력 교류전류량의 제어를 시작하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치에서 제어부는, 미리 설정된 히스테리시스 전압폭에 따라 직류 전원의 전압 상승시의 탭 절환과 하락시의 탭 절환의 경계점이 분리되도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 계통 연계형 태양광 발전에 있어서 일사량 증가에 따른 태양전지의 출력 전압의 변화에 따라서 변압기의 탭을 적절히 절환해줌으로써 PCS의 출력 전류를 항시 낮게 유지시킬 수 있어, 전력변환소자의 전류용량을 감소시킬 수 있고 방열시스템의 비용을 절감시키는 효과가 있다. 또한, 변압기 1차측의 큰 전류에 따른 전도손실을 감소시킬 수 있어 PCS의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

[도 1]은 온도와 일사량에 따른 태양전지의 출력 전압과 출력 전력 특성을 나타낸 그래프이다.

태양전지는 일사량과 온도에 따라 출력 전력이 큰 폭으로 변화한다. [도 1]을 살펴보면 온도가 낮을수록 일사량이 많을수록 발전이 많이 되어 태양전지의 출력 전력과 출력 전압이 증가함을 알 수 있다. 또한, 태양전지는 출력 전압에 따라서도 출력 전력이 많이 변하는 것을 볼 수 있다. 최대출력을 내기 위해서는 출력 전압을 항시 최대출력이 나오도록 제어해주어야 한다. 이것을 최대전력점 추적(MPPT) 제어라고 한다. MPPT 제어는 DC-AC 변환부를 적절히 제어하여 DC-AC 변환부의 입력 전압 즉, 태양전지의 출력 전압이 항시 최대전력점을 따라가도록 하는 것이다. DC-AC 변환부의 출력 전류를 제어해주면 태양전지의 출력 전압을 제어할 수 있다.

출력 전류를 제로로 제어할 때를 제외하고는 항상 MPPT 제어를 수행하며, 태양전지의 전압은 MPPT 제어에 의해 항상 최대전력점을 찾기 위해 조금씩 증가 또는 감소한다. 이러한 과정에서 일사량이 증가하면 최대전력점도 높아지고 출력 전압 역시 최대전력점을 찾기 위해 같이 높아지게 된다.

결과적으로 일사량과 온도 변화에 따라 태양전지의 출력 전압이 큰 폭으로 변하고 태양전지의 출력 전압은 곧 DC-AC 변환부의 입력 전압을 의미하므로 이러한 변화폭을 감안하여 일반적으로 DC-AC 변환부의 입력 전압 범위는 350V ~ 850V로 넓게 선정된다.

[도 2]는 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치의 전체 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치(100)는 DC-AC 변환부(20), 탭 절환 스위치부(30), 변압기(40), 센서부(50), 제어부(60)를 포함하여 구성된다.

DC-AC 변환부(20)는 태양전지(10)와 연결되어 직류 전원을 입력받아 교류 전원으로 변환한다. 그리고, DC-AC 변환부(20)의 출력 전류는 제어부(60)에 의해 조절되며, 전류량 제어에 의해 교류 전류의 출력량을 증가시킬수록 태양전지(10)로부터 DC-AC 변환부(20)로 흘러들어오는 직류 전류량도 증가하므로 태양전지(10)로부터 DC-AC 변환부(20)로 입력되는 직류 전원의 전압은 감소하게 된다.

DC-AC 변환부(20)는 링크 커패시터(21), 전력용 반도체 스위치부(22), 필터부(23)로 구성된다.

링크 커패시터(21)는 [도 2]에 Cd로 표기된 구성요소로서, 외부로부터 공급받은 직류 전원을 고르게 평활처리한다.

전력용 반도체 스위치부(22)는 링크 커패시터(21)로부터 평활처리된 직류 전원을 제공받아 PWM(pulse width modulation)에 의해 교류 구형파 전원으로 변환한다. 이때, [도 2]에는 단상 출력을 기준으로 도시되어 있으나 전력용 반도체 스위치를 더 구비하여 3개의 위상차를 갖는 3상 출력이 이루어지도록 구현할 수 있다. 또는, 그 이상의 위상차를 갖는 여러 개의 출력이 이루어지도록 구현할 수도 있다.

필터부(23)는 리액터(Lf)와 커패시터(Cf)로 구성되며 전력용 반도체 스위치부(22)의 출력단에 연결되어 전력용 반도체 스위치부(22)로부터 출력되는 교류 구형파 전원을 필터링하여 교류 정현파 전원으로 변환처리한다.

이상의 과정을 거쳐서 DC-AC 변환부(20)는 태양전지(10)에서 발생되는 직류 전원을 교류 정현파 전원으로 변환한다.

탭 절환 스위치부(30)는 DC-AC 변환부(20)로부터 교류 전원을 제공받아 변압기(40)로 전달해준다. 이때, 탭 절환 스위치부(30)에는 복수 개의 스위치(31, 32)가 구비되어 교류 전원이 전달되는 경로를 외부 제어할 수 있게 구성되어 있다.

즉, 탭 절환 스위치부(30) 내에서 스위치(31, 32, ...)가 달려 있는 복수 개의 출력라인은 변압기(40)의 탭(P1, P2,...Pn)과 연결되어 있으며 외부 제어에 의해 교류 전원을 P1으로 연결할 수도 있고 P2로 연결할 수도 있다. 이상의 제어는 후술하는 제어부(60)에 의해 이루어진다. [도 2]에는 복수 개의 스위치와 복수 개의 탭으로 구성된 실시예가 도시되어 있다.

변압기(40)는 1차 권선부(41)와 2차 권선부(42)를 포함하여 구성되며, 1차 권선부(41)를 통해서는 교류 정현파 전원을 제공받아 변압하여 2차 권선부(42)를 통해 출력한다. 2차 권선부(42)는 변압된 교류 전원을 계통 전원으로 제공한다.

이때, 변압기(40)의 1차 권선부(41)에는 복수 개의 탭(P1, P2,...Pn)이 구비되며 각각의 탭은 권선비가 다른 지점에 위치한다. 따라서, P1으로 교류 전원이 공급되는지 아니면 P2로 교류 전원이 공급되는 지에 따라서 1차 권선부(41)에 나타나는 교류 전압의 크기가 달라진다.

센서부(50)는 태양전지(10) 등의 외부로부터 공급받는 직류 전원의 전압과 교류 전원의 전압과 전류를 감지한다. 예컨대, 태양전지(10)의 경우 설치된 장소와 날씨, 계절 등에 따라 발생되는 직류 전원의 전압차가 크며 수십 퍼센트까지 차이날 수 있다. 따라서 센서부(50)는 외부 직류전원의 전압과 교류전원의 전압과 전류를 실시간으로 감지하여 제어부(60)로 제공해준다.

제어부(60)는 최대전력점 추적(MPPT)방식에 의해 태양전지(10)의 직류 전압과 직류 전류에 의해 발생하는 전력량이 최대값을 내도록 DC-AC 변환부(20)의 교류 전원의 출력 전류량을 제어하고, 센서부(50)에서 감지된 직류 전압의 크기에 따라 탭 절환 스위치부(30)의 스위치 연결을 제어한다. 이하 제어부(60)에서 이루어지는 제어 방식을 설명하면 다음과 같다.

■ 제어부(60)의 MPPT 제어는 다음과 같은 방식으로 이루어진다.

MPPT 제어에 의하면 DC-AC 변환부(20)로 입력되는 태양전지(10)의 직류 출력 전압을 가변할 수 있다. 이는 태양전지(10)로부터 출력 전류를 어느 정도 빼내는가에 따라 결정되는데, 태양전지(10)의 출력 전류를 많이 빼낼수록 태양전지(10)의 출력 전압은 낮아지며 반대로 태양전지(10)의 출력 전류를 덜 빼낼수록 태양전지(10)의 출력 전압은 높아진다.

태양전지(10)로부터 출력 전류를 빼내는 동작은 DC-AC 변환부(20)의 출력 전류를 제어함으로써 이루어진다. 즉, 제어부(60)의 제어에 의해 DC-AC 변환부(20)의 교류 출력 전류량을 증가시켜 계통으로 전류를 많이 보내면 태양전지의 직류 출 력 전류 역시 많이 흐르게되어 상대적으로 태양전지의 직류 출력 전압은 낮아진다. 반대로 DC-AC 변환부(20)의 교류 출력 전류량을 감소시키면 태양전지의 직류 출력 전류량 역시 감소하여 태양전지의 직류 출력 전압이 높아진다.

결과적으로, DC-AC 변환부(20)의 출력 전류를 제어함으로써 태양전지의 직류 출력 전압을 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 이러한 과정을 통해 최대전력점을 찾는 MPPT 제어가 이루어진다. MPPT 제어에 의해 최대전력점을 찾은 후에는 DC-AC 변환부(20)의 출력 전류를 일정하게 유지시키며, 이후 MPPT 제어를 계속 진행하여 최대전력점에 맞추어 DC-AC 변환부(20)의 출력 전류를 조절하도록 제어한다.

■ 제어부(60)의 탭 절환 스위치 제어는 다음과 같은 방식으로 이루어진다.

태양전지(10)의 직류 전압이 미리 설정된 범위 이상으로 상승하면 DC-AC 변환부(20)로부터 출력되는 교류 전원이 현재 연결된 탭보다 권선비가 높은 탭으로 스위치 연결이 절환되도록 탭 절환 스위치부(30)의 스위치 연결을 제어한다.

반대로, 태양전지(10)의 직류 전압이 미리 설정된 범위 이하로 하강하면 현재 연결된 탭보다 권선비가 낮은 탭으로 스위치 연결이 절환되도록 탭 절환 스위치부(30)의 스위치 연결을 제어한다.

이렇게 함으로써 DC-AC 변환부(20)와 변압기 1차 권선에 흐르는 교류 전류의 크기를 항시 최소화할 수 있다.

즉, [도 2]를 기준으로, 태양전지(10)에서 발생된 직류 전압이 크면 스위치(31)이 연결되고 스위치(32)가 끊어지도록 제어하여 보다 높은 교류 전압을 1차 권선부(41)측에 인가할 수 있는 P1 탭으로 교류 전원이 연결되도록 제어한다. 따라서, 날씨가 맑아 태양전지(10)에서 발생하는 직류 전압이 커질 경우 변압기(40)에 인가되는 교류 전압을 증가시켜 출력 전류를 낮게 유지시킴으로써 전도손실을 줄일 수 있다.

이때, 변압기(40)에 인가되는 교류 전압을 무한정 증가시키는 데에는 제어 조건상 한계가 있다. DC-AC 변환부(20)의 입력 직류 전압이 출력 교류 전압의 최대치보다 커야 출력전류를 정현파로 유지할 수 있다.

결국, DC-AC 변환부(20)의 교류 출력 전압(변압기 1차측 인가전압)은 항상 DC-AC 변환부(20)의 직류 입력 전압의 최저전압을 기준으로 선정되어야 한다. 예컨대 DC-AC 변환부(20)의 직류 입력 전압의 최저값이 200V라면 변압기 1차측 인가전압은 RMS 교류 전압 140V가 되어야하며 140V보다 높게 설정할 수는 없다. 또한, 이상의 조건을 만족하지 못할 경우에는 전류가 흐르지 못하므로 DC-AC 변환부(20)의 전류제어를 할 수도 없게 된다.

따라서, 본 발명에서는 일사량이 작고 온도가 낮아 태양전지(10)에서 발생되는 전력량 감소로 인해 직류 전압이 작아지면 앞서와 반대로 스위치(31)을 끊고 스위치(32)가 연결되도록 제어하여 변압기(40)에 인가되는 교류 전압을 감소시켜 계통쪽으로 전류가 흐를 수 있게 하여 PCS 제어가 가능한 조건이 유지되도록 한다.

즉, 제어부(60)는 태양전지(10)에서 생성되는 전원의 전압 크기에 맞춰 변압기(40)로 인가되는 교류 전압의 크기를 증가시키는 동시에, 변압기(40)로 인가되는 교류 전압이 PCS의 제어조건을 넘지 않는 범위 이하를 유지하도록 탭 절환 스위치 부(30)를 제어한다.

PCS의 제어조건을 유지하기 위해서는 태양전지(10)의 직류 전압보다 낮은 범위의 교류 전압이 인가되는 탭을 선택하여 교류 전압을 연결해야 하는데, 교류 전류를 가능한한 낮추는 것이 바람직하므로 선택가능한 탭 중에서 교류 전압을 가급적 높게 설정할 수 있는 탭을 선택하는 것이 바람직하다.

예컨대, 4개의 탭이 각각 140V, 190V, 240V, 290V의 RMS 교류 전압을 인가하도록 설정되어 있다면, 일사량 증가로 태양전지(10)의 직류 전압이 350V가 되었을 경우 이에 대응되는 RMS 교류 전압은 248V 이므로 (350 ÷ 1.414 = 248V) 이보다 작은 RMS 교류 전압을 갖는 140V, 190V, 240V의 3개의 탭이 선택 가능하다. 따라서, 이 중에서 가장 높은 RMS 교류 전압을 인가하도록 설정된 240V의 탭을 선택하도록 스위칭 제어하는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 주로 2개의 스위치(31, 32)와 2개의 탭(P1, P2)을 기준으로 설명하였으나, 3개 이상의 복수 개의 탭과 복수 개의 스위치로 단계적인 전압레벨을 설정하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 이는 후술하는 [도 3]의 설명에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

[도 3]은 [도 2]에서 태양전지(10)로부터 DC-AC 변환부(20)로 인가되는 직류 전압의 변화에 따른 DC-AC 변환부(20)의 출력 교류전압과 출력 교류전류를 종래방식과 비교하여 나타낸 그래프이다.

[도 3(A)]는 태양전지(10)에서 발생되는 직류 전원의 전압이 일사량 변화와 MPPT 제어에 따라 증가했다가 감소하는 그래프를 나타내고 있다.

[도 3(B)]는 종래의 PCS에서의 출력 교류전압과 출력 교류전류의 변화를 나타낸 것이다. 태양전지(10)의 조건에 관계없이 변압기로 인가되는 출력 전압의 크기는 항상 일정하게 유지되며, 태양전지(10)에서 생성되는 전력이 증가하여 직류 전압의 크기가 커지면 그에 따라 출력 전류도 비례적으로 상승함을 알 수 있다.

예컨대, 태양전지의 직류 전압의 최소값이 200V인 경우에 어떠한 조건에서도 PCS 제어조건을 만족시키기 위해서는 변압기로 인가되는 출력 교류전압의 RMS값을 140V로 고정시켜야 한다.

따라서, 태양전지의 직류 전압이 200V인 경우에는 낮은 전류가 흐르지만, 일사량이 높아져서 태양전지의 직류 전압이 350V로 증가하면 많은 양의 전류가 흐르게 되고 출력 전류량의 상승은 전도손실을 증가시키므로 PCS의 효율을 감소시키는 단점이 있다.

또한, 일반적으로 전도손실은 흐르는 전류의 제곱에 비례하고 전도손실은 열로 나타나기 때문에 히트싱크나 팬 등의 방열 시스템이 커지게 되고 스위칭소자의 전류용량도 큰 것을 사용해야 하며, 전체 시스템의 원가가 올라가는 단점이 있다.

[도 3(C)]는 본 발명의 PCS에서의 출력 교류전압과 출력 교류전류의 변화를 나타낸 것이다. 태양전지(10)의 발생전력의 증가로 직류 전압이 상승하면 P2에서 P1으로 탭을 절환하고 출력 전압을 상승시킴으로써 출력 전류가 일정 범위 이내로 유지된다. 즉, 출력 전류가 일정 범위 이내로 유지되도록 변압기 탭 절환이 이루어진다.

따라서, 변압기 탭 절환을 통해서 P1과 P2의 비율만큼 PCS의 출력 전류는 작아지며, 그 비율의 제곱만큼 전도 손실이 감소하게 되므로 PCS의 효율을 향상시킬 수 있다.

예컨대, 태양전지의 직류 전압이 200V에서 350V로 증가했다면 변압기로 인가되는 출력 교류전압의 RMS값은 140V가 아닌 240V(240 × 1.414 = 339V이므로)로 상향조정되더라도 여전히 출력 전류를 계통쪽으로 흘려보낼 수 있으며 PCS 제어도 가능한 상태로 유지될 수 있다.

따라서, [도 3(C)]에서는 태양전지의 직류 전압이 200V에서 350V로 증가하면 탭을 스위칭하여 변압기로 인가되는 출력 교류전압의 RMS값이 240V가 되도록 제어함으로써 결과적으로 PCS 구성의 대부분에 해당되는 스위칭부, LC필터, 변압기 1차측 전류량을 (140/240)의 비율로 작게 줄일 수 있고 그에 따른 전도손실은 (140/240)의 비율의 제곱만큼 작게 줄일 수 있다.

상기과정에서 (1) 일사량의 급변, 음영효과 등으로 인해 태양전지(10)의 직류 전압이 큰 폭으로 빈번하게 변하거나, (2) 노이즈, 미세한 일사량 변화, 온도 변화 등으로 인해 탭 변경을 위해 사전에 결정된 전압 근처에서 직류 전압이 빈번하게 미세하게 변경되는 경우 등에서 P2에서 P1으로, 또는 P1에서 P2로 빈번하게 탭이 변경되어, 이로 인해 계통전원이 불안해질 수 있는 원인을 제공할 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위한 바람직한 방법으로 탭 변경간에 최소한의 시간제한을 두거나, 태양전지(10)의 직류 전압이 탭 변경을 위해 결정된 전압 근처에서 탭 변경을 허용하기 위한 히스테리시스 전압폭을 두어 탭변경을 제어하는 것이 바람직하 다.

변압기 탭 절환 스위치를 구성하는 방식으로는 기계적 스위치로만 구성, 반도체 스위치로만 구성, 기계적 스위치와 반도체 스위치로 구성하는 3 가지 방식이 있으며 스위칭 제어의 방식에도 차이가 있다. 탭 절환 시점에 있어서 단상의 경우 출력 전압의 제로 크로스 시점에서 스위칭이 이루어지는 것이 바람직하다.

■ 기계적 스위치만으로 탭 절환 스위치를 구성할 경우에는 기계적 스위치의 작동이 느리기 때문에 계통연계 태양광 PCS 동작 중에 탭을 절환하면 스파크가 발생할 수도 있고 PCS가 오동작을 할 수도 있으므로 반드시 PCS를 정지시킨 후에 탭 절환을 하는 것이 바람직하다.

즉, 기계적 스위치만으로 탭 절환 제어를 하기 위해서는 먼저 DC-AC 변환부(20)의 출력 교류전류를 영으로 제어한다. 그 다음에 기존 탭에 연결된 기계적 스위치를 완전히 오프시키고, 옮기고자 하는 탭의 기계적 스위치를 온시킨다. 이때, 두 탭의 기계적 스위치가 동시에 온 상태가 되면 탭 상호간에 단락성의 순환 전류가 흐르게 되므로 동시에 도통되지 않도록 제어가 이루어져야 한다. 그리고, 마지막으로 MPPT 제어와 출력 전류제어를 다시 시작함으로써 탭 절환이 완료된다.

기계적 스위치만을 이용할 경우 매우 짧은 시간에 탭 절환이 이루어지지만 출력 전류가 영으로 제어되는 구간에서는 발전이 이루어지지 않는다. 또한, 기계적 스위치는 DC-AC 변환부(20)의 용량과 동일해야 한다. 하지만, 기계적 스위치만 으로 구성되므로 비용이 저렴한 장점이 있다.

■ 반도체 스위치만으로 탭 절환 스위치를 구성할 수도 있다. [도 4]는 변압기 탭 절환 스위치로 적용 가능한 다양한 반도체 스위치(IGBT, Diode)의 실시예이다.

PCS를 동작중에 탭을 절환하기 위해서는 [도 4]와 같이 작동이 빠른 반도체 스위치를 사용하고 절환시의 과도상태를 줄이기 위해서 PCS 출력 교류전압이 영을 지나는 시점(zero crossing point)에 탭을 절환하는 것이 바람직하다.

기존의 탭에 연결된 반도체 스위치와 옮기고자 하는 탭의 반도체 스위치는 동시에 온/오프가 이루어져 탭 절환이 이루어진다. 이때에도 역시 두 탭이 동시에 온 상태가 되면 탭 상호간에 단락성의 순환전류가 흐르게 되므로 동시 도통이 이루어지지 않도록 제어하는 데에 주의가 필요하다.

반도체 스위치만을 이용할 경우 DC-AC 변환부(20)에 사용된 것과 동일한 용량의 반도체 스위치로 구성되어야 하며 도통손실이 발생하기 때문에 방열판도 구비되어야 하고 원가가 다소 올라가는 단점이 있다. 하지만, 출력 전류를 제로로 제어할 필요가 없으므로 항상 발전이 가능하다는 장점이 있다.

■ 기계적 스위치와 반도체 스위치를 함께 사용하여 하이브리드 스위치를 탭 절환 스위치로 구성할 수도 있다. [도 5]는 변압기 탭 절환 스위치로 적용 가능한 다양한 반도체 스위치(IGBT, Diode)와 기계적 스위치가 결합된 복합 스위치의 실시 예이다.

앞서 [도 4]와 같이 반도체 스위치만을 사용할 경우에는 항상 반도체 스위치의 도통손실이 발생하는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 반도체 스위치와 기계적 스위치가 병렬 연결된 스위치 구성을 사용하는 것이 바람직하다.

기계적 스위치가 켜진 상태에서 탭절환 전에 반도체 스위치를 켜고 기계적 스위치는 꺼서 반도체 스위치만으로 동작을 하다가 옮기고자하는 탭의 반도체 스위치를 켜고, 기존 탭의 반도체 스위치는 꺼서 탭절환을 빠른 속도로 진행한다. 그리고, 탭절환이 완전히 완료되고 나면 해당 탭의 기계적 스위치를 켜고 기계적 스위치가 완전히 켜지면 그후에 반도체 스위치를 꺼서 반도체 스위치의 도통손실을 줄일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

[도 6]은 본 발명의 PCS 장치가 3상 PCS로 구현된 경우(3상 변압기가 Y-Y 결선일 경우)의 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치의 주요 구성부이고, [도 7]은 본 발명의 PCS 장치가 3상 PCS로 구현된 경우(3상 변압기가 Δ-Y 결선일 경우)의 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치의 주요 구성부이다.

앞서 설명한 사항들은 주로 단상 회로를 기준으로 설명한 것으로서, 본 발명의 PCS 장치는 3상 회로로 구현될 수 있다. 이 경우 DC-AC 변환부(20)는 3개의 각기 다른 위상을 갖는 교류 정현파 전원을 출력하며 3개의 탭 절환 스위치부(30)와 3개의 변압기(40)가 구비되어 각 교류 정현파 전원과 연결된다.

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 온도와 일사량에 따른 태양전지의 출력 전압과 출력 전력 특성을 나타낸 그래프,

[도 2]는 본 발명의 실시예에 따른 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치의 전체 구성도,

[도 3]은 태양전지(10)로부터 DC-AC 변환부(20)로 인가되는 직류 전압의 변화에 따른 DC-AC 변환부(20)의 출력 교류전압과 출력 교류전류를 종래방식과 비교하여 나타낸 그래프,

[도 4]는 변압기 탭 절환 스위치로 적용 가능한 다양한 반도체 스위치(IGBT, Diode)의 실시예,

[도 5]는 변압기 탭 절환 스위치로 적용 가능한 다양한 반도체 스위치(IGBT, Diode)와 기계적 스위치가 결합된 복합 스위치의 실시예,

[도 6]은 본 발명의 PCS 장치가 3상 PCS로 구현된 경우(3상 변압기가 Y-Y 결선일 경우)의 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치의 주요 구성부,

[도 7]은 본 발명의 PCS 장치가 3상 PCS로 구현된 경우(3상 변압기가 Δ-Y 결선일 경우)의 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치의 주요 구성부이다.

Claims

직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 계통 연계형 PCS 장치로서,

외부 전력 공급원으로부터 직류 전원을 입력받고, 상기 직류 전원을 외부 제어수단에 의해 전류량이 조절된 교류 전원으로 변환하여 출력하고, 상기 교류 전원의 전류량을 증가시킬수록 상기 직류 전원의 전압을 감소시키는 DC-AC 변환부;

상기 교류 전원을 제공받아 출력하는 복수 개의 출력라인을 구비하고, 상기 출력라인에는 전류 흐름을 스위칭하는 스위치가 각각 구비되는 탭 절환 스위치부;

권선비가 다른 지점에 위치하며 상기 출력라인과 각각 연결된 복수 개의 탭을 구비하는 1차 권선부와, 계통 전원과 연결되며 상기 1차 권선부에 인가된 전압을 권선비에 따라 변압하여 상기 계통 전원으로 제공하는 2차 권선부를 포함하는 변압기; 및

상기 외부 전력 공급원의 직류 전압과 직류 전류에 의해 발생하는 전력량이 최대값을 내도록 상기 DC-AC 변환부의 교류 전원의 출력 전류량을 제어하고, 상기 외부 전력 공급원의 직류 전압이 미리 설정된 범위 이상으로 상승하면 상기 교류 전원이 현재 연결된 탭보다 권선비가 높은 탭으로 절환되도록 상기 탭 절환 스위치부의 스위치 연결을 제어하고 상기 외부 전력 공급원의 직류 전압이 미리 설정된 범위 이하로 하강하면 현재 연결된 탭보다 권선비가 낮은 탭으로 상기 스위치 연결을 절환 제어하되 상기 DC-AC 변환부로부터 상기 1차 권선부로 유입되는 교류 전류를 탭 절환에 의해 선택가능한 전류량 중 최소로 유지되도록 제어하는 제어부;

를 포함하여 구성되는 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 탭 절환 스위치부는 상기 출력라인마다 상기 DC-AC 변환부와 동일한 범위의 용량을 갖는 기계적 스위치를 포함하고,

상기 제어부는 탭 절환시 먼저 상기 DC-AC 변환부의 출력 교류전류를 영으로 제어하고, 현재 탭에 연결된 기계적 스위치를 오프시킨 후, 전류를 흐르게 하려는 탭에 연결된 기계적 스위치를 온시키고, 상기 DC-AC 변환부의 출력 교류전류량의 제어를 시작하는 것을 특징으로 하는 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 탭 절환 스위치부는 상기 출력라인마다 상기 DC-AC 변환부와 동일한 범위의 용량을 갖는 반도체 스위치를 포함하고,

상기 제어부는 탭 절환시 상기 DC-AC 변환부의 출력 교류전류량 제어가 이루어지는 중에 현재 탭에 연결된 반도체 스위치를 먼저 오프시킨 후 전류를 흐르게 하려는 탭에 연결된 반도체 스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 제어부는 상기 교류 전원의 전압이 영이 되는 시점(제로 크로스 시점)에서 상기 탭 절환 스위치부를 제어하는 것을 특징으로 하는 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 탭 절환 스위치부는 상기 출력라인마다 서로 병렬로 연결된 반도체 스위치와 기계적 스위치가 혼합된 하이브리드 스위치를 포함하고,

상기 기계적 스위치는 상기 DC-AC 변환부와 동일한 범위의 용량을 갖는 것을 특징으로 하고,

상기 제어부는 탭 절환시 먼저 상기 DC-AC 변환부의 출력 교류전류를 영으로 제어하고, 반도체 스위치의 연결을 먼저 제어한 후 기계적 스위치의 연결을 제어하고, 탭 절환된 후에는 반도체 스위치를 오프시키고 기계적 스위치에 의해 탭의 연결상태가 유지되도록 제어하고, 상기 DC-AC 변환부의 출력 교류전류량의 제어를 시작하는 것을 특징으로 하는 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어부는,

미리 설정된 히스테리시스 전압폭에 따라 상기 직류 전원의 전압 상승시의 탭 절환과 하락시의 탭 절환의 경계점이 분리되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 PCS 장치.