KR101022570B1 - 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 제어범위가 넓고, 스위치의 파괴를 방지할 수 있는 일단 구성의 고효율 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명은 태양광 어레이에서 출력되는 전력을 계통에서 요구되는 전력으로 변환하는 DC-AC 컨버터와, 태양광 어레이와 DC-AC 컨버터의 사이에 전기적으로 연결되어 태양광 어레이에서 출력되는 전력을 일시적으로 저장하는 임피던스 네트워크와, 태양광 어레이에 연결되어 암단락 지령신호를 생성하여 출력하는 MPPT 제어기와, 유효전력 지령을 생성하는 전압제어기와, 계통의 전압 전류를 받아 전압제어기의 유효전력 지령과 임의의 무효전력 지령으로 3상 전압지령을 생성하여 출력하는 전류제어기와, MPPT 제어기와 전류제어기의 출력 신호에 기초하여 DC-AC 컨버터를 제어하는 PWM 신호 발생장치를 포함하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법을 개시한다.
PWM, MPPT, 인버터, 임피던스 네트워크, 일단 구성

Description

임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법{High efficiency PV system of single stage and control method for thereof using the impedance network}
본 발명은 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 제어범위가 넓고, 스위치의 파괴를 방지할 수 있는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 국제 원유 값 상승과 석유의 제한적인 매장량으로 인해 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 대체 에너지로는 생물 에너지, 수력, 원자력, 지열, 태양열, 풍력, 조력, 파력, 수소 에너지 등이 있다. 그 중 태양광을 이용하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 경우에는 다양한 직류형전원을 계통에서 요구하는 전력의 형태로 변환하기 위해 컨버터 및 인버터가 사용된다.
이때 인버터들은 통상적으로 DC 전압을 AC전압으로 변환하기 전에 충분한 DC 전압을 확보하기 위해 추가적으로 DC/DC 컨버터(converter)를 사용하게 된다. 컨버 터는 일정한 주기로 스위칭하는 스위치 소자를 이용하여, 스위치가 온 되어있는 동안에는 입력전원이 회로에 연결되고 오프 되어있는 동안에는 입력전원이 회로로부터 끊어지게 된다.
이때, 태양광 어레이의 출력전압이나 전류를 조절하기 위해 컨버터에 있는 스위치를 PWM 신호 발생장치(Pulse Width Modulation)의 신호에 의해 온/오프 시켜 제어한다. 이런 스위치의 제어에 의해 생성된 최대 전력을 계통으로 보내기 위해 또 다른 신호 발생장치의 PWM 신호로 DC/AC 인버터에 있는 스위치를 온/오프 시킨다. 하지만 이러한 이단 구성의 태양광 발전 장치는 컨버터에 있는 추가적인 스위치의 손실 때문에 효율이 저하되게 된다.
또한 인버터는 한 암의 스위치가 동시에 온 되면 단락 회로가 되어 대량의 전류로 인해 스위치가 파괴되는 현상이 발생하게 된다. 따라서 데드타임(dead time)을 두어야 하지만 출력 파형에 왜곡을 일으키기 때문에 별도의 보상 절차가 필요하게 되어 제어가 더욱더 복잡해지는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제어 범위가 넓고, 스위치의 파괴를 방지하기 위해 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치는 태양광 어레이에서 출력되는 전력을 계통에서 요구되는 전력으로 변환하는DC-AC 컨버터와, 상기 태양광 어레이와 상기 DC-AC 컨버터의 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 태양광 어레이에서 출력되는 전력을 일시적으로 저장하는 임피던스 네트워크와, 상기 태양광 어레이에 연결되어 암단락 지령신호를 생성하여 출력하는 MPPT 제어기와, 유효전력 지령을 생성하는 전압제어기와, 상기 계통의 전압 전류를 받아, 상기 전압제어기의 상기 유효전력 지령과 임의의 무효전력 지령으로 3상 전압지령을 생성하여 출력하는 전류제어기와, 상기 MPPT 제어기와 상기 전류제어기의 출력 신호에 기초하여 상기 DC-AC 컨버터를 제어하는 PWM 신호 발생장치로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 DC-AC 컨버터의 전류선은 상기 임피던스 네트워크와 전기적으로 연결되는 상부 스위치 소자와 상기 태양광 어레이의 캐소드와 전기적으로 연결되는 하부 스위치 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 네트워크는 상기 태양광 어레이의 애노드와 전기적으로 연결되며, 양의 단자 및 음의 단자를 갖는 제 1인덕터와, 상기 제 1인덕터의 상기 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 애노드와 캐소드를 갖는 다이오드와, 양의 단자가 상기 다이오드의 상기 캐소드와 전기적으로 연결되며, 음의 단자가 상기 DC-AC 컨버터와 전기적으로 연결된 제 2인덕터와, 양의 단자가 상기 제 1인덕터의 상기 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 양의 단자가 상기 제 2인덕터의 상기 음의 단자 와 전기적으로 연결된 제 1커패시터와, 양의 단자가 상기 다이오드의 상기 캐소드와전기적으로 연결되며, 양의 단자가 상기 태양광 어레이와 전기적으로 연결된 제 2커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기MPPT 제어기는 P&O 방식으로 상기 암단락 지령신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 PWM 신호 발생장치는 상기 암단락 지령신호, 상기 3상 전압지령을 입력 받아 상기 DC-AC 컨버터를 제어할 수 있다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 제어 방법은 태양광 어레이에서 생성된 전류 또는 전압을 검출하는 전류 또는 전압 검출 단계와, MPPT 제어기가 상기 전류 또는 전압을 기초로 하여 P&O 방식으로 암단락 지령신호를 생성하는 암단락 지령신호 생성단계와, 전류제어기가 단상 전압 지령을 생성하는 단상 전압지령 생성 단계와, PWM 신호 발생장치가 상기 암단락 지령신호 및 상기 단상 전압지령을 수신하여 DC-AC 컨버터를 제어하는 DC-AC 컨버터 제어 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 PWM 신호 발생장치는 상기 암단락 지령신호, 상기 단상 전압지령을 입력받아 상기 DC-AC 컨버터를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법은 암단락이 가능한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치를 구성함으로써, 계통연계형 태양광 발전 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 인버터의 출력파형을 개선하고, 스위치의 파괴를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결(electrically coupled)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어있는 경우도 포함한다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 구성 회로도가 도시되어 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)는 태양광 어레이(110), 임피던스 네트워크(120), DC-AC 컨버터(130), MPPT 제어기(MPPT), 전압제어기(DC-link), 전류제어기(C.C) 및 PWM 신호 발생장치(PWM)를 포함한다.
상기 태양광 어레이(110)는 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)를 작동시키기 위한 전류 원으로 다수 개의 태양광전지 모듈이 연결되어 있다. 또한 상기 태양광 전지 모듈은 다수개의 태양전지가 직/병렬로 배열되어 있다. 상기 태양광 어레이(110)는 설치되는 곳의 필요 용량에 따라 적절한 수의 태양전지모듈을 연결하여 사용할 수 있다. 여기서, 상기 태양광 어레이(110)는 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 상기 임피던스 네트워크(120)와 전기적으로 연결된다.
상기 임피던스 네트워크(120)는 상기 태양광 어레이(110)와 상기 DC-AC 컨버터(130)의 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 암단락 발생 시 스위치 소자를 과전류로부터 보호한다. 상기 임피던스 네트워크(120)는 상기 태양광 어레이(110)의 애노드와 전기적으로 연결되며, 양의 단자 및 음의 단자를 갖는 제 1인덕터(VL1)와, 상기 제 1인덕터(VL1)의 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 애노드와 캐소드를 갖는 다이오드(D), 양의 단자가 상기 다이오드(D)의 캐소드와 전기적으로 연결되며, 음의 단자가 상기 DC-AC 컨버터(130)와 전기적으로 연결된 제 2인덕터(VL2), 음의 단자가 상기 제 1인덕터(VL1)의 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 양의 단자가 상기 제 2인덕터(VL2)의 음의 단자와 전기적으로 연결된 제 1커패시터(Vc1) 및 양의 단자가 상기 다이오드(D)의 캐소드와 전기적으로 연결되며, 음의 단자가 상기 태양광 어레이(110)와 전기적으로 연결된 제 2커패시터(VC2)를 포함하여 이루어진다.
상기 제 1인덕터(VL1)는 상기 태양광 어레이(110)의 상기 애노드와 전기적으로 연결되며, 양의 단자 및 음의 단자를 갖는다. 상기 제 1인덕터(VL1)는 구리나 알루미늄 등의 절연성 재료로 싸서 나사 모양으로 여러 번 감은 권선의 형태로 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제 1인덕터(VL1)는 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 암단락 발생 시 과전류를 방지하고 암단락 시간에 비례해 전류 형태로 에너지를 저장하며 상기 제 1커패시터(Vc1) 전압 형성에 도움을 준다.
상기 다이오드(D)는 상기 제 1인덕터(VL1)의 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 애노드와 캐소드를 갖는다. 상기 다이오드(D)는 상기 태양광 어레이(110)로부터 인가된 전류를 상기 DC-AC 컨버터(130)로 흐르도록 하고, 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 암단락이 발생하면 역바이어스가 되어 역방향으로는 전류가 흐르지 못하도록 한다.
상기 제 2인덕터(VL2)는 양의 단자가 상기 다이오드(D)의 상기 캐소드와 전기적으로 연결되며, 음의 단자가 상기 DC-AC 컨버터(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제 2인덕터(VL2)는 상기 제 1인덕터(VL1)와 같은 재질로 형성할 수 있으며, 상기 제 2인덕터(VL2)는 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 암단락 발생 시 과전류를 방지하고 암단락 시간에 비례해 전류 형태로 에너지를 저장하며 상기 제 2커패시터(Vc2) 전압 형성에 도움을 준다.
상기 제 1커패시터(Vc1)는 음의 단자가 상기 제 1인덕터(VL1)의 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 양의 단자가 상기 제 2인덕터(VL2)의 음의 단자와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 암단락 발생 시 에너지를 제 1인덕터(VL1)로 넘기고 암단락 상태가 끝나면 상기 태양광 어레이(110)로부터 에너지를 보충한다.
상기 제 2커패시터(VC2)는 양의 단자가 상기 다이오드(D)의 상기 캐소드와 전기적으로 연결되며, 음의 단자가 상기 태양광 어레이(110)와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제 2커패시터(VC2)는 상기 태양광 어레이(110)로부터 발생된 전압을 저장하며, 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 암단락 발생 시 에너지를 제 2인덕터(VL2)로 넘기고 암단락 상태가 끝나면 상기 태양광 어레이(110)로부터 에너지를 받는다.
상기 DC-AC 컨버터(130)는 상기 태양광 어레이(110)에서 출력되는 전력을 계통(140)에서 요구되는 전력으로 변환한다. 상기 DC-AC 컨버터(130)는 상기 임피던스 네트워크(120)와 전기적으로 연결되며, 제어 신호에 따라 작동하는 다수의 스위치 소자(sw)를 포함한다. 여기서, 상기 DC-AC 컨버터(130)는 상기 태양광 어레이(110)로부터 공급되는 전류를 받는 다수의 전류선(131, 132, 133)을 포함하며, 상기 전류선(131, 132, 133)은 병렬로 형성된다.
여기서, 상기 전류선(131, 132, 133)은 상기 임피던스 네트워크(120)와 전기적으로 연결되는 상부 스위치 소자(Sap, Sbp, Scp)와 상기 태양광 어레이(110)의 캐소드와 전기적으로 연결되는 하부 스위치 소자(San, Sbn, Scn)를 포함한다. 상기 상부 스위치 소자(Sap, Sbp, Scp)는 제 1전극이 상기 임피던스 네트워크(120)와 전기적으로 연결되고, 제 2전극은 제 3인덕터(VL3)와 전기적으로 연결된다. 상기 하부 스위치 소자(San, Sbn, Scn)는 제 1전극이 상기 제 3인덕터(VL3)와 전기적으로 연결되며, 제 2전극은 상기 태양광 어레이(110)와 전기적으로 연결된다. 이때, 상기 전류선(131, 132, 133)은 제 1전류선(131), 제 2전류선(132) 및 제 3전류선(133)으로 구성되어, 각각의 상기 전류선(131, 132, 133)에 상기 제 3인덕터(VL3)가 전기적으로 연결된 3상으로 형성된다.
상기 MPPT(Maximum Power Point Tracking:최대전력점 추종) 제어기(MPPT)는 상기 태양광 어레이(110)에 위치하여 암단락 지령신호를 생성한다. 여기서, 암단락 지령신호는 상기 스위치 소자(sw)가 모두 온 되는 지령을 일컫는다. 다시 말해, 상기 MPPT 제어기(MPPT)는 상기 태양광 어레이(110)의 출력 전압 및 출력전류를 기초로 하여 상기 태양광 어레이(110)의 출력전력을 계산하여 암단락 지령신호를 생성한다. 이때, 상기 MPPT 제어기(MPPT)는 상기 태양광 어레이(110)의 동작 전압을 가변시켜 이전 전력과 현재 전력의 차이를 비교하는 hill-climbing 방식을 이용하여 상기 태양광 어레이(110)의 암단락 지령신호를 추출한다. 여기서, 암단락 지령신호는 P&O 방식을 이용해서 생성한다.
도 1b를 참조하면, 상기 P&O 방식을 순서대로 도시한 순서도가 도시되어 있 다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 P&O 방식은 전력 계산 단계(S21), 전력 비교 단계(S22), 제 1전압 비교 단계(S23), 제 2전압 비교 단계(S24), 가산 단계(S23a, S24b) 및 감산 단계(S23b, S24a)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전력 계산 단계(S21)에서는 상기 전류와 전압의 곱을 이용해서 전력을 계산한다.
이때, 상기 전력 계산 단계(S21)에서는 (식 1)의 수학식을 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 1)
Pk = Vk*Ik
Pk = 태양광 어레이의 전력
Vk = 태양광 어레이의 전압
Ik = 태양광 어레이의 전류
다음, 전력 비교 단계(S22)에서는 상기 전력(P)과 상기 전력(P)이 생성되기 전인 이전 전력(P-1)을 비교한다. 다시 말해, P(k)>P(k-1)의 부등호식을 이용해서 상기 전력(P)을 비교 할 수 있다.
다음, 제 1전압 비교 단계(S23)에서는 상기 전력 비교 단계(S22)에서 상기 전력(P)이 상기 이전 전력(P-1)보다 작으면 상기 전압(Vk)과 상기 전압(Vk)이 생성되기 전인 이전 전압(Vk-1)을 비교한다. 다시 말해, V(k)>V(k-1)의 부등호식을 이 용해서 상기 전압(Vk)과 상기 이전 전압(Vk-1)을 비교한다.
다음, 가산 단계(S23a)에서는 상기 제 1전압 비교 단계(S23)에서 상기 전압(Vk)이 상기 이전 전압(Vk-1)보다 작을 시 가산을 수행한다. 상기 가산 단계(S23a)에서는 (식 2)의 수학식을 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 2)
Vp = Vp+ΔV
또한, 감산 단계(S23b)에서는 상기 제 1전압 비교 단계(S23)에서 상기 전압(Vk)이 상기 이전 전압(Vk-1)보다 클 시 감산을 수행한다. 상기 감산 단계(S23b)에서는 (식 3)의 수학식을 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 3)
Vp = Vp-ΔV
다음, 제 2전압 비교 단계(S24)에서는 상기 전력 비교 단계(S22)에서 상기 전력(P)이 상기 이전 전력(P-1)보다 크면, 상기 전압(Vk)과 상기 이전 전압(Vk-1)을 비교한다. 다시 말해, V(k)>V(k-1)의 부등호식을 이용해서 상기 전압(Vk)과 상기 이전 전압(Vk-1)을 비교한다.
다음, 감산 단계(S24a)에서는 상기 제 2전압 비교 단계(S24)에서 상기 전압(Vk)이 상기 이전 전압(Vk-1)보다 작을 시 감산을 수행한다. 상기 감산 단계(S24a)에서는 (식 3)의 수학식을 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 3)
Vp = Vp-ΔV
또한, 가산 단계(S24b)에서는 상기 제 2전압 비교 단계(S24)에서 상기 전압(Vk)이 상기 이전 전압(Vk-1)보다 클 시 가산을 수행한다. 상기 가산 단계(S24b)에서는 (식 2)의 수학식을 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 2)
Vp = Vp+ΔV
상기 P&O 방식을 이용해서 생성된 암단락 지령신호 Vp를 이용해서 또 다른 암단락 지령신호 VN을 생성할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 Vp에 의해 또 다른 암단락 지령신호 VN이 생성되는 과정이 도시되어 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 VN은 상기 MPPT 제어기(MPPT)에 의해 생성된 상기 Vp에 위상을 반전하여 상기 VN을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 상기 Vp 및 VN이 암단락 지령신호가 되는 것이다.
상기 전압제어기(DC-link)는 상기 제 2커패시터(VC2)의 전압 지령과 실제 상기 제 2커패시터(VC2) 전압의 오차를 제어하여 유효전력 지령(P*)을 생성한다.
도 1d를 참조하면, 상기 유효전력 지령(P*)을 생성하는 과정이 도시되어 있다.
상기 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 유효전력(P*)은 상기 제 2캐패시 터(Vc2)의 전압과 직류단 전압의 기준을 정하는 임의의 상기 제 2캐패시터(Vc2)의 전압을 설정하여 생성한다. 즉, 상기 제 2캐패시터(Vc2)의 전압 지령과 상기 제 2캐패시터(Vc2)의 실제 전압의 오차를 조정하여 상기 유효전력(P*)을 생성하는 것이다.
상기 전류제어기(C.C)는 상기 계통(140)에서 전압, 전류를 받아 상기 전압제어기(DC-link)에서 생성된 유효전력 지령과 임의의 무효전력 지령으로 일련의 과정을 거쳐 3상 전압 지령을 생성한다. 여기서 상기 전류제어기(C.C)는 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 계통에서 선간 전압을 읽어와 정지좌표계 전압으로 변환하는 단계, 변환된 정지 좌표계 전압과, 상기 전압제어기(DC-link)에서 생성된 유효전력 지령과 임의의 무효전력지령으로 전류 지령을 생성하는 단계, 전류지령과 정지좌표계 전류로 변환된 상기 계통의 3상 전류와 비교 조정을 통해 정지좌표계 전압지령을 생성하는 단계, 정지 좌표계 전압지령을 피드 포워드 하여 3상 전압지령으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 계통의 선간 전압을 읽어와 정지좌표계 전압으로 변환하는 단계에서, 정지좌표계 전압으로 변환은 (식 4)를 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 4)
Vα = 2/3*Vab+1/3*Vbc
Vβ = 1v3*Vbc
Vab,Vbc = 상기 전류선의 센싱 된 선간 전압 값
다음, 정지좌표계 전류지령을 생성하는 단계에서 정지좌표계 전류 지령은 (식 5)를 이용해서 나타낼 수 있다.
(식 5)
iα * = K(VαP*+VβQ*)/(v2 α+v2 β)
iβ * = K(VβP*-VαQ*)/(v2 α+v2 β)
iα *, iβ * = 정지좌표계로 변환된 전류 값
K = 상수
Vα, Vβ = 상기 전류선의 센싱 된 전압
P* = 유효전력
Q* = 무효전력
여기서, 상기 무효전력(Q*)에는 정수를 인가하여 상기 임피던스 네트워크(120)를 사용한 일단 구조의 고효율 상기 태양광 발전 장치(100)를 제어할 수 있다. 만약, 상기 무효전력(Q*)에 영을 인가하게 되면, 상기 임피던스 네트워크(120)를 사용한 일단 구조의 고효율 상기 태양광 발전 장치(100)의 출력 전류는 계통 전압과 동상이 되고 이에 따라 역률이 1이 되게 된다.
또한, 상기 무효전력(Q*)에 음의 정수를 인가하게 되면, 상기 임피던스 네트 워크(120)를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 출력 전류는 지상 전류를 출력하게 되며, 양의 정수를 인가하게 되면, 상기 임피던스 네트워크(120)를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 출력 전류는 진상 전류를 출력하여 역률을 보상할 수 있다.
다음, 정지좌표계 전압지령을 생성하는 단계에서 정지좌표계 전류지령과 비교를 위한 상기 계통의 실제 전류는 (식 6)을 통해 정지좌표계 실제 전류로 나타낼 수 있고 상기 정지좌표계 전류 지령과 상기 정지좌표계 실제 전류를 비교를 통한 전류차를 비례 적분 제어기를 통해 조정하여 정지좌표계 전압 지령을 생성한다.
(식 6)
iα = iα
iβ = (iβ-ic)/ v3
iα, iβ, ic = 상기 전류선의 센싱 된 전류 값
다음, 3상 전압지령으로 변환하는 단계에서 상기 정지좌표계 전압지령에 상기 정지좌표계 전압을 더하여 전향 보상을 하고 이를 (식 7)을 통해 3상 전압지령으로 나타낼 수 있다.
(식 7)
Vα* = Vα*
Vβ * = -1/2*Vα*+v3/2* Vβ *
Vc* = -1/2Vα*-v3/2*Vβ*
Vα*, Vβ * = 2상 정지좌표계 전압 지령
상기 PWM 신호 발생장치(PWM)는 상기 MPPT 제어기(MPPT)와 상기 전류제어기(C.C)로부터 지령을 받아 상기 DC-AC 컨버터(130)를 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성한다. 즉, 상기 PWM 신호 발생장치(PWM)(Pulse Width Modulation:펄스 폭 변조)는 상기 MPPT 제어기(MPPT)에 의해 생성된 암단락 지령신호(Vp, VN), 상기 3상 전압지령 (Va*, Vb*, Vc*)을 수신하여 상기스위치 소자(sw)를 제어한다.
도 1e를 참조하면, 신호에 따라 제어되는 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 제어 흐름을 도시한 구성도가 도시되어 있다. 또한, 도 1f를 참조하면, 상기 암단락 지령신호(Vp, VN)에 따라 상기 DC-AC 컨버터(130)에서 작동되는 상기 스위치 소자(sw)들의 타이밍 도가 도시되어 있다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 Vp가 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)에 입력되는 캐리어 신호(C)보다 작을시, 상부 스위치 소자(Sap, Sbp, Scp)들에 모두 온 신호를 인가하여 영 상태로 인해 모두 온 되어 있는 하부 스위치 소자(San, Sbn, Scn)와 함께 암단락을 형성시킨다.
또한, 상기 VN이 캐리어 신호보다 클 시, 상기 하부 스위치 소자(San, Sbn, Scn)에 온 신호를 인가하여 이미 영 상태로서 온 되어 있는 상기 상부 스위치 소자(Sap, Sbp, Scp)와 함께 암단락을 형성시킨다. 이때, 상기 Vp는 상기 캐리어 신호(C)와 비교되기 때문에 최대 Vdc/2를 넘을 수 없고 3상 전압지령의 어느 하나보다 항상 커야한다. 그렇지 않게 되면, 출력 전압에 왜곡을 발생 시키게 된다. 또한, 상기 VN도 -Vdc/2 보다 커야 되고 3상 지령의 어느 하나보다 항상 작아야 한다. 이렇게 상기 Vp 및 VN에 제한 값이 존재하게 되지만, 상기 태양광 어레이(110)의 개방 전압에 맞춰 상기 임피던스 네트워크(120)의 제 2캐패시터(Vc2)의 제어 전압을 설정하면, 제한 값에 무관하게 제어를 할 수 있다.
여기서, 도 1e에 도시된 C는 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)에 입력되는 캐리어 신호를 의미하며, Va, Vb 및 Vc는 상기 DC-AC 컨버터(130)에 형성된 PCC(Point of Common coupling)의 전압을 의미하는 것이다.
다음은 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 작용에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)에 상기 상부 스위치 소자(Sap, Sbp, Scp) 및 상기 하부 스위치 소자(San, Sbn, Scn)중 어느 하나만 온 되는 암단락이 발생하지 않은 상태의 작동 원리는 다음과 같다. 먼저 상기 태양광 어레이(110)에 의해 생성된 전류가 상기 제 1인덕 터(VL1)에 흐르게 된다. 이후 전류는 상기 다이오드(D)에 흐르게 된다. 전류는 상기 다이오드(D)를 거쳐 상기 제 2커패시터(VC2) 및 제 2인덕터(VL2)에 흐르게 된다.
이때 상기 임피던스 네트워크가 상기 태양광 어레이를 전원으로 가지지 않고 일반적 전압원 전원에 연결되어 동작할 때는 입력 전압이 고정이므로 Vin-VL1의 전압으로 충전되는 상기 제 2 커패시터는 암단락이 길어질수록 도 1g와 같이 전압이 증가하며 (식 8)로 나타낼 수 있다.
(식 8)
Vc2 = T1/(T-T0)*Vin
Vc2 = 제 2캐패시터의 양단에 걸리는 전압
T = 한 주기 스위칭 시간
T0 = 암단락 시간
T1 = T-T0
Vin = 전압원 전압
하지만, 상기 태양광 시스템에서는 상기 제 2캐패시터의 전압을 일정하게 제어하고 있고 입력 전압은 가변이 가능한 태양광 어레이이기 때문에 VC2+VL1로 나타나는 입력 전압은 암단락 시간에 따라 도 1h와 같이 감소하며 (식 9)로 나타낼 수 있다.
(식 9)
Vin = (T1-T0)/ T1* Vc1
이렇게 함으로써 암단락 지령에 의한 MPPT 제어기(MPPT)의 제어가 가능하게 되는 것이다.
상기 제 1인덕터(VL1)에 흐르는 전류는 상기 제 1커패시터(Vc1)로 흐를 수도 있다. 이렇게 흐른 전류는 상기 DC-AC컨버터(130)의 스위치 동작에 의해 상기 제 3인덕터(VL3)로 흘러 상기 계통(140)에 전력을 주입한다.
다음, 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)에 상기 상부 스위치 소자(Sap, Sbp, Scp) 및 상기 하부 스위치 소자(San, Sbn, Scn)가 동시에 온 되는 암단락 상태의 작동 원리는 다음과 같다. 상기 다이오드(D)는 역바이어스 상태에 놓이게 되어 상기 태양광 어레이(110)에 의해 생성된 전류가 상기 제 1인덕터(VL1)와 상기 제 1커패시터(Vc1)를 거쳐 암단락 된 스위치를 지나 다시 상기 태양광 어레이(110)로 들어오는 전류 루프와 상기 제 2커패시터(Vc2)와 상기 제 2인덕터(VL2)를 거쳐 암단락 된 스위치를 지나 다시 상기 제 2커패시터(Vc2)로 들어오는 전류 루프가 생긴다. 이때 각각의 인덕터는 각각의 커패시터로부터 전류형식으로 에너지를 공급받아 흐르는 전류가 점차 증가된다. 이렇게 흐르는 전류는 상기 계통(140)과는 무관하다. 이때 암단락 상태가 끝나게 되면 상기 제 1인덕터(VL1)와 상기 제 2인덕터(VL2)에 증가하던 전류는 감소하면서 상기 제 1커패시터(Vc1)와 상기 제 2커패시터(Vc2)를 충전시킨다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 구성 회로도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(200)는 태양광 어레이(110), 임피던스 네트워크(120), DC-AC 컨버터(230), MPPT 제어기(MPPT), 전압제어기(DC-link), 전류제어기(C.C) 및, PWM 신호 발생장치(PWM)를 포함한다.
상기 태양광 어레이(110) 및 상기 임피던스 네트워크(120)의 구성은 상기 도 1a에 도시된 바와 같기에 이에 따른 설명은 생략하기로 한다.
상기 DC-AC 컨버터(230)는 상기 태양광 어레이(110)에서 출력되는 전력을 계통(140)에서 요구되는 전력으로 변환한다. 상기 DC-AC 컨버터(230)는 상기 임피던스 네트워크(120)와 전기적으로 연결되며, 신호에 따라 작동하는 다수의 스위치 소자(sw)를 포함한다. 여기서, 상기 DC-AC 컨버터(230)에는 제 3인덕터(VL3)와 제 3커패시터(Vc3)로 구성된 LC필터를 포함한다. 또한, 상기 DC-AC 컨버터(230)는 상기 태양광 어레이(110)로부터 공급되는 전류를 받는 복수의 전류선(231, 232)을 포함하며, 상기 전류선(231, 232)은 병렬로 형성된다.
여기서, 상기 전류선(231, 232)은 상부 스위치 소자(Sap, Sbp) 및 하부 스위치 소자(San, Sbn)를 포함하는 제 1전류선(231) 및 제 2전류선(232)을 포함한다. 상기 제 1전류선(231)의 상기 상부 스위치 소자(Sap, Sbp) 및 상기 하부 스위치 소자(San, Sbn)는 상기 제 3인덕터(VL3)와 전기적으로 연결된다. 상기 제 2전류선(232)의 상기 상부 스위치 소자(Sap, Sbp) 및 상기 하부 스위치 소자(San, Sbn)는 제 3 캐패시터(Vc3)와 전기적으로 연결된다.
이와 같이 구성된 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(200)는 MPPT 제어기(MPPT), 전압제어기(DC-link), 전류제어기(C.C) 및 PWM 신호 발생장치(PWM)에 의해서 제어될 수 있다. 상기 MPPT 제어기(MPPT), 전압제어기(DC-link), 전류제어기(C.C) 및 PWM 신호 발생장치(PWM)는 상기 도 1a에 도시된 구성과 동일하기에 여기서 그에 따른 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100, 200)는 암단락이 가능한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100, 200)를 구성함으로써, 계통연계형 태양광 발전 시스템의 제어가 용이하며, 스위치의 파괴를 방지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 제어 방법이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 제어 방법은 전류 또는 전압을 검출 단계(S1), 암단락 지령신호 생성 단계(S2) 및 단상 전압지령생성 단 계(S3) 및 DC-AC 컨버터 제어 단계(S4)를 포함한다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치를 구성한다. 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)는 태양광 어레이부(110), 임피던스 네트워크(120), DC-AC 컨버터(130), MPPT 제어기(MPPT), 전압제어기(DC-link), 전류제어기(C.C) 및 PWM 신호 발생장치(PWM)를 포함한다. 상기 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100)의 구성요소 및 제어장치는 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 동일하기에 이에 따른 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 태양광 어레이(110)에서 생성된 전류 또는 전압을 검출하는 전류 또는 전압을 검출 단계(S1)를 수행한다.
다음, 암단락 지령신호 생성단계(S2)에서는, MPPT 제어기(MPPT)가 상기 전류 또는 전압을 P&O 방식을 이용해서 암단락 지령신호를 생성한다.
도 1b를 참조하면, 상기 P&O 방식을 순차 도시한 순서도가 도시되어 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 P&O 방식은 전력 계산 단계(S21), 전력 비교 단계(S22), 제 1전압 비교 단계(S23), 제 2전압 비교 단계(S24), 가산 단계(S23a, S24b) 및 감산 단계(S23b, S24a)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 P&O 방식은 MPPT 제어기(MPPT)를 이용해서 암단락 지령을 생성하게 된다.
상기 P&O 방식은 상기 도 1b와 동일하기에 이에 따른 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 도 1c에 도시된 바와 같이, 암단락 지령신호 상기 Vp에 의해 또 다른 암단락 지령신호 VN이 생성되는 과정도 동일하기에 상기 VN에 대한 설명도 생략하기로 한다.
다음, 단상 전압지령 생성단계(S3)에서는, 상기 전류제어기(C.C)가 단상 전압지령을 생성한다. 즉, 상기 DC-AC 컨버터(130)의 전류선(131, 132)의 전압을 센싱 해서 PLL(Phase Locked Loop)을 통하여 위상을 알아내는 단계와 상기 제 2커패시터(Vc2) 전압 비교로 생성된 전류 크기에 위상 정보를 싣는 단계, 전류지령과 실제전류를 비교 조정하여 단상 전압지령을 생성하는 단계를 포함한다.
다음, DC-AC 컨버터 제어 단계(S4)에서는, PWM 신호 발생장치(PWM)가 상기 암단락 지령신호 및 상기 단상 전압지령을 수신 받아 상기 DC-AC 컨버터(130)를 제어한다. 즉, 상기 PWM 신호 발생장치(PWM)는 상기 MPPT 제어기(MPPT)에 의해 생성된 암단락 지령신호(Vp, VN) 및 상기 단상 전압지령을 수신하여 상기 스위치 소자(sw)를 제어한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100, 200)는 암단락이 가능한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치(100, 200)를 구성함으로써, 계통연계형 태양광 발전 시스템의 제어가 용이하며, 스위치의 파괴를 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치 및 그 제어 방법을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1a 및 도 2는 본 발명에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치를 도시한 구성도이다.
도 1b는 P&O 방식을 순차 도시한 순서도이다.
도 1c 내지 도 1d는 암단락 생성 및 유효 전력을 생성을 도시한 구성도이다.
도 1e는 본 발명에서 이루어지는 제어의 흐름을 도시한 구성도이다.
도 1f는 본 발명에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 스위치 동작을 도시한 타이밍도이다.
도 1g는 본 발명에서 사용하는 임피던스 네트워크의 일반적인 특성을 나타낸 그래프이다.
도 1h는 본 발명에서 임피던스 네트워크를 재해석하여 사용하는 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 제어 방법을 순차 도시한 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100, 200 : 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치
110 : 태양광 어레이 120 : 임피던스 네트워크
130 : DC-AC 컨버터 140 : 계통

Claims (7)

  1. 태양광 어레이에서 출력되는 전력을 계통에서 요구되는 전력으로 변환하는 DC-AC 컨버터;
    상기 태양광 어레이와 상기 DC-AC 컨버터의 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 태양광 어레이에서 출력되는 전력을 일시적으로 저장하고, 상기 DC-AC 컨버터의 암단락 스위치 특성을 이용하여 전류 부스팅을 하는 임피던스 네트워크;
    상기 태양광 어레이에 연결되어 암단락 지령신호를 생성하여 출력하는 MPPT 제어기;
    유효전력 지령을 생성하는 전압제어기;
    상기 계통의 전압 전류를 받아, 상기 전압제어기의 상기 유효전력 지령과 임의의 무효전력 지령으로 3상 전압지령을 생성하여 출력하는 전류제어기; 및,
    상기 MPPT 제어기와 상기 전류제어기의 출력 신호에 기초하여 상기 DC-AC 컨버터를 제어하는 PWM 신호 발생장치를 포함하고,
    상기 임피던스 네트워크는,
    상기 태양광 어레이의 애노드와 전기적으로 연결되며, 양의 단자 및 음의 단자를 갖는 제 1 인덕터;
    상기 제 1 인덕터의 상기 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 애노드와 캐소드를 갖는 다이오드;
    양의 단자가 상기 다이오드의 상기 캐소드와 전기적으로 연결되며, 음의 단자가 상기 DC-AC 컨버터와 전기적으로 연결된 제 2 인덕터;
    양의 단자가 상기 제 1 인덕터의 상기 음의 단자와 전기적으로 연결되며, 양의 단자가 상기 제 2 인덕터의 상기 음의 단자와 전기적으로 연결된 제 1 커패시터; 및,
    양의 단자가 상기 다이오드의 상기 캐소드와 전기적으로 연결되며, 양의 단자가 상기 태양광 어레이와 전기적으로 연결된 제 2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC-AC 컨버터의 전류선은
    상기 임피던스 네트워크와 전기적으로 연결되는 상부 스위치 소자와
    상기 태양광 어레이의 캐소드와 전기적으로 연결되는 하부 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양 광 발전 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MPPT 제어기는
    P&O 방식으로 상기 암단락 지령신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생장치는
    상기 암단락 지령신호, 상기 3상 전압지령을 입력받아 상기 DC-AC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치.
  6. 제 1 항의 고효율 태양광 발전 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    태양광 어레이에서 생성된 전류 또는 전압을 검출하는 전류 또는 전압 검출 단계;
    상기 MPPT 제어기가 상기 전류 또는 전압을 기초로 하여 P&O 방식으로 암단락 지령신호를 생성하는 암단락 지령신호 생성 단계;
    상기 전류제어기가 단상 전압 지령을 생성하는 단상 전압지령 생성 단계; 및,
    상기 PWM 신호 발생장치가 상기 암단락 지령신호 및 상기 단상 전압지령을 수신하여 상기 DC-AC 컨버터를 제어하는 DC-AC 컨버터 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생장치는
    상기 암단락 지령신호, 상기 단상 전압지령을 입력받아 상기 DC-AC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 임피던스 네트워크를 사용한 일단 구조의 고효율 태양광 발전 장치의 제어 방법.
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