KR101219119B1 - 다중 태양광발전 어레이를 결합하기 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

다중 태양광발전 어레이를 결합하기 위한 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

태양광발전 시스템, 방법 및 장치가 기술된다. 예시적 실시예에 있어서, 상기 시스템은, 태양광발전 어레이의 제1 및 제2 레일에 결합하기에 적합한 제1 및 제2 입력; 제2 태양광발전 어레이의 제1 레일 및 제3 태양광발전 어레이의 제2 레일에 결합된 파워 컨버터; 및 (i) 제1 및 제2 입력, (ii) 제2 태양광발전 어레이의 제2 레일, 및 (iii) 제3 태양광발전 어레이의 제1 레일에 결합된 인터페이스부를 포함하고, 상기 인터페이스부는, 제2 및 제3 태양광발전 어레이로부터 제1 태양광발전 어레이를 분리하고 또한 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하여 3개의 태양광발전 어레이로부터 파워 컨버터로 인가되는 전압을 조정한다.

Description

다중 태양광발전 어레이를 결합하기 위한 장치, 시스템 및 방법{DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR COUPLING MULTIPLE PHOTOVOLATIC ARRAYS}
본 발명은 일반적으로 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 보다 효율적 및/또는 효과적인 태양 에너지의 전기 에너지로의 변환 장치 및 방법에 관한 것이다.
태양광발전(photovoltaic: PV) 시스템을 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것은 오랫동안 알려져 왔으며 이와 같은 태양광발전 에너지 변환 시스템은 주거용, 상업용 및 산업용으로 널리 실시되고 있다. 비록 효율 및 효과를 개선시키기 위해 최근 수년에 걸쳐 태양광발전 시스템에 대한 개발 및 개선이 이루어지고 있으나, 태양광발전 시스템의 효과 및 효율에 있어서위 계속된 개선은 보다 경제적으로 실현가능한 태양광발전 시스템으로 되도록 추구되고 있다.
태양광발전 시스템은 일반적으로 다른 부품 중에도, 태양광발전 어레이 및 파워 컨버터를 포함한다. 태양광발전 어레이는 DC 전력을 생성할 수 있고 파워 컨버터는 DC 전력을 AC전력(예컨대, 단상 또는 3상 전력)으로 변환하기에 적합한 인버터를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라 파워 컨버터는 다른 기능을 행할 수도 있다. 예컨대, 하나의 파워 컨버터는 입력 DC 전압을 보다 높거나 낮은 출력 DC 전압으로 변환할 수 있다. 사용되는 파워 컨버터에 무관하게, 대전류와 연관된 에너지 손실을 감소시킴은 물론 대전류 요소들과 연관된 비용을 감소시키기 위해, 파워 컨버터에 입력되는 전압이 비교적 높고 이에 따라 전류가 낮도록 태양광발전 어레이를 설계하고 동작시키는 것이 종종 바람직하다.
단일 태양광발전 어레이는 600 VDC에서 개방 부하 상태로 동작할 수도 있다. 바이폴라(bipolar) 태양광발전 어레이 시스템으로서 동작하는 두 개의 태양광발전 어레이는 1200 VDC에서 개방 부하 상태로 동작할 수도 있다. 비록 태양광발전 어레이 시스템은 높은 개방 부하 전압을 인가할 수 있지만, 일단 파워가 어레이로부터 인출되면 어레이의 부하 전압이 실질적으로 강하하기 때문에 어레이 시스템은 상기 전압이나 그 부근에서 거의 동작하지 않는다. 예컨대, 부하 상태에서, 하나의 전형적인 바이폴라 태양광발전 시스템은 600 내지 1000 VDC 사이에서 동작할 수도 있다.
도시된 본 발명의 예시적 실시예는 하기와 같이 요약된다. 이들 및 다른 실시예는 실시예에 보다 상세히 기재되어 있다. 그러나, 이들 발명의 상세한 설명이나 실시예에 기술된 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 특허청구범위에 표현된 발명의 정신 및 관점 내에 들어가는 수많은 개조, 등가물 및 다른 구성이 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
1 실시예에서, 본 발명은 태양광발전 어레이의 제1 및 제2 레일에 결합하기에 적합한 제1 및 제2 입력을 포함하는 태양광발전 에너지 변환 시스템으로 특정될 수 있다. 이 실시예는, 제2 및 제3 태양광발전 어레이에 결합된 파워 컨버터, 및 제1 및 제2 입력과 제2 및 제3 태양광발전 어레이에 결합된 인터페이스부를 포함할 수 있다. 상기 인터페이스부는, 제2 및 제3 태양광발전 어레이로부터 제1 태양광발전 어레이를 분리하고 또한 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제 3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하여 3개의 태양광발전 어레이로부터 파워 컨버터로 인가되는 전압을 조정하도록 한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 이에 한정되지는 않지만 인버터와 같은 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법으로 특정될 수 있다. 이 실시예에서의 발명은, 상기 집합에 있어서의 적어도 하나의 태양광발전 어레이를 다른 태양광발전 어레이들로부터 전기적으로 분리하고, 상기 태양광발전 어레이의 집합으로부터 파워 컨버터로 초기 전압을 인가하고, 상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 의해 출력되는 전압을 감소시키기 위해 상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 위치된 부하를 변조하고, 상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이를 다른 태양광발전 어레이들과 전기적으로 결합하고, 상기 태양광발전 어레이의 집합으로부터 파워 컨버터로 집합 전압으로 파워를 인가하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 제1 태양광발전 어레이에 결합할 수 있는 두 개의 입력을 포함하고, 상기 입력들은 제1 태양광발전 어레이로부터 출력전압을 받도록 구성되는 태양광발전 인터페이스서 특정될 수 있다. 또한, 이 실시예의 인터페이스는 두개의 출력들을 갖되, 두 출력 중 하나는 제2 태양광발전 어레이에 전압을 결합하고 인가할 수 있고 두 출력 중 다른 하나는 제3 태양광발전 어레이에 전압을 결합하고 인가할 수 있다. 이 실시예의 스위칭부는 파워 컨버터에 대해 제2 및 제3 태양광발전 어레이에 의해 인가되는 동작 전압을 조정하기 위해 상기 두 입력들에 걸쳐 부하를 점진적으로 위치시키도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 상기 실시예 및 구체예는 단지 예시적일 뿐이다. 수많은 다른 실시예, 구체예 및 발명의 세부는 다음의 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 당업자에 의해 용이하게 인식될 것이다.
본 발명의 각종 목적과 이점 및 보다 완전한 이해를 위해 첨부 도면을 참조하여 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위와 관련하여 이하에 상세히 설명한다.
도1은 태양광발전 시스템의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도2는 도1을 참조하여 기술된 시스템의 예시적 실시예를 나타낸 개략도이다.
도3은 태양광발전 시스템의 다른 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도4A는 도2에 나타낸 직렬 스위치의 위치를 시간의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도4B는 도2에 나타낸 제1, 제2 및 제3 태양광발전 어레이를 시간의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도5는 도1-4B를 참조하여 기술된 실시예와 관련하여 행해질 수 있는 예시적 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도면을 참조하면, 여러 도면에 걸쳐 유사한 부재들이 동일한 참조 부호로 표시되어 있고, 특히 도1을 참조하면, 태양광발전 인터페이스(108)를 통해 제2 태양광발전 어레이(102) 및 제3 태양광발전 어레이(106)에 결합된 제1 태양광발전 어레이(104)를 포함하는 태양광발전(PV) 시스템(100)을 나타내는 블록도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 제2 태양광발전 어레이(102) 및 제3 태양광발전 어레이(106) 역시 파워 컨버터(110)에 결합되어 있다.
일반적으로, 3개의 태양광발전 어레이(102,104,106)는 태양 에너지를 DC 전력으로 변환하고, 파워 컨버터(110)는 한 형태로부터 다른 형태로 DC 파워를 변환하도록 구성된다. 예컨대, 파워 컨버터(110)는 어레이(104,102,106)로부터 출력되는 DC 전압을 증가 또는 감소시키기에 적합한 DC/DC 파워 컨버터로 될 수도 있다. 다른 실시예에서, 파워 컨버터(110)는 어레이(104,102,106)로부터의 DC 파워를 AC 파워(예컨대, 3상 파워)로 변환하는 인버터로 될 수도 있다. PV 인터페이스(108)는 일반적으로 제1, 제2 및 제3 태양광발전 어레이(104, 102,106)가, 1200V DC 토탈 레일 대 레일보다 낮거나 또는 그라운드에 대해 +/- 600V DC보다 낮은 입력전압을 파워 컨버터(110)가 유지하면서 한 입력 전압으로 파워 컨버터(110)에 전압을 공급할 수 있도록 동작한다.
1 실시예에서, PV 인터페이스(108)는 정오 기동(start-up) 시에 제1 어레이(104)를 점진적으로 로딩하고 제1 PV 어레이(104)로부터 파워 컨버터(110)에 전압을 점진적으로 공급하기 위해 사용된다. 어떤 실시예에서, 예컨대, PV 인터페이스(108)의 스위칭부는 시스템 기동시 1초 또는 정확히 수초 동안 동작한다. 스위칭부의 일부는 제1 PV 어레이(104)를 서서히 로딩시키기 위해 낮은 듀티 사이클로부터 높은 듀티 사이클로 펄스폭 변조될 수도 있으며, 이에 따라 제1 어레이(104)의 점차적인 로딩은 제1 어레이의 전압을 끌어내려 어레이(102,104,106)의 어느 하나의 전압이 그라운드에 대해 +/- 600V DC를 초과하지 않도록 하면서 3개의 어레이(102,104,106)의 직렬 조합의 전압이 파워 컨버터(110)에 대한 허용가능 레벨 내에 있도록 한다.
일단 제1 PV 어레이(104)가 로딩되면, 인터페이스(108)는, 제2 및 제3 PV 어레이(102,106)와 직렬로 제1 PV 어레이(104)를 위치시키기 위한 제1 콘택터를 클로즈(close)함으로써 스위칭부를 바이패스할 수 있다. 따라서, 많은 실시예에서, 파워 컨버터(110)는 (예컨대 800VDC와 같이) 두 개의 PV 어레이로 받은 전압보다 큰 (예컨대 1200VDC와 같이) 3개의 PV 어레이(102,104,106)로부터의 전압을 받으며, 파워 컨버터에 인가되는 전압은 그라운드에 대해 문턱 전압 또는 그 미만(예컨대, +/- 600V DC)으로 유지된다. 파워 컨버터(110)에 인가되는 상기 증가된 전압은 종래 구성보다 (보다 높은 전압으로 인해) 전류 손실이 적기 때문에 종래보다 개선되었으며, 어떤 단일 라인의 전압은 산업에서 (예컨대 전기적 코드에 의해) 종종 요구되는 (예컨대, 그라운드에 대해 +/- 600V DC와 같은) 문턱치 아래로 유지된다. 비록 +/- 600V DC의 예시적 문턱 전압이 본 출원에 이용되었으나 당업자는 문맥에 따라 다른 최대 전압이 문턱 전압으로 될 수 있음을 이해할 것이다.
제1 PV 어레이(104)를 제2 및 제3 PV 어레이(102,106)에 전기적으로 결합함에 따라, 3개의 PV 어레이(102,104,106)는 일반적으로 바이폴라 어레이로서 동작하며, 이때 제2 PV 어레이(102)는 그라운드에 대해 플러스 전압으로 동작하도록 배치되고 제3 PV 어레이(106)는 그라운드 미만 전압으로 동작하도록 배치되며, 제1 PV 어레이(104)는 그라운드 전위 상하에서 동작한다. 예컨대, 제2 PV 어레이(102)의 포지티브 노드가 파워 컨버터(110)에 결합되고 제3 PV 어레이(106)의 네가티브 노드가 파워 컨버터(110)에 결합될 수도 있다. 제1 PV 어레이(104)는, (i) 일반적으로 그라운드 전위 위로 배치되는 제2 PV 어레이(102)의 네가티브 노드, 및 (ii) 일반적으로 그라운드 전위 아래로 배치되는 제3 PV 어레이(106)의 포지티브 노드에 전기적으로 결합될 수 있다.
제1 PV 어레이(104)를 제2 및 제3 PV 어레이(102,106)에 전기적으로 결합하는 것에 더하여, 인터페이스(108)는, 저렴한 가격 및 고효율 파워 컨버터(110)가 고효율 고전압 PV 어레이(102,104,106)와 관련하여 이용될 수 있도록 한다. 예컨대, 3개의 PV 어레이들에 걸쳐 1800V 개방 부하 전압을 수용하도록 (예컨대, 파워 컨버터의 IGBT에) 1800V 실리콘을 이용하는 대신, 1800V 실리콘보다 저렴한 1200V 실리콘이 파워 컨버터(110)에 구현될 수도 있다. 또한, PV 시스템(100)은 일반적으로 다른 바이폴라 어레이(예컨대 800V DC와 900V DC 사이에서 동작하는 바이폴라 어레이)보다 고효율로 동작하는 데 그 이유는 상기 시스템이 실리콘의 1200V 정격 부근에서 동작하기 때문이다.
도2는 도1을 참조하여 기술된 시스템(100)의 예시적 실시예를 나타내는 개략도이다. 도시된 바와 같이 도2에 나타낸 시스템(200)에는, 제1 태양광발전 어레이(204)가 (벅 레귤레이터로서도 알려진) 스위칭부(212)를 포함하는 예시적 인터페이스(208)에 입력들(240,242)에 의해 결합된다. 벅 레귤레이터(buck regulator)는, 파워 컨버터(210)가 +/- 600VDC로 노출되지 않고 제1 PV 어레이(204)를 제2 및 제3 PV 어레이(202,206)와 직렬로 결합하도록, 다른 스위칭부 및 인터페이스 구성과 함께 배치 및 구성되는 직렬 스위치(222) 및 분리 스위치(214)를 구비한다. 예컨대, 직렬 인덕터(224) 및 제1 커패시터(226)가 제1 PV 어레이(204)를 단락(short)시키도록 동작하고, 제2 커패시터(228)는 제1 PV 어레이(204)에 의해 공급되는 전압을 제어하도록 도와준다.
도시된 바와 같이, 분리 스위치(214)는 제1 태양광발전 어레이(204)의 포지티브 및 네가티브 레일들에 걸쳐 배치된다(포지티브 및 네가티브 레일들은 제1 및 제2 태양광발전 어레이로 언급될 수도 있다). 많은 실시예에서, 분리 스위치(214)는, IGBT의 콜렉터-에미터 전류 경로가 제1 태양광발전 어레이(204)의 포지티브 레일과 네가티브 레일을 따라 결합되고 직렬 스위치의 게이트가 인터페이스(208)의 콘트롤부(230)에 전자적으로(electronically) 결합되도록 배치되는 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이다. 그러나, 다른 실시예에서, 분리 스위치(214)는 특허청구범위를 벗어나지 않고 다른 스위칭 및 콘트롤 기술에 의해 실시될 수도 있다.
1 실시예에서 직렬 스위치(222)는 시스템(220)의 포지티브 레일을 따라 제1 콘택터(220)과 병렬로 배치된다. 많은 실시예에서, 직렬 스위치(222)는, IGBT의 콜렉터-에미터 전류 경로가 제1 태양광발전 어레이(204)의 포지티브 레일을 따라 결합되고 직렬 스위치의 게이트가 인터페이스(208)의 콘트롤부(230)에 전자적으로 결합되도록 배치되는 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이다. 그러나, 다른 실시예에서, 직렬 스위치(222)는 특허청구범위를 벗어나지 않고 다른 스위칭 및 콘트롤 기술에 의해 실시된다. 제1 콘택터(220)는 인터페이스의 콘트롤부(230)에 전자적으로 결합될 수도 있다. 비록 도시되지는 않았으나, 많은 대안적인 구체예에서 직렬 스위치(222) 및 제1 콘택터(220)는 제1 어레이(204)와 제3 어레이(206) 간에 네가티브 레일을 따라 병렬로 배치될 수도 있다.
1 실시예에서, 콘트롤부(230)는 메모리에 저장된 명령들을 실행하도록 구성된 프로세서에 의해 실현되나, 이는 반드시 필요한 것은 아니고, 다른 실시예에서 콘트롤부는 펌웨어에 의해 실현된다. 또 다른 실시예에서 콘트롤부는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 결합에 의해 실현될 수 있다.
도3에 있어서 콘트롤부(230)의 도시는 단순히 논리적일 뿐이고 인터페이스(208)는 이 인터페이스 내 및/또는 외측에 분포되는 콘트롤 부품에 의해 제어될 수도 있다. 설명의 편의를 위해, 시스템(200)의 콘트롤부(230)와 다른 부분들(예컨대 스위칭부 212) 간의 접속은 도시되지 않았으나, 당업자는 콘트롤부(230)가 도2에 도시된 콘트롤 부품에 결합될 수 있음을 이해할 것이다.
종종, 스위칭부(212)는 비 정오시 기동시 이용되지 않는데 그 이유는 (예컨대 일출 시) 제1, 제2 및 제3 PV 어레이(202,204,206)에 의해 발생되는 전압이 정오시 제1, 제2 및 제3 PV 어레이(202,204,206)의 직렬 결합에 의해 발생되는 전압보다 낮기 때문이다. 따라서, 비 정도 기동시, 제1 PV 어레이(204)는 종종, 3개의 PV 어레이(202,204,206)에 걸친 집합 전압이 파워 컨버터(210)에 충격을 주는 전압보다 낮기 때문에 제1 콘택터(220)를 통해 직렬로 제2 및 제3 PV 어레이(202,206)에 전기적으로 결합될 수 있다.
그러나, 정오 기동 시, 어레이(202,204,206)의 개방 부하 전압의 직렬 결합은 컨버터(예컨대, 컨버터 210)의 최대 전압을 초과할 수도 있다. 도4B 또는 예시적 목적을 참조하면, (V1과 V2 간의) 집합 전압이 파워 컨버터(예컨대 파워 컨버터 210)가 동작할 수도 있는 최대 전압을 나타내고, t0에서 제2 및 제3 PV 어레이(202,206)가 로딩되지 않지만, 직렬로 서로 결합되어 있는 것으로 상정하면, 제2 및 제3 PV 어레이(202,206)의 개방 부하 전압의 직렬 결합은 이미 컨버터에 대한 최대 전압 또는 그 부근에 있는 것으로 된다. 따라서, 제2 및 제3 PV 어레이(202,206)의 개방 부하 전압과 직렬 결합으로 제1 PV 어레이(204)를 부가하면, 3개의 어레이(202,204,206)의 직렬 결합의 개방 부하 전압이 파워 컨버터(210)의 설계 동작 전압을 초과하도록 된다.
따라서, 많은 동작 모드에 있어서, 파워 컨버터(210)가 제1, 제2 및 제3 PV 어레이(204,202,206)의 잠재 충격 전압(예컨대, 개방 부하 전압)에 노출되지 않도록 제1 PV 어레이(204)를 파워 컨버터에 점진적으로 결합하도록 동작한다. 또한 인터페이스(208)는 +/- 600V DC보다 크지 않은 레벨로 어느 하나의 라인에 걸쳐 최대 전압을 유지하기에 적합하도록 되어 있다. 예컨대 도4A 및 4B에는 3개의 어레이(202,204,206)의 (V1과 V2 간의) 집합 전압 및 직렬 스위치(222)의 위치를 각각 시간의 함수로 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
예시적인 정오 기동 절차에 앞서, 제1, 제2 및 제3 PV 어레이(204, 202,206)의 각각은 그라운드에 대해 약 +/- 600VDC의 개방 부하 전압을 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서(예컨대, 파워 컨버터 210이 +/- 600VDC 또는 1200V 레일 대 레일을 처리할 수 있을 때), 제2 어레이(202) 및 제3 어레이(206)는 파워 컨버터(210)에 충격을 줄 염려없이 온라인으로 위치될 수도 있다. 따라서, 많은 실시예에서, 제2 어레이(202) 및 제3 어레이(206)는 초기에 제1 어레이(204)가 오프라인으로 있는 동안 파워 컨버터(210)에 걸쳐 전압을 인가하도록 직렬로 배치된다. 도2에 도시된 예시적 실시예와 같이, 제2 및 제3 콘택터(218,216)가 제1 및 제2 인터페이스 출력(232,234)에 각각 결합될 수도 있다.
다른 실시예에 대한 도4B를 참조하면, (제1 어레이 204가 오프라인일 때) 시간 t0와 t1 간에 컨버터(210)에 인가되는 집합 전압(V1과 V2 간의 도시 전압)은 제2 어레이(202)의 전압(V1과 V0 간의 도시 전압)과 제3 어레이(206)의 전압(V2와 V0 간의 도시 전압)의 직렬 결합에 의한 것이다.
도2 및 도4A에 도시된 바와 같이, 시간 t1에서(예컨대, 거의 기동 직후) 직렬 스위치(222)가 간단히 클로즈된다. 이 예시적 동작 모드에서, (예컨대 콘트롤부 230으로부터) 직렬 스위치(222)로의 신호(236)가 펄스폭 변조되며 이에 따라 직렬 스위치(222)가 시간 t1과 t2 사이에 연속적으로 긴 시간량 동안 클로즈되어 어레이(202,204,206)를 서서히 로딩하게 한다. 이와 유사하게, (예컨대 콘트롤부 230으로부터) 분리 스위치(214)로의 신호(238)가 펄스폭 변조되어 직렬 스위치(222)가 클로즈되는 기간 동안 분리 스위치(214)가 오픈되게 된다. 이에 따라, 시간 t1에 앞서, 분리 스위치(214)에 대해 100% 듀티 사이클이 있고 직렬 스위치(222)에 대해 0% 듀티 사이클이 있으며, 시간 t2에는, 분리 스위치(214)에 대해 0% 듀티 사이클이 있고 직렬 스위치(222)에 대해서는 100% 듀티 사이클이 있다.
시간 t1부터 t2까지는, 도2 및 도4A에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 태양광발전 어레이(202,206)가 로딩됨에 따라, 제2 및 제3 태양광발전 어레이(202,206)로부터 파워 컨버터(210)에 공급되는 전압이 초기 개방 부하 전압으로부터 동작 전압을 향해 감소하기 시작한다. 보다 구체적으로 설명하면, 도4B는 V1-V0로서 제2 태양광발전 어레이(202)에 의해 공급되는 초기 전압이 동작 전압 V1-V0'로 감소하고, 또한 V2-V0인 제3 태양광발전 어레이(206)에 의해 공급되는 초기 전압이 동작 전압 V2-V0"로 감소하는 것을 나타낸다.
이 시간 t1부터 t2까지의 시간 동안, 제1 태양광발전 어레이(204)에 의해 공급되는 초기 전압은 OV DC의 초기 전압으로부터 V0'-V0"의 동작 전압으로 증가한다. 따라서, 일단 제1 어레이(204)가 완전히 온라인으로 되고 3개 어레이의 직렬 결합이 (예컨대 t2에서) 로딩되면, 어레이들(202,204,206)에 의해 인가되는 전압들의 각각이 거의 같게 되고(예컨대, 400VDC이나, 이들이 같을 필요는 없다) 3개의 어레이들(202,204,206)의 로딩 시 3개의 어레이들(202,204,206)의 집합 전압은 (예컨대 시간 t1에서) 제2 및 제3 태양광발전 어레이(202,206)의 개방 부하 전압과 거의 같아진다.
어떤 실시예에서, 도4B에 나타낸 전압 V1은 거의 +600V DC이고, V0'는 거의 +200V DC이고, V0는 대략 0V이고, V0"는 대략 -200V DC이고, V2는 거의 -600V DC이다. 많은 실시예에서, 일단 제1 태양광발전 어레이(204)에 의해 출력되는 전압이 소정 레벨(예컨대, 전력 전송을 위한 최적 레벨)을 이루면, 제1 콘택터(2200가 클로즈되어, 벅 레귤레이터(212) 주위에 또한 제1 콘택터를 통해 전류가 순환한다.
도2에 나타낸 인터페이스(208)의 변형예에 있어서, 스위칭부(212)는, 입력(240)과 출력(232) 사이(또는 입력 242와 출력 234 사이)에 직렬로 배치되는 제2 콘택터 및 인덕터로 교체될 수도 있고 커패시터(228)는 제거될 수도 있다. 이 실시예에서, 제1 어레이(204)를 온라인으로 하기 위해, 제2 콘택터가 클로즈되고, 어레이(204)의 그라운드의 오프를 취하기 위해 콘택터(218,216)가 클로즈된다. 따라서, 제1 어레이(204)와 직렬인 인덕터에 걸쳐 마이너스 전압이 존재하며; 이에 따라 제1 어레이(204)의 전압(예컨대, 600VDC)이 인덕터에 걸쳐 초기 전압(예컨대, -500V DC)에 의해 상쇄되어 제1 어레이(204)의 전(full) 개방 부하 전압이 제2 어레이(202)와 제3 어레이(206) 간에 인가되지 않게 된다.
다시 도3을 참조하면, 제1 PV 어레이 인터페이스 시스템(350) 및 제2 PV 어레이 인터페이스 시스템(352)에 전기적으로 결합하기 위해 적합한 파워 컨버터(310)를 갖는 예시적 PV 시스템(300)이 도시되어 있다. 제1 및 제2 PV 어레이 인터페이스 시스템(350,352)은 도1 및 2에 나타내고 기술된 시스템과 유사하다. 이 실시예에서, 제1 시스템(350)의 어레이(302,304,306) 및 제2 시스템(352)의 어레이(302',304',306')는 파워 컨버터(310)에 또는 그 부근에서 병렬로 결합될 수도 있고, 제1 및 제2 PV 어레이 인터페이스 시스템(350,352)은 서로 멀리 떨어져 위치될 수도 있으며, 각 시스템(350,352)은 파워 컨버터(310)로부터 멀리 떨어져 위치될 수도 있다.
다시 도5를 참조하면, 도1-4를 참조하여 기술된 실시예들과 관련하여 행해질 수 있는 예시적 방법을 나타낸 플로우챠트(500)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 초기에, 초기 전압(예컨대, 개방 부하 전압)이 태양광발전 어레이의 집합으로부터 파워 컨버터(예컨대, 파워 컨버터 110)에 인가됨에 따라, 적어도 하나의 태양광발전 어레이(예컨대 어레이 104)가 태양광발전 어레이(예컨대, 어레이 102,104,106)의 집합에 있어서 다른 태양광발전 어레이(예컨대, 어레이 102 및 106)와 전기적으로 분리된다(블록 502,504). 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 위치된 부하는 변조되어(예컨대, 펄스폭 변조) 상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이가 초기 전압으로부터 동작 전압으로 낮아지는 전압을 출력하도록 하며, 적어도 하나의 태양광발전 어레이를 다른 어레이들과 전기적으로 결합함에 따라, 파워 컨버터에 인가되는 집합 전압의 일부로 된다(블록 506,508,510). 상기한 바와 같이, 어떤 실시예에서, 직렬 스위치(예컨대, 직렬 스위치 222)와 분리 스위치(예컨대, 분리 스위치 214)를 포함하는 벅 레귤레이터(예컨대, 벅 레귤레이터 212)는, 어떤 레일의 전압을 그라운드에 대해, 최대 레벨(예컨대 최대 레귤레이터 레벨)이나 또는 그 아래로 유지하도록 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 위치된 부하를 변조하기 위해 이용된다.
결론적으로, 본 발명은 무엇보다도, 다중 태양광발전 어레이와 인터페이스하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 당업자들은 본 발명에 있어서 여러가지 변형 예 및 대체 예가 이루어질 수 있음을 용이하게 인식할 것이며, 상기 예를 실질적으로 달성하기 위한 사용 및 그의 구성은 본 명세서에서 기술된 실시예들에 의해 성취된다. 따라서, 본 발명은 기술된 예시적 형태들에 한정되지 않으며, 많은 변형예, 개조 및 대안적 구성은 특허청구범위에 기재된 발명의 관점 및 정신 내에 들어가는 것이다.

Claims (21)

  1. 태양광발전 어레이의 제1 및 제2 레일에 결합되기 위한 제1 및 제2 입력;
    제2 태양광발전 어레이의 제1 레일 및 제3 태양광발전 어레이의 제2 레일에 결합된 파워 컨버터; 및
    (i) 제1 및 제2 입력, (ii) 제2 태양광발전 어레이의 제2 레일, 및 (iii) 제3 태양광발전 어레이의 제1 레일에 결합된 인터페이스부를 포함하고, 상기 인터페이스부는, 제2 및 제3 태양광발전 어레이로부터 제1 태양광발전 어레이를 분리하고 또한 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하여 3개의 태양광발전 어레이로부터 파워 컨버터로 인가되는 전압을 조정하는, 태양광발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파워 컨버터는, 제1, 제2 및 제3 태양광발전 어레이로부터의 DC 파워를 AC 파워로 변환하기 위한 인버터, 3개의 태양광발전 어레이로부터 인가되는 전압을 증가시키기 위한 DC/DC 컨버터, 및 3개의 태양광발전 어레이로부터 인가되는 전압을 감소시키기 위한 DC/DC 컨버터로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 태양광발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스부는,
    상기 제1 및 제2 입력들 중 하나에 결합되고. 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하기 위해 연속적으로 긴 시간 동안 클로즈하도록 구성되는 직렬 스위치; 및
    상기 제1 및 제2 입력들에 걸쳐 배치되고. 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하기 위해 연속적으로 긴 시간 동안 오픈하도록 구성되는 분리 스위치를 포함하는, 태양광발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인터페이스부는, 직렬 스위치를 바이패스하는 전류 경로를 생성하도록 배치되는 제1 콘택터를 포함하는, 태양광발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 직렬 스위치 및 상기 분리 스위치는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터, 정션 게이트 전계 효과 트랜지스터, 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터, 및 바이폴라 정션 트랜지스터로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 태양광발전 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 인터페이스부는,
    제1 및 제2 입력들 중 하나에 결합된 직렬 인덕터; 및
    제1 및 제2 입력들에 걸쳐 배치된 제1 커패시터를 더 포함하는, 태양광발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스부는, (i) 제2 및 제3 태양광발전 어레이가 바이폴라 태양광발전 어레이로서 동작하도록 상기 제1 태양광발전 어레이를 분리하고, (ii) 상기 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하고, (iii) 상기 제1, 제2 및 제3 태양광발전 어레이를 직렬로 위치시키기 위한 벅 레귤레이터를 포함하는, 태양광발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 태양광발전 어레이의 분리는, 정오 기동에서 상기 제1 태양광발전 어레이를 분리하는 것을 포함하고, 상기 제2 및 제3 태양광발전 어레이는 +/-600V DC의 초기 파워 컨버터 레일 대 레일 전압을 제공함에 있어 바이폴라 어레이로서 동작하도록 되고;
    상기 제1 태양광발전 어레이로부터의 전압의 변조는, 제1 태양광발전 어레이로부터 파워 컨버터로 전압을 공급하기 위해 보다 긴 기간 동안 제1 및 제2 입력중 하나에 결합되는 적어도 하나의 스위치를 연속적으로 클로즈하는 것을 포함하는, 태양광발전 시스템.
  9. 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법으로서,
    태양광발전 어레이의 집합에 있어서의 적어도 하나의 태양광발전 어레이를 다른 태양광발전 어레이들로부터 전기적으로 분리하고;
    상기 태양광발전 어레이의 집합으로부터 파워 컨버터로 초기 전압을 인가하고;
    상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 의해 출력되는 전압을 감소시키기 위해 상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 위치된 부하를 변조하고;
    상기 적어도 하나의 태양광발전 어레이를 다른 태양광발전 어레이들과 전기적으로 결합하고;
    상기 태양광발전 어레이의 집합으로부터 파워 컨버터로 파워를 집합 전압으로 인가하는 것을 포함하는, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 태양광발전 어레이를 전기적으로 분리하는 것은, 제1 태양광발전 어레이를 분리하기 위해 벅 레귤레이터를 이용하는 것을 포함하고;
    태양광발전 어레이의 집합으로부터 파워 컨버터로 초기 전압을 인가하는 것은, 제2 및 제3 태양광발전 어레이로부터 컨버터로 초기 전압을 인가하는 것을 포함하고;
    적어도 하나의 태양광발전 어레이에 위치된 부하를 변조하는 것은 제1 태양광발전 어레이에 의해 출력되는 전압을 감소시키기 위해 벅 레귤레이터를 이용하는 것을 포함하고;
    파워 컨버터로 파워를 집합 전압으로 인가하는 것은, 제1, 제2 및 제3 태양광발전 어레이의 전압의 직렬 결합을 파워 컨버터에 공급하는 것을 포함하는, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 전기적으로 결합하는 것은, 제1 콘택터 경로로 벅 레귤레이터를 바이패스하는 것을 포함하고, 상기 제1 콘택터 경로는 제1 태양광발전 어레이와 제2 및 제3 태양광발전 어레이 중 하나에 전기적으로 결합된 제1 콘택터를 포함하고, 상기 제1 콘택터는 상기 제1 태양광발전 어레이를 상기 제2 및 제3 태양광발전 어레이에 직렬로 위치시키도록 구성되는, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 초기 전압과 상기 집합 전압은 실질적으로 동일한, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 어레이의 집합에 있어서의 어레이의 어느 하나의 전압은, 태양광발전 어레이의 집합이 컨버터에 파워를 인가하는 동안 그라운드에 대해 600V DC보다 크지 않은, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 태양광발전 어레이의 집합으로부터의 집합 전압은 그라운드에 대해 1200V DC보다 크지 않은, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 변조는 보다 긴 시간 주기 동안 적어도 하나의 태양광발전 어레이에 부하를 연속적으로 위치시키는, 파워 컨버터와 태양광발전 어레이들의 집합을 인퍼페이스하기 위한 방법.
  16. 제1 태양광발전 어레이에 결합되고, 제1 태양광발전 어레이로부터 출력전압을 받도록 구성되는 제1 및 제2 입력;
    제1 출력 및 제2 출력 중 하나는 제2 태양광발전 어레이에 전압을 결합하고 인가할 수 있고 제1 출력 및 제2 출력 중 다른 하나는 제3 태양광발전 어레이에 전압을 결합하고 인가할 수 있고, 상기 제2 및 제3 태양광발전 어레이는 파워 컨버터에 동작 전압을 인가하도록 구성되는, 제1 출력 및 제2 출력,
    파워 컨버터에 대해 제2 및 제3 태양광발전 어레이에 의해 인가되는 동작 전압을 조정하기 위해 상기 두 입력들에 걸쳐 부하를 점진적으로 위치시키도록 구성되는 스위칭부를 포함하는, 태양광발전 인터페이스 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 제1 및 제2 입력 중 하나에 결합되고, 상기 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하기 위해 연속적으로 긴 시간 동안 클로즈하도록 구성되는 직렬 스위치; 및
    상기 제1 및 제2 입력들에 걸쳐 배치되고, 상기 제1 태양광발전 어레이로부터 제2 및 제3 태양광발전 어레이로의 전압의 인가를 변조하기 위해 연속적으로 긴 시간 동안 오픈하도록 구성되는 분리 스위치를 포함하는, 태양광발전 인터페이스 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 스위칭부는, (i) 상기 제1 및 제2 입력의 하나, 및 (ii) 상기 제2 및 제3 태양광발전 어레이의 하나에 결합되는 제1 콘택터를 더 포함하고, 상기 제1 콘택터는 제1 경로로부터 제2 경로로의 전류를 단락(short)하도록 구성되고, 상기 제1 경로는 직렬 스위치 및 분리 스위치의 적어도 하나를 포함하고 상기 제2 경로는 제1 콘택터를 포함하는, 태양광발전 인터페이스 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 직렬 스위치는, 상기 분리 스위치가 높은 듀티 사이클로부터 낮은 듀티 사이클로 천이됨과 동시에 낮은 듀티 사이클로부터 높은 듀티 사이클로 천이하기 위한, 태양광발전 인터페이스 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 어레이는 바이폴라 어레이로서 동작하도록 구성되는, 태양광발전 인터페이스 장치.
  21. 제16항에 있어서, 일반적으로 동작 전압을 유지하도록 구성되는 콘트롤러를 더 포함하고, 상기 콘트롤러는 스위칭부에 전자적으로 결합되는, 태양광발전 인터페이스 장치.
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