KR101272059B1 - 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터 - Google Patents

광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전을 위한 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 지역에 배치된 태양광 발전용 태양전지 어레이들에 대해 입사되는 태양광 에너지가 불균일하여 인버터로 입력되는 전력이 차이가 생기는 것을 극복하고 높은 효율의 태양광 발전을 위해 태양전지 어레이들을 그룹화하고 각 그룹별로 독립된 인버터 구성으로써 전력을 발생시키며, 발생된 전력을 트랜스포머로써 병합하여 그리드 전력을 공급하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 관한 것이다.
본 발명은 단일의 트랜스포머로써 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형들을 병합하여 그리드에 제공하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공한다.
또한, 본 발명의 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 태양전지 스트링들로부터 제공되는 전압과 전류에 따라 상기 태양전지 스트링들의 출력을 직병렬로 연결하여 인버터에 제공함으로써 인버터의 변환 효율을 증대시킬 수 있고, 아울러 인버터 내부의 회로에 휴지기를 부여할 수 있게 되어 인버터 회로의 수명을 연장할 수 있도록 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공한다.

Description

광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터 {A transformer matched parallel inverter for wide area multi-string solar power generation system}
본 발명은 태양광 발전을 위한 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 지역에 배치된 태양광 발전용 태양전지 어레이들에 대해 입사되는 태양광 에너지가 불균일하여 인버터로 입력되는 전력이 차이가 생기는 것을 극복하고 높은 효율의 태양광 발전을 위해 태양전지 어레이들을 그룹화하고 각 그룹별로 독립된 인버터 구성으로써 전력을 발생시키며, 발생된 전력을 트랜스포머로써 병합하여 그리드 전력을 공급하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 관한 것이다.
본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 관한 종래의 배경기술로서 도면 제1도에 도시된 대한민국 등록특허공보 제10-0770791호의 태양광 발전용 전력변환 장치 및 그 방법 기술이 있다. 이 기술은 태양광 발전용 전력변환 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 태양광 셀로부터 DC 전압을 병렬연결 방식으로 입력받아 DC 전압으로 변환시킨 다음 입력전압을 직렬연결 방식으로 출력하는 절연 DC/DC 컨버터와; 상기 절연 DC/DC 컨버터에서 출력된 DC 전압을 AC 전압으로 인버팅하는 DC/AC 인버터와; 상기 DC/AC 인버터의 출력을 사인 필터링하여 출력하는 사인 필터;를 포함하여 구성함으로서, 태양광 발전용 전력변환 장치에서 출력 용량의 일부만 분담하는 구조에 의해 용량을 최대한 감소시키고 시스템 효율을 증대시켜 소용량 및 대용량 태양광 발전에 적용할 수 있게 하는 것을 요지로 한다.
그러나 이 기술은 단일의 인버터에 대해 입력되는 전압의 일부를 별도의 절연 DC/DC 컨버터로써 태양광 셀로부터 DC 전압을 입력받아 DC 전압으로 변환시키고 고주파 변환을 수행하도록 구성되어 있어, 단일의 전력 제공시스템에 상이한 동작을 수행하는 DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터를 구비함으로써 전체 시스템의 구성이 복잡해지고, 또한 태양광이 불균일하거나 충분한 전력량이 입력되지 않는 경우 상기 DC/DC 컨버터의 동작 영역이 증가하여 과부하가 발생할 수 있는 문제가 있다.
본 발명에 관한 다른 종래의 배경기술로서 도면 제2도에 도시된 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0101338호의 태양광 발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법 기술이 있다. 이 기술은 멀티스트링 인버터는 각각의 태양광 모듈마다 별도의 DC-DC 컨버터를 갖추고 있으며, DC-DC 컨버터의 출력단은 DC-AC 컨버터의 입력단에 병렬로 연결되고, DC-AC 컨버터는 간선에 연결되어 교류전류를 공급한다. 각각의 DC-DC 컨버터에서 입력전류, 입력전압 및/또는 입력전력을 측정해 측정값을 구하고, 제한된 값을 넘거나 DC-DC 컨버터의 변수가 범위 내에 있을 때 전력 손실이 줄어들도록 측정값의 함수로서 컨버터의 작동상태를 바꾸는 것을 특징으로 한다.
그러나 이 기술은 각각의 태양광 모듈마다 별도의 DC-DC 컨버터를 구비해야 하므로 인버터의 구성에 따른 비용이 상승할 뿐만 아니라, 통상의 DC-DC 컨버터를 구성하는 초크 코일 등의 크기가 전력량에 따라 결정되므로 결과적으로 전체 시스템의 크기가 태양광 모듈 단위로 증대되는 제약이 있다.
본 발명에 관한 또 다른 종래의 배경 기술로서 도면 제3도에 도시된 일본공개특허공보 특개 2004-200326호의 전력변환 장치 기술이 있다. 이 기술은 출력 전압이 상이한 직류 전원을 접속 가능하게 하는 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 복수의 직류 전원과 상기 전원에 각각 대응하는 스위치, 복수의 스위치를 단일의 신호원으로 동기하여 구동하는 스위칭 제어 회로, 복수의 스위치에 각각 대응하여 접속되는 복수의 1차 권선과 단일의 2차 권선을 구비한 트랜스포머, 직류 전원과 스위치 및 1차 권선에 접속하여 전기적으로 독립된 전류 루프를 형성한 복수의 스위치 회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
그러나 이 기술은 복수의 태양전지 스트링으로부터 제공되는 전력을 별도의 스위치 회로로써 직류 전원으로 변환하고 이를 다시 인버터 회로로써 교류로 변환하도록 구성되어 있어 전술한 제1도의 기술과 마찬가지로 각 태양전지 스트링별로 스위치 회로를 구성하여야 하며, 단일의 전력 제공시스템에 직류 전원을 제공하는 스위칭 회로와 인버터 회로를 동시에 구비함으로써 전체 시스템의 구성과 제어가 복잡해지며 비용의 상승을 초래하는 단점이 있다.
본 발명에 관한 또 다른 종래의 배경 기술로서 도면 제4도에 도시된 미국공개특허공보 US 2004/0223351 A1호의 전력변환 장치 및 태양광 전력 발전 시스템 기술이 있다. 이 기술은 복수의 트랜스포머를 구비하고 각각의 트랜스포머 1차측에 태양광 전지로부터 제공되는 직류 전력을 스위칭하며, 상기 복수의 트랜스포머의 2차측으로 제공되는 전력을 다이오드 및 커패시터로써 정류 평활하여 직류 전력을 제공하는 것을 요지로 한다.
그러나 이 기술도 복수의 태양전지 스트링으로부터 제공되는 전력을 별도의 스위치 회로로써 직류 전원으로 변환하여 제공하므로, 이를 상용 전원으로 변환하기 위해서는 다시 인버터 회로로써 교류로 변환해야 하고 단일의 전력 제공시스템에 직류 전원을 제공하는 스위칭 회로와 인버터 회로를 동시에 구비함으로써 전체 시스템의 구성과 제어가 복잡해지며 비용의 상승을 초래하는 단점이 있다.
KR 10-2009-0101338 A KR 10-0702223 B1 KR 10-0770791 B1 KR 10-2009-0132507 A US 20040223351 A1 US 20040027112 A1 US 20110215778 A1 JP 2004129483 A JP 2004200326 A
본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는,
태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터로써 구성함으로써 태양광 발전 시스템의 스위칭 부하를 경감할 수 있는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명의 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 태양전지 스트링들로부터 제공되는 전압과 전류에 따라 상기 태양전지 스트링들의 출력을 직병렬로 연결하여 인버터에 제공함으로써 인버터의 변환 효율을 증대시킬 수 있고, 아울러 인버터 내부의 회로에 휴지기를 부여할 수 있게 되어 인버터 회로의 수명을 연장할 수 있도록 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 단일의 트랜스포머로써 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형들을 병합하여 그리드에 제공하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 또 다른 과제로 한다.
아울러 본 발명은 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터를 구성함으로써 특정 태양전지 스트링 및 인버터 구동부와 고조파 필터에 고장이나 이상이 발생하더라도 다른 태양전지 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력을 그리드에 제공할 수 있는 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 또 다른 과제로 한다.
본 발명은 상기의 기술적 과제를 해결하기 위해,
서로 인접한 태양전지 스트링들을 복수의 태양전지 스트링 그룹으로 구분하고, 상기 태양전지 스트링 그룹들로부터 인버터 입력단에 제공되는 전력을 역류 방지 다이오드를 통하도록 하고, 각각의 스트링 그룹별로 인버터 구동부에 의해 스위칭되고, 상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력을 각각 고조파 필터를 거쳐 정현파 전력 파형으로 출력 트랜스에 공급하며, 상기 φ1, φ2, φ3 위상별 정현파 전력 파형을 출력 트랜스에서 병합하여, 그리드 출력으로 파워 그리드에 공급되도록 구성된 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 과제의 해결 수단으로 제공한다.
본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 의하면,
태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터로써 구성함으로써 태양광 발전 시스템의 스위칭 부하를 경감하는 기술적 효과가 제공된다.
또한, 본 발명의 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 태양전지 스트링들로부터 제공되는 전압과 전류에 따라 상기 태양전지 스트링들의 출력을 직병렬로 연결하여 인버터에 제공함으로써 인버터의 변환 효율을 증대시킬 수 있고, 아울러 인버터 내부의 회로에 휴지기를 부여할 수 있게 되어 인버터 회로의 수명을 연장할 수 있도록 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공하는 기술적 작용효과를 제공한다.
본 발명은 단일의 트랜스포머로써 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형들을 병합하여 그리드에 제공하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명은 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터를 구성함으로써 특정 태양전지 스트링 및 인버터 구동부와 고조파 필터에 고장이나 이상이 발생하더라도 다른 태양전지 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력을 그리드에 제공할 있는 기술적 효과를 제공한다.
도면 제1도는 본 발명에 관한 종래의 배경기술로서 태양광 발전용 전력변환 장치 및 그 방법 기술의 구성
도면 제2도는 본 발명에 관한 다른 종래의 배경기술로서 태양광 발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법 기술의 구성
도면 제3도는 본 발명에 관한 또 다른 종래의 배경기술로서 전력변환 장치 기술의 구성
도면 제4도는본 발명에 관한 다른 종래의 배경기술로서 전력변환 장치 및 태양광 전력 발전 시스템 기술의 구성
도면 제5도는 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 일반적인 인버터의 구성
도면 제6도는 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 일반적인 인버터 구성에서 태양 전지 스트링의 이상적인 출력 전압
도면 제7도는 일반적인 태양광 발전 시스템의 3상 인버터의 회로 구성과 각 부의 파형
도면 제8도는 태양광 발전 시스템 3상 인버터 회로의 블록 다이어그램
도면 제9도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템의 개념도
도면 제10도는 멀티 스트링 태양광 발전 시스템의 인버터 구성에서 태양 전지 스트링의 출력 전압의 변동에 따른 작용
도면 제11도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터 구성의 일실시예
도면 제12도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 일실시예
도면 제13도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 MPPT 감지부의 구성
도면 제14도는 제2 태양전지 스트링 그룹과 제3 태양전지 스트링 그룹의 출력을 병렬로 연결하여 제3 인버터 구동부에 제공하는 실시예
도면 제15도는 제1 태양전지 스트링 그룹과 제2 태양전지 스트링 그룹의 출력 전압이 강하되는 경우 이들을 병렬로 연결하여 제1 인버터 구동부에 제공하는 실시예
도면 제16도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 다른 실시예
도면 제17도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 일반 구성예
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다
도면 제5도는 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 일반적인 인버터의 구성을 도시한다. 통상의 인버터는 복수의 태양전지 스트링(100)과 각각의 스트링 출력단에 역류 방지 다이오드(200)가 직렬로 연결되고, 상기 역류 방지 다이오드(200)를 통한 복수의 태양전지 스트링(100)으로부터의 전력을 통합하여 인버터(300)의 입력단으로 공급한다. 상기 인버터(300)의 입력단과 출력단에는 입력 전압과 전류를 모니터하기 위해 입력 VI센서(400)와 출력 VI센서(410)를 연결한다.
도면 제6도는 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 일반적인 인버터 구성에서 태양 전지 스트링의 이상적인 출력 전압을 도시한 것이다. 통상의 멀티 스트링 태양광 발전 시스템에서는 복수의 태양전지 스트링(100)의 n개의 스트링 출력단으로 동일한 전압과 전류가 공급되는 것으로 설계되고, 이는 도면 제6도에서 Va1, Va2, Va3 …… Van의 전압과 전류가 동일한 조건에서 최대의 전력을 출력할 수 있다.
도면 제7도는 일반적인 태양광 발전 시스템의 3상 인버터의 회로 구성과 각 부의 파형을 도시한다. 태양 전지 스트링으로부터 공급되는 전력은 인버터 입력단(301)에 연결된다. 이 전력은 인버터 구동부(302)의 평활용 콘덴서의 양단으로 공급되고 상기 평활된 전력은 인버터 구동부(302)의 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로에 의해 스위칭된다. 상기 하프 브리지(half-bridge) 회로는 통상적으로 펄스폭 변조(PWM) 방식이 사용되며 각각의 상(phase)별로 1조의 스위칭 소자로써 구성된다. 상기 인버터 구동부(302)의 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로의 PWM 스위칭 출력은 고조파 필터(303)를 통해 정현파 전력 파형으로 출력 트랜스(304)에 공급된다. 이때 고조파 필터(303)는 상기 각 상 별로 구비된 L-C 필터로써 인버터 구동부(302)의 출력에 혼재하는 스위칭 잡음을 제거하고 50/60Hz의 정현파에 공진하도록 구성된다. 상기 L-C 필터는 상기 인버터 구동부(302)의 3개 출력에 대해 3개의 인덕터의 각 일단이 연결되고 상기 3개의 인덕터 타단에는 2개의 인덕터간 마다 3개 커패시터 각각의 양단을 연결하여 구성한다. 상기 고조파 필터(303)의 3개 출력은 Δ-Y 결선의 3상 트랜스포머로 구성된 출력 트랜스(304)를 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급된다. 상기 고조파 필터(303)의 3개 출력은 상기 출력 트랜스(304)의 일차측 Δ결선의 각 단에 연결되고, 2차측의 Y결선 각 단으로부터 파워 그리드에 3상 전력을 공급한다. 도면 제7도에서 (a)는 상기 인버터 입력단(301)에 공급되는 태양 전지 스트링으로부터의 전압을 도시하며, (b)는 상기 인버터 구동부(302)의 출력 파형을 나타낸다. 상기 인버터 구동부(302)의 출력 전압은 PWM으로 스위칭된 펄스열(pulse train)이며. 전류값은 이어 연결된 고조파 필터(303)의 인덕터에 의해 상기 펄스열(pulse train) 전압의 적분값이 되어 도면 (b)의 하단에 도시된 파형으로 측정된다. 상기 고조파 필터(303)의 출력 전압은 잡음이 제거된 정현파 (c)이며, 그리드 출력(305)은 변압된 전압(d)으로 제공된다.
다음의 도면 제8도는 태양광 발전 시스템 3상 인버터 회로의 블록 다이어그램을 도시한다. 태양 전지 스트링으로부터 공급되는 전력은 인버터 입력단(301)에 연결되고, 상기 전력은 인버터 구동부(302)의 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로에 의해 스위칭된다. 상기 인버터 구동부(302)의 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로의 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 고조파 필터(303)를 통해 정현파 전력 파형으로 정형되어 출력 트랜스(304)에 공급된다. 상기 고조파 필터(303)의 3개 출력은 출력 트랜스(304)를 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급된다. 상기 하프 브리지(half-bridge) 회로는 통상적으로 펄스폭 변조(PWM) 방식이 사용되며 φ1, φ2, φ3 위상별 그리드 출력(305)을 피드백하여 하프 브리지 스위칭 소자별로 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 펄스를 생성하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어진다.
도면 제9도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템의 개념도를 도시한다. 태양광 발전 시스템에서 대전력을 필요로 하거나, 광활한 평야가 없는 지형적 제약이 있을 시에는 제9도에 도시된 것과 같이 태양전지 스트링들이 분산 배치되어야 한다. 이때 태양광은 구름이나 산 그늘, 또는 바람에 날리는 낙엽이나 새 등에 의해 모든 태양전지 어레이에 균일하게 조사되지 못하는 경우가 발생할 수 있으며, 이로 인해 각각의 태양전지 스트링들은 제각기 다른 기전력과 기전류를 발생하게 된다. 이에 따라, 광역에 걸쳐 분산 배치되어 있는 태양전지 스트링들은 도면 제6도에서 설명된 연결 구조에서는 전력이 발생되어도 서로 상이한 전압차로 인해 인버터측으로 전력을 공급하지 못하는 태양전지 스트링들이 다수 발생할 수 있다.
광역에 걸쳐 배치된 태양전지 어레이는 상은 이유로 제각기 다른 기전력과 기전류를 발생하는 경우가 빈번한 반면, 인접한 태양전지 어레이로부터 발생하는 기전력과 기전류는 어느 정도 유사한 크기를 갖는 것이 일반적이다. 따라서 본 발명에서는 서로 인접한 태양전지 스트링들을 그룹으로 연결한다. 도면 제9도에서는 상기 태양전지 어레이들을 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로 구분한 일례를 도시한다. 이에 의해 각각의 태양전지 스트링들은 서로 상이한 기전력을 발생시키더라도 인접한 태양전지 스트링들이 그룹으로 연결된 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c) 들은 각각의 스트링들이 유사한 기전력을 발생시키게 되며, 이들 태양전지 스트링 그룹별로 인버터를 복수로 구비하여 최종적으로 생산된 그리드 전력으로 병합하여 공급하면 된다.
따라서 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 의하면, 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터로써 구성함으로써 태양광 발전 시스템의 스위칭 부하를 경감하는 효과가 있다. 또한, 구름이나 산 그늘, 또는 바람에 날리는 낙엽이나 새 등에 의해 태양전지 스트링 그룹별로 균일하게 조사되지 못하는 경우에도 태양전지 스트링들로부터 공급되는 전력을 그리드에 제공하는 특징이 있다. 또한 단일의 트랜스포머로써 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형들을 병합하여 그리드에 제공하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공한다. 아울러 본 발명은 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터를 구성함으로써 특정 태양전지 스트링 및 인버터 구동부와 고조파 필터에 고장이나 이상이 발생하더라도 다른 태양전지 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력을 그리드에 제공할 수 있다.
도면 제10도는 멀티 스트링 태양광 발전 시스템의 인버터 구성에서 태양 전지 스트링의 출력 전압의 변동에 따른 작용을 도시한 것이다. 제6도에서 설명된 바와 같이, 통상의 멀티 스트링 태양광 발전 시스템에서는 복수의 태양전지 스트링(100)의 n개의 스트링 출력단으로 동일한 전압과 전류가 공급되는 것으로 설계되므로, 복수의 태양전지 스트링(100)별로 발생되는 Va1, Va2, Va3 …… Van의 전압이 동일한 조건에서만 최대의 전력을 인버터(300)에 제공할 수 있다. 상기 각각의 태양전지 스트링(100)은 다른 태양전지 스트링(100)에서 발생된 기전에 의한 전류가 역류하여 파괴되는 것을 방지하기 위한 목적으로 역류 방지 다이오드(200)를 직렬로 구비하고 있다.
그러나 상기 도면 제9도에서와 같이 구름이나 산 그늘, 또는 바람에 날리는 낙엽이나 새 등에 의해 모든 태양전지 어레이에 태양광이 균일하게 조사되지 못하는 경우에는 각각의 태양전지 스트링(100)별 전압은 각기 다른 값으로 발생하게 된다. 따라서 도면에 도시된 바와 같이 복수의 태양전지 스트링(100)별로 발생되는 Va1, Va2, Va3 …… Van 의 전압은 모두 인버터(300)에 제공되지 못하며, 기전력이 낮은 태양전지 스트링(100)의 전력은 상기 역류 방지 다이오드(200)에 의해 차단된다. 그러므로 상기의 멀티 스트링 태양광 발전 시스템은 최대의 전력을 그리드에 제공하는 것이 불가능해진다.
본 발명은 복수의 태양전지 스트링(100)을 구비한 태양광 발전 시스템에 있어서, 태양전지 어레이별로 태양광이 균일하게 조사되지 못하는 경우에도 각각의 태양전지 스트링(100)별 기전력을 효율적으로 인버터(300)에 제공함으로써 최대의 전력을 그리드에 제공할 수 있는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공한다.
도면 제11도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터 구성의 일실시예를 도시한 것이다.
제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로부터 역류 방지 다이오드를 각각 거쳐 인버터 입력단(302)에 제공되는 전력은 각각의 스트링 그룹별로 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)에 연결된다. 이 전력은 인버터 구동부 각각에 구비된 평활용 콘덴서의 양단으로 공급되고 상기 평활된 전력은 인버터 구동부의 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로에 의해 스위칭된다. 상기 하프 브리지(half-bridge) 회로는 통상적으로 펄스폭 변조(PWM) 방식이 사용되며 각각의 상(phase)별로 1조의 스위칭 소자로써 구성된다. 상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 각각 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)를 거쳐 정현파 전력 파형으로 출력 트랜스(304)에 공급된다. 이때 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)는 L-C 필터로써 인버터 구동부의 출력에 혼재하는 스위칭 잡음을 제거하고 50/60Hz의 정현파에 공진하도록 구성된다. 상기 L-C 필터는 상기 인버터 구동부 각각의 3개 위상별 출력에 대해 3개의 인덕터의 각 일단이 연결되고 상기 3개의 인덕터 타단에는 2개의 인덕터간 마다 커패시터를 연결하여 구성한다. 상기 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)별 3상 출력은 Δ-Y 결선의 3상 트랜스포머로 구성된 출력 트랜스(304)를 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급된다.
본 발명의 출력 트랜스(304)는 1차측이 3상 Δ결선, 2차측이 3상 Y결선으로 구성되며, 상기 1차측의 3상 Δ결선은 전술한 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형마다 개별의 권선으로 3상 Δ결선을 구성한다. 이에 대해 2차측의 3상 Y결선은 상기 1차측에 3상 Δ결선으로 제공된 복수의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비된다. 따라서 본 발명의 출력 트랜스(304)는 1차측의 3상 Δ결선이 태양전지 스트링 그룹별로 독립적으로 구성되고 2차측의 3상 Y결선은 상기 복수의 1차측 3상 Δ결선들의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비된다.
또한 본 발명의 상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)의 스위칭은, 그리드 출력(305) 단자의 전압에 따라 스위칭 펄스를 제공하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어진다.
그러므로 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 의하면, 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터로써 구성함으로써 태양광 발전 시스템의 스위칭 부하를 경감하는 효과가 있다. 또한, 구름이나 산 그늘, 또는 바람에 날리는 낙엽이나 새 등에 의해 태양전지 스트링 그룹별로 태양광이 균일하게 조사되지 못하는 경우에도 태양전지 스트링들로부터 공급되는 전력을 그리드에 병합하여 제공하는 특징이 있다. 또한 단일의 트랜스포머로써 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형들을 병합하여 그리드에 제공하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공한다. 아울러 본 발명은 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터를 구성함으로써 특정 태양전지 스트링 및 인버터 구동부와 고조파 필터에 고장이나 이상이 발생하더라도 다른 태양전지 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력을 그리드에 제공할 수 있다.
도면 제12도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 일실시예를 블록다이어그램으로 도시한 것이다. 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 서로 인접한 태양전지 스트링들을 그룹으로 연결하여 태양전지 스트링 그룹으로 구동하며, 상기 태양전지 스트링 그룹의 수에는 제한을 두지 않는다. 도면에서는 본 발명의 특징적 구성을 명확히 설명하기 위해 상기 태양전지 스트링 그룹들을 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로 구분한 예를 통해 설명한다.
도면의 실시예에서 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로부터 역류 방지 다이오드를 각각 거쳐 인버터 입력단(301)에 제공되는 전력은 각각의 스트링 그룹별로 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)에 연결된다. 이때 상기 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 태양전지 스트링 그룹과 역류 방지 다이오드 사이에는 각 태양전지 스트링 그룹으로부터 생성되는 전력을 모니터 하기 위한 MPPT(maximum power point tracking) 감지부가 각각 구비된다. 상기 MPPT 감지부는 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)에 연결된 MPPT 감지부a(101a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b)에 연결된 MPPT 감지부b(101b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)에 연결된 MPPT 감지부c(101c)로 구성되며, 상기 MPPT 감지부들은 제어부(500)에 의해 MPPT 감지를 위한 제어와 전압 전류의 측정이 이루어진다. 이어 상기 감지부들을 통과한 전력 신호는 다음 단의 인버터 구동부로 제공된다.
상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)는 제공받은 전력을 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로에 의해 스위칭하고, 상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 각각 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)를 거쳐 정현파 전력 파형으로 출력 트랜스(304)에 공급된다. 상기 φ1, φ2, φ3 위상별 정현파 전력 파형은 출력 트랜스(304)에서 병합되고, 상기 출력 트랜스(304)의 2차측을 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급된다.
이때 상기의 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)는 펄스폭 변조(PWM) 방식의 하프 브리지(half-bridge) 회로로 구성되며, 상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)의 스위칭은 그리드 출력(305) 단자의 전압에 따라 스위칭 펄스를 제공하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어진다.
도면 제13도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 MPPT 감지부의 구성의 일 실시예를 도시한다. 태양광 발전 시스템에 있어서 MPPT(maximum power point tracking) 제어는 각각의 태양전지 스트링 그룹별로 발생되고 있는 전압과 최대전류를 계측하여 생산 가능한 최대전력을 파악하기 위한 수단이다. 도면의 MPPT 감지부는 본 발명의 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)에 연결된 MPPT 감지부a(101a) 구성을 예시한다.
본 발명의 MPPT 감지부는 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 역류 방지 다이오드 간의 연결을 on/off시키는 스위치 SW2와, 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결되어 전압을 측정하는 전압계측수단 V, 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 측정 저항 연결되는 전류계측수단A를 구비하되 상기 전류계측 수단A에는 측정용 저항 Rp가 직렬로 연결되며 상기 측정용 저항 Rp과 전류계측수단A를 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결하거나 차단시키는 스위치 SW1을 구비한다. 상기 스위치 SW1과 SW2는 제어부(500)에 의해 on/off되고, 상기 전압계측수단 V와 전류계측수단A의 계측 결과는 제어부(500)에 제공된다.
본 발명의 제어부(500)는, MPPT 제어를 하지 않는 경우에는 SW1을 off, SW2를 on으로 구동하여 태양전지 스트링 그룹의 전력을 역류 방지 다이오드를 통해 제공한다. 또한 본 발명의 제어부(500)는, MPPT 제어를 위한 계측의 경우에는 SW1을 on, SW2를 off로 구동하여 태양전지 스트링 그룹의 전력을 역류 방지 다이오드로부터 차단시키고, 측정용 저항 Rp를 통해 흐르는 전류 및 태양전지 스트링 그룹의 전압을 계측하여 태양전지 스트링 그룹의 최대전력을 계산한다.
아울러 본 발명의 제어부(500)는, 태양전지 스트링 그룹별로 MPPT 제어를 위한 계측을 통해 최대전력이 지나치게 저하된 태양전지 스트링 그룹이 검출되는 경우 이를 이상 상태로 판단하고 상기 MPPT 제어부의 SW2를 off시켜 이상 상태의 태양전지 스트링 그룹을 역류 방지 다이오드로부터 차단시킬 수도 있다.
본 발명의 MPPT 감지부의 다른 실시예로서 도면에 도시하지는 않았으나, 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결되어 전압을 측정하는 전압계측수단 V와, 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 역류방지용 다이오드 간에 전류계측수단A를 구비하고 제어부(500)로써 상시 전압과 전류를 모니터하도록 구성하여 MPPT 제어를 수행할 수도 있다.
도면 제14도 및 제15도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 MPPT 제어의 일례를 개시한 것이다. 전술한 본 발명의 인버터는 각각의 스트링 그룹별로 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)에 연결된다. 이때 구름이나 산 그늘, 또는 바람에 날리는 낙엽이나 새 등의 외부 요인에 의해 태양전지 스트링 그룹별로 태양광이 균일하게 조사되지 못하는 경우에 태양전지 스트링들로부터 공급되는 전압과 전류량에 차이가 발생한다. 이 경우에는 전류량이 부족한 스트링들을 병렬로 연결하거나, 기전력이 부족한 스트링들을 직렬로 연결하여 인버터 구동부에 제공함으로써 변환 효율을 증대시킬 수 있다.
또한 상기 스트링들의 병렬 연결 구성에 따라 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않는 인버터 구동부와 고조파 필터에는 전력 스위칭 동작을 하지 않는 휴지기를 부여할 수 있게 되므로 인버터의 수명을 연장할 수 있는 효과가 발생한다.
도면 제14도의 예에서는 제2 태양전지 스트링 그룹(100b)와 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 출력을 병렬로 연결하여 제3 인버터 구동부(302c)에 제공하는 실시예를 도시하며, 이때 제2 인버터 구동부(302b)에는 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않는다. 상기 제2 인버터 구동부(302b)와 이에 연계된 제2 고조파 필터(303b)로 구성되는 전력 변환부는 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않기 때문에 전력 스위칭을 하지 않는 휴지기를 갖게 되어 인버터의 수명을 연장할 수 있는 효과가 발생한다.
도면 제15도의 예는 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)와 제2 태양전지 스트링 그룹(100b)의 출력 전압이 강하되는 경우 이들을 병렬로 연결하여 제1 인버터 구동부(302a)에 제공하는 실시예를 도시하며, 이때 제3 인버터 구동부(302c)에는 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않으므로, 상기 제3 인버터 구동부(302c)와 이에 연계된 제3 고조파 필터(303c)로 구성되는 전력 변환부는 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않기 때문에 전력 스위칭을 하지 않는 휴지기를 갖게 되어 인버터의 수명을 연장할 수 있는 효과가 발생한다.
따라서, 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 의하면, 본 발명의 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 태양전지 스트링들로부터 제공되는 전압과 전류에 따라 상기 태양전지 스트링들의 출력을 직병렬로 연결하여 인버터에 제공함으로써 인버터의 변환 효율을 증대시킬 수 있고, 아울러 인버터 내부의 회로에 휴지기를 부여할 수 있게 되어 인버터 회로의 수명을 연장할 수 있는 특징이 있다.
도면 제16도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 다른 실시예를 블록다이어그램으로 도시한 것이다.
본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 서로 인접한 태양전지 스트링들을 그룹으로 연결하여 태양전지 스트링 그룹으로 구동하며, 상기 태양전지 스트링 그룹의 수에는 제한을 두지 않는다. 도면에서는 본 발명의 특징적 구성을 명확히 설명하기 위해 상기 태양전지 스트링 그룹들을 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로 구분한 예를 통해 설명한다.
도면의 실시예에서, 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로부터 제공되는 전력은, 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)에 연결된 MPPT 감지부a(101a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b)에 연결된 MPPT 감지부b(101b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)에 연결된 MPPT 감지부c(101c)로 구성된 MPPT(maximum power point tracking) 감지부로써 각 태양전지 스트링 그룹으로부터 생성되는 전력을 제어부(500)에서 모니터한다.
상기 MPPT 감지부a(101a), MPPT 감지부b(101b), MPPT 감지부c(101c)를 거친 3개 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력은 각각 역류 방지용 다이오드를 거쳐 스트링 직병렬 스위치부(600)에 공급되어 제어부(500)에 의해 스위칭된다. 상기 제어부(500)는 MPPT 감지부a(101a), MPPT 감지부b(101b), MPPT 감지부c(101c)를 통해 계측된 각 스트링 그룹별 전압과 전류에 따라 스트링 직병렬 스위치부(600)를 구동하여 상기 스트링 그룹들을 직병렬로 연결한다.
상기 스트링 직병렬 스위치부(600)를 통해 연결된 스트링 그룹들의 전력은 제어부(500)에 의해 인버터 선택부(610)로써 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)에 연결된다. 이때에는 전술한 바와 같이 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않는 인버터 구동부도 있을 수 있다.
상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)는 제공받은 전력을 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로에 의해 스위칭하고, 상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 각각 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)를 거쳐 정현파로 정형되고, 제어부(500)에 의해 출력 스위치부(620)에서 선택적으로 출력 트랜스(304)에 공급된다. 상기 φ1, φ2, φ3 위상별 정현파 전력 파형은 출력 트랜스(304)에서 병합되고, 상기 출력 트랜스(304)의 2차측을 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급된다.
이때 상기의 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)는 펄스폭 변조(PWM) 방식의 하프 브리지(half-bridge) 회로로 구성되며, 상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)의 스위칭은 그리드 출력(305) 단자의 전압에 따라 스위칭 펄스를 제공하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어진다.
도면 제17도는 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터의 일반 구성예를 도시한 것이다
본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 서로 인접한 태양전지 스트링들을 그룹으로 연결하여 태양전지 스트링 그룹으로 구동하며, 상기 태양전지 스트링 그룹의 수에는 제한을 두지 않는다.
도면의 실시예에서, 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)~제n 태양전지 스트링 그룹(100n)의 n개 그룹으로부터 제공되는 전력은, 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)에 연결된 MPPT 감지부a(101a)~제n 태양전지 스트링 그룹(100n)에 연결된 MPPT 감지부n(101n)로 구성된 MPPT(maximum power point tracking) 감지부로써 각 태양전지 스트링 그룹으로부터 생성되는 전력을 제어부(500)에서 모니터한다.
상기 MPPT 감지부a(101a)~MPPT 감지부n(101n)을 거친 n개 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력은 각각 역류 방지용 다이오드를 거쳐 스트링 직병렬 스위치부(600)에 공급되어 제어부(500)에 의해 스위칭된다. 상기 제어부(500)는 MPPT 감지부a(101a)~MPPT 감지부n(101n)을 통해 계측된 각 스트링 그룹별 전압과 전류에 따라 스트링 직병렬 스위치부(600)를 구동하여 상기 스트링 그룹들을 직병렬로 연결한다.
상기 스트링 직병렬 스위치부(600)를 통해 연결된 스트링 그룹들의 전력은 제어부(500)에 의해 인버터 선택부(610)로써 제1 인버터 구동부(302a)~제n 인버터 구동부(302n)에 연결된다. 이때에는 전술한 바와 같이 태양전지 스트링으로부터의 전력이 제공되지 않는 인버터 구동부도 있을 수 있다.
상기 제1 인버터 구동부(302a)~제n 인버터 구동부(302n)는 제공받은 전력을 3상 하프 브리지(half-bridge) 회로에 의해 스위칭하고, 상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 각각 제1 고조파 필터(303a)~제n 고조파 필터(303n)를 거쳐 정현파로 정형되고, 제어부(500)에 의해 출력 스위치부(620)에서 선택적으로 출력 트랜스(304)의 일차측 권선에 각각 공급된다. 상기 φ1, φ2, φ3 위상별 정현파 전력 파형은 출력 트랜스(304)에서 병합되고, 상기 출력 트랜스(304)의 2차측을 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급된다.
이때 상기의 제1 인버터 구동부(302a) ~ 제n 인버터 구동부(302n)는 펄스폭 변조(PWM) 방식의 하프 브리지(half-bridge) 회로로 구성되며, 상기 제1 인버터 구동부(302a) ~ 제n 인버터 구동부(302n)의 스위칭은 그리드 출력(305) 단자의 전압에 따라 스위칭 펄스를 제공하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어진다.
본 발명의 출력 트랜스(304)는 1차측이 3상 Δ결선, 2차측이 3상 Y결선으로 구성되며, 상기 1차측의 3상 Δ결선은 전술한 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형마다 개별의 권선으로 3상 Δ결선을 구성한다. 이에 대해 2차측의 3상 Y결선은 상기 1차측에 3상 Δ결선으로 제공된 복수의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비된다. 따라서 본 발명의 출력 트랜스(304)는 1차측의 3상 Δ결선이 태양전지 스트링 그룹별로 독립적으로 구성되고 2차측의 3상 Y결선은 상기 복수의 1차측 3상 Δ결선들의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비된다.
이상과 같이 설명된 본 발명의 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터에 의하면, 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터로써 구성함으로써 태양광 발전 시스템의 스위칭 부하를 경감하는 효과가 있다.
또한, 구름이나 산 그늘, 또는 바람에 날리는 낙엽이나 새 등에 의해 태양전지 스트링 그룹별로 균일하게 조사되지 못하는 경우에도 태양전지 스트링들로부터 공급되는 전력을 그리드에 제공하는 특징이 있다. 또한 단일의 트랜스포머로써 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형들을 병합하여 그리드에 제공하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터를 제공한다.
아울러 본 발명은 태양전지 스트링 그룹별로 소전력의 인버터 구동부와 고조파 필터를 구성함으로써 특정 태양전지 스트링 및 인버터 구동부와 고조파 필터에 고장이나 이상이 발생하더라도 다른 태양전지 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력을 그리드에 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 트랜스포머 결합형 병렬 인버터는 태양전지 스트링들로부터 제공되는 전압과 전류에 따라 상기 태양전지 스트링들의 출력을 직병렬로 연결하여 인버터에 제공함으로써 인버터의 변환 효율을 증대시킬 수 있고, 아울러 인버터 내부의 회로에 휴지기를 부여할 수 있게 되어 인버터 회로의 수명을 연장할 수 있는 특징이 있다.
본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 태양전지 스트링 100a : 제1 태양전지 스트링 그룹
100b : 제2 태양전지 스트링 그룹 100c : 제3 태양전지 스트링 그룹
100n : 제n 태양전지 스트링 그룹 101a : MPPT 감지부a
101b : MPPT 감지부b 101c : MPPT 감지부c
101n : MPPT 감지부n 200 : 역류 방지 다이오드
300 : 인버터 301 : 인버터 입력단
302 : 인버터 구동부 302a : 제1 인버터 구동부
302b : 제2 인버터 구동부 302c : 제3 인버터 구동부
303 : 고조파 필터 303a : 제1 고조파 필터
303b : 제2 고조파 필터 303c : 제3 고조파 필터
304 : 출력 트랜스 305 : 그리드 출력
400 : 입력 V-I 센서 410 : 출력 V-I 센서
500 : 제어부 600 : 스트링 직병렬 스위치부
610 : 인버터 선택부 620 : 출력 스위치부(620)

Claims (24)

  1. 복수의 태양전지 스트링(100)을 구비한 태양광 발전 시스템에 있어서, 태양전지 어레이별로 태양광이 균일하게 조사되지 못하는 경우에도 각각의 태양전지 스트링(100)별 기전력을 효율적으로 인버터(300)에 제공함으로써 최대의 전력을 그리드에 제공할 수 있는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터로서,

    서로 인접한 태양전지 스트링들을 제1 태양전지 스트링 그룹(100a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)의 3개 그룹으로 구분하고,
    상기 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)에 연결된 MPPT 감지부a(101a), 제2 태양전지 스트링 그룹(100b)에 연결된 MPPT 감지부b(101b), 제3 태양전지 스트링 그룹(100c)에 연결된 MPPT 감지부c(101c)로 구성된 MPPT(maximum power point tracking) 감지부로써 각 태양전지 스트링 그룹으로부터 생성되는 전력을 제어부(500)에서 모니터하고,
    상기 MPPT 감지부a(101a), MPPT 감지부b(101b), MPPT 감지부c(101c)를 거친 3개 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력은 각각 역류 방지용 다이오드를 거쳐 스트링 직병렬 스위치부(600)에 공급되어, MPPT 감지부a(101a), MPPT 감지부b(101b), MPPT 감지부c(101c)를 통해 계측된 각 스트링 그룹별 전압과 전류에 따라 제어부(500)에 의해 스위칭되며,
    상기 스트링 직병렬 스위치부(600)를 통해 연결된 스트링 그룹들의 전력은 제어부(500)에 의해 인버터 선택부(610)로써 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)에 연결되어 스위칭되고,
    상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 각각 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)를 거쳐 정현파 전력 파형으로 정형되고,
    제어부(500)에 의해 출력 스위치부(620)에서 선택적으로 출력 트랜스(304)에 공급되며,
    상기 φ1, φ2, φ3 위상별 정현파 전력 파형은 출력 트랜스(304)에서 병합되고, 상기 출력 트랜스(304)의 2차측을 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  2. 제1항에 있어서 상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)는,
    펄스폭 변조(PWM) 방식의 하프 브리지(half-bridge) 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  3. 제1항에 있어서 상기 제1 인버터 구동부(302a), 제2 인버터 구동부(302b), 제3 인버터 구동부(302c)의 스위칭은,
    그리드 출력(305) 단자의 전압에 따른 스위칭 펄스를 제공하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  4. 제1항에 있어서 상기 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)는,
    L-C 필터로써 인버터 구동부의 출력에 혼재하는 스위칭 잡음을 제거하고 50/60Hz의 정현파에 공진하도록 구비되고,
    상기 L-C 필터는 상기 인버터 구동부 각각의 3개 위상별 출력에 대해 3개의 인덕터의 각 일단이 연결되고 상기 3개의 인덕터 타단에는 2개의 인덕터간 마다 커패시터를 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  5. 제1항에 있어서 상기 제1 고조파 필터(303a), 제2 고조파 필터(303b), 제3 고조파 필터(303c)를 거쳐 정현파 전력 파형으로 출력 트랜스(304)에 공급되는 전력은
    Δ-Y 결선의 3상 트랜스포머로 구성된 출력 트랜스(304)를 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급되되,
    상기 출력 트랜스(304)는 1차측이 3상 Δ결선, 2차측이 3상 Y결선으로 구성되며,
    상기 1차측의 3상 Δ결선은 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형마다 개별의 권선으로 3상 Δ결선을 구비한 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  6. 제5항에 있어서 상기 출력 트랜스(304)의 2차측의 3상 Y결선은,
    상기 1차측에 3상 Δ결선으로 제공된 복수의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비되는 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  7. 제1항에 있어서 상기 출력 트랜스(304)는,
    1차측의 3상 Δ결선이 태양전지 스트링 그룹별로 독립적으로 구성되고,
    2차측의 3상 Y결선은 상기 복수의 1차측 3상 Δ결선들의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비되는 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  8. 제1항에 있어서 상기 MPPT(maximum power point tracking) 감지부는,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 역류 방지 다이오드 간의 연결을 on/off시키는 스위치 SW2와,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결되어 전압을 측정하는 전압계측수단 V,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 측정 저항 연결되는 전류계측수단A를 구비하되,
    상기 전류계측 수단A에는 측정용 저항 Rp가 직렬로 연결되며,
    상기 측정용 저항 Rp과 전류계측수단A를 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결하거나 차단시키는 스위치 SW1을 구비한 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  9. 제8항에 있어서 상기 스위치 SW1과 SW2는,
    제어부(500)에 의해 on/off되고,
    상기 전압계측수단 V와 전류계측수단A의 계측 결과는 제어부(500)에 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  10. 제9항에 있어서 상기 제어부(500)는,
    MPPT 제어를 하지 않는 경우에는 SW1을 off, SW2를 on으로 구동하여 태양전지 스트링 그룹의 전력을 역류 방지 다이오드를 통해 제공되도록 하고,
    MPPT 제어를 위한 계측의 경우에는 SW1을 on, SW2를 off로 구동하여 태양전지 스트링 그룹의 전력을 역류 방지 다이오드로부터 차단시키고,
    측정용 저항 Rp를 통해 흐르는 전류 및 태양전지 스트링 그룹의 전압을 계측하여 태양전지 스트링 그룹의 최대전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  11. 제9항에 있어서 상기 제어부(500)는,
    태양전지 스트링 그룹별로 MPPT 제어를 위한 계측을 통해 최대전력이 지나치게 저하된 태양전지 스트링 그룹이 검출되는 경우,
    이를 이상 상태로 판단하고 MPPT 제어부의 SW2를 off시켜,
    이상 상태의 태양전지 스트링 그룹을 역류 방지 다이오드로부터 차단시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  12. 제1항에 있어서 상기 MPPT(maximum power point tracking) 감지부는,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결되어 전압을 측정하는 전압계측수단 V와, 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 역류방지용 다이오드 간에 전류계측수단A를 구비하고 제어부(500)로써 상시 전압과 전류를 모니터하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  13. 복수의 태양전지 스트링(100)을 구비한 태양광 발전 시스템에 있어서, 태양전지 어레이별로 태양광이 균일하게 조사되지 못하는 경우에도 각각의 태양전지 스트링(100)별 기전력을 효율적으로 인버터(300)에 제공함으로써 최대의 전력을 그리드에 제공할 수 있는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터로서,

    서로 인접한 태양전지 스트링들을 제1 태양전지 스트링 그룹(100a) ~ 제n 태양전지 스트링 그룹(100n)의 n개 그룹으로 구분하고,
    상기 제1 태양전지 스트링 그룹(100a)에 연결된 MPPT 감지부a(101a) ~ 제n 태양전지 스트링 그룹(100n)에 연결된 MPPT 감지부n(101n)으로 구성된 MPPT(maximum power point tracking) 감지부로써 각 태양전지 스트링 그룹으로부터 생성되는 전력을 제어부(500)에서 모니터하고,
    상기 MPPT 감지부a(101a) ~ MPPT 감지부n(101n)을 거친 n개 스트링 그룹으로부터 제공되는 전력은 각각 역류 방지용 다이오드를 거쳐 스트링 직병렬 스위치부(600)에 공급되어, MPPT 감지부a(101a) ~ MPPT 감지부n(101n)을 통해 계측된 각 스트링 그룹별 전압과 전류에 따라 제어부(500)에 의해 스위칭되며,
    상기 스트링 직병렬 스위치부(600)를 통해 연결된 스트링 그룹들의 전력은 제어부(500)에 의해 인버터 선택부(610)로써 제1 인버터 구동부(302a) ~ 제n 인버터 구동부(302n)에 연결되어 스위칭되고,
    상기 인버터 구동부들로부터 출력되는 φ1, φ2, φ3 위상별 출력은 각각 제1 고조파 필터(303a) ~ 제n 고조파 필터(303n)를 거쳐 정현파 전력 파형으로 정형되고,
    제어부(500)에 의해 출력 스위치부(620)에서 선택적으로 출력 트랜스(304)에 공급되며,
    상기 φ1, φ2, φ3 위상별 정현파 전력 파형은 출력 트랜스(304)에서 병합되고, 상기 출력 트랜스(304)의 2차측을 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  14. 제13항에 있어서 상기 제1 인버터 구동부 ~ 제n 인버터 구동부는,
    펄스폭 변조(PWM) 방식의 하프 브리지(half-bridge) 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  15. 제13항에 있어서 상기 제1 인버터 구동부 ~ 제n 인버터 구동부의 스위칭은,
    그리드 출력(305) 단자의 전압에 따른 스위칭 펄스를 제공하는 인버터 드라이버(306)에 의해 스위칭 제어가 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  16. 제13항에 있어서 상기 제1 고조파 필터 ~ 제n 고조파 필터는,
    L-C 필터로써 인버터 구동부의 출력에 혼재하는 스위칭 잡음을 제거하고 50/60Hz의 정현파에 공진하도록 구비되고,
    상기 L-C 필터는 상기 인버터 구동부 각각의 3개 위상별 출력에 대해 3개의 인덕터의 각 일단이 연결되고 상기 3개의 인덕터 타단에는 2개의 인덕터간 마다 커패시터를 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  17. 제13항에 있어서 상기 제1 고조파 필터 ~ 제n 고조파 필터를 거쳐 정현파 전력 파형으로 출력 트랜스(304)에 공급되는 전력은
    Δ-Y 결선의 3상 트랜스포머로 구성된 출력 트랜스(304)를 통해 변류-변압되어 그리드 출력(305)으로 파워 그리드에 공급되되,
    상기 출력 트랜스(304)는 1차측이 3상 Δ결선, 2차측이 3상 Y결선으로 구성되며,
    상기 1차측의 3상 Δ결선은 태양전지 스트링 그룹별 인버터 구동부와 고조파 필터를 통해 제공되는 3상의 전력 파형마다 개별의 권선으로 3상 Δ결선을 구비한 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  18. 제17항에 있어서 상기 출력 트랜스(304)의 2차측의 3상 Y결선은,
    상기 1차측에 3상 Δ결선으로 제공된 복수의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비되는 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  19. 제13항에 있어서 상기 출력 트랜스(304)는,
    1차측의 3상 Δ결선이 태양전지 스트링 그룹별로 독립적으로 구성되고,
    2차측의 3상 Y결선은 상기 복수의 1차측 3상 Δ결선들의 전력을 병합하는 단일의 3상 결선으로 구비되는 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  20. 제13항에 있어서 상기 MPPT(maximum power point tracking) 감지부는,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 역류 방지 다이오드 간의 연결을 on/off시키는 스위치 SW2와,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결되어 전압을 측정하는 전압계측수단 V,
    태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 측정 저항 연결되는 전류계측수단A를 구비하되,
    상기 전류계측 수단A에는 측정용 저항 Rp가 직렬로 연결되며,
    상기 측정용 저항 Rp과 전류계측수단A를 태양전지 스트링 그룹의 양극(+)과 음극(-)간에 연결하거나 차단시키는 스위치 SW1을 구비한 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  21. 제20항에 있어서 상기 스위치 SW1과 SW2는,
    제어부(500)에 의해 on/off되고,
    상기 전압계측수단 V와 전류계측수단A의 계측 결과는 제어부(500)에 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  22. 제21항에 있어서 상기 제어부(500)는,
    MPPT 제어를 하지 않는 경우에는 SW1을 off, SW2를 on으로 구동하여 태양전지 스트링 그룹의 전력을 역류 방지 다이오드를 통해 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  23. 제21항에 있어서 상기 제어부(500)는,
    MPPT 제어를 위한 계측의 경우에는 SW1을 on, SW2를 off로 구동하여 태양전지 스트링 그룹의 전력을 역류 방지 다이오드로부터 차단시키고, 측정용 저항 Rp를 통해 흐르는 전류 및 태양전지 스트링 그룹의 전압을 계측하여 태양전지 스트링 그룹의 최대전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
  24. 제21항에 있어서 상기 제어부(500)는,
    태양전지 스트링 그룹별로 MPPT 제어를 위한 계측을 통해 최대전력이 지나치게 저하된 태양전지 스트링 그룹이 검출되는 경우 이를 이상 상태로 판단하고 MPPT 제어부의 SW2를 off시켜 이상 상태의 태양전지 스트링 그룹을 역류 방지 다이오드로부터 차단시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
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