KR101278533B1 - 모듈 통합형 전력조절기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류전원을 출력하는 하는 복수의 태양광 모듈, 태양광 모듈에 내장되어 직류전원 파형을 정류형 교류전압 파형 또는 정류형 교류전류 파형으로 변환하는 DC/AC컨버터, 태양광 모듈 각각에 내장된 복수의 DC/AC컨버터와 연결되어 변환된 정류형 교류전원 파형을 완전한 교류전원 파형으로 변환하는 저주파 인버터 및 교류 변환부로부터 수신한 교류전원을 부하로 분배하는 전력계통을 포함하여, 인버터의 스위칭 손실을 줄임으로써 전력효율 향상시키기 위한 모듈 통합형 전력조절기 시스템에 관한 것이다.

Description

모듈 통합형 전력조절기 시스템{MODULE INTERGRATED POWER REGULATOR SYSTEM}
본 발명은 모듈 통합형 전력조절기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 전력조절기 제작시 태양전지의 DC전압/전류를 정류형 AC전압/전류로 변환하여 인버터에 전달함으로써 인버터의 스위칭 손실을 줄임으로써 전력효율을 향상시킬 수 있는 모듈 통합형 전력조절기 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 저탄소 녹색성장과 함께 주목받고 있는 태양광 분야는, 전지의 전력을 받아서 계통에 전달하는 전력조절기 연구에 변화가 진행되고 있는데, 이것은 일명 모듈화 전력조절기라고 불리는 형태로 발전하고 있다. 기존의 박막형 태양전지나 유기태양전지의 일차적 응용범위는 주거형 발전 사업이나 에너지 하베스팅 (energy harvesting)이라고 예상하고 있는데, 이는 기존의 집중식 태양광 발전 시스템을 적용시 여러 가지 문제점이 야기된다.
도 1는 부분 그늘짐(PARTIAL SHADING) 현상에 의한 태양전지의 전압-전력곡선 그래프이고, 도 2은 기존의 태양광 발전 시스템 구조도 이다.
도 2에 도시된 바와 같이 직렬로 연결된 복수의 태양광 모듈 출력단이 하나의 DC/AC 인버터 입력단에 연결된 기존의 일반적인 주거용 태양광 발전시스템에서는 도 1에 도시된 바와 같이 그늘짐 현상이 발생한다.
부분 그늘짐 현상이란 태양광 주택 혹은 빌딩 등의 주변 환경에 의해서 태양전지에 그늘이 짐으로써, 일반적인 태양광 최대 발전 동작점이 둘 혹은 그 이상으로 분산되는 현상이다. 이렇게 되면, 태양전지 이후에 연결되는 단일 전력조절기가 최대전력점을 추종하지 못하거나, 추종하더라도 분산된 최대점이므로 발전량이 급격히 떨어지게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 그늘짐이 발생한 태양전지 모듈별로 각각의 독립적인 전력조절기를 설치함으로써, 그늘짐이 발생한 태양전지 최대 전력점이 그렇지 않은 태양전지와 분리가 되어서, 각각의 전력점이 개별적으로 동작하도록 하여 각각의 전력조절기들이 자신들과 연결된 태양전지 모듈의 최적 상태에서 동작시킴으로써, 최대발전전력을 뽑아낼 수 있도록 하고,
태양전지의 DC전압/전류를 정류형 AC전압/전류로 변환하여 인버터에 전달함으로써 인버터의 스위칭 손실을 줄임으로써 전력효율을 향상시킬 수 있는 모듈 통합형 전력조절기 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템은 직류전원을 출력하는 하는 복수의 태양광 모듈,태양광 모듈에 후단에 결합되어 직류전원을 교류전원(교류전압 혹은 교류전류)으로 변환하여 교류 변환부 및 교류 변환부로부터 수신한 교류전원을 각종 부하로 분배하는 전력계통을 포함하되,교류 변환부가 태양광 모듈에 내장되어 직류전원 파형을 정류형 교류전압 파형 또는 정류형 교류전류 파형으로 변환하는 DC/AC컨버터와 각 태양광 모듈과 연결되어 변환된 정류형 교류전원 파형을 완전한 교류전원 파형으로 변환하는 저주파 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템은 신재생 에너지 발전원의 전력조절기 설계시, 저주파 인버터를 사용하여 고효율을 달성하고, 이를 통하여 제품의 고효율 인증 및 신뢰성 증대를 기대할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 태양광 발전 시스템에서 나타나는 부분 그늘짐(PARTIAL SHADING) 현상에 의한 태양전지의 전압-전력곡선 그래프,
도 2는 종래의 태양광 발전 시스템 구조도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템도,
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템도,
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 병렬형 멀티스트링 방식에 의한 모듈 통합형 전력조절기 시스템도, 및
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 직렬형 멀티스트링 방식에 의한 모듈 통합형 전력조절기 시스템도 이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템의 제1 실시예이다.
도 3에 도시된 바와 같이 제1 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템은 태양광 모듈(100), 교류 변환부(200) 및 전력계통(300)을 포함한다.
폴리 실리콘을 얇게 썰어 만든 복수의 태양전지셀로 이루어진 상기 태양광 모듈(100)은 복사에너지를 전기에너지로 변환하여 직류의 전원(전압/전류)을 생성한다.
이때, 복수의 상기 태양광 모듈(100)은 직렬, 병렬 또는 스트링으로 연결될 수 있다.
상기 태양광 모듈(100)의 출력단은 상기 교류 변환부(200)의 입력단에 연결되며, 상기 교류 변환부(200)는 입력단을 통해 입력되는 직류의 전원을 교류의 전원으로 변환하여 출력단을 통해 전력계통(300)에 전달한다.
즉, 상기 교류 변환부(200)는 승압 DC/DC 컨버터(211), DC/AC인버터(213) 및 커패시터(212)를 포함하는데, 상기 승압 DC/DC 컨버터(211)는 상기 태양광 모듈(100)에서 입력된 직류전원의 전압을 소정 크기의 전압으로 승압시키고, 상기 DC/AC인버터(213)는 상기 승압 DC/DC 컨버터(211)에 의해 전압이 승압된 직류전원을 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 갖는 110V 또는 220V의 교류전원으로 변환한다.
한편, 상기 커패시터(212)는 상기 승압 DC/DC 컨버터(211)와 상기 DC/AC인버터(213) 사이에 병렬로 연결되어, 상기 승압 DC/DC 컨버터(211)에서 승압되어 출력되는 전압에 포함된 맥류를 제거하여 평활시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템의 제2 실시예이다.
도 4에 도시된 바와 같이 제2 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템은 태양광 모듈(100), 교류 변환부(200) 및 전력계통(300)을 포함한다.
특히, 상기 교류 변환부(200)는 커패시터(221), DC/AC 인버터(222) 및 저주파 승압 변압기(223)를 포함하는데, 상기 태양광 모듈(100)의 출력단에 연결된 상기 커패시터(221)는 상기 DC/AC 인버터(222)에서 출력되는 전압에서 맥류를 제거한 후 평활시키고, 상기 DC/AC 인버터(222)는 상기 평활된 직류전원을 교류전원으로 변환하며, 상기 저주파 승압 변압기(223)는 상기 변환된 교류전원을 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 갖는 110V 또는 220V로 승압시킨다.
도 5는 본 발명에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템의 제3 실시예이다.
도 5에 도시된 바와 같이 제3 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템은 태양광 모듈(100), 교류 변환부(200) 및 전력계통(300)을 포함한다.
특히, 상기 교류 변환부(200)는 커패시터(231), 정류형 DC/DC 변압기(232), 정류형 DC링크(233) 및 저주파 인버터(234)를 포함한다.
상기 커패시터(231)는 상기 태양광 모듈(100)에서 입력되는 전원의 전압에서 맥류를 제거하고, 상기 정류형 DC/DC 변압기(232)는 맥류가 제거되어 입력되는 직류전원을 정류형 직류전원으로 변환하며, 상기 정류형 DC/DC 변압기(232) 후단에 연결된 상기 저주파 인버터(234)는 상기 정류형 직류전원을 교류전원으로 변환한다.
즉, 상기 저주파 인버터(234)는 제1 스위치(234a), 제2 스위치(234b), 제3 스위치(234c) 및 제4 스위치(234d)를 포함하여, 제1 스위치(234a)와 제4 스위치(234d)를 단락시키고, 제2 스위치(234b)와 제3 스위치(234c)를 오픈시켜 출력단에 +전원이 출력되도록 하고 반대로, 제1 스위치(234a)와 제4 스위치(234d)를 오픈시키고, 제2 스위치(234b)와 제3 스위치(234c)를 단락시켜 -전원이 출력되도록 하는 과정이 반복적으로 수행하여 완전한 교류전원이 출력될 수 있도록 한다.
한편, 상기 정류형 DC/DC 변압기(232)와 상기 저주파 인버터(234) 사이에 병렬로 연결된 정류형 DC링크(233)는 평활 커패시터라고도 하는데, 상기 정류형 DC/DC 변압기(232)에서 출력되는 정류형 직류전원에서 고주파 맥류를 제거하고 깨끗한 정류형 직류전원으로 만들어 준다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템의 제4 실시예로서, 도 6은 병렬형 멀티스트링 방식에 의한 모듈 통합형 전력조절기 시스템을 도시한 것이고, 도 7은 직렬형 멀티스트링 방식에 의한 모듈 통합형 전력조절기 시스템을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 제4 실시예에 따른 모듈 통합형 전력조절기 시스템은 상술한 실시예들과 마찬가지로 태양광 모듈(100), 교류 변환부(200) 및 전력계통(300)을 포함한다.
상기 교류 변환부(200)는 DC/AC컨버터(241) 및 저주파 인버터(242)를 포함하는데, 상기 DC/AC컨버터(241)가 상기 태양광 모듈(100)로부터 입력되는 직류전원 파형을 정류형 교류전원 파형으로 변환하고, 상기 저주파 인버터(242)가 직류를 교류로 변환하는 고주파 스위칭 방식이 아닌, 저주파 스위칭 방식을 통해 준-정류형 교류전원 파형을 완전한 교류전원 파형으로 변환하여 인버터단의 스위칭 손실을 줄임으로써 높은 효율을 달성할 수 있다.
즉, 상기 저주파 인버터(242)는 상기 전력계통(300)의 위상에 따라 계통 주파수로 교번하여 스위칭함으로써 전압파형을 교류전원에서 정류형 교류파형으로 상기 DC/AC컨버터(241)에 전달하게 되며, 이러한 저주파 동작을 통하여 스위칭 손실을 극도로 저감할 수 있다.
상기 저주파 인버터(242)는 태양광 모듈(100)마다 존재하지 않고, 상기 전력계통(300)에 연계되는 하나의 통합모듈로 존재한다.
따라서, 복수의 상기 DC/AC컨버터(241)를 상기 저주파 인버터(242)에 연결함에 있어, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 직렬연결 또는 병렬연결 어떠한 것이라도 무관하다.
상기에서 교류전원 파형은 전압 파형일 수도 있고 전류 파형일 수도 있으나, 전류 파형으로 제작할 경우, 상기 DC/AC컨버터(241)에서 상기 저주파 인버터(242)까지의 배선이 인덕터 역할을 하므로 인덕터의 크기를 줄일 수 있다.
상기 DC/AC컨버터(241)는 상기 태양광 모듈(100)에서 입력되는 직류전원을 정류형 교류전원으로 변환하기 위해서 도통률을 순시적으로 변화시킨다.
또한, 상기 DC/AC컨버터(241)는 태양광 모듈(100)에서 전달되는 전원(전압 또는 전류 혹은 전압과 전류 모두)을 피드백하여 최대전력추종(MPPT:Maxium Power Point Tracking) 알고리즘을 통한 태양광 전압 혹은 전류의 기준신호를 가지고 실제 발전전압 혹은 발전전류를 제어할 뿐만 아니라, 출력되는 전류의 위상을 상기 저주파 인버터(242)로 입력되는 정류형 교류전압 파형과 위상이 일치되도록 제어한다.
이상과 같은, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 태양광 모듈 200 : 교류 변환부
211 :승압 DC/DC 컨버터 213 : DC/AC인버터
212 : 커패시터 221 :커패시터
222 : DC/AC 인버터 223 : 저주파 승압 변압기
231 : 커패시터 232 : 정류형 DC/DC 변압기
233 : 정류형 DC링크(233) 234 : 저주파 인버터
234a : 제1 스위치 234b : 제2 스위치
234c : 제3 스위치 234d : 제4 스위치
241 : DC/AC컨버터 242 : 저주파 인버터
300 : 전력계통

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 직류전원을 출력하는 복수의 태양광 모듈(100);
    복수의 상기 태양광 모듈(100)의 후단에 결합되어 상기 직류전원을 교류전원으로 변환하여 교류 변환부(200) 및
    상기 교류 변환부(200)로부터 수신한 교류전원을 부하로 분배하는 전력계통(300);를 포함하되,
    상기 교류 변환부(200)는
    상기 태양광 모듈(100)에 독립적으로 내장되어 직류전원 파형을 정류형 교류전원 파형으로 변환하는 DC/AC컨버터(241); 및
    복수의 상기 태양광 모듈(100) 각각에 내장된 복수의 상기 DC/AC컨버터(241)와 연결되어, 변환된 정류형 교류전원 파형을 교류전원 파형으로 변환하고, 상기 전력계통에 연계되어 하나의 통합모듈로 구비되는 저주파 인버터(242);를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 통합형 전력조절기 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    복수의 상기 DC/AC컨버터(241)는 상기 저주파 인버터(242)에 직렬연결 또는 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 모듈 통합형 전력조절기 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 DC/AC컨버터(241)와 상기 저주파 인버터(242) 사이에 배선된 전선이 인덕터의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 모듈 통합형 전력조절기 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 DC/AC 컨버터(241)는 상기 태양광 모듈(100)로부터 입력되는 직류전원의 전압을 최대전력이 출력되는 전압으로 제어하고, 상기 저주파 인버터(242)에서 오는 정류형 교류전압 파형과 위상이 일치되도록 출력되는 전류의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 모듈 통합형 전력조절기 시스템.
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