KR101293166B1 - 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터 - Google Patents

휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치와 상기 제1 스위치에 병렬로 연결된 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 스위치에 병렬로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 원 스테이지 스위칭부, 상기 제1 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제1 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제1 트랜스와, 상기 제2 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제2 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제2 트랜스로 된 에너지 축적부, 상기 제1, 2 스위치 오프(OFF)시 상기 에너지 축적부에 축적된 에너지를 이용해 소정 주파수의 인버터 전압을 생성하는 60Hz 변환부 및, 상기 60Hz 변환부에서 생성한 인버터 전압을 계통 주파수와 동일하게 정형파 사인 파형으로 변환하는 60Hz 스위칭부를 포함하여 이루어진 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터에 관한 것으로, 한 단계(One Stage) 계통 연계형 인버터 기술을 이용하여 제품을 소형화, 경량, 슬림(Slim)화 시켜 휴대가 가능하도록 태양광 모듈과 인버터를 일체화한다.

Description

휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터{Micro Grid Inverter used in Potrabel Grid Photovoltic Generator}
본 발명은 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한 단계(One Stage) 계통 연계형 인버터 기술을 이용하여 제품을 소형화, 경량, 슬림(Slim)화 시켜 휴대가 가능하도록 태양광 모듈과 인버터를 일체화할 수 있도록 한, 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터에 관한 것이다.
일반적인 태양광 인버터는 태양광 전지판(Photovoltic Module)과 분리되어 설치되고 대용량이어서 개별 태양광 전지판(PVM)에서 발생되는 DC 전압을 모아 발전을 하는 방식이나 이러한 방식은 직렬로 연결시 발생되는 배선 손실과 각각 직렬 연결된 PVM의 특성 중 최소의 발전 용량을 기준으로 발전이 되는 단점이 있어 발전효율이 저하된다.
이러한 종래의 발전 방식을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
종래의 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, PVM을 인버터(Inverter)의 용량이나 전압에 맞게 직렬로 연결하여 사용한다.
이 방식은 직렬로 연결된 PVM의 발전량이 서로 다를 경우 최소 발전량으로 전체발전이 되는 단점이 있다. 예를 들어, 250W PVM을 1,000개 연결하여 발전을 할 경우 하나의 PVM이 성능이 떨어졌거나 태양광의 입사 각도가 서로 달라 200W로 발전할 경우 전체 발전량은 200KW가 된다.
즉, 각 PVM의 평균 전력을 발전하는 것이 아니라 여러 PVM중 최소의 발전량이 기준이 되어 발전을 하므로 발전 효율이 저하된다.
한편, 종래의 마이크로 그리드 인버터의 구성은 2단계 방식의 회로를 사용 하여 부피가 크고 무게가 무거워 PVM과 일체화하기에 부적합하다.
종래의 인버터를 도 2를 기준으로 설명하면, 기존의 인버터는 PVM으로부터 DC 전압이 인가되면 DC/DC 변환부에서 SW1~SW4로 구성된 FULL BRIDGE SWITCHING 회로를 이용하여 DC400V로 승압하기 위한 전력을 T1으로 보낸다. 그리고, T1의 전력을 받아 정류부에서 L1, C1을 통하여 DC400V의 전압을 얻는다. DC400V의 전압을 60HZ변환부의 SW5~SW8의 SWITCHING 작용으로 AC220V 60HZ로 변환이 되고 60HZ 필터부를 통하여 GRID로 전송된다.
특히, 여기서 사용되는 정류부의 L1, C1 및, 60HZ 필터부에 사용되는 L2, L3, C2 는 고전압 용이고 부피가 커서 소형화하는데 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 인버터를 소형화, 슬립화하여 PVM에 부착시켜 휴대가 가능한 휴대형 계통연계 태양광 발전기를 구현하는데 있으며, 궁극적으로는 태양광 발전의 효율 향상과 태양광 발전소의 설치의 편의성을 구현할 수 있도록 하는, 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터는,
태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치와 상기 제1 스위치에 병렬로 연결된 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 스위치에 병렬로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 원 스테이지 스위칭부, 상기 제1 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제1 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제1 트랜스와, 상기 제2 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제2 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제2 트랜스로 된 에너지 축적부, 상기 제1, 2 스위치 오프(OFF)시 상기 에너지 축적부에 축적된 에너지를 이용해 소정 주파수의 인버터 전압을 생성하는 60Hz 변환부 및, 상기 60Hz 변환부에서 생성한 인버터 전압을 계통 주파수와 동일하게 정형파 사인 파형으로 변환하는 60Hz 스위칭부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 원 스테이지 스위칭부는 태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치, 상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제1 트랜스에 역 권선으로 연결된 제1 다이오드 및, 상기 제2 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제2 트랜스에 역 권선으로 연결된 제2 다이오드(D2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래의 기술에서 사용되는 정류부의 전해 콘덴스와, 60 HZ FILTER부에 사용되는 리액터와 콘덴스를 사용하지 않음으로써, 소형화 슬림(SLIM)화를 달성할 수 있다.
나아가, 소형 슬림(Slim)화가 가능한 인버터를 PVM에 시설함으로서 휴대의 편리성과, 설치의 간편화 및, 태양광 발전의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 태양광 발전 시스템을 도시한 도면
도 2는 종래의 마이크로 그리드 인버터를 도시한 회로도
도 3은 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터를 도시한 회로도
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터의 타이밍도
도 5는 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전 시스템을 도시한 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 원 스테이지 스위칭부(301), 에너지 축적부(302), 60Hz 변환부(303), 60Hz 스위칭부(304)를 포함하여 이루어진 구조이다.
즉, 태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치와 상기 제1 스위치에 병렬로 연결된 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 스위치에 병렬로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 원 스테이지 스위칭부(301), 상기 제1 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제1 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제1 트랜스(T1)와, 상기 제2 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제2 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제2 트랜스(T2)로 된 에너지 축적부(302), 상기 제1, 2 스위치 오프(OFF)시 상기 에너지 축적부(302)에 축적된 에너지를 이용해 소정 주파수의 인버터 전압을 생성하는 60Hz 변환부(303) 및, 상기 60Hz 변환부(303)에서 생성한 인버터 전압을 계통 주파수와 동일하게 정형파 사인 파형으로 변환하는 60Hz 스위칭부(304)를 포함하여 이루어진 구조이다.
여기서, 상기 원 스테이지 스위칭부(301)는 태양광 전지 모듈에 각기 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 변조된 PWM 신호를 상호 배타적으로 입력받고, 입력받은 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치(여기서, '상호 배타적'은 제1 스위치가 온이 된 경우 제2 스위치가 오프되고, 제1 스위치가 오프된 경우 제2 스위치가 온이 되는 방식으로 번갈아 온, 오프하는 방식)와, 상기 제1 스위치에 병렬로 연결된 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 스위치에 병렬로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 것이다. 구체적인 구조는 태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치, 상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제1 트랜스에 역 권선으로 연결된 제1 다이오드(D1) 및, 상기 제2 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제2 트랜스에 역 권선으로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 것이다.
에너지 축적부(302)는 상기 제1, 2 스위치가 온(ON)이 된 경우 전류(또는, 에너지)를 축적하는 것으로, 상기 제1 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제1 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제1 트랜스(T1)와, 상기 제2 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제2 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제2 트랜스(T2)로 된 구조이다.
60Hz 변환부(303)는 상기 제1 트랜스의 2차 측에 연결된 제3 다이오드와 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결된 제1 콘덴스, 상기 제2 트랜스의 2차 측에 연결된 제4 다이오드와 상기 제4 다이오드의 캐소드에 연결된 제2 콘덴스로 구성된 것으로, 상기 제1, 2 스위치 오프(OFF)시 상기 에너지 축적부(302)에 축적된 에너지가 제3, 4 다이오드와 콘덴스의 충, 방전 작용에 의해 소정 주파수를 가진 인버터 전압 즉, 120Hz의 인버터 전압을 생성한다.
60Hz 스위칭부(304)는 상기 60Hz 변환부(303)에 연결되어, 상기 60Hz 변환부(303)에서 생성한 인버터 전압을 계통 주파수와 동일하게 정형파 사인 파형으로 변환하는 것으로, 즉 120Hz를 60Hz로 만들어 계통 주파수와 동일하게 한다. 만약, 계통 주파수가 50Hz라면, 60Hz 변환부(303)에서 생성하는 주파수는 100Hz가 되고, 변환되는 정형파 사인 파형의 주파수는 50Hz가 된다.
이하, 도 3의 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터의 동작을 첨부된 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터의 타이밍도이다.
먼저, 본 발명은 도 4a에 도시된 바와 같이, 원 스테이지 스위칭부(301)의 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 PWM SW로서 PV 모듈에 연결되어, DSP로부터 도 4a와 같은 변조된 PWM 신호를 받아 상호 배타적으로 번갈아 온, 오프 동작을 수행한다.
상기 원 스테이지 스위칭부(301)는 태양광 전지 모듈에 각기 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 변조된 PWM 신호를 상호 배타적으로 입력받고, 입력받은 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치(여기서, '상호 배타적'은 제1 스위치가 온이 된 경우 제2 스위치가 오프되고, 제1 스위치가 오프된 경우 제2 스위치가 온이 되는 방식으로 번갈아 온, 오프하는 방식)와, 상기 제1 스위치에 병렬로 연결된 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 스위치에 병렬로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 것이다.
구체적인 구조는 태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치, 상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제1 트랜스에 역 권선으로 연결된 제1 다이오드 및, 상기 제2 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제2 트랜스에 역 권선으로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 것이다.
다음, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 온(ON) 하면 그 에너지는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2)와 트랜스 권선이 역 권선 이므로, 에너지 축적부(302)의 제1 트랜스(T1)와 제2 트랜스(T2)에 축적된다.
에너지 축적부(302)에 축적되는 전류는 도 4b에 도시된 바와 같이 변조된 PWM 형태로 흐르게 된다.
상기 에너지 축적부(302)는 상기 제1, 2 스위치가 온(ON)이 된 경우 전류(또는, 에너지)를 축적하는 것으로, 상기 제1 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제1 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제1 트랜스와, 상기 제2 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제2 스위치 온(ON)시 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제2 트랜스로 된 구조이다.
다음, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 오프(OFF) 하면, 트랜스에 축적 되어 있던 도 4b 형태의 에너지가 60Hz 변환부(303)의 D1, D2를 통하여 C의 충, 방전 작용에 의하여 도 4d와 같은 120Hz의 인버터 전압을 만든다.
상기 60Hz 변환부(303)는 상기 제1 트랜스의 2차 측에 연결된 제3 다이오드와 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결된 제1 콘덴스, 상기 제2 트랜스의 2차 측에 연결된 제4 다이오드와 상기 제4 다이오드의 캐소드에 연결된 제2 콘덴스로 구성된 것으로, 상기 제1, 2 스위치 오프(OFF)시 상기 에너지 축적부에 축적된 에너지가 제3, 4 다이오드와 콘덴스의 충, 방전 작용에 의해 소정 주파수를 가진 인버터 전압 즉, 120Hz의 인버터 전압을 생성한다.
종래 방식은 도 4c와 같은 60Hz 변환부의 변조된 PWM 형태의 전류를 별도의 60Hz 필터부의 리액터 코일 L2, L3와 필터용 콘덴스 C2를 통하여 도 4e와 같은 정형파 60Hz를 만든다.
하지만, 제안된 본 발명은 T1,과 T2의 2차측 코일이 종래의 리액터 코일 역활을 함으로써, 소형화를 가능케 할 수 있다.
다음, 60HZ 스위칭부(304)는 도 4d와 같이 출력된 인버터 전압을 도 4e와 같이 정형파 사인 파형으로 만든다.
상기 60HZ 스위칭부(304)는 제1 트랜스(T1)에서 만들어지는 정형파 구간 t1과 t2에서 만들어지는 구간 중, t2 구간의 위상을 바꾸어 120Hz를 60Hz로 만들어 계통 주파수와 동일하게 한다.
만약에 계통 주파수가 50Hz라면 도 4d의 주파수는 100Hz가 되고 도 4e의 주파수는 50Hz가 된다.
즉, 상기 60Hz 스위칭부(304)는 상기 60Hz 변환부(303)에 연결되어, 상기 60Hz 변환부(303)에서 생성한 인버터 전압을 계통 주파수와 동일하게 정형파 사인 파형으로 변환하는 것으로, 즉 120Hz를 60Hz로 만들어 계통 주파수와 동일하게 한다.
만약, 계통 주파수가 50Hz라면, 60Hz 변환부(303)에서 생성하는 주파수는 100Hz가 되고, 변환되는 정형파 사인 파형의 주파수는 50Hz가 되는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 기존의 두 단계 (Tow Stage) 방식에 의해 회로가 복잡하고, 부피가 크고, 무게가 무거워 태양광 전지 모듈과 인버터의 일체화가 불가능한 것을 해결한 것으로, 종래의 기술에서 사용되는 정류부의 전해 콘덴스와 60 HZ FILTER부에 사용되는 리액터와 콘덴스를 사용하지 않음으로써, 소형화 슬림(SLIM)화를 달성할 수 있다. 그리고, 소형 슬림(Slim)화가 가능한 인버터를 PVM에 시설함으로써, 휴대의 편리성과 설치의 간편화 및 태양광 발전의 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 시스템은 발전 효율의 저하를 개선하기 위하여 도 5와 같이, PV 모듈에 마이크로 그리드 인버터를 내장한 것으로, 그렇게 하여 본 발명에 따른 휴대형 계통연계 태양광 발전기(PGPG)를 구현한 것이다.
상기 도 5와 같이 연결하여 태양광 발전을 하면 각각의 발전기의 전력이 송전이 되고, 설치 수량의 평균치의 전력을 생산할 수 있어 효율 개선이 가능하다.
한편, 종래의 마이크로 그리드 인버터의 구성은 2단계 방식의 회로를 사용하여 부피가 크고, 무게가 무거워 PVM과 일체화하기에 부적합하다.
본 발명은 종래의 인버터 방식에서 사용되는 DC/DC 변환부와 정류 콘덴스 그리고, 출력 FILTER COIL을 생략하는 방식에 의해 소형 경량화 및 효율을 향상시킨 것이다.
또한, 슬림화가 가능해 PVM에 직접 부착하여 휴대형 발전이 가능하게 한 것이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
101 : DC/DC 변환부 102 : 정류부
103 : 60Hz 변환부 104 : 60Hz 필터부
301 : 원 스테이지 스위칭부 302 : 에너지 축적부
303 : 60Hz 변환부 304 : 60Hz 스위칭부

Claims (2)

  1. 태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 60Hz 또는 50Hz PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치와 상기 제1 스위치에 병렬로 연결된 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 스위치에 병렬로 연결된 제2 다이오드(D2)로 된 원 스테이지 스위칭부;
    상기 제1 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제1 스위치 온(ON)시 60Hz 또는 50Hz로 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제1 트랜스와, 상기 제2 다이오드에 역 권선으로 연결되어 상기 제2 스위치 온(ON)시 60Hz 또는 50Hz로 변조된 PWM 형태로 전류를 축적하는 제2 트랜스로 된 에너지 축적부;
    상기 제1, 2 스위치 오프(OFF)시 상기 에너지 축적부에 축적된 에너지를 이용해 변조된 PWM 형태의 전류를 주파수가 60Hz인 인버터 전압으로 변환시키는 60Hz 변환부; 및
    상기 60Hz 변환부에서 변환시킨 60Hz 인버터 전압을 계통 주파수와 동일하게 정형파 사인 파형으로 변환하는 60Hz 스위칭부를 포함하여 이루어지고,
    상기 원 스테이지 스위칭부는
    태양광 전지 모듈에 연결되어 상기 태양광 전지 모듈로부터 입력되는 변조된 60Hz 또는 50Hz PWM 신호에 따라 상호 배타적으로 온(ON), 오프(OFF) 하는 제1, 2 스위치;
    상기 제1 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제1 트랜스 권선에 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 제2 스위치에 병렬로 연결되고 상기 제2 트랜스 권선에 연결된 제2 다이오드(D2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터.
  2. 삭제
KR1020110112947A 2011-11-01 2011-11-01 휴대형 계통연계 태양광 발전기에 사용되는 마이크로 그리드 인버터 KR101293166B1 (ko)

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