KR101295094B1 - 하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로 - Google Patents

하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로에 관한 것으로, 풍력 발전과 태양력 발전을 통해 전력을 생산하는 하이브리드 풍력 발전 시스템에 있어서, 상기 풍력 발전과 태양력 발전을 제어하는 제어부; 발전 전력을 저장하는 배터리부; 및 상기 풍력 발전 및 태양력 발전에 의해 생산된 전압을 다수의 콘덴서에 병렬 충전하고 직렬 방전하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로를 제공한다.

Description

하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로{HYBRID TYPE WIND POWER GENERATION APPARATUS AND INVERTER CIRCUIT OF THE SAME}
본 발명은 하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로에 관한 것으로, 하이브리드 풍력 발전기의 부스트 업(boost-up) 상 손실을 최소화하여 풍력 발전기의 효율을 향상시킬 수 있는 인버터 회로에 관한 것이다.
풍력 발전은 자연의 바람에너지를 이용한 발전 시스템으로 대체 에너지원 중 경제성이 높은 에너지원 중의 하나이다. 이러한 풍력 발전 시스템은 먼저 풍자등을 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 전환한다. 그리고, 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전력을 생산하는 시스템이다. 이와 같은 풍력 발전은 무한정의 청정 에너지인 바람을 동력원으로 사용하기 때문에 기존의 화석연료 등에 의한 대기 오염 또는 열 공해와 같은 문제가 없는 무공해 발전이 가능하다. 이에 태양광 발전과 함께 현재 가장 많이 연구되고 있는 발전 기술 중 하나이다.
하지만, 우리 나라의 경우 산악 지역 대부분 풍속 변화가 심할 뿐만 아니라 평균 풍속이 느리다. 따라서, 우리 나라에서의 풍력 발전기의 출력은 24에서 30V의 출력이 대부분이고, 일 년에 한두번 태풍이 불때 30V 이상의 출력이 발생한다. 이로인해 최종 출력 전압은 4~5V 정도로 매우 낮은 실정이다.
이와 같이 정격보다 낮은 풍속에서 풍력 발전기의 효율을 높이기 위해서는 인버터가 필수적으로 사용되어야 한다.
그러나, 인버터를 사용하게 되면 부품 증가에 따른 원가 증가 문제와, 유지 관리의 어려움이 있다. 또한, 인버터의 소비 전력으로 인해 최종 출력이 거의 발생하지 않게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 부스트 업(Boost-up) 시 손실을 최소화하기 위해 동일한 세츄레이션 전압을 갖는 트랜지스터를 이용하여 회로를 구성하고, 콘덴서를 병렬 충전하고, 방전시에는 직렬로 방전시켜 손실을 최소화할 수 있는 하이브리드 풍력 발전 시스템 및 이의 인버터 회로를 제공한다.
본 발명에 따른 풍력 발전과 태양력 발전을 통해 전력을 생산하는 하이브리드 풍력 발전 시스템에 있어서, 상기 풍력 발전과 태양력 발전을 제어하는 제어부와, 발전 전력을 저장하는 배터리부 및 상기 풍력 발전 및 태양력 발전에 의해 생산된 전압을 다수의 콘덴서에 병렬 충전하고 직렬 방전하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템을 제공한다.
상기 인버터부는 입력단과 접지 사이에 병렬 접속된 다수의 콘덴서와, 상기 콘덴서와 입력단 사이의 단락을 제어하는 다수의 제 1 스위치 소자와, 상기 다수의 콘덴서가 직렬 연결되도록 제어하는 다수의 제 2 스위치 소자와, 출력 단자와 상기 다수의 콘덴서 사이에 마련된 다수의 제 3 스위치 소자를 포함한다.
상기 스위칭 소자들로 NPN 트랜지스터 및 PNP 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터를 사용하고, 상기 트랜지스터로 세츄레이션 전압 특성이 오차 범위내에서 동일한 것을 사용한다.
상기 제 2 스위치 소자의 동작을 제어하기 위해 일 콘덴서의 양의 전압을 제 2 스위치 소자의 제어단에 제공하는 리드 스위치를 더 포함한다.
상기 인버터부는, 입력 단자(IN)와 제 1 노드(N1) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 2 트랜지스터(Q2), 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)와, 상기 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1) 사이 단자와 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)의 사이 단자 사이에 접속된 제 4 트랜지스터(Q4)와, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 4 트랜지스터(Q4)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 리드 스위치(RS1)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 5 트랜지스터(Q5), 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)와, 상기 제 2 트랜지스터(Q2) 및 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)의 사이 단자 사이에 접속된 제 7 트랜지스터(Q7)와, 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 7 트랜지스터(Q7)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 2 리드 스위치(RS2)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 8 트랜지스터(Q8), 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)와, 상기 제 5 트랜지스터(Q5) 및 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)의 사이 단자 사이에 접속된 제 10 트랜지스터(Q10)와, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자와 제 10 트랜지스터(Q10)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 3 리드 스위치(RS3)와, 상기 입력 단자(IN)와 출력 단자 사이에 위치한 제 11 트랜지스터(Q11)와, 출력 단자와 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2)의 사이 단자에 접속된 제 12 트랜지스터(Q12)와, 출력 단자와 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3)의 사이 단자에 접속된 제 13 트랜지스터(Q13)를 포함하고, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 상기 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자가 상기 출력 단자에 접속된다.
또한, 본 발명에 따른 풍력 발전과 태양력 발전을 통해 전력을 생산하는 하이브리드 풍력 발전 시스템의 인버터 회로에 있어서, 입력단과 접지 사이에 병렬 접속된 다수의 콘덴서와, 상기 콘덴서와 입력단 사이의 단락을 제어하는 다수의 제 1 스위치 소자와, 상기 다수의 콘덴서가 직렬 연결되도록 제어하는 다수의 제 2 스위치 소자 및 출력 단자와 상기 다수의 콘덴서 사이에 마련된 다수의 제 3 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템의 인버터 회로를 제공한다.
상기 스위칭 소자들로 NPN 트랜지스터 및 PNP 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터를 사용하고, 상기 제 2 스위치 소자의 동작을 제어하기 위해 일 콘덴서의 양의 전압을 제 2 스위치 소자의 제어단에 제공하는 리드 스위치를 더 포함한다.
입력 단자(IN)와 제 1 노드(N1) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 2 트랜지스터(Q2), 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)와, 상기 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1) 사이 단자와 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)의 사이 단자 사이에 접속된 제 4 트랜지스터(Q4)와, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 4 트랜지스터(Q4)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 리드 스위치(RS1)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 5 트랜지스터(Q5), 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)와, 상기 제 2 트랜지스터(Q2) 및 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)의 사이 단자 사이에 접속된 제 7 트랜지스터(Q7)와, 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 7 트랜지스터(Q7)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 2 리드 스위치(RS2)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 8 트랜지스터(Q8), 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)와, 상기 제 5 트랜지스터(Q5) 및 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)의 사이 단자 사이에 접속된 제 10 트랜지스터(Q10)와, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자와 제 10 트랜지스터(Q10)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 3 리드 스위치(RS3)와, 상기 입력 단자(IN)와 출력 단자 사이에 위치한 제 11 트랜지스터(Q11)와, 출력 단자와 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2)의 사이 단자에 접속된 제 12 트랜지스터(Q12)와, 출력 단자와 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3)의 사이 단자에 접속된 제 13 트랜지스터(Q13)를 포함하고, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 상기 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자가 상기 출력 단자에 접속된다.
상기 트랜지스터들로 세츄레이션 전압 특성이 오차 범위내에서 동일한 것을 사용한다.
상기 제 1, 제 2, 제 5 및 제 8 트랜지스터(Q1, Q2, Q5, Q8)의 턴온을 제어하여 제 1 노드(N1)의 전압이 제 1 내지 제 4 콘덴서(C1 내지 C4)에 순차적으로 충전되고, 상기 제 1 내지 제 3 리드 스위치(RS1 내지 RS3)가 동작하여 상기 제 4, 제 7 및 제 10 트랜지스터(Q4, Q7, Q10)의 턴온을 제어하여 제 1 내지 제 4 콘덴서(C1 내지 C4)가 직렬 방전되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 풍력 발전과 태양력 발전을 통해 전력을 생산하는 하이브리드 풍력 발전 시스템의 인버터 회로에 있어서, 다수의 콘덴서와 다수의 스위치 소자를 포함하여, 저전압을 부스팅하는 저전압 부스터부와, 리드 스위치로부터 제공받을 저전압을 고전압으로 부스팅하는 고전압 부스터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템의 인버터 회로를 제공한다.
상기 저전압 부스터부는, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 20 트랜지스터(Q20) 및 제 20 콘덴서(C20)와, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 21 트랜지스터(Q21), 제 21 콘덴서(C21) 및 제 22 트랜지스터(Q22)와, 제 20 트랜지스터(Q20) 및 제 20 콘덴서(C20) 사이 단자와 제 21 콘덴서(C21) 및 제 22 트랜지스터(Q22) 사이 단자에 접속된 제 20 다이오드(D20)와, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 23 트랜지스터(Q23), 제 22 콘덴서(C22) 및 제 24 트랜지스터(Q24)와, 제 21 트랜지스터(Q21) 및 제 21 콘덴서(C21) 사이 단자와 제 22 콘덴서(C22) 및 제 24 트랜지스터(Q24) 사이 단자에 접속된 제 21 다이오드(D21)와, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 25 트랜지스터(Q25), 제 23 콘덴서(C23) 및 제 26 트랜지스터(Q26)와, 제 23 트랜지스터(Q23) 및 제 22 콘덴서(C22) 사이 단자와 제 23 콘덴서(C23) 및 제 26 트랜지스터(Q26) 사이 단자에 접속된 제 22 다이오드(D22)와, 제 25 트랜지스터(Q25) 및 제 23 콘덴서(C23) 사이 단자와 제 20 리드 스위치(RS20)에 접속된 제 27 트랜지스터(Q27)를 포함하고, 상기 입력 단자(IN)가 상기 제 20 리드 스위치(RS20)에 접속된다.
상기 고전압 부스터부는, 제 20 리드 스위치(RS20)에 접속된 제 20 노드(N20)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 28 트랜지스터(Q28) 및 제 24 콘덴서(C24)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 29 트랜지스터(Q29), 제 25 콘덴서(C25) 및 제 30 트랜지스터(Q30)와, 상기 제 28 트랜지스터(Q28) 및 제 24 콘덴서(C24)의 사이 단자와 제 30 트랜지스터(Q30) 및 제 25 콘덴서(C25)의 사이 단자에 접속된 제 23 다이오드(D23)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 31 트랜지스터(Q31), 제 26 콘덴서(C26) 및 제 32 트랜지스터(Q32)와, 상기 제 29 트랜지스터(Q29) 및 제 25 콘덴서(C25)의 사이 단자와 제 32 트랜지스터(Q32) 및 제 26 콘덴서(C26)의 사이 단자에 접속된 제 24 다이오드(D24)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 33 트랜지스터(Q33), 제 27 콘덴서(C27) 및 제 34 트랜지스터(Q34)와, 상기 제 31 트랜지스터(Q31) 및 제 26 콘덴서(C26)의 사이 단자와 제 34 트랜지스터(Q34) 및 제 27 콘덴서(C27)의 사이 단자에 접속된 제 25 다이오드(D2)를 포함하고, 상기 제 33 트랜지스터(Q33)와 제 27 콘덴서(C27) 사이 단자가 외부 출력 단자에 접속된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스위칭 소자를 이용하여 충전시에는 다수의 콘덴서가 병렬로 연결되도록하여 병렬 충전을 수행하고, 방전시에는 다수의 콘덴서가 직렬로 연결되도록하여 직렬 방전을 수행하여 하이브리드 풍력 발전의 전력 손실을 최소화할 수 있다. 스위칭 소자로 동일한 세츄레이션 전압을 갖는 트랜지스터를 이용하여 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풍력 발전 시스템의 블록도.
도 2는 일 실시예에 따른 인버터 회로도.
도 3은 일 실시예의 변형예에 따른 인버터 회로도.
도 4는 일 실시예의 다른 변형예에 따른 인버터 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풍력 발전 시스템의 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 인버터 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 풍력 발전 시스템은 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 풍력 발전부(100)와, 태양력을 이용하여 전력을 생산하는 태양력 발전부(200)와, 풍력 발전부(100) 및 태양력 발전부(200)를 제어하고, 이들로부터 발생된 전력을 저장 또는 송출하는 발전 제어부(300)를 구비한다. 또한, 도면에 도시된 바와 같이 LED 램프(400)와 같은 외부 부하를 더 구비할 수도 있다.
이와 같이 본 실시예의 하이브리드 풍력 발전 시스템은 바람이 많이 불고 날씨가 흐린 날에는 풍력에 의해 발전이 되고, 맑은 날에는 태양력에 의해 발전이 수행될 수 있다.
풍력 발전부(100)는 도시되지는 않았지만, 바람의 힘으로 터빈을 돌려 발전하는 구성을 포함한다. 태양력 발전부(200) 또한, 태양 광을 전기 에너지로 변환하여 발전하는 구성을 포함한다. 본 실시예에서는 풍력 발전부(100)와 태양력 발전부(200)에 관한 구체적인 설명은 생략한다.
발전 제어부(300)는 제어부(310)와, 인버터부(320)와, 배터리부(330)를 구비한다.
제어부(310)는 풍력 발전부(100) 및 태양력 발전부(200)의 동작을 제어하고, 이들로 부터 제공된 전력을 제어한다. 즉, 과충전이나 과부하 등을 사전에 방지할 수 있다. 이와 같은 제어부는 다양한 제어 회로가 PCB 보드와 같은 메인 보드 상에 위치한다. 물론 상기 제어회로가 IC 칩화되어 메인 보드 상에 장착될 수 있다.
배터리부(330)는 다수의 배터리를 구비하고, 이 배터리에 풍력 발전부(100) 및 태양력 발전부(200)에 의해 생성된 전력을 저장한다. 그리고, 필요에 따리 외부에 저장된 전력을 제공한다. 물론 배터리부(330)를 거치지 않고, 바로 외부에 전력을 제공할 수도 있다.
인버터부(320)는 풍력 발전기의 낮은 출력을 상승시켜 풍력 발전기의 효율을 증대시킨다. 본 실시예의 인버터부(320)는 병렬 충전 후 직렬 출력하는 구성을 갖는다.
인버터부(320)는 입력단과 접지 사이에 병렬 접속된 다수의 콘덴서(C1 내지 C4)와, 상기 콘덴서와 입력단 사이의 단락을 제어하는 다수의 제 1 스위치 소자(Q1, Q2, Q5, Q8)와, 상기 다수의 콘덴서가 직렬 연결되도록 제어하는 다수의 제 2 스위치 소자(Q4, Q7, Q10)와, 출력 단자와 상기 다수의 콘덴서 사이에 마련된 다수의 제 3 스위치 소자(Q11, Q12, Q13)를 구비한다.
이를 통해 입력단에서 제공된 낮은 전력이 제 1 스위치 소자(Q1, Q2, Q5, Q8)에 의해 상기 콘덴서에 병렬로 충전된다. 이후, 제 2 스위치 소자(Q4, Q7, Q10)에 의해 콘덴서(C1 내지 C4)가 직렬로 접속되고, 제 3 스위치 소자(Q11, Q12, Q13)에 의해 직렬 접속된 콘덴서(C1 내지 C4)의 출력이 출력단으로 출력된다. 이를 통해 병렬 충전 후 직렬 출력이 가능하게 된다.
본 실시예에서는 상기 제 2 스위치 소자(Q4, Q7, Q10)의 동작을 제어하기 위해 앞단 콘덴서의 양의 전압을 제 2 스위치 소자(Q4, Q7, Q10)의 제어단에 제공하는 리드 스위치를 더 포함한다.
본 실시예에서는 상기 스위치 소자로 트랜지스터를 사용한다. 트랜지스터로는 NPN 트랜지스터 및/또는 PNP 트랜지스터를 사용할 수 있다. 제 1 스위치 소자(Q1, Q2, Q5, Q8)와 제 3 스위치 소자(Q11, Q12, Q13)는 외부의 제어 신호에 의해 동작하는 것이 바람직하다. 제어신호는 발전 제어부(300)에서 제공될 수 있다. 그리고, 제 2 스위치 소자(Q4, Q7, Q10)는 직렬 접속될 전단의 콘덴서와 접속된 리드 스위치(RS1 내지 RS3)에 의해 동작하는 것이 바람직하다.
이와 같은 인버터부(320)는 도 2에 도시된 바와 같이 입력 단자(IN)와 제 1 노드(N1) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 2 트랜지스터(Q2), 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)와, 상기 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1) 사이 단자와 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)의 사이 단자 사이에 접속된 제 4 트랜지스터(Q4)와, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 4 트랜지스터(Q4)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 리드 스위치(RS1)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 5 트랜지스터(Q5), 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)와, 상기 제 2 트랜지스터(Q2) 및 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)의 사이 단자 사이에 접속된 제 7 트랜지스터(Q7)와, 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 7 트랜지스터(Q7)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 2 리드 스위치(RS2)와, 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 8 트랜지스터(Q8), 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)와, 상기 제 5 트랜지스터(Q5) 및 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)의 사이 단자 사이에 접속된 제 10 트랜지스터(Q10)와, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자와 제 10 트랜지스터(Q10)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 3 리드 스위치(RS3)와, 상기 입력 단자(IN)와 출력 단자 사이에 위치한 제 11 트랜지스터(Q11)와, 출력 단자와 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2)의 사이 단자에 접속된 제 12 트랜지스터(Q12)와, 출력 단자와 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3)의 사이 단자에 접속된 제 13 트랜지스터(Q13)를 포함하고, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 상기 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자가 상기 출력 단자에 접속된다.
이때, 상기 제 1 리드 스위치(RS1)와 제 4 트랜지스터(Q4) 사이와, 제 2 리드 스위치(RS2)와 제 7 트랜지스터(Q7) 사이와, 상기 제 3 리드 스위치(RS3)와 제 10 트랜지스터(Q10) 사이에는 각기 제 1 내지 제 3 저항(R1 내지 R3)이 위치할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 출력단자는 제 14 트랜지스터(Q14)를 구비할 수 있다. 이때, 제 11 트랜지스터(Q11)는 제 14 트랜지스터(Q14)의 컬렉터 단자에 접속되고, 제 12 트랜지스터(Q12), 제 13 트랜지스터(Q13), 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 상기 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자는 상기 제 14 트랜지스터(Q14)의 이미터 단자에 접속된다. 상기 제 14 트랜지스터(Q14)는 인덕터를 통해 외부 부하에 접속된다.
그리고, 본 실시예에서는 트랜지스터로 동일한 세츄레이션(Saturation) 전압 특성을 갖는 것을 선별하여 병렬 연결하여 사용하는 것이 효과적이다. 여기서, 동일함은 오차 범위(±5%) 내에서 동일함을 지칭한다. 이를 트랜지스터의 전류 증폭도 선별은 넓은 범위에서 이루어진다. 예를 들어 KSC 1008Y 그레이드(Grade)의 경우 120 내지 240의 범위를 1개의 제품으로 출하한다. 이 경우, 10개를 병렬로 사용할 경우, 증폭도가 높은 쪽으로 전류 쏠림 현상이 일어나 1개의 트랜지스터가 먼저 파손된다. 따라서, 이를 방지하기 위해 20개 등분으로 동일한 포화전압의 특성을 선별하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 콘덴서 각단의 직렬 방전시에는 앞단 콘덴서의 + 전압이 리드 스위치를 통해 뒷단에 접속된 제 4, 제 7 및 제 10 트랜지스터(Q4, Q7, Q10)를 턴온시키는 것이 효과적이다. 또한, 본 실시예에서는 제 11 내지 제 13 트랜지스터(Q11 내지 Q13)을 동작을 제어하여 1단, 2단, 3단 및 4잔 각 승압 배수로 선택하여 출력할 수 있다.여기서, 반도체로 스위칭 소자를 구성하는 경우, 원하지 않는 방향으로 전류 통로가 형성되어 오작동이 되는 문제가 발생한다. 이에 장수명의 리드 스위치를 사용함으로 인해 방전시에만 스위치가 온이 되고 전류가 작음으로 10억회 정도 스위칭이 가능하다.
본 실시예에서는 제 1 다이오드(D1)를 두어 제 2, 제 5 및 제 8 트랜지스터(Q2, Q5, Q8)의 이미터와 베이스 간에 브레이크 다운(Break Down)이 발생하지 않도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 풍력 발전을 통해 입력단으로 전력(즉, 전압)이 입력되면 제 1 다이오드(D1)를 거쳐 제 1 노드(N1)에 전달된다.
이때, 제 1, 제 2, 제 5 및 제 8 트랜지스터(Q1, Q2, Q5, Q8)가 각기 제 1 내지 제 4 베이스 신호(BASE 1 내지 BASE 4)에 의해 턴온되는 경우, 제 1 내지 제 4 콘덴서(C1 내지 C2)가 충전된다. 이때, 제 1 내지 제 4 베이스 신호(BASE 1 내지 BASE 4)는 동시에 제공되거나, 순차적으로 제공될 수 있다. 또한, 이들이 순차적으로 제공되는 경우 신호의 번호 순의 오름차순 또는 내림 차순으로 제공될 수 있다. 물론 랜덤 형태로도 제공될 수 있다. 또한, 복수의 신호가 동시에 제공되고 나머지 신호가 순차적으로 제공될 수도 있다. 이러한 신호 인가 방식은 이에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어 신호의 번호순의 오름차순으로 순차적으로 제공되는 경우, 제 1 노드(N1)의 전압이 제 1 내지 제 4 콘덴서(C1 내지 C4)에 순차적으로 충전된다.
이와 같이 콘덴서에 충전이 완료된 경우, 즉, 콘덴서의 방전이 실시될 경우에는 상기 제 1, 제 2, 제 5 및 제 8 트랜지스터(Q1, Q2, Q5, Q8)가 턴오프된다. 그리고, 상기 제 2 콘덴서(C2), 제 3 콘덴서(C3), 제 4 콘덴서(C4) 각각에 의해 제 1 내지 제 3 리드 스위치(RS1 내지 RS3)가 동작하여 제 4, 제 7 및 제 10 트랜지스터(Q4, Q7, Q10)가 턴온된다. 이를 통해 제 1 내지 제 4 콘덴서(C1 내지 C4)가 병렬 연결될 수 있다. 즉, 이를 통해 접지와 출력 단자 사이에 제 1 내지 제 4 콘덴서(C1 내지 C4)가 직렬 접속된 형상이 될 수 있다.
여기서, 제 11 트랜지스터(Q11)가 턴온되면 입력 단자가 별도의 과정없이 출력단으로 제공된다. 또한, 제 12 트랜지스터(Q12)가 턴온되면 제 1 및 제 2 콘덴서(C1, C2)가 직렬 출력된다. 또한, 제 13 트랜지스터(Q13)가 턴온되면 제 1 내지 제 3 콘덴서(C1 내지 C3)가 직렬 출력된다.
그리고, 제 3, 제 6 및 제 9 트랜지스터(Q3, Q6, Q9)에 제 2-1, 제 3-1, 제 4-1 베이스 신호를 인가하여 인버터 회로를 리셋시킬 수 있다.
물론 본 실시예의 인버터부는 부스터를 사용할 수도 있다.
도 3은 일 실시예의 변형예에 따른 인버터 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 변형예의 인버터(320)는 저전압을 부스팅하는 저전압 부스터부(321)와, 리드 스위치(RS20)로 부터 제공받은 저전압을 고전압으로 부스팅하는 고전압 부스터부(322)를 구비한다.
저전압 부스터부(321)는 도 3에 도시된 바와 같이 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 20 트랜지스터(Q20) 및 제 20 콘덴서(C20)와, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 21 트랜지스터(Q21), 제 21 콘덴서(C21) 및 제 22 트랜지스터(Q22)와, 제 20 트랜지스터(Q20) 및 제 20 콘덴서(C20) 사이 단자와 제 21 콘덴서(C21) 및 제 22 트랜지스터(Q22) 사이 단자에 접속된 제 20 다이오드(D20)와, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 23 트랜지스터(Q23), 제 22 콘덴서(C22) 및 제 24 트랜지스터(Q24)와, 제 21 트랜지스터(Q21) 및 제 21 콘덴서(C21) 사이 단자와 제 22 콘덴서(C22) 및 제 24 트랜지스터(Q24) 사이 단자에 접속된 제 21 다이오드(D21)와, 전압 입력단자(IN)와 접지 사이에 직렬 접속된 제 25 트랜지스터(Q25), 제 23 콘덴서(C23) 및 제 26 트랜지스터(Q26)와, 제 23 트랜지스터(Q23) 및 제 22 콘덴서(C22) 사이 단자와 제 23 콘덴서(C23) 및 제 26 트랜지스터(Q26) 사이 단자에 접속된 제 22 다이오드(D22)와, 제 25 트랜지스터(Q25) 및 제 23 콘덴서(C23) 사이 단자와 제 20 리드 스위치(RS20)에 접속된 제 27 트랜지스터(Q27)를 포함하고, 상기 입력 단자(IN)가 상기 제 20 리드 스위치(RS20)에 접속된다.
고전압 부스터부(322)는 도 3에 도시된 바와 같이 제 20 리드 스위치(RS20)에 접속된 제 20 노드(N20)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 28 트랜지스터(Q28) 및 제 24 콘덴서(C24)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 29 트랜지스터(Q29), 제 25 콘덴서(C25) 및 제 30 트랜지스터(Q30)와, 상기 제 28 트랜지스터(Q28) 및 제 24 콘덴서(C24)의 사이 단자와 제 30 트랜지스터(Q30) 및 제 25 콘덴서(C25)의 사이 단자에 접속된 제 23 다이오드(D23)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 31 트랜지스터(Q31), 제 26 콘덴서(C26) 및 제 32 트랜지스터(Q32)와, 상기 제 29 트랜지스터(Q29) 및 제 25 콘덴서(C25)의 사이 단자와 제 32 트랜지스터(Q32) 및 제 26 콘덴서(C26)의 사이 단자에 접속된 제 24 다이오드(D24)와, 제 20 노드(N20)와 접지 단자 사이에 직렬 접속된 제 33 트랜지스터(Q33), 제 27 콘덴서(C27) 및 제 34 트랜지스터(Q34)와, 상기 제 31 트랜지스터(Q31) 및 제 26 콘덴서(C26)의 사이 단자와 제 34 트랜지스터(Q34) 및 제 27 콘덴서(C27)의 사이 단자에 접속된 제 25 다이오드(D2)를 포함한다. 여기서, 상기 제 33 트랜지스터(Q33)와 제 27 콘덴서(C27) 사이 단자가 외부 출력 단자에 접속된다.
상술한 바와 같은 회로의 인버터는 저전압 부스터부에 의해 제 20 내지 제 23 콘덴서(C20 내지 C23)가 병렬 충전되고, 직렬 방전될 수 있다. 또한, 고전압 부스터부의 제 24 내지 제 27 콘덴서(C24 내지 C27) 또한 병렬 충전되고 직렬 방전될 수 있다. 또한, 앞선 실시예와 본 변형예에서는 앞단의 콘덴서의 양 단자에 위치한 트랜지스터를 제어함으로 인해 커플링 효과로 인한 부스팅이 이루어질 수 있다.
본 실시예의 인터버는 그 용량과 동작 조건등에 따라 다양한 변형이 가능하다.
도 4는 일 실시예의 다른 변형예에 따른 인버터 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 변형예의 인버터(320)는 제 1 부스터부(323)와 제 2 부스터부(324) 그리고, 이들 사이에 연결된 리드 스위치(325)를 구비한다.
여기서, 제 1 부스터부(323)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 리드 스위치(325)에 외부로 부터 제공된 전압을 직접 제공하고, 또한, 커패시터의 병렬 충전 후 직렬 방전된 전압을 제공한다. 그리고 제 1 부스터부(323)는 앞서 설명한 도 2의 인버터부와 그 회로 구성이 유사하다.
제 2 부스터부(324)는 제 1 부스터부(323)의 출력을 제공받아 동작한다. 그리고, 제 2 부스터부(324)의 회로 구성 또한, 앞서 설명한 도 2의 인버터부외 그 구성이 유사하다. 단지 본 실시예에서는 두개의 콘덴서가 병렬 접속되어 있다. 이를 통해 전체 충방전 용량을 증대시킬 수 있다. 그리고, 이 두 콘덴서의 출력을 소정의 트랜지스터 즉, 스위칭 소자를 이용하여 각기 제어할 수 있다. 물론 본 변형예에서는 2개의 콘덴서가 병렬 연결됨에 관해서 도시하였지만, 2개 이상의 콘덴서가 병렬 연결될 수도 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
100 : 풍력 발전부 200 : 태양력 발전부
300 : 발전 제어부 310 : 제어부
320 : 인버터부 330 : 배터리부

Claims (13)

  1. 풍력 발전과 태양력 발전을 통해 전력을 생산하는 하이브리드 풍력 발전 시스템에 있어서,
    상기 풍력 발전과 태양력 발전을 제어하는 제어부; 발전 전력을 저장하는 배터리부; 및 상기 풍력 발전 및 태양력 발전에 의해 생산된 전압을 다수의 콘덴서에 병렬 충전하고 직렬 방전하는 인버터부를 포함하고,
    상기 인버터부는 입력단과 접지 사이에 병렬 접속된 다수의 콘덴서와, 상기 콘덴서와 입력단 사이의 단락을 제어하는 다수의 제 1 스위치 소자와, 상기 다수의 콘덴서가 직렬 연결되도록 제어하는 다수의 제 2 스위치 소자와, 출력 단자와 상기 다수의 콘덴서 사이에 마련된 다수의 제 3 스위치 소자를 포함하고,
    상기 스위칭 소자들로 NPN 트랜지스터 및 PNP 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터를 사용하고, 상기 트랜지스터로 세츄레이션 전압 특성이 오차 범위내에서 동일한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 스위치 소자의 동작을 제어하기 위해 일 콘덴서의 양의 전압을 제 2 스위치 소자의 제어단에 제공하는 리드 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템.
  5. 풍력 발전과 태양력 발전을 통해 전력을 생산하는 하이브리드 풍력 발전 시스템에 있어서,
    상기 풍력 발전과 태양력 발전을 제어하는 제어부; 발전 전력을 저장하는 배터리부; 및 상기 풍력 발전 및 태양력 발전에 의해 생산된 전압을 다수의 콘덴서에 병렬 충전하고 직렬 방전하는 인버터부를 포함하고,
    상기 인버터부는,
    입력 단자(IN)와 제 1 노드(N1) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1)와,
    제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 2 트랜지스터(Q2), 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)와,
    상기 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 콘덴서(C1) 사이 단자와 제 2 콘덴서(C2) 및 제 3 트랜지스터(Q3)의 사이 단자 사이에 접속된 제 4 트랜지스터(Q4)와,
    상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 4 트랜지스터(Q4)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 리드 스위치(RS1)와,
    제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 5 트랜지스터(Q5), 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)와,
    상기 제 2 트랜지스터(Q2) 및 제 2 콘덴서(C2) 사이 단자와 제 3 콘덴서(C3) 및 제 6 트랜지스터(Q6)의 사이 단자 사이에 접속된 제 7 트랜지스터(Q7)와,
    상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 7 트랜지스터(Q7)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 2 리드 스위치(RS2)와,
    제 1 노드(N1)와 접지 사이에 각기 직렬 접속된 제 8 트랜지스터(Q8), 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)와,
    상기 제 5 트랜지스터(Q5) 및 제 3 콘덴서(C3) 사이 단자와 제 4 콘덴서(C4) 및 제 9 트랜지스터(Q9)의 사이 단자 사이에 접속된 제 10 트랜지스터(Q10)와,
    상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자와 제 10 트랜지스터(Q10)의 게이트 단자 사이에 접속된 제 3 리드 스위치(RS3)와,
    상기 입력 단자(IN)와 출력 단자 사이에 위치한 제 11 트랜지스터(Q11)와, 출력 단자와 상기 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 2 콘덴서(C2)의 사이 단자에 접속된 제 12 트랜지스터(Q12)와,
    출력 단자와 상기 제 5 트랜지스터(Q5)와 제 3 콘덴서(C3)의 사이 단자에 접속된 제 13 트랜지스터(Q13)를 포함하고, 상기 제 8 트랜지스터(Q8)와 상기 제 4 콘덴서(C4) 사이 단자가 상기 출력 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력 발전 시스템.


  6. 삭제
  7. 삭제
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  13. 삭제
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