KR101590442B1 - Device for Detecting Aging of DC Link Capacitor in Bi-directional Hybrid Solar Power Conditioning System - Google Patents

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KR101590442B1 KR1020150101494A KR20150101494A KR101590442B1 KR 101590442 B1 KR101590442 B1 KR 101590442B1 KR 1020150101494 A KR1020150101494 A KR 1020150101494A KR 20150101494 A KR20150101494 A KR 20150101494A KR 101590442 B1 KR101590442 B1 KR 101590442B1
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박기주
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Abstract

The present invention relates to a device for diagnosing the aging of a DC link capacitor in a bi-directional hybrid solar power conditioning system capable of preventing degradation of efficiency by diagnosing the aging of a DC link capacitor where DC current is temporarily stored. The device includes: a solar power generation unit which generates DC current from solar light; a maximum power point tracking converter which receives supply of the DC current generated by the solar power generation unit and performs maximum power point tracking (MPPT) control to track the maximum; a DC link capacitor which receives the DC current MPPT-controlled by the maximum power point tracking converter and temporarily stores the current; a bi-directional DC/AC inverter which receives the DC current stored in the DC link capacitor as input, converts the current into AC current, and outputs the AC current; an EMI filter which filters the AC current outputted by the bi-directional DC/AC inverter and supplies the filtered current to a power system or load; a battery in which the DC current generated by the solar power generation unit is stored; a battery management unit which manages the DC current stored in the battery; a bi-directional DC/DC converter which adjusts the level of the DC current outputted by the battery management unit and outputs the result; and an energy management unit which monitors and controls the maximum power point tracking converter, battery management unit, bi-directional DC/DC converter, and bi-directional DC/AC inverter and diagnoses the aging of the DC link capacitor.

Description

양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치{Device for Detecting Aging of DC Link Capacitor in Bi-directional Hybrid Solar Power Conditioning System}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a device for detecting aging of a DC link capacitor in a bidirectional hybrid photovoltaic PCS (Bi-directional Hybrid Solar Power Conditioning System)

본 발명은 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치에 관한 것으로, 특히 DC 링크 캐패시터의 노화 진단을 통해 변환 효율의 저하를 미연에 방지하도록 한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an aging diagnostic apparatus for a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS, and more particularly, to an aging diagnosis apparatus for aging a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS in which deterioration of conversion efficiency is prevented, Diagnostic apparatus.

최근의 전기 부하설비들은 대부분 전력용 스위칭 소자에 의존한 전력 변환시스템으로 대치되고 있는 추세에 있으며, 이에 따라 전동기의 가변속 드라이브(ASD)와 무정전전원장치(UPS), 신재생에너지의 전력변환용 인버터 및 SMPS에 대한 DC/DC 컨버터 등의 전력변환장치가 많이 사용되고 있다.In recent years, most electric load facilities have been replaced by power conversion systems that depend on power switching devices. As a result, there is a tendency that an inverter (ASD) and an uninterruptible power supply (UPS) And DC / DC converters for SMPS are widely used.

이러한 전력변환장치에는 전압의 평활용이나 에너지의 일시적 저장 및 스위칭 맥동전류의 저감 등을 위하여 전력변환기의 DC 부스(Bus)부에 알루미늄 전해 캐패시터를 일반적으로 사용한다.Such power conversion devices generally use aluminum electrolytic capacitors in the DC bus portion of the power converter for the purpose of voltage regulation, temporary storage of energy, and reduction of switching ripple current.

이와 같이 전해 캐패시터의 사용이 많은 이유는 가격이 저렴하면서 다른 캐패시터에 비하여 상대적으로 큰 용량을 가지면서 크기가 작고, 또한 고 내압이 가능하다는 장점들이 있기 때문이다.The reason why the electrolytic capacitor is used in this way is that it is relatively inexpensive and has a relatively large capacity and is capable of high breakdown voltage as compared with other capacitors.

그러나 이러한 캐패시터의 사용시간 증대는 서서히 열화가 진행되면서 전해액의 증기분출(vaporization) 및 폭발 등을 일으키는 사고의 주 위험 요인으로 작용하기 때문에 이의 신뢰성 확보 및 수명 예측 등을 위하여 캐패시터 내부의 파라미터 분석을 통한 고장진단이 필요하게 된다.However, since the increase in the use time of such capacitors is a major risk factor for an accident that causes the vaporization and explosion of the electrolyte due to the gradual deterioration, it is necessary to perform parameter analysis within the capacitor A fault diagnosis is required.

이를 위한 방법으로는 캐패시터의 C값을 추종하는 방법과 등가직렬저항(equivalent series resistor; 이하 'ESR'라 칭함)을 측정하는 방법, 전해액의 양을 산출하여 수명을 예측하는 방법 및 기타 캐패시터 코어 내부의 온도 측정 방법 등이 있다.Methods for following the C value of the capacitor, measuring an equivalent series resistor (ESR), estimating the life of the capacitor by calculating the amount of electrolyte, and other methods for estimating the life of the capacitor core And the like.

그러나 대부분의 추종방법은 실험장치의 구성과 온라인적인 구현방법, 허용 오차 값의 존재라는 제약 때문에 대부분의 진단 기법은 ESR의 추종방법을 선호하고 있다. ESR 추종기법은 전력변환장치가 운전 중에 있더라도 캐패시터를 시스템에서 분리하지 않고 측정할 수 있다는 장점 때문에 온라인 방법이 주요 관심사항으로 대두되고 있다.However, most of the follow - up methods are favored by ESR follow - up methods because of the constraints of experimental setup, online implementation, and tolerance. The on-line method is becoming a major concern because the ESR follow-up technique can measure the capacitor without separating it from the system even when the power converter is in operation.

ESR 추종기법 연구에서는 캐패시터의 맥동 전압과 전류 성분을 계측하여 이를 특정 밴드패스필터에 통과시킨 후 이를 주파수 성분별로 크기를 분석하여 ESR을 추종하는 방법과 또한 이의 맥동 성분을 AC의 전력 손실 개념으로 접근하여 이로 부터 ESR를 추종하는 방식 등이 제안되었으며, 캐패시터의 실효치 전압과 전류로부터 적응신호처리(LMS) 기법을 이용하여 이를 연산하는 방법이 제시되었다.The ESR follow-up technique studies the pulsating voltage and the current component of a capacitor, passes it through a specific bandpass filter, analyzes the magnitude of each frequency component, and then follows the ESR, In this paper, we propose a method to follow the ESR by using adaptive signal processing (LMS) technique from the effective voltage and current of the capacitor.

그러나 이들의 제안된 기법들은 복잡한 연산과정 및 DSP 보드를 이용한 신호처리 알고리즘에 의존하게 되어 구현 및 가격적 측면에서 불리한 점이 존재하게 된다.However, the proposed techniques depend on the complex computation process and the signal processing algorithm using the DSP board, which is disadvantageous in terms of implementation and cost.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 DC 전류를 일시적으로 저장하는 DC링크 캐패시터의 노화진단을 통한 효율 저하를 미연에 방지하도록 한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an aging diagnostic apparatus for a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS in which efficiency deterioration due to aging diagnosis of a DC link capacitor temporarily storing a DC current is prevented in advance It has its purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치는 태양광으로부터 DC전류를 생성하는 태양광 발전부와, 상기 태양광 발전부로부터 생성된 DC전류를 공급받아 최대치를 추종하기 위해 MPPT 제어를 수행하는 최대전력점 추종 컨버터와, 상기 최대전력점 추종 컨버터를 통해 MPPT 제어된 DC전류를 받아 일시적으로 저장하는 DC 링크 캐패시터와, 상기 DC 링크 캐패시터에 저장된 DC전류를 입력받아 AC전류로 변환하여 출력하는 DC/AC 양방향 인버터와, 상기 DC/AC 양방향 인버터로부터 출력된 AC전류를 필터링하여 전력계통 또는 부하로 공급하는 EMI 필터와, 상기 태양광 발전부로부터 생성된 DC전류를 저장하는 배터리와, 상기 배터리에 저장된 DC전류를 관리하는 배터리 관리부와, 상기 배터리 관리부를 통해 출력되는 DC전류의 레벨을 조절하여 출력하는 DC/DC 양방향 컨버터와, 상기 최대전력점 추종 컨버터, 배터리 관리부 및 DC/DC 양방향 컨버터와 DC/AC 양방향 인버터를 감시 제어함과 더불어 상기 DC 링크 캐패시터의 노화를 진단하는 에너지 관리부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for diagnosing the aging of a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS, comprising: a solar power generator for generating a DC current from sunlight; A DC link capacitor for receiving a DC current controlled by MPPT through the maximum power point tracking converter and temporarily storing the DC current, and a DC link capacitor A bidirectional DC / AC inverter for converting a DC current into an AC current and outputting the AC current; an EMI filter for filtering the AC current output from the DC / AC bidirectional inverter and supplying the AC current to a power system or a load; A battery for storing a generated DC current; a battery management unit for managing a DC current stored in the battery; DC bidirectional converter for controlling the level of the DC current outputted through the DC / DC converter and outputting the level of the DC current outputted through the DC / DC bidirectional converter, a DC / DC bidirectional converter and a DC / DC bidirectional inverter, And an energy management unit for diagnosing the aging of the link capacitor.

본 발명에 의한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치는 다음과 같은 효과가 있다.The apparatus for diagnosing the aging of DC link capacitors in bidirectional hybrid solar PCS according to the present invention has the following effects.

즉, DC 전류를 일시적으로 저장하는 DC링크 캐패시터의 노화진단을 통한 효율 저하를 미연에 방지할 수 있다.That is, efficiency deterioration due to the aging diagnosis of the DC link capacitor temporarily storing the DC current can be prevented in advance.

도 1은 본 발명에 의한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치를 개략적으로 나타낸 블록도
도 2는 도 1에서 배터리를 제외한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치를 개략적으로 나타낸 회로도
도 3은 DC 링크 캐패시터에서 발생하는 리플에 의한 효율 저하 발생을 설명하기 위한 도면
도 4는 DC 링크 캐패시터에 따른 리플 변화를 나타낸 그래프
도 5는 ESR과 Vripple의 관계를 나타낸 그래프
도 6은 ESR 경년변화에 따른 리플 변화를 나타낸 그래프
1 is a block diagram schematically showing an apparatus for diagnosing the aging of a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS according to the present invention
FIG. 2 is a circuit diagram schematically showing an apparatus for diagnosing the aging of a DC link capacitor in a bi-directional hybrid solar PCS,
3 is a view for explaining the occurrence of efficiency deterioration due to ripple occurring in the DC link capacitor
4 is a graph showing a ripple change according to a DC link capacitor
5 is a graph showing the relationship between ESR and Vripple
FIG. 6 is a graph showing ripple change with ESR aging

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be noted that the drawings denoted by the same reference numerals in the drawings denote the same reference numerals whenever possible, in other drawings.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. And certain features shown in the drawings are to be enlarged or reduced or simplified for ease of explanation, and the drawings and their components are not necessarily drawn to scale. However, those skilled in the art will readily understand these details.

도 1은 본 발명에 의한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1에서 배터리를 제외한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치를 개략적으로 나타낸 회로도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically showing an apparatus for diagnosing the aging of a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a system for diagnosing aging of a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS, Fig.

본 발명에 의한 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광으로부터 DC전류를 생성하는 태양광 발전부(110)와, 상기 태양광 발전부(110)로부터 생성된 DC전류를 공급받아 최대치를 추종하기 위해 MPPT 제어를 수행하는 최대전력점 추종 컨버터(120)와, 상기 최대전력점 추종 컨버터(120)를 통해 MPPT 제어된 DC전류를 받아 일시적으로 저장하는 DC 링크 캐패시터(130)와, 상기 DC 링크 캐패시터(130)에 저장된 DC전류를 입력받아 AC전류로 변환하여 출력하는 DC/AC 양방향 인버터(140)와, 상기 DC/AC 양방향 인버터(140)로부터 출력된 AC전류를 필터링하여 전력계통 또는 부하로 공급하는 EMI 필터(150)와, 상기 태양광 발전부(110)로부터 생성된 DC전류를 저장하는 배터리(160)와, 상기 배터리(160)에 저장된 DC전류를 관리하는 배터리 관리부(BMS: Battery Management Aystem)(170)와, 상기 배터리 관리부(170)를 통해 출력되는 DC전류의 레벨을 조절하여 출력하는 DC/DC 양방향 컨버터(180)와, 상기 최대전력점 추종 컨버터(120), 배터리 관리부(170) 및 DC/DC 양방향 컨버터(180)와 DC/AC 양방향 인버터(140)를 감시 제어함과 더불어 상기 DC 링크 캐패시터(130)의 노화를 진단하는 에너지 관리부(EMS: Energy Management System)(190)를 포함하여 이루어져 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the apparatus for diagnosing the aging of a DC link capacitor in a bidirectional hybrid solar PCS according to the present invention includes a solar power generator 110 for generating a DC current from solar light, A maximum power point tracking converter 120 for performing MPPT control to follow a maximum value by receiving a DC current generated from the DC power source 110 and receiving a DC current controlled by MPPT through the maximum power point tracking converter 120 A DC / AC bidirectional inverter 140 for receiving a DC current stored in the DC link capacitor 130 and converting the DC current into an AC current and outputting the AC current, and a DC / AC bidirectional inverter An EMI filter 150 for filtering the AC current output from the photovoltaic power generation unit 140 and supplying the filtered AC current to a power system or a load; a battery 160 for storing a DC current generated from the solar power generation unit 110; DC current stored in A DC / DC bidirectional converter 180 for adjusting and outputting a level of a DC current output through the battery management unit 170, and a DC / An energy management unit EMS for monitoring and controlling the converter 120, the battery management unit 170 and the DC / DC bidirectional converter 180 and the DC / AC bidirectional inverter 140 and diagnosing the aging of the DC link capacitor 130; (Energy Management System) 190.

한편, 상기 EMI 필터(150)를 통해 출력되는 AC전류는 전력계통 또는 부하로 각각 공급된다. 상기 태양광 발전부(110)가 발전하지 않고 부하로 전원을 필요로 하는 경우에 상기 배터리(160)에 저장된 DC전류를 공급받아 사용하게 된다.Meanwhile, the AC current output through the EMI filter 150 is supplied to the power system or the load, respectively. When the photovoltaic power generation unit 110 does not generate electricity and requires a power source as a load, the photovoltaic power generation unit 110 uses the DC current stored in the battery 160 and uses it.

뿐만 아니라 상기 태양광 발전부(110)에서 생산된 DC전류가 상기 부하에 사용하고 남을 경우에 상기 배터리(160)에 충전하고, 상기 부하가 동작되지 않은 경우에는 상기 태양광 발전부(110)에서 생산된 DC전류는 상기 배터리(160)에 저장되거나 상기 전력계통을 통해 판매가 이루어지게 된다.In addition, when the DC current produced by the solar power generation unit 110 is used for the load and remains, the battery 160 is charged. If the load is not operated, the solar power generation unit 110 The generated DC current is stored in the battery 160 or sold through the power system.

여기서, 상기 태양광 발전부(110)는 외부의 태양 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하기 위해 다수의 태양전지가 연결되어 구성되어 있는데, 상기 태양전지는 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 직선적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 전지판을 설치함으로써 전력생산이 가능하다.Here, the solar power generation unit 110 includes a plurality of solar cells connected to receive external solar energy to produce electric energy. The solar cell can be used anywhere as long as a proper amount of sunshine is ensured , Power generation capacity and facility size are directly proportional to each other. Therefore, when a small capacity demand such as home use is used, it is possible to produce electric power by installing an electric panel with a small area on a building roof.

이러한 태양전지는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동될 수 있는 가전자로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP : electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다.Such a solar cell is based on the principle of semiconductors. When a pn-junction semiconductor is irradiated with light having a certain energy level or higher, the electrons of the semiconductor are excited as a free electron capable of moving, and electrons and holes pair is generated. The generated electrons and ions move to the electrode located on the opposite side to generate electromotive force.

상기 태양전지는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또 다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양전지를 사용한다.The solar cell is a silicon solar cell in which a p-type semiconductor is formed by doping an impurity (B) on a silicon substrate and then doping another impurity (P) thereon to convert a part of the layer into an n- Lt; / RTI >

또한, 상기 태양전지는 박막형 태양전지나 CIGS계 태양전지를 사용할 수 있는데, 상기 CIGS계 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 게르마늄(Ge)(게르마늄은 포함되지 않을 수 있다. 게르마늄이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CIGS 화합물 반도체를 기본으로 이루어져 있다.The solar cell may be a thin film solar cell or a CIGS solar cell. The CIGS solar cell may include copper (Cu), indium (In), germanium (Ge) , And CIGS compound semiconductors including selenium (Se).

상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할 수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다.Since the semiconductor contains three or four elements, the width of the bandgap can be controlled by controlling the content of the element, thereby increasing the energy conversion efficiency. Occasionally, selenium (Se) is replaced with sulfur (S) or selenium (Se) with sulfur (S).

상기 최대전력점 추종 컨버터(120)는 상기 태양광 발전부(110)에서 생산된 DC전류를 공급받아 직류 신호의 레벨을 조절한다. 일실시예로, 상기 최대전력점 추종 컨버터(120)는 플라이백 컨버터 회로를 포함할 수 있으며, 수백 V 이상의 높은 전압 레벨을 갖는 입력 직류 신호를 낮은 전압 레벨로 변환할 수 있다.The maximum power point tracking converter 120 receives the DC current generated by the solar power generator 110 and adjusts the level of the DC signal. In one embodiment, the maximum power point tracking converter 120 may include a flyback converter circuit and may convert an input DC signal having a high voltage level of several hundreds V or more to a low voltage level.

상기 최대전력점 추종 컨버터(120)가 작동하는 경우 배터리(160)의 내부저항과 상기 DC 링크 캐패시터(130)가 전기적으로 연결되게 된다. 이러한 컨버터는 인덕터, 스위칭 작용을 하는 FET와 DC 링크 캐패시터(130)인 입력 캐패시터와 출력 캐패시터를 포함하여 구성할 수 있다. 이러한 컨버터는 입력과 출력에 캐패시터를 사용함으로서 정류 및 제어 특성을 개선하는 역할을 한다.When the maximum power point tracking converter 120 operates, the internal resistance of the battery 160 and the DC link capacitor 130 are electrically connected. The converter may include an inductor, a switching FET, and an input capacitor, which is a DC link capacitor 130, and an output capacitor. These converters serve to improve rectification and control characteristics by using capacitors on the input and output.

상기 DC/DC 양방향 컨버터(180)는 상기 배터리(160)에서 출력되는 DC전류가 일정하지 아니한 경우에 일정 범위내의 DC전류로 변환할 수 있다. 일실시예로, 상기 DC/DC 양방향 컨버터(180)는 플라이백 컨버터 회로를 포함할 수 있으며, 수백 V 이상의 높은 전압 레벨을 갖는 입력 직류 신호를 낮은 전압 레벨로 변환할 수 있다.The DC / DC bidirectional converter 180 may convert a DC current within a certain range when the DC current output from the battery 160 is not constant. In one embodiment, the DC / DC bidirectional converter 180 may include a flyback converter circuit and may convert an input DC signal having a high voltage level of several hundreds V or more to a low voltage level.

상기 DC/AC 양방향 인버터(140)는 상기 DC 링크 캐패시터(130)에 각각 병렬 연결되고, 네 개의 스위칭 소자들을 구비하는 브리지 회로를 포함한다. 상기 스위칭 소자들은, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터) 등의 스위칭 소자로서, 구동 신호들, 즉 스위칭 신호에 따라 턴-온 또는 턴-오프된다.The DC / AC bidirectional inverter 140 includes bridge circuits each of which is connected in parallel to the DC link capacitor 130 and includes four switching elements. The switching elements are switching elements such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and the like. The switching elements are turned on according to driving signals, - Turned on or off.

구동 신호 스위칭 소자들의 듀티 비를 제어하는 신호이다. 각 스위칭 소자들에는 프리휠링 소자들이 각각 연결될 수 있다. 프리휠링 소자들(Freewheeling element)은 스위칭 소자들에 각각 병렬 연결되어 스위칭에 의해 턴-온에서 턴-오프될 때 전류 패스를 형성하여 잔류 전류를 소모한다.And the duty ratio of the driving signal switching elements. The free-wheeling elements may be connected to the respective switching elements. Freewheeling elements are connected in parallel to the switching elements, respectively, to form current paths when turned off by switching to consume the residual current.

또한 본 발명의 특징이 아닌 바 구체적으로 도시하지는 아니하였으나, 상기 스위칭부의 IGBT 스위칭 소자의 게이트 전극의 연결 부분에는 전력 변환 장치의 제어부(미도시)가 연결된다. 상기 제어부는 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하여 부하의 출력 전압의 크기 및 형태를 제어한다.Also, although not shown in detail, the control unit (not shown) of the power conversion device is connected to the connection portion of the gate electrode of the IGBT switching device of the switching unit. The control unit controls the switching operation of the switching unit to control the size and shape of the output voltage of the load.

상기 DC/AC 양방향 인버터(140) 내의 스위칭 소자들은, 제어부(도시되지 않음)로부터의 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 교류 전원이 출력되게 된다. 바람직하게는, 그리드(grid)의 교류 주파수와 동일한 주파수(대략 60Hz 또는 50Hz)를 갖는 것이 바람직하다.The switching elements in the DC / AC bidirectional inverter 140 are turned on / off based on an inverter switching control signal from a controller (not shown). As a result, AC power having a predetermined frequency is output. Preferably, it has a frequency (approximately 60 Hz or 50 Hz) that is equal to the alternating frequency of the grid.

상기 EMI 필터(150)는 상기 DC/AC 양방향 인버터(140)에서 출력되는 교류 전원을 매끄럽게 하기 위해, 로우패스 필터링(lowpass filtering)을 수행한다. 이를 위해, 도면에서는, 인덕터를 예시하나 다양한 예가 가능하다.The EMI filter 150 performs low pass filtering to smooth the AC power output from the DC / AC bidirectional inverter 140. To this end, in the figure, an inductor is exemplified, but various examples are possible.

상기 최대전력점 추종 컨버터(120)의 출력 신호는 DC 링크 커패시터(130)를 거쳐 DC/AC 양방향 인버터(140)에 입력된다. 상기 DC/AC 양방향 인버터(140)는 최대전력점 추종 컨버터(120)에 의해 레벨이 조절된 직류 신호를 상용 전력 계통과 동기되는 교류로 변환할 수 있다.The output signal of the maximum power point tracking converter 120 is input to the DC / AC bidirectional inverter 140 via the DC link capacitor 130. The DC / AC bidirectional inverter 140 can convert a DC signal whose level is adjusted by the maximum power point tracking converter 120 into an AC synchronized with the commercial power system.

한편, 상기 DC/AC 양방향 인버터(140)의 출력단에는 EMI 필터(150)가 연결될 수 있다. 상기 EMI 필터(150)는 커패시터와 인덕터를 포함할 수 있으며, 상기 최대전력좀 추종 컨버터(120)에 포함된 플라이백 컨버터 회로의 변압기 2차 측으로 전달된 고주파 전류를 상용 전력 계통의 주파수에 해당하는 저주파(50~60Hz) 전류로 평활하는 역할을 한다.Meanwhile, an EMI filter 150 may be connected to an output terminal of the DC / AC bidirectional inverter 140. The EMI filter 150 may include a capacitor and an inductor. The high-frequency current delivered to the secondary side of the transformer of the flyback converter circuit included in the maximum power offset converter 120 may be a frequency It plays a role of smoothing with low frequency (50 ~ 60Hz) current.

전술한 바와 같이, 상기 최대출력점 추종 컨버터(120)는 태양전지 모듈에서 입력단 커패시터를 통해 전달되는 직류 입력 신호를 상대적으로 낮은 레벨의 직류 출력 신호로 변환하여 출력한다. 이때, 태양전지 모듈에서 생성되는 신호의 최대 전력의 크기(최대 전력점)와, 최대 전력을 생성할 수 있는 조건은 태양전지 모듈이 동작하는 주변의 온도와 일사량 등의 환경에 따라 변한다.As described above, the maximum output point tracking converter 120 converts the DC input signal transmitted through the input stage capacitor from the solar cell module to a DC output signal of a relatively low level and outputs the DC output signal. At this time, the maximum power magnitude (maximum power point) of the signal generated from the solar cell module and the conditions for generating the maximum power vary depending on the environment such as the temperature and the solar radiation amount of the periphery where the solar cell module operates.

상기 배터리(160)는 리튬 이온 전지에 한정되지 않고, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery) 등이 적용될 수도 있다. 또한, 상기 배터리(160)의 과충전(over-charging)을 방지하기 위하여 별도의 과충전 보호회로(도시되지 않음)를 탑재할 수 있다.The battery 160 is not limited to a lithium ion battery, but may be a nickel metal hydride battery (NiMH). In addition, a separate overcharge protection circuit (not shown) may be mounted to prevent the battery 160 from over-charging.

상기 배터리 관리부(170)는 배터리 제어를 통한 고효율의 충방전과 더불어 안전성을 확보하기 위한 것으로, 배터리 관리 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.The battery management unit 170 is for ensuring safety in addition to high efficiency charging and discharging through battery control. The battery management technique can be roughly divided into two types.

첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능하도록 하여 주는 열관리 제어와 두 번째로 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동하도록 하는 SOC(State of Charge) 제어로 나눌 수 있다.First, it can be divided into heat management control which enables equal performance of the weak battery by uniform cooling and second state of charge (SOC) control which determines the state of the battery and operates at the optimum efficiency point.

도 3은 DC 링크 캐패시터에서 발생하는 리플에 의한 효율 저하 발생을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the occurrence of efficiency deterioration due to ripple occurring in the DC link capacitor.

도 3에서와 같이, PWM 동작에 의해 DC 링크 부분에서는 Vripple가 발생하는데, 상기 DC 링크 부분에서 발생하는 Vripple를 저감하기 위해 캐패시터를 추가적으로 구성하여 사용한다. 그러나 상기 DC 링크 캐패시터가 일반적으로 내구성이 취약한 요소로 이루어져 IGBT의 PWM 동작에 리플이 발생하여 MPPT 정확성이 떨어지면서 전체적으로 효율 저하가 발생하고 있다.As shown in FIG. 3, Vripple occurs in the DC link portion by the PWM operation, and a capacitor is additionally used to reduce the Vripple generated in the DC link portion. However, since the DC link capacitor generally has poor durability, ripple occurs in the PWM operation of the IGBT, and MPPT accuracy is degraded, resulting in an overall reduction in efficiency.

도 4는 DC 링크 캐패시터에 따른 리플 변화를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing ripple change according to a DC link capacitor.

도 4에 도시된 바와 같이, 캐패시터의 리플 변화에 따라 캐패시턴스가 현격하게 낮아짐을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, the capacitance is remarkably lowered according to ripple change of the capacitor.

또한, 도 5는 ESR과 Vripple의 관계를 나타낸 그래프로서, 도 5에서와 같이 ESR에 따른 리플 변화 변화가 0.1Ω부터 급격하게 상승함을 알 수 있다.FIG. 5 is a graph showing the relationship between ESR and Vripple. As shown in FIG. 5, it can be seen that the ripple change according to the ESR rises sharply from 0.1 OMEGA.

도 6은 ESR 경년변화에 따른 리플 변화를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing ripple change with ESR aging.

도 6에서와 같이, 사용시간에 따라 캐패시터의 성능 악화가 발생하는데, 이때 캐패시터의 정전용량 감소는 약 10%에서 시작하여 약 40~50%이상으로 이루어질 경우에는 이를 수명 말기로 판단하여 고장에 대비하게 된다. 또한 ESR의 상승에 대해서는 이의 값이 정상 값 대비 약 2배 이상일 경우 그리고 초기 값 대비 약 1.3배 이상일 경우에는 이상 징후의 시작으로 판단하여 고장진단 알고리즘에 적용하는 것이 일반적이다.As shown in FIG. 6, the capacity of the capacitor deteriorates depending on the use time. When the capacitance of the capacitor starts to decrease from about 10% to about 40% to 50% or more, . In addition, regarding the ESR rise, when the value is about twice or more than the normal value and about 1.3 times or more as compared with the initial value, it is generally judged that the abnormality is started and applied to the fault diagnosis algorithm.

리플 값을 이용한 DC 링크 캐패시터(130)의 노화진단은 상기 에너지 관리부(190)에서 아래의 수학식 1처럼 진행된다.The aging diagnosis of the DC link capacitor 130 using the ripple value is performed in the energy managing unit 190 as shown in Equation 1 below.

Figure 112015069282210-pat00001
Figure 112015069282210-pat00001

여기서, DC 링크 캐패시터(130)의 캐패시터 값(Cdc)의 추종은 배터리(160)를 충전할 때 구한 △Vdc_link 값을 이용하여 수학식 1에 따라 추종하며 매일 에너지 관리부(190)에 저장한다. 이때 상기 에너지 관리부(190)는 상기 수학식 1에서 구해진 DC 링크 캐패시터(130)의 캐패시터 값(Cdc)을 그래프 형태로 저장하게 된다.Here, the follow-up of the capacitor value (Cdc) of the DC link capacitor (130) follows the equation (1) by using the value of? Vdc_link obtained when the battery (160) is charged and stores it in the energy management unit (190) every day. At this time, the energy manager 190 stores the capacitor value (Cdc) of the DC link capacitor 130 obtained in Equation (1) in a graph form.

Vdc_link_avg의 값은 Vdc_link의 평균 값을 사용하고, △Vdc_link_avg의 값은 Vdc_link의 순시 값을 일정시간 누적 비교해서 Vdc_link 최대 값 및 최소 값을 두 값의 차로 값을 계산한다.The value of Vdc_link_avg is used as the average value of Vdc_link, and the value of Vdc_link_avg is calculated by cumulatively comparing the instantaneous values of Vdc_link for a predetermined time to calculate the difference between the maximum value and the minimum value of Vdc_link.

또한, PBattery는 배터리의 충전용량을 나타내고, K는 상기 Vdc_link 측정오차를 반영하기 위한 비례상수이며, Wf는 배터리 충전시 계통리플 영향을 반영하기 위한 상수이다.P battery represents the charge capacity of the battery, K represents a proportional constant for reflecting the Vdc_link measurement error, and Wf is a constant for reflecting the system ripple effect when the battery is charged.

추종된 DC 링크 캐패시터(130)의 캐패시터 값(Cdc)이 최초 값의 일정 비율 이상 감소할 때 최대전력점 추종 컨버터(120), DC/AC 양방향 인버터(140) 및 DC/DC 양방향 컨버터(180)의 효율 저하가 발생한다. 그리고 DC/AC 양방향 인버터(140)의 온도 상승으로 인한 화재위험도가 증가하므로 DC 링크 캐패시터(130)의 교체 및 점검을 위한 알람을 에너지 관리부가 판단 후 사용자에게 알려준다.The maximum power point tracking converter 120, the DC / AC bidirectional inverter 140, and the DC / DC bidirectional converter 180 when the capacitor value Cdc of the tracked DC link capacitor 130 decreases by a certain percentage or more of the initial value, Resulting in a reduction in the efficiency of the apparatus. Also, since the fire risk due to the temperature rise of the DC / AC bidirectional inverter 140 increases, the energy management unit notifies the user of an alarm for replacement and inspection of the DC link capacitor 130.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be varied and varied without departing from the scope of the invention.

110 : 태양광 발전부 120 : 최대전력점 추종 컨버터
130 : DC 링크 캐패시터 140 : DC/AC 양방향 인버터
150 : EMI 필터 160 : 배터리
170 : 배터리 관리부 180 : DC/DC 양방향 컨버터
190 : 에너지 관리부
110: Solar power generating part 120: Maximum power point tracking converter
130: DC link capacitor 140: DC / AC bidirectional inverter
150: EMI filter 160: Battery
170: Battery management unit 180: DC / DC bidirectional converter
190: Energy Management Department

Claims (5)

태양광으로부터 DC전류를 생성하는 태양광 발전부와,
상기 태양광 발전부로부터 생성된 DC전류를 공급받아 최대치를 추종하기 위해 MPPT 제어를 수행하는 최대전력점 추종 컨버터와,
상기 최대전력점 추종 컨버터를 통해 MPPT 제어된 DC전류를 받아 일시적으로 저장하는 DC 링크 캐패시터와, 상기 DC 링크 캐패시터에 저장된 DC전류를 입력받아 AC전류로 변환하여 출력하는 DC/AC 양방향 인버터와,
상기 DC/AC 양방향 인버터로부터 출력된 AC전류를 필터링하여 전력계통 또는 부하로 공급하는 EMI 필터와,
상기 태양광 발전부로부터 생성된 DC전류를 저장하는 배터리와,
상기 배터리에 저장된 DC전류를 관리하는 배터리 관리부와,
상기 배터리 관리부를 통해 출력되는 DC전류의 레벨을 조절하여 출력하는 DC/DC 양방향 컨버터와,
상기 최대전력점 추종 컨버터, 배터리 관리부 및 DC/DC 양방향 컨버터와 DC/AC 양방향 인버터를 감시 제어함과 더불어 상기 DC 링크 캐패시터의 노화를 진단하는 에너지 관리부를 포함하여 이루어지고,
상기 DC 링크 캐패시터의 열화는 리플 값을 변화를 통해 검출하며,
상기 리플 값을 이용한 DC 링크 캐패시터의 노화진단은 상기 에너지 관리부에서 아래의 수학식 1처럼 진행되는 것을 특징으로 하는 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치.
[수학식 1]
Figure 112015116046806-pat00009

(여기서, DC 링크 캐패시터의 캐패시터 값(Cdc)의 추종은 배터리를 충전할 때 구한 △Vdc_link 값을 이용하여 수학식 1에 따라 추종하며 매일 에너지 관리부에 저장한다. Vdc_link_avg의 값은 Vdc_link의 평균 값을 사용하고, △Vdc_link_avg의 값은 Vdc_link의 순시 값을 일정시간 누적 비교해서 Vdc_link 최대 값 및 최소 값을 두 값의 차로 값을 계산한다. 또한, PBattery는 배터리의 충전용량을 나타내고, K는 상기 Vdc_link 측정오차를 반영하기 위한 비례상수이며, Wf는 배터리 충전시 계통리플 영향을 반영하기 위한 상수이다.)
A solar photovoltaic portion for generating a DC current from sunlight;
A maximum power point tracking converter for performing MPPT control to follow a maximum value by receiving a DC current generated from the solar power generation unit;
A DC / AC bidirectional inverter for receiving a DC current stored in the DC link capacitor and converting the received DC current into an AC current and outputting the DC current;
An EMI filter for filtering the AC current output from the DC / AC bidirectional inverter and supplying the filtered AC current to a power system or a load;
A battery for storing the DC current generated from the solar power generation unit;
A battery management unit for managing a DC current stored in the battery,
A DC / DC bidirectional converter for adjusting and outputting a level of a DC current output through the battery management unit,
And an energy management unit monitoring and controlling the maximum power point tracking converter, the battery management unit, the DC / DC bidirectional converter and the DC / AC bidirectional inverter, and diagnosing the aging of the DC link capacitor,
The deterioration of the DC link capacitor detects a ripple value through a change,
Wherein the aging diagnosis of the DC link capacitor using the ripple value is performed by the energy management unit as follows: < EMI ID = 1.0 >
[Equation 1]
Figure 112015116046806-pat00009

(Here, the follow-up of the capacitor value (Cdc) of the DC link capacitor follows the equation (1) using the value of? Vdc_link obtained when the battery is charged, and is stored in the energy management unit every day. The value of Vdc_link_avg is the average value of Vdc_link The value of DELTA Vdc_link_avg is obtained by cumulatively comparing the instantaneous value of Vdc_link for a predetermined period of time to calculate a difference between the maximum value and the minimum value of Vdc_link. The value of P Battery represents the charge capacity of the battery, and K represents the value of Vdc_link Is a proportional constant to reflect the measurement error, and Wf is a constant to reflect the system ripple effect when charging the battery.)
제 1 항에 있어서, 상기 DC/AC 양방향 인버터는 상기 DC 링크 캐패시터에 각각 병렬 연결되고, 네 개의 스위칭 소자들을 구비하는 브리지 회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치.2. The bidirectional hybrid solar PCS as claimed in claim 1, wherein the DC / AC bidirectional inverter comprises a bridge circuit connected in parallel to the DC link capacitor and including four switching elements. Aging diagnostic device. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 관리부는 상기 수학식 1에서 구해진 DC 링크 캐패시터의 캐패시터 값(Cdc)을 그래프 형태로 저장하는 것을 특징으로 하는 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치.The apparatus of claim 1, wherein the energy management unit stores a capacitor value (Cdc) of the DC link capacitor obtained in Equation (1) in a graphical form.
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