KR101711343B1 - Output current sensing method for single-phase grid-connected photovolataic inverters - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단상 계통연계형 태양광 인버터의 출력 전류 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 션트 저항을 이용한 출력 전류 측정 방법(이하 션트 전류 측정법)에서 비용의 대부분을 초래하는 절연 문제를 해결하기 위해 션트 저항의 위치를 변경함으로써 절연이 필요 없는 션트 전류 측정법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of measuring an output current of a single-phase grid-connected photovoltaic inverter, and more particularly to a method of measuring an output current using a shunt resistor (hereinafter referred to as a shunt current measurement method) To a shunt current measurement method that does not require insulation by changing the position of the shunt resistor.
소형 태양광발전용 인버터(정격출력 10kW 이하)에 대한 신재생에너지 설비심사세부기준(NR-PV 501)에 의하면 단상 계통연계형 태양광 인버터의 출력 전류, 즉 계통 측 교류 전류의 직류 성분을 정격 전류의 0.5% 이내로 제한하고 있다.According to NR-PV 501, the output current of a single-phase grid-connected photovoltaic inverter, that is, the direct current component of the alternating current on the grid side is rated Is limited to within 0.5% of the current.
태양광 인버터의 출력 전류에 직류 성분이 포함되는 주된 이유는 전류 제어를 위해 사용하는 홀효과 전류 센서의 출력 오프셋이 온도에 따라 변하는 열적 드리프트 현상 때문이다. 전류 제어를 시작하기 전, 즉 전류가 흐르지 않는 상태에서 전류 센서의 출력 오프셋을 측정하는 일반적으로 사용되는 보정 방법으로는 이러한 열적 드리프트 현상에 의해 출력 전류에 직류 성분이 포함되는 문제를 해결할 수 없다.The main reason that the DC current is included in the output current of the solar inverter is due to the thermal drift phenomenon in which the output offset of the hall effect current sensor used for the current control varies with temperature. As a commonly used calibration method for measuring the output offset of the current sensor before starting current control, i.e., in the absence of current flow, this thermal drift phenomenon can not solve the problem of including DC components in the output current.
출력 측에 계통 주파수 변압기를 사용하는 태양광 인버터는 출력 전류에 직류 성분을 포함하지 않는다. 그러나 계통 주파수 변압기에 따른 비용과 무게가 증가하고 효율이 감소하기 때문에 절연을 요구하는 미국 등 일부 시장에서만 사용하는 방법이다.A solar inverter using a grid frequency transformer on the output side does not include DC components in the output current. However, because of the increased cost and weight of grid frequency transformers and reduced efficiency, this method is used only in some markets such as the United States where insulation is required.
결국 변압기 없는 단상 계통연계형 태양광 인버터에서 출력 전류에 포함된 직류 성분을 정격 전류의 0.5% 이내로 제한하기 위해서는 열적 드리프트에 의한 오프셋 오차가 매우 작은 고가의 폐루프 타입 홀효과 전류 센서를 사용해야 하는데 단상 계통연계형 태양광 인버터와 같은 소형 인버터에서는 비용 상승 부담이 크다.In order to limit the DC component included in the output current to within 0.5% of the rated current in a single-phase grid-connected solar inverter without a transformer, an expensive closed-loop type Hall effect current sensor with a small offset error due to thermal drift should be used. In the case of a small-sized inverter such as a grid-connected solar inverter, the cost is increased.
이러한 이유로 폐루프 타입 홀효과 전류 센서보다 저렴한 션트 전류 측정법이 제안되었다. 이 방법은 인버터 출력 전류가 흐르는 인버터 출력과 계통 사이에 전류 측정용 저항인 션트 저항을 직렬로 삽입하고, 션트 저항의 양단에 걸리는 전압을 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 직렬 디지털 데이터 신호로 변환한 다음 공심 변압기로 절연하여 마이크로컨트롤러에 전달하는 방식이다. 옴의 법칙에 의해, 이러한 방식으로 측정된 션트 저항의 전압 값에 션트 저항 값의 역수를 곱하면 션트 저항을 통해 흐르는 전류, 즉 인버터 출력 전류 값을 얻을 수 있다. 하지만 여전히 그 비용이 만만치 않은데, 그 이유는 신호 절연을 위해 공심변압기뿐만 아니라 마이크로컨트롤러에 내장된 아날로그-디지털 변환기가 아닌 별도의 아날로그-디지털 변환기를 사용해야 하기 때문이다.For this reason, a shunt current measurement method which is less expensive than a closed loop type Hall effect current sensor has been proposed. In this method, a shunt resistor, which is a resistor for current measurement, is inserted in series between the inverter output current flowing through the inverter output current and the system, and the voltage across both ends of the shunt resistor is converted into a serial digital data signal using an analog- It is insulated with an air core transformer and transmitted to a microcontroller. By Ohm's law, by multiplying the voltage value of the shunt resistor measured in this way by the reciprocal of the shunt resistance value, the current flowing through the shunt resistor, that is, the inverter output current value, can be obtained. But it still costs a lot because the signal isolation requires the use of a separate analog-to-digital converter rather than an air-to-ground transformer as well as an analog-to-digital converter embedded in the microcontroller.
본 발명은 이러한 션트 전류 측정법을 개선하여 그 비용을 크게 저감할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving such a shunt current measurement method, thereby greatly reducing the cost.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 단상 계통연계형 태양광 인버터의 션트 전류 측정법에서 비용의 대부분을 초래하는 절연 문제를 해결함으로써 성능 저하 없이 비용을 저감할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the cost without degrading performance by solving the insulation problem which causes most of the cost in the shunt current measurement method of the single-phase grid-connected solar inverter as described above.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems to be solved by the present invention, which are not mentioned here, As will be appreciated by those skilled in the art.
본 발명에서는 종래의 션트 전류 측정법에서의 절연 문제를 해결하기 위해 단상 계통연계형 태양광 인버터가 단위 역률로 제어된다는 사실에 착안하여 종래의 션트 저항 측정법에서 션트 저항의 위치를 변경한다.In order to solve the insulation problem in the conventional shunt current measurement method, the present invention changes the position of the shunt resistor in the conventional shunt resistance measurement method, taking into account the fact that the single-phase grid-connected solar inverter is controlled at a unit power factor.
본 발명에 따른 션트 저항 측정법이 적용되는 단상 계통연계형 태양광 인버터는 태양 전지에서 출력되는 직류 전력을 단상 계통에서 요구되는 교류 전력으로 변환하며, 다수의 전력용 스위칭 소자를 포함하는 H-브리지 인버터이다.The single-phase grid-connected photovoltaic inverter to which the shunt resistance measurement method according to the present invention is applied converts direct current power output from a solar cell into alternating current power required in a single-phase system, and includes an H-bridge inverter to be.
본 발명에 따른 션트 저항 측정법은 다음의 두 부분으로 나눌 수 있다.The shunt resistance measurement method according to the present invention can be divided into the following two parts.
1. H-브리지 인버터에서 아래쪽 다이오드의 애노드(anode)를 서로 연결하고, 아래쪽 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 이미터(emitter)도 서로 연결한 다음, 그 둘 사이에 배치한 전류 측정용 저항인 션트 저항을 포함하는 저항부1. In the H-bridge inverter, the anode of the lower diode is connected to each other, the emitter of the lower IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is connected to each other, and the resistor for current measurement A resistance portion including a shunt resistor
2. 션트 저항의 양단에 걸리는 전압을 아날로그 전압 증폭 회로를 사용하여 증폭하는 측정부2. A measuring part for amplifying the voltage across both ends of the shunt resistor using an analog voltage amplifying circuit
종래의 션트 전류 측정법과 달리 본 발명에서는 션트 저항이 인버터의 아래쪽에 위치하여 직류단 커패시터의 마이너스, 즉 마이크로컨트롤러의 그라운드에 연결되므로 절연할 필요 없이 저렴한 연산증폭기를 사용한 아날로그 전압 증폭 회로만을 거쳐 마이크로컨트롤러에 내장된 아날로그-디지털 변환기에 연결될 수 있다.In contrast to the conventional shunt current measurement method, in the present invention, since the shunt resistor is connected to the negative terminal of the DC capacitor, that is, the ground of the microcontroller, To an analog-to-digital converter built into the system.
또한 본 발명에 따른 션트 저항의 배치는 단위 역률로 제어되는 단상 계통연계형 태양광 인버터에서 일반적으로 사용하는 스위칭 방식인 비대칭 유니폴라 펄스폭 변조 방식에서 인버터 출력 전류가 종래의 션트 전류 측정법과 마찬가지로 션트 저항을 통해 연속적으로 흐를 수 있게 한다.Also, in the asymmetric unipolar pulse width modulation method, which is a switching method generally used in a single-phase grid-connected solar inverter in which the shunt resistors according to the present invention are controlled by a unit power factor, Allowing it to flow continuously through the resistor.
요약하면, 본 발명에 따른 션트 전류 측정법은 종래의 션트 전류 측정법과 마찬가지로 인버터 출력 전류를 션트 저항을 통해 연속적으로 흐르게 함으로써 인버터 출력 전류를 안정적으로 측정할 수 있으면서, 절연이 요구되는 종래의 션트 전류 측정법과 달리 션트 저항의 전압을 저렴한 비절연 방식을 통해 마이크로컨트롤러에 전달할 수 있다.In summary, the shunt current measurement method according to the present invention is capable of stably measuring the inverter output current by continuously flowing the inverter output current through the shunt resistor as in the conventional shunt current measurement method, , The voltage of the shunt resistor can be delivered to the microcontroller through an inexpensive, non-isolated method.
본 발명에 따른 단상 계통연계형 태양광 인버터의 션트 전류 측정법은 션트 저항과 간단한 아날로그 전압 증폭 회로만으로 절연 없이 인버터 출력 전류를 측정함으로써 절연 방식인 종래의 션트 전류 측정법에 비해 비용을 크게 절감할 수 있다.The shunt current measurement method of the single-phase grid-connected solar inverter according to the present invention can significantly reduce the cost compared with the conventional shunt current measurement method which is the insulation method by measuring the inverter output current without isolation by only the shunt resistor and the simple analog voltage amplifying circuit .
도 1은 본 발명에 따른 단상 계통연계형 태양광 인버터의 션트 전류 측정법을 비교 설명하기 위해 종래의 션트 전류 측정법을 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 단상 계통연계형 태양광 인버터의 션트 전류 측정법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 단상 계통연계형 태양광 인버터의 션트 전류 측정법에서 스위칭 모드에 따른 전류 경로이다.
도 4는 본 발명에 따른 단상 계통연계형 태양광 인버터의 션트 전류 측정법에서 전류 측정과 관련한 각 부의 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 션트 전류 측정법을 적용한 단상 계통연계형 태양광 인버터의 시험 운전 결과 파형도이다.FIG. 1 is a circuit diagram showing a conventional shunt current measurement method in order to compare a shunt current measurement method of a single-phase grid-connected solar inverter according to the present invention.
2 is a circuit diagram for explaining a shunt current measurement method of a single-phase grid-connected solar inverter according to the present invention.
3 is a current path according to the switching mode in the shunt current measurement method of the single-phase grid-connected solar inverter according to the present invention.
4 is a waveform diagram of each part related to the current measurement in the shunt current measurement method of the single-phase grid-connected solar inverter according to the present invention.
5 is a waveform chart of a test operation result of the single-phase grid-connected solar inverter using the shunt current measurement method according to the present invention.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1과 같이 단상 계통연계형 태양광 인버터에서 종래의 션트 전류 측정법은 인버터 출력 전류(Iinv)가 흐르는 인버터 출력과 계통(Grid) 사이에 션트 저항(Rsh)을 직렬로 삽입하고, 션트 저항의 양단에 걸리는 전압을 절연형 아날로그-디지털 변환기(AD7401)를 통해 마이크로컨트롤러(MCU)에 전달하는 방식이다. 절연형 아날로그-디지털 변환기의 내부에서는 션트 저항의 아날로그 전압을 아날로그-디지털 변환기를 통해 직렬 디지털 데이터 신호로 변환하고, 그 신호를 마이크로컨트롤러에 전달하기 위해 공심변압기로 절연한다.1, in the conventional shunt current measurement method, the shunt resistor Rsh is inserted in series between the inverter output and the grid Grid through which the inverter output current Iinv flows, and both ends of the shunt resistor To the microcontroller (MCU) through an isolated analog-to-digital converter (AD7401). Inside an isolated analog-to-digital converter, the analog voltage of the shunt resistor is converted to a serial digital data signal via an analog-to-digital converter and isolated with an air-core transformer to deliver the signal to the microcontroller.
마이크로컨트롤러에서는 절연형 아날로그-디지털 변환기로부터 수신된 션트 저항의 전압 값에 옴의 법칙에 의해 션트 저항 값의 역수를 곱하면 션트 저항을 통해 흐르는 전류, 즉 인버터 출력 전류 값을 얻을 수 있다. 하지만 신호를 절연하기 위해 공심변압기뿐만 아니라 마이크로컨트롤러에 내장된 아날로그-디지털 변환기가 아닌 별도의 아날로그-디지털 변환기를 사용해야 하므로 그 비용이 적지 않다.The microcontroller can obtain the current flowing through the shunt resistor, that is, the inverter output current value, by multiplying the voltage value of the shunt resistor received from the isolated analog-to-digital converter by the reciprocal of the shunt resistance value by Ohm's law. However, the cost is low because it requires the use of a separate analog-to-digital converter rather than an air-to-air transformer as well as an analog-to-digital converter built into the microcontroller to isolate the signal.
본 발명에서는 종래의 션트 전류 측정법의 절연에 따른 비용 문제를 해결하기 위해, 도 2와 같이 션트 저항(Rsh)을 위치 변경하여 직류단 커패시터(Cdc)의 마이너스, 즉 마이크로컨트롤러(MCU)의 그라운드에 연결함으로써 절연할 필요 없이 션트 저항의 양단에 걸리는 전압을 연산증폭기를 사용한 아날로그 전압 증폭 회로만을 거쳐 마이크로컨트롤러에 내장된 아날로그-디지털 변환기에 전달할 수 있다.In the present invention, in order to solve the problem of cost due to the insulation of the conventional shunt current measurement method, the shunt resistor Rsh is changed as shown in FIG. 2 so that the negative of the DC short capacitor Cdc, that is, The voltage across both ends of the shunt resistor can be transmitted to the analog-to-digital converter built in the microcontroller only through the analog voltage amplifying circuit using the operational amplifier without having to be isolated by the connection.
션트 저항의 위치에 대해 자세히 설명하면, 도 2와 같이 H-브리지 인버터의 아래쪽 스위치 S2와 S4에서 다이오드의 애노드(anode)를 서로 연결하고, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 이미터(emitter)도 서로 연결한 다음, 그 사이에 션트 저항(Rsh)을 배치하며, 다이오드의 애노드를 직류단 커패시터의 마이너스, 즉 마이크로컨트롤러의 그라운드에 연결한다.The position of the shunt resistor will be described in detail. As shown in FIG. 2, the anode of the diode is connected to the lower switch S2 and S4 of the H-bridge inverter, and the emitter of the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Then, a shunt resistor Rsh is disposed therebetween, and the anode of the diode is connected to the minus of the DC capacitor, that is, the ground of the microcontroller.
션트 저항의 양단 전압을 마이크로컨트롤러에 내장된 아날로그-디지털 변환기의 입력 전압 범위에 맞춰 증폭하기 위한 아날로그 전압 증폭 회로는 도 2와 같이 1개의 연산증폭기와 4개의 저항만을 사용한 차동 증폭 회로로 간단히 구현될 수 있다.The analog voltage amplification circuit for amplifying the voltage across the shunt resistor to the input voltage range of the analog-to-digital converter built in the microcontroller is simply implemented as a differential amplifier circuit using only one operational amplifier and four resistors as shown in FIG. .
또한 본 발명에 따른 션트 저항의 배치는 도 3의 스위칭 모드에 따른 전류 경로(화살표로 방향을 표시한 점선)에서 알 수 있듯이 종래의 션트 전류 측정법과 마찬가지로 인버터 출력 전류를 션트 저항을 통해 연속적으로 흐를 수 있게 한다.The arrangement of the shunt resistors according to the present invention is similar to that of the conventional shunt current measurement method, as can be seen from the current path according to the switching mode of FIG. 3 I will.
단위 역률로 제어되는 단상 계통연계형 태양광 인버터에서 일반적으로 사용하는 스위칭 방식은 비대칭 유니폴라 펄스폭 변조 방식으로, 인버터 출력 전압(Vinv)이 양(음)이면 도 4와 같이 S4(S2)는 계속 켜고 S1(S3)을 스위칭하며, 따라서 총 4개의 스위칭 모드(Mode 1~4)가 존재한다.As shown in Fig. 4, when the inverter output voltage (Vinv) is positive (negative), S4 (S2) is used as the asynchronous unipolar pulse width modulation method in the switching method generally used in a single-phase grid- And switches S1 (S3), thus there are a total of four switching modes (
도 3의 스위칭 모드에 따른 전류 경로를 자세히 보면, 인버터 출력 전류(Iinv)의 방향이 양에서 음으로 바뀐 Mode 3과 Mode 4에서 션트 저항을 통해 흐르는 전류의 방향이 바뀌지 않고 항상 일정함을 알 수 있다. 따라서 도 2에서의 션트 저항의 양단 전압(Vsh)과 이를 증폭한 아날로그 전압 증폭 회로의 출력 전압(Vout)이 도 4와 같이 Mode 3과 Mode 4에서 그 부호가 바뀌지 않고 일종의 전파 정류 형태로 항상 양이 된다. 이러한 이유로 도 4와 같이 마이크로컨트롤러에서 인버터 출력 전류 값(Iinv(ADC))을 계산하는 과정에서 Mode 3과 Mode 4의 경우 부호를 음으로 처리한다.3, when the direction of the inverter output current Iinv changes from positive to negative in
본 발명에 따른 션트 전류 측정법을 적용한 단상 계통연계형 태양광 인버터의 시험 운전 결과는 도 5와 같다. 인버터 출력 전류(Iinv)와 아날로그 전압 증폭 회로의 출력 전압(Vout) 파형으로부터 인버터 출력 전류가 션트 저항을 통해 연속적으로 흐른다는 사실을 확인할 수 있다. 또한 계통 전압(Vgrid)과의 위상 비교를 통해 인버터 출력 전류가 안정적으로 단위 역률 제어됨을 알 수 있다.The test operation result of the single-phase grid-connected solar inverter using the shunt current measurement method according to the present invention is shown in FIG. It can be seen from the inverter output current Iinv and the output voltage Vout waveform of the analog voltage amplifier circuit that the inverter output current flows continuously through the shunt resistor. Also, it can be seen that the inverter output current is stably controlled by the unit power factor through phase comparison with the system voltage (Vgrid).
요약하면, 본 발명은 종래의 션트 전류 측정법에서 비용의 대부분을 초래하는 절연 문제를 해결하기 위해 션트 저항을 위치 변경함으로써 성능 저하 없이 간단한 아날로그 전압 증폭 회로만으로 단상 계통연계형 태양광 인버터의 출력 전류를 측정할 수 있는 방법이다.In summary, the present invention relies on the replacement of the shunt resistor to solve the insulation problem that causes most of the cost in the conventional shunt current measurement method, so that the output current of the single-phase grid- It is a method that can be measured.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it is to be understood that the technical structure of the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 것은 실시예로서 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위와 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It is to be understood that all changes or modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.
Claims (1)
상기 아래쪽 다이오드의 애노드를 직류단 커패시터의 마이너스에 연결하여, 상기 션트 저항으로부터 비절연 방식으로 출력 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 단상 계통연계형 태양광 인버터의 출력 전류 측정 방법.(S1, S2, S3, S4) in which the IGBT and the diode are connected in parallel are divided into upper portions (S1, S3) on the plus side of the DC side capacitor and lower portions (S2, S4) on the minus side of the DC side capacitor In the single-phase grid-connected solar inverter of the H-bridge type arranged two by two, the anodes of the lower diodes are connected to each other, the emitters of the lower IGBTs are connected to each other, and the anodes of the lower diodes and the emitters A shunt resistor, which is a resistance for current measurement, is disposed between the two,
And the anode of the lower diode is connected to the negative terminal of the DC short capacitor to measure the output current from the shunt resistor in a non-insulated manner.
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