KR101965153B1

KR101965153B1 - 태양광 인버터 시스템

Info

Publication number: KR101965153B1
Application number: KR1020160169373A
Authority: KR
Inventors: 정용환; 이창기
Original assignee: 주식회사 럭스코
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2019-04-05
Also published as: KR20180067933A

Abstract

본 발명은 태양광 인버터 시스템의 효율을 높일 수 있는 시스템 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 구체적으로는, 태양광 모듈로부터 배터리로 에너지를 전달하기 위한 별도의 컨버터를 사용하지 않을 뿐만 아니라 고효율로 높은 승압비에서 동작할 수 있는 승압 컨버터를 통해 태양광 인버터 시스템의 전체 효율을 높이는 것을 그 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명의 태양광 인버터 시스템은 배터리로부터 상기 태양광 모듈로 에너지가 역류하는 것을 방지하기 위한 역류방지부, 상기 배터리의 충전 상태에 따라 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 배터리로 전달되는 것을 차단하기 위한 차단부, 상기 태양광 모듈로부터 에너지를 전달받아 저장하고 승압 컨버터로 직류 전압을 공급하는 배터리, 상기 배터리 및/또는 상기 태양광 모듈로부터 직류 전압을 공급받고 승압시켜 인버터로 출력하는 상기 승압 컨버터 및 상기 승압 컨버터로부터 승압된 직류 전압을 공급받고 교류 부하를 구동하는 상기 인버터를 포함할 수 있다.

Description

태양광 인버터 시스템{PHOTOVOLTAIC INVERTER SYSTEM}

본 발명은 태양광을 에너지원으로 하여 교류 부하를 구동하기 위한 태양광 인버터 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 태양광 모듈로부터 받아들이는 낮은 직류 전압을 높은 비율로 승압시켜 인버터를 동작시키는 고효율 태양광 인버터 시스템에 관한 것이다.

태양광을 에너지원으로 하여 전기를 생산한 후 교류 부하를 구동하는 태양광 인버터 시스템은 현재에도 많이 개발되고 있다. 이러한 통상적인 태양광 인버터 시스템에서 태양광으로부터 전기를 생산하는 태양광 모듈(Photovoltaic Module)은 일반적으로 약 24V ~ 30V의 직류 전압을 출력하는데, 교류 부하를 구동하기 위한 인버터는 통상 350V의 직류 전압을 공급받아 220V 교류 전압을 생성하여 부하를 구동한다. 이와 같이 24V ~ 30V의 직류 전압을 350V의 직류 전압으로 변환하기 위해서는 10배 이상의 승압이 필요하다.

직류 전압을 승압시켜 출력하는 승압 컨버터에는 통상 부스트 컨버터가 사용되는데 통상의 부스트 컨버터를 10배 이상의 승압에 사용하는 경우 부스트 컨버터의 효율이 약 80%에도 미치지 못하는 등 낮은 효율로 인한 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 태양광 모듈을 24V가 아니라 48V ~ 92V의 범위로 높이도록 설계하기도 하지만 이 경우에는 태양광 모듈의 가격이 올라가고 발전 효율이 낮아지는 등의 문제가 발생한다.

이와 같이 현재의 태양광 인버터 시스템은 10배 이상의 높은 승압비를 갖는 직류-직류 승압 컨버터가 필요하지만 일반적인 부스트 컨버터로는 이러한 승압비에서 효율이 낮음으로 인해 태양광 인버터 시스템의 전체적인 효율이 낮아진다는 문제가 있다.

또한, 태양광 인버터 시스템은 태양광 모듈로부터의 전기 에너지를 저장하여 필요할 때 부하로 공급하기 위한 배터리가 사용된다. 태양광 모듈의 출력 전압과 배터리 전압이 다를 경우, 태양광 모듈로부터 배터리로 전기 에너지를 전달할 때 전압을 변환하기 위한 컨버터를 사용하는데 이러한 컨버터의 추가로 인해 전체 시스템의 효율이 추가적으로 낮아진다는 문제가 있다.

이와 같이 기존의 태양광 인버터 시스템은 태양광 모듈의 출력 전압과 인버터에서 요구하는 전압의 차이로 인한 승압비 문제 및 배터리를 충전하기 위한 컨버터의 필요성 등으로 인해 효율이 좋지 않다는 문제가 있었고, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것이다.

공개특허공보 제10-2013-0115719호

본 발명은 태양광 인버터 시스템의 효율을 높일 수 있는 시스템 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 구체적으로는, 태양광 모듈로부터 배터리로 에너지를 전달하기 위한 별도의 컨버터를 사용하지 않을 뿐만 아니라 고효율로 높은 승압비에서 동작할 수 있는 승압 컨버터를 통해 태양광 인버터 시스템의 전체 효율을 높이는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은 태양광 모듈의 에너지를 이용하여 교류 부하를 구동하기 위한 태양광 인버터 시스템으로서, 배터리로부터 상기 태양광 모듈로 에너지가 역류하는 것을 방지하기 위한 역류방지부; 상기 배터리의 충전 상태에 따라 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 배터리로 전달되는 것을 차단하기 위한 차단부; 상기 태양광 모듈로부터 에너지를 전달받아 저장하고 승압 컨버터로 직류 전압을 공급하는 배터리; 상기 배터리 및/또는 상기 태양광 모듈로부터 직류 전압을 공급받고 승압시켜 인버터로 출력하는 상기 승압 컨버터; 및 상기 승압 컨버터로부터 승압된 직류 전압을 공급받고 교류 부하를 구동하는 상기 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템이다.

상기 승압 컨버터는 트랜스포머, 스위칭 소자, 승압 커패시터, 출력 다이오드, 보조 다이오드 및 출력 커패시터를 포함하고, 상기 트랜스포머는 1차측 권선과 2차측 권선을 포함하고, 상기 1차측 권선의 일단은 상기 배터리의 양의 단자에 연결되고 상기 1차측 권선의 타단은 상기 스위칭 소자의 일단에 연결되며, 상기 2차측 권선의 일단은 상기 1차측 권선의 타단에 연결되고 상기 2차측 권선의 타단은 상기 승압 커패시터의 일단에 연결되며, 상기 스위칭 소자의 타단은 상기 배터리의 음의 단자에 연결되고, 상기 승압 커패시터의 타단은 상기 출력 다이오드의 애노드 단자에 연결되며, 상기 출력 다이오드의 캐소드 단자는 상기 출력 커패시터의 양의 단자에 연결되고, 상기 보조 다이오드의 애노드 단자는 상기 스위칭 소자의 일단에 연결되고 상기 보조 다이오드의 캐소드 단자는 상기 출력 다이오드의 애노드 단자에 연결되며, 상기 출력 커패시터의 음의 단자는 상기 배터리의 음의 단자에 연결될 수 있다.

상기 승압 커패시터는 상기 스위칭 소자의 온 구간에서 상기 배터리 전압에 상기 트랜스포머의 1차측 권선에 대한 2차측 권선의 권선비(N)를 곱한 값으로 충전될 수 있다.

상기 스위칭 소자의 온 구간에서 상기 승압 커패시터에 충전된 에너지는 상기 스위칭 소자의 오프 구간에서 상기 출력 커패시터로 전달될 수 있다.

상기 승압 컨버터는 상기 승압 커패시터에 충전된 전압과 상기 트랜스포머에 축적된 에너지를 이용하여 상기 배터리로부터 공급받는 직류 전압을 10배 이상 승압하여 출력할 수 있다.

상기 트랜스포머의 1차측 권선과 2차측 권선은 각각 상기 일단에서 상기 타단으로 전류가 흐를 때 동일한 방향의 자속을 생성하는 방향으로 권선될 수 있다.

상기 태양광 인버터 시스템은 상기 스위칭 소자의 오프 구간에서 상기 스위칭 소자에 걸리는 전압을 제한하기 위한 전압제한부를 더 포함할 수 있다.

상기 역류방지부는 역류 방지용 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 전압제한부는 전압제한 커패시터 및 전압제한 다이오드를 포함하고, 상기 전압제한 다이오드의 애노드 단자는 상기 스위칭 소자의 일단에 연결되고 캐소드 단자는 상기 전압제한 커패시터의 일단 및 상기 보조 다이오드의 애노드 단자에 연결되며, 상기 전압제한 커패시터의 타단은 상기 배터리의 음의 단자에 연결될 수 있다.

상기 스위칭 소자의 턴 오프 시에 상기 전압제한 커패시터는 상기 트랜스포머와의 공진 주기에 의해 결정되는 기울기로 전압이 상승하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.

상기 차단부는 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 배터리로 전달되는 것을 차단할 때 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 승압 컨버터로 전달되는 것은 차단하지 않을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 태양광 모듈로부터 배터리로 에너지를 전달하기 위한 별도의 컨버터를 사용하지 않을 뿐만 아니라 고효율로 높은 승압비에서 동작할 수 있는 승압 컨버터를 통해 태양광 인버터 시스템의 전체 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 인버터 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 승압 컨버터의 상세 구성을 포함하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 승압 컨버터의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 승압 컨버터를 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 시스템을 예시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 인버터 시스템(100)의 전체 구성을 예시한다. 태양광 인버터 시스템(100)은 태양광 모듈(110)의 에너지를 이용하여 교류 부하를 구동하기 위한 것으로서, 태양광 모듈(110), 역류 방지부(120), 차단부(130), 배터리(140), 승압 컨버터(150), 인버터(160) 및 부하를 포함할 수 있다. 그 외에도 태양광 인버터 시스템(100)을 동작시키기 위한 다양한 구성들이 더 포함될 수 있으나 본 발명의 요지를 설명하는데 불필요한 구성들은 설명의 편의상 생략하기로 한다.

태양광 모듈(110)은 태양광으로부터 에너지를 받아 전기 에너지를 생산한다. 태양전지 등이 그 일례일 수 있다. 태양광 모듈(110)은 사이즈나 내부 셀들의 배열 등에 따라 다양한 직류 전압을 출력할 수 있지만, 24V ~ 30V의 직류 전압을 출력하는 것이 가장 일반적이다. 본 발명은 태양광 모듈(110)이 24V ~ 30V의 직류 전압을 출력하는 것을 전제로 효율적인 태양광 인버터 시스템을 구현하고자 하는 것이다.

역류 방지부(120)는 배터리(140)로부터 태양광 모듈(110)로 전기 에너지가 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 본 발명에서는 효율을 높이기 위해 태양광 모듈(110)에서 생산한 직류 전압을 별도의 전력변환 과정을 거치지 않고 배터리(140)로 공급하는 방식을 사용하므로 배터리(140)의 전압도 24V ~ 30V의 범위로 태양광 모듈(11)과 동일한 범위의 전압을 가진다. 따라서 태양광 모듈(110)이 전기를 생산하지 않을 경우 배터리(140)로부터 태양광 모듈(110)로 전기 에너지가 역류할 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위해 역류 방지부(120)를 사용한다. 도 2를 참조하면 역류 방지부(120)에는 역류 방지용 다이오드를 사용하는 간단한 방식으로 구현될 수 있다. 통상적으로 태양광 모듈(110)로부터 배터리(140)를 충전할 때 구조가 복잡한 스위칭 컨버터가 사용되는 것을 고려하면 본 발명에 의하면 이러한 스위칭 컨버터를 사용할 필요를 없앰으로써 구조를 간단하게 하고 효율을 높일 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 차단부(130)는 배터리(140)의 충전 상태에 따라 태양광 모듈(110)의 에너지가 배터리(140)로 전달되는 것을 허용하거나 차단하기 위한 것이다. 배터리(140)가 충분히 충전된 경우 차단부(130)를 개방시켜 태양광 모듈(110)로부터 배터리(140)로 더이상 에너지가 공급되지 않도록 한다. 도 2를 참조하면 차단부(130)에는 스위칭 소자를 사용하여 간단하게 구현할 수 있다. 차단부(130)에 사용되는 스위칭 소자는 MOSFET, IGBT, 싸이리스터, GTO, MCT 등의 일반적인 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있다. 차단부(130)는 고속 스위칭 동작을 하는 것이 아니라 태양광 모듈(110)과 배터리(140)의 상태에 따라 간헐적인 온/오프 기능을 수행하면 되므로 고속 스위칭 특성보다는 도통 손실이 적은 특성을 가지는 스위칭 소자를 사용하는 것이 바람직하다.

다시 도 1을 참조하면, 배터리(140)는 태양광 모듈(110)로부터 전력을 공급받아 저장하고 있다가 승압 컨버터로 전력을 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서는 태양광 모듈(110)과 동일한 24V ~ 30V의 전압 범위를 가지는 배터리(140)를 사용함으로써 태양광 모듈(110)과 배터리(140) 사이에 별도의 전력변환용 컨버터를 사용하지 않아도 됨으로써 전체 시스템(100)의 효율을 높일 수 있다.

승압 컨버터(150)는 배터리(140) 및/또는 태양광 모듈(110)로부터 직류 전압을 공급받고 승압시켜 인버터(160)로 출력한다. 본 발명에서는 태양광 모듈(110)의 출력 전압인 24V ~ 30V의 직류 전압을 별도의 전력변환 과정을 거치지 않고 승압 컨버터(150)로 입력하는데 인버터(160)는 310V ~ 400V의 범위, 바람직하게는 350V의 직류 전압을 필요로 하므로 승압 컨버터(150)는 약 10배 이상의 승압 기능을 가져야 한다.

본 발명에서는 이와 같이 높은 승압비를 가지는 특성을 고려하여 높은 승압비에서도 고효율이 가능하도록 트랜스포머와 승압 커패시터가 부가된 변형된 승압 컨버터(150)를 사용하는데 이 부분에 대해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

인버터(160)는 승압 컨버터(150)로부터 승압된 직류 전압을 공급받고 교류 부하를 구동한다. 인버터는 교류 220V 부하를 구동하기 위해 직류 310V ~ 400V, 바람직하게는 350V의 전압을 입력받을 필요가 있다. 인버터(160)에는 스위칭 방식의 통상적인 직류/교류 인버터가 사용될 수 있다.

부하는 교류 220V를 사용하는 일반적인 부하로서 계통에 연결된 계통 부하일 수도 있고 혹은 계통에 연결되지 않은 독립적인 부하일 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 승압 컨버터(150)의 상세 구성을 포함하는 도면이고, 도 3 및 도 4는 도 2의 승압 컨버터(150)의 동작을 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 승압 컨버터(150)는 트랜스포머(TX), 스위칭 소자(SW), 승압 커패시터(C1), 출력 다이오드(D1), 보조 다이오드(D2) 및 출력 커패시터(Co)를 포함할 수 있다. 이 외에도 제어기 등의 부가적인 구성이 필요에 따라 부가될 수 있음은 자명하다.

본 발명의 트랜스포머(TX)는 절연을 위해 사용되는 것이 아니라 승압 컨버터(150)가 높은 승압비를 가지도록 하기 위한 목적에서 사용된다. 트랜스포머(TX)는 1차측 권선(W1)과 2차측 권선(W2)을 포함한다. 트랜스포머(TX)의 1차측 권선(W1)과 2차측 권선(W2)은 각각의 도트 측에서 도트가 없는 측으로 전류가 흐를 때 상호 동일한 방향의 자속을 생성하도록 권선되어 있다. 트랜스포머(TX)의 1차측 권선(W1)의 일단은 배터리(140)의 양의 단자에 연결되고 1차측 권선(W1)의 타단은 스위칭 소자(SW)의 일단에 연결되며, 2차측 권선(W2)의 일단은 1차측 권선(W1)의 타단에 연결되고 2차측 권선(W2)의 타단은 승압 커패시터(C1)의 일단에 연결된다. 스위칭 소자(SW)의 타단은 배터리(140)의 음의 단자에 연결되고, 승압 커패시터(C1)의 타단은 출력 다이오드(D1)의 애노드 단자에 연결되며, 출력 다이오드(D1)의 캐소드 단자는 출력 커패시터(Co)의 양의 단자에 연결된다. 보조 다이오드(D2)의 애노드 단자는 스위칭 소자(SW)의 일단에 연결되고 보조 다이오드(D2)의 캐소드 단자는 출력 다이오드(D1)의 애노드 단자에 연결되며, 출력 커패시터(Co)의 음의 단자는 배터리(140)의 음의 단자에 연결된다.

이와 같이 구성된 승압 컨버터(150)의 동작을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

도 3은 스위칭 소자(SW)의 온 구간에서의 동작을 설명한다. 스위칭 소자(SW)가 온 되면, 트랜스포머(TX)의 1차측 권선(W1)의 전류(I1)가 배터리(140)로부터 트랜스포머 1차측 권선(W1) 및 스위칭 소자(SW)를 통해 흐른다. 이때, 트랜스포머(TX)의 1차측 권선(W1)에는 배터리(140) 전압이 인가되고(스위칭 소자(SW)의 전압 강하는 배터리 전압에 비해 무시할 수 있을만큼 작음), 트랜스포머(TX) 1차측 권선(W1)에 대한 2차측 권선(W2)의 권선비(N)에 따라 2차측 권선(W2)에는 배터리 전압(Vin)의 N배에 해당하는 전압으로 충전된다. 이 때, 트랜스포머(TX)의 1차측 권선(W1)과 2차측 권선(W2)의 도트 방향에 의해, 2차측 권선(W2)에는 하측의 도트 측이 상측의 도트가 없는 측에 비해 높은 방향으로 전압이 발생한다. 이러한 2차측 권선(W2)에 걸리는 전압에 의해 보조 다이오드(D2)는 도통되고 승압 커패시터(C1)는 2차측 권선(W2)과 동일한 전압(V1=N*Vin)으로 충전된다(보조 다이오드(D2)의 전압 강하는 2차측 권선(W2)의 전압에 비해 매우 작으므로 보조 다이오드(D2)에 의한 전압 강하는 없는 것으로 가정한다).

도 4는 스위칭 소자(SW)의 오프 구간에서의 동작을 설명한다. 스위칭 소자(SW)가 오프 되면, 보조 다이오드(D2)가 오프되고, 트랜스포머(TX)의 1차측 권선(W1)의 전류(I1)는 2차측 권선(W2), 승압 커패시터(C1), 출력 다이오드(D1) 및 출력 커패시터(Co)를 통해 흐르며 배터리(140)로 귀환한다. 이 때, 승압 커패시터(C1)에는 N*Vin의 전압이 걸려 있는 상태이므로, 배터리(140) 전압(Vin)에 승압 커패시터(C1)의 전압이 더해져 출력 커패시터(Co)를 충전하므로 출력 커패시터(Co)에는 높은 출력 전압이 생성될 수 있다.

즉, 본 발명의 승압 컨버터(150)는 스위칭 소자(SW)의 온 구간에서 트랜스포머(TX)의 권선비(N)를 이용하여 승압 커패시터(C1)를 충전한 후, 스위칭 소자(SW)의 오프 구간에서 배터리(140) 전압(Vin)에 승압 커패시터(C1)의 전압(V1=N*Vin)을 보태어 출력 커패시터(Co)를 충전하므로 승압 컨버터(150)의 출력은 트랜스포머(TX)의 권선비(N)를 조절하여 매우 높은 출력 전압을 생성할 수 있다. 이로써 승압 컨버터(150)는 배터리(140)로부터 공급받는 직류 전압을 10배 이상으로 승압시켜 출력하는 경우에도 적절한 듀티비(스위칭 소자의 온/오프 비율)를 유지하면서 고효율이 가능하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 승압 컨버터(550)를 포함하는 태양광 인버터 시스템(500)을 예시하는 도면이다. 도 5의 승압 컨버터(550)는 도 4의 승압 컨버터(150)에 비해 전압제한부(552)를 더 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다.

전압제한부(552)는 스위칭 소자(SW)의 오프 구간에서 스위칭 소자(SW)에 걸리는 전압을 제한하기 위한 것으로서, 전압제한 다이오드(D3) 및 전압제한 커패시터(C2)를 포함할 수 있다. 전압제한 다이오드(D3)의 애노드 단자는 스위칭 소자(SW)의 일단에 연결되고 전압제한 다이오드(D3)의 캐소드 단자는 전압제한 커패시터(C2)의 일단 및 보조 다이오드(D2)의 애노드 단자에 연결되며, 전압제한 커패시터(C2)의 타단은 배터리(140)의 음의 단자에 연결된다.

이와 같이 구성된 전압제한부(552)는 스위칭 소자(SW)의 턴 오프 시에 스위칭 소자(SW)로 유입되는 트랜스포머(TX)의 누설 인덕턴스 성분에 의한 전류를 흡수하여 스위칭 소자(SW)의 전압이 과도하게 높아지는 것을 방지하는 기능을 한다. 전압제한 커패시터(C2)는 트랜스포머와의 공진 주기에 의해 결정되는 기울기로 전압이 상승하므로 전압제한 커패시터(C2)의 용량을 적절히 설계함으로써 스위칭 소자의 턴 오프 시에 전류가 실질적으로 영으로 감소할 때까지 전압제한 커패시터(C2)의 전압(즉, 스위칭 소자(SW)의 전압)이 크게 상승하지 않도록 하여 스위칭 소자(SW)의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 스위칭 소자(SW)의 턴 오프 시에 전압제한 커패시터(C2)에 충전된 에너지는 추후 보조 다이오드(D2)를 통해 승압 커패시터(C1) 또는 출력 커패시터(Co)로 전달되므로 전압제한부(552)는 스위칭 소자(SW)의 전압 상승을 억제하면서도 이로 인한 손실은 발생하지 않는다. 즉, 전압제한부(552)는 스위칭 소자(SW)의 턴 오프 시의 전압 상승을 줄이기 위해 사용되지만 손실이 발생하는 일반적인 스너버 방식에 비해 손실이 없이 스위칭 소자(SW)의 전압을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 트랜스포머(TX)와의 공진을 통해 스위칭 소자(SW)의 스위칭 손실을 더욱 줄여 승압 컨버터(150)가 고효율로 동작하는 것을 가능하게 하는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 시스템(600)을 예시한다. 도 6의 태양광 인버터 시스템(600)이 도 1과 차이가 나는 점은 차단부(130)의 위치이다. 도 1에서 차단부(130)는 역류 방지부(120)와 승압 컨버터(150) 사이에 배치되어 있어 차단부(130)가 차단을 하면 태양광 모듈(110)로부터의 에너지가 배터리(140) 뿐만 아니라 승압 컨버터(150)로도 전달이 되지 않으므로 태양광 모듈(110)의 에너지를 활용할 수 없고 승압 컨버터(150)는 배터리(140)의 에너지를 사용하게 된다. 도 6의 실시예에서는 차단부(130)가 태양광 모듈(110)의 에너지가 승압 컨버터(150)로 전달되는 것은 차단하지 않고 배터리(140)로 전달되는 것만을 차단하므로 배터리가 충분히 충전된 경우 차단부(130)가 배터리(140)로 더 이상의 에너지가 유입되지 않도록 차단을 하여도 승압 컨버터(150)는 태양광 모듈(110)의 에너지를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 이 때 차단부(130)는 배터리(140)가 충전되거나 방전하는 양 방향을 모두 차단할 수도 있지만, 배터리(140)를 충전하는 전류 흐름만을 차단할 수도 있다. 후자의 경우 배터리(140)의 과충전을 방지하면서도 승압 컨버터(150)가 요구하는 에너지를 태양광 모듈(110)이 충분하게 공급하지 못할 때 승압 컨버터(150)가 배터리(140)로부터 에너지를 바로 공급받을 수 있다는 장점이 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 인버터 시스템은 태양광 모듈의 24V ~ 30V 범위의 낮은 직류 전압으로부터 인버터에서 요구하는 약 350V의 높은 직류 전압을 생성함에 있어서, 배터리의 전압 범위를 태양광 모듈과 유사하게 24V ~ 30V 범위로 설정하여 태양광 모듈로부터 배터리를 충전할 때 별도의 전력변환 컨버터를 사용하는 대신 간단한 역류방지 다이오드를 사용함으로써 구조를 간단하게 하고 효율을 높일 수 있다. 이 경우 배터리로부터 출력되는 24V ~ 30V의 직류 전압을 인버터가 요구하는 약 350V의 높은 직류 전압으로 변환하기 위해서는 10배 이상, 바람직하게는 약 10배 ~ 15배의 승압을 해야하는데 일반적인 승압 컨버터로는 이러한 승압비를 얻을 경우 효율이 나빠지는 문제점을 인식하고 이를 해결하기 위한 승압 컨버터를 제시한다. 본 발명에 따른 승압 컨버터는, 스위칭 소자의 턴 온 구간에서 트랜스포머와 승압 커패시터를 사용하여 배터리 전압에 트랜스포머의 권선 비를 곱한 값으로 승압 커패시터를 충전한 후 스위칭 소자의 턴 오프 구간에서 배터리 전압과 승압 커패시터의 전압을 합한 전압으로 출력 커패시터를 충전함으로서 약 10배 이상의 높은 승압비에도 고효율로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명의 승압 컨버터는 무손실 전압제한부를 사용하여 스위칭 소자의 턴 오프 시의 전압을 제한할 뿐만 아니라, 전압제한부의 전압제한 커패시터를 트랜스포머와 공진하도록 함으로써 스위칭 소자의 턴 오프 시의 전압 상승 기울기를 조절하여 스위칭 소자의 스위칭 손실을 줄일 수 있는 장점도 있다. 본 발명의 태양광 인버터 시스템은 이러한 특징으로 인해 간단한 구조로 고효율을 달성할 수 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 태양광 인버터 시스템
110 : 태양광 모듈
120 : 역류 방지부
130 : 차단부
140 : 배터리
150 : 승압 컨버터
160 : 인버터
550 : 승압 컨버터
552 : 전압제한부

Claims

태양광 모듈의 에너지를 이용하여 교류 부하를 구동하기 위한 태양광 인버터 시스템으로서,
배터리로부터 상기 태양광 모듈로 에너지가 역류하는 것을 방지하기 위한 역류방지부;
상기 배터리의 충전 상태에 따라 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 배터리로 전달되는 것을 차단하기 위한 차단부;
상기 태양광 모듈로부터 에너지를 전달받아 저장하고 승압 컨버터로 직류 전압을 공급하는 배터리;
상기 배터리 또는 상기 태양광 모듈로부터 직류 전압을 공급받고 승압시켜 인버터로 출력하는 상기 승압 컨버터; 및
상기 승압 컨버터로부터 승압된 직류 전압을 공급받고 교류 부하를 구동하는 상기 인버터;를 포함하되,
상기 승압 컨버터는 트랜스포머, 스위칭 소자, 승압 커패시터, 출력 다이오드, 보조 다이오드 및 출력 커패시터를 포함하고,
상기 트랜스포머는 1차측 권선과 2차측 권선을 포함하고, 상기 1차측 권선의 일단은 상기 배터리의 양의 단자에 연결되고 상기 1차측 권선의 타단은 상기 스위칭 소자의 일단에 연결되며, 상기 2차측 권선의 일단은 상기 1차측 권선의 타단에 연결되고 상기 2차측 권선의 타단은 상기 승압 커패시터의 일단에 연결되며,
상기 스위칭 소자의 타단은 상기 배터리의 음의 단자에 연결되고,
상기 승압 커패시터의 타단은 상기 출력 다이오드의 애노드 단자에 연결되며,
상기 출력 다이오드의 캐소드 단자는 상기 출력 커패시터의 양의 단자에 연결되고,
상기 보조 다이오드의 애노드 단자는 상기 스위칭 소자의 일단에 연결되고 상기 보조 다이오드의 캐소드 단자는 상기 출력 다이오드의 애노드 단자에 연결되며,
상기 출력 커패시터의 음의 단자는 상기 배터리의 음의 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 승압 커패시터는 상기 스위칭 소자의 온 구간에서 상기 배터리 전압에 상기 트랜스포머의 1차측 권선에 대한 2차측 권선의 권선비(N)를 곱한 값으로 충전되는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 스위칭 소자의 온 구간에서 상기 승압 커패시터에 충전된 에너지는 상기 스위칭 소자의 오프 구간에서 상기 출력 커패시터로 전달되는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 승압 컨버터는 상기 승압 커패시터에 충전된 전압과 상기 트랜스포머에 축적된 에너지를 이용하여 상기 배터리로부터 공급받는 직류 전압을 10배 이상 승압하여 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 트랜스포머의 1차측 권선과 2차측 권선은 각각 상기 일단에서 상기 타단으로 전류가 흐를 때 동일한 방향의 자속을 생성하는 방향으로 권선된 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 태양광 인버터 시스템은 상기 스위칭 소자의 오프 구간에서 상기 스위칭 소자에 걸리는 전압을 제한하기 위한 전압제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 역류방지부는 역류 방지용 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 차단부는 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 배터리로 전달되는 것을 차단할 때 상기 태양광 모듈의 에너지가 상기 승압 컨버터로 전달되는 것은 차단하지 않는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터 시스템.