KR20030029570A - current-source inverter by parallel operation control - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양광 발전시스템에 있어서 연계형 인버터 장치에 관한 것으로 컨버터를 병렬형으로 구성하여 저왜율과 고효율 실현을 위한 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a linked inverter device in a solar power generation system and to a current source inverter by parallel switching for realizing low distortion and high efficiency by constructing a converter in parallel.
최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등 뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신장비 등 매우 다양하게 활용되고 있다.Recently, with the depletion of natural resources and the problems of environment and stability for thermal power and nuclear power generation, researches on solar and wind, which are representative environmentally friendly green energy, are being actively conducted. In particular, photovoltaic power generation is attracting considerable attention from the point of view of infinite energy and clean energy, and is widely used not only for vehicles, toys, residential power generation and street lamps, but also for unmanned lighthouses, clock towers, and communication equipment that are far from grid lines.
이러한 태양광 발전 시스템은 일반적으로 시스템의 이용분야, 부하의 종류, 입지 조건등에 다르지만 크게 태양전지 모듈, 축전지, 인버터 부분으로 구성된다.특히 태양광은 일사량, 온도, 주위 환경에 영향을 받으므로 태양전지 모듈에서 발생한 전기에너지를 일단 저장하기 위한 축전지가 필수적이다.Such photovoltaic power generation system is generally composed of solar cell module, storage battery, and inverter part, depending on the application field, load type, and location conditions of the system. In particular, solar power is affected by insolation, temperature, and surrounding environment. A storage battery is essential for storing the electrical energy generated by the battery module once.
그러나 상기 축전지는 고가에다 부피도 크고 축전지 액의 비환경친화적, 유출, 폭발의 염려에 대한 문제가 있어, 이를 해결하는 방법으로 태양에너지를 저장장치 없이 직접 전원 측으로 전달하는 것이다. 이러한 시스템에서는 태양전지의 DC출력을 AC계통과 연계하기 위한 인터페이스 회로인 인버터 회로가 중요한 부분을 차지한다.However, the battery is expensive and bulky, and there is a problem about the environmentally friendly, spillage, or explosion of the battery liquid. As a solution, the solar energy is directly transferred to the power source without a storage device. In such a system, the inverter circuit, which is an interface circuit for connecting the DC output of the solar cell with the AC system, plays an important part.
상기 인터페이스 회로 중 전류원형 인버터는 계통 연계시 인버터의 출력전압이 계통 전압보다 낮아도 무관하며, 부하 단락 및 인버터 사고시 단락에 대한 돌입전류가 없다는 장점이 있다. 이러한 전류원형 인버터를 사용하여 태양광 발전 시스템을 구성시 일반적으로 프로세서를 사용한 제어기를 사용하게 되는데 인덕턴스의 크기와 출력전류의 리플을 줄이기 위해서 높은 스위칭 주파수로 제어하여야 하나 인버터의 스위칭 주파수는 스위칭 손실과 프로세서의 성능에 따른 샘플링 주파수에 의해 제한되는 경우가 발생하는 문제점이 있다.Among the interface circuits, the current source inverter has no merit even if the output voltage of the inverter is lower than the grid voltage when the grid is connected, and there is an advantage that there is no inrush current against a short circuit during a load short circuit and an inverter accident. When constructing a photovoltaic power generation system using such a current source inverter, a controller using a processor is generally used. In order to reduce the inductance and the ripple of the output current, a high switching frequency must be controlled. There is a problem that the case is limited by the sampling frequency according to the performance of the processor.
도 1(a)에 예시된 바와 같이 태양전지와 계통과의 연계를 위한 인터페이스 회로로서 이용되는 PWM 인버터의 구조를 나타낸다. 상기 회로는 다섯개의 스위치와 하나의 인덕터 그리고 출력단의 LC 필터를 포함하여 구성된다. 스위칭 동작에 있어서 QA스위치만 쵸핑 동작을 수행하고, 나머지 스위치들은 계통의 극성에 따라 출력 방향만을 결정하게 되어 풀-브리지 스위치 전체가 쵸핑 동작을 수행하는 방식과 비교하여 스위칭에 의한 손실은 상당히 감소시킬 수 있다.As illustrated in FIG. 1A, a structure of a PWM inverter used as an interface circuit for linking a solar cell and a system is shown. The circuit comprises five switches, an inductor and an LC filter at the output stage. In switching operation, only the Q A switch performs the chopping operation, and the remaining switches determine the output direction only according to the polarity of the system, so that the loss due to the switching is considerably reduced compared to the method in which the entire full-bridge switch performs the chopping operation. You can.
도 1(b)에는 상기 전류원형 PWM 인버터의 주요동작 파형을 도시하였다. 각 스위치의 인가신호(Q)와 인덕터에 흐르는 전류(IL), 출력단의 전압(VOUT)과 전류(IOUT)의 파형을 나타낸다.Figure 1 (b) shows the main operation waveform of the current source PWM inverter. The waveforms of the applied signal Q of each switch, the current I L flowing through the inductor, the voltage V OUT of the output terminal, and the current I OUT are shown.
도 2는 도 1(b)의 인덕터 전류(IL)를 확대한 파형을 나타낸다. 각 모드별 동작을 간략히 설명하기 위해서 출력이 정(positive)인 경우만을 고려하고 모든 회로소자는 이상적이라고 가정한다.2 illustrates an enlarged waveform of the inductor current I L of FIG. 1B. To briefly explain the operation of each mode, only the case where the output is positive is considered and all circuit elements are assumed to be ideal.
모드 1 : (t0-t1) 구간에서는 스위치 QA가 턴-온되고 다이오드 DA는 역 바이어스 되어 턴-오프 된다. 따라서 인덕터 전류는 수학식 1의 기울기를 가지고 선형적으로 증가하기 시작한다.Mode 1: In the (t 0 -t 1 ) period, switch Q A is turned on and diode D A is reverse biased to turn off. Therefore, the inductor current starts to increase linearly with the slope of Equation 1.
스위치가 턴-온 상태인 구간 Ton동안 인덕터 전류는 수학식 2의 값을 가지게 된다.During the period T on when the switch is turned on , the inductor current has the value of Equation 2.
여기에서 Ton은 t1-t0이다. 따라서 이 Ton동안 인덕터에 저장되는 에너지는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Where T on is t 1 -t 0 . Therefore, the energy stored in the inductor during this T on can be expressed as Equation (3).
모드 2 : (t1-t2) 구간에서는 t1에서 스위치 QA가 턴-오프되면 인덕터 양단의 전압 극성은 반전하여 다이오드 DA가 바이어스 되어 ILpeak전류가 출력측으로 흐르게 되어, 모든 1에서 인덕터에 저장된 에너지는 부하로 전달되게 된다.Mode 2: In the (t 1 -t 2 ) section, when switch Q A is turned off at t 1 , the voltage polarity across the inductor is reversed, diode D A is biased and I Lpeak current flows to the output side. The stored energy is transferred to the load.
모드 3 : (t2-t3) 구간에서는 스위치 QA가 턴-오프 상태로 유지되고 입력단에서 출력단으로 에너지의 전달도 없는 구간이다.Mode 3: In the (t 2 -t 3 ) section, switch Q A remains turned off and there is no energy transfer from the input to the output.
상기 종래 기술에 의한 인버터 회로는 입력 인덕터에 흐르는 전류가 불연속적으로 동작하는 스위칭 주파수가 작고 컨버터 전류 크기가 커서 출력 전압의 리플이 증가하여 전체 회로의 효율이 감소하는 문제점이 있다.The inverter circuit according to the related art has a problem in that the efficiency of the entire circuit is reduced by increasing the ripple of the output voltage because the switching frequency at which the current flowing through the input inductor operates discontinuously and the converter current is large.
본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위해서 안출된 것으로, Buck-Boost 컨버터를 병렬로 연결하여 스위칭 주파수를 줄이고 효율을 증대시키기 위한 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터의 제공을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a current source inverter by parallel switching for reducing the switching frequency and increasing the efficiency by connecting Buck-Boost converters in parallel.
도 1 - 종래 전류원 인버터 회로도와 주요 동작 파형.1-Conventional current source inverter circuit diagram and main operating waveform.
도 2 - 종래 전류원 인버터에서의 Buck-Boost 컨버터의 QA신호에 따른 인덕터 전류 파형.2-Inductor current waveform according to Q A signal of a Buck-Boost converter in a conventional current source inverter.
도 3 - 본 발명에 따른 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터의 회로도.3-a circuit diagram of a current source inverter by parallel switching according to the present invention.
도 4 - 본 발명에 따른 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터의 주요 동작 파형.4-Main operating waveform of the current source inverter by parallel switching according to the present invention.
도 5 - 종래 인버터와 본 발명에 따른 인버터의 동작파형 비교.5-Comparison of operating waveforms of the conventional inverter and the inverter according to the present invention.
(a)종래 컨버터의 인덕터 전류(a) Inductor current of conventional converter
(b)종래 컨버터의 컨버터 출력전류(b) Converter output current of conventional converter
(c)본 발명에 따른 컨버터의 인덕터 전류(c) inductor current of the converter according to the invention
(d)본 발명에 따른 컨버터의 출력전류(d) the output current of the converter according to the invention
도 6 - 본 발명에 따른 (a)스위칭 신호와 계통전압 및 (b)컨버터의 출력전압, 전류.6-(a) switching signal and grid voltage and (b) output voltage and current of converter according to the present invention.
도 7 - (a)병렬스위칭을 하지 않은 경우와 (b)본 발명에 따른 병렬스위칭을 한 경우의 컨버터의 출력전압과 전류.7-(a) the output voltage and current of the converter when the parallel switching is not performed and (b) the parallel switching according to the present invention.
도 8 - 본 발명에 따른 계통전압 및 출력전류.8-Grid voltage and output current according to the present invention.
도 9 - 병렬스위칭을 하지 않은 경우와 본 발명에 따른 병렬스위칭을 한 경우의 출력에 따른 효율 비교.9-Efficiency comparison according to the output when the parallel switching is not performed and the parallel switching according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : Buck-Boost 컨버터 200 : 인버터100: Buck-Boost Converter 200: Inverter
300 : low-pass filter300: low-pass filter
상술한 바와 같은 목적달성을 위한 본 발명은, 상호 병렬로 연결되어 하나의 컨버터의 스위치가 오프/온되는 순간 다른 컨버터의 스위치가 온/오프되는 병렬형Buck-Boost 컨버터에 의해 구동됨을 특징으로 하는 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터를 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the object as described above is connected to each other in parallel is characterized in that driven by a parallel Buck-Boost converter that is switched on / off of the other converter when the switch of one converter is turned off / on The current source inverter by parallel switching is a technical subject matter.
또한 상기 병렬형 Buck-Boost 컨버터는, 컨버터간의 위상차를 180°로 두어 스위칭 주파수가 2배로 되게 하는 것을 특징으로 하는 것이 더욱 바람직하다.In addition, the parallel Buck-Boost converter is more preferably characterized in that the switching frequency is doubled by setting the phase difference between the converter to 180 degrees.
이에 따라 인버터의 스위칭 주파수를 줄여 컨버터의 전류의 크기가 크게 감소되며 그에 따른 출력전압 리플도 크게 감소되어 효율 특성이 우수한 이점이 있다.Accordingly, the size of the current of the converter is greatly reduced by reducing the switching frequency of the inverter, and the output voltage ripple is also greatly reduced, thereby providing an excellent efficiency characteristic.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래 전류원 인버터 회로도와 주요 동작 파형이고, 도 2는 종래 전류원 인버터에서의 Buck-Boost 컨버터의 QA신호에 따른 인덕터 전류 파형이고, 도 3는 본 발명에 따른 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터의 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터의 주요 동작 파형이고, 도 5는 종래 인버터와 본 발명에 따른 인버터의 동작파형 비교로 (a)종래 컨버터의 인덕터 전류, (b)종래 컨버터의 컨버터 출력전류, (c)본 발명에 따른 컨버터의 인덕터 전류, (d)본 발명에 따른 컨버터의 출력전류이고, 도 6은 본 발명에 따른 (a)스위칭 신호와 계통전압및 (b)컨버터의 출력전압, 전류이고, 도 7은 (a)병렬스위칭을 하지 않은 경우와 (b)본 발명에 따른 병렬스위칭을 한 경우의 컨버터의 출력전압과 전류이고, 도 8은 본 발명에 따른 계통전압 및 출력전류이고, 도 9는 병렬스위칭을 하지 않은 경우와 본 발명에 따른 병렬스위칭을 한 경우의 출력에 따른 효율 비교이다.1 is a circuit diagram of a conventional current source inverter and main operation waveforms, FIG. 2 is an inductor current waveform according to a Q A signal of a Buck-Boost converter in a conventional current source inverter, and FIG. 3 is a diagram of a current source inverter using parallel switching according to the present invention. 4 is a main operation waveform of the current source inverter by parallel switching according to the present invention, and FIG. 5 is a comparison of the operating waveforms of the conventional inverter and the inverter according to the present invention. (A) Inductor current of the conventional converter, (b) The converter output current of the conventional converter, (c) the inductor current of the converter according to the present invention, (d) the output current of the converter according to the present invention, Figure 6 shows (a) the switching signal and the grid voltage and (b) according to the present invention. The output voltage and current of the converter, Figure 7 is the output voltage and current of the converter when (a) not parallel switching and (b) parallel switching according to the present invention, Figure 8 is according to the present invention Grid voltage And output current, and Figure 9 is a comparison of the output efficiency in the case where the parallel switching of the present invention and if it is not the parallel switching.
도 3에 예시된 바와 같이 제안된 전류형 PWM 인버터 회로는 간단히 설명하면 2개의 전류형 Buck-Boost 컨버터(100)가 병렬로 구성되고 상기 컨버터의 출력단에 1개의 인버터(200)와 상기 인버터의 출력단에 low pass filter(300)로 구성된다.As illustrated in FIG. 3, the current-type PWM inverter circuit is briefly described, and two current-type Buck-Boost converters 100 are configured in parallel, and one inverter 200 and an output terminal of the inverter are disposed at the output terminal of the converter. It consists of a low pass filter (300).
상기 전류형 Buck-Boost 컨버터(100)를 구성함에 있어 전원전압이 태양전지 모듈의 출력 전압인 컨버터의 입력전압보다 높은 경우 및 낮은 경우에도 안정된 동작을 위해서는 Buck-Boost 컨버터(100)의 사용이 요구된다.In configuring the current Buck-Boost converter 100, the use of the Buck-Boost converter 100 is required for stable operation even when the power supply voltage is higher than or lower than the input voltage of the converter which is the output voltage of the solar cell module. do.
도 3에 예시된 바와 같이 상기 병렬형 Buck-Boost 컨버터(100)는 스위치(QA), 다이오드(DA), 인덕터(LA)를 사용한 Buck-Boost 컨버터와 스위치(QB), 다이오드(DB), 인덕터(LB)를 사용한 Buck-Boost 컨버터로 구성된다.As illustrated in FIG. 3, the parallel Buck-Boost converter 100 uses a switch Q A , a diode D A , an inductor L A , a Buck-Boost converter and a switch Q B , and a diode ( D B ) and a Buck-Boost converter using an inductor (L B ).
상기 인버터(200)의 스위치(Q1~Q4)는 전원전압과 동기되어 출력전압의 극성만을 결정하게 된다. 즉 QA스위치만 쵸핑 동작을 수행하고 나머지 스위치들은 계통의 극성에 따라 출력의 방향만을 결정하는데 사용된다. 따라서 풀-브릿지 스위치 전체가 쵸핑되는 것에 비하여 스위칭에 의한 손실을 상당히 줄일 수 있다.The switches Q 1 to Q 4 of the inverter 200 determine only the polarity of the output voltage in synchronization with the power supply voltage. That is, only the Q A switch performs the chopping operation and the other switches are used to determine the direction of the output only according to the polarity of the system. Thus, the loss due to switching can be considerably reduced compared to the entire full-bridge switch being chopped.
그러므로 상기 인버터(200)의 스위칭 주파수는 전원전압의 주파수와 동일하게 60[Hz]로 고정되게 된다. 상기 인버터(200) 출력단에 형성되어 있는 필터(LF, CF)(300)는 출력전류의 파형을 개선하기 위한 적은 용량을 사용하여야 하며, 이 용량이 크게 되면 전류의 위상변화로 인하여 전원측에서 보면 단위역률이 되지 못하는 경우가 발생한다.Therefore, the switching frequency of the inverter 200 is fixed at 60 [Hz] equal to the frequency of the power supply voltage. The filter (L F , C F ) (300) formed at the output terminal of the inverter 200 should use a small capacity to improve the waveform of the output current, if this capacity is large due to the phase change of the current in the power supply If you look at the unit power factor does not occur.
도 4는 제안된 병렬스위친에 의한 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 동작 파형을 나타내고 있다. 여기서 TS는 각 컨버터의 스위칭 주기이며 도 4 (a), (b)는 각 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류파형을 나타내고 있으며, 도 4 (c)는 상기 Buck-Boost 컨버터(100) 출력전류를 나타내고 있다.4 shows an operation waveform of the Buck-Boost converter 100 by the proposed parallel switcher. Here, T S is a switching cycle of each converter, and FIGS. 4A and 4B show current waveforms flowing through the inductor of each converter, and FIG. 4C shows the output current of the Buck-Boost converter 100. have.
도 4에서 보는 바와 같이 상기 Buck-Boost컨버터(100)의 병렬 구동시 스위칭 주기내에서 상기 Buck-Boost 컨버터 출력 전류(IDC)는 두개의 파형으로 나타나게 된다. 두 Buck-Boost컨버터간의 위상차를 180°로 둔다면 스위칭 주파수를 2배로 한 경우와 동일한 결과를 나타내게 된다. 본 발명에서는 전류형 Buck-Boost 컨버터의 PWM 신호 발생을 위하여 DSP(TMS320F241)를 사용하였으며 PWM 모드를 비대칭 모드로 사용함으로써 한 컨버터의 스위치가 온/오프 되는 순간 다른 컨버터의 스위치가 오프/온 되는 방식이 되어 스위칭 주파수를 2배로 한 경우와 완전히 동일하지는 않지만 거의 동일한 형태를 유지할 수 있다.As shown in FIG. 4, the Buck-Boost converter output current I DC is represented by two waveforms in a switching cycle during the parallel operation of the Buck-Boost converter 100. If the phase difference between two Buck-Boost converters is set to 180 °, the same result as when switching frequency is doubled. In the present invention, the DSP (TMS320F241) is used to generate the PWM signal of the current Buck-Boost converter, and the PWM mode is used as an asymmetric mode. This is not exactly the same as doubling the switching frequency but keeps the same shape.
또한 상기 Buck-Boost 컨버터(100) 출력단의 콘덴서(CDC)는 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 출력전류가 상기 인버터(200)의 전류로 한꺼번에 모두 되는 것을 막아 상기 인버터(200)의 스위칭 소자의 전류용량을 줄이는 역할을 한다. 이 콘덴서의 용량이 지나치게 크게 되면 상기 Buck-Boost 컨버터(100) 출력전압(VDC)은 평활화되며 상기 인버터(200)에서는 정형적인 전류를 발생시키지 못하게 된다.In addition, the condenser C DC at the output terminal of the Buck-Boost converter 100 prevents the output current of the Buck-Boost converter 100 from being simultaneously used as the current of the inverter 200, thereby switching devices of the inverter 200. It reduces the current capacity of If the capacitance of the capacitor becomes too large, the output voltage V DC of the Buck-Boost converter 100 is smoothed and the inverter 200 does not generate a formal current.
도 5는 동일 스위칭 주파수 하에서 기존의 컨버터에서 인덕터 및 출력전류 파형과 제안된 컨버터에서 인덕터 및 출력전류 파형을 나타내고 있다. 도시된 바와같이 180°위상차를 가지는 병렬 연결된 두개의 컨버터 회로에서 인덕터 전류는 결과적으로 거의 주파수가 2배가 되는 쵸핑동작을 수행하게 되는 것과 동일한 효과를 발생시키며 이에 따른 컨버터 출력전류도 거의 2배의 주파수를 가지게 된다.Figure 5 shows the inductor and output current waveforms in the conventional converter and the inductor and output current waveforms in the proposed converter under the same switching frequency. As shown, in two paralleled converter circuits with 180 ° phase difference, the inductor current has the same effect as performing the chopping operation, which almost doubles the frequency, and thus the converter output current is also nearly twice the frequency. Will have
상기 한 조의 Buck-Boost 컨버터(100)에서 원하는 출력을 가지기 위한 적정 인덕터의 값을 산정해 보면, 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 스위칭 주파수를 fSW라 하고 전원주파수를 fS라 하면 전원의 반주기 동안 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 스위칭 횟수(N)는 수학식 4와 같이 정의한다.When calculating a value of an appropriate inductor to have a desired output in the set of Buck-Boost converter 100, the switching frequency of the Buck-Boost converter 100 is f SW and the power frequency is f S. The number N of switching of the Buck-Boost converter 100 during the half cycle is defined as in Equation 4.
이 스위칭 횟수에 의해 스위칭 주기가 결정되면 스위칭 주기 내에서 스위치가 온하는 시간에 따라 출력전류는 다양하게 나타난다. 본 발명에서는 상기 Buck-Boost 컨버터(100)가 불연속 모드로 동작한다는 가정하에서, 단위역률로 전원측으로 에너지를 공급하기 위한 각 컨버터의 스위칭 시간은 수학식 5와 같은 스위칭 함수를 사용한다.When the switching period is determined by the number of switching, the output current varies depending on the time that the switch is turned on in the switching period. In the present invention, assuming that the Buck-Boost converter 100 operates in a discontinuous mode, the switching time of each converter for supplying energy to the power side at a unit power factor uses a switching function as shown in Equation (5).
단, θ는 nπ/N (n=1,2,3,...,N) 이고 D는 변조비(Modulation index)로 불연속 모드로 동작하기 위한 범위는 다음 수학식 6과 같다.However, θ is nπ / N (n = 1,2,3, ..., N) and D is a modulation index, and the range for operating in the discontinuous mode is shown in Equation 6 below.
수학식 5의 스위칭 함수에 의한 각 스위칭 구간에서의 인덕터 L에 축적되는 에너지는 수학식 7과 같이 표현된다.Energy accumulated in the inductor L in each switching section by the switching function of Equation 5 is expressed as Equation 7 below.
여기에서 n=1,2,3,...,N 이다. 만일 손실을 무시한다면 인덕터에 축적된 에너지는 모두 출력측으로 전달되고, sin항을 전원전압으로 취하면 단위 역률시의 전력과 동일한 형태가 된다. 수학식 7을 전력식으로 변환하면 다음 수학식 8로 표현된다.Where n = 1,2,3, ..., N. If the losses are ignored, the energy stored in the inductor is transferred to the output side. If the sin term is taken as the power supply voltage, it is the same as the power at the unit power factor. When the equation (7) is converted into a power equation, it is expressed by the following equation (8).
따라서 한 조의 Buck-Boost 컨버터(100)에서 원하는 출력을 발생하기 위한 인덕터는 다음 수학식 9와 같이 주어지게 된다.Therefore, an inductor for generating a desired output in a set of Buck-Boost converter 100 is given by Equation 9 below.
전체 인터페이스 회로의 작동은 다음과 같다.The operation of the whole interface circuit is as follows.
병렬로 연결된 2개의 Buck-Boost컨버터(100) 회로에 있어서, 스위치 QA가 온되면 다이오드 DA는 역 바이어스되어 오프된다. 따라서 인덕터 전류 iLA는 선형적으로 증가하기 시작한다. 일정 시간 후 QA가 오프되면 인덕터 LA양단의 전압 극성은 반전하게 되고 인덕터 LA가 소스로 동작하여 인덕터 LA에 저장된 에너지가 부하로 다이오드 DA를 거쳐 상기 인버터(200) 쪽으로 전달되게 된다.In two Buck-Boost converter 100 circuits connected in parallel, diode D A is reverse biased and turned off when switch Q A is on. Thus, the inductor current i LA starts to increase linearly. When Q A is turned off after a certain time, the voltage polarity across the inductor L A is reversed and the inductor L A is operated as a source, and the energy stored in the inductor L A is transferred to the inverter 200 through the diode D A to the load. .
또한 상기 스위치 QA가 오프되는 순간 스위치 QB가 온되며 다이오드 DB는 역바이어스되어 오프된다. 따라서 인덕터 전류 iLB는 선형적으로 증가하기 시작한다. 일정시간 후 QB가 오프되면 인덕터 LB양단의 전압 극성은 반전하게 되고 인덕터 LB는 소스로 동작하여 다이오드 DB를 거쳐 인버터 쪽으로 인덕터 LB에 저장된 에너지가 전달되게 된다.In addition, as soon as the switch Q A is turned off, the switch Q B is turned on and the diode D B is reverse biased to be turned off. Therefore, the inductor current i LB starts to increase linearly. If Q B is turned off after a certain time, the voltage polarity across the inductor L B is reversed and the inductor L B operates as a source to transfer the energy stored in the inductor L B through the diode D B toward the inverter.
상기와 같은 병렬구동에 의해 스위칭 주기 내에서 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 출력전류 IDC의 파형은 2개로 나타나게 된다. 만약 병렬 연결된 각 컨버터의 위상차를 180 °로 둔다면 스위칭 주파수를 2배로 한 경우와 동일하게 된다. 전류형 컨버터의 PWM 신호 발생을 위해 DSP(TMS320F241)을 제어기로 사용하였으며 PWM 모드를 비대칭 모드로 사용함으로써 한 컨버터의 스위치가 오프되는 순간 또 다른 컨버터의 스위치가 온되는 방식이 되어 스위칭 주파수를 2배로 한 경우와 거의 동일한 결과를 발생시킨다.By the parallel driving as described above, the waveform of the output current I DC of the Buck-Boost converter 100 appears in two within the switching period. If the phase difference of each paralleled converter is set to 180 °, then the switching frequency is doubled. DSP (TMS320F241) is used as a controller to generate PWM signal of current type converter. By using PWM mode as asymmetric mode, it turns on another converter as soon as it is switched off. It produces almost the same result as one case.
상기 Buck-Boost 컨버터(100) 출력단에 결합된 CDC는 컨버터 출력전류 IDC가 상기 인버터(200) 입력전류로 모두 되는 것을 막아 인버터부의 스위칭소자의 전류용량을 줄이는 역할을 한다.C DC coupled to the output of the Buck-Boost converter 100 prevents the converter output current I DC from becoming the input current of the inverter 200, thereby reducing the current capacity of the switching element of the inverter unit.
상기 인버터(200)를 구성하는 스위치 Q1~Q4는 전원전압과 동기되어 출력전압의 극성만을 결정하므로 상기 인버터(200)의 스위칭 주파수는 전원전압의 주파수인 60[Hz]로 고정되게 된다. 도 3의 회로도에서 정극성의 출력을 생성하기 위해서는 스위치 Q1과 Q2는 온 상태로 유지되고, 부극성의 출력을 생성하기 위해서는 스위치 Q3와 Q4가 온 상태를 유지되도록 제어된다. 상기 인버터(200)의 스위치는 쵸핑 동작을 수행하지 않고 계통의 극성에 따라 출력의 방향만을 결정하게 된다.Since the switches Q 1 to Q 4 constituting the inverter 200 determine only the polarity of the output voltage in synchronization with the power supply voltage, the switching frequency of the inverter 200 is fixed to 60 [Hz], which is the frequency of the power supply voltage. In the circuit diagram of FIG. 3, the switches Q 1 and Q 2 remain on to generate a positive output, and the switches Q 3 and Q 4 remain controlled to generate a negative output. The switch of the inverter 200 determines only the direction of the output according to the polarity of the system without performing the chopping operation.
상기 인버터(200)의 출력단에는 LF와 CF로 구성되는 low-pass filter(300)가 포함되어 입력 인덕터에 흐르는 전류가 불연속적으로 동작하기 때문에 연속적인 출력전류를 계통에 공급하기 위해서 계통과 인터페이스 회로 사이에 위치된다.The output terminal of the inverter 200 includes a low-pass filter 300 composed of L F and C F , so that the current flowing through the input inductor operates discontinuously so as to supply a continuous output current to the grid. It is located between the interface circuits.
본 발명에 따른 실험 결과는 도 6, 도7, 도 8에 도시되어 있다.Experimental results according to the invention are shown in FIGS. 6, 7 and 8.
도 6(a)는 전원전압(VS)과 병렬 구동되는 Buck-Boost 컨버터(100) 중 한 신호(QA) 그리고 극성결정을 위한 상기 인버터(200)의 스위칭 제어신호(Q1, Q2)를 나타낸다. 스위치 소자중 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 스위칭 신호인 QA는 단위역률이 될 수 있도록 쵸핑 동작을 수행하고, 상기 인버터(200)의 스위치는 출력극성의 정, 부를 결정하는 제어신호에 의해 온, 오프 동작을 수행하게 된다.6 (a) shows one signal Q A of the Buck-Boost converter 100 driven in parallel with the power supply voltage V S and the switching control signals Q 1 and Q 2 of the inverter 200 for polarity determination. ). Q A which is a switching signal of the Buck-Boost converter 100 among the switch elements performs a chopping operation so as to have a unit power factor, and the switch of the inverter 200 is controlled by a control signal for determining whether the output polarity is positive or negative. On and off operation will be performed.
도 6(b)는 병렬구동 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 출력전압(VDC)과 상기 Buck-Boost 컨버터의 인덕터 전류(ILA)를 나타낸다. 불연속적으로 동작하던 인덕터 전류는 필터를 거친 후 연속적인 전압으로 바뀌어 상기 인버터(200) 인가전압으로 사용된다.6 (b) shows the output voltage V DC of the Buck-Boost converter 100 and the inductor current I LA of the Buck-Boost converter in parallel operation. The inductor current which was discontinuously operated is converted into a continuous voltage after passing through a filter and used as an applied voltage of the inverter 200.
도 7은 병렬스위칭을 하지 않은 경우(a)와 한 경우(b)에 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 출력전압(VDC)과 인덕터 전류(ILA)를 나타내고 있다. 병렬스위칭을 한 경우가 하지 않은 경우에 비해 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 전류 크기도 크게 감소되었으며, 출력전압 리플도 크게 감소 되었다. 또한 병렬스위칭에 의해 상기 Buck-Boost 컨버터(100)의 스위칭 주파수는 40k[Hz]이지만 병렬운전으로 인하여 출력파형에는 80k[Hz]로 동작하게 된다.FIG. 7 shows the output voltage V DC and the inductor current I LA of the Buck-Boost converter 100 when the parallel switching is not performed (a) and (b). Compared with the case where the parallel switching is not performed, the current magnitude of the Buck-Boost converter 100 is also greatly reduced, and the output voltage ripple is also greatly reduced. In addition, due to parallel switching, the switching frequency of the Buck-Boost converter 100 is 40k [Hz], but due to the parallel operation, the output waveform is operated at 80k [Hz].
도 8은 최대출력전압인 솔라모듈의 출력전압을 52.3[V]로 제어하면서 출력이 150[W]일 경우의 계통전압과 출력전류를 나타내고 있다. 도시된 바에 의하면 출력전류가 계통전압과 180°위상차를 가지면서 정현적으로 공급됨을 알 수 있다. 따라서 별도의 전류제어기 없이 인덕터 전류를 불연속적으로 동작시켜 전류의 피크치가전압을 추종하도록 하여 높은 역률을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.8 shows the system voltage and output current when the output is 150 [W] while controlling the output voltage of the solar module, which is the maximum output voltage, to 52.3 [V]. It can be seen that the output current is supplied sine with a 180 ° phase difference from the grid voltage. Therefore, it can be seen that a high power factor can be obtained by operating the inductor current discontinuously without a separate current controller so that the peak value of the current follows the voltage.
이는 태양전지의 출력특성은 계속적으로 변화하는 일사량과 온도, 부하 상태등에 의해 변동하기 때문에 태양전지의 최대 출력점은 변하게 되므로 주위의 환경변화에 관계없이 항상 최대 출력점에서 동작하도록 제어하여야 한다.This is because the output characteristics of the solar cell fluctuate due to the continuously changing solar radiation, temperature, load condition, etc., so the maximum output point of the solar cell is changed.
도 9는 상기 인버터(200)를 병렬스위칭 하지 않은 경우와 한 경우에 출력에 따른 효율을 비교한 것이다. 도면에서 알 수 있듯이 병렬운전을 한 경우가 하지 않은 경우보다 효율이 더 높은 것으로 나타난다.FIG. 9 compares the efficiency according to the output when the inverter 200 is not parallel-switched and in one case. As can be seen from the figure, the case of parallel operation does not appear to be higher than the efficiency.
상기의 구성에 의한 본 발명은 Buck-Boost 타입의 병렬 전류형 컨버터에 의해 전류의 크기를 순시적으로 제어하였으며, 출력파형의 주파수는 컨버터 스위칭 주파수의 두배로 동작하게 되므로 출력의 리플을 줄이기 위해서 인덕턴스의 크기를 크게 하거나 높은 스위칭 주파수로 인버터를 제어할 필요가 없다.According to the present invention, the magnitude of the current is instantaneously controlled by a Buck-Boost type parallel current converter, and the frequency of the output waveform operates at twice the converter switching frequency, thereby reducing the inductance of the output. There is no need to increase the size of or control the inverter with high switching frequency.
따라서 인버터는 AC출력단의 정, 부 방향만을 결정 짓는데만 사용되므로 인버터 부분에서 스위칭에 의한 손실을 상당히 감소시키는 효과를 가진다.Therefore, the inverter is used only to determine the positive and negative directions of the AC output stage, which has the effect of significantly reducing the loss due to switching in the inverter portion.
또한 병렬운스위칭을 한 경우에 컨버터의 전류크기가 감소되었고 출력전압의 리플도 감소되어 전체 인터페이스 회로 내에서의 에너지 손실이 적어 고효율을 발휘하는 효과가 있다.In addition, the parallel current switching reduces the current size of the converter and reduces the ripple of the output voltage, thereby reducing the energy loss in the entire interface circuit, thereby achieving high efficiency.
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KR100790748B1 (en) * | 2006-02-20 | 2008-01-02 | 엘에스산전 주식회사 | Current source Inverter |
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