KR200437160Y1 - 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 고안은, 태양전지로부터 생성되는 직류전압을 승압하는 DC-DC컨버터, 직류전력을 사용자 교류전력으로 변환하는 삼상 인버터, 사용자 교류전력을 고전압 교류전력으로 변환하는 삼상 고전압 변압기로 구성되어 있는 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템에 관한 것으로서, 삼상의 사용자 교류전력을 고전압의 삼상 교류전력으로 변환시키며 사용자 교류전력과 고전압의 교류전력 사이를 절연시키는 기능을 수행하는 삼상 고전압 변압기를, 본원의 고전압 일체형 태양광 발전시스템을 사용함으로써, 태양광 발전으로 생성되는 전력을 사용자 교류전력을 변환하기 위해 DC-DC 컨버터를 이용함으로써 삼상 변압기를 제거할 수 있게 되며, 이로 인해, 삼상 변압기에서 발생되는 전력손실이 감소하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으며 시스템의 무게 및 크기의 감소 및 시스템의 가격을 획기적으로 절감시킬 수 있도록 하였다.

Description

계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템{Solar energy power generation system}
본 고안은, 태양전지로부터 생성되는 직류전압을 승압하는 DC-DC컨버터, 직류전력을 사용자 교류전력으로 변환하는 삼상 인버터, 사용자 교류전력을 고전압 교류전력으로 변환하는 삼상 고전압 변압기로 구성되어 있는 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈, 에너지 수입 의존도 증가, 기후변화협약 등 온실가스 배출 규제 의무화, 고유가 시대의 경제성장 유지를 위한 대응으로 신재생에너지의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
특히, 무공해, 무한정의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 태양광 발전시스템은 발전 부위가 반도체 소자이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없는 장점을 가진다.
또한 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이할 뿐만 아니라, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화 할 수 있기 때문에 이미 신재생에너지의 큰 축으로 자리잡고 있다.
도 1는 종래의 계통발전용 태양광 발전시스템의 구성도로서 태양전지, 입력 필터, 삼상 인버터, 삼상 변압기, 그리고 삼상 고전압 변압기로 구성되어 있다. 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환하고 태양광의 일사량에 따라 불규칙한 직류(DC: direct current)전압을 생성한다. 불규칙한 직류전력은 입력 필터를 통하여 직류저장 콘덴서에 저장되고 삼상 인버터를 통하여 직류전력을 삼상 교류(AC: alternating current)전력으로 변환시킨다. 삼상 인버터의 각 스위치들은 주어진 스위칭 주파수(switching frequency)에서 펄스폭변조(pulse-width modulation) 방식으로 제어된다. 그러나, 일사량이 적은 경우 직류전압은 낮아지게 되어 낮은 직류저장 콘덴서의 전압은 사용자 교류전압 (일반적으로 AC 380V)으로 변환될 만큼 충분히 큰 전압이 되지 못하기 때문에 인버터에서 출력되는 교류전압은 사용자 교류전압보다 낮은 교류전압으로 된다. 따라서, 저전압의 교류전력을 사용자 교류전력으로 변환하기 위한 삼상 변압기가 필요하다. 또한 사용자 교류전력은 고전압(일반적으로 AC 22,900V)의 계통과 연계하기 위한 삼상 고전압 변압기를 이용하여 전력을 발전하게 된다. 이와 같은 방식의 태양광 발전시스템에서는 계통주파수(일반적으로 60Hz)로 동작하는 삼상 변압기에서의 전력손실이 발생하고 이는 시스템의 효율을 감소시킨다. 또한, 삼상 변압기의 크기와 무게 및 가격을 증가시키게 된다.
본 고안은 이를 해결하기 위한 수단을 제공하기 위한 것으로서, 고전압의 계통시스템에 적용할 수 있는 고효율, 저가격 및 신뢰성 향상의 특징들을 갖는 계통 발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템의 제공을 그 주된 해결과제로 하고 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에 따른 계통 발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템은, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지, 불규칙한 직류전력을 승압하는 DC-DC컨버터, 직류전력을 삼상의 교류전력으로 변환하는 삼상 인버터, 사용자 교류전력을 고전압 교류전력으로 변환하는 삼상 고전압 변압기로 구성되어 있는 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템의 제안의 일환이다. 여기에서, DC-DC 컨버터는 부스트 컨버터로 동작하여 태양전지로부터 생성되는 불규칙한 직류전압을 사용자 교류전력으로 변환하기에 적합한 직류전력을 변환한다. 삼상 인버터는 직류전력을 사용자 교류전력으로 변환하고 삼상 고전압 변압기는 사용자 교류전력을 고전압의 교류전력으로 변환한다. 태양광 발전으로 생성되는 전력을 사용자 교류전력을 변환하기 위해 DC-DC 컨버터를 이용함으로써 삼상 변압기에서 발생되던 전력손실이 감소하여 시스템의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 시스템의 무게 및 크기를 감소시킬 수 있고 시스템의 가격을 절감할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 고안의 계통 발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템의 구성도로서 태양전지, DC-DC 컨버터, 삼상 인버터, 그리고 삼상 고전압 변압기로 이루어져 있다. 태양전지로부터 생성되는 직류전력은 DC-DC 컨버터를 통하여 사용자 교류전압에 필요한 직류전압으로 변환된다.
DC-DC 컨버터는 하나의 스위치, 다이오드, 그리고 인덕터로 이루어지며 입력전압을 상승시키는 부스트 컨버터(boost converter 혹은 step-up converter)로 동작한다.
스위치가 도통되었을 때 태양전지의 직류전력이 인덕터에 저장되었다가 스위치가 소거되었을 때 인덕터에 저장된 에너지가 직류저장 콘덴서 C d 로 전달되고, 이 때 저장되는 직류전압은 보통 600~700V 정도이다.
삼상 인버터의 스위치들은 주어진 스위칭 주파수에서 펄스폭변조 방식으로 제어되어 직류전력은 삼상의 교류전력으로 변환된다. 사용자 교류전력은 변환된 교류전력의 고조파 성분을 제거하기 위해 출력필터 (L o , C o )를 거친 후 생성된다.
태양광 발전시스템에서는 태양전지의 발전전력을 최대한 활용할 수 있도록 태양전지의 최대전력 추종(MPPT: maximum power point tracking) 기능과 사용자 교류전력과 연계하기 위한 고역률의 출력전류제어 기능을 가진다.
삼상 고전압 변압기는 삼상의 사용자 교류전력을 고전압의 삼상 교류전력으로 변환시키며 사용자 교류전력과 고전압의 교류전력 사이를 절연시키는 기능을 한다.
본 고안의 고전압 일체형 태양광 발전시스템에서는 태양광 발전으로 생성되는 전력을 사용자 교류전력을 변환하기 위해 DC-DC 컨버터를 이용함으로써 삼상 변 압기를 제거할 수 있다.
따라서, 삼상 변압기에서 발생되는 전력손실이 감소하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으며 시스템의 무게 및 크기의 감소 및 시스템의 가격을 줄일 수 있다.
도 3은 본 고안의 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템에서 DC-DC 컨버터를 다르게 구현한 예들이다.
도 3A는 발전전력을 증가시키기 위하여 여러 개의 태양전지를 병렬로 하지 않고 독립적으로 최대전력 추종 (MPPT) 기능을 수행하여 DC-DC 컨버터를 멀티스트링(multi-string)형으로 구현한 경우이며, 각 태양전지의 발전전력은 각각의 DC-DC 컨버터를 통하여 직류 저장 콘덴서에 저장된다.
도 3B는 DC-DC 컨버터의 구성요소로서 3-level DC-DC 컨버터로 구현한 경우로 태양전지에서 나오는 직류전류의 리플(ripple)을 줄일 수 있는 구성도이다.
이와 같이 본원에 따르면, 삼상의 사용자 교류전력을 고전압의 삼상 교류전력으로 변환시키며 사용자 교류전력과 고전압의 교류전력 사이를 절연시키는 기능을 수행하는 삼상 고전압 변압기를, 본원의 고전압 일체형 태양광 발전시스템을 사용함으로써, 태양광 발전으로 생성되는 전력을 사용자 교류전력을 변환하기 위해 DC-DC 컨버터를 이용함으로써, 제거할 수 있게 되며, 이로 인해, 삼상 변압기에서 발생되는 전력손실이 감소하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으며 시스템의 무게 및 크기의 감소 및 시스템의 가격을 저감시키는 등의 매우 뛰어난 효과를 도모할 수 있다.
본 고안은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 종래의 계통발전용 태양광 발전시스템 구성도,
도 2는 본 고안의 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템 구성도, 및
도 3은 본 고안의 DC-DC 컨버터의 다른 실시예를 도시한 구성도.

Claims (3)

  1. 태양전지로부터 생성되는 직류전압을 승압하는 DC-DC컨버터, 직류전력을 사용자 교류전력으로 변환하는 삼상 인버터를 구비하여, 사용자 교류전력을 고전압 교류전력으로 변환하도록 구성된 것을 특징으로 하는 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    발전전력을 증가시키기 위하여 여러 개의 태양전지를 병렬로 하지 않고 독립적으로 최대전력 추종 (MPPT) 기능을 수행하여 DC-DC 컨버터를 멀티스트링(multi-string)형으로 구현하고, 각 태양전지의 발전전력은 각각의 DC-DC 컨버터를 통하여 직류 저장 콘덴서에 저장되도록 된 것을 특징으로 하는 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기는 DC-DC 컨버터의 구성요소로서 3-level DC-DC 컨버터로 구현한 경우로 태양전지에서 나오는 직류전류의 리플(ripple)을 줄일 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100868033B1 (ko) 2008-02-28 2008-11-11 주식회사 루텍 태양 광 발전용 전력변환장치

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