KR20060091672A - 태양광시스템의 컨버터 및 그 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 컨버터 출력단자의 구성을 개선시켜 출력 콘덴서의 동작전압과 커패시턴스 용량을 저감시키고, 부가적인 스위칭 손실의 증가없이 등가 스위칭 주파수를 증가 시킬 수 있게하여 출력전압 리플 저감시킬 수 있는 태양광시스템의 컨버터와 그 제어장치에 관한 것이다.

본 발명은 태양광 컨버터를 제안하고 분석하며, 출력을 증가시키고 출력전압의 리플을 저감하기 위한 새로운 병렬 구동회로와, 개량된 컨버터의 입·출력 관계는 기존의 승압형 컨버터인 부스트 컨버터와 동일하지만, 출력단자의 구성을 변형시켜 출력 콘덴서의 동작전압과 커패시턴스 용량을 저감시키고, 기존 병렬 구동 방식의 전류 분배에 대한 불평등 문제를 해결하고, 부가적인 스위칭 손실의 증가 없이 등가 스위칭 주파수를 증가 시킬 수 있어 출력전압 리플 저감에 효과적이다.

컨버터, 태양전지,

Description

태양광시스템의 컨버터 및 그 제어장치{Photovoltaic generation by parallel driving of modified buck-boost converter}

도 1은 태양전지의 등가회로도,

도 2는 태양전지의 특성 곡선도를 나타낸 것으로,

(a) 전류-전압 (b) 전압-전력

도 3은 종래 승압형 컨버터 회로도로서,

(a) 부스트 컨버터, (b) 벅-부스트 컨버터

도 4는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터를 이용한 회로도로서,

(a) 컨버터, (b) 컨버터의 동작모드

도 5는 시비율에 따른 전압 변동 특성도

도 6은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터를 이용한 회로도,

도 7은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 전류제어기와 동작파형도,

도 8은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터 병렬구동의 주요 동작 파형도,

도 9는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터 출력전압 리플저감을 위한 전류제어기,

도 10은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 전체 제어 블록도

도 11은 종래의 병렬 구동시 시뮬레이션 결과물

도 12는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터 병렬 구동시 시뮬레이션 결과물

도 13은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터 사진

도 14는 전류제어기에 사용되는 전류센서 및 제어기의 LPF(low-pass filter)에 대한 특성을 나타낸 파형도

도 15는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 스위치 턴-온을 위한 SET 신호도,

도 16은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터 게이트 신호 생성 원리도,

도 17은 A상 컨버터의 게이트 신호 및 A상, B상, C상 인덕터에 흐르는 전류파형도,

도 18은 일정 전류 제어모드 상태에서 출력전압변동에 따른 출력측 전압 리플율에 대한 시험데이터.

본 발명은 태양광 컨버터 출력 콘덴서의 동작전압과 커패시턴스 용량을 저감시키고, 부가적인 스위칭 손실의 증가없이 등가 스위칭 주파수를 증가 시킬 수 있게하여 출력전압 리플 저감에 기여할 수 있는 태양광시스템 컨버터와 그 제어장치를 제공함에 있는 것이다.

현재 전 세계적으로 에너지 의존도가 가장 높은 화력과 원자력 발전은 자원의 고갈과 환경 및 안정성 등의 문제로 인해 대체 에너지에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 그 중에서도 태양광 발전은 유지보수비가 거의 들지 않으며, 무한한 청정에너지라는 관점에서 상당한 각광을 받으며, 현재에도 많은 연구가 이루 어지고 있다. 현재 태양광 전원은 배터리 충전기, 펌프, 가정 전원, 가로등, 인공위성의 전원시스템과 같이 폭넓은 분야에 사용되고 있다. 그러나 태양광 발전 시스템은 태양 전지 모듈을 비롯한 시스템의 고가로 인한 실용화 보급에 다소 제한을 받고 있는 실정이다.

따라서 최근 제조원가를 줄이거나 효율 개선을 통하여 실용화시기를 앞당기기 위한 노력과 더불어 인버터 등 주변 장치의 저가화 및 고효율화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

태양전지는 낮은 변환 효율을 갖고 있어 전체 시스템의 단가를 줄이는 대안은 전력변환 장치의 고효율화와 태양전지로부터 최대 에너지를 발생하도록 제어하는 것으로 일반적인 태양광 발전시스템은 태양전지의 DC 출력을 원하는 레벨의 DC 전압으로 변환하기 위해 DC/DC 컨버터를 적용하게 되며, 입·출력 전압의 조건에 따라 승압형(boost), 강압형(buck), 승강압(buck-boost) 형태로 되어 있다.

상기한 컨버터는 최대전력점 추종(MPPT: maximum power point tracking)과 동시에 출력전압 또는 출력전류를 일정하게 유지하기 위해 PWM 스위칭 기법을 적용하게 된다. 출력전압의 리플을 저감시키는 관점에서는 고주파 스위칭이 유리하지만, 스위칭 손실에 따른 전체 시스템의 효율 저하와 EMI 노이즈 등의 문제를 고려하여야 한다.

태양광 발전시스템의 출력을 증가시키는 방법으로는 컨버터 모듈을 병렬 접속하여 전체 출력을 증가시키는 방법이 널리 이용된다. 그러나 여러 대의 컨버터가 동일한 입력과 출력단을 가지고 동일한 스위칭 신호에 의해 구동이 될 경우, 각 컨 버터의 전류는 불균형이 발생하기 쉽다. 병렬로 접속된 컨버터들의 파라메타가 현실적으로 정확히 동일할 수 없으며, 이로 인해 스위칭 신호의 시비율에 미소한 차이를 발생 시키게 된다.

따라서 동일한 신호가 각각의 컨버터 스위치의 제어 신호로 주어지더라도, 각 스위치의 게이트 신호에는 약간의 차이가 나타나게 되므로, 상대적으로 가장 큰 도통비를 가지는 컨버터는 전류 연속 모드로 동작하게 되고 나머지 컨버터들은 전류 불연속으로 동작하게 된다. 이후 부하를 증가 시킨다면 전류 연속 모드로 동작하는 컨버터는 더욱 더 전류가 증가되어 스위치의 전류정격을 벗어나게 된다.

이러한 전류 불균형 문제를 해결하기 위해서 결합된 인덕터(coupled inductor)를 이용한 방식, 히스테리시스 전류 제어기법 등이 기존 승압형 컨버터를 이용하여 구현되었다. 각 컨버터 스위치의 시비율에 차이가 발생하더라도 각각의 인덕터에 흐르는 전류는 거의 동일하여 전류 불평형에 대한 문제는 충분히 해결된 반면에 최종 출력단의 전류는 회로의 기본적인 특성상 전류 불연속으로 흐르게 되어 환류 다이오드의 전류 정격이 상승하고 출력 리플의 저감을 위해서는 출력 콘덴서의 용량을 증가 시켜야한다는 단점이 있었다.

이에 본 발명에서는 태양광 발전에 적합한 새로운 DC/DC 컨버터 전력회로를 제안하고, 컨버터의 출력증대 및 특성개선을 위해 DC/DC 컨버터의 병렬운전 기법을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 DC/DC 컨버터 간의 파라미터가 상이하여도 부하분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭 회로와, DC/DC 컨버터의 전력회로는 벅-부스터 컨버터의 기본 토폴로지에서 태양광 발전에 적합하도록 출력 콘덴서의 접속을 다르게 구성하고, DC/DC 컨버터의 특성 개선을 위해 컨버터 4개를 병렬로 구성하여 등가 스위칭 주파수를 증대시킬 수 있어 출력전압 리플 저감이 가능하게 하고, 병렬로 연결된 변형된 DC/DC 컨버터에서 부하분담 비율을 우수하게 하기 위해 전류 피드백에 의한 스위칭 함수를 구현하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 위해 본 발명은 소정의 전원을 발생시키는 전원부; 상기 전원부와 직렬연결되어 소정의 전원을 충전 및 방전하는 충전소자; 상기 충전소자와 직렬연결되는 다이오드; 일측단자가 상기 전원부와 충전소자사이에 연결되고 타측단자가 상기 다이오드의 애노드에 연결되는 컨덴서; 상기 충전소자와 다이오드사이와 상기 전원부의 음단자에 제 1 및 제 2 단자가 각각 연결되고, 소정의 주기를 갖고 온/오프스위칭되어 상기 충전소자를 충전 또는 방전시키는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 입사되는 태양광을 소정의 전원으로 승압 또는 감압시켜 출력하는 태양광시스템의 제어장치에 있어서, 입사되는 태양광에 비례하여 전원을 발생시키는 태양전지와; 상기 태양전지에서 출력된 전압을 감지하여 전류지령치를 출력하고, 90도의 위상차를 갖는 적어도 복수개이상의 스위칭제어신호를 출력하는 제어부와; 상기 제어부에 출력된 전류지령치의 필터링하여 출력하는 로우패스필터와; 상기 태양전지로부터 입력되는 전원을 승압 또는 감압시키는 컨버터부와; 상기 제어부에서 인가되는 90도의 위상차를 갖는 스위칭제어신호에 따라 상기 컨버 터를 온시키고, 상기 컨버터에서 피드백되는 출력전류와 상기 로우패스필터를 통해 인가되는 전류치를 비교하여 상기 컨버터부를 오프시키는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광시스템의 컨버터제어장치를 제공한다.

상기 컨버터부는 상기 태양전지에 직렬연결되는 컨덴서와; 상기 태양전지의 (+)단과 상기 컨덴서사이에 병렬연결되는 충전소자와, 상기 충전소자에 직렬연결되는 다이오드와, 상기 충전소자와 다이오드사이에 제 1 단자가 연결되고, 상기 전류제어부에 제 2 단자가 연결되고, 상기 태양전지의 (-)단에 연결되는 제 3 단자가 구비되는 스위칭소자를 포함하여 각각 병렬 연결되는 적어도 하나 이상의 스위칭회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광시스템의 컨버터제어장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 태양전지를 수학적으로 모델링 한 것으로 태양전지의 특성을 해석하는데 일반적으로 적용되는 one-diode 모델의 등가회로를 나타내고 있다.

도 1에서 알 수 있듯이 태양전지에서 발생되는 전압과 전류의 관계는 비선형성이 매우 강하다. 이러한 비선형성을 갖는 태양전지의 I-V특성곡선을 얻기 위한 기본수식은 식 (1)과 같이 주어진다.

단, I : 태양전지의 출력전류, V : 태양전지의 출력전압

Rs : 내부직렬저항, Rsh : 내부병렬저항

ILG : 광 발생전류, IOS : 온도특성 계수

q : 전하량, k : 볼쯔만 상수

A : pn접합 재료 계수, T : 태양전지 온도

도 2(a) 및 도 2(b)는 식 (1)의 태양전지의 I-V 특성식으로부터 나타난 태양전지의 전압-전류 및 전압-출력 특성을 나타낸다.

식 (1)의 태양전지의 I-V 특성식에서 알 수 있듯이 태양전지의 출력은 일사량 및 온도 등의 주변 환경에 따라 변하게 되고, 부하상태 또한 변하기 때문에 태양전지의 전압-전류 특성의 MPPT점과 부하에 의해 결정되는 점이 항상 일치하기란 거의 불가능하다.

도 2(a)에서 부하(RL)에 의해서 결정되는 태양전지 전압 전류 점은 A가 되어 태양전지의 MPPT점에서 벗어나 있게 된다. 이 동작점을 MPPT점으로 이동하기 위해서는 등가부하가 MPPT점을 만족하는 부하(RE)로 바꾸어 주는 장치가 필요하다. 이러한 등가부하를 만들 수 있는 장치가 컨버터이다. 따라서 태양전지를 효율적으로 사용하기 위해서는 MPPT 제어를 행하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 전압 또는 전류를 제어할 수 있는 컨버터의 설치가 필수적이다.

한편, 태양전지를 이용하여 원하는 DC 전원을 발생시킬 경우, 요구하는 DC 전원전압이 태양전지의 출력 단자전압보다 낮은 때에는 대부분 벅-컨버터를 사용한다. 그러나 요구하는 DC 전원전압이 태양전지의 출력단자전압보다 높은 경우에는 승압기능을 가진 컨버터를 사용하여야 한다. 승압기능을 가진 대표적인 DC/DC 컨버 터는 도 3(a)에 나타난 부스터 컨버터가 있다.

부스터 컨버터와 벅-부스터 컨버터의 특성은 유사하나 벅-부스터 컨버터는 입력전압보다 출력전압을 높게 및 낮게 제어할 수 있다는 장점 이외에 부스터 컨버터에 비하여 컨버터의 전력 소자에 나타나는 전압이 높고, 시비율 변동에 따른 출력전압의 민감도가 높아지는 등의 단점으로 부스터 컨버터가 많이 사용된다.

도 4(a)는 종래의 벅-부스터 컨버터를 개량하여 태양광 발전에 적합하도록 개량한 본 발명의 승압형 컨버터를 나타내고 있다.

본 발명의 컨버터는 벅-부스터 컨버터의 입력전압과 출력전압이 직렬로 연결되도록 출력단자를 인출하였고, 스위칭 소자의 게이트 전원 신호를 입력전압을 바로 사용할 수 있도록 스위치의 위치를 바꾼 형태를 하고 있다. 이러한 구조로 인하여 출력단의 콘덴서 용량을 부스터 컨버터에 비하여 적게 할 수 있는 장점을 가진 상태에서 부스터 컨버터와 동일한 특성을 갖는 장점이 있다.

도 4(b)은 본 발명에 따른 컨버터의 인덕터의 전류가 연속인 경우의 인덕터 양단 전압과 전류 파형을 도시한다. 인덕터 양단에 Volt-second 법칙을 적용시키면 제안된 컨버터의 입·출력 관계식은 다음과 같다.

스위칭 주기 Ts를 이용하여 정리하면 식 (3)과 같다.

여기서 Ts = ton + toff 이다.

따라서 본 발명에 따른 컨버터의 시비율과 입·출력 전압 관계식은 다음 식 (4)과 같다.

여기서 D = ton/Ts 이다. 식 (4)에서 알 수 있듯이 개량된 컨버터의 입·출력 관계는 기존의 부스터 컨버터와 동일함을 알 수 있다.

도 4(a)에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 컨버터의 출력전압은 출력 콘덴서 양단 전압과 입력전압의 합에 의해 클램프 됨을 알 수 있다. 따라서 입력전압과 출력 콘덴서 전압과의 관계식을 도 4(b)으로부터 유도해 보면 식 (5)과 같다.

또한 식 (3)과 식 (4)으로부터 출력 콘덴서 전압과 출력 전압의 관계는 다음의 식 (6)과 같다.

식 (5)과 식 (6)으로부터 제안된 컨버터가 부분적으로 기존의 벅-부스터, 벅 컨버터의 입·출력 관계가 있음을 알 수 있다.

도 5는 일정 출력 전압 조건에 있어 시비율에 따른 출력 콘덴서 전압과 입력 전압과의 관계를 보여준다.

출력 콘덴서의 전압은 식 (5)에서 정의 되듯이 입력전압 보다 크거나 혹은 작을 수 있다. 50%의 시비율 조건에서 입력과 출력 콘덴서 전압이 교차됨을 알 수 있고, 이상적인 경우에는 거의 1에 가까운 시비율이 조건이 가능하나 현실적으로는 인덕터, 스위치, 환류 다이오드, 콘덴서 등과 연관된 기생 성분의 손실에 의해 보통 80% 정도의 시비율까지 응용 가능하다.

위의 관계에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 컨버터는 기존의 부스터 컨버터와 동일한 입·출력 특성을 가진다. 그러나 본 발명에 따른 컨버터는 기존의 부스터 컨버터와 비교하여 다음의 몇 가지 장점을 가진다.

첫째, 기존의 부스터 컨버터의 출력 전압은 출력 콘덴서 전압을 사용하나 제안된 컨버터에서는 출력전압이 입력전압과 출력 콘덴서 전압의 합으로 사용하게 된다. 따라서 출력 콘덴서의 동작전압이 기존의 부스터 컨버터에 비해 낮아져, 동일한 출력전압 리플율에서 콘덴서 용량이 적어지는 장점이 있다.

둘째, 적은 출력 콘덴서 용량으로 인하여 기동시 초기 돌입전류가 적다는 장점이 있다.

도 6은 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 출력증대 및 출력전압 리플 저감을 위해 제안된 DC/DC 컨버터 4조를 사용한 병렬회로 구성을 나타내고 있다.

도 6에서와 같이 컨버터가 병렬로 구성될 경우 부하 분담의 문제가 발생하게 된다. 병렬로 연결된 각 DC/DC 컨버터는 입력과 출력을 동일하게 사용함으로 부하분담이 동일하려면 각 컨버터의 파라메타 및 시비율이 동일하여야한다. 특히 각 컨 버터에 인가되는 시비율에 미소한 차이가 발생하면 시비율이 가장 큰 컨버터에서만 전류 연속 모드로 동작하고, 나머지 컨버터는 전류 불연속 모드로 동작하여 에너지 전달 기능이 한 곳에 편중되게 된다. 이러한 부하 분담의 편중을 막기 위해서는 각 DC/DC 컨버터에는 전류 제어기가 필요하게 된다.

따라서 병렬로 연결된 각 컨버터에서 발전되는 양의 균일한 분담을 위해서 전류 제어형으로 구성하여야 한다. 이를 해결하기 위해서 도 7과 같은 속응성이 뛰어난 피크전류 제어방식으로 전류를 제어한다.

도 7의 전류 제어기는 비교기와 플립플롭으로 구성된다. 스위칭 주기마다 플립플롭의 셋 단자를 인에이블(enable) 시켜 스위치를 온 되게 하여 실제 전류는 증가하게 되고, 비교기에서 전류 지령치와 실제 전류를 비교하여 실제 전류가 지령 전류치보다 크게 되면 리셋 단자를 인에이블 시켜 스위치를 오프 시키게 되어 전류는 감소하게 된다. 이러한 전류 제어방식에서 제어기의 속응성은 델타 변조기법과 동일한 우수한 특성을 갖게 되고, 스위칭 주파수는 일정하게 할 수 있는 장점을 갖고 있다.

도 6과 같이 4조로 구성된 병렬 컨버터에는 도 7과 같은 전류제어기 4조가 필요하게 된다. 이러한 병렬 구동 컨버터에서 등가 스위칭 주파수를 증대시켜 출력 전압의 리플을 개선하기 위해서는 컨버터의 상호 연관된 스위칭 기법이 필요하다. 즉 등가 스위칭 주파수를 증대시키기 위해서는 각 컨버터의 스위칭 신호에 위상차가 필요하게 되며, 각 컨버터의 스위칭 함수의 위상차는 아래 식을 만족하여야한다.

단, N = 병렬 컨버터 개수.

도 6의 경우, 병렬 컨버터 개수가 4 개이므로 각 컨버터의 위상차는 90°되어야하며, 결과적으로 등가 스위칭 주파수는 실제 스위칭 주파수의 4배가 되는 효과가 발생한다.

도 8은 등가 스위칭 주파수를 증가시키기 위해 제안된 스위칭 방식으로 제어할 경우 각 컨버터의 인덕터 전류와 출력측 콘덴서로 유입되는 전류를 나타내고 있다. 도 8에서 알 수 있듯이 각 컨버터의 한 주기 인덕터 전류에 대하여 출력측 콘덴서로 유입되는 전류는 네 주기가 나타난다. 따라서 등가 스위칭 주파수는 실제 스위칭 주파수의 네 배가 된다.

태양광 발전용 DC/DC 컨버터의 병렬운전 효과를 극대화하기 위해서는 각 컨버터 간에 상호 연관된 스위칭 기법이 필요하다. 도 9는 도 6과 같이 4조로 구성된 병렬 컨버터에서 출력전압 리플을 저감하기 위한 컨버터의 전류제어 블록도이다.

전류제어기는 DSP, 플립플롭 및 비교기로 구성된다. DSP TMS320F2406은 자체에 2개의 타이머를 갖고 12개의 PWM 출력단자를 가지고 있다.

상기 제어기에서는 타이머 1과 타이머 2의 값을 90°위상차를 갖는 값으로 초기화하여 사용하고, 각 타이머에서 발생되는 정 및 부의 PWM 단자를 사용함으로 위상차 90°을 갖는 4개의 연속적인 펄스를 발생하게 하여 각 컨버터의 스위치를 온(ON)하게 하였으며, 각 컨버터의 전류를 피드백하여 지령전류와 비교하여 각 컨 버터의 스위치를 오프(OFF)하게 하였다. 이때 전류신호에는 스위칭 노이즈에 의한 오동작을 방지하기 위해서 저역통과 필터를 사용하였다.

도 10은 태양광 발전용 DC/DC 컨버터의 전체 제어 블록도를 나타내고 있다. 우선 DSP의 자체 12-bit AD를 통하여 태양전지의 전압, 출력전압 및 전류를 검출한다. 각 센서로부터 검출된 전압 전류로부터 태양전지의 동작전압을 제어하여 MPPT가 되도록 제어한다. 이때 태양전지의 전압제어 알고리즘은 P&O (perturbation and observation) MPPT법을 사용하였다.

P&O MPPT에서 발생한 전압을 제어하기 위한 전류 지령치는 비례적분 제어기를 사용하여 전류 지령치를 발생하였다. 4조로 구성된 병렬 컨버터의 스위치의 온 신호는 90°위상차를 갖는 타이머 1과 타이머 2를 이용하여 PWM1, PWM2, PWM7, PWM8 단자에서 발생하며, 오프 신호는 태양전지 단자전압의 지령치와 실제치에 의한 비례 적분제어 값을 PWM3을 통하여 펄스폭으로 발생하고 이를 저역통과 필터를 통한 값과 각 컨버터의 전류를 피드백하여 지령전류의 비교에 의해 발생한다.

도 11은 병렬 구동에서 입력전압에 대한 출력전압의 비를 1.3으로 설정하고, 상 스위칭 신호에 위상차를 두지 않은 경우의 시뮬레이션 결과이다. 이때의 스위칭 주파수는 20[kHz]로 설정하였으며, 각 컨버터는 동일한 특성을 갖는다고 가정하였다. 도 11에서 알 수 있듯이 4조의 컨버터의 스위칭 신호가 동일하게 인가됨으로 각 컨버터의 인덕터 전류(iA, iB, iC, iD)는 동일한 형태를 취하고 있다. 이로 인하여 컨버터 출력단으로 유입되는 전류(io)는 기존의 단독운전용 컨버터와 같이 불연속으로 동작한다. 이러한 불연속 전류는 일반적인 인버터에서 출력전압 리플을 증가시키는 요인임으로 DC/DC 컨버터의 약점으로 알려져 있다. 또한 시뮬레이션 결과 각 컨버터 시비율이 다른 상신호가 인가될 경우 전력분담은 시비율이 제일 큰 쪽으로 몰림을 확인하였다.

도 12는 본 발명에 따른 컨버터가 병렬 구동 방식으로 도 10과 같은 조건에서 상기 스위칭 신호에 위상차 90°을 유지하도록 설정한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도 12에서 알 수 있듯이 컨버터 출력단으로 유입되는 전류는 기존의 단독운전용 컨버터와 달리 연속전류로 동작한다. 이러한 연속 전류는 출력전압 리플을 감소시킴으로 일반적인 컨버터에서 선호하는 구성 방식이 된다.

도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 병렬 컨버터의 사진을 나타내고 있다. 정격용량이 300[W]인 인버터 4조를 사용하여 병렬 구동방식으로 구성하였으며, DSP에서 모든 제어를 행하게 하였다. 제작된 시작품의 파라메타를 표 1에 정리하였다.

종류	특성
Solar array 출력	50 [W] x 25 [panel]
컨버터 출력	DC 180 V
스위치	Power MOSFET 2SK2198
인덕터	PC30 코어
입·출력 콘덴서	100 [ F]
케이트엠프	TLP250

<실시예>

본 발명에 따른 컨버터 및 제어장치의 타당성을 검증하기 위해 1.2 [kW]급 시작품을 제작하고 태양전지 모듈(solar array)을 이용하여 제안된 개량된 컨버터와 전류제어기법을 이용하는 시스템의 우수한 출력전압 리플 저감 특성과 전류 불평형 문제를 해결하였다.

도 14는 전류제어기에 사용되는 전류센서 및 제어기의 LPF(low-pass filter)에 대한 특성을 고찰하기 위한 파형을 나타내고 있다. 전류센서의 LPF의 시정수는 시험적으로 스위칭 노이즈를 제거하기 위해서 약 1[s]로 설정하였고, 전류 제어기의 시정수는 약 1 [ms]로 설정하였다.

도 15는 본 발명에 따른 병렬 구동 컨버터에서 각 컨버터의 상 스위치 온 신호를 나타내고 있으며, 네 개의 각 스위칭 신호는 정확하게 90°위상차를 갖고 있음을 알 수 있다. 이 신호는 DSP의 타이머 1 및 타이머 2의 초기값을 90°해당하는 값으로 설정함으로서 이루어진다.

도 16은 전류 제어기의 특성을 관찰하기 위한 파형으로 스위치 온(ON)신호, 지령 전류치, 스위치 소스(source)단에 연결된 전류 검출저항의 전압 및 A상 게이트 신호를 나타낸다. A상 게이트신호는 DSP에서 발생하는 스위칭 주파수에 해당하는 상 스위칭 온 신호에 의해 온 되며, 지령전류와 스위칭 소자의 전류의 비교에 의해 스위칭 소자의 전류가 지령전류와 같아지는 시점에서 상 스위칭 신호를 오프하게 된다.

도 17은 A상 컨버터의 게이트 신호 및 A상, B상, C상 인덕터에 흐르는 전류파형을 나타내고 있다. 파형에서 일수 있듯이 각 인덕터 전류는 전기적으로 90° 를 유지하는 형태를 취하고 있어 컨버터의 병렬 운전으로 인하여 컨버터 출력전류에는 스위칭 주파수의 상승효과가 나타나며, 각 컨버터의 부하분담 특성은 매우 우수하게 나타났다.

도 18은 일정 전류 제어모드로 둔 상태에서 출력전압변동에 따른 출력측 전 압 리플율에 대한 시험결과이다. 입력전압 출력전압 비가 적은 부분에서는 제안된 인버터의 출력 리플율은 기존의 것과 비슷한 결과를 가지나, 출력전압이 어느 정도 높은 부분에서는 기존의 인버터 방식에 비하여 제안된 인버터 방식이 출력전압 리플에서 매우 우수함을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에서는 태양광 발전에 적합한 전력회로를 위해 입력전압과 직렬형태를 취하여 출력전압을 형성할 수 있는 컨버터 제공함과 동시에 컨버터의 출력증대 및 특성개선을 위해 DC/DC 컨버터의 병렬회로로 구성하고, 병렬구동 컨버터에서 부하분담 특성을 우수하게 할 수 있는 스위칭회로를 제공하므로써 스위칭 주파수의 증대효과 및 부하분담 특성이 양호한 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 기존의 부스터 컨버터의 출력 전압은 출력 콘덴서 전압을 사용하나 개량된 컨버터에서는 출력전압이 입력전압과 출력 콘덴서 전압의 합으로 사용하므로 출력 콘덴서의 동작전압이 기존의 부스터 컨버터에 비해 낮아져, 동일한 출력전압 리플율에서 콘덴서 용량이 적어지는 장점이 있고, 적은 출력 콘덴서 용량으로 인하여 기동시 초기 돌입전류가 적다는 등의 장점이 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 소정의 전원을 발생시키는 전원부와;

   상기 전원부와 직렬연결되어 소정의 전원을 충전 및 방전하는 충전소자와;

   상기 충전소자와 직렬연결되는 다이오드와;

   일측단자가 상기 전원부와 충전소자사이에 연결되고 타측단자가 상기 다이오드의 애노드에 연결되는 컨덴서와;

   상기 충전소자와 다이오드사이와 상기 전원부의 음단자에 제 1 및 제 2 단자가 각각 연결되고, 소정의 주기를 갖고 온/오프스위칭되어 상기 충전소자를 충전 또는 방전시키는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
2. 입사되는 태양광을 소정의 전원으로 승압 또는 감압시켜 출력하는 태양광시스템의 제어장치에서 있어서,

   입사되는 태양광에 비례하여 전원을 발생시키는 태양전지와;

   상기 태양전지에서 출력된 전압을 감지하여 전류지령치를 출력하고, 90°의 위상차를 갖는 적어도 복수개이상의 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부와;

   상기 제어부에 출력된 전류지령치의 필터링하여 출력하는 로우패스필터와;

   상기 태양전지로부터 입력되는 전원을 승압 또는 감압시키는 컨버터부와;

   상기 제어부에서 인가되는 90도의 위상차를 갖는 스위칭제어신호에 따라 상기 컨버터를 온시키고, 상기 컨버터에서 피드백되는 출력전류와 상기 로우패스필터 를 통해 인가되는 전류치를 비교하여 상기 컨버터부를 오프시키는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광시스템의 컨버터제어장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 컨버터부는

   상기 태양전지에 직렬연결되는 컨덴서와;

   상기 태양전지의 (+)단과 상기 컨덴서 사이에 병렬연결되는 충전소자와, 상기 충전소자에 직렬연결되는 다이오드와, 상기 충전소자와 다이오드사이에 제 1 단자가 연결되고, 상기 전류제어부에 제 2 단자가 연결되고, 상기 태양전지의 (-)단에 연결되는 제 3 단자가 구비되는 스위칭소자를 포함하여 각각 병렬 연결되는 적어도 하나 이상의 스위칭회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광시스템의 컨버터제어장치.

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