KR20080092745A - 가변 승압비를 갖는 고주파 트랜스를 이용한 계통 연계형인버터 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 대체에너지 발전시스템에서 생산된 직류전력을 상용 계통과 연계하여 부하에 인가하는 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서, 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC변환부와, 상기 DC/AC변환부에서 출력되는 교류전력을 승압하는 고주파 트랜스포머와, 상기 고주파 트랜스포머에서 승압된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 AC/DC변환부를 포함하는 승압수단; 상기 승압수단에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 계통연계형 인버터 시스템에서 태양전지의 출력전압에 따라 승압비를 적절히 조절할 수 있기 때문에 넓은 동작범위를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 입출력간의 절연을 통해 전기적 안정성을 높일 수 있다.

계통 연계형 인버터부, 고주파 트랜스포머

Description

가변 승압비를 갖는 고주파 트랜스를 이용한 계통 연계형 인버터 시스템{Utility-Interactive inverter system using high frequency transformer having variable voltage ratio}

도 1은 종래의 계통 연계형 인버터 시스템의 구성도

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성도 및 상세 회로도

도 4는 가변 턴비 고주파 트랜스포머를 나타낸 회로도

도 5는 턴비 변동의 기준이 되는 입력전압을 예시한 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110: 태양전지 120: 풀브릿지 컨버터부

124; 고주파 트랜스포머 130; 인버터부

140: 필터부 150: 제어부

본 발명은 계통연계형 인버터 시스템에 관한 것으로서 구체적으로는 가변 승압비를 갖는 고주파 트랜스포머를 이용한 인버터 시스템에 관한 것이다.

계통연계형 인버터 시스템은 대체에너지원인 태양전지, 풍력발전기 등으로부터 생성된 직류전력을 스위칭소자를 이용하여 교류전력으로 변환한 후에 소정의 부하로 공급하고 잉여전력은 상용 계통으로 공급하는 전력 변환시스템을 말한다.

종래 많이 사용되는 계통연계형 인버터 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지(10) 등으로부터 입력된 직류전력을 승압시키는 부스터컨버터(20)와, 상기 부스터컨버터(20)에서 승압된 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부(30)와, 상기 인버터부(30)의 출력을 필터링하는 필터부(40)를 포함한다. 필터부(40)를 거쳐 출력된 전력은 소정의 부하(60)에 인가된다.

또한 부스터컨버터(20)와 인버터부(30)는 제어부(50)에 의해 그 동작이 제어된다.

한편 종래의 계통연계형 인버터 시스템은 크게 비절연 방식과 저주파트랜스 방식으로 구분될 수 있다.

비절연 방식은 인버터 시스템에 트랜스포머가 포함되지 않은 방식으로서 입출력간에 전기적인 절연이 이루어지지 않기 때문에 서지 전류와 같은 위험요소의 전달을 방지하지 못하는 문제점이 있다.

저주파트랜스 방식은 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터부의 후단에 교류전력의 승압을 위한 저주파 트랜스포머를 설치하는 방식이다.

그런데 저주파 트랜스포머는 그 물리적인 크기가 크고 중량이 무겁기 때문에 설치 및 유지보수에 어려움이 있고, 승압비가 고정되어 있어서 태양전지 출력의 영향을 직접적으로 받기 때문에 동작범위가 제한되는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 인버터 시스템이 가지는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 입출력간에 전기적인 절연이 가능하면서도 태양전지의 출력변동에도 불구하고 넓은 동작범위를 확보할 수 있는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 대체에너지 발전시스템에서 생산된 직류전력을 상용 계통과 연계하여 부하에 인가하는 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서, 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC변환부와, 상기 DC/AC변환부에서 출력되는 교류전력을 승압하는 고주파 트랜스포머와, 상기 고주파 트랜스포머에서 승압된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 AC/DC변환부를 포함하는 승압수단; 상기 승압수단에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터 시스템을 제공한다.

상기 DC/AC변환부는 고속의 영전압 스위칭 동작을 수행하는 인버터회로를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 고주파 트랜스포머는 상기 고주파 트랜스포머의 턴비를 조절할 수 있는 턴비 가변수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서 상기 턴비 가변수단은, 상기 고주파 트랜스포머의 1차측 권선에 형성되는 다수의 탭; 상기 DC/AC변환부의 출력단과 상기 다수의 탭을 선택적으로 연결하는 스위칭수단을 포함할 수 있다.

또한 상기 턴비 가변수단의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부에는 상기 고주파 트랜스포머의 입력전압이 증가할 때 상기 턴비를 제1 비율에서 제2 비율로 변동시키는 기준이 되는 제1 기준전압을 상기 입력전압이 감소할 때 상기 턴비를 상기 제2 비율에서 상기 제1 비율로 변동시키는 기준이 되는 제2 기준전압보다 높게 설정해 두는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 인버터 시스템은 도 2의 블록도와 도 3의 상세 회로도에 도시된 바와 같이, 태양전지(110)나 풍력발전기 등으로부터 입력된 직류전력을 승압시키는 풀브릿지 컨버터부(120)와, 상기 풀브릿지 컨버터부(120)에서 승압된 후 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부(130)를 포함한다.

또한 상기 인버터 시스템은 인버터부(130)의 출력에서 노이즈를 제거하는 필 터부(140)와, 상기 풀브릿지 컨버터부(120)와 인버터부(130)의 동작을 각각 제어하는 제어부(150)를 포함한다. 상기 필터부(140)를 통해 출력된 전력은 소정의 부하(160)에 인가되고 잉여전력은 상용 계통에 공급된다.

여기서 인버터부(130)는 풀브릿지 컨버터부(120)의 출력전압이 인가되면 PWM 스위칭 기법을 적용하여 상용계통과 동일한 형태의 전력을 출력한다.

풀브릿지 컨버터부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 스위칭소자를 포함하는 인버터회로를 이용하여 직류를 교류로 변환하는 DC/AC변환부(122)와, 상기 DC/AC변환부(122)의 출력전압을 승압시키는 고주파 트랜스포머(124)와, 정류회로를 이용하여 상기 고주파 트랜스포머(124)의 AC출력을 다시 DC로 변환하는 AC/DC변환부(126)를 포함한다.

DC/AC변환부(122)는 고속의 스위칭을 수행하여 AC전력을 출력하며, 특히 스위칭손실을 최소화하기 위하여 영전압스위칭(zero voltage switching) 방식을 적용하였다.

고주파 트랜스포머(124)는 시스템의 입력과 출력을 절연시키는 역할을 하기 때문에 시스템의 전기적 안정성을 향상시키는 역할을 한다.

특히, 본 발명의 실시예에서는 고주파 트랜스포머(124)가 태양전지(110)의 출력전압에 따라 턴비(turn ratio)를 조절할 수 있는 턴비 가변수단(128)을 포함하는 점에 특징이 있으며, 이를 통해 종래보다 인버터 시스템의 동작범위를 크게 넓히는 장점을 가진다.

턴비 가변수단(128)은 도 4의 회로도에 도시된 바와 같이, 고주파 트랜스포머(124)의 1차측 권선에 연결되는 다수의 탭(T1,T2,T3,T4)과, 상기 다수의 탭과 DC/AC변환부(122)의 출력단을 선택적으로 연결하는 제1 및 제2스위칭수단(S1,S2)을 포함한다.

제1 및 제2 스위칭수단(S1,S2)의 동작은 제어부(150)가 입력전압(Vin)의 크기에 따라 생성한 제어신호에 의해 이루어진다.

만일 턴비 가변수단(128)의 각 탭(T1,T2,T3,T4)이 균등한 간격으로 형성되었다면, 예를 들어 제1 스위칭수단(S1)을 T2에 연결하고 제2 스위칭수단(S2)을 T3에 연결하는 경우(이하 'A연결')가 제1 스위칭수단(S1)을 T1에 연결하고 제2 스위칭수단(S2)을 T4에 연결하는 경우(이하 'C연결)에 비하여 3배의 턴비(n2/n1)를 가진다.

또한 A연결은 제1 스위칭수단(S1)을 T2에 연결하고 제2 스위칭수단(S2)을 T4에 연결하는 경우(이하 'B연결')에 비해서는 2배의 턴비(n2/n1)를 가진다.

그런데 Vout = (n2/n1)Vin 이기 때문에, A연결일 때의 Vout은 C연결일 때에 비해서는 3배, B연결일 때에 비해서는 2배만큼 커진다.

따라서 이러한 턴비 가변수단(128)을 사용하면, 어떤 원인에 의하여 태양전지(110)의 출력이 낮아지면 턴비를 높여서 Vout을 상승시키고, 태양전지(110)의 출력이 높아지면 턴비를 낮추어서 Vout을 낮추는 것이 가능해진다.

즉, 태양전지(110)의 출력변동에도 불구하고 인버터 시스템의 출력을 일정 범위내에서 안정적으로 유지할 수 있고, 턴비를 변화시켜 출력범위를 넓힐 수도 있 다.

도 5는 턴비 가변수단(128)에서 턴비를 변화시키는 기준이 되는 기준전압을 예시한 것이다.

즉, DC/AC변환부(122)의 출력단을 통해 고주파 트랜스포머(124)로 공급되는 입력전압(Vin)이 감소하는 경우에는 (a)에 도시된 바와 같이 입력전압(Vin)이 예를 들어 250V가 되기 이전까지는 C연결을 유지하다가, 250V에서 B연결로 스위칭하고, 입력전압(Vin)이 계속 하강하여 190V가 되면 다시 A연결로 스위칭한다.

반대로 입력전압이 증가하는 경우에는 (b)에 도시된 바와 같이 입력전압(Vin)이 예를 들어 210v가 되기 이전까지는 A연결을 유지하다가, 210V에서 B연결로 스위칭하고, 입력전압(Vin)이 계속 증가하여 275V가 되면 다시 C연결로 스위칭한다.

이때 턴비 가변수단(128)에서 턴비를 스위칭하는 기준 전압을 입력전압(Vin)이 증가할 때와 감소할 때 서로 다르게 적용하는 이유는 기준전압을 단일화 시키면 입력전압의 변동에 대하여 민감하게 턴비 스위칭이 발생하기 때문에 이를 방지하여 안정적인 스위칭 동작을 확보하기 위한 것이다.

한편 이상에서는 태양전지의 출력전력을 이용하는 경우를 예를 들어 본 발명의 실시예에 따른 계통연계형 인버터 시스템을 설명하였으나 그밖의 대체에너지 발전시스템(풍력발전 등)에서 생산되는 전력에 대하여도 전술한 시스템을 적용할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따르면, 계통연계형 인버터 시스템에서 태양전지의 출력전압에 따라 승압비를 적절히 조절할 수 있기 때문에 넓은 동작범위를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 입출력간의 절연을 통해 전기적 안정성을 높일 수 있다.

Claims (5)

1. 대체에너지 발전시스템에서 생산된 직류전력을 상용 계통과 연계하여 부하에 인가하는 계통 연계형 인버터 시스템에 있어서,

   상기 직류전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC변환부와, 상기 DC/AC변환부에서 출력되는 교류전력을 승압하는 고주파 트랜스포머와, 상기 고주파 트랜스포머에서 승압된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 AC/DC변환부를 포함하는 승압수단;

   상기 승압수단에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 인버터부;

   를 포함하는 계통 연계형 인버터 시스템
2. 제1항에 있어서,

   상기 DC/AC변환부는 고속의 영전압 스위칭 동작을 수행하는 인버터회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템
3. 제1항에 있어서,

   상기 고주파 트랜스포머는 상기 고주파 트랜스포머의 턴비를 조절할 수 있는 턴비 가변수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템
4. 제3항에 있어서,

   상기 턴비 가변수단은,

   상기 고주파 트랜스포머의 1차측 권선에 형성되는 다수의 탭;

   상기 DC/AC변환부의 출력단과 상기 다수의 탭을 선택적으로 연결하는 스위칭수단;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템
5. 제3항에 있어서,

   상기 턴비 가변수단의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,

   상기 제어부에는 상기 고주파 트랜스포머의 입력전압이 증가할 때 상기 턴비를 제1 비율에서 제2 비율로 변동시키는 기준이 되는 제1 기준전압을 상기 입력전압이 감소할 때 상기 턴비를 상기 제2 비율에서 상기 제1 비율로 변동시키는 기준이 되는 제2 기준전압보다 높게 설정해 두는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터 시스템

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