KR20100133792A - 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로 - Google Patents

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Abstract

계통 연계형 태양광 발전시스템에서 PWM 스위칭 잡음을 저감할 수 있도록 하기 위한 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로가 개시된다. 본 발명에 따른 PWM 스위칭 잡음을 저감하는 삼상 인버터 회로는 DC-link 커패시터의 음의 단자(N) 또는 양의 단자(P)를 3개의 필터 커패시터에 연결하여, 인버터 스위치와 LC필터를 폐루프(closed-loop)를 형성하게 해서 PWM 스위칭 잡음을 외부로 발생시키지 않도록 함으로서 실제 적용에 있어 기존의 회로에 비해 PWM 스위칭 잡음을 약 90%이상 저감할 수 있다.

Description

태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로{3 phase inverter circuit for photovoltaic grid-connected type}
본 발명은 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로에 관한 것으로, 특히 계통 연계형 태양광 발전시스템에서 PWM 스위칭 잡음을 저감할 수 있도록 하기 위한 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로에 관한 것이다.
석유, 석탄, 천연가스등과 같은 화석 에너지의 수급 가능한 정도가 석유는 30년, 석탄은 80년, 천연 가스는 180년으로 판단되고 있고, 교토 의정서와 같은 세계 기후 변화 협약등 으로 인하여 신ㅇ재생 에너지가 점점 주목을 받고 있다. 신에너지 분야에는 연료 전지, 석탄액화 가스화, 수소에너지가 있고, 재생에너지 분야에는 태양열, 태양광 발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지가 있다.
신재생 에너지에서 가장 활발하게 연구되고 있는 태양광 발전은 앞으로 수십에서 수백년 이내에 고갈될 수 있는 석유, 석탄, 천연 가스에 비해 50억년 동안 사용 가능할 정도로 영구적이다. 또한, 에너지원이 청정하기 때문에 화석 에너지를 사용하면서 생길 수 있는 환경 오염 문제를 해결할 수 있고, 수력이나 원자력 발전 과 달리 필요한 곳에서 필요한 만큼의 에너지를 수급할 수 있다. 대부분 전자부품으로 구성되어 있어서 수명이 길고 유지 보수가 용이하고 기계적인 소음이 없다.
그러나 기존의 무변압기형 계통연계형 인버터에서는 인버터 스위칭주파수에 해당하는 PWM(pulse-width modulation, 펄스폭변조)에 의한 스위칭 잡음이 계통전압을 거쳐 대지접지로 전달되어 태양광 셀을 통하여 잡음전류를 발생시킨다. 이와 같이 무변압기형 계통연계형 인버터에서 발생하는 PWM 스위칭 잡음 때문에 태양광 셀에 소음이 발생하고, 열이 발생하는 등의 문제가 있다.
도 1에서 보는 바와 같이 종래의 계통연계형 삼상 인버터회로는 DC-link 커패시터 Cd 에서 출력된 직류전원을 3상의 교류전원으로 변환하는 인버터 소자의 출력부분에 LC필터를 사용하여 출력의 리플을 줄이고 고조파 성분을 저감한다.
도 1에서 eo, eb, ec 는 각각 삼상전압을 나타내며 o는 삼상 전압의 중성점(earth gound)이다. 중성점과 대지접지 사이에는 전위차가 거의 존재하지 않으며 따라서 인버터가 작동하지 않을 때에는 DC-link 커패시터 Cd 의 음의 단자(N)와 대지접지 사이의 PWM 스위칭에 의한 잡음전압은 존재하지 않는다. 그러나 PWM 스위칭 주파수로 스위칭하게 되면, 태양광 셀의 음전압과 대지접지 사이의 잡음전압인 Vno의 첨두치(peak to peak)전압은 약 2Vdc(인버터 입력 직류전압)가 되고, 주파수는 스위칭 주파수의 값을 갖는다.
대부분의 태양광 모듈(photovoltaic module)은 충격 보호를 위해서 금속프레임을 사용하고 대지에 고정시키므로, 금속프레임과 대지접지가 동일한 전압이 된 다. 금속프레임은 대지접지와 동일한 전압이 되면 PWM 스위칭에 의한 잡음전압이 태양광 셀과 금속프레임 사이에 인가 된다. 금속프레임과 태양광 셀의 음전압 사이에는 절연을 해치는 기생 커패시터가 존재하며, 이것은 PWM 스위칭에 의한 잡음전압인 Vno에 의한 누설전류인 잡음전류를 발생시킨다.
태양광 모듈을 통하여 발생하는 누설전류는 태양광 모듈의 소음을 발생시킬 뿐만 아니라 열도 발생시킨다. 태양광 셀의 경우 온도가 1도 상승할 때마다 약 0.4% 정도의 전압이 떨어지기 때문에 효율이 떨어지며 높은 열이 발생하면 태양광 셀이 파괴될 수도 있는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 DC-link 커패시터, 인버터의 스위치들 및 LC필터들이 서로 폐루프(closed-loop)를 형성하도록 구성되어 PWM 스위칭에 의한 잡음전압이 외부로 방출되는 것을 차단시킴으로서 태양광 모듈의 소음 및 열의 발생을 억제하고, 태양광 셀의 효율을 증진시키고 태양광 셀의 파괴 현상을 방지하는 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명에 따른 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로는 태양광 계통 연계형 인버터 회로의 DC-link 커패시터(Cd), 인버터 스위치들 및 LC필터들이 서로 폐루프(closed-loop)로 형성하도록 구성하여, 전압원 역할을 하는 커패시터 C에 의하여 PWM 스위칭에 의한 잡음전압은 인덕터 L에 인가되어 상기 스위칭 잡음 전압이 폐회로 외부로 방출되는 것을 차단시켜 PWM 스위칭 잡음을 저감시키는 것이다.
본 발명에 따른 PWM 스위칭 잡음을 저감하는 삼상 인버터 회로는 DC-link 커패시터의 음의 단자(N) 또는 양의 단자(P)를 3개의 필터 커패시터에 연결하여, 인버터 스위치와 LC필터를 폐루프(closed-loop)를 형성하게 해서 PWM 스위칭 잡음을 외부로 발생시키지 않도록 함으로서 실제 적용에 있어 기존의 회로에 비해 PWM 스위칭 잡음을 약 90%이상 저감할 수 있다.
태양광 계통 연계형 삼상인버터 회로는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 태양광 모듈(PV)에 스위치, 다이오드 및 인덕터를 구비하는 DC-DC 컨버터가 접속된다. 스위치가 도통되었을 때 태양전지의 직류전력이 인덕터에 저장되었다가 스위치가 소거되었을 때 인덕터에 저장된 에너지가 DC-link 커패시터(Cd)로 전달된다. DC-link 커패시터(Cd)로 전달된 직류 전력은 삼상 인버터가 설정된 스위칭 주파수에서 펄스폭변조 방식으로 제어되어 삼상의 교류전력으로 변환되고, 변환된 교류전력의 고조파 성분을 제거하기 위해 출력필터 (L, C)를 거친후 생성된다.
본 발명의 일실시예에서는 DC-link 커패시터(Cd)의 음의 단자(N)와 3개의 필터 커패시터를 연결하여 폐루프를 구성한다. 그러므로 인버터의 스위치들과 LC필터들 역시 폐루프(closed-loop)를 형성하게 된다. 폐루프에서 커패시터 C는 전압원 역할을 하기 때문에 PWM 스위칭에 의한 잡음전압은 인덕터 L에 인가되어 외부로 방출되지 못한다.
즉, 본 발명에 따른 삼상 인버터 회로는 인덕터 출력부를 전압원인 필터 커패시터의 한 단자를 부착하고 다른 단자는 DC-link의 한 부분에 접속시킴으로써 PWM 잡음전압을 폐루프안에서 외부로 방출되지 못하게 하는 방법이다.
도 3은 DC-link 커패시터(Cd)의 양의 단자(P)와 3개의 필터 커패시터를 연결한 것으로, 도 2와 동일한 방법으로 구현된 다른 실시예로서 PWM 스위칭에 의한 스위칭 잡음을 외부로 나가지 못하게 하고 내부에 머물게 한다.
도 4에서는 실제 구현된 기존의 계통연계형 삼상 인버터의 경우로서 Vdc(인버터 입력 직류전압)가 620V일 때 태양광 셀의 음전압과 대지접지 사이의 PWM에 의한 스위칭 잡음전압 Vno는 최대 첨두치로서 약 2배 이상인 1500V가 측정되었다. 그리고 잡음전압에 의해서 발생한 첨두치 누설전류인 Ile의 값은 약 1.2A이상이 측정되었다.
반면, 본 발명에 따른 삼상인버터 회로에서는 도 5에서 보는 바와 같이 PWM에 의한 스위칭 잡음은 최대일 경우 첨두치로서 약 120V가 측정되었고, 이로 인한 첨두치 누설전류인 Ile값은 0.2A가 측정되었다. 따라서, 본 발명에 따른 삼상 인버터 회로는 PWM에 의한 스위칭 잡음이 기존의 회로에 비해 약 10% 미만이며 약 90% 이상의 PWM에 의한 스위칭 잡음을 저감시켜주는 효과가 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.
도 1은 종래의 태양광 계통연계형 삼상 인버터 회로의 구조를 보여주기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 PWM 스위칭 잡음을 저감하는 계통 연계형 삼상 인버터 회로의 구조를 보여주기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PWM 스위칭 잡음을 저감하는 계통 연계형 삼상 인버터 회로의 구조를 보여주기 위한 회로도이다.
도 4는 종래의 태양광 계통연계형 삼상 인버터 회로의 PWM 스위칭에 의한 잡음 파형을 보여주기 위한 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광 계통연계형 삼상 인버터 회로의 PWM 스위칭에 의한 잡음 파형을 보여주기 위한 파형도이다.

Claims (3)

  1. 태양광 계통 연계형 인버터 회로의 DC-link 커패시터(Cd), 인버터 스위치들 및 LC필터들이 서로 폐루프(closed-loop)회로로 형성하도록 구성하여, 전압원 역할을 하는 커패시터 C에 의하여 PWM 스위칭에 의한 잡음전압은 인덕터 L에 인가되어 상기 스위칭 잡음 전압이 폐회로 외부로 방출되는 것을 차단시켜 PWM 스위칭 잡음을 저감시키기 위한 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폐루프(closed-loop)회로는 DC-link 커패시터(Cd)의 음의 단자(N)측과 3개의 필터 커패시터를 접속시키는 것을 특징으로 하는 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 폐루프(closed-loop)회로는 DC-link 커패시터(Cd)의 양의 단자(P)측과 3개의 필터 커패시터를 접속시키는 것을 특징으로 하는 태양광 계통 연계형 삼상 인버터 회로.
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