KR20110068199A - 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치 - Google Patents

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구태홍
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Abstract

본 발명은 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치에 관한 것이다. 본 발명은 직류전원을 공급하는 DC전원공급부(100)가 구비된다. 상기 DC 전원공급부(100)의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결되는 커패시터(102)가 구비된다. 상기 커패시터(102)에 의해 평활화된 직류전압을 교류전압으로 변환하도록 스위칭부(110)가 구비된다. 상기 스위칭부(110)는 제 1 내지 제 4 스위칭소자(sw1 ~ sw4)로 구성된다. 상기 스위칭부(110)의 출력단에 필터부(120)가 연결된다. 상기 필터부(120)를 통과한 교류전압신호를 소정 레벨로 변환하여 계통측에 공급하는 변압기(130)가 구비된다. 상기 변압기(130)는 상기 필터부(120)와 연결된 부분이 2차측이고 상기 계통측과 연결된 부분이 1차측이다. 상기 변압기(130)의 2차측에는 탭(Tap)이 설치된다. 상기 탭을 이용하여 전력흐름 경로를 변경해주기 위한 탭 절환스위치(132)가 구비된다. 그리고 상기 DC 전원공급부(100)의 전압 및 전류를 센싱하는 감지부(140)와, 상기 감지부(140)의 감지결과에 따라 제1 및 제 2운전조건이 선택되도록 상기 탭 절환스위치(132)를 개방 또는 닫힘 제어하는 제어부(150)가 구비된다. 그와 같은 본 발명에 따르면, 변압기(130)의 턴비를 조정할 수 있어, 계통연계운전이 불가능한 DC 저전압영역에서도 인버터 운전이 가능한 이점이 있다.
계통 연계, 인버터, 탭, 절환스위치

Description

턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치{Grid connected Inverter with Turn - ratio adjusting function}
본 발명은 인버터에 관한 것으로, 특히 변압기에 탭 절환 기능을 추가하여 턴비(2차측/1차측)의 변경을 통해 운전범위를 확대하도록 하는 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치에 관한 것이다.
인버터는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 계통에 전력을 공급하는 장치이다.
도 1에 일반적인 인버터의 회로 구성도를 도시하고 있다.
도 1을 보면, 직류전원을 공급하는 DC전원공급부(1)가 구비된다.
상기 DC 전원공급부(1)의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결되는 커패시터(2)가 구비된다. 상기 커패시터(2)는 상기 DC 전원공급부(1)에서 공급되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 한다.
상기 커패시터(2)에 의해 평활화된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부(3)가 구비된다. 상기 스위칭부(3)에는 상기 DC 전원공급부(1)의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되, 소정의 펄스폭 변조 제어신호에 따라 구동하여 상기 DC 전원공급부(1)로부터 인가되어 평활화된 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 1 스위칭소자(sw1) 및 제 2 스위칭소자(sw2)가 구비된다. 또 상기 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 상기 제 1 스위칭소자(sw1) 및 제 2 스위칭소자(sw2)와 병렬로 연결하고, 소정의 펄스폭 변조 제어신호에 따라 구동하여 상기 DC 전원공급부(1)로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 3 스위칭소자(sw3) 및 제 4 스위칭 소자(sw4)가 구비된다. 상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자(sw1~sw4)는 IGBT, MOSFET 등과 같은 반도체 스위칭 소자가 제공되는 것이 좋다.
상기 스위칭부(3)의 출력단에 필터(4)가 구비된다. 상기 필터(4)는, 상기 제 1스위칭소자(sw1)및 제 2 스위칭소자(sw2)의 공통접점인 제 1 노드(n1)에 연결하여 상기 제 1 스위칭소자(sw1)에서 출력하는 신호의 저주파를 통과시키는 인덕터(5)와, 상기 인덕터(5)의 출력단과 상기 제 3스위칭소자(sw3) 및 제 4 스위칭소자(sw3)의 공통접점인 제 2 노드(n2) 사이에 연결하여 상기 인덕터(5)와 함께 교류필터를 형성하며 상기 인덕터(5)를 통해 출력되는 신호의 고주파를 통과시키는 커패시터(6)로 구성된다.
상기 필터(4)를 통과한 교류전압신호를 소정 레벨로 변환하여 계통측에 공급하는 변압기(7)가 구비된다. 상기 변압기(7)는 상기 필터(4)와 연결된 부분이 2차측이고 상기 계통측과 연결된 부분이 1차측이다.
그와 같이 구성된 인버터는, DC 전원을 상기 제 1 내지 제 4 스위치(sw1 ~ sw4)의 온/오프 제어와 상기 필터(4)를 통해 AC 전원으로 변환하고, 이후 변압기(7)를 통해 계통에 공급하고 있다. 이때 변환된 AC 전원의 전압크기는 DC 전원의 전압크기에 의해 제한되며, 특히 계통측으로 전력을 공급하기 위해서는 계통전압과 상기 필터(4) 및 선로상의 전압강하분의 합보다 상기 변환된 AC 전원의 전압이 커야한다.
상기 계통전압은 상기 변압기(7)의 턴 비를 조절하여 변경할 수 있다. 그래서 상기 DC 전원의 전압범위가 계통측으로 전력을 공급하기 위한 전압보다 낮은 경우에는 상기 변압기(7)의 턴 비를 통해 계통전압을 낮추는 것이 일반적이다.
하지만, 종래기술에 따른 계통연계형 인버터 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
상기 변압기(7)의 2차측 및 1차측 권선이 고정되어 있어 턴 비가 고정되어 있다. 따라서 계통연계형 인버터 장치의 발생 전력에 관계없이 입력 DC 전압범위가 고정된다. 이때 입력전압의 범위가 낮은 전압영역까지 포함하기 위해서는 상기 변압기(7)의 턴 비는 작아지고 전압이 낮은 2차측의 전류는 커질수 밖에 없기 때문에, 전 부하영역에서 효율이 감소하게 된다.
따라서 계통연계형 인버터 장치의 효율 측면을 고려하게 된다면 상기 변압기(7)의 턴 비는 제한되며 입력 DC 전압범위도 제한될 수밖에 없다. 결국 계통연계형 인버터 장치는 운전최저전압 이하가 되면 운전이 정상적으로 수행되지 못하게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 계통연계형 인버터 장치의 턴 비의 변경을 가능하게 하여 기존의 운전최저전압의 범위까지 운전이 가능하게 하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 직류전원을 공급하는 전원공급부; 소정 펄스폭 변조 제어신호에 따라 온/오프 구동되어 상기 전원공급부에서 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 1 내지 제 4 스위칭 소자; 상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자를 통해 출력되는 교류전압을 일정 레벨로 필터링하는 필터부; 그리고 상기 필터부를 통해 출력되는 교류전압을 변압하여 계통측에 전달하도록 2차측 및 1차측 권선으로 이루어지는 변압기를 포함하여 구성되고, 상기 변압기의 2차측에는 탭 및 탭 절환스위치가 설치되어, 상기 전원공급부에서 입력되는 직류전압 상태에 따라 상기 탭 절환스위치가 온/오프 되어 서로 상이한 운전조건을 제공하도록 한다.
여기서, 상기 운전조건은 상기 입력 직류전압이 고전압영역이면 상기 탭 절환스위치는 오프상태로서 상기 변압기의 최대 턴비(2차측/1차측) 상태로 운전하는 제 1 운전모드와, 상기 제 1 운전모드보다 입력 직류전압이 낮아 운전이 불가능한 저전압영역이면 상기 탭절환스위치가 온 상태로서 상기 변압기의 턴비(2차측/1차측) 변경률 N[%]에 따라 정격의 N[%] 미만의 부하조건에서 운전하는 제 2 운전모 드를 제공한다.
상기 변경률 N[%]은, (변경 턴 비/기존 턴 비) × 100 % 이다.
상기 입력 직류전압을 감지하는 감지부; 그리고 상기 감지부의 감지결과 상기 탭 절환스위치를 온 또는 오프 구동되게 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 계통연계형 인버터 장치에서 변압기의 2차측 권선에 탭 및 탭절환스위치를 구성하고 있다.
따라서, 전원공급부에서 공급되는 직류전압 조건에 따라 평상시에는, 즉 입력 DC 전압이 고전압일 경우 탭 절환스위치를 개방시켜 변압기의 최대 턴 비(2차측/1차측)로 운전하게 하고, 계통연계운전이 불가능한 DC 저전압영역에서는 탭 절환스위치를 닫아 턴비(2차측/1차측) 변경률 N(변경 턴 비/기존 턴 비 × 100) [%]에 따라 정격의 N[%] 미만의 부하조건에서 기존 인버터 장치의 운전최저전압의 N [%] 전압까지 운전이 가능하게 된다.
결국, 본 발명은 운전가능영역이 넓어지기 때문에, 입력 전압이 가변되는 시스템에서도 발전량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 의한 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2에는 본 발명의 실시 예에 따른 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치의 회로 구성도가 도시되어 있다.
도 2의 회로 구성도는 앞서 설명한 도 1의 인버터 장치와 유사하다. 다만, 변압기의 2차측 권선에 탭 및 탭 절환스위치가 구비되어 있는 것에 차이가 있다.
이를 살펴보기로 한다.
도 2를 보면, 직류전원을 공급하는 DC전원공급부(100)가 구비된다.
상기 DC 전원공급부(100)의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결되는 커패시터(102)가 구비된다. 상기 커패시터(102)는 상기 DC 전원공급부(100)에서 공급되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 한다.
상기 커패시터(102)에 의해 평활화된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부(110)가 구비된다. 상기 스위칭부(110)에는 상기 DC 전원공급부(100)의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되, 소정의 펄스폭 변조 제어신호에 따라 구동하여 상기 DC 전원공급부(100)로부터 인가되는 직류전압을 교류전압을 변환시키는 제 1 스위칭소자(sw1) 및 제 2 스위칭소자(sw2)가 구비된다. 또 상기 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 상기 제 1 스위칭소자(sw1) 및 제 2 스위칭소자(sw2)와 병렬로 연결하고, 소정의 펄스폭 변조 제어신호에 따라 구동하여 상기 DC 전원공급부(100)로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 3 스위칭소자(sw3) 및 제 4 스위칭 소자(sw4)와 구비된다. 상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자(sw1 ~ sw4)는 IGBT, MOSFET 등과 같은 반도체 스위칭 소자가 제공되는 것이 좋다. 상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자(sw1 ~ sw4)는 아래에서 설명될 제어부에 의해 온/오프 구동한다.
상기 스위칭부(110)의 출력단에 필터부(120)가 구비된다. 상기 필터부(120)는 상기 제 1 스위칭소자(sw1) 및 제 2 스위칭소자(sw2)의 공통접점인 제 1 노드(n1)에 연결하여 상기 제 1 스위칭소자(sw1)에서 출력하는 신호의 저주파를 통과시키는 인덕터(122)와, 상기 인덕터(122)의 출력단과 상기 제 3 스위칭소자(sw3) 및 제 4 스위칭소자(sw4)의 공통접점인 제 2 노드(n2) 사이에 연결하여 상기 인덕터(122)와 함께 교류필터를 형성하며 상기 인덕터(122)를 통해 출력되는 신호의 고주파를 통과시키는 커패시터(124)가 구비된다.
상기 필터부(120)를 통과한 교류전압신호를 소정 레벨로 변환하여 계통측에 공급하는 변압기(130)가 구비된다. 상기 변압기(130)는 상기 필터부(120)와 연결된 부분이 2차측이고 상기 계통측과 연결된 부분이 1차측이다.
상기 변압기(130)의 2차측에는 탭(Tap)이 설치된다. 도면에서는 상기 2차 권선의 중간부분(T)에 설치하고 있다. 그리고 상기 탭을 이용하여 전력흐름 경로를 변경해주기 위한 탭 절환스위치(132)가 구성된다. 상기 탭 절환스위치(132)는 아래에서 설명된 제어부에 의해 구동된다. 상기 탭 절환스위치(132)가 개방 상태이면 최대 턴비(2차측/1차측)로 운전한다. 이는 기존의 계통 연계형 인버터 장치와 동일한 특성을 제공한다. 반면, 상기 탭 절환스위치(132)가 닫힘 상태이면 기존 계통 연계형 인버터장치에서 계통연계 운전이 불가능한 조건에서 운전이 가능하게 한다.
상기 운전조건을 다르게 제공하기 위해 상기 입력 DC전압범위를 감지하는 감지부(140)가 구비된다. 상기 감지부는 상기 DC 전원공급부(100)의 전압 및 전류를 센싱하는 역할을 한다.
상기 감지부(140)의 감지결과에 따라 운전조건이 선택되도록 상기 탭 절환스위치(132)를 개방 또는 닫힘 제어하는 제어부(150)가 구비된다. 상기 제어부(150)는 상기 제 1 내지 제 4 스위칭 소자(sw1 ~ sw4)를 온/오프 시키는 기능도 수행할 수 있다.
이와 같이 구성된 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치의 동작을 설명한다. 동작설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다. 참고로 도 3 및 도 4에서는 상기 도 2에 도시된 감지부 및 제어부의 구성은 생략하였다.
도 3에는 본 발명의 실시 예에 따라 계통연계형 인버터 장치가 제 1 운전모드로 동작할 때의 전력 흐름 상태를 도시한 예시 상태도이다.
여기서, 계통연계형 인버터가 초기상태에서 상기 탭 절환스위치(132)는 개방 상태이다. 그리고 상기 제 1운전모드는, 일반적으로 계통연계운전이 가능한 입력 DC 전압('고전압 상태'라고 하기로 한다)을 가진다고 한다.
우선 상기 감지부(140)는 상기 DC 전원공급부(100)의 전압 및 전류를 감지한다. 감지결과 상기 입력 DC 전압이 고전압 상태이면, 그 결과를 상기 제어부(150)로 전달한다.
상기 제어부(150)는 상기 감지부(140)로부터 전달받은 입력 DC 전압이 고전압 상태임을 인지하고, 기존의 계통 연계형 인버터와 동일한 특성으로 운전하도록 상기 탭 절환스위치(132)를 개방상태로 계속 유지한다.
그러면, 상기 계통연계형 인버터는 도 3의 화살표 방향과 같이 전력 흐름을 제공한다. 즉 상기 변압기(130)의 최대 턴 비(2차측/1차측)로 운전하여, 계통에 교 류전압을 공급하게 된다.
도 4에는 본 발명의 실시 예에 따라 계통연계형 인버터 장치가 제 2 운전모드로 동작할 때의 전력 흐름 상태를 도시한 예시 상태도이다.
상기 제 2운전모드는, 일반적으로 계통연계운전이 가능한 입력 DC 전압('저전압 상태'라고 하기로 한다)을 가진다고 한다.
일단, 상기 입력 DC 전압은 변할 수 있다. 예컨대 상기 DC 전원공급부(100)가 태양전지의 전원을 입력으로 하여 계통연계형 인버터에 적용할 경우에는, 태양광의 입사조건이나 태양전지 상태 등의 다양한 변수에 따라 태양전지의 전압이 기 정해진 입력전압범위보다 낮게 될 수 있다.
이 경우에는 도 4에 도시된 화살표 방향과 같은 전력 흐름이 제공된다.
즉 구체적으로 살펴보면, 상기 감지부(140)는 상기 입력 DC전압을 계속 감지하는데, 그 감지결과 상기 입력 DC 전압이 기 정해진 입력전압범위보다 낮은 경우로서 저전압 상태가 되면, 이를 상기 제어부(150)로 전달한다.
그러면, 상기 제어부(150)는 입력 DC전압이 낮아 계통연계형 운전이 정상적으로 수행할 수 없음을 인지하고, 상기 탭 절환스위치(132)를 개방상태에서 닫힘상태가 되게 스위칭한다.
상기 탭 절환스위치(132)가 닫힘 상태가 되면, 일단 전력 흐름은 도 4와 같이 된다. 즉 상기 탭 절환스위치(132)를 경유하여 전력 흐름 경로가 형성되는 것이다.
그와 같이 되면, 턴비(2차측/1차측) 변경률 N(변경 턴 비/기존 턴 비 × 100) [%] 에 따라 정격의 N[%] 미만의 부하조건에서 기존 인버터 장치의 운전최저전압의 N [%] 전압까지 운전이 가능하게 된다.
결국, 입력 DC 전압이 낮은 경우에는 상기 변압기(130)의 턴 비를 가변시킴으로써, 운전 가능범위가 확대되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 계통연계형 인버터장치의 2차측 권선에 탭 및 탭절환스위치를 구성하고, 상기 탭 절환스위치의 온/오프에 따라 변압기의 최대 턴비로 운전하거나, 변압기의 턴비를 변경하여 운전할 수 있게 되어, DC 전원공급부의 입력전압이 계통연계운전이 불가능할 정도로 낮은 경우에도 운전이 가능하게 됨을 알 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
예컨대, 본 실시 예의 구성 중 상기 입력 DC 전압를 감지하는 감지부 및 이의 감지결과에 따라 상기 탭 절환스위치를 온/오프 시키는 제어부는 반드시 구성될 필요는 없다. 즉 운전자가 입력 DC전압 크기를 직접 확인하고, 상기 탭 절환스위치를 수작업으로 온/오프 시킬 수 있다. 이 경우도 본 발명에 적용 가능하다.
도 1은 일반적인 인버터의 회로 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치의 회로 구성도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 계통연계형 인버터 장치가 제 1 운전모드로 동작할 때의 전력 흐름 상태를 도시한 예시 상태도
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 계통연계형 인버터 장치가 제 2 운전모드로 동작할 때의 전력 흐름 상태를 도시한 예시 상태도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : DC 전원공급부 110 : 스위칭부
120 : 필터부 130 : 변압기
132 : 탭 절환스위치 140 : 감지부
150 : 제어부

Claims (4)

  1. 직류전원을 공급하는 전원공급부;
    소정 제어신호에 따라 온/오프 구동되어 상기 전원공급부에서 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 1 내지 제 4 스위칭 소자;
    상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자를 통해 출력되는 교류전압을 일정 레벨로 필터링하는 필터부;
    상기 필터부를 통해 출력되는 교류전압을 변압하여 계통측에 전달하도록 2차측 및 1차측 권선으로 이루어지는 변압기; 그리고
    상기 변압기의 2차측에 설치되어 상기 변압기의 턴 비를 가변하는 탭 및 탭 절환스위치를 포함하여 구성되되,
    상기 전원공급부에서 입력되는 직류전압 상태에 따라 상기 탭 절환스위치가 온/오프 되어 서로 상이한 운전조건을 제공하는 것을 특징으로 하는 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 운전조건은,
    상기 입력 직류전압이 고전압영역이면 상기 탭 절환스위치는 오프상태로서 상기 변압기의 최대 턴비(2차측/1차측) 상태로 운전하는 제 1 운전모드와,
    상기 제 1 운전모드보다 입력 직류전압이 낮아 운전이 불가능한 저전압영역이면 상기 탭절환스위치가 온 상태로서 상기 변압기의 턴비(2차측/1차측) 변경률 N[%]에 따라 정격의 N[%] 미만의 부하조건에서 운전하는 제 2 운전모드임을 특징으로 하는 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 변경률 N[%]은, (변경 턴 비/기존 턴 비) × 100 % 임을 특징으로 하는 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 직류전압을 감지하는 감지부; 그리고
    상기 감지부의 감지결과 상기 탭 절환스위치를 온 또는 오프 구동되게 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 턴 비 조정이 가능한 계통연계형 인버터 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013026220A1 (zh) * 2011-08-19 2013-02-28 深圳市英威腾电气股份有限公司 逆变器系统的控制方法、装置及逆变器系统
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