KR20120058833A - 계통연계형 인버터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계통연계형 인버터 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 계통연계형 인버터 시스템은 계통에 공급될 근원적인 전력을 생성하는 전원부; 전원부에 의해 생성되어 인가되는 전압의 리플을 평활하여 DC 전압을 공급하는 직류 평활부; 직류 평활부를 거쳐 입력되는 DC 전압을 공급받아 PWM 전압(AC 전압)을 발생시켜 주는 스위칭부; 및 스위칭부에 의해 발생된 전압에 의한 전류를 계통으로 인가할 때 발생하는 저주파 또는 고주파 대역의 고조파 성분을 저감하는 LCL 필터부를 포함하고, LCL 필터부는 스위칭부로부터 발생된 PWM 전압에서 발생하는 고조파 리플을 저감시키는 인버터의 출력단 인덕터와, 인버터 출력 전류의 고조파 리플을 저감시키는 필터 커패시터와, 계통으로 인가되는 전류의 고조파 리플을 저감시키는 계통측 인덕터와, LCL 필터부에서 발생하는 공진 현상을 억제하는 공진 억제부를 포함하며, 공진 억제부는 필터 커패시터에 병렬로 접속되며, 제동 저항과 인덕터의 병렬 회로에 커패시터가 직렬로 접속된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, LCL 필터부의 필터 커패시터의 전력 손실을 줄일 수 있고, LCL 필터부의 공진을 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 LCL 필터를 채용한 계통연계형 인버터 시스템에서 안정적인 제어 응답 특성을 구현할 수 있다.

Description

계통연계형 인버터 시스템{Grid-connected inverter system}
본 발명은 계통연계형 인버터 시스템에 관한 것으로서, 특히 LCL(인덕터-커패시터-인덕터) 필터부에 LCL에 의한 공진을 억제하고, 전력 손실을 저감할 수 있는 수단을 강구함으로써 안정적인 제어 응답 특성을 구현할 수 있는 계통연계형 인버터 시스템에 관한 것이다.
계통연계형 인버터 시스템은 신재생 에너지원 또는 기타 다른 발전원으로부터 생성된 전압을 계통의 전압과 주파수 레벨에 맞추어서 계통으로 전류를 주입하는 시스템이다. 이와 같은 계통연계형 인버터 시스템은 계통의 일정 전압과 주파수를 맞추어 주기 위하여 PWM(pulse width modulation) 방식의 스위칭 기법을 많이 사용하는데, 이는 계통으로 주입되는 전류에 인버터 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 고조파 리플(ripple)을 발생시킨다. 또한 계통과 연계되는 인버터의 출력단에는 계통 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분이 발생하게 된다. 이와 같이 PWM 방식을 사용하는 계통연계형 인버터 시스템에는 인버터의 PWM 출력에 의해 발생하는 스위칭 주파수의 고조파 성분과 계통에서 발생하는 계통 주파수의 고조파 성분의 리플이 발생한다. 이러한 고조파 성분은 계통에 영향을 주어 민감한 기기나 부하에 전원 장애를 일으키는 요인이 된다. 이런 요인을 저감하기 위해 인버터 출력단과 계통 사이에 전류의 리플을 저감하는 인덕터와 전압의 리플을 저감하는 커패시터를 채용하여 필터를 구성한다. 이러한 필터에는 대표적으로 아래의 3가지 방식이 있다.
1) 인덕터(L, Inductor) 구조의 필터 : 인덕터 구조의 필터는 인버터의 출력단과 계통 사이에 인덕터를 배치하는 구조이며, L 필터라고 칭한다. 인버터 출력의 하나의 상(phase)당 하나의 인덕터를 사용하여 구성이 단순하고, 인버터를 제어하는 피드백 신호를 얻기가 용이한 장점이 있다. 그러나, 인버터의 출력단에 발생한 고조파 성분의 전류 리플을 줄이기 위해서는 큰 용량의 인덕터가 필요하다.
2) 인덕터-커패시터(LC) 구조의 필터 : 인덕터-커패시터 구조의 필터는 L필터와는 달리, 인버터의 출력단과 계통 사이에 인덕터를 직렬로 배치하고, 그 인덕터와 계통 사이에 커패시터를 병렬로 연결하는 구조로 LC 필터라 칭한다. 인버터의 출력에서 발생하는 PWM 신호는 LC 필터를 거쳐 계통으로 주입되는데, 이때 LC 필터는 2차 저역 통과 필터의 전달함수의 특성을 가지며, 인버터의 PWM 출력의 용량성 고조파의 리플 성분을 억제하는 역할을 한다. 또한, 계통과 부하를 병렬로 연결하는 계통연계형 시스템에서 독립운전 및 계통 연계운전의 상호 전환을 위해 LC 필터를 사용한다. 그러나, 이와 같은 LC 필터는 LC 공진 현상을 일으켜 공진 주파수 대역에서 고조파 리플을 증폭하며, 이에 따라 시스템을 불안정하게 하는 단점을 갖는다.
3) 인덕터-커패시터-인덕터(LCL)구조의 필터 : 인덕터-커패시터-인덕터(LCL) 구조의 필터는 3차 저역 통과 필터와 같은 특성을 갖고, L 필터와 LC 필터에 비하여 낮은 인덕터 용량으로 필터의 크기를 줄이며, 인버터 출력의 고조파 성분을 더욱 저감하는 기능을 발휘한다. 그러나 LCL 필터는 LC 필터와 같이 인덕터-커패시터 구조에 의해 LC 공진이 발생하여 공진 주파수 대역에서의 출력 특성이 불안정하다는 단점이 있다. 또한, LCL 필터의 파라미터 선정 과정에 전류의 리플, 필터의 크기, 스위칭 리플의 감쇄율, 필터 커패시터에 흡수되는 무효전력의 비중 등과 같은 많은 제약 사항을 고려해야 하는 단점이 있다.
도 1은 LCL 필터를 채용한 종래 계통연계형 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 계통연계형 인버터 시스템(100)은 전원부(101), 직류 평활부(102), 스위칭부(103) 및 LCL 필터부(104)를 포함하여 구성된다.
상기 전원부(101)는 전력을 생성하는 부분으로서, 태양광 발전, 연료전지 발전과 같은 신재생 에너지원으로부터 DC 전원을 제공하고, 풍력 발전과 같은 소스원에서는 AC 전원을 인가받아 정류된 DC 전원을 제공한다.
상기 직류 평활부(102)는 평활 콘덴서로 구성되며, 상기 전원부(101)로부터 인가된 전원의 리플을 평활하여 DC 전원을 공급해준다.
상기 스위칭부(103)는 다수의 스위칭 소자(예컨대, 각각 IGBT와 다이오드의 조합으로 이루어진 6개의 스위칭 소자)로 구성되며, PWM 발생 신호로부터 스위칭 소자를 이용하여 PWM 전압을 발생시켜 준다.
상기 LCL 필터부(104)는 인버터 출력단의 전류를 계통(109)으로 인가할 때 발생하는 저주파 또는 고주파 대역의 고조파 성분을 저감시키는 역할을 한다.
여기서, 이와 같은 LCL 필터부(104)는 상기 스위칭부(103)로부터 발생된 PWM 전압에서 발생하는 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 역할을 하는 인버터의 출력단 인덕터(105)와, 인버터 출력 전류의 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 역할을 하는 필터 커패시터(106)와, 계통(109)으로 인가되는 전류의 기본 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 역할을 하는 계통측 인덕터(107)와, LCL 필터부(104)에서 발생하는 공진 현상을 억제하는 공진 억제부(108)를 포함한다.
도 2는 도 1의 종래 계통연계형 인버터 시스템에 있어서, LCL 필터부의 공진 억제부의 내부 회로 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래 계통연계형 인버터 시스템에 있어서, 상기 LCL 필터부(104)의 공진 억제부(108)는 (A)와 같이 제동 저항(201)을 상기 필터 커패시터 (106)에 직렬로 연결한 구조로 구성되거나, (B)와 같이 제동 저항(201)과 인덕터 (202)의 병렬 조합회로를 상기 필터 커패시터(106)에 직렬로 연결한 구조로 구성되거나, (C)와 같이 인덕터(202)와 커패시터(203)의 LC 직렬 공진회로에 직렬 저항 (201)을 병렬로 연결한 조합회로를 상기 필터 커패시터(106)에 직렬로 연결한 구조로 구성된다.
이상과 같은 종래 LCL 필터부(104)의 공진 억제 기술은 전술한 바와 같이, 필터 커패시터(106)에 직렬로 공진 억제부(108)를 부가하는 구조이다. 따라서, (A)와 같이 제동 저항(201)을 사용하는 경우, 제동 저항(201)에서 전력 손실을 야기하여 계통연계형 인버터 시스템의 효율을 저하시킬 수 있다.
이상과 같은 제동 저항(201)의 사용으로 발생하는 전력 손실을 줄이기 위한 것이 상기 (B) 및 (C)의 회로구성이다.
(B)는 제동 저항(201)에 병렬로 인덕터(202)를 배치함으로써 저역 통과 필터와 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 기본 주파수와 저주파 성분은 인덕터(202)로 흘러 들어가고, 스위칭 리플과 기타 다른 고주파 전류는 제동 저항(201)으로 흘러들어 간다. 이와 같은 (B)는 (A)에 비해 공진 억제의 효과는 다소 나아지나 여전히 제동 저항(201)에서의 전력 손실을 야기한다.
(C)는 LC 공진 회로를 제동 저항(201)에 병렬로 접속한 구조로서, 제동 저항 (201)으로 흘러들어가는 전류를 감소시키기 위해 LC 공진 회로로 스위칭 리플 전류를 흐르게 한다. 이와 같은 (C)는 LC 공진 회로의 존재 때문에 좋은 필터링을 구현할 수 있지만, 이로 인해 또 다른 공진 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 이상과 같은 종래 계통연계형 인버터 시스템에서의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, LCL(인덕터-커패시터-인덕터) 필터부에 LCL에 의한 공진을 억제하고, 필터 커패시터의 전력 손실을 저감할 수 있는 수단을 강구함으로써 안정적인 제어 응답 특성을 구현할 수 있는 계통연계형 인버터 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 계통연계형 인버터 시스템은,
계통에 공급될 근원적인 전력을 생성하는 전원부;
상기 전원부에 의해 생성되어 인가되는 전압의 리플을 평활하여 DC 전압을 공급하는 직류 평활부;
상기 직류 평활부를 거쳐 입력되는 DC 전압을 공급받아 PWM 전압(AC 전압)을 발생시켜 주는 스위칭부; 및
상기 스위칭부에 의해 발생된 전압에 의한 전류를 계통으로 인가할 때 발생하는 저주파 또는 고주파 대역의 고조파 성분을 저감하는 LCL 필터부를 포함하고,
상기 LCL 필터부는 상기 스위칭부로부터 발생된 PWM 전압에서 발생하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 인버터의 출력단 인덕터와, 인버터 출력 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키는 필터 커패시터와, 상기 계통으로 인가되는 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키는 계통측 인덕터와, LCL 필터부에서 발생하는 공진 현상을 억제하는 공진 억제부를 포함하며,
상기 공진 억제부는 상기 필터 커패시터에 병렬로 접속되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 공진 억제부는 제동 저항과 인덕터의 병렬 회로에 커패시터가 직렬로 접속된 구조로 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, LCL 필터부의 LCL에 의한 공진 현상을 억제할 수 있는 공진 억제부를 LCL 필터부의 필터 커패시터에 병렬로 접속함으로써 필터 커패시터의 전력 손실을 줄일 수 있고, 공진 억제부가 제동 저항과 인덕터의 병렬 회로와 직렬로 연결된 커패시터의 조합회로로 구성되어 있어 LCL 필터부의 공진을 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 LCL 필터를 채용한 계통연계형 인버터 시스템에서 안정적인 제어 응답 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 LCL 필터를 채용한 종래 계통연계형 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 종래 계통연계형 인버터 시스템에 있어서, LCL 필터부의 공진 억제부의 내부 회로 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 계통연계형 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면,
도 4는 도 3의 본 발명의 계통연계형 인버터 시스템에 있어서, LCL 필터부의 공진 억제부의 내부 회로 구성을 보여주는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 계통연계형 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 계통연계형 인버터 시스템(300)은 전원부(301), 직류 평활부(302), 스위칭부(303) 및 LCL 필터부(304)를 포함한다.
상기 전원부(301)는 계통(309)에 공급될 근원적인 전력을 생성한다.
상기 직류 평활부(302)는 상기 전원부(301)에 의해 생성되어 인가되는 전압의 리플을 평활하여 DC 전압을 공급한다.
상기 스위칭부(303)는 상기 직류 평활부(302)를 거쳐 입력되는 DC 전압을 공급받아 PWM 전압(AC 전압)을 발생시켜 준다.
상기 LCL 필터부(304)는 상기 스위칭부(303)에 의해 발생된 전압에 의한 전류를 계통(309)으로 인가할 때 발생하는 저주파 또는 고주파 대역의 고조파 성분을 저감하는 역할을 한다.
여기서, 상기 LCL 필터부(304)는 상기 스위칭부(303)로부터 발생된 PWM 전압에서 발생하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 인버터의 출력단 인덕터(305)와, 인버터 출력 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키는 필터 커패시터(306)와, 상기 계통(309)으로 인가되는 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키는 계통측 인덕터 (307)와, LCL 필터부(304)에서 발생하는 공진 현상을 억제하는 공진 억제부(308)를 포함한다.
또한, 상기 공진 억제부(308)는 상기 필터 커패시터(306)에 병렬로 접속되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 제동 저항(403)과 인덕터(402)의 병렬 회로에 커패시터(401)가 직렬로 접속된 구조로 구성된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 계통연계형 인버터 시스템의 동작에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.
전원부(301)에 의해 생성된 전력이 공급되면, 직류 평활부(302)는 상기 전원부(301)에 의해 생성되어 인가되는 전압의 리플을 평활하여 DC 전원을 공급한다. 그러면, 스위칭부(303)는 상기 직류 평활부(302)를 거쳐 입력되는 DC 전원을 공급받아 PWM 전압(AC 전압)을 발생시켜 준다. 그리고, LCL 필터부(304)는 상기 스위칭부(303)에 의해 발생된 전압에 의한 전류를 계통(309)으로 인가할 때 발생하는 저주파 또는 고주파 대역의 고조파 성분을 인덕터(305)(307)와 커패시터(306)에 의해 완화 또는 흡수함으로써 저감시킨다. 즉, 상기 LCL 필터부(304)의 인버터의 출력단 인덕터(305)는 상기 스위칭부(303)로부터 발생된 PWM 전압에서 발생하는 고조파 성분의 리플을 저감시키고, 필터 커패시터(306)는 인버터 출력 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키며, 계통측 인덕터(307)는 상기 계통(309)으로 인가되는 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시킨다. 또한, 공진 억제부(308)는 LCL 필터부(304)에서 발생하는 공진을 억제한다. 즉, 병렬 접속 관계의 공진 억제부(308)의 인덕터(402)와 제동 저항(403)은 저역 통과 필터와 같은 역할을 수행하여 기본 주파수와 저주파 성분은 인덕터(402)로 흘러들어가고, 스위칭 리플과 기타 다른 고주파 전류는 제동 저항(403)으로 흘러들어 감으로써 공진을 억제하게 된다. 또한, 이와 같은 공진 억제부(308)가 필터 커패시터(306)에 병렬로 접속되어 있어 종래 계통연계형 인버터의 직렬 연결 구조에 비해 필터 커패시터의 전력 손실을 줄일 수 있게 된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 계통연계형 인버터 시스템은 LCL (인덕터-커패시터-인덕터) 필터부의 LCL에 의한 공진 현상을 억제할 수 있는 공진 억제부를 LCL 필터부의 필터 커패시터에 병렬로 접속함으로써 필터 커패시터의 전력 손실을 줄일 수 있고, 공진 억제부가 제동 저항과 인덕터의 병렬 회로와 직렬로 연결된 커패시터의 조합회로로 구성되어 있어 LCL 필터부의 공진을 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 LCL 필터를 채용한 계통연계형 인버터 시스템에서 안정적인 제어 응답 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101,301...전원부 102,302...직류 평활부
103,303...스위칭부 104,304...LCL 필터부
108,308...공진 억제부 109,309...계통

Claims (2)

  1. 계통에 공급될 근원적인 전력을 생성하는 전원부;
    상기 전원부에 의해 생성되어 인가되는 전압의 리플을 평활하여 DC 전압을 공급하는 직류 평활부;
    상기 직류 평활부를 거쳐 입력되는 DC 전압을 공급받아 PWM 전압(AC 전압)을 발생시켜 주는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부에 의해 발생된 전압에 의한 전류를 계통으로 인가할 때 발생하는 저주파 또는 고주파 대역의 고조파 성분을 저감하는 LCL 필터부를 포함하고,
    상기 LCL 필터부는 상기 스위칭부로부터 발생된 PWM 전압에서 발생하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 인버터의 출력단 인덕터와, 인버터 출력 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키는 필터 커패시터와, 상기 계통으로 인가되는 전류의 고조파 성분의 리플을 저감시키는 계통측 인덕터와, LCL 필터부에서 발생하는 공진 현상을 억제하는 공진 억제부를 포함하며,
    상기 공진 억제부는 상기 필터 커패시터에 병렬로 접속되는, 계통연계형 인버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진 억제부는 제동 저항과 인덕터의 병렬 회로에 커패시터가 직렬로 접속된 구조로 구성되는, 계통연계형 인버터 시스템.
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