KR20160001082A - 절연형 컨버터를 이용한 계통 연계형 태양광 발전 시스템 - Google Patents

절연형 컨버터를 이용한 계통 연계형 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통 연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 시스템은, 태양광 전지의 효율을 최대화하기 위한 최대전력 추종이 수행되고, 태양광 전지에서 생성된 전력을 승압하여 승압직류전력을 출력하는 절연 DC/DC 컨버터; 및 상기 승압된 직류전력을 교류전력으로 스위칭하여 계통전력에 연계하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 태양광 발전 시스템을 구성함에 있어 공진을 위해 별도의 인덕터를 추가하지 않고, 트랜스의 누설 인덕턴스를 이용하여 공진회로를 구성할 수 있기 때문에 태양광 발전 시스템의 사이즈를 작게 할 수 있고, 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

절연형 컨버터를 이용한 계통 연계형 태양광 발전 시스템{GRID CONNECTED SOLAR GENERATION SYSTEM USING ISOLATED CONVERTER}
본 발명은 계통 연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전을 통해 생산된 전력을 효율적으로 계통 연계할 수 있는 계통 연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적인 계통 연계형 태양광 발전시스템에서 태양광 전지를 구성하는 태양전지 셀과 프레임 사이에 기생 커패시턴스(parastic capacitance) 성분으로 인해 고주파 스위칭에 의한 순환 누설전류가 계통으로부터 태양전지 셀로 유입되어 태양광 발전시스템의 효율을 저하시키는 문제가 있다. 기생 커패시턴스 성부는 태양광 전지의 면적이 넓고 두께가 얇은 모듈의 특성으로 인해 발생한다.
이를 해결하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 계통 연계형 태양광 발전 시스템(10)을 태양광 전지에서 생성된 전력을 계통 전원에 연결할 때, 비절연 컨버터인 부스트 컨버터(boost converter, 11)와 인덕터(12)를 이용하여 태양광 발전시스템을 구성하였다. 부스트 컨버터(11)를 사용하면 태양광 발전 시스템의 효율이나 경제적인 이점이 있지만, 순환 누설전류를 억제하기는 어려운 문제가 있다.
그래서 비절연 컨버터이며 순환 누설전류를 억제하기 위한 별도의 보조 인덕터를 추가하고, 출력의 중간 탭을 접지로 사용함으로써, 계통 전원으로부터 태양광 전지로 순환하는 누설 전류를 억제할 수 있도록 하였다. 또한, 모든 스위치와 다이오드가 소프트 스위칭을 하여 스위칭 손실을 최소화하도록 구성하였다. 하지만, 스위치의 정격 전압이 출력전압보다 커지기 때문에 스위치 선정 시 불리하고 보조 인덕터에 높은 전압이 걸려 설계가 어려운 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 태양광 발전 시스템에서 발생하는 순환 누설전류를 억제하고, 소프트 스위칭을 통한 높은 효율을 얻을 수 있는 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 시스템은, 태양광 전지의 효율을 최대화하기 위한 최대전력 추종이 수행되고, 태양광 전지에서 생성된 전력을 승압하여 승압직류전력을 출력하는 절연 DC/DC 컨버터; 및 상기 승압된 직류전력을 교류전력으로 스위칭하여 계통전력에 연계하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 절연 DC/DC 컨버터는 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터일 수 있으며, 상기 LLC 공진형 컨버터는 절연 트랜스와 상기 절연 트랜스에서 발생하는 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하니 공진회로를 포함할 수 있다.
그리고 상기 LLC 공진형 컨버터가 상기 태양광 전지의 최대전력 지점에서 구동되도록 상기 LLC 공진형 컨버터는 자신의 전압이득 특성과 상기 태양광 전지의 광에 따른 전압 특성의 관계를 이용하여 태양광 발전량에 따라 주파수를 변경할 수 있다.
여기서, 상기 주파수의 변경은 상기 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 주파수 듀티를 50%로 고정하고, 최대전력 추종 알고리즘을 통해 얻은 태양광 전압 레퍼런스와 태양광 전지에서 발생된 전압을 비교하여 태양광 발전량에 따라 변경한다.
본 발명에 의하면, 태양광 발전 시스템을 구성함에 있어 공진을 위해 별도의 인덕터를 추가하지 않고, 트랜스의 누설 인덕턴스를 이용하여 공진회로를 구성할 수 있기 때문에 태양광 발전 시스템의 사이즈를 작게 할 수 있고, 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 계통 연계형 비절연 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 3.2kW 급 태양광 전지의 광원에 따른 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 포함된 LLC 공진형 컨버터의 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 LLC 공진형 컨버터의 전압 이득 곡선을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 3.2kW 급 태양광 전지의 광원에 따른 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 시스템(100)은 절연 DC/DC 컨버터와 인버터(120)를 포함하여 구성된다.
절연 DC/DC 컨버터는 태양광 전지와 연결되어 태양광 전지에서 생성된 직류 전력의 전압을 일정한 직류 전압으로 승압한다. 이때, 절연 DC/DC 컨버터는 LLC 공진형 컨버터(110)를 하프 브릿지로 구성한다. 그리고 LLC 공진형 컨버터(110)에 포함된 절연 트랜스에서 발생하는 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용한다. 또한, 본 발명의 태양광 발전 시스템(100)에서 최대전력 추종(MPPT: maximum power point tracking)을 위해 별도의 구성없이 LLC 공진형 컨버터(110)의 주파수를 제어하여 최대전력 추종을 수행한다.
이때, 최대전력 추종은 태양광 에너지의 전력이 일사량과 온도에 따라 비선형 특성을 가지므로 최대 전력점을 찾아 태양광 전지의 효율을 최대화하는 제어 방법이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같은 태양광 전지의 광원에 따른 전압 특성에서, 전압 특성 곡선을 따라 각 발전량에 따른 최대전력 지점에서 LLC 공진형 컨버터(110)가 운전될 수 있도록 최대전력 추종을 수행한다.
인버터(120)는 절연 DC/DC 컨버터에서 변환된 직류 전력을 스위칭하여 교류전력으로 출력하고, 출력된 교류전력을 계통 전원에 연계한다. 그리고 출력된 교류전력의 노이즈를 필터링하기 위한 인덕터가 구비된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 포함된 LLC 공진형 컨버터의 제어 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 LLC 공진형 컨버터의 전압 이득 곡선을 나타낸 그래프이다.
LLC 공진형 컨버터(110)는 반도체 스위치에 공진 회로를 결합하여 전류 또는 전압을 사인파의 형태로 변화시켜 스위치에서의 스위칭 손실을 최소화한 공진스위치가 적용된 절연 DC/DC 컨버터이다. 그러므로 LLC 공진형 컨버터(110)는 도 5에 도시된 LLC 공진형 컨버터(110)의 전압이득 곡선과 도 3에 도시된 태양광 전지의 광에 따른 전압 특성을 고려하여 태양광 발전량에 따라 주파수를 변경하여 LLC 공진형 컨버터(110)가 항상 최대전력 지점에서 운전할 수 있도록 제어할 필요가 있다. 즉, 태양광 전지의 발전량에 따라 LLC 공진형 컨버터(110)가 항상 최적의 운전 영역에서 운전할 수 있도록 제어한다.
이를 위해 스위칭 주파수의 듀티는 50%로 고정하고 최대전력 추종 알고리즘을 통해 얻은 태양광 전압 레퍼런스와 태양광 전지에서 발생된 전압을 비교하여 PI 제어기를 통해 LLC 공진형 컨버터(110)의 전압이득 곡선과 태양광 전지의 광에 따른 전압 특성과의 관계를 만족할 수 있는 주파수를 생성한다. 이렇게 생성한 주파수는 스위치에 인가됨으로써, 항상 최대전력 지점에서 LLC 공진형 컨버터(110)가 운전된다.
이를 도 5에 도시된 LLC 공진형 컨버터(110)의 전압 이득 곡선을 통해 설명하면, PV 전압에 따라 동작 영역을 ZVS(zero voltage switch)가 가능한 Region 1, Region 2로 선정하고, PV 발전량의 조건에 따라 효율이 가장 좋은 Region 2의 Load independent point에서 LLC 공진형 컨버터(110)가 운전하도록 스위칭 주파수를 가변한다.
상기와 같이, LLC 공진형 컨버터(110)를 사용하여 모드 스위칭 소자들이 소프트 스위칭을 하도록 함으로써, 태양광 발전의 효율을 높일 수 있고, 좁은 주파수 제어 범위로 폭 넓은 입출력 전압 범위를 제어할 수 있다. 또한, 누설 인덕턴스를 이용하여 공진 탱크를 구성하기 때문에 마그네틱 소자의 수를 줄일 수 있어 경제적 이점이 있다. 그리고 순환 누설전류를 억제하기 위한 종래의 비절연 컨버터에 비해 LLC 공진형 컨버터(110)를 이용함으로써, 순환 누설전류를 억제함과 동시에 컨버터의 효율을 향상시켜 계통 연계형 태양광 발전 시스템(100)의 효율을 종래에서보다 높일 수 있으며, 단가도 낮출 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 태양광 발전 시스템
110: LLC 공진형 컨버터
120: 인버터

Claims (5)

  1. 태양광 전지의 효율을 최대화하기 위한 최대전력 추종이 수행되고, 태양광 전지에서 생성된 전력을 승압하여 승압직류전력을 출력하는 절연 DC/DC 컨버터; 및
    상기 승압된 직류전력을 교류전력으로 스위칭하여 계통전력에 연계하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 DC/DC 컨버터는 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 LLC 공진형 컨버터는 절연 트랜스와 상기 절연 트랜스에서 발생하는 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하니 공진회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 LLC 공진형 컨버터가 상기 태양광 전지의 최대전력 지점에서 구동되도록 상기 LLC 공진형 컨버터는 자신의 전압이득 특성과 상기 태양광 전지의 광에 따른 전압 특성의 관계를 이용하여 태양광 발전량에 따라 주파수를 변경하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 주파수의 변경은 상기 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 주파수 듀티를 50%로 고정하고, 최대전력 추종 알고리즘을 통해 얻은 태양광 전압 레퍼런스와 태양광 전지에서 발생된 전압을 비교하여 태양광 발전량에 따라 변경하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 시스템.
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