KR20180106389A - 인버터시스템 - Google Patents

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KR20180106389A
KR20180106389A KR1020170034637A KR20170034637A KR20180106389A KR 20180106389 A KR20180106389 A KR 20180106389A KR 1020170034637 A KR1020170034637 A KR 1020170034637A KR 20170034637 A KR20170034637 A KR 20170034637A KR 20180106389 A KR20180106389 A KR 20180106389A
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박민준
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

본 발명은 태양광 발전장치와 계통전원 사이에 배치되는 인버터시스템에 있어서, 상기 태양광 발전장치의 출력을 교류전력으로 변환하는 인버터부, 상기 인버터부와 상기 계통전원 사이에 배치되고, LC 공진을 이용하여 상기 인버터부의 출력을 필터링하는 필터부, 및 상기 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터에 병렬 연결되는 적어도 하나의 방전저항을 포함하는 인버터시스템을 제공한다.

Description

인버터시스템{inverter system}
본 발명은 태양광 발전장치와 계통전원 사이에 배치되는 인버터시스템에 관한 것이다.
인버터시스템은 풍력 발전, 태양광 발전 및 ESS 등에서 널리 이용되는 전력변환장치이다. 특히, 신재생에너지의 상용화에 따라, 수십 kW 이상의 중용량 또는 대용량 인버터시스템에 대한 수요가 증가되고 있다.
인버터시스템은 발전장치로 마련되는 직류전압원과 계통전원 사이에 연계된다. 이에, 직류전압원 또는 계통전원의 영향으로 인한 서지전류가 인버터시스템에 유입될 수 있다.
한편, 인버터시스템은 계통전원으로의 출력경로를 개폐하는 릴레이를 포함하는 것이 일반적이다. 그런데, 릴레이의 용량에 대응하는 임계 크기 이상의 서지전류가 자주 발생될수록, 접점 융착 등과 같은 릴레이의 고장이 발생될 가능성이 높아지는 문제점이 있다.
본 발명은 서지전류에 의한 릴레이의 고장을 방지할 수 있는 인버터시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예시는 태양광 발전장치와 계통전원 사이에 배치되는 인버터시스템에 있어서, 상기 태양광 발전장치의 출력을 교류전력으로 변환하는 인버터부, 상기 인버터부와 상기 계통전원 사이에 배치되고, LC 공진을 이용하여 상기 인버터부의 출력을 필터링하는 필터부, 및 상기 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터에 병렬 연결되는 적어도 하나의 방전저항을 포함하는 인버터시스템을 제공한다.
상기 인버터시스템은 상기 필터부와 상기 계통전원 사이에 배치되고 상기 필터부의 출력 경로를 개폐하는 릴레이부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 인버터부가 턴오프한 상태에서, 상기 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터는 상기 방전저항을 통해 방전된다.
전술한 바와 같은 인버터시스템은 인버터부와 계통전원 사이에 배치되는 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터와 병렬 연결되는 방전저항을 포함한다.
이러한 방전저항으로 인해, 인버터부가 턴오프한 상태에서, 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터가 방전되는 기간이 짧아질 수 있다. 즉, 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터가 완전히 방전되기 전에, 인버터시스템의 출력 경로가 개폐되는 상황이 방지될 수 있다.
이에 따라, 임계 이상의 크기를 갖는 돌발전류가 인버터시스템에 유입되는 것이 방지될 수 있으므로, 인버터시스템의 출력 경로를 개폐하는 릴레이의 고장이 방지될 수 있다.
그로 인해, 인버터시스템의 신뢰도 및 수명이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 인버터시스템에 대한 일 예시이다.
도 3 및 도 4는 방전저항을 포함하지 않는 비교예에 대응한 방전기간 및 돌입전류를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 대응한 방전기간 및 돌입전류를 나타낸 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터시스템에 대해 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터시스템을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 인버터시스템에 대한 일 예시이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인버터시스템(100)은 태양광 발전장치(210, 220)와 계통전원(300) 사이에 배치된다.
태양광 발전장치(210, 220)는 태양광어레이(photovoltaic array)를 포함하고, 태양광어레이에 의한 직류전력(DC)을 공급하는 전압원(source)이다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인버터시스템(100)에 연결되는 직류전압원은 태양광 발전장치(210, 220)로 한정되지 않으며, 예시적으로, 에너지저장시스템(ESS) 또는 직류전력을 발전하는 친환경에너지시스템일 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인버터시스템(100)은 하나의 태양광 발전장치(210)와 더불어, 적어도 하나의 서브 태양광 발전장치(220)와도 연결될 수 있다. 이 경우, 태양광 발전장치(210)와 적어도 하나의 서브 태양광 발전장치(220)는 상호 병렬로 연결될 수 있다.
계통전원(300)은 각종 부하기기에 공급되는 상용 교류전원(AC 220V)일 수 있다.
인버터시스템(100)은 태양광 발전장치(210, 220)에 의한 직류전압(DC)을 교류전압(AC)으로 변환하고, 교류전압(AC)을 계통전원(300)에 공급한다.
구체적으로, 인버터시스템(100)은 태양광 발전장치(210, 220)의 출력을 평활하는 직류링크커패시터(110), 태양광 발전장치(210, 220)의 출력을 교류전력으로 변환하는 인버터부(120), 인버터부(120)와 계통전원(300) 사이에 배치되는 필터부(130), 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터에 병렬 연결되는 적어도 하나의 방전저항(140), 및 필터부(130)와 계통전원(300) 사이에 배치되는 릴레이부(150)와 출력분압부(160)를 포함한다.
직류링크커패시터(110)의 양단은 태양광 발전장치(210) 또는 서브 태양광 발전장치(220)에 연결되고, 태양광 발전장치(210)의 출력 또는 서브 태양광 발전장치(220)의 출력으로 충전된다.
구체적으로, 태양광 발전장치(210)의 출력단은 직류링크커패시터(110)의 양단에 연결되고, 서브 태양광 발전장치(220)의 출력단 또한 직류링크커패시터(110)의 양단에 연결된다.
도 1 및 도 2에 도시되어 있지 않으나, 서브 태양광 발전장치(220)는 둘 이상으로 마련될 수도 있다.
이와 같이, 직류링크커패시터(110)가 태양광 발전장치(210)와 더불어, 적어도 하나의 서브 태양광 발전장치(220)에 연결되고, 태양광 발전장치(210)와 적어도 하나의 서브 태양광 발전장치(220)는 상호 병렬 연결된다. 이로써, 유지 보수가 용이해지고, 고용량을 공급할 수 있으면서도 아크 발생이 방지될 수 있는 장점이 있다.
더불어, 도 1에 도시되지 않았으나, 인버터시스템(100)은 태양광 발전장치(210)와 직류링크커패시터(110) 사이에 배치되고 태양광 발전장치(210)의 출력을 펄스형태의 직류전력으로 변환하는 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 직류링크커패시터(110)는 컨버터에 의한 펄스형태의 직류전력으로 충전 및 방전된다.
또는, 도 1에 도시되지 않았으나, 인버터시스템(100)은 태양광 발전장치(210)와 직류링크커패시터(110) 사이에 배치되고 태양광 발전장치(210)의 출력의 전압레벨을 변환하는 DC승압모듈(DC boost converter)(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이때, DC승압모듈은 태양광 발전장치(210)의 출력의 전압레벨을 인버터부(120)에 의해 변환되기에 용이한 전압레벨로 변환한다.
인버터부(120)는 직류링크커패시터(110)의 출력을 교류전력으로 변환한다.
도 2의 도시와 같이, 인버터부(120)는 제어부(미도시)로부터 공급된 PWM제어신호에 기초하여 스위칭되는 스위치소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 포함한다.
즉, 인버터부(120)는 고전위와 저전위 사이에 복수의 스위치소자(Q1, Q2, Q3, Q4)가 직렬로 연결되고, 복수의 스위치소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 공통노드를 통해 교류전압(AC)을 출력하는 3상 또는 단상 인버터일 수 있다.
필터부(130)는 LC 공진을 이용하여 인버터부(130)의 출력을 필터링한다.
즉, 도 2의 도시와 같이, 필터부(130)는 인버터부(130)의 각 출력단에 상호 직렬 연결되는 적어도 하나의 인덕터(L11, L12, L13)(L21, L22, L23) 및 인버터부(130)의 출력단 사이에 상호 병렬 연결되는 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)를 포함할 수 있다.
방전저항(140)은 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)에 병렬 연결된다.
예시적으로, 인버터시스템(100)의 용량이 5.5kW이고, 계통전원(300)의 출력전압이 320V인 경우, 방전저항(140)은 수십㏀으로 마련될 수 있다. 일 예로, 방전저항(140)은 51㏀일 수 있다.
도 1의 도시와 같이, 릴레이부(150)는 필터부(130)의 각 출력단에 배치되는 릴레이를 포함한다. 이러한 릴레이부(150)는 필터부(130)의 출력 경로를 개폐한다.
또는, 도 2의 도시와 같이, 릴레이부(150)는 필터부(130)의 각 출력단에 배치되고 상호 병렬 연결되는 둘 이상의 릴레이(R11, R12)(R21, R22)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 비교적 작은 용량의 릴레이(R11, R12)(R21, R22)가 구비될 수 있으므로 인버터시스템(100)의 구축에 필요한 비용이 절감될 수 있는 장점이 있다. 또한, 비교적 큰 크기의 전력 또는 전류에 의한 릴레이(R11, R12)(R21, R22)의 파손을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
출력분압부(160)는 릴레이부(150)의 출력단에 연결되고, 릴레이부(150)의 출력을 분압하여 계통전원(300)의 삼상라인에 전달한다.
일 예로, 도 2의 도시와 같이, 출력분압부(160)는 릴레이부(150)의 출력단 사이에 상호 병렬 연결되는 두 개의 콘덴서(C5, C6)를 포함할 수 있다.
또한, 별도로 도시하고 있지 않으나, 인버터부(120)가 3상인버터인 경우, 출력분압부(160)는 생략될 수 있다.
한편, 인버터부(120)가 턴오프한 상태에서, 릴레이부(150)를 통해 인버터시스템(100)과 계통전원(300) 간의 연계 상태가 변동하면, 인버터시스템(100)에 서지전류가 유입될 수 있다. 특히, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)가 적절히 방전되지 않은 상태에서 릴레이부(150)가 개폐 동작되는 경우, 인버터시스템(100)으로 유입되는 서지전류는 최대 160A 정도로 큰 크기일 수 있다. 이러한 큰 크기의 서지전류에 릴레이부(150)가 자주 노출될수록, 릴레이부(150)의 일부 릴레이(R11, R12, R21, R22)가 더욱 용이하게 융착될 수 있는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터시스템(100)은 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)와 병렬 연결되는 적어도 하나의 방전저항(140)을 포함한다. 이러한 방전저항(140)으로 인해, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 방전이 신속하게 실시될 수 있다.
따라서, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)가 방전된 상태에서 릴레이부(150)의 개폐 동작이 실시될 수 있으므로, 인버터시스템(100)으로 유입되는 서지전류의 크기가 감소될 수 있고, 그로 인해, 릴레이부(150)의 파손이 방지될 수 있다.
이에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 방전저항을 포함하지 않는 비교예에 대응한 방전기간 및 돌입전류를 나타낸 도면이다. 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 대응한 방전기간 및 돌입전류를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 방전저항을 포함하지 않는 비교예에 따르면, 방전저항(140)을 포함하지 않으므로, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 충전전압은 서서히 방전된다.
즉, 인버터부(120)가 턴오프한 시점부터 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 충전전압이 임의 크기 미만으로 방전되는 시점까지의 기간(AT_CE)(이하, "방전기간"이라 함)은 500초에 인접할 수 있다. 일 예로, 비교예의 방전기간(AT_CE)은 약 8분(480초)으로 도출될 수 있다.
이와 같이, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)에 충전된 전압(도 3의 "충전전압"; 이하 "충전전압"이라 함)이 서서히 방전되므로, 릴레이부(150)의 개폐 동작 간격이 방전기간(AT_CE)보다 짧을 수 있다.
이에 따라, 도 4에 도시한 바와 같이, 릴레이부(150)의 개폐 동작이 실시되는 릴레이 구동시점에서, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 충전전압이 완전히 방전되지 않은 상태일 수 있다. 그로 인해, 서지전류가 최대 160A의 크기로 발생될 수 있으며, 큰 크기의 서지전류로 인해 릴레이부(150)의 릴레이가 융착될 수 있는 문제점이 있다.
반면, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 충전전압이 방전저항(140)에 의한 전류로 인해 더욱 신속하게 방전될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인버터부(120)가 턴오프한 시점부터 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 충전전압이 임의 크기 미만으로 방전되는 시점까지의 방전기간(AT)은 약 60초 이내일 수 있다. 일 예로, 방전저항(140)이 51㏀인 경우, 방전기간(AT)은 약 5초일 수 있다.
이로써, 방전기간(AT)이 릴레이부(150)의 개폐 동작 간격보다 짧아질 수 있다.
그러므로, 도 6에 도시한 바와 같이, 릴레이부(150)의 개폐 동작이 실시되는 릴레이 구동시점에서, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 충전전압은 임의 크기 미만으로 완전히 방전된 상태가 될 수 있다. 그로 인해, 비교예에 비해 서지전류의 크기가 감소될 수 있으므로, 릴레이부(150)의 파손이 방지될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인버터부(120)와 계통전원(300) 사이에 배치된 필터부(140)의 방전을 위한 방전저항(140)을 포함함으로써, 필터부(130)에 포함된 적어도 하나의 커패시터(C1, C2, C3, C4)가 방전된 상태에서 릴레이부(150)의 개폐 동작이 실시될 수 있으므로, 서지전류의 크기가 릴레이부(150)를 파손시킬 정도로 커질 가능성이 낮아질 수 있다. 따라서, 서지전류에 의한 릴레이부(150)의 파손이 방지될 수 있으므로, 인버터시스템(100)의 신뢰도 및 수명이 향상될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 인버터시스템 210: 태양광 발전장치
300: 계통전원 110: 직류 링크 커패시터
120: 인버터부 130: 필터부
140: 방전저항 150: 릴레이부
160: 출력분압부

Claims (7)

  1. 태양광 발전장치와 계통전원 사이에 배치되는 인버터시스템에 있어서,
    상기 태양광 발전장치의 출력을 교류전력으로 변환하는 인버터부;
    상기 인버터부와 상기 계통전원 사이에 배치되고, LC 공진을 이용하여 상기 인버터부의 출력을 필터링하는 필터부; 및
    상기 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터에 병렬 연결되는 적어도 하나의 방전저항을 포함하는 인버터시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부와 상기 계통전원 사이에 배치되고 상기 필터부의 출력 경로를 개폐하는 릴레이부를 더 포함하는 인버터시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 릴레이부의 출력단에 연결되고 상호 병렬 연결되는 두 개의 콘덴서를 포함하며, 상기 릴레이부의 출력을 분압하여 상기 계통전원의 삼상라인에 전달하는 출력분압부를 더 포함하는 인버터시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터부가 턴오프한 상태에서, 상기 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터는 상기 방전저항을 통해 방전되는 인버터시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 인버터부가 턴오프한 시점부터 상기 필터부에 포함된 적어도 하나의 커패시터가 방전되는 시점까지의 방전기간은 60초 미만인 인버터시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양광 발전장치의 출력으로 충전되는 직류링크커패시터를 더 포함하고,
    상기 인버터부는 상기 직류링크커패시터의 양단에 연결되고, 상기 직류링크커패시터의 출력을 상기 교류전력으로 변환하는 인버터시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 직류 링크 커패시터의 양단에 연결되는 적어도 하나의 서브 태양광 발전장치를 더 포함하는 인버터시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024017740A3 (de) * 2022-07-22 2024-03-21 Sma Solar Technology Ag Brückenschaltung und energieewandlungsanlage

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