KR20200008920A - 삼상 계통연계형 분산 발전기 - Google Patents

삼상 계통연계형 분산 발전기 Download PDF

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Abstract

삼상 계통연계형 분산 발전기가 개시된다. 본 발명의 삼상 계통연계형 분산 발전기는 분산전원의 양단에 연결되어 분산전원으로부터의 DC 전압을 AC 형태의 펄스전압으로 변환하는 인버터; 인버터로부터 입력된 AC 전압에 따라 AC 전류를 출력하는 인덕터부; 및 1차측이 인덕터부에 연결되고 2차측이 부하 또는 전력계통측에 연결되어 인덕터부로부터 입력된 AC 전류에 따라 턴비에 대응되는 전류를 유기하는 제1 내지 제2 단상 변압기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

삼상 계통연계형 분산 발전기{THREE PHASE GRID-CONNECTED DISTRIBUTED GENERATOR}
본 발명은 삼상 계통연계형 분산 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4-스위치 인버터와 2개의 단상 변압기를 이용하여 삼상 전력을 전달하는 삼상 계통연계형 분산 발전기에 관한 것이다.
소규모의 분산발전시스템 시장은 가격 경쟁력이 중요한 요소를 차지하고 있다. 분산발전시스템 구성요소 중에서도 전력변환장치인 인버터는 부품의 집적도가 높고 단위모듈로써 가장 높은 가격을 차지한다. 일반적인 삼상 풀브릿지 인버터 구조는 6개의 전력 반도체 스위치로 구성된다.
분산발전시스템은 분산전원이 변압기를 통하여 계통과 연결되는 경우 절연형이 된다. 절연형 분산발전시스템은 초기동작에서 분산전원과 계통간의 접지전압 차에 의한 과도전류를 효과적으로 제한할 수 있고, 동상모드 노이즈를 제거할 수 있으며, 계통측의 지락사고로부터 분산발전시스템을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 분산전원의 고장시 안전을 도모할 수 있는 장점이 있어 시스템 보호 및 설계에 있어 매우 유리하다.
이러한 삼상 풀브릿지 인버터는 6개의 전력용 반도체 스위치(Insulated Gate Bipolar Transistor 혹은 Power Field-Effect Transistor)로 구성되며, 6개의 전력용 반도체 스위치의 스위치 상태를 조합함으로써 펄스형태의 AC 전압을 출력한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2008-0030129호(2008.04.04)의 '계통발전용 고전압 일체형 태양광 발전시스템'에 개시되어 있다.
종래의 삼상 풀브릿지 인버터는 6개의 스위치 각각에 대한 드라이버 회로 및 전원회로를 구성해야 하므로 회로가 복잡해지고, 삼상 변압기 또한 3상에 대한 권선을 각각 구성해서 연결해야 하므로 시스템 부피가 크며, 제품 단가가 단상 변압기에 비해 높은 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 4개의 스위치를 구비한 인버터와 2개의 단상 변압기를 이용한 삼상 계통연계형 분산 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기는 분산전원의 양단에 연결되어 상기 분산전원으로부터의 DC 전압을 AC 형태의 펄스전압으로 변환하는 인버터; 상기 인버터로부터 입력된 AC 전압에 따라 AC 전류를 출력하는 인덕터부; 및 1차측이 상기 인덕터부에 연결되고 2차측이 부하 또는 전력계통측에 연결되어 상기 인덕터부로부터 입력된 AC 전류에 따라 턴비에 대응되는 전류를 유기하는 제1 내지 제2 단상 변압기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 인버터는 제1 내지 제4 스위치; 및 제1 내지 제2 커패시터를 포함하며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 직렬 연결되고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치는 직렬 연결되며, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터는 직렬 연결되며, 상기 제1 내지 상기 제4 스위치의 스위치 조합에 따라 a상 출력과 b상 출력 및 c상 출력을 상기 제1 내지 제2 단상 변압기의 1차측으로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 인버터는 a상 전압을 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치 사이의 제1 노드를 통해 상기 인덕터부에 공급하고, b상 전압을 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치 사이의 제2 노드를 통해 상기 인덕터부에 공급하며, c상 전압을 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이의 제3 노드를 통해 상기 인덕터부에 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1 단상 변압기는 1차측 (+)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제1 노드에 연결되고 1차측 (-)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제3 노드에 연결되고, 상기 제2 단상 변압기는 1차측 (+)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제2 노드에 연결되고 1차측 (-)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제3 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 인덕터부는 일측이 상기 제1 노드에 연결되고 타측이 상기 제1 단상 변압기의 1차측 (+)단에 연결되어 a상 전압에 따른 AC 전류를 상기 제1 단상 변압기의 1차측에 공급하는 a상 필터; 일측이 상기 제2 노드에 연결되고 타측이 상기 제2 단상 변압기의 1차측 (+)단에 연결되어 b상 전압에 따른 AC 전류를 상기 제2 단상 변압기의 1차측에 공급하는 b상 필터; 및 일측이 상기 제3 노드에 연결되고 타측이 상기 제1 단상 변압기와 상기 2 단상 변압기의 1차측 (-)단에 공통으로 연결되어 c상 전압에 따른 AC 전류가 상기 제1 단상 변압기와 상기 제2 단상 변압기 중 어느 하나에 의해 공급될 수 있도록 하는 c상 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 a상 필터와 상기 b상 필터 및 상기 c상 필터 각각은 L 필터 및 LCL 필터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기는 4개의 스위치를 구비한 인버터와 2개의 단상 변압기를 이용하여 시스템의 부피와 제품 단가가 크게 감소될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기는 4-스위치 인버터와 2개의 단상 변압기가 조합되어 전력밀도를 높이고 시스템을 단순화시킬 수 있으며 전력변환효율을 향상시킨다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기의 회로도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기는 인버터(200), 인덕터부(300), 제1 단상 변압기(400) 및 제2 단상 변압기(500)를 포함한다.
인버터(200)는 배터리, 태양광 및 풍력터빈과 같은 분산전원(100)의 양단에 연결되어 분산전원(100)으로부터의 DC 전압을 AC 형태의 펄스전압으로 변환한다.
이러한 인버터(200)는 제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4) 및 제1 내지 제2 커패시터(C1 내지 C2)를 포함한다.
제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)는 직렬 연결되며, 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2) 사이에는 제3 노드(N3)가 형성된다.
제1 커패시터(C1)는 일측이 분산전원(100)의 (+)단에 연결되고 타측이 제3 노드(N3)에 연결되고, 제2 커패시터(C2)는 일측이 제3 노드(N3)에 연결되고 타측이 분산전원(100)의 (-)단에 연결된다. 이러한 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2) 각각에는 분산전원(100)의 전압(Vdc)의 분배된 전압(Vdc/2)이 형성된다.
제3 노드(N3)는 상기한 바와 같이 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2) 사이에 형성되며, 제4 노드(N4)를 통해 제1 단상 변압기(400)의 1차측 (-)단과 제2 단상 변압기(500)의 1차측 (-)단, 및 접지(Earth Ground)와 연결된다.
이에 따라, 제3 노드(N3)를 통해 c상 전압이 인덕터부(300)의 c상 필터(330)에 인가되며, 이 c상 필터(330)에 의해 c상 전류가 인가된다. 이에 대해서는 후술한다.
제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4) 각각은 인버터 드라이버(미도시)에 의해 스위칭되어 분산전원(100)으로부터 DC 전압을 공급받아 AC 형태의 펄스전압으로 변환한다.
제1 스위치(S1)는 일측이 분산전원(100)의 (+)단에 연결되고 타측이 제1 노드(N1)에 연결되고, 제3 스위치(S3)는 일측이 제1 노드(N1)에 연결되고 타측이 분산전원(100)의 (-)단에 연결된다.
제2 스위치(S2)는 일측이 분산전원(100)의 (+)단에 연결되고 타측이 제2 노드(N2)에 연결되고 제4 스위치(S4)는 일측이 제2 노드(N2)에 연결되고 타측이 분산전원(100)의 (-)단에 연결된다.
여기서, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)는 직렬 연결되고, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3) 사이에는 제1 노드(N1)가 형성된다.
제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)는 직렬 연결되고, 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4) 사이에는 제2 노드(N2)가 형성된다.
이러한 제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4)에서, 인버터 드라이버의 제어에 의해 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 동시에 턴온 및 턴오프되고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 동시에 턴온 및 턴오프된다. 여기서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4) 및 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 교번되게 스위칭된다.
즉, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온되면 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 턴오프되고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온되면 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)는 턴오프되며, 이러한 과정은 반복된다.
여기서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온되고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴오프되면, a상 전압이 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 제1 노드(N1)를 통해 인덕터부(300)의 a상 필터(310)로 인가된다.
또한, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온되고 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴오프되면, b상 전압이 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4) 사이의 제2 노드(N2)를 통해 인덕터부(300)의 b상 필터(320)로 인가된다.
이와 같이, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온되고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴오프되며, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온되고 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴오프되는 과정을 반복함으로써, 분산전원(100)의 DC 전압이 AC 형태의 펄스 전압으로 변환된다.
인덕터부(300)는 인버터(200)로부터 입력된 AC 전압에 따라 AC 전류를 출력한다.
인덕터부(300)는 a상 필터(310), b상 필터(320) 및 c상 필터(330)를 포함한다.
a상 필터(310)는 일측이 제1 노드(N1)에 연결되고 타측이 제1 단상 변압기(400)의 1차측 (+)단에 연결되어 제1 노드(N1)로부터 인가되는 a상 전압에 따라 a상 전류(ia)를 제1 단상 변압기(400)의 (+)단에 인가한다.
b상 필터(320)는 일측이 제2 노드(N2)에 연결되고 타측이 제2 단상 변압기(500)의 1차측 (+)단에 연결되어 제2 노드(N2)로부터 인가되는 b상 전압에 따라 b상 전류(ib)를 제2 단상 변압기(500)의 (+)단에 인가한다.
c상 필터(330)는 일측이 제3 노드(N3)에 연결되고 타측이 제1 단상 변압기(400)의 (-)단과 제2 단상 변압기(500)의 1차측 (-)단에 공통으로 연결되어 c상 전압에 따른 c상 전류(ic)가 제1 단상 변압기(400)와 제2 단상 변압기(500) 중 어느 하나를 통해 인가될 수 있도록 한다.
이러한 a상 필터(310), b상 필터(320) 및 c상 필터(330) 각각은 L(inductor) 필터 또는 LCL(inductor-capacitor-inductor) 필터가 채용될 수 있다.
제1 단상 변압기(400)와 제2 단상 변압기(500)는 1차측이 인덕터부(300)에 연결되고 2차측이 부하(500) 또는 전력계통에 연결되어 인덕터부(300)로부터 입력된 AC 전류에 따라 턴비에 대응되는 전류를 유기한다.
먼저, 제1 단상 변압기(400)는 1차측 (+)단이 a상 필터(310)를 통해 제1 노드(N1)에 연결되고 1차측 (-)단이 c상 필터(330)를 통해 제3 노드(N3)에 연결되며, 2차측 (+)단과 (-)단이 부하(500) 또는 전력계통에 연결된다.
제2 단상 변압기(500)는 1차측 (+)단이 b상 필터(320)를 통해 제2 노드(N2)에 연결되고 1차측 (-)단이 c상 필터(330)를 통해 제3 노드(N3)에 연결되며, 2차측 (+)단과 (-)단이 부하(500) 또는 전력계통에 연결된다.
이 경우, 제1 단상 변압기(400)의 a상에 대응되는 단자를 u상과 연결하고, 제2 단상 변압기(500)의 b상에 대응되는 단자를 v상과 연결하며, 제1 단상 변압기(400)와 제2 단상 변압기(500)의 나머지 단자 각각을 병렬로 연결하여 w상으로 연결함으로써, u상과 v상 및 w상 각각을 삼상 계통에 연결한다.
이에 따라, u상과 v상 및 w상을 통해 u상 전류(iu)와 v상 전류(iv) 및 w상 전류(iw)가 부하(500) 또는 전력계통에 전달된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기는 4개의 스위치를 구비한 인버터와 2개의 단상 변압기를 이용하여 시스템의 부피와 제품 단가가 크게 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 계통연계형 분산 발전기는 4-스위치 인버터와 2개의 단상 변압기가 조합되어 전력밀도를 높이고 시스템을 단순화시킬 수 있으며 전력변환효율을 향상시킨다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
100: 분산전원
200: 인버터
300: 인덕터부
310: a상 필터
320: b상 필터
330: c상 필터
400: 제1 단상 변압기
500: 제2 단상 변압기
500: 부하

Claims (6)

  1. 분산전원의 양단에 연결되어 상기 분산전원으로부터의 DC 전압을 AC 형태의 펄스전압으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터로부터 입력된 AC 전압에 따라 AC 전류를 출력하는 인덕터부; 및
    1차측이 상기 인덕터부에 연결되고 2차측이 부하 또는 전력계통측에 연결되어 상기 인덕터부로부터 입력된 AC 전류에 따라 턴비에 대응되는 전류를 유기하는 제1 내지 제2 단상 변압기를 포함하는 삼상 계통연계형 분산 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터는
    제1 내지 제4 스위치; 및
    제1 내지 제2 커패시터를 포함하며,
    상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 직렬 연결되고, 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치는 직렬 연결되며, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터는 직렬 연결되며, 상기 제1 내지 상기 제4 스위치의 스위치 조합에 따라 a상 출력과 b상 출력 및 c상 출력을 상기 제1 내지 제2 단상 변압기의 1차측으로 전달하는 것을 특징으로 하는 삼상 계통연계형 분산 발전기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 인버터는 a상 전압을 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치 사이의 제1 노드를 통해 상기 인덕터부에 공급하고, b상 전압을 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치 사이의 제2 노드를 통해 상기 인덕터부에 공급하며, c상 전압을 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이의 제3 노드를 통해 상기 인덕터부에 공급하는 것을 특징으로 하는 삼상 계통연계형 분산 발전기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 단상 변압기는 1차측 (+)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제1 노드에 연결되고 1차측 (-)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제3 노드에 연결되고, 상기 제2 단상 변압기는 1차측 (+)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제2 노드에 연결되고 1차측 (-)단이 상기 인덕터부를 통해 상기 제3 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 삼상 계통연계형 분산 발전기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 인덕터부는
    일측이 상기 제1 노드에 연결되고 타측이 상기 제1 단상 변압기의 1차측 (+)단에 연결되어 a상 전압에 따른 AC 전류를 상기 제1 단상 변압기의 1차측에 공급하는 a상 필터;
    일측이 상기 제2 노드에 연결되고 타측이 상기 제2 단상 변압기의 1차측 (+)단에 연결되어 b상 전압에 따른 AC 전류를 상기 제2 단상 변압기의 1차측에 공급하는 b상 필터; 및
    일측이 상기 제3 노드에 연결되고 타측이 상기 제1 단상 변압기와 상기 2 단상 변압기의 1차측 (-)단에 공통으로 연결되어 c상 전압에 따른 AC 전류가 상기 제1 단상 변압기와 상기 제2 단상 변압기 중 어느 하나에 의해 공급될 수 있도록 하는 c상 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 계통연계형 분산 발전기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 a상 필터와 상기 b상 필터 및 상기 c상 필터 각각은 L 필터 및 LCL 필터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼상 계통연계형 분산 발전기.
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