KR20210094088A - 인버터 시스템 시동 방법 및 인버터 시스템 - Google Patents
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Abstract
인버터 시스템(1)이 설명된다. 인버터 시스템(1)은 복수의 광전지(PV) 패널(8)과 같은 DC 전원, 인버터(2) 및 컨트롤러(32)를 포함한다. 인버터(2)는 적절한 인버터 토폴로지(topology)로 배열된 복수의 반도체 디바이스(예컨대, IGBT 및 역병렬 연결 다이오드와 같은 제어 가능한 반도체 스위치)를 포함한다. 인버터(2)는 DC 링크(10)에 의해 PV 패널(8)과 연결된 DC 입력 단자(4)와 하나 이상의 AC 출력 단자(6)를 포함한다. 인버터(2)를 시동하면, 컨트롤러(32)는 반도체 스위치가 DC 입력 사이에 단락 회로를 생성하도록 제어함으로써 인버터(2)의 단락 상태를 활성화하여, 인버터(2)가 PV 패널(8)의 단락 전류와 실질적으로 동일한 전류를 전달하도록 구성된다. 이 단락 전류는 인버터(2)의 반도체 디바이스를 예열하는 데 사용되어, 인버터의 정상 작동 중에 반도체 디바이스가 높은 차단 전압을 겪을 때 우주 복사에 의한 고장률을 감소시킬 수 있다.
Description
본 발명은 인버터 시스템의 시동 방법 및 인버터 시스템에 관한 것으로, 특히 직류(DC) 입력 전압을 교류(AC) 출력 전압, 예를 들어 AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드로 내보내기 위해 변환하는 인버터(또는 전력 변환기)를 포함하는 인버터 시스템에 관한 것이다.
일 실시예에서, 인버터 시스템은, 태양광 인버터가 하나 이상의 광전지(PV) 패널과 연결되는, 태양광 인버터 시스템일 수 있다.
태양광 인버터는 태양광 발전소에서 중요한 역할을 하고, 하나 이상의 PV 패널의 어레이에 의해 제공되는 DC 출력 전압을 AC 전원 네트워크 또는 유틸리티 그리드로 내보낼 수 있는 AC 출력 전압으로 변환하는 데 사용된다.
태양광 인버터는, 원하는 AC 출력 전압을 생성할 수 있는, 적절한 제어 전략에 따라 켜지고 꺼질 수 있는 복수의 제어 가능한 반도체 스위치를 포함한다. 특정한 반도체 스위치 및 고속 회복 다이오드(fast recovery diode)와 같은 다른 반도체 디바이스의 적합성은 이들의 기술 사양(또는 데이터 시트)에 의해 결정되고, 예를 들어, 이들의 최대 정격 컬렉터-에미터 전압 또는 최대 정격 전류를 포함한다.
EP 2416480은 태양광 인버터 시스템 및 높은 개방 회로 전압, 예를 들어 1000VDC 이상에서 태양광 인버터 시스템의 시동 방법을 개시한다. 인버터 시스템은 태양광 인버터와, 인버터 시스템을 AC 유틸리티 그리드 및 PV 패널의 어레이에 연결하기 전에 인버터를 사전 충전하는 데 사용되는 인버터 프리차저(pre-charger)를 포함한다. 태양광 인버터는 DC 링크 전압이 PV 어레이의 사전결정된 개방 회로 전압보다 낮은 제 1 DC 링크 전압에 도달할 때까지 충전된다. 인버터 프리차저는, 인버터 시스템을 PV 어레이에 연결하기 전에 및 인버터 시스템을 AC 유틸리티 그리드에 연결한 후에, DC 링크 전압을 제 2 DC 링크 전압으로 낮추도록 구성된다. 제 2 DC 링크 전압은 태양광 인버터를 통해 생성되는 AC 그리드 전류를 제어하기 위해 필요한 최소 전압 레벨이다.
대형 현대식 태양광 발전소는 일반적으로 1500VDC 정격이고, 즉 태양광 인버터의 DC 입력 전압은 PV 패널의 온도, 일사량 및 기타 조건에 따라 최대 1500VDC이다. 태양광 인버터의 반도체 전력 디바이스는 이에 따라 정격화되어야 한다. 태양광 인버터는 적절한 회로 토폴로지(topology)에서 적절한 전압 및 전류 정격을 가진 IGBT를 활용할 수 있다. 예를 들어, 1200V의 차단 전압 능력을 가진 IGBT는, 각 IGBT가 DC 입력 전압의 절반, 즉 750VDC를 차단해야 하는, 3-레벨 중성점 클램프 전압 소스 컨버터(three-level neutral point clamped voltage source converter; NPC VSC) 토폴로지에 적용될 수 있다. 2-레벨 VSC 토폴로지에서, 각 IGBT는 전체 DC 입력 전압을 차단하여야 한다. 따라서 정격 전압이 1700V인 반도체 스위치는 1500VDC의 DC 입력 전압을 차단하는 데 적용될 수 있다. 이러한 경우, 차단 전압 마진(~200V)이 작다. 더욱이, 차단 전압 정격은 온도에 의존하기 때문에, 더 낮은 온도에서 데이터 시트 값보다 더 작을 것이다. 이는 저온 반도체 스위치 및 다이오드의 경우, 예를 들어 인버터가 약 25°C보다 낮은 온도에서 작동하는 경우, 차단 전압 마진이 더 작다는 것을 의미한다.
개선된 IGBT 및 다이오드라도 저온일 때 이들의 차단 전압 정격과 근접한 차단 전압에서 허용할 수 없을 정도로 높은 고장(failure)을 나타낸다. 일반적으로, IGBT, GTO, IGCT등 및 파워 다이오드와 같은 모든 반도체 스위치의 차단 능력은 우주 복사로 인한 고장에 의해 손상된다. 예를 들어, 우주선(cosmic ray)으로 인한 SEB(single event burnout)는 무작위 고장률(random failure rate)에 기여하는 것으로 알려져 있다. 그 발생은 스위치 차단 전압 및 스위치 온도에 강하게 의존한다. 특히, 차단 전압이 높을수록 접합 온도가 낮을수록 고장률은 높아진다.
태양광 인버터의 경우, 태양광 인버터의 주변 온도(결과적으로 반도체 스위치 및 다이오드의 접합 온도)가 상대적으로 낮은 아침 일찍 시동해야 하는 경우가 많다. 이는 반도체 전력 디바이스의 높은 고장률을 야기한다.
본 발명은 인버터의 반도체 스위치 및/또는 다이오드가 접합 온도가 특정 온도(예컨대, 75°C) 이상으로 증가된 후에 고전압을 차단하는 데만 사용되도록 하는 것을 보장한다. 본 발명은, 예를 들어 인버터를 시동할 때 사용될 수 있다.
본 발명은 인버터 시스템(예컨대, 태양광 발전소의 일부를 형성할 수 있는 태양광 인버터 시스템)을 제어(예컨대, 시동 또는 예열)하는 방법을 제공하며, 인버터 시스템은 직류(DC) 전원, 및 DC 링크에 의해 전원과 연결된 DC 입력 단자와 적어도 하나의 교류 출력 단자를 갖는 인버터(예컨대, 태양광 인버터)를 포함하되, 위 방법은 인버터가 초기에 오프 상태에 있는 경우, 인버터의 반도체 스위치를 제어(예컨대, 반도체 스위치의 일부 또는 전부를 켬)함으로써 인버터의 단락 상태를 활성화하여, DC 입력 단자 사이에 단락 회로를 생성하도록, 인버터가 DC 전원의 단락 전류와 실질적으로 동일한 전류를 전달하도록 하는 단계를 포함한다.
인버터의 각 반도체 디바이스는 역병렬(anti-parallel) 연결 다이오드, 즉 연관된 제어 가능 반도체 스위치와 역병렬로 연결된 다이오드를 더 포함할 수 있다. 본 명세서에서 "반도체 디바이스"에 대한 참조는 제어 가능 반도체 스위치 및/또는 역병렬 연결 다이오드를 적절하게 지칭할 수 있다. 일반적으로 역병렬 연결 다이오드를 포함하는 제어 가능 반도체 스위치는 예를 들어 IGBT(insulated-gate bipolar transistor)를 포함한다. 일반적으로 역병렬 연결 다이오드가 없거나 필요하지 않은 제어 가능 반도체 스위치는 예를 들어 RC-IGBT(reverse conducting IGBT), BIGT(bi-mode insulated gate transistor) 및 SiC MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor that utilize silicon carbon)을 포함한다.
본 명세서에서 인버터의 "오프 상태"에 대한 언급은 인버터가 아직 활성화되지 않은 상태를 지칭할 수 있지만, 일반적으로 인버터가 활성화되었지만 모든 반도체 스위치가 오프 상태를 지칭할 것이다.
달리 언급되지 않는 한, 본 명세서에서 "연결된" 구성요소에 대한 참조는 직접 및 간접 전기적 연결 또는 결합, 예를 들어 구성요소가 하나 이상의 개입 구성요소에 의해 함께 전기적으로 연결되거나 결합되는 것을 포함한다.
인버터를 제어하여 켜져 있는 반도체 스위치를 통해 단락 전류를 전달하는 것은 일반적인 전도 손실을 통한 열 생성의 결과로서 반도체 스위치의 온도를 높일 것이다. 반도체 디바이스가 역병렬 다이오드를 포함하는 경우, 다이오드는 단락 전류를 항상 전도하지는 않으므로 전도 손실의 결과로 항상 직접 가열되는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 하지만 다이오드는 연관된 제어 가능 반도체 스위치와의 열결합(thermal coupling)에 의해, 예를 들어 공통 베이스플레이트(common baseplate) 또는 히트 싱크(heat sink)를 통해, 특히 스위치와 다이오드가 동일한 패키지에 통합된 경우, 간접적으로 가열될 수 있다. 따라서 단락 전류는 인버터의 반도체 디바이스에 직접 및 간접 가열을 제공하는 데 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
방법은 특정 기간 동안 또는 적어도 인버터의 온도가 온도 임계치를 초과할 때까지 인버터의 단락 상태를 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 인버터의 온도가 상승하지만 최대 온도 임계치를 초과하지 않도록 시간이 선택될 수 있다. 반도체 디바이스가 손상되는 것을 방지하기 위해 최고 온도 임계치가 선택될 수 있다. 이는 인버터의 온도를 측정할 필요 없이 반도체 디바이스를 예열하는 측면에서 일부 이점을 제공할 수 있다.
일반적으로, 인버터의 단락 상태는 임계치를 초과하거나 특정 기준이 충족될 때까지 유지될 수 있으며, 예를 들어 임계치 또는 기준은 시간 임계치(예컨대, 일정 시간) 또는 온도 임계치일 수 있다.
인버터의 온도 주변 온도 또는 인버터 캐비닛 내 온도와 같은 측정된 온도, 또는 인버터의 적어도 하나의 반도체 디바이스와 관련된 온도일 수 있다.
온도 임계치와 비교되는 온도는 직접 또는 간접적으로 측정되거나, 추정되거나, 임의의 적절한 방식으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 온도는 반도체 디바이스의 내부 온도를 측정할 수 있는 서미스터(thermistor), 서모커플(thermocouple) 등과 같은 적절한 센서, 예를 들어 베이스플레이트 또는 히트싱크를 사용하여 측정될 수 있다. 측정된 온도는 직접 측정할 수 없는 온도, 예를 들어 반도체 디바이스의 접합 온도를 추정하거나 유도하는 데 사용될 수 있으며, 이 온도는 온도 임계치와 비교된다. 예를 들어, 온도는 주변 온도 또는 인버터 캐비닛 내 온도를 포함하는 하나 이상의 매개변수 또는 인버터 또는 인버터 시스템의 하나 이상의 전기적 매개 변수가 있는 적절한 열 모델을 사용하여 정확하게 추정되거나 결정될 수 있다. 온도는 예를 들어 룩업 테이블 또는 모델을 참조하여 상대적으로 안정한 하나 이상의 반도체 스위치의 단락 전류 및 온 상태 전압 또는 전압 강하와 같은 하나 이상의 측정된 매개변수를 사용하여 결정될 수 있다. 온도는 또한 예를 들어 시간에 따라 전도된 단락 전류를 통합하여, 초기 측정 온도에 비한 온도 증가를 결정함으로써 정확하게 추정될 수 있다.
온도 임계치는 인버터의 후속 동작 동안 적어도 하나의 반도체 디바이스가 높은 차단 전압을 겪을 때, 인버터의 적어도 하나의 반도체 디바이스가 우주 복사로 인한 고장률(failure rate)을 크게 감소시키는 온도로 가열될 수 있도록 하는 레벨로 설정될 수 있다. 예를 들어, 온도 임계치는 약 50°C 내지 약 125°C 범위, 보다 바람직하게는 약 75°C 내지 약 100°C 범위일 수 있다. 일반적인 스위칭 동작이 온도 의존적이며, 낮은 온도에서 다루기가 더 어려워지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 낮은 접합 온도에서 인버터 작동을 피하는 경우가 많다. 외부 가열의 필요 없이 반도체 디바이스에 최소 작동 온도를 제공하기 위해 온도 임계치는 약 5°C 내지 25°C 범위에 있을 수 있다.
바람직하게는, 인버터의 반도체 디바이스의 많은 부분, 가장 바람직하게는 반도체 디바이스 모두가, 단락 상태가 비활성화되기 전에 특정 시간 동안 또는 온도 임계치까지 가열될 것이다.
DC 전원은 일반적으로 정상 작동 시 공칭 전류를, 단락 상태에서는 단락 전류를 제공한다. 본 발명은 특히 DC 전원이 하나 이상의 PV 패널을 포함하는 태양광 인버터 시스템에 적용 가능하다. 이는 PV 패널이 최대 전력 지점(MPP)에서 작동할 때 PV 패널의 단락 전류가 공칭 전류보다, 예를 들어 약 10% 내지 20%, 약간 더 높기 때문이다. 그러나 본 발명은 다른 유형의 DC 전원, 예를 들어 일부 유형의 배터리 또는 연료 전지에도 적용 가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.
인버터는 임의의 적절한 제어 가능 반도체 스위치, 예를 들어 IGBT, 및 역병렬 연결 다이오드를 사용할 수 있으며, 이는 임의의 적절한 토폴로지(topology), 예를 들어 2-레벨 VSC 토폴로지 또는 3-레벨 중성점 파일럿(NPP) VSC 토폴로지로 배열될 수 있고, 컨트롤러에 의해 켜지고 꺼지도록 제어될 수 있다. 반도체 디바이스는 인버터가 단락 상태에서 작동할 때 인버터가 DC 전원의 단락 전류를 규칙적으로 안전하게 전달할 수 있도록 하는 특정 인버터 토폴로지를 참조하여 전압 및 전류 정격을 갖도록 선택될 것이다.
인버터는 복수의 위상 레그(phase leg)를 포함할 수 있으며, 각 위상 레그는 인버터가 다상(multi-phase) AC 출력을 제공하도록 인버터의 양극 및 음극 DC 레일 사이에 병렬로 그리고 각각의 AC 출력 단자로 연결된다. 인버터의 양극 및 음극 DC 레일은 인버터의 DC 입력 단자와 연결되거나 이를 정의할 수 있다. 각 위상 레그는 특정한 토폴로지에 따라 배열된 복수의 반도체 스위치 및 선택적인 다이오드를 포함한다. 각 위상 레그의 반도체 스위치의 적어도 일부는 인버터의 DC 단자 사이, 즉 양극 및 음극 DC 레일 사이, 또는 양극과 음극 DC 레일 중 하나와 임의의 중간 DC 레일 또는 지점 사이 - 양극 및 음극 DC 레일 사이의 단일 단락 경로는 중간 DC 레일 또는 지점을 통해 2개 이상의 위상 레그의 특정 반도체 스위치에 의해 제공될 수 있음 - 에 직렬로 연결된다. 인버터를 단락 상태로 만들기 위해, DC 전원에 의해 생성된 단락 전류가 양극 및 음극 DC 레일 사이를 직접 흐르도록, 적어도 하나의 위상 레그의 적절한 반도체 스위치가 켜지도록 제어된다. 위상 레그의 반도체 스위치는 예를 들어 특정 위상 레그 내에서 또는 위상 레그 별 레그 기준으로, 동시에 또는 적절한 순서로 모두 켜질 수 있다. 적절한 순서는 하나 이상의 위상 레그의 반도체 스위치에 대한 적절한 스위칭 패턴을 포함할 수 있다. 이러한 스위칭 패턴은 임의의 적절한 스위칭 주파수, 예컨대 5Hz 내지 5KHz에서 작동될 수 있고, 더 높은 스위칭 주파수는 일반적으로 더 높은 스위칭 손실 즉 더 많은 발열을 의미한다.
하나 이상의 위상 레그를 통해 단일 단락 전류 경로가 제공될 수 있거나, 둘 이상의 위상 레그를 통해 동시에 둘 이상의 병렬 단락 전류 경로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 단락 전류 경로는 제 1 위상 레그를 통하여, 그 다음 제 2 위상 레그를 통하여, 그 다음 제 3 위상 레그를 통하여, 그 다음 제 1 위상 레그를 통하는 등과 같이 제공될 수 있거나, 병렬 단락 전류 경로는 제 1 및 제 2 위상 레그를 통하여, 그 다음 제 2 및 제 3 위상 레그를 통하여, 그 다음 제 1 및 제 2 위상 레그를 통하는 등과 같이 제공될 수 있다. 반도체 스위치는 임의의 적절한 방식으로, 선택적으로 DC 링크의 단락 전류를 참조하여 제어될 수 있고, 임의의 적절한 시간 동안 단락 경로를 제공하도록 켜질 수 있다. DC 링크의 커패시터 충전을 유도할 수 있기 때문에 단락 경로 사이에 중단이 없어야 한다. 따라서 위상 레그의 직렬 연결 반도체 스위치가 위상 레그 단위로 켜지게 되면, 예를 들어, 단락 경로 사이에 겹치는 부분이 있는 것이 중요하다.
인버터가 단락 상태에 있을 때, 단락 전류 전달의 결과인 반도체 스위치의 전도 손실은 반도체 스위치(및 임의의 열결합된 다이오드)의 온도를 높인다. 어떤 실시예에서, 역병렬 연결 다이오드는 단락 전류 전달의 결과로서 전도 손실에 의해 직접 가열될 수도 있다. 따라서 DC 전원의 단락 전류는, 특정 시간 동안 또는 인버터의 온도(예컨대, 적어도 하나의 반도체 디바이스의 접합 온도)가 온도 임계치를 초과하도록, 인버터의 반도체 디바이스를 예열하는 데 사용된다. 즉 후속 정상 작동 중에 반도체 디바이스가 높은 차단 전압을 겪기 전에, 인버터 시동 시 반도체 디바이스의 온도를 약 75°C로 증가시키는 것은 고장률을 크게 감소시킬 수 있다. 인버터 시동 시 반도체 디바이스의 온도를 더 낮은 온도(예컨대, 약 5-25°C)로 높이는 것은 고장률을 줄이는 측면에서 모든 이점을 제공하지는 않을 수 있으나, 외부 가열 필요 없이 반도체 디바이스의 최소 작동 온도를 얻을 수 있게 한다.
인버터의 반도체 디바이스는 일반적으로 정상 작동 중에 냉각 시스템에 의해 냉각된다. 특히, 반도체 디바이스의 과열을 방지하기 위해서는 인버터 동작 중 전도 및 스위칭 손실의 결과로서 생성되는 열을 제거하여야 한다. 적어도 반도체 디바이스가 인버터 시동 시 의도적으로 예열되는 경우, 냉각 시스템은 해당 프로세스를 방해하지 않도록 적절하게 제어되거나 일시적으로 비활성화 될 수 있다. 일부 경우에, 냉각 시스템은 반도체 디바이스의 예열에 의도적으로 영향을 미치도록, 예를 들어 반도체 디바이스가 특정 가열 프로파일에 따라 가열되는 것을 보장하도록 적절하게 제어될 수 있다.
인버터 시스템은 DC 전원 및 인버터의 DC 입력 단자 사이, 즉 DC 링크의 일부로 연결된 DC 스위치를 포함할 수 있다. 인버터 시스템은 인버터의 출력 단자에 연결되고 AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드와 연결 가능한 AC 회로를 포함할 수도 있다. AC 회로는 AC 스위치, 변압기, AC 라인 필터 등을 포함할 수 있다. 인버터의 AC 출력 단자는 AC 스위치에 연결될 수 있으며, AC 스위치는, AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드와 연결 가능한 변압기의 2차 권선이 연결된, 변압기의 1차 권선에 차례로 연결될 수 있다. AC 회로는 임의의 적절한 위상 수를 가질 수 있지만, 3 상 레그, 3개의 AC 출력 단자 등을 갖는 인버터의 경우 3개의 위상이 일반적이다.
태양광 인버터 시스템의 경우, 인버터가 전력을 생성하지 않는 하나 이상의 PV 패널과의 연결을 유지하는 밤 동안, DC 스위치는 일반적으로 닫혀 있다. AC 스위치는 일반적으로 밤 동안 개방되어 태양광 시스템을 AC 전원 네트워크 또는 유틸리티 그리드로부터 분리한다.
방법은 임의의 적절한 시간, 예를 들어 일출 전에 시작되어, 인버터가 PV 패널이 전력을 생성하기 전에 오프 상태에서 단락 상태로 전환되도록 할 수 있다. 방법은 또한, 예를 들어 유지 보수 또는 수리 후 및 DC 스위치와 AC 스위치가 일반적으로 개방되어 있는 낮 시간에 시작될 수도 있다.
시작 명령에 응답하여 방법이 시작될 수 있다.
방법은 DC 스위치가 열리거나 닫힌 채로 시작될 수 있다. 인버터가 단락 상태인 경우 AC 스위치는 반드시 열려 있어야 한다. 인버터가 작동 상태로 전환된 후 AC 스위치는 닫힐 수 있다 - 이하 참조.
방법은 DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. DC 스위치가 시동 시 닫혀 있는 일 실시예에서, 제 1 전압 임계치를 초과한 경우, 방법은 DC 스위치를 여는 단계, DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하지 않을 때까지 DC 링크를 방전시키는 단계, 인버터를 오프 상태에서 단락 상태로 전환시키는 단계 및 DC 스위치를 닫는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 전압 임계치를 초과하지 않은 경우, 방법은 인버터를 오프 상태에서 단락 상태로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 인버터는 DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하지 않는 경우에만, 예를 들어 약 10 내지 100VDC 범위에서만, 오프 상태에서 단락 상태로 전환될 수 있다. DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하는 경우, DC 링크의 커패시터도 DC 링크 전압까지 충전됨을 나타낸다. 예를 들어, 일출 후에 방법이 시작되어 PV 패널이 이미 전력을 생성하기 시작하고 DC 스위치가 초기에 닫혀 있는 경우, 이러한 상황이 발생할 수 있다. 인버터가 단락 상태로 전환되는 경우, DC 링크의 커패시터도 단락되어 반도체 디바이스에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 허용할 수 없을 정도로 높은 단락 전류가 발생한다. DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하는 경우, DC 스위치를 개방하는 것은 DC 링크가 방전되도록 한다. 특히 이는 DC 링크의 커패시터가, 일정 시간 동안 대기하여 방전 저항을 통해 수동적으로 또는 인버터의 적절한 작동 또는 기타 동작을 통해 능동적으로, 방전되도록 한다. 커패시터가 방전되면, 인버터는 안전하게 단락 상태로 전환될 수 있고, DC 스위치는 닫혀서 DC 전원과 연결될 수 있다.
시동 시 DC 스위치가 열려 있는 일 실시예에서, DC 링크 전압이 (앞서 정의된 바와 같이) 제 1 전압 임계치를 초과하는 경우, 방법은 DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하지 않을 때까지 DC 링크를 방전시키는 단계, 인버터를 오프 상태에서 단락 상태로 전환시키는 단계 및 DC 스위치를 닫는 단계를 더 포함할 수 있다. DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하지 않는 경우, 방법은 인버터를 오프 상태에서 단락 상태로 전환시키는 단계 및 DC 스위치를 닫는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법이 DC 스위치가 열린 상태로 시작하는 경우, DC 링크의 커패시터가 충전되지 않아 인버터의 단락 상태가 활성화되는 것을 일반적으로 기대할 수 있다. 그러나 그렇지 않은 경우, 앞서 설명한 바와 같이 DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하지 않을 때까지 DC 링크는 방전된다. 커패시터가 방전되면, 인버터는 안전하게 단락 상태로 전환될 수 있고, DC 스위치는 닫혀서 DC 전원과 연결될 수 있다.
인버터의 반도체 스위치는 예를 들어 인버터를 단락 상태에서 오프 상태 또는 인버터의 AC 출력 전압이 0 또는 0에 가까운 제로 상태로 전환하는 등 단락 상태를 비활성화하도록 제어될 수 있다. 제로 상태에서, 모든 반도체 스위치가, 인버터의 각 출력 위상이 동일한 DC 전압 레벨로 연결되고 순간 AC 출력 전압이 0이되도록, 적절한 스위칭 상태(즉, 온 또는 오프)에 있도록 제어된다.
일 실시예에서, 단락 상태에서 오프 상태 또는 제로 상태로의 전환은 일정 시간 경과한 후 또는 인버터의 온도가 온도 임계치를 초과할 때에만 발생할 수 있다(위 참조). 예를 들어, 단락 상태에서 오프 상태 또는 제로 상태로의 전환은 단락 상태가 활성화될 때 시작되는 타이밍 시퀀스를 사용할 수 있다. 이러한 타이밍 시퀀스는 인버터의 온도가 올라가지만 최대 온도 임계치는 초과하지 않도록 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 단락 상태는 오직 (i) 인버터의 온도가 온도 임계치를 초과할 때 및/또는 (ii) DC 전원의 출력 전력이 전력 임계치를 초과하는 경우에만 비활성화될 수 있다. 바람직하게는 기준 (i) 및 (ii)은 인버터가 단락 상태에서 오프 상태 또는 제로 상태로 전환되기 전에 만족될 것이다. 인버터의 온도가 온도 임계치를 초과하지 않고 DC 전원의 출력 전력이 전력 임계치를 초과하지 않는 경우, 인버터는 일반적으로 단락 상태를 유지할 것이다. 일반적으로 기준 (i) 및 (ii)가 모두 충족될 때까지 인버터가 단락 상태를 유지할 수 있는 기간에는 제한이 없다. 그러나, 전력 임계치가 초과되지 않았지만 인버터의 온도가 기준 (i)의 온도 임계치보다 높은 최대 온도 임계치를 초과하는 경우 및 반도체 디바이스가 손상되는 것을 방지하도록, 별도의 보호 단계가 수행되고 선택될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 온도 임계치가 초과되지 않았지만 PV 패널의 출력 전력(또는 단락 전류)이 최대 전력(또는 전류)을 초과하는 경우에 별도의 보호 단계가 수행될 수 있다. 인버터 시스템의 작동을 비활성화하는 것과 같은 적절한 보호 단계가 수행된다.
DC 전원의 가용 출력 전력은 임의의 적절한 수단을 통해, 예를 들어 DC 링크의 단락 전류를 측정한 후 전력 임계치와 비교되는 가용 출력 전력을 유도함으로써 결정될 수 있다. DC 전원이 하나 이상의 PV 패널인 경우에, 단락 전류 및 가용 출력 전력 사이의 관계는 잘 알려져 있다(예를 들어, 도 10 참조). 단락 전류는 일반적으로 DC 링크 커패시터와 DC 전원 사이의 DC 링크의 적절한 센서(예컨대, 전류 변환기)에 의해 측정될 수 있다. 동일한 센서는 인버터의 다른 작동 상태 동안 DC 링크 전류의 측정을 제공하는 것도 가능하다. 적절한 전압 센서는 DC 링크 전압을 측정하기 위해 DC 링크에 제공될 수도 있다.
예를 들어, 전력 임계치는 인버터 공칭 전력의 약 2%일 수 있다.
인버터가 오프 상태 또는 제로 상태로 전환된 후, DC 전원은 DC 링크를 사전 충전하고, 특히 DC 링크의 커패시터를 충전하는 데 사용된다.
방법은 인버터의 반도체 스위치를 제어하여 인버터가 오프 상태 또는 제로 상태에서, 예를 들어 인버터가 통상적으로 제어되는 작동 상태로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다. 인버터를 오프 상태 또는 제로 상태에서 작동 상태로 전환하는 단계는, DC 링크 전압이 제 2 전압 임계치를 초과하는 경우에 수행될 수 있다. 제 2 전압 임계치는 약 800 내지 약 1000VDC 범위에 있을 수 있고, 인버터 시스템의 최소 작동 전압으로 선택될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 오프 상태 또는 제로 상태 동안, DC 링크는 DC 전원에 의해 충전될 것이다. 그 후 예를 들어, DC 전원으로부터 AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드로 유용하게 내보낼 수 있는 전력을 허용하는 최소 작동 전압(예컨대, 900VDC)에 DC 링크 전압이 도달할 때, 인버터는 작동 상태로 전환될 수 있다. DC 전력 임계치가 충족되면, 인버터가 단락 상태에서 오프 상태 또는 제로 상태로 전환된 후 DC 링크 전압은 매우 빠르게 증가할 것이다. 이것은 이후에 인버터가 작동 상태로 전환하기 전에 인버터의 온도, 특히 적어도 하나의 반도체 디바이스, 이의 베이스 플레이트 또는 이의 히트 싱크의 온도가 어느 정도까지 크게 감소하지 않는다는 것을 의미한다.
더 나아가 본 발명은 인버터 시스템(예컨대, 태양광 발전소의 일부를 형성할 수 있는 태양광 인버터 시스템)을 제공하되, 인버터 시스템은 DC 전원, DC 링크에 의해 전원과 연결된 DC 입력 단자 및 적어도 하나의 AC 출력 단자를 가지는 인버터 및 컨트롤러를 포함하고, 위 컨트롤러는 인버터가 초기에 오프 상태에 있는 경우, 인버터의 반도체 스위치를 제어함으로써 DC 입력 단자 사이에 단락 회로를 생성하도록 인버터의 단락 상태를 활성화하여, 인버터와 DC 전원의 단락 전류와 실질적으로 동일한 전류를 전달하게 하도록 구성된다.
컨트롤러는 일정 기간 동안 또는 적어도 인버터의 온도(예컨대, 적어도 하나의 반도체 디바이스의 접합 온도)가 온도 임계치를 초과할 때까지 인버터의 단락 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
컨트롤러는 단락 상태를 비활성화하여, 예를 들어 앞서 더 상세히 설명된 바와 같이 단락 상태에서 오프 상태 또는 제로 상태로 전환하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 인버터 시스템은 인버터의 DC 입력 단자를 DC 전원과 연결하는 DC 링크를 사전 충전하기 위한 외부 장치를 필요로 하지 않는다.
DC 링크는 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
컨트롤러는 DC 링크로부터, 예를 들어 인터포징 전력 변환기(interposing power converter)에 의해 또는 적절한 외부 전원 공급으로부터 전력을 수신할 수 있다. 가장 간단한 실제 구현에서, 본 명세서에서 설명된 대로 단락 전류의 측정에 기초하여 제어 결정이 내려지기 때문에, 인버터 시스템은 DC 스위치의 DC 전원 측에서 전력 측정이 필요하지 않다.
컨트롤러는, 예를 들어, 인버터에 통합되거나, 독립형 컨트롤러일 수 있다.
컨트롤러는 본 명세서에서 설명된 방법의 단계를 수행하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예의 기술적 이점은 다음을 포함한다.
- 인버터의 반도체 소자의 고장률 감소 및 신뢰성과 수명 증가
- 태양광 인버터 시스템의 경우, 인버터가 시동되기 전에 태양광 발전 가용성의 쉽고 정확한 감지를 제공
- 인버터를 DC 전원에 연결하는 DC 링크를 위한 별도의 사전 충전 시스템이 불필요하고, 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드와의 연결 없이 인버터의 시동에 사용될 수 있음.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 인버터 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 태양광 인버터 시스템의 태양광 인버터에 구현될 수 있는 3 상 레그(phase leg)를 가진 2-레벨 VSC 토폴로지(topology)를 나타낸다.
도 3은 도 1의 태양광 인버터 시스템의 태양광 인버터에 구현될 수 있는 3 상 레그를 가진 3-레벨 NPP VSC 토폴로지를 나타낸다.
도 4는 도 1의 태양광 인버터 시스템을 시동하는 방법의 흐름도이다.
도 5는 단락 상태 동안 3 상 레그 모두를 통해 3개의 병렬 단락 경로가 동시에 제공되는 2-레벨 VSC 토폴로지를 가진 실시예를 나타낸다.
도 6 내지 8은 단락 상태 동안 각 위상 레그를 통해 단일 단락 경로가 순차적으로 제공되는 2-레벨 VSC 토폴로지를 가진 실시예를 나타낸다.
도 9는 단락 상태 동안 3 위상 레그 모두를 통해 3개의 병렬 단락 경로가 동시에 제공되는 3-레벨 NPP VSC 토폴로지를 가진 실시예를 나타낸다.
도 10은 상이한 일사량 레벨에 대한 PV 패널 또는 PV 패널 어레이의 전류 대 전압 및 전력 대 전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 11은 DC 스위치가 초기에 닫힌 일출 또는 일출 전에 방법이 시동될 때 인버터 상태를 추가적으로 나타내는 도 10의 그래프이다.
도 12는 DC 스위치가 초기에 열린 낮 시간 동안 방법이 시동될 때 인버터 상태를 추가적으로 나타내는 도 10의 그래프이다.
도 2는 도 1의 태양광 인버터 시스템의 태양광 인버터에 구현될 수 있는 3 상 레그(phase leg)를 가진 2-레벨 VSC 토폴로지(topology)를 나타낸다.
도 3은 도 1의 태양광 인버터 시스템의 태양광 인버터에 구현될 수 있는 3 상 레그를 가진 3-레벨 NPP VSC 토폴로지를 나타낸다.
도 4는 도 1의 태양광 인버터 시스템을 시동하는 방법의 흐름도이다.
도 5는 단락 상태 동안 3 상 레그 모두를 통해 3개의 병렬 단락 경로가 동시에 제공되는 2-레벨 VSC 토폴로지를 가진 실시예를 나타낸다.
도 6 내지 8은 단락 상태 동안 각 위상 레그를 통해 단일 단락 경로가 순차적으로 제공되는 2-레벨 VSC 토폴로지를 가진 실시예를 나타낸다.
도 9는 단락 상태 동안 3 위상 레그 모두를 통해 3개의 병렬 단락 경로가 동시에 제공되는 3-레벨 NPP VSC 토폴로지를 가진 실시예를 나타낸다.
도 10은 상이한 일사량 레벨에 대한 PV 패널 또는 PV 패널 어레이의 전류 대 전압 및 전력 대 전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 11은 DC 스위치가 초기에 닫힌 일출 또는 일출 전에 방법이 시동될 때 인버터 상태를 추가적으로 나타내는 도 10의 그래프이다.
도 12는 DC 스위치가 초기에 열린 낮 시간 동안 방법이 시동될 때 인버터 상태를 추가적으로 나타내는 도 10의 그래프이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 인버터 시스템(1)을 도시한다. 태양광 인버터 시스템(1)은 2개의 DC 입력 단자(4) 및 3개의 AC 출력 단자(6)를 가진 태양광 인버터(2)를 포함한다. DC 입력 단자(4)는 DC 링크(10)를 통해 복수의 PV 패널(8)과 연결된다. DC 링크(10)는 하나 이상의 커패시터(12) 및 DC 스위치(14)를 포함한다.
AC 단자(6)는 AC 회로(16)에 연결된다. AC 회로(16)는 3 상 AC 회로이며 AC 필터(18), AC 스위치(20) 및 변압기(22)를 포함한다. 변압기(22)는 태양광 인버터(2)의 AC 단자(6)와 연결된 1차 권선 및 AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드와 연결된 2차 권선을 포함한다.
태양광 인버터(2)는 적절한 전압 및 전류 정격을 가지며 적절한 토폴로지(topology)로 배열된 복수의 제어 가능한 반도체 스위치, 예를 들어 IGBT, 및 역병렬 연결 다이오드를 포함한다. 도 2는 3 상 레그(26a, 26b 및 26c)를 가진 2-레벨 VSC 토폴로지를 나타낸다. 도 3은 3 상 레그(26a, 26b 및 26c)를 가진 3-레벨 NPP VSC 토폴로지를 나타낸다. 태양광 인버터의 실제 구현에서 다른 토폴로지가 사용될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 각 위상 레그(26a, 26b 및 26c)는 태양광 인버터(2)의 양극 DC 레일(28)과 음극 DC 레일(30) 사이에 직렬로 연결된 반도체 스위치 쌍을 포함한다. 양극 및 음극 DC 레일(28, 30)은 태양광 인버터(2)의 DC 입력 단자에 연결되거나 이를 정의하며, DC 링크(10)와 연결된다. 각 위상 레그(26a, 26b 및 26c)는 또한 태양광 인버터의 각각의 AC 출력 단자(6)를 정의하고, 대응하는 3 상 AC 회로(16)의 위상(즉, U, V 및 W)에 연결된다. 도 3에 나타난 3-레벨 NPP VSC 토폴로지의 경우에, 양극 및 음극 DC 레일(28, 30) 사이에 직렬로 연결된 반도체 스위치 쌍은 제 1(또는 "수직") 분기를 정의한다. 각 위상 레그(26a, 26b 및 26c)는 또한 제 1 분기의 반도체 스위치의 연결 지점과 DC 링크(10)의 중간 DC 지점(NP로 라벨링) 사이에 연결된 제 2(또는 "수평") 분기 또한 포함한다. 제 1 커패시터(12a)는 중간 DC 지점과 양극 DC 레일(28) 사이에 연결되며, 제 2 커패시터(12b)는 중간 지점과 음극 DC 레일(30) 사이에 연결된다. 태양광 인버터(2)의 반도체는 컨트롤러(32)에 의해 스위치 온 또는 스위치 오프 되도록 제어된다. 컨트롤러(32)는 전력 변환기(34)를 통해서, 또는 추가적으로 또는 대안적으로 외부 전원(36)으로부터, DC 링크(10)로부터 전력을 수신한다.
컨트롤러(32)는 적절한 센서 또는 변환기로부터 DC 링크 전류 및 DC 링크 전압의 측정을 수신한다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광 인버터 시스템(1)을 시동하는 방법의 흐름도이다. 방법은 DC 스위치(14)가 열리거나 닫힌 상태로 시작된다.
태양광 인버터(2)는 최초에 오프 상태에 있다(단계 0). 예를 들어, 태양광 인버터(2)는 일반적으로 시작 명령을 수신할 때까지 비활성화될 것이다 - 이하 참조.
방법은 시작 명령에 응답하여 시작된다(단계 1). 시작 명령은 예를 들어 태양광 인버터 시스템 또는 태양광 발전소의 컨트롤러로부터 수신될 수 있다. DC 스위치(14)가 최초에 닫혀 있는 경우, 시작 명령은 DC 링크 전압으로부터 유도, 예컨대 DC 링크 전압이 일반적으로 제 1 전압 임계치보다 작은 제 0 전압 임계치를 초과하면 시작 명령이 시작될 수 있다 - 이하 참조. 시동 명령을 수신하면, 태양광 인버터(2)가 활성화될 수 있지만 모든 반도체 스위치는 오프 상태를 유지할 것이다.
단계 2에서, 방법은 DC 링크 전압(UDC)이 제 1 전압 임계치(UTH1)를 초과하는지 여부를 확인한다. 예를 들어, 제 1 전압 임계치는 10 내지 100VDC 범위에 있을 수 있다. 제 1 전압 임계치를 초과하지 않는 경우(즉, UDC < UTH1), 태양광 인버터(2)는, 아래에서 자세히 설명하는 바와 같이, 오프 상태에서 단락 상태(단계 3)로 전환된다.
제 1 전압 임계치를 초과하는 경우(즉, UDC > UTH1), 이는 DC 링크(10) 내 커패시터(12) 또한 DC 링크 전압으로 충전됨을 나타낸다. 이는 예를 들어, PV 패널(8)이 전력을 생성하기 시작하고 DC 스위치(14)가 닫히는 일출 이후에 방법이 시작되는 경우 발생할 수 있다. 태양광 인버터(2)가 단락 상태로 전환되는 경우, DC 링크(10)의 커패시터(12) 또한 단락될 것이고, 반도체 스위치에 심각한 고장을 야기할 수 있는 허용할 수 없을 정도로 높은 단락 전류를 초래할 것이다. 결과적으로, 방법이 DC 스위치(14)가 닫힌 상태로 시작되는 경우, 이는 컨트롤러(32)에 의해서 열린다(단계 4). 방법이 DC 스위치(14)가 열린 상태로 시작되는 경우, 예를 들어 유지 보수 또는 수리 후, DC 스위치는 열린 상태를 유지한다. 그 후 DC 링크(10) 내 커패시터(12)는, 예를 들어 일정 시간 대기함으로써 방전 저항기(도시되지 않음)를 통해 수동적으로 또는 인버터의 적절한 동작을 수행함으로써 능동적으로 방전된다(단계 5). 커패시터(12)가 방전되고, 제 1 전압 임계치를 더 이상 초과하지 않는 경우(즉, UDC < UTH1), 태양광 인버터(2)는 안전하게 단락 상태로 전환될 수 있고(단계 3), DC 스위치(14)는 PV 패널(8)을 연결하도록 컨트롤러(32)에 의해 닫힐 수 있다(단계 6)
태양광 인버터(2)를 단락 상태로 전환하기 위하여, 적어도 하나의 위상 레그(26a, 26b 및 26c)의 반도체 스위치가 켜지고 양극 및 음극 DC 레일(28, 30) 사이 그리고 결과적으로 태양광 인버터(2)의 DC 입력 단자 사이에 적어도 하나의 단락 전류 경로를 제공한다. PV 패널(8)은 단락되고, 태양광 인버터(2) 내 단락 경로를 따라 흐르는 단락 전류를 생성한다. 도 5는 2-레벨 VSC 토폴로지의 실시예를 나타내며, 여기서 3 상 레그(26a, 26b 및 26c) 모두의 반도체 스위치는 동시에 켜져 위상 레그를 통해 3개의 병렬 단락 경로(P1, P2 및 P3)를 제공한다. 그러나, 도 6 내지 8은 일 실시예를 나타내며, 여기서 다른 모든 반도체 스위치가 꺼져 있는 동안 제 1 위상 레그(26a)의 반도체 스위치 모두가 켜져서 제 1 위상 레그를 통해 단락 경로(P1)를 제공하고(도 6), 그 후 다른 모든 반도체 스위치가 꺼져 있는 동안 제 2 위상 레그(26b)의 반도체 스위치 모두가 제 2 위상 레그를 통해 단락 경로(P2)를 제공하며(도 7), 그 후 다른 모든 반도체 스위치가 꺼져 있는 동안 제 3 위상 레그(26c)의 반도체 스위치가 모두 켜져서 제 3 위상 레그를 통해 단락 경로(P3)를 제공하고(도 8), 그 후 다른 모든 반도체 스위치가 꺼져 있는 동안 제 1 위상 레그(26a)의 반도체 스위치 모두가 켜져서 제 1 위상 레그를 통해 단락 경로(P1)를 제공하는 등과 같이 동작한다. 이는 위상 레그 별로 단락 경로(P1, P2 및 P3)를 제공한다. DC 링크(10)의 커패시터가 충전되도록 하므로, 단락 경로(P1, P2 및 P3) 사이에 중단이 없어야 하는 것을 이해할 수 있다. 따라서 위상 레그(26a, 26b 및 26c)의 직렬 연결 반도체 스위치가 위상 레그 별로 켜지는 경우, 예를 들어, 단락 경로(P1, P2 및 P3) 사이에 일부 겹침이 있는 것이 중요하다. 예를 들어 동시에 두 개의 위상 레그를 통해 두 개의 병렬 단락 회로를 형성하는 것과 같은, 순차적으로 단락 경로를 생성하는 방법도 사용될 수 있다.
도 9는 3-레벨 NPP VSC 토폴로지의 일 실시예를 나타내며, 여기서 제 1 위상 레그(26a)의 제 1 및 제 2 분기의 특정 반도체 스위치와 제 2 위상 레그(26b)의 제 1 및 제 2 분기의 특정 반도체 스위치가 켜져, 중간 DC 지점을 통과하는 제 1 및 제 2 DC 레일(28, 30) 사이에 단락 경로(P1)를 제공한다. 대응하는 단락 경로가 제 2 및 제 3 위상 레그(26b 및 26c)를 통해, 그 다음 제 1 및 제 3 위상 레그(26a 및 26c) 등등을 통해 그 후 제공될 수 있다. 반도체 스위치가 적절한 순서로 켜지고 꺼지도록 제어되는 경우, 이러한 단락 경로는 각 위상 레그(26a, 26b 및 26c)의 제 2(또는 "수평") 분기의 역병렬 다이오드의 직접 가열을 제공할 수도 있다. 완전성을 위해, 제 3 위상 레그(26c)의 제 1 분기의 반도체 스위치 모두가 켜지는 제 2 단락 경로(P2)가 도시된다. 중단 없이 하나 이상의 위상 레그를 통해 단락 경로를 순차적으로 생성하는 다른 방법 또한 이용될 수 있다.
단락 전류를 전달하는 반도체 스위치(일부 경우에, 역병렬 연결 다이오드)의 온도는 전도 손실 등의 결과로 올라갈 것이다. 다이오드가 직접 가열되지 않는 경우, 반도체 스위치와 관련된 열결합에 의해 간접적으로 가열될 것이다. 각 위상 레그의 반도체 스위치의 적절한 제어에 의해서, 태양광 인버터(2)가 시동될 때 및 이후 정상 작동 중 높은 차단 전압이 적용되기 전 반도체 디바이스를 예열하는 것이 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 이러한 예열은 차단 전압 및 스위치 온도에 크게 의존하는 것으로 알려진 SEB와 같은 우주 복사로 인한 고장률을 크게 줄일 수 있다. 이러한 예열은 또한 외부 가열 필요 없이 반도체 디바이스의 최소 작동 온도를 얻을 수 있도록 한다.
도 4의 흐름도의 단계 7에서, 예를 들어 측정된 단락 전류를 이용하여 PV 패널의 가용 출력 전력이 결정된다.
단계 8에서, 방법은 하나 이상의 반도체 디바이스의 온도(TJ), 예컨대 접합 온도가 온도 임계치(TTH)를 초과하는지 여부를 확인한다. 온도는 직접 또는 간접적으로 측정, 추정, 또는 본 명세서에 설명된 임의의 적절한 방식으로 결정된다. 일 실시예에서, 예를 들어 온도 임계치는 약 50°C 내지 125°C 범위, 더 바람직하게는 약 75°C 내지 약 100°C일 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들어 온도 임계치는 약 5°C 내지 약 25°C 범위에 있을 수 있다. 온도 임계치를 초과하지 않는 경우(즉, TJ < TTH), 태양광 인버터(2)는 단락 상태를 유지한다 - 방법은 단계 3으로 복귀. 온도 임계치를 초과하는 경우(즉, TJ > TTH), 방법은 단계 9로 진행한다.
단계 9에서, 방법은 PV 패널의 결정된 가용 출력 전력(PPV)이 전력 임계치(PTH)를 초과하는지 여부를 확인한다. 전력 임계치는 인버터 공칭 전력의 약 2%일 수 있다. 예를 들어 태양광 인버터의 정격이 4MW 1500VDC인 대형 현대 태양광 발전소의 경우, 전력 임계치는 약 80KW이다. 전력 임계치를 초과하지 않는 경우(즉, PPV < PTH), 태양광 인버터(2)는 단락 상태를 유지한다 - 방법은 단계 3으로 복귀. 전력 임계치를 초과하는 경우(즉, PPV > PTH), 태양광 인버터(2)는 제로 상태로 전환한다(단계 10). 도시되지는 않았지만, 전력 임계치를 아직 초과하지 않았으나 인버터의 온도가 반도체 스위치 및/또는 다이오드가 손상되는 것을 방지하기 위해 선택된 최대 온도 임계치를 초과하는 경우, 별도의 보호 단계가 수행될 수 있다. 예를 들어, 온도 임계치를 아직 초과하지 않았으나 PV 패널의 출력 전력(또는 단락 전류)이 최대 전력(또는 전류) 임계치를 초과하는 경우, 별도의 보호 단계가 수행될 수 있다. 인버터 시스템의 작동을 비활성화하는 것과 같은 적절한 보호 단계가 수행된다.
제로 상태에서, 태양광 인버터(2)의 AC 출력 전압은 0 또는 대략 0이다. 특히, 태양광 인버터(2)를 단락 상태에서 제로 상태로 전환시키기 위해서, 태양광 인버터의 각 출력 위상(즉, U, V 및 W)이 동일한 DC 전압 레벨에, 예를 들어 각각 도 2에 나타난 양극 또는 음극 DC 레일(28, 30)에 연결되도록, 각 위상 레그(26a, 26b 및 26c)의 반도체 스위치가 적절한 스위칭 상태로 전환된다. 제로 상태 동안, PV 패널(8)은 DC 링크(10)를 사전 충전, 특히 DC 링크의 커패시터(12)를 충전하는 데 사용된다.
단계 11에서, 방법은 DC 링크 전압(UDC)이 제 2 전압 임계치(UTH2)를 초과하는지 여부를 확인한다. 제 2 전압 임계치를 초과하지 않는 경우(즉, UDC < UTH2), 태양광 인버터(2)는 제로 상태를 유지한다 - 방법은 단계 10으로 복귀 및 DC 링크는 계속 충전됨. 제 2 전압 임계치를 초과하는 경우(즉, UDC > UTH2), 태양광 인버터(2)는 작동 상태로 전환(단계 12), 즉 태양광 인버터의 정상 작동이 시작된다. 예를 들어, 제 2 전압 임계치는 약 800 내지 약 1000VDC 범위에 있을 수 있고, 태양광 인버터 시스템의 최소 작동 전압으로 선택될 수 있다. 예를 들어, PV 패널(8)로부터 AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드(24)로 전력을 유용하게 내보내게 하도록, 태양광 인버터 시스템 또는 태양광 발전소의 동작 매개변수를 참조하여 설정될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 태양광 인버터(2)를 단락 상태에서 제로 상태로 전환하는 대신, 단락 상태를 비활성화하고 태양광 인버터를 오프 상태, 즉 반도체 스위치 모두가 오프 상태로 전환하는 것도 가능하다. 나머지 방법은 동일할 것이다.
도 10은 상이한 일사량 레벨에 따른 PV 패널 또는 PV 패널 어레이의 전류 대 전압 및 전력 대 전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 11 및 12는 도 10과 동일한 곡선을 나타내지만, 인버터 상태 또한 표시되는 그래프이다. 특히, 도 11은 도 4의 방법이 일출 전 시작될 때의 인버터 상태를 나타낸다. DC 스위치(14)는 초기에 닫혀있고 즉, DC 링크 전압은 0 또는 실질적으로 0이다. 지점 A에서, PV 패널(8)의 일사량이 없으므로 개방 전압이 없고 태양광 인버터(2)가 오프 상태에 있다. 방법이 시작되고, 태양광 인버터(2)는 단락 상태로 전환된다. PV 패널(8)의 일사량이 여전히 없기 때문에, 아직 지점 A에 남아있다. 일출 이후, PV 패널(8)은 단락 전류를 생성하기 시작하고, 동작점은 실제 일사량 레벨에 따른 곡선으로 지점 B를 향해 이동한다. 반도체 스위치가 예열된 경우, 태양광 인버터(2)는 단락 상태(지점 B)에서 PV 패널(8)에 의한 DC 링크(10)의 사전 충전이 시작되는 제로 상태로 전환된다. 동작점은 지점 C를 향해 이동한다. 지점 C에서, DC 링크 전압은 제 2 전압 임계치(예컨대, 900VDC)를 초과하고, 태양광 인버터(2)는 작동 상태로 전환된다. 특히, 태양광 인버터 작동이 시작되어, 실제 일사량 레벨에서 PV 패널(8)의 최대 전력 지점(MPP)에서의 정상 작동 상태(지점 D)가 될 수 있다.
도 12는, 도 4의 방법이 DC 스위치(14)가 초기에 열려 있는, 즉 DC 스위치의 PV 패널 측 단자에서 높은 개방 전압이 낮 동안 시작되고, 태양광 인버터가 오프 상태일 때(지점 A), 인버터 상태를 나타낸다. 방법이 시작되고 태양광 인버터(2)는 단락 상태로 전환된다. 동작점은 실제 일사량 레벨에 따른 곡선으로 지점 B를 향해 이동하고, DC 스위치(14)는 닫힌다. 반도체 스위치가 예열된 경우, 태양광 인버터(2)는 단락 상태(지점 B)에서 PV 패널(8)에 의한 DC 링크(10)의 사전 충전이 시작되는 제로 상태로 전환된다. 지점 C에서, DC 링크 전압은 제 2 전압 임계치(예컨대, 900VDC)를 초과하고, 태양광 인버터(2)는 작동 상태로 전환된다. 특히, 태양광 인버터 작동이 시작되어, 실제 일사량 레벨에서 PV 패널(8)의 MPP에서의 정상 작동 상태(지점 D)가 될 수 있다.
Claims (15)
- 인버터 시스템(1)을 제어하는 방법으로서,
상기 인버터 시스템(1)은 직류(DC) 전원(8)과 복수의 반도체 디바이스를 포함하는 인버터(2)를 포함하되,
각각의 반도체 디바이스는 적어도 제어 가능한 반도체 스위치를 포함하고, 상기 인버터는 DC 링크(10)에 의해 상기 DC 전원(8)과 연결된 DC 입력 단자(4) 및 적어도 하나의 교류(AC) 출력 단자(6)를 가지며,
상기 방법은,
상기 인버터(2)가 초기에 오프 상태에 있는 경우, 상기 인버터(2)의 반도체 스위치를 제어함으로써 상기 인버터(2)의 단락 상태를 활성화하여 상기 DC 입력 단자(4) 사이에 단락 회로를 생성하여, 상기 인버터(2)가 상기 DC 전원(8)의 단락 전류와 실질적으로 동일한 전류를 전달하도록 하는 단계를 포함하는,
방법. - 제 1 항에 있어서,
일정 시간 동안 또는 적어도 상기 인버터(2)의 온도가 온도 임계치를 초과할 때까지, 상기 인버터(2)의 상기 단락 상태를 유지하는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 인버터(2)의 상기 온도는 적어도 하나의 상기 반도체 디바이스와 연관된 온도인,
방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인버터(2)는 복수의 위상 레그(phase leg)(26a, 26b, 26c)를 포함하고,
상기 단락 상태 동안, 적어도 하나의 위상 레그의 반도체 스위치가 켜지도록 제어되어, 상기 인버터(2)의 상기 DC 입력 단자(4) 사이에 단락 전류가 흐르도록 하는,
방법. - 제 4 항에 있어서,
각 위상 레그(26a, 26b, 26c)의 직렬 연결된 반도체 스위치가 동시에 또는 적절한 순서로 켜지는,
방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인버터 시스템은 상기 DC 전원(8)과 상기 인버터(2)의 상기 DC 입력 단자(4) 사이에 연결된 DC 스위치(14)를 포함하되,
상기 DC 스위치(14)가 닫힌 경우, 상기 방법은,
DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하는 경우,
상기 DC 스위치(14)를 여는 단계,
상기 DC 링크 전압이 상기 제 1 전압 임계치를 초과하지 않을 때까지 상기 DC 링크(10)를 방전시키는 단계,
상기 인버터(2)를 상기 오프 상태에서 상기 단락 상태로 전환시키는 단계, 및
상기 DC 스위치(14)를 닫는 단계를 더 포함하거나, 또는
상기 DC 링크 전압이 상기 제 1 전압 임계치를 초과하지 않는 경우,
상기 인버터(2)를 상기 오프 상태에서 상기 단락 상태로 전환시키는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인버터 시스템은 상기 DC 전원(8)과 상기 인버터(2)의 상기 DC 입력 단자(4) 사이에 연결된 DC 스위치를 포함하되,
상기 DC 스위치(14)가 열린 경우 상기 방법은,
DC 링크 전압이 제 1 전압 임계치를 초과하는 경우,
상기 DC 링크 전압이 상기 제 1 전압 임계치를 초과하지 않을 때까지 상기 DC 링크(10)를 방전시키는 단계,
상기 인버터(2)를 상기 오프 상태에서 상기 단락 상태로 전환시키는 단계, 및
상기 DC 스위치(14)를 닫는 단계를 더 포함하거나, 또는
상기 DC 링크 전압이 상기 제 1 전압 임계치를 초과하지 않는 경우,
상기 인버터(2)를 상기 오프 상태에서 상기 단락 상태로 전환시키는 단계, 및
상기 DC 스위치(14)를 닫는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
(i) 상기 인버터(2)의 상기 온도가 상기 온도 임계치를 초과하고/하거나 (ii) 상기 DC 전원(8)의 출력 전력이 전력 임계치를 초과하는 경우, 상기 인버터(2)를 상기 오프 상태 또는 상기 인버터(2)의 AC 출력 전압이 0 또는 대략 0인 제로 상태로 전환시킴으로써, 상기 단락 상태를 비활성화하는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제 8 항에 있어서,
예를 들어, 상기 DC 링크 전압이 제 2 전압 임계치를 초과하는 경우, 상기 인버터(2)를 상기 오프 상태 또는 상기 제로 상태에서 작동 상태로 전환시키는 단계를 더 포함하는,
방법. - 인버터 시스템(1) 으로서,
DC 전원(8), 복수의 반도체 디바이스를 포함하는 인버터(2) 및 컨트롤러(32)를 포함하되,
각각의 반도체 디바이스는 적어도 제어 가능한 반도체 스위치를 포함하고,
상기 인버터(2)는 DC 링크(10)에 의해 상기 DC 전원(8)과 연결된 DC 입력 단자(4) 및 적어도 하나의 AC 출력 단자(6)를 가지며,
상기 컨트롤러(32)는, 상기 인버터(2)가 초기에 오프 상태에 있는 경우, 상기 인버터(2)의 반도체 스위치를 제어함으로써 상기 인버터(2)의 단락 상태를 활성화하여 상기 DC 입력 단자(4) 사이에 단락 회로를 생성하여, 상기 인버터(2)가 상기 DC 전원(8)의 단락 전류와 실질적으로 동일한 전류를 전달하게 하도록 구성되는,
인버터 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 컨트롤러(32)는, 일정 시간 동안 또는 상기 반도체 스위치 중 적어도 하나의 온도가 온도 임계치를 초과할 때까지, 상기 인버터(2)의 상기 단락 상태를 유지하도록 더 구성되는,
인버터 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 컨트롤러(32)는, (i) 상기 인버터(2)의 상기 온도가 상기 온도 임계치를 초과하고/하거나 (ii) 상기 DC 전원(8)의 출력 전력이 전력 임계치를 초과하는 경우, 상기 인버터(2)를 상기 오프 상태 또는 상기 인버터(2)의 AC 출력 전압이 0 또는 대략 0인 제로 상태로 전환시킴으로써, 상기 단락 상태를 비활성화하도록 더 구성되는
인버터 시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 컨트롤러(32)는, 예를 들어, DC 링크 전압이 제 2 전압 임계치를 초과하는 경우, 상기 인버터(2)를 상기 오프 상태 또는 제로 상태에서 작동 상태로 전환시키도록 더 구성되는,
인버터 시스템. - 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DC 전원(8)과 상기 인버터(2)의 상기 DC 입력 사이에 연결된 DC 스위치(14)와, 상기 인버터(2)의 상기 AC 출력 단자(6)에 연결되고 AC 공급 네트워크 또는 유틸리티 그리드(24)와 연결 가능한 AC 회로(16)를 더 포함하는,
인버터 시스템. - 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인버터 시스템은 태양광 인버터 시스템이며,
상기 인버터는 태양광 인버터(2)이고, 상기 DC 전원은 하나 이상의 광전지(PV) 패널(8)을 포함하는,
인버터 시스템.
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