WO2016056698A1 - 단상 인버터 장치 - Google Patents

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WO2016056698A1
WO2016056698A1 PCT/KR2014/010657 KR2014010657W WO2016056698A1 WO 2016056698 A1 WO2016056698 A1 WO 2016056698A1 KR 2014010657 W KR2014010657 W KR 2014010657W WO 2016056698 A1 WO2016056698 A1 WO 2016056698A1
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power
switching inverter
unit
voltage
inverter unit
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PCT/KR2014/010657
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김정우
정진영
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창명제어기술(주)
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/003—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/147—Multi-phase circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H02S40/32—Electrical components comprising DC/AC inverter means associated with the PV module itself, e.g. AC modules
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a single phase inverter device for converting a DC power source into a single phase AC power source, and more particularly to a single phase inverter device in which a relatively small amount of power can be used for renewable energy generation.
  • the pulse width modulation (PWM) method is generally used, which is suitable for DC / AC conversion and has a cost-effective efficiency and easy control of the operation of generating a sine wave.
  • PWM pulse width modulation
  • the generated DC power cannot be used 100% at the time of generation. That is, less than 50% of the generated power is used in the process of generating sine wave by pulse width modulation. The reason is that the generated DC power is continuously generated, but the PWM control type inverter is used to obtain the AC voltage of the sine. Due to the nature of the PWM control method to obtain a sine wave, the potentials of + and-must be the same, so a PWM wave with the same duty ratio must be used. In this case, the maximum utilization rate does not exceed 50%.
  • the present invention is to provide a single-phase inverter device that can increase the DC conversion efficiency.
  • Another object of the present invention is to provide a single-phase inverter device capable of minimizing a loss of converting DC power into AC power generated by a photovoltaic module at a relatively low cost.
  • a single phase inverter device for converting a DC power source into an AC power source, comprising: a voltage adjusting unit for adjusting a voltage of a DC power source input from the outside; A first switching inverter unit converting the power adjusted by the voltage adjusting unit into AC power; And a second switching inverter unit for converting the power adjusted by the voltage adjusting unit into AC power at a time when the first switching inverter does not perform the conversion.
  • the first switching inverter unit may include a PWM type switching inverter, and the second switching inverter unit may operate during off duty of PWM control.
  • the first switching inverter may convert the power regulated by the voltage adjuster into AC power in a PAM manner.
  • the voltage adjusting unit when the first switching inverter unit operates in the PAM method boosts the voltage of the DC power input from the outside, when the first switching inverter unit operates in the PWM method of the DC power input from the outside Voltage can be stepped down.
  • the first switching inverter unit may supply power to an external first load
  • the second switching inverter unit may supply power to an external second load independent of the first load
  • the power coupling unit may further include a power coupling unit configured to supply an external load with an electric load combining the AC power output by the first switching inverter unit with the AC power output by the second switching inverter unit.
  • the power coupling unit includes a first input winding connected to the output terminal of the first switching inverter unit, a second input winding connected to the output terminal of the second switching inverter unit, and an output winding connected to the external load. It may include a three-winding transformer.
  • the battery may further include a battery that stores the power output by the second switching inverter unit and supplies the power to the voltage adjusting unit.
  • the present invention has the advantage of minimizing the loss of converting the AC power into AC power generated in the PV module at a relatively low cost. Accordingly, the utilization rate of the relatively expensive DC power generation can be increased twice as much as before, and the magnetic flux coupling using a transformer to make a power source having the same phase can increase the efficiency of ⁇ 2 times.
  • the quantity and capacity of a solar cell or a photovoltaic module, which are required for a conventional photovoltaic system, can be reduced by (1- ⁇ 2), thereby dramatically improving the economic and spatial aspects.
  • 1 is a graph for explaining the operation of the single-phase inverter device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a single-phase inverter device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a single phase inverter device according to the embodiment of FIG. 2 in more detail.
  • Figure 4 is a block diagram showing a single phase inverter device according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a block diagram showing a single phase inverter device according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a block diagram showing a single phase inverter device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a process of combining AC power output by the first switching inverter unit and AC power output by the second switching inverter unit using the three-winding transformer of FIG. 6.
  • first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a component When a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be understood that the component may be directly connected to or connected to the other component, but there may be other components in between. .
  • 1 is a graph for explaining the operation of the single-phase inverter device according to an embodiment of the present invention.
  • the single-phase inverter device is for converting a direct current power source into an alternating current power source, and in particular, will be described in detail by converting a direct current power source generated by a solar power module.
  • the PWM DC / AC conversion is a conversion method widely used because of its excellent cost-effectiveness, but has a disadvantage that conversion is possible only when the voltage of the generated DC power supply is higher than a predetermined reference voltage. In addition, the power to be converted is kept constant, and there is a disadvantage that the remaining power is discarded as it is when the power generation amount of the generated DC power supply increases.
  • a PAM type DC / AC conversion may be applied together with a PWM type DC / AC conversion.
  • the single-phase inverter device is a PWM inverter for direct current / AC conversion by the PWM control method when the power generation DC power supply of the solar power generation module exceeds a predetermined reference voltage
  • the switching inverter of the PWM method is the voltage of the power generation DC power supply
  • a PAM inverter for converting the power adjusted by the voltage adjusting unit to the AC power in a PAM manner.
  • the DC / AC conversion of the PAM method is performed in the left section in which the generation power is not sufficient, and the DC / AC conversion of the PWM method is performed in the right section in which the generating power is sufficient.
  • the section drawn with an oblique line with respect to the visual axis of the graph shown is a section in which the DC / AC conversion is performed, the other section is a section in which the DC / AC conversion is paused.
  • the single-phase inverter device is provided with a separate switching inverter that can perform a DC / AC conversion in the section in which the DC / AC conversion shown in the pause, to prevent waste of power.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate a single phase inverter device according to an embodiment of the present invention implementing the above-described idea.
  • the illustrated single phase inverter device is for converting a direct current power source into an alternating current power source, and in particular, for converting a direct current power source generated in a solar power generation module.
  • the illustrated single-phase inverter device the voltage adjusting unit 120 for adjusting the voltage of the DC power input from the outside; A first switching inverter unit 140 converting the power adjusted by the voltage adjusting unit 120 into AC power; And a second switching inverter unit 180 that converts the power adjusted by the voltage adjusting unit into AC power at a time when the first switching inverter unit 140 does not perform the conversion.
  • the external power generation device 10 generating a DC power source may be a solar power module.
  • the voltage adjusting unit 120 may be a step-up composite means for performing step-up or step-down according to a condition. This reflects the step-up operation when the DC voltage applied from the external power generator 10 is less than the reference voltage, and if the DC voltage is too high, the step-down should be performed to increase the conversion efficiency.
  • the voltage adjusting unit 120 may be implemented using a known boosting circuit and a stepping down circuit, and may be implemented as a step-up / down composite chopper at a relatively low cost. That is, the step-up chopper as the step-up circuit using the inductor (coil) and the step-up chopper as the step-up circuit using the inductor (coil) may be implemented in a manner of operating one chopper in parallel.
  • the voltage adjusting unit 120 includes a boost chopper 122 having an inductor L1, a diode D1, and a switch S1, an inductor L2, and a diode D2. And a step-down chopper 124 having a switch S1 and a step-down capacitor 128.
  • Various known inverter circuits may be applied to the first switching inverter unit 140.
  • a switch circuit of a scrambled pulse width modulation (S-PWM) scheme may be applied.
  • S-PWM scrambled pulse width modulation
  • the PAM inverter converts the power regulated by the voltage adjuster into AC power in a PAM manner. It may further include.
  • one S-PWM switching inverter is implemented to perform both the PAM type operation and the PWM type operation.
  • the second switching inverter unit 180 may operate during the off duty of the PWM control of the first switching inverter unit 140.
  • the second switching inverter unit 180 may also be implemented as a PWM switching inverter circuit having a structure similar to that of the first switching inverter unit 140.
  • the reference voltage which is the minimum DC voltage for the conversion operation of the first switching inverter unit and the second switching inverter unit may be different from each other. This reflects that the amount of conversion power of the second switching inverter unit 180 that performs the conversion to the remaining power of the first switching inverter unit 140 is low.
  • the voltage adjusting unit 120 if the inverter operates in the PAM method boosts the voltage of the DC power input from the outside, and if the inverter operates in the PWM method, the voltage of the DC power input from the outside is stepped down can do.
  • the first switching inverter unit 140, the second switching inverter unit 180, and the voltage adjusting unit 120 may switch one or more switches S1, S2, SW1, SW2, SW1 ′, and SW2 that are switched according to a predetermined schedule. ', SW11, SW12, SW11', SW12 ').
  • the control circuit for controlling the switching operation of the switches S1, S2, SW1, SW2, SW1 ', SW2', SW11, SW12, SW11 ', and SW12' includes the first switching inverter unit 140 and the second.
  • Each of the switching inverter unit 180 and the voltage adjusting unit 120 may be provided or integrated into a separate control module.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a single-phase inverter device according to another embodiment of the present invention.
  • the single phase inverter device of the illustrated embodiment applies the single phase inverter device of FIG. 2 to supply power to two separate loads 200 and 300.
  • the first switching inverter unit 140 of the present embodiment supplies power to an external first load 200
  • the second switching inverter unit 180 supplies power to an external second load 300.
  • the first load 200 may be a consumer on a general power supply network (or connected to a grid)
  • the second load 300 may include AC equipment for a solar power plant. Can be.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a single-phase inverter device according to another embodiment of the present invention.
  • the single phase inverter device of the illustrated embodiment adds a means for storing the output of the second switching inverter unit 180 to be configured as a separate battery 400 in the structure of the single phase inverter device of FIG. 2.
  • the battery 400 is configured to store the power output from the second switching inverter unit 180 and to supply the voltage to the voltage adjusting unit 120. Accordingly, as shown in the figure, even in a section in which power generation is not performed, the advantage that can continuously supply AC power to the load through the same first switching inverter unit 140 using the power stored in the battery 400. There is this.
  • the power output from the second switching inverter unit 180 is AC power
  • the battery 400 is a portion for storing the + interval power of AC. And a portion for storing section power.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a single-phase inverter device according to another embodiment of the present invention.
  • the single phase inverter device of the illustrated embodiment adds a means for coupling the output of the second switching inverter unit 180 to the output of the first switching inverter unit 140 to the structure of the single phase inverter device of FIG. 2. That is, the single-phase inverter device of the present embodiment, the power coupling unit for supplying the power of the AC power output from the first switching inverter unit 140 and the AC power output from the second switching inverter unit 180 to the external load ( 190) may be further included.
  • a first input winding 192 connected to an output terminal of the first switching inverter unit 140 and a second input connected to an output terminal of the second switching inverter unit 180.
  • a three-winding transformer was used that included a winding 194 and an output winding 198 connected to the load 200.
  • the first input winding 192 and the second input winding 124 of the three-wound transformer shown in the figure has a winding shape that is symmetrical with respect to the magnetic flux direction.
  • FIG. 7 illustrates a process of combining the AC power output from the first switching inverter unit 140 and the AC power output from the second switching inverter unit 180 using the illustrated three-winding transformer.
  • the first switching inverter unit 140 and the second switching inverter unit 180 have a difference between a time point at which an AC conversion is generated and a time stored in an internal power storage element. For this reason, a phase difference of 90 degrees occurs between the AC power output from the first switching inverter unit 140 and the AC power output from the second switching inverter unit 180.
  • the maximum value of the combined AC power is the square of the maximum value of the AC power output from the first switching inverter unit 140 and the second switching. It is equal to the square root of the sum of the square of the maximum value of the AC power output from the inverter unit 180. That is, the combined AC power becomes a vector sum of AC power output from the first switching inverter unit 140 and AC power output from the second switching inverter unit 180.
  • another implementation may further include a phase shifter for correcting the phase difference of 90 degrees.
  • the phase shifter is advantageously configured to correct the AC power output by the second switching inverter unit 180 having a relatively small power.

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Abstract

본 발명의 단상 인버터 장치는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 단상 인버터 장치에 있어서, 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 조정하는 전압 조정부; 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제1 스위칭 인버터부; 및 상기 제1 스위칭 인버터가 변환을 수행하지 않는 시간에, 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제2 스위칭 인버터부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 스위칭 인버터부는, PWM 방식의 스위칭 인버터를 포함하며, 상기 제2 스위칭 인버터부는, PWM 제어의 오프 듀티 동안 동작할 수 있다.

Description

단상 인버터 장치
본 발명은 직류 전원을 단상 교류 전원으로 변환하는 단상 인버터 장치에 관한 것으로, 특히, 비교적 작은 전력량이 신재생 에너지 발전에 사용될 수 있는 단상 인버터 장치에 관한 것이다.
태양광 발전 등 비교적 작은 전력량을 가지는 직류 발전 전력을 입력으로 사용하는 기존 단상 인버터는 발전되는 직류 전력을 수용가가 편리하게 사용하게 하기 위하여 단상의 정현파 전력으로 만들어 송전하고 있다.
직류/교류 변환에 있어 비용 대비 효율이 적당하며, 정현파를 만드는 동작의 제어가 용이한 PWM(펄스폭변조) 방식이 보통 이용되고 있다. 이 경우 단상의 특성상 발전된 직류 전력을 발전 되어지는 시점에 100% 사용하지 못하게 된다. 즉 펄스폭 변조를 하여 사인파를 만드는 과정에서 50% 미만의 발전 전력만 이용하게 된다. 그 이유는 발전된 직류 전력은 연속적으로 발전되지만 정현의 교류 전압을 얻기 위하여 PWM 제어 방식의 인버터를 사용한다. 정현파를 얻기 위한 PWM 제어 방식의 특성상 +, - 의 전위가 동일 해야 하므로 동일한 듀티비를 갖는 PWM 파를 만들어 사용해야 하는 바, 이 경우 최대의 이용률은 50% 를 넘지 못한다.
또한, PWM 제어의 경우 교류 변환이 가능한 최소 직류 전압값인 기준 전압이 존재하는데, 발전된 직류 전력의 전압이 상기 기준 전압에 미달하는 구간에서는 전혀 변환을 수행하지 못하고, 그대로 발전된 전력이 버려지게 된다.
본 발명은 직류 교류 변환 효율을 높일 수 있는 단상 인버터 장치를 제공하고자 한다.
또는, 본 발명은, 비교적 저렴한 비용으로 태양광 발전 모듈에서 발전된 직류 전력으로 교류 전력으로 변환하는 손실을 최소화할 수 있는 단상 인버터 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 단상 인버터 장치는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 단상 인버터 장치에 있어서, 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 조정하는 전압 조정부; 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제1 스위칭 인버터부; 및 상기 제1 스위칭 인버터가 변환을 수행하지 않는 시간에, 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제2 스위칭 인버터부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 스위칭 인버터부는, PWM 방식의 스위칭 인버터를 포함하며, 상기 제2 스위칭 인버터부는, PWM 제어의 오프 듀티 동안 동작할 수 있다.
여기서, 상기 제1 스위칭 인버터부는, 상기 조정된 전원의 전압이 상기 PWM 방식의 스위칭 인버터가 동작하는 기준 전압 보다 낮으면, PAM 방식으로 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환할 수 있다.
여기서, 상기 전압 조정부는, 상기 제1 스위칭 인버터부가 PAM 방식으로 동작하면 상기 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 승압하고, 상기 제1 스위칭 인버터부가 PWM 방식으로 동작하면 상기 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 강압할 수 있다.
여기서, 상기 제1 스위칭 인버터부는 외부의 제1 부하로 전력을 공급하고, 상기 제2 스위칭 인버터부가 상기 제1 부하와 독립적인 외부의 제2 부하로 전력을 공급할 수 있다.
여기서, 상기 제1 스위칭 인버터부가 출력하는 교류 전력에 상기 제2 스위칭 인버터부가 출력하는 교류 전력을 결합한 전력을 외부 부하로 공급하는 전력 결합부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 결합부는, 상기 제1 스위칭 인버터부의 출력단에 연결되는 제1 입력 권선과, 상기 제2 스위칭 인버터부의 출력단에 연결되는 제2 입력 권선과, 상기 외부 부하에 연결되는 출력 권선을 구비하는 3권선 변압기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 스위칭 인버터부가 출력하는 전력을 저장하여, 상기 전압 조정부로 공급하는 배터리를 더 포함할 수 있다.
상기 구성에 따른 본 발명의 단상 인버터 장치를 실시하면, 직류 교류 변환 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또는, 본 발명은, 비교적 저렴한 비용으로 태양광 발전 모듈에서 발전된 직류 전력으로 교류 전력으로 변환하는 손실을 최소화할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 비교적 고가의 직류 발전 전력의 이용률을 기존 대비 2배 높일 수 있으며, 동일한 위상을 갖는 전원을 만들기 위해 변압기를 이용하여 자속결합을 하면 √2배 의 효율을 높일 수 있다.
특히, 기존의 태양광 발전 시스템에 필요한 솔라셀이나 태양광 발전 모듈 등의 수량, 용량을 (1-√2) 만큼 절약할 수 있어 경제적 측면과 공간적 측면에서 획기적으로 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 인버터 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도.
도 3은 보다 구체화한 도 2의 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도.
도 7은 도 6의 3권선 변압기를 사용하여 상기 제1 스위칭 인버터부가 출력하는 교류 전력과 상기 제2 스위칭 인버터부가 출력하는 교류 전력을 결합하는 과정을 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 인버터 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
본 실시예에 따른 단상 인버터 장치는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하기 위한 것으로, 특히, 태양광 발전 모듈에서 생성되는 직류 전원을 변환하는 과정으로 구체화하여 설명하겠다.
PWM 방식의 직류/교류 변환은, 비용 대비 효과 면에서 우수하여 널리 사용되는 변환 방식이나, 발전 직류 전원의 전압이 소정의 기준 전압 보다 높은 경우에만 변환이 가능한 단점이 있다. 게다가, 변환하는 전력은 일정하게만 유지되어, 발전 직류 전원의 발전량이 많아지는 경우에는, 남는 전력은 그대로 버려지는 단점도 있다.
전자의 단점을 극복하기 위하여, PWM 방식의 직류/교류 변환과 함께, PAM 방식의 직류/교류 변환이 적용될 수 있다.
이 경우, 상기 단상 인버터 장치는, 태양광 발전 모듈의 발전 직류 전원이 소정의 기준 전압을 넘으면 PWM 제어 방식으로 직류/교류 변환하는 PWM 인버터, 및 상기 발전 직류 전원의 전압이 상기 PWM 방식의 스위칭 인버터가 동작하는 기준 전압 보다 낮으면, PAM 방식으로 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 PAM 인버터를 구비할 수 있다.
즉, 도 1의 그래프에 도시한 바와 같이, 발전 전력이 충분치 않은 좌측 구간에서는 PAM 방식의 직류/교류 변환이 수행되며, 발전 전력이 충분한 우측 구간에서는 PWM 방식의 직류/교류 변환이 수행된다. 한편, 도시한 그래프의 시각 축에 대하여 사선으로 칠해진 구간은, 직류/교류 변환이 수행되는 구간이며, 그렇지 않은 구간은 직류/교류 변환이 일시 정지되는 구간이다.
그런데, 도시한 그래프에서, 발전 직류 전원의 전압이 충분한 PWM 구간 뿐만 아니라, 발전 직류 전원의 전압이 충분치 않은 PAM 구간에서도, 직류/교류 변환이 일시 정지되는 구간이 상당함을 알 수 있다. 이는, PAM 구간에서는, 직류 전원의 전압이 충분하지 않아서 승압을 수행한 후 교류로 변환하는데, 비교적 비용이 저렴한 승압 수단(예: 승압 쵸퍼)의 경우, 동작 가능한 기준 전압이 비교적 높거나, 승압을 위한 에너지 충전 효율이 떨어짐 등에 기인할 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 단상 인버터 장치는, 도시한 직류/교류 변환이 일시 정지되는 구간에서 직류/교류 변환을 수행할 수 있는 별도의 스위칭 인버터부를 구비하여, 전력 낭비를 방지한다.
도 2 및 도 3은 상술한 사상을 구현한 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한다.
도시한 단상 인버터 장치는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하기 위한 것으로, 특히, 태양광 발전 모듈에서 생성되는 직류 전원을 변환하기 위한 것이다.
도시한 단상 인버터 장치는, 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 조정하는 전압 조정부(120); 상기 전압 조정부(120)에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제1 스위칭 인버터부(140); 및 상기 제1 스위칭 인버터부(140)가 변환을 수행하지 않는 시간에, 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제2 스위칭 인버터부(180)를 포함할 수 있다.
도면에서 직류 전원을 생성하는 외부의 발전 장치(10)는, 태양광 발전 모듈일 수 있다.
상기 전압 조정부(120)는 조건에 따라 승압을 수행하거나 강압을 수행하는 승강압 복합 수단일 수 있다. 이는 외부의 발전 장치(10)에서 인가되는 직류 전압이 기준 전압에 미달하는 경우, 승압 동작을 수행하여야 하고, 상기 직류 전압이 너무 높으면 변환 효율을 높이기 위해 강압을 수행하여야 함을 반영한 것이다.
상기 전압 조정부(120)는 공지된 승압 회로 및 강압 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 비교적 저렴한 비용으로는 승강압 복합 쵸퍼로 구현될 수 있다. 즉, 인덕터(코일)를 이용한 승압 회로로서 승압 쵸퍼 및 인덕터(코일)를 이용한 승압 회로로서 강압 쵸퍼를 병렬적으로 구성하고, 필요에 따라 하나의 쵸퍼를 동작시키는 방식으로 구현될 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 전압 조정부(120)는, 인덕터(L1)와 다이오드(D1)와 스위치(S1)를 구비하는 승압 쵸퍼(122), 인덕터(L2)와 다이오드(D2)와 스위치(S1)를 구비하는 강압 쵸퍼(124) 및 승강압 커패시터(128)로 이루어질 수 있다.
상기 제1 스위칭 인버터부(140)는 공지된 다양한 인버터 회로가 적용될 수 있으며, 예컨대, S-PWM(Scrambled Pulse Width Modulation) 방식의 스위치 회로가 적용될 수 있다. 구현에 따라, 상기 전압 조정부(120)에서 조정된 전원의 전압이 상기 PWM 방식의 스위칭 인버터가 동작하는 기준 전압 보다 낮으면, PAM 방식으로 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 PAM 인버터를 더 포함할 수도 있다. 그러나, 도면에서는, 하나의 S-PWM 스위칭 인버터로, PAM 방식의 동작 및 PWM 방식의 동작을 모두 수행하도록 구현하였다.
상기 제2 스위칭 인버터부(180)는, 상기 제1 스위칭 인버터부(140)의 PWM 제어의 오프 듀티 동안 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 스위칭 인버터부(180)도 상기 제1 스위칭 인버터부(140)와 유사한 구조의 PWM 스위칭 인버터 회로로 구현할 수 있다. 이 경우, 제1 스위칭 인버터부와 제2 스위칭 인버터부의 변환 동작을 위한 최소 직류 전압인 기준 전압이 서로 다를 수 있다. 이는 제1 스위칭 인버터부(140)의 잔여 전력으로 변환을 수행하는 제2 스위칭 인버터부(180)의 변환 전력량이 낮음을 반영한 것이다.
한편, 상기 전압 조정부(120)는, 상기 PAM 방식으로 인버터가 동작하면 상기 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 승압하고, 상기 PWM 방식으로 인버터가 동작하면 상기 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 강압할 수 있다.
상기 제1 스위칭 인버터부(140), 제2 스위칭 인버터부(180) 및 전압 조정부(120)는, 소정의 스케쥴에 따라 스위칭되는 하나 이상의 스위치들(S1, S2, SW1, SW2, SW1', SW2', SW11, SW12, SW11', SW12')을 구비할 수 있다. 상기 스위치들(S1, S2, SW1, SW2, SW1', SW2', SW11, SW12, SW11', SW12')의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로는, 상기 제1 스위칭 인버터부(140), 제2 스위칭 인버터부(180) 및 전압 조정부(120)에 각각 구비되거나, 별도의 제어 모듈로 통합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도이다. 도시한 실시예의 단상 인버터 장치는 도 2의 단상 인버터 장치를 2개의 분리된 부하(200, 300)에 전력을 공급하도록 적용한 것이다.
즉, 본 실시예의 상기 제1 스위칭 인버터부(140)는 외부의 제1 부하(200)로 전력을 공급하고, 상기 제2 스위칭 인버터부(180)는 외부의 제2 부하(300)로 전력을 공급한다. 여기서, 상기 제1 부하(200)는 일반적인 전력 공급망상의 수용가 일 수 있으며(또는, 계통(grid)에 연결), 상기 제2 부하(300)는, 태양광 발전 시설을 위한 교류 장비를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도이다. 도시한 실시예의 단상 인버터 장치는 도 2의 단상 인버터 장치의 구조에, 구성하는 제2 스위칭 인버터부(180)의 출력을 별도의 배터리(400)로 저장하는 수단을 추가한 것이다.
도면에서, 상기 배터리(400)는, 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 전력을 저장하여, 상기 전압 조정부(120)로 공급하도록 구성되어 있다. 이에 따라 도면에 도시한 바와 같이, 발전이 수행되지 않는 구간에서도, 상기 배터리(400)에 저장된 전력을 이용하여 동일한 제1 스위칭 인버터부(140)를 통해 부하로 연속적인 교류 전력을 공급할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 전력은 교류 전력이고, 상기 전압 조정부(120)의 입력단은 교류가 입력되므로, 상기 배터리(400)는 교류의 + 구간 전력을 저장하기 위한 부분 및 - 구간 전력을 저장하기 위한 부분으로 구분되어 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치를 도시한 블록도이다. 도시한 실시예의 단상 인버터 장치는 도 2의 단상 인버터 장치의 구조에, 구성하는 제2 스위칭 인버터부(180)의 출력을 제1 스위칭 인버터부(140)의 출력에 결합하는 수단을 추가한 것이다. 즉, 본 실시예의 단상 인버터 장치는, 제1 스위칭 인버터부(140)가 출력하는 교류 전력에 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 교류 전력을 결합한 전력을 외부 부하로 공급하는 전력 결합부(190)를 더 포함할 수 있다.
도면에서는 상기 전력 결합부(190)로서, 상기 제1 스위칭 인버터부(140)의 출력단에 연결되는 제1 입력 권선(192) 및 상기 제2 스위칭 인버터부(180)의 출력단에 연결되는 제2 입력 권선(194), 부하(200)에 연결되는 출력 권선(198)을 포함하는 3권선 변압기를 이용하였다.
도시한 3권선 변압기의 제1 입력 권선(192) 및 제2 입력 권선(124)은 자속 방향에 대하여 서로 대칭되는 권선 형태를 가진다.
도시한 3권선 변압기를 사용하여 상기 제1 스위칭 인버터부(140)가 출력하는 교류 전력과 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 교류 전력을 결합하는 과정을 도 7에 도시하였다.
상기 제1 스위칭 인버터부(140)와 상기 제2 스위칭 인버터부(180)는, 교류 변환을 생성하는 시점 및 내부의 축전 소자에 축전되는 시간의 차이가 있다. 이로 인하여, 상기 제1 스위칭 인버터부(140)가 출력하는 교류 전력과, 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 교류 전력은 90도의 위상차가 발생한다.
상기 3권선 변압기를 사용하면, 도시한 그래프에 나타낸 바와 같이, 결합된 교류 전력의 최대값은, 상기 제1 스위칭 인버터부(140)가 출력하는 교류 전력의 최대값의 제곱값과 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 교류 전력의 최대값의 제곱값을 더한 값의 제곱근 값과 같게 된다. 즉, 결합된 교류 전력은 상기 제1 스위칭 인버터부(140)가 출력하는 교류 전력과 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 교류 전력의 벡터합이 된다.
벡터합으로 산출되는 결합된 전력의 효율을 다소 높이기 위해, 다른 구현에서는 90도의 위상 차이를 보정하기 위한 위상 시프터를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 위상 시프터는 비교적 전력이 작은 상기 제2 스위칭 인버터부(180)가 출력하는 교류 전력을 보정하도록 구성하는 것이 유리하다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 단상 인버터 장치에 있어서,
    외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 조정하는 전압 조정부;
    상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제1 스위칭 인버터부; 및
    상기 제1 스위칭 인버터가 변환을 수행하지 않는 시간에, 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 제2 스위칭 인버터부
    를 포함하는 단상 인버터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 인버터부는,
    PWM 방식의 스위칭 인버터를 포함하며,
    상기 제2 스위칭 인버터부는, PWM 제어의 오프 듀티 동안 동작하는 것을 특징으로 하는 단상 인버터 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 인버터부는,
    상기 조정된 전원의 전압이 상기 PWM 방식의 스위칭 인버터가 동작하는 기준 전압 보다 낮으면, PAM 방식으로 상기 전압 조정부에서 조정된 전원을 교류 전원으로 변환하는 단상 인버터 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압 조정부는,
    상기 제1 스위칭 인버터부가 PAM 방식으로 동작하면 상기 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 승압하고,
    상기 제1 스위칭 인버터부가 PWM 방식으로 동작하면 상기 외부에서 입력되는 직류 전원의 전압을 강압하는 단상 인버터 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 인버터부는 외부의 제1 부하로 전력을 공급하고,
    상기 제2 스위칭 인버터부가 상기 제1 부하와 독립적인 외부의 제2 부하로 전력을 공급하는 단상 인버터 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 인버터부가 출력하는 교류 전력에 상기 제2 스위칭 인버터부가 출력하는 교류 전력을 결합한 전력을 외부 부하로 공급하는 전력 결합부
    를 더 포함하는 단상 인버터 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 결합부는,
    상기 제1 스위칭 인버터부의 출력단에 연결되는 제1 입력 권선과,
    상기 제2 스위칭 인버터부의 출력단에 연결되는 제2 입력 권선과,
    상기 외부 부하에 연결되는 출력 권선을 구비하는 3권선 변압기
    를 포함하는 단상 인버터 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 인버터부가 출력하는 전력을 저장하여, 상기 전압 조정부로 공급하는 배터리
    를 더 포함하는 단상 인버터 장치.
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