WO2023277672A1 - 멀티레벨 구조를 가지는 전력변환장치 - Google Patents

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WO2023277672A1
WO2023277672A1 PCT/KR2022/009625 KR2022009625W WO2023277672A1 WO 2023277672 A1 WO2023277672 A1 WO 2023277672A1 KR 2022009625 W KR2022009625 W KR 2022009625W WO 2023277672 A1 WO2023277672 A1 WO 2023277672A1
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정광순
박정흠
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엘지이노텍 주식회사
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device using a plurality of converters having a multi-level structure and a solar module.
  • Photovoltaic power generation is widely used as an eco-friendly energy generation method to replace existing chemical power generation or nuclear power generation.
  • Solar cell modules have different maximum power points depending on the amount of sunlight and temperature.
  • Module-level power electronics MLPE can be used to perform maximum power point tracking (MPPT) control on a module basis to operate the solar cell at its maximum power point.
  • MPPT maximum power point tracking
  • MLPE with a single converter is difficult to follow and control the optimized maximum power point when the amount of sunlight and temperature of each cell in the module is different.
  • the single converter application method connects all cells in series and inputs them to the MLPE, and the MLPE performs maximum power point follow-up control for the entire solar cell module.
  • the maximum power point is different for each cell string due to the difference in the amount of sunlight in the cell string, there is a problem in that the maximum power point follow-up control for the individual string is impossible.
  • the photovoltaic cell module, DC/DC converter, and controller are designed with the same electric potential. For this reason, when the controller detects the solar cell module voltage and the DC/DC converter output voltage, the voltage detection circuit can be implemented only with the resistor divider circuit.
  • the above method cannot be applied as it is.
  • MLPE with a single converter application method uses the same ground for the photovoltaic cell module, DC/DC converter, controller, and auxiliary power. Due to this, as shown in FIGS. 3 and 4 , it is possible to construct an auxiliary power circuit for receiving power from the solar cell module and supplying auxiliary power to a converter and a controller.
  • the above method cannot be applied as it is.
  • a technical problem to be solved by the present invention is to provide a power converter and a solar module using a plurality of converters having a multi-level structure.
  • a power conversion device includes a plurality of converters respectively connected to a plurality of cell strings; and an auxiliary power unit supplying driving power to each of the plurality of converters, wherein the auxiliary power unit converts a first voltage of at least one output terminal among output terminals of the plurality of cell strings into a second voltage and outputs the second voltage. voltage conversion unit; and a second voltage converter converting the second voltage output from the first voltage converter into a third voltage and supplying driving power to each of the plurality of converters, wherein the plurality of converters constitute a multi-level.
  • the first voltage conversion unit may output a different magnitude of the second voltage according to the range of the first voltage.
  • the first voltage conversion unit may include at least one of a step-down regulator, a step-up regulator, and a step-down regulator.
  • the first voltage converter may include at least one of a buck converter, a linear regulator, a boost converter, a charge pump, and a buck-boost converter.
  • the first voltage converter may supply power to a device operating at the second voltage.
  • output terminals of the plurality of cell strings may be connected in parallel through a switching element.
  • the second voltage converter may supply power to a device operating at the third voltage.
  • the second voltage converter may operate by receiving an enable signal.
  • the second voltage converter may include an insulated converter.
  • the second voltage converter may include at least one of a flyback converter, an LLC converter, and a forward converter.
  • It may also include a third voltage converter for converting the second voltage into a fourth voltage and outputting the converted voltage.
  • the third voltage converter may supply power to a device operating at the fourth voltage.
  • It may also include a fourth voltage converter for converting the third voltage into a fifth voltage and outputting the converted voltage.
  • the fourth voltage converter may supply power to a device operating at the fifth voltage.
  • a power conversion device includes a plurality of converters respectively connected to a plurality of cell strings; an auxiliary power unit supplying driving power to each of the plurality of converters; and a control unit monitoring at least one of an input signal and an output signal of the plurality of converters and a current flowing in an inductor included in each converter, wherein the auxiliary power unit includes output terminals of the plurality of converters and the plurality of cell strings A first voltage conversion unit for converting a first voltage of at least one output terminal of each output terminal into a second voltage and outputting the converted second voltage; and a second voltage conversion unit converting the second voltage output from the first voltage conversion unit into a third voltage and supplying driving power to each of the plurality of converters, wherein the first voltage conversion unit converts driving power to the control unit. and the control unit outputs an enable signal to the second voltage converter, the second voltage converter operates by receiving the enable signal, and the plurality of converters form a multi-level.
  • a photovoltaic module includes a plurality of cell strings each including one or more photovoltaic cells; a plurality of converters respectively connected to the plurality of cell strings; and an auxiliary power unit supplying driving power to each of the plurality of converters, wherein the auxiliary power unit converts a first voltage of at least one output terminal among output terminals of the plurality of cell strings into a second voltage and outputs the second voltage. voltage conversion unit; and a second voltage converter converting the second voltage output from the first voltage converter into a third voltage and supplying driving power to each of the plurality of converters, wherein the plurality of converters constitute a multi-level.
  • the MLPE having a multi-level structure in using the MLPE having a multi-level structure, it is possible to smoothly supply auxiliary power to each DC/DC converter, control circuit, PLC circuit, etc. by implementing an auxiliary power circuit.
  • the input voltage range in which MLPE can operate is expanded. Due to this, it is possible to increase conditions for power generation.
  • FIG. 1 to 4 are block diagrams of solar modules according to comparative embodiments of the present invention.
  • 5 is a diagram for explaining maximum power point follow-up control.
  • FIG. 6 is a block diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 11 are views for explaining a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a block diagram of a power conversion device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a power conversion device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram of a solar module according to an embodiment of the present invention.
  • the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in a variety of different forms, and if it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components among the embodiments can be selectively implemented. can be used in combination or substitution.
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when described as "at least one (or more than one) of A and (and) B and C", A, B, and C are combined. may include one or more of all possible combinations.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the term is not limited to the nature, order, or order of the corresponding component.
  • a component when a component is described as being 'connected', 'coupled', or 'connected' to another component, the component is directly 'connected', 'coupled', or 'connected' to the other component. In addition to the case, it may include cases where the component is 'connected', 'combined', or 'connected' due to another component between the component and the other component.
  • Modifications according to this embodiment may include some configurations of each embodiment and some configurations of other embodiments. That is, the modified example may include one embodiment among various embodiments, but some components may be omitted and some configurations of other corresponding embodiments may be included. Or, it may be the other way around.
  • Features, structures, effects, etc. to be described in the embodiments are included in at least one embodiment, and are not necessarily limited to only one embodiment.
  • the features, structures, and effects illustrated in each embodiment can be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art in the field to which the embodiments belong. Therefore, contents related to these combinations and variations should be interpreted as being included in the scope of the embodiments.
  • FIGS. 7 to 11 are diagrams for explaining the power conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • the power converter 100 is composed of a plurality of converters 110 and an auxiliary power supply unit 120, and drives a plurality of cell strings 130, a control unit (not shown) or a power converter It may include various devices for lower extremities.
  • Each of the plurality of converters 110 is respectively connected to a plurality of cell strings.
  • Each converter of the plurality of converters 110 may include at least one upper switch and at least one lower switch.
  • each of the plurality of cell strings 130 may include at least one cell, and when including a plurality of cells, the plurality of cells may be connected in series.
  • the cell string 130 may be a solar cell string including solar cells.
  • a string of photovoltaic cells may form a solar panel.
  • Photovoltaic cells generate photovoltaic (PV) power by using the photoelectric effect.
  • the photoelectric effect is the emission of electrons when light of a certain frequency or higher hits a specific metal material.
  • a pn junction is formed using a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and electric power is generated by using electrons generated by the photoelectric effect to generate current.
  • generate A solar cell is formed using silicon or the like and may be formed in a wafer form.
  • the photovoltaic cell is located in a field that can receive sunlight well, an outer wall of a building, or a rooftop, and generates electric power using sunlight.
  • the photovoltaic cell may be formed of BIPV (building-integrated photovoltaic power generation) formed integrally with the building.
  • a plurality of solar cells are connected in series to form a solar cell string. It can generate power of suitable size.
  • a string of solar cells may be a basic unit for generating electrical power.
  • the power conversion device controls the solar cell to operate at the maximum power point (MPP), which is the operating point at which the solar cell has the maximum power under each condition.
  • Maximum Power Point Tracking This is referred to as Maximum Power Point Tracking (MPPT), and efficiency of photovoltaic power generation can be increased by using Maximum Power Point Tracking.
  • the maximum power may be about 80% of the maximum voltage, not the maximum voltage. Since such a maximum power point continuously changes according to the magnitude of the voltage and current generated by the solar panel, it is necessary to continuously find a point where the maximum power point can be generated. That is, in order to follow the maximum power rather than the maximum voltage, the magnitudes of the voltage and current may be varied so as to reach the maximum power. That is, the voltage may be decreased and the current may be increased, or the voltage may be increased and the current may be decreased in the direction of increasing power.
  • the plurality of converters 110 include the number of converters corresponding to the number of the plurality of cell strings 130 .
  • Each converter 110 is connected to a corresponding cell string 130 to receive power generated from the cell string 130, converts the voltage, and outputs the converted voltage.
  • FIG. 1 when all cell strings are connected in series and maximum power point tracking control is performed using one converter, when there is a difference in the amount of sunlight between cell strings, it is difficult to follow the optimal maximum power point.
  • a plurality of converters respectively connected to a plurality of cell strings are included in order to perform maximum power point tracking on a cell string basis.
  • the converter 110 is a DC-DC converter, and may convert a signal having a first voltage into a signal having a second voltage and output the converted signal. Alternatively, the signal having the first current may be converted into a signal having the second current and then output.
  • the plurality of converters 110 configure multi-level.
  • the plurality of converters 110 may be connected in a cascode to form a multilevel.
  • the cascode means a form in which output stages are connected in multiple stages, and the output stages of the converter are piled up according to the cascode connection to form a multi-level.
  • Multi-level refers to a structure in which the output signals of each converter are combined and output as one signal.
  • the (-) terminal of the output terminal of the upper level converter is sequentially connected to the (+) terminal of the output terminal of the neighboring lower level converter, and the output of the converter of the highest level and the output of the lowest level converter are combined to form one signal.
  • the control unit applies a control signal to each of the plurality of converters 110 .
  • the plurality of converters 110 receive the control signal and perform power conversion. At this time, maximum power point follow-up control may be performed or a bypass operation may be performed.
  • Each of the plurality of converters 110 may receive a control signal from the controller and follow the maximum power point so that the power of the cell strings 130 connected to each other becomes the maximum power.
  • the maximum power point varies between the cell strings, so each of the plurality of converters performs maximum power point follow-up control for each cell string. By performing this, maximum power is generated in each cell string. Through this, maximum power point follow-up control optimized for each cell string is possible.
  • the plurality of converters 110 need to perform a bypass function of outputting the voltage of the cell string as it is according to circumstances.
  • some cell strings of the plurality of cell strings 130 generate a lower voltage than other cell strings due to shading, etc., in order to reduce loss and increase efficiency by reducing the voltage difference between each cell string, the voltage of the other cell strings It can be bypassed as output.
  • the auxiliary power supply unit 120 supplies driving power to each of the plurality of converters 110 .
  • Each of the plurality of converters 110 may include at least one upper switch and at least one lower switch, and may perform power conversion by controlling the upper switch and the lower switch to turn on and off.
  • the upper switch and the lower switch may be complementary to each other.
  • Each switch may be controlled by a turn-on time, that is, a duty ratio according to circumstances.
  • the duty ratio means an on-in ratio within a certain period, and is also referred to as a fertilization ratio.
  • the duty ratio may vary according to the power to be converted, and during the bypass operation, the duty ratio of the upper switch may be operated at 100%.
  • the switching element may be a semiconductor switching element such as FET or IGBT.
  • Each switch may be a switching element that operates by receiving driving power. In order to operate each switch, driving power is required, and the auxiliary power unit 120 provides driving power necessary for the converter 110 to operate.
  • auxiliary power may be generated and provided to each converter.
  • An auxiliary power circuit that generates and supplies auxiliary power (V_aux.X) against the reference potential of each converter can be configured.
  • the auxiliary power circuit supplies driving power to each of the plurality of converters.
  • auxiliary power suitable for each level must be supplied.
  • An isolated converter is used, but the primary circuit of the isolated converter receives the voltage of at least one output terminal among the output terminals of the plurality of cell strings, and the isolated converter generates a voltage to the secondary circuit according to the voltage of the primary circuit.
  • a plurality of secondary side circuits may supply driving power to each of the plurality of converters using the voltage output from the insulated converter.
  • the input voltage range of the isolated converter also widens, making design and optimization difficult. If the auxiliary power circuit cannot respond to a wide input voltage range, even if power is generated from the solar cell, the auxiliary power circuit may not operate and the MLPE may not operate. need.
  • the auxiliary power supply unit 120 is composed of a first voltage conversion unit 121 and a second voltage conversion unit 122, and a third voltage conversion unit 123 or a second voltage conversion unit 123. 4 voltage converters 124 may be included.
  • the first voltage conversion unit 121 converts the first voltage of at least one output terminal among the output terminals of the plurality of cell strings 130 into a second voltage and outputs the second voltage
  • the second voltage conversion unit 122 converts the first voltage
  • the second voltage output from the converter 121 is converted into a third voltage, and driving power is supplied to each of the plurality of converters 110 .
  • the first voltage conversion unit 121 converts a first voltage of at least one output terminal of the output terminals of the plurality of converters 110 and each of the output terminals of the plurality of cell strings 130 into a second voltage and outputs the second voltage. there is.
  • the first voltage converter 121 can receive voltages from the plurality of cell strings 130 and also receive voltages from output terminals of the plurality of converters 110 .
  • voltage may be input from various configurations.
  • each output terminal of the plurality of cell strings 130 is connected in parallel through a switching element, and receives a voltage from at least one output terminal among the output terminals of the plurality of cell strings 130 and converts the voltage.
  • the switching element may be a diode. All output terminals of the plurality of cell strings are connected through diodes, so that the highest voltage among the cell string voltages can be selectively applied. That is, even if some cell strings lack sunlight, driving power for all converters can be provided by using voltages of other cell strings that sufficiently generate power. Through this, redundancy can also be secured. Alternatively, it is natural that the voltage of a specific cell string may be received and used to supply auxiliary power without a diode.
  • the second voltage conversion unit 122 that supplies driving power receives and converts the voltage so that the first voltage conversion unit 121 converts the cell string
  • the first voltage input from one of the output terminals is converted into a second voltage and output.
  • the first voltage converter 121 the pre-regulator, does not directly supply driving power to each converter, but passes through the first voltage converter 121 and the second voltage converter 122 to each converter. drive power can be supplied.
  • a multi-output regulator may be used.
  • the auxiliary power supply unit 120 can operate sufficiently even when the input voltage range is wide. Through this, by using the first voltage converter 121, the auxiliary power supply unit 120 can expand the normal operating input voltage range.
  • the input voltage range of the second voltage conversion unit 122 can be reduced using the first voltage conversion unit 121, and overvoltage is applied to the second voltage conversion unit 122 or overvoltage is prevented from occurring. and the voltage at which Under Voltage Lock Out (UVLO)/Brown Out (BO) occurs may be lowered.
  • UVLO Under Voltage Lock Out
  • BO Battery Out
  • the first voltage conversion unit 121 may output different levels of the second voltage according to the range of the first voltage.
  • the range of the first voltage which is the voltage applied to the auxiliary power unit, is high, step-down of the first voltage is required, and the second voltage may be output within the range of the output voltage due to the step-down of the first voltage.
  • the range of the first voltage is low, boosting of the first voltage is required, and the second voltage may be output within a range of voltages output due to the boosting of the first voltage.
  • the second voltage having a constant level of voltage may be output regardless of the level of the first voltage.
  • the first voltage converter 121 may include at least one of a step-down regulator, a step-up regulator, and a step-down regulator.
  • the range of the first voltage is a voltage range in which it is difficult for the second voltage conversion unit 122 to convert the voltage and supply driving power to the plurality of converters 110, step-down or step-up of the first voltage is required.
  • the first voltage may be converted into the second voltage using the regulator and output.
  • a step-down regulator When the range of the first voltage requires step-down, a step-down regulator is used. When the range of the first voltage requires step-up, a step-up regulator is used. When step-down or step-up is required within the range of the first voltage, a step-up regulator is available. When the range of the first voltage is constant, one of a step-down regulator, a step-up regulator, and a step-up regulator can be used accordingly, and when the range of the first voltage is variable, a step-down regulator, a step-up regulator, and a step-up regulator. Among the pneumatic regulators, two or more regulators may be included, but may be selectively used.
  • the first voltage converter 121 may include at least one of a buck converter, a linear regulator, a boost converter, a charge pump, and a buck-boost converter.
  • a step-down regulator, a buck converter or a linear regulator may be used.
  • a step-up of the first voltage may be required.
  • a step-down regulator, a boost converter, or a charge pump may be used.
  • the circuit configuration is relatively simple and can be implemented with low material cost.
  • a buck-boost converter may be included and used.
  • a non-inverting buck-boost converter in which the output voltage is not inverted to a negative voltage may be used.
  • the non-inverting buck-boost converter requires four semiconductor switches, which makes the circuit relatively complicated and the material cost high.
  • the two or more stage regulator may include at least two of a linear regulator, a charge pump, a step-up converter, and a step-up converter.
  • Two-stage regulators of the same or different types may be used.
  • a step-up regulator and a step-down regulator may be configured as a cascade. In this case, the circuit can be implemented regardless of the arrangement order of the step-up and step-down regulators.
  • the step-up and step-down type means that step-up and step-down of the first voltage are possible.
  • the two or more stages of the regulator may include a step-down regulator and a boost-type regulator.
  • the step-down regulator may include at least one of a linear regulator and a buck converter
  • the step-up regulator may include at least one of a charge pump and a boost converter.
  • a 2-stage regulator it is possible to use a combination of a linear regulator, a charge pump, a step-up converter, a step-up converter, and a step-up converter. can do.
  • the first voltage conversion unit 121 may use different regulators according to the range of the first voltage, which is the input voltage of the auxiliary power supply unit 120 .
  • the upper limit of the input voltage of the second voltage converter 122 may be limited or overvoltage may be prevented by implementing the first voltage converter 121 as a step-down regulator.
  • the voltage applied to the auxiliary power supply unit 120 is 10 to 100V, it may be converted to 10 to 12V or 3.3V/5V and supplied to the second voltage conversion unit 122 .
  • a buck converter or a linear regulator can be used as a step-down regulator.
  • the voltage at which the lower limit of the input voltage of the second voltage converter 122 is limited or UVLO/BO occurs by implementing the first voltage converter 121 as a step-up regulator. can lower
  • the voltage applied to the auxiliary power supply unit 120 is 5 to 20V, it may be limited to 12 to 20V or converted to 24V and supplied to the second voltage conversion unit 122 .
  • a boost converter and a charge pump can be used as a step-up regulator.
  • the first voltage converter 121 is implemented as a buck-boost regulator to reduce/limit the input voltage range of the second voltage converter 122, prevent overvoltage, and UVLO/BO
  • the generated voltage can be lowered.
  • the voltage applied to the auxiliary power supply unit 120 is 5 to 100V, it may be limited to 10 to 15V or 12V and supplied to the second voltage conversion unit 122 .
  • a buck-boost converter can be used as a buck-boost regulator.
  • a buck-boost regulator can be implemented as a combination of a buck-type regulator and a buck-boost regulator.
  • the first voltage converter 121 may be formed by a linear regulator-charge pump combination, a linear regulator-boost converter combination, a buck converter-charge pump combination, or a buck converter-boost converter combination. Combinations of 1 to 3 of these can reduce material costs compared to non-inverting buck-boost converters.
  • the first voltage converter 121 may supply power to the device 141 operating at the second voltage.
  • the first voltage conversion unit 121 may supply power to a device operating at the second voltage other than the second voltage conversion unit 122 with the second voltage.
  • the second voltage generated in the process of generating the auxiliary power may be supplied to devices other than the auxiliary power of the plurality of converters 110 .
  • the second voltage output from the first voltage conversion unit 121 can be used as a power source for various devices such as control unit MCU, sensor, controller, EEPROM, and PLC circuit.
  • the third voltage conversion unit 123 may convert the second voltage into a fourth voltage and output the converted voltage.
  • the third voltage conversion unit 123 may convert the second voltage into a fourth voltage and output the converted fourth voltage to correspond to the driving power of the corresponding device.
  • the third voltage converter 123 may supply power to the device 143 operating at the fourth voltage.
  • the second voltage output from the third voltage conversion unit 123 can be used as a power source for various devices such as control unit MCU, sensor, controller, EEPROM, and PLC circuit.
  • the third voltage converter 123 may be a post-regulator.
  • the first voltage converter 121 outputs a second voltage corresponding to the magnitude of the voltage convertible by the second voltage converter 122 or corresponds to the magnitude of the rated voltage of the device 141 directly using the second voltage. It is possible to output a second voltage that That is, the second voltage conversion unit 122 outputs the second voltage in a range of convertible voltages, and the second voltage corresponding to the size of the rated voltage of the device 141 that can directly use power within that range can be printed out.
  • the second voltage converter 122 receives the second voltage output from the first voltage converter 121, converts the second voltage into a third voltage, and supplies driving power to each of the plurality of converters 110. do.
  • the second voltage converter 122 may include an insulated converter.
  • the isolated converter converts the voltage of the primary side circuit and transfers it to the secondary side circuit.
  • the isolated converter may output a voltage to the second secondary circuit according to the voltage of the primary circuit.
  • Each of the plurality of converters 110 may include at least one upper switch and at least one lower switch, and may supply driving power to each of the upper switch and the lower switch.
  • the second voltage conversion unit 122 is a first secondary side circuit that supplies auxiliary power to the upper switch included in each converter and a second secondary side that supplies auxiliary power to the lower switch included in each converter. circuitry may be included. Through this, individual driving power can be provided to the upper switch and the lower switch, respectively, and the upper switch can be operated with a 100% duty ratio, thereby increasing efficiency during the bypass operation.
  • the second voltage converter 122 may include a multi-output regulator to supply driving power to each of the plurality of converters 110 .
  • Driving power may be supplied to each of the plurality of converters 110 through a plurality of outputs.
  • the second voltage converter 122 may be a multi-output isolation type converter.
  • the multi-output isolated converter may include a first output for supplying auxiliary power to an upper switch included in each converter and a second output for supplying auxiliary power to a lower switch included in each converter.
  • An isolated converter capable of multiple outputs with a single regulator can also be applied. If an isolated converter capable of multiple outputs is used, driving power can be supplied to each of the lower and upper switches included in the converter. It is also possible to generate auxiliary power by combining a separate converter and a linear regulator that takes the output of the secondary circuit as an input.
  • the second voltage converter 122 may include at least one of a flyback converter, an LLC converter, and a forward converter.
  • the second voltage converter 122 is an insulated converter and may include at least one of a flyback converter, a forward converter, and an LLC converter.
  • the second voltage converter 122 may perform Primary Side Regulation (PSR).
  • PSR Primary Side Regulation
  • the PSR may be performed by referring to the output voltage of the secondary side circuit having the same reference potential as the cell string 130 to which the voltage is applied to the first voltage converter 121 .
  • the output of the secondary circuit unit can be controlled by referring to the voltage reflected to the primary side through the transformer.
  • the isolation type transformer may use a tertiary winding to control the output of the first secondary circuit.
  • the isolation type transformer may be controlled by referring only to the secondary circuit unit output voltage based on the same potential as the primary circuit unit. For example, when the primary circuit unit is based on the ground, control may be performed with reference to the output voltage of the secondary circuit unit based on the ground.
  • the second voltage converter 122 may supply power to the device 142 operating at the third voltage.
  • the second voltage conversion unit 122 may supply power to the device 142 operating at the second voltage as well as the plurality of converters 110 with the third voltage.
  • the third voltage generated in the process of generating the auxiliary power may be supplied to other devices 142 other than the auxiliary power of the plurality of converters 110 . It can be used as a power supply for various devices such as control unit MCU, sensor, controller, EEPROM, and PLC circuit.
  • the fourth voltage converter 124 may convert the third voltage into a fifth voltage and output the converted fifth voltage.
  • the fourth voltage conversion unit 124 may convert the third voltage into a fifth voltage and output the converted fifth voltage to correspond to the driving power of the corresponding device.
  • the fourth voltage converter 124 may supply power to the device 144 operating at the fifth voltage.
  • the second voltage output from the fourth voltage conversion unit 124 can be used as a power source for various devices such as control unit MCU, sensor, controller, EEPROM, and PLC circuit.
  • the third voltage converter 123 may be a post-regulator.
  • the second voltage converter 122 may operate by receiving an enable signal.
  • the second voltage conversion unit 122 may operate by receiving an enabling signal from a controller or a server or a user.
  • the enable signal is a signal that causes an arithmetic operation to occur, and may be an operation signal of the second voltage conversion unit 122 .
  • the control unit may operate using the second voltage output from the first voltage conversion unit 121 or the fourth voltage output from the third voltage conversion unit 123 . That is, since it can operate by receiving driving power independently of the operation of the second voltage conversion unit 122, it is necessary to supply auxiliary power to the plurality of converters 110 after the control unit operates first.
  • an enabling signal may be input to the second voltage conversion unit 122 so that the second voltage conversion unit 122 operates. Since the second voltage conversion unit 122 operates only in a situation where an operation is required, efficiency can be increased by reducing losses.
  • the output generation time of the second voltage conversion unit 122 may be delayed by using a circuit for applying an enable signal after a predetermined time delay.
  • a circuit for applying an enable signal After delaying for a preset time, a possible signal is applied to the second voltage conversion unit 122 to (122) can be operated.
  • the secondary having a wide input range It is easy to design and optimize the power circuit.
  • the input voltage range in which the MLPE can operate is extended, thereby increasing the conditions for power generation.
  • FIG. 12 is a block diagram of a power conversion device according to another embodiment of the present invention.
  • the power converter 100 is composed of a plurality of cell strings 130, a plurality of converters 110, an auxiliary power supply unit 120, and a control unit 125.
  • the detailed description of the power converter of FIG. 12 corresponds to the detailed description of the power converter of FIGS. 1 to 11, and therefore, redundant descriptions of the corresponding descriptions will be omitted.
  • the plurality of converters 110 of the power conversion device 100 are respectively connected to the plurality of cell strings 130, and the plurality of converters 110 constitute a multi-level.
  • the auxiliary power supply unit 120 supplies driving power to each of the plurality of converters 110 .
  • the auxiliary power unit 120 converts the first voltage of at least one output terminal among the output terminals of the plurality of converters 110 and each output terminal of the plurality of cell strings 130 into a second voltage and outputs the first voltage conversion
  • the second voltage conversion unit 122 converts the second voltage output from the unit 121 and the first voltage conversion unit 121 into a third voltage and supplies driving power to each of the plurality of converters 110.
  • the control unit 125 monitors at least one of input signals and output signals of the plurality of converters, and current flowing through inductors included in each converter.
  • the control unit 125 may transmit the monitored information to the outside through power line communication (PLC) or generate and apply a control signal to each of the plurality of converters 110 .
  • PLC power line communication
  • Each of the plurality of converters 110 receives a control signal from the control unit 120 and follows the maximum power point so that the power of the cell strings 130 connected to each other becomes the maximum power.
  • the maximum power point varies between the cell strings, so each of the plurality of converters performs maximum power point follow-up control for each cell string. By performing this, maximum power is generated in each cell string. Through this, maximum power point follow-up control optimized for each cell string is possible.
  • the control unit 125 may additionally perform other functions as well as a function of generating a control signal for maximum power point follow-up control and applying the control signal to the plurality of converters 110 .
  • the control unit 125 may monitor at least one of input signals and output signals of the plurality of converters 110 and current flowing through inductors included in each converter. In generating the control signal for maximum power point follow-up control, the input signal of the converter corresponding to the cell string voltage output from the cell string 130 and the output signal output from the converter should be used. ) monitors the input and output signals of the converter. At this time, the voltage and current of the input signal and the voltage and current of the output signal can be monitored. In addition, by monitoring the current flowing in the inductor constituting the converter 110 to monitor whether overcurrent flows, it can be used for overcurrent protection. In addition, the control unit 125 may monitor various information required for power conversion.
  • the controller 125 may transmit the monitored information to an upper controller or the outside. At this time, the controller 125 may transmit monitored information through power line communication (PLC).
  • PLC power line communication
  • Power line communication is communication using a power line, and communication can be performed using a power line without a separate communication line.
  • various types of communication such as wired or wireless can be used.
  • the first voltage conversion unit 121 supplies driving power to the control unit 125, the control unit 125 outputs an enable signal to the second voltage conversion unit 122, and the second voltage conversion unit ( 122) may operate by receiving the enabling signal.
  • the control unit 125 may operate using the second voltage output from the first voltage conversion unit 121 . That is, since the control unit 125 can receive driving power and operate independently of the operation of the second voltage conversion unit 122, after the control unit 125 operates first, auxiliary power is supplied to the plurality of converters 110.
  • an enable signal may be input to the second voltage conversion unit 122 so that the second voltage conversion unit 122 operates. there is. Since the second voltage conversion unit 122 operates only in a situation where an operation is required, efficiency can be increased by reducing losses.
  • the first voltage converter 121 may be a buck converter and may receive output voltages of each cell string 130 and the plurality of converters 110 through a diode.
  • the second voltage converter 122 may be a flyback converter. A plurality of voltages may be generated by inputting the output of the first voltage conversion unit 121 to the second voltage conversion unit 122 . Through this, overvoltage of the second voltage conversion unit 122 can be prevented and an input voltage range for the second voltage conversion unit 122 can be reduced.
  • the output of the first voltage conversion unit 121 may be used as a power source for control circuits such as MCU, sensor, controller, EEPROM, and PLC circuit, which are the control unit 125.
  • the second voltage conversion unit 122 may determine whether to generate an output voltage by referring to a possible signal applied from the control unit 125 .
  • the output of the second voltage conversion unit 122 can be used as a power source for operating multi-level DC/DC converters and control circuits.
  • FIG. 14 is a block diagram of a solar module according to an embodiment of the present invention.
  • the solar module 200 is composed of a plurality of cell strings 130, a plurality of converters 110, and an auxiliary power supply unit 120.
  • the detailed description of the photovoltaic module of FIG. 14 corresponds to the detailed description of the power conversion device of FIGS. 1 to 12, and therefore, redundant descriptions will be omitted.
  • Each of the plurality of cell strings 130 of the solar module 200 includes one or more photovoltaic cells, and the plurality of converters 110 are attached to the plurality of cell strings 130, respectively. connected, and the plurality of converters 110 constitute a multi-level.
  • the auxiliary power supply unit 120 supplies driving power to each of the plurality of converters 110 .
  • the auxiliary power supply unit 120 converts the first voltage of at least one output terminal among the output terminals of the plurality of cell strings into a second voltage and outputs the first voltage conversion unit 121 and the first voltage conversion unit 121.
  • a second voltage converter 122 converts the output second voltage into a third voltage and supplies driving power to each of the plurality of converters 110 .

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터, 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부 및 상기 제1 전압변환부에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.

Description

멀티레벨 구조를 가지는 전력변환장치
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 멀티레벨 구조를 가지는 복수의 컨버터를 이용하는 전력변환장치 및 태양광 모듈에 관한 발명이다.
태양광 발전은 친환경 에너지 발전 방식으로 기존 화학발전이나 원자력 발전을 대체하여 널리 보급되고 있다. 태양광 발전은 컨버터에 배터리가 접속되는 독립형과 전력계통과 연계되는 연계형태가 있고, 일반적으로 독립형 발전은 태양전지, 축전지, 전력변환 장치 등으로 구성되고 전력계통 연계형 시스템은 상용 전원과 연결하여 부하계통선과 전력을 상호 교류할 수 있도록 구성된다.
태양광 셀 모듈은 일조량, 온도 등에 따라 최대전력점이 상이해진다. 태양광 셀을 최대 전력 점에서 동작시키기 위해 모듈 단위로 최대전력점 추종(MPPT) 제어를 하는 모듈 레벨 파워 일렉트로닉스(Module-Level Power Electronics, MLPE)를 사용할 수 있다. 하지만, 단일 컨버터를 적용한 MLPE는 모듈 내 각 셀의 일조량, 온도 등이 상이할 경우 최적화된 최대전력점 추종 제어가 어렵다.
도 1과 같이, 단일 컨버터 적용 방식은 모든 셀을 직렬 결선하여 MLPE에 입력하고, MLPE는 태양광 셀 모듈 전체에 대한 최대전력점 추종제어를 수행한다. 이 경우, 셀 스트링의 일조량이 상이하여 각 셀 스트링 별로 최대전력점이 다를 경우에 개별 스트링에 대한 최대전력점 추종 제어가 불가한 문제가 있다.
또한, 단일 컨버터 적용 방식의 MLPE는 도 2와 같이, 태양광 셀 모듈, DC/DC 컨버터, 컨트롤러는 동일한 기준 전위(Electric potential)로 설계된다. 이로 인해, 컨트롤러가 태양광 셀 모듈 전압 및 DC/DC 컨버터 출력 전압을 검출함에 있어서, 저항 분배 회로만으로도 전압 검출 회로 구현이 가능하다. 하지만, 멀티레벨 구조의 MLPE에서는 상기와 같을 방식을 그대로 적용할 수 없다.
또한, 단일 컨버터 적용 방식의 MLPE는 태양광 셀 모듈, DC/DC 컨버터, 컨트롤러, 보조전원이 모두 동일한 그라운드를 사용한다. 이로 인해, 도 3 및 도 4와 같이, 태양광 셀 모듈로부터 전력을 공급받아 컨버터 및 컨트롤러 등에 보조전원을 공급하기 위한 보조전원회로를 구성하는 것이 가능하다. 하지만, 멀티레벨 구조의 MLPE에서는 상기와 같을 방식을 그대로 적용할 수 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 멀티레벨 구조를 가지는 복수의 컨버터를 이용하는 전력변환장치 및 태양광 모듈을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부; 및 상기 제1 전압변환부에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.
또한, 상기 제1 전압변환부는, 상기 제1 전압의 범위에 따라 제2 전압의 크기를 다르게 출력할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압변환부는, 강압형 레귤레이터, 승압형 레귤레이터, 및 승강압형 레귤레이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압변환부는, 벅 컨버터, 리니어 레귤레이터, 부스트 컨버터, 차지 펌프, 및 벅-부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압변환부는, 상기 제2 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압변환부는, 상기 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 스위칭소자를 통해 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 전압변환부는, 상기 제3 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급할 수 있다.
또한, 상기 제2 전압변환부는, 가능 신호(enable signal)를 입력받아 동작할 수 있다.
또한, 상기 제2 전압변환부는, 절연형 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전압변환부는, 플라이백 컨버터, LLC 컨버터, 및 포워드 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전압을 제4 전압으로 변환하여 출력하는 제3 전압변환부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 전압변환부는, 상기 제4 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급할 수 있다.
또한, 상기 제3 전압을 제5 전압으로 변환하여 출력하는 제4 전압변환부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4 전압변환부는, 상기 제5 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부; 및 상기 복수의 컨버터의 입력신호, 출력신호, 및 각 컨버터에 포함된 인덕터에 흐르는 전류 중 적어도 하나를 모니터링하는 제어부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 컨버터의 출력단 및 상기 복수의 셀 스트링의 각각의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부; 및 상기 제1 전압변환부에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부를 포함하고, 상기 제1 전압변환부는 상기 제어부에 구동전원을 공급하고, 상기 제어부는 상기 제2 전압변환부에 가능 신호(enable signal)를 출력하고, 상기 제2 전압변환부는 상기 가능 신호를 입력받아 동작하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈은 각각 하나 이상의 태양광 셀을 포함하는 복수의 셀 스트링; 상기 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부; 및 상기 제1 전압변환부에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 멀티레벨 구조를 갖는 MLPE를 사용함에 있어서, 보조전원회로를 구현하여 각 DC/DC 컨버터, 제어 회로, PLC 회로 등에 보조전원을 원활히 공급할 수 있다. 또한, 넓은 입력 범위를 갖는 보조전원회로의 설계 및 최적화가 용이하다. 넓은 입력 범위를 갖는 보조전원회로를 적용하여 MLPE가 동작 가능한 입력 전압 범위가 확장된다. 이로 인해, 발전 가능한 조건을 증가시킬 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 비교 실시예에 따른 태양광 모듈의 블록도이다.
도 5는 최대전력점 추종제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 변형례는 각 실시예 중 일부 구성과 다른 실시예 중 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 다양한 실시예 중 하나 실시예를 포함하되 일부 구성이 생략되고 대응하는 다른 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 반대일 수 있다. 실시예들에 설명할 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이고, 도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 복수의 컨버터(110) 및 보조전원부(120)로 구성되고, 복수의 셀 스트링(130), 제어부(미도시) 또는 전력변환장치를 구동하지 위한 다양한 장치들을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터(110) 각각은 복수의 셀 스트링에 각각 연결된다. 복수의 컨버터(110)의 각 컨버터는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 셀 스트링(130) 각각은 적어도 하나 이상의 셀을 포함할 수 있고, 복수의 셀을 포함하는 경우, 복수의 셀은 직렬로 연결될 수 있다. 셀 스트링(130)은 태양광 셀을 포함하는 태양광 셀 스트링일 수 있다. 태양광 셀 스트링은 태양광패널을 형성할 수 있다. 태양광 셀은 광전효과를 이용하여 전력을 생성하는 태양광 발전(PV, Photovoltaic)을 한다. 광전효과는 특정 주파수 이상의 빛이 특정 금속 물질에 부딪히면 전자 방출하는 것으로, P형 반도체와 n형 반도체를 이용하여 pn 접합을 형성하고, 광전효과에 의해 발생하는 전자를 이용하여 전류를 생성함으로써 전력을 생성한다. 태양광 셀은 실리콘 등을 이용하여 형성되며, 웨이퍼 형태로 형성될 수 있다. 태양광 셀은 태양광을 잘 받을 수 있는 야지나 건물의 외벽, 옥상 등에 위치하여, 태양광을 이용하여 전력을 생성한다. 이때, 태양광 셀은 건물과 일체형으로 형성되는 BIPV(건물 일체형 태양광 발전)로 형성될 수 있다.
하나의 태양광 셀에서 생성되는 전력의 크기가 부하나 전력계통에서 이용하기에는 부족하기 때문에, 하나의 태양광 셀이 아닌 복수의 태양광 셀을 직렬로 연결하여 태양광 셀 스트링을 형성함으로써 이용하기에 적합한 크기의 전력을 생성할 수 있다. 태양광 셀 스트링은 전력을 생성하는 기본 단위일 수 있다. 기본 단위인 셀 스트링을 복수 개를 패널로 형성하여 태양광 발전패널을 형성할 수 있다. 태양광 셀은 일조량, 기온 등에 따라 도 5와 같이, 상이한 전압-전류 특성을 가지며, 최대 전력 점(MPP) 또한 변동된다. (발전전력 = 전압 X 전류) 전력변환장치는 태양광 셀이 각 조건에서 전력이 최대가 되는 동작점인 최대 전력 점(MPP)에서 태양광 셀이 동작하도록 제어하는 역할을 한다. 이를 최대전력점 추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking)이라 하고, 최대전력점 추종을 이용하여 태양광 발전의 효율성을 높일 수 있다. 태양광 발전에 있어서 전류와 전압의 관계 및 전압과 전력과의 관계에서의 특성에 따라 최대 전력은 최대 전압이 아닌 최대 전압에서 약 80% 정도일 때의 전력이 될 수 있다. 이와 같은 최대전력점은 태양광패널에서 생성되는 전압 및 전류의 크기에 따라 계속 변하기 때문에, 최대전력 점을 발생시킬 수 있는 지점을 계속 찾아야 한다. 즉, 최대전압이 아닌 최대전력을 추종하기 위하여, 최대전력이 되도록 전압과 전류의 크기를 가변할 수 있다. 즉, 전력이 커지는 방향으로 전압을 감소시키고 전류를 증가시키거나, 전압을 증가시키고, 전류를 감소시킬 수 있다.
복수의 컨버터(110)는 복수의 셀 스트링(130)의 수에 대응되는 수의 컨버터를 포함한다. 각 컨버터(110)는 대응하는 셀 스트링(130)과 연결되어 셀 스트링(130)에서 생성되는 전력을 인가받고, 전압을 변환하여 출력한다. 도 1과 같이, 모든 셀 스트링을 직렬로 연결하고, 하나의 컨버터를 이용하여 최대전력점 추종제어를 수행하는 경우, 셀 스트링간 일조량 등에 차이가 있는 경우, 최적의 최대전력점 추종이 어려운바, 효율적인 최대전력점 추정제어를 위하여, 셀 스트링 단위로 최대전력점 추종을 수행하기 위하여, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터를 포함한다.
컨버터(110)는 DC-DC 컨버터이고, 제1 전압을 가지는 신호를 제2 전압을 가지는 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 또는, 제1 전류를 가지는 신호를 제2 전류를 가지는 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이때, 복수의 컨버터(110)는 멀티레벨을 구성한다. 복수의 컨버터(110)는 멀티레벨을 구성하기 위하여, 캐스코드(cascode)로 연결될 수 있다. 여기서, 캐스코드는 출력단이 다단으로 연결되는 형태를 의미하며, 캐스코드 연결에 따라 컨버터의 출력단이 쌓여 멀티레벨을 구성한다. 멀티레벨은 각 컨버터의 출력신호가 하나의 신호로 합쳐져 출력되는 구조를 의미한다. 이때, 상위 레벨의 컨버터 출력단의 (-)단자가 이웃하는 하위 레벨의 컨버터 출력단의 (+) 단자와 순차적으로 연결되어, 최상위 레벨의 컨버터의 출력부터 최하위 레벨의 컨버터의 출력이 합쳐져 하나의 신호로 출력된다.
제어부는 복수의 컨버터(110) 각각에 제어신호를 인가한다. 복수의 컨버터(110)는 상기 제어신호를 수신하여 전력 변환을 수행한다. 이때, 최대전력점 추종제어를 수행하거나, 바이패스 동작을 수행할 수 있다.
복수의 컨버터(110) 각각은 제어부로부터 제어신호를 받아, 각자 연결된 셀 스트링(130)의 전력이 최대전력이 되도록 최대전력점 추종을 수행할 수 있다. 복수의 셀 스트링으로 형성되는 태양광 모듈이 일정 면적 이상으로 형성되는 경우, 셀 스트링 간 일조량이 상이한 경우, 셀 스트링 간 최대전력점이 달라지는바, 복수의 컨버터 각각은 셀 스트링 별로 최대전력점 추종제어를 수행하여, 각 셀 스트링에서 최대전력이 생성되도록 한다. 이를 통해, 셀 스트링 별 최적화된 최대전력점 추종제어가 가능하다.
복수의 컨버터(110)는 상황에 따라 셀 스트링의 전압을 그대로 출력하는 바이패스(bypass) 기능을 수행할 필요가 있다. 복수의 셀 스트링(130) 중 일부의 셀 스트링이 음영 등에 의해 다른 셀 스트링에 비해 낮은 전압을 생성하는 경우, 각 셀 스트링간 전압 차이를 줄여 손실을 줄이고 효율을 높이기 위하여, 다른 셀 스트링의 전압을 출력으로 그대로 바이패스시킬 수 있다.
보조전원부(120)는 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급한다.
복수의 컨버터(110)는 각각 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함할 수 있고, 상측 스위치 및 하측 스위치를 온오프 제어하여 전력변환을 수행할 수 있다. 이때, 상측 스위치 및 하측 스위치는 서로 상보적으로 도통될 수 있다. 각 스위치는 턴온을 유지하는 시간, 즉 상황에 따른 듀티비로 제어될 수 있다. 여기서, 듀티비는 일정 주기 내 온인 비율을 의미하며, 시비율이라고도 한다. 전력변환 동작시, 변환하고자 하는 전력에 따라 듀티비가 달라질 수 있고, 바이패스 동작시에는 상측 스위치의 듀티비를 100%로 동작시킬 수 있다. 스위칭 소자는 FET 또는 IGBT 등 반도체 스위칭 소자일 수 있다. 각 스위치는 구동전원을 입력받아 동작하는 스위칭 소자일 수 있고, 각 스위치를 동작시키기 위하여, 구동전원이 필요하고, 보조전원부(120)는 컨버터(110)가 동작하는데 필요한 구동전원을 제공한다.
도 7과 같이, 보조전원을 생성하여 각 컨버터에 제공할 수 있다. 각 컨버터의 기준 전위 대비 보조전원(V_aux. X)을 생성 및 공급하는 보조전원회로를 구성할 수 있다. 보조 전원회로는 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급한다. 셀 스트링, 컨버터, 컨트롤러, 및 보조전원이 모두 동일한 그라운드를 이용하는 도 3 및 도 4와 달리, 멀티레벨로 구성되는 경우, 각 레벨에 맞는 보조전원을 공급해야 한다. 절연형 컨버터를 이용하되, 절연형 컨버터의 1차측 회로는 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받고, 절연형 컨버터는 상기 1차측 회로의 전압에 따라 2차측 회로에 전압을 출력하고, 복수의 2차측 회로는 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급할 수 있다. 하지만, 셀 스트링의 전압 변동 폭이 넓어질 수록, 절연형 컨버터의 입력 전압 범위 또한 넓어지므로 설계 및 최적화가 어려워질 수 있다. 보조전원회로가 넓은 입력 전압 범위에 대응하지 못 할 경우, 태양광 셀에서 전력이 발생하더라도 보조전원회로가 동작하지 않아 MLPE가 동작하지 못할 수 있어, 넓은 입력 범위에서도 사용이 가능한 보조전원회로 구성이 필요하다.
넓은 입력 범위에 대해 보조전원을 생성하기 위하여, 보조전원부(120)는 제1 전압변환부(121) 및 제2 전압변환부(122)로 구성되고, 제3 전압변환부(123), 또는 제4 전압변환부(124)를 포함할 수 있다.
제1 전압변환부(121)는 상기 복수의 셀 스트링(130)의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하고, 제2 전압변환부(122)는 제1 전압변환부(121)에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급한다.
제1 전압변환부(121)는 상기 복수의 컨버터(110)의 출력단 및 상기 복수의 셀 스트링(130)의 각각의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력할 수 있다. 제1 전압변환부(121)는 복수의 셀 스트링(130)으로부터 전압을 입력받을 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 컨버터(110)의 출력단으로부터 전압을 입력받을 수 있다. 이외에 다양한 구성으로부터 전압을 입력받을 수 있다.
제1 전압변환부(121)는 상기 복수의 셀 스트링(130)의 각 출력단들이 스위칭소자를 통해 병렬로 연결되어, 복수의 셀 스트링(130)의 출력단 중 적어도 하나의 출력단으로부터 전압을 입력받아 변환하여 출력한다.
이때, 스위칭소자는 다이오드일 수 있다. 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 모두 연결되되 다이오드를 통해 연결됨으로써 셀 스트링 전압 중 가장 높은 전압이 선택적으로 인가될 수 있다. 즉, 일부의 셀 스트링에 일조량이 부족하더라도 충분히 발전이 이루어지는 다른 셀 스트링의 전압을 이용하여 모든 컨버터에 대한 구동전원을 제공할 수 있다. 이를 통해 리던던시(Redundancy)도 확보할 수 있다. 또는, 다이오드 없이 특정 셀 스트링의 전압을 입력받아 보조전원을 공급하는데 이용할 수도 있음은 당연하다.
셀 스트링 출력단의 전압을 변환하여 바로 컨버터 각각의 구동전원으로 바로 공급하지 않고, 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부(122)가 입력받아 변환가능하도록 제1 전압변환부(121)가 셀 스트링 출력단 중 하나의 출력단으로부터 입력되는 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력한다.
도 9와 같이, 제1 전압변환부(121)인 pre-regulator에서 바로 각 컨버터에 구동전원을 공급하지 않고, 제1 전압변환부(121)및 제2 전압변환부(122)를 거쳐 각 컨버터에 구동전원을 공급할 수 있다. 이때, 제2 전압변환부(122)는 복수의 컨버터에 각각 구동전원을 공급해야 하는바, multi-output regulator를 이용할 수 있다. 제1 전압변환부(121) 및 제2 전압변환부(122)의 2 단계 전압변환을 통해, 입력 전압의 범위가 넓어도 보조전원부(120)가 충분히 동작하도록 할 수 있다. 이를 통해, 제1 전압변환부(121)를 이용하여 보조전원부(120)가 정상 동작 가능한 입력 전압 범위를 확장할 수 있다. 제1 전압변환부(121)를 이용하여 제2 전압변환부(122)의 입력 전압 범위를 축소할 수 있고, 제2 전압변환부(122)에 과전압이 인가되거나, 과전압이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 저전압 차단(UVLO, Under Voltage Lock Out)/전압 강하(BO, Brown Out)이 발생하는 전압을 낮출 수 있다.
제1 전압변환부(121)는 상기 제1 전압의 범위에 따라 제2 전압의 크기를 다르게 출력할 수 있다. 보조전원부에 인가되는 전압인 제1 전압의 범위가 높은 경우, 제1 전압에 대한 강압이 필요하고, 제1 전압에 대한 강압으로 인해 출력되는 전압의 범위로 제2 전압을 출력할 수 있다. 또한, 제1 전압의 범위가 낮은 경우, 제1 전압에 대한 승압이 필요하고, 제1 전압에 대한 승압으로 인해 출력되는 전압의 범위로 제2 전압을 출력할 수 있다. 또는, 제1 전압의 크기와 상관없이 일정한 전압의 크기를 가지는 제2 전압을 출력할 수 있다.
제1 전압변환부(121)는 강압형 레귤레이터, 승압형 레귤레이터, 및 승강압형 레귤레이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전압의 범위가 제2 전압변환부(122)가 전압을 변환하여 복수의 컨버터(110)에 구동전원을 공급하기 어려운 전압 범위로, 제1 전압에 대한 강압 또는 승압이 필요한 경우, 그에 따른 레귤레이터를 이용하여 제1 전압을 제2 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
제1 전압의 범위가 강압 필요한 경우, 강압현 레귤레이터를 이용하고, 제1 전압의 범위가 승압 필요한 경우, 승압형 레귤레이터를 이용하고, 제1 전압의 범위가 강압 또는 승압이 필요한 경우, 승강압형 레귤레이터를 이용할 수 있다. 제1 전압의 범위가 일정한 경우, 그에 따라 강압형 레귤레이터, 승압형 레귤레이터, 및 승강압형 레귤레이터 중 하나를 이용할 수 있고, 제1 전압의 범위가 가변적인 경우, 강압형 레귤레이터, 승압형 레귤레이터, 및 승강압형 레귤레이터 중 두 개 이상의 레귤레이터를 포함하되, 선택적으로 이용할 수 있다.
제1 전압변환부(121)는 벅 컨버터, 리니어 레귤레이터, 부스트 컨버터, 차지 펌프, 및 벅-부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전압에 대한 강압이 필요한 경우, 강압형 레귤레이터인 벅 컨버터 또는 리니어 레귤레이터를 포함하여 이용할 수 있다. 제1 전압에 대한 승압이 필요한 경우, 강압형 레귤레이터인 부스트 컨버터 또는 차지 펌프를 포함하여 이용할 수 있다. 강압 또는 승압만 필요한 경우에는 비교적 회로 구성이 간단하고, 낮은 재료비로 구현이 가능하다. 하지만, 제1 전압에 대한 승강압이 필요한 경우, 벅-부스트 컨버터를 포함하여 이용할 수 있다. 이때, 출력 전압이 음전압으로 반전되지 않는 비반전형 벅-부스트 컨버터를 이용할 수 있다. 비반전형 벅-부스트 컨버터는 4개의 반도체 스위치가 필요하여, 상대적으로 회로가 복잡하고, 재료비가 높다.
제1 전압변환부(121)를 구성함에 있어서, 캐스케이드로 결선된 2단 이상의 레귤레이터를 사용할 수 있다. 상기 2단 이상의 레귤레이터는 리니어 레귤레이터, 차지 펌프, 승강형 컨버터, 승압형 컨버터 중 적어도 두개를 포함할 수 있다. 동일 종류 또는 서로 다른 종류의 레귤레이터를 2 단을 사용할 수도 있다. 승강압이 가능한 보조전원회로를 구현함에 있어서, 승압형 레귤레이터 및 강압형 레귤레이터를 케스케이드로 구성할 수 있다. 이때, 승압형 및 강압형 레귤레이터의 배치 순서에 관계없이 회로 구현이 가능하다. 2단 레귤레이터 구성에서는 승강압형이라 함은 제1 전압에 대한 승압 및 강압이 가능함을 의미한다.
이때, 상기 2단 이상의 레귤레이터는 강압형 레귤레이터 및 승압형 레귤레이터를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 강압형 레귤레이터는 리니어 레귤레이터 및 벅 컨버터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 승압형 레귤레이터는 차지펌프 및 부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 2단 레귤레이터로 리니어 레귤레이터, 차치 펌프, 승강형 컨버터, 승압형 컨버터, 승강형 컨버터를 조합하여 사용할 수 있고, 2단 레귤레이터로로 승강압형 기능을 구현함에 있어서, 강압형 레귤레이터와 승압형 레귤레이터를 조합할 수 있다. 강압형 레귤레이터와 승압형 레귤레이터를 조합하는 경우, 승갑압을 구현하기 위하여, 벅-부스트 컨버터를 이용하는 경우에 비해, 재료비 절감이 가능하다.
제1 전압변환부(121)는 도 10과 같이, 보조전원부(120)의 입력전압인 제1 전압의 범위에 따라 서로 다른 레귤레이터를 이용할 수 있다.
제1 전압이 V1 내지 V2 범위인 경우, 제1 전압변환부(121)를 강압형 레귤레이터로 구현함으로써 제2 전압변환부(122)의 입력 전압 상한값을 제한하거나 과전압을 방지할 수 있다. 예를 들어, 보조전원부(120)에 인가되는 전압이 10 내지 100V일 경우 이를 10 내지 12V로 또는 3.3V/5V로 변환하여 제2 전압변환부(122)에 공급할 수 있다. 이때, 강압형 레귤레이터로 벅 컨버터, 리니어 레귤레이터를 이용할 수 있다.
제1 전압이 V3 내지 V4 범위인 경우, 제1 전압변환부(121)를 승압형 레귤레이터로 구현함으로써 제2 전압변환부(122)의 입력 전압 하한값을 제한하거나 UVLO/BO가 발생이 발생하는 전압을 낮출 수 있다. 예를 들어, 보조전원부(120)에 인가되는 전압이 5 내지 20V일 경우 이를 12 내지 20V로 제한하거나 24V로 변환하여 제2 전압변환부(122)에 공급할 수 있다. 이때, 승압형 레귤레이터로 부스트 컨버터, 차지 펌프가 이용할 수 있다.
제1 전압이 V3 내지 V2 범위인 경우, 제1 전압변환부(121)를 승강압형 레귤레이터로 구현함으로써 제2 전압변환부(122)의 입력 전압 범위를 축소/제한, 과전압 방지, UVLO/BO가 발생하는 전압을 낮출 수 있다. 예를 들어, 보조전원부(120)에 인가되는 전압이 5 내지 100V일 경우 이를 10 내지 15V로 제한하거나 12V로 제한하여 제2 전압변환부(122)에 공급할 수 있다. 이때, 승강압형 레귤레이터로 벅-부스트 컨버터를 이용할 수 있다.
승강압형 레귤레이터는 강압형 레귤레이터 및 승압형 레귤레이터의 조합으로 구현할 수 있다.
강압형 레귤레이터 및 승압형 레귤레이터를 조합시, 도 11과 같은 조합을 이용할 수 있다. 도 11과 같이, 리니어 레귤레이터-차지 펌프 조합, 리니어 레귤레이터-부스트 컨버터 조합, 벅 컨터버-차지 펌프 조합, 벅 컨버터-부스트 컨버터 조합으로 제1 전압변환부(121)를 형성할 수 있다. 이 중 1 내지 3 조합은 비반전형 벅-부스트 컨버터 대비 재료비 절감이 가능하다.
제1 전압변환부(121)는 제2 전압에서 동작하는 장치(141)에 전원을 공급할 수 있다. 제1 전압변환부(121)는 제2 전압을 제2 전압변환부(122) 이외에 제2 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급할 수 있다. 보조전원을 생성하는 과정에서 생성되는 제2 전압을 복수의 컨버터(110)의 보조전원 이외에 다른 장치들에 공급할 수 있다. 제1 전압변환부(121)에서 출력되는 제2 전압은 제어부인 MCU, 센서, 컨트롤러, EEPROM, PLC 회로 등 다양한 장치의 전원으로 이용할 수 있다.
제3 전압변환부(123)는 상기 제2 전압을 제4 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 제1 전압변환부(121)에서 생성되는 제2 전압을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 장치(143)의 구동전원이 제2 전압과 상이한 경우, 전원 공급이 어렵다. 따라서, 제3 전압변환부(123)는 해당 장치의 구동전원에 대응하도록 제2 전압을 제4 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 제3 전압변환부(123)는 상기 제4 전압에서 동작하는 장치(143)에 전원을 공급할 수 있다. 제3 전압변환부(123)에서 출력되는 제2 전압은 제어부인 MCU, 센서, 컨트롤러, EEPROM, PLC 회로 등 다양한 장치의 전원으로 이용할 수 있다. 제3 전압변환부(123)는 post-regulator일 수 있다.
제1 전압변환부(121)는 제2 전압변환부(122)에서 변환가능한 전압의 크기에 대응하는 제2 전압을 출력하거나, 제2 전압을 바로 이용하는 장치(141)의 정격 전압의 크기에 대응하는 제2 전압을 출력할 수 있다. 즉, 제2 전압변환부(122)에서 변환가능한 전압의 범위로 제2 전압을 출력하되, 해당 범위 내에서 전원을 바로 이용할 수 있는 장치(141)의 정격 전압의 크기에 대응하는 제2 전압을 출력할 수 있다.
제2 전압변환부(122)는 제1 전압변환부(121)에서 출력하는 제2 전압을 입력받아, 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급한다. 제2 전압변환부(122)는 절연형 컨버터를 포함할 수 있다. 절연형 컨버터는 1차측 회로의 전압을 변환하여 2차측 회로로 전달한다. 절연형 컨버터는, 상기 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력할 수 있다.
복수의 컨버터(110)는 각각 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함할 수 있고, 상측 스위치 및 하측 스위치 각각에 구동전원을 공급할 수 있다. 이를 위하여, 제2 전압변환부(122)는 상기 각 컨버터에 포함되는 상측 스위치에 보조전원을 공급하는 제1 2차측 회로 및 상기 각 컨버터에 포함되는 하측 스위치에 보조전원을 공급하는 제2 2차측 회로를 포함할 수 있다. 이를 통해, 상측 스위치 및 하측 스위치에 각각 개별 구동전원을 제공할 수 있고, 상측 스위치를 100% 듀티비로 동작시킬 수 있어, 바이패스 동작시, 효율을 높일 수 있다.
제2 전압변환부(122)는 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급하기 위하여, 다중 출력 레귤레이터(multi-output regulator)를 포함할 수 있다. 복수의 출력을 통해 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급할 수 있다.
제2 전압변환부(122)는 다중 출력 절연형 컨버터일 수 있다. 이때, 상기 다중 출력 절연형 컨버터는, 상기 각 컨버터에 포함되는 상측 스위치에 보조전원을 공급하는 제1 출력 및 상기 각 컨버터에 포함되는 하측 스위치에 보조전원을 공급하는 제2 출력을 포함할 수 있다. 단일 레귤레이터로 다중 출력 가능한 절연형 컨버터를 적용할 수도 있다. 다중 출력 가능한 절연형 컨버터를 사용하면, 컨버터에 포함된 하측 스위치 및 상측 스위치 에 각각 구동 전원을 공급할 수 있다. 2차 회로의 출력을 입력으로 하는 별도의 컨버터, 리니어 레귤레이터를 결합하여 보조전원을 생성할 수도 있다.
제2 전압변환부(122)는 플라이백 컨버터, LLC 컨버터, 및 포워드 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 전압변환부(122)는 절연형 컨버터로 플라이백(flyback) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 및 LLC 컨터버 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 전압변환부(122)는 PSR(Primary Side Regulation)을 수행할 수 있다. 제1 전압변환부(121)로 전압이 인가되는 셀 스트링(130)과 동일 기준 전위를 가지는 2차측 회로의 출력 전압을 참조하여 상기 PSR을 수행할 수 있다. 2차 회로부 출력이 변압기를 통해 1차 측으로 반영(reflected)된 전압을 참조하여 제어할 수 있다. 절연형 변압기는 제1 2차 회로부 출력을 제어하기 위해 3차 권선(tertiary winding)를 사용할 수도 있다. 절연형 변압기는 1차 회로부와 동일한 전위를 기준으로 하는 2차 회로부 출력 전압만 참조하여 제어할 수도 있다. 예를 들어, 1차 회로부가 그라운드를 기준으로 하는 경우 그라운드를 기준으로 하는 2차 회로부 출력 전압을 참조하여 제어할 수 있다.
제2 전압변환부(122)는 상기 제3 전압에서 동작하는 장치(142)에 전원을 공급할 수 있다. 제2 전압변환부(122)는 제3 전압을 복수의 컨버터(110)뿐만 아니라 제2 전압에서 동작하는 장치(142)에 전원을 공급할 수 있다. 보조전원을 생성하는 과정에서 생성되는 제3 전압을 복수의 컨버터(110)의 보조전원 이외에 다른 장치(142)들에 공급할 수 있다. 제어부인 MCU, 센서, 컨트롤러, EEPROM, PLC 회로 등 다양한 장치의 전원으로 이용할 수 있다.
제4 전압변환부(124)는 상기 제3 전압을 제5 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 제2 전압변환부(122)에서 생성되는 제3 전압을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 장치(144)의 구동전원이 제2 전압과 상이한 경우, 전원 공급이 어렵다. 따라서, 제4 전압변환부(124)는 해당 장치의 구동전원에 대응하도록 제3 전압을 제5 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 제4 전압변환부(124)는 상기 제5 전압에서 동작하는 장치(144)에 전원을 공급할 수 있다. 제4 전압변환부(124)에서 출력되는 제2 전압은 제어부인 MCU, 센서, 컨트롤러, EEPROM, PLC 회로 등 다양한 장치의 전원으로 이용할 수 있다. 제3 전압변환부(123)는 post-regulator일 수 있다.
제2 전압변환부(122)는 가능 신호(enable signal)를 입력받아 동작할 수 있다. 제2 전압변환부(122)는 제어부 또는 서버 내지 사용자로부터 가능 신호를 입력받아 동작할 수 있다. 여기서, 가능 신호(enable signal)는 연산 작용이 일어나도록 하는 신호로, 제2 전압변환부(122)의 동작 신호일 수 있다. 제어부는 제1 전압변환부(121)가 출력하는 제2 전압 또는 제3 전압변환부(123)가 출력하는 제4 전압을 이용하여 동작할 수 있다. 즉, 제2 전압변환부(122)의 동작과 독립적으로 구동전원을 제공받아 동작할 수 있기 때문에, 제어부가 먼저 동작한 이후, 복수의 컨버터(110)에 보조전원을 공급할 필요가 있는 등 제2 전압변환부(122)를 동작시킬 필요가 있을 때, 비로소 제2 전압변환부(122)에 가능 신호를 입력하여 제2 전압변환부(122)가 동작하도록 할 수 있다. 동작이 필요한 상황에서만 제2 전압변환부(122)가 동작하는바, 손실을 줄여 효율을 높일 수 있다.
또한, 일정 시간 지연 후 가능 신호를 인가하는 회로를 사용하여 제2 전압변환부(122)의 출력 생성 시점을 지연시킬 수도 있다. 전력변환장치의 초기 동작시 안전화되기 전에 과전압 내지 과전류 등 다양한 상황이 발생할 수 있는바, 미리 설정된 시간동안 지연을 시킨 이후에 가능 신호를 제2 전압변환부(122)로 인가하여 제2 전압변환부(122)를 동작시킬 수 있다.
MLPE에 적용되는 보조전원회로를 구현함에 있어서, 상기와 같이, 제1 전압변환부(121) 및 제2 전압변환부(122)를 이용하여 보조전원부(120)를 구현함으로써 넓은 입력 범위를 갖는 보조전원회로의 설계 및 최적화가 용이하다. 넓은 입력 범위를 갖는 보조전원회로를 적용하여 MLPE가 동작 가능한 입력 전압 범위가 확장되며, 이로 인해, 발전 가능한 조건을 증가시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 복수의 셀 스트링(130), 복수의 컨버터(110), 보조 전원부(120), 및 제어부(125)로 구성된다. 도 12의 전력변환장치에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11의 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 이하 대응되는 설명은 중복설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치(100)의 복수의 컨버터(110)는 복수의 셀 스트링(130)에 각각 연결되고, 복수의 컨버터(110)는 멀티레벨을 구성한다.
보조전원부(120)는 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급한다. 보조전원부(120)는 상기 복수의 컨버터(110)의 출력단 및 상기 복수의 셀 스트링(130)의 각각의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부(121) 및 상기 제1 전압변환부(121)에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부(122)를 포함한다.
제어부(125)는 상기 복수의 컨버터의 입력신호, 출력신호, 및 각 컨버터에 포함된 인덕터에 흐르는 전류 중 적어도 하나를 모니터링한다. 제어부(125)는 모니터링한 정보를 전력선통신(PLC)를 통해 외부로 전송하거나, 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 대한 제어신호를 생성하여 인가할 수 있다.
복수의 컨버터(110) 각각은 제어부(120)로부터 제어신호를 받아, 각자 연결된 셀 스트링(130)의 전력이 최대전력이 되도록 최대전력점 추종을 수행한다. 복수의 셀 스트링으로 형성되는 태양광 모듈이 일정 면적 이상으로 형성되는 경우, 셀 스트링 간 일조량이 상이한 경우, 셀 스트링 간 최대전력점이 달라지는바, 복수의 컨버터 각각은 셀 스트링 별로 최대전력점 추종제어를 수행하여, 각 셀 스트링에서 최대전력이 생성되도록 한다. 이를 통해, 셀 스트링 별 최적화된 최대전력점 추종제어가 가능하다.
제어부(125)는 최대전력점 추종제어를 위한 제어신호를 생성하고 복수의 컨버터(110)에 인가하는 기능뿐만 아니라, 다른 기능들을 추가적으로 수행할 수 있다. 제어부(125)는 복수의 컨버터(110)의 입력신호, 출력신호, 및 각 컨버터에 포함된 인덕터에 흐르는 전류 중 적어도 하나를 모니터링할 수 있다. 최대전력점 추종제어를 위한 제어신호를 생성함에 있어서, 셀 스트링(130)에서 출력되고 있는 셀 스트링 전압에 해당하는 컨버터의 입력신호와 컨버터에서 출력되고 있는 출력신호를 이용하여야 하는바, 제어부(125)는 컨버터의 입력신호 및 출력신호를 모니터링한다. 이때, 입력신호의 전압 및 전류와 출력신호의 전압 및 전류를 모니터링할 수 있다. 또한, 컨버터(110)를 구성하는 인덕터에 흐르는 전류를 모니터링하여 과전류가 흐르는지를 모니터링하여 과전류 보호에 이용할 수 있다. 이외에 제어부(125)는 전력변환을 위해 필요한 다양한 정보를 모니터링할 수 있다.
제어부(125)는 상기 모니터링한 정보를 상위 제어기 또는 외부로 전송할 수 있다. 이때, 제어부(125)는 전력선통신(PLC)를 통해 모니터링한 정보를 전송할 수 있다. 전력선통신(Power Line Communication)은 전력선을 이용하여 통신을 수행하는 것으로, 별도의 통신라인 없이 전력선을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 이외에 유선 또는 무선의 다양한 방식의 통신을 이용할 수 있음은 당연하다.
제1 전압변환부(121)는 제어부(125)에 구동전원을 공급하고, 제어부(125)는 제2 전압변환부(122)에 가능 신호(enable signal)를 출력하고, 제2 전압변환부(122)는 상기 가능 신호를 입력받아 동작할 수 있다. 제어부(125)는 제1 전압변환부(121)가 출력하는 제2 전압 이용하여 동작할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 제2 전압변환부(122)의 동작과 독립적으로 구동전원을 제공받아 동작할 수 있기 때문에, 제어부(125)가 먼저 동작한 이후, 복수의 컨버터(110)에 보조전원을 공급할 필요가 있는 등 제2 전압변환부(122)를 동작시킬 필요가 있을 때, 비로소 제2 전압변환부(122)에 가능 신호를 입력하여 제2 전압변환부(122)가 동작하도록 할 수 있다. 동작이 필요한 상황에서만 제2 전압변환부(122)가 동작하는바, 손실을 줄여 효율을 높일 수 있다.
도 13과 같이, 제1 전압변환부(121)는 벅 컨버터일 수 있고, 다이오드를 통해 각 셀 스트링(130) 및 복수의 컨버터(110)의 출력 전압을 입력 받을 수 있다. 제2 전압변환부(122)는 플라이백 컨버터일 수 있다. 제1 전압변환부(121)의 출력을 제2 전압변환부(122)에 입력하여 다수의 전압을 생성할 수 있다. 이를 통해, 제2 전압변환부(122)의 과전압을 방지하고, 제2 전압변환부(122)에 대한 입력 전압 범위를 축소할 수 있다. 제1 전압변환부(121)의 출력은 제2 전압변환부(122)의 입력 외에도 제어부(125)인 MCU, 센서, 컨트롤러, EEPROM, PLC 회로 등과 같은 제어 회로의 전원으로 사용될 수 있다. 제2 전압변환부(122)는 제어부(125)에서 인가되는 가능 신호를 참조하여 출력 전압 생성 여부를 결정할 수 있다. 제2 전압변환부(122)의 출력은 멀티레벨로 구성된 DC/DC 컨버터, 제어 회로 등을 동작 시키기 위한 전원으로 사용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈(200)은 복수의 셀 스트링(130), 복수의 컨버터(110), 및 보조 전원부(120)로 구성된다. 도 14의 태양광 모듈에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 12의 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈(200)의 복수의 셀 스트링(130)은 각각 하나 이상의 태양광 셀을 포함하고, 복수의 컨버터(110)는 상기 복수의 셀 스트링(130)에 각각 연결되고, 상기 복수의 컨버터(110)는 멀티레벨을 구성한다.
보조전원부(120)는 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급한다. 보조전원부(120)는 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부(121) 및 상기 제1 전압변환부(121)에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부(122)를 포함한다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및
    상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고,
    상기 보조전원부는,
    상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부; 및
    상기 제1 전압변환부에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부를 포함하고,
    상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압변환부는,
    상기 제1 전압의 범위에 따라 제2 전압의 크기를 다르게 출력하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압변환부는,
    강압형 레귤레이터, 승압형 레귤레이터, 및 승강압형 레귤레이터 중 적어도 하나를 포함하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압변환부는,
    벅 컨버터, 리니어 레귤레이터, 부스트 컨버터, 차지 펌프, 및 벅-부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함하는 전력변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압변환부는,
    상기 제2 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압변환부는,
    상기 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 스위칭소자를 통해 병렬로 연결되는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전압변환부는,
    상기 제3 전압에서 동작하는 장치에 전원을 공급하는 전력변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전압변환부는,
    가능 신호(enable signal)를 입력받아 동작하는 전력변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전압변환부는,
    절연형 컨버터를 포함하는 전력변환 장치.
  10. 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터;
    상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부; 및
    상기 복수의 컨버터의 입력신호, 출력신호, 및 각 컨버터에 포함된 인덕터에 흐르는 전류 중 적어도 하나를 모니터링하는 제어부를 포함하고,
    상기 보조전원부는,
    상기 복수의 컨버터의 출력단 및 상기 복수의 셀 스트링의 각각의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 제1 전압을 제2 전압을 변환하여 출력하는 제1 전압변환부; 및
    상기 제1 전압변환부에서 출력된 제2 전압을 제3 전압으로 변환하여 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 제2 전압변환부를 포함하고,
    상기 제1 전압변환부는 상기 제어부에 구동전원을 공급하고,
    상기 제어부는 상기 제2 전압변환부에 가능 신호(enable signal)를 출력하고,
    상기 제2 전압변환부는 상기 가능 신호를 입력받아 동작하고,
    상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성하는 전력변환장치.
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