KR20160057230A - 태양광 인버터 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 태양광 인버터의 PWM 방식과 출력 필터의 구성을 변경하여 누설 전류와 스위칭 손실을 저감하는 태양광 인버터에 관한 것이다. 이를 위하여 본 명세서에 따른 태양광 인버터는 태양광 모듈에 병렬로 연결하는 DC 링크 커패시터; 제 1 스위치 내지 제 4 스위치를 포함하며, 하프 유니폴라 스위칭 방식으로 동작하는 스위치부; 및 일측이 상기 제 1 스위치의 타단과 상기 제 2 스위치의 일단과 연결하고, 타측이 계통에 연결하며, 미리 설정된 인덕턴스를 갖는 리액터;를 포함한다.

Description

태양광 인버터{PHOTOVOLTAIC INVERTER}
본 명세서는 태양광 인버터에 관한 것으로, 특히 태양광 인버터의 PWM 방식과 출력 필터의 구성을 변경하여 누설 전류와 스위칭 손실을 저감하는 태양광 인버터에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 인버터(또는 계통 연계형 인버터)는 전력 변환 장치로써 입력 전력 계통과 상용 전력 계통인 전원 전력 계통으로 연계하여 상기 입력 전력 계통의 전력을 상기 전원 전력 계통으로 전송해주기 위한 시스템이다.
이러한 태양광 인버터에서의 스위칭 방식은 바이폴라 스위칭 방식 또는 유니폴라 스위칭 방식을 사용하고 있으나, 이러한 스위칭 방식은 출력단 필터를 크게 설계해야하거나 누설 전류가 많아 전체 시스템의 효율이 떨어진다.
한국등록특허번호 제10-0963521호
본 명세서의 목적은 태양광 인버터의 PWM 방식과 출력 필터의 구성을 변경하는 태양광 인버터를 제공하는 데 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 태양광 인버터는 태양광 모듈에 병렬로 연결하는 DC 링크 커패시터; 제 1 스위치 내지 제 4 스위치를 포함하며, 하프 유니폴라 스위칭 방식으로 동작하는 스위치부; 및 일측이 상기 제 1 스위치의 타단과 상기 제 2 스위치의 일단과 연결하고, 타측이 계통에 연결하며, 미리 설정된 인덕턴스를 갖는 리액터;를 포함하며, 상기 하프 유니폴라 스위칭 방식은, 한쪽 레그{leg(3상의 상 별로 한 쌍씩 마련되는 스위치), 일명 아암(arm)으로도 불림}에 있는 스위치 한 쌍은 기본파 주파수로 스위칭하고 나머지 레그에 있는 스위치 한 쌍은 고주파로 스위칭하는 방식일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서 상기 스위치부는, 일측이 상기 태양광 모듈의 (+)극성과 상기 DC 링크 커패시터의 일측과 상기 제 3 스위치의 일측과 연결하고, 타측이 상기 제 2 스위치의 일측과 상기 리액터의 일측과 연결하는 상기 제 1 스위치; 일측이 상기 제 1 스위치의 타측과 상기 리액터의 일측과 연결하고, 타측이 상기 태양광 모듈의 (-) 극성과 상기 DC 링크 커패시터의 타측과 상기 제 4 스위치의 타측과 연결하는 상기 제 2 스위치; 일측이 상기 DC 링크 커패시터의 일측과 상기 제 1 스위치의 일측과 연결하고, 타측이 상기 제 4 스위치의 타측과 상기 계통의 타측에 연결하는 상기 제 3 스위치; 및 일측이 상기 제 3 스위치의 타측과 상기 계통의 타측과 연결하고, 타측이 상기 태양광 모듈의 (-) 극성과 상기 DC 링크 커패시터의 타측과 상기 제 2 스위치의 타측과 연결하는 상기 제 4 스위치;를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 직렬 연결하고, 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치는 직렬 연결하고, 상기 직렬 연결된 제 1 스위치와 제 2 스위치 및 상기 직렬 연결된 제 3 스위치와 제 4 스위치는 병렬 연결될 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 고주파 영역에서 동작하며, 상기 제 3 스위치 및 상기 제 4 스위치는 상기 계통의 전원과 동일한 위상과 주파수를 갖는 저주파 영역에서 동작할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 태양광 인버터는 태양광 인버터의 PWM 방식과 출력 필터의 구성을 변경함으로써, 출력 전압이 하프 유니폴라 스위칭 방식에 의해 3레벨로 출력되고, 누설 전류는 PN단의 기생 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 최소화하여 저감되며, 한쪽 레그의 스위치가 기본주파수로 스위칭하여 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 태양광 인버터의 구성을 나타낸 토폴로지이다.
도 2는 본 명세서의 실시예에 따른 스위치부의 하프 유니폴라 스위칭 방식을 나타낸 도이다.
도 3은 본 명세서의 실시예에 따른 출력 파형의 특성을 나타낸 도이다.
도 4는 본 명세서의 실시예에 따른 누설 전류의 특성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 명세서의 다른 실시예에 태양광 인버터의 구성을 나타낸 토폴로지이다
도 6은 본 명세서의 실시예에 따른 dv/dt 파형의 특성을 나타낸 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 태양광 인버터(100)의 구성을 나타낸 토폴로지이다.
도 1에 도시된 바와 같이, DC 링크 커패시터(110)는 태양광 모듈(200)에 병렬로 연결된다.
즉, 상기 DC 링크 커패시터(110)의 일측은 상기 태양광 모듈(200)의 (+) 극성과 연결하고, 상기 DC 링크 커패시터(110)의 타측은 상기 태양광 모듈(200)의 (-) 극성과 연결한다.
또한, 상기 DC 링크 커패시터(110)는 입력 전압(또는 입력 전류/입력 전력)을 평활한다.
또한, 상기 태양광 모듈(200)은 복수로 형성되며, 복수의 태양광 모듈(200)이 직렬로(또는, 스트링(string) 형태로) 형성한다.
또한, 상기 태양광 모듈(200)은 태양광을 근거로 전기(또는 전력)를 생산하여 상기 태양광 모듈(200)에 연결된 상기 태양광 인버터(100)에 전달(또는 출력)한다.
또한, 상기 태양광 모듈(200)은 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 결정 실리콘 및, 단결정 실리콘 등의 반도체와, 화합물 반도체 등을 포함하는 태양 전지로 구성한다.
상기 스위치부(120)는 제 1 스위치(121) 내지 제 4 스위치(124)로 구성한다.
상기 제 1 스위치(121)와 상기 제 2 스위치(122)는 직렬 연결한다.
또한, 상기 제 3 스위치(123)와 상기 제 4 스위치(124)는 직렬 연결한다.
또한, 상기 제 1 스위치(121)와 상기 제 2 스위치(122) 및, 상기 제 3 스위치(123)와 상기 제 4 스위치(124)는 상호 병렬 연결한다.
즉, 상기 제 1 스위치(121)의 일측은 상기 태양광 모듈(200)의 (+) 극성과 상기 DC 링크 커패시터(110)의 일측과 상기 제 3 스위치(123)의 일측과 연결하고, 상기 제 1 스위치(121)의 타측은 상기 제 2 스위치(122)의 일측과 상기 리액터(130)의 일측과 연결한다.
또한, 상기 제 2 스위치(122)의 일측은 상기 제 1 스위치(121)의 타측과 상기 리액터(130)의 일측과 연결하고, 상기 제 2 스위치(122)의 타측은 상기 태양광 모듈(200)의 (-) 극성과 상기 DC 링크 커패시터(110)의 타측과 상기 제 4 스위치(124)의 타측과 연결한다.
또한, 상기 제 3 스위치(123)의 일측은 상기 DC 링크 커패시터(110)의 일측과 상기 제 1 스위치(121)의 일측과 연결하고, 상기 제 3 스위치(123)의 타측은 상기 제 4 스위치(124)의 타측과 상기 계통(300)의 타측에 연결한다.
또한, 상기 제 4 스위치(124)의 일측은 상기 제 3 스위치(123)의 타측과 상기 계통(300)의 타측과 연결하고, 상기 제 4 스위치(124)의 타측은 상기 태양광 모듈(200)의 (-) 극성과 상기 DC 링크 커패시터(110)의 타측과 상기 제 2 스위치(122)의 타측과 연결한다.
이와 같은 상기 제 1 스위치(121) 내지 상기 제 4 스위치(124)는 도 2에 도시된 바와 같은 하프 유니폴라(half unipolar) 스위칭 방식을 근거로 스위칭한다. 여기서, 상기 하프 유니폴라 스위칭 방식은 한쪽 레그에 있는 스위치 한 쌍은 기본파 주파수로 스위칭하고 나머지 레그에 있는 스위치 한 쌍은 고주파로 스위칭하는 방식이다.
즉, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 스위치(121)의 스위칭 방식은 고주파 영역에서 동작(빨간색으로 표시)하며, 상기 제 2 스위치(122)의 스위칭 방식은 고주파 영역에서 동작(파란색으로 표시)하며, 상기 제 3 스위치(123)의 스위칭 방식은 저주파 영역(또는 계통 전원과 동일한 위상과 주파수를 갖는 영역)에서 동작(초록색으로 표시)하며, 상기 제 4 스위치(124)의 스위칭 방식은 저주파 영역에서 동작(분홍색으로 표시)한다.
또한, 상기 스위치부(120)(또는 상기 제 1 스위치(121) 내지 상기 제 4 스위칭(124))의 하프 유니폴라 스위칭 방식의 동작에 따라 도 3에 도시된 바와 같은 상기 태양광 인버터(100)의 출력 파형과 도 4에 도시된 바와 같은 상기 태양광 인버터(100)의 누설 전류의 특성을 각각 나타낼(또는 측정할) 수 있다.
이와 같이, 상기 스위치부(120)(또는 상기 제 1 스위치(121) 내지 상기 제 4 스위칭(124))의 스위칭 방식을 하프 유니폴라 스위칭 방식을 사용함으로써, 상기 DC 링크 커패시터(또는 기생 커패시터)(110)에 걸리는 전압의 변화(dv/dt)를 최소화하여 누설 전류를 크게 감소할 수 있다.
상기 리액터(130)의 일측은 상기 제 1 스위치(121)의 타단과 상기 제 2 스위치(122)의 일단과 연결하고, 상기 리액터(130)의 타측은 계통(300)에 연결한다.
또한, 종래의 상기 제 1 스위치(121)의 타단과 상기 제 2 스위치(122)의 일단에 연결되는 제 1 리액터(미도시) 및, 상기 제 3 스위치(123)의 타단과 상기 제 4 스위치(124)의 일단에 연결되는 제 2 리액터(미도시)를 구비한 종래 방식에 비해서, 본 발명에 따른 상기 리액터(130)는 필터 인덕터가 기존 2개에서 1개로 줄어들었으며, 상기 리액터(130)의 인덕턴스는 종래 개별 리액터(예를 들어 상기 제 1 리액터 및 상기 제 2 리액터)의 인덕턴스의 2배로 설정한다.
즉, 상기 리액터(130)는 상기 태양광 인버터(100)의 출력 전류의 리플을 감쇄하기 위해서(또는 복수의 리액터로 구성된 종래 기술과 같은 리플 감쇄율을 가지기 위해서) 해당 리액터(130)의 인덕턴스를 종래 리액터 대비하여 2배로 설정한다.
상기 계통(300)의 일측은 상기 리액터(130)의 타측과 연결하고, 상기 계통(300)의 타측은 상기 제 3 스위치(123)의 타측과 상기 제 4 스위치(124)의 일측과 접지(또는 그라운드)와 연결한다.
또한, 상기 계통(300)은 상기 태양광 인버터(100)로부터 공급되는 교류 전력(또는 교류 전압/교류 전류)을 근거로 동작(또는 구동)한다.
즉, 상기 계통(300)은 상기 제 1 스위치(121) 내지 상기 제 4 스위치(124)의 하프 유니폴라 스위칭 방식에 의해 변환되는 교류 전력(또는 교류 전압/교류 전류)을 근거로 동작한다.
본 발명의 실시예에서는 상기 도 1에서 설명한 기본적인 태양광 인버터(100)의 토폴로지에 대해서 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 태양광 인버터(100)의 구성은 도 5에 도시된 바와 같은 토폴로지로 확장할 수도 있다.
상기 도 5에 도시된 출력 필터 인덕터(510)는 1개로만 구성되며, 상기 출력 필터 인덕터(510)의 인덕턴스는 종래 복수의 인덕터의 인던턱스에 비해 2배에 해당하는 값으로 설정한다.
또한, 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 누설 전류를 확인하기 위해서 기생 커패시터(520)를 PN 양단에 형성한다.
상기 기생 커패시터(520)는 실제 PCU에서는 구성되지 않지만, 물리적으로 PN과 프레임 접지 사이에 생성되는 커패시턴스에 대응한다.
또한, 상기 도 5에 도시한 태양광 인버터(100)에 따른 dv/dt 파형은 도 6과 같이 나타낼 수 있다.
상기 도 6에 도시된 바와 같이, Vgn(또는 N단 기생 커패시터의 양단 전압)이 급격하게 변하지 않아 dv/dt가 적음을 알 수 있다.
본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 태양광 인버터의 PWM 방식과 출력 필터의 구성을 변경하여, 출력 전압이 하프 유니폴라 스위칭 방식에 의해 3레벨로 출력되고, 누설 전류는 PN단의 기생 커패시터에 걸리는 전압의 변화를 최소화하여 저감되며, 한쪽 레그의 스위치가 기본주파수로 스위칭하여 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양광 인버터 200: 태양광 모듈
300: 계통 110: DC 링크 커패시터
120: 스위치부 121: 제 1 스위치
122: 제 2 스위치 123: 제 3 스위치
124: 제 4 스위치 130: 리액터
510: 출력 필터 인덕터 520: 기생 커패시터

Claims (4)

  1. 태양광 모듈에 병렬로 연결하는 DC 링크 커패시터;
    제 1 스위치 내지 제 4 스위치를 포함하며, 하프 유니폴라 스위칭 방식으로 동작하는 스위치부; 및
    일측이 상기 제 1 스위치의 타단과 상기 제 2 스위치의 일단과 연결하고, 타측이 계통에 연결하며, 미리 설정된 인덕턴스를 갖는 리액터;를 포함하며,
    상기 하프 유니폴라 스위칭 방식은,
    한쪽 레그에 있는 스위치 한 쌍은 기본파 주파수로 스위칭하고 나머지 레그에 있는 스위치 한 쌍은 고주파로 스위칭하는 방식인 것을 특징으로 하는 태양광 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위치부는,
    일측이 상기 태양광 모듈의 (+)극성과 상기 DC 링크 커패시터의 일측과 상기 제 3 스위치의 일측과 연결하고, 타측이 상기 제 2 스위치의 일측과 상기 리액터의 일측과 연결하는 상기 제 1 스위치;
    일측이 상기 제 1 스위치의 타측과 상기 리액터의 일측과 연결하고, 타측이 상기 태양광 모듈의 (-) 극성과 상기 DC 링크 커패시터의 타측과 상기 제 4 스위치의 타측과 연결하는 상기 제 2 스위치;
    일측이 상기 DC 링크 커패시터의 일측과 상기 제 1 스위치의 일측과 연결하고, 타측이 상기 제 4 스위치의 타측과 상기 계통의 타측에 연결하는 상기 제 3 스위치; 및
    일측이 상기 제 3 스위치의 타측과 상기 계통의 타측과 연결하고, 타측이 상기 태양광 모듈의 (-) 극성과 상기 DC 링크 커패시터의 타측과 상기 제 2 스위치의 타측과 연결하는 상기 제 4 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 직렬 연결하고, 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치는 직렬 연결하고, 상기 직렬 연결된 제 1 스위치와 제 2 스위치 및 상기 직렬 연결된 제 3 스위치와 제 4 스위치는 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 태양광 인버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 고주파 영역에서 동작하며, 상기 제 3 스위치 및 상기 제 4 스위치는 상기 계통의 전원과 동일한 위상과 주파수를 갖는 저주파 영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 인버터.
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