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KR101706381B1 - 전력 변환기 기동회로 - Google Patents

전력 변환기 기동회로 Download PDF

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KR101706381B1
KR101706381B1 KR1020090109732A KR20090109732A KR101706381B1 KR 101706381 B1 KR101706381 B1 KR 101706381B1 KR 1020090109732 A KR1020090109732 A KR 1020090109732A KR 20090109732 A KR20090109732 A KR 20090109732A KR 101706381 B1 KR101706381 B1 KR 101706381B1
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power converter
str2
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switch
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안드레아스 포크
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에스엠에이 솔라 테크놀로지 아게
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Abstract

광전 발전기(PVG), 전압 중간회로, 주 전력 변환기(Str2) 및 MMP 전압이 설정된 MMP 제어수단을 포함하고, 광전 발전기(PVG)에 의해 생성된 직류전압을 그리드(N)로 인가될 교류전압으로 변환하기 위한 전력 변환기는 높은 개방회로 전압의 광전 발전기(PVG)를 위한 전력 변환기를 기동시키는 프로세스를 위한 부가의 외부회로로 형성되며, 그 부가회로는 높은 신뢰성을 가지면서도 개시 단계 동안 그리고 MMP 지점에서의 인가 모드에서 낮은 손실을 갖는 것을 특징으로 한다. 이는 적어도 하나의 전압제한 부가회로(Z1, Z2)가 제공되고, 광전 발전기(PVG)의 기동 단계 동안만 동작하고 그 기동 단계 동안 주 전력 변환기(Str2)에 대한 입력 전압을 제한함으로써, 주 전력 변환기(Str2)의 허용된 최대 MMP 전압을 초과하지 않는 것을 달성한다.
개방회로, 저항 쵸퍼, 전력 변환기, 스위칭 소자, 바이패스, 전압 분할기

Description

전력 변환기 기동회로{POWER CONVERTER START-UP CIRCUIT}
본 발명은 청구항 1의 전문에 따른 전력 변환기 및 청구항 14의 전문에 따른 방법에 관한 것이다.
높은 출력 전압을 갖는 태양광 또는 광전 발전기용으로서, 소스로부터의 직류전압을 그리드로 인가될 교류전압으로 변환하는 단상 또는 3상 전력 변환기의 사용은 공지되어 있다. 종래에 중간회로 캐패시터는 광전 발전기 아래쪽에 연결되고, 전력 변환기가 뒤따른다. 사인파 필터는 전력 변환기의 출력에 연결된다. 에너지가 변압기를 통해 그리드에 인가된다.
광전 시스템이 기동될 때, 광전 발전기의 높은 개방회로 전압은 불확실하다. 개방회로 동작에 있어서, 태양광 발전기는 높은 출력 전압을 갖는다. 일반적으로, 개방회로 전압은 인가 동안 동작 지점(최대 전력 지점)에서 MMP 전압으로 알려진 것보다 20% 이상이다. MMP 트랙킹 프로세스에서, 최적의 전력 생성의 발전기 동작 지점이 설정된다. 개방회로 동작 동안 승압된 발전기 전압은 기동 프로세스 동안 전자 시스템에 어떠한 손상도 야기하지 않아야 한다.
저항 쵸퍼와 같은 부가의 외부회로 또한 공지되어 있다. 상기 저항 쵸퍼는 DC 중간회로와 병렬로 연결되거나 또는 전력 변환기 입력과 병렬로 연결되어 기동 단계 동안 중간회로 전압을 감소시킨다. 이들 장치의 결점은 기동 단계 동안 높은 손실과 저항 쵸퍼 상의 높은 로드를 경험한다는 것이다.
DE 20 2006 001 063 U1에 개시된 또 다른 해결책에 있어서, 강압 변환기는 3상 전력 변환기 위쪽에 연결된다. 이 경우, 강압 변환기는 필요할 경우 허용가능한 값으로 광전 발전기 전압을 감소시킨다. 그 결점은 광전 발전기 전압이 낮을 경우 강압 변환기 스위치가 영구히 폐쇄되어야만 하고, 따라서 상당한 순방향 전력 손실을 야기한다는 것이다. 또한, 강압 변환기의 스위치 및 다이오드는 최대 발전기 전압, 즉 개방회로 전압으로 구성되어야 한다. 따라서, 이것은 MMP 동작 지점에서 동작에 필요한 것보다 큰 전기강도의 구성요소를 필요로 한다. 이들 구성요소는 비용이 비싸며 보다 높은 전력 손실을 나타낸다. DE 20 2006 001 063 U1에 따르면, 3상 전력 변환기의 스위치는 메인 주파수로 클럭되고, 이는 정현파 전류가 공급되지 않기 때문에 결함을 야기한다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 개방회로 전압의 광전 발전기(PVG)를 위한 전력 변환기를 기동시키는 부가회로를 포함함으로써, 높은 신뢰성을 가지면서도 개시 단계 동안 그리고 MMP 지점에서의 인가 모드에서 낮은 손실을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 본 발명의 과제는 독립청구항들의 특징적 구성에 의해 달성된다.
또한, 상기한 본 발명의 과제는 기동 단계 동안만 동작하고 상기 기동 단계 동안 전력 변환기 입력에서 전압을 감소시키는 부가회로에 의해 달성된다. 광전 발전기의 개방회로 전압이 전력 변환기 전압보다 높을 경우, 실제 보조회로로 구성된 부가회로는 전력 변환기가 광전 시스템을 로드할 때까지 전력 변환기 전압을 제한함으로써, MMP 전압이 도달하고, MMP 동작 지점에 전력 변환기 전압이 초과하지 않는다. 이러한 구성의 장점은 정격 전력을 위한 쵸퍼가 필요없다는 것이다. 본 발명에 따르면, 바람직하게 부가회로는 기동 단계 동안 동작한다. 그러나, 바람직하게 부가회로는 주 전력의 노치(notch) 또는 "전력 제한" 모드의 경우에도 동작될 수 있다.
본 발명의 사상은 전력 변환기의 입력에 인가된 전압이 예컨대 감소되는 것에 있다. 예컨대, 만약 전압 분할기가 사용되면, 주 전력 변환기는 일부의 전압 분할기에만 연결된다. 이러한 방식에 있어서, 이러한 동작 지점에서 인가된 전압 및 변환된 전력은 인가 모드에서 보다 더 낮다.
본 발명의 장점은 최대 가능한 발전기 전압을 위한 전력 변환기의 반도체를 구성할 필요가 없다는 것이다. 즉, 낮은 전기강도의 구성요소들이 사용될 수 있 으며, 이는 회로 비용을 감소시킨다. 또한, 낮은 전기강도의 구성요소들은 종종 낮은 손실을 나타내고, 따라서 MMP 지점에서의 효율을 향상시킨다. 개방회로 전압을 위해 구성되는 대신에, 전력 변환기의 반도체, 특히 브릿지 회로 및/또는 승압 변환기가 MMP 동작 지점에 구성된다.
이 경우, 전력 변환기의 출력 전압이 기동 단계 동안 주 전압과 동기화되고, 일단 동기화가 완료되면 그 주 전력 변환기는 스위칭 소자에 의해 그리드에 연결되는 방법이 제공된다.
바람직하게, 직류(DC) 스위칭 소자는 광전 발전기와 중간회로 캐패시터 사이에 위치된다. 바람직하게, 교류(AC) 스위칭 소자는 예컨대 사인파 필터와 변압기 사이에 위치된다. 바람직하게, 상기 스위칭 소자들은 콘택터(contactor)로서 구성된다. 광전 시스템이 기동되면, DC 스위칭 소자는 폐쇄된다. 그 때 전력 변환기가 동작된다. 즉, 전력 변환기의 스위치가 스위칭 모드로 동작하기 시작한다. 이제 전력 변환기의 출력 전압은 주 전압과 동기화된다. 전력 변환기의 출력 전압이 그리드와 동기화되면, AC 스위칭 소자가 폐쇄되고 전력 변환기는 광전 발전기가 이용가능한 충분한 전력을 그리드에 인가한다.
본 발명의 또 다른 장점의 실시예는 종속청구항에 기재되어 있다.
강압 변환기의 순방향 전력 손실의 문제를 해결하거나 전압 분할기를 동작하지 않게 하기 위해, 그 방법은 개시 단계 동안 개방되고 개시 단계 이후 폐쇄되며, 광전 발전기와 주 전력 변환기간 전류 경로에 위치되고, 부가회로의 적어도 하나의 구성요소와 병렬 연결된 스위치, 특히 바이패스 스위치에 부가회로가 연결되는 본 발명에 따른 전력 변환기의 바람직한 실시예에 제공된다. 원칙적으로, 분할이 발생하지 않는 방식으로 분할기의 구성요소를 브릿지(bridge)하는 예컨대 반도체 소자가 전압 분할기에 연결된다. 그러나, 이는 기계적인 스위치, 특히 콘택터 또는 릴레이를 포함하는 바이패스 스위치에 효과적이다. 반도체와는 반대로, 거기에는 폐쇄 콘택터에 전압 강압가 없어 손실이 발생하지 않는다.
따라서, DE 20 2006 001 063 U1에 개시된 해결책과 반대로, 바이패스 스위치가 적어도 하나의 강압 변환기 스위치를 바이패스할 때 순방향 전력 손실이 방지되고, 이는 단지 직렬 연결된 쵸크와 함께 또는 강압 변환기만을 단락하는 것이 가능해진다.
선택적으로, 광전 발전기와 병렬 배열된 전압 분할기가 사용될 수 있다. 전압이 부가회로를 횡단하는 전압과 주 전력 변환기의 입력 전압 사이에서 분할됨으로써, 전체 개방회로 전압이 주 전력 변환기에 인가되지 않고, 예컨대 80%만이 인가된다. 전압 분할은 MMP 동작 지점에서, 즉 연속 동작에서 바이패스 스위치가 일부의 전압 분할기를 바이패스할 때 개시 단계 동안만 발생한다.
전압 분할기 해결책의 장점 향상에 있어서, 제1캐패시터 및 직렬로 연결된 중간회로 캐패시터, 주 전력 변환기에 직렬로 연결된 바이패스 스위치를 포함하는 용량성 전압 분할기로 구성된 부가회로가 제공된다. 오옴 레지스터 이상의 캐패시터의 장점은 에너지가 캐패시터에 저장되고 손실되는 열로 변환되지 않아, 한편으로는 회로에 열을 발생시키지 않고 다른 한편으로는 효율이 향상된다는 것이다.
바람직하게, 저장된 에너지는 보조 전력 변환기 또는 DC/DC 변환기에 의해 회복된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 있어서, 부가회로는 특히 주 전력 변환기보다 낮은 출력을 갖는 보조 전력 변환기를 포함하며, 상기 보조 전력 변환기는 개시 단계 동안만 동작된다. 바람직하게, 보조 전력 변환기는 그리드에 직접 연결됨으로써 전력을 그리드에 직접 인가한다. 보조 전력 변환기는 로드(load)로서 기능하기 때문에 동기화가 주 전력 변환기에서 발생하기 전에 동기화되어야 한다. 또한, 그 기능을 달성할 수 있게 하기 위해 보조 전력 변환기에서 MMP 제어 시스템을 필요없게 하는 것도 중요하다. 또한, 보조 전력 변환기는 기동 변환기를 갖지 않는 것이 바람직하다. 이러한 상당히 비용면에서 효율적인 해결책에서 기동 프로세스 동안 비교적 작은 에너지가 손실되어, DC/AC 변환기는 기동 단계에서 높은 효율을 나타낸다.
원칙적으로, 보조 전력 변환기만이 기동 단계 동안 사용되지 않을 뿐이다. 따라서, 드믈게 전압 피크 기간, 예컨대 특히 높은 태양광 방사로 인한 여름 기간 동안 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
선택적으로, 또한 부가회로는 로드로 작용하는 저항 쵸퍼를 포함할 수 있다.
더욱이, 상술한 DC/DC 변환기가 선택될 수 있다. 상기 DC/DC 변환기는 전기적으로 격리되도록 구성된다. 그 출력은 중간회로 캐패시터 배후에 연결되어, 제1캐패시터의 충전이 중간회로 캐패시터로 재순환된다.
또한, 저항 전압 분할기가 용량성 전압 분할기 대신 광전 발전기와 병렬로 연결될 수 있고, 그 전압은 제1직렬 저항 및 주 전력 변환기와 병렬 위치된 제2직 렬 저항 사이에서 분할된다. 전압 분할은 기동 단계 동안만 발생한다. 이러한 해결책의 장점은 추가의 로드가 필요 없고 적은 수의 구성요소만을 필요로 한다는 것이다. 기동 프로세스 이후 분할기를 스위치 오프하기 위해, 바이패스 스위치가 제1직렬 저항과 병렬로 연결되고, 다른 스위치 특히 기계적인 스위치인 릴레이 또는 콘택터가 제2직렬 저항과 직렬로 연결되지만 주 전력 변환기와는 여전히 병렬로 연결될 때 특히 효과적이다. 이러한 방식에서는 설정된 MMP 동작 지점에서 저항에 걸쳐 흐르는 전류는 없다.
인버터 반도체의 허용된 전압의 초과 가능성을 없애는 것을 보장하기 위해, 광전 발전기의 DC 소스 전압이 기껏해야 최대 MMP 전압에 대응하는 값으로 저하하는 정도로 광전 발전기가 로드되는 방식으로, 바이패스 스위치를 연결할 때 주 전력 변환기의 반도체 스위치에 대한 펄스 패턴의 동작신호, 특히 고주파 신호가 설정되는 것이 유리하다. 그 펄스 패턴은 메인 주파수에 따라 PWM 패턴 또는 방형 패턴(rectangular pattern)이 될 수 있다. 또한, 하프 브릿지 또는 풀 브릿지의 반도체 스위치는 광전 발전기 상에 추가 로드를 인가하여 높은 발전기 전압을 피하도록 단락 기간동안 오버랩핑 방식으로 폐쇄될 수 있다.
도면을 참조하여 실시예가 보다 상세히 설명될 것이며, 더욱이 기술되는 본 발명의 다른 장점들도 보다 상세히 설명될 것이다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 의하면, 높은 개방회로 전압의 광전 발전 기(PVG)를 위한 전력 변환기를 기동시키는 부가회로를 포함함으로써, 높은 신뢰성을 가지면서도 개시 단계 동안 그리고 MMP 지점에서의 인가 모드에서 낮은 손실을 갖는 전력 변환기를 제공할 수 있다.
도 1은 예컨대 250 내지 3,000볼트(V), 특히 1,000 내지 1,700V의 개방회로 출력 전압을 갖는 태양광 또는 광전 발전기(PVG)의 기본 회로도이다. 이러한 발전기는 3상 전력 변환기 또는 단상 전력 변환기에 연결된다. 전력 변환기(Str2)는 발전기(PVG)의 직류전압을 예컨대 230/400V, 50 헤르츠(Hz) 또는 60Hz의 그리드-호환가능 교류전압으로 변환한다.
기본적으로, 전력 변환기는 예컨대 승압 변환기 및/또는 강압 변환기, 그리드 및 MMP 제어 시스템과 동기화되는 하프 브릿지(half bridge) 또는 풀 브릿지(full bridge)를 포함하며, 변환기에 변압기가 제공되거나 제공되지 않을 수 있다. 이러한 타입의 전력 변환회로가 공지되어 있기 때문에 더 이상 설명하지는 않는다. 그것은 바이폴라 중간회로 및/또는 2개 또는 그 이상의 발전기를 직렬로 연결할 수 있어 +, GND, -가 얻어진다.
중간회로 캐패시터(CZ)는 발전기(PVG)의 아래쪽에 연결되고, 전력 변환기(Str2)가 뒤따른다. 사인파 필터(Fi)는 전력 변환기(Str2)의 출력에 연결된다. 전력은 변압기(TrN)를 통해 그리드(N)로 인가된다. 그러나, 에너지가 변압 기(TrN) 없이 인가될 수도 있다.
스위칭 수단 또는 DC 스위칭 소자(S_DC)는 발전기(PVG)와 중간회로 캐패시터(CZ) 사이에 위치된다. 상기 스위칭 소자는 포지티브(positive) 경로에 위치된 제1스위치 및 네가티브(negative) 경로에 위치된 제2스위치를 갖춤으로써, 전기적 격리가 달성된다. 다른 스위칭 수단 또는 AC 스위칭 소자(S_AC)는 사인파 필터(Fi)와 변압기(TrN) 사이에 위치된다. 이 AC 스위칭 소자는 L1 내지 L3 및 선택적으로 N 컨덕터를 위한 3개 또는 4개의 스위치를 포함함으로써, 이러한 경우에도 전기적 격리가 달성될 수 있다. 바람직하게, 스위칭 소자(S_DC, S_AC)는 콘택터로서 형성된다.
시스템이 기동되면, DC 스위칭 소자(S_DC)는 초기에 폐쇄된다. 그 때 전력 변환기(Str2)가 동작된다. 즉, 전력 변환기의 스위치가 스위칭 모드로 동작하기 시작한다. 이제 전력 변환기(Str2)의 출력 전압이 주 전압과 동기화된다. 일단 전력 변환기 출력 전압이 그리드와 동기화되면, 스위칭 소자(S_AC)는 폐쇄되고, 전력 변환기(Str2)는 발전기(PVG)가 이용가능한 충분한 전력을 그리드에 인가한다.
개방회로 모드에 있어서, 결정 또는 비결정 셀을 갖는 발전기는 그리드에 인가될 때 동작 지점에서 보다 또는 MMP 전압보다 예컨대 15 내지 30%, 바람직하게 약 20% 높은 출력 전압을 갖는다. 개방회로 전압은 DC 스위칭 소자(S_DC)가 개방될 때 생성된다.
DC 중간회로와 병렬이거나 전력 변환기의 입력과 병렬인 저항 쵸 퍼(Cho_Str2)와 같은 부가회로는 본 발명과 관련해서 DC 스위칭 소자가 폐쇄될 때 MMP 전압보다 크지 않은 값으로 발전기 전압을 감소시킬 것이다. 그러나, 이는 기동 단계 동안 초래된 높은 손실의 결함과 저항 쵸퍼의 높은 정격 전력을 야기한다.
본 발명에 따른 바람직한 부가회로 또는 도 3 내지 도 7에 따른 일부의 부가회로(Z1)는 주 전력 변환기(Str2)가 그리드(N)와 동기화되어 전력이 그리드(N)에 인가될 때 바이패스된다. 예컨대, 만약 전압 분할기가 부가회로 Z1 또는 Z1과 Z2로서 사용되면(도 7), 주 전력 변환기(Str2)와 결합되지 않은 일부의 전압 분할기는 주 전력 변환기가 그리드(N)와 동기화되어 전력이 그리드(N)에 인가될 수 있을 때 바이패스된다.
전압이 개방회로 전압보다 상당히 낮은 것을 보장하기에 충분할 정도로 발전기(PVG)가 로드되도록 부가회로가 동작하지 않는 순간에 펄스 패턴이 유지되는 방식으로 주 전력 변환기(Str2)가 동작된다. 이 지점 이후에 시스템은 정격 인가 모드로 변이된다. 전력 변환기(Str2)가 그리드와 동기적으로 동작할 때, 전류 및 전력은 사인파 필터 쵸크(LFi)에 의해 야기된 전압 강압에 달려있다는 것을 아는 것이 중요하다. 주 전압 및 쵸크 전압 위상자가 서로 수직이기 때문에, 전력 변환기 출력 전압의 작은 변경은 전력이 1에 가까운 전력 인자값으로 인가될 때 쵸크(L)에서 전압의 큰 변경을 야기한다.
도 2는 주 전압(UN), 필터 쵸크 전압(UL_Fi) 및 전력 변환기 출력 전 압(UAC_Str2)을 나타낸 위상자 다이어그램이다.
만약 전력 변환기(Str2)의 펄스 패턴이 일정하게 유지되고 DC 중간회로 전압이 강압게 증가하면, 전력 변환기(Str2)의 출력에서의 전류 및 전력은 증가한다. 일단 고저항 디커플링이 바이패스되면 발전기(PVG)의 전압은 특정 값으로 저하할 것이다. 이는 일단 S1이 폐쇄되면 발전기(PVG)가 충분히 로드되는 방식으로 제어수단이 설정되어야 한다는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다. 부가회로(Z1)는 전력 변환기(Str2)의 위쪽에 연결되어 있다. 이 부가회로(Z1)는 직렬 연결된 스위치(T1)와 쵸크(L1), 및 네가티브의 역방향으로 상기 2개의 요소 T1 및 L1의 공통 결합 지점에 부착된 다이오드(D1)를 갖춘 강압 변환기에 대응한다. 강압 변환기의 스위치(S1) 및 선택적인 쵸크(L1)는 부가의 바이패스 스위치(S1), 예컨대 기계적인 스위치에 의해 바이패스된다. 강압 변환기는 발전기 전압을 전력 변환기(Str2)의 반도체에 대한 허용가능 전압으로 감소시킨다.
이는 강압 변환기가 동작할 때 전력 손실이 최소인 장점을 갖게 한다. 강압 변환기는 최대 허용가능한 MMP 전압과 동일하거나 보다 작은 전압이 캐패시터(CZ)에 인가되는 방식으로 동작한다. 따라서, 저항이 없기 때문에 오옴 손실 없다.
전력 변환기와 반대로, 반도체 구성요소, 즉 스위치(T1) 및 다이오드(D1)는 풀 개방회로 전압을 위해 구성되는데, 예컨대 1,700V 반도체가 사용되어야 하지만, 반면 전력 변환기의 반도체의 허용된 역전압 강도는 낮게 한다.
또한, 스위치(S1)는 예컨대 강압 변환기에 또는 발전기(PVG)에 직접 전력 변환기(Str2)의 입력을 연결하는 선택 스위치 또는 전환 스위치가 될 것이다.
도 4는 2개의 전력 변환기(Str1, Str2)를 갖추면서 직렬로 연결된 2개의 캐패시터(C1, CZ)를 갖춘 용량성 전압 분할기를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다.
부가회로(Z1)는 다이오드(D1), 캐패시터(C1) 및 전력 변환기(Str1)로 구성된다. 이 경우, 캐패시터 C1 및 CZ는 용량성 전압 분할기로 동작하는 방식으로 연결된다. 일단 전력 변환기 Str1 또는 Str2는 각각 C1 및 CZ의 아래쪽에 병렬로 연결된다. 캐패시터(C1)는 바이패스 스위치(S1)에 의해 동작되거나 바이패스되도록 연결될 수 있다. 다이오드는 바이패스 스위치(S1)와 제1캐패시터(C1)간 전류로의 순방향으로 연결된다. 이 다이오드(D1)는 스위치(S1)의 방향으로 전류의 흐름을 방지하며, 바이패스 스위치(S1)가 개방되면 그를 통해서만 전류가 흐르는 방식으로 배열된다.
동기화 단계 동안, 스위치(S1), 예컨대 기계적인 스위치는 개방된다. 양쪽 전력 변환기 Str1 및 Str2가 동작된다. 이 경우, 전력은 전압(U2)이 미리 결정된 최대값을 초과하지 않는 값을 추정하는 방식으로 전력 변환기 Str1과 Str2의 입력 전압 U1과 U2간 분할된다. 이 경우, 다이오드(D1)는 발전기(PVG)의 방향으로 전류의 흐름을 방지한다.
전압이 개방회로 전압보다 상당히 낮은 정도로 발전기(PVG)가 로드되도록 일부의 전압 분할기가 바이패스되는 순간에 펄스 패턴이 유지되는 방식으로 주 전력 변환기(Str2)가 동작된다. 상기 전압(U2)은 전력 변환기(Str2)의 입력 전압에 대응한다.
스위치(S1)는 동기화 단계 이후 폐쇄될 수 있다. 전력 변환기(Str1)는 더 이상 동작하지 않는다.
원칙적으로, 스위치(S1)가 개방을 유지하고, 전력 변환기(Str1)가 동작을 유지할 수 있어, 전력 변환기(Str1)와 그리드(N)간 연결에 의해 도 4에 나타낸 바와 같이 그리드(N)에 전력을 공급할 수 있다. 원칙적으로, 양쪽 전력 변환기 Str1 및 Str2의 출력 또한 전력을 공급하기 위해 병렬로 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 바람직하게 전력 변환기(Str1)의 출력은 매우 낮은데, 특히 전력 변환기(Str2)의 출력보다 적어도 4배가 낮다. 이 경우, 바람직하게 전력 변환기(Str1)는 기동 단계 동안만 동작한다. 만약 Str1이 또한 전력을 공급하는데 사용되면, 3상 전력 변환기가 필요치 않다.
또한, 저항 쵸퍼가 도 4의 전력 변환기(Str1) 대신 사용될 수 있다.
도 5는 저항(RCho), 스위치(SCho) 및 다이오드(DCho)로 이루어진 저항 쵸퍼(Cho)와 전력 변환기를 갖춘 용량성 전압 분할기를 포함하는 대응하는 배열을 나타낸다. 다이오드(DCho)는 저항(RCho)과 역병렬 위치되고 클럭 반도체 스위치인 쵸퍼 스위치(SCho)와 직렬로 위치된다. 이 경우, 부가회로(Z1)는 다이오드(D1), 캐패시터(C1) 및 저항 쵸퍼(Cho)로 구성된다. 또한, 부가회로(Z1)는 스위치(S1)에 의해 바이패스될 수 있다.
스위치(S1)는 동기화 단계 동안 개방된다. 전압(U1) 및 전압들(U1, U2)의 비율은 저항 쵸퍼(Cho)에 의해 설정된다. 이 경우, 전압(U2)은 미리 결정된 최대값을 초과하지 않는 값만을 추정한다. 따라서, 다이오드(D1)는 발전기(PVG)의 방향으로 전류의 흐름을 방지한다. 동기화 단계 이후, S1은 폐쇄되고 쵸퍼(Cho)는 더 이상 동작하지 않는다.
이 방법의 장점은, 도 1에 나타낸 바와 같이 쵸퍼(Cho)가 전력 변환기(Str2)의 입력과 병렬 위치된 쵸퍼(Cho_Str2)보다 실질적으로 작게 구성될 수 있다는 것이다. 이러한 방식에 있어서는, 쵸퍼(Cho)에 야기된 손실 또한 낮다.
도 6은 입력 배후에 공급되는 전기적으로 격리된 DC/DC 변환기를 구비한 해결책을 나타낸다. 이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 도 4에 나타낸 전력 변환기(Str1)는 전기적으로 격리된 DC/DC 변환기(DCDC1)와, 중간회로 캐패시 터(CZ)의 포지티브 말단에 연결된 포지티브 출력, 및 중간회로 캐패시터(CZ)의 네가티브 말단에 연결된 네가티브 출력으로 교체된다. 이러한 방식에 있어서, DC/DC 변환기(DCDC1)는 중간회로 캐패시터(CZ)로 또는 배후로 전력을 공급한다. 부가회로(Z1)는 다이오드(D1), 캐패시터(C1) 및 DC/DC 변환기(DCDC1)로 구성되고, 스위치(S1)에 의해 바이패스될 수 있다.
동기화 단계에 있어서, 스위치(S1)는 개방되고, DC/DC 변환기(DCDC1)는 캐패시터(CZ)에 전력을 공급한다. 도 4에 나타낸 바와 같은 전력 변환기(Str1)를 갖춘 해결책이나 도 5에 나타낸 바와 같은 쵸퍼(Cho)를 갖춘 해결책은 DC/DC 변환에 따른 손실만이 발생한다. 도 4 및 도 5에 나타낸 해결책에 있어서, 개방회로 및 MMP 전압간 차이를 나타내는 전력은 오직 전력 변환기(Str1) 또는 쵸퍼(Cho)에서의 손실 전력으로 변환된다. 스위치(S1)는 동기화 단계 이후 폐쇄되고, DC/DC 변환기(DCDC1)는 더 이상 동작하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예가 도 7에 나타나 있다. 이 경우, 부가회로(Z1)는 저항(R1)으로 구성되고, 다른 부가회로(Z2)가 추가된다. 이 부가회로(Z2)는 저항(R2)과 스위치(S2)의 직렬 연결로 구성된다. 기동 단계 동안, 스위치(S1)는 개방되지만 스위치(S2)는 폐쇄된다. 이 경우, 저항 R1 및 R2는 전압(U2)이 제한될 수 있게 하는 저항 전압 분할기를 형성한다. 기동 프로세스가 완료된 후, 즉 동기화 가 완료되면, 제1스위치(S1)는 폐쇄되고, 제2스위치(S2)는 개방된다. 이 경우, 또한 전압이 개방회로 전압보다 상당히 낮은 것을 보장하기에 충분할 정도로 발전기(PVG)가 로드되도록 일부의 부가회로가 바이패스되는 순간에 펄스 패턴이 설정되는 방식으로 주 전력 변환기(Str2)가 동작된다. 전압(U2)은 전력 변환기(Str2)의 입력 전압에 대응되고, 그 전압(U2)이 상기 동기화 단계(개방회로 상실) 동안 저하되기 때문에 동기화 단계 전에 최대가 된다.
2개의 추가 저항(R1, R2) 및 2개의 추가 스위치(S1, S2), 바람직하게는 기계적인 스위치의 사용은 추가의 복잡성, 비용 및 공간 필요성을 야기하지만, 제1스위치(S1)는 특히 기동 단계 동안만 강압게 로드되기 때문에 그 이점은 복잡성, 비용 및 공간 필요성보다 더 중요한 가치가 있다.
전력이 저항에서 변환되나 동기화 프로세스를 위한 전류를 공급하기 위한 것일 뿐이기 때문에 그 손실은 비교적 낮다. 제1스위치(S1)의 사용은 MMP 동작 동안 추가의 구성요소가 항상 DC 회로에 제공되는 것을 의미한다. 그러나, 그 간단한 구성이 장점이다.
본 발명은 상기의 예로 한정하지 않는다. 따라서, 도 1에 기술하면서 도시된 스위칭 소자(S_DC, S_AC), 필터(Fi) 및 변압기(TrN)로 이루어진 기본 구성은 도 3 내지 도 7에 나타낸 바와 같은 회로와 조합될 수 있다는 것은 자명하다. 바이패스 스위치 대신에, 그것은 또한 예컨대 분할 또는 비분할 연결 지점 모두에 전환 스위치 또는 스위치들로 구성된 넌-바이패싱 스위치(non-bypassing switch)를 사용할 수 있다. 스위치(S1)의 제1기능은 부가회로(Z1)를 동작 또는 동작시키지 않는 것이다. 이는 부가회로(Z1)를 단락시킴으로써 달성될 필요가 없다.
도 1은 부가회로로서 저항 쵸퍼를 포함하는 일반적인 구성을 갖는 광전 시스템을 나타낸다.
도 2는 다수 전압의 전압 위상자(voltage phasor) 다이어그램이다.
도 3은 강압 변환기를 포함하는 실시예를 나타낸다.
도 4는 보조전압 변환기를 포함하는 실시예를 나타낸다.
도 5는 저항 쵸퍼를 포함하는 실시예를 나타낸다.
도 6은 DC/DC 변환기를 포함하는 실시예를 나타낸다.
도 7은 저항 전압 분할기를 포함하는 실시예를 나타낸다.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
PVG : 광전 발전기, Str1 : 보조 전력 변환기,
StR2 : 주 전력 변환기, CZ : 중간회로 캐패시터,
Fi : 사인 필터 쵸크, TrN : 변압기,
S_DC : DC 스위칭 소자, S_AC : AC 스위칭 소자,
L1-L4 : 스위치, Cho_Str2 : 저항 쵸퍼,
N : 그리드, Z1 : 제1부가회로,
Z2 : 제2부가회로, L : 쵸크,
UN : 주 전압, UL_Fi : 필터 쵸크 전압,
UAC_Str2 : 전력 변환기 출력 전압, S1 : 바이패스 스위치,
D1 : 다이오드, C1 : 캐패시터,
U1, U2 : 입력 전압, Cho : 저항 쵸퍼,
DCDC1 : DC/DC 변환기, R1 : 제1직렬 저항,
R2 : 제2직렬 저항, T1 : 강압 변환기 스위치.

Claims (16)

  1. 광전 발전기(PVG), 전압 중간회로, 주 전력 변환기(Str2) 및 MMP 전압이 설정된 MMP 제어수단을 포함하고, 광전 발전기(PVG)에 의해 생성된 직류전압을 그리드(N)로 인가될 교류전압으로 변환하기 위한 전력 변환기에 있어서,
    적어도 하나의 전압제한 부가회로(Z1, Z2)가 제공되고, 상기 광전 발전기(PVG)의 기동 단계 동안만 동작하고 그 기동 단계 동안 상기 주 전력 변환기(Str2)에 대한 입력 전압을 제한함으로써, 상기 주 전력 변환기(Str2)의 허용된 최대 MMP 전압을 초과하지 않고,
    상기 광전 발전기에 병렬로 배열된 전압 분할기는 직렬로 연결된 제1캐패시터(C1) 및 중간회로 캐패시터(CZ)를 포함하는 용량성 전압 분할기이고, 상기 용량성 전압 분할기는 기동 단계 동안만 적어도 하나의 상기 전압제한 부가회로(Z1)의 전압과 상기 주 전력 변환기(Str2)의 입력 전압 사이에서 전압을 분할하고,
    바이패스 스위치(S1)는 상기 주 전력 변환기에 직렬로 연결되며, 다이오드(D1)는 상기 바이패스 스위치(S1)와 상기 제1캐패시터(C1)간 순방향으로 연결됨으로써 상기 바이패스 스위치(S1)의 방향으로 전류의 흐름을 방지하고, 상기 바이패스 스위치의 개방에 의해서만 전류가 흐르며,
    상기 적어도 하나의 전압제한 부가회로(Z1)는 적어도 하나의 보조 전력 변환기(Str1), 저항 쵸퍼(Cho), 및 출력이 중간회로 캐패시터(CZ) 배후에 연결된 전기적으로 격리된 DC/DC 변환기(DCDC1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압제한 부가회로(Z1, Z2)는 전압제한 부가회로(Z1)를 동작시키거나 또는 동작시키지 않도록 바이패스 스위치(S1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전압제한 부가회로(Z1, Z2)는 기동 단계 동안 개방되고 기동 단계 이후 폐쇄되며, 상기 광전 발전기와 주 전력 변환기(Str2)간 전류로에 위치되고, 적어도 하나의 보상의 전압제한 부가회로(Z1)와 병렬로 연결된 바이패스 스위치(S1)에 연결 되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 바이패스 스위치(S1)는 기계적인 스위치인 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전압제한 부가회로(Z1)는 기계적인 강압 변환기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    보조 전력 변환기(Str1)는 그리드(N)에 직접 연결되어 그리드에 전력을 직접 인가하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    광전 발전기(PVG)에 병렬로 배열된 저항 전압 분할기는 제1직렬 저항(R1)과 주 전력 변환기(Str2)에 병렬로 위치된 제2직렬 저항(R2) 사이에서 전압을 분할하고, 전압 분할은 기동 단계 동안만 발생하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  13. 청구항 12에 있어서,
    바이패스 스위치 S1은 제1직렬 저항(R1)과 병렬로 연결되고, 바이패스 스위치 S2는 제2직렬 저항(R2)과 직렬로 연결되지만 주 전력 변환기(Str2)와는 여전히 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  14. 청구항 1 내지 5, 9, 12, 13 중 어느 한 항에 따른 전력 변환기를 포함하여 직류전압을 교류전압으로 변환하기 위한 방법에 있어서,
    주 전력 변환기(Str2)의 출력 전압이 기동 단계 동안 주 전압과 동기화되고, 주 전력 변환기(Str2)는 일단 동기화가 완료되면 교류 스위칭 소자(S_AC)에 의해 그리드(N)에 연결되는 것을 특징으로 하는 직류전압을 교류전압으로 변환하기 위한 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    광전 발전기(PVG)의 DC 소스 전압이 최대 MPP 전압에 대응하는 값으로 저하하도록 광전 발전기(PVG)가 높게 로드되도록, 바이패스 스위치(S1)를 연결할 때 주 전력 변환기(Str2)의 반도체 스위치에 대한 플러스 패턴의 동작신호가 설정되는 것을 특징으로 하는 직류전압을 교류전압으로 변환하기 위한 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    전력제한 부가회로(Z1)는 주 전력 변환기(Str2)의 출력 전압 및 주 전압이 동기화된 후 스위치(S1)에 의해 바이패스되는 것을 특징으로 하는 직류전압을 교류전압으로 변환하기 위한 방법.
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