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KR20150016679A - 인버터 제어회로 및 그 구동방법 - Google Patents

인버터 제어회로 및 그 구동방법 Download PDF

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KR20150016679A KR1020130092407A KR20130092407A KR20150016679A KR 20150016679 A KR20150016679 A KR 20150016679A KR 1020130092407 A KR1020130092407 A KR 1020130092407A KR 20130092407 A KR20130092407 A KR 20130092407A KR 20150016679 A KR20150016679 A KR 20150016679A
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Abstract

본 발명은 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어회로에 있어서, 예정된 정현파를 제공하기 위한 제어 입력부; 상기 제어 입력부에서 제공하는 신호의 위상을 반전시켜 출력하기 위한 위상반전기; 상기 제어 입력부에서 제공하는 신호의 듀티비가 예정된 이하로 판단되는 경우 예정된 값을 전달하고, 이외의 경우에는 상기 제어입력부에서 제공되는 신호를 전달하는 맥스값 제공부; 삼각파를 생성하는 삼각파 발생부; 및 상기 삼각파 발생부에서 제공하는 삼각파와, 상기 맥스값 제공부에서 제공하는 신호를 비교하여 상기 인버터에 구비된 스위치 수단을 제어하는 신호를 제공하기 위한 비교부를 구비하며, 상기 예정된 값이 전달되는 경우에는 상기 인버터에 구비된 스위치 수단이 스위칭되지 않는 것이 특징인 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어회로를 제공한다.

Description

인버터 제어회로 및 그 구동방법{Inverter controller and Method for operating the same}
본 발명은 인버터의 구동방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 태양광 발전용 계통연계형 인버터의 구동방법에 관한 것이다.
태양광 발전용 계통연계형 인버터는 크게 태양광을 이용해 전력을 생산하는 태양전지와 전력변환장치(인버터)로 구성된다. 이때, 태양전지의 양극과 제품 케이스 접지 사이에 기생 커패시턴스가 생성되는데 전력변환장치의 스위칭 온/오프 방식에 따라 기생 커패시터에 인가되는 전압이 결정되며 이 전압의 dv/dt에 의해 접지로 흐르는 기생 전류가 발생된다.
태양광 발전용 계통연계형 인버터를 구현하기 위해 제시되는 단상 풀브릿지 인버터의 PWM 방식에는 크게 유니폴라 방식과 바이폴라 방식이 있다. 유니폴라 방식의 경우 출력전압이 3 레벨로 생성되어 바이폴라 방식보다 출력필터를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만, 바이폴라 방식에 비해 큰 기생전류 생긴다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 단상 풀브릿지 인버터에 스위칭 소자를 추가하여 유니폴라 방식에서도 기생전류를 크게 줄일수 있으나, 소자가 추가 되고 이로 인해 가격상승 및 제어가 복잡해 지는 단점이 있었다.
본 발명은 보다 효율적으로 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 구동시킬 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명은 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어회로에 있어서, 예정된 정현파를 제공하기 위한 제어 입력부; 상기 제어 입력부에서 제공하는 신호의 위상을 반전시켜 출력하기 위한 위상반전기; 상기 제어 입력부에서 제공하는 신호의 듀티비가 예정된 이하로 판단되는 경우 예정된 값을 전달하고, 이외의 경우에는 상기 제어입력부에서 제공되는 신호를 전달하는 맥스값 제공부; 삼각파를 생성하는 삼각파 발생부; 및 상기 삼각파 발생부에서 제공하는 삼각파와, 상기 맥스값 제공부에서 제공하는 신호를 비교하여 상기 인버터에 구비된 스위치 수단을 제어하는 신호를 제공하기 위한 비교부를 구비하며, 상기 예정된 값이 전달되는 경우에는 상기 인버터에 구비된 스위치 수단이 스위칭되지 않는 것이 특징인 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어회로를 제공한다.
또한, 상기 예정된 이하로 판단되는 듀티비는 0.02인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어부는 기존의 유니폴라 방식에 비해 기생 전류가 감소하여 인버터의 효율이 증가하며, 인버터 토폴로지 및 하드웨어의 변경이 없기 때문에, 적용을 용이하게 할 수 있다.
도1은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 나타내는 회로도.
도2 내지 도5는 도1에 도시된 인버터의 구동시 동작하는 회선을 나타내는 회로도.
도6은 도1에 도시된 스위칭 수단을 제어하기 위한 제어부를 나타내는 블럭도.
도7은 도1에 도시된 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하는 동작을 나타내는 파형도.
도8은 본 발명의 실시예에 관한 것으로, 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어부를 나타낸느 블럭도.
도9 내지 도11은 도8에 도시된 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하는 동작을 나타내는 파형도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 나타내는 회로도이다. 도2 내지 도5는 도1에 도시된 인버터의 구동시 동작하는 회선을 나타내는 회로도로서, 특히, 유니폴라 방식을 나타낸 것이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 태양광 발전용 계통연계형 인버터는 태양전지( PV)와 케이스접지 사이의 기생 커패시터(도2의 Cgp, Cgn 참조)가 존재한다.
도1을 참조하여 살펴보면, 태양광 발전용 계통연계형 인버터는 AC 전압의 평활을 위한 직렬연결된 캐패시터(Cdc)와, 4개의 스위칭 수단(S1~S4)을 구비하여 전동기를 구동시킨다. 여기서 전동기는 등가회로로 저항(R)과 인덕터(Lf) 및 캐패시터(Cf)로 표시하였다. 여기서 스위칭 수단(S1~S4)은 IGBT1 ~ 4를 이용하여 구현하였다.
도1과 도2는 유니폴라 방식으로 전동기를 제어하는 것인데, 유니폴라 방식은 양의 전압이 출력되는 반주기 동안 Vdc와 0전위의 두 가지 상태를 출력하는 것이 특징이다. Vdc를 출력할 때에는 도2에 도시된 바와 같은 스위칭 상태를 이용하고, 0 전위를 출력할 때에는 도4와 도5와 같은 방식으로 출력한다. 음의 전압이 출력되는 반주기 동안은 -Vdc와 0전위의 두 가지 상태를 출력하며 -Vdc를 출력할 때에는 도3의 스위칭 상태를 이용하고, 0전위를 출력할 때에는 양의 반주기와 마찬가지로 도4와 도5의 두 가지 방식으로 출력한다.
도2와 도3의 스위칭 상태에서 기생 커패시터(Cgp)에는 Vdc/2, 기생 커패시터(Cgn)에는 -Vdc/2가 인가되고 도4의 스위칭 상태에서 기생 커패시터(Cgp)에는 0V, 기생 커패시터(Cgn)에는 -Vdc가 인가되며 도5의 스위칭 상태에서 기생 커패시터(Cgp)에는 Vdc, 기생 캐패시터(Cgn)에는 0V가 인가된다.
도6은 도1에 도시된 스위칭 수단을 제어하기 위한 제어부를 나타내는 블럭도이다. 도7은 도1에 도시된 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하는 동작을 나타내는 파형도이다. 도6을 참조하여 살펴보면, 스위칭 수단을 제어하기 위한 제어부는 제어신호 입력부(30), 위상반전기(50), 비교기(40,60), 삼각파 발생부(70), 인버터부(80,90)를 구비하여, 스위치 수단(S1~S4)을 제어하는 신호를 생성한다.
도1 내지 도7에서 적용하는 유니폴라 방식은 0전위 출력 시 도4와 도5의 두 가지 방식으로 출력하는데, 반 주기 출력동안 0전위 스위칭은 도4와 도5를 반복하며 출력되므로 기생 커패시터에 인가되는 전압의 dv/dt가 크게 변동하게 되어 기생 전류가 발생한다. 도1 내지 도6에 적용되는 유니폴라 방식으로 인버터를 구동할 때 기생전류가 가장 증가되는 부분은 도7에 도시된 바와 같이, 출력의 제로 크로싱 지점이다. 제로 크로싱 지점에서는 0전위 출력 구간이 증가하게 되는데 0전위 출력 구간동안 매 스위칭 주기 마다 도4와 도5의 두 가지 방식을 반복하여 출력하므로 다른 구간보다 기생 커패시터에 인가되는 전압의 dv/dt가 더 크므로 큰 기생전류가 생성된다.
본 발명은 단상 풀브릿지 인버터의 하드웨어 구성을 변경하지 않고 유니폴라 방식 PWM을 적용하여, 바이폴라 방식 PWM 적용시 보다 작은 필터를 사용하면서도 기생 전류를 감소시키는 태양광 발전용 계통연계형 인버터 구동방법을 제안한다. 본 발명에 의한 인버터 구동방법은 태양광 발전용 계통연계형 인버터에서 스위칭 소자의 추가 없이 출력의 제로 크로싱 지점에서 제어 출력을 조정함으로써 종래의 유니폴라 방식보다 기생전류를 감소시키는 방법을 제안한다. 이와 같이 함으로서, 기존의 유니폴라 스위칭방식보다 기생 전류를 감소 시킬 수 있다.
도8은 본 발명의 실시예에 관한 것으로, 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어부를 나타낸 블럭도이다. 도9 내지 도11은 도8에 도시된 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하는 동작을 나타내는 파형도이다.
도8을 참조하여 살펴보면, 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어부는 맥스값 제공부(100), 제어신호 입력부(300), 위상반전기(500), 비교기(400,600), 삼각파 발생부(700), 인버터부(800,900)를 구비하여, 스위치 수단(S1~S4)을 제어하는 신호를 생성한다.
위상반전기(500)는 제어 입력부(300)에서 제공하는 신호의 위상을 반전시켜 출력한다. 맥스값 제공부(100)는 제어 입력부(300)에서 제공하는 신호의 듀티비가 0.02 이하로 판단되는 경우 비교기(400,600)로 맥스값을 제공하고, 이외의 경우에는 제어입력부(300)에서 제공되는 신호를 전달한다. 삼각파 발생부(700)는 삼각파를 생성하여 비교부(400,600)로 제공한다. 비교기(400,600)는 삼각파 발생부(700)에서 제공하는 삼각파와, 맥스값 제공부(100)에서 제공하는 신호를 비교하여 스위치 수단(S1~S4)을 제어하는 신호를 제공한다.
도8을 참조하여 본 실시예에 따른 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하는 방법을 살펴보면, 예정된 정현파를 제공하고, 상기 정현파의 위상을 반전시켜 출력하며, 상기 정현파의 듀티비가 예정된 이하로 판단되는 경우 예정된 값을 비교값으로 전달하고, 이외의 경우에는 상기 정현파를 상기 비교값으로 전달한다. 이어서, 삼각파를 생성하고, 상기 삼각파와, 상기 전달된 비교값을 비교하여, 상기 인버터에 구비된 스위치 수단을 제어하는 신호를 제공하며, 상기 예정된 값이 전달되는 경우에는 상기 인버터에 구비된 스위치 수단이 스위칭되지 않는 것이 특징이다.여기서, 예정된 이하로 판단되는 듀티비는 0.02인 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서 제공하는 제어부가 제어하는 태양광 발전용 계통연계형 인버터는 태양광 발전용 계통연계형 단상 풀브릿지 인버터로 구성되며, 태양전지와 케이스 접지 사이의 기생 커패시터(Cgp, Cgn)가 이전과 같이 존재한다.
전술한 바와 같이, 인버터를 구동할 때 기생전류가 가장 증가되는 부분은 출력의 제로 크로싱 지점이다. 제로 크로싱 지점에서 도9와 같이, PWM 파형을 유시시킴으로서, 기생전류를 줄일 수 있는 것이다. 제로 크로싱 지점에서 0전위 출력 시 PWM 상태를 한가지 레벨로 유지시킴으로써 두 가지 스위칭 상태,(즉 도4 및 도5의 동작 참조)가 바뀌면서 기생 커패시터(Cgp, Cgn)에 인가되는 전압의 변동이 없고, 이를 통해 제로크로싱 지점에서 크게 발생했던 기생 전류가 크게 감소될 수 있다.
도10과 도11은 이전 방식과 본 발명에서 제안하는 방식에 의해 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어했을 때, 스위칭 파형과, 누설전류와, 출력전압에 관한 파형이 도시되어 있다. 도10에서와 같이, 이전방식으로 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어했을 때에는 누설전류가 상대적으로 많이 생겼으나, 도11에서와 같이, 본 발명에서 제안하는 방식에 의해 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어했을 때에는 약 1%의 누설전류가 감소하는 것을 알 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 태양광 발전용 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 제어부는 기존의 유니폴라 방식에 비해 기생 전류가 감소하여 인버터의 효율이 증가하며, 인버터 토폴로지 및 하드웨어의 변경이 없기 때문에, 적용을 용이하게 할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 예정된 정현파를 제공하기 위한 제어 입력부;
    상기 제어 입력부에서 제공하는 신호의 위상을 반전시켜 출력하기 위한 위상반전기;
    상기 제어 입력부에서 제공하는 신호의 듀티비가 예정된 이하로 판단되는 경우 예정된 값을 전달하고, 이외의 경우에는 상기 제어입력부에서 제공되는 신호를 전달하는 맥스값 제공부;
    삼각파를 생성하는 삼각파 발생부; 및
    상기 삼각파 발생부에서 제공하는 삼각파와, 상기 맥스값 제공부에서 제공하는 신호를 비교하여 상기 인버터에 구비된 스위치 수단을 제어하는 신호를 제공하기 위한 비교부
    를 구비하며, 상기 예정된 값이 전달되는 경우에는 상기 인버터에 구비된 스위치 수단이 스위칭되지 않는 것이 특징인 태양광 발전용 인버터를 제어하기 위한 제어회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 예정된 이하로 판단되는 듀티비는 0.02인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 인버터를 제어하기 위한 제어회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어회로는
    상기 인버터에 구비된 스위치 수단을 제어할 때에 제로 크로싱 지점에서 0전위 출력 시 스위치 수단을 제어하는 신호인 PWM 상태를 한가지 레벨로 유지시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 인버터를 제어하기 위한 제어회로.
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