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KR20090101338A - 태양광발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법 - Google Patents

태양광발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법 Download PDF

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KR20090101338A
KR20090101338A KR1020090021087A KR20090021087A KR20090101338A KR 20090101338 A KR20090101338 A KR 20090101338A KR 1020090021087 A KR1020090021087 A KR 1020090021087A KR 20090021087 A KR20090021087 A KR 20090021087A KR 20090101338 A KR20090101338 A KR 20090101338A
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게르트 비텐보르트
랄프 쥬쳄
토비아스 뮐러
마티아스 빅토르
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에스엠에이 솔라 테크놀로지 아게
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Abstract

본 발명은 태양광발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법에 관한 것으로, 멀티스트링 인버터는 각각의 태양광모듈마다 별도의 DC-DC 컨버터를 갖추고 있으며, DC-DC 컨버터의 출력단은 DC-AC 컨버터의 입력단에 병렬로 연결되고, DC-AC 컨버터는 간선에 연결되어 교류전류를 공급한다. 각각의 DC-DC 컨버터에서 입력전류, 입력전압 및/또는 입력전력을 측정해 측정값을 구하고, 제한된 값을 넘거나 DC-DC 컨버터의 변수가 범위내에 있을 때 전력손실이 줄어들도록 측정값의 함수로서 컨버터의 작동상태를 바꾸면 달성된다.

Description

태양광발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법{A METHOD FOR ACTIVATING A MULTI-STRING INVERTER FOR PHOTOVOLTAIC PLANTS}
본 발명은 태양광발전기용 멀티스트링 인버터를 작동시키는 방법에 관한 것으로, 멀티스트링 인버터는 각각의 태양광모듈마다 별도의 DC-DC 컨버터를 갖추고 있으며, DC-DC 컨버터의 출력단은 DC-AC 컨버터의 입력단에 병렬로 연결되고, DC-AC 컨버터는 간선에 연결되어 교류전류를 공급한다.
이런 형태의 태양광발전기는 복사에너지를 전기에너지로 바꾸기 위한 태양광모듈 여러개와, 태양광모듈에서 공급된 직류전압을 간선(송전선망)에 맞는 교류전압으로 변환하기 위한 인버터로 구성된다. 태양광모듈 하나의 전력으로는 불충분할 때 여러개의 태양광모듈을 이용한다. 이런 태양광모듈을 여러개 사용할 때는, 이들을 직렬이나 병렬로 연결해 스트링이라 하는 것을 구성해야 한다. 그러나, 모듈이나 스트링마다 각각 다른 전압에서 최대전력을 생산하는 것이 대부분이므로, 이런 연결은 쉬운 것이 아니다.
다수의 모듈들이 건물의 각각의 표면에 제각기 설치되거나 건물의 설치공간 문제로 제각기 크기가 다른 모듈들이 사용될 때는 태양을 향하는 모듈의 방향이 각 기 다르기 때문에 모듈의 작업포인트도 각기 다르게 된다. 또, 구름이 지나가거나 근처의 나무가 성장하는 등의 이유로 모듈에 그늘이 져도 여러 모듈들의 작업포인트가 각각 다르게 된다. 또, 결정질 태양전지나 비정질 태양전지나 염료감응 태양전지와 같이 종류에 따라서도 작업포인트가 다르며, 같은 종류의 모듈이라도 생산시 허용오차에 의해서도 작업포인트가 서로 다를 수 있다.
태양광 모듈들이 직렬 연결되면, 가장 낮은 전류가 흐르는 모듈이 전체 전류값을 결정한다. 병렬연결의 경우에는 가장 낮은 전압이 걸린 모듈이 전체 전압을 결정한다. 그 결과, 하나의 모듈만으로 최적의 작업포인트가 결정되고, 이 모듈이 최적의 전력을 생산하지만, 직렬연결의 경우에는 전류가 가장 낮은 모듈이, 병렬연결의 경우에는 전압이 가장 낮은 모듈이 바로 그 모듈이다. 이렇게 되면 태양광발전의 최대효율을 얻을 수 없다.
DE 199 19 766 A1에서 소개한 인버터에서는 각각의 모듈, 즉 스트링의 상류에 DC-DC 컨버터를 연결한다. 이렇게 되면, DC-DC 컨버터의 각각의 출력에 동일한 전류나 전압이 걸리고, 이들 모듈의 작업포인트가 최적화된다. 모든 DC-DC 컨버터의 출력단은 병렬로 연결되어 DC-AC 컨버터의 입력단을 형성한다.
DC-DC 컨버터가 달린 멀티스트링 컨버터들은 승압형인 부스트 컨버터로 이루어진다. 따라서, 하류에 연결된 DC-AC 컨버터들은 여러가지 회로구성을 가질 수 있다.
첫째 변형례로, DC-DC 컨버터는 승압형 컨버터인 부스트 컨버터이고, 3-레벨 브리지 형태의 DC-AC 컨버터를 하류에 연결한다. 따라서, 중간회로 전압이 간선의 피크전압과 일치하여 230V 간선에서 약 750V이다. 부스트 컨버터들은 항상 서로에 무관하게 자체의 MPP(Maximul Power Point)를 찾도록 동작한다. 입력전압이 필요한 최저 중간회로 전압을 넘기만 하면, 중간회로 전압이 상승한다. 이런 회로의 일반적인 입력전압 범위는 대략 400~900 V이다.
두번째 변형례에서, DC-DC 컨버터를 부스트 컨버터로 구성하고 그 하류에 H 브리지로서 DC-AC 컨버터를 연결한다. 중간회로 전압이 2개의 입력전압보다 높으므로 양쪽 부스트 컨버터들이 서로에 무관하게 자체의 MPP를 찾는다. 이 경우에도, 중간회로 전압은 간선의 피크전압은 물론 2개 입력단의 순간전압에도 일치한다. 일반적인 입력전압 범위는 대략 150~600 V이다.
따라서, 입력단들이 서로 독립된 멀티스트링 인버터의 장점은 모듈이 서로 다르거나 복사위치가 서로 다른 경우에도 2개 입력단에서의 작업포인트를 개별적으로 찾아서 양쪽 입력단이 각각 MPP에서 작업하게 된다는 것이다.
그러나, 문제점은 모듈이나 스트링의 출력단의 전압이 충분하기만 하면 부스트 컨버터들이 언제라도 작동하게 되어 언제 어떤 작동상태에서도 부스트 컨버터에 손실이 생겨 발전기의 효율이나 전체 에너지 수율이 항상 최적상태는 아니라는 것이다.
건물에 설치할 경우, 공간상의 이유로 모듈의 사이즈나 종류가 서로 다를 수 있고 이에 따라 출력전압이 아주 다양할 수 있다. 이에 대한 대책을 제시한 DE 101 20 595 B4에서는 2개의 모듈이나 스트링에서, 낮은 전압의 모듈의 전압차를 승압형의 DC-DC 컨버터로 보상하여, 2개의 모듈의 효율을 개선할 수 있었다. 이 방식은 2 개의 모듈에 대한 유일한 장점이지만 부스트 컨버터가 항상 작동한다는 문제가 있다. 즉, 이 방식에서는 부스트 컨버터 스위치의 작동으로 DC-DC 컨버터에 영구적으로 손실이 생긴다.
WO 2007 124 518 A1에서는 입력단이 하나인 태양광 인버터의 회로구성과 제어방법을 소개한다. 이 회로에는 태양광모듈의 직류전압을 브리지회로에 맞는 직류전압으로 변환하기 위한 강압형 버크컨버터가 있는데, 이 컨버터는 직류전압을 교류전압으로 변환해 하류에 공급하기 위한 것이다. 태양광 모듈의 직류전압이 한계값 밑으로 떨어지면, 버크컨버터가 정지하고 이곳에 병렬 연결된 스위치가 닫힌다. 다른 스위치 하나가 버크컨버터를 바이패스한다. 이는 버크컨버터나 인버터의 효율을 개선하기 위한 것이다. 그러나, 이 방식의 단점은, 추가 바이패스 스위치와 컨트롤러가 필요해 부품이 늘어나고, 바이패스 스위치에서 손실도 일어난다는 것이다.
본 발명의 목적은 이상 설명한 종류의 인버터를 제어하는 방법을 통해 태양광발전기의 효율을 간단하게 개선하는데 있다.
이런 목적은 각각의 DC-DC 컨버터에서 입력전류, 입력전압 및/또는 입력전력을 측정해 측정값을 구하고, 제한된 값을 넘거나 DC-DC 컨버터의 변수가 범위내에 있을 때 전력손실이 줄어들도록 측정값의 함수로서 컨버터의 작동상태를 바꾸면 달성된다.
경우에 따라서는 효율을 증가시키기 위해 DC-DC 컨버터마다 각각 저손실 작동상태를 정할 수 있다.
본 발명의 기본 개념은, DC-DC 컨버터의 제어방법내에서, 멀티스트링 인버터의 주요소인 DC-DC 컨버터가 작동되는 추가 조건들을 정해 전체 발전기의 에너지를 최대화하는데 있다.
따라서, DC-DC 컨버터들이 작동되거나 정지되는 조건들을 정한다. DC-DC 컨버터가 정지상태이면, DC측의 작업포인트는 DC-DC 컨버터가 아닌 중간회로를 통해 정해진다. 이때 모듈의 전압과 중간회로의 전압은 동일하다. 따라서, DC-DC 컨버터의 입력단들을 개별적으로나 함께 처리할 수 있다.
본 발명에 의하면, DC-DC 컨버터의 측정값에 따라 한께값이나 범위를 넘으면 이들 컨버터의 작동상태를 바꾼다. 한계값은 간선의 피크전압이다. 예를 들어, 첫 번째 모듈 전압이 피크전압보다 충분히 높고 두번째 모듈 전압보다도 충분히 높으면 작동상태에 변화가 일어난다. 이때 첫번째 DC-DC 컨버터를 작동시켜 중간회로 전압을 통해 작업포인트를 정한 다음, 두번째 DC-DC 컨버터를 작동상태로 둔다. 첫번째 DC-DC 컨버터가 정지하면 손실이 줄어들어 인버터 전체의 효율이 개선된다.
DC-DC 컨버터의 입력전압이 일정 전압범위에 있으면 이 컨버터의 변수도 범위내에 있다. 개별적인 작업포인트 설정에도 불구하고 DC-DC 컨버터들의 입력전압, 즉 모듈 전압이 정해진 시간동안 좁은 전압범위내에 있으면서 그 절대값이 간선의 피크전압보다 높을 때 작동상태가 변할 수 있다. 이 경우, DC-DC 컨버터들의 2개 입력단의 작업포인트가 중간회로 전압을 통해 병렬로 설정되도록 2개의 DC-DC 컨버터를 정지시킬 수 있다. 이렇게 되면, 태양광 모듈이나 스트링의 개별적 설정이 이루어지지 못한다. 각각의 스트링의 작업포인트가 최적이 아니어도 DC-DC 컨버터의 손실을 최소화할 수 있으므로, 전체 장치의 에너지를 최대로 얻어 효율을 개선할 수 있다. DC-DC 컨버터의 입력단의 주변상태를 바꿀 때, 예를 들면 모듈의 출력이 증가할 때, 이들 컨버터들을 개별적으로 설정한다. 이는 2개의 스트링 사이의 전력비의 변화를 의미한다. 이어서, 2개의 DC-DC 컨버터들이 다시 작동된다.
본 발명에 의하면, DC-DC 컨버터의 입력변수인 전류나 전압이나 전력을 측정하고, 멀티스트링 인버터의 작동상태는 정의된 기준값들의 함수로 한다.
DC-DC 컨버터와 DC-AC 컨버터를 하나의 하우징에 설치할 수 있지만, 이들을 각각 별도로 구현할 수도 있다.
본 발명의 다른 장점들은 종속항에 기재한 바와 같다.
DC-DC 컨버터들의 스위치가 연속작동상태가 아닌 온/오프 스위칭 상태에 있어서 입력전압이 출력전압과 동일해지는 작동상태로 바꾼다. 그 결과, 반도체스위치 자체에 스위치손실이 없어 전체 발전소의 효율이 개선된다.
또, DC-DC 컨버터의 입력전압을 최고로 한 상태에서 스위치 오프하면 이 입력전압이 간선의 피크전압보다 높아지는 효과를 얻을 수 있다. 이때, 이런 DC-DC 컨버터에 연결된 태양광모듈의 작업포인트를 중간회로 전압을 통해 설정할 수 있다. 스위치 오프 상태에서, DC-DC 컨버터의 입력전압은 출력전압과 거의 같다.
또, DC-DC 컨버터의 입력전압이 모두 좁은 전압범위에 있을 때 DC-DC 컨버터가 스위치 오프되는 것도 장점이다. 양쪽 모듈전압이 개별적인 작업포인트 설정에도 불구하고 정해진 시간동안 좁은 전압범위에 있으면, 손실이 상당히 줄어든다. 2개 태양광 모듈의 작업포인트를 DC-AC 컨버터를 통해 최적화할 수 있다. 실제로는, 2개 DC-DC 컨버터에 걸리는 입력전압이 간선의 피크전압보다 높을 때 이런 현상이 일어난다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서는, DC-AC 컨버터의 입력전압이 간선의 피크전압 범위로 강하해 태양광모듈의 전력비가 한계값보다 높거나 정해진 시간이 경과했을 때 DC-DC 컨버터를 재가동시킨다. 이런 재가동에 의해, 태양광모듈의 작업포인트를 개별적으로 설정할 수 있다.
또, 태양광모듈에 대한 그늘 검색법으로 MPT(Maximum Power Tracking; 최대출력제어법)를 이용해 최대전력이 여러개 있을 경우에도 최적의 작업포인트를 설정할 수 있는 것이 다른 장점이다. 이런 작동상태에서는 그늘진 태양광모듈을 찾아 MPT법을 적용해 보다 효율적인 작업포인트를 찾을 수 있다. 예컨대, 일반 검색범위보다 MPT 검색범위를 증가시키면 된다.
본 발명에 의하면, 여러가지 MPT 방법들을 바꿀 수 있다. 예컨대, DC-DC 컨버터가 일정 작동상태에 들어가거나 계속 작동하지 않을 때는 첫번째 MPT 방법을 두번째 MPT 방법으로 바꿀 수 있다. 이렇게 하면 효율을 더 개선할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 DC-DC 컨버터 각각이 부스트컨버터일 수도 있다. 이렇게 되면 스위치가 정지되었을 때, 즉 부스트 컴퓨터의 반도체스위치가 더이상 작동하지 않고 열려있을 때 거의 손실이 생기지 않기 때문에 유리하다. 태양광모듈의 양극과 음극과 중간회로 사이의 전기연결은 부스트 컨버터의 초크와 다이오드에 의해 이루어진다.
태양광발전기의 효율개선은 DC-DC 컨버터의 정지 작동상태에서 반도체스위치나 다이오드나 초크를 브리지하는 추가 스위치를 작동시켜 이루어진다.
부스트 컨버터에서 직렬연결된 초크와 다이오드는 이런 추가 스위치를 통해 브리지된다. 이 경우, 추가스위치의 작동이 필요하다. 부스트 컨버터의 다이오드와 초크는 물론 추가 스위치에도 손실이 있기는 하지만, 거의 무시할 정도이다. 추가 스위치로는 작은 전압이 흐르는 기계식스위치나 반도체스위치나 다이오드가 좋다. DC-DC 컨버터의 요소들을 브리지하는 추가 스위치를 다른 종류의 DC-DC 컨버터에도 사용할 수 있다. DC-DC 컨버터의 반도체스위치는 이 스위치가 브리지하는 요소인 초크나 다이오드에서 더이상 펄스작동(온/오프)하지 않는다. 그 결과, DC-DC 컨버터가 부스트 컨버터나 버크 컨버터로서(예; 세픽이나 제타 컨버터), 원하는 효율개 선을 이룰 수 있다.
대응 요소들을 거의 손실 없이 브리지하는 릴레이나 대응 기계식 스위치도 추가 스위치로 사용할 수 있다. 그늘로 인한 모듈의 전압변화가 아주 느리게 일어나기 때문에 기계식 스위치도 사용 가능한 것이다. 그러나, MOSFET 스위치와 같은 반도체스위치가 역시 바람직하다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, DC-DC 컨버터들의 스위치가 연속작동상태가 아닌 온/오프 스위칭 상태에 있어서 입력전압이 출력전압과 동일해지는 작동상태로 바꾼다. 그 결과, 반도체스위치 자체에 스위치손실이 없어 전체 발전소의 효율이 개선된다.
도 1은 태양광 발전기(6)의 회로도로서, 2개의 독립 입력단이 달린 멀티스트링 인버터를 구비한다. 태양광 발전기(6)에는 2개의 태양광모듈(1a,1b)이 있다.
태양광모듈(1a,1b)은 하나나 여러개의 태양광모듈로 구성되는데, 이들 모듈은 직렬이나 병렬이나 스트링으로 연결된다. DC-DC 컨버터(2a,2b)를 태양광모듈(1a,1b)의 하류에 각각 연결하여, 태양광모듈(1a)과 컨버터(2a)를 연결하고, 태양광모듈(1b)과 컨버터(2b)를 연결한다. 태양광모듈(1b,1b)은 각각 전압 Usa와 Usb를 공급한다. DC-DC 컨버터(2a,2b)의 출력단을 서로 병렬 연결해 고유의 중간회로 전압 Uzwk만 생성한다. 중간회로 커패시 Czwk를 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 출력단에 병렬 연결한다. 간선(4)에 연결되어 간선 피크전압 Unetz를 공급하는 DC-AC 컨버터(3)를 중간 커패시터(Czwk)의 하류에 설치한다.
DC-AC 컨버터(3)에 브리지회로를 설치하고 출력측에는 도시되지 않은 라인필터를 설치한다. DC-AC 컨버터(3)의 기능은 간선(4)에 교류전압을 공급하기 위해 출력측에서 110V나 230V의 교류전압을 50Hz나 60Hz로 공급하는데 있다. 간선(4)은 송전선망이나 독립된 간선망일 수 있다. 2개의 DC-DC 컨버터(2a,2b)와 중간회로 커패시터(Czwk)와 DC-AC 컨버터(3)를 멀티스트링 장치(5)의 하우징으로 병합할 수 있다. 물론, 다른 구성도 가능하다.
도 1의 태양광 발전기(6)는 스트링이 2개 밖에 없어서 DC-DC 컨버터(2a,2b)도 2개밖에 없지만, 스트링이 2개 이상이면 컨버터도 그 이상으로 배치할 수 있다.
도 2~3은 도 1의 회로에 대한 개략적 전압곡선으로, 전압 Usa, Usb를 볼 수 있다. 둘다 회로에서 DC-DC 컨버터(2a,2b)를추가하거나 제거하는 방법을 더 잘 이해하면서 그 조건을 설명하는 역할을 한다.
도 2의 곡선들은 태양광모듈(1a,1b)의 전압(Usa,Usb)과 중간전압(Uzwk)은 물론 라인전압(Unetz)의 피크값(
Figure 112009014989352-PAT00001
netz)을 보여준다. 도 2와 같이, Usa가 피크값은 물론 Usb보다 충분히 크면, 관련 DC-DC 컨버터(2a)가 정지할 수 있다. 그 결과, 중간회로 전압 Uzwk를 통해 DC 작업포인트가 설정되는바, Usa와 Uzwk가 동일하다. 태양광모듈(1b)의 작업포인트는 작동 DC-DC 컨버터(2b)를 통해 설정된다. 이렇게 되면 DC-DC 컨버터(2a)의 손실을 줄일 수 있어, 전체 발전기의 효율이 상당히 증가한다. 도 2에서 작동상태는 "1", 정지상태는 "0"으로 표시했다.
도 3은 도 1의 회로도의 중간회로의 태양광모듈(1a,1b)의 출력단이나 스트링에서의 전압곡선(SA,SB)과, 스트링이나 태양광모듈(1a,1b) 사이의 전력비 곡선(LV)을 보여주는 그래프이다. 도면에서 시간순서대로 있는 4개 영역(A~D)을 구분할 수 있을 것이다.
A 영역에서는 2개의 태양광모듈 전압 Usa와 Usb가 324V 정도의 간선 피크전압
Figure 112009014989352-PAT00002
netz보다 위에 있고 서로 상당히 떨어져 있다. 간선 피크전압
Figure 112009014989352-PAT00003
netz는 도면에 표시되지 않았다. 이 상태에서, DC-DC 컨버터(2a)가 작동하고 다른 DC-DC 컨버터(2b)는 정지하며, 스트링이나 모듈(1b)의 작업포인트는 중간회로를 통해 정해진다. A 영역 끝에서는 2개의 전압값이 서로 접근한다.
따라서, 두번째 모듈(1b)의 DC-DC 컨버터(2b)가 영역 B에서 온되어 2개의 스트링들이 각각의 작업포인트를 설정할 수 있다. 중간전압 Uzwk는 어떤 태양광 전압보다도 높다. B 영역의 끝에서 2개의 태양광 전압은 정해진 시간동안 일정 전압범위 안에 있게 된다.
C 영역에서는 양쪽 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 오프되고 작업포인트는 모두 중간회로를 통해 설정된다.
D 영역에서, 양쪽 컨버터(2a,2b)가 다시 동작하되 개별적으로 작업포인트를 설정할 수 있도록 2개 입력단 사이의 전압비가 상당히 변했다.
각각의 작업포인트가 모듈(1a,1b)에 대해 항상 최적인 것은 아니지만, DC-DC 컨버터에서 손실을 절감한 덕분에 전체 장치에 대해 최대의 에너지를 얻을 수 있다. 2개 입력단의 주변 상태가 바뀌어 개별적인 처리가 필요하다면, 2개 모 듈(1a,1b) 사이의 전압비의 변화에서 이를 알 수 있고 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 다시 작동된다.
도 1의 DC-DC 컨버터(2a,2b)로는 승압형 컨버터인 부스트 컨버터가 바람직하다. 도 4a는 부스트 컨버터의 회로도의 일례이다. 부스트 컨버터에서 초크(LH)와 다이오드(DH)가 직렬 연결되고, 다이오드의 음극이 초크(LH)에 연결된다. 2개 부품 사이에 반도체스위치(SH)가 연결되고, 이 스위치는 음극에 연결된다. 반도체스위치(SH)가 펄스 작동을 하면, 부스트 컨버터의 출력전압이나 출력전류가 변할 수 있다.
부스트 컨버터가 작동하지 않으면, 스위치(SH)는 열려있다. 입력측에 연결된 태양광모듈의 양극은 초크(LH)와 다이오드(DH)를 통해 도시되지 않은 중간 커패시터(Czwk)에 연결된다.
도 4b는 부스트 컨버터의 변형 회로도로서, 스위치(Sz)가 다이오드(DH)를 브리지한다.
스위치(Sz)는 도 4c와 같이 초크(LH)와 다이오드(DH)를 한꺼번에 브리지할 수도 있다.
이런 회로에서는 도 4b나 도 4c와 같이 2가지 동작상태가 가능하다.
첫번째 동작상태에서는 반도체스위치가 작동하고 브리지스위치(Sz)는 열린다. 두번째 동작상태에서는 반도체스위치가 작동하지 않고 열리며 브리지스위치(Sz)는 닫힌다.
도시되지 않은 측정기로 모듈(1a,1b)의 출력전압 Usa, Usb 및전류와 같은 값 들을 측정한다. 컨트롤러는 범위가 제한된 측정된 값의 함수로 스위치(SH,Sz)를 제어한다.
도 5a는 강압형 컨버터인 버크컨버터(buck converter)로 구성된 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 회로도이다. 반도체스위치(ST)와 초크(LT)가 직렬로 연결되고, 그 사이에 다이오드(DT)가 연결되는데, 다이오드의 음극은 음극에 연결된다.
버크컨버터가 정지하면, 반도체스위치(ST)는 열린다. 반도체스위치(ST)에 병렬 연결된 다른 스위치(Sz)는 닫혀 버크컨버터 스위치(ST)를 브리지한다. 초크(LT)도 브리지하려면, 스위치(Sz)를 반도체스위치(ST)와 초크(LT)에 병렬 연결한다(도 5b 참조).
도 6은 제타컨버터형 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 회로도이다. 제타컨버터에서는 반도체스위치(Sze), 커패시터(Cze), 초크(Lze2)가 직렬로 연결되고, Sze와 Cze 사이에 초크(Lze1)가 연결되며, 이 초크는 음극에 연결된다. Cze와 Lze2 사이에는 다이오드(Dze)가 연결되고, 다이오드의 양극은 음극에 연결된다.
이런 컨버터에는 부품들을 브리지하기 위한 추가 스위치(Sz)가 필요하다. 제타컨버터가 정지하면 스위치(Sze)가 열린다. 추가 스위치(Sz)는 닫혀 스위치(Sze)와 커패시터(Cze)를 브리지한다. 원칙적으로, 브리지를 초크(Lze2)까지도 연장할 수 있다.
도 7은 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 세픽(SEPIC) 컨버터인 경우의 회로도이다. 세픽 컨버터에서는 초크(Lse1), 커패시터(Cse) 및다이오드(Dse)가 모두 직렬로 연결되고, 초크(Lse1)와 커패시터(Cse)와 음극 사이에 반도체스위치(Sse)가 연결되며, 다이오드(Dse)의 양극과 커패시터(Cse)와 음극 사이에 다른 초크(Lse2)가 연결된다.
세픽 컨버터에서는 다른 스위치(Sz)로 부품들을 브리지하는데, 이 스위치가 닫히면 커패시터(Cse)와 다이오드(Dse)를 브리지한다. 반도체스위치(Sse)가 계속 작동하지 않는 상태에 있을 때, 추가 스위치(Sz)가 닫히면 제1 초크(Lse1)와 스위치(Sz)를 통해 DC-AC 컨버터(3)로 전류가 흐른다. 물론 스위치(Sz)가 제1 초크(Lse1)를 추가로 브리지하는 것도 가능하다.
정지상태에서는 반도체스위치(Sse)가 열린다. 즉, 이 스위치가 계속 작동하지 않음을 의미한다. 작동상태에서는 반도체스위치(Sse)가 온/오프하면서 대응 DC-DC 컨버터에 대한 최대 전력을 설정한다. 따라서, 이 실시예에서는 모든 DC-DC 컨버터를 세픽 컨버터로 구성하고 커패시터와 다이오드(Dse)를 브리지하는 추가 스위치(Sz)는 세픽컨버터가 정지할 때마다 닫히는 것을 특징으로 한다. 한편, 모든 DC-DC 컨버터를 세픽컨버터로 구성하되, 커패시터와 다이오드(Dse)와 초크(Lse1)를 모두 브리지하는 스위치(Sz)를 세픽컨버터가 정지할 때마다 닫히도록 할 수도 있다.
도 8은 도 1의 회로구성에서 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 입력단의 전압(Usa,Usb)이나 전력(Psb)과 시간과의 관계를 나타낸 그래프이다. 실선은 양지에 있을 때의 태양광모듈의 측정값들을 나타내고, 파단선은 시시때때로 그늘에 있는 다른 모듈 스트링의 측정값들을 나타낸다.
처음 20분간 2개 입력단의 전압(Usa,Usb)는 동일한 곡선을 그린다. 20분 뒤, 태양광모듈(1a 또는 1b)에 그늘이 지기 시작한다. 이 그늘로 인해 모듈의 전력이 변하면 그늘이라고 감지하는데, 이는 전력값이 더이상 태양광모듈(1a,1b)의 전력비의 고정 허용한도내에 있지 않기 때문이다.
가능한한 이상적인 태양광모듈(1a,1b)을 사용하면, 모듈에 그늘이 졌을 때 DC-DC 컨버터들이 작동되거나 그중의 하나만이 작동되는 장점이 생긴다. 그 결과 효율을 상당히 개선할 수 있다. DC-DC 컨버터(2a,2b)가 정지한 경우, 태양광모듈(1a,1b)의 MPP 포인트를 DC-AC 컨버터(3)를 통해 설정할 수 있다.
최적의 작업포인트를 얻으려면, DC-AC 컨버터(3)가 MPP 방법을 실행한다. 여러 최대 전력에서 항상 더 높은 작업포인트를 설정하는 것이 바람직하다. 태양광모듈(1a,1b)이 부분적으로 그늘이 질 때는 여러개의 최대 전력값이 생길 수 있다.
아래와 같은 때 본 발명의 작동상태가 주어진다고 할 수 있다:
- DC-DC 컨버터(2a,2b)의 반도체스위치가 온/오프할 때,
- 이 반도체스위치가 온/오프하지 않고 계속 열려있을 때,
- 이 반도체스위치가 온/오프하지 않고 계속 닫혀있을 때, 또는
- 추가 바이패스 스위치가 계속 열려있거나 닫혀있을 때.
물론 위의 조건들이 조합되었을 때도 가능하다.
도 1은 태양광 발전기(6)의 회로도로서, 2개의 독립 입력단이 달린 멀티스트링 인버터를 구비한다.
도 2~3은 도 1의 회로에 대한 개략적 전압곡선으로, 전압 Usa, Usb를 볼 수 있다. 둘다 회로에서 DC-DC 컨버터(2a,2b)를추가하거나 제거하는 방법을 더 잘 이해하면서 그 조건을 설명하는 역할을 한다.
도 4a는 부스트 컨버터의 회로도의 일례로, 부스트 컨버터에서 초크(LH)와 다이오드(DH)가 직렬 연결되고, 다이오드의 음극이 초크(LH)에 연결된다.
도 4b는 부스트 컨버터의 변형 회로도로서, 스위치(Sz)가 다이오드(DH)를 브리지한다.
도 4c는 스위치가 초크(LH)와 다이오드(DH)를 한꺼번에 브리지하는 회로도이다.
도 5a는 강압형 컨버터인 버크컨버터(buck converter)로 구성된 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 회로도이다.
도 5b는 반도체스위치와 초크를 브리지하는 추가스위치가 달린 버크컨버터형 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 6은 DC-DC 컨버터의 변형례로서, 제타 컨버터로 구성되고 추가 스위치가 반도체스위치와 커패시터를 브리지한다.
도 7은 다이오드와 커패시터를 브리지하는 추가스위치가 달린 세픽컨버터형 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 8은 DC-DC 컨버터 입력단의 전압과 전력 곡선을 보여주는 그래프이다.

Claims (11)

  1. 태양광발전기(6)의 태양광모듈(1a,1b)용 멀티스트링 인버터의 입력측에서 태양광모듈(1a,1b) 각각에 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 별도로 연결되어 있고, DC-DC 컨버터(2a,2b)의 각각의 출력단은 DC-AC 컨버터(3)의 입력단에 병렬로 연결되며, DC-AC 컨버터(3)가 간선(4)에 연결되어 교류전류를 공급하는 인버터를 작동시키는 방법에 있어서:
    각각의 DC-DC 컨버터(2a,2b)에서 입력전류, 입력전압 및/또는 입력전력을 측정해 측정값을 구하고;
    제한된 값을 넘으면 상기 측정값의 함수로 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 동작상태가 변해 전력손실이 줄어들어, 태양광발전기(6)의 에너지수율이 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 스위치가 연속작동상태가 아닌 온/오프 스위칭 상태에 있어서 입력전압이 출력전압과 동일해지는 작동상태로 바뀌는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 입력전압을 최고로 한 상태에서 스위치 오프하면 이 입력전압이 간선의 피크전압보다 높은 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(2a,2b)의 입력전압이 일정 범위에 있을 때 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(2a,2b)에 간선의 피크전압보다 높은 입력전압이 걸리면 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 DC-AC 컨버터(3)의 입력전압이 간선 피크전압 범위내에 있고 태양광모듈(1a,1b)의 전력비가 한계값 이상으로 변하거나 정해진 시간이 지났을 때 DC-DC 컨버터(2a,2b)가 다시 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 태양광모듈(1a,1b)에 대한 그늘 검색법으로 MPT(Maximum Power Tracking; 최대출력제어법)를 이용해 최대전력이 여러개인 경우에도 적절한 작업포인트를 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, DC-DC 컨버터(2a,2b)의 작동상태의 함수로 태양광모듈(1a,1b)의 부분 그늘을 감지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 여러가지 MPT 방법들을 바꿀 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 정지상태에서, DC-DC 컨버터(2a,2b)에서 반도체스위치(SH,ST,Sze,Sse), 다이오드(DH,DT,Dze,Dse) 및/또는 초크(LH,LT,Lze2,Lse1)를브리지하는 추가 스위치를 스위치온하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, DC-DC 컨버터(2a,2b) 각각이 부스트컨버터인 것을 특징으로 하는 방법.
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