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KR20130062987A - 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터 - Google Patents

고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터 Download PDF

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KR20130062987A
KR20130062987A KR1020137006529A KR20137006529A KR20130062987A KR 20130062987 A KR20130062987 A KR 20130062987A KR 1020137006529 A KR1020137006529 A KR 1020137006529A KR 20137006529 A KR20137006529 A KR 20137006529A KR 20130062987 A KR20130062987 A KR 20130062987A
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Abstract

본 발명은 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터에 관한 것으로, AC 출력이 두 개의 리액터들(L1, L2)를 통해 공용 그리드(U)에 연결되고; 네 개의 다이오드들(D1, D2, D3, D4)이 다이오드 브리지를 형성하고 이러한 다이오드 브리지의 마이너스 노드가 트랜지스터(V5)의 컬렉터 및 다이오드(D5)의 애노드에 연결될 때에, 다른 하나의 하프 브리지(20)의 AC 노드가 다이오드(D3)의 애노드 및 다이오드(D4)의 캐소드에 연결되는 동안에, 하나의 하프 브리지(10)의 AC 노드가 다이오드(D1)의 애노드 및 다이오드(D2)의 캐소드에 연결되는 특징이 있는 하프 브리지가 생성되는 에너지 저장 커패시터(C)의 플러스 및 마이너스 터미널에 두 개의 하프 브리지들(10, 20)이 연결되는 방식과 같이, 에너지 저장 커패시터(C)가 PV 어레이(P)의 터미널에 연결되고; 다이오드 브리지(D1, D2, D3, D4)의 마이너스 노드가 트랜지스터(V5)의 이미터 및 다이오드(D6)의 캐소드에 연결되는 동안에 다이오드(D5)의 캐소드가 에너지 저장 커패시터(C)의 터미널에 연결되고; 다이오드(D6)의 애노드가 에너지 저장 커패시터(C)의 마이너스 터미널에 연결된다.

Description

고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터 {ADVANCED CIRCUIT ARRANGEMENT OF TRANSFORMERLESS 1 PHASE PV INVERTER}
본 발명은 변압기(Transformer) 없이 일 위상 공용네트워크(1 Phase Utility Network)으로의 DC 에너지 공급에 관한 것이다. 본 발명은 또한 PV 어레이 에너지 변환(Array Energy Conversion)을 처리하도록 한다.
하프(Half) 브리지(Bridge)들은 보통 다이렉트 전류 에너지 변화(Direct Current Energy Conversion)에 적용되고 절연 변압기 없이 공용네트워크로 공급한다고 잘 알려져 있다.
하프 브리지들을 제어하기 위한 다양한 게이팅 패턴(Gating Pattern)이 있는데, PV 애플리케이션을 위해서는, 이전의 다이애거널(Diagonal)이 금지되는 동안 다른 다이애거널이 마이너스 하프 주기에서 PWM 신호를 게이팅하는 것보다, 다른 다이애거널이 금지되는 동안 하나의 다이애거널이 플러스 하프 주기에서 PWM 신호를 게이팅하는 것이 보통 솔루션인 것과 같이, 유용한 솔루션들이 PV 어레이 공전 커패시턴스(Stray Capacitance)로 인해 그라운드에 제한된다. 두 개의 다이애거널들은 모든 하프 공용네트워크 주기에서 역할을 바꾼다.
AC 전류가 끊어진 경우에 게이팅 시스템이 하프 브리지에서 출력으로 두 개의 전압 레벨, 즉 플러스 또는 마이너스 전압을 제공할 수 있다고 역시 잘 알려져 있다.
이러한 전류 배열 형태와 제어 방법의 불리한 점은, 멀티 레벨 시스템과 비교했을 때에 하프 브리지의 출력에서의 L,C 또는 L,C,L 필터가 보다 커진다는 것이다.
모든 PWM 주기에서 출력 필터 회로와 하프 브리지 DC 필터 커패시터 사이에 불필요한 에너지 스윙이 있다는 불리한 점도 언급되고 있다.
AC 전류가 끊어진 경우에 게이팅 시스템이 하프 브리지에서 출력으로 두 개의 전압 레벨, 즉 플러스 또는 마이너스 전압을 제공할 수 있다고 역시 잘 알려져 있다.
이러한 전류 배열 형태와 제어 방법의 불리한 점은, 멀티 레벨 시스템과 비교했을 때에 하프 브리지의 출력에서의 L,C 또는 L,C,L 필터가 보다 커진다는 것이다.
모든 PWM 주기에서 출력 필터 회로와 하프 브리지 DC 필터 커패시터 사이에 불필요한 에너지 스윙이 있다는 불리한 점도 언급되고 있다.
종래 기술의 상태로, 이러한 단점들을 극복하기 위해 노력하고 있다.
다음과 같은 특허에 종래 기술의 상태가 나타나 있는데, 국제공개특허 WO 2007/048420 A1에 나타나 있으며, 소위 H5와 헤릭(HERIC) 솔루션들은 특허에 의해 보호되고 있으며, 인터솔라 전시 및 세미나(InterSoolar Exhibition and Seminar)에서 소개되고 검토되었다.
국제공개특허 제WO 2007/048420 A1호
본 발명은 알려진 불리한 점들을 제거하고 또한 실속적인 솔루션을 제공하여 적은 수의 아이템들과 고효율을 가지는 단순한 스위칭 배열을 가진 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 새로운 도입은 전통적인 하프 브리지 일 위상 인버터에 다섯 번째 반도체 스위칭 요소를 추가하는데, 반도체 하프 브리지 다이애거널들이 오프 상태일 때에, 인버터 출력 전압의 3가지 형태를 허용하고 출력 필터가 공용네트워크로 에너지를 부분적으로 공급할 수 있고 PWM 변조 동안에 에너지를 부분적으로 저장할 수 있다. 이러한 솔루션은 또한 동일한 THD(Total Harmonic Distortion)와 함께 축소 사이즈 필터를 충분히 사용할 수 있다.
본 발명의 새로운 회로 배열은 이전의 PV 어레이 및 EMC 고장을 회피할 수 있는 PV 어레이로부터 소위 소리 없는 DC 버스를 제공할 수 있다. 이러한 새로운 회로 배열은 감소된 AC 측 필터로 에너지 변환의 효율성을 증가시키고 상술한 불필요한 에너지 스윙을 제거시킨다.
ZVS(Zero Switching Voltage) 모드에서 적용된 반도체 스위칭 요소들 중 일부분이 상당히 스위칭 손실들을 감소시키는 것을 알 수 있다.
본 발명의 주요한 이점으로는 본 발명에 의한 새로운 회로가 예를 들어 헤릭 및 H5 위상 기하학과 비교하여 전력 조류(Power Flow)용 전류 방향 불감지 프리휠 회로를 달성하며, 이에 이러한 솔루션은 저 전압 공용네트워크를 공급하는 인버터가 그리드 관리에 도움도 되는 반응력을 제공할 수 있다는 2010년 7월 발효된 유럽연합의 요건을 제공한다.
실시 예들 중에서, 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터는, AC 출력이 두 개의 리액터들(L1, L2)를 통해 공용 그리드(U)에 연결되고; 네 개의 다이오드들(D1, D2, D3, D4)이 다이오드 브리지를 형성하고 이러한 다이오드 브리지의 마이너스 노드가 트랜지스터(V5)의 컬렉터 및 다이오드(D5)의 애노드에 연결될 때에, 다른 하나의 하프 브리지(20)의 AC 노드가 다이오드(D3)의 애노드 및 다이오드(D4)의 캐소드에 연결되는 동안에, 하나의 하프 브리지(10)의 AC 노드가 다이오드(D1)의 애노드 및 다이오드(D2)의 캐소드에 연결되는 특징이 있는 하프 브리지가 생성되는 에너지 저장 커패시터(C)의 플러스 및 마이너스 터미널에 두 개의 하프 브리지들(10, 20)이 연결되는 방식과 같이, 에너지 저장 커패시터(C)가 PV 어레이(P)의 터미널에 연결되고; 다이오드 브리지(D1, D2, D3, D4)의 마이너스 노드가 트랜지스터(V5)의 이미터 및 다이오드(D6)의 캐소드에 연결되는 동안에 다이오드(D5)의 캐소드가 에너지 저장 커패시터(C)의 터미널에 연결되고; 다이오드(D6)의 애노드가 에너지 저장 커패시터(C)의 마이너스 터미널에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 트랜지스터들(V1 ~ V5)은 리버스 다이오드(Reverse Diode)와 함께 장치를 갖출 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트랜지스터들은 리버스 다이오드 및 취소되는 두 개의 다이오드들(D5, D6)과 함께 장치를 갖출 수 있다.
일 실시예에서, 상기 PV 어레이(P)는 EMC 필터를 통해 상기 에너지 저장 커패시터(C)에 연결되거나, 상기 리액터들(L1, L2)의 터미널 2가 EMC 필터를 통해 공용 네트워크(U)의 터미널 1 및 2에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 PV 어레이(P)와 에너지 저장 커패시터(C) 사이에는 하나 또는 그 이상의 부스터 유닛(Booster Unit)이 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 리액터들(L1, L2)의 터미널 2는 필터 커패시터를 통해 서로 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 절연 변압기 없이 일 위상 공용네트워크로의 DC 전력 변환에 관한 것으로, 솔루션들이 약간의 스위칭 요소, 고 효율성, "소음 없는" DC 버스를 가지고, 이와 동시에 요구 반응력을 보장하는 인상적인 성능을 낼 수 있기 때문에, 리테일 네트워크(Retail Network)를 공급하기 위한 솔라 패널들을 유리하게 사용된다.
도 1은 본 발명의 공용네트워크로 공급되는 PV 에너지를 위한 변환기의 회로 배열을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 사용된 반도체 스위치들(V1, V2, V3, V4, V5)의 게이팅을 보여 주는 두 개의 네트워크 주기에 대한 도면이다.
도 3은 본 발명의 반도체 스위치들(V2, V3, V5)의 게이팅을 보여 주는 단일 PWM 변조 주기를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 반도체 스위치들(V1, V4, V5)의 게이팅을 보여 주는 단일 PWM 변조 주기를 나타낸 도면이다.
아래에서 회로 레이아웃은 본 발명에 따른 도면들 및 그것들의 운용 방법을 기초로 설명된다.
여기서, 도 1에서 인버터 배열을 나타내고 있는데, PV 어레이에 의해 공급된다.
인버터의 출력은 절연 변압기 없이 공용네트워크에 연결된다.
회로 배열은 플러스 터미널이 에너지 저장 커패시터(C), 트랜지스터들(V1, V3)의 컬렉터(Collector) 및 다이오드(D5)의 캐소드(Cathode)의 플러스 터미널에 연결되는 PV 어레이(P)에 의해 공급된다.
PV 어레이(P)의 마이너스 터미널은 에너지 저장 커패시터(C), 트랜지스터들(V2, V4)의 이미터(Emitter) 및 다이오드(D6)의 애노드(Anode)의 마이너스 터미널에 연결된다.
트랜지스터(V1)의 이미터, 트랜지스터(V2)의 컬렉터, 다이오드(D1)의 애노드 및 다이오드(D2)의 캐소드는 리액터(Reactor)(L2)의 터미널 1에 연결된다.
다이오드(D1, D3)의 캐소드 및 다이오드(D5)의 애노드는 트랜지스터(V5)의 컬렉터에 연결된다.
트랜지스터(V3)의 이미터, 다이오드(D3)의 애노드, 다이오드(D4)의 캐소드 및 트랜지스터(V4)의 컬렉터는 리액터(L1)의 터미널 1에 연결된다.
트랜지스터(V5)의 이미터 및 다이오드(D2, D4)의 애노드는 다이오드(D6)의 캐소드에 연결된다. 리액터(L1)의 터미널 2는 공용 그리드(Grid)(U)의 터미널 1에 연결된다.
리액터(L2)의 터미널 2는 공용 그리드(U)의 터미널 2 및 그라운드(F)의 터미널에 연결된다.
도 1에 소개된 회로도의 운용은 다음과 같다.
PV 어레이(P)는 에너지 저장 커패시터(C)를 연속적으로 충전한다. 그라운드 트랜지스터(V2, V3)의 게이팅과 비교하여 플러스 하프 주기에서는 도 2에 도시된 바와 같이 변조된다. 트랜지스터들(V2, V3)이 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 오프 상태에 있는 동안에 트랜지스터(V5)는 상태를 게이팅한다. 리액터들(L1, L2)에 의해 필터링되는 변조된 출력 전압은 저 하모닉스 콘텐츠 시누소이덜 전류(Low Harmonics Content Sinusoidal Current) 및 에너지 저장 커패시터(C)로부터 공용네트워크(U)로의 에너지 조류들을 생성한다.
그라운드 트랜지스터(V1, V4) 게이팅과 비교하여 마이너스 하프 주기에서는 도 2에 도시된 바와 같이 변조된다. 트랜지스터들(V1, V4)이 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 오프 상태에 있는 동안에 트랜지스터(V5)는 상태를 게이팅한다. 리액터들(L1, L2)에 의해 필터링되는 변조된 출력 전압은 저 하모닉스 콘텐츠 시누소이덜 전류 및 에너지 저장 커패시터(C)로부터 공용네트워크(U)로의 에너지 조류들을 생성한다.
PWM 변조는 도 2에 도시된 바와 같이 정주파(Constant Frequency)와 함께 실행되고, 입력된 전류뿐만 아니라 전력은 변조 깊이의 도움으로 제어된다.
도 3에서는 트랜지스터(V2, V3) 온 및 오프 위치들을 나타내고 있는데, 트랜지스터들(V3, V4)의 스위칭 손실들을 감소시킬 수 있도록 트랜지스터들(V2, V3)의 온 및 오프 위치들이 서로 조금 쉬프트된다.
또한 트랜지스터들(V1, V5)의 스위칭 손실들을 감소시킬 수 있도록 트랜지스터들(V1, V4)의 온 및 오프 위치들이 서로 조금 쉬프트된다.
이렇게 사용된 시간 쉬프팅은 반도체 장치 스위칭 동작의 응용 형태에 의존한다.
전류가 끊기고 제로 전류 레벨에 근접할 때에 트랜지스터(V5)는 오프 상태 위치에 있다.
요구되는 반응력은 공용네트워크(U) 전압에 동기화된 모든 스위칭 장치들의 스위칭 패턴의 각도 쉬프트에 의해 발생된다.
쉬프팅 각도 및 인버터 출력 전압의 사인(Sign) 및 값은 반응력의 진폭 및 사인(선행(Leading) 또는 후행(Lagging))을 정의한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
+: 플러스
-: 마이너스
10, 20: 하프 브리지
P: 솔라 어레이
C: 에너지 저장 커패시터
V1, V2, V3, V4, V5: 트랜지스터
D1, D2, D3, D4, D5, D6: 다이오드
L1, L2: 리액터
U: 공용네트워크
F: 그라운드

Claims (6)

  1. AC 출력이 두 개의 리액터들(L1, L2)를 통해 공용 그리드(U)에 연결되고;
    네 개의 다이오드들(D1, D2, D3, D4)이 다이오드 브리지를 형성하고 이러한 다이오드 브리지의 마이너스 노드가 트랜지스터(V5)의 컬렉터 및 다이오드(D5)의 애노드에 연결될 때에, 다른 하나의 하프 브리지(20)의 AC 노드가 다이오드(D3)의 애노드 및 다이오드(D4)의 캐소드에 연결되는 동안에, 하나의 하프 브리지(10)의 AC 노드가 다이오드(D1)의 애노드 및 다이오드(D2)의 캐소드에 연결되는 특징이 있는 하프 브리지가 생성되는 에너지 저장 커패시터(C)의 플러스 및 마이너스 터미널에 두 개의 하프 브리지들(10, 20)이 연결되는 방식과 같이, 에너지 저장 커패시터(C)가 PV 어레이(P)의 터미널에 연결되고;
    다이오드 브리지(D1, D2, D3, D4)의 마이너스 노드가 트랜지스터(V5)의 이미터 및 다이오드(D6)의 캐소드에 연결되는 동안에 다이오드(D5)의 캐소드가 에너지 저장 커패시터(C)의 터미널에 연결되고;
    다이오드(D6)의 애노드가 에너지 저장 커패시터(C)의 마이너스 터미널에 연결되는 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터들(V1 ~ V5)은
    리버스 다이오드(Reverse Diode)와 함께 장치를 갖추는 것을 특징으로 하는 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터들은
    리버스 다이오드 및 취소되는 두 개의 다이오드들(D5, D6)과 함께 장치를 갖추는 것을 특징으로 하는 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 PV 어레이(P)는
    EMC 필터를 통해 상기 에너지 저장 커패시터(C)에 연결되거나, 상기 리액터들(L1, L2)의 터미널 2가 EMC 필터를 통해 공용 네트워크(U)의 터미널 1 및 2에 연결되는 것을 특징으로 하는 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 PV 어레이(P)와 에너지 저장 커패시터(C) 사이에는
    하나 또는 그 이상의 부스터 유닛(Booster Unit)이 위치하는 것을 특징으로 하는 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 리액터들(L1, L2)의 터미널 2는
    필터 커패시터를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 고등 회로 배치의 변압기 없는 일 위상 피브이 인버터.
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