상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 교류입력(4)단과, 부하(20)와 연결된 교류출력(18)단의 사이에, 정류기 leg(32) 및 태양전지(34), 발전leg(36), 배터리(38), 충방전leg(40), 직류전력 저장콘덴서(12) 및, 공통 leg(42), 인버터 leg(44)이 순차적으로 병렬 접속되며, 상기 정류기 leg(32)은 교류입력전압을 직류전압으로 정류하고, 상기 발전leg(36)은 태양전지로부터 발생되는 불규칙한 전압을 승압하고, 상기 충방전leg(40)은 상기 발전 leg(36)을 통해 인입된 전압을 강압하여 배터리(38)에 충전하거나, 배터리(38)의 전압을 승압하여 부하단으로 출력시키며, 상기 직류전력 저장콘덴서(12)는 상기 충방전leg(40)으로부터 출력된 전압을 저장하고, 상기 공통 leg(42)는 스위칭되어 상기 인버터 leg(44)과 정류기 leg(32)을 독립적으로 제어하며, 상기 인버터 leg(44)은 교류 출력을 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 발전 leg(36)은 정전시 부스트 컨버터로 동작하여, 태양전 지(34)의 전압을 승압시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 충방전leg(40)은 정전이면서, 부하전력이 태양광 전력보다 작은 경우, 벅 컨버터로 동작하여 배터리(38)에 전압을 강압시켜 충전하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 충방전leg(40)은 정전이면서, 부하전력이 태양광 전력보다 작은 경우 또는 태양광 발전이 불가능한 경우에, 부스트 컨버터로 동작하여 배터리(38)의 전압을 승압시켜 부하로 제공하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 발전 leg(36)은 계통연결(교류전압입력)시, 부하전력이 태양광 발전보다 작거나 큰 것에 무관하게, 부스트 컨버터로 동작하여, 태양전지(34)의 전압을 승압시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 충방전leg(40)은 계통연결(교류전압입력)시, 부하전력이 태양광 발전보다 작거나 크거나, 태양광 발전이 불가능한 것에 무관하게, 벅 컨버터로 동작하여, 배터리(38)로 전압을 강압시켜 충전하게 스위칭되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치가 제공된다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치를 나타내는 회로도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치(30)는 직류전력 저장 콘덴서(12: C d )를 중심으로 태양전지(34)로부터 직류전력을 제공하는 태양광발전부(36: 발전 leg이라 함), 배터리를 충방전하는 충방전부(40: 충방전 leg이라 함), 교류입력전압을 직류전압으로 정류하는 정류부(32: 정류기 leg이라 함), 교류출력을 부하에 공급하는 인버터부(44: 인버터 leg이라 함.)로 크게 구성되어져 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치(30)는 교류입력(4)단과, 부하(20)와 연결된 교류출력(18)단의 사이에, 정류기 leg(32) 및 태양전지(34), 발전leg(36), 배터리(38), 충방전leg(40), 직류전력 저장콘덴서(12) 및, 공통 leg(42), 인버터 leg(44)이 순차적으로 병렬 접속되어 제어부(미도시)의 스위칭신호에 따라 각 구성에 포함된 스위치가 제어됨으로써 안정적인 무정전 전원투입장치를 구성한다.
상기 정류부(32)와 인버터부(44)는 공통 leg(42)를 공유한다. 직류전압은 계통전압에 사용할 수 있는 비교적 높은 전압으로, 태양광발전으로부터 나오는 불규칙한 전압을 발전 leg(36)를 통하여 승압하거나, 낮은 배터리 전압을 충방전 leg(40)를 사용하여 승압하여 얻을 수 있다. 따라서 본 발명의 제안된 회로에서는 종래의 무정전장치에 사용되었던 입력단과 출력단의 변압기를 제거할 수 있다.
상기 공통 leg(42)는 저주파수인 입력전원과 동일한 주파수로 스위칭을 하고, 정류기 leg(32)와 인버터 leg(44)를 고주파의 스위칭 주파수로 스위칭을 하면 고정주파수의 가변 교류전원을 얻게 된다.
상기 공통 leg(42)에 포함된 스위치(T3, D3)들은 입력전원의 주파수로 스위칭을 하면, 정류기 leg(32)와 인버터 leg(44)의 스위치들은 단극성 (unipolar) PWM 방식으로 스위칭하게 되며, 정류기 leg(32)와 인버터 leg(44)의 스위치(T1,D1,T4,D4)들은 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 즉 정류기 leg(32)는 입력전류를 제어하기 위한 방향으로 스위칭하며 인버터 leg(44)는 출력전압을 제어하기 위한 방향으로 스위칭하게 된다.
상기 발전 leg(36)는 부스트 컨버터(boost convert 혹은 step-up converter)로 동작하여, 불규칙한 태양전지(34) 전압을 계통전압에 사용할 수 있는 직류전압으로 승압한다. 상기 발전 leg(36)의 다이오드 D, 스위치 S, 인덕터 L p 가 조합되어 부스트 컨버터(boost convert 혹은 step-up converter)로 동작된다.
이때, 부스트 컨버터(boost convert 혹은 step-up converter)는 승압형 컨버터라고도 일컬으며, 스위치 S가 ON된 동안에는 입력전원이 상기 인덕터 L p 의 양단에 연결되어 전류의 충전이 이루어지며, 스위치 S가 ON되면 충전된 전류가 부하 측 즉, 상기 충방전 leg(40)측으로 전달된다.
상기 충방전 leg(40)는 배터리(38)를 충전할 경우에는 벅 컨버터(buck converter 혹은 step-down converter)로 동작하여 정류 회로를 거친 높은 직류전압을 배터리(38)로 충전하기에 적당한 전압으로 낮춘다. 방전 시에는 반대로 부스트 컨버터로 동작하여 낮은 배터리 전압을 계통전압에 사용할 수 있는 직류전압으로 승압하게 된다.
즉, 상기 충방전 leg(40)는 충전시 및 방전시에 각각 벅 컨버터(buck converter 혹은 step-down converter) 및 부스트 컨버터(boost convert 혹은 step-up converter)로 동작하여 전압을 강압 또는 승압한다.
상기 벅 컨버터(buck converter 혹은 step-down converter)는 강압형 컨버터라고도 하며, 일정한 주기로 스위칭되는 스위칭소자를 사용하여 스위치가 ON되는 동안 입력전원이 회로에 연결되고, OFF된 동안에는 회로가 끊어진다. 따라서, 주기적으로 펄스모양의 전압을 평활하여 직류 전압을 출력하여 배터리를 충전시킨다.
상기 충방전 leg(40)는 벅 컨버터의 기능으로 배터리(38)를 충전시키며, 부스트 컨버터의 기능으로 배터리(38)의 충전전압을 부하단으로 승압시켜 전달한다.
본 발명은 정전시 계통전압으로 사용할 수 있는 직류전압을 태양전지(34) 또는 배터리(38) 단독으로 얻거나 태양전지(34)와 배터리(38)를 동시에 사용하여 얻을 수 있기 때문에 배터리(38)를 단독으로 쓰는 경우보다 안정적인 전원을 확보할 수 있다.
또한, 태양광발전전력의 잉여전력 발생시 배터리(38)의 충전이 가능하여 정전시 시스템의 동작시간을 연장시킬 수 있다. 또한, 계통과 연결되어 있을 때에는 태양광발전전력으로 배터리의 충전 및 부하전력을 공급할 뿐만 아니라 잉여 전력 발생시 계통으로 전달할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서 제안된 회로는 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 저가격화를 가져올 수 있으며, 입력 및 출력변압기의 제거, 도통손실의 감소, 그리고 태양광발전전력으로 계통전력, 배터리전력 및 부하전력을 직접 공급함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3a, 3b, 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치를 이용한 정전시 동작상태를 나타내는 전류흐름도이다.
이를 참조하면, 도 3a, 3b, 3c는 정전이 발생될 경우, 본 발명의 전류 흐름도를 나타낸 것으로, 도 3a는 정전시의 전류흐름을 나타낸 것이므로, 교류입력(4)이 이루어지지 않고, 부하전력이 태양광발전보다 적은 경우로, 발전 leg(36)의 다이오드 D, 스위치 S, 인덕터 L p 가 부스트 컨버터로 동작하여 태양전지(34)로부터 나오는 전압을 직류전압 V d 로 상승시켜 부하전력을 공급하고 태양광발전전력의 잉여전력은 배터리(38)에 공급된다.
도면에서, 전류가 도통되는 라인은 굵은 실선으로, 도통되지 않는 라인은 얇은 실선으로 도시하도록 한다.
발전 leg(36)의 스위치 S는 일정한 펄스폭변조를 통해 제어되며, 다이오드 D는 인덕터 L p 에 저장된 에너지를 직류 콘덴서 C d 에 공급할 때 도통된다. 충방전 leg(40)는 인덕터 L b 와 배터리와 연결되어 벅 컨버터로 동작하여 배터리를 충전시킨다.
즉, 태양광 발전이 부하전력보다 큰 경우이므로, 태양광 발전으로 발생된 전력은 부하전력을 공급하고도 잉여전력이 잔존하게 되므로, 상기 충방전 leg(40)는 스위치(T2)만 도통되고, 스위치(D2)는 도통되지 않아 배터리(38)를 충전하기만 하고, 부하전력을 공급하지 않는다.
공통 leg(42)의 스위치(T 3 , D 3 )는 인버터 leg(44)의 스위치(T 4 , D 4 )와 결합하여 풀-브릿지 구조의 인버터로 동작하며 공통 leg(42)는 출력전압의 주파수로 스위칭하게 되는데, 출력전압이 양의 값일 경우, 공통 leg(42)의 하위 스위치 D 3 는 도통되고 공통 leg(42)의 상위 스위치 T 3 는 소거된다. 인버터 leg(44)의 상위 스위치 T 4 가 도통되면 부하에 직류전압 V d 가 인가되고 전류 i o 가 부하 측으로 흐르게 되며 인버터 leg의 하위 스위치 D 4 가 도통되면 부하에 영전압이 인가되고 출력전류는 스위치 D 3 와 D 4 를 통하여 흐르게 된다.
반대로 출력전압이 음의 값일 경우, 공통 leg(42)의 상위 스위치 T 3 는 도통되고 공통 leg(42)의 하위 스위치 D 3 는 소거된다. 인버터 leg(44)의 상위 스위치 T 4 가 도통되면 부하에 영전압이 인가되고 출력전류는 스위치 T 3 와 T 4 를 통하여 흐르게 된다. 인버터 leg(44)의 하위 스위치 D 4 가 도통되면 부하에 직류전압 -V d 가 인가되어 전류 i o 가 음의 값을 가지게 된다.
도 3b는 부하전력이 태양광발전보다 큰 경우로, 발전 leg(36)의 다이오드 D, 스위치 S, 인덕터 L p 가 부스트 컨버터로 동작하여 태양전지(34)의 전압을 직류전압 V d 로 승압시키는 동시에 충방전 leg(40)의 상위 스위치 T 2 에 병렬로 연결되어 있는 다이오드, 하위 스위치 D 2 , 인덕터 L b 가 부스트 컨버터로 동작하여 배터리의 전압을 직류전압 V d 로 승압한다. 인버터의 동작은 도 3a의 동작과 동일하다.
즉, 태양광 발전이 부하전력보다 작은 경우이므로, 태양광 발전으로 발생된 전력은 부하전력을 공급하고도 부족전력이 생기게 되며, 상기 충방전 leg(40)는 스위치(T2)는 도통되지 않으며, 스위치(D2)는 도통되어 배터리(38)의 충전전력을 부하전력으로 공급하기만 하고, 배터리(38)를 충전하지는 않는다.
도 3c는 태양광발전이 불가능한 경우로, 정전시이면서 태양광 발전이 불가능하므로 정류기 leg(32)과 발전 leg(36)은 도통되지 않는다. 그 상태에서, 충방전 leg(40)의 상위 스위치 T 2 에 병렬로 연결되어 있는 다이오드, 하위 스위치 D 2 , 인덕터 L b 가 부스트 컨버터로 동작하여 배터리(38)의 전압을, 부하에서 필요한 직류전압 V d 로 상승시키며 인버터의 동작은 도 3a의 동작과 동일하다.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치를 이용한 계통 연결시 태양광 발전 및 배터리 충전상태를 나타내는 전류흐름도이다.
이를 참조하면, 도 4a, 4b, 4c는 본 발명의 장치가 계통에 연결된 경우를 나타낸 전류 흐름도로서, 도 4a는 부하전력이 태양광발전보다 적은 경우로, 발전 leg(36)의 다이오드 D, 스위치 S, 인덕터 L p 가 부스트 컨버터로 동작하여 태양전지 의 전압을 직류전압 V d 로 상승시켜 부하전력을 공급하고 태양광발전전력의 잉여전력은 배터리(38) 및 계통으로 공급된다.
여기서 정류기 leg(32)의 스위치(T 1 , D 1 )는 공통 leg(42)의 스위치(T 3 , D 3 )와 결합하여 풀-브릿지 인버터로 동작하여 직류전압을 교류입력전압으로 변환한다. 이와 유사하게, 인버터 leg(44)의 스위치(T 4 , D 4 )도 공통 leg(42)의 스위치(T 3 , D 3 )와 결합하여 풀-브릿지 인버터로 동작하여 직류전압을 교류출력전압으로 변환한다.
이들 정류기 leg(32)의 스위치(T 1 , D 1 )와 인버터 leg(44)의 스위치(T 4 , D 4 )의 동작 원리는 정전시 인버터 동작과 동일하다. 충방전 leg(40)는 인덕터 L b 와 배터리와 연결되어 벅 컨버터로 동작하여 배터리를 충전시킨다. 즉, 충방전 leg(40)의 상위 스위치 T 2 는 일정한 펄스폭변조를 통해 제어되며, 하위 스위치 D 2 는 항상 소거되고 여기에 연결된 바디 다이오드(body diode)는 인덕터 L b 의 전류를 순환시킬 때 도통된다.
도 4b는 부하전력이 태양광발전보다 큰 경우로, 정류기 leg(32)와 공통 leg(42)가 결합하여 풀-브릿지 컨버터를 이루어 교류입력전압을 높은 직류전압 V d 로 변환할 뿐만 아니라 발전 leg(36)의 다이오드 D, 스위치 S, 인덕터 L p 가 부스트 컨버터로 동작하여 태양전지(34)의 전압을 직류전압 V d 로 상승시켜 배터리 충전 및 부하전력을 공급한다. 공통 leg(42)는 입력전압의 주파수로 스위칭하게 되는데, 입력 전압이양의 값일 경우, 공통 leg(42)의 하위 스위치 D 3 는 도통되고 공통 leg(42)의 상위 스위치 T 3 는 소거된다.
반대로 입력전압이음의 값일 경우, 공통 leg(42)의 상위 스위치 T 3 는 도통되고 공통 leg의 하위 스위치 D 3 는 소거된다. 입력전압이 양의 값일 경우, 정류기 leg(32)의 하위 스위치 D 1 이 도통되고 정류기 leg(32)의 상위 스위치 T 1 이 소거되면, 인덕터의 전류 i s 가 양의 방향으로 증가하고 자기에너지는 인덕터 L s 에 저장된다. 정류기 leg(32)의 상위 스위치 T 1 이 도통되고 하위 스위치 D 1 이 소거되면 인덕터 L s 에 저장된 자기에너지는 직류 측으로 전달된다.
즉, 태양광 발전이 부하전력보다 크거나, 작은 경우라도, 도 4a 및 4b는 정전시가 아니고 계통연결시이므로, 상기 충방전 leg(40)는 스위치(T2)만 도통되고, 스위치(D2)는 도통되지 않아 배터리(38)를 충전하기만 하고, 부하전력을 공급하지 않는다.
입력전압이 음의 값을 가질 때도 같은 원리로 동작을 한다. 충방전 leg(40) 및 인버터 leg(44)의 동작은 도 4a의 경우와 동일하다. 도 4c는 태양광발전이 불가능한 경우로, 정류기 leg(32), 충방전 leg(40) 및 인버터 leg(44)의 동작은 도 4a와 동일하며, 발전 leg(36)은 도통되지 않는다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입 장치는 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.