KR20030037374A - A Grid-Connected Inverter Using Transformer Unit Having Reactor Therein - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 계통 연계형 인버터(Inverter)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직렬 리액터로서의 기능을 수행하는 보조코아가 내부에 일체형으로 구비된 변압기를 이용하여 계통 연계형 인버터를 구성함으로써 인버터의 출력 전류파형을 개선하고 인버터의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 계통 연계형 인버터에 관한 것이다.The present invention relates to a grid-connected inverter (Inverter), more specifically, the output current waveform of the inverter by configuring a grid-linked inverter using a transformer having an auxiliary core integrally provided therein to perform the function as a series reactor integrally The present invention relates to a grid-connected inverter that can improve the efficiency of the inverter and improve the efficiency of the inverter.
통상적으로 계통 연계형 인버터는 대표적인 대체 에너지원인 태양광을 이용하는 태양전지 또는 연료전지로부터 출력되는 직류전원을 인버터 스위치와 변압기를 이용하여 교류전원으로 변환한 후, 소정의 전력계통으로 교류 변환된 전력을 공급하는 전력변환 장치를 지칭한다. 이러한 계통 연계형 인버터의 경우는 일반적으로 장치의 소형 경량화 및 전력 변환의 고효율화가 요구되고, 장치의 성능면에서는 교류 변환된 전류파형의 왜율 최소화가 요구된다.In general, a grid-connected inverter converts a DC power output from a solar cell or a fuel cell using solar, which is a representative alternative energy source, into an AC power source using an inverter switch and a transformer, and then converts the AC converted power into a predetermined power system. Refers to a power conversion device to supply. In the case of such a grid-connected inverter, it is generally required to reduce the size and weight of the device and increase the efficiency of power conversion, and to minimize the distortion of the AC waveform of the AC conversion in terms of performance of the device.
그런데, 종래기술에 따른 계통 연계형 인버터에 있어서는, 직류전원을 교류전원으로 변환하는 장치 구성요소인 인버터 스위치의 스위칭 속도를 증대시키고, 별도의 직렬 리액터(Reactor)를 장치에 추가하거나 변압기에 갭(Gap)을 추가하여 기생(Leakage) 리액턴스의 값을 증가시키는 형태로 개발되고 있는 실정이다.However, in the grid-connected inverter according to the prior art, the switching speed of the inverter switch which is a device component for converting DC power into AC power is increased, and a separate series reactor is added to the device or a gap (or It is being developed in the form of adding a gap to increase the value of the leakage reactance.
하지만, 종래기술에 따른 계통 연계형 인버터의 경우는 다음과 같은 한계를 지니게 된다.However, the grid-connected inverter according to the prior art has the following limitations.
첫째, 인버터 스위치의 스위칭 속도를 증대시킬 경우 장치의 소형 경량화는 가능하나 전력변환시 에너지 손실이 증가하여 인버터 전체 효율을 저감시키는 결과를 초래한다.First, when the switching speed of the inverter switch is increased, it is possible to reduce the size and weight of the device, but the energy loss during power conversion increases, resulting in a reduction in the overall efficiency of the inverter.
둘째, 직렬 리액터(Reactor)를 장치에 추가할 경우 출력 전류 왜율을 감소시키는 방법으로는 적당하나 장치의 소형화 및 경량화에는 적합하지 않은 한계를 지니게 된다.Second, when adding a series reactor to the device, it is suitable as a method of reducing the output current distortion, but it has limitations that are not suitable for miniaturization and light weight of the device.
셋째, 계통 연계형 인버터내 직렬 리액터를 제거하고 변압기에 갭을 추가하여 상기 직렬 리액터 대신에 변압기의 기생 리액턴스를 증가시킬 경우, 인버터의 소형화와 경량화가 가능한 이점이 있으나, 변압기의 무부하 전류 증가로 인한 인버터 효율 감소 및 출력 전류의 리플(Ripple) 증가와 출력전류 제어가 어렵다는 점에서 한계가 있게 된다.Third, if the parasitic reactance of the transformer is increased by removing the series reactor in the grid-connected inverter and adding a gap to the transformer, the inverter can be reduced in size and weight, but due to the increase in the no-load current of the transformer There are limitations in terms of reduced inverter efficiency, increased ripple in output current, and difficulty in controlling output current.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래 계통 연계형 인버터가 갖는 출력전류의 리플증가로 인한 전류 파형의 왜율 증가, 장치의 소형 경량화의 곤란 등과 같은 문제점을 해소할 수 있는, 리액터 일체형 변압기를 구비하는 계통 연계형 인버터를 제공함에 있다.Accordingly, a technical problem of the present invention is to provide a reactor-integrated transformer that can solve problems such as an increase in the distortion of the current waveform due to an increase in the ripple of the output current of a conventional system-linked inverter, difficulty in miniaturizing and reducing the size of the device, and the like. It is to provide a grid-connected inverter provided.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 인버터의 회로 구성도이다.1 is a circuit diagram of a grid-connected inverter according to an embodiment of the present invention.
도2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 리액터 일체형 변압기의 사시도이다.2A is a perspective view of a reactor-integrated transformer according to a first embodiment of the present invention.
도2b는 도2a에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 리액터 일체형 변압기의 A-A'선에 따른 단면도이다.FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the reactor integrated transformer according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2A.
도3a는 본 발명의 제2실시예에 따른 리액터 일체형 변압기의 사시도이다.3A is a perspective view of a reactor-integrated transformer according to a second embodiment of the present invention.
도3b는 도3a에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 리액터 일체형 변압기의 B-B'선에 따른 단면도이다.FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line B-B 'of the reactor integrated transformer according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3A.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 리액터 일체형 변압기를 이용한 계통 연계형 인버터는, 전압원으로부터 직류전압을 입력받아 인가되는 스위치의 동작에 따라 순시전류를 공급하는 직류전압 링크 커패시터; 상기 직류전압을 교류의 구형파 전압으로 변환시키는 스위칭 소자; 상기 구형파의 전압을 정현파로 필터링하고 출력하여 계통 전원과 연계가 가능하게 하는 리액터 일체형 변압기; 및 상기 출력전류의 리플을 저감시키는 저역통과 필터용 교류 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with one aspect of the present invention, a system-associated inverter using a reactor integrated transformer includes: a DC voltage link capacitor configured to receive an DC voltage from a voltage source and supply instantaneous current according to an operation of a switch applied thereto; A switching element for converting the DC voltage into an AC square wave voltage; A reactor integrated transformer for filtering and outputting the voltage of the square wave to a sinusoidal wave so as to be connected to a system power source; And an AC capacitor for a low pass filter that reduces the ripple of the output current.
본 발명에 있어서, 상기 리액터 일체형 변압기는, 입력전압의 승압을 위해 미리 설정된 적정 비율 권선수의 1차측 권선과 2차측 권선이 입/출력 양단에 감기는 주코아; 상기 주코아와 일정 간격 이격되어 1차측 권선이 감기며, 상기 스위칭 소자로부터 입력되는 구형파 전압을 정현파로 필터링하는 직렬 리액터 기능을 수행하는 보조코아를 포함하는 것이 바람직하다.According to the present invention, the reactor-integrated transformer may include a main core in which primary and secondary windings of an appropriate ratio winding number preset in advance for boosting an input voltage are wound at both ends of an input / output; Preferably, the secondary coil is spaced apart from the main core and wound around the primary winding, and the auxiliary core may perform a series reactor function of filtering a square wave voltage input from the switching element into a sine wave.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어지지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, and detailed description will be made with reference to the accompanying drawings to help understand the present invention. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 인버터의 회로 구성도이다.1 is a circuit diagram of a grid-connected inverter according to an embodiment of the present invention.
도1에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따른 계통 연계형 인버터는, 태양전지 또는 연료전지와 같이 직류전압을 발전하여 출력하는 직류전압원(Vdc); 상기 직류전압원(Vdc)을 입력으로 하여 순시전류를 공급하고 직류단의 서어지와 리플을 감소시키는 직류전압 링크용 커패시터(Cd); 상기 직류전압 링크용 캐패시터(Cd)에서 출력되는 직류전압을 교류의 구형파 전압으로 변환하는 반도체 소자, 예컨대 IGBT로 이루어진 S1 내지 S4로 구성된 스위칭부(100); 스위칭부(100)로부터 출력된 구형파 전압을 정현파로 필터링하는 직렬 리액터(Lp)를 자체적으로 구비하며 정현파로 필터링된 전원전압을 다시 미리 설정된 적정 비율의 권선수에 따라 승압 또는 감압하여 계통 전원과 연계가 가능하도록 하는 리액터 일체형 변압기(102); 상기 리액터 일체형 변압기(102)로부터 출력된 전류의 리플을 저감시키는 저역통과 필터용 교류 커패시터(Cp); 및 계통연계 리액터(Lo)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the grid-linked inverter according to the present invention includes a DC voltage source (V dc ) for generating and outputting a DC voltage such as a solar cell or a fuel cell; A DC voltage link capacitor Cd for supplying instantaneous current and reducing surge and ripple of the DC terminal by inputting the DC voltage source V dc ; A switching unit (100) composed of S1 to S4 made of a semiconductor device (eg, IGBT) for converting a DC voltage output from the DC link capacitor Cd into a square wave voltage of AC; Self-contained series reactor (Lp) to filter the square wave voltage output from the switching unit 100 by a sine wave, and the power supply voltage filtered by the sine wave is boosted or reduced in accordance with the predetermined number of turns of the preset ratio and linked with the grid power supply. Reactor integrated transformer 102 to enable the; AC capacitor (Cp) for low-pass filter to reduce the ripple of the current output from the reactor integrated transformer (102); And a grid-connected reactor (Lo).
도2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 리액터 일체형 변압기(102)의 사시도이고, 도2b는 도2a의 A-A'선에 따른 리액터 일체형 변압기(102)의 단면도이다.FIG. 2A is a perspective view of the reactor integrated transformer 102 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the reactor integrated transformer 102 along line AA ′ of FIG. 2A.
도2a 및 도2b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기(102)는 주코아(202)의 주변에 소정 거리로 이격되어 설치되는 보조코아 (200)를 추가로 구비한다. 상기 보조코아(200)는 본 발명의 제1실시예에 따라 변압기(102)내에서 직렬 리액터의 역할을 수행하기 위한 것으로, 상기 보조코아(200)의 1차측 권선(300)에서 발생되는 자속중에서 보조코아(200)의 단면적(Sa)을 쇄교하는 자속은 변압기(102)의 1차측 직렬 리액턴스를 증가시킨다. 변압기(102)의 1차측 직렬 리액턴스는 1차측 권선(300)에 의해 공기 중에 발생하는 리액턴스에 보조코아(200)를 추가함으로써 발생하는 리액턴스를 추가하여 계산할 수 있다.2A and 2B, the reactor integrated transformer 102 according to the present invention further includes an auxiliary core 200 spaced apart by a predetermined distance around the main core 202. The auxiliary core 200 is to perform the role of a series reactor in the transformer 102 according to the first embodiment of the present invention, among the magnetic flux generated in the primary winding 300 of the auxiliary core 200 The magnetic flux that bridges the cross-sectional area Sa of the auxiliary core 200 increases the primary side reactance of the transformer 102. The primary series reactance of the transformer 102 may be calculated by adding the reactance generated by adding the auxiliary core 200 to the reactance generated in the air by the primary winding 300.
도3a는 본 발명의 제2실시예에 따른 리액터 일체형 변압기(102)의 사시도이고, 도3b는 도3a의 B-B'선에 따른 리액터 일체형 변압기(102)의 단면도이다.3A is a perspective view of a reactor-integrated transformer 102 according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the reactor-integrated transformer 102 along line BB ′ of FIG. 3A.
도3a 및 도3b를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 리액터 일체형 변압기(102)는 두개의 보조코아(200a 및 200b)가 주코아(202)의 소정 위치에 이격되어 설치되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 1차측 권선(300a 및 300b)은 상기한 제1실시예에서와 마찬가지로 보조코아(200a 및 200b)와 주코아(202)를 감싸고 있으며, 2차측 권선(302a 및 302b)은 주코아(202)만을 감싸되 상기 1차측 권선(300a 및 300b)의 내부에 위치하게 된다. 제2실시예에 따른 리액터 일체형 변압기(102)에 있어서, 상기 보조코아(200a 및 200b)는 본 발명의 제1실시예에서와 마찬가지로 변압기(102)내에서 직렬 리액터의 역할을 수행하기 위한 것으로, 상기 보조코아(200a 및 200b)의 1차측 권선(300a 및 300b)에서 발생되는 자속중에서 보조코아(200a 및 200b)의 단면적(Sa)을 쇄교하는 자속은 변압기(102)의 1차측 직렬 리액턴스를 증가시킨다. 변압기(102)의 1차측 직렬 리액턴스는 1차측 권선(300a 및 300b)에 의해 공기 중에 발생하는 리액턴스에 보조코아(200a 및 200b)를 추가함으로써 발생하는 리액턴스를 추가하여 계산할 수 있다.3A and 3B, the reactor integrated transformer 102 according to the second embodiment of the present invention is provided with two auxiliary cores 200a and 200b spaced apart from each other at a predetermined position of the main core 202. It is done. At this time, the primary windings 300a and 300b surround the auxiliary cores 200a and 200b and the main core 202 as in the first embodiment described above, and the secondary windings 302a and 302b are the main core ( Only 202 is wrapped and is located inside the primary windings 300a and 300b. In the reactor-integrated transformer 102 according to the second embodiment, the auxiliary cores (200a and 200b) is to perform the role of a series reactor in the transformer 102, as in the first embodiment of the present invention, Among the magnetic fluxes generated in the primary windings 300a and 300b of the auxiliary cores 200a and 200b, the magnetic flux that crosses the cross-sectional area Sa of the auxiliary cores 200a and 200b may generate a primary side series reactance of the transformer 102. Increase. The primary series reactance of the transformer 102 can be calculated by adding the reactance generated by adding the auxiliary cores 200a and 200b to the reactance generated in the air by the primary windings 300a and 300b.
이하에서는 도2a 및 도2b에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 리액터 일체형 변압기(102)를 중심으로 보조코아(200)에 의하여 추가되는 직렬 리액턴스 값에 대한 계산예를 상세하게 설명하기로 한다. 하지만, 하기되는 계산예는 본 발명의 제2실시예에 따른 리액터 일체형 변압기(102)에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있음을 밝혀둔다.Hereinafter, a calculation example of a series reactance value added by the auxiliary core 200 centering on the reactor integrated transformer 102 according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 2A and 2B will be described in detail. do. However, it should be noted that the following calculation example can be applied to the reactor integrated transformer 102 according to the second embodiment of the present invention in substantially the same way.
보다 구체적으로, 변압기(102)의 1차측 권선(300)에 의해 공기 중에 발생하는 리액턴스는 아래 [수학식1]과 같이 계산된다.More specifically, the reactance generated in the air by the primary winding 300 of the transformer 102 is calculated as in Equation 1 below.
여기에서,From here,
B와 H는 각각,및이다.B and H are each And to be.
또한, N은 1차측 권선(300)의 권수이고,In addition, N is the number of turns of the primary winding 300,
μ0는 공기중의 투자율이고,μ 0 is the permeability of air
d는 권선이 감긴 길이이고,d is the length of winding wound,
S는 권선을 통하여 발생된 자속이 쇄교하는 단면적이다.S is the cross-sectional area where the magnetic flux generated through the winding crosses.
한편, 상기 보조코아(200)에 의해 증가한 리액턴스는 보조코아(200)의 단면적(Sa), 1차측 권선수(N) 및 1차측 권선(300)에 의해 표면이 덮힌 보조코아(200)의 길이(d)에 의해 결정된다. 본 발명의 실시예에 따른 보조코아(200)를 변압기(200)의 주코아(202)에 소정 거리 이격시켜 추가할 경우 발생되는 리액턴스는 상기 [수학식1]을 참조하여 아래 [수학식2]에서와 같이 계산할 수 있다.Meanwhile, the reactance increased by the auxiliary core 200 is the cross-sectional area Sa of the auxiliary core 200, the number of primary windings N and the length of the auxiliary core 200 whose surface is covered by the primary winding 300. determined by (d). The reactance generated when the auxiliary core 200 according to an embodiment of the present invention is added to the main core 202 of the transformer 200 by a predetermined distance apart is described with reference to Equation 1 below. Can be calculated as
여기에서,From here,
N는 1차측 권선(300)의 권수이고,N is the number of turns of the primary winding 300,
Sa는 보조코아(200)의 단면적이고,Sa is the cross-section of the auxiliary core (200),
μ는 보조코아(200)의 투자율이고,μ is the permeability of the auxiliary core 200,
d는 보조코아(200)가 1차측 권선(300)에 의해 덮힌 거리이다.d is the distance that the auxiliary core 200 is covered by the primary winding 300.
한편, 참고로 상기 [수학식1]에 있어서 투자율(μ)은 아래 [수학식 3]에서와 같이 계산할 수 있다.On the other hand, the permeability (μ) in the above [Equation 1] can be calculated as shown in [Equation 3] below.
여기서 MPL은 1차측 권선(300)에 의해 발생되는 자속의 자로이며, μr은 보조코아(300)의 투자상수로 공기중의 투자율이 1일 때를 기준으로 하여 상대적으로 나타낸 값이다.Wherein MPL is a magnetic flux of the magnetic flux generated by the primary winding 300, μ r is a relative value of the magnetic permeability of the auxiliary core 300, relative to when the magnetic permeability in the air is 1.
상기한 [수학식 1 및 2]에서 알 수 있는 바와 같이 S와 Sa가 같다는 가정하에 1차측 권선(300)에 의한 리액턴스(L) 값과 보조코아(200)를 추가하여 증가하는 리액턴스(L') 값을 비교하면, 보조코아(200)를 추가하여 증가하는 리액턴스(L') 값이 1차측 권선(300)에 의해 공기중에 발생하는 리액턴스(L) 값보다 횔씬 더 크다는 것을 알 수 있다(μ》μ0). 또한, 상기 보조 코아(200)를 추가한 1차측 권선(300)에서의 리액턴스(L') 값은 상기 [수학식 2]에서와 같이 보조코아(200)의 단면적(Sa)을 증가시킴으로서 필요한 정도만큼 용이하게 그 값을 조절할 수 있게 된다.As can be seen from the above Equations 1 and 2, under the assumption that S and Sa are the same, the reactance L increased by adding the reactance L value by the primary winding 300 and the auxiliary core 200, and increasing the reactance L ′. Comparing the value of), it can be seen that the reactance (L ') value increased by adding the auxiliary core 200 is much larger than the reactance (L) value generated in the air by the primary winding 300 (μ). 》 Μ 0 ). In addition, the reactance (L ') value in the primary winding 300 to which the auxiliary core 200 is added is necessary to increase the cross-sectional area Sa of the auxiliary core 200 as shown in [Equation 2]. The value can be adjusted as easily.
계통 연계형 인버터의 운용에 있어서는, 계통전원을 계측하여 계측된 전압을 기준으로 인버터 내부에서 계통전원의 전압, 주파수 및 위상과 서로 동일한 전원이 발생하도록 제어하여 계통전원에 공급하게 된다. 이러한 전력 전달 과정에서 인버터에서 발생하는 전원은 계통전원에 영향을 최소화하기 위하여 전류리플을 최소화하여 왜율을 감소시키도록 해야 한다. 이때 상기 도 2에서 보여지는 바와 같이 보조코아(200)에 의해 추가되는 직렬 리액턴스를 이용함으로써 전류 리플을 감소시킬 수 있게 되는 것이다.In the operation of the grid-connected inverter, the system power is measured and controlled so that the same power as the voltage, frequency, and phase of the system power is generated inside the inverter based on the measured voltage and supplied to the system power. The power generated by the inverter during this power transfer process should minimize the current ripple to reduce the distortion rate in order to minimize the effect on the grid power. In this case, as shown in FIG. 2, the current ripple can be reduced by using the series reactance added by the auxiliary core 200.
또한, 동일한 코아(Sm)와 권선을 사용한다는 것을 전제로 하여 본 발명에 따른 계통 연계형 인버터와 갭을 인가한 변압기를 이용하여 구현되는 종래기술에 따른 계통 연계형 인버터를 비교하면, 본 발명에서와 같이 보조코아(200)를 추가하여 구성한 리액터 일체형 변압기(102)를 이용하여 계통 연계형 인버터를 구현하는 경우가 종래의 경우보다 변압기(102)의 자화 인덕턴스가 크므로 비선형으로 흐르는 자화전류에 의한 무부하 전류를 감소시킬 수 있으므로 출력전압 제어가 용이한 이점이 있다.In addition, when comparing the grid-connected inverter according to the prior art implemented using a grid-connected inverter according to the present invention and a transformer applying a gap on the premise that the same core (Sm) and windings, As described above, when the grid-integrated inverter is implemented using the reactor-integrated transformer 102 configured by adding the auxiliary core 200, the magnetization inductance of the transformer 102 is greater than that of the conventional case. Since no-load current can be reduced, the output voltage can be easily controlled.
이상에서 본 발명의 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.The best embodiments of the present invention have been disclosed above. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기존의 리액터를 제거하고 리액터 일체형 변압기를 이용하여 계통 연계형 인버터를 구현함으로써 인버터의 소형 경량화가 가능하다.According to an aspect of the present invention, by removing the existing reactor and implementing a grid-connected inverter using a reactor-integrated transformer it is possible to reduce the size and weight of the inverter.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 변압기 1차측에서 본 등가 리액턴스의 값을 증가시켜 출력전류의 리플을 감소시킴으로써 인버터 출력전류의 왜율을 저감시킬 수 있게 된다.According to another aspect of the present invention, it is possible to reduce the distortion of the inverter output current by increasing the value of the equivalent reactance at the transformer primary side to reduce the ripple of the output current.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 변압기의 무부하 전류가 감소하게 되어 인버터 전체 효율을 향상시킬 수 있게 된다.According to another aspect of the present invention, the no-load current of the transformer is reduced to improve the overall efficiency of the inverter.
Claims (4)
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