인버터는 오늘날 많은 인버터를 포함하는 대규모 정적 변환기 그룹에 속합니다.'s 장치는 다음과 같은 기능을 수행할 수 있습니다.“전환하다"전압 및 주파수와 같은 입력의 전기적 매개변수를 조정하여 부하의 요구 사항에 맞는 출력을 생성합니다.

일반적으로 인버터는 직류를 교류로 변환하는 장치로, 산업 자동화 및 전기 구동 장치에 널리 사용됩니다. 인버터의 구조와 설계는 각 용도에 따라 다르지만, 핵심 기능은 직류를 교류로 변환하는 것입니다.

1. 독립형 및 계통연계형 인버터

태양광 발전 시스템에 사용되는 인버터는 역사적으로 크게 두 가지 범주로 나뉩니다.

:독립형 인버터

:계통연계형 인버터

독립형 인버터는 태양광 발전소가 주 전력 배전망에 연결되지 않은 경우에 사용됩니다. 이 인버터는 연결된 부하에 전력을 공급하면서 주요 전기 매개변수(전압 및 주파수)의 안정성을 보장합니다. 이를 통해 매개변수를 미리 설정된 범위 내로 유지하고 일시적인 과부하 상황에도 견딜 수 있습니다. 이러한 경우, 안정적인 에너지 공급을 위해 인버터는 배터리 저장 시스템과 함께 사용됩니다.

반면, 계통연계형 인버터는 연결된 전력망과 동기화할 수 있는데, 이는 이 경우 전압과 주파수가 전력망과 같기 때문입니다.“부과된"주 전력망에 의해 구동됩니다. 이러한 인버터는 주 전력망에 문제가 발생할 경우, 주 전력망의 역방향 공급을 방지하기 위해 전력망에서 자동으로 차단될 수 있어야 합니다. 이는 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.

그림 1 - 독립형 시스템과 계통연계형 시스템의 예시. 이미지 제공: Biblus.

2. 버스 커패시터의 역할은 무엇입니까?

인버터의 목적은 직류 파형 전압을 교류 신호로 변환하여 주어진 주파수와 작은 위상각으로 부하(예: 전력망)에 전력을 공급하는 것입니다.φ ≈0). 단상 단극 펄스 폭 변조(PWM)를 위한 간소화된 회로가 그림 0에 나와 있습니다.2 (동일한 일반적인 구성은 3상 시스템으로 확장될 수 있습니다.) 이 회로도에서, 일정량의 인덕턴스를 가진 직류 전압 소스 역할을 하는 태양광 발전 시스템은 프리휠링 다이오드와 병렬로 연결된 4개의 IGBT 스위치를 통해 교류 신호로 변환됩니다. 이 스위치들은 PWM 신호에 의해 게이트에서 제어되는데, 이 PWM 신호는 일반적으로 반송파(일반적으로 원하는 출력 주파수의 사인파)와 훨씬 높은 주파수의 기준파(일반적으로 5~20kHz의 삼각파)를 비교하는 IC의 출력입니다. IGBT의 출력은 다양한 LC 필터 토폴로지를 적용하여 계통 연계 또는 사용에 적합한 교류 신호로 변환됩니다.

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그림 2: 펄스 폭 변조(PWM) 단상인버터 구성. IGBT 스위치는 LC 출력 필터와 함께 DC 입력 신호를 사용 가능한 AC 신호로 변환합니다. 이는 다음과 같은 현상을 유발합니다.태양광 단자 양단에 유해한 전압 리플이 발생합니다. 버스커패시터는 이러한 리플을 줄이기 위해 크기가 결정됩니다.

IGBT의 작동으로 인해 PV 어레이 단자에 리플 전압이 발생합니다. 이 리플은 PV 시스템의 작동에 악영향을 미치는데, 최대 전력을 추출하기 위해서는 단자에 인가되는 공칭 전압이 IV 곡선의 최대 전력점(MPP)으로 유지되어야 하기 때문입니다. PV 단자에 발생하는 전압 리플은 시스템에서 추출되는 전력을 진동시켜 시스템의 성능 저하를 초래합니다.

평균 전력 출력이 낮아집니다(그림 3). 전압 리플을 평활화하기 위해 버스에 커패시터가 추가됩니다.

그림 3: PWM 인버터 방식에 의해 PV 단자에 유입되는 전압 리플은 인가 전압을 PV 어레이의 최대 전력점(MPP)에서 벗어나게 합니다. 이로 인해 어레이의 출력 전력에 리플이 발생하여 평균 출력 전력이 공칭 MPP보다 낮아집니다.

전압 리플의 진폭(피크 대 피크)은 스위칭 주파수, PV 전압, 버스 커패시턴스 및 필터 인덕턴스에 따라 다음과 같이 결정됩니다.

어디:

VPV는 태양광 패널의 직류 전압입니다.

Cbus는 버스 커패시터의 용량입니다.

L은 필터 인덕터의 인덕턴스입니다.

fPWM은 스위칭 주파수입니다.

식 (1)은 충전 중에 커패시터를 통해 전하가 흐르는 것을 방지하고 저항 없이 전기장에 저장된 에너지를 방전하는 이상적인 커패시터에 적용됩니다. 실제로는 어떤 커패시터도 이상적이지 않으며(그림 4), 여러 요소로 구성됩니다. 이상적인 커패시턴스 외에도 유전체는 완벽한 저항성을 가지지 않으며, 유한한 병렬 저항(Rsh)을 통해 양극에서 음극으로 작은 누설 전류가 흐르면서 유전체 커패시턴스(C)를 우회합니다. 커패시터를 통해 전류가 흐를 때 핀, 포일 및 유전체는 완벽하게 전도되지 않으므로 커패시턴스와 직렬로 연결된 등가 직렬 저항(ESR)이 존재합니다. 마지막으로, 커패시터는 자기장에 일부 에너지를 저장하므로 커패시턴스와 ESR에 직렬로 연결된 등가 직렬 인덕턴스(ESL)가 존재합니다.

그림 4: 일반적인 커패시터의 등가 회로. 커패시터는유전체 용량(C), 커패시터를 우회하는 유전체를 통한 무한대가 아닌 병렬 저항, 직렬 저항(ESR) 및 직렬 인덕턴스(ESL)를 포함한 여러 비이상적인 요소로 구성됩니다.

겉보기에는 단순해 보이는 커패시터 부품에도 고장이나 성능 저하가 발생할 수 있는 여러 요소가 존재합니다. 이러한 각 요소는 인버터의 AC 및 DC 측 동작에 영향을 미칠 수 있습니다. 비이상적인 커패시터 부품의 성능 저하가 PV 단자 양단에 발생하는 전압 리플에 미치는 영향을 파악하기 위해 SPICE를 사용하여 PWM 단극 H-브리지 인버터(그림 2)를 시뮬레이션했습니다. 필터 커패시터와 인덕터는 각각 250µF와 20mH로 설정했습니다. IGBT의 SPICE 모델은 Petrie 등의 연구를 기반으로 했습니다. IGBT 스위치를 제어하는 PWM 신호는 고측 및 저측 IGBT 스위치에 대해 각각 비교기와 반전 비교기 회로를 통해 결정됩니다. PWM 제어 입력은 9.5V, 60Hz 정현파 반송파와 10V, 10kHz 삼각파입니다.