(57)【要約】【課題】太陽光インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）方式と出力フィルタの構成を変更して漏れ電流とスイッチング損失を低減した太陽光インバータを提供する。【解決手段】本発明による太陽光インバータ１００は、太陽光モジュール２００に並列に接続されるＤＣリンクコンデンサ１１０と、第１スイッチ１２１、第２スイッチ１２２、第３スイッチ１２３及び第４スイッチ１２４を含み、ハーフユニポーラスイッチング方式で動作するスイッチ部と、一端が第１スイッチ１２１の他端及び第２スイッチ１２２の一端に接続され、他端が系統３００に接続され、所定のインダクタンスを有するリアクタ１３０とを含む。【選択図】図１
2016096713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光インバータにおいて、
太陽光モジュールに並列に接続されるＤＣリンクコンデンサと、
第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ及び第４スイッチを含み、ハーフユニポーラスイッチング方式で動作するスイッチ部と、
一端が前記第１スイッチの他端及び前記第２スイッチの一端に接続され、他端が系統（グリッド）に接続され、所定のインダクタンスを有するリアクタとを含み、
前記ハーフユニポーラスイッチング方式は、一方のレッグに配置された一対のスイッチを基本波周波数でスイッチングし、他方のレッグに配置された一対のスイッチを高周波でスイッチングする方式である、太陽光インバータ。
【請求項２】
前記スイッチ部は、
一端が前記太陽光モジュールの（＋）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの一端及び前記第３スイッチの一端に接続され、他端が前記第２スイッチの一端及び前記リアクタの一端に接続される前記第１スイッチと、
一端が前記第１スイッチの他端及び前記リアクタの一端に接続され、他端が前記太陽光モジュールの（−）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの他端及び前記第４スイッチの他端に接続される前記第２スイッチと、
一端が前記太陽光モジュールの（＋）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの一端及び前記第１スイッチの一端に接続され、他端が前記第４スイッチの一端及び前記系統の他端に接続される前記第３スイッチと、
一端が前記第３スイッチの他端及び前記系統の他端に接続され、他端が前記太陽光モジュールの（−）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの他端及び前記第２スイッチの他端に接続される前記第４スイッチとを含む、請求項１に記載の太陽光インバータ。
【請求項３】
前記第１スイッチと前記第２スイッチとが直列に接続され、前記第３スイッチと前記第４スイッチとが直列に接続され、
互いに直列に接続された前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのスイッチ対と、互いに直列に接続された前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのスイッチ対とが並列に接続される、請求項１又は２に記載の太陽光インバータ。
【請求項４】
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが高周波領域で動作し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチが前記系統と同じ位相及び周波数を有する低周波領域で動作する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽光インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光インバータに関し、特に、太陽光インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）方式と出力フィルタの構成を変更して漏れ電流とスイッチング損失を低減した太陽光インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、太陽光インバータ（又は系統連系太陽光インバータ）は、電力変換装置（Power Converting Unit; PCU）であって、商用交流電力系統（commercial Alternating Current grid）に連係して太陽光発電装置からの直流入力電力を交流に変換して商用交流電力系統に供給するシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】韓国登録特許第１０−０９６３５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような太陽光インバータは、スイッチング方式としてバイポーラスイッチング方式又はユニポーラスイッチング方式を用いているが、これらのスイッチング方式は出力端フィルタを大きく設計しなければならなかったり漏れ電流が多いので、システム全体の効率を低下させる。
【０００５】
本発明の目的は、太陽光インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）方式と出力フィルタの構成を改良した太陽光インバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記目的は、太陽光モジュールに並列に接続されるＤＣリンクコンデンサと、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ及び第４スイッチを含み、ハーフユニポーラ（half unipolar）スイッチング方式で動作するスイッチ部と、一端が前記第１スイッチの他端及び前記第２スイッチの一端に接続され、他端が系統（グリッド）に接続され、所定のインダクタンスを有するリアクタとを含み、前記ハーフユニポーラスイッチング方式は、一方のレッグ（leg）に配置された一対のスイッチを基本波周波数でスイッチングし、他方のレッグに配置された一対のスイッチを高周波でスイッチングする方式であることを特徴とする本発明による太陽光インバータを提供することにより達成することができる。
【０００７】
本発明の好ましい一態様によれば、前記スイッチ部は、一端が前記太陽光モジュールの（＋）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの一端及び前記第３スイッチの一端に接続され、他端が前記第２スイッチの一端及び前記リアクタの一端に接続される前記第１スイッチと、一端が前記第１スイッチの他端及び前記リアクタの一端に接続され、他端が前記太陽光モジュールの（−）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの他端及び前記第４スイッチの他端に接続される前記第２スイッチと、一端が前記太陽光モジュールの（＋）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの一端及び前記第１スイッチの一端に接続され、他端が前記第４スイッチの一端及び前記系統の他端に接続される前記第３スイッチと、一端が前記第３スイッチの他端及び前記系統の他端に接続され、他端が前記太陽光モジュールの（−）極出力端、前記ＤＣリンクコンデンサの他端及び前記第２スイッチの他端に接続される前記第４スイッチとを含むようにしてもよい。
【０００８】
本発明の好ましい他の態様によれば、前記第１スイッチと前記第２スイッチとが直列に接続され、前記第３スイッチと前記第４スイッチとが直列に接続され、互いに直列に接続された前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのスイッチ対と、互いに直列に接続された前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのスイッチ対とが並列に接続されるようにしてもよい。
【０００９】
本発明の好ましいさらに他の態様によれば、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが高周波領域で動作し、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチが前記系統の電源と同じ位相及び周波数を有する低周波領域で動作するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による太陽光インバータは、太陽光インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）方式と出力フィルタ（リアクタ）の構成を改良することにより、出力電圧をハーフユニポーラスイッチング方式により３レベルで出力し、正負（ＰＮ）端の寄生コンデンサにかかる電圧の変化を最小限に抑えて漏れ電流を低減し、一方のレッグのスイッチを基本周波数でスイッチングしてスイッチング損失を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による太陽光インバータの構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による太陽光インバータにおけるスイッチ部のハーフユニポーラスイッチングのためのスイッチング制御信号の波形図であり、０．２〜０．２１秒の区間は第１スイッチのスイッチングを制御する高周波スイッチング制御信号の波形を示す。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による太陽光インバータにおけるスイッチ部のハーフユニポーラスイッチングのためのスイッチング制御信号の波形図であり、０．２１〜０．２２秒の区間は第２スイッチのスイッチングを制御する高周波スイッチング制御信号の波形を示す。
【図２Ｃ】第３スイッチのスイッチングを制御する基本波周波数スイッチング制御信号の波形図である。
【図２Ｄ】第４スイッチのスイッチングを制御する基本波周波数スイッチング制御信号の波形図である。
【図３】本発明の一実施形態による太陽光インバータの出力波形特性を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による太陽光インバータの漏れ電流特性を示す漏れ電流の波形図である。
【図５】本発明の他の実施形態による太陽光インバータの構成を示すブロック図である。
【図６Ａ】本発明の他の実施形態による太陽光インバータにおけるスイッチング制御信号の波形図であり、０．２〜０．２１秒の区間は第１スイッチのスイッチングを制御する高周波スイッチング制御信号の波形を示す。
【図６Ｂ】本発明の他の実施形態による太陽光インバータにおけるスイッチング制御信号の波形図であり、０．２１〜０．２２秒の区間は第２スイッチのスイッチングを制御する高周波スイッチング制御信号の波形を示す。
【図６Ｃ】第３スイッチのスイッチングを制御する基本波周波数スイッチング制御信号の波形図である。
【図６Ｄ】第４スイッチのスイッチングを制御する基本波周波数スイッチング制御信号の波形図である。
【図６Ｅ】本発明の他の実施形態による太陽光インバータにおける寄生コンデンサの両端電圧の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明するが、図面番号に関係なく同一又は対応する構成要素には同一符号を付し、それについての説明は省略する。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態による太陽光インバータの構成を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明の一実施形態による太陽光インバータ１００は、ＤＣリンクコンデンサ（又は寄生コンデンサ）１１０と、スイッチ部と、リアクタ１３０とを含む。
【００１５】
ＤＣリンクコンデンサ１１０は、太陽光モジュール２００に並列に接続される。
【００１６】
すなわち、ＤＣリンクコンデンサ１１０は、一端が太陽光モジュール２００の（＋）極（正極）出力端に接続され、他端が太陽光モジュール２００の（−）極（負極）出力端に接続される。
【００１７】
また、ＤＣリンクコンデンサ１１０は、入力電圧（又は入力電流、入力電力）を平滑する。
【００１８】
太陽光モジュール２００は、複数で構成され、複数の太陽光モジュール２００が直列に接続されてストリングを形成する。
【００１９】
また、太陽光モジュール２００は、太陽光を用いて直流電気（又は直流電力）を発電し、太陽光モジュール２００に接続された太陽光インバータ１００に供給（又は出力）する。
【００２０】
さらに、太陽光モジュール２００は、アモルファスシリコン、非結晶シリコン、結晶シリコン、単結晶シリコンなどの半導体又は化合物半導体などを含む太陽電池で構成される。
【００２１】
前記スイッチ部は、第１スイッチ１２１、第２スイッチ１２２、第３スイッチ１２３及び第４スイッチ１２４を含む。
【００２２】
第１スイッチ１２１と第２スイッチ１２２とが直列に接続される。
【００２３】
また、第３スイッチ１２３と第４スイッチ１２４とが直列に接続される。
【００２４】
さらに、第１スイッチ１２１及び第２スイッチ１２２の直列接続スイッチ対と、第３スイッチ１２３及び第４スイッチ１２４の直列接続スイッチ対とが並列に接続される。
【００２５】
すなわち、第１スイッチ１２１の一端は、太陽光モジュール２００の（＋）極出力端、ＤＣリンクコンデンサ１１０の一端及び第３スイッチ１２３の一端に接続され、第１スイッチ１２１の他端は、第２スイッチ１２２の一端及びリアクタ１３０の一端に接続される。
【００２６】
また、第２スイッチ１２２の一端は、第１スイッチ１２１の他端及びリアクタ１３０の一端に接続され、第２スイッチ１２２の他端は、太陽光モジュール２００の（−）極出力端、ＤＣリンクコンデンサ１１０の他端及び第４スイッチ１２４の他端に接続される。
【００２７】
さらに、第３スイッチ１２３の一端は、太陽光モジュール２００の（＋）極出力端、ＤＣリンクコンデンサ１１０の一端及び第１スイッチ１２１の一端に接続され、第３スイッチ１２３の他端は、第４スイッチ１２４の一端及び系統３００の他端に接続される。
【００２８】
さらに、第４スイッチ１２４の一端は、第３スイッチ１２３の他端及び系統３００の他端に接続され、第４スイッチ１２４の他端は、太陽光モジュール２００の（−）極出力端、ＤＣリンクコンデンサ１１０の他端及び第２スイッチ１２２の他端に接続される。
【００２９】
このような第１スイッチ１２１、第２スイッチ１２２、第３スイッチ１２３及び第４スイッチ１２４は、図２Ａ〜図２Ｄに示すようなハーフユニポーラスイッチング方式でスイッチングする。ここで、ハーフユニポーラスイッチング方式とは、一方のレッグに配置された一対のスイッチ（並列に接続されたスイッチ対のうちいずれか一方のスイッチ対）を基本波周波数でスイッチングし、他方のレッグに配置された一対のスイッチを高周波でスイッチングする方式である。
【００３０】
すなわち、第１スイッチ１２１は、図２Ａ（０．２〜０．２１秒の区間）に示すように、スイッチング制御信号の高周波領域において波形がハイレバルではターンオン、ローレベルではターンオフするようにスイッチングする。
【００３１】
第２スイッチ１２２は、図２Ｂ（０．２１〜０．２２秒の区間）に示すように、スイッチング制御信号の高周波領域において波形がハイレバルではターンオン、ローレベルではターンオフするようにスイッチングする。
【００３２】
第３スイッチ１２３は、図２Ｃに示すように、スイッチング制御信号の低周波領域（すなわち、商用交流系統と同じ位相及び周波数を有する基本波周波数領域）において波形がハイレバルではターンオン、ローレベルではターンオフするようにスイッチングする。
【００３３】
第４スイッチ１２４は、図２Ｄに示すように、スイッチング制御信号の低周波領域（すなわち、商用交流系統と同じ位相及び周波数を有する基本波周波数領域）において波形がハイレバルではターンオン、ローレベルではターンオフするようにスイッチングする。
【００３４】
前記スイッチ部（第１スイッチ１２１〜第４スイッチ１２４）のハーフユニポーラスイッチング方式の動作による太陽光インバータ１００の出力波形は図３に示す通りである。また、前記スイッチ部（第１スイッチ１２１〜第４スイッチ１２４）のハーフユニポーラスイッチング方式の動作による太陽光インバータ１００の漏れ電流特性は図４に示す通りである。
【００３５】
このように、前記スイッチ部（第１スイッチ１２１〜第４スイッチ１２４）のスイッチング方式をハーフユニポーラスイッチング方式にすることにより、ＤＣリンクコンデンサ１１０に印加される電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）を最小限に抑え、漏れ電流を大幅に低減することができる。
【００３６】
リアクタ１３０の一端は、第１スイッチ１２１の他端及び第２スイッチ１２２の一端に接続され、リアクタ１３０の他端は、系統３００に接続される。
【００３７】
なお、従来技術においては、第１スイッチ１２１の他端及び第２スイッチ１２２の一端に接続される第１リアクタ（図示せず）と第３スイッチ１２３の他端及び第４スイッチ１２４の一端に接続される第２リアクタ（図示せず）とを含むのに対し、本発明においては、フィルタインダクタである１つのリアクタ１３０を含む。すなわち、従来技術においては２つであったリアクタが本発明においては１つに減少した。
【００３８】
また、リアクタ１３０は、従来技術による個別リアクタ（例えば、前記第１リアクタ又は前記第２リアクタ）のインダクタンスの２倍のインダクタンスを有するように構成される。
【００３９】
すなわち、本発明においては、太陽光インバータ１００の出力電流のリップルを減衰させるために（又は複数のリアクタを含む従来技術と同程度のリップル減衰率を実現するために）、リアクタ１３０のインダクタンスを従来技術による個別リアクタのインダクタンスの２倍にする。
【００４０】
系統３００の一端は、リアクタ１３０の他端に接続され、系統３００の他端は、第３スイッチ１２３の他端、第４スイッチ１２４の一端及び接地（又はグランド）に接続される。
【００４１】
系統３００は、太陽光インバータ１００から供給される交流電力（又は交流電圧、交流電流）を受電する。
【００４２】
すなわち、系統３００は、第１スイッチ１２１〜第４スイッチ１２４のハーフユニポーラスイッチング方式の動作により変換される交流電力（又は交流電圧、交流電流）を受電する。
【００４３】
以上、図１を参照して本発明の一実施形態による基本的な太陽光インバータ１００の構成について説明したが、これに限定されるものではなく、太陽光インバータ１００の構成は図５に示すような構成に拡張することができる。
【００４４】
図５は本発明の他の実施形態による太陽光インバータの構成を示すブロック図である。
【００４５】
図５に示す出力フィルタインダクタ５１０は１つのみで構成され、出力フィルタインダクタ５１０のインダクタンスは、従来技術による複数のインダクタのインダクタンスの２倍に相当する値に設計される。
【００４６】
また、漏れ電流を確認するために、正負（ＰＮ）両端に寄生コンデンサ５２０を備える。
【００４７】
寄生コンデンサ５２０は、物理的に正負（ＰＮ）両端とフレーム接地間で生成されるキャパシタンスに対応し、実際の電力変換装置では構成されないものである。
【００４８】
図５に示す太陽光インバータ１００において、スイッチング制御信号の波形は図６Ａ〜図６Ｄに示す通りであり、寄生コンデンサの両端電圧の波形は図６Ｅに示す通りである。
【００４９】
図６Ｅを参照すると、Ｖｇｎ（負（Ｎ）端における寄生コンデンサの両端電圧）は、スイッチング時点である０．２１秒前後で急激に変化しておらず、電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）が小さいことが分かる。
【００５０】
前述した実施形態は、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想から逸脱しない限り様々な修正及び変形が可能であろう。つまり、前述した実施形態は本発明の技術思想を説明するためのものにすぎず、前述した実施形態により本発明の権利範囲が限定されるものではない。よって、本発明の権利範囲は特許請求の範囲により定められるべきであり、同等の範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００５１】
１００    太陽光インバータ
１１０    ＤＣリンクコンデンサ
１２１    第１スイッチ
１２２    第２スイッチ
１２３    第３スイッチ
１２４    第４スイッチ
１３０    リアクタ
２００    太陽光モジュール
３００    系統
５１０    出力フィルタインダクタ
５２０    寄生コンデンサ
【図１】
2016096713.tif 000003
【図２Ａ】
2016096713.tif 000004
【図２Ｂ】
2016096713.tif 000005
【図２Ｃ】
2016096713.tif 000006
【図２Ｄ】
2016096713.tif 000007
【図３】
2016096713.tif 000008
【図４】
2016096713.tif 000009
【図５】
2016096713.tif 000010
【図６Ａ】
2016096713.tif 000011
【図６Ｂ】
2016096713.tif 000012
【図６Ｃ】
2016096713.tif 000013
【図６Ｄ】
2016096713.tif 000014
【図６Ｅ】
2016096713.tif 000015