250kW KERI PV-PCS PCS 2008. 3 한국전기연구원 맥스컴, 국제산업전자
태양광 PCS 의기본 Topology 300V ~ 600V 300V ~ 600V 300V ~ 600V SINE FILTER SINE FILTER SINE FILTER 380V 380V 380V 인버터 + 저주파트랜스포머 저전압교류발생 ( < 220V AC ) 출력전압대비대전류, 승압트랜스포머필요 간단한구조, 절연형 대용량, 소용량 컨버터, 고주파트랜스 + 인버터 고전압교류발생 (380VAC) 저전류승압트랜스포머불필요 소형화, 경량화, 절연형 소용량 컨버터 + 인버터 고전압교류발생, 저전류승압트랜스포머불필요 소형화, 경량화, 비절연형 소용량 컨버터용량 = 태양광 PCS 용량
온도와광량에따른태양전지특성곡선 온도가증가함에따라출력과전압이같이줄어듦 출력직류전압을특정전압이상유지시키기위해서는컨버터가필요
PCS 주회로특징 NEW TOPOLOGY for GRID CONNECTED PV PCS SMALL ISOLATED DC/DC CONVERTER DC/AC INVERTER V C DC INPUT SIDE V PH HIGH FREQUENCY TRANSFORMER V PH V DC SINE FILTER GRID 태양전지의발전특성을최대한이용하고새로운직류변환방법을적용하여컨버터의용량을시스템정격용량의 20% 이하로획기적으로줄일수있음 직류전압을높임으로인해계통전압과동일한출력전압을공급할수있어인버터의정격전류를반으로줄여인버터병렬운전소자수를줄일수있고인버터자체의효율을증대시킬수있음 새로운직류변환방법과태양전지의발전특성을이용하면시스템최대효율을획기적으로증대시킬수있음 사용되는직류변환장치의용량이획기적으로줄어듦으로인해소용량시스템뿐만아니라대용량시스템에도적용될수있는기술임.
컨버터용량산정 V DC : 컨버터출력전압 (650V) P C : 필요한컨버터용량 I DCTM : 최대동작온도에서직류출력전류
시스템효율 컨버터효율 : 92%, 인버터효율 :98% 가정
일반적인대용량태양광 PCS TOPOLOGY 저압트랜스포머를사용한구조 200kW PV SYSTEM WITH TWO TRANSFORMERS 450~850VDC DC/AC INVERTER PCS 220V/380V LV TRANSFORMER 380V/22.9kV MV TRANSFORMER 22.9kV/60Hz HIGH VOLTAGEGRID 380V/60Hz LOCAL UTILITY 인버터 + 승압용저전압트랜스포머 + 고압연계트랜스포머 인버터와저압트랜스포머의전류용량이큼 (220V AC, 200kW) 고압트랜스포머를포함한전체시스템효율이낮음
대용량태양광 KERI PCS TOPOLOGY 250kW PV SYSTEM WITH ONE TRANSFORMER SMALL DC/DC CONVERTER PCS DC/AC INVERTER 380V/22.9kV MV TRANSFORMER 380V/380V OPTION TRANSFORMER for ISOLATION 출력전압을승압하기위한트랜스제거를위해직류전압을높힘 인버터의전류용량이줄어듦, 소자선정및인버터효율에유리 고압트랜스포머를포함한전체시스템효율증대
내부 DC/DC 컨버터 Topology 0 ~ 200VDC 직류링크전압이고압으로인해소자가 1200V MOSFET 필요 고압소자의경우 ON 저항이높아효율에불리하며전류용량이작은문제발생 450V ~ 850V ISOLATED DC/DC CONVERTER Maximum rating voltage : 600V S 1 S 2 High Frequency Transformer T 1 L C S 3 S 4 V PH S 1 S 2 S 3 S 4 High Frequency Transformer T 1 직류링크전압분할으로저압소자사용가능 출력이병렬연결되어병령운전을위한전류제어가필요 L C VDC 직류링크전압분할으로저압소자사용가능 출력이직렬연결되어병령운전을위한전류제어가필요가없으므로제어알고리즘및제어기가간단함 단위컨버터의이상시에도안전을보장하기위하여 4 단으로구성 소자정격을더욱줄일경우 ON 저항감소로효율증대효과배가
컨버터사양및제어알고리즘 컨버터단위모듈사양 구분입력전압 내용 450~850V PV(450V~850Vdc) FULL BRIDGE (MOSFET,600V) TRANSFORMER DIODE BRIDGE INDUCTOR 출력전압 0~200V FULL BRIDGE (MOSFET,600V) TRANSFORMER 정격 / 최대출력 정격 / 최대출력전류 5.5kW/6.25kW 110A/130A V PV_HF V DC_REF V PV V CON_REF V CON PI / I DC_REF PI PWM I DC 리플전류 24A V DC I DC P max topology ZVS FB 방식 V PV V PV_HF 1/N VOLTAGE UNBALANCE CONTROLLER V DC 스위칭주파수 30KHz
컨버터제어기구성 Power Module x4 /F1 /F4 /GATE1 /GATE4 /EN1 /EN4 Idc Vdc Vpv Vdc1 Vdc2 Vdc3......... Controller FAULTS (1 x 4) ALTERA (4 x 4) ENABLE (1 x 4) RS232(2) CAN(1 Ports) RELAY(3) Current Sensor (1) TMS320F2812 TEMPERATURE SENSOR (6) Voltage Sensor (5) Volume (Analog, 2) +15V DGND -15V 5V +15V GND PC MONITORING SERIAL LCD CAN MAIN RLY PRE RLY OUTPUT RLY T6 T5 T4 T3 T2 T1
22kW DC/DC 구성 22kW[66kW] DC/DC [5.5kW x 4 대 ] 590(W) x 350(H) x 450(D) mm
250kW 태양광 PCS 의구성
3 PHASE 380V AC 250kW 250kW 태양광 PCS DC/DC CONVERTER (22kW) DC/DC CONVERTER (22kW) DC/DC CONVERTER (22kW) DC/DC CONVERTER (22kW) PHOTOVOLTAIC ARRAY 장치 Block Diagram 3 PHASE PWM INVERTER (250kW) 22kW DC/DC X 4 대 1880(W) x 2050(H) x 1000(D) mm System Efficiency Max:96.8%( 90.3%, P OUT,10% ]
계통연계평가시험장치구성 교류부하장치 전원설비 전원설비 계통역조류방지부하장치 전원설비 태양전지모의직류전원장치 DC 시험인버터 AC 교류모의배전선 V A V A V A 계통모의교류전원장치 전원설비 GPIB GPIB 전원설비 계측 RACK Power Meter GPIB Power Meter GPIB 전원설비 제어장치및주변장치 (GPIB, I/O 등 ) 전원설비
250kW 태양광 PCS 성능 Anti-Islanding [Q = 1, 45kW_45kVAR] - Non Detection - Detection 274ms
250kW 태양광 PCS 성능 Anti-Islanding [Q = 2.5, 45kW_112.5kVAR] - Non Detection - Detection 234ms
250kW 태양광 PCS 성능 Anti-Islanding [Q = 1, 100kW_100kVAR] - Non Detection - Detection 196ms
250kW 태양광 PCS 성능 [PLL] 제안한 KERI 위상추출기법
DATA SHEET Input Data Max. PV-power P PV 284kWp DC voltage range, MPPT V PV 450-800V Max. permissible DC voltage V PV,max 860V Max. permissible DC current I PV,max 567A Number of DC ports / connection point 1 / DC Circuit Breaker Output Data Nominal AC power P AC 250kW Operating voltage grid ± 10% V AC 380V Nominal AC current I AC,nom 380A Operating grid frequency f AC 50Hz*-60Hz Voltage ripple PV voltage V pp <3%* THD of grid current THD IAC < 3% at nominal power* Phase shift cosφ 0.99 at nominal power Efficiency 5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100% of P AC,nom η 89.7/90.3/94.6/96.1/96.8/96.9/96.3/ 96.3/96.5/96.2/95.4 European η EU 95.4 Size and Weight Width / Height / Depth [mm] Weight (approx.) W/H/D kg 1880/2,,050/1,000 1,950 * 추정치, 효율은 V PV =600 일때 WT3000 POWER ANALYZER
관련특허실적 국내특허 1. 태양전지용가상모의장치및모의방법등록일 :2007.6.4 등록번호 :10-0726712 2. 가변출력직류전원장치및그제어방법등록번호 : 10-0660925 등록일 :2006.12.18 3. 태양광발전용전력변환장치및그방법등록번호 : 10-0770791 등록일 : 2007.10.22 4. 직류전압분할구동형직류전원공급장치출원번호 : 10-2006-0048662 출원일 : 2006.05.30 5. 전력계통에서 FFT를이용한위상추종시스템및그방법출원번호 : 10-2007-0113374 출원일 : 2007.11.07 국제특허 1. Invention Title PHOTOVOLTAIC POWER CONDITIONING SYSTEM AND METHOD 국제특허 (PCT) 출원, 공개중 PCT/KR2006/005840 (2006.12.28) PCT 공개번호 : WO 2007/105858 A1, PCT 공개일자 : 2007. 9. 20
문의사항및연락처 한국전기연구원신재생에너지그룹 E-mail : dwyoo@keri.re.kr bdmin@keri.re.kr TEL. 055-280-1430, 1434 주식회사맥스컴 본사 공장 : 경기도남양주시오남읍양지리 799-1 Tel : 031-574-3863 Fax : 031-574-3867 URL : http://www.maxcom.co.kr 국제산업전자주식회사 본사 공장 : 경기도안양시동안구평촌동 167 Tel : 031-421-8812~6 Fax : 031-421-8815 URL : http://www.iieups.co.kr