KR101721238B1

KR101721238B1 - 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101721238B1
Application number: KR1020150094166A
Authority: KR
Inventors: 이교범; 박진혁
Original assignee: 아주대학교 산학협력단
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-03-29
Also published as: KR20170004178A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치는 직류 전원에서 출력되는 직류 전압, 및 전류 제어기에서 출력되는 상전압 지령에 기초하여 제1 오프셋 전압을 발생하는 오프셋 전압 발생기; 위상 고정 루프와 전기적으로 연결되고, 상기 위상 고정 루프에서 출력되는, 계통의 위상각에 기초하여 n차 고조파(상기 n은 정수)를 발생하는 고조파 발생기; 및 상기 제1 오프셋 전압에 상기 n차 고조파를 주입하여 새로운 제2 오프셋 전압을 생성하고, 상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 생성되는 극전압 지령에 기초하여, 인버터 회로를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 신호 제어부를 포함한다.

Description

불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치 및 방법{DISCONTINUOUS VOLTAGE MODULATION BASED GRID CONNECTED POWER INVERTER AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명의 실시예들은 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치 및 방법에 관한 것이다.

계통 연계형 인버터는 기존의 전력 제어 시스템뿐만 아니라 최근 환경 문제로 각광받고 있는 신재생 에너지 발전 시스템 및 에너지 저장 시스템의 제어를 위한 필수적인 모듈이다.

최근 효율적인 전력 변환 장치의 운용을 위해서 고효율 인버터의 개발이 요구되고 있고, 토폴로지의 제한과 스위치 소자의 성능 한계로 인해 고효율 달성이 가능한 불연속 전압 변조 방식의 제어 방법이 많이 사용되고 있다.

LC-필터 또는 LCL-필터를 사용하는 인버터에 불연속 전압 변조 방식을 적용할 경우, 출력 전류에 공진 전류가 발생하여 전류의 품질에 악영향을 미치는 문제가 발생한다. 따라서, 고효율이 가능하며 전류의 품질을 개선할 수 있는 인버터 제어 기법들이 필요하다.

한편, 기존의 출력 전류의 공진 문제를 저감하기 위한 방법은 수동 댐핑 기법 과 능동 댐핑 기법 방법으로 나뉜다.

상기 수동 댐핑 기법은 필터 커패시터에 댐핑 저항을 연결하여 구성할 수 있다. 이 방법은 전류의 공진을 저감할 수 있지만 댐핑 저항에 지속적인 손실이 발생하고 추가적인 방열 시스템이 요구된다.

상기 능동 댐핑 기법은 디지털 필터를 사용한 소프트웨어를 통해 구성할 수 있다. 불연속 전압 변조 방식을 사용할 경우 발생하는 전류의 공진은 변조 신호가 불연속적으로 변하는 순간에 발생하기 때문에 공진 전류를 추출한 후 제어해야 하는 능동 댐핑 기법으로는 전류의 공진 문제를 해결할 수 없다.

관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1027937호(발명의 명칭: 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 전력변환장치, 등록일자: 2011년 04월 01일)가 있다.

본 발명의 일 실시예는 불연속 전압 변조 방식의 오프셋 전압에 6차 고조파, 12차 고조파 등의 n차 고조파를 주입하여 출력 전압에 발생하는 고조파를 저감함으로써 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감할 수 있는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 고조파 발생기는 상기 인버터 회로의 3상 계통 전압에 기초하여 상기 위상 고정 루프로부터 상기 계통의 위상각을 추정하고, 상기 계통의 위상각에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생할 수 있다.

상기 고조파 발생기는 상기 계통의 위상각에 6배 하여 6차 고조파의 위상각을 발생할 수 있다.

상기 신호 제어부는 상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 15도 구간에 상기 6차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성할 수 있다.

상기 6차 고조파의 크기는 상기 디씨 버스의 전압 크기와 상기 상전압 지령 중 가장 큰 전압 크기의 차이 값일 수 있다.

상기 고조파 발생기는 상기 계통의 위상각에 12배 하여 12차 고조파의 위상각을 발생할 수 있다.

상기 신호 제어부는 상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 7.5도 구간에 상기 12차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성할 수 있다.

상기 12차 고조파의 크기는 상기 디씨 버스의 전압 크기와 상기 상전압 지령 중 가장 큰 전압 크기의 차이 값일 수 있다.

상기 신호 제어부는 상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되도록 함으로써 상기 불연속 전압 변조 방식에 의해 일정 각도마다 불연속적으로 변하는 전압 구간을 연속적으로 변하는 전압 구간으로 변화시켜 상기 인버터 회로의 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감시킬 수 있다.

상기 인버터 회로는 상기 PWM 신호에 기초한 온 또는 오프 상태의 전환을 통해, 상기 직류 전압으로부터 입력되는 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위칭 소자; 및 인버터 및 계통 측 인덕터와 필터 커패시터를 구비하고, 상기 교류 전압으로부터 상기 복수의 스위칭 소자의 온 또는 오프 상태의 전환에 의한 고주파 성분을 제거하는 계통 연계 필터를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자는 상전압의 한 주기 중에 전압 크기가 가장 큰 60도 구간 동안 상기 온 또는 오프 상태의 전환을 위한 스위칭 동작을 수행하지 않음으로써 상기 온 또는 오프 상태 중 어느 하나를 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법은 계통 연계형 전력 변환 장치의 오프셋 전압 발생기에서, 직류 전원에서 출력되는 직류 전압, 및 전류 제어기에서 출력되는 상전압 지령에 기초하여 제1 오프셋 전압을 발생하는 단계; 상기 계통 연계형 전력 변환 장치의 고조파 발생기에서, 위상 고정 루프에서 출력되는, 계통의 위상각에 기초하여 n차 고조파(상기 n은 정수)를 발생하는 단계; 상기 계통 연계형 전력 변환 장치의 신호 제어부에서, 상기 제1 오프셋 전압에 상기 n차 고조파를 주입하여 새로운 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계; 및 상기 신호 제어부에서, 상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 생성되는 극전압 지령에 기초하여, 인버터 회로를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

상기 n차 고조파를 발생하는 단계는 상기 인버터 회로의 3상 계통 전압에 기초하여 상기 위상 고정 루프로부터 상기 계통의 위상각을 추정하는 단계; 및 상기 계통의 위상각에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 계통의 위상각에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생하는 단계는 상기 계통의 위상각에 6배 하여 6차 고조파의 위상각을 발생하는 단계; 또는 상기 계통의 위상각에 12배 하여 12차 고조파의 위상각을 발생하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계는 상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 15도 구간에 상기 6차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계는 상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 7.5도 구간에 상기 12차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 불연속 전압 변조 방식의 오프셋 전압에 6차 고조파, 12차 고조파 등의 n차 고조파를 주입하여 출력 전압에 발생하는 고조파를 저감함으로써 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감함으로써 계통 연계형 전력 변환 장치의 고효율이 가능하도록 하고, 나아가 출력 전류의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 인버터 회로의 상세 구성을 도시한 회로도이다.
도 3은 도 1의 제어 회로의 상세 구성을 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 계통 연계 필터로 사용되는 LCL 필터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 새로운 제2 오프셋을 생성하기 위해 제1 오프셋 전압에 6차 고조파를 주입하는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 시간 영역에서의 변조 신호(극전압 지령, 제2 오프셋 전압) 및 출력 전류를 나타낸 파형도이다.
도 7은 기존의 60도 불연속 전압 변조 방식과 본 발명의 일 실시예를 적용한 출력 전류의 THD 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1의 인버터 회로(120)의 상세 구성을 도시한 회로도이며, 도 3은 도 1의 제어 회로(130)의 상세 구성을 도시한 회로도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치(100)는 직류 전원(110), 인버터 회로(120), 및 제어 회로(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 직류 전원(110)은 직류 전력을 출력하는 전원 소스(power source)로서, 예를 들어 태양 전지 등의 신재생 에너지 발전 장치를 포함할 수 있다. 앞선 예와 같은 경우, 상기 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 상기 직류 전력을 생성할 수 있다.

상기 직류 전원(110)은 상기 생성된 직류 전력을 상기 인버터 회로(122)에 출력한다. 또한, 상기 직류 전원(110)은 상기 태양 전지에 의해 직류 전력을 생성하는 것에 한정되지 않으며, 예를 들어 연료전지, 축전지, 전기 이중층 컨덴서나 리튬 이온 전지 등에 의해서도 상기 직류 전력을 생성할 수 있다.

또한, 상기 직류 전원(110)은 디젤 엔진 발전기, 마이크로 가스 터빈 발전기나 풍력 터빈 발전기 등에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환해서 출력하는 장치에 의해서도 상기 직류 전력을 생성할 수 있다.

상기 인버터 회로(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 스위칭 소자(210) 및 계통 연계 필터(220)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 복수의 스위칭 소자(210)는 인버터 회로(120)를 제어하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 기초한 온(on) 또는 오프(off) 상태의 전환을 통해, 상기 직류 전압으로부터 입력되는 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 복수의 스위칭 소자(210)는 상전압의 한 주기 중에 전압 크기가 가장 큰 60도 구간 동안 상기 온 또는 오프 상태의 전환을 위한 스위칭 동작을 수행하지 않음으로써 상기 온 또는 오프 상태 중 어느 하나를 유지하도록 할 수 있다.

다시 말해, 상기 복수의 스위칭 소자(210)는 상기 60도 구간 동안 3상 중에서 한 상만 스위칭 하지 않음으로써, 해당 한 상의 상태를 온 또는 오프 중 어느 하나만으로 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기와 같은 스위칭 동작 제어를 통해 불연속 전압 변조 방식 기반으로 상기 전력 변환 장치(100)가 동작하도록 하며, 후술하는 상기 제어 회로(130)를 통해 오프셋 전압이 연속적으로 변하도록 제어함으로써 상기 인버터 회로(120)의 출력 전류의 공진 문제를 해결할 수 있다. 상기 제어 회로(130)에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.

상기 계통 연계 필터(220)는 인버터 및 계통 측 인덕터(L_i, L_g)와 필터 커패시터(C_f)를 구비할 수 있다. 즉, 상기 계통 연계 필터(220)는 LCL 필터로 구현될 수 있다. 또 달리, 상기 계통 연계 필터(220)는 LC 필터로 구현될 수도 있다.

여기서, 상기 계통 연계 필터(220)로 사용되는 상기 LCL 필터의 등가 회로는 도 4와 같다. 즉, 상기 LCL 필터는 인버터 및 계통 측 인덕터(L_i, L_g)와 필터 커패시터(C_f)로 표현될 수 있다. 상기 LCL 필터를 사용할 경우, L과 C에 의해서 공진 현상이 발생하고 공진 주파수(f_resonant)를 중심으로 공진 대역이 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 적용되는 불연속 전압 변조 방식에 의해 발생하는 고조파의 주파수가 상기 공진 대역과 겹치게 되면, 상기 인버터 회로(120)의 출력 전류가 공진하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 앞서 언급한 바와 같이 후술하는 상기 제어 회로(130)를 통해 상기 오프셋 전압이 연속적으로 변하도록 제어함으로써 상기 인버터 회로(120)의 출력 전류의 공진 문제를 해결할 수 있다.

상기 공진 주파수는 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, f_resonant는 공진 주파수, L_i는 인버터 측 인덕터, L_g는 계통 측 인덕터, C_f는 필터 커패시터를 각각 나타낸다.

상기 계통 연계 필터(220)는 상기 교류 전압으로부터 상기 복수의 스위칭 소자(210)의 온 또는 오프 상태의 전환에 의한 고주파 성분을 제거할 수 있다.

상기 제어 회로(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 오프셋 전압 발생기(310), 고조파 발생기(320), 및 신호 제어부(330)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 제어 회로(130)는 전류 제어기(301) 및 위상 고정 루프(PPL)(302)를 더 포함할 수 있다.

상기 오프셋 전압 발생기(310)는 직류 전원(110)에서 출력되는 직류 전압(V_dc), 및 상기 전류 제어기(301)에서 출력되는 상전압 지령(V^* _abcs)에 기초하여 제1 오프셋 전압을 발생한다.

여기서, 상기 상전압 지령은 정현파(사인파) 신호이다. 또한, 상기 제1 오프셋 전압(V_offset)은 도 5의 좌측과 같은 파형을 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 오프셋 전압(V_offset)은 불연속적으로 변화하는 파형을 가질 수 있다.

상기 고조파 발생기(320)는 상기 위상 고정 루프(302)와 전기적으로 연결되고, 상기 위상 고정 루프(302)에서 출력되는, 계통(3상 전력 계통)(101)의 위상각(θ)에 기초하여 n차 고조파(상기 n은 정수)를 발생한다.

즉, 상기 고조파 발생기(320)는 상기 인버터 회로(120)의 3상 계통 전압(V_abc)에 기초하여 상기 위상 고정 루프(302)로부터 상기 계통(101)의 위상각(θ)을 추정하고, 상기 계통(101)의 위상각(θ)에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생할 수 있다.

일 실시예로, 상기 고조파 발생기(320)는 상기 계통(101)의 위상각(θ)에 6배 하여 6차 고조파의 위상각을 발생할 수 있다.

다른 실시예로, 상기 고조파 발생기(320)는 상기 계통(101)의 위상각(θ)에 12배 하여 12차 고조파의 위상각을 발생할 수 있다.

상기 신호 제어부(330)는 상기 제1 오프셋 전압에 상기 n차 고조파를 주입하여 새로운 제2 오프셋 전압을 생성하고, 극전압 지령에 기초하여, 상기 인버터 회로(120)를 제어하기 위한 제어 신호인 PWM 신호를 출력할 수 있다.

여기서, 상기 극전압 지령(V^* _an, V^* _bn, V^* _cn)은 하기 수학식 2와 같이, 상기 상전압 지령(V^* _as, V^* _bs, V^* _cs)에 상기 제2 오프셋 전압(V_offset)을 더하여 생성될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, V^* _an, V^* _bn, V^* _cn은 극전압 지령, V^* _as, V^* _bs, V^* _cs은 상전압 지령, V_offset은 제2 오프셋 전압을 각각 나타낸다.

이때, 상기 n차 고조파는 상기 고조파 발생기(320)에 의해 6차 고조파로 발생될 수 있다. 이러한 경우, 상기 신호 제어부(330)는 도 5의 우측에 도시된 바와 같이, 상기 극전압 지령(V^* _abcn)이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 15도 구간에 상기 6차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압(V_{new_offset})을 생성할 수 있다.

여기서, 상기 6차 고조파의 크기는 상기 디씨 버스의 전압 크기와 상기 상전압 지령(V^* _abcs) 중 가장 큰 전압 크기의 차이 값일 수 있다.

또한, 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})은 상기 6차 고조파의 주입에 따라, 불연속적으로 변하는 상기 제1 오프셋 전압(V_offset)과 달리, 연속적으로 변화하는 파형을 가질 수 있다. 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})은 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, V_new _{_offset}은 제2 오프셋 전압, V_dc는 직류 전압, V^* _as, V^* _bs는 상전압 지령, ω₃₆₀은 360Hz의 각속도, t는 시간을 각각 나타낸다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존에 상기 제1 오프셋 전압(V_offset)의 불연속적으로 변하는 순간에 발생하는 많은 전압의 고조파들을 저감할 수 있어 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감할 수 있다.

참고로, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 극전압 지령(V^* _abcn)은 도 6의 i)과 같이 나타날 수 있고, 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})은 도 6의 ii)와 같이 나타날 수 있으며, 상기 인버터 회로(120)의 출력 전류는 도 6의 iii)과 같이 나타날 수 있다. 특히, 도 6의 클램핑 모멘트에서(at the clamping moment), 기존에는 오프셋 전압의 불연속적인 변화로 인해 고조파가 많이 발생하여 출력 전류의 공진 문제가 발생하였지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})이 연속적으로 변함으로 인해 고조파의 발생이 저감된 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 상기 인버터 회로(120)의 출력 전류의 공진 문제를 해결할 수 있다.

한편, 상기 n차 고조파는 상기 고조파 발생기(320)에 의해 12차 고조파로 발생될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 신호 제어부(330)는 상기 극전압 지령(V^* _abcn)이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 7.5도 구간에 상기 12차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})을 생성할 수 있다.

여기서, 상기 12차 고조파의 크기는 상기 디씨 버스의 전압 크기와 상기 상전압 지령 중 가장 큰 전압 크기의 차이 값일 수 있다.

또한, 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})은 상기 12차 고조파의 주입에 따라, 불연속적으로 변하는 상기 제1 오프셋 전압(V_offset)과 달리, 연속적으로 변화하는 파형을 가질 수 있다. 상기 제12차 고조파가 주입되는 경우, 상기 제2 오프셋 전압은 상기 수학식 3에서 "ω₃₆₀t"를 "ω₇₂₀t"로, "π/12, 3π/12, 4π/12" 등을 "π/24, 3π/24, 4π/24" 등으로 변경 적용하여 표현될 수 있다.

이를 위해, 상기 신호 제어부(330)는 상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 상기 극전압 지령(V^* _abcs)이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되도록 함으로써, 상기 불연속 전압 변조 방식에 의해 일정 각도(60도)마다 불연속적으로 변하는 전압 구간을 연속적으로 변하는 전압 구간으로 변화시켜 상기 인버터 회로(120)의 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감시킬 수 있다.

한편, 기존의 60도 불연속 전압 변조 방식과 본 발명의 일 실시예를 적용한 출력 전류의 THD(Total Harmonic Distortion)는 도 7과 같다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예를 적용한 출력 전류의 THD는 기존 60도 불연속 전압 변조 방식을 적용한 출력 전류의 THD에 비해 부하율(%) 전 구간에서 그 값이 더 작은 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

도 3 및 도 8을 참조하면, 단계(810)에서 상기 오프셋 전압 발생기(310)는 직류 전원의 직류 전압(V_dc), 및 상기 전류 제어기(301)에서 출력되는 상전압 지령(V^* _abcs)에 기초하여 제1 오프셋 전압(V_offset)을 발생한다.

다음으로, 단계(820)에서 상기 고조파 발생기(320)는 상기 위상 고정 루프(302)에서 출력되는, 계통의 위상각(θ)에 기초하여 n차 고조파를 발생한다.

이때, 상기 고조파 발생기(320)는 상기 인버터 회로의 3상 계통 전압에 기초하여 상기 위상 고정 루프(302)로부터 상기 계통의 위상각(θ)을 추정하고, 상기 계통의 위상각(θ)에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생할 수 있다.

예를 들어, 상기 고조파 발생기(320)는 상기 계통의 위상각(θ)에 6배 하여 6차 고조파의 위상각을 발생할 수 있으며, 또 달리 상기 계통의 위상각(θ)에 12배 하여 12차 고조파의 위상각을 발생할 수도 있다.

다음으로, 단계(830)에서 상기 신호 제어부(330)는 상기 제1 오프셋 전압(V_offset)에 상기 n차 고조파를 주입하여 새로운 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})을 생성한다.

이때, 상기 신호 제어부(330)는 상기 극전압 지령(V^* _abcn)이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 15도 구간에 상기 6차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성할 수 있다.

또 달리, 상기 신호 제어부(330)는 상기 극전압 지령(V^* _abcn)이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 7.5도 구간에 상기 12차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성할 수 있다.

다음으로, 단계(840)에서 상기 신호 제어부(330)는 상기 상전압 지령(V^* _abcs)에 상기 제2 오프셋 전압(V_new _{_offset})을 더하여 생성되는 상기 극전압 지령(V^* _abcn)에 기초하여, 상기 인버터 회로를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력한다.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

101: 3상 전력 계통
110: 직류 전원
120: 인버터 회로
130: 제어 회로
210: 복수의 스위칭 소자
220: 계통 연계 필터
301: 전류 제어기
302: 위상 고정 루프
310: 오프셋 전압 발생기
320: 고조파 발생기
330: 신호 제어부

Claims

직류 전원에서 출력되는 직류 전압, 및 전류 제어기에서 출력되는 상전압 지령에 기초하여 제1 오프셋 전압을 발생하는 오프셋 전압 발생기;
위상 고정 루프와 전기적으로 연결되고, 상기 위상 고정 루프에서 출력되는, 계통의 위상각에 기초하여 n차 고조파(상기 n은 자연수)를 발생하는 고조파 발생기; 및
상기 제1 오프셋 전압에 상기 n차 고조파를 주입하여 새로운 제2 오프셋 전압을 생성하고, 상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 생성되는 극전압 지령에 기초하여, 인버터 회로를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 신호 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 고조파 발생기는
상기 인버터 회로의 3상 계통 전압에 기초하여 상기 위상 고정 루프로부터 상기 계통의 위상각을 추정하고, 상기 계통의 위상각에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제2항에 있어서,
상기 고조파 발생기는
상기 계통의 위상각에 6배 하여 6차 고조파의 위상각을 발생하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제3항에 있어서,
상기 신호 제어부는
상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 15도 구간에 상기 6차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,
상기 6차 고조파의 크기는
상기 디씨 버스의 전압 크기와 상기 상전압 지령 중 가장 큰 전압 크기의 차이 값인 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제2항에 있어서,
상기 고조파 발생기는
상기 계통의 위상각에 12배 하여 12차 고조파의 위상각을 발생하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제6항에 있어서,
상기 신호 제어부는
상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 7.5도 구간에 상기 12차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제7항에 있어서,
상기 12차 고조파의 크기는
상기 디씨 버스의 전압 크기와 상기 상전압 지령 중 가장 큰 전압 크기의 차이 값인 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 신호 제어부는
상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되도록 함으로써 상기 불연속 전압 변조 방식에 의해 일정 각도마다 불연속적으로 변하는 전압 구간을 연속적으로 변하는 전압 구간으로 변화시켜 상기 인버터 회로의 출력 전류에 발생하는 공진 전류를 저감시키는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 인버터 회로는
상기 PWM 신호에 기초한 온 또는 오프 상태의 전환을 통해, 상기 직류 전압으로부터 입력되는 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위칭 소자; 및
인버터 및 계통 측 인덕터와 필터 커패시터를 구비하고, 상기 교류 전압으로부터 상기 복수의 스위칭 소자의 온 또는 오프 상태의 전환에 의한 고주파 성분을 제거하는 계통 연계 필터
를 포함하고,
상기 복수의 스위칭 소자는
상전압의 한 주기 중에 전압 크기가 가장 큰 60도 구간 동안 상기 온 또는 오프 상태의 전환을 위한 스위칭 동작을 수행하지 않음으로써 상기 온 또는 오프 상태 중 어느 하나를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치.
계통 연계형 전력 변환 장치의 오프셋 전압 발생기에서, 직류 전원에서 출력되는 직류 전압, 및 전류 제어기에서 출력되는 상전압 지령에 기초하여 제1 오프셋 전압을 발생하는 단계;
상기 계통 연계형 전력 변환 장치의 고조파 발생기에서, 위상 고정 루프에서 출력되는, 계통의 위상각에 기초하여 n차 고조파(상기 n은 자연수)를 발생하는 단계;
상기 계통 연계형 전력 변환 장치의 신호 제어부에서, 상기 제1 오프셋 전압에 상기 n차 고조파를 주입하여 새로운 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계; 및
상기 신호 제어부에서, 상기 상전압 지령에 상기 제2 오프셋 전압을 더하여 생성되는 극전압 지령에 기초하여, 인버터 회로를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 n차 고조파를 발생하는 단계는
상기 인버터 회로의 3상 계통 전압에 기초하여 상기 위상 고정 루프로부터 상기 계통의 위상각을 추정하는 단계; 및
상기 계통의 위상각에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 계통의 위상각에 기초하여 상기 n차 고조파를 발생하는 단계는
상기 계통의 위상각에 6배 하여 6차 고조파의 위상각을 발생하는 단계; 또는
상기 계통의 위상각에 12배 하여 12차 고조파의 위상각을 발생하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계는
상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 15도 구간에 상기 6차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계는
상기 극전압 지령이 디씨 버스(+DC-bus 또는 -DC-bus)에 고정되는 60도 구간 중 처음과 마지막 7.5도 구간에 상기 12차 고조파를 주입하여 상기 제2 오프셋 전압을 생성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연속 전압 변조 방식 기반의 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 방법.