JP5856046B2 - マルチレベルコンバータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチレベルコンバータの制御方法に関するものであり、更に詳しくは、電圧バランシングのためのスイッチング技法を適用して処理時間を向上させたマルチレベルコンバータの制御方法に関するものである。

マルチレベルコンバータシステムで一般に使用される電圧バランシングを考慮したゲートスイッチング（ｇａｔｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）技法が利用されている。従来の電圧バランシングは、モジュレーション過程で投入された上方と該当アーム（ａｒｍ）内部の全てのサブモジュールから送られてきたキャパシタ電圧の情報を電圧のサイズに応じて整列を行っていた。このように加工された情報を利用してサブモジュールを選択する。詳しくは、該当アーム（ａｒｍ）の電流情報に応じて最も高い電圧を有するサブモジュール或いは最も低い電圧を有するサブモジュールが選択されるメカニズムを有する。

従来の電圧バランシング方法によると、まずいくつのサブモジュールがオン（ＯＮ）信号を出すのかを決定すると、一つのアーム内部のどのサブモジュールをオンにするのかを決定する。この際、一般に各サブモジュールの電圧を均等に分散するために、各サブモジュールの電圧値を比べて整列するソーティング（ｓｏｒｔｉｎｇ）過程が行われる。オン（ＯＮ）に当たるサブモジュールはアーム電流の方向に応じて充電と放電が行われるため、アーム電流が正の値を有すると最も小さい電圧を有するサブモジュールを選択し、アーム電流が負の値を有すると最も大きい電圧を有するサブモジュールを選択して放電が行われるように動作する。

このような従来技術の動作方法を図１に示した。即ち、ＯＮ条件を満足するサブモジュールの数を決定し（Ｓ１０）、サブモジュールを電圧値に応じてソーティングする（Ｓ２０）。次に、電流値の符号を判断し（Ｓ３０）、電流値の符号が正数であれば（Ｓ３０−ＹＥＳ）最も小さい電圧を選択し、電流値の符号が負数であれば（Ｓ３０−ＮＯ）最も大きい電圧を選択する（Ｓ５０）。

前記従来技術によると、サブモジュールを電圧値に応じてソーティングする過程（Ｓ２０）で最も多くの時間が所要される。特に、大容量電力機器に適用されるモジュール基板のマルチレベルコンバータの場合、一つのアームに１５０〜２００個以上のサブモジュールが具備される。デジタル処理過程は大きく４つの部分に分けられ、すなわちサブモジュールの電圧値をデジタル値に変換する過程、変換されたサブモジュール値を整列する過程、電流方向に応じてサブモジュールを選択する過程、そして選択されたサブモジュールのゲート信号に適用する過程を含む。

この際、第１及び第２過程、即ち、電圧値をデジタル値に変換して整列する過程は非常に多くの時間が所要されるだけでなく、サブモジュールの個数が増加するとそれに比例して所要時間が無限大に大きくなり得る問題点がある。

本発明は、上述した問題点を鑑みて案出されたものであり、本発明の目的は、電圧バランシング過程におけるサブモジュール値を整列する時間を効率的に減らすことができるマルチレベルコンバータの制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法は、具備された複数のサブモジュールのうち最大の電圧を有するサブモジュール及び最小の電圧を有するサブモジュールをそれぞれ抽出する段階と、前記複数のサブモジュールの状態変化量を判断する段階と、前記判断結果、前記状態変化量が０ではない場合、前記複数のサブモジュールに流れる電流変更を検知する段階と、前記状態変化量及び前記電流方向のうち少なくとも一つに応じて少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定する段階と、を含む。

また、前記複数のサブモジュールの状態変化量は、現在サンプリング段階での状態がオン（ＯＮ）であるサブモジュールの個数から過去のサンプリング段階での状態がオン（ＯＮ）であるサブモジュールの個数を引いた値であってもよい。

そして、前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定する段階は、前記状態変化量の値に当たる個数だけ繰り返してサブモジュールの次の状態を決定することができる。

また、前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定する段階は、サブモジュールの次の状態の決定が最初に行われる場合であれば、前記最大電圧を有するサブモジュール又は前記最小電圧を有するサブモジュールのうちいずれか一つの次の状態を決定することができる。

そして、前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定する段階は、前記状態変化量が正数で前記電流方向がアームの電流方向と同じであると前記最大電圧を有するサブモジュールをオフ状態からオン状態に変え、前記電流方向が前記アームの電流方向と反対であると前記最小電圧を有するサブモジュールをオフ状態からオン状態に変えるように決定することができる。

また、前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定する段階は、前記状態変化量が負数で前記電流方向がアームの電流方向と同じであると前記最大電圧を有するサブモジュールをオン状態からオフ状態に変え、前記電流方向が前記アームの電流方向と反対であると前記最小電圧を有するサブモジュールをオン状態からオフ状態に変えるように決定することができる。

そして、前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定する段階は、前記サブモジュールの次の状態の決定が最初に行われる場合でなければ、前記複数のサブモジュールのうち前記最大電圧を有するサブモジュール又は前記最小電圧を有するサブモジュールを除いた少なくとも一つのサブモジュールの次の状態をランダムに変化させるように決定することができる。

また、前記最大電圧を有するサブモジュール及び前記最小電圧を有するサブモジュールをそれぞれ抽出する段階の前に、前記複数のサンプリングそれぞれに現在状態をオン状態をオフ状態に区分する段階を更に含んでもよい。

前記本発明の構成によるマルチレベルコンバータの制御方法によると、電圧バランシング過程におけるサブモジュールの個数が増加してもサブモジュール値を整列する時間を効率的に減らすことができる。

従来技術の動作方法を示す図である。 本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法の基本的な流れを説明するための図である。 本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法の流れを説明する図である。 本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法の流れを説明する図である。

本発明は多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、特定の実施例を図面に例示し詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定な実施形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解しなければならない。

また、本発明を説明するに当たって、関連する公知機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

図２は、本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法の基本的な流れを説明するための図である。

まず、電力機器の目的に応じて印加された電圧１００を測定する。測定された電圧はモジュレーション１１０が行われ、この際オン（ＯＮ）状態であるサブモジュールの個数１２１、各サブモジュールの電圧１２３及びアーム電流の方向１２５を測定して電圧バランシング１３０を行う。最後に、各サブモジュールを制御するためのゲート信号１４０を生成する。

特に、本発明における電圧バランシング１３０過程は、オン状態であるサブモジュールの個数１２１と各サブモジュールの電圧１２３、そしてアーム電流の方向１２５に基づいて電圧バランシング１３０を行うということにその特徴がある。電圧バランシング１３０の具体的な過程は以下のようである。

まず、以前の状態のゲート信号を測定する。オン状態を有するサブモジュールを測定し、その個数を計算する。同じく、オフ状態を有するサブモジュールを測定し、その個数を計算する。

一方、オン状態を有する各サブモジュールの電圧を測定するが、この際最大電圧値を有するサブモジュールと最小電圧値を有するサブモジュールを抽出する。この過程は、まず最大電圧値と最小電圧値を決定し、それに当たるサブモジュールを抽出すればよい。

次に、以前のモジュレーションを介したオン状態を有するサブモジュールの個数と、現在のモジュレーションを介したオン状態のサブモジュールの個数との差を求める。ここで、その個数の差が正数であればオン状態を有するサブモジュールの個数が多いことを意味し、その個数の差が負数であればオン状態を有するサブモジュールの個数が以前より少ないことを意味する。

そして、その差の数だけサブモジュールの制御を繰り返す。例えば、その差がｎであるとサブモジュールの制御をｎ回繰り返すが、１番目には前記決定した最大電圧値を有するサブモジュール或いは最小電圧値を有するサブモジュールを制御する。即ち、１番目には前記差値の符号を判断した後アーム（ａｒｍ）電流の方向を参照し、最大電圧値を有するサブモジュール或いは最小電圧値を有するサブモジュールを制御する。

ここで、差値が正数でアーム電流の方向に電流が流れると最小の電圧値を有し、オフ状態であるサブモジュールをオンに変えるように制御する。また、差値が正数でアーム電流の逆方向に電流が流れると最大の電圧値を有し、オフ状態であるサブモジュールをオンに変えるように制御する。

逆に、差値が負数でアーム電流の方向に沿って電流が流れるとオン状態で最大電圧値を有するサブモジュールをオフ状態に変え、差値が負数でアーム電流の逆方向に電流が流れるとオン状態で最小電圧値を有するサブモジュールをオフ状態に変える。

次に２番目、３番目…ｎ番目に繰り返す場合、１番目のように最大電圧値或いは最小電圧値を有するサブモジュールを制御するのではなく、具備されたサブモジュールのうちランダム（ｒａｎｄｏｍ）に選別したサブモジュールを制御する。

詳しくは、差値が正数でアーム電流の方向に電流が流れる場合、オフ状態であるサブモジュールをランダムに選定してオン状態に変えるように制御する。一方、差値が正数でアーム電流の逆方向に電流が流れる場合にも、オフ状態であるサブモジュールをランダムに選定してオン状態に変えるように制御する。

逆に、差値が負数でアーム電流の方向に電流が流れるとオン状態であるサブモジュールをランダムに選定してオフ状態に変えるように制御する。一方、差値が負数でアーム電流の逆方向に電流が流れる場合にもオン状態であるサブモジュールをランダムに選定してオフ状態に変えるように制御する。

このように、差値が負数である場合にはオン状態であるサブモジュールをオフ状態に変えて均衡を合わせ、差値が正数である場合にはオフ状態であるサブモジュールをオン状態に変えて均衡を合わせる。

このようにｎ回の過程が終わると、その信号を出力してそれぞれのサブモジュールを制御する。

このように、本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方式によると、従来の方法のように全てもサブモジュールを電圧のサイズ順に整列する過程をなくすことができるため、電圧バランシング過程におけるサブモジュールの個数が増加してもサブモジュール値を整列する時間を効率的に減らすことができる。

図３及び図４は、本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法の流れを説明する図である。

まず、（ｔ−Δｔ）時間におけるゲート信号を判断する（１０５）。これを介して、サブモジュールの直前状態を知ることができる。即ち、直前のサブモジュールのオン／オフ状態を知ることができる。具備されたそれぞれのサブモジュールのオン／オフ状態を判断すると、オン状態であるのかオフ状態であるのかで区分する（１２１−２，１２１−３）。このように、オフ状態とオン状態を予め分けて判断する理由は、サブモジュールの迅速な制御のためである。

オフ状態とオン状態に分けられた各サブモジュールは、その後その個数の総計が求められる（１２１−１，１２１−４）。即ち、直前のゲート信号（１０５）を利用してオン状態であるサブモジュールがいくつであるのか、オフ状態であるサブモジュールがいくつであるのかを決める。

次に、オン状態であるサブモジュールのうち最も高い電圧を有するサブモジュールと最も低い電圧を有するサブモジュールを判断する（Ｓ１２２−１）。オフ状態であるサブモジュールに対しても、同じく最大電圧を有するサブモジュールと最も低い電圧を有するサブモジュールを判断する（Ｓ１２２−２）。

ここまでの過程を初期化過程（ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｎ ｓｔｅｐ）と称するが、本発明の一実施例によるマルチレベルコンバータの制御方法の基本になる過程である。

初期化課程が進んだ後からは、図面を異にして図４にその過程を詳細に図示した。図４に示したように、まずオン状態を有するようになるサブモジュールの個数（Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ＯＮ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｇａｔｅ ａｔ ｔ（ｎ））を求める（Ｓ２００）。オン状態を有するサブモジュールの個数が求められると、図３の初期化段階で計算された直前にオン状態を有したサブモジュールの個数を引く（Ｓ２１０）。その差値（ｄｉｆｆ）はいくつかのサブモジュールの状態を制御するのかを判断する基礎となり、オン状態を有するサブモジュールの個数が以前より多ければ差値（ｄｉｆｆ）は正数、小さければ差値（ｄｉｆｆ）が負数を示す。

次の段階では、サブモジュールの状態変化を行う回数を決める（Ｓ２２０）。具体的にサブモジュールの状態変化を行う回数は、オン状態を有するようになるサブモジュールの差値（ｄｉｆｆ）だけ行われるようになる。即ち、オン状態を有するようになるサブモジュールの個数が１０であり、直前状態でオン状態を有するサブモジュールの個数が７であれば３つのサブモジュールに対して状態変化を行わなければならないため、総３回のサブモジュールの制御が行われる。

そして、最初に行われる制御段階に当たる場合（Ｓ２３０−Ｙｅｓ）Ｓ２６０が行われる。しかし、その後の制御段階（Ｓ２３０−Ｎｏ）であればＳ２７０が行われる。

まず、Ｓ２６０段階について説明すると、まず差値（ｄｉｆｆ）の符号を判断し、差値（ｄｉｆｆ）が正数であれば（Ｓ２６１−Ｙｅｓ）、再びサブモジュールに流れる電流（ｉ）を判断する。もし、電流（ｉ）がアームの電流方向に流れる場合であれば（Ｓ２６２−Ｙｅｓ）オフ状態であるサブモジュールを制御するが、初期化段階で見つけた最小電圧のサブモジュールを制御する（Ｓ２６３）。この際、最小電圧のサブモジュールはオフ状態からオン状態に変化するように制御される。

逆に、サブモジュールに流れる電流（ｉ）がアームの電流と逆方向に流れる場合であれば（Ｓ２６２−Ｎｏ）同じくオフ状態であるサブモジュールを制御するが、この際には初期化段階で見つけた最大電圧のサブモジュールを制御する（Ｓ２６４）。即ち、最大電圧のサブモジュールがオン／オフ状態になるように制御する。

逆に、差値（ｄｉｆｆ）が負数である場合（Ｓ２６１−Ｎｏ）であれば、これとは逆に動作する。即ち、差値（ｄｉｆｆ）が負数であると判断される場合（Ｓ２６１−Ｎｏ）サブモジュールに流れる電流の方向を感知し、もしアーム電流と同じ方向に電流が流れると（Ｓ２６５−Ｙｅｓ）、オン状態であったサブモジュールをオフ状態に制御する（Ｓ２６６）。この際、オフ状態に制御されるサブモジュールは初期化段階で見つけた最大電圧のサブモジュールである。

逆に、サブモジュールに流れる電流の方向がアーム電流と逆方向であれば（Ｓ２６５−Ｎｏ）、オン状態であったサブモジュールをオフ状態に制御する（Ｓ２６７）。この際、オフ状態に制御されるサブモジュールは前記初期化段階で見つけた最小電圧のサブモジュールである。

このように、最初は最大電圧を有するサブモジュール或いは最小電圧を有するサブモジュールを制御する。

次に、差値（ｄｉｆｆ）が２以上である場合には更にＳ２２０に戻る。ここで、Ｓは前記サブモジュールの制御が繰り返される回数を示すものであり、Ｓ２８０ではＳの値を１だけ上昇させて次のサブモジュールの制御は２回目の制御であるということを意味する。

更にＳ２２０に戻り、依然として差値（ｄｉｆｆ）より小さい場合であれば（Ｓ２２０−Ｙｅｓ）、Ｓ２３０に移動する。しかし、この段階は初回の段階ではないため（Ｓ２３０−Ｎｏ）、Ｓ２７０に移動する。

ここでも同じく差値（ｄｉｆｆ）と電流（ｉ）の方向に基づいてサブモジュールを制御するようになるが、ここでは最大電圧或いは最小電圧を有するサブモジュールではなく、それを除いたモジュールのうちランダムに選択されたサブモジュールを制御する。

差値が正数で（Ｓ２７１−Ｙｅｓ）サブモジュールに流れる電流の方向がアーム電流と同じ場合（Ｓ２７２−Ｙｅｓ）オフ状態であるサブモジュールをランダムに選択してオン状態に制御し（Ｓ２７３）、サブモジュールに流れる電流の方向がアーム電流と逆方向である場合も（Ｓ２７２−Ｙｅｓ）同じくオフ状態であるサブモジュールをランダムに選択してオン状態に制御する（Ｓ２７４）。

逆に、差値が負数（Ｓ２７１−Ｎｏ）サブモジュールに流れる電流の方向がアーム電流と同じ場合（Ｓ２７５−Ｙｅｓ）オン状態であるサブモジュールをランダムに選択してオフ状態に制御し（Ｓ２７６）、サブモジュールに流れる電流の方向がアーム電流と反対方向である場合も（Ｓ２７５−Ｎｏ）同じくオン状態であるサブモジュールをランダムに選択してオフ状態に制御する（Ｓ２７７）。

このような過程が終わると、更にＳを１だけ上げてＳ２２０に戻る。もしＳが差値（ｄｉｆｆ）より小さい場合には（Ｓ２２０−Ｙｅｓ）更にＳ２３０を経てＳ２７０を行い、Ｓ２２０を満足しないと（Ｓ２２０−Ｎｏ）、即ち、差値とＳ値が同じくなった場合には、先の過程で各サブモジュールを制御するための信号を統合し（Ｓ２４０）、新たにゲート信号（Ｇａｔｅ Ｓｉｇｎａｌ）を出力する（Ｓ２５０）。このようなゲート信号に応じて各サブモジュールはオン／オフ状態を変える。そして、更に図３の初期化過程と図４のゲート信号の出力過程を繰り返してサブモジュールを制御する。

上述したように、本発明によると電圧バランシング過程における最も時間が多く所要される全てのサブモジュールの電圧整列過程を省略することができ、最も大きい電圧値と最も小さい電圧値のみを計算して迅速にサブモジュールを制御することができるためスイッチングが均等に分散される。このような時間の節約は、メモリの使用及び機能の追加によりフレキシブルに対処し得る環境を提供し、製品の機能と信頼度を向上させることができる。また、計算速度が速い高価のデジタルプロセッサを使用せずに安価のプロセッサを使用しても同じ効果を図ることができるため、製品の単価を減らす効果も期待することができる。

上述したように、多様な実施例で説明した各構成要素及び／又は機能は互いに複合的に結合して具現されてもよく、該当技術分野の通常の知識を有する者であれば下記特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更し得るということを理解できるはずである。

Claims (6)

1. 具備した複数のサブモジュールの以前の状態がオン又はオフ状態のうちいずれか一つの状態であるかを確認する段階と、
   具備した複数のサブモジュールのうち最大電圧を有するサブモジュール及び最小電圧を有するサブモジュールをそれぞれ抽出する段階と、
   前記複数のサブモジュールの状態変化量を判断する段階と、
   前記判断結果、前記状態変化量が０ではない場合、前記複数のサブモジュールに流れる電流方向を検知する段階と、
   前記状態変化量及び前記電流方向のうち少なくとも一つに応じて少なくとも一つのサブモジュールの次の状態の決定を行うか否かを判断する段階と、を含み、
   前記サブモジュールの次の状態を決定する段階が最初ではない場合、前記複数のサブモジュールのうち前記最大電圧を有するサブモジュール又は前記最小電圧を有するサブモジュールを除いたサブモジュールのうちランダムに選択された少なくとも一つのサブモジュールの次の状態を決定することを特徴とするマルチレベルコンバータの制御方法。
2. 前記複数のサブモジュールの状態変化量は、
   現在のサンプリング段階での状態がオン（ＯＮ）であるサブモジュールの個数から過去のサンプリング段階での状態がオン（ＯＮ）であるサブモジュールの個数を引いた値であることを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルコンバータの制御方法。
3. 前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態の決定を行うか否かを判断する段階は、
   前記状態変化量の値に当たる回数だけ繰り返してサブモジュールの次の状態を決定することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルコンバータの制御方法。
4. 前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態の決定を行うか否かを判断する段階は、
   サブモジュールの次の状態の決定が最初に行われる場合であれば、前記最大電圧を有するサブモジュール又は前記最小電圧を有するサブモジュールのうちいずれか一つの次の状態を決定することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルコンバータの制御方法。
5. 前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態の決定を行うか否かを判断する段階は、
   前記状態変化量が正数で、前記電流方向がアームの電流方向と同じであると前記最大電圧を有するサブモジュールをオフ状態からオン状態に変え、前記電流方向が前記アームの電流方向と反対であると前記最小電圧を有するサブモジュールをオフ状態からオン状態に変えるように決定することを特徴とする請求項４に記載のマルチレベルコンバータの制御方法。
6. 前記少なくとも一つのサブモジュールの次の状態の決定を行うか否かを判断する段階は、
   前記状態変化量が負数で、前記電流方向がアームの電流方向と同じであると前記最大電圧を有するサブモジュールをオン状態からオフ状態に変え、前記電流方向が前記アームの電流方向と反対であると前記最小電圧を有するサブモジュールをオン状態からオフ状態に変えるように決定することを特徴とする請求項４に記載のマルチレベルコンバータの制御方法。

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