KR100685135B1 - 계통 연계형 인버터의 전류 제어기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전류 제어기 내에 소정의 위상보상부를 구비하여 그를 통해 DSP(Digital Signal Process)처리시간에 대응되는 지연시간만큼의 오차를 보상하고 그 오차가 보상된 계통 전압으로 계통 전류를 제어하여 좀 더 정확한 전류 제어를 할 수 있는 효과를 얻는다.
전류, 제어기, 위상, 보상, 계통, 전압

Description

계통 연계형 인버터의 전류 제어기{Current controller for grid connected inverter}
도 1은 본 발명이 사용된 태양광 발전 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전류 제어기를 도시한 도면,
도 3는 도 2의 위상보상부를 도시한 도면,
도 4는 도 2의 콘트롤러를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 전류제어기의 파형도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 태양전지 110 : 인버터
120 : 부하 130 : 전류센서
140 : 전압센서 200 : 전류제어기
210 : 신호 변환부 220 : 위상고정루프
230 : 위상보상부 240 : 콘트롤러
231 : 사인파 발생부 232 : 왜곡신호 추출부
233 : 위상조절부 234 : 계통전압 출력부
본 발명은 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Process : DSP)처리 등으로 인해 발생하는 실제 계통 전압과 전류 제어시 사용되는 계통 전압 사이의 오차를 보상하기 위한 계통 연계형 인버터의 전류 제어기에 관한 것이다.
통상적으로, 계통 연계형 인버터는 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시켜 부하로 교류 전력으로 공급하는 태양광 발전 시스템에서 직류 전력을 교류 전력으로 변환시켜 부하에 공급하는 전력 변환 장치이다.
즉, 대표적인 대체 에너지원인 태양광을 이용하는 태양전지 또는 연료전지 등으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한 후, 그 변환된 교류 전력을 상용 전력 계통과 연계하여 부하로 공급하는 전력 변환 장치이다.
이러한 계통 연계형 인버터는 대체 에너지원의 발전 전력이 가정(부하)에서 소비되는 전력에 못 미치는 경 우 계통 전원(상용전원)으로부터 부족분을 공급받고 대체 에너지 발전 전력이 가정(부하)에서 소비되는 전력을 초과하는 경우에는 역으로 그 잉여 전력을 계통 전원측으로 공급하여 전체적인 운영효율을 증가시키게 된다.
한편, 계통 연계형 인버터는 독립 운전형 인버터와는 달리 상용 전력 계통과 연계가 되어 있어 계통 전류와 동상이 되는 전류를 출력하여야 하는데, 그러한 동작을 제어하는 것이 전류 제어기이다.
이 전류 제어기는 상기한 전류 제어를 위하여 인버터와 부하 사이에 연결된 신호선 들의 선간 전압인 계통 전압을 사용하는데, 이러한 계통 전압이 실질적인 전류 제어에 사용되기 위해서는 디지털 신호로의 컨버팅 과정과 소정의 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Process : DSP)과정을 거쳐야 한다.
따라서, 상기한 컨버팅 과정과 DSP처리 과정 등으로 인해 필연적으로 시간 지연이 발생되고, 그로 인해 실제 검출한 선간 전압인 계통 전압과 인버터에서 출력할 때의 계통 전압 사이에 오차가 발생하며, 이렇게 발생된 오차는 계통 전류를 인버터의 기준 출력 전류로 추정시키는 전류 제어기 내의 PI(Proportional-Integral)제어부에 부담을 주어 전류 제어를 정확히 할 수 없게 하는 문제점을 야기한다.
본 발명은 바로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로, 실제 계통 전압과 전류 제어시 사용되는 계통 전압 사이에서 발생하는 오차 즉, DSP처리 등으로 인한 지연시간에 따른 오차를 보상하여 그 오차가 보상된 계통 전압으로 계통 전류를 제어하기 위한 계통 연계형 인버터의 전류 제어기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적에 따른 본 발명의 전류 제어기는,
계통 전압과 계통 전류의 각 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부, 상기 변환된 계통 전압의 디지털 신호를 입력받아 계통 전압의 위상각 정보를 출력하는 위상고정루프(PLL), 상기 변환된 계통 전압의 디지털 신호와 상기 출력된 위상각 정보를 입력받아 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 보 상된 계통 전압의 디지털 신호를 출력하는 위상 보상부, 상기 계통 전류의 디지털 신호와 상기 보상된 계통 전압의 디지털 신호 및 인버터의 기준 출력 전류를 입력받아 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이러한 이루어진 구조에서 특히, 위상 보상부는,
상기 위상고정루프(PLL)가 출력한 위상각 정보를 입력받아 사인파 신호를 발생하는 사인파 발생부, 상기 발생된 사인파 신호를 입력받아 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 리드(lead)된 신호를 출력하는 위상 조절부, 상기 발생된 사인파 신호에서 상기 신호 변환부가 변환한 계통전압의 디지털 신호를 감산하여 왜곡신호를 추출하는 왜곡신호 추출부, 상기 리드된 신호에서 상기 추출한 왜곡신호를 감산하여 보상된 계통 전압의 디지털 신호를 출력하는 계통전압 출력부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 태양광 발전 시스템은 본 발명에 따른 전류 제어기가 적용된 태양광 발전 시스템을 예로 들어 도시한 것으로, 크게 태양 전지(100), 인버터(110), 부하(120), 전류 센서(130), 전압 센서(140), 전류 제어기(200)로 이루어진다.
이렇게 이루어진 태양광 발전 시스템은, 태양 전지(100)가 태양광의 에너지를 공급받아 직류 전력을 발생하면, 인버터(110)는 그 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(120)에 공급한다.
그리고, 전류 센서(130)는 리액터로 흐르는 계통 전류를 검출하여 전류 제어기(200)로 입력하고, 전압 센서(140)는 선간 전압을 검출하여 전류 제어기(200)로 입력한다.
전류 제어기(200)는 전압 센서(140)가 검출한 계통 전압을 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 지연시간만큼의 오차를 보상하고, 이 보상된 계통 전압 정보와 전류 센서(130)가 검출한 계통 전류 정보를 사용해 인버터의 출력 전류가 미리 설정된 기준 출력 전류와 동일하게 되도록 제어한다.
구체적인 제어 동작은 후술하겠으나, 이러한 제어 동작은 일반적인 전류 제어기가 수행하는 제어 동작과 동일하다.
주의할 것은, 본 발명은 그러한 일반적인 제어 동작에 관한 것이 아니라, 인버터의 계통 전류가 미리 설정된 기준 출력 전류와 동일하게 되도록 제어하는데 사용되는 계통 전압이 전압 센서(140)가 실제 검출한 계통 전압과 동일하게 되도록 하는데 있다.
즉, DSP 처리시간에 대응되는 지연시간만큼의 오차를 보상해 상기한 전류 제어시에 사용되는 계통 전압이 전압 센서(140)가 실제 검출한 계통 전압과 동일하게 되도록 하는데 본 발명의 목적이 관련됨을 상기해 두며, 이하에서는 관련된 도면을 참조해 이에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 전류 제어기(200)는 본 발명에 따른 계통 연계형 인버터의 전류 제어기를 예로 들어 도시한 것으로서, 크게 신호 변환부(210), 위상고정루프 (PLL)(220), 위상 보상부(230) 및 콘트롤러(240)로 이루어진다.
구체적으론, 계통 전압과 계통 전류의 아날로그 신호를 각기 입력받아 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부(210), 상기 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전압의 디지털 신호를 입력받아 계통 전압의 위상각 정보를 출력하는 위상고정루프(220), 상기 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전압의 디지털 신호와 상기 위상고정루프(220)가 출력한 위상각 정보를 입력받아 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 보상된 계통 전압의 디지털 신호를 출력하는 위상 보상부(230) 및, 상기 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전류의 디지털 신호와 상기 위상 보상부(230)가 보상한 계통 전압의 디지털 신호 그리고, 인버터의 기준 출력 전류를 입력받아 인버터(110)의 스위칭 동작을 제어하는 콘트롤러(240)로 이루어진다.
이렇게 이루어진 전류 제어기(200)에서 우선, 신호 변환부(210)는 계통 전압과 계통 전류의 아날로그 신호를 각기 입력받아 디지털 신호로 변환한 후, 변환된 계통 전압의 디지털 신호는 위상고정루프(220)로 출력하고, 계통 전류의 디지털 신호는 콘트롤러(240)로 출력한다.
상기 신호 변환부(210)는 A/D컨버터(미도시)가 내장된 것으로, 전압 센서(potential transformer : PT)와 전류 센서(current transformer : CT)에 각기 연결된 구조이다.
다음, 위상고정루프(220)는 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전압의 디지털 신호를 입력받아 PLL(Phase Locked Loop)루틴으로 그 계통 전압의 위상각 정보를 산출해 위상 보상부(230)로 출력한다.
즉, 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전압의 디지털 신호를 입력받아 그 신호와 위상 천이기(phase shifer)로 90°시프트시킨 신호를 좌표변환기를 통해 회전좌표계로 좌표변환시켜 유효 전력 성분의 신호를 추출한다.
그런 후, 상기 추출한 유효 전력 성분의 신호와 유효 전력 성분의 기준이 되는 신호와의 차이값을 PI(Proportional-Integral)제어기를 통해 보상하고, 그 보상한 결과에 해당하는 각속도(ω)를 기준 각속도(ω)와 가산한 후, 그 가산한 결과를 적분하여 나온 위상각을 샘플링 시간에 대응하는 위상각과 가산하여 그 결과를, 즉, 계통 전압의 위상각 정보를 위상 보상부(230)로 출력한다.
위상 보상부(230)는 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전압의 디지털 신호와 위상고정루프(220)가 출력한 계통 전압의 위상 정보, 그리고, 미리 설정된 DSP처리시간에 해당하는 위상 정보를 사용해 DSP처리시간만큼 위상 보정된 계통 전압의 디지털 신호를 출력한다.
즉, 위상고정루프(220)가 출력한 위상각 정보를 입력받아 사인파 신호를 만들고, 그 사인파 신호를 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 리드(lead)시킨 다음, 이렇게 리드시킨 사인파 신호에서 신호 변환부(210)가 변환한 계통전압의 디지털 신호를 감산하여 왜곡신호만을 추출한 다음, 상기 DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 리드시킨 신호에서 상기 추출한 왜곡신호를 감산하여 DSP처리시간만큼 위상 보상된 계통 전압의 디지털 신호를 콘트롤러(240)로 출력한다.
이렇게 콘트롤러(240)로 출력된 위상 보정된 계통 전압의 디지털 신호는 파형과 진폭은 신호 변환부(210)가 출력하는 계통 전압의 디지털 신호와 동일하고, 위상은 DSP처리시간에 대응되는 위상(α)만큼 리드(lead)된 신호가 되는데, 상기 DSP처리시간은 전류 제어기(200) 내부의 신호 처리 시간이다.
한편, 이렇게 DSP처리시간만큼 위상 보상된 계통 전압의 디지털 신호가 출력되면, 콘트롤러(240)는 그 위상 보상된 계통 전압의 디지털 신호와 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전류의 디지털 신호를 사용해 계통 전류가 미리 설정된 인버터의 기준 출력 전류와 동일하게 되도록 제어한다.
즉, 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전류의 디지털 신호와 미리 설정된 기준 출력 전류의 디지털 신호의 차이를 구해 그 차이에 대응되는 신호를 PI제어기를 통해 소정 레벨만큼 증폭하여 추정한 후, 그 결과에 해당하는 신호를 출력하고, 그 출력 신호를 위상보상부(230)가 출력한 계통 전압의 디지털 신호와 가산한 다음, 그 가산하여 나온 신호를 삼각파 파형의 캐리어 신호와 비교하여 그 비교한 결과에 대응되는 펄스폭 변조된 신호를 인버터로 출력하는데, 이러한 동작이 반복적으로 수행됨에 따라 계통 전류와 미리 설정된 인버터의 기준 출력 전류의 오차가 점차 줄어들고 결국엔 인버터에서 출력되는 계통 전류가 미리 설정된 기준 출력 전류와 동기화 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 전류 제어시에 사용될 때의 계통 전압과 실질적인 인버터의 계통 전압 사이에서 발생하는 오차 즉, DSP처리시간만큼의 위상 지연에 따른 오차를 전술한 위상보상부(230)를 사용해 보상하고, 그 보상한 전압을 사용해 콘트롤러(240)가 전류의 제어를 수행하도록 하므로, 보다 정확한 전류 제어를 할 수 있게 된다.
도 3에 도시된 위상보상부(230)는 본 발명에 따른 위상 보상부를 예로 들어 도시한 것으로, 크게 사인파 발생부(231), 왜곡신호 추출부(232), 위상조절부(233), 계통전압 출력부(234)로 이루어진다.
즉, 위상고정루프(220)가 출력한 위상각 정보를 입력받아 사인파 신호를 발생하는 사인파 발생부(231), 상기 사인파 발생부(231)가 발생한 사인파 신호를 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 리드(lead)시켜 그에 대응되는 신호를 출력하는 위상 조절부(233), 상기 사인파 발생부(231)가 발생한 사인파 신호에서 상기 신호 변환부(210)가 변환한 계통전압의 디지털 신호를 감산하여 왜곡신호를 추출하는 왜곡신호 추출부(232), 상기 위상조절부(233)가 리드시킨 신호에서 상기 왜곡신호 추출부(232)가 추출한 왜곡신호를 감산하여 보상된 계통 전압의 디지털 신호를 출력하는 계통전압 출력부(234)로 이루어진다.
이렇게 이루어진 위상보상부(230)에서 먼저, 사인파 발생부(231)는 위상고정루프(220)가 출력하는 위상각(θ) 정보를 입력받아 사인파 신호를 출력한다.
그러면, 위상조절부(233)는 사인파 발생부(231)가 출력하는 사인파 신호를 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상(α)만큼 리드(lead)시켜 위상각(θ) 정보에 DSP처리시간에 해당하는 지연시간을 보상한다.
이와 별도로, 왜곡신호 추출부(232)는 사인파 발생부(231)가 발생한 사인파 신호에서 상기 신호 변환부(210)가 변환한 계통전압의 디지털 신호를 감산하여 왜곡신호를 즉, 이상적인 전압과 실제 계통 전압의 차이에 해당하는 계통 전압의 왜곡 신호를 추출한다.
마지막으로, 계통전압 출력부(234)는 위상조절부(233)가 리드한 신호 즉, DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 리드한 신호에서 상기 왜곡신호 추출부(232)가 추출한 왜곡신호를 감산하여 그 나온 결과인 보상된 계통전압의 디지털 신호를 콘트롤러(240)로 출력한다.
그 결과, 본 발명의 위상보상부(230)는 연산을 위해, 즉 전류 제어를 위해 사용되는 계통 전압과 실제 인버터의 계통 전압 사이에서 발생하는 오차 즉, DSP처리시간만큼의 지연시간에 따른 오차를 보상할 수 있게 된다.
상기 계통전압 출력부(234)가 출력한 디지털 신호는 파형과 진폭이 신호 변환부(210)가 출력하는 계통 전압의 디지털 신호와 동일하고, 위상은 DSP처리시간에 대응되는 위상(α)만큼 리드(lead)된 신호가 된다.
도 4는 본 발명에 따른 콘트롤러(240)를 예로 들어 도시한 것이다.
본 발명에 따른 콘트롤러(240)는 그 위상 보상된 계통 전압의 디지털 신호와 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전류의 디지털 신호를 사용해 계통 전류가 미리 설정된 인버터의 기준 출력 전류와 동일하게 되도록 제어하는 것이다.
예컨대, 다음과 같다.
먼저, 위상각 신호(PLL)에 미리 설정된 비례상수(K1)가 곱셈되어 생성된 인버터 기준 출력 전류(IREF)는 감산기(241)에서 상기 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전류(IME) 즉, 소정의 크기 및 위상을 가지는 계통 전류(IME)가 감산되어 에러 전류신호(IER)가 계산되고, 계산된 에러 전류신호(IER)는 PI 제어기(242)에서 PI 제어되 어 보상전압이 계산된다.
상기 PI 제어기(242)에서 계산된 보상전압은 가산기(243)에서 위상보상부(230)가 출력한 계통 전압(VME)이 가산된다. 즉, 소정의 크기 및 위상을 가지는 계통 전압(VME)이 가산된다.
그리고, 상기 가산기(243)의 출력신호는 제 2 곱셈기(244)에서 미리 설정된 비례상수(K2)가 곱셈되어 상기 인버터(110)를 스위칭시킬 스위칭 전압이 발생된다.
상기 스위칭 전압은 삼각파 발생부(245)가 발생하는 삼각파와 비교기(246)에서 비교되어 PWM 신호가 발생되고, 발생된 PWM 신호는 스위칭 신호로 출력되는데, 이러한 동작들이 반복적으로 수행됨에 따라 계통 전류와 미리 설정된 인버터의 기준 출력 전류의 오차가 점차 줄어들고 결국엔 인버터에서 출력되는 계통 전류가 미리 설정된 기준 출력 전류와 동기화되는 것이다.
즉, 신호 변환부(210)가 변환한 계통 전류의 디지털 신호와 미리 설정된 기준 출력 전류의 디지털 신호의 차이를 구해 그 차이에 대응되는 신호를 PI제어기를 통해 소정 레벨만큼 증폭하여 추정한 후, 그 결과에 해당하는 신호를 출력하고, 그 출력 신호를 위상보상부(230)가 출력한 계통 전압의 디지털 신호와 가산한 다음, 그 가산하여 나온 신호를 삼각파 파형의 캐리어 신호와 비교하여 그 비교한 결과에 대응되는 펄스폭 변조된 신호를 인버터로 출력하는데, 이러한 동작이 반복적으로 수행됨에 따라 계통 전류와 미리 설정된 인버터의 기준 출력 전류의 오차가 점차 줄어들고 결국엔 인버터에서 출력되는 계통 전류가 미리 설정된 기준 출력 전류와 동기화되는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 파형도로서, 파형도에 대한 설명의 편의를 위해 도 2, 3과 연계하여 설명한다.
우선, 여기에서, S1은 신호 변환부에서 출력하는 계통 전압의 디지털 신호이고, S2는 사인파 발생부가 계통 전압의 위상각 정보를 입력받아 출력하는 사인파 신호이다.
그리고, S3은 왜곡신호 추출부가 추출한 신호 즉, 상기 사인파 신호에서 계통전압의 디지털 신호를 감산한 신호이고, S4는 계통전압 출력부가 출력한 신호 즉, DSP처리시간에 대응되는 위상만큼 리드한 신호에서 상기 왜곡신호를 감산하여 나온 결과인 본 발명의 보상된 계통전압의 디지털 신호이다.
상기의 파형도에서 주의해서 볼 것은 S4의 신호이다.
상기의 파형도에서 알 수 있듯이, 이 S4의 신호는 파형과 진폭이 인버터에서 출력되는 계통 전압과 동일하고, 위상만이 DSP처리시간에 대응되는 위상(α)만큼 리드(lead)된 것을 볼 수 있다.
이는 본 발명의 목적 즉, 전류 제어를 위해 사용되는 계통 전압과 실제 인버터의 계통 전압 사이에서 발생하는 DSP처리시간에 따른 지연시간만큼의 오차가 보상된 것을 의미한다.
상기의 S4의 파형이 만들어지는 과정을 도 4에 도시된 파형도를 참조해 좀 더 상세히 설명한다.
먼저, 위상고정루프가 출력한 계통 전압의 위상각(θ) 정보에 맞추어 사인파 신호(S2)를 만든다.
그리고, 그 사인파 신호(S2)를 미리 설정된 DSP처리시간에 대응되는 위상(α)만큼 리드(lead)시켜 DSP처리시간에 해당하는 지연시간이 보상된 신호를 만든다.
이와 별도도, 상기 사인파 신호(S2)에서 계통 전압의 디지털 신호를 감산하여 왜곡신호(S3)를 즉, 이상적인 전압과 실제 계통 전압의 차이에 해당하는 계통 전압의 왜곡 신호를 만든다.
마지막으로, 상기한 바에 따라 DSP처리시간에 해당하는 지연시간만큼 보상된 신호에서 왜곡신호를 감산하여 본 발명에 따른 S4의 신호를 즉, 파형과 진폭이 인버터에서 출력되는 계통 전압과 동일하고, 위상만이 DSP처리시간에 대응되는 위상(α)만큼 리드(lead)된 신호를 만들게 된다.
이렇게 만들어진 S4의 신호는 콘트롤러로 입력되어 계통 전류를 제어하는데 사용되며, 콘트롤러는 그 DSP처리시간의 지연시간만큼 보상된 S4의 신호를 통해 계통 전류를 좀 더 정확히 제어할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 계통 연계형 인버터의 전류 제어기는 전류 제어를 위해 사용되는 계통 전압과 실제 인버터의 계통 전압 사이에서 발생하는 오차 즉, DSP처리시간만큼의 지연시간에 따른 오차를 보상할 수 있으며, 그로 인해 계통 전류를 좀 더 정확히 제어할 수 있는 효과를 얻는다.

Claims (2)

  1. 계통 전압과 계통 전류의 각 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부;
    상기 변환된 계통 전압의 디지털 신호를 입력받아 계통 전압의 위상각 정보를 출력하는 위상고정루프;
    상기 변환된 계통 전압의 디지털 신호와 상기 출력된 위상각 정보를 입력받아 미리 설정된 지연시간만큼 위상이 보상된 계통 전압의 디지털 신호를 출력하는 위상 보상부; 및
    상기 계통 전류의 디지털 신호와 상기 보상된 계통 전압의 디지털 신호 및 인버터의 기준 출력 전류를 입력받아 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어진 계통 연계형 인버터의 전류 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 보상부는
    상기 위상고정루프가 출력한 위상각 정보를 입력받아 사인파 신호를 발생하는 사인파 발생부;
    상기 발생된 사인파 신호를 입력받아 미리 설정된 지연시간에 대응되는 위상만큼 리드(lead)된 신호를 출력하는 위상 조절부;
    상기 발생된 사인파 신호에서 상기 신호 변환부가 변환한 계통전압의 디지털 신호를 감산하여 왜곡신호를 추출하는 왜곡신호 추출부;
    상기 리드된 신호에서 상기 추출한 왜곡신호를 감산하여 보상된 계통 전압의 디지털 신호를 출력하는 계통전압 출력부를 포함하여 이루어진 계통 연계형 인버터의 전류 제어기.
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