KR100935224B1 - 계통 연계형 신재생 에너지 발전을 위한 펄스 폭 변조 제어장치 및 방법 - Google Patents

계통 연계형 신재생 에너지 발전을 위한 펄스 폭 변조 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통 연계형 신재생 에너지 발전을 위한 전력 변환을 안정적이고 고효율로 실행하기 위한 펄스 폭 변조 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 펄스 폭 변조 제어 장치는 직류 상태의 신재생 에너지를 계통망에 공급하기 위한 펄스 폭 변조 제어 장치에 있어서, 상기 신재생 에너지의 전압 크기에 따라 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하는 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부; 및 상기 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부로부터 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 상기 신재생 에너지를 교류 상태로 변환하여 상기 계통망에 공급하는 전력 변환부를 포함한다.

Description

계통 연계형 신재생 에너지 발전을 위한 펄스 폭 변조 제어 장치 및 방법{PULSE WIDTH MODULATION CONTROL DEVICE AND METHOD FOR POWER GENERATION OF GRID CONNECTED RENEWABLE ENERGY}
본 발명은 펄스 폭 변조 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 계통 연계형 신재생 에너지 발전을 위한 전력 변환을 안정적이고 고효율로 실행하기 위한 펄스 폭 변조 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 자원 확보와 지구 온난화 극복 등을 위하여 신재생 에너지의 개발 및 활용이 활발히 진행되고 있다.
신재생 에너지의 종류에는 태양광, 태양열, 풍력, 연료전지 등이 있다.
이러한 신재생 에너지들은 개별 전력으로 직접 사용되기도 하지만, 판매 과정을 거쳐 계통망으로 공급되기도 한다.
계통망에서 사용되는 계통 전압은 교류 전압이지만, 신재생 에너지들은 직류 전압으로 개발되는 경우가 많다. 따라서, 직류 전압으로 개발된 신재생 에너지들 을 계통망으로 공급하기 위해서는 이 신재생 에너지들을 교류 전압 형태로 반드시 변환해야만 한다.
도 1은 신재생 에너지의 직류 전압(VDC)을 교류 전압의 계통 전압으로 변환하기 위한 전력 변환 시스템을 나타내는 도면으로, 이러한 전력 변환 시스템으로는 통상적으로 일반적인 3상 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, 이하 "PWM"이라 함) 인버터가 이용된다.
이러한 전력 변환 시스템은 각 스위치들(S1 내지 S6)의 온/오프를 제어함으로써 신재생 에너지의 직류 전압(VDC)으로부터 3상의 교류 출력 전압을 발생하게 된다. 이 교류 출력 전압을 정현적으로 제어하기 위한 PWM 제어 방식으로는 정현파(Sinusoidal) 스위칭 방식이 많이 사용되고 있다. 즉, 기준 정현파와 비교 삼각파를 비교하여 스위치들(S1 내지 S6)의 스위칭 순간을 결정함으로써 교류 출력 전압을 발생한다.
이때, 교류 출력 전압은 계통 전압과 동일한 정현파형을 유지하는 것이 이상적이며, 에너지 전달 효율을 높이기 위하여 계통망 주입 전류과 계통 전압이 동상의 위상을 갖도록 제어한다.
이론적으로, PWM 제어 방법에 있어서 모듈레이션 인덱스(Modulation Index)가 1.0인 경우 계통망 주입 전류에 발생하는 고조파가 작아 출력 전압의 크기가 최대가 된다. 모듈레이션 인덱스는 아래의 식으로 정의된다.
Figure 112007078148717-pat00001
도 2는 정현파 스위칭 방식에 의한 스위칭 특성을 도시한 도면으로, 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 예를 나타내고 있다. 도 2에서 (a)는 a상, b상, c상의 기준 정현파와 비교 삼각파를, (b)는 a상 스위치의 온/오프를, (c)는 b상 스위치의 온/오프를, (d)는 c상 스위치의 온/오프를 각각 나타낸다.
일반적으로, 신재생 에너지는 그 발전 전압의 범위가 매우 넓기 때문에, 전력 변환 시스템의 직류측 전압 또한 넓은 범위에서 변화한다. 이에 비해, 계통 전압은 통상적으로 정격 전압을 유지하기 때문에, 전력 변환 시스템에서 안정적으로 전력을 생산하기 위해서는 직류 전압에 역비례하여 모듈레이션 인덱스가 가변되어야 한다. 예를 들어, 직류 전압이 400V인 경우, 모듈레이션 인덱스가 1.0으로 구동되었다면, 직류 전압이 800V로 상승하는 경우, 모듈레이션 인덱스는 0.5로 구동되어야 한다. 그런데, 이와 같이 모듈레이션 인덱스가 낮아지면, 계통망 주입 전류의 총고조파비가 높아지게 되므로 전력 변환 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 정현파 스위칭 방식에서는 도 2에 도시된 바와 같이 스위치들의 온/오프가 잦기 때문에, 스위치들의 스위칭시 전력 변환에 큰 손실이 발생하여 안정성과 효율성이 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 계통 연계형 신재생 에너지 발전을 위한 전력 변환을 안정적이고 고효율로 실행할 수 있는 PWM 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 펄스 폭 변조 제어 장치는 직류 상태의 신재생 에너지를 계통망에 공급하기 위한 펄스 폭 변조 제어 장치에 있어서, 상기 신재생 에너지의 전압 크기에 따라 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하는 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부; 및 상기 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부로부터 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 상기 신재생 에너지를 교류 상태로 변환하여 상기 계통망에 공급하는 전력 변환부를 포함한다.
상기 전력 변환부는 상기 신재생 에너지의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 전력 변환 모듈; 및 상기 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 상기 전력 변환 모듈의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
상기 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부는 상기 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하기 위하여 상기 신재생 에너지의 전압 크기와 상기 계통망에 주입되는 전류의 총고조파비를 동시에 측정한다.
본 발명이 실시 예에 따른 펄스 폭 변조 제어 방법은 직류 상태의 신재생 에 너지를 계통망에 공급하기 위한 펄스 폭 변조 제어 방법에 있어서, 상기 신재생 에너지의 전압 크기에 따라 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하는 제1 단계; 및 상기 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 상기 신재생 에너지를 교류 상태로 변환하여 상기 계통망에 공급하는 제2 단계를 포함한다.
상기 제2 단계는 상기 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 펄스 폭 변조 변환 스위치의 스위칭을 제어하는 단계; 및 상기 스위칭 제어에 의해 상기 신재생 에너지의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 단계를 포함한다.
상기 제1 단계는 상기 신재생 에너지의 전압 크기와 상기 계통망에 주입되는 전류의 총고조파비를 동시에 측정하여 상기 펄스 폭 제어 방식을 가변적으로 선택하는 단계이다.
상기 복수의 펄스 폭 변조 방식은 최대 전류 스위칭 방식, 최고 전류 스위칭 방식, 최저 전류 스위칭 방식, 대칭형 스위칭 방식, 및 정현파 스위칭 방식 중 어느 둘 이상을 포함한다.
상기 최대 전류 스위칭 방식은 제1 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 모듈레이션 전압을 생성하는 단계; 및 상기 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교하는 단계를 포함하고, 상기 제1 변형 영상 성분 전압은 상기 펄스 폭 변조 변환 스위치 중 상기 기준 정현파 전압 절대값의 크기가 최대인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
상기 최고 전류 스위칭 방식은 제2 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 모듈레이션 전압을 생성하는 단계; 및 상기 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교하는 단계를 포함하고, 상기 제2 변형 영상 성분 전압은 상기 펄스 폭 변조 변환 스위치 중 상기 기준 정현파 전압의 크기가 최고인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
상기 최저 전류 스위칭 방식은 제3 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 모듈레이션 전압을 생성하는 단계; 및 상기 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교하는 단계를 포함하고, 상기 제3 변형 영상 성분 전압은 상기 펄스 폭 변조 변환 스위치 중 상기 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
상기 최대 전류 스위칭 방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 이 경우에는 기준 정현파 전압의 절대값이 최대인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치한다.
상기 최고 전류 스위칭 방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 이 경우에는 기준 정현파 전압이 최고인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치한다.
상기 최저 전류 스위칭 방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 이 경우에는 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치한다.
상기 제1 단계는 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 3 레벨 이상으로 구분되는 경우, 제1 레벨에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 최고 전류 스 위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제2 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제3 레벨에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택한다.
상기 제1 단계는 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 2 레벨 이상으로 구분되는 경우, 제1 레벨에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택한다.
상기 제1 단계는 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 2 레벨 이상으로 구분되는 경우, 제1 레벨에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택한다.
상기 제1 단계는 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 2 레벨 이상으로 구분되는 경우, 제1 레벨에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택한다.
상기 제1 단계는 상기 계통망에 주입되는 전류의 총고조파비 크기가 적어도 3 범위 이상으로 구분되는 경우, 제1 범위에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제1 범위보다 상기 총고조파비가 큰 제2 범위에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하고, 상기 제2 범위보다 상 기 총고조파비가 큰 큰 제3 범위에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택한다.
본 발명에 따른 PWM 제어 장치 및 방법에 의하면, 계통 연계형 신재생 에너지 발전에 있어서 신재생 에너지의 전압 크기 변화 및 계통망 주입 전류의 총고조파 변화에 따라 PWM 제어 방식을 가변적으로 제어할 수 있기 때문에 전력 변환 효율이 높고 안정적이다.
또한, 본 발명에 따른 PWM 제어 장치 및 방법에 의하면, 계통망 주입 전류에 발생하는 총고조파비의 크기를 계통 연계 규정에 적합하게 제어할 수 있어 효과적이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 3 내지 도 12b를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 장치(200)를 나타내고 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 장치(200)는 신재생 에너지원(100)으로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통망(300)으로 공급하는 전력 변환부(210)와 전력 변환부(210)의 PWM 제어 방식을 선택하는 PWM 제어 방식 선택부(220)를 구비한다.
PWM 제어 방식 선택부(220)는 신재생 에너지원(100)으로부터의 입력 직류 전압 크기에 따라, 전력 변환부(210)의 PWM 제어 방식을 선택한다. 또한, PWM 제어 방식 선택부(220)는 보조적으로, 계통망(300) 주입 전류의 총고조파비를 분석하고, 그 분석 결과에 따라 전력 변환부(210)의 PWM 제어 방식을 선택할 수도 있다.
전력 변환부(210)는 스위칭 제어부(211)와 전력 변환 모듈(212)을 포함한다. 전력 변환 모듈(212)로는 도 1에 도시된 바와 같은 3상 PWM 인버터가 이용될 수 있다. 이하 설명에서는 도 1에 도시된 3상 PWM 인버터를 인용하여 설명하도록 한다. 스위칭 제어부(211)는 PWM 제어 방식 선택부(220)에서 선택된 PWM 제어 방식을 통해 전력 변환 모듈(212) 내 스위치들의 스위칭을 제어한다. 전력 변환 모듈(212)은 스위칭 제어부(211)의 제어에 의한 스위치의 구동을 통해 신재생 에너지원(100)으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다.
이와 같은 본 발명의 PWM 제어 장치(200)에 따르면, 신재생 에너지의 전압 크기에 적절한 PWM 제어 방식을 가변적으로 선택할 수 있기 때문에, 계통 전압으로의 전력 변환이 안정적이며, 고효율적이다.
PWM 제어 방식으로는 최대 전류 스위칭(Maximum-current Switch-arm On, 이하 "MSON"이라 함) 방식, 최고 전류 스위칭(Highest-current Switch-arm On, 이하 "HSON"이라 함) 방식, 최저 전류 스위칭(Lowest-current Switch-arm On, 이하 "LSON"이라 함) 방식, 대칭형(Symmetric) 스위칭 방식, 및 정현파(Sinusoidal) 스위칭 방식 등이 이용된다.
MSON 방식은 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 생성된 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교한 결과를 통해 스위칭을 제어하는 PWM 방식이다. 즉, 기준 정현파 대신, 변형 영상 성분 전압이 더해지거나 빼진 모듈레이션 전압을 이용한 변형 정현파 스위칭 방식이라 할 수 있다. MSON 방식에서의 변형 영상 성분 전압은 기준 정현파 전압의 절대값이 최대인 스위치가 온(On) 상태를 유지할 수 있도록 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
도 4a 및 도 4b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, MSON 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면이다. 도 4a에서 (a)는 a상, b상, c상의 기준 정현파를, (b)는 변형 영상 성분 전압을, (c)는 (a)의 기준 정현파에 (b)의 변형 영상 성분 전압이 더해진 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압을 각각 나타낸다. 또한, 도 4b에서 (a)는 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파를, (b)는 a상 스위치의 온/오프를, (c)는 b상 스위치의 온/오프를, (d)는 c상 스위치의 온/오프를 각각 나타낸다.
먼저, 도 4a를 참조하면, a상, b상, c상의 기준 정현파에 변형 영상 성분 전압이 더해짐으로써 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압이 생성된다. 또한, 도 4b를 참조하면, a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파의 비교를 통해 a상, b 상, c상 스위치의 온/오프가 제어된다. 도 4b의 (b), (c), (d)를 참조하면, a상, b상, c상 스위치가 일정 기간 동안 온 상태를 유지하거나, 오프 상태를 유지하는 것을 알 수 있다.
간단히 하면, MSON 방식의 PWM 제어 방식은 기준 정현파 전압의 절대값이 최대인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 제어하여, 스위치들의 스위칭수를 줄임으로써 스위칭으로 인한 전력의 손실을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 더우기, 모듈레이션 인덱스의 최대값이 15%까지 증가되더라도 교류 출력 전압의 선형성이 보장되므로, 교류 출력 전압의 기본파 성분이 15% 이상 증대된다. 즉, MSON 방식에 따르면, 모듈레이션 인덱스의 선형적인 운전 범위가 0~1.15까지 확대될 수 있다.
MSON 방식은 이와 같은 정현파 스위칭 방식의 PWM 제어 방식에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존에 이용되고 있는 공간 벡터 PWM 제어 방식을 통해 기준 정현파 전압의 절대값이 최대인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치함으로써 구현될 수도 있다.
HSON 방식은 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 생성된 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교한 결과를 통해 스위칭을 제어하는 PWM 방식이다. 즉, 상술한 MSON 방식과 마찬가지로 기준 정현파 대신, 변형 영상 성분 전압이 더해지거나 빼진 모듈레이션 전압을 이용한 변형 정현파 스위칭 방식이라 할 수 있다. HSON 방식에서의 변형 영상 성분 전압은 기준 정현파 전압이 최고인 스위치 가 온 상태를 유지할 수 있도록 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
도 5a 및 도 5b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, HSON 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면이다. 도 5a에서 (a)는 a상, b상, c상의 기준 정현파를, (b)는 변형 영상 성분 전압을, (c)는 (a)의 기준 정현파에 (b)의 변형 영상 성분 전압이 더해진 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압을 각각 나타낸다. 또한, 도 5b에서 (a)는 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파를, (b)는 a상 스위치의 온/오프를, (c)는 b상 스위치의 온/오프를, (d)는 c상 스위치의 온/오프를 각각 나타낸다.
먼저, 도 5a를 참조하면, a상, b상, c상의 기준 정현파에 변형 영상 성분 전압이 더해짐으로써 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압이 생성된다. 또한, 도 5b를 참조하면, a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파의 비교를 통해 a상, b상, c상 스위치의 온/오프가 제어된다. 도 5b의 (b), (c), (d)를 참조하면, a상, b상, c상 스위치가 일정 기간 동안 온 상태를 유지하거나, 오프 상태를 유지하는 것을 알 수 있다.
간단히 하면, HSON 방식의 PWM 제어 방식은 기준 정현파 전압이 최고인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 제어하여, 스위치들의 스위칭수를 줄임으로써 스위칭으로 인한 전력의 손실을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 더우기, 모듈레이션 인덱스의 선형적인 운전 범위가 MSON 방식과 마찬가지로 0~1.15까지 확대될 수 있다.
HSON 방식은 이와 같은 정현파 스위칭 방식의 PWM 제어 방식에 적용할 수 있 을 뿐만 아니라, 기존에 이용되고 있는 공간 벡터 PWM 제어 방식을 통해 기준 정현파 전압이 최고인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치함으로써 구현될 수도 있다.
LSON 방식은 MSON 방식이나 HSON 방식과 마찬가지로 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 생성된 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교한 결과를 통해 스위칭을 제어하는 PWM 방식이다. 즉, MSON 방식이나 HSON 방식과 마찬가지로 기준 정현파 대신, 변형 영상 성분 전압이 더해지거나 빼진 모듈레이션 전압을 이용한 변형 정현파 스위칭 방식이라 할 수 있다. LSON 방식에서의 변형 영상 성분 전압은 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
도 6a 및 도 6b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, LSON 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면이다. 도 6a에서 (a)는 a상, b상, c상의 기준 정현파를, (b)는 변형 영상 성분 전압을, (c)는 (a)의 기준 정현파에서 (b)의 변형 영상 성분 전압이 빼진 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압을 각각 나타낸다. 또한, 도 6b에서 (a)는 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파를, (b)는 a상 스위치의 온/오프를, (c)는 b상 스위치의 온/오프를, (d)는 c상 스위치의 온/오프를 각각 나타낸다.
먼저, 도 6a를 참조하면, a상, b상, c상의 기준 정현파에서 변형 영상 성분 전압이 빼짐으로써 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압이 생성된다. 또한, 도 6b를 참조하면, a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파의 비교를 통해 a상, b상, c상 스위치의 온/오프가 제어된다. 도 6b의 (b), (c), (d)를 참조하면, a상, b상, c상 스위치가 일정 기간 동안 온 상태를 유지하거나, 오프 상태를 유지하는 것을 알 수 있다.
간단히 하면, LSON 방식의 PWM 제어 방식은 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 제어하여, 스위치들의 스위칭수를 줄임으로써 스위칭으로 인한 전력의 손실을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 더우기, 모듈레이션 인덱스의 선형적인 운전 범위가 MSON, HSON 방식과 마찬가지로 0~1.15까지 확대될 수 있다.
LSON 방식은 이와 같은 정현파 스위칭 방식의 PWM 제어 방식에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존에 이용되고 있는 공간 벡터 PWM 제어 방식을 통해 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치함으로써 구현될 수도 있다.
대칭형(Symmetric) 스위칭 방식은 MSON, HSON, LSON 방식과 마찬가지로 기준 정현파에서 변형 영상 성분 전압을 뺀 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교한 결과를 통해 스위칭을 제어하는 PWM 방식이다. 즉, MSON, HSON, LSON 방식과 마찬가지로 기준 정현파 대신, 변형 영상 성분 전압이 빼진 모듈레이션 전압을 이용한 변형 정현파 스위칭 방식이라 할 수 있다. 대칭형 스위칭 방식에서의 변형 영상 성분 전압은 3 고조파를 포함하여, 스위칭 신호가 대칭 구조를 가지도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압이다.
도 7a 및 도 7b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, 대칭형 스위칭 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면이다. 도 7a에서 (a)는 a상, b상, c상의 기준 정현파를, (b)는 변형 영상 성분 전압을, (c)는 (a)의 기준 정현파에서 (b)의 변형 영상 성분 전압이 빼진 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압을 각각 나타낸다. 또한, 도 7b에서 (a)는 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파를, (b)는 a상 스위치의 온/오프를, (c)는 b상 스위치의 온/오프를, (d)는 c상 스위치의 온/오프를 각각 나타낸다.
먼저, 도 7a를 참조하면, a상, b상, c상의 기준 정현파에서 변형 영상 성분 전압이 빼짐으로써 a상, b상, c상의 모듈레이션 전압이 생성된다. 또한, 도 7b를 참조하면, a상, b상, c상의 모듈레이션 전압과 비교 삼각파의 비교를 통해 a상, b상, c상 스위치의 온/오프가 제어된다. 도 7b의 (b), (c), (d)를 참조하면, a상, b상, c상 스위치의 스위칭 신호가 대칭 구조를 가지고 있음을 알 수 있다.
이와 같은 대칭형 스위칭 방식은 모듈레이션 인덱스의 최대값을 15%까지 증가하여도 PWM에 대한 교류 출력 전압의 선형성이 보장되므로, 교류 출력 전압에서 기본파 성분이 15% 이상 증대됨으로써 모듈레이션 인덱스의 선형적인 운전 범위가 0~1.15까지 확대된다.
간단히 하면, 대칭형 스위칭 방식의 PWM 제어 방식은 기준 정현파 전압을 변형한 모듈레이션 전압을 통해 스위치들의 스위칭을 제어함으로써 모듈레이션 인덱스의 선형적인 운전 범위를 MSON, HSON 방식과 마찬가지로 0~1.15까지 확대할 수 있다.
정현파 스위칭 방식은 종래의 방식과 동일한 방식으로 기준 정현파와 비교 삼각파를 비교함으로써 스위칭을 제어한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 방법은 신재생 에너지 공급 단계(S81), PWM 제어 방식 선택 단계(S82), 및 PWM 제어 단계(S83)를 포함한다.
먼저, 신재생 에너지원을 통해 신재생 에너지가 공급되면(S81), 신재생 에너지의 전압 크기에 맞도록 설정된 PWM 제어 방식을 선택하게 된다.(S82) 예를 들어, 신재생 에너지의 전압 크기가 400V 내지 1000V 사이에서 가변되는 경우, 400V에서 800V 미만 사이의 신재생 에너지가 공급될 때에는 MSON 방식의 PWM 제어 방식이 선택된다. MSON 방식의 PWM 제어 방식은 상술한 바와 같이 기준 정현파의 절대값을 이용하는 방식으로서, 기준 정현파의 최고값을 이용하는 HSON 방식과 최저값을 이용하는 LSON 방식이 모두 적용된 방식이기 때문에, 상술한 PWM 제어 방식들 중에서 가장 효율적인 방식으로 입력 전압 크기가 아주 크지 않은 경우 사용할 수 있다. 신재생 에너지의 전압 크기가 800V 이상으로 높아지는 경우, HSON 방식 또는 LSON 방식이 선택되고, 1000V까지 높아지게 되면, 대칭형 스위칭 방식 또는 정현파 스위칭 방식이 선택된다. PWM 제어 방식을 선택하는 요건에는 신재생 에너지 의 전압 크기뿐만 아니라, 계통망 주입 전류의 총고조파비 값도 포함될 수 있다. 총고조파비 값에 변화가 발생할 경우 총고조파비 값을 낮출 수 있는 PWM 제어 방식이 선택된다. 이렇게 선택되는 PWM 제어 방식에 따라 입력 직류 전압의 PWM을 제어한다.(S83)
본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 방법은 PWM 제어 중에도, 일정한 스캔 주기에 의해 운전 상황을 체크하는 단계를 포함한다. 따라서, PWM 제어 중, 최초에 공급된 신재생 에너지 크기에 변화가 발생하게 되면 체크 과정에서 변화가 감지되고 이에 따라 적절한 PWM 제어 방식을 재선택하는 과정이 계속된다. 또한, 본 발명에서는 신재생 에너지 크기 변화 외에도 계통망 주입 전류의 총고조파비 값을 체크할 수 있으며, 급작스럽게 변화하는 운전 조건에 대하여는 사이트의 인터럽트 요구에 의하여 동작한다.
도 9a 내지 도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 9a는 신재생 에너지가 400V이고, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, MSON 방식의 모듈레이션 전압을 나타내고, 도 9b는 계통망 주입 전류를 나타내는 것으로, 이때 총고조파비는 약 2.5%이다. 현재, 신재생 에너지를 계통망에 판매하기 위한 조건인 계통 연계 규정에 따른 총고조파비의 최대치는 5%이기 때문에, 신재생 에너지가 400V일 때는 MSON 방식의 PWM 제어 방식의 사용이 적절함을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b에서는 신재생 에너지가 800V, 모듈레이션 인덱스가 0.5인 경우, 도 9a 및 도 9b에서와 마찬가지로 MSON 방식의 PWM 제어 방식을 적용하였다. 도 10a는 모듈레이션 전압을, 도 10b는 계통망 주입 전류를 각각 나타낸다. 도 10b를 참조하면, 정현파 성분에 이상이 발생했음을 알 수 있고, 이때 측정된 총고조파비도 약 9.3%로서 계통 연계 규정에 적합하지 않음을 알 수 있다.
도 11a 및 도 11b에서는 도 10a 및 도 10b와 동일한 조건에서, HSON 방식의 PWM 제어 방식을 적용하였다. 도 11a는 모듈레이션 전압을, 도 11b는 계통망 주입 전류를 각각 나타낸다. 도 11b를 도 10b와 비교하면, 도 11b에서는 도 10b에 비해 정현파 성분에 이상이 없고, 이때 측정된 총고조파비도 약 2.5%로서 계통 연계 규정에 적합함을 알 수 있다. 즉 신재생 에너지가 800V인 조건에서 MSON 방식은 계통 연계 규정을 만족시키지 못하는 반면, HSON 방식은 계통 연계 규정을 만족시킬 수 있다.
도 12a 및 도 12b에서는 신재생 에너지가 1000V이고, 모듈레이션 인덱스가 0.3인 경우, 대칭형 스위칭 방식을 적용하였다. 도 12a는 모듈레이션 전압을, 도 12b는 계통망 주입 전류를 각각 나타낸다. 도 12b를 참조하면, 정현파 성분에 이상이 없고, 이때 측정된 총고조파비도 약 0.85%로서 계통 연계 규정에 충분히 적합함을 알 수 있다.
상술한 신재생 에너지의 전압 조건은 일례에 불과하며, 도 1에 도시된 LC 필터의 종류에 따라 전압 범위가 달라질 수 있다.
요약하면, 본 발명에 따른 PWM 제어 방법에서, 신재생 에너지의 전압을 크게 3 레벨로 나누었을 경우, 전압이 가장 낮은 제1 레벨에서는 MSON 방식을 적용하고, 제1 레벨보다 전압이 높은 제2 레벨에서는 HSON 방식 또는 LSON 방식을 적용하고, 제2 레벨보다 전압이 높은 범위인 제3 레벨에서는 정현파 스위칭 방식이나 대칭형 스위칭 방식을 적용할 수 있다.
마찬가지로, 본 발명에 따른 PWM 제어 방법에서, 계통망 주입 전류의 총고조파비의 크기를 3 범위로 나누었을 경우, 총고조파비가 가장 낮은 제1 범위에서는 MSON 방식을 적용하고, 제1 범위보다 총고조파비가 높은 제2 범위에서는 HSON 방식 또는 LSON 방식을 적용하고, 제2 범위보다 총고조파비가 높은 제3 범위에서는 정현파 스위칭 방식이나 대칭형 스위칭 방식을 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 장치 및 방법에서는 신재생 에너지의 크기와 계통망 주입 전류의 총고조파비에 따라 PWM 제어 방식을 가변적으로 선택할 수 있기 때문에, 전력 변환 효율이 높고 안정적일 뿐만 아니라 계통 연계 규정에 적합하도록 총고조파비의 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 PWM 제어 장치 및 방법은 태양광, 풍력, 연료 전지 등 계통망 주입 전류과 계통 전압이 동상으로 제어되는 모든 계통 연계형 신재생 에너지의 전력 변환 시스템에 적용 가능하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니 라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1은 신재생 에너지의 직류 전압을 교류 전압의 계통 전압으로 변환하기 위한 전력 변환 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 정현파 스위칭 방식에 의한 스위칭 특성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 장치를 나타내는 도면.
도 4a 및 도 4b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, MSON 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면.
도 5a 및 도 5b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, HSON 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면.
도 6a 및 도 6b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, LSON 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면.
도 7a 및 도 7b는 전원 주파수가 60Hz, 스위칭 주파수가 1500Hz, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, 대칭형 스위칭 방식에 의한 스위칭 특성을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 PWM 제어 방법을 나타내는 도면.
도 9a 및 도 9b는 신재생 에너지가 400V, 모듈레이션 인덱스가 1.0인 경우, MSON 방식에 의한 PWM 제어 특성을 나타내는 도면.
도 10a 및 도 10b는 신재생 에너지가 800V, 모듈레이션 인덱스가 0.5인 경우, MSON 방식에 의한 PWM 제어 특성을 나타내는 도면.
도 11a 및 도 11b는 신재생 에너지가 800V, 모듈레이션 인덱스가 0.5인 경우, HSON 방식에 의한 PWM 제어 특성을 나타내는 도면.
도 12a 및 도 12b는 신재생 에너지가 1000V이고, 모듈레이션 인덱스가 0.3인 경우, 대칭형 스위칭 방식에 의한 PWM 제어 특성을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100 : 신재생 에너지원 200 : PWM 제어 장치
210 : 전력 변환부 211 : 스위칭 제어부
212 : 전력 변환 모듈 220 : PWM 제어 방식 선택부
300 : 계통망

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 직류 상태의 신재생 에너지를 계통망에 공급하기 위한 펄스 폭 변조 제어 장치에 있어서,
    상기 신재생 에너지의 전압 크기에 따라 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하는 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부; 및
    상기 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부로부터 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 상기 신재생 에너지를 교류 상태로 변환하여 상기 계통망에 공급하는 전력 변환부
    를 포함하고,
    상기 펄스 폭 변조 제어 방식 선택부는 상기 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하기 위하여 상기 신재생 에너지의 전압 크기와 상기 계통망에 주입되는 전류의 총고조파비를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 직류 상태의 신재생 에너지를 계통망에 공급하기 위한 펄스 폭 변조 제어 방법에 있어서,
    상기 신재생 에너지의 전압 크기에 따라 복수의 펄스 폭 변조 제어 방식 중 어느 하나를 선택하는 제1 단계; 및
    상기 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 상기 신재생 에너지를 교류 상태로 변환하여 상기 계통망에 공급하는 제2 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 단계는 상기 신재생 에너지의 전압 크기와 상기 계통망에 주입되는 전류의 총고조파비를 동시에 측정하여 상기 펄스 폭 제어 방식을 가변적으로 선택하는 단계이며,
    상기 제2 단계는 상기 선택된 펄스 폭 변조 제어 방식에 따라 펄스 폭 변조 변환 스위치의 스위칭을 제어하는 단계; 및 상기 스위칭 제어에 의해 상기 신재생 에너지의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 복수의 펄스 폭 변조 방식은,
    최대 전류 스위칭 방식, 최고 전류 스위칭 방식, 최저 전류 스위칭 방식, 대칭형 스위칭 방식, 및 정현파 스위칭 방식 중 어느 둘 이상을 포함하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 최대 전류 스위칭 방식은,
    제1 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 모듈레이션 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 변형 영상 성분 전압은 상기 펄스 폭 변조 변환 스위치 중 상기 기준 정현파 전압 절대값의 크기가 최대인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압인 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 최고 전류 스위칭 방식은,
    제2 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 모듈레이션 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 변형 영상 성분 전압은 상기 펄스 폭 변조 변환 스위치 중 상기 기준 정현파 전압의 크기가 최고인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압인 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  10. 제7 항에 있어서, 상기 최저 전류 스위칭 방식은,
    제3 변형 영상 성분 전압을 통해 기준 정현파를 변조하여 모듈레이션 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 모듈레이션 전압을 비교 삼각파와 비교하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제3 변형 영상 성분 전압은 상기 펄스 폭 변조 변환 스위치 중 상기 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 상기 기준 정현파를 변조하는 전압인 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  11. 제7 항에 있어서, 상기 최대 전류 스위칭 방식은,
    공간 벡터 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 기준 정현파 전압의 절대값이 최대인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  12. 제7 항에 있어서, 상기 최고 전류 스위칭 방식은,
    공간 벡터 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 기준 정현파 전압이 최고인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  13. 제7 항에 있어서, 상기 최저 전류 스위칭 방식은,
    공간 벡터 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 기준 정현파 전압이 최저인 스위치가 온 상태를 유지할 수 있도록 스위칭 벡터를 배치하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  14. 제7 항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 3 레벨 이상으로 구분되는 경우,
    제1 레벨에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제2 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제3 레벨에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  15. 제7 항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 2 레벨 이상으로 구분되는 경우,
    제1 레벨에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  16. 제7 항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 2 레벨 이상으로 구분되는 경우,
    제1 레벨에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  17. 제7 항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 신재생 에너지의 전압 크기가 적어도 2 레벨 이상으로 구분되는 경우,
    제1 레벨에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제1 레벨보다 상기 신재생 에너지의 전압 크기가 큰 제2 레벨에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
  18. 제7 항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 계통망에 주입되는 전류의 총고조파비 크기가 적어도 3 범위 이상으로 구분되는 경우,
    제1 범위에서는 상기 최대 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제1 범위보다 상기 총고조파비가 큰 제2 범위에서는 상기 최고 전류 스위칭 방식 또는 상기 최저 전류 스위칭 방식을 선택하고,
    상기 제2 범위보다 상기 총고조파비가 큰 큰 제3 범위에서는 상기 정현파 스위칭 방식 또는 상기 대칭형 스위칭 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 펄스 폭 변조 제어 방법.
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