KR101292381B1 - 멀티레벨 인버터 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

주제어기와 셀제어기간의 통신주기를 단축시킬 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템은, 각 상(Phase) 별로 셀인버터의 전압 지령값을 출력하는 주제어기; 및 상기 전압 지령값을 수신하고, 상기 셀인버터의 DC링크 전압을 센싱하는 하나 이상의 슬레이브 셀제어기 및 마스터 셀제어기로 구성된 셀제어기 그룹을 포함하고, 상기 슬레이브 셀제어기는, 상기 센싱된 DC 링크 전압 및 상기 셀인버터의 상태정보 중 적어도 하나를 제1 CAN 통신을 통해 상기 마스터 셀제어기로 전송하고, 상기 마스터 셀제어기는, 상기 센싱된 DC 링크 전압의 평균값 및 상기 셀인버터의 상태정보 중 적어도 하나를 제2 CAN 통신을 통해 상기 주제어기로 전송하는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티레벨 인버터 제어 시스템{System for Controlling Multi Level Inverter}
본 발명은 인버터 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 멀티레벨 인버터의 제어 시스템에 관한 것이다.
멀리레벨 인버터는, 각 상(Phase)마다 복수개의 단상 인버터(이하, '셀 인버터'라 함)를 직렬로 연결하고 각 셀 인버터 내에 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있는 고전압 대용량 인버터이다.
특히, 최근에는, 계통 안정화를 위하여 전력품질을 개선하고, 공급전압을 일정하기 유지하기 위한 무효전력 보상장치의 적용 요구에 따라, 멀티레벨 인버터가 무효전력 보상 시스템에도 적용되고 있다.
이러한 멀티레벨 인버터를 제어하기 위한 제어 시스템은, 크게 집중제어 시스템과 분산제어 시스템으로 구분할 수 있다. 집중제어 시스템에서는, 각 셀 인버터 게이팅 앰프와 일부 보호회로 만이 내장되어 모든 제어 동작은 주제어기(Main Controller)에서 수행된다. 이와 같은 집중제어 시스템은 전체 시스템의 제어와 감시를 집중해서 수행하므로 일괄 제어가 간편하고, 데이터 처리나 시퀀스 처리 등이 간단한 장점이 있으나, 주제어기의 부담이 커지고 주제어기와 셀간의 많은 신호선이 필요한 단점이 있다.
도 1에 도시된 분산제어 시스템(100)의 경우, 전동기의 가속 및 변속을 제어하기 위한 전압 지령값을 산출하는 주제어기(110)와는 별도로, 주제어기(110)에 의해 산출된 전압 지령값에 따라 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행하는 셀제어기(120a~120n, 130a~130n, 140a~140n)가 각 셀 인버터마다 설치되고, 셀제어기(120a~120n, 130a~130n, 140a~140n)가 게이팅 신호를 생성하거나 셀 단위의 보호 동작을 수행한다.
이와 같은 분산제어 시스템(100)은 셀제어기(120a~120n, 130a~130n, 140a~140n)와 주제어기(110) 사이에는 통신을 이용하여 전압/전류 기준 신호, 고장 신호 등의 데이터 교환만이 이루어지기 때문에 신호선의 개수가 집중제어 시스템에 비하여 적고, 주제어기의 부담이 적으며, 셀 단위의 보호 동작이 용이하므로 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 이러한 멀티레벨 인버터의 분산제어 시스템(100)에서는, 주제어기(110)에 연결되는 셀제어기(120a~120n, 130a~130n, 140a~140n)의 개수가 많아 질수록 주제어기(110)와 셀제어기(120a~120n, 130a~130n, 140a~140n)간의 통신 주기가 길어지게 되어 제어의 정확성이 감소된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 주제어기와 셀제어기간의 통신주기를 단축시킬 수 있는 멀티레벨 인버터 제어 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 노이즈의 영향을 최소화시킬 수 있는 멀티레벨 인버터 제어 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템은, 각 상(Phase) 별로 셀인버터의 전압 지령값을 출력하는 주제어기; 및 상기 전압 지령값을 수신하고, 상기 셀인버터의 DC링크 전압을 센싱하는 하나 이상의 슬레이브 셀제어기 및 마스터 셀제어기로 구성된 셀제어기 그룹을 포함하고, 상기 슬레이브 셀제어기는, 상기 센싱된 DC 링크 전압 및 상기 셀인버터의 상태정보 중 적어도 하나를 제1 CAN 통신을 통해 상기 마스터 셀제어기로 전송하고, 상기 마스터 셀제어기는, 상기 센싱된 DC 링크 전압의 평균값 및 상기 셀인버터의 상태정보 중 적어도 하나를 제2 CAN 통신을 통해 상기 주제어기로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 셀제어기간의 통신 네트워크와 주제어기와 셀제어기간의 통신 네트워크를 분리하여 구성함으로써 통신주기를 단축시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 그룹으로 그룹핑되어 있는 셀제어기들을 각 그룹 별로 할당된 통신채널을 통해 주제어기에 연결함으로써 통신주기를 더욱 단축시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 셀제어기간의 송수신 데이터 또는 주제어기와 셀제어기간의 송수신 데이터를 광신호로 변환하여 송수신하기 때문에 고전압 대전류의 스위칭으로 인해 발생하는 노이즈에 의한 간섭을 최소화시킬 수 있고, 이로 인해 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 셀제어기간의 송수신 데이터 또는 주제어기와 셀제어기간의 송수신 데이터를 광 케이블을 이용하여 송수신하기 때문에 통신 거리를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 제어 시스템의 규모를 용이하게 확장할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 멀티레벨 인버터 제어 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 주제어기와 각 상의 셀제어기간의 데이터 송수신관계를 보여주는 도면.
도 4는 주제어기와 셀제어기간 및 셀제어기들간의 광통신을 위한 멀티레벨 인버터 제어 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 5는 셀제어기들간의 광통신을 위한 멀티레벨 인버터 제어 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 주제어기와 셀제어기간 또는 셀제어기들간에 송수신되는 데이터 프레임의 흐름을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템이 STATCOM을 구성할 때의 구조를 보여주는 도면.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템(200)은, 주제어기(210), 복수개의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n), 제1 CAN 통신부(250), 및 제2 CAN 통신부(260)를 포함한다.
먼저, 주제어기(210)는 각 상(Phase-A, Phase-B, Phase-C)에 포함되어 있는 복수개의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)을 통합하여 제어한다. 구체적으로, 주제어기(210)는, 전력계통의 전압 크기에 따라 무효전력 제어를 수행하여 각 상 별로 전압 지령값을 산출하고, 산출된 전압 지령값을 각 상의 출력 전류 방향 지령과 함께 각 상의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로 전송한다. 이때, 각 상의 출력 전류 방향 지령이란 각 상의 출력 전류의 방향이 지상인지 진상인지 여부를 나타내는 지령이다.
일 실시예에 있어서, 주제어기(210)는 각 상의 전압 지령값 및 출력 전류 방향 지령을 제1 프레임에 포함시켜 전송할 수 있다.
또한, 주제어기(210)는, 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들에 연결된 셀인버터의 상태정보(이하, '셀제어기의 상태정보라 함')를 수신하고, 각 상의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)의 상태정보에 따라 각 상의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)의 동작을 제어하기 위한 명령을 각 상의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로 전달한다.
구체적으로, 주제어기(210)는 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들로 시스템 보호를 위한 비상정지를 명령하는 비상정지 명령, 시스템 고장에 따라 시스템을 초기화하고 재기동시키기 위한 리셋 명령, 각 상의 셀인버터(미도시)를 동작시키기 위한 초기충전명령 또는 게이팅 신호 출력명령 등을 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들로 전달한다.
일 실시예에 있어서, 이러한 비상정지 명령, 리셋명령, 초기충전 명령, 및 게이팅 신호 출력명령은 상술한 각 상의 출력전압 지령값 및 출력 전류 방향 지령이 포함된 제1 프레임 내에 함께 포함되어 전달될 수 있다.
또한, 주제어기(210)는 각 상 별로 셀인버터 간의 PWM 위상을 동기화하여 셀인버터간의 순환전류를 방지하기 위해 PWM 동기화 프레임을 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로 전송한다.
이외에도, 주제어기(210)는 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로 셀인버터의 감시 및 제어를 위한 인터페이스(HMI: Human Management Interface) 데이터의 읽기 또는 쓰기 요청을 제2 프레임에 포함시켜 전달하고, 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로부터 이에 대한 응답을 프레임 형태로 수신할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 주제어기(210)는, 상술한 바와 같은 제1 및 제2 프레임과 PWM 동기화 프레임은 각 상의 모든 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로 전달하지만, 주제어기(210)와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)간의 통신주기를 단축시키고, 주제어기(210)와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)간에 송수신되는 데이터의 신뢰성을 향상시키기 위해 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로부터 전달되는 데이터들 중 인터페이스 데이터의 읽기 또는 쓰기 응답을 제외한 데이터들은 마스터 셀제어기(M)를 통해서만 수신할 수 있다.
예컨대, 주제어기(210)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 상의 모든 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)로 각 상의 전압 지령값을 직접 전달하지만, 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)에 의해 센싱된 셀인버터의 DC 링크 전압은 마스터 셀제어기(M)를 통해서만 수신하게 된다.
셀인버터의 DC 링크 전압 외에도, 주제어기(210)는 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)의 상태정보도 마스터 셀제어기(M)를 통해서만 수신할 수 있다.
상술한 바와 같이, 주제어기(210)는, 각 상에 포함된 마스터 셀제어기(M)들로부터 DC 링크 전압 및 각 상의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)의 상태정보를 전달받기 위해, 마스터 셀제어기(M)들 중 DC링크 전압 및 각 상의 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들의 상태정보를 전달할 마스터 셀제어기(M)의 식별정보를 각 상의 마스터 셀제어기(M)들로 전달할 수 있다.
따라서, 주제어기(210)로부터 전달된 마스터 셀제어기(M)의 식별정보에 해당하는 마스터 셀제어기(M)만이 해당 시점에 DC링크 전압 및 각 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들의 상태정보를 주제어기(210)로 전달할 수 있다.
한편, 주제어기(210)는, 복수개의 셀제어기 클러스터들과의 접속을 위해, 복수개의 CAN 드라이버를 지원하는 DSP(Digital Signal Process), 예컨대, 각 상(A, B, C)의 셀제어기 클러스터(270, 280)와 접속하는 2개의 CAN 드라이버(212, 214)를 지원하는 DSP를 포함할 수 있다.
다음으로, 복수개의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)은 각각의 셀인버터에 연결되어 주제어기(210)로부터 전달되는 전압 지령값을 수신한다. 또한, 복수개의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)은 각 셀인버터들의 DC링크 전압을 센싱한다.
각 상(A, B, C)에 포함된 복수개의 셀제어기들(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)은 그 특징이 동일 또는 유사하기 때문에, 이하에서는 설명의 편의를 위해, A상의 셀제어기들(220a~220n)을 기준으로 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 셀제어기들(220a~220n)은 제1 셀제어기 클러스터(270)와 제2 셀제어기 클러스터(280)로 클러스터링 되어 있고, 제1 및 제2 셀제어기 클러스터(270, 280)는 각각 하나의 마스터 셀제어기(M)와 하나 이상의 슬레이브 셀제어기(S)로 구성되는 복수개의 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)으로 그룹핑되어 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 셀제어기 클러스터가 2개(270, 280)이고, 각 셀제어기 클러스터(270, 280)는 각각 2개의 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)을 포함하는 것으로 도시하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 셀제어기 클러스터는 2개 이상이 될 수 있고, 셀제어기 클러스터에 포함된 셀제어기 그룹 또한 2개 이상이 될 수 있다.
제1 셀제어기 클러스터(270)와 제2 셀제어기 클러스터(280)의 기능은 동일 또는 유사하고, 각 셀제어기 클러스터(270, 280)에 포함된 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)의 특징도 동일 또는 유사하므로, 이하에서는 제1 셀제어기 클러스터(270)에 포함된 셀제어기 그룹(272)을 기준으로 마스터 셀제어기(M)와 슬레이브 셀제어기(S)들의 특징에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 마스터 셀제어기(M)는 주제어기(210)로부터 전달되는 전압 지령값을 수신하고, 마스터 셀제어기(M)에 연결된 셀인버터의 DC링크 전압을 센싱한다. 또한, 마스터 셀제어기(M)는 주제어기(210)로부터의 각 셀제어기의 DC링크 전압 및 상태정보 요청이 포함된 프레임이 수신되면, 슬레이브 셀제어기(S)로 슬레이브 셀제어기(S)의 DC링크 전압 및 상태정보를 요청하는 프레임을 전달한다.
이러한 요청에 따라, 슬레이브 셀제어기(S)로부터, DC 링크 전압이 수신되면, 마스터 셀제어기(M)는 마스터 셀제어기(M)에 연결된 셀인버터의 DC링크 전압과 슬레이브 셀제어기(S)로부터 전달된 DC링크 전압의 평균값을 산출하여 주제어기(210)로 전달한다.
또한, 마스터 셀제어기(M)는 각 슬레이브 셀제어기(S)로부터 각 슬레이브 셀제어기(S)의 상태정보가 수신되면, 수신된 각 슬레이브 셀제어기(S)의 상태정보와 마스터 셀제어기(M)의 상태정보를 함께 주제어기(210)로 전달한다. 이때, 셀제어기의 상태정보란 셀인버터의 동작여부, 정지여부, 및 고장여부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 마스터 셀제어기(M)는 DC링크 전압과 각 셀인버터의 상태정보를 제3 프레임에 포함시켜 주제어기로 전달할 수 있다.
이외에도, 마스터 셀제어기(M)는 주제어기(210)로부터 전달되는 전압 지령값을 이용한 PWM 제어를 통해 셀인버터에 게이팅 신호를 인가하거나, 주제어기(210)로부터 전달되는 인터페이스 데이터 읽기 또는 쓰기 요청에 상응하는 응답 데이터를 프레임 형태로 주제어기(210)에게 전달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 마스터 셀제어기(M)는 상술한 바와 같이, 주제어기(210)로부터 전달되는 마스터 셀제어기(M)의 식별정보가 자신의 식별정보와 일치하는 경우, 마스터 셀제어기(M)와 슬레이브 셀제어기(S)의 DC링크 전압 평균값 및 마스터 셀제어기(M)와 슬레이브 셀제어기(S)의 상태정보를 주제어기(210)로 전달할 수 있다.
한편, 마스터 셀제어기(M)는, 주제어기(210) 및 슬레이브 셀제어기(S)들과 모두 접속할 수 있도록 하기 위해, 슬레이브 셀제어기(S)들과의 접속을 위한 CAN 드라이버(미도시)와 주제어기(210)와의 접속을 위한 CAN 드라이버(미도시)를 지원하는 DSP(Digital Signal Process)를 포함할 수 있다.
다음으로, 슬레이브 셀제어기(S)는, 주제어기(210)로부터 전달되는 전압 지령값을 수신하고, 슬레이브 셀제어기(S)에 연결된 셀인버터의 DC링크 전압을 센싱한다. 또한, 슬레이브 셀제어기(S)는, 마스터 셀제어기(M)로부터 셀인버터의 DC 링크 전압 또는 슬레이브 셀제어기(S)의 상태정보가 요청되면, 센싱된 셀인버터의 DC 링크 전압 또는 슬레이브 셀제어기(S)의 상태정보를 마스터 셀제어기(M)로 전달한다. 이때, 슬레이브 셀제어기(S)의 상태정보란 슬레이브 셀제어기(S)에 연결된 셀인버터의 동작여부, 정지여부, 및 고장여부를 포함한다.
이외에도, 슬레이브 셀제어기(S)는, 주제어기(210)로부터 전달되는 전압 지령값을 이용한 PWM 제어를 통해 셀인버터에 게이팅 신호를 인가하거나, 주제어기(210)로부터 전달되는 인터페이스 데이터 읽기 또는 쓰기 요청에 상응하는 응답 데이터를 프레임 형태로 주제어기(210)에게 전달할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 A상에 포함된 복수개의 셀제어기들(220a~220n)을 2개의 셀제어기 클러스터(270, 280)로 클러스터링하고, 각 셀제어기 클러스터에 포함된 셀제어기들을 다시 복수개의 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)로 그룹핑하고, 각 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)마다 하나의 마스터 셀제어기(M)를 설정함으로써, 주제어기(210)는 각 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)에 포함된 슬레이브 셀제어기(S)들의 DC링크 전압 및 셀인버터의 상태정보를 마스터 제어기(M)를 통해 통합적으로 수신할 수 있기 때문에, 통신주기를 단축시킬 수 있음은 물론, 데이터 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 슬레이브 셀제어기(S)는, 주제어기(210) 및 마스터 셀제어기(M)와 모두 접속할 수 있도록 하기 위해, 마스터 셀제어기(M)와의 접속을 위한 CAN 드라이버(미도시)와 주제어기(210)와의 접속을 위한 CAN 드라이버(미도시)를 지원하는 DSP(Digital Signal Process)를 포함할 수 있다.
다음으로, 제1 CAN 통신부(250)는, 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 286) 내에서 마스터 셀제어기(M)와 슬레이브 셀제어기(S)들간을 연결하여 마스터 셀제어기(M)와 슬레이브 셀제어기(S)간의 CAN 통신경로를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 이러한 제1 CAN 통신부(250)는 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 286) 별로 분리하여구비될 수 있다.
이러한 제1 CAN 통신부(250)는, 마스터 셀제어기(M) 및 슬레이브 셀제어기(S)에 포함되거나 연결된 제1 CAN 드라이버(미도시)들을 서로 연결시킴으로써 마스터 셀제어기(M)와 슬레이브 셀제어기(S)간의 통신경로를 형성하는 통신버스일 수 있다.
다음으로, 제2 CAN 통신부(260)는, 셀제어기 클러스터(270, 280) 별로 셀제어기 클러스터(270, 280)에 포함된 모든 셀제어기들(220a~220n)과 주제어기(210)를 연결하여 셀제어기 클러스터(270, 280) 내에 포함된 셀제어기들(220a~220n)과 주제어기(210)간의 CAN 통신 경로를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 이러한 제2 CAN 통신부(260)는 도 2에 도시된 바와 같이, 셀제어기 클러스터(270, 280) 별로 분리하여 구비될 수 있다.
이러한 제2 CAN 통신부(260)는, 셀제어기(220a~220n)에 포함되거나 연결된 제2 CAN 드라이버(미도시)와 주제어기(210)에 포함되거나 연결된 CAN 드라이버(212, 214)를 서로 연결시키는 통신버스일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템(100)은, 각 셀제어기간의 절연을 확보하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 CAN 통신부를 광통신을 수행할 수 있는 제1 통신 인터페이스 장치(400)로 구현하고, 제2 CAN 통신부를 광통신을 수행할 수 있는 제2 통신 인터페이스 장치(420)로 구현할 수 있다.
구체적으로, 제1 통신 인터페이스 장치(400)는, 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)에 포함된 마스터 제어기(M)와 슬레이브 제어기(S)간에 송수신되는 데이터가 광신호로 송수신될 수 있도록 하는 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 광신호 변환부(402a, 402b), 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b), 및 제1 CAN 통신버스(406)를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 광신호 변환부(402a, 402b)는, 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로부터 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하거나, 전기적 신호를 광신호로 변환하여 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로 전송한다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해 2개의 제1 광신호 변환부(402a, 402b)만 도시하였지만, 제1 광신호 변환부(420)는 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)에 포함된 셀제어기 별로 별도로 형성될 수 있다.
다음으로, 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)는, 제1 광신호 변환부(402a, 402b)로부터 전기적 신호를 수신하여 CAN 신호로 변환하거나, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 제1 광신호 변환부(402a, 402b)로 전달한다. 이때, CAN 신호는 CAN High신호 또는 CAN Low신호를 포함한다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해 2개의 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)만 도시하였지만,, 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)는, 셀제어기 그룹(272, 274, 282, 284)에 포함된 셀제어기 별로 별도로 형성될 수 있다. 즉, 제1 광신호 변환부(402a, 402b)와 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)는 1:1로 형성될 수 있다.
다음으로, 제1 CAN 통신버스(406)는, 제1 CAN 트랜시버(404)로부터 전달되는 CAN 신호가 연결되는 통신버스로써, Can High 신호가 연결되는 제1 통신선(408)과 Can Low 신호가 연결되는 제2 통신선(410)을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 제1 CAN 통신버스(406)는, 제1 통신선(408)의 일단과 제2 통신선(410)의 일단을 연결하는 제1 종단저항(412) 및 제1 통신선(408)의 타단과 제2 통신선(410)의 타단을 연결하는 제2 종단저항(414)을 더 포함할 수 있다.
이러한 제1 및 제2 종단저항(412, 414)은, 제1 통신선(408) 및 제2 통신선(410)의 말단에서는 저항이 무한대이기 때문에 반사파가 발생할 수 있으므로, 이를 흡수하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 제1 및 제2 종단저항(412, 414)에 의해, 신호의 지연, 왜곡, 및 감쇠가 방지될 수 있다.
다음으로, 제2 통신 인터페이스 장치(420)는, 셀제어기 클러스터(270, 280)에 포함된 마스터 제어기(M) 및 슬레이브 제어기(S)와 주제어기(210) 간에 송수신되는 데이터가 광신호로 송수신될 수 있도록 하는 것으로서, 제2 광신호 변환부(422a, 422b, 422c), 제2 CAN 트랜시버(424a, 424b, 424c), 및 제2 CAN 통신버스(426)를 포함한다.
제2 광신호 변환부(422a, 422b)는, 각 셀제어기 클러스터(270, 280)에 포함된 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로부터 수신되는 광신호를 전기적 신호로 변환하거나, 전기적 신호를 광신호로 변환하여 각 셀제어기 클러스터(270, 280)에 포함된 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로 전송하고, 제2 광신호 변환부(422c)는 주제어기(210)로부터 수신되는 광신호를 전기적 신호로 변환하거나, 전기적 신호를 광신호로 변환하여 주제어기(210)로 전송한다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)와 연동하는 제2 광신호 변환부(422a, 422b)가 2개인 것으로 도시하였지만, 제2 광신호 변환부(422a, 422b)는, 셀제어기 클러스터(270, 280)에 포함된 셀제어기 별로 별도로 형성될 수 있다.
다음으로, 제2 CAN 트랜시버(424a, 424b)는 제2 광신호 변환부(422a, 422b)로부터 전기적 신호를 수신하여 CAN 신호로 변환하거나, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 제2 광신호 변환부(422a, 422b)로 전달하고, 제2 CAN 트랜시버(424c)는 제2 광신호 변환부(422c)로부터 전기적 신호를 수신하여 CAN 신호로 변환하거나, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 제2 광신호 변환부(422c)로 전달한다.
일 실시예에 있어서, 제2 CAN 트랜시버(424a, 424b)는, 클러스터(270, 280)에 포함된 셀제어기 별로 별도로 형성될 수 있다. 즉, 제2 광신호 변환부(422a, 422b)와 제2 CAN 트랜시버(424a, 424b)는 1:1로 형성될 수 있다.
다음으로, 제2 CAN 통신버스(426)는, 제2 CAN 트랜시버(424a, 424b, 424c)로부터 전달되는 CAN 신호가 연결되는 통신버스로써, Can High 신호가 연결되는 제1 통신선(428)과 Can Low 신호가 연결되는 제2 통신선(430)을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 제2 CAN 통신버스(426)는, 제1 통신선(428)의 일단과 제2 통신선(430)의 일단을 연결하는 제1 종단저항(432) 및 제1 통신선(428)의 타단과 제2 통신선(430)의 타단을 연결하는 제2 종단저항(434)을 더 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 종단저항(432, 434)은, 제1 통신선(428) 및 제2 통신선(430)의 말단에서는 저항이 무한대이기 때문에 반사파가 발생할 수 있으므로, 이를 흡수하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 제1 및 제2 종단저항(432, 434)에 의해, 신호의 지연, 왜곡, 및 감쇠가 방지될 수 있다.
상술한 도 4에서 도시하지는 않았지만, 각 셀제어기(220a~220n)들간의 광통신 및 각 셀제어기(220a~220n)와 주제어기(210)간의 광통신 수행을 위해, 각 셀제어기(220a~220n) 및 주제어기(210)측에도, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하거나 전기적 신호를 CAN 신호로 변환하는 CAN 트랜시버 및 전기적 신호를 광신호로 변환하거나 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광신호 변환부가 각각 포함될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에 있어서는 제1 CAN 통신부 및 제2 CAN 통신부 모두가 광통신을 수행할 수 있는 통신 인터페이스 장치(400, 420)로 구현되는 것으로 설명하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 CAN 통신부만이 광통신을 수행할 수 있는 통신 인터페이스 장치(400)로 구현되고, 제2 CAN 통신부는 CAN 신호를 연결하기 위한 통신버스로 구성될 수 있을 것이다.
이러한 경우, 제1 통신 인터페이스 장치(400)는 도 4에 도시된 것과 동일하게 제1 광신호 변환부(402a, 402b), 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b), 및 제1 제1 CAN 통신버스(406)를 포함할 수 있다. 제1 광신호 변환부(402a, 402b), 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b), 및 제1 CAN 통신버스(406)는 상술한 도 4에 도시된 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 제1 CAN 통신부가 광통신을 수행할 수 있는 제1 통신 인터페이스 장치(400)로 구현되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 CAN 통신부(260)를 제1 통신 인터페이스 장치(400)에 통합하여 형성할 수도 있을 것이다. 이러한 경우, 제1 통신 인터페이스 장치(400)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 광신호 변환부(402a, 402b, 502a, 502b), 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b), 제1 CAN 통신버스(406), 및 제2 CAN 통신버스(260)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 광신호 변환부(402a, 402b) 및 제1 CAN 통신버스(406)는 도 4에 도시된 것과 동일하므로 이하에서는, 도 4에 도시된 것과 상이한 구성에 대해서만 간략히 설명하기로 한다.
제1 광신호 변환부(502a, 502b)는, 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로부터 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하거나, 전기적 신호를 광신호로 변환하여 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로 전송한다. 이때, 마스터 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로부터 수신된 신호는 주제어기(210)로 전달될 CAN 신호가 광신호로 변환되는 것이고, 제1 광신호 변환부(502, 502b)가 마스트 셀제어기(M) 또는 슬레이브 셀제어기(S)로 전송할 광신호는 주제어기(210)로부터 수신된 CAN 신호가 광신호로 변환되는 것이다.
제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)는 제1 광신호 변환부(402, 402) 또는 제1 광신호 변환부(502, 502b)로부터 수신된 전기적 신호를 CAN 신호로 변환하거나, 제1 통신버스(406)를 통해 연결된 CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 제1 광신호 변환부(402a, 402b)로 제공하고 제2 통신버스(260)를 통해 연결된 CAN 신호를 제1 광신호 변환부(502a, 502b)로 전달한다. 이때, CAN 신호는 CAN High신호 또는 CAN Low신호를 포함한다.
제2 CAN 통신버스(260)는, 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b) 또는 주제어기(210)로부터 전달되는 CAN 신호가 연결되는 통신버스로써, 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)로부터 전달되는 CAN 신호를 주제어기(210)로 전달하거나, 주제어기(210)로부터 전달되는 CAN 신호를 제1 CAN 트랜시버(404a, 404b)로 전달한다. 이러한 제2 CAN 통신부(260)는 CAN High가 연결되는 제1 통신선(262) 및 CAN Low 신호가 연결되는 제2 통신선(264)를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 실시예들에 있어서, 제1 또는 제2 CAN 통신부가 제1 및 제2 통신 인터페이스 장치(400, 420)로 구현되는 경우, 제1 및 제2 통신 인터페이스 장치(400, 420)에 포함된 구성들은, 도 5에 도시된 바와 같이 주제어기(210)를 통해서 전원(Vcc, GND)을 공급받을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들은 제1 CAN 통신부(250)를 통해 서로 연결하고, 주제어기(210)와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)는 제2 CAN 통신부(260)를 통해 연결하기 때문에, 주제어기(210)와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들이 연결되는 통신경로와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)들이 연결되는 통신경로가 분리되어 주제어기(210)와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)간의 데이터 송수신에 소요되는 통신주기를 단축시킬 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 주제어기(210)와 셀제어기(220a~220n, 230a~230n, 240a~240n)간의 데이터 프레임의 흐름에 대해 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템에서의 송수신되는 데이터 프레임의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6a에는 주제어기와 모든 셀제어기 간에 송수신되는 데이터 프레임들을 보여주는 것으로서, 먼저 주제어기가 2개의 CAN 통신채널을 통해 PWM 동기신호(위상 동기화 및 전이를 위한 타이머 값, 프레임 'S'로 표기됨)를 모든 셀제어기로 전송한다. 이러한 PWM 동기신호가 수신되면, 모든 셀제어기들은 PWM 동기신호에 동기하여 PWM 발생을 위한 내부 타이머의 카운트 값을 초기화하여 PWM 위상을 지연시킨다. 또한, 주제어기는 PWM 동기신호 전송 이후에, 각 상의 전압 지령값을 포함하는 프레임('REF'로 표기됨)을 모든 셀제어기로 전달한다.
또한 인터페이스 데이터의 읽기 또는 쓰기 요청이 발생하는 경우, 주제어기는 REF 프레임 전송 이후, 인터페이스 데이터 읽기 또는 쓰기 요청이 포함된 프레임('REQ'로 표기됨)을 모든 셀 제어기로 전송한다. 한편, 인터페이스 데이터의 읽기 또는 쓰기 요청이 발생되지 않으면 REQ 프레임을 전송하지 않는다. 각 셀제어기들은 이러한 REQ 프레임이 수신되면, 즉시 REQ 프레임에 대한 응답을 포함하는 RES 프레임을 주제어기로 전송한다. 이때, RES 프레임은 메시지의 우선순위가 낮으므로, 주제어기는 마스터 셀제어기가 전달하는 프레임을 수신한 이후에 RES 프레임을 수신하게 된다.
또한, REF 프레임에 포함된 마스터 셀제어기의 식별정보에 해당하는 A상의 마스터 셀제어기(A01M, A13M)는 REF 프레임에 응답하여, 해당 셀제어기 그룹에 포함된 슬레이브 셀제어기들로부터 수집한 셀제어기의 DC 링크 전압 평균값 및 각 셀인버터의 상태정보를 주제어기로 전송한다('A01(M)', 'A13(M)'으로 표기됨). 이때, 프레임의 수신 순서는 CAN 메시지의 ID 우선순위에 따라 결정될 수 있다. 이와 동일한 방법으로 B상 및 C상의 마스터 셀제어기로부터 상태정보를 수집하며, 이는 주기적으로 반복된다.
한편, 도 6b에는 셀제어기간에 송신되는 데이터 프레임들을 보여주는 것으로서, 마스터 셀제어기는 주제어기로부터의 수신된 REF 프레임에 응답하여 슬레이브 셀제어기로 슬레이브 셀제어기의 상태정보 수집을 위한 프레임('S'로 표기됨)을 요청한다. 이를 통해 셀제어기들간의 통신이 시작되고, 이 시점은 하나의 통신 주기 내에서 상술한 REF 프레임에 응답하는 시점과 동기화된다. 슬레이브 셀제어기는 REF 프레임에 응답하여 자신의 DC링크 전압 및 셀인버터의 상태정보를 포함하는 프레임('A02(S)', 'A03(S)'…'An(S)'등으로 표시됨)을 마스터 셀제어기로 전달한다.
한편, 이러한 셀제어기간의 통신에 있어서, 각 셀제어기의 데이터가 포함된 CAN 메시지의 우선순위를 서로 다르게 설정함으로써 셀제어기간에 송수신되는 데이터 프레임의 충돌을 방지할 수 있다. 이후, 마스터 셀제어기는 슬레이브 셀제어기의 DC링크 전압의 평균값을 산출하여 주제어기로 보고한다.
한편, 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템은, 도 7에 도시된 바와 같이, 계통에 병렬로 접속되어 계통의 무효전력을 보상하는 STATCOM(Static Synchronous Compensator, 710)을 구성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터 제어 시스템을 이용하여 STATCOM을 구성함으로써, 계통의 무효전력을 보상함으로써 전력계통을 안정화시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 멀티레벨 인버터 제어 시스템 210: 주제어기
220a~220n: A상 셀제어기 230a~230n: B상 셀제어기
240a~240n: C상 셀제어기 250: 제1 CAN 통신부
260: 제2 CAN 통신부

Claims (14)

  1. 각 상(Phase) 별로 셀인버터의 전압 지령값을 출력하는 주제어기; 및
    상기 전압 지령값을 수신하고, 상기 셀인버터의 DC링크 전압을 센싱하는 하나 이상의 슬레이브 셀제어기 및 마스터 셀제어기로 구성된 셀제어기 그룹을 포함하고,
    상기 슬레이브 셀제어기는, 상기 센싱된 DC 링크 전압 및 상기 셀인버터의 상태정보 중 적어도 하나를 제1 CAN 통신을 통해 상기 마스터 셀제어기로 전송하고,
    상기 마스터 셀제어기는, 상기 센싱된 DC 링크 전압의 평균값 및 상기 셀인버터의 상태정보 중 적어도 하나를 제2 CAN 통신을 통해 상기 주제어기로 전송하고,
    상기 마스터 셀제어기 및 슬레이브 셀제어기는, 상기 주제어기와의 연결을 위한 CAN 드라이버 및 셀제어기들간의 연결을 위한 CAN 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀제어기 그룹은 복수개이고, 상기 복수개의 셀제어기 그룹들은 이분화되어 제1 셀제어기 클러스터 및 제2 셀제어기 클러스터로 구성되며,
    상기 주제어기는, 상기 제1 셀제어기 클러스터에 포함된 셀제어기들과의 연결을 위한 CAN 드라이버 및 상기 제2 셀제어기 클러스터에 포함된 셀제어기들과의 연결을 위한 CAN 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주제어기는, 상기 셀인버터 간의 PWM 위상을 동기화시키기 위한 PWM 동기화 명령, 비상정지명령, 리셋명령, 초기충전명령, 게이팅 출력명령, 상기 전압 지령값, 출력전류 방향 지령, 및 감시와 제어를 위한 인터페이스 요청 데이터 중 적어도 하나를 상기 마스터 셀제어기 및 슬레이브 셀제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주제어기는, 상기 마스터 셀제어기로 상기 DC링크 전압의 평균값을 전송할 마스터 셀제어기의 식별정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 셀제어기는, 상기 마스터 셀제어기에 연결된 셀인버터 및 상기 슬레이브 셀제어기에 연결된 셀인버터의 동작여부, 정지여부, 및 고장여부를 나타내는 상기 셀인버터의 상태정보, 상기 DC 링크 전압의 평균값, 및 감시와 제어를 위한 인터페이스 응답 데이터 중 적어도 하나를 상기 마스터 셀제어기의 식별정보와 함께 상기 주제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 셀제어기와 상기 슬레이브 셀제어기간의 상기 제1 CAN 통신을 위한 제1 통신 인터페이스 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 통신 인터페이스 장치는,
    상기 마스터 또는 슬레이브 셀제어기로부터 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하거나, 전기적 신호를 광신호로 변환하여 상기 마스터 또는 슬레이브 셀제어기로 전송하는 제1 광신호 변환부;
    상기 제1 광신호 변환부로부터 상기 전기적 신호를 수신하여 CAN 신호로 변환하거나, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 제1 광신호 변환부로 전달하는 제1 CAN 트랜시버; 및
    상기 제1 CAN 트랜시버로부터 전달되는 상기 CAN 신호가 연결되는 CAN 통신버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 및 슬레이브 셀제어기와 상기 주제어기간의 상기 제2 CAN 통신을 위한 제2 통신 인터페이스 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 통신 인터페이스 장치는,
    상기 마스터 셀제어기, 슬레이브 셀제어기, 또는 상기 주제어기로부터 수신되는 광신호를 전기적 신호로 변환하거나 전기적 신호를 광신호로 변환하여 상기 마스터 셀제어기, 슬레이브 셀제어기, 또는 상기 주제어기로 전송하는 제2 광신호 변환부;
    상기 제2 광신호 변환부로부터 상기 전기적 신호를 수신하여 CAN 신호로 변환하거나, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 제2 광신호 변환부로 전달하는 제2 CAN 트랜시버; 및
    상기 제2 CAN 트랜시버로부터 전달되는 상기 CAN 신호가 연결되는 CAN 통신버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  11. 제8항 또는 10항에 있어서,
    상기 CAN 통신 버스는,
    Can High 신호가 연결되는 제1 통신선;
    Can Low 신호가 연결되는 제2 통신선;
    상기 제1 통신선의 일단과 상기 제2 통신선의 일단을 연결하는 제1 종단저항; 및
    상기 제1 통신선의 타단과 상기 제2 통신선의 타단을 연결하는 제2 종단저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 CAN 통신 및 상기 제2 CAN 통신을 위한 통신 인터페이스 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 통신 인터페이스 장치는,
    상기 마스터 셀제어기 또는 슬레이브 셀제어기로부터 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하거나, 전기적 신호를 광신호로 변환하여 상기 마스터 셀제어기 또는 슬레이브 셀제어기로 전송하는 제1 광신호 변환부;
    상기 제1 광신호 변환부로부터 상기 전기적 신호를 수신하여 CAN 신호로 변환하거나, CAN 신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 제1 광신호 변환부로 전달하는 제1 CAN 트랜시버;
    상기 제1 CAN 트랜시버에 의해 변환된 상기 CAN 신호를 연결하여 상기 마스터 셀제어기와 슬레이브 셀제어기간의 상기 제1 CAN 통신을 수행하는 제1 CAN 통신버스; 및
    상기 제1 CAN 트랜시버에 의해 변환된 CAN 신호 또는 상기 주제어기로부터 전달되는 CAN 신호를 연결하여 상기 마스터 및 슬레이브 셀제어기와 상기 주제어기간의 상기 제2 CAN 통신을 수행하는 제2 CAN 통신버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 멀티레벨 인버터 제어 시스템은, 계통에 병렬로 접속되어 상기 계통의 무효전력을 보상하는 STATCOM(Static Synchronous Compensator)을 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터 제어 시스템.
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