KR101392544B1 - 전력 장치 제어 방법 및 그에 따른 전력 제어 장치 - Google Patents

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신수철
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고영상
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 실시예에 의한 전력 제어 시스템은 직류 전원, 상기 직류 전원으로부터 직류 전압을 입력받는 제1 컨버터 모듈(converter module)과 제2 컨버터 모듈을 포함하는 컨버터, 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력을 인가받아 목적하는 교류 전압을 출력하는 하프 브릿지 인버터, 제1 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제1 센서와, 제2 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제2 센서 및 상기 제1 및 제2 센서가 각각 감지한 제1 컨버터 모듈의 출력 전압 값 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값을 비교하여 큰 출력 전압 값을 작은 출력 전압 값과 동일하도록 상기 컨버터를 제어하고, 상기 목적하는 교류 전압을 출력하도록 상기 하프 브릿지 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전력 장치 제어 방법 및 그에 따른 전력 제어 장치{Method for Controlling Power Apparatus And Power Controlling Apparatus Using the same}
본 발명은 전력 장치 제어 방법 및 이를 이용한 전력 제어 장치에 관한 것이다.
최근 지구 환경 문제와 화석연료 에너지원의 부존 자원 고갈이라는 문제점이 대두되고 있다. 이에 따라 풍력, 연료전지, 태양광 등 신재생 에너지의 친환경 에너지가 크게 주목 받고 있다. 또한 배전 계통과 송전이 어려운 지역인 산간지방이나 섬 지역의 경우 독립적으로 소형 신재생을 이용한 독립 발전이 필요하다. 하지만 이런 친환경 에너지의 경우 외부 환경에 따라 에너지의 발전이 불규칙적으로 발생한다. 태양광의 경우 낮에는 발전이 가능하지만 밤에는 발전이 안되며, 풍력 또한 풍량 및 풍속에 따라 발전량이 다르다. 이런 신재생에너지를 효율적으로 활용하기 위하여 배터리와 결합하여 사용한다. 배터리는 일정한 전력이 발생할 경우 배터리에 충전하여 밤 혹은 전력 발전이 이루어지지 않을 경우 배터리에 충전되어 있는 에너지를 사용한다.
종래 기술에 의한 인버터에서는 서로 상보적으로 동작하는 커패시터에 의한 직류 링크단에 불균형이 발생하여 직류 주입(DC Injection)이 발생하여 출력단에서 정상적인 정현파를 출력하지 못하고 파형의 일부가 클립(clipping)되어 출력된다. 이러한 직류 주입에 의하여 기본 주파수(fundamental frequency)의 정현파의 전력성분은 감소하고, 클리핑에 의하여 발생하는 수많은 고조파(harmonics)에 의한 전력 성분이 발생하게 된다. 이러한 고조파를 가지는 전원을 정밀한 전자 부하에 인가하면 부하의 오동작 및 부하 고장의 원인이 되다. 또한 이는 강전 부하에 있어서도 마찬가지이므로 이러한 전원이 인가된 부하 계통에서의 안전사고 위험도 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점인 복수개 컨버터의 임피던스 차이에 의하여 발생하는 직류 주입을 해소하기 위한 것으로, 종래 기술에 의한 문제점을 해소할 수 있는 전력 제어 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.
본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 종래 기술에 의한 문제점을 해소할 수 있는 전력 제어 장치를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예에 의한 전력 제어 시스템은 직류 전원, 상기 직류 전원으로부터 직류 전압을 입력받는 제1 컨버터 모듈(converter module)과 제2 컨버터 모듈을 포함하는 컨버터, 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력을 인가받아 목적하는 교류 전압을 출력하는 하프 브릿지 인버터, 제1 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제1 센서와, 제2 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제2 센서 및 상기 제1 및 제2 센서가 각각 감지한 제1 컨버터 모듈의 출력 전압 값 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값을 비교하여 큰 출력 전압 값을 작은 출력 전압 값과 동일하도록 상기 컨버터를 제어하고, 상기 목적하는 교류 전압을 출력하도록 상기 하프 브릿지 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 실시예에 의한 전력 장치 제어 방법은, 컨버터, 제1 컨버터 및 제2 컨버터 목표 출력 전압 값을 설정하는 단계와, 센서로부터 수신한 제1 컨버터 및 제2 컨버터의 출력 전압 값들을 비교하는 단계와, 수신한 출력 전압 값들 중 큰 값에서 작은 값을 감산하여 에러 전압 값을 연산하는 단계와, 목표 출력 전압 값에서 상기 에러 전압 값을 감산한 결과로 목표 출력 전압 값을 업데이트하는 단계, 및 업데이트된 목표 출력 전압 값을 출력하도록 수신한 전압 값들 중 큰 전압 값을 출력하는 컨버터를 제어하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 의하면 변압기를 이용하므로 변압기의 권선수 비를 조절하여 용이하게 350V 이상의 전압으로 승압할 수 있다는 장점이 제공되며, 1차 측에서 사고가 발생하여도 2차측에 영향을 미치거나, 그 반대로 2차 측에서 사고가 발생하여도 1차 측에 영향을 미치지 않고 상호 간섭이 없어 안전하다는 장점이 제공된다.
본 실시예에 의하면 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 입력단을 병렬로 연결함으로써 입력단으로 유입되는 전류가 분배되어 스위치의 도통 손실 및 스위칭 손실을 줄일 수 있다는 효과가 제공되며, 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력단을 직렬로 연결하여 변압기의 동손을 감소시킬 수 있어 효율의 감소를 막을 수 있다는 효과도 제공되고, 높은 용량으로 구성할 수 있다는 장점이 제공된다.
본 실시예는 필터 인덕터를 사용하지 않는 컨버터 모듈을 이용하므로 종래 승압형 컨버터 모듈의 출력 측에 LC 필터를 사용할 때 효율이 떨어진다는 단점을 극복할 수 있다.
또한 본 실시예에 의한 제어 방법에 의하면 두 컨버터 모듈의 출력전압이 서로 동기화 되어 출력되므로 과도 상태가 짧아져 빠른 동적 특성 성능을 얻을 수 있다.
도 1은 본 실시예의 구성을 개요적으로 도시한 블록도(block diagram)이다.
도 2는 본 실시예에 따른 컨버터 및 하프 브릿지 인버터(Half Bridge Inverter)의 회로도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 스위치 제어 방법을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 의한 전력 장치 제어 방법의 순서도이다.
도 5는 본 실시예와 종래 기술의 비교 실험 결과를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예의 구성을 개요적으로 도시한 블록도(block diagram)이고, 도 2는 본 실시예에 따른 컨버터(40) 및 하프 브릿지 인버터(Single Phase Half Bridge Inverter, 50)의 회로도이다. 본 실시예는 직류 전원과, 직류 전원으로부터 직류 전압을 입력받는 제1 컨버터 모듈(converter module)과 제2 컨버터 모듈을 포함하는 컨버터와, 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력을 인가받아 목적하는 교류 전압을 출력하는 하프 브릿지 인버터와, 제1 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제1 센서와, 제2 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제2 센서 및 제1 및 제2 센서가 각각 감지한 제1 컨버터 모듈의 출력 전압 값 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값을 비교하여 큰 출력 전압 값을 작은 출력 전압 값과 동일하도록 컨버터를 제어하고, 목적하는 교류 전압을 출력하도록 하프 브릿지 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 직류 전원(10)은 전원부(110)와 전원부에서 출력된 직류 전압을 승압하는 부스트 컨버터(120) 및 부스트 컨버터(120)에서 출력한 에너지를 저장하는 에너지 저장 유닛(130)을 포함한다. 일 예로, 전원부(110)는 연료 전지(fuel cell), 솔라 셀(solar cell) 및 배터리 중 어느 하나 이상을 포함하며, 본 실시예에 따른 전력 제어 시스템에 전력을 공급한다. 부스트 컨버터(120)는 전원부(110)가 출력한 직류 전압을 소정의 레벨로 부스트(boost)하여 출력한다. 일 예로, 부스트 컨버터(120)은 70V 이하의 직류 전압을 형성하여 에너지 저장 유닛(130)을 충전하거나, 컨버터(20)에 인가한다.
에너지 저장 유닛(130)은 부스트 컨버터에 의하여 부스트된 직류 전압에 의하여 충전되며, 충전된 에너지를 부하쪽으로 전달한다. 일 예로, 에너지 저장 유닛(130)은 배터리이다. 에너지 저장 유닛(130)은 전원부(110)를 직렬로 연결하여 전압을 상승시킬 수 있으나, 전원부의 가격이 비싸고, 그 부피가 크므로 경제적인 효용성이 떨어진다. 따라서, 직류 전원(10)은 전원부(110)가 출력한 전압을 부스트 컨버터(120)를 이용하여 부스팅하고 이를 부하에 인가하거나, 에너지 저장 유닛(130)을 충전하는 구성을 취한다.
컨버터(20)는 직류 전원으로부터 직류 전압을 입력받는 제1 컨버터 모듈(converter module, 200)과 제2 컨버터 모듈(250)을 포함한다. 일 실시예로, 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)의 입력단은 병렬로 연결되어 직류 전원(10)으로부터 동일한 전압을 인가받는다.
제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)은 모두 풀 브릿지 컨버터(full bridge coverter) 구조를 가진다. 제1 컨버터 모듈(200)은 직렬로 연결된 스위치 S1과 S2를 포함하는 진상 레그(leading leg)와, 직렬로 연결된 스위치 S3과 S4를 포함하는 지상 레그(lagging leg)를 포함한다. 마찬가지로 제2 컨버터 모듈(250)은 직렬로 연결된 스위치 S5와 S6을 포함하는 진상 레그와 직렬로 연결된 스위치 S7과 S8을 포함하는 지상 레그를 포함한다. 제1 컨버터 모듈(200)의 진상 레그에 포함된 스위치인 S1과 S2은 서로 180 위상 차이를 두고 아웃 오브 페이즈로 구동된다. 마찬가지로, 제2 컨버터 모듈(250)의 진상 레그에 포함된 스위치 S3와 S4는 서로 180 위상 차이를 두고 서로 상보적으로 동작한다. 마찬가지로, 제1 컨버터 모듈(200)의 지상 레그를 구성하는 스위치인 S3과 S4는 서로 180 위상 차이를 두고 아웃 오브 페이즈로 구동되며, 제2 컨버터 모듈(250)의 지상 레그를 구성하는 스위치인 S7과 S8도 마찬가지로 서로 아웃 오브 페이즈로 구동된다.
진상 레그 및 지상 레그에서 출력된 전압을 변압기 1차 측에 인가하고, 변압기의 2차 측에서 출력된 전압은 역류 방지 다이오드(D1, D2 및 D3, D4)를 거쳐 제1 컨버터 모듈의 출력 전압은 커패시터(C1, C2) 양단 사이에 인가되고, 제2 컨버터 모듈의 출력 전압은 커패시터(C3, C4) 양단 사이에 인가된다. 제1 컨버터 모듈의 출력 커패시터인 Co1은 직렬로 연결된 C1과 C2의 양단에 연결되어 있어 Co1의 양단에는 제1 컨버터 모듈(200)의 출력 전압이 형성된다. 마찬가지로 제2 컨버터 모듈의 출력 커패시터인 Co2는 직렬로 연결된 C3과 C4의 양단에 연결되어 있어 Co2의 양단에는 제2 컨버터 모듈(250)의 출력 전압이 형성된다. 일 예로, 컨버터(20)는 직류 전원이 인가하는 대략 70V 이하의 직류 전압을 대략 700V 정도의 직류 전압으로 승압하여 이를 하프 브릿지 인버터(30)에 인가한다.
본 실시예에 따른 컨버터(20)는 변압기를 사용하는 절연 컨버터를 사용한다. 비절연 컨버터의 경우에는 시스템 설계가 용이하고, 그 구성이 간단하여 효율이 좋다는 장점이 있으나, 낮은 전압을 제공하는 직류 전원(10)의 출력 전압을 350V 이상의 고압으로 승압하는 것이 곤란하다. 그러나, 변압기를 이용하는 절연 컨버터를 사용하면 변압기의 권선수 비에 의하여 용이하게 350V 이상의 전압으로 승압할 수 있으며, 1차 측에서 사고가 발생하여도 2차측에 영향을 미치거나, 그 반대로 2차 측에서 사고가 발생하여도 1차 측에 영향을 미치지 않고 상호 간섭이 없어 안전하다는 장점이 제공된다.
다만, 절연 컨버터의 경우 효율이 비절연 컨버터에 비하여 낮다는 단점이 있으나, 본 실시예에서는 컨버터를 구성하는 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)의 입력을 병렬로 구성하고 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)의 출력을 직렬로 연결하여 효율을 상승시켰다. 즉, 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)의 입력단을 병렬로 연결함으로써 입력단으로 유입되는 전류가 분배되어 스위치의 도통 손실 및 스위칭 손실을 줄일 수 있으며, 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)의 출력단을 직렬로 연결하여 변압기의 동손을 감소시킬 수 있어 효율의 감소를 막을 수 있다. 또한, 이와 같은 구성을 취하여 높은 용량으로 구성할 수 있다는 장점이 제공된다.
또한, 종래의 컨버터는 컨버터 모듈 당 2개의 인덕터 및 2개의 커패시터로 구성되나 본 실시예에 따른 컨버터 모듈은 인덕터 없이 3개의 커패시터를 포함하여 구성된다. 즉, 본 실시예는 종래 기술과는 필터 인덕터를 사용하지 않는 컨버터 모듈을 구성하였으므로 종래 승압형 컨버터 모듈의 출력 측에 LC 필터를 사용할 때 효율이 떨어진다는 단점을 극복할 수 있다.
제1 센서(Sens1)과 제2 센서(Sens2)는 각각 제1 컨버터 모듈의 출력 커패시터(Co1)의 양단과 제2 컨버터 모듈의 출력 커패시터(Co2)의 양단에 연결되어 제1 및 제2 컨버터 모듈의 출력전압을 감지하여 감지된 출력 전압 값을 제어부(40)으로 송신한다.
하프 브릿지 인버터(half bridge inverter, 30)는 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(250)의 출력 전압을 인가받아 목적하는 교류 전압을 출력한다. 하프 브릿지 인버터(30)는 직렬로 연결되어 서로 180도 위상차이를 두고 상보적으로 동작하는 스위치 S9와 S10을 포함한다. 스위치 S9과 S10이 서로 상보적으로 동작함에 따라 하프 브릿지 인버터의 출력 커패시터(Cf)에 목적하는 교류 전압이 형성 하프 브릿지 인버터의 출력 커패시터(Cf) 양단에 연결된 제3 센서(Sen3)는 하프 브릿지 인버터의 출력 전압을 감지하고, 감지된 출력 전압 값을 제어부(40)에 전송한다. 제어부(40)는 직렬로 연결되어 서로 상보적으로 동작하는 스위치 S9과 S10의 듀티비를 제어하여 목적하는 전압의 교류 전압을 형성한다.
제어부(40)는 제1 및 제2 센서(Sens1, Sens2)가 각각 감지한 제1 컨버터 모듈의 출력 전압 값 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값을 비교하여 큰 출력 전압 값을 작은 출력 전압 값과 동일하도록 컨버터를 제어하고, 상기 목적하는 교류 전압을 출력하도록 하프 브릿지 인버터를 제어한다. 일 실시예로, 제1 및 제2 센서는 각각 제1 컨버터 모듈(200)의 출력 전압과 제2 컨버터 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하여 제어부(40)로 전송한다.
제어부(40)는 컨버터(20)가 최종적으로 출력하여야 하는 목표 출력 전압(Vtarget)과 제1 컨버터의 목표 출력 전압(VtargetA)및 제2 컨버터 목표 전압(VtargetB)를 설정한다. 일 예로, 제1 컨버터 모듈의 목표 출력 전압(VtargetA) 및 제2 컨버터 모듈의 목표 출력 전압(VtargetB)은 컨버터의 목표 출력 전압(Vtarget)의 반이다.
제어부(40)는 제1 및 제2 센서(Sens1, Sens2)가 센싱하여 제어부(40)로 송신한 제1 컨버터 모듈(200)의 출력 전압 값(Va) 및 제2 컨버터 모듈(200)의 출력 전압 값(Vb)을 수신하여 그 대소를 비교하고, 큰 출력 전압 값에서 작은 출력 전압 값을 감산하여 에러 전압 값(Verr)을 얻는다. 에러 전압 값은 제1 컨버터 모듈(200)과 제2 컨버터 모듈(350)의 출력 전압 값의 차이를 의미하는 것으로 각각의 컨버터 모듈에 포함되는 스위치, 변압기, 다이오드 및 커패시터의 특성이 비이상적이어서 발생하는 것이다.
제어부(40)는 큰 전압을 출력하는 컨버터 모듈을 제어하여 작은 전압을 출력하는 컨버터 모듈의 출력 전압 값과 일치시킨다. 즉, 제어부(40)는 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값 중에서 큰 출력 전압을 내는 컨버터 모듈의 목표 출력 전압 값에서 에러 전압 값을 감산하여 감산된 결과로 목표 출력 전압 값을 업데이트 한다. 일 예로, 제1 및 제2 컨버터 모듈의 목표 출력 전압(VtargetA, Vtarget B)이 100V이고, 제1 센서(Sens1)가 감지한 제1 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutA)이 98V이며, 제2 센서(Sens2)가 감지한 제2 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutB)이 92V 인 경우라면, 에러 전압(Verr)값은 98 - 92 =6 이며, 제어부(40)는 보다 큰 출력 전압을 내는 제1 컨버터 모듈의 목표 출력 전압(VtargetA)값을 100 - 6 = 94볼트로 업데이트한다. 따라서, 제어부는 제2 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutB)이 목표 출력 전압(VtargetB)인 100V에 도달하고, 제1 컨버터 모듈의 출력전압(VoutA)가 목표 출력 전압(VtargetA)인 94볼트에 도달하도록 제어한다. 즉, 제어부(40)는 제1 컨버터 모듈의 출력 전압 값과 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값의 차이를 이용하여 보다 큰 전압을 출력하는 컨버터 모듈의 목표 출력 전압 값을 조절하여 컨버터 모듈의 출력 전압 값이 동일하게 되도록 제어한다.
제어부(40)는 각각의 컨버터 모듈(200)의 진상 레그 및 지상 레그에 포함된 스위치의 구동을 제어하여 각각의 컨버터 모듈들이 각 컨버터 모듈의 목표 출력 전압을 출력하도록 제어한다. 도 3은 제1 컨버터 모듈(200)에 포함된 스위치 구동 신호와 그에 따른 제1 컨버터 모듈의 출력 전압을 나타낸 도면이다. 도 3(a)를 참조하면, 진상 레그에 포함된 스위치 S1, S2는 서로 180도의 위상차를 두고 상보적으로 동작하며, 지상 레그에 포함된 스위치 S3 및 S4는 서로 180도의 위상차를 두고 상보적으로 동작한다. 도시된 바와 같이, 진상 레그의 S1의 동작 시점과 지상 레그의 S4의 동작시점을 일치시키고, 진상 레그의 S2의 동작시점과 지상 레그의 S3의 동작시점을 일치시켜 위상차를 0도로 하여 구동하면 최초 180도의 위상동안 제1 컨버터 모듈의 입력에는 양(positive)의 입력 단자 전압이 인가되고, 180도에서 360도 까지의 위상동안에는 제1 컨버터 모듈에는 음(negative)의 입력 단자전압이 인가되어 양(positive)의 입력 단자 전압 인가시점과 음(negative)의 입력 단자전압 인가시점 사이에 위상차는 없다(φ=0).
상술한 바와 같이 진상 레그의 S1 동작 시점과 지상 레그의 S4 동작시점 사이의 위상차가 0이 되도록(S2의 동작 시점과 지상 레그의 S3의 동작시점 사이의 위상차가 0이 되도록) 스위치S1, S2, S3 및 S4를 제어하여 제1 컨버터 모듈(200)을 구동하면 제1 컨버터 모듈은 도 3a의 하단에 도시된 바와 같이 대략 400V 정도의 전압을 출력하는 것을 알 수 있다.
이번에는, 도 3b에 도시된 바와 같이 제어부(40)가 진상 레그의 S1 동작시점과 지상 레그의 S4 동작 시점 사이의 위상차가 90도(φ=90ㅀ)가 되도록(진상 레그의 S2 동작시점과 지상 레그의 S3 동작 시점 사이의 위상차가 90도가 되도록) 제1 컨버터 모듈을 제어하면, 제1 컨버터 모듈에 인가되는 양의 입력 단자 전압과 음의 입력 단자 전압의 인가 시점 사이에는 90도의 위상차이가 발생하고, 출력 전압을 보면 도 3b의 하단에 도시된 바와 같이 대략 220V 정도의 전압이 출력됨을 알 수 있다. 따라서, 제어부(40)는 각각의 컨버터 모듈에 포함된 스위치들의 동작을 제어하여 제1 및 제2 컨버터 모듈들(200, 250)이 목표 출력 전압을 출력하도록 할 수 있다.
이어서, 제어부(40)는 제1 센서(Sens1)및 제2 센서(Sens2)가 감지한 제1 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutA)및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutB)이 같은지 판단하여 제1 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutA) 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutB)이 서로 같으면 종료한다. 그러나, 양 자의 전압이 같지 않으면 제어부는 다시 위에서 설명한 큰 출력 전압 값에서 작은 출력 전압 값을 빼서 에러 전압 값을 형성하여 큰 전압을 출력하는 컨버터 모듈의 목표 출력 전압을 조절하여 두 컨버터 모듈이 동일한 전압을 출력하도록 제어한다. 동일하게 값으로 제어된 두 컨버터 모듈의 출력 전압(VoutA, VoutB)들은 목표 출력 전압에서 일정한 에러 전압(Verr)값이 감산된 전압 값이므로, 제어부(40)는 컨버터(20)가 목적하는 목표 출력 전압(Vtarget)을 출력할 때까지 위의 과정을 반복 수행한다.
두 개의 컨버터 모듈에 동일한 소자를 사용하여도 소자들의 비이상적인 특성들에 의하여 두 컨버터 모듈의 임피던스는 다르게 형성되며, 이로 인하여 두 컨버터 모듈의 출력 전압들이 서로 다르게 나타난다. 두 컨버터 모듈의 출력전압이 서로 동기화 되지 않으면 과도 상태가 길어지므로 빠른 동적 특성 성능을 얻을 수 없다. 본 실시예에서는 두 컨버터 모듈에 대하여 동기 제어를 수행하여 과도상태도 동일하게 제어함으로써 직류링크 가변시 빠른 동적 특성을 얻을 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 실시예에 의한 전력 장치 제어 방법을 설명한다. 다만, 간결하고 명확한 설명을 위하여 상술한 실시예와 중복되는 부분에 대하여는 설명을 생략할 수 있다. 도 4는 본 실시예에 의한 전력 장치 제어 방법의 요를 나타내는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 전력 장치 제어 방법은 컨버터(20), 제1 컨버터 모듈(200) 및 제2 컨버터 모듈(250)의 목표 출력 전압 값을 설정하는 단계(S100)와, 센서로부터 수신한 제1 컨버터 모듈 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값들을 비교하는 단계(S200)와, 수신한 출력 전압 값들 중 큰 값에서 작은 값을 감산하여 에러 전압 값을 연산하는 단계(S300)와, 목표 출력 전압 값에서 에러 전압 값을 감산한 결과로 목표 출력 전압 값을 업데이트하는 단계(S400), 및 업데이트된 목표 출력 전압 값을 출력하도록 수신한 전압 값들 중 큰 전압 값을 출력하는 컨버터를 제어하는 단계(S500)를 포함한다.
일 실시예에서, 제1 컨버터 모듈의 출력 전압과 제2 컨버터 모듈의 출력 전압이 같은지 여부를 판단(S600)하는 단계를 더 포함하며, 두 컨버터 모듈의 출력 전압이 서로 같지 않으면 센서들로부터 수신한 제1 컨버터 모듈 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값들을 비교하여 에러 전압값을 연산하고, 큰 전압을 출력하는 컨버터 모듈을 제어하는 제어 루틴을 다시 수행한다.
S600 단계의 판단 결과, 제1 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압이 동일한 경우에, 각각의 컨버터 모듈들이 출력하는 전압은 목표 출력 전압 값에서 에러 전압 값이 감산된 전압값이다. 따라서, 컨버터가 최종적으로 출력하여야 하는 컨버터의 목표 출력 전압값과 컨버터가 현재 출력하는 출력 전압이 동일한지 여부를 판단한다(S700). 컨버터의 목표 출력 전압값과 출력 전압값이 서로 다르다면 출력 전압에서 에러 전압값이 감산된 전압을 출력하고 있는 것이므로 S100 단계로 회귀하여 새로이 제어 루틴을 수행한다. 그러나, 컨버터의 목표 출력 전압 값과 출력 전압값이 같다면 이는 과도 상태를 지나 두 컨버터 모듈들이 정상 상태에 진입하여 서로 같은 두 전압을 출력하여 안정적으로 동작하는 것을 의미하므로 제어를 종료한다.
비교 실험예
도 5는 종래 기술에 의한 컨버터와 본 실시예에 의한 컨버터의 동작 특성을 보여주는 오실로스코프 파형이다. 도 5a는 종래 기술에 의한 컨버터에서, 소정의 전압값을 출력하도록 구동하였을 때, 컨버터에 포함된 두 컨버터 모듈의 출력 전압을 도시한 도면이다. 적색선으로 도시된 제1 컨버터의 출력 전압과 청색으로 도시된 제2 컨버터의 출력 전압이 과도상태에서 뿐만 아니라 정상상태에서도 서로 다르다. 이와 같이 서로 다른 값을 출력하는 컨버터 모듈들에 의하여 직류링크에 직류 주입 현상이 발생하여 출력 파형에 클리핑을 형성한다.
도 5b는 본 실시예에 의한 컨버터 모듈의 출력 전압을 도시한 도면이다. 제1 컨버터 모듈의 출력 전압과 제2 컨버터 모듈의 출력 전압이 거의 동일한 궤적으로 형성되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 비교 실험에 의하여도 본 실시예에 의한 전력 제어 시스템 및 전력 장치 구동 방법에 의하면 복수개 컨버터의 임피던스 차이에 의하여 발생하는 직류 주입을 해소할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있다.
10: 직류 전원 110: 전원부
120: 부스트 컨버터 130: 에너지 저장 유닛
20: 컨버터 200, 250: 제1 및 제2 컨버터 모듈
30: 하프 브릿지 인버터 40: 제어부
50: 부하 S1 ~ S10: 스위치
D1 ~ D4: 다이오드 Sens1 ~ Sens3: 제1 내지 제3 센서
Co1, Co2: 제1 및 제2 컨버터 모듈의 출력 커패시터

Claims (16)

  1. 직류 전원;
    상기 직류 전원으로부터 직류 전압을 입력받는 제1 컨버터 모듈(converter module)과 제2 컨버터 모듈을 포함하는 컨버터;
    제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력을 인가받아 목적하는 교류 전압을 출력하는 하프 브릿지 인버터;
    제1 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제1 센서와, 제2 컨버터 모듈의 출력 전압을 감지하는 제2 센서 및
    상기 컨버터와 상기 하프 브릿지 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 목표 출력값을 설정하고,
    제1 및 제2 센서가 감지한 제1 및 제2 컨버터 모듈의 출력 전압값들로부터 에러 전압값을 연산하며,
    제1 및 제2 컨버터 모듈 중 더 큰 전압을 출력하는 컨버터 모듈의 목표 출력 전압값을 상기 목표 출력 전압값에서 상기 에러 전압값을 감산한 결과로 업데이트하여 상기 컨버터를 제어하는 전력 제어 시스템(Power Conditioning System).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전원은,
    연료 전지, 솔라 셀(Solar Cell) 및 배터리 중 어느 하나를 포함하는 전원부와,
    상기 전원부의 출력 전압을 승압하는 부스트 컨버터 및
    부스트 컨버터의 출력 에너지를 저장하는 에너지 저장 유닛을 포함하는 전력 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 입력단은 병렬 연결되어 상기 직류 전원에 연결되고,
    상기 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력단은 직렬로 연결되어 상기 하프 브릿지 인버터에 연결된 전력 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨버터 모듈 및 제2 컨버터 모듈은 풀 브릿지 컨버터(full bridge converter)로,
    상기 풀 브릿지 컨버터는 진상 레그(leading leg) 및 지상 레그(lagging leg)를 포함하며,
    상기 진상 레그는 직렬로 연결되어 상보적(complementarily)으로 동작하는 두 개의 스위치를 포함하고,
    상기 지상 레그는 직렬로 연결되어 상보적으로 동작하는 두 개의 스위치를 포함하는 전력 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 진상 레그 및 상기 지상 레그에 포함된 스위치들을 제어하여 큰 출력 전압 값을 작은 출력 전압 값과 동일하도록 상기 컨버터를 제어하는 전력 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하프 브릿지 인버터는
    서로 180도의 위상차를 두고 아웃 오브 페이즈(out of phase)로 동작되는 두 개의 스위치를 포함하는 전력 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    감지된 제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값을 비교하여 큰 값에서 작은 값을 감산하여 에러 전압 값을 형성하는 전력 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    목표 출력 전압값에서 상기 에러 전압값을 감산한 결과로 업데이트하여 상기 컨버터를 제어한 후,
    제1 컨버터 모듈과 제2 컨버터 모듈의 출력 전압 값을 비교하는 단계를 더 수행하는 전력 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어 시스템은 상기 하프 브릿지 인버터의 출력 전압을 감지하는 제3 센서를 더 포함하고,
    상기 하프 브릿지 인버터는 서로 상보적으로 동작하는 두 개의 스위치를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제3 센서가 감지한 출력을 이용하여 상기 목적하는 교류 전압을 출력하도록 상기 서로 상보적으로 동작하는 두 개의 스위치를 제어하는 전력 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식으로 상기 컨버터와 상기 하프 브릿지 인버터를 제어하는 전력 제어 시스템.
  11. 전력 장치 제어 방법에 있어서,
    제1 컨버터 모듈, 제2 컨버터 모듈을 포함하는 컨버터를 이용하여 직류 전압을 승압하는 단계와,
    인버터를 이용하여 승압된 전류 전압을 교류로 변환하는 단계를 포함하는 단계를 포함하되,
    컨버터, 제1 컨버터 및 제2 컨버터 목표 출력 전압 값을 설정하는 단계와,
    센서로부터 수신한 제1 컨버터 및 제2 컨버터의 출력 전압 값들을 비교하는 단계와,
    수신한 출력 전압 값들 중 큰 값에서 작은 값을 감산하여 에러 전압 값을 연산하는 단계와,
    목표 출력 전압 값에서 상기 에러 전압 값을 감산한 결과로 목표 출력 전압 값을 업데이트하는 단계, 및
    업데이트된 목표 출력 전압 값을 출력하도록 수신한 전압 값들 중 큰 전압 값을 출력하는 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는 전력 장치 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 업데이트된 목표 출력 전압 값을 출력하도록 수신한 전압 값들 중 큰 전압 값을 출력하는 컨버터를 제어하는 단계는,
    제1 컨버터 모듈 또는 제2 컨버터 모듈에 포함된 진상 레그와 지상 레그의 도통 위상차를 조절하여 수행하는 전력 장치 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전력 장치 제어 방법은, 상기 업데이트된 목표 출력 전압 값을 출력하도록 수신한 전압 값들 중 큰 전압 값을 출력하는 컨버터를 제어하는 단계 이후에,
    제1 컨버터 및 제2 컨버터의 출력전압을 목적하는 교류 전압으로 변환하는 단계를 포함하는 전력 장치 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 목적하는 교류 전압으로 변환하는 단계는,
    인버터의 출력 전압을 감지하는 센서로부터 수신한 출력 전압 값을 이용하여 상기 인버터에 포함된 서로 180도의 위상차를 두고 아웃 오브 페이즈(out of phase)로 동작되는 두 개의 스위치를 제어하여 수행하는 전력 장치 제어 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전력 장치 제어 방법은,
    상기 큰 전압 값을 출력하는 컨버터를 제어하는 단계 이후에,
    제1 컨버터 및 제2 컨버터의 출력 전압이 동일하지 않으면 상기 센서로부터 수신한 제1 컨버터 및 제2 컨버터의 출력 전압 값들을 비교하는 단계로 회귀하는 단계를 더 포함하는 전력 장치 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전력 장치 제어 방법은,
    제1 컨버터 및 제2 컨버터의 출력 전압이 동일하면,
    컨버터의 출력 전압이 컨버터의 목표 출력 전압과 동일한지 판단하여 동일하지 않으면 상기 컨버터, 제1 컨버터 및 제2 컨버터 목표 출력 전압 값을 설정하는 단계로 회귀하는 단계를 더 포함하는 전력 장치 제어 방법.
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IEEE 논문(제목: Analysis and Implementation of a High Efficiency Interleaved Current-Fed Full Bridge Converter for Fuel Cell Systme), 논문발표 2007년 3월 *
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