KR101433508B1 - 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치 - Google Patents

직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치 Download PDF

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Abstract

계통 연계형 태양광 인버터와 같이 계통 연계형 인버터에 적용되는 LCL형 필터 구조에 따른 전압 강하를 정확히 해석하여 계통 연계형 태양광 인버터의 직류링크에 요구되는 최소전압을 산출함으로써 태양광 인터버의 동작을 제어할 수 있는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치가 개시된다. 상기 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치는, 직류 전원으로부터 공급된 직류 전압을 펄스폭 변조하여 출력하는 인버터부; 상기 인버터부의 출력 전압을 필터링하여 계통으로 제공하는 인덕터 및 커패시터를 포함하는 필터부; 상기 필터부로 입력되는 전류의 크기, 상기 필터부에서 계통으로 입력되는 전류의 크기 및 계통 전압의 크기 중 적어도 일부를 이용하여, 상기 계통으로 전력을 제공할 수 있는 최소 직류링크전압의 크기를 산출하는 최소 직류링크전압 연산부; 및 상기 최소 직류링크전압의 크기와 상기 직류 전압의 크기를 비교하여 그 결과에 따라 상기 인버터부의 동작을 제어하는 인버터 동작 제어신호를 출력하는 비교부를 포함한다.

Description

직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치{APPARATUS OF CONTROLLING GRID CONNECTION TYPE INVERTER ACCORDING TO DC LINK VOLTAGE}
본 발명은 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계통 연계형 태양광 인버터와 같이 계통 연계형 인버터에 적용되는 LCL형 필터 구조에 따른 전압 강하를 정확히 해석하여 계통 연계형 태양광 인버터의 직류링크에 요구되는 최소전압을 산출함으로써 태양광 인터버의 동작을 제어할 수 있는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광전지 모듈은 일사조건과 온도조건에 따라 전압-전류 특성이 달라진다. 통상, 3상 인버터의 최소 직류링크전압은 전원측 선간전압과 비례적인 관계에 있다. 그러나 계통연계형 3상 태양광 인버터의 경우, 전원계통에 주입되는 전류를 자유롭게 제어하기 위하여는 필터 및 인버터에서의 전압손실 등을 고려하여 이보다 더 높은 직류전압이 요구된다. 또한 계통연계형 태양광 인버터에서는 필터의 크기를 줄이기 위하여 L형 필터가 아닌 LCL형 필터를 사용하므로 이러한 필터구조에 따른 전압강하를 정확히 해석하여 계통연계형 인버터의 직류링크에 필요한 최소전압을 보다 실제적으로 구할 필요가 있다.
왜냐하면 태양광전지 모듈의 직류출력측 전압의 크기는 태양광전지 모듈의 표면온도 및 일사량에 따라 크게 변화하며, 태양광인버터가 정상적으로 동작하기 위하여 필요한 최소 직류링크전압보다 낮은 경우가 빈번히 발생하기 때문이다. 태양광인버터의 직류링크측 전압이 최소전압한계보다 낮아지는 경우는 태양광 발전시스템을 정지시켜야만 한다. 그렇지 않으면, 전원계통에 주입되는 전류의 제어가 정상적으로 이루어지지 않고 최악의 경우는 전원계통에 공진 등의 외란을 가하여 전원계통을 불안정하게 하는 원인이 될 수도 있다.
계통연계형 태양광 인버터의 최소 직류링크전압이 얼마인지를 정확히 아는 것은 태양광발전시스템의 운전에 매우 중요하다. 최소 직류링크전압의 기준을 너무 낮게 잡아서 태양광인버터의 직류링크전압이 적절히 확보되지 못한 상태에서 운전되는 경우에는, 앞에서 언급한 바와 같이 정상적인 인버터의 운전이 이루어지지 않게 된다. 반대로 최소 직류링크전압의 기준을 너무 높게 잡는 경우는 태양광인버터를 불필요하게 조기에 정지시킴으로써 태양광발전시스템의 연간발전량의 감소를 가져온다.
본 발명은 태양광 발전 시스템과 같이 직류링크측 전압이 다양하게 변경되는 발전 시스템에 적용될 수 있는 계통 연계형 인버터에 채용되는 LCL형 필터 구조에 따른 전압 강하를 정확히 해석하여 계통 연계형 인버터의 직류링크에 요구되는 최소전압을 산출함으로써 태양광 인터버의 안정적인 동작을 구현할 수 있도록 직류링크전압에 적절히 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은,
직류 전원으로부터 공급된 직류 전압을 펄스폭 변조하여 출력하는 인버터부;
상기 인버터부의 출력 전압을 필터링하여 계통으로 제공하는 인덕터 및 커패시터를 포함하는 필터부;
상기 필터부로 입력되는 전류의 크기, 상기 필터부에서 계통으로 입력되는 전류의 크기 및 계통 전압의 크기 중 적어도 일부를 이용하여, 상기 계통으로 전력을 제공할 수 있는 최소 직류링크전압의 크기를 산출하는 최소 직류링크전압 연산부; 및
상기 최소 직류링크전압의 크기와 상기 직류 전압의 크기를 비교하여 그 결과에 따라 상기 인버터부의 동작을 제어하는 인버터 동작 제어신호를 출력하는 비교부
를 포함하는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 인버터부는 3상의 교류 전압을 출력하며, 상기 필터부, 상기 최소 직류링크전압 연산부 및 상기 비교부는 상기 인버터부의 각 상의 출력마다 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 필터부는, 상기 인버터부와 상기 계통 사이에 상호 직렬 연결된 두 개의 인덕터 및 상기 두 개의 인덕터의 연결노드 사이에 션트 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 최소 직류링크전압 연산부는, 상기 커패시터로 보상 전류가 주입되지 않는 경우, 하기 수학식에 의해 최소 직류링크전압을 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112013010422096-pat00001
(VDC-Limit: 최소 직류링크전압, ma: 상기 인버터부의 펄스폭 변조 인덱스(0 내지 1 사이의 값), Ean: 계통전압의 실효값, LF: 상기 필터부의 인덕터 중 상기 인버터부의 출력에 연결된 인덕터의 인덕턴스, ILa: 상기 인버터부에서 상기 필터부로의 입력 전류의 실효값, Tdead: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 데드타임, fsw: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 스위칭 주파수, VDrop: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자 및 상기 인버터부의 내부 배선에 의한 전압 손실)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 최소 직류링크전압 연산부는, 상기 커패시터로 보상 전류가 주입되는 않는 경우, 하기 수학식에 의해 최소 직류링크전압을 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112013010422096-pat00002
(VDC-Limit: 최소 직류링크전압, ma: 상기 인버터부의 펄스폭 변조 인덱스(0 내지 1 사이의 값), Ean: 계통전압의 실효값,
Figure 112013010422096-pat00003
: 상기 필터부의 공진주파수, LF: 상기 필터부의 인덕터 중 상기 인버터부의 출력에 연결된 인덕터의 인덕턴스, IGa: 상기 필터부에서 상기 계통으로의 입력 전류의 실효값, Tdead: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 데드타임, fsw: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 스위칭 주파수, VDrop: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자 및 상기 인버터부의 내부 배선에 의한 전압 손실)
본 발명에 따르면, LCL 필터를 사용하는 삼상의 계통 연계형 인버터에서 요구되는 최소 직류링크전압을 LCL 필터부로 입력되는 전류의 크기, LCL 필터부에서 계통으로 입력되는 전류의 크기 및 계통 전압의 크기에 따라 능동적으로 설정함으로써, 정상적이고 정밀한 인버터의 운전이 이루어지게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양광 발전시스템과 같이 직류링크 전압의 크기가 매우 가변적인 발전 시스템에 적용된 계통 연계형 인버터의 직류링크 전압을 적정하게 설정할 수 있으므로 불필요한 인버터 동작 중단을 방지하여 발전량을 현저하게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치가 적용되는 3상3선식 인버터의 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3상3선식 인버터의 a상에 대한 단상 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치의 최소 직류링크전압 연산부와 비교부를 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시된 단상 등가회로를 기준으로 주요 전압 및 전류를 도시한 페이저도로서, (a)는 필터 커패시터에 대한 무효전류 보상이 이루어지지 않은 경우를 도시하며, (b)는 필터 커패시터에 대한 무효전류 보상이 이루어지는 경우를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치가 적용되는 3상3선식 인버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 최소 직류링크전압에 따른 계통 연계형 인버터는 직류전원(11)으로부터 제공되는 직류 전압을 펄스폭 변조하여 출력하는 인버터부(12)와, 인버터부(12)의 출력 전압을 필터링하여 계통으로 제공하는 인덕터(LF, LG) 및 커패시터(CF)를 포함하는 필터부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 직류전원(11)은 특별히 그 형식에 제한되지 않고 직류 형태의 전력을 출력할 수 있는 다양한 직류 발전기에 대응될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 직류전원(11)은 일조시간, 주변 온도 등에 따라 직류링크전압의 변동 폭이 큰 태양광 전지모듈이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 인버터부(12)는 직류전원(11)에서 제공되는 전력을 교류전력으로 변환하는 회로이다. 통상, 인버터부(12)는 상용의 계통 전원에 연결 가능하도록 직류전력을 단상 또는 삼상의 교류전력으로 변환할 수 있으며, 변환된 교류전압 및 교류전류를 출력할 수 있다. 도 1은 인버터부(12)는 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 신호에 의해 온/오프가 반복 제어되는 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 포함할 수 있으며, 적절한 주기의 PWM 제어에 따라 직류전력을 세 개의 위상을 갖는 삼상 교류전력으로 변환하여 출력하는 삼상삼선식 인버터를 도시한다. 상기 스위칭 소자(S1 내지 S6)는 예를 들어, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 등과 같이 당 기술분야에 잘 알려진 전력용 스위칭 소자를 채용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 필터부(13)는 인버터부(12)에서 출력되는 교류전력을 필터링하여 정현파 형상의 교류 전력이 계통전원(ean, ebn, ecn)으로 전달되게 할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 필터부(13)는 인덕터(LF, LG) 및 커패시터(CF)를 포함하는 LCL형 필터로 구현될 수 있다. 인덕터(LF, LG)는 인버터부(12)의 출력단과 계통전원(ean, ebn, ecn) 사이에 각각 직렬로 연결될 수 있으며, 커패시터(CF)는 각 위상의 전력 라인에 마련된 인덕터(LF, LG)의 연결노드 사이에 션트 연결될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 3상3선식 인버터의 단상 등가회로를 도시한 회로도이다. 도 2는 a상에 대한 단상 등가회로를 도시하고 있으나, b상 또는 c상에 대해서도 실질적으로 동일한 구조의 등가회로가 적용될 수 있다. 다만, 삼상 인버터에 채용된 필터 커패시터(도 1의 CF) 는 델타형 구조로 접속되므로 스타형 구조로 표현되는 단상 등가회로에서 필터 커패시터의 커패시턴스는 삼상의 델타형 구조의 필터 커패시터의 3배의 커패시턴스(3CF)값으로 계산될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 통상적인 3상 인버터의 경우, 계통측으로 전력을 전달할 수 있는 직류링크전압(VDC)은 계통측 선간전압의 실효값(VLL)에 비하여 이론적으로 하기 수학식 1에서 정의한 조건을 만족하여야 하는 것으로 알려져 있다.
[수학식 1]
Figure 112013010422096-pat00004

상기 수학식 1에서, ma는 인버터의 PWM 스위칭을 위한 모듈레이션 인덱스로서 선형변조 PWM의 경우 0 내지 1 사이의 값을 가진다. 참고로, 본 명세서에서 기술되는 수학식이나 도면에서 전류, 전압을 나타내는 기호 중, 영문자 소문자로 표현된 것은 교류 전류, 교류 전압을 나타내고, 영문자 대문자로 표현된 것은 직류 전압(직류링크전압인 VDC의 경우)을 나타내거나 해당 대문자의 소문자로 표현된 교류 전류, 교류 전압의 실효값을 나타낸다.
상기 수학식 1에 의하면 3상 인버터의 최소 직류링크전압은 계통측 선간전압과 비례적인 관계에 있다. 그러나 계통연계형 3상 인버터의 경우, 계통에 주입되는 전류를 자유롭게 제어하기 위하여는 필터 및 인버터에서의 전압손실 등을 고려하여 이보다 더 높은 직류전압이 요구된다. 또한, 계통 연계형 인버터에서는 필터의 크기를 줄이기 위하여 L형 필터 보다는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 LCL형 필터를 사용하므로 이러한 필터구조에 따른 전압강하를 정확히 해석하여 계통 연계형 인버터의 직류링크에 필요한 최소전압을 보다 실제적으로 구할 필요가 있다.
특히, 태양광 전지 모듈의 경우, 태양광 전지 모듈의 직류출력측 전압의 크기는 태양광전지 모듈의 표면온도 및 일사량에 따라 크게 변화하게 되므로 태양광 인버터가 정상적으로 동작하기 위하여 필요한 최소 직류링크전압보다 낮은 경우가 빈번히 발생하기 때문에 직류링크에 필요한 최소전압을 정확하게 산출하는 것이 더욱 중요한 문제가 된다. 태양광 인버터의 직류링크측 전압이 최소 전압 한계보다 낮아지는 경우는 태양광 발전시스템을 정지시켜야만 한다. 그렇지 않으면, 계통에 주입되는 전류의 제어가 정상적으로 이루어지지 않고 최악의 경우는 계통에 공진 등의 외란을 가하여 계통을 불안정하게 하는 원인이 될 수도 있다.
따라서, 계통 연계형 태양광인버터의 최소 직류링크전압이 얼마인지를 정확히 산출하는 것은 태양광 발전시스템의 운전에 매우 중요하다. 최소 직류링크전압의 기준을 너무 낮게 잡아서 태양광 인버터의 직류링크전압이 적절히 확보되지 못한 상태에서 운전되는 경우에는, 전술한 바와 같이 정상적인 인버터의 운전이 이루어지지 않게 된다. 반대로 최소 직류링크전압의 기준을 너무 높게 잡는 경우는 태양광 인버터를 불필요하게 조기에 정지시킴으로써 태양광 발전 시스템의 연간 발전량의 감소를 가져올 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 것과 같은 a상을 기준으로 한 단상 등가회로에서, LCL 필터의 계통측 인덕턴스(LG)는 통상적으로 매칭 변압기의 누설 인덕턴스를 사용하게 되며 상대적으로 작은 값을 가지므로 필터 커패시터(3CF)의 양단 전압(vCan)을 전원전압(ean)과 동일한 것으로 간주하여도 무방하다. 따라서, 필터 커패시터(3CF)로 흐르는 무효전류(iCa)의 실효값(ICa)은 하기 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013010422096-pat00005

상기 수학식 2 로 표현되는 필터 커패시터(CF)의 용량성 무효전류(iCa)는 계통에서 공급되므로 계통 측의 역률을 낮추는 원인이 된다. 각 국의 계통 연계형 인버터의 규정에서는 계통으로 주입되는 전류의 역률도 관리하고 있으므로, 필터 커패시터(CF)에 흐르는 용량성 무효전류(iCa)를 태양광 인버터가 보상해줄 필요가 있다. 다시 설명하면, 계통측 주입전류(iGa)를 계통 전압(ean)과 동상으로 제어하기 위하여는, 태양광 인버터가 필터 커패시터(CF)에 필요한 용량성 무효전류(iCa)를 공급해 줄 필요가 있다. 따라서, 도 2에는 도시하지 않았지만, 계통 연계형 인버터는 필터 커패시터(CF)에 필요한 용량성 무효전류(iCa)를 공급하기 위한 무효전류 보상회로가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 최소 직류링크전압에 따른 계통 연계형 인버터 제어 장치는, 도 1 및 도 2를 통해 설명한 계통연계형 3상 인버터에 적용될 수 있는 것으로, 필터부(13)로 입력되는 교류 전류의 크기와, 필터부(13)에서 계통으로 입력되는 교류 전류의 크기 및 계통 전압의 크기 중 적어도 일부를 이용하여, 계통으로 전력을 제공할 수 있는 최소 직류링크전압의 크기를 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 최소 직류링크전압에 따른 계통 연계형 인버터 제어 장치는, 연산된 최소 직류링크전압의 크기와 실제 출력되는 직류링크전압의 크기를 비교하여 인버터의 동작을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치의 최소 직류링크전압 연산부(14)와 비교부(15)를 도시한 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 최소 직류링크전압 연산부(14)는, 필터부(13)로 입력되는 교류 전류의 크기(iLa)와, 필터부(13)에서 계통으로 입력되는 교류 전류의 크기(iLg) 및 계통 전압의 크기(ean) 중 적어도 일부를 이용하여, 계통 측으로 전력 공급이 가능한 최소 직류링크전압의 크기를 산출한다. 최소 직류링크전압 연산부(14)는 전술한 필터 커패시터에 흐르는 무효전류에 대한 보상이 이루어지는 경우 및 보상이 이루어지지 않는 경우에 대해 서로 다른 방식의 최소 직류링크전압 연산을 수행할 수 있다.
이하, 최소 직류링크전압 연산부(14)에서 이루어지는 최소 직류링크전압 연산의 과정을 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 도 2에 도시된 것과 같은 단상 등가회로를 기준으로 주요 전압 및 전류를 도시한 페이저도로서, (a)는 필터 커패시터에 대한 무효전류 보상이 이루어지지 않은 경우를 도시하며, (b)는 필터 커패시터에 대한 무효전류 보상이 이루어지는 경우를 도시한다. 이하의 도 4를 참조한 설명에서는 도 2의 a상에 대한 단상 등가회로를 기준으로 설명이 이루어지나, b상 또는 c상에 대해서도 동일한 기술 설명이 적용될 수 있음은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
먼저, 도 4의 (a)에 도시된 것과 같이 필터 커패시터에 대한 무효전류 보상을 하지 않은 경우, 필터부(13)에서 계통 측으로 입력되는 전류(iGa)는 계통 전압(ean)과 동상이 되지 못하지만, 인버터부(12)의 출력전압(van)의 크기는 상대적으로 작아도 된다. 이는 좀더 낮은 직류링크측 전압으로도 인버터의 동작이 가능하다는 물리적 의미를 갖는다. 이 때, 인버터부(12)의 출력전압(Van)은 계통 전압(Ean)과 필터 인덕터(LF)의 양단 전압(VLf)의 벡터합으로 하기 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013010422096-pat00006

상기 수학식에서 ILa는 필터부(13)의 인덕터(LF)에 흐르는 전류로서, 인버터부(12)에서 필터부(13)로 입력되는 전류이다.
한편, 도 4의 (b)에 도시된 것와 같이 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 무효전류 성분을 보상해 주는 경우, 필터 인덕터(LF)의 양단 전압(VLf)은 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 전류(ICa)를 공급하기 위한 전압성분(VLP)과, 계통으로 계통전압과 동상 성분의 주입전류(IGa)를 공급하기 위한 전압성분(VLQ)의 벡터합이 된다. 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 전류(ICa)를 공급하기 위한 전압성분(VLP)와, 계통으로 계통전압과 동상 성분의 주입전류(IGa)를 공급하기 위한 전압성분(VLQ)은 하기 수학식 4 및 수학식 5와 같이 연산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112013010422096-pat00007

상기 수학식 3에서
Figure 112013010422096-pat00008
는 필터부(13)의 공진 주파수로서
Figure 112013010422096-pat00009
의 값을 갖는다.
[수학식 5]
Figure 112013010422096-pat00010

이 때, 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 전류(ICa)를 공급하기 위한 전압성분(VLP)은 계통전압과 동상성분이고, 계통으로 계통전압과 동상 성분의 주입전류(IGa)를 공급하기 위한 전압성분(VLQ)은 계통전압과 수직인 성분이므로 인버터부(12)에 요구되는 출력전압의 크기는 하기 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112013010422096-pat00011

상기 수학식 3과 수학식 6을 살펴보면, 인버터의 정상적인 동작을 위하여 필요한 교류측 출력전압의 크기를 결정하는 주요한 요소는 계통전압의 크기와 필터부(13)의 인덕터(LF)에서의 전압강하(vLf)이다. 계통전압은 각 국가의 계통규정에 따라 다르지만 통상적으로 +/-10%의 편차를 허용하므로 이에 따른 대책이 요구된다. 필터 인덕터(LF)에서의 전압강하(vLf)는 계통전압과 동상성분의 전압강하 및 직각성분의 전압강하를 모두 고려하여야 하며, 동상성분의 전압강하는 필터 커패시터(CF)에 흐르는 무효전류 성분을 보상하기 위하여 필요하고, 직각성분의 전압강하는 계통으로 입력되는 전류(iGa)를 흐르게 하기 위하여 필요한 성분이다. 이러한 계통전압의 상승과, 필터 커패시터(CF) 전류 및 계통측으로의 입력전류에 따른 필터 인덕터(LF)에서의 전압강하(vLf)는 인버터의 정상적인 동작을 위한 직류링크 전압을 상승시키는 주요한 요인이 된다.
따라서, 전술한 수학식 1, 수학식 3 및 수학식 6을 고려한 경우, 인버터의 정상적인 동작을 위하여 인버터의 직류링크측에 필요한 유효 전압(VDC,eff)은 각각 하기 수학식 7 및 수학식 8과 같이 계산될 수 있다. 수학식 7은 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 무효전류 성분을 보상하지 않는 경우의 직류링크측에 필요한 유효 전압(VDC,eff)을 산출한 식이며, 수학식 8은 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 무효전류 성분을 보상해 주는 경우의 직류링크측에 필요한 유효 전압(VDC,eff)을 산출한 식이다.
[수학식 7]
Figure 112013010422096-pat00012

[수학식 8]
Figure 112013010422096-pat00013

한편, 본 발명의 일 실시형태에서는, 인버터 직류링크측 전압을 변동시키는 추가적인 요인으로, 인버터부(12) 내의 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 데드타임에 의한 유효전압 손실과, 스위칭 소자(S1 내지 S6) 및 인버터 내부 배선에서의 전압강하에 의한 유효전압 손실이 있다. 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 데드타임에 의한 유효전압 손실은 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 한 스위칭 주기 (Tsw=1/fsw) 내에서 상하 스위치암의 절체 동작시에 상하 스위치 암이 동시에 켜지는 사고를 막기 위하여, 두 스위치를 소정 시간(Tdead) 동안 모두 오프시킴으로써 발생하는 전압손실이며, 스위칭 소자(S1 내지 S6) 및 인버터 내부 배선에서의 전압 손실은 IGBT 스위치의 경우 3 내지 4V 정도로 간주할 수 있다. 하기 수학식 9는 전술한 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 데드타임에 의한 유효전압 손실과, 스위칭 소자(S1 내지 S6) 및 인버터 내부 배선에서의 전압강하에 의한 유효전압 손실을 고려한 직류 전압(VDC)를 산출하기 위한 식이다.
[수학식 9]
Figure 112013010422096-pat00014

최종적으로, 인버터의 정상적인 동작을 위하여 확보해야 하는 직류링크 전압의 최소값은 하기 수학식 10 및 수학식 11과 같이 산출될 수 있다. 수학식 10은 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 무효전류 성분을 보상하지 않는 경우의 최소 직류링크전압(VDC-Limit)을 산출한 식이며, 수학식 11은 필터 커패시터(3CF)에 흐르는 무효전류 성분을 보상해 주는 경우의 최소 직류링크전압(VDC-Limit)을 산출한 식이다.
[수학식 10]
Figure 112013010422096-pat00015

[수학식 11]
Figure 112013010422096-pat00016

본 발명의 일 실시형태에서, 최소 직류링크전압 연산부(14)는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 인버터로부터 계통전압(Ean), 인버터부(12)에서 필터부(13)로 입력되는 교류 전류(ILa), 필터부(13)에서 계통으로 입력되는 전류(IGa)를 제공받고, 인버터 설계 또는 제작시 설정되는 필터부(13)의 인덕터의 인덕턴스(LF), 인버터부(12) 내의 스위칭 소자의 데드타임(Tdead), 스위칭 주파수(fsw), 스위칭 소자 및 내부 배선에서의 전압 손실(VDrop), 필터부(13)의 공진주파수(
Figure 112013010422096-pat00017
) 및 인버터부(12)의 PWM 스위칭의 모듈레이션 인덱스(ma) 정보를 사전 저장하며, 상기 수학식 10 및 수학식 11에 이들 상수 또는 변수들을 적용함으로써 인버터의 최소 직류링크전압을 연산할 수 있다.
비교부(15)는 최소 직류링크전압 연산부(14)에서 상기 수학식 10 및 수학식 11을 적용하여 연산한 최소 직류링크전압(VDC-Limit)과 실제 인버터부(12)로 입력되는 직류링크전압의 실측값(VDC)을 상호 비교하고, 그 비교 결과에 따라 인버터부(12)를 제어하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 비교부(15)는 직류링크전압의 실측값(VDC)이 최소 직류링크전압(VDC-Limit)의 크기보다 작은 경우 인버터부(12)의 동작을 중지시키는 제어신호를 출력할 수 있다. 이를 통해, 직류링크전압이 낮은 경우 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 차단할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 최소 직류링크전압에 따른 계통 연계형 인버터 제어 장치는, LCL 필터를 사용하는 삼상의 계통 연계형 인버터에서 요구되는 최소 직류링크전압을 LCL 필터부로 입력되는 전류의 크기, LCL 필터부에서 계통으로 입력되는 전류의 크기 및 계통 전압의 크기에 따라 능동적으로 설정함으로써, 정상적이고 정밀한 인버터의 운전이 이루어지게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 태양광 발전시스템과 같이 직류링크 전압의 크기가 매우 가변적인 발전 시스템에 적용된 계통 연계형 인버터의 직류링크 전압을 적정하게 설정할 수 있으므로 불필요한 인버터 동작 중단을 방지하여 발전량을 현저하게 증가시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
11: 직류 전원(태양광 발전 모듈) 12: 인버터부
13: 필터부(LCL 필터) 14: 최소 직류링크전압 연산부
15: 비교부

Claims (5)

  1. 직류 전원으로부터 공급된 직류 전압을 펄스폭 변조하여 출력하는 인버터부;
    상기 인버터부의 출력 전압을 필터링하여 계통으로 제공하는 인덕터 및 커패시터를 포함하는 필터부;
    상기 필터부로 무효전류 보상이 이루어지는 지의 여부에 따라, 상기 필터부로 입력되는 전류의 크기, 상기 필터부에서 계통으로 입력되는 전류의 크기 및 계통 전압의 크기, 상기 인덕터의 인덕턴스, 상기 인버터부 내 스위칭 소자의 데드타임 및 스위칭 주파수, 상기 인버터부 내부의 전압 손실, 상기 인버터부에서 이루어지는 PWM 스위칭 모듈레이션 인덱스 및 상기 필터부의 공진주파수의 크기 중 적어도 일부를 선택적으로 이용하여, 상기 계통으로 전력을 제공할 수 있는 최소 직류링크전압의 크기를 산출하는 최소 직류링크전압 연산부; 및
    상기 최소 직류링크전압의 크기와 상기 직류 전압의 크기를 비교하여 그 결과에 따라 상기 인버터부의 동작을 제어하는 인버터 동작 제어신호를 출력하는 비교부
    를 포함하는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는 3상의 교류 전압을 출력하며,
    상기 필터부, 상기 최소 직류링크전압 연산부 및 상기 비교부는 상기 인버터부의 각 상의 출력마다 마련된 것을 특징으로 하는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 필터부는, 상기 인버터부와 상기 계통 사이에 상호 직렬 연결된 두 개의 인덕터 및 상기 두 개의 인덕터의 연결노드 사이에 션트 연결된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 최소 직류링크전압 연산부는,
    상기 커패시터로 보상 전류가 주입되지 않는 경우, 하기 수학식에 의해 최소 직류링크전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치.
    [수학식]
    Figure 112013010422096-pat00018

    (VDC-Limit: 최소 직류링크전압, ma: 상기 인버터부의 펄스폭 변조 인덱스(0 내지 1 사이의 값), Ean: 계통전압의 실효값, LF: 상기 필터부의 인덕터 중 상기 인버터부의 출력에 연결된 인덕터의 인덕턴스, ILa: 상기 인버터부에서 상기 필터부로의 입력 전류의 실효값, Tdead: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 데드타임, fsw: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 스위칭 주파수, VDrop: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자 및 상기 인버터부의 내부 배선에 의한 전압 손실)
  5. 제3항에 있어서, 상기 최소 직류링크전압 연산부는,
    상기 커패시터로 보상 전류가 주입되는 않는 경우, 하기 수학식에 의해 최소 직류링크전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 직류링크전압에 대응하는 계통 연계형 인버터 제어 장치.
    [수학식]
    Figure 112013010422096-pat00019

    (VDC-Limit: 최소 직류링크전압, ma: 상기 인버터부의 펄스폭 변조 인덱스(0 내지 1 사이의 값), Ean: 계통전압의 실효값,
    Figure 112013010422096-pat00020
    : 상기 필터부의 공진주파수, LF: 상기 필터부의 인덕터 중 상기 인버터부의 출력에 연결된 인덕터의 인덕턴스, IGa: 상기 필터부에서 상기 계통으로의 입력 전류의 실효값, Tdead: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 데드타임, fsw: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자의 스위칭 주파수, VDrop: 상기 인버터부의 펄스폭 변조에 사용된 스위칭 소자 및 상기 인버터부의 내부 배선에 의한 전압 손실)
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