KR101470899B1 - 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치 및 그 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고가의 전류센서를 사용하지 않고도 연산증폭기를 이용하여 손쉽게 직류분을 검출할 수 있는 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치 및 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 인버터 출력단으로부터 전류를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 검출한 전류에서 입력받는 직류분을 제거하기 위한 제1증폭기; 상기 검출한 전류를 증폭하기 위한 및 제2증폭기; 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 값을 받아 차이를 연산하는 차등증폭기; 및 상기 차등증폭기의 출력의 리플을 필터링하는 저주파 필터;를 포함함으로써, 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출을 보다 손쉽게 할 수 있는 장점이 있다.

Description

무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치치 및 그 검출방법{Apparatus of detecting DC offset current for transformerless grid-connected inverter and Method thereof}

본 발명은 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치 및 그 검출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고가의 전류센서를 사용하지 않고도 연산증폭기를 이용하여 손쉽게 직류분을 검출할 수 있는 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치 및 그 검출방법에 관한 것이다.

신재생에너지원을 이용한 시스템에 대한 연구와 산업계의 개발이 활성화되고, 그 시장규모가 빠른 속도로 성장하고 있다. 그 중 태양광, 연료전지, 풍력 등의 전기가 아닌 형태의 에너지를 전기에너지로 변환하여 계통으로 연계하는 인버터는 시스템의 아주 중요한 장치이다.

이 중 교류 전동기 구동 시스템에서 계통 연계형 인버터까지 많은 분야에서 빠른 스위칭이 가능한 MOSFET, IGBT와 같은 스위칭 소자를 사용하여 출력 전압과 주파수를 동시에 제어할 수 있는 전압형 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터가 많이 사용되고 있다.

일반적으로 전압형 PWM 인버터는 인버터에서 각 암(Arm)의 임피던스가 완벽히 같을 수 없으며, 온오프 타임 딜레이(on ＆ off time delay), 전류센서의 직류분 등의 이유로 인해 출력 전류에 직류분(DC offset)이 발생하게 된다.

이를 확인하기 위해, 도 1과 같은 풀 브릿지 인버터에서 시뮬레이션 해 보면, 각각의 암은 Q1, Q4 그리고 Q2, Q3로 이루어져 있으며, 각 암에 게이팅 신호를 주고 이 때 각 암의 임피던스가 평등한 경우와 한 쪽 암에는 IGBT 소자 저항 값 또는 다이오드 전압강하 값을 주어 한 주기 동안에 각각 어떠한 값의 차이가 있는지 확인해 볼 수 있으며, 그 결과는 표 1과 같다.

불평등 임피던스를 주었을 때, 서로간의 반주기 동안 서로 다른 전압 값을 볼 수 있으며, 다이오드의 경우는 역 회복 때 동작하기 때문에 Q1, Q4 대신 Q2, Q3에 적용하였을 경우 중첩된 결과를 학인할 수 있다. 이 결과는 도 2의 한주기 동안의 영점을 기준으로 A값의 전압과 B의 전압, 즉 서로 간의 면적이 같지 않을 경우 직류분이 발생하는 것으로 볼 수 있다.

이러한 직류분은 계통의 주상 변압기 등에 편자 현상을 일으키는 등 계통에 문제점을 유발하게 된다. 이로인해, 국내의 계통 연계형 태양광 인버터의 경우는 신재생에너지 설비심사 세부기준으로 상용주파수 변압기를 사용한 인버터를 제외한 모든 인버터에서 표 2와 같은 직류분 시험 판정기준을 만족해야 한다.

이 본 발명은 변압기를 구비하지 않은 계통 연계형 전력변환장치에서, 고가의 전류센서를 사용하지 않고도 연산증폭기를 이용하여 손쉽게 직류분(DC offset)을 검출할 수 있는 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치 및 그 검출방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치로서, 인버터 출력단으로부터 전류를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 검출한 전류에서 입력받는 직류분을 제거하기 위한 제1증폭기; 상기 검출한 전류를 증폭하기 위한 및 제2증폭기; 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 값을 받아 차이를 연산하는 차등증폭기; 및 상기 차등증폭기의 출력의 리플을 필터링하는 저주파 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 차등 증폭된 오차 값을 제어하기 위한 적분 제어기를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출방법으로서,

검출부가 인버터 출력단으로부터 전류를 검출하는 단계; 제1증폭기가 상기 검출한 전류에서 입력받은 직류분을 제거하고, 제2증폭기가 상기 검출한 전류를 입력받아 증폭시키는 단계; 및 차등증폭기가 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 값을 받아 차이를 연산하고, 저주파 필터에서 상기 차등증폭기의 출력을 리플하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

검출부가 인버터 출력단으로부터 전류를 검출하는 단계; 제1증폭기가 상기 검출한 전류에서 입력받은 직류분을 제거하고, 제2증폭기가 상기 검출한 전류를 입력받아 증폭시키는 단계; 및 차등증폭기가 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 값을 받아 차이를 연산하고, 저주파 필터에서 상기 차등증폭기의 출력의 리플을 필터링하는 단계;

도 1은 직류분 발생 원인을 확인하기 위한 풀 브릿지 인버터 회로도.
도 2는 평등 임피던스를 주었을 때 한주기 동안의 출력 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직류분 검출 회로도.
도 4는 도3의 직류분이 캐패시터를 통해 제거되기 전후의 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예의 직류분 검출 시뮬레이션에 따른 결과그래프
도 6은 본 발명의 실시예의 직류분 검출 시뮬레이션시 RC필터를 적용한 결과그래프.
도 7은 dc-offset 파형을 적분 제어기를 통해 dc-offset을 제거하기 위한 회로도.
도 8은 dc-offset 확인을 위한 단상 계통연계 인버터 회로도.
도 9는 dc-offset 성분이 포함된 단상 계통연계 인버터의 출력 그래프.
도 10은 dc-offset 성분이 제거된 단상 계통연계 인버터의 출력 그래프.

이하, 본 발명의 실실예를 들어 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

이러한 직류분을 검출하는 회로를 구성하기 위하여 기존에는 듀얼 전류 센서 등을 사용하는 방법이 있었지만, 본 발명에서는 경제성 등을 고려하여 연산증폭기를 이용한 방법을 적용한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AC 전류에 포함되어 있는 직류분을 검출하는 회로도이다. 도 3에서 보면, 앞 단에서 두 개의 연산증폭기(이하 OP Amp)가 있는데, 이 중 제2증폭기(4-2)는 커패시터로 직류분을 저지(DC-Blocking)하여 교류(AC) 성분만 증폭시키며(V_C), 다른 제1증폭기(4-1)는 입력신호를 그대로(DC 및 AC를 포함하여) 증폭시킨다. 이후 두 번째 단의 OP Amp는 차등증폭기(4-3)인데, AC성분만 증폭한 파형과 DC와 AC성분을 함께 증폭한 파형의 차를 출력한다. 이 파형이 V_DC이며 V_DC 파형을 저주파 필터(low-pass filter)(4-4)을 거쳐 리플을 제거한 dc-offset 파형 (V_DCF)만 검출하게 된다.

도 7은 검출된 dc-offset 파형을 적분 제어기를 통해 오차 값을 Duty reference에 보상하여 dc-offset을 제거하기 위한 회로도를 나타내고 있다.

도 8과 같이 단상 계통연계 인버터에서 IGBT에 불평형 조건을 주면 dc-offset이 [표 3]과 같이 발생하는 것을 알 수 있다.

도 9를 통해, 단상 계통연계 인버터의 출력에 dc-offset 성분이 존재하는 것을 확인할 수 있는데, 상기 제안한 dc-offset 검출 회로와 적분 제어기를 통해 dc-offset을 보상하면 도 10과 같이 dc-offset 성분이 제거되는 것을 확인할 수 있다.

＜실험예＞

본 발명의 실시예에 따른 직류분을 검출하기 위해서는 정밀한 전류센서(Current Transducer)를 사용하는 것이 필수적이지만 정밀한 전류센서는 가격이 비싸고, 인버터의 가격 경쟁력 또한 중요하기에 실제 인버터 구현 시에 많이 사용되는 상용전류 센서인 Allegro社의 ACS712 모델을 적용하였다. 전류센서의 정격은 4kW급으로 결정하였으며 계통전원 220V 대비 18.18Arms값을 가지며 25.71Apk값을 가진다. 이때 Full Scale의 여분을 고려하여 정격 30A인 ACS712ELCTR-30A-T을 적용하였다. 이 모델의 전류 민감도(Sensitivity)는 66mV/A이며, 전류센서의 온도에 따른 민감도의 변화를 고려하여 최대값 68mV/A의 값으로 정하였다. 이 때, 전류센서는 1A당 25mV를, 1mA에서는 0.025mV를 가지며, 전류센서의 민감도를 고려할 경우, 68mA에서 1.7mV의 값을 가진다. 하지만 DSP의 경우는 ADC 레벨은 0∼3V 레벨을 가지며, TI社의 DSP28335의 경우 기준 값을 고려하여 2048의 범위를 가진다. 1bit는 0.7mV의 값을 가지므로, 이 값을 고려하였을 경우, 실제 전류센서의 센싱 값으로는 정밀히 제어하기 어려움을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 대한 시뮬레이션을 위해, 각 계통 출력을 고려하여 1∼3초 및 6∼9초 구간에는 비정상적인 오프셋 전압으로, 3∼6초 구간에는 정상적인 오프셋 전압으로 동작되도록 하였다. 이때 각각의 전압은 연상증폭기를 통하여 비정상 오프셋 전압과, 비정상 오프셋 전압에서 직류성분이 캐패시터를 통하여 제거된 상태에서 서로 비교하도록 하였다. 또한, 도 4와 같이 위상을 보상하기 위해 회로의 접지에 캐패시터를 연결하였다.

시뮬레이션 결과, 도 5에서와 같이 비정상적인 오프셋 구간에서 0.7mV의 매우 작은 값이 센싱이 가능한 약 0.05V의 값으로 나타나는 것을 볼 수 있었고, RC필터를 사용하여 그림 6과 같이 보다 깨끗한 전압이 나오는 것을 확인할 수 있었다.

4-1 : 제1증폭기 4-2 : 제2증폭기
4-3 : 차등증폭기 4-4 : 저주파필터

Claims (3)

1. 인버터 출력단으로부터 전류를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 검출한 전류에서 입력받는 직류분을 제거하기 위한 제1증폭기;
   상기 검출한 전류를 증폭하기 위한 및 제2증폭기;
   상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 값을 받아 차이를 연산하는 차등증폭기;
   상기 차등증폭기의 출력의 리플을 필터링하는 저주파 필터; 및
   상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 차등 증폭된 오차 값을 제어하기 위한 적분 제어기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출장치.
2. 삭제
3. 검출부가 인버터 출력단으로부터 전류를 검출하는 단계;
   제1증폭기가 상기 검출한 전류에서 입력받은 직류분을 제거하고, 제2증폭기가 상기 검출한 전류를 입력받아 증폭시키는 단계;
   차등증폭기가 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 값을 받아 차이를 연산하고, 저주파 필터에서 상기 차등증폭기의 출력의 리플을 필터링하는 단계; 및
   적분 제어기가 상기 제1증폭기 및 제2증폭기로부터 차등 증폭된 오차 값을 제어하는 단계;
   를 포함하는 하는 무변압기형 계통 연계 인버터의 직류분 검출방법.

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