KR101512188B1 - 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치 - Google Patents
모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법에 관한 것으로, 모듈형 멀티레벨 컨버터(multi-level converter)의 어느 하나의 밸브(valve)가지의 상위 밸브(upper valve)의 전류기준치(
)가 입력되는 단계, 상위 밸브의 전류값(
)이 측정되는 단계, 상위 밸브의 전류기준치와 측정된 전류값간의 오차값(
)이 계산되는 단계, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값(
)이 측정되는 단계, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값(
)이 측정되는 단계, 전류기준치, 측정 전류값, 오차값, 직류 링크 전압 값, 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 상을 담당하는 밸브가지의 상위 밸브 또는 하위 밸브별로 서브 모듈을 제어할 수 있는 구동방법 및 구동장치에 관한 것이다.
에너지(energy) 소비 지역으로부터 1,000 킬로미터(km) 이상 떨어져 있는 육상 풍력발전 단지로부터 에너지를 수송해야하는 경우나, 100 킬로미터 이상 해저 케이블(cable)을 이용하여 에너지를 수송해야 하는 경우는 고압직류송전(HVDC: High-voltage direct-current transmission) 방식을 적용하여 수송하는 것이 고압교류송전(HVAC: High-voltage alternating-current transmission) 방식을 적용하여 수송하는 것보다 에너지 수송 비용면에서 휠씬 경제적인 것으로 알려져 있다.
이러한 고압직류송전(HVDC: High voltage direct-current transmission) 방식은 주파수와 전압이 서로 상이할 수 있는 국가와 국가 사이에서의 전력 거래(에너지 수수)에 특히 적합한 방식으로 알려져 있으며, 인구 밀집 지역인 대도심에서 집중적인 에너지 소비로 인하여 에너지 병목현상이 발생하는 경우에도 전력 증설 측면에서 고압교류방식보다 훨씬 경제적인 것으로 밝혀지면서 새롭게 주목받고 있다.
특히, 아프리카(africa) 대륙에 풍부하게 분포되어 있는 태양에너지와 풍력에너지를 개발하여 유럽(europe) 대륙까지 전송할 수 있다면 신재생 에너지 점유율을 획기적으로 올릴 수 있는 방안이 되기 때문에, 유럽에서 기술이 가장 발전 되어 있는 상태이며, 1,000 킬로미터 이상 원거리에 위치한 대용량 수력발전소로부터 대도시까지 전력을 수송해야하는 환경을 가지고 있고, 사막을 이용하여 에너지를 생산할 수 있는 환경을 가지고 있는 중국에서도 시장이 가파르게 성장하고 있다.
이러한 고압직류송전 시스템을 컨버터(converter) 유형에 따라 다시 분류하면, 전류형 컨버터를 갖는 고압직류송전 시스템(system)과 전압형 컨버터를 갖는 고압직류송전 시스템으로 분류할 수 있는데, 본 특허는 전압형 컨버터를 갖는 고압직류송전 시스템에 대한 것이며, 전압형 컨버터 중에서도 모듈(module)형 멀티레벨(multi-level) 컨버터(converter)에 대한 것이다.
모듈형 멀티레벨 컨버터는 저압 사양을 갖는 절연 게이트 양극성 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated gate bipolar transister)를 이용하여 단위 서브 모듈(SM, submodule)을 만들고, 서브 모듈을 직렬로 쌓는 수단을 통하여 수백 킬로볼트(KV) 고압까지 내전압 능력을 갖는 스택(stack)구조를 가지게 할 수 있으며, 직렬로 쌓은 서브모듈 수에 따라 다수의 전압 레벨을 갖는 컨버터 특징을 가지도록 할 수 있는 장점이 있다.
그 이외에도 전류형 컨버터를 갖는 고압직류송전 시스템에서는 구현할 수 없었던 유효전력과 무효전력을 독립적으로 제어할 수 있으며, 유효전력을 송신하기 위해 유효전력의 50 퍼센트(%)에 상당하는 무효전력을 함께 공급해야 할 필요도 없다. 또한, 고압 직류전압 양단에 위치한 컨버터 각각은 상대방 컨버터 정보를 사용하지 않고도 안정적으로 제어할 수 있으며, 양단에서 전압 크기를 다시 결정하는 과정이 없이, 전류방향만을 바꾸는 방식을 통해 유효전력 수송 방향을 간단하게 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 고압직류송전용 모듈형 멀티레벨 컨버터는 그 구조로 인하여, 전류형 컨버터에서 갖지 않는 문제점을 가지고 있다.
즉, 서브모듈 내 커패시터(capacitor) 전압이 일정하지 않으며, 상위 밸브 전압과 하위 밸브 전압의 합성전압이 직류 링크(DC link) 전압과 동일하지 않아서 멀티레벨 컨버터 내부를 흐르는 순환 전류 성분이 존재한다는 단점이 있으며, 고압직류 케이블에 고조파가 유기되거나, 교류(AC, Alternating current) 계통측의 유효전력에 고조파가 함유되어 있다는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위한 여러 방법이 제시되었으나, 교류 계통 전압에서 한 상 지락과 같은 사고가 발생되면 불평형 전압 상태가 되는데, 이러한 조건에서는 순환전류가 억제되지 않거나, 직류계통에 고조파가 유기되거나, 교류 계통측 유효전력에 고조파가 함유되는 등 여전히 제어 특성이 강인하지 않은 특성이 있었다.
또한, 종래의 모듈형 멀티레벨 컨버터를 가지는 고압직류 송전시스템용 제어방식은 상위 제어기에서 계산해야 하는 연산이 많고, 밸브제어기(VC, Valve controller)에서 구현하는 것이 어려워 연산 속도를 향상시키는 데는 적합하지 않았으며, 구체적으로 유효전력과 무효전력 제어기로부터 도출된 전류기준치와 순환전류 억제 제어기로부터 도출된 전류기준치는 상(phase) 전류를 이용하거나, 상 전류를 d-q 좌표 평면으로 변환된 표현을 사용하기 때문에 상 단위로 제어기를 구현하는데 적합하고, 각각의 밸브제어기에서 구현하는 것이 어려워 연산 속도를 향상시키는데 적합하지는 않았다.
모듈형 멀티레벨 컨버터를 가지는 고압직류송전용 컨버터에서 발생되는 순환전류 성분을 억제하기 위한 방법으로 다음과 같은 방법들이 제시된바 있다.
Qingrui Tu [IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 26, 2011]에 의해서 발표된 순환전류 억제 방법은 순환전류는 계통 주파수의 2배 주파수를 가지며, 역상순서(R > T > S)로 회전하며, 교류 계통의 상으로 흘러 나가지 않고 각 상의 상위 밸브제어기와 하위 밸브제어기 사이만 흐르며, 로 회전하는 좌표계에서 표시된 d-축 순환전류성분과 q-축 순환전류성분을 "0"으로 만드는 출력값을 이용하여, 상전압 기준치(references of the 3-phase voltage)를 보상(compensation)하면 역상성분의 순환전류를 억제할 수 있다고 기재하고 있다. 그러나, 이 방법은 전력계통 전압이 3상 평형인 경우에는 잘 만족하지만 계통전압이 불평형인 조건에서는 제어 특성이 좋지 않은 단점이 있다.
도면 20도는 종래의 순환전류 억제방법중의 하나를 보여주는 도면으로서, Qingrui Tu가 제시한 방법을 보여주는 도면이다.
Qingrui Tu [IEEE Trans. on Power Delievery, vol. 27, 2012]에 의해서 발표된 순환전류 억제 방법은 계통 전압이 3상 평형 일때와 불평형 일때 모두 사용할 수 있는 방법으로, 계통전압이 3상 불평형 조건에서 고압직류송전용 모듈형 멀티레벨 컨버터가 운전될 경우는 각 밸브(valve)에 영상성분(zero sequence component)의 전력이 추가로 발생한다는 것을 처음으로 밝혀 낸 공로가 있으며, 각 상의 상위 밸브 전압과 하위 밸브 전압을 모두 합산한 다음 1/3로 평균한 성분을 순환전류의 영상성분으로 규정하는 방식을 사용하였고, 지점에 공진주파수를 가지는 공진형 제어기를 적용하여 순환전류의 영상성분을 "0"으로 만들기 위한 중간 보상값을 획득하였으며, 이를 역상성분 억제용 출력값과 합산하여 상전압 기준치(PWM 입력값)을 보상하는 방법을 제시하였다. 이러한 방법에 대해서는 도면 4도에 나타내었다.
그렇지만, 이 방법은 역상성분의 순환전류와 영상성분의 순환전류를 동시에 억제하기 위한 방법을 제시한 관점에서 우수한 특성을 가지지만 계통전압에서 불평형이 발생되는 시작점에서 과도 특성이 좋지 않으며, 정상성분과 역상성분, 영상성분을 모두 알아야 구현할 수 있는 복잡함이 있으며, 결정적으로 고압 직류 선로 상에 흐르는 전류 파형에, 직류선분 이외에도, 고조파 성분이 많이 포함되는 특성을 가지는 단점이 있었다.
도면 19도는 종래의 순환전류 억제방법 중의 다른 하나를 보여주는 도면으로서, Antonious Anotonopoulos 및 Maryam Saeedifard가 제시한 방법을 보여주는 도면으로서, 박스로 표시된 영역은 Antonious Anotonopoulos가 제시한 방법을, 그 외의 영역은 Maryam Saeedifard가 제시한 방법을 보여주는 도면이다.
알고리즘의 구조적인 측면에서 기존 방식을 분석하면, Antonios Anotonopoulos [Power Electronics and Application, EPE '09, 2009] 이후 현재까지 개발된 알고리즘 구성은 분산제어 시스템에서 구현되는 것을 염두해 두고 개발된 것이라고 볼 수 없다. 유효전력과 무효전력 제어기로부터 전류기준치를 생성하고, 전류기준치를 수렴하도록 하는 전류제어기를 통해서 상전압 기준치를 생성한 후, 순환전류의 교류 성분을 억제하도록 하는 전압 성분을 생성하여 보상하는 다음 단계에 이르러, 비로소 밸브 각각에 대한 전압 기준치를 계산할 수 있어서 제어 알고리즘을 밸브 단위에서 독립적으로 수행하는 것이 적합하지 않은 구조를 가지고 있다.
고압직류송전 시스템용 모듈형 멀티레벨 컨버터는 각 상에 흐르는 전류를 이용하여 전류제어기를 구성하고, 순환전류를 억제하는 과정을 수행한 후에, 각각의 밸브전압 기준치를 결정하는 방법을 적용해 왔다. 이러한 밸브 전압 기준치가 결정되면, 밸브마다 온 또는 오프 되어야 하는 서브 모듈의 수를 결정하는 방법과 서브 모듈 전압을 평활화하는 방법에 대해서 Antonios Antonopoulous (2009년)에 의해서 크게 발전되었으며, 불평형 계통 전압 조건에 대해서도 유효전력(혹은 DC_Link 전압 일정 제어)과 무효전력제어를 속응성 있게 제어할 수 있는 전류제어 방법에 대해서 Maryam Saeedifard가 크게 발전시킨 바 있다. 이는 그림 19도를 통하여 확인할 수 있다.
도면 21도는 앞서 살펴본 기존의 여러 방법을 구현하기 위한 제어장치의 블록도를 보여주는 도면이다.
도면 21도를 통하여 밸브마다 전용의 밸브제어기(2)를 가지고 있으며, 6개로 구성된 밸브제어기(2) 위에는 상위제어기(station controller)(1)가 있다고 할 때, 기존의 방법에 대하여 역할 분담을 분석한 도면이다. 도면을 통하여, 상위제어기(1)에서 공통으로 수행해야 하는 업무가 많으며, 밸브제어기(2)에서 독립적으로 수행하는 역할은 일부분으로 국한되어 있어서, 분산제어 시스템에 적합하지 않은 구조임을 알 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 6개 밸브에 흐르는 전류를 이용하여 전류제어와 순환전류 억제 제어를 각각 구현할 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치를 제공하고자 한다.
또한, 밸브제어기 각각의 병렬 연산을 통하여 분산제어가 가능한 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 다수개의 서브모듈(sub-module)을 직렬로 적층하여 생성된 모듈형 멀티레벨 컨버터(multi-level converter)를 이용하여 교류를 직류로 변환하거나 직류를 교류로 변환하여 교류 계통 사이에서 전력을 전달하는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동 방법에 관한 것으로서, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 각각의 밸브(valve)들은 독립적으로 구동되며, 각각의 밸브들 중 어느 하나의 밸브가지의 상위 밸브(upper valve)는, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 상위 밸브의 전류기준치(
)가 입력되는 단계; 상기 상위 밸브의 전류값(
)이 측정되는 단계; 상기 상위 밸브의 전류기준치와 측정된 전류값간의 오차값(
)이 계산되는 단계; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값(
)이 측정되는 단계; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값(
)이 측정되는 단계; 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압 값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값(
)이 측정되는 단계와 상기 전류기준치, 상기 측정 전류값, 상기 오차값, 상기 직류 링크 전압 값, 상기 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계 사이에, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터(inductor)의 파라미터(parameter) 변동치(
)가 계산되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터(inductor)의 파라미터(parameter) 변동치(
)가 계산되는 단계는 상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을
의 식을 이용하여 구하고,
상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을 적분하여 구하며, 위의 식에서, 
은 기설정된 튜닝(tuning) 상수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 수식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용하여 계산되며,
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고, 
는 sgn의 비례 이득을 의미하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압 값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용하여 계산되며,
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고,
는 sgn의 비례 이득을 의미하며, 
는 상기 상위 밸브의 순환전류 억제용 인덕터를 의미하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 
, 
, 
는
의 식을 이용하여 계산되고,
위의 식에서 
,
, 
는 기설정된 이득 값을 나타내고,
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 상위 밸브의 전류기준치(
)가 입력되는 단계에서,
상기 전류기준치(
)는
의 식을 이용하여 계산되며,
또한, 상기 상전류에 대한 기준치의 정지좌표계에서의 표현은
의 식을 이용하여 계산되며, 
, 
는 상기 상전류에 대한 기준치를 회전 정지 좌표계로 표시한 값을 나타낸 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 
, 
는
의 식을 이용하여 상기 상전류에 대한 기준치의 d-q 좌표계의 표현을 회전 정지 좌표계로 변환하며, 상기 
은 정상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
, 
)의 줄임 표현이고, 상기 
은 역상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
, 
)의 줄임 표현이며, 상기 
는 정상성분 전류 기준치의 d축을 의미하고, 상기 
는 정상성분 전류 기준치의 q축을 의미하며, 상기 
는 역상성분 전류 기준치의 d축을 의미하고, 상기 
는 역상성분 전류 기준치의 q축을 의미하며,
상기 
, 
, 
및 
은
또한, 상기 직류계통의 기준치(
)는
의 식을 이용하여 계산되며, 
는 교류 계통에 흐르는 정상성분 전압의 q축 전압을, 
은 교류 계통에 흐르는 정상성분 전류기준치의 q축 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압 값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계 이후에, 상기 상위 밸브의 서브 모듈(SM, Sub module)들 중에서 구동될 서브 모듈의 갯수가 계산되는 단계; 상기 서브 모듈의 갯수에 해당되는 서브 모듈들이 선택되는 단계; 상기 선택된 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호(PWM, Pulse width modulation)가 인가되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 다수개의 서브모듈(sub-module)을 직렬로 적층하여 생성된 모듈형 멀티레벨 컨버터(multi-level converter)를 이용하여 교류를 직류로 변환하거나 직류를 교류로 변환하여 교류 계통 사이에서 전력을 전달하는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동 방법에 관한 것으로서, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 각각의 밸브(valve)들은 독립적으로 구동되며, 각각의 밸브들 중 어느 하나의 밸브가지의 하위 밸브(lower valve)는, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 하위 밸브의 전류기준치(
)가 입력되는 단계; 상기 하위 밸브의 전류값(
)이 측정되는 단계; 상기 하위 밸브의 전류기준치와 측정된 전류값간의 오차값(
)이 계산되는 단계; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값(
)이 측정되는 단계; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값(
)이 측정되는 단계; 상기 전류기준치, 상기 측정 전류값, 상기 오차값, 상기 직류 링크 전압 값, 상기 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값(
)이 측정되는 단계와 상기 전류기준치, 상기 측정 전류값, 상기 오차값, 상기 직류 링크 전압 값, 상기 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계 사이에, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치(
)가 계산되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치(
)가 계산되는 단계는 상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을
의 식을 이용하여 구하고, 상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을 적분하여 구하며, 위의 식에서, 
은 기설정된 튜닝 상수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 수식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용하여 계산되며,
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고, 
는 sgn의 비례 이득을 의미하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고, 
는 sgn의 비례 이득을 의미하며, 
는 상기 상위 밸브의 인덕터의 값인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 
, 
, 
는
의 식을 이용하여 계산되고,
위의 식에서 
,
, 
는 기설정된 이득 값을 나타내고, 
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 하위 밸브의 전류기준치(
)가 입력되는 단계에서, 상기 전류기준치(
)는
의 식을 이용하여 계산되며, 
은 직류계통에 흐르는 직류전류 기준치를 의미하고, 
는 상전류에 대한 기준치를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 상전류에 대한 기준치의 정지좌표계에서의 표현은
의 식을 이용하여 계산되며, 
, 
는 상기 상전류에 대한 기준치를 회전 정지 좌표계로 표시한 값을 나타낸 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 
, 
는
의 식을 이용하여 상기 상전류에 대한 기준치의 d-q 좌표계의 표현을 회전 정지 좌표계로 변환하며, 상기 
은 정상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
, 
)의 줄임 표현이고, 상기 
은 역상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
, 
)의 줄임 표현이며, 상기 
는 정상성분 전류 기준치의 d축을 의미하며, 상기 
는 정상성분 전류 기준치의 q축을 의미하고, 상기 
는 역상성분 전류 기준치의 d축을 의미하며, 상기 
는 역상성분 전류 기준치의 q축을 의미하고, 상기 
, 
, 
및 
은
또한, 상기 직류계통의 기준치(
)는
의 식을 이용하여 계산되며, 
는 교류 계통에 흐르는 정상성분 전압의 q축 전압을, 
은 교류 계통에 흐르는 정상성분 전류기준치의 q축 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 전류기준치(
), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계 이후에, 상기 하위 밸브의 서브 모듈(SM, Sub module)들 중에서 구동될 서브 모듈의 갯수가 계산되는 단계; 상기 서브 모듈의 갯수에 해당되는 서브 모듈들이 선택되는 단계; 상기 선택된 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호(PWM, Pulse width modulation)가 인가되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 밸브단위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 상위 밸브의 전류기준치를 입력받는 입력부; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상위 밸브의 전류값을 측정하는 전류 측정부; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크의 전압값을 측정하는 직류 링크 전압 측정부; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값을 측정하는 계통 전압 측정부; 상기 입력부가 입력받은 전류기준치와 상기 전류 측정부가 측정한 전류값간의 오차값을 계산하는 오차 계산부; 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 비례 증폭하는 비례제어부; 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수에 해당하는 오차전류를 0으로 수렴시키는 제1 공진형 전류제어부; 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수의 2배에 해당하는 고조파 오차전류를 0으로 수렴시키는 제2 공진형 전류제어부; 상기 직류 링크 전압 측정부, 상기 계통 전압 측정부, 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부가 계산한 값을 이용하여 상기 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 상위 밸브의 전압 기준치를 계산하는 전압 기준치 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 전압 기준치 계산부가 계산한 전압 기준치를 이용하여 구동될 서브 모듈의 갯수와 구동될 서브 모듈들을 선택하는 서브 모듈 선택부; 상기 서브 모듈 선택부가 선택한 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호를 인가하는 펄스 폭 변조신호 발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 비례제어부는 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 기설정된 이득 값으로 증폭하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 공진형 전류 제어부는 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
위 식에서 
은 상기 제1 공진형 전류 제어부의 기설정된 이득 값을 나타내고, 
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 공진형 전류 제어부는 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
또한, 상기 전압 기준치 계산부는 상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 감하여 그 전압 차이값을 구하고, 상기 전압 차이값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부의 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 발생되는 오차를 줄이는 보상기;를 더 포함하며, 상기 보상기는 상기 오차 계산부의 오차값을 sgn 함수에 입력하여 sgn 출력값을 구하고, 상기 sgn 출력값에 상기 sgn 함수의 비례 이득을 곱하여 보상값을 계산하는 것을 특징으로 하며, 상기 sgn 함수는 사인 함수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 전압 기준치 계산부는 상기 보상기의 출력값을 더 입력받아, 상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 감하여 그 전압 차이값을 구하고, 상기 전압 차이값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부 및 상기 보상기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인턱터와 저항성분의 변동에 의한 동특성을 제거하기 위하여, 상기 오차 계산부가 계산한 오차값에 기설정된 튜닝상수를 곱하고 이를 적분하여 변동 추정치를 구하는 추정기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 전압 기준치 계산부는 상기 추정기가 계산한 추정치를 더 입력받아, 상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 감하여 그 전압 차이값을 구하고, 상기 전압 차이값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부, 상기 보상기 및 상기 추정기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 하위 밸브의 전류기준치를 입력받는 입력부; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 하위 밸브의 전류값을 측정하는 전류 측정부; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크의 전압값을 측정하는 직류 링크 전압 측정부; 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값을 측정하는 계통 전압 측정부; 상기 입력부가 입력받은 전류기준치와 상기 전류 측정부가 측정한 전류값간의 오차값을 계산하는 오차 계산부; 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 비례 증폭하는 비례제어부; 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수에 해당하는 오차전류를 0으로 수렴시키는 제1 공진형 전류제어부; 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수의 2배에 해당하는 고조파 오차전류를 0으로 수렴시키는 제2 공진형 전류제어부; 상기 직류 링크 전압 측정부, 상기 계통 전압 측정부, 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부가 계산한 값을 이용하여 상기 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 하위 밸브의 전압 기준치를 계산하는 전압 기준치 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 전압 기준치 계산부가 계산한 전압 기준치를 이용하여 구동될 서브 모듈의 갯수와 구동될 서브 모듈들을 선택하는 서브 모듈 선택부; 상기 서브 모듈 선택부가 선택한 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호를 인가하는 펄스 폭 변조신호 발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 비례제어부는 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 기설정된 이득 값으로 증폭하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 공진형 전류 제어부는 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
또한, 상기 제2 공진형 전류 제어부는 상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
또한, 상기 전압 기준치 계산부는 상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 더하여 그 합산 전압값을 구하고, 상기 합산 전압값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부의 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 발생되는 오차를 줄이는 보상기;를 더 포함하며, 상기 보상기는 상기 오차 계산부의 오차값을 sgn 함수에 입력하여 sgn 출력값을 구하고, 상기 sgn 출력값에 상기 sgn 함수의 비례 이득을 곱하여 보상값을 계산하는 것을 특징으로 하며, 상기 sgn 함수는 사인 함수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 전압 기준치 계산부는 상기 보상기의 출력값을 더 입력받아, 상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 더하여 그 합산 전압값을 구하고, 상기 합산 전압값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부 및 상기 보상기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인턱터와 저항성분의 변동에 의한 동특성을 제거하기 위하여, 상기 오차 계산부가 계산한 오차값에 기설정된 상수값을 곱하고 이를 적분하여 변동 추정치를 구하는 추정기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 전압 기준치 계산부는 상기 추정기가 계산한 추정치를 더 입력받아, 상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 더하여 그 전압 합산값을 구하고, 상기 전압 합산값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부, 상기 보상기 및 상기 추정기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 밸브단위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 모듈형 멀티레벨 컨버터를 갖는 고압직류송전 시스템을 구성하는 6개의 밸브를 분리하여 제어할 수 있다.
종래의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법은 3상 파라미터를 이용하여 전류제어기와 순환전류 억제 제어기를 구현하였기 때문에, 6개의 밸브제어기에서 하는 역할은 온(on)되어야 할 서브 모듈의 수와 소팅(sorting) 연산, 그리고 서브 모듈 구동(triggering)에 국한되어 있었다.
그렇지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법은 전류제어기, 순환전류 억제제어기, 서브 모듈 수 계산, 소팅, 서브 모듈 구동 모두를 밸브제어기에서 병렬적으로 할 수 있다. 즉, 3상을 제어하는 6개 밸브 제어기가 각각 독립적으로 동작 될 수 있으며, 병렬처리가 가능하다.
둘째, 정지좌표계에서 구현할 수 있기 때문에, d-q 좌표계로 파라미터를 변환하지 않아도 되며, d-q 좌표계 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위해 노치필터(notch filter)를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 종래 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법에서는 순환전류를 억제하기 위하여 순환전류를 측정한 후, 이를 "0"으로 만들기 위한 방법을 사용하였기 때문에 반드시 순환전류 성분을 명시적으로 계산해야 구현할 수 있었다. 그렇지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법은 계통 주파수의 2배에 해당하는 오차 고조파 신호를 단순히 억제하는 방식을 적용함으로써, 순환전류를 억제할 수 있기 때문에 순환전류 파라미터를 직접 알지 않아도 된다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법을 고압직류송전 방식에 적용하면, 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.
셋째, 순환전류의 교류 성분을 완벽하게 억제할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 직류 링크 전류에 포함되어 있는 고조파 성분을 완벽하게 제거할 수 있으며, 교류 계통에 흐르는 유효전력 성분의 고조파 성분을 완벽하게 제거할 수 있다.
넷째, 밸브제어기에 포함된 인덕터와 저항이 유한 크기 이내로 변동되거나, 제작 오차를 가지고 있거나, 혹은 왜란이 포함되더라도 바로 대응하여 억제할 수 있으므로, 파라미터 변동(parameter variation)과 신호 왜란(disturbance)에 강인하다는 장점이 있다.
도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 고압직류송전 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 멀티레벨 컨버터 중 한쪽 단을 다른 쪽 단과 분리하여 보여주는 도면으로서, 고압 직류 선로를 중심으로 양단의 멀티레벨 컨버터는 좌우 대칭으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
도면 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 적용될 수 있는 서브 모듈의 종류를 보여주는 도면이다.
도면 4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 멀티레벨 컨버터에서 어느 한 상을 담당하는 밸브가지에 대한 등가회로를 보여주는 도면이다.
도면 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 내부 구성을 블럭도로서, 상위 밸브 3개를 제어하는 도면이다.
도면 6도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 내부 구성을 보여주는 블럭도로서, 하위 밸브 3개를 제어하는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 7도는 도면 5도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 간략화된 모습을 보여주는 도면이다.
도면 8도는 도면 6도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 간략화된 모습을 보여주는 도면이다.
도면 9도는 도면 7도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에 추정기를 더 추가한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 10도는 도면 8도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 추정기를 더 구비한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 11도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치와 그 위의 상위 제어기간의 관계를 보여주는 도면이다.
도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에 펄스 폭 변조 신호가 인가되는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 13도는 기존의 멀티레벨 컨버터에서 순환전류 억제가 수행되지 않았을 경우의 각 계통과 직류 링크 등에서 측정된 값을 보여주는 그래프이다.
도면 14도는 기존의 멀티레벨 컨버터에서 불평형 상태가 발생한 경우 이를 제어하는 방법으로서 앞서 설명한 Qingrui Tu (2012)의 방법을 이용하여 제어를 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.
도면 15도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 사용될 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성을 보여주는 도면이다.
도면 16도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 사용될 각 파라미터의 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도면 17은 이러한 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치를 이용하여 제어를 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.
도면 18은 도면 17에 사용된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 밸브전류의 기준치와 밸브전류를 보여주는 도면이다.
도면 19도는 종래의 순환전류 억제방법 중의 다른 하나를 보여주는 도면으로서, Antonious Anotonopoulos 및 Maryam Saeedifard가 제시한 방법을 보여주는 도면으로서, 박스로 표시된 영역은 Maryam Saeedifard가 제시한 방법을, 그 외의 영역은 Antonious Anotonopoulos가 제시한 방법을 보여주는 도면이다.
도면 20도는 종래의 순환전류 억제방법 중의 하나를 보여주는 도면으로서, Qingrui Tu가 제시한 방법을 보여주는 도면이다.
도면 21도는 앞서 살펴본 기존의 여러 방법을 구현하기 위한 제어장치의 블록도를 보여주는 도면이다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 멀티레벨 컨버터 중 한쪽 단을 다른 쪽 단과 분리하여 보여주는 도면으로서, 고압 직류 선로를 중심으로 양단의 멀티레벨 컨버터는 좌우 대칭으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
도면 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 적용될 수 있는 서브 모듈의 종류를 보여주는 도면이다.
도면 4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 멀티레벨 컨버터에서 어느 한 상을 담당하는 밸브가지에 대한 등가회로를 보여주는 도면이다.
도면 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 내부 구성을 블럭도로서, 상위 밸브 3개를 제어하는 도면이다.
도면 6도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 내부 구성을 보여주는 블럭도로서, 하위 밸브 3개를 제어하는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 7도는 도면 5도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 간략화된 모습을 보여주는 도면이다.
도면 8도는 도면 6도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 간략화된 모습을 보여주는 도면이다.
도면 9도는 도면 7도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에 추정기를 더 추가한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 10도는 도면 8도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 추정기를 더 구비한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 11도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치와 그 위의 상위 제어기간의 관계를 보여주는 도면이다.
도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에 펄스 폭 변조 신호가 인가되는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 13도는 기존의 멀티레벨 컨버터에서 순환전류 억제가 수행되지 않았을 경우의 각 계통과 직류 링크 등에서 측정된 값을 보여주는 그래프이다.
도면 14도는 기존의 멀티레벨 컨버터에서 불평형 상태가 발생한 경우 이를 제어하는 방법으로서 앞서 설명한 Qingrui Tu (2012)의 방법을 이용하여 제어를 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.
도면 15도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 사용될 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성을 보여주는 도면이다.
도면 16도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 사용될 각 파라미터의 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도면 17은 이러한 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치를 이용하여 제어를 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.
도면 18은 도면 17에 사용된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 밸브전류의 기준치와 밸브전류를 보여주는 도면이다.
도면 19도는 종래의 순환전류 억제방법 중의 다른 하나를 보여주는 도면으로서, Antonious Anotonopoulos 및 Maryam Saeedifard가 제시한 방법을 보여주는 도면으로서, 박스로 표시된 영역은 Maryam Saeedifard가 제시한 방법을, 그 외의 영역은 Antonious Anotonopoulos가 제시한 방법을 보여주는 도면이다.
도면 20도는 종래의 순환전류 억제방법 중의 하나를 보여주는 도면으로서, Qingrui Tu가 제시한 방법을 보여주는 도면이다.
도면 21도는 앞서 살펴본 기존의 여러 방법을 구현하기 위한 제어장치의 블록도를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 고압직류송전 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
모듈형 멀티레벨 컨버터를 갖는 고압직류송전 시스템은 고압 직류 선로를 중심으로 양단에 멀티레벨 컨버터(MMC_1, MMC_2)를 가지며, 멀티레벨 컨버터는 3상 교류 계통과 연결되어 있는 구조를 가지고 있다.
그리고, 각 상마다 상위 밸브(100)와 하위 밸브(200)를 가지고 있으며, 상위 밸브(100)를 제어하는 상위 밸브제어기와 하위 밸브(200)를 제어하는 하위 밸브제어기를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 멀티레벨 컨버터 중 한쪽 단을 다른 쪽 단과 분리하여 보여주는 도면으로서, 고압 직류 선로를 중심으로 양단의 멀티레벨 컨버터는 좌우 대칭으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
도면 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 적용될 수 있는 서브 모듈(10)의 종류를 보여주는 도면이다.
도면 3도의 (a)는 하프 브릿지 타입(half bridge type)의 서브 모듈이며, (b)는 풀 브릿지 타입(full bridge type)의 서브 모듈, (c)는 클램프 더블 타입(clamp double type)의 서브 모듈의 구조를 보여주는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치의 서브 모듈은 위에 언급한 타입의 서브 모듈로 구성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 타입의 회로가 서브 모듈로 채용될 수 있음은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 용이하게 도출해 낼 수 있는 사항이다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 작동과정을 설명하기 위하여 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 한쪽 밸브가지의 전압 방정식을 도출하고자 한다.
도면 4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 적용되는 멀티레벨 컨버터에서 어느 한 상을 담당하는 밸브가지에 대한 등가회로를 보여주는 도면이다. 그리고, 여기서 밸브가지라 함은 어느 한 상을 담당하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상위 및 하위 밸브를 통틀어 지칭하는 것일 수 있다.
멀티레벨 컨버터의 상위 밸브에 있는 커패시터 전압이 
(j=a,b,c)이고, 하위 밸브에 있는 커패시터 전압이 
(j=a,b,c), 순환전류 억제용 인덕터 
, 인덕터 및 케이블 저항을 
라고 하면, 도면 1도와 도면 2도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 어느 한 상의 등가회로는 도면 4도와 같이 나타낼 수 있다.
상위 밸브 전류(
:j=a,b,c)와 하위 밸브 전류( 
)가 흐르는 2개의 폐루프(closed loop)로부터 상위 밸브의 전압 방정식(
: j=a,b,c)과 하위 밸브의 전압 방정식(
)은 다음의 수식과 같다.
여기서, 수식 1의 첫번째 항은 상위 밸브가 갖는 커패시터 전압의 합계(
)를 나타내는 것이며, 수식 2의 첫번째 항은 하위 밸브가 갖는 커패시터 전압의 합계(
)를 나타낼 수 있다. 그리고, 수식 1과 수식 2에서 
는 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 상위 밸브와 하위 밸브의 저항값(미도시)을 나타낼 수 있다.
수식 1과 수식 2를 상위 밸브 전류(
)와 하위 밸브 전류(
)에 대한 상태 방정식 형태로 정리하면, 수식 5와 수식 6을 얻을 수 있다.
수식 5와 수식 6으로 나타낸 상태방정식에 포함된 순환전류 억제용 인덕터 
와 저항 
은 공칭값(nominal value)을 갖지만 제작 오차 혹은 온도 등에 의해서 변동되며, 일정 범위 내에서 변동된다고 고려할 수 있다. 그리고, 파라미터 변동항(variation term)과 관련된 모든 항을 하나로 묶어서 표현(lumped uncertainly term)하는 방식을 적용할 수 있다.
그러면, 상위 밸브 전류(
) 상태방정식에 포함된 파라미터 변동항을 
라고 정의하고, 하위 밸브 전류(
) 상태방정식에 포함된 파라미터 변동항을 
라고 정의하면서, 수식 5와 수식 6을 다음과 같이 일반화시킬 수 있다.
상위 밸브 전류의 기준치(
)와 상위 밸브 전류(
) 사이의 오차를 
으로 정의하고, 하위 밸브의 전류의 기준치(
)와 하위 밸브 전류(
) 사이의 오차를 
로 다음과 같이 정의할 수 있다.
수식 9와 수식 10을 각각 미분한 후, 수식 7과 수식 8의 관계식에 대입하면 오차방정식에 대한 미분방정식에 대하여 다음의 수식을 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에서는 상위 밸브 전압 방정식과 하위 밸브 전압 방정식을 이용한 상태방정식과 백스탭핑 방법(Backstepping control method)을 적용하는 수단을 사용하여 제어 입력인 상위 밸브의 전압 기준치와 하위 밸브의 전압 기준치를 도출할 수 있다.
백스탭핑 방법에 의거하여 제어기를 설계하기 위하여 선택한 리아프노프(Lyapunov) 함수는 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치는 앞서 선택한 리아프노프 함수의 미분이 "0"보다 작도록 제어 입력을 결정할 수 있으면, 상위 밸브 전류(
)를 상위 밸브 전류의 기준치(
)와 같아지도록 제어할 수 있으며, 동시에 하위 밸브 전류(
)를 하위 밸브 전류의 기준치(
)와 같아지는 것을 보장받을 수 있다는 원리를 적용한 것을 특징으로 한다.
이에 의거하여, 수식 13으로 선정된 리아프노프 함수에 대한 미분을 수행하고, 수식 11과 수식 12를 대입하여 정리하면 다음과 같다.
리아프노프 함수의 미분을 나타내는 수식 14가 언제나 음의 값을 갖도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에서는 상위 밸브 전압(
), 하위 밸브 전압(
)을 수식 15와 수식16과 같이 선택하였다.
그런데, 수식 15와 수식 16에는 미지수인 파리미터(parameter) 변동항이 포함되어 있기 때문에 제어 규칙(control law)을 결정하는데 바로 사용할 수 없다. 따라서, 파라미터 변동이 발생된다면 오차가 발생되는 현상으로 나타나므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치는 이를 억제할 수 있는 방향으로 보상하는 보상기를 구비할 수 있으며, 이러한 보상기는 sgn 함수를 도입한 수식 17과 수식 18의 식으로 나타낼 수 있다.
파라미터 변동항에 대한 보상기를 적용하여, 수식 15와 수식 16을 다시 한번 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
상위 밸브와 하위 밸브에는 교류측 상전류의 1/2에 상당하는 전류와 직류 링크 전압에 흐르는 직류전류의 1/3 크기의 전류, 그리고 밸브와 밸브 사이를 흐르는 교류 성분의 순환전류가 함께 공존하며, 교류측 상전류의 1/2에 상당하는 전류는 계통 주파수(
)를 기본주파수로 가지는 성분이며, 순환전류의 교류성분은 계통주파수의 2배되는 주파수(2
)를 가지는 성분이다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치는 상위 밸브 전류와 하위 밸브 전류에 포함되어 있는 계통주파수 성분(기본 주파수)의 유효전력과 무효전력(혹은 직류 링크 전압 제어와 무효전력)을 제어하는 비례제어부(21)와 제1 공진형 전류제어부(22)를 구비할 수 있다.
그리고, 상위 밸브 전류와 하브밸브 전류에 포함되어 있는 계통주파수의 2배 주파수 성분은 에너지 전달에 기여하지 못하는 성분이므로 제거해야 하는 성분으로 고려하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치는 이를 제거하기 위하여 제2 공진형 전류제어부(23)을 추가로 구비할 수 있다.
이를 수식으로 정리하면 상위 밸브 전압(
)과 하위 밸브 전압(
)은 다음과 같이 정리할 수 있다.
위의 수식에서 P()는 비례제어부(21)을, R1()은 계통주파수에서 공진 특성을 갖는 제1 공진형 전류 제어부(resonant-type current controller)(22)를, R2()는 불평형 전압 조건에서도 상위 또는 하위 밸브에 흐르는 순환전류를 제거할 수 있도록 계통주파수 2배에서 공진 특성을 갖는 제2 공진형 전류제어부(23)를 나타낼 수 있다. 그리고, 마지막 항은 상위 또는 하위 밸브에 있는 순환전류 억제용 인덕터 
와 저항 
의 값이 변동되더라도 이를 억제할 수 있는 보상기(24)를 나타낼 수 있다.
수식 21과 수식 22에서 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23)은 각각 다음의 수식과 같다.
위의 수식 23 내지 수식 25에서 
는 상위 밸브와 하위 밸브를 동시에 나타내는 표현이다.
수식 21과 수식 22를 간략화된 형태로 제어기를 설계하면 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, sgn 함수는
위의 수식을 더 간단히 하면, 아래와 같이 정리할 수 있다.
다음으로, 상위 밸브 전류의 기준치(
)와 하위 밸브 전류의 기준치(
)를 결정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
밸브에는 상전류의 1/2 전류와 순환전류(
)가 다음의 수식과 같이 함께 섞여서 흐를 수 있다.
그리고, 순환전류는 직류 성분과 교류 성분(
)로 구분할 수 있으므로, 수식 30과 수식 31은 다음의 식으로 정리할 수 있다.
수식 32와 수식 33에서 순환전류의 직류 성분은 에너지 전달에 관여하는 성분이므로 제거할 수 없으며, 오로지 순환전류의 교류 성분만을 제거할 수 있다.
이를 근거로, 밸브전류의 기준치를 고조파 특성을 가지는 순환전류의 교류 성분을 제외하고 나머지 성분인 직류 링크 전압과 상전류 기준치를 이용하여 정리하면 다음과 같다.
여기서, 상전류 기준치는 다음의 수식을 통하여 결정될 수 있다.
즉, 상전류에 대한 기준치는 d-q 좌표계에서 전류기준치를 결정한 후에 이를 정지좌표계로 변환하여 3상 전류 기준치를 결정하는 방식을 사용할 수 있다.
그리고, 직류계통에 흐르는 직류전류 기준치는 교류 계통의 에너지(유효전력, active power)와 직류 계통의 에너지(유효전력, active power)는 변함이 없다는 에너지 보존법칙을 적용함으로써, 직류 계통에 흐르는 직류 전류 기준치를 결정할 수 있다. 이를 수식으로 정리하면 다음과 같다.
이제까지는 수식 15와 수식 16에 포함된 파라미터 변동항(
, 
)을 sgn()함수로 대체한 다음 제어 규칙을 설계하는 방법을 설명하였고, 이제부터는 파라미터 변동항(
, 
)을 벡스테핑방법을 적용하여 추정기를 설계하는 방법을 제시한 후, 파라미터 변동항의 추정치( 
, 
)를 이용하여 제어 규칙을 설계하는 방법을 제시하고자 한다.
파라미터 변동항의 추정치 오차를 포함하도록 수식 13을 수정한 리아프노프 함수는 다음과 같다.
수식 42를 미분한 다음 수식 11과 수식 12에 대입하여 정리하면 파리미터 변동항 추정치가 추가된 다음의 수식을 얻을 수 있다.
수식 43의 첫 번째 항과 두 번째 항을 이용하여, 상위 밸브 전압(
)과 하위 밸브 전압(
)을 다음의 수식 44와 수식 45와 같이 선택할 수 있으며, 파라미터의 변동항의 추정치( 
, 
)가 포함된 형태로 선택할 수 있다.
수식 43이 언제나 음의 값을 갖도록 만들기 위하여, 수식 44와 수식 45를 수식 43에 대입하여 정리하면 다음과 같이 간단한 형태로 정리할 수 있다.
수식 46이 언제나 음의 값을 가지도록 하기 위해서, 수식 46의 세 번째 항과 네 번째 항이 "0"이 되도록 설계할 수 있다. 이러한 제어기 설계 방법으로부터 수식 47과 수식 48의 관계성을 얻을 수 있다.
따라서, 다음의 수식 47과 수식 48을 적분하면 파라미터 변동항의 추정치(
, 
)을 얻을 수 있다.
파리미터 변동항의 추정치(
, 
)를 알 수 있으므로, 수식 44와 수식 45를 이용하여 상위 밸브 전압 기준치(
)와 하위 밸브 전압 기준치(
)을 결정하는 제어규칙을 얻을 수 있다.
수식 21과 수식 22로 표현되는 제어규칙과 유사하게, 기본파 주파수(계통 주파수)를 갖는 유효전력과 무효전력(혹은 직류 링크 전압 제어와 무효전력)제어와 관련있는 전류제어기는 비례제어부(21)와 제1 공진형 전류제어부(22)로 설계하고, 기본파 주파수(계통 주파수)의 2배에 해당되는 모든 신호는 고조파 성분이므로 이를 제거할 수 있는 전류제어기는 비례제어부(21)와 제2 공진형 전류제어부(23)로 설계하면, 상위 밸브 전압기준치(
)와 하위 밸브 전압 기준치(
)은 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.
수식 49와 수식 50을 간략화된 형태로 제어기를 설계하면, 수식 51과 수식 52를 얻을 수 있다.
도면 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 내부 구성을 블럭도로서, 상위 밸브 3개를 제어하는 도면이다.
도면 5도는 상위 밸브를 제어하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)는 비례제어부(21), 제1 공진형 전류 제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23), 보상기(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)은 전류기준치와 상위 밸브에 흐르는 전류값을 입력받고, 그 차이를 구하여 이를 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23), 보상기(24)에 인가할 수 있다.
그리고, 그 출력된 계산값들을 모두 합산할 수 있으며, 이 합산값을 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값과 계통 전압값간의 전압차이값에서 빼서 전압 기준치를 생성할 수 있다.
그리고, 이러한 전압 기준치를 기준으로 각 상위 밸브에서 턴온(turn on)될 서브 모듈의 갯수와 서브 모듈들을 선택하고, 이러한 서브 모듈들에 펄스 폭 변조신호를 인가하여 구동할 수 있다.
이렇듯, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치는 어느 한 상을 담당하는 멀티레벨 컨버터의 밸브 가지의 상위 밸브에서 직접 전류값을 측정하고 전류 기준치를 입력받아, 전압 기준치를 생성할 수 있으므로, 상위 제어기의 도움 없이도 해당 상위 밸브에서 구동될 서브 모듈들을 각각 선택하고 구동할 수 있다.
도면 6도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 내부 구성을 보여주는 블럭도로서, 하위 밸브 3개를 제어하는 모습을 보여주는 도면이다.
하위 밸브를 제어하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)도 상위 밸브를 제어하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치와 유사하게, 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23), 보상기(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 하위 밸브를 담당하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)는 전류기준치와 상위 밸브에 흐르는 전류값을 입력받고, 그 차이를 구하여 이를 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23), 보상기(24)에 인가할 수 있다.
그리고, 그 출력된 계산값들을 모두 합산할 수 있으며, 이 합산값을 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값과 계통 전압값을 합한 값에서 뺌으로써 전압기준치를 생성할 수 있다.
그리고, 이러한 전압 기준치를 기준으로 각 상위 밸브에서 턴온(trun on)될 서브 모듈의 갯수와 서브 모듈들을 선택하고, 이러한 서브 모듈들에 펄스 폭 변조신호를 인가하여 구동할 수 있다.
도면 7도는 도면 5도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 간략화된 모습을 보여주는 도면이다.
도면 7도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치는 도면 5도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에서 보상기(24)를 제외하고 구성될 수 있다.
도면 7도의 모듈형 멀티레벨 컨버터는 보상기(24)를 제외함으로써 연산량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치를 이용하는 사용자는 좀 더 정확한 밸브전압 기준치를 생성하기 위해서는 보상기(24)를 추가로 구비하도록 설계할 수도 있으며, 정확도보다 속도를 선택하고자 하는 사용자는 보상기(24)를 제외하고 간략화된 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치를 선택할 수도 있다.
도면 8도는 도면 6도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 간략화된 모습을 보여주는 도면이다.
도면 8도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)도 도면 6도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에서 보상기(24)가 삭제될 수 있다.
그리고, 하위 밸브의 전류기준치와 하위 밸브에 흐르는 전류측정치의 차를 구하고, 이러한 오차값을 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23)를 통과시켜서 계산된 값들의 합산값을 구할 수 있다.
그 이후에, 하위 밸브를 담당하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)는 직류 링크 전압값을 1/2배 한 값과 계통 전압을 합한값에 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22) 및 제2 공진형 전류제어부(23)를 통과시켜 계산된 값들의 합산값을 뺌으로서, 하위 밸브에 인가된 전압기준치를 생성할 수 있다.
도면 9도는 도면 7도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에 추정기를 더 추가한 모습을 보여주는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)가 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치의 순환전류 억제용 인덕터와 저항 성분의 크기 변동으로 인한 파라미터 변동치를 계산하는 추정기(25)를 더 구비할 수 있다.
추정기(25)는 전류기준치와 측정된 전류값의 차이인 오차값을 기설정된 튜닝 변수를 이용하여 증폭하고, 이를 적분함으로써 파라미터 변동항의 추정치를 구할 수 있다.
도면 10도는 도면 8도의 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치가 추정기를 더 구비한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 9도와 마찬가지로 하위 밸브를 담당하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)도 순환전류 억제용 인덕터와 저항 성분의 크기 변동으로 인한 파라미터 변동치를 계산할 수 있는 추정기(25)를 더 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치는 이러한 추정기(25)의 계산값을 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22) 및 제2 공진형 전류제어부(23)가 출력한 값들의 합산값에서 차감할 수 있다.
그리고, 이렇게 계산된 값을 직류 링크 전압값을 1/2배 한 값에서 계통 전압값을 더한 값에서 감산함으로써 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치의 하위 밸브의 전압 기준치를 생성할 수 있다.
도면 11도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치와 그 위의 상위 제어기간의 관계를 보여주는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에서 상위 제어기(30)는 기존의 제어기와 달리 상위 밸브에 인가할 기준 전류치와 하위 밸브에 인가할 기준전류치만 계산하는 역할을 수행할 수 있으며, 세부적인 계산은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치(20)에서 수행될 수 있다.
구체적으로는, 비례제어부(21), 제1 공진형 전류제어부(22), 제2 공진형 전류제어부(23)를 이용하여 순환전류를 억제할 값을 구하고, sgn 함수를 이용하여 파라미터 변동으로 인한 오차를 구할 수 있다. 그리고, 이렇게 계산된 값을 이용하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에서 사용할 전압기준치를 생성하고, 구동될 서브 모듈의 갯수를 결정하고, 선택된 각 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호를 인가할 수 있다. 즉, 대부분의 계산이 밸브단위로 이루어짐으로써, 상위 제어기(30)와 밸브제어기간에 빈번한 데이터 교환을 생략할 수 있다. 따라서, 분산 제어가 가능한 효과가 있다.
도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치에 펄스 폭 변조 신호가 인가되는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 12도를 통하여, 앞의 각 과정을 거쳐서 계산된 전압기준치에 대응되는 펄스 폭 변조신호가 해당 밸브단위의 각 서브 모듈에 인가되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 여기서 밸브단위라 함은 교류 계통의 어느 한 상을 담당하는 밸브 가지의 상위 밸브 또는 하위 밸브를 나타낸다.
따라서, 각 밸브단위마다 인가되는 펄스 폭 변조신호는 각각 다른 펄스 폭을 가지는 신호가 인가될 수 있으며, 각 밸브단위의 사정에 따라 밸브제어기가 전압기준치에 따라 생성된 펄스 폭 신호가 인가될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 효과를 그래프를 통하여 확인하도록 한다.
도면 13도는 기존의 멀티레벨 컨버터에서 순환전류 억제가 수행되지 않았을 경우의 각 계통과 직류 링크 등에서 측정된 값을 보여주는 그래프이다.
도면 13도에서 (a)는 계통 전압의 값을, (b)는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 교류 계통측 전류의 값을, (c)는 밸브를 통하여 흐르는 순환전류를 d-q 좌표계에서 보여주는 그래프이고, (d)는 밸브를 통하여 흐르는 순환전류를 정지좌표계에서 보여주는 그래프이다. 또한, (e)는 직류 링크 전류의 값을, (f)는 유효 전력의 값을 보여주는 그래프이다.
도면 13도를 통하여 알 수 있듯이, 계통이 불평형 전압을 갖게 되면, 컨버터 내부에 흐르는 순환전류에 고조파 성분이 급격히 증가하게 되어, 안정한 전류 제한치내에서 동작되는 것을 보장할 수 없게 되어, 직류 계통의 전류에도 고조파 성분이 심하게 발생하므로 전송 품질이 악화되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 교류 계통측의 유효전력의 값도 고조파 성분이 급격히 증가되어 품질이 악화되는 것을 확인할 수 있다.
도면 14도는 기존의 멀티레벨 컨버터에서 불평형 상태가 발생한 경우 이를 제어하는 방법으로서 앞서 설명한 Qingrui Tu (2012)의 방법을 이용하여 제어를 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.
도면 14도에서 (a)는 계통 전압의 값을, (b)는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 교류 계통측 전류의 값을, (c)는 밸브를 통하여 흐르는 순환전류를 정지좌표계에서 보여주는 그래프이고, (d)는 밸브를 통하여 흐르는 순환전류를 d-q 좌표계에서 보여주는 그래프이다. 또한, (e)는 교류 계통측 유효전력의 값을, (f)는 직류 링크의 전류의 값을, (g)서브 모듈에 인가되는 전압의 값을 보여주는 그래프이다.
도면 13도와 비교하였을 때, 도면 14도의 방법을 사용하는 경우 고조파 특성이 다소 개선되었지만, (c)와 (d)를 통해서 확인할 수 있듯이 순환전류를 완전히 제거되지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한 과도 특성이 좋지 않으며 정상상태에서도 고조파가 많이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 직류 링크측의 전류도 심하게 리플이 형성되고 있어 여전히 고조파 성분이 많이 포함되어 있는 형태로 제어가 된다는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 의하면 이러한 순환전류, 교류 계통 또는 직류 링크에 포함되어 있는 고조파 성분을 불평형전압 조건이든지 관계없이 완벽하게 제어할 수 있다.
도면 15도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이 사용될 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성을 보여주는 도면이고, 도면 16도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 사용될 각 파라미터의 값을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도면 17은 이러한 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치를 이용하여 제어를 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.
도면 17에서 (a)는 계통 전압을, (b)는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 교류 계통측 전류를, (c)는 밸브가지에 흐르는 순환전류를 정지좌표계에서 표시한 값이며, (d)는 밸브가지에 흐르는 순환전류를 d-q 좌표계에서 표시한 그래프이다. 또한, (e)는 교류 계통측의 유효전력을, (f)는 직류 링크측의 전류를, (g)는 서브 모듈에 인가되는 전압을 보여주는 그래프이다.
도면 13도나 도면 14도의 그래프를 통하여 알 수 있듯이, 3상 계통전압 중 한 상이 지락되면 기존의 방식에서는 상하로 오실레이션(oscillation)을 나타내는 특성을 보여서 순환전류 제어에 있어서, 과도 특성과 정상상태 특성이 좋지 않았다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 의하면 도면 17의 (c)나 (d)를 통하여 알 수 있듯이, 순환전류의 속응성과 수렴성이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 직류 링크 전류에도 기존의 방법들은 과도 특성이 좋지 않고 정상상태에서도 고조파 성분이 포함되어 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법은 과도 특성과 정상 상태 특성이 모두 크게 개선되었음을 (f) 그래프를 통하여 확인할 수 있다.
유효전력 제어 관점에서도 기존의 방법에서는 고조파 성분을 가지고 있음을 알 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동 장치에 의하면 고조파 성분이 완벽히 제거됨을 그래프 (e)를 통하여 확인할 수 있다.
따라서, 계통 전압이 3상 평형 상태이거나 3상 불평형 상태이거나 상관없이, 유효전력 및 순환전류의 고조파 성분을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도면 18은 도면 17에 사용된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치의 밸브전류의 기준치와 밸브전류를 보여주는 도면이다.
불평형 전압조건에서도 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법 및 구동장치에 의하면, 밸브에 인가되는 전류값이 정확히 밸브전류 기준치에 수렴하게 된다는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 상위 제어기
2 : 밸브 제어기
10 : 서브 모듈
20 : 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치
21 : 비례제어부
22 : 제1 공진형 전류제어부
23 : 제2 공진형 전류제어부
24 : 보상기
25 : 추정기
30 : 상위 제어기
100 : 상위 밸브
200 : 하위 밸브
2 : 밸브 제어기
10 : 서브 모듈
20 : 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치
21 : 비례제어부
22 : 제1 공진형 전류제어부
23 : 제2 공진형 전류제어부
24 : 보상기
25 : 추정기
30 : 상위 제어기
100 : 상위 밸브
200 : 하위 밸브
Claims (50)
- 다수개의 서브모듈(sub-module)을 직렬로 적층하여 생성된 모듈형 멀티레벨 컨버터(multi-level converter)를 이용하여 교류를 직류로 변환하거나 직류를 교류로 변환하여 교류 계통 사이에서 전력을 전달하는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동 방법에 관한 것으로서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 각각의 밸브(valve)들은 독립적으로 구동되며, 각각의 밸브들 중 어느 하나의 밸브가지의 상위 밸브(upper valve)는,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 상위 밸브의 전류기준치()가 입력되는 단계;
상기 상위 밸브의 전류값()이 측정되는 단계;
상기 상위 밸브의 전류기준치와 측정된 전류값간의 오차값()이 계산되는 단계;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값()이 측정되는 단계;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값()이 측정되는 단계;
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압 값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값()이 측정되는 단계와
상기 전류기준치, 상기 측정 전류값, 상기 오차값, 상기 직류 링크 전압 값, 상기 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치()가 계산되는 단계 사이에,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터(inductor)의 파라미터(parameter) 변동치()가 계산되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제2항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터(inductor)의 파라미터(parameter) 변동치()가 계산되는 단계는
상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을
의 식을 이용하여 구하고,
상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을 적분하여 구하며,
위의 식에서,은 기설정된 튜닝(tuning) 상수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제2항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제2항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 수식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용하여 계산되며,
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고,는 sgn의 비례 이득을 의미하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압 값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용하여 계산되며,
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고,는 sgn의 비례 이득을 의미하며,
는 상기 상위 밸브의 순환전류 억제용 인덕터를 의미하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기,
,
는
,
의 식을 이용하여 계산되고,
위의 식에서,
,
는 기설정된 이득 값을 나타내고,
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 상위 밸브의 전류기준치()가 입력되는 단계에서,
상기 전류기준치()는
(j=a,b,c)
의 식을 이용하여 계산되며,
은 직류계통에 흐르는 직류전류 기준치를 의미하고,
는 상전류에 대한 기준치를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제10항에 있어서,
상기 상전류에 대한 기준치의 정지좌표계에서의 표현은
의 식을 이용하여 계산되며,
,
는 상기 상전류에 대한 기준치를 회전 정지 좌표계로 표시한 값을 나타낸 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제11항에 있어서,
상기,
는
의 식을 이용하여 상기 상전류에 대한 기준치의 d-q 좌표계의 표현을 회전 정지 좌표계로 변환하며,
상기은 정상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
,
)의 줄임 표현이고,
상기은 역상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
,
)의 줄임 표현이며,
상기는 정상성분 전류 기준치의 d축을 의미하고,
상기는 정상성분 전류 기준치의 q축을 의미하며,
상기는 역상성분 전류 기준치의 d축을 의미하고,
상기는 역상성분 전류 기준치의 q축을 의미하며,
상기,
,
및
은
,
,
,
의 식을 이용하여 계산되고,
상기는 교류 계통에서의 유효전력을, 상기
은 교류 계통에서의 유효전력의 기준치를,
는 교류 계통에서의 무효전력을,
은 교류 계통에서의 무효전력의 기준치를 의미하며, 상기
는 교류 계통에서의 흐르는 정상성분 전압의 d축 전압을,
는 교류 계통에서의 정상성분 전압의 q축 성분을, 상기
은 교류 계통에 흐르는 역상성분 전압의 d축 전압을, 상기
은 교류 계통에 흐르는 역상성분 전압의 q축 전압을 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제10항에 있어서,
상기 직류계통의 기준치()는
의 식을 이용하여 계산되며,
는 교류 계통에 흐르는 정상성분 전압의 q축 전압을,
은 교류 계통에 흐르는 정상성분 전류기준치의 q축 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압 값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계 이후에,
상기 상위 밸브의 서브 모듈(SM, Sub module)들 중에서 구동될 서브 모듈의 갯수가 계산되는 단계;
상기 서브 모듈의 갯수에 해당되는 서브 모듈들이 선택되는 단계;
상기 선택된 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호(PWM, Pulse width modulation)가 인가되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 다수개의 서브모듈(sub-module)을 직렬로 적층하여 생성된 모듈형 멀티레벨 컨버터(multi-level converter)를 이용하여 교류를 직류로 변환하거나 직류를 교류로 변환하여 교류 계통 사이에서 전력을 전달하는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동 방법에 관한 것으로서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 각각의 밸브(valve)들은 독립적으로 구동되며, 각각의 밸브들 중 어느 하나의 밸브가지의 하위 밸브(lower valve)는,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 하위 밸브의 전류기준치()가 입력되는 단계;
상기 하위 밸브의 전류값()이 측정되는 단계;
상기 하위 밸브의 전류기준치와 측정된 전류값간의 오차값()이 계산되는 단계;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크 전압값()이 측정되는 단계;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값()이 측정되는 단계;
상기 전류기준치, 상기 측정 전류값, 상기 오차값, 상기 직류 링크 전압 값, 상기 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치()가 계산되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값()이 측정되는 단계와
상기 전류기준치, 상기 측정 전류값, 상기 오차값, 상기 직류 링크 전압 값, 상기 계통 전압값을 이용하여 전압 기준치()가 계산되는 단계 사이에,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치()가 계산되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치()가 계산되는 단계는
상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을
의 식을 이용하여 구하고,
상기 순환전류 억제용 인덕터의 파라미터 변동치의 미분값을 적분하여 구하며,
위의 식에서,은 기설정된 튜닝 상수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제16항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제16항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), 인덕터의 파라미터 변동치(
)를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 수식을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
의 식을 이용하여 계산되며,
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고,는 sgn의 비례 이득을 의미하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
), sgn 함수를 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계는
위의 식에서 sgn 함수는
으로 동작하는 사인(sign) 함수를 의미하고,는 sgn의 비례 이득을 의미하며,
는 상기 상위 밸브의 인덕터의 값인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기,
,
는
,
,
의 식을 이용하여 계산되고,
위의 식에서,
,
는 기설정된 이득 값을 나타내고,
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상기 하위 밸브의 전류기준치()가 입력되는 단계에서,
상기 전류기준치()는
의 식을 이용하여 계산되며,
은 직류계통에 흐르는 직류전류 기준치를 의미하고,
는 상전류에 대한 기준치를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제24항에 있어서,
상기 상전류에 대한 기준치의 정지좌표계에서의 표현은
의 식을 이용하여 계산되며,
,
는 상기 상전류에 대한 기준치를 회전 정지 좌표계로 표시한 값을 나타낸 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제25항에 있어서,
상기,
는
의 식을 이용하여 상기 상전류에 대한 기준치의 d-q 좌표계의 표현을 회전 정지 좌표계로 변환하며,
상기은 정상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
,
)의 줄임 표현이고,
상기은 역상성분 전류기준치의 d-축과 q-축(
,
)의 줄임 표현이며,
상기는 정상성분 전류 기준치의 d축을 의미하며,
상기는 정상성분 전류 기준치의 q축을 의미하고,
상기는 역상성분 전류 기준치의 d축을 의미하며,
상기는 역상성분 전류 기준치의 q축을 의미하고,
상기,
,
및
은
,
,
,
의 식을 이용하여 계산되고,
상기는 교류 계통에서의 유효전력을, 상기
은 교류 계통에서의 유효전력의 기준치를,
는 교류 계통에서의 무효전력을,
은 교류 계통에서의 무효전력의 기준치를 의미하며, 상기
는 교류 계통에 흐르는 정상성분 전압의 d축 전압을,
는 교류 계통에 흐르는 정상성분 전압의 q축 전압을, 상기
은 교류 계통에 흐르는 역상성분 전압의 d축 전압을, 상기
은 교류 계통에서 흐르는 역상성분 전압의 q축 전압을 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제26항에 있어서,
상기 직류계통의 기준치()는
의 식을 이용하여 계산되며,
는 교류 계통에 흐르는 정상성분 전압의 q축 전압을,
은 교류 계통에 흐르는 정상성분 전류기준치의 q축 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제15항에 있어서,
상기 전류기준치(), 상기 측정 전류값(
), 상기 오차값(
), 상기 직류 링크 전압값(
), 상기 계통 전압값(
)을 이용하여 전압 기준치(
)가 계산되는 단계 이후에,
상기 하위 밸브의 서브 모듈(SM, Sub module)들 중에서 구동될 서브 모듈의 갯수가 계산되는 단계;
상기 서브 모듈의 갯수에 해당되는 서브 모듈들이 선택되는 단계;
상기 선택된 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호(PWM, Pulse width modulation)가 인가되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 제1항 또는 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법이
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 밸브단위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동방법.
- 모듈형 멀티레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 상위 밸브의 전류기준치를 입력받는 입력부;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상위 밸브의 전류값을 측정하는 전류 측정부;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크의 전압값을 측정하는 직류 링크 전압 측정부;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값을 측정하는 계통 전압 측정부;
상기 입력부가 입력받은 전류기준치와 상기 전류 측정부가 측정한 전류값간의 오차값을 계산하는 오차 계산부;
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 비례 증폭하는 비례제어부;
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수에 해당하는 오차전류를 0으로 수렴시키는 제1 공진형 전류제어부;
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수의 2배에 해당하는 고조파 오차전류를 0으로 수렴시키는 제2 공진형 전류제어부;
상기 직류 링크 전압 측정부, 상기 계통 전압 측정부, 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부가 계산한 값을 이용하여 상기 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 상위 밸브의 전압 기준치를 계산하는 전압 기준치 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부가 계산한 전압 기준치를 이용하여 구동될 서브 모듈의 갯수와 구동될 서브 모듈들을 선택하는 서브 모듈 선택부;
상기 서브 모듈 선택부가 선택한 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호를 인가하는 펄스 폭 변조신호 발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 비례제어부는
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 기설정된 이득 값으로 증폭하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 제1 공진형 전류 제어부는
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
에 곱하여 오차전류를 0으로 수렴시키도록 계산하고,
위 식에서은 상기 제1 공진형 전류 제어부의 기설정된 이득 값을 나타내고,
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 제2 공진형 전류 제어부는
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
에 곱하여 계통 주파수의 2배에 해당하는 고조파 오차전류를 0으로 수렴시키도록 계산하며,
위 식에서은 상기 제2 공진형 전류 제어부의 기설정된 이득 값을 나타내고,
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부는
상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 감하여 그 전압 차이값을 구하고,
상기 전압 차이값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부의 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 발생되는 오차를 줄이는 보상기;를 더 포함하며,
상기 보상기는
상기 오차 계산부의 오차값을
sgn 함수에 입력하여 sgn 출력값을 구하고,
상기 sgn 출력값에 상기 sgn 함수의 비례 이득을 곱하여 보상값을 계산하는 것을 특징으로 하며,
상기 sgn 함수는 사인 함수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제36항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부는
상기 보상기의 출력값을 더 입력받아,
상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 감하여 그 전압 차이값을 구하고,
상기 전압 차이값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부 및 상기 보상기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인턱터와 저항성분의 변동에 의한 동특성을 제거하기 위하여, 상기 오차 계산부가 계산한 오차값에 기설정된 튜닝상수를 곱하고 이를 적분하여 변동 추정치를 구하는 추정기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제38항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부는
상기 추정기가 계산한 추정치를 더 입력받아,
상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 감하여 그 전압 차이값을 구하고,
상기 전압 차이값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부, 상기 보상기 및 상기 추정기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 모듈형 멀티레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 하위 밸브의 전류기준치를 입력받는 입력부;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 하위 밸브의 전류값을 측정하는 전류 측정부;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 직류 링크의 전압값을 측정하는 직류 링크 전압 측정부;
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 계통 전압값을 측정하는 계통 전압 측정부;
상기 입력부가 입력받은 전류기준치와 상기 전류 측정부가 측정한 전류값간의 오차값을 계산하는 오차 계산부;
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 비례 증폭하는 비례제어부;
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수에 해당하는 오차전류를 0으로 수렴시키는 제1 공진형 전류제어부;
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 입력받아 계통 주파수의 2배에 해당하는 고조파 오차전류를 0으로 수렴시키는 제2 공진형 전류제어부;
상기 직류 링크 전압 측정부, 상기 계통 전압 측정부, 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부가 계산한 값을 이용하여 상기 모듈형 멀티 레벨 컨버터의 어느 하나의 밸브가지의 하위 밸브의 전압 기준치를 계산하는 전압 기준치 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부가 계산한 전압 기준치를 이용하여 구동될 서브 모듈의 갯수와 구동될 서브 모듈들을 선택하는 서브 모듈 선택부;
상기 서브 모듈 선택부가 선택한 서브 모듈들에 펄스 폭 변조 신호를 인가하는 펄스 폭 변조신호 발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 비례제어부는
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을 기설정된 이득 값으로 증폭하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 제1 공진형 전류 제어부는
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
에 곱하여 오차전류를 0으로 수렴시키도록 계산하고,
위 식에서은 상기 제1 공진형 전류 제어부의 기설정된 이득 값을 나타내고,
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 제2 공진형 전류 제어부는
상기 오차 계산부가 계산한 오차값을
에 곱하여 계통 주파수의 2배에 해당하는 고조파 오차전류를 0으로 수렴시키도록 계산하며,
위 식에서은 상기 제2 공진형 전류 제어부의 기설정된 이득 값을 나타내고,
는 계통 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부는
상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 더하여 그 합산 전압값을 구하고,
상기 합산 전압값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부 및 상기 제2 공진형 전류제어부의 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 발생되는 오차를 줄이는 보상기;를 더 포함하며,
상기 보상기는
상기 오차 계산부의 오차값을
sgn 함수에 입력하여 sgn 출력값을 구하고,
상기 sgn 출력값에 상기 sgn 함수의 비례 이득을 곱하여 보상값을 계산하는 것을 특징으로 하며,
상기 sgn 함수는 사인 함수인 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제46항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부는
상기 보상기의 출력값을 더 입력받아,
상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 더하여 그 합산 전압값을 구하고,
상기 합산 전압값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부 및 상기 보상기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 순환전류 억제용 인턱터와 저항성분의 변동에 의한 동특성을 제거하기 위하여, 상기 오차 계산부가 계산한 오차값에 기설정된 상수값을 곱하고 이를 적분하여 변동 추정치를 구하는 추정기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제40항에 있어서,
상기 전압 기준치 계산부는
상기 추정기가 계산한 추정치를 더 입력받아,
상기 직류 링크 전압 측정부가 측정한 전압값의 1/2배한 값에서 상기 계통 전압 측정부가 측정한 계통 전압값을 더하여 그 전압 합산값을 구하고,
상기 전압 합산값에서 상기 비례제어부, 상기 제1 공진형 전류 제어부, 상기 제2 공진형 전류제어부, 상기 보상기 및 상기 추정기에서 출력되는 계산값들을 더한 값을 감하여 전압 기준치를 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
- 제30항 또는 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치는
상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 밸브단위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구동장치.
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