KR101603391B1 - 멀티레벨 컨버터 제어 시스템 - Google Patents

멀티레벨 컨버터 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

주제어기의 센싱시점과 각 상에 포함된 복수개의 셀제어기의 센싱시점을 일치시킬 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템은, 제1 내부 타이머의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 제1 센싱 시점마다 계통전압 또는 출력전압을 센싱하여 전압 지령치를 산출하는 주제어기; 제2 내부 타이머의 카운트 증가량이 상기 타겟 값에 도달하는 제2 센싱 시점마다 제1 셀인버터의 DC전압 및 상기 제1 셀인버터에 포함된 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱하는 제1 셀제어기; 상기 제1 셀제어기와 같은 상(Phase)에 포함되고, 제3 내부 타이머의 카운트 증가량이 상기 타겟 값에 도달하는 제3 센싱 시점마다 제2 셀인버터의 DC전압 및 상기 제2 셀인버터에 포함된 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱하는 제2 셀제어기를 포함하고, 상기 제1 셀제어기는 상기 제2 센싱 시점이 상기 제1 센싱 시점과 일치하도록 상기 제2 내부 타이머의 카운트를 조절하고, 상기 제2 셀제어기는 상기 제3 센싱 시점이 상기 제1 센싱 시점과 일치하도록 상기 제3 내부 타이머의 카운트를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티레벨 컨버터 제어 시스템{System for Controlling Multilevel Convertor}
본 발명은 멀티레벨 컨버터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 멀티레벨 컨버터 제어 시스템에 관한 것이다.
일반 산업계에서 전기장치가 대용량화되는 추세에 따라 고압대용량 전력변환 시스템에 적용하기 위한 멀티레벨 컨버터가 개발되어 적용되고 있다. 이러한 멀티레벨 컨버터는 다수의 커패시터 DC전압을 합성하여 정현적인 파형에 가깝게 출력함으로써 왜곡이 적은 대용량 AC전압을 손쉽게 만들 수 있다. 또한, 전압 레벨 수를 증가시킴으로써 전고조파 왜율(Total Harmonic Distortion: THD)을 감소시킬 수 있고, 스위치의 정격 전압과 스위치 손실을 줄여 우수한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 멀티레벨 컨버터는 출력전압의 레벨 수가 높을수록 고조파 성분이 매우 낮아 필터의 크기를 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다.
이러한 장점으로 인해, 최근에는 계통 안정화를 위하여 전력품질을 개선하고 공급전압을 일정하게 유지하기 위한 무효전력 보상장치의 적용 요구에 따라, 멀티레벨 컨버터가 무효전력 보상 시스템에도 적용되고 있다.
멀티레벨 컨버터의 구조로는 도 1a에 도시된 바와 같은 다이오드-클램프(Diode-Clamp) 구조, 도 1b에 도시된 바와 같은 플라잉-커패시터(Flying Capacitor)구조, 및 도 1c에 도시된 바와 같은 H 브릿지(H-bridge) 구조가 있다.
도 1a에 도시된 바와 같은 다이오드 클램프 구조의 멀티레벨 컨버터는, 레벨수가 증가할수록 고조파 성분이 낮아지며 제어가 간단한 장점을 가지고 있지만, 다수의 클램핑 다이오드가 필요하며 커패시터 전압 불균형이 발생하는 문제점을 해결하기 위한 복잡한 스위칭 알고리즘이 요구된다는 문제점이 있다.
도 1b에 도시된 바와 같은 플라잉 커패시터 구조의 멀티레벨 컨버터는, 클램핑 다이오드 대신에 다수의 커패시터를 사용하는 구조로써 내부 전압 레벨에 여유를 갖게 되어 안정적인 전원 공급과 유/무효 전력 제어가 가능하지만 레벨 수가 증가할수록 대용량 전력 커패시터를 그룹화 시키기 어렵고 제어가 복잡해진다는 문제점이 있다.
도 1c에 도시된 바와 같은 H 브릿지 구조의 멀티레벨 컨버터는 다수의 H 브릿지 인버터 모듈을 직렬로 연결한 형태로 기존의 클램핑 다이오드나 다수의 커패시터가 불필요하여 기존 멀티레벨 컨버터 구조와 비교할 때 최소의 부품으로 멀티레벨 컨버터를 구성할 수 있다. 또한, H 브릿지 인버터 모듈 단위로 그룹화가 가능하여 확장 및 제어가 용이하고 DC링크 불평형 문제가 없는 특징을 가지고 있어, 최근 그 이용이 증가하고 있다. 이러한 H 브릿지 구조의 멀티레벨 컨버터는 대한민국 등록특허 제10-0970666호에 개시되어 있다.
상술한 바와 같은 멀티레벨 컨버터를 제어하기 위한 멀티레벨 컨버터 제어 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, CAN통신을 통해 서로 정보를 주고 받는 주제어기(110) 및 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)를 포함한다.
주제어기(110)는 전력 지령치를 산출하고, 산출된 전력 지령치를 각 상별로 동기를 맞추어서 CAN통신을 통해 각 상의 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)로 전송한다. 구체적으로, 주제어기(110)는 도 3(a)에 도시된 바와 같이 내부 타이머의 값이 미리 정해진 값이 되는 센싱시점 마다 계통전압 또는 멀티레벨 컨버터의 출력전압(이하, '출력전압'이라 함)을 센싱하고, 센싱된 계통전압 또는 출력전압 중 어느 하나를 이용하여 전력 지령치를 산출한다.
셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)는 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 센싱하고, 센싱된 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압과 주제어기(110)로부터 전송받은 전압 지령치를 이용하여 셀인버터(150, 160, 170)의 동작을 제어하기 위한 PWM 제어신호를 생성한다. 여기서, 셀인버터의 DC전압은 셀인버터에 포함된 커패시터 양단의 전압이고, IGBT 스택 온도 전압은 셀인버터에 포함된 IGBT 모듈의 온도를 전압값으로 나타낸 것을 의미하며, PWM 제어신호는 IGBT 모듈의 구동을 위한 게이팅 신호를 의미한다. 이러한 셀제어기는 도 2에 도시된 바와 같이, 각 상별로 2개(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)가 설치되고, 각각의 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)는 6개의 셀인버터(150, 160, 170)의 동작을 제어한다.
이때, 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)는 도 3b에 도시된 바와 같이, PWM 제어신호 생성에 이용되는 PWM 캐리어(Carrier)가 미리 정해진 상한값이 되거나 하한값이 되는 센싱시점 마다 셀인버터(150, 160, 170)의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 교번하여 센싱한다.
따라서, 보다 정확환 PWM 제어 신호를 생성하기 위해 주제어기(110)가 계통전압 또는 출력전압을 센싱하는 시점과 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)가 DC전압 또는 IGBT 스택 온도 전압을 센싱하는 시점이 일치하여야만 한다.
하지만, 종래의 멀티레벨 컨버터 제어 시스템의 경우, 각 상에 포함된 2개의 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b)는 셀인버터(150, 160, 170) 별로 소정의 위상차를 갖는 PWM 제어신호를 생성하기 위해 서로 다른 위상을 갖는 PWM 캐리어를 이용하여야만 한다.
이에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같이, 각 상에 포함된 2개의 셀제어기(120a~120b, 130a~130b, 140a~140b) 중 어느 하나인 제1 셀제어기(120a, 130a, 140a)의 센싱시점은 주제어기(110)의 센싱시점과 일치시킬 수는 있지만, 나머지 하나인 제2 셀제어기(120b, 130b, 140b)의 센싱시점은 주제어기(110)의 센싱시점과 일치시킬 수 없게 되고, 이로 인해 IGBT 모듈의 스위칭 시점에 오차가 발생하게 되어 출력전압의 전고조파 왜율이 상승하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 주제어기의 센싱시점과 각 상에 포함된 복수개의 셀제어기의 센싱시점을 일치시킬 수 있는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 복수개의 셀제어기의 센싱주기를 단축시킬 수 있는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템은, 제1 내부 타이머의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 제1 센싱 시점마다 계통전압 또는 출력전압을 센싱하여 전압 지령치를 산출하는 주제어기; 제2 내부 타이머의 카운트 증가량이 상기 타겟 값에 도달하는 제2 센싱 시점마다 제1 셀인버터의 DC전압 및 상기 제1 셀인버터에 포함된 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱하는 제1 셀제어기; 상기 제1 셀제어기와 같은 상(Phase)에 포함되고, 제3 내부 타이머의 카운트 증가량이 상기 타겟 값에 도달하는 제3 센싱 시점마다 제2 셀인버터의 DC전압 및 상기 제2 셀인버터에 포함된 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱하는 제2 셀제어기를 포함하고, 상기 제1 셀제어기는 상기 제2 센싱 시점이 상기 제1 센싱 시점과 일치하도록 상기 제2 내부 타이머의 카운트를 조절하고, 상기 제2 셀제어기는 상기 제3 센싱 시점이 상기 제1 센싱 시점과 일치하도록 상기 제3 내부 타이머의 카운트를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 각 상에 포함된 셀제어기들의 내부 타이머의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 시점을 주제어기의 내부 타이머의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 시점과 일치시킴으로써 주제어기의 센싱시점과 각 상의 셀제어기들의 센싱시점을 일치시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 주제어기의 센싱시점과 복수개의 셀제어기의 센싱시점을 일치시킬 수 있어 셀제어기간 발생하는 DC 전압 또는 IGBT 스택 온도 전압의 센싱 오차를 감소 시킬 수 있고, 이로 인해 출력전압과 저차 고조파 성분, 출력전압의 전고조파 왜율, 출력전류의 TDD를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 주제어기의 센싱시점과 셀제어기의 센싱시점간의 오차로 인한 고조파 발생을 감소시킬 수 있어 멀티레벨 컨버터 제어 시스템의 필터 설계시 최적화 설계가 가능하고 고조파로 인한 손실발생 또한 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수개의 셀제어기의 센싱주기를 단축시킬 수 있어 셀제어기의 제어성능을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1a는 다이오드-클램프(Diode-Clamp) 구조의 멀티레벨 컨버터 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 1b는 플라잉-커패시터(Flying Capacitor)구조의 멀티레벨 컨버터 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 1c는 H-브리지(H-bridge) 구조의 멀티레벨 컨버터 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 일반적인 멀티레벨 컨버터 제어 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 3a는 도 2에 도시된 멀티레벨 컨버터의 주제어기의 센싱시점을 보여주는 도면.
도 3b는 도 2에 도시된 멀티레벨 컨버터의 셀제어기의 센싱시점을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 5는 도 4에 도시된 셀제어기의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 주제어기의 센싱시점을 보여주는 도면.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀제어기의 센싱시점을 보여주는 도면.
도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀제어기의 센싱시점을 보여주는 도면.
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀제어기에서 생성되는 PWM 캐리어를 보여주는 도면.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템에 대한 설명에 앞서, 멀티레벨 컨버터에 대해 개략적인 설명을 하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 컨버터가 무효전력 보상시스템(STACOM: Static Synchronous Compensator)으로 구현되는 경우, 멀티레벨 컨버터는 계통에 병렬 연결되어 계통의 무효전력을 보상할 수 있다.
멀티레벨 컨버터는 A상, B상, 및 C상으로 구성되고, A상, B상, 및 C상 각각은 직렬 연결된 복수의 셀인버터들을 포함하며, 복수개의 셀 인버터들을 직렬로 연결함으로써 고전압을 얻을 수 있다. 일 실시예에 있어서, 셀인버터들은 H 브릿지 인버터로 구현될 수 있다.
이러한 경우, 각 셀인버터가 독립된 DC 전원을 가지므로 별도의 클램핑(Clamping) 회로 없이도 셀인버터에 포함된 전력소자에 일정한 전압을 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 저압의 셀인버터의 출력전압이 더해져서 수 kV의 고압 출력을 얻을 수 있다.
또한, 셀인버터의 개수에 따라 출력전압 및 전압레벨을 쉽게 조절할 수 있고, 셀 인버터의 개수가 증가할수록 정현파에 가까운 전압파형을 얻을 수 있다.
한편, 셀인버터는 독립적인 직류전원을 가지며, 출력전압의 위상에 따라 충전 또는 방전되는 커패시터를 포함한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템(400)은 A상, B상, 및 C상으로 구성되고 각 상에 포함된 구성들의 기능은 동일하므로 이하에서는 설명의 편의를 위해 A상을 기준으로 본 발명에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템(400)의 구성을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 컨버터 제어 시스템(400)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 인버터(410a~410n), 제1 인터페이스 보드(420a~420n), 제2 인터페이스 보드(430a~430b), 셀 제어기(440a~440b), 및 주제어기(450)를 포함한다.
도 4에 도시된 멀티레벨 컨버터 제어 시스템(400)에서는, 12개의 셀인버터(410a~410n), 12개의 제1 인터페이스 보드(420a~420n), 2개의 제2 인터페이스 보드(430a~430b), 및 2개의 셀제어기(410a~410b)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 구현하고자 하는 멀티레벨 컨버터의 토폴로지에 따라 셀인버터(410a~410n), 제1 인터페이스 보드(420a~420n), 제2 인터페이스 보드(430a~430b), 및 셀제어기(410a~410b)의 개수는 변경 가능할 것이다.
도 4에 도시된 멀티레벨 컨버터 토폴로지에 따를 때, 하나의 셀제어기(440a, 440b)는 하나의 제2 인터페이스보드(430a, 430b)와 연결되고, 하나의 제2 인터페이스 보드(430a, 430b)는 6개의 제1 인터페이스 보드(420a~420n)와 연결되며, 제1 인터페이스 보드(420a~420n)는 하나의 셀인버터(410a~410n)와 연결된다는 것을 알 수 있다.
즉, 셀제어기(440a, 440b)와 제2 인터페이스 보드(430a, 430b)는 1:1의 관계에 있고, 제2 인터페이스 보드(430a, 430b)와 제1 인터페이스 보드(420a~420n)는 1:n의 관계에 있으며, 제1 인터페이스 보드(420a~420n)와 셀인버터(410a~410n)는 n:n의 관계에 있다는 것을 알 수 있다.
먼저, 셀인버터(410a~410n)는 단위셀을 구성하는 것으로서, 각 상별로 복수개의 셀인버터들이 서로 직렬로 연결된다. 즉, 멀티레벨 컨버터는 각 상 별로 복수개의 셀 인버터들(410a~410n)을 직렬로 연결함으로써 고전압을 얻게 된다.
일 실시예에 있어서, 복수개의 셀 인버터(410a)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor)로 구성된 단상의 H-Bridge 인버터로 구현될 수 있다.
셀인버터(410a~410n)는 셀인버터(410a~410n)에서 센싱된 DC 전압(VDC) 및 IGBT 스택 온도 전압(VTH)을 해당 셀인버터에 연결되어 있는 제1 인터페이스 보드(420a~420n)로 출력한다.
일 실시예에 있어서, 셀인버터(410a~410n)에는 IGBT 스택 온도 전압을 센싱하기 위해, NTC 저항(미도시)과 NTC 저항에 직렬로 연결된 테스트 저항(미도시)으로 구성된 온도 계측 모듈이 탑재될 수 있다. 여기서, NTC 저항은 온도에 따라 저항값이 변화되는 성질을 갖는 저항으로써 온도가 상승하면 저항값이 감소하고 온도가 하강하면 저항값이 상승하는 특징을 갖는 소자이다.
이러한 온도 계측 모듈은, 미리 정해진 전압을 NTC 저항과 테스트 저항에 인가하여 테스트 저항에 분배되는 전압값을 IGBT 스택 온도 전압으로 출력할 수 있다. 따라서, IGBT 스택의 온도가 상승하면 NTC 저항값의 감소로 인해 NTC 저항에 분배되는 전압값은 감소하고 테스트 저항에 분배되는 전압값은 증가하게 된다. 또한 IGBT 스택 온도가 감소하면 NTC 저항값의 상승으로 인해 NTC 저항에 분배되는 전압값은 증가하고 테스트 저항에 분배되는 전압값은 감소하게 된다.
제1 인터페이스 보드(420a~420n)는 셀인버터(410a~410n)와 1:1로 연결되어, 셀인버터(410a~410n)에서 센싱된 DC 전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 광신호로 변환하여 제2 인터페이스 보드(430a, 430b)로 전달한다.
본 발명에서 제1 인터페이스 보드(420a~410n)를 이용하여 DC 전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 광신호로 변환하여 제2 인터페이스 보드(430a, 430b)로 전달하는 것은 셀 인버터(410a)와 셀 제어기(440a)를 전기적으로 절연(Isolation)시키기 위한 것이다. 이는 셀 인버터(410a)는 플로팅(Floating) 상태이므로 셀 제어기(440a)와는 기준이 되는 전위가 상이해 질 수 밖에 없으므로, 상대적으로 고전압이 인가되는 셀 인버터(410a)로부터 셀 제어기(440a)를 보호하기 위한 것이다.
일 실시예에 있어서, 6개의 제1 인터페이스 보드와 6개의 셀인버터가 제1 그룹을 구성하고, 나머지 6개의 제1 인터페이스 보드와 6개의 셀인버터나 제2 그룹을 구성할 수 있다.
이러한 경우, 제1 그룹에 포함된 6개의 제1 인터페이스 보드들은 제1 셀제어기(430a)에 연결된 제2 인터페이스 보드(430a)로 각 셀인버터의 DC 전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 전송하고, 제2 그룹에 포함된 6개의 제1 인터페이스 보드들은 제2 셀제어기(430b에 연결된 제2 인터페이스 보드(430b)로 각 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택온도 전압을 전송할 수 있다.
제2 인터페이스 보드(430a, 430b)는 제1 인터페이스 보드(420a~420n)로부터 광신호로 변환된 DC전압 또는 IGBT 스택 온도 전압을 수신한다. 또한, 제2 인터페이스 보드(430a, 430a)는 DC 전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 셀제어기(440a, 440b)로 전달한다.
셀 제어기(440a, 440b)는 주제어기(450)로부터 수신한 전압 지령치에 상응하는 전압이 출력될 수 있도록 복수개의 셀인버터들(410a~410n)을 제어한다.
보다 구체적으로, 제1 셀제어기(440a)는 주제어기(450)로부터 전압 지령치를 수신하고, 미리 정해진 센싱시점마다 센싱된 제1 그룹에 포함된 셀인버터들(410a~410n)의 DC 전압 및 IGBT 스택 온도 전압과 주제어기(450)로부터 수신된 전압 지령치를 이용하여 PWM 제어신호를 생성하여 제1 그룹에 포함된 셀인버터들(410a~410n)로 출력한다. 이때, PWM 제어신호는 셀인버터들(410a~410n)에 포함된 전력소자들인 IGBT 모듈의 구동을 위한 게이팅 신호일 수 있다.
제2 셀제어기(440b)는 주제어기(450)로부터 전압 지령치를 수신하고, 미리 정해진 센싱시점마다 제2 그룹에 포함된 셀인버터들(410a~410n)의 DC 전압 및 IGBT 스택 온도 전압과 주제어기(450)로부터 수신된 전압 지령치를 이용하여 PWM 제어신호를 생성하여 제2 그룹에 포함된 셀인버터들(410a~410n)로 출력한다.
제1 및 제2 셀제어기(440a, 440b)의 구체적인 설명은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 주제어기(450)는 계통에 목표 전류값을 출력하기 위한 전압 지령치를 계산하여 셀제어기(440a, 410b)로 출력한다. 이를 위해, 주제어기(450)는 내부 타이머의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 제1 센싱시점 마다 계통전압 또는 멀티레벨 컨버터의 출력전압(이하, '출력전압'이라 함)을 센싱한다. 일 실시예에 있어서, 주제어기(450)는 내부 타이머의 카운트 증가량이 250㎲가 되는 시점마다 계통전압 또는 출력전압을 센싱한다.
이후, 주제어기(450)는 센싱된 계통전압 또는 출력전압을 이용하여 전압 지령치를 계산하고, 계산된 전력 지령치를 각 상 별로 동기를 맞추어서 CAN(Controller Area Network, 460) 통신을 통하여 복수개의 셀제어기(440a~440b)로 송수신한다. 이를 위해 주제어기(450)는 CAN 드라이버(미도시)를 포함할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 제1 및 제2 셀제어기(440a, 440b)의 구성에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀제어기의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 셀제어기(440a)는, 제1 타이머 조절부(510a), 제1 내부 타이머(520a), 제1 센싱부(530a), 및 제1 PWM 제어신호 생성부(540a)를 포함하고, 제2 셀제어기(440b)는, 제2 타이머 조절부(510b), 제2 내부 타이머(520b), 제2 센싱부(530b), 및 제2 PWM 제어신호 생성부(540b)를 포함한다.
먼저, 제1 및 제2 타이머 조절부(510a, 510b)는 제1 셀제어기(440a)가 제1 그룹에 포함된 셀인버터들의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 센싱하는 제2 센싱시점과 제2 셀제어기(440b)가 제2 그룹에 포함된 셀인버터들의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 센싱하는 제3 센싱시점이 주제어기(450)가 계통전압 및 출력전압을 센싱하는 제1 센싱시점과 일치되도록, 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)의 카운트를 조절한다.
구체적으로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 주제어기(450)의 내부 타이머의 카운트 값에 따라 제1 센싱시점이 결정되는 경우, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 셀제어기(440a)의 제2 센싱시점과 제2 셀제어기(440b)의 제3 센싱시점이 제1 센싱시점과 완전히 일치하도록 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)의 카운트가 조절된다.
일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 타이머 조절부(510a, 510b)는 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)를 주제어기(450)의 내부 타이머와 동기화시킴으로써 제2 및 제3 센싱시점이 제1 센싱시점과 일치되도록 할 수 있다.
이러한 실시예에 따르는 경우, 제1 및 제2 타이머 조절부(510a, 510b)는 CAN 통신 수신 인터럽트 발생시 CAN 통신의 전송속도애 상응하는 카운트 값만큼 상기 제1 및 제2 내부 타이머의 카운트를 변경시켜가면서 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)의 카운트 값이 주제어기(450)의 내부 타이머의 카운트값과 일치되도록 한다.
다음으로, 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)는 제1 및 제2 센싱부(530a, 530b) 각각이 제2 센싱시점 및 제3 센싱시점을 결정할 수 있도록 카운트 값을 증가시킨다.
일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)는 도 6b에 도시된 바와 같이, 한 주기 내에서 캐리어 값이 0에서 상한값까지 증가한 후 리셋되어 다시 0에서 상한값까지 증가하는 형태의 파형을 갖는 캐리어를 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)는 한 주기 내에 2개의 톱니파형이 포함된 캐리어를 출력할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)는 도 6c에 도시된 바와 같이, 한 주기 내에서 캐리어 값이 0에서 상한값까지 선형적으로 증가한 후 상한값에서 하한값까지 선형적으로 감소하는 형태의 파형을 갖는 캐리어를 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 내부 타이머(520a, 520b)는 한 주기 내에 하나의 삼각파형이 포함된 캐리어를 출력할 수 있다.
다음으로, 제1 센싱부(530a)는 제1 내부 타이머(520a)의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 제2 센싱 시점마다 제1 그룹에 포함된 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱한다. 일 실시예에 있어서, 제1 센싱부(530a)는 제2 센싱 시점 마다 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 교번하여 센싱할 수 있다.
제2 셍신부(530b)는 제2 내부 타이머(520b)의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 제3 센싱 시점마다 제2 그룹에 포함된 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱한다. 일 실시예에 있어서, 제2 센싱부(530b)는 제3 센싱 시점 마다 셀인버터의 DC전압 및 IGBT 스택 온도 전압을 교번하여 센싱할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 제1 및 제2 셀제어기(440a, 440b)는 제1 및 제2 내부 타이머를 이용하여 제2 및 제3 센싱시점을 주제어기(450)의 제1 센싱시점과 일치시킬 수 있으므로, PWM 캐리어를 이용하여 센싱시점을 결정하였던 종래의 셀제어기와 비교하여 PWM 캐리어의 위상 지연으로 인해 발생하는 셀제어기간의 센싱시점 오차를 제거할 수 있다.
또한, 스위칭 주파수가 1kHz인 멀티 레벨 시스템을 기준으로 PWM 캐리어를 이용하여 센싱시점을 결정하였던 종래의 셀제어기의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 PWM 캐리어의 하한값에서만 DC 전압을 센싱할 수 있었으므로 1ms마다 DC전압을 센싱할 수 밖에 없었다.
하지만, 본 발명에 따른 셀제어기의 경우 제1 및 제2 내부 타이머를 이용하여 제2 및 제3 센싱시점을 결정하므로, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 250us 마다 DC 전압과 IGBT Stack 온도 전압을 교번하여 센싱할 수 있기 때문에 500us마다 DC 전압 센싱을 센싱할 수 있다. 이에 따라 DC전압의 센싱주기를 단축시킴으로써 제1 및 제2 셀제어기(440a, 440b)의 성능을 향상시킬 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 제1 및 제2 PWM 제어 신호 생성부(540a, 540b)는 주제어기(450)로부터 전압 지령치를 수신하고, 제1 및 제2 센싱부(530a, 530b)에 의해 센싱된 셀인버터(410a~410n)들의 DC전압을 수신한다. 또한, 제1 및 제2 PWM 제어 신호 생성부(540a, 540b)는 수신된 셀인버터들(410a~410n)들의 DC전압을 기초로 생성된 PWM 캐리어와 주제어기(450)로부터 수신된 전압 지령치를 비교하여 PWM 제어신호를 생성한다. 이때, 전압 지령치는 복수개의 셀인버터들(410a~410n)에 동일한 값으로 적용되는 반면, 복수개의 셀인버터들(410a~410n) 각각에 대한 PWM 캐리어는 위상전이가 발생한다. 이에 따라, 복수개의 셀인버터들(410a~410n) 각각에 대한 PWM 제어신호는 도 6d에 도시된 바와 같이, 일정한 값만큼의 위상차이를 가지게 된다.
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.
400: 멀티레벨 컨버터 제어 시스템 410a~410n: 셀 인버터
420a~420n: 제1 인터페이스 보드 430a~430m: 제2 인터페이스 보드
440a~440m: 셀 제어기 450: 주제어기
510: 신호 압축부 520: 제1 신호 변환부
710a~710n: 제2 신호 변환부 720a~720n: 신호 추출부
730a~730n: 디지털-아날로그 컨버터 740: 제2 아날로그-디지털 컨버터

Claims (9)

  1. 제1 내부 타이머의 카운트 증가량이 타겟 값에 도달하는 제1 센싱 시점마다 계통전압 또는 출력전압을 센싱하여 전압 지령치를 산출하는 주제어기;
    제2 내부 타이머의 카운트 증가량이 상기 타겟 값에 도달하는 제2 센싱 시점마다 제1 셀인버터의 DC전압 및 상기 제1 셀인버터에 포함된 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱하는 제1 셀제어기;
    상기 제1 셀제어기와 같은 상(Phase)에 포함되고, 제3 내부 타이머의 카운트 증가량이 상기 타겟 값에 도달하는 제3 센싱 시점마다 제2 셀인버터의 DC전압 및 상기 제2 셀인버터에 포함된 IGBT 스택의 온도 전압 중 어느 하나를 센싱하는 제2 셀제어기를 포함하고,
    상기 제1 셀제어기는 상기 제2 센싱 시점이 상기 제1 센싱 시점과 일치하도록 상기 제2 내부 타이머의 카운트를 조절하고,
    상기 제2 셀제어기는 상기 제3 센싱 시점이 상기 제1 센싱 시점과 일치하도록 상기 제3 내부 타이머의 카운트를 조절하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 셀제어기는, 상기 제2 센싱 시점 마다 상기 DC전압 및 상기 IGBT 스택의 온도 전압을 교번하여 센싱하고,
    상기 제2 셀제어기는, 상기 제3 센싱 시점 마다 상기 DC전압 및 상기 IGBT 스택의 온도 전압을 교번하여 센싱하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주제어기는, 상기 제1 센싱 시점 마다 최대 캐리어 값과 최소 캐리어 값이 교번하도록 상기 제1 내부 타이머의 캐리어를 생성하고,
    상기 제1 셀제어기는 상기 제2 센싱 시점 마다 최대 캐리어 값이 되도록 상기 제2 내부 타이머의 캐리어를 생성하며,
    상기 제2 셀제어기는 상기 제3 센싱 시점 마다 최대 캐리어 값이 되도록 상기 제3 내부 타이머의 캐리어를 생성하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주제어기는, 상기 제1 센싱 시점 마다 최대 캐리어 값과 최소 캐리어 값이 교번하도록 상기 제1 내부 타이머의 캐리어를 생성하고,
    상기 제1 셀제어기는 상기 제2 센싱 시점 마다 최대 캐리어 값과 최소 캐리어 값이 교번하도록 상기 제2 내부 타이머의 캐리어를 생성하며,
    상기 제2 셀제어기는 상기 제3 센싱 시점 마다 최대 캐리어 값과 최소 캐리어 값이 교번하도록 상기 제3 내부 타이머의 캐리어를 생성하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 셀제어기는 상기 주제어기로부터 CAN통신을 통해 상기 전압 지령치를 수신하고,
    상기 제1 및 제2 셀제어기는 상기 CAN 통신 수신 인터럽트 발생시 상기 CAN 통신의 전송 속도에 상응하는 카운트 값만큼 상기 제2 내부 타이머의 카운트 및 제3 내부 타이머의 카운트를 조절하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 셀인버터 및 제2 셀인버터는 복수개이고,
    상기 제1 셀제어기는 상기 센싱된 DC 전압을 기초로 생성된 PWM 캐리어와 상기 전압 지령치를 비교하여 상기 제1 셀인버터 각각의 PWM 제어신호를 생성하되, 상기 제1 셀인버터 각각의 PWM 제어신호는 서로 다른 위상을 갖도록 하고,
    상기 제2 셀제어기는 상기 센싱된 DC 전압을 기초로 생성된 PWM 캐리어와 상기 전압 지령치를 비교하여 상기 제2 셀인버터 각각의 PWM 제어신호를 생성하되, 상기 제2 셀인버터 각각의 PWM 제어신호는 서로 다른 위상을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 셀인버터와 상기 제1 셀제어기 사이에 연결되어, 상기 제1 셀인버터와 상기 제1 셀제어기를 전기적으로 절연시키는 제1 인터페이스 장치; 및
    상기 제2 셀인버터와 상기 제2 셀제어기 사이에 연결되어, 상기 제2 셀인버터와 상기 제2 셀제어기를 전기적으로 절연시키는 제2 인터페이스 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인터페이스 장치는,
    상기 센싱된 DC 전압 또는 IGBT 스택 온도 전압을 광신호로 변환하는 제1 인터페이스 보드; 및
    상기 제1 인터페이스 보드로부터 상기 광신호를 수신하고, 상기 광신호를 상기 DC 전압 또는 IGBT 신호로 변환하는 제2 인터페이스 보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 셀제어기와 상기 제1 인터페이스 장치의 제2 인터페이스 보드는 1:1로 연결되고, 상기 제1 인터페이스 장치의 제2 인터페이스 보드와 상기 제1 인터페이스 장치의 제1 인터페이스 보드는 1:n(n은 0보다 큰 정수)으로 연결되며, 상기 제1 인터페이스 장치의 제1 인터페이스 보드와 상기 제1 셀인버터는 1:1로 연결되고,
    상기 제2 셀제어기와 상기 제2 인터페이스 장치의 제2 인터페이스 보드는 1:1로 연결되고, 상기 제2 인터페이스 장치의 제2 인터페이스 보드와 상기 제2 인터페이스 장치의 제1 인터페이스 보드는 1:n(n은 0보다 큰 정수)으로 연결되며, 상기 제2 인터페이스 장치의 제1 인터페이스 보드와 상기 제2 셀인버터는 1:1로 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터 제어 시스템.
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