KR101606882B1 - 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법 - Google Patents

무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 출원은 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치는, 3상 부하에 발생하는 무효전력을 보상하는 보상전류를 출력하는 무효전력보상장치에 관한 것으로서, 입력되는 출력전압 기준값에 따라, 각 상에 직렬연결되는 모듈인버터(HBI: H-bridge inverter)들의 개수를 조절하여 출력전압을 생성하는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC: Modular Multilever Converter) 및 상기 모듈인버터들에 인가되는 각각의 모듈전압들의 불평형을 감지하여, 상기 불평형을 보상하기 위한 보상전압을 생성하고, 상기 보상전압을 이용하여 상기 출력전압 기준값을 보상하는 모듈제어부를 포함할 수 있으며, 상기 모듈제어부는, 상기 모듈전압의 평균값과 각각의 모듈전압 사이의 모듈전압오차를 이용하여 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위해 필요한 보상전력기준값을 도출하고, 상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나눈 값에 상기 인버터전류의 위상을 적용하여 상기 보상전압을 생성할 수 있다.

Description

무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법 {Apparatus for compensating reactive power and method for the same}
본 출원은 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법에 관한 것으로서, 특히 무효전력보상장치 내부의 모듈간 전압 불평형을 보상할 수 있는 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기로(electric furnace)는 전기적 부하에서 일어날 수 있는 거의 모든 문제를 다 지니고 있는, 급전계통의 입장에서 보았을 때 최악의 부하라 할 수 있다. 아크의 발생으로 동작하는 전기로 부하는 원천적으로 불규칙성과 비선형성을 지닐 수 밖에 없으며, 일반적인 부하에 비하여 역률이 현저히 낮다. 따라서, 보조설비를 구비하여, 이러한 전기로에 의한 계통 전력 품질의 문제를 완화시킬 수 있다.
최근에는 상기 보조설비로 STATCOM(Static Synchronous Compensator)을 이용하고 있으며, 상기 STATCOM은 고조파 발생량이 적어 계통에 문제를 발생시키지 않으며, 응답속도가 빠르고 정밀한 제어가 가능한 장점이 있다. 다만, 상기 STATCOM의 동작시에 내부에 모듈간 전압 불평형이 발생할 수 있으며, 상기 모듈간 전압 불평형에 의하여 STATCOM 전체가 불안정하게 될 수 있으며, 상기 STATCOM의 제어가능영역이 제한되어 전체적인 성능저하를 초래할 수 있다.
공개특허공보 10-2013-0011163 (2013.01.30)
본 출원은, 무효전력보상장치 내부의 모듈간 전압 불평형을 보상할 수 있는 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치는, 3상 부하에 발생하는 무효전력을 보상하는 보상전류를 출력하는 것으로서, 입력되는 출력전압 기준값에 따라, 각 상에 직렬연결되는 모듈인버터(HBI: H-bridge inverter)들의 개수를 조절하여 출력전압을 생성하는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC: Modular Multilevel Converter); 및 상기 모듈인버터들에 인가되는 각각의 모듈전압들의 불평형을 감지하여, 상기 불평형을 보상하기 위한 보상전압을 계산하고, 상기 보상전압을 이용하여 상기 출력전압 기준값을 보상하는 모듈제어부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 모듈제어부는, 상기 모듈전압의 평균값과 각각의 모듈전압 사이의 모듈전압오차를 구하고, 상기 모듈전압오차를 이용하여, 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위해 필요한 보상전력기준값을 도출할 수 있다.
여기서 상기 모듈제어부는, 상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나눈 값에 상기 인버터전류의 위상을 적용하여, 상기 보상전압을 생성할 수 있다.
여기서 상기 무효전력보상장치는, 상기 멀티레벨 컨버터의 각 상에 구비된 전류센서를 이용하여 상기 인버터전류를 측정하고, 상기 인버터전류에 대한 측정결과를 이용하여 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상을 도출하는 주제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 모듈제어부는, 상기 주제어부와의 통신을 이용하여, 상기 주제어부로부터 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상을 전송받을 수 있다.
여기서 상기 모듈제어부는, 상기 인버터전류의 실효전류값을 기 설정된 최소전류값 이상으로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법은, 복수의 모듈인버터(HBI: H-bridge inverter)를 포함하는 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상제어방법에 관한 것으로서, 상기 모듈인버터들에 인가되는 각각의 모듈전압들을 입력받아, 상기 모듈전압의 평균값과 각각의 모듈전압 사이의 모듈전압오차를 계산하는 모듈전압오차계산단계; 상기 모듈전압오차를 이용하여, 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위해 필요한 보상전력기준값을 도출하는 보상전력기준값도출단계; 상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나눈 값에 상기 인버터전류의 위상을 적용하여, 상기 보상전압을 생성하는 보상전압생성단계; 및 상기 보상전압을 이용하여 상기 출력전압 기준값을 보상하는 출력전압기준값보상단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 보상전압생성단계는, 상기 출력전압 기준값을 생성하는 주제어부로부터, 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상을 전송받는 것일 수 있다.
여기서, 상기 주제어부는 상기 멀티레벨 컨버터의 각 상에 구비된 전류센서를 이용하여, 상기 인버터전류를 측정하고, 상기 측정결과를 이용하여 상기 실효전류값 및 위상을 도출하는 것일 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법에 의하면, 무효전력보상장치 내부의 모듈간 전압 불평형을 보상할 수 있다. 따라서, 직류전압의 상승시 발생할 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 캐패시터 및 스위칭 소자의 파괴를 방지할 수 있으며, 직류전압의 하강시 발생할 수 있는 출력전압 제어불가능성을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치 및 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법에 의하면, 통신망을 통하여 각 상에 인가되는 전류의 실효전류값 및 위상을 전송받으므로, 모듈제어부에서의 연산량을 감소시킬 수 있으며, 모듈제어부의 수량이 증가하는 것과는 별개로 전류센서의 수량이 일정하여 시스템 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있고, 과도상태에서의 전류위상을 보다 정확하게 검출하여 모듈 불평형 보상 제어의 안정도를 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치의 주제어부 및 모듈제어부를 나타내는 블록도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치에서의 주제어부 및 모듈제어부의 동작을 나타내는 블록도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치를 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치(100)는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1), 주제어부(10) 및 모듈제어부(20)를 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치(100)를 설명한다.
도1에 도시한 바와 같이, 3상 계통전원(S)은 3상 부하(L)에 전력을 공급할 수 있다. 다만, 상기 3상 부하(L)가 전기로(electric furnace) 등과 같이 불규칙적이고 비선형적인 특성을 가지는 경우에는, 상기 3상 부하(L)는 불평형 부하로 동작할 수 있다. 즉, 상기 3상 부하(L)는, 각 상에서의 임피던스(impedance)가 상이할 수 있으며, 각 상에는 불평형 전류성분이 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 3상 부하(L)가 델타 결선인 경우에는 상기 불평형 전류성분이 상기 3상 부하(L) 내부를 순환하면서 흐르게 되고, 상기 3상 부하(L)가 Y 결선인 경우에는 상기 불평형 전류성분이 중성선을 통하여 외부로 빠져나가게 된다. 즉, 상기 3상 부하(L)가 불평형 부하인 경우에는, 자체의 리액턴스 성분에 의한 무효전력 이외에, 상기 불평형전류성분에 의하여 역률이 현저하게 낮아지게 될 수 있다. 따라서, 상기 3상 부하(L)에 대한 계통 전력 품질의 문제를 완화하기 위하여, 무효전력보상장치(100)를 더 포함할 수 있다. 즉, 무효전력보상장치(100)를 3상 계통전원(S)과 3상 부하(L) 사이에 연결하여, 3상 계통전원(S)의 공급시 상기 3상 부하(L)에 발생할 수 있는 무효전력이나 불평형 전류성분을 상기 무효전력보상장치(100)가 보상하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 3상 무효전력보상장치(100)는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1, MMC: Modular Multilevel Converter)를 포함할 수 있으며, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)는 상기 3상 계통전원(S)과 3상 부하(L) 사이에 Δ 결선 또는 Y 결선의 형태로 연결될 수 있다. 여기서, Vsa, Vsb, Vsc는 3상 계통전원(S)의 계통전압, isa, isb, isc는 계통에 흐르는 계통전류, iLa, iLb, iLc는 3상 부하(L)에 흐르는 부하전류를 의미하고, ica, icb, icc는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)가 출력하는 보상전류, Vca, Vcb, Vcc는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 출력전압을 의미한다.
도1에 도시한 바와 같이, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)는 상기 3상 부하(L)의 각 상에 대응하는 단상인버터(1a, 1b, 1c)들을 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 단상인버터(1a, 1b, 1c)에는 복수개의 모듈인버터(M1 내지 Mn)가 포함될 수 있으며, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)에 설정되는 출력전압 기준값에 따라 상기 복수개의 모듈인버터(M1 내지 Mn)가 선택적으로 직렬연결될 수 있다. 여기서, 상기 모듈인버터는 각각 4개의 스위치와 하나의 캐패시터를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 스위치의 개폐에 따라서 상기 캐패시터에 인가되는 전압의 부호 및 크기가 결정될 수 있다. 이때, 상기 캐패시터에 인가되는 전압이 각각의 모듈인버터가 출력하는 상기 모듈전압에 해당한다. 따라서, 상기 단상인버터(1a, 1b, 1c)에 직류전압을 인가하면, 상기 단상인버터(1a, 1b, 1c)에 연결되는 커패시터의 개수에 대응하여 상기 출력전압(Vca, Vcb, Vcc)의 크기가 결정되며, 상기 출력전압(Vca, Vcb, Vcc)의 크기에 따라, 상기 단상인버터(1a, 1b, 1c)가 출력하는 보상전류(ica, icb, icc)의 크기도 달라지게 된다. 즉, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)는, 각각의 단상 인버터(1a, 1b, 1c)들의 양단에 인가되는 직류전압과 상기 단상인버터(1a, 1b, 1c)에 직렬연결되는 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)들의 개수에 대응하여, 상기 보상전류(ica, icb, icc)를 생성할 수 있다.
그러므로, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)는 비교적 낮은 단가의 저압소자인 모듈인버터(M1 내지 Mn)의 조합으로 구현할 수 있는 장점이 있으며, 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)의 개수를 조절하여 다양한 전압과 전류용량의 요구에 대응하는 것이 가능하다. 특히, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)는 복수개의 모듈인버터(M1 내지 Mn)를 중첩하여 보상전류를 생성하므로, 정현파에 가까운 형태의 보상전류를 생성할 수 있으며, 이 경우, 스위칭 주파수의 2배에 해당하는 주파수와 모듈인버터 개수의 곱에 해당하는 고차 고조파가 발생하므로 저차 고조파 발생에 따른 고조파 공진 등의 문제를 해소할 수 있다.
다만, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)가 정상적으로 동작하기 위해서는, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)에 인가되는 직류전압이, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)가 출력하는 출력전압에 비하여 충분히 높은 수준(예를들어, 출력전압의 최대값의 1.2~1.5배)으로 유지되어야 한다. 만약, 직류전압이 변동하여 기 설정된 최소설정값 이하로 낮아지게 되면 각각의 모듈인버터(M1 내지 Mn)는 제어성을 상실하게 된다. 반대로, 상기 직류전압이 기 설정된 최대설정값 이상으로 높아지게 되면 상기 출력전압이 과전압으로 위험한 수준에 이르게 될 수 있으며, 이 경우 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 동작이 중단될 수 있다. 즉, 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 각 상간 직류전압의 크기 유지는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 정상적인 동작을 위하여 필요한 기본적인 요소에 해당한다.
여기서, 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 상간 직류전압의 크기가 일정하게 유지되는 경우라고 하더라도, 하나의 상에 직렬로 연결되는 각 모듈인버터(M1 내지 Mn) 사이에 직류전압 불평형이 발생하는 경우가 있을 수 있다. 예를들어, 각 모듈 인버터에 서로 상이한 내부손실이 발생하거나 파라미터 오차가 발생하는 등의 경우에는, 상기 직렬연결된 각각의 모듈인버터에는 서로 다른 직류전압이 인가되므로, 상기 모듈간 전압 불평형이 발생할 수 있다. 상기 모듈간 전압 불평형이 발생하는 경우에는, 낮은 전압을 가지는 모듈인버터는 제어성을 상실하게 되어 원하는 모듈출력전압을 생성하지 못하게 되며, 높은 전압을 가지는 모듈인버터는 과전압의 위험에 의하여 전체 무효전력보상장치의 동작이 중단될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치(100)는, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 각 모듈인버터에 인가되는 직류전압의 불평형을 해소하기 위하여, 주제어부(10) 및 모듈제어부(20)의 구성을 더 포함할 수 있다.
즉, 도2에 도시한 바와 같이, 상기 무효전력보상장치(100)에는 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 전반적인 동작을 제어하는 주제어부(10)가 포함될 수 있으며, 상기 주제어부(10)가 설정한 출력전압 기준값에 따라 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)가 출력하는 출력전압을 조절하는 모듈제어부(20)가 포함될 수 있다. 여기서, 상기 모듈제어부(20)는 각각의 상에 대응하여 3개 구비될 수 있으며, 상기 모듈제어부(20)는 각 상에 대응하는 복수개의 모듈인버터(M1 내지 Mn)들의 구체적인 동작을 제어할 수 있다. 도2에서는 각 상마다 하나의 모듈제어부(20)가 포함되는 경우를 예시하고 있으나, 각 상마다 2개 또는 2개 이상의 모듈제어부(20)를 포함하는 것도 가능하다.
여기서, 상기 주제어부(10)는 3상 부하(L)에서 발생하는 무효전력 내지 불평형전류에 대한 입력을 받을 수 있으며, 상기 입력받은 무효전력 내지 불평형전류를 보상하기 위해 필요한 출력전압 기준값을 계산할 수 있다. 구체적으로, 상기 주제어부(10)는 기 설정된 무효전력보상 알고리즘 내지 불평형전류보상 알고리즘 등에 따라 상기 출력전압 기준값을 생성할 수 있으며, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1) 내부의 상간 직류전압의 불평형 해소를 위한 보상제어 등을 더 추가하여 상기 출력전압 기준값을 생성할 수 있다. 이후, 상기 주제어부(10)가 생성한 상기 출력전압 기준값은 통신망을 통하여 상기 모듈제어부(20)로 전송될 수 있다. 상기 출력전압 기준값의 계산에 활용되는 무효전력보상 알고리즘 내지 불평형전류보상알고리즘이나, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1) 내부의 상간 직류전압의 불평형에 대한 보상제어 등은 계통전력품질 향상을 위하여 일반적으로 사용되는 알고리즘 내지 제어기법에 해당하므로, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
상기 주제어부(10)가 출력전압 기준값을 통신망을 통하여 입력하면, 상기 모듈제어부(20)는 상기 출력전압 기준값에 해당하는 출력전압을 출력하기 위하여, 상기 직렬연결되는 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)들의 개수를 조절할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 상기 모듈인버터들은 각각 하나의 스위치와 하나의 캐패시터가 병렬연결된 회로로 모델링할 수 있으므로, 상기 모듈제어부(20)는 각각의 모듈인버터들의 스위치를 개방 또는 폐쇄하여 원하는 형태의 출력전압을 출력할 수 있다. 다만, 상기 모듈제어부(20)는, 상기 출력전압 기준값에 해당하는 출력전압을 출력하기 전에, 먼저 상기 출력전압 기준값에 대한 보상을 수행할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)들에 인가되는 모듈전압에 불평형이 발생할 수 있으므로, 상기 모듈제어부(20)는 상기 불평형을 보상하기 위한 보상전압을 계산할 수 있으며, 상기 보상전압을 이용하여 상기 출력전압 기준값을 보상할 수 있다. 이후, 상기 모듈제어부(20)는 상기 보상된 출력전압 기준값을 기준으로 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)의 동작을 제어할 수 있다.
도3은 상기 모듈제어부(20)의 구체적인 동작을 나타내는 블록도로서, 이하 도3을 참조하여 상기 모듈제어부(20)의 동작을 설명한다. 여기서, 도3은 상기 모듈제어부(20)가 수행하는 각각의 기능을 별개의 블록으로 구분하여 표시하고 있으나, 상기 블록은 상기 모듈제어부(20)에 포함되는 하드웨어적인 구성 또는 소프트웨어적인 구성을 나타내는 것으로서, 각각의 블록이 수행하는 기능은 상기 모듈제어부(20)가 스스로 수행하는 것으로 볼 수 있다.
먼저, 보상전력기준값 생성블록(21)은, 각각의 모듈인버터(M1 내지 Mn)에 인가되는 모듈전압 및 상기 모듈전압의 평균값을 입력받을 수 있으며, 상기 모듈전압 및 상기 모듈전압평균값 사이의 오차인 모듈전압오차를 각각의 모듈인버터에 대하여 구할 수 있다. 여기서, 상기 모듈전압오차가 전부 0이 아닌 경우에는 상기 모듈전압 불평형이 발생한 것으로 감지할 수 있다. 이후, 상기 모듈전압 불평형이 감지되면, 보상전력기준값 생성블록(21)에서 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위하여 필요한 보상전력기준값을 계산할 수 있다. 상기 모듈전압의 불평형은 각각의 모듈인버터에서 발생하는 내부손실의 크기가 상이하거나 스위칭 방식에 의한 각 모듈전압의 출력지연 때문에 발생하는 것이므로, 상기 모듈전압의 불평형을 해소하기 위하여 각각의 모듈인버터에 필요한 보상전력기준값을 계산할 수 있다. 구체적으로, 상기 보상전력기준값 생성블록(21)은 상기 모듈전압오차에 대하여 기 설정된 피드백제어알고리즘을 적용하여 상기 보상전력기준값을 도출할 수 있다. 상기 피드백제어알고리즘은 피드백 제어를 통하여 상기 모듈전압오차가 0이 되도록 상기 보상전력기준값을 제어하는 것으로서, 상기 모듈전압오차에 대하여 상기 피드백제어알고리즘의 전달함수를 곱하여 상기 보상전력기준값을 도출할 수 있다. 이때, 상기 전달함수는 비례제어, 비례적분제어, 적분비례제어 등의 다양한 피드백 제어알고리즘에서 활용되는 전달함수일 수 있다.
상기 보상전력기준값이 생성되면, 보상전압 크기연산블록(22)은 상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나누어 상기 보상전압의 크기를 계산할 수 있다. 여기서, 상기 인버터전류는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터(1)의 각 상에 구비된 전류센서를 이용하여 측정할 수 있으며, 상기 전류센서에서의 측정결과는 상기 주제어부(10)의 전류측정블록(11)으로 전송될 수 있다. 이후, 상기 주제어부(10)의 실효값 계산블록(12)에서는 상기 인버터전류에 대한 측정결과를 이용하여 상기 인버터전류의 실효전류값을 계산하고, 전류위상검출블록(13)에서는 상기 인버터전류의 위상을 계산하여 도출할 수 있다. 따라서, 상기 보상전압 크기연산블록(22)은 상기 실효값 계산 블록(12)이 전송한 실효전류값을 이용하여 상기 보상전압의 크기를 계산할 수 있다. 추가적으로, 상기 모듈제어부(20)는 전류크기제한블록(24)을 더 포함할 수 있으며, 상기 전류크기제한블록(24)을 이용하여 상기 실효전류값의 크기를 제한할 수 있다. 상기 보상전압의 크기는 상기 보상전력기준값을 상기 실효전류값으로 나누어 계산하는 것이므로, 만약 상기 실효전류값이 0에 가까워지는 경우에는 상기 보상전압의 크기가 무한대가 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여, 상기 전류크기제한블록(24)은 상기 인버터전류의 실효전류값을 기 설정된 최소전류값 이상으로 제한할 수 있다.
상기 보상전압의 크기연산이 완료되면, 보상전압생성블록(23)는 상기 전류위상 검출블록(13)으로부터 전송받은 인버터전류의 위상을 이용하여, 상기 보상전압을 생성할 수 있다. 즉, 상기 보상전압의 크기에 상기 인버터전류의 위상을 적용하여, 상기 보상전압을 생성하는 것이 가능하다.
따라서, 상기 모듈제어부(20)는 상기 입력되는 출력전압 기준값에 상기 보상전압을 더한 값을 기준으로 상기 모듈인버터(M1 내지 Mn)의 동작을 제어함으로써, 상기 모듈간 전압 불평형을 해소할 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법을 나타내는 순서도이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법은, 모듈전압오차계산단계(S10), 보상전력기준값도출단계(S20), 보상전압생성단계(S30) 및 출력전압기준값보상단계(S40)를 포함할 수 있다.
이하, 도4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법을 설명한다.
모듈전압오차계산단계(S10)는, 모듈인버터들에 인가되는 각각의 모듈전압들을 입력받을 수 있으며, 상기 모듈전압의 평균값과 각각의 모듈전압 사이의 모듈전압오차를 계산할 수 있다. 여기서, 상기 모듈전압오차가 모두 0이 아닌 경우에는, 상기 모듈인버터에 모듈전압 불평형이 발생한 것으로 확인할 수 있으며, 상기 모듈전압 불평형을 해소하기 위한 보상전압의 계산을 진행할 수 있다.
먼저, 보상전력기준값도출단계(S20)에서는, 상기 모듈전압오차에 기 설정된 피드백제어알고리즘을 적용하여, 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위해 필요한 보상전력기준값을 도출할 수 있다. 상기 모듈전압의 불평형은 상기 모듈인버터의 내부손실이나 파라미터 오차 등에 의하여 발생하는 것이므로, 각각의 모듈인버터에서의 모듈전압 불평형을 해소하기 위해 필요한 보상전력기준값을 계산할 수 있다. 구체적으로, 상기 피드백제어알고리즘은 피드백 제어를 통하여 상기 모듈전압오차가 0이 되도록 하는 상기 보상전력기준값을 찾는 것으로서, 상기 모듈전압오차에 상기 피드백제어알고리즘의 전달함수를 곱하여 상기 보상전력기준값을 도출할 수 있다. 여기서, 상기 전달함수는 비례제어, 비례적분제어, 적분비례제어 등의 다양한 피드백 제어 알고리즘에서 활용되는 것일 수 있다.
상기 보상전력기준값이 도출되면, 보상전압생성단계(S30)를 통하여 상기 모듈전압 불평형을 해소하기 위하여 필요한 보상전압을 계산할 수 있다. 즉, 상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나누어 보상전압의 크기를 계산하고, 상기 보상전압의 크기에 상기 인버터전류의 위상을 적용하는 방식으로, 상기 보상전압을 생성할 수 있다. 여기서, 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상은, 상기 출력전압 기준값을 생성하는 주제어부와의 통신을 통하여 전송받을 수 있다. 구체적으로, 상기 주제어부는 상기 멀티레벨 컨버터의 각 상에 구비된 전류센서를 이용하여 상기 인버터전류를 측정하고, 상기 측정결과를 이용하여 상기 실효전류값 및 위상을 도출하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 보상전압을 생성한 이후에는, 출력전압기준값보상단계(S40)를 통하여, 상기 출력전압 기준값을 상기 보상전압으로 보상하여, 상기 모듈전압 불평형을 해소할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
100: 무효전력보상장치 1: 모듈형 멀티레벨 컨버터
1a, 1b, 1c: 단상인버터 10: 주제어부
20: 모듈제어부
S: 3상 계통 L: 3상 부하
f: 계통연계 필터 리액터
S10: 모듈전압오차계산단계 S20: 보상전력기준값도출단계
S30: 보상전압 생성단계 S40: 출력전압기준값보상단계

Claims (9)

  1. 3상 부하에 발생하는 무효전력을 보상하는 보상전류를 출력하는 무효전력보상장치에 있어서,
    입력되는 출력전압 기준값에 따라, 각 상에 직렬연결되는 모듈인버터(HBI: H-bridge inverter)들의 개수를 조절하여 출력전압을 생성하는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC: Modular Multilevel Converter); 및
    상기 모듈인버터들에 인가되는 각각의 모듈전압들의 불평형을 감지하여, 상기 불평형을 보상하기 위한 보상전압을 생성하고, 상기 보상전압을 이용하여 상기 출력전압 기준값을 보상하는 모듈제어부를 포함하되,
    상기 모듈제어부는, 상기 모듈전압의 평균값과 각각의 모듈전압 사이의 모듈전압오차를 이용하여 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위해 필요한 보상전력기준값을 도출하고, 상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나눈 값에 상기 인버터전류의 위상을 적용하여 상기 보상전압을 생성하는 무효전력보상장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 멀티레벨 컨버터의 각 상에 구비된 전류센서를 이용하여 상기 인버터전류를 측정하고, 상기 인버터전류에 대한 측정결과를 이용하여 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상을 도출하는 주제어부를 더 포함하는 무효전력보상장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 모듈제어부는
    상기 주제어부와의 통신을 이용하여, 상기 주제어부로부터 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상을 전송받는 무효전력 보상장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 모듈제어부는
    상기 인버터전류의 실효전류값을 기 설정된 최소전류값 이상으로 제한하는 무효전력보상장치.
  7. 복수의 모듈인버터(HBI: H-bridge inverter)를 포함하는 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상제어방법에 있어서,
    상기 모듈인버터들에 인가되는 각각의 모듈전압들을 입력받아, 상기 모듈전압의 평균값과 각각의 모듈전압 사이의 모듈전압오차를 계산하는 모듈전압오차계산단계;
    상기 모듈전압오차를 이용하여, 상기 모듈전압의 불평형을 보상하기 위해 필요한 보상전력기준값을 도출하는 보상전력기준값도출단계;
    상기 보상전력기준값을 상기 모듈인버터에 흐르는 인버터전류의 실효전류값으로 나눈 값에 상기 인버터전류의 위상을 적용하여, 보상전압을 생성하는 보상전압생성단계; 및
    상기 보상전압을 이용하여 출력전압 기준값을 보상하는 출력전압기준값보상단계를 포함하는 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 보상전압생성단계는
    상기 출력전압 기준값을 생성하는 주제어부로부터, 상기 인버터전류의 실효전류값 및 위상을 전송받는 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주제어부는 상기 출력전압 기준값에 따라, 각 상에 직렬연결되는 모듈인버터들의 개수를 조절하여 출력전압을 생성하는 멀티레벨 컨버터의 각 상에 구비된 전류센서를 이용하여, 상기 인버터전류를 측정하고, 상기 측정결과를 이용하여 상기 실효전류값 및 위상을 도출하는 무효전력보상장치의 모듈간 전압 불평형 보상방법.
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