KR101608280B1 - 하프 레벨 그룹을 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법 - Google Patents

하프 레벨 그룹을 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하프 모듈 그룹을 포함하여 출력 레벨 수를 증대시킬 수 있고, 원 레벨 그룹들과 하프 레벨 그룹 간에 전압 밸런싱을 수행하며 장치의 수명을 증대시킬 수 있는 하프 레벨 그룹을 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 관한 것이다.

Description

하프 레벨 그룹을 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법{Switching control method of modular multilevel converter having half-level group}
본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하프 모듈 그룹을 포함하여 출력 레벨 수를 증대시킬 수 있고, 원 레벨 그룹들과 하프 레벨 그룹 간에 전압 밸런싱을 수행하며 장치의 수명을 증대시킬 수 있는 하프 레벨 그룹을 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 관한 것이다.
모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC:modular multilevel converter)는 전압을 충전 또는 방전할 수 있는 복수의 서브 모듈이 직결되어 복수레벨의 전압을 발생시킬 수 있는 컨버터이다.
도 1은 일반적인 모듈형 멀티레벨 컨버터를 보여주는 것으로 3상 모듈형 멀티레벨 컨버터이다.
도 1을 참조하면 일반적인 모듈형 멀티레벨 컨버터(10)는 각 상마다 서브 모듈(SM:Sub module) 또는 셀(cell)이라 불리는 단위 모듈 N개가 상암과 하암에 직결되며, 상암과 하암이 하나의 암(arm)을 구성한다.
또한, 도시하지는 않았으나 상기 서브 모듈들의 스위치를 온/오프하기 위한 스위칭 제어기가 포함된다.
상기 서브 모듈의 공칭(nominal) 값은 전체 직류 단 전압을 n등분한 값이며, 한 암에서 출력되는 전압은 각 서브 모듈에서 출력되는 전압의 합과 같다.
또한, 출력단(VDC)을 중심으로 상암과 하암이 연결되어 하나의 레그(leg)를 구성하게 되는데 각 암에는 전체 직류 단 전압원과 각 서브 모듈 간의 전압원 및 출력단의 전압원과 각 서브 모듈 간의 전압원의 충돌을 방지하기 위해 인덕터(LS)가 구비된다.
이러한 인덕터(암 인덕터)는 각 서브 모듈들이 동일한 전류원을 공유할 수 있도록 하며, 전체 직류단의 단락(short-circuit) 사고 시, 암에 흐르는 단락 전류의 급격한 증가를 방지하는 역할을 한다.
또한, 상기 각 서브 모듈(11)은 하나의 전압원(11a,vc)과 하나의 스위치(11b)로 등가화할 수 있으며, 상기 스위치(11b)는 상기 전압원(11a)을 암에 연결하거나 바이패스를 형성하며, '온'될 경우, 전류의 방향에 따라 상기 전압원(11a)이 충전 또는 방전되게 한다.
또한, 상기 각 서브 모듈(11)은 두 개의 스위치와 하나의 커패시터로 구성되는 하프 브리지(Half-bridge) 형태의 모듈(12)일 수 있고, 풀 브리지(full-bridge) 형태의 모듈일 수 있으나 하나의 전압원과 하나의 스위치로 등가화할 수 있는 어떠한 회로구성도 가능하다.
한편, 모듈형 멀티레벨 컨버터는 아래의 세 가지 조건을 만족하도록 스위칭이 이루어져야 한다.
조건 1, 출력전압이 원하는 레벨전압을 발생시킬 수 있어야하고, 조건 2, 각 서브 모듈의 전압은 밸런싱(balancing)이 유지되어야 하며, 조건 3, 조건 1과 조건 2를 만족하면서 스위칭 변동이 최소화되어야 한다.
전압레벨이 '0'또는 'N'인 경우 상암의 서브 모듈이 모두 '온'되거나 '오프'되어야하므로 스위칭의 해는 유일하나 다른 전압레벨에서는 다양한 조합의 스위칭함수가 존재한다. 따라서, 이러한 스위칭 함수 중, 조건 2와 조건 3을 만족하는 스위칭 방식의 연구가 활발하다.
또한, 조건 1을 만족시키기 위해서는 원하는 전압레벨의 수만큼 상암의 서브 모듈의 스위치가 '온'되어야한다.
또한, 조건 2를 만족시키기 위해서는 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 '온'되어야 하는 서브 모듈이 선택되어야 하고, 충전 모드에서는 서브 모듈들 중, 전압 값이 최소인 모듈을 포함하여, 순차적으로 큰 전압 값을 갖는 서브 모듈 순으로 스위치가 '온'되어야 한다.
또한, 방전 모드에서는 전압 값이 최대인 서브 모듈을 포함하여 전압 값이 큰 순서로 서브 모듈의 스위치가 '온'되어야 한다.
도 2는 종래의 스위칭 방법의 일례이다.
도 2를 참조하면, 종래의 스위칭 방법은 먼저, 지령치 전압레벨을 입력받고(S100), 현재 전압레벨과 지령치 전압레벨이 차이가 있는지 판단한다(S200).
만약, 현재 전압레벨과 지령치 전압레벨의 차이가 없다면, 현재의 스위칭 상태를 유지하고(S30), 차이가 있을 경우, 충전 모드인지 방전 모드인지 판단한다(S40).
이때 모드의 판단은 전류 또는 전압의 방향측정을 통해 이루어질 수 있고, 암 전류가 (+)일 경우 방전 모드이고, 암 전류가 (-)일 경우 충전 모드이다.
다음, 모든 서브 모듈의 전압 값을 읽어들이고, 전압 값이 큰 순서 또는 낮은 순서로 서브 모듈의 번호를 소팅(sorting)하며, 충전 모드일 경우, 전압 값이 가장 낮은 서브 모듈부터 오름차순으로 지령치 전압레벨만큼의 서브 모듈들의 스위치를 '온'하고 나머지 서브 모듈들의 스위치는 '오프'한다(S50).
예를 들어, 지령치 전압레벨이 3레벨일 경우, 전압 값이 가장 낮은 서브 모듈을 포함하여 오름차순으로 세 개의 서브 모듈의 스위치를 '온'한다.
만약, 방전 모드일 경우, 전압 값이 가장 높은 서브 모듈부터 내림차순으로 지령치 전압레벨만큼의 서브 모듈들의 스위치를 '온'하고, 나머지 서브 모듈은 '오프'한다(S60).
이러한 스위칭 방법은 최대 또는 최소 전압 값을 갖는 서브 모듈을 포함하여 스위칭이 가능하므로 리플을 최소화할 수 있으나 레벨수가 증가할 경우 전압 값을 소팅하기 위한 시간이 기하급수적으로 증가하여 스위칭 제어기의 연산에 큰 부담으로 작용한다.
도 3는 종래의 스위칭 방법의 다른 예이다.
도 3을 참조하면, 종래의 스위칭 방법의 다른 예는 전압 밸런싱을 유지하면서 스위칭 주파수를 최소화하기 위한 것으로, 먼저, 지령치 전압레벨을 입력받고(S100), 현재 전압레벨과 지령치 전압레벨의 차이가 있는지 판단하여(S200), 차이가 없을 경우, 현재 스위칭 상태를 위치하고(S300), 차이가 있을 경우, 지령치 전압레벨이 현재 전압레벨보다 증가하는지 감소하는지 판단한다(S400).
전압 레벨이 증가할 경우, 충전 모드인지 방전 모드인지 판단하고(S500), 방전 모드일 경우, 스위치가 '온'된 서브 모듈들은 스위칭 상태를 그대로 유지하고, 스위치가 '오프'된 서브 모듈들 중, 전압 값이 최대인 서브 모듈을 포함하여 전압 값의 내림차순으로 전압 레벨 증가분만큼의 서브 모듈의 스위치를 '온'한다(S510).
즉, 종래의 스위칭 방법의 일례와 비교하여 모든 서브 모듈의 스위칭을 '오프'한 후, 다시 '온'하는 것이 아니므로 스위칭 주파수를 최소화할 수 있다.
또한, 충전 모드일 경우, 스위치가 '온'된 서브 모듈의 스위칭 상태는 그대로 유지하고, 스위치가 '오프'된 서브 모듈들 중, 전압 값이 최소인 서브 모듈을 포함하여 전압 값의 오름차순으로 전압 레벨 증가분만큼의 서브 모듈의 스위치를 '온'한다(S520).
전압 레벨이 감소할 경우에는 충전 모드인지 방전 모드인지 판단하고(S600), 방전 모드일 경우, 스위치가 '온'된 서브 모듈들 중에서 전압 값이 최소인 서브 모듈을 포함하여 전압 값의 오름차순으로 전압 레벨의 변화분만큼의 서브 모듈의 스위치를 '오프'한다(S610).
또한, 충전 모드일 경우, 스위치가 '온'된 서브 모듈들 중에서 전압 값이 최대인 서브 모듈을 포함하여 전압 값의 내림차순으로 전압 레벨의 변화분만큼 서브 모듈의 스위치를 '오프'한다(S620).
따라서, 전압 밸런싱은 유지하면서도 스위칭 횟수는 최소화할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이 경우에도 전압 레벨의 변화가 커질 경우, 전압 값을 소팅하기 위한 시간이 증가하는 단점이 있다.
또한, 종래의 모듈형 멀티레벨 컨버터는 동일한 레벨의 서브 모듈로만 이루어지므로 출력되는 레벨 수가 작은 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 서브 모듈을 그룹화하여 출력 레벨 수 할당시 전압 값의 소팅에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 하프 레벨 그룹을 포함하여 지령치 전압 레벨을 출력하므로 출력 레벨 수를 증대할 수 있는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 서브 모듈 그룹들 간에 전압 밸런싱을 유지하며 스위칭하여 멀티레벨 컨버터의 수명을 증대시킬 수 있는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나의 스위치와 전압원으로 등가화되는 복수의 서브 모듈이 직결된 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)의 스위칭 방법으로서, 상기 복수의 서브 모듈은 원 레벨(One-Level)을 출력하는 복수의 원 레벨 서브 모듈과 상기 원 레벨의 절반인 하프 레벨(Half-Level)을 출력하는 복수의 하프 레벨 서브 모듈로 구성되고, 상기 원 레벨 서브 모듈들은 동일한 개수의 서로 다른 원 레벨 서브 모듈로 이루어지는 복수 개의 원 레벨 그룹으로 구분되고, 상기 하프 레벨 서브모듈들은 하나의 하프 레벨 그룹을 이루며, 스위칭 제어기가 각 서브 모듈의 전압 값, 충전 또는 방전 모드 및 지령치 전압 레벨을 읽어들이는 단계; 현재 전압레벨과 상기 지령치 전압 레벨의 차이가 있을 경우, 상기 각 원 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수와 상기 하프 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수를 계산하는 단계; 상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹 각각의 합산 전압들 계산하여 최대 전압 그룹과 최소 전압 그룹을 산출하는 단계; 모드가 방전 모드일 경우, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 감소시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최소 전압 그룹인 갖는 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 감소시키는 단계; 및 상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹이 계산된 출력 레벨 수를 출력하도록 스위칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 출력 레벨 수를 감소시키는 단계 이후에, 상기 최소 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'미만일 경우, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 최소 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'이상인 경우, 상기 최대 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 모드가 충전 모드일 경우, 상기 최대 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 감소시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 감소시킨다.
바람직한 실시예에 있어서, 충전 모드에서, 상기 출력 레벨 수를 감소시키는 단계 이후에, 상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'미만일 경우, 상기 최대 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹의 전압이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 충전 모드에서, 상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'이상인 경우, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹을 포함하는 전체 그룹 개수와 각 그룹 내의 서브 모듈의 개수는 아래의 수학식 1을 만족하도록 구성된다.
[수학식 1]
Figure 112014066212714-pat00001
여기서, k는 전체 그룹 개수이고, g는 각 그룹 내의 서브 모듈 개수이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 각 원 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수와 상기 하프 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수는 아래의 수학식 2에 의해 계산된다.
[수학식 2]
Figure 112014066212714-pat00002
여기서, Xb는 각 원 레벨 그룹의 출력 레벨수, Xc는 하프 레벨 그룹의 출력 레벨수, L은 지령치 전압레벨, INT는 INT 함수(인수를 넘지 않는 가장 큰 정수 값)이다.
또한, 본 발명은 상기 스위칭 방법을 수행하는 스위칭 제어기; 및 상기 스위칭 제어기에 의해 제어되는 모듈형 멀티레벨 컨버터;를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터 장치를 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 스위칭 제어기가 상기 스위칭 방법을 수행하도록 기능하게 하는 스위칭 제어 프로그램이 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 스위칭 방법을 수행하도록 기능하게 하는 스위칭 제어 프로그램이 임베디드된 스위칭 제어기를 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 의하면, 원 레벨과 하프 레벨 서브 모듈을 포함하여 출력 레벨을 형성하므로 출력 레벨 수를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 의하면, 서브 모듈을 그룹화하여 그룹 간에 전압 크기를 비교하므로 전압 값의 소팅에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법에 의하면, 원 레벨 그룹과 하프 레벨 그룹 간에 전압 밸런싱을 유지하며 스위칭할 수 있으므로 멀티레벨 컨버터의 수명을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 모듈형 멀티레벨 컨버터를 보여주는 도면,
도 2는 종래의 스위칭 방법의 일례를 보여주는 흐름도,
도 3은 종래의 스위칭 방법의 다른 예를 보여주는 흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 방법의 흐름도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 스위칭 방법에 의해 제어되는 모듈형 멀티레벨 컨버터를 보여주는 것으로 본 발명의 스위칭 방법에 의해 제어되는 모듈형 멀티레벨 컨버터는 각 암에 원 레벨(One-Level)출력하는 복수 개의 원 레벨 서브 모듈들(SM7,...,SM18)과 원 레벨의 절반인 하프 레벨(half-level)을 출력하는 복수 개의 하프 레벨 서브 모듈들(SM1,...,SM6)이 포함된다.
도 4에 도시한 바와 같이 각 암에 6개의 하프 레벨 서브 모듈과 12개의 원 레벨 서브 모듈이 구비될 경우, 총 31레벨(원 레벨 서브 모듈 수*2+하프 레벨 서브 모듈 수+1)을 출력할 수 있다.
그러나 동일한 레벨의 서브 모듈이 18개 구비될 경우 총 19레벨만을 출력할 수 있으므로 본 발명의 모듈형 멀티레벨 컨버터는 출력 레벨 수를 증대시킬 수 있는 토폴로지이다.
그러나, 상기 하프 레벨 서브 모듈들은 1/4레벨, 1/8레벨의 모듈로 대체될 수 있으며 이 경우 출력 레벨 수를 더욱 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 하프 레벨 서브 모듈들은 하나의 하프 레벨 그룹으로 그룹핑되고 상기 원 레벨 서브 모듈들은 동일한 개수의 서로 다른 원 레벨 서브 모듈들이 하나의 원 레벨 그룹으로 그룹핑되어 복수 개의 원 레벨 그룹으로 구분된다.
도 4를 참조하면, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터는 하나의 하프 레벨 그룹(GP1)과 두 개의 원 레벨 그룹(GP1,GPk)을 포함한다.
또한, 각 그룹에는 6개의 서브 모듈이 구비된다.
그러나, 상기 그룹들의 개수와 각 그룹 내의 서브 모듈의 개수는 아래의 수학식 1을 만족한다면 변경이 가능하다.
Figure 112014066212714-pat00003
여기서, k는 전체 그룹 개수이고, g는 각 그룹 내의 서브 모듈 개수이다.
또한, 본 발명의 스위칭 방법은 상기 각 서브 모듈로 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어기(도시하지 않음)에 의해 수행되고, 상기 스위칭 제어기는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터와 함께 하나의 모듈형 멀티레벨 컨버터 장치로 제공될 수 있다.
또한, 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터 장치는 상기 모듈형 멀티레벨 컨버터의 암 전압 또는 암 전류의 방향 및 서브 모듈의 전압 값을 측정하기 위한 센서장치가 포함될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어기에는 본 발명의 스위칭 방법을 수행하기 위한 스위칭 제어 프로그램이 임베디드될 수 있고, 상기 스위칭 제어 프로그램은 상기 스위칭 제어기를 기능시켜 본 발명의 스위칭 방법이 수행되게 한다.
또한, 상기 스위칭 제어 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 프로그램일 수 있다.
또한, 상기 기록매체는 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에서 공지되어 사용 가능할 것일 수 있으며, 예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어 프로그램은 서버 시스템에 저장되어 인트라넷이나 인터넷 등의 통신망을 통해 클라이언트 시스템으로 전송될 수 있다.
또한, 상기 클라이언트 시스템은 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라 스마트 폰, 태블릿 PC와 같은 스마트 기기, 임베디드 시스템을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 스위칭 방법을 상세히 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 스위칭 방법은 먼저, 스위칭 제어기가 각 서브 모듈의 전압 값, 충전 또는 방전 모드 및 지령치 전압 레벨을 읽어들인다(S1000).
또한, 상기 서브 모듈들의 전압 값은 센서 장치에서 측정되어 상기 스위칭 제어기로 전송됨으로써 읽어 들일 수 있고, 상기 충전 또는 방전 모드는 상기 센서 장치에서 전송되는 암 전류 방향 또는 암 전압 방향으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 지령치 전압 레벨은 사용자로부터 입력받거나 상기 스위칭 제어기에 미리 저장될 수 있다.
다음, 현재 전압 레벨과 상기 지령치 전압 레벨을 서로 비교하여(S2000), 상기 원 레벨 그룹들이 출력하여야할 출력 레벨 수 및 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 계산한다.
더욱 자세하게는 상기 출력 레벨 수는 아래의 수학식 2에 의해 계산된다.
Figure 112014066212714-pat00004
여기서, Xb는 각 원 레벨 그룹의 출력 레벨수, Xc는 하프 레벨 그룹의 출력 레벨수, L은 지령치 전압레벨, INT는 INT 함수(인수를 넘지 않는 가장 큰 정수 값을 계산)이다.
예를 들어, 상기 원 레벨 그룹이 2개이고, 상기 하프 레벨 그룹은 1개이며, 각 그룹의 서브모듈이 6개이고, 지령치 전압 레벨이 9레벨 일 경우, Xa는 INT(9/2(3-1)) 즉, INT(2.25) 이므로 '2'가 되고, Xb는 2-INT(2/6+1) 즉, 2-INT(0.286) 이므로 '2'가 되고, Xc는 9-(2*2(3-1)) 즉, '1'이 되어, 상기 각 원 레벨 그룹의 지령치 출력 레벨 수는 '2'가 되고, 상기 하프 레벨 그룹의 지령치 출력 레벨 수는 '1'이 된다.
즉, 상기 각 원 레벨 그룹에서 두 개의 서브 모듈이 스위칭 '온'되고, 상기 하프 레벨 그룹의 하나의 서브 모듈이 스위칭 '온'될 경우, 9레벨을 출력할 수 있다.
다음, 상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹 각각의 합산 전압을 계산하여 전체 그룹들 중, 합산 전압이 가장 큰 그룹인 최대 전압 그룹과 합산 전압이 가장 작은 그룹인 최소 전압 그룹을 산출한다(S4000).
다음, 모드가 충전 모드인지 방전 모드인지 판단하고(S5000), 방전모드일 경우, 상기 최소 전압 그룹이 하프 레벨 그룹일 경우, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'감소시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹일 경우, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'감소시킨다(S6000).
이는 방전 모드에서 전압이 큰 그룹의 서브 모듈을 '온'하여 그룹 간의 전압 밸런싱을 유지하기 위함이며, 하프 레벨 그룹의 감소 수와 원 레벨 그룹의 감소 수가 서로 상이한 이유는 동일한 크기의 출력을 감소시키기 위함이다.
다음, 상기 최소 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'미만인지 판단하고(S6100), '0'미만 즉, 음수일 경우에는 출력 레벨 수를 '0'으로 만들어 주어야 하므로, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹일 경우, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'증가시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹일 경우, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨을 '1'증가시킨다(S6200).
다음, 상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹에서 해당 출력 레벨 수가 출력되도록 각 그룹 내의 서브 모듈을 스위칭한다.
그러나, 상기 최소 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'이상일 경우에는 'S6000' 단계에서 감소된 레벨 수를 전압 밸런싱을 유지하면서 보상해 주어야 하므로 상기 최대 전압 그룹의 레벨 수를 증가시켜 지령치 전압 레벨이 출력되게 한다.
만약, 상기 최대 전압 그룹이 하프 레벨 그룹일 경우, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹일 경우, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시킨다(S6300).
다음, 모드가 충전 모드인지 방전 모드인지 판단하는 단계(S5000)에서 충전모드로 판단될 경우, 전압이 큰 그룹의 출력 레벨 수를 감소시키고 전압이 작은 그룹의 출력 레벨 수를 증가시켜 전압 밸런싱을 하여야 한다.
자세하게는 상기 최대 전압 그룹이 하프 레벨 그룹일 경우, 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'감소시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹일 경우에는 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'감소시킨다(S7000).
다음, 상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'미만인지 판단하고(S7100), '0'미만일 경우에는 상기 최대 전압 그룹이 하프 레벨 그룹일 경우, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹일 경우, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시켜 상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수를 '0'으로 만들어준다(S7200).
그러나, 상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'이상인 경우에는 전압이 낮은 그룹의 출력 레벨 수를 증가시켜 감소된 출력 레벨 수를 보상하여야 한다.
자세하게는 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹일 경우, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'증가시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹일 경우, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨을 '1'증가시킨다(S7300).
따라서 본 발명의 스위칭 방법에 의하면, 하프 레벨 그룹을 포함하여 출력 레벨 수를 증가시킬 수 있고, 하프 레벨 그룹과 원 레벨 그룹의 전압 밸런싱을 통해 장치의 수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 종래의 스위칭 방법들에 비해 그룹간에 전압을 비교하여 레벨 수를 할당하므로 모듈간에 전압을 비교하는 방법에 비해 비교문의 개수가 줄어들어 연산속도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10:모듈형 멀티레벨 컨버터 11:서브 모듈
11a:전압원 11b:스위치

Claims (11)

  1. 하나의 스위치와 전압원으로 등가화되는 복수의 서브 모듈이 직결된 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC:Modular Multilevel Converter)의 스위칭 방법으로서,
    상기 복수의 서브 모듈은 원 레벨(One-Level)을 출력하는 복수의 원 레벨 서브 모듈과 상기 원 레벨의 절반인 하프 레벨(Half-Level)을 출력하는 복수의 하프 레벨 서브 모듈로 구성되고, 상기 원 레벨 서브 모듈들은 동일한 개수의 서로 다른 원 레벨 서브 모듈로 이루어지는 복수 개의 원 레벨 그룹으로 구분되고, 상기 하프 레벨 서브모듈들은 하나의 하프 레벨 그룹을 이루며,
    스위칭 제어기가 각 서브 모듈의 전압 값, 충전 또는 방전 모드 및 지령치 전압 레벨을 읽어들이는 단계;
    현재 전압레벨과 상기 지령치 전압 레벨의 차이가 있을 경우, 상기 각 원 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수와 상기 하프 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수를 계산하는 단계;
    상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹 각각의 합산 전압들 계산하여 최대 전압 그룹과 최소 전압 그룹을 산출하는 단계;
    모드가 방전 모드일 경우, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 감소시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 감소시키는 단계; 및
    상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹이 계산된 출력 레벨 수를 출력하도록 스위칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 레벨 수를 감소시키는 단계 이후에,
    상기 최소 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'미만일 경우, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 최소 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'이상인 경우, 상기 최대 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    모드가 충전 모드일 경우, 상기 최대 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 감소시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    충전 모드에서, 상기 출력 레벨 수를 감소시키는 단계 이후에,
    상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'미만일 경우, 상기 최대 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹의 전압이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최대 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최대 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    충전 모드에서, 상기 최대 전압 그룹의 출력 레벨 수가 '0'이상인 경우, 상기 최소 전압 그룹이 상기 하프 레벨 그룹이라면, 상기 하프 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '2'만큼 증가시키고, 상기 최소 전압 그룹이 원 레벨 그룹이라면, 상기 최소 전압 그룹인 원 레벨 그룹의 출력 레벨 수를 '1'만큼 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원 레벨 그룹들과 상기 하프 레벨 그룹을 포함하는 전체 그룹 개수와 각 그룹 내의 서브 모듈의 개수는 아래의 수학식 1을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112014066212714-pat00005

    여기서, k는 전체 그룹 개수이고, g는 각 그룹 내의 서브 모듈 개수이다.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 원 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수와 상기 하프 레벨 그룹이 출력하여야할 출력 레벨 수는 아래의 수학식 2에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터의 스위칭 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112014066212714-pat00006

    여기서, Xb는 각 원 레벨 그룹의 출력 레벨수, Xc는 하프 레벨 그룹의 출력 레벨수, L은 지령치 전압레벨, INT는 INT 함수(인수를 넘지 않는 가장 큰 정수 값)이다.
  9. 제 7 항의 스위칭 방법을 수행하는 스위칭 제어기; 및
    상기 스위칭 제어기에 의해 제어되는 모듈형 멀티레벨 컨버터;를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터 장치.
  10. 스위칭 제어기가 제 7 항의 스위칭 방법을 수행하도록 기능하게 하는 스위칭 제어 프로그램이 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  11. 제 7 항의 스위칭 방법을 수행하도록 기능하게 하는 스위칭 제어 프로그램이 임베디드된 스위칭 제어기.
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