KR101750808B1 - Hybrid generation system - Google Patents

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KR101750808B1 KR1020150116362A KR20150116362A KR101750808B1 KR 101750808 B1 KR101750808 B1 KR 101750808B1 KR 1020150116362 A KR1020150116362 A KR 1020150116362A KR 20150116362 A KR20150116362 A KR 20150116362A KR 101750808 B1 KR101750808 B1 KR 101750808B1
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이충훈
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재단법인 자동차융합기술원
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Abstract

본 발명은 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 자동차에 사용되는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 자동차의 엔진과 연결되어 엔진의 동력을 이용하여 교류 전력을 생산하는 발전기, 발전기와 연결되어 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 양방향 컨버터, 양방향 컨버터에서 공급되는 직류 전력을 저장하는 배터리, 발전기와 연결되어 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류부, 정류부에서 변환된 직류 전력을 승압하는 직류/직류 컨버터, 직류/직류 컨버터에서 변환된 직류 전력을 상용 교류 전력을 변환하여 부하로 전송하는 직류/교류 인버터 및 정류부의 출력 전압을 제어하는 제어부를 포함하되, 제어부는 정류부에 포함된 브리지 컨버터부의 스위치들과 직류단 스위치를 제어하는 제어신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid power generation system, and more particularly, to a hybrid power generation system for use in an automobile, which includes a generator that is connected to an engine of an automobile and generates AC power by using engine power, A bidirectional converter for converting electric power to DC, a battery for storing DC power supplied from a bidirectional converter, a rectifier for converting three-phase AC power to DC, a DC / DC converter for boosting the DC power converted from the rectifier, A DC / AC inverter for converting the DC power converted from the DC / DC converter into a commercial AC power and transmitting the converted AC power to the load, and a control unit for controlling an output voltage of the rectifying unit, wherein the controller controls the switches of the bridge converter unit, And a control signal for controlling the switch To a hybrid power generation system.

Description

하이브리드 발전 시스템{HYBRID GENERATION SYSTEM}[0001] HYBRID GENERATION SYSTEM [0002]

본 발명은 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 엔진과 연결된 발전기를 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 배터리에 충전된 전력을 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid power generation system, and more particularly, to a hybrid power generation system capable of supplying power to an external load through a generator connected to an engine and supplying power to an external load through electric power charged in the battery.

자동차는 휴발유, 디젤 연료, 가스 연료 등의 화석 연료 또는 배터리에 충전된 전기를 사용하여 운행된다.Cars are operated using fossil fuels such as refueling oil, diesel fuel, gas fuel, or electricity charged in the battery.

최근 산업발달에 따라 레저용 자동차 등이 많이 보급되고 있는 추세이다. 캠핑카 등의 레저용 차량은 트레일러가 부착된 캠핑카 또는 트레일러를 연결할 수 있는 차량 등이 개발되고 있다. Leisure vehicles are becoming more popular due to recent industrial developments. BACKGROUND ART [0002] Recreational vehicles such as camping cars are developed with a camper with a trailer or a vehicle capable of connecting a trailer.

전기가 설치되지 않은 지역에서 캠핑을 할 경우, 별도의 발전기를 차량에 부착하거나, 차량에 탑재해야 하며, 고용량의 배터리를 사용하는 경우도 있다. 그러나, 이러한 발전기는 차량의 무게를 크게 증가시켜 차량의 연비를 저감시키고, 배기가스의 배출량을 늘리는 문제가 있다. 그리고 발전기를 구동시키기 위한 별도의 연료를 사용해야 한다.When camping in an area where no electricity is installed, a separate generator must be attached to the vehicle, mounted on the vehicle, or a high-capacity battery may be used. However, such a generator greatly increases the weight of the vehicle, thereby reducing the fuel consumption of the vehicle and increasing the emission amount of the exhaust gas. And a separate fuel to drive the generator.

한국등록실용 20-0356248호(발전기 전용 수납실을 갖는 캠핑카)는 상기와 같이, 발전기 전용 수납실이 구비된 캠핑카에 관한 것으로 캠핑카의 트레일러에 발전기를 별도로 보관하는 수납실이 구비된다. 발전기의 보관을 위한 수납실이 별도로 구비되어야 하므로 트레일러의 무게가 증가하고, 공간이 협소해지는 문제점이 있다.The Korean Registered Utility Model No. 20-0356248 (a camper car having a generator storage compartment) is provided with a storage compartment for separately storing a generator in a trailer of a camper car. There is a problem that the weight of the trailer is increased and the space is narrowed because a storage room for storing the generator is separately provided.

또한, 특장차, 소방차 등의 경우 외부에서 전력을 사용해야 될 경우가 발생되며, 이러한 차량들도 별도의 발전기를 구비한 상태로 운행을 하므로 상기와 같은 문제점이 대두되고 있다.In addition, in the case of specially equipped vehicles, fire engines, etc., electric power must be used from the outside, and such vehicles also operate with a separate generator.

또한, 종래 정류부의 경우 발전기 측과 정류부측에 전류센서와 전압센서를 구비하여 3상 입력전압 및 3상 입력전류를 수신하여 정류부를 제어해야 하므로, 전압 및 전류 센서들이 추가로 사용되어야 하며, 효율도 높지 않다.Further, in the conventional rectifying part, since the current sensor and the voltage sensor are provided on the generator side and the rectifying part side to receive the three-phase input voltage and the three-phase input current to control the rectification part, voltage and current sensors should be additionally used, Is not high.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 엔진과 연결된 발전기를 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 배터리에 충전된 전력을 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 발전기와 정류부 사이에 전압센서를 사용하지 않고 정류기를 제어할 수 있는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electric power supply system for a vehicle, which can supply electric power to an external load through a generator connected to an engine, To a hybrid power generation system capable of controlling a rectifier without using a rectifier.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 자동차에 사용되는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 상기 자동차의 엔진과 연결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기와 연결되어 상기 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 양방향 컨버터; 상기 양방향 컨버터에서 공급되는 직류 전력을 저장하는 배터리; 상기 발전기와 연결되어 상기 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류부; 상기 정류부에서 변환된 직류 전력을 승압하는 직류/직류 컨버터; 상기 직류/직류 컨버터에서 변환된 직류 전력을 상용 교류 전력을 변환하여 부하로 전송하는 직류/교류 인버터; 및 상기 정류부의 출력 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 정류부는 상기 발전부로부터 3상 전압 및 전류가 입력되는 입력부에 6개의 스위치가 브리지 형태로 결선된 브리지 컨버터부;와 상기 직류/직류 컨버터로 출력되는 출력부에 2개의 인덕터와 2개의 커패시터가 Z-임피던스를 가지도록 형성되며, 제1 인덕터와 제1 커패시터에 공통으로 연결되는 직류단 스위치가 형성된 Z-소스 네트워크를 포함하며, 상기 제어부는 상기 브리지 컨버터부의 스위치들과 상기 직류단 스위치를 제어하는 제어신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a hybrid power generation system for use in an automobile, the hybrid power generation system comprising: a generator connected to an engine of the automobile to generate AC power using power of the engine; A bidirectional converter connected to the generator to convert the three-phase AC power supplied from the generator to DC; A battery for storing DC power supplied from the bidirectional converter; A rectifier connected to the generator for converting the three-phase AC power into DC; A DC / DC converter for boosting the DC power converted by the rectifier; A DC / AC inverter converting the DC power converted by the DC / DC converter into a commercial AC power and transmitting the converted AC power to the load; And a control unit for controlling an output voltage of the rectifying unit, wherein the rectifying unit includes: a bridge converter unit having six switches connected to an input unit to which three-phase voltage and current are input from the power generating unit, And a Z-source network in which two inductors and two capacitors have Z-impedance in an output portion output to the converter, and a DC inductor connected in common to the first inductor and the first capacitor are formed, And the control unit supplies a control signal for controlling the switches of the bridge converter unit and the direct current switch.

상기 제어부는 상기 발전기에서 입력되는 적어도 2개의 상전류를 통해 나머지 상전류를 계산하고, 상기 3개의 상전류와 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압 및 암 단락 지수를 통해 3상의 추정된 입력 전압을 출력하는 입력 전압 추정부; 상기 3상의 추정된 입력 전압과, 상기 3개의 상전류를 통해 상기 3상의 추정된 입력 전압의 D-Q변환을 수행하는 D-Q 변환부; 상기 D-Q 변환부에서 출력된 전압을 통해 위상각을 제어하는 위상각 제어부; 및 상기 위상각 제어부에서 출력된 추정 위상각과 상기 암 단락 지수를 통해 상기 브리지 컨버터부의 복수의 스위치들과 상기 직류단 스위치의 턴온 및 턴오프 시간을 제어하는 공간벡터 변조부;를 포함할 수 있다.Wherein the control unit calculates the remaining phase currents through at least two phase currents input from the generator, and calculates an input voltage drop to output an estimated input voltage of three phases through the three phase currents, the DC voltage output from the rectifying unit, government; A DQ converting unit for performing DQ conversion of the estimated input voltage of the three phases and the estimated input voltage of the three phases through the three phase currents; A phase angle controller for controlling a phase angle through a voltage output from the D / Q converter; And a space vector modulator for controlling the turn-on and turn-off times of the plurality of switches and the dc switch of the bridge converter through the estimated phase angle output from the phase angle controller and the arm shortfall index.

상기 입력 전압 추정부는

Figure 112015080058540-pat00001
(여기서, Ea,b,c est a, b, c상의 추정된 입력 전압, Ea,b,c는 a, b, c상의 입력 상전압, Do는 암단락 지수임) 로 계산되어 상기 추정된 입력 전압을 각 상별로 출력할 수 있다.The input voltage estimating unit
Figure 112015080058540-pat00001
(Wherein, E a, b, c est is a, b, c on the estimated input voltage, Ea, b, c are a, b, c phase input voltage, D o on the cancer being shunt index) And output the estimated input voltage for each phase.

상기 제어부는 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 통해 상기 암단락 지수를 생성하는 PI제어부를 더 포함할 수 있다.The control unit may further include a PI controller for generating the arm short-circuit index through the DC voltage output from the rectifier.

상기 직류/직류 컨버터는 승압된 전력을 상기 부하에 공급할 수 있다.The DC / DC converter can supply the boosted power to the load.

상기 하이브리드 발전 시스템은 상기 부하의 전력 사용량이 상기 엔진의 동력을 통해 생산되는 전력량에 비해 더 클 경우 상기 배터리에서 상기 양방향 컨버터로 전력을 공급하여 상기 발전기에서 상기 양방향 컨버터에서 공급되는 전력을 통해 발전할 수 있다.Wherein the hybrid power generation system supplies power from the battery to the bidirectional converter and generates power from the power supplied from the bidirectional converter in the generator when the power consumption of the load is larger than the amount of power produced through the power of the engine .

상기 하이브리드 발전 시스템은 상기 엔진이 정지상태인 경우 상기 배터리에서 상기 교류 부하 또는 상기 직류 부하에 전력을 공급할 수 있다.The hybrid power generation system may supply power to the alternating current load or the direct current load from the battery when the engine is in a stopped state.

본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 엔진 동력에 의해 배터리를 충전시키거나, 부하에 전력을 공급할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 차량의 엔진 가동을 하지 않고, 배터리에 충전된 전력을 통해 부하에 전력을 공급할 수 있다.The hybrid power generation system according to the embodiment of the present invention can charge the battery or supply electric power to the load by the engine power. At this time, the hybrid power generation system according to the embodiment of the present invention can supply power to the load through the electric power charged in the battery without operating the engine of the vehicle.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 부하의 전력 요구량이 많을 경우 엔진과 배터리의 동력을 모두 사용하여 부하에 전력을 공급할 수 있다.In addition, the hybrid power generation system according to the embodiment of the present invention can supply power to the load by using both the engine and the power of the battery when the load requires a large amount of power.

본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 소방차, 레커차 등의 구난용 자동차에 사용되거나 레저용 자동차 등에 사용될 수 있다.The hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention can be used in a rescue vehicle such as a fire engine, a laker car, or a leisure car.

본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 발전기에서 공급되는 3상전압을 수신하지 않고 2상의 전류를 수신하여 3상 전압을 추정하고 추정된 전압을 통해 정류기의 스위치를 제어하여 비용이 절감된 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있다.The hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention receives a current of two phases without receiving a three-phase voltage supplied from a generator, estimates a three-phase voltage, and controls a switch of a rectifier through an estimated voltage, Power generation system can be provided.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 도시한 블록도.
도 2은 도 1에 도시된 정류부 및 제어부를 도시한 블록도.
도 3는 도 1 및 도 2에 도시된 하이브리드 발전 시스템의 정류부를 도시한 블록도.
도 4는 도 2에 도시된 입력전압 추정부의 일 예를 도시한 블록도.
도 5는 도 2에 도시된 위상각 제어부의 일 예를 도시한 블록도.
도 6은 도 5에 도시된 위상각 제어부의 위상각 추정 파형을 도시한 파형도.
도 7은 도 2에 도시된 공간 벡터 변좁부의 스위칭 패턴을 도시한 파형도.
도 8은 PSIM 시뮬레이터를 이용한 정상 상태에서의 추정된 입력 교류 전압과 측정된 교류 전압을 비교한 파형도.
도 9는 도 8의 추정된 입력 교류 전압과 측정된 교류 전압을 확대하여 도시한 파형도.
도 10은 추정된 3상 입력 상전압 파형과 위상각을 도시한 파형도.
도 11 및 도 12는 입력 상전압이 변화할 때, 추정 입력 상전압 파형의 과도 응답을 도시한 파형도와 이를 확대한 확대 파형도.
도 13는 단위 입력 역률 제어와 정류부 출력단의 전압 제어를 한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 파형도.
도 14는 종래 PWM 정류기의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도이고, 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 정류부의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도.
도 16은 추정된 입력 전압, 측정된 입력 전압 및 입력 전류에 대한 FFT 분석 결과를 도시한 파형도.
1 is a block diagram showing a hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram showing the rectifying part and the control part shown in Fig.
3 is a block diagram showing a rectifying section of the hybrid power generation system shown in Figs. 1 and 2. Fig.
FIG. 4 is a block diagram showing an example of the input voltage estimating unit shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing an example of the phase angle control unit shown in FIG. 2. FIG.
6 is a waveform diagram showing a phase angle estimation waveform of the phase angle control unit shown in Fig. 5; Fig.
FIG. 7 is a waveform diagram showing a switching pattern of the space vector convergence unit shown in FIG. 2; FIG.
8 is a waveform chart comparing an estimated input AC voltage and a measured AC voltage in a steady state using a PSIM simulator.
Fig. 9 is an enlarged waveform diagram of the estimated input AC voltage and the measured AC voltage of Fig. 8; Fig.
10 is a waveform diagram showing the estimated three-phase input phase voltage waveform and phase angle.
11 and 12 are waveforms showing the transient response of the estimated input phase voltage waveform when the input phase voltage changes, and magnified waveforms obtained by enlarging the waveforms.
13 is a waveform chart showing a result of a simulation for a unit input power factor control and a rectifier output stage voltage control.
FIG. 14 is a waveform chart showing output stage reference voltage fluctuation dynamic characteristics of a conventional PWM rectifier, and FIG. 15 is a waveform chart showing output stage reference voltage fluctuation dynamic characteristics of a rectifying section according to an embodiment of the present invention.
16 is a waveform diagram showing FFT analysis results on the estimated input voltage, the measured input voltage, and the input current.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the description of the present invention with reference to the drawings is not limited to a specific embodiment, and various transformations can be applied and various embodiments can be made. It is to be understood that the following description covers all changes, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the following description, the terms first, second, and the like are used to describe various components and are not limited to their own meaning, and are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Like reference numerals used throughout the specification denote like elements.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms " comprising, "" comprising, "or" having ", and the like are intended to designate the presence of stated features, integers, And should not be construed to preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 16을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 16 attached hereto.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 정류부 및 제어부를 구체적으로 도시한 블록도이며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 정류부의 일 예를 도시한 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically showing a hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram specifically showing a rectifier and a control unit shown in FIG. 1, Fig. 6 is a block diagram showing an example of a rectifying section shown in Fig.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은 엔진(10), 발전기(20), 양방향 컨버터(30), 배터리(40), 전력변환부(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다. 1 to 3, a hybrid power generation system according to the present invention includes an engine 10, a generator 20, a bidirectional converter 30, a battery 40, a power conversion unit 100, and a control unit 200 .

구체적으로, 발전기(20)는 자동차의 엔진(10)에서 전달되는 동력을 수신하여 교류 전력을 생산할 수 있다. 또한, 발전기(20)는 배터리(40)에서 공급되는 전력을 수신하여 교류 전력을 생산할 수 있다.Specifically, the generator 20 can receive the power transmitted from the engine 10 of the automobile and produce AC power. Also, the generator 20 may receive the power supplied from the battery 40 to produce AC power.

발전기(20)는 유도발전기 등이 사용될 수 있다. 발전기(20)는 3상의 교류 전력을 생성하여 출력한다. 이때, 발전기(20)는 자동차에 탑재가 가능하도록 30Kg 정도의 중량을 가진다. 발전기(20)는 발전기(20)를 제어하기 위한 발전기 드라이버(미도시)를 포함할 수 있다. The generator 20 may be an induction generator or the like. The generator 20 generates and outputs AC power of three phases. At this time, the generator 20 has a weight of about 30 Kg so that the generator 20 can be mounted on an automobile. The generator 20 may include a generator driver (not shown) for controlling the generator 20.

배터리(40)는 자동차 내부에 전력 충전을 위해 설치된다. 배터리(40)는 자동차의 용도에 따라 용량이 선택될 수 있다.The battery 40 is installed inside the vehicle for electric power charging. The battery 40 may be selected in capacity depending on the use of the vehicle.

전력변환부(100)는 회로장치들로 구성되며, 정류부(110), 직류/직류 컨버터(120) 및 직류/교류 인버터(130)를 포함할 수 있다.The power converter 100 includes circuit devices and may include a rectifier 110, a DC / DC converter 120, and a DC / AC inverter 130.

양방향 컨버터(30)는 발전기(20)와 배터리(40) 사이에 설치되어 발전기(20)에서 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(40)에 제공할 수 있다. 또한, 양방향 컨버터(30)는 배터리(40)에서 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 발전기(20)에 제공할 수 있다.The bidirectional converter 30 is installed between the generator 20 and the battery 40 to convert AC power supplied from the generator 20 into DC power and provide the battery 40 with the AC power. The bidirectional converter 30 converts the DC power supplied from the battery 40 to AC power and supplies the AC power to the generator 20.

부하(60)에서 사용되는 전력량이 엔진(10)을 통해 공급하지 못할 경우, 배터리(40)에서 양방향 컨버터(30)로 전력을 공급하고, 이를 통해 발전기(20)에 추가 전력을 제공할 수 있다. 또한, 엔진(10)이 정지중일 경우에 배터리(40)에서 공급되는 전력으로 발전을 하여 부하(60)에 전력을 공급할 수 있다.If the amount of power used in the load 60 can not be supplied through the engine 10, it is possible to supply power from the battery 40 to the bidirectional converter 30, thereby providing additional power to the generator 20 . In addition, when the engine 10 is stopped, power can be supplied to the load 60 by power supplied from the battery 40.

여기서, 배터리(40)에서 전력을 공급하는 경우가 발생될 경우 별도의 제어장치 및 스위치 들을 이용하여 배터리(40)에서 양방향 컨버터(30)로 전력이 공급되도록 할 수 있다.Here, when power is supplied from the battery 40, power may be supplied from the battery 40 to the bidirectional converter 30 using a separate control device and switches.

양방향 컨버터(30)는 다수의 전력 스위치 소자를 구비하며, 인덕터 및 커패시터가 직병렬로 연결된 전기회로로 구현될 수 있다. The bi-directional converter 30 has a plurality of power switch elements, and can be implemented as an electric circuit in which an inductor and a capacitor are connected in series and in parallel.

정류부(110)는 발전기(20)에서 출력된 3상 교류 전력을 단상 직류 전력으로 변환한다. 본 발명의 실시 예에 따른 정류부(110)은 도 3에 도시된 바와 같이, 3상 Z-소스 PWM 정류기가 사용될 수 있다.The rectifying unit 110 converts the three-phase alternating-current power output from the generator 20 into single-phase direct-current power. 3, a rectifier 110 according to an embodiment of the present invention can be used with a three-phase Z-source PWM rectifier.

도 3에 도시된 바와 같이, 정류부(110)는 브리지 컨버터부(112) 및 Z-소스 네트워크(114)가 결합된다. As shown in FIG. 3, the rectifying section 110 is coupled to the bridge converter section 112 and the Z-source network 114.

브리지 컨버터부(112)는 제어부(200)에서 입력되는 스위치 신호에 따라 내부의 6개의 스위치들이 온/오프되어 교류 전압을 직류 전압 형태로 정류한다. 그리고, Z-소스 네트워크(114)는 브리지 컨버터부(112)에서 출력된 전압을 승압 또는 강압시켜 직류/직류 컨버터(120)로 제공한다. 이때, Z-소스 네트워크(114)는 직류/직류 컨버터(120)에 직렬로 연결된 직류단 스위치(116)가 구비될 수 있다. Z-소스 네트워크(114)는 출력부에 2개의 인덕터(L1, L2)와 2개의 커패시터(C1, C2)가 Z-임피던스를 가지도록 형성되며, 제1 인덕터(L1)와 제1 커패시터(C1)에 공통으로 연결되는 직류단 스위치(116)가 형성된다.The bridge converter unit 112 switches on / off the six internal switches according to a switch signal input from the controller 200, and rectifies the alternating voltage into a DC voltage. The Z-source network 114 boosts or downstages the voltage output from the bridge converter unit 112 and provides the voltage to the DC / DC converter 120. At this time, the Z-source network 114 may be provided with a dc switch 116 connected in series to the dc / dc converter 120. The Z-source network 114 is formed such that two inductors L1 and L2 and two capacitors C1 and C2 have Z-impedances at the output, and the first inductor L1 and the first capacitor C1 And a DC switch 116 connected in common to the DC switch 116 is formed.

브리지 컨버터부(112)의 a상 전압 방정식은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다. 여기서, Ea는 입력 상전압, ia는 상전류를 나타내며, va는 계통의 중성점 사이에 걸리는 각 상의 전압이다. 또한, Ln, Rn은 교류측 인덕터와 저항을 나타낸다.The a-phase voltage equation of the bridge converter unit 112 can be calculated as shown in Equation (1). Where E a is the input phase voltage, i a is the phase current, and v a is the voltage across each phase between the neutral points of the system. Further, L n and R n denote an AC-side inductor and a resistor.

Figure 112015080058540-pat00002
Figure 112015080058540-pat00002

상기 수학식 1로부터 중성점 사이에 걸리는 a상의 상전압은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.From Equation (1), the phase voltage of the a phase between the neutral points can be calculated by Equation (2).

Figure 112015080058540-pat00003
Figure 112015080058540-pat00003

수학식 2에서 Sa, Sb, Sc는 각 상의 스위칭 상태이며, 각 상의 스위치가 온일 경우 1이고, 오프일 경우 0이 된다. In Equation (2), S a , S b , and S c are switching states of respective phases, and are 1 when the switch of each phase is ON and 0 when OFF.

정류부(110)에 스위칭 패턴은 기존 PWM 정류기와 달리 6개의 유효 벡터와 2개의 영벡터 그리고 추가된 영벡터를 포함하여 9개의 스위칭 패턴으로 구성된다. 추가된 영벡터는 직류단 스위치(116)가 차단 상태일 경우 발생한다.Unlike the conventional PWM rectifier, the switching pattern in the rectifying unit 110 is composed of nine switching patterns including six effective vectors, two zero vectors, and an added zero vector. The added zero vector occurs when the dc switch 116 is in the off state.

여기서, 동작은 비 암단락(non shoot-through state, active state)모드와 암단락(shoot-through state) 모드로 구분 할 수 있다. 동일 암에 위치한 두 스위치의 비 암 단락 시간(TR) 동안은 직류단 스위치(116)가 온 되며, 이 기간 동안 Z-소스 정류부(110)는 전압형 정류기와 같은 동작한다. 이때 Z-소스 네트워크(114)에 인가되는 입력 DC전압(Vin)과 출력 DC전압(Vdc)은 같다. Here, the operation can be classified into a non-shoot-through state (active state) mode and a shoot-through state mode. The DC stage switch 116 is turned on during the specific arm shorting time (TR) of the two switches located in the same arm, and during this period, the Z-source rectifier 110 operates as a voltage-type rectifier. At this time, the input DC voltage V in and the output DC voltage V dc applied to the Z-source network 114 are the same.

동일 암에 위치한 두 스위치가 암 단락되는 시간(TD) 동안에는 직류단 스위치(116)가 오프된 상태가 된다. 이 경우 Z-소스 네트워크(114)에 인가되는 입력 DC전압(Vin)은 출력 DC전압(Vdc) 보다 높은 전압으로 인가된다.During the time (T D ) during which the two switches located in the same arm are short-circuited to each other, the DC switch 116 is turned off. In this case, the input DC voltage V in applied to the Z-source network 114 is applied at a voltage higher than the output DC voltage V dc .

동작 모드시 인가되는 인덕터 평균전압(VL)과 커패시터에 인가되는 평균 전압VC는 수학식 3 및 수학식 4와 같다.The inductor average voltage (V L ) and the average voltage V C applied to the capacitor in the operation mode are expressed by Equations (3) and (4).

Figure 112015080058540-pat00004
Figure 112015080058540-pat00004

Figure 112015080058540-pat00005
Figure 112015080058540-pat00005

브리지 컨버터부(112)에 형성된 다이오드와 Z-소스 네트워크(114)의 커패시터를 통하여 전류 루프가 형성된 암 단락 상태에서는 Z-소스 네트워크(114)는 출력 전압을 승압 또는 강압을 할 수 있으며, 수학식 5 및 수학식 6과 같이 표현된다. In the arm short state in which the current loop is formed through the diode formed in the bridge converter unit 112 and the capacitor of the Z-source network 114, the Z-source network 114 can step up or down the output voltage, 5 and (6).

Figure 112015080058540-pat00006
Figure 112015080058540-pat00006

Figure 112015080058540-pat00007
Figure 112015080058540-pat00007

정류부(110)의 상전압 최대치(Epk)는 수학식 5와 같으며, 종래 PWM 정류기와 다르게 출력전압(Vdc)과 승/강압률(B), 변조지수(M) 그리고 암 단락 지수(Do)가 정의된다. 수학식 6은 승/강압율(B)와 전압 게인(G)를 나타낸다. 여기서 TS는 브리지 컨버터부(112) 내의 6개의 스위치들의 스위칭 주기이며, T7은 직류단 스위치(116)의 스위칭 시간을 나타낸다. Unlike the conventional PWM rectifier, the maximum value E pk of the rectified voltage 110 of the rectifying unit 110 is expressed by Equation 5, and the output voltage V dc , the voltage / current conversion ratio B, the modulation index M, D o ) is defined. Equation (6) represents the voltage / current ratio (B) and the voltage / gain ratio (G). Where TS is the switching period of the six switches in the bridge converter unit 112 and T7 is the switching time of the dc switch 116. [

정류부(110)의 정상상태 모델링은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. Steady-state modeling of the rectifying part 110 can be expressed as Equation (7).

Figure 112015080058540-pat00008
Figure 112015080058540-pat00008

모델링 방정식은 크게 Z-소스 임피던스 네트워크(L1=L2, C1=C2)와 상전압과 상전류 그리고 DC-link 커패시턴스로 구성될 수 있다. 여기서 Ln, Rn은 교류측 인덕터와 저항이며, Cout는 직류/직류 컨버터(120)의 접속 커패시터, L과 C는 Z-소스 네트워크(114)의 인덕터와 커패시터 요소이다. ia,b,c, va,b,c는 각각 선간전류와 선간전압을 나타낸다. VCout는 직류/직류 컨버터(120)에 인가되는 직류 전압, RLoad는 부하저항이다. vc, iL은 Z-소스 네트워크(114)에 인가되는 커패시터 전압과 인덕터 전압이다. 끝으로 da,b,c은 각 선간전압의 듀티 사이클, dST는 암단락 (shoot-through state)시의 듀티비이다.The modeling equation can be largely composed of a Z-source impedance network (L1 = L2, C1 = C2), phase and phase currents, and DC-link capacitance. Where L n and R n are the AC side inductor and resistor, C out is the connection capacitor of the DC / DC converter 120, L and C are the inductor and capacitor elements of the Z- i a, b, c , and v a, b, and c represent line-to-line current and line-to-line voltage, respectively. V Cout is a DC voltage applied to the DC / DC converter 120, and R Load is a load resistance. v c , i L are the capacitor voltage and the inductor voltage applied to the Z-source network 114. Finally, d a, b, and c are the duty cycles of each line voltage, and d ST is the duty ratio at the shoot-through state.

전압 게인은 변조지수에 따라서 가변될 수 있다. 종래의 PWM 정류기에 경우, 변조지수 증가에 비례하여 전압 게인이 선형적으로 증가되나, 본 발명의 정류부(110)는 변조지수에 따라서 지수 함수적으로 전압 게인을 제어 할 수 있다.The voltage gain can be varied according to the modulation index. In the conventional PWM rectifier, although the voltage gain is linearly increased in proportion to the modulation index increase, the rectifying section 110 of the present invention can control the voltage gain exponentially according to the modulation index.

이는 L-C조합 Z-소스 네트워크(114)의 단락 시간을 제어하여 승압 및 강압의 특성을 모두 이용할 수 있기 때문이다. 이상의 특성은 본 발명의 정류부(110)의 변조 지수 변화에 대한 제어변수 특성으로 살펴 볼 수 있으며, 수학식8 및 수학식9으로 나타낼 수 있다.This is because the short-circuit time of the L-C combined Z-source network 114 can be controlled to utilize both the boosting and down-converting characteristics. The above characteristics can be regarded as control variable characteristics for the modulation index variation of the rectifying unit 110 of the present invention, and can be expressed by Equations (8) and (9).

Figure 112015080058540-pat00009
Figure 112015080058540-pat00009

Figure 112015080058540-pat00010
Figure 112015080058540-pat00010

직류/직류 컨버터(120)는 정류부(110)에서 출력되는 단상 직류 전력을 승압하여 출력한다. 직류/직류 컨버터(120)는 약 310[V]로 승압된 전압을 출력한다.The DC / DC converter 120 boosts the single-phase DC power output from the rectifier 110 and outputs it. DC / DC converter 120 outputs a voltage boosted to about 310 [V].

직류/직류 컨버터(120)는 절연형 컨버터가 사용된다. 직류/직류 컨버터(120)는 변압기, 복수의 스위치들, 인덕터 및 커패시터 등의 소자가 결선된 회로가 사용된다. The DC / DC converter 120 uses an insulated converter. The DC / DC converter 120 uses a circuit in which elements such as a transformer, a plurality of switches, an inductor, and a capacitor are connected.

직류/직류 컨버터(120)는 직류/교류 인버터(130)에 승압된 직류 전원을 공급하거나, 부하(60)가 직류 부하일 경우 직접 부하(60)에 전력을 공급할 수 있다.The DC / DC converter 120 may supply DC power to the DC / AC inverter 130 or may supply power to the direct load 60 when the load 60 is a DC load.

직류/교류 인버터(130)는 직류/직류 컨버터(120)에서 출력된 전압을 상용 교류 전력으로 변환하여 부하(60)에 공급한다. 직류/교류 인버터(130)는 단상 인버터 회로로 구현된다. 직류/교류 인버터(130)는 220[V], 60Hz의 전압을 출력한다. 여기서, 직류/교류 인버터(130)는 복수의 스위치 소자, 인덕터 및 커패시터를 구비할 수 있다.The DC / AC inverter 130 converts the voltage output from the DC / DC converter 120 into commercial AC power and supplies it to the load 60. The DC / AC inverter 130 is implemented as a single-phase inverter circuit. The DC / AC inverter 130 outputs a voltage of 220 [V], 60 Hz. Here, the DC / AC inverter 130 may include a plurality of switch elements, an inductor, and a capacitor.

제어부(200)는 정류부(110)의 스위치 소자들의 온/오프를 제어하는 신호를 출력한다. 이때, 제어부(200)는 발전기(20)로부터 입력되는 각 상별 상전류와 정류부(110)에서 출력되는 직류전압을 이용하여 정류부(110)의 입력 전압의 가변 없이 출력 전압의 레벨을 조절할 수 있다.The control unit 200 outputs a signal for controlling ON / OFF of the switching elements of the rectifying unit 110. At this time, the controller 200 can adjust the level of the output voltage without varying the input voltage of the rectifier 110 using the phase currents input from the generator 20 and the DC voltage output from the rectifier 110.

또한, 제어부(200)는 정류부(110)의 출력단 직류 전압과 직류 전류를 이용하여 정류부(110)의 입력 전압과 전류를 추정하여 정류부(110)의 출력 전압 레벨을 조절할 수 있다.The controller 200 can adjust the output voltage level of the rectifier 110 by estimating the input voltage and the current of the rectifier 110 using the output DC voltage and DC current of the rectifier 110.

제어부(200)는 입력전압 추정부(210), D-Q 변환부(240), 위상각 제어부(250), PI제어부(200) 및 공간 벡터 변조부(220)를 포함할 수 있다. The control unit 200 may include an input voltage estimation unit 210, a DQ conversion unit 240, a phase angle control unit 250, a PI control unit 200, and a space vector modulation unit 220.

구체적으로, 입력전압 추정부(210)는 발전기(20)에서 정류부(110)로 입력되는 적어도 두 상의 입력 교류 전류를 수신하여, 두 상의 전류로부터 나머지 1개의 전류를 계산한다. 이어서, 정류부(110)에서 출력되는 직류 전압과 상기 수학식 1, 2를 이용하여, 각 상별 입력 교류 전압을 추정할 수 있다.Specifically, the input voltage estimating unit 210 receives input AC currents of at least two phases input from the generator 20 to the rectifying unit 110, and calculates the remaining one current from the currents of the two phases. Next, the input AC voltage of each phase can be estimated by using the DC voltage output from the rectifying unit 110 and Equations (1) and (2).

Figure 112015080058540-pat00011
Figure 112015080058540-pat00011

수학식 10은 상기 수학식 1, 2와 직류 전압을 이용하여 추정된, a상의 전압을 추정한 계산식이다. 이때, Sk = Sa + Sb + Sc이다.Equation (10) is a formula for estimating the voltage of a-phase estimated using Equations (1) and (2) and DC voltage. At this time, S k = S a + S b + S c .

도 4는 입력 전압 추정부의 일 예를 계략적으로 도시한 블록도이다.4 is a block diagram schematically showing an example of the input voltage estimating unit.

도 4에 도시된 입력 전압 추정부는 입력된 교류 전류를 이용하여 추정된 교류 전압을 계산한다. 이때, Ea,b,c est는 추정된 입력 전압값, ia,b,c는 측정된 입력전류값, Edq est는 추정된 입력 전압의 전압에 대한 D-Q 변환 값이다. Vdc와 Vdc *는 출력단 측정과 지령치 D0는 상술한 암단락과 관련된 암단락 지수이다. θest는 추정된 입력전압과 위상각 제어부(250)를 통하여 발생된 추정된 위상각이다.The input voltage estimating unit shown in FIG. 4 calculates an AC voltage estimated using the inputted AC current. In this case, E a, b and c est are the estimated input voltage values, i a, b and c are the measured input current values, and E dq est is the DQ conversion value of the estimated input voltage. V dc and V dc * are the output stage measurements and setpoint D 0 is the cancer short-cut index associated with the cancer shortage described above. [theta] est is an estimated input voltage and an estimated phase angle generated through the phase angle controller 250. [

도 4에 도시된 입력전압 추정부(210)는 검출된 상전류, 출력 직류 전압 및 스위칭 함수로부터 입력 전압의 진폭 지령치 E* a를 생성한다. 지령 전압 E* a는 수학식 11로부터 연산된 정류부(110)의 암단락 지수(Do)와 곱해져서 추정된 입력 전압 Ea est를 발생시킨다.The input voltage estimator 210 shown in FIG. 4 generates the amplitude command value E * a of the input voltage from the detected phase current, the output DC voltage, and the switching function. Voltage command E * a generates the input voltage E estimate a est multiplied with cancer shunt index (D o) of the rectifying section 110 calculated from the equation (11).

Figure 112015080058540-pat00012
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Figure 112015080058540-pat00013
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Figure 112015080058540-pat00014

한편, 정류부(110)에서 안정적인 전압을 출력하기 위하여, 수학식 13과 같이 Ed est의 값이 0값을 추정해야 하므로 D축을 위상의 에러 성분으로 보고 PI제어부(200)에 PI 제어를 실행한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 위상각 제어부(250)는 출력된 값과 위상각 지령치 ω*와 연산하여 위상각 θest가 출력된다. In order to output a stable voltage in the rectifying unit 110, since a value of E d est must be estimated to be 0 as shown in Equation 13, the PI control unit 200 performs PI control by considering the D axis as an error component of phase . As shown in FIGS. 5 and 6, the phase angle controller 250 calculates the phase angle command value? * And outputs the phase angle? Est .

이때, 수학식 14 및 수학식 15로부터 수학식 16과 같이 위상각을 추정하고, 추정된 위상각(θest) 정보를 좌표 변환에 사용한다.At this time, the phase angles are estimated from Equations (14) and (15), and the estimated phase angle (? Est ) information is used for coordinate conversion.

Figure 112015080058540-pat00015
Figure 112015080058540-pat00015

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공간 벡터 변조부(220)는 높은 변조율과 고조파 함유율이 낮아 3상 전력 변환시스템에 사용된다. 본 발명의 공간 벡터 변조부(220)는 도 7에 도시된 바와 같이 최대 크기를 가지는 VR의 크기(max VR)를 변조지수 1과 같게 하고 그 변조지수에 따라 변화하는 VR과 암단락 벡터 VD로 최대 크기를 가지는 VR을 구성한다. 이때, 영 벡터는 항상 최소의 크기를 갖는 것이 바람직하다. The spatial vector modulator 220 has a low modulation rate and a low harmonic content and is used in a three-phase power conversion system. The spatial vector modulator 220 of the present invention is configured such that the size (max V R ) of V R having the maximum size is made equal to the modulation index 1 as shown in FIG. 7, and the V R and the arm short Construct a V R having the maximum magnitude with the vector V D. At this time, it is preferable that the zero vector always has the minimum size.

공간 벡터 변조부(220)는 출력 전압을 제어하기 위하여, 추정된 입력 상전압과 출력 전압을 검출하여 D-Q 변환부(240)와 PI제어부(200)를 통해 스위칭 인가시간과 출력전압을 제어할 수 있다.The spatial vector modulator 220 detects the estimated input phase voltage and the output voltage to control the output voltage and controls the switching application time and the output voltage through the DQ conversion unit 240 and the PI control unit 200 have.

공간 벡터 변조부(220)의 기준벡터 인가시간은 수학식 17 내지 수학식 20과 같이 계산될 수 있다.The reference vector application time of the spatial vector modulator 220 may be calculated as shown in Equations (17) to (20).

Figure 112015080058540-pat00018
Figure 112015080058540-pat00018

Figure 112015080058540-pat00019
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Figure 112015080058540-pat00020
Figure 112015080058540-pat00020

Figure 112015080058540-pat00021
Figure 112015080058540-pat00021

여기서, 상기 수학식 17 내지 19에서 M은 섹터 번호 이며, a는 위상각이다.In the above Equations 17 to 19, M is a sector number, and a is a phase angle.

이때, 공간 벡터 변조부(220)에 의한 스위칭 패턴은 표 1에 도시된 바와 같다.At this time, the switching pattern by the space vector modulator 220 is as shown in Table 1.

Figure 112015080058540-pat00022
Figure 112015080058540-pat00022

한편, 도 8 내지 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 3상 Z-소스 펄스폭 변조 정류기를 제어하는 제어부에 포함된 각 구성부의 시뮬레이션 파형을 도시한 도면들이다.8 to 16 are diagrams showing simulation waveforms of respective components included in a control unit for controlling the three-phase Z-source pulse width modulation rectifier according to the embodiment of the present invention.

시뮬레이션을 하기 위하여, 표 2와 같이 파라미터 값을 설정하고, PSIM 시스템을 구성하여 결과를 예측하였다.In order to perform the simulation, the parameter values were set as shown in Table 2, and the result was predicted by configuring the PSIM system.

Figure 112015080058540-pat00023
Figure 112015080058540-pat00023

이때, PSIM 시스템은 제어부(200)와 동일한 구성을 가지는 시스템으로 구현되며, 입력 교류 전압 센서가 없으며, 입력 교류 전율 센서와 직류단 전압 센서만으로 제어된다.At this time, the PSIM system is implemented as a system having the same configuration as the control unit 200, and has no input AC voltage sensor, and is controlled by only the input AC current sensor and DC voltage sensor.

시뮬레이션 조건으로 출력 직류 전압의 기준치가 150[V]에서 110[V], 110[V]에서 70[V]로 급변시 출력 직류 전압의 승/강압과 과도응답 특성 및 추정된 입력 교류 전압 파형의 FFT(Fast Fourier Transform) 및 효율을 측정하여 제어부(200)의 성능을 평가하였다.Under the simulation conditions, the output DC voltage reference value changes from 150 [V] to 110 [V], 110 [V] to 70 [V], and the output AC voltage swings and transient response characteristics and the estimated input AC voltage waveform The performance of the controller 200 was evaluated by measuring FFT (Fast Fourier Transform) and efficiency.

도 8은 입력전압 추정부에 추정된 입력전압과 측정된 입력 전압을 상전류와 함께 도시한 파형도이다.8 is a waveform diagram showing an input voltage estimated by the input voltage estimating unit and a measured input voltage together with a phase current.

도 8에 도시된 바와 같이, 정상상태에서 추정된 입력 상전압은 두 상의 입력전류와 직류 전압 만을 사용하여 수학식 11 내지 수학식 13에 의해 연산된 것을 그래프로 표시한 결과, 입력 상전압을 직접 검출한 파형과 비교할 때, 동일한 형태를 보이고 있다.As shown in FIG. 8, when the input phase voltage estimated in the steady state is expressed by the graphs obtained by the equations (11) to (13) using only the input current and DC voltage of the two phases, Compared with the detected waveform, it shows the same form.

도 9는 추정된 입력 교류 전압과 검출된 전압의 확대한 것이다. 9 is an enlarged view of the estimated input AC voltage and the detected voltage.

도 9에 도시된 바와 같이, 추정된 입력 교류 전압과 검출된 전압의 진폭 및 위상이 일치하는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 9, it can be confirmed that the estimated input AC voltage matches the amplitude and phase of the detected voltage.

도 10은 추정된 3상 입력 상전압 파형과 위상각을 도시한 파형도로서, 도 도 10에 도시된 바와 같이, 위상각 제어부를 통해 일정 주파수를 추종하는 것을 확인할 수 있다. FIG. 10 is a waveform diagram showing the estimated three-phase input phase voltage waveform and phase angle. As shown in FIG. 10, it can be confirmed that a certain frequency is followed through the phase angle controller.

도 11 및 도 12는 입력 상전압이 변화할 때, 추정 입력 상전압 파형의 과도 응답을 도시한 파형도와 이를 확대한 확대 파형도로서, 도 13에서 입력 상전압이 0.5[s]구간, 100[V]에서 120[V]로 변동되어도 추정된 입력 상전압은 측정된 입력 상전압의 파형과 동일한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 11에서와 같이 입력 전압이 변동하는 구간에서도 추정된 입력 전압이 측정된 입력 전압의 파형과 위상각 변화 없이 일정 주파수를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.Figs. 11 and 12 are waveforms showing the transient response of the estimated input phase voltage waveform when the input phase voltage changes and enlarged waveforms showing the transient response. Fig. 13 shows the waveforms of the input phase voltage of 0.5 [s] V] to 120 [V], it can be confirmed that the estimated input phase voltage is the same as the measured input phase voltage. Also, as shown in FIG. 11, it can be seen that the estimated input voltage maintains a constant frequency without changing the waveform and phase angle of the measured input voltage even in a period where the input voltage fluctuates.

도 13은 단위 입력 역률 제어와 출력단의 전압 제어를 한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 파형도이다.13 is a waveform chart showing a simulation result for a case where the unit input power factor control and the output stage voltage control are performed.

도 13의 추정된 입력 교류 상전압과 측정된 입력 교류 전류 파형이 서로 동상인 것을 확인할 수 있다. 또한, 직류/직류 컨버터로 출력되는 전압의 기준치를 150[V]로 일정하게 제어할 경우, 출력측 직류 전압에 리플이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the estimated input AC phase voltage and the measured input AC current waveform of FIG. 13 are in phase with each other. Also, when the reference value of the voltage output to the DC / DC converter is constantly controlled to 150 [V], it can be confirmed that the ripple is not generated in the output side DC voltage.

도 14는 종래 PWM 정류기의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도이고, 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 정류부의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도이다.FIG. 14 is a waveform chart showing the output stage reference voltage fluctuation dynamic characteristic of the conventional PWM rectifier, and FIG. 15 is a waveform chart showing the output stage reference voltage fluctuation dynamic characteristic of the rectifying section according to the embodiment of the present invention.

도 14 및 도 15를 참조하면, 종래 PWM 정류기는 150[V] 110[V] 70[V]의 출력 직류 전압 기준치에 대하여, 출력 전압은 입력 전압 이상의 전압으로만 제어됨을 알 수 있다. 이는 브리지 회로내 스위치 온 동작으로 연결되는 회로는 항상 선간 전압이 걸리는 특성 때문에 정류기의 출력 기준 전압은 입력 전압 이하로는 제어 할 수 없기 때문이다. 따라서, 입력전압 보다 낮은 전압으로 출력 직류 전압을 제어하기 위하여 본 발명의 정류기를 사용한다. 도 15와 같이, 150[V] 110[V] 70[V]로 급격한 제어를 할 경우에도 본 발명의 정류부(110)에 사용된 3상 Z-소스 PWM 정류기는 입력전압보다 승압된 출력 직류 전압을 얻거나, 강압된 전압을 얻는 것이 모두 가능하다.Referring to FIGS. 14 and 15, it can be seen that the conventional PWM rectifier controls the output voltage only by a voltage higher than the input voltage with respect to the output DC voltage reference value of 150 [V] 110 [V] 70 [V]. This is because the circuit connected to the switch-on operation in the bridge circuit always has a characteristic that the line-to-line voltage is applied, so that the output reference voltage of the rectifier can not be controlled below the input voltage. Therefore, the rectifier of the present invention is used to control the output DC voltage at a voltage lower than the input voltage. 15, the 3-phase Z-source PWM rectifier used in the rectifying unit 110 of the present invention is designed to output the output DC voltage boosted to be higher than the input voltage even when abrupt control is performed at 150 [V] 110 [V] Or to obtain a reduced voltage.

도 16은 추정된 입력 전압, 측정된 입력 전압 및 입력 전류에 대한 FFT 분석 결과를 도시한 파형도이다.16 is a waveform diagram showing an FFT analysis result on the estimated input voltage, the measured input voltage, and the input current.

도 16에 도시된 바와 같이, FFT 분석결과 추정된 입력 전압, 측정된 입력 전압 및 입력 전류는 모두 60[Hz]의 기본파 성분을 제외한 고조파 성분이 미미한 것으로 보아 각 파형들이 모두 정현파인 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 16, the input voltage, the measured input voltage, and the input current estimated from the FFT analysis are all sinusoidal waves because the harmonic components except for the fundamental wave component of 60 [Hz] are insignificant have.

10: 엔진
20: 발전기
30: 양방향 컨버터
40: 배터리
60; 부하
100: 전력 변환기
110: 정류부
112: 브리지 컨버터부
114: Z-소스 네트워크
116: 직류단 스위치
120: 직류/직류 컨버터
130: 직류/교류 인버터
200: 제어부
210: 입력전압 추정부
220: 공간벡터 변조부
230: PI제어부
240: D-Q 변환부
250: 위상각 제어부
10: Engine
20: generator
30: Bi-directional converter
40: Battery
60; Load
100: power converter
110: rectification part
112: bridge converter section
114: Z-source network
116: DC Switch
120: DC / DC converter
130: DC / AC inverter
200:
210: Input voltage estimation unit
220: Space vector modulating unit
230: PI control unit
240: DQ conversion unit
250: Phase angle controller

Claims (7)

자동차에 사용되는 하이브리드 발전 시스템에 있어서,
상기 자동차의 엔진과 연결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류 전력을 생산하는 발전기;
상기 발전기와 연결되어 상기 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 양방향 컨버터;
상기 양방향 컨버터에서 공급되는 직류 전력을 저장하는 배터리;
상기 발전기와 연결되어 상기 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류부;
상기 정류부에서 변환된 직류 전력을 승압하는 직류/직류 컨버터;
상기 직류/직류 컨버터에서 변환된 직류 전력을 상용 교류 전력을 변환하여 부하로 전송하는 직류/교류 인버터; 및
상기 정류부의 출력 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되,
상기 정류부는
상기 발전기로부터 3상 전압 및 전류가 입력되는 입력부에 6개의 스위치가 브리지 형태로 결선된 브리지 컨버터부;와 상기 직류/직류 컨버터로 출력되는 출력부에 2개의 인덕터와 2개의 커패시터가 Z-임피던스를 가지도록 형성되며, 제1 인덕터와 제1 커패시터에 공통으로 연결되는 직류단 스위치가 형성된 Z-소스 네트워크를 포함하며,
상기 제어부는
상기 브리지 컨버터부의 스위치들과 상기 직류단 스위치를 제어하는 제어신호를 공급하고,
상기 제어부는
상기 발전기에서 입력되는 적어도 2개의 상전류를 통해 나머지 상전류를 계산하고, 상기 3상 전류와 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압 및 암단락 지수를 통해 3상의 추정된 입력 전압을 출력하는 입력 전압 추정부;
상기 3상의 추정된 입력 전압과, 상기 3상 전류를 통해 상기 3상의 추정된 입력 전압의 D-Q변환을 수행하는 D-Q 변환부;
상기 D-Q 변환부에서 출력된 전압을 통해 위상각을 제어하는 위상각 제어부;
상기 위상각 제어부에서 출력된 추정 위상각과 상기 암단락 지수를 통해 상기 브리지 컨버터부의 복수의 스위치들과 상기 직류단 스위치의 턴온 및 턴오프 시간을 제어하는 공간벡터 변조부; 및
상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 통해 상기 암단락 지수를 생성하는 PI제어부를 포함하고,
상기 입력 전압 추정부는
Figure 112017047450428-pat00024

(여기서, Ea,b,c est 는 a, b, c상의 추정된 입력 전압, Ea,b,c는 a, b, c상의 입력 상전압, Do는 암단락 지수임)
로 계산되어 상기 추정된 입력 전압을 각 상별로 출력하며,
상기 양방향 컨버터는 상기 정류부 및 상기 직류/직류 컨버터와 별도로 상기 발전기와 배터리 사이에 설치되어 상기 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리로 제공하거나 상기 배터리에서 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 발전기에 제공하며,
상기 부하의 전력 사용량이 상기 엔진의 동력을 통해 생산되는 전력량에 비해 더 클 경우 상기 배터리에서 상기 양방향 컨버터로 전력을 공급하여 상기 발전기에서 상기 양방향 컨버터에서 공급되는 전력을 통해 발전을 하고,
상기 직류/직류 컨버터는 승압된 전력을 상기 부하에 공급하고,
상기 엔진이 정지상태인 경우 상기 배터리에서 상기 부하에 전력을 공급하고,
상기 직류/직류 컨버터는 절연형 컨버터가 사용되며, 변압기, 복수의 스위치들, 인덕터 및 커패시터가 결선된 회로인 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
In a hybrid power generation system for use in a motor vehicle,
A generator connected to the engine of the automobile to produce AC power using the power of the engine;
A bidirectional converter connected to the generator to convert the three-phase AC power supplied from the generator to DC;
A battery for storing DC power supplied from the bidirectional converter;
A rectifier connected to the generator for converting the three-phase AC power into DC;
A DC / DC converter for boosting the DC power converted by the rectifier;
A DC / AC inverter converting the DC power converted by the DC / DC converter into a commercial AC power and transmitting the converted AC power to the load; And
And a control unit for controlling an output voltage of the rectifying unit,
The rectifying part
A bridge converter unit in which six switches are connected in a bridge form to an input unit to which three-phase voltage and current are input from the generator, and two inductors and two capacitors in the output unit output to the DC / DC converter convert Z- And a Z-source network formed with a DC inductor connected in common to the first inductor and the first capacitor,
The control unit
A control signal for controlling the switches of the bridge converter unit and the direct current switch,
The control unit
An input voltage estimator for calculating a remaining phase current through at least two phase currents input from the generator and outputting an estimated input voltage of three phases through the three-phase current, the DC voltage output from the rectifier, and the arm short circuit index;
A DQ conversion unit for performing DQ conversion of the estimated input voltage of the three phases and the estimated input voltage of the three phases through the three-phase current;
A phase angle controller for controlling the phase angle through the voltage output from the DQ converter;
A space vector modulator for controlling the turn-on and turn-off times of the plurality of switches and the dc switch of the bridge converter through the estimated phase angle output from the phase angle controller and the arm shortfall index; And
And a PI controller for generating the arm short-circuit index via a DC voltage output from the rectifier,
The input voltage estimating unit
Figure 112017047450428-pat00024

(Wherein, E a, b, c est is a, b, c on the estimated input voltage, Ea, b, c are a, b, c phase input voltage, D o on the cancer being shunt index)
And outputs the estimated input voltage for each phase,
The bidirectional converter is provided between the generator and the battery separately from the rectifying unit and the DC / DC converter. The bidirectional converter converts the three-phase AC power supplied from the generator to DC power to provide the battery or DC power supplied from the battery. Converted into alternating-current power and provided to the generator,
If the amount of power used by the load is greater than the amount of power produced through the power of the engine, power is supplied from the battery to the bidirectional converter to generate power from the bidirectional converter in the generator,
Wherein the DC / DC converter supplies the boosted power to the load,
Supplying power to the load from the battery when the engine is in a stopped state,
Wherein the DC / DC converter is an insulated converter, and is a circuit in which a transformer, a plurality of switches, an inductor, and a capacitor are connected.
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