KR101762357B1 - 태양광 인버터 제어 장치 및 방법 - Google Patents

태양광 인버터 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

태양광 인버터 제어 장치 및 방법이 개시된다. 상기 태양광 인버터 제어 장치는 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정하는 측정부; 기 설정된 기준 파라미터와 상기 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산하는 오차 연산부; 상기 오차 연산부에서 산출한 오차와 라게르 함수(Laguerre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출하는 비용함수 산출부; 상기 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출하는 최적화부; 및 상기 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함한다.

Description

태양광 인버터 제어 장치 및 방법{CONTROL DEVICE AND METHOD FOR VOLTAGE SOURCE INVERTER}
본 발명은 태양광 인버터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전소 전력 변환용 전압원 인버터 제어에 사용되는 태양광 인버터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
태양광 인버터(VSI, Voltage Source Inverter)제어는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식이 주로 이용되고 있다. 인버터는 비선형성과 다중입출력(MIMO)이 갖는 시스템적 특성을 가지고 있는데 스위칭 소자(IGBT 등)의 역회복 지연과 잔류전류에 의한 스위칭 손실 등의 소자적 특성 한계가 있다는 문제가 있다.
이에 대한 대안으로 모델예측제어(MPC, Model Predictive Control) 기법이 연구되고 있다. 하지만, 모델예측제어 기법은 모델 예측과 최적점 제어를 위해 많은 계산량이 요구되기 때문에 인버터와 같은 빠른 속도로 동작하는 비선형 시스템에 적용하는 것은 어렵다.
최근에는 비레적분 PI제어기를 이용하여 인버터를 제어하는 방식이 사용되고 있지만 비례 제어기(P)는 기준값에 정확하게 수렴하지 못한다는 문제가 있으며, 적분 제어기(I)는 이득 조정이 잘못되면 발산하는 등 시스템이 불완전해지고 느려진다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양광 인버터의 상태를 예측하기 위한 변수를 신속하고 정확하게 산출할 수 있는 태양광 인버터 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 태양광 인버터의 목표 출력을 정확하게 추종할 수 있는 태양광 인버터 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 연산 과정을 감소시킬 수 있으며 정형화된 해를 가진 모델식을 적용하여 처리속도를 향상시킴으로써 온라인 시스템 구현이 가능한 태양광 인버터 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정하는 측정부; 기 설정된 기준 파라미터와 상기 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산하는 오차 연산부; 상기 오차 연산부에서 산출한 오차와 라게르 함수(Laguerre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출하는 비용함수 산출부; 상기 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출하는 최적화부; 및 상기 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 태양광 인버터 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 측정부가 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정하는 단계; 오차 연산부가 기 설정된 기준 파라미터와 상기 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산하는 단계; 비용함수 산출부가 상기 오차 연산부에서 산출한 오차와 라게르 함수(Laguerre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출하는 단계; 최적화부가 상기 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출하는 단계; 및 제어부가 상기 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 태양광 인버터 제어 방법을 제공한다.
본 발명인 태양광 인버터 제어 장치 및 방법은 태양광 인버터의 상태를 예측하기 위한 변수를 신속하고 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 본 발명은 태양광 인버터의 목표 출력을 정확하게 추종할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터의 개념도,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 블록도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프,
도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프,
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프,
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프,
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프,
도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터의 개념도이다, 도1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터는3상 전압형 인버터로 3상 출력 전류는 클라크(Clarke) 변환식에 따라 2개의 벡터 성분으로 변환되어 태양광 인버터 제어 장치에 입력될 수 있다.
태양광 인버터 제어 장치는 태양광 인버터의 출력값과 입력값을 이용하여 미래의 출력값을 예측하고 추종 제어를 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
태양광 인버터 제어 장치로부터 출력되는 2개의 제어 신호는 역 클라크 변환식에 따라 3상 전압 제어 신호로 출력되어 태양광 인버터에 입력된다.
태양광 인버터 제어 장치의 제어 신호는 하기 수학식 1로 기술될 수 있으며, Sa, Sb, Sc는 각각 노드 a, b, c의 개폐 상태를 의미할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015116240105-pat00001
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 블록도이다. 도2를 참고하면 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치(100)는 측정부(110), 오차 연산부(120), 비용함수 산출부(130), 최적화부(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 측정부(110)는 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정할 수 있다. 측정부(110)는 예를 들면, 태양광 인버터 각 상의 출력 전류를 측정할 수 있다. 측정부(110)는 측정한 출력 파라미터에 클라크 함수를 적용하여 2개의 출력 벡터로 변환할 수 있다. 태양광 인버터는 예를 들면 하기 수학식 2에 따라 3상 출력 파라미터를 2개의 출력 벡터로 변환할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015116240105-pat00002
수학식 2에서 Xα, Xβ는 출력 벡터이고, Xa, Xb, Xc는 3상 출력 파라미터이다.
오차 연산부(120)는 기 설정된 기준 파라미터와 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산할 수 있다. 오차 연산부(120)는 기 설정된 기준 파라미터와 클라크 변환된 2개의 벡터를 이용하여 오차를 연산할 수 있다.
비용함수 산출부(130)는 오차 연산부(120)에서 산출한 오차와 라게르 함수(Lagurre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출할 수 있다. 비용함수 산출부(130)는 라게르 함수로 정의되는 입력변수를 이용하여 제어변수를 산출하고, 제어변수 및 상기 오차의 합을 비용함수로 산출할 수 있다. 비용함수 산출부(130)는 예를 들면 하기 수학식 3에 따라 비용함수 J를 산출할 수 있다.
[수학식3]
Figure 112015116240105-pat00003
(여기서,
Figure 112015116240105-pat00004
는 입력변수 입력변수,
Figure 112015116240105-pat00005
는 상태벡터 η, N은 차수, lj(k)는 임의의 상태에서의 라게르 함수 차수)
Figure 112015116240105-pat00006
(여기서,
Figure 112015116240105-pat00007
Figure 112015116240105-pat00008
이고, △U =
Figure 112015116240105-pat00009
=
Figure 112015116240105-pat00010
)
수학식3에서 R, Q는 가중치로써 설정에 의하여 변경될 수 있는 값이다.
최적화부(140)는 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출할 수 있다. 최적화부(140)는 비용함수의 변화율을 최소로하는 입력변수를 최적화 입력변수로 산출할 수 있다. 즉, 최적화부(140)는 입력변수
Figure 112015116240105-pat00011
와 비용함수 J의 편미분 값이 0이 되는 입력변수 값을 산출할 수 있다. 최적화부(140)는 예를 들면 하기 수학식 4를 만족하는 입력변수
Figure 112015116240105-pat00012
를 산출함으로써 최적화 입력변수를 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015116240105-pat00013
제어부(150)는 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력할 수 있다. 제어부(150)는 예측한 출력 파라미터에 역클라크 변환을 적용한 3상 제어신호로 변환한 후 태양광 인버터로 출력할 수 있다. 제어부(150)는 하기 수학식 5에 따라 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015116240105-pat00014
수학식 5에서 x(ki + 1|ki)는 임의의 상태를 의미하고, Ax(ki)는 시스템값을, BΔu(ki)는 제어값을 의미한다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이고, 도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도3 및 도4에서 차수 N=5로 고정하고, 도3에서는 극점(a)의 값을0.1로 제어범위(Nc)를 2로 설정하였으며, 도4에서는 극점(a)의 값을0.5로 제어범위(Nc)를 8로 설정 설정하였다.
도3 및 도4를 참고하면, 차수가 5차일 때 극점(a)와 제어범위(Nc)에 따른 제어 특성은 제어범위(Nc)가 증가할수록 최대 첨두치 값을 감소시키고 빠르게 정상상태에 도달하였다. 제어범위(Nc)를 증가시킬 경우 계산량 대비 오차 정정이 적었으며 제어범위(Nc)가 8일 때 가장 정확하게 추종하였다.
도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프, 도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도5 및 도6에서는 극점(a)를 0.8로 고정하고, 도5에서는 차수 N은 1로 제어범위(Nc)는 5로 설정하였으며, 도6에서는 차수 N은 5로 제어범위(Nc)는 23으로 설정하였다.
도5 및 도6을 참고하면, 극점(a) 이 0.8일때 차수(N)와 제어범위(Nc)에 따른 태양광 인버터 제어 특성은 라게르 함수의 차수(N)와 제어범위(Nc)가 증가할수록 부하전류의 첨두치가 줄었다. 그러나 스위칭 소자(IGBT, MOSFET 등)로 제어되는 인버터에 라게르 함수의 특성을 적용하는 것은 스위칭 시간에 맞는 On, Off 동작에 한정될 수 밖에 없으므로 모델 예측제어의 제어범위(Nc)는 제한되었으며 극점(a)의 증가는 빠른 정상상태 응답을 보이지만, 그에 따른 더 큰 제어범위(Nc)가 요구되었다.
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이고, 도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 인버터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도7 및 도8에서는 제어범위(Nc)를 50으로 고정하고, 도7에서는 차수 N은 4로 극점(a)는 0.9231로 설정하였으며, 도8에서는 차수 N은 10으로 극점(a)는 0.8187로 설정하였다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 제어범위(Nc)가 50일 때 차수(N)과 극점(a)에 따른 태양광 인버터 제어 특성은 제어범위(Nc)가 큰 경우 첨두치의 정상상태 추종이 차수(N)와 극점(a)의 값에 미소하게 제어성능을 개선하였다. 제한된 제어범위(Nc)내에서 차수(N)의 조정에 따른 영향은 일정 차수(N)까지는 추종성능이 개선되지만, 그 이상에서는 추종의 정확도는 크게 개선되지 않았다.
도9는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터 제어 방법의 순서도이다.
도9를 참고하면, 먼저 측정부는 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정한다. 측정부는 측정한 출력 파라미터에 클라크 함수를 적용하여 2개의 출력 벡터로 변환할 수 있다(S901).
오차 연산부는 기 설정된 기준 파라미터와 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산할 수 있다. 오차 연산부는 기 설정된 기준 파라미터와 클라크 변환된 2개의 벡터를 이용하여 오차를 연산할 수 있다(S902).
비용함수 산출부는 오차 연산부에서 산출한 오차와 라게르 함수(Lagurre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출한다. 비용함수 산출부는 라게르 함수로 정의되는 입력변수를 이용하여 제어변수를 산출하고, 제어변수 및 상기 오차의 합을 비용함수로 산출한다(S903).
최적화부는 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출한다. 최적화부는 비용함수의 변화율을 최소로하는 입력변수를 최적화 입력변수로 산출한다(S904).
제어부는 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력한다. 제어부는 예측한 출력 파라미터에 역클라크 변환을 적용항 3상 제어신호로 변환한 후 태양광 인버터로 출력한다(S905).
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
100: 태양광 인버터 제어 장치
110: 측정부
120: 오차 연산부
130: 비용함수 산출부
140: 최적화부
150: 제어부

Claims (6)

  1. 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정하는 측정부;
    기 설정된 기준 파라미터와 상기 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산하는 오차 연산부;
    상기 오차 연산부에서 산출한 오차와 라게르 함수(Laguerre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출하는 비용함수 산출부;
    상기 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출하는 최적화부; 및
    상기 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하며,
    상기 비용함수 산출부는 상기 라게르 함수로 정의되는 입력변수를 이용하여 제어변수를 산출하고, 상기 제어변수 및 상기 오차의 합을 상기 비용함수로 산출하는 태양광 인버터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최적화부는 상기 비용함수의 변화율을 최소로하는 입력변수를 상기 최적화 입력변수로 산출하는 태양광 인버터 제어 장치.
  4. 측정부가 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 측정하는 단계;
    오차 연산부가 기 설정된 기준 파라미터와 상기 출력 파라미터를 비교하여 오차를 연산하는 단계;
    비용함수 산출부가 상기 오차 연산부에서 산출한 오차와 라게르 함수(Laguerre Function)로 정의되는 입력함수를 이용하여 비용함수를 산출하는 단계;
    최적화부가 상기 비용함수를 최적화하는 최적화 입력변수를 산출하는 단계; 및
    제어부가 상기 최적화 입력변수를 적용하여 태양광 인버터 각 상의 출력 파라미터를 예측하고, 예측된 결과에 따라 각 상의 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 비용함수 산출부는 상기 라게르 함수로 정의되는 입력변수를 이용하여 제어변수를 산출하고, 상기 제어변수 및 상기 오차의 합을 상기 비용함수로 산출하는 태양광 인버터 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 최적화부는 상기 비용함수의 변화율을 최소로하는 입력변수를 상기 최적화 입력변수로 산출하는 태양광 인버터 제어 방법.
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