KR101782078B1

KR101782078B1 - 전력계통 시뮬레이터

Info

Publication number: KR101782078B1
Application number: KR1020160025205A
Authority: KR
Inventors: 안종보; 최홍관; 배정효; 이재조
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-10-23
Also published as: KR20170102722A

Abstract

본 발명은 전력계통 시뮬레이터를 공개한다. 본 발명은 1상과 3상 겸용으로 사용할 수 있는 3상 전력계통 시뮬레이터를 제공함으로써, 1상으로 사용할 경우에도 정격용량으로 사용이 가능하며 무엇보다도 3상용 시뮬레이터를 1상으로 사용할 경우에 발생하는 전압의 불안정 내지 불평형 문제를 해결할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 불평형에 의한 불안정성, 용량의 제한 등을 문제를 해결하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 신재생전원용 인버터나 전자 제품 등과 같은 1상 또는 3상의 피시험 기기들을 하나의 전력계통 시뮬레이터로 시험할 수 있으며, 1상으로 시험할 경우에도 정격용량 만큼의 시험이 가능하므로 경제적이고 효율적이다. 또한, 본 발명의 전력계통 시뮬레이터는 회생운전이 가능하므로 전원공급용이 아니라 전자부하로서도 운전이 가능하다. 따라서, 본 발명의 전력계통 시뮬레이터는 별도의 부하장치 혹은 회생저항 등 에너지 소모적인 부하장치가 필요 없으므로, 시험 시스템의 구성이 간단하다. 또한, 본 발명은 동일한 전력계통 시뮬레이터로 1상, 3상 피시험 기기에 대해서 시험이 가능하며, 특히 기존의 3상 전원장치를 1상 부하에 연결하여 시험할 경우에 발생하는 전압의 불안정성과 불평형 문제를 해결할 수 있다.

Description

전력계통 시뮬레이터{Grid simulator and the control method of the same}

본 발명은 전력계통 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 1상 및 3상 겸용 전력계통 시뮬레이터에 관한 것이다.

태양광발전용이나 축전지용 인버터의 계통연계 기능시험이나, 가전제품이나 전자기기의 입력 전원 변동 시험 또는 50/60Hz 시험에서는 교류 전원 장치, 즉, 전력계통 시뮬레이터가 사용된다. 상용의 전원을 사용할 경우에, 전압과 주파수의 안정성 문제가 있을 수 있으므로, 이러한 전자기기 등의 시험시에 필요한 경우, 전압과 주파수를 변동하여 시험할 수 있어야 하는데, 상용전원은 이러한 변동이 불가하기 때문이다.

태양광발전용 인버터의 예를 들면, 소용량 가정용의 경우는 1상으로 제작되며 상업용 및 사업용 중대용량은 대부분 3상으로 제작된다. 이러한 인버터들은 효율 측정, 보호 기능 시험 및 인증시험 등을 위한 전력계통 시뮬레이터에서 사용되는데, 가장 일반적인 종래의 방식은 1상용 전원장치와 3상용 전원장치를 별도로 구비하여 시험하는 방법이다. 그러나, 이러한 방식은 설비 구축에 있어 비용이 증가하는 단점이 있다.

도 1은 종래기술에 따라서 구현된 전력계통 시뮬레이터(24)의 일 예를 도시하는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 전력계통 시뮬레이터(24)는 상용전원(1)으로부터 교류전력을 입력받고 변압기(20)에서 직류단(22)에 필요한 전압만큼을 승압한 후, 정류기(21)로 직류 전압을 생성하고, 여기에 인버터부(23)를 설치하여 필요한 전압과 주파수를 가진 교류전원을 만들게 된다. 인버터부(23)는 직류전압을 스위칭하여 교류를 만들므로 고주파가 포함된 비정현파여서 리액터-캐패시터로 구성된 필터부(25)를 거치면 정현파의 교류전압을 얻게 된다. 이 출력을 이용하여 피시험기기(26)의 전압 및 주파수 변동 등의 시험을 실시하게 된다.

전력계통 시뮬레이터(24)는 디지털 제어기(28)에 의해 제어되며 내부의 소프트웨어로 임의의 전압과 주파수를 가진 정현파인 기준 파형을 발생(27)하게 된다. 시험 조건에 맞는 설정은 외부의 MMI(Man-Machine Interface)(29)를 이용하여 사용자가 직접 설정할 수 있도록 되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같은, 종래의 전력계통 시뮬레이터(24)는 1상 혹은 3상 전용으로 제작되며 3상용 전력계통 시뮬레이터(24)를 1상으로 사용할 경우 부하가 인가되지 않는 상에서는 전압이 상승하고 부하가 인가된 상에는 전압강하가 발생하는 등 시험조건에 맞는 전압과 주파수를 유지하는데 한계가 있으며 특히, 3상용 시뮬레이터(24)를 1상으로 사용할 경우 정격용량의 1/3만큼만 사용해야 하는 문제가 있었다.

종래 기술에 따른 다른 전력계통 시뮬레이션 방식은 1상의 전원장치 3개를 이용하여 이를 3상으로 배선하여 사용하는 방식이다. 1상 교류 전원 장치 각각이 전압 및 주파수 제어를 하고 있기 때문에 안정성이나 전압 불평형 문제는 발생하지 않지만 설치 비용과 공간이 증가하는 문제가 있다.

도 2는 종래기술에 따라서 구현된 전력계통 시뮬레이터의 다른 일 예를 도시하는 구성도이다.

도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 전력계통 시뮬레이터는 1상의 전력계통 시뮬레이터(44, 46, 48) 3개를 이용하여 3상의 전원장치로 이용하는 것으로서, 1상으로 사용할 경우에는, 각각의 시뮬레이터(44, 46, 48)를 그 자체로 이용하고, 3상으로 사용할 경우에는 외부의 배선을 연결하여 3상으로 사용하는 방식이다. 이 방식은 각각의 전력계통 시뮬레이터(44, 46, 48)가 3상의 교류전원으로 구성되기 위해서는 기준이 되는 위상정보(60)를 제공하는 것과, 이 기준위상에서 일정한 각도(120도)씩 위상지연이 발생하도록 하여 3상의 교류를 만들기 위한 보조입력(61, 62)가 필요한 단점이 있다. 뿐만 아니라 각 시뮬레이터(44, 46, 48)는 정류기(41) 및 인버터부(42)를 따로 탑재하고 있기 때문에 동일한 용량의 3상 시스템보다 커지며 가격이 증가하는 단점이 있다.

또 다른 종래 기술에 따른 전력계통 시뮬레이션 방식은, 3상용 전력계통 시뮬레이터를 이용하여 1상 피시험 기기를 시험하는 방식인데, 이 경우에 피시험 기기가 연결되지 않는 상은 무부하상태가 되어 전압이 상승하고, 피시험 기기가 연결되는 상은 부하가 인가되므로 전압 강하가 일어나기 때문에 주어진 전압 조건에서의 시험이 어려운 문제점이 발생한다.

전력계통 시뮬레이터의 제어기법에 따라서 이러한 불평형 상태의 부하에 대해 전력계통 시뮬레이터가 불안정해지거나, 전압 및 주파수 제어가 원활하지 않는 경우도 있다. 또한, 3상 시뮬레이터를 1상으로 사용할 경우에 정격용량의 1/3만 사용할 수 있기 때문에 장비를 제 용량까지 사용할 수 없는 문제도 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 1상과 3상 겸용으로 사용할 수 있는 3상 전력계통 시뮬레이터를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력계통 시뮬레이터는, 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 3상 컨버터부; 상기 직류 전압을 평활화하도록 복수의 커패시터가 직렬로 연결된 평활화부; 상기 3상 컨버터부와 백투백(back-to-back)으로 연결되는 제 1 레그(leg) 내지 제 4 레그(leg)를 구비하는 3상 인버터부; 상기 3상 인버터부의 각 상의 출력단에 연결된 3개의 변압기를 포함하는 변압기부; 상기 3개의 변압기의 2차측에 각각 연결되고, 제어 신호에 따라서 온 또는 오프되어 부하 또는 피시험기기로 1상 전력 또는 3상 전력을 제공하는 복수의 전자접촉기(제 2 전자접촉기); 상기 평활화부의 중성점과 상기 제 4 레그 사이에, 제어 신호에 따라서 온 또는 오프되도록 설치된 전자접촉기(제 1 전자접촉기); 및 상기 3상 컨버터부 및 상기 3상 인터버터부에 포함된 스위칭 소자들의 온 및 오프를 제어하고, 상기 제 1 전자접촉기 및 상기 제 2 전자접촉기의 온 및 오프상태를 제어하는 제어기를 포함한다.

또한, 상기 3상 인버터부의 상기 제 1 레그 내지 제 3 레그의 출력은 상기 3개의 변압기의 1차측 입력 단자에 각각 연결되고, 상기 제 4 레그의 출력은 상기 3개의 변압기의 1차측 중성점에 공통 연결될 수 있다.

또한, 상기 제 1 전자접촉기와 상기 제 2 전자접촉기는 서로 동기화되어 동시에 온 또는 오프될 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 부하 또는 상기 피시험기기로 1상 전력을 제공하는 경우에, 상기 제 1 전자접촉기와 제 2 전자접촉기를 온시키고, 상기 부하 또는 상기 피시험기기로 3상 전력을 제공하는 경우에, 상기 제 1 전자접촉기와 제 2 전자접촉기를 오프시킬 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 부하 또는 상기 피시험기기로 1상 전력을 제공하는 경우에, 상기 제 1 전자접촉기와 제 2 전자접촉기를 온시킴으로써, 상기 변압기부에 포함된 3개의 변압기를 병렬로 운전하시는 동시에, 상기 3상 인버터부에 포함된 제 1 레그 내지 제 3 레그를 하프브리지 방식으로 동작시킬 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 제 1 레그 내지 제 3 레그의 3개의 스위치쌍들의 각 스위칭 시간을 지연시키는 인터리빙(interleaving) 방식으로 제어를 수행할 수 있다.

또한, 상기 전력계통 시뮬레이터는, 상용전원과 상기 3상 컨버터부 사이에 리액터 및 커패시터로 구성된 제 1 필터부가 설치될 수 있다.

또한, 상기 전력계통 시뮬레이터는, 상기 3상 인버터부의 출력단에 정현파형을 만들기 위한 리액터 및 커패시터로 구성되는 제 2 필터부가 설치될 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 평활화부에서 측정되는 직류 전압이 일정하게 유지되도록 상기 3상 컨버터부에 포함된 스위칭 소자들의 온 및 오프 상태를 PWM 제어하는 컨버터 제어 모듈; 및 상기 3상 인버터부에 포함된 스위칭 소자들의 온 및 오프 상태를 PWM 제어하는 인버터 제어 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 컨버터 제어 모듈은, 상용전원으로부터의 입력전압 Vin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 d-축 전압 성분을 위상고정루프로 출력하는 제 1 dq 변환부; 상용전원으로부터의 입력전류 Iin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 각각 d-축 전류 성분(Ide) 및 q-축 전류 성분(Iqe)을 연산하여 출력하는 제 2 dq 변환부; 상기 d-축 전압 성분(Vde)을 이용하여 상용전원으로부터의 입력전압(Vin(abc))의 위상과 동기화된 위상각정보를 상기 제 1 dq 변환부, 제 2 dq 변환부, 및 PWM 제어부로 출력하는 위상고정루프; 직류전압 기준신호(Vdc*)와 상기 평활화부에서 측정된 직류전압 검출신호(Vdc)를 이용하여 생성된 직류전압 전압오차신호를 입력받으면, 오차를 보상하여 상기 3상 컨버터부 출력단의 직류전압을 일정하게 유지하기 위한 q-축 전류기준신호(Iqe*)를 생성하여 출력하는 직류 전압 제어부; 상기 제 2 dq 변환부에서 출력된 q축 전류신호(Iqe)와 상기 q-축 전류기준신호(Iqe*)와의 오차신호를 입력받아, q-축 전압기준신호를 연산하여 PWM 제어부로 출력하는 q-축 전류제어부; 상기 제 2 dq 변환부에서 출력된 d축 전류신호(Ide)와 d-축 전류기준신호(Ide*)와의 오차신호를 입력받아, d-축 전압기준신호를 연산하여 PWM 제어부로 출력하는 d-축 전류제어부; 및 상기 d-축 전압기준신호와 상기 q-축 전압기준신호, 및 상기 위상각 정보를 이용하여 상기 3상 컨버터부에 포함된 각 스위칭 소자들을 스위칭 동작을 제어하는 스위칭신호를 생성하여 출력하는 PWM 제어부;를 포함하고, 상기 제 1 dq 변환부 및 상기 제 2 dq 변환부는 각각 상기 위상고정루프로부터 입력된 위상각정보를 이용하여 dq 변환을 수행할 수 있다.

또한, 상기 인버터 제어 모듈은, 실효치로 표현되는 전압기준신호(V*)를 입력받아 교류 정현파의 피크치로 변환하여 기준전압(Vqe*)을 출력하는 기준전압 생성부; 주파수 기준신호(f*)를 입력받아 각속도로 변환하는 각속도 변환부; 상기 각속도를 적분하여 위상각 정보를 생성하는 위상각 생성부; 상기 3상 인버터부가 3상 운전중일 경우에, 상기 위상각 정보를 이용하여 상기 3상 인버터부의 3상 출력 전압(Vabc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 d-축 성분 전압(Vde), q-축 성분 전압(Vqe) 및 o-축 성분 전압(Voe)을 출력하는 제 1 dq 변환부; 상기 3상 인버터부가 1상 운전중일 경우에, 상기 위상각 정보를 이용하여 상기 3상 인버터부의 1상 출력 전압(Va)에 대해서 dq 변환을 수행하여 d-축 성분 전압(Vde) 및 q-축 성분 전압(Vqe)을 출력하는 제 2 dq 변환부; 상기 d-축 성분 전압(Vde)와 d-축 기준전압신호(Vde*)간의 오차를 입력받아, 입력된 오차가 0이 되도록 d-축 전압 기준신호를 생성하는 d-축 전압제어부; 상기 q-축 성분 전압(Vqe)와 q-축 기준전압신호(Vqe*)간의 오차를 입력받아, 입력된 오차가 0이 되도록 q-축 전압 기준신호를 생성하는 q-축 전압제어부; 상기 o-축 성분 전압(Voe)와 o-축 기준전압신호(Voe*)간의 오차를 입력받아, 입력된 오차가 0이 되도록 o-축 전압 기준신호를 생성하는 o-축 전압제어부; 상기 d-축 전압 기준신호, 상기 q-축 전압 기준신호 및 상기 o-축 전압 기준신호에 대해서 dqo-abc 변환을 수행하여 3상의 기준전압을 생성하는 dqo-abc 변환부; 및 상기 3상의 기준전압에 따라서 상기 3상 인버터부에 포함된 각 스위칭소자를 PWM 제어하는 PWM 제어부를 포함할 수 있다..

본 발명은 1상과 3상 겸용으로 사용할 수 있는 3상 전력계통 시뮬레이터를 제공함으로써, 1상으로 사용할 경우에도 정격용량으로 사용이 가능하며 무엇보다도 3상용 시뮬레이터를 1상으로 사용할 경우에 발생하는 전압의 불안정 내지 불평형 문제를 해결할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 불평형에 의한 불안정성, 용량의 제한 등을 문제를 해결하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 신재생전원용 인버터나 전자 제품 등과 같은 1상 또는 3상의 피시험 기기들을 하나의 전력계통 시뮬레이터로 시험할 수 있으며, 1상으로 시험할 경우에도 정격용량 만큼의 시험이 가능하므로 경제적이고 효율적이다.

또한, 본 발명의 전력계통 시뮬레이터는 회생운전이 가능하므로 전원공급용이 아니라 전자부하로서도 운전이 가능하다. 따라서, 본 발명의 전력계통 시뮬레이터는 별도의 부하장치 혹은 회생저항 등 에너지 소모적인 부하장치가 필요 없으므로, 시험 시스템의 구성이 간단하다.

또한, 본 발명은 동일한 전력계통 시뮬레이터로 1상, 3상 피시험 기기에 대해서 시험이 가능하며, 특히 기존의 3상 전원장치를 1상 부하에 연결하여 시험할 경우에 발생하는 전압의 불안정성과 불평형 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따라서 구현된 전력계통 시뮬레이터의 일 예를 도시하는 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따라서 구현된 전력계통 시뮬레이터의 다른 일 예를 도시하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력계통 시뮬레이터의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어기에 포함된 컨버터 제어 모듈을 상세하게 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어기에 포함된 인버터부 제어 모듈을 상세하게 도시하는 블록도이다.
도 6은 3상 전력계통 시뮬레이터의 실시 모의 사례를 도시하는 도면이다.
도 7은 1상 전력계통 시뮬레이터의 실시 모의 사례를 도시하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력계통 시뮬레이터의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력계통 시뮬레이터(95)는 3상 풀브리지 컨버터부(75), 3상 브리지 인버터부(80), 직류단을 구성하는 평활화부(77), 제 1 필터부(72, 74), 제 2 필터부(83, 84), 제 1 전자접촉기(85), 제 2 전자접촉기(88), 및 디지털제어기(96)를 기본적으로 포함하여 구성되고, 변압기부(87)를 더 포함할 수도 있다. 또한, 디지털제어기(96)는 컨버터부(75)에 포함된 스위칭 소자들을 제어하는 컨버터 제어모듈(96-1)과 인버터부(80)에 포함된 스위칭 소자들을 제어하는 인버터 제어모듈(96-2)을 포함한다.

컨버터부(75)는 교류의 상용전원(70)을 입력받아 직류로 변환하는 부분으로서, 리액터(72)와 캐패시터(74)로 구성된 제 1 필터부(72,74)가 전원(70)과 컨버터부(75) 사이에 연결되어 있다. 입력 상용전원(70)의 전압과 위상을 검출하기 위한 입력 전압 센서(71) 및 입력전류를 검출하기 위한 입력 전류 센서(73)가 설치된다.

컨버터부(75)의 출력은 직류단을 구성하는 평활화부(77)로 연결되며, 평활화부(77)에 포함되는 직렬로 연결된 2개의 커패시터에 의해서 직류전압으로 평활화된다. 또한 직류전압을 검출하기 위한 직류 전압 센서(76)가 직류단에 설치되어 있다.

평활화부(77)는 2개의 동일한 용량을 갖는 커패시터가 직렬로 연결되는데, 2개의 커패시터의 연결 노드는 3상 브리지 인버터부(80)가 하프 브리지 방식으로 동작할 때 중성점(86)으로 작용한다.

인버터부(80)는 3상 출력을 위한 제 1 레그(leg) 내지 제 3 레그(leg)로 구현되는 3상 풀브리지 인버터 스택(80-1)과, 제 4 레그(leg)로 구현되는 중성점용 스위치(80-2)로 구성되는데, 이는 3상 출력의 경우에 불평형 부하에 대해서도 안정적인 전압제어를 위한 3상4선식 인버터를 구성하기 위한 것이다. 인버터부(80)의 출력단에는 정현파형을 만들기 위한 리액터(83) 및 캐패시터(84)로 구성되는 제 2 필터부(83,84), 출력전류를 검출하기 위한 출력 전류 센서(82), 출력전압을 검출하기 위한 출력 전압 센서(94)가 설치된다.

제 1 전자접촉기(85) 및 제 2 전자접촉기(88)는 디지털제어기(96)의 제어에 의해서 온 또는 오프되면서 본 발명의 전력계통 시뮬레이터(95)가 1상 또는 3상으로 동작하도록 하고, 변압기부(87)는 변압기부(87)의 1차측과 2차측을 서로 절연시킨다.

컨버터부(75)와 인버터부(80)는 디지털제어기(96)에 의해 각각 직류전압제어 및 출력 교류 전압 제어를 수행하게 되며 이는 각 스위치의 스위칭신호(78, 81)에 의해 제어된다. 디지털제어기(96)는 컨버터 제어모듈(96-1) 및 인버터 제어모듈(96-2)를 포함함은 상술한 바와 같고, 각각에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 후술한다.

본 발명에서 전력계통 시뮬레이터(95)는 1상과 3상의 피시험기기에 대해서 겸용으로 그리고 안정적으로 동작하기 위한 수단이 마련되어 있는데, 3개의 1상용 변압기(87)와 2개의 전자접촉기(85, 88)가 그것이다.

먼저, 1상으로 동작할 경우 변압기(87) 3대를 병렬운전하기 위해 출력측 전자접촉기인 제 2 전자접촉기(MC3)(88)를 온시켜 3대의 변압기(87)의 2차측은 병렬운전이 된다. 또한, 1상 운전의 경우 상간 불평형이 없고 하프브리지 방식으로 운전하기 위해, 제 1 전자접촉기(MC1)(85)를 온시켜, 변압기(87)의 1차측 중성점을 직류단의 평활화부(77)를 구성하는 2개의 커패시터의 연결노드인 중성점(86)과 연결시킨다. 이러한 방식으로 인버터부(80) 및 변압기부(87)는 병렬운전이 되고, 출력 용량의 희생없이 정격용량으로 1상 출력단자(UU)(89)를 통해서 1상 전력이 출력된다. 이 때, 상기 제어기(96)(특히, 인버터 제어 모듈(96-2))는 인버터부(80)의 3상 풀브리지 인버터 스택(80-1)에 포함된 제 1 레그 내지 제 3 레그의 3개의 스위치쌍들의 각 스위칭 시간을 지연시키는 인터리빙(interleaving) 방식으로 제어하여, 본 발명의 전력계통 시뮬레이터(95)의 출력 전압 및 전류의 맥동을 줄이면서도 정격 용량의 1상 전원장치로 사용할 수 있게 된다.

3상으로 운전할 경우에는 제 1 전자접촉기(MC1)(86)와 제 2 전자접촉기(MC3)(88)를 오프(개방)하면, 변압기부(87)에 포함된 3개의 변압기는 Y-Y 결선의 3상 인버터가 되고 변압기부(87)의 1차측 중성점은 인버터부(80)의 4번째 스위치 레그(80-2)의 출력과 연결되어 3상 4선식의 인버터 운전이 가능하게 된다. 이 방식은 4번째 스위치 레그(80-2)의 동작으로 3상간의 불평형에서도 상간 및 선간전압의 불평형 없이 안정적으로 동작이 가능하게 된다.

1상 및 3상 운전에 있어서 인버터부(80)의 스위칭 방식이 달라는데 1상 운전의 경우에는 출력측의 전압 및 전류 맥동을 줄이기 위하여 스위칭 주기를 1/3씩 지연시키는 방식으로 인터리빙 방식으로 스위칭하게 되며, 3상 운전의 경우에는 통상의 3상 스위칭 방식(정현파 PWM 혹은 공간벡터 PWM)을 적용하게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어기에 포함된 컨버터 제어 모듈을 상세하게 도시하는 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어기에 포함된 컨버터 제어 모듈(96-1)은 제 1 dq 변환부(101), 제 2 dq 변환부(105), 위상고정루프(PLL(Phase Locked Loop))(103), 전압제어부(113), d축 전류제어부(109), q축 전류제어부(117), 및 PWM 제어부(111)를 포함하여 구성된다.

제 1 dq 변환부(101)는 전압센서(71)에서 측정된 상용전원(70)으로부터의 입력전압 Vin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 각각 d-축 전압 성분을 위상고정루프(103)로 출력한다.

제 2 dq 변환부(105)는 전류센서(73)에서 측정된 상용전원(70)으로부터의 입력전류 Iin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 각각 d-축 전류 및 q-축 전류를 연산하여 출력한다.

위상고정루프(103)는 제 1 dq 변환부(101)로부터 입력된 d-축 전압(Vde, 102)을 이용하여 상용전원(70)으로부터의 입력전압의 위상과 동기화된 위상각정보(104)를 제 1 dq 변환부(101), 제 2 dq 변환부(105), 및 PWM 제어부(111)로 출력하고, 제 1 dq 변환부(101) 및 제 2 dq 변환부(105)는 각각 위상고정루프(103)로부터 입력된 위상각정보를 이용하여 3상 입력 전압 Vin(abc) 과 3상 입력 전류 Iin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행한다.

직류 전압 제어부(113)는, 직류전압 기준신호(Vdc*)(119)와 직류 전압 센서(76)로부터 입력된 직류전압 검출신호(Vdc)를 이용하여 생성된 직류전압 전압오차신호(112)를 입력받으면, 오차를 보상하여 직류 전압 센서(76)가 측정한 컨버터부 출력단의 직류전압을 일정하게 유지하기 위한 q-축 전류기준신호(Iqe*)(114)를 생성하여 출력한다.

q-축 전류제어부(117)는, 제 2 dq 변환부(105)에서 출력된 q축 전류신호(Iqe)와 q-축 전류기준신호(Iqe*)(114)와의 오차신호(116)를 입력받아, q-축 전압기준신호(118)를 연산하여 PWM 제어부(111)로 출력한다

d-축 전류제어부(109)는 제 2 dq 변환부(105)에서 출력된 d축 전류신호(Ide)와 d-축 전류기준신호(Ide*)(106)와의 오차신호(108)를 입력받아, d-축 전압기준신호(110)를 연산하여 PWM 제어부(111)로 출력한다. 이 때, d-축 전류(Ide)는 무효전력 성분이므로 d-축 전류기준신호(Ide*)(106)는 0으로 설정된다.

PWM 제어부(111)는 d-축 전압기준신호(110)와 q-축 전압기준신호(118), 그리고 위상각 정보(104)를 이용하여 컨버터부(75)에 포함된 각 스위칭 소자들을 스위칭 동작을 제어하는 스위칭신호(78)를 생성하여 출력한다.

직류전압 기준신호(Vdc*)(119) 보다 직류 전압 센서(76)에서 측정된 직류 전압(Vdc)이 낮을 경우, 전압제어부(113)의 출력은 (+) 방향이 되고, 상용계통(70)으로부터 전류가 컨버터부(75)로 흘러들어가 직류 전압(Vcd)을 직류전압 기준신호(Vdc*)(119)에 일치하도록 제어된다.

반대로, 인버터부(80)에서 역전력이 인가되어 직류 전압 센서(76)에서 측정된 직류 전압(Vdc)이 직류전압 기준신호(Vdc*)(119) 보다 높을 경우는 전압제어부(113)의 출력이 (-)가 되어 상용계통(70)으로부터 컨버터부(75)로 흐르는 전류(73)는 (-)가 되어 직류 전압(Vdc)을 직류전압 기준신호(Vdc*)(119)에 일치시키게 된다.

이러한 동작에 의해 컨버터부(75)는 직류 전압(Vdc)을 일정하게 유지하면서 운전 조건에 따라 충전 혹은 방전 운전을 할 수 있게 되며, 잉여의 직류 전압(Vdc)을 소비하기 위한 별도의 방전저항과 스위치가 필요 없는 효율적인 전원 입력부를 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어기에 포함된 인버터 제어 모듈을 상세하게 도시하는 블록도이다.

도 5를 참조하여, 인버터 제어 모듈(96-2)을 설명하면, 인버터 제어 모듈(96-2)은 기준전압 생성부(154), 제 1 dq 변환부(134), 제 2 dq 변환부(138), 각속도 변환부(131), 위상각 생성부(132), d-축 전압 제어부(146), q-축 전압 제어부(149), o-축 전압 제어부(159), dqo-abc 변환부(148), 및 PWM 제어부(152)를 포함한다.

인버터부(80)는 피시험기기(26)의 시험을 위한 전원을 공급하는 것으로써 시험에서 요구하는 전원의 전압 및 주파수를 일정하게 유지할 수 있어야 한다. 따라서, 사용자는 MMI(29)를 통하여 디지털제어기(28)에 주파수 기준신호(f*)(130)과 전압기준신호(V*)(153)를 입력한다.

먼저, MMI(29)를 통해서 사용자가 입력하는 전압기준신호(V*)(153)는 실효치로 표현되는데, 후술하는 d-축, q-축 전압출력은 교류 정현파의 피크치를 나타내므로, 기준전압 생성부(154)는 실효치인 전압기준신호(V*)(153)에

즉, 1.414를 곱하여, 정현파 출력의 유효성분 피크치인 기준전압(Vqe*)(143)을 출력한다.

또한, MMI(29)를 통해서 사용자가 입력한 주파수 기준신호(f*)(130)는 각속도 변환부(131)로 입력되고, 각속도 변환부(131)에서 입력된 주파수 기준신호(f*)(130)에

를 곱하여 각속도로 변환하여 위상각 생성부(132)로 출력하며, 위상각 생성부(132)는 각속도를 적분하여 위상각 정보(133)를 생성하고, 위상각 정보(133)를 제 1 dq 변환부(134) 및 제 2 dq 변환부(138)로 출력한다.

출력 전압 센서(94)에서 측정되어 입력된 출력전압(Vabc)은 위상각 정보(132)를 이용하여 제 1 dq 변환부(134)에서 dq 변환되어 d-축 성분 전압(Vde)(142) 및 q-축 성분 전압(Vqe)(145)이 연산되고, 각각 오차 연산부(141) 및 오차 연산부(144) 로 각각 입력된다.

오차 연산부(141)은 d-축 기준전압신호(Vde*)와 d-축 성분 전압(Vde)(142) 간의 오차를 생성하여 d-축 전압제어부(146)로 출력하고, 오차 연산부(144)은 q-축 기준전압신호(Vqe*)와 q-축 성분 전압(Vqe)(145) 간의 오차를 생성하여 q-축 전압제어부(149)로 출력하며, d-축 전압제어부(146) 및 q-축 전압제어부(149)는 입력된 오차 신호가 0이 되도록 d-축 전압 기준신호(147) 및 q-축 전압 기준신호(150)를 각각 생성하여 dqo-abc 변환부(148)로 출력한다.

아울러, 3상 운전의 경우 인버터부(80)에 연결된 부하가 불평형 상태일 수 있는데, 이 경우에는 출력 전압 센서(94)에서 측정된 출력 전압(Vabc)을 dq 변환하면 출력에 d-축 성분, q-축 성분뿐만 아니라 불평형 성분인 o-축 성분 전압(Voe)(156)도 출력된다.

o-축 성분 전압(Voe)과, 0인 o-축 성분 전압 기준치(155)는 오차 연산되고, 연산 결과 생성된 오차신호(157)는 o-축 전압제어부(159)로 입력되며, o-축 전압제어부(159)는 오차가 0이 되도록 o-축 전압 기준신호(160)를 생성하여 dqo-abc 변환부(148)로 출력한다.

dqo-abc 변환부(148)는 d-축 전압 제어부(146), q-축 전압제어부(149), 및 o-축 전압제어부(159)로부터 각각 입력된 d-축 전압 기준신호(147), q-축 전압 기준신호(150) 및 o-축 전압 기준신호(160)에 대해서 dqo-abc 변환을 수행하여 3상의 기준전압(151)을 PWM 제어부(152)로 출력하고, PWM 제어부(152)는 입력된 3상의 기준전압에 따라서 인버터부(80)에 포함된 각 스위칭소자를 PWM 제어한다. 이 때, d-축 전압 기준신호(147) 및 q-축 전압 기준신호(150)는 인버터부(80)에 포함된 제 1 레그 내지 제 3 레그(80-1)에 포함된 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 제어하게 되고, o-축 전압 기준신호(160)는 제 4 레그(80-2)에 포함된 스위칭 소자를 스위칭 동작을 제어하게 된다. 이 같은 동작을 통하여 출력부하의 불평형에도 불구하고 인버터의 3상 전압 출력은 입력기준치(153)를 추종하게 된다.

1상 운전의 경우, 출력 전압(Va)는 전역통과필터(all pass filter)(135)를 통해서 제 2 dq 변환부(138)로 입력되고, 제 2 dq 변환부(138)에서 위상각 정보를 이용하여 dq 변환이 수행되어 d-축 성분 전압(Vde)(142) 및 q-축 성분 전압(Vqe)(145)이 연산되고, 이들은 각각 오차 연산부(141) 및 오차 연산부(144)로 입력된다.

이 때, 출력 전압(Va)를 V-alpha로 두고 이를 전역통과필터(all pass filter)를 통과시키면 90도 위상지연된 V-beta상이 얻어지고, V-alpha 및 V-beta 신호를 이용하여 제 2 dq 변환부(138)에서 회전좌표계의 dq 변환이 수행된다.

한편, 인버터부(80)의 출력은 리액터(83), 캐패시터(84) 및 변압기(87)를 거쳐서 정현파로 필터링되고, 최종적인 전압전압 출력(89 ?? 93)을 얻게 된다. 1상 출력은 89-93번 단자를 통해서 출력되고, 3상 출력은 중성점(93)과 각 상의 출력단자(90, 91, 92)를 통해서 출력된다.

도 6은 3상 전력계통 시뮬레이터의 실시 모의 사례를 도시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 도 6은 3상 상전압 220V, 60Hz의 출력을 보여주는 모의 결과로서 a상의 상전압(Van)이 기준전압(Van*)을 잘 추종하는 것을 볼 수 있다(160). 도 6의 161은 3상 상전압의 출력파형이며, 도 6의 162는 이 3상 전압을 dq 변환한 결과를 보여주고 있는데, d-축 전압은 0으로 잘 제어되고 있으며 q-축 전압은 220V의 피크치인 311V로 안정되고 있음을 볼 수 있다.

도 6의 163은 부하로 출력되는 전류파형을 나타내는 것으로서, 164 구간에서는 전류가 부하쪽으로 흘러나가는 소스(Source) 모드운전으로서 전류의 불평형이 나타남을 볼 수 있다. 구간 165는 전류의 위상이 반전되면서 외부 전류가 흡수(Sink)되는 구간이다. 도 6의 163은 전류가 흘러나가거나 혹은 흡수되거나 하는 불평형 조건에서도 안정적인 전압제어(160, 161, 162)가 되고 있음을 보여주고 있다.

도 7은 1상 전력계통 시뮬레이터의 실시 모의 사례를 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 1상 선간전압 220V, 60Hz의 출력을 보여주는 모의 결과로서, a상의 상전압(Van)이 기준전압(Van*)을 잘 추종하는 것을 볼 수 있다(170).

도 7의 171은 a상 상전압의 출력파형을 나타내며, 도 7의 172는 이 1상 전압을 dq 변환한 결과를 나타내고 있는데, 1상에서는 dq변환이 되지 않으므로, dq 변환과정에서 a상 전압은 전역통과필터를 거쳐서 크기는 동일하고 위상이 90도 지연되는 고정좌표계의 전압으로 dq 변환되었으며, 이로 인해 구간 174의 초반 영역에서는 과도적인 오차가 있음을 볼 수 있다. 그러나 정상상태에서 d-축 전압은 0으로 잘 제어되고 있으며 q-축 전압은 220V의 피크치인 311V로 안정되고 있음을 볼 수 있다.

도 7의 173은 부하로 출력되는 전류파형을 나타내는데, 174 구간은 부하쪽으로 전류가 흘러나가는 소스(Source) 모드운전으로서, 3개의 전류는 병렬운전되는 각 출력전류로서 평형이 잘 이루어짐을 볼 수 있다. 구간 175는 전류의 위상이 반전되면서 외부 전류가 흡수(Sink)되는 구간이다. 도 7의 173에서 보는 것처럼 1상 운전에서, 전류가 흘러나가거나 혹은 흡수하되는 조건에서도 안정적인 전압제어(170, 171, 172)가 되고 있음을 보여주고 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

70: 상용전원 71: 입력 전압 센서
72: 리액터 73: 입력 전류 센서
74: 커패시터 75: 컨버터부
76: 직류 전압 센서 77: 평활화부
80: 인버터부
80-1:3상 풀브리지 인버터 스택 80-2: 중서점용 스위치
82: 출력 전류 센서 83; 리액터
84: 커패시터 85: 제 1 전자접촉기
86: 중성점 87: 변압기부
88: 제 2 전자접촉기 89~93: 출력단자
94: 출력 전압 센서 95: 전력계통 시뮬레이터
96: 디지털 제어기 96-1: 컨버터 제어모듈
96-2: 인버터 제어 모듈 101: 제 1 dq 변환부
103: PLL 105: 제 2 dq 변환부
109: d-축 전류 제어부 111: PWM 제어부
113: 전압 제어부 117: q-축 전류 제어부
131: 각속도 변환부 132: 위상각 생성부
134: 제 1 dq 변환부 135: 제 2 dq 변환부
146: d-축 전압 제어부 148: dqo-abc 변환부
149: q-축 전압 제어부 152: PWM 제어부
154: 기준전압 생성부 159: o-축 전압 제어부

Claims

3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 3상 컨버터부;
상기 직류 전압을 평활화하도록 복수의 커패시터가 직렬로 연결된 평활화부;
상기 3상 컨버터부와 백투백(back-to-back)으로 연결되는 제 1 레그(leg) 내지 제 4 레그(leg)를 구비하는 3상 인버터부;
상기 3상 인버터부의 각 상의 출력단에 연결된 3개의 변압기를 포함하는 변압기부;
상기 3개의 변압기의 2차측에 각각 연결되고, 제어 신호에 따라서 온 또는 오프되어 부하 또는 피시험기기로 1상 전력 또는 3상 전력을 제공하는 복수의 전자접촉기(제 2 전자접촉기);
상기 평활화부의 중성점과 상기 제 4 레그 사이에, 제어 신호에 따라서 온 또는 오프되도록 설치된 전자접촉기(제 1 전자접촉기); 및
상기 3상 컨버터부 및 상기 3상 인버터부에 포함된 스위칭 소자들의 온 및 오프를 제어하고, 상기 제 1 전자접촉기 및 상기 제 2 전자접촉기의 온 및 오프상태를 제어하는 제어기를 포함하고,
상기 제 1 전자접촉기와 상기 제 2 전자접촉기는 서로 동기화되어 동시에 온 또는 오프되는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 1 항에 있어서,
상기 3상 인버터부의 상기 제 1 레그 내지 제 3 레그의 출력은 상기 3개의 변압기의 1차측 입력 단자에 각각 연결되고, 상기 제 4 레그의 출력은 상기 3개의 변압기의 1차측 중성점에 공통 연결된 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 제어기는
상기 부하 또는 상기 피시험기기로 1상 전력을 제공하는 경우에, 상기 제 1 전자접촉기와 제 2 전자접촉기를 온시키고,
상기 부하 또는 상기 피시험기기로 3상 전력을 제공하는 경우에, 상기 제 1 전자접촉기와 제 2 전자접촉기를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 4 항에 있어서, 상기 제어기는
상기 부하 또는 상기 피시험기기로 1상 전력을 제공하는 경우에, 상기 제 1 전자접촉기와 제 2 전자접촉기를 온시킴으로써, 상기 변압기부에 포함된 3개의 변압기를 병렬로 운전하시는 동시에, 상기 3상 인버터부에 포함된 제 1 레그 내지 제 3 레그를 하프브리지 방식으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 5 항에 있어서, 상기 제어기는
상기 제 1 레그 내지 제 3 레그의 3개의 스위치쌍들의 각 스위칭 시간을 지연시키는 인터리빙(interleaving) 방식으로 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 1 항에 있어서,
상용전원과 상기 3상 컨버터부 사이에는 리액터 및 커패시터로 구성된 제 1 필터부가 설치된 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 1 항에 있어서,
상기 3상 인버터부의 출력단에는 정현파형을 만들기 위한 리액터 및 커패시터로 구성되는 제 2 필터부가 설치되는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 1 항에 있어서, 상기 제어기는
상기 평활화부에서 측정되는 직류 전압이 일정하게 유지되도록 상기 3상 컨버터부에 포함된 스위칭 소자들의 온 및 오프 상태를 PWM 제어하는 컨버터 제어 모듈; 및
상기 3상 인버터부에 포함된 스위칭 소자들의 온 및 오프 상태를 PWM 제어하는 인버터 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 9 항에 있어서, 상기 컨버터 제어 모듈은
상용전원으로부터의 입력전압 Vin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 d-축 전압 성분을 위상고정루프로 출력하는 제 1 dq 변환부;
상용전원으로부터의 입력전류 Iin(abc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 각각 d-축 전류 성분(Ide) 및 q-축 전류 성분(Iqe)을 연산하여 출력하는 제 2 dq 변환부;
상기 d-축 전압 성분(Vde)을 이용하여 상용전원으로부터의 입력전압(Vin(abc))의 위상과 동기화된 위상각정보를 상기 제 1 dq 변환부, 제 2 dq 변환부, 및 PWM 제어부로 출력하는 위상고정루프;
직류전압 기준신호(Vdc*)와 상기 평활화부에서 측정된 직류전압 검출신호(Vdc)를 이용하여 생성된 직류전압 전압오차신호를 입력받으면, 오차를 보상하여 상기 3상 컨버터부 출력단의 직류전압을 일정하게 유지하기 위한 q-축 전류기준신호(Iqe*)를 생성하여 출력하는 직류 전압 제어부;
상기 제 2 dq 변환부에서 출력된 q축 전류신호(Iqe)와 상기 q-축 전류기준신호(Iqe*)와의 오차신호를 입력받아, q-축 전압기준신호를 연산하여 PWM 제어부로 출력하는 q-축 전류제어부;
상기 제 2 dq 변환부에서 출력된 d축 전류신호(Ide)와 d-축 전류기준신호(Ide*)와의 오차신호를 입력받아, d-축 전압기준신호를 연산하여 PWM 제어부로 출력하는 d-축 전류제어부; 및
상기 d-축 전압기준신호와 상기 q-축 전압기준신호, 및 상기 위상각 정보를 이용하여 상기 3상 컨버터부에 포함된 각 스위칭 소자들을 스위칭 동작을 제어하는 스위칭신호를 생성하여 출력하는 PWM 제어부;를 포함하고,
상기 제 1 dq 변환부 및 상기 제 2 dq 변환부는 각각 상기 위상고정루프로부터 입력된 위상각정보를 이용하여 dq 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.
제 9 항에 있어서, 상기 인버터 제어 모듈은
실효치로 표현되는 전압기준신호(V*)를 입력받아 교류 정현파의 피크치로 변환하여 기준전압(Vqe*)을 출력하는 기준전압 생성부;
주파수 기준신호(f*)를 입력받아 각속도로 변환하는 각속도 변환부;
상기 각속도를 적분하여 위상각 정보를 생성하는 위상각 생성부;
상기 3상 인버터부가 3상 운전중일 경우에, 상기 위상각 정보를 이용하여 상기 3상 인버터부의 3상 출력 전압(Vabc)에 대해서 dq 변환을 수행하여 d-축 성분 전압(Vde), q-축 성분 전압(Vqe) 및 o-축 성분 전압(Voe)을 출력하는 제 1 dq 변환부;
상기 3상 인버터부가 1상 운전중일 경우에, 상기 위상각 정보를 이용하여 상기 3상 인버터부의 1상 출력 전압(Va)에 대해서 dq 변환을 수행하여 d-축 성분 전압(Vde) 및 q-축 성분 전압(Vqe)을 출력하는 제 2 dq 변환부;
상기 d-축 성분 전압(Vde)와 d-축 기준전압신호(Vde*)간의 오차를 입력받아, 입력된 오차가 0이 되도록 d-축 전압 기준신호를 생성하는 d-축 전압제어부;
상기 q-축 성분 전압(Vqe)와 q-축 기준전압신호(Vqe*)간의 오차를 입력받아, 입력된 오차가 0이 되도록 q-축 전압 기준신호를 생성하는 q-축 전압제어부;
상기 o-축 성분 전압(Voe)와 o-축 기준전압신호(Voe*)간의 오차를 입력받아, 입력된 오차가 0이 되도록 o-축 전압 기준신호를 생성하는 o-축 전압제어부;
상기 d-축 전압 기준신호, 상기 q-축 전압 기준신호 및 상기 o-축 전압 기준신호에 대해서 dqo-abc 변환을 수행하여 3상의 기준전압을 생성하는 dqo-abc 변환부; 및
상기 3상의 기준전압에 따라서 상기 3상 인버터부에 포함된 각 스위칭소자를 PWM 제어하는 PWM 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력계통 시뮬레이터.