KR101793062B1 - NPC Converting Device and Method - Google Patents
NPC Converting Device and Method Download PDFInfo
- Publication number
- KR101793062B1 KR101793062B1 KR1020150187132A KR20150187132A KR101793062B1 KR 101793062 B1 KR101793062 B1 KR 101793062B1 KR 1020150187132 A KR1020150187132 A KR 1020150187132A KR 20150187132 A KR20150187132 A KR 20150187132A KR 101793062 B1 KR101793062 B1 KR 101793062B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- switch
- conversion
- duty
- pulse
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/487—Neutral point clamped inverters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/381—Dispersed generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
- H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
-
- H02M2001/0006—
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
본 발명의 NPC 변환 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 NPC 변환 장치에 있어서, 직렬 연결된 제1 스위치; 제2 스위치; 제3 스위치; 제4 스위치; 및 정방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제2 스위치는 상기 제1 스위치 및 제3 스위치를 연결시키며, 부방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치 및 제4 스위치를 연결시키는 변환 제어부를 포함하되,
직류단의 전압 불평형을 억제하기 위해 상기 변환 제어부는, 상기 정방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제2 스위치를 소정 시간 동안 오프시키며, 상기 부방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제3 스위치를 소정 시간 동안 오프시킬 수 있다.The NPC conversion apparatus of the present invention is an NPC conversion apparatus for converting AC power into DC power, comprising: a first switch connected in series; A second switch; A third switch; A fourth switch; And during the conversion period of the forward AC, the first switch and the third switch are alternately switched to generate stepped potentials, the second switch connects the first switch and the third switch, The second switch and the fourth switch are alternately switched to generate a stepped potential while the third switch is connected to the second switch and the fourth switch during the conversion period of the alternating current, ,
In order to suppress the voltage unbalance of the DC stage, the conversion control unit turns off the second switch for a predetermined time during the conversion period of the forward AC, and turns off the third switch during the conversion period of the reverse direction AC .
Description
본 발명은 NPC 변환 장치 및 NPC 변환 방법에 관한 것으로, 특히, 신재생 에너지 발전 분야에 적합한 NPC 변환 장치 및 NPC 변환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an NPC conversion apparatus and an NPC conversion method, and more particularly, to an NPC conversion apparatus and an NPC conversion method suitable for a renewable energy generation field.
반도체 스위치 소자를 이용한 전력변환장치, 즉 컨버터(Converter)나 인버터(Inverter)는 전기/전력제어 시스템만이 아니라 최근 환경문제로 인해 각광받고 있는 신재생 에너지 발전시스템의 제어를 위한 필수적인 모듈이다. 나아가 전력변환장치의 대용량화 및 낮은 THD(Total Harmonic Distortion, 전체 고조파 왜곡율)의 요구 그리고 필터 인덕턴스 용량 감소 요구에 따라 이에 적합한 3-레벨 인버터의 수요가 증가하고 있다.A power converter using a semiconductor switch device, that is, a converter or an inverter, is an essential module for controlling a renewable energy generation system that is not only an electricity / power control system but also a recent environment problem. Furthermore, demand for three-level inverters is increasing in accordance with the demand for large capacity of power converters, low total harmonic distortion (THD), and reduced filter inductance capacity.
풍력 발전 등 계통 연계형 대용량 신재생 에너지 기술을 적용한 발전의 경우, 컨버터를 구성하는 각 스위칭 소자의 전압/전류 허용 범위가 충분하지 않아, 고압을 위한 멀티레벨 컨버터로 계통에 단독(또는 병렬로) 연계하는 구조가 이용된다.In the case of power generation using grid-connected large-capacity renewable energy technology such as wind power generation, the voltage / current allowable range of each switching device constituting the converter is not sufficient, and a multilevel converter for high- Is used.
그런데, NPC 타입의 멀티레벨 컨버터의 종래 직류단 전압 제어는 단독 연계시 출력에 직류성분을 포함하여, 변압기 등 리액터 성분에 자기포화를 초래할 수 있다. 더욱이, 고압 대용량 시스템을 위해 멀티레벨 컨버터의 병렬 연계의 경우, 이러한 출력의 직류 성분에 의해 병렬 연결되는 컨버터간 순환전류가 발생되어, 커패시터 불평형 및 트립을 유발시킬 위험이 존재한다.Conventional DC voltage control of an NPC type multilevel converter includes a DC component in its output at the time of independent coupling, and may cause magnetic saturation to the reactor component such as a transformer. Furthermore, in the case of a parallel connection of a multilevel converter for a high-voltage, high-capacity system, there is a risk that a circulating current will be generated between the parallel connected converters due to the direct current component of such output, leading to capacitor imbalance and trip.
본 발명은 직류단 전압 불평형을 억제하면서도, 안정된 전력 변환 제어를 수행할 수 있는 NPC 변환 장치 및 NPC 변환 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides an NPC conversion apparatus and an NPC conversion method capable of performing stable power conversion control while suppressing direct current voltage unbalance.
본 발명의 일 측면에 따른 NPC 변환 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 NPC 변환 장치에 있어서, 직렬 연결된 제1 스위치; 제2 스위치; 제3 스위치; 제4 스위치; 및 According to an aspect of the present invention, there is provided an NPC conversion apparatus for converting AC power into DC power, comprising: a first switch connected in series; A second switch; A third switch; A fourth switch; And
정방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제2 스위치는 상기 제1 스위치 및 제3 스위치를 연결시키며, 부방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치 및 제4 스위치를 연결시키도록 제어하는 변환 제어부를 포함하되,The first switch and the third switch are alternately switched to generate a stepped potential while the second switch connects the first switch and the third switch, The second switch and the fourth switch are alternately switched to generate a stepped potential while the third switch is connected to the second switch and the fourth switch, Including,
직류단의 전압 불평형을 억제하기 위해 상기 변환 제어부는, 상기 정방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제2 스위치를 소정 시간 동안 오프시키며, 상기 부방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제3 스위치를 소정 시간 동안 오프시킬 수 있다.In order to suppress the voltage unbalance of the DC stage, the conversion control unit turns off the second switch for a predetermined time during the conversion period of the forward AC, and turns off the third switch during the conversion period of the reverse direction AC .
여기서, 상기 제1 내지 제4 스위치는, IGBT를 구비할 수 있다.Here, the first to fourth switches may include IGBTs.
여기서, 상기 변환 제어부는, 상기 제1 내지 제4 스위치를 스위칭하기 위한 펄스 신호를 생성하되, 상기 펄스의 최소 듀티 및 최대 듀티를 설정할 수 있다.Here, the conversion control unit may generate a pulse signal for switching the first to fourth switches, and may set a minimum duty and a maximum duty of the pulse.
여기서, 상기 변환 제어부는, 상기 제1 스위치 및 제4 스위치에 대하여 라이징 에지에 지연 시간을 부여하며, 상기 제2 스위치 제3 스위치에 대하여 폴링 에지에 지연 시간을 부여할 수 있다.Here, the conversion control unit may give a delay time to the rising edge to the first switch and the fourth switch, and may give a delay time to the polling edge with respect to the second switch third switch.
여기서, 상기 변환 제어부는, 입력측 및 출력측, 직류단에 설치된 각종 센서로부터 전기적 특성에 대한 센싱 신호를 입력받는 센서 입력단; 상기 제1 내지 제4 스위치를 동작시키는 펄스를 출력하되, 최소 듀티 및 최대 듀티의 조건을 만족하는 펄스를 출력하는 PWM 생성기; 및 상기 PWM 생성기가 생성하는 PWM 신호의 폴링 에지 또는 라이징 에지에 소정의 지연 시간을 부여하는 타이밍 조정기를 포함할 수 있다.Here, the conversion control unit may include: a sensor input terminal for receiving a sensing signal for electrical characteristics from various sensors provided on an input side, an output side, and a DC stage; A PWM generator for outputting pulses for operating the first to fourth switches and outputting pulses satisfying conditions of minimum duty and maximum duty; And a timing adjuster for applying a predetermined delay time to a falling edge or a rising edge of the PWM signal generated by the PWM generator.
여기서, 상기 변환 제어부는, 직류단 평형 유지를 위한 상기 제1 내지 제4 스위치의 최소 듀티를 결정하는 직류단 평형제어기를 더 포함할 수 있다.Here, the conversion control unit may further include a DC single-balanced controller for determining a minimum duty of the first to fourth switches for DC single-phase holding.
여기서, 상기 변환 제어부는, 사인파 지령 신호를 생성하는 지령 생성 회로; 및 상기 입력된 센싱 신호들로부터 전류 제어를 위한 기준 전압을 생성하는 전류 제어기를 더 포함하고, 상기 타이밍 조정기는, 상기 기준 전압 및 상기 최소 및 최대 듀티, 상기 사인파 지령 신호를 이용하여 상기 PWM 생성기가 생성하는 PWM 신호의 폴링 또는 라이징 타이밍을 조정할 수 있다.Here, the conversion control section may include: a command generation circuit for generating a sine wave command signal; And a current controller for generating a reference voltage for current control from the input sensing signals, wherein the timing adjuster is configured to control the PWM generator using the reference voltage and the minimum and maximum duty, It is possible to adjust the polling or rising timing of the PWM signal to be generated.
본 발명의 다른 측면에 따른 NPC 전력 변환 방법은, 사인파 지령 신호를 듀티로 변환하는 단계; 최소 듀티 및 최대 듀티를 산정하는 단계; 상기 듀티를 삼각파와 비교하여, 상기 최소 듀티 및 최대 듀티를 만족시키는 펄스를 생성하는 단계; 상기 생성된 펄스를 2개로 복사하여, 하나의 펄스에는 라이징 에지에 지연시간을 부여하고, 다른 하나의 펄스에는 폴링 에지에 지연시간을 부여하는 단계; 및 상기 지연시간이 부가된 펄스 및 그 반전된 펄스를 전력 변환 IGBT에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an NPC power conversion method including: converting a sinusoidal command signal to duty; Calculating a minimum duty and a maximum duty; Comparing the duty cycle to a triangle wave to generate a pulse that satisfies the minimum duty cycle and the maximum duty cycle; Copying the generated pulses into two pulses, giving a delay time to a rising edge of one pulse and a delay time to a polling edge of the other pulse; And applying the delayed pulse and its inverted pulse to the power conversion IGBT.
여기서, 상기 펄스를 생성하기 전에, 상기 듀티를 정수값으로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, before generating the pulse, the step of converting the duty to an integer value may be further included.
상술한 구성에 따른 본 발명의 NPC 변환 장치 또는 NPC 변환 방법을 실시하면, 전력 변환 장치의 직류단 전압 불평형을 억제할 수 있는 이점이 있다.The NPC conversion apparatus or the NPC conversion method of the present invention according to the above-described configuration has an advantage that the DC voltage unbalance of the power conversion apparatus can be suppressed.
본 발명의 NPC 변환 장치 또는 NPC 변환 방법은, 단일 모듈 동작시 출력 전력의 품질을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 계통 측 컨버터 출력 전류의 리플을 감소시키는 이점 및/또는 필터 리액터의 떨림음(소음)을 감소시키는 이점 및/또는 직류단 전압 리플을 감소시키는 이점 및/또는 필터 커패시터에서의 전압 리플을 감소시키는 이점을 달성할 수 있다.The NPC conversion apparatus or the NPC conversion method of the present invention can improve the quality of the output power in a single module operation. For example, the advantage of reducing the ripple of the system side converter output current and / or the damping noise (noise) of the filter reactor and / or the DC voltage ripple and / or the voltage ripple in the filter capacitor can be reduced Can be achieved.
본 발명의 NPC 변환 장치 또는 NPC 변환 방법은, 병렬운전시 안정된 제어를 수행할 수 있다. 예컨대, 직류단 전압의 불평형을 일정 범위 이하로 제어하는 이점 및 병렬연결시 직류단 불평형 및 과전류 현상을 예방할 수 있는 이점을 동시에 달성할 수 있다.The NPC conversion apparatus or NPC conversion method of the present invention can perform stable control in parallel operation. For example, the advantage of controlling the unbalance of the DC voltage to a certain range or less and the advantage of preventing the DC unbalance and the overcurrent phenomenon at the time of parallel connection can be achieved at the same time.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 실시 형태에 의한 NPC 컨버터 및 이를 제어하기 위한 변환 제어부를 구비한 전력 변환 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 도 1에 나타낸 NPC 컨버터 및 NPC 인버터의 구성을 상세하게 설명하는 회로도.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 직류단 전압 불평형을 억제하는 방안들이 적용된 펄스 파형을 도시한 파형도.
도 4는 도 1의 변환 제어부의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 5은 도 4의 상기 타이밍 조정기 및 PWM 생성기에 대한 일 구현예에 대한 상세 구조를 도시한 블록도.
도 6은 도 4의 상기 타이밍 조정기 및 PWM 생성기에 대한 다른 구현예에 대한 상세 구조를 도시한 블록도.
도 7은 직류단의 불평형을 보상하기 위한 도 5의 직류단 평형제어기의 일 구현예를 도시한 블록도.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 전력 변환 시스템을 채택할 수 있는 신재생 에너지 발전 시스템을 도시한 블록도.1 is a block diagram showing a power conversion system including an NPC converter according to an embodiment of the present invention and a conversion control unit for controlling the same.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating in detail the configuration of the NPC converter and the NPC inverter shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a waveform diagram showing a pulse waveform to which the methods for suppressing DC short-circuit voltage imbalance according to the present invention are applied. FIG.
4 is a block diagram showing an embodiment of the conversion control unit of Fig.
5 is a block diagram illustrating a detailed structure of one embodiment of the timing regulator and PWM generator of FIG. 4;
FIG. 6 is a block diagram illustrating a detailed structure of another embodiment of the timing regulator and PWM generator of FIG. 4;
7 is a block diagram illustrating one embodiment of a DC single-balanced controller of FIG. 5 for compensating for DC imbalance;
FIG. 8 is a block diagram showing a renewable energy generation system capable of adopting a power conversion system according to an embodiment of the present invention; FIG.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In describing the present invention, the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements may not be limited by terms. Terms are for the sole purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.It is to be understood that when an element is referred to as being connected or connected to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it may be understood that other elements may be present in between .
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.It is to be understood that the term " comprising, " or " comprising " as used herein is intended to specify the presence of stated features, integers, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.In addition, the shapes and sizes of the elements in the drawings and the like can be exaggerated for clarity.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 실시 형태에 의한 변환 장치로서 NPC 컨버터 및 이를 제어하기 위한 변환 제어부를 구비한 전력 변환 시스템을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing a power conversion system including an NPC converter and a conversion control unit for controlling the NPC converter according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 전력 변환 시스템(100)은 입력 필터(2)와, NPC 컨버터(3)와, NPC 인버터(4)와, 출력 필터(5)와, 변환 제어부(10)와, 직류단 전압을 생성하는 커패시터(15, 16)를 구비할 수 있다. 상기 직류단은 상기 커패시터(15, 16)의 각 단자에 대응하는 중성 라인(17), 정전압 라인(13) 및 부전압 라인(14)을 구비할 수 있다. 상기 커패시터(15, 16)는 상기 정전압 라인(13) 및 부전압 라인(14) 사이에 직렬 연결되며, 상기 정전압 라인(13) 및 부전압 라인(14) 사이의 전압을 평활화한다. 상기 커패시터(15, 16)의 접속점인 중성 라인(17)이 연결된다.Referring to FIG. 1, a
변환 상태의 모니터링을 위해, 상기 전력 변환 시스템(100)은 각종 전압 센서(31,34,35)와 전류 센서(32,37)를 구비할 수 있다.For monitoring the conversion state, the
상기 입력 필터(2)는 3상 발전기(1)에 대한 고조파 이동을 방지한다. 도시한 입력 필터(2)는 콘덴서(11R,11S,11T) 및 리액터(12R,12S,12T)에 의해 구성된 삼상의 LC필터 회로이다.The input filter (2) prevents harmonic movement to the three-phase generator (1). The illustrated
상기 NPC 컨버터(3)는 3상 발전기(1)로부터 입력 필터(2)를 통해 공급되는 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 정전압 라인(13) 및 부전압 라인(14)을 통해 NPC 인버터(4)에 그 직류 전력을 공급한다. NPC 인버터(4)는 NPC 컨버터(3)가 변환하여 상기 직류단에 생성된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다. 다른 구현에서는 복수개의 단상 교류 전력으로 변환할 수 있다. The
상기 NPC 컨버터(3) 및 NPC 인버터(4)는 이른바, 3 레벨 회로로서 구현되었다. 상기 NPC 컨버터(3) 및 NPC 인버터(4)는 반도체 스위치 그 소자를 포함한 반도체 스위치에 의해 구성될 수 있다. 예컨대, 반도체 스위치 그 소자로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 이용될 수 있다. 또한, 상기 반도체 스위치 그 소자의 제어 방식으로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 적용할 수 있다.The
상기 NPC 인버터(4)로부터의 교류 전력은 출력 필터(5)를 통해 계통 또는 부하(6)에 공급된다. 출력 필터(5)는 NPC 인버터(4)의 동작에 의해 생긴 고조파를 제거한다. 도시한 출력 필터(5)는 리액터(18U,18V,18W) 및 콘덴서(19U,19V,19W)에 의해 구성된 삼상의 LC필터 회로이다.The AC power from the
전압 센서(31)는 R상 라인의 전압(VR), S상 라인의 전압(VS) 및 T상 라인의 전압(VT)를 검출해, 전압(VR,VS,VT)을 나타내는 삼상 전압 신호를 변환 제어부(10)에 전달한다. 전류 센서(32)는 R상 라인의 전류(IR), S상 라인의 전류(IS) 및 T상 라인의 전류(IT)를 검출해, 전류(IR,IS,IT)를 나타내는 3상 전류 신호를 변환 제어부(10)에 전달한다.The voltage sensor 31 detects the voltage VR of the R-phase line, the voltage VS of the S-phase line and the voltage VT of the T-phase line and outputs a three-phase voltage signal representing the voltages VR, VS, To the conversion control section (10). The
정전압 라인(13) 및 부전압 라인(14) 사이의 전압은 중성점(21)에 의해 2 전압(Ep,En)으로 분압된다. 전압 센서(34)는 커패시터(15)의 양단의 전압(Ep)를 검출하고, 전압(Ep)를 나타내는 신호를 변환 제어부(10)에 출력한다. 전압 센서(35)는 커패시터(16)의 양단의 전압(En)을 검출하고, 전압(En)를 나타내는 신호를 변환 제어부(10)에 출력한다. The voltage between the
상기 변환 제어부(10)는 전압 센서(31)으로부터의 3상 전압 신호, 전류 센서(32)로부터의 3상 전류 신호, 전압 센서(34)가 검출한 전압(Ep)을 나타내는 신호, 전압 센서(35)가 검출한 전압(En)을 나타내는 신호, 계통측(또는 부하측) 전류 센서(37)가 검출한 전류를 나타내는 신호 등을 받아 PWM 제어를 실행할 수 있다.The
도 2는 도 1에 나타낸 NPC 컨버터(3) 및 NPC 인버터(4)의 구성을 상세하게 설명하는 회로도이다. 도시한 NPC 컨버터(3)에서는 3상을 R, S, T로 표현하였고, 도시한 NPC 인버터(4)에서는 3상을 U, V, W로 표현하였다.Fig. 2 is a circuit diagram illustrating in detail the configuration of the
도시한 NPC 컨버터(3)의 각 상에 대한 변환 모듈(3R,3S,3T)은, 각각 3 레벨 회로로서 구성되어 4개의 IGBT 소자와 6개의 다이오드를 구비한다. 상세하게는, R상 변환 모듈(3R)은 IGBT 소자(Q1R~Q4R)와 다이오드(D1R~D6R)를 구비한다. S상 변환 모듈(3S)은 IGBT 소자(Q1S~Q4S)와 다이오드(D1S~D6S)를 구비한다. T상 변환 모듈(3T)는 IGBT 소자(Q1T~Q4T)와 다이오드(D1T~D6T)를 포함한다. The
상기 NPC 인버터(4)도 마찬가지의 구성을 구비하며, 중복되는 설명은 생략하겠다.The
이하에서는 NPC 컨버터(3)의 각 상에 대한 구성 및 NPC 인버터(4)의 각 상에 대한 구성을 총괄적으로 설명하기 위해 부호 R,S,T,U,V,W를 총칭하여 부호 「x」라고 나타낸다. Hereinafter, the symbols R, S, T, U, V, and W are collectively referred to as a symbol "x" to describe the configuration of each phase of the
IGBT 소자(Q1x~Q4x)는 정전압 라인(13)과 부전압 라인(14) 사이에 직렬로 접속된다. 다이오드(D1x~D4x)는 IGBT 소자(Q1x~Q4x)에 각각 역병렬 접속된다. 다이오드(D5x)는 IGBT 소자(Q1x,Q2x)의 접속점과 중성점(21)에 접속된다. 다이오드(D6x)는 IGBT 소자(Q3x,Q4x)의 접속점과 중성점(21)에 접속된다. 또한 다이오드(D5x)의 캐소드는 IGBT 소자(Q1x,Q2x)의 접속점에 접속되어 다이오드(D5x)의 애노드는 중성점(21)에 접속된다. 다이오드(D6x)의 애노드는 IGBT 소자(Q3x,Q4x)의 접속점에 접속되어 다이오드(D6x)의 캐소드는 중성점(21)에 접속된다. 다이오드(D1x~D4x)는 피드백 다이오드로서 기능하고, 다이오드(D5x,D6x)는 클램프 다이오드로서 기능한다.The IGBT elements Q1x to Q4x are connected in series between the
상기 NPC 컨버터(3)의 각 상에 대한 변환 모듈(3R,3S,3T)에 있어서는 IGBT 소자(Q2x,Q3x)의 접속점이 교류 입력 단자에 대응해, 다이오드(D5x,D6x)의 접속점이 직류 출력 단자에 대응한다. 한편, 상기 NPC 인버터(4)의 각 상에 대한 변환 모듈(4U,4V,4S)에 있어서는 다이오드(D5x,D6x)의 접속점이 직류 입력 단자에 대응해, IGBT 소자(Q2x,Q3x)의 접속점이 교류 출력 단자에 대응한다. 상기 NPC 컨버터(3)의 각 상에 대한 변환 모듈(3R,3S,3T)의 교류 입력 단자는 대응하는 선(R상 라인 RL, S상 라인 SL, T상 라인 TL)에 접속되고, 상기 NPC 인버터(4)의 각 상에 대한 변환 모듈(4U,4V,4S)의 교류 출력 단자는 대응하는 선(U상 라인 UL, V상 라인 VL, W상 라인 WL)에 접속된다. 상기 NPC 컨버터(3)의 각 상에 대한 변환 모듈(3R,3S,3T)의 직류 출력 단자 및 상기 NPC 인버터(4)의 각 상에 대한 변환 모듈(4U,4V,4S)의 직류 입력 단자는 중성점(21)에 접속된다.In the
도 3은 본 발명의 사상에 따른 직류단 전압 불평형을 억제하는 방안들이 적용된 펄스 파형을 도시한 파형도이다.FIG. 3 is a waveform diagram showing a pulse waveform to which the methods for suppressing DC short-circuit voltage imbalance according to the present invention are applied.
본 발명에서는 NPC 컨버터의 직류단 전압 불평형을 억제하기 위해, 영 전압 스위칭을 이용한 직류단 전압 평형 제어 방안(도 3의 M1)을 제안한다.In the present invention, a direct current voltage balancing control scheme using zero voltage switching (M1 in FIG. 3) is proposed to suppress direct current voltage unbalance of an NPC converter.
예컨대, NPC를 위한 전류 제어기에서 결정된 상전압 기준값에 의한 스위칭 펄스 발생 부분에서 직류단 (+)측과 (-)측 IGBT의 도통 시간을 조정하는 것이다.For example, the conduction time of the DC terminal (+) side and the (-) side IGBT is adjusted in the switching pulse generation portion by the phase voltage reference value determined in the current controller for NPC.
NPC 컨버터에서 직류단의 정전압 라인 및 부전압 라인 사이에 순차적으로 4개의 직렬연결된 4개의 IGBT를 정전압 라인에서부터 순차적으로,IGBT1, IGBT2, IGBT3, IGBT4라고 칭할 때, 상술한 영 전압 스위칭을 이용한 직류단 전압 평형 제어 방안을 적용하면, IGBT2 또는 IGBT3의 연속 도통 구간(0 전압 인가 구간)에서 짧은 시간 OFF 하도록 하여 제어하여(미세 OFF 시간 부여), 직류단 전압 불평형을 억제한다.In the NPC converter, four IGBTs serially connected in series between a positive voltage line and a negative voltage line of a DC stage are sequentially referred to as IGBT1, IGBT2, IGBT3, and IGBT4 from a constant voltage line. When the voltage balancing control scheme is applied, it is controlled to be turned OFF for a short time in the continuous conduction section (0 voltage application section) of the
이 방안은 PCS 출력 측에 영향을 주지 않아, 컨버터 측에서 직류단 전압 평형 제어를 수행하여도, 인버터나 출력측에 관련된 제어에 영향을 주지 않는 이점이 있다. 그 결과, 전체 전력 변환 시스템의 제어의 난이도를 낮출 수 있다.This scheme has no effect on the PCS output side, and even if the DC-to-DC voltage balance control is performed on the converter side, there is an advantage that the control related to the inverter or the output side is not affected. As a result, the difficulty of control of the entire power conversion system can be reduced.
상기 방안에서는, 전류의 흐름 방향을 바꾸어 직류단 커패시터의 충/방전 상태를 변화하여, 원하는 수준의 직류단 전압 평형을 달성할 수 있다.In the above method, the charging / discharging state of the DC short-circuit capacitor is changed by changing the flow direction of the current, thereby achieving a desired level of DC short-circuit voltage balance.
또한, 상기 영 전압 스위칭 방안과 더불어, 소정의 지연시간으로서 데드타임(dead time)을 부여하는 방안(도 3의 M2)을 추가로 적용할 수 있다.In addition to the zero-voltage switching scheme, a scheme for giving a dead time as a predetermined delay time (M2 in FIG. 3) may be further applied.
이 보상 방안은, 직류단 커패시터 전압 차와 보상 방향을 고려하여, 전류 제어기에서 결정된 상전압 기준값에 영상분 전압 옵셋(offset)을 더해서 불평형을 해결하는 것이다.(영상분 전압 옵셋 방안이라 칭할 수 있다.)This compensation scheme solves the imbalance by adding a video voltage offset to the phase voltage reference value determined in the current controller in consideration of the DC capacitor voltage difference and the compensation direction (this can be referred to as a video voltage offset scheme .)
이 보상 방안에서는, 해당 상(Phase)의 유효 벡터 크기를 변화시키기 위해, 구체적으로는 모든 스위칭 펄스의 라이징 에지 및/또는 폴링 에지에 소정의 지연시간으로서 데드타임(dead time)을 부여한다.In this compensation scheme, a dead time is given as a predetermined delay time to the rising edge and / or the falling edge of all the switching pulses in order to change the effective vector size of the phase.
일반적으로, IGBT1과 IGBT4를 기준으로 PWM 시간을 계산하고, IGBT2와 IGBT3은 각각 IGBT4와 IGBT1의 반대로 on/off하는 바, 모든 IGBT의 라이징 에지(rising edge)에 데드 타임(dead-time)을 적용하게 된다.Generally, PWM time is calculated based on IGBT1 and IGBT4, and IGBT2 and IGBT3 are turned on / off in the opposite direction of IGBT4 and IGBT1, respectively, and dead time is applied to the rising edge of all IGBTs .
그런데, 상기 보상 방안에서는, PCS 외부 출력 전류의 크기를 바꾸어 커패시터 충/방전 상태를 변화시키는 바, PCS 출력 측에 영향을 주게 된다. 따라서, 본 보상 방안을 과도하게 적용하면, 결국 인버터나 출력단 제어를 곤란하게 만들 수 있으므로, 상기 영 전압 스위칭 방안에 대한 추가/보조적인 방안으로 이용하는 것이 바람직하다.However, in the compensation scheme, the charge / discharge state of the capacitor is changed by changing the magnitude of the PCS external output current, which affects the PCS output side. Therefore, excessive application of the compensation scheme may make it difficult to control the inverter or the output stage. Therefore, it is preferable to use the compensation scheme as an additional / supplementary measure for the zero voltage switching scheme.
상술한 영 전압 스위칭 방안(도 3의 M1)을 적용한, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 NPC 변환 장치를 도 1 및 도 2를 참조하여 기술하면, 상기 NPC 변환 장치는, 직렬 연결된 제1 스위치(Q1x); 제2 스위치(Q2x); 제3 스위치(Q3x); 제4 스위치(Q4x); 및 정방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제1 스위치(Q1x) 및 상기 제3 스위치(Q3x)는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제2 스위치(Q2x)는 상기 제1 스위치(Q1x) 및 제3 스위치(Q3x)를 연결시키며, 부방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제2 스위치(Q2x) 및 상기 제4 스위치(Q4x)는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제3 스위치(Q3x)는 상기 제2 스위치(Q2x) 및 제4 스위치(Q4x)를 연결시키는 변환 제어부를 포함하되,Referring to FIGS. 1 and 2, an NPC conversion apparatus for converting AC power into DC power using the above-described zero voltage switching scheme (M1 in FIG. 3) is described. The NPC conversion apparatus includes a first switch Q1x); A second switch Q2x; A third switch Q3x; A fourth switch Q4x; The first switch Q1x and the third switch Q3x are alternately switched to generate a stepped potential while the second switch Q2x is switched between the first switch Q1x and the second switch Q2x, Q1x and the third switch Q3x, and during the conversion period of the negative direction AC, the second switch Q2x and the fourth switch Q4x are alternately switched in reverse to generate a stepped potential, The third switch Q3x includes a conversion control unit for connecting the second switch Q2x and the fourth switch Q4x,
상기변환 제어부(10)는, 직류단에 존재하는 정방향의 전압 불평형을 제거하기 위해, 상기 정방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제2 스위치(Q2x)를 소정 시간 동안 오프시키며, 직류단에 존재하는 부방향의 전압 불평형을 제거하기 위해, 상기 부방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제3 스위치(Q3x)를 소정 시간 동안 오프시키는 것을 특징으로 한다.The
하기에서, 상기 제1 스위치(Q1x) 내지 제4 스위치(Q4x)는 R상에 대한 것만 대표적으로 설명하고 있으나, 나머지 S상 및 T상에 대해서도 마찬가지임은 물론이다. 상기 제1 스위치(Q1x) 내지 제4 스위치(Q4x)는 다이오드가 병렬 연결된 IGBT로 구현되었다.In the following description, only the R-phase of the first switch Q1x to the fourth switch Q4x is exemplarily described, but the same applies to the other S-phase and T-phase. The first switch Q1x to the fourth switch Q4x are implemented as an IGBT in which diodes are connected in parallel.
여기서, 상기 소정 시간은 미세 OFF 시간이라 칭할 수 있으며, 상기 미세 OFF 시간을 부여하는 구체적인 방안으로서, 하나의 턴온 구간 도중에 소정 알고리즘에 의해 직류단 전압 불평형 정도에 따라 산정된 하나의 미세 OFF 시간 동안 해당 IGBT를 턴오프 시키는 방안과, 한 사이클에서의 최소 턴온 시간인 최소 듀티 및 한 사이클에서의 최대 턴온 시간인 최대 듀티를 적용하여 교번 스위칭 동작을 수행함에 있어서, 최소 듀티를 직류단 전압 불평형 정도에 따라 산정하는 방안이 있다. 전자의 방안은 다소 복잡하고 별도의 회로가 소요되는 바, 이하에서는 후자의 방안에 대하여 구체화하여 설명한다.Here, the predetermined time may be referred to as a fine OFF time. As a specific method for giving the fine OFF time, a predetermined ON time during one fine OFF time calculated according to the DC unbalance unbalance degree by a predetermined algorithm during one turn- In order to perform the alternating switching operation by applying the maximum duty which is the minimum turn-on time and the maximum turn-on time in one cycle, which is the minimum turn-on time in one cycle, the minimum duty is determined according to the degree of the DC voltage unbalance There is a plan to calculate. The former method is somewhat complicated and requires a separate circuit. In the following, the latter method will be described in detail.
도 4는 도 1의 변환 제어부의 일 실시예를 도시한 블록도이다.4 is a block diagram showing an embodiment of the conversion control unit of FIG.
도시한 변환 제어부(10)는, 입력측 및 출력측, 직류단에 설치된 각종 센서로부터 전기적 특성(전압, 전류)을 센싱한 신호를 입력받는 센서 입력단(61); 전류 제어를 위한 기준 전압을 생성하는 전류 제어기(63); 직류단 평형 유지를 위한 컨버터 IGBT의 최소 듀티를 결정하는 직류단 평형제어기(62); 컨버터 및/또는 인버터를 구성하는 IGBT를 동작시키는 펄스를 출력하는 PWM 생성기(65); 상기 PWM 생성기(65)가 생성하는 PWM 신호의 폴링 에지 및/또는 라이징 에지에 소정의 지연 시간을 부여하는 타이밍 조정기(64)를 포함할 수 있다.The
전류 제어기(63)는 입력측에서 센싱된 전압(VR,VS,VT)과 출력측 전압센서(37)에서 센싱된 전압을 입력받아, 입력받은 값을 소정의 알고리즘 및/또는 수학식에 따라 연산하여 적합한 전위의 기준 전압(Vx_ref)을 산정한다. 구현에 따라, 상기 기준 전압(Vx_ref)의 연산을 위해 입력측에서 센싱한 전류(IR, IS, IT)나 출력측에서 센싱한 전류를 이용할 수 있다.The
직류단 평형제어기(62)는 직류단 전압(Ep, En)을 입력받아 최소 듀티 신호(Vsn_comp_top(bot))를 산정한다.The DC single-
타이밍 조정기(64)는 상기 기준 전압(Vx_ref) 및 상기 최소(Vsn_comp_top(bot)) 및 최대 듀티(Ts), 사인파 지령 신호를 이용하여 PWM 생성기(65)가 생성하는 PWM 신호의 폴링/라이징 타이밍을 조정한다. 상기 최대 듀티(Ts)은 고정된 값을 적용하거나, 출력단 전압, 부하량, 발전량에 따라 결정될 수 있다.The
상기 사인파 지령 신호(v* an)를 생성하기 위해, 상기 변환 제어부는 사인파 지령 신호를 생성하는 지령 생성 회로(66)를 더 구비할 수 있다. 예컨대, 지령 생성 회로(66)는 전압 센서(31)가 검출한 전압(VR, VS, VT), 전류 센서(32)가 검출한 전류(IR, IS, IT) 및 직류단 커패시터 전압(Ep,En)을 받고, R상, S상, 및 T상에 각각 대응하는 사인파 지령 신호를 생성한다. In order to generate the sine wave command signal v * an , the conversion control section may further include a
도 5는 도 4의 상기 타이밍 조정기(64) 및 PWM 생성기(65)에 대한 일 구현예에 대한 상세 구조를 도시한 블록도이다.5 is a block diagram illustrating the detailed structure of one embodiment of the
상기 타이밍 조정기(64)는 2개의 구간 계산기(82, 84) 및 반전기(81), 2개의 듀티 제한기(85, 86), 제한 스위치(89)를 구비할 수 있다. 상기 PWM 생성기(65)는, 2개의 펄스 생성기(87, 88) 및 2개의 반전기(91, 92)를 구비할 수 있다. The
상기 2개의 펄스 생성기(87, 88)에서 출력되는 스위칭 신호는 2개의 반전기(91, 92)에 의해 반전되어 총 4개의 PWM 신호로 되고, 지연기(93~96)에 의해 소정 시간의 데드타임(dead time)이 적용된 후, 4개의 IGBT 구동 신호(G_IGBT1, G_IGBT2, G_IGBT3, G_IGBT4)가 되어, IGBT의 게이트 단자로 각각 인가된다.The switching signals output from the two
도시한 제한 스위치(89)는 직류단 평형 제어기(62)로부터 최소 듀티 신호(Vsn_comp_top(bot))를 입력받아, 상기 2개의 듀티 제한기(85, 86)에 선택적으로 전달한다.The
도면에서, 직류단 전압 불평형을 개선하기 위해, 상기 제한 스위치(89) 및 듀티 제한기(85, 86)는 상술한 영 전압 스위칭 방안을 수행할 수 있다. 상기 펄스 생성기(87, 88)는 상술한 영 전압 스위칭을 위한 지연 시간 부여하는 것 및/또는 상술한 영상분 전압 옵셋 방안에 따른 데드타임(dead time)을 부여하는 것을 수행할 수 있다.In the figure, the limiting
도면에서는 4개의 지연기(93~96)에 의해 동일한 라이징 에지에 대한 지연이 적용된 바, 상술한 영상분 전압 옵셋 방안에 따른 데드타임을 적용함을 알 수 있다.In the figure, the delay for the same rising edge is applied by the four
상기 구간 계산기(82, 84)는 기준 전압(Vx_ref) 및 사인파 지령 신호를 이용하여 턴온 구간(도 3의 IGBT2 및 IGBT3에 대한 긴 턴온 구간)을 계산한다.The
도 6는 도 4의 상기 타이밍 조정기(64) 및 PWM 생성기(65)에 대한 다른 구현예에 대한 상세 구조를 도시한 블록도이다.6 is a block diagram illustrating the detailed structure of another embodiment of the
도시한 구현예는, 듀티를 생성하는 듀티 변환기(182); 상기 듀티의 최소 및 최대를 제한하는 듀티 제한기(185, 186); 상기 듀티 제한기의 출력 신호를 정수로 변환하는 정수 변환기(195, 196); 상기 정수 변환기(195, 196)에서 출력되는 신호를 삼각파와 비교하여 펄스를 생성하는 파형 비교기(187, 188); 상기 파형 비교기(187, 188)가 생성한 펄스의 라이징 에지 및 폴링 에지에 소정의 지연 시간을 부여하는 지연기(191 ~ 194); 및 상기 지연기의 출력 신호를 반전시키는 반전기(198, 199)를 포함한다. The illustrated embodiment includes a
상기 듀티 변환기(182)는 사인파 형태의 지령 값(사인파 지령 신호)을 듀티(Duty)로 변환한다. 또한, 변환된 신호를 두 개의 서로 반전 관계의 신호로 분리하기 위한 반전기(183)를 구비한다. The
듀티는 일반적으로는 0~Ts(최대 듀티)로 제한되는데, 본 발명의 사상에 따라 상기 듀티 제한기(185, 186)는 최소 듀티로도 제한을 가한다. 최소 듀티로서 듀티 제한기(185)에는 Vsn_comp_top이 인가되고, 듀티 제한기(186)에는 Vsn_comp_bot이 인가된다.The duty is generally limited to 0 to Ts (maximum duty), which limits the
상기 정수 변환기(195, 196)는 디지털 적으로 삼각파 비교를 위해 정수 값으로 변환한다. 아날로그 비교 회로를 이용하는 다른 구현의 경우 생략될 수 있다.The
상기 파형 비교기(187, 188)는, 상기 정수 변환기(195, 196)에서 출력되는 신호를 삼각파와 비교하여 펄스 생성한다. 여기서, 비교용 삼각파는 서로 180도 위상차를 준 것만 사용한다. 그런데, 상기 듀티 제한기(185, 186)에서 최소 듀티에 제한을 부여한 결과로, 상기 파형 비교기(187, 188)가 생성한 펄스는 OFF 구간에서도 임펄스에 가까운 짧은 펄스들(IS)이 존재하게 된다.The
상기 지연기(191 ~ 194)는 상기 파형 비교기(187, 188)가 생성한 펄스의 라이징 에지 및 폴링 에지에 소정의 지연 시간(일종의 데드타임(dead time)으로 볼 수도 있다)을 부여한다. 이때, 각 신호를 분리하여 각각 지연시간을 적용한다. 라이징(Rising) 에지에서는 상승 신호를 지연시키고, 폴링(Falling) 에지에서는 하강 신호를 지연시키는데, 지연기(191, 193)는 상승 신호 지연을 통해 IGBT 1번 또는 4번의 On 방향의 짧은 펄스들을 제거하고, 지연기(192, 194)는 하강 신호 지연을 통해 IGBT 2번 또는 3번의 OFF 방향의 짧은 펄스들(OS)을 유지시킨다. 그 결과, 본 발명의 사상에 따른 영 전압 스위칭 방안을 위한 연속 도통 구간에서의 짧은 시간 동안의 OFF 동작이 수행된다.The
상기 지연기(191, 193)에 의한 지연 시간은, 임펄스에 가까운 짧은 펄스들을 제거하기 위한 시간만 확보하면 되므로, 상술한 영 전압 스위칭 방안에서의 데드타임 보다는 짧은 것이 일반적이다.The delay time by the
상술한 과정으로 생성된 펄스는 스위칭 신호로 사용하기 위해, 해당하는 IGBT의 게이트에 인가된다.The pulse generated by the above process is applied to the gate of the corresponding IGBT for use as a switching signal.
도 6에는 도 4의 상기 타이밍 조정기(64) 및 PWM 생성기(65)에 대한 상세 구조 뿐만 아니라, NPC 전력 변환 방법도 표현되어 있다.In FIG. 6, not only the detailed structure of the
상기 NPC 전력 변환 방법은, 사인파 지령 신호를 듀티로 변환하는 단계(S101); 최소 듀티 및 최대 듀티를 산정하는 단계(S102); 상기 듀티를 정수값으로 변환하는 단계(S103); 상기 듀티를 삼각파와 비교하여, 상기 최소 듀티 및 최대 듀티를 만족시키는 펄스를 생성하는 단계(S104); 상기 생성된 펄스를 2개로 복사하여, 하나의 펄스에는 라이징 에지에 지연시간을 부여하고, 다른 하나의 펄스에는 폴링 에지에 지연시간을 부여하는 단계(S105); 및 상기 지연시간이 부가된 펄스 및 그 반전된 펄스를 전력 변환 IGBT에 인가하는 단계(S106)를 포함한다.The NPC power conversion method comprises: converting a sinusoidal command signal to duty (S101); Calculating a minimum duty and a maximum duty (S102); Converting the duty to an integer value (S103); Comparing the duty to a triangle wave to generate a pulse that satisfies the minimum duty cycle and the maximum duty cycle (S104); A step (S105) of copying the generated pulses in two, giving a delay time to a rising edge for one pulse and a delay time for a polling edge for another pulse; And applying the delayed pulse and its inverted pulse to the power conversion IGBT (S106).
도시한 바와 같이, 상기 S101 단계는 상기 듀티 변환기(182)에서 수행되며, 상기 S102 단계는 상기 듀티 제한기(185, 186)에서 수행되며, 상기 S103 단계는 상기 정수 변환기(195, 196)에서 수행되며, 상기 S104 단계는, 파형 비교기(187, 188)에서 수행되며, 상기 S105 단계는, 상기 지연기(191 ~ 194)에서 수행되며, 상기 S106 단계는, 상기 반전기(198, 199)에서 수행될 수 있다.As shown in the figure, the step S101 is performed in the
도 7은 직류단의 불평형을 보상하기 위한 도 4 및 도 5의 직류단 평형제어기(62)의 일 실시예를 도시한 블록도이다.FIG. 7 is a block diagram illustrating one embodiment of a DC single-
도시한 직류단 평형 제어기(62)는 입력 신호로서, 직류단의 상단 커패시터의 전압(VdcP)과 하단 커패시터의 전압(VdcN)을 입력받아, 양 전압의 차를 이용하여, 최소 듀티 신호(Vsn_comp_top, Vsn_comp_bot)를 생성한다.The illustrated DC single-
도면의 112번 ~ 120번 구성들은 듀티를 계산하기 위한 블록들이며, 여기서 생성된 신호(Vsn_comp)는 반전기(131)에 의해 분리되고, 보상 방향에 따라 IGBT 2번 및 IGBT 3번 중 하나를 위한 구성에만, 분리된 신호(Vsn_comp_bot, Vsn_comp_top) 중 하나를 출력한다. 그 결과, 상단 커패시터 전압이 크면 IGBT 2번의 턴온 구간에 평형 제어를 위한 OFF 방향의 짧은 펄스들이 적용되고, 상단 커패시터 전압이 작으면 IGBT 3번의 턴온 구간에 평형 제어를 위한 OFF 방향의 짧은 펄스들이 적용된다.112 to 120 are blocks for calculating the duty, wherein the generated signal Vsn_comp is separated by the
구현에 따라, 도 6의 듀티 제한기(185, 186)에 입력되는 최소 듀티 신호(Vsn_comp_bot, Vsn_comp_top)는 하기 표 1에 도시한 테이블 따라, 불연속적인 값으로 결정될 수 있다.Depending on the implementation, the minimum duty signal (Vsn_comp_bot, Vsn_comp_top) input to the
도 8은 본 발명의 사상에 따른 전력 변환 시스템을 채택할 수 있는 신재생 에너지 발전 시스템을 도시한다.FIG. 8 shows a renewable energy generation system capable of adopting a power conversion system according to an embodiment of the present invention.
도시한 발전 시스템은, 2개의 발전기에 대한 전력 변환 시스템(컨버터(1003) 및 인버터(1004)를 구비)이 병렬 연결된 구조를 가지고 있으며, 3개 이상의 전력 변환 시스템이 병렬 연결될 수 있음은 물론이다. It is a matter of course that the illustrated power generation system has a structure in which power conversion systems (including the
각 전력 변환 시스템의 컨버터(1003)는 본 발명의 사상에 따른 NPC 컨버터가 될 수 있다. 각 전력 변환 시스템의 변환 동작 제어를 위한 컨트롤러(1010) 및 전체 발전 시스템의 전력 변환 동작을 제어하는 메인 컨트롤러(2000)가 구비되는데, 본 발명의 사상에 따른 변환 제어부(10)는 상기 컨트롤러(1010) 및/또는 메인 컨트롤러(2000)에 구비될 수 있다. The
2개 이상의 전력 변환 시스템이 병렬 연결되어도, 본 발명의 사상에 따른 영전압 스위칭을 이용한 전압 불평형 억제 방안을 적용하여, 하기 그래프에 도시한 바와 같이, 직류단 전압의 불평형을 일정 범위 이하로 제어할 수 있다. 즉, 전력 변환 시스템의 병렬연결 시, 직류단 불평형 및 과전류 현상을 제거하고, 리액터 소음 감소시킬 수 있다.Even when two or more power conversion systems are connected in parallel, the voltage unbalance suppressing scheme using the zero voltage switching according to the present invention is applied to control the unbalance of the DC voltage to a certain range or less . That is, when the power conversion system is connected in parallel, the DC unbalance and the overcurrent phenomenon can be eliminated, and the reactor noise can be reduced.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.It should be noted that the above-described embodiments are intended to be illustrative, not limiting. In addition, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
2 : 입력 필터 3 : NPC 컨버터
4 : NPC 인버터 5 : 출력 필터
10 : 변환 제어부
15, 16 : 직류단 커패시터
61 : 센서 입력단 62 : 직류단 평형제어기
63 : 전류 제어기 64 : 타이밍 조정기
65 : PWM 생성기 66 : 지령 생성 회로2: Input filter 3: NPC converter
4: NPC inverter 5: Output filter
10:
15, 16: DC short-circuit capacitor
61: sensor input terminal 62: DC single-phase controller
63: current controller 64: timing regulator
65: PWM generator 66: Command generation circuit
Claims (9)
직렬 연결된 제1 스위치; 제2 스위치; 제3 스위치; 제4 스위치; 및
정방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제2 스위치는 상기 제1 스위치 및 제3 스위치를 연결시키며,
부방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치 및 제4 스위치를 연결시키도록 제어하는 변환 제어부를 포함하되,
직류단의 전압 불평형을 억제하기 위해 상기 변환 제어부는, 상기 정방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제2 스위치를 소정 시간 동안 오프시키며,
상기 부방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제3 스위치를 소정 시간 동안 오프시키고,
상기 변환 제어부는,
상기 제1 내지 제4 스위치를 스위칭하기 위한 펄스 신호를 생성하되,
상기 펄스의 최소 듀티 및 최대 듀티를 설정하고,
상기 변환 제어부는,
상기 제1 스위치 및 제4 스위치에 대하여 라이징 에지에 지연 시간을 부여하며,
상기 제2 스위치 및 제3 스위치에 대하여 폴링 에지에 지연 시간을 부여하고,
상기 지연 시간은 상기 오프시키는 시간 보다 짧은 것을 특징으로 하는 NPC 변환 장치.
An NPC converter for converting AC power into DC power, comprising:
A first switch connected in series; A second switch; A third switch; A fourth switch; And
During the conversion period of the forward AC, the first switch and the third switch are alternately switched to generate a stepped potential, and the second switch connects the first switch and the third switch,
During the conversion period of the negative direction AC, the second switch and the fourth switch are alternately switched to generate stepped potentials, and the third switch controls to connect the second switch and the fourth switch And a conversion control unit,
In order to suppress the voltage unbalance of the DC stage, the conversion control unit turns off the second switch for a predetermined time during the conversion period of the forward AC,
The third switch is turned off for a predetermined time during the conversion period of the negative direction AC,
Wherein the conversion control unit comprises:
Generating a pulse signal for switching the first to fourth switches,
Setting a minimum duty and a maximum duty of the pulse,
Wherein the conversion control unit comprises:
A delay time is given to the rising edge for the first switch and the fourth switch,
A delay time is given to the polling edge for the second switch and the third switch,
Wherein the delay time is shorter than the turning-off time.
상기 제1 내지 제4 스위치는, IGBT를 구비하는 NPC 변환 장치.
The method according to claim 1,
And the first to fourth switches include IGBTs.
직렬 연결된 제1 스위치; 제2 스위치; 제3 스위치; 제4 스위치; 및
정방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제2 스위치는 상기 제1 스위치 및 제3 스위치를 연결시키며,
부방향 교류의 변환 주기 동안, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치는 단계별 전위를 생성하기 위해 서로 반대로 교번하여 스위칭되고, 상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치 및 제4 스위치를 연결시키도록 제어하는 변환 제어부를 포함하되,
직류단의 전압 불평형을 억제하기 위해 상기 변환 제어부는, 상기 정방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제2 스위치를 소정 시간 동안 오프시키며,
상기 부방향 교류의 변환 주기 도중에 상기 제3 스위치를 소정 시간 동안 오프시키고,
상기 변환 제어부는,
입력측 및 출력측, 직류단에 설치된 각종 센서로부터 전기적 특성에 대한 센싱 신호를 입력받는 센서 입력단;
상기 제1 내지 제4 스위치를 동작시키는 펄스를 출력하되, 최소 듀티 및 최대 듀티의 조건을 만족하는 펄스를 출력하는 PWM 생성기; 및
상기 PWM 생성기가 생성하는 PWM 신호의 폴링 에지 또는 라이징 에지에 소정의 지연 시간을 부여하는 타이밍 조정기를 포함하고,
상기 지연 시간은 상기 오프시키는 시간 보다 짧은 것을 특징으로 하는 NPC 변환 장치.
An NPC converter for converting AC power into DC power, comprising:
A first switch connected in series; A second switch; A third switch; A fourth switch; And
During the conversion period of the forward AC, the first switch and the third switch are alternately switched to generate a stepped potential, and the second switch connects the first switch and the third switch,
During the conversion period of the negative direction AC, the second switch and the fourth switch are alternately switched to generate stepped potentials, and the third switch controls to connect the second switch and the fourth switch And a conversion control unit,
In order to suppress the voltage unbalance of the DC stage, the conversion control unit turns off the second switch for a predetermined time during the conversion period of the forward AC,
The third switch is turned off for a predetermined time during the conversion period of the negative direction AC,
Wherein the conversion control unit comprises:
A sensor input terminal for receiving a sensing signal for electrical characteristics from various sensors installed on an input side, an output side, and a DC stage;
A PWM generator for outputting pulses for operating the first to fourth switches and outputting pulses satisfying conditions of minimum duty and maximum duty; And
And a timing adjuster for giving a predetermined delay time to a falling edge or a rising edge of the PWM signal generated by the PWM generator,
Wherein the delay time is shorter than the turning-off time.
상기 변환 제어부는,
직류단 평형 유지를 위한 상기 제1 내지 제4 스위치의 최소 듀티를 결정하는 직류단 평형제어기를 더 포함하는 NPC 변환 장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the conversion control unit comprises:
And a DC single-balanced controller for determining a minimum duty of said first to fourth switches for DC single-phase holding.
상기 변환 제어부는,
사인파 지령 신호를 생성하는 지령 생성 회로; 및
상기 입력된 센싱 신호들로부터 전류 제어를 위한 기준 전압을 생성하는 전류 제어기를 더 포함하고,
상기 타이밍 조정기는, 상기 기준 전압 및 상기 최소 및 최대 듀티, 상기 사인파 지령 신호를 이용하여 상기 PWM 생성기가 생성하는 PWM 신호의 폴링 또는 라이징 타이밍을 조정하는 NPC 변환 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the conversion control unit comprises:
A command generation circuit for generating a sine wave command signal; And
Further comprising a current controller for generating a reference voltage for current control from the input sensing signals,
Wherein the timing adjuster adjusts the polling or rising timing of the PWM signal generated by the PWM generator using the reference voltage, the minimum and maximum duty, and the sine wave command signal.
최소 듀티 및 최대 듀티를 산정하는 단계;
상기 듀티를 삼각파와 비교하여, 상기 최소 듀티 및 최대 듀티를 만족시키는 펄스를 생성하는 단계;
상기 생성된 펄스를 2개로 복사하여, 하나의 펄스에는 라이징 에지에 지연시간을 부여하고, 다른 하나의 펄스에는 폴링 에지에 지연시간을 부여하는 단계; 및
상기 지연시간이 부가된 펄스 및 그 반전된 펄스를 전력 변환 IGBT에 인가하는 단계
를 포함하고,
상기 지연시간은 직류단의 전압 불평형을 억제하기 위해 상기 펄스를 소정 시간 동안 오프시키는 시간 보다 짧은 것을 특징으로 하는 NPC 전력 변환 방법.
Converting a sinusoidal command signal to duty;
Calculating a minimum duty and a maximum duty;
Comparing the duty cycle to a triangle wave to generate a pulse that satisfies the minimum duty cycle and the maximum duty cycle;
Copying the generated pulses into two pulses, giving a delay time to a rising edge of one pulse and a delay time to a polling edge of the other pulse; And
Applying the delayed pulse and its inverted pulse to the power conversion IGBT
Lt; / RTI >
Wherein the delay time is shorter than the time for turning off the pulse for a predetermined time to suppress voltage imbalance of the DC stage.
상기 펄스를 생성하기 전에,
상기 듀티를 정수값으로 변환하는 단계;
를 더 포함하는 NPC 전력 변환 방법.
9. The method of claim 8,
Before generating the pulse,
Converting the duty to an integer value;
Wherein the NPC power conversion method further comprises:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150187132A KR101793062B1 (en) | 2015-12-28 | 2015-12-28 | NPC Converting Device and Method |
PCT/KR2016/015206 WO2017116083A1 (en) | 2015-12-28 | 2016-12-23 | Npc conversion device and npc conversion method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150187132A KR101793062B1 (en) | 2015-12-28 | 2015-12-28 | NPC Converting Device and Method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20170077339A KR20170077339A (en) | 2017-07-06 |
KR101793062B1 true KR101793062B1 (en) | 2017-11-02 |
Family
ID=59225317
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020150187132A KR101793062B1 (en) | 2015-12-28 | 2015-12-28 | NPC Converting Device and Method |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101793062B1 (en) |
WO (1) | WO2017116083A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023533267A (en) * | 2020-07-03 | 2023-08-02 | エルエス、エレクトリック、カンパニー、リミテッド | Power conversion device and its control method |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103401455A (en) * | 2013-06-26 | 2013-11-20 | 山西潞安环保能源开发股份有限公司 | Modulation method for active neutral-point clamp type tri-level inverter |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08256483A (en) * | 1995-03-16 | 1996-10-01 | Toshiba Corp | Controller of neutral point clamp style pwm control type power converter |
JP4220851B2 (en) * | 2003-07-31 | 2009-02-04 | トヨタ自動車株式会社 | VOLTAGE CONVERTER AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM RECORDING PROGRAM FOR CAUSING COMPUTER TO EXECUTE VOLTAGE CONVERSION |
JP6116804B2 (en) * | 2012-02-14 | 2017-04-19 | 株式会社東芝 | Neutral point clamp type inverter |
-
2015
- 2015-12-28 KR KR1020150187132A patent/KR101793062B1/en active IP Right Grant
-
2016
- 2016-12-23 WO PCT/KR2016/015206 patent/WO2017116083A1/en active Application Filing
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103401455A (en) * | 2013-06-26 | 2013-11-20 | 山西潞安环保能源开发股份有限公司 | Modulation method for active neutral-point clamp type tri-level inverter |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Amit Ojha 외 3인,‘Performance of 3-Phase Neutral Point Clamped Active Front End Multilevel Converter’, International Journal of Scientific Engineering and Technology, 2013.07.01, Vol. 2, No. 7, 페이지 619-* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2017116083A1 (en) | 2017-07-06 |
KR20170077339A (en) | 2017-07-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11923725B2 (en) | Transformerless multi-level medium-voltage uninterruptable power supply systems and methods | |
EP3657661B1 (en) | Conversion circuit, control method, and power supply device | |
US9755542B2 (en) | Direct-current power transmission power conversion device and direct-current power transmission power conversion method | |
US9960709B2 (en) | Power conversion device | |
KR101189428B1 (en) | Power conversion device | |
CN102187562B (en) | Power converter | |
CA2249856C (en) | Five level high power motor drive converter and control system | |
US20090244936A1 (en) | Three-phase inverter | |
EP3093976B1 (en) | Electric power conversion system | |
KR20090100655A (en) | Multi level inverter | |
US20160329831A1 (en) | Power conversion system | |
KR101793062B1 (en) | NPC Converting Device and Method | |
Maswood et al. | High power multilevel inverter with unity PF front-end rectifier | |
JP6111726B2 (en) | Control method of multi-level power conversion circuit | |
KR20160025070A (en) | Apparatus for eliminating harmonics of hvdc system and method thereof | |
EP2662969A1 (en) | Multi-phase multi-level converter | |
CN113497562A (en) | Power conversion apparatus and control method thereof | |
JP2016086456A (en) | Unit ac-ac converter and ac-ac conversion system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |