KR101793416B1 - 전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101793416B1
KR101793416B1 KR1020160032926A KR20160032926A KR101793416B1 KR 101793416 B1 KR101793416 B1 KR 101793416B1 KR 1020160032926 A KR1020160032926 A KR 1020160032926A KR 20160032926 A KR20160032926 A KR 20160032926A KR 101793416 B1 KR101793416 B1 KR 101793416B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
inverter
output
current command
control
Prior art date
Application number
KR1020160032926A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170108660A (ko
Inventor
김윤성
서기봉
이병국
안정훈
성원용
Original Assignee
주식회사 동아일렉콤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 동아일렉콤 filed Critical 주식회사 동아일렉콤
Priority to KR1020160032926A priority Critical patent/KR101793416B1/ko
Publication of KR20170108660A publication Critical patent/KR20170108660A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101793416B1 publication Critical patent/KR101793416B1/ko

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
    • 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
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • 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
    • H02J2003/388—
    • H02M2001/0003—
    • H02M2001/0067—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 병렬로 연결된 인버터를 제어하는 장치와 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 병렬/절체 제어 시스템은, 상기 인버터가, 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호와, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 생성하여 출력하는 전류 지령 신호 생성 장치 및 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 입력 지령 신호로 입력받고, 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 입력 지령 신호를 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 인버터를 포함할 수 있다.

Description

전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법{Apparatus, System and Method for Control of Voltage Source Invertor}
본 발명은 병렬로 연결된 전원 인버터를 제어하는 장치와 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
다양한 형태와 규모의 에너지원이 분산 발전의 형태로 계통에 연계되어 전력을 공급하는 전력 시스템이 개발되어 이용되고 있다. 기존의 화석 연료를 이용한 발전뿐만이 아니라, 태양열, 풍력, 지열 등 다양한 종류의 에너지원을 이용하여 발전이 이루어지고 있으며, 또한 동일한 에너지원을 이용하더라도 다양한 규모와 방식으로 전력이 생성될 수 있기 때문에, 이와 같이 분산 발전된 전력을 통합하여 이용하는 시스템이 개발되어 이용되고 있다. 그리고 각 에너지원을 계통에 연결하여 전력을 공급하는 수단으로서, 인버터가 이용되고 있다. 인버터는 직류 전원을 교류로 변환하여 계통에 공급할 수 있고, 여기서 직류 전원은 다양한 발전 시스템을 이용하여 생성한 전원이 될 수 있다.
또한 이와 같은 인버터를 병렬로 연결하여 계통에 연결하는 방식의 전력 시스템이 존재한다. 이와 같이 인버터들을 병렬로 연결하여 계통에 전력을 공급하는 방식은, 인버터를 추가하거나 변경 또는 제거함으로써 필요에 따라 전력 변환 용량을 조절할 수 있고, 또한 인버터에 장애가 발생하였을 시에 고장이 난 인버터를 교체하여 전력 시스템을 정상화할 수 있다는 측면에서 장점을 지니고 있다.
또한 인버터들은 계통과 단절되어 단독 운전 모드로 지역적 부하에 전원을 공급하도록 동작할 수도 있고, 또는 병렬로 연결된 인버터들이 계통과 연결되지 아니하고 독립적인 형태로 부하에 전원을 공급하는 형태로 존재할 수도 있다.
이와 같은 병렬로 연결된 인버터들을 제어하기 위한 방법으로 예를 들면 마스터/슬레이브 제어 방식과 분산 제어 방식 및 상호 정보 교환이 없는 제어 방식 등이 존재한다.
한편 인버터는 계통에 이상이 발생하여 계통과의 연결이 단절된 경우에도 지역적 부하에 전력을 공급하여 이를 동작시켜야 할 필요가 있는데, 이때 계통과의 연결이 단절되거나 또는 복전되는 전환 상태에서 출력 전압 또는 전류에 과도 상태가 발생할 수 있다. 이에 기존에 이와 같은 과도 상태를 안정시키기 위한 다양한 절체 기술들이 개발되어 이용되고 있다.
그런데 병렬로 연결된 인버터들을 제어하기 위한 상술한 방법들에는 다음과 같은 문제점들이 있다.
먼저 마스터/슬레이브 제어 방식(Master/Slave Control)은 상위 계층의 인버터에 관련된 제어 모듈에 문제가 발생할 경우, 하위 계층의 인버터에 대한 제어에 장애가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 또한 제어 시스템의 리던던시(Redundancy)가 낮은 특성이 있다. 또한 병렬 연결된 인버터들을 공통된 통신 버스(Communication Bus)로 연결하여 제어하는 방식인 분산 제어 방식(Distributed Control)은 분산 제어 알고리즘의 적용에 따라 제어 알고리즘의 복잡도가 높고, 또한 각 인버터들에 관한 정보 및 인버터들의 연결 관계에 관한 정보를 통신 버스를 통하여 인버터들 간에 공유하여야 하기 때문에 제어 시스템의 리던던시가 저하될 수 있다. 한편 각 인버터들이 상호 간에 완전히 독립하여 제어되는 상호 정보 교환이 없는 제어 방식(Without Control Interconnection)은 시스템의 리던던시와 모듈성이 다른 방식들에 비하여 높다는 장점이 있지만, 제어 방식의 복잡도가 증가하여 병렬 제어의 응답 속도가 낮아질 수 있고, 또한 부하 분배의 정상 상태 오차가 발생할 수 있다는 한계점이 있다.
따라서 인버터 모듈 각각이 병렬 제어를 수행할 수 있도록 하여 모듈성을 높이면서, 인버터 간에 통신 버스를 통하여 공유하여야 하는 정보량을 줄여 시스템의 리던던시와 병렬 운전 성능을 높이고, 또한 병렬 제어의 복잡도를 낮게 하는 것이, 병렬로 연결된 복수개의 인버터들을 제어함에 있어서 해결하여야 할 주요 과제들이라고 할 수 있다.
이에 본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 병렬 제어 시스템 및 그에 관한 방법을 제공하고자 한다.
한편 상술한 바와 같이 계통과의 단절 및 복구 상황에서 과도 상태를 안정시키기 위한 다양한 절체 기술들이 개발되어 이용되고 있지만, 기존의 절체 기술들은 계통 이상을 검출하기 이전의 과도 상태를 해결하지 못하거나, 또는 이를 해결하기 위하여 추가적으로 복잡도가 있는 절체 제어 회로를 도입하여야 하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 단순하면서도 과도 상태를 효과적으로 억제할 수 있는 절체 기법을 지원하는 장치, 시스템 및 그에 관한 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 유형에 따른, 병렬 연결된 복수개의 인버터를 제어하기 위한 전류 지령 신호를 생성하는 전류 지령 신호 생성 장치는, 상기 인버터가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호를 출력하는 제1 전류 지령 신호 출력부 및 상기 인버터가 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 출력하는 제2 전류 지령 신호 출력부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 인버터가 계통 연계 모드로 동작하는 경우는, 상기 인버터가 계통과 전기적으로 연결되어 동작하는 경우와, 상기 계통 측의 연결 회로가 단절되고 상기 인버터 측의 연결 회로는 연결된 경우를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서 상기 인버터가 단독 운전 모드로 동작하는 경우는, 상기 계통 측의 연결 회로와 상기 인버터 측의 연결 회로가 모두 단절된 경우와, 상기 계통 측의 연결 회로는 연결되고 상기 인버터 측의 연결 회로는 단절된 경우를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서 상기 제1 전류 지령 신호 출력부는, 유효 전력 지령치에 따른 상기 제1 전류 지령 신호의 D 축 성분을 출력하는 제1 D 축 전류 지령 신호 출력부 및 무효 전력 지령치에 따른 상기 제1 전류 지령 신호의 Q 축 성분을 출력하는 제1 Q 축 전류 지령 신호 출력부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제2 전류 지령 신호 출력부는, 상기 병렬 연결된 인버터의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리하는 전처리부, 상기 전처리부에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어기부 및 상기 비례적분제어기부의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 상기 제2 전류 지령 신호를 생성 및 출력하는 제1 리미터부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 전처리부는, 상기 병렬 연결된 인버터의 출력 전압 중 D 축 성분과 상기 목표 전압의 D 축 성분 간의 차분 신호를 생성하여 출력하는 신호 감산부 및 상기 출력 전압 중 Q 축 성분을 반전한 신호를 생성하여 출력하는 신호 반전부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 비례적분제어기부는, 상기 신호 감산부에서 출력된 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 제1 비례적분제어기 및 상기 신호 반전부에서 출력된 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 제2 비례적분제어기를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제1 리미터부는, 상기 제1 비례적분제어기의 출력 신호를 입력받아 제한 처리 하여, 상기 제2 전류 지령 신호의 D 축 성분을 생성하여 출력하는 제1 리미터 및 상기 제2 비례적분제어기의 출력 신호를 입력받아 제한 처리 하여, 상기 제2 전류 지령 신호의 Q 축 성분을 생성하여 출력하는 제2 리미터를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 유형에 따른, 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 제어 시스템은, 상기 인버터가, 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호와, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 생성하여 출력하는 전류 지령 신호 생성 장치 및 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 입력 지령 신호로 입력받고, 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 입력 지령 신호를 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 인버터를 포함할 수 있다.
여기서 상기 인버터는, 상기 입력 지령 신호를 전처리한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어기부, 소정의 목표 지령 전압을 출력하는 전향보상기 및 상기 비례적분제어기부의 출력 신호와 상기 전향보상기에서 출력한 목표 지령 전압을 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 인버터는, 상기 입력 지령 신호에 K 팩터를 곱하여 생성한 신호와 상기 인버터의 출력 전류 간의 차분 신호를 생성하여, 상기 비례적분제어기부로 출력하는 신호 감산부를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 신호 생성부는, 상기 비례적분제어기부의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하는 제2 리미터부 상기 전향보상기의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하는 제3 리미터부 및 상기 제2 리미터부의 출력 신호와 상기 제3 리미터부의 출력신호를 가산하여, 교류 신호 생성을 위한 D 축 신호 성분과 Q 축 신호 성분을 생성하는 신호 가산부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 병렬/절체 제어 시스템은 상기 D 축 성분 신호와 Q 축 성분 신호를 DQ 역변환하는 DQ 역변환기 및 상기 역변환한 신호를 입력받아 교류 신호 생성을 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 발생기를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 유형에 따른, 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 제어 방법은, 전류 지령 신호 생성 장치가, 상기 인버터가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호와, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 각 생성하여 출력하는 전류 지령 신호 생성 단계 및 상기 인버터가 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 인버터 제어 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 전류 지령 신호 생성 단계는, 전처리부가 상기 병렬 연결된 인버터의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리하는 전처리 단계, 비례적분제어기부가 상기 전처리부에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어 단계 및 리미터부가 상기 비례적분제어기부의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 상기 인버터를 제어하기 위한 상기 제2 전류 지령 신호를 생성 및 출력하는 전류 지령 신호 출력 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 인버터 제어 단계는, 비례적분제어기부가 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 전처리한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어 단계, 전향보상기가 소정의 목표 지령 전압을 출력하는 전향보상 단계 및 상기 비례적분제어기부의 출력 신호와 상기 전향보상기의 출력 목표 지령 전압을 신호 처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법에 의하면, 인버터 모듈 각각이 병렬 제어를 수행할 수 있도록 하여 모듈성을 높이면서, 인버터 간에 통신 버스를 통하여 공유하여야 하는 정보량을 줄여 시스템의 리던던시와 병렬 운전 성능을 높이고, 또한 낮은 복잡도로 병렬 제어를 수행하는 효과가 있다. 또한 계통과의 단절 및 복구 상황에서 과도 상태를 효과적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 병렬 연결된 계통 연계 인버터의 회로도이다.
도 2는 기본적인 전압 제어 회로가 적용된 인버터의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 인버터를 간략화하여 표현한 등가 회로 모델을 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 3에 따른 인버터들이 병렬로 연결된 회로도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 각각 유효 손실 다이어그램과 무효 전력 다이어그램을 나타내는 페이저 도이다.
도 6은 Droop 방식의 병렬 제어 기법에 따른 인버터의 회로도이다.
도 7은 인버터 및 계통의 전체 상황을 차트로 나타낸 참고도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 연결된 복수개의 인버터(2000)를 병렬/절체 제어하기 위한 전류 지령 신호를 생성하는 전류 지령 신호 생성 장치(1000)의 블록도이다.
도 9는 전류 지령 신호 생성 장치(1000)의 상세한 회로도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬/절체 제어 시스템의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬/절체 제어 방법의 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법에서 병렬 제어와 관련된 동작을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 참고도이다.
도 13은 본 발명의 절체 제어 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 14는 전향보상기와 비례적분제어기부의 제어 영역을 나타내는 참고도이다.
도 15는 출력 전압의 제어 궤적을 설명하기 위한 참고도이다.
도 16은 본 발명에 따른 제어 시스템 및 방법을 적용하지 않을 경우 인버터의 출력 전압이 발산하는 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
도 17은 인버터, 부하, 계통 간의 전력 수급에 관한 시나리오를 나타내는 표이다.
도 18은 본 발명에 따른 제어 시스템 및 그 방법을 이용할 경우의 상술한 제어 영역을 단순화하여 도식화한 참고도이다.
도 19는 도 18의 파란색 제어 영역을 확대한 참고도이다.
도 20 내지 도 25는 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법의 시뮬레이션한 결과를 나타내는 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
전기 에너지의 효율적인 운용과 높은 안전성 및 신뢰성을 위하여 다양한 전력변환 장치가 개발되어 왔다. 예를 들면, 에너지의 경제적인 운용을 목적으로 하는 Energy Storage System(ESS) 장치, 정전이 발생하더라도 시설 혹은 가정에 안정적이고 신뢰성 높은 전원 공급을 위한 Uninterruptible Power Supply(UPS) 장치, 그리고 높은 역률과 낮은 무효전력으로 고품질 전력 공급을 목적으로 하는 Active Power Filter(APF) 장치 등이 개발되어 왔다. 상기 각 장치의 시장은 서로 구분되어 왔으나, 위 장치들은 모두 전원 인버터(Voltage Source Inverter, VSI)를 사용한다는 공통점이 있으며, 전원 인버터에 기초하는 제어 기술의 발전을 중심으로 장치 상호 간에 성능 향상이 이루어져 왔다. 예를 들면, APF의 전력 품질제어 기술이 포함된 UPS, 계통사고 상황에서 비상부하에 단독으로 전원을 공급하는 UPS의 기술이 포함된 ESS 등이 개발되었다.
한편 다양한 형태와 규모의 에너지원이 분산 발전의 형태로 계통에 연계되어 전력을 공급하는 전력 시스템이 개발되어 이용되고 있다. 기존의 화석 연료를 이용한 발전뿐만이 아니라, 태양열, 풍력, 지열 등 다양한 종류의 에너지원을 이용하여 발전이 이루어지고 있으며, 또한 동일한 에너지원을 이용하더라도 다양한 규모와 방식으로 전력이 생성될 수 있기 때문에, 이와 같이 분산 발전된 전력을 통합하여 이용하는 시스템이 개발되어 이용되고 있다. 그리고 각 에너지원을 계통에 연결하여 전력을 공급하는 수단으로서, 인버터가 이용되고 있다. 인버터는 직류 전원을 교류로 변환하여 계통에 공급할 수 있고, 여기서 직류 전원은 다양한 발전 시스템을 이용하여 생성한 전원이 될 수 있다. 또한 인버터는 계통으로부터 전력을 제공받는 양방향의 형태로 동작할 수도 있다. 이때 인버터에는 지역적 부하(독립 부하 또는 크리티컬 부하 등으로 지칭할 수도 있다)가 연결되어 인버터 또는 계통으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
또한 복수개의 인버터를 병렬로 상호 연결하여 계통이나 부하 중 적어도 하나 이상에 연결하는 방식의 전력 시스템이 존재한다. 이와 같이 인버터들을 병렬로 연결하여 계통 또는 부하에 전력을 공급하는 방식은, 인버터를 추가하거나 변경 또는 제거함으로써 필요에 따라 전력 변환 용량을 조절할 수 있고, 또한 인버터에 장애가 발생하였을 시에 고장이 난 인버터를 교체하여 전력 시스템을 정상화할 수 있다는 측면에서 장점을 지니고 있다. 예를 들면 병렬 연결형 인버터가 적용된 전력 시스템에서는, 80kW의 전력 변환이 필요할 경우 10kW의 인버터 8개를 병렬로 연결하여 이용하다가, 20kW의 전력 변환이 더 필요하면 10kW의 인버터 2개를 추가로 병렬 연결함으로써 총 100kW의 전력 변환 용량을 제공할 수 있어, 용이하게 전력 변환 용량을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 이와 같이 병렬로 연결된 인버터가 계통에 연결된 회로를 나타내는 참고도이다. 도 1 에서는 계통 연계 인버터 모듈 별로 인버터를 포함하고 있고, 3상의 교류가 변환 생성되어 계통 측에 제공되고 있다. 도 1 에서 필요에 따라 각 계통 연계 인버터 모듈이 계통 연계 모드 혹은 단독 운전 모드로 동작하는 인버터로 대체될 수도 있다.
여기서 병렬로 연결된 인버터들은 아래에서 설명할 바와 같이, 계통과의 연결이 단절되고 지역적 부하에 전원을 공급하기 위하여 동작하는 단독 운전 모드로 동작할 수 있다.
이와 같이 병렬로 연결된 인버터들을 제어하기 위한 병렬 제어 방법은, 예를 들면 마스터/슬레이브 제어 방식과 분산 제어 방식 및 상호 정보 교환이 없는 제어 방식 등으로 분류할 수 있다.
먼저 마스터/슬레이브 제어 방식(Master/Slave Control)은 인버터들 간에 계층 구조를 가지고 상위 계층에 속한 인버터가 하위 계층에 속한 인버터를 제어하는 방식이다. 이러한 마스터/슬레이브 제어 방식은 중앙 모드 제어 방식(Central Mode Control)으로 지칭될 수도 있다. 마스터/슬레이브 제어 방식에서는 상위 계층의 인버터에 관련된 제어 모듈에 문제가 발생할 경우, 하위 계층의 인버터에 대한 제어에 장애가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 또한 제어 시스템의 리던던시(Redundancy)가 낮은 특성이 있다. 반면 마스터/슬레이브 제어 방식의 경우 병렬 제어 알고리즘의 복잡도가 다른 방식들에 비하여 낮은 장점이 있다.
다음으로 분산 제어 방식(Distributed Control)은 병렬 연결된 인버터들을 공통된 통신 버스(Communication Bus)로 연결하여 제어하는 방식이다. 분산 제어 방식에서는 개별 인버터들이 공유하는 통신 버스에서 제공받는 다른 인버터들에 관한 동작 정보 - 예를 들면 동작점 정보 - 를 기초로 자신의 동작을 결정하게 된다. 이처럼 각 인버터가 자체적으로 제어될 수 있기 때문에 리던던시와 모듈성(Modularity)이 마스터/슬레이브 방식보다 높다고 할 수 있다. 반면 분산 제어 알고리즘의 적용에 따라 마스터/슬레이브 방식에 비하여 제어 알고리즘의 복잡도가 높아질 수 있고, 또한 인버터들에 관한 정보를 통신 버스를 통하여 공유하는 점은 제어 시스템의 리던던시의 저하 요인이 될 수 있다.
다음으로 상호 정보 교환이 없는 제어 방식(Without Control Interconnection)은 각 인버터들이 상호 간에 완전히 독립하여 제어되는 방식이다. 이 방식에서는 인버터들 간에 통신 버스를 공유하면서 서로 간의 동작 정보를 공유하지 않고, 대신 주파수와 전압 강하(Droop) 현상을 이용하여 평균 전력을 제어한다. 이와 같은 상호 정보 교환이 없는 제어 방식은 시스템의 리던던시와 모듈성이 다른 방식들에 비하여 높다는 장점이 있지만, 제어 방식의 복잡도가 증가하여 병렬 제어의 응답 속도가 낮아질 수 있고, 또한 부하 분배의 정상 상태 오차가 발생할 수 있다는 한계점이 있다.
따라서 병렬로 연결된 복수개의 인버터들을 제어함에 있어서, 시스템의 리던던시와 병렬 운전 성능을 높이고, 제어의 복잡도를 낮게 하는 것이 병렬 제어 기술에서 해결하여야 할 과제 중 하나라고 할 수 있다. 이에 본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 병렬 제어 시스템 및 그에 관한 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 병렬 제어 시스템 및 그 방법에 의하면 낮은 복잡도로도 병렬로 연결된 복수개의 인버터들을 제어함에 있어서, 시스템의 리던던시와 병렬 운전 성능을 높일 수 있는 효과가 있다. 여기서 리던던시가 높은 전력 시스템은 여분 동작이 가능한 시스템으로, 전력 시스템에 문제가 발생하였을 경우 시스템의 전력 공급이 멈추는 것이 아니라 문제가 발생한 모듈 이외의 시스템을 가동하여 전체 전력 공급량 또는 그 중 일부의 공급량을 공급할 수 있는 시스템을 의미할 수 있다. 여기서 전력 시스템의 리던던시가 높고 우수하다는 의미는 상술한 의미 이외에도 전력 시스템 분야의 당업자에게 자명한 의미로 다각도에서 정의될 수 있음은 물론이다. 또한 병렬 운전 성능이 높은 전력 시스템은 각 전력 공급 모듈 - 예를 들면 각 인버터 - 이 공급하는 전력 간의 비율이, 각 인버터 모듈 간의 정격 전력 용량의 비율에 따르는 시스템을 의미할 수 있다. 그리고 이때 모듈의 정격 전력 용량 대비 공급하는 전력의 비율이 동일한 경우가 병렬 운전의 성능이 높은 경우가 된다. 여기서 전력 시스템의 병렬 운전 성능이 높다는 의미는 상술한 의미 이외에도 전력 시스템 분야의 당업자에게 자명한 의미로 다각도에서 정의될 수 있음은 물론이다.
먼저 인버터에서 전압을 제어하는 기본적인 방식을 설명한다.
도 2는 기본적인 전압 제어 회로가 적용된 인버터의 일 실시예를 나타내는 회로도이다. 도 2를 참조하면 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터(41)의 출력 전압 VAB 는 LC 출력 필터(42)를 통하여 필터링되어 Vo 로 출력되는데, 전압 제어 회로(43)가 위 Vo 와 출력 목표 전압인 Vref 를 입력받아 인버터(41)의 PWM을 조절하기 위한 Vpc 를 생성하여 출력한다. 이때 VAB 의 기본파 성분은 Vpc 에 비례하게 된다.
여기서 도 2의 인버터는 도 3과 같이 등가 회로 모델로 간략화하여 표현될 수 있다. 여기서 등가 회로 모델은 인버터의 출력 전압을 종속 전압원으로 표현한 모델이다.
그리고 도 3과 같이 표현되는 인버터들이 병렬로 연결된 회로는 도 4와 같이 표현될 수 있다. 도 4를 참조하면, N개의 인버터(Voltage Source Invertor)(VSI 1, VSI 2, ... , VSI N)가 병렬로 연결되어 Vo의 출력 전압을 제공하고 있다.
그런데 이때 도 4와 같이 병렬로 연결되어 동작하는 전압 소스 인버터들 간에는 인버터의 부하 불균형이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 예를 들어 전압 소스 인버터 VSI 1 과 전압 소스 인버터 VSI 2 에 있어서 전압의 유효 전력 성분 P 와 무효 전력 성분 Q 는 하기 수학식 1 내지 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016026415683-pat00001
Figure 112016026415683-pat00002
Figure 112016026415683-pat00003
Figure 112016026415683-pat00004
여기서
Figure 112016026415683-pat00005
는 V1 과 V2 간의 위상차이고, XL은 인버터(L) 과 계통 사이의 리엑턴스(Reactance)이다.
또한 전압 소스 인버터 VSI 1 과 전압 소스 인버터 VSI 2 에 있어서, 유효 손실 다이어그램과 무효 전력 다이어그램을 나타내는 페이저 도는 각각 도 5의 (a) 및 (b)와 같이 도시될 수 있다.
상기 수학식 1 과 도 5 (a)를 참조하면, 인버터 모듈 간 위상차에 의하여 인버터 모듈 사이의 유효 전력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인버터의 전압 간 위상차가 발생할 경우 그에 따라 유효 순환 전류가 발생하게 된다. 마찬가지로 상기 수학식 2 와 도 5 (b)를 참조하면, 인버터 모듈 간 전압의 진폭 차에 의하여 인버터 모듈 사이에 순환되는 무효 전력 성분이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 인버터의 전압 간 진폭 차가 생기는 경우, 무효 순환 전류가 발생하게 된다.
이상과 같이 인버터 모듈 사이에 교환되는 유효 및 무효 전력 성분과 유효 및 무효 전류 성분이 병렬로 연결된 인버터 모듈 간의 출력 유효 전력의 불균형의 원인이 된다. 이처럼 유효 및 무효 전력 성분의 원인은 각 인버터 모듈의 위상과 진폭의 차이에 기인하기 때문에, 병렬로 연결되어 동작하는 각 인버터의 VAB 를 적절하게 제어할 필요가 있다.
즉 인버터 모듈 사이에 교환하는 유효전력과 무효전력이 발생하면, 각각의 인버터 모듈이 출력하는 유효전력 간에 차이가 발생하여 출력 유효 전력에 불균형이 발생하는 문제가 발생하기 때문에, 각 인버터의 VAB 를 적절하게 제어할 필요가 있고, 이를 위하여 상기 수학식 1 및 수학식 2 의 PVAB2,VAB1와 QVAB2,VAB1를 소정의 기준 이하로 - 바람직하게는 0으로 - 제어할 수 있다. 즉 θVAB2,VAB1 가 소정의 기준 이하 - 바람직하게는 0 - 가 되고, VAB1 와 VAB2 간의 차이가 소정의 기준 이하 - 바람직하게는 0 - 가 되도록 제어할 수 있다.
이에 병렬 연결된 인버터들에 대한 분산 제어 기술 중 하나로, Droop 방식의 병렬 제어 기법이 있다(Lazzarin, Telles B., Guilherme AT Bauer, and Ivo Barbi. "A control strategy for parallel operation of single-phase voltage source inverters: analysis, design and experimental results." Industrial Electronics, IEEE Transactions on 60.6, 2013).
도 6은 상기 Droop 방식의 병렬 제어 기법에 따른 인버터의 회로도이다.
도 6의 회로에는 도 2를 참조하면서 설명한 기존의 전압 제어 회로에 'Parallelism Control' 이라 지칭한 전류 Droop 제어기(44)가 추가되었다. 여기서 전류 Droop 제어기(44)는 출력 전류가 높을수록 인버터 모듈의 제어를 위한 출력 신호 값을 비례적으로 낮추는 역할을 한다. 즉, 인버터의 출력 전류 IL 이 증가할수록 인버터에 대한 지령치에 해당하는 Vpc 값이 떨어지는 Droop 방식을 이용하여 인버터 모듈 간의 부하의 평형을 맞추는 방식이다.
전류 Droop 제어기를 이용하는 병렬 제어 방식에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6을 참조하면, 각 인버터 모듈에 계통 또는 부하에 제공되는 전압 제어를 위한 전압 제어 회로(43)가 존재하고, 이때 위 전압 제어 회로(43)의 출력인 VVC 이 곧바로 PWM 인버터(41)에 공급되지 않고, 전류 Droop 제어기(44)에서 VVC 와 인버터 전류(IL)에 가중치(KIL)을 곱한 값(Vi) 간의 차이 값(VPC)을 PWM 인버터(41)에 제공한다. 그 결과 인버터 전류(IL)가 많이 흐르는 경우 VPC 가 낮아져서 출력 전압이 낮아지고(전류를 낮추게 됨), 인버터 전류(IL)가 적게 흐르는 경우 VPC 가 높아져서 출력 전압을 높이게 된다(전류를 높이게 됨). 상술한 과정 즉 인버터 모듈에 전류가 많이 흐르는 경우 자체적으로 전압을 낮추고, 적게 흐르는 경우 자체적으로 전압을 높이는 과정을 통하여, 각 인버터 모듈이 독립적으로 병렬 제어를 수행하게 된다.
상술한 병렬 제어 기법은 간단한 구조의 제어기를 이용하여, 부하 간 병렬 분배를 가능하도록 하는 장점이 있다. 그러나 위 기술은 각 인버터 모듈의 병렬 제어가 인버터들 간에 전류 크기의 상대적인 비율에 따라 이뤄지는 것이 아니라, 자신이 출력하는 전류의 크고 작음만을 기준으로 이루어진다는 점에서 문제점이 있다. 위 기법에서는 이처럼 각 인버터 모듈이 자신의 출력 전류만을 기준으로 인버터의 출력 전압을 제어하기 때문에 오차가 발생할 수 있으며, 또한 각 인버터 모듈의 전류 Droop 제어기의 KIL 값에 따라서 부하 분배 성능이 달라질 수 있는 문제점이 있다. 또한 각 인버터 모듈에 연결된 전압 제어 회로(43)가 출력하는 VVC 간에 편차가 존재할 수 있고, 그에 따라 병렬 제어에 오차가 야기될 수 있다는 문제점이 있다. 또한 인버터 모듈의 부하량을 일부러 조절하거나, 각 인버터 모듈의 정격 용량이 차이가 있는 경우의 부하 분배가 어렵다는 문제점이 있다. 이처럼 위 기법은 부하 분배의 정확성에 있어서 한계가 있다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 각 인버터 모듈이 출력을 제어하는 지령 값이 인버터 내부에서 결정될 때 인버터 모듈 별로 지령 값에 차이가 발생하여 병렬 제어 성능이 저하되는 문제점을 해결하고, 각 인버터 모듈 별 부하를 평형 분배하여 인버터 모듈 별 출력 유효 전력 간의 균형을 맞추어, 병렬 제어 성능을 높이기 위한 병렬 제어 시스템과 이를 위한 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
한편 인버터는 상술한 바와 같이 지역적 부하(독립 부하나 비상 부하 또는 크리티컬 부하)와 연결될 수 있고, 계통에 이상이 발생하여 계통과의 연결이 단절된 경우에도 지역적 부하에 전력을 공급하여 이를 동작시켜야 할 필요가 있다. 예를 들면 마이크로그리드나 연료 전지 분산발전 시스템 등과 같은 경우 해당 시스템에서 계통 단절 시에도 전원이 공급되어 동작하여야 할 지역적 부하가 있을 수 있다. 이때 인버터는 계통과 연결되어 동작하는 계통 연계 모드, 또는 계통과의 연결이 단절되고 지역적 부하에 전원을 공급하기 위하여 동작하는 단독 운전 모드로 동작할 수 있다. 이때 계통 연계 모드에서 인버터가 지역적 부하에도 함께 전원을 공급할 수 있음은 물론이다.
여기서 계통 연계 모드로 작동할 경우 인버터는 계통의 위상에 맞게 전류를 공급하기 위하여, 계통의 위상 정보를 계측하고 출력 전력의 제어를 위해 전류 제어 방식으로 동작할 수 있다. 또한 인버터는 단독 운전 모드로 동작하는 경우 지역적 부하에 일정한 전압을 제공하기 위하여 전압 제어 방식으로 동작할 수 있다. 따라서 인버터가 계통 연계 모드에서 단독 운전 모드로 전환될 때, 인버터와 연동되는 또는 인버터 모듈에 포함되는 제어기는 전류 제어기에서 전압 제어기로 전환되게 된다.
아래에서는 도 1 을 참조하면서 인버터가 계통 연계 모드와 단독 운전 모드 간에 전환하면서 동작하는 것에 관하여 보다 상세히 설명한다.
도 1 을 참조하면, 계통(1)에 이상이 발생한 경우 계통(1)과 연결된 회로를 개방하여, 계통(1) 측에서 인버터로 공급되는 전원을 차단하는 리클로저(Recloser)(10)가 존재한다. 리클로저(10)는 역으로 계통(1)에 발생한 이상 상황이 해결되면 계통(1) 측에서 인버터로 공급되는 전원을 다시 연결할 수 있다. 이와 같은 리클로저(10)의 동작은 계통(1) 측에서 제어할 수 있다.
또한 계통(1)에 문제가 발생한 경우를 인지하여, 인버터 측에서 계통(1)과 연결되는 회로를 차단하는 STS 스위치(Static Transfer Switch)(20)가 존재한다. 여기서 STS 스위치(20)는 계통(1)의 문제 상황이 해결된 경우, 계통(1)과의 연결을 복구하도록 동작할 수 있다. 상기 STS 스위치(20)는 인버터 또는 상기 인버터를 관리하는 Energy Storage System(ESS)나 별도의 장치에 의하여 제어될 수 있다. 도 1 에서는 계통 연계 인버터 모듈(30)들이 인버터들을 포함하는 일 실시예를 나타내고 있다. 그리고 인버터들이 각 포함된 계통 연계 인버터 모듈(30)들에 연결된 지역적 부하(또는 크리티컬 부하, Critical Load)(40)가 존재한다.
인버터는 계통 이상의 발생 상황에서 상술한 리클로저와 STS 스위치의 동작에 따라 계통 연계 모드에서 단독 운전 모드로 전환하여 동작할 수 있다. 이때 먼저 계통 측에서 관할하는 리클로저가 계통 이상의 발생에 따라 회로를 개방하면, 인버터 측에서 계통 이상의 발생 상황을 감지하고 STS 스위치를 개방하여 단독 운전 모드로 전환한다. 따라서 계통 연계 모드에서 단독 운전 모드로 전환하는 사이에, 전환 상태가 존재한다. 그리고 이와 같은 전환 상태에서 출력 전력이나 부하 상태에 따라 부하 전압이 과도 상태가 될 수 있다는 문제점이 있다. 또한 인버터는 계통의 이상이 정상화된 상황에서 리클로저와 STS 스위치의 동작에 따라 다시 단독 운전 모드에서 계통 연계 모드로 전환하여 동작할 수 있고, 이러한 전환 상태에도 부하 전압이 과도 상태에 놓일 수 있다.
이와 같이 부하 전압이 과도 상태가 되면 인버터에 연결된 지역적 부하에 악영향을 미치거나 부하의 오동작이 발생할 수 있기 때문에, 위와 같은 전환 상태에서 부하 전압의 과도 상태를 방지하거나 안정화시킬 수 있는 절체 제어 기술이 요구된다. 이에 기존에 Magnetic Contactor의 상태를 반영하는 절체 기법(Tai-Sik Hwang, Kwang-Seob Kim, Byung-Ki Kwon, "Control strategy of 600kW E-BOP for molten carbonate fuel cell generation system" ICEMS 2008. 17-20 Oct. 2008)이나 인버터 전압 제어를 통한 SSR의 off delay 최소화 기법(Guoqiao Shen, Dehong Xu, Xiaoming Yuan, "Instantaneous Voltage Regulated Seamless Transfer Control Strategy for Utility-interconnected Fuel cell Inverters with an LCL-filter" IPEMC 2006. Volume3, 14-16 Aug. 2006), 간접 전류 제어를 통한 절체 기법(대한민국 등록특허 10-0732220) 등 다양한 절체 제어 기술의 개발되어 이용되고 있다.
먼저 Magnetic Contactor의 상태를 반영하는 절체 기법은, 계통 연계 시 인버터가 MC(Magnetic Contactor) 스위치를 통해 계통과 접속/차단을 수행할 때, MC 스위치가 SSR(Solid State Relay) 스위치에 비해 온/오프 시간이 더 길기 때문에 과도상태가 길어지는 문제점을 해결하기 위하여, MC의 온/오프 상태를 피드백하여 모드 전환 하는 방법이다. 하지만 이 방법의 경우, 인버터가 계통 이상을 검출하는 동안 부하 전압이 과도 상태에 놓이며, 단독 운전 모드로 전환 시에도 제어기 전환으로 인한 과도 상태가 발생한다는 문제점이 있다.
한편 인덕터 전압 제어를 통한 SSR의 off delay 저감 기법은, SSR 스위치가 인버터 스위치의 off 지연 구간동안 과도 상태가 한 주기 이상 나타나는 문제점을 해결하기 위해, 계통 측 인덕터의 전압제어를 통해 SSR에 흐르는 전류를 방전시키는 방법이다. 하지만 이 방법의 경우, 인덕터의 크기가 지나치게 커진다는 단점이 있으며, 인버터가 계통 이상을 검출하는 동안 전압 과도 상태가 발생한다는 문제점이 있다.
또한 간접 전류 제어를 통한 절체 기법은, 계통연계와 독립운전 두 가지 경우 모두 전압 제어를 하여 제어기의 전환 과정을 생략한 제어기법이다. 이와 같은 간접 전류 제어의 기본 원리는 커패시터 전압 VCf의 크기와 위상을 제어함으로써 계통 측 인덕터 전류를 간접적으로 제어하는 것이다.
그런데 이와 같은 간접전류 제어 알고리즘은 LCL 필터의 VCf 값을 이용하기 때문에 LCL 필터를 반드시 사용해야 한다는 한계가 존재한다. 또한 THD 및 전류 리플을 최소화 하려는 LCL 필터의 본래 목적을 위해서 최적화된 필터는 계통 측 인덕터 (Lg) 보다 인버터 측 인덕터 (Li)가 더 크게 설계되어야 하는데, 간접 전류 제어에 적합한 LCL 필터는 이러한 최적화된 필터와는 반대로 계통 측 인덕터 (Lg)가 인버터 측 인덕터 (Li)보다 크게 설계되어야 하는 제한 사항에서의 문제점이 있다. 이러한 제한 사항으로 인하여 동일한 THD 규격을 만족하기 위하여 간접 전류 제어 방식을 사용하는 ESS, 인버터 모듈, 기타 제어 모듈의 경우 전체 인덕턴스의 합 (La)이 기존보다 더 크게 설계되어야 하고, 그에 따라 필터의 크기와 무게가 증가하는 문제점이 있다. 또한 부가적으로 위 간접 전류 제어 방식은 3상 전력 시스템에 있어서, VCf 를 계측하고 활용하기 위하여 3개의 전압 센서와 3개의 ADC 포트를 필요로 하여, 추가 자원을 요구하는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 위 간접 전류 제어 알고리즘은 단독 운전 모드에서의 병렬 운전 동작이 고려가 되지 않은 알고리즘으로서, 모듈형의 ESS 또는 인버터 모듈에 적용될 수 없는 한계점이 있다.
상술한 기존의 절체 제어 기술들의 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명은 인버터의 출력 상전압을 제어하여 간접적으로 계통 측 인덕터 전류를 제어하는 절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법을 제공한다.
본 발명에 따라 인버터 출력 상전압을 이용할 경우, 상전압을 계산하여 제어기에서 이용할 수 있으므로, 별도의 센싱회로가 불필요하며, LCL 필터가 강제되던 기존의 간접 전류 제어기법에 비해 필터 설계의 자유도를 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 필터의 설계 시 동작 모드, 용량에 따라 최적화 설계 범위가 넓어질 수 있다는 효과가 있다. 더불어 본 발명에 따른 절체 제어 방법의 경우 회로가 보다 간소화되는 효과가 있다.
본 발명은 병렬로 연결된 복수개의 인버터들을 제어함에 있어서, 시스템의 리던던시와 병렬 운전 성능을 높이면서도 복잡도가 낮은 병렬 제어 시스템 및 병렬 제어 방법을 제공하고자 한다. 또한 본 발명은 계통 연계 모드와 단독 운전 모드 간의 전환 시 과도 상태에 놓이는 부하 전압을 제어하기 위한 절체 제어 시스템, 장치 및 그 방법을 제공한다. 즉 본 발명은 계통과 연결된 병렬 연결 인버터 모듈에 있어서, 병렬 제어 성능과 절체 제어 성능을 동시에 향상시키는 병렬/절체 제어 시스템, 장치, 및 그 방법을 제공한다.
먼저 본 발명에 따른 절체 및 병렬 제어를 위한 장치와 관련 시스템 및 그에 관한 방법을 설명하기 위하여, 계통이 정상 상태와 사고 상황 간에 전환될 때, 병렬 연결된 인버터들이 계통과 연결되는 절차를 설명한다.
도 7은 인버터 및 계통의 전체 상황을 차트로 나타낸 참고도이다.
위 참고도에서 가정된 상황은 계통(AC-Grid)의 상태가 정상 상태(Normal)에서 사고 상황(Fault)으로 전환된 다음 다시 정상 상태(Normal)로 전환하는 상황이다. 상술한 바와 같이 계통의 리클로저(Re-close)는 계통의 상황에 동기화하여 동작한다. 반면에 인버터 측의 STS는 인버터 모듈(또는 ESS) 측에서 계통 측의 문제 상황 또는 회복 상황을 검출해야지만 ON/OFF 될 수 있기 때문에 계통의 상황 보다 지연되어 동작하게 된다. 도 7을 참조하면, 동작 모드(MODE) 가운데 모드 1과 모드 3은 각각 계통 연계 모드와 단독운전 모드이며, 모드 1과 모드 3사이의 절체 구간에 각각 모드 2와 모드 4가 존재한다.
모드 1은 계통이 정상 상태에서 각각의 모듈이 계통 연계 모드(Grid-connection)로 동작하는 구간이다. 이때, 각각의 인버터 모듈은 Energy Management System(EMS) 또는 기타 제어 모듈의 전력 상위 지령에 따라 계산된 전류 값으로 출력 전류를 레귤레이션 하기 위하여 전류제어기(Current Controller)로 동작할 수 있다. 이때, 계통 연계 모드에서 병렬 운전이 고려된 전류 제어기를 A 라고 지칭한다.
모드 3은 계통이 사고 상황으로 리클로저가 개방(Open)되어 있는 단독 운전 모드(Stand-alone) 구간이다. 이와 같은 단독 운전 모드 구간에서는 인버터 모듈이 비상 부하(또는 지역적 부하)에 계통을 대신하여 전원을 공급해 줘야 하며, 따라서 정상적으로 동작하는 계통에 공급하는 전압과 동일하게 출력 전압을 제어하기 위하여(Voltage Controller)로 동작할 수 있다. 이와 같은 단독 운전 모드에서 병렬 운전이 고려된 전압 제어기를 B 라고 지칭한다.
모드 2는 인버터 모듈이 전류 제어기로 동작하는 모드 1의 상황에서 전압 제어기로 동작하는 모드 3으로 절체되는 모드이다. 여기서 모드 2는 인버터 모듈 측이 계통의 문제를 인식하는 시점을 기준으로 모드 2-A와 모드 2-B'으로 구분될 수 있다. 이때, A와 B'는 각각 모드 1과 모드 3의 제어기를 의미한다. 모드 2-A의 경우 계통에 문제가 발생했지만 인버터 모듈 측이 계통의 문제를 검출하지 못하여, 인버터 모듈이 전류 제어기 A로 동작하는 구간에 해당하며, 모드 2-B'의 경우 인버터 모듈 측이 계통의 문제를 검출하고 STS를 Turn-off 시킨 직후의 구간부터 제어기 전환이 마무리되어 출력이 정상 상태로 돌입할 때까지의 구간에 해당한다. 여기서 모드 2-A의 구간에서 리클로저는 OFF되어 있지만, STS는 아직 ON이 되어 있는 불안정한 상태가 되고, 또한 전류제어에서 전압제어로 전환되는 과도 상태가 된다.
모드 4는 반대로 인버터 모듈이 전압 제어기로 동작하는 모드 3의 상황에서 전류 제어기로 동작하는 모드 2로 절체되는 모드이다. 여기서 모드 4는 인버터 모듈 측이 계통의 정상화를 인식하는 시점을 기준으로 모드 4-B와 모드 4-A'으로 구분될 수 있다. 이때, 모드 4-B는 인버터 모듈 측이 계통의 정상화를 인지하고 계통과 인버터 모듈 간의 위상차를 줄이는 구간에 해당하며, 모드 4-A'는 계통과 인버터 모듈 간의 위상이 일치된 직후 STS가 Turn-on 지령을 받아 닫히고, 인버터 모듈이 전압 제어기에서 전류 제어기로 전환되는 순간까지의 구간에 해당한다. 여기서 모드 4-B의 구간에서 리클로저는 ON되어 있지만, STS는 아직 OFF이 되어 있는 불안정한 상태가 되고, 또한 전압제어에서 전류제어로 전환되는 과도 상태가 된다.
일반적으로 절체 알고리즘은 인버터 모듈이 전류 제어기에서 전압 제어기로 변환되는 모드2-B'에서의 과도 상태를 해결하는데 집중하여 왔으나, 본 발명은 계통의 문제 상황을 인식하지 못하고 있는 상태인 모드 2-A에서도 전류 제어기로 동작하는 인버터 모듈의 출력 전압이 정상 계통의 출력 전압과 일치할 수 있도록 하는, 또한 모드 4-B에 대하여도 과도 상태를 해결하도록 하는 절체 제어 시스템, 장치, 및 그 방법을 제공한다. 또한 그와 동시에 병렬 연결된 인버터들의 동작을 제어하는 병렬 제어 시스템, 장치, 및 그 방법을 제공한다.
아래에서는 본 발명에 따른 병렬 연결된 인버터들을 병렬/절체 제어하기 위한 장치, 시스템 및 그 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 연결된 복수개의 인버터(2000)를 병렬/절체 제어하기 위한 전류 지령 신호를 생성하는 전류 지령 신호 생성 장치(1000)의 블록도이다. 여기서 전류 지령 신호는 정규화된 전류 지령 신호가 될 수 있고, 이하 후술할 바와 같이 인버터(2000)에 입력되어 K 팩터가 곱해짐으로써 최종 전류 지령 신호가 생성될 수 있다. 이하에서 전류 지령 신호는 K 팩터가 곱해지기 이전에 전류 지령 신호 생성 장치(1000)에서 생성하는 신호를 지칭하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 제1 전류 지령 신호 출력부(50), 제2 전류 지령 신호 출력부(60)를 포함할 수 있다.
여기서 제1 전류 지령 신호 출력부(50)는 인버터(2000)가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호(I1 ref,norm)를 출력한다. 또한 제2 전류 지령 신호 출력부(60)는 인버터(2000)가 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호(I2 ref,norm)를 출력한다.
여기서 인버터(2000)가 계통 연계 모드로 동작하여 제1 전류 지령 신호 출력부(50)가 제1 전류 지령 신호를 출력하는 경우는, 인버터(2000)가 계통과 전기적으로 연결되어 동작하는 경우와, 상기 계통 측의 연결 회로가 단절되고 인버터(2000) 측의 연결 회로는 연결된 경우를 포함한다. 또한 인버터(2000)가 단독 운전 모드로 동작하여 제2 전류 지령 신호 출력부(60)가 제2 전류 지령 신호를 출력하는 경우는, 상기 계통 측의 연결 회로와 인버터(2000) 측의 연결 회로가 모두 단절된 경우와, 상기 계통 측의 연결 회로는 연결되고 인버터(2000) 측의 연결 회로는 단절된 경우를 포함한다. 도 7을 참조하면서 다시 설명하면, 제1 전류 지령 신호 출력부(50)가 제1 전류 지령 신호를 출력하는 경우는 모드 1, 모드 2-A, 모드 4-A'와 같은 경우를, 제2 전류 지령 신호 출력부(60)가 제2 전류 지령 신호를 출력하는 경우는 모드 2-B', 모드 3, 모드 4-B와 같은 경우를 포함할 수 있다.
여기서 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 제1 전류 지령 신호(I1 ref,norm)와 제2 전류 지령 신호(I2 ref,norm) 중 출력할 전류 지령 신호를 선택하기 위하여 선택 회로(70)를 포함할 수 있다. 그리고 선택 회로(70)는 상술한 모드에 따라 제1 전류 지령 신호 또는 제2 전류 지령 신호 중 어느 하나를 선택하도록 동작할 수 있다. 이때 선택 회로(70)를 제어하기 위한 제어 신호가 전류 지령 신호 생성 장치(1000)의 내부 또는 외부에서 생성되어 선택 회로(70)에 인가될 수 있다.
도 9는 전류 지령 신호 생성 장치(1000)의 보다 상세한 회로도이다.
제1 전류 지령 신호 출력부(50)는 제1 D 축 전류 지령 신호 출력부(51)와 제1 Q 축 전류 지령 신호 출력부(52)를 포함할 수 있다. 제1 D 축 전류 지령 신호 출력부(51)는 유효 전력 지령치에 따른 제1 전류 지령 신호의 D 축 성분(I1 d,ref,norm)을 출력한다. 그리고 제1 Q 축 전류 지령 신호 출력부(52)는 무효 전력 지령치에 따른 제1 전류 지령 신호의 Q 축 성분(I1 q,ref,norm)을 출력한다.
여기서 전류 지령 신호 생성 장치(1000) 또는 이를 포함하는 상위 모듈(예를 들면 EMS)는 계통 연계 상황에서 전력 수급 부하의 수요와 계통의 에너지 비용/공급량 등을 고려하여 전력 지령치를 결정할 수 있다. 이때, 유효/무효 전력지령치가 각각 제1 전류 지령 신호의 D 축 성분 및 Q 축 성분으로 이용될 수 있다.
예를 들면 유효 전력 지령치는 "인버터 출력 상 전압 × 인버터 출력 D축 상 전류 × 3"에 따라 산출될 수 있고(3상 시스템에서 출력 상전압 D축 Align 기준), 무효 전력 지령치는 "인버터 출력 상 전압 × 인버터 출력 Q축 상 전류 × 3"에 따라 산출될 수 있다(3상 시스템에서 출력 상전압 D축 Align 기준). 이때 예를 들어 무효 전력 지령치가 0인 경우 인버터 출력 Q축 상전류는 0이 될 수 있다(일반적인 경우에서 출력 상전압 D축 Align 기준).
제2 전류 지령 신호 출력부(60)는 전처리부(100), 비례적분제어기부(200), 제1 리미터부(300)를 포함할 수 있다.
전처리부(100)는 상기 병렬 연결된 인버터(2000)의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리한다. 여기서 상기 출력 전압은 3상 형태의 전압이 DQ 변환 과정을 거쳐 변환된 D 축 성분 및 Q 축 성분의 출력 전압(Vd,real, Vq,real) 이 될 수 있다. 이를 위하여 전처리부는 필요에 따라 DQ 변환기를 포함할 수 있고, 또는 변환된 D 축 및 Q 축의 전압 성분을 입력받을 수도 있다. 또한 여기서 전처리부(100)가 입력받는 목표 전압은 계통 또는 부하 측에서 전달받고자 하는 목표 전압의 D 축 성분(Vd,ref), 즉 계통 또는 부하 측의 D 축 목표 전압이 될 수 있다.
여기서 전처리부(100)는 신호 감산부(110)와 신호 반전부(120)를 포함할 수 있다.
신호 감산부(110)는 상기 병렬 연결된 인버터(2000)의 출력 전압 중 D 축 성분(Vd,real)과 상기 목표 전압의 D 축 성분(Vd,ref) 간의 차분 신호를 생성하여 출력한다.
신호 반전부(120)는 상기 출력 전압 중 Q 축 성분(Vq,real)을 반전한 신호를 생성하여 출력한다.
다음으로 비례적분제어기부(200)는 전처리부(100)에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력한다. 여기서 비례적분제어기부(200)의 동작은 통상의 비례적분제어기(PI Controller) 의 동작과 같을 수 있다. 즉 비례적분제어기부(200)는 입력신호에 특정 게인 값(P gain)을 곱한 값을 출력하는 곱하기 연산을 하여 비례 제어를 수행하고, 이에 특정 게인 값(I gain)을 곱한 후 적분시킨 적분 연산을 하여 적분 제어를 수행한 결과를 출력할 수 있다. 여기서 상기 각 게인 값(P, I gain)은 제어 성능을 위하여 사전 조정되어 설정될 수 있다. 필요에 따라 비례적분제어기부(200)로 공지된 다양한 비례적분제어기를 이용할 수 있다.
여기서 비례적분제어기부(200)는, 신호 감산부(110)에서 출력된 신호를 입력받아 비례 제어 및 적분 제어를 수행한 신호를 출력하는 제1 비례적분제어기(210)와, 신호 반전부(120)에서 출력된 신호를 입력받아 비례 제어 및 적분 제어를 수행한 신호를 출력하는 제2 비례적분제어기(220)를 포함할 수 있다.
다음으로 제1 리미터부(300)는 비례적분제어기부(200)의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 상기 제2 전류 지령 신호(I2 ref,norm)를 생성 및 출력한다. 여기서 제1 리미터부(300)는 제1 리미터(310)와 제2 리미터(320)를 포함할 수 있다.
여기서 제1 리미터(310)는 제1 비례적분제어기(210)의 출력 신호를 입력받아 제한 처리 하여, 상기 제2 전류 지령 신호의 D 축 성분(I2 d,ref,norm)을 생성하여 출력한다. 그리고 제2 리미터(320)는 제2 비례적분제어기(220)의 출력 신호를 입력받아 제한 처리 하여, 상기 제2 전류 지령 신호의 Q 축 성분(I2 q,ref,norm)을 생성하여 출력한다.
이와 같이 생성되어 출력된 제1 전류 지령 신호(I1 d,ref,norm, I1 q,ref,norm) 또는 제2 전류 지령 신호(I2 d,ref,norm, I2 q,ref,norm)는 병렬 연결된 인버터(2000)에 입력되고, 각 인버터(2000)는 위 입력받은 제1 또는 제2 전류 지령 신호 값에 따라 출력 전류 또는 전압을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 병렬/절체 제어 시스템이 될 수 있다. 여기서 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 시스템은 복수개의 병렬 연결된 인버터들을 중앙 제어 방식이 아닌 분산 제어 방식으로 제어한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬/절체 제어 시스템의 회로도이다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬/절체 제어 시스템은 전류 지령 신호 생성 장치(1000)와 인버터(2000)를 포함할 수 있다. 여기서 인버터(2000)는 복수개로 병렬로 연결될 수 있고, 전류 지령 신호 생성 장치(1000)와 연결되어 전류 지령 신호를 수신할 수 있다. 여기서 인버터 모듈은 인버터(2000)가 될 수 있고, 필요에 따라 인버터(2000)에 부가 회로가 더 포함된 모듈이 될 수도 있다.
전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 인버터(2000)가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호를, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 생성하여 출력한다.
전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 인버터(2000)의 출력 전압과 목표 전압을 입력받고, 비례적분제어기와 리미터를 이용하여 신호 처리하여, 인버터(2000)의 출력 전류 또는 전압을 제어하기 위한 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 생성할 수 있다.
여기서 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 에너지 관리 장치(Energy Management System, EMS)에 포함되어 동작할 수 있고, 또는 HDC(High voltage DC to DC converter) 모듈에 포함되어 동작할 수 있다. 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 기타 인버터에 연결되어 동작하는 다양한 모듈에 포함되어 동작할 수 있고, 필요에 따라 별도의 제어기 모듈로 존재할 수도 있다.
여기서 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 위에서 도 8 및 도 9를 참조하면서 상세히 설명한 전류 지령 신호 생성 장치(1000)와 동일하게 동작할 수 있다. 이에 중복되는 설명은 생략하고 간략히 서술한다.
여기서 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 제1 전류 지령 신호 출력부(50), 제2 전류 지령 신호 출력부(60)를 포함할 수 있고, 제2 전류 지령 신호 출력부(60)는 인버터(2000)의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리하는 전처리부(100), 전처리부(100)에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 제1 비례적분제어기부(200), 및 제1 비례적분제어기부(200)의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 상기 전류 지령 신호를 생성 및 출력하는 제1 리미터부(300)를 포함할 수 있다.
여기서 인버터(2000)는 상기 입력 지령 신호에 따라 출력 전류 또는 전압을 제어한다. 이때 인버터(2000)는 상기 입력 지령 신호에 K 팩터를 곱하여 생성한 신호에 따라 상기 출력 전류를 제어할 수 있다. 그리고 인버터(2000)는 상기 K 팩터를 곱하여 생성한 신호와 인버터(2000)의 출력 전류 간의 차분 신호를 생성하고, 상기 생성한 차분 신호에 따라 출력 전류 또는 전압을 제어할 수 있고, 그에 따르는 교류 신호를 생성할 수 있다.
이를 위하여 인버터(2000)는 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 입력 지령 신호로 입력받고, 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 입력 지령 신호를 신호 처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성할 수 있다.
여기서 인버터(2000)는 제2 비례적분제어기부(500), 전향보상기(600), 신호 생성부(700)를 포함할 수 있다. 또한 여기서 신호 감산부(400)를 더 포함할 수 있다. 또한 이에 DQ 역변환기(800) 및 PWM 발생기(900)를 더 포함할 수도 있다.
신호 감산부(400)는 상기 입력 지령 신호에 K 팩터를 곱하여 생성한 신호와 인버터(2000)의 출력 전류 간의 차분 신호를 생성한다. 여기서 신호 감산부(400)는 상기 K 팩터를 곱하여 생성한 신호의 D 축 성분(Id,ref)와 인버터(2000)의 출력 전류의 D 축 성분(Id,real) 간의 차분 신호를 생성하는 제1 신호 감산부(410) 및 상기 K 팩터를 곱하여 생성한 신호의 Q 축 성분(Iq,ref)와 인버터(2000)의 출력 전류의 Q 축 성분(Iq,real) 간의 차분 신호를 생성하는 제2 신호 감산부(420)를 포함할 수 있다.
제2 비례적분제어기부(500)는 상기 생성한 차분 신호 - 즉 상기 입력 지령 신호를 상술한 바와 같이 전처리하여 생성한 신호 - 를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력한다. 이를 위하여 제2 비례적분제어기부(500)는 도 10과 같이 제3 비례적분제어기(510) 및 제4 비례적분제어기(520)를 포함할 수 있다. 여기서 제3 비례적분제어기(510)는 제1 신호 감산부(410)가 출력하는 차분 신호를 입력받을 수 있다. 그리고 제4 비례적분제어기(520)는 제2 신호 감산부(420)가 출력하는 차분 신호를 입력받을 수 있다.
전향보상기(600)는 소정의 목표 지령 전압을 출력한다. 이때 전향보상기(600)는 목표 지력 전압으로서 Q 축 성분(Vq,FF)와 D축 성분(Vd,FF)을 각각 출력할 수 있다. 여기서 전향보상기(600)의 동작에 대하여는 아래에서 도 14를 참조하면서 보다 상세히 설명한다.
신호 생성부(700)는 제2 비례적분제어기부(500)의 출력 신호와 전향보상기(600)에서 출력한 목표 지령 전압을 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성한다. 이때 교류 신호 생성을 위한 신호는 아래에서 설명하는 바와 같이 DQ 역변환기(800)에 입력될 D 축 성분 신호와 Q 축 성분 신호가 된다.
여기서 신호 생성부(700)는 제2 리미터부(710), 제3 리미터부(720), 신호 가산부(730)를 포함할 수 있다.
제2 리미터부(710)는 제2 비례적분제어기부(500)의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리한다. 여기서 제2 리미터부(710)는 제3 비례적분제어기(510)의 출력 신호를 입력받아 신호 크기를 제한 처리하는 제3 리미터(711)와, 제4 비례적분제어기(520)의 출력 신호를 입력받아 신호 크기를 제한 처리하는 제4 리미터(712)를 포함할 수 있다.
제3 리미터부(720)는 전향보상기(600)의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리한다. 여기서 제3 리미터부(720)는 전향보상기(600)의 출력 신호 중 Q 축 성분(Vq,FF)을 입력받아 신호 크기를 제한 처리하는 제5 리미터(721)와, 전향보상기(600)의 출력 신호 중 D 축 성분(Vd,FF)을 입력받아 신호 크기를 제한 처리하는 제6 리미터(722)를 포함할 수 있다.
신호 가산부(730)는 제2 리미터부(710)의 출력 신호와 제3 리미터부(720)의 출력신호를 가산하여, 교류 신호 생성을 위한 D 축 신호 성분과 Q 축 신호 성분을 생성한다. 여기서 신호 가산부(730)는 제3 리미터(711)의 출력 신호와 제6 리미터(722)의 출력 신호를 가산하여 상기 D 축 신호 성분을 생성하는 제1 신호 가산부(731)과, 제4 리미터(712)의 출력 신호와 제5 리미터(721)의 출력 신호를 가산하여 상기 Q 축 신호 성분을 생성하는 제2 신호 가산부(732)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 생성된 D 축 성분 신호와 Q 축 성분 신호는 각각 인버터 측 D 축 목표 전압(Vd,ref,inv)과 인버터 측 Q 축 목표 전압(Vq,ref,inv)으로 이용될 수 있다. 즉 인버터(2000)는 상기 인버터 측 D 축 목표 전압(Vd,ref,inv)과 인버터 측 Q 축 목표 전압(Vq,ref,inv)을 각각 지령치로 이용하여 인버터의 출력 전압 또는 전류를 제어할 수 있다. 여기서 위 인버터 측 D 축 목표 전압(Vd,ref,inv)과 인버터 측 Q 축 목표 전압(Vq,ref,inv)을 이하 설명할 DQ 역변환기(700)의 입력으로 이용함으로써, 지령치로 이용할 수 있다.
DQ 역변환기(800)는 신호 생성부(700)에서 생성한 D 축 성분 신호와 Q 축 성분 신호를 DQ 역변환한다.
PWM 발생기(900)는 상기 역변환한 신호를 입력받아 교류 신호 생성을 위한 PWM 신호를 생성한다. 여기서 PWM 발생기(900)는 DQ 역변환된 3상 신호를 이용하여 교류 신호 생성 회로의 스위치 동작을 위한 PWM 신호(온-오프 신호)를 생성할 수 있다. 예를 들면 PWM 발생기(900)는 입력받은 3상 신호와 톱니파 또는 삼각파와 같은 기준파형의 신호를 비교하여, 상기 스위치의 온 오프를 결정하는 PWM 신호를 발생시킬 수 있다. 그리고 인버터(2000)는 PWM 발생기(900)가 발생한 상기 PWM 신호를 이용하여, 스위치 회로를 동작시켜 교류 신호를 생성할 수 있다. 여기서 PWM 신호를 이용하여 스위칭 회로를 동작시켜 교류 신호를 생성하기 위하여, 공지된 다양한 교류 신호 생성용 스위칭 회로를 이용할 수 있다.
본 발명에서 3상 신호를 기준으로 설명된 부분들은 단상 신호 및 다른 수의 상을 가지는 신호에도 동일하게 적용될 수 있으며, 본 발명에 따라 직류 전원으로부터 단상 교류 신호 또는 다른 수의 상을 가지는 교류 신호를 생성할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 병렬/절체 제어 방법이 될 수 있다.
도 11은 상기 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬/절체 제어 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬/절체 제어 방법은 전류 지령 신호 생성 단계(S1000), 인버터 제어 단계(S2000)를 포함할 수 있다.
전류 지령 신호 생성 단계(S1000)에서는 전류 지령 신호 생성 장치(1000)가, 인버터(2000)가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호와, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 각 생성하여 출력한다.
인버터 제어 단계(S2000)에서는 인버터(2000)가 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성한다.
여기서 전류 지령 신호 생성 단계(S1000)는 전처리 단계(S100), 비례적분제어 단계(S200), 전류 지령 신호 출력 단계(S300)를 포함할 수 있다. 여기서 전처리 단계(S100), 비례적분제어 단계(S200), 전류 지령 신호 출력 단계(S300)는 전류 지령 신호 생성 장치에 관한 실시예 부분에서 상세히 설명한 바와 동일한 방식으로 각 해당 구성이 동작할 수 있다. 이에 중복되는 부분은 생략하고 간략히 설명한다.
전처리 단계(S100)에서는 전처리부(100)가 상기 병렬 연결된 인버터(2000)의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리한다.
비례적분제어 단계(S200)에서는 비례적분제어기부(200)가 전처리부(100)에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력한다.
전류 지령 신호 출력 단계(S300)에서는 리미터부(300)가 비례적분제어기부(200)의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 인버터(2000)를 제어하기 위한 상기 제2 전류 지령 신호를 생성 및 출력한다.
여기서 인버터 제어 단계(S2000)는 비례적분제어 단계(S2001), 전향보상 단계(S2002), 신호 생성 단계(S2003)를 포함할 수 있다. 여기서 비례적분제어 단계(S2001), 전향보상 단계(S2002), 신호 생성 단계(S2003)는 병렬/절체 제어 시스템에 관한 실시예 부분에서 상세히 설명한 바와 동일한 방식으로 각 해당 구성이 동작할 수 있다. 이에 중복되는 부분은 생략하고 간략히 설명한다.
비례적분제어 단계(S2001)에서는 비례적분제어기부(500)가 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 전처리한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력한다.
전향보상 단계(S2002)에서는 전향보상기(600)가 소정의 목표 지령 전압을 출력한다.
신호 생성 단계(S2003)에서는 비례적분제어기부(500)의 출력 신호와 전향보상기(600)의 출력 목표 지령 전압을 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성한다.
본 발명에 따른 전류 지령 신호 생성 장치와 그와 연계된 병렬 연결 인버터에 대한 병렬/절체 제어 시스템, 및 그 방법의 동작 원리와 그에 따른 효과를 병렬 운전 제어의 관점에서 설명하면 다음과 같다.
전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 계통 또는 부하에 제공되는 전압을 피드백 받고 비례적분제어기를 이용하여 전압 제어를 한다. 전류 지령 신호 생성 장치(1000)는 각 인버터(2000)에 입력될 정규화된 전류 지령치로 전류 지령 신호(Id,ref,norm, Iq,ref,norm)를 생성한다. 상기 생성된 정규화된 전류 지령치는 각 인버터(2000)에 입력되고, 각 인버터(2000)는 인버터(2000) 별로 설정된 K 팩터(K-factor)를 상기 입력받은 정규화된 전류 지령치에 곱하여 최종 전류 지령치(Id,ref, Iq,ref)를 생성하고, 그 값에 따라 전류 또는 전압 제어를 수행한다. 여기서 K 팩터는 필요에 따라 각 인버터 모듈 별로 정격 용량과 비례하는 값으로 설정될 수 있다. 이처럼 각 인버터 모듈은 수신한 전류 지령 신호와 각 모듈 별로 설정된 K 팩터에 따라 출력 전류 또는 전압을 제어함으로써, 인버터 모듈 간에 원하는 비율로 부하를 분배하여 출력 전력을 결정할 수 있고, 그 결과 시스템의 병렬 운전 성능을 향상시키는 효과가 있다.
여기서 출력 전류 또는 전압을 제어하는 것은, 전류 지령치에 따라 인버터가 전류 제어를 함에 있어서, 단독 운전 상황의 경우 전류 지령 신호 생성 장치(1000)에서 생성되어 출력되는 전류 지령 신호가 목표 전압으로 제어되기 위한 신호이므로, 넓은 의미로 전류 지령치에 따라 인버터가 출력 전류 또는 전압을 제어하는 것이 될 수 있다. 다만 본 발명에서 출력 전류 또는 전압을 제어하는 것이 상술한 동작으로 한정되는 것은 아니며, 기타 다른 관점과 방식으로 전류 또는 전압을 제어하는 동작을 포함하는 의미가 될 수도 있음은 물론이다.
예를 들어 각 인버터 모듈의 K 팩터를 정격 용량과 비례하는 값으로 설정함으로써, 인버터 모듈 간에 출력 전력이 정격 용량에 비례하도록 부하를 분배할 수 있는 효과가 있다. 예를 들어 K 팩터 값이 동일하게 설정된 인버터 모듈들은 동일한 전력을 공급하게 된다. 따라서 정격 용량이 다른 인버터들 병렬로 연결된 경우, 정격 용량에 비례한 K 팩터 값을 미리 설정해 놓음으로써, 각 인버터의 정격 용량에 관한 정보나 상호 간의 연결 정보를 이용하지 않더라도, 각 인버터의 정격 용량에 비례하도록 전력 분배를 할 수 있다.
이상과 같은 구성을 통하여 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 시스템은 또한 각 인버터 간에 의도적인 부하 불균형 제어가 필요한 경우, K 팩터 값을 전류 지령 신호 생성 장치(1000)나 인버터(2000) 또는 기타 수단을 통하여 업데이트함으로써, 의도적인 부하 불균형 제어를 구현할 수 있다. 예를 들면 경부하 효율 개선 등의 목적으로 상술한 의도적인 부하 불균형 제어를 할 수 있다. 예를 들면 병렬로 3개의 인버터 모듈이 연결된 시스템에서 경부하 구간에는 두 개의 인버터 모듈만 이용하는 것을 목표로 하는 경우, 하나의 인버터 모듈의 K 팩터 값을 0 으로 업데이트할 수 있다. 이처럼 K 팩터 값을 직접적으로 가변시키는 경우 부하량의 균등 분배뿐만 아니라 의도적인 불균형 제어가 가능하다.
본 발명에 따른 병렬/절체 제어 시스템 및 그 방법에 의하면, 각 인버터(2000)가 전류 지령 신호 생성 장치(1000)로부터의 전류 지령 값을 수신하여 인버터의 출력 전류 또는 전압을 제어할 수 있다. 이때 병렬로 연결된 복수개의 인버터들은 전류 지령 신호 생성 장치(1000)로부터 각각의 정규화된 전류 지령치를 수신하고 K 팩터를 적용하여 산출된 최종 전류 지령치에 따라 출력 전류를 제어함으로써 출력 부하 균형을 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면 각 인버터(2000)는 마스터나 중앙의 제어 장치로부터 제어를 받는 것이 아니라, 각 인버터와 연결된 전류 지령 신호 생성 장치(1000)로부터 수신한 전류 지령치에 따라 출력 전류 또는 전압을 제어할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면 인버터들 간에 통신 버스를 이용하여 다른 인버터들의 정보를 공유하지 아니하고도, 병렬 연결 시스템에서 분산 제어를 구현할 수 있다. 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 시스템 및 그 방법은 각 인버터의 제어를 위하여, 인버터 모듈 간에 인버터의 정격 용량 정보, 동작점 정보 등과 같은 다른 인버터에 관한 정보나 인버터의 연결 수나 상태 등과 같은 인버터들 간의 연결에 대한 정보를 공유하여 이용하지 아니하고, 통신 버스의 역할을 인버터들 간에 전류 지령치를 공유하도록 하는 역할로 단순화하였다.
도 12는 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법에서 병렬 제어와 관련된 동작을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 참고도이다. 여기서 I_u1#1, #2, #3 은 새 개의 인버터 모듈 각각의 전류를 나타내고, 각 인버터 모듈 별로 의도한 출력 전력 값은 각각 10kW, 10kW, 5kW 이며, Iu_Load는 전체 합산 전류이다. 도 12를 참조하면, 첫번째 동작 환경 변화를 나타내는 왼쪽 검은 실선을 기준으로 I_u#2로 나타내고 있던 #2번 모듈이 off 되고, 기존의 출력을 #1과 #2가 나누어 출력하는 것을 확인 할 수 있다. 반면 두 번째 동작 환경 변화를 나타내는 오른쪽 검은 실선을 기준으로 #2번 모듈이 정상 동작을 시작하고 이후 지령치에 따른 출력 공급이 진행됨을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 전류 지령 신호 생성 장치와 그와 연계된 병렬 연결 인버터에 대한 병렬/절체 제어 시스템, 및 그 방법의 동작 원리와 그에 따른 효과를 절체 제어의 관점에서 설명하면 다음과 같다.
도 13은 본 발명의 절체 제어 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 13을 참조하면, 도 13은 본 발명에 따른 제어 시스템 및 방법의 출력 전압에 대한 제어 영역을 나타낸다. 도 13에서 빨간색 빗금친 영역은 전향보상기(600)의 출력 전압 값의 범위이며, 빨간색 빗금친 영역의 임의점을 중심으로 하여 존재하는 검은색 원은 비례적분제어기부(500)의 출력 전압 값의 범위이다. 전체 출력 전압의 제어영역은 전향보상기(600)의 영역에 비례적분제어기부(500)의 영역이 더해져서 파란색 굵은 선으로 외곽선이 표시된 영역으로 나타난다. 이 영역을 계통연계 상황에서 전류제어에 필요한 영역보다 넓으며, 단독 운전 상황에서 출력전압이 허용가능 계통전압범위 보다 좁게 선정하여, 인버터(2000)의 출력 전압 또는 전류가 발산하는 것을 막을 수 있다.
도 14는 전향보상기와 비례적분제어기부의 제어 영역을 나타내는 참고도이다.
도 14를 참조하면, (a)는 전향보상기(600)의 출력 전압 제어 영역을 나타낸다. 이 영역은 계통전압의 변동과 L의 변동 등을 고려하여 얻어진 수학적인 영역이다. 이에 관하여 계통연계 상황에서는 아래와 수학식 5로 도출되며, 단독운전 상황에서는 아래 수학식 6으로 도출된다.
Figure 112016026415683-pat00006
Figure 112016026415683-pat00007
여기서 Vq,FF = 0, θFF = 0이 될 수 있다. 여기서 임피던스 wR 는 계통 주파수에서의 필터의 임피던스(계통주파수 에서 형성된 필터의 전체 임피던스 값)가 될 수 있다.
여기서 입력된 전류 지령 신호의 값을 만들어주기 위한 목표 지령 전압이 계통 전압과 필터의 임피던스 관계를 이용하여 계산될 수 있다. 구체적으로는 위 계산된 Q 축 성분 (Vq,FF)와 D축 성분 (Vd,FF)이 전향보상기(600)로부터 각각 출력된다.
여기서 도 14의 (b) 는 비례적분제어기부(500)의 출력 전압 제어 영역을 나타낸다. 이 제어 영역은 전향보상기(600) 값의 오류(센싱 오류, 전기적 상수의 변화 등)을 보정하는 역할을 한다. 이때 인버터 모듈은 계통 연계 상황에서는 전류 지령을 받아서 전류제어기로 동작하며, 단독 운전 상황에서는 전압 지령을 받아서 전압제어기로 동작하게 된다. 여기서 위 제어 영역이 단독 운전 시 인버터의 동작 제한 범위보다 작은 영역이 되도록 제3 리미터(711)와 제4 리미터(712)를 설정할 수 있다. 여기서 단독 운전 상황의 경우에 EMS 에서 전압 제어를 담당하고, EMS에 포함된 전류 지령 신호 생성 장치(1000)에서 전압 제어를 위한 전류 지령 신호를 각 인버터 모듈에 제공하게 되기 때문에, 각 인버터 모듈의 입장에서는 동작 상황과 무관하게 전류 지령을 수신하여 전류 제어기로 동작할 수 있다.
도 15는 출력 전압의 제어 궤적을 설명하기 위한 참고도이다.
도 15의 (a)는 계통 연계 상황에서 출력 전압의 제어 궤적을 나타내는 참고도이다. 이때, Vpole,inverter = XL × iG + VG 으로 표현 가능하며, 전류 제어가 수행된다. 이때 계통 전압과 동상인 전류 제어를 하기 위하여 필터 인덕터의 출력 전압은 계통 전압과 90도 위상차를 가져야 한다. 따라서, 전류 지령값에 따라서 인버터의 출력 전압은 빨간색 화살표에 위치해야 한다.
도 15의 (b)는 단독 운전 상황에서의 출력 전압의 제어 궤적을 나타내는 참고도이다. 이때, Vpole,inverter = XL × iG + RLOAD x iG 으로 표현 가능하며, 전압 제어가 수행된다. 출력 전압 제어를 위하여 인버터의 출력 전압과 부하 측 출력 전압의 기울기는 XL과 RLOAD의 비율로 결정되며 전압 지령값에 따라서 인버터의 출력 전압은 빨간색 화살표에 위치해야 한다.
도 15의 (c) 은 절체 알고리즘이 존재하지 않는 경우에도 계통사고가 발생하였을 때 과도적인 문제가 발생하지 않을 수 있는 조건을 참고로 나타낸다.
도 16은 도 17의 표와 같은 시나리오에서 본 발명에 따른 제어 시스템 및 방법을 적용하지 않을 경우 인버터의 출력 전압이 발산하는 원리를 설명하기 위한 참고도이고, 도 17은 인버터, 부하, 계통 간의 전력 수급에 관한 시나리오를 나타내는 표이다.
도 16을 참조하면, 계통 연계 상황에서 계통 사고가 발생하여 단독 운전으로 절체되는 다양한 동작 상황에서, 부하 전력과 인버터 전력이 동일한 경우를 제외하고는 계통 사고 상황에서 과전압이나 저전압 현상이 발생하며, 계통으로부터 인버터가 에너지를 받아 충전하는 구간에서는 위상 또한 반전되게 되는 문제가 발생함을 확인할 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 제어 시스템 및 그 방법을 이용할 경우의 상술한 제어 영역을 단순화하여 도식화한 참고도이다.
도 18에서 파란색 직사각형 부분은 도 13의 파란색 제어 영역과 같은 의미이다. 위 제어 영역은 계통 연계 상황에서 제어 목표달성을 위해 충분히 넓으며, 동시에 단독 운전 상황에서 발산을 막기에 충분히 작도록 설정될 수 있다. 도 18을 참조하면, 본 발명에 의할 경우, 발산(과전압, 저전압, 위상 반전 등) 지점에서 계통 연계 동작 중인 인버터(A, C, D 지점)라고 하더라도, 단독 운전으로 전환될 때 파란색으로 표시되는 제어 영역 밖으로 넘어가지 않기 때문에, 인버터의 출력 전압은 사고 상황에서도 허용 범위 안에 위치하게 되는 효과가 있다.
도 19는 도 18의 파란색 제어 영역을 확대한 참고도이다.
도 19를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 제어 시스템 및 그 방법에 의하면, 계통 사고가 발생하고 인버터가 사고를 인지하지 못하는 상황에서는 인버터는 파란색 경계선에서 제어되게 되며, 그 후 계통 사고를 인지하게 되면 비로소 전압 제어 단계로 넘어가게 된다. 이때, 도 19에 도시된 바와 같이 제어를 위하여 최적 동작점 (B점)으로 이동되는 동선이 짧으므로 출력 전압의 과도 상태로 인한 문제가 발생하지 않는 효과가 있다.
도 20은 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법에서 절체 제어와 관련된 동작을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 참고도이다.
여기서 도 20은 (Rated Power: #1, #2=10kW, #3=5kW) 일 때, 모드 1(M1)에서의 전압 및 전류를 나타낸다.
모드 1에서는, EMS 에서 파워 지령으로부터 전류 지령치가 결정되면, 각 모듈은 이 지령치를 바탕으로 전류제어를 한다. 시뮬레이션 결과와 같이 모듈 1, 2의 출력전류는 동일하게 분배되며, 상대적으로 50% 정격에 해당하는 모듈 3의 출력전류는 모듈 1, 2의 절반으로 K-factor에 의하여 자동 제어된다.
도 21은 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법을 이용한 경우, 모드 1(M1)에서 모드 2(M2), 모드 3(M3)으로 상태가 변화함에 따라 전류 및 전압의 변화를 나타내는 참고도이다.
도 21을 참고하면, 계통 사고가 발생하고 ESS가 사고를 인지한 모드 3 뿐만 아니라 사고를 인지 못한 모드 2에서도 무순단 절체가 구현됨을 확인할 수 있다. 또한 VU_Load (비상부하에 인가되는 전압)가 계통 사고 여부와 상관없이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한 동시에 모듈 1, 2, 3의 부하 분배가 계통 사고 여부와 상관없이 원활하게 이뤄지고 있는 것(각 모듈에 정격에 맞게 부하분배)을 확인할 수 있다.
도 22는 모드 3(M3)에서의 전압 및 전류를 나타내는 참고도이다.
도 22를 참고하면, 연결된 모듈의 개수 및 모듈 간 동작점의 정보나 정보의 교환이 전혀 없더라도 높은 성능의 부하 분배를 구현한 것을 확인할 수 있다. 각 모듈은 단독 운전 모드임에도 불구하고 계통 연계 조건에서 전류 제어하는 병렬 운전 상황과 동일하게 제어함으로써 높은 성능을 확보한다는 점, 즉 Redundancy와 성능 측면에서 모두 우수한 성능을 달성하고 있다는 점을 확인할 수 있다.
도 23은 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법을 이용한 경우, 복전 상황 즉 모드 4(M4)에서 모드 1(M1)으로 상태가 변화하는 상황에서의 전류 및 전압의 변화를 나타내는 참고도이다.
도 23을 참고하면, 본 발명에 의하여 계통이 정상으로 회복되는 상황이라고 하더라도, 한 번에 복전 되지 않고, 단독운전 상황의 전압 위상과 계통 위상을 동기화하는 과정(모드 4)를 갖고 있음을 확인할 수 있다. 이는 그렇지 않는 경우 복전 시 계통전압과 단독 운전 모드에서의 인버터 전압 사이의 전위차에 의하여 큰 전류가 유입되는 문제 상황이 발생할 수 있기 때문이다. 이처럼 본 발명에 의하면, 위상이 완벽히 동기화 된 후에 복전을 시도하기 때문에 모드 4에서 모드1로 넘어나는 복전 상황에서 과도 상태 문제가 최소화되는 효과가 있다.
도 24는 본 발명에 따른 제어 시스템 및 그 방법의 3상 시뮬레이션 결과 파형을 나타낸다.
도 24를 참조하면, 정상적인 계통상황 (M1)에서 계통 사고가 발생하더라도 (M2, M3), 정상적으로 부하에 안정적인 전압과 전류를 공급하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 인버터가 계통사고를 인지하지 못하고 있는 상황(M2)에서도 과도적인 문제없이 절체 되는 것을 확인할 수 있으며, 인버터가 계통사고를 인지하여 전류제어 모드에서 전압제어 모드로 변환되는 상황(M3) 에서도 과도적인 문제없이 절체되는 것을 확인 할수 있다. 또한 복전상황 (M4)에서도 위상을 동기화 한 후 과도적인 문제없이 정상 제어 모드 (M1)로 넘어가는 것을 확인할 수 있다.
도 25는 본 발명에 따른 병렬/절체 제어 장치, 시스템 및 그 방법을 이용한 경우의 전체 시뮬레이션 상황을 나타내는 참고도이다.
이처럼 본 발명에 의하면, 모든 동작 모드에 항상 병렬 제어를 수행하고, 절체 제어를 위하여 추가적인 소자나 인버터의 변경이 필요 없는 효과가 있다. 또한 인버터의 제어기가 모든 인버터 모듈 및 모든 동작 모드에서 동일한 회로 또는 동작 알고리즘 사용함으로써 리던던시(Redundancy)가 향상되고, 또한 높은 부하 분배 성능을 달성하는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면 계통 사고 발생시 비상 부하를 운전시켜야 하는 ESS 또는 인버터 모듈의 요구에 대응하고, 모듈형으로 인버터를 구성하는 것이 가능한 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 병렬 연결된 복수개의 인버터를 제어하기 위한 전류 지령 신호를 생성하는 전류 지령 신호 생성 장치에 있어서,
    상기 인버터가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호를 출력하는 제1 전류 지령 신호 출력부; 및
    상기 인버터가 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 출력하는 제2 전류 지령 신호 출력부를 포함하고,
    상기 제2 전류 지령 신호 출력부는,
    상기 병렬 연결된 인버터의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리하는 전처리부;
    상기 전처리부에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어기부; 및
    상기 비례적분제어기부의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 상기 제2 전류 지령 신호를 생성 및 출력하는 제1 리미터부를 포함하고,
    상기 전처리부는,
    상기 병렬 연결된 인버터의 출력 전압 중 D 축 성분과 상기 목표 전압의 D 축 성분 간의 차분 신호를 생성하여 출력하는 신호 감산부; 및
    상기 출력 전압 중 Q 축 성분을 반전한 신호를 생성하여 출력하는 신호 반전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 지령 신호 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서
    상기 인버터가 계통 연계 모드로 동작하는 경우는, 상기 계통 측에서 상기 계통과 상기 인버터 간의 연결을 차단 또는 연결하는 제 1 스위치가 온되고 또한 상기 인버터 측에서 상기 인버터와 상기 계통 간의 연결을 차단 또는 연결하는 제 2 스위치가 온되는 경우와, 상기 제 1 스위치가 오프되고 상기 제 2 스위치는 온되는 경우를 포함하고,
    상기 인버터가 단독 운전 모드로 동작하는 경우는, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 양자가 오프된 경우와, 상기 제 1 스위치는 온되고 상기 제 2 스위치는 오프되는 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 지령 신호 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 지령 신호 출력부는,
    유효 전력 지령치에 따른 상기 제1 전류 지령 신호의 D 축 성분을 출력하는 제1 D 축 전류 지령 신호 출력부; 및
    무효 전력 지령치에 따른 상기 제1 전류 지령 신호의 Q 축 성분을 출력하는 제1 Q 축 전류 지령 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 지령 신호 생성 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 비례적분제어기부는,
    상기 신호 감산부에서 출력된 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 제1 비례적분제어기; 및
    상기 신호 반전부에서 출력된 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 제2 비례적분제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 지령 신호 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 리미터부는,
    상기 제1 비례적분제어기의 출력 신호를 입력받아 제한 처리 하여, 상기 제2 전류 지령 신호의 D 축 성분을 생성하여 출력하는 제1 리미터; 및
    상기 제2 비례적분제어기의 출력 신호를 입력받아 제한 처리 하여, 상기 제2 전류 지령 신호의 Q 축 성분을 생성하여 출력하는 제2 리미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 지령 신호 생성 장치.
  9. 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 제어 시스템에 있어서,
    상기 인버터가, 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호와, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 생성하여 출력하는 전류 지령 신호 생성 장치; 및
    상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 입력 지령 신호로 입력받고, 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 입력 지령 신호를 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 인버터를 포함하고,
    상기 인버터는,
    상기 입력 지령 신호에 K 팩터를 곱하여 생성한 신호와 상기 인버터의 출력 전류 간의 차분 신호를 생성하여 출력하는 신호 감산부;
    상기 신호 감산부가 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어기부;
    소정의 목표 지령 전압을 출력하는 전향보상기; 및
    상기 비례적분제어기부의 출력 신호와 상기 전향보상기에서 출력한 목표 지령 전압을 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서, 상기 신호 생성부는,
    상기 비례적분제어기부의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하는 제2 리미터부;
    상기 전향보상기의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하는 제3 리미터부; 및
    상기 제2 리미터부의 출력 신호와 상기 제3 리미터부의 출력신호를 가산하여, 교류 신호 생성을 위한 D 축 신호 성분과 Q 축 신호 성분을 생성하는 신호 가산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 D 축 성분 신호와 Q 축 성분 신호를 DQ 역변환하는 DQ 역변환기; 및
    상기 역변환한 신호를 입력받아 교류 신호 생성을 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  14. 병렬로 연결된 복수개의 인버터를 제어하는 제어 방법에 있어서,
    전류 지령 신호 생성 장치가, 상기 인버터가 계통 연계 모드로 동작하는 경우 이용할 제1 전류 지령 신호와, 단독 운전 모드로 동작하는 경우 이용할 제2 전류 지령 신호를 각 생성하여 출력하는 전류 지령 신호 생성 단계; 및
    상기 인버터가 상기 제1 또는 제2 전류 지령 신호를 입력 지령 신호로 입력받고, 전향보상기와 비례적분제어기를 이용하여 상기 입력 지령 신호를 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 인버터 제어 단계를 포함하고,
    상기 인버터 제어 단계는,
    신호 감산부가 상기 입력 지령 신호에 K 팩터를 곱하여 생성한 신호와 상기 인버터의 출력 전류 간의 차분 신호를 생성하여 출력하는 단계;
    비례적분제어기부가 상기 신호 감산부가 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 단계;
    전향보상기가 소정의 목표 지령 전압을 출력하는 단계; 및
    신호 생성부가 상기 비례적분제어기부의 출력 신호와 상기 전향보상기에서 출력한 목표 지령 전압을 신호처리하여, 교류 신호 생성을 위한 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전류 지령 신호 생성 단계는,
    전처리부가 상기 병렬 연결된 인버터의 출력 전압과 목표 전압을 입력받아 전처리하는 전처리 단계;
    비례적분제어기부가 상기 전처리부에서 출력한 신호를 입력받아 비례 제어와 적분 제어를 수행하여 그 결과 값을 출력하는 비례적분제어 단계; 및
    리미터부가 상기 비례적분제어기부의 출력 신호를 입력받아, 신호의 크기를 미리 설정된 소정의 범위로 제한 처리하여, 상기 인버터를 제어하기 위한 상기 제2 전류 지령 신호를 생성 및 출력하는 전류 지령 신호 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  16. 삭제
KR1020160032926A 2016-03-18 2016-03-18 전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법 KR101793416B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160032926A KR101793416B1 (ko) 2016-03-18 2016-03-18 전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160032926A KR101793416B1 (ko) 2016-03-18 2016-03-18 전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170108660A KR20170108660A (ko) 2017-09-27
KR101793416B1 true KR101793416B1 (ko) 2017-11-03

Family

ID=60036433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160032926A KR101793416B1 (ko) 2016-03-18 2016-03-18 전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101793416B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020235703A1 (ko) * 2019-05-21 2020-11-26 주식회사 부경에스에스 하이브리드 인버터 및 이의 동작 방법
WO2021256850A1 (ko) * 2020-06-16 2021-12-23 한국전기연구원 계통연계형 인버터의 동작모드 전환 시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113872227A (zh) * 2021-10-12 2021-12-31 华为数字能源技术有限公司 供电系统、变流器及变流器的环流抑制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100664084B1 (ko) * 2005-11-23 2007-01-03 엘지전자 주식회사 계통 연계형 연료전지 시스템의 전력변환 제어장치 및 방법
JP2010187459A (ja) * 2009-02-12 2010-08-26 Meidensha Corp 電圧制御方法及び電圧制御装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100664084B1 (ko) * 2005-11-23 2007-01-03 엘지전자 주식회사 계통 연계형 연료전지 시스템의 전력변환 제어장치 및 방법
JP2010187459A (ja) * 2009-02-12 2010-08-26 Meidensha Corp 電圧制御方法及び電圧制御装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020235703A1 (ko) * 2019-05-21 2020-11-26 주식회사 부경에스에스 하이브리드 인버터 및 이의 동작 방법
WO2021256850A1 (ko) * 2020-06-16 2021-12-23 한국전기연구원 계통연계형 인버터의 동작모드 전환 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170108660A (ko) 2017-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mahlooji et al. A review on modeling and control of grid-connected photovoltaic inverters with LCL filter
Zhang et al. Control architecture for parallel-connected inverters in uninterruptible power systems
Wang et al. A seamless operation mode transition control strategy for a microgrid based on master-slave control
KR101454299B1 (ko) 다수의 에너지저장장치용 인버터를 이용한 독립형 마이크로그리드의 제어방법
EP3116096B1 (en) Ups circuit
TWI774142B (zh) 交流負荷供電系統和方法
Khajesalehi et al. Modeling and control of quasi Z-source inverters for parallel operation of battery energy storage systems: Application to microgrids
KR101804469B1 (ko) 각 상 개별제어 기술을 탑재한 3 레그 3상 4선식 인버터를 구비하는 무정전 전원 장치
Venkatramanan et al. A reconfigurable solar photovoltaic grid-tied inverter architecture for enhanced energy access in backup power applications
Harirchi et al. Designing smart inverter with unified controller and smooth transition between grid-connected and islanding modes for microgrid application
KR101793416B1 (ko) 전원 인버터의 제어 장치, 시스템 및 그 방법
Zhang et al. Modular Plug’n’Play control architectures for three-phase inverters in UPS applications
Ahmed et al. A novel hybrid AC/DC microgrid architecture with a central energy storage system
CN111711196A (zh) 一种交直流混合配电网运行模式无缝切换控制方法
Sadeque et al. Seamless grid-following to grid-forming transition of inverters supplying a microgrid
Erdocia et al. Conductance-frequency droop control to ensure transient stability of inverter-based stand-alone microgrids
Ninad et al. A BESS control system for reducing fuel-consumption and maintenance costs of diesel-hybrid mini-grids with high penetration of renewables
Sadeque et al. A universal controller for grid-forming inverters in microgrid during islanding for low transient current
TWI505597B (zh) 智慧型微電網電力品質管理的操作系統
KR101760247B1 (ko) 전원 인버터의 병렬 제어 장치, 시스템 및 그 방법
JP2011139594A (ja) 系統連系システム
Abuhilaleh et al. Distributed control and power management strategy for parallel bidirectional power converters in hybrid microgrids
Karimi-Ghartemani et al. A universal controller for grid-connected and autonomous operation of three-phase DC/AC converters
JP2006311725A (ja) 電力変換装置の制御装置
Abuhilaleh et al. Power management and control strategy for hybrid AC/DC microgrids in autonomous operation mode

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right