KR101797270B1 - 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치 - Google Patents

계통연계형 인버터 시스템의 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 요구되는 특정 전력에 따른 출력전류의 응답속도를 빠르게 하기 위해 시퀀스가 개선된 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치에 관한 것으로, DCDC 컨버터 제어신호를 출력하는 제1제어부; 및 인버터 제어신호를 출력하는 제2제어부;를 포함하되, 상기 제1제어부와 상기 제2제어부는 신호 입출력이 연계되지 않고 상호 분리된 시퀀스를 구비하는 계통 연계형 인버터 시스템의 제어장치를 제공한다.

Description

계통연계형 인버터 시스템의 제어장치{Control sequence module of grid tied inverter system}
본 발명은 계통연계형 인버터 시스템에 관한 것으로서, 요구되는 특정 전력을 즉각적으로 맞출 수 있도록 시퀀스가 개선된 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치에 관한 것이다.
태양광, 풍력, 연료전지 등 다양한 DC 에너지 공급원에서 생산하여 공급하는 직류전압은 인버터 시스템에 의해 계통전압에 적합하게 변환되어 계통에 공급된다.
종래 인버터 시스템은 상기 DC 에너지 공급원 출력단에 연결되는 DCDC 컨버터와, 상기 DCDC컨버터 출력단에 연결되는 인버터를 구비하여 제어장치가 제공하는 지령값을 토대로 출력전류를 제어한다.
또한, 계통부하의 변동에 따라 최대전력을 제공할 수 있도록 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 적용하여 입력전압지령을 조절한다.
최근, 계통을 보호하거나 발전량을 제한할 필요성이 대두하고 관련 규정이 제정되는 추세에 따라, 이제는 전력을 최대전력 이하로 제어하는 기술이 중요한 시점이 되었다.
종래 인버터 시스템의 제어장치는 DCDC 컨버터 제어신호를 출력하여 생성되는 DC LINK 전압을 이용하여 인버터 제어신호를 출력하기 때문에, 다수의 제어부가 입력전압에서 출력전류에 이르기까지 신호 입출력이 연계되어 사실상 다수의 제어부가 하나로 통합된 시퀀스 구조이다.
따라서 전력을 제어하기 위해서는 입력전압지령을 제어하고 연쇄적으로 다수의 제어부가 동작한 다음 최종적으로 출력전류를 제공하는 과정을 반복하면서 요구되는 전력을 찾아가야 했다.
그러나 상기 종래 제어방식은 시퀀스가 복잡하여 처리 소요시간이 증가하고, 응답속도가 느리기 때문에 특정 전력에 대응하는 출력전류를 즉각적으로 제공하지 못하는 문제가 있었다.
계통연계형 인버터 시스템에 관해서는 등록특허 제1032720호를 포함하는 다양한 선행기술이 검색되나, 본 발명과 같은 기술적 과제에 대한 것은 검색되지 않았다.
본 발명은 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치에 있어서, 특정 전력에 대한 즉각적인 제어를 실현하도록 개선된 시퀀스 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 DC 에너지 공급원 출력단에 연결되는 DCDC 컨버터와, 상기 DCDC컨버터 출력단에 연결되는 인버터를 구비하여, DC 에너지 공급원으로부터 인가되는 직류전압을 계통전압으로 변환하여 계통에 공급하는 계통 연계형 인버터 시스템의 제어장치에 있어서, DCDC 컨버터 제어신호를 출력하는 제1제어부; 및 인버터 제어신호를 출력하는 제2제어부;를 포함하되, 상기 제1제어부와 상기 제2제어부는 신호 입출력이 연계되지 않고 상호 분리된 시퀀스를 구비하는 계통 연계형 인버터 시스템의 제어장치를 제공한다.
상기 제2제어부는, 입력전압(Vin)을 입력전압지령(Vin ref)으로 제어하여 출력전류지령(Iinv ref)을 출력하는 입력전압제어부; 및 출력전류(Iinv)를 상기 입력전압제어부가 출력하는 출력전류지령(Iinv ref)으로 제어하여 인버터 PWM제어신호(INV PWM)를 출력하는 출력전류제어부;를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2제어부는, 요구되는 전력에 따라 설정된 출력전류지령(Iinv ref)으로 출력전류(Iinv)를 제어하여 인버터 PWM제어신호(INV PWM)를 출력할 수 있다.
상기 제1제어부는, DC LINK 전압(Vdc)을 DC LINK 전압지령(Vdc ref)으로 제어하여 입력전류지령(Iin ref)을 출력하는 DC LINK 전DRL압 제어부; 및 입력전류(Iin)을 입력전류지령(Iin ref)으로 제어하여 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 출력하는 입력전류 제어부;를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1제어부는, DC LINK 전압(Vdc)을 DC LINK 전압지령(Vdc ref)으로 제어하여 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 출력할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 흐름으로 묶여 있던 인버터 시스템의 제어장치 시퀀스를 분리하여 개선하였기 때문에, 출력전류에 대한 직접적인 제어가 가능한바, 요구 전력에 상응하는 출력전류를 즉각적으로 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인버터 시스템의 블록도이다.
도 2는 종래 제어장치의 시퀀스를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제어장치 제1제어부의 시퀀스를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어장치 제1제어부의 다른 시퀀스를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제어장치 제2제어부의 시퀀스를 나타내는 블록도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 인버터 시스템의 블록도로서, DCDC 컨버터(10), 인버터(20), 필터부(30), 및 제어장치(40)를 포함한다.
DCDC 컨버터는 다양한 종류의 DC 에너지 공급원이 생산하는 직류전압을 안정화시키며 적절한 크기로 승압 또는 변압하는 수단으로서, 도 1에는 부스트 컨버터가 실시예로 도시되었으나, 본 발명의 DCDC 컨버터(10)는 이에 국한되지 않는다.
도 1의 DCDC 컨버터(10)의 경우, 제어장치(40)의 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)가 인가되어 스위칭소자(S5)가 도통되면, 입력전류(Iin)가 리액터(L1)에 저장되며, 스위칭소자(S5)가 소거되면, 리액터(L1)에 저장된 전원이 콘덴서(C2)에 인가되어 정전압인 DC Link 전압(Vdc)을 유지한다.
인버터(20)는 DCDC 컨버터(10)의 출력단에 연결되어, 제어장치(40)의 인버터 PWM 제어신호(INV PWM)에 따라 스위칭소자(S1~S4)의 스위칭 동작에 의해 DCDC 컨버터(10)에서 출력되는 DC Link 전압(Vdc)을 계통전압에 맞게 변환한다.
필터부(30)는 인버터(20)에 의해 변환된 전원의 고조파 성분을 제거하기 위한 회로로서, 리액터(L2)와 콘덴서(C3)를 포함한다.
제어장치(40)는 제1제어부(41)와 제2제어부(42)로 구성되어, 콘덴서(C1)에 걸리는 입력전압(Vin), 리액터(L1)에 흐르는 입력전류(Iin), 콘덴서(C2)에 걸리는 DC Link 전압(Vdc), 및 리액터(L2)에 흐르는 출력전류(Iinv)를 제어하기 위해서, 입력전압지령(Vin ref), 입력전류지령(Iin ref), DC Link 전압지령(Vdc ref), 및 출력전류지령(Iinv ref)을 해당 제어부에 출력하며, DCDC 컨버터(10)와 인버터(20)를 구동하기 위해서 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)와 인버터 PWM 제어신호(INV PWM)를 출력한다.
제어장치(40)는 각종 제어신호를 생성함에 있어서, 일반적으로 계통부하의 변동에 따라 특정전압 및 특정전류에서 최대전력을 생산해내도록 최대전력점추종(MPPT) 알고리즘을 따르게 되며, 최대전력점을 찾기 위해 지속적으로 지령값을 변화시켜 최대전력점을 추종하도록 한다.
제1제어부(41)는 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 출력하는 시퀀스를 포함하며, 제2제어부(42)는 인버터 PWM 제어신호(INV PWM)를 출력하는 시퀀스를 포함한다.
제1제어부(41)와 제2제어부(42)의 시퀀스를 구성함에 있어서, 종래에는 도 2와 같이 입력전압(Vin) 제어부(1), 입력전류(Iin) 제어부(2), DC Link 전압(Vdc) 제어부(3), 및 출력전류(Iinv) 제어부(4)가 상호 신호 입출력이 연계된다.
즉, 입력전압(Vin) 제어부(1)가 입력전압(Vin)을 입력전압지령(Vin ref)으로 제어하여 입력전류지령(Iin ref)을 출력하고, 입력전류(Iin) 제어부(2)는 상기 입력전류지령(Iin ref)으로 입력전류(Iin)를 제어하여 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 출력함으로써 DCDC 컨버터(10)를 구동한다.
DCDC 컨버터(10)의 구동에 의해 DC Link 전압(Vdc)가 생성되면 DC Link 전압(Vdc) 제어부(3)는 상기 DC Link 전압(Vdc)을 DC Link 전압지령(Vdc ref)으로 제어하여 출력전류지령(Iinv ref)을 출력한다.
출력전류(Iinv) 제어부(4)는 상기 출력전류지령(Iinv ref)으로 출력전류(Iinv)를 제어하여 인버터 PWM 제어신호(INV PWM)를 출력하여 인버터(20)를 구동한다.
즉, 종래 인버터 제어장치 시퀀스는, 입력전압(Vin)을 추종하기 위한 입력전압(Vin) 제어부(1)가 출력전류지령(Iinv ref)을 만들어내고, 입력전류(Iin) 제어부(2)가 동작하여 원하는 입력전류가 흐르도록 하기 위한 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 생성하여 DCDC 컨버터(10)가 동작한다.
그리고 DCDC 컨버터의 동작 상태에 따라 DC Link 전압(Vdc)이 가변하게 되고, 원하는 DC Link 전압(Vdc)을 유지하기 위해 DC Link 전압(Vdc) 제어부(3)가 출력전류지령(Iinv ref)을 출력하고, 출력전류(Iinv) 제어부(4)가 동작하여 원하는 출력전류(Iinv)가 흐르도록 하기 위한 인버터 PWM 제어신호(INV PWM)를 생성하여 인버터(20)가 동작한다.
이와 같이 종래 인버터 시스템 제어장치는 다수의 제어부가 하나의 흐름으로 묶여 있어 각 제어부 간의 상호 의존성이 크고 출력 전류(Iinv)의 응답속도가 느리다.
응답과정을 구체적으로 살펴보면, 출력전류(Iinv)를 변경하기 위해선 출력전류(Iinv) 제어부(4)의 출력전류지령(Iinv ref)을 변경하여야 하는데, 이를 위해서는 DC Link 전압(Vdc) 제어부(3) 출력이 변경되어야 한다.
그러나 DC-link 전압은 일정하게 유지되어야 하므로 DC Link 전압(Vdc) 제어부(3)의 입력이 변경되어야 하고, 이를 위해서는 입력전류(Iin) 제어부(2)의 출력이 변경되어야 하고, 또 이를 위해서는 입력전압(Vin) 제어부(1)의 출력을 바꾸기 위해 입력전압(Vin) 제어부(1) 입력을 변경하여야 한다.
따라서 출력전류(Iinv)를 변경하기 위해선 제일 앞에 있는 입력전압(Vin) 제어부(1)의 입력을 바꾸어야만 다수의 제어부가 연쇄적으로 반응하여 원하는 제어결과를 얻어낼 수 있는 구조이다.
도면에는 각 제어부에서 사용하는 제어를 PI를 예로 들어 도시되었으나, 본 발명은 PI제어에 국한하지 않으며 비례제어, PID 제어 등 다른 종래 제어 방식이 적용될 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 제어부 간의 연계 구조로 인해 다수의 제어부가 사실상 하나로 동작하던 것을 크게 두 부분(제1제어부(41), 제2제어부(42))으로 나누어 상호 의존성을 없애고 출력 전류 제어의 빠른 응답 속도를 얻고자 한다.
제1제어부(41)와 제2제어부(42)는 상호 분리된 시퀀스를 제공하며, 제1제어부(41)의 출력인 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)는 DCDC 컨버터(10)를 구동하나, DCDC 컨버터(10)의 구동결과가 제2제어부(42)의 입력신호에 영향을 미치지 않으며, 제2제어부(42)는 제1제어부(41)와는 무관하게 입력전압지령(Vin ref) 및/또는 출력전류지령(Iinv ref)을 출력하여 인버터 PWM 제어신호(INV PWM)를 출력한다.
이는 DCDC 컨버터(10)를 제어에서 분리해내는 것을 의미하며, 인버터 시스템 회로 상에서 DC Link 전압(Vdc)을 일정하게 유지하면서도, 출력전류(Iinv)에 대한 빠르고 즉각적인 제어를 가능하게 한다.
도 3은 제1제어부(41)의 독립된 시퀀스를 나태는 블록도로서, DC-link 전압(Vdc)을 제어하기 위한 Vdc 제어부(403)의 출력을 입력전류지령(Iin ref)으로 바꾸고, 이 지령을 받은 Iin 제어부(404)가 DCDC 컨버터(10)를 제어함으로써, 회로 상의 DC Link 전압(Vdc)을 일정하게 유지하되 제2제어부(42)와의 입출력 연계를 끊어 독립적으로 동작한다.
도 4는 제1제어부(41)의 다른 실시예로서, Iin 제어부(404)를 제거하고, Vdc 제어부(403)에서 바로 DCDC 컨버터(10)를 제어할 수 있도록 한다.
도 5는 제2제어부(42)의 시퀀스를 나태는 블록도로서, Vin 제어부(401)의 출력을 Iinv 제어부(402)로 바로 연결하도록 제어가 변경되어 있기 때문에, 출력전류(Iinv)를 출력하는 응답시간이 대폭 단축된다.
또한 최대전력점 보다 낮은 전력이 요구되는 상황에서, 즉각적인 출력전류(Iinv) 제어를 위해서는 Vin 제어부(401)와 Iinv 제어부(402)의 연계를 끊고, Iinv 제어부(402)만을 독립적으로 구동하여 출력전류(Iinv)의 제어에 의해 입력 전압(Vin)이 변경되도록 할 수 있다.
전력공식인 P = VI에 따라, 출력전류(Iinv)를 제어하면 요구되는 전력을 즉각적으로 제어할 수 있기 때문에, 출력전류지령(Iinv ref)을 요구되는 전력에 따라 설정하여 Iinv 제어부(402)를 구동하면, Vin 제어부(401)의 출력에 관계없이 원하는 출력 전류(Iinv)를 바로 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 요구되는 전력수준에 빠르게 반응하여 응답속도를 극대화할 수 있도록 인버터 시스템 제어장치의 시퀀스를 제1제어부(41)와 제2제어부(42)로 분리하여 구성한 것이 기술적 특징이며, 이를 위한 구체적인 시퀀스를 제시한다.
이상 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 설명하는 과정에서 본 발명의 기술적 특징과 무관한 종래 기술과 관련하여 도면상에 표시된 DCDC컨버터, 필터부, 인버터, PI제어기 등을 포함한 다양한 구성요소는 도시되거나 설명된 사항에 한정 해석돼서는 안 되며, 동일 기능의 다양한 대체기술이 적용될 수 있다.
10 : DCDC 컨버터 20 : 인버터
30 : 필터부 40 : 제어장치
41 : 제1제어부 42 : 제2제어부
401 : 입력전압제어부 402 : 출력전류제어부
403 : DC Link전압제어부 404 : 입력전류제어부

Claims (5)

  1. DC 에너지 공급원 출력단에 연결되는 DCDC 컨버터와, 상기 DCDC컨버터 출력단에 연결되는 인버터를 구비하여, DC 에너지 공급원으로부터 인가되는 직류전압을 계통전압으로 변환하여 계통에 공급하는 계통 연계형 인버터 시스템의 제어장치에 있어서,
    DCDC 컨버터 제어신호를 출력하는 제1제어부; 및 인버터 제어신호를 출력하는 제2제어부;를 포함하되,
    상기 제1제어부와 상기 제2제어부는 신호 입출력이 연계되지 않고 상호 분리된 시퀀스를 갖고,
    상기 제2제어부는, 입력전압(Vin)을 입력전압지령(Vin ref)으로 제어하여 출력전류지령(Iinv ref)을 출력하는 입력전압제어부: 및 출력전류(Iinv)를 상기 입력전압제어부가 출력하는 출력전류지령(Iinv ref)으로 제어하여 인버터 PWM제어신호(INV PWM)를 출력하는 출력전류제어부;를 포함하며,
    상기 제2제어부는, 즉각적인 출력전류 제어를 원할 때, 상기 입력전압제어부와 상기 출력전류제어부의 연계를 끊고, 상기 출력전류제어부만을 독립적으로 구동하여, 요구되는 전력에 따라 설정된 출력전류지령(Iinv ref)으로 출력전류(Iinv)를 제어하여 인버터 PWM제어신호(INV PWM)를 출력하는 계통 연계형 인버터 시스템의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1제어부는,
    DC Link 전압(Vdc)을 DC Link 전압지령(Vdc ref)으로 제어하여 입력전류지령(Iin ref)을 출력하는 DC Link 전압 제어부; 및
    입력전류(Iin)을 입력전류지령(Iin ref)으로 제어하여 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 출력하는 입력전류 제어부;를 포함하는 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1제어부는,
    DC Link 전압(Vdc)을 DC Link 전압지령(Vdc ref)으로 제어하여 DCDC 컨버터 PWM 제어신호(DCDC PWM)를 출력하는 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 제어부에서 상기 입력전압제어부와 상기 출력전류제어부의 연계를 끊고, 즉각적인 출력전류 제어를 수행하는 경우는, 최대전력점보다 낮은 전력이 요구되는 상황인 것을 특징으로 하는 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치.




KR1020140045297A 2014-04-16 2014-04-16 계통연계형 인버터 시스템의 제어장치 KR101797270B1 (ko)

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