KR101826609B1 - 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치 - Google Patents

3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101826609B1
KR101826609B1 KR1020170106438A KR20170106438A KR101826609B1 KR 101826609 B1 KR101826609 B1 KR 101826609B1 KR 1020170106438 A KR1020170106438 A KR 1020170106438A KR 20170106438 A KR20170106438 A KR 20170106438A KR 101826609 B1 KR101826609 B1 KR 101826609B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
output
voltage
reference signal
phase
Prior art date
Application number
KR1020170106438A
Other languages
English (en)
Inventor
배윤호
신문수
김세진
박지호
홍승표
Original Assignee
주식회사 에코스
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 에코스 filed Critical 주식회사 에코스
Priority to PCT/KR2017/009230 priority Critical patent/WO2019039626A1/ko
Priority to KR1020170106438A priority patent/KR101826609B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101826609B1 publication Critical patent/KR101826609B1/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
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K7/00—Modulating pulses with a continuously-variable modulating signal
    • H03K7/08—Duration or width modulation ; Duty cycle modulation

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치에 관한 것으로서, 중성점을 기준으로 상이한 직류 전압이 제1 및 제2 직류입력전압(VC1, VC2)으로 인가되면 상기 제1 및 제2 직류 입력전압을 검출하고, 상기 제1 및 제2 직류입력 전압의 크기에 따라 듀티비, 주파수, 위상 중 적어도 하나 이상이 상이해지도록 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)를 생성하여 제공하는 캐리어신호 발생 모듈; 복수 개의 비교기를 이용해 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교 그룹을 형성하고, 상기 제1 및 제2 캐리어 신호와 기설정된 위상값만큼 차이를 가지는 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)를 상기 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹의 반전 단자에 각각 입력되며, 상기 복수 개의 캐리어 신호를 상기 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹의 비반전단자에 각각 입력되면 상기 반전 단자의 기준 신호(VX-Ref)와 비반전 단자의 캐리어 신호를 비교하여 하이/로우(High/Low) 상태에 대한 출력신호를 제공하는 비교 모듈; 및 상기 비교 모듈의 출력단에 제1 출력라인과 제2 출력라인이 연결되고, 상기 제1 출력라인은 상기 비교 모듈의 출력 신호를 전력 스위칭 소자에 제1 게이트 신호로 인가하고, 상기 제2 출력라인은 상기 제1 게이트 신호와 상보적 관계를 가지는 제2 게이트 신호를 상기 전력 스위칭 소자에 인가하는 게이트신호 발생 모듈을 포함한다. 따라서, 본 발명은 직류전력변환장치 등의 추가되는 구성없이 3상 3레벨 인버터의 상이한 직류입력전압을 직접 이용하여 높은 전력품질의 교류출력전압을 출력하면서 최대 전력운용 및 충방전 기능을 수행할 수 있고, 3상 3레벨 인버터에서 출력되는 전압 전류의 고조파 성분이 저감되고, 그에 따라 출력 필터의 크기를 감소시킬 수 있으며, 3상 3레벨 인버터의 선형성 증가에 따라 PWM 제어 성능, 신뢰성 및 수명이 향상될 수 있다.

Description

3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치{PWM CONTROL APPARATUS FOR 3-PHASE 3-LEVEL POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3상 3레벨 전력변환장치의 DC-Link 측에 직렬 연결된 서로 다른 2개의 직류전압이 인가되거나, 또는 인가되는 직류전압의 변동이 오차범위를 초과한 조건에서도 입력측 및 출력측의 교류전압과 교류 전류의 고조파 성분을 저감하여 전력 품질을 향상시킬 수 있는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치에 관한 것이다.
배터리 연계 시스템(BESS, Battery Energy Storage System), 태양광발전장치, 선박용 정류기 및 DC 마이크로그리드 시스템의 정류기에 유사하게 적용되는 3레벨 전력변환장치 중 대표적인 3상 3레벨 인버터는 직렬 연결된 2개의 직류입력전압에서 인가되는 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)의 전압을 선택적으로 출력하는 단일 폴 다중 접점 스위치와 유사하게 동작한다. 이러한 3상 3레벨 인버터는 일정한 주기 내에 정해진 패턴(Pattern)에 따라 직류전압을 교류전압과 유사한 전압으로 출력하는 것이다.
도 1은 일반적인 3상 3레벨 인버터의 3레벨 전압 출력 상태를 설명하는 도면이고, 도 2는 일반적인 3상 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 3상 3레벨 인버터(10)는 입력 측에 2개 이상의 커패시터로 이루어진 DC-Link(20)를 이용해 구성되고, 중성점(O)을 기준으로 상이한 직류전압(VC1=VPN-VON, VC2=VON)이 직류입력전압으로 인가된다.
반면에 태양광(Photo-Voltaic, PV) 어레이(Array) 또는 배터리에서 DC-Link(20)로 인가되는 직류전압은 중성점이 무시되는 전체 직류전압(VC1+VC2=VPN)이 인가되므로 두 개의 직류입력전압(VC1, VC2)은 상이한 크기의 전압으로 유지된다.
직류입력전압이 상이한 조건에서 3상 3레벨 인버터(10)에서 출력되는 교류전압은 왜곡률 심화에 따른 전력품질 악화와 전력변환장치를 포함한 전체 시스템의 정적, 동적 성능의 저하시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 3상 3레벨 인버터(10)는 전력변환 기능을 수행하는 동안 상이한 직류입력전압을 오차범위 내의 동일한 전압으로 유지하기 위한 전압 밸런싱(Balancing) 제어기가 필수로 포함되어야 한다.
그러나 태양광 어레이 또는 배터리의 직류전압은 주변 환경, 충/방전동작, 설치조건에 따라 짧은 시간 동안 전압(VDC)크기의 변화가 크고, 최대 전력을 운용하기 위한 전력변환시스템의 특성상 3상 3레벨 인버터(10)의 전압 밸런싱 제어기만으로 안정화된 높은 전력품질의 교류전압을 출력하는 것이 불가능하다.
따라서 일반적으로 전력변환시스템은 3상 3레벨 인버터(10) 외에 직류전압을 안정화시켜 전압 밸런싱 기능 수행과 최대전력 운용에 도움을 줄 수 있는 직류전력변환장치(Unidirectional/Bidirectional DC-DC Converter)(30)를 함께 구성하고 있다.
국내외적으로 상이한 직류입력전압을 오차 범위 내의 동일 전압으로 제어하기 위한 다수의 전력변환기술과 직류입력전압이 오차범위 이내의 안정된 조건에서의 3레벨 인버터의 스위칭 방법 등이 연구되고 있으나, 사실상 상이한 직류입력전압을 직접 이용해 높은 전력품질의 교류전압을 출력하는 기술은 아직까지 제공되지 못하고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-1129901호 " 전력 변환 장치 " 한국등록특허 제10-1751001호 "캐리어 기반 펄스 폭 변조 방법을 이용하여 3상 3레벨 인버터의 누설전류를 제거하는 스위치 제어 장치 및 스위치 제어 방법 "
본 발명은 직류전력변환장치 등의 추가되는 구성없이 3상 3레벨 인버터의 상이한 직류입력전압을 직접 이용하여 높은 전력품질의 교류출력전압을 출력할 수 있는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치을 제공한다.
실시예들 중에서, 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치는, 중성점을 기준으로 상이한 직류 전압이 제1 및 제2 직류입력전압(VC1, VC2)으로 인가되면 상기 제1 및 제2 직류 입력전압을 검출하고, 상기 제1 및 제2 직류입력 전압의 크기에 따라 듀티비, 주파수, 위상 중 적어도 하나 이상이 상이해지도록 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)를 생성하여 제공하는 캐리어신호 발생 모듈; 복수 개의 비교기를 이용해 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교 그룹을 형성하고, 상기 제1 및 제2 캐리어 신호와 기설정된 위상값만큼 차이를 가지는 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)를 상기 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹의 반전 단자에 각각 입력되며, 상기 복수 개의 캐리어 신호를 상기 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹의 비반전단자에 각각 입력되면 상기 반전 단자의 기준 신호(VX -Ref)와 비반전 단자의 캐리어 신호를 비교하여 하이/로우(High/Low) 상태에 대한 출력신호를 제공하는 비교 모듈; 및 상기 비교 모듈의 출력단에 제1 출력라인과 제2 출력라인이 연결되고, 상기 제1 출력라인은 상기 비교 모듈의 출력 신호를 전력 스위칭 소자에 제1 게이트 신호로 인가하고, 상기 제2 출력라인은 상기 제1 게이트 신호와 상보적 관계를 가지는 제2 게이트 신호를 상기 전력 스위칭 소자에 인가하는 게이트신호 발생 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 캐리어신호 발생 모듈은, 상기 제1 및 제2 직류입력전압(VC1, VC2)의 전압 크기와 동일한 삼각파 형태의 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)를 생성하고, 각 전압 크기에 따라 캐리어 신호의 듀티비 주파수, 위상 중 하나 이상을 변화시켜 캐리어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)는 제1 및 제2 캐리어 신호와 각각 2π/3의 위상 차이를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 비교 그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹은 그룹당 2개의 비교기를 포함하고, 상기 제1 비교 그룹에 제1 기준신호(VuRef)가 입력되고, 제2 비교그룹에 제2 기준신호(VvRef)가 입력되며, 제3 비교그룹에 제3 기준 신호(VwRef)가 입력되는 것을 특징으로 한다.
상기 게이트신호 발생 모듈은, 상기 제1 비교 그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹에 의해 상기 전력 스위칭 소자의 턴-온 동작과 턴-오프 동작을 위한 12개의 게이트 신호(TA1, /TA1, TA2, /TA2, TB1, /TB1, TB2, /TB2, TC1, /TC1, TC2, /TC2)를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 출력라인은 NOT 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 직류입력전압(VC1, VC2)에서 인가되는 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)의 전압 조건에서 출력하는 교류 출력 전압(VO)은 상기 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)의 영역을 지나는 상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)에 따라 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)을 이용하여 합성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)가 제1 직류 입력전압(VC1)을 지나는 경우, 즉 VPN〈VX _Ref〈VON 이면 상기 비교 모듈은 VPN 과 VON 사이를 왕복하는 제1 캐리어 신호(VCarr1)와 기준 전압을 비교하여 게이트 신호를 출력하고, 상기 교류 출력 전압(VO)은 하기한 수학식 1과 같이 VPN과 VON을 이용해 합성된 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 신호(VX _Ref)가 제1 캐리어 신호(VCarr1) 영역을 지나는 동안에, 하기한 수학식 2와 같이 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제2 캐리어 신호(VCarr2)를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA2, TB2, TC2)는 상시 턴-온 상태를 유지하고, VPN의 전압을 출력하기 위해 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제1 캐리어 신호를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA1, TB1, TC1)에 턴-온 신호가 인가되고, VON의 전압 출력하기 위해 상기 연결 단자(TA1, TB1, TC1)에 턴-오프 신호가 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)가 제2 직류 입력전압(VC2)을 지나는 경우, 즉 VoN〈VX _Ref〈0V 이면 상기 비교 모듈은 VON 과 0V 사이를 왕복하는 제2 캐리어 신호(VCarr2)와 기준 전압을 비교하여 게이트 신호를 출력하고, 상기 교류 출력 전압(VO)은 하기한 수학식 6과 같이 VON과 0V을 이용해 합성된 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 신호(VX _Ref)가 제2 캐리어 신호(VCarr2) 영역을 지나는 동안에, 하기한 수학식 7과 같이 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제1 캐리어 신호(VCarr1)를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA1, TB1, TC1)는 상시 턴-온 상태를 유지하고, VON의 전압을 출력하기 위해 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제2 캐리어 신호를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA2, TB2, TC2)에 턴-온 신호가 인가되고, 0V의 전압 출력하기 위해 상기 연결 단자(TA2, TB2, TC2)에 턴-오프 신호가 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 비교모듈은 상기 반전 단자에 캐리어 신호가 입력되고, 상기 비반전 단자에 기준 신호(VX -Ref)가 입력된 후 상기 기준 시호와 캐리어 신호를 비교하여 하이/로우(High/Low) 상태에 대한 출력신호를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치는, 직류전력변환장치 등의 추가되는 구성없이 3상 3레벨 인버터의 상이한 직류입력전압을 직접 이용하여 높은 전력품질의 교류출력전압을 출력하면서 최대 전력운용 및 충방전 기능을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 3상 3레벨 인버터에서 출력되는 전압 전류의 고조파 성분이 저감되고, 그에 따라 출력 필터의 크기를 감소시킬 수 있으며, 3상 3레벨 인버터의 선형성 증가에 따라 PWM 제어 성능, 신뢰성 및 수명이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 3상 3레벨 인버터의 3레벨 전압 출력 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 일반적인 3상 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 게이트신호 발생모듈의 게이트 신호의 인가 상태를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호가 직류입력전압(VC1)의 영역을 통과하는 상태를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호가 직류입력전압(VC2)의 영역을 통과하는 상태를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 제1 시뮬레이션 결과 파형을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 제2 시뮬레이션 결과 파형을 설명하는 도면이다.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 구성을 설명하는 도면이고, 도 4는 도 3의 게이트신호 발생모듈의 게이트 신호의 인가 상태를 설명하는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치는, 캐리어신호 발생모듈(110), 비교모듈(120) 및 게이트신호 발생모듈(130)을 포함한다.
캐리어신호 발생모듈(110)은 중성점을 기준으로 상이한 직류 전압이 직류입력전압(VC1, VC2)으로 인가되면 직류 입력전압을 검출하고, 검출된 상이한 직류입력 전압의 크기에 따라 듀티비, 주파수, 위상 중 적어도 하나 이상이 상이해지도록 복수 개의 캐리어 신호VCarr1, VCarr2)를 생성하여 제공한다.
즉, 캐리어신호 발생모듈(110)은 3상 3레벨 인버터의 서로 다른 직류입력전압(VC1, VC2)의 전압 크기와 동일한 삼각파 형태의 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)를 생성하고, 각 전압 크기에 따라 캐리어 신호의 듀티비 주파수, 위상 중 하나 이상을 변화시켜 캐리어 신호를 생성한다.
비교모듈(120)은 복수 개의 비교기를 이용해 제1 비교그룹(A1, A2)(121), 제2 비교그룹(B1, B2)(122) 및 제3 비교 그룹(C1, C2)(123)을 형성하고, 복수 개의 캐리어 신호와 기설정된 위상값만큼 차이를 가지는 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)를 제1 비교그룹(121), 제2 비교그룹(122) 및 제3 비교그룹(123)의 반전 단자에 각각 입력하며, 복수 개의 캐리어 신호를 제1 비교그룹(121), 제2 비교그룹(122) 및 제3 비교그룹(123)의 비반전단자에 각각 입력한 후 반전 단자의 기준 신호(VX -Ref)와 비반전 단자의 캐리어 신호를 비교하여 하이/로우(High/Low) 상태에 대한 출력신호를 제공한다. 여기서, 기준 신호(VX _Ref)의 X는 U, V, W를 의미한다.
제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)는 제1 및 제2 캐리어 신호와 각각 2π/3의 위상 차이를 가진다.
제1 비교그룹(121), 제2 비교그룹(122) 및 제3 비교그룹(123)은 그룹당 2개의 비교기로 구성되고, 제1 비교그룹(121)에 제1 기준신호(VuRef)가 입력되고, 제2 비교그룹(122)에 제2 기준신호(VvRef)가 입력되며, 제3 비교그룹(123)에 제3 기준 신호(VwRef)가 입력된다.
비교모듈(120)은 비반전 단자에 기준 신호(VX -Ref)가 입력되고, 반전 단자의 캐리어 신호가 입력될 수도 있다. 다만, 비교모듈(120)의 모든 비교기의 비반전 단자와 반전 단자에는 동일한 종류의 신호가 각각 입력되도록 한다.
게이트신호 발생모듈(130)은 비교모듈(120)의 출력단에 제1 출력라인(L1)과 제2 출력라인(L2)이 연결되고, 제1 출력라인(L1)은 비교모듈(120)의 출력 신호를 전력 스위칭 소자(IGBT)(140)에 제1 게이트 신호를 인가하고, 제2 출력라인(L2)은 제1 게이트 신호와 상보적 관계를 가지는 제2 게이트 신호를 전력 스위칭 소자(140)에 인가한다.
게이트신호 발생모듈(130)은 제1 비교그룹(121), 제2 비교그룹(122) 및 제3 비교그룹(123)에 의해 전력 스위칭 소자(140)의 턴-온 동작과 턴-오프 동작을 위한 12개의 게이트 신호(TA1, /TA1, TA2, /TA2, TB1, /TB1, TB2, /TB2, TC1, /TC1, TC2, /TC2)를 출력한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 3상 3레벨 인버터는 다수의 전력 스위칭 소자(140)를 포함한다. 전력 스위칭 소자(140)는 제1 출력라인(L1)을 통해 제1 게이트 신호(TA1, TA2, TB1, TB2, TC1, TC2)가 제공되고, 제2 출력라인(L2)이 NOT 게이트를 포함하고 있어 제1 게이트 신호와 상보적 관계를 가지는 제2 게이트 신호(/TA1, /TA2, /TB1, /TB2, /TC1, /TC2)가 제공된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5를 참고하면, 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치는 캐리어신호 발생모듈(110)에서 입력 측의 상이한 2개의 직류입력전압(VC1, VC2)을 검출하고, 검출된 직류입력전압의 각 전압 크기에 해당하는 삼각파 형태의 제1 및 제2 캐리어 신호를 생성한다. (S1, S2)
비교모듈(120)은 제1 및 제2 캐리어 신호와 각각 2π/3의 위상 차이를 가지는 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)를 입력받고, 3개의 기준 신호와 2개의 캐리어 신호를 각각 비교하고, 그 비교 결과에 따른 출력신호(H 또는 L)를 증폭하여 출력한다.(S3)
게이트신호 발생모듈(130)은 비교모듈(120)에서 출력되는 출력신호를 제1 출력라인(L1)을 통해 제1 게이트 신호로 전력 스위칭 소자(140)에 인가하고, 제2 출력라인(L2)을 통해 제1 게이트신호와 상보적 관계의 제2 게이트 신호를 전력 스위칭 소자(140)에 인가한다.(S4) 하나의 비교기는 출력이 제1 출력라인과 제2 출력라인으로 분기되고, 게이트신호 발생모듈(130)은 제1 출력라인과 제2 출력라인을 통해 상보적 관계의 전력 스위칭 소자(140)를 제어하는 게이트 신호를 발생한다.
3상 3레벨 인버터가 상이한 직류입력전압을 이용해 교류 전압을 출력하는 동작 원리는 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호가 직류입력전압(VC1)의 영역을 통과하는 상태를 설명하는 도면이다.
도 6을 참고하면, 직류입력전압(VC1, VC2)에서 인가되는 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)의 전압 조건에서 출력하는 교류 출력 전압(VO)은 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)의 영역을 지나는 기준 신호(VX _Ref)에 따라 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)을 이용하여 합성되는데, 기준 신호(VX _Ref)가 제1 직류입력전압(VC1)을 지나는 경우, 즉 VPN〈VX _Ref〈VON 이면 A1, B1, C1의 비교기는 VPN 과 VON 사이를 왕복하는 제1 캐리어 신호(VCarr1)와 기준 전압을 비교하여 게이트 신호를 출력하고, 교류 출력 전압(VO)은 하기한 수학식1과 같이 출력된다.
[수학식1]
Figure 112017081387605-pat00001
기준 신호(VX _Ref)가 제1 캐리어 신호(VCarr1) 영역을 지나는 동안에, 수학식 2와 같이, 제2 캐리어 신호(VCarr2)를 비교하여 출력신호를 제공하기 위한 TA2, TB2, TC2의 게이트 신호는 상시 턴-온 상태를 유지하고, VPN의 전압을 출력하기 위해 제1 캐리어 신호를 비교하여 출력신호를 제공하기 위한 TA1, TB1, TC1의 게이트 신호는 턴-온 신호를 인가하고, VON의 전압 출력하기 위해 TA1, TB1, TC1의 게이트 신호는에 턴-오프 신호를 인가한다.
[수학식 2]
Figure 112017081387605-pat00002
1주기의 전체 스위칭 시간(TS) 동안에 제1 캐리어 신호의 기울기(VC1/TS)와 T1 시간 동안의 기준신호보다 높은 캐리어신호의 기울기는 동일하므로 수학식 3과 같은 관계식이 성립된다.
[수학식 3]
Figure 112017081387605-pat00003
평균 교류 출력전압(V0( Avg ))은 수학식 4와 같고, 전체 스위칭 시간(TS=T1+T2) 조건을 이용하여 수학식 5와 같이 평균 교류 출력전압(V0( Avg ))과 기준신호(VX _Ref)가 동일함을 알 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017081387605-pat00004
[수학식 5]
Figure 112017081387605-pat00005
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호가 직류입력전압(VC2)의 영역을 통과하는 상태를 설명하는 도면이다.
도 7을 참고하면, 기준 신호(VxRef)가 제2 직류 입력전압(VC2)을 지나는 경우, 즉 VoN〈VX _Ref〈0V 이면 A2, B2, C2의 비교기는 VON 과 0V 사이를 왕복하는 제2 캐리어 신호(VCarr2)와 기준 전압을 비교하여 게이트 신호를 출력하고, 교류 출력 전압(VO)은 하기한 수학식 6과 같이 VON과 0V가 합성된 전압이 출력된다.
[수학식 6]
Figure 112017081387605-pat00006
상기 기준 신호(VX _Ref)가 제2 캐리어 신호(VCarr2) 영역을 지나는 동안에, 수학식 7과 같이 제1 캐리어 신호(VCarr1)와 기준 신호를 비교하여 출력신호를 제공하기 위한 TA1, TB1, TC1의 게이트 신호는 상시 턴-온 상태를 유지하고, VON의 전압을 출력하기 위해 제2 캐리어 신호를 비교하여 출력신호를 제공하기 위한 TA2, TB2, TC2의 게이트 신호는 턴-온 신호를 인가하고, 0V의 전압 출력하기 위해 TA2, TB2, TC2의 게이트 신호는 턴-오프 신호를 인가한다.
[수학식 7]
Figure 112017081387605-pat00007
1주기의 전체 스위칭 시간(TS) 동안에 제2 캐리어 신호의 기울기(VC2/TS)와 T1 시간 동안의 기준신호보다 높은 캐리어신호의 기울기는 동일하므로 수학식 8과 같은 관계식이 성립된다.
[수학식 8]
Figure 112017081387605-pat00008
평균 교류 출력전압(V0( Avg ))은 수학식 9와 같고, 전체 스위칭 시간(TS=T1+T2) 조건을 이용하여 수학식 10과 같이 평균 교류 출력전압(V0( Avg ))과 기준신호(VX _Ref)가 동일함을 알 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112017081387605-pat00009
[수학식 10]
Figure 112017081387605-pat00010
교류 출력전압(VO)에 따른 12개의 게이트 신호에 대한 PWM 스위칭 테이블은 하기한 표 1과 같다.
Figure 112017081387605-pat00011
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 제1 시뮬레이션 결과 파형을 설명하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치의 제2 시뮬레이션 결과 파형을 설명하는 도면이다.
도 8은 상이한 제1 및 제2 직류입력전압이 VC1=200V, VC2=300V인 경우에 3상 3레벨 인버터(L=1.5mH, R=10Ω)에 PWM 제어 장치를 적용한 제1 시뮬레이션 결과 파형이고, , 도 9에 도시된 바와 같이 VC1=350V, VC2=150V인 경우에 3상 3레벨 인버터(L=1.5mH, R=10Ω)에 PWM 제어 장치를 적용한 제2 시뮬레이션 결과 파형이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 3상 3레벨 인버터에서 출력되는 3상 상 전류(IA, IB, IC)는 상이한 직류입력전압에 관계없이 정현파 기본 파형을 가지는 것을 확인할 수 있다. 상전압(VAN)은 0V를 기준으로 하는 출력전압이고, 평균 상전압(VAN-Avg)도 정현파 기본 파형을 가지는 것을 확인할 수 있다. VAB는 3상 출력전압의 선간전압을 나타낸다.
이와 같은 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치를 통해 3상 3레벨 인버터는 상이한 직류입력전압 조건에 관계없이 출력되는 전압 및 전류의 고조파 성분이 저감되고, 3상 3레벨 인버터의 선형성이 증가됨을 알 수 있다.
본 발명의 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치는 3상 3레벨로 구성되는 태양광 인버터, 배터리 연계시스템의 충/방전 컨버터, DC마이크로그리드 시스템의 정류기, 선박용 정류기에 동일하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 캐리어신호 발생모듈
120 : 비교모듈
130 : 게이트신호발생모듈
140 : 전력 스위칭 소자

Claims (12)

  1. 중성점을 기준으로 상이한 직류 전압이 제1 및 제2 직류입력전압(VC1, VC2)으로 인가되면 상기 제1 및 제2 직류 입력전압을 검출하고, 상기 제1 및 제2 직류입력 전압의 크기에 따라 듀티비, 주파수, 위상 중 적어도 하나 이상이 상이해지도록 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)를 생성하여 제공하는 캐리어신호 발생 모듈; 복수 개의 비교기를 이용해 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교 그룹을 형성하고, 상기 제1 및 제2 캐리어 신호와 기설정된 위상값만큼 차이를 가지는 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)를 상기 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹의 반전 단자에 각각 입력되며, 상기 복수 개의 캐리어 신호를 상기 제1 비교그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹의 비반전단자에 각각 입력되면 상기 반전 단자의 기준 신호(VX-Ref)와 비반전 단자의 캐리어 신호를 비교하여 하이/로우(High/Low) 상태에 대한 출력신호를 제공하는 비교 모듈; 및 상기 비교 모듈의 출력단에 제1 출력라인과 제2 출력라인이 연결되고, 상기 제1 출력라인은 상기 비교 모듈의 출력 신호를 전력 스위칭 소자에 제1 게이트 신호로 인가하고, 상기 제2 출력라인은 상기 제1 게이트 신호와 상보적 관계를 가지는 제2 게이트 신호를 상기 전력 스위칭 소자에 인가하는 게이트신호 발생 모듈을 포함하되,
    상기 제1 비교 그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹은 그룹당 2개의 비교기를 포함하고, 상기 제1 비교 그룹에 제1 기준신호(VuRef)가 입력되고, 제2 비교그룹에 제2 기준신호(VvRef)가 입력되며, 제3 비교그룹에 제3 기준 신호(VwRef)가 입력되며, 상기 제2 출력 라인에 캐리어 신호가 입력되고, 상기 반전 단자에 캐리어 신호가 입력되고, 상기 비반전 단자에 기준 신호(VX-Ref)가 입력된 후 상기 기준 신호와 캐리어 신호를 비교하여 하이/로우(High/Low) 상태에 대한 출력신호를 제공하며;
    상기 게이트신호 발생 모듈은, 상기 제1 비교 그룹, 제2 비교그룹 및 제3 비교그룹에 의해 상기 전력 스위칭 소자의 턴-온 동작과 턴-오프 동작을 위한 12개의 게이트 신호(TA1, /TA1, TA2, /TA2, TB1, /TB1, TB2, /TB2, TC1, /TC1, TC2, /TC2)를 출력하는 것을 특징으로 하는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어신호 발생 모듈은,
    상기 제1 및 제2 직류입력전압(VC1, VC2)의 전압 크기와 동일한 삼각파 형태의 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)를 생성하고, 각 전압 크기에 따라 캐리어 신호의 듀티비 주파수, 위상 중 하나 이상을 변화시켜 캐리어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)는 제1 및 제2 캐리어 신호와 각각 2π/3의 위상 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 출력라인은 NOT 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 직류입력전압(VC1, VC2)에서 인가되는 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)의 전압 조건에서 출력하는 교류 출력 전압(VO)은 상기 제1 및 제2 캐리어 신호(VCarr1, VCarr2)의 영역을 지나는 상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)에 따라 3레벨 전압(VPN, VON, 0V)을 이용하여 합성되는 것을 특징으로 하는 3상 3레벨 전력변환장치의 PWM 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)가 제1 직류 입력전압(VC1)을 지나는 경우, 즉 VPN〈VX _Ref〈VON 이면 상기 비교 모듈은 VPN 과 VON 사이를 왕복하는 제1 캐리어 신호(VCarr1)와 기준 전압을 비교하여 게이트 신호를 출력하고, 상기 교류 출력 전압(VO)은 하기한 수학식과 같이 VPN과 VON을 이용해 합성된 전압을 출력하고,
    [수학식]
    Figure 112017081387605-pat00012

    상기 기준 신호(VX _Ref)에서 X는 U, V, W를 의미하는 것을 특징으로 하는 상 3레벨 인버터의 PWM 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기준 신호(VX _Ref)가 제1 캐리어 신호(VCarr1) 영역을 지나는 동안에, 하기한 수학식과 같이 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제2 캐리어 신호(VCarr2)를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA2, TB2, TC2)는 상시 턴-온 상태를 유지하고, VPN의 전압을 출력하기 위해 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제1 캐리어 신호를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA1, TB1, TC1)에 턴-온 신호가 인가되고, VON의 전압 출력하기 위해 상기 연결 단자(TA1, TB1, TC1)에 턴-오프 신호가 인가되는 것
    [수학식]
    Figure 112017081387605-pat00013

    을 특징으로 하는 상 3레벨 인버터의 PWM 제어 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 기준신호(VuRef), 제2 기준 신호(VvRef) 및 제3 기준 신호(VwRef)가 제2 직류 입력전압(VC2)을 지나는 경우, 즉 VoN〈VX _Ref〈0V 이면 상기 비교 모듈은 VON 과 0V 사이를 왕복하는 제2 캐리어 신호(VCarr2)와 기준 전압을 비교하여 게이트 신호를 출력하고, 상기 교류 출력 전압(VO)은 하기한 수학식과 같이 VON과 0V을 이용해 합성된 전압을 출력하고,
    [수학식]
    Figure 112017081387605-pat00014

    상기 기준 신호(VX _Ref)에서 X는 U, V, W를 의미하는 것을 특징으로 하는 상 3레벨 인버터의 PWM 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기준 신호(VX _Ref)가 제2 캐리어 신호(VCarr2) 영역을 지나는 동안에, 하기한 수학식과 같이 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제1 캐리어 신호(VCarr1)를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA1, TB1, TC1)는 상시 턴-온 상태를 유지하고, VON의 전압을 출력하기 위해 상기 게이트신호 발생 모듈 중 상기 제2 캐리어 신호를 비교하여 출력신호를 제공하는 연결 단자(TA2, TB2, TC2)에 턴-온 신호가 인가되고, 0V의 전압 출력하기 위해 상기 연결 단자(TA2, TB2, TC2)에 턴-오프 신호가 인가되는 것
    [수학식]
    Figure 112017081387605-pat00015

    을 특징으로 하는 상 3레벨 인버터의 PWM 제어 장치.
  12. 삭제
KR1020170106438A 2017-08-23 2017-08-23 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치 KR101826609B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2017/009230 WO2019039626A1 (ko) 2017-08-23 2017-08-23 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치
KR1020170106438A KR101826609B1 (ko) 2017-08-23 2017-08-23 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170106438A KR101826609B1 (ko) 2017-08-23 2017-08-23 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101826609B1 true KR101826609B1 (ko) 2018-03-22

Family

ID=61901185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170106438A KR101826609B1 (ko) 2017-08-23 2017-08-23 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101826609B1 (ko)
WO (1) WO2019039626A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117937964A (zh) * 2024-03-22 2024-04-26 华中科技大学 一种减小输出滤波电感的三相四桥臂逆变器载波调制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3807340B2 (ja) 2002-04-17 2006-08-09 富士電機システムズ株式会社 マルチレベルインバータの制御方法
KR101319959B1 (ko) 2013-06-25 2013-10-28 (주)테스 하이브리드 에너지 저장 시스템
JP2015027170A (ja) 2013-07-26 2015-02-05 株式会社明電舎 直流／交流変換装置
JP2016039739A (ja) 2014-08-11 2016-03-22 株式会社明電舎 単相ｎｐｃインバータの中性点電位制御方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101149473B1 (ko) * 2010-05-06 2012-05-22 김혁 태양광 발전을 위한 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 장치, 인버터 시스템 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템
KR101032487B1 (ko) * 2011-03-07 2011-04-29 파워에너텍 주식회사 태양광 발전 전력제어장치
KR101426696B1 (ko) * 2013-07-17 2014-09-25 한경대학교 산학협력단 계통 연계 모듈형 태양광 전력 변환 장치
KR101421017B1 (ko) * 2014-04-15 2014-07-21 주식회사 에코스 멀티레벨 인버터의 전류 제어 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3807340B2 (ja) 2002-04-17 2006-08-09 富士電機システムズ株式会社 マルチレベルインバータの制御方法
KR101319959B1 (ko) 2013-06-25 2013-10-28 (주)테스 하이브리드 에너지 저장 시스템
JP2015027170A (ja) 2013-07-26 2015-02-05 株式会社明電舎 直流／交流変換装置
JP2016039739A (ja) 2014-08-11 2016-03-22 株式会社明電舎 単相ｎｐｃインバータの中性点電位制御方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117937964A (zh) * 2024-03-22 2024-04-26 华中科技大学 一种减小输出滤波电感的三相四桥臂逆变器载波调制方法
CN117937964B (zh) * 2024-03-22 2024-05-28 华中科技大学 一种减小输出滤波电感的三相四桥臂逆变器载波调制方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019039626A1 (ko) 2019-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nguyen et al. A new SVM method for an indirect matrix converter with common-mode voltage reduction
Lee et al. Performance analysis of carrier-based discontinuous PWM method for Vienna rectifiers with neutral-point voltage balance
US9450502B2 (en) Direct power conversion device and method for controlling direct power conversion device
EP2323248B1 (en) Operation of a three level converter
US8223517B2 (en) Power converting apparatus with main converter and sub-converter
Ghias et al. Single-carrier phase-disposition PWM implementation for multilevel flying capacitor converters
US10622914B2 (en) Multi-stage DC-AC inverter
EP3553928B1 (en) Snubber circuit and power conversion system using same
KR20120063513A (ko) 전기 에너지 변환 회로 디바이스
KR102028328B1 (ko) 계통 연계형 인버터 제어장치
EP2485384A1 (en) Motor starting method
Foureaux et al. Command generation for wide-range operation of hysteresis-controlled Vienna rectifiers
Lee et al. An improved phase-shifted PWM method for a three-phase cascaded H-bridge multi-level inverter
Shahbazi et al. Power electronic converters in microgrid applications
Bharatiraja et al. A non-isolated high-gain DC to DC converter connected multi-level inverter for photo-voltaic energy sources
JP6158125B2 (ja) 電力変換装置
KR101826609B1 (ko) 3상 3레벨 전력변환장치의 pwm 제어 장치
Zhang et al. A capacitor voltage balancing method with zero-voltage switching for split phase inverter
WO2024031184A1 (en) Constant-frequency single-carrier sensor-less modulation for the three level flying capacitor multicell converter
Zhou et al. Low leakage current transformerless three-phase photovoltaic inverter
Lei et al. PWAM boost-converter-inverter system for EV engine starter/alternator
Maswood et al. High power multilevel inverter with unity PF front-end rectifier
Iwata et al. Isolated bidirectional single-phase AC/DC converter using a soft-switching technique
Yamaguchi et al. A new PV converter for grid connection through a high-leg delta transformer using cooperative control of boost converters and inverters
Loh et al. Evaluation of switch currents in nine-switch energy conversion systems

Legal Events

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