KR101884837B1 - 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치 및 구동방법 - Google Patents

전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치 및 구동방법 Download PDF

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Abstract

전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치 및 구동방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시험장치는 계통측 컨버터(GSC)와 발전기측 컨버터(MSC)를 포함하는 전력변환장치의 효율을 측정하기 위한 시험장치로서, 계통전원에서 공급된 전원을 직류전원으로 변환하여 상기 전력변환장치에 공급하는 직류전원장치; 양단이 상기 계통측 컨버터와 상기 발전기측 컨버터의 출력단에 각각 결속되는 LCL 부하; 및 효율 측정을 위해 상기 전력변환장치를 구동시키는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치 및 구동방법{Test device and operating method for efficiency measurement of converter}
본 발명은 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치 및 구동방법에 관한 것이다.
신재생에너지 발전에 이용되는 전력변환장치는 가변전압 가변주파수의 전력형태를 필요에 따라 일정전압 일정주파수로 변환하여 전력계통으로 생산된 전력을 보내게 된다.
도 1은 풍력용 전력변환장치의 구성도이다.
풍력발전기(PMSG)에서 생산된 가변전압 가변주파수의 전력은 전력변환장치를 거치면서 일정전압 일정주파수를 가지는 전력으로 변환되어 전력계통(Grid)으로 전달된다.
이러한 전력변환장치에 대한 중요 성능지표 중 하나가 바로 효율(efficiency)이다.
전력변환장치의 효율은 발전기로부터 들어온 전력(Pin)에 대한 전력계통으로 보내는 전력(Pout)의 비율로 하기 수학식 1과 같이 표기가 되며, 대표적인 손실(Ploss)로는 스위칭 손실, 전력케이블에서의 도체손실 등이 있다.
[수학식 1]
Efficiency = Pout / Pin * 100%
하지만, 신재생에너지에 이용되는 대용량 전력변환장치를 개발하는 과정에서 효율을 측정하는 일은 쉽지 않다. 실제 설치된 장소에서는 입력에 대한 출력전력의 비로 손쉽게 측정이 가능하지만, 처음 전력변환장치를 개발하는 공장 또는 실험실에서는 시뮬레이션에 의존해야만 한다.
일본등록특허 4371025호 (2009.09.11 등록) - 전력 변환 효율 측정 장치
본 발명은 전력변환장치의 개발단계 혹은 시험단계에서 시뮬레이션에 의존하지 않고서도 대용량 전력변환장치의 효율 측정이 가능한 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치 및 구동방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 계통측 컨버터(GSC)와 발전기측 컨버터(MSC)를 포함하는 전력변환장치의 효율을 측정하기 위한 시험장치로서, 계통전원에서 공급된 전원을 직류전원으로 변환하여 상기 전력변환장치에 공급하는 직류전원장치; 양단이 상기 계통측 컨버터와 상기 발전기측 컨버터의 출력단에 각각 결속되는 LCL 부하; 및 효율 측정을 위해 상기 전력변환장치를 구동시키는 제어부를 포함하는 시험장치가 제공된다.
상기 제어부는, 상기 직류전원장치가 상기 전력변환장치의 정격 직류단전압에 해당하는 전압(Vdc)을 상기 전력변환장치에 인가한 후, 상기 계통측 컨버터에서 계통전압에 해당하는 전압을 상기 LCL 부하로 인가하며, 상기 발전기측 컨버터에서 계통측 전압을 읽은 후 상기 전력변환장치에 정격에 해당하는 전류가 흐르도록 전류 제어를 수행하여 발전기측 전압을 상기 LCL 부하로 인가하여, 상기 직류전원장치에서 공급된 전력(Pdc)과 상기 LCL 부하에서의 손실분(PLCL)의 차를 통해 상기 전력변환장치의 효율을 계산할 수 있다.
상기 직류전원장치와 상기 전력변환장치 사이에 제1 전원라인(A11), 제2 전원라인(A12), 제3 전원라인(A13)이 배치되되, 상기 직류전원장치에서 공급된 전력(Pdc)은 Pdc = (Vdc+)*(Idc+) + (Vdc-)*(Idc-)이되, Vdc+는 상기 제1 전원라인(A11)과 상기 제2 전원라인(A12) 사이의 전압 차이고, Vdc-는 상기 제2 전원라인(A12)와 상기 제3 전원라인(A13) 사이의 전압 차이며, Idc+는 상기 제1 전원라인(A11)을 통해 공급되는 전류의 크기이고, Idc-는 상기 제3 전원라인(A13)을 통해 유입되는 전류의 크기일 수 있다.
상기 LCL 부하에서의 손실분(PLCL)은 PLCL = Pgen - Pgrid 이되, Pgen = SQRT(3)*Vabm*Iabm 이고, Pgird = SQRT(3)*Vabs*Iabs 이며, Pgen은 발전기측 전력이고, SQRT(3)은 세제곱근을 의미하며, Vabm은 상기 발전기측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가한 발전기측 전압이고, Iabm은 상기 발전기측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가하여 인덕터를 통해 흐르는 전류의 크기이며, Pgrid는 계통측 전력이고, Vabs는 상기 계통측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가한 계통측 전압이고, Iabs는 상기 계통측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가하여 인덕터를 통해 흐르는 전류의 크기일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력변환장치의 개발단계 혹은 시험단계에서 시뮬레이션에 의존하지 않고서도 대용량 전력변환장치의 효율 측정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 풍력용 전력변환장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치의 구동방법의 순서도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치의 구동방법의 순서도이다.
도 2에는 시험장치(100), 계통전원(105), 직류전원장치(110), 전력변환장치(120), GSC(122), MSC(124), LCL 부하(130)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 효율 측정을 위한 시험장치(100)는 효율을 측정하고자 하는 전력변환장치 2개를 서로 연결하되 출력단에 LCL 부하를 공통 결선하여 출력을 순환시킴으로써 효율 측정이 가능하게 한다.
본 실시예에 따른 시험장치(100)는 직류전원장치(110), LCL 부하(130)를 포함한다.
그리고 시험장치(100)에 의한 효율 측정 대상이 되는 전력변환장치(120)는 계통측 전력변환장치에 해당하는 GSC(Grid Side Converter)(122)와 발전기측 전력변환장치에 해당하는 MSC(Machine Side Converter)(124)를 포함한다.
GSC(122)와 MSC(124)는 입력단끼리 서로 연결되고 출력단끼리 서로 연결되는 구조를 가진다. 본 실시예에서는 계통전원(105)이 3상전원인 경우가 예시되어 있는 바, 입력단 간의 연결선 및 출력단 간의 연결선은 3개씩 구비될 수 있다.
또한, GSC(122)와 MSC(124)는 AFE(Active Front End) 타입일 수 있다.
직류전원장치(110)는 계통전원(105)에서 공급된 전원을 직류전원으로 변환하여 효율 측정 대상이 되는 전력변환장치(120)에 공급해 준다.
직류전원장치(110)의 출력단은 GSC(122)와 MSC(124)의 입력단에 연결되어, 전력변환장치(120)에 요구되는 직류단의 전원 공급 역할을 수행한다. 즉, 전력변환장치(120)에 포함되는 직류단 커패시터의 전압(CVdc)을 일정하게 유지시켜 준다.
직류전원장치(110)는 3개의 출력라인(제1 전원라인(A11), 제2 전원라인(A12), 제3 전원라인(A13))이 GSC(122)와 MSC(124)의 입력단 사이의 연결선과 각각 만난다. 제2 전원라인(A12)가 연결선과 만나는 노드인 중성점(N)을 기준으로 제1 전원라인(A11)을 통해서는 Idc+의 전류가 공급되면서 Vdc+ 전압이 인가되도록 하고, 제3 전원라인(A13)을 통해서는 Idc-의 전류가 유입되면서 Vdc- 전압이 인가되도록 한다.
LCL 부하(130)는 GSC(122)와 MSC(124)의 출력단 사이에 연결된다. 즉, LCL 부하(130)의 양단에 GSC(122)와 MSC(124)가 각각 결선될 수 있다.
LCL 부하(130)는 직렬 연결된 2개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 커패시터가 연결된 구성을 가진다. 3차 저역통과필터(LPF) 특성을 가질 수 있으며, 고조파 감쇄 효과를 나타낸다.
본 실시예에서 LCL 부하(130)는 전력변환장치(120)의 출력을 순환시키기 위해 필요한 부하이다. 즉, GSC(122)의 출력(계통측 전압)과 MSC(124)의 출력(발전기측 전압)을 순환시키게 된다.
시험장치(100)는 효율 측정을 위해 전력변환장치(120)를 구동시키는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 시험장치(100), 특히 제어부에서 효율 측정을 위해 전력변환장치(120)를 구동시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.
우선 직류전원장치(110)는 전력변환장치(120)의 정격 직류단전압에 해당하는 전압(Vdc)을 인가한다(단계 S200). 인가된 전압에 의해 GSC(122)와 MSC(124)는 전원 공급을 받아 작동이 가능하게 된다.
다음으로 GSC(122)는 계통전압에 해당하는 전압(Vabs)으로 LCL 부하(130)에 전압을 인가한다(단계 S205).
이후 MSC(124)는 계통측 전압(Vabs)을 읽는다(단계 S210).
그리고 LCL 부하(130)에 정격에 해당하는 전류가 흐르도록 전류 제어를 수행하여, 발전기측 전압(Vabm)을 인가한다(단계 S215).
이후 도 2에 도시된 것과 같이 각 지점에서의 전압 및 전류를 측정하여 전력변환장치(120)의 효율을 계산할 수 있다(단계 S220).
전력변환장치(120)의 효율 계산 방법은 다음과 같다.
직류전원장치(110)에서 공급되는 전력(Pdc)은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Pdc = (Vdc+)*(Idc+) + (Vdc-)*(Idc-)
여기서, Vdc+는 제1 전원라인(A11)과 제2 전원라인(A12) 사이의 전압 차이고, Vdc-는 제2 전원라인(A12)와 제3 전원라인(A13) 사이의 전압 차이며, Idc+는 제1 전원라인(A11)을 통해 공급되는 전류의 크기이고, Idc-는 제3 전원라인(A13)을 통해 유입되는 전류의 크기이다.
발전기측 전력(Pgen)은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Pgen = SQRT(3)*Vabm*Iabm
SQRT(3)은 세제곱근을 의미하며, Vabm은 MSC(124)에서 LCL 부하(130)로 인가한 발전기측 전압이고, Iabm은 MSC(124)에서 LCL 부하(130)로 인가하여 인덕터를 통해 흐르는 전류의 크기이다.
계통측 전력(Pgrid)은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Pgird = SQRT(3)*Vabs*Iabs
Vabs는 GSC(122)에서 LCL 부하(130)로 인가한 계통측 전압이고, Iabs는 GSC(122)에서 LCL 부하(130)로 인가하여 인덕터를 통해 흐르는 전류의 크기이다.
LCL 부하(130)에 의해 손실되는 전력(PLCL)은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
PLCL = Pgen - Pgrid
이 때 전력변환장치(120)의 효율은 직류전원장치(110)에서 공급하는 전력(Pdc)과 LCL 부하(130)에서의 손실(PLCL)의 차를 이용하여 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 6]
Efficiency = 100 * (Pdc - PLCL) / Pdc [%]
본 실시예에 따른 시험장치(100)를 전술한 구동방법에 따라 구동함으로써, 직류전원장치(110)에서 공급하는 전력과 LCL 부하(130)에서의 손실을 간단하게 확인할 수 있고, 이로부터 전력변환장치(120)의 효율을 간단히 계산할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 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.
100: 시험장치 105: 계통전압
110: 직류전원장치 120: 전력변환장치
122: 계통측 컨버터(GSC) 124: 발전기측 컨버터(MSC)
130: LCL 부하

Claims (4)

  1. 계통측 컨버터(GSC)와 발전기측 컨버터(MSC)를 포함하는 전력변환장치의 효율을 측정하기 위한 시험장치로서,
    계통전원에서 공급된 전원을 직류전원으로 변환하여 상기 전력변환장치에 공급하는 직류전원장치;
    양단이 상기 계통측 컨버터와 상기 발전기측 컨버터의 출력단에 각각 결속되는 LCL 부하; 및
    효율 측정을 위해 상기 전력변환장치를 구동시키는 제어부를 포함하되,
    상기 LCL 부하는 직렬 연결된 2개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 커패시터가 연결된 구성을 가지며, 상기 계통측 컨버터의 출력과 상기 발전기측 컨버터의 출력을 순환시키게 되며,
    상기 제어부는, 상기 직류전원장치가 상기 전력변환장치의 정격 직류단전압에 해당하는 전압(Vdc)을 상기 전력변환장치에 인가한 후, 상기 계통측 컨버터에서 계통전압에 해당하는 전압을 상기 LCL 부하로 인가하며, 상기 발전기측 컨버터에서 계통측 전압을 읽은 후 상기 전력변환장치에 정격에 해당하는 전류가 흐르도록 전류 제어를 수행하여 발전기측 전압을 상기 LCL 부하로 인가하여,
    상기 직류전원장치에서 공급된 전력(Pdc)과 상기 LCL 부하에서의 손실분(PLCL)의 차를 통해 상기 전력변환장치의 효율을 계산하는, 시험장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직류전원장치와 상기 전력변환장치 사이에 제1 전원라인(A11), 제2 전원라인(A12), 제3 전원라인(A13)이 배치되되,
    상기 직류전원장치에서 공급된 전력(Pdc)은 Pdc = (Vdc+)*(Idc+) + (Vdc-)*(Idc-)이되, Vdc+는 상기 제1 전원라인(A11)과 상기 제2 전원라인(A12) 사이의 전압 차이고, Vdc-는 상기 제2 전원라인(A12)와 상기 제3 전원라인(A13) 사이의 전압 차이며, Idc+는 상기 제1 전원라인(A11)을 통해 공급되는 전류의 크기이고, Idc-는 상기 제3 전원라인(A13)을 통해 유입되는 전류의 크기인, 시험장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LCL 부하에서의 손실분(PLCL)은 PLCL = Pgen - Pgrid 이되,
    Pgen = SQRT(3)*Vabm*Iabm 이고, Pgird = SQRT(3)*Vabs*Iabs 이며,
    Pgen은 발전기측 전력이고, SQRT(3)은 세제곱근을 의미하며, Vabm은 상기 발전기측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가한 발전기측 전압이고, Iabm은 상기 발전기측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가하여 인덕터를 통해 흐르는 전류의 크기이며,
    Pgrid는 계통측 전력이고, Vabs는 상기 계통측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가한 계통측 전압이고, Iabs는 상기 계통측 컨버터에서 상기 LCL 부하로 인가하여 인덕터를 통해 흐르는 전류의 크기인, 시험장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP4371025B2 (ja) 2004-09-28 2009-11-25 横河電機株式会社 電力変換効率測定装置
KR20160064795A (ko) * 2014-11-28 2016-06-08 삼성중공업 주식회사 전력변환장치의 시험장치
JP2016178744A (ja) * 2015-03-19 2016-10-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置

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