KR102066162B1 - Dc 링크 전압 불평형 보상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DC 링크 전압 불평형 보상 장치에 관한 것으로, 교류 전원과 연결된 컨버터, 상기 컨버터와 연결된 인버터부, 상기 컨버터와 상기 인버터부 사이에 형성되고 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터들을 포함하는 DC 링크 및 상기 제1 커패시터에 형성된 제1 노드와 상기 제1 및 제2 커패시터들 사이에 형성된 제2 노드 간에 형성된 제1 전압 및 상기 제2 노드와 상기 제2 커패시터에 형성된 제3 노드 간에 형성된 제2 전압을 수신하여 상기 DC 링크 상에 형성된 커패시터 전압의 불평형을 보상하는 밸런스 제어기를 포함한다. 따라서, 본 발명은 3레벨 컨버터 시스템에서 발생하는 DC 링크 전압 불평형 현상을 개선할 수 있다.

Description

DC 링크 전압 불평형 보상 장치 {APPARATUS FOR DC LINK VOLTAGE IMBALANCE COMPENSATION}
본 발명은 DC 링크 전압의 불평형 보상 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 추가적 하드웨어 없이 중성점 전류변화를 제어하여 효율적으로 3레벨 컨버터의 DC(Direct Current) 링크 커패시터의 전압 불평형 현상을 제어하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치에 관한 것이다.
현대 사회는 경제, 교육 및 산업의 발달로 인구의 도시 집중화와 함께 고층 빌딩과 아파트들의 수요가 증가되었다. 고층 건축물 내의 교통기관인 엘리베이터는 승차감 향상, 에너지 절감, 공간 절감과 함께 화석 연료에 의존적이지 않은 친환경적인 형태의 에너지원과 효율적인 전력변환 시스템에 대한 시대적인 요구에 맞춰 고전압, 고전력 시스템으로의 개발 흐름이 이어지고 있다.
대용량의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위해서 사용하는 AC/DC 전력 변환장치는 일반적으로 3상 다이오드 전류기와 AC/DC PWM 전력변환장치를 사용한다. 기존 대전력/고전압 엘리베이터 시스템은 인버터 출력전압의 특성 개선과 부하 토크변화에 따른 응답성을 확보하기 위해 인버터와 컨버터가 직렬로 연결된 2레벨 백투백 구조를 주로 사용한다. 이 경우 인버터 출력전압에 2레벨의 PWM 전압을 출력한다. 이는 멀티레벨 컨버터와 비교할 때 스위치의 내압이 높고, 출력 전압과 전류를 왜곡시키고 낮은 THD성능을 보이며, LC로 부착된 정현파 필터의 부착 요구, 전자파 이슈등의 문제를 가진다.
대용량 시스템의 멀티레벨 컨버터는 2레벨 컨버터 대비 스위치에 걸리는 전압이 낮고, dv/dt가 낮아지며, 리액터의 크기와 전선의 동량이 줄어드는 등의 이점이 있어 2 레벨 컨버터를 사용하는 시스템의 대안이 되고 있다. 또한, 중전압 반도체 소자를 이용하여 고전력을 획득 가능하고, 출력 전압 레벨이 증가할수록 스위칭 시 발생하는 dv/dt와 서지 전압의 크기가 감소하여 전동기 기동 시 고정자 권선 절연파괴 및 베어링 파괴 문제를 해결할 수 있고, 레벨 수가 증가함에 따라 최소의 스위칭 주파수로 양호한 출력 고조파 특성을 얻을 수 있으며, 스위칭 시 발생하는 EMI 문제를 개선 가능하다.
그러나 중성점에 흐르는 전류에 의한 DC-link의 전압 불평형 문제가 존재하며, 전압이 한쪽 커패시터로 집중될 경우, 하나의 스위칭 소자에 인가되는 전압이 증가하며, 소자의 스트레스가 증가되고 최악의 경우 파괴될 수 있다. 또한, 출력 전류의 THD가 증가하여 시스템이 불안정해질 수도 있다.
한국등록특허 제10-0153815(1998.07.07)호는 대규모 단상부하에 흐르는 불평형전류가 발생시키는 전압불평형율을 완화시키도록 한 단상식 부하불평형 부분보상장치에 관한 것으로, 3상 전력계통의 bc상 사이에 단상부하가 연결되어 3상계통에 커다란 불평형부하가 걸려있을 때, ab상 사이에 보상용 무효전력분을 연결하여 전압불평형을 완화시켜주게 한 것으로, 기존의 3상형 불평형보상장치에 비하여 불평형부하의 일부를 보상할 경우 그 효과가 우수하며, 주회로가 간단하고, 직렬공진과 같은 위험성이 적으며, 설치공간도 줄일 수 있어 전기철도부하, 단상아크로를 공급하는 변전소에 설치하는 불평형 보상장치 등에 적용할 수 있게 한 것이다.
한국등록특허 제10-0435503(2004.06.01)호는 불평형 전원보상 및 순간 저전압보상 제어장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 본 발명은 전원전압을 매순간 측정하여 이상유무를 감시하는데, 이상유무가 감지되면, 정전원전압을 정상분과 역상분으로 각각 분리시킨후, 정상분 전압 동기 좌표제어기와 역상분 전압 동기 좌표제어기를 통해 각각 제어한다. 그리고 3상 인버터(10)의 과전류 보호와 빠른 전압응답을 얻기 위해 내부에 전류제어기를 사용한다. 내부의 전류 제어기는 인덕터의 전류를 제어한다. 전류제어기에서 나온 출력값은 3상 인버터의 스위치를 온, 오프 시킨다. 이렇게 함으로써, 불평형 전압이 발생하면 빠른 전압보상을 할뿐만 아니라 각 상의 불평형도 해소할 수 있는 장점이 있다.
한국등록특허 제10-0153815(1998.07.07)호 한국등록특허 제10-0435503(2004.06.01)호
본 발명의 일 실시예는 추가적 하드웨어 없이 효율적으로 3레벨 컨버터의 DC 링크 커패시터의 전압 불평형 현상을 제어하는 DC(Direct Current) 링크 전압 불평형 보상 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 복잡한 계산을 사용하지 않고, 중성점에 흐르는 영상 전류를 제어하여 DC 링크 전압 불평형을 개선하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 DC 링크 커패시터 전압의 불평형에 따른 이득값으로 폐루프 제어를 수행하고 중성점 전류 변화를 추종하여 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, DC(Direct Current) 링크 전압 불평형 보상 장치는 교류 전원과 연결된 컨버터, 상기 컨버터와 연결된 인버터, 상기 컨버터와 상기 인버터 사이에 형성되고 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터들을 포함하는 DC 링크 및 상기 제1 커패시터에 형성된 제1 노드와 상기 제1 및 제2 커패시터들 사이에 형성된 제2 노드 간에 형성된 제1 전압 및 상기 제2 노드와 상기 제2 커패시터에 형성된 제3 노드 간에 형성된 제2 전압을 수신하여 상기 DC 링크 상에 형성된 커패시터 전압의 불평형을 보상하는 밸런스 제어기를 포함한다.
상기 컨버터는 3레벨 I형 컨버터에 해당할 수 있다.
상기 밸런스 제어기는 상기 제1 및 제2 전압의 합산에 의한 제3 전압을 제어하여 중성점 전류 변화를 산출하는 전압 제어모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 밸런스 제어기는 상기 DC 링크 커패시터 전압의 불평형에 따른 이득값으로 폐루프 제어를 수행하고 상기 제2 노드의 중성점 전류 변화를 추종하여 상기 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상할 수 있다.
상기 밸런스 제어기는 목표 중성점 전압과 실제 중성점 전압의 가감을 제어하고 PI 제어를 통해 오차를 보정하여 상기 이득값을 산출하는 이득 산출부, 상기 이득값을 기초로 상기 컨버터의 전력값을 이용하여 상기 제2 노드의 중성점 전류 변화를 산출하는 중성점 전류 변화 산출부 및 상기 중성점 전류 변화와 실제 중성점 전류의 가감을 제어하고 PI 제어를 통해 오차를 보정하여 중성점 전압을 출력하는 중성점 전압 출력부를 포함할 수 있다.
상기 중성점 전류 변화 산출부는 상기 중성점 전류 변화를 아래의 수학식4를 통해 산출할 수 있다.
[수학식4]
Figure 112018050528238-pat00001
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC(Direct Current) 링크 전압 불평형 보상 장치는 중성점에 흐르는 영상 전류를 제어하여 구현이 간단하고 추가적인 하드웨어를 사용하지 않아 경제적이고 효율적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 전압 불평형 보상 장치는 DC 링크 커패시터 전압의 불평형에 따른 이득값으로 폐루프 제어를 수행하고 중성점 전류 변화를 추종하여 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 전압 불평형 보상 장치는 영구자석 동기 전동기와 유도기등 전동기의 종류에 상관없이 엘리베이터 제어 시스템, 선박 및 중공업등 폭넓게 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 전압 불평형 보상 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 밸런스 제어기를 설명하는 블록도이다.
도 3은 도 1에 있는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 DC 링크 등가회로도이다.
도 4는 도 1에 있는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 밸런스 제어기의 제어과정을 설명하는 순서도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 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.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
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 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC(Direct Current) 링크 전압 불평형 보상 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, DC 링크 전압 불평형 보상 장치(100)는 컨버터(110), 인버터부(120), DC 링크(130) 및 밸런스 제어기(140)를 포함한다.
컨버터(110)는 일반적으로 교류와 직류간의 변환, 교류의 주파수 상호변환, 상수의 변환 등을 하는 장치를 의미한다. 보다 상세하게는, 교류를 직류로 변환하는 장치에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, DC 링크 전압 불평형 보상 장치(100)의 컨버터(110)는 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터에 해당할 수 있다. 여기에서, PWM 컨버터는 펄스 폭 변조제어에 의하여 교류를 직류로 변환하는 전력변환장치를 의미한다. 일 실시예에서, 컨버터(110)는 멀티레벨 컨버터에 해당할 수 있다. 보다 구체적으로, 컨버터(110)는 Diode-Clamped 멀티레벨 컨버터, Flying Capacitor 멀티레벨 컨버터 또는 H-Bridge 멀티레벨 컨버터에 해당할 수 있다. 예를 들어, 컨버터(110)는 Diode-Clamped 멀티레벨 컨버터에 해당할 수 있고 Diode-Clamped 멀티레벨 컨버터는 T타입과 I타입이 존재하는데, 컨버터(110)는 I타입의 Diode-Clamped 멀티레벨 컨버터로 구현될 수 있다. 또한, 컨버터(110)는 3레벨 이상의 컨버터의 경우 전압 평형 알고리즘의 복잡성으로 인해 비효율적이므로 3레벨 컨버터로 구현될 수 있다. 결과적으로, DC 링크 전압 불평형 보상 장치(100)의 컨버터(110)는 PWM 컨버터로서 3레벨 I형 Diode-Clamped 컨버터로 구현될 수 있다.
인버터부(120)는 인버터를 포함하여 구성된다. 인버터는 전력 변환 장치의 일종으로, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치를 의미한다. 일 실시예에서, 인버터부(120)는 컨버터(110)와 연결되어 컨버터(110)를 통해 받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기(예를 들어, PMSM(permanent magnet synchronous motor))에 전달할 수 있다.
DC 링크(130)는 컨버터(110)와 인버터부(120)사이에 형성되고 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터들(132, 134)을 포함한다. 여기에서, DC 링크(link)는 컨버터(110)와 인버터부(120)를 연결하는 직류 회로를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, DC 링크(130)는 컨버터(110)를 포함하는 회로와 인버터를 포함하는 인버터부(120)간의 연결에 해당하고 DC 링크 커패시터를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1 및 제2 커패시터들(132, 134)은 DC 링크 커패시터에 해당하고 양전극과 음극 전도체 사이에 병렬로 연결되어 부하측의 과도 전류가 배전기 측(미도시됨)으로 되돌아가지 않도록 하고 정류된 직류 펄스를 부드럽게 하는 역할을 할 수 있다. DC 링크 전압은 DC 링크에 해당하는 직류 회로의 전압을 의미한다. 일 실시예에서, DC 링크 전압의 불평형은 DC 링크 커패시터 양단의 전압의 불평형에 해당할 수 있고 이는 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 의미할 수 있으며 DC 링크 커패시터 전압의 불평형은 곧 제1 및 제2 커패시터들(132, 134) 사이에 형성된 중성점의 전압 불평형을 의미할 수 있다.
밸런스 제어기(140)는 제1 커패시터(132)에 형성된 제1 노드와 제1 및 제2 커패시터들(132, 134)사이에 형성된 제2 노드 간에 형성된 제1 전압 및 제2 노드와 제2 커패시터(134)에 형성된 제3 노드 간에 형성된 제2 전압을 수신할 수 있다. 여기에서, 제2 노드는 제1 커패시터(132)와 제2 커패시터(134)사이에 형성된 중성점에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 밸런스 제어기(140)는 제1 및 제2 전압을 수신하여 DC 링크(130) 커패시터 전압의 불평형을 보상할 수 있다.
일 실시예에서, 밸런스 제어기(140)는 제1 및 제2 전압의 합산에 의한 제3 전압을 제어하여 중성점 전류 변화를 산출하는 전압 제어모듈(DC voltage controller)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 제3 전압은 제1 및 제2 커패시터(132, 134)의 전체전압에 해당할 수 있다.
밸런스 제어기(140)는 DC 링크 커패시터 전압의 불평형에 따른 이득값을 가지고 폐루프 제어를 수행하고 중성점 전류 변화를 추종하여 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상할 수 있다. DC 링크의 중성점에 해당 하는 제2 노드에 중성점 전류가 흐르게 되면 DC 링크 전압의 불평형 현상이 발생한다. 일 실시예에서, 밸런스 제어기(140)는 제2 노드의 중성점 전류 변화를 추종하여 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상할 수 있다. 보다 구체적으로, 밸런스 제어기(140)는 DC 링크 커패시터 전압의 불평형에 따라 발생하는 이득값으로 폐루프 제어를 수행한다. 여기에서, 폐루프 제어는 출력신호가 제어동작에 직접 영향을 받는 시스템으로 입력신호와 피드백신호의 차이인 오차제어동작 신호를 조절기에 전달하여 오차를 감소시키고 최종 출력을 목표 수치에 도달하도록 한다. 일 실시예에서, 밸런스 제어기(140)는 실제 중성점 전압에 출력된 중성점 전압을 피드백 받아 오차를 보정하여 실제 중성점 전압이 목표 중성점 전압에 도달하도록 폐루프 제어를 수행할 수 있다. 여기에서, 실제 중성점 전압은 제1 커패시터의 제1 전압과 제2 커패시터의 제2 전압의 차이에 해당할 수 있고 목표 중성점 전압은 상기 제1 전압과 제2 전압 차이의 목표 수치에 해당할 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 밸런스 제어기를 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 밸런스 제어기(140)는 이득 산출부(142), 중성점 전류 변화 산출부(144) 및 중성점 전압 출력부(146)를 포함한다.
이득 산출부(142)는 목표 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00002
)과 제1 및 제2 전압에 따른 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00003
)의 가감을 제어할 수 있다. 여기에서, 목표 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00004
)은 DC 링크 커패시터에 해당하는 제1 및 제2 커패시터들(132, 134)사이의 제2 노드에서 발생하는 불평형에 따른 중성점 전압차의 목표 수치에 해당할 수 있다. 이득 산출부(142)는 목표 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00005
)의 수치를 0으로 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 이득 산출부(142)는 제1 커패시터의 제1 전압에서 제2 커패시터의 제2 전압을 감하여, 중성점의 불평형에 따른 제1 및 제2 전압의 전압차에 해당하는 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00006
)을 구할 수 있다. 일 실시예에서, 이득 산출부(142)는 목표 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00007
)에서 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00008
)을 감하고 PI(Proportional Integral) 제어를 통해 오차를 보정하여 이득값(k)을 산출할 수 있다. 여기에서 PI 제어는 비례-적분 제어를 의미하는 피드백 제어에 해당한다.
중성점 전류 변화 산출부(144)는 이득값(k)를 기초로 컨버터(110)의 전력값(p)을 이용하여 제2 노드의 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00009
)를 산출할 수 있다. 일 실시예에서, 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00010
)는 DC 링크 커패시터 전압을 변화시키고 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00011
)는 아래의 수학식4를 통해 산출할 수 있다.
[수학식4]
Figure 112018050528238-pat00012
여기에서,
Figure 112018050528238-pat00013
는 제어주기Ts동안의 중성점 전류 변화를, Vdc는 커패시터들의 전체전압을, k는 이득값을, <p>Ts는 제어주기Ts동안의 컨버터의 전력값을, Vmax 및 Imax는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 상전압 및 상전류의 최댓값을, Vmin 및 Imin은 상전압 및 상전류의 최솟값을, Vmid 및 Imid는 중성점 전압 및 중성점 전류를 의미한다.
중성점 전압 출력부(146)는 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00014
)와 실제 중성점 전류(
Figure 112018050528238-pat00015
)의 가감을 제어하고 PI 제어를 통해 오차를 보정하여 제2 노드의 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00016
)을 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 중성점 전압 출력부(146)는 출력된 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00017
)을 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00018
)에 피드백 할 수 있고 밸런스 제어기(140)는 상기 피드백에 따른 결과가 목표 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00019
)에 도달하도록 폐루프 제어를 수행할 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 DC 링크 등가회로도이다.
도 3을 참조하면, DC 링크 전압 불평형 보상 장치(100)는 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00020
)에 의해서 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00021
)을 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 커패시터를 통하는 전류는 _1과 _2 이며, 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00022
)은 한 제어주기 _동안 노드 O 에서 아래의 수학식1 내지 3과 같이 변화할 수 있다. 여기에서, 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00023
)은 제1 전압과 제2 전압의 차이에 해당할 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018050528238-pat00024
[수학식2]
Figure 112018050528238-pat00025
[수학식3]
Figure 112018050528238-pat00026
여기에서, <idc1>Ts는 Ts주기 동안 제1 커패시터에서 흐르는 전류를, <idc2>Ts는 Ts주기 동안 제2 커패시터에서 흐르는 전류를, Cdc는 제1 및 제2 커패시터의 커패시턴스를, <Vdc1>Ts는 Ts주기 동안의 제1 전압을, <Vdc2>Ts는 Ts주기 동안의 제2 전압을, Vdc는 커패시터들의 전체전압을, <p>Ts는 주기Ts 동안의 컨턱터의 전력값을, k는 이득값을 의미한다.
도 4는 도 1에 있는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 밸런스 제어기의 제어과정을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 DC 링크 전압 불평형 보상 장치(100)의 밸런스 제어기(140)는 목표 중성점 전압과 실제 중성점 전압을 가감하고 PI 제어를 통해 오차를 보정하여 불평형에 의한 이득값(k)을 산출할 수 있다(단계 S410).
밸런스 제어기(140)는 이득값(k)을 기초로 컨버터의 전력값(p)을 이용한 피드포워드항을 더하여 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00027
)를 산출할 수 있다(단계 S420).
밸런스 제어기(140)는 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00028
)를 추종하여 실제 중성점 전류(
Figure 112018050528238-pat00029
)를 제어하여 중성점 전압을 출력할 수 있다(단계 S430). 보다 구체적으로, 밸런스 제어기(140)는 중성점 전류 변화(
Figure 112018050528238-pat00030
)와 실제 중성점 전류(
Figure 112018050528238-pat00031
)의 가감 및 PI 제어를 통한 오차보정을 통해 제2 노드의 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00032
)을 출력할 수 있다.
밸런스 제어기(140)는 출력된 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00033
)을 피드백하여 실제 중성점 전압(
Figure 112018050528238-pat00034
)과 오차를 보정하고 목표 중성점 전압의 수치에 도달하도록 폐루프 제어를 수행할 수 있다(단계 S440).
기존의 3레벨 컨버터의 중성점 전압 불평형 보상을 위한 공간 벡터 영역의 테이블을 고려하는 복잡한 계산을 수행해서 중성점 전압의 변화를 직접 보상하는 방법에 비해 DC 링크 전압 불평형 보상 장치(100)는 밸런스 제어기(140)를 통해 DC 링크(130) 전압의 불평형으로 기인한 이득값으로 폐루프 제어를 수행하여 중성점에 흐르는 중성점 전류의 변화를 추종하여 DC 링크 전압 불평형을 개선하여 효율적이다.
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.
100: DC 링크 전압 불평형 보상 장치
110: 컨버터 120: 인버터부
130: DC 링크
132: 제1 커패시터 134: 제2 커패시터
140: 밸런스 제어기 142: 이득 산출부
144: 중성점 전류 변화 산출부
146: 중성점 전압 출력부

Claims (6)

  1. 교류 전원과 연결된 컨버터;
    상기 컨버터와 연결된 인버터부;
    상기 컨버터와 상기 인버터부 사이에 형성되고 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터들을 포함하는 DC 링크; 및
    상기 제1 커패시터에 형성된 제1 노드와 상기 제1 및 제2 커패시터들 사이에 형성된 제2 노드 간에 형성된 제1 전압 및 상기 제2 노드와 상기 제2 커패시터에 형성된 제3 노드 간에 형성된 제2 전압을 수신하여 상기 DC 링크 상에 형성된 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상하는 밸런스 제어기를 포함하되,
    상기 밸런스 제어기는 상기 DC 링크 커패시터 전압의 불평형에 따른 이득값을 이용하여 실제 중성점 전압를 목표 중성점 전압에 도달하도록 폐루프 제어를 수행하고 상기 제2 노드의 중성점 전류 변화를 추종하여 상기 DC 링크 커패시터 전압의 불평형을 보상하고, 상기 중성점 전류 변화를 아래의 수학식4를 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치.
    [수학식4]
    Figure 112019090837270-pat00040

    (여기에서,
    Figure 112019090837270-pat00041
    는 제어주기Ts 동안의 중성점 전류 변화를, Vdc는 커패시터들의 전체전압을, k는 이득값을, <p>Ts는 제어주기Ts 동안의 컨버터의 전력값을, vmax 및 imax는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치의 상전압 및 상전류의 최댓값을, vmin 및 imin은 상전압 및 상전류의 최솟값을, vmid 및 imid는 중성점 전압 및 중성점 전류를 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨버터는
    3레벨 I형 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터에 해당하는 것을 특징으로 하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 제어기는
    상기 제1 및 제2 전압의 합산에 의한 제3 전압을 제어하여 중성점 전류 변화를 산출하는 전압 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 제어기는
    상기 목표 중성점 전압과 상기 제1 및 제2 전압에 따른 상기 실제 중성점 전압의 가감을 제어하고 PI 제어를 통해 오차를 보정하여 상기 이득값을 산출하는 이득 산출부;
    상기 이득값을 기초로 상기 컨버터의 전력값을 이용하여 상기 제2 노드의 상기 중성점 전류 변화를 산출하는 중성점 전류 변화 산출부; 및
    상기 중성점 전류 변화와 실제 중성점 전류의 가감을 제어하고 PI 제어를 통해 오차를 보정하여 상기 제2 노드의 중성점 전압을 출력하는 중성점 전압 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 링크 전압 불평형 보상 장치.
  6. 삭제
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