KR102309184B1

KR102309184B1 - 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템 및 이를 위한 동작 방법

Info

Publication number: KR102309184B1
Application number: KR1020200181156A
Authority: KR
Inventors: 김근영; 오용승; 안강순
Original assignee: 주식회사 윌링스
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-10-07

Abstract

본 명세서의 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템은, DC 링크부의 제1 직류전압 및 제2 직류전압을 계통을 위한 교류전압으로 변환시키는 제1 멀티레벨 전력변환모듈; 및 제1 멀티레벨 전력변환 장치와 병렬로 연결되는 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하되, 제1 멀티레벨 전력변환모듈은, DC 링크부의 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압을 기반으로 제1 직류전압과 제2 직류전압의 차이를 제어하기 위한 옵셋 정보를 생성하는 옵셋 제어 장치를 포함하고, 그리고 옵셋 정보는 제1 멀티레벨 전력변환모듈과 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈 간 별도의 통신 라인을 통해 송신된다.

Description

복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템 및 이를 위한 동작 방법{POWER CONVERSION SYSTEM INCLUDING A PLURALITY OF MULTILEVEL POWER CONVERSION MODULES AND OPERATION METHOD THEREFOR}

본 명세서는 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템 및 이를 위한 동작방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 중성점과 연관된 옵셋전압 정보를 별도로 구비된 통신라인을 통해 전달하도록 구현되며 병렬로 연결된 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템 및 이를 위한 동작방법에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 멀티레벨 전력변환 장치의 입력으로 이용하기 DC링크 커패시터의 중성점(Neutral Point, 이하 'NP') 전압을 기준으로 분리된 PN 전압 및 NN 전압이 사용된다.

만일 DC링크의 전압에 대한 평형 제어가 정확하게 수행되지 않을 시, 전력변환 장치의 스위칭 소자를 비롯한 시스템 전반에 안정성이 저하될 뿐만 아니라 출력전류의 왜곡이 발생되는 문제점이 존재한다.

한편, 입출력이 하나로 이루어진 센트럴 타입의 전력변환 장치의 경우 옵셋(Offset) 전압제어를 사용하여 직류(Direct Current, 이하 'DC') 링크의 PN전압과 NN 전압이 평형을 이룰 수 있도록 제어가 가능하다.

직류(DC) 전력을 공용으로 사용하는 멀티레벨 인버터의 병렬 운전 동작에서 각 전력변환 장치의 센싱오차로 인한 문제가 발생할 수 있기 때문에, 멀티레벨 인버터의 병렬운전을 위한 중성점 전압 제어를 위해 다양한 방식이 많이 사용되고 있다.

예를 들어, 마스터 옵셋(Master Offset) 제어 방식에서, 마스터(Master) 전력변환 장치에 의해 직류(DC) 링크 전압의 Offset이 제어될 때, 슬레이브(Slave) 전력변환 장치는 마스터의 Offset 제어에 따라 출력 전류 Offset을 '0'으로 제어할 수 있다.

이 경우, 전력변환 시스템 출력 전류의 총 고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion, 이하 'THD')은 낮지만, 각 인버터 별 출력전류의 총 고조파 왜곡(THD)은 크게 나타날 수 있으며, 전력변환 시스템의 설계에 따라 최대 출력전류가 설계치 이상 출력될 수도 있다.

다시 말해, 직류(DC) 전력을 공통으로 사용하는 복수의 멀티레벨 전력변환 장치의 병렬운전 동작은 출력단에 리플을 발생시키거나 각 전력변환 장치의 출력전류의 총 고조파 왜곡(THD)이 높게 나타나는 문제가 존재한다.

본 명세서의 목적은 향상된 안정성 및 신뢰성을 갖는 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템 및 이를 위한 동작방법을 제공하는데 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 옵셋 정보는 상기 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈을 위해 브로드캐스팅 방식으로 송신된다.

본 일 실시 예에 따르면, 옵셋 제어 장치를 위한 동작 주기는 통신 라인을 위한 통신 주기와 일치하도록 구현된다.

본 일 실시 예에 따르면, 제1 멀티레벨 전력변환모듈은, 옵셋 정보 및 미리 설정된 제1 PWM(Pulse Width Modulation) 스케일 정보를 기반으로 제1 PWM 제어 정보를 생성하는 제1 제어 장치; 및 제1 PWM 제어 정보에 따라 구동하는 제1 인버터 회로를 포함하는 제1 변환 장치를 더 포함할 수 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 옵셋 정보는 듀티 스케일(duty scale)에 기반한 정보일 수 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 옵셋 정보가 제1 멀티레벨 전력변환모듈의 n번째 전송주기와 연관될 때, 제1 PWM 제어 정보는 n번째 전송주기가 경과한 n+1 전송주기부터 적용되도록 구현된다.

본 일 실시 예에 따른 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈은, 통신 라인을 통해 수신된 옵셋 정보 및 미리 설정된 제2 PWM 스케일 정보를 기반으로 제2 PWM 제어 신호를 생성하는 제2 제어 장치; 및 제2 PWM 제어 신호에 따라 동작하는 제2 인버터 회로를 포함하는 제2 변환 장치를 포함한다.

본 일 실시 예에 따르면, 옵셋 정보가 제2 멀티레벨 전력변환모듈의 n번째 수신주기와 연관될 때, 제2 PWM 제어 정보는 n번째 수신주기가 경과한 n+1 수신주기부터 적용되도록 구현된다.

본 일 실시 예에 따르면, n번째 수신주기는 n번째 송신주기에 상응하도록 구현되고, n+1번째 수신주기는 n+1번째 송신주기에 상응하도록 구현될 수 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따른 전력변환시스템의 동작 방법은, DC 링크부의 중성점과 연관된 측정 전압을 기반으로 제1 직류전압과 제2 직류전압의 차이를 제어하기 위한 n번째 Tx주기와 연관된 옵셋전압 정보를 송신하되, 옵셋전압 정보는 제1 멀티레벨 전력변환모듈과 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈 간 별도의 통신 라인을 통해 송신되고, 그리고 옵셋 정보 및 미리 설정된 PWM 스케일 정보를 기반으로 PWM 제어 정보가 갱신되는, 단계; 및 n번째 Tx주기가 경과될 때, n+1 Tx주기부터 갱신된 PWM 제어 정보를 기반으로 전력변환을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르면, 향상된 안정성 및 신뢰성을 갖는 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템 및 이를 위한 동작방법이 제공된다.

도 1은 일반적인 다이오드 클램핑 방식의 멀티레벨 인버터 구조를 도시한다.
도 2는 일반적인 멀티레벨 인버터의 스위칭 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 블록도를 보여준다.
도 4는 본 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 일 실시 예에 따른 변환장치의 내부 블록도를 보여준다.
도 6은 본 일 실시 예에 따른 변환장치의 설계 예시를 보여준다.
도 7은 종래의 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 출력 파형을 보여준다.
도 8은 본 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 출력파형을 보여준다.

전술한 특성 및 이하 상세한 설명은 모두 본 명세서의 설명 및 이해를 돕기 위한 예시적인 사항이다. 즉, 본 명세서는 이와 같은 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 다음 실시 형태들은 단지 본 명세서를 완전히 개시하기 위한 예시이며, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자들에게 본 명세서를 전달하기 위한 설명이다. 따라서, 본 명세서의 구성 요소들을 구현하기 위한 방법이 여럿 있는 경우에는, 이들 방법 중 특정한 것 또는 이와 동일성 있는 것 가운데 어떠한 것으로든 본 명세서의 구현이 가능함을 분명히 할 필요가 있다.

본 명세서에서 어떤 구성이 특정 요소들을 포함한다는 언급이 있는 경우, 또는 어떤 과정이 특정 단계들을 포함한다는 언급이 있는 경우는, 그 외 다른 요소 또는 다른 단계들이 더 포함될 수 있음을 의미한다. 즉, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 특정 실시 형태를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 명세서의 개념을 한정하기 위한 것이 아니다. 나아가, 발명의 이해를 돕기 위해 설명한 예시들은 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자들이 일반으로 이해하는 의미를 갖는다. 보편적으로 사용되는 용어들은 본 명세서의 맥락에 따라 일관적인 의미로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은, 그 의미가 명확히 정의된 경우가 아니라면, 지나치게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다. 이하 첨부된 도면을 통하여 본 명세서의 실시 예가 설명된다.

도 1은 일반적인 다이오드 클램핑 방식의 멀티레벨 인버터 구조를 도시한다.

도 1을 참조하면, 일반적인 다이오드 클램핑 방식의 3 레벨 인버터는 고전압의 DC 링크에 직렬 연결된 다수의 커패시터(예로, 도 1의 Ctop, Cbottom)로부터 얻어지는 여러 단의 탭에 순차적으로 스위칭하는 방식으로 백투백(Back-to-Back) 연결이 가능하다

도 1의 DC 링크부(13)에는 후술되는 배터리(예로, 도 3의 11)로부터 P단 및 N단을 통해 단상의 DC 전력을 입력될 수 있다.

도 1의 DC 링크부(13)는 배터리(예로, 도 3의 11)로부터 전달되는 DC 전력(예로, Vdc)을 평활화하기 위해 로부터 P단 및 N단 사이에 직렬로 연결된 복수의 커패시터(예로, 도 1의 Ctop, Cbottom)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1 커패시터(도 1의 Ctop)의 일단은 P단과 연결되고, 타단은 중성점(NP)과 연결될 수 있다. 제2 커패시터(도 1의 Cbottom)의 일단은 중성점(NP)과 연결되고, 타단은 N단과 연결될 수 있다.

예를 들어, 복수의 커패시터(예로, 도 1의 Ctop, Cbottom) 각각에는 입력 전압의 절반(즉, Vdc/2)이 전달될 수 있다.

한편, 전력변환영역(예로, 도 1의 PC)은 후술되는 도 5의 인버터 회로(521)에 상응하며, 다수의 3레벨 인버터를 포함하도록 구현될 수 있다.

예를 들어, 3 레벨 인버터는 P(Vdc/2V). O(0V) 및 N(-Vdc/2V) 중 어느 하나의 출력을 출력 상전압으로 가질 수 있다. 또한, 3 레벨 인버터의 각 레그(예로, 도 1의 A, B, C)는 4개의 스위치 소자로 구성되고, 스위치의 온/오프 상태에 따른 각 레그(예로, 도 1의 A, B, C)의 출력 상태는 하기 표 1과 같다.

도 2는 일반적인 멀티레벨 인버터의 스위칭 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 3 레벨 인버터의 각 레그(예로, 도 1의 A, B, C)의 출력 전압의 조합에 따라 도 2와 같은 총 27개의 스위칭 상태가 존재할 수 잇다.

도 3은 본 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 블록도를 보여준다.

도 3의 배터리(11) 및 DC 링크부(13)는 전술한 설명을 기반으로 이해될 수 있다. 또한, 계통(15)은 전력의 수급 및 공급이 이루어지는 시스템으로, 복수의 발전소, 변전소 및 송배전선 등 전력의 발전 및 송배전이 이루어지는 무한 모선의 시스템을 의미할 수 있다.

한편, 본 일 실시 예에 따른 전력변환시스템(100)은 배터리(11)에 저장된 단상 DC 전력을 계통(15)에 공급 가능한 3상 AC 전력으로 변환하는 시스템으로 이해될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 일 실시 예에 따른 전력변환시스템(100)은 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)과 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2, …, 100_N, 여기서, N은 2 이상의 정수)을 포함할 수 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 병렬 구조를 갖는 복수의 전력변환모듈은 하나의 마스터와 하나 이상의 슬레이브로 구현될 수 있을 뿐만 아니라 병렬로 제어될 수 있다.

예를 들어, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)은 마스터일 수 있고, 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2, …, 100_N)은 슬레이브일 수 있다. 이 경우, 마스터의 제어장치(120_1)는 전력변환시스템(100)를 전반적으로 제어하며, 슬레이브의 제어장치(120_2, …, 120_N)와 상시 통신을 수행할 수 있다.

구체적으로, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)은 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2,…, 100_N)과 출력전압의 동기화를 위해 슬레이브의 제어장치(120_2, …, 120_N)로 동기신호를 미리 구비된 광 통신 라인(예로, 도 3의 SYNC)을 통해 전달할수 있다.

예를 들어, 슬레이브의 제어장치(120_2,…, 120_N)에 수신된 동기신호는 마스터와 슬레이브 간의 동기를 맞추기 위하여 펄스폭변 조(Pulse Width Modulation; PWM) 캐리어 카운터의 리셋에 사용될 수 있다.

본 일 실시 예에 따른 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1) 및 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2,…, 100_N) 각각은 중성점(도 3의 V_NP)의 전압을 주기적으로 센싱하기 위한 전압 센서가 구비될 수 있다.

DC 링크부(13)에 인가되는 DC 잔압을 실제로 같은 값이나, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1) 및 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2,…, 100_N)은 자신의 전압 센서를 이용하여 중성점(도 3의 V_NP)의 전압을 측정하는 과정에서 센싱오차가 독립적으로 발생할 수 있다.

이러한 중성점(도 3의 V_NP)의 센싱오차에 의해 유발되는 PWM 스케일의 차이는 병렬 운전에 따른 출력 리플을 유발하는 등 신뢰성 저하의 원인이 될 수 있다.

본 일 실시 예에 따른 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)은 제1 변환장치(110_1), 제1 제어장치(120_1) 및 옵셋 제어 장치(130)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1 변환장치(110_1)는 복수의 회로 소자를 포함할 수 있으며, DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 계통(15)으로 출력할 수 있다.

이 경우, 제1 변환장치(110_1)는 후술되는 도 5의 인버터 회로(521) 및 LC 필터 회로(523)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1 제어장치(120_1)는 제1 변환장치(110_1)에 제어 신호를 인가하여 제1 변환장치(110_1)의 출력을 제어할 수 있다. 여기서, 제어 신호는 제1 제어장치(120_1)의 제1 인버터 회로(예로, 도 5의 521)의 전력변환수단이 특정 신호의 파형에 따라 스위칭 동작할 수 있도록 구현된 PWM 제어 신호일 수 있다.

즉, 제1 제어장치(120_1)는 제1 인버터 회로(예로, 도 5의 521)의 출력을 제어함으로써 제1 변환장치(110_1)에서 출력되는 AC 전력의 전압의 크기, 파형 및 주파수를 제어할 수 있다.

또한, 병렬 운전에서 마스터에 상응하는 제1 제어장치(120_1)는 전술한 바와 같이 전력변환시스템(100)를 전반적으로 제어할 수 있음은 이해될 것이다.

도 3의 옵셋 제어 장치(130)는 마스터에 상응하는 전력변환모듈(100_1)에만 포함될 수 있다.

예를 들어, 도 1의 옵셋 제어 장치(130)는 전압센서(미도시)를 통해 DC 링크부(예로, 도 3의 13)의 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP) 정보를 획득할 수 있다.

즉, 도 3의 옵셋 제어 장치(130)는 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP) 정보를 기반으로 제1 직류전압(즉, 도 3의 V_P)과 제2 직류전압(즉, 도 3의 V_N)의 차이를 제어하기 위한 옵셋 정보를 생성할 수 있다.

이 경우, 옵셋 정보는 듀티 스케일(duty scale)에 관한 정보를 포함할 수 있다. 일 예로, 옵셋 정보는 +15V의 옵셋은 듀티 정보 '+100'에 상응하고, -15V의 옵셋은 듀티 정보 '-100'에 상응한다고 가정할 수 있다.

예를 들어, 인가되는 Vdc가 '1500' V일 때, n번째 Tx주기에서 옵셋 제어 장치(130)가 획득한 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP) 정보가 '1515' V라고 가정할 수 있다.

이 경우, 제1 직류전압(즉, 도 3의 V_P)과 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP) 간 PN 전압은 '765' V이고, 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP)과 제2 직류전압(즉, 도 3의 V_N) 간 NN 전압은 '750' V일 수 있다.

이에 따라, 옵셋 제어 장치(130)는 PN 전압을 15V만큼 낮추도록 듀티 정보 '+100'에 상응하는 옵셋 정보를 생성할 수 있다.

이어, 인가되는 Vdc가 '1500' V일 때, n+1번째 Tx주기에서 옵셋 제어 장치(130)가 획득한 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP) 정보가 '1485' V라고 가정할 수 있다.

이 경우, 제1 직류전압(즉, 도 3의 V_P)과 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP) 간 PN 전압은 '735' V이고, 측정 전압(즉, 도 3의 V_NP)과 제2 직류전압(즉, 도 3의 V_N) 간 NN 전압은 '750' V일 수 있다.

이에 따라, 옵셋 제어 장치(130)는 PN 전압을 15V만큼 올리도록 듀티 정보 '-100'에 상응하는 옵셋 정보를 생성할 수 있다.

한편, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)의 옵셋 제어 장치(130)에 의해 생성된 옵셋 정보는 별도로 구비된 통신 라인(예로, 도 3의 OFFSET)을 통해 브로드캐스트(Broadcast) 방식으로 전달 될 수 있다.

예를 들어, 통신라인(예로, 도 3의 OFFSET)은 미리 정해진 주기를 갖는 제어영역 네트워크(Controller Area Network; CAN) 통신으로 구현될 수 있다.

한편, 옵셋 제어 장치(130)의 동작 주기(즉, 옵셋 정보의 출력 주기)는 CAN 통신을 위해 미리 정해진 주기와 일치하도록 구현될 수 있다.

한편, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)과 병렬로 연결되는 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2)은 제2 변환장치(110_2) 및 제2 제어장치(120_2)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제2 변환장치(110_2)는 복수의 회로 소자를 포함할 수 있으며, DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 계통(15)으로 출력할 수 있다.

이 경우, 제2 변환장치(110_2)는 후술되는 도 5의 인버터 회로(521) 및 LC 필터 회로(523)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 제2 제어장치(120_2)는 제2 변환장치(110_2)에 제어 신호를 인가하여 제2 변환장치(110_2)의 출력을 제어할 수 있다. 여기서, 제어 신호는 제2 제어장치(120_2)의 제2 인버터 회로(예로, 도 5의 521)의 전력변환수단이 특정 신호의 파형에 따라 스위칭 동작할 수 있도록 구현된 PWM 제어 신호일 수 있다.

즉, 제2 제어장치(120_2)는 제2 인버터 회로(예로, 도 5의 521)의 출력을 제어함으로써 제2 변환장치(110_2)에서 출력되는 AC 전력의 전압의 크기, 파형 및 주파수를 제어할 수 있다.

마찬가지로, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1) 및 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2)과 병렬로 연결되는 제N 멀티레벨 전력변환모듈(100_N)은 제N 변환장치(110_N) 및 제N 제어장치(120_N)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제N 변환장치(110_N)는 복수의 회로 소자를 포함할 수 있으며, DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 계통(15)으로 출력할 수 있다.

이 경우, 제N 변환장치(110_N)는 후술되는 도 5의 인버터 회로(521) 및 LC 필터 회로(523)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 제N 제어장치(120_N)는 제N 변환장치(110_N)에 제어 신호를 인가하여 제N 변환장치(110_N)의 출력을 제어할 수 있다. 여기서, 제어 신호는 제N 제어장치(120_N)의 제N 인버터 회로(예로, 도 5의 521)의 전력변환수단이 특정 신호의 파형에 따라 스위칭 동작할 수 있도록 구현된 PWM 제어 신호일 수 있다.

즉, 제N 제어장치(120_N)는 제N 인버터 회로(예로, 도 5의 521)의 출력을 제어함으로써 제N 변환장치(110_N)에서 출력되는 AC 전력의 전압의 크기, 파형 및 주파수를 제어할 수 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 복수의 멀티레벨 전력변환모듈(100_1,…, 100_N) 각각을 위한 제1 직류전압(즉, 도 3의 V_P)과 제2 직류전압(즉, 도 3의 V_N)의 차이가 '0'으로 될 수 있다.

다시 말해, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(100_1)에 의해 제1 직류전압(즉, 도 3의 V_P) 및 제2 직류전압(즉, 도 3의 V_N)를 위한 DC 오프셋 제어가 실행된 후, DC 오프셋 출력이 통신라인(예로, 도 3의 OFFSET)을 통해 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(100_2, …, 100_N)에 전달됨으로써 모든 인버터 모듈이 같은 오프셋 전압을 출력할 수 있다.

이에 따라, 본 일 실시 예에 따른 각 전력변환모듈의 THD가 개선될 뿐만 아니라 출력 AC 오프셋의 리플이 감소되기 때문에, 향상된 안정성 및 신뢰성을 갖는 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템이 제공될 수 있다.

도 4는 본 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, S410 단계에서, 마스터인 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)은 n(여기서, n은 2 이상의 정수)번째 Tx주기와 연관된 옵셋전압 정보를 슬레이브인 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2, …, 100_N)로 송신할 수 있다.

여기서, 옵셋 전압 정보는 상기 제1 멀티레벨 전력변환모듈과 상기 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈 간 별도의 통신 라인(예로, CAN 통신)을 통해 송신될 수 있다.

전술한 바와 같이, 옵센전압 정보는 DC 링크부의 중성점과 연관된 측정 전압을 기반으로 제1 직류전압(즉, 도 3의 V_P) 및 제2 직류전압(즉, 도 3의 V_N)의 차이를 '0'으로 제어하기 위해 생성될 수 있다.

한편, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)은 미리 설정된 제1 PWM 스케일 정보 및 n번째 Tx주기와 연관된 옵셋전압 정보를 기반으로 제1 PWM 제어 정보를 갱신할 수 있다.

여기서, 미리 설정된 제1 PWM 스케일 정보는 n-1번째 Tx주기와 연관된 정보일 수 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)은 n번째 Tx주기가 만료되기 전까지 n-1번째 Tx주기와 연관된 기존 제1 PWM 제어 정보에 따라 전력 변환을 수행하도록 구현될 수 있다.

S420 단계에서, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)은 n번째 Tx주기가 만료되는지 여부를 판단할 수 있다. 만일 n번째 Tx주기가 만료되지 않은 것으로 판단될 때 수순은 S425 단계로 진행된다.

S425 단계에서,n번째 Tx주기가 만료되기 전까지 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)은 n-1번째 Tx주기와 연관된 제1 PWM 스케일 정보에 따른 PWM 제어 정보(즉, 기존의 PWM 제어 정보)에 따라 전력 변환을 수행할 수 있다.

제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)이 n번째 Tx주기의 만료까지 기존 PWM 제어정보를 유지하는 것은 슬레이브인 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2, …, 100_N)에 수신된 옵셋 정보가 하나의 인터럽트 이후 반영되기 때문이다.

만일 n번째 Tx주기가 만료된 것으로 판단되면, 수순은 S430 단계로 진행된다. 만일 n번째 Tx주기가 만료되지 않은 것으로 판단되면, 수순은 종료된다.

S430 단계에서, 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)은 n번째 Tx주기에 상응하는 제1 PWM 제어 정보를 기반으로 전력변환을 수행할 수 있다.

도 4에서 도시되진 않으나, n번째 Rx주기에서 옵셋 정보가 수신될 때, 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2, …, 100_N)은 옵셋 정보의 수신 시점에 상응하는 인터럽트의 경과 후 옵셋전압 정보를 기반으로 제2 PWM 제어 정보를 갱신할 수 있다.

예를 들어, 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2, …, 100_N)은 n번째 Rx주기가 경과한 n+1 Rx주기부터 옵셋정보를 기반으로 갱신된 제2 PWM 제어 정보를 기반으로 전력변환을 수행할 수 있다.

여기서, 제2 PWM 제어 정보는 별도의 통신 라인(예로, CAN 통신)을 통해 수신된 옵셋 정보 및 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2, …, 100_N)을 위해 미리 설정된 제2 PWM 스케일 정보를 기반으로 생성될 수 있다.

도 4의 설명을 기반으로, 본 일 실시 예에 따른 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)이 갱신된 제1 PWM 제어 정보를 적용하는 타이밍과 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2, …, 100_N)이 갱신된 제2 PWM 제어 정보를 적용하는 타이밍이 일치되도록 구현될 수 있다.

도 5는 본 일 실시 예에 따른 변환장치의 내부 블록도를 보여준다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 도 5의 변환장치(520)는 멀티레벨 전력변환모듈(도 3의 100_1,…, 100_N)에 포함되는 구성으로 이해될 수 있다.

도 5의 변환장치(520)는 인버터 회로(521) 및 LC 필터 회로(523)을 포함할 수 있다.

도 5의 인버터 회로(521)는 전술한 도 1과 상응하는 구성이며, 단상 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하는 PWM 제어 방식의 인버터를 포함할 수 있다.

다시 말해, 인버터 회로(521)는 3상 각 상(a, b 및 c)에 상응하는 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환하기 위한 복수의 전력변환수단을 포함할 수 있다.

여기서, 복수의 전력 변환 수단은 전력용 반도체 스위칭 소자의 예를 들면, GTO(Gate Turn Off Thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 MOSFET(Metal Oxide SEmiconductor Field Effect Transistor) 등일 수 있다.

인버터 회로(521)는 단상의 DC전력을 3상 AC전력으로 변환하되, 중성선을 포함하여 4개의 선으로 3상 AC 전력(3상 4선식)을 변환할 수 있다. 이어, 인버터 회로(521)는 변환된 3상 AC전력을 상기 LC필터부(523)에 전달할 수 있다

도 5의 LC 필터 회로(523)는 3상 AC전력의 고조파를 제거하여 계통(예로, 도 3의 15)으로 전달할 수 있다.

예를 들어, LC 필터 회로(523)는 인버터부(212)로부터 전달받은 3상 AC전력에 포함된 고조파를 제거하기 위해 상 AC전력의 고조파를 제거하기 위해, 각 각 상(a, b 및 c)별로 인덕터(L) 및 커패시터 (C)를 포함할 수 있다

도 6은 본 일 실시 예에 따른 변환장치의 설계 예시를 보여준다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 도 6의 제1 인버터 회로(621_1) 및 제1 LC 필터회로(623_1)는 제1 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_1)에 포함되는 구성으로 이해될 수 있다.

한편, 도 6의 제2 인버터 회로(621_2) 및 제1 LC 필터회로(623_2)는 제2 멀티레벨 전력변환모듈(예로, 도 3의 100_2)에 포함되는 구성으로 이해될 수 있다.

도 7은 종래의 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 출력 파형을 보여준다.

도 7의 (a)를 참조하면, 마스터인 멀티레벨 전력변환장치의 출력 파형이 도시된다

도 7의 (b)를 참조하면, 슬레이브인 멀티레벨 전력변환장치의 출력 파형이 도시된다

도 7의 (c)를 참조하면, 마스터와 슬레이브의 출력을 합한 최종 파형이 도시된다.

종래에는 마스터의 출력 중 왜곡이 발생되는 부분을 보상하기 위한 방향으로 슬레이브의 출력을 왜곡함으로써 최종 파형을 사인파로 생성하는 방식이 사용되었다.

마스터와 슬레이브의 왜곡된 출력파형은 병렬 운전에 따른 출력 리플을 유발하는 등 신뢰성 저하의 원인으로 작용할 수 있다.

도 8은 본 일 실시 예에 따른 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 출력파형을 보여준다.

도 8의 (a)를 참조하면, 마스터인 멀티레벨 전력변환장치의 출력 파형이 도시된다

도 8의 (b)를 참조하면, 슬레이브인 멀티레벨 전력변환장치의 출력 파형이 도시된다

도 8의 (c)를 참조하면, 마스터와 슬레이브의 출력을 합한 최종 파형이 도시된다.

본 일 실시 예에 따라 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압을 기반으로 제1 직류전압과 제2 직류전압의 차이가 '0'이 되도록 제어할 때, 마스터와 슬레이브의 출력파형에는 왜곡이 발생되지 않게 된다.

이에 따라, 향상된 안정성 및 신뢰성을 갖는 복수의 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 전력변환시스템이 제공될 수 있다.

본 명세서의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 명세서의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 명세서의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

11: 배터리
13: DC 링크부
15: 계통
110_1~110_N: 복수의 전력변환장치

Claims

DC 링크부의 제1 직류전압 및 제2 직류전압을 계통을 위한 교류전압으로 변환시키는 제1 멀티레벨 전력변환모듈; 그리고
상기 제1 멀티레벨 전력변환 장치와 병렬로 연결되는 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하되,
상기 제1 멀티레벨 전력변환모듈은,
상기 DC 링크부의 중성점(Neutral Point)과 연관된 측정 전압을 기반으로 상기 제1 직류전압과 상기 제2 직류전압의 차이를 제어하기 위하여 n번째 전송주기와 연관된 옵셋 정보를 생성하는 옵셋 제어 장치;
n-1번째 전송주기와 연관된 기 설정된 제1 PWM(Pulse Width Modulation) 스케일 정보를 기반으로 제1 PWM 제어 정보를 생성하고, 상기 옵셋 정보를 기반으로 상기 제1 PWM 제어 정보를 갱신하는 제1 제어 장치; 및
상기 제1 PWM 제어 정보에 따라 구동하는 제1 인버터 회로를 포함하되,
상기 옵셋 정보는 상기 제1 멀티레벨 전력변환모듈과 상기 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈 간 별도의 통신 라인을 통해 송신되고,
상기 제1 멀티레벨 전력변환모듈은 상기 n번째 전송주기의 경과 유무에 따라 상기 갱신된 제1 PWM 제어 정보의 적용 여부를 결정하도록 구현되고, 그리고
상기 n번째 전송주기가 경과된 이후부터 n+1 전송주기가 경과되기 전까지 상기 갱신된 제1 PWM 제어 정보가 상기 제1 인버터 회로에 적용되도록 구현되는,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제1 항에 있어서,
상기 옵셋 정보는 상기 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈을 위해 브로드캐스팅 방식으로 송신되는,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제1 항에 있어서,
상기 옵셋 제어 장치를 위한 동작 주기는 상기 통신 라인을 위한 통신 주기와 일치하도록 구현되는,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 n번째 전송주기가 경과되지 전까지 상기 n-1번째 전송주기와 연관된 갱신 전 PWM 제어 정보가 상기 제1 인버터 회로에 적용되도록 구현되는,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제5 항에 있어서,
상기 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈은,
미리 설정된 제2 PWM 스케일 정보를 기반으로 제2 PWM 제어 신호를 생성하고, 상기 통신 라인을 통해 수신된 옵셋 정보를 기반으로 상기 제2 PWM 제어 정보를 갱신하는 제2 제어 장치; 및
상기 제2 PWM 제어 신호에 따라 동작하는 제2 인버터 회로를 포함하는 제2 변환 장치를 포함하는,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제6 항에 있어서,
상기 옵셋 정보가 상기 제2 멀티레벨 전력변환모듈의 n번째 수신주기와 연관될 때, 상기 갱신된 제2 PWM 제어 정보는 상기 n번째 수신주기의 경과 이후 n+1 수신주기 동안 상기 제2 인버터 회로에 적용되도록 구현되는,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제7 항에 있어서,
상기 n번째 수신주기는 상기 n번째 송신주기에 상응하도록 구현되고,
상기 n+1번째 수신주기는 상기 n+1번째 송신주기에 상응하도록 구현되는
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제1 항에 있어서,
상기 옵셋 정보는 듀티 스케일(duty scale)에 기반한 정보인,
복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템.
제1 멀티레벨 전력변환모듈 및 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈을 포함하는 복수의 멀티레벨 전력변환장치를 포함하는 전력변환시스템의 동작 방법에 있어서,
DC 링크부의 중성점과 연관된 측정 전압을 기반으로 제1 직류전압과 제2 직류전압의 차이를 제어하기 위한 n번째 Tx주기와 연관된 옵셋전압 정보를 송신하되,
상기 옵셋전압 정보는 상기 제1 멀티레벨 전력변환모듈과 상기 하나 이상의 제2 멀티레벨 전력변환모듈 간 별도의 통신 라인을 통해 송신되고, 그리고
상기 옵셋 정보 및 미리 설정된 PWM 스케일 정보를 기반으로 PWM 제어 정보가 갱신되는, 단계; 및
상기 n번째 Tx주기가 경과된 이후부터 n+1 Tx주기가 경과되기 전까지 상기 갱신된 PWM 제어 정보를 기반으로 전력변환을 수행하는 단계를 포함하는 방법.