KR102381735B1 - 계통연계 3상 인버터 제어 장치 - Google Patents

계통연계 3상 인버터 제어 장치 Download PDF

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Abstract

계통연계 3상 인버터 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 계통연계 3상 인버터 제어 장치는 계통연계 3상 인버터 제어 장치는 계통연계 3상 인버터의 계통전압을 감지하는 계통전압 센서; 상기 계통연계 3상 인버터의 인버터측 필터 인덕터 전류를 감지하는 인버터측 필터 인덕터 전류 센서; 상기 계통연계 3상 인버터의 부하전류를 감지하는 부하전류 센서; 및 상기 계통전압과 계통전류 및 부하전류 중 적어도 하나를 이용하여 상기 계통연계 3상 인버터의 단독운전(Stand-alone) 모드 및 계통운전(Grid-Connected) 모드를 정전류 제어 방식으로 수행하여 운전모드 전환시의 과도 현상을 제거하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

계통연계 3상 인버터 제어 장치{GRID CONNECTED THREE-PHASE INVERTER CONTROL APPARATUS}
본 발명은 계통연계 3상 인버터 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단독운전 모드와 계통연계 모드에서 동시에 사용할 수 있는 제어 방식을 토대로 과도 현상이 없이 끊김없는 자연스러운 모드 변환이 가능한 계통연계 3상 인버터 제어 장치에 관한 것이다.
최근 점차 증가하는 에너지 소비량과 화석 연료 사용으로 인한 환경 문제에 대한 관심이 커지면서 이를 해결할 수 있는 신재생 에너지에 대한 투자와 연구가 증대하고 있다. 이러한 친환경 신재생 에너지의 수요가 증가함에 따라 독립된 분산 전원을 중심으로 신재생 에너지를 전력 계통에 접속하기 위한 계통연계형 인버터에 대한 수요가 증가하고 있다.
일반적인 계통연계형 인버터는 태양광, 풍력 발전 등의 분산 전원으로부터 발전된 전력을 계통에 공급하는 계통연계 모드로 동작하고, 중요 부하가 존재하는 경우에는 계통이 끊어졌을 경우 3상 인버터가 부하에 전력을 공급하는 단독운전 모드로 동작한다.
하지만 두 운전모드는 제어 목적이 서로 상이하다. 계통연계 모드는 계통 전원을 정전압 소스원으로 보고 전류제어를 수행하지만, 단독운전 모드에서는 부하에 안정적인 전원 공급을 위해 정전압 제어를 수행한다.
따라서 두 모드의 제어 알고리즘과 구조가 상이하여 두 모드 간 자연스러운 변환이 쉽지 않다. 한편, 여러 분산 전력을 전력원으로 사용하는 하이브리드 전력시스템에서는 일정한 전압 크기와 주파수를 갖는 AC 전원을 공급하는 것과 동시에 실시간 변동하는 운전 조건에 따라 필요 시 여유분의 전력을 계통에 공급하거나 부족한 전력을 계통으로부터 공급받아 디씨링크단을 충전시키는 역할을 수행해야 한다.
하지만 기존의 계통연계 인버터의 운전 방식으로는 끊김없는 자연스러운 모드 변환이 어렵기 때문에 인버터 출력을 멈추는 휴지기가 존재하여 전력시스템 운영과 중요 부하에 악영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2018-0112596(2018.10.12)의 'LCL 필터 적용 계통연계 인버터의 제어 시스템'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 단독운전 모드와 계통연계 모드에서 동시에 사용할 수 있는 제어 방식을 토대로 과도 현상이 없이 끊김없는 자연스러운 모드 변환이 가능한 계통연계 3상 인버터 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는 계통연계 3상 인버터의 계통전압을 감지하는 계통전압 센서; 상기 계통연계 3상 인버터의 인버터측 필터 인덕터 전류를 감지하는 인버터측 필터 인덕터 전류 센서; 상기 계통연계 3상 인버터의 부하전류를 감지하는 부하전류 센서; 및 상기 계통전압과 계통전류 및 부하전류 중 적어도 하나를 이용하여 상기 계통연계 3상 인버터의 단독운전(Stand-alone) 모드 및 계통운전(Grid-Connected) 모드를 정전류 제어 방식으로 수행하여 운전모드 전환시의 과도 현상을 제거하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 단독운전 모드시, 상용 각주파수로 생성된 위상각을 기준으로 dq 좌표 변환을 수행하고, 상기 부하전류를 이용하여 계통측 필터 인덕터 전류를 생성하며, 계통측 필터 인덕터 전류에 필터 캐패시터 전류를 더하여 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류를 생성하며, 상기 인버터측 필터 인덕터 전류를 좌표 변환하여 상기 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류와 비교하여 PI 제어를 수행하고 전향 보상 텀으로 dq축 인버터측 필터 인버터 전류의 각속도에 의한 커플링 성분과 필터 캐패시터 전압을 전향 보상하여 dq 좌표계에서의 인버터 지령 전압을 생성한 후, 고정자 좌표계로 회전 변환하여 최종 레그 지령전압을 생성하여 공간벡터 변조방식으로 PWM를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 계통연계 3상 인버터의 출력전압을 토대로 정전압 제어를 추가적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 정전압 제어시, 상기 계통연계 3상 인버터의 출력전압의 실효값과 출력전압 지령치의 실효값을 비교하여 PI 제어를 수행하여 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터를 생성하고, 생성된 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터를 d축 캐패시터 전압에 더하여 필터 캐패시터의 d축 전압 지령치를 생성한 후, 생성된 d축 전압 지령치를 상기 필터 캐패시터 전류와 상기 dq축 인버터측 필터 인버터 전류의 각속도에 의한 커플링 성분에 반영하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 계통연계 3상 인버터가 LC 필터를 구비하면 계통측 필터 인덕터의 값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 연계운전 모드시, 계통전압으로 생성된 위상각을 기준으로 dq 좌표 변환을 수행하고, 상기 부하전류와 원하는 계통연계 전류치를 더하여 계통측 필터 인덕터 전류 지령치를 생성하며, 계통측 필터 인덕터 전류 지령치에 필터 캐패시터 전류를 더하여 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류를 생성하며, 상기 인버터측 필터 인덕터 전류를 좌표 변환하여 상기 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류와 비교하여 PI 제어를 수행하고 전향 보상 텀으로 dq축 인버터측 필터 인버터 전류의 각속도에 의한 커플링 성분과 필터 캐패시터 전압을 전향 보상하여 dq 좌표계에서의 인버터 지령 전압을 생성한 후, 고정자 좌표계로 회전 변환하여 최종 레그 지령전압을 생성하여 공간벡터 변조방식으로 PWM를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어부는 상기 계통연계 3상 인버터가 LC 필터를 구비하면 계통측 필터 인덕터의 값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는, 단독운전 모드와 계통연계 모드에서 동시에 사용할 수 있는 제어 방식을 토대로 과도 현상이 없이 끊김없는 자연스러운 모드 변환이 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는, 정전압 제어기를 구비하여 부하나 필터 파라미터의 변동이나 오차에도 강인한 정전압 특성을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는, 필터 파라미터의 정상 상태 전류 및 전류 보상을 통해 빠른 응답 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치, 중요 부하가 실시간 변화하는 분야에서도 안정적으로 부하를 공급하면서 동시에 계통연계 기능도 수행할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 3상 인버터 회로 구조를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치의 블록 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기 1차측(wye)으로 환산한 LCL 필터 주변 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 정상상태에서 LCL 필터 회로 메쉬(mesh)들의 전압-전류 위상 관계도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCL 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로의 심리스 제어 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로의 심리스 제어 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 3상 인버터의 동작 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 단독운전 모드에서 부하 변동시 정전압 레귤레이션을 나타낸 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 모드에서 실시간 무작위 부하 변동시 계통연계 전류 레귤레이션을 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 3상 인버터 회로 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 3상 인버터 회로는 디씨링크 커패시터(C)를 포함한 DC 전압원(Vdc)을 소스원으로 3개의 스위칭 레그의 120도씩 위상 지연된 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 통해 기본파를 포함한 고조파 성분의 PWM 전압원이 생성된다.
또한, 부하단(Critical Load)에 일정한 주파수의 안정적인 AC 전압을 공급하기 위해 인버터 출력단에 고조파 저감용 LC 또는 LCL 등의 저역 통과 필터가 설치된다.
본 실시예에서는 LCL 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로를 예시로 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 범위는 LC 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로에도 적용될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
또한, 인버터와 출력 간의 전기적 절연 및 DC 전압원과 출력전압 간의 적절한 전압 변환비(n:1)를 위해 저주파 변압기(Transformer)가 구비된다.
여기서, Li는 인버터측 필터 인덕터, Lg는 계통측 필터 인덕터, Cf는 필터 캐패시터이다.
저주파 변압기는 Delta-Wye 혹은 Wye-Wye 등의 3상 변압기가 사용되고, 중요 부하는 일반적으로 RL 부하로 표현될 수 있다.
계통연계운전과 단독운전을 결정하기 위해 인버터 출력단에 출력 컨택터(Inverter Output Contactor)가 구비되고 계통(Vgrid)측에는 계통전원과 계통관리자에 의해 결정되는 계통측 컨택터(Grid Contactor)가 구비된다.
계통연계형 3상 인버터 회로는 단독운전 모드에서는 인버터를 통해 직접 3상 AC 전원을 생성하여 중요 부하에 안정적인 정전압을 제공한다. 계통연계형 3상 인버터 회로는 부하 변동시에는 일정한 주파수의 정전압원을 공급하기 위해 전압제어 모드로 동작한다.
한편, 계통연계형 3상 인버터 회로는 계통연계 모드로 동작할 때는 계통 전압 Vgrid를 정전압원으로 보고 PLL을 수행하여 위상각을 계산하고 dq 회전자 좌표계에서 전류제어를 수행한다.
그러나, 계통연계 모드와 단독운전 모드 각각에 대한 제어 방식이 상이하기 때문에 두 가지 운전 모드에 따른 제어 알고리즘도 상이하다. 즉, 단독운전 모드시에는 정전압 제어를 수행하고, 계통연계 모드시에는 정전류 제어를 수행하기 때문에 두 모드 간 자연스러운 모드 전환은 어렵다. 그래서 끊김없이 모드를 전환하고자 할 때에는 모드 전환시 과도 현상이 나타나게 된다.
이러한 과도 현상은 부하와 전력 스위치 등에 치명적이기 때문에 모드 변경이 필요할 때에 휴지기를 두어 3상 인버터의 출력을 끄게 된다. 하지만, 중요 부하(Critical Load), 철도 차량이나 서버 등이 존재하는 경우에 모드 변환시 인버터의 출력 끊김은 시스템 운영과 중요 부하에 지장을 초래할 수 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에서는 단독운전 모드와 계통연계 모드에서 계통연계형 3상 인버터를 동일한 제어 방식으로 제어하여 과도 현상이 없이 끊김없는 자연스러운 모드 전환이 가능하도록 한다. 이를 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치의 블록 구성도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기 1차측(wye)으로 환산한 LCL 필터 주변 등가회로를 나타낸 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 정상상태에서 LCL 필터 회로 메쉬(mesh)들의 전압-전류 위상 관계도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCL 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로의 심리스(Seamless) 제어 알고리즘을 도시한 도면이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로의 심리스 제어 알고리즘을 도시한 도면이며, 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 3상 인버터의동작 시뮬레이션을 나타낸 도면이며, 도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 단독운전 모드에서 부하 변동시 정전압 레귤레이션을 나타낸 도면이며, 도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 모드에서 실시간 무작위 부하 변동시 계통연계 전류 레귤레이션을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 센서(10), 인버터측 필터 인덕터 전류 센서(20), 부하류 센서(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
계통전압 센서(10)는 계통연계형 3상 인버터로부터 계통에 인가되는 계통전압(Vgrid_abc)을 감지하여 제어부(40)에 입력한다.
인버터측 필터 인덕터 전류 센서(20)는 계통연계형 3상 인버터에서 인버터측 필터 인덕터 전류(ILi_abc)를 감지하여 제어부(40)에 입력한다.
부하전류 센서(30)는 게통연계형 3상 인버터로부터 부하로 흐르는 부하전류(ILoad_abc)를 감지하여 제어부(40)에 입력한다.
제어부(40)는 단독운전 모드와 계통연계 모드에서 동일한 제어 방식으로 과도 현상이 없이 끊김없는 자연스러운 모드 변환이 가능하도록 한다. 이를 위해, 제어부(40)는 LCL 필터의 회로 메쉬(mesh)에서 정상상태에서의 전압-전류 관계도를 표현한 페이저(Phasor)를 기반으로 한다.
도 3에는 3상 인버터에서 단위 상에 대해 표현한 필터 주변의 등가회로도가 도시되었다.
도 3을 참조하면, ILi는 인버터측 필터 인덕터 전류이고, ILg는 계통측 필터 인덕터 전류이며, ICf는 필터 캐패시터의 전류이며, ILm은 변압기의 자화 인덕터 Lm의 전류이며, I’ Load와 I’ grid는 변압기 1차측으로 환산된 부하 전류와 계통전류이며, V’ grid는 1차측 환산된 계통전압이다.
메쉬 ①과 메쉬 ②에 대한 전압-전류 관계도를 해석하면 도 4에 도시된 바와 같은 정상상태에서의 필터 파라미터들 간의 페이저를 얻을 수 있다.
여기서 변압기는 Delta-Wye 방식을 사용했으므로 1차측으로 환산된 계통전압, 계통전류, 부하전류는 2차측 대비 30도 지연되었다. 도 6에서 sub-script로 표현한 “,pri”는 1차측 환산된 값을 의미한다. 예를 들어 Vgrid,pri _de는 1차측으로 환산된 2차측 계통전압을 의미한다.
아래의 수학식 (1)은 mesh에서 KCL, KVL을 만족하는 전압-전류 회로 방정식을 나타낸다.
부하전류와 계통전류를 더하고 이에 자화 인덕터 전류를 더한 값은 계통측 필터 인덕터 전류 ILg와 같다.
계통전압에 계통측 필터 인덕터 Lg의 전압 jωLgILg를 더하면 필터 캐패시터 전압 VCf가 된다.
계통측 필터 인덕터 전류 ILg에 필터 캐패시터 전류 jωCfVCf를 더하면 인버터측 필터 인덕터의 전류 ILi가 된다.
필터 캐패시터 전압 VCf에 인버터측 필터 인덕터 Li의 전압 jωLiILi을 더하면 인버터 출력 전압 Vinv *가 된다.
여기서 각 변수들은 벡터값이므로 방향을 고려해줘야 한다. 여기서 j는 위상에서 허수축을 의미한다.
Figure 112020018847071-pat00001
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCL 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로의 심리스 제어 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, n은 변압기의 권선비를 의미하고,
Figure 112020018847071-pat00002
은 wye 권선에서 delta로 변환 시 나타나는 전압 환산값을 나타낸다.
제어부(40)는 운전모드, 예컨대 단독운전 모드와 계통연계 모드에 관계없이 동일한 제어를 수행한다.
먼저, 단독운전(Stand-alone) 모드에서, 제어부(40)는 상용 각주파수 ω를 적분하여 위상각 θ를 생성한다.
이어 제어부(40)는 생성된 위상각 θ를 기준으로 부하 전류 센싱값 ILoad _abc를 dq 좌표 변환한 값에 q축 자화 전류
Figure 112020018847071-pat00003
를 보상하여 dq축 계통측 필터 인덕터 전류 ILg_dq를 생성한다.
여기서, ILg _ dq=ILg _d + jILg _q로써 실수측 (d축)과 허수축 (q축)을 동시에 표현한 벡터값이다.
한편, 제어부(40)는 dq축 계통측 필터 인덕터 전류 ILg _ dq에 필터 캐패시터 전류
Figure 112020018847071-pat00004
ωCfVCf _qd *를 더하여 지령 전류 ILi _ dq *를 얻는다.
제어부(40)는 인버터측 필터 인덕터 ILi의 센싱값인 인버터측 필터 인덕터 전류 ILi _abc를 dq 좌표변환 후, 이를 인버터측 필터 인덕터 전류 지령치 ILi _abc *와 비교하여 PI 제어를 수행하고 전향 보상 텀(term)으로 필터 캐패시터 전압 VCf _ dq *와 dq축 ILi 전류의 각속도에 의한 커플링(coupling) 성분
Figure 112020018847071-pat00005
ωLiVLi _ qd를 전향 보상하여 dq 좌표계에서의 인버터 지령 전압을 생성한 후, 고정자 좌표계로 회전 변환하여 최종 Leg 지령전압 Vinv _ dq *를 생성하여 공간벡터 변조방식으로 PWM를 출력(PWM_abc *)한다.
이때, 단독운전 모드에서의 전압 제어는 일반적인 직접 제어 방식으로 제어되지 않는다.
대신에 Vgrid _mag에 의한 전향 보상 텀(term)으로 VCf에 포함되어 ILi 전류 제어시 간접적으로 제어되고 있으므로 회로 파라미터의 오차나 부하 변동 시 부하 전압이 약간 변동할 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 전체 제어 알고리즘의 틀을 유지하면서 출력 전압을 직접 제어하여 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터 VCf _d_comp을 이용하여 정전압을 유지할 수 있다.
즉, 제어부(40)는 출력 전압 Vout _abc의 실효값과 출력 전압 지령치의 실효값을 비교하여 PI 제어를 수행하여 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터 VCf _d_comp을 생성하고, 생성된 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터 VCf _d_comp을 d축 캐패시터 전압 VCf _d에 더하여 필터 캐패시터의 d축 전압 지령치 VCf_d *를 입력한다.
이와 같이, 본 실시예에서는 단독운전 모드에서 상기한 바와 같이 전류 제어에 추가적으로 정전압 제어를 추가적으로 더 수행함으로서, 회로 파라미터의 오차나 부하 변동에도 강인한 정전압 특성을 유지할 수 있도록 하고, 이를 토대로 상대적으로 더욱 정확하게 제어를 요구하는 시스템이나 장치 등에 구비될 수 있게 된다.
한편, 제어부(40)는 연계운전 모드시에는, 계통전압(Vgrid _abc)을 위상동기루프(Phase Lock Loop;PLL)를 이용하여 위상각 θgrid를 생성한다.
이어 제어부(40)는 생성된 위상각 θgrid을 기준으로 부하 전류 센싱값 ILoad_abc를 dq 좌표 변환한 값에 q축 자화 전류
Figure 112020018847071-pat00006
를 보상하여 계통측 필터 인덕터 전류 ILg _ dq를 생성한다. 여기서, ILg _ dq=ILg _d + jILg _q로써 실수측 (d축)과 허수축 (q축)을 동시에 표현한 벡터값이다.
이어 계통측 필터 인덕터 전류 ILg _ dq에 dq축 계통전류 지령치 Igrid _ dq *를 더하여 계통측 필터 인덕터 전류 지령치 ILg_dq *를 생성한다.
한편, 제어부(40)는계통측 필터 인덕터 전류 지령치 ILg _ dq *에 필터 캐패시터 전류
Figure 112020018847071-pat00007
ωCfVCf _ qd *를 더하여 지령 전류 ILi _ dq *를 얻는다.
제어부(40)는 인버터측 필터 인덕터 ILi의 센싱값인 인버터측 필터 인덕터 전류 ILi _abc를 dq 좌표변환 후, 이를 인버터측 필터 인덕터 전류 지령치 ILi _abc *와 비교하여 PI 제어를 수행하고, 전향 보상 텀(term)으로 필터 캐패시터 전압 VCf _ dq *와 dq축 ILi 전류의 각속도에 의한 coupling 성분
Figure 112020018847071-pat00008
ωLiVLi _ qd를 전향 보상하여 dq 좌표계에서의 인버터 지령 전압을 생성한 후, 고정자 좌표계로 회전 변환하여 최종 Leg 지령전압 Vinv_dq *를 생성하여 공간벡터 변조방식으로 PWM를 출력(PWM_abc *)한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로의 심리스 제어 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, LC 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로에 있어서, 제어부(40)는 상기한 LCL 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로에 대한 제어방식과 동일하다.
계통연계 모드에서, 제어부(40)는 계통전압의 위상각을 추정하여 계통 위상각 기반의 동일한 제어 알고리즘을 통해 구동된다.
다만, 단독운전 모드와 다른 점은, 제어부(40)가 정전압 제어 기능이 없이 단지 ILg _ dq에 계통 주입 전류 Igrid _ dq *를 더하는 것이다. 즉, LC 필터를 구비한 계통연계형 3상 인버터 회로에 있어서, 계통측 필터 인덕터 Lg를 0으로 설정하여 VCf=n/sqrt(3)*Vgrid,mag로써 Vgrid를 일차측으로 환산한 값과 동일하다.
본 실시예에서는 부하 전류의 계측 값을 기반으로 전류 지령을 생성하므로 부하의 실시간 무작위 변동에도 관계없는 강인한 계통 전류제어를 수행할 수 있다. 따라서, 부하 전류의 크기와 무관하게 계통전류의 역률을 1에 가깝게 유지할 수 있다.
이와 같이 제어부(40)는 정상상태에서의 필터 주변 파라미터가 전압-전류 phasor 관계를 기반으로 동일한 제어 구조에서 단독운전, 계통연계가 구현되므로 두 모드 변환간의 과도 현상이나 끊김이 없다.
또한, 파라미터간의 정상상태 전압, 전류 term들이 각 제어 과정마다 미리 보상되므로 ILi 제어기의 부담이 적어서 부하 전류 혹은 계통전류의 변동에도 빠른 응답을 기대할 수 있다.
한편, 본 발명에 대한 서술은 LCL 필터를 중심으로 전개하였으나, 계통측 인덕터가 존재하지 않는 LC 필터에도 동일하게 적용 가능하고, 변압기의 형태 및 존재 유무에도 무관하다.
도 7은 제안하는 심리스 제어 알고리즘을 중요 부하를 갖는 3상 인버터(그림1)에 적용하여 동작 모드 변경에 따른 정상 동작 상태를 확인한 시뮬레이션 결과이다. 과도 현상이나 끊김 현상이 나타나지 않고 단독운전/계통연계(발전)/계통연계(충전) 변경에도 자연스러운 모드 변환 특징을 보여준다.
도 8은 단독운전 모드에서의 부하의 실시간 변동(무부하 ~ 150%) 시 동작을 나타낸 것으로 정전압 특성을 보여준다. 제어 알고리즘 내 포함한 정전압 제어기에 의해 정전압 레귤레이션(regulation)되는 것을 알 수 있다.
그림 9은 계통연계 모드에서의 부하의 실시간 무작위 변동 (무부하 ~ 100%) 시 동작을 나타낸 것으로 부하 전류의 무작위 변동에도 계통전류가 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 상술한 구성 요소들의 기능은 본 실시예에 대한 동작을 보다 명확하게 이해할 수 있도록 각기 구분하여 설명하였으나, 실시예에 따라서는 제어부(40)가 구성 요소들의 기능을 모두 통합하여 실시하거나, 또는 제어부(40)가 구성 요소들의 기능 중 적어도 하나 이상을 대체하여 실시할 수도 있음에 유의한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 측면에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는, 단독운전 모드와 계통연계 모드에서 동시에 사용할 수 있는 제어 방식을 토대로 과도현상이 없이 끊김없는 자연스러운 모드 변환이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는, 정전압 제어기를 구비하여 부하나 필터 파라미터의 변동이나 오차에도 강인한 정전압 특성을 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치는, 필터 파라미터의 정상 상태 전류 및 전류 보상을 통해 빠른 응답 특성을 확보할 수 있다.
게다가, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 3상 인버터 제어 장치, 중요 부하가 실시간 변화하는 분야에서도 안정적으로 부하를 공급하면서 동시에 계통연계 기능도 수행할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 계통전압 센서
20: 인버터측 필터 인덕터 전류 센서
30: 부하전류 센서
40: 제어부

Claims (7)

  1. 계통연계 3상 인버터의 계통전압을 감지하는 계통전압 센서;
    상기 계통연계 3상 인버터의 인버터측 필터 인덕터 전류를 감지하는 인버터측 필터 인덕터 전류 센서;
    상기 계통연계 3상 인버터의 부하전류를 감지하는 부하전류 센서; 및
    상기 계통전압과 계통전류 및 부하전류 중 적어도 하나를 이용하여 상기 계통연계 3상 인버터의 단독운전(Stand-alone) 모드 및 계통연계(Grid-Connected) 모드를 정전류 제어 방식으로 수행하여 운전모드 전환시의 과도 현상을 제거하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 단독운전 모드시, 상용 각주파수로 생성된 위상각을 기준으로 dq 좌표 변환을 수행하고, 상기 부하전류를 이용하여 계통측 필터 인덕터 전류를 생성하며, 계통측 필터 인덕터 전류에 필터 캐패시터 전류를 더하여 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류를 생성하며, 상기 인버터측 필터 인덕터 전류를 좌표 변환하여 상기 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류와 비교하여 PI 제어를 수행하고 전향 보상 텀으로 dq축 인버터측 필터 인버터 전류의 각속도에 의한 커플링 성분과 필터 캐패시터 전압을 전향 보상하여 dq 좌표계에서의 인버터 지령 전압을 생성한 후, 고정자 좌표계로 회전 변환하여 최종 레그 지령전압을 생성하여 공간벡터 변조방식으로 PWM를 출력하며,
    상기 제어부는 상기 계통연계 3상 인버터의 출력전압을 토대로 정전압 제어를 추가적으로 수행하며,
    상기 제어부는 계통연계 모드시, 계통전압으로 생성된 위상각을 기준으로 dq 좌표 변환을 수행하고, 상기 부하전류와 원하는 계통연계 전류치를 더하여 계통측 필터 인덕터 전류 지령치를 생성하며, 계통측 필터 인덕터 전류 지령치에 필터 캐패시터 전류를 더하여 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류를 생성하며, 상기 인버터측 필터 인덕터 전류를 좌표 변환하여 상기 dq축 인버터측 필터 인덕터 지령전류와 비교하여 PI 제어를 수행하고 전향 보상 텀으로 dq축 인버터측 필터 인버터 전류의 각속도에 의한 커플링 성분과 필터 캐패시터 전압을 전향 보상하여 dq 좌표계에서의 인버터 지령 전압을 생성한 후, 고정자 좌표계로 회전 변환하여 최종 레그 지령전압을 생성하여 공간벡터 변조방식으로 PWM를 출력하는 것을 특징으로 하는 계통연계 3상 인버터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 정전압 제어시, 상기 계통연계 3상 인버터의 출력전압의 실효값과 출력전압 지령치의 실효값을 비교하여 PI 제어를 수행하여 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터를 생성하고, 생성된 d축 캐패시터 전압 보상 파라미터를 d축 캐패시터 전압에 더하여 필터 캐패시터의 d축 전압 지령치를 생성한 후, 생성된 d축 전압 지령치를 상기 필터 캐패시터 전류와 상기 dq축 인버터측 필터 인버터 전류의 각속도에 의한 커플링 성분에 반영하는 것을 특징으로 하는 계통연계 3상 인버터 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 계통연계 3상 인버터가 LC 필터를 구비하면 계통측 필터 인덕터의 값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 계통연계 3상 인버터 제어 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113964837B (zh) * 2021-10-09 2023-12-12 北京南瑞数字技术有限公司 适用于lcl型并联有源电力滤波器的复合控制方法和系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040094552A (ko) * 2003-05-03 2004-11-10 (주)그린파워 에너지 회생형 다기능 전자부하
JP5004366B2 (ja) * 2009-12-07 2012-08-22 株式会社京三製作所 不平衡電圧補償方法、不平衡電圧補償装置、三相コンバータの制御方法、および、三相コンバータの制御装置
KR20170018516A (ko) * 2015-08-10 2017-02-20 성신전기공업(주) 전류원인버터를 이용한 회생전력제어기능을 가지는 전력변환장치
KR101914444B1 (ko) * 2017-04-04 2018-11-02 서울과학기술대학교 산학협력단 Lcl 필터 적용 계통연계 인버터의 제어 시스템
KR102042336B1 (ko) * 2018-02-19 2019-11-07 서울과학기술대학교 산학협력단 계통연계형 인버터의 동작 모드 전환 방법
KR20190116908A (ko) * 2018-04-05 2019-10-15 주식회사 텔다 단독운전상태에서 비상전원 전환 기능을 구비하는 전력변환시스템 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101966318B1 (ko) 2017-09-18 2019-08-27 한국철도기술연구원 불연속 변조 기법을 이용한 고속철도 추진제어 장치용 단상 pwm 컨버터 및 그 제어 방법

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