KR102416374B1 - 고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치 - Google Patents

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Abstract

고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치가 개시된다. 고압인버터 시스템에서 단상 입출력 방식의 전력셀의 직류단 전압을 제어하는 본 발명의 장치는, 정상분 전압과 정상분 전류에 의한 제1평균전력을 이용하여 직류단 전압의 평균값을 제어하는 제1직류단 전압지령을 출력하고, 역상분 전압과 정상분 전류 또는 정상분 전압과 역상분 전류에 의한 제2평균전력을 이용하여 상간 직류단 전압을 제어하는 제2직류단 전압지령을 출력한다.

Description

고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING DC LINK VOLTAGE IN POWER CELL OF MEDIUM VOLTAGE INVERTER}
본 발명은 고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치에 대한 것이다.
일반적으로, 고압인버터(medium voltage inverter)는, 입력 선간전압의 실효치가 600V 이상인 인버터로서, 정격 전력용량은 수백 kW부터 수십 MW까지 다양하며, 팬, 펌프, 압축기 등의 응용분야에 주로 사용되고 있다.
이러한 고압인버터는 주로 3레벨 이상의 전압을 출력하는 멀티레벨 인버터가 사용되며, 특히 직렬형 H-브릿지(cascaded H-bridge, CHB) 인버터가 많이 사용되고 있다. CHB 인버터는 구성되는 전력셀의 개수에 따라 인버터 출력전압 레벨의 크기와 개수가 결정되며, 각 전력셀로 절연된 전압이 입력된다.
도 1은 종래 고압인버터의 전력셀 토폴로지를 설명하기 위한 것이다.
종래 고압인버터의 전력셀은, 정류부(110)가 다이오드 프론트 엔드(diode front end)로 구성되므로, 별도의 제어없이 교류전원을 직류전원으로 변환할 수 있으며, 변환된 직류단 전압은 단상 CHB 인버터의 전압원 역할을 하게 된다. 이와 같은 종래의 고압인버터의 전력셀은 구조가 간단하고 제어가 쉬우므로, 고압인버터 토폴로지로 가장 많이 이용되고 있다.
그러나, 이러한 CHB 토폴로지의 고압인버터가 가감속이 빠른 부하 또는 회생(regeneration)부하에 적용될 경우, 직류단 전압제어가 불가능하므로 불필요한 트립이 빈번하게 발생하게 되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 전력셀에 다이오드 타입의 정류회로가 적용되는 경우, 고압인버터의 입력단의 전류 THD(total harmonic distortion) 조건을 만족하기 위해 고가의 위상천이 변압기(120)가 반드시 적용되어야 하는 문제점이 있다.
또한, 도 1과 같은 CHB 토폴로지의 고압인버터는 6600V의 전압을 출력하기 위해 총 18세트의 전력셀이 필요한데, 이와 같이 많은 수의 전력셀은 고압인버터 자체의 신뢰성을 저하시키는 요인이 되며, 가격 및 사이즈 측면에서 최적화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 가감속이 빠른 부하나 회생부하에 적용하여도 고압인버터가 안정적으로 동작하게 하는 고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고가의 위상천이 변압기를 저가의 일반 변압기로 대체할 수 있는 고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 종래의 CHB 인버터에 비해 전력셀의 수를 줄일 수 있는 고압인버터 전력셀의 직류단 전압 제어장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 단상 입출력 방식으로서, 입력되는 단상의 교류전압을 직류전압으로 변환하는 컨버터부와, 직류전압을 평활하여 직류단 전압을 저장하는 평활부와, 직류단 전압을 전동기에 인가하기 위한 교류전압으로 변환하는 인버터부로 구성되는 복수의 전력셀을 포함하는 고압인버터 시스템에서, 직류단 전압을 제어하기 위한 직류단 전압지령을 출력하는 본 발명의 일실시예의 제어장치는, 상기 컨버터부의 출력전력중, 정상분 전압과 정상분 전류에 의한 제1평균전력을 이용하여 직류단 전압의 평균값을 제어하는 제1직류단 전압지령을 출력하는 제1제어부; 및 상기 컨버터부의 출력전력중, 역상분 전압과 정상분 전류 또는 정상분 전압과 역상분 전류에 의한 제2평균전력을 이용하여 상간 직류단 전압을 제어하는 제2직류단 전압지령을 출력하는 제2제어부를 포함하고, 제1 및 제2직류단 전압지령의 합이 직류단 전압지령으로 출력될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제1제어부는, 측정된 직류단 평균전압과 기준 직류단 전압지령의 차이를 이용하여 정상분 q축 전류지령을 출력하는 전압제어부; 입력전원의 역률과 상기 전압제어부로부터 출력되는 정상분 q축 전류지령을 이용하여 정상분 d축 전류지령을 출력하는 역률제어부; 및 정상분 q축 전류지령과 정상분 d축 전류지령을 이용하여 제1직류단 전압지령을 출력하는 전류제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전압제어부는, 측정된 직류단 평균전압과 기준 직류단 전압지령의 차이를 적분비례(IP) 제어하여 상기 정상분 q축 전류지령을 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전압제어부는, 부하에서 소비되는 전력의 추정치를 전향보상하여 상기 정상분 q축 전류지령을 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 역률제어부는, 상기 컨버터부를 진상부하로 작용하기 위해 상기 정상분 d축 전류지령을 음으로 출력하거나, 상기 컨버터부를 지상부하로 작용하기 위해 상기 정상분 d축 전류지령을 양으로 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전류제어부는, 상기 정상분 d축 전류지령과 측정된 정상분 d축 전류의 차이를 비례적분(PI) 제어하여 정상분 d축 직류단 전압지령을 출력하는 제1PI제어부; 상기 정상분 q축 전류지령과 측정된 정상분 q축 전류의 차이를 PI 제어하여 정상분 q축 직류단 전압지령을 출력하는 제2PI제어부; 및 정지좌표계상의 정상분 d축 직류단 전압지령 및 정상분 q축 직류단 전압지령을 동기좌표계상의 제1직류단 전압지령으로 출력하는 변환부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2제어부는, 평균 직류단 전압으로부터 계산한 제1에너지와 각상의 실제 전압으로부터 계산한 제2에너지를 이용하여 결정한 각상의 전력지령으로부터 제2직류단 전압지령을 결정하는 균형제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2제어부는, 측정된 직류단 전압에서 계통의 제2고조파 성분과 부하의 제2고조파 성분을 차단하여 상기 제2에너지를 결정하는 필터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 필터부는, 측정된 직류단 전압에서 계통의 제2고조파 성분을 차단하는 제1대역차단필터; 상기 제1대역차단필터의 출력에서 부하의 제2고조파 성분을 차단하는 제2대역차단필터; 및 상기 제2대역차단필터의 출력인 계통과 부하의 제2고조파 성분이 각각 차단된 직류단 전압으로부터 에너지를 결정하는 제1결정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 균형제어부는, 상기 제1에너지와 각상의 상기 제2에너지를 각각 PI 제어하여 각상의 역상분 전력지령을 출력하는 제3PI제어부; 및 상기 각 상의 역상분 전력지령으로부터, 제2직류단 전압지령을 결정하는 제2결정부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 가감속이 빠른 부하나 회생부하에 적용하여도 고압인버터가 안정적으로 동작하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 고가의 위상천이 변압기를 저가의 일반 변압기로 대체할 수 있으므로, 시스템의 부피가 작아지고 시스템 구축비용을 절약하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전력셀의 수를 종래 CHB 인버터에 비해 줄임으로써 시스템의 크기를 줄이고 시스템 구축비용을 줄이는 효과가 있다.
도 1은 종래 고압인버터의 전력셀 토폴로지를 설명하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예가 적용되는 고압인버터 시스템의 구성도이다.
도 3은 도 2에서 3상 입력전원과 컨버터부의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 직류단 전압 제어장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 직류단 전압 제어장치의 상세 구성도이다.
도 6은 도 5의 전압제어부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 7은 도 5의 상간 직류단 전압 균형제어부의 PI 제어기의 상세 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 평균값 직류단 전압제어만을 수행한 경우 및 평균값 전압제어와 균형제어를 동시에 수행한 경우의 직류단 전압의 파형을 나타낸 것이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. '포함한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 발명의 일실시예와 같이 고압인버터 시스템을 AFE(Active Front End) 타입의 NPC(Neutral Point Clamped) 단상 입출력 파워셀로 구성하는 경우, 교류전원의 전류를 비교적 THD가 낮은 정현파로 유지할 수 있고 역률을 진상에서 지상까지 광범위하게 제어할 수 있으며, 양방향 전력전송이 가능하므로 회생운전이 필요한 응용분야에서 널리 사용될 수 있다.
종래의 DFE(Diode Front End) 타입의 전력셀로 고압인버터를 구성하는 경우 THD 기준을 만족하기 위해 위상천이 변압기를 반드시 적용하여야 하지만, 본 발명의 일실시예의 AFE 타입의 전력셀로 고압인버터를 구성하면 일반 변압기로 대체할 수 있다. 위상천이 변압기를 적용하면 2차단의 54탭으로 구성되고, 3상의 18개의 전력셀을 필요로 하지만, 일반 변압기를 적용하면 2차단의 18탭으로 구성되고, 단상의 9개의 전력셀로 대체할 수 있다.
다만, 이와 같이 구성되는 전력셀은 단상 입력전압과 단상의 출력전압의 형태이므로, 직류단 전압에 입력 및 출력 주파수의 2배수의 리플전압이 발생하며, 이는 제어성능을 저하시키는 근본적인 원인이 되고 시스템 전체의 신뢰성을 저하한다. 따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 직류단 전압 제어장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예가 적용되는 고압인버터 시스템의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 시스템은, 3상 입력전원(1)을 수신하는 변압기(2), 복수의 전력셀(3) 및 복수의 전력셀(3)로부터 합성된 전력을 수신하는 전동기(4)로 구성될 수 있다.
변압기(2)는 3상의 입력전원(1)을 단상으로 변환하여 각각 전력셀(3)에 제공할 수 있다. 도 2와 같이, 전력셀(3)은 단상의 교류전압을 수신하여 이를 직류전압으로 변환하는 중성점 클램프(Neutral Point Clamped, NPC) 타입의 컨버터부(31), 컨버터부(31)로부터 수신한 직류전압을 평활하는 평활부(32) 및 평활부(32)의 직류단 전압을 제어부(추후 설명)의 제어에 따라 전동기(4)에 인가할 소정 전압 및 주파수의 교류전압으로 변환하는 NPC 타입의 인버터부(33)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 전력셀(3)은, AFE(active front end) 타입으로서, 변압기(2)로부터 단상의 전압을 수신하여 이를 변환한 후, 단상의 전압으로 출력할 수 있다. 다만, 입력전압 및 출력전압이 단상인 경우, 입력전압의 주파수와 출력전압의 주파수의 2배에 해당하는 전압리플이 각각 직류단 전압에 투영될 수 있다. 이는 직류단 전압제어에 방해가 되는 성분이므로 필터링이 필요하다. 본 발명의 일실시예의 제어방법은, 이와 같은 구성의 전력셀(3)의 평활부(32)의 직류단 전압을 제어하기 위한 것이다.
도 3은 도 2에서 3상 입력전원(1)과 컨버터부(31)의 등가회로도로서, 컨버터부(31)는 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 승압형 정류기(PWM boost converter) 방식을 나타내고 있다.
PWM 승압형 정류기 방식과 같은 백투백(back-to-back) 단상 승압형 인버터는 양방향 전력전송이 가능하기 때문에 회생운전이 필요한 응용분야에서 널리 사용되고 있을 뿐 아니라, 교류전원의 전류를 비교적 THD(Total Harmonic Distortion)가 낮은 정현파로 유지될 수 있고, 역률을 진상(leading)에서 지상(lagging)까지 광범위하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
도 3에서 Ls와 Linter는 각각 전원 내부의 등가 인덕턴스와 시스템에서 컨버터의 스위칭 전류를 억제하기 위해 추가한 인덕터의 인덕턴스를 나타낸다.
이와 같이, 3상 교류전원을 PWM 승압방식의 컨버터부(31)가 정류하는 경우, 3상 유효전력의 합이 컨버터부(31)의 입력전력이 되고, 이 입력전력을 이용하여 직류단 전압제어를 수행할 수 있다. 즉, 전원전압의 크기가 일정하다고 가정할 때 아래 수학식과 같이 동기좌표계 상의 q축 전류를 제어함으로써 전원측에서 공급되는 입력전력을 제어할 수 있다.
Figure 112016127586280-pat00001
위 식은 입력전원(1)의 3상 유효전력의 합을 동기좌표계 상에서 표현한 것으로서,
Figure 112016127586280-pat00002
와
Figure 112016127586280-pat00003
는 동기좌표계 상에서 전원전압이고,
Figure 112016127586280-pat00004
와
Figure 112016127586280-pat00005
는 동기좌표계 상에서의 컨버터부(31)가 합성하는 전압을 나타낸다.
Figure 112016127586280-pat00006
와
Figure 112016127586280-pat00007
는 전원(1)에서 컨버터부(31) 방향으로 입력되는 전류를 동기좌표계 상에서 표현한 것이다. 수학식에 의해 표시되는 것처럼, 전원전압의 크기가 일정한 경우, 컨버터부(31)에 입력되는 q축 전류를 제어함으로써, 전원(1)측에서 공급되는 입력전력을 제어할 수 있다.
컨버터부(31)의 출력전압은 정상분 전압(positive sequence voltage), 역상분 전압(negative sequence voltage) 및 영상분 전압(zero sequence voltage)으로 구성되며, 3상 3선식 시스템에서 부하 중성점 연결이 없다고 가정하면 전원(1)과 컨버터부(31) 사이에 전류가 흐르지 않으므로, 영상분 전압은 고려하지 않아도 된다.
직류단 전압제어를 위한 입력전력은 다음과 같이 구분할 수 있다.
1. 정상분 전압과 정상분 전류에 의해 생기는 제1평균입력전력
2. 역상분 전압과 정상분 전류, 정상분 전압과 역상분 전류에 의해 생기는 제2평균입력전력
3. 역상분 전압과 역상분 전류에 의해 생기는 제3평균입력전력
이중, 제3평균입력전력은 직류단 전압에 영향을 주지 않으므로, 제1 및 제2평균입력전력을 제어함으로써, 본 발명의 일실시예의 직류단 전압을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 직류단 전압 제어장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 직류단 전압 제어장치(36)는, 각 전력셀(3)마다 구비되는 것으로서, 컨버터부(31)의 출력전압 및 전류를 측정부(34a, 34b, 34c)에 의해 수신하여 직류단 전압을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 직류단 전압 제어장치의 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 직류단 전압 제어장치(35)는, 전압제어부(51), 역률제어부(52), 전류제어부(53), 상간 직류단 전압 균형제어부(54) 및 필터부(55)를 포함할 수 있다. 이때, 전압제어부(51), 역률제어부(52) 및 전류제어부(53)는 정상분 전압과 정상분 전류에 의해 생기는 제1평균입력전력을 이용하여 3상 직류단 전압을 제어하기 위한 것이고, 상간 직류단 전압 균형제어부(54) 및 필터부(55)는 역상분 전압과 정상분 전류, 정상분 전압과 역상분 전류에 의해 생기는 제2평균입력전력을 이용하여 상간 직류단 전압을 제어하기 위한 것이다. 즉, 전압제어부(51), 역률제어부(52) 및 전류제어부(53)의 출력은 정상분 직류단 전압지령이고, 상간 직류단 전압 균형제어부(54) 및 필터부(55)의 출력은 역상분 직류단 전압지령으로서, 이 둘을 합한 것이 본 발명의 일실시예의 직류단 전압지령이 될 수 있다.
전압제어부(51)는, 정상분 전압과 정상분 전류에 의한 제1평균입력전력을 이용하여, 3상 직류단 전체전압의 평균값을 제어하기 위한 q축 전류지령을 출력할 수 있다.
도 6은 도 5의 전압제어부의 일실시예 상세 구성도로서, 도 5의 전압제어부(51)에서 적분비례(integral proportional, IP) 제어기(51a)의 구성을 상세하게 나타낸 것이다.
전압제어부(51)는, 3상 직류단 평균전압과, 기준 직류단 전압지령의 차이를 IP 제어하여 정상분 q축 전류지령을 출력할 수 있다. 이때 q축 전류지령은 직류단 전압의 오차에 의한 피드백에, 부하측에서 소비하는 전력의 추정치를 전향보상함으로써 제어의 동특성을 개선할 수 있다. 이때, IP 제어기(51a)는, 3상 직류단 평균전압의 오버슈트를 방지하기 위한 것이다.
역률제어부(power factor controller)(52)는, d축 전류지령을 제어하기 위한 것이다. 대부분의 경우 입력전원(1)측의 역률을 1로 제어하기 때문에 d축 전류지령을 0으로 제어한다. 그러나, 필요한 경우 교류전원의 역률을 제어할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 역률제어부(52)는, 입력전원(1)의 역률을 이용하여, 컨버터부(31)가 용량성 부하역할을 하여 진상부하로 작용하기 위해 d축 전류지령을 음으로 출력할 수 있고, 또는 컨버터부(31)가 유도성 부하역할을 하여 지상부하로 작용하기 위해 d축 전류지령을 양으로 출력할 수 있다.
전류제어부(53)는 역률제어부(52)의 출력인 정상분 d축 전류지령과 q축 전류지령으로부터, 정상분 전압지령을 출력할 수 있다.
이때, 비례적분(proportional integral, PI) 제어기(53a)는 정상분 d축 전류지령과 측정부(34a)에 의해 측정된 정상분 d축 전류의 차이를 PI 제어하여 정지좌표계상의 정상분 d축 직류단 전압지령을 출력할 수 있다. 또한, PI 제어기(53b)는 정상분 q축 전류지령과 측정부(34a)에 의해 측정된 정상분 q축 전류의 차이를 PI 제어하여 정지좌표계상의 정상분 q축 직류단 전압지령을 출력할 수 있다.
변환부(53c)는 정지좌표계상의 정상분 d축 및 q축 직류단 전압지령을 동기좌표계상의 정상분 직류단 전압지령으로 변환하여 출력할 수 있다.
이와 같이, 전압제어부(51), 역률제어부(52) 및 전류제어부(53)에 의해, 정상분 직류단 전압지령을 출력할 수 있다.
한편, 역상분 성분에 의해서 생긴 평균입력전력의 3상의 합은 0이기 때문에 역상분 전압을 인가한다고 해서 전체 입출력 전력의 합은 변하지 않는다. 그러나 각 상의 입출력 전력에는 영향을 미치기 때문에 이를 이용하여 상간 직류단 전압의 균형 제어를 할 수 있다.
상간 직류단 전압 균형제어부(54)는, 평균 직류단 전압으로 계산한 에너지와 실제 전압으로부터 계산한 에너지를 이용하여 결정한 각 상의 전력지령으로부터 역상분 직류단 전압지령을 출력할 수 있다. 이때 PI 제어기(54a, 54b, 54c)는 평균전압으로부터 계산된 에너지와 실제 전압으로부터 계산된 에너지의 차이를 PI 제어하여 각 상의 역상분 전력지령을 출력하고, 역상분 전압 결정부(54d)는 각 상의 역상분 전력지령으로부터 직류단 균형제어를 위해 필요한 역상분 직류단 전압지령을 결정할 수 있다.
도 7은 도 5의 상간 직류단 전압 균형제어부(54)의 PI 제어기(54a, 54b, 54c)의 상세 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 평균전압으로 계산한 에너지와 실제 전압으로부터 각 상의 역상분 직류단 전력지령을 출력할 수 있다.
한편, 단상 입출력 시스템을 사용하는 경우, 입출력 주파수의 2배 성분이 직류단 전압에 포함된다. 이러한 계통과 부하의 제2고조파(second order harmonic) 성분은 상간 직류단 전압의 균형제어시 방해로 작용한다. 따라서, 계통과 부하의 제2고조파 성분을 필터부(55)를 이용하여 제거할 수 있다.
필터부(55)의 제1대역차단필터(55a)는 측정부(34b)에 의해 측정된 직류단 전압에서 계통의 제2고조파를 차단할 수 있고, 제2대역차단필터(55b)는 제1대역차단필터(55a)의 출력에서 부하의 제2고조파를 차단할 수 있다. 에너지 결정부(55c)는 계통과 부하의 각 제2고조파가 차단된 직류단 전압을 이용하여 에너지를 결정하고, 이를 상간 직류단 전압 균형제어부(54)에 제공할 수 있다.
도 5를 참조로 하면, 상간 직류단 전압 균형제어부(54)에 의해 출력되는 역상분 직류단 전압지령과 전압제어부(51), 역률제어부(52) 및 전류제어부(53)에 의해, 정상분 직류단 전압지령으로부터, 본 발명의 일실시예의 직류단 전압지령이 출력될 수 있으며, 이는 본 발명의 일실시예의 단상 입출력 시스템 방식의 전력셀(3)의 직류단 전압제어에 사용될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 각각 평균값 전압제어만을 수행한 경우 및 평균값 전압제어와 균형제어를 동시에 수행한 경우의 직류단 전압의 파형을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 전압제어부(51), 역률제어부(52) 및 전류제어부(53)에 의한 평균값 전압제어를 수행한 경우(도 8a)보다, 필터부(55) 및 상간 직류단 전압 균형제어부(54)에 의한 균형제어가 동시에 수행된 경우(8b) 직류단 전압이 빠르게 안정화되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
51: 전압제어부 52: 역률제어부
53: 전류제어부 54: 상간 직류단 전압 균형 제어부
55: 필터부

Claims (10)

  1. 단상 입출력 방식으로서, 입력되는 단상의 교류전압을 직류전압으로 변환하는 컨버터부와, 직류전압을 평활하여 직류단 전압을 저장하는 평활부와, 직류단 전압을 전동기에 인가하기 위한 교류전압으로 변환하는 인버터부로 구성되는 복수의 전력셀을 포함하는 고압인버터 시스템에서, 직류단 전압을 제어하기 위한 직류단 전압지령을 출력하는 제어장치에 있어서,
    상기 컨버터부의 출력전력중, 정상분 전압과 정상분 전류에 의한 제1평균전력을 이용하여 직류단 전압의 평균값을 제어하는 제1직류단 전압지령을 출력하는 제1제어부; 및
    상기 컨버터부의 출력전력중, 역상분 전압과 정상분 전류 또는 정상분 전압과 역상분 전류에 의한 제2평균전력을 이용하여 상간 직류단 전압을 제어하는 제2직류단 전압지령을 출력하는 제2제어부를 포함하고,
    제1 및 제2직류단 전압지령의 합이 직류단 전압지령으로 출력되는 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1제어부는,
    측정된 직류단 평균전압과 기준 직류단 전압지령의 차이를 이용하여 정상분 q축 전류지령을 출력하는 전압제어부;
    입력전원의 역률과 상기 전압제어부로부터 출력되는 정상분 q축 전류지령을 이용하여 정상분 d축 전류지령을 출력하는 역률제어부; 및
    정상분 q축 전류지령과 정상분 d축 전류지령을 이용하여 제1직류단 전압지령을 출력하는 전류제어부를 포함하는 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전압제어부는,
    측정된 직류단 평균전압과 기준 직류단 전압지령의 차이를 적분비례(IP) 제어하여 상기 정상분 q축 전류지령을 출력하는 제어장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전압제어부는,
    부하에서 소비되는 전력의 추정치를 전향보상하여 상기 정상분 q축 전류지령을 출력하는 제어장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 역률제어부는,
    상기 컨버터부를 진상부하로 작용하기 위해 상기 정상분 d축 전류지령을 음으로 출력하거나, 상기 컨버터부를 지상부하로 작용하기 위해 상기 정상분 d축 전류지령을 양으로 출력하는 제어장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전류제어부는,
    상기 정상분 d축 전류지령과 측정된 정상분 d축 전류의 차이를 비례적분(PI) 제어하여 정상분 d축 직류단 전압지령을 출력하는 제1PI제어부;
    상기 정상분 q축 전류지령과 측정된 정상분 q축 전류의 차이를 PI 제어하여 정상분 q축 직류단 전압지령을 출력하는 제2PI제어부; 및
    정지좌표계상의 정상분 d축 직류단 전압지령 및 정상분 q축 직류단 전압지령을 동기좌표계상의 제1직류단 전압지령으로 출력하는 변환부를 포함하는 제어장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2제어부는,
    평균 직류단 전압으로부터 계산한 제1에너지와 각상의 실제 전압으로부터 계산한 제2에너지를 이용하여 결정한 각상의 전력지령으로부터 제2직류단 전압지령을 결정하는 균형제어부를 포함하는 제어장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2제어부는,
    측정된 직류단 전압에서 계통의 제2고조파 성분과 부하의 제2고조파 성분을 차단하여 상기 제2에너지를 결정하는 필터부를 더 포함하는 제어장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 필터부는,
    측정된 직류단 전압에서 계통의 제2고조파 성분을 차단하는 제1대역차단필터;
    상기 제1대역차단필터의 출력에서 부하의 제2고조파 성분을 차단하는 제2대역차단필터; 및
    상기 제2대역차단필터의 출력인 계통과 부하의 제2고조파 성분이 각각 차단된 직류단 전압으로부터 에너지를 결정하는 제1결정부를 포함하는 제어장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 균형제어부는,
    상기 제1에너지와 각상의 상기 제2에너지를 각각 PI 제어하여 각상의 역상분 전력지령을 출력하는 제3PI제어부; 및
    상기 각 상의 역상분 전력지령으로부터, 제2직류단 전압지령을 결정하는 제2결정부를 포함하는 제어장치.
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