KR102581661B1 - 3-레벨 anpc 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법 - Google Patents

3-레벨 anpc 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대체스위칭 조합의 존재 여부에 따라 영역을 구분하고, 영역별로 재구성한 스위칭 조합으로 중성점 균형 제어의 효율성과 안정성을 높이는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 직렬 연결된 제1 직류링크 커패시터와 제2 직류링크 커패시터 및 스위칭 소자를 포함하고, A 상, B 상, C 상으로 구분되어 캐리어전압과 기준전압의 비교를 통해 스위칭 조합이 결정되는 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 중성점 전압 제어방법에 있어서, 상기 3상 중 임의의 1상인 A 상에서 P 또는 N 상태 스위칭 출력의 개방형 또는 단락 고장이 발생하면, 상기 3상의 초기기준전압(Va, Vb, Vc; Vn은 n상의 기준전압을 나타냄)을 상기 A 상의 기준전압이 항상 O 상태를 출력하도록 [식 1]에 따라 산출된 수정기준전압(V'a, V'b, V'c; V'a=0)으로 변환하는 단계; 상기 기준전압에 대한 상기 캐리어전압의 비를 나타내는 진폭변조지수(m)를 상기 수정기준전압의 크기에 맞추어 조정하는 단계; 상기 A 상에 대한 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)에 따른 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하는 대체스위칭제어 가능영역과 상기 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하지 않는 대체스위칭제어 불가영역을 구분하는 단계; 상기 제1 직류링크 커패시터 및 제2 직류링크 커패시터 간 전압차를 센싱하는 단계; 및 상기 대체스위칭제어 가능영역에 대하여, 상기 전압차가 소정 전압 이상 발생하면 상기 공간전압벡터 상 스위칭 조합을 대체스위칭 조합으로 교번하여 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
V'a = Va - Va
V'b = Vb - Va
V'c = Vc - Va

Description

3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법{Method for Neutral-Point Voltage Control of three-level Active NPC Inverter with Fault-Tolerant Operation}
본 발명은 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 멀티레벨 인버터 토폴로지는 고압 직류 전송시스템, 무효 전력 보상기, 고압 가변속 전동기 구동 시스템과 같이 대전력, 고전압 응용분야에 적합한 기술이다.
멀티레벨 인버터에는 스위치와 그 구성에 따라 NPC(Neutral-Point Clamped) 인버터, 플라잉 커패시터 인버터, H 브릿지 인버터 및 모듈형 멀티레벨 인버터로 분류될 수 있다.
ANPC (Active neutral-point-clamped) 인버터는 종래의 NPC 토폴로지의 스위칭 소자간의 불균형적인 손실을 보상하기 위해 개발되었으며, NPC 인버터에 비해 출력전력 및 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 이러한 장점으로 인해 중전압, 대용량의 발전기나 전동기의 구동에 주로 사용된다.
멀티레벨 인버터는 다수의 전력 반도체 스위치로 구성되어 있어, 스위치 중 일부가 고장 나는 경우 인버터 및 전체 시스템에 심각한 손상을 일으킬 수 있다. 특히 산업 공정이나 전기 추진 시스템과 같이 시스템의 높은 신뢰성 및 견고성을 필요로 하는 경우에는 그 피해가 더욱 커진다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, NPC와 같이 널리 사용되고 있는 멀티레벨 인버터를 중심으로 고장허용 운전을 위한 다양한 제어방법들이 개발되고 있으며, 대한민국 등록특허공보 제10-1309290호 '불연속 펄스폭 변조 방식을 이용한 3-레벨 NPC 인버터의 중성점 전압 제어 장치 및 그 방법'및 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0070618호'3-레벨 NPC 인버터의 중성점 전압 제어장치 및 방법'가 있었다.
그러나 종래 기술들은 NPC 인버터의 중성점 전압 변동 문제를 해결하기 위하여 복잡한 위상제어나 옵셋(off-set)전압 인가 등의 방법을 사용하고 있는데, 이러한 방법들은 제어 난이도가 높아 진입 장벽이 높고 연산 량도 많아 다량의 처리 시간이 소요된다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1309290호 '불연속 펄스폭 변조 방식을 이용한 3-레벨 NPC 인버터의 중성점 전압 제어 장치 및 그 방법' 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0070618호 '3-레벨 NPC 인버터의 중성점 전압 제어장치 및 방법'
(논문문헌 1) 아주대학교 도서관 소장 학위논문 새로운 스위칭 기법을 적용한 단상 3-레벨 NPC 인버터의 중성점 전압 제어 (저자 이승주 공학 석사학위 논문, 지도교수 이교범) 아주대학교 전자공학과 2015. 12. (논문문헌 2) 'Analysis and Design of Active NPC (ANPC) Inverters for Fault-Tolerant Operation of High-Power Electrical Drives' (Jun Li, Alex Q. Huang, Zhigang Liang and Subhashish Bhattacharya) IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 2, FEBRUARY 2012
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로,
복잡한 위상 변경이나 추가 구성없이 대체스위칭 조합의 존부에 따른 영역별 스위칭 조합의 재구성으로 간단하게 구현이 가능한 3-레벨 ANPC 인버터의 중성점 전압 제어방법의 제공을 해결과제로 한다.
또한, 각 영역에 대하여 직류링크 커패시터 간 전압차에 따른 선택적 제어에 의해 중성점 전압 균형 제어의 안정성 및 효율성을 높이는데 다른 목적이 있다.
전술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 직렬 연결된 제1 직류링크 커패시터와 제2 직류링크 커패시터 및 스위칭 소자를 포함하고, A 상, B 상, C 상으로 구분되어 캐리어전압과 기준전압의 비교를 통해 스위칭 조합이 결정되는 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 중성점 전압 제어방법에 있어서, 상기 3상 중 임의의 1상인 A 상에서 P 또는 N 상태 스위칭 출력의 개방형 또는 단락 고장이 발생하면, 상기 3상의 초기기준전압(Va, Vb, Vc; Vn은 n상의 기준전압을 나타냄)을 상기 A 상의 기준전압이 항상 O 상태를 출력하도록 [식 1]에 따라 산출된 수정기준전압(V'a, V'b, V'c; V'a=0)으로 변환하는 단계; 상기 기준전압에 대한 상기 캐리어전압의 비를 나타내는 진폭변조지수(m)를 상기 수정기준전압의 크기에 맞추어 조정하는 단계; 상기 제1 직류링크 커패시터 및 제2 직류링크 커패시터 간 전압차를 센싱하는 단계; 상기 A 상에 대한 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)에 따른 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하는 대체스위칭제어 가능영역과 상기 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하지 않는 대체스위칭제어 불가영역을 구분하는 단계; 및 상기 대체스위칭제어 가능영역에 대하여, 상기 전압차가 소정 전압 이상 발생하면, 상기 공간전압벡터 상 스위칭 조합을 대체스위칭 조합으로 교번하여 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법을 제공한다.
[식 1]
V'a = Va - Va
V'b = Vb - Va
V'c = Vc - Va
또한, 본 발명에 있어서, 상기 대체스위칭 조합은 상기 수정기준전압을 대체기준전압(V*a, V*b, V*c)으로 변환하여 도출하되, 상기 제1 직류링크 커패시터 전압이 상기 제2 직류링크 커패시터 전압보다 작고 상기 수정기준전압이 P 상태이면 [식 2]에 따라 산출하고, 상기 제1 직류링크 커패시터 전압이 상기 제2 직류링크 커패시터 전압보다 크고 상기 수정기준전압이 N 상태이면 [식 3]에 따라 산출하는 것이 바람직하다.
[식 2]
V*a = V'a - Vdc
V*b = V'b - Vdc
V*c = V'c - Vdc
Vdc = DC단 전압
[식 3]
V*a = V'a + Vdc
V*b = V'b + Vdc
V*c = V'c + Vdc
Vdc = DC단 전압
또한, 본 발명에 있어서, 상기 대체스위칭제어 불가영역에 대하여, 상기 전압차가 소정 전압 이상 발생하면, 캐리어 신호 주기(Ts)마다 스위치 제어를 통하여 상기 제1 직류링크 커패시터 또는 제2 직류링크 커패시터의 방전량을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 스위치 제어는 [식 4]에 의해 산출되는 오프타임(To)만큼 스위치를 오프하는 것이 바람직하다.
[식 4]
Figure 112019045654547-pat00001
Figure 112019045654547-pat00002
= 졔어계수 (
Figure 112019045654547-pat00003
)
Figure 112019045654547-pat00004
= 상기 제1 직류링크 커패시터의 전압값
Figure 112019045654547-pat00005
= 상기 제2 직류링크 커패시터의 전압값
Figure 112019045654547-pat00006
= 캐리어 신호 주기
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법에 의하면,
고장 발생 시 대체스위칭 조합의 존재 여부에 따라 영역을 구분하고, 각 영역별 제어기법을 구분 적용하여 기존 스위칭 조합을 활용한 중성점 균형 제어가 가능하다는 이점이 있다.
또한, 각 영역별로 직류링크 커패시터 간 전압차에 따라 스위칭 상태 반전 제어 또는 스위치 오프 제어의 선택적 적용에 의해 중성점 전압 균형 제어의 단순성, 효율성 및 안정성을 향상시키는 이점이 있다.
도 1은 3상 3-레벨 ANPC 인버터 회로도이다.
도 2는 Sa1, Sa2 및 Sa5 개방형 고장에 따른 3상 3-레벨 ANPC 토폴로지의 전류 흐름 경로를 나타낸 도면이다.
도 3은 Sa1, Sa2 및 Sa5 단락 고장에 따른 3상 3-레벨 ANPC 토폴로지의 전류 흐름 경로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중성점 전압 제어방법을 설명하는 공간전압벡터도이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 3상의 초기기준전압과 그에 의한 스위칭 조합을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 6의 3상의 수정기준전압과 그에 의한 스위칭 조합을 나타내는 그래프이다.
도 8은 Sa1 스위치 고장 시 P 상태 출력에 대하여 반송파 기반 PWM 제어방식의 기준전압과 캐리어전압에 의한 스위칭 인가시간 그래프이다.
도 9는 도 8에 대하여 일 실시예에 따른 본 발명을 적용한 후의 그래프이다.
도 10는 Sa1 개방형 고장에 따른 출력전류(Ia, Ib, Ic), A 상 전압(Vao) 및 선간전압(Vab)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 Sa2 개방형 고장에 따른 출력전류(Ia, Ib, Ic), A 상 전압(Vao) 및 선간전압(Vab)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 12은 Sa5 개방형 고장에 따른 출력전류(Ia, Ib, Ic), A 상 전압(Vao) 및 선간전압(Vab)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 13은 Sa1 개방형 고장에 따른 고장허용구동에서의 최대변조지수를 나타내는 전압벡터도이다.
도 14는 Sa1 개방형 고장에 따른 스위치 고장으로 인한 고장허용구동에서의 시간에 따른 커패시터 전압 및 모터 속도 리플을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.
도 1을 참조하여, 3상 3-레벨 ANPC 인버터는 A상의 ANPC 토폴로지, B상의 ANPC 토폴로지, C상의 ANPC 토폴로지로 구성된다. 3-레벨 ANPC 인버터는 18개의 스위칭 소자로 구성되고, 각 상마다 3가지의 스위칭 상태 P, N, 0 가 존재한다. 이러한 3가지 스위칭 상태를 각 상마다 조합하면 총 27개의 스위칭 상태가 존재한다.
상위 스위칭 소자 Sa1과 Sa2의 구동에 의해 Vdc/2의 값을 출력시키는 스위칭 상태는 P (Positive), 스위치 Sa2, Sa3, Sa4 및 Sa6의 구동 제어에 의해 0 값을 출력시키는 스위칭 상태는 0 (zero), Sa3과 Sa4의 구동 제어에 의해 -Vdc/2의 값을 출력시키는 상태는 N (Negative)로 표시된다.
따라서 이러한 3상의 각 레그(leg) 스위칭 조합은 [P 0 0] 등과 같이 [A B C]로 표시된다. 즉, 전술한 예시 [P O O]의 경우, A상은 P 상태 출력(Vdc/2), B와 C 상은 O 상태 출력을 내는 스위칭 조합임을 알 수 있다.
그리고 3-레벨 ANPC 인버터는 4가지의 0 상태(OH2/OH3/OL3/OL2)가 선택적으로 동작을 하면서 인버터 스위치 간의 전력 손실 분포를 조절한다.
[표 1]은 A상을 기준으로 하여 3-레벨 ANPC 인버터의 스위칭 상태, 스위칭 시퀀스(Switching Sequence) 및 출력 전압 간의 관계를 나타낸다.
스위칭
상태		 스위칭 시퀀스 출력
전압
Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 Sa5 Sa6
P 1 1 0 0 0 1 +Vdc/2
OH2 0 1 0 0 1 0 0
OH3 1 0 1 0 0 1 0
OL3 0 1 0 1 1 0 0
OL2 0 0 1 0 0 1 0
N 0 0 1 1 1 0 -Vdc/2
다음으로, 3-레벨 ANPC 인버터의 임의의 스위치에서 고장이 발생한 경우에 대해 살펴보기로 한다.
이때, 3-레벨 ANPC 인버터는 ANPC 토폴로지의 대칭 구조를 가지므로, Sa1, Sa2 및 Sa5 스위치의 고장은 각각 Sa4, Sa3 및 Sa6 스위치의 고장과 유사한 결과를 가진다. 그러므로, 이하에서는 Sa1, Sa2 또는 Sa5 스위치가 고장난 경우를 실시예로 하여 설명하기로 한다
먼저, 도 2의 (a)는 P 상태에서 Sa1의 개방형 고장이 발생하는 경우의 전류 흐름 경로를 나타낸다. 본래의 경우에는, P 스위칭 상태에서 Sa1이 개방됨에 따라 Sa1으로 전류가 흘러 +Vdc/2의 출력 전압이 측정되어야 하나, Sa1의 개방형 고장으로 인하여 출력 전압이 O 으로 나타날 수 있다.
이와 유사하게, 도 2의 (b)와 (c)는 각각 OH2 및 OL3 상태에서 Sa2와 Sa3의 개방형 고장이 발생하는 경우의 전류흐름을 나타낸다.
이렇게 스위치가 고장날 시, 부하와 회로 구성상의 기생 인덕턴스로 인하여 과전압이 발생함으로써 더 큰 시스템 손상을 일으킬 수 있다.
다음으로, 도 3의 (a)는 OH2, OL3 및 N 상태에서 Sa1의 단락 고장이 발생하는 경우의 전류 흐름 경로를 나타낸다. 본래 스위칭 상태가 OH2, OL3 및 N 인 경우에는 Sa1은 개방되어야 하나, Sa1의 단락 고장이 발생하면 Sa1으로 전류가 흐르게 된다.
이와 유사하게, 도 3의 (b)와 (c)는 각각 N 상태와 OH3 상태에서 Sa2의 단락 고장이 발생하는 경우의 전류흐름을 나타낸다.
그리고 도 3의 (d)는 OH3 및 P 상태에서 Sa5의 단락 고장이 발생하는 경우의 전류흐름을 나타낸다.
이러한 단락 고장이 발생하면, 스위치가 고장난 상의 출력 전압이 직류링크의 중성점(O)과 연결됨에 따라 직류링크 커패시터가 직접 방전 될 수 있으며, 이로 인한 과전류로 스위치 손상이 발생될 수 있다.
따라서, 개방형 또는 단락 고장이 발생하여도 3상의 출력 전압을 유지할 수 있도록 하기 위하여 변조 신호의 수정이 요구된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 직렬 연결된 제1 직류링크 커패시터(C1)와 제2 직류링크 커패시터(C2) 및 스위칭 소자를 포함하고, A 상, B 상, C 상으로 구분되어 캐리어전압(5-1, 5-2)과 기준전압의 비교를 통해 스위칭 조합이 결정되는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 3상 중 임의의 1상인 A 상에서 P 또는 N 상태 스위칭 출력의 개방형 또는 단락 고장이 발생하는 경우에 적용 가능한 중성점 전압 균형 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 설명을 위하여, 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.
따라서, 이하에서는 3상 3-레벨 ANPC 인버터 중 A 상에의 Sa1 스위치에서 개방형 고장이 발생한 경우를 기준으로 설명하기로 한다.
도 4를 참고하여, 본 발명에 따른 제어 방법에 대하여 살펴본다.
먼저, 3상의 초기기준전압(Va, Vb, Vc; Vn은 n상의 기준전압을 나타냄)을 A 상의 기준전압이 항상 O 상태를 출력하도록 [식 1]에 따라 산출된 수정기준전압(V'a, V'b, V'c; V'a=0)으로 변환시킨다(S01).
[식 1]
V'a = Va - Va
V'b = Vb - Va
V'c = Vc - Va
이때, 기준전압은 각 상에서의 출력전압을 지칭하는데, 이와 캐리어전압(5-1, 5-2)을 비교하여 각 상의 스위칭 조합을 결정하게 된다. 그리고 초기기준전압(Va, Vb, Vc)은 인버터의 정상구동 시의 기준전압을 지칭한다.
도 6을 참고하여, 초기기준전압(Va, Vb, Vc)은 (1)과 같이 표현될 수 있으며, 설명한 바와 같이, A 상에서 스위치 고장이 발생하게 되면 A 상의 기준전압(Va)은 N 또는 P 상태가 출력되어야 하는 경우에도 항상 O 상태만을 출력하게 된다.
(1)
(: 변조지수, : 기본 주파수)
따라서, 3-레벨 ANPC 인버터의 선간전압 간 균형을 맞추기 위하여 초기기준전압(Va, Vb, Vc)의 수정이 요구된다.
이때 본 발명에서는, 기준전압을 고장난 A 상의 기준전압이 0 상태만을 출력하도록 하는 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)으로 변환한다.
수정기준전압(V'a, V'b, V'c)을 구하는 방법으로는, (2)와 같이 각 상의 기준전압에서 고장난 A 상의 기준전압을 뺀 값으로 하여 쉽게 구할 수 있다.
(2)
(: 변조지수, : 기본 주파수)
따라서, 각 상의 기준전압을 스위치 고장이 발생한 상이 항상 중성점(O)에 연결되도록 하는 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)으로 변환시켜 고장 허용 동작 중 과전압으로 인한 고장을 막을 수 있다.
다음으로, 도 7을 참고하여, 기준전압에 대한 캐리어전압(5-1, 5-2)의 비를 나타내는 진폭변조지수(m)를 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)의 크기에 맞추어 조정한다(S02).
전술한 (2)와 같이 기준전압을 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)으로 변환시키면, 고장난 상 이외의 상인 B 및 C 상의 기준전압(V'b, V'c) 위상은 각각 초기기준전압(Vb, Vc)에서의 30℃만큼 이동하게 되며, 전압의 크기 또한 각각 배 커짐을 알 수 있다.
따라서, 고장 허용 구동 중에는 과변조를 피하기 위하여 최대 진폭변조지수(m)를 수정기준전압의 크기에 따라 조정해줄 수 있다.
보다 구체적으로, 진폭변조지수(m)를 기존 값의배하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 최대변조지수(m)는 감소하게 되지만 과전압으로부터 모든 스위치를 보호할 수 있으며, 고장나지 않은 상인 B 및 C 상만으로도 3상 출력을 얻을 수 있게 된다.
전술한 바에 대하여, (논문문헌 2) 'Analysis and Design of Active NPC (ANPC) Inverters for Fault-Tolerant Operation of High-Power Electrical Drives' (Jun Li, Alex Q. Huang, Zhigang Liang and Subhashish Bhattacharya) IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 2, FEBRUARY 2012 를 참고할 수 있다.
다음으로, 제1 직류링크 커패시터(C1) 및 제2 직류링크 커패시터(C2) 간 전압차(Vc1 - Vc2)를 센싱한다(S03).
여기서, 제1 직류링크 커패시터(C1)는 직류링크 상단 커패시터를, 제2 직류링크 커패시터(C2)는 직류링크 하단 커패시터를 지칭할 수 있다.
스위칭 조합이 P 타입이면 전류의 흐름에 따라 제1 직류링크 커패시터(C1)가 충방전 되며, 스위칭 조합이 N 타입이면 제2 직류링크 커패시터(C2)가 충방전 된다.
이때, 전압차(Vc1-Vc2)를 센싱하여 중성점 전압 불균형의 정도와 전압이 편향된 측의 커패시터를 확인할 수 있다.
예를 들어, 전압차(Vc1-Vc2)가 양의 크기를 보이게 되면, 제1 직류링크 커패시터 전압의 크기(Vc1)가 제2 직류링크 커패시터 전압의 크기(Vc2)보다 크다는 것을 나타낼 수 있다.
반대로, 전압차(Vc1-Vc2)가 음의 크기를 보이게 되면, 제2 직류링크 커패시터 전압의 크기(Vc2)가 제1 직류링크 커패시터 전압의 크기(Vc1)보다 큼을 나타낼 수 있다.
다음으로, A 상에 대한 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)에 따른 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하는 대체스위칭제어 가능영역(320)과 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하지 않는 대체스위칭제어 불가영역(340)을 구분한다(S04).
도 5를 참고하여, 공간전압벡터 상 초기기준전압(100)은 A 상이 O 상태만을 출력하게 됨에 따라 스위치 고장시 구동전압(400)을 출력하게 된다.
이때, 기준전압을 수정기준전압(200)으로 변조하면, 공간전압벡터 상 기준전압은 P 타입의 스위칭 조합과 N 타입의 스위칭 조합으로 구성되는 것을 확인할 수 있다.
여기서, P 타입의 스위칭 조합은 3상의 스위칭 조합이 P 또는 O 상태로 이루어지는 것을 의미하며, N 타입의 스위칭 조합은 3상의 스위칭 조합이 N 또는 O 상태로 이루어지는 것을 의미한다.
이에 따라, 공간전압벡터 상 P와 N 타입의 스위칭 조합이 공존하는 영역인 대체스위칭제어 가능영역(320)과 P와 N 타입의 스위칭 조합 중 어느 하나 만으로 이루어진 영역인 대체스위칭제어 불가영역(340)으로 구분할 수 있다.
즉, 대체스위칭제어 가능영역(320)은, 공간전압벡터 상 동일한 전압벡터의 출력을 내는 스위칭 조합이 P 타입과 N 타입의 형태로 공존한다. 그러므로, 중성점 전압 균형을 맞추기 위해 스위칭 조합의 타입을 변경하는 제어기법을 필요에 따라 적용할 수 있다.
반면, 대체스위칭제어 불가영역(340)에서는, 동일 전압벡터의 출력을 내는 스위칭 조합이 단수 개로 한정되어 있으므로, 대체스위칭제어 가능영역(320)과 같이 스위칭 조합의 타입을 변경하는 방식을 사용하기에는 어려움이 있을 수 있다.
이렇듯, 본 발명은 대체스위칭제어 가능영역(320)과 불가영역(340)으로 구분하고 각 영역에 대하여 별도의 제어기법을 구분 적용함으로써, 기존 스위칭 조합을 활용하면서도 간결한 중성점 균형 제어가 가능해지는 이점이 있다.
다음으로, 대체스위칭제어 가능영역에 대하여, 전압차(Vc1-Vc2)가 소정 전압 이상 발생하면 공간전압벡터 상 스위칭 조합을 대체스위칭 조합으로 교번하여 선택한다(S05).
도 8 및 9에서 도시한 바와 같이, ANPC 토폴로지에서는 3상의 기준전압과 상단 캐리어전압(5-1) 및 하단 캐리어전압(5-2)을 비교하여 각 상의 스위칭 상태를 결정하게 된다.
즉, 각 상의 기준전압이 상단 캐리어전압(5-1)보다 큰 경우에는 P 상태를, 하단 캐리어전압(5-2)보다 작은 경우에는 N 상태를, 상단 캐리어전압(5-1)보다 작고 하단 캐리어전압(5-2)보다는 큰 경우에는 O 상태를 출력한다.
그리고 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)에서는 B와 C 상의 기준전압 모두가 A 상의 기준전압보다 크거나 작게 나타나므로, 고장 허용 구동 시 스위칭 상태를 P 또는 N 타입으로 구분할 수 있다.
즉, 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)의 공간전압벡터 상에서는 P 와 N 상태가 공존하는 스위칭 조합이 도출되지 않도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 8에서는 전술한 원리에 따라 [O O O], [O O P], [O P P], [O O P], [O O O] 순서의 스위칭 상태를 출력하게 된다.
이 경우, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)보다 소정 전압 이상 작다고 판단되면, 현재 스위칭 상태인 P 타입에서 공존 영역 전압벡터의 N 타입으로 대체스위칭함으로써, 제1 직류링크 커패시터(C1)의 방전을 막아 커패시터 간 전압 균형을 조정할 수 있다.
반대로, 현재 스위칭 상태가 N 타입인 경우에는 P 타입으로 대체스위칭 하게 되면 오히려 제1 직류링크 커패시터(C1)의 방전으로 전압차를 키우게 될 수 있어, 기존의 스위칭 상태를 유지함이 바람직하다.
이러한 원리는, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)보다 소정 전압 이상 크다고 판단되는 경우에는 그 반대로 적용될 수 있다.
즉, 현재 스위칭 상태가 P 타입이라면 대체스위칭을 하지 않고 기존의 스위칭 상태를 유지하도록 하며, 반대로 현재 스위칭 상태가 N 타입이라면 P 타입으로 대체스위칭해줌으로써 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)의 크기를 낮추어 주어 커패시터 간 전압 균형을 맞추도록 할 수 있다.
이러한 방법으로, 추가적인 장치 없이도 중성점 전압 균형 제어가 가능하므로 간명하면서도 효율적인 제어 방법 도출이 가능하다.
보다 구체적으로, 대체스위칭 조합은 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)을 대체기준전압(V*a, V*b, V*c)으로 변환하여 도출하되, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)보다 작고 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)이 P 상태이면 [식 2]에 따라 산출하고, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)보다 크고 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)이 N 상태이면 [식 3]에 따라 산출하는 것이 바람직하다.
[식 2]
V*a = V'a - Vdc
V*b= V'b - Vdc
V*c= V'c - Vdc
[식 3]
V*a = V'a + Vdc
V*b = V'b + Vdc
V*c = V'c + Vdc
도 8 및 9를 참고하여, 대체스위칭 조합은 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)에서 직류링크 전압의 크기(Vdc/2)만큼 변화시킨 대체기준전압(V*a, V*b, V*c)으로 스위칭 상태를 반전시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)을 나타내는 도 8은 [O O O], [O O P], [O P P], [O O P], [O O O] 순서의 스위칭 상태를 출력한다.
여기서, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)보다 소정 전압 이상 작다고 센싱되는 경우에는, 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)이 P 상태이므로 [식 2]와 같이 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)을 직류링크 전압만큼 빼도록 할 수 있다.
이에 따라, 도 9에서 확인할 수 있듯이, [N N N], [N N O], [N O O], [N N O], [N N N] 순서로 스위칭 상태를 출력하게 된다. 이러한 스위칭 상태는 도 8의 스위칭 상태와 각각 동일 전압벡터 상에 공존하므로, 기존의 기준전압 출력에 영향을 주지 않으면서 중성점 전압 균형을 조정할 수 있다.
이와 반대로, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)보다 크고 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)이 N 상태이라면, 단순히 각 기준전압에 직류링크 전압만큼 더하는 방식으로 P 상태의 스위칭 조합을 손쉽게 도출해낼 수 있다.
따라서 이러한 방법으로, 중성점 전압 균형 제어의 단순성 및 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 대체스위칭제어 불가영역(340)에 대하여, 전압차(Vc1-Vc2)가 소정 전압 이상 발생하면, 캐리어 신호 주기(Ts)마다 스위치 제어를 통하여 제1 직류링크 커패시터(C1) 또는 제2 직류링크 커패시터(C2)의 방전량을 제어할 수 있다(S06).
도 5에서 확인할 수 있듯이, 대체스위칭제어 불가영역(340)에서는 N 타입의 스위칭 조합만 존재하므로 대체스위칭 제어를 적용하기에는 어려움이 따른다. 그러므로, 이 경우에도 두 개의 커패시터 중 어느 하나의 커패시터 방향으로 충방전이 일어나게 됨으로써 전압 불균형을 유발시킨다.
즉, 도 5의 경우에는 N 타입의 스위칭 조합으로 인해 제2 직류링크 커패시터(C2)의 방전량이 클 수 있으므로, 이러한 방전량을 제한 조절하는 제어기법이 요구된다. 그러나 출력 전류를 크게 제한할 경우에는 출력 전류 파형의 왜곡을 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전류 파형의 왜곡을 최소화하면서도 중성점 균형을 조정하기 위하여 캐리어 신호 주기(Ts)마다 스위치를 제어해주는 방법을 사용할 수 있다.
그리고 커패시터의 방전량을 조정하기 위한 스위치 제어는 고주파 스위칭 방법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
한편, 대체스위칭제어 불가영역(340) 또한 전술한 대체스위칭제어 가능영역(320)에서와 같이, 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)이 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)의 크기보다 클 경우에는 제2 직류링크 커패시터(C2)의 방전량을 줄이고, 그 반대의 경우에는 제1 직류링크 커패시터(C1)의 방전량을 줄이는 방법을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 스위치 제어는 [식 4]에 의해 산출되는 오프타임(To)만큼 스위치를 오프하는 것이 바람직하다.
[식 4]
= 제어계수 ()
= 상기 제1 직류링크 커패시터 전압(Vc1)값
= 상기 제2 직류링크 커패시터 전압(Vc2)값
= 캐리어 신호 주기
즉, 캐리어 신호 주기(Ts)마다 오프타임(To)만큼 스위치를 오프하여, 고장난 A 상을 통하는 전류의 흐름을 제한함으로써 방전되는 전압의 크기를 제어할 수 있다.
이때, 스위치를 오프하는 방법으로는 고장난 A 상에 연결되어 O 상태를 만드는 스위치를 강제로 오프시키거나 고장난 A 상에 연결된 모든 스위치를 오프할 수 있다.
그리고 전류가 차단되는 시간이 길어지면 출력 전류의 품질에 영향을 미칠 수 있는바, 오프타임(To)을 [식 4]와 같이 정의할 수 있다.
즉, 소정 크기의 전압차(Vc1-Vc2)가 발생하였을 경우, 오프타임(To)은 직류링크 전압에 대한 전압차의 절대치(|Vc1-Vc2|)를 의미하는 듀티비(duty ratio)에 비례하도록 할 수 있다. 또한, 인버터가 적용되는 전압차(Vc1-Vc2)의 허용 범위에 따라 시간을 조정하도록 제어계수 k값을 사용할 수 있다.
이에 따라, 두 커패시터 간 전압차(Vc1-Vc2)를 최소화하여 중성점의 균형을 유지하는 동시에 출력 파형의 왜곡을 최소화할 수 있다.
또한, 인버터가 사용되는 각 시스템의 특성에 맞춘 제어가 가능하므로 제어의 안정성을 높일 수 있다.
<실시예>
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법에 대한 효과를 검증하기 위하여 PLECS를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과이다.
본 시뮬레이션에서는 본 발명의 일실시예로 ANPC 인버터에 SVPWM을 사용하였으며, 부하로 사용한 PMSM 전동기의 파라미터는 [표 2]와 같다.
ANPC Inverter
Parameter Value Units
DC-link voltage 540 V
DC-link capacitors 8 mF
Switching frequency 10 kHz
Modulation index - -
PMSM
Parameter Value Units
Rate power 20 kW
Rated voltage 380 V
Rated speed 1800 Rpm
Stator resistance 0.51
d-axis inductance 7.2 mH
q-axis inductance 7.2 mH
Pole pair 30 -
먼저, 도 10 내지 12를 살펴보면, tp는 스위치 고장이 발생한 시점을 표시한 것이다. 도 10 내지 12는 고장 허용 전압 시 A 상 전압(Vao)과 선간전압(Vab)의 파형을 나타낸 도면이며, 여기서 (a)는 본 발명의 일실시예를 적용하지 않은 경우이며, (b)는 본 발명의 일실시예를 적용한 경우이다.
이 경우, Sa1, Sa2 및 Sa5 스위치의 개방성 고장에도 기존 NPC 인버터와 동일하게 운전이 가능함을 확인할 수 있다.
한편, Sa1, Sa2 및 Sa5의 개방성 고장 상태는 Sa3, Sa4 및 Sa6과 구조적인 대칭으로 인하여 위와 동일한 결과를 확인할 수 있다.
다음으로, 도 13을 살펴보면, Sa1 스위치 고장의 경우 스위칭 상태의 제한으로 최대변조 지수가 m=1인 초기기준전압(100)에서 배인 수정기준전압(200) 내에서 안정적인 출력을 내고 있음을 볼 수 있다.
다음으로, 도 14의 (a)에서는 스위치 고장에 따른 고장 허용 구동을 한 경우 전동기 부하의 특성과 제한된 스위칭 상태로 DC링크 전압 커패시턴 간의 중성점 전압 불균형이 발생하고, 이로 인하여 전동기의 속도 리플이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 14 (a)에서의 BC(Banlancing Control) 부분을 확대한 도면인 도 14 (b)는 본 발명에 의한 중성점 전압 균형 제어 방법을 적용하는 BC를 기점으로 하여 직류전압 커패시터 간의 전압이 균일하게 되고, 속도 리플 또한 최대 52% 가량 감소한 것을 확인할 수 있다.
이러한 본 발명의 기본적인 기술적 사상 범주내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 가능함은 물론이며, 따라서 본 발명의 범주는 다양한 변형 예들을 포함하도록 작성된 특허청구범위 내에서 해석되어야 할 것이다.
100 : 초기기준전압(Va, Vb, Vc)
200 : 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)
320 : 대체스위칭 가능영역
340 : 대체스위칭 불가영역
400 : 스위치 고장 시 구동전압
5-1 : 상위 캐리어전압
5-2 : 하위 캐리어전압
tp : 스위치 고장 시점(trouble point)
BC : 중성점 전압 균형 제어(Banlancing Control)

Claims (4)

  1. 직렬 연결된 제1 직류링크 커패시터와 제2 직류링크 커패시터 및 스위칭 소자를 포함하고, A 상, B 상, C 상으로 구분되어 캐리어전압과 기준전압의 비교를 통해 스위칭 조합이 결정되는 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 중성점 전압 제어방법에 있어서,
    상기 3상 중 임의의 1상인 A 상에서 P 또는 N 상태 스위칭 출력의 개방형 또는 단락 고장이 발생하면,
    상기 3상의 초기기준전압(Va, Vb, Vc; Vn은 n상의 기준전압을 나타냄)을 상기 A 상의 기준전압이 항상 O 상태를 출력하도록 [식 1]에 따라 산출된 수정기준전압(V'a, V'b, V'c; V'a=0)으로 변환하는 단계;
    상기 기준전압에 대한 상기 캐리어전압의 비를 나타내는 진폭변조지수(m)를 상기 수정기준전압의 크기에 맞추어 조정하는 단계;
    상기 제1 직류링크 커패시터 및 제2 직류링크 커패시터 간 전압차를 센싱하는 단계;
    상기 A 상에 대한 수정기준전압(V'a, V'b, V'c)에 따른 3상 3-레벨 ANPC 인버터의 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하는 대체스위칭제어 가능영역과 상기 공간전압벡터 상 대체스위칭 조합이 존재하지 않는 대체스위칭제어 불가영역을 구분하는 단계; 및
    상기 대체스위칭제어 가능영역에 대하여, 상기 전압차가 소정 전압 이상 발생하면, 상기 공간전압벡터 상 스위칭 조합을 대체스위칭 조합으로 교번하여 선택하는 단계;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법.
    [식 1]
    V'a = Va - Va
    V'b = Vb - Va
    V'c = Vc - Va
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 대체스위칭 조합은 상기 수정기준전압을 대체기준전압(V*a, V*b, V*c)으로 변환하여 도출하되,
    상기 제1 직류링크 커패시터 전압이 상기 제2 직류링크 커패시터 전압보다 작고 상기 수정기준전압이 P 상태이면 [식 2]에 따라 산출하고,
    상기 제1 직류링크 커패시터 전압이 상기 제2 직류링크 커패시터 전압보다 크고 상기 수정기준전압이 N 상태이면 [식 3]에 따라 산출하는 것
    을 특징으로 하는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법.
    [식 2]
    V*a = V'a - Vdc
    V*b = V'b - Vdc
    V*c = V'c - Vdc
    Vdc = DC단 전압
    [식 3]
    V*a = V'a + Vdc
    V*b = V'b + Vdc
    V*c = V'c + Vdc
    Vdc = DC단 전압
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 대체스위칭제어 불가영역에 대하여, 상기 전압차가 소정 전압 이상 발생하면, 캐리어 신호 주기(Ts)마다 스위치 제어를 통하여 상기 제1 직류링크 커패시터 또는 제2 직류링크 커패시터의 방전량을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 스위치 제어는 [식 4]에 의해 산출되는 오프타임(To)만큼 스위치를 오프하는 것
    을 특징으로 하는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어방법.
    [식 4]
    Figure 112019045654547-pat00027

    Figure 112019045654547-pat00028
    = 졔어계수 (
    Figure 112019045654547-pat00029
    )
    Figure 112019045654547-pat00030
    = 상기 제1 직류링크 커패시터의 전압값
    Figure 112019045654547-pat00031
    = 상기 제2 직류링크 커패시터의 전압값
    Figure 112019045654547-pat00032
    = 캐리어 신호 주기
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