KR102597354B1 - 스위칭 테이블 및 이의 연속적인 배경 최적화를 이용한 모듈형 멀티레벨 직렬/병렬 컨버터(mmspc)의 제어 - Google Patents

스위칭 테이블 및 이의 연속적인 배경 최적화를 이용한 모듈형 멀티레벨 직렬/병렬 컨버터(mmspc)의 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태를 제어(300)하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 제어는 실시간 부분(320) 및 오프라인 부분(310)으로 분할되며, 실시간 부분에서는, 변조기(322)에 의해 각각의 전압 요건(324)의 각각의 시간 간격 동안 각각의 전압(325)이 할당되고, 각각의 전압 레벨에서 스케줄러(323)가, 제1 스위칭 테이블 내 모든 스위치의 각각의 스위칭 상태를 결정하며, 각각의 스위칭 상태는 제어 신호(302)로서 멀티레벨 컨버터의 모든 스위치에 전달된다. 오프라인 부분에서는, 옵티마이저(311)에 의해 연속으로 최적의 제2 스위칭 테이블(312, 313)이 비용 함수에 따라 계산되며, 계산 완료 후 상기 계산된 제2 스위칭 테이블이 제1 스위칭 테이블을 대체함으로써 제1 스위칭 테이블이 된다.

Description

스위칭 테이블 및 이의 연속적인 배경 최적화를 이용한 모듈형 멀티레벨 직렬/병렬 컨버터(MMSPC)의 제어
본 발명은 전체 스위칭 상태, 즉, 멀티레벨 컨버터의, 특히 모듈형 멀티레벨 컨버터의 모든 스위치의 스위칭 상태를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 스위칭 제어를 구현하기 위한 시스템을 청구한다.
DC 전압으로부터 미리 정해진 주파수의 교류 전압을 획득하기 위해, 소량의 전력 스위치를 갖는 종래의 전력 전자 시스템에서 입력 및 출력 전압은 평균적으로 원하는 변수를 획득하기 위해 소수의, 일반적으로 2개 내지 3개의 레벨 간에 스위칭된다. 그와 대조적으로, 최근의 멀티레벨 컨버터는, 다수의 전자 스위치를 통해 상호접속된, 예를 들어 커패시터 또는 에너지 전지와 같은, 에너지 저장부들의 동적 가변 구성에 의해 교류 전압을 생성하는 체계에 따라 동작한다. 이 경우, 종래의 전력 전자 시스템에서보다 훨씬 더 많은 전자 스위치, 예를 들어 전력 반도체 스위치가 사용되며, 이는 매우 미세한 단계들(gradations) 또는 레벨들을 갖는 멀티레벨 컨버터의 다수의 실현 가능한 전체 스위칭 상태 및 이와 연관된 출력 전압을 형성할 수 있게 한다. 동시에, 상이한 전체 스위칭 상태들을 이용해서 동일한 전압 레벨을 구현하기 위한 높은 자유도가 존재하며, 이때 멀티레벨 컨버터의 제어부가 어느때고 모든 스위치에 고유의 상태를 할당해야 한다.
원칙적으로, 예를 들어 동 출원인의 공보 DE 10 2015 112 512 A1호에 명시된 바와 같이, 개별 모듈을 기초로 멀티레벨 컨버터의 각각의 설계를 정의할 수 있다. 개별 모듈에 포함된 스위칭 소자의 회로 구성에 따라, 추가로 연결된, 구조상 동일한 개별 모듈들과 무관하게, 마찬가지로 포함된 에너지 저장부의 회로연결과 관련된 모든 스위칭 상태가 달성될 수 있다.
이러한 맥락에서 중앙 멀티레벨 컨버터는, S. M. Goetz, A. V. Peterchev 및 T. Weyh 공저의 "Modular Multi-level Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," (IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215, Jan. 2015) 및 공보 US 9,502,960 B2호 및 DE 10 2016 112 250A1호에 기술된 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMSPC)이다. 상기 컨버터는, 예를 들어 R. Marquardt의 공보 DE 101 03 0301 A1호에 기술된 종래의 모듈형 멀티레벨 컨버터와 구별되고, 상기 컨버터에는 추가 병렬 상태의 존재에 의해 본 발명도 역시 적용될 수 있으며, 이를 통해 하나의 위상 섹션(phase section) 내의 MMSPC가 모듈 통합형 에너지 저장부들의 거의 모든 전기 직렬-병렬 회로 구성을 생성할 수 있고 동적으로 변경할 수 있다. 또한, 대개는 모듈의 에너지 저장부를 우회하기 위해, 우회 상태, 이른바 바이패스도 사용될 수 있다. 일반적으로, 모듈형 멀티레벨 컨버터에서는 하나의 모듈 스위칭 상태, 즉, 개별 모듈의 스위치의 스위칭 상태들이 이하의 목록에 따라 고유하게 기술될 수 있다: 병렬, 직렬, 바이패스, 스위치 오퍼. 일례로, 각각 복수의 모듈이 하나의 위상 섹션 내에 배열되는 모듈형 다중 위상 멀티레벨 컨버터가 형성되며, 이 경우 각각의 위상 섹션은 다중 위상 교류 전압의 각각의 위상을 제공한다.
모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어에서의 기본 문제는 높은 자유도, 즉, 초기에 동일한 전압을 형성하는 복수의 상이한 스위칭 상태 또는 모듈 상태이다. 모듈 상태 전체가 멀티레벨 컨버터의 출력 전압을 결정한다. 멀티레벨 컨버터의 동작을 위해, 스위칭 제어부의 제어 유닛, 소위 스케줄러는 모든 시점에서 모든 모듈의 상태를 결정하여 능동적으로 제어해야 한다. 모든 모듈의 모든 스위치에 대한 그러한 상태 결정 및 할당은, 초당 1000회 내지 백만회에 상응하는 1kHz 내지 1MHz의 클록 주파수에서 수행된다.
종래 기술로부터, 원하는 전압을 생성하기 위해 각각의 모듈 상태를 선택하기 위한 다양한 방법이 공지되어 있다. 이러한 방법 중 하나는 스위칭되는 모듈 상태가 규정되어 있는 소위 룩업 테이블(lookup table) 또는 스위칭 테이블을 이용하는 것이며, 이로써 연산 복잡성의 감소 및 구현 간소화의 장점이 제공된다. 이와 관련하여 공보 WO 2015/193439 A1호는 예를 들어, 그 제어 시 스위칭 테이블이 이용될 수 있는 다중 위상 전력 컨버터를 기술하고 있다. 이러한 방법의 단점은, 스위칭 테이블이, 가능하다고 하더라도, 특정 시점에만 최적의 상호접속을 제공한다는 것이다. 개별 모듈 내의 개별 에너지 전지 또는 에너지 저장부의 상이한 방전을 통해 멀티레벨 컨버터의 출력에서 각각의 희망 전압 레벨에 대한 새로운 최적의 스위칭 상태가 지속적으로 나타나며, 한번 형성되어 저장된 스위칭 테이블에 따라 할당된 전체 스위칭 상태는, 동작 기간이 증가하면서 점점 더 최적의 전체 스위칭 상태로부터 멀어질 것이다.
이 경우, 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 현재 상태에 따라 그리고/또는 예를 들어 에너지 저장부의 균일한 부하와 같은 추가로 고려 가능한 부가 조건에 따라 수학적 최적화를 결정하는 온라인 최적화 방법이 유리할 수 있다. 순수 수학적 최적화를 위해 원칙적으로, 예를 들어 모듈당 적어도 5개의 스위칭 상태를 갖는 10개의 MMSPC형 모듈의 경우, 시간 간격당 총 510개 및 그에 따라 거의 107개의, 천만번과 동일한 가능 스위칭 상태가 계산되어 서로 가중되어야 한다. 그런 다음, 이와 관련하여 최적의 해법(solution)을 찾기 위해, 특정 수의 향후의 시간 간격이 계산되어야 한다. 시간 간격이 M개인 경우, (510)M개의 대안이 있을 수 있다. 2개의 시간 간격에 대한 계산만으로 이미 약 1021개의 대안에 의해 고성능 컴퓨터의 한계(초당 1015번의 동작)를 훨씬 초과할 것이다. 그렇기 때문에 기존의 방법 중 어느 것도 이러한 엄청난 연산 복잡성에 대처할 수 없었다. 반면, 발견적 방법(heuristic method)은 (복잡성에 따라) 온라인으로 해법에 도달할 수는 있으나, 역시 최적의 전체 스위칭 상태로부터는 항시 어느 정도 거리가 있다.
이에 근거하여 본 발명의 과제는, 각각의 전압 요건에 대해서 온라인으로, 즉, 멀티레벨 컨버터의 동작 중에 실시간으로, 미리 정해진 부가 조건에 따라 멀티레벨 컨버터의 각각의 최적의 전체 스위칭 상태를 계산하여 이를 멀티레벨 컨버터의 제어부에 제공하는, 멀티레벨 컨버터의 모든 스위치의 스위칭 상태를 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 또한, 그러한 방법을 실행하도록 구성된 상응하는 시스템을 제공해야 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 멀티레벨 컨버터의 전체 스위칭 상태를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 이 방법에서 멀티레벨 컨버터는 적어도 하나의 모듈을 가지고, 상기 적어도 하나의 모듈은 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 제2 측의 적어도 하나의 단자, 적어도 2개의 제어 가능 스위치, 및 적어도 하나의 에너지 저장부를 갖는다. 일 실시예에서, 제1 측의 적어도 하나의 단자와 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제1 연결부 내에 적어도 하나의 에너지 저장부가 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제1 제어 가능 스위치와 직렬로 배치되고, 제1 측의 적어도 하나의 단자와 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제2 연결부 내에 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제2 제어 가능 스위치가 배치된다. 이 실시예에 의해, 적어도 하나의 모듈의 제1 단자와 제2 단자 사이에 에너지 저장부가 직렬로 연결될 수 있거나, 에너지 저장부가 우회될 수 있거나, 전선이 완전히 단속될 수 있다. 또 다른 한 실시예에서, 적어도 하나의 모듈은 제1 측의 적어도 2개의 단자 및 제2 측의 적어도 2개의 단자를 갖는다. 적어도 하나의 에너지 저장부는 제1 측의 또는 제2 측의 적어도 2개의 단자 사이에 직접 배치되고, 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제1 제어 가능 스위치는 제1 측의 제1 단자와 제2 측의 제1 단자 사이에 배치되며, 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제2 제어 가능 스위치는 제1 측의 제2 단자와 제2 측의 제2 단자 사이에 배치된다. 이 실시예에 의해, 적어도 2개의 스위치가 닫힌 상태에서, 적어도 하나의 모듈의 에너지 저장부가 추가 모듈들과 병렬로 연결될 수 있고, 이때 다른 스위칭 상태를 통해 여전히 에너지 저장부의 직렬 연결 또는 우회가 가능하다. 본 발명에 따른 방법에서, 멀티레벨 컨버터의 제어는 실시간 부분과 오프라인 부분으로 분할된다. 실시간은 이하에서 특히, 제어에 필요한 전체 스위칭 상태를 생성하기 위한 제어 루프의 부분으로서의 상응 제어 부분이 필수적으로 요구되고 그에 따라 전체 스위칭 상태의 생성을 지연시키지 않기 위해 최대 처리 시간을 결코 초과해서는 안 되는 것으로 해석된다. 반면, 특히, 고정된 기지의 최대 처리 지속시간을 가질 필요가 없고, 그리고/또는 실시간 부분보다 훨씬 더 느리게, 예를 들어 적어도 10배 더 느리게, 바람직하게 적어도 100배 더 느리게 진행되며, 그에 따라 예를 들어 실시간 부분의 처리와 병행하여 그리고/또는 비동기식으로 진행되는 제어 부분을 오프라인이라고 지칭한다. 각각의 시간 간격에서 실시간 부분에서는, 변조기에 의해 각각의 전압 요건에 각각의 전압 레벨이 할당되고, 상기 각각의 전압 레벨에 대해 스케줄러에 의해 제1 스위칭 테이블에서 멀티레벨 컨버터의 모든 스위치의 각각의 전체 스위칭 상태가 결정되며, 상기 각각의 전체 스위칭 상태는 제어 신호로서 모든 스위치에 전달된다. 오프라인 부분에서는, 옵티마이저에 의해 연속으로, 각각의 전체 스위칭 상태를 각각의 전압 레벨에 할당하는 제2 스위칭 테이블이 계산된다. 제2 스위칭 테이블은 비용 함수의 최소화에 따라 도출되는데, 이때 비용 함수는, 적어도 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 균일한 방전과 관련하여 그리고/또는 최소 스위칭 손실 및/또는 최소 온상태 손실 및/또는 에너지 저장부 내 최소 손실 및/또는 최소 총 손실과 관련하여, 복수의 모듈의 미리 정해진 각각의 모듈 스위칭 상태로부터 형성되는 전체 스위칭 상태를 평가한다. 마지막으로, 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 현재 충전 상태가 옵티마이저에 계속 제공된다. 제1 스위칭 테이블과 제2 스위칭 테이블은 한 시점에서 서로 상이할 수도 또는 서로 동일할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서는, 실시간 부분에서 제1 스위칭 테이블 내의 모든 스위치의 각각의 전체 상태가 결정되고, 오프라인 부분에서 옵티마이저에 의해 연속으로 제2 스위칭 테이블이 계산되며, 상기 제1 스위칭 테이블과 제2 스위칭 테이블은 한 시점에서 서로 상이할 수 있다. 계산의 종료 후, 계산된 제2 스위칭 테이블이 제1 스위칭 테이블을 대체하고, 그 이후에는 제1 스위칭 테이블로서 사용되며, 그에 따라 옵티마이저는 새로운 제2 스위칭 테이블을 계산하기 시작한다.
본 발명에 따른 방법은, 소위 쉐도우 메모리 접근방식과 유사한 방식으로, 복수의 스위칭 테이블을 이용할 수 있고, 여기에서 실시간 부분은 하나 이상의 테이블로 작업하나, 오프라인 또는 비동기 부분은 다른 테이블들로 작업하며, 특정 시점에, 예를 들어 본 발명에 따른 방법을 실행하는 시스템의 컴퓨팅 유닛 내의 메모리 어드레스의 스위칭을 통해 간단히, 테이블들이 교체된다.
그러나 대안적으로 또 다른 한 실시예에서는 원칙적으로 오프라인 부분이 실시간 부분의 스위칭 테이블에서 직접 작업할 수도 있으나, 가능한 한 항상성을 보전하기 위해 항시 적어도 하나의 전체 상태 엔트리를 교환한다. 실시간 부분은 상기 적어도 하나의 제1 스위칭 테이블에 읽기만 가능한 방식으로 액세스한다.
본 발명에 따른 방법은, 최적화 문제를, 지금까지 선행 기술에 따라 스위칭 기술 방법이 실행되었던 제어의 실시간 부분의 변조기로부터, 옵티마이저가 비용 함수를 기초로 최적의 제2 스위칭 테이블을 탐색하는 오프라인 부분으로 재배치함으로써 전술한 과제를 해결한다. 그에 따라 변조기는 그 필수적인 높은 속도를 유지할 수 있고, 그 결과 스케줄러와 함께, 가용한 제1 스위칭 테이블에 따라 멀티레벨 컨버터에서 각각의 전압 요건에 상응하는 멀티레벨 컨버터의 출력 전압을 초래하는 전체 스위칭 상태를 생성할 수 있게 된다. 그러는 동안 이에 병행하여 최적화가 실행되는데, 이를 위해 필요한 계산의 각각의 완료 후에, 멀티레벨 컨버터에 의해 구현되는 각각의 전압 레벨에 대한 각각의 전체 스위칭 상태에서의 상호접속의 새로운 매개변수화(parameterization)에 버금가는, 새로운 제1 스위칭 테이블이 스케줄러에 제공될 수 있다. 상기 제1 스위칭 테이블에 기반하여, 스케줄러는 이후 과정에서 멀티레벨 컨버터에 대한 전체 스위칭 상태의 선택을 수행한다.
매개변수화 또는 각각 룩업 테이블이라고도 지칭되는 제1 스위칭 테이블 또는 제2 스위칭 테이블은, 모듈이 N개일 때 대개 멀티레벨 컨버터의 출력부에서 (2N+1)로 표시되는 각각의 전압 레벨에 각각의 모듈 내 스위치 위치들의 조합을 할당하고, 각각의 모듈 내에 통합된 개별 스위치 위치들을 개별 모듈 스위칭 상태라고 지칭한다. 실질적으로 각각의 모듈의 각각의 모듈 스위칭 상태는 항상, 각각의 모듈이 포함하는 에너지 저장부가 멀티레벨 컨버터의 추가 에너지 저장부와 어떻게 상호접속되는지와 관련된다. 제1 스위칭 테이블에서 스케줄러는, 변조기에 의해 양자화되어 전달된 전압 레벨에 대해, 각각의 모듈 스위칭 상태일 수 있거나 그에 의해 정의될 수 있는 전체 스위칭 상태를 탐색한다. 이렇게 해서, 8개의 스위치를 갖는 모듈의 실시예의 경우(도 1 및 관련 설명 참조), 8개의 스위치가 표 1에 기재된 스위치 위치들을 취하는 총 5개의 모듈 스위칭 상태가 규정된다. 모듈 스위칭 상태들 중에서, "s+"는 양의 극성을 갖는 직렬 상호접속을 나타내고, "s-"는 음의 극성을 갖는 직렬 상호접속을 나타내며, "p"는 병렬 상호접속을 나타내고, "b+"는 양의 극성을 갖는 바이패스를 나타내며, "b-"는 음의 극성을 갖는 바이패스를 나타낸다. 이 경우, 양의 또는 음의 극성은, 모듈의 제1 측의 2개의 단자의 어느 극성이 모듈의 제2 측의 2개의 단자로 도통접속되는지를 나타낸다. 바이패스 내지는 모듈 우회의 경우, 이는, 하프 브리지(half-bridge)에 배치된 모듈의 스위치의, 에너지 저장부의 음의 단자에 전기적으로 연결된 하위 모듈 버스바로서도 식별될 수 있는 하이사이드 연결을 통한 도통접속, 또는 에너지 저장부의 양의 단자에 전기적으로 연결된 상위 모듈 버스바로서도 식별될 수 있는 로우사이드 연결을 통한 도통접속과 대등하다. 이와 관련된 추가 설명은 도 1과 관련된 도면 설명을 참조한다.
옵티마이저는 스케줄러와 독립적으로 그리고 스케줄러와 동시에 또는 병행하여 새로운 제2 스위칭 테이블을 계산하고, 이때 비용 함수의 최소화를 통해 적어도 수학적으로 기술되는 목표를 달성하기 위해, 시스템의 현재 상태를 고려한다. 예컨대, 모듈들 사이의 충전 균형의 목표를 위해, 즉, 장시간의 동작에 걸쳐 모든 모듈 또는 각각의 모듈에 포함된 모든 에너지 저장부가 가능한 한 동일한 전하를 방출하거나 취하기 위해, 각각의 모듈 또는 이들 모듈에 포함된 각각의 에너지 저장부의 현재 충전 상태는, 어느 모듈이 전력을 특히 강하게 방출하거나 취해야 하는지, 그리고 상기 모듈이 예를 들어 바람직하게 동작 중에 직렬 접속 "s+"를 위해 제공되어야 할지 또는 "s-"를 위해 제공되어야 할지를 옵티마이저가 판정할 수 있게 하는데 중요하다.
옵티마이저는 바람직하게 새로운 제2 스위칭 테이블을 결정하기 위해 수치 최적화 방법을 이용한다. 이를 위해, 최적화 문제는 바람직하게, 최소화할 비용 함수가, 적어도 하나의 목표가 수학적으로 거리 및/또는 합산 변수로서 공식화되는 적어도 하나의 항을 가진 수학적 문제로서 공식화되며, 이 수학적 문제에서 목표는 정확히 거리 및/또는 합산 변수가 최적이 될 때 접근되거나 달성된다. 최적은 일반적으로 최소로 이해될 수 있다. 합산 변수가 최대화될 수 있다면, 이러한 수학적 최대화는 -1을 곱하여 최소로 줄일 수 있다. 여기에 특정 경계 조건도 부가될 수 있다. 또한, 경우에 따라 각각의 스케일링 인자를 갖는, 추가 목표에 상응하는 추가 항들도 적어도 하나의 항과 수학적으로 연산될 수 있다. 옵티마이저는 이어서, 예를 들어 멀티레벨 컨버터에 의해 각각 생성될 수 있는 전압 레벨에 대해 비용 함수의 각각의 최소치에 상응하는 전체 스위칭 상태를 계산하고, 이 전체 스위칭 상태를 제2 스위칭 테이블에 저장한다. 상황에 따라, 복수의 전체 스위칭 상태가 동일한 비용 함수 최소치를 생성할 수 있고, 마찬가지로 제2 스위칭 테이블에 저장될 수 있다. 이 경우, 전체 스위칭 상태는, 원하는 또는 미리 정해진 전압 레벨을 제공하기 위해 설정될 수 있거나 설정된, 멀티레벨 컨버터의 모든 스위치의 스위치 위치들 전체 또는 모든 모듈 스위칭 상태들 전체에 상응한다. 그에 따라, 각각의 스위칭 테이블, 즉, 제1 스위칭 테이블 및 제2 스위칭 테이블은 각각의 전압 레벨에 적어도 하나의 전체 스위칭 상태를 할당하거나, 각각의 모듈에 적어도 하나의 모듈 스위칭 상태를 할당한다. 특히, 현재 결정된 제2 스위칭 테이블이 제1 스위칭 테이블로 전용될 때, 스케줄러는 읽기만 가능한 방식으로, 바람직하게 옵티마이저는 쓰기만 가능한 방식으로, 제1 스위칭 테이블에 액세스되기 때문에, 스케줄러 및 옵티마이저는 모두 상대적으로 큰 동기화 작업 없이 비동기 병행 방식으로 진행할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 제1 스위칭 테이블은 미리 정해진 시간 이후에 새로 계산된 제2 스위칭 테이블로 대체된다. 이는, 옵티마이저가 새로운 제2 스위칭 테이블의 계산을 끝내자마자 제1 스위칭 테이블이 덮어쓰기되는 것이 아니라, 미리 정해진 기간이 경과한 후에야 덮어쓰기됨을 의미한다. 이러한 미리 정해진 기간은 예를 들어 고정 시간 간격으로 형성될 수 있으며, 난수 생성기에 의해 무작위로 형성될 수도 있다. 또한, 이는 제한된 컴퓨팅 자원에 의해 결정될 수 있고, 그리고/또는 스케줄러에 개선된 제1 스위칭 테이블을 제공해야 할 필요성에 의해 형성될 수 있다.
비용 함수에는 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 현재 충전 상태의 평가가 산입될 수 있으며, 주 과제는 각각의 에너지 저장부의 방전을 가급적 균일하게 하는 것이다. 이는 유리하게 전체 방전 용량을 최대화하고, 각각의 에너지 저장부의 수명도 전체적으로 연장한다. 그 대안으로 또는 그와 함께, 예를 들어 반도체 내의 스위칭 손실 및/또는 개별 모듈과 인접 모듈의 병렬 상호접속 시의 저항 손실 및/또는 에너지 저장부 및/또는 반도체에서의 저항 손실(온상태 손실)로 인해 발생하는 것과 같은, 손실의 평가를 통해 비용 함수에 대한 기여도를 구할 수 있다. 이와 관련한 제2 스위칭 테이블 및 그에 따라 차후의 제1 스위칭 테이블의 최적화와 관련하여 이하에서 더 설명된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 다수의 모듈이 직렬로 연결되어, 교류 전압의 각각의 위상을 형성하는 적어도 하나의 위상 섹션을 형성한다. 각각의 위상 섹션은 이중 중립점을 통해 각각의 위상 섹션 시작부에 연결될 수 있다. 그 각각의 위상 섹션 단부에서는, 각각의 위상 섹션을 종결하는 각각의 모듈이 그의 각각의 제2 측에 있는 단자들에서 단락될 수 있고, 바로 그 위치에서 다중 위상 전기 기계 또는 교류 전원 장치의 동작을 위한 각각의 위상을 형성할 수 있다. 다중 위상 전기 기계는 예를 들어 전기차를 구동할 수 있다.
전술한 바와 같이, 8개의 스위치를 갖는 모듈의 실시예는 5개의 상이한 모듈 스위칭 상태를 갖는다. 그러한 다수의 모듈이 함께 묶여 위상 섹션들을 형성하는 경우, 예를 들어 6개의 예시 모듈이 총 3개의 위상 섹션을 형성하는 경우, 각각의 위상 섹션 내 각각의 마지막 예시 모듈은 4개의 모듈 스위칭 상태만을 갖는데, 그 이유는 이 경우 모듈 스위칭 상태 "s-"와 "b-"가 동일한 스위칭 상태를 생성하기 때문이다. 따라서, 위상 섹션 당 6개의 모듈을 갖는 예에서는 각각의 위상 섹션 또는 각각의 위상에 대해 55*4 = 12500개의 상이한 스위칭 상태가 얻어진다. 각각의 위상 섹션의 각각의 위상 섹션 시작이 하나의 이중 중립점에 연결되면, 3개의 위상은 더 이상 서로 독립적이지 않으며, 예시 모듈들과 통합된 멀티레벨 컨버터에 대해 총 125003개의 가능한 모듈 스위칭 상태가 얻어진다. 물론 예시 모듈들 사이의 모든 상호접속의 조합이 적절한 것은 아니다. 따라서 예를 들어, 동시에 모듈 스위칭 상태 "s+" 또는 "s-"를 갖는 인접한 예시 모듈들이 서로 연결되는 것은 적절하지 않다. 그러므로 이하에서는, 각각의 위상 섹션에서 서로 연결된 모듈들의 가능한 모든 모듈 스위칭 상태 전체가 어떻게 더 작은, 실현 가능한 모듈 스위칭 상태들의 집합으로 축소되는지를 설명한다.
손실을 줄이기 위해, 각각의 위상 섹션을 서로 병렬로 연결된 모듈들의 대그룹으로 분할하고 바이패스를 방지하는 것이 유리하다. 그러므로, 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에서는, 가능한 모든 모듈 스위칭 상태들 전체에서 할당된 또는 할당될 수 있는 모듈 스위칭 상태는, 기본 스위칭 상태에서 모든 모듈의 병렬 상호접속으로부터 도출될 수 있는 모듈 스위칭 상태들로부터 형성된다. 그러나 이것이, 원칙적으로 최적화를 위한 모듈 스위칭 상태들의 모든 조합 가능성의 이용 가능성을 제한하지는 않는다. 그러나 병렬 상호접속으로부터 도출되는 모듈 스위칭 상태들만이 가용한 경우, 인접 모듈에 대한 기본 스위칭 상태는 병렬 모듈 스위칭 상태("p")이다. 도 2와 관련된 설명에서 알 수 있듯이, "N-1"개의 음의 전압 레벨 및 N개의 양의 전압 레벨(l)이 주어지고, 여기서 이다. 원하는 전압 레벨(l)을 얻기 위해서는 l개의 모듈이 직렬로 연결되어야 한다. 이 경우, 양의 전압 레벨에서는 하기의 식에 따라 개의 가능한 모든 모듈 스위칭 상태가 주어지고,
(1)
음의 전압 레벨에서는 하기의 식에 따라 개의 가능한 모든 모듈 스위칭 상태가 주어진다:
(2)
실현 가능한 전압 레벨에 대한 가능한 모든 모듈 스위칭 상태의 총 수(ntot)는 하기와 같다:
(3)
모듈에 결함이 있는 경우, 이러한 모듈에서 병렬 모듈 스위칭 상태는 더 이상 불가능하고, 바이패스 "b+" 또는 "b-"로 대체된다. 그러나 이것이 위상 섹션 내의 가능한 모듈 스위칭 상태의 총 수(ntot)를 감소시키지는 않는다.
예를 들어 도 2의 3상 멀티레벨 컨버터의 경우와 같이, 위상 섹션 내의 N=6개의 모듈 배열에서는, 실현 가능한 모듈 스위칭 상태의 총 수가 ntot= 95이다. 이러한 모든 모듈 스위칭 상태는 행렬 A로 저장되며, 여기서
이고, 이다. (4)
행렬 A는, 각각의 라인 또는 행(m)이 일 위상 섹션의 모든 모듈에 대한 모듈 스위칭 상태들의 각각의 집합을 나열하도록 구성된다. 이어서, 각각의 열(j)은 위상 섹션의 j번째 모듈에 대한 모듈 스위칭 상태들을 포함한다. 행렬 A에 저장된 모듈 스위칭 상태들만 제2 스위칭 테이블의 추가 최적화를 위해, 즉, 비용 함수의 최소화를 위해 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 전체 비용 함수는 비용 함수와; 이하의 표로부터의 적어도 하나의 상태 변수: 전류 리플(current ripple), 멀티레벨 컨버터의 효율, 각각의 에너지 저장부의 에이징(aging), 전자기 적합성, 무왜곡 전류/전압 프로파일, 개별 모듈의 모듈 온도, 특히 개별 모듈 부하와 관련된 정보로서의 개별 모듈의 온도 추이(시간에 따른 모듈 온도의 1차 도함수), 스위칭 오류, 온상태 손실, 고장 안전성, 특히 고장 안전성을 최대화하기 위한 특정 모듈의 표적 보호, 개별 모듈의 인지된 취약성 또는 상이한 한계의 보상, 멀티레벨 컨버터에 의해 구동된 전기 기계의 회전수, 출력 주파수, 공급 주파수, 상전류에 대한 적어도 하나의 부가 조건;으로 형성된다. 비용 함수를 위한 추가 부가 조건을 형성하는 데 이용될 수 있는 또 다른 상태 변수도 고려될 수 있다.
전술한 목록으로부터의 세부 선택 또는 편집은, 예를 들어, 첫째로 모든 모듈이 동일한 모듈 온도에 있어야 하고, 두 번째로 전류 리플이 최소여야 한다는 부가 조건을 나타낸다. 각 모듈의 개별 모듈 온도(t)(단위: [K])가 각 모듈에 있는 각각의 온도 센서로부터 옵티마이저에 통지된다. 모든 모듈 온도 전체는 예를 들어, K=3개의 위상 섹션, 및 k번째 위상 섹션 당 N=6개의 모듈, 을 갖는 3상 멀티레벨 컨버터의 예시의 경우, 행렬(T)이 도출되며, 이때 하기의 식이 성립된다:
, 여기서 (5)
전류 리플은 각각의 상전류()(단위: [A])에 좌우되고, K=3개의 위상 섹션의 예시에서 하기의 식이 도출된다:
, 여기서 그리고 (6)
상기 두 부가 조건에 더하여 제3 부가 조건으로서, 방정식 (4)에서 행렬 A로 제시된 모듈 스위칭 상태들을 초래하는, 앞서 언급한 손실 감소가 고려될 수 있다. 결론적으로 본 발명에 따라, 본원에서는 예를 들어 (단위 없이 %로 표시된) "충전 상태(state of charge)"의 약어인 SOC라고 지칭될, 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 균일한 방전이 비용 함수에 산입되며, 이때 여기서도 전술한 예시에서 행렬이 하기와 같이 도출된다:
, 여기서 (7)
상기 모든 변수는 전체 비용 함수 G(SOC,T,I,A)에 의해 통합된다.
멀티레벨 컨버터의 모든 N tot =K*N 개의 에너지 저장부의 균일 방전에만 집중하는 간단한 알고리즘의 예로서, 각각의 모듈(i)에 관련된 모듈 전류(I i ) 및 각각의 모듈(i)에 관련된 충전 상태(soc i )로써 이하의 비용 함수가 도출된다:
, 여기서 (8)
방정식 (8)에서의 비용 함수의 최적화를 통해 바람직하게, 충전 상태가 평균 충전 상태(soc mean )보다 높은 모듈의 방전; 및 충전 상태가 soc mean 미만인 모듈의 충전을 촉진하는 제2 스위칭 테이블이 도출된다.
멀티레벨 컨버터의 효율에만 집중하는 간단한 알고리즘의 또 다른 예로서, 각각의 모듈(i)에 관련된 모듈 전류(I i )로써 이하의 비용 함수가 도출된다:
(9)
바로 도 1에서 기술된 각각의 모듈을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 경우, 저항 손실이 바람직하게 인접 모듈들의 병렬 상호접속에 의해 감소한다. 그에 따라, 이러한 모듈형 멀티레벨 컨버터의 효율은, 저항 손실에 정비례하는 각각의 제곱 모듈 전류()의 최소화에 의해 최대화될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에서, 각각의 적어도 하나의 부가 조건에 산입되고, 그 고유의 각각의 시간 프레임 내에서만 변동하는 각각의 상태 변수에 대해, 각각의 시간 프레임이 경과된 후에야 전체 비용 함수 내의 관련 항이 새로 계산된다. 그에 따라 본 발명에서 전체 비용 함수(G)의 계산은 각각의 상태 변수가 시간에 걸쳐 상이하게 변동한다는 사실을 고려한다. 예를 들어 모듈 온도 및 충전 상태와 같은 일부 상태 변수는, 옵티마이저가 새로운 제2 스위칭 테이블을 계산하기 위해 필요로 하는 시간보다 더 서서히 변동하기 때문에, 각각의 시간 프레임이 경과한 후에 변동이 발생해야 비로소 관련 부가 조건도 옵티마이저에서 다시 새로 평가되어야 한다. 예를 들어, 멀티레벨 컨버터의 에너지 저장부의 큰 열 용량 및 큰 전기 커패시턴스를 고려할 때, 모듈 온도 및 충전 상태 모두 서서히 변동하며, 1초의 시간 프레임을 기준으로 강하게 변동하지 않을 것이다. 그에 따라, 전체 비용 함수의 최적화를 위해, 이와 관련된 항이 상기 시간 프레임 내에서 새로 계산될 필요가 없다. 그에 비해, 각각의 모듈을 통해 흐르는 전류는 스위칭 주파수에 의해 미리 정해진 시간 프레임 내에서 변동하고, 각각의 상전류에 따라 좌우된다. 그에 따라 바람직하게는, 예를 들어 1초의 시간 프레임 내의 전술한 예의 전체 비용 함수(G(SOC,T,I,A))에 대한 옵티마이저를 위한 현재의 해공간(solution space)은 현재 온도(T pres) 및 현재 충전 상태(SOC pres)의 고정된 값에 의해 제한된다. 그러므로 상기 시간 프레임 내에서 옵티마이저에 의해 실행될 최적화, 즉, 최소 스위칭 손실과 관련하여 모든 가능한 스위칭 상태로부터 미리 선택된 모듈 스위칭 상태들(A)의 변경을 통한 전체 비용 함수[G(SOC pres ,T pres ,I,A)]의 최소치를 탐색하는 최적화는 바람직하게 상전류(I)로 제한된다:
G time frame(I,A)=G(SOC pres ,T pres ,I,A) (10)
스위칭 손실과 관련된 최적화는 정확하게, 스위칭 단계당 최대 하나의 모듈이 그 모듈 스위칭 상태를 변화시키는 경우에만 최대이다. 상전류의 전류 방향만이 최적화 알고리즘에 산입되는 경우, 최적화 알고리즘은, 1만큼 더 높은 전압 레벨이 선택될지 아니면 1만큼 더 낮은 전압 레벨이 선택될지의 여부 및 그에 상응하는 상전류가 양인지 또는 음인지의 여부를 결정해야 하는 방식으로 제한될 수 있다. 상기 상황들이 합쳐져서, 위상 섹션의 모듈들의 ntot개의 모듈 스위칭 상태 각각에 대해, 요구되는 출력 전압 및 상전류의 방향에 따라 좌우되는 후속 모듈 스위칭 상태들의 정확히 하나의 최적 세트만이 존재하게 되는 결과를 초래한다. 전술한 예에서, 위상 섹션 내에 존재하는 모듈들을 따른 상전류 분포가 모듈 스위칭 상태들에 따라 추정되고, 전체 비용 함수(G time frame(I,A))는 방정식 (10)에 따라 계산된다. 각각의 모듈 스위칭 상태에 뒤이어, 전체 비용 함수를 최적화하는 4개의 최적의 모듈 스위칭 상태가 다음번 스위칭 단계로서 할당되고, 상기 모듈 스위칭 상태는 각각 전압 레벨 및 전류 방향에 따라 좌우된다. 모듈 스위칭 상태의 4개의 각각의 최적 세트가 아래와 같이 주어진 행렬 B 내의 행렬 A에서의 각각의 행 번호 으로 입력된다:
, 여기서 (11)
상기 행렬 B의 행()은 각각의 위상의 모든 모듈에 대한 현재의 모듈 스위칭 상태 또는 행렬 A 내의 그 행 위치를 나타낸다. 요구 전압 레벨(l)이 현재 전압 레벨보다 낮은 경우에 지수 p=1이 선택되고, 그렇지 않은 경우 p=2가 선택된다. 음의 상전류의 경우, 지수 q=1이 선택되고, 그렇지 않은 경우 q=2가 선택된다. 예로서, 현재의 모듈 스위칭 상태 세트(40), 즉, 위상 섹션의 각각의 모듈의 N=6개의 모듈 스위칭 상태를 갖는 행렬 A 내의 행(40)을 고려하면, 전압 요건은 현재 출력 전압보다 낮을 것이고, 상전류의 현재 전류 방향은 양일 것이다. 이어서, 행렬 B에서 성분(s40,1,2)이 선택될 수 있다. 예시의 3개의 위상에 대한 각각의 행렬 B a, B b, B c은, 행렬 A과 함께, 제2 스위칭 테이블, 또는 스케줄러로의 전용에 따라 제1 스위칭 테이블을 나타내며, 이에 따라 멀티레벨 컨버터가 제어된다.
최적화 문제의 문제 정의에 따라, 전술한 예에 대해 행렬로서 도출된 행렬 B; 또는 3개의 위상의 경우 각각의 행렬 B a, B b, B c;의 전술한 디멘셔닝(dimensioning)이 조정될 수 있다. 전술한 예에서는 전류 방향만을 또는 각각의 상전류의 부호만을 고려하는 것으로 충분한 반면, 더 복잡한 분할도 생각할 수 있다. 상전류의 예에서, 이는 방정식 (11)에서 지수 k로 표시된 디멘셔닝의 확장을 초래할 수 있다. 분할은 예를 들어 전류 진폭에 따라 수행될 수 있다. 따라서, 예를 들어 -150A, -150A 내지 -100A, -100A 내지 -50A, -50A 내지 0A, 0A 내지 50A, 50A 내지 100A, 100A 내지 150A, 그리고 150A 초과의 분할이 사용될 수 있다. 대안적인 범위 분할도 본 발명의 범주 내에서 고려될 수 있다.
전술한 3상 멀티레벨 컨버터의 예에서는, 본 발명에 따른 방법을 실행하는 최적화 알고리즘이 예를 들어 프로그래밍 가능 Artix®-7 로직을 갖는 듀얼-코어 ARM®Cortex®-A9 프로세서를 구비한 Zynq®-7000@Xilinx® 칩 상에서 3상 멀티레벨 컨버터 제어의 일부로서 구현될 수 있다. 도 3에서도 기술되는 바와 같이, 스케줄러 또는 스위칭 제어부가 프로그래밍 가능 로직에서 구현되는 한편, 이와 병행하여 최적화 알고리즘이 Cortex®-A9에서 구현된다. 필요한 매개변수, 여기서는 온도 및 충전 상태는 AXI full interface를 통해 Cortex®-A9로 전용되고, 이는 가장 최근의 최적 모듈 스위칭 상태 또는 3개의 [전술한 예에서, 각각의 상(a, b 및 c)에 대해 하나씩의) 행렬(B a, B b, B c) 내에서 행렬 A 내의 그 행 번호를 저장하고, 이를 행렬 A과 함께 새로운 제2 스위칭 테이블로서 프로그래밍 가능 로직 상의 스케줄러에 전송한다. 이어서 상기 제1 스위칭 테이블은, 스케줄러가 처리하는 시간 스케일보다 훨씬 더 큰 시간 스케일로, 각각 새로 계산되거나 최적화된 제2 스위칭 테이블에 의해 규칙적으로 덮어쓰기된다. 그에 따라, 스케줄러는 모든 추가 계산 부하로부터 자유로워지고, 요구 전압 레벨(l a, l b, l c) 및 상전류(I a, I b, I c)에 따라 각각 가장 최근의 모듈 스위칭 상태[(s hpq)a, (s hpq)b, (s hpq)c]만 선택하면 된다. 이어서, 각각의 위상(a, b, c)에 대한 선택의 각각의 결과(S a , S b , S c )는 저장된 모듈 스위칭 상태들을 포함하는 행렬 A의 각각의 행이 된다. 그에 따라, 최적 스위칭 테이블의 계산이 비동기식으로 실행되고, 예를 들어 헤르츠 단위의 더 큰 시간 스케일로도 진행되기 때문에, 스위칭 제어부의 병렬 프로세싱 및 최적화 알고리즘은 예를 들어 kHz 이상 단위의 고속 스위칭 주파수를 허용한다.
그러나, 본 발명에 따른 방법을 실행하는 최적화 알고리즘 및 스위칭 제어기가, FPGA(Field Programmable Gate Array), CPLD(Complex Programmable Logic Device) 등과 같은 추가 로직이 없이도, 공통 디지털 신호 프로세서(DSP; Digital Signal Processor)에서 구현될 수 있다는 점도 고려될 수 있다. 이 경우, 스케줄러는 고정된 실시간 가능 스케줄링(real-time-enabled scheduling) 신호 프로세서, 즉, 최대 지연 및 최대 데드라인이 보장된 신호 프로세서상에서 통상적인 순차 처리로서 작동되고, 그에 따라 전원 시스템 제어부 또는 기계 제어부의 미리 정해진 최소 속도 또는 반응 시간이 준수된다. 전원 시스템 제어부 또는 기계 제어부 및 스케줄러의 호출은 예를 들어 각각의 인터럽트에 의해 수행될 수 있다. 이에 병행하여 최적화는, 데드라인이 훨씬 더 길거나 전혀 없는 조건에서 거의 독립적으로, 추가 프로세스 또는 스레드로서 작동된다. 최적화 알고리즘이 짧은 시간동안 쓰기 또는 복사 가능하게 액세스하는 제1 스위칭 테이블에 스케줄러가 읽기만 가능하게 액세스함으로 인해, 상기 두 프로세스 또는 스레드의 전반적인 인과적 분리가 달성될 수 있다. 경우에 따라 복수의 코어를 가지는 하나의 동일한 프로세서는, 스케줄러의 휴지기(pause); 또는 전원 시스템 제어 또는 기계 제어와 같이 실시간 부분에 작용하는 다른 과정들의 휴지기;에 스케줄러나 상기 다른 과정에 악영향을 미치지 않으면서 최적화 알고리즘을 구현할 수 있다. 스케줄러는 예를 들어, 메모리로부터의 상응하는 가장 최근의 모듈 스위칭 상태들의 순수 입력값 의존적 판독출력 및 프로세서의 I/O 유닛으로의 직접 전달로서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 변조기에 의해 제공된 각각의 전압 레벨의 맵핑을 통해, 각각의 전압 레벨에 따라 멀티레벨 컨버터 내에서 각각 설정될 모듈 스위칭 상태들을 가지는 제1 스위칭 테이블의 행이 액세스되고, 그러한 행은 스위칭 테이블을 포함하는 메모리 내에서 상기 행의 콘텐츠를 가리키는 어드레스로서 사용될 수 있다. 맵핑을 위한 추가 매개변수는 예를 들어 전류 방향일 수 있다. 이처럼, 스케줄러에 대한 입력 변수를 제1 스위칭 테이블 내 모듈 스위칭 상태들의 검색을 위한 어드레싱 명령(addressing instruction)으로 직접 변환하는 것은, 선택적으로 프로그래밍 가능한 전용 로직을 이용할 수 없는 경우에 유리하다. 상기 맵핑은 비트 논리 연산(bitwise logic operation), 비트 병합(bitwise concatenation), 합산 및/또는 감산 및/또는 2의 배수 곱하기 및/또는 2의 배수로 나누기에 의해 수행된다. 이러한 방식으로, 출력할 모듈 스위칭 상태들의 어드레스의 계산이 부동소수점 연산 장치 또는 복잡한 건너뛰기 연산(jump operation)을 필요로 하지 않는 간단한 산술 연산에 의해 구현될 수 있는데, 이는 본 발명에 따른 방법에 의해 제공되는 맵핑에서 바람직하게 입력 변수 자체가 제1 스위칭 테이블 내의 어드레스 또는 행을 형성하기 때문이다. 그러한 어드레스 생성의 일례가 표 2에 기재되어 있다.
표 2: 제1 스위칭 테이블 내의 상응하는 행에 액세스하기 위한 입력 변수로서 변조기에 의해 제공된 전압 레벨 및 전류 방향으로부터의 어드레스 생성의 예. 어드레스 또는 행은 현재의 전체 스위칭 상태와; 입력 변수, 여기서는 전압 요건 및 전류 방향으로 구성된 비트;의 조합으로 직접 형성되고, 이때 컴퓨팅 유닛의 메모리 내에서의 직접 점프(direct jump)를 위해, 메모리 내의 제1 스위칭 테이블의 위치 시작의 시작 어드레스가 추가로 부가된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 멀티레벨 컨버터의 복수의 대안적인 전체 스위칭 상태가 존재할 때, 스케줄러는 미리 정해진 규칙에 따라 선택을 한다. 스케줄러는 예를 들어 무작위로 또는 결정 규칙에 따라 이러한 선택을 한다. 그러한 결정 규칙은 예를 들어 이전의 사용 빈도에 따라 엄격하게 선택하도록 규정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에서는, 실시간 부분에서 변조기 상류의 시퀀스에 기계 제어부가 배치되고, 멀티레벨 컨버터에 연결된 전기 기계의 실제 상전류와 희망 상전류 간의 편차에 따라 변조기에 사전 설정치(predefinition)를 적용한다. 실시간 부분에서의 기계 제어부의 정확한 배치는 도 3에서 알 수 있다. 대안적으로, 멀티레벨 컨버터가 교류 전압 전원 시스템 장치로서 동작하는 경우, 상기 기계 제어부는 교류 전압 전원 시스템 제어 장치일 수도 있다. 그러나, 전기 기계가 멀티레벨 컨버터에 의해 구동되는 경우에는, 기계 제어부에 의해 토크 또는 회전수 요건에 관한 사전 설정이 수행되도록 의도된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 변조기는 이하의 목록에 따른 적어도 하나의 스위칭 변조를 실행한다: PWM 생성, 시그마-델타 변조, 근사 계단 변조(Nearest Level Modulation), 펄스 밀도 변조, 스펙트럼 조절. 이들은 선행 기술로부터 공지된 스위칭 변조 방법이다. 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 통해, 그러한 스위칭 변조가, 최적화 알고리즘에 의한 악영향 없이, 실시간 부분에서 변조기에 의해 실행될 수 있다.
또한, 멀티레벨 컨버터가 적어도 하나의 모듈을 갖는, 멀티레벨 컨버터의 전체 스위칭 상태의 제어를 위한 시스템이 청구된다. 적어도 하나의 모듈은 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 제2 측의 적어도 하나의 단자, 적어도 2개의 제어 가능 스위치 및 적어도 하나의 에너지 저장부를 갖는다. 제1 구성에서, 제1 측의 적어도 하나의 단자와 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제1 연결부 내에, 적어도 하나의 에너지 저장부가 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제1 제어 가능 스위치와 직렬로 연결되고, 제1 측의 적어도 하나의 단자와 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제2 연결부 내에, 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제2 제어 가능 스위치가 배치된다. 이러한 실시예에 의해, 적어도 하나의 모듈의 제1 단자와 제2 단자 사이에 에너지 저장부가 직렬로 연결될 수 있거나, 에너지 저장부가 우회될 수 있거나, 전선이 완전히 단속될 수 있다. 제2 구성에서, 적어도 하나의 모듈은 제1 측의 적어도 2개의 단자 및 제2 측의 적어도 2개의 단자를 갖는다. 적어도 하나의 에너지 저장부가 제1 측의 또는 제2 측의 적어도 2개의 단자 사이에 직접 배치되고, 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제1 제어 가능 스위치는 제1 측의 제1 단자와 제2 측의 제1 단자 사이에 배치된다. 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제2 제어 가능 스위치는 제1 측의 제2 단자와 제2 측의 제2 단자 사이에 배치된다. 본 발명에 따른 시스템에서, 제어는 실시간 모듈과 오프라인 모듈로 분할되고, 실시간 모듈은 적어도 하나의 변조기 및 스케줄러를 갖는다. 각각의 시간 간격에 대해서, 변조기는 전압 요건에 각각의 전압 레벨을 할당한다. 각각의 전압 레벨에 대해서, 스케줄러는 제1 스위칭 테이블 내의 모든 스위치의 각각의 전체 스위칭 상태를 결정하고, 각각의 전체 스위칭 상태를 제어 신호로서 모든 스위치에 전달한다. 오프라인 모듈은 옵티마이저를 포함하고, 옵티마이저는 비용 함수에 따라 연속으로 제2 스위칭 테이블을 계산한다. 비용 함수는, 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 균일한 방전과 관련하여, 미리 정해진 복수의 모듈 스위칭 상태로부터 형성되는 전체 스위칭 상태를 평가하고, 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 현재 충전 상태가 옵티마이저에 연속적으로 제공된다. 이를 위해, 시스템은 실시간 모듈 및 오프라인 모듈을 위해 적어도 하나의 각각의 컴퓨팅 유닛을 제공한다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서는, 실시간 모듈에서 변조기가 제1 스위칭 테이블 내의 모든 스위치의 각각의 전체 상태를 결정하도록 구성된다. 오프라인 모듈에서, 옵티마이저는 연속으로 제2 스위칭 테이블을 계산하도록 구성되고, 이때 제1 및 제2 스위칭 테이블은 서로 상이할 수 있으며, 계산의 종료 후에, 계산된 제2 스위칭 테이블이 제1 스위칭 테이블을 대체하고, 이후로는 제1 스위칭 테이블로서 이용되며, 옵티마이저는 새로운 제2 스위칭 테이블의 계산을 시작한다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 모든 가능한 모듈 스위칭 상태들 전체로부터, 미리 정해진 모듈 스위칭 상태는, 하나의 기본 스위칭 상태로부터 다수의 모듈 중 모든 모듈의 병렬 상호접속으로부터 도출될 수 있는 모듈 스위칭 상태들로부터 형성된다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 시스템은 추가로, 전체 시스템의 적어도 하나의 상태 변수에 할당된 적어도 하나의 센서를 가지며, 전체 시스템은 멀티레벨 컨버터, 멀티레벨 컨버터의 전체 스위칭 상태의 제어기, 및 멀티레벨 컨버터의 출력 전압을 탭오프(tap off)하는 전자 소비장치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 상태 변수를 통해 상기 적어도 하나의 센서에 의해 제공된 적어도 하나의 측정 변수를 이용하여 비용 함수에 대한 부가 조건이 형성되고, 이로부터 비용 함수와 함께 전체 비용 함수가 도출되며, 상기 적어도 하나의 상태 변수는 이하의 표로부터 채택된다: 전류 리플, 멀티레벨 컨버터의 효율, 각각의 에너지 저장부의 에이징(aging), 전자기 적합성, 무왜곡 전류/전압 프로파일, 개별 모듈의 모듈 온도, 특히 모듈 부하와 관련된 정보로서의 개별 모듈의 온도 추이(시간에 따른 모듈 온도의 1차 도함수), 스위칭 오류, 온상태 손실, 고장 안전성, 특히 고장 안전성을 최대화하기 위한 특정 모듈의 표적 보호, 개별 모듈의 인지된 취약성 또는 상이한 한계의 보상, 멀티레벨 컨버터에 의해 구동된 전기 기계의 회전수, 출력 주파수, 공급 주파수, 상전류.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 시스템의 실시간 모듈은 추가로, 전기 기계의 실제 상전류와 희망 상전류 간의 편차에 따라 사전 설정치를 변조기에 적용하도록 설계된 기계 제어부를 갖는다.
마지막으로, 본 발명에 따른 시스템을 구비하며 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 설계된 모듈형 멀티레벨 컨버터가 청구되고, 여기서는 각각의 모듈이 (병렬 연결이 없는 멀티레벨 컨버터를 위해 충분한) 적어도 4개의 스위치를 가지며, 한 바람직한 구성에서는 (병렬 연결을 갖는 멀티레벨 컨버터를 위해 상응하게) 8개의 스위치를 갖는다. 적어도 4개의 스위치를 갖는 본 발명에 따른 멀티레벨 컨버터의 경우, 각각의 측에 적어도 하나의 하프 브리지가 배치된다. 8개의 스위치를 갖는 본 발명에 따른 멀티레벨 컨버터의 경우, 8개의 스위치로부터 4개의 하프 브리지가 배치되고, 각각 하나의 모듈에서 2개의 제1 하프 브리지가 제1 측에 있는 적어도 2개의 단자와 병렬로 상호접속되고, 2개의 제2 하프 브리지가 제2 측에 있는 적어도 2개의 단자와 병렬로 상호접속되고, 각각의 모듈의 제1 측 및 제2 측의 각각의 하프 브리지의 각각의 로우사이드 스위치와 하이사이드 스위치 사이에 전기적 연결이 형성된다.
본 발명의 또 다른 장점들 및 구성들은 설명부 및 첨부 도면을 참조한다.
자명한 사실로서, 전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 각각 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도, 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
도면은 서로 연관되고 모두를 포괄하는 방식으로 설명되며, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호가 할당된다.
도 1은 종래 기술에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 모듈의 개략적 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 모듈형 3상 멀티레벨 컨버터와 관련된 회로도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 본 발명에 따라 멀티레벨 컨버터의 제어를 실시간 부분 및 오프라인 부분으로 분할하는 것에 관한 개략적 블록선도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 스케줄러의 입력 변수 및 출력 변수에 관한 개략적 블록선도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 옵티마이저에 관한 개략적 블록선도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 시스템의 일 구성에서, 하드웨어의 물리적 구성의 개략도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 시스템의 추가적인 구성에서, 디지털 신호 프로세서의 유닛들로의 분할을 나타낸 개략도이다.
도 8은, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 스케줄러의 입력 변수를 제1 스위칭 테이블의 행으로 맵핑하는 방식을 이용한 어드레스 생성 시의 시퀀스의 개략도이다.
도 9는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 스케줄러의 입력 변수를 제1 스위칭 테이블의 행으로 맵핑하는 방식을 이용한 추가 어드레스 생성 시의 시퀀스의 개략도이다.
도 1은 종래 기술에 따른 직렬/병렬 상호접속의 가능성을 갖는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 모듈(100)의 회로를 개략적으로 도시한다. 각각 2개의 스위치["S1"(101) 및 "S2"(102), 또는 "S3"(103) 및 "S4"(104), 또는 "S5"(105) 및 "S6"(106), 또는 "S7"(107) 및 "S8"(108)]를 가지는 4개의 하프 브리지, 에너지 저장부(109), 및 커패시터(110)가 있다. 각각의 스위치(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108)는 본질적으로 존재하는 바디 다이오드(body diode)를 갖는 MOSFET을 위한 회로 부호들로 표시되어 있다. 각각 2개의 하프 브리지(101, 102 및 105, 106; 또는 103, 104 및 107, 108)가, 그들의 각각의 저전압측 스위치(102 및 106 그리고 각각 104 및 108)와 관련 고전압측 스위치(101 및 105 그리고 각각 103 및 107) 사이에서 서로 연결된다. 모듈(100)은 2개의 제1의, 여기서는 좌측의 단자(111 및 112) 그리고 2개의 제2의, 여기서는 우측의 단자(113 및 114)를 갖는다. 각각의 모듈 스위칭 상태에 따라, 즉, 동일한 시점에서의 모듈(100)의 스위치의 스위칭 상태들에 따라, 모듈(100) 또는 에너지 저장부(109)가 구조적으로 동일한 추가 모듈과 상호접속될 수 있고, 그에 따라 직렬 상호접속 또는 병렬 상호접속 또는 에너지 저장부(109)의 우회를 구현할 수 있다. 양의 극성을 갖는 직렬 상호접속에 대해 "s+"로서 표시되는 제1 모듈 스위칭 상태는, 스위치(101 및 106) 및 스위치(103 및 108)의 직렬 연결에 의해 형성된다. 음의 극성을 갖는 직렬 상호접속에 대해 "s-"로서 표시되는 제2 모듈 스위칭 상태는, 스위치(102 및 105) 및 스위치(104 및 107)의 직렬 연결에 의해 형성된다. 병렬 상호접속에 대해 "p"로서 표시되는 제3 모듈 스위칭 상태는, 스위치(101 및 105) 및 스위치(104 및 108)의 직렬 연결에 의해 형성된다. 저전압측의 스위치에 의한 바이패스 또는 모듈 우회에 대해 "b+"로서 표시된 제4 모듈 스위칭 상태는, 스위치(102 및 106) 및 스위치(104 및 108)의 직렬 연결에 의해 형성된다. 고전압측의 스위치에 의한 바이패스 또는 모듈 우회에 대해 "b-"로서 표시된 제5 모듈 스위칭 상태는, 스위치(101 및 105) 및 스위치(103 및 107)의 직렬 연결에 의해 형성된다. 모듈(100) 내의 각각의 스위치 위치를 갖는 모든 모듈 스위칭 상태가 표 1에 나열되어 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 모듈형 3상 멀티레벨 컨버터(200)와 관련된 회로를 개략적으로 도시한다. 3개의 위상 각각은 도 1의 구조 유형의 6개의 모듈(100)로 각각 형성된다. 제1 위상은 모듈들(211, 212, 213, 214, 215, 216)을 가진 제1 위상 섹션(210)에 의해 형성되고, 제2 위상은 모듈들(221, 222, 223, 224, 225, 226)을 가진 제2 위상 섹션(220)에 의해 형성되며, 제3 위상은 모듈들(231, 232, 233, 234, 235, 236)을 가진 제3 위상 섹션(230)에 의해 형성된다. 각각의 위상 섹션 시작은 모듈(211, 221, 231)에 의해 주어지고, 각각의 위상 섹션 종료는 모듈(216, 226, 236)에 의해 주어진다. 각각의 위상 섹션(210, 220, 230)의 각각의 위상 섹션 종료에 형성된 3개의 위상은, 예를 들어 전기 차량의 견인 모터일 수 있는 전기 기계(202)를 구동한다. 각각의 위상 섹션(210, 220, 230)의 각각의 위상 섹션 시작에서, 모듈(211, 221, 및 231)은 이중 중립점(201)을 통해서 연결된다. 각각의 위상 섹션(210, 220, 230)의 6개의 모든 모듈(100)이 직렬로("s+") 상호접속되는 경우, 각각의 위상 섹션(210, 220, 230) 내의 각각의 에너지 저장부(109)가 하나의 직렬 회로를 형성하고, 6배의 모듈 전압이 얻어진다. 위상마다 N개의 모듈이 주어지면, 모듈 전압의 N배의 위상 전압이 얻어질 수 있다. 위상마다 마지막 모듈(216, 226, 236)이 각각 단락되고, 그로 인해 모듈(216, 226, 236)의 각각의 에너지 저장부(109)의 단락을 방지하기 위해 상기 모듈(216, 226, 236)이 병렬 모듈 스위칭 상태("p")로 스위칭되는 것이 불가능해진다. 이러한 마지막 모듈(216, 226, 236)의 기본 상태는 항상, 모듈 스위칭 상태("s-")에 상응하는 모듈 스위칭 상태("b-")에 의해 형성된다. 그에 따라, 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)에 의해서는 N-1개의 음의 전압 단계들만이 형성될 수 있다. 다른 측에서는, 각각의 모듈(211, 221, 231)의 에너지 저장부(109)가 이중 중립점(201)을 통해 기본적으로 병렬로 상호접속된다. 이는, 위상 섹션(210, 220, 230) 내의 3개의 위상의 상호 의존성을 초래한다. 모든 모듈(100)의 바이패스 또는 우회에 의해 생성된 "0" 값과 함께, 멀티레벨 컨버터 내 모듈이 N개일 때 나타날 수 있는 전압 레벨의 수(L)는 다음과 같다:
(1)
도 3은, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 본 발명에 따라 멀티레벨 컨버터의 제어를 오프라인 부분(310)과 실시간 부분(320)으로 분할하는 것에 관한 블록선도(300)를 개략적으로 도시한다. 오프라인 부분(310)은, ARM®Cortex®-A9 프로세서에서 하드웨어 기술로 구현될 수 있는 옵티마이저(311)를 포함한다. 오프라인 부분(310)의 구현과 별도로, 프로그래밍 가능 로직에서 하드웨어 기술로 구현될 수 있는 실시간 부분(320)은 변조기(322) 및 스케줄러(323), 그리고 선택적으로 기계 제어부(321)를 포함한다. 입력으로서, 옵티마이저(311)는 예를 들어 각각의 센서로부터 각각의 에너지 저장부의 충전 상태에 관한 측정 변수(301) 또는 각각의 모듈 온도에 관한 측정 변수(302), 또는 스위칭 오류에 관한 측정 변수(303)를 수신한다. 옵티마이저에서 실행되는 최적화 알고리즘은, 각각의 전압 레벨에 대한 가능한 모든 모듈 스위칭 상태 전체로부터, 손실을 최소화하기 위해 하나의 기본 스위칭 상태로부터 모든 모듈의 병렬 상호접속에서 도출될 수 있는 모듈 스위칭 상태를 탐색하고, 이들을 각각의 위상 섹션(j)에 대해 개별적으로 행렬 A j(313)에 기록한다. 나아가, 최적화 알고리즘은 각각의 행렬 A j(313)의 이러한 모듈 스위칭 상태에 대해서, 비용 함수, 예를 들어 방정식 (10)을 이용하여, 위상 섹션에 대한 모듈 스위칭 상태들의 [위상 섹션(j)의 각각의 모듈을 포함하는] 각각의 최적의 가장 최근의 세트를 탐색하고, 행렬 A j(313) 내에서의 그 행 번호를 행렬 B j(312) 내에 기록한다. 행렬 A j(313) 내의 행 번호는, 설정된 전압 및 전류 방향에 따라, 행렬 B j(312)의 요소 내에 저장된다. 각각 하나의 상향 또는 하향 전압 레벨만큼의 또는 하나의 상향 또는 하향 전류 단계만큼의 변화만 고려되기 때문에, 2 X 2의 디멘션이 도출된다. 전류와 관련된 디멘션의 확장 시, 행렬 B j(312)도 확장될 수 있다. 행렬 A j(313) 및 B j(312)는, 실시간 부분에서의 프로세스와 비동기식으로 제1 스위칭 테이블로서 스케줄러(323)에 제공될 수 있는 제2 스위칭 테이블을 형성한다. 그에 따라, 최적화 알고리즘은 실시간 능력이 불필요하며, 이는 유리하게 자원을 보전한다. 실시간 부분(320)에서는 예를 들어, 각각의 센서로부터, 연결된 전기 기계(304)의 회전수 또는 개별 상전류(305)와 관련된 측정 변수를 입력으로서 수신하는, 기계 제어부(321)가 선택적으로 배치될 수 있다. 멀티레벨 컨버터가 교류 전압 전원 시스템 장치로서 이용되는 경우, 회전수(304) 대신 공급 주파수가 관련된다. 기계 제어부(321)는 각각의 변수의 실제값을 설정값과 계속 비교하고, 각각의 위상 섹션(a, b, c)에 대해 별도로 각각의 차이에 상응하는 전압 요건(v * a , v * b , v * c )(324)을 변조기(322)에 인가한다. 변조기(322)는, 예를 들어 펄스 폭 변조(PWM) 또는 시그마-델타 변조 또는 근사 계단 변조 또는 펄스 밀도 변조 또는 스펙트럼 조절 또는 여타의 고려 가능한 변조에 의해 실현될 수 있는 스위칭 변조를 실행하고, 그로부터 도출된 양자화된 전압 레벨(l a , l b , l c )(325)을 형성될 출력 전압으로서 스케줄러(323)에 전달한다. 마지막으로 스케줄러는 각각 전달된 전압 레벨에 대한 제1 스위칭 테이블에서, 모듈 스위칭 상태의 각각의 세트(S a , S b , S c )(306)를 결정하고, 이를 실행을 위해 멀티레벨 컨버터에 송신한다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 입력 변수(401, 402, 403, 420) 및 스케줄러(410)의 출력 변수로서 멀티레벨 컨버터에 의해 구현되는 전체 스위칭 상태(404)와 관련된 블록선도(400)를 개략적으로 도시한다. 입력 변수(401, 402, 403, 420)로서, 예를 들어 멀티레벨 컨버터의 모듈에 의해 구현될 수 있는 전압 레벨로 양자화된 새로운 전압 요건(401), 및/또는 전류 요건(402)이 스케줄러(410)에 제공된다. 또한, 일 스위칭 단계에서 이전에 실현된 전체 스위칭 상태(403)가 입력된다. 스케줄러는 순수 판독 프로세스(405)에서 각각 원하는 전압 레벨에 대해 관련 모듈 스위칭 상태가 저장되어 있는 제1 스위칭 테이블(420)을 참조한다. 현재의 전체 스위칭 상태에 대한 더욱 양호한 최적화 결과 또는 적응을 위해, 예를 들어 상이한 전류 진폭 및/또는 전류 방향에 대해 최적화된 추가 디멘션이 제1 스위칭 테이블(420)에 부가될 수 있다. 또한, 주어진 전압 요건에서 최적의 가장 최근의 전체 스위칭 상태의 선택은 최종 전체 스위칭 상태(403)와도 관련될 수 있는데, 이는 예를 들어, 스위칭 손실을 피하기 위해 상기 마지막 전체 스위칭 상태(403)에서 시작하여 새로운 전체 스위칭 상태(404)에 도달하기 위해 모듈 스위칭 상태를 가급적 덜 변경하는 것이 유리하기 때문이다. 따라서, 제1 스위칭 테이블이 추가 디멘션만큼 확장된다. 이러한 디멘션 중 하나는, 예를 들어 "모든 모듈 스위칭 상태가 바이패스로"인 출력 상태를 갖는 0A의 전류, "직렬로 연결되는 각각의 위상 섹션 단부에서의 모듈을 제외하고, 모든 모듈 스위칭 상태가 바이패스로"인 출력 상태를 갖는 0A의 전류, 또는 "모든 모듈 스위칭 상태가 직렬 상호접속으로"인 출력 상태를 갖는 500A의 전류 등과 같이, 예를 들어 특정 모듈 스위칭 상태가 스위칭되는 각각의 전류에 의해 주어질 수 있다. 원칙적으로, 가용 계산 시간 및/또는 메모리 공간이 허용하는 한, 고려 가능한 모든 부가 조건에 대해 제1 스위칭 테이블의 디멘셔닝이 확장될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 옵티마이저(510)에 관한 블록선도(500)를 개략적으로 도시한다. 옵티마이저(510)는, 복수의 전류 단계를 위해, 모듈 스위칭 상태에 의해 생성될 수 있는 모든 전압 단계를 계산하고, 이때 주 계산 부하를 부담한다. 그러나 옵티마이저는 전용 컴퓨팅 유닛에서 하드웨어 기술로 구현되기 때문에, 존재하는 (제1) 스위칭 테이블을 기초로 동작하는 스케줄러가 옵티마이저(510)로부터 새로 계산된 (제2) 스위칭 테이블(520)을 수신할 때까지, 상기 스케줄러의 실행에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 옵티마이저(510)는, 각각의 전체 스위칭 상태에 대해 비용 함수에 따라 최적화된 모듈 스위칭 상태를 탐색하고, 이들을 저장 프로세스(502)에 의해 제2 스위칭 테이블(520)에 기록한다. 전체 스위칭 상태는 유리하게, 가능한 한 많은 측정 변수에 의해 정의될 수 있고, 이때 가용 계산 시간 및/또는 메모리 공간만이 제한을 형성한다. 측정 변수는 옵티마이저(510)로의 입력(501)을 생성하고, 예를 들어 이하의 목록에서 채택된다: 충전 상태, 오류 상태, 모듈들 사이의 물리적 차이, 변조 정도, 위상 각도(cos Φ), 전기 주파수, 누설 전류, 및/또는 개별 모듈로부터의 여타의 전류 소모.
도 6은, 본 발명에 따른 시스템의 일 구성에서, 하드웨어의 물리적 구성(600)을 개략적으로 도시하고, 이러한 구성은 2개의 물리적으로 분리된 컴퓨팅 유닛들로의 분할을 설명한다. 옵티마이저를 갖는 오프라인 부분(602)은 마이크로제어기 또는 마이크로프로세서 또는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 ALU-기반의 연산 아키텍처 또는 이들의 조합에서 구현된다. 적어도 하나의 변조기 및 스케줄러를 가지는 실시간 부분(606)은, 선택적으로 프로그래밍 가능한, 예를 들어 FPGA(필드 프로그램 가능 게이트 어레이; field programmable gate array) 또는 CPLD(복합 프로그램 가능 논리 소자; complex programmable logic device) 또는 게이트 어레이 또는 PLA(프로그램 가능 로직 어레이; programmable logic array)일 수 있는, 로직 회로에서 구현된다. 오프라인 부분(602)과 실시간 부분(606) 모두 제1 및 제2 스위칭 테이블을 포함하는 공통 메모리(604)에 액세스하고, 오프라인 부분(602)에 의한 액세스는 쓰기 방식으로 실시되며, 실시간 부분(606)에 의한 액세스는 읽기 방식으로 실시된다. 제1 및 제2 스위칭 테이블이 더 크게 디멘셔닝된 경우, 동적 메모리가 관련된 수 있다. 그에 대한 대안으로서, 특히 더 작게 디멘셔닝된 제1 및 제2 스위칭 테이블의 경우, 고속 정적 메모리, 예를 들어 플립-플롭 기반의 메모리 또는 벡터 레지스터가 관련될 수 있다. 다음번 스위칭 단계를 위한 각각의 모듈 스위칭 상태의, 멀티레벨 컨버터로의 전송(612)이 제어 버스를 통해 수행된다. 적어도 하나의 각각의 전류 센서(614)가 멀티레벨 컨버터의 각각의 모듈(608)에 배열된다. 선택적으로, 예를 들어 각각의 온도 센서 또는 각각의 모듈 전압 센서와 같은 추가 센서도 각각의 모듈(608)에 배열될 수 있다. 각각의 센서(614)는 그 측정 변수(610)를 센서 신호로서(개별 신호로서 또는 버스, 예를 들어 제어 버스의 물리적 복귀 채널을 통해 수집되는 방식으로) 오프라인 부분(602) 및 실시간 부분(606)에 각각 전송한다.
도 7은, 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 디지털 신호 프로세서(DSP)(700)의 유닛들로의 분할을 개략적으로 도시한다. DSP(700)는 적어도 하나의 CPU 코어(706), RAM 메모리(704), 플래시 메모리(708), 주변 버스 제어기(710), 예를 들어 I2C의 SPI, GPIO 멀티플렉서(712), DMA 제어기(714), 하드웨어 PI 제어기(716) 및 스케줄러(718)를 포함한다. 이러한 유닛들 사이의 통신은 메모리 버스(702)를 통해서 이루어진다. 본 발명에 따른 방법을 실행하는 최적화 알고리즘 및 스위칭 제어기가, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 복합 프로그래머블 로직 장치(CPLD) 등과 같은 추가 로직 없이도, 공통 디지털 신호 프로세서(700)에서 구현된다. 이 경우, 스케줄러는 고정된 실시간 가능 스케줄링(real-time-enabled scheduling) 신호 프로세서, 즉, 최대 지연 및 최대 데드라인이 보장된 신호 프로세서상(700) 상에서 통상적인 순차 처리로서 작동되고, 그에 따라 전원 시스템 제어부 또는 기계 제어부의 미리 정해진 최소 속도 또는 반응 시간이 준수된다. 전원 시스템 제어부 또는 기계 제어부 및 스케줄러의 호출은 예를 들어 각각의 인터럽트에 의해 수행될 수 있다. 이에 병행하여 최적화는, 데드라인이 훨씬 더 길거나 전혀 없는 조건에서 거의 독립적으로, 추가 프로세스 또는 스레드로서 작동된다. 최적화 알고리즘이 짧은 시간동안 쓰기 또는 복사 가능하게 액세스하는 제1 스위칭 테이블에 스케줄러가 읽기만 가능하게 액세스함으로 인해, 상기 두 프로세스 또는 스레드의 전반적인 인과적 분리가 달성될 수 있다. 경우에 따라 복수의 코어를 가지는 하나의 동일한 프로세서는, 스케줄러의 휴지기(pause); 또는 전원 시스템 제어 또는 기계 제어와 같이 실시간 부분에 작용하는 다른 과정들의 휴지기;에 스케줄러나 상기 다른 과정에 악영향을 미치지 않으면서 최적화 알고리즘을 구현할 수 있다. 스케줄러는 예를 들어, 메모리로부터의 상응하는 가장 최근의 모듈 스위칭 상태들의 순수 입력값 의존적 판독출력 및 프로세서의 I/O 유닛으로의 직접 전달로서 구현될 수 있다. 최적화의 분할 후에 남아 있는 스케줄링 부분은 비교적 작고 어렵지 않게(undemanding) 형성된다. 주 태스크를 구성하는 것은, 변조기가 새로운 입력 변수를 제공할 때마다, 제공되는 입력 변수, 예를 들어 요구 전압 레벨 또는 간단하게는 하나의 단계만큼의 전압 증가 또는 감소, 그리고 예를 들어 전류 방향에 연관되거나 그와 가장 가까운, 개별 모듈의 모듈 스위칭 상태값이 제1 스위칭 테이블을 갖는 메모리(704, 708)로부터 채택되고, 모듈에 직접 또는 바람직하게 버스를 통해, 이들 모듈에 각각 할당된 모듈 스위칭 상태를 공급하기 위해, I/O 유닛에 전달되는 것이다. 편의상, 스케줄러는 프로세서의 전용 하드웨어 유닛에 배치될 수 있고, 그러한 유닛은 CPU 코어(706)의 보조 없이, 스케줄링 태스크를 이행한다. 이를 위해, 전용 유닛은, 내부 프로세서 버스(702)를 통해서, 제1 스위칭 테이블을 갖는 메모리(704, 708)에 그리고 I/O 유닛, 예를 들어 GPIO(712), 또는 주변 버스 유닛(710)에 액세스해야 한다. CPU 코어(706)는 그에 따라 제어, 변조 및 최적화를 실행할 수 있다.
도 8은, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 입력 변수(801, 802, 803)의 맵핑에 의해 전체 스위칭 상태를 포함하는 스케줄러의 메모리 영역의 메모리 어드레스를 참조하는 어드레스 생성 시의 시퀀스(800)를 개략적으로 도시하고, 모듈 스위칭 상태 그리고 그에 따라 전체 스위칭 상태는 입력 변수에 따라 최적화되도록 의도된다. 현재의 전체 스위칭 상태와 추가 입력 변수의 조합에 의해 형성된 메모리 어드레스는 그대로 저장되지 않고, 이미 그 2진 값으로, 가장 최근의 전체 스위칭 상태를 갖는 메모리 어드레스에 대한 참조를 형성한다. 그에 따라, 제1 입력 변수(801)로서, 예를 들어 현재의 전체 스위칭 상태를 비트 조합으로서 이용할 수 있고, 예를 들어 이하에서 설명되는 추가 입력 변수(802 및 803)와의 조합으로 후자(latter)가, 바람직하게 분류된, 즉, 그 2진 크기에 따라 나열된 메모리 어드레스를 형성한다. 제2 입력 변수(802)는 예를 들어 변조기에 의해 제공된 양자화된 전압 레벨에 의해 형성될 수 있고, 이는, 현재의 전압 레벨이 1단계만큼 증가되어야 하는 경우, 비트 값 "1"을 가지며, 현재의 전압 레벨이 1단계만큼 감소되어야 하는 경우, 비트 값 "0"을 갖는다. 제3 입력 변수(803)는 예를 들어 다음 스위칭 단계에서 요구되는 전류 방향에 의해 형성될 수 있고, 이는, 전류 방향이 모듈의 제1 측으로부터 제2 측으로 이동하는 경우, 비트 값 "1"을 가지고, 전류 방향이 모듈의 제2 측으로부터 제1 측으로 이동하는 경우, 비트 값 "0"을 갖는다. 그러나 입력 변수(803)는 매우 일반적으로, 바람직하게는 고속 가변 입력 변수를 위한, 임의 개수의 추가 입력 변수여야 한다. 비트 병합 모듈(810)에서, 3개의 입력 변수가 조합되어 비트의 연쇄를 형성한다. 링킹 모듈(812)에서, 상기 연쇄는 메모리 셀 크기와, 즉, 개별 전체 시스템 상태, 즉, 멀티레벨 컨버터의 모든 모듈 상태를 저장하는 데 필요한 메모리 공간의 ([바이트] 단위의) 크기와 링크된다. 마지막으로, 메모리 내의 제1 스위칭 테이블의 위치 시작의 시작 어드레스가 부가 모듈(814) 내에 부가된다. 결과(806)는, 멀티레벨 컨버터에서 제1 스위칭 테이블로부터 가장 최근의 전체 스위칭 상태를 구현하기 위한 직접 점프 어드레스로서의 이용된다.
도 9는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 스케줄러의 입력 변수(922, 802, 803)를 제1 스위칭 테이블의 행으로 맵핑하는 방식을 이용한 추가 어드레스 생성 시의 시퀀스(900)를 개략적으로 도시한다. 도 8과 비교하면, 제1 입력 변수(922)는, 변조기(920)에 의해 절대적으로 또는 마지막 전압 요건과 관련하여 인코딩된 양자화된 전압 요건이다. 변조기(920)로의 입력은, 예를 들어 전원 시스템 또는 기계 제어부(910)에 의해 전송된 비양자화된, 예를 들어 연속적인 전압 요건(912)이다. 관련 전압 요건의 이용은, 가장 최근의 전체 스위칭 상태로부터 현재의 전체 스위칭 상태의 전압 단계의 수를 제어할 수 있게 한다. 최적화의 상당한 계산 복잡도로 인해, 여기서는 체크할 옵션의 양이 이미 사전에 매우 효율적으로 감소할 수 있다. 고속 스위칭 변조의 경우, 대개 소량의 스위칭 단계만 요구된다. 빈번하고 급격한 전압 변화 시에만, 비교적 큰 변화가 요구된다. 또한, 빈번하고 더 많은 전압 단계는, 반드시 복수의 모듈이 스위칭되어야 하기 때문에 더 많은 스위칭 손실을 발생시키는데 반해, 단 하나의 전압 레벨만큼의 변화는 단 하나의 또는 소량의 모듈 상태 변화를 수반하여 수행될 수 있다.

Claims (16)

  1. 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태의 제어(300, 600) 방법으로서, 상기 멀티레벨 컨버터(200)는 복수의 모듈(100)을 가지고, 상기 복수의 모듈 중 각각의 모듈은 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 제2 측의 적어도 하나의 단자, 적어도 2개의 제어 가능 스위치, 및 적어도 하나의 에너지 저장부를 가지며, 상기 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 상기 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제1 연결부 내에서, 상기 적어도 하나의 에너지 저장부가 상기 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제1 제어 가능 스위치와 직렬로 배열되고, 상기 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 상기 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제2 연결부 내에서, 상기 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제2 제어 가능 스위치가 배열되며, 상기 제어(300)는 실시간 부분(320, 606)과 오프라인 부분(310, 602)으로 분할되고, 실시간 부분에서는 각각의 시간 간격에 대해 변조기(322)에 의해 각각의 전압 요건(324)에 각각의 전압 레벨(325)이 할당되고, 상기 각각의 전압 레벨에 대해 스케줄러(323, 410)에 의해 제1 스위칭 테이블(420) 내 모든 스위치의 각각의 전체 스위칭 상태가 결정되고, 상기 각각의 전체 스위칭 상태는 제어 신호(306, 404)로서 모든 스위치에 전달되며, 오프라인 부분에서는 옵티마이저(311, 510)에 의해 연속으로 제2 스위칭 테이블(312, 313, 520)이 계산되고, 상기 제2 스위칭 테이블은 비용 함수의 최소화에 따라 도출되며, 상기 비용 함수는, 적어도 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부(109)의 균일한 방전 및/또는 최소 온상태 손실(on-state loss) 및/또는 에너지 저장부 내 최소 손실 및/또는 최소 총 손실과 관련하여, 상기 복수의 모듈의 미리 정해진 각각의 모듈 스위칭 상태들로 형성되는 전체 스위칭 상태를 평가하며, 상기 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 현재 충전 상태가 연속으로 옵티마이저에 제공되고, 적어도 변조기(920)에 의해 제공된 전압 레벨(922)의 맵핑에 의해 상기 멀티레벨 컨버터에서 구현되는 모듈 스위칭 상태들을 갖는 상기 제1 스위칭 테이블(420)의 행(806)에 액세스하며, 상기 행은, 상기 제1 스위칭 테이블(420)을 포함하는 컴퓨팅 유닛의 메모리 내에서 상기 행의 콘텐츠를 가리키는 어드레스로서 이용되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실시간 부분에서 상기 제1 스위칭 테이블 내의 모든 스위치의 각각의 전체 상태가 결정되고, 상기 오프라인 부분에서 옵티마이저에 의해 연속으로 상기 제2 스위칭 테이블이 계산되며, 상기 제1 스위칭 테이블과 제2 스위칭 테이블은 한 시점에서 서로 상이할 수 있으며, 상기 계산의 종료 후에 상기 계산된 제2 스위칭 테이블이 상기 제1 스위칭 테이블을 대체하고, 그 이후로는 상기 제1 스위칭 테이블로서 사용되며, 상기 옵티마이저는 새로운 제2 스위칭 테이블의 계산을 시작하는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    모든 가능한 모듈 스위칭 상태 전체로부터, 상기 미리 정해진 모듈 스위칭 상태들은 하나의 기본 스위칭 상태의 복수의 모듈의 모든 모듈의 병렬 상호접속으로부터 도출될 수 있는 모듈 스위칭 상태들로 형성되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 모듈 중 다수의 모듈(211, 212, 213, 214, 215, 216, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 231, 232, 233, 234, 235, 236)이 직렬로 연결되어, 교류 전압의 각각의 위상을 형성하는 적어도 하나의 위상 섹션(210, 220, 230)을 형성하는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 테이블은 미리 정해진 기간 후에 상기 새로 계산된 제2 스위칭 테이블(312, 313)로 대체되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  6. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    전체 비용 함수는 상기 비용 함수와;
    이하의 상태 변수들 중 적어도 하나:
    전류 리플, 멀티레벨 컨버터의 효율, 멀티레벨 컨버터의 에너지 저장부의 에이징, 전자기 적합성, 무왜곡 전류/전압 프로파일, 개별 모듈의 모듈 온도, 모듈의 온도 추이, 스위칭 오류, 온상태 손실, 고장 안전성, 특히 고장 안전성을 최대화하기 위한 복수의 모듈 중 특정 모듈의 표적 보호, 상기 복수의 모듈 중 개별 모듈의 인지된 취약성 또는 상이한 한계의 보상, 멀티레벨 컨버터에 의해 구동된 전기 기계의 회전수, 출력 주파수, 공급 주파수, 상전류
    에 대한 적어도 하나의 부가 조건(301, 302, 303, 801, 802, 803);으로 형성되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비용 함수 또는 상기 각각의 적어도 하나의 부가 조건에 영향을 미치고 자신의 각각의 시간 프레임 내에서만 변동하는 각각의 상태 변수에 대해, 상기 각각의 시간 프레임이 경과된 후에만 상기 전체 비용 함수 내 관련 항이 새로 계산되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  8. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멀티레벨 컨버터의 복수의 대안적인 전체 스위칭 상태가 존재할 때, 상기 스케줄러(323)는 미리 정해진 규칙에 따라 선택을 하는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  9. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실시간 부분(320)에서 변조기(322) 상류의 시퀀스 내에 기계 제어부(321)가 배치되고, 상기 기계 제어부는 상기 멀티레벨 컨버터에 연결된 전기 기계(202)의 실제 상전류와 희망 상전류 간 편차에 따라 변조기(322)에 사전 설정치를 적용하는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  10. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조기(322)는 이하의 목록:
    PWM 생성, 시그마-델타 변조, 근사 계단 변조, 펄스 밀도 변조, 스펙트럼 조절
    에 따른 적어도 하나의 스위칭 변조를 실행하는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 방법.
  11. 멀티레벨 컨버터의 전체 스위칭 상태를 제어(300, 600)하기 위한 시스템으로서, 상기 멀티레벨 컨버터는 복수의 모듈(100)을 가지고, 각각의 모듈은 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 제2 측의 적어도 하나의 단자, 적어도 2개의 제어 가능 스위치, 및 적어도 하나의 에너지 저장부를 가지며, 상기 제1 측의 적어도 하나의 단자 및 상기 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제1 연결부 내에서, 상기 적어도 하나의 에너지 저장부가 상기 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제1 제어 가능 스위치와 직렬로 배열되고, 상기 제1 측의 적어도 하나의 단자와 상기 제2 측의 적어도 하나의 단자 사이의 제2 연결부 내에, 상기 적어도 2개의 제어 가능 스위치 중 제2 제어 가능 스위치가 배치되며, 상기 제어는 실시간 모듈(320, 606) 및 오프라인 모듈(310, 602)로 분할되고, 상기 실시간 모듈은 적어도 하나의 변조기(322) 및 스케줄러(323, 410)를 가지고, 상기 변조기는 각각의 시간 간격에 대해 각각의 전압 요건에 각각의 전압 레벨(325)을 할당하도록 구성되고, 상기 스케줄러는, 각각의 전압 레벨에 대해 제1 스위칭 테이블(420) 내의 모든 스위치의 각각의 전체 스위칭 상태를 결정하도록 그리고 상기 각각의 전체 스위칭 상태를 제어 신호로서 모든 스위치의 제어부에 전달하도록 설계되며, 상기 오프라인 모듈은 옵티마이저(311, 510)를 포함하고, 상기 옵티마이저는 비용 함수의 최소화를 통해 연속으로 제2 스위칭 테이블(312, 313, 520)을 계산하도록 설계되고, 상기 비용 함수는, 상기 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부(109)의 균일한 방전 및/또는 최소 온상태 손실 및/또는 상기 에너지 저장부 내의 최소 손실 및/또는 최소 총 손실과 관련하여, 상기 복수의 모듈의 미리 정해진 각각의 모듈 스위칭 상태들로 형성되는 전체 스위칭 상태를 평가하며, 상기 멀티레벨 컨버터의 모든 에너지 저장부의 현재 충전 상태가 연속으로 상기 옵티마이저에 제공되고, 상기 시스템은, 적어도 변조기(920)에 의해 제공된 전압 레벨(922)의 맵핑에 의해 상기 멀티레벨 컨버터에서 구현되는 모듈 스위칭 상태들을 갖는 상기 제1 스위칭 테이블(420)의 행(806)에 액세스하도록 구성되며, 상기 행은, 상기 제1 스위칭 테이블(420)을 포함하는 컴퓨팅 유닛의 메모리 내에서 상기 행의 콘텐츠를 가리키는 어드레스를 포함하는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실시간 모듈에서, 상기 변조기는 상기 제1 스위칭 테이블 내의 모든 스위치의 각각의 전체 상태를 결정하도록 구성되고, 상기 오프라인 모듈에서, 상기 옵티마이저는 상기 제2 스위칭 테이블을 연속으로 계산하도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 스위칭 테이블은 한 시점에서 서로 상이할 수 있고, 상기 계산의 종료 후에, 상기 계산된 제2 스위칭 테이블이 제1 스위칭 테이블을 대체하고 그 이후로는 제1 스위칭 테이블로서 사용될 수 있으며, 상기 옵티마이저에 의해 새로운 제2 스위칭 테이블의 계산이 시작될 수 있는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    모든 가능한 모듈 스위칭 상태 전체로부터, 상기 미리 정해진 모듈 스위칭 상태들은 하나의 기본 스위칭 상태의 복수의 모듈의 모든 모듈의 병렬 상호접속으로부터 도출될 수 있는 모듈 스위칭 상태들로 형성되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 시스템.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 시스템은 추가로, 전체 시스템의 적어도 하나의 상태 변수에 할당된 적어도 하나의 센서(614)를 가지며, 상기 전체 시스템은 멀티레벨 컨버터, 상기 멀티레벨 컨버터의 전체 스위치의 제어부, 및 상기 멀티레벨 컨버터의 출력 전압을 탭오프(tap off)하는 전자 소비장치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 상태 변수를 통해 상기 적어도 하나의 센서에 의해 제공된 적어도 하나의 측정 변수를 이용하여 비용 함수에 대한 부가 조건(301, 302, 303, 801, 802, 803)이 형성되고, 이로부터 상기 비용 함수와 함께 전체 비용 함수가 도출되며, 이하의 상태 변수들 중 적어도 하나:
    전류 리플, 멀티레벨 컨버터의 효율, 멀티레벨 컨버터의 에너지 저장부의 에이징, 전자기 적합성, 무왜곡 전류/전압 프로파일, 개별 모듈의 모듈 온도, 스위칭 오류, 온상태 손실, 고장 안전성, 특히 고장 안전성을 최대화하기 위한 복수의 모듈 중 특정 모듈의 표적 보호, 상기 복수의 모듈 중 개별 모듈의 인지된 취약성 또는 상이한 한계의 보상, 멀티레벨 컨버터에 의해 구동된 전기 기계의 회전수, 출력 주파수, 공급 주파수, 상전류
    로부터 채택되는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 시스템.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 실시간 모듈은 추가로, 상기 멀티레벨 컨버터에 연결된 전기 기계(202)의 실제 상전류와 희망 상전류(305) 간의 편차에 따라 변조기에 사전 설정치를 적용하도록 설계된 기계 제어부(321)를 가지는, 멀티레벨 컨버터의 스위칭 상태 제어 시스템.
  16. 제11항에 따른 시스템을 포함하고, 제1항에 따른 방법을 실행하도록 구성된 모듈형 멀티레벨 컨버터(200)로서, 각각의 모듈(100)이 8개의 스위치(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108)를 가지며, 상기 8개의 스위치로부터 각각 4개의 하프 브리지가 배열되고, 각각의 모듈에서 2개의 제1 하프 브리지가 제1 측에 있는 적어도 2개의 단자(111, 112)와 병렬로 상호접속되고, 2개의 제2 하프 브리지는 제2 측에 있는 적어도 2개의 단자(113, 114)와 병렬로 상호접속되며, 상기 각각의 모듈의 제1 측 및 제2 측에 있는 각각의 하프 브리지의 각각의 로우사이드 스위치와 하이사이드 스위치 사이에 전기적 연결이 존재하는, 모듈형 멀티레벨 컨버터.
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