KR20080005273A - 업스트림 스텝―업 장치를 포함하는 인버터를 동작시키기위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중간 회로에 의해서 업스트림에 접속되고 또한 가변적인 기준 샘플링 전류(I_reference)를 갖는 직류 전류 소스(G)에 접속될 수 있는 스텝-업 장치(H)를 포함하는 인버터(W)를 동작시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 인버터(W) 및 스텝-업 장치(H)는 효율 최적화 동작 범위가 각각 제공된다. 가변적인 기준 샘플링 전류(I_reference)가 상승하고 스텝-업 장치(H)가 펄스 듀티 팩터 값(T)에 도달할 때, 중간 회로 전압(U_DCW)은 감소되고, 가변적인 기준 샘플링 전류(I_reference)는 안정화되며, 상기 중간 회로 전압(U_DCW)은 다시 상승된다. 직류 전류 소스(G)가 영구적인 동자 상태일 때, 인버터(W) 및 스텝-업 장치(H)는 고유의 효율 최적화 동작 범위 내에서 각각 동작한다.

Description

업스트림 스텝―업 장치를 포함하는 인버터를 동작시키기 위한 방법{METHOD FOR OPERATING AN INVERTER COMPRISING AN UPSTREAM STEP-UP DEVICE}

본 발명은 직류 전류 링크를 통해서 업스트림에 접속되는 스텝-업 장치(step-up device)를 구비한 인버터를 동작시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 직류 전류 링크는 규정되는 가변적인 유도 전류를 갖는 직류 전류 소스에 접속될 수 있고, 상기 인버터 및 스텝-업 장치 각각은 고유의 효율-최적화 동작 범위를 갖는다. 본 발명은 또한 상기 방법을 구현하기 위한 배치에 관한 것이다.

업스트림에 접속된 스텝-업 장치를 구비한 인버터들을 이용하는 방법은 낮은 직류 전압이 더 높은 교류 전압들로 변환되는 애플리케이션들에서 사용된다. 여기서, 스텝-업 장치는 직류 전류 소스의 출력 전류를 제어하고, 인버터에 의해서 교류 전압으로 변환되어 부하 또는 교류 전류 시스템에 전달되는 직류 전압을 직류 전류 링크 전압으로서 전달한다. 여기서는, 직류 전류 링크 전압이 인버터에 의해서 제어된다.

상기 타입의 방법들은, 예컨대, 광기전성 전지들(photovoltaic cells), 연료 전지들, 및 규정되어진 가변적인 유도 전류를 갖는 유사한 직류 전류 소스들을 부하 또는 교류 전류 시스템에 접속시키기 위해 사용된다. 여기서 규정되어진 유도 전류로서 이해되는 것은 이를테면 직류 전류 소스에 의해서 이용가능하게 되는 에너지를 탭핑하기 위한 직류 전류 소스의 내부 제어기에 의해 규정되는 유도 전류이다. 상기 타입의 직류 전류 소스들은 전류-종속 특징적 전압 곡선을 일반적으로 갖는다. 영향을 미치는 외부적인 요인들, 예컨대 광기전성 전지들의 경우에는 광 조건들을 변경시키는 것이 유도 전류로 하여금 변하도록 야기할 수 있다. 이러한 종류의 다이내믹한 동작 조건들은 인버터 및 스텝-업 장치가 제어되는 방식에 있어 고려될 필요가 있다. 종래 기술에 따르면, 여러 유형들이 존재하는데, 그에 대한 예들이 US 2004/0207366호 및 US 2004/0165408호에서 찾아볼 수 있다. 거기서는, 직류 전류 링크 전압이 사실상 일정한 값으로 유지된다. 직류 전류 소스의 최대 허용가능한 출력 전압은 상기 값을 결정하는데 있어서 결정적인데, 그 이유는 스텝-업 장치의 최대 펄스 듀티 팩터(duty factor)가 상기 값까지 도달하도록 허용되지 않기 때문이다. 그렇지 않다면 스텝-업 장치의 전류 제어기는 더 이상 유도 전류를 제어할 수 없을 것이고, 또는 전류가 전압으로 인해서 감소될 것이다.

일정한 직류 전류 링크 전압을 규정하는 것은 스텝-업 장치 및 인버터를 포함하는 유닛의 전체적인 효율에 불리하다. 스텝-업 장치는 최대 펄스 듀티 팩터로 동작할 때 가장 효율적으로 작동한다. 그러나, 펄스 듀티 팩터는 직류 전류 소스가 고정적인 동작 상황에 있을 때는 최대 값보다 상당히 아래에 놓이는데, 그 이유는 유도 전류의 다이내믹한 증가를 위해서는 충분한 공간이 여전히 제공되어야 하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래에 비해서 업스트림에 접속된 스텝-업 장치를 갖는 인버터를 동작시키기 위한 향상된 방법을 개시하는데 있다.

상기 목적은 청구항 제 1항에 기재된 특징들을 갖는 방법에 의해서 본 발명에 따라 달성된다. 이로 인해 달성되는 장점으로, 인버터 및 스텝-업 장치 둘 모두는, 직류 전류 소스가 고정적인 동작 상황에 있을 때, 그들 각각의 고유한 효율-최적화 동작 범위 내에서 작동할 것이다.

본 발명은, 스텝-업 장치의 입력 전압과 극서의 변환율의 곱으로부터 인버터의 평균 입력-전압 범위 값의 대략 30%의 안전 값을 감산한 것이 최적의 직류 전류 링크 전압인 것으로 정해질 때 및 인버터(W)의 가장 높은 그리고 가장 낮은 입력-전압 범위 값이 직류 전류 링크 전압(U_DCW)의 상한값 및 그것의 하한값으로서 각각 정해질 때, 유리하게 구현된다.

또한, 직류 전류 링크 전압이, 만약 직류 전류 링크 전압의 현재 값이 인버터의 효율-최적화 동작 범위의 전압 상한값의 90%인 임계치를 초과한다면, 그것의 현재 값의 대략 90%까지 감소되는 것이 유리하고, 직류 전류 소스의 규정된 유도 전류는 현재 유도 전류의 1250%를 초과하며, 현재 유도 전류는 직류 전압 소스의 내부 전류 제한치로서 규정된 최대 유도 전류에 도달한다. 그로 인해서, 스텝-업 장치는 전류 유도에 있어 가파른 상승에도 불구하고 자신의 제어 다이내믹함을 유지하며, 최대 펄스 듀티 팩터 상태로 들어가지 않는다.

스텝-업 장치의 조정을 통해서 현재의 유도 전류가 직류 전류 소스의 규정된 유도 전류에 상응하는 경우, 스텝-업 장치가 자신의 효율-최적화 범위 내에서 동작할 최적의 직류 전류 링크 전압이 단계적으로 도달될 것이다. 여기서는, 최적의 직접 전류 링크 전압이 이미 도달되었는지 여부 및 직류 전류 링크 전압을 다시 감소시키기 위한 앞서 설명된 상황들이 다른 다이내믹한 규정된 유도 전류로 인해 존재하는지 여부를 결정하기 위해서 각각의 도달 단계 이후에 검사가 수행된다.

직류 전류 링크 전압을 제어하기 위한 상기 방법을 구현하기 위해서, 인버터가 자신의 출력 측에서 부하 또는 교류 전류 시스템에 접속될 수 있으며 자신의 입력 측에서 스텝-업 장치를 통해 직류 전류 소스에 접속되는 배치가 제공된다.

상기 배치의 유리한 실시예가 예컨대 평면 변압기를 구비하는 분리된 설계의 스텝-업 장치를 통해 획득된다. 상기 타입의 스텝-업 장치들은 입력 및 출력 전압 간의 높은 변환율에 매우 적합하다.

상기 방법은 특히 연료 전지들, 광기전성 전지들, 배터리들, 축전지들, 직류 전류 생성기들 등을 부하 또는 교류 전류 시스템에 접속시키기에 적합하다. 유도 전류는 상기 직류 전류 소스들의 경우에 광범위하게 변할 수 있고, 유도 전류 및 전압 간의 명확한 종속 관계가 존재한다. 직류 전류 링크 전압의 본 발명에 따른 제어를 통해서, 직류 전류 소스에서의 다이내믹한 처리들에도 불구하고 결합된 스텝-업 장치/인버터 유닛에 대한 고도의 효율성이 달성된다.

게다가, 인버터 및 스텝-업 장치를 제어하기 위해 구현되는 제어 유닛을 상기 배치 내에 포함시키는 것이 권고되고, 상기 제어 유닛은 마이크로프로세서를 구비한다. 예컨대, 현재 전류 및 전압 값들로부터 스텝-업 장치 및 인버터를 제어하기 위한 세트포인트 값들을 계산하는 DSP(Digital Signal Processor)가 상기 배치에서 이용된다.

본 발명은 예시적인 도면들 및 예시적인 실시예를 통해 아래에서 더 상세히 설명된다.

도 1은 배치를 개략적으로 나타내는 도면.

도 2는 직류 전류 소스(G)의 전압보다 큰 최적의 직류 전류 링크 전압에 대한 곡선을 나타내는 도면.

도 3은 직류 전류 소스(G)의 전압보다 큰 최대 전류 세트포인트 값(I_{setpoint _max})에 대한 곡선을 나타내는 도면.

도 4는 연료 전지 시뮬레이터의 특징 곡선을 나타내는 도면.

도 1에는 제어 유닛(S)을 구비한 인버터(W)의 스텝-업 장치(H) 및 접속된 직류 전류 소스(G)의 본 발명에 따른 배치가 도시되어 있다. 직류 전류 소스(G)는 예컨대 직류 전압(U_DCH)이 인가되어지는 출력을 가진 연료 전지이다. 스텝-업 장치(H)는 바람직하게는 분리되는 설계를 가지며, 상기 스텝-업 장치(H) 내에서 작동하는 평면 변압기의 변환율(N)(예컨대 N=14)에 직류 전류 소스의 전압(U_DCH)과 직류 전류 소스의 전압(U_DCH)으로부터 생기는 직류 전류 링크 전압(U_DCW)의 곱을 전달한다.

직류 전류 링크 전압(U_DCW)이 인버터(W)의 효율-최적화 동작 범위의 상한값으로 인버터(W)에 의해서 유지되는 것이 개시 시에 인버터(W)에 명시된다. 상기 값은 도 2에서는 가로좌표에 평행한 직선으로서 예컨대 480V로 도시되어 있다. 도 2는 연료 전지의 전압(U_DCH)보다 큰 최적의 직류 전류 링크 전압(U_{DCW _ setpoint})에 대한 예시적인 스펙이다. 대략 25V인 연료 전지의 전압(U_DCH)까지, 직류 전류 링크 전압은 하한값(U_{DCW _ setpoint _min}=240V)으로 일정하게 유지된다. 그 다음에는 상한값(U_{DCW _ setpoint _max}=480V)까지 선형적인 상승이 이어진다. 하한값 및 상한값(U_{DCW _ setpoint _min} 및 U_{DCW _ setpoint _max})은 인버터(W)가 효율-최적화 방식으로 동작하게 되는 범위를 정하며, 인버터(W)의 물리적인 설계에 의해서 및 그것의 성분들에 의해서 결정된다.

스텝-업 장치(H)는 전류-제어 모드에서 동작한다. 직류 전류 소스(G)의 전압(U_DCH)은 스텝-업 장치(H)의 전류가 상승할 때 동시적으로 강하한다. 스텝-업 장치(H)의 펄스 듀티 팩터(T)가 그 결과 증가한다. 스텝-업 장치(H)는 특정 유도 전압(U_DCH)부터는 자신의 완전-차단 모드에 부분적으로 도달하고, 전류 제어가 더 이상은 보장되지 않을 것이다. 상기 값은 도 2에서는 예컨대 42V로 도시되어 있다.

직류 전류 링크 전압(U_DCW)이 스텝-업 장치(H)의 전류 제어기가 전류를 계속해서 제어할 수 있도록 인버터(W)에 의해 감소될 것이다. 직류 전류 링크 전 압(U_{DCW_setpoint})의 세트포인트 값이 이어서 다음의 공식으로 제공될 것이고:

U_{DCW _ setpoint} = U_DCH * N - S_U (1)

여기서, N은 스텝-업 장치(H)의 변환율이고, S_U는 인버터(W)의 평균 입력 전압 범위 값의 대략 30%인 안전 값이다. 상기 입력 전압 범위 값은, 도 2에서, 직류 전류 링크 전압(U_{DCW _ setpoint})의 최적인 세트포인트 값에 상응하며, 예컨대 제한치들(U_{DCW _ setpoint _min}=240V와 U_{DCW _ setpoint _max}=480V) 사이에 있다.

다음으로, 상기 평균 입력 전압 범위 값은 360V일 것이고, 그럼으로써 대략 100V의 안전 값(S_U)이 가정될 수 있다.

상기 안전 값(S_U)은 인버터(W)의 전압 제어기의 데드 타임(dead time) 및 제어 준비로 인해서 공제되는데, 그 이유는 상기 전압 제어기가 AC 측에서 전력 맥동으로 인해 긴 시간 지연을 갖는 것으로서 설정되었기 때문이다.

상한값(U_{DCW _ setpoint _max})(예컨대 430V)의 대략 10% 아래인 임계치(U_{DCW _threshold})가 직류 전류 링크 전압의 세트포인트 값(U_{DCW _ setpoint})에 대해서 개시 이후에 정해진다. 직류 전류 링크 전압의 세트포인트 값(U_{DCW _ setpoint})은 이어서 다음의 조건들을 따라 감소될 것이다:

- 직류 전류 링크 전압의 현재 세트포인트 값(U_{DCW _ setpoint})이 임계 치(U_{DCW _threshold})보다 크다.

- 직류 전류 소스(G)에 의해서(예컨대 연료 전지 제어기에 의해서) 정해지는 규정된 유도 전류(I_spec)의 상승이 현재 유도 전류(I_setpoint)와 안전 값(S_I1)의 합의 25%보다 크다. 여기서, 현재 유도 전류(I_setpoint)는 스텝-업 장치(H)의 전류 제어기에서 세트포인트 값으로서 곧 규정되고 또한 규정된 다이내믹을 갖는 규정된 유도 전류(I_spec)(예컨대, 2,200W의 전력 범위까지는 10A/s 및 2,200W의 전력 범위 이상에서는 3.3A/s)로 정정되는 값이다. 측정된 현재 유도 전류 값은 제어기에서 세트포인트 값(I_setpoint)에 상응하는 I_DCH이다. 안전 값(S_I1)은 낮은 전류 값들을 갖는 동작 상을 고려하는데, 여기서는 상이한 값들을 퍼센테이지로서 비교하는 것이 제어기로 하여금 너무 늦게 반응하도록 야기할 것이다. 안전 값(S_I1)은 직류 전류 소스(G)의 최대 가능한 유도 전류의 대략 1.2% 내에 있다(직류 전류 소스(G)의 최대 가능한 유도 전류는 도 4에 도시된 시뮬레이팅된 연료 전지의 특징 곡선의 경우에는 대략 100A이고, 안전 값(S_I1)은 대략 1.2A일 것이다).

- 현재 유도 전류(I_setpoint)는 최대 유도 전류(I_{setpoint _max})보다 안전 값(S_I2)만큼 더 작다. 여기서, 최대 유도 전류(I_{setpoint _max})는 직류 전류 소스(G)의 현재 값(U_DCH)에 따라 좌우되며, 직류 전류 소스(G)의 내부 전류 제한치로서 정해진다. 최대 유도 전류(I_{setpoint _max})의 예시적인 곡선이 연료 전지에 대하여 도 3에 도시되어 있다. I_{setpoint _max}는 거의 26V의 연료 전지 전압(U_DCH)까지는 제로이고, 이후로는 거의 29V의 연료 전지 전압(U_DCH)까지는 대략 81A까지 가파르게 상승하며, 이후로는 거의 63V의 연료 전지 전압(U_DCH)까지는 거의 계속해서 제로까지 다시 떨어진다. 안전 값(S_I2)의 효과로 인해서, 직류 전류 링크 전압(U_{DCW _ setpoint})의 세트포인트 값은 직류 전류 소스(G)의 내부 전류 제한치가 도달되기 이전에 감소할 것이다. 안전 값(S_I2)은 가장 높은 최대 전류 세트포인트 값(I_{setpoint _max})의 2.5%인 것으로서 가정될 수 있는데, 예시적인 경우에는 대략 2.1A이다.

전압은 다음의 조건들에 따라 적절히 감소된다:

U_DCW > U_{DCW _threshold} 및

I_spec > 1.25 * I_setpoint + S_I1 및 (2)

I_setpoint < I_{setpoint _max} - S_I2

전압의 다음의 식에 따라 감소된다:

U_{DCW _ setpoint} = (U_DCH * N - S_U) * 0.9 (3)

그로 인해서, 전압은 유도 전류의 값(I_setpoint)이 정해진 유도 전류의 값(I_spec)에 도달할 때까지는 다시금 상승하지 않을 것이다. 그것은 이어서 다음의 단계들에 따라 상승된다:

다음의 식이 적어도 1.5초 동안에 적용된다:

U_DCW < (U_DCW * N - S_U) * 0.9 + 25V (4)

직류 전류 링크 전압 값(U_{DCW _ setpoint})이 이어서 94%까지 상승될 것이다:

U_{DCW _ setpoint} = (U_DCH * N - S_U) * 0.94 (5)

다음의 식이 적어도 1.5초 동안에 적용된다:

U_DCW < (U_DCH * N - S_U) * 0.94 + 25V (6)

직류 전류 링크 전압 값(U_{DCW _ setpoint})이 이어서 98%까지 상승될 것이다:

U_{DCW _ setpoint} = (U_DCH * N - S_U) * 0.98 (7)

다음의 식이 적어도 1.5초 동안에 적용된다:

U_DCW < (U_DCH * N - S_U) * 0.98 + 25V (8)

직류 전류 링크 전압 값(U_{DCW _ setpoint})은 이어서 100%까지 상승될 것이고, 식(1)이 다시금 적용될 것이다. 만약 식(2)의 조건이 단계들(4 내지 8) 내에서 충족된다면, 단계(3)로의 리턴이 이루어질 것이다.

Claims (8)

1. 직류 전류 링크를 통해서 업스트림에 접속되며 또한 가변적인 규정된 유도 전류(I_spec)를 갖는 직류 전류 소스(G)에 접속될 수 있는 스텝-업 장치(step-up device)(H)를 구비한 인버터(W)를 동작시키기 위한 방법으로서,

   상기 인버터(W) 및 상기 스텝-업 장치(H) 각각은 고유의 효율-최적화 동작 범위를 갖고,

   직류 전류 링크 전압(U_DCW)이 상기 규정된 유도 전류(I_spec)가 상승하고 상기 스텝-업 장치(H)가 펄스 듀티 팩터(T)의 최대 값에 도달할 때 감소될 것이고,

   상기 직류 전류 링크 전압(U_DCW)이 상기 규정된 유도 전류(I_spec)의 안정화 시에 다시금 상승하게 되는 것을 특징으로 하는,

   인버터 동작 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스텝-업 장치(H)의 입력 전압(U_DCH)과 상기 스텝-업 장치(H)의 변환율의 곱에 상기 인버터(W)의 평균 입력 전압 범위 값의 거의 30%의 안전 값을 뺀 것이 최적의 직류 전류 링크 전압으로서 규정되고,

   상기 인버터(W)의 최상 및 최하 입력 전압 범위 값이 직류 전류 링크 전 압(U_DCW)의 상한값 및 하한값인 것으로서 각각 규정되는 것을 특징으로 하는, 인버터 동작 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 직류 전류 링크 전압(U_DCW)은,

   - 상기 직류 전류 링크 전압(U_DCW)의 현재 값이 상기 인버터(W)의 효율-최적화 동작 범위의 전압 상한값의 대략 90%인 임계치를 초과하는 조건,

   - 직류 전류 소스의 규정된 유도 전류(I_spec)가 현재 유도 전류(I_setpoint)의 125%를 초과하는 조건, 및

   - 상기 현재 유도 전류(I_setpoint)가 직류 전압 소스(G)의 내부 전류 제한치로서 규정된 최대 유도 전류에 도달하는 조건이 충족되는 경우에 현재 값의 대략 90%까지 감소되고,

   상기 직류 전류 링크 전압(U_DCW)은,

   - 상기 직류 전류 링크 전압(U_DCW)의 현재 값이 최적의 직류 전류 링크 전압 아래에 있는 경우,

   - 현재 유도 전류(I_setpoint)가 규정된 유도 전류(I_spec)에 상응하는 경우, 및

   - 직류 전류 링크 전압(U_DCW)을 감소시키기 위한 상기 조건들이 충족되지 않 는 경우에 단계적으로 다시금 상응하게 되는 것을 특징으로 하는, 인버터 동작 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 방법을 구현하기 위한 배치로서,

   자신의 출력 측에서 부하 또는 교류 전류 시스템들에 접속되고 또한 자신의 입력 측에서 스텝-업 장치(H)를 통해 직류 전류 소스에 접속되는 인버터(W)가 제공되는 것을 특징으로 하는,

   배치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 스텝-업 장치(H)는 분리되어진 설계인 것으로 구현되는 것을 특징으로 하는, 배치.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 직류 전류 소스(G)는 연료 전지, 광기전성 전지, 배터리, 축전지, 직류 전류 생성기 등인 것을 특징으로 하는, 배치.
7. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배치는 상기 인버터(W) 및 스텝-업 장치(H)를 제어하기 위해 구현된 제어 유닛(S)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 제어 유닛(S)은 마이크로프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는, 배치.

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