KR20110053795A - Capacitance estimation system of dc link capacitor for single phase pulse width modulation converter - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A capacitance estimation system of a dc link capacitor for single phase pulse width modulation(PWM) converter is provided to improve productivity by determining the replacement time of a capacitor in advance by estimating a capacitance state in on-line. CONSTITUTION: An inductor(L) is connected to the backend of an input power source(es). A PWM converter converts AC voltage outputted from the input power source into DC voltage. The capacitor(C) is connected to the backend of the PWM converter and smooths the DC voltage. A voltage controller produces a second current command using the difference of the voltage of capacitor and a first voltage command. The current controller outputs the voltage command from the error current value.

Description

단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터 용량 추정 시스템{CAPACITANCE ESTIMATION SYSTEM OF DC LINK CAPACITOR FOR SINGLE PHASE pulse width modulation CONVERTER} CAPACITANCE ESTIMATION SYSTEM OF DC LINK CAPACITOR FOR SINGLE PHASE pulse width modulation CONVERTER}

본 발명은 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터 용량 추정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교류 성분의 전류 또는 전압을 주입하여 단상 PWM 컨버터에 연결된 직류 링크 커패시터의 용량을 추정하는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a system for estimating a DC link capacitor capacity of a single phase PWM converter, and more particularly, to a system for estimating the capacity of a DC link capacitor connected to a single phase PWM converter by injecting current or voltage of an AC component.

최근 단상(Single-Phase) 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 컨버터가 광전지(photovoltaic), 연료 전지, 능동 필터, 무정전 전원장치(uninterruptible power supply, UPS)와 같은 재생 에너지 변화 시스템에 널리 활용되고 있다. Recently, single-phase pulse width modulation (PWM) converters are widely used in renewable energy change systems such as photovoltaic, fuel cells, active filters, and uninterruptible power supplies (UPS). have.

전해 커패시터는 에너지 버퍼로서 단상 PWM 컨버터의 후단에 주로 연결되며, 온도, 습도, 그 밖의 다른 요소들에 의하여 캐패시터 초기의 특성을 상실할 수 있으며, 커패시터 용량도 시간의 경과에 따라 감소하는 특성을 가진다. 따라서, 커패시터 용량의 몇 퍼센트가 감소하였으며, 언제 새로운 커패시터를 교체해야 하는지에 대하여 아는 것이 중요하지만, 단상 PWM 컨버터의 내부에 위치한 커패시터로 부터 직접 커패시터 용량을 측정하는 것은 어렵다. The electrolytic capacitor is an energy buffer and is mainly connected to the rear stage of the single-phase PWM converter. The electrolytic capacitor may lose the initial characteristics of the capacitor due to temperature, humidity, and other factors, and the capacitor capacity also decreases over time. . Therefore, it is important to know what percentage of capacitor capacity has been reduced and when to replace a new capacitor, but it is difficult to measure capacitor capacity directly from a capacitor located inside a single-phase PWM converter.

이와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 예를 들면, 커패시터의 등가직렬 저항 값의 증가에 기초하여 커패시터 용량을 측정하는 방법들이 제안되었다. To overcome this problem, for example, methods for measuring capacitor capacity based on an increase in the value of the equivalent series resistance of the capacitor have been proposed.

그러나, 전력변환장치에 사용되는 전력용 반도체 소자와 센서부의 수명은 반영구적인데 비하여 전해 커패시터는 전해질 증발에 따른 열화로 수명이 짧고 고장률이 높다. 동일한 커패시터라도 동작 온도와 주파수에 따라 전해질 소모가 달라지므로 커패시터의 용량 감소율을 예측하기 힘들며, 대부분의 전력변환 시스템에서 커패시터는 전력 변환부 내부에 설치되어 있으므로 계측을 위해서는 시스템으로부터 분리해야 하는 불편함이 따른다. However, the lifespan of the power semiconductor element and the sensor part used in the power converter is semi-permanent, whereas the electrolytic capacitor has a short lifespan and a high failure rate due to deterioration due to electrolyte evaporation. Even with the same capacitor, electrolyte consumption varies depending on operating temperature and frequency, so it is difficult to predict the capacity reduction rate of the capacitor.In most power conversion systems, since the capacitor is installed inside the power conversion unit, it is inconvenient to separate it from the system for measurement. Follow.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하드웨어의 추가적인 설비 없이 소프트웨어적으로 단상 PWM 컨버터에 연결된 직류 링크 커패시터의 용량을 추정하는 시스템을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention provides a system for estimating the capacity of a DC link capacitor connected to a single phase PWM converter in software without additional hardware.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템은, 입력 전원의 후단에 연결된 인덕터, 상기 인덕터의 후단에 연결되어 상기 입력 전원에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 PWM 컨버터, 상기 PWM 컨버터의 후단에 연결되어 상기 직류 전압을 평활화하는 커패시터, 상기 커패시터의 전압과 제1 전압지령 값의 차이를 이용하여 제2 전류지령을 생성하는 전압 제어부, 위상동기회로를 거친 상기 입력 전원의 위상 값, 상기 제2 전류지령의 크기 및 주입 전류를 통하여 최종 전류지령을 생성하고, 상기 최종 전류지령과 상기 입력 전원의 출력 전류의 차이로부터 에러 전류 값을 연산하는 연산부, 상기 에러 전류 값으로부터 전압지령을 생성하여 출력하는 전류 제어부, 상기 전압 지령을 이용하여 상기 PWM 컨버터의 펄스를 조절하는 펄스 조절부, 그리고 상기 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류와 상기 커패시터의 전압을 이용하여 상기 커패시터의 용량을 추정하는 추정부를 포함한다. In accordance with an aspect of the present invention, a capacitor capacity estimation system of a single phase PWM converter includes an inductor connected to a rear end of an input power supply and an alternating current voltage connected to a rear end of the inductor and output from the input power supply. A PWM converter for converting the voltage into a voltage converter; a capacitor connected to a rear end of the PWM converter to smooth the DC voltage; a voltage controller configured to generate a second current command by using a difference between the voltage of the capacitor and the first voltage command value; A calculation unit configured to generate a final current command through a phase value of the input power source, a magnitude of the second current command, and an injection current, and calculate an error current value from a difference between the final current command and an output current of the input power source; A current controller for generating and outputting a voltage command from the error current value, the voltage command Using the pulse control unit for controlling the pulse of the PWM converter, and comprises estimating unit for estimating the capacity of the capacitor by using the voltage of the DC link current output from the PWM converter and the capacitor.

상기 연산부는, 상기 입력 전원의 위상 값과 상기 제2 전류지령의 크기를 곱셈 연산하고, 상기 주입 전류를 덧셈하여 상기 최종 전류지령을 생성하며, 상기 주입 전류는 교류 성분을 가질 수 있다.The operation unit may multiply the phase value of the input power by the magnitude of the second current command, add the injection current to generate the final current command, and the injection current may have an AC component.

상기 전류 제어부는, 다음과 같은 전달함수를 이용하여 상기 에러 전류 값으로부터 상기 전압지령을 생성할 수 있다. The current controller may generate the voltage command from the error current value by using a transfer function as follows.

Figure 112009070261740-PAT00001
Figure 112009070261740-PAT00001

여기서, KP와 KI는 게인 값이고, 여기서, KP와 KI는 게인 값이고, s는 에러 전류 값의 라플라스 성분이며, ω는 제어하고자 하는 물리량의 주파수 성분이다. Here, K P and K I are gain values, where K P and K I are gain values, s is a Laplace component of an error current value, and ω is a frequency component of a physical quantity to be controlled.

상기 추정부는, RLS 알고리즘(Recursive least square algorithm)을 이용하여 상기 오차 비용 함수가 최소가 되도록 상기 커패시터의 용량을 추정할 수 있다. The estimator may estimate the capacitance of the capacitor such that the error cost function is minimized using a recursive least square algorithm.

Figure 112009070261740-PAT00002
Figure 112009070261740-PAT00002

여기서, e2(n)는 오차 비용 함수이고, BPF[·]는 대역 통과 필터를 통과한 출력 값이고, idc는 상기 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류이고, vdc는 상기 커패시터의 전압이고,

Figure 112009070261740-PAT00003
는 상기 커패시터의 추정 용량이다. Where e 2 (n) is the error cost function, BPF [·] is the output value passed through the band pass filter, i dc is the DC link current output from the PWM converter, v dc is the voltage of the capacitor ,
Figure 112009070261740-PAT00003
Is an estimated capacitance of the capacitor.

상기 커패시터의 추정 용량은 다음의 수학식을 통하여 갱신될 수 있다. The estimated capacity of the capacitor can be updated through the following equation.

Figure 112009070261740-PAT00004
Figure 112009070261740-PAT00004

여기서, μ(n)은 게인 보정 값이다. Where μ (n) is the gain correction value.

본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템은, 입력 전원의 후단에 연결된 인덕터, 상기 인덕터의 후단에 연결되어 상기 입력 전원에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 PWM 컨버터, 상기 PWM 컨버터의 후단에 연결되어 상기 직류 전압을 평활화하는 커패시터, 제1 전압지령과 주입 전압을 연산하여 제2 전압지령을 생성하고, 상기 제2 전압지령과 상기 커패시터의 전압의 차이로부터 에러 전압 값을 연산하는 제1 연산부, 상기 에러 전압 값으로부터 초기 전류지령을 생성하는 전압 제어부, 상기 초기 전류지령의 크기 및 위상동기회로를 거친 상기 입력 전원의 위상 값을 통하여 최종 전류 지령을 생성하고, 상기 최종 전류 지령과 상기 입력 전원의 출력 전류의 차이로부터 에러 전류 값을 생성하는 제2 연산부, 상기 에러 전류 값으로부터 최종 전압지령을 생성하여 출력하는 전류 제어부, 상기 최종 전압지령을 이용하여 상기 PWM 컨버터의 펄스를 조절하는 펄스 조절부, 그리고 상기 PWM 컨버터의 출력 전력과 상기 커패시터의 출력 전력을 이용하여 상기 커패시터의 용량을 추정하는 추정부를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, a capacitor capacity estimation system of a single phase PWM converter includes: an inductor connected to a rear end of an input power source, a PWM converter connected to a rear end of the inductor and converting an AC voltage output from the input power source into a DC voltage; A capacitor connected to a rear end of the PWM converter to smooth the DC voltage, a first voltage command and an injection voltage are generated to generate a second voltage command, and an error voltage value from a difference between the voltage of the second voltage command and the capacitor; A first calculating unit for calculating a value, a voltage control unit generating an initial current command from the error voltage value, generating a final current command through a magnitude of the initial current command and a phase value of the input power source passed through a phase synchronization circuit, A second calculating unit which generates an error current value from a difference between a current command and an output current of the input power source, A current controller for generating and outputting a final voltage command from the error current value, a pulse controller for adjusting a pulse of the PWM converter using the final voltage command, and using the output power of the PWM converter and the output power of the capacitor An estimator for estimating the capacitance of the capacitor.

상기 제1 연산부는, 상기 제1 전압지령과 상기 주입 전압을 덧셈 연산하여 상기 제2 전압지령을 생성하며, 상기 주입 전압은 교류 성분을 가질 수 있다. The first calculator may add the first voltage command and the injection voltage to generate the second voltage command, and the injection voltage may have an AC component.

상기 추정부는, RLS 알고리즘(Recursive least square algorithm)을 이용하여 상기 오차 비용 함수가 최소가 되도록 상기 커패시터의 용량을 추정할 수 있다. The estimator may estimate the capacitance of the capacitor such that the error cost function is minimized using a recursive least square algorithm.

Figure 112009070261740-PAT00005
Figure 112009070261740-PAT00005

여기서, e2(n)는 오차 비용 함수이고, BPF[·]는 대역 통과 필터를 통과한 출력 값이고, Pcap는 상기 PWM 컨버터의 출력 전력과 상기 커패시터의 출력 전력의 차이 값이고, vdc는 상기 커패시터의 전압이고,

Figure 112009070261740-PAT00006
는 상기 커패시터의 추정 용량이다. Where e 2 (n) is the error cost function, BPF [·] is the output value passed through the band pass filter, P cap is the difference value between the output power of the PWM converter and the output power of the capacitor, v dc Is the voltage of the capacitor,
Figure 112009070261740-PAT00006
Is an estimated capacitance of the capacitor.

상기 커패시터의 추정 용량은 다음의 수학식을 통하여 갱신될 수 있다. The estimated capacity of the capacitor can be updated through the following equation.

Figure 112009070261740-PAT00007
Figure 112009070261740-PAT00007

여기서, μ(n)은 게인 보정 값이다. Where μ (n) is the gain correction value.

이와 같이 본 발명에 의하면, 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터 용량 추정 시스템은 추가적인 하드웨어의 추가없이 단순한 소프트웨어의 추가만으로 커패시터 용량의 열화 상태를 온라인(on-line)으로 추정 가능하다. 따라서, 커패시터가 고장나기 전에 그 교체 시기를 사전에 판단할 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있다. 또한 단상 PWM 컨버터에 교류 성분의 전류 또는 전압을 주입함으로써 교류 신호를 정확하게 추종할 수 있으므로 커패시터 용량 추정의 정확도를 높일 수 있다. As described above, according to the present invention, the DC link capacitor capacity estimating system of the single phase PWM converter can estimate the deterioration state of the capacitor capacity on-line by simply adding software without adding additional hardware. Therefore, the replacement time can be determined in advance before the capacitor fails, and productivity can be improved. In addition, the AC signal can be accurately followed by injecting an AC component current or voltage into the single-phase PWM converter, thereby increasing the accuracy of the capacitor capacity estimation.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.

그리고 명세서 전체에서 전압을 유지한다는 표현은 특정 2점간의 전위 차가 시간 경과에 따라 변화하여도 그 변화가 설계상 허용될 수 있는 범위 내이거나 변화의 원인이 당업자의 설계 관행에서는 무시되고 있는 기생 성분에 의한 경우를 포함한다. 또한 방전 전압에 비해 반도체 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 문턱 전압이 매우 낮으므로 문턱 전압을 0V로 간주하고 근사 처리한다. In addition, the expression that voltage is maintained throughout the specification indicates that even if the potential difference between two specific points changes over time, the change is within an allowable range in the design or the cause of the change is due to parasitic components that are ignored in the design practice of those skilled in the art. Include cases by. In addition, since the threshold voltage of a semiconductor device (transistor, diode, etc.) is very low compared to the discharge voltage, the threshold voltage is regarded as 0V and approximated.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터의 용량을 추정하는 방법을 설명하기 위한 시스템 블록도이다. 1 is a system block diagram for explaining a method of estimating the capacity of a DC link capacitor of a single-phase PWM converter according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단상 PWM 커버터의 직류 링크 커패시터의 용량을 추정하는 시스템에 따르면, 입력 전원(es)의 후단에 인덕터(L)가 연결되고, 인덕터(L)의 후단에는 입력 전원(es)을 직류 전원으로 변환하는 PWM 컨버터가 연결된다. As shown in FIG. 1, according to the system for estimating the capacitance of the DC link capacitor of the single-phase PWM coverter according to the embodiment of the present invention, the inductor L is connected to the rear end of the input power source e s , and the inductor ( At the rear of L), a PWM converter for converting an input power source e s into a direct current power source is connected.

본 발명의 실시예에 따른 PWM 컨버터는 4개의 스위치(A+, A-, B+, B-)를 포함하며, 스위치는 주로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)로 구성되며, 펄스 폭을 조절할 수 있는 다른 종류의 트랜지스터, 예를 들면 MOSFET, BJT 등으로 구현될 수 있다. The PWM converter according to the embodiment of the present invention includes four switches (A +, A-, B +, and B-), and the switch is mainly composed of an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) and has a pulse width. It can be implemented with other kinds of adjustable transistors, for example MOSFETs, BJTs and the like.

스위치(A+, B-)가 턴온되면, 입력 전원(es)에서 출력되는 교류 전류(ia)는 인덕터(L), 스위치(A+), 커패시터(C) 및 스위치(B-)를 통하여 입력 전원(es)으로 입력되며, 입력 전원(es)으로 입력되는 전류(ib)는 직류 형태를 가진다. 또한 스위 치(A-, B+)가 턴온되면, 입력 전원(es)에서 출력되는 교류 전류는 스위치(B+), 커패시터(C), 스위치(A-) 및 인덕터(L)를 통하여 입력 전원(es)으로 입력된다. When the switches A + and B- are turned on, the alternating current i a output from the input power source e s is input through the inductor L, the switch A +, the capacitor C and the switch B-. power (e s) is input, the input power (e s) the current (i b) that is input has a direct current form. In addition, when the switches A- and B + are turned on, the AC current output from the input power source e s is transferred to the input power source through the switch B +, the capacitor C, the switch A-, and the inductor L. e s ).

PWM 컨버터의 후단에 연결된 커패시터(C)에 직류 링크 전압(Vdc)이 충전되고, 직류 전압을 평활화하며, 후단에 연결된 부하(Load)에 전력을 공급한다. 전압 제어부(Voltage controller)는 입력되는 커패시터(C)의 전압(Vdc)을 이용하여 전류 지령 값을 출력한다. The DC link voltage V dc is charged to the capacitor C connected to the rear end of the PWM converter, smoothes the DC voltage, and supplies power to the load connected to the rear end. The voltage controller outputs a current command value using the voltage V dc of the capacitor C input thereto.

전류 제어부(Current controller)는 위상동기회로(Phase-locked loop, PLL)를 거친 입력 전원(es)의 위상, 입력 전원(es)의 출력 전류(is), 전류 지령 값을 통하여 전압 지령 값을 출력하고, 펄스 조절부는 전압 지령 값을 이용하여 PWM 컨버터의 펄스 폭을 조절한다. A current controller (Current controller) is a phase-locked loop (Phase-locked loop, PLL) for coarse input power (e s) phase, the input power (e s) the output current (i s), the voltage through the command current value command of the The value is output, and the pulse controller adjusts the pulse width of the PWM converter using the voltage command value.

한편 단상 AC/DC PWM 컨버터의 직류 링크 전압(idc)은 스위칭 주파수와 관련된 고조파 리플을 제외하면 일정한 직류 값을 가진다. PWM 컨버터에 연결된 커패시터의 용량 추정을 위해서 일정한 직류 값의 신호로부터 커패시터 용량 정보를 추출하는 것은 어렵다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 정현파 형태를 가지는 교류 전류 또는 교류 전압을 주입함으로써, 직류 링크 전압에 해당하는 리플 성분을 발생시키고 이를 이용하여 커패시터 용량을 추정하도록 한다. On the other hand, the DC link voltage (i dc ) of a single phase AC / DC PWM converter has a constant DC value except for the harmonic ripple associated with the switching frequency. In order to estimate the capacitance of a capacitor connected to a PWM converter, it is difficult to extract capacitor capacity information from a signal of a constant DC value. Therefore, according to the embodiment of the present invention, by injecting an alternating current or an alternating current voltage having a sinusoidal wave shape, a ripple component corresponding to the DC link voltage is generated and the capacitor capacity is estimated using the ripple component.

이하에서는 제1 실시예를 통하여 전류를 주입하여 커패시터 용량을 추정하는 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a method of estimating capacitor capacity by injecting a current through the first embodiment will be described.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 커패시터 용량을 측정할 수 있는 단상 PWM 컨버터 회로를 나타낸 도면이다. 2 is a diagram illustrating a single-phase PWM converter circuit capable of measuring capacitor capacity according to a first embodiment of the present invention.

먼저 제1 연산기(110)는 센싱된 커패시터(C)의 기준 전압(Vdc)과 전압 지령(Vdc *)과의 차이 값을 구한다. 여기서 커패시터(C)의 기준 전압(Vdc)은 교류 성분과 직류 성분이 혼합되어 있고, 전압지령(Vdc *)은 직류 성분으로만 구성된다. First, the first calculator 110 obtains a difference value between the reference voltage V dc and the voltage command V dc * of the sensed capacitor C. Here, the reference voltage V dc of the capacitor C is a mixture of an alternating current component and a direct current component, and the voltage command V dc * is composed of only a direct current component.

전압지령(Vdc *)은 전류를 주입하기 전에 커패시터(C) 양단에 유지되어야 할 전압값을 나타낸다. 전압지령(Vdc *)은 부하(Load)측의 정격적압 및 부하특성을 고려하여 설정할 수 있다.The voltage command (V dc * ) represents the voltage value to be maintained across the capacitor (C) before the current is injected. The voltage command (V dc * ) can be set in consideration of the rated voltage and load characteristics on the load side.

제1 연산기(110)는 전압지령(Vdc *)에서 커패시터(C)의 기준 전압(Vdc)을 차감하고, 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF)는 출력 값의 노이즈를 제거하고, 대역저지필터(Band Stop Filter, BSF)는 교류 성분을 제거한다. The first operator 110 subtracts the reference voltage V dc of the capacitor C from the voltage command V dc * , and the low pass filter LPF removes noise of an output value and a band The band stop filter (BSF) removes AC components.

따라서, 전압 제어부(Voltage controller)(120)에는 직류 성분의 커패시터 전압이 인가되고, 전압 제어부(120)는 직류 성분의 커패시터 전압으로부터 전류지령의 크기 성분(imag)을 출력한다. Accordingly, the voltage controller 120 applies the capacitor voltage of the DC component, and the voltage controller 120 outputs the magnitude component i mag of the current command from the capacitor voltage of the DC component.

여기서, 전압 제어부(120)는 입력단의 값(전압지령(Vdc *)과 센싱된 커패시터 전압(Vdc)의 차이 값)과 전압 제어부(120)의 이득(비례이득 및 적분이득) 및 전류지령을 전력 평형 방정식에 대입하여 전압지령과 센싱된 커패시터 전압(Vdc)과의 전달 함수를 구한다. 전달 함수에는 비례이득 및 적분이득이 포함되며, 이 이득 값들이 전압 제어부(120)의 성능을 결정한다. 즉, 전압 제어부(120)는 입력단의 값(전압지령(Vdc *)과 센싱된 커패시터 전압(Vdc)의 차이 값)이 0에 수렴하도록 하는 전류지령을 연산하여, 전류지령의 크기 성분(imag)을 출력한다. 여기서, 전압 제어부(120)에서 전류지령을 연산하는데 필요한 전력 평형 방정식 및 전달 함수는 당업자라면 용이하게 설계 변경할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. Here, the voltage control unit 120 is a value of the input terminal (difference value between the voltage command (V dc * ) and the sensed capacitor voltage (V dc )) and the gain (proportional gain and integral gain) and current command of the voltage control unit 120 Is substituted into the power balance equation to find the transfer function between the voltage command and the sensed capacitor voltage (V dc ). The transfer function includes proportional gain and integral gain, and these gain values determine the performance of the voltage controller 120. That is, the voltage controller 120 calculates a current command that causes the value of the input terminal (a difference value between the voltage command V dc * and the sensed capacitor voltage V dc ) to converge to zero, thereby calculating the magnitude component of the current command ( i mag ) Here, since the power balance equation and the transfer function required for calculating the current command in the voltage controller 120 can be easily changed by those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.

그리고, 위상동기회로(PLL)는 입력 전원(es)으로부터 위상 성분(sin θ)을 산출하는데, 위상동기회로(PLL)가 입력 전원(es)로부터 위상 성분(sin θ)을 산출하는 방법은 후술하는 도 4를 통하여 상세히 설명한다. The phase synchronization circuit PLL calculates the phase component sin θ from the input power source e s , and the phase synchronization circuit PLL calculates the phase component sin θ from the input power source e s . Will be described in detail with reference to FIG.

제2 연산기(130)는 전류지령의 크기 성분(imag)과 입력 전원(es)의 위상 성분(sin θ)를 입력받아 곱셈 연산과정을 통하여 교류 성분의 전류지령을 생성한다. 제3 연산기(140)는 전류지령과 주입 전류(i* inj)를 덧셈 연산하여 최종 전류지령(i* s)을 생성한다. The second calculator 130 receives the magnitude component i mag of the current command and the phase component sin θ of the input power source e s and generates a current command of the AC component through a multiplication process. The third calculator 140 adds the current command and the injection current i * inj to generate a final current command i * s .

여기서, 주입 전류(i* inj)에 대하여 간단히 설명하면, 먼저 단상 PWM 컨버터 의 직류 링크 전압은 스위칭 주파수와 관련된 고조파 리플을 제외하면 일정한 값을 갖는다. 따라서 직류 링크 전압이 일정하다면, 일정한 직류 전압으로부터 커패시터 용량 추정을 위한 정보를 획득하는 것은 어렵기 때문에, 시스템을 여기(excitation) 시키기 위한 특정 신호로서 전류(i* inj)를 주입하도록 한다.Here, the injection current (i * inj ) will be described briefly. First, the DC link voltage of the single-phase PWM converter has a constant value except for the harmonic ripple associated with the switching frequency. Therefore, if the DC link voltage is constant, it is difficult to obtain information for estimating the capacitor capacity from the constant DC voltage, so that the current i * inj is injected as a specific signal to excite the system.

따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 저주파의 교류 전류 성분을 단상 PWM 컨버터의 내부에 주입하여, 이 신호를 커패시터 용량 추정에 이용한다. 저주파의 교류 전류 성분을 가지는 주입 전류(i* inj)는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. Therefore, according to the first embodiment of the present invention, a low frequency alternating current component is injected into the single phase PWM converter, and this signal is used for estimating capacitor capacity. The injection current (i * inj ) having a low frequency alternating current component may be expressed by Equation 1 below.

Figure 112009070261740-PAT00008
Figure 112009070261740-PAT00008

주입 전류(i* inj)는 동일 주파수에서 직류 링크 전압에 리플 성분을 발생시키고, 직류 링크 캐패시터에서 교류 전류와 전압 성분은 캐패시터 용량을 측정하는데 이용된다. The injection current i * inj generates a ripple component in the DC link voltage at the same frequency, and in the DC link capacitor, the AC current and the voltage component are used to measure the capacitor capacity.

제4 연산기(150)는 제3 연산기(140)로부터 최종 전류지령(i* s)을 입력받고, 입력 전원(es)의 센싱 전류(is)를 동시에 입력받는다. 제4 연산기(150)는 입력 전원(es)의 센싱 전류(is)에서 최종 전류지령(i* s)을 차감하여 오차 값(ierr)을 출력한 다. The fourth calculator 150 receives the final current command i * s from the third calculator 140 and simultaneously receives the sensing current i s of the input power source e s . The fourth calculator 150 outputs an error value i err by subtracting the final current command i * s from the sensing current i s of the input power source e s .

전류 제어부(Current controller)(160)는 오차 값(ierr)을 이용하여 최종 전압지령(V* ref)을 생성하는데, 전류 제어부(170)가 최종 전압지령(V* ref)을 생성하는 방법은 후술하는 도 4를 통하여 상세히 설명한다. The current controller 160 generates the final voltage command V * ref using the error value i err , and the current controller 170 generates the final voltage command V * ref . It will be described in detail with reference to Figure 4 to be described later.

펄스 조절부(170)는 최종 전압지령(V* ref)에 대응하여 단상 PWM 컨버터에 포함된 스위치의 펄스 폭을 조절한다. The pulse controller 170 adjusts the pulse width of the switch included in the single phase PWM converter in response to the final voltage command V * ref .

이와 같이 최종 전압지령(V* ref)에 대응하여 단상 PWM 컨버터에 포함된 스위치의 펄스 폭이 조절되면, RLS 추정부(180)는 펄스 폭이 조절된 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류와 커패시터의 전압(Vdc)을 이용하여 커패시터의 용량을 추정한다. As such, when the pulse width of the switch included in the single-phase PWM converter is adjusted in response to the final voltage command (V * ref ), the RLS estimator 180 adjusts the DC link current and the capacitor output from the pulse width-controlled PWM converter. The capacity of the capacitor is estimated using the voltage V dc .

먼저, 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF)는 주입된 전류에 해당하는 주파수 성분만 통과시켜 주입 주파수에서 직류 링크 전류와 전압 리플 성분을 제거하고, RLS 추정부(180)는 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류와 커패시터의 전압(Vdc)을 이용하여 커패시터의 용량을 추정한다. 커패시터 용량의 측정을 위하여 직류 링크 전류(idc)를 구해야 하는데, 직류 전류 센서를 부가적으로 설치하여 직류 링크 전류(idc)를 구하는 것은 비효율적이다. 따라서, 직류 링크 전류(idc)를 직접 적으로 측정하는 대신에, 게이팅 시간과 위상 전류를 이용하여 계산할 수 있으며, 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. First, a band pass filter (BPF) removes a DC link current and a voltage ripple component at an injection frequency by passing only a frequency component corresponding to an injected current, and the RLS estimator 180 outputs a PWM converter. The capacitance of the capacitor is estimated using the DC link current and the voltage of the capacitor (V dc ). DC link current (i dc ) must be obtained to measure capacitor capacity. It is inefficient to obtain DC link current (i dc ) by installing an additional DC current sensor. Therefore, instead of directly measuring the direct current link current (i dc ), it can be calculated using the gating time and the phase current, it can be expressed as Equation 2.

Figure 112009070261740-PAT00009
Figure 112009070261740-PAT00009

여기서, Sa와 Sb 는 입력 교류 전원에 연결된 양단의 스위치에 대한 스위칭 함수로서, 스위치의 턴온 또는 턴오프에 따라 '1' 또는 '0'의 값을 가진다. 그리고, ia와 ib 는 단상 PWM 컨버터의 양단에 각각 흐르는 전류로서, ia= -ib = is 를 만족한다. Here, S a and S b are switching functions for the switches at both ends connected to the input AC power source, and have a value of '1' or '0' depending on whether the switch is turned on or off. And i a and i b are currents flowing through both ends of the single-phase PWM converter, respectively, i a = -i b = i s is satisfied.

대신에, 입력 교류 전원의 출력 전류(is)와 게이팅 시간을 이용하여, 직류 링크 전류(idc , cal)의 평균 값을 다음의 수학식 3과 같이 구할 수 있다. Instead, using the output current (i s ) and the gating time of the input AC power source, the average value of the DC link current (i dc , cal ) can be obtained as shown in Equation 3 below.

Figure 112009070261740-PAT00010
Figure 112009070261740-PAT00010

Ta와 Tb 는 단상 PWM 컨버터에서 턴온되는 스위치에 대한 게이팅 시간이고, Tsampling은 샘플링 시간을 나타낸다. T a and T b are the gating time for the switch turned on in a single-phase PWM converter, and T sampling represents the sampling time.

도 3a 및 도 3b는 게이팅 시간과 샘플링 시간을 설명하기 위한 도면이다. 3A and 3B are diagrams for describing a gating time and a sampling time.

샘플링 시간(Tsampling)은 모든 센서들이 측정 값을 센싱하는 시간 주기이며, 예를 들면 샘플링 시간이 1초면 한번 센싱한 후 1초 후에 다시 측정 값을 센싱하는 것을 나타낸다. 또한 샘플링 시간은 단상 PWM 컨버터의 PWM 주기에도 해당된다. 예를 들어, 도 1에서 A+ 스위치가 턴온되면 A- 스위치는 턴오프 되며, B+ 스위치와 B- 스위치의 관계 역시 같다. 게이팅 시간은 한 샘플링 시간(즉, PWM 주기)동안 PWM 컨버터가 A+ 스위치 및 B- 스위치, 또는 A- 스위치 및 B+ 스위치를 얼마동안 켜야 하는지를 나타내는 시간이다. 도 3a 및 도 3b에서 V* ref는 전류 제어부(160)에서 생성하는 최종 전압지령을 나타낸다. Sampling time (T sampling ) is a time period in which all sensors sense the measured value. For example, if the sampling time is one second, the sampling time T sampling indicates that the measured value is sensed again after one second. The sampling time also corresponds to the PWM period of a single-phase PWM converter. For example, in FIG. 1, when the A + switch is turned on, the A- switch is turned off, and the relationship between the B + switch and the B- switch is also the same. Gating time is the time that indicates how long the PWM converter should turn on the A + and B- switches, or the A- and B + switches for one sampling time (i.e., PWM period). 3A and 3B, V * ref represents a final voltage command generated by the current controller 160.

이하에서는 RLS 추정부(180)가 커패시터의 용량을 추정하는 방법에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 먼저, 전류와 커패시터 전압 사이의 관계를 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. Hereinafter, the method of estimating the capacitance of the capacitor by the RLS estimator 180 will be described in more detail. First, the relationship between the current and the capacitor voltage can be expressed as shown in Equation 4.

Figure 112009070261740-PAT00011
Figure 112009070261740-PAT00011

부하가 없다고 가정하고, 수학식 4를 본 발명의 실시예에 따른 커패시터에 적용하면 수학식 5와 같다. Assuming no load, Equation 4 is applied to the capacitor according to the embodiment of the present invention.

Figure 112009070261740-PAT00012
Figure 112009070261740-PAT00012

여기서, idc는 단상 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류이고, vdc는 커패시터 전압이다. 그리고, 수학식 5의 idc에 수학식 3에서 구한 idc , cal 값을 대입한다. Where i dc is the DC link current output from the single-phase PWM converter and v dc is the capacitor voltage. In addition, i dc and cal obtained from Equation 3 to i dc of Equation 5 Assign a value.

2차 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)는 주입 주파수에서 직류 링크 전류와 전압 리플 성분을 추출하기 위하여 사용되며, 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. A band pass filter (BPF) is used to extract a DC link current and a voltage ripple component at an injection frequency, and can be expressed by Equation 6.

Figure 112009070261740-PAT00013
Figure 112009070261740-PAT00013

여기서, BPF[·]는 대역 통과 필터(BPF)를 통과한 출력 값을 나타낸다. Here, BPF [·] represents the output value which passed the band pass filter BPF.

RLS 추정부(180)는 RLS 알고리즘(Recursive least square algorithm)을 통하여 최소 자승 비용 함수를 최소화하도록 한다. 오차 비용 함수는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. The RLS estimator 180 minimizes the least square cost function through a recursive least square algorithm. The error cost function can be expressed as Equation 7 below.

Figure 112009070261740-PAT00014
Figure 112009070261740-PAT00014

여기서, e2(n)는 오차 비용 함수이고, BPF[·]는 대역 통과 필터를 통과한 출력 값이고, idc는 상기 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류이고, vdc는 상기 커패시터의 전압이고,

Figure 112009070261740-PAT00015
는 상기 커패시터의 추정 용량이다. Where e 2 (n) is the error cost function, BPF [·] is the output value passed through the band pass filter, i dc is the DC link current output from the PWM converter, v dc is the voltage of the capacitor ,
Figure 112009070261740-PAT00015
Is an estimated capacitance of the capacitor.

여기서, 커패시터 추정 용량

Figure 112009070261740-PAT00016
는 오차 비용 함수 e2(n)를 최소화하기 위하여 갱신되도록 한다. 따라서, 계수
Figure 112009070261740-PAT00017
는 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.Where capacitor estimated capacitance
Figure 112009070261740-PAT00016
Is updated to minimize the error cost function e 2 (n). Thus, the coefficient
Figure 112009070261740-PAT00017
Can be expressed as Equation 8 below.

Figure 112009070261740-PAT00018
Figure 112009070261740-PAT00018

여기서, μ(n)은 게인 보정 값으로, 상수(0.1 * 10-8)로 선택할 수 있다. Here, μ (n) is a gain correction value and can be selected as a constant (0.1 * 10 −8 ).

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상동기회로(PLL)를 설명하기 위한 블록도이다. 4 is a block diagram illustrating a phase synchronization circuit PLL according to an embodiment of the present invention.

도 4에 나타낸 위상동기회로(PLL)은 3상 p-q 정리를 따르며, 입력 신호인 측정 전압 es는 α-β 좌표계에서 Vα로 설정된다. Vβ의 수직 성분은 2상 신호 발생기(Two Phase Generator)로부터 π/2만큼 Vα를 지연시킴으로써 얻을 수 있다. 가상의 전류 iα, iβ는 전압 Vα, Vβ와 마찬가지로 직교 관계에 있다. The phase synchronization circuit PLL shown in FIG. 4 follows the three-phase pq theorem, and the measured voltage e s as the input signal is set to V α in the α-β coordinate system. The vertical component of V β can be obtained by delaying V α by π / 2 from a two phase generator. The virtual currents i α and i β are orthogonal to the voltages V α and V β .

PI제어기(PI current controller)는 정상상태 오차 및 응답 속도를 개선하기 위한 제어기로서, 정상상태에 도달하면 각을 정확하게 추정할 수 있다. PI제어기는 직류성분 제어에는 우수한 성능을 보이지만 전류지령이 교류가 되면 제어기 이 득이 높지 않으면 아무리 오랜 시간이 지나더라도 시스템이 지령값을 완벽하게 추정할 수 없는 특성을 가진다. The PI current controller is a controller for improving the steady state error and the response speed, and can accurately estimate the angle when the steady state is reached. The PI controller shows excellent performance in DC component control, but the system cannot estimate the command value completely even after long time if the controller gain is not high when the current command is AC.

도 4에서 ω ff 는 소스 전압에 대한 피드 포워드 주파수(feed-forward frequency)를 나타낸다. 여기서 전 대역통과 필터(All Pass Filter)는 2상 신호 발생기가 측정 전압 es을 90도 지연시키는데 이용되며, 전달함수는 다음의 수학식 9와 같다. In Figure 4, ω ff represents the feed-forward frequency for the source voltage. In this case, the all-pass filter is used by the two-phase signal generator to delay the measured voltage e s by 90 degrees, and the transfer function is expressed by Equation 9 below.

Figure 112009070261740-PAT00019
Figure 112009070261740-PAT00019

여기서, ζ는 감쇠비(damping ratio)로서 1로 설정되고, ω n 는 입력 전원에 대한 주파수이다. Here, ζ is set to 1 as the damping ratio, and ω n is the frequency with respect to the input power supply.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전류 조절부를 설명하기 위한 블록도이다. 5 is a block diagram illustrating a current controller according to an embodiment of the present invention.

먼저 제4 연산기(150)는 제3 연산기(140)로부터 기준 전류에 해당하는 최종 전류지령(i* s)을 입력받고, 측정된 입력 교류 전원(es)의 소스 전류(is)를 입력받아 차이 값에 해당하는 오차 값(ierr)을 출력한다. 기준 전류에 해당하는 최종 전류지령(i* s)을 동기화 시키기 위하여, 기준 전류의 위상은 PLL에 의하여 측정된 소스 전압으로부터 결정된다. 도 4에 나타낸 전류 제어부(160)의 전달함수는 다음의 수학 식 10과 같이 나타낼 수 있다. First, the fourth operator 150 receives a final current command i * s corresponding to the reference current from the third operator 140 and inputs the measured source current i s of the input AC power supply e s . Receives the error value (i err ) corresponding to the difference value. In order to synchronize the final current command (i * s ) corresponding to the reference current, the phase of the reference current is determined from the source voltage measured by the PLL. The transfer function of the current controller 160 shown in FIG. 4 may be expressed by Equation 10 below.

Figure 112009070261740-PAT00020
Figure 112009070261740-PAT00020

여기서, 게인 값 KP는 29로, 게인 값 KI는 100으로 설정하는 것이 바람직하며, 여기서, KP와 KI는 게인 값이고, s는 에러 전류 값의 라플라스 성분이며, ω는 제어하고자 하는 물리량의 주파수 성분이다. Here, it is preferable to set the gain value K P to 29 and the gain value K I to 100, where K P and K I are gain values, s is a Laplace component of an error current value, and ω is to be controlled. It is the frequency component of the physical quantity.

따라서 도 4와 같이 전류 제어부(160)는 수학식 10을 이용하여 최종 전압지령(V* ref)을 출력한다. Therefore, as shown in FIG. 4, the current controller 160 outputs the final voltage command V * ref using Equation 10. FIG.

이하에서는 제2 실시예를 통하여 전압을 주입하여 커패시터 용량을 추정하는 방법에 대해 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 커패시터 용량을 측정할 수 있는 단상 PWM 컨버터 회로를 나타낸 도면이다. Hereinafter, a method of estimating capacitor capacity by injecting a voltage through the second embodiment will be described. 6 is a diagram illustrating a single-phase PWM converter circuit capable of measuring capacitor capacity according to a second embodiment of the present invention.

제1 실시예와 마찬가지로, 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 전압은 스위칭 주파수와 관련된 고조파 리플을 제외하면 일정한 값을 가지므로, 직류 링크 전압이 일정하다면, 일정한 직류 전압으로부터 커패시터 용량 추정을 위한 정보를 획득하는 것은 어렵기 때문에, 시스템을 여기(excitation) 시키기 위한 특정 신호로서 전압(V* inj)를 주입하도록 한다.As in the first embodiment, since the DC link voltage of the single-phase PWM converter has a constant value except for the harmonic ripple associated with the switching frequency, if the DC link voltage is constant, information for estimating capacitor capacity from the constant DC voltage is obtained. Since this is difficult, it is possible to inject a voltage V * inj as a specific signal to excite the system.

먼저 제1 연산기(610)에는 초기 전압지령(V* dc0)과 주입 전압(V* inj)이 입력된다. 여기서, 초기 전압지령(V* dc0)은 직류 전압이고, 주입 전압(V* inj)은 교류 전압으로서, 다음의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다. First, an initial voltage command V * dc0 and an injection voltage V * inj are input to the first calculator 610. Here, the initial voltage command (V * dc0 ) is a DC voltage, the injection voltage (V * inj ) is an AC voltage, it can be expressed by the following equation (11).

Figure 112009070261740-PAT00021
Figure 112009070261740-PAT00021

제1 연산기(610)는 초기 전압지령(V* dc0)과 주입 전압(V* inj)을 연산하여 수학식 12와 같은 최종 전압지령(V* dc)을 출력한다. The first calculator 610 calculates an initial voltage command V * dc0 and an injection voltage V * inj , and outputs a final voltage command V * dc as shown in Equation 12.

Figure 112009070261740-PAT00022
Figure 112009070261740-PAT00022

여기서, 초기 전압지령(V* dc0)은 초기 정상 상태(normal state)에서 직류 링크 전압의 기준 전압이다. 따라서, 교류 성분을 가지는 주입 전압(V* inj)이 직류 링크 전압에 주입되어 최종 전압지령(V* dc)으로 연산된다. Here, the initial voltage command (V * dc0 ) is a reference voltage of the DC link voltage in the initial normal state. Therefore, the injection voltage V * inj having the AC component is injected into the DC link voltage and calculated as the final voltage command V * dc .

제2 연산기(620)는 제1 연산기(610)로부터 최종 전압지령(V* dc)을 입력받고, 커패시터(C)의 기준 전압(Vdc)을 입력받아, 연산과정을 통하여 전압지령(V* dc)에서 커패시터(C)의 기준 전압(Vdc)이 차감된 오차 값을 출력한다. The second operator 620 receives the final voltage command V * dc from the first operator 610, receives the reference voltage V dc of the capacitor C, and receives the voltage command V * through an operation process. dc ) outputs an error value obtained by subtracting the reference voltage V dc of the capacitor C.

그리고, 제1 실시예와 마찬가지로 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF)를 이용하여 노이즈를 제거하고, 대역저지필터(Band Stop Filter, BSF)를 통하여 주입한 주파수를 제외한 다른 교류 고주파 성분을 제거한다. As in the first embodiment, noise is removed using a low pass filter (LPF), and other AC high frequency components except frequencies injected through a band stop filter (BSF) are removed. .

그리고, 전압 제어부(Voltage controller)(630)에는 직류 성분의 커패시터 전압이 인가되고, 전압 제어부(630)는 직류 성분의 커패시터 전압으로부터 전류지령(i* L_ fb)을 출력한다. The capacitor voltage of the DC component is applied to the voltage controller 630, and the voltage controller 630 outputs the current command i * L_ fb from the capacitor voltage of the DC component.

제1 실시예와 마찬가지로 전압 제어부(630)는 입력단의 값(전압지령(Vdc *)과 센싱된 커패시터 전압(Vdc)의 차이 값)이 0에 수렴하도록 하는 전류지령을 연산하여, 전류지령의 크기 성분(i* L_ fb)을 출력한다.As in the first embodiment, the voltage controller 630 calculates a current command that causes the value of the input terminal (a difference value between the voltage command V dc * and the sensed capacitor voltage V dc ) to converge to 0, thereby providing a current command. Output the size component of i * L_ fb .

제3 연산기(640)는 전압 제어부(630)로부터 전류지령(i* L_ fb)을 입력받고, 피드 포워드 보상 성분(i* L_ ff)을 입력받아 덧셈 연산하여 최종 전류지령의 크기 성분(i* L)을 출력한다. A third computing unit (640) is the current command from the voltage control section (630) (i * L_ fb) input receives a feed forward compensation component (i * L_ ff) the input received magnitude component of the final current command to add operations (i * L ) is printed.

제4 연산기(650)는 제3 연산기(640)로부터 최종 전류지령의 크기 성분(i* L)을 입력받고, 위상동기회로(PLL)로부터 입력 교류 전원(e)로부터 위상 성분(sin θ)을 입력받아 연산 과정을 통하여 최종 전류지령(i*)을 출력한다. The fourth operator 650 receives the magnitude component i * L of the final current command from the third operator 640 and receives the phase component sin θ from the input AC power supply e from the phase synchronization circuit PLL. It receives the input and outputs the final current command (i * ) through the calculation process.

그리고, 제5 연산기(660)는 입력 교류 전원(es)의 전류(is)에서 최종 전류지령(i*)을 차감하여 오차 값(ierr)을 출력한다. The fifth operator 660 subtracts the final current command i * from the current i s of the input AC power supply e s and outputs an error value i err .

전류 제어부(Current controller)(670)는 오차 값을 이용하여 최종 전압지령(V* ref)을 생성하고, 펄스 조절부(680)는 최종 전압지령(V* ref)에 대응하여 단상 PWM 컨버터에 포함된 스위치의 펄스폭을 제어한다. The current controller 670 generates a final voltage command V * ref using the error value, and the pulse controller 680 is included in the single phase PWM converter in response to the final voltage command V * ref . The pulse width of the configured switch.

이와 같이 최종 전압지령(V* ref)에 대응하여 단상 PWM 컨버터에 포함된 스위치의 펄스 폭이 조절되면, RLS 추정부(700)는 펄스 폭이 조절된 PWM 컨버터에서 출력되는 전력과 커패시터의 출력 전력을 이용하여 커패시터의 용량을 추정한다. As such, when the pulse width of the switch included in the single-phase PWM converter is adjusted in response to the final voltage command V * ref , the RLS estimator 700 outputs the power output from the PWM converter with the adjusted pulse width and the output power of the capacitor. Estimate the capacitance of the capacitor using.

제6 연산기(690)에 PWM 컨버터의 출력 전력(Pin)과 커패시터의 출력 전력((Pout)이 각각 인가되면, 제6 연산기(690)는 PWM 컨버터의 출력 전력(Pin)과 커패시터의 출력 전력((Pout)의 차이를 구한다. When the output power P in of the PWM converter and the output power P out of the capacitor are respectively applied to the sixth calculator 690, the sixth operator 690 may output the output power P in of the PWM converter and the capacitor. Find the difference in output power (P out ).

PWM 컨버터의 출력 전력(Pin)과 커패시터의 출력 전력((Pout)의 차이 값에 해 당하는 직류 링크 전력(Pcap)은 다음의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다. The DC link power P cap corresponding to the difference between the output power P in of the PWM converter and the output power P out of the capacitor can be expressed by Equation 13 below.

Figure 112009070261740-PAT00023
Figure 112009070261740-PAT00023

여기서, Pin은 PWM 컨버터의 출력 전력이고, Pout은 부하가 소비하는 전력이며, Vdc는 직류 링크 전압이고, C는 직류 링크 커패시터 용량이다. 그리고, 도 6과 같이, 만일 부하가 없다고 가정하면 Pin은 PWM 컨버터의 출력 전력이자 커패시터의 입력 전력과 같다. Where P in is the output power of the PWM converter, P out is the power consumed by the load, V dc is the DC link voltage, and C is the DC link capacitor capacity. And, as shown in FIG. 6, if there is no load, P in is the output power of the PWM converter and the input power of the capacitor.

직류 링크 전력(Pcap)은 다음의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다. The DC link power P cap may be represented by Equation 14 below.

Figure 112009070261740-PAT00024
Figure 112009070261740-PAT00024

수학식 14에서 디바이스 손실을 무시하면, PWM 컨버터의 입력 전력(Pin)은 다음의 수학식 15과 같이 나타낼 수 있다. If the device loss is ignored in Equation 14, the input power P in of the PWM converter may be expressed as Equation 15 below.

Figure 112009070261740-PAT00025
Figure 112009070261740-PAT00025

여기서, E는 소스 전압의 크기(magnitude)를 나타내고, I* L은 PWM 컨버터의 출력 전류의 기준 값으로, 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다. Here, E represents the magnitude (magnitude) of the source voltage, I * L is a reference value of the output current of the PWM converter, can be expressed as shown in Equation 16.

Figure 112009070261740-PAT00026
Figure 112009070261740-PAT00026

여기서, 전류지령(i* L_ fb)은 전압 제어부(630)의 출력 전압이고, 피드 포워드 보상 성분(i* L_ ff)은 다음의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다. Here, the current command (i * L_ fb ) is the output voltage of the voltage controller 630, the feed forward compensation component (i * L_ ff ) can be expressed by the following equation (17).

Figure 112009070261740-PAT00027
Figure 112009070261740-PAT00027

여기서, 수학식 11을 수학식 17에 대입하면, 피드 포워드 보상 성분(i* L_ ff)은 다음의 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다. Here, Substituting Equation 11 in Equation 17, the feed-forward compensation component (i * L_ ff) can be expressed as: Equation (18) of.

Figure 112009070261740-PAT00028
Figure 112009070261740-PAT00028

그리고, 전력과 커패시터 전압 사이의 관계를 나타낸 수학식 14의 양단에 대역 통과 필터(BPF)를 적용하면, 다음의 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다. If a band pass filter (BPF) is applied to both ends of Equation 14 representing the relationship between the power and the capacitor voltage, it can be expressed as Equation 19 below.

Figure 112009070261740-PAT00029
Figure 112009070261740-PAT00029

여기서, BPF[·]는 대역 통과 필터(BPF)를 통과한 출력 값을 나타낸다. Here, BPF [·] represents the output value which passed the band pass filter BPF.

RLS 추정부(700)는 RLS 알고리즘(Recursive least square algorithm)을 통하여 최소 자승 비용 함수를 최소화하도록 한다. 오차 비용 함수는 다음의 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다. The RLS estimator 700 minimizes the least square cost function through a recursive least square algorithm. The error cost function can be expressed as Equation 20 below.

Figure 112009070261740-PAT00030
Figure 112009070261740-PAT00030

여기서, e2(n)는 오차 비용 함수이고, BPF[·]는 대역 통과 필터를 통과한 출력 값이고, Pcap는 상기 PWM 컨버터의 출력 전력과 상기 커패시터의 출력 전력의 차이 값이고, vdc는 상기 커패시터의 전압이고,

Figure 112009070261740-PAT00031
는 상기 커패시터의 추정 용량이다. Where e 2 (n) is the error cost function, BPF [·] is the output value passed through the band pass filter, P cap is the difference value between the output power of the PWM converter and the output power of the capacitor, v dc Is the voltage of the capacitor,
Figure 112009070261740-PAT00031
Is an estimated capacitance of the capacitor.

여기서, 커패시터 추정 용량

Figure 112009070261740-PAT00032
는 오차 비용 함수 e2(n)를 최소화하기 위하여 갱신되도록 한다. 따라서, 계수
Figure 112009070261740-PAT00033
는 다음의 수학식 21과 같이 나타낼 수 있다.Where capacitor estimated capacitance
Figure 112009070261740-PAT00032
Is updated to minimize the error cost function e 2 (n). Thus, the coefficient
Figure 112009070261740-PAT00033
Can be expressed as Equation 21 below.

Figure 112009070261740-PAT00034
Figure 112009070261740-PAT00034

여기서, μ(n)은 게인 보정 값으로, 상수(0.1 * 10-8)로 선택할 수 있다. Here, μ (n) is a gain correction value and can be selected as a constant (0.1 * 10 −8 ).

한편 본 발명의 실시예에서 설명한 전류 제어부, 위상동기회로(PLL), 전압 제어부, 펄스 조절부, 각종 연산기, RLS 추정부, 필터(LPF, BSF, BPF) 등은 소프트웨어적으로 구현이 가능하다. 특히 RLS 추정부는 RLS 알고리즘을 이용하여 직류 링크 커패시터의 용량을 정밀하게 추정할 수 있다. Meanwhile, the current controller, the phase synchronization circuit PLL, the voltage controller, the pulse controller, the various calculators, the RLS estimator, the filters LPF, BSF, BPF, and the like described in the embodiments of the present invention can be implemented in software. In particular, the RLS estimator can accurately estimate the capacity of the DC link capacitor using the RLS algorithm.

이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터 용량 추정 시스템은 추가적인 하드웨어의 추가없이 단순한 소프트웨어의 추가만으로 커패시터의 열화 상태를 온라인(on-line)으로 추정 가능하다. 따라서, 커패시터가 고장나기 전에 그 교체 시기를 사전에 판단할 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있다. 또한 단상 PWM 컨버터에 교류 성분의 전류 또는 전압을 주입함으로써 교류 신호를 정확하게 추종할 수 있으므로 커패시터 용량 추정의 정확도를 높일 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the DC link capacitor capacity estimation system of the single phase PWM converter can estimate the deterioration state of the capacitor on-line by simply adding software without adding additional hardware. Therefore, the replacement time can be determined in advance before the capacitor fails, and productivity can be improved. In addition, the AC signal can be accurately followed by injecting an AC component current or voltage into the single-phase PWM converter, thereby increasing the accuracy of the capacitor capacity estimation.

또한, 상술한 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터 용량 추정 방법은, 컴 퓨터에서 읽을 수 있는 코드/명령들(instructions)/프로그램으로 구현된다. 예를 들면, 상기의 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 코드/명령들/프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 마그네틱 저장 매체(ex, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크, 마그네틱 테이프 등), 광학적 판독 매체(ex, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(ex, 인터넷을 통한 전송) 등의 저장 매체를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예는 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드를 내장하는 매체(들)로서 구현되어, 네트워크를 통해 연결된 다수 개의 컴퓨터 시스템들이 분배되어 처리 동작하도록 할 수 있다. 본 발명의 방법이 실현하는 기능적인 프로그램들, 코드들 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 쉽게 추론될 수 있음은 자명하다. In addition, the method of estimating the DC link capacitor capacity of the single-phase PWM converter described above is implemented by code / instructions / program that can be read by a computer. For example, the method may be implemented in a general-purpose digital computer operating the code / instructions / program using a computer readable recording medium. The computer-readable recording media may include magnetic storage media (ex, ROM, floppy disk, hard disk, magnetic tape, etc.), optical reading media (ex, CD-ROM, DVD, etc.) and carrier waves (ex, transmission via the Internet). Storage media, and the like. In addition, embodiments of the present invention may be implemented as a medium (s) containing computer readable code, such that a plurality of computer systems connected via a network can be distributed and processing operations. It is obvious that the functional programs, codes and code segments realized by the method of the present invention can be easily inferred by programmers in the technical field to which the present invention belongs.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단상 PWM 컨버터의 직류 링크 커패시터의 용량을 추정하는 방법을 설명하기 위한 시스템 블록도이다. 1 is a system block diagram for explaining a method of estimating the capacity of a DC link capacitor of a single-phase PWM converter according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 커패시터 용량을 측정할 수 있는 단상 PWM 컨버터 회로를 나타낸 도면이다. 2 is a diagram illustrating a single-phase PWM converter circuit capable of measuring capacitor capacity according to a first embodiment of the present invention.

도 3a 및 도 3b는 게이팅 시간과 샘플링 시간을 설명하기 위한 도면이다. 3A and 3B are diagrams for describing a gating time and a sampling time.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상동기회로(PLL)를 설명하기 위한 블록도이다. 4 is a block diagram illustrating a phase synchronization circuit PLL according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전류 조절부를 설명하기 위한 블록도이다. 5 is a block diagram illustrating a current controller according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 커패시터 용량을 측정할 수 있는 단상 PWM 컨버터 회로를 나타낸 도면이다. 6 is a diagram illustrating a single-phase PWM converter circuit capable of measuring capacitor capacity according to a second embodiment of the present invention.

Claims (10)

입력 전원의 후단에 연결된 인덕터, An inductor connected to the rear end of the input power supply, 상기 인덕터의 후단에 연결되어 상기 입력 전원에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 PWM 컨버터, A PWM converter connected to a rear end of the inductor and converting an AC voltage output from the input power source into a DC voltage; 상기 PWM 컨버터의 후단에 연결되어 상기 직류 전압을 평활화하는 커패시터, A capacitor connected to a rear end of the PWM converter to smooth the DC voltage; 상기 커패시터의 전압과 제1 전압지령 값의 차이를 이용하여 제2 전류지령을 생성하는 전압 제어부,A voltage controller configured to generate a second current command using a difference between the voltage of the capacitor and the first voltage command value; 위상동기회로를 거친 상기 입력 전원의 위상 값, 상기 제2 전류지령의 크기 및 주입 전류를 통하여 최종 전류지령을 생성하고, 상기 최종 전류지령과 상기 입력 전원의 출력 전류의 차이로부터 에러 전류 값을 연산하는 연산부,A final current command is generated through the phase value of the input power source, the magnitude of the second current command, and the injection current through the phase synchronization circuit, and an error current value is calculated from the difference between the final current command and the output current of the input power source. Computation unit to do, 상기 에러 전류 값으로부터 전압지령을 생성하여 출력하는 전류 제어부,A current controller for generating and outputting a voltage command from the error current value; 상기 전압 지령을 이용하여 상기 PWM 컨버터의 펄스를 조절하는 펄스 조절부, 그리고 A pulse controller for adjusting a pulse of the PWM converter using the voltage command, and 상기 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류와 상기 커패시터의 전압을 이용하여 상기 커패시터의 용량을 추정하는 추정부를 포함하는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템. And an estimator for estimating the capacitance of the capacitor by using the DC link current output from the PWM converter and the voltage of the capacitor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연산부는, The calculation unit, 상기 입력 전원의 위상 값과 상기 제2 전류지령의 크기를 곱셈 연산하고, 상기 주입 전류를 덧셈하여 상기 최종 전류지령을 생성하며, 상기 주입 전류는 교류 성분을 가지는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템. And multiplying a phase value of the input power by a magnitude of the second current command, adding the injection current to generate the final current command, wherein the injection current has an alternating current component. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 전류 제어부는, The current control unit, 다음과 같은 전달함수를 이용하여 상기 에러 전류 값으로부터 상기 전압지령을 생성하는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템: Capacitor capacity estimation system of a single phase PWM converter generating the voltage command from the error current value using the transfer function as follows:
Figure 112009070261740-PAT00035
Figure 112009070261740-PAT00035
여기서, KP와 KI는 게인 값이고, s는 에러 전류 값의 라플라스 성분이며, ω는 제어하고자 하는 물리량의 주파수 성분이다. Here, K P and K I are gain values, s is a Laplace component of the error current value, and ω is a frequency component of the physical quantity to be controlled.
제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 추정부는, The estimating unit, RLS 알고리즘(Recursive least square algorithm)을 이용하여 상기 오차 비용 함수가 최소가 되도록 상기 커패시터의 용량을 추정하는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템: A capacitor capacity estimation system of a single phase PWM converter for estimating the capacitance of the capacitor to minimize the error cost function using a recursive least square algorithm:
Figure 112009070261740-PAT00036
Figure 112009070261740-PAT00036
여기서, e2(n)는 오차 비용 함수이고, BPF[·]는 대역 통과 필터를 통과한 출력 값이고, idc는 상기 PWM 컨버터에서 출력되는 직류 링크 전류이고, vdc는 상기 커패시터의 전압이고,
Figure 112009070261740-PAT00037
는 상기 커패시터의 추정 용량이다.
Where e 2 (n) is the error cost function, BPF [·] is the output value passed through the band pass filter, i dc is the DC link current output from the PWM converter, v dc is the voltage of the capacitor ,
Figure 112009070261740-PAT00037
Is an estimated capacitance of the capacitor.
제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 커패시터의 추정 용량은 다음의 수학식을 통하여 갱신되는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템: Capacitor capacity estimation system of the single-phase PWM converter is updated through the following equation:
Figure 112009070261740-PAT00038
Figure 112009070261740-PAT00038
여기서, μ(n)은 게인 보정 값이다. Where μ (n) is the gain correction value.
입력 전원의 후단에 연결된 인덕터, An inductor connected to the rear end of the input power supply, 상기 인덕터의 후단에 연결되어 상기 입력 전원에서 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 PWM 컨버터, A PWM converter connected to a rear end of the inductor and converting an AC voltage output from the input power source into a DC voltage; 상기 PWM 컨버터의 후단에 연결되어 상기 직류 전압을 평활화하는 커패시터, A capacitor connected to a rear end of the PWM converter to smooth the DC voltage; 제1 전압지령과 주입 전압을 연산하여 제2 전압지령을 생성하고, 상기 제2 전압지령과 상기 커패시터의 전압의 차이로부터 에러 전압 값을 연산하는 제1 연산부, A first calculator configured to generate a second voltage command by calculating a first voltage command and an injection voltage, and calculate an error voltage value from a difference between the second voltage command and the voltage of the capacitor; 상기 에러 전압 값으로부터 초기 전류지령을 생성하는 전압 제어부,A voltage controller configured to generate an initial current command from the error voltage value; 상기 초기 전류지령의 크기 및 위상동기회로를 거친 상기 입력 전원의 위상 값을 통하여 최종 전류 지령을 생성하고, 상기 최종 전류 지령과 상기 입력 전원의 출력 전류의 차이로부터 에러 전류 값을 생성하는 제2 연산부, A second calculator configured to generate a final current command through a magnitude of the initial current command and a phase value of the input power source that has passed through a phase synchronization circuit, and generate an error current value from a difference between the final current command and an output current of the input power source; , 상기 에러 전류 값으로부터 최종 전압지령을 생성하여 출력하는 전류 제어부,A current controller configured to generate and output a final voltage command from the error current value; 상기 최종 전압지령을 이용하여 상기 PWM 컨버터의 펄스를 조절하는 펄스 조절부, 그리고 A pulse controller for adjusting a pulse of the PWM converter using the final voltage command; 상기 PWM 컨버터의 출력 전력과 상기 커패시터의 출력 전력을 이용하여 상기 커패시터의 용량을 추정하는 추정부를 포함하는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템. And an estimator for estimating the capacitance of the capacitor using the output power of the PWM converter and the output power of the capacitor. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제1 연산부는, The first operation unit, 상기 제1 전압지령과 상기 주입 전압을 덧셈 연산하여 상기 제2 전압지령을 생성하며, 상기 주입 전압은 교류 성분을 가지는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템. And adding the first voltage command and the injection voltage to generate the second voltage command, wherein the injection voltage has an alternating current component. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 전류 제어부는, The current control unit, 다음과 같은 전달함수를 이용하여 상기 에러 전류 값으로부터 상기 최종 전압지령을 생성하는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템: Capacitor capacity estimation system of a single phase PWM converter generating the final voltage command from the error current value using the transfer function as follows:
Figure 112009070261740-PAT00039
Figure 112009070261740-PAT00039
여기서, KP와 KI는 게인 값이고, s는 에러 전류 값의 라플라스 성분이며, ω는 제어하고자 하는 물리량의 주파수 성분이다. Here, K P and K I are gain values, s is a Laplace component of the error current value, and ω is a frequency component of the physical quantity to be controlled.
제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 추정부는, The estimating unit, RLS 알고리즘(Recursive least square algorithm)을 이용하여 상기 오차 비용 함수가 최소가 되도록 상기 커패시터의 용량을 추정하는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템: A capacitor capacity estimation system of a single phase PWM converter for estimating the capacitance of the capacitor to minimize the error cost function using a recursive least square algorithm:
Figure 112009070261740-PAT00040
Figure 112009070261740-PAT00040
여기서, e2(n)는 오차 비용 함수이고, BPF[·]는 대역 통과 필터를 통과한 출력 값이고, Pcap는 상기 PWM 컨버터의 출력 전력과 상기 커패시터의 출력 전력의 차이 값이고, vdc는 상기 커패시터의 전압이고,
Figure 112009070261740-PAT00041
는 상기 커패시터의 추정 용 량이다.
Where e 2 (n) is the error cost function, BPF [·] is the output value passed through the band pass filter, P cap is the difference value between the output power of the PWM converter and the output power of the capacitor, v dc Is the voltage of the capacitor,
Figure 112009070261740-PAT00041
Is the estimated capacity of the capacitor.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 커패시터의 추정 용량은 다음의 수학식을 통하여 갱신되는 단상 PWM 컨버터의 커패시터 용량 추정 시스템: Capacitor capacity estimation system of the single-phase PWM converter is updated through the following equation:
Figure 112009070261740-PAT00042
Figure 112009070261740-PAT00042
여기서, μ(n)은 게인 보정 값이다. Where μ (n) is the gain correction value.
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