KR20140013730A - 인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치 - Google Patents

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Abstract

인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 직류단전압을 추정하고, 측정된 직류단전압의 맥동크기를 비교하여, 직류단용량을 추정한다. 본 발명에 의하면, 인버터에 포함되는 직류단 커패시터의 용량을 실시간으로 추정하여 고장상태를 실시간으로 검출할 수 있다.

Description

인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치{APPARATUS FOR ESTIMATING CAPACITANCE OF DC-LINK CAPACITOR IN INVERTER}
본 발명은 용량 추정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인버터에 사용되는 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 장치에 관한 것이다.
멀티레벨 고압인버터(multi-level medium-voltage inverter)는 입력되는 선간전압의 실효치가 600V 이상인 인버터로, 출력 상전압(output phase voltage)이 여러 단계(multi-level)로 출력된다. 고압 인버터는 수백 kW ~ 수십 MW의 용량을 갖는 대용량의 전동기를 구동하는데 사용되며, 주로 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor), 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor)와 같은 분야에서 주로 사용된다.
멀티레벨 고압인버터중, 직렬형 H-브릿지 인버터는 모듈화(modular) 구조로 인하여 확장이 쉬워, 고압인버터에 주로 사용되고 있다. 이러한 직렬형 H-브릿지 인버터는 단위 전력셀마다 대용량의 직류단 커패시터를 포함하는데, 직류단 커패시터는 전력변환 회로의 구성품 중 가장 고장(fault) 상태에 이르기 쉬운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고압인버터의 단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하여, 직류단 커패시터의 고장상태를 판별함으로써, 유지/보수를 편리하게 하는 인버터 직류단 커패시터의 용량 추정장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 정류부, 직류단 커패시터 및 인버터부를 포함하는 인버터에서, 상기 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 본 발명의 장치는, 측정 직류단전압, 상기 인버터부의 출력전류 및 상기 인버터부의 출력전압을 이용하여, 직류단전압을 추정하여 추정 직류단전압을 출력하는 제1추정부; 상기 측정 직류단전압 및 상기 추정 직류단전압으로부터 평가지수를 계산하는 계산부; 및 상기 평가지수와 초기 직류단용량을 이용하여 직류단용량을 추정하는 제2추정부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1추정부는, 상기 인버터부의 출력전류 및 출력전압을 이용하여 출력전력을 연산하는 제1연산부; 상기 출력전력으로부터 직류단전력을 추정하는 제3추정부; 추정된 직류단전력을 직류단전압의 평균으로 나누고, 상기 제2추정부가 추정한 직류단용량을 이용하여 상기 추정 직류단전압을 출력하는 제4추정부; 상기 측정 직류단전압과 상기 추정 직류단전압의 오차를 연산하는 제2연산부; 및 비례-적분(PI) 보상에 의해, 상기 제2연산부의 출력인 오차로부터 입력전력을 추정하는 제1보상부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제3추정부는, 상기 출력전력으로부터 상기 보상부가 추정한 입력전력을 차감하여 상기 직류단전력을 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 계산부는, 상기 추정 직류단전압의 운전주파수의 2고조파에 해당하는 성분을 여과하는 제1대역통과필터(BPF); 상기 제1BPF의 출력인 맥동전압의 크기를 검출하는 제1검출부; 상기 측정 직류단전압의 운전주파수의 2고조파에 해당하는 성분을 여과하는 제2BPF; 상기 제2BPF의 출력인 맥동전압의 크기를 검출하는 제2검출부; 및 상기 제1검출부의 출력인 맥동전압의 크기를 상기 제2검출부의 출력인 맥동전압의 크기로 나누어, 평가지수를 출력하는 제1비교부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 계산부는, 상기 측정 직류단전압의 소정 고조파에 해당하는 성분을 제거하는 대역정지필터(BSF)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 평가지수에 의해 상기 직류단 커패시터의 고장상태를 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2추정부는, 평가지수와 기준값의 오차를 출력하는 제2비교부; 적분보상에 의해, 상기 제2비교부의 출력을 이용하여 직류단용량의 오차를 추정하는 제2보상부; 및 상기 제2보상부에 의해 추정된 오차와 상기 초기 직류단용량을 가산하는 가산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2추정부는, 상기 제2추정부의 동작을 결정하는 결정부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 인버터에 포함되는 직류단 커패시터의 용량을 실시간으로 추정하여 고장상태를 실시간으로 간단하게 검출할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 직렬형 H-브릿지 고압인버터의 일실시예 구성도이다.
도 2는 도 1의 단위 전력셀의 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인버터의 직류단 커패시터의 용량 추정장치의 일실시예 구성도이다.
도 4는 도 3의 직류단전압 추정부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 5는 도 3의 평가지수 계산부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 6은 도 3의 직류단용량 추정부의 일실시예 상세 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 직렬형 H-브릿지 고압인버터의 일실시예 구성도로서, 3단의 단위 전력셀(power cell)로 구성된 것을 나타낸 것이다. 다만, 단위 전력셀의 수는 편의상 도시한 예시적인 것으로서, 필요에 따라 단위 전력셀의 수가 변경될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 고압인버터(1)는, 입력전원(2)으로부터 선간전압 실효치가 600V 이상인 전압을 수신하고, 이를 3상 전압으로 변환하여 전동기(3)에 출력한다. 전동기(3)는 고압(medium voltage)의 3상 전동기로서, 예를 들어, 유도전동기(induction machine) 또는 동기전동기(synchronous machine)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 고압인버터(1)는, 위상치환 변압기(phase shift transformer)(10) 및 복수의 단위 전력셀(20a 내지 20i)을 포함한다.
위상치환 변압기(10)는 입력전원(2)과 고압인버터(1)간의 전기적 절연(galvanic isolation)을 제공하며, 입력단의 고조파(harmonics)를 저감하고, 또한 각 단위 전력셀(20a 내지 20i)에 적절한 입력 3상전원을 제공한다.
단위 전력셀(20a 내지 20i)은 위상치환 변압기(10)로부터 전원을 수신하여, 전동기(3)의 상전압(phase voltage)을 출력한다. 각 단위 전력셀은 세개의 그룹으로 구성된다. 도 1에서, 전력셀A1 내지 전력셀A3(20a, 20b, 20c)는 출력전압이 직렬연결되어 전동기(3)의 a상전압을 합성(synthesize)하고, 전력셀B1 내지 전력셀B3(20d, 20e, 20f)는 전동기(3)의 b상전압을, 전력셀C1 내지 전력셀C3(20g, 20h, 20i)는 전동기(3)의 c상전압을 합성한다. 합성된 b상전압과 a상전압은 120도의 위상차를 가지고, c상전압과 b상전압 역시 120도의 위상차를 가진다.
도 2는 도 1의 단위 전력셀의 구조도로서, 각 단위 전력셀은 동일한 구조를 가진다고 할 것이어서, 전력셀의 참조부호를 '20'으로 통칭하여 설명하기로 하겠다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 고압인버터의 단위 전력셀(20)은, 정류부(21), 직류단 커패시터(DC-link capacitor)(22), 인버터부(23), 전압측정부(24), 전류측정부(25) 및 제어부(26)를 포함한다. 제어부(26)는 상위 제어부(4)와 통신선을 통해 연결되어 있다. 상위 제어부(4)는 각 단위 전력셀(20a 내지 20i)의 제어부(26)와 각각 연결되어, 제어신호를 전송한다.
정류부(21)는 예를 들어, 3상 다이오드 정류기(diode rectifier)로서, 입력은 도 1의 위상치환 변압기(10)의 출력이고, 그 출력은 입력되는 3상전압을 정류한 직류전원이다.
직류단 커패시터(22)는 정류부(21)가 정류한 직류전원을 저장한다. 인버터부(23)는 예를 들어, 도 2에서는 단상 풀브릿지 인버터(single phase full bridge inverter)로서, 직류단전압으로부터 출력전압을 제어부(26)의 제어에 의해 합성한다. 다만, 인버터부(23)가 단상 풀브릿지 방식에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방식의 인버터의 사용을 배제하는 것이 아니다.
전압측정부(24)는 직류단전압을 측정하고, 전류측정부(25)는 인버터부(23)의 출력전류를 측정한다.
제어부(26)는 측정된 전압 및 전류 정보를 이용하여 인버터부(23)의 각 스위치(23a 내지 23d)의 스위칭을 제어한다.
이하에서는, 위와 같은 고압인버터 시스템의 종래의 동작을 설명하고, 본 발명의 용량 추정장치의 동작에 대해 설명하기로 한다.
위상치환 변압기(10)는 고압의 전원을 단위 전력셀(20)의 요구에 맞게 전압의 위상과 크기를 변경한다. 즉, 위상치환 변압기(10)의 출력전압은 단위 전력셀(20)의 입력전원이 되며, 정류부(21)는 이를 직류로 변환한다.
단위 전력셀(20)의 인버터부(23)는 직류단 전압으로부터 교류의 출력전압을 합성한다. 만약, 직류단 전압이 'E'로 정의되는 경우, 인버터부(23)의 출력전압은 스위치 상태에 따라 'E', '0' 및 '-E'의 세 단계로 정의된다.
만약, 도 2의 인버터부의 스위치 23a와 23d가 도통하는 경우 출력전압은 'E'로 합성되고, 스위치 23b와 23c가 도통하는 경우 출력전압은 '-E'로 합성되며, 스위치 23a와 23c 또는 23b와 23d가 도통하는 경우 출력전압은 '0'으로 합성된다.
도 1을 참조로 하면, 단위 전력셀(20)은 각 상별로 세개의 단위 전력셀이 직렬연결되어 있으므로, 직렬연결된 출력 상전압은 '3E', '2E', 'E', '0', '-E', '-2E', '-3E'의 7단계로 합성될 수 있으며, 또한, 이렇게 합성된 출력 상전압으로부터, 전동기(3)의 출력 선간전압은 '6E', '5E', '4E', '3E', '2E', 'E', '0', '-E', '-2E', '-3E', '-4E', '-5E', '-6E'의 13단계로 합성될 수 있다.
이를 일반적으로 나타내면 다음 수학식과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, m은 출력 상전압의 레벨수이고, H는 전동기의 한 상당 설치된 단위 전력셀의 수이고, p는 출력 선간전압의 레벨수이다.
각 단위 전력셀(20)의 인버터부(23)는 단상 풀 브릿지 인버터 구조이므로, 직류단 전원에는 다음과 같은 전압맥동(ripple)이 존재한다.
먼저, 각 전력셀(20)의 출력전압과 출력전류는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00003
Figure pat00004
이때, φ는 부하각이고, ω는 운전주파수이고, t는 시간, V0와 I0는 출력전압과 출력전류의 실효치(rms value)이다. 수학식 3과 수학식 4로부터, 단위 전력셀(20)의 출력전력은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00005
위 수학식 5에서 확인할 수 있듯이, 단위 전력셀(20)의 출력전력은 직류성분인
Figure pat00006
와 교류성분인
Figure pat00007
로 나누어지는 것을 알 수 있으며, 교류성분은 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동을 가지는 것을 알 수 있다. 이로부터 직류단에 흐르는 전류는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00008
수학식 5와 수학식 6으로부터 직류단에는 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동이 발생하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 전력맥동의 영향을 줄이기 위해, 단위 전력셀(20)의 직류단 커패시터(22)의 용량이 커야 한다.
즉, 전력맥동은 직류단 커패시터(22)의 용량에 영향을 받기 때문에, 직류단 커패시터(22)의 용량감소는 직류단전압의 맥동에 직접적으로 영향을 미친다.
앞에서 언급한 것과 같이, 직렬형 H-브릿지 고압인버터(1)의 출력전압은 각 단위 전력셀(20)의 직류단전압의 크기에 따라 영향을 받는데, 만약 도 1의 경우, 전동기(3)의 출력 상전압은 '3E', '2E', 'E', '0', '-E', '-2E', '-3E'의 7단계이다. 그러나, 직류단 커패시터(22)의 용량이 작아지는 경우, 출력 상전압의 크기가 순시적으로 변하기 때문에, 안정적인 전압을 출력할 수 없으며, 이에 따라 직류단 커패시터(22)의 용량을 실시간으로 추정할 필요가 있다.
고압인버터의 직류단 커패시터로 주로 사용되는 전해 커패시터(electrolytic capacitor)의 통상적인 고장 범위는 15%~20%의 용량 변화가 발생하였을 경우이다. 고장은 열적(thermal), 전기적(electric), 기계적(mechanical), 환경적(environmental) 요인들에 의해서 발생하는데, 전해 커패시터의 전해액(electrolyte solution)의 증발과, 맥동전류(ripple current)의 증가로 인한 온도상승이 큰 영향을 미친다.
또한, 외기온도(ambient temperature), 과전압(over voltage), 실효접촉 면(effective contact area)의 감소로 인해, 커패시터의 용량이 감소되고, 직렬 등가저항(Equivalent Series Resistance; ESR)이 증가하고, 온도가 상승하여, 이에 따라 전해액의 증발을 가속화한다.
그러나, 종래의 직렬형 H-브릿지 고압인버터는 직류단 커패시터(22)의 용량을 추정하지 않으므로, 고장상태의 판별이 어렵다. 특히, 직류단 커패시터(22)가 경년(aging) 변화를 일으키면 커패시터(22)의 용량이 감소하게 되어, 직류단 전원의 전압맥동(ripple)이 크게 발생하여, 고압인버터(1)의 출력전압에 맥동이 발생하므로, 이는 결과적으로 전동기(3)의 구동성능의 저감을 초래한다.
이러한 성능저하를 방지하기 위해서는, 직류단 커패시터(22)의 용량을 주기적으로 측정해야 하는데, 이를 위해서는 해당 단위 전력셀을 전체 시스템에서 분리하여 측정해야 하기 때문에 전체 시스템을 주기적으로 정지시키거나 출력을 감소하여야 하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 단위 전력셀(20)에 포함되는 직류단 커패시터(22)의 용량을 실시간으로 추정하여 고장상태를 실시간으로 검출한다. 본 발명에 의하면, 직류단 커패시터(22)의 용량추정을 위해 단위 전력셀(20)을 시스템으로부터 분리할 필요가 없으므로, 유지보수가 간단해진다.
본 발명의 용량 추정장치는, 도 1 및 도 2와 같은 고압인버터 시스템 및 그 단위 전력셀에 적용되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 고압인버터 외의 다양한 전압범위의 인버터에 사용될 수 있는 것임은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 인버터의 직류단 커패시터의 용량 추정장치의 일실시예 구성도로서, 도 2의 단위 전력셀의 제어부(26)에 적용되는 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 추정장치(30)는, 직류단전압 추정부(31), 평가지수 계산부(32) 및 직류단용량 추정부(33)를 포함한다.
본 발명의 추정장치(30)는 도 2의 전압측정부(24) 및 전류측정부(25)로부터 측정된 직류단전압(Vdc_meas)과 인버터부(23)의 출력전류(iout _ ref) 및 제어부(26)의 지령전압인 인버터부(23)의 출력전압(Vout _ ref)을 수신하여, 추정된 직류단 용량(Cdc _ est)과 평가지수(Evaluation Index; EI)를 출력한다. 각 구성요소를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 도 3의 직류단전압 추정부(31)의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직류단전압 추정부(31)는, 출력전력 연산부(41), 직류단전력 추정부(42), 직류단전류 추정부(43), 직류단전압 추정부(44), 오차연산부(45) 및 보상부(46)를 포함한다.
출력전력 연산부(41)는, 인버터부(23)의 출력전류(iout _ ref)와 출력전압(Vout _ ref)으로부터 출력전력을 연산한다. 직류단전력 추정부(42)는 출력전력과 보상부(46)에 의해 추정된 입력전력으로부터 직류단전력을 추정한다. 직류단전력은, 입력전력으로부터 출력전력을 뺀 값이다.
직류단전류 추정부(43)는 추정된 직류단전력으로부터 직류단 커패시터(22)에 흐르는 전류를 추정한다.
직류단전압 추정부(44)는, 추정된 직류단전류와 직류단용량 추정부(33)로부터 수신한 직류단용량을 이용하여 직류단전압을 추정한다.
오차연산부(45)는 추정된 직류단전압과 측정된 직류단전압 사이의 오차를 연산하고, 보상부(46)는 오차연산부(45)의 출력으로부터 입력전력을 추정한다. 보상부(46)는, 예를 들어, 비례-적분(PI) 보상기일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, PI 보상방식에 대해서는 이미 널리 알려진 바와 같으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3의 평가지수 계산부(32)는 도 4의 직류단전압 추정부(44)가 추정한 직류단전압과 측정된 직류단전압으로부터 평가지수를 계산한다. 도 5는 도 3의 평가지수 계산부(32)의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 평가지수 계산부(32)는, 대역정지필터(Band Stop Filter; BSF)(51), 대역통과필터(Band Pass Filter; BPF)(52, 54), 크기검출부(53, 55) 및 비교부(56)를 포함한다.
BSF(51)는 측정된 직류단전압에서 소정 대역을 제거하여 출력하고, BPF(52)는 소정 대역이 제거된 측정된 직류단전압의 원하는 대역만을 선별하여 출력한다. 또한, BPF(54)는 추정된 직류단전압의 원하는 대역만을 선별하여 출력한다.
크기검출부(53, 55)는 각각 입력되는 소정 대역의 전압의 크기를 검출하고, 비교부(56)는, 크기검출부(53, 55)의 출력을 비교하여, 평가지수를 출력한다. 그 상세한 동작에 대해서는 추후 설명하기로 한다.
도 6은 도 3의 직류단용량 추정부(33)의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직류단용량 추정부(33)는, 비교부(61), 동작결정부(62), 오차보상부(63) 및 가산부(64)를 포함한다.
비교부(61)는, 도 5의 비교부(56)의 출력인 평가지수(EI)와 기준값을 비교한다. 동작결정부(62)는, 직류단용량 추정부(33)의 동작을 결정한다. 오차보상부(63)는 직류단용량 추정의 오차를 보상하는 것으로, 예를 들어, 적분 보상기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 적분 보상기의 동작은, 이미 널리 알려진 바와 같으므로, 그 상세한 설명은 생략한다. 가산부(64)는 초기 용량과 오차보상부(63)의 출력을 더하여, 추정 직류단용량을 출력한다.
이하, 도 3 내지 도 6의 동작을 설명하기로 한다.
수학식 5의 인버터부(23)의 출력전력을 다시 쓰면 다음의 수학식 7과 같다.
Figure pat00009
이때 V0는 출력전압의 크기이고, I0는 출력전류의 크기, φ는 출력전압과 출력전류의 위상각(phase angle)이고, ω는 출력전압 및 출력전류의 주파수이다.
수학식 7에서 볼 수 있듯이, 인버터부(23)에서 발생하는 전력은 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동이 나타난다.
또한, 직류단 커패시터(22)의 전력은 다음과 같다.
Figure pat00010
이때, Pin은 정류부(21)에서 직류단으로의 입력전력을 나타내고, Pout은 직류단에서 인버터부(23)로의 출력전력을 의미한다. 위 수학식 8은 다음과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pat00011
이때, Vdc0는 직류단전압의 평균이다. 이로부터 직류단전압은 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00012
위의 수학식을 이용하여 도 4를 설명하자. 출력전력 연산부(41)는 수학식 7을 연산하고, 직류단전력 추정부(42)는 수학식 8을 연산한다. 직류단전류 추정부(43) 및 직류단전압 추정부(44)는 수학식 10을 구현하기 위한 것이다.
오차연산부(45) 및 보상부(46)로부터 입력전력을 추정할 수 있으며, 실제 직류단전압과 추정된 직류단전압의 전달함수는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00013
수학식 11에서 정상상태에서는 직류단전압이 실제 직류단전압과 동일하다는 것을 알 수 있다.
보상부(46)는, 예를 들어, PI 보상기이며, 이때 그 이득은 예를 들어 버터-워스(Butter-worth) 필터와 같은 방법으로 다음과 같이 선정할 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
도 5의 평가지수 계산부(32)를 설명한다.
본 발명의 평가지수 계산부(32)는 직류단전압 추정부(31)가 추정한 직류단전압과 실제 측정한 직류단전압의 크기를 비교하여 평가지수를 계산하기 위한 것으로서, 평가지수가 1에 가까울수록 직류단 커패시터(22)의 용량변화가 적은 것으로 판단할 수 있다.
단, 도 2의 인버터부(23)의 출력에 의한 영향만을 판단하기 위해, BSF(51), BPF(52, 54) 및 크기검출부(53, 55)에 의해 신호처리를 수행할 필요가 있다. 이는 도 2의 지령전압과 측정전류를 이용하면, 인버터부(23)의 출력을 비교적 정확하게 계산할 수 있다는 가정하에서 이루어질 수 있다.
수학식 5에서 언급한 바와 같이, 인버터부(23)의 출력전력에는 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동(ripple)이 발생하는데, 이 맥동전력은 직류단전압에 영향을 주게 된다. 본 발명에서는 인버터부(23)의 출력에 의한 맥동전력의 크기만을 신호처리에 이용하기로 한다.
BSF(51)는, 입력주파수의 6고조파에 해당하는 성분을 제거한다. 도 2와 같이 삼상 다이오드를 이용한 정류부(21)를 이용하는 시스템은 항상 입력전원의 주파수의 6고조파에 해당하는 맥동전력을 발생하는데, 본 발명에서는 출력전력 주파수의 2고조파만을 고려하므로, 이에 대한 여과가 필요하다.
BPF(52)는 측정된 직류단전압에 나타나는 출력 전원주파수의 2고조파에 해당하는 성분을 여과한다. BPF(54)는, 추정된 직류단전압에 나타나는 출력 전원주파수의 2고조파에 해당하는 성분을 여과한다.
이러한 신호처리를 통하여, 인버터부(23)에서 발생하는 맥동전력에 의한 직류단전압의 맥동전압을 추출 또는 추정할 수 있다.
크기검출부(53, 55)는 맥동전압의 크기를 구한다. BPF(52, 54)의 출력을 바로 이용하지 않고 크기검출부(53, 55)를 통해 크기를 검출하는 이유는, 맥동전력에 의한 맥동전압을 직접 비교할 경우, 위상차로 인한 오차가 발생하기 때문이다.
비교부(56)는, 추정된 맥동전압의 크기를 측정된 맥동전압의 크기로 나누어 평가지수를 결정한다. 평가지수의 범위를 적절하게 선정하여, 단위 전력셀(20)의 직류단 커패시터(22)의 고장상태를 판별할 수도 있다.
도 6의 직류단용량 추정부(33)의 동작을 설명한다. 직류단용량 추정부(33)는 평가지수를 이용하여 직류단 커패시터(22)의 용량을 추정한다.
앞서 언급한 바와 같이, 추정된 직류단전압의 맥동크기와 측정된 직류단전압의 맥동크기가 같은 경우 평가지수는 '1'이 되는데, 본 발명의 직류단용량 추정부(33)는 이러한 성질을 이용하여 직류단 커패시터(22)의 용량을 계산한다.
즉, 직류단용량 추정부(33)의 동작을 결정하는 플래그(flag)가 '1'이 되는 경우, 오차보상부(63)의 적분보상을 통해 직류단용량의 오차를 추정한다. 이와 같이 추정된 오차에, 초기 직류단용량(Cdc _ init)을 합하여, 최종적으로 직류단용량을 출력한다.
이때, 초기 직류단용량은, 초기에 측정된 값일 수도 있고, 초기 설계된 공칭값(nominal value)일 수도 있다.
본 발명에 의하면, 직류단전압을 추정하고, 측정된 직류단전압의 맥동크기를 비교하여, 직류단용량을 추정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 단위 전력셀(20)에 포함되는 직류단 커패시터(22)의 용량을 실시간으로 추정하여 고장상태를 실시간으로 검출할 수 있다. 또한, 직류단 커패시터(22)의 용량추정을 위해 단위 전력셀(20)을 시스템으로부터 분리할 필요가 없으므로, 유지보수가 간단해진다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
31: 직류단전압 추정부 32: 평가지수 계산부
33: 직류단용량 추정부

Claims (8)

  1. 정류부, 직류단 커패시터 및 인버터부를 포함하는 인버터에서, 상기 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 장치에 있어서,
    측정 직류단전압, 상기 인버터부의 출력전류 및 상기 인버터부의 출력전압을 이용하여, 직류단전압을 추정하여 추정 직류단전압을 출력하는 제1추정부;
    상기 측정 직류단전압 및 상기 추정 직류단전압으로부터 평가지수를 계산하는 계산부; 및
    상기 평가지수와 초기 직류단용량을 이용하여 직류단용량을 추정하는 제2추정부를 포함하는 용량 추정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1추정부는,
    상기 인버터부의 출력전류 및 출력전압을 이용하여 출력전력을 연산하는 제1연산부;
    상기 출력전력으로부터 직류단전력을 추정하는 제3추정부;
    추정된 직류단전력을 직류단전압의 평균으로 나누고, 상기 제2추정부가 추정한 직류단용량을 이용하여 상기 추정 직류단전압을 출력하는 제4추정부;
    상기 측정 직류단전압과 상기 추정 직류단전압의 오차를 연산하는 제2연산부; 및
    비례-적분(PI) 보상에 의해, 상기 제2연산부의 출력인 오차로부터 입력전력을 추정하는 제1보상부를 포함하는 용량 추정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제3추정부는, 상기 출력전력으로부터 상기 보상부가 추정한 입력전력을 차감하여 상기 직류단전력을 추정하는 용량 추정장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 계산부는,
    상기 추정 직류단전압의 운전주파수의 2고조파에 해당하는 성분을 여과하는 제1대역통과필터(BPF);
    상기 제1BPF의 출력인 맥동전압의 크기를 검출하는 제1검출부;
    상기 측정 직류단전압의 운전주파수의 2고조파에 해당하는 성분을 여과하는 제2BPF;
    상기 제2BPF의 출력인 맥동전압의 크기를 검출하는 제2검출부; 및
    상기 제1검출부의 출력인 맥동전압의 크기를 상기 제2검출부의 출력인 맥동전압의 크기로 나누어, 평가지수를 출력하는 제1비교부를 포함하는 용량 추정장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 계산부는,
    상기 측정 직류단전압의 소정 고조파에 해당하는 성분을 제거하는 대역정지필터(BSF)를 더 포함하는 용량 추정장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 평가지수에 의해 상기 직류단 커패시터의 고장상태를 결정하는 용량 추정장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2추정부는,
    평가지수와 기준값의 오차를 출력하는 제2비교부;
    적분보상에 의해, 상기 제2비교부의 출력을 이용하여 직류단용량의 오차를 추정하는 제2보상부; 및
    상기 제2보상부에 의해 추정된 오차와 상기 초기 직류단용량을 가산하는 가산부를 포함하는 용량 추정장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2추정부는,
    상기 제2추정부의 동작을 결정하는 결정부를 더 포함하는 용량 추정장치.
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