KR20150061067A

KR20150061067A - 직류 및 교류 겸용 다기능 시험을 위한 시뮬레이터

Info

Publication number: KR20150061067A
Application number: KR1020130143581A
Authority: KR
Inventors: 안종보; 최흥관; 김응상
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-06-04
Also published as: KR101539397B1

Abstract

본 발명은 하나의 장치를 이용하여 직류출력인 태양전지나 연료전지의 시뮬레이터 혹은 단순 직류전원으로 동작할 수 있으며, 또한 교류출력인 전력계통 시뮬레이터 등으로도 동작하여, 각종 시험 기기의 전원 혹은 부하 등의 시험이나 인증을 위한 다기능 시뮬레이터에 관한 것이다.

Description

직류 및 교류 겸용 다기능 시험을 위한 시뮬레이터 {Simulator with Direct Current and Alternating Current Output for Multi-Function Test}

본 발명은 직류 및 교류 겸용 시뮬레이터에 관한 것으로서, 특히, 한 개의 장치로 기기의 전원 혹은 부하 등의 시험이나 인증 등 다기능을 수행할 수 있는 시뮬레이터에 관한 것이다.

본 기술에 관련된 종래의 기술은 전용으로 된 태양전지 시뮬레이터, 연료전지 시뮬레이터, 전력계통 시뮬레이터 등 전원으로 동작하는 직류 혹은 교류 시뮬레이터가 있으며, 전자식 부하장치로서는 직류 혹은 교류 부하로 동작하는 장치가 있으나 이들 기능이 통합된 시뮬레이터 혹은 전원장치는 없다. 기존의 시뮬레이터들은 전원 혹은 부하로만 동작하기 때문에 양방향 전력제어 대신 단방향 전력제어만 수행할 수 있어 전원 혹은 부하로 동시에 동작할 수 없는 한계가 있다. 관련선행문헌으로서 대한민국특허공개번호 제 10-2009-0046438호 (209.05.11 공개), 대한민국특허등록번호 제10-0726024호 (2007.05.31. 공고) 등이 참조될 수 있다.

신재생에너지용 인버터나 기타 전력변환장치 등을 시험하기 위해서는 여러 종류의 전원장치 혹은 시뮬레이터가 필요하게 되는데, 이에 따른 기기 설치 비용 증가, 운용상의 어려움, 유지보수 비용의 증가, 설치 공간 과다 등의 문제를 해결하기 위한 시뮬레이터가 요구되고 있다. 예를 들면, 태양광 발전용 인버터의 시험에서는 태양전지 시뮬레이터가 필요하고 연료전지용 인버터의 시험을 위해서는 연료전지 시뮬레이터가 필요하며 이들 인버터의 계통연계 보호기능 시험을 위해서는 전원의 전압과 주파수를 임의로 가변할 수 있는 전력계통 시뮬레이터가 필요하다. 또한 이들 인버터에 부하를 인가하기 위해서는 전자식 부하 장치 혹은 수동부하가 필요하게 된다.

도 1은 종래의 태양전지 혹은 연료전지 시뮬레이터 구성도의 일례이다.

태양전지 혹은 연료전지는 각각 일사량 및 온도, 또는 연료 주입량에 따라 전압-전류 특성곡선에 대한 파라미터들(11)이 결정되고 여기에서 부하 조건에 따라 동작점이 결정되는 특성이 있으므로, 시뮬레이터(6)는 이들 파라미터들을 매개로 전기적인 특성을 모의하는 장치이다. 태양전지와 연료전지 둘 다 직류 출력이므로, 시뮬레이터(6)는 교류전원(1)에서 입력을 받고 전기적인 절연과 전압 매칭을 위한 변압기(2)를 거친 후에 정류기(3)를 이용하여 일정 전압의 직류전원(4)을 만든다. 시뮬레이터(6)는 이 직류전원(4)에 강압용 컨버터(5)와 리액터-캐패시터 필터(7)를 설치한 구조를 포함한다. 이 출력에 피시험장치(8)인 인버터가 연결되어 운전된다. 제어기(9)는 피시험장치(8)의 운전 조건에 따라 변동되는 전압-전류 특성곡선에 맞는 파라미터들(11)에 맞게 컨버터(5)를 제어하는 기능을 한다. 제어기(9)는 사용자 인터페이스(Man Machine Interface, 이하 MMI)(10)과 통신으로 연결되어 시험에 필요한 파라미터들(11)을 입력받게 되는데 태양전지의 경우는 일사량, 온도, 단위 태양전지의 특성 및 직병렬회로 구성 등의 정보가 입력되고, 연료전지의 경우는 전압-전류 특성 및 연료투입량 등이 중요한 파라미터가 된다.

이러한 구조의 시뮬레이터(6)에는 입력부가 정류기(3)으로 되어 있고 또한 컨버터(5)가 단방향 강압형으로 되어 있기 때문에 전원 역할만 수행할 수 있으며 역방향으로의 회생이나 부하로서의 역할은 할 수가 없다.

도 2는 종래의 전력계통 시뮬레이터 구성도의 일례이다.

도 2를 참조하면, 종래의 전력계통 시뮬레이터(24)는 교류전원(1)에서 입력을 받고, 절연용 변압기(20), 정류기(21) 및 직류전원단(22) 부분은 도 1의 구성과 동일하다. 다만, 도 1의 태양전지 혹은 연료전지 시뮬레이터(6)와는 두 가지 차이점이 있다. 하나는 출력이 교류이므로 1상과 3상 출력을 낼 수 있도록 출력단의 스위칭 소자(23)의 수가 들어나는 것이고 다른 하나는 전지 특성 대신 교류파형 발생기(27)가 필요하다는 점이다. 사용자 인터페이스(29)에서 시험에 필요한 교류 전압, 주파수 등의 조건을 입력하면 제어기(28) 내의 파형발생기(27)는 기준 신호를 만들고, 이 기준신호에 따라 스위칭 소자(23)가 스위치를 제어하여 리액터-캐패시터 필터(25)를 통해 원하는 교류 출력을 얻게 된다. 필터(25)를 거친 출력이 피시험장치(26)에 출력된다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 하나의 장치를 이용하여 직류출력인 태양전지나 연료전지의 시뮬레이터 혹은 단순 직류전원으로 동작할 수 있으며, 또한 교류출력인 전력계통 시뮬레이터 등으로도 동작하여, 각종 시험 기기의 전원 혹은 부하 등의 시험이나 인증을 위한 다기능 시뮬레이터를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 시뮬레이터는, 3상 교류 전원 출력용 변압기; 리액터와 캐패시터로 구성된, 상기 변압기 출력측의 각 상에 연결되는 입력필터; 3상 브리지 구조의 스위치들을 가진 컨버터; 평활용 커패시터들; 및3상 브리지 구조의 스위치들을 가진 인버터가 순차 연결되며, 상기 인버터 출력측의 각 상에 순차 연결되는 리액터, 교류용 전자개폐기, 및 캐패시터를 갖는 교류용 출력필터; 상기 제1 출력필터의 상기 리액터를 공통으로 이용하고, 상기 리액터에 순차 연결되는 직류용 전자개폐기 및 캐패시터를 갖는 직류용 출력필터; 및 상기 컨버터의 스위치들 및 상기 인버터의 스위치들의 PWM 제어와 상기 교류용 전자개폐기 및 상기 직류용 전자개폐기의 온/오프 제어를 통하여, 교류 전원, 직류 전원, 또는 교류나 직류 전원에 대한 부하로의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함한다.

상기 시뮬레이터는, 상기 교류 전원, 상기 직류 전원, 또는 상기 교류나 직류 전원에 대한 부하로의 동작을 위한 파라미터들을 입력하기 위한 사용자 인터페이스를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 교류용 출력필터를 통한 교류 전원, 상기 직류용 출력필터를 통한 직류 전원, 상기 교류용 출력필터에 연결된 복수 단자로 입력되는 교류 전원에 대한 상기 평활용 커패시터들의 부하, 또는 직류용 출력필터에 연결된 단자로 입력되는 직류 전원에 대한 상기 평활용 커패시터들의 부하로의 동작을 제어할 수 있다.

상기 시뮬레이터는 태양전지 직류 전원, 연료전지 직류 전원, 전력 계통 교류 전원, 또는 직류나 교류 전원에 대한 부하 장치로서의 모의 시험에 이용될 수 있다.

상기 교류용 출력필터에 연결된 복수 단자를 단락하여 1상 교류 전원으로 이용하며, 상기 제어부는 상기 인버터의 3상 브리지 구조의 3개의 스위치쌍들의 각 스위칭 시간을 지연시키는 인터리빙 방식의 제어에 따라 상기 복수 단자가 단락된 단자로 출력되는 전압 및 전류 맥동을 감소시킬 수 있다.

상기 제어부는, 상기 컨버터의 스위치들을 PWM 제어하기 위하여, 상기 변압기 출력에 해당하는 입력전압 Vin(abc), 상기 입력필터의 리랙터에 흐르는 입력 전류 Iin(abc), 상기 평활용 커패시터들로부터 검출된 직류전압 Vdc를 입력받고, 사용자 인터페이스로부터 직류기준전압 Vdc*, 및 유효전류기준치 Ide*를 입력받으며, Vin(abc)에 대하여 제1 dq-변환기와 PLL을 이용하여 위상각 정보를 출력하고, 상기 위상각 정보를 이용한 Iin(abc)에 대한 제2 dq-변환기의 출력인 d-축 전류 Ide와 q축 전류 Iqe를 이용하여, Ide*와 Ide의 차이 및 Vdc*와 Vdc 간의 차이를 기초로 생성한 무효전류기준치 Iqe*와 Iqe의 차이를 기반으로 d-축 및 q-축 전류 보상을 위한 각각의 전류기준치를 생성하며, 상기 위상각 정보와 상기 각각의 전류기준치에 따라 상기 전원 또는 상기 부하로 동작을 위해 상기 컨버터의 스위치들을 PWM 제어하는 PWM부를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 교류 전원으로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위하여, 사용자 인터페이스에서 q-축 기준전압 Vqe*과 d-축 기준전압 Vde*을 제공받는 전압제어블록을 포함하고, 상기 사용자 인터페이스에서 입력받는 기준출력주파수 f*에 대한 각속도를 적분기로 적분한 내부 위상각을 생성하고 상기 인버터의 출력 전압 Vout(abc)에 대하여 상기 내부 위상각을 기초로 dq-변환을 통해 d-축 전압 Vde과 q-축 전압 Vqe을 생성하여 상기 전압제어블록으로 출력하며, 상기 전압제어블록은, Vde*와 Vde의 차이 및 Vqe*와 Vqe의 차이를 기초로 d-축 및 q-축 전압 보상을 위한 각각의 전압기준치를 생성하며, 상기 인버터의 스위치들에 대한 PWM 제어에 기초가 되는 상기 각각의 전압기준치의 dq 역변환된 전압을 출력할 수 있다.

상기 사용자 인터페이스를 통해 입력되는 Vqe*과 f*에 따라 전압과 주파수가 가변되는 전력계통 교류 전원용 시뮬레이터로 동작할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 교류 부하로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위하여, 사용자 인터페이스에서 q-축 기준전류 Iqe*과 d-축 기준전류 Ide*을 제공받는 전류제어블록을 포함하고, 상기 인버터의 출력 전압 Vout(abc)에 대하여 제1 dq-변환기와 PLL을 이용하여 위상각 정보를 출력하고, 상기 위상각 정보를 이용한 상기 인버터의 출력 전류 Iout(abc)에 대한 제2 dq-변환기의 출력인 d-축 전류 Ide와 q축 전류 Iqe를 상기 전류제어블록으로 출력하며, 상기 전류제어블록은, Ide*와 Ide의 차이 및 Iqe*와 Iqe의 차이를 기초로 d-축 및 q-축 전류 보상을 위한 각각의 전류기준치를 생성하며, 상기 인버터의 스위치들에 대한 PWM 제어에 기초가 되는 상기 각각의 전류기준치의 dq 역변환된 전류를 출력할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 직류 전원으로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위해, 사용자 인터페이스에서 시험 대상의 전압-전류 특성 곡선 데이터를 입력받아 그를 추종하도록 제어하는 직류제어블록을 포함하고, 상기 직류제어블록은, 상기 시험 대상의 전압-전류 특성 곡선 데이터를 참조하여 상기 인버터의 출력 전압 Vout에 대한 기준 전류 Idc*을 산출하는 기준치 계산부; Idc*와 상기 인버터의 출력 전류 Iout의 차이를 기초로 보상 전류를 산출하는 전류제어기; 및 상기 보상 전류에 따라 상기 인버터의 스위치들에 대한 스위칭 제어 신호를 생성하는 인터리빙부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 직류 부하로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위해, 사용자 인터페이스에서 전력 명령 Pdc*를 입력받아 해당 직류 전력 소비를 추종하도록 제어하는 직류제어블록을 포함하고, 상기 직류제어블록은, Pdc*와 상기 인버터의 출력 전력 Pout의 차이를 기초로 전력 보상을 위한 기준 전류 Idc*를 전력 제어기; Idc*와 상기 인버터의 출력 전류 Iout의 차이를 기초로 보상 전류를 산출하는 전류제어기; 및 상기 보상 전류에 따라 상기 인버터의 스위치들에 대한 스위칭 제어 신호를 생성하는 인터리빙부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 직류 및 교류 겸용 시뮬레이터에 따르면, 한 대의 전원장치로 연료전지, 태양전지, 단순 직류전원, 가변 교류전원장치, 직류 혹은 교류 부하장치 등 다기능으로 사용할 수 있어 비용을 절감할 수 있다. 즉, 시험 목적에 따라 개별 장비를 사용하지 않아도 한 개의 본 발명의 다기능 시뮬레이터 장치로 내부적 설정 변경만으로 전원 혹은 부하 등 각종 시험을 할 수 있도록 함으로써, 시험용 기기를 설치하는 공간, 운영상의 어려움 등을 해결할 수 있으며 기기들의 유지보수 비용을 절감할 수 있고, 부하장치로 사용할 경우 시험에 있어서 기존에 저항으로 사용할 경우 열로 소비되는 전력을 회생할 수 있어 시험을 위한 전력 비용을 절감할 수 있다.

그리고, 교류에서는 1상 혹은 3상으로 동작할 수 있으며 직류에서는 3개의 직류전원이 인터리빙(interleaving)되어 동작하므로 출력의 전압 및 전류의 맥동을 최소로 하는 고품질의 전원장치로도 활용될 수 있어 본 발명의 하나의 시뮬레이터를 다양한 용도로 활용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 태양전지 혹은 연료전지 시뮬레이터 구성도의 일례이다.
도 2는 종래의 전력계통 시뮬레이터 구성도의 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 시뮬레이터에서의 출력의 맥동 저감을 위한 인터리빙 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 컨버터부의 제어를 위한 제어기의 블록도이다.
도 6은 도 3의 인버터부의 교류 제어를 위한 제어기의 블록도이다.
도 7은 인버터부의 직류 제어를 위한 제어기의 직류 제어블록의 블록도이다.
도 8은 도 3의 시뮬레이터에 대한 실제 사례도이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이터(55)를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이터(55)는 제어기(51)의 제어를 받아 동작하며, 제어기(51)는 사용자 인터페이스(Man Machine Interface, 이하 MMI)(54)과 통신으로 연결되어 모의 시험에 필요한 파라미터들을 입력받게 된다. 사용자 인터페이스(54)를 통해 동작 모드의 설정, 입력 혹은 출력 명령 등의 파라미터들의 입력이 수행되고 시뮬레이터(55) 각 부의 운전상태가 실시간으로 모니터링될 수 있다.

사용자 인터페이스(54)를 위한 파라미터들의 입력 수단이나 디스플레이 수단 등이 시뮬레이터(55)에 포함될 수도 있으며, 시뮬레이터(55)는 사용자 인터페이스(54), 제어기(51) 이외에 변압기(31), 입력필터, 컨버터부(36), 평활용 캐패시터들(38), 인터버부(39)가 순차 연결되도록 포함하고, 공통되는 리액터(41)와 교류용 출력 필터(43-1) 및 직류용 출력 필터(43-2) 사이에 각각 연결되는 교류용 전자개폐기(44) 직류용 전자개폐기(55)를 포함한다.

다시 말하여 시뮬레이터(55)는 입력단자(30), 전압 매칭 및 절연을 위한 변압기(31), 리액터(33)와 캐패시터(34)로 구성된 입력필터(변압기(31) 각 상의 출력이 리액터(33)를 거쳐 컨버터부(36)의 브리지형 스위치들 사이에 전달되고, 변압기(31) 각 상의 출력과 접지 사이에 캐패시터(34)가 연결됨), 입력전압(Vin) 검출 센서(32)(변압기(31) 출력이 계통으로부터의 입력전압(Vin)에 해당), 입력전류(Iin) 검출 센서(35), PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 이용하는 양방향 컨버터 형태의 컨버터부(36), 직류전압(Vdc) 검출 센서(37), 평활용 캐패시터들(38), 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)를 갖는 3상 브리지 구조의 인터버부(39), 출력 전류(Iout) 검출 센서(40), 출력 전압(Vout) 검출 센서(42), 리액터(41)와 캐패시터(43-1/43-2)으로 구성된 출력 필터, 교류 출력을 선택하기 위한 전자개폐기(44)(교류용 전자개폐기), 직류 출력을 선택하기 위한 전자개폐기(55)(직류용 전자개폐기)를 포함한다. 즉, 인터버부(39) 각 상의 출력이 리액터(41)와 전자개폐기(44)를 거쳐 전자개폐기(44)의 다른 단자와 접지 사이에 캐패시터(43-1)가 연결되며, 리액터(41)는 공통적으로 이용되어 전자개폐기(55)를 거쳐 각 상의 전자개폐기(55)의 다른 단자들이 접지 사이에 캐패시터(43-2)가 연결된다.

3상 교류 출력은 교류출력단자(46)과 중성점 단자(48)를 이용하여 3상4선식으로 출력될 수 있으며, 직류 출력은 직류출력단자(47)와 중성점 단자(48)를 통하여 출력될 수 있다.

도 3에서, 입력단자(30)를 통해 3상의 교류 전압을 입력받고, 변압기(31)는 권선비에 따른 적절한 3상의 교류 전압으로 변환하고, 각 상의 변환된 전압은 리액터(33)와 캐패시터(34)로 구성된 각 상의 입력필터를 거쳐 3상 브리지 구조의 스위치들을 포함하는 컨버터부(36)로 출력된다. 입력전압(Vin) 검출 센서(32)와 입력전류(Iin) 검출 센서(35)를 통해, 컨버터부(36)로의 각 상의 입력전압(Vin)과 입력전류(Iin)가 검출되어 사용자 인터페이스(54)의 디스플레이 수단을 통해 표시될 수 있다.

컨버터부(36)는 제어기(51)의 제어에 따라 교류-직류 변환한 전압을 출력하며, 컨버터부(36)의 출력단인 직류단에는 2개의 평활용 캐패시터들(38)가 직렬연결되어 설치되고, 평활용 캐패시터들(38)의 접점이 중성점(48)으로 이용된다. 직류전압(Vdc) 검출 센서(37)를 통해, 컨버터부(36)의 출력인 직류전압(Vdc)이 검출되어 사용자 인터페이스(54)의 디스플레이 수단을 통해 표시될 수 있다.

컨버터부(36) 및 평활용 캐패시터들(38)의 출력 양단에 병렬 연결된 3상 브리지 구조의 인터버부(39)는 제어기(51)의 제어에 따라 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)를 통해 각 상의 적절한 변환된 전압을 출력한다.

전력계통(교류전원) 시뮬레이터로 사용할 경우에는, 제어기(51)의 제어에 따라 전자개폐기(44)를 제어하여, 인터버부(39)의 출력은 각 상의 리액터(41)와 캐패시터(43-1)에 연결되고 3상 교류 출력이 교류출력단자(46)과 중성점 단자(48)를 이용하여 출력된다.

태양전지나 연료전지(직류전원) 용으로 사용될 경우는, 제어기(51)의 제어에 따라 전자개폐기(55)를 제어하여, 인터버부(39)의 각 상의 출력은 리액터(41)를 거쳐 캐패시터(43-2)에 연결되고 직류 출력이 직류출력단자(47)와 중성점 단자(48)를 통하여 출력될 수 있다.

출력 전류(Iout) 검출 센서(40)는 인터버부(39)의 각 상의 출력 전류(Iout)를 검출할 수 있으며, 출력 전압(Vout) 검출 센서(42)는 인터버부(39)의 각 상의 출력 전압(Vout)을 검출할 수 있고, 검출 결과가 사용자 인터페이스(54)의 디스플레이 수단을 통해 표시될 수 있다. 이러한 센서들은 전자식이기 때문에 직류와 교류 모두를 검출할 수 있다.

위와 같이 컨버터부(36)와 인버터부(39)는 디지털 제어기(51)에 의해 제어되는데, 제어기(51)는 컨버터부(36)와 인버터부(39)의 각각의 6개의 스위치의 온(on)과 오프(off) 상태를 PWM으로 제어하게 된다. 또한, 제어기(51)는 출력의 선택을 위하여 디지털 제어신호(52)를 통해 필요한 전자개폐기(44, 55)의 각 상에 대한 스위치들을 온 또는 오프하게 된다. 제어기(51)는 통신(53)을 통하여 사용자 인터페이스(54)에 연결되어 시뮬레이터의 종류와 필요한 파라미터들을 입력받을 수 있으며 각 부의 운전 상태를 표시하게 된다.

이러한 구조를 이용하여 직류 출력과 교류 출력을 내부 제어를 통하여 얻을 수 있으며 전원장치뿐만 아니라 부하장치로 사용하는 원리를 설명하기로 한다.

인버터부(39)는 3상 브리지 구조(39-1, 39-2, 39-3)로 되어 있기 때문에 기본적으로 3상의 교류 출력이 가능하며 양방향 전력제어가 가능하므로 전원장치 혹은 부하장치로도 사용할 수 있다. 또한, 이를 직류 출력으로 하기 위해서 본 발명은 출력단에 3상을 단락할 수 있는 전자개폐기(55)를 설치하였다.

이렇게 함으로써 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)는 병렬로 연결되며 이를 이용하여 소위 인터리빙(interleaving) 방식(도 4 참조)의 직류 혹은 교류전원용으로 회로를 구성할 수 있게 된다. 태양전지 혹은 연료전지용 시뮬레이터로 사용할 경우에는, 컨버터부(36) 및 평활용 캐패시터들(38)의 출력 양단에 병렬 연결된 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3) 쌍에서 제어기(51)의 제어에 따라 아래의 스위치 3개(58)를 오프하고 위의 스위치 3개(59)만 온/오프 제어함으로써 강압형 직류-직류 컨버터로 동작할 수 있다. 또한 반대로 위의 스위치 3개(59)를 오프하고 아래 3개의 스위치(58)를 사용함으로써 승압형 직류-직류 컨버터로도 동작할 수 있다. 따라서 이러한 인버터부(39)의 구조와 전자개폐기(44/55)에 의해서 직류 및 교류 전원 출력이 가능하고, 또한 예를 들어, 46 또는 47 단자를 통해 입력되는 직류 또는 교류의 전원에 대하여 제어기(51)에 의한 전자개폐기(44/55)와 인버터부(39)의 제어에 따라 평활용 캐패시터들(38)의 직류전압(Vdc) 상태를 시험하기 위한 직류 및 교류의 부하장치로도 동작이 가능하게 된다.

또한, 교류 출력단자(46)의 3 단자를 외부에서 단락할 경우에는 1상 교류 전원장치로도 사용할 수 있으며 이때도 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)는 도 4와 같이 인터리빙 방식으로 동작하여 출력의 전압 및 전류 맥동을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 출력 전류가 3배로 증가하므로 1상으로 3상 정격 출력만큼의 전력을 공급할 수 있게 된다.

도 4는 도 3의 시뮬레이터(55)에서의 출력의 맥동 저감을 위한 인터리빙 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 3개의 인터리빙을 적용한 경우이며, 2개 이상의 인터리빙이 가능하다. 3개의 인터리빙 방식의 직류 전원용의 경우에, PWM 제어주기(74)의 1/3만큼의 위상차(73)로 인버터부(39)의 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)의 각 스위칭 시간을 지연시키는 것이다. 3개의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)에 대해서 각각 도 4의 70, 71, 72와 같이 위상을 지연시켜서 동작시키게 되면 각각의 스위치(39-1, 39-2, 39-3)에 흐르는 전류는 75, 76, 77과 같이 되고 이들이 병렬연결되어 있기 때문에 직류출력단자(47)에서는 도의 78과같이 맥동주파수는 3배로 증가하나 맥동의 크기는 1/3로 감소하게 되므로 보다 안정적인 출력 특성을 얻을 수 있게 된다.

도 5는 도 3의 컨버터부(36)의 제어를 위한 제어기(51)의 블록도이다.

도 5를 참조하면, 제어기(51)는 입력으로서 계통 입력에 해당하는 변압기(31) 3상 출력인, 3상 입력전압 Vin(abc) 및 3상 입력 전류 Iin(abc) 각 3개와, 직류기준전압(Vdc*) 및 검출된 직류전압(Vdc)을 받으며, PWM 출력(49)으로 컨버터부(36)의 각 스위치를 제어한다.

먼저, 입력전원의 위상을 검출하기 위하여, 제1 dq-변환기(90)는 입력전압 Vin(abc)에 대하여 각각 dq-변환을 수행하고, 그 결과인 각 d-축 전압 Vde(91)을 출력하며, 입력전압의 위상과 동일한 위상을 찾기 위한 위상고정루프(92)는 해당 위상각 정보(93)를 출력하고, 이에 따라 제1 dq-변환기(90)와 제2 dq-변환기(94)가 각각 3상 입력전압 Vin(abc) 및 3상 입력 전류 Iin(abc)에 대하여 고정된 위상을 가지고 출력되도록 제어한다. 위상각 정보(93)는 PWM부(108)에서도 사용된다.

제2 dq-변환기(94)는 위상각 정보(93)에 따라 3상 입력 전류 Iin(abc) 각각의 유효 직류전류성분인 d-축 전류 Ide(95)와 무효 직류전류성분인 q-축 전류 Iqe(102)로 변환하여, d-축 전류제어기(104)와 q-축 전류제어기(105)의 제어에 각각 사용되도록 한다.

컨버터부(36)의 제어 목적은 직류단 평활용 캐패시터(38)의 전압을 일정하게 유지하는데 있으며, 인버터부(39)가 시뮬레이터 동작 즉, 전원으로 동작할 경우에는 입력전원 Vin(abc), Iin(abc)으로부터 전력을 공급하는 기능을 하고, 반대로 인버터부(39)가 부하로 동작할 경우 직류단 평활용 캐패시터(38)로 회생되는 전력을 입력단자(30) 측으로 되돌려주는 회생동작을 하게 된다.

따라서 컨버터부(36)의 제어는 직류단 평활용 캐패시터(38)의 전압을 일정하게 유지하도록 전류의 흐름을 바꾸는 제어를 하게 되는데, 계산부(99)가 MMI(54)로부터 입력받는 미리 설정된 직류기준전압 Vdc*(98)과 검출된 직류전압(Vdc)의 오차(차이)를 계산하고 전압제어기(100)로 입력하면, 전압제어기(100)는 이 오차를 보상하기 위한 무효전류기준 lqe*(101)을 지령치로 생성한다.

통상 유효전력은 제어할 필요가 없으므로 유효전류기준치 Ide*(96)은 0으로 한다(Ide*(96)도 MMI(54)로부터 입력 가능). 계산부들(97, 103)은 각각 MMI(54)로부터 입력받는 d-축, q-축 각각의 전류기준치(유효전류기준치 Ide*(96), 무효전류기준치 Iqe*(101))에 대하여 제2 dq-변환기(94)의 d-축 전류 Ide(95)와 q-축 전류 Iqe(102)와의 차이(오차)를 계산하고, 이에 따라 각 차이(오차)에 따라 각각의 전류제어기(104, 105)가 d-축 및 q-축 각각의 전류 보상을 위한 각각의 전류기준치(106, 107)을 출력한다. 이 출력은 PWM부(108)에서 위상각 정보(93)과 결합하여 펄스폭 변조 신호를 생성함으로써 컨버터부(36)의 3상 스위치를 제어하게 된다. 이러한 제어 동작을 통하여 컨버터부(36)는 인버터부(39)의 동작 모드에 관계없이 일정하게 직류단 평활용 캐패시터(38)의 전압을 유지할 수 있도록 전류의 크기와 방향을 제어하게 된다.

도 6은 도 3의 인버터부(39)의 교류 제어를 위한 제어기(51)의 블록도이다.

도 6을 참조하면, 제어기(51)는 입력으로서 인버터부(39)의 출력 전압(Vout)과 출력 전류(Iout)를 입력받고, 전압 제어블록(130), 전류 제어블록(148), 및 직류 제어블록(166)을 통하여 생성한 제어신호 중 신호선택 스위치(153)에 의해 교류와 직류 출력 및 교류와 직류 부하장치 등 각 동작 모드에 맞게 선택되어 PWM부(155)의 PWM 출력(50)으로 인버터부(39)의 각 스위치를 제어한다. 직류 제어블록(166)의 자세한 블록도는 도 7에 도시되어 있다.

먼저, 전력계통(교류전원) 시뮬레이터로 동작하기 위해서는 전압제어 블록(130)이 사용되는데, 이를 위하여 사용자 인터페이스(54)에서 입력되는 기준출력주파수 f*(139)를 받아서 이를 변환기(137)를 이용해 각속도로 변환하고, 이 각속도 값을 적분기(136)로 적분함으로써 내부의 위상각(140)이 생성되고 초기에 선택 스위치(135)에서 이값이 선택되어 dq-변환기들(132, 141)로 입력된다.

dq-변환기(132)는 각 상의 출력 전압 Vout(abc)에 대하여 내부 위상각(140)을 기초로 dq-변환을 통해 d-축 전압 Vde(122)과 q-축 전압 Vqe(127)을 생성한다.

q-축 기준전압 Vqe*(125)은 사용자 인터페이스(54)에서 제공되는 전압 기준의 피크치로서 설정되고, d-축 기준전압 Vde*(120)은 통상 0으로 설정한다.

전압 제어 블럭(130)에서, 계산부들(121, 126)은 각각 d-축, q-축 각각의 기준전압(120, 125)에 대하여 dq-변환기(132)의 d-축 전압 Vde(122)와 q-축 전압 Vqe(127)와의 차이(오차)를 계산하고, 이에 따라 각 차이(오차)에 따라 d-축 전압제어기(123), q-축 전압제어기(128)가 각각 d-축 및 q-축 전압 보상을 위한 각각의 전압기준치들(124, 129)을 출력한다.

각 전압제어기(123, 128)의 출력(124,129)은 역변환블럭(168)에서 각상에 대하여 dq 역변환(dq-abc 변환)된 전압(131)로 변환되고, 이에 대하여 PWM부(155)에서는 인버터부(39)의 스위치들을 온오프하는 제어신호(50)를 생성한다. 이러한 과정을 통해서 인버터부(39)는 사용자 인터페이스(54)에서 설정한 전압과 주파수 기준에 일치하는 교류전압을 발생할 수 있게 된다.

다음은 교류 부하로 동작하는 전류제어 블록(148)에 대해서 설명한다. 교류의 피시험장치(도 8의 200 참조)가 교류전원을 발생하여 여기에 부하를 인가할 필요가 있는 경우(예, 동기발전기의 부하 시험이나 풍력발전기의 시험 등)에는 피시험장치(도 8의 200 참조)가 출력하는 교류전원의 위상에 맞게 전류를 흘려 부하를 인가할 필요가 있고 이를 위해서 위상고정루프(PLL)(134)가 사용된다.

위상고정루프(134)의 입력은 인버터부(39)의 출력 전압 Vout(abc), 즉, 피시험정치(도 8의 200 참조)의 입력부에서 검출된 전압이 되는데, 실제 위상고정루프(134)의 입력으로 d-축 전압 Vde(122)만 사용하게 된다. 위상고정루프(134)는 내부 위상각이 측정하는 3상교류의 각 위상과 일치하면 d-축 전압 Vde(122)가 0이 되는 원리를 이용하여 위상각(140)을 추적하는 것이다. 위상고정루프(134)는 위상각(140)을 산출하여 위상각(140)을 선택 스위치(135)를 통해 dq-변환기(132)로 피드백하여 위상각이 내부 위상각(140)으로 고정될 수 있도록 하고, 위상각(140)은 dq-변환기(141)로도 전달한다.

dq-변환기(141)는 이 위상각(140)을 이용하여 피시험장치(도 8의 200 참조)에서 흐르는 각 상의 출력 전류 Iout(abc)에 대하여 dq-변환하여 각각 dq-축 성분, 즉, d-축 전류 Ide(143)과 q-축 전류 Iqe(150)을 생성한다.

d-축 기준전류 Ide*(142), q-축 기준전류 Iqe*(149)은 사용자 인터페이스(54)에서 제공될 수 있으며, 또는 사용자 인터페이스(54)에서 주어지는 무효 및 유효전력 기준치를 출력전압 Vout으로 나눈값으로 설정될 수 있다.

전류 제어 블럭(148)에서, 계산부들(144, 151)은 각각 d-축, q-축 각각의 기준전류(142, 149)에 대하여 dq-변환기(141)의 d-축 전류 Ide(143)와 q-축 전류 Iqe(150)와의 차이(오차)를 계산하고, 이에 따라 각 차이(오차)에 따라 d-축 전류제어기(145), q-축 전류제어기(152)가 각각 보상되어야 할 각각의 전류기준치들(146, 153)을 출력한다.

각 전류제어기(145, 152)의 출력(146,153)은 역변환블럭(147)에서 각상에 대하여 dq 역변환(dq-abc 변환)된 전류로 변환되고, 이에 대하여 PWM부(155)에서는 인버터부(39)의 스위치들을 온오프하는 제어신호(50)를 생성한다. 이 과정을 통하여 인버터부(39)는 교류의 피시험장치(도 8의 200 참조)로부터 설정된 만큼의 전류를 직류단(38)로 회생하게 되어 부하를 인가하게 된다.

도 7은 인버터부(39)의 직류 제어를 위한 제어기(51)의 직류 제어블록(166)의 블록도이다. 시뮬레이터(55)가 직류 전원 혹은 직류 부하로 사용되기 위하여, 직류 제어블록(166)을 통해 인버터부(39) 등이 제어된다.

직류제어 블록(166)은 태양전지 혹은 연료전지 시뮬레이터 기능과 직류부하 기능 두 개의 블록으로 구성되는데, 먼저, 시뮬레이터(직류 전원) 기능인 경우 기준치 계산부(179)가 인버터부(39)의 출력전압 Vout(3상 abc 중 어느 하나 이상 가능)에 대하여 이에 해당되는 태양전지 혹은 연료전지의 전압-전류 특성 곡선(데이터)을 참조하여 기준 전류 Idc*(180)를 산출한다.

기준 전류 Idc*(180)는 스위치(181)에서 선택되고(시뮬레이터 모드와 부하 모드는 제어기(51)의 제어를 받는 절체 스위치(181)에 의해 절환될 수 있다.), 계산부(182)는 기준 전류 Idc*(180)와 인버터부(39)의 출력전류 Iout(3상 abc 중 어느 하나 이상 가능)의 오차(차이)를 계산하고, 이에 따라 전류제어기(183)가 보상 전류를 계산하면 인터리빙부(184)가 해당 인터리빙 보상(도 4 참조)을 위한 스위칭 제어신호(185)를 생성함으로써 이에 기초하여 인버터부(39) 스위치들의 스위칭을 제어한다. 이러한 과정을 통해서 인버터부(39)는 사용자 인터페이스부(54)를 통하여 이미 입력된 태양전지 혹은 연료전지의 전압-전류 특성곡선데이터를 추종하게 된다.

또한, 직류부하로 동작할 경우에는, 계산부(187)에서는 사용자 인터페이스(54)로부터 입력된 전력명령 Pdc*(186)과, 직류 출력전압 Vout과 직류 출력 전류 Iout의 곱인 실제 전력 Pout(188)의 오차(차이)를 계산하고, 이 전력 오차에 따라 전력제어기(189)는 전력 보상을 위한 기준 전류 Idc*(190)를 생성한다. 여기서 기준 전류 Idc*(190)는 스위치(181)에서 선택되어지고(시뮬레이터 모드와 부하 모드는 제어기(51)의 제어를 받는 절체 스위치(181)에 의해 절환될 수 있다.), 계산부(182)는 기준 전류 Idc*(190)와 인버터부(39)의 출력전류 Iout의 오차(차이)를 계산하고, 이에 따라 전류제어기(183)의 보상된 전류값을 계산하면 인터리빙부(184)가 해당 인터리빙 보상(도 4 참조)을 위한 스위칭 제어신호(185)를 생성함으로써 이에 기초하여 인버터부(39) 스위치들의 스위칭을 제어한다. 이러한 과정을 통해서 직류 피시험장치(도 8의 201 참조)는 원하는 전력명령 Pdc*을 추종하도록 직류전력을 소비하게 된다.

도 8은 도 3의 시뮬레이터(55)에 대한 실제 사례도이다. 교류 피시험장치(200)를 시험할 경우에는 전자개폐기(44)를 단락하고 전자개폐기(55)는 개방하여 시험을 할 수 있는데, 전력계통시뮬레이터 즉 전원장치로 사용할 경우에는 입력단자(30)에 연결된 상용전원으로부터 피시험장치(200) 쪽 방향(202)으로 전력이 흐르며 교류 부하장치로 사용할 경우에는 반대 방향(203)으로 전력이 흐르게 된다. 또한 단상 부하나 전원장치인 경우에는 교류 출력단자(46)의 3 단자를 단락시키고 중성점단자(48)를 함께 이용해서 시험할 수 있다.

직류 피시험장치(201)를 사용할 경우에는 전자개폐기(44)를 개방하고 전자개폐기(55)를 단락하여 시험할 수 있다. 직류 시험에 있어서는 사용자 인터페이스(54)에서 모드와 설정치만 변경하면 위에서 기술한 바와 같이 전원장치 혹은 부하로 사용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

30 : 교류 입력단자
31 : 변압기
33, 34 : 입력 필터
32 : 입력 전압 센서
35 : 입력 전류 센서
36 : 컨버터부
38 : 직류 캐패시터
39 : 인버터부
41, 43 : 출력 필터
40 : 출력 전류 센서
42 : 출력 전압 센서
44, 55 : 출력 절환용 전자개폐기
51 : 디지털 제어기
54 : MMI(Man Machine Interface)

Claims

3상 교류 전원 출력용 변압기; 리액터와 캐패시터로 구성된, 상기 변압기 출력측의 각 상에 연결되는 입력필터; 3상 브리지 구조의 스위치들을 가진 컨버터; 평활용 커패시터들; 및3상 브리지 구조의 스위치들을 가진 인버터가 순차 연결되며,
상기 인버터 출력측의 각 상에 순차 연결되는 리액터, 교류용 전자개폐기, 및 캐패시터를 갖는 교류용 출력필터; 상기 제1 출력필터의 상기 리액터를 공통으로 이용하고, 상기 리액터에 순차 연결되는 직류용 전자개폐기 및 캐패시터를 갖는 직류용 출력필터; 및
상기 컨버터의 스위치들 및 상기 인버터의 스위치들의 PWM 제어와 상기 교류용 전자개폐기 및 상기 직류용 전자개폐기의 온/오프 제어를 통하여, 교류 전원, 직류 전원, 또는 교류나 직류 전원에 대한 부하로의 동작을 제어하기 위한 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 교류 전원, 상기 직류 전원, 또는 상기 교류나 직류 전원에 대한 부하로의 동작을 위한 파라미터들을 입력하기 위한 사용자 인터페이스
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 교류용 출력필터를 통한 교류 전원, 상기 직류용 출력필터를 통한 직류 전원, 상기 교류용 출력필터에 연결된 복수 단자로 입력되는 교류 전원에 대한 상기 평활용 커패시터들의 부하, 또는 직류용 출력필터에 연결된 단자로 입력되는 직류 전원에 대한 상기 평활용 커패시터들의 부하로의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 시뮬레이터는 태양전지 직류 전원, 연료전지 직류 전원, 전력 계통 교류 전원, 또는 직류나 교류 전원에 대한 부하 장치로서의 모의 시험에 이용되는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 교류용 출력필터에 연결된 복수 단자를 단락하여 1상 교류 전원으로 이용하며,
상기 제어부는 상기 인버터의 3상 브리지 구조의 3개의 스위치쌍들의 각 스위칭 시간을 지연시키는 인터리빙 방식의 제어에 따라 상기 복수 단자가 단락된 단자로 출력되는 전압 및 전류 맥동을 감소시키는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 컨버터의 스위치들을 PWM 제어하기 위하여,
상기 변압기 출력에 해당하는 입력전압 Vin(abc), 상기 입력필터의 리랙터에 흐르는 입력 전류 Iin(abc), 상기 평활용 커패시터들로부터 검출된 직류전압 Vdc를 입력받고, 사용자 인터페이스로부터 직류기준전압 Vdc*, 및 유효전류기준치 Ide*를 입력받으며,
Vin(abc)에 대하여 제1 dq-변환기와 PLL을 이용하여 위상각 정보를 출력하고,
상기 위상각 정보를 이용한 Iin(abc)에 대한 제2 dq-변환기의 출력인 d-축 전류 Ide와 q축 전류 Iqe를 이용하여, Ide*와 Ide의 차이 및 Vdc*와 Vdc 간의 차이를 기초로 생성한 무효전류기준치 Iqe*와 Iqe의 차이를 기반으로 d-축 및 q-축 전류 보상을 위한 각각의 전류기준치를 생성하며,
상기 위상각 정보와 상기 각각의 전류기준치에 따라 상기 전원 또는 상기 부하로 동작을 위해 상기 컨버터의 스위치들을 PWM 제어하는 PWM부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 교류 전원으로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위하여, 사용자 인터페이스에서 q-축 기준전압 Vqe*과 d-축 기준전압 Vde*을 제공받는 전압제어블록을 포함하고,
상기 사용자 인터페이스에서 입력받는 기준출력주파수 f*에 대한 각속도를 적분기로 적분한 내부 위상각을 생성하고 상기 인버터의 출력 전압 Vout(abc)에 대하여 상기 내부 위상각을 기초로 dq-변환을 통해 d-축 전압 Vde과 q-축 전압 Vqe을 생성하여 상기 전압제어블록으로 출력하며,
상기 전압제어블록은,
Vde*와 Vde의 차이 및 Vqe*와 Vqe의 차이를 기초로 d-축 및 q-축 전압 보상을 위한 각각의 전압기준치를 생성하며, 상기 인버터의 스위치들에 대한 PWM 제어에 기초가 되는 상기 각각의 전압기준치의 dq 역변환된 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제7항에 있어서,
상기 사용자 인터페이스를 통해 입력되는 Vqe*과 f*에 따라 전압과 주파수가 가변되는 전력계통 교류 전원용 시뮬레이터로 동작하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 교류 부하로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위하여, 사용자 인터페이스에서 q-축 기준전류 Iqe*과 d-축 기준전류 Ide*을 제공받는 전류제어블록을 포함하고,
상기 인버터의 출력 전압 Vout(abc)에 대하여 제1 dq-변환기와 PLL을 이용하여 위상각 정보를 출력하고, 상기 위상각 정보를 이용한 상기 인버터의 출력 전류 Iout(abc)에 대한 제2 dq-변환기의 출력인 d-축 전류 Ide와 q축 전류 Iqe를 상기 전류제어블록으로 출력하며,
상기 전류제어블록은,
Ide*와 Ide의 차이 및 Iqe*와 Iqe의 차이를 기초로 d-축 및 q-축 전류 보상을 위한 각각의 전류기준치를 생성하며, 상기 인버터의 스위치들에 대한 PWM 제어에 기초가 되는 상기 각각의 전류기준치의 dq 역변환된 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 직류 전원으로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위해, 사용자 인터페이스에서 시험 대상의 전압-전류 특성 곡선 데이터를 입력받아 그를 추종하도록 제어하는 직류제어블록을 포함하고,
상기 직류제어블록은,
상기 시험 대상의 전압-전류 특성 곡선 데이터를 참조하여 상기 인버터의 출력 전압 Vout에 대한 기준 전류 Idc*을 산출하는 기준치 계산부;
Idc*와 상기 인버터의 출력 전류 Iout의 차이를 기초로 보상 전류를 산출하는 전류제어기; 및
상기 보상 전류에 따라 상기 인버터의 스위치들에 대한 스위칭 제어 신호를 생성하는 인터리빙부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 직류 부하로의 동작을 위한 상기 인버터의 스위치들에 대한 제어를 위해, 사용자 인터페이스에서 전력 명령 Pdc*를 입력받아 해당 직류 전력 소비를 추종하도록 제어하는 직류제어블록을 포함하고,
상기 직류제어블록은,
Pdc*와 상기 인버터의 출력 전력 Pout의 차이를 기초로 전력 보상을 위한 기준 전류 Idc*를 전력 제어기;
Idc*와 상기 인버터의 출력 전류 Iout의 차이를 기초로 보상 전류를 산출하는 전류제어기; 및
상기 보상 전류에 따라 상기 인버터의 스위치들에 대한 스위칭 제어 신호를 생성하는 인터리빙부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.