KR20170021693A - 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 자동차에 사용되는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 자동차의 엔진과 연결되어 엔진의 동력을 이용하여 교류 전력을 생산하는 발전기, 발전기와 연결되어 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 양방향 컨버터, 양방향 컨버터에서 공급되는 직류 전력을 저장하는 배터리, 발전기와 연결되어 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류부, 정류부에서 변환된 직류 전력을 승압하는 직류/직류 컨버터, 직류/직류 컨버터에서 변환된 직류 전력을 상용 교류 전력을 변환하여 부하로 전송하는 직류/교류 인버터 및 정류부의 출력 전압을 제어하는 제어부를 포함하되, 제어부는 정류부에 포함된 브리지 컨버터부의 스위치들과 직류단 스위치를 제어하는 제어신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.

Description

하이브리드 발전 시스템{HYBRID GENERATION SYSTEM}
본 발명은 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 엔진과 연결된 발전기를 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 배터리에 충전된 전력을 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
자동차는 휴발유, 디젤 연료, 가스 연료 등의 화석 연료 또는 배터리에 충전된 전기를 사용하여 운행된다.
최근 산업발달에 따라 레저용 자동차 등이 많이 보급되고 있는 추세이다. 캠핑카 등의 레저용 차량은 트레일러가 부착된 캠핑카 또는 트레일러를 연결할 수 있는 차량 등이 개발되고 있다.
전기가 설치되지 않은 지역에서 캠핑을 할 경우, 별도의 발전기를 차량에 부착하거나, 차량에 탑재해야 하며, 고용량의 배터리를 사용하는 경우도 있다. 그러나, 이러한 발전기는 차량의 무게를 크게 증가시켜 차량의 연비를 저감시키고, 배기가스의 배출량을 늘리는 문제가 있다. 그리고 발전기를 구동시키기 위한 별도의 연료를 사용해야 한다.
한국등록실용 20-0356248호(발전기 전용 수납실을 갖는 캠핑카)는 상기와 같이, 발전기 전용 수납실이 구비된 캠핑카에 관한 것으로 캠핑카의 트레일러에 발전기를 별도로 보관하는 수납실이 구비된다. 발전기의 보관을 위한 수납실이 별도로 구비되어야 하므로 트레일러의 무게가 증가하고, 공간이 협소해지는 문제점이 있다.
또한, 특장차, 소방차 등의 경우 외부에서 전력을 사용해야 될 경우가 발생되며, 이러한 차량들도 별도의 발전기를 구비한 상태로 운행을 하므로 상기와 같은 문제점이 대두되고 있다.
또한, 종래 정류부의 경우 발전기 측과 정류부측에 전류센서와 전압센서를 구비하여 3상 입력전압 및 3상 입력전류를 수신하여 정류부를 제어해야 하므로, 전압 및 전류 센서들이 추가로 사용되어야 하며, 효율도 높지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 엔진과 연결된 발전기를 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 배터리에 충전된 전력을 통해 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 발전기와 정류부 사이에 전압센서를 사용하지 않고 정류기를 제어할 수 있는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 자동차에 사용되는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 상기 자동차의 엔진과 연결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기와 연결되어 상기 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 양방향 컨버터; 상기 양방향 컨버터에서 공급되는 직류 전력을 저장하는 배터리; 상기 발전기와 연결되어 상기 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류부; 상기 정류부에서 변환된 직류 전력을 승압하는 직류/직류 컨버터; 상기 직류/직류 컨버터에서 변환된 직류 전력을 상용 교류 전력을 변환하여 부하로 전송하는 직류/교류 인버터; 및 상기 정류부의 출력 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 정류부는 상기 발전부로부터 3상 전압 및 전류가 입력되는 입력부에 6개의 스위치가 브리지 형태로 결선된 브리지 컨버터부;와 상기 직류/직류 컨버터로 출력되는 출력부에 2개의 인덕터와 2개의 커패시터가 Z-임피던스를 가지도록 형성되며, 제1 인덕터와 제1 커패시터에 공통으로 연결되는 직류단 스위치가 형성된 Z-소스 네트워크를 포함하며, 상기 제어부는 상기 브리지 컨버터부의 스위치들과 상기 직류단 스위치를 제어하는 제어신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있다.
상기 제어부는 상기 발전기에서 입력되는 적어도 2개의 상전류를 통해 나머지 상전류를 계산하고, 상기 3개의 상전류와 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압 및 암 단락 지수를 통해 3상의 추정된 입력 전압을 출력하는 입력 전압 추정부; 상기 3상의 추정된 입력 전압과, 상기 3개의 상전류를 통해 상기 3상의 추정된 입력 전압의 D-Q변환을 수행하는 D-Q 변환부; 상기 D-Q 변환부에서 출력된 전압을 통해 위상각을 제어하는 위상각 제어부; 및 상기 위상각 제어부에서 출력된 추정 위상각과 상기 암 단락 지수를 통해 상기 브리지 컨버터부의 복수의 스위치들과 상기 직류단 스위치의 턴온 및 턴오프 시간을 제어하는 공간벡터 변조부;를 포함할 수 있다.
상기 입력 전압 추정부는
Figure pat00001
(여기서, Ea,b,c est 는 a, b, c상의 추정된 입력 전압, Ea,b,c는 a, b, c상의 입력 상전압, Do는 암단락 지수임) 로 계산되어 상기 추정된 입력 전압을 각 상별로 출력할 수 있다.
상기 제어부는 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 통해 상기 암단락 지수를 생성하는 PI제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 직류/직류 컨버터는 승압된 전력을 상기 부하에 공급할 수 있다.
상기 하이브리드 발전 시스템은 상기 부하의 전력 사용량이 상기 엔진의 동력을 통해 생산되는 전력량에 비해 더 클 경우 상기 배터리에서 상기 양방향 컨버터로 전력을 공급하여 상기 발전기에서 상기 양방향 컨버터에서 공급되는 전력을 통해 발전할 수 있다.
상기 하이브리드 발전 시스템은 상기 엔진이 정지상태인 경우 상기 배터리에서 상기 교류 부하 또는 상기 직류 부하에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 엔진 동력에 의해 배터리를 충전시키거나, 부하에 전력을 공급할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 차량의 엔진 가동을 하지 않고, 배터리에 충전된 전력을 통해 부하에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 부하의 전력 요구량이 많을 경우 엔진과 배터리의 동력을 모두 사용하여 부하에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 소방차, 레커차 등의 구난용 자동차에 사용되거나 레저용 자동차 등에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 발전기에서 공급되는 3상전압을 수신하지 않고 2상의 전류를 수신하여 3상 전압을 추정하고 추정된 전압을 통해 정류기의 스위치를 제어하여 비용이 절감된 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 도시한 블록도.
도 2은 도 1에 도시된 정류부 및 제어부를 도시한 블록도.
도 3는 도 1 및 도 2에 도시된 하이브리드 발전 시스템의 정류부를 도시한 블록도.
도 4는 도 2에 도시된 입력전압 추정부의 일 예를 도시한 블록도.
도 5는 도 2에 도시된 위상각 제어부의 일 예를 도시한 블록도.
도 6은 도 5에 도시된 위상각 제어부의 위상각 추정 파형을 도시한 파형도.
도 7은 도 2에 도시된 공간 벡터 변좁부의 스위칭 패턴을 도시한 파형도.
도 8은 PSIM 시뮬레이터를 이용한 정상 상태에서의 추정된 입력 교류 전압과 측정된 교류 전압을 비교한 파형도.
도 9는 도 8의 추정된 입력 교류 전압과 측정된 교류 전압을 확대하여 도시한 파형도.
도 10은 추정된 3상 입력 상전압 파형과 위상각을 도시한 파형도.
도 11 및 도 12는 입력 상전압이 변화할 때, 추정 입력 상전압 파형의 과도 응답을 도시한 파형도와 이를 확대한 확대 파형도.
도 13는 단위 입력 역률 제어와 정류부 출력단의 전압 제어를 한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 파형도.
도 14는 종래 PWM 정류기의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도이고, 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 정류부의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도.
도 16은 추정된 입력 전압, 측정된 입력 전압 및 입력 전류에 대한 FFT 분석 결과를 도시한 파형도.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 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, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 16을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 정류부 및 제어부를 구체적으로 도시한 블록도이며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 정류부의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은 엔진(10), 발전기(20), 양방향 컨버터(30), 배터리(40), 전력변환부(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 발전기(20)는 자동차의 엔진(10)에서 전달되는 동력을 수신하여 교류 전력을 생산할 수 있다. 또한, 발전기(20)는 배터리(40)에서 공급되는 전력을 수신하여 교류 전력을 생산할 수 있다.
발전기(20)는 유도발전기 등이 사용될 수 있다. 발전기(20)는 3상의 교류 전력을 생성하여 출력한다. 이때, 발전기(20)는 자동차에 탑재가 가능하도록 30Kg 정도의 중량을 가진다. 발전기(20)는 발전기(20)를 제어하기 위한 발전기 드라이버(미도시)를 포함할 수 있다.
배터리(40)는 자동차 내부에 전력 충전을 위해 설치된다. 배터리(40)는 자동차의 용도에 따라 용량이 선택될 수 있다.
전력변환부(100)는 회로장치들로 구성되며, 정류부(110), 직류/직류 컨버터(120) 및 직류/교류 인버터(130)를 포함할 수 있다.
양방향 컨버터(30)는 발전기(20)와 배터리(40) 사이에 설치되어 발전기(20)에서 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(40)에 제공할 수 있다. 또한, 양방향 컨버터(30)는 배터리(40)에서 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 발전기(20)에 제공할 수 있다.
부하(60)에서 사용되는 전력량이 엔진(10)을 통해 공급하지 못할 경우, 배터리(40)에서 양방향 컨버터(30)로 전력을 공급하고, 이를 통해 발전기(20)에 추가 전력을 제공할 수 있다. 또한, 엔진(10)이 정지중일 경우에 배터리(40)에서 공급되는 전력으로 발전을 하여 부하(60)에 전력을 공급할 수 있다.
여기서, 배터리(40)에서 전력을 공급하는 경우가 발생될 경우 별도의 제어장치 및 스위치 들을 이용하여 배터리(40)에서 양방향 컨버터(30)로 전력이 공급되도록 할 수 있다.
양방향 컨버터(30)는 다수의 전력 스위치 소자를 구비하며, 인덕터 및 커패시터가 직병렬로 연결된 전기회로로 구현될 수 있다.
정류부(110)는 발전기(20)에서 출력된 3상 교류 전력을 단상 직류 전력으로 변환한다. 본 발명의 실시 예에 따른 정류부(110)은 도 3에 도시된 바와 같이, 3상 Z-소스 PWM 정류기가 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 정류부(110)는 브리지 컨버터부(112) 및 Z-소스 네트워크(114)가 결합된다.
브리지 컨버터부(112)는 제어부(200)에서 입력되는 스위치 신호에 따라 내부의 6개의 스위치들이 온/오프되어 교류 전압을 직류 전압 형태로 정류한다. 그리고, Z-소스 네트워크(114)는 브리지 컨버터부(112)에서 출력된 전압을 승압 또는 강압시켜 직류/직류 컨버터(120)로 제공한다. 이때, Z-소스 네트워크(114)는 직류/직류 컨버터(120)에 직렬로 연결된 직류단 스위치(116)가 구비될 수 있다. Z-소스 네트워크(114)는 출력부에 2개의 인덕터(L1, L2)와 2개의 커패시터(C1, C2)가 Z-임피던스를 가지도록 형성되며, 제1 인덕터(L1)와 제1 커패시터(C1)에 공통으로 연결되는 직류단 스위치(116)가 형성된다.
브리지 컨버터부(112)의 a상 전압 방정식은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다. 여기서, Ea는 입력 상전압, ia는 상전류를 나타내며, va는 계통의 중성점 사이에 걸리는 각 상의 전압이다. 또한, Ln, Rn은 교류측 인덕터와 저항을 나타낸다.
Figure pat00002
상기 수학식 1로부터 중성점 사이에 걸리는 a상의 상전압은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
수학식 2에서 Sa, Sb, Sc는 각 상의 스위칭 상태이며, 각 상의 스위치가 온일 경우 1이고, 오프일 경우 0이 된다.
정류부(110)에 스위칭 패턴은 기존 PWM 정류기와 달리 6개의 유효 벡터와 2개의 영벡터 그리고 추가된 영벡터를 포함하여 9개의 스위칭 패턴으로 구성된다. 추가된 영벡터는 직류단 스위치(116)가 차단 상태일 경우 발생한다.
여기서, 동작은 비 암단락(non shoot-through state, active state)모드와 암단락(shoot-through state) 모드로 구분 할 수 있다. 동일 암에 위치한 두 스위치의 비 암 단락 시간(TR) 동안은 직류단 스위치(116)가 온 되며, 이 기간 동안 Z-소스 정류부(110)는 전압형 정류기와 같은 동작한다. 이때 Z-소스 네트워크(114)에 인가되는 입력 DC전압(Vin)과 출력 DC전압(Vdc)은 같다.
동일 암에 위치한 두 스위치가 암 단락되는 시간(TD) 동안에는 직류단 스위치(116)가 오프된 상태가 된다. 이 경우 Z-소스 네트워크(114)에 인가되는 입력 DC전압(Vin)은 출력 DC전압(Vdc) 보다 높은 전압으로 인가된다.
동작 모드시 인가되는 인덕터 평균전압(VL)과 커패시터에 인가되는 평균 전압VC는 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
Figure pat00005
브리지 컨버터부(112)에 형성된 다이오드와 Z-소스 네트워크(114)의 커패시터를 통하여 전류 루프가 형성된 암 단락 상태에서는 Z-소스 네트워크(114)는 출력 전압을 승압 또는 강압을 할 수 있으며, 수학식 5 및 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure pat00006
Figure pat00007
정류부(110)의 상전압 최대치(Epk)는 수학식 5와 같으며, 종래 PWM 정류기와 다르게 출력전압(Vdc)과 승/강압률(B), 변조지수(M) 그리고 암 단락 지수(Do)가 정의된다. 수학식 6은 승/강압율(B)와 전압 게인(G)를 나타낸다. 여기서 TS는 브리지 컨버터부(112) 내의 6개의 스위치들의 스위칭 주기이며, T7은 직류단 스위치(116)의 스위칭 시간을 나타낸다.
정류부(110)의 정상상태 모델링은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
모델링 방정식은 크게 Z-소스 임피던스 네트워크(L1=L2, C1=C2)와 상전압과 상전류 그리고 DC-link 커패시턴스로 구성될 수 있다. 여기서 Ln, Rn은 교류측 인덕터와 저항이며, Cout는 직류/직류 컨버터(120)의 접속 커패시터, L과 C는 Z-소스 네트워크(114)의 인덕터와 커패시터 요소이다. ia,b,c, va,b,c는 각각 선간전류와 선간전압을 나타낸다. VCout는 직류/직류 컨버터(120)에 인가되는 직류 전압, RLoad는 부하저항이다. vc, iL은 Z-소스 네트워크(114)에 인가되는 커패시터 전압과 인덕터 전압이다. 끝으로 da,b,c은 각 선간전압의 듀티 사이클, dST는 암단락 (shoot-through state)시의 듀티비이다.
전압 게인은 변조지수에 따라서 가변될 수 있다. 종래의 PWM 정류기에 경우, 변조지수 증가에 비례하여 전압 게인이 선형적으로 증가되나, 본 발명의 정류부(110)는 변조지수에 따라서 지수 함수적으로 전압 게인을 제어 할 수 있다.
이는 L-C조합 Z-소스 네트워크(114)의 단락 시간을 제어하여 승압 및 강압의 특성을 모두 이용할 수 있기 때문이다. 이상의 특성은 본 발명의 정류부(110)의 변조 지수 변화에 대한 제어변수 특성으로 살펴 볼 수 있으며, 수학식8 및 수학식9으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
직류/직류 컨버터(120)는 정류부(110)에서 출력되는 단상 직류 전력을 승압하여 출력한다. 직류/직류 컨버터(120)는 약 310[V]로 승압된 전압을 출력한다.
직류/직류 컨버터(120)는 절연형 컨버터가 사용된다. 직류/직류 컨버터(120)는 변압기, 복수의 스위치들, 인덕터 및 커패시터 등의 소자가 결선된 회로가 사용된다.
직류/직류 컨버터(120)는 직류/교류 인버터(130)에 승압된 직류 전원을 공급하거나, 부하(60)가 직류 부하일 경우 직접 부하(60)에 전력을 공급할 수 있다.
직류/교류 인버터(130)는 직류/직류 컨버터(120)에서 출력된 전압을 상용 교류 전력으로 변환하여 부하(60)에 공급한다. 직류/교류 인버터(130)는 단상 인버터 회로로 구현된다. 직류/교류 인버터(130)는 220[V], 60Hz의 전압을 출력한다. 여기서, 직류/교류 인버터(130)는 복수의 스위치 소자, 인덕터 및 커패시터를 구비할 수 있다.
제어부(200)는 정류부(110)의 스위치 소자들의 온/오프를 제어하는 신호를 출력한다. 이때, 제어부(200)는 발전기(20)로부터 입력되는 각 상별 상전류와 정류부(110)에서 출력되는 직류전압을 이용하여 정류부(110)의 입력 전압의 가변 없이 출력 전압의 레벨을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 정류부(110)의 출력단 직류 전압과 직류 전류를 이용하여 정류부(110)의 입력 전압과 전류를 추정하여 정류부(110)의 출력 전압 레벨을 조절할 수 있다.
제어부(200)는 입력전압 추정부(210), D-Q 변환부(240), 위상각 제어부(250), PI제어부(200) 및 공간 벡터 변조부(220)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 입력전압 추정부(210)는 발전기(20)에서 정류부(110)로 입력되는 적어도 두 상의 입력 교류 전류를 수신하여, 두 상의 전류로부터 나머지 1개의 전류를 계산한다. 이어서, 정류부(110)에서 출력되는 직류 전압과 상기 수학식 1, 2를 이용하여, 각 상별 입력 교류 전압을 추정할 수 있다.
Figure pat00011
수학식 10은 상기 수학식 1, 2와 직류 전압을 이용하여 추정된, a상의 전압을 추정한 계산식이다. 이때, Sk = Sa + Sb + Sc이다.
도 4는 입력 전압 추정부의 일 예를 계략적으로 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 입력 전압 추정부는 입력된 교류 전류를 이용하여 추정된 교류 전압을 계산한다. 이때, Ea,b,c est는 추정된 입력 전압값, ia,b,c는 측정된 입력전류값, Edq est는 추정된 입력 전압의 전압에 대한 D-Q 변환 값이다. Vdc와 Vdc *는 출력단 측정과 지령치 D0는 상술한 암단락과 관련된 암단락 지수이다. θest는 추정된 입력전압과 위상각 제어부(250)를 통하여 발생된 추정된 위상각이다.
도 4에 도시된 입력전압 추정부(210)는 검출된 상전류, 출력 직류 전압 및 스위칭 함수로부터 입력 전압의 진폭 지령치 E* a를 생성한다. 지령 전압 E* a는 수학식 11로부터 연산된 정류부(110)의 암단락 지수(Do)와 곱해져서 추정된 입력 전압 Ea est를 발생시킨다.
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
한편, 정류부(110)에서 안정적인 전압을 출력하기 위하여, 수학식 13과 같이 Ed est의 값이 0값을 추정해야 하므로 D축을 위상의 에러 성분으로 보고 PI제어부(200)에 PI 제어를 실행한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 위상각 제어부(250)는 출력된 값과 위상각 지령치 ω*와 연산하여 위상각 θest가 출력된다.
이때, 수학식 14 및 수학식 15로부터 수학식 16과 같이 위상각을 추정하고, 추정된 위상각(θest) 정보를 좌표 변환에 사용한다.
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
공간 벡터 변조부(220)는 높은 변조율과 고조파 함유율이 낮아 3상 전력 변환시스템에 사용된다. 본 발명의 공간 벡터 변조부(220)는 도 7에 도시된 바와 같이 최대 크기를 가지는 VR의 크기(max VR)를 변조지수 1과 같게 하고 그 변조지수에 따라 변화하는 VR과 암단락 벡터 VD로 최대 크기를 가지는 VR을 구성한다. 이때, 영 벡터는 항상 최소의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
공간 벡터 변조부(220)는 출력 전압을 제어하기 위하여, 추정된 입력 상전압과 출력 전압을 검출하여 D-Q 변환부(240)와 PI제어부(200)를 통해 스위칭 인가시간과 출력전압을 제어할 수 있다.
공간 벡터 변조부(220)의 기준벡터 인가시간은 수학식 17 내지 수학식 20과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
여기서, 상기 수학식 17 내지 19에서 M은 섹터 번호 이며, a는 위상각이다.
이때, 공간 벡터 변조부(220)에 의한 스위칭 패턴은 표 1에 도시된 바와 같다.
Figure pat00022
한편, 도 8 내지 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 3상 Z-소스 펄스폭 변조 정류기를 제어하는 제어부에 포함된 각 구성부의 시뮬레이션 파형을 도시한 도면들이다.
시뮬레이션을 하기 위하여, 표 2와 같이 파라미터 값을 설정하고, PSIM 시스템을 구성하여 결과를 예측하였다.
Figure pat00023
이때, PSIM 시스템은 제어부(200)와 동일한 구성을 가지는 시스템으로 구현되며, 입력 교류 전압 센서가 없으며, 입력 교류 전율 센서와 직류단 전압 센서만으로 제어된다.
시뮬레이션 조건으로 출력 직류 전압의 기준치가 150[V]에서 110[V], 110[V]에서 70[V]로 급변시 출력 직류 전압의 승/강압과 과도응답 특성 및 추정된 입력 교류 전압 파형의 FFT(Fast Fourier Transform) 및 효율을 측정하여 제어부(200)의 성능을 평가하였다.
도 8은 입력전압 추정부에 추정된 입력전압과 측정된 입력 전압을 상전류와 함께 도시한 파형도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 정상상태에서 추정된 입력 상전압은 두 상의 입력전류와 직류 전압 만을 사용하여 수학식 11 내지 수학식 13에 의해 연산된 것을 그래프로 표시한 결과, 입력 상전압을 직접 검출한 파형과 비교할 때, 동일한 형태를 보이고 있다.
도 9는 추정된 입력 교류 전압과 검출된 전압의 확대한 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 추정된 입력 교류 전압과 검출된 전압의 진폭 및 위상이 일치하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 추정된 3상 입력 상전압 파형과 위상각을 도시한 파형도로서, 도 도 10에 도시된 바와 같이, 위상각 제어부를 통해 일정 주파수를 추종하는 것을 확인할 수 있다.
도 11 및 도 12는 입력 상전압이 변화할 때, 추정 입력 상전압 파형의 과도 응답을 도시한 파형도와 이를 확대한 확대 파형도로서, 도 13에서 입력 상전압이 0.5[s]구간, 100[V]에서 120[V]로 변동되어도 추정된 입력 상전압은 측정된 입력 상전압의 파형과 동일한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 11에서와 같이 입력 전압이 변동하는 구간에서도 추정된 입력 전압이 측정된 입력 전압의 파형과 위상각 변화 없이 일정 주파수를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 단위 입력 역률 제어와 출력단의 전압 제어를 한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 파형도이다.
도 13의 추정된 입력 교류 상전압과 측정된 입력 교류 전류 파형이 서로 동상인 것을 확인할 수 있다. 또한, 직류/직류 컨버터로 출력되는 전압의 기준치를 150[V]로 일정하게 제어할 경우, 출력측 직류 전압에 리플이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 14는 종래 PWM 정류기의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도이고, 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 정류부의 출력단 기준 전압 변동 동적 특성을 도시한 파형도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 종래 PWM 정류기는 150[V] 110[V] 70[V]의 출력 직류 전압 기준치에 대하여, 출력 전압은 입력 전압 이상의 전압으로만 제어됨을 알 수 있다. 이는 브리지 회로내 스위치 온 동작으로 연결되는 회로는 항상 선간 전압이 걸리는 특성 때문에 정류기의 출력 기준 전압은 입력 전압 이하로는 제어 할 수 없기 때문이다. 따라서, 입력전압 보다 낮은 전압으로 출력 직류 전압을 제어하기 위하여 본 발명의 정류기를 사용한다. 도 15와 같이, 150[V] 110[V] 70[V]로 급격한 제어를 할 경우에도 본 발명의 정류부(110)에 사용된 3상 Z-소스 PWM 정류기는 입력전압보다 승압된 출력 직류 전압을 얻거나, 강압된 전압을 얻는 것이 모두 가능하다.
도 16은 추정된 입력 전압, 측정된 입력 전압 및 입력 전류에 대한 FFT 분석 결과를 도시한 파형도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, FFT 분석결과 추정된 입력 전압, 측정된 입력 전압 및 입력 전류는 모두 60[Hz]의 기본파 성분을 제외한 고조파 성분이 미미한 것으로 보아 각 파형들이 모두 정현파인 것을 확인할 수 있다.
10: 엔진
20: 발전기
30: 양방향 컨버터
40: 배터리
60; 부하
100: 전력 변환기
110: 정류부
112: 브리지 컨버터부
114: Z-소스 네트워크
116: 직류단 스위치
120: 직류/직류 컨버터
130: 직류/교류 인버터
200: 제어부
210: 입력전압 추정부
220: 공간벡터 변조부
230: PI제어부
240: D-Q 변환부
250: 위상각 제어부

Claims (7)

  1. 자동차에 사용되는 하이브리드 발전 시스템에 있어서,
    상기 자동차의 엔진과 연결되어 상기 엔진의 동력을 이용하여 교류 전력을 생산하는 발전기;
    상기 발전기와 연결되어 상기 발전기에서 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 양방향 컨버터;
    상기 양방향 컨버터에서 공급되는 직류 전력을 저장하는 배터리;
    상기 발전기와 연결되어 상기 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 정류부;
    상기 정류부에서 변환된 직류 전력을 승압하는 직류/직류 컨버터;
    상기 직류/직류 컨버터에서 변환된 직류 전력을 상용 교류 전력을 변환하여 부하로 전송하는 직류/교류 인버터; 및
    상기 정류부의 출력 전압을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 정류부는
    상기 발전부로부터 3상 전압 및 전류가 입력되는 입력부에 6개의 스위치가 브리지 형태로 결선된 브리지 컨버터부;와 상기 직류/직류 컨버터로 출력되는 출력부에 2개의 인덕터와 2개의 커패시터가 Z-임피던스를 가지도록 형성되며, 제1 인덕터와 제1 커패시터에 공통으로 연결되는 직류단 스위치가 형성된 Z-소스 네트워크를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 브리지 컨버터부의 스위치들과 상기 직류단 스위치를 제어하는 제어신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 발전기에서 입력되는 적어도 2개의 상전류를 통해 나머지 상전류를 계산하고, 상기 3개의 상전류와 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압 및 암 단락 지수를 통해 3상의 추정된 입력 전압을 출력하는 입력 전압 추정부;
    상기 3상의 추정된 입력 전압과, 상기 3개의 상전류를 통해 상기 3상의 추정된 입력 전압의 D-Q변환을 수행하는 D-Q 변환부;
    상기 D-Q 변환부에서 출력된 전압을 통해 위상각을 제어하는 위상각 제어부; 및
    상기 위상각 제어부에서 출력된 추정 위상각과 상기 암 단락 지수를 통해 상기 브리지 컨버터부의 복수의 스위치들과 상기 직류단 스위치의 턴온 및 턴오프 시간을 제어하는 공간벡터 변조부;를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입력 전압 추정부는
    Figure pat00024

    (여기서, Ea,b,c est 는 a, b, c상의 추정된 입력 전압, Ea,b,c는 a, b, c상의 입력 상전압, Do는 암단락 지수임)
    로 계산되어 상기 추정된 입력 전압을 각 상별로 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 통해 상기 암단락 지수를 생성하는 PI제어부를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터는 승압된 전력을 상기 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하의 전력 사용량이 상기 엔진의 동력을 통해 생산되는 전력량에 비해 더 클 경우 상기 배터리에서 상기 양방향 컨버터로 전력을 공급하여 상기 발전기에서 상기 양방향 컨버터에서 공급되는 전력을 통해 발전을 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진이 정지상태인 경우 상기 배터리에서 상기 교류 부하 또는 상기 직류 부하에 전력을 공급하는 하이브리드 발전 시스템.

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200008119A (ko) * 2017-04-18 2020-01-23 킬로와트 랩스 인코포레이티드 에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치 및 방법
CN112757927A (zh) * 2020-12-30 2021-05-07 重庆金康动力新能源有限公司 一种增程式车辆充放电控制方法及系统

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005130608A (ja) 2003-10-23 2005-05-19 Nissan Motor Co Ltd モータ制御装置
JP4222262B2 (ja) 2004-06-17 2009-02-12 トヨタ自動車株式会社 電源システムおよびそれを備えた車両ならびに電源システムの制御方法
JP4518852B2 (ja) 2004-07-09 2010-08-04 トヨタ自動車株式会社 ハイブリッド自動車およびハイブリッド用駆動装置
US7872441B2 (en) 2007-06-29 2011-01-18 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for operating Z-source inverter inductors in a continuous current mode
JP2011147233A (ja) 2010-01-13 2011-07-28 Toyota Industries Corp Ｚソース昇圧回路
JP2011160617A (ja) 2010-02-03 2011-08-18 Toyota Industries Corp Ｚソース昇圧回路
JP5518625B2 (ja) 2010-08-10 2014-06-11 新電元工業株式会社 位相制御装置、バッテリ充電装置、及び位相制御方法
EE05654B1 (et) 2011-02-28 2013-04-15 Tallinna Tehnikaülikool Lhisolekute tekitamise meetod plokkjuhtimisega he- v?i mitmefaasilisele impedants-, kvaasiimpedants- ja transimpedants-tpi vaheldile
JP2014050143A (ja) 2012-08-29 2014-03-17 Toyo Electric Mfg Co Ltd Ｚソースインバータ
JP2015040011A (ja) 2013-08-23 2015-03-02 トヨタ自動車株式会社 車両および電力供給システム
KR101522414B1 (ko) 2013-12-31 2015-05-21 주식회사 효성 Ｚ-소스 회로장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200008119A (ko) * 2017-04-18 2020-01-23 킬로와트 랩스 인코포레이티드 에너지를 집약 및 공급하기 위한 장치 및 방법
CN112757927A (zh) * 2020-12-30 2021-05-07 重庆金康动力新能源有限公司 一种增程式车辆充放电控制方法及系统
CN112757927B (zh) * 2020-12-30 2022-06-07 重庆金康动力新能源有限公司 一种增程式车辆充放电控制方法及系统

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