KR20180024317A - 양방향 직류-교류 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양방향 직류-교류 인버터에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터는, 3상 4선식 계통전원에 연계하기 위한 3상 3레벨 T타입 구조를 포함하는 양방향 직류-교류 인버터부를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 양방향 직류-교류 인버터의 3레벨 스위칭으로 출력전류의 고조파 성분을 저하시켜 출력 AC 필터의 크기를 축소할 수 있는 효과가 있다.

Description

양방향 직류-교류 인버터{BI-DIRECTIONAL DC-AC INVERTOR}

본 발명은 양방향 직류-교류 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 저장 시스템에 이용되는 양방향 직류-교류 인버터에 관한 것이다.

스마트 그리드(Smart Grid)는 기존의 전력망에 정보기술(IT)을 접목한 전력선 통신에 관한 것으로서, 에너지 효율을 최적화하기 위해 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환하는 차세대 지능형 전력망이다.

또한, 최근 신재생 에너지를 이용하기 위한 방안으로 태양광 발전이 주로 이용되고 있다. 그에 따라 태양광 발전에서 생성된 전력을 별도의 에너지 저장 장치에 저장하여 이용함으로써, 계통전원의 이용률을 줄이고, 계통전원의 이용이 줄어듦에 따라 그에 대한 비용에 대해 스마트 그리드와 연계한 시스템에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

상기와 같이, 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 배터리가 포함된 에너지 저장 장치에 저장하기 위해 내부에 양방향 인버터가 구비되는데, 종래의 양방향 인버터는 스위칭 소자의 내압이 정류 전압인 DC-link 전압 이상의 내압을 갖는 소자가 필요하다. 그에 따라 스위칭 소자의 단가가 상승하는 등과 같이, 높은 전압을 사용할 때 어려움이 있으며, 출력 AC 필터의 용량이 커지는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1595060호(2016.02.11)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 3상 4선식 계통전원에 연결할 수 있는 3상 3레벨의 양방향 직류-교류 인버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터는, 3상 4선식 계통전원에 연계하기 위한 3상 3레벨 T타입 구조를 포함하는 양방향 직류-교류 인버터부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 양방향 직류-교류 인버터부는, 출력 전압의 중성점에 포함된 클램핑을 통해

의 3레벨 상태가 가능할 수 있다.

그리고 3상 PLL 제어가 동기 좌표계의 d축 값이 0이 되는 각을 기준각으로 결정하도록 PLL이 구성되고, 상기 d축 값이 0이 되도록 하는 비례-적분 제어기를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 비례-적분 제어기는 예상되는 계통 주파수를 전향 보상하여 계통의 위상을 검출할 수 있다.

또한, 직류링크 지령 전압과 실제 직류링크 전압 차이에서 발생하는 오차가 입력되고, 계통전류의 최대값 지령을 출력하는 전압제어기를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 전압제어기는, 상기 3상 PLL 제어를 통해 추출된 위상에 계통전류의 최대값 지령을 곱하여 3상 계통과 동기화된 정현파 전류 지령을 만들 수 있다.

그리고 상기 3상 정현파 전류 지령과 실제 3상 전류의 차이에서 발생하는 오차가 입력되고, 직류 링크가 지령 전압을 추종할 수 있게 듀티 지령을 출력하는 전류제어기를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 전압제어기는 비례-적분 제어기일 수 있다.

본 발명에 의하면, 양방향 직류-교류 인버터의 3레벨 스위칭으로 출력전류의 고조파 성분을 저하시켜 출력 AC 필터의 크기를 축소할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 종래의 3레벨 NPC형 인버터와 비교하면, 둘 이상의 다이오드 개수를 줄일 수 있고, 중성점 스위치의 전압 정격을 각 레그 스위치 정격의 절단으로 정격을 낮춘 스위치 소자를 사용할 수 있으며, 2개의 중성점 스위치의 공통 이미터 구성으로 구동회로의 전원 절연 개수를 하나로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 PLL 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 계통연계 시 전압-전류 제어기를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 캐패시터 전압 불평형 보상 알고리즘을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 캐패시터 전압 불평형 보상 알고리즘의 적용 유무에 따른 캐패시터 전압의 전압 파형을 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 PLL 제어 블록도를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터는, 3상 4선식으로 구성된 3레벨 T타입 인버터이다. 이때, 출력 전압의 중성점에 포함된 클램핑을 통해

의 3레벨 상태가 가능하다.

상기와 같은, 양방향 직류-교류 인버터의 3상 PLL 제어에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 먼저,

는 계통의 a상, b상, c상의 출력 전압이고, abc-dq로 변환하는 동기 좌표계 변환 합수는

로 표현한다. 이때, 동기 좌표계의 d축 값이 0이 되는 각을 기준각으로 결정하게 PLL을 구성할 수 있다. 그리고 d축 값이 0이 되도록 비례-적분 제어기를 설계할 수 있다. 또한, 예상되는 계통 주파수

를 전향 보상하여계통 주파수가 자주 변동되더라도 추종 오차 없이 계통의 위상을 검출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 계통연계 시 전압-전류 제어기를 도시한 블록도이다.

직류 링크의 지령 전압과 실제 직류링크의 전압 차이에서 발생하는 오차는 전압제어기로 입력된다. 이를 위해 본 실시예에서 양방향 직류-교류 인버터는 전압제어기를 더 포함할 수 있다. 전압제어기는 계통 전류의 최대값 지령을 출력한다. 3상 PLL 제어를 통해 추출된 위상에 계통 전류의 최대값 지령을 곱하여 3상 계통과 동기화된 정현파 전류 지령을 만들 수 있다.

3상 정현파 전류 지령과 실제 3상 전류의 차이에서 발생하는 오차는 전류 제어이로 입력되어 직류 링크가 지령 전압을 추종할 수 있게 듀티 지령을 출력할 수 있다.

본 실시예에서 전압제어기는 구현이 쉬운 비례-적분(proportional integral) 제어기로 설계될 수 있다. 출력 전류의 주파수는 계통 주파수이고, 변화가 거의 없기 때문에, 주파수에서 큰 이득 값을 가지는 비례-공진(proportional resonant) 제어기로 전류제어기를 설계할 수 있다. 여기서, 비례-공진 제어기의 이상적인 경우에 따른 전달함수는 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

이때, 비례-공진 제어기의 전달함수에 사용된 공진주파수

는 출력 전류의 주파수이므로, 계통 주파수로 설정한다. 따라서 계통 주파수에서 큰 이득 값을 얻을 수 있지만, 계통 주파수로 선정된 공진주파수와 달라지면 이득 값이 현저히 낮아질 수 있다. 그리고 공진주파수에서의 아주 작은 변화에도 민감하게 반응하여 제어의 어려움이 따를 수 있다. 전류제어기의 안정성을 위해 좁은 공진 대역폭을 대역 통과 성분으로 추가하여 이득 값이 조금 줄어들더라도 공진주파수의 주변 대역폭에서도 큰 이득 값을 가지도록 전류제어기를 설계할 수 있다.

대역 통과 성분이 추가된 전류제어기의 전달함수는 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

수학식 2의 전달함수에서

와

는 각각 비례 이득 및 공진 이득을 나타낸다.

계통 연계 양방향 직류-교류 인버터를 제어하는 경우에도 계통 전압을 측정하여 전향 보상 성분으로 듀티 지령값에 더할 수 있다. 또한, 전향 보상 성분을 추가함에 따라 출력 전류의 지령값을 추종하는데 있어 특성이 우수해질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 캐패시터 전압 불평형 보상 알고리즘을 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 직류-교류 인버터의 캐패시터 전압 불평형 보상 알고리즘의 적용 유무에 따른 캐패시터 전압의 전압 파형을 도시한 도면이다.

캐패시터의 전압 불평형은 여러 가지 원인에 의해 발생하는데, 3상 4선식 계통전원에서는 부하의 불평형이나 비선형 부하일 경우 가장 두드러지게 나타날 수 있다. 불평형 부하 또는 비선형 부하의 경우, 중성선으로 전류가 흐로고, 전류는 직류링크의 분할된 캐패시터 사이의 중성선으로 흘러 들어간다. 이렇게 중성선에서 캐패시터 중성점으로 흘러 들어가는 전류는 캐패시터 전압의 불평형을 초래할 수 있다.

직류링크 캐패시터 전압의 불평형이 발생하면, 출력 전류는 정현파가 아닌 왜곡이 심한 형태로 출력되고, 직류링크의 두 캐패시터 중 작은 캐패시터의 전압에 의해 양의 전류 또는 음의 전류가 정상적으로 출력되지 않는다. 이는 계통은 물론, 양방향 직류-교류 인버터에 전압 및 전류 스트레스를 유발시킨다.

본 실시예에서 직류링크 캐패시터 전압 불평형을 보상하기 위해 캐패시터 전압의 불평형 정도에 따라 전압 변도 지수(modulation index, Mi)를 다르게 하여 캐패시터 전압을 불평형을 보상할 수 있다.

종래의 캐패시터 전압 불평형성 보상 알고리즘은 가장 쉽고 기본적인 알고리즘이 두 캐패시터 전압의 차이만큼 비례-적분 제어기를 통해 듀티 지령의 옵셋 전압으로 인가하는 방법이다. 이러한 종래의 알고리즘은 캐패시터 전압의 불평형이 발생했을 때, 그 중 캐패시터 전압이 높은 쪽의 에너지를 더 많이 소비하는 구조를 갖는다. 일례로, 상단 캐패시터의 전압이 더 크면, 듀티 지령에 양의 옵셋 전압이 더해져 양의 듀티 지령이 출력되는 시간을 길게 함으로써, 에너지를 더 소비시키는 방식이다.

본 실시예에서는 캐패시터 전압 불평형 보상 알고리즘은 옵셋 전압을 인가하지 않고, 변조 지수를 높여 더 큰 전압이 출력되도록 하여 에너지 소비가 커지도록 할 수 있다. 일례로, 상단 캐패시터의 전압

가 하단 캐패시터의 전압

보다 크면,

의 값은 0.5보다 큰 값을 갖는다. 여기에, 2를 곱하면, 변조지수가 1보다 조금 큰 값을 갖는다. 그 반대의 경우에는 변조지수는 1보다 조금 작은 값을 갖는다. 이러한 변조지수를 이용하여 캐패시터 전압의 불평형을 보상할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. 3상 4선식 계통전원에 연계하기 위한 3상 3레벨 T타입 구조를 포함하는 양방향 직류-교류 인버터부를 포함하는 양방향 직류-교류 인터버.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 양방향 직류-교류 인버터부는, 출력 전압의 중성점에 포함된 클램핑을 통해

   

   의 3레벨 상태가 가능한 양방향 직류-교류 인터버.
3. 청구항 1에 있어서,
   3상 PLL 제어가 동기 좌표계의 d축 값이 0이 되는 각을 기준각으로 결정하도록 PLL이 구성되고, 상기 d축 값이 0이 되도록 하는 비례-적분 제어기를 더 포함하는 양방향 직류-교류 인버터.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 비례-적분 제어기는 예상되는 계통 주파수를 전향 보상하여 계통의 위상을 검출하는 양방향 직류-교류 인버터.
5. 청구항 3에 있어서,
   직류링크 지령 전압과 실제 직류링크 전압 차이에서 발생하는 오차가 입력되고, 계통전류의 최대값 지령을 출력하는 전압제어기를 더 포함하는 양방향 직류-교류 인버터.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 전압제어기는, 상기 3상 PLL 제어를 통해 추출된 위상에 계통전류의 최대값 지령을 곱하여 3상 계통과 동기화된 정현파 전류 지령을 만드는 양방향 직류-교류 인버터.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 3상 정현파 전류 지령과 실제 3상 전류의 차이에서 발생하는 오차가 입력되고, 직류 링크가 지령 전압을 추종할 수 있게 듀티 지령을 출력하는 전류제어기를 더 포함하는 양방향 직류-교류 인버터.
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 전압제어기는 비례-적분 제어기인 양방향 직류-교류 인버터.

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