KR20180077700A - Control method and apparatus for operating multilevel inverter - Google Patents

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Abstract

Provided is a model predictive control method for operating a three-phase multilevel inverter using a cascade H-bridge (CHB). According to an embodiment of the present invention, the model predictive control method for operating a three-phase multilevel inverter using a CHB comprises the steps of: calculating a load current vector (i(k+1)) of a next step, based on a load of the CHB, and a two-phase load current vector (i(k)) and load voltage vector (v(k)) converted from a three-phase current and voltage of the load of the CHB; calculating a reference voltage vector (v^*(k+1)), based on a reference current vector (i^*(k)), a reference value which the i(k) value follows, the calculated i(k+1) value, and the load of the CHB; selecting a plurality of candidate voltage vectors adjacent to the v^*(k+1) value among a plurality of voltage vectors generated by the inverter, by a certain criterion; and determining a load voltage vector (v(k+1)) of a next step among the plurality of candidate voltage vectors, by using the v^*(k+1) value and a voltage of each of the plurality of candidate voltage vectors. Thus, improved dynamic response characteristics can be ensured.

Description

멀티레벨 인버터를 동작시키는 제어 방법 및 장치{CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR OPERATING MULTILEVEL INVERTER}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a control method and apparatus for operating a multilevel inverter,

본 발명은 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 계산의 복잡성을 감소시키면서, 우수한 동적 응답 특성을 나타내는 3상 멀티레벨 인버터의 모델 예측 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a model predictive control method and apparatus for operating a three-phase multilevel inverter using a cascaded H-bridge, and more particularly to a three-phase multilevel inverter that exhibits excellent dynamic response characteristics while reducing computational complexity And more particularly, to a model predictive control method and apparatus.

멀티레벨 인버터를 동작시키기 위한 모델 예측 제어 방법(model predictive control method; MPC)은 그 인버터에 의해 생성되는 전압벡터의 전체 개수에 비례하는 연산량을 필요로 한다. 이러한 MPC의 특징으로 인해, 캐스케이디드 H-브릿지(cascaded H-bridege; CHB)의 레벨이 증가할수록, 그에 대응하여 필요한 연산량은 폭발적으로 증가하게 된다.The model predictive control method (MPC) for operating a multi-level inverter requires a computational complexity proportional to the total number of voltage vectors generated by the inverter. Due to the characteristics of the MPC, as the level of the cascaded H-bridges (CHB) increases, the required amount of computation correspondingly increases explosively.

그러나, 샘플링시간 등의 시간적인 제약 및 연산량의 폭증으로 인하여, 그 인버터에 의해 생성되는 모든 전압벡터를 최적의 전압벡터를 발견하는데 이용하는 것은 쉽지 않은 것이 현실이다.However, due to the time limitation such as the sampling time and the increase in the calculation amount, it is a reality that it is not easy to use all the voltage vectors generated by the inverter to find the optimal voltage vector.

또한, 최적의 전압벡터를 발견하는데 이용되는 전압벡터의 개수를 줄이기 위하여, 현재 단계에서의 최적의 전압벡터에 인접한 7개의 전압벡터만을 이용하여 연산량의 증가를 억제하고, 다음 스텝의 최적의 전압벡터를 발견하는 MPC-adj 방법에 대한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, MPC-adj 방법은 동적 응답 특성이 우수하지 않은 단점을 가지고 있다.In order to reduce the number of voltage vectors used for finding the optimal voltage vector, it is also possible to suppress the increase of the calculation amount by using only the 7 voltage vectors adjacent to the optimum voltage vector at the present stage, The MPC-adj method has been studied. However, the MPC-adj method has a drawback that the dynamic response characteristic is not excellent.

따라서, 연산량을 줄이면서도, 우수한 동적 응답 특성을 나타내도록 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법 및 장치의 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a need for a model predictive control method and apparatus for operating a three-phase multilevel inverter so as to exhibit excellent dynamic response characteristics while reducing the amount of computation.

관련 선행기술로는, 대한민국 공개특허 제 10-2016-0029914호(발명의 명칭: H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법, 공개일: 2016년 3월 16일)가 있다.Related Prior Art Korean Patent Laid-Open No. 10-2016-0029914 (entitled H-bridge multilevel inverter control device and its operation method, published on Mar. 16, 2016) is known.

본 발명은 연산량을 감소시키면서, 우수한 동적 응답 특성을 나타내도록 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법 및 장치를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a model predictive control method and apparatus for operating a three-phase multilevel inverter using cascaded H-bridges to exhibit excellent dynamic response characteristics while reducing the amount of computation.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법은 캐스케이디드 H-브릿지(cascaded H-Bridge; CHB)를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 이산 시간 영역(discrete time domain)에서 동작시키는 모델 예측 제어(model predictive control; MPC) 방법에 있어서, 상기 CHB의 부하(load), 상기 CHB의 부하의 3상의 전류 및 전압으로부터 변환된 2상의 부하전류벡터(i(k)) 및 부하전압벡터(v(k))에 기초하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 단계; 상기 i(k)가 추종하는 레퍼런스인 참조전류벡터(i*(k)), 상기 산출된 i(k+1) 및 상기 CHB의 부하에 기초하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출하는 단계; 상기 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터 중에서, 소정 기준에 의해 상기 v*(k+1)에 인접하는 복수의 후보전압벡터를 선별하는 단계; 및 상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와 상기 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a model predictive control method for operating a three-phase multi-level inverter using cascaded H-bridges, Level inverter in a discrete time domain, the method comprising: converting a load of the CHB, a current and a voltage of three phases of the load of the CHB, Calculating a load current vector i (k + 1) of the next step based on the two-phase load current vector i (k) and the load voltage vector v (k); Based on the reference current vector i * (k) that is a reference to which i (k) is followed, the calculated i (k + 1), and the load of the CHB, the reference voltage vector v * +1)); Selecting a plurality of candidate voltage vectors adjacent to the v * (k + 1) by a predetermined reference among a plurality of voltage vectors generated by the inverter; And determining a load voltage vector v (k + 1) of the next step using the voltage of each of the plurality of candidate voltage vectors and v * (k + 1) among the plurality of candidate voltage vectors do.

바람직하게는, 상기 2상의 부하전류벡터 및 부하전압벡터는 상기 3상의 전류 및 전압 각각을 알파베타 변환(alpha-beta transform)하여 생성될 수 있다.Preferably, the load current vector and the load voltage vector of the two phases can be generated by alpha-beta transforming each of the three phases current and voltage.

바람직하게는, 상기 복수의 전압벡터가 전압벡터를 구성하는 Vα와 Vβ에 대하여, 상기 Vα에 대응되는 제1 축과 상기 Vβ에 대응되는 제2 축으로 구성된 αβ 평면 상에서, 상기 인버터의 레벨에 비례하는 크기의 정육면체의 경계 및 내부에 소정의 간격으로 위치할 때, 상기 복수의 후보전압벡터는 상기 복수의 전압벡터 중에서 인접한 전압벡터 간을 연결하였을 때, 상기 v*(k+1)을 포함하는 최소의 삼각형을 구성하는 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터일 수 있다.Preferably, with respect to the V α and V β that the plurality of voltage vectors constituting the voltage vectors, on the αβ plane consisting of a second axis corresponding to the first axis and the V β corresponding to the V α, the inverter When a plurality of candidate voltage vectors are connected to adjacent voltage vectors among the plurality of voltage vectors, when v * (k + 1 (k + 1) ) Corresponding to the vertices constituting the smallest triangle.

바람직하게는, 상기 정육면체를 상기 정육면체의 중심을 꼭지점으로 공유하는 6개의 정삼각형으로 분할하고, 상기 6개의 정삼각형을 제1 영역 내지 제6 영역으로 구분할 때, 상기 v*(k+1)는 상기 제2 영역 내지 상기 제6 영역에 위치하면, 상기 제1 영역에 위치하도록 상기 αβ 평면의 원점을 기준으로 회전될 수 있다.Preferably, when dividing the cube into six equilateral triangles sharing the center of the cube as vertexes and dividing the six equilateral triangles into a first region to a sixth region, v * (k + 1) 2 region to the sixth region, it can be rotated with respect to the origin of the?? Plane so as to be located in the first region.

바람직하게는, 상기 CHB의 부하가 저항성분과 인덕터성분을 포함할 때, 상기 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 단계는 상기 저항성분과 상기 인덕터성분을 이용하여, 연속 시간 영역(t)에서의 상기 i(t)와 상기 v(t)의 제1 관계식을 도출하는 단계; 상기 제1 관계식에 포함된 상기 부하전류벡터의 미분성분을 상기 i(k), 상기 i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)으로 근사하여, 상기 제1 관계식을 상기 이산 시간 영역(k)에서의 제2 관계식으로 변경하는 단계; 및 상기 제2 관계식, 상기 저항성분, 상기 인덕터성분, 상기 i(k), 상기 v(k) 및 상기 ts를 이용하여, 상기 i(k+1)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, when the load of the CHB includes the resistive component and the inductor component, the step of calculating the load current vector i (k + 1) of the next step may include calculating the resistance component and the inductor component using the resistive component and the inductor component, Deriving a first relationship of i (t) and v (t) in the region (t); (K), the i (k + 1) and the sampling time (T s ) by approximating the differential component of the load current vector included in the first relational expression to the discrete time domain k To a second relationship in the second equation; And calculating the i (k + 1) using the second relation, the resistance component, the inductor component, the i (k), the v (k), and the t s .

바람직하게는, 상기 i(k+1)은 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.Preferably, i (k + 1) can be calculated by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, i αβ [k+1]은 상기 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))이고, iαβ [k]는 상기 부하전류벡터(i(k))이고, vαβ [k]는 상기 부하전압벡터(v(k))이고, R은 상기 저항성분이고, L은 상기 인덕터성분이고, Ts는 상기 샘플링시간이다.Here, the i αβ [k + 1] are the following, and the step load current vector (i (k + 1)) , i αβ [k] is the load current vector (i (k)), v αβ [k] Is the load voltage vector v (k), R is the resistive component, L is the inductor component, and T s is the sampling time.

바람직하게는, 상기 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출하는 단계는 라그랑주 외삽법(Lagrange extrapolation)을 이용하여, 상기 i*(k), i*(k-1) 및 i*(k-2)로부터 i*(k+1) 및 i*(k+2)를 순차적으로 산출하는 단계; 및 상기 CHB의 부하의 저항성분(R), 상기 CHB의 부하의 인덕터성분(L), 상기 i*(k+2), 상기 i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)에 기초하여, 상기 v*(k+1)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of calculating the reference voltage vector v * (k + 1) of the next step uses the Lagrange extrapolation to calculate i * (k), i * (k-1) Sequentially calculating i * (k + 1) and i * (k + 2) from i * (k-2); And based on the resistance component (R) of the CHB load, the inductor component (L) of the CHB load, the i * (k + 2), wherein i (k + 1) and sampling time (T s), And calculating the v * (k + 1).

바람직하게는, 상기 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정하는 단계는 상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와의 차이를 나타내는 비용함수의 값이 가장 작아지도록 하는 전압벡터를 상기 v(k+1)으로 결정할 수 있다.Preferably, the step of determining the load voltage vector (v (k + 1)) of the next step includes calculating a value of a cost function indicating a difference between v * (k + 1) The voltage vector to be made smaller can be determined as v (k + 1).

바람직하게는, 상기 비용함수는 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.Preferably, the cost function can be calculated by Equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, gv는 상기 비용함수이고, vα *[k+1] 및 vβ *[k+1] 각각은 상기 v*(k+1)을 구성하는 2개의 성분이고, vα[k+1] 및 vβ[k+1] 각각은 상기 v(k+1)을 구성하는 2개의 성분이다.Here, g v is the cost function, v α * [k + 1 ] and v β * [k + 1], respectively is two components constituting the v * (k + 1), v α [k + 1] and v [ beta ] [k + 1] are the two components constituting the above v (k + 1).

또한, 상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 장치는 캐스케이디드 H-브릿지(CHB)를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 이산 시간 영역에서 동작시키는 모델 예측 제어 장치에 있어서, 상기 CHB의 부하, 상기 CHB의 부하의 3상의 전류 및 전압으로부터 변환된 2상의 부하전류벡터(i(k)) 및 부하전압벡터(v(k))에 기초하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하고, 상기 i(k)가 추종하는 레퍼런스인 참조전류벡터(i*(k)), 상기 산출된 i(k+1) 및 상기 CHB의 부하에 기초하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출하는 산출부; 상기 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터 중에서, 소정 기준에 의해 상기 v*(k+1)에 인접하는 복수의 후보전압벡터를 선별하는 선별부; 및 상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와 상기 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정하는 결정부를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a model predictive controller for operating a three-phase multilevel inverter using cascaded H-bridges, comprising: a three-phase multi-level inverter using cascaded H- (I (k)) and a load voltage vector (v (k)) transformed from the load of CHB, the current and voltage of the three phases of the load of the CHB, (k + 1)) of the next step on the basis of the reference current vector (i * (k)), the reference current vector i * (k) a calculation unit for calculating a reference voltage vector v * (k + 1) of the next step based on i (k + 1) and the load of CHB; A selector for selecting among a plurality of voltage vectors generated by the inverter a plurality of candidate voltage vectors adjacent to the v * (k + 1) by a predetermined reference; And a determination section for determining a load voltage vector v (k + 1) of the next step using the voltages of v * (k + 1) and each of the plurality of candidate voltage vectors, among the plurality of candidate voltage vectors do.

바람직하게는, 상기 2상의 부하전류벡터 및 부하전압벡터는 상기 3상의 전류 및 전압 각각을 알파베타 변환하여 생성될 수 있다.Preferably, the load current vector and the load voltage vector of the two phases may be generated by alpha-beta conversion of the current and voltage of the three phases, respectively.

바람직하게는, 상기 복수의 전압벡터가 전압벡터를 구성하는 Vα와 Vβ에 대하여, 상기 Vα에 대응되는 제1 축과 상기 Vβ에 대응되는 제2 축으로 구성된 αβ 평면 상에서, 상기 인버터의 레벨에 비례하는 크기의 정육면체의 경계 및 내부에 소정의 간격으로 위치할 때, 상기 복수의 후보전압벡터는 상기 복수의 전압벡터 중에서 인접한 전압벡터 간을 연결하였을 때, 상기 v*(k+1)을 포함하는 최소의 삼각형을 구성하는 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터일 수 있다.Preferably, with respect to the V α and V β that the plurality of voltage vectors constituting the voltage vectors, on the αβ plane consisting of a second axis corresponding to the first axis and the V β corresponding to the V α, the inverter When a plurality of candidate voltage vectors are connected to adjacent voltage vectors among the plurality of voltage vectors, when v * (k + 1 (k + 1) ) Corresponding to the vertices constituting the smallest triangle.

바람직하게는, 상기 정육면체를 상기 정육면체의 중심을 꼭지점으로 공유하는 6개의 정삼각형으로 분할하고, 상기 6개의 정삼각형을 제1 영역 내지 제6 영역으로 구분할 때, 상기 v*(k+1)는 상기 제2 영역 내지 상기 제6 영역에 위치하면, 상기 제1 영역에 위치하도록 상기 αβ 평면의 원점을 기준으로 회전될 수 있다.Preferably, when dividing the cube into six equilateral triangles sharing the center of the cube as vertexes and dividing the six equilateral triangles into a first region to a sixth region, v * (k + 1) 2 region to the sixth region, it can be rotated with respect to the origin of the?? Plane so as to be located in the first region.

바람직하게는, 상기 CHB의 부하가 저항성분과 인덕터성분을 포함할 때, 상기 산출부는 상기 저항성분과 상기 인덕터성분을 이용하여, 연속 시간 영역(t)에서의 상기 i(t)와 상기 v(t)의 제1 관계식을 도출하고, 상기 제1 관계식에 포함된 상기 부하전류벡터의 미분성분을 상기 i(k), 상기 i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)으로 근사하여, 상기 제1 관계식을 상기 이산 시간 영역(k)에서의 제2 관계식으로 변경하고, 상기 제2 관계식, 상기 저항성분, 상기 인덕터성분, 상기 i(k), 상기 v(k) 및 상기 ts를 이용하여, 상기 i(k+1)을 산출할 수 있다.Preferably, when the load of the CHB includes a resistive component and an inductor component, the calculation unit calculates the i (t) and the v (t) in the continuous time domain (t) using the resistive component and the inductor component, (K), i (k + 1) and sampling time (T s ) of the differential component of the load current vector included in the first relational expression, (K) by using the second relational expression, the resistance component, the inductor component, the i (k), the v (k) and the t s in the discrete time domain (k) It is possible to calculate i (k + 1).

바람직하게는, 상기 i(k+1)은 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.Preferably, i (k + 1) can be calculated by Equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, i αβ [k+1]은 상기 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))이고, iαβ [k]는 상기 부하전류벡터(i(k))이고, vαβ [k]는 상기 부하전압벡터(v(k))이고, R은 상기 저항성분이고, L은 상기 인덕터성분이고, Ts는 상기 샘플링시간이다.Here, the i αβ [k + 1] are the following, and the step load current vector (i (k + 1)) , i αβ [k] is the load current vector (i (k)), v αβ [k] Is the load voltage vector v (k), R is the resistive component, L is the inductor component, and T s is the sampling time.

바람직하게는, 상기 산출부는 라그랑주 외삽법을 이용하여, 상기 i*(k), i*(k-1) 및 i*(k-2)로부터 i*(k+1) 및 i*(k+2)를 순차적으로 산출하고, 상기 CHB의 부하의 저항성분(R), 상기 CHB의 부하의 인덕터성분(L), 상기 i*(k+2), 상기 i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)에 기초하여, 상기 v*(k+1)을 산출할 수 있다.Preferably, the calculation unit using the Lagrange extrapolation, the i * (k), i * (k-1) and i * i from the (k-2) * (k + 1) and i * (k + 2) the resistance component of the CHB load (R calculated in sequence, and), the inductor element (L) of the CHB load, the i * (k + 2), wherein i (k + 1) and sampling time ( T s ), the above v * (k + 1) can be calculated.

바람직하게는, 상기 결정부는 상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와의 차이를 나타내는 비용함수의 값이 가장 작아지도록 하는 전압벡터를 상기 v(k+1)으로 결정할 수 있다.Preferably, the determination unit may determine, as v (k + 1), a voltage vector that minimizes a value of a cost function indicating a difference from v * (k + 1) among the plurality of candidate voltage vectors .

바람직하게는, 상기 비용함수는 수학식 4에 의해 산출될 수 있다.Preferably, the cost function can be calculated by Equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, gv는 상기 비용함수이고, vα *[k+1] 및 vβ *[k+1] 각각은 상기 v*(k+1)을 구성하는 2개의 성분이고, vα[k+1] 및 vβ[k+1] 각각은 상기 v(k+1)을 구성하는 2개의 성분이다.Here, g v is the cost function, v α * [k + 1 ] and v β * [k + 1], respectively is two components constituting the v * (k + 1), v α [k + 1] and v [ beta ] [k + 1] are the two components constituting the above v (k + 1).

본 발명의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어 방법 및 장치를 이용하여 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시킬 때, 연산량을 감소시키면서, 우수한 동적 응답 특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.When a three-phase multilevel inverter using a cascaded H-bridge is operated by using the model predictive control method and apparatus according to an embodiment of the present invention, it is possible to secure an excellent dynamic response characteristic while reducing a calculation amount .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB를 이용한 3상 멀티레벨 인버터의 회로 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 인버터가 생성하는 전압벡터의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 회전시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 영역(sector 1)의 형태 및 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 구성하는 성분에 따라 대응되는 영역 및 후보전압벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 영역(sector)별로 대응되는 후보전압벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어 방법의 동적 응답 특성을 종래의 기술(MPC-adj)과 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
FIG. 1 is a flowchart for explaining a model predictive control method for operating a three-phase multilevel inverter using cascaded H-bridges according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a flowchart for explaining a method of calculating a load current vector i (k + 1) in the next step according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a model predictive controller for operating a three-phase multi-level inverter using cascaded H-bridges according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining the operation of a model predictive controller for operating a three-phase multilevel inverter using cascaded H-bridges according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a circuit configuration of a 3-phase multilevel inverter using CHB according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a form of a voltage vector generated by a multi-level inverter according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram for explaining a method of rotating a reference voltage vector v * (k + 1) in the next step according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the configuration and the structure of a first sector (sector 1) according to an embodiment of the present invention.
Fig. 9 is a diagram for explaining a corresponding region and a candidate voltage vector according to a component constituting the reference voltage vector v * (k + 1) in the next step according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining a candidate voltage vector corresponding to each sector according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram for explaining the dynamic response characteristic of the model predictive control method according to an embodiment of the present invention in comparison with the conventional technique (MPC-adj).

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "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.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

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, "포함하다" 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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법(MPC method)을 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 1 is a flowchart for explaining a model predictive control method (MPC method) for operating a three-phase multilevel inverter using a cascaded H-bridge according to an embodiment of the present invention.

단계 S110에서는, 모델 예측 제어 장치가 CHB의 부하(load), CHB의 부하의 3상의 전류 및 전압으로부터 변환된 2상의 부하전류벡터(i(k)) 및 부하전압벡터(v(k))에 기초하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출한다.In step S110, the model predictive control apparatus determines whether or not the two-phase load current vector i (k) and the load voltage vector v (k) are converted from the load of CHB, the current and voltage of the three phases of the load of CHB, , The load current vector i (k + 1) of the next step is calculated.

예컨대, 도 5를 참조하면, 직렬로 연결된 j개의 H-브릿지를 포함하는 3상(a, b, c)의 멀티레벨 인버터의 회로도가 나타나 있다. 이때, 각 CHB에는 저항성분(R)과 인덕터성분(L)이 직렬로 연결된 부하가 연결되어 있다. 한편, 모델 예측 제어 장치는 각각의 CHB에 대하여 총 j개 셀(cell)에 포함된 4개의 스위치(예, Sa11, Sa12, Sa13, Sa14)를 제어함으로써, 3상 멀티레벨 인버터를 동작킬 수 있다.For example, referring to Fig. 5, a circuit diagram of a 3-phase (a, b, c) multilevel inverter including j H-bridges connected in series is shown. At this time, each CHB is connected to a load in which a resistance component (R) and an inductor component (L) are connected in series. On the other hand, the model predictive controller controls four switches (e.g., Sa11 , Sa12 , Sa13 , Sa14 ) included in the total j cells for each CHB, It can be operated.

여기서, a상(phase)에서 부하에 흐르는 전류를 ia라고 하면, 연속 시간 영역에서 그 부하에 걸리는 전압 vao는 아래의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.Here, letting a current flowing in the load in a phase be i a , the voltage v ao applied to the load in the continuous time region can be calculated by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, vao는 부하에 걸리는 전압이고, R은 그 부하의 저항성분이고, ia는 그 부하에 흐르는 전류이고, L은 그 부하의 인덕터성분이다.Where v ao is the voltage across the load, R is the resistive component of the load, i a is the current flowing through the load, and L is the inductor component of the load.

한편, 모델 예측 제어 장치가 수학식 1을 이용하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 구체적인 내용은 아래의 실시예 및 도 3에 대한 설명에서 자세하게 후술한다.On the other hand, the details of calculating the load current vector i (k + 1) of the next step using the equation (1) by the model predictive controller will be described later in detail in the following embodiments and FIG. 3.

다른 실시예에서는, 2상의 부하전류벡터 및 부하전압벡터는 3상의 전류 및 전압 각각을 알파베타 변환(alpha-beta transform)하여 생성될 수 있다.In another embodiment, the two-phase load current vector and the load voltage vector may be generated by alpha-beta transforming each of the three phase current and voltage.

알파베타 변환은 3상 회로의 분석을 단순화하기 위하여 사용되는 수학적 변환 방법으로, dq0 변환과 개념적으로 유사하다. 특히, 알파베타 변환은 3상 인버터의 제어를 위해 이용되는 참조벡터를 생성할 수 있다는 점에서 유용하다.Alpha Beta conversion is a mathematical conversion method used to simplify the analysis of three-phase circuits, conceptually similar to dq0 conversion. In particular, the alpha beta conversion is useful in that it can generate reference vectors that are used for the control of three-phase inverters.

예컨대, 도 5를 참조하면, a, b, c의 3상의 부하 각각에 흐르는 전류를 ia, ib, ic라고 할 때, 알파베타 변환된 iα 및 iβ는 각각 전류벡터 iαβ를 구성하는 구성 성분이며, 아래의 수학식 2를 이용하여 산출될 수 있다.For example, referring to FIG. 5, when the currents flowing through the respective three-phase loads a, b, and c are denoted by i a , i b , and i c , the alpha beta transformed i α and i β denote the current vector i αβ And can be calculated using the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00006
Figure pat00006

이때, 3x2 행렬은 단순화된 알파베타 변환 행렬이다.Here, the 3x2 matrix is a simplified alpha beta transformation matrix.

이처럼, 알파베타 변환된 결과를 이용하여 수학식 1을 전류벡터와 전압벡터에 관하여 다시 나타내면 다음의 수학식 3과 같다.Equation 1 can be rewritten with respect to the current vector and the voltage vector using Equation (3) using the alpha beta conversion result.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, iαβ는 iα 및 iβ로 구성되는 부하전류벡터이고, vαβ는 vα 및 vβ로 구성되는 부하전압벡터이다.Here, i is an αβ load consisting of i α and i β current vector, v αβ v is a vector consisting of the load voltage and the α v β.

이때, 모델 예측 제어 장치가 수학식 3의 iαβ에 대한 연속 시간 영역에서의 미분값을 이산 시간 영역에서의 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1)), 현재 스텝의 부하전류벡터(i(k)) 및 샘플링시간(Ts)에 관한 식으로 근사하여 변경함으로써, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 예측하여 산출할 수 있다. 한편, 이와 관련된 구체적인 내용은 도 2에 대한 설명에서 자세하게 후술한다.At this time, the model predictive controller sets the differential value in the continuous time domain for i alpha beta in Equation (3) to the load current vector (i (k + 1)) in the next step in the discrete time domain, i (k)) and the sampling time (T s ), the load current vector i (k + 1) of the next step can be predicted and calculated. Concrete contents related to this will be described later in detail with reference to FIG.

단계 S120에서는, 모델 예측 제어 장치가 i(k)가 추종하는 레퍼런스인 참조전류벡터(i*(k)), 산출된 i(k+1) 및 CHB의 부하에 기초하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출한다.In step S120, based on the reference current vector i * (k), the calculated i (k + 1), and the load of CHB, which is a reference to which i (k) And calculates a vector v * (k + 1).

즉, 모델 예측 제어 장치는 과거 스텝 및 현재 스텝의 참조전류벡터로부터 외삽법(extrapolation)을 이용하여 다음 스텝 및 2번째 다음 스텝의 참조전류벡터(i*(k+1) 및 i*(k+2))를 예측할 수 있다. 한편, 외삽법은 보외법으로 불리기도 하며, 미지의 영역에 대한 자료를 그 미지의 영역에 가까운 영역의 자료를 이용하여 추정하는 방법이다. 예를 들어, 리차드슨 외삽법, 라그랑주 외삽법 등이 있다. That is, the model predictive controller calculates the reference current vectors i * (k + 1) and i * (k + 1) of the next step and the next step using the extrapolation from the reference current vectors of the past step and the present step, 2) can be predicted. On the other hand, extrapolation is also called extrapolation, and is a method of estimating data on an unknown region using data in regions close to the unknown region. For example, Richardson extrapolation, Lagrangian extrapolation, and the like.

그리고, 모델 예측 제어 장치가 그 2번째 다음 스텝의 참조전류벡터(i*(k+2)), 앞선 단계 S110에서 산출된 i(k+1) 및 CHB의 부하를 이용하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출할 수 있다. 이때, 모델 예측 제어 장치는 수학식 3으로부터 유도된 이산 시간 영역에서의 근사식인 수학식 4를 이용하여 v*(k+1)를 산출할 수 있다.Then, the model predictive controller uses the reference current vector i * (k + 2) of the second next step, the load of i (k + 1) and CHB calculated in the preceding step S110, It is possible to calculate the voltage vector v * (k + 1). At this time, the model predictive controller can calculate v * (k + 1) using Equation (4) which is an approximate expression in the discrete time domain derived from Equation (3).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서, vαβ *(k+1)는 다음 스텝의 참조전압벡터이고, L은 CHB의 부하의 인덕터성분이고, Ts는 샘플링시간이고, iαβ *(k+2)는 2번째 다음 스텝의 참조전류벡터이고, iαβ(k+1)는 다음 스텝의 부하전류벡터이고, R은 CHB의 부하의 저항성분이다.Here, v αβ * a (k + 1) is a reference to the next step voltage vector, L is the inductor component of the CHB load, Ts is a sampling time, i αβ * (k + 2 ) will see the second following step a current vector is, αβ i (k + 1) is the next step load current vector, R is the resistance component of the load of the CHB.

한편, 수학식 4는 참조전압벡터 및 참조전류벡터는 다음 스텝(k+1) 또는 2번째 다음 스텝(k+2)에서 각각 부하전압벡터 및 부하전류벡터와 동일하다는 가정 하에서 유도될 수 있다.Equation (4) can be derived on the assumption that the reference voltage vector and the reference current vector are the same as the load voltage vector and the load current vector in the next step (k + 1) or the second next step (k + 2), respectively.

다른 실시예에서는, 모델 예측 제어 장치가 v*(k+1)를 산출할 때, 라그랑주 외삽법(Lagrange extrapolation)을 이용하여 산출할 수 있다.In another embodiment, when the model predictive controller calculates v * (k + 1), it can be calculated using Lagrange extrapolation.

여기서, 라그랑주 외삽법은 아래의 수학식 5를 이용하여 다음 스텝의 참조전류벡터를 예측할 수 있으며, 모델 예측 제어 장치가 그 예측 결과와 더불어 CHB의 부하의 저항성분(R), 인덕터성분(L), iαβ(k+1) 및 샘플링시간(Ts)을 수학식 4에 적용하여 v* αβ(k+1)를 산출할 수 있다.The Lagrangian extrapolation method can predict the reference current vector of the next step by using the following equation (5), and the model predictive controller can calculate the resistance component (R) of the load of the CHB, the inductor component (L) It can be calculated the αβ i (k + 1) and sampling time (T s) applied to the equation 4 v * αβ (k + 1 ).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00009
Figure pat00009

즉, 모델 예측 제어 장치는 과거의 2개 스텝(k-1, k-2) 및 현재 스텝(k)의 참조전류벡터로부터 다음 스텝(k+1)의 참조전류벡터(iαβ *(k+1))를 예측할 수 있으며, 이를 반복하면, 2번째 다음 스텝(k+2)의 참조전류벡터(iαβ *(k+2))를 예측할 수 있다.That is, the model predictive controller calculates the reference current vector i? Beta * (k + 1) from the reference current vector of the past two steps (k-1, k- to predict: 1)) and, if repeated, it may then predict the second current reference vector (i αβ * (k + 2 )) of the step (k + 2).

단계 S130에서는, 모델 예측 제어 장치가 그 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터 중에서, 소정 기준에 의해 v*(k+1)에 인접하는 복수의 후보전압벡터를 선별한다.In step S130, the model predictive controller selects a plurality of candidate voltage vectors adjacent to v * (k + 1) from the plurality of voltage vectors generated by the inverter by a predetermined criterion.

예컨대, 도 6을 참조하면, CHB를 이용한 3상 멀티레벨 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터를 도시한 결과가 나타나 있다. 여기서, 5레벨인 경우 녹색 정육면체의 교차점에 대응되는 복수의 전압벡터가 생성되고, 7레벨인 경우 청색 정육면체의 교차점에 대응되는 복수의 전압벡터가 생성되고, 9레벨인 경우 적색 정육면체의 교차점에 대응되는 복수의 전압벡터가 생성된다. 이때, 도 6의 전압벡터는 알파베타 트랜스폼이 적용된 전압벡터에 대하여, α에 대응되는 제1 축과, β에 대응되는 제2 축에 대한 αβ평면 상에 도시된 결과이다.For example, referring to FIG. 6, there are shown results of a plurality of voltage vectors generated by a three-phase multilevel inverter using CHB. In the case of the 5th level, a plurality of voltage vectors corresponding to the intersections of the green cubes are generated. In the seventh level, a plurality of voltage vectors corresponding to the intersections of the blue cubes are generated. A plurality of voltage vectors are generated. At this time, the voltage vector in Fig. 6 is the result shown on the alpha beta plane for the first axis corresponding to alpha and the second axis corresponding to beta, for the voltage vector to which the alpha beta transform is applied.

여기서, 모델 예측 제어 장치가 앞서 산출된 v*(k+1)를 그 복수의 전압벡터가 도시된 영역 위에 위치시켰을 때, 그 위치를 기준으로 소정 기준에 따라 인접한 전압벡터들을 복수의 후보전압벡터로 선별할 수 있다. 한편, 복수의 후보전압벡터를 선별하는 방법에 관련된 구체적인 내용은 아래의 실시예에 대한 설명에서 자세하게 후술한다.Here, when the model predictive controller puts the previously calculated v * (k + 1) on the area where the plurality of voltage vectors are shown, the adjacent voltage vectors are divided into a plurality of candidate voltage vectors . Concrete contents related to a method of selecting a plurality of candidate voltage vectors will be described in detail below in the description of the embodiments.

또 다른 실시예에서는, 복수의 전압벡터가 전압벡터를 구성하는 Vα와 Vβ에 대하여, Vα에 대응되는 제1 축과 Vβ에 대응되는 제2 축으로 구성된 αβ 평면 상에서, 그 인버터의 레벨에 비례하는 크기의 정육면체의 경계 및 내부에 소정의 간격으로 위치할 때, 그 복수의 후보전압벡터는 그 복수의 전압벡터 중에서 인접한 전압벡터 간을 연결하였을 때, v*(k+1)을 포함하는 최소의 삼각형을 구성하는 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터일 수 있다.In another embodiment, for a plurality of voltage vectors V alpha and V beta constituting the voltage vector, on an ? Beta plane constituted by a first axis corresponding to V ? And a second axis corresponding to V ? When a plurality of candidate voltage vectors are connected to adjacent voltage vectors among the plurality of voltage vectors, when v * (k + 1) is placed at a predetermined interval within the boundary and inside of a square of a size proportional to the level And may be three voltage vectors corresponding to the vertices constituting the smallest triangle included.

예컨대, 도 6을 참조하면, 모델 예측 제어 장치가, 복수의 전압벡터가 정육면체의 경계 및 내부에 위치할 때, 그 복수의 전압벡터 각각에 대하여 인접한 3개의 전압벡터와 연결함으로써, 그 정육면체를 복수의 삼각형으로 구분할 수 있다. 이때, 그 복수의 삼각형은 가장 인접한 전압벡터 간을 연결한 결과로 생성되는 최소의 삼각형이며, 모델 예측 제어 장치가 그 최소의 삼각형의 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터를 후보전압벡터로 선별할 수 있다.For example, referring to FIG. 6, when a plurality of voltage vectors are located at the boundary and inside of a cube, the model predictive controller connects the three voltage vectors to each of the plurality of voltage vectors, The triangles of At this time, the plurality of triangles are the minimum triangles generated as a result of connecting the most adjacent voltage vectors, and the model predictive controller can select three voltage vectors corresponding to the vertices of the minimum triangles as candidate voltage vectors have.

즉, 도 9를 참조하면, 모델 예측 제어 장치가 Vα *(k+1)및 Vβ *(k+1)에 관한 3개의 부등식으로부터, 앞서 산출된 v*(k+1)가 위치한 삼각형 영역(예, T1)을 결정할 수 있다. 또한, 모델 예측 제어 장치가 그 삼각형 영역의 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터(예, T1에 대응되는 V0, V1, V2)를 후보전압벡터로 선별할 수 있다.That is, FIG. 9, the model predictive control unit is V α * (k + 1) and V β * from three inequalities related to (k + 1), a triangle is the v * (k + 1) calculated previously in Region (e.g., T 1 ). Further, the model predictive controller can select three voltage vectors (e.g., V 0 , V 1 , and V 2 corresponding to T 1 ) corresponding to the vertices of the triangular area as candidate voltage vectors.

마지막으로 단계 S140에서는, 모델 예측 제어 장치가 그 복수의 후보전압벡터 중에서, v*(k+1)와 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정한다.Finally, in step S140, the model predictive controller calculates the load voltage vector v (k + 1) of the next step using the voltages of v * (k + 1) and the plurality of candidate voltage vectors from among the plurality of candidate voltage vectors, )).

즉, 모델 예측 제어 장치가 앞선 단계에서 산출된 v*(k+1)와 그 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여, 그 복수의 후보전압벡터 중에서 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정할 수 있다.That is, the model predictive controller uses the voltages of v * (k + 1) and the plurality of candidate voltage vectors calculated in the previous step, and calculates the load voltage vector v (k +1)).

예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어 방법은 삼각형 영역의 꼭지점에 대응되는 3개의 후보전압벡터에 대해서만 연산을 수행하면 되기 때문에, 전체 연산량을 줄일 수 있으며, 또한 그 연산으로 인한 소요 시간을 단축하여 동적 응답 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.For example, in the model predictive control method according to an embodiment of the present invention, the calculation is performed only on the three candidate voltage vectors corresponding to the vertexes of the triangular area. Therefore, the total calculation amount can be reduced, The dynamic response characteristic can be improved.

한편, v(k+1)를 결정하는 방법에 관련된 구체적인 내용은 아래의 실시예에 대한 설명에서 자세하게 후술한다.Concrete contents related to the method of determining v (k + 1) will be described in detail in the description of the embodiments below.

다른 실시예에서는, 모델 예측 제어 장치가 v(k+1)를 결정할 때, 그 복수의 후보전압벡터 중에서, v*(k+1)와의 차이를 나타내는 비용함수의 값이 가장 작아지도록 하는 전압벡터를 v(k+1)으로 결정할 수 있다.In another embodiment, when the model predictive controller determines v (k + 1), among the plurality of candidate voltage vectors, a voltage vector that minimizes the value of the cost function indicating the difference from v * (k + 1) Can be determined as v (k + 1).

이때, 비용함수는 후보전압벡터와 v*(k+1) 간의 차이에 관한 벡터 연산을 수행한 결과일 수 있다. 즉, 모델 예측 제어 장치가 그 복수의 후보전압벡터 각각에 대하여 v*(k+1) 간의 차이에 대한 벡터 연산을 수행하여 비용함수의 결과값을 산출하고, 그 복수의 후보전압벡터 중에서 비용함수의 결과값이 최소인 후보전압벡터를 v(k+1)으로 결정할 수 있다.At this time, the cost function may be a result of performing a vector operation on the difference between the candidate voltage vector and v * (k + 1). That is, the model predictive controller calculates a result of the cost function by performing a vector operation on the difference between v * (k + 1) for each of the plurality of candidate voltage vectors, and calculates a cost function (K + 1) can be determined as the candidate voltage vector having the smallest result value of v (k + 1).

예컨대, 도 8을 참조하면, 모델 예측 제어 장치가, 원점으로부터 시작되는 화살표가 v*(k+1)를 나타낸다고 가정할 때, 그 v*(k+1)를 포함하는 삼각형(T11)의 3개 꼭지점에 대응되는 V20, V21, V39의 3개의 후보전압벡터(도 10 참조)에 대하여 비용함수를 산출하여, v(k+1)을 결정할 수 있다.8, assuming that the arrow starting from the origin indicates v * (k + 1), the model predictive control apparatus determines the position of the triangle T 11 including v * (k + 1) The cost function can be calculated for three candidate voltage vectors V 20 , V 21 , and V 39 corresponding to the three vertices (see FIG. 10), and v (k + 1) can be determined.

한편, 비용함수는 함수의 설계에 따라 증감이 달라질 수 있기 때문에, 그 비용함수의 설계에 따라서, 모델 예측 제어 장치는 그 값이 가장 커지도록 하는 전압벡터를 v(k+1)으로 결정하는 것도 가능한 것은 물론이다.On the other hand, since the cost function may vary depending on the design of the function, depending on the design of the cost function, the model predictive controller may determine the voltage vector that maximizes the value as v (k + 1) Of course it is possible.

또 다른 실시예에서는, 비용함수는 수학식 5에 의해 산출될 수 있다.In yet another embodiment, the cost function may be calculated by:

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서, gv는 비용함수이고, vα *[k+1] 및 vβ *[k+1] 각각은 v*(k+1)을 구성하는 2개의 성분이고, vα[k+1] 및 vβ[k+1] 각각은 v(k+1)을 구성하는 2개의 성분이다.Here, g v is the cost function, v α * [k + 1] and v β * a [k + 1] Each of the two components that make up the v * (k + 1), v α [k + 1] And v ? [K + 1] are the two components constituting v (k + 1).

즉, 비용함수는 인버터에서 생성가능한 부하전압벡터 중에서 선별된 후보전압벡터(v(k+1))와 산출된 참조전압벡터(v*(k+1)) 간의 차이에 대한 벡터 연산의 결과일 수 있다. 예컨대, (a1, b1)벡터와 (a2, b2)벡터의 차이는 (a1-a2, b1-b2)벡터의 크기로 산출될 수 있다.That is, the cost function is a result of the vector operation on the difference between the candidate voltage vector v (k + 1) selected from the load voltage vectors that can be generated by the inverter and the calculated reference voltage vector v * (k + 1) . For example, the difference between the (a1, b1) vector and the (a2, b2) vector can be calculated as the size of the (a1-a2, b1-b2) vector.

또 다른 실시예에서는, 복수의 전압벡터를 포함하는 정육면체를 그 정육면체의 중심을 꼭지점으로 공유하는 6개의 정삼각형으로 분할하고, 그 6개의 정삼각형을 제1 영역 내지 제6 영역으로 구분할 때, v*(k+1)는 제2 영역 내지 제6 영역에 위치하면, 제1 영역에 위치하도록 αβ 평면의 원점을 기준으로 회전될 수 있다.In another embodiment, when a cube including a plurality of voltage vectors is divided into six equilateral triangles sharing the center of the cube as vertexes and the six equilateral triangles are divided into the first to sixth regions, v * ( k + 1) can be rotated with respect to the origin of the? beta plane so as to be located in the first region when the first to sixth regions are located in the second to sixth regions.

즉, 모델 예측 제어 장치가 복수의 전압벡터를 포함하는 정육면체에 대하여, 각 교차점에 대응되는 전압벡터의 값을 룩업테이블(look up table)로 보유할 수 있다. 그러나, 인버터의 레벨의 수가 증가할수록, 그 룩업테이블의 크기도 커지므로, 그 룩업테이블의 크기를 최소화하기 위하여, 그 정육면체를 제1 영역 내지 제6 영역으로 구분하고, 그 제1 영역에 대응되는 전압벡터에 대해서만 룩업테이블을 보유하는 방안을 고려할 수 있다.That is, the model predictive controller can hold the value of the voltage vector corresponding to each intersection for a cube containing a plurality of voltage vectors as a look-up table. However, in order to minimize the size of the look-up table, the size of the look-up table becomes larger as the number of levels of the inverter increases. The cube is divided into first to sixth regions, It may be considered to retain the lookup table only for the voltage vector.

따라서, 모델 예측 제어 장치가, v*(k+1)가 제2 영역 내지 제6 영역에 위치하면, 그 v*(k+1)을 αβ 평면의 원점을 기준으로 회전시켜 제1 영역에 위치하도록 할 수 있다. 예컨대, 도 7을 참조하면, 모델 예측 제어 장치가 제3 영역(sector 3)에 위치하는 v*(k+1)를 제1 영역(sector 1)으로 회전시킬 수 있다.Therefore, if the model predictive control apparatus rotates the v * (k + 1) on the basis of the origin of the? Β plane when v * (k + 1) is located in the second to sixth regions, . For example, referring to FIG. 7, the model predictive controller can rotate v * (k + 1) located in the third region (sector 3) to the first region (sector 1).

한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모델 예측 제어 방법의 전체적인 동작 과정을 나타내고 있다. 즉, 도 1의 흐름도의 각 단계에 대응되는 각 변수의 흐름을 나타내고 있다.Referring to FIG. 4, the overall operation of the model predictive control method according to another embodiment of the present invention is shown. That is, the flow of each variable corresponding to each step of the flowchart of FIG. 1 is shown.

즉, 단계 S110에 대응하여 Predict future current에서 i(k+1)을 산출하고 있으며, 단계 S120에 대응하여 Predict future reference voltage에서 v*(k+1)을 산출하고, 단계 S130에 대응하여 select three voltage vector에서 v(k+1)의 후보를 선별하고, 단계 S140에 대응하여 Minimize voltage based cost function에서 최종적으로 v(k+1)을 결정하여 CHB에 대한 스위칭을 수행한다.That is, i (k + 1) is calculated in the Predict future current corresponding to step S110, v * (k + 1) is calculated in the Predict future reference voltage corresponding to step S120, the candidate for v (k + 1) is selected from the voltage vector, and the switching to the CHB is performed by determining v (k + 1) finally in the Minimize voltage based cost function corresponding to step S140.

또한, 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어 방법을 종래 기술(MPC-adj)와 비교한 결과가 나타나 있다. 즉, a상에 대한 부하전류의 동적 응답 특성을 비교하면, 각각 253.4ms와 77.4ms의 응답 시간을 나타내고 있어 본 발명이 훨씬 더 우수한 동적 응답 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, there is shown a result of comparing the model predictive control method according to an embodiment of the present invention with the prior art (MPC-adj). That is, when comparing the dynamic response characteristics of the load current to the phase a, the response time is 253.4 ms and 77.4 ms, respectively, which indicates that the present invention exhibits much better dynamic response characteristics.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법은 스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시킬 때, 연산량을 감소시키면서, 우수한 동적 응답 특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.As described above, the model predictive control method for operating the 3-phase multilevel inverter using the cascaded H-bridge according to the embodiment of the present invention, when operating the 3-phase multilevel inverter using the skid H- And an excellent dynamic response characteristic can be ensured.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.Fig. 2 is a flowchart for explaining a method of calculating a load current vector i (k + 1) in the next step according to an embodiment of the present invention.

단계 S210에서는, 모델 예측 제어 장치가 저항성분과 인덕터성분을 이용하여, 연속 시간 영역(t)에서의 상기 i(t)와 상기 v(t)의 제1 관계식을 도출한다.In step S210, the model predictive controller derives a first relational expression of i (t) and v (t) in the continuous time domain (t) using the resistive component and the inductor component.

이때, 모델 예측 제어 장치가 수학식 3으로부터 제1 관계식을 도출할 수 있다.At this time, the model predictive controller can derive the first relational expression from Equation (3).

단계 S220에서는, 모델 예측 제어 장치가 그 제1 관계식에 포함된 부하전류벡터의 미분성분을 i(k), i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)으로 근사하여, 그 제1 관계식을 이산 시간 영역(k)에서의 제2 관계식으로 변경한다.In step S220, the model predictive controller approximates the differential component of the load current vector included in the first relational expression by i (k), i (k + 1) and sampling time (T s ) To the second relation in the discrete time domain (k).

이때, 미분성분의 근사는 아래 수학식 6을 이용하여 수행될 수 있으며, 샘플링시간(Ts)이 충분히 작을수록 근사의 정확도가 향상될 수 있다.At this time, the approximation of the differential component can be performed using Equation (6) below, and the accuracy of the approximation can be improved as the sampling time (T s ) is sufficiently small.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서, iαβ(k+1)는 다음 스텝의 부하전류벡터이고, iαβ(k)는 현재 스텝의 부하전류벡터이고, Ts는 샘플링시간이다.Here, i alpha beta (k + 1) is the load current vector of the next step, i alpha beta (k) is the load current vector of the current step, and T s is the sampling time.

이때, 수학식 6을 수학식 3에 적용하여 근사값을 계산한 결과인 이산 시간 영역에 대한 제2 관계식은 아래 수학식 7과 같이 산출된다.In this case, the second relational expression for the discrete time domain obtained by applying Equation (6) to Equation (3) and calculating an approximate value is calculated as Equation (7) below.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서, iαβ[k+1]은 다음 스텝의 부하전류벡터이고, iαβ[k]는 현재 스텝의 부하전류벡터이고, vαβ[k]는 현재 스텝의 부하전압벡터이고, R은 저항성분이고, L은 인덕터성분이고, Ts는 샘플링시간이다.Here, i and αβ [k + 1] is the next step in load current vector, i αβ [k] is the current step of the load current vector, v αβ [k] are present and the step of load voltage vector, R is resistance minutes , and L is the inductor component, T s is the sampling time.

한편, 수학식 4는, 상술한 가정을 적용하면, 수학식 7로부터 산출될 수 있다.On the other hand, Equation (4) can be calculated from Equation (7) by applying the above-described assumption.

마지막으로 단계 S230에서는, 모델 예측 제어 장치가 제2 관계식, 저항성분, 인덕터성분, i(k), v(k) 및 ts를 이용하여, i(k+1)을 산출한다.Finally, in step S230, the model predictive controller calculates i (k + 1) using the second relational expression, the resistance component, the inductor component, i (k), v (k), and t s .

즉, 모델 예측 제어 장치가 수학식 7에 저항성분, 인덕터성분, i(k), v(k) 및 ts를 대입하여, 다음 스텝의 부하전류벡터인 i(k+1)을 산출할 수 있다.That is, the model predictive control device to the resistance component in the equation (7), an inductor component, by substituting the i (k), v (k ) and t s, calculating the next step of the load current vector, i (k + 1) have.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a model predictive controller for operating a three-phase multi-level inverter using cascaded H-bridges according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 장치(300)는 산출부(310), 선별부(320) 및 결정부(330)를 포함한다.3, a model predictive controller 300 for operating a three-phase multilevel inverter using cascaded H-bridges according to an embodiment of the present invention includes a calculator 310, a selector 320, And a determination unit 330.

한편, 모델 예측 제어 장치(300)는 PC, 노트북, 산업용컴퓨터, 스마트폰 및 태블릿PC 등의 기기에 탑재되어, 그 기기를 통해 3상 멀티레벨 인버터를 동작시킬 수 있다.On the other hand, the model predictive controller 300 is installed in a device such as a PC, a notebook computer, an industrial computer, a smart phone, or a tablet PC, and operates the three-phase multilevel inverter through the device.

산출부(310)는 CHB의 부하, CHB의 부하의 3상의 전류 및 전압으로부터 변환된 2상의 부하전류벡터(i(k)) 및 부하전압벡터(v(k))에 기초하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하고, i(k)가 추종하는 레퍼런스인 참조전류벡터(i*(k)), 산출된 i(k+1) 및 CHB의 부하에 기초하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출한다.The calculation unit 310 calculates the load voltage vector v (k) based on the two-phase load current vector i (k) and the load voltage vector v (k) that are converted from the CHB load, the three- (K + 1)) based on the load of the reference current vector i * (k), the calculated i (k + 1), and the CHB, which are references to which i (k) , The reference voltage vector v * (k + 1) of the next step is calculated.

다른 실시예에서는, 2상의 부하전류벡터 및 부하전압벡터는 3상의 전류 및 전압 각각을 알파베타 변환하여 생성될 수 있다.In another embodiment, the two-phase load current vector and the load voltage vector may be generated by alpha-beta conversion of the three phase current and voltage, respectively.

또 다른 실시예에서는, 산출부(310)는, CHB의 부하가 저항성분과 인덕터성분을 포함할 때, 그 저항성분과 인덕터성분을 이용하여, 연속 시간 영역(t)에서의 상기 i(t)와 상기 v(t)의 제1 관계식을 도출하고, 그 제1 관계식에 포함된 부하전류벡터의 미분성분을 i(k), i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)으로 근사하여, 그 제1 관계식을 이산 시간 영역(k)에서의 제2 관계식으로 변경하고, 그 제2 관계식, 저항성분, 인덕터성분, i(k), v(k) 및 ts를 이용하여, i(k+1)을 산출할 수 있다.In another embodiment, when the load of the CHB includes the resistive component and the inductor component, the calculation portion 310 calculates the difference between the i (t) and the i (t) in the continuous time region t using the resistive component and the inductor component, v deriving a first relation of (t), and by the approximation with the the finely divided component of the vector of the load current comprises a first relation i (k), i (k + 1) and sampling time (t s), the first changing the first equation into the second equation of the discrete-time domain (k), and the second relation, the resistance component, the inductor component, i (k), v (k) and using the t s, i (k + 1 ) Can be calculated.

또 다른 실시예에서는, i(k+1)은 수학식 8에 의해 산출될 수 있다.In yet another embodiment, i (k + 1) may be calculated by:

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서, i αβ [k+1]은 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))이고, iαβ [k]는 부하전류벡터(i(k))이고, vαβ [k]는 부하전압벡터(v(k))이고, R은 저항성분이고, L은 인덕터성분이고, Ts는 샘플링시간이다.Here, i αβ [k + 1] is the next step in load current vector (i (k + 1)) , i αβ [k] is a load current vector (i (k)), v αβ [k] is the load and the voltage vector (v (k)), and R is resistance minutes, L is the inductor component, T s is the sampling time.

또 다른 실시예에서는, 산출부(310)는 라그랑주 외삽법을 이용하여, i*(k), i*(k-1) 및 i*(k-2)로부터 i*(k+1) 및 i*(k+2)를 순차적으로 산출하고, CHB의 부하의 저항성분(R), CHB의 부하의 인덕터성분(L), i*(k+2), i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)에 기초하여, v*(k+1)을 산출할 수 있다.In yet another embodiment, the calculation unit 310 using the Lagrange extrapolation, i * (k), i * (k-1) and i * i from the (k-2) * (k + 1) and i * (k + 2) for the calculation, and the CHB load resistance component (R) sequentially, an inductor component of the CHB load (L), i * (k + 2), i (k + 1) and sampling time ( T s ), it is possible to calculate v * (k + 1).

선별부(320)는 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터 중에서, 소정 기준에 의해 상기 v*(k+1)에 인접하는 복수의 후보전압벡터를 선별한다.The selector 320 selects a plurality of candidate voltage vectors adjacent to v * (k + 1) according to a predetermined criterion among a plurality of voltage vectors generated by the inverter.

다른 실시예에서는, 그 복수의 전압벡터가 전압벡터를 구성하는 Vα와 Vβ에 대하여, Vα에 대응되는 제1 축과 Vβ에 대응되는 제2 축으로 구성된 αβ 평면 상에서, 인버터의 레벨에 비례하는 크기의 정육면체의 경계 및 내부에 소정의 간격으로 위치할 때, 그 복수의 후보전압벡터는 그 복수의 전압벡터 중에서 인접한 전압벡터 간을 연결하였을 때, v*(k+1)을 포함하는 최소의 삼각형을 구성하는 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터일 수 있다.In another embodiment, on the basis of V alpha and V beta constituting the voltage vector, the plurality of voltage vectors are arranged on the alpha beta plane constituted by the first axis corresponding to V alpha and the second axis corresponding to V beta , when located in the border and at predetermined intervals in the interior of the cube of the size which is proportional to, the plurality of candidate voltage vectors when connecting the voltage vector between adjacent among the plurality of voltage vector, v * contains a (k + 1) And the three voltage vectors corresponding to the vertices constituting the smallest triangle.

결정부(330)는 그 복수의 후보전압벡터 중에서, v*(k+1)와 그 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정한다.The determining unit 330 determines the load voltage vector v (k + 1) of the next step using the voltages of v * (k + 1) and the plurality of candidate voltage vectors, among the plurality of candidate voltage vectors do.

다른 실시예에서는, 복수의 전압벡터를 포함하는 정육면체를 그 정육면체의 중심을 꼭지점으로 공유하는 6개의 정삼각형으로 분할하고, 그 6개의 정삼각형을 제1 영역 내지 제6 영역으로 구분할 때, v*(k+1)는 제2 영역 내지 제6 영역에 위치하면, 제1 영역에 위치하도록 αβ 평면의 원점을 기준으로 회전될 수 있다.In another embodiment, when dividing a cube containing a plurality of voltage vectors into six equilateral triangles sharing the center of the cube as vertices and dividing the six equilateral triangles into the first to sixth regions, v * (k +1) can be rotated with respect to the origin of the? Beta plane so as to be located in the first region, if it is located in the second to sixth regions.

또 다른 실시예에서는, 결정부(330)는 그 복수의 후보전압벡터 중에서, v*(k+1)와의 차이를 나타내는 비용함수의 값이 가장 작아지도록 하는 전압벡터를 v(k+1)으로 결정할 수 있다.In another embodiment, the determination unit 330 determines, among the plurality of candidate voltage vectors, a voltage vector that minimizes the value of the cost function indicating the difference from v * (k + 1) to v (k + 1) You can decide.

또 다른 실시예에서는, 비용함수는 수학식 9에 의해 산출될 수 있다.In yet another embodiment, the cost function may be calculated by:

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서, gv는 비용함수이고, vα *[k+1] 및 vβ *[k+1] 각각은 v*(k+1)을 구성하는 2개의 성분이고, vα[k+1] 및 vβ[k+1] 각각은 v(k+1)을 구성하는 2개의 성분이다.Here, g v is the cost function, v α * [k + 1] and v β * a [k + 1] Each of the two components that make up the v * (k + 1), v α [k + 1] And v ? [K + 1] are the two components constituting v (k + 1).

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.The above-described embodiments of the present invention can be embodied in a general-purpose digital computer that can be embodied as a program that can be executed by a computer and operates the program using a computer-readable recording medium.

상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 를 포함한다.The computer readable recording medium includes a magnetic storage medium (e.g., ROM, floppy disk, hard disk, etc.), optical reading medium (e.g., CD ROM, DVD, etc.).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

캐스케이디드 H-브릿지(cascaded H-Bridge; CHB)를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 이산 시간 영역(discrete time domain)에서 동작시키는 모델 예측 제어(model predictive control; MPC) 방법에 있어서,
상기 CHB의 부하(load), 상기 CHB의 부하의 3상의 전류 및 전압으로부터 변환된 2상의 부하전류벡터(i(k)) 및 부하전압벡터(v(k))에 기초하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 단계;
상기 i(k)가 추종하는 레퍼런스인 참조전류벡터(i*(k)), 상기 산출된 i(k+1) 및 상기 CHB의 부하에 기초하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출하는 단계;
상기 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터 중에서, 소정 기준에 의해 상기 v*(k+1)에 인접하는 복수의 후보전압벡터를 선별하는 단계; 및
상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와 상기 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
A method of model predictive control (MPC) for operating a three-phase multi-level inverter using a cascaded H-bridge (CHB) in a discrete time domain,
Based on the two-phase load current vector i (k) and the load voltage vector v (k) converted from the load of the CHB, the three-phase current and the voltage of the load of the CHB, Calculating a current vector i (k + 1);
Based on the reference current vector i * (k) that is a reference to which i (k) is followed, the calculated i (k + 1), and the load of the CHB, the reference voltage vector v * +1));
Selecting a plurality of candidate voltage vectors adjacent to the v * (k + 1) by a predetermined reference among a plurality of voltage vectors generated by the inverter; And
Determining a next step load voltage vector v (k + 1) using the voltages of v * (k + 1) and each of the plurality of candidate voltage vectors from the plurality of candidate voltage vectors,
Phase multi-level inverter using a cascaded H-bridge.
제1항에 있어서,
상기 2상의 부하전류벡터 및 부하전압벡터는
상기 3상의 전류 및 전압 각각을 알파베타 변환(alpha-beta transform)하여 생성되는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
The method according to claim 1,
The two-phase load current vector and the load voltage vector are
Phase inverter is generated by alpha-beta transforming the current and voltage of each of the three phases.
제2항에 있어서,
상기 복수의 전압벡터가 전압벡터를 구성하는 Vα와 Vβ에 대하여, 상기 Vα에 대응되는 제1 축과 상기 Vβ에 대응되는 제2 축으로 구성된 αβ 평면 상에서, 상기 인버터의 레벨에 비례하는 크기의 정육면체의 경계 및 내부에 소정의 간격으로 위치할 때,
상기 복수의 후보전압벡터는
상기 복수의 전압벡터 중에서 인접한 전압벡터 간을 연결하였을 때, 상기 v*(k+1)을 포함하는 최소의 삼각형을 구성하는 꼭지점에 대응되는 3개의 전압벡터인 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of voltage vectors are proportional to the level of the inverter on an?? Plane constituted by a first axis corresponding to V ? And a second axis corresponding to V ? With respect to V ? And V ? And when they are positioned at a predetermined interval in the boundary and inside of the cube,
The plurality of candidate voltage vectors
(K + 1), when the adjacent voltage vectors are connected to each other among the plurality of voltage vectors, the three voltage vectors corresponding to the vertices constituting the smallest triangle including v * (k + 1) Model Predictive Control Method for Operating 3 - Phase Multi - Level Inverter Using Bridge.
제3항에 있어서,
상기 정육면체를 상기 정육면체의 중심을 꼭지점으로 공유하는 6개의 정삼각형으로 분할하고, 상기 6개의 정삼각형을 제1 영역 내지 제6 영역으로 구분할 때,
상기 v*(k+1)는
상기 제2 영역 내지 상기 제6 영역에 위치하면, 상기 제1 영역에 위치하도록 상기 αβ 평면의 원점을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
The method of claim 3,
Dividing the cube into six equilateral triangles that share the center of the cube as a vertex, and dividing the six equilateral triangles into a first region to a sixth region,
The v * (k + 1)
And the third region is rotated based on the origin of the?? Plane so as to be located in the first region when the first region is located in the second region to the sixth region. Model predictive control method.
제1항에 있어서,
상기 CHB의 부하가 저항성분과 인덕터성분을 포함할 때,
상기 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하는 단계는
상기 저항성분과 상기 인덕터성분을 이용하여, 연속 시간 영역(t)에서의 상기 i(t)와 상기 v(t)의 제1 관계식을 도출하는 단계;
상기 제1 관계식에 포함된 상기 부하전류벡터의 미분성분을 상기 i(k), 상기 i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)으로 근사하여, 상기 제1 관계식을 상기 이산 시간 영역(k)에서의 제2 관계식으로 변경하는 단계; 및
상기 제2 관계식, 상기 저항성분, 상기 인덕터성분, 상기 i(k), 상기 v(k) 및 상기 ts를 이용하여, 상기 i(k+1)을 산출하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
The method according to claim 1,
When the load of the CHB includes a resistive component and an inductor component,
The step of calculating the load current vector i (k + 1) of the next step
Deriving a first relationship between i (t) and v (t) in the continuous time domain (t) using the resistive component and the inductor component;
(K), the i (k + 1) and the sampling time (T s ) by approximating the differential component of the load current vector included in the first relational expression to the discrete time domain k To a second relationship in the second equation; And
Calculating the i (k + 1) using the second relation, the resistance component, the inductor component, the i (k), the v (k), and the t s ,
Phase multi-level inverter using a cascaded H-bridge.
제5항에 있어서,
상기 i(k+1)은
수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
[수학식 1]
Figure pat00015

여기서, i αβ [k+1]은 상기 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))이고, iαβ [k]는 상기 부하전류벡터(i(k))이고, vαβ [k]는 상기 부하전압벡터(v(k))이고, R은 상기 저항성분이고, L은 상기 인덕터성분이고, Ts는 상기 샘플링시간이다.
6. The method of claim 5,
The i (k + 1)
Phase inverter using a cascaded H-bridge, which is calculated according to Equation (1).
[Equation 1]
Figure pat00015

Here, the i αβ [k + 1] are the following, and the step load current vector (i (k + 1)) , i αβ [k] is the load current vector (i (k)), v αβ [k] Is the load voltage vector v (k), R is the resistive component, L is the inductor component, and T s is the sampling time.
제1항에 있어서,
상기 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출하는 단계는
라그랑주 외삽법(Lagrange extrapolation)을 이용하여, 상기 i*(k), i*(k-1) 및 i*(k-2)로부터 i*(k+1) 및 i*(k+2)를 순차적으로 산출하는 단계; 및
상기 CHB의 부하의 저항성분(R), 상기 CHB의 부하의 인덕터성분(L), 상기 i*(k+2), 상기 i(k+1) 및 샘플링시간(Ts)에 기초하여, 상기 v*(k+1)을 산출하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
The method according to claim 1,
The step of calculating the reference voltage vector v * (k + 1) of the next step
Lagrange the extrapolation using (Lagrange extrapolation), the i * (k), i * (k-1) and i * i * (k + 1 ) and i * (k + 2) from the (k-2) Sequentially calculating; And
Based on the resistance component (R) of the CHB load, the inductor component (L) of the CHB load, the i * (k + 2), wherein i (k + 1) and sampling time (T s), wherein calculating v * (k + 1)
Phase multi-level inverter using a cascaded H-bridge.
제1항에 있어서,
상기 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정하는 단계는
상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와의 차이를 나타내는 비용함수의 값이 가장 작아지도록 하는 전압벡터를 상기 v(k+1)으로 결정하는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
The method according to claim 1,
The step of determining the load voltage vector v (k + 1) of the next step
(K + 1) is determined as the voltage vector that minimizes the value of the cost function indicating the difference from v * (k + 1) among the plurality of candidate voltage vectors. A Model Predictive Control Method for Operating 3 - Phase Multi - level Inverter Using Bridge.
제8항에 있어서,
상기 비용함수는
수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 방법.
[수학식 2]
Figure pat00016

여기서, gv는 상기 비용함수이고, vα *[k+1] 및 vβ *[k+1] 각각은 상기 v*(k+1)을 구성하는 2개의 성분이고, vα[k+1] 및 vβ[k+1] 각각은 상기 v(k+1)을 구성하는 2개의 성분이다.
9. The method of claim 8,
The cost function
Wherein the three-phase multi-level inverter is calculated using Equation (2).
&Quot; (2) "
Figure pat00016

Here, g v is the cost function, v α * [k + 1 ] and v β * [k + 1], respectively is two components constituting the v * (k + 1), v α [k + 1] and v [ beta ] [k + 1] are the two components constituting the above v (k + 1).
캐스케이디드 H-브릿지(CHB)를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 이산 시간 영역에서 동작시키는 모델 예측 제어 장치에 있어서,
상기 CHB의 부하, 상기 CHB의 부하의 3상의 전류 및 전압으로부터 변환된 2상의 부하전류벡터(i(k)) 및 부하전압벡터(v(k))에 기초하여, 다음 스텝의 부하전류벡터(i(k+1))를 산출하고, 상기 i(k)가 추종하는 레퍼런스인 참조전류벡터(i*(k)), 상기 산출된 i(k+1) 및 상기 CHB의 부하에 기초하여, 다음 스텝의 참조전압벡터(v*(k+1))를 산출하는 산출부;
상기 인버터에 의해 생성되는 복수의 전압벡터 중에서, 소정 기준에 의해 상기 v*(k+1)에 인접하는 복수의 후보전압벡터를 선별하는 선별부; 및
상기 복수의 후보전압벡터 중에서, 상기 v*(k+1)와 상기 복수의 후보전압벡터 각각의 전압을 이용하여 다음 스텝의 부하전압벡터(v(k+1))를 결정하는 결정부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이디드 H-브릿지를 이용한 3상 멀티레벨 인버터를 동작시키는 모델 예측 제어 장치.
A model predictive controller for operating a three-phase multilevel inverter using a cascaded H-bridge (CHB) in a discrete time domain,
The load current vector (V (k)) of the next step based on the two-phase load current vector i (k) and the load voltage vector v (k) converted from the CHB load, the three- (k + 1)), based on the reference current vector (i * (k)) which is a reference followed by i (k), the calculated i (k + A calculation unit for calculating a reference voltage vector v * (k + 1) of the next step;
A selector for selecting among a plurality of voltage vectors generated by the inverter a plurality of candidate voltage vectors adjacent to the v * (k + 1) by a predetermined reference; And
(K (k + 1)) of the next step using the voltage of each of the plurality of candidate voltage vectors and v * (k + 1) among the plurality of candidate voltage vectors,
Phase multi-level inverter using the cascaded H-bridge.
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