KR20180090562A - 인버터 제어장치 - Google Patents

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KR20180090562A KR1020170015565A KR20170015565A KR20180090562A KR 20180090562 A KR20180090562 A KR 20180090562A KR 1020170015565 A KR1020170015565 A KR 1020170015565A KR 20170015565 A KR20170015565 A KR 20170015565A KR 20180090562 A KR20180090562 A KR 20180090562A
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박주현
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Abstract

본 발명은 직류전압원과 계통전원 사이에 연계되는 인버터의 구동을 제어하는 인버터 제어장치에 있어서, 상기 인버터의 출력전류에 대한 전류지령이 정격전류보다 작은 경우, 점차 증가하는 전류지령을 생성하고, 상기 전류지령에 비례하여 트립레벨을 설정하며, 상기 인버터의 출력전류가 상기 트립레벨 이상이면, 상기 인버터의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치를 제공한다.

Description

인버터 제어장치{appatratus for controlling inverter}
본 발명은 직류전압원과 계통전원 사이에 배치된 계통 연계형 인버터를 제어하는 장치에 관한 것이다.
계통 연계형 인버터는 풍력 발전, 태양광 발전 및 ESS 등에서 널리 이용되는 전력변환장치이다. 특히, 신재생에너지의 상용화에 따라, 수십 kW 이상의 중용량 또는 대용량 전력변환장치에 대한 수요가 증가되고 있다.
계통 연계형 인버터는 직류전압원과 계통전원 사이에 연계되므로, 직류전압원 또는 계통전원의 영향으로 인한 돌입전류가 계통 연계형 인버터에 유입될 수 있다. 이러한 돌입전류로 인해, 계통 연계형 인버터에 허용 출력 전류를 초과하는 출력전류가 발생됨으로써, 계통 연계형 인버터가 파손될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 돌입전류에 의한 계통 연계형 인버터의 파손을 방지할 수 있는 인버터 제어장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예시는 직류전압원과 계통전원 사이에 연계되는 인버터의 구동을 제어하는 인버터 제어장치에 있어서, 상기 인버터의 출력전류에 대한 전류지령이 정격전류보다 작은 경우, 점차 증가하는 전류지령을 생성하고, 상기 전류지령에 비례하여 트립레벨을 설정하며, 상기 인버터의 출력전류가 상기 트립레벨 이상이면, 상기 인버터의 구동을 정지시키는 인버터 제어장치를 제공한다.
여기서, 상기 인버터 제어장치는 상기 인버터의 출력전류를 측정하여 실측치를 생성하는 출력측정부, 상기 정격전류에 기초하여 상기 전류지령을 생성하는 전류지령설정부, 상기 전류지령에 기초하여 상기 트립레벨을 생성하는 트립레벨설정부, 상기 실측치가 상기 트립레벨 이상이면, 상기 인버터의 구동을 정지시키는 셧다운실행부, 및 상기 전류지령에 기초하여 상기 인버터에 구비된 스위치소자들을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하기 위한 신호를 생성하는 PWM 제어부를 포함한다.
상기 트립레벨설정부는 상기 전류지령이 상기 정격전류보다 작은 경우, 상기 점차 증가하는 전류지령에 비례하여 점차 증가하는 트립레벨을 생성하고, 상기 전류지령이 상기 정격전류에 도달된 경우, 상기 정격전류와 동일하게 유지되는 전류지령에 비례한 소정값으로 유지되는 트립레벨을 생성한다.
전술한 바와 같은 인버터 제어장치는 출력전류가 정격전류보다 작은 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안에도 돌입전류에 의해 급상승된 출력전류에 대응하여 인버터의 구동을 정지시킬 수 있으므로, 돌입전류에 의한 인버터의 파손을 더욱 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 인버터시스템에 대한 일 예시이다.
도 3 내지 도 5는 기존의 인버터 제어장치에 의한 출력전류의 전류실측치, 전류지령 및 트립레벨에 대한 비교예를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전류의 전류실측치, 전류지령 및 트립레벨에 대한 예시를 나타낸 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어장치에 대해 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인버터시스템(10)은 직류전압원(11), 인버터(12), 계통전원(13) 및 인버터 제어장치(14)를 포함한다.
직류전압원(11)은 직류전력(DC)을 공급하는 전압원(source)이다. 예시적으로, 직류전압원(11)은 에너지저장시스템(ESS) 또는 태양광어레이(photovoltaic array)일 수 있다. 그 외에도, 직류전압원(11)은 직류전력을 발전하는 친환경에너지시스템일 수 있다.
인버터(12)는 PWM 방식을 이용하여 직류전압원(11)의 직류전압을 교류전압으로 변환하고, 변환한 교류전압을 계통전원(13)으로 공급한다.
계통전원(13)은 상용 교류전원(AC 220V)일 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 인버터(12)는 인버터 제어장치(14)로부터 공급된 PWM제어신호에 기초하여 스위칭되는 스위치소자들(Q)을 포함한다. 즉, 인버터(12)는 고전위와 저전위 사이에 복수의 스위치소자(Q)가 직렬로 연결되고, 복수의 스위치소자(Q)의 공통노드를 통해 계통전원(13)으로 교류전압(AC)을 공급하는 3상 또는 단상 인버터일 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시되어 있지 않으나, 인버터시스템(10)은 인버터(12)와 직류전압원(11) 사이에 배치되는 DC승압모듈(DC boost converter)을 더 포함할 수 있다. DC승압모듈은 직류전압원(11)의 직류전압을 인버터(12)에 의해 변환되기에 용이한 전압레벨로 변환한다.
인버터 제어장치(14)는 인버터(12)에 구비된 스위치소자들을 PWM 제어하기 위한 신호를 생성한다. 즉, 인버터 제어장치(14)는 정격전류에 기초하여 전류지령을 생성하고, 전류지령에 기초하여 PWM 제어 신호를 생성한다. 이러한 PWM 제어 신호에 기초하여 인버터(12)가 구동함으로써, 인버터(12)의 출력전류가 전류지령에 대응될 수 있다.
그리고, 인버터 제어장치(14)는 전류지령이 정격전류보다 작은 경우, 점차 증가하는 전류지령을 생성하고, 전류지령에 비례하여 트립레벨을 설정하며, 인버터(12)의 출력전류가 트립레벨 이상이면, 인버터(12)의 구동을 정지시킨다.
즉, 인버터(12)의 구동이 시작되는 시점에는 인버터(12)의 출력전류가 0이므로, 출력전류와 정격전류 간의 차이가 크다. 이에, 인버터(12)의 초기 구동 시, 전류지령이 정격전류로 설정되면, 전류지령의 급격한 변동으로 인해, 인버터(12)가 과구동할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 인버터 제어장치(14)는 전류지령을 서서히 증가시키는 소프트 스타팅 구동 모드에 따라 인버터(12)의 구동을 제어할 수 있다.
그리고, 인버터 제어장치(14)는 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안, 점차 증가하는 전류지령과 같이, 점차 증가하는 트립레벨을 설정한다. 이로써, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안에도 인버터(12)에 발생된 돌발전류를 감지할 수 있으므로, 돌발전류로 인한 인버터(12)의 파손을 더욱 방지할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인버터 제어장치(14)는 출력측정부(141), 전류지령설정부(142), 트립레벨설정부(143), 셧다운실행부(144), PWM 제어부(145) 및 표시부(146)를 포함한다.
출력측정부(141)는 인버터(12)와 계통전원(13) 사이의 출력전류를 측정하여, 실측치를 생성한다. 즉, 실측치는 인버터(12)로부터 출력되는 실제 전류값에 대응한다.
전류지령설정부(142)는 정격전류에 기초하여 인버터(12)의 출력전류에 대한 전류지령을 생성한다.
전류지령설정부(142)는 전류지령이 정격전류보다 작으면 점차 증가하는 전류지령을 생성한다. 그리고, 전류지령설정부(142)는 전류지령이 정격전류와 동일하기까지 도달되면, 정격전류와 동일하게 유지되는 전류지령을 생성한다.
즉, 전류지령설정부(142)는 인버터(12)의 출력전류가 0인 인버터(12)의 구동 시작 시점부터 전류지령이 정격전류에 도달되기까지, 소프트 스타팅 구동 모드에 따라 점차 증가하는 전류지령을 생성한다. 그리고, 전류지령이 정격전류에 도달된 이후에는, 정전류 구동 모드에 따라 정격전류와 동일하게 유지되는 전류지령을 생성한다.
트립레벨설정부(143)는 전류지령에 기초하여 트립레벨을 생성한다. 여기서, 트립레벨은 인버터(12)의 용량에 따른 허용 출력 전류에 대응한다. 이에, 트립레벨 이상의 출력전류가 소정의 허용치 이상이 되는 경우가 자주 발생할수록, 인버터(12)의 파손이 더욱 용이하게 발생될 수 있다.
트립레벨설정부(143)은 전류지령보다 큰 트립레벨을 생성한다. 즉, 전류지령보다 낮은 트립레벨로 인하여, 인버터(12)의 구동을 강제 정지시키는 제어가 불필요하게 자주 발생될 수 있고, 그에 따라 인버터시스템(10)이 오작동될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 트립레벨은 전류지령보다 큰 값으로 산출된다. 즉, 전류지령에 대한 트립레벨의 비율은 100%를 초과할 수 있다. 예시적으로, 전류지령에 대한 트립레벨의 비율은 110% 내지 120%일 수 있다.
그리고, 트립레벨설정부(143)는 전류지령이 정격전류보다 작은 경우, 소프트 스타팅 구동 모드에 따라 점차 증가하는 전류지령에 비례하여 점차 증가하는 트립레벨을 생성한다. 그리고, 트립레벨설정부(143)는 전류지령이 정격전류에 도달된 경우, 정격전류와 동일하게 유지되는 전류지령에 비례한 소정값으로 유지되는 트립레벨을 생성한다.
셧다운실행부(144)는 출력측정부(141)에 의한 실측치가 트립레벨설정부(143)에 의한 트립레벨 이상이면, 인버터(12)의 구동을 강제 정지시킨다.
즉, 돌발전류 등으로 인해 인버터(12)의 출력전류가 트립레벨 이상으로 급증하는 경우가 자주 발생할수록 인버터(12)가 파손될 가능성이 높아진다. 이에, 소정의 허용치(트립레벨) 이상의 출력전류로 인한 인버터(12)의 파손을 방지하기 위하여, 셧다운실행부(144)는 트립레벨 이상의 출력전류를 감지하면, 인버터(12)의 구동을 강제 정지시킨다.
일 예로, 셧다운실행부(144)는 실측치가 트립레벨보다 크면 전류지령을 0으로 설정함으로써, 인버터(12)의 구동을 정지시킬 수 있다.
PWM 제어부(145)는 전류지령에 기초하여 인버터(12)에 구비된 스위치소자들(도 2의 Q)을 PWM 제어하기 위한 신호를 생성한다.
표시부(146)은 셧다운실행부(144)가 인버터(12)의 구동을 정지시키는 상태에 대해 표시한다. 즉, 표시부(146)은 인버터(12)의 구동 정지가 발생된 시점을 표시할 수 있다. 일 예로, 표시부(146)는 일반 구동 모드 기간에 발생된 인버터(12)의 구동 정지, 및 소프트 스타팅 구동 모드 기간에 발생된 인버터(12)의 구동 정지 중 어느 하나를 표시할 수 있다.
또한, 표시부(146)는 인버터(12)의 구동 정지가 발생된 시점에서의 실측치, 전류지령 및 트립레벨을 더 표시할 수 있다.
이러한 표시부(146)를 통해 인버터(12)의 구동이 강제 정지된 이유가 인버터시스템(10)의 관리자에게 제공될 수 있으므로, 인버터시스템(10)의 유지보수 및 관리가 더욱 용이해질 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어장치(14)는 정격전류가 아닌 전류지령에 비례하는 트립레벨을 생성한다. 이에, 소프트 스타팅 구동 모드에 따라 점차 증가하는 전류지령에 기초하여 점차 증가하는 트립레벨이 생성된다. 그러므로, 트립레벨을 정격전류에 기초하여 생성하는 경우와 달리, 소프트 스타팅 구동 모드에서도 돌발전류가 감지될 수 있고, 그로 인해인버터(12)의 파손을 용이하게 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 3 내지 도 5는 기존의 인버터 제어장치에 의한 출력전류의 실측치, 전류지령 및 트립레벨에 대한 비교예를 나타낸 도면이다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전류의 실측치, 전류지령 및 트립레벨에 대한 예시를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 기존의 인버터 제어장치는 인버터(12)가 턴온하는 시점부터 전류지령(도 3의 실선)가 정격전류(도 3의 얇은 점선)까지 도달되는 시점까지의 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안, 점차 증가하도록 가변하는 전류지령을 생성한다. 그리고, 전류지령이 정격전류까지 도달된 이후 정전류 방식으로 구동되는 일반 구동 모드 기간 동안, 전류지령을 정격전류로 유지한다. 이에, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안, 실측치(도 3의 굵은 점선)는 전류지령에 기초하여 점차 증가하고, 일반 구동 모드 기간 동안, 전류 실측치는 전류지령에 기초하여 정격전류의 유사범위로 유지된다.
그런데, 기존의 인버터 제어장치는 정격전류에 기초하여 트립레벨(도 3의 일점쇄선)을 생성한다. 이에, 기존의 인버터 제어장치는 소프트 스타팅 구동 모드 기간 및 일반 구동 모드 기간 동안, 소정값으로 고정된 정격전류의 약 1.1배 내지 1.2배로 고정되는 트립레벨(이하, "고정 트립레벨"이라 함)을 산출한다.
그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 기존의 인버터 제어장치는 일반 구동 모드 기간 동안 돌발전류로 인해 급상승된 실측치가 고정 트립레벨을 초과하면 (OC1), 정격전류를 0으로 강제 변경한다. 이로써, 인버터의 구동이 정지되고, 실측치는 0이 된다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안 돌발전류로 인해 급상승된 실측치가 고정 트립레벨 이하이면 (OC2), 기존의 인버터 제어장치는 급상승된 실측치에 관계없이 인버터의 구동을 유지한다. 즉, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안 실측치는 정격전류 미만이므로, 돌발전류로 인해 급상승하더라도 고정 트립레벨을 초과하기 어렵다.
이에 따라, 기존의 인버터 제어장치는 돌발전류를 감지하여 인버터의 구동을 정지시키기 어려우므로, 돌발전류로 인한 인버터의 파손이 용이하게 발생될 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어장치(14)는 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안 가변하는 트립레벨을 생성한다.
구체적으로, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어장치(14)는 전류지령(도 6의 실선)에 기초하여 트립레벨(도 6의 일점쇄선)을 생성한다. 즉, 일 실시예에 따른 인버터 제어장치(14)는 전류지령과 마찬가지로, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안 점차 증가하고 일반 구동 모드 기간 동안 소정값으로 유지되도록 가변하는 트립레벨(이하, "가변 트립레벨"이라 함)을 생성한다. 일 예로, 인버터 제어장치(14)는 전류지령의 약 1.1배 내지 1.2배로 가변 트립레벨을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일반 구동 모드 기간 동안 전류지령은 정격전류로 유지되므로, 가변 트립레벨 또한 정격전류의 약 1.1배 내지 1.2배에 해당되는 소정값으로 유지된다.
이에, 일 실시예에 따른 인버터 제어장치(14)는 도 4의 비교예와 마찬가지로, 일반 구동 모드 기간 동안 돌발전류로 인해 급상승된 실측치가 고정 트립레벨을 초과하면 (OC1), 정격전류를 0으로 강제 변경한다. 이로써, 인버터의 구동이 정지되고, 실측치는 0이 된다.
반면, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안 전류지령은 정격전류에 도달되기까지 점차 증가하도록 가변하므로, 가변 트립레벨 또한 전류지령의 약 1.1배 내지 1.2배로 점차 증가하도록 가변한다.
이에, 도 7에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따른 인버터 제어장치(14)는 소프트 스타팅 기간 동안 가변 트립레벨을 통해 돌발전류로 인해 급상승된 실측치(OC2)를 감지할 수 있다. 그리고, 급상승된 실측치가 가변 트립레벨을 초과하면 (OC2), 정격전류를 0으로 강제 변경한다. 이로써, 인버터의 구동이 정지되고, 실측치는 0이 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가변 트립레벨을 생성함으로써, 소프트 스타팅 구동 모드 기간 동안에도 돌발전류로 인해 인버터가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10: 인버터시스템
11: 직류전압원
12: 인버터
13: 계통전원
14: 인버터 제어장치

Claims (7)

  1. 직류전압원과 계통전원 사이에 연계되는 인버터의 구동을 제어하는 인버터 제어장치에 있어서,
    상기 인버터의 출력전류에 대한 전류지령이 정격전류보다 작은 경우, 점차 증가하는 전류지령을 생성하고,
    상기 전류지령에 비례하여 트립레벨을 설정하며,
    상기 인버터의 출력전류가 상기 트립레벨 이상이면, 상기 인버터의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터의 출력전류를 측정하여 실측치를 생성하는 출력측정부;
    상기 정격전류에 기초하여 상기 전류지령을 생성하는 전류지령설정부;
    상기 전류지령에 기초하여 상기 트립레벨을 생성하는 트립레벨설정부;
    상기 실측치가 상기 트립레벨 이상이면, 상기 인버터의 구동을 정지시키는 셧다운실행부; 및
    상기 전류지령에 기초하여 상기 인버터에 구비된 스위치소자들을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하기 위한 신호를 생성하는 PWM 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류지령설정부는
    상기 전류지령이 상기 정격전류보다 작으면 점차 증가하는 전류지령을 생성하고,
    상기 전류지령이 상기 정격전류에 도달되면 상기 정격전류와 동일하게 유지되는 전류지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 트립레벨설정부는 상기 전류지령보다 큰 트립레벨을 생성하고,
    상기 전류지령에 대한 상기 트립레벨의 비율은 100%를 초과하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 트립레벨설정부는
    상기 전류지령이 상기 정격전류보다 작은 경우, 상기 점차 증가하는 전류지령에 비례하여 점차 증가하는 트립레벨을 생성하고,
    상기 전류지령이 상기 정격전류에 도달된 경우, 상기 정격전류와 동일하게 유지되는 전류지령에 비례한 소정값으로 유지되는 트립레벨을 생성하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전류지령에 대한 상기 트립레벨의 비율은 110% 내지 120%인 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 셧다운실행부는
    상기 실측치가 상기 트립레벨 이상이면, 상기 전류지령을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
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