KR20180102433A - 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치 - Google Patents

인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치 Download PDF

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Abstract

인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치가 개시된다. 본 발명의 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치는 인버터 출력단의 3상 전압을 저장하는 저장부; 및 상기 3상 전압을 이용하여 상기 3상 전압의 정상분 및 역상분을 결정하고, 상기 정상분을 계통전압과 비교하여 그 결과에 따라 불평형이 발생한 상전압의 크기를 결정하는 제어부;를 포함한다.

Description

인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치{Estimating device of unbalanced voltage of unbalanced phase}
본 발명은 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치에 관한 것이다.
산업용 전자기기인 인버터(inverter)는 교류전류를 직류로 변환하는 장치이다.
교류 전동기에 사용되는 인버터는 직류로 변환된 전류를 다시 3상의 교류전원으로 변환하게 된다.
한편, 최근 에너지 저장장치(ESS)나 태양광 인버터의 계통연계 기준이 강화되고 있어 계통의 다양한 사고상황에 따른 인버터 내의 보호 기능의 요구가 커지고 있다.
계통의 지락사고 등으로 인한 3상 계통전압의 불평형 현상은 대표적인 계통 사고상황 중 하나이다.
계통연계형 인버터(ESS나 태양과 인버터)는 제어나 보호동작을 위해 계통의 상전압을 필수적으로 측정해야한다.
3상의 전압을 측정하는 방법은 각 상과 가상 중성점 간의 상전압을 직접 측정하는 방법과 각 상간의 선간전압을 측정하고 변환식을 이용하여 각 상전압을 계산하는 간접적 측정 방법이 있다.
도 1은 계통전압이 평형상태인 경우에 계산된 상전압과 실제 상전압을 비교한 도면이다.
도 1의 (a)에서 VA, VB 및 VC는 실제 상전압을 나타낸다.
도 1의 (b)에서 VAB, VBC 및 VCA는 측정된 선간전압을 나타낸다.
도 1의 (d)에서 VA_ calc, VB _ calc 및 VC_ calc는 측정된 선간접압을 변환식에 적용하여 계산된 상전압을 나타낸다.
도 1의 (d) 는 실제 상전압과 계산된 상전압을 비교한 것이다.
도 1의 (d)를 참조하면, VA는 VA_calc 값과 동일한 것을 알 수 있다.
도 2는 계통전압이 불평형상태인 경우에 계산된 상전압과 실제 상전압을 비교한 도면이다.
도 2에서의 기호는 도 1에서와 동일하다. 다만, 도 2에서는 VA에 불평형이 발생하였다고 가정한다.
도 2의 (a)는 실제 상전압을, (b)는 측정된 선간전압을, (c)는 측정된 선간전압을 변환식에 적용하여 계산된 상전압을, 그리고 (d)는 실제 상전압과 계산된 상전압을 비교한 것이다.
도 2의 (d)를 참조하면, 불평형이 발생한 상에 대하여 선간전압으로부터 유도된 상전압은 실제 상전압과 차이가 있음을 알 수 있다.
선간전압을 측정하고 변환식을 이용하여 각 상전압을 계산하는 공통모드(common mode) 노이즈(noise)에 강인하고, 회로 구성이 편리하다는 장점은 있으나, 도 1 및 도 2를 통하여 살펴본 바와 같이 불평형이 발생하였을 때 제어나 보호동작의 기초가 되는 계통의 상전압을 정확히 얻을 수 없는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 불평형이 발생한 상의 전압을 정확히 계산할 수 있는 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치는 인버터 출력단의 3상 전압을 저장하는 저장부; 및 상기 3상 전압을 이용하여 상기 3상 전압의 정상분 및 역상분을 결정하고, 상기 정상분을 계통전압과 비교하여 그 결과에 따라 불평형이 발생한 상전압의 크기를 결정하는 제어부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 인버터 출력단의 선간전압을 측정하여 상기 제어부에 제공하는 전압측정부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 선간전압으로부터 3상 전압을 결정하여 상기 저장부에 저장할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 3상 전압의 위상을 추정하는 위상각 추정부; 상기 위상을 이용하여, 상기 선간전압을 dq 전압으로 변환하는 dq축 변환부; 및 상기 dq 전압을 이용하여 상기 정상분 및 상기 역상분을 결정하는 연산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 정상분의 크기가 계통전압보다 큰 경우 불평형이 발생한 상전압의 크기를 수학식
Figure pat00001
에 의해 결정할 수 있다.(여기서, Vunbalance 는 불평형이 발생한 상전압의 크기, Vp는 정상분, Vn은 역상분임)
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 정상분의 크기가 계통전압보다 작은 경우 불평형이 발생한 상전압의 크기를 수학식
Figure pat00002
에 의해 결정할 수 있다. (여기서, Vunbalance 는 불평형이 발생한 상전압의 크기, Vp는 정상분, Vn은 역상분임)
본 발명은 불평형이 발생한 상의 전압을 정확히 계산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 계통전압이 평형상태인 경우에 계산된 상전압과 실제 상전압을 비교한 도면이다.
도 2는 계통전압이 불평형상태인 경우에 계산된 상전압과 실제 상전압을 비교한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법에 따라 결정된 불평형이 발생한 상의 전압크기와 실제 불평형이 발생한 상의 전압을 비교한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치는 인버터의 출력단과 전력계통(300) 사이에 연결될 수 있다.
전원부(200)는 인버터에 전원을 공급한다. 본 발명의 일실시예에서 전원부(200)는 태양광 전지(Photo Voltaic cell) 또는 배터리(battery)로 예시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 전원부(200)는 교류전원을 받아 직류로 전환하는 컨버터로 구성될 수도 있다.
인버터부(210)는 공급받은 전원을 3상의 교류전원으로 출력할 수 있다. 3상은 A상, B상, C상으로 구분하기로 한다.
인버터부(210)의 출력단에 가까운 위치에는 필터부(220)가 배치될 수 있다. 필터부(220)는 LC필터를 포함할 수 있으며, 과전압을 방지하는 역할을 한다.
3상의 전원은 전력계통(300)으로 연결된다.
본 발명의 일실시예의 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치는 전압측정부(110), 제어부(120) 및 저장부(130)를 포함한다.
전압측정부(110)는 인버터부(210)의 출력단에 연결되며, 선간전압을 측정할 수 있다.
전압측정부(110)는 제1전압측정부(112), 제2전압측정부(114) 및 제3전압측정부(116)를 포함할 수 있다.
제1전압측정부(112)는 A상이 출력되는 전선 및 B상이 출력되는 전선에 연결되어 A상과 B상 간 선간전압인 VAB를 측정할 수 있다.
제2전압측정부(114)는 B상이 출력되는 전선 및 C상이 출력되는 전선에 연결되어 B상과 C상 간 선간전압인 VBC를 측정할 수 있다.
제3전압측정부(116)는 C상이 출력되는 전선 및 A상이 출력되는 전선에 연결되어 C상과 A상 간 선간전압인 VCA를 측정할 수 있다.
제어부(120)는 측정된 선간전압을 수신하고, 3상의 전압을 계산하고, 3상의 전압을 이용하여 위상각을 추정하고, dq축 변환을 수행하고, dq축 변환된 전압을 이용하여 3상전압의 정상분 및 역상분을 계산하고, 이를 이용하여 불평형이 발생한 상의 전압 크기를 계산할 수 있다.
제어부(120)는 위상각 추정부(122), dq축 변환부(124) 및 연산부(126)를 포함할 수 있다.
위상각 추정부(122)는 VA_ calc, VB __ calc 및 VC_ calc를 이용하여 위상각을 추정할 수 있다.
여기서, VA_ calc, VB __ calc 및 VC_ calc는 각각 계산된 3상 전압을 나타낸다.
위상각을 추정하는 방법 중 하나는 DSOGI PLL(Double Second-Order Generalized Integrator Phase Locked Loop) 등의 알고리즘을 이용할 수 있다.
dq축 변환부(124)는 추정된 위상각과 역위상을 이용하여 dq축 변환을 할 수 있다.
dq축 변환부(124)는 dq축 변환을 수행하여 Vd _p, Vq _p, Vd _n, Vq _n을 각각 계산할 수 있다.
3상의 전압에 대한 제어를 하기 위하여는 dq변환을 이용한 동기좌표계(synchronous reference frame)를 이용할 수 있다. 3상 전압의 제어는 대부분 d축 전압(유효전력분) 및 q축 전압(무효전력분)으로 나누어서 수행될 수 있는 제어지령을 다시 역변환하여 3상 전압지령으로 만드는 과정에 의하여 수행될 수 있다.
상술한 축변환 된 전압의 아래첨자중 d는 d축 변환된 전압, q는 q축 변환된 전압, p는 정상분, n은 역상분을 의미한다.
연산부(126)는 선간전압으로부터 각 상의 전압을 계산하고 위상각 추정부(122)에 제공할 수 있으며, dq축 변환부(124)에서 제공된 전압으로부터 3상 전압의 정상분 및 역상분을 계산하고, 불평형이 발생한 상의 전압크기를 계산할 수 있다.
연산부(126)가 선간전압으로부터 각 상의 전압을 계산하는 방법은 하기 [수학식 1]을 따를 수 있다.
Figure pat00003
연산부(126)는 dq축 변환부(124)로부터 계산된 Vd _p, Vq _p, Vd _n, Vq _n를 이용하여 정상분의 크기 및 역상분의 크기를 계산할 수 있으며, 계산방법은 하기 [수학식 2]를 따를 수 있다.
Figure pat00004
여기서 Vp는 3상 전압의 정상분, Vn은 3상 전압의 역상분을 의미한다.
3상 전압시스템에서 정상분과 역상분 전압은 다음 [수학식 3]과 같이 정의된다.
Figure pat00005
여기서, VA는 A상의 전압, VB는 B상의 전압 그리고 VC는 C상의 전압을 의미한다. VA, VB 및 VC 3상의 전압은 다음 [수학식 4]와 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00006
여기서, VmA, VmB, VmC는 각각 VA, VB 및 VC의 크기이다. [수학식 4]를 이용할 때, 3상 전압의 정상분 및 역상분은 [수학식 5]와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00007
만약, 두 상의 크기가 계통전압 Vm이고(계통 공칭(nominal) 전압을 의미한다), 나머지 한 상의 크기를 αVm으로 하기로 한다. 예를 들어, C상에서 불평형이 발생한 경우 VmA=VmB=Vm이고, VmC=αVm일 수 있다. 이 경우, 3상 전압의 정상분 및 역상분은 다음 [수학식 6]과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00008
여기서, α>1 이면, 불평형이 발생한 상의 전압의 크기가 계통전압 Vm보다 크다는 의미이며, α<1는 계통전압 Vm보다 작다는 의미이다. 즉, α>1 이면 |Vp|>Vm이고, α<1 이면 |Vp|<Vm이다.
제어부(120)는 |Vp|와 Vm를 비교함으로써, 불평형이 발생한 전압의 크기인 αVm을 계산할 수 있다.
[수학식 6]의 두 식의 조합에 의할 때, α>1인 경우 불평형이 발생한 상의 전압크기는 [수학식 7]과 같다.
Figure pat00009
[수학식 6]의 두 식의 조합에 의할 때, α<1인 경우 불평형이 발생한 상의 전압크기는 [수학식 8]과 같다. 여기서, Vunbalance는 불평형이 발생한 상의 전압크기를 의미한다.
Figure pat00010
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치에 의하여 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치를 주체로 하여 설명하기로 한다.
S401단계에서, 전압측정부(110)는 선간전압을 측정한다. 전압측정부(110)는 선간전압을 측정하여 제어부(120)에 제공할 수 있다.
S403단계에서, 제어부(120)는 선간전압을 이용하여 3상 전압을 각각 계산한다. 제어부(120)가 3상 전압을 계산하는 방법은 상술한 [수학식 1]에 의할 수 있다.
S405단계에서, 제어부(120)는 계산된 3상 전압을 이용하여 위상각을 추정한다.
S407단계에서, 제어부(120)는 추정된 위상각을 이용하여 dq축 변환을 수행한다. 이는 정상분 및 역상분에 대하여 각각 수행된다. dq축 변환결과 d축 변환된 전압의 정상분 및 역상분 그리고 q축 변환된 전압의 정상분 및 역상분을 얻을 수 있다.
S409단계에서, 제어부(120)는 dq축 변환된 전압들을 이용하여 3상 전압의 정상분의 크기 및 3상 전압의 역상분의 크기를 계산할 수 있다. 3상 전압의 정상분의 크기 및 3상 전압의 역상분의 크기를 계산하는 방법은 [수학식 2]를 따를 수 있다.
S411단계에서, 제어부(120)는 정상분의 크기와 계통전압을 비교한다. 정상분의 크기가 계통전압보다 큰 경우 S413단계로 진행하고, 작은 경우 S415단계로 진행한다.
S413단계에서, 제어부(120)는 3상 전압의 정상분과 역상분을 이용하여 불평형이 발생한 상의 전압 크기를 계산한다. 불평형이 발생한 상의 전압 크기를 계산하는 방법은 [수학식 7]을 따를 수 있다.
S415단계에서, 제어부(120)는 3상 전압의 정상분과 역상분을 이용하여 불평형이 발생한 상의 전압 크기를 계산한다. 불평형이 발생한 상의 전압 크기를 계산하는 방법은 [수학식 8]을 따를 수 있다.
S417단계에서, 저장부(130)는 계산된 불평형이 발생한 상의 전압 크기를 저장한다. 저장부(130)에 저장된 전압 크기는 인버터의 제어나 보호동작에 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법에 따라 결정된 불평형이 발생한 상의 전압크기와 실제 불평형이 발생한 상의 전압을 비교한 도면이다.
도 5의 (a)는 실제 상전압을, (b)는 측정된 선간전압을, (c)는 측정된 선간전압을 변환식에 적용하여 계산된 상전압을, 그리고 (d)는 실제 상전압(VA), 계산된 상전압(VA_calc) 및 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법에 따라 계산된 불평형이 발생된 상의 전압크기(Vunbalance)를 비교한 것이다.
도 5의 (d)를 참조하면, 3상 전압 간 불평형이 발생한 경우 불평형이 발생한 상(A상)의 실제 상전압(VA)의 크기는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법에 따라 계산된 불평형이 발생된 상의 전압크기(Vunbalance)와 일치하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정방법은 불평형이 발생된 상의 전압크기(Vunbalance)를 정확히 계산할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110: 전압측정부:
120: 위상각 추정부:
130: dq축 변환부:
140: 연산부:
150: 저장부
200: 전원부
210: 인버터부
220: 필터부
300: 전력계통

Claims (5)

  1. 인버터 출력단의 3상 전압을 저장하는 저장부; 및
    상기 3상 전압을 이용하여 상기 3상 전압의 정상분 및 역상분을 결정하고, 상기 정상분을 계통전압과 비교하여 그 결과에 따라 불평형이 발생한 상전압의 크기를 결정하는 제어부;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 출력단의 선간전압을 측정하여 상기 제어부에 제공하는 전압측정부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 선간전압으로부터 3상 전압을 결정하여 상기 저장부에 저장하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    3상 전압의 위상을 추정하는 위상각 추정부;
    상기 위상을 이용하여, 상기 선간전압을 dq 전압으로 변환하는 dq축 변환부; 및
    상기 dq 전압을 이용하여 상기 정상분 및 상기 역상분을 결정하는 연산부를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 정상분의 크기가 계통전압보다 큰 경우 불평형이 발생한 상전압의 크기를 수학식
    Figure pat00011
    에 의해 결정하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치.
    (여기서, Vunbalance 는 불평형이 발생한 상전압의 크기, Vp는 정상분, Vn은 역상분임)
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 정상분의 크기가 계통전압보다 작은 경우 불평형이 발생한 상전압의 크기를 수학식
    Figure pat00012
    에 의해 결정하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 불평형이 발생한 상의 전압크기 추정장치.
    (여기서, Vunbalance 는 불평형이 발생한 상전압의 크기, Vp는 정상분, Vn은 역상분임)
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