KR20200001498A - Modulation method and apparatus of Modular Multi-level converter operated in nearest level control - Google Patents

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KR20200001498A
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Abstract

Disclosed are a voltage modulation method of a module-typed multi-level converter and a device thereof. The voltage modulation method of a module-typed multi-level converter comprises the steps of: (a) performing current control by using sensed phase voltage and input current; (b) outputting a phase voltage command value in accordance with the current control; and (c) calculating a variable offset voltage command value and a terminal voltage command value by using a level of the phase voltage command value and calculating the variable offset voltage command value to maximize magnitude of terminal voltage.

Description

모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법 및 그 장치{Modulation method and apparatus of Modular Multi-level converter operated in nearest level control}Modulation method and apparatus of Modular Multi-level converter operated in nearest level control

본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법 및 그 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for voltage modulation of a modular multilevel converter.

최근 화석연료의 고갈과 탄산가스배출의 저감을 위해 해상 풍력발전단지가 건설되면서 생산된 전력을 육지로 효율적으로 전송하기 위한 방안으로 고압 또는 중압 직류송전시스템이 설치 운영되고 있다.Recently, as the offshore wind farm was constructed to reduce the exhaustion of fossil fuels and carbon dioxide emissions, a high pressure or medium pressure DC transmission system has been installed and operated to efficiently transfer the produced power to the land.

이러한 목적으로 사용 중인 직류송전시스템은 스위칭소자로 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 전압형 컨버터로 구성되어 있다. 따라서 출력전압의 크기와 위상 제어가 가능하여 연계된 교류계통에서 소요되는 유·무효전력의 독립적인 제어가 가능하다. 직류송전용 전압형 컨버터는 초기에는 다수의 스위칭소자를 직결한 낮은 주파수의 PWM (Pulse Width Modulation)으로 동작하는 3-레벨 방식이 제안되었으나 높은 스위칭 손실과 고조파 레벨 때문에 시스템의 효율이 낮고 필터의 외형이 큰 단점을 나타내었다.   The DC transmission system in use for this purpose consists of a voltage converter using IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a switching device. Therefore, it is possible to control the magnitude and phase of the output voltage, so that independent control of active and reactive power required in the connected AC system is possible. The voltage converter for DC transmission was initially proposed as a three-level method that operates with a low frequency pulse width modulation (PWM) directly connected to a large number of switching devices. However, due to the high switching losses and harmonic levels, the system efficiency is low and the appearance of the filter is low. This showed a big disadvantage.

이러한 단점을 해결하는 방안으로 2개 또는 4개의 IGBT와 커패시터를 가지고 반-브리지 또는 풀-브리지로 서브모듈 (SM: Sub-Module)을 구성한 후 다수의 SM을 직렬로 연결하여 구성한 모듈형 멀티레벨 컨버터 (MMC: Modular Multilevel Converter)가 제안되었다. MMC는 동작전압에 따라 직렬로 연결하는 SM의 개수를 증감할 수 있어 컨버터 구성에 유연성이 있고 직렬로 연결된 각 SM은 낮은 주파수로 스위칭이 가능하여 스위칭손실이 작고 또한 SM의 개수가 증가할 경우 형성되는 출력전압의 고조파가 대단히 낮은 장점을 갖는다. 따라서 고압과 중압 직류송전시스템에서 가장 적합한 컨버터로 알려져 최근 널리 활용되고 있다.As a solution to this problem, modular multilevel consisting of two or four IGBTs and capacitors and a sub-module consisting of half-bridges or full-bridges, and then connecting multiple SMs in series. A converter (MMC: Modular Multilevel Converter) has been proposed. MMC can increase or decrease the number of SMs connected in series according to the operating voltage, which provides flexibility in the converter configuration. Each SM connected in series can be switched to a lower frequency, so that the switching loss is small and the number of SMs increases. The harmonics of the output voltage are very low. Therefore, it is widely known as the most suitable converter in high voltage and medium voltage DC power transmission systems.

고압 직류송전시스템에서 사용되는 MMC의 경우 직류전압이 200-320kV 이고 암(arm)당 SM의 개수가 대략 150-300에 달한다. 출력전압을 형성하는 컨버터의 모듈레이션 방식은 계단파형을 형성하는 근사레벨제어 (NLC: Nearest Level Control)를 사용한다. 반면에 중압 직류송전시스템에 사용되는 MMC의 경우 직류전압이 2.4-6.6kV 이고 암당 SM의 개수가 대략 10-50 정도이다. 출력전압을 형성하는 컨버터의 모듈레이션 방식은 암당 모듈 수에 따라 스위칭손실과 고조파레벨을 고려하여 위상쉬프팅 (Phase Shifting) PWM과 NLC를 사용한다.MMC used in high voltage DC transmission system has a DC voltage of 200-320kV and the number of SMs per arm is about 150-300. The modulation method of the converter that forms the output voltage uses Nearest Level Control (NLC) that forms a stepped waveform. On the other hand, the MMC used in the medium voltage DC transmission system has a DC voltage of 2.4-6.6kV and the number of SMs per arm is about 10-50. The modulation method of the converter that forms the output voltage uses phase shifting PWM and NLC in consideration of switching loss and harmonic level according to the number of modules per arm.

NLC 방식은 구현이 간단하고 스위칭 주파수가 낮아 스위칭손실이 적은 장점을 갖지만 전압 변조지수(MI: Modulation Index)에 따라 출력전압의 동작레벨이 정해지므로 동작레벨이 낮을 경우 전고조파 왜형률 (THD: Total Harmonic Distortion)이 높은 단점을 갖는다. 특히 중압에서 사용되는 MMC의 경우 SM의 개수가 적어 더 큰 영향을 받는다.The NLC method has the advantage of simple switching and low switching frequency due to its low switching frequency.However, the output voltage is determined according to the Modulation Index (MI), so the total harmonic distortion (THD: Total) is low. Harmonic Distortion) has a high disadvantage. In particular, in the case of MMC used at medium pressure, the number of SMs is small and is more affected.

(01) 대한민국공개특허 제10-2018-0010850호(2018.01.31)(01) Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0010850 (2018.01.31)

본 발명은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a method and apparatus for voltage modulation of a modular multilevel converter.

또한, 본 발명은 극전압이 항상 최대크기가 되도록 가변 오프셋 전압을 이용한 NLC 기반 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다. The present invention also provides a method and apparatus for voltage modulation of an NLC-based modular multilevel converter using a variable offset voltage such that the extreme voltage is always the maximum size.

또한, 본 발명은 중압 직류송전용 모듈형 멀티레벨 컨버터의 출력전압 THD를 저감할 수 있는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다. The present invention also provides a method and apparatus for voltage modulation of a modular multilevel converter capable of reducing the output voltage THD of a modular multilevel converter for medium voltage direct current transmission.

본 발명의 일 측면에 따르면, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법이 제공된다. According to one aspect of the present invention, a voltage modulation method of a modular multilevel converter is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 센싱된 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행하는 단계; (b) 상기 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력하는 단계; 및 (c) 상기 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 산출하되, 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출하는 단계를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법이 제공될 수 있다. According to one embodiment of the invention, (a) performing a current control using the sensed phase voltage and input current; (b) outputting a phase voltage command value according to the current control; And (c) calculating a variable offset voltage command value and an extreme voltage command value by using the magnitude of the phase voltage command value, and calculating a variable offset voltage command value to maximize the magnitude of the extreme voltage. A voltage modulation method of a multilevel converter may be provided.

상기 (c) 단계는, 상기 극전압의 최대 크기가

Figure pat00001
가 되도록 상기 가변 오프셋 전압 지령값을 산출할 수 있다. In step (c), the maximum magnitude of the pole voltage is
Figure pat00001
The variable offset voltage command value can be calculated such that.

상기 (c) 단계는, 상기 상전압 지령값의 크기에 따라 상기 가변 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치가 상이하게 도출될 수 있다. In the step (c), a weight for calculating the variable offset voltage command value may be differently derived according to the magnitude of the phase voltage command value.

상기 전압 변조 지수가 기준치 이상인 경우, 상기 가중치(

Figure pat00002
)는 하기 수학식을 이용하여 계산되되,
Figure pat00003
If the voltage modulation index is equal to or greater than a reference value, the weight (
Figure pat00002
) Is calculated using the following equation,
Figure pat00003

여기서, MI는 전압 변조 지수를 나타낸다. Here, MI represents a voltage modulation index.

상기 전압 변조 지수가 기준치 미만인 경우, 상기 가중치(

Figure pat00004
)는 하기 수학식을 이용하여 계산된다. If the voltage modulation index is less than the reference value, the weight (
Figure pat00004
) Is calculated using the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

본 발명의 다른 측면에 따르면, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, a control apparatus of a modular multilevel converter is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치에 있어서, 센싱된 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행하고, 상기 전류 제어에 따른 상기 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력하는 전류 제어부; 및 상기 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 산출하되, 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출하는 계산부를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the control apparatus of the modular multilevel converter, current control is performed using the sensed phase voltage and input current, and the phase voltage command value according to the current control according to the current control. A current controller for outputting the same; And a calculation unit configured to calculate a variable offset voltage command value and an extreme voltage command value using the magnitude of the phase voltage command value, and calculate a variable offset voltage command value to maximize the magnitude of the extreme voltage. The control device of can be provided.

상기 계산부는, 상기 극전압이

Figure pat00006
가 되도록 상기 가변 오프셋 전압 지령값을 산출할 수 있다. The calculation unit, the pole voltage is
Figure pat00006
The variable offset voltage command value can be calculated such that.

상기 계산부는, 상기 상전압 지령값의 크기에 따라 상기 가변 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치를 상이하게 도출할 수 있다. The calculator may derive different weights for calculating the variable offset voltage command value according to the magnitude of the phase voltage command value.

본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법 및 그 장치를 제공함으로써, 가변 오프셋 전압을 이용하여 극전압이 항상 최대 크기를 가지도록 할 수 있다. By providing a method and apparatus for voltage modulation of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention, it is possible to ensure that the pole voltage always has a maximum magnitude by using a variable offset voltage.

또한, 본 발명은 중압 직류송전용 모듈형 멀티레벨 컨버터의 출력전압 THD를 저감할 수 있는 이점이 있다. In addition, the present invention has the advantage of reducing the output voltage THD of the modular multi-level converter for medium voltage direct current transmission.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적인 오프셋 전압을 이용한 전압 변조 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 NLC에 의한 출력 전압이 형성되는 원리를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 SM의 개수에 따른 전고조파 왜형률을 나타낸 도면이고, 도 5는 오프셋 전압에 의해 극전압이 감소하는 구간에서의 극전압, 상전압, 및 오프셋 전압을 나타낸 그래프.
도 6은 오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 커지는 구간에서의 극전압, 상전압, 및 오프셋 전압을 나타낸 그래프.
도 7은 MI의 범위에 따른 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치(

Figure pat00007
)값을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 최대 출력전압의 레벨 수에 상응하는 THD를 나타낸 그래프.
도 9는 정현파 방식을 적용한 경우, MI의 변화에 따른 극전압, 상전압, 오프셋 전압 및 선간전압을 나타낸 그래프.
도 10은 공간벡터 방식을 적용한 경우로 MI의 변화에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 극전압, 상전압, 오프셋 전압 그리고 선간전압을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI의 변화에 따른 전압, 상전압, 오프셋 전압 그리고 선간전압을 나타낸 그래프.
도 12는 각각의 MI에서 주요 전압을 확대한 파형을 나타낸 그래프.
도 13은 정현파 방식을 적용한 경우로 MI를 에서 0.8까지 일정한 기울기로 감소하였을 때, 13-레벨 MMC에서 출력되는 극전압, 상전압 그리고 오프셋 전압을 나타낸 그래프.
도 14는 동일하게 MI 변화를 주었을 때, 공간벡터 방식을 적용한 경우의 실험 파형을 나타낸 그래프.
도 15는 동일하게 MI 변화를 주었을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 파형을 나타낸 그래프.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI에서 출력전압의 파형을 나타낸 그래프.
도 17은 각 모듈레이션 기법에 따른 출력전압 파형의 THD를 분석 정리한 그래프.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도. 1 is a flowchart illustrating a voltage modulation method using a variable offset voltage according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing the configuration of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention;
3 is a view for explaining the principle that the output voltage by the NLC is formed.
FIG. 4 is a diagram illustrating total harmonic distortion according to the number of SMs, and FIG. 5 is a graph illustrating pole voltages, phase voltages, and offset voltages in a period in which pole voltages are reduced by offset voltages.
6 is a graph showing the pole voltage, the phase voltage, and the offset voltage in a section in which the pole voltage becomes larger than the phase voltage by the offset voltage.
7 is a weight for calculating an offset voltage command value according to the range of MI (
Figure pat00007
A graph showing) values.
8 is a graph showing the THD corresponding to the number of levels of the maximum output voltage in the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph illustrating extreme voltages, phase voltages, offset voltages, and line voltages according to MI changes when the sine wave method is applied.
10 is a graph showing pole voltage, phase voltage, offset voltage and line voltage of a modular multilevel converter according to a change of MI in the case of applying a space vector method.
11 is a graph showing a voltage, a phase voltage, an offset voltage, and a line voltage according to a change of MI according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing enlarged waveforms of main voltages at respective MIs.
FIG. 13 is a graph showing the extreme voltage, the phase voltage and the offset voltage output from the 13-level MMC when the MI is reduced to a constant slope from 0.8 to the sinusoidal method.
14 is a graph showing experimental waveforms when the spatial vector method is applied when MI is changed in the same manner.
Figure 15 is a graph showing the experimental waveform according to an embodiment of the present invention, when the MI change in the same manner.
16 is a graph showing the waveform of the output voltage in the MI according to an embodiment of the present invention.
17 is a graph analyzing and arranging THD of an output voltage waveform according to each modulation technique.
18 is a block diagram schematically illustrating an internal configuration of a control device of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “consisting of” or “comprising” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or some steps It should be construed that it may not be included or may further include additional components or steps. In addition, the terms "... unit", "module", etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software. .

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적인 오프셋 전압을 이용한 전압 변조 방법을 나타낸 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 NLC에 의한 출력 전압이 형성되는 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 4는 SM의 개수에 따른 전고조파 왜형률을 나타낸 도면이고, 도 5는 오프셋 전압에 의해 극전압이 감소하는 구간에서의 극전압, 상전압, 및 오프셋 전압을 나타낸 그래프이고, 도 6은 오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 커지는 구간에서의 극전압, 상전압, 및 오프셋 전압을 나타낸 그래프이며, 도 7은 MI의 범위에 따른 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치(

Figure pat00008
)값을 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 최대 출력전압의 레벨 수에 상응하는 THD를 나타낸 그래프이며, 도 9는 정현파 방식을 적용한 경우, MI의 변화에 따른 극전압, 상전압, 오프셋 전압 및 선간전압을 나타낸 그래프이며, 도 10은 공간벡터 방식을 적용한 경우로 MI의 변화에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 극전압, 상전압, 오프셋 전압 그리고 선간전압을 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI의 변화에 따른 전압, 상전압, 오프셋 전압 그리고 선간전압을 나타낸 그래프이며, 도 12는 각각의 MI에서 주요 전압을 확대한 파형을 나타낸 그래프이고, 도 13은 정현파 방식을 적용한 경우로 MI를 에서 0.8까지 일정한 기울기로 감소하였을 때, 13-레벨 MMC에서 출력되는 극전압, 상전압 그리고 오프셋 전압을 나타낸 그래프이며, 도 14는 동일하게 MI 변화를 주었을 때, 공간벡터 방식을 적용한 경우의 실험 파형을 나타낸 그래프이고, 도 15는 동일하게 MI 변화를 주었을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 파형을 나타낸 그래프이고, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI에서 출력전압의 파형을 나타낸 그래프이며, 도 17은 각 모듈레이션 기법에 따른 출력전압 파형의 THD를 분석 정리한 그래프이다. 1 is a flowchart illustrating a voltage modulation method using a variable offset voltage according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention. 3 is a view for explaining the principle of the output voltage formed by the NLC, Figure 4 is a diagram showing the total harmonic distortion according to the number of SM, Figure 5 is the pole voltage is reduced by the offset voltage 6 is a graph showing the pole voltage, the phase voltage, and the offset voltage in the section to be shown. FIG. 6 is a graph showing the pole voltage, the phase voltage, and the offset voltage in the section where the pole voltage becomes larger than the phase voltage by the offset voltage. 7 is a weight for calculating the offset voltage command value according to the range of MI (
Figure pat00008
) Is a graph showing the THD corresponding to the number of levels of the maximum output voltage in the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention, Figure 9 is a MI 10 is a graph showing pole voltage, phase voltage, offset voltage, and line voltage according to the change. FIG. 10 shows the pole voltage, the phase voltage, the offset voltage, and the line of the modular multilevel converter according to the change of MI when the spatial vector method is applied. FIG. 11 is a graph showing voltage, and FIG. 11 is a graph showing voltage, phase voltage, offset voltage, and line voltage according to a change of MI according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is an enlarged waveform of main voltage in each MI. 13 is a sine wave method, and when the MI is decreased to a constant slope from 0.8 to the extreme voltage outputted from the 13-level MMC, and Fig. 14 is a graph showing the preset voltage, and Fig. 14 is a graph showing an experimental waveform when the spatial vector method is applied when MI is changed in the same manner, and Fig. 15 is a graph showing the variation of MI when the MI is changed in the same manner. FIG. 16 is a graph illustrating waveforms of output voltages in MI according to an embodiment of the present invention, and FIG. 17 is a graph illustrating analysis and THD analysis of output voltage waveforms according to each modulation technique.

단계 110에서 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 상전압과 입력 전류를 센싱한다. In operation 110, the control device 100 of the modular multilevel converter senses a phase voltage and an input current.

모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)의 상전압 및 입력 전류를 센싱하는 방법은 당업자에는 자명한 사항이므로 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다. Since the method for sensing the phase voltage and the input current of the control device 100 of the modular multilevel converter is obvious to those skilled in the art, a separate description thereof will be omitted.

단계 115에서 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행한다. In step 115, the control device 100 of the modular multilevel converter performs current control using the phase voltage and the input current.

단계 120에서 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력한다. In step 120, the control device 100 of the modular multilevel converter outputs a phase voltage command value according to current control.

단계 125에서 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 각각 산출한다. In step 125, the control device 100 of the modular multilevel converter calculates the variable offset voltage command value and the extreme voltage command value by using the magnitude of the phase voltage command value.

이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 MI의 크기에 따라 극전압 지령값이 항상 최대 크기를 가지도록 오프셋 전압 지령값을 가변하여 산출할 수 있다. 이때, 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 MI의 크기에 따라 극전압 지령값이 항상 최대 크기를 가지도록 오프셋 전압 지령값을 산출하도록 가중치(

Figure pat00009
)값을 MI의 크기에 따라 상이하게 산출할 수 있다. At this time, the control device 100 of the modular multi-level converter may calculate the variable offset voltage command value to maximize the magnitude of the pole voltage. According to an embodiment of the present invention, the control device 100 of the modular multilevel converter may vary and calculate the offset voltage command value so that the pole voltage command value always has a maximum size according to the size of the MI. At this time, the control device 100 of the modular multi-level converter is weighted so as to calculate the offset voltage command value so that the pole voltage command value always has a maximum size according to the size of MI.
Figure pat00009
) Value can be calculated differently according to the size of MI.

이에 대해 하기의 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. This will be more clearly understood by the following description.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터는 복수의 서브 모듈(SM: Sub-Module, 이하 SM이라 칭하기로 함)로 구성되되, 다수의 SM을 직렬로 연결하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 2, the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention is composed of a plurality of sub-modules (SM), which are referred to as SMs, and a plurality of SMs are connected in series. It can be configured in connection.

도 2는 j상(j=a, b, c)에 대한 모듈형 멀티레벨 컨버터의 회로 구성을 도시한 것으로, 여러 개의 SM이 모여서 하나의 암을 형성하고, 각 상당 상단 및 하단 두개의 암과 두개의 암 리액터로 구성될 수 있다. FIG. 2 shows a circuit configuration of a modular multilevel converter for j phases (j = a, b, c), where several SMs are gathered to form one arm, each of which has two upper and lower arms. It can be composed of two arm reactors.

SM에 구성되어 있는 반도체 스위치의 온/오프 동작에 따라 계단 파형의 암 전력을 출력하고, 출력되는 상단 및 하단 암의 전압에 의해 최종적으로 각 상의 출력 전압을 형성한다. According to the on / off operation of the semiconductor switch configured in the SM, the arm power of the staircase waveform is output, and the output voltage of each phase is finally formed by the voltages of the upper and lower arms that are output.

SM의 동작에 따라 형성되는 상단 및 하단 암 전압은 수학식 1 및 수학식 2와 같이 정의된다. 상단 암의 전압(

Figure pat00010
)은 SM의 턴-온 개수(
Figure pat00011
)와 상단 전압(
Figure pat00012
)의 곱으로 표현된다. 하단 암의 전압(
Figure pat00013
)도 상단 암의 전압과 동일하게 나타낼 수 있다. The upper and lower arm voltages formed according to the operation of the SM are defined as in Equations 1 and 2 below. Voltage of the upper arm (
Figure pat00010
) Is the turn-on count of SM
Figure pat00011
) And top voltage (
Figure pat00012
Is a product of Voltage at the lower arm (
Figure pat00013
) Can also be expressed equal to the voltage of the upper arm.

Figure pat00014
Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

상단 및 하단 암에 흐르는 전류는

Figure pat00016
Figure pat00017
로 정의되면, 각 상에 출력되는 전류(
Figure pat00018
)는 수학식 3과 같이 유도될 수 있다. The current flowing through the upper and lower arms
Figure pat00016
Wow
Figure pat00017
If is defined as, the output current of each phase (
Figure pat00018
) May be derived as in Equation 3.

Figure pat00019
Figure pat00019

상단 및 하단 암에 공통으로 흐르는 순환전류(

Figure pat00020
)는 수학식 4와 같이 유도된다. Circulating currents common to the upper and lower arms (
Figure pat00020
) Is derived as in Equation 4.

Figure pat00021
Figure pat00021

수학식 3 및 수학식 4에 의해 상단 및 하단 암에 흐르는 전류를 상전류와 순환전류로 각각 나타내면, 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. The current flowing through the upper and lower arms by Equation 3 and Equation 4 is represented by a phase current and a circulating current, respectively.

Figure pat00022
Figure pat00022

Figure pat00023
Figure pat00023

도 2에서 키르히호프의 전압 법칙(KVL: Kirchhoffs Voltage Law)을 적용하면 수학식 7 및 수학식 8이 유도될 수 있다. In FIG. 2, Equation 7 and Equation 8 may be derived by applying Kirchhoffs Voltage Law (KVL).

Figure pat00024
Figure pat00024

Figure pat00025
Figure pat00025

수학식 3을 수학식 7 및 수학식 8에 대입하여 정리하면 수학식 9와 같다. Equation (3) is substituted into equations (7) and (8) to summarize the equation (9).

Figure pat00026
Figure pat00026

수학식 9에서 출력되는 극전압(

Figure pat00027
)은 암 리액터에 의한 전압 강하가 존재함을 알 수 있다. 위상은 하단 암 전압(
Figure pat00028
)과 동상이고, 상단 암 전압(
Figure pat00029
)과는
Figure pat00030
의 위상차가 존재하는 것을 알 수 있다. Extreme voltage output from Equation 9
Figure pat00027
It can be seen that there is a voltage drop caused by the arm reactor. Phase is the lower arm voltage (
Figure pat00028
) And in phase with the upper arm voltage (
Figure pat00029
)
Figure pat00030
It can be seen that the phase difference of.

모듈형 멀티레벨 컨버터가 상위 제어기에서 출력되는 전압 지령값과 동일한 형태의 출력 전압을 형성하기 위해서는 모듈레이션(변조 기법)이 필요하다. 본 발명의 일 실시예에서는 근사레벨제어(NLC: Nearest Level Control, NLC라 칭하기로 함) 기법을 이용하므로 이에 대해 설명하기로 한다. Modulation (modulation) is required for the modular multilevel converter to produce an output voltage that is the same as the voltage command output from the host controller. Since an embodiment of the present invention uses a Nearest Level Control (NLC) technique, this will be described.

도 3은 NLC에 의한 출력 전압이 형성되는 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다. NLC는 반올림 함수를 적용하여 레벨이 변경되는 시점을 결정하여 계단 파형을 형성하는 방식으로 간단한 연산을 통해 정현파에 가까운 출력 전압을 형성한다. 3 is a diagram illustrating the principle of the output voltage formed by the NLC. The NLC applies a rounding function to determine when the level changes to form a stepped waveform, forming a sine wave output voltage through simple calculations.

NLC에서 전압 변조지수(MI: Modulation Index, 이하 MI라 칭하기로 함)의 대소에 따라 모듈형 멀티레벨 컨버터의 동작레벨이 결정된다. MI는 직류전압 대비 출력 가능한 교류전압의 비율, 유효 및 무효 전력량, 순환전류에 의한 전압 등과 같은 다양한 요소에 의해 결정된다. The operating level of the modular multilevel converter is determined by the magnitude of the voltage modulation index (MI) in the NLC. MI is determined by various factors such as the ratio of the output AC voltage to the DC voltage, the amount of effective and reactive power, and the voltage caused by the circulating current.

MI는 수학식 10에 의해 산출될 수 있다. MI may be calculated by Equation 10.

Figure pat00031
Figure pat00031

상단 및 하단 암의 극전압 지령값은 교류 형태의 코사인 함수와 MI로 정의되며, 이는 수학식 11 및 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다. The extreme voltage command values of the upper and lower arms are defined by the cosine function and the MI of the AC type, which can be expressed by Equations 11 and 12.

Figure pat00032
Figure pat00032

Figure pat00033
Figure pat00033

도 4는 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 출력전압의 형성에 참여하는 SM의 범위를

Figure pat00034
로 설정했을 때, SM의 개수에 따른 전고조파 왜형률(THD, 이하 THD라 칭하기로 함)을 연산하여 나타낸 것이다. 모듈형 멀티레벨 컨버터의 출력전압 레벨이 40이상일 경우 출력전압은 1%이하의 낮은 THD를 유지하기 때문에 시스템 성능에 큰 영향을 미치지 않지만 출력전압 레벨이 40 이하일 경우 출력전압의 THD는 크게 변동함을 알 수 있다.4 shows the range of SMs involved in the formation of an output voltage in a modular multilevel converter.
Figure pat00034
When set to, the total harmonic distortion (THD, hereinafter referred to as THD) according to the number of SMs is calculated and shown. If the output voltage level of the modular multi-level converter is more than 40, the output voltage maintains a low THD of less than 1%. Therefore, it does not significantly affect the system performance. Able to know.

멀티레벨 컨버터의 출력 전압인 극전압(

Figure pat00035
)은 각 상의 SM 상태에 따라 결정되며, 상전압(
Figure pat00036
)과 오프셋 전압(
Figure pat00037
)의 합으로 이루어진다. 이를 수학식으로 나타내면, 수학식 13과 같다. Extreme voltage, which is the output voltage of a multilevel converter (
Figure pat00035
) Is determined according to the SM state of each phase, and the phase voltage (
Figure pat00036
) And offset voltage (
Figure pat00037
) Is the sum of This is represented by equation (13).

Figure pat00038
Figure pat00038

오프셋 전압을 이용한 공간벡터를 구현하기 위해서는 수학식 14와 같이 최대 극전압과 최소 극전압의 절대값이 동일하게 되도록 설정해야 한다. 이로 인해 오프셋 전압은 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다. In order to realize the space vector using the offset voltage, the absolute value of the maximum pole voltage and the minimum pole voltage must be set to be the same as in Equation (14). For this reason, the offset voltage may be represented by Equation 15.

Figure pat00039
Figure pat00039

Figure pat00040
Figure pat00040

이러한 종래의 오프셋 전압을 이용한 공간벡터 변조방식은 MI를 선형적으로

Figure pat00041
까지 사용 가능하여 정현파 변조 방식에 비해 15.47% 증가된 선형 제어 영역을 가진다. 이는 기본파 성분의 1/6배 정도인 오프셋 전압을 이용하여 극전압의 크기를 낮추기 때문이다. 하지만 최대 MI 이외의 영역에서 극전압 크기의 감소로 인해 발생되는 모듈형 멀티레벨 컨버터 출력전압 레벨의 감소는 SM 평균 스위칭, 커패시터 맥동전압, 출력전압 성능 등의 다양한 문제를 유발한다.In the conventional space vector modulation method using the offset voltage, MI is linearly
Figure pat00041
It can be used up to 15.47% more linear control area than the sinusoidal modulation method. This is because the magnitude of the pole voltage is reduced by using the offset voltage which is about 1/6 times the fundamental wave component. However, the reduction of the modular multilevel converter output voltage level caused by the reduction of the pole voltage magnitude outside the maximum MI causes various problems such as SM average switching, capacitor pulsation voltage, and output voltage performance.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 모듈형 멀티레벨 컨버터에 NLC를 적용할 때, 출력 전압 레벨 감소로 인해 발생되는 문제를 해결하기 위해 MI의 크기와 무관하게 항상 일정한 극전압을 출력하도록 가변 오프셋 전압을 제안하였다. Therefore, in one embodiment of the present invention, when applying the NLC to the modular multi-level converter, in order to solve the problem caused by the output voltage level reduction, the variable offset voltage to always output a constant pole voltage regardless of the size of the MI Suggested.

가변 오프셋 전압 지령값은 수학식 16과 같이 계산될 수 있다. The variable offset voltage command value may be calculated as in Equation 16.

Figure pat00042
Figure pat00042

여기서,

Figure pat00043
는 오프셋 전압의 가중치(크기 변수)를 나타낸다. 여기서,
Figure pat00044
는 극전압이 일정한 최대치를 유지하기 위한 가중치로 극전압의 최대값 방정식을 이용하여 산출 가능하며, MI의 영역에 의해 두 가지 영역으로 구분된다. here,
Figure pat00043
Denotes the weight (size variable) of the offset voltage. here,
Figure pat00044
Is a weight for maintaining a constant maximum value of the pole voltage can be calculated using the maximum value equation of the pole voltage, it is divided into two areas by the area of MI.

즉, 오프셋 전압에 의해 극전압이 감소하는 제1 구간과, 오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 커지는 제2 구간을 구분하여 설명하기로 한다. That is, the first section in which the pole voltage decreases due to the offset voltage and the second section in which the pole voltage becomes larger than the phase voltage by the offset voltage will be described.

i) 제1 구간(오프셋 전압에 의해 극전압이 감소하는 구간)i) First section (section in which the pole voltage decreases due to the offset voltage)

Figure pat00045
구간(영역)에서 가중치(
Figure pat00046
) 설정에 대해 분석하기로 한다.
Figure pat00045
Weight in the interval (area)
Figure pat00046
We will analyze the settings.

도 5는 제1 영역(구간)에서 극전압, 상전압, 및 오프셋 전압을 각각 나타낸다. 오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 작아지고 극전압 최대값의 위상이 가변하는 것을 알 수 있다. 5 shows the extreme voltage, the phase voltage, and the offset voltage in the first region (section), respectively. It can be seen that the pole voltage becomes smaller than the phase voltage and the phase of the pole voltage maximum value varies by the offset voltage.

계통 전압의 상전압을 MI와 직류 전압으로 나타내면, 수학식 17 내지 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다. If the phase voltage of the system voltage is represented by MI and DC voltage, it may be expressed as in Equations 17 to 19.

Figure pat00047
Figure pat00047

Figure pat00048
Figure pat00048

Figure pat00049
Figure pat00049

본 발명의 일 실시예에 따른 MI의 크기와 무관하게 항상 일정한 극전압을 출력하도록 적용하면 극전압은 위상에 따라 4가지 경우의 수를 가지며, 이는 수학식 20 내지 수학식 23과 같이 나타낼 수 있다. When applied to always output a constant pole voltage irrespective of the size of the MI according to an embodiment of the present invention, the pole voltage has a number of four cases depending on the phase, which can be expressed as Equation 20 to Equation 23 .

Figure pat00050
Figure pat00050

Figure pat00051
Figure pat00051

Figure pat00052
Figure pat00052

Figure pat00053
Figure pat00053

극전압이 최대값을 가질때의 위상을 도출하기 위해 수학식 20 내지 수학식 23을 미분하면 수학식 24 내지 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다. In order to derive the phase when the pole voltage has the maximum value, the derivatives of Equations 20 to 23 may be expressed as Equations 24 to 27.

Figure pat00054
Figure pat00054

Figure pat00055
Figure pat00055

Figure pat00056
Figure pat00056

Figure pat00057
Figure pat00057

수학식 24 내지 수학식 27로부터 극전압이 최대값을 가지는 위상(

Figure pat00058
)은 수학식 28 내지 수학식 31과 같이 산출될 수 있다. From (24) to (27), the phase in which the pole voltage has the maximum value (
Figure pat00058
) May be calculated as in Equation 28 to Equation 31.

Figure pat00059
Figure pat00059

Figure pat00060
Figure pat00060

Figure pat00061
Figure pat00061

Figure pat00062
Figure pat00062

수학식 28 내지 수학식 31에서 위상 범위의 조건을 만족하는 수학식 29 및 20 구간에서의 극전압의 최대값이 존재하며, 해당 위상에서의 극전압 최대값은 수학식 32와 같다. In Equation 28 to Equation 31, there exists a maximum value of the pole voltage in the Equations 29 and 20 satisfying the conditions of the phase range, and the maximum value of the pole voltage in the corresponding phase is represented by Equation 32.

Figure pat00063
Figure pat00063

여기서, 이 극전압의 최대값이 항상 최대 크기로 유지되도록 하기 위해 수학식 33과 같이 나타낼 수 있으며, 이때 가중치(

Figure pat00064
)값은 수학식 34와 같이 산출될 수 있다. Here, in order to ensure that the maximum value of the pole voltage is always maintained at the maximum magnitude, it can be expressed as Equation 33, wherein the weight (
Figure pat00064
) Can be calculated as shown in Equation 34.

Figure pat00065
Figure pat00065

Figure pat00066
Figure pat00066

ii) 제2 구간(오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 커지는 구간)ii) Second section (section in which the pole voltage becomes larger than the phase voltage due to the offset voltage)

오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 커지는

Figure pat00067
영역(구간)에서의 가중치(
Figure pat00068
)값 설정에 대해 설명하기로 한다. The pole voltage becomes larger than the phase voltage by the offset voltage.
Figure pat00067
Weights in the region (section) (
Figure pat00068
The value setting will be described.

도 6은 오프셋 전압에 의해 극전압이 상전압보다 커지는

Figure pat00069
영역에서의 극전압, 상전압 및 오프셋 전압을 나타내며, 제1 구간에서는 극전압 최대값의 위상이 고정적이지 않은 반면, 제2 구간에서는 위상
Figure pat00070
에서 극전압이 항상 최대값으로 존재하는 것을 알 수 있다. 6 shows that the pole voltage becomes larger than the phase voltage by the offset voltage.
Figure pat00069
It shows the pole voltage, phase voltage and offset voltage in the region, and the phase of the pole voltage maximum value is not fixed in the first section, whereas the phase in the second section.
Figure pat00070
It can be seen that the pole voltage always exists at the maximum value.

제2 구간에서의 극전압 방정식은 수학식 35와 같이 정의될 수 있다. The extreme voltage equation in the second section may be defined as in Equation 35.

Figure pat00071
Figure pat00071

수학식 35에서 극전압이 항상 최대로 출력되는 위상을 적용한 극전압 최대값은 수학식 36과 같이 정의된다. In Equation 35, the maximum value of the pole voltage applying the phase in which the extreme voltage is always output is defined as Equation 36.

Figure pat00072
Figure pat00072

극전압의 최대값이 항상 최대로 유지하기 위해 수학식 37과 같이 정의되고, 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치(

Figure pat00073
)값은 수학식 38과 같이 산출될 수 있다. In order to keep the maximum value of the pole voltage at all times, it is defined as Equation 37, and the weight for calculating the offset voltage command value (
Figure pat00073
) May be calculated as shown in Equation 38.

Figure pat00074
Figure pat00074

Figure pat00075
Figure pat00075

도 7은 MI의 범위에 따른 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치(

Figure pat00076
)값을 나타낸 그래프이다. MI의 범위가 1을 기점으로 서로 다른 특성을 나타내며, 극전압의 크기를 항상 최대로 출력하기 위한 값을 나타낸다. 7 is a weight for calculating an offset voltage command value according to the range of MI (
Figure pat00076
) Is a graph showing the value. The range of MI shows different characteristics starting from 1, and indicates the value for always outputting the maximum magnitude of the extreme voltage.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행하며, 이를 통해 상전압 지령값을 출력할 수 있다. 이어, 출력된 상전압 지령의 크기를 기반으로 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령을 각각 산출할 수 있다. Therefore, the control device 100 of the modular multi-level converter according to an embodiment of the present invention performs the current control by using the phase voltage and the input current, thereby outputting the phase voltage command value. Subsequently, the variable offset voltage command value and the pole voltage command may be calculated based on the magnitude of the output phase voltage command.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 최대 출력전압의 레벨 수에 상응하는 THD를 나타낸 그래프이다. 보다 상세하게 도 8은 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 최대 출력전압의 레벨 수가 10 내지 25인 경우 MI의 변동범위를

Figure pat00077
로 하였을 때 THD를 연산한 결과를 나타낸 것이다. 출력전압의 레벨 수가 증가하면 THD는 감소하고 또한 모듈레이션 인덱스 MI가 증가함에 따라 THD는 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나 특정 구간에서 비선형적으로 감소함을 알 수 있는데 이는 특정 구간에서 MI에 따라 출력전압의 레벨이 변동하기 때문이다. 이러한 변동이 일어나는 시점은 MI의 변동구간에 따라 수학식 39와 같이 나타낼 수 있다. 8 is a graph showing a THD corresponding to the number of levels of the maximum output voltage in the modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 8 illustrates the variation range of MI when the number of levels of the maximum output voltage is 10 to 25 in the modular multilevel converter.
Figure pat00077
It shows the result of calculating the THD. It can be seen that as the number of levels of the output voltage increases, the THD decreases, and as the modulation index MI increases, the THD decreases. However, it can be seen that the specific voltage decreases nonlinearly because the level of the output voltage fluctuates according to the MI in the specific interval. The time point at which such a change occurs may be expressed by Equation 39 according to the change section of the MI.

Figure pat00078
Figure pat00078

도 9는 정현파 방식을 적용한 경우, MI의 변화에 따른 극전압, 상전압, 오프셋 전압 및 선간전압을 나타낸 그래프이다. 9 is a graph illustrating extreme voltages, phase voltages, offset voltages, and line voltages according to MI changes when the sine wave method is applied.

MI를 에서 0.8까지 일정한 기울기로 감소시켰을 때, 출력전압 레벨은 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 형성 특성상 수학식 40 및 수학식 42과 같이 나타낼 수 잇다. 시뮬레이션에서 모듈형 멀티레벨 컨버터를 13-레벨로 설계하였기 때문에 MI가 0.9167보다 작아지는 영역에서는 극전압의 출력 레벨이 11-레벨로 감소하게 된다.When MI is decreased from 0.8 to a constant slope, the output voltage level can be expressed as Equation 40 and Equation 42 due to the voltage formation characteristics of the modular multilevel converter. In the simulation, the modular multilevel converter is designed to be 13-level, so the output voltage of the extreme voltage is reduced to 11-level in the region where MI is smaller than 0.9167.

Figure pat00079
Figure pat00079

Figure pat00080
Figure pat00080

도 10은 공간벡터 방식을 적용한 경우로 MI의 변화에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 극전압, 상전압, 오프셋 전압 그리고 선간전압을 나타낸 그래프이다. 이 경우 MI의 영역에 따라 수학식 42 내지 수학식 44와 같이 출력 레벨이 결정된다. 시뮬레이션에서 모듈형 멀티레벨 컨버터를 13-레벨로 설계하였기 때문에 MI가 1.058보다 작아지는 영역에서는 극전압의 출력 레벨이 11-레벨로 출력되고, MI가 0.866보다 작아지는 영역에서는 극전압의 출력 레벨이 9-레벨로 출력된다.FIG. 10 is a graph showing the pole voltage, the phase voltage, the offset voltage, and the line voltage of the modular multilevel converter according to the change of MI when the space vector method is applied. In this case, the output level is determined according to Equations 42 to 44 according to the region of the MI. In the simulation, the modular multi-level converter is designed with 13-level, so the output voltage of extreme voltage is output at 11-level in the area where MI is smaller than 1.058, and the output level of extreme voltage is in the area where MI is smaller than 0.866. Output at 9-level.

Figure pat00081
Figure pat00081

Figure pat00082
Figure pat00082

Figure pat00083
Figure pat00083

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI의 변화에 따른 전압, 상전압, 오프셋 전압 그리고 선간전압을 나타낸 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방식에 의해 MI의 변화에 따라 출력 극전압이 전 영역에서 일정한 최대레벨로 출력되고, 극전압과 오프셋 전압의 차로 상전압이 나타난다. 이로 인해 형성되는 상전압과 선간전압이 다른 방식들에 비해 선형적으로 형성하는 것을 알 수 있다. FIG. 11 is a graph illustrating voltage, phase voltage, offset voltage, and line voltage according to a change in MI according to an embodiment of the present invention. FIG. According to the embodiment of the present invention, the output pole voltage is output at a constant maximum level in all areas according to the change of MI, and the phase voltage appears as a difference between the pole voltage and the offset voltage. As a result, it can be seen that the phase voltage and the line voltage formed are linearly formed compared to other methods.

도 12는 각각의 MI에서 주요 전압을 확대한 파형을 나타낸 그래프이다. 도 12 (a)는 MI가 인 경우로 과변조 영역의 상전압을 오프셋 전압을 이용하여 선형적인 영역으로 극전압으로 형성한다. 도 12 (b)는 MI가 0.8인 경우로 극전압의 출력레벨을 13-레벨로 출력하기 위해 오프셋 전압을 이용하여 극전압의 최댓값을 직류단 전압의 절반에 해당되는 크기로 형성한다.12 is a graph showing enlarged waveforms of main voltages in respective MIs. FIG. 12 (a) illustrates that the phase voltage of the overmodulation region is formed as the extreme voltage in the linear region using the offset voltage when MI is. FIG. 12 (b) shows the maximum value of the pole voltage having a magnitude corresponding to half of the DC terminal voltage using the offset voltage to output the output level of the pole voltage to the 13-level when MI is 0.8.

도 13은 정현파 방식을 적용한 경우로 MI를 에서 0.8까지 일정한 기울기로 감소하였을 때, 13-레벨 MMC에서 출력되는 극전압, 상전압 그리고 오프셋 전압을 나타낸 그래프이다. 이때, 13-레벨의 MMC는 전압 형성 특성상 MI가 0.917보다 작아지는 경우에 11-레벨로 출력 전압이 형성되는 것을 확인 할 수 있다.FIG. 13 is a graph showing the extreme voltage, the phase voltage, and the offset voltage output from the 13-level MMC when the MI is reduced to a constant slope from 0.8 to the sinusoidal method. At this time, the 13-level MMC can be seen that the output voltage is formed at the 11-level when the MI is smaller than 0.917 due to the voltage formation characteristics.

도 14는 동일하게 MI 변화를 주었을 때, 공간벡터 방식을 적용한 경우의 실험 파형이다. 이때, 13-레벨의 MMC의 극전압은 전압 형성 특성상 MI가 1.058보다 작아지는 영역에서는 극전압의 출력 레벨이 11-레벨, MI가 0.866보다 작아지는 영역에서는 극전압의 출력 레벨이 9-레벨로 감소하는 것을 확인할 수 있다.14 is an experimental waveform when the spatial vector method is applied when MI is changed in the same manner. At this time, the extreme voltage of the 13-level MMC is 11-level in the region where the MI is smaller than 1.058 due to the characteristics of voltage formation, and the output level of the extreme voltage is 9-level in the region where the MI is smaller than 0.866. You can see the decrease.

도 15는 동일하게 MI 변화를 주었을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 파형을 나타낸 그래프이다. 이때, 출력 극전압은 전 영역에서 일정한 최대레벨로 출력되고, 오프셋 전압과의 차로 상전압이 형성된다. 형성된 상전압은 다른 방식들에 비해 선형적 파형을 갖는다.15 is a graph showing an experimental waveform according to an embodiment of the present invention when the MI change is the same. At this time, the output pole voltage is output at a constant maximum level in all areas, and a phase voltage is formed by a difference from the offset voltage. The formed phase voltage has a linear waveform compared to other schemes.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI에서 출력전압의 파형을 나타낸 그래프이다. 도 16 (a)는 MI가 인 경우로 극전압은 13-레벨로 출력되고, 이에 의해 선간전압이 형성된다. 이때의 극전압과 선간전압의 THD는 각각 21.02%, 2.07%으로 극전압의 크기를 상전압의 크기보다 낮추기 위해 영상분 전압이 추가되어 있다. 도 16 (b)는 MI가 0.8인 경우로 극전압은 13-레벨로 출력되고 이에 의해 선간전압이 형성된다. 이때의 극전압과 선간전압의 THD는 각각 22.24%, 2.17%으로 극전압의 크기를 상전압의 크기보다 키우기 위해 영상분 전압이 추가되어 있다. 이 방식은 MI의 전 영역에서 일정한 최대 레벨로 극전압이 형성됨을 나타낸다.16 is a graph illustrating waveforms of output voltages in MI according to an embodiment of the present invention. 16 (a), when MI is, the pole voltage is output at 13-level, whereby the line voltage is formed. At this time, the THD of the pole voltage and the line voltage is 21.02% and 2.07%, respectively, and the image voltage is added to lower the magnitude of the pole voltage than the phase voltage. 16 (b), when MI is 0.8, the extreme voltage is output at 13-level, thereby forming the line voltage. At this time, the THD of the pole voltage and the line voltage is 22.24% and 2.17%, respectively, and the image voltage is added to increase the magnitude of the pole voltage than the phase voltage. This scheme indicates that the extreme voltage is formed at a constant maximum level in all areas of the MI.

도 17은 각 모듈레이션 기법에 따른 출력전압 파형의 THD를 분석 정리한 그래프이다. 극전압의 THD에서 공간벡터 방식은 기본파 성분의 1/3정도에 해당되는 오프셋 전압을 가지고 있다. 반면 본 발명의 일 실시예에 따른 MI에 따라 변화되는 오프셋 전압으로 인해 THD가 변동 가능함을 알 수 있다. 이를 통해 형성되는 선간전압의 THD는 다른 방식들에 비해 개선됨을 알 수 있다.17 is a graph analyzing and arranging THD of an output voltage waveform according to each modulation technique. In the extreme voltage THD, the space vector method has an offset voltage corresponding to about one third of the fundamental wave component. On the other hand, it can be seen that the THD can be changed due to an offset voltage that varies with MI according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the THD of the line voltage formed through this is improved compared to other methods.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 18 is a block diagram schematically illustrating an internal configuration of a control apparatus of a modular multilevel converter according to an embodiment of the present invention.

도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치(100)는 전류 제어부(1810) 및 계산부(1820)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 18, the control device 100 of the modular multilevel converter according to the exemplary embodiment of the present invention includes a current controller 1810 and a calculator 1820.

전류 제어부(1810)는 센싱된 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행할 수 있다. 이때, 전류 제어부(1810)는 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력할 수 있다. The current controller 1810 may perform current control using the sensed phase voltage and the input current. In this case, the current controller 1810 may output a phase voltage command value according to the current control.

계산부(1820)는 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 산출하되, 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출한다. The calculator 1820 calculates the variable offset voltage command value and the pole voltage command value using the magnitude of the phase voltage command value, and calculates the variable offset voltage command value so that the magnitude of the pole voltage is maximum.

이때, 계산부(1820)는 극전압이 항상 최대 크기를 가지도록 오프셋 전압 지령값을 가변적으로 산출할 수 있다. 이에 대해서는 이미 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다. In this case, the calculator 1820 may variably calculate the offset voltage command value so that the pole voltage always has a maximum magnitude. Since it has already been described above, duplicate description will be omitted.

본 발명의 실시 예에 따른 장치 및 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.Apparatus and method according to an embodiment of the present invention is implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means may be recorded on a computer readable medium. Computer-readable media may include, alone or in combination with the program instructions, data files, data structures, and the like. The program instructions recorded on the computer readable medium may be those specially designed and constructed for the present invention, or may be known and available to those skilled in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks such as floppy disks. Hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media and ROM, RAM, flash memory and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 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 실시 예들은 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.So far, the present invention has been described with reference to the embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

100: 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치
1810: 전류 제어부
1820: 계산부
100: control device of the modular multilevel converter
1810: current controller
1820: calculation

Claims (8)

(a) 센싱된 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행하는 단계;
(b) 상기 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력하는 단계; 및
(c) 상기 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 산출하되, 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출하는 단계를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법.
(a) performing current control using the sensed phase voltage and input current;
(b) outputting a phase voltage command value according to the current control; And
(c) calculating a variable offset voltage command value and an extreme voltage command value using the magnitude of the phase voltage command value, and calculating a variable offset voltage command value such that the magnitude of the extreme voltage is maximum. Voltage modulation method of level converter.
제1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 극전압의 최대 크기가
Figure pat00084
가 되도록 상기 가변 오프셋 전압 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법.
The method of claim 1,
In step (c),
The maximum magnitude of the pole voltage
Figure pat00084
And calculating the variable offset voltage command value to be equal to.
제1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 상전압 지령값의 크기에 따라 상기 가변 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치가 상이하게 도출되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법.
The method of claim 1,
In step (c),
And a weight for calculating the variable offset voltage command value is derived differently according to the magnitude of the phase voltage command value.
제3 항에 있어서,
상기 전압 변조 지수가 기준치 이상인 경우, 상기 가중치(
Figure pat00085
)는 하기 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법.
Figure pat00086

여기서, MI는 전압 변조 지수를 나타냄.
The method of claim 3, wherein
If the voltage modulation index is equal to or greater than a reference value, the weight (
Figure pat00085
) Is a voltage modulation method of a modular multi-level converter, characterized in that calculated using the following equation.
Figure pat00086

Where MI represents the voltage modulation index.
제3 항에 있어서,
상기 전압 변조 지수가 기준치 미만인 경우, 상기 가중치(
Figure pat00087
)는 하기 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 방법.
Figure pat00088

여기서, MI는 전압 변조 지수를 나타냄.
The method of claim 3, wherein
If the voltage modulation index is less than the reference value, the weight (
Figure pat00087
) Is a voltage modulation method of a modular multi-level converter, characterized in that calculated using the following equation.
Figure pat00088

Where MI represents the voltage modulation index.
모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치에 있어서,
센싱된 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행하고, 상기 전류 제어에 따른 상기 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력하는 전류 제어부; 및
상기 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 산출하되, 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출하는 계산부를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치.
In the control device of the modular multi-level converter,
A current control unit configured to perform current control using the sensed phase voltage and the input current, and output a phase voltage command value according to the current control according to the current control; And
A variable offset voltage command value and an extreme voltage command value are calculated using the magnitude of the phase voltage command value, and the variable multi-level converter includes a calculation unit for calculating the variable offset voltage command value to maximize the magnitude of the extreme voltage. controller.
모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치에 있어서,
센싱된 상전압 및 입력 전류를 이용하여 전류 제어를 수행하고, 상기 전류 제어에 따른 상기 전류 제어에 따른 상전압 지령값을 출력하는 전류 제어부; 및
상기 상전압 지령값의 크기를 이용하여 가변 오프셋 전압 지령값과 극전압 지령값을 산출하되, 극전압의 크기가 최대가 되도록 가변 오프셋 전압 지령값을 산출하는 계산부를 포함하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치.
In the control device of the modular multi-level converter,
A current control unit configured to perform current control using the sensed phase voltage and the input current, and output a phase voltage command value according to the current control according to the current control; And
A variable offset voltage command value and an extreme voltage command value are calculated using the magnitude of the phase voltage command value, and the variable multi-level converter includes a calculation unit for calculating the variable offset voltage command value to maximize the magnitude of the extreme voltage. controller.
제6 항에 있어서,
상기 계산부는,
상기 상전압 지령값의 크기에 따라 상기 가변 오프셋 전압 지령값 산출을 위한 가중치를 상이하게 도출하는 것을 특징으로 하는 모듈형 멀티레벨 컨버터의 제어 장치.

The method of claim 6,
The calculation unit,
And a weight for calculating the variable offset voltage command value is derived differently according to the magnitude of the phase voltage command value.

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