KR20200079135A - Apparatus and method for driving control of power conversion system based on model predictive control - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a driving control method of a power conversion system through model prediction control. The driving control method of a power conversion system through model prediction control can comprise the steps of: (a) selecting a part of subdivided voltage vectors as a candidate voltage vector; and (b) controlling the selected candidate voltage vector to be applied to a power conversion device by using the selected candidate voltage vector as input of a cost function.

Description

모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DRIVING CONTROL OF POWER CONVERSION SYSTEM BASED ON MODEL PREDICTIVE CONTROL}Driving control device and method of power conversion system through model prediction control {APPARATUS AND METHOD FOR DRIVING CONTROL OF POWER CONVERSION SYSTEM BASED ON MODEL PREDICTIVE CONTROL}

본원은 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본원은 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a drive control device and method of a power conversion system through model prediction control. In particular, the present disclosure relates to an apparatus and method for controlling the operation of a grid-connected power conversion system without a DC link capacitor based on model prediction control.

최근, 환경 규제 강화와 산업적 관심의 증대로 신재생 에너지 및 그에 대한 계통 연계형 전력 변환 시스템(Grid Connected Power Conversion System)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 시스템 중 직류단 커패시터가 없는 전력변환장치인 매트릭스 컨버터(matrix- converter)를 채택한 시스템(즉, 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템)은 직류단 커패시터가 없어 부피가 작고 신뢰성이 높으며, 입력 역률의 제어 및 추가 소자 없는 양방향 전력 흐름이 가능하여, 차세대 시스템으로 주목받고 있다.Recently, research on renewable energy and a grid-connected power conversion system have been actively conducted due to strengthening environmental regulations and increasing industrial interest. Among these systems, a system that adopts a matrix converter, which is a power converter without a DC terminal capacitor (i.e., a grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor), has a DC terminal capacitor and has a small volume and high reliability. Control of the input power factor and bi-directional power flow without additional elements are possible, making it a popular next-generation system.

직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템은 일반적으로 비례-적분 제어기를 통해 제어되며, 일반적으로 입-출력 전류의 크기, 주파수, 역률 등을 제어한다. 예시적으로, 비례-적분 제어기를 이용한 계통연계형 인버터의 제어 기술로서 한국등록특허 제10-1178393호가 존재한다.A grid-connected power conversion system without a DC link capacitor is generally controlled through a proportional-integral controller, and generally controls the magnitude, frequency, and power factor of the input-output current. For example, Korean Patent Registration No. 10-1178393 exists as a control technology of a grid-connected inverter using a proportional-integral controller.

그런데, 이러한 비례-적분 제어기는 그 설계 및 조율이 시스템의 구동 시간, 구동 온도, 구동 전류 등과 같은 환경 영향에 민감하고, 제어 동특성이 제어기의 대역폭에 의해 제한되는 문제가 있다. 따라서 이에 대한 대안으로, 외부 환경 변화에 강인하고 동특성이 우수한 제어를 수행할 수 있는 다양한 제어 방법이 개발되었다However, such a proportional-integral controller has a problem in that its design and tuning are sensitive to environmental influences such as driving time, driving temperature and driving current of the system, and control dynamic characteristics are limited by the bandwidth of the controller. Therefore, as an alternative to this, various control methods have been developed that can perform control that is robust to changes in the external environment and has excellent dynamic characteristics.

직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 제어 방법은 히스테리시스, 슬라이딩 모드, 인공 지능, 예측 방법 등이 존재한다.There are hysteresis, sliding mode, artificial intelligence, prediction method, etc. as a control method of a grid-connected power conversion system without a DC link capacitor.

히스테리시스 제어는 전력 변환 장치의 비선형성을 이용하는 방식으로서, 전력 반도체의 스위칭은 히스테리시스 폭을 고려하여 제어 대상의 측정값 및 지령과의 비교를 통해 수행된다. 슬라이딩 모드 제어는 가변 구조 제어의 일종으로 비선형 제어 방법이며, 슬라이딩 평면 위에서 제어시스템의 구조를 변화시키는 불연속 스위칭 입력에 대해 강인한 특성을 갖는다. 인공 지능 제어 방법은 세부적으로 퍼지, 신경망, 뉴로-퍼지 등의 기법으로 나누어지며, 인공 지능 이론을 기반으로 제어하는 방법을 의미한다.Hysteresis control is a method that uses the nonlinearity of the power converter, and switching of the power semiconductor is performed by comparing the measured value and command of the control target in consideration of the hysteresis width. Sliding mode control is a type of variable structure control, which is a non-linear control method, and has robust characteristics for discontinuous switching inputs that change the structure of the control system on a sliding plane. The artificial intelligence control method is divided into techniques such as fuzzy, neural network, neuro-fuzzy, etc., and means a control method based on artificial intelligence theory.

이러한 앞서 설명한 제어 방법들(즉, 히스테리시스, 슬라이딩 모드, 인공 지능 기반의 제어 방법들)은 아날로그 기반의 제어 방법이기 때문에, 이를 디지털 시스템에서 구현할 경우 매우 높은 스위칭 주파수가 요구되거나(예를 들어, 히스테리시스의 경우), 출력 신호에 떨림이 있거나(예를 들어, 슬라이딩 모드의 경우), 과도한 연산량이 요구되어 실시간 구현이 어려운(예를 들어, 인공 지능의 경우) 문제가 있다.Since the above-described control methods (ie, hysteresis, sliding mode, and artificial intelligence-based control methods) are analog-based control methods, when implemented in a digital system, a very high switching frequency is required (eg, hysteresis) ), there is a problem with the output signal trembling (for example, in the case of a sliding mode), or it is difficult to implement in real time (for example, in the case of artificial intelligence) because an excessive amount of computation is required.

예측 제어 방법은 전력 변환 시스템에 사용되는 디지털 신호 처리장치(Digital Signal Processor)의 연산 성능이 비약적으로 개선됨에 따라 많은 연구가 진행되고 있다.As the predictive control method, the computational performance of the digital signal processor used in the power conversion system has been dramatically improved, many studies have been conducted.

예측 제어 방법 중 전력 변환 장치에 사용하기 적합한 종래의 기법으로는 고급 제어 기법 중 하나인 유한 제어 요소 모델 예측 제어(Finite Control Set-Model Predictive Control, FCS-MPC) 기법이 존재한다. 유한 제어 요소 모델 예측 제어 기법은 외부 환경 변화에 강인하며 동특성이 우수하고 비선형 부하에 적용이 용이한 장점이 있어, 항공 전자장비 및 전동기 구동 등을 위한 매트릭스 컨버터를 채택한 전력 변환 시스템에 대한 적용이 확대되고 있다.Among the predictive control methods, there is a Finite Control Set-Model Predictive Control (FCS-MPC) technique, which is one of the advanced control techniques suitable for use in a power conversion device. The finite control element model predictive control technique is robust to changes in the external environment, has excellent dynamic characteristics, and has the advantage of being easy to apply to non-linear loads, so its application to power conversion systems employing matrix converters for driving avionics and electric motors is expanded. Is becoming.

그러나, 종래의 모델 예측 제어가 적용된 전력 변환 시스템은 스위칭 주파수가 가변하기 때문에 시스템이 공진할 수 있으며, 주파수 대역이 낮아 가청소음이 심하고, 입-출력 전류 리플이 상당하여 기술적 규제가 적용되는 계통 연계 전력 변환 장치에 적용하기 어려운 문제가 있다. 다시 말해, 종래의 모델 예측 제어가 적용된 전력 변환 시스템은 스위칭 주파수가 일정하지 않고, 주파수 대역이 낮으며, 입-출력 전류의 전고조파왜율(Total Harmonic Distortion, THD)이 커서 기술적 규제가 엄격히 적용되는 계통 연계형 전력 변환 시스템에 적용하기 어려운 문제가 있다. However, in the power conversion system to which the conventional model prediction control is applied, since the switching frequency is variable, the system may resonate, the frequency band is low, the audible noise is severe, and the input-output current ripple is considerable, so that the system connection is applied with technical regulation. There is a problem that is difficult to apply to the power converter. In other words, the power conversion system to which the conventional model prediction control is applied has a constant switching frequency, a low frequency band, and a large total harmonic distortion (THD) of the input-output current, so that technical regulations are strictly applied. There is a problem that is difficult to apply to a grid-connected power conversion system.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템을 모델 예측 제어로 구동시킬 수 있는 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present application is to solve the problems of the prior art described above, and provides a drive control apparatus and method of a power conversion system through model prediction control capable of driving a grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor with model prediction control The purpose is to do.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시스템의 공진 위험이 없으면서 가청소음이 심하지 않고, 입-출력 전류의 THD가 규정치 이내이며, 역률을 가변할 수 있는 기능을 가져 기술적 규제가 엄격히 적용되는 계통 연계형 전력 변환 시스템에 효과적으로 적용(활용)될 수 있는 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present application is to solve the problems of the prior art described above, there is no risk of resonance of the system, the audible noise is not severe, the THD of the input-output current is within a specified value, and has a function capable of varying the power factor, so that the technical regulation is strictly It is an object of the present invention to provide a drive control device and method for a power conversion system through model prediction control that can be effectively applied (utilized) to a system-linked power conversion system.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems to be achieved by the embodiments of the present application are not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법은, (a) 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하는 단계; 및 (b) 상기 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.As a technical means for achieving the above technical problem, a driving control method of a power conversion system through model predictive control according to an embodiment of the present application includes: (a) selecting a partial voltage vector as a candidate voltage vector; ; And (b) using the selected candidate voltage vector as an input of a cost function to control it to be applied to the power converter.

또한, 상기 (a) 단계는, 계통의 역기전력과 지령 전류를 이용하여 인버터단 측의 지령 전압을 추정함으로써 상기 후보 전압 벡터를 선정할 수 있다.In addition, in the step (a), the candidate voltage vector may be selected by estimating the command voltage at the inverter end using the back electromotive force and the command current of the system.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 세분된 전압 벡터로서 12개 이상의 수로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용할 수 있다.In addition, in the step (a), the subdivided voltage vector divided into 12 or more numbers may be used as the subdivided voltage vector.

또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 세분된 전압 벡터의 세분 정도가 증가할수록 전력변환장치에 대한 입-출력 전류의 전고조파왜율이 감소할 수 있다.In addition, in step (a), as the degree of subdivision of the subdivided voltage vector increases, the total harmonic distortion of the input-output current to the power converter may decrease.

또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 전력변환장치에 인가되는 전압 벡터는, 상기 전력변환장치의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법이 적용된 상기 선정된 후보 전압 벡터일 수 있다.In addition, in step (b), the voltage vector applied to the power converter may be the selected candidate voltage vector to which a spatial vector modulation technique is applied so that the switching frequency of the power converter is set constant.

또한, 상기 전력 변환 장치는, 직류단 커패시터가 없는 전력 변환 장치일 수 있다.Further, the power conversion device may be a power conversion device without a DC terminal capacitor.

한편, 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치는, 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하는 선정부; 및 상기 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.On the other hand, the driving control apparatus of the power conversion system through the model prediction control according to an embodiment of the present application, the selection unit for selecting a portion of the subdivided voltage vector as a candidate voltage vector; And a control unit controlling the selected candidate voltage vector to be applied to the power converter by using it as an input of a cost function.

또한, 상기 선정부는, 계통의 역기전력과 지령 전류를 이용하여 인버터단 측의 지령 전압을 추정함으로써 상기 후보 전압 벡터를 선정할 수 있다.In addition, the selection unit may select the candidate voltage vector by estimating the command voltage on the inverter end side using the back electromotive force and the command current of the system.

또한, 상기 선정부는, 상기 세분된 전압 벡터로서 12개 이상의 수로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용할 수 있다.In addition, the selection unit may use a subdivided voltage vector divided into 12 or more numbers as the subdivided voltage vector.

또한, 상기 전력 변환 장치는, 직류단 커패시터가 없는 전력 변환 장치일 수 있다.Further, the power conversion device may be a power conversion device without a DC terminal capacitor.

한편, 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템은, 3상 전압원에서 발전된 전류를 계통으로 공급하는 전력변환장치; 및 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하고, 상기 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 모델 예측 제어를 통해 전력 변환 시스템의 구동을 제어하는 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치를 포함할 수 있다.On the other hand, the power conversion system through the model prediction control according to an embodiment of the present application, a power conversion device for supplying the current generated from the three-phase voltage source to the system; And power to control the driving of the power conversion system through model prediction control that selects some of the subdivided voltage vectors as candidate voltage vectors and controls the selected candidate voltage vectors to be applied to the power converter by using the input of the cost function. And a drive control device for the conversion system.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary and should not be construed as limiting the present application. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description of the invention.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 모델 예측 제어 기반으로 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동을 제어할 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present application, it is possible to control driving of a grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor based on model prediction control.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치 및 방법(특히, 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동을 제어하는 장치 및 방법)을 제공함으로써, 시스템의 공진 위험이 없으면서 가청소음이 심하지 않고, 입-출력 전류의 THD가 규정치 이내이며, 역률을 가변할 수 있는 기능을 가져 기술적 규제가 엄격히 적용되는 계통 연계형 전력 변환 시스템에 효과적으로 적용(활용)될 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present application, a drive control device and method of a power conversion system through model prediction control (in particular, a device for controlling the drive of a grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor based on model prediction control and By providing the method), there is no risk of resonance of the system, the audible noise is not severe, the THD of the input-output current is within a specified value, and has the function of varying the power factor. Can be effectively applied (utilized).

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템을 모델 예측 제어 방법으로 구동시킴으로써, 외부 환경 변화에 강인하고 동특성이 우수하며, 비선형 부하에 적용이 용이하다.According to the above-mentioned problem solving means of the present application, by driving the grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor by a model predictive control method, it is robust to external environment changes, has excellent dynamic characteristics, and is easy to apply to nonlinear loads.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects obtainable herein are not limited to the effects described above, and other effects may exist.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템에 포함된 발전부의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템에 포함된 정류단의 공간 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 4는 정류단의 전류 벡터에 따른 스위칭 상태와 직류단 전압의 예를 나타낸다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템에 포함된 인버터단의 공간 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 제어 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치에서 고려되는 인버터단의 세분된 공간 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치에서 고려되는 인버터단의 세분된 공간 벡터도에서, 제1 섹터 내지 제3 섹터의 세분된 전압 벡터의 좌표 값을 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치에서 고려되는 인버터단의 세분된 공간 벡터도에서, 제1 섹터의 세분된 전압 벡터의 좌표 값 (a), 제2 섹터의 세분된 전압 벡터의 좌표 값 (b), 및 제3 섹터의 세분된 전압 벡터의 좌표 값 (c) 각각을 나타낸 도면이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치에서 본원에서 제안하는 모델 예측 제어에 의해, 일예로 N이 3일 때 기준 전압 벡터 주변에 감소된 후보 전압 벡터의 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치의 효율성을 검증하기 위해 수행된 일 실험에서 고려된 시뮬레이션 파라미터의 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 종래 FCS-MPC(Conventional FCS-MPC)와 비교하여 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)의 정상 상태의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본원에서 제안된 기술의 동적 성능의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법에 대한 동작 흐름도이다.
1 is a diagram showing a schematic configuration of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
2 is a diagram schematically showing the configuration of a power generation unit included in a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
3 is a diagram illustrating a spatial vector diagram of a rectifying stage included in a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
4 shows an example of a switching state and a DC terminal voltage according to a current vector of a rectifying stage.
5 is a diagram illustrating a spatial vector diagram of an inverter stage included in a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
6 is a diagram schematically showing a control configuration of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
7 is a diagram illustrating a detailed spatial vector diagram of an inverter stage considered in a driving control apparatus of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
FIG. 8 is a segmented spatial vector diagram of an inverter stage considered in a drive control apparatus of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present disclosure, in which coordinate values of a segmented voltage vector of first to third sectors are illustrated. It is a drawing showing.
9 is a coordinate vector of a subdivided voltage vector of a first sector in a subdivided spatial vector diagram of an inverter stage considered in a drive control apparatus of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application, It is a figure showing coordinate values (b) of the subdivided voltage vector of the second sector and coordinate values (c) of the subdivided voltage vector of the third sector.
10 is a candidate voltage vector reduced around a reference voltage vector when N is 3, for example, by model prediction control proposed by the present invention in a driving control apparatus of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application It is a diagram showing an example of.
11 is a view showing an example of simulation parameters considered in an experiment performed to verify the efficiency of a drive control device of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.
12 is a view showing a result of simulating the steady state performance of the proposed technique (Proposed MPC) compared to the conventional FCS-MPC (Conventional FCS-MPC).
13 is a diagram showing the simulation results of the dynamic performance of the technology proposed herein.
14 is an operation flowchart of a driving control method of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present application pertains may easily practice. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is "connected" to another part, it is not only "directly connected", but also "electrically connected" or "indirectly connected" with another element in between. "It includes the case where it is.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is positioned on another member “on”, “on the top”, “top”, “bottom”, “bottom”, “bottom”, it means that a member is on another member. This includes cases where there is another member between the two members as well as when in contact.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.

이하 본원을 설명함에 있어서 '지령'이라는 용어는 '기준'이라는 용어로 달리 표현될 수 있다.In the following description of the present application, the term'command' may be differently expressed by the term'reference'.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템(100)을 설명의 편의상 본 시스템(100)라 하기로 한다.1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a power conversion system 100 through model prediction control according to an embodiment of the present application. Hereinafter, the power conversion system 100 through model prediction control according to an embodiment of the present application will be referred to as the present system 100 for convenience of description.

도 1을 참조하면, 본 시스템(100)은 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템으로서, 모델 예측 제어를 통한 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템이라 달리 표현될 수 있다.Referring to FIG. 1, the system 100 is a power conversion system through model prediction control, and may be differently expressed as a system-linked power conversion system without a DC link capacitor through model prediction control.

본 시스템(100)은 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10) 및 발전부(20)를 포함할 수 있다.The system 100 may include a drive control device 10 and a power generation unit 20 of a power conversion system.

전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)로서, 특히, 모델 예측 제어를 통한 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)를 의미할 수 있다. 이하에서는 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10), 즉 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)를 설명의 편의상 본 장치(10)라 하기로 한다.The drive control device 10 of the power conversion system is a drive control device 10 of the power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application, and in particular, a grid-connected type without a DC link capacitor through model prediction control It may mean the drive control device 10 of the power conversion system. Hereinafter, the driving control device 10 of the power conversion system, that is, the driving control device 10 of the power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application will be referred to as the present device 10 for convenience of description.

본 장치(10)는 선정부(11) 및 제어부(12)를 포함할 수 있다. The apparatus 10 may include a selection unit 11 and a control unit 12.

본 장치(10)는 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하고, 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 모델 예측 제어를 통해 전력 변환 시스템의 구동을 제어할 수 있다. 본 장치(10)에 대한 보다 구체적인 설명은 후술하여 설명하기로 한다.The apparatus 10 drives a power conversion system through model prediction control that selects a portion of the subdivided voltage vector as a candidate voltage vector and controls the selected candidate voltage vector to be applied to the power converter by inputting a cost function. Can be controlled. A more detailed description of the device 10 will be described later.

발전부(20)에 대한 설명은 도 2를 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.The description of the power generation unit 20 may be more easily understood with reference to FIG. 2.

도 2는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템(100)에 포함된 발전부(20)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a diagram schematically showing the configuration of the power generation unit 20 included in the power conversion system 100 through model prediction control according to an embodiment of the present application.

도 2를 참조하면, 발전부(20)는 3상 전압원(3-Phase Voltage Source, 21), 전력변환장치(22) 및 계통(Grid, 26)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the power generation unit 20 may include a three-phase voltage source (3-Phase Voltage Source, 21), a power converter 22, and a grid (Grid, 26).

전력변환장치(22)는 정류단(23), 직류단(DC-link, 24) 및 인버터단(25)을 포함할 수 있다. 여기서, 정류단(23)은 전류원 정류단(Current Source Rectifier, CSR, 23)이라 달리 표현되고, 인버터단(25)은 전압원 인버터단(Voltage Source Inverter, VSI, 25)이라 달리 표현될 수 있다. 또한, 직류단(24)은 커패시터가 없는 직류단(24)으로서, 정류단(23)과 인버터단(25) 사이의 부분을 의미할 수 있다. 전력변환장치(22)는 직류단 커패시터가 없는 전력변환장치(22)라 달리 표현될 수 있다. The power conversion device 22 may include a rectifying terminal 23, a DC terminal (DC-link, 24) and an inverter terminal 25. Here, the rectifying stage 23 may be represented differently as a current source rectifier (CSR, 23), and the inverter stage 25 may be represented differently as a voltage source inverter stage (Voltage Source Inverter, VSI, 25). In addition, the DC terminal 24 is a DC terminal 24 without a capacitor, and may mean a portion between the rectifying terminal 23 and the inverter terminal 25. The power converter 22 may be represented as a power converter 22 without a DC terminal capacitor.

또한, 본원에서 전력변환장치(22)는 간접 매트릭스 컨버터(indirect-matrix- converter, IMC)라 달리 표현될 수 있다. 여기서, 간접 매트릭스 컨버터(IMC)는 정류단(23)이 인버터단(25)으로 에너지 저장 소자 없이 직접 연결된 형태인 본원에서 제안하는 전력변환장치(22)의 토폴로지를 의미할 수 있다In addition, in the present application, the power conversion device 22 may be represented differently as an indirect-matrix-converter (IMC). Here, the indirect matrix converter (IMC) may refer to the topology of the power converter 22 proposed herein, in which the rectifying stage 23 is directly connected to the inverter 25 without an energy storage element.

전력변환장치(22)는 3상 전압원(21)에서 발전된 전류를 계통(26)으로 공급(전달)할 수 있다.The power converter 22 may supply (transfer) the current generated from the three-phase voltage source 21 to the system 26.

전력변환장치(22)의 정류단(23)은 본 시스템(100)(특히, 발전부)의 입력 측에 배치되고, 3상 전압원(21)과 연결되도록 배치될 수 있다. 정류단(23)은 양방향 스위치 6개로 이루어질 수 있으며, 하나의 양방향 스위치는 단방향 스위치(IGBT)와 역방향 다이오드가 병렬로 조합된 두 세트가 직렬로 연결된 형태로 이루어질 수 있다.The rectifying end 23 of the power conversion device 22 is disposed on the input side of the system 100 (especially, the power generation unit), and may be arranged to be connected to the three-phase voltage source 21. The rectifying stage 23 may be composed of six bidirectional switches, and one bidirectional switch may be formed by two sets of a combination of a unidirectional switch (IGBT) and a reverse diode in parallel connected in series.

전력변환장치(22)의 인버터단(25)은 본 시스템(100)(특히 발전부)의 출력 측에 배치되고, 계통(26)과 연결되도록 배치될 수 있다. 전압원 인버터단(25)은 6개의 단방향 스위치(IGBT)와 역방향 다이오드의 조합으로 이루어질 수 있다.The inverter stage 25 of the power conversion device 22 is disposed on the output side of the system 100 (especially the power generation unit), and may be arranged to be connected to the system 26. The voltage source inverter stage 25 may be formed of a combination of six unidirectional switches (IGBT) and reverse diodes.

본 시스템(100)의 입력 측에는 풍력 발전, 바이오 매스, 소수력 등의 신재생 에너지 시스템으로부터 출력되는 3상 전압원(21)이 정류단(23)과 연결되도록 배치될 수 있다. 또한, 본 시스템(100)의 출력 측에는 마이크로 그리드, 스마트 그리드와 같은 계통(26)이 인버터단(25)과 연결되도록 배치될 수 있다.On the input side of the system 100, a three-phase voltage source 21 output from a renewable energy system such as wind power generation, biomass, and small hydro power may be arranged to be connected to the rectifying stage 23. In addition, a system 26 such as a micro grid or a smart grid may be disposed on the output side of the system 100 to be connected to the inverter terminal 25.

본 시스템(100)에 적용된 전력변환장치(22)는 부피가 크고 수명이 짧아 신뢰성을 저하시키는 직류단 커패시터가 제거된 형태의 전력변환장치(22)이므로, 본 시스템(100)은 종래 일반적인 계통 연계형 전력 변환 시스템과 대비하여 전체 시스템의 부피 및 비용을 줄일 수 있고, 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 본원에서 제안하는 IMC(22)에 의하면, 직류단(24)에 커패시터가 필요 없기 때문에, AC-DC-AC 전력변환의 일반적인 시스템과는 달리 시스템의 부피를 효과적으로 줄일 수 있다. IMC(22)는 시스템의 신뢰성(reliability)과 전력밀도(power density)를 높일 수 있다.Since the power conversion device 22 applied to the system 100 is a power conversion device 22 in a form of removing a DC terminal capacitor that deteriorates reliability due to its large volume and short life, the system 100 is conventionally connected to a general system. Compared to the type power conversion system, the volume and cost of the entire system can be reduced, and reliability can be improved. In other words, according to the IMC 22 proposed in the present application, since the DC terminal 24 does not require a capacitor, the volume of the system can be effectively reduced unlike the general system of AC-DC-AC power conversion. The IMC 22 can increase the reliability and power density of the system.

전력변환장치(22)에 대하여 3상 전압원(21)에서 발전된 입력 측 전류(i a , i b , i c ) 및 계통(26)으로 공급되는 출력 측 전류(i r , i s , i t )는 모두 본원에서 제안하는 본 장치(10)에 의한 세분된 전압 벡터를 후보로 하는 모델 예측 제어 기술(방법)에 의하여 그 크기 및 주파수가 빠르게 제어될 수 있으며, 외부 환경 변화에 강인할 수 있다. 또한, 본 장치(10)에 의해 전력변환장치(22)에 대한 입-출력 측 3상의 역률 제어가 가능하므로, 본 장치(10) 및 본 장치(10)를 포함하는 시스템(즉, 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템, 100)은 계통 연계에 효과적으로 적용될 수 있다.The input-side current ( i a , i b , i c ) generated from the three-phase voltage source 21 for the power converter 22 and the output-side current ( i r , i s , i t ) supplied to the system 26 All of them can be rapidly controlled in size and frequency by a model prediction control technique (method) that uses the subdivided voltage vector by the present apparatus 10 as a candidate, and can be robust against changes in the external environment. In addition, since the power conversion device 22 can control power factor of the three phases on the input-output side of the power conversion device 22, the device 10 and the system including the device 10 (ie, model prediction control) The grid-based power conversion system without a DC link capacitor, 100) can be effectively applied to the grid connection.

다시 말해, 전력변환장치(22)는 입력 신호로서, 3상 전압원(21)에서 발전된 입력 전류를 입력받을 수 있다. 전력변환장치(22)는 출력 신호로서, 출력 전류를 계통(26)으로 공급할 수 있다. 전력변환장치(22)에 대한 입-출력 전류의 크기 및 주파수는 외부 환경 변화에 강인하며 동특성이 우수한 본 장치(10)에 의한 모델 예측 제어 기법을 통해 제어될 수 있다. 또한, 본 장치(10)에 의한 본 시스템(100)의 제어를 통해 3상 전압원(21) 및 계통(26)의 입-출력 역률 제어가 가능하다.In other words, the power converter 22 may receive input current generated from the three-phase voltage source 21 as an input signal. The power converter 22 is an output signal and can supply the output current to the system 26. The magnitude and frequency of the input-output current to the power converter 22 can be controlled through a model prediction control technique by the apparatus 10 that is robust to changes in the external environment and has excellent dynamic characteristics. In addition, it is possible to control the input-output power factor of the three-phase voltage source 21 and the system 26 through the control of the system 100 by the apparatus 10.

이러한 본 시스템(100)은 비례-적분 제어기 기반의 종래의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템과 비교하여 외부 환경 변화에 강인하며, 제어 동특성이 우수하고, 비선형 부하를 구동하기 쉬우며, 상호 간섭이 없는 제어가 가능하다. 따라서, 본 장치(10) 및 본 장치(10)가 적용된 본 시스템(100)은, 비선형적 부하를 포함하는 시스템이면서 강인성 및 우수한 제어 동특성이 필요하고, 각 축 전류 간의 상호 독립적인 제어가 요구되는 계통 연계 전력 변환 응용 분야에서 효과적으로 적용(사용, 이용)될 수 있다.The present system 100 is robust to external environment changes, has superior control dynamic characteristics, and is easy to drive a nonlinear load, as compared to a grid-connected power conversion system without a conventional DC terminal capacitor based on a proportional-integration controller, Control without mutual interference is possible. Therefore, the present apparatus 10 and the present system 100 to which the apparatus 10 is applied are a system including a non-linear load and require robustness and excellent control dynamic characteristics, and mutually independent control between each axis current is required. It can be effectively applied (used, used) in grid-connected power conversion applications.

즉, 본원에서는 간접 매트릭스 컨버터(IMC, 22)에서 전류 리플(current ripple) 감소를 위해, 세분된 전압 벡터(세분화된 전압 벡터, subdivided voltage vectors)를 사용하는 모델 예측 제어(model predictive control, MPC) 기술에 대하여 제안한다. 달리 말해, 본 장치(10)는 세분된 전압 벡터를 사용하는 모델 예측 제어를 통해, 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)의 구동을 제어할 수 있다.That is, in the present application, model predictive control (MPC) using subdivided voltage vectors (subdivided voltage vectors) to reduce current ripple in the indirect matrix converters (IMC, 22) Suggestions for technology. In other words, the apparatus 10 may control driving of the grid-connected power conversion system 100 without a DC terminal capacitor through model prediction control using a subdivided voltage vector.

이하 설명에서는 본원에서 제안하는 모델 예측 제어 기술(Proposed MPC)을 설명의 편의상 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)이라 표현하기로 한다. 이러한 본원에서 제안된 기술이라 함은 본 장치(10)에 의한 모델 예측 제어를 통한 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동 제어 기술을 의미할 수 있다. In the following description, the model prediction control technique proposed in this application (Proposed MPC) will be referred to as a technique proposed in the application (Proposed MPC) for convenience of description. The technology proposed in the present application may mean a driving control technology of a grid-connected power conversion system without a DC link capacitor through model predictive control by the device 10.

본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에서, 후보 전압 벡터(candidate voltage vectors)의 수는 세분된 전압 벡터에 의해 증가될 수 있으며, 이는 IMC(22)의 입-출력 전류 리플을 줄일 수 있다. 또한, 본 장치(10)는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)을 통해 기준 전압 벡터(reference voltage vector)의 위치를 추정함으로써 세분화된 전압 벡터(subdivided voltage vectors)에 의해 발생되는 계산 부하를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 장치(10)에서 제안하는 모델 예측 제어(MPC)에 의하면, IMC(22)의 입-출력 전류 리플이 계산 부담없이 감소될 수 있다. 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)의 효과는 후술하는 시뮬레이션 결과에 의해 검증될 수 있다.In the proposed MPC, the number of candidate voltage vectors can be increased by a subdivided voltage vector, which can reduce the input-output current ripple of the IMC 22. In addition, the apparatus 10 can reduce the computational load caused by subdivided voltage vectors by estimating the position of the reference voltage vector through the proposed MPC. Can. Therefore, according to the model prediction control (MPC) proposed by the apparatus 10, the input-output current ripple of the IMC 22 can be reduced without calculation burden. The effect of the proposed technique (Proposed MPC) can be verified by the simulation results described later.

종래에 다양한 MPC 기술 중 하나인 유한 제어 요소 모델 예측 제어(Finite Control Set-Model Predictive Control, FCS-MPC) 기술은 시스템의 출력을 예측하는 부하 모델(load model)을 사용하는 비용 함수를 사용한다. FCS-MPC에서는 후보 전압 벡터(candidate voltage vectors)를 사용하여 비용 함수를 최소화하는 제어 입력을 결정한다. 그러나, FCS-MPC는 제어주기 동안 하나의 기본 전압 벡터가 인가되기 때문에 낮은 스위칭 주파수를 갖는 단점이 있다.Finite Control Set-Model Predictive Control (FCS-MPC) technology, which is one of various MPC technologies, uses a cost function that uses a load model to predict the output of the system. FCS-MPC uses candidate voltage vectors to determine the control input that minimizes the cost function. However, FCS-MPC has a disadvantage of having a low switching frequency because one basic voltage vector is applied during the control cycle.

후보 전압 벡터의 수가 제한된 FCS-MPC가 IMC 구동(drives)에 사용되는 경우에는 출력 전류 리플이 증가하며, 이는 IMC의 출력 품질이 좋지 않다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 FCS-MPC의 단점을 극복하기 위해, 후보 전압 벡터를 다시 세분화(subdivided)할 수 있다. 그런데, 세분된 전압 벡터는 다수의 후보 전압 벡터로 인해 계산상의 부담을 증가시킬 수 있다.When the FCS-MPC with a limited number of candidate voltage vectors is used for IMC drives, the output current ripple increases, which may mean that the output quality of the IMC is poor. To overcome the shortcomings of this FCS-MPC, the candidate voltage vector can be subdivided again. However, the subdivided voltage vector can increase the computational burden due to the multiple candidate voltage vectors.

따라서, 본원에서는 IMC(22)에서 입출력 전류 리플을 줄이기 위해 세분화된 전압 벡터를 사용하는 모델 예측 제어(MPC) 기술을 제안한다. 또한, 본원에서는 기준 전압 벡터의 위치(reference voltage vector)를 추정하여 계산 부담을 줄일 수 있는 방안에 대하여 제안한다. 이러한 세분화된 전압 벡터를 사용하는 모델 예측 제어(MPC) 및 기준 전압 벡터의 위치 추정은 본 장치(10)에 의해 수행될 수 있다.Therefore, the present application proposes a model predictive control (MPC) technique using a subdivided voltage vector to reduce input/output current ripple in the IMC 22. In addition, the present application proposes a method for reducing the computational burden by estimating the reference voltage vector. Model prediction control (MPC) using such a subdivided voltage vector and position estimation of a reference voltage vector may be performed by the apparatus 10.

앞서 설명한 바와 같이, 전력변환장치(22, IMC)는 3상 전압원(21)에서 계통(26)으로의 전력 변환을 수행할 수 있다. 정류단(23)은 발전 시스템과 같은 3상 전압원(21)에 연결되고, 인버터단(25)은 필터가 있는 계통(26)에 연결될 수 있다.As described above, the power converters 22 and IMC may perform power conversion from the three-phase voltage source 21 to the grid 26. The rectifying stage 23 is connected to a three-phase voltage source 21 such as a power generation system, and the inverter stage 25 can be connected to a grid 26 with a filter.

본원에서 정류단(23)의 변조 과정 및 인버터단(25)의 변조 과정에서는 예시적으로 공간 벡터 변조(space-vector modulation, SVM) 기법이 적용될 수 있으며, 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 종래 기 공지되었거나 향후 개발되는 다양한 변조 기법이 적용될 수 있다.Here, in the modulation process of the rectifying stage 23 and the modulation process of the inverter stage 25, a space-vector modulation (SVM) technique may be applied as an example, but is not limited thereto. Various modulation techniques that are known or developed in the future can be applied.

정류단(23)의 변조 과정에 대한 보다 구체적인 설명은 다음과 같다.A more detailed description of the modulation process of the rectifying stage 23 is as follows.

도 3은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템(100)에 포함된 정류단(23, CSR)의 공간 벡터도(즉, 정류단의 공간 벡터 전류 다이어그램)를 나타낸 도면이다.3 is a diagram showing a spatial vector diagram (ie, a space vector current diagram of a rectifying stage) of the rectifying stages 23 and CSR included in the power conversion system 100 through model prediction control according to an embodiment of the present application. .

도 3을 참조하면, 각 섹터(sector)에서, 기준 전류 벡터(reference current vector)는 2 개의 인접한 전류 벡터의 조합에 의해 생성될 수 있다. 본원에서 기준 전류 벡터는 지령 전류 벡터라 달리 표현될 수 있다. 예를 들어, 제6 섹터(Sector )에서 기준 전류 벡터는 I 1I 6와 같은 벡터(유효 전류 벡터)를 사용하여 합성될 수 있다. 또한, 정류단(23)의 스위칭 상태(Switching states)와 전류 벡터(Current vector)에 따른 IMC(22)의 순간적인(instantaneous) 직류단(24)전압(DC-link voltage)은 예시적으로 도 4와 같을 수 있다.Referring to FIG. 3, in each sector, a reference current vector may be generated by a combination of two adjacent current vectors. Here, the reference current vector may be differently expressed as a command current vector. For example, the reference current vector in the sixth sector Sector VI may be synthesized using vectors such as I 1 and I 6 (active current vector). In addition, the instantaneous (instantaneous) DC terminal 24 voltage (DC-link voltage) of the IMC 22 according to the switching states of the rectifying stage 23 and the current vector (Current vector) It can be equal to 4.

도 4는 정류단(23)의 전류 벡터에 따른 스위칭 상태와 직류단(24) 전압의 예를 나타낸다. 4 shows an example of the switching state and the DC terminal 24 voltage according to the current vector of the rectifying stage 23.

본 시스템(100)에서 정류단(23)의 기준 전류 벡터(reference current vector)는 하기 식 1과 같이 표현될 수 있다.In the present system 100, the reference current vector of the rectifying stage 23 may be expressed as Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, i i 는 기준 전류 벡터의 크기(magnitude)를 나타낸다. 또한, θ ia , θ ib , 및 θ ic 는 기준 전류 벡터 요소(reference current vector components)(i * a , i * b , i * c ) 각각의 위상각(phase angle)을 나타낸다.Here, i i represents the magnitude (magnitude) of the reference current vector. Also, θ ia , θ ib , and θ ic Denotes the phase angle of each of the reference current vector components ( i * a , i * b , i * c ).

단위 역률(unity power factor)에서 정류(rectification)를 수행하기 위해, 정류단(23)의 I * i 는 입력 전압 벡터(input voltage vector)와 일치되어야 한다. 균형을 이루는 상태(balanced condition)에서, 입력 전압 벡터는 하기 식 2와 같이 표현될 수 있다.In order to perform rectification at a unity power factor, I * i of the rectifying stage 23 must match the input voltage vector. In a balanced condition, the input voltage vector can be expressed as Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, v i 는 입력 전압 벡터의 크기, ω i 는 3상 전압원(21)의 각주파수(angular frequency), θ va , θ vb , 및 θ vc 는 입력 전압 벡터 요소(input voltage vector components)(v a , v b , v c ) 각각의 위상각(phase angle)을 나타낸다.Here, v i is the magnitude of the input voltage vector, ω i is the angular frequency of the three-phase voltage source 21, θ va , θ vb , and θ vc Denotes the phase angle of each of the input voltage vector components ( v a , v b , v c ).

더하여, 3 상 전압원(21)이 균형(balanced)을 이룬다는 가정 하에 각 요소(components)들의 합이 0이기 때문에, 입력 전압 벡터 요소의 위상각은 하기 식 3을 만족할 수 있다.In addition, since the sum of each component is 0 under the assumption that the three-phase voltage source 21 is balanced, the phase angle of the input voltage vector element may satisfy Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

I * i 가 도 3에 도시된 바와 같이 제6 섹터(Sector )에 위치하는 경우, A-레그(A-leg)의 상부 스위치가 클램프(clamped)될 수 있다. 따라서, 듀티비(d x , d y )는 하기 식 4와 같이 표현될 수 있다. When I * i is located in the sixth sector (Sector VI ) as shown in FIG. 3, the upper switch of the A-leg may be clamped. Accordingly, the duty ratio ( d x , d y ) may be expressed as in Equation 4 below.

[식 4][Equation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, d x d y 는 각각 B-레그(B-leg)와 C-레그(C-leg)의 하부 스위치의 듀티비를 나타낸다. Where d x And d y denote the duty ratios of the lower switches of the B-leg and the C-leg, respectively.

또한, 직류단(24)에 걸리는 전압의 평균, 즉 평균 직류단 전압인 v DC ( avg ) 는 3 상 전압원(21)의 선간 전압(line-to-line voltage)(v ab v ca ) 및 듀티비(d x , d y )를 이용하여 하기 식 5를 만족하도록 산출(계산)될 수 있다.In addition, the average of the voltage applied to the DC terminal 24, that is, the average DC terminal voltage, v DC ( avg ), is a line-to-line voltage of the three-phase voltage source 21 ( v ab and v ca ) and It can be calculated (calculated) to satisfy the following equation 5 using the duty ratio ( d x , d y ).

[식 5][Equation 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, v DC ( avg ) 는 스위칭 기간 동안 전력변환장치(IMC, 22)의 직류단(24)에 나타나는 평균 전압을 의미한다. v DC ( avg ) 는 후술하는 인버터단(25) 변조 과정에서 기준 전압(reference voltage)을 계산하는데 사용될 수 있다. Here, v DC ( avg ) means the average voltage that appears at the DC terminal 24 of the power converters IMC and 22 during the switching period. v DC ( avg ) may be used to calculate a reference voltage in the process of modulating the inverter stage 25, which will be described later.

제1 섹터 내지 제6 섹터 중 제6 섹터를 제외한 나머지 섹터들(즉, 제1 섹터 내지 제5 섹터)에 대해서는 앞서 제6 섹터에 대하여 설명한 변조 방식과 동일 내지 유사한 방식으로 변조가 이루어질 수 있다. 즉, 제6 섹터에 대하여 설명된 내용은 나머지 섹터들(즉, 제1 섹터 내지 제5 섹터) 각각에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.For the remaining sectors (that is, the first sector to the fifth sector) other than the sixth sector among the first sector to the sixth sector, modulation may be performed in the same or similar manner to the modulation scheme described with respect to the sixth sector. That is, the contents described with respect to the sixth sector can be equally applied to the description of each of the remaining sectors (ie, the first sector to the fifth sector).

정류단(23)의 변조 과정에 대하여 다시 설명하면 다음과 같다. The modulation process of the rectifying stage 23 will be described again as follows.

본 장치(10)의 제어부(12)는 정류단(23)의 변조가 이루어지도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(12)의 제어에 의하여, 정류단(23)은 변조 과정을 수행할 수 있다.The control unit 12 of the apparatus 10 may control the rectification stage 23 to be modulated. That is, under the control of the control unit 12, the rectifying stage 23 may perform a modulation process.

제어부(12)는 정류단(23)의 변조 과정을 통해, 입력 측 전류의 기본파 크기와 주파수를 정현적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(12)는 정류단(23)의 역률(즉, 입력 역률)을 조절하여 입력 측 무효전력과 유효전력을 제어할 수 있으며, 이와 동시에 직류단(23) 전압이 입력 측 교류 전압의 최대값으로 인가되도록 제어할 수 있다. The controller 12 can sinely control the fundamental wave size and frequency of the input-side current through the modulation process of the rectifying stage 23. In addition, the control unit 12 may control the reactive power and the active power of the input side by adjusting the power factor (that is, the input power factor) of the rectifying stage 23, and at the same time, the voltage of the DC terminal 23 of the input side AC voltage It can be controlled to be applied at the maximum value.

따라서, 직류단(24) 전압은 정류단(23)의 변조에 따른 스위칭 상태가 그 크기를 결정하며, 매 순간 도통(ON, 단락)되어 있는 정류단(23)의 상단 양방향 스위치와 하단 양방향 스위치를 통해 직류단(24) 전압이 유지될 수 있다. 달리 표현하여, 제어부(12)는 정류단(23)의 변조에 따른 스위칭 상태의 제어를 통해 직류단(24) 전압의 크기를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(12)는 직류단(24) 전압을 유지시키기 위해, 정류단(23)의 상단 양방향 스위치와 하단 양방향 스위치를 매 순간 도통(ON, 단락)되도록 제어할 수 있다.Therefore, the voltage of the DC terminal 24 determines the magnitude of the switching state according to the modulation of the rectifying terminal 23, and the upper and lower bidirectional switches of the rectifying terminal 23 that are electrically connected (ON, short circuited) at every moment. Through the DC terminal 24 voltage can be maintained. In other words, the control unit 12 may control the magnitude of the voltage of the DC terminal 24 through control of a switching state according to modulation of the rectifying terminal 23. In addition, in order to maintain the voltage of the DC terminal 24, the controller 12 may control the upper bidirectional switch and the lower bidirectional switch of the rectifying terminal 23 to be turned on (ON, short circuited) every moment.

도 3에 도시된 정류단(23)의 공간 벡터도를 참조하면, 제어부(12)는 정류단(23)의 스위칭 상태에 따라 6개의 유효 전류 벡터와 3개의 무효 전류 벡터가 정류단(23)에 인가되도록 제어할 수 있다. Referring to the spatial vector diagram of the rectifying stage 23 shown in FIG. 3, the control unit 12 includes six active current vectors and three reactive current vectors according to the switching state of the rectifying stage 23. It can be controlled to be applied to.

제어부(12)의 제어에 의해 서로 다른 상(레그, 암)에서 상단부의 양방향 스위치와 하단부의 양방향 스위치가 도통되는 경우에는 계통(26)과 직류단(24)이 연결될 수 있으며, 이때 유효 전류 벡터가 인가될 수 있다. 반면, 제어부(12)의 제어에 의해 같은 상의 상/하단 스위치가 도통되는 경우에는 직류단(24)에 계통(24) 전압이 인가되지 않으며, 무효 전류 벡터가 인가될 수 있다.When the bidirectional switch of the upper part and the bidirectional switch of the lower part are conducting in different phases (legs, arms) under the control of the control unit 12, the system 26 and the DC terminal 24 may be connected. Can be applied. On the other hand, when the upper/lower switch of the same phase is conducted by the control of the control unit 12, the voltage of the system 24 is not applied to the DC terminal 24, and an invalid current vector may be applied.

정류단(23)의 변조 과정은 다음의 과정을 통해 이루어질 수 있다. 지령 전류 벡터(달리 말해, 기준 전류 벡터)의 위상이 제6 섹터(제6 영역)에 위치하는 경우, 제어부(12)는 지령 전류 벡터에 인접한 두 개의 유효 전류 벡터(I 1 , I 6 )를 정류단(23)에 인가함으로써 지령 전류 벡터를 합성할 수 있으며, 이때 지령 상 전류(i * a , i * b , i * c )가 상기 식 1과 같이 생성될 수 있다. The rectifying stage 23 may be modulated through the following process. When the phase of the command current vector (in other words, the reference current vector) is located in the sixth sector (sixth area), the control unit 12 generates two active current vectors I 1 and I 6 adjacent to the command current vector. By applying to the rectifying stage 23, a command current vector can be synthesized, and at this time, a command phase current ( i * a , i * b , i * c ) may be generated as shown in Equation 1.

제어부(12)는 제6 섹터에서 두 개의 유효 전류 벡터(I 1 , I 6 )를 인가하는 동안에, 정류단(23)의 a상 상단부 스위치를 스위칭 한 주기 동안 도통 상태로 유지(지속)되도록 제어할 수 있다. 한편, 3상 전압원(21)이 균형(평형)을 유지하는 경우, 제어부(12)는 정류단(23)의 b상과 c상 하단부 스위치가 스위칭 한 주기 동안 상기 식 4의 듀티비(d x , d y )와 한 주기를 곱한 시간만큼 도통되도록 제어할 수 있다.The control unit 12 controls to maintain (continue) the a-phase upper switch of the rectifying stage 23 during the switching cycle while applying two effective current vectors I 1 and I 6 in the sixth sector. can do. On the other hand, when the three-phase voltage source 21 maintains a balance (balance), the control unit 12 has a duty ratio ( d x of Equation 4) during a period in which the lower and upper b-phase switches of the rectifying terminal 23 are switched. , d y ) and one cycle times.

본 시스템(100)의 직류단(24)에 인가되는 전압의 평균값(즉, 평균 직류단 전압) v DC ( avg ) 는 입력 측 선간 전압(v ab v ca ) 및 듀티비(d x , d y )의 곱을 통해 상기 식 5와 같이 계산될 수 있다. 다른 섹터(제1 섹터 내지 제5 섹터) 각각에 대해서도 제6 섹터에서의 변조 방식과 동일한 방식으로 지령 전류 벡터(기준 전류 벡터)의 위상에 따른 정류단(23)의 변조가 이루어질 수 있다.The average value of the voltage applied to the DC terminal 24 of the system 100 (ie, the average DC terminal voltage) v DC ( avg ) is the input line voltage ( v ab and v ca ) and the duty ratio ( d x , d It can be calculated by Equation 5 through the product of y ). For each of the other sectors (first sector to fifth sector), the rectifying stage 23 may be modulated according to the phase of the command current vector (reference current vector) in the same manner as the modulation scheme in the sixth sector.

인버터단(25)의 변조 과정에 대한 보다 구체적인 설명은 다음과 같다.A more detailed description of the modulation process of the inverter stage 25 is as follows.

인버터단(25, VSI)의 변조 과정에서, 변조된 기준 전압(modulated reference voltage)은 평균 직류단 전압인 v DC ( avg ) 와 정류단(23)의 커뮤테이션(commutation)를 기반으로 결정될 수 있다.In the modulation process of the inverter stages 25 and VSI, the modulated reference voltage may be determined based on the commutation of the average DC terminal voltage v DC ( avg ) and the rectifying stage 23. .

도 5는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템(100)에 포함된 인버터단(25)의 공간 벡터도(즉, 인버터단의 공간 벡터 전압 다이어그램)를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a spatial vector diagram (ie, a spatial vector voltage diagram of an inverter stage) of the inverter stage 25 included in the power conversion system 100 through model prediction control according to an embodiment of the present application.

인버터단(25)의 변조 과정은 일반적인 인버터의 변조 기술과 유사할 수 있다. 그러나, 본원에서 제안하는 전력변환장치(22, IMC)의 인버터단(25)의 변조 과정에서는 직류단(24) 영전류 커뮤테이션(zero DC-link current commutation)을 만족시키기 위해 정류단(23, CSR)의 스위칭 상태를 고려할 수 있다.The modulation process of the inverter stage 25 may be similar to that of a general inverter. However, in the modulation process of the inverter stage 25 of the power converters 22 and IMC proposed in the present application, the rectifying stage 23, in order to satisfy the zero DC-link current commutation of the DC stage 24, The switching state of CSR) can be considered.

따라서, 본원에서 전력변환장치(22, IMC)의 인버터단(25)의 변조 과정에서는 두 개의 변조 기준 전압(modulation reference voltages)이 이용될 수 있다.Therefore, two modulation reference voltages may be used in the modulation process of the inverter stage 25 of the power converters 22 and IMC herein.

R-상(R-phase)에서의 변조 기준 전압의 상한(upper) 및 하한(lower)은 하기 식 6과 같이 표현될 수 있다.The upper and lower limits of the modulation reference voltage in the R-phase may be expressed as Equation 6 below.

[식 6][Equation 6]

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, v sn 은 오프셋 전압(offset voltage)을 의미하고, 이는 하기 식 7을 만족하도록 계산될 수 있다. 이는 공간 벡터 변조(SVM) 기법을 사용하기 위해 3상 기준 전압(v * r , v * s , v * t )에 추가(제공, 반영)될 수 있다.Where v sn Means an offset voltage, which can be calculated to satisfy Equation 7 below. It can be added (provided, reflected) to the three-phase reference voltages ( v * r , v * s , v * t ) to use the spatial vector modulation (SVM) technique.

인버터단(25)의 변조 과정에 대하여 다시 설명하면 다음과 같다. The modulation process of the inverter stage 25 will be described again as follows.

본 장치(10)의 제어부(12)는 인버터단(25)의 변조가 이루어지도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(12)의 제어에 의하여, 인버터단(25)은 변조 과정을 수행할 수 있다.The control unit 12 of the apparatus 10 may control the inverter stage 25 to be modulated. That is, under the control of the control unit 12, the inverter terminal 25 may perform a modulation process.

본 시스템(100)에서 인버터단(25)의 변조 과정은 일예로 2-레벨 전압원 인버터의 일반적인 변조 기법과 유사할 수 있다. In the system 100, the modulation process of the inverter stage 25 may be similar to, for example, a general modulation technique of a two-level voltage source inverter.

도 5에 도시된 인버터단(25)의 공간 벡터도를 참조하면, 제어부(12)는 인버터단(25)의 스위칭 상태에 따라 6개의 유효 전압 벡터와 2개의 무효 전압 벡터를 인버터단(25)에 인가할 수 있다.Referring to the spatial vector diagram of the inverter stage 25 shown in FIG. 5, the control unit 12 uses six effective voltage vectors and two reactive voltage vectors according to the switching state of the inverter stage 25. Can be applied to.

인버터단(25)의 변조를 위해 일예로 반송파 기반의 공간 벡터 변조 기법이 이용될 수 있다. 또한, 제어부(12)는 인버터단(25)의 변조 제어 수행시, 반송파와 비교되는 두 지령 신호를 사용하여 영전류 커뮤테이션이 수행되도록 함으로써, 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 여기서, 반송파와 비교되는 두 지령 신호는 상기 식 6과 같이 표현되는 R-상(R-phase)에서의 변조 기준 전압의 상한인 v * upper 와 하한인 v * lower 를 의미할 수 있다.For the modulation of the inverter stage 25, for example, a carrier-based spatial vector modulation technique may be used. In addition, when performing modulation control of the inverter stage 25, the controller 12 can reduce switching loss by performing zero current commutation using two command signals compared to the carrier. Here, the two command signals compared to the carrier may mean the upper limit v * upper and the lower limit v * lower of the modulation reference voltage in R-phase expressed as Equation 6 above.

이하에서는 전력변환장치(22, IMC)의 모델 예측 제어(MPC) 기술에 대하여 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the model prediction control (MPC) technology of the power converters 22 and IMC will be described in more detail.

먼저, 종래의 유한 제어 요소 모델 예측 제어(Finite Control Set-Model Predictive Control, FCS-MPC)(즉, Conventional FCS-MPC)에 대하여 설명하면 다음과 같다.First, the conventional Finite Control Element Model Predictive Control (FCS-MPC) (ie, Conventional FCS-MPC) will be described as follows.

예측된 전류(predicted current)는 IMC에서의 출력 전류의 FCS-MPC에 필요하며, 이는 각 후보 전압 벡터(each candidate voltage vectors)와 부하 모델(load model)에 의해 계산될 수 있다. 연속 시간 영역에서 도2에 도시된 바와 같은 인버터단(25, VSI)의 부하 모델에서의 출력 전압 벡터 V는 하기 식 8과 같이 표현될 수 있다.Predicted current is required for FCS-MPC of the output current in the IMC, which can be calculated by each candidate voltage vectors and load model. In the continuous time domain, the output voltage vector V in the load model of the inverter stages 25 and VSI as shown in FIG. 2 may be expressed as Equation 8 below.

[식 8][Equation 8]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, L of R of 는 각각 유도성(inductive) 필터와 저항성(resistive) 필터를 나타낸다. 전력변환장치(22)의 출력 전류 벡터(output current vector, I) 및 계통 전압 벡터(grid voltage vector, E)와 같은 변수(variables)는 α-β 고정 기준 프레임(stationary reference frame)에서 표현될 수 있다.Here, L of and R of denote an inductive filter and a resistive filter, respectively. Variables such as the output current vector ( I ) and the grid voltage vector (E) of the power converter 22 can be expressed in the α-β stationary reference frame. have.

디지털 신호 처리장치(digital signal processor, DSP)에 FCS-MPC를 구현하기 위해서는 이산화 모델(discretized model)이 필요하다. 상기 식 8과 같은 부하 모델(load model)은 순방향 오일러 방법(forward Euler method)을 사용하여 이산화(discretized)될 수 있다. 예측된 전류 벡터(predicted current vector)와 관련하여 하기 식 9와 같이 표현될 수 있다.In order to implement FCS-MPC in a digital signal processor (DSP), a discretized model is required. The load model shown in Equation 8 may be discretized using the forward Euler method. In relation to the predicted current vector (predicted current vector) it can be expressed as Equation 9 below.

[식 9][Equation 9]

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서, I(k) 및 E(k) 는 각각 센서로부터 획득된 순간 출력 전류(instantaneous output current) 및 계통 전압 벡터(grid voltage vector)를 나타낸다. V(k)는 후보 전압 벡터(candidate voltage vector)를 나타내고, T s 는 샘플링 주기(sampling period)를 나타낸다.Here, I ( k ) and E ( k ) denote instantaneous output current and grid voltage vector obtained from the sensor, respectively. V ( k ) represents a candidate voltage vector, and T s represents a sampling period.

FCS-MPC에서, 비용 함수(cost function)는 α-β 고정 기준 프레임(stationary reference frame)에서 하기 식 10을 기반으로 기준 전류(reference current) 및 예측된 전류(predicted current)를 사용하여, 하기 식 10과 같이 정의될 수 있다.In FCS-MPC, the cost function uses a reference current and a predicted current based on Equation 10 below in an α-β stationary reference frame. It can be defined as 10.

[식 10][Equation 10]

Figure pat00009
Figure pat00009

결과적으로, IMC에서의 출력 전류의 FCS-MPC에 대한 기준 전압 벡터(reference voltage vector)는 비용 함수가 최소화되도록 선택될 수 있다. 그러나, 종래 FCS-MPC 방식에서 후보 전압 벡터(candidate voltage vectors)의 수는 영 전압 벡터(zero voltage vectors, 달리 표현해 무효 전압 벡터)를 포함한 8개의 기본 전압 벡터(basic voltage vectors)로 제한된다. 따라서, 종래 FCS-MPC 방식이 적용된 전력 변환 시스템은 IMC의 출력 전류 리플(utput current ripple)이 상당하며, 제어주기에 대하여 오직 하나의 벡터만 적용되기 때문에 스위칭 주파수(switching frequency)가 낮은 문제가 있다. 따라서, 종래 FCS-MPC는 계통에 연결된 전력변환장치(IMC)에서 사용하기에 부적절한 측면이 있다.Consequently, the reference voltage vector for the FCS-MPC of the output current in the IMC can be selected such that the cost function is minimized. However, in the conventional FCS-MPC scheme, the number of candidate voltage vectors is limited to eight basic voltage vectors including zero voltage vectors. Therefore, the power conversion system to which the conventional FCS-MPC method is applied has a problem that the output current ripple of the IMC is significant, and only one vector is applied to the control cycle, so that the switching frequency is low. . Therefore, the conventional FCS-MPC has an inappropriate aspect for use in an electric power converter (IMC) connected to a system.

다시 말하자면, 종래 모델 예측 제어 기법은 전력 변환 시스템의 후보 전압 벡터와 필터를 포함한 계통 모델을 바탕으로 향후의 계통 전류를 예측하고, 비용함수를 통해 선택된 최적 입력을 사용하여 계통 전류를 제어한다. In other words, the conventional model predictive control technique predicts future grid current based on the grid model including candidate voltage vectors and filters of the power conversion system, and controls the grid current using the optimal input selected through the cost function.

그런데, 종래의 모델 예측 제어 방법(예를 들어, FCS-MPC 등)이 적용된 전력 변환 시스템은 스위칭 주파수의 대역폭이 낮고, 가변하는 성질을 가지므로, 입-출력 필터 및 부하조건에 따라 공진할 수 있는 위험이 있으며, 가청소음이 심한 문제가 있다. 또한, 종래의 모델 예측 제어 방법에서는 한정된 개수의 후보 전압 벡터만 사용 가능하기 때문에, 입-출력 전류의 리플이 상당하여 계통사업자가 정한 계통 연계 규정을 만족시키지 못하는 문제가 있다. However, a power conversion system to which a conventional model prediction control method (for example, FCS-MPC, etc.) is applied has a low switching frequency bandwidth and has a variable property, and thus can resonate according to input-output filters and load conditions. There is a risk, and there is a problem with severe audible noise. In addition, in the conventional model predictive control method, since only a limited number of candidate voltage vectors can be used, there is a problem in that the ripple of input-output current is significant and thus does not satisfy the grid linkage regulations set by the grid operator.

따라서, 직류단 커패시터가 없는 계통 연계 시스템을 모델 예측 제어할 수 있는 시스템의 개발이 요구된다. 더불어, 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계 시스템은 시스템 공진의 위험이 없으면서 입-출력 전류의 THD가 규정치 이내이며, 역률을 가변할 수 있는 능력을 지녀야 한다. 본원은 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 기술에 대하여 제안한다. 즉, 본원은 직류단 커패시터가 없는 계통 연계 시스템을 모델 예측 제어하는 장치(본 장치, 10)에 대하여 제안한다. 이러한 본 장치(10)가 적용된 본 시스템(100)은 시스템 공진의 위험이 없으면서 입-출력 전류의 THD가 규정치 이내이며, 역률을 가변할 수 있는 기능을 가질 수 있다.Accordingly, there is a need to develop a system capable of model predictive control of a grid-connected system without a DC link capacitor. In addition, the system link system without DC terminal capacitors based on model prediction control must have the ability to vary the power factor and the THD of the input-output current is within a specified value without risk of system resonance. The present application proposes a technique capable of satisfying these conditions. That is, the present application proposes an apparatus (this apparatus, 10) for model predictive control of a grid-connected system without a DC terminal capacitor. The present system 100 to which the present apparatus 10 is applied has a function capable of varying the power factor while the THD of the input-output current is within a prescribed value without the risk of system resonance.

이하에서는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the proposed technology (Proposed MPC) will be described in more detail.

도 6은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템(100)의 제어 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.6 is a diagram schematically showing a control configuration of the power conversion system 100 through model prediction control according to an embodiment of the present application.

도 1 및 도 6 을 참조하면, 본 장치(10)의 제어부(12)는 발전부(20)의 구동을 제어할 수 있다.1 and 6, the control unit 12 of the apparatus 10 may control the driving of the power generation unit 20.

제어부(12)는 전력변환장치(22)의 입력 측에 배치된 정류단(23)을 제어할 수 있다. 제어부(12)는 정류단(23)에 대하여, 측정된 전압의 위상(즉, 입력 전압 벡터 요소의 위상각, θ v )을 판별하고, 이를 기준으로 원하는 역률을 얻으면서 직류단(24) 전압을 최대로 하는 듀티비를 계산(Duty Ratio Calculation, S1)할 수 있다. 이때, 제어부(12)는 듀티비를 상기 식 4를 기초로 하여 계산할 수 있다. The control unit 12 may control the rectifying stage 23 disposed on the input side of the power conversion device 22. The control unit 12 determines the phase of the measured voltage with respect to the rectifying stage 23 (that is, the phase angle of the input voltage vector element, θ v ), and obtains a desired power factor based on the voltage of the DC stage 24 voltage Duty ratio calculation (S1) can be calculated to maximize the (Duty Ratio Calculation, S1). At this time, the controller 12 may calculate the duty ratio based on Equation 4 above.

또한, 제어부(12)는 정류단(23)의 변조 신호(Modulation Signal, S2)를 획득할 수 있다. 이때, 정류단(23)의 변조 신호는 계산된 듀티비를 이용하여 획득될 수 있다. In addition, the control unit 12 may acquire a modulation signal (S2) of the rectifying terminal 23. At this time, the modulated signal of the rectifying stage 23 can be obtained using the calculated duty ratio.

또한, 제어부(12)는 계통(26) 측 입력 선간 전압의 크기(V i )와 계산된 듀티비를 이용하여, 직류단 전압으로서 평균 직류단 전압 v DC ( avg ) 를 계산(v DC(avg) Calculation, S3)할 수 있다.In addition, the control unit 12 calculates the average DC link voltage v DC ( avg ) as the DC link voltage using the magnitude ( V i ) of the input line voltage on the system 26 side and the calculated duty ratio ( v DC(avg ) Calculation, S3).

또한, 제어부(12)는 디지털 신호 처리장치(DSP) 내에서 변조 신호와 삼각반송파의 비교를 수행하여 정류단(23)의 변조가 이루어지도록 제어할 수 있다. 이러한 정류단(23)의 변조 과정을 통해 제어부(12)는 정류단(23)에 대한 입력 교류 전류를 제어할 수 있으며, 직류단(23) 전압을 최대로 제어할 수 있다.In addition, the controller 12 may control the modulation of the rectifying stage 23 by performing a comparison of the modulated signal and the triangular carrier in the digital signal processing device (DSP). Through the modulation process of the rectifying stage 23, the controller 12 may control the input AC current to the rectifying stage 23, and may control the DC terminal 23 voltage to the maximum.

달리 말해, 제어부(12)는 앞서 생성된 변조 신호(S2)와 삼각 반송파의 비교를 통해 획득된 PWM(Pulse Width Modulation, S4) 신호를 이용하여 정류단(23)의 변조가 수행(즉, 정류단에 변조 기법이 적용)되도록 제어할 수 있다. 그 결과, 제어부(12)는 정류단(23)의 변조를 통해 획득된 기준 전류 벡터를 게이트 신호(Gate Signal, S5) 신호로서 정류단(23)에 제공(전달)할 수 있다.In other words, the controller 12 performs modulation of the rectifying stage 23 using the PWM (Pulse Width Modulation, S4) signal obtained through the comparison of the previously generated modulation signal (S2) and the triangular carrier (that is, rectification However, it can be controlled such that a modulation technique is applied). As a result, the controller 12 may provide (transfer) the reference current vector obtained through modulation of the rectifying stage 23 to the rectifying stage 23 as a gate signal (S5) signal.

다시 말하자면, 제어부(12)는 정류단(23)의 변조 기법 적용을 통해 전력변환장치(22)에 입력되는 입력 전류(입력 교류 전류)를 제어할 수 있다. 이때, 정류단(23)의 변조 기법은, 디지털 신호 처리장치(DSP) 내에서 변조 신호와 삼각반송파의 비교를 통해 이루어질 수 있다. 또한, 전력변환장치(22)에 입력되는 입력 전류는 정류단(23)의 변조 기법이 적용된 정류단의 변조 신호이고, 정류단(23)의 변조 신호는 직류단(24) 전압을 최대로 하도록 계산된 듀티비 및 계통 측 입력 선간 전압의 크기와 듀티비를 이용하여 계산된 직류단 전압(특히, 평균 직류단 전압)을 이용하여 획득될 수 있다.In other words, the control unit 12 may control the input current (input alternating current) input to the power conversion device 22 through application of the modulation technique of the rectifying stage 23. At this time, the modulation technique of the rectifying stage 23 may be achieved through comparison of a modulated signal and a triangular carrier in a digital signal processing device (DSP). In addition, the input current input to the power converter 22 is a modulated signal of the rectifying stage to which the modulation technique of the rectifying stage 23 is applied, and the modulating signal of the rectifying stage 23 is such that the DC terminal 24 voltage is maximized. It may be obtained by using the calculated DC ratio and the DC voltage (especially, the average DC voltage) calculated using the calculated duty ratio and the magnitude and duty ratio of the input line voltage to the grid.

또한, 제어부(12)는 전력변환장치(22)의 출력 측에 배치된 인버터단(25)을 제어할 수 있다. 보다 구체적인 설명은 다음과 같다.In addition, the control unit 12 may control the inverter stage 25 disposed on the output side of the power conversion device 22. The more detailed explanation is as follows.

제어부(12)는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)을 위해(즉, 본원에서 제안하는 모델 예측 제어를 위해), 종래 FCS-MPC 방식에서 후보 전압 벡터로서 무효 전압 벡터가 포함된 8개의 기본 전압 벡터(기존 전압 벡터)를 이용하는 것과는 달리(달리 말해, 종래에 후보 전압 벡터의 수가 무효 전압 벡터를 포함하는 8개의 전압 벡터로 제한되었던 것과는 달리), 12개의 영역으로 나누어진 세분된 전압 벡터(세분화된 전압 벡터)를 이용할 수 있다. The controller 12 for the proposed MPC (i.e., for model prediction control proposed herein), 8 basic voltages including an invalid voltage vector as a candidate voltage vector in the conventional FCS-MPC scheme Subdivided voltage vectors (segmentation) divided into 12 regions, unlike using vectors (existing voltage vectors) (in other words, the number of candidate voltage vectors was previously limited to 8 voltage vectors containing reactive voltage vectors) Voltage vector).

도 7은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)에서 고려되는 인버터단(25)의 세분된 공간 벡터도를 나타낸 도면이다. 또한, 도 8은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)에서 고려되는 인버터단(25)의 세분된 공간 벡터도에서, 제1 섹터(S 1 ) 내지 제3 섹터(S 3 )의 세분된 전압 벡터(subdivided voltage vectors)의 좌표 값(Coordinate values)을 나타낸 도면이다. 특히, 도 9는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)에서 고려되는 인버터단(25)의 세분된 공간 벡터도에서, 제1 섹터(S 1 )의 세분된 전압 벡터의 좌표 값(a), 제2 섹터(S 2 )의 세분된 전압 벡터의 좌표 값(b), 및 제3 섹터(S 3 )의 세분된 전압 벡터의 좌표 값(c) 각각을 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a detailed spatial vector diagram of the inverter stage 25 considered in the drive control device 10 of the power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application. 8 is a subdivided spatial vector diagram of the inverter stage 25 considered in the drive control device 10 of the power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application, the first sector S 1 It is a view showing coordinate values of subdivided voltage vectors of the third sector S 3 . In particular, FIG. 9 is a subdivided spatial vector diagram of the inverter stage 25 considered in the drive control device 10 of the power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application, in which the first sector S 1 is The coordinate value of the subdivided voltage vector of (a), the coordinate value of the subdivided voltage vector of the second sector ( S 2 ) (b), and the coordinate value of the subdivided voltage vector of the third sector ( S 3 ) (c) It is a figure showing each.

도 7 내지 9를 참조하면, 본 장치(10)에서 고려되는 인버터단(25)의 세분된 전압 공간 벡터도에서 섹터는 12개의 섹터(S 1 내지 S 12 )로 구분될 수 있다.7 to 9, in the subdivided voltage space vector diagram of the inverter stage 25 considered in the apparatus 10, a sector may be divided into 12 sectors ( S 1 to S 12 ).

제어부(12)는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)의 수행 시, 12개의 섹터에 대해 세분된 전압 벡터(subdivided voltage vectors)를 전력변환장치(22)의 출력 전류(output current)를 제어하기 위해 이용할 수 있다. 즉, 제어부(12)는 12개의 섹터에 대해 세분된 전압 벡터를 이용하여 전력변환장치(22)의 출력 전류를 제어할 수 있다.The controller 12 controls the output current of the power converter 22 to subdivided voltage vectors for 12 sectors when performing the proposed MPC. Can be used. That is, the controller 12 may control the output current of the power converter 22 by using a voltage vector subdivided for 12 sectors.

도 8과 도 9는 제1 섹터 내지 제3 섹터 각각의 세분된 전압 벡터의 좌표 값을 나타내는 것으로서, 섹터에서 좌표 값은 각각 하기 식 11 내지 식 13과 같이 표현될 수 있다.8 and 9 show coordinate values of subdivided voltage vectors of each of the first sector to the third sector, and the coordinate values in the sectors can be expressed by Equations 11 to 13, respectively.

[식 11][Equation 11]

Figure pat00010
Figure pat00010

[식 12][Equation 12]

Figure pat00011
Figure pat00011

[식 13][Equation 13]

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서, 여기서 x i y i 는 좌표 값을 설명하는 인덱스(index)를 의미한다. N은 세분의 수(즉, 세분화된 수)를 나타낸다. 즉, N은 세분 정도를 나타내는 지표로서, 일예로 사용자 입력에 의해 결정(설정)될 수 있다. 다른 제4 섹터 내지 제12 섹터에 대해서는 이와 같은 방식으로 동일 내지 유사하게 정의될 수 있다.Where x i and y i Denotes an index that describes coordinate values. N represents the number of subdivisions (ie, subdivided number). That is, N is an index indicating the degree of subdivision, and may be determined (set) by user input, for example. Other fourth sectors to twelfth sectors may be defined in the same or similar manner in this way.

이러한 N의 값이 증가함에 따라 전류의 전고조파왜율(Total Harmonic Distortion, THD)은 감소할 수 있으며, 이는 제어의 강인성 및 연산 시간과 트레이드 오프(trade off) 관계에 있다고 할 수 있다. 본 장치(10)는 종래 8개의 전압 벡터를 이용하는 대신, 세분된 전압 벡터(세분화된 전압 벡터)를 이용함으로써 입-출력 전류의 리플을 모두 감소시켜 계통 연계 규정을 만족시키도록 제어할 수 있으며, 역률 또한 제어가 가능하다.As the value of N increases, the total harmonic distortion (THD) of the current may decrease, which can be said to be in a trade-off relationship with the control robustness and computation time. The apparatus 10 may control to satisfy the system linkage regulation by reducing all ripples of input-output current by using a subdivided voltage vector (segmented voltage vector) instead of using the conventional 8 voltage vectors, Power factor can also be controlled.

또한, 제어부(12)는 세분된 전압 벡터를 전력변환장치(22)를 통해 계통(26)으로 인가되도록 하기 위해, 공간 벡터 변조 기법을 사용할 수 있다. 이를 통해, 제어부(12)는 본 시스템(100)의 스위칭 주파수를 반송파 주파수와 일치시켜 일정하게 할 수 있다. 달리 표현하여, 제어부(12)는 전력변환장치(22)에 전압 벡터를 인가할 수 있으며, 여기서, 전력변환장치(22)에 인가되는 전압 벡터는, 전력변환장치(22)의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법이 적용된 후보 전압 벡터일 수 있다.In addition, the control unit 12 may use a spatial vector modulation technique to apply the subdivided voltage vector to the system 26 through the power converter 22. Through this, the control unit 12 may make the switching frequency of the system 100 coincide with the carrier frequency to make it constant. In other words, the control unit 12 may apply a voltage vector to the power conversion device 22, wherein the voltage vector applied to the power conversion device 22 has a constant switching frequency of the power conversion device 22. It may be a candidate voltage vector to which the spatial vector modulation technique is applied.

한편, 많은 후보 전압 벡터에 의해 계산상의 부담(burden)이 야기되기 때문에, 세분된 전압 벡터(세분화된 전압 벡터)에 따라 모든 인스턴트(instant) I(k+1)를 예측하는 것은 불가능하다고 할 수 있다. 따라서, 기준 전압 벡터(reference voltage vector)의 위치는 추정 과정을 통해 결정되어야 할 필요가 있다.On the other hand, since a computational burden is caused by many candidate voltage vectors, it can be said that it is impossible to predict every instant I ( k + 1) according to the subdivided voltage vector (subdivided voltage vector). have. Therefore, the position of the reference voltage vector needs to be determined through an estimation process.

본 장치(10)에서는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)을 위해, 기준 전압 벡터의 추정에 기초하여 계산 부하(calculation load)를 완화(alleviates, 감소)시키는 기법이 고려될 수 있다.In the apparatus 10, a technique for alleviating (reducing) the calculation load based on the estimation of the reference voltage vector may be considered for the proposed MPC.

다시 말해, 모든 세분된 전압 벡터는 상기 식 10과 같은 비용 함수에 입력으로 사용되어 전력 변환 시스템에서 인가될 수 있다. 하지만, 이들을 모두 고려(즉, 모든 세분된 전압 벡터를 비용 함수에 대입, 달리 표현해 모든 세분된 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 적용)하는 경우에는 실시간 제어가 요구되는 계통 연계 시스템의 용이한 구현이 어려우며, 이는 고가의 디지털 신호 처리장치(DSP)를 필요로 한다. In other words, all subdivided voltage vectors can be used as inputs to the cost function as in Equation 10 above and applied to the power conversion system. However, if all of them are considered (i.e., all subdivided voltage vectors are substituted into the cost function, and all other subdivided voltage vectors are applied as inputs to the cost function), an easy implementation of a grid linkage system requiring real-time control is required. It is difficult, and it requires an expensive digital signal processing device (DSP).

따라서, 도 6을 참조하면, 본 장치(10)는 계통(26)의 역기전력(e d , e q )과 지령 전류(기준 전류, I *)를 사용해 인버터단(25) 측의 지령 전압(기준 전압, V)의 크기와 위치를 추정(Position Estimation, S6)하여 후보 전압 벡터의 개수를 줄이는 연산량 저감 기술을 제안한다. 이러한 연산량 저감 기술은 후술하는 기준 전압 벡터의 추정 과정을 의미할 수 있으며, 이는 후술하는 식 14 및 식 16을 통해 구현될 수 있다. Therefore, referring to FIG. 6, the device 10 uses the back electromotive force ( e d , e q ) and the command current (reference current, I * ) of the system 26 to command voltage (reference to the inverter terminal 25) We propose a technique for reducing the amount of computation by reducing the number of candidate voltage vectors by estimating the size and position of the voltage, V ) (Position Estimation, S6). Such a calculation amount reduction technique may mean an estimation process of a reference voltage vector, which will be described later, and may be implemented through Equations 14 and 16 described later.

본 장치(10)의 선정부(11)는 추정된 기준 전압(지령 전압, V)의 크기와 위치의 추정(S6)을 기반으로 모든 세분된 전압 벡터(전체 세분화된 전압 벡터) 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정할 수 있다. 즉, 선정부(11)는 후보 전압 벡터를 선정(산출, 계산)할 수 있다(Candidate Vector Selection, S7).The selection unit 11 of the apparatus 10 candidates for some of all subdivided voltage vectors (all subdivided voltage vectors) based on the estimated size and position of the reference voltage (command voltage, V ) (S6). It can be selected as a voltage vector. That is, the selector 11 may select (calculate, calculate) a candidate voltage vector (Candidate Vector Selection, S7).

이후, 제어부(12)는 단계S7에서 선정(계산, 산출)된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치(22)에 인가되도록 제어할 수 있다.Thereafter, the control unit 12 may control the candidate voltage vector selected (calculated and calculated) in step S7 to be applied to the power conversion device 22 as an input of the cost function.

구체적으로, 제어부(12)는 단계S7에서 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 선정된 후보 전압 벡터에 대한 비용 함수를 계산(Cost function Calculation, S8)할 수 있다. 이후, 제어부(12)는 선정된 후보 전압 벡터에 대한 비용 함수 계산의 결과값(V*)에 대하여, 전력변환장치의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법을 적용(S2, S4)할 수 있다. 즉, 제어부(12)는 공간 벡터 변조 기법이 적용된 선정된 후보 전압 벡터가 인버터단(25)에 인가되도록 제어할 수 있다. 이를 통해, 제어부(12)는 이를 기반으로 본 시스템(100)의 구동이 제어되도록 함으로써, 전력변환장치(22)에 대한 입-출력 전류의 리플을 감소시키는 동시에 저가의 디지털 신호 처리장치에서의 실시간 구현을 가능하게 할 수 있다.Specifically, the controller 12 may calculate a cost function for the selected candidate voltage vector by using the candidate voltage vector selected in step S7 as an input of the cost function (Cost function Calculation, S8). Subsequently, the controller 12 applies a spatial vector modulation technique so that the switching frequency of the power converter is set constant with respect to the result value V * of the cost function calculation for the selected candidate voltage vector (S2, S4). Can. That is, the controller 12 may control the selected candidate voltage vector to which the spatial vector modulation technique is applied to be applied to the inverter terminal 25. Through this, the control unit 12 controls the driving of the system 100 based on this, thereby reducing the ripple of the input-output current to the power converter 22 and real-time in a low-cost digital signal processing device. It can enable implementation.

기준 전압 벡터의 추정 과정은 다음의 과정을 통해 유도될 수 있다. 구체적으로, 기준 전압 벡터의 추정 과정에서는 기준 전압 벡터(V)의 크기(v mag )와 위치(θ ref )가 추정될 수 있다.The estimation process of the reference voltage vector can be derived through the following process. Specifically, in the process of estimating the reference voltage vector, the size ( v mag ) and the position ( θ ref ) of the reference voltage vector (V) may be estimated.

전력변환장치(22)의 출력 전류 벡터(output current vector)는 하기 식 14와 같이 표현될 수 있다.The output current vector of the power converter 22 may be expressed as Equation 14 below.

[식 14][Equation 14]

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서, Z는 필터(filter)의 임피던스를 나타내고, f 는 계통(26) 전압의 기본 주파수(기본파, fundamental frequency)를 나타낸다. 또한, θ 는 기준 전압 벡터(reference voltage vector)와 계통 전압 벡터(grid voltage vector) 사이의 각도로서, 하기 식 15와 같이 표현될 수 있다.Here, Z represents the impedance of the filter, and f represents the fundamental frequency of the voltage of the grid 26. Further, θ is an angle between a reference voltage vector and a grid voltage vector, and may be expressed as Equation 15 below.

[식 15][Equation 15]

Figure pat00014
Figure pat00014

이에 따라, 기준 전압 벡터의 위상각(θ ref )은 하기 식 16을 만족하도록 결정될 수 있다.Accordingly, the phase angle θ ref of the reference voltage vector may be determined to satisfy Equation 16 below.

[식 16][Equation 16]

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, θ grid 는 계통(26) 전압의 각(angle)을 나타낸다.Where θ grid Denotes the angle of the system 26 voltage.

전력변환장치(22)의 인버터단(25, VSI)에 대한 기준 전압 벡터의 크기는 필터의 작은 저항(small resistance)과 인덕턴스(inductance)로 인해 소정의 변동이 있을 수 있다. 따라서, 인버터단(25, VSI)에 대한 기준 전압 벡터의 크기는, 최종 샘플링 주기(last sampling period)의 기준 전압 벡터인 V(k-1)와 유사할 수 있으며, 하기 식 17과 같이 표현될 수 있다.The magnitude of the reference voltage vector for the inverter stages 25 and VSI of the power converter 22 may have a predetermined variation due to the small resistance and inductance of the filter. Accordingly, the magnitude of the reference voltage vector for the inverter stages 25 and VSI may be similar to the reference voltage vector V ( k −1) of the last sampling period, and may be expressed as in Equation 17 below. Can.

[식 17][Equation 17]

Figure pat00016
Figure pat00016

따라서, 인버터단(25, VSI)에 대한 기준 전압 벡터의 크기는 하기 식 18과 같을 수 있다. 결과적으로, 기준 전압 벡터를 결정하기위한 지표는 하기 식 19 및 식 20과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the magnitude of the reference voltage vector for the inverter stages 25 and VSI may be as shown in Equation 18 below. Consequently, the index for determining the reference voltage vector can be expressed as Equation 19 and Equation 20 below.

[식 18][Equation 18]

Figure pat00017
Figure pat00017

[식 19][Equation 19]

Figure pat00018
Figure pat00018

[식 20][Equation 20]

Figure pat00019
Figure pat00019

여기서, SL은 기준 전압 벡터(reference voltage vector)에 가장 가까운 후보 전압 벡터(candidate voltage vectors)를 결정하기위한 작은 인덱스(small indices)와 큰 인덱스(large indices)를 의미한다.Here, S and L mean small indices and large indices for determining the candidate voltage vectors closest to the reference voltage vector.

이러한 기준 전압 벡터의 추정 과정에서, 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 대한 후보 전압 벡터의 수는 도 10에 도시된 바와 같이 줄일 수 있다(감소될 수 있다).In the process of estimating the reference voltage vector, the number of candidate voltage vectors for the proposed MPC can be reduced (decreased) as shown in FIG. 10.

도 10은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)에서 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 의해, 일예로 N이 3일 때 기준 전압 벡터 주변에 감소된 후보 전압 벡터(Reduced candidate voltage vectors)의 예를 나타낸 도면이다.10 is a driving control apparatus 10 of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application, by a technique proposed herein (Proposed MPC), for example, when N is 3 around a reference voltage vector A diagram showing an example of reduced candidate voltage vectors.

도 10을 참조하면, 제어부(12)에 의한 기준 전압 벡터의 추정 과정에 의해, 본 장치(10)는 본원에서 제안하는 모델 예측 제어(Proposed MPC)시 이용(고려)되는 후보 전압 벡터의 수를 도 10에 도시된 바와 같이 줄일 수 있다. 즉, 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 의하면, 본 장치(10)는 계산 부담없이 세분된 전압 벡터를 이용하여 전력변환장치(22)의 출력 전류 리플을 감소시킬 수(줄일 수) 있다.Referring to FIG. 10, by the process of estimating a reference voltage vector by the controller 12, the apparatus 10 determines the number of candidate voltage vectors used (considered) during model prediction control (Proposed MPC) proposed herein. It can be reduced as shown in FIG. That is, according to the proposed technology (Proposed MPC), the apparatus 10 can reduce (reduce) the output current ripple of the power converter 22 by using a subdivided voltage vector without calculation burden.

본 장치(10)는 모델 예측 제어를 통해 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)의 구동을 제어할 수 있다.The apparatus 10 may control driving of the grid-connected power conversion system 100 without a DC terminal capacitor through model prediction control.

본 장치(10)의 선정부(11)는 모든(전체) 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정할 수 있다. 이후, 제어부(12)는 선정부(11)에서 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치(22)에 인가되도록 제어할 수 있다.The selection unit 11 of the apparatus 10 may select a part of all (all) subdivided voltage vectors as candidate voltage vectors. Thereafter, the control unit 12 may control the candidate voltage vector selected by the selection unit 11 to be applied to the power conversion device 22 as an input of the cost function.

이때, 선정부(11)는 계통(26)의 역기전력(e d , e q )과 지령 전류(기준 전류, I *)를 이용하여 인버터단(25) 측의 지령 전압(기준 전압, V)의 크기(v mag )와 위치(θ ref )를 추정함으로써 후보 전압 벡터를 선정할 수 있다. 이때, 선정부(11)는 기준 전압의 크기(v mag )는 상기 식 18을 만족하도록 추정될 수 있으며, 기준 전압의 위치(θ ref )는 상기 식 16을 만족하도록 추정될 수 있다.At this time, the selector 11 uses the back electromotive force ( e d , e q ) of the system 26 and the command current (reference current, I * ) to determine the reference voltage (reference voltage, V ) of the inverter terminal 25 side. A candidate voltage vector can be selected by estimating the magnitude ( v mag ) and the location ( θ ref ). In this case, the selection unit 11 may estimate the magnitude of the reference voltage ( v mag ) to satisfy Equation 18, and the position of the reference voltage ( θ ref ) may be estimated to satisfy Equation 16.

선정부(11)는 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정할 수 있으며, 구체적으로 선정부(11)는 도 10에 도시된 바와 같이, 세분된 전압 벡터의 좌표 값 중 일부의 좌표 값을 후보 전압 벡터의 좌표 값으로서 선정될 수 있다. The selector 11 may select some of the subdivided voltage vectors as candidate voltage vectors, and specifically, the selector 11, as illustrated in FIG. 10, coordinate values of some of the coordinate values of the subdivided voltage vector. Can be selected as the coordinate value of the candidate voltage vector.

또한, 선정부(11)는 후보 전압 벡터의 선정시, 일예로 12개의 섹터(영역)(S1 내지 S12)로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용할 수 있다. 달리 말해, 선정부(1)는 후보 전압 벡터의 선정시 고려하는 세분된 전압 벡터(즉, 모든 세분된 전압 벡터)로서 12개 이상의 수로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용할 수 있다.In addition, when selecting the candidate voltage vector, the selection unit 11 may use a subdivided voltage vector divided into 12 sectors (regions) S1 to S12, for example. In other words, the selection unit 1 may use a subdivided voltage vector divided into 12 or more numbers as subdivided voltage vectors (that is, all subdivided voltage vectors) considered when selecting a candidate voltage vector.

이때, 선정부(11)에서, 세분된 전압 벡터의 세분 정도(N)가 증가할수록, 전력변환장치(22)에 대한 입-출력의 전고조파왜율(THD)이 감소할 수 있다. 달리 표현하여, 선정부(11)는 전력변환장치(22)의 입-출력의 THD를 감소시키기 위해, 세분된 전압 벡터의 세분 정도(N)를 보다 큰 값으로 설정할 수 있으며, 예시적으로 세분 정도(N)를 3 이상의 값 중 어느 하나의 값으로 설정할 수 있다. 다만 이에만 한정되는 것은 아니고, 다양한 값으로 설정될 수 있다.At this time, in the selection unit 11, as the degree of granularity N of the subdivided voltage vector increases, the total harmonic distortion THD of the input-output to the power converter 22 may decrease. In other words, in order to reduce the THD of the input-output of the power converter 22, the selector 11 may set the subdivision degree ( N ) of the subdivided voltage vector to a larger value, for example subdivision The degree of precision N can be set to any one of three or more values. However, it is not limited to this, and may be set to various values.

또한, 제어부(12)에 의하여 전력변환장치(22)에 인가되는 전압 벡터(최종 전압 벡터)는, 전력변환장치(22)의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법이 적용된 선정된 후보 전압 벡터일 수 있다. 달리 표현하여, 제어부(12)는 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치(22)에 인가할 수 있으며, 이때, 전력변환장치(22)에 인가하는 전압 벡터로서, 공간 벡터 변조 기법이 적용된 선정된 후보 전압 벡터를 인가할 수 있다. 이를 통해, 제어부(12)는 본 시스템(100)(특히 전력변환장치)의 스위칭 주파수를 반송파 주파수와 일치시켜 일정하게 되도록 할 수 있다.In addition, the voltage vector (final voltage vector) applied to the power converter 22 by the controller 12 is a selected candidate voltage to which the spatial vector modulation technique is applied so that the switching frequency of the power converter 22 is set constant. It can be a vector. In other words, the controller 12 may apply the selected candidate voltage vector to the power conversion device 22 as an input of the cost function, and at this time, as a voltage vector applied to the power conversion device 22, a space vector A selected candidate voltage vector to which a modulation technique is applied can be applied. Through this, the controller 12 can make the switching frequency of the system 100 (especially the power converter) consistent with the carrier frequency so that it is constant.

또한, 제어부(12)의 제어에 의하여 선정된 후보 전압 벡터(특히, 공간 벡터 변조 기법이 적용된 후보 전압 벡터)가 인가되는 대상인 전력변환장치(22)는 발전부(20) 내 직류단 커패시터가 없는 전력 변환 장치(22)로서, 이는 매트릭스 컨버터(22)로 달리 표현될 수 있다.In addition, the power converter 22, which is a target to which a candidate voltage vector selected by the control of the control unit 12 (especially, a candidate voltage vector to which a spatial vector modulation technique is applied) is applied, has no DC terminal capacitor in the power generation unit 20. As a power conversion device 22, it can be otherwise represented by a matrix converter 22.

이에 따르면, 본원에서는 전력변환장치(22, IMC)에서의 전류 리플 감소를 위해 세분된 전압 벡터를 사용하는 모델 예측 제어(MPC) 기술에 대하여 제안한다. 즉, 본 장치(10)는 세분된 전압 벡터를 사용하는 모델 예측 제어를 통해 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)의 구동을 제어할 수 있다.According to this, the present application proposes a model prediction control (MPC) technique that uses a subdivided voltage vector for reducing current ripple in the power converters 22 and IMC. That is, the apparatus 10 may control driving of the grid-connected power conversion system 100 without a DC terminal capacitor through model prediction control using a subdivided voltage vector.

본 장치(10)에서는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)을 위해, 후보 전압 벡터의 수가 세분된 전압 벡터에 의해 증가될 수 있다. 따라서, 본 장치(10)는 종래의 모델 예측 제어 기법인 FCS-MPC와 대비하여, 전력변환장치(22, IMC)의 입-출력 전류 리플을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 장치(10)는 상술한 기준 전압 벡터의 추정 과정을 통해 기준 전압 벡터의 각도와 크기를 추정함으로써, 세분된 전압 벡터에 의해 발생되는 계산 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있다. In the apparatus 10, for the proposed MPC, the number of candidate voltage vectors can be increased by the subdivided voltage vectors. Therefore, the apparatus 10 can reduce the input-output current ripple of the power converters 22 and IMC, compared to the FCS-MPC, which is a conventional model prediction control technique. In addition, the apparatus 10 can effectively reduce the computational load generated by the subdivided voltage vector by estimating the angle and size of the reference voltage vector through the above-described estimation process of the reference voltage vector.

이하에서는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)의 효율성을 입증하기 위한 시뮬레이션 결과에 대하여 기술한다.Hereinafter, simulation results for verifying the efficiency of the proposed technique (Proposed MPC) will be described.

본원의 일 실험에서는 일예로 PSIM 소프트웨어를 사용하여 계통에 연결된 전력변환장치(22, IMC)를 위한 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)의 효율성 검증을 수행하였다.In one experiment of the present application, as an example, PSIM software was used to perform efficiency verification of the proposed technology (Proposed MPC) for the power converters 22 and IMC connected to the system.

도 11은 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(10)의 효율성을 검증하기 위해 수행된 일 실험에서 고려된 시뮬레이션 파라미터의 예를 나타낸 도면이다.11 is a diagram illustrating an example of simulation parameters considered in an experiment performed to verify the efficiency of a drive control device 10 of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application.

도 11을 참조하면, 본원의 일 실험에서는 시뮬레이션 파라미터로서, 3상 전압원(Three-phase voltage source, 21)은 220 Vrms / 60 Hz, 계통(26)은 110 Vrms / 60 Hz, 필터 저항(Filter resistance)은 0.1 Ω, 필터 인덕턴스(Filter inductance)는 3 mH, 스위칭 주파수(Switching frequency)는 10 kHz, 세분화된 수(Number of subdivisions, 세분 정도)는 3으로 설정될 수 있다.Referring to FIG. 11, in one experiment of the present application, as a simulation parameter, a three-phase voltage source (21) is 220 V rms / 60 Hz, and the system 26 is 110 V rms / 60 Hz, filter resistance ( Filter resistance) may be set to 0.1 Ω, filter inductance 3 mH, switching frequency 10 kHz, and subdivisions (Number of subdivisions) may be set to 3.

도 12는 종래 FCS-MPC(Conventional FCS-MPC)와 비교하여 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)(즉, 본 장치(10)에 의한 모델 예측 제어 기술)의 정상 상태(steady state)의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 12 shows the performance of the steady state of the proposed MPC (that is, the model prediction control technology by the apparatus 10) compared to the conventional FCS-MPC (Conventional FCS-MPC). It is a diagram showing the simulation result.

구체적으로, 도 12에서 (a)는 입력 상 전류(input phase currents), (b)는 직류단(24) 전압, (c)는 출력 상 전류(output phase currents)와 d-q 기준 프레임(reference frame)에서의 변환 값(transformed value), (d)는 α-β 기준 전압 벡터(reference voltage vector)에 대한 그래프를 나타낸다.Specifically, in Figure 12 (a) is the input phase current (input phase currents), (b) is the DC terminal 24 voltage, (c) is the output phase current (output phase currents) and dq reference frame (reference frame) The transformed value at, (d) shows a graph for the α-β reference voltage vector.

도 12를 참조하면, 본원의 일 실험에서는 전력변환장치(22)의 3상 출력 전류가 15A로 제어될 수 있다. 또한, 제어 방식(control scheme)은 종래 FCS-MPC에서 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)로 0.4 초에서 변경될 수 있다.Referring to FIG. 12, in one experiment of the present application, the three-phase output current of the power converter 22 may be controlled to 15A. In addition, the control scheme (control scheme) can be changed in 0.4 seconds from the conventional FCS-MPC to the technique proposed herein (Proposed MPC).

도 12의 시뮬레이션 결과로부터 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 대한 세가지 중요한 결과를 확인할 수 있다.From the simulation results of FIG. 12, three important results for the proposed technology (Proposed MPC) can be confirmed.

첫째, 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 의하면, 전력변환장치(22, IMC)의 입력 전류 리플은 종래 FCS-MPC에 비해 상당히 감소됨을 확인할 수 있다. 둘째, 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 의하면, 전력변환장치(22, IMC)의 출력 전류 리플이 현저하게 감소됨을 확인할 수 있다. 셋째, 전력변환장치(22, IMC)의 스위칭 주파수가 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)이 적용될 때 10 kHz에서 일정(constant)하게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 비용 함수의 계산(S8)에서 고려되는 세분된 전압 벡터(subdivided voltage vectors)의 결과라 할 수 있다. 세분된 전압 벡터에 의해 생성된 기준 전압 벡터(V * )는 0.4 초 후에 도 12의 (d)를 통해 확인할 수 있다.First, according to the proposed technology (Proposed MPC), it can be seen that the input current ripple of the power converters 22 and IMC is significantly reduced compared to the conventional FCS-MPC. Second, according to the proposed technology (Proposed MPC), it can be seen that the output current ripple of the power converters 22 and IMC is significantly reduced. Third, it can be seen that the switching frequency of the power converters 22 and IMC appears constant at 10 kHz when the proposed MPC is applied. This can be said to be the result of subdivided voltage vectors considered in the calculation of the cost function (S8). The reference voltage vector ( V * ) generated by the subdivided voltage vector can be confirmed through FIG. 12D after 0.4 seconds.

도 13은 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)의 동적 성능(dynamic performance)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.13 is a diagram showing the simulation results of the dynamic performance (dynamic performance) of the proposed technique (Proposed MPC) herein.

도 13에서 (a)는 입력 상 전류(input phase currents)에 대한 그래프를 나타내고, (b)는 d-q 기준 프레임(reference frame)에서의 출력 상 전류(output phase currents)와 그 변환 값에 대한 그래프를 나타낸다.In FIG. 13, (a) shows a graph for input phase currents, and (b) shows a graph for output phase currents and conversion values in a dq reference frame. Shows.

도 13을 참조하면, 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 의하면, 전력변환장치(22)의 출력 전류(output current)가 0.4초에서, 15A에서 7.5A로 변경될 수 있다. 이에 따르면, 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)에 의하면, 전력변환장치(22)의 출력 전류가 빠른 동적 응답(fast dynamic response)을 가짐을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, according to the proposed MPC, the output current of the power converter 22 may be changed from 0.4 seconds to 15A to 7.5A. According to this, according to the proposed technology (Proposed MPC), it can be confirmed that the output current of the power converter 22 has a fast dynamic response.

이에 따르면, 본원은 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)을 모델 예측 제어로 제어할 수 있는 기술에 관한 것으로서, 모델 예측 제어를 통한 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치(본 장치, 10)를 제안한다. According to this, the present application relates to a technology capable of controlling the grid-linked power conversion system 100 without a DC link capacitor by model predictive control, of a grid-linked power conversion system without a DC link capacitor through model prediction control. A driving control device (this device, 10) is proposed.

본 장치(10)는 측정된 전압의 위상을 판별하고, 직류단(24) 전압의 듀티비를 계산하며, 변조 신호와 삼각반송파의 비교를 수행하여 입력 교류 전류를 제어할 수 있다. 또한, 본 장치(10)는 계통(26)의 역기전력과 지령 전류(기준 전류)를 사용하여 인버터단(25) 측의 지령 전압의 크기와 위치를 추정(계산)함으로써, 이를 기반으로 후보 전압 벡터의 수를 줄일 수 있다. 이러한 본 장치(10)는 줄어든 후보 전압 벡터의 수를 기반으로 본 시스템(100)을 동작시킴에 따라, 연산량을 효과적으로 줄일 수 있다.The apparatus 10 may determine the phase of the measured voltage, calculate the duty ratio of the DC terminal 24 voltage, and perform comparison of the modulated signal and the triangular carrier to control the input AC current. In addition, the apparatus 10 estimates (calculates) the magnitude and position of the command voltage at the inverter terminal 25 using the back electromotive force and the command current (reference current) of the system 26, and based on this, the candidate voltage vector Can reduce the number of According to the operation of the system 100 based on the reduced number of candidate voltage vectors, the apparatus 10 can effectively reduce the computation amount.

본 장치(10)는 본원에서 제안된 기술(Proposed MPC)을 통하여, 연산량을 줄이고 추려진 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 입-출력 전류의 리플을 감소시키는 등 제어 효율을 향상시킬 수 있다.The apparatus 10 may improve control efficiency, such as reducing the amount of calculation and reducing ripple of input-output current by using a candidate voltage vector as a function of cost and reducing the amount of computation through the proposed MPC. .

다시 말해, 본 장치(10)는 세분된 공간 전압 벡터를 이용해 입-출력 전류의 THD를 줄이고 스위칭 주파수를 일정하도록 하는 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)의 제어가 가능함에 따라, 계통 연계 환경에 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 장치(10)는 빠른 동특성이 필요하거나 비선형적인 특성을 포함하는 다양한 부하에 대응이 가능하기 때문에, 풍력 발전, 바이오 매스, 소수력 등 신재생 에너지를 활용하는 분산 전원의 계통 연계 분야에 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, 본 장치(10)는 연산량 저감(감소) 기술을 통해 저가의 디지털 신호 처리장치(DSP)에서 구현이 가능하다.In other words, the device 10 uses a subdivided spatial voltage vector to reduce the THD of the input-output current and to maintain a constant switching frequency. As it is possible to control, it can be effectively used in a grid-connected environment. In addition, since the device 10 is capable of responding to various loads that require fast dynamic characteristics or includes non-linear characteristics, it is effective in the field of system interconnection of distributed power sources utilizing renewable energy such as wind power generation, biomass, and small hydro power. Can be applied. In addition, the apparatus 10 may be implemented in a low-cost digital signal processing apparatus (DSP) through a computational amount reduction (decrease) technology.

본 장치(10)는 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템을 모델 예측 제어 방법으로 구동시킴에 따라, 외부 환경 변화에 강인하고 동특성이 우수하며, 비선형 부하에 적용이 가능한 시스템의 제공이 가능하다.As the apparatus 10 drives a grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor by a model predictive control method, it is possible to provide a system that is robust to external environment changes, has excellent dynamic characteristics, and can be applied to nonlinear loads. Do.

본원은 종래 비례-적분 제어기를 이용하는 계통 연계형 인버터는 달리, 모델 예측 제어 기반의 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)에 대하여 제안한다. 이러한 본원은 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템(100)의 구성 및 변조 기법뿐만 아니라, 모델 예측 제어 기반의 계통과 3상 전압원의 제어 기술 및 연산량 저감 기술 등에 대하여 제안한다. The present application proposes a grid-connected power conversion system 100 based on model prediction control, unlike a grid-connected inverter using a conventional proportional-integration controller. The present application proposes a configuration and modulation technique of a grid-connected power conversion system 100 without a DC terminal capacitor, as well as a control technique of a system based on model prediction control and a three-phase voltage source, and a calculation amount reduction technique.

본원은 세분된 전압 벡터와 연산량 저감 기법을 포함하는 모델 예측 제어 기술에 대하여 제안한다. 본원은 간접형 매트릭스 컨버터(indirect-matrix- converter, IMC)를 이용하여 계통 연계하는 시스템과 전류 제어 기술에 대하여 제안한다. 또한, 본원은 간접형 매트릭스 컨버터에서 모델 예측 제어를 이용하여 3상 저항-인덕턴스 부하의 구동을 제어할 수 있다.The present application proposes a model prediction control technique including a subdivided voltage vector and a computation amount reduction technique. The present application proposes a system and current control technology for system interconnection using an indirect-matrix-converter (IMC). In addition, the present application can control driving of a three-phase resistance-inductance load using model predictive control in an indirect matrix converter.

또한, 본원은 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계 시스템으로써, 계통 연계 규정을 만족시키면서 저가의 디지털 신호 처리장치로도 구현이 가능한 모델 예측 제어 기술에 대하여 제안한다. 또한, 본원은 손실을 유발하는 스위칭 주파수 증가를 피하면서 입-출력 전류의 리플을 저감할 수 있고, 연산량 저감 기술을 통해 실제 구현이 용이한 모델 예측 제어 기술에 대하여 제안한다.In addition, the present application proposes a model prediction control technology that can be implemented as a low-cost digital signal processing device while satisfying the system connection regulation as a system link system without a DC link capacitor based on model prediction control. In addition, the present application proposes a model prediction control technique that can reduce the ripple of input-output current while avoiding an increase in switching frequency that causes loss, and is easy to implement in practice through a computation amount reduction technique.

본원은 모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동을 제어하는 본 장치(10)에 관한 것이다. 이러한 본 장치(10)는 외부 환경 변화에 강인하고 제어 동특성이 우수하며 상호간섭이 없는 모델 예측 제어 기법을 통해 입력 측 3상 전압원의 전류 및 출력 측 계통의 전류에 대해 그 크기 및 주파수와 역률을 제어할 수 있다.The present invention relates to a device 10 for controlling the operation of a grid-connected power conversion system without a DC terminal capacitor based on model prediction control. This device 10 is robust to changes in the external environment, has excellent control dynamics, and has no mutual interference, so that its size, frequency, and power factor can be adjusted for the current of the three-phase voltage source on the input side and the current of the output side grid. Can be controlled.

본 시스템(100)에는, 3상 전압원으로부터 공급되는 교류 전압과 교류 전류를 이용하여 계통 측 교류 전압과 교류 전류를 조절하는 전력변환장치(22) 및 전력변환장치(22)를 제어하는 제어부(12)를 포함할 수 있다. 또한, 본 시스템(100)에서는 전압/전류 고조파의 함유량을 감소시키기 위해, 입력 측(특히, 3상 전압원과 정류단 사이)에 LC 필터가 구비되고, 출력 측(특히, 인버터단과 계통 사이)에 L필터가 구비될 수 있다. 또한, 본 시스템(100)에는 계통(26, 계통 전원)이 포함될 수 있다.In the system 100, a power converter 22 for adjusting the AC voltage and AC current on the grid side using an AC voltage and an AC current supplied from a three-phase voltage source, and a controller 12 for controlling the power converter 22 ). In addition, in the system 100, in order to reduce the content of the voltage/current harmonics, an LC filter is provided on the input side (especially between the three-phase voltage source and the rectifying stage), and on the output side (especially between the inverter stage and the grid). An L filter may be provided. In addition, the system 100 may include a grid 26 (grid power).

앞서 말한 바와 같이, 본 시스템(100)의 입력 측 정류단(23)은 IGBT와 다이오드로 구성된 양방향 반도체 소자를 이용하여 입력 측 전류의 기본파를 제어하고, 직류단 전압을 유지시킬 수 있다. 또한, 본 시스템(100)의 출력 측 인버터단(25)은 본원에서 제안하는 연산량 저감 기법과 함께 세분된 전압 벡터를 후보로 하는 모델 예측 제어를 수행할 수 있다. 이때, 세분된 전압 벡터의 세분된 정도(세분 정도, N)는 전류 품질과 강인성, 연산 시간과의 관계를 고려하여 설정(조절)될 수 있다. 이러한, 세분된 정도는 일예로 사용자 입력에 의하여 설정(조절)될 수 있다.As described above, the input-side rectifying stage 23 of the system 100 may control the fundamental wave of the input-side current and maintain the DC-side voltage by using a bidirectional semiconductor element composed of an IGBT and a diode. In addition, the output-side inverter stage 25 of the system 100 may perform model prediction control using a subdivided voltage vector as a candidate along with a computational amount reduction technique proposed herein. At this time, the subdivided degree of the subdivided voltage vector (degree of subdivision, N ) may be set (adjusted) in consideration of the relationship between current quality, robustness, and computation time. The subdivided degree may be set (adjusted) by user input, for example.

본원은 빠른 동특성이 요구되거나 비선형 부하를 포함하는 다양한 응용에 대응이 가능하여 풍력발전, 바이오 매스를 이용한 터빈 발전, 소수력 발전 등 분산 전원의 계통 연계 분야에서 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, 본 시스템(100)은 외부 환경 변화에 강인하고 제어 동특성이 우수한 모델 예측 제어 기법을 통해 정현파 입/출력 전류를 제어할 수 있고, 연산량 저감 기법을 적용하여 저가의 디지털 신호 처리 장치로도 용이하게 구현될 수 있다.The present application can be effectively applied in the field of distributed power system interconnection such as wind power generation, turbine power generation using biomass, and small hydro power generation because it is capable of responding to various applications including fast dynamic characteristics or nonlinear loads. In addition, the system 100 can control the sine wave input/output current through a model predictive control technique that is robust to changes in the external environment and has excellent control dynamics, and is also easy to use as a low-cost digital signal processing device by applying a computational reduction technique. Can be implemented.

현재까지 개발된 모델 예측 제어가 적용된 전력 변환 시스템은 스위칭 주파수가 낮고 가변하여 공진 및 가청 소음이 심한 문제가 있으며, 입-출력 전류의 THD가 계통 연계 규제를 만족시킬 수 없었다. 이에 반해, 본원에서 제안된 기술(모델 예측 제어 기반의 직류단 커패시터가 없는 계통 연계 시스템의 구동 제어 기술)은 기술적 규제가 적용되는 계통 연계 분야에 효과적으로 활용될 수 있다.The power conversion system to which the model predictive control developed so far has a low switching frequency and has variable resonance and audible noise, and the THD of the input-output current could not satisfy the system linkage regulation. On the other hand, the technology proposed herein (driving control technology of a system linkage system without a DC terminal capacitor based on model prediction control) can be effectively used in the field of grid linkage to which technical regulations are applied.

본원은 규제를 만족시키며 저가의 디지털 신호 처리 장치로 구현이 용이하다. 특히, 본원은 계통 환경이 열악하여, 외부 환경 변화에 강인하고 제어 동특성이 우수한 제어가 요구되는 마이크로 그리드 및 연약계통 분야 등에 효과적으로 적용(활용)될 수 있다.The present application satisfies regulations and is easy to implement with a low-cost digital signal processing device. In particular, the present application can be effectively applied (utilized) to a micro grid and a weak system field, which requires a control system that is robust to external environment changes and has excellent control dynamic characteristics due to poor system environment.

이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.Hereinafter, based on the details described above, the operation flow of the present application will be briefly described.

도 14는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법에 대한 동작 흐름도이다. 특히, 도 14는 본원의 일 실시예에 따른 모델 예측 제어를 통한 직류단 커패시터가 없는 계통 연계형 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법에 대한 동작 흐름도이다.14 is an operation flowchart of a driving control method of a power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application. In particular, FIG. 14 is an operation flowchart of a drive control method of a grid-connected power conversion system without a DC link capacitor through model prediction control according to an embodiment of the present application.

도 14에 도시된 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법은 앞서 설명된 본 장치(10)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 본 장치(10)에 대하여 설명된 내용은 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.The driving control method of the power conversion system through the model prediction control illustrated in FIG. 14 may be performed by the apparatus 10 described above. Therefore, even if omitted, the description of the apparatus 10 may be equally applied to the description of the driving control method of the power conversion system through model prediction control.

도 14를 참조하면, 단계 S110에서는 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정할 수 있다.Referring to FIG. 14, in step S110, some of the subdivided voltage vectors may be selected as candidate voltage vectors.

이때, 단계S110에서는 계통의 역기전력과 지령 전류를 이용하여 인버터단 측의 지령 전압을 추정함으로써 후보 전압 벡터를 선정할 수 있다.At this time, in step S110, the candidate voltage vector can be selected by estimating the command voltage at the inverter end using the back electromotive force and the command current of the system.

또한, 단계S110에서는 세분된 전압 벡터로서 12개 이상의 수로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용할 수 있다.In addition, in step S110, the subdivided voltage vector divided into 12 or more numbers may be used as the subdivided voltage vector.

또한, 단계S110에서, 세분된 전압 벡터의 세분 정도가 증가할수록 전력변환장치에 대한 입-출력 전류의 전고조파왜율(THD)가 감소될 수 있다.Further, in step S110, as the degree of subdivision of the subdivided voltage vector increases, the total harmonic distortion (THD) of the input-output current to the power converter may decrease.

다음으로, 단계S120에서는 단계S110에서 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어할 수 있다.Next, in step S120, the candidate voltage vector selected in step S110 can be controlled to be applied to the power converter using the cost function as an input.

또한, 단계S120에서, 전력변환장치에 인가되는 전압 벡터는, 전력변환장치의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법이 적용된 선정된 후보 전압 벡터일 수 있다. In addition, in step S120, the voltage vector applied to the power converter may be a selected candidate voltage vector to which the spatial vector modulation technique is applied so that the switching frequency of the power converter is set constant.

달리 표현하여, 단계S120에서, 제어부(120)는 전력변환장치에 전압 벡터를 인가할 수 있는데, 이때, 전력변환장치에 인가되는 전압 벡터(즉, 최종 전압 벡터, V*)로서, 전력변환장치의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법이 적용된 선정된 후보 전압 벡터를 인가할 수 있다.In other words, in step S120, the controller 120 may apply a voltage vector to the power conversion device. At this time, as a voltage vector (that is, a final voltage vector, V*) applied to the power conversion device, the power conversion device The selected candidate voltage vector to which the spatial vector modulation technique is applied may be applied so that the switching frequency of is constant.

상술한 설명에서, 단계 S110 및 S120은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.In the above description, steps S110 and S120 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, depending on the implementation herein. In addition, some steps may be omitted if necessary, and the order between the steps may be changed.

본원의 일 실시 예에 따른 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(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. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The driving control method of the power conversion system through model prediction control according to an embodiment of the present application may be implemented in a form of program instructions that can be performed through various computer means and may be recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and usable by those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. Includes hardware devices specifically 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 high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.

또한, 전술한 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.In addition, the driving control method of the power conversion system through the above-described model prediction control may also be implemented in the form of a computer program or application executed by a computer stored in a recording medium.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present application is for illustrative purposes, and those skilled in the art to which the present application pertains will understand that it is possible to easily modify to other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims below, rather than the detailed description, and it should be interpreted that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are included in the scope of the present application.

100: 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템
10: 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치
11: 선정부
12: 제어부
20: 발전부
100: power conversion system through model prediction control
10: Drive control device of the power conversion system through model prediction control
11: Selection section
12: Control
20: power generation department

Claims (11)

모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법으로서,
(a) 세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하는 단계; 및
(b) 상기 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 단계,
를 포함하는 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법.
As a driving control method of the power conversion system through model prediction control,
(a) selecting some of the subdivided voltage vectors as candidate voltage vectors; And
(b) controlling the selected candidate voltage vector to be applied to the power converter by using the cost function as an input,
A drive control method of a power conversion system through model prediction control including a.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
계통의 역기전력과 지령 전류를 이용하여 인버터단 측의 지령 전압을 추정함으로써 상기 후보 전압 벡터를 선정하는 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법.
According to claim 1,
Step (a) is,
A drive control method of a power conversion system through model predictive control, wherein the candidate voltage vector is selected by estimating a command voltage at the inverter end using a back electromotive force and a command current of the system.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는, 상기 세분된 전압 벡터로서 12개 이상의 수로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용하는 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법.
According to claim 1,
In the step (a), the subdivided voltage vector divided into 12 or more numbers is used as the subdivided voltage vector, and the driving control method of the power conversion system through model prediction control.
제3항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 상기 세분된 전압 벡터의 세분 정도가 증가할수록 전력변환장치에 대한 입-출력 전류의 전고조파왜율이 감소하는 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법.
According to claim 3,
In step (a), as the degree of subdivision of the subdivided voltage vector increases, the total harmonic distortion of the input-output current to the power converter decreases, and the driving control method of the power conversion system through model prediction control.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 전력변환장치에 인가되는 전압 벡터는, 상기 전력변환장치의 스위칭 주파수가 일정하게 설정되도록 공간 벡터 변조 기법이 적용된 상기 선정된 후보 전압 벡터인 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법.
According to claim 1,
In step (b), the voltage vector applied to the power converter is the selected candidate voltage vector to which the spatial vector modulation technique is applied so that the switching frequency of the power converter is set constant. Driving control method of power conversion system through.
제1항에 있어서,
상기 전력 변환 장치는, 직류단 커패시터가 없는 전력 변환 장치인 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 방법.
According to claim 1,
The power conversion device is a DC-capacitor-free power conversion device, the drive control method of the power conversion system through model prediction control.
모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치로서,
세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하는 선정부; 및
상기 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 제어부,
를 포함하는 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치.
As a drive control device of the power conversion system through model prediction control,
A selection unit for selecting some of the subdivided voltage vectors as candidate voltage vectors; And
Control unit for controlling the selected candidate voltage vector to be applied to the power conversion device as an input of the cost function,
A drive control device for a power conversion system through model prediction control including a.
제7항에 있어서,
상기 선정부는,
계통의 역기전력과 지령 전류를 이용하여 인버터단 측의 지령 전압을 추정함으로써 상기 후보 전압 벡터를 선정하는 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치.
The method of claim 7,
The selection unit,
A drive control device for a power conversion system through model predictive control, wherein the candidate voltage vector is selected by estimating a command voltage at the inverter end using the back electromotive force and command current of the system.
제7항에 있어서,
상기 선정부는,
상기 세분된 전압 벡터로서 12개 이상의 수로 나누어진 세분된 전압 벡터를 이용하는 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치.
The method of claim 7,
The selection unit,
A drive control device for a power conversion system through model prediction control, wherein the subdivided voltage vector divided by 12 or more numbers is used as the subdivided voltage vector.
제7항에 있어서,
상기 전력 변환 장치는, 직류단 커패시터가 없는 전력 변환 장치인 것인, 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치.
The method of claim 7,
The power conversion device is a DC-capacitor-free power conversion device, a drive control device for a power conversion system through model prediction control.
모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템으로서,
3상 전압원에서 발전된 전류를 계통으로 공급하는 전력변환장치; 및
세분된 전압 벡터 중 일부를 후보 전압 벡터로 선정하고, 상기 선정된 후보 전압 벡터를 비용 함수의 입력으로 하여 전력변환장치에 인가되도록 제어하는 모델 예측 제어를 통해 전력 변환 시스템의 구동을 제어하는 전력 변환 시스템의 구동 제어 장치,
를 포함하는 모델 예측 제어를 통한 전력 변환 시스템.
As a power conversion system through model prediction control,
A power conversion device that supplies current generated from a three-phase voltage source to the system; And
Power conversion that controls the driving of the power conversion system through model prediction control that selects some of the subdivided voltage vectors as candidate voltage vectors and controls the selected candidate voltage vectors to be applied to the power converter by using the input of the cost function. The drive control of the system,
Power conversion system through model prediction control including a.
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