KR20200124459A - Hils를 이용한 mmc의 구성요소 테스트 장치 - Google Patents

Hils를 이용한 mmc의 구성요소 테스트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치에 관한 것으로, MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System); 상기 종속 전압원에 대응하여 상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 충방전을 테스트하기 위한 전류를 인가하는 전압원 모사회로; 및 상기 MMC 전력 변환기의 타겟 SM의 동작에 대응하여 상기 전압원 모사회로의 전류원 및 스위칭 소자를 제어하고, 상기 전압원 모사회로에 의해 타겟 SM에 인가된 전류에 의해 충방전되는 상기 커패시터(Cmmc)의 전압(
Figure pat00034
)을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함한다.

Description

HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치{APPARATUS FOR TESTING COMPONENTS OF MMC USING HILS}
본 발명은 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기를 구성하는 단위인 SM(Sub Module)에 대한 동작을 테스트할 수 있도록 하는, HILS(Hardware In the Loop System)를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치에 관한 것이다.
일반적으로 모듈러 멀티 레벨 컨버터(MMC : Modular Multi-Level Converter)는 멀티 레벨 컨버터의 한 종류로서 전압형 초고압직류송전(HVDC, High Voltage Direct Current) 시스템에 적합한 회로 구조로 알려져 있다.
상기 모듈러 멀티 레벨 컨버터(MMC)는 스위칭 소자로서 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated gate bipolar transistor)를 사용하여 서브 모듈(SM : Sub Module)이라고 불리는 단위 구조를 캐스케이드로 연결하는 형태를 가지므로, 기존의 멀티 레벨 컨버터의 응용분야였던 중간 전압 구동(Medium Voltage Drive)용 전력 변환 장치(또는 전력 변환기)보다 훨씬 많은 레벨을 가지게 된다.
도 1은 일반적인 MMC의 기본 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 하프 브리지 타입(Half Bridge Type) SM으로 구성된 일반적인 MMC의 구성을 보인 예시도이다. 또한 도 3의 (a)는 일반적인 하프 브리지 타입 SM의 형태를 보인 예시도이고, 도 3의 (b)는 일반적인 풀 브리지 타입 SM의 형태를 보인 예시도이다.
참고로 도 3의 (b)는 3상의 DC/AC 전력변환에 MMC를 적용한 예이며, 3개의 위상(phase)을 갖는다. 한편, 1개의 위상(phase)은 어퍼암(upper arm)과 로어암(lower arm)으로 구성되어 있다. 여기서 서브 모듈(이하 SM)은 MMC의 스위칭 블록의 한 단위(unit)를 의미하며, 도 3의 (a)와 같은 하프 브리지 타입의 SM과 도 3의 (b)와 같은 풀 브리지 타입의 SM이 있다.
최근 상기와 같은 MMC는 전압형 HVDC 등의 멜티 레벨 전력 변환기에 널리 적용되고 있다. 상기 HVDC(High Voltage Direct Current)의 경우 높은 전압을 블록킹 하면서 전력 변환기의 출력 전압의 고조파 성분 저감을 위하여 다수개의 SM을 직렬로 연결하여 사용한다.
예컨대 상기 HVDC의 경우, 가령 하나의 암(arm)(예 : 어퍼암, 로어암)당 200개의 SM을 갖는다고 가정할 때, 3상의 경우 6*200=1,200개의 SM이 연결되고, MMC가 연이어(back to back) 연결되므로 2,400개의 SM이 시스템(즉, MMC 전력 변환기)에 존재한다.
한편, 도 3의 (a)와 같이 SM이 하프 브리지 형태로 구성되는 경우 4,800개의 전력용 스위칭 소자가 한 시스템에 필요하며, 도 3의 (b)와 같이 SM이 풀 브리지 형태로 구성되는 경우 9,600개의 전력용 스위칭 소자가 한 시스템에 필요하다. 이처럼 MMC로 구성된 전력 변환기는 다수의 전력용 스위칭 소자를 필요로 하는 시스템이므로, 전체 시스템을 제작하여 동작이나 알고리즘을 검증하기에는 그 복잡성이나 경제적 부담, 및 제작과 검증에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2015-0051676호(2015.05.13. 공개, 모듈라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기를 구성하는 단위인 SM(Sub Module)에 대한 동작을 테스트할 수 있도록 하는, HILS(Hardware In the Loop System)를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치는, MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System); 상기 종속 전압원에 대응하여 상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 충방전을 테스트하기 위한 전류를 인가하는 전압원 모사회로; 및 상기 MMC 전력 변환기의 타겟 SM의 동작에 대응하여 상기 전압원 모사회로의 전류원 및 스위칭 소자를 제어하고, 상기 전압원 모사회로에 의해 타겟 SM에 인가된 전류에 의해 충방전되는 상기 커패시터(Cmmc)의 전압(
Figure pat00001
)을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전압원 모사회로는, 상기 HILS 제어부로부터 전류의 방향과 크기가 제어되는 전류원(isource); 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제1 스위칭 소자(SH1); 상기 제1 스위칭 소자(SH1)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되는 제1 다이오드(DH1); 상기 제1 다이오드(DH1)의 캐소드 측에 소오스 측이 연결되는 제2 스위칭 소자(SH2); 상기 제2 스위칭 소자(SH2)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되고 상기 전류원(isource)의 타 측이 캐소드 측에 연결되는 제2 다이오드(DH2); 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제3 스위칭 소자(SH3); 상기 제3 스위칭 소자(SH3)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되는 제3 다이오드(DH3); 상기 제3 다이오드(DH3)의 캐소드 측에 소오스 측이 연결되는 제4 스위칭 소자(SH4); 및 상기 제4 스위칭 소자(SH4)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되고 상기 전류원(isource)의 타 측이 캐소드 측에 연결되는 제4 다이오드(DH4)가 연결되어 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 다이오드(DH1)와 상기 제1 스위칭 소자(SH2)의 접속점(A)에 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 양극(+)이 접속되고, 상기 제3 다이오드(DH3)와 상기 제4 스위칭 소자(SH4)의 접속점(B)에 커패시터(Cmmc)의 음극(-)이 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 HILS 제어부는, 상기 타겟 SM의 스위칭 소자의 온오프 및 전류(immc)의 방향과 크기에 대응하여 상기 전압원 모사회로의 전류원(isource) 및 스위칭 소자(SH1 ~ SH4)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 HILS 제어부는, 상기 타겟 SM의 하단 스위치(S2)가 ON인 SF(Switch Function)=0인 경우, 전류(immc)의 방향에 관계없이 커패시터 전압(
Figure pat00002
)의 변화는 없으므로, 전류원(isource)의 흐름 및 커패시터(Cmmc)의 충방전에 관여하지 않으며, 상기 타겟 SM의 상단 스위치(S1)가 ON인 SF=1이고 전류(immc)가 음인 경우, 커패시터 전압(
Figure pat00003
)이 충전되는 상황을 모사하기 위하여 제1 및 제4 스위칭 소자(SH1 and SH4)의 온(ON) 스위칭 제어를 수행하며, 또한 상기 타겟 SM의 SF=1이고, 전류(immc)가 양인 경우, 커패시터 전압(
Figure pat00004
)이 방전되는 상황을 모사하기 위하여 제2 및 제3 스위칭 소자(SH2 and SH3)의 온(ON) 스위칭 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 HILS 제어부는, MMC 시뮬레이션 모델링 결과를 바탕으로, 상기 전류원에 의해 인가되는 전류(immc)의 크기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 다이오드(DH1 ~ DH4)는, 커패시터(Cmmc)의 쇼트(short) 방지 및 회생 방지용 다이오드인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치는, MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System); 상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)를 테스트하기 위한 전류를 상기 타겟 SM의 지정된 접속점(A, B)에 직접 인가하는 전류 공급부; 및 상기 전류 공급부의 전류원(isource) 및 스위칭 소자(SH1 ~ SH4)를 제어하며, 또한 상기 타겟 SM의 스위칭 소자(S1, S2)를 온오프를 제어하여 측정되는 커패시터(Cmmc)의 전압(Vcmmc) 값을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전류 공급부는, HILS 제어부로부터 전류의 방향과 크기가 제어되는 전류원(isource); 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제1 스위칭 소자(SH1) 및 제3 스위칭 소자(SH3); 상기 제1 스위칭 소자(SH1) 및 상기 제3 스위칭 소자(SH3)의 드레인 측에 소오스 측이 각기 연결되는 제2 스위칭 소자(SH2) 및 제4 스위칭 소자(SH4); 상기 제2 스위칭 소자(SH2) 및 제4 스위칭 소자(SH4)의 드레인 측이 상기 전류원(isource)의 타 측에 연결되어 구현된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자(SH1)와 제2 스위칭 소자(SH2)의 접속점(A)에 상기 타겟 SM의 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 접속점(A)이 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자(SH3)와 제4 스위칭 소자(SH4)의 접속점(B)에 상기 타겟 SM의 제2 스위칭 소자(S2)의 접속점(B)이 연결되어 구현된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치는, MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System); 상기 종속 전압원에 대응하여 상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 충반전을 테스트하기 위한 전류를 인가하는 충전부와 방전부; 및 상기 MMC 전력 변환기의 타겟 SM의 동작에 대응하여 상기 충전부와 방전부를 각기 제어하고, 상기 충전부와 방전부에 의해 충방전되는 상기 커패시터(Cmmc)의 전압(
Figure pat00005
)을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전부와 방전부는, 상기 타겟 SM의 기 지정된 점속점(A, B)으로서, 상기 커패시터(Cmmc)가 연결되는 양극(+) 및 음극(-)에 각기 공통으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 HILS 제어부는, 상기 타겟 SM의 하단 스위치(S2)가 ON인 SF(Switch Function)=0인 경우, 전류(immc)의 방향에 관계없이 커패시터 전압(
Figure pat00006
)의 변화는 없으므로, 상기 충전부와 방전부의 제어에 관여하지 않으며, 상기 타겟 SM의 상단 스위치(S1)가 ON인 SF=1이고 전류(immc)가 음인 경우, 커패시터 전압(
Figure pat00007
)이 충전되는 상황을 모사하기 위하여 상기 충전부에서 상기 커패시터(Cmmc)에 충전 전류가 흐르도록 제어하며, 또한 상기 타겟 SM의 SF=1이고, 전류(immc)가 양인 경우, 커패시터 전압(
Figure pat00008
)이 방전되는 상황을 모사하기 위하여 상기 커패시터(Cmmc)에 충전된 전류를 방전시키기 위하여 상기 방전부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 MMC 전력 변환기를 구성하는 단위인 SM(Sub Module)에 대한 동작을 테스트할 수 있도록 한다. 이에 따라 전체 시스템을 제작하지 않더라도 시스템을 검증할 수 있도록 하여 전체 시스템을 제작하여 동작을 검증하는 경우에 비하여 경제적 부담 및 제작과 검증에 많은 소요되는 시간을 절감할 수 있도록 한다.
도 1은 일반적인 MMC의 기본 구성을 보인 예시도.
도 2는 하프 브리지 타입(Half Bridge Type) SM으로 구성된 일반적인 MMC의 구성을 보인 예시도.
도 3의 (a)는 일반적인 하프 브리지 타입 SM의 형태를 보인 예시도.
도 3의 (b)는 일반적인 풀 브리지 타입 SM의 형태를 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HILS를 이용하여 SM의 테스트를 수행하기 위한 HILS의 시뮬레이션 모델과 전압원 모사회로의 구성을 보인 예시도.
도 5는 상기 도 4에 있어서, 전압원 모사회로의 동작 원리를 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 6은 상기 도 4에 있어서, SM 블록의 하드웨어인 커패시터(Cmmc)의 전압 특성을 검증하기 위한 장치의 구성을 보인 예시도.
도 7은 본 발명의 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치의 또 다른 실시예를 보인 예시도.
도 8은 본 발명의 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치의 또 다른 실시예를 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 MMC 전력 변환기의 하드웨어 전체를 대상으로 검증을 수행하기 위해서는 전체 시스템(즉, MMC 전력 변환기)의 제작과 검증에 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다. 또한 MMC는 동일한 SM이 직렬 연결된 구조이므로, 하나의 SM에 대한 설계상의 오류는 전체 SM을 새로 바꾸어야 하는 작업이 필요하기 때문에 전체 시스템을 제작하기 전에 SM에 대한 하드웨어의 검증이 필요하다.
따라서 본 실시예에서는 전체 시스템(즉, MMC 전력 변환기)의 검증에 앞서, 하나의 SM에서의 커패시터(capacitor)의 동작, 하나의 SM 블록, 혹은 지정된 임의의 개수에 대한 SM 블록의 동작을 테스트할 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HILS를 이용하여 SM의 테스트를 수행하기 위한 HILS의 시뮬레이션 모델과 전압원 모사회로의 구성을 보인 예시도이고, 도 5는 상기 도 4에 있어서, 전압원 모사회로의 동작 원리를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 4의 (a)는 상기 도 2에 도시된 일반적인 MMC에서 하나의 레그를 보인 예시도이고, 도 4의 (b)는 하나의 레그에 포함된 SM의 커패시터(Cmmc)를 테스트(예 : 충방전 테스트)하기 위한 전압원 모사회로를 보인 예시도이고, 도 4의 (c)는 본 실시예에 따른 HILS에서 구현되는 MMC 레그의 시뮬레이션 모델을 보인 예시도이다.
도 4의 (c)를 참조하면, 본 실시예에 따른 HILS에서는 1개의 SM 블록이 종속 전압원(110a)으로 대체되어 시뮬레이션 모델(소프트웨어로 구현되는 시뮬레이션 모델)로 구현된다.
그리고 상기 시뮬레이션 모델에서 종속 전압원(110a)으로 대체된 1개의 SM의 커패시터(Cmmc)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 전압원 모사회로(110)를 통해 테스트하고, 상기 전압원 모사회로(110)를 이용한 테스트를 통해 검출된 상기 커패시터(Cmmc)의 충방전 값(즉, 커패시터 전압)을 HILS에 입력하여 HILS 제어부(도 6의 100)가 기 지정된 알고리즘에 따라 상기 시뮬레이션 모델의 동작을 검증하게 한다.
이때 상기 HILS 제어부(100)는 상기 전압원 모사회로(110)를 제어한다.
이하 도 5를 참조하여 MMC에 적용된 하프 브리지 타입 SM의 테스트 방법에 대해 설명한다. 즉, 상기 SM의 동작(즉, 스위칭 소자의 온/오프)에 대응하여 상기 HILS 제어부(도 6의 100)가 상기 전압원 모사회로(110)를 제어하여 상기 SM의 커패시터(Cmmc)를 충방전시킨다.
도 4의 (c)에 도시된 1개의 SM 블록(즉, 종속 전압원(110a)으로 대체된 1개의 SM 블록)의 출력전압에 해당하는 SM의 출력전압(
Figure pat00009
)은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00010
여기서 Switching function(이하 SF)은, 0 혹은 1의 값을 가지며, 상단 스위치가 온인 경우 1, 하단 스위치가 온인 경우 0이다.
다시 말해, SF=1인 경우는 SM에서의 상단 스위치(S1)가 온(on)(도 5의 (a), S1 on, S2 off), SF=0인 경우는 SM에서의 하단 스위치(S2)가 온(on)(도 5의 (a), S1 off, S2 on)을 의미한다.
한편, 상단 스위치(S1)가 온인 경우(즉 SF=1), 전류(immc)의 방향에 관계없이 출력전압(
Figure pat00011
)은 커패시터 전압(
Figure pat00012
)이 되고, 상단 스위치(S1)가 오프인 경우(즉 SF=0), 전류(immc)의 방향에 관계없이 출력전압(
Figure pat00013
)은 0이 된다.
이때 커패시터 전압(
Figure pat00014
)은 도 4의 (c)에서 전압원 모사회로(100)를 통해 테스트하여 검출(측정)한 커패시터의 전압 정보(즉, 커패시터의 충방전에 따라 출력되는 값)를 입력으로 받아 상기 수학식 1에 적용한다.
도 4의 (c)에서 커패시터(Cmmc, 120)의 전압인
Figure pat00015
는 아래 도 5를 참조하여 설명하는 동작에 대응하여 결정된다.
도 5의 (a)에서 전류 방향이 양인 경우(즉, 교류에서 양인 경우), 즉 SF=1인 경우(즉, 상단 스위치 S1이 온인 경우), 커패시터 전압(
Figure pat00016
)에 의한 전류가 부하단으로 전달되어 커패시터(Cmmc)는 방전되므로 커패시터 전압(
Figure pat00017
)은 감소하게 된다. 반대로 도면에 도시하지는 않았으나 전류(immc)가 음인 경우(즉, 교류에서 음인 경우) 커패시터(Cmmc)는 충전되므로 커패시터 전압(
Figure pat00018
)은 상승하게 된다.
한편 도 5의 (b)와 같이 SF=0인 경우, 하단 스위치(S2)가 온 이므로, 양의 전류(immc)는 하단 스위치(S2)의 환류 다이오드(D2)(free wheeling diode)를 통해 흘러가고, 음의 전류(immc)는 하단 스위치(S2)를 통해 흘러가므로 커패시터(Cmmc)가 전력 전달에 관여하지 않으므로 커패시터 전압(
Figure pat00019
)의 변화는 없다.
한편 상기 전류(immc)가 음이고 상단 스위치(S1)가 온인 경우에는 커패시터(Cmmc)가 충전되지만, 상기 전류(immc)가 음이고 하단 스위치(S2)가 온인 경우에는 하단 스위치(S2)를 통해 전류가 흐르므로 커패시터 전압(
Figure pat00020
)의 변동은 없다.
따라서 상기와 같은 커패시터(Cmmc)의 전압 변동을 모사하기 위하여, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같은 전압원 모사회로(110)를 제어한다.
도 6은 상기 도 4에 있어서, SM 블록의 하드웨어인 커패시터(Cmmc, 120)의 전압 특성을 검증하기 위한 장치의 구성을 보인 예시도이며, 특히 MMC 구조에서는 다수의 커패시터가 존재함으로 인해 개별 커패시터의 전압(
Figure pat00021
)을 균일하게 하고자 하는 알고리즘(예 : 전압 밸런싱 알고리즘)이 중요하다.
따라서 이러한 알고리즘(예 : 전압 밸런싱 알고리즘)의 검증이 필요하며, 도 6은 상기 알고리즘(예 : 전압 밸런싱 알고리즘)을 검증하기 위한 시뮬레이션 모델에서 종속 전압원(110a)에 대응하는 전압원 모사장치(100)의 구성을 보인 예시도이며, 커패시터(Cmmc, 120) 자체의 하드웨어 검증을 위해 사용된다.
도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 HILS를 통해 SM 블록의 커패시터(Cmmc, 120)를 테스트하기 위한 전압원 모사장치(100)의 동작을 설명한다.
도 6의 (a)는 테스트할 1개의 SM을 보인 예시도이고, 도 6의 (b)는 상기 테스트할 1개의 SM(즉, 타겟 SM)을 대체한 종속 전압원(110a)을 보인 예시도이며, 도 6의 (c)는 상기 종속 전압원(110a)에 대응하는 전압원 모사회로(110)를 보인 예시도이다.
상기 전압원 모사회로(110)는, HILS 제어부(100)로부터 전류의 방향과 크기가 제어되는 전류원(isource), 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제1 스위칭 소자(SH1), 상기 제1 스위칭 소자(SH1)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되는 제1 다이오드(DH1), 상기 제1 다이오드(DH1)의 캐소드 측에 소오스 측이 연결되는 제2 스위칭 소자(SH2), 상기 제2 스위칭 소자(SH2)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되고 상기 전류원(isource)의 타 측이 캐소드 측에 연결되는 제2 다이오드(DH2), 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제3 스위칭 소자(SH3), 상기 제3 스위칭 소자(SH3)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되는 제3 다이오드(DH3), 상기 제3 다이오드(DH3)의 캐소드 측에 소오스 측이 연결되는 제4 스위칭 소자(SH4), 상기 제4 스위칭 소자(SH4)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되고 상기 전류원(isource)의 타 측이 캐소드 측에 연결되는 제4 다이오드(DH4)가 연결된다.
여기서 상기 제1 다이오드(DH1)와 상기 제1 스위칭 소자(SH2)의 접속점(A)에 커패시터(Cmmc)의 양극(+)이 접속되고, 상기 제3 다이오드(DH3)와 상기 제4 스위칭 소자(SH4)의 접속점(B)에 커패시터(Cmmc)의 음극(-)이 접속된다.
상기 HILS 제어부(100)는, 상기 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, SM 블록의 스위칭 소자(S1, S2)의 온오프 및 전류(immc)의 방향과 크기에 대응하여 상기 전압원 모사회로(110)의 전류원(isource) 및 스위칭 소자(SH1 ~ SH4)를 제어한다. 이에 따라 검출(측정)되는 커패시터(Cmmc)의 전압(Vcmmc) 값을 상기 HILS 제어부(100)에 전달함으로써 HILS의 시뮬레이션 모델에 적용할 수 있도록 한다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, SF(Switch Function)에 따른 커패시터(Cmmc)의 충방전을 모사하기 위하여 구성된, 즉, 전류원(isource), 스위칭 소자(SH1 ~ SH4), 및 다이오드(DH1 ~ DH4)를 포함하여 구성된 전압원 모사회로의 동작은 아래와 같다. 참고로 도 6에서 A, B의 위치는 도 4에 도시된 A, B와 동일한 위치이다.
먼저 SF=0인 경우(즉, 도 5에서 하단 스위치 S2가 온인 경우), 전류(immc)의 방향에 관계없이 커패시터 전압(
Figure pat00022
)의 전압 변화는 없다. 여기서 준비(ready) 상태인 경우(즉, SH1 and SH2 on, 또는 SH3 and SH4 on)에 전류원(isource)의 흐름 및 커패시터(Cmmc)의 충방전에 관여하지 않는다.
반대로 SF=1이고(즉, 도 5에서 상단 스위치 S1이 온이고), 전류(immc)가 음인 경우, 상단 스위치(S1) on시에
Figure pat00023
가 즉시 충전되는 상황을 모사하기 위하여 스위칭 제어동작(SH1 and SH4 on)을 수행한다. 그리고 SF=1이고(즉, 도 5에서 상단 스위치 S1이 온이고), 전류(immc)가 양인 경우, 방전되는 상황을 모사하기 위하여 스위칭 제어동작(SH2 and SH3 on)을 수행한다.
이때 전류(immc)의 크기(즉, 전류원의 크기)는 MMC 시뮬레이션 모델링 결과를 바탕으로 HILS 제어부(100)로부터 지령치를 전달받을 수 있다.
여기서 다이오드(DH1 ~ DH4)는 커패시터(Cmmc)의 쇼트(short) 방지 및 회생 방지용 다이오드이다.
예컨대 만약 제2, 제3 다이오드(DH2, DH4)없이 제2 스위칭 소자(SH2)가 on될 경우 제4 스위칭 소자(SH4)에 연결되어 있는 환류 다이오드(freewheeling diode)를 통해 쇼트 경로(short path)가 생성되므로, 이 쇼트 경로를 제거하기 위해 쇼트 및 회생 방지용 다이오드(DH4)를 삽입한다.
도 7은 본 발명의 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치의 다른 실시예를 보인 예시도이다.
도 7은 상기 도 6에 있어서, 전압원 모사회로(110)의 두 접속점(A, B)을 테스트 할 타겟 SM의 대응하는 접속점(A, B)에 곧바로 접속하고, 상기 HILS 제어부(100)에 의해 상기 전류 공급부(120)의 전류원(isource) 및 스위칭 소자(SH1 ~ SH4)를 제어한다. 또한 상기 타겟 SM의 스위칭 소자(S1, S2)를 온오프를 제어하여 검출(측정)되는 커패시터(Cmmc)의 전압(Vcmmc) 값을 상기 HILS 제어부(100)에 전달함으로써 HILS의 시뮬레이션 모델에 적용할 수 있도록 한다.
이때 상기 전류 공급부(120)는 상기 전압원 모사회로(110)에서 환류 다이오드(freewheeling diode)를 포함하지 않는다. 왜냐하면 상기 타겟 SM의 스위칭 소자(S1, S2)에 의해 쇼트 경로가 생성되지 않기 때문이다.
상기 전류 공급부(120)는, HILS 제어부(100)로부터 전류의 방향과 크기가 제어되는 전류원(isource), 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제1 스위칭 소자(SH1) 및 제3 스위칭 소자(SH3), 상기 제1 스위칭 소자(SH1) 및 상기 제3 스위칭 소자(SH3)의 드레인 측에 소오스 측이 각기 연결되는 제2 스위칭 소자(SH2) 및 제4 스위칭 소자(SH4)가 연결되고, 상기 제2 스위칭 소자(SH2) 및 제4 스위칭 소자(SH4)의 드레인 측이 상기 전류원(isource)의 타 측에 연결된다.
여기서 상기 제1 스위칭 소자(SH1)와 제2 스위칭 소자(SH2)의 접속점(A)에 상기 타겟 SM의 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 접속점(A)이 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자(SH3)와 제4 스위칭 소자(SH4)의 접속점(B)에 상기 타겟 SM의 제2 스위칭 소자(S2)의 접속점(B)이 연결된다.
도 8은 본 발명의 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치의 또 다른 실시예를 보인 예시도로서, 상기 도 6에서 A, B지점에 충전부(111)와 방전부(112)가 공통으로 연결된다.
도 8을 참조하면, SF=0인 경우(즉, 도 5에서 하단 스위치 S2가 온인 경우) 커패시터 전압(
Figure pat00024
)의 변화는 없다. 여기서 준비(ready) 상태인 경우에 충전기 및 방전기의 동작은 없다. 즉, 상기 HILS 제어부(100)는 상기 충전부(111)와 방전부(112)를 제어하지 않는다.
한편 SF=1이고(즉, 도 5에서 상단 스위치 S1가 온이고), 전류(immc)가 음인 경우에는 충전 동작이므로, 상기 HILS 제어부(100)는 상기 전류(immc)의 크기와 방향(음 방향)에 해당하는 전류가 상기 충전부(111)에서 커패시터(Cmmc)로 흘러 충전을 수행하도록 제어한다. 그리고 SF=1이고, 전류(immc)가 양인 경우에는 방전 동작이므로, 상기 HILS 제어부(100)는 상기 전류(immc)의 크기와 방향(양 방향)에 해당하는 전류가 상기 방전부(112)에서 커패시터(Cmmc)를 방전하도록 제어한다.
이때 상기 충방전에 따른 커패시터 전압(vcmmc)의 크기는 HILS 제어부(100)로 전송되어 도 4의 (c)에서 SM의 출력 전압(
Figure pat00025
)의 크기 결정에 사용된다.
상기와 같이 본 실시예는 MMC 전력 변환기를 구성하는 단위인 SM(Sub Module)에 대한 동작을 테스트할 수 있도록 함으로써, 전체 시스템을 제작하지 않더라도 시스템을 검증할 수 있도록 하여 전체 시스템을 제작하여 동작을 검증하는 경우에 비하여 경제적 부담 및 제작과 검증에 많은 소요되는 시간을 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
100 : HILS 제어부
110 : 전압원 모사회로
110a : 종속 전압원
111 : 충전부
112 : 방전부
120 : 전류 공급부

Claims (13)

  1. MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System);
    상기 종속 전압원에 대응하여 상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 충방전을 테스트하기 위한 전류를 인가하는 전압원 모사회로; 및
    상기 MMC 전력 변환기의 타겟 SM의 동작에 대응하여 상기 전압원 모사회로의 전류원 및 스위칭 소자를 제어하고, 상기 전압원 모사회로에 의해 타겟 SM에 인가된 전류에 의해 충방전되는 상기 커패시터(Cmmc)의 전압(
    Figure pat00026
    )을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전압원 모사회로는,
    상기 HILS 제어부로부터 전류의 방향과 크기가 제어되는 전류원(isource); 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제1 스위칭 소자(SH1); 상기 제1 스위칭 소자(SH1)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되는 제1 다이오드(DH1); 상기 제1 다이오드(DH1)의 캐소드 측에 소오스 측이 연결되는 제2 스위칭 소자(SH2); 상기 제2 스위칭 소자(SH2)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되고 상기 전류원(isource)의 타 측이 캐소드 측에 연결되는 제2 다이오드(DH2); 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제3 스위칭 소자(SH3); 상기 제3 스위칭 소자(SH3)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되는 제3 다이오드(DH3); 상기 제3 다이오드(DH3)의 캐소드 측에 소오스 측이 연결되는 제4 스위칭 소자(SH4); 및 상기 제4 스위칭 소자(SH4)의 드레인 측에 애노드 측이 연결되고 상기 전류원(isource)의 타 측이 캐소드 측에 연결되는 제4 다이오드(DH4)가 연결되어 구현되는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 다이오드(DH1)와 상기 제1 스위칭 소자(SH2)의 접속점(A)에 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 양극(+)이 접속되고,
    상기 제3 다이오드(DH3)와 상기 제4 스위칭 소자(SH4)의 접속점(B)에 커패시터(Cmmc)의 음극(-)이 접속되는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 HILS 제어부는,
    상기 타겟 SM의 스위칭 소자의 온오프 및 전류(immc)의 방향과 크기에 대응하여 상기 전압원 모사회로의 전류원(isource) 및 스위칭 소자(SH1 ~ SH4)를 제어하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 HILS 제어부는,
    상기 타겟 SM의 하단 스위치(S2)가 ON인 SF(Switch Function)=0인 경우, 전류(immc)의 방향에 관계없이 커패시터 전압(
    Figure pat00027
    )의 변화는 없으므로, 전류원(isource)의 흐름 및 커패시터(Cmmc)의 충방전에 관여하지 않으며,
    상기 타겟 SM의 상단 스위치(S1)가 ON인 SF=1이고 전류(immc)가 음인 경우, 커패시터 전압(
    Figure pat00028
    )이 충전되는 상황을 모사하기 위하여 제1 및 제4 스위칭 소자(SH1 and SH4)의 온(ON) 스위칭 제어를 수행하며,
    또한 상기 타겟 SM의 SF=1이고, 전류(immc)가 양인 경우, 커패시터 전압(
    Figure pat00029
    )이 방전되는 상황을 모사하기 위하여 제2 및 제3 스위칭 소자(SH2 and SH3)의 온(ON) 스위칭 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 HILS 제어부는,
    MMC 시뮬레이션 모델링 결과를 바탕으로,
    상기 전류원에 의해 인가되는 전류(immc)의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 다이오드(DH1 ~ DH4)는,
    커패시터(Cmmc)의 쇼트(short) 방지 및 회생 방지용 다이오드인 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  8. MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System);
    상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)를 테스트하기 위한 전류를 상기 타겟 SM의 지정된 접속점(A, B)에 직접 인가하는 전류 공급부; 및
    상기 전류 공급부의 전류원(isource) 및 스위칭 소자(SH1 ~ SH4)를 제어하며, 또한 상기 타겟 SM의 스위칭 소자(S1, S2)를 온오프를 제어하여 측정되는 커패시터(Cmmc)의 전압(Vcmmc) 값을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전류 공급부는,
    HILS 제어부로부터 전류의 방향과 크기가 제어되는 전류원(isource); 상기 전류원(isource)의 일 측에 소오스 측이 연결되는 제1 스위칭 소자(SH1) 및 제3 스위칭 소자(SH3); 상기 제1 스위칭 소자(SH1) 및 상기 제3 스위칭 소자(SH3)의 드레인 측에 소오스 측이 각기 연결되는 제2 스위칭 소자(SH2) 및 제4 스위칭 소자(SH4); 상기 제2 스위칭 소자(SH2) 및 제4 스위칭 소자(SH4)의 드레인 측이 상기 전류원(isource)의 타 측에 연결되어 구현된 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자(SH1)와 제2 스위칭 소자(SH2)의 접속점(A)에 상기 타겟 SM의 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 접속점(A)이 연결되고,
    상기 제3 스위칭 소자(SH3)와 제4 스위칭 소자(SH4)의 접속점(B)에 상기 타겟 SM의 제2 스위칭 소자(S2)의 접속점(B)이 연결되어 구현된 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  11. MMC(Modular Multi-Level Converter) 전력 변환기에서 테스트할 타겟 SM(Sub Module)을 종속 전압원으로 대체하여 시뮬레이션 모델을 생성하고 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop System);
    상기 종속 전압원에 대응하여 상기 타겟 SM의 커패시터(Cmmc)의 충반전을 테스트하기 위한 전류를 인가하는 충전부와 방전부; 및
    상기 MMC 전력 변환기의 타겟 SM의 동작에 대응하여 상기 충전부와 방전부를 각기 제어하고, 상기 충전부와 방전부에 의해 충방전되는 상기 커패시터(Cmmc)의 전압(
    Figure pat00030
    )을 이용하여 상기 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하는 HILS 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 충전부와 방전부는,
    상기 타겟 SM의 기 지정된 점속점(A, B)으로서, 상기 커패시터(Cmmc)가 연결되는 양극(+) 및 음극(-)에 각기 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 HILS 제어부는,
    상기 타겟 SM의 하단 스위치(S2)가 ON인 SF(Switch Function)=0인 경우, 전류(immc)의 방향에 관계없이 커패시터 전압(
    Figure pat00031
    )의 변화는 없으므로, 상기 충전부와 방전부의 제어에 관여하지 않으며,
    상기 타겟 SM의 상단 스위치(S1)가 ON인 SF=1이고 전류(immc)가 음인 경우, 커패시터 전압(
    Figure pat00032
    )이 충전되는 상황을 모사하기 위하여 상기 충전부에서 상기 커패시터(Cmmc)에 충전 전류가 흐르도록 제어하며,
    또한 상기 타겟 SM의 SF=1이고, 전류(immc)가 양인 경우, 커패시터 전압(
    Figure pat00033
    )이 방전되는 상황을 모사하기 위하여 상기 커패시터(Cmmc)에 충전된 전류를 방전시키기 위하여 상기 방전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 HILS를 이용한 MMC의 구성요소 테스트 장치.
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