KR20210043154A - 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치 - Google Patents

전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치 Download PDF

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Abstract

전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법은, 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치 중, 어느 하나를 제1 전력변환장치로 결정하는 단계; 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 제1 전력변환장치를 제외한 나머지 전력변환장치를 제2 전력변환장치로 결정하는 단계; 및 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 단계를 포함한다.

Description

전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING INPUT POWER BALANCING IN POWER CONVERTER}
본 발명은, 전력전자(Power Electronics) 기술을 기반으로 하는 전력변환장치(Converter)의 설계와 전력 제어에 관한 것으로서, 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치에 대한 입력 전력을 모두 동일하게 함으로써, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 효과적으로 균등화하는, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 전력변환장치의 병렬 운전 구조를 나타내는 도면이다.
도 1에서는, 전력변환장치의 기본적인 병렬 운전 구조를 도시한다. 도 1과 같은 전력변환장치의 병렬 운전 구조는, 대용량 전력변환을 위하여 복수의 전력변환장치를 모듈화하여 병렬로 연결하여 사용 함으로써, 대량 생산과 유지 보수에 있어서 비용상 유리할 수 있다. 또한, 전력변환장치의 병렬 운전 구조는, 추가적인 전력변환장치를 용이하게 배치시킬 수도 있어, 사고시에도 보다 능동적으로 대응할 수 있다는 장점으로 인해 널리 활용되고 있는 추세이다.
이러한 병렬 운전이 가능한 모듈화 장치는 필연적으로 변환하는 전력량을 각각의 전력변환장치 별로 적정하게 배분하는 알고리즘을 필요로 한다.
병렬로 운전되는 전력변환장치는 동일한 사양의 전력변환 모듈이 사용될 시에 전력변환장치 간 전력을 균등하게 다룰 수 있도록 제어하게 되는데, 일반적으로 전력변환장치의 출력 전력이 균등하게 되도록 전력을 제어하고 있다.
이러한 전력변환장치의 출력 전력을 균등하게 제어하는 것은, 출력단의 전압과 전류 등의 정보만으로 전력변환장치의 전력을 제어할 수 있기 때문에, 제어 알고리즘이 간단하고 출력 전력을 직접적으로 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다.
하지만, 병렬로 운전되는 전력변환장치들이 아무리 동일한 설계를 바탕으로 동일한 공정에서 제작되었다고 하더라도 각각의 효율은, 부품의 편차 등에 의해 상이할 수 밖에 없게 된다.
전력변환장치 간의 효율 차이가 상존하는 경우에 각각의 전력변환장치의 출력 전력을 동일하게 제어한다면, 전력변환장치의 효율에 따라 효율이 낮은 전력변환장치에 더 높은 입력 전력이 필요하게 되어, 전체적인 병렬 운전 시스템의 효율은 감소할 수 있다.
도 2는 병렬운전 전력변환장치의 입출력 전력과 효율에 관한 개념도이다.
도 2에서는, 복수의 전력변환장치가 병렬로 운전할 때 각각의 전력변환장치의 입출력 전력과 효율에 대해 설명한다.
복수의 전력변환장치에 대한 입출력 관계는, 도 2로부터 유추되는 수학식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
병렬 운전 구조의 전력변환장치로 입력되는 전체 입력 전력 PI는 병렬 운전 구조에 속하는 개별 전력변환장치의 각 입력 전력들의 합산 치 PI1 + PI2 + …PIN 이고, 병렬 운전 구조의 전력변환장치로부터 출력되는 전체 출력 전력 PO는 병렬 운전 구조에 속하는 개별 전력변환장치의 각 출력 전력들의 합산 치 PO1 + PO2 + …PON 일 수 있다.
수학식 (2)는 출력 전력을 전력변환장치 별로 동일하게 제어했을 때, 예측할 수 있는 전체 병렬 운전 시스템의 효율일 수 있다.
Figure pat00002
전체 병렬 운전 시스템의 효율
Figure pat00003
은 전체 입력 전력 PI을, 출력 전력을 전력변환장치 별로 동일하게 제어했을 때의 전체 출력 전력 PO으로 나누어서 연산할 수 있다.
출력 전력을 전력변환장치 별로 동일하게 제어했을 때에는, 전력변환장치에서 발생하는 전력 손실이 효율이 낮은 전력변환장치에 몰리게 되므로, 발열과 스트레스 등으로 인하여 효율이 낮은 전력변환장치의 동작 신뢰성이 하락하는 문제를 발생시킬 수 있다.
이에 반해, 출력 전력이 아닌 입력 전력을 동일하게 제어한다면, 효율이 낮은 전력변환장치가 부담해야 할 출력 전력의 크기는 줄어들게 되어, 전체 시스템의 전력변환 효율이 증가할 수 있다.
입력 전력을 동일하게 제어하도록 병렬 운전되는 전체 시스템의 전력변환 효율은, 도 2로부터 수학식 (3)과 같이 유도할 수 있다.
Figure pat00004
전체 병렬 운전 시스템의 효율
Figure pat00005
은 입력 전력을 모든 전력변환장치에서 동일하게 제어했을 때의 전체 입력 전력 PI을, 전체 출력 전력 PO으로 나누어서 연산할 수 있다.
수학식 (2)와 수학식 (3)은 아래의 수학식 (4)의 산술평균, 기하평균, 조화평균의 상관관계에 의하여 수학식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
수학식 (5)에서 알 수 있듯이, 기존의 출력 전력이 균등해지도록 제어되는 병렬운전 시스템에 비하여, 입력 전력이 균등한 병렬운전 시스템의 효율이 같거나 높음을 확인할 수 있다.
이에 따라, 병렬 운전 구조의 복수의 전력변환장치에 대해, 입력 전력을 균등하게 제어 함으로써, 기존의 시스템 대비 효율이 낮은 컨버터가 부담해야 하는 전력변환량이 줄어들어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 감소시키는 새로운 기법이 절실히 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 기존의 출력 전력을 균등화하는 전력제어 방식 대신에 입력 전력을 균등화하는 전력제어 방식을 제시 함으로써, 모듈화되어 병렬로 운전되는 전력변환장치의 효율과 운전 신뢰성을 높이는, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 출력 전력을 균등하게 제어하는 기존의 시스템에 대비하여, 입력 전력을 균등하게 제어하는 방식에 따라, 효율이 낮은 컨버터가 부담해야 하는 전력변환량이 줄어들게 되어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 개선시킬 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법은, 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치는,
병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 균등화부를 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 출력 전력을 균등화하는 전력제어 방식 대신에 입력 전력을 균등화하는 전력제어 방식을 제시 함으로써, 모듈화되어 병렬로 운전되는 전력변환장치의 효율과 운전 신뢰성을 높이는, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 출력 전력을 균등하게 제어하는 기존의 시스템에 대비하여, 입력 전력을 균등하게 제어하는 방식에 따라, 효율이 낮은 컨버터가 부담해야 하는 전력변환량이 줄어들게 되어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 개선시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 전력변환장치의 병렬 운전 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 병렬운전 전력변환장치의 입출력 전력과 효율에 관한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Buck 컨버터의 병렬운전 시행 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 Buck 컨버터 간의 효율 차이를 시각화하여 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 입력 전력 균등화 제어 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치(이하, '입력 전력 균등화 제어 장치'이라 함)(300)는, 균등화부(320)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 실시예에 따라, 결정부(310)와 처리부(330)를 선택적으로 추가하여 구성할 수 있다.
우선, 균등화부(320)는 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화 할 수 있다.
균등화부(320)에 의한, 복수의 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화는, 복수의 전력변환장치 중 임의의 전력변환장치를 정해 해당 장치의 입력 전력으로 나머지 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하는 방식과, 정해진 규칙에 의해 결정된 기준 입력 전력으로 모든 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하는 방식을 적어도 포함하여 이루어질 수 있다.
우선, 복수의 전력변환장치 중 임의의 전력변환장치를 정해 해당 장치의 입력 전력으로 나머지 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하는 방식을 설명한다.
결정부(310)는 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치 중, 어느 하나를 제1 전력변환장치로 결정한다. 즉, 결정부(310)는 병렬로 연결되는 복수의 전력변환장치 중에서, 임의 하나의 전력변환장치를 제1 모드로 동작하는 전력변환장치로 결정할 수 있다.
제1 전력변환장치의 결정에 있어, 결정부(310)는, 개별 전력변환장치의 동작 환경, 동작 특성 등을 고려하여, 임의의 전력변환장치를 제1 모드로 동작시킬 수 있다.
예컨대, 결정부(310)는, 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 병렬 운전 구조의 최상단에 위치하는 전력변환장치를 제1 전력변환장치로 결정할 수 있고, 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 전력변환 효율이 상대적으로 낮은 전력변환장치를 제1 전력변환장치로 결정할 수 있다.
또한, 결정부(310)는 병렬 연결된 전력변환장치들 중에서, 제1 모드로 동작하는 전력변환장치를 주기적으로 순차 변경하여 결정할 수 있고, 또는 기결정된 하나의 제1 전력변환장치를, 주기와 무관하게 계속해서 제1 모드로 동작시킬 수도 있다.
또한, 결정부(310)는 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 제1 전력변환장치를 제외한 나머지 전력변환장치를 제2 전력변환장치로 결정한다. 즉, 결정부(310)는 병렬 운전 구조에 속하는 복수의 전력변환장치 중에서, 제1 모드로 동작하는 하나의 전력변환장치를 빼고, 나머지 전력변환장치에 대해, 제2 모드로 동작시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 균등화부(320)는 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화한다. 즉, 균등화부(320)는 개별 전력변환장치에서의, 변환하는 전력량을 균형적으로 밸런싱하기 위해, 복수의 전력변환장치에 대한 입력 전력을 동일하게 일치시키는 역할을 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 입력 전력을 일치시키는 데에 있어, 균등화부(320)는 마스트 전력변환장치의 입력 전력으로, 제2 전력변환장치의 입력 전력이 일치되도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 처리부(330)는 더 포함하여 구성될 수 있다.
처리부(330)는 복수의 전력변환장치 각각의 출력 단과 연결되는 부하의 출력 전압(Vout)을, 상기 제1 전력변환장치에서 제어하도록 하는 역할을 할 수 있다.
처리부(330)는 제1 모드의 전력변환장치에 의해, 부하의 출력 전압(Vout)을 제어하도록 지원 함으로써, 병렬로 연결되어 출력 전압이 같아지는 여러 대의 전력변환장치를 대표하여, 단독적으로 부하의 출력 전압을 제어할 수 있게 한다.
또한, 처리부(330)는, 상기 부하의 출력 전압(Vout)을 제어한 상기 제1 전력변환장치에서의 입력 전류(Iin)를 확인할 수 있다. 즉, 처리부(330)는 제2 전력변환장치와 일치시킬, 제1 전력변환장치의 입력 전류를 확인하는 역할을 할 수 있다.
균등화부(320)는, 상기 확인된 입력 전류(Iin)와, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전류를 동일하게 할 수 있다.
이후, 균등화부(320)는, 상기 병렬 운전 구조에 의한 상기 복수의 전력변환장치애서의 동일한 입력 전압과, 상기 제1 전력변환장치 및 상기 제2 전력변환장치 사이의 동일하게 되는 상기 입력 전류와의 연산에 따라, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 한다.
즉, 균등화부(320)는 복수의 전력변환장치가 병렬로 연결됨에 따른 입력 전압의 일치와, 앞서의, 복수의 전력변환장치에 대해 입력 전류를 일치 시킴에 따라, 입력 전압과 입력 전류와의 곱셈 연산에 의한 입력 전력이, 상기 복수의 전력변환장치 사이에 일치되도록 할 수 있다.
여기서, 제1 모드의 전력변환장치는 출력 전압을 제어하게 되고, 제2 모드의 전력변환장치는 제1 모드의 전력변환장치의 입력 전류를 받아들여 각 전력변환장치의 입력 전류를 제1 모드의 전력변환장치의 입력전류와 동일하게 할 수 있다. 또한, 입력 전압이 병렬로 공통이므로, 제1 및 제2 모드의 모든 전력변환장치들은 입력전류, 입력 전압을 동일하게 갖게 되어, 입력 전력이 동일하게 될 수 있다.
병렬 운전중인 전력변환장치는 단일의 제어 변수를 담당하게 되는데 이 때 제1 전력변환장치는 출력 전압을 제어하고, 제2 전력변환장치는 입력 전류를 제어하기 때문에, 겹치는 제어 변수 없이, 모든 전력변환장치가 안정적으로 동작할 수 있게 된다.
또한, 이하에서는, 정해진 규칙에 의해 결정된 기준 입력 전력으로 모든 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하는 방식을 설명한다.
결정부(310)는 상기 병렬 운전 구조와 연관하여 기준 입력 전력을 결정할 수 있다.
상기 기준 입력 전력의 결정에 있어, 결정부(310)는 상기 병렬 운전 구조 내 모든 전력변환장치의 입력 전력을 평균하여, 상기 기준 입력 전력을 결정할 수 있다. 즉, 결정부(310)는 병렬 운전 구조를 구성하는 복수의 전력변환장치에 대한 입력 전력을 모두 합산한 후 이를 전력변환장치의 수로 나눈 평균값을 레퍼런스(reference)가 되는 기준 입력 전력으로 결정할 수 있다.
다른 실시예에서, 결정부(310)는 상기 병렬 운전 구조를 운영하는 운영자에 의해 미리 지정된 특정의 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 기준 입력 전력으로 결정할 수 있다. 즉, 결정부(310)는 사전에 미리 정한 전력변환장치로부터 입력 전력을 측정하고, 측정된 입력 전력의 값을 레퍼런스가 되는 기준 입력 전력으로 결정할 수 있다. 미리 지정되는 전력변환장치로는, 예컨대 병렬 운전 구조의 특정 위치에 장착(예, 가장 상단에 장착된 장치), 병렬 운전 구조를 구성하는 복수의 전력변환장치 중 변환 효율이 가장 우수한 것으로 평가되는 장치, 병렬 운전 구조에 신규로 장착되는 장치 등을 예시할 수 있다.
이후, 균등화부(320)는, 상기 복수의 전력변환장치의 각 입력 전력이, 상기 기준 입력 전력이 되도록 조정 함으로써, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화 할 수 있다. 즉, 균등화부(320)는 정해진 기준 입력 전력으로, 병렬 운전 구조를 구성하는 모든 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하여, 균등화를 도모할 수 있다.
또한, 실시예에 따라, 처리부(330)는, 상기 복수의 전력변환장치에 대해 입력 전력을 동일하게 함에 따른, 상기 변환 전력량의 균등화 효율을, [수학식 3]에 의해 산출할 수 있다.
상술한 것과 같이, [수학식 3]은
Figure pat00008
으로 나타낼 수 있다.
여기서, 상기
Figure pat00009
는 입력 전력의 균등화 효율, Po는 출력 전력의 합산량, PI는 입력 전력의 합산량, N은 전력변환장치의 총 수로 정의할 수 있다.
병렬로 연결된 모든 전력변환장치의 효율이 갖다면 기존의 출력 전압을 동일하게 제어하는 방식의 효율
Figure pat00010
과, 본 발명의 입력 전압을 동일하게 제어하는 방식의 효율
Figure pat00011
은 서로 같을 것이다. 그러나, 동일한 부품과 설계로 제작된 제품이라 하더라도, 부품 스펙이나 제작 상의 오차 및 성능 산포로 인하여, 효율
Figure pat00012
과 효율
Figure pat00013
간은 서로 다른 값을 가지게 된다.
또한, 수학식 5에서 살펴본 바와 같이, 입력 전력이 균등해지도록 제어되는 시스템의 전체 전력변환 효율
Figure pat00014
이 출력 전력을 제어하는 시스템의 전체 젼력변환 효율
Figure pat00015
에 비하여 높을 것은 자명하다 할 수 있다.
또한, 앞에서 설명한 바, 동작 신뢰성 측면에 있어서도 출력 전력을 균등하게 제어하는 시스템에서 효율이 낮은 전력변환장치로부터 보다 높은 전력 손실이 발생하게 되어 전력변환장치의 발열 및 스트레스로 인한 신뢰성 저하는 예상될 수 있다. 그러나 제안하는 입력 전력을 균등하게 제어하는 시스템에서는 기존의 시스템 대비 효율이 낮은 전력변환장치가 부담해야 하는 전력 변환량이 줄어들어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 출력 전력을 균등화하는 전력제어 방식 대신에 입력 전력을 균등화하는 전력제어 방식을 제시 함으로써, 모듈화되어 병렬로 운전되는 전력변환장치의 효율과 운전 신뢰성을 높이는, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 출력 전력을 균등하게 제어하는 기존의 시스템에 대비하여, 입력 전력을 균등하게 제어하는 방식에 따라, 효율이 낮은 컨버터가 부담해야 하는 전력변환량이 줄어들게 되어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 개선시킬 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5에서는, 모듈화되어 병렬로 운전되는 전력변환 시스템에서 각각의 전력변환장치의 입력 전력을 균등화하는 전력제어 알고리즘을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Buck 컨버터의 병렬운전 시행 예를 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 5는 Buck 컨버터 간의 효율 차이를 시각화하여 나타내는 도면이다.
도 4에는, 두 개의 Buck 컨버터를 병렬로 운전하여, 낮은 전압, 높은 전류 동작 상황에 대응할 수 있는 대표적인 병렬운전의 예시를 나타낸다.
두 개의 Buck 컨버터는 제작 과정의 오차, 사용 기간에 의한 열화 현상의 차이 등에 의해 전력변환 효율이 달라질 수 있다.
도 5에는, 두 Buck 컨버터의 전력변환 효율 차이를 묘사하기 위해 추가 저항을 삽입하여 시뮬레이션하고 두 Buck 컨버터의 전력에 따른 전력변환 효율을 비교하여 도시한다.
두 Buck 컨버터의 병렬운전 알고리즘은, 다음과 같다.
먼저 마스터 역할을 하는 Buck 컨버터는 부하의 전압 제어를 담당할 수 있다.
슬레이브 역할을 하는 Buck 컨버터는 마스터와 전류를 동기화하게 되는데 입력 전류를 동기화하게 되면 두 Buck 컨버터 간의 입력 전력을 균등화하게 되고 출력 전류를 동기화하게 되면 두 Buck 컨버터 간의 출력 전력을 균등화하게 된다.
두 Buck 컨버터의 병렬운전 시 입력 전력 균등화와 출력 전력 균등화 알고리즘 시뮬레이션 결과를 표 1에 요약하였다.
Figure pat00016
표 1의 시뮬레이션 결과에 따르면, 입력 전력 균등화 시 병렬운전 시스템의 전력변환 효율은, 출력 전력 균등화 시 병렬운전 시스템 보다, 상대적으로 향상 됨을 알 수 있다.
또한, 입력 전력 균등화 시 컨버터 간의 손실이 고르게 분산되어 병렬운전 시스템의 신뢰성 역시 향상 됨을 알 수 있다.
이러한, 본 발명에 따른 입력 전력 균등화 방식은, Buck 컨버터의 병렬운전 뿐만 아니라 다른 토폴로지를 사용하는 전력변환장치의 병렬운전에도 모두 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 입력 전력 균등화 제어 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서와 같이, 입력 전력 균등화 제어 알고리즘은, 먼저 병렬운전 시스템에 사용되는 컨버터 중 제1 모드의 컨버터를 정할 수 있다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 알고리즘은 제1 모드의 컨버터에 의해 모든 컨버터의 출력단이 되는 부하의 출력 전압을 제어할 수 있다.
이후, 입력 전력 균등화 제어 알고리즘은 마스터를 제외한 컨버터 모두를 제2 모드로 동작시킬 수 있다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 알고리즘은 제2 모드 컨버터의 입력 전류를, 제1 모드 컨버터의 입력 전류와 동일하게 제어할 수 있다
입력 전압은 병렬 연결에 따라 모든 컨버터에서 같으므로 제2 모드 컨버터, 제1 모드 컨버터의 입력 전류를 동일하게 제어하게 되며, 이를 통해 병렬운전 시스템 내 모든 컨버터의 입력 전력이 균등해질 수 있다.
본 발명에 의해서는, 모듈화되어 병렬로 운전되는 전력변환 시스템에서 각각의 전력변환장치의 입력 전력을 균등화하는 전력제어 알고리즘을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 병렬로 운전되는 각각의 컨버터의 입력 전력을 균등화하여, 기존의 출력 전력을 균등화하는 전력제어 알고리즘에 비해 전체 시스템의 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 병렬로 운전되는 각각의 컨버터의 입력 전력을 균등화하여 기존의 출력 전력을 균등화하는 전력제어 알고리즘에 비해 효율이 낮은 컨버터의 전력 손실을 저감하여 동작 신뢰성의 향상을 할 수 있다.
이하, 도 7에서는 본 발명의 실시예들에 따른 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치(300)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 실시예에 따른 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법은 입력 전력 균등화 제어 장치(300)에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치 중, 어느 하나를 제1 전력변환장치로 결정한다(710). 본 단계(710)는 병렬로 연결되는 복수의 전력변환장치 중에서, 임의 하나의 전력변환장치를 제1 모드로 동작하는 전력변환장치로 결정하는 과정일 수 있다.
제1 전력변환장치의 결정에 있어, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는, 개별 전력변환장치의 동작 환경, 동작 특성 등을 고려하여, 임의의 전력변환장치를 제1 모드로 동작시킬 수 있다.
예컨대, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는, 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 병렬 운전 구조의 최상단에 위치하는 전력변환장치를 제1 전력변환장치로 결정할 수 있고, 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 전력변환 효율이 상대적으로 낮은 전력변환장치를 제1 전력변환장치로 결정할 수 있다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 병렬 연결된 전력변환장치들 중에서, 제1 모드로 동작하는 전력변환장치를 주기적으로 순차 변경하여 결정할 수 있고, 또는 기결정된 하나의 제1 전력변환장치를, 주기와 무관하게 계속해서 제1 모드로 동작시킬 수도 있다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 제1 전력변환장치를 제외한 나머지 전력변환장치를 제2 전력변환장치로 결정한다(720). 본 단계(720)는 병렬 운전 구조에 속하는 복수의 전력변환장치 중에서, 제1 모드로 동작하는 하나의 전력변환장치를 빼고, 나머지 전력변환장치에 대해, 제2 모드로 동작시키는 과정일 수 있다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화한다(330). 단계(330)는 개별 전력변환장치에서의, 변환하는 전력량을 균형적으로 밸런싱하기 위해, 복수의 전력변환장치에 대한 입력 전력을 동일하게 일치시키는 과정일 수 있다.
상술한 바와 같이, 입력 전력을 일치시키는 데에 있어, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 마스트 전력변환장치의 입력 전력으로, 제2 전력변환장치의 입력 전력이 일치되도록 제어할 수 있다.
즉, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 복수의 전력변환장치 각각의 출력 단과 연결되는 부하의 출력 전압(Vout)을, 상기 제1 전력변환장치에서 제어하도록 수 있다.
입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 제1 모드의 전력변환장치에 의해, 부하의 출력 전압(Vout)을 제어하도록 지원 함으로써, 병렬로 연결되어 출력 전압이 같아지는 여러 대의 전력변환장치를 대표하여, 단독적으로 부하의 출력 전압을 제어할 수 있게 한다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는, 상기 부하의 출력 전압(Vout)을 제어한 상기 제1 전력변환장치에서의 입력 전류(Iin)를 확인할 수 있다. 즉, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 제2 전력변환장치와 일치시킬, 제1 전력변환장치의 입력 전류를 확인할 수 있다.
입력 전력 균등화 제어 장치(300)는, 상기 확인된 입력 전류(Iin)와, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전류를 동일하게 할 수 있다.
이후, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는, 상기 병렬 운전 구조에 의한 상기 복수의 전력변환장치애서의 동일한 입력 전압과, 상기 제1 전력변환장치 및 상기 제2 전력변환장치 사이의 동일하게 되는 상기 입력 전류와의 연산에 따라, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 한다.
즉, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는 복수의 전력변환장치가 병렬로 연결됨에 따른 입력 전압의 일치와, 앞서의, 복수의 전력변환장치에 대해 입력 전류를 일치 시킴에 따라, 입력 전압과 입력 전류와의 곱셈 연산에 의한 입력 전력이, 상기 복수의 전력변환장치 사이에 일치되도록 할 수 있다.
여기서, 제1 모드의 전력변환장치는 출력 전압을 제어하게 되고, 제2 모드의 전력변환장치는 제1 모드의 전력변환장치의 입력 전류를 받아들여 각 전력변환장치의 입력 전류를 제1 모드의 전력변환장치의 입력전류와 동일하게 할 수 있다. 또한, 입력 전압이 병렬로 공통이므로, 제1 및 제2 모드의 모든 전력변환장치들은 입력전류, 입력 전압을 동일하게 갖게 되어, 입력 전력이 동일하게 될 수 있다.
병렬 운전중인 전력변환장치는 단일의 제어 변수를 담당하게 되는데 이 때 제1 전력변환장치는 출력 전압을 제어하고, 제2 전력변환장치는 입력 전류를 제어하기 때문에, 겹치는 제어 변수 없이, 모든 전력변환장치가 안정적으로 동작할 수 있게 된다.
또한, 입력 전력 균등화 제어 장치(300)는, 상기 복수의 전력변환장치에 대해 입력 전력을 동일하게 함에 따른, 상기 변환 전력량의 균등화 효율을, [수학식 3]에 의해 산출할 수 있다.
상술한 것과 같이, [수학식 3]은
Figure pat00017
으로 나타낼 수 있다.
여기서, 상기
Figure pat00018
는 입력 전력의 균등화 효율, Po는 출력 전력의 합산량, PI는 입력 전력의 합산량, N은 전력변환장치의 총 수로 정의할 수 있다.
병렬로 연결된 모든 전력변환장치의 효율이 갖다면 기존의 출력 전압을 동일하게 제어하는 방식의 효율
Figure pat00019
과, 본 발명의 입력 전압을 동일하게 제어하는 방식의 효율
Figure pat00020
은 서로 같을 것이다. 그러나, 동일한 부품과 설계로 제작된 제품이라 하더라도, 부품 스펙이나 제작 상의 오차 및 성능 산포로 인하여, 효율
Figure pat00021
과 효율
Figure pat00022
간은 서로 다른 값을 가지게 된다.
또한, 수학식 5에서 살펴본 바와 같이, 입력 전력이 균등해지도록 제어되는 시스템의 전체 전력변환 효율
Figure pat00023
이 출력 전력을 제어하는 시스템의 전체 젼력변환 효율
Figure pat00024
에 비하여 높을 것은 자명하다 할 수 있다.
또한, 앞에서 설명한 바, 동작 신뢰성 측면에 있어서도 출력 전력을 균등하게 제어하는 시스템에서 효율이 낮은 전력변환장치로부터 보다 높은 전력 손실이 발생하게 되어 전력변환장치의 발열 및 스트레스로 인한 신뢰성 저하는 예상될 수 있다. 그러나 제안하는 입력 전력을 균등하게 제어하는 시스템에서는 기존의 시스템 대비 효율이 낮은 전력변환장치가 부담해야 하는 전력 변환량이 줄어들어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 출력 전력을 균등화하는 전력제어 방식 대신에 입력 전력을 균등화하는 전력제어 방식을 제시 함으로써, 모듈화되어 병렬로 운전되는 전력변환장치의 효율과 운전 신뢰성을 높이는, 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법 및 입력 전력 균등화 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 출력 전력을 균등하게 제어하는 기존의 시스템에 대비하여, 입력 전력을 균등하게 제어하는 방식에 따라, 효율이 낮은 컨버터가 부담해야 하는 전력변환량이 줄어들게 되어 신뢰성 저하 문제를 현저하게 개선시킬 수 있다.
실시예에 따른 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 실시예를 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 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
300 : 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치
310 : 결정부 320 : 균등화부
330 : 처리부

Claims (16)

  1. 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 단계
    를 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전력변환장치 중 어느 하나를 제1 전력변환장치로 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 제1 전력변환장치를 제외한 나머지 전력변환장치를 제2 전력변환장치로 결정하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 변환 전력량을 균등화하는 단계는,
    상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 함으로써, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 단계
    를 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    복수의 전력변환장치 각각의 출력 단과 연결되는 부하의 출력 전압(Vout)을, 상기 제1 전력변환장치에서 제어하도록 하는 단계
    를 더 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부하의 출력 전압(Vout)을 제어한 상기 제1 전력변환장치에서의 입력 전류(Iin)를 확인하는 단계; 및
    상기 확인된 입력 전류(Iin)와, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전류를 동일하게 하는 단계
    를 더 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변환 전력량을 균등화하는 단계는,
    상기 병렬 운전 구조에 의한 상기 복수의 전력변환장치애서의 동일한 입력 전압과, 상기 제1 전력변환장치 및 상기 제2 전력변환장치 사이의 동일하게 되는 상기 입력 전류와의 연산에 따라, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 하는 단계
    를 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 병렬 운전 구조와 연관하여 기준 입력 전력을 결정하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 변환 전력량을 균등화하는 단계는,
    상기 복수의 전력변환장치의 각 입력 전력이, 상기 기준 입력 전력이 되도록 조정 함으로써, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 단계
    를 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 입력 전력을 결정하는 단계는,
    상기 병렬 운전 구조 내 모든 전력변환장치의 입력 전력을 평균하여, 상기 기준 입력 전력을 결정하는 단계; 또는
    상기 병렬 운전 구조를 운영하는 운영자에 의해 미리 지정된 특정의 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 기준 입력 전력으로 결정하는 단계
    를 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전력변환장치에 대해 입력 전력을 동일하게 함에 따른, 상기 변환 전력량의 균등화 효율을, [수학식 3]에 의해 산출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 [수학식 3]은
    Figure pat00025
    -상기
    Figure pat00026
    는 입력전력의 균등화 효율, Po는 출력 전력의 합산량, PI는 입력 전력의 합산량, N은 전력변환장치의 총 수임-
    인 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 방법.
  9. 병렬 운전 구조를 갖는 복수의 전력변환장치의 입력 전력을 동일하게 하여, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는 균등화부
    를 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전력변환장치 중, 어느 하나를 제1 전력변환장치로 결정하고, 상기 복수의 전력변환장치 중에서, 상기 제1 전력변환장치를 제외한 나머지 전력변환장치를 제2 전력변환장치로 결정하는 결정부
    를 더 포함하고,
    상기 균등화부는,
    상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 함으로써, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는
    전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 입력 전력 균등화 제어 장치는,
    복수의 전력변환장치 각각의 출력 단과 연결되는 부하의 출력 전압(Vout)을, 상기 제1 전력변환장치에서 제어하도록 하는 처리부
    를 더 포함하는 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 부하의 출력 전압(Vout)을 제어한 상기 제1 전력변환장치에서의 입력 전류(Iin)를 확인하고,
    상기 균등화부는,
    상기 확인된 입력 전류(Iin)와, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전류를 동일하게 하는
    전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 균등화부는,
    상기 병렬 운전 구조에 의한 상기 복수의 전력변환장치애서의 동일한 입력 전압과, 상기 제1 전력변환장치 및 상기 제2 전력변환장치 사이의 동일하게 되는 상기 입력 전류와의 연산에 따라, 상기 제2 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 제1 전력변환장치의 입력 전력과 동일하게 하는
    전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 병렬 운전 구조와 연관하여 기준 입력 전력을 결정하는 결정부
    를 더 포함하고,
    상기 균등화부는,
    상기 복수의 전력변환장치의 각 입력 전력이, 상기 기준 입력 전력이 되도록 조정 함으로써, 상기 복수의 전력변환장치에서 변환하는 변환 전력량을 균등화하는
    전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 결정부는,
    상기 병렬 운전 구조 내 모든 전력변환장치의 입력 전력을 평균하여, 상기 기준 입력 전력을 결정하거나, 또는 상기 병렬 운전 구조를 운영하는 운영자에 의해 미리 지정된 특정의 전력변환장치의 입력 전력을, 상기 기준 입력 전력으로 결정하는
    전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전력변환장치에 대해 입력 전력을 동일하게 함에 따른, 상기 변환 전력량의 균등화 효율을, [수학식 3]에 의해 산출하는 처리부
    를 더 포함하고,
    상기 [수학식 3]은
    Figure pat00027
    -상기
    Figure pat00028
    는 입력전력의 균등화 효율, Po는 출력 전력의 합산량, PI는 입력 전력의 합산량, N은 전력변환장치의 총 수임-
    인 전력변환장치에서의 입력 전력 균등화 제어 장치.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100833569B1 (ko) * 2006-06-19 2008-06-03 홍억선 대용량 전력변환기용 균등분배 병렬구조의 ｉｇｂｔ스택장치
JP2014514892A (ja) * 2010-12-09 2014-06-19 インディス、プロプライエタリー、リミテッド 電力供給制御システム及び装置
JP5648017B2 (ja) * 2012-05-16 2015-01-07 東芝テック株式会社 電力変換装置
KR20150044334A (ko) * 2013-10-16 2015-04-24 삼성전자주식회사 복수개의 컨버터를 제어하는 방법 및 장치.
KR20180010026A (ko) * 2016-07-20 2018-01-30 한국산업기술대학교산학협력단 변압기 및 컨버터를 이용한 전압 제어 장치

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