KR20210085213A - 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템 - Google Patents

멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

위상제어정류기 별로 점호각을 각각 산출함으로써, 각 위상제어기의 출력전압을 개별제어 할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템은, n개의 위상제어정류기를 이용하여 3상의 교류전압을 부하측 직류전압으로 변환하여 출력하는 전력변환장치; 각 위상제어정류기의 출력전압 지령치 및 해당 위상제어정류기로 입력되는 3상 교류전압을 기초로 각 위상제어정류기 별로 점호각을 산출하는 n개의 점호각 제어기; 및 각 위상제어정류기 별로 산출된 점호각을 기초로 해당 위상제어정류기의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 n개의 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템{System for Controlling Output Voltage of Multi Phase Controlled Rectifier}
본 발명은 위상정류제어기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 멀티 위상정류제어기의 출력전압 제어에 관한 것이다.
위상제어정류기(Phase Controlled Rectifier)는 교류를 직류로 변환하는 전력변환장치로 이용된다. 특히, 최근에는 수 MW 이상의 대용량 전원장치를 구성하기 위해 2개 이상의 위상 제어 정류기를 이용하는 방법이 제안된 바 있다. 예컨대, 제철소의 DC전동기나 유도 가열로, 핵융합용 초전도자석, 플라즈마 발생장치, 또는 가열장치 등과 같이 대전류 또는 고전압을 필요로 하는 대용량 부하를 위해 2개 이상의 위상 제어 정류기를 포함하는 대용량 전원장치가 제안된 바 있다.
도 1에 2개의 위상제어정류기를 포함하는 전원장치의 일 예가 도시되어 있다. 제1 변압기(110a)는 계통(150)에서 공급되는 3상의 계통전압을 와이-델타 결선(Y//△)에 따라 3상의 교류전압으로 변환하여 제1 위상제어정류기(120a)로 공급한다. 제2 변압기(110b)는 계통(150)에서 공급되는 3상의 계통전압을 와이-와이 결선(Y//Y)에 따라 3상의 교류전압으로 변환하여 제2 위상제어정류기(120b)로 공급한다.
제1 위상제어정류기(120a)는 제1 변압기(110a)에서 공급되는 3상 교류전압을 직류전압으로 변환한다. 제2 위상제어정류기(120b)는 제2 변압기(110b)에서 공급되는 3상 교류전압을 직류전압으로 변환한다. 제어기(130)는 부하(L)의 출력전압(Vo) 및 제1 변압기(110a)의 2차측인 3상 교류전압을 기초로 제1 및 제2 위상제어정류기(120a, 120b)의 점호각(α)을 결정하고, 제1 및 제2 구동유닛(140a, 140b)은 결정된 점호각(α)을 기초로 제1 및 제2 위상제어정류기(120a, 120b)의 구동을 위한 제1 및 제2 스위칭 신호(S1~S6)를 생성한다.
상술한 종래기술에 따른 전원장치의 경우, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 각 위상제어정류기(120a, 120b)가 위상차는 존재하지만 동일한 크기를 갖는 출력전압(VΔd,VYd)을 발생시킬 수 있어야, 도 2c에 도시된 바와 같이 부하(L)측에서 이상적인 출력전압(VO)이 출력될 수 있다.
하지만, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 와이-델타 결선(Y//△)된 제1 변압기(110a)의 권선비의 오차에 의해 제1 변압기(110a)의 2차측 교류전압 크기가 정상상태보다 ΔdAC 만큼 낮아진 경우에도, 제1 위상제어정류기(120a)의 출력전압(VΔd)과 제2 위상제어정류기(120b)의 출력전압(VYd)은 동일한 점호각에 의해 제어되므로, 제1 위상제어정류기(120a)의 출력전압(VΔd)은 ΔdDC 만큼 낮아질 수 밖에 없어 제1 및 제2 위상제어정류기(120a, 120b)의 출력단에서 출력전압 불평형이 발생될 수 밖에 없다.
이로 인해 상대적으로 높은 전압을 출력하는 위상제어정류기의 전기적 스트레스에 의한 전력손실이 증가하게 되고, 도 3c에도시된 바와 같이 부하측의 출력전압(VO)에 리플(ΔVDC)이 발생하게 되어 고조파 노이즈 발생이 증가하게 되며, 제어성능이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 위상제어정류기 별로 점호각을 각각 산출함으로써, 각 위상제어기의 출력전압을 개별제어 할 수 있는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템은, n개의 위상제어정류기를 이용하여 3상의 교류전압을 부하측 직류전압으로 변환하여 출력하는 전력변환장치; 각 위상제어정류기의 출력전압 지령치 및 해당 위상제어정류기로 입력되는 3상 교류전압을 기초로 각 위상제어정류기 별로 점호각을 산출하는 n개의 점호각 제어기; 및 각 위상제어정류기 별로 산출된 점호각을 기초로 해당 위상제어정류기의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 n개의 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 각 위상제어정류기로 입력되는 3상 교류전압의 위상을 반영하여 각 위상제어정류기의 점호각을 각각 산출하기 때문에, 입력측 교류전원의 크기와 위상 편차가 불평형한 환경에서도, 각 위상제어정류기의 출력전압과 전력을 균등하게 제어할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 위상제어정류기의 출력전압 개별제어를 통해 각 위상제어정류기의 출력전압과 전력을 균등하게 할 수 있어, 각 위상제어정류기의 출력전압 불평형으로 인한 특정 위상제어정류기의 전력손실, 전기적 스트레스, 및 발열문제를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 각 위상제어정류기들의 출력전압과 전력이 균등해지기 때문에, 부하측 출력전압의 리플과 고조파 노이즈를 감소시킬 수 있고, 이로 인해 제어성능과 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 2개의 위상제어정류기를 포함하는 전원장치의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 2는 변압기 출력측 교류전압의 평형 조건에서 도 1에 도시된 전원장치의 각 부위별 전압파형을 보여주는 그래프이다.
도 3은 변압기 출력측 교류전압의 불평형 조건에서 도 1에 도시된 전원장치의 각 부위별 전압파형을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5는 2개의 위상제어정류기를 포함하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템에서의 전압파형을 보여주는 그래프이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명의 핵심 구성과 관련이 없는 경우 및 본 발명의 기술분야에 공지된 구성과 기능에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미할 수 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템(400, 이하, '제어 시스템'이라 함)은 계통(410)에서 공급되는 계통전압을 직류전압으로 변환하여 부하(420)로 공급하는 전력변환장치(425) 및 전력변환장치(425)를 구동시키는 구동장치(427)를 포함한다. 전력변환장치(425)는 변압유닛(430) 및 정류유닛(440)을 포함하고, 구동장치(427)는 구동유닛(450) 및 제어기(460)을 포함한다.
변압유닛(430)은 계통(410)에서 공급되는 계통전압을 델타 결선 또는 와이 결선에 따라 3상의 교류전압으로 변환하여 정류유닛(440)으로 공급한다. 일 실시예에 있어서, 변압유닛(430)은 정류유닛(440)에 포함되는 위상제어정류기의 개수와 동일한 개수의 변압기를 포함할 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이 정류유닛(440)이 n개(n은 2 이상의 정수)의 위상제어정류기(440a~440n)를 포함하는 경우 변압유닛(430)은 n개의 변압기(430a~430n)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우 n개의 변압기(430a~430n)는 n개의 위상제어정류기(440a~440n)와 1:1로 연결될 수 있다.
정류유닛(440)은 변압유닛(430)에서 공급되는 3상의 교류전압을 직류전압으로 변환하여 부하(420)로 공급한다. 이를 위해, 정류유닛(440)은 n개의 위상제어정류기(440a~440n)들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, n개의 위상제어정류기(440a~440n)들은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 경우 n개의 위상제어정류기(440a~440n)들 각각이 출력하는 직류전압(V1, V2, ?? , Vn)의 합이 정류유닛(440)의 출력전압(Vo)이 되므로 부하(420)에 고전압을 출력할 수 있게 된다.
다른 실시예에 있어서, n개의 위상제어정류기(440a~440n)들은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 경우 n개의 위상제어정류기(440a~440n)들 각각이 출력하는 전류의 합이 정류유닛(440)의 출력전류가 되므로 부하(420)에 대전류를 출력할 수 있게 된다.
구동유닛(450)은 정류유닛(440)에 포함된 각 위상제어정류기(440a~440n) 별로 각 위상제어정류기(440a~440n)의 점호각(Firing Angle)을 각각 산출하고, 각 위상제어정류기(440a~440n)별로 산출된 점호각을 기초로 각 위상제어정류기(440a~440n)를 구동시키기 위한 스위칭 신호를 생성한다. 이를 위해, 구동유닛(450)은 n개의 구동부(450a~450n)를 포함한다. 이러한 실시예에 따르는 경우 n개의 구동부(450a~450n)는 n개의 위상제어정류기(440a~440n)와 1:1로 연결된다.
본 발명에 따른 구동유닛(450)이 n개의 구동부(450a~450n)를 이용하여 각 위상제어정류기(440a~440n)별로 점호각을 각각 산출하는 이유는, 변압유닛(430)에 포함된 변압기들(430a~430n)로부터 출력되는 3상 교류전압에 불평형이 발생되는 경우 각 위상제어정류기(440a~440n)들의 점호각이 모두 동일하게 산출되면, 각 위상제어정류기(440a~440n)들의 출력전압에 전압 불평형이 발생하게 되어, 전력변환장치(400)의 부하단 직류전압에 리플성분 및 고조파 노이즈 발생이 증가하기 때문이다.
이와 같이, 본 발명은 각 구동부(450a~450n)들이 해당 구동부(450a~450n)에 연결된 위상제어정류기(440a~440n)들의 점호각을 각각 산출할 수 있기 때문에, 변압기들(430a~430n)로부터 출력되는 3상 교류전압에 불평형이 발생되는 경우에도, 각 위상제어정류기(440a~440n) 별로 산출된 점호각을 기초로 3상 교류전압의 불평형 및 각 위상제어정류기(440a~440n)들의 출력전압 불평형을 보상할 수 있게 된다.
이를 위해, 각각의 구동부(450a~450n)들은 미리 설정된 부하측 출력전압 지령치 및 위상제어정류기(440a~440n)들의 개수를 기초로 결정된 위상제어정류기(440a~440n)의 분담전압 지령치(Vn*)를 산출하고, 각 위상제어정류기(440a~440n)들이 출력하는 직류전압(V1, V2, ??, Vn)을 기초로 각 위상제어정류기(440a~440n) 별 출력전압 지령치를 산출한다. 또한, 각 구동부(450a~450n)들은 각 위상제어정류기(440a~440n)별로 산출된 출력전압 지령치와 각 위상제어정류기(440a~440n)로 입력되는 3상 교류전압의 선간전압을 이용하여 각 위상제어정류기(440a~440n) 별로 점호각을 산출한다.
각 구동부(450a~450n)들은 각 위상제어정류기(440a~440n)별로 산출된 점호각을 기초로 각 위상제어정류기(440a~440n)에 포함된 사이리스트 스택을 스위칭 시키기 위한 복수개의 스위칭 신호를 생성한다. 각 구동부(450a~450)들은 생성된 스위칭 신호에 따라 각 위상제어정류기(440a~440n)들의 동작을 제어함으로써, 각 위상제어정류기(440a~440n)들이 출력전압 지령치에 상응하는 직류전압을 출력할 수 있도록 한다.
제어기(460)는 외부로부터 입력되는 부하측 출력전압 지령치(Vo*)를 기초로 각 위상제어정류기(440a~440n)의 분담전압 지령치(Vn*)를 산출하고, 산출된 분담전압 지령치(Vn*)를 각 구동부(450a~450n)들로 전달한다.
일 실시예에 있어서, 제어기(450)는 모든 위상제어정류기(440a~440n)들이 모두 동일한 직류전압을 출력할 수 있도록 하기 위해 부하측 출력전압 지령치(Vo*)를 위상제어정류기(440a~440n)의 개수(n)로 제산한 결과값을 위상제어정류기(440a~440n)의 분담전력 지령치(Vn*)산출할 수 있다.
상술한 실시예에 있어서, 제어기(460)는 부하측 출력전압 지령치(Vo*)를 외부로부터 입력 받는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서 제어기(460)는 외부로부터 부하측 출력전류 지령치(Io*)를 입력받고, PI제어를 통해 부하측에 흐르는 실제 부하측 출력전류(Io) 및 부하측 출력전류 지령치(Io*)로부터 부하측 출력전압 지령치(Vo*)를 산출할 수도 있을 것이다.
이하, 도 5를 참조하여, 전력변환장치가 2개의 위상제어정류기를 포함하는 경우를 예를 들어 본 발명에 따른 제어 시스템의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 2개의 위상제어정류기를 포함하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어 시스템(500)은 제1 변압기(530a), 제2 변압기(530b), 제1 위상제어정류기(540a), 제2 위상제어정류기(540b), 제1 구동부(550a), 제2 구동부(550b), 및 제어기(560)를 포함한다.
제1 변압기(530a)는 계통(미도시)에서 공급되는 3상의 계통전압을 와이-델타 결선(Y//△)에 따라 3상의 제1 교류전압으로 변환하여 제1 위상제어정류기(540a)로 공급한다.
제2 변압기(530b)는 계통에서 공급되는 3상의 계통전압을 와이-와이 결선(Y//Y)에 따라 3상의 제2 교류전압으로 변환하여 제2 위상제어정류기(540b)로 공급한다.
이러한 실시예에 따르는 경우 제2 변압기(530b)에서 제2 위상제어정류기(540b)로 공급되는 제2 교류전압과 제1 변압기(530a)에서 제1 위상제어정류기(540a)로 공급되는 제1 교류전압 간에는 30도만큼의 위상차가 존재하게 된다.
제1 위상제어정류기(540a)는 제1 변압기(530a)에서 공급되는 3상의 제1 교류전압을 직류로 변환함으로써 제1 직류전압(V△o)을 출력한다. 구체적으로, 제1 위상제어정류기(540a)는 싸이리스터(SCR)을 이용하여 제1 교류전압을 제1 직류전압으로 변환한다. 일 실시예에 있어서, 제1 위상제어정류기(540a)는 다중 펄스 출력 구현을 위해 복수개의 싸이리스터로 구성된 싸이리스트 스택을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 위상제어정류기(540a)는 6개의 싸이리스터를 포함함으로써 6 펄스 출력을 구현할 수 있다.
이러한, 본 발명에 따른 제1 위상제어정류기(540a)는 제1 구동부(550a)에 의해 산출된 제1 점호각의 크기에 따라 턴온 시점이 조절된다.
제2 위상제어정류기(540b)는 제2 변압기(540b)에서 공급되는 3상의 제2 교류전압을 직류로 변환함으로써 제2 직류전압(VYo)을 출력한다. 구체적으로, 제2 위상제어정류기(540b)는 싸이리스터(SCR)을 이용하여 제2 교류전압을 제2 직류전압으로 변환한다. 일 실시예에 있어서, 제2 위상제어정류기(540b)는 다중 펄스 출력 구현을 위해 복수개의 싸이리스터로 구성된 싸이리스트 스택을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 위상제어정류기(540b)는 6개의 싸이리스터를 포함함으로써 6 펄스 출력을 구현할 수 있다.
이러한, 본 발명에 따른 제2 위상제어정류기(540b)는 제2 구동부(550b)에 의해 산출된 제2 점호각의 크기에 따라 턴온 시점이 조절된다.
제1 구동부(550a)는 제1 위상제어정류기(540a)의 제1 점호각(α△)을 산출하고, 제1 점호각(α△)을 기초로 제1 위상제어정류기(540a)를 구동시키기 위한 제1 스위칭 신호를 생성한다. 이를 위해, 제1 구동부(550a)는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 출력전압 지령치 산출부(552a), 제1 점호각 제어기(554a), 및 제1 게이팅 드라이버(556a)를 포함한다.
제1 출력전압 지령치 산출부(552a)는 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 기초로 산출된 제1 위상제어정류기(540a)의 분담전압 지령치(Vn*)와 제1 위상제어정류기(540a)의 실제 출력전압인 제1 직류전압(V△o)을 기초로 제1 위상제어정류기의 출력전압 지령치(V1*)를 산출한다.
이를 위해, 제1 출력전압 지령치 산출부(552a)는 제1 PI 제어기(552a_1) 및 제1 가산기(552a_2)를 포함한다.
제1 PI 제어기(552a_1)는 PI제어를 통해 제1 위상 제어기정류기(540a)의 실제 출력전압인 제1 직류전압(V△o)이 제1 위상제어정류기(540a)의 분담전압 지령치(Vn*)를 추종하기 위해 필요한 제1 보상전압(V△o*)을 산출한다. 제1 PI 제어기(552a_1)는 산출된 제1 보상전압(V△o*)을 제1 가산기(552a_2)로 전송한다.
도 5에서는 제1 출력전압 지령치 산출부(552a)가 제1 PI 제어기(552a_1)만을 이용하여 제1 보상전압(V△o*)을 산출하는 것으로 설명하였지만, 제1 출력전압 지령치 산출부(552a)는 제1 보상전압(V△o*)을 산출하기 위해 제1 PI 제어기(552a_1) 외에 리미터(Limiter)를 추가로 포함할 수도 있을 것이다.
제1 가산기(552a_2)는 제1 PI 제어기(552_1)에서 출력되는 제1 보상전압(V△o*)과 제1 위상제어정류기(540a)의 분담전압 지령치(Vn*)를 가산하여 제1 위상제어정류기(540a)의 제1 출력전압 지령치(V1*)를 산출한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 제1 출력전압 지령치 산출부(552a)를 통해 제1 위상제어정류기(540a)의 실제 출력전압인 제1 직류전압(V△o)이 제1 위상제어정류기(540a)가 출력해야 할 이상적인 직류전압인 분담전압 지령치(Vn*)를 추종하기 위해 요구되는 제1 보상전압(V△o*)을 산출하고, 제1 보상전압(V△o*)을 반영하여 제1 출력전압 지령치(V1*) 및 제1 점호각(α△)이 결정되기 때문에, 교류전압의 불평형이 발생되는 환경에서도 제1 위상제어정류기(540a)와 제2 위상제어정류기(540b)간의 전압 및 전력 불평형이 감소되도록 할 수 있다.
제1 점호각 제어기(554a)는 제1 위상제어정류기(540a)의 제1 출력전압 지령치(V1*) 및 제1 위상제어정류기(540a)로 입력되는 제1 교류전압의 선간전압을 기초로 제1 위상제어정류기(540a)의 제1 점호각(α△)을 산출한다. 이를 위해, 제1 점호각 제어기(554a)는 제1 PLL(554a_1) 및 제1 점호각 산출부(554a_2)를 포함한다.
제1 PLL(Phase Lock Loop, 554a_1)은 제1 위상제어정류기(554a)로 입력되는 제1 교류전압의 선간전압(V△ab, V△bc, V△ca)을 기초로 제1 교류전압의 제1 위상(θ△)을 검출한다. 제1 PLL(554a_1)은 검출된 제1 위상(θ△)을 제1 점호각 산출부(554a_2)로 전송한다.
제1 점호각 산출부(554a_2)는 제1 PLL(554a_1)로부터 입력되는 제1 위상(θ△)과 제1 가산기(552a_2)로부터 입력되는 제1 출력전압 지령치(V1*)를 미리 정해진 점호각 산출 알고리즘에 입력하여 제1 위상제어정류기(540a)의 제1 점호각(α△)을 산출한다. 일 예로, 제1 점호각 산출부(554a_2)는 아래의 수학식 1을 이용하여 제1 점호각(α△)을 산출할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, α△는 제1 점호각을 나타내고, V1*는 제1 출력전압 지령치를 나타내며, k1은 제1 위상제어정류기(540a)가 출력할 수 있는 최대출력전압을 나타내는 것으로서, k1은 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서 VLL1은 제1 위상제어정류기(540a)로 입력되는 제1 교류전압의 실효치를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 제1 점호각 산출부(554a_2)가 제1 위상제어정류기(540a)가 연결된 제1 변압기(530a)에서 출력되는 제1 교류전압의 제1 위상(θ△)을 반영하여 제1 점호각(α△)을 산출하기 때문에, 제1 변압기(530a)의 권선비 오차 등에 의해 교류전압 불평형이 발생하더라도 제1 점호각 (α△)을 통해 이러한 불평형이 보상될 수 있어 결과적으로 제1 위상제어정류기(540a)의 출력전압을 제2 위상제어정류기(540b)의 출력전압과 균등하게 제어할 수 있게 된다.
제1 게이팅 드라이버(556a)는 제1 위상제어정류기(540a)의 제1 점호각(α△)을 기초로 제1 위상제어정류기(540a)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 복수개의 제1 스위칭 신호(S1~S6)를 생성한다.
제1 게이팅 드라이버(556a)는 제1 점호각(α△)에 따라 생성된 복수개의 스위칭 신호를 제1 위상제어정류기(540a)에 포함된 싸이리스터들의 게이트 단자에 각각 인가함으로써 제1 위상제어정류기(540a)를 구동시킴으로써, 제1 위상제어정류기(540a)가 제1 출력전압 지령치(V1*)에 상응하는 직류전압을 출력할 수 있도록 한다.
제2 구동부(550b)는 제2 위상제어정류기(540b)의 제2 점호각을 산출하고, 제2 점호각(αY)을 기초로 제2 위상제어정류기(540b)를 구동시키기 위한 제2 스위칭 신호를 생성한다. 이를 위해, 제2 구동부(550b)는 도 5에 도시된 바와 같이 제2 출력전압 지령치 산출부(552b), 제2 점호각 제어기(554b), 및 제2 게이팅 드라이버(556b)를 포함한다.
제2 출력전압 지령치 산출부(552b)는 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 기초로 산출된 제2 위상제어정류기(540b)의 분담전압 지령치(Vn*)와 제2 위상제어정류기(540b)의 실제 출력전압인 제2 직류전압(VYO)을 기초로 제2 위상제어정류기(540b)의 출력전압 지령치(V2*)를 산출한다.
이를 위해, 제2 출력전압 지령치 산출부(552b)는 제2 PI 제어기(552b_1) 및 제2 가산기(552b_2)를 포함한다.
제2 PI 제어기(552b_1)는 PI제어를 통해 제2 위상 제어기정류기(540b)의 실제 출력전압인 제2 직류전압(VYO)이 제2 위상제어정류기(540b)의 분담전압 지령치(Vn*)를 추종하기 위해 필요한 제2 보상전압(VYO*)을 산출한다. 제2 PI 제어기(552b_1)는 산출된 제2 보상전압(VYO*)을 제2 가산기(552b_2)로 전송한다.
도 5에서는 제2 출력전압 지령치 산출부(552b)가 제2 PI 제어기(552b_1)만을 이용하여 제2 보상전압(VYO*)을 산출하는 것으로 설명하였지만, 제2 출력전압 지령치 산출부(552b)는 제2 보상전압(VYO*)을 산출하기 위해 제2 PI 제어기(552b_1) 외에 리미터를 추가로 포함할 수도 있을 것이다.
제2 가산기(552b_2)는 제2 PI 제어기(552b_1)에서 출력되는 제2 보상전압(VYO*)과 제2 위상제어정류기(540b)의 분담전압 지령치(Vn*)를 가산하여 제2 위상제어정류기(540b)의 제2 출력전압 지령치(V2*)를 산출한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 제2 출력전압 지령치 산출부(552b)를 통해 제2 위상제어정류기(540b)의 실제 출력전압인 제2 직류전압(VYO)이 제2 위상제어정류기(540b)가 출력해야 할 이상적인 직류전압인 분담전압 지령치(Vn*)를 추종하기 위해 요구되는 제2 보상전압(VYO*)을 산출하고, 제2 보상전압(VYO*)을 반영하여 제2 출력전압 지령치(V2*) 및 제2 점호각(αY)이 결정되기 때문에, 교류전압의 불평형이 발생되는 환경에서도 제1 위상제어정류기(540a)와 제2 위상제어정류기(540b)간의 전압 및 전력 불평형이 감소되도록 할 수 있다.
제2 점호각 제어기(554b)는 제2 위상제어정류기(540b)의 제2 출력전압 지령치(V2*) 및 제2 위상제어정류기(540b)로 입력되는 제2 교류전압의 선간전압을 기초로 제2 위상제어정류기(540b)의 제2 점호각을 산출한다. 이를 위해, 제2 점호각 제어기(554b)는 제2 PLL(554b_1) 및 제2 점호각 산출부(554b_2)를 포함한다.
제2 PLL(554b_1)은 제2 위상제어정류기(554b)로 입력되는 제2 교류전압의 선간전압(VYab, VYbc, VYca)을 기초로 제2 교류전압의 제2 위상(θY)을 검출한다. 제2 PLL(554b_1)은 검출된 제2 위상(θY)을 제2 점호각 산출부(554b_2)로 전송한다.
제2 점호각 산출부(554b_2)는 제2 PLL(554b_1)로부터 입력되는 제2 위상(θY)과 제2 가산기(552b_2)로부터 입력되는 제2 출력전압 지령치(V2*)를 미리 정해진 점호각 산출 알고리즘에 입력하여 제2 위상제어정류기(540b)의 제2 점호각(αY)을 산출한다. 일 예로, 제2 점호각 산출부(554b_2)는 아래의 수학식 3을 이용하여 제2 점호각(αY)을 산출할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서, αY 는 제2 점호각을 나타내고, V2*는 제2 출력전압 지령치를 나타내며, k2는 제2 위상제어정류기(540b)가 출력할 수 있는 최대출력전압을 나타내는 것으로서, k2는 아래의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서 VLL2은 제2 위상제어정류기(540b)로 입력되는 제2 교류전압의 실효치를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 제2 점호각 산출부(554b_2)가 제2 위상제어정류기(540b)가 연결된 제2 변압기(530b)에서 출력되는 제2 교류전압의 제2 위상(θY)을 반영하여 제2 점호각(αY)을 산출하기 때문에, 제2 변압기(530b)의 권선비 오차 등에 의해 교류전압 불평형이 발생하더라도 제2 점호각 (αY)을 통해 이러한 불평형이 보상될 수 있어 결과적으로 제2 위상제어정류기(540b)의 출력전압을 제1 위상제어정류기(540a)의 출력전압과 균등하게 제어할 수 있게 된다.
제2 게이팅 드라이버(556b)는 제2 위상제어정류기(540b)의 제2 점호각(αY)을 기초로 제2 위상제어정류기(540b)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 복수개의 제2 스위칭 신호(S1~S6)를 생성한다.
제2 게이팅 드라이버(556b)는 제2 점호각(αY)에 따라 생성된 복수개의 제2 스위칭 신호를 제2 위상제어정류기(540b)에 포함된 싸이리스터들의 게이트 단자에 각각 인가하여 제2 위상제어정류기(540b)를 구동시킴으로써, 제2 위상제어정류기(540b)가 제2 출력전압 지령치(V2*)에 상응하는 직류전압을 출력할 수 있도록 한다.
제어기(560)는 상술한 분담전압 지령치(Vn*)를 산출하고, 산출된 분담전압 지령치(Vn*)를 제1 및 제2 출력전압 지령치 산출부(552a, 552b)로 공급한다. 이를 위해, 제어기(560)는 도 5에 도시된 바와 같이, 전압제어부(562), 전류제어부(564), 및 스위칭부(566)를 포함할 수 있다.
먼저, 전압제어부(562)는 외부로부터 부하측 직류전압 지령치(Vo*)가 입력되면, 입력된 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 위상제어정류기(540a, 540b)의 개수로 제산함으로써 분담전압 지령치(Vn*)를 산출한다. 도 5에서는 2개의 위상제어정류기(540a, 540b)가 포함되므로 전압제어부(562)는 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 2로 제산함으로써 분담전압 지령치(Vn*)를 산출할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전압제어부(562)는 전압 분배부로 구현될 수 있다.
전류제어부(564)는 외부로부터 부하측 출력전류 지령치(Io*)가 입력되면, PI제어를 통해 부하측 출력전류 지령치(Io*)와 실제 부하측 출력전류(Io)를 기초로 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 산출한다. 이를 위해, 전류제어부(564)는 부하측(L)에 흐르는 전류를 센싱함에 의해 부하측 출력전류(Io)를 획득할 수 있다. 전류제어부(564)는 산출된 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 위상제어정류기(540a, 540b)의 개수로 제산함으로써 분담전압 지령치(Vn*)를 산출한다. 이를 위해, 전류제어부(564)는 도 5에 도시된 바와 같이, PI제어기(564a) 및 전압분배부(564b)로 구현될 수 있다. 도 5에 도시하지는 않았지만, 전류제어부(564)는 부하측 직류전압 지령치(Vo*)를 산출하기 위해 리미터를 추가로 포함할 수도 있다.
스위칭부(566)는 외부로부터 입력되는 값에 따라 전압제어부(562) 및 전류제어부(564) 중 어느 하나를 선택한다. 구체적으로, 스위칭부(566)는 외부로부터 출력압 지령치(Vo*)가 입력되면 전압제어부(562)를 선택하고, 외부로부터 부하측 출력전류 지령치(Io*)가 입력되면 전류제어부(564)를 선택할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 제1 및 제2 구동부(550a, 550b)가 제1 및 제2 위상제어정류기(540a, 540b)의 제1 및 제2 점호각을 각각 산출하기 때문에 제1 및 제2 변압기(530a, 543b)로부터 출력되는 3상 교류전압에 불평형이 발생되는 경우에도, 3상 교류전압의 불평형과 제1 및 제2 위상제어정류기(540a, 540b)의 출력전압 불평형을 보상할 수 있고, 이로 인해 부하측 출력전압에서 리플 및 고조파 노이즈 성분을 제거할 수 있게 된다.
도 6에 본 발명에 따른 제어 시스템에서의 전압파형이 도시되어 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이 와이-델타(Y-Δ)결선된 제1 변압기(540a)의 권선비의 오차에 따라 선간전압의 크기가 정상상태에 비해 ΔdAC 만큼 낮아지더라도, 제1 위상제어정류기(540a)가 제1 위상제어정류기(540a)에 대해 산출된 제1 점호각(α△)에 의해 제어된다. 이에 따라, 도 3b에 도시된 전압파형과 비교할 때, 제1 위상제어정류기(540a)의 출력전압에서 발생하였던 ΔdDC 만큼의 전압이 보상됨을 알 수 있고, 이로 인해 제1 위상제어정류기(540a)의 출력전압과 제2 위상제어정류기(540b)의 출력전압의 합으로 정의되는 부하측 출력전압(Vo)의 전압피크값 또한 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
400: 제어 시스템 410: 계통
420: 부하 430: 변압유닛
440: 정류유닛 450: 구동유닛
460: 제어기

Claims (15)

  1. n개의 위상제어정류기를 이용하여 3상 교류전압을 부하측 직류전압으로 변환하여 출력하는 전력변환장치;
    각 위상제어정류기의 출력전압 지령치 및 해당 위상제어정류기로 입력되는 상기 3상 교류전압을 기초로 각 위상제어정류기 별로 점호각을 산출하는 n개의 점호각 제어기; 및
    상기 각 위상제어정류기 별로 산출된 점호각을 기초로 해당 위상제어정류기의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 n개의 게이팅 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 n개의 점호각 제어기는
    제1 위상제어정류기에서 출력되는 제1 출력전압을 기초로 산출된 제1 출력전압 지령치 및 상기 제1 위상제어정류기로 입력되는 3상의 제1 교류전압을 기초로 제1 점호각을 산출하는 제1 점호각 제어기; 및
    제2 위상제어정류기에서 출력되고 상기 제1 출력전압과 다른 전압레벨의 제2 출력전압을 기초로 산출된 제2 출력전압 지령치 및 상기 제2 위상제어정류기로 입력되는 3상의 제2 교류전압을 기초로 제2 점호각을 산출하는 제2 점호각 제어기를 포함하고,
    상기 n개의 게이팅 드라이버는
    상기 제1 점호각을 기초로 상기 제1 위상제어정류기의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제1 스위칭 신호를 생성하는 제1 게이팅 드라이버; 및
    상기 제2 점호각을 기초로 상기 제2 위상제어정류기의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제2 스위칭 신호를 생성하는 제1 게이팅 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 n개의 점호각 제어기는 3개 이상의 점호각 제어기를 포함하고, 상기 3개 이상의 점호각 제어기는 해당 점호각 제어기에 대응되는 위상제어정류기 별로 서로 다른 값을 갖는 점호각을 산출하고,
    상기 n개의 게이팅 드라이버는 3개 이상의 게이팅 드라이버를 포함하고, 상기3개 이상의 게이팅 드라이버는 상기 서로 다른 점호각을 기초로 해당 게이팅 드라이버가 연결된 위상제어정류기의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 신호를 각각 생성하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환장치의 부하측 직류전압 지령치를 기초로 산출된 상기 각 위상제어정류기의 분담전압 지령치와 상기 각 위상제어정류기의 실제 출력전압을 기초로 상기 각 위상제어정류기의 출력전압 지령치를 산출하는 n개의 출력전압 지령치 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출력전압 지령치 산출부는,
    상기 각 위상 제어기정류기 별로 상기 각 위상제어정류기의 실제 출력전압이 상기 각 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 추종하기 위해 필요한 보상전압을 산출하는 PI제어기; 및
    상기 각 위상제어정류기의 보상전압과 상기 각 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 가산하여 상기 각 위상제어정류기의 출력전압 지령치를 산출하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환장치의 부하측 직류전압 지령치 및 상기 전력변환장치의 출력전류 지령치 중 적어도 하나를 기초로 상기 각 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 산출하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 부하측 직류전압 지령치를 상기 위상제어정류기의 개수로 제산하여 상기 각 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 산출하는 전압제어부;
    PI제어를 통해 상기 출력전류 지령치 및 상기 전력변환장치의 실제 출력전류를 기초로 상기 부하측 직류전압 지령치를 산출하고, 상기 산출된 부하측 직류전압 지령치를 상기 위상제어정류기의 개수로 제산하여 상기 각 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 산출하는 전류제어부; 및
    외부로부터 상기 출력전류 지령치가 입력되면 상기 전류제어부를 선택하고, 외부로부터 상기 부하측 직류전압 지령치가 입력되면 상기 전압제어부를 선택하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 점호각 산출부는,
    상기 각 위상제어정류기로 입력되는 상기 3상 교류전압의 선간전압을 기초로 상기 3상 교류전압의 위상을 검출하는 PLL(Phase Lock Loop): 및
    미리 정해진 점호각 산출 알고리즘에 상기 각 위상제어정류기의 3상 교류전압의 위상과 상기 각 위상제어정류기의 출력전압 지령치를 입력하여 상기 각 위상제어정류기의 점호각을 산출하는 점호각 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환장치는,
    3상의 계통전압을 와이-델타 결선에 따라 3상의 제1 교류전압으로 변환하는 제1 변압기;
    상기 3상의 제1 교류전압을 직류로 변환하여 제1 직류전압을 출력하는 제1 위상제어정류기;
    상기 3상의 계통전압을 와이-와이 결선에 따라 3상의 제2 교류전압으로 변환하는 제2 변압기; 및
    상기 3상의 제2 교류전압을 직류로 변환하여 제2 직류전압을 출력하는 제2 위상제어정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상제어정류기는 서로 직렬로 연결되어 상기 제1 직류전압과 상기 제2 직류전압을 합산한 값이 상기 부하측 직류전압으로 출력되는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 점호각 제어기는,
    상기 제1 교류전압의 선간전압을 기초로 상기 제1 교류전압의 제1 위상을 검출하는 제1 PLL: 및
    미리 정해진 점호각 산출 알고리즘에 상기 제1 위상과 상기 제1 위상제어정류기의 제1 출력전압 지령치를 입력하여 상기 제1 위상제어정류기의 제1 점호각을 산출하는 제1 점호각 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전력변환장치의 부하측 직류전압 지령치 및 상기 전력변환장치의 출력전류 지령치 중 적어도 하나를 기초로 상기 제1 및 제2 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 산출하는 제어기;
    상기 제1 위상제어정류기의 제1 출력전압이 상기 분담전압 지령치를 추종하기 위해 필요한 제1 보상전압을 산출하는 제1 PI제어기; 및
    상기 제1 보상전압과 상기 분담전압 지령치를 가산하여 상기 제1 출력전압 지령치를 산출하고, 상기 제1 출력전압 지령치를 상기 제1 점호각 산출부에 입력하는 제1 가산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 점호각 제어기는,
    상기 제2 교류전압의 선간전압을 기초로 상기 제2 교류전압의 제2 위상을 검출하는 제2 PLL: 및
    미리 정해진 점호각 산출 알고리즘에 상기 제2 위상과 상기 제2 위상제어정류기의 제2 출력전압 지령치를 입력하여 상기 제2 위상제어정류기의 제2 점호각을 산출하는 제2 점호각 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력변환장치의 부하측 직류전압 지령치 및 상기 전력변환장치의 출력전류 지령치 중 적어도 하나를 기초로 상기 제1 및 제2 위상제어정류기의 분담전압 지령치를 산출하는 제어기;
    상기 제2 위상제어정류기의 제2 출력전압이 상기 분담전압 지령치를 추종하기 위해 필요한 제2 보상전압을 산출하는 제2 PI제어기; 및
    상기 제2 보상전압과 상기 분담전압 지령치를 가산하여 상기 제2 출력전압 지령치를 산출하고, 상기 제2 출력전압 지령치를 상기 제2 점호각 산출부에 입력하는 제2 가산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 게이팅 드라이버는,
    상기 제1 위상제어정류기의 제1 점호각을 기초로 상기 제1 위상제어정류기에 포함된 제1 사이리스트 스택의 스위칭 동작을 제어하기 위한 복수개의 제1 스위칭 신호를 생성하는 제1 게이팅 드라이버; 및
    상기 제2 위상제어정류기의 제2 점호각을 기초로 상기 제2 위상제어정류기에 포함된 제2 사이리스트 스택의 스위칭 동작을 제어하기 위한 복수개의 제2 스위칭 신호를 생성하는 제2 게이팅 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 위상제어정류기의 출력전압 제어 시스템.
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