KR20220017567A - 3상 4선식 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용한 고장제어 방법 - Google Patents

3상 4선식 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용한 고장제어 방법 Download PDF

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Abstract

3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 고장 제어 방법 및 그 시스템이 개시된다. 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 고장 제어 방법은, 인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 얻고, 상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하고, 상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 얻고, 상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정하고, 상기 사고가 발생하면 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하여 단락이 발생한 지점에서 영전압이 인가되며 단락이 발생하지 않은 상에는 정상적인 상 전압이 인가되므로 빠르게 사고 지점을 분리할 수 있다.

Description

3상 4선식 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용한 고장제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING FAULT USING SWITCHING TECHNIQUE OF THREE PHASE FOUR WIRE INTERLINKING CONVERTER}
본 명세서는 3상 4선식 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용한 고장제어 방법에 관한 것이다.
컴퓨터에 기초한 장비 및 기기들은 전원의 오작동으로 인한 장애에 취약하며, 이를 보호하기 위해 무정전 전원 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply)가 사용된다.
이러한 무정전 전원 장치들은 다양한 구조의 제품들이 상용화 되고 있으며 AC를 DC로 바꾸는 정류부와 이를 다시 AC로 바꾸는 인버터가 연결된 2중 변환 방식이 대표적으로 활용되고 있으며, 3상 4선식 전원을 출력하는 구조를 포함한다.
3상 4선식 출력을 공급하는 인버터는 DC 측에 중성점(Middle Point)을 만들어 교츄출력의 중성점과 연결하고 각 상당 2개의 전력용 스위치로 구성될 수 있다.
한편, 3상 전원을 출력하는 인버터의 출력단에는 3상 부하들도 연결되지만, 최근에는 1상 부하들이 연결되는 경우가 많아, 최종적으로 3상 출력 인버터의 경우 출력 3상 전원의 각 상간의 부하 불평형으로 인한 전압 불평형 문제가 발생한다. 즉, 인터링킹 컨버터의 부하와 같은 단락 사고 발생 시 높은 단락 전류로 인해 컨버터의 손상 및 계통 품질 저하가 발생한다.
이에 계통 보호를 위해 차단기 및 제어기를 통해 고장 지역을 제거할 수 있다. 단락된 상 외에 나머지 상과 연결된 부하에 정상적인 전력 공급을 위해 각 상전압을 개별로 제어하는 기법이 연구되고 있다.
하지만 기존의 계통 보호와 같이 1선 지락 사고를 포함하는 부하 상 단락 발생 시 연결된 일부 지역의 계통을 모두 차단하게 되면 국소 지역에 정전과 같은 불필요한 손실이 발생할 수 있어 개별적인 전압 제어를 위해서는 개별적 PLL(Phase Locked Loop)이 수행되어야 하며, 이는 추가적인 제어기를 필요로 한다.
또한, 불평형 전압에 대한 다수의 PLL 기법은 불평형 전압의 기본파 성분을 필터를 통해 검출하는 과정에서 상 단락 성분을 제외한 정상적 출력을 갖는 전압 성분의 정확한 크기와 위상 검출에 어려움이 있었다.
본 명세서는 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한, 3상 4선식 인터링킹 컨버터의 부하 상 단락 발생 시 적용 가능한 새로운 o 축 변환 PPL 기법을 구현하는 것을 목적으로 한다.
또한, 인터링킹 컨버터를 이용한 고장 관리에 있어서 부하가 위치한 AC 배전망에 선간 단락이 발생할 시 사고 지점에 영전압 벡터를 인가하여 정상적인 배전라인과 전기적으로 분리기키기 위한 스위칭 조합을 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 방법은 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 고장에 대하여 인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 얻는 단계; 상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하는 단계; 상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 얻는 단계; 상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정하는 단계; 및
상기 사고가 발생하면 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 사고와 연관된 영역을 결정하는 단계는, 상기 출력 전압 벡터들의 스위칭 상태에 기초하여 결정할 수 있다.
또한, 스위칭 상태는, 상기 출력되는 3상 교류 전원이 각 상마다 개별적으로 제어하는 스위칭 소자의 on/off 조합을 의미할 수 있다.
또한, 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는 단계는, 상기 영전압 벡터를 제공하는 순서를 정하기 위하여 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 적용할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 다른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템은 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 상기 출력되는 3상 교류 전원이 각 상마다 개별적으로 제어되도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하고, 상기 인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 얻고, 상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하고, 상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 얻고, 상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정하고, 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는 프로세서를 포함한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터의 1선 지락 시 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용한 고장제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 명세서는 3상 4선식 인터링킹 컨버터의 부하 상 단락 발생 시 적용 가능한 새로운 o 축 변환 PLL 기법을 적용하여 부하 상 단락 발생 시에도 정확한 위상과 크기를 검출할 수 있다.
본 명세서는 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용한 고장제어는 단락이 발생한 지점에서 영전압이 인가되며 단락이 발생하지 않은 상에는 정상적인 상 전압이 인가되므로 빠르게 사고 지점을 분리할 수 있다.
본 명세서는 마이크로그리드를 구성할 시 요구되는 차단장치 수를 줄일 수 있다.
본 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 명세서에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 명세서의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템에 선간 단락 사고가 발생한 상황을 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터의 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템의 고장 제어 방법의 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템에 단락 사고 시, 전압 벡터를 왜곡된 전압 벡터 평면 위의 o축 변환을 수행한 결과를 좌표계에 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 선간 단락 사고 발생 시 공간벡터를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 선간 단락 사고 발생 시 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 사용한 조합 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 선간 단락 사고 발생 시 불평형 전압에 대한 dqo 변화을 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터 시스템의 선간 단락 사고 발생 시 인터링킹 컨버터의 고장 제어를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터의 U-V 선간 단락시 고장제어를 위한 d, q축 전압벡터를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터의 U-V 선간 단락시 U, V, W, N 상의 스위칭 듀티를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터의 U-V 선간 단락시 스위칭 듀티를 이용한 SVPWM 수행시 인터링킹 컨버터의 출력 상전압과 선간전압 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템 단락 사고가 발생한 상황을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 독립형 DC-AC 마이크로 그리드에서 AC 계통의 부하 상 내 V선과 W선 사이에서 단락 사고가 발생할 수 있다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템은 인버터(100), 적어도 하나의 프로세서(110)를 포함할 수 있다.
인버터(100)는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
프로세서(110)는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터와 연결되며, 상기 출력되는 3상 교류 전원이 각 상마다 개별적으로 제어되도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하고, 상기 인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 얻고, 상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하고, 상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 얻고, 상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정하고, 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당할 수 있다.
도 2에서 설명한 3상 4선 인터링킹 컨버터의 구성요소는 일반적으로 전자 기기에 구비되는 구성요소를 예시한 것이므로, 본 명세서의 실시예에 따른 인터링킹 컨버터는 전술한 구성요소에 한정되지 않으며 필요에 따라 생략 및/또는 추가될 수 있다.
본 명세서의 다양한 실시예에 적용되는 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템의 동작들은 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 도 3의 고장 제어 방법은 상기 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템에 포함된 하나 이상의 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 구체적인 설명은 도 3을 참조하여 후술한다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템의 고장 제어 방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템의 프로세서(110)는 인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 획득할 수 있다(S110).
각 상의 회전 동기 좌표계 변환을 통해 d-q-o 변환을 수행함으로써, 프로세서(110)는 각 상에 대한 d축, q축, o축 성분을 연산하여 제1 d-q-o 좌표를 획득할 수 있다.
프로세서(110)는 상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환할 수 있다(S120).
프로세서(110)는 제 1 d-q-o 좌표 평면을 o축 변환을 통한 d축, q축의 on축 좌표 변환을 수행하여 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환할 수 있다.
제1 d-q-o 좌표 변환 시 o축 파형이 나타나지만, 새로운 on축 평면에 대한 좌표 변환을 수행한 제2 d-q-o 좌표 평면의 on축 값은 0이 되고 dn, qn의 파형만 남는 것을 알 수 있다. 즉, dn-qn-on 축에서 새로운 좌표 변환을 통해 기존 o축에서 발생하는 불평형 전압이 제거될 수 있다.
프로세서(110)는 상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 획득할 수 있다(S130).
상기 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하여 dn-qn-on축에서 새로운 좌표 변환을 통해 기존 o축에서 발생하는 왜곡된 전압이 n 평면의 120°위상차를 가진다.
이를 보상하기 위해, 프로세서(110)는 상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 120°위상차를 가진 신호를 위상차 90°인 신호로 변환할 수 있다.
프로세서(110)는 상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정할 수 있다(S140).
프로세서(110)는 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역은 출력 가능한 전압 벡터와 스위칭 상태에 기초하여, 선택된 유효 벡터와 영벡터를 통해 공간벡터를 생성할 수 있고, 생성된 공간 벡터는 섹터 별 영역으로 구획될 수 있다. 프로세서(110)는 상기 구획에 기초하여 섹터 별 영역에 따라 참조 전압(Vref)을 계산할 수 있다.
상기 사고가 발생하면, 프로세서(110)는 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당할 수 있다(S150).
프로세서(110)는 섹터 별 영역에 기초하여 합성된 참조 전압(Vref)을 구한 뒤 벡터를 인가하는 시간를 정하기 위하여 고조파 특성에 유리한 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 적용할 수 있다.
대칭 공간 벡터 전압 변조 방식은 유효전압 벡터가 변조 후 한 주기 내의 정중앙에 존재하며, 영전압 벡터를 d0/2시간만큼 유효 전압 벡터의 전과 후에 인가하는 방식을 의미한다. 프로세서(110)는 이 방식을 통해 각 선간 단락 사고 발생 시 선택된 유효전압 벡터 6개와 2개의 영전압 벡터를 조합하면 전압 벡터들의 인가 시간을 결정하여 할당할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템에 단락 사고 발생 시, 전압 벡터를 왜곡된 전압 벡터 평면 위의 o축 변환을 수행한 결과를 좌표계에 나타낸 도면이다.
3상 4선 인터링킹 컨버터 시스템은 상기 시스템을 구성하거나 상기 시스템과 연결된 하나 이상의 프로세서(110)에 의하여 제어되며, 이하의 명세서에서 설명하는 하나 이상의 동작들은 상기 시스템을 구성하는 하나 이상의 메모리의 인스트럭션들로 저장된다. 상기 하나 이상의 프로세서(110)는 상기 하나 이상의 메모리에 저장된 인스트럭션들을 이용하여 본 명세서의 다양한 실시예에 따른 고장제어 방법을 수행한다.
도 4를 참조하면, 프로세서(110)는 인터링킹 컨버터의 스위칭 기법을 이용하여 스위칭 벡터분석을 통한 배전망의 단락이 발생한 사고 지점에 영전압 벡터(zero voltage vector, 영전압 벡터)가 인가되는 스위칭 평면을 분석한다. 즉, 프로세서(110)는 왜곡된 전압 벡터 평면위에 존재하는 새로운 o축을 설정하고, 설정된 o축에 기초한 좌표변환을 수행한다. 이러한 좌표변환을 o축 변환이라고 지칭할 수 있다.
다양한 실시예에 적용되는 인터링킹 컨버터시스템은 이러한 o축 변환과 각 선간 단락 사고 발생시 공간벡터전압 변조기법(Space Vector PWM)을 3상 4선식 인터링킹 컨버터시스템의 고장을 감지하거나 이에 대한 보상을 수행한다.
공간 벡터 변조 방식(Space Vector PWM, SVPWM)
삼각파 PWM은 3상 참조 전압을 각각 개별적으로 변조하는 반면, 공간 벡터 PWM은 3상 참조 전압을 복소 공간의 공간 벡터를 변조하는 방법이다. 여기서, 상전압은 스위칭 상태 함수로 [수학식1]과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
기존의 3상 4선식 인터링킹 컨버터의 SVM 적용 시 출력 가능한 전압 벡터와 스위칭 상태를 나타내면 표 1과 같다.
Figure pat00002
이때, V2 ~ V7 및 V10 ~ V15 상태를 유효 전압 벡터(Active Voltage Vector)라고 하며, DC 전압의 2/3 크기를 가지며, V1, V8, V9 및 V16은 영전압 벡터로 부하를 인가하지 않은 상태를 의미한다.
프로세서(110)는 1선 지락 사고 시 고장난 상에 영 전압을 인가하고, 나머지 상에서 정상적인 전압 벡터를 인가하기 위하여 고장난 상과 N상의 상태가 같은 경우만을 선택한다. 이를 통해 선택된 벡터로 3상의 참조 전압을 복소수 공간에서 하나의 공간 벡터로 표현할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인버터의 선간 단락 사고 발생 시 공간벡터를 나타내는 도면이다.
프로세서(110)는 출력 가능한 전압 벡터와 스위치 소자(111)의 스위칭 상태에 기초하여, 선택된 유효 벡터와 영벡터를 통해 공간벡터를 생성할 수 있다.
도 5a를 참조하면, U-V 선간 단락 발생의 경우 선택된 벡터는
Figure pat00003
이고, 선택된 전압 벡터를 통해 나타난 전압 평면을 확인할 수 있다. 전압 벡터 평면은 6개의 영역으로 크기가 다른 두 구간으로 나타날 수 있다. 또한, 선택된 벡터로 3상의 참조 전압(Vref)을 복소수 공간에서 하나의 공간 벡터로 표현할 수 있으며, 참조 전압(Vref)은 섹터 별 영역에 기초하여 계산할 수 있다.
도 5b를 참조하면, U-W 선간 단락 발생의 경우 선택된 벡터는
Figure pat00004
이고, 선택된 전압 벡터를 통해 나타난 전압 평면을 확인할 수 있다. 전압 벡터 평면은 6개의 영역으로 크기가 다른 두 구간으로 나타날 수 있다. 또한, 선택된 벡터로 3상의 참조 전압(Vref)을 복소수 공간에서 하나의 공간 벡터로 표현할 수 있으며, 참조 전압(Vref)은 섹터 별 영역에 기초하여 계산할 수 있다.
도 5c를 참조하면, V-W 선간 단락 발생의 경우 선택된 벡터는
Figure pat00005
이고, 선택된 전압 벡터를 통해 나타난 전압 평면을 확인할 수 있다. 전압 벡터 평면은 6개의 영역으로 크기가 다른 두 구간으로 나타날 수 있다. 또한, 선택된 벡터로 3상의 참조 전압(Vref)을 복소수 공간에서 하나의 공간 벡터로 표현할 수 있으며, 참조 전압(Vref)은 섹터 별 영역에 기초하여 계산할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 선간 단락 사고 발생 시 섹터별로 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 사용한 스위치 동작을 나타내는 도면이다.
프로세서(110)는 섹터 별 영역에 기초하여 합성된 참조 전압(Vref)을 구한 뒤 벡터를 인가하는 시간를 정하기 위하여 고조파 특성에 유리한 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 적용할 수 있다.
대칭 공간 벡터 전압 변조 방식은 유효전압 벡터가 변조 후 한 주기 내의 정중앙에 존재하며, 영전압 벡터를 do/2시간만큼 유효 전압 벡터의 전과 후에 인가한다. 이 방식을 통해 프로세서(110)는 각 선간 단락 사고 발생 시 선택된 유효전압 벡터 6개와 2개의 영전압 벡터를 조합하면 전압 벡터들의 인가 시간을 결정할 수 있다.
대칭 공간 벡터 전압 변조 방식은 유효 전압 벡터닥 스위치 주기 중앙에 위치하는 것이 고조파 특성이 좋으며, on sequence 와 off sequence가 서로 대칭을 이루고 있기 때문에 대칭 공간 벡터 변조 방식(Symmetric SWPWM)이라 한다.
즉, 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식은 유효 벡터를 가운데 배치하기 위해서는 샘플링 주기안에서 영 벡터를 1/2씩 나우어 양쪽에 배치하고, 스위칭 주기의 가운데 위치한 영 벡터는 스위치를 전부 ON 시키는 V16을 배치한다. 그 결과 프로세서(110)는 최소의 스위치 횟수로 첫 번째 샘플링 주기에는 V1, V9, V13, V16 순으로 벡터를 인가하여 스위치를 ON 시키고 두번째 샘플링 주기에서는 역순으로 V16, V13, V9, V1 벡터를 인가하여 스위치를 OFF 시킨다.
도 6a를 참조하면, U-V 선간 단락 발생의 경우 섹터별로 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 사용한 스위치 동작을 확인할 수 있다. 도 6b를 참조하면, U-W 선간 단락 발생의 경우 섹터별로 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 사용한 스위치 동작을 확인할 수 있다. 도 6c를 참조하면, V-W 선간 단락 발생의 경우 섹터별로 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 사용한 스위치 동작을 확인할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 명세서의 일 실시예에 따른 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 U-V 선간 단락 사고 발생 시 불평형 전압에 대한 d-q-o 변환을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, U-V상 단락 상황에서 U-V 선간 전압벡터를 영전압 벡터로 인가하기 위한 고장제어 수행시 제어되는 U, V, W상의 불평형 전압과 제안하는 d-q-o 변환 과정에 대한 시뮬레이션파형을 확인할 수 있다.
도 7a를 참조하면, U-V상 단락 상황에서 각각 U, V, W상 전압 파형을 확인할 수 있다.
도 7b를 참조하면, U-V상 단락 상황에서 기존의 d-q-o 기법을 통해 변환한 3상의 d축, q축 o축 파형을 확인할 수 있다. 프로세서(110)는 각 상의 회전 동기 좌표계 변환을 통해 d-q-o 변환을 수행함으로써, 각 상에 대한 d축, q축, o축 성분을 연산하게 된다. 그 결과 U-V상 단락으로 q축과 o축의 전압 왜곡이 존재하므로 정확한 크기 검출과 위상을 추종할 수 없다.
도 7c를 참조하면, U-V상 단락 상황에서 o축 변환을 통한 d축, q축의 on축 좌표 변환을 수행한 새로운 dn, qn, on 축 파형을 확인할 수 있다. 즉, 기존 d-q-o 좌표 변환 시 o축 파형이 나타나지만, 새로운 on축 평면에 대한 좌표 변환 수행 시 on축 값은 0이 되고 dn, qn의 파형만 남는 것을 알 수 있다.
3상 4선식 인터링킹 컨버터의 부하 상 단락 발생 시 적용 가능한 새로운 o축 변환 PLL 기법을 통해 정확한 위상과 크기 검출이 가능함을 다음 수학식 2에 의해 확인할 수 있다.
Figure pat00006
수학식 2는 불평형 삼상 전압이 인가된 경우 기존의 d-q-o 축 변환을 나타낸다.
Figure pat00007
수학식 3을 통해 회전행렬 R에 의해 타원형으로 왜곡된 스위칭 벡터를 새로운 o축으로 회전시킨 식을 확인할 수 있다.
Figure pat00008
수학식 4를 통해 dn-qn-on 축에서 새로운 좌표 변환을 통해 기존 o축에서 발생하는 불평형 전압을 제거할 수 있지만, n 평면의 성분은 120°위상차를 가진다.
Figure pat00009
수학식 5를 통해 n 평면의 성분의 위상차 120°이 신호를 위상차 90°인 신호로 변환하기 위하여 dr-qr-or 보상할 수 있다.
도 7d를 참조하면, 동기 좌표계의 변환 수행 결과인 de, qe 파형을 확인할 수 있다. 동기 좌표 변환 시 de, qe값이 일정하게 나타나며, de축 전압을 0으로 제어할 시 qe값이 지락이 발생하지 않은 V, W상 전압의 크기가 됨을 확인할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터 시스템의 선간 단락 사고 발생 시 인터링킹 컨버터의 고장 제어를 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 고장 제어 시 SVPWM 파형으로서, 도 8은 U-V 선간 단락, 도 9은 V-W 선간 단락, 그리고 도 10은 W-U 선간 단락 상황을 예시한다. 이때, 도 8 내지 도 10은 선간 단락 상황 시 발생하는 인터링킹 컨버터의 전압 제어 파형을 나타낸다.
도 8a 내지 도 8d를 참조하면, U-V 선간 단락 시, 도 8a 각각 3상 전압, 도 8b 3상 출력 전류, 도 8c SVPWM 수행을 위한 D축 Q축 전압벡터, 도 8d 전압 벡터 위치에 따른 SVPWM 섹터(sector)를 확인할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, V-W 선간 단락 시, 도 9a 각각 3상 전압, 도 9b 3상 출력 전류, 도 9c SVPWM 수행을 위한 D축 Q축 전압벡터, 도 9d 전압 벡터 위치에 따른 SVPWM SECTOR를 확인할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d를 참조하면, W-U 선간 단락 시, 도 10a 각각 3상 전압, 도 10b 3상 출력 전류, 도 10c SVPWM 수행을 위한 D축 Q축 전압벡터, 도 10d 전압 벡터 위치에 따른 SVPWM SECTOR를 확인할 수 있다.
본 명세서의 일부 실시예에 따른 인터링킹 컨버터의 고장제어 방법의 수행 결과 단락이 발생한 선간은 영전압 벡터가 인가됨을 확인할 수 있고, 각상 전압은 220Vrms의 상전압이 정상적으로 제어되고 있다. 이를 통해 단락이 발생한 지점만을 전기적으로 분리시킬수 있게되고 동시에 각 상전압은 정상적으로 공급할 수 있다.
도 11은 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터의 U-V 선간 단락시 고장제어를 위한 d, q축 전압벡터를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 앞서 식을 통해 살펴본 바와 같이, 불평형 전압벡터를 d, q 축의 n 평면으로 변환한 결과 120°위상차를 갖는 참조 전압벡터 파형이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따른 인터링킹 컨버터의 U-V 선간 단락시 U, V, W, N 상의 스위칭 듀티를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 인터링킹 컨버터는 고장제어를 통해 단락이 발생한 선간에 영전압 벡터를 인가하고 부하가 연결된 각 상에는 정상적인 전압이 인가하고 전압 벡터에 대한 SVPWM 수행 후 각 상의 스위칭 듀티를 확인할 수 있다.
도 13a 및 13b는 도 12의 스위칭 듀티를 이용한 SVPWM 수행시 인터링킹 컨버터의 출력 상전압과 선간전압 파형이다.
도 13a를 참조하면, U상과 V 상 전압은 동상의 128V 정격의 출력전압이 출력되며 W상 전압은 240도 위상차를 가진 128V의 출력전압이 출력된다.
도 13b를 참조하면, U-V 선간 전압은 단락상황 이기 때문에 영전압 벡터의 인가로 영전압이 출력되는 것을 알 수 있다.
따라서 단락 지점은 영전압으로 전기적인 차단이 가능하며 각 상부하를 사용하는 가정용 전원은 U, V, W상 모두 정상적인 AC 전압이 공급돠어 고장지점만 분리가 가능하게 된다. 특히 제안하는 고장제어를 이용하면 선간 단락의 경우 모든 상전원을 공급할 수 있고 고장지점 분리가 동시에 가능하다. 이는 기존 차단기를 통한 보호협조 방식에 비해 스위칭 방식의 변화를 통해 빠르게 사고지점 분리가 가능하며 상부하를 사용하는 소규모 마이크로그리드에 경우 전원공급을 원할히 할 수 있다.
전술한 본 명세서는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 명세서의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 명세서의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템의 고장 제어 방법에 있어서,
    인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 얻는 단계;
    상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하는 단계;
    상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 얻는 단계;
    상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정하는 단계; 및
    상기 사고가 발생하면 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 사고와 연관된 영역을 결정하는 단계는,
    상기 출력 전압 벡터들의 스위칭 상태에 기초하여 결정하고,
    스위칭 상태는,
    상기 출력되는 3상 교류 전원이 각 상마다 개별적으로 제어하는 스위칭 소자의 on/off 조합를 의미하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는 단계는,
    상기 영전압 벡터를 제공하는 순서를 정하기 위하여 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 적용하는 것;
    을 특징으로 하는, 방법.
  4. 3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템은,
    직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;
    상기 출력되는 3상 교류 전원이 각 상마다 개별적으로 제어되도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하는 프로세서;
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 인버터에서 출력되는 각 상의 출력 전압들의 내부 위상각에 기초하여 제1 d-q-o 좌표 평면을 얻고,
    상기 제1 d-q-o 좌표와 달리 설정된 o축에 기초하여 상기 제1 d-q-o 좌표 평면을 제2 d-q-o 좌표 평면으로 변환하고,
    상기 제2 d-q-o 좌표 평면에 대한 d-q 변환을 수행하여 사고 지점을 결정하기 위한 출력 전압 벡터를 얻고,
    상기 출력 전압 벡터에 기초하여 사고의 발생 및 상기 사고와 연관된 영역을 결정하고,
    상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는,
    3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    사고와 연관된 영역을 결정하는 단계는,
    상기 출력 전압 벡터들의 스위칭 상태에 기초하여 상기 사고와 연관된 영역을 결정하고,
    스위칭 상태는,
    상기 출력되는 3상 교류 전원이 각 상마다 개별적으로 제어하는 스위칭 소자의 on/off 조합를 의미하는,
    3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는 단계;
    상기 영전압 벡터를 제공하는 순서를 정하기 위하여 대칭 공간 벡터 전압 변조 방식을 적용하여 상기 사고와 연관된 영역에 영전압 벡터를 할당하는,
    3상 4선식 인터링킹 컨버터 시스템.
  7. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터 시스템에서 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 시스템이 판독 가능한 기록매체.
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