KR20220026889A - Apparatus and Method for Controlling Circulating Current Reduction of Level Increased Hybrid Modular Multilevel Converter - Google Patents

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박정욱
장유남
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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for controlling reduction in a circulating current of a level-increased hybrid multilevel converter (HMC), which allows a harmonic component of the circulating current to be reduced through control by measuring an instantaneous value of a phase-leg voltage. According to the present invention, the apparatus for controlling reduction in a circulating current of a level-increased HMC comprises a means for controlling reduction in a circulating current, which performs control by measuring an instantaneous value of a phase-leg voltage (U_leg) in order to control reduction in a circulating current of a level-increased hybrid-MMC having N half bridge sub-modules and M full bridge sub-modules in each phase and a level obtained by a formula of Na=N*(2^M) and selects an instantaneous value of U_leg when a sum of the levels of a top arm and a bottom arm is Na by performing measurement twice for one control cycle to control reduction in the circulating circuit, wherein Na is a maximum value of a level which each arm can have.

Description

레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법{Apparatus and Method for Controlling Circulating Current Reduction of Level Increased Hybrid Modular Multilevel Converter}Apparatus and Method for Controlling Circulating Current Reduction of Level Increased Hybrid Modular Multilevel Converter

본 발명은 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 구동 제어에 관한 것으로, 구체적으로 상 레그(Phase-leg) 전압의 순시값 측정을 통한 제어에 의해 순환전류의 하모닉 성분을 감소시킬 수 있도록 한 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to driving control of a level-increasing hybrid multi-level converter, and more specifically, to a level-increasing hybrid multi-level converter capable of reducing a harmonic component of a circulating current by control through measurement of an instantaneous value of a phase-leg voltage. It relates to an apparatus and method for reducing circulating current of a level converter.

국내 태양광 발전 설비의 급속한 보급 확대로 수용 한계에 이른 배전 선로나 변전소가 나타나고, 이로 인하여 태양광 발전을 위한 입지조건이 좋은 지역임에도 불구하고 접속 대기가 발생하고 있다.Due to the rapid expansion of domestic solar power generation facilities, distribution lines or substations that have reached the limit of acceptance appear.

이러한 문제를 양적인 관점에서만 접근하여 신규 선로나 변전소의 증설이나 기설치 되어 있는 배전선로의 선종 교체로 해결하고자 하는 것은 경제적인 측면에서 큰 부담이 될 수 있다.Approaching this problem only from a quantitative point of view, and trying to solve it through the expansion of new lines or substations, or replacement of existing distribution lines, can be a huge burden from an economic point of view.

동일한 선종, 동일 절연 설계 조건의 교류 선로 용량 대비 직류 선로 전송 가능 용량은 선로 구성에 따라 최대 2배까지 증가시킬 수 있기 때문에 MVDC 기술 활용은 좋은 해결 방안이 될 수 있다.The use of MVDC technology can be a good solution because the transmission capacity of a DC line can be increased by up to 2 times depending on the line configuration compared to the capacity of the AC line under the same wire type and same insulation design condition.

중압직류배전(Medium Voltage Direct Current, MVDC) 기술은 신재생에너지 수용률 확대, 도심 전력부하 집중지역 배전용량 확대, 전기차 직류(Direct Current, DC) 급속 및 무선 충전시스템 변화 등에 활용되는 사업으로 배전분야와 재생에너지의 계통연계 기술을 말한다.Medium Voltage Direct Current (MVD) technology is a business that is used to expand the acceptance rate of new and renewable energy, expand the distribution capacity in urban areas where power load is concentrated, and change the direct current (DC) rapid and wireless charging system for electric vehicles. and renewable energy grid connection technology.

최근에는 중전압, 고전력의 중압직류배전(medium voltage direct current, MVDC) 전력산업에서 MMC에 대한 사용이 증가하며 이에 대한 관련 연구 및 개발이 이루어지고 있으며, 전력손실, 반도체 소자들의 전류 스트레스, 암전류의 전류왜곡 등을 야기시키는 순환전류의 하모닉 성분의 저감에 대한 연구들이 포함된다.Recently, the use of MMC has increased in the medium voltage and high power medium voltage direct current (MVC) power industry, and related research and development are being conducted. Studies on the reduction of harmonic components of circulating current that cause current distortion are included.

MVDC에서는 적은 서브모듈로 높은 레벨을 가져감으로써 전력 품질 향상을 기대할 수 있는 level-increased hybrid-MMC에 대한 연구들이 진행되고 있으며, 또한 NL-PWM은 NLC(nearest level control), PSC-PWM(phase-shifted carrier pulse-width-modulation) 등에 비해 MVDC에서 장점을 지닌다.In MVDC, studies on level-increased hybrid-MMC, which can be expected to improve power quality by taking a high level with fewer sub-modules, are being conducted. -shifted carrier pulse-width-modulation) has an advantage in MVDC.

하지만, NL-PWM에서 순환전류 제어를 위해 필요한 Phase-leg 전압값을 얻기 위해서, 서브모듈들의 대칭적 구조를 통해 쉽게 모델링이 가능한 하프브릿지 MMC 이외의 NL-PWM 방식을 이용하는 MMC에 대해 모델링을 하기에는 무리가 있다.However, in order to obtain the phase-leg voltage value required for circulating current control in NL-PWM, it is difficult to model MMC using the NL-PWM method other than the half-bridge MMC, which can be easily modeled through the symmetrical structure of sub-modules. There is a group.

특히, 상 레그(phase-leg) 전압은 각각의 제어주기 내에서 여러값을 가지는데 올바른 계산을 위해서는 그 중 알맞은 값이 무엇인지에 대해 판별이 가능해야하지만 종래 기술에서는 이러한 방식이 제안되고 있지 않다.In particular, the phase-leg voltage has several values within each control period. For correct calculation, it is necessary to determine an appropriate value among them, but this method is not proposed in the prior art. .

따라서, MMC 기술의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단되는 NL-PWM을 이용하는 level-increased hybrid-MMC에 대한 순환전류 저감 제어에 관한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다. Therefore, there is a demand for the development of a new technology for reducing the circulating current for level-increased hybrid-MMC using NL-PWM, which is considered to be able to significantly contribute to the development of MMC technology.

대한민국 등록특허 제10-1410731호Republic of Korea Patent No. 10-1410731 대한민국 등록특허 제10-1512188호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1512188

본 발명은 종래 기술의 MMC 순환전류 저감 제어 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상 레그(Phase-leg) 전압의 순시값 측정을 통한 제어에 의해 순환전류의 하모닉 성분을 감소시킬 수 있도록 한 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the MMC circulating current reduction control technology of the prior art, and increases the level so as to reduce the harmonic component of the circulating current by controlling the instantaneous value measurement of the phase-leg voltage. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for reducing circulating current of a hybrid multi-level converter.

본 발명은 각 제어주기마다 phase-leg 전압의 순시값 측정을 2번의 측정을 하는 방식으로 올바른 순시값을 측정할 수 있도록 하여 효율적인 순환전류 저감제어가 가능하도록 한 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention increases the level to enable efficient circulating current reduction control by measuring the correct instantaneous value in a way that measures the instantaneous value of the phase-leg voltage twice in each control cycle. Circulating current of a hybrid multi-level converter An object of the present invention is to provide an apparatus and method for abatement control.

본 발명은 NLC(nearest level control), PSC-PWM(phase-shifted carrier pulse-width-modulation) 등에 비해 MVDC에서 장점을 갖는 NL-PWM을 이용하는 level-increased hybrid-MMC에 대한 순환전류 저감제어 방식으로 MMC 기술의 발전에 기여할 수 있도록 한 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is a circulating current reduction control method for level-increased hybrid-MMC using NL-PWM, which has an advantage in MVDC compared to NLC (nearest level control), PSC-PWM (phase-shifted carrier pulse-width-modulation), etc. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for reducing the circulating current of a one-level increasing hybrid multi-level converter so as to contribute to the development of MMC technology.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치는 각 상에 N개의 하프브릿지 서브모듈과 M개의 풀브릿지 서브모듈을 갖고, N a =N*(2^M)의 레벨을 갖는 Level-increased hybrid-MMC의 순환전류 저감 제어를 위하여, 순환전류 저감 제어 수단이 phase-leg 전압(u leg )의 순시값 측정을 통한 제어를 하고, 한번의 제어주기동안 2회의 측정을 통해 상단암과 하단암 레벨의 합이 N a 일 때의 u leg 의 순시값을 선택하여 순환전류 저감 제어를 하고, N a 는 각 암에서 가질수 있는 레벨의 최대값인 것을 특징으로 한다.An apparatus for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention for achieving the above object has N half-bridge sub-modules and M full-bridge sub-modules on each phase, N a = N To control the circulating current reduction of Level-increased hybrid-MMC with a level of *(2^ M ), the circulating current reduction control means controls by measuring the instantaneous value of the phase-leg voltage ( u leg ), and Through two measurements during the control cycle, the instantaneous value of u leg when the sum of the upper arm and lower arm levels is Na is selected to control the circulating current reduction, and Na is the maximum value of the level that each arm can have. characterized in that

여기서, 순환전류 저감 제어 수단은, 현재 제어주기에서 상레그 전압 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )을 측정하는 상레그 전압 측정부와,상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n )을 계산하는 레벨 컨퍼런스 계산부와,상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하는 PWM 듀티값 계산부와,상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )의 대소비교를 통해 다음 주기에서 사용될 상레그 전압 선택 함수 g값을 계산하는 상레그 전압 선택 함수 계산부와,이전 제어주기에서 계산된 g값을 이용해 순환전류 제어를 위해서 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산하는 레벨 컨퍼런스 가산 변수 산출부와,상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n ) 및 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하여 D p +n cm 이 0과 1사이가 아닐 경우에 상단 캐리어 신호의 위상을 180도 뒤집어주며, 하단암에 대해서도 동일하게 진행하는 캐리어신호 위상제어부와,캐리어신호 위상제어부의 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 스위칭 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the circulating current reduction control means includes an upper leg voltage measuring unit that measures the upper leg voltage U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ) in the current control period, and the upper arm and A level conference calculator that calculates the level reference value ( n p , n n ) of the lower arm, a PWM duty value calculator that calculates the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper arm and the lower arm, and the upper arm The upper leg voltage selection function calculator that calculates the g value of the upper leg voltage selection function to be used in the next cycle through a large comparison between the PWM duty values ( D p , D n ) of the lower arm and the g value calculated in the previous control cycle A level conference addition variable calculator that calculates a variable ( n cm ) that is commonly added to the level reference of the upper and lower arms for circulating current control using ) and the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms, when D p + n cm is not between 0 and 1, the phase of the upper carrier signal is reversed 180 degrees, and also for the lower arm It is characterized in that it comprises a carrier signal phase control unit that proceeds in the same manner, and a switching signal output unit that outputs a switching signal according to the control of the carrier signal phase control unit to control the circulating current.

그리고 현재 제어주기에서 측정하는 값들은 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )이고, 다음 제어주기를 위해서 필요한 값들은 N pc (t+T s ), N nc (t+T s ), D pc (t+T s ), D nc (t+T s ) 및 PWM 생성을 위한 캐리어 신호의 값 Carr pc , Carr nc 인 것을 특징으로 한다.And the values measured in the current control cycle are U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ), and the values required for the next control cycle are N pc ( t + T s ), N nc ( t + T s ), D pc ( t + T s ), D nc ( t + T s ), and values of carrier signals for PWM generation Carr pc , Carr nc .

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 방법은 현재 제어주기에서 상레그 전압 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )을 측정하는 단계;상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n )을 계산하고, 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하는 단계;상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )의 대소비교를 통해 다음 주기에서 사용될 상레그 전압 선택 함수 g값을 계산하는 단계;이전 제어주기에서 계산된 g값을 이용해 순환전류 제어를 위해서 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산하는 단게;상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n ) 및 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하여 D p +n cm 이 0과 1사이가 아닐 경우에 상단 캐리어 신호의 위상을 180도 뒤집어주며, 하단암에 대해서도 동일하게 진행하여 캐리어신호 위상 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for reducing the circulating current of the level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention for achieving another object is a phase-leg voltage U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 in the current control period) Measuring T s ); calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms, and calculating the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms; Comparing the PWM duty values ( D p , D n ) of the arm and the lower arm to calculate the g value of the upper leg voltage selection function to be used in the next cycle; circulating current control using the g value calculated in the previous control cycle Step to calculate the variable ( n cm ) that is commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm; the level reference value ( n p , n n ) of the upper arm and the lower arm By calculating D p , D n ), when D p + n cm is not between 0 and 1, the phase of the upper carrier signal is reversed by 180 degrees, and the same procedure is performed for the lower arm, and the switching signal according to the carrier signal phase control and outputting to control the circulating current.

여기서, 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm ) 계산은,Here, the calculation of the variable ( n cm ) commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm is,

Figure pat00001
이고, 여기서, N a 는 각 암에서 가질수 있는 레벨의 최대값을 나타내는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
where, N a is characterized in that it represents the maximum value of the level that each cancer can have.

그리고 캐리어신호 위상 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 단계에서, 스위칭 신호는 각 상에 N개의 하프브릿지 서브모듈과 M개의 풀브릿지 서브모듈을 갖고, N a =N*(2^M)의 레벨을 갖는 Level-increased hybrid-MMC의 순환전류 저감 제어를 위한 것을 특징으로 한다.And in the step of outputting the switching signal according to the phase control of the carrier signal to control the circulating current, the switching signal has N half-bridge sub-modules and M full-bridge sub-modules in each phase, N a = N *( It is characterized for controlling the circulating current reduction of Level-increased hybrid-MMC having a level of 2^ M ).

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The apparatus and method for reducing the circulating current of the level increasing hybrid multi-level converter according to the present invention as described above have the following effects.

첫째, 상 레그(Phase-leg) 전압의 순시값 측정을 통한 제어에 의해 순환전류의 하모닉 성분을 감소시킬 수 있도록 한다.First, it is possible to reduce the harmonic component of the circulating current by controlling the instantaneous value measurement of the phase-leg voltage.

둘째, 각 제어주기마다 phase-leg 전압의 순시값 측정을 2번의 측정을 하는 방식으로 올바른 순시값을 측정할 수 있도록 하여 효율적인 순환전류 저감제어가 가능하도록 한다.Second, by measuring the instantaneous value of the phase-leg voltage twice in each control period, it is possible to measure the correct instantaneous value, thereby enabling efficient circulating current reduction control.

셋째, NLC(nearest level control), PSC-PWM(phase-shifted carrier pulse-width-modulation) 등에 비해 MVDC에서 장점을 갖는 NL-PWM을 이용하는 level-increased hybrid-MMC에 대한 순환전류 저감제어 방식으로 MMC 기술의 발전에 기여할 수 있도록 한다.Third, MMC is a circulating current reduction control method for level-increased hybrid-MMC using NL-PWM, which has advantages in MVDC compared to NLC (nearest level control) and PSC-PWM (phase-shifted carrier pulse-width-modulation). to contribute to the advancement of technology.

도 1은 MMC의 기본 구조를 나타낸 구성도
도 2는 N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15 일 때에 상단암과 하단암 레벨에 대한 그래프
도 3a는 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치의 전체 구성도
도 3b는 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치의 상세 구성도
도 4는 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 5는 본 발명이 적용된 N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15 일 때에 상단암과 하단암 레벨에 대한 그래프
도 6은 하프브릿지 4개 풀브릿지 3개로 하나의 암이 구성되는 33-레벨 MMC를 통한 시뮬레이션 결과 그래프1 is a block diagram showing the basic structure of an MMC;
Figure 2 is a graph for the upper arm and lower arm level when N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15
3A is an overall configuration diagram of an apparatus for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention;
3b is a detailed configuration diagram of an apparatus for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention;
4 is a flowchart illustrating a method for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention;
Figure 5 is a graph for the upper arm and lower arm level when the present invention is applied N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15
6 is a graph of simulation results through a 33-level MMC in which one arm is composed of four half-bridges and three full-bridges;

이하, 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the apparatus and method for controlling the circulating current reduction of the level increasing hybrid multi-level converter according to the present invention will be described in detail as follows.

본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of the apparatus and method for reducing circulating current of a level increasing hybrid multilevel converter according to the present invention will become apparent through detailed description of each embodiment below.

도 1은 MMC의 기본 구조를 나타낸 구성도이고, 도 2는 N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15 일 때에 상단암과 하단암 레벨에 대한 그래프이다.Figure 1 is a block diagram showing the basic structure of the MMC, Figure 2 is a graph of the upper arm and lower arm level when N a =8, n cm = -0.3, n p =4.85, n n =3.15.

본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법은 상 레그(Phase-leg) 전압의 순시값 측정을 통한 제어에 의해 순환전류의 하모닉 성분을 감소시킬 수 있도록 한 것이다.The apparatus and method for controlling the reduction of circulating current of a level increasing hybrid multi-level converter according to the present invention is to reduce the harmonic component of the circulating current by controlling the instantaneous value measurement of the phase-leg voltage. .

이를 위하여 본 발명은 각 제어주기마다 phase-leg 전압의 순시값 측정을 2번의 측정을 하는 방식으로 올바른 순시값을 측정할 수 있도록 하여 효율적인 순환전류 저감제어가 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.To this end, the present invention may include a configuration that enables efficient circulating current reduction control by enabling the correct instantaneous value to be measured in a manner of measuring the instantaneous value of the phase-leg voltage twice for each control period.

본 발명은 Nearest level pulse-width-modulation(NL-PWM)을 사용하는 레벨 증가 하이브리드모듈러 멀티레벨 컨버터(level-increased hybrid modular multilevel converter, Level-increased hybrid-MMC)의 순환전류 저감제어를 위한 phase-leg 전압을 측정하는 구성을 포함한다.Phase-increased hybrid modular multilevel converter (level-increased hybrid modular multilevel converter, Level-increased hybrid-MMC) for circulating current reduction control using Nearest level pulse-width-modulation (NL-PWM) Includes configuration for measuring leg voltage.

NL-PWM을 사용하는 MMC에서 순환전류는 수학식 1에서와 같이, 상단 암(10)과 하단 암(20)의 서브모듈 출력 전압의 총 합인 phase-leg 전압

Figure pat00002
를 통해 공통모드 요소(common mode component)를 더하여 저감제어가 적용된다.In MMC using NL-PWM, the circulating current is the phase-leg voltage, which is the sum of the sub-module output voltages of the upper arm 10 and the lower arm 20, as shown in Equation 1
Figure pat00002
The reduction control is applied by adding a common mode component through

MMC의 기본 구조는 도 1에서와 같다.The basic structure of the MMC is the same as in FIG. 1 .

Figure pat00003
Figure pat00003

위 식은 최대 레벨이 N a +1인 MMC에 대한 수식이다.The above equation is for MMC with a maximum level of N a +1.

M a 는 입력전압과 출력전압의 비율을 나타내는 modulation index이다. Ma is a modulation index indicating the ratio of input voltage and output voltage.

Level-increased hybrid-MMC는 하프브릿지 서브모듈과 풀브릿지 서브모듈을 함께 사용하는 형태로써 서브모듈 개수보다 많을 레벨값이 가능한 구조를 말한다. Level-increased hybrid-MMC is a form of using half-bridge sub-modules and full-bridge sub-modules together, and refers to a structure in which more level values than the number of sub-modules are possible.

본 발명을 적용하는 MMC의 경우 각 상에 N개의 하프브릿지 서브모듈과 M개의 풀브릿지 서브모듈을 통해서 N a =N*(2^M)의 레벨이 가능하다.In the case of MMC to which the present invention is applied, a level of N a = N *(2^ M ) is possible through N half-bridge sub-modules and M full-bridge sub-modules in each phase.

NL-PWM에서는 상단암을 예를 들어 설명하면, N p 와 (N p +1) 레벨이 D p 에 해당하는 듀티로 동작한다. 하단암도 동일한 원리를 따르며 도 2는 N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15 일 때에 상단암과 하단암 레벨에 대한 그래프이다.In NL-PWM, if the upper arm is described as an example, N p and ( N p +1) levels operate with a duty corresponding to D p . The lower arm follows the same principle, and FIG. 2 is a graph of the upper arm and lower arm levels when N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15.

일반적으로 사용하는 매 제어주기의 끝에서 모든 값들을 센싱하는 방식을 사용할 경우에는 도 2에서와 같이 상단암과 하단암 레벨의 합이 N a 가 아닐 때 u leg 측정이 되는 경우가 발생한다.In the case of using a method of sensing all values at the end of each control cycle that is generally used, u - leg measurement occurs when the sum of the levels of the upper arm and the lower arm is not N a as shown in FIG. 2 .

즉, t=0.1에서의 상단암과 하단암 레벨의 합은 8이 아니라 7이기 때문에 문제가 된다.That is, the sum of the upper arm and lower arm levels at t=0.1 is 7, not 8, which is problematic.

본 발명에서는 한번의 제어주기동안 2회의 측정을 통해 알맞은 u leg 의 순시값을 선택하여 제어하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 알맞은 phase-leg 전압은 상단암과 하단암 레벨의 합이 N a 일 때의 값을 의미한다.In the present invention, it is characterized in that the instantaneous value of the appropriate u leg is selected and controlled through two measurements during one control cycle. Here, the appropriate phase-leg voltage means a value when the sum of the upper arm and lower arm levels is N a .

도 3a는 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치의 전체 구성도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치의 상세 구성도이다.3A is an overall configuration diagram of an apparatus for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multilevel converter according to the present invention, and FIG. 3B is a detailed device for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention. It is a configuration diagram.

본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치는 크게 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터(100)와, 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터(100)의 순환전류 저감 제어를 위한 순환전류 저감 제어 수단(200)을 포함한다.The device for reducing the circulating current of the level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention greatly reduces the circulating current for controlling the level-increasing hybrid multi-level converter 100 and the level-increasing hybrid multi-level converter 100 to reduce the circulating current control means 200 .

순환전류 저감 제어 수단(200)의 상세 구성은 도 3b에서와 같다.The detailed configuration of the circulating current reduction control means 200 is the same as in FIG. 3B .

순환전류 저감 제어 수단(200)은 현재 제어주기에서 상레그 전압 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )을 측정하는 상레그 전압 측정부(31)와, 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n )을 계산하는 레벨 컨퍼런스 계산부(32)와, 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하는 PWM 듀티값 계산부(33)와, 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )의 대소비교를 통해 다음 주기에서 사용될 상레그 전압 선택 함수 g값을 계산하는 상레그 전압 선택 함수 계산부(34)와, 이전 제어주기에서 계산된 g값을 이용해 순환전류 제어를 위해서 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산하는 레벨 컨퍼런스 가산 변수 산출부(35)와, 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n ) 및 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하여 D p +n cm 이 0과 1사이가 아닐 경우에 상단 캐리어 신호의 위상을 180도 뒤집어주며, 하단암에 대해서도 동일하게 진행하는 캐리어신호 위상제어부(36)와, 캐리어신호 위상제어부(36)의 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 스위칭 신호 출력부(37)를 포함한다.The circulating current reduction control means 200 includes an upper leg voltage measuring unit 31 for measuring the upper leg voltage U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ) in the current control period, The level conference calculator 32 for calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms, and the PWM duty values for calculating the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms The calculation unit 33 and the upper leg voltage selection function calculation unit ( 34) and a level conference addition variable calculation unit 35 that calculates a variable ( n cm ) that is commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm for circulating current control using the g value calculated in the previous control period; When D p + n cm is not between 0 and 1 by calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms and the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms. The phase of the upper carrier signal is reversed by 180 degrees, and the switching signal is output according to the control of the carrier signal phase control unit 36 and the carrier signal phase control unit 36 that proceed in the same way for the lower arm to achieve circulating current control. and a switching signal output unit (37).

여기서, 현재 제어주기에서 측정하는 값들은 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s ) 이다. 또한 다음 제어주기를 위해서 필요한 값들은 N pc (t+T s ), N nc (t+T s ), D pc (t+T s ), D nc (t+T s ), Carr pc , Carr nc 이다. Here, the values measured in the current control period are U dc ( t ), u leg ( t ), and u leg ( t -0.5 T s ). In addition, the values required for the next control cycle are N pc ( t + T s ), N nc ( t + T s ), D pc ( t + T s ), D nc ( t + T s ), Carr pc , Carr nc am.

변수 뒤의 (t),(t-0.5Ts), (t+Ts) 등은 시간에 대한 함수로써　순시값을 나타내고, Carr pc , Carr nc 는 PWM 생성을 위한 캐리어 신호의 값이다.(t), (t-0.5Ts), (t+Ts), etc. after the variable represent instantaneous values as a function of time, and Carr pc , Carr nc are the values of carrier signals for PWM generation.

g(t)는 0또는 0.5의 값을 가지며 0이면 제어주기의 끝에서 측정한 상레그 전압 u leg 의 값을 사용하며, 0.5인 경우에는 제어주기의 중간에서 측정한 u leg 를 사용하도록 하는 함수이다.g(t) has a value of 0 or 0.5, and when it is 0, the value of the phase leg voltage u leg measured at the end of the control cycle is used, and when it is 0.5, a function that uses the u leg measured in the middle of the control cycle am.

도 4는 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.4 is a flowchart illustrating a method for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter according to the present invention.

먼저, 현재 제어주기에서 상레그 전압 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )을 측정한다.(S401)First, measure the phase leg voltages U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ) in the current control cycle. (S401)

이어, 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n )을 계산하는 레벨 컨퍼런스 계산 단계를 수행한다.(S402)Next, a level conference calculation step of calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper arm and the lower arm is performed. (S402)

그리고 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하는 PWM 듀티값 계산 단계를 수행한다.(S403)Then, the PWM duty value calculation step of calculating the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper arm and the lower arm is performed (S403).

이어, 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )의 대소비교를 통해 다음 주기에서 사용될 상레그 전압 선택 함수 g값을 계산한다.(S404)Next, the upper-leg voltage selection function g value to be used in the next cycle is calculated by comparing the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper arm and the lower arm. (S404)

그리고 이전 제어주기에서 계산된 g값을 이용해 순환전류 제어를 위해서 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산한다.And, using the g value calculated in the previous control cycle, a variable ( n cm ) that is commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm is calculated for circulating current control.

상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산하는 식은 수학식 2에서와 같다.The equation for calculating the variable ( n cm ) commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm is the same as in Equation 2.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, N a 는 각 암에서 가질수 있는 레벨의 최대값을 나타낸다.Here, N a represents the maximum value of the level that each cancer can have.

그리고 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n ) 및 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하여 D p +n cm 이 0과 1사이가 아닐 경우에 상단 캐리어 신호의 위상을 180도 뒤집어주며, 하단암에 대해서도 동일하게 진행한다.(S405)And when D p + n cm is not between 0 and 1 by calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms and the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms Inverts the phase of the upper carrier signal by 180 degrees, and proceeds in the same way for the lower arm. (S405)

이와 같은 과정을 캐리어신호 위상 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 것이다.In this process, a switching signal is output according to the phase control of the carrier signal to control the circulating current.

도 5는 본 발명이 적용된 N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15 일 때에 상단암과 하단암 레벨에 대한 그래프이고, 도 6은 하프브릿지 4개 풀브릿지 3개로 하나의 암이 구성되는 33-레벨 MMC를 통한 시뮬레이션 결과 그래프이다.Figure 5 is a graph for the upper arm and lower arm level when the present invention is applied N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15, Figure 6 is a half bridge 4 full bridge 3 It is a graph of simulation results through a 33-level MMC consisting of a dog and one arm.

도 5는 N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15 일 때에 상단암과 하단암 레벨에 대한 그래프이다. 이 경우 g값은 0으로 계산이 되며, 따라서 t=0.1s의 값을 사용하게 된다. 이 때는 상단암과 하단암 레벨의 합이 8이기 때문에 올바른 n cm 을 계산할 수 있다.5 is a graph for the upper arm and lower arm levels when N a =8, n cm =-0.3, n p =4.85, n n =3.15. In this case, the value of g is calculated as 0, so the value of t = 0.1s is used. In this case, since the sum of the upper and lower arm levels is 8, the correct n cm can be calculated.

도 6의 시뮬레이션 결과는 하프브릿지 4개 풀브릿지 3개로 하나의 암이 구성되는 33-레벨 MMC를 통해 진행한 것이다.The simulation result of FIG. 6 was performed through a 33-level MMC in which one arm is composed of four half-bridges and three full-bridges.

시뮬레이션 결과 u leg 전압이 알맞게 측정이 되고 따라서 순환전류의 하모닉 성분이 저감되는 것을 확인할 수 있다.As a result of the simulation, it can be confirmed that the u - leg voltage is properly measured and thus the harmonic component of the circulating current is reduced.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치 및 방법은 각 제어주기마다 phase-leg 전압의 순시값 측정을 2번의 측정을 하는 방식으로 올바른 순시값을 측정할 수 있도록 하여 효율적인 순환전류 저감제어가 가능하도록 한 것이다.The apparatus and method for controlling the circulating current reduction of the level increasing hybrid multi-level converter according to the present invention described above is a method of measuring the instantaneous value of the phase-leg voltage twice in each control cycle to measure the correct instantaneous value. This is to enable efficient circulating current reduction control.

따라서, 본 발명은 NLC(nearest level control), PSC-PWM(phase-shifted carrier pulse-width-modulation) 등에 비해 MVDC에서 장점을 갖는 NL-PWM을 이용하는 level-increased hybrid-MMC에 대한 순환전류 저감제어 방식으로 MMC 기술의 발전에 기여할 수 있도록 한 것이다.Therefore, the present invention provides a circulating current reduction control for level-increased hybrid-MMC using NL-PWM, which has advantages in MVDC compared to nearest level control (NLC), phase-shifted carrier pulse-width-modulation (PSC-PWM), etc. It is intended to contribute to the development of MMC technology in this way.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense, the scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope are included in the present invention. will have to be interpreted.

31. 상레그 전압 측정부 32. 레벨 컨퍼런스 계산부
33. PWM 듀티값 계산부 34. 상레그 전압 선택 함수 계산부
35. 레벨 컨퍼런스 가산 변수 산출부 36. 캐리어신호 위상제어부
37. 스위칭 신호 출력부31. Phase-leg voltage measurement unit 32. Level conference calculation unit
33. PWM duty value calculation unit 34. Phase leg voltage selection function calculation unit
35. Level conference addition variable calculation unit 36. Carrier signal phase control unit
37. Switching signal output

Claims (6)

각 상에 N개의 하프브릿지 서브모듈과 M개의 풀브릿지 서브모듈을 갖고, N a =N*(2^M)의 레벨을 갖는 Level-increased hybrid-MMC의 순환전류 저감 제어를 위하여,
순환전류 저감 제어 수단이 phase-leg 전압(u leg )의 순시값 측정을 통한 제어를 하고,
한번의 제어주기동안 2회의 측정을 통해 상단암과 하단암 레벨의 합이 N a 일 때의 u leg 의 순시값을 선택하여 순환전류 저감 제어를 하고, N a 는 각 암에서 가질수 있는 레벨의 최대값인 것을 특징으로 하는 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치.For circulating current reduction control of Level-increased hybrid-MMC having N half-bridge sub-modules and M full-bridge sub-modules on each phase, and having a level of N a = N *(2^ M ),
The circulating current reduction control means controls by measuring the instantaneous value of the phase-leg voltage ( u leg ),
Through two measurements during one control cycle, the circulating current reduction control is performed by selecting the instantaneous value of u leg when the sum of the upper arm and lower arm levels is Na , and Na is the maximum level that each arm can have. Device for reducing the circulating current of the level increasing hybrid multi-level converter, characterized in that the value. 제 1 항에 있어서, 순환전류 저감 제어 수단은,
현재 제어주기에서 상레그 전압 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )을 측정하는 상레그 전압 측정부와,
상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n )을 계산하는 레벨 컨퍼런스 계산부와,
상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하는 PWM 듀티값 계산부와,
상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )의 대소비교를 통해 다음 주기에서 사용될 상레그 전압 선택 함수 g값을 계산하는 상레그 전압 선택 함수 계산부와,
이전 제어주기에서 계산된 g값을 이용해 순환전류 제어를 위해서 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산하는 레벨 컨퍼런스 가산 변수 산출부와,
상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n ) 및 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하여 D p +n cm 이 0과 1사이가 아닐 경우에 상단 캐리어 신호의 위상을 180도 뒤집어주며, 하단암에 대해서도 동일하게 진행하는 캐리어신호 위상제어부와,
캐리어신호 위상제어부의 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 스위칭 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치.According to claim 1, wherein the circulating current reduction control means,
A phase-leg voltage measuring unit that measures the phase-leg voltage U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ) in the current control period;
A level conference calculator that calculates the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms;
A PWM duty value calculator for calculating the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper arm and the lower arm;
An upper-leg voltage selection function calculator that calculates a value of the upper-leg voltage selection function g to be used in the next cycle through a large comparison of the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms;
A level conference addition variable calculator that calculates a variable ( n cm ) that is commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm for circulating current control using the g value calculated in the previous control cycle;
When D p + n cm is not between 0 and 1 by calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms and the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms, A carrier signal phase control unit that reverses the phase of the upper carrier signal by 180 degrees and proceeds in the same way for the lower arm;
An apparatus for reducing circulating current of a level increasing hybrid multi-level converter, characterized in that it comprises a switching signal output unit for outputting a switching signal under the control of the carrier signal phase control unit to achieve circulating current control. 제 2 항에 있어서, 현재 제어주기에서 측정하는 값들은 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )이고, 다음 제어주기를 위해서 필요한 값들은 N pc (t+T s ), N nc (t+T s ), D pc (t+T s ), D nc (t+T s ) 및 PWM 생성을 위한 캐리어 신호의 값 Carr pc , Carr nc 인 것을 특징으로 하는 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 장치.The method according to claim 2, wherein the values measured in the current control cycle are U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ), and the values required for the next control cycle are N pc ( t + T s ), N nc ( t + T s ), D pc ( t + T s ), D nc ( t + T s ) and the value of the carrier signal for PWM generation Carr pc , Carr nc Level characterized in that A device for controlling the reduction of circulating current of an incremental hybrid multilevel converter. 현재 제어주기에서 상레그 전압 U dc (t), u leg (t), u leg (t-0.5T s )을 측정하는 단계;
상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n )을 계산하고, 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하는 단계;
상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )의 대소비교를 통해 다음 주기에서 사용될 상레그 전압 선택 함수 g값을 계산하는 단계;
이전 제어주기에서 계산된 g값을 이용해 순환전류 제어를 위해서 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm )를 계산하는 단게;
상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스 값(n p , n n ) 및 상단암과 하단암의 PWM 듀티값(D p , D n )을 계산하여 D p +n cm 이 0과 1사이가 아닐 경우에 상단 캐리어 신호의 위상을 180도 뒤집어주며, 하단암에 대해서도 동일하게 진행하여 캐리어신호 위상 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 방법.measuring the phase leg voltages U dc ( t ), u leg ( t ), u leg ( t -0.5 T s ) in the current control period;
calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper arm and the lower arm, and calculating the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper arm and the lower arm;
calculating an upper-leg voltage selection function g value to be used in a next cycle through a large comparison between the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper arm and the lower arm;
a step of calculating a variable ( n cm ) that is commonly added to the level reference of the upper arm and the lower arm for circulating current control using the g value calculated in the previous control cycle;
When D p + n cm is not between 0 and 1 by calculating the level reference values ( n p , n n ) of the upper and lower arms and the PWM duty values ( D p , D n ) of the upper and lower arms. Inverting the phase of the upper carrier signal by 180 degrees, proceeding in the same way for the lower arm, outputting a switching signal according to the carrier signal phase control to achieve circulating current control; A method for reducing the circulating current of a level converter. 제 4 항에 있어서, 상단암과 하단암의 레벨 레퍼런스에 공통으로 더해지는 변수(n cm ) 계산은,
Figure pat00005
이고,
여기서, N a 는 각 암에서 가질수 있는 레벨의 최대값을 나타내는 것을 특징으로 하는 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 방법.The method of claim 4, wherein the calculation of the variable ( n cm ) added in common to the level reference of the upper arm and the lower arm is,
Figure pat00005
ego,
Here, N a is a method for reducing circulating current of a level-increasing hybrid multi-level converter, characterized in that it represents the maximum value of the level that each arm can have. 제 4 항에 있어서, 캐리어신호 위상 제어에 따라 스위칭 신호를 출력하여 순환전류 제어가 이루어지도록 하는 단계에서,
스위칭 신호는 각 상에 N개의 하프브릿지 서브모듈과 M개의 풀브릿지 서브모듈을 갖고, N a =N*(2^M)의 레벨을 갖는 Level-increased hybrid-MMC의 순환전류 저감 제어를 위한 것을 특징으로 하는 레벨 증가 하이브리드 멀티레벨 컨버터의 순환전류 저감 제어를 위한 방법.5. The method of claim 4, wherein in the step of outputting a switching signal according to the phase control of the carrier signal to control the circulating current,
The switching signal is for circulating current reduction control of a Level-increased hybrid-MMC having N half-bridge sub-modules and M full-bridge sub-modules in each phase, and having a level of N a = N *(2^ M ). A method for reducing the circulating current of a level-increasing hybrid multilevel converter, characterized in that it.
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