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KR101928435B1 - 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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KR101928435B1 KR1020120065619A KR20120065619A KR101928435B1 KR 101928435 B1 KR101928435 B1 KR 101928435B1 KR 1020120065619 A KR1020120065619 A KR 1020120065619A KR 20120065619 A KR20120065619 A KR 20120065619A KR 101928435 B1 KR101928435 B1 KR 101928435B1
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 인가되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전류원 소스 컨버터; 상기 전류원 소스 컨버터의 출력단에서 측정된 측정 DC 링크 전압과 DC 링크 전압 명령으로 설정된 DC 링크 전압과의 차이를 반영하여, 상기 전류원 소스 컨버터로 인가되는 교류 전원에 대응되는 d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 전력 제어부; 및 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령에 응답하여, 상기 전류원 소스 컨버터의 위상각을 조절하여 상기 전류원 소스 컨버터로 전송하는 위상각 제어부를 포함한다.

Description

전력 변환 장치 및 이의 제어 방법 {POWER CONVERSION APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 간단한 구현 및 제어에 의해 동작하면서도 높은 효율을 실현할 수 있는 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
내장형 시스템 및 모바일 기기들의 성장에 따라, 신뢰성이 보장되면서도 저 비용으로 구현 및 동작될 수 있는 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 간단한 구현 및 제어에 의해 동작하면서도 높은 효율을 실현할 수 있는 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 인가되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전류원 소스 컨버터; 상기 전류원 소스 컨버터의 출력단에서 측정된 측정 DC 링크 전압과 DC 링크 전압 명령으로 설정된 DC 링크 전압과의 차이를 반영하여, 상기 전류원 소스 컨버터로 인가되는 교류 전원에 대응되는 d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 전력 제어부; 및 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령에 응답하여, 상기 전류원 소스 컨버터의 위상각을 조절하여 상기 전류원 소스 컨버터로 전송하는 위상각 제어부를 포함한다.
상기 전류원 소스 컨버터는 사이리스터 컨버터(thyristor convertor)일 수 있다.
상기 전력 제어부는, 상기 교류 전원인 상 전압을 d축 전압 벡터 및 q축 전압 벡터로 변환하는 벡터 로테이터(vector rotaor); 상기 측정 DC 링크 전압 및 상기 DC 링크 전압 명령으로 설정된 DC 링크 전압의 차이를 적분하여 전력 명령을 생성하는 비례적분 제어기; 상기 교류 전원을 생성하는 발전기의 역률각을 미분하여, 상기 발전기에 역학적 에너지를 전달하는 모터의 로터 각 주파수로 출력하는 미분기; 및 입력되는 상기 d축 전압 벡터, 상기 q축 전압 벡터, 상기 전력 명령 및 상기 로터 각 주파수에 응답하여, d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 d-q축 전류 명령 설정부를 포함할 수 있다.
상기 d-q축 전류 명령 설정부는, 상기 전력 명령을 수신하여, 상 전압 명령 및 토크 각 명령을 설정하는 제1 계산부; 입력되는 상기 상 전압 명령 및 상기 토크 각 명령에 응답하여, d축 전압 벡터 명령 및 q축 전압 벡터 명령을 설정하는 제2 계산부; 입력되는 상기 d축 전압 벡터, 상기 q축 전압 벡터 및 상기 로터 각 주파수에 응답하여 제1 d축 보상 전류값 및 제1 q축 보상 전류값을 설정하는 전류 보상부; 및 각각, 상기 제1 d축 보상 전류값 및 상기 제1 q축 보상 전류값을, 상기 d축 전압 벡터 명령 및 상기 q축 전압 벡터 명령에 각각 게인(gain)을 적용한 제2 d축 보상 전류값 및 제2 q축 보상 전류값과 합산하여, 각각 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령으로 출력하는 합산부를 포함할 수 있다.
상기 제1 계산부는 상기 교류 전원을 생성하는 발전기의 출력 유효 전력을 토크 각으로 미분하여 상기 토크 각 명령을 설정할 수 있다.
상기 토크 각 명령은 상기 교류 전원으로부터 최대의 상기 출력 유효 전력을 생성하는 토크 각에 대한 값을 나타낼 수 있다.
상기 위상각 제어부는 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령으로부터 요구되는 상기 전류원 소스 컨버터의 DC 링크 전류의 값을 나타내는 DC 링크 전류 명령을 설정하고, 상기 DC 링크 전류 명령에 게인(gain)을 적용하여 상기 전류원 소스 컨버터의 정류 소자를 제어하는 상기 위상각을 조절할 수 있다.
상기 전력 변환 장치는 상기 교류 전원을 생성하는 발전기를 더 포함할 수 있다.
상기 발전기는 PMa-SynRG(permanent magnet-assisted synchronous reluctance generator), 매입형 영구자석 발전기(interior permanent magnet generator) 및 유도 발전기(induction machine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전력 변환 장치는 상기 전류원 소스 컨버터의 출력단에 연결되어 상기 전류원 소스 컨버터의 출력을 교류 전원으로 역변환하고, 역변환된 교류 전원을 로드에 인가하는 사이리스터 인버터를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 변환 장치는 상기 로드의 유효 전류 및 무효 전류로부터 계산되는 정류각을 조절하여, 상기 사이리스터 인버터의 사이리스터의 턴-온을 제어하는 베타 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 제어 방법은, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전류원 소스 컨버터의 출력단에서 DC 링크 전압을 측정하는 단계; 상기 교류 전원 상기 측정된 DC 링크 전압과 상기 전류원 소스 컨버터에 요구되는 DC 링크 전압과의 차이를 반영하여, 상기 전류원 소스 컨버터로 인가되는 교류 전원에 대응되는 d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 단계; 및 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령에 응답하여, 상기 전류원 소스 컨버터의 위상각을 조절하여 상기 전류원 소스 컨버터의 DC 링크 전압을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법에 의하면, 전류원 컨버터를 사용하여 직접적인 전력 제어를 수행함에 따라, 간단한 구조 및 제어에 의하더라도 높은 효율로 동작할 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명의 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법에 의하면, 스위칭 손실이 적고 빠른 응답 시간을 가짐에 따라, 전력 변환 장치의 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 전력 제어부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 교류 전원을 d축 및 q축 성분으로 나타내는 페이저 다이어그램(phasor diagram)이다.
도 4는 도 2의 d-q축 전류 명령 설정부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 전류원 소스 컨버터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 도 6의 전류원 소스 컨버터를 포함하는 도 1의 전력 변환 장치에서 위상각을 조절하여 요구되는 DC 링크 전압 및 DC 링크 전류를 제어하는 동작의 예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 사이리스터 컨버터, 사이리스터 인버터 및 로드의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 로드 전압 및 로드 전류와 사이리스터 인버터의 출력과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치에서, 전류원 소스 컨버터의 출력을 3KW로 제어하는 때의 제어 명령과 그에 따른 제어 결과에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)는 전류원 소스 컨버터(CSC), 전력 제어부(PCT) 및 위상각 제어부(PACT)를 구비한다. 전류원 소스 컨버터(CSC)는 교류 전원인 3상의 전원을 입력 받아 직류 전원인 DC 링크 전원으로 변환한다. 예를 들어, 전류원 소스 컨버터(CSC)는 상전류 Ia, Ib 및 Ic를 입력 받아, DC 링크 전류 Idc로 변환한다.
전류원 소스 컨버터(CSC)는 주기적으로 양과 음의 두 방향으로 변화하는 교류 전류(Ia, Ib 및 Ic)를 한 방향의 DC 링크 전류(Idc)로 변환시킨다. 전류원 소스 컨버터(CSC)는 순방향 저항은 작고 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시키는 정류 소자를 포함하여 정류 작용을 수행할 수 있다. 전류원 소스 컨버터(CSC)의 구체적인 실시예는 후술된다.
전력 제어부(PCT) 및 위상각 제어부(PACT)는, 본 발명의 실시예에 따른 전류원 소스 컨버터(CSC)의 출력(DC 링크 전압 Vdc 및 DC 링크 전류 Idc)이, 설정된 DC 링크 전압 명령(Vdc*)에 대응되도록, 전류원 소스 컨버터(CSC)의 위상각(α)을 조절한다. DC 링크 전압 명령(Vdc*))은 전력 변환 장치(PCA)가 최소의 상 전압에서 최대 유효전력을 발생시키는 DC 링크 전압(Vdc)의 값으로 설정될 수 있다. 전력 제어부(PCT) 및 위상각 제어부(PACT)에 대하여 자세히 설명한다.
도 2는 도 1의 전력 제어부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어부(PCT)는 벡터 로테이터(vector rotaor, VR), d-q축 전류 명령 설정부(CCSU), 미분기(DTR), 및 비례적분 제어기(PIC)를 구비할 수 있다. 이하에서는, 상 전압 Va, Vb 및 Vc, 및 상전류 Ia, Ib 및 Ic 중 Va 및 Ia에 대한 전력 변환 동작에 한하여 설명한다. 다른 상 전압 Vb 및 Vc, 및 상전류 Ib 및 Ic는 설명되는 상 전압 Va 및 상전류 Ia와 동일한 방식으로 변환될 수 있다.
계속해서 도 1 및 도 2를 참조하면, 벡터 로테이터(VR)는 선간 전압 Vab 및 Vbc를 입력 받아, 직류의 d축 전압 벡터(Vd) 및 q축 전압 벡터(Vq)로 변환한다.
도 3은 교류 전원을 d축 및 q축 성분으로 나타내는 페이저 다이어그램(phasor diagram)이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 벡터 로테이터(VR)는 다음의 수학식 1에 근거하여, 선간 전압 Vab 및 Vbc를 각각, d축 전압 벡터(Vd) 및 q축 전압 벡터(Vq)로 변환할 수 있다. PMa-SynRG(permanent magnet-assisted synchronous reluctance generator)의 경우, d축은 토크축이고, q축은 자속축일 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012048692433-pat00001
Figure 112012048692433-pat00002
수학식 1에서, Vs는 Va의 진폭이고, δ는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)에 포함될 수 있는 발전기의 토크 각이며, EPM은 back-EMF, 즉 교류 전원을 생성하는 발전기에 역학적 에너지를 전달하는 모터(또는 엔진) 역기전력이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)에 포함될 수 있는 발전기 및 모터에 대한 구체적인 실시예는 후술된다. 그리고, 수학식 1에서, Xq 및 Xd는 각각, d축 및 q축의 리앤턴스(reactance)를 나타낸다.
d-q축 전류 명령 설정부(CCSU)는 d축 전압 벡터(Vd) 및 q축 전압 벡터(Vq), 로터 각 주파수(rotor angle frequency, ωr) 및 전력 명령(P*)을 입력 받아, d축 전류 명령(Id*) 및 q축 전류 명령(Iq*)을 설정한다. 로터 각 주파수(ωr)는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)에 포함될 수 있는 모터의 로터에 대한 각 주파수이다. 로터 각 주파수(ωr)는 미분기(DTR)가 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)에 포함될 수 있는 발전기의 위치각(θr)을 미분한 결과일 수 있다. 그리고, 전력 명령(P*)은 비례적분 제어기(PIC)가 DC 링크 전압 명령(Vdc*)과 전류원 소스 컨버터(CSC)의 출력단에서 측정된 측정 DC 링크 전압(Vdc)과의 차이를 적분한 결과로 생성될 수 있다.
도 4는 도 2의 d-q축 전류 명령 설정부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, d-q축 전류 명령 설정부(CCSU)는 제1 계산부(CU1), 제2 계산부(CU2), 전류 보상부(CCT) 및 합산부(+)를 포함할 수 있다. 제1 계산부(CU1)는 입력되는 비례적분 제어기(PIC)의 출력인 전력 명령(P*)에 대응되는, 전압 명령(Va*) 및 토크 각 명령(δ*)을 설정한다. 구체적으로, 제1 계산부(CU1)는 다음의 수학식 2에 근거하여, 전력 명령(P*)에 대응되는 토크 각(δ)에 대한 정보를 포함하는 토크 각 명령(δ*)을 설정한다.
[수학식 2]
Figure 112012048692433-pat00003
수학식 2는 다음의 수학식 3 내지 수학식 5의 계산 과정을 거쳐, 도출될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012048692433-pat00004
수학식 3는 도 3의 페이저 다이어그램을 통해 상전류 Ia와 d축 전류 Id 및 q축 전류 Iq와의 관계를 나타낸다. 전술된 수학식 1과 수학식 3을 이용하여, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)에 포함될 수 있는 발전기의 출력 유효전력 Pe가 다음의 수학식 4로 나타내어 질 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112012048692433-pat00005
수학식 4에서, 최소 전압으로 최대의 출력 유효전력(Pe)를 내기 위한 토크 각(δ)을 설정하기 위해, 먼저 수학식 4를 토크 각(δ)으로 미분한 다음의 수학식 5를 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012048692433-pat00006
수학식 5를 토크 각(δ)으로 정리한 결과가 수학식 2이고, 따라서 수학식 2로부터 최대 유효전력(Pe)을 발생시키는 토크 각(δ)이 계산될 수 있다.
계속해서 도 2 및 도 4를 참조하면, 제2 계산부(CU2)는 전압 명령(Va*) 및 토크 각 명령(δ*)에 대응되는, d축 전압 벡터 명령(Vd*) 및 q축 전압 벡터 명령(Vq*)을 설정한다. 전류 보상부(CCT)는, 입력되는 벡터 로테이터(VR)의 출력인 측정된 d축 전압 벡터(Vd) 및 q축 전압 벡터(Vq)와 미분기(DTR)의 출력인 로터 각 주파수(ωr)에 대응되는 제1 d축 보상 전류값(Id1) 및 제1 q축 보상 전류값(Iq1)을 설정한다.
합산부(+)는 각각, d축 전압 벡터 명령(Vd*) 및 q축 전압 벡터 명령(Vq*)에 게인(GI)을 적용한 제2 d축 보상 전류값(Id2) 및 제2 q축 보상 전류값(Iq2)을, 각각 제1 d축 보상 전류값(Id1) 및 제1 q축 보상 전류값(Iq1)과 합산하여, d축 전류 명령(Id*) 및 q축 전류 명령(Iq*)을 설정한다.
다시 도 1을 참조하면, 위상각 제어기(PACT)는 입력되는 d축 전류 명령(Id*) 및 q축 전류 명령(Iq*)에 근거하여, 다음의 수학식 6과 같이, DC 링크 전류 명령(Idc*)을 설정한다.
[수학식 6]
Figure 112012048692433-pat00007
DC 링크 전류 명령(Idc*)은 본 발명의 실시예에 따른 전류원 소스 컨버터(CSC)에 요구되는 출력 전압(DC 링크 전압(Vdc))에 대한 정보를 포함하는 DC 링크 전압 명령(Vdc*)과, 실제적으로 전류원 소스 컨버터(CSC)의 출력단에서 측정된 측정 DC 링크 전압 명령(Vdc*)의 차이가 반영된, 전류원 소스 컨버터(CSC)에 요구되는 출력 전류(DC 링크 전압(Vdc))에 대한 정보를 나타낸다.
위상각 제어기(PACT)는 알파 제어기(ACT)로부터 설정된 DC 링크 전류 명령(Idc*)에 게인(GI)을 적용하여 설정된 위상각(α)을, 전류원 소스 컨버터(CSC)에 인가한다.
도 5는 도 1의 전류원 소스 컨버터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전류원 소스 컨버터(CSC)는 사이리스터(thyristor) 컨버터일 수 있다. 사이리스터 컨버터(CSC)는 사이리스터(T1~T6)를 정류 소자로 이용한 컨버터이다. 사이리스터(T1~T6)는 양극(애노드) 및 음극(캐소드) 이외에 제3 전극(게이트)를 가진 실리콘 정류기이다. 사이리스터(T1~T6)의 게이트(G)에 공급되는 제어 전류(스위칭 신호)의 위상(위상각(α))을 조정함으로써, DC 링크 전압(Vdc) 및 DC 링크 전압(Vdc)을 제어할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 도 6의 전류원 소스 컨버터를 포함하는 도 1의 전력 변환 장치에서 위상각을 조절하여 요구되는 DC 링크 전압 및 DC 링크 전류를 제어하는 동작의 예를 나타내는 그래프이다. 도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)에 포함되는 발전기가 정상 상태에서 3,600rpm으로 동작하고, 스위칭 신호 XCON_T1, XCON_T2 및 XCON_T3가 240Hz로 설정된 경우에 대한 것임을 알려둔다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 사이리스터 컨버터(CSC)의 사이리스터 T1, T3 및 T5의 게이트에 인가되는 각 스위칭 신호 XCON_T1, XCON_T2 및 XCON_T3에 응답하여 턴-온되어 정류 동작이 수행된다. 위상각이 0으로 설정된 도 6의 경우, DC 링크 전압(Vdc) 및 DC 링크 전류(Idc)는 도 7과 같이, 각각 125V 및 27A일 수 있다. 이 경우, 사이리스터 컨버터(CSC)의 출력 전력은 3,375W이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)의 출력 전력으로 3kW의 출력 전력이 요구되고 DC 링크 전압(Vdc)으로 120V가 요구되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어부(PCT) 및 위상각 제어부(PACT)는 도 6의 예에서 측정된 DC 링크 전압(Vdc)인 125V에 응답하여 위상각(α)을 조절한다. 이에 대한 구체적은 동작은 전술한 바와 같다.
그 결과, 도 8과 같이, 위상각이 임의의 값으로 조절되고, 스위칭 신호 XCON_T1가 위상각(α)만큼 지연되어 사이리스터 T1의 게이트 G로 인가된다. 다른 사이리스터 T3 및 T5도 마찬가지로, 위상각(α)만큼 지연되어 턴-온된다. 이에 따라, 사이리스터 컨버터(CSC)의 인덕터(L1)에 흐르는 DC 링크 전류(Idc)의 양이 조절되고, DC 링크 전류(Idc)의 변화에 따라 DC 링크 전압(Vdc)이 조절된다. 도 8은 DC 링크 전압(Vdc) 및 DC 링크 전류(Idc)가 각각, 120V 및 21A로 조절된 예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 9의 전력 변환 장치(PCA)는 도 1의 전력 변환 장치(PCA)에 상 전압(Va, Vb, Vc)을 생성하여 인가하는 엔진(EG) 및 발전기(GT)를 더 포함한다. 도 9의 전력 변환 장치(PCA)는 예를 들어, PMa-SynRG(permanent magnet-assisted synchronous reluctance generator)를 발전기(GT)로 구비할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)는 IPM(interior permanent magnet) 머신 또는 유도 발전기(induction machine)을 발전기(GT)로 구비할 수도 있다. PMa-SynRG는 영구 자석이 q축에 위치하고, IPM은 영구 자석이 d축에 위치한다.
도 9의 전력 변환 장치(PCA)의 전류원 소스 컨버터(CSC)는 도 5에 도시된 3상 사이리스터 컨버터(CSC)일 수 있다. 사이리스터 컨버터(CSC)의 출력단에 단상의 사이리스터 인버터(IVT)가 연결될 수 있다. 사이리스터 인버터(IVT)는 도 10에 도시되는 바와 같이, 사이리스터(S1~S4)를 이용하여 사이리스터 컨버터(CSC)의 출력인 직류 전원(DC 링크 전압(Vdc) 및 DC 링크 전류(Idc))을 교류 전원으로 역변환한다. 사이리스터 인버터(IVT)의 출력 전류(Iinv)는 로드(RD)로 공급된다.
이때, 도 10과 같이, 라인 커패시터(C)가 사이리스터 인버터(IVT)의 출력단에 필터로 추가될 수 있다. 따라서, 직렬의 저항(R) 및 인덕터(L)로 나타내어지는 로드(RD)에 인가되는 로드 전류(IL) 및 로드 전압(VL)은 도 11의 벡터 다이어그램에 의하여 구해질 수 있다. 도 11에서 θ 및 φ는 각각, 사이리스터 인버터(IVT)의 출력단의 지상각(lagging angle) 및 진상각(leading angle)을 나타낸다.
구체적으로, 로드 전류(IL) 및 로드 전압(VL)은 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 7에서 Xc는 라인 커패시터(C)의 리액턴스이다.
[수학식 7]
Figure 112012048692433-pat00008
Figure 112012048692433-pat00009
따라서, 유효 전류 IP 및 무효 전류 IQ는 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112012048692433-pat00010
Figure 112012048692433-pat00011
상기의 수학식 7 및 8에 의해 정류각(commutation angle) β가 계산될 수 있다. 도 9의 베타 컨트롤러(BCT)는 측정된 로드 전압(VL)에 근거하여, 사이리스터 인버터(IVT)의 사이리스터(S1~S4)의 턴-온을 제어함으로써, 사이리스터 인버터(IVT)의 출력을 설정된 주파수 명령(ωs*)에 대응되는 값으로 조절할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치에서, 전류원 소스 컨버터의 출력을 3KW로 제어하는 때의 제어 명령과 그에 따른 제어 결과에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 12 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)는 발전기(GT)로 PMa-SynRM을 포함하고, 전류원 소스 컨버터(CSC)로 사이리스터 컨버터를 포함할 수 있다. 그리고 전술한 바와 같이, 전류원 소스 컨버터(CSC)의 출력인 DC 링크 전압(Vdc)을 직접 전력 제어에 사용한다.
이에 따라, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)는 제어 및 구조가 간단하면서도 스위칭 손실이 적고 빠른 응답 시간으로 동작할 수 있다. 도 12 내지 도 14는 이러한 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)의 효과를 구체적으로 나타낸다.
도 12 및 도 13에 도시되는 바와 같이, 발전기(GT)의 속도가 정상 상태 조건(3600rpm)에 도달하면, 위상각(α)의 제어에 의해 DC 링크 전압(Vdc)은 120V에 도달한다. 3KW 출력 전력을 위해, 도 4의 전력 제어부(PCT)의 제1 계산부(CU1)에 의해 설정되는 전압 명령(Va*)의 진폭은 75V이고, 토크 각 명령(δ*)의 123도일 수 있다.
이 경우, 전압 명령(Va*) 및 토크 각 명령(δ*)으로부터, 3kW의 출력을 위해, d축 전압 벡터(Vd) 및 q축 전압 벡터(Vq)가 결정된다(도 4 참조). 그 결과, 도 14에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(PCA)는 120V 및 60Hz에서, 로드(RD)에 단상의 전압 및 전류가 전달된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
PCA: 전력 변환 장치
CSC: 전류원 소스 컨버터
PCT: 전력 제어기
PACT: 위상 제어기
ACT: 알파 제어기
Vdc: DC 링크 전압
Vdc*: DC 링크 전압 명령
Vdcm: 측정 DC 링크 전압
Idc: DC 링크 전류
Idc*: DC 링크 전류 명령
Id*: d축 전류 명령
Iq*: q축 링크 전류 명령

Claims (20)

  1. 인가되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전류원 소스 컨버터;
    상기 전류원 소스 컨버터의 출력단에서 측정된 측정 DC 링크 전압과 DC 링크 전압 명령으로 설정된 DC 링크 전압과의 차이를 반영하여, 상기 전류원 소스 컨버터로 인가되는 교류 전원에 대응되는 d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 전력 제어부;
    상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령에 응답하여, 상기 전류원 소스 컨버터의 위상각을 조절하여 상기 전류원 소스 컨버터로 전송하는 위상각 제어부;
    상기 전류원 소스 컨버터의 출력단에 연결되어 상기 전류원 소스 컨버터의 출력을 교류 전원으로 역변환하고, 역변환된 교류 전원을 로드에 인가하는 사이리스터 인버터; 및
    상기 로드의 유효 전류 및 무효 전류로부터 계산되는 정류각을 조절하여, 상기 사이리스터 인버터의 사이리스터의 턴-온을 제어하는 베타 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전류원 소스 컨버터는 사이리스터 컨버터(thyristor convertor)인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 전력 제어부는,
    상기 교류 전원인 상 전압을 d축 전압 벡터 및 q축 전압 벡터로 변환하는 벡터 로테이터(vector rotaor);
    상기 측정 DC 링크 전압 및 상기 DC 링크 전압 명령으로 설정된 DC 링크 전압의 차이를 적분하여 전력 명령을 생성하는 비례적분 제어기;
    상기 교류 전원을 생성하는 발전기의 역률각을 미분하여, 상기 발전기에 역학적 에너지를 전달하는 모터의 로터 각 주파수로 출력하는 미분기; 및
    입력되는 상기 d축 전압 벡터, 상기 q축 전압 벡터, 상기 전력 명령 및 상기 로터 각 주파수에 응답하여, d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 d-q축 전류 명령 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 d-q축 전류 명령 설정부는,
    상기 전력 명령을 수신하여, 상 전압 명령 및 토크 각 명령을 설정하는 제1 계산부;
    입력되는 상기 상 전압 명령 및 상기 토크 각 명령에 응답하여, d축 전압 벡터 명령 및 q축 전압 벡터 명령을 설정하는 제2 계산부;
    입력되는 상기 d축 전압 벡터, 상기 q축 전압 벡터 및 상기 로터 각 주파수에 응답하여 제1 d축 보상 전류값 및 제1 q축 보상 전류값을 설정하는 전류 보상부; 및
    각각, 상기 제1 d축 보상 전류값 및 상기 제1 q축 보상 전류값을, 상기 d축 전압 벡터 명령 및 상기 q축 전압 벡터 명령에 각각 게인(gain)을 적용한 제2 d축 보상 전류값 및 제2 q축 보상 전류값과 합산하여, 각각 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령으로 출력하는 합산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 계산부는 상기 교류 전원을 생성하는 발전기의 출력 유효 전력을 토크 각으로 미분하여 상기 토크 각 명령을 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 토크 각 명령은 상기 교류 전원으로부터 최대의 상기 출력 유효 전력을 생성하는 토크 각에 대한 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 위상각 제어부는 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령으로부터 요구되는 상기 전류원 소스 컨버터의 DC 링크 전류의 값을 나타내는 DC 링크 전류 명령을 설정하고, 상기 DC 링크 전류 명령에 게인(gain)을 적용하여 상기 전류원 소스 컨버터의 정류 소자를 제어하는 상기 위상각을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는 상기 교류 전원을 생성하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 발전기는 PMa-SynRG(permanent magnet-assisted synchronous reluctance generator), 매입형 영구자석 발전기(interior permanent magnet generator) 및 유도 발전기(induction machine) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전류원 소스 컨버터의 출력단에서 DC 링크 전압을 측정하는 단계;
    상기 교류 전원 상기 측정된 DC 링크 전압과 상기 전류원 소스 컨버터에 요구되는 DC 링크 전압과의 차이를 반영하여, 상기 전류원 소스 컨버터로 인가되는 교류 전원에 대응되는 d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 단계; 및
    상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령에 응답하여, 상기 전류원 소스 컨버터의 위상각을 조절하여 상기 전류원 소스 컨버터의 DC 링크 전압을 제어하는 단계;
    사이리스터 인버터에서, 상기 전류원 소스 컨버터의 출력단에 연결되어 상기 전류원 소스 컨버터의 출력인 상기 직류 전원을 로드에 인가할 교류 전원으로 역변환하고 역변환된 교류 전원을 상기 로드에 인가하는 단계; 및
    상기 로드의 유효 전류 및 무효 전류로부터 계산되는 정류각을 조절하여, 상기 사이리스터 인버터의 사이리스터의 턴-온을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 전류원 소스 컨버터는 사이리스터 컨버터(thyristor convertor)인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  14. 제12 항에 있어서, 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령을 설정하는 단계는,
    상기 교류 전원인 상 전압을 d축 전압 벡터 및 q축 전압 벡터로 변환하는 단계;
    상기 측정 DC 링크 전압 및 상기 DC 링크 전압 명령으로 설정된 DC 링크 전압의 차이를 적분하여 전력 명령을 생성하는 단계;
    상기 교류 전원을 생성하는 발전기의 역률각을 미분하여, 상기 발전기에 역학적 에너지를 전달하는 모터의 로터 각 주파수로 출력하는 단계; 및
    상기 d축 전압 벡터, 상기 q축 전압 벡터, 상기 전력 명령 및 상기 로터 각 주파수에 응답하여, d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 d축 전류 명령 및 q축 전류 명령을 설정하는 단계
    상기 전력 명령을 수신하여, 상 전압 명령 및 토크 각 명령을 설정하는 단계;
    상기 상 전압 명령 및 상기 토크 각 명령에 응답하여, d축 전압 벡터 명령 및 q축 전압 벡터 명령을 설정하는 단계;
    상기 d축 전압 벡터, 상기 q축 전압 벡터 및 상기 로터 각 주파수에 응답하여 제1 d축 보상 전류값 및 제1 q축 보상 전류값을 설정하는 단계; 및
    각각, 상기 제1 d축 보상 전류값 및 상기 제1 q축 보상 전류값을, 상기 d축 전압 벡터 명령 및 상기 q축 전압 벡터 명령에 각각 게인(gain)을 적용한 제2 d축 보상 전류값 및 제2 q축 보상 전류값과 합산하여, 각각 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 토크 각 명령을 설정하는 단계는 상기 교류 전원을 생성하는 발전기의 출력 유효 전력을 토크 각으로 미분하여 상기 토크 각 명령을 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 토크 각 명령은 최소의 상기 교류 전원으로 최대의 상기 출력 유효 전력을 생성하는 토크 각에 대한 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 발전기는 PMa-SynRG(permanent magnet-assisted synchronous reluctance generator), 매입형 영구자석 발전기(interior permanent magnet generator) 및 유도 발전기(induction machine) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  19. 제12 항에 있어서,
    상기 전류원 소스 컨버터의 DC 링크 전압을 제어하는 단계는 상기 d축 전류 명령 및 상기 q축 전류 명령으로부터 요구되는 상기 전류원 소스 컨버터의 DC 링크 전류의 값을 나타내는 DC 링크 전류 명령을 설정하고, 상기 DC 링크 전류 명령에 게인(gain)을 적용하여 상기 전류원 소스 컨버터의 정류 소자를 제어하는 상기 위상각을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  20. 삭제
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