KR102200650B1 - Power conversion device and control method to reduce RMS ripple current of DC Link capacitor - Google Patents
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Abstract
전력 변환 장치 및 이의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법이 개시된다. 전력 변환 장치는, 컨버터; 인버터; 상기 컨버터와 상기 인버터 사이에 위치되는 직류링크 커패시터; 및 상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류간의 차이가 발생하지 않도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 스위칭 타이밍을 조절하여 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록하는 제어부를 포함한다. A power conversion device and a control method for reducing the RMS current of a DC link capacitor thereof are disclosed. The power conversion device includes: a converter; inverter; A DC link capacitor positioned between the converter and the inverter; And a control unit that adjusts the switching timing of the converter and the inverter so that the difference between the output current of the converter and the input current of the inverter does not occur so that the effective value of the current of the DC link capacitor is minimized.
Description
본 발명은 전력 변환 장치 및 이의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a power conversion device and a control method for reducing the RMS current of a DC link capacitor thereof.
부스트 컨버터와 3상 인버터로 이루어진 DC-DC-AC구조의 간접적인 전력변환 방식은 입력과 출력간의 승압 및 강압의 요구조건을 만족하고, 사용의 편의성이 우수하여 일반적으로 많이 사용하는 구조이다. 이러한 구조는 환경 문제와 화석연료 고갈 등의 문제를 해결하기 위한 태양광, 에너지 저장 시스템, 하이브리드 자동차, 연료전지 분야에서 널리 이용하고 있다.The indirect power conversion method of the DC-DC-AC structure consisting of a boost converter and a three-phase inverter satisfies the requirements of step-up and step-down between input and output, and is a structure that is commonly used because of its excellent ease of use. Such a structure is widely used in the fields of solar power, energy storage systems, hybrid vehicles, and fuel cells to solve problems such as environmental problems and fossil fuel depletion.
간접적인 전력변환방식은 구조적으로 서로 연결된 컨버터간의 순시적인 전력의 불균형에 의한 영향을 줄이기 위해 DC 링크 커패시터를 사용한다. DC 링크 커패시터에는 주로 전해 커패시터와 필름 커패시터를 사용하며, 이러한 커패시터 유입되는 전류의 실효값에 의해 발생된 열로 인해 수명이 감소하는 특징이 있다.The indirect power conversion method uses a DC link capacitor to reduce the effect of the instantaneous power imbalance between the structurally connected converters. Electrolytic capacitors and film capacitors are mainly used for DC link capacitors, and the lifespan is reduced due to heat generated by the effective value of the current flowing into the capacitor.
DC 링크 커패시터의 수명을 향상시키기 위한 많은 연구들이 진행되고 있으며, 추가적인 회로를 사용하지 않고 커패시터로 유입되는 전류를 줄이기 위한 방법으로는 피드백 또는 피드포워드 방법을 통해 두 컨버터 간 전류의 차이를 푀소화하는 제어 방법과 스위칭에 의해 생성된 고조파 전류와 같은 비선형적인 전류의 차이를 최소화 하는 스위칭 방법이 있다. Many studies are being conducted to improve the life of the DC link capacitor, and as a method to reduce the current flowing into the capacitor without using an additional circuit, the difference between the current between the two converters is reduced through a feedback or feed forward method. There is a control method and a switching method that minimizes the difference between nonlinear currents such as harmonic currents generated by switching.
기존의 스위칭 방법의 경우 인버터측이 단위역률인 상황에 국한된 커패시터 리플 전류 저감 성능을 가지는 문제점이 있다. In the case of the conventional switching method, there is a problem of having a capacitor ripple current reduction performance limited to a situation where the inverter side is a unit power factor.
본 발명은 전력 변환 장치 및 이의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a power conversion device and a control method for reducing the RMS current of the DC link capacitor.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터로 유입되는 RMS 리플 전류를 저감함으로써, DC 링크 커패시터의 수명을 증가시킬 수 있는 전력 변환 장치 및 이의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is to provide a power conversion device capable of increasing the lifetime of a DC link capacitor by reducing the RMS ripple current flowing into the DC link capacitor, and a control method for reducing the RMS current of the DC link capacitor.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터 수명이 증가됨에 따라 전력 변환 시스템의 전체 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전력 변환 장치 및 이의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is to provide a power conversion device capable of improving the overall reliability of a power conversion system as the life of a DC link capacitor increases, and a control method for reducing the RMS current of the DC link capacitor.
본 발명의 일 측면에 따르면, DC 링크 커패시터로 유입되는 RMS 리플 전류를 저감할 수 있는 장치가 제공된다. According to an aspect of the present invention, a device capable of reducing an RMS ripple current flowing into a DC link capacitor is provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터; 인버터; 상기 컨버터와 상기 인버터 사이에 위치되는 직류링크 커패시터; 및 상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류간 차이가 발생하지 않도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 스위칭 타이밍을 조절하여 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록하는 제어부를 포함하는 전력 변환 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a converter; inverter; A DC link capacitor positioned between the converter and the inverter; And a control unit that adjusts the switching timing of the converter and the inverter so that a difference between the output current of the converter and the input current of the inverter does not occur so that the effective value of the current of the DC link capacitor is minimized. Can be provided.
상기 제어부는, 상기 컨버터와 상기 인버터의 각 스위치의 온-오프 동작에 따른 상기 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수 및 상기 인버터로의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수들을 계산한 후 상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 스위칭 타이밍을 조절할 수 있다. The controller calculates coefficients of a Fourier series of output currents of the converter and Fourier series of input currents to the inverter according to the on-off operation of the converter and each switch of the inverter, and then the output current of the converter The switching timing of the converter and the inverter may be adjusted so that the effective value of the DC link capacitor current according to the relative position of the input current of the inverter and the inverter is minimized.
상기 제어부는, 하기 수학식을 이용하여 인버터 스위칭 주파수가 상승하는 구간에서의 상기 직류링크 커패시터의 실효값이 최소가 되는 동기화 시간을 도출하되, The control unit derives a synchronization time at which the effective value of the DC link capacitor becomes minimum in a section in which the inverter switching frequency is increased using the following equation,
여기서, 는 컨버터의 스위칭 주기를 나타내며, 는 인버터 스위칭 주파수가 상승하는 구간에서의 인버터측 전류의 푸리에 급수의 계수를 나타낸다. here, Represents the switching period of the converter, Denotes the coefficient of the Fourier series of the current on the inverter side in the period in which the inverter switching frequency increases.
하기 수학식을 이용하여 인버터 스위칭 주파수가 하강하는 구간에서의 상기 직류링크 커패시터의 실효값이 최소가 되는 동기화 시간을 도출하되, Using the following equation to derive a synchronization time at which the effective value of the DC link capacitor becomes the minimum in the section in which the inverter switching frequency falls,
여기서, 는 컨버터의 스위칭 주기를 나타내며, 는 인버터의 스위칭 주파수가 하강하는 구간에서의 인버터측 전류의 푸리에 급수의 계수를 나타낸다. here, Represents the switching period of the converter, Denotes the coefficient of the Fourier series of the current on the inverter side in the section in which the switching frequency of the inverter falls.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 컨버터; 제2 컨버터; 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터 사이에 위치되는 직류링크 커패시터; 및 상기 제1 컨버터의 출력 전류와 상기 제2 컨버터의 입력 전류간 차이가 발생하지 않도록 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 스위치 타이밍을 조절하여 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록 하는 제어부를 포함하는 전력 변환 장치가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a first converter; A second converter; A DC link capacitor positioned between the first converter and the second converter; And adjusting the switching timing of the first converter and the second converter so that the difference between the output current of the first converter and the input current of the second converter does not occur so that the effective value of the current of the DC link capacitor is minimized. A power conversion device including a control unit may be provided.
상기 제어부는, 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 각 스위치의 온-오프 동작에 따른 상기 컨버터의 출력 전류의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수 및 상기 제2 컨버터로의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수들을 계산한 후 상기 제1 컨버터의 출력 전류와 상기 제2 컨버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 스위칭 타이밍을 조절할 수 있다. The control unit includes a coefficient of a Fourier series of an output current of an output current of the converter and a coefficient of a Fourier series of an input current to the second converter according to an on-off operation of each switch of the first converter and the second converter. After calculating the values, the switching timing of the first converter and the second converter is determined so that the effective value of the current of the DC link capacitor according to the relative position of the output current of the first converter and the input current of the second converter is minimized. Can be adjusted.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 컨버터와 직류링크 커패시터 및 3상 인버터 구조를 가지는 전력 변환 장치에서 상기 직류링크 커패시터의 RMS 전류를 저감하는 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of reducing the RMS current of the DC link capacitor in a power conversion device having a converter, a DC link capacitor, and a three-phase inverter structure.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터와 직류링크 커패시터 및 3상 인버터 구조를 가지는 전력 변환 장치에서 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록 하는 방법에 있어서, (a) 상기 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수를 계산하는 단계; (b) 상기 인버터의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수를 계산하는 단계; 및 (c) 상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 각 스위치의 스위칭 타이밍을 조절하는 단계를 포함하는 직류링크 커패시터의 전류 실효값 최소화 방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in a power conversion device having a converter, a DC link capacitor, and a three-phase inverter structure, in a method for minimizing the effective current of the DC link capacitor, (a) the output of the converter Calculating a coefficient of the Fourier series of current; (b) calculating a coefficient of the Fourier series of the input current of the inverter; And (c) adjusting the switching timing of each switch of the converter and the inverter so that the effective value of the DC link capacitor current according to the relative position of the output current of the converter and the input current of the inverter is minimized. A method of minimizing the effective current value of the DC link capacitor may be provided.
상기 (a) 및 상기 (b) 단계는, 상기 컨버터와 상기 인버터의 각 스위치의 온-오프 동작에 따른 상기 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수 및 인버터로의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수들을 계산할 수 있다. In the steps (a) and (b), coefficients of the Fourier series of the output current of the converter and the coefficients of the Fourier series of the input current to the inverter according to the on-off operation of the converter and each switch of the inverter are calculated. I can.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 컨버터 사이에 직류링크 커패시터가 연결된 구조를 가지는 전력 변환 장치에서 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록 하는 방법에 있어서, 제1 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수를 계산하는 단계; 제2 컨버터의 입력 전류의 푸리에 급수를 계산하는 단계; 및 상기 제1 컨버터의 출력 전류와 상기 제2 컨버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 각 스위치의 스위칭 타이밍을 조절하는 단계를 포함하는 직류링크 커패시터의 전류 실효값 최소화 방법이 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, in a power conversion device having a structure in which a DC link capacitor is connected between a plurality of converters, in a method for minimizing the effective value of the current of the DC link capacitor, the output current of the first converter Calculating the Fourier series of; Calculating a Fourier series of the input current of the second converter; And adjusting the switching timing of each switch of the first converter and the second converter so that the effective value of the DC link capacitor current according to the relative position of the output current of the first converter and the input current of the second converter is minimized. A method of minimizing the effective current value of the DC link capacitor may be provided, including the step of:
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 이의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법을 제공함으로써, DC 링크 커패시터로 유입되는 RMS 리플 전류를 저감함으로써, DC 링크 커패시터의 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.By providing a power conversion device according to an embodiment of the present invention and a control method for reducing RMS current of a DC link capacitor thereof, by reducing the RMS ripple current flowing into the DC link capacitor, the life of the DC link capacitor can be increased. There is an advantage.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터 수명이 증가됨에 따라 전력 변환 시스템의 전체 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점도 있다. In addition, the present invention has an advantage of improving the overall reliability of the power conversion system as the DC link capacitor life is increased.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도 일부를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터와 인버터의 전류 파형을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 6은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 커패시터 전류 감쇄율을 나타낸 그래프. 1 is a block diagram showing a part of a circuit diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram schematically showing the internal configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the current waveforms of the converter and the inverter according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram schematically showing the configuration of a power conversion device according to another embodiment of the present invention.
5 is a flow chart showing a control method for reducing the DC link capacitor RMS current according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a current attenuation rate of a DC link capacitor according to the prior art and an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.The singular expression used in the present specification includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as “consisting of” or “comprising” should not be construed as necessarily including all of the various elements or various steps described in the specification, and some of the elements or some steps It may not be included, or it should be interpreted that it may further include additional elements or steps. In addition, terms such as "... unit" and "module" described in the specification mean units that process at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 부스트 컨버터와 3상 인버터 구조의 전력변환 장치 및 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법에 관한 것으로, 컨버터와 인버터간의 전류 차이로 인해 발생되는 DC 링크 커패시터로 유입되는 전류를 저감하기 위한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a power conversion device having a boost converter and a three-phase inverter structure, and a control method for reducing RMS current of a DC link capacitor, and for reducing current flowing into a DC link capacitor caused by a current difference between the converter and the inverter. It's about technology.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 신재생 에너지용 AC/DC 모듈형 인버터, 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 에너지 저장 시스템, 무정전 전원 시스템, 무효전력 보상 시스템, 전압 보상 시스템 등 넓은 분야에 사용될 수 있다. Power conversion device according to an embodiment of the present invention is a wide range of AC/DC modular inverters for renewable energy, solar power generation systems, wind power generation systems, energy storage systems, uninterruptible power systems, reactive power compensation systems, voltage compensation systems, etc. Can be used in the field.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 컨버터와 인버터 사이의 전류 차이가 "0"에 근접하도록 컨버터와 인버터의 스위치 타이밍을 조절하여 DC 링크 커패시터로 유입되는 RMS 전류를 저감할 수 있다. 이하에서는 컨버터와 인버터 구조의 전력 변환 장치를 가정하여 이를 중심으로 DC 링크 커패시터로 유입되는 전류를 저감하는 방법에 대해 설명하나 컨버터와 컨버터로 구성되는 전력 변환 장치의 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 당연하다. 이에 대해서는 하기의 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. The power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention may reduce the RMS current flowing into the DC link capacitor by adjusting the timing of the switches of the converter and the inverter so that the current difference between the converter and the inverter approaches “0”. Hereinafter, a method of reducing the current flowing into the DC link capacitor is described assuming a power conversion device having a converter and an inverter structure, but it is natural that the same can be applied to a power conversion device composed of a converter and a converter. Do. This will be more clearly understood by the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도 일부를 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터와 인버터의 전류 파형을 도시한 도면이다. 1 is a block diagram showing a part of a circuit diagram of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram schematically showing an internal configuration of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention, 3 is a diagram showing the current waveforms of the converter and the inverter according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 컨버터(110), DC 링크 커패시터(120), 인버터(130), 부하(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성된다. 도 1에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 컨버터(110)와 인버터(130)가 각각 하나인 것으로 도시되어 있으나, 컨버터(110)와 인버터(130)는 각각 복수일 수도 있다. Referring to FIG. 1, a
컨버터(110)는 DC(직류)로 전압을 변환하는 소자이다. 본 발명의 일 실시예에서는 컨버터(110)가 부스트 컨버터인 것을 가정하여 설명하나, 반드시 부스트 컨버터로 제한되는 것은 아니며, 벅 컨버터 등 다른 유형의 컨버터일 수도 있다. The
본 발명의 일 실시예에서는 컨버터(110)가 부스트 컨버터인 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하기로 한다. 예를 들어, 컨버터(110)는 스위치 상태에 따라 전류의 충전 또는 입력 전압보다 큰 전압을 생성하여 출력할 수 있다. In an embodiment of the present invention, it is assumed that the
DC 링크 커패시터(120)는 DC 에너지의 전압 연계(link) 및 전압 평활화, 충반전 에너지의 완충 목적으로 이용되는 소자이다. DC 링크 커패시터(120)는 컨버터(110)와 인버터(130)의 효율적인 전력 변환을 위해 컨버터(110)와 인버터(130) 사이에 위치된다. 이러한, DC 링크 커패시터(120)로 유입되는 전류는 컨버터(110)이 출력 전류와 인버터(130)의 입력 전류The
DC 링크 커패시터(120)의 세부 구조 및 동작 자체는 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.The detailed structure and operation of the
인버터(130)는 DC/AC 인버터일 수 있다. The
인버터(130)는 제어부(150)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 3상 출력 전류 (Ia, Ib, Ic)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)로부터 출력된 제어 신호에 따라 스위치들의 온/오프(on/off)가 제어됨에 따라 출력 전압이 결정되며, 이로 인해 출력 전류가 조절될 수 있다. 즉, 제어부(150)로부터 출력되는 제1 제어 신호에 따라 인버터(130)의 제1 스위치(Sap)가 온(on)되고, 제2 스위치(San)가 오프(off)되어 출력 전류(Ia)가 조절될 수 있다. 즉, 제어부(150)의 제어 신호에 따라 스위치가 선택되어 주어진 샘플링 시간만큼 동작되어 원하는 출력 전류(Ia)를 출력할 수 있게 된다. 이때 부하 a상에 연결된 스위치들(Sap, San)는 상보적으로 동작될 수 있다. 부하 b상 및 c상에 연결되는 각 쌍의 스위치들은 a상에 연결된 한 쌍의 스위치들과 동작이 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. The
인버터(130)는 직류를 교류로 변환하는 소자이다. 인버터(130)의 세부 구조 자체는 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 추가적인 상세한 설명은 생략하기로 한다. The
제어부(150)는 컨버터(110) 및 인버터(130)의 동작을 제어하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 제어부(150)는 컨버터(110) 또는/및 인버터(130) 내의 소자들의 동작을 제어하여 인버터(130)의 3상 출력 전류들(ia, ib, ic)를 조절할 수 있다. The
제어부(150)는 컨버터(110)와 인버터(130)의 전압 및 전류를 측정하고, 이를 이용하여 DC 링크 커패시터(120)의 실효전류를 최소화할 수 있도록 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위치 타이밍을 조절하도록 제어할 수 있다. The
이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. This will be described in more detail.
도 1을 참조하면, DC 링크 커패시터(120)로 유입되는 전류()는 인버터측 전류()와 컨버터측 전류()의 차이에 의해 발생된다. 즉, 다시 정리하면, 인버터측 전류()와 컨버터측 전류()의 차이가 "0"가 되는 경우 DC 링크 커패시터(120)로 전류가 유입되지 않는다. 1, the current flowing into the DC link capacitor 120 ( ) Is the inverter-side current ( ) And the converter-side current ( ). In other words, again, the inverter-side current ( ) And the converter-side current ( When the difference between) becomes “0”, current does not flow into the
도 3에는 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭에 따른 전류 파형이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭에 따른 두 전류간의 동기화를 위해 컨버터(110)의 스위칭 주파수가 인버터(130)측의 2배인 것을 알 수 있다. 3 shows a current waveform according to the switching of the
컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭 차이시간()을 고려한 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류에 대한 수식은 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. Switching difference time between the
여기서, 는 상위 위상, 중간 위상, 하위 위상의 "off" 타임에서 상부 스위치를 나타내며, 는 단위 스텝 함수를 나타낸다. 또한, 는 의 "on" 타임에서의 하부 스위치를 나타낸다. here, Denotes the upper switch at the "off" time of the upper phase, middle phase, and lower phase, Represents the unit step function. Also, Is Indicates the lower switch at the "on" time of.
여기서, 는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. here, Can be expressed as in Equation 2.
여기서, 는 인버터의 스위칭 주기를 나타내며, 는 인버터 캐리어를 나타내며, 는 각 인버터의 상전압( ) 중 전압을 나타낸다. here, Represents the switching period of the inverter, Represents the inverter carrier, Is the phase voltage of each inverter ( ) In Indicates the voltage.
여기서, 과 은 부스트 컨버터 인덕터 전류의 평균과 리플 전류를 나타낸다. 또한, 와 는 의 "off" 타임과 "on" 타임을 나타내며, 이를 수학식으로 나타내면 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. here, and Represents the average and ripple current of the boost converter inductor current. Also, Wow Is It represents the "off" time and the "on" time of, and can be expressed as in Equation 4 when expressed by Equation 4.
여기서, 는 컨버터 캐리어를 나타내며, 는 실효값이 최소가 되는 동기화 시간을 나타낸다. here, Represents the converter carrier, Represents the synchronization time at which the effective value becomes minimum.
DC 링크 커패시터(120)로 유입되는 전류는 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류 차이로, 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. The current flowing into the
즉, DC 링크 커패시터(120)로 유입되는 전류는 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류 차이로, 실효값을 구하는 RMS 전류에 대한 수식으로 나타내면, 수학식 5는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다. That is, the current flowing into the
수학식 5에 수학식 1 및 수학식 3을 대입하여 푸리에 급수로 전개한 후 실효값이 최소가 되는 지점을 캐리어 전압이 상승 및 하강하는 구간에 따라 구하면 수학식 7 및 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다. After substituting Equation 1 and Equation 3 into Equation 5 and developing as a Fourier series, the point at which the effective value is minimum is obtained according to the period in which the carrier voltage rises and falls, it can be expressed as Equations 7 and 12 have.
여기서, 는 컨버터의 스위칭 주기를 나타낸다. 또한, 는 인버터 캐리어 전압이 상승하는 구간에서의 인버터측 전류의 푸리에 급수의 계수를 나타내며, 수학식 8에 의해 도출될 수 있다. here, Represents the switching period of the converter. Also, Denotes the coefficient of the Fourier series of the inverter-side current in the period in which the inverter carrier voltage increases, and can be derived by Equation 8.
여기서, 는 인버터의 스위칭 주기를 나타내며, 는 각각 인버터측 전압() 중 가장 큰 값과 가장 작은 값에 해당하는 상의 인덕터() 전류를 나타낸다. 또한, 는 하기 수학식 9 내지 수학식 11과 같이 계산될 수 있다. here, Represents the switching period of the inverter, Is the inverter-side voltage ( ) Of the phase inductors corresponding to the largest and smallest values ( ) Represents the current. Also, May be calculated as in Equations 9 to 11 below.
여기서, 는 각 인버터의 상전압() 중 가장 큰 전압과 가장 작은 전압을 의미하며, 는 각 계통전압() 중 가장 큰 전압과 가장 작은 전압을 각각 의미한다. here, Is the phase voltage of each inverter ( ) Means the largest voltage and the smallest voltage, Is each grid voltage ( ) Means the largest voltage and the smallest voltage, respectively.
여기서, 는 인버터 캐리어 전압이 하강하는 구간에서의 인버터측 전류의 푸리에 급수의 계수를 나타내며, 수학식 13에 의해 도출될 수 있다.here, Denotes the coefficient of the Fourier series of the inverter-side current in the period in which the inverter carrier voltage falls, and may be derived by Equation 13.
는 수학식 14를 이용하여 도출될 수 있다. Can be derived using Equation 14.
즉, 다시 정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 DC 링크 커패시터(120)의 실효전류가 최소가 되도록 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭 타이밍을 조절할 수 있다.That is, in summary, the
본 발명의 일 실시예에서는 인버터(130)의 스위칭 타이밍을 컨버터(110)의 스위칭 타이밍에 일치시키는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하나, 컨버터(110)의 스위칭 타이밍을 인버터(130)의 스위칭 타이밍에 일치되도록 조절할 수도 있음은 당연하다. In an embodiment of the present invention, it is assumed that the switching timing of the
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of a power conversion device according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)는 제1 컨버터(410), DC 링크 커패시터(420), 제2 컨버터(430), 부하(440) 및 제어부(450)를 포함하여 구성된다. 도 4에서 제1 컨버터(410)와 제2 컨버터(430)가 각각 하나인 것으로 도시되어 있으나, 제1 컨버터(410)와 제2 컨버터(430) 중 적어도 하나는 복수일 수 있다. 4, a
제어부(450)는 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 컨버터(410, 430) 구조의 전력 변환 장치(400)에서 제1 컨버터(410)의 출력 전류와 제2 컨버터(430)의 입력 전류의 차이가 최소가 되도록 제1 컨버터(410)와 제2 컨버터(430)의 스위칭 타이밍을 조절하여 상기 직류링크 커패시터의 리플 전류를 저감할 수 있다. 이에 대해서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다. As shown in FIG. 4, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 5 is a flow chart showing a control method for reducing the DC link capacitor RMS current according to an embodiment of the present invention.
단계 510에서 전력 변환 장치(100)는 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류 및 전압을 각각 계산한다. 여기서, 전력 변환 장치(100)는 컨버터(110)의 출력 전류와 전압, 인버터(130)의 입력 전류와 전압을 각각 계산할 수 있다. In
또한, 전력 변환 장치(100)는 컨버터(110)와 인버터(130)의 개별 스위치의 온-오프 동작에 따른 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류와 전압을 각각 계산할 수 있다. In addition, the
단계 515에서 전력 변환 장치(100)는 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류와 전압을 이용하여 인버터(130)의 스위칭 온-오프 시간을 결정하는 제어 신호를 생성한다. In
단계 520에서 전력 변환 장치(100)는 제어 신호, 컨버터(110)와 인버터(130)의 전류와 전압을 이용하여 DC 링크 커패시터(120)의 RMS 전류가 최소가 되도록 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭 타이밍을 조절한다. In
예를 들어, 컨버터(110)의 출력 전류와 인버터(130)의 입력 전류의 차이가 "0"이 되는 경우 DC 링크 커패시터(120)의 RMS 전류가 발생하지 않도록 할 수 있다. 컨버터(110)의 출력 전류와 인버터(130)의 입력 전류의 차이가 "0"이 되도록 제어하는 것은 실시간 전력 제어에서 매우 어려우므로, DC 링크 커패시터(120)의 RMS 전류가 최소가 되도록 컨버터(110)와 인버터(130)의 스위칭 타이밍을 조절할 수 있다. For example, when the difference between the output current of the
이는 이미 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Since this is the same as already described with reference to FIGS. 1 to 3, a duplicate description will be omitted.
또한, 도 5에서는 컨버터(110)와 3상 인버터 구조의 전력 변환 장치에서의 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감 방법을 설명하고 있으나, 복수의 컨버터 구조의 전력 변환 장치에서도 동일하게 적용될 수 있음은 당연하다. In addition, although FIG. 5 illustrates a method of reducing the DC link capacitor RMS current in the power conversion device of the
도 6은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 커패시터 전류 감쇄율을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 종래의 경우 인버터측 전류와 컨버터측 전류간의 동기화가 맞지 않아 DC 링크 커패시터로 유입되는 전류, 즉 0 전류를 기준으로 하는 면적과 비례하는 실효값이 큰 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 결과에서는 면적이 작아지는 것을 알 수 있다. 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 링크 커패시터 RMS 전류 저감 방법을 이용하는 경우 DC 링크 커패시터로 유입되는 전류가 줄어드는 것을 알 수 있다. 6 is a graph showing a current attenuation rate of a DC link capacitor according to the prior art and an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, in the conventional case, the current flowing into the DC link capacitor, that is, the effective value proportional to the area based on the zero current is large due to inconsistent synchronization between the inverter-side current and the converter-side current. It can be seen from the results according to the embodiment that the area is reduced. As a result, it can be seen that when the DC link capacitor RMS current reduction method according to an embodiment of the present invention is used, the current flowing into the DC link capacitor is reduced.
본 발명의 실시 예에 따른 장치 및 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The apparatus and method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and usable to those skilled in the computer software field. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The above-described hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 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 실시 예들은 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.So far, the present invention has been looked at around the embodiments. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.
100: 전력 변환 장치
110: 컨버터
120: DC 링크 커패시터
130: 인버터
140: 부하
150: 제어부100: power conversion device
110: converter
120: DC link capacitor
130: inverter
140: load
150: control unit
Claims (10)
인버터;
상기 컨버터와 상기 인버터 사이에 위치되는 직류링크 커패시터; 및
상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류간의 차이가 발생하지 않도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 스위칭 타이밍을 조절하여 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 컨버터와 상기 인버터의 각 스위치의 온-오프 동작에 따른 상기 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수 및 상기 인버터로의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수를 계산한 후 상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 스위칭 타이밍을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
Converter;
inverter;
A DC link capacitor positioned between the converter and the inverter; And
And a control unit for adjusting the switching timing of the converter and the inverter so that the difference between the output current of the converter and the input current of the inverter does not occur so that the effective value of the current of the DC link capacitor is minimized,
The control unit,
After calculating the coefficient of the Fourier series of the output current of the converter and the coefficient of the Fourier series of the input current to the inverter according to the on-off operation of each switch of the converter and the inverter, the output current of the converter and the inverter The power conversion device, characterized in that the switching timing of the converter and the inverter is adjusted so that the effective value of the DC link capacitor current according to the relative position of the input current is minimized.
제2 컨버터;
상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터 사이에 위치되는 직류링크 커패시터; 및
상기 제1 컨버터의 출력 전류와 상기 제2 컨버터의 입력 전류간의 차이가 발생하지 않도록 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 스위치 타이밍을 조절하여 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록 하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 각 스위치의 온-오프 동작에 따른 상기 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수 및 상기 제2 컨버터로의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수를 계산한 후 상기 제1 컨버터의 출력 전류와 상기 제2 컨버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터의 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 스위칭 타이밍을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
A first converter;
A second converter;
A DC link capacitor positioned between the first converter and the second converter; And
Adjusting the switch timing of the first converter and the second converter so that the difference between the output current of the first converter and the input current of the second converter does not occur so that the effective value of the current of the DC link capacitor is minimized. Including a control unit,
The control unit,
After calculating the coefficient of the Fourier series of the output current of the converter and the coefficient of the Fourier series of the input current to the second converter according to the on-off operation of each switch of the first converter and the second converter, the first Power, characterized in that the switching timing of the first converter and the second converter is adjusted so that the effective value of the current of the DC link capacitor according to the relative position of the output current of the converter and the input current of the second converter is minimized. Conversion device.
(a) 상기 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수의 계수를 계산하는 단계;
(b) 상기 인버터의 입력 전류의 푸리에 급수의 계수를 계산하는 단계; 및
(c) 상기 컨버터의 출력 전류와 상기 인버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 컨버터와 상기 인버터의 각 스위치의 스위칭 타이밍을 조절하는 단계를 포함하는 직류링크 커패시터의 전류 실효값 최소화 방법.
In a power conversion device having a converter, a DC link capacitor, and a three-phase inverter structure, in the method of minimizing the effective value of the current of the DC link capacitor,
(a) calculating a coefficient of the Fourier series of the output current of the converter;
(b) calculating a coefficient of the Fourier series of the input current of the inverter; And
(c) DC including the step of adjusting the switching timing of each switch of the converter and the inverter so that the effective value of the DC link capacitor current according to the relative position of the output current of the converter and the input current of the inverter is minimized. How to minimize the RMS current value of the link capacitor.
제1 컨버터의 출력 전류의 푸리에 급수를 계산하는 단계;
제2 컨버터의 입력 전류의 푸리에 급수를 계산하는 단계; 및
상기 제1 컨버터의 출력 전류와 상기 제2 컨버터의 입력 전류의 상대적인 위치에 따른 상기 직류링크 커패시터 전류의 실효값이 최소가 되도록 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 각 스위치의 스위칭 타이밍을 조절하는 단계를 포함하는 직류링크 커패시터의 전류 실효값 최소화 방법.
In a power conversion apparatus having a structure in which a DC link capacitor is connected between a plurality of converters, in a method for minimizing an effective value of a current of the DC link capacitor,
Calculating a Fourier series of the output current of the first converter;
Calculating a Fourier series of the input current of the second converter; And
Adjusting the switching timing of each switch of the first converter and the second converter so that the effective value of the DC link capacitor current according to the relative position of the output current of the first converter and the input current of the second converter becomes minimum Method for minimizing the current RMS value of the DC link capacitor comprising the step.
A computer-readable recording medium product on which a program code for performing the method according to claim 8 or 9 is recorded.
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