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KR930005381B1 - 인버터의 병렬운전 제어방식 - Google Patents

인버터의 병렬운전 제어방식 Download PDF

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KR930005381B1
KR930005381B1 KR1019910001915A KR910001915A KR930005381B1 KR 930005381 B1 KR930005381 B1 KR 930005381B1 KR 1019910001915 A KR1019910001915 A KR 1019910001915A KR 910001915 A KR910001915 A KR 910001915A KR 930005381 B1 KR930005381 B1 KR 930005381B1
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Abstract

내용 없음.

Description

인버터의 병렬운전 제어방식
제1도는 종래 인버터의 병렬운전 제어기의 구성도.
제2도는 일반적인 인버터 2대 병렬운전시의 등가회로도.
제3도는 본 발명에 따른 인버터의 병렬운전 제어의 2대 병렬운전을 보인 실시예 구성도.
제4도는 제3도에 따른 인버터의 병렬운전 제어 타이밍 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
41,51 : 인버터 42,52 : 순시전압제어기
43,53,44,54 : 연산기 44,55 : PI보상기
60 : 중앙제어장치 70 : 부하
본 발명은 직류/교류 변환장치인 인버터의 병렬운전 방식에 관한 것으로 특히, 병렬운전시 위상동기 문제를 해결하고 순환전류를 최소화시키는 인버터의 병렬운전 제어방식에 관한 것이다.
일반적으로, 무정전 전원장치나 태양광을 이용한 낙도용 전원장치 및 연료전지를 이용한 전원장치등에서 수용가축의 최저와 최고의 부하에 따라 인버터의 효율적인 운전을 위해서는 인버터의 병렬운전이 필요하며, 부하의 증가에 의한 설비확장을 위해서도 인버터의 병렬 운전이 필요하게 되고, 이때 인버터의 병렬운전시 인버터 내부로 흐르는 순환전류를 제어하고 각각의 인버터의 위상을 동기시켜야 한다.
종래의 인버터 병렬운전 제어기는 제1도에 도시된 바와 같이 인버터(1)에서 로드에 공급되는 전류(I1)와 로드전류 검출기(2)를 통해 검출되는 로드에 공급되어야 할 전류(IL/n)를 측정하여 전류오차(ΔI)를 검출하는 전류오차 발생기(3)와, 그 전류오차 발생기(3)의 전류오차(ΔI)에 따라 무효전력 오차(ΔQ)를 발생하는 무효전력 오차발생기(4)와, 그 무효전력 오차(ΔQ)에 따라 상기 인버터(1)의 출력전압(Vf) 및 기준전압(Vr)과 비교하여 출력하는 연산기(5)와, 그 연산기(5)의 출력에 따라 이득제어를 하여 상기 무효전력 오차(ΔQ)를 줄이는 방향으로 진폭 제어하는 진폭제어기(6)와, 상기 전류오차 발생기(3)의 전류오차(ΔI)에 따라 유효전력 오차(ΔP)를 발생하는 유효전력 오차 발생기(7)와, 그 유효전력 오차(ΔP)에 따라 그 유효전력 오차(ΔP)를 줄이는 방향으로 위상제어(PLL)를 하는 위상제어기(8)와, 그 위상제어기(8)의 출력을 기준주파수(fo)와 비교연산하는 연산기(9)와, 그 연산기(9)의 출력에 따라 각 인버터의 위상이 같아지도록 발진제어하는 발진기(10)와, 그 발진기(10)의 발진출력을 상기 진폭제어기(6)의 출력에 따라 펄스폭 변조(PWM) 제어하여 상기 인버터(1)의 스위칭 제어를 하는 펄스폭 변조기(11)로 구성되었다. 여기서, IL/n의 n은 인버터의 수이다.
이와 같이 구성된 종래 인버터 병렬운전 제어기에 따른 종래 기술의 작용 및 문제점을 설명하면 다음과 같다. 인버터(1) 자신이 공급하는 전류(I1)와 자신이 부하에 공급해야할 전류(IL/n)를 측정하여 전류오차 발생기(3)를 통해 전류오차(ΔI)를 발생시키고, 그 전류오차(ΔI)에 따라 무효전력 오차(ΔQ) 및 유효전력 오차(ΔP)를 구하여 무효전력 오차(ΔQ)는 기준전압(Vr)과 인버터(1)의 출력전압(Vf)과 비교되어 진폭제어기(6)에 입력되고, 유효전력 오차(ΔP)는 위상제어기(8)에 입력된다. 진폭제어기(6)는 적당한 이득(VC)을 곱하여 무효전력 오차(ΔQ)를 줄이는 방향으로 제어한다. 즉, 출력전압의 진폭을 제어하면 무효전력을 제어할 수 있게 된다.
한편, 위상 제어기(8)는 유효전력 오차(ΔP)에 따라 그 유효전력 오차(ΔP)를 줄이는 방향으로 제어하는데, 각 인버터의 출력전류의 위상이 같아지도록 하면 유효전력 오차(ΔP)가 없어지므로 위상제어기(8)의 출력은 기준주파수(fo)와 비교되어 발진기(10)에 입력됨으로써, 각 인버터의 위상이 같아지도록 제어된다. 펄스폭 변조기(11)는 진폭 제어기(6)의 진폭제어 출력에 따라 발진기(10)의 출력을 펄스폭 변조하여 인버터(1)의 스위치를 온/오프 시키도록 한다. 이상의 동작을 반복하여 각 인버터는 같은 전력이 분담되고 위상이 같게 제어되므로 순환전류가 위상동기 문제를 해결할 수 있게 된다.
그러나, 종래 기술의 인버터 병렬운전 제어기는 실효전력 제어기법이고 아날로그 제어기이므로 순시적으로 전압을 보상할 수 없는데, 제2도에 도시된 인버터 2대 병렬운전시의 등가회로도에 도시된 바와 같이 2대의 인버터(21), (22)가 각기 LC필터(23), (24)를 통하여 부하(25) 연결되는 브리지 구성이 되므로, 각 인버터(21), (22)의 브리지 회로에 의해서 발생되는 전압〔V1(t)〕, 〔V2(t)〕은 각각의 인버터(21), (22) 를 구성하는 스위치에 동일한 펄스패턴을 인가하더라도 약간 다르게 나타나게 된다.
뿐만 아니라 브리지 출력단에 연결된 LC필터(23), (24)의 값들도 동일한 소자를 사용하여도 완전하게 같게 만들 수가 없기 때문에 필연적으로 인버터(21)와 인버터(22) 사이에 순환전류가 흐르게 되고, 이로 인하여 각각의 인버터(21), (22)는 자기 자신의 정격용량보다 훨씬 작은 용량만을 부하(25)측에 공급하게 되므로 전체적인 시스템 효율도 크게 감소하게 되며 인버터 스위칭소자의 파괴원인이 된다. 따라서, 부하변동이나 파라이터 변동에 대하여 강인하지 못하며 과도상태시 위상이 동기되는데 몇주기 정도 걸리므로 이때의 순환전류를 억제하기 위해서는 인버터의 필터(Ls, Cp) 값을 작게 할 수 없어 부피가 커지며, 단가도 비싸고, 아날로그 제어기의 단점인 부품의 노화현상과 동작중 드리프트(drift) 현상 및 잡음등에 민감한 단점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 현대 제어이론을 쉽게 적용할 수 있는 순시전압 제어방식을 이용하여 인버터 병렬운전시의 최대문제점인 순환전류의 최소화를 위하여 매순간 각각의 인버터 출력전류의 크기가 순서적으로 같으면서 부하전류를 균등 분배하여 부담하도록 함으로써 순환전류를 최소화시키고, 신속한 위상동기 및 제어의 고도화와 정밀화등을 개선하며, 제어기를 디지탈 신호처리로 하여 아날로그 제어기의 단점을 개선하도록 한 인버터의 병렬운전 제어방식을 창안한 것으로, 이를 첨부한 도면을 참조해 상세히 설명하면 다음과 같다.
제3도는 본 발명에 따른 인버터의 병렬운전 제어기의 2대 병렬운전 실시예를 보인 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이 펄스폭 변조 전압원 인버터(41), (51)가 부하(70)와 브리지 구성되어 부하(70)에 각기 분담전류(Io1), (Io2)를 출력하도록 하며, 각기 순시전압 제어기(42), (52)는 상기 인버터(41), (51)의 출력전압(Vo), (Vo) 및 출력전류(Io1), (Io2)를 측정하여 그 출력전류(Io1), (Io2)를 중앙제어장치(60)에 전송하고, 각 인버터(41), (51)가 분담해야 할 전류기준치(Io/n) 및 반송파 기준신호를 상기 중앙제어장치(60)로 부터 입력받아 인버터 순시전압 제어출력(Ul*), (U2*)을 하며, 전류기준치(Io/n)와 각 출력전류(Io1), (Io2)와의 차를 연산기(44), (54)를 통해 구하여 각기 PI보상기(45), (55)를 통해 전류차에 따른 순시 보상치(dU1*), (dU2*)를 구하고, 그 순시 보상치(dUl*), (dU2*)와 순시 전압제어기(42), (52)의 순시전압 제어출력(U1*), (U2*)을 각기 연산기(43), (53)를 통해 합산하여 각 인버터(41), (51)의 순시전압 제어신호(U1), (U2)로 인가하도록 구성하였다. 여기서, 중앙제어장치(60)는 각 인버터(41), (51)의 출력전류(Io1), (Io2)를 입력받아 이를 합산한 후 그 인버터 수(n=2)로 나누어 각 인버터가 분담해야 할 전류기준치(Io/n)를 발생함과 아울러 각 인버터(41), (51)를 공통 제어하기 위한 반송파 기준신호를 각 순시전압 제어기(42), (52)에 출력시킨다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
인버터의 병렬운전시 부하에 인버터를 병렬연결 시키므로 그에 따른 브리지 구성이 발생되어 순환전류가 발생하게 되는데, 병렬 운전시의 최대관점은 어떻게 하면 순환전류를 최소화할 수 있느냐에 있게 된다. 즉, 순환전류는 인버터(41)〔인버터(51)〕에서 공급한 전류가 인버터(51)〔인버터(41)〕로 전달되어 인버터 자신의 정격용량보다 훨씬 작은 용량만을 부하측에 공급하게 되어 전체적인 시스템 효율이 크게 감소됨과 아울러 인버터 스위치 소자의 파괴원인이 되는 순환전류의 최소화가 최대관점이 된다. 이에 따라 본 발명에서는 매순간 각각의 인버터(41), (51) 출력 전류값〔Io1(t)〕, 〔Io2(t)〕의 크기가 순시적으로 같으면서 부하전류(Io)를 정확하게 분담시키게 되면 2대 병렬운전시 두개의 인버터(41), (51)가 공급하는 순시전력은 모두 부하측에 공급되도록 하여 순환전류가 제로가 될 수 있게 된다.
이때의 관계식은
Io1(t)=Io2(t)=Io(t)/2 식 (1)
이 되므로, 본 발명은 위의 식(1)을 항상 만족시키면서 각각의 인버터(41), (51)를 제어하여 순환전류를 없애도록 한다.
각 순시전압 제어기(42), (52)는 각각의 인버터(41), (51)가 부하(70)에 공급하고 있는 출력전류(Io1), (Io2)와 출력전압(Vo), (Vo)을 측정하고, 데이타 버스를 통하여 중앙제어장치(60)에 출력전류(Io1), (Io2)값을 보낸다.
이에 따라 중앙제어장치(60)는 상기 출력전류(Io1), (Io2) 값을 합하여 부하전류(Io)를 계산하고, 이를 각각의 인버터(41), (51)가 분담하여야 할 전류기준치(Io/2)를 각 순시전압 제어기(42), (52)에 보내준다. 또한 중앙제어장치(60)는 각 인버터 상태를 모니터하고, 인버터의 투입과 차단을 지시하며, 반송파 기준 신호를 각 순시전압 제어기(42), (52)에 보내준다. 따라서 순시전압 제어기(42), (52)는 상기 식(1)을 항상 만족시키기 위해서는 순시전압 제어기(42), (52)의 순시전압 제어출력(U1*), (U2*)을 계산할때 부하전류에 대한 표현식 Io1(t)과 Io2(t) 대신에 전류 기준치〔Io2(t)〕에 따른 상기 식(1)의 관계식을 대입하여 순시전압 제어출력(U1*), (U2*)을 계산한다. 그러면 각 제어기의 출력은 항상 같은 전력을 분담할 수 있게 되지만, 이 경우 실제의 부하전류〔Io1(t)/2〕, 〔Io2(t)〕와 전류 기준치〔Io(t)/2〕의 차이로 시스템이 불안정 해지므로 PI보상기(45), (55)를 첨가하여 시스템을 안정화시키게 된다. 즉, PI보상기(45), (55)는 각각의 부하전류〔Io1(t)〕, 〔Io2(t)〕와 전류기준치〔Io(t)/2〕의 오차를 가지고 보상치(dU1*), (dU2*)를 출력하여 순시전압 제어기(42), (52)의 순시전압 제어기출력(U1*), (U2*) 값과 각기 합하여 최종적인 각 인버터 제어입력(U1), (U2)을 만들어 각기 인버터(41), (51)를 제어한다.
제4도는 본 발명에 따른 제3도의 동작 타이밍도인데, 위상동기문제를 중앙제어장치(60)에서 각각의 인버터가 동기되어 동작하도록 삼각파인 반송파의 기준신호를 인가시킴으로써 위상동기문제를 자동적으로 해결시키게 된다.
예를 들어, 제3도의 병렬운전 제어기를 이용하여 인버터(41)가 동작되다가 인버터(52)를 투입하여 병렬운전하고 다시 인버터(41)만 동작하는 과정의 순서를 설명하면, 첫째, 인터버(52)의 투입전 인버터(41)는 순시 전압제어기(42)에 의하여 부하(70)에서 필요한 모든 전력을 공급한다. 둘째, 부하(70)가 증가하여 인버터(51)의 투입이 필요하면 중앙제어장치(60)는 인버터(51)의 출력단이 부하단에 연결되지 않은 상태에서 인버터(51)를 동작시킨다. 셋째, 인버터(41)와 인버터(52)의 출력전압의 위상이 같게되면 중앙제어장치(60)는 인버터(52)의 투입을 명령하여 인버터(52)가 투입된다. 넷째, 제4도 타이밍도에 도시된 바와 같이 중앙제어장치(60)는 매 샘플링마다 각 인버터에 모든 기준치를 제공하며, 각각의 인버터가 읽은 출력전류(Io1, Io2)를 받아서 각 인버터가 분담해야 하는 전류 분담량(Io/2)을 제공한다. 다섯째, 각 인버터(41), (52)의 순시전압 제어기(42), (52)는 순환전류 보상용 PI제어기(45), (55)를 포함하여 전압 지령치(U1), (U2)를 계산하여 출력한다. 여섯째, 부하전류(Io)가 감소하면 중앙제어장치(60)는 인버터(52)를 분리시킨다.
위에서 설명한 병렬운전 방식은 모든 순시전압 제어기에 적용시킬 수 있으며, 임의의 n개 인버터 병렬운전까지 확장시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 인버터 병렬운전제어에 있어서, 부하동이나 파라미터 변동에 대하여 매우 강인하며, 과도 상태시에도 몇 샘플링 타임만에 정상상태에 도달할 수 있고, 위상 동기문제는 기준치를 공유함으로써 해결되어 순환전류를 효과적으로 제어할 수 있으며, 이에 따라 인버터의 LC 필터값을 작게할 수 있어 부피가 작아지며 단가도 싸지고 아날로그 제어기의 단점도 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 인버터의 병렬운전 제어에 있어서, 펄스폭 변조 전압원 인버터를 순시적으로 제어하는 순시전압 제어수단과, 병렬운전 인버터의 모니터, 온/오프 제어, 부하분담 및 전압지령을 하는 중앙제어수단을 구비한 후, 그 중앙제어수단에서 매 샘플 순간마다 기준전압치와 기준전류치를 각각의 순시전압 제어수단에 공급함과 아울러 반송파를 공유하도록 하여 전체 병렬 운전 시스템을 동기시키고, 각 인버터가 분담해야 할 부하전류 기준치를 순시적으로 계산하여 각 순시전압 제어수단에 제공하며, 각 순시전압 제어수단에서 중앙제어수단의 제어에 따라 공유하는 반송파에 위상동기하여 인버터를 순시적으로 제어하는 순시전압 제어값을 발생시킨 후 부하전류 기준치와 인버터의 출력전류의 오차에 따른 PI보상치를 보상하여 각각의 인버터를 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 인버터의 병렬운전 제어방식.
  2. 제1항에 있어서, 중앙제어수단은 각 순시제어수단을 통해 각 인버터의 출력전류를 합한 후 이를 평균하여 각 인버터가 분담해야할 부하전류 기준치를 순시적으로 연산하여 각 순시제어수단에 전송하도록 하는 것을 특징으로 하는 인버터의 병렬운전 제어방식.
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