KR100707081B1 - Apparatus and method for controlling instantaneous current - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 발전 시스템의 인버터를 제어함에 있어서, 인버터의 출력전압과 계통으로 공급되는 출력전압의 벡터 관계를 이용하여 커플링 리액터의 위상지연과, PI 제어기의 제어 스트레스를 보완한다.The present invention compensates the phase delay of the coupling reactor and the control stress of the PI controller by using the vector relationship between the output voltage of the inverter and the output voltage supplied to the grid in controlling the inverter of the solar power generation system.
본 발명에 따르면, 전류벡터 제어기를 구비하고, 그 전류벡터 제어기가 커플링 리액터에서의 위상각 지연과, 인버터를 디지털 제어함에 따라 발생되는 제어지연 위상각으로 보정할 위상각을 계산하고, 계산한 위상각에 따라 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값을 생성하여 위상각을 보정한다. 그러므로 태양광 발전 시스템이 계통으로 공급하는 전압과 전류의 위상각이 일치하여 무효전력이 발생하지 않고, PI(Proportional Integral) 제어기의 스트레스를 완화시킨다.According to the present invention, a current vector controller is provided, and the current vector controller calculates and calculates a phase angle to be corrected by the phase angle delay in the coupling reactor and the control delay phase angle generated by digitally controlling the inverter. The phase angle is corrected by generating a current phase correction value and a voltage phase correction value according to the phase angle. Therefore, the phase angle of the voltage and current supplied to the grid by the solar power system is matched, so that no reactive power is generated and the stress of the PI (Proportional Integral) controller is alleviated.
인버터, 순시전류, 리액터, 태양광발전, PI 제어기, 위상지연, 보상 Inverter, instantaneous current, reactor, photovoltaic, PI controller, phase delay, compensation
Description
도 1은 일반적인 계통 연계형 태양광 발전시스템의 구성을 보인 회로도.1 is a circuit diagram showing the configuration of a typical grid-tied photovoltaic power generation system.
도 2는 종래의 순시전류 제어장치의 구성을 보인 회로도.2 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional instantaneous current control device.
도 3은 도 1의 인버터의 출력전압과 계통으로 공급되는 전원전압의 위상 관계를 보인 도면.3 is a diagram illustrating a phase relationship between an output voltage of the inverter of FIG. 1 and a power supply voltage supplied to a grid.
도 4는 본 발명의 순시전류 제어장치의 구성을 보인 회로도.Figure 4 is a circuit diagram showing the configuration of the instantaneous current control device of the present invention.
도 5는 본 발명의 순시전류 제어방법을 보인 신호흐름도.5 is a signal flow diagram showing an instantaneous current control method of the present invention.
도 6a 및 6b는 종래 및 본 발명에 따라 계통으로 공급되는 전압 및 전류의 위상 관계를 설명하기 위한 파형도.6A and 6B are waveform diagrams for explaining the phase relationship between voltage and current supplied to a system according to the prior art and the present invention;
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Explanation of symbols for main parts of drawings *
100 : 태양전지 120 : 인버터100: solar cell 120: inverter
130 : 커플링 리액터 140 : 직류전력 커패시터130: coupling reactor 140: DC power capacitor
150 : 계통 160 : 전류센서150: system 160: current sensor
170 : PT(Potential Transformer) 400 : 전류벡터 제어기170: PT (Potential Transformer) 400: current vector controller
410, 450 : 제 1 및 제 2 곱셈기 420 : 감산기410, 450: first and second multipliers 420: subtractor
430 : PI(Proportional Integral) 제어기430: PI (Proportional Integral) controller
440 : 가산기 460 : 삼각파 발생부440: adder 460: triangle wave generator
470 : 비교기 PLL : 위상차 검출신호470: comparator P LL : phase difference detection signal
IREF : 기준전류 IME : 전류 검출신호I REF : Reference Current I ME : Current Detection Signal
IER : 에러 전류신호 VME : 전압 검출신호I ER : error current signal V ME : voltage detection signal
본 발명은 배터리에 충전된 직류전력을 인버터가 단상 교류전력으로 변환하여 계통(Grid)으로 공급할 경우에 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 순시전류 제어장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an instantaneous current control device and method for controlling the switching operation of the inverter when the inverter converts the DC power charged in the battery into a single-phase AC power supply to the grid.
보다 상세하게는 태양광 발전시스템에서 태양전지가 발생하여 배터리에 충전시킨 고전류, 저전압의 직류전력을 인버터가 단상 교류전력으로 변환하여 계통으로 공급함에 있어서, 인버터의 출력전압과 계통으로 공급되는 출력전압의 벡터 관계를 이용하여, 순시전류를 제어할 경우에 발생되는 커플링 리액터의 위상지연과, PI(Proportional Integral) 제어기의 제어 스트레스를 보완하는 순시전류 제어장치 및 방법에 관한 것이다.More specifically, in the solar power generation system, when the inverter converts the high current and low voltage DC power charged into the battery into a single phase AC power and supplies it to the system, the output voltage of the inverter and the output voltage supplied to the system The instantaneous current control device and method for compensating the phase delay of the coupling reactor generated when the instantaneous current is controlled and the control stress of the PI (Proportional Integral) controller using the vector relationship
일반적으로 태양광 발전시스템은 태양전지를 이용하여 직류전력을 발생하고, 발생한 직류전력은 통상적으로 배터리 등에 충전시킨다. 그리고 배터리에 충전시킨 고전류 및 저전압의 직류전력은 에너지 변환장치인 인버터를 이용하여 사용하기 편리한 60㎐의 상용 교류전력으로 변환하고, 이를 계통으로 전달하여 부하로 공급하고 있다.In general, a photovoltaic power generation system generates DC power using a solar cell, and the generated DC power is usually charged in a battery or the like. And the high current and low voltage DC power charged in the battery is converted into a commercial AC power of 60 kW, which is easy to use using an inverter, an energy converter, and transferred to the system to supply the load.
상기 태양광 발전시스템에 있어서, 배터리에 충전된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 계통으로 전달하는 변환효율을 최대로 하기 위해서는 인버터의 효율을 극대화시켜야 한다.In the photovoltaic power generation system, in order to maximize the conversion efficiency of converting the DC power charged in the battery into AC power and transferring it to the system, the efficiency of the inverter should be maximized.
일반적으로 선형 및 비선형 부하에 적용되는 계통 연계형은 순시전류를 제어할 경우에 인버터의 출력전압과 계통으로 공급되는 전압을 동기시키는 제어방법을 이용하게 된다. 이러한 경우에 반드시 인버터와 계통의 사이에는 커플링 리액터를 사용해야 된다.In general, the grid-connected type applied to linear and nonlinear loads uses a control method for synchronizing the output voltage of the inverter with the voltage supplied to the grid when controlling the instantaneous current. In this case, a coupling reactor must be used between the inverter and the grid.
그러나 인버터의 스위칭 동작을 순시전류로 제어할 경우에 상기 커플링 리액터에 의해 위상지연이 발생하고, 또한 커플링 리액터에서 전압강하가 발생하게 된다.However, when the switching operation of the inverter is controlled by the instantaneous current, a phase delay occurs by the coupling reactor, and a voltage drop occurs in the coupling reactor.
도 1은 일반적인 계통 연계형 태양광 발전시스템의 구성을 보인 회로도이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a typical grid-tied photovoltaic power generation system.
여기서, 부호 100은 태양전지이다. 상기 태양전지(100)는 태양광을 입사받아 직류전력을 발생한다. 부호 110은 직류전력 커패시터이다. 상기 직류전력 커패시터(110)는 예를 들면, 배터리로 구성되는 것으로서 상기 태양전지(100)가 발생하는 고전류 및 저전압의 직류전력을 충전한다.Here,
부호 120은 인버터이다. 상기 인버터(120)는 예를 들면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 스위칭 소자로 사용하는 것으로서 입력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 신호에 따라 인버터(120)의 스위칭 소자가 온 및 오프를 반복하면서 상기 직류전력 커패시터(110)에서 공급되는 직류전력을 스위칭시켜 PWM 전력을 발생한다.
부호 130은 커플링 리액터이고, 부호 140은 커패시터이다. 상기 커플링 리액터(130) 및 커패시터(140)는 고주파 필터를 구성하는 것으로서 상기 인버터(120)가 발생한 PWM 전력을 필터링하여 정현파의 교류전력으로 변환한다.
부호 150은 계통이다. 상기 계통(150)은 상기 커플링 리액터(130) 및 커패시터(140)로 이루어진 고주파 필터를 통해 필터링된 교류전력을 부하로 공급하는 역할을 수행한다. 여기서, 계통 연계형에서는 복수의 계통(150)이 병렬로 접속될 수 있다.
이러한 구성을 가지는 태양광 발전시스템은 태양전지(100)가 태양광을 입사받아 직류전력을 발생하고, 발생한 직류전력은 직류전력 커패시터(110)에 충전된다.In the photovoltaic power generation system having such a configuration, the
상기 직류전력 커패시터(110)에 충전된 고전류, 저전압의 직류전력은 인버터(120)로 공급된다.The high current and low voltage DC power charged in the
상기 인버터(120)는 순시전류 제어장치로부터 입력되는 PWM 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자가 온 및 오프를 반복한다.The
그러면, 상기 직류전력 커패시터(110)로부터 공급되는 직류전력이 인버터 (120)의 스위칭 소자의 온 및 오프에 따라 스위칭되어 PWM 전력이 발생된다.Then, the DC power supplied from the
상기 인버터(120)에서 발생된 PWM 전력은 커플링 리액터(130) 및 커패시터(140)를 통해 소정 레벨의 전류(IL)가 계통(150)으로 전달됨으로써 태양광 발전에 의해서 발생되는 에너지가 인버터(120)에 의해서 계통(150)으로 전달된다.The PWM power generated by the
여기서, 상기 커플링 리액터(130) 및 커패시터(140)로 이루어지는 고주파 필터는 인버터(120)가 발생한 PWM 전력을 필터링하여 계통(150)으로 정현파 교류전력이 전달되게 하는 역할을 수행한다.Here, the high frequency filter composed of the
이러한 태양광 발전시스템에 있어서, 상기 인버터(120)는 직류전력 커패시터(110)에 충전되어 있는 고전류 및 저전압의 직류전력을 스위칭시켜 계통(150)으로 교류전력을 공급하는 에너지 변환장치로서 수 ㎾급에서 수 ㎿급을 비롯하여 여러 종류의 인버터(120)가 알려져 있다.In such a photovoltaic power generation system, the
일반 가정용으로 사용되고 있는 계통형 인버터는 60㎐의 상용 교류전력을 슨시적으로 제어하는 순시전류 제어를 이용하고 있다.The grid type inverter used for general household uses instantaneous current control to control 60 VAC commercially.
일반적으로 계통(150)으로 역률이 1인 유효전력만을 공급할 경우에 인버터(120)와 계통(150)의 사이에 커플링 리액터(130)를 구비해야 된다. 인버터(120)에서 계통(150)으로 유효전력만을 공급하기 위해서는 커플링 리액터(130)로 흐르는 전류가 계통(150)의 전압과 동상이고, 그 크기는 인버터(120)에서 출력되는 전압의 진폭과 위상을 적절하게 조절하면 된다.In general, when supplying only the effective power having a power factor of 1 to the
도 2에 도시된 바와 같이 인버터(120)의 출력전압(VI)은 계통(150)의 전압(Vs)보다 위상이 앞서며 진폭은 VI = Vs / cos θ의 관계를 유지해야만 계통(150)과 동상인 전류 IL을 공급할 수 있다.As shown in FIG. 2, the output voltage V I of the
그러나 이러한 경우에 복수의 계통(150)들 사이에서 발생되는 순환전류를 방지하기 위하여 적당한 값의 커플링 리액터(130)가 필요하고, 따라서 커플링 리액터(130)에서 무시할 수 없는 전압강하(VL)가 발생한다.However, in this case, in order to prevent a circulating current generated between the plurality of
상기 커플링 리액터(130)에서의 전압강하는 인버터(120)가 커플링 리액터(130)에 공급해주어야 할 무효전력이 증가하게 되는 것으로서 인버터(120)의 종합 피상전력(KVA)의 용량이 커지게 된다.The voltage drop in the
그리고 계통(150)으로 유효전력만을 공급하기 위한 관계식이 정확하게 성립되지 않으면, 흘려 주기 위한 앞의 관계식이 정확하게 성립되지 못하면, 계통(150)으로 무효전력 성분의 전류도 흐르게 된다.And if the relationship for supplying only the active power to the
그러므로 종래의 순시전류 제어장치는 계통(150)으로 무효전력 성분의 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 변류기 등과 같은 전류센서(160)를 이용하여 계통(150)으로 공급되는 출력전류를 검출하고, PT(Potential Transformer)(170)를 이용하여 계통(150)으로 공급되는 출력전압을 검출한다.Therefore, the conventional instantaneous current control device detects the output current supplied to the
그리고 상기 전류센서(160)로 검출한 출력전류를 유효전력 성분과 무효전력 성분으로 분류하고, 이를 이용하여 인버터(120)의 출력전압과 주파수를 미세하게 조정하고 있다.The output current detected by the
이러한 종래의 순시전류 제어장치를 도 3의 도면을 참조하여 설명한다.This conventional instantaneous current control device will be described with reference to FIG. 3.
도 3은 종래의 순시전류 제어장치의 구성을 보인 회로도이다. 여기서, 부호 PLL은 위상각 검출신호이다. 상기 위상각 검출신호(PLL)는 계통(150)으로 출력되는 전압과 동기되는 위상각을 검출한 신호로서 최대크기가 ±1인 sin θ의 값이다.3 is a circuit diagram showing the configuration of a conventional instantaneous current control device. Here, the symbol P LL is a phase angle detection signal. The phase angle detection signal P LL is a signal that detects a phase angle synchronized with the voltage output to the
상기 위상각 검출신호(PLL)는 제 1 곱셈기(300)에서 미리 설정된 비례상수(K1)가 곱셈되어 인버터(120)의 스위칭 소자를 스위칭시킬 기준전류(IREF)가 생성된다. 즉, IREF = K1 sinθ가 생성된다.The phase angle detection signal P LL is multiplied by a preset proportional constant K 1 in the
상기 생성된 기준전류(IREF)는 감산기(310)에서 상기 전류센서(160)의 검출전류(IME) 즉, 소정의 크기 및 위상을 가지는 검출전류(IME)가 감산되어 에러 전류신호(IER)가 계산되고, 계산된 에러 전류신호(IER)는 PI 제어기(320)에서 PI 제어되어 보상전압이 계산된다.The generated reference current (I REF) is a detected current (I ME), i.e., the detected current (I ME) having a predetermined magnitude and phase of the
상기 PI 제어기(320)에서 계산된 보상전압은 가산기(330)에서 PT(170)가 검출한 계통(150)의 검출전압(VME)이 가산된다. 즉, 소정의 크기 및 위상을 가지는 검출전압(VME)이 가산된다.The compensation voltage calculated by the
그리고 상기 가산기(330)의 출력신호는 제 2 곱셈기(340)에서 미리 설정된 비례상수(K2)가 곱셈되어 상기 인버터(120)를 스위칭시킬 스위칭 전압이 발생된다. 상기 스위칭 전압은 삼각파 발생부(350)가 발생하는 삼각파와 비교기(360)에서 비교되어 PWM 신호가 발생되고, 발생된 PWM 신호는 스위칭 신호로 출력되어 상기 인버터(120)의 스위칭 소자를 스위칭시키게 된다.The output signal of the
상술한 바와 같이 인버터(120)의 출력전압(VI)은 계통(150)의 전압(Vs)보다 위상이 앞서고, 진폭은 VI = Vs / cos θ의 관계식을 유지해야 계통(150)과 동상인 전류 IL을 공급할 수 있다.As described above, the output voltage (V I ) of the
그러나 상기한 바와 같은 관계식는 이상적인 경우로서 실질적으로 인버터(120)를 제어할 경우에 디지털 제어 시스템에서는 측정된 값이 반드시 DSP(Digital Signal Processor)에 의해 연산하게 되고, 이는 인버터(120)의 스위칭 주기 즉, 수 ㎑의 인버터 스위칭 시에 발생하게 되는 인터럽트 시간에 따라서 위상지연이 발생하게 된다.However, the relational expression as described above is an ideal case. In the case of controlling the
이러한 위상지연은 실시간으로 제어되는 아날로그 시스템이 아닌 디지털 시스템으로 인하여 발생되는 것으로서 디지털 시스템의 연산시간만큼 시간지연이 필연적으로 발생하게 된다. 또한 실질적으로 커플링 리액터에서 발생되는 전압강하 성분이 있으므로 순시전류를 제어할 경우에 위상 차가 발생하게 된다.This phase delay is caused by a digital system rather than an analog system that is controlled in real time, and a time delay inevitably occurs as much as the computation time of the digital system. In addition, since there is a voltage drop component generated in the coupling reactor, a phase difference occurs when the instantaneous current is controlled.
그러므로 실질적으로 PI 제어기(320)가 전류 기준 값을 추종할 경우에 PI 제어기(320)가 담당하는 부분이 매우 크게 된다.Therefore, in the case where the
또한 순시전류는 교류전류이므로 전류 기준 값이 순시적으로 교번하게 되고, 이는 순시 전류 제어장치의 제어 스트레스가 많아지게 된다.In addition, since the instantaneous current is an alternating current, current reference values are alternately instantaneously, which increases the control stress of the instantaneous current controller.
일반적으로 삼상 인버터 시스템의 전류 제어장치나 전압 제어장치의 경우에 PI 제어기는 교번하는 교류를 제어하지 않고, 직류를 제어하므로 PI 제어기의 제어 스트레스가 적다.In general, in the case of a current controller or a voltage controller of a three-phase inverter system, the PI controller does not control alternating alternating currents, but controls the direct current so that the PI controller has less control stress.
그러나 단상 교류 인버터 시스템의 경우 일반적으로 교류를 제어하므로 PI 제어기의 스트레스가 커지게 되며, 실질적으로 PI 제어기에서 P(Proportional) 이득이 대부분을 담당하게 되며 I(Integral) 이득의 값은 P 이득의 값에 비하여 현저하게 작은 값을 갖게 된다.However, in the case of single-phase AC inverter system, the control of alternating current generally increases the stress of the PI controller. Actually, the P (Proportional) gain in the PI controller is mostly responsible, and the value of I (Integral) gain is the value of P gain. It is significantly smaller than that.
전원전압이 완벽한 교류 값이 아닌 경우가 대부분이기 때문에 전원전압이 왜곡이 되어 있을 경우 급격하게 변하는 부분에 P 제어기가 담당해야 하는 부분이 커지면서 제어가 원활하게 이루어지지 않게 된다.Since the power supply voltage is not a perfect AC value in most cases, when the power supply voltage is distorted, the part that the P controller must take charge of in the rapidly changing part becomes large and the control is not performed smoothly.
본 발명의 목적은 순시전류를 제어할 경우에 발생되는 커플링 리액터의 위상지연과, PI(Proportional Integral) 제어기의 제어 스트레스를, 인버터의 출력전압과 계통으로 공급되는 출력전압의 벡터 관계를 이용하여 보완하는 순시전류 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.The object of the present invention is to use the phase delay of the coupling reactor generated when controlling the instantaneous current and the control stress of the PI (Proportional Integral) controller by using the vector relationship between the output voltage of the inverter and the output voltage supplied to the grid. The present invention provides a supplementary instantaneous current control device and method.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 순시전류 제어장치 및 방법에 따르면, 지연 된 위상각을 보상하기 위한 전류벡터 제어기를 구비한다. 상기 전류벡터 제어기는 인버터와 계통의 사이에 구비되는 커플링 리액터에서 전압이 지연되는 위상각을 계산하고, 계산한 지연 위상각과 인버터를 제어함에 따라 발생되는 제어지연 위상각과 계통으로 공급되는 전압의 위상각 검출신호로 보정할 위상각을 계산한다. 그리고 상기 계산한 보정할 위상각에 전류 크기값 및 전압 크기값을 곱하여 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값을 발생하고, 발생한 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값에 따라 PWM 스위칭 신호를 발생하여 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하도록 한다.According to the instantaneous current control apparatus and method of the present invention having this purpose, there is provided a current vector controller for compensating the delayed phase angle. The current vector controller calculates a phase angle at which a voltage is delayed in a coupling reactor provided between the inverter and the grid, and calculates the delay phase angle and the control delay phase angle generated by controlling the inverter and the phase of the voltage supplied to the grid. Calculate the phase angle to be corrected for each detected signal. And multiplying the calculated phase angle by a current magnitude value and a voltage magnitude value to generate a current phase correction value and a voltage phase correction value, and generate a PWM switching signal according to the generated current phase correction value and the voltage phase correction value. To control the switching operation of the inverter.
그러므로 본 발명의 순시전류 제어장치는, 직류전력을 PWM 전력으로 변환하는 인버터; 상기 인버터의 출력전력을 필터링하여 계통으로 공급하는 커플링 리액터 및 커패시터; 계통으로 출력되는 전압의 위상각 검출신호, 전류 검출신호 및 전압 검출신호로 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값을 계산하는 전류벡터 제어기; 상기 위상각 검출신호에 미리 설정된 소정의 비례상수를 곱하여 기준 전류신호를 생성하는 제 1 곱셈기; 제 1 곱셈기가 생성한 기준 전류신호에서 상기 전류벡터 제어기가 생성한 전류위상 보정값을 감산하여 에러 전류신호를 계산하는 감산기; 상기 감산기가 계산한 에러 전류신호를 PI 제어하여 보상전압을 생성하는 PI(Proportional Integral) 제어기; 상기 PI 제어기가 계산한 보상전압에 상기 전류벡터 제어기가 생성한 전압위상 보정값을 가산하는 가산기; 상기 가산기의 출력신호에 미리 설정된 비례상수를 곱하여 스위칭 전압을 생성하는 제 2 곱셈기; 및 상기 제 2 곱셈기가 생성한 스위칭 전압을 소정 주파수의 삼각파와 레벨을 비교하여 PWM 스위칭 신호를 발생하여 상기 인버터로 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Therefore, the instantaneous current control device of the present invention, the inverter for converting DC power into PWM power; A coupling reactor and a capacitor for filtering and outputting the output power of the inverter; A current vector controller which calculates a current phase correction value and a voltage phase correction value from the phase angle detection signal, the current detection signal, and the voltage detection signal of the voltage output to the system; A first multiplier generating a reference current signal by multiplying the phase angle detection signal by a predetermined proportional constant; A subtractor for calculating an error current signal by subtracting a current phase correction value generated by the current vector controller from a reference current signal generated by a first multiplier; A PI (Proportional Integral) controller for generating a compensation voltage by PI controlling the error current signal calculated by the subtractor; An adder for adding a voltage phase correction value generated by the current vector controller to a compensation voltage calculated by the PI controller; A second multiplier generating a switching voltage by multiplying an output signal of the adder by a preset proportional constant; And a comparator for generating a PWM switching signal by comparing a level of the switching voltage generated by the second multiplier with a triangle wave of a predetermined frequency and outputting the PWM switching signal to the inverter.
또한 본 발명의 순시전류 제어장치는 태양광을 직류전력으로 변환하는 태양전지; 및 상기 태양전지가 변환한 직류전력을 충전시키고 상기 인버터로 공급하는 직류전력 커패시터를 더 포함하고, 상기 계통으로 공급되는 전류를 검출하여 상기 전류벡터 제어기로 전류 검출신호를 출력하는 전류센서; 및 상기 계통으로 공급되는 전압을 검출하여 상기 전류벡터 제어기로 전압 검출신호를 출력하는 PT(Potential Transformer)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the instantaneous current control device of the present invention includes a solar cell for converting sunlight into direct current power; And a DC power capacitor which charges the DC power converted by the solar cell and supplies the DC power to the inverter, and detects a current supplied to the system and outputs a current detection signal to the current vector controller. And a PT (Potential Transformer) for detecting a voltage supplied to the system and outputting a voltage detection signal to the current vector controller.
그리고 본 발명의 순시전류 제어방법은, 인버터와 계통의 사이에 구비되는 커플링 리액터에서 전압이 지연되는 위상각을 계산하는 단계; 상기 계산한 지연 위상각을 이용하여 보정할 위상각을 계산하는 단계; 상기 계산한 보정할 위상각으로 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값을 발생하는 단계; 및 상기 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값에 따라 PWM 스위칭 신호를 발생하여 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And instantaneous current control method of the present invention, the step of calculating the phase angle at which the voltage is delayed in the coupling reactor provided between the inverter and the grid; Calculating a phase angle to be corrected using the calculated delay phase angle; Generating a current phase correction value and a voltage phase correction value at the calculated phase angles to be corrected; And generating a PWM switching signal according to the current phase correction value and the voltage phase correction value to control the switching operation of the inverter.
상기 지연 위상각의 계산하는 단계는; 미리 설정된 수학식으로 상기 커플링 리액터의 양단 전압을 계산하는 단계; 및 미리 설정된 수학식으로 커플링 리액터의 지연 위상각을 계산하는 것을 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Calculating the delay phase angle; Calculating a voltage across the coupling reactor by a preset equation; And calculating a delay phase angle of the coupling reactor by a preset equation.
상기 보정할 위상각을 계산하는 단계는; 상기 커플링 리액터의 위상각, 상기 인버터를 디지털 제어함에 따라 발생되는 제어지연 위상각 및 상기 계통으로 공급되는 전압의 위상각을 합산하여 계산하는 것을 특징으로 한다.Calculating the phase angle to be corrected; And a phase angle of the coupling reactor, a control delay phase angle generated by digitally controlling the inverter, and a phase angle of a voltage supplied to the system.
상기 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값을 발생하는 단계는; 상기 계통으로 공급되는 전류의 크기 값에 상기 보정할 위상각의 값을 곱하여 전류위상 보정값을 발생하는 단계; 및 상기 계통으로 공급되는 전압의 크기 값에 상기 보정할 위상각의 값을 곱하여 전압위상 보정값을 발생하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Generating the current phase correction value and the voltage phase correction value; Generating a current phase correction value by multiplying the magnitude value of the current supplied to the system by the value of the phase angle to be corrected; And generating a voltage phase correction value by multiplying the magnitude value of the voltage supplied to the system by the value of the phase angle to be corrected.
도 4는 본 발명의 순시전류 제어장치의 구성을 보인 회로도이다. 여기서, 부호 PLL은 위상각 검출신호이다. 상기 위상각 검출신호(PLL)는 계통(150)으로 출력되는 전압과 동기되는 위상각을 검출한 신호로서 최대 크기는 ±1인 sin θ의 값이다.4 is a circuit diagram showing the configuration of the instantaneous current control device of the present invention. Here, the symbol P LL is a phase angle detection signal. The phase angle detection signal P LL is a signal that detects a phase angle synchronized with the voltage output to the
부호 IME는 전류 검출신호이다. 상기 전류 검출신호(IME)는 변류기 등의 전류 검출센서(160)를 이용하여 계통으로 공급되는 전류의 크기와 위상각을 검출한 신호이다.Symbol I ME is a current detection signal. The current detection signal I ME is a signal that detects the magnitude and phase angle of the current supplied to the system using the
부호 VME는 전압 검출신호이다. 상기 전압 검출신호(VME)는 PT(Potential Transformer)(170)를 이용하여 상기 계통으로 공급되는 전압의 크기 및 위상각을 검출한 신호이다.The symbol V ME is a voltage detection signal. The voltage detection signal V ME is a signal that detects the magnitude and phase angle of the voltage supplied to the system using a PT (Potential Transformer) 170.
부호 400은 전류벡터 제어기이다. 상기 전류벡터 제어기(400)는 상기 위상각 검출신호(PLL), 전류 검출신호(IME) 및 전압 검출신호(VME)를 이용하여 소정 크기의 전류 및 위상각을 가지는 전류위상 보정값(ICOM)과, 소정 크기의 전압 및 위상각을 가지는 전압위상 보정값(VCOM)을 계산한다.
부호 410은 제 1 곱셈기이다. 상기 제 1 곱셈기(410)는 상기 위상각 검출신호(PLL)에 미리 설정된 소정의 비례상수(K1)를 곱하여 소정 크기 및 위상을 가지는 기준 전류신호(IREF)를 생성한다.
부호 420은 감산기이다. 상기 감산기(420)는 상기 제 1 곱셈기(410)가 생성한 기준 전류신호(IREF)에서 상기 전류벡터 제어기(400)가 생성한 전류위상 보정값(ICOM)을 감산하여 에러 전류신호(IER)를 계산한다.
부호 430은 PI 제어기이다. 상기 PI 제어기(430)는 상기 감산기(420)가 계산한 에러 전류신호(IER)를 PI 제어하여 보상전압을 생성한다.
부호 440은 가산기이다. 상기 가산기(440)는 상기 PI 제어기(430)가 계산한 보상전압에 상기 전류벡터 제어기(400)가 생성한 전압위상 보정값(VCOM)을 가산한다.
부호 450은 제 2 곱셈기이다. 상기 제 2 곱셈기(450)는 상기 가산기(440)의 출력신호에 미리 설정된 비례상수(K2)를 곱하여 스위칭 전압을 생성한다.
부호 460은 삼각파 발생부이다. 상기 삼각파 발생부(460)는 미리 설정된 소 정 주파수의 삼각파를 발생한다.
부호 470은 비교기이다. 상기 비교기(470)는 상기 제 2 곱셈기(450)가 생성한 스위칭 전압과 상기 삼각파 발생부(460)가 발생하는 삼각파의 레벨을 비교하여 PWM 스위칭 신호를 발생한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 순시전류 제어장치는 인버터의 구동에 따라 계통으로 공급되는 전압의 위상각을 검출한 위상각 검출신호(PLL)와, 전류 검출센서가 계통의 공급전류를 검출한 전류 검출신호(IME)와, PT가 계통의 공급전압을 검출한 전압 검출신호(VME)가 전류벡터 제어기(400)로 입력된다.The instantaneous current control device of the present invention configured as described above includes a phase angle detection signal P LL for detecting a phase angle of a voltage supplied to a system according to the operation of an inverter, and a current detection for detecting a supply current of a system by a current detection sensor. A signal I ME and a voltage detection signal V ME at which PT detects a supply voltage of a system are input to the
도 5에 도시된 바와 같이 상기 전류벡터 제어기(400)는 다음의 수학식 1과 같이 상기 전류 검출신호(IME)에서 전류의 크기 값(II)에 ωL을 곱하여 커플링 리액터(130)의 양단 전압(VL)을 계산한다(S500).As illustrated in FIG. 5, the
여기서, ω는 2πf이고, f는 주파수이며, L은 상기 커플링 리액터(130)의 인덕턴스이다.Where ω is 2πf, f is frequency, and L is the inductance of the
상기 커플링 리액터(130)의 양단 전압(VL)이 계산되면, 전류벡터 제어기(400)는 다음의 수학식 2를 이용하여 커플링 리액터(130)에 의해 지연되는 위상각( θ1)을 계산한다(S502).When the voltage V L at both ends of the
여기서, VS는 상기 전압 검출신호(VME)에서 전압의 크기값이다.Here, V S is a magnitude value of the voltage in the voltage detection signal V ME .
상기 커플링 리액터(130)에 의해 지연되는 위상각(θ1)이 계산되면, 수학식 3과 같이 순시전류 제어장치가 인버터(120)의 스위칭을 제어함에 따라 발생되는 제어지연 위상각을 상기 위상각(θ1)에 가산하여 전체 지연된 위상각(θ2)을 계산한다(S504)When the phase angle θ 1 delayed by the
이와 같이 전체 지연된 위상각(θ2)이 계산되면, 수학식 4와 같이 위상각 검출신호(PLL)의 위상각에 위상각(θ2)을 가산하여 보정할 위상각(θ)을 계산한다(S506).When the total delayed phase angle θ 2 is calculated as described above, the phase angle θ to be corrected is calculated by adding the phase angle θ 2 to the phase angle of the phase angle detection signal P LL as shown in Equation 4. (S506).
그리고 상기 전류 검출신호(IME)의 크기 값 및 상기 보정할 위상각(θ)을 가지는 전류위상 보정값(ICOM)과, 상기 전압 검출신호(VME)의 크기 값 및 상기 보정할 위상각(θ)을 가지는 전압위상 보정 값(VCOM)을 계산하고(S508), 계산한 전류위상 보정값(ICOM) 및 전압위상 보정 값(VCOM)을 출력하여 스위칭 신호를 발생하게 한다.And a current phase correction value I COM having a magnitude value of the current detection signal I ME and the phase angle θ to be corrected, a magnitude value of the voltage detection signal V ME , and a phase angle to be corrected. A voltage phase correction value V COM having a θ is calculated (S508), and the calculated current phase correction value I COM and the voltage phase correction value V COM are output to generate a switching signal.
상기 스위칭 신호의 발생은 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 곱셈기(410)가 상기 위상각 검출신호(PLL)에 미리 설정된 비례상수(K1)를 곱하여 계산한 기준전류(IREF)에 상기 전류위상 보정값(ICOM)을 감산기(420)가 감산하여 에러 전류신호(IER)를 계산한다.As shown in FIG. 4, the switching signal is generated by the
그리고 상기 에러 전류신호(IER)는 PI 제어기(430)에서 PI 제어되어 보상전압이 계산되고, 계산된 보상전압은 가산기(440)에서 상기 전압위상 보정 값(VCOM)이 가산되고, 제 2 곱셈기(450)에서 미리 설정된 비례상수(K2)가 곱셈되어 상기 인버터(120)를 스위칭시킬 스위칭 전압이 발생된다.The error current signal I ER is PI controlled by the
상기 스위칭 전압은 삼각파 발생부(460)가 발생하는 삼각파와 비교기(470)에서 비교되어 PWM 신호가 발생되고, 발생된 PWM 신호는 스위칭 신호로 출력되어 상기 인버터(120)의 스위칭 소자를 스위칭시키게 된다.The switching voltage is compared with the triangular wave generated by the
이러한 본 발명은 실질적으로 PI 제어기(430)가 담당해야 할 위상각의 지연 보상을 전류벡터 제어기(400)가 담당하여 실제 전압의 위상보다 앞서도록 보상하는 것이다.The present invention substantially compensates the delay compensation of the phase angle to be handled by the
그러므로 위상지연의 보상은 물론 역률까지 개선된다.Therefore, the compensation of the phase delay is improved as well as the power factor.
도 6a은 도 2에 도시된 종래의 순시전류 제어장치로 인버터(120)의 스위칭을 제어할 경우에 계통(150)으로 출력되는 전압 및 전류의 위상을 검출하여 보인 그래프이고, 도 6b는 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명의 순시전류 제어장치 및 방법에 따라 인버터(120)의 스위칭을 제어할 경우에 계통(150)으로 출력되는 전압 및 전류의 위상을 검출하여 보인 그래프이다.FIG. 6A is a graph illustrating a phase of voltage and current output to the
도 6a에 도시된 바와 같이 종래의 순시전류 제어장치로 인버터(120)의 스위칭을 제어할 경우에 계통(150)으로 출력되는 전압 및 전류의 위상은 일치되지 않고, 그 위상이 일치되지 않은 만큼 무효전력이 발생되어 효율이 낮으며, 또한 전압에 왜곡이 있는 부분에서 글리치(glitch)가 발생됨을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 6A, when the switching of the
그러나 본 발명의 순시전류 제어장치로 인버터(120)의 스위칭을 제어할 경우에 도 6b에 도시된 바와 같이 계통(150)으로 출력되는 전압 및 전류의 위상이 일치하였다.However, when controlling the switching of the
그러므로 무효전력이 거의 발생되지 않음을 알 수 있었다. 또한 계통(150)으로 출력되는 전력이 왜곡된 부위에서도 PI 제어기(430)의 스트레스를 적게 하므로 전류의 왜곡현상이 발생되지 않음을 확인할 수 있었다.Therefore, almost no reactive power was generated. In addition, even when the power output to the
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.On the other hand, while the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit or field of the invention provided by the claims below It can be easily understood by those skilled in the art.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 전류벡터 제어기에서 계통으로 출력되는 전압의 위상각 검출신호, 전류 검출신호 및 전압 검출신호로 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값을 계산하고, 계산한 전류위상 보정값 및 전압위상 보정값에 따라 위상지연을 보상한다.As described in detail above, the present invention calculates the current phase correction value and the voltage phase correction value with the phase angle detection signal, the current detection signal, and the voltage detection signal of the voltage output from the current vector controller to the system, and calculates the current phase correction. Compensate for the phase delay according to the value and the voltage phase correction value.
그러므로 계통으로 공급되는 전압 및 전류의 위상이 일치하여 역률이 향상되고, PI 제어기의 스트레스를 완화시킬 수 있으며, 태양광 발전 시스템의 전체 성능 및 효율이 향상되는 효과가 있다.Therefore, the phase of voltage and current supplied to the system is matched to improve the power factor, to reduce the stress of the PI controller, and to improve the overall performance and efficiency of the photovoltaic system.
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