KR20090126993A - Multilevel converter consisting of building-block module having power regeneration capability - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리액터, H-브리지 컨버터, 커패시터, H-브리지 인버터로 구성되는 LHCH 기본셀을 기반으로, 분산된 연계 리액터를 사용하여 구성한 다수의 독립적인 직류전원에 의하여 멀티레벨 출력전압을 구현하며 모듈화가 가능하도록 하고, 전력회생도 가능하도록 함으로써 결과적으로, 출력전압 레벨수의 확장 및 시스템의 용량확장이 매우 용이하도록 한 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-level converter module capable of power regeneration and a multi-level converter using the same, and more particularly, based on an LHCH basic cell composed of a reactor, an H-bridge converter, a capacitor, and an H-bridge inverter. Multi-level output voltage can be implemented and modularized by a plurality of independent DC power supplies configured using a connected reactor. As a result, the number of output voltage levels and the capacity of the system can be greatly increased. The present invention relates to a multilevel converter module capable of easily regenerating power and a multilevel converter using the same.
특히, 시스템의 운전 중 일부 모듈에 고장이 발생하여도 고장이 발생한 모듈을 바이패스시킴으로써, 시스템의 연속적인 운전이 가능하도록 한 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터에 관한 것이다.In particular, the present invention relates to a multilevel converter module capable of regenerating power and allowing a continuous operation of the system by bypassing a failed module even when some modules fail during operation of the system, and a multilevel converter using the same. .
전력변환 장치에서 멀티레벨 컨버터(Multilevel converter)란 멀티레벨 인버터(Inverter)와 멀티레벨 정류기(Rectifier)를 각각 또는 아울러 통칭하는 것으로 서, 멀티레벨 인버터의 경우 고압의 직류전원 또는 다수개의 분리된 직류전원으로부터 멀티레벨의 교류 출력전압 파형을 발생시키며, 멀티레벨 정류기는 정현파의 교류 입력전압으로부터 고압의 직류전압 또는 다수의 분리된 직류전압을 발생시키는 장치이다.In a power converter, a multilevel converter refers to a multilevel inverter and a multilevel rectifier, respectively or collectively. In the case of a multilevel inverter, a high voltage DC power source or a plurality of separate DC power sources are used. A multilevel rectifier is a device for generating a high voltage DC voltage or a plurality of separate DC voltages from an AC input voltage of a sine wave.
통상 교류를 다른 형태의 교류로 변환하는 응용분야에서 멀티레벨 정류기와 멀티레벨 컨버터는 Back-to-Back 연결되어 함께 사용되기도 한다.In general, multi-level rectifiers and multi-level converters are used in combination with back-to-back connections in applications that convert alternating current to other types of alternating current.
일반산업계에서 전기장치가 대용량화되는 추세에 따라 고압대용량 전력변환 시스템에 적용하기 위한 멀티레벨 컨버터가 지속적으로 개발되고 있으며, 이러한 멀티레벨 컨버터는 아래와 같은 특징이 있다.According to the trend of the large-capacity electric devices in the general industry, multi-level converters are continuously being developed to be applied to high-voltage large-capacity power conversion systems. Such multi-level converters have the following characteristics.
첫째, 출력전압 레벨이 증가할수록 스위칭시 발생하는 dV/dt와 서지전압의 크기가 감소하여 교류전동기 구동에 적용할 경우 전동기 고정자 권선의 절연파괴 및 전동기 베어링 파손 등으로 인한 고장을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한 공통모드 전류의 억제효과도 제공한다. First, as the output voltage level increases, the dV / dt generated during switching and the magnitude of the surge voltage decrease, and when applied to AC motor driving, failures due to insulation breakdown of the motor stator winding and damage to the bearing of the motor can be significantly reduced. . It also provides the suppression of the common mode current.
둘째, 2-레벨 컨버터에 비하여 보다 낮은 스위칭 주파수로 동일한 출력 고조파 특성을 얻을 수 있으므로 스위칭 손실이 감소하여 효율을 높일 수 있다.Second, the same output harmonic characteristics can be obtained at a lower switching frequency than the two-level converter, so that switching losses can be reduced to increase efficiency.
셋째, 스위치에 인가되는 전압이 직류 링크단 전압으로 제한되므로 레벨수를 조절하여 전력반도체 스위치의 정격전압 레벨을 적절히 설정할 수 있다.Third, since the voltage applied to the switch is limited to the DC link voltage, it is possible to appropriately set the rated voltage level of the power semiconductor switch by adjusting the number of levels.
지금까지 개발된 멀티레벨 컨버터의 종류는 다이오드 클램핑 방식, 플라잉 커패시터 방식, H-브리지 방식과 같이 크게 3가지로 대별되는데 각각에 대하여 간단히 설명하면 다음과 같다.The types of multilevel converters developed so far are roughly classified into three types, such as diode clamping, flying capacitor, and H-bridge.
다이오드 클램핑 방식의 멀티레벨컨버터는, 고전압의 단일 직류링크에 직렬연결된 다수의 커패시터로부터 얻어지는 여려 단의 탭에 순차적으로 스위칭하는 방식으로 Back-to-Back 연결이 가능하며 현재 고압대용량 컨버터 시스템 구성에 일부 실용화되어 적용되고 있다.The diode clamping multilevel converter is capable of back-to-back connection by sequentially switching to multiple taps obtained from multiple capacitors connected in series with a single high voltage DC link. It is put to practical use and applied.
그러나, 직류 링크전압 불균형 문제를 해결하기 위한 제어기법이 필요하고, 레벨의 수가 증가함에 따라 시스템 구현이 현실적으로 어렵고, 클램핑 다이오드에는 불균형적인 전압이 인가되고, 주스위치 소자들의 전류가 불평형이 된다는 등의 문제가 있다.However, a control method is needed to solve the DC link voltage imbalance problem. As the number of levels increases, it is difficult to realize a system, an imbalance voltage is applied to the clamping diode, and the current of the main switch elements becomes unbalanced. there is a problem.
플라잉 커패시터 방식의 멀티레벨컨버터는 다이오드의 전압불균형 문제가 발생하지는 않으나, 레벨이 증가할수록 많은 수의 커패시터 뱅크가 필요하고 하나의 입력 정류기를 필요로 하는 시스템에서 내측 커패시터의 초기전압을 확보하기 위한 부가적인 회로가 필요할 뿐 아니라, 커패시터들의 전압유지를 위한 스위칭 제어가 복잡해지고 이로 인한 스위칭 주파수 증가로 스위칭 손실도 증가하는 문제가 있어서 실용화에는 어려움이 있다.Flying-capacitor multilevel converters do not cause diode voltage imbalance problems, but as the level increases, an additional voltage is required to secure the initial voltage of the internal capacitor in a system that requires a large number of capacitor banks and a single input rectifier. In addition to the need for a conventional circuit, the switching control for maintaining the voltage of the capacitor is complicated, and the switching loss is also increased due to the increased switching frequency, which makes it difficult to put to practical use.
H-브리지 방식의 멀티레벨 컨버터는 기존의 H-브리지 구성의 컨버터 출력을 다수 상호 직렬 연결함으로써 멀티레벨 출력전압을 얻는 방식으로, 각각의 H-브리지 컨버터가 이미 확립된 기술이며 모듈 방식의 구성이 가능하고 제어가 간단하다는 장점을 가지나, 멀티레벨 출력을 얻기 위하여 상호 독립된 다수개의 직류 전원이 필요하며, 특히 Back-to-Back 연결이 불가능하여 전력회생도 안되며 극히 제한적인 응용분야에만 적용이 되고 있는 실정이다.The H-bridge multilevel converter is a method of obtaining a multilevel output voltage by connecting a plurality of converter outputs of a conventional H-bridge configuration in series with each other. Although it has the advantage of being simple and easy to control, it requires a large number of independent DC power supplies to obtain multi-level outputs. It is true.
도 1은 3개의 H-브리지 컨버터와 3개의 독립적인 직류전원으로 이루어진 H-브리지 방식의 멀티레벨 인버터의 회로구성의 일례를 나타낸다. 도 1에서, 각각의 H-브리지 컨버터의 직류 입력전압은 Vdc이므로 각각의 H-브리지 출력전압은 {Vdc, 0, -Vdc}의 3가지 경우가 가능하고 따라서 멀티레벨 인버터 출력전압 Vo의 경우의 수는 {3Vdc, 2Vdc, Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc, -3Vdc}으로 7레벨이 된다. 직관적으로 도 1의 회로는 모듈 구조임을 알 수 있고 레벨의 컨버터 모듈의 확장을 통해서 용이하게 얻어짐을 알 수 있다.1 shows an example of a circuit configuration of an H-bridge type multilevel inverter composed of three H-bridge converters and three independent DC power supplies. In FIG. 1, since the DC input voltage of each H-bridge converter is V dc , each of the H-bridge output voltages is possible in three cases of {V dc , 0, -V dc }, and thus, the multilevel inverter output voltage Vo The number of cases is {3V dc , 2V dc , V dc , 0, -V dc , -2V dc , -3V dc } to be 7 levels. Intuitively, it can be seen that the circuit of FIG. 1 has a modular structure and is easily obtained through the expansion of the converter module of the level.
도 1에서 제시된 독립적인 직류전압을 얻기 위하여 별도의 다이오드 정류기나 PWM 정류기가 사용되는데, 이때 각각의 절연을 위하여 다수의 독립적인 단상변압기 또는 2차측이 상호 절연된 위상변위변압기가 반드시 필요하게 된다. 그런데 이러한 절연 변압기는 전체시스템의 중량과 부피 가운데 40% 내지 60% 가량을 차지하며, 특히 제작단가가 높아서 전체 시스템의 가격의 주요한 상승요인이 되며, 시스템의 동작 효율을 저하시키는 요소이기도 하다.In order to obtain the independent DC voltage shown in FIG. 1, a separate diode rectifier or a PWM rectifier is used. In this case, a plurality of independent single phase transformers or phase shift transformers insulated from each other by a secondary side are necessary for each isolation. However, such an isolation transformer occupies about 40% to 60% of the weight and volume of the entire system. In particular, the manufacturing cost is high, which is a major increase in the price of the entire system, and also reduces the operation efficiency of the system.
한편, 도 1에 제시된 멀티레벨 인버터는 Back-to-Back 구성이 불가능하여 교류측 부하의 전력회생 동작시 저항으로 회생에너지를 소비해 버리거나 혹은 회생되는 에너지를 회수하기 위한 별도의 DC-DC 컨버터 또는 DC-AC 컨버터를 필요로 하게 되는 문제점이 있다.On the other hand, the multi-level inverter shown in Figure 1 is a back-to-back configuration is not possible to consume the regenerative energy as a resistor during the power regeneration operation of the AC-side load or a separate DC-DC converter for recovering the regenerated energy or There is a problem that requires a DC-AC converter.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 위상변위 절연 변압기를 사용하지 않고, 분산된 연계 리액터를 사용하여 H-브리지 멀티레벨 인버터의 Back-to-Back 구성이 가능하게 함으로써, 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention enables the back-to-back configuration of the H-bridge multi-level inverter using a distributed linkage reactor without using a phase shift isolation transformer, thereby enabling power regeneration. An object of the present invention is to provide a multilevel converter module and a multilevel converter using the same.
보다 구체적으로 본 발명은 리액터, H-브리지 PWM 정류기, 커패시터, H-브리지 PWM 인버터로 구성되는 기본셀(이하, LHCH 기본셀이라 함)을 기반으로 하고, 이들 기본셀을 캐스케이드(Cascade) 접속하여 멀티레벨을 구현함으로써, 레벨수의 확장 및 시스템의 용량확장이 매우 용이하며, 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 목적이 있다.More specifically, the present invention is based on a basic cell (hereinafter referred to as LHCH basic cell) consisting of a reactor, an H-bridge PWM rectifier, a capacitor, and an H-bridge PWM inverter, and cascaded these basic cells by By implementing the multi-level, it is very easy to expand the number of levels and the capacity of the system, and to provide a multi-level converter module capable of power regeneration and a multi-level converter using the same.
더불어, 본 발명은 시스템의 운전 중 일부 모듈에 고장이 발생하여도 고장이 발생한 모듈을 바이패스시킴으로써, 시스템의 연속적인 운전이 가능하도록 한 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터를 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention is a multi-level converter module capable of power regeneration to enable continuous operation of the system by bypassing the failed module even if some modules fail during operation of the system and a multi-level converter using the same The purpose is to provide.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈은, 입력 교류전원측 전류제어를 용이하게 하고 단위 셀간의 단락을 방지하는 역할을 하는 리액터와, 상기 리액터를 통해 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력하고, 회생된 직류전력을 교류로 변환하여 상기 리액 터를 통하여 교류입력 전원측에 공급하는 PWM정류기와, 상기 PWM정류기에서 발생하는 전류리플 성분을 흡수하고 일정전압을 유지하여 상기 리액터에 흐르는 교류전류를 원활하게 제어하기 위한 커패시터 및 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 부하측으로 출력하고, 상기 부하측에서 입력되는 교류의 회생전력을 직류로 변환하여 상기 PWM정류기 및 커패시터에 공급하는 PWM인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the multi-level converter module capable of power regeneration according to the present invention includes a reactor that facilitates current control on the input AC power supply side and prevents a short circuit between unit cells, and through the reactor. It converts the input AC power into DC power and outputs it, converts the regenerated DC power into AC and supplies it to the AC input power side through the reactor, and absorbs the current ripple component generated by the PWM rectifier The capacitor and the converted DC power for smoothly controlling the AC current flowing through the reactor by maintaining the voltage is converted into AC power and output to the load side, and converts the regenerative power of AC input from the load side to DC to the PWM rectifier And a PWM inverter for supplying the capacitor.
바람직하게는, 상기 PWM정류기 및 PWM인버터는 전력반도체 스위칭 소자로 H-브리지 회로를 구성한 것을 특징으로 한다.Preferably, the PWM rectifier and the PWM inverter is characterized in that the H-bridge circuit composed of a power semiconductor switching element.
특히, 상기 전력반도체 스위칭 소자는, 턴온 및 턴오프가 가능한 자기소호형 전력반도체 스위칭 소자 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.Particularly, the power semiconductor switching element is at least one of a self-protection type power semiconductor switching element capable of turning on and off.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 상기한 모듈을 적어도 둘 이상 캐스케이드로 연결한 단상 멀티레벨 컨버터를 제공함에 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a single-phase multi-level converter in which at least two of the above modules are connected in cascade.
바람직하게는, 상기 모듈을 적어도 두개 이상 캐스케이드(Cascade)로 연결하되, 각 모듈에 구성된 PWM정류기의 스위칭 소자를 제어하여 전력공급모드 및 전력회생모드가 선택적으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.Preferably, at least two cascades of the modules are connected, and the switching elements of the PWM rectifiers configured in each module are controlled to selectively operate the power supply mode and the power regeneration mode.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 3상전원의 각 상에 적어도 둘 이상 캐스케이드(Cascade)로 연결한 것을 특징으로 하는 3상 멀티레벨 컨버터.In order to achieve the above object, the present invention is a three-phase multi-level converter, characterized in that connected to at least two cascade (Cascade) in each phase of the three-phase power source.
또한, 본 발명은 3상 뿐만 아니라 임의의 n상 멀티레벨 컨버터의 구성도 가능하므로, 본 발명의 목적은 각 상에 상기한 모듈을 적어도 2개 이상 캐스케이드로 연결한 n상 멀티레벨 컨버터를 제공함에 있다.In addition, the present invention can be configured not only three-phase, but also any n-phase multi-level converter, the object of the present invention is to provide an n-phase multi-level converter in which at least two cascades of the above modules in each phase. have.
상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 변압기를 사용하지 않고서도 상호 독립된 직류전원을 갖는 멀티레벨 컨버터의 구현이 가능하여, 전체시스템의 중량과 부피를 40% 내지 60% 가량 감소시킬 수 있으며, 고가의 변압기가 없어지므로 제작비용 또한 현저히 감소하게 되는 효과가 있다.By the above solution, the present invention can implement a multi-level converter having a mutually independent DC power source without using a transformer, it is possible to reduce the weight and volume of the entire system by 40% to 60%, Since expensive transformers are eliminated, manufacturing costs are also significantly reduced.
또한, 다이오드 클램핑 방식의 멀티레벨 컨버터의 클램핑 다이오드와 플라잉 커패시터 방식 멀티레벨 컨버터의 부가적인 커패시터 뱅크가 불필요하다.In addition, an additional capacitor bank of the clamping diode of the diode clamping multilevel converter and the flying capacitor multilevel converter is unnecessary.
또한, 직류 링크단 전압 제어가 용이하고, 레벨의 확장이 용이하며, 회생제동이 가능하므로 에너지 절약형이고 변압기에 의한 손실도 없으므로, 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, since the DC link stage voltage control is easy, the level can be easily expanded, and the regenerative braking is possible, it is energy-saving and there is no loss by the transformer, thereby improving the efficiency of the system.
특히, 각각 기본셀 단위로 모듈화 제작이 가능하고 이 모듈을 기반으로 멀티레벨의 레벨수를 확장하는 것이 상당히 용이하므로, 용량 확장에 매우 유연하게 대응할 수 있으며, 시스템의 운전 중 일부 모듈에 고장이 발생하더라도 고장난 모듈을 바이패스시켜서 연속적인 운전이 가능하여, 시스템의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.In particular, since each module can be manufactured modularly and it is very easy to expand the number of levels of multi-levels based on this module, it is very flexible to cope with capacity expansion, and some modules fail during operation of the system. Even if the failed module is bypassed, continuous operation is possible, thereby improving the reliability of the system.
본 발명에 따른 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 일례를 들어 제안한 방식을 설명하기로 한다.Examples of a multilevel converter module capable of regenerating power and a multilevel converter using the same according to the present invention may be variously applied. Hereinafter, the proposed scheme will be described with an example with reference to the accompanying drawings.
우선, 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명에서는 AC를 DC로 변환하는 PWM 정류기와 DC를 AC로 변환하는 PWM 인버터를 통칭하여 컨버터라 한다.First, prior to the detailed description of the present invention, in the present invention, a PWM rectifier converting AC to DC and a PWM inverter converting DC to AC are collectively referred to as converters.
도 2는 본 발명에 의한 멀티레벨 컨버터용 모듈에 대한 실시 예를 나타낸 회로도로서, 본 발명의 모듈(10)은 입력 교류전원측(Vs) 전류제어를 용이하게 하고 단위 셀간의 단락을 방지하는 역할을 하는 리액터(11), 교류를 직류로 변환하는 PWM정류기(12), 일정한 정전용량을 갖는 커패시터(13), 직류를 교류로 변환하는 PWM인버터(14)를 포함하여 구성된다.2 is a circuit diagram showing an embodiment of a multi-level converter module according to the present invention, the
여기서, 전력회생모드 동작시에는 전력의 흐름이 반대방향이 되어 상기 PWM정류기(12)는 직류를 교류로 변환하고, PWM인버터(14)는 교류를 직류로 변환하게 되므로, 전원의 변환방법에 따라 명칭이 변경됨이 바람직하나, 본 발명에 대한 설명의 편의를 위하여, 전력회생모드 동작 시에도 리액터(11)와 연결된 측을 PWM정류기(12)라 하고, 부하(20)와 연결된 측을 PWM인버터(14)라 한다.Here, in the power regenerative mode operation, the flow of power is reversed, so the
그리고 이하 설명함에 있어, 상기 모듈(10)은 단위 셀(10)과 혼용한다.In the following description, the
상기 리액터(11)는, 입력 교류전원(Vs)측의 전류제어를 용이하게 하여 전류파형이 전압파형과 유사하게 되도록 하고, 본 발명의 모듈(10)을 캐스케이드(Cascade)로 다수개 연결하더라도 단위 셀간의 단락사고를 방지하는 기능을 수행한다.The
상기 PWM정류기(12)는, 전력공급모드 동작 시에는 상기 리액터(11)를 통해 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력하고, 전력회생모드 동작 시에는 PWM인버터(14)로부터 공급되는 회생전력을 교류로 변환하여 상기 리액터(11)에 공급한다.The
바람직하게는, 상기 PWM정류기(12)를 구성함에 있어, 전력반도체 스위칭 소자를 사용하여 H-브리지 회로 형태로 구성하며, 상기 전력반도체 스위칭 소자의 스위칭동작에 의해 전력공급모드 및 전력회생모드 중 어느 하나로 동작하도록 구성한다.Preferably, the
여기서, 상기 전력반도체 스위칭 소자는, 임의의 시각에 턴온과 턴오프가 가능하여야 하므로, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors) 및 GTO(Gate Turn-Off thyristors)와 같은 자기소호형 전력반도체 스위칭 소자로 구현함이 바람직하다.Here, since the power semiconductor switching device should be able to turn on and turn off at any time, self-protection such as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT), and Gate Turn-Off thyristors (GTO) It is preferable to implement with a type power semiconductor switching element.
상기 커패시터(13)는 직류 링크단을 형성하여 직류측 전류의 리플 성분을 흡수하고 일정전압을 유지하여 상기 리액터(11)에 흐르는 교류전류를 원활하게 제어하기 위한 것으로, 그 종류 및 커패시턴스(Capacitance)는 해당 모듈(10)의 사용목적 및 당업자의 요구에 따라 다양한 변형이 가능하다.The
상기 PWM인버터(14)는, 전력공급모드 동작 시 상기 PWM정류기(12)에서 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 부하(20)측으로 출력하고, 전력회생모드 동작 시 부하(20)측으로부터 공급되는 교류의 회생전력을 직류로 변환하여 PWM정류기(12) 및 커패시터(13)에 공급한다.The
따라서, 상기와 같은 본 발명의 모듈(10)의 PWM정류기(12) 및 PWM인버터(14)의 스위칭 동작에 의해, 부하(20)측으로 전력을 공급함은 물론, 부하(20)측으로부터 입력 교류전원 측으로 전력을 회생할 수도 있는 것이다.Therefore, the switching operation of the
더하여, 상기 리액터(11)는 본 발명의 모듈(10)을 캐스케이드 접속하여 멀티레벨 컨버터를 구성할 때 모듈간의 단락사고 없이, 안정적인 전력의 공급 및 회생이 가능하도록 한다.In addition, when the
이하에서는 도 3 및 도 4을 참조하여 단상 멀티레벨컨버터에 대한 실시 예를 살펴보기로 한다.Hereinafter, an embodiment of a single-phase multilevel converter will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3에 나타난 각각의 단위 셀(10)은 도 2에 나타난 바와 같으며, 단위 셀(10)의 개수를 다양하게 변형하여 보다 확장된 단상 멀티레벨컨버터를 제공할 수 있다.Each of the
이하에서, 도 4에 나타난 바와 같은 기본 셀(10) 3개를 캐스케이드로 연결한 경우를 실시 예로 하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a case in which three
전력공급모드 동작 시 PWM정류기(12)의 동작은, 공급되는 전원의 전압(Vs)이 양(+)인 구간에서 전원의 전류(Is)를 증가시키고자 할 경우, 각 PWM정류기(12)의 1번과 2번 스위치(Q11, Q12, Q21, Q22, Q31, Q32)를 턴온(Turn-On)한다.The operation of the
이러한 경우 교류전원의 전류는 아래의 수학식 1과 같이 된다.In this case, the current of the AC power supply is expressed by
여기서, 'Is0'은 상기 6쌍의 스위치가 턴온되기 직전(t0)의 'Is'값이다.Here, 'I s0' is 'I s' value just before (t 0) being the switch of the six pairs of turn-on.
수학식 1에 나타난 전류(Is)가 기 설정된 최대값에 도달하면, 다시 전류를 감소시켜야 하며, 이때 각 PWM정류기(12)의 1번과 4번 스위치(Q11, Q14, Q21, Q24, Q31, Q34)를 턴온한다.When the current (I s ) shown in
이러한 경우 교류전원의 전류는 아래의 수학식 2와 같이 된다.In this case, the current of the AC power supply is expressed by Equation 2 below.
여기서, 'Is1'은 상기 6쌍의 스위치가 턴온되기 직전(t1)의 'Is'값이고, 'Vd'는 'Vd1+Vd2+Vd3'이다.Here, 'I s1 ' is a 'I s ' value immediately before the six pairs of switches are turned on (t 1 ), and 'V d ' is 'V d1 + V d2 + V d3 '.
수학식 2에서 'Vd'는 'Vs'보다 크기 때문에, 적분항의 부호는 음(-)이 되어 전류는 감소한다.In Equation 2, since 'V d ' is larger than 'V s ', the sign of the integral term becomes negative (-) and the current decreases.
상기한 수학식 1 및 수학식 2가 번갈아 발생하도록 PWM정류기(12)를 제어함으로써, 교류 입력전류 'Is'를 도 6에 나타난 바와 같이 동위상의 정현파가 되도록 발생할 수 있다.By controlling the
도 7은 이러한 방식으로 전류를 제어하였을 경우, 각각의 기본셀의 직류링크단 전압(Vd1, Vd2, Vd3)이 균등하게 이루어짐을 보이고 있다.FIG. 7 shows that when the current is controlled in this manner, the DC link voltages V d1 , V d2 and V d3 of each basic cell are equally made.
한편, 부하(20)로부터 전력을 회생하는 전력회생모드 동작시 PWM정류기(12) 의 동작은, 각 PWM정류기(12)의 3번과 2번 스위치(Q13, Q12, Q23, Q22, Q33, Q32)를 턴온하여, 전원의 전압(Vs)이 음(-)인 구간의 전류(Is)를 증가시키게 된다.On the other hand, the operation of the
이러한 경우 전류는 아래의 수학식 3과 같이 된다.In this case, the current becomes as shown in Equation 3 below.
여기서, 'Is2'는 상기 6쌍의 스위치가 턴온되기 직전(t2)의 'Is'값이다.Here, 'I s2 ' is a value of 'I s ' just before the pair of six switches are turned on (t 2 ).
수학식 3에 나타난 전류(Is)가 기 설정된 최대값에 도달하면, 다시 전류를 감소시켜야 하며, 이때 각 단위셀(10)의 3번과 4번 스위치(Q13, Q14, Q23, Q24, Q33, Q34)를 턴온한다.When the current (I s ) shown in Equation 3 reaches a preset maximum value, the current must be decreased again, and at this time, switches 3 and 4 of each unit cell 10 (Q 13 , Q 14 , Q 23 , Q 24 , Q 33 , Q 34 ) is turned on.
이러한 경우 교류전원의 전류는 아래의 수학식 4와 같이 된다.In this case, the current of the AC power supply is expressed by Equation 4 below.
여기서, Is3은 상기 6쌍의 스위치가 턴온되기 직전(t3)의 'Is'이다.Here, I s3 is 'I s ' just before the six pairs of switches are turned on (t 3 ).
상기한 수학식 3 및 수학식 4를 번갈아 발생하도록 PWM정류기(12)를 제어함으로써, 교류 입력전류 'Is'를 도 8에 나타난 바와 같이 교류 전원전압과 역상의 정현파가 되도록 발생할 수 있다.By controlling the
한편, PWM인버터(14)는 직류링크단('C'의 양단)의 직류전원을 변환하여 부하(20)측에 교류전력을 공급하거나, 부하(20)측으로부터의 전력을 회생하는 역할을 하며, 이하에서 도 9을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Meanwhile, the
도 9은 PWM인버터(14)의 스위칭 상태와 인버터 출력전압 파형을 나타낸 것으로, 기본적으로 출력전압 'Vo'는 각 단위 셀(10)의 출력전압 'Vo1', 'Vo2', 'Vo3'의 합으로 이루어진다.9 shows the switching state of the
먼저, 첫 번째 사이클의 양(+)인 구간을 살펴보면 'tS0-tS1'구간에서는 'Vo3' 만 출력되고 'Vo2'와 'Vo1'의 전압은 출력단에 나타나지 않는다.First, looking at the positive section of the first cycle, only 'V o3 ' is output in the 't S0 -t S1 ' section, and the voltages of 'V o2 ' and 'V o1 ' do not appear at the output terminal.
다음으로, 'tS1-tS2'구간에서는 'Vo3'와 'Vo2'가 출력되고 'Vo1'은 전압은 출력단에 나타나지 않는다.Next, in the 't S1 -t S2 ' section, 'V o3 ' and 'V o2 ' are output and 'V o1 ' does not appear at the output terminal.
그 다음으로, 'tS2-tS3'구간에서는 3개의 직류링크단 전압이 모두 출력된다.Next, all three DC link voltages are output in the section 't S2- t S3 '.
이러한 방식으로 'S11-S34'를 스위칭하면 도 9과 같은 출력전압 파형을 얻을 수 있다.By switching 'S 11 -S 34 ' in this manner, an output voltage waveform as shown in FIG. 9 can be obtained.
두 번째 사이클의 양(+)인 구간을 살펴보면 각각의 스위치 도통시간이 첫 번째 사이클과는 다르다는 것을 알 수 있다.Looking at the positive interval of the second cycle, we can see that each switch conduction time is different from the first cycle.
두 번째 사이클에서 'S21', 'S24'의 도통시간은 첫 번째 사이클의 'S31', 'S34'와 같으며, 'S31', 'S34'의 도통시간은 'S11', 'S14'와 같다.The conduction time of 'S 21 ' and 'S 24 ' in the second cycle is the same as the 'S 31 ' and 'S 34 ' of the first cycle, and the conduction time of 'S 31 ' and 'S 34 ' is 'S 11 '. ', Like' S 14 '.
이렇게 순차적으로 도통시간을 달리하는 이유는 직류링크단의 커패시터(13) 전압 평형을 유지하기 위한 것이다.The reason why the conduction time is sequentially changed is to maintain the voltage balance of the
이상의 방식 외에도 PWM인버터의 출력전압을 얻기 위한 방법에는 여러가지가 있으나, 도 9에서는 그 중에서도 가장 간단한 방법을 일례로 설명한 것이다.In addition to the above method, there are various methods for obtaining the output voltage of the PWM inverter, but FIG. 9 illustrates the simplest method as an example.
이상에서 본 발명에 의한 전력회생이 가능한 멀티레벨 컨버터용 모듈 및 이를 이용한 멀티레벨 컨버터에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.In the above, a multilevel converter module capable of regenerating power according to the present invention and a multilevel converter using the same have been described. Such a technical configuration of the present invention will be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, and the meanings of the claims and All changes or modifications derived from the scope and the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1은 기존의 7레벨의 출력전압을 갖는 H-브리지 방식의 멀티레벨 인버터의 일례를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing an example of an H-bridge type multi-level inverter having a conventional seven-level output voltage.
도 2는 본 발명에 의한 멀티레벨 컨버터용 모듈에 대한 실시 예를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a multi-level converter module according to the present invention.
도 3은 도 2에 나타난 모듈을 둘 이상 캐스케이드 연결하여 구성한 단상 멀티레벨 컨버터의 실시 예를 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram illustrating an embodiment of a single-phase multilevel converter configured by cascading two or more modules shown in FIG. 2.
도 4는 도 3에서 도 2의 모듈을 3개 캐스케이드 연결한 경우에 대하여 보다 상세히 나타낸 회로도이다.FIG. 4 is a circuit diagram illustrating in detail the cascade connection of three modules of FIG. 2.
도 5는 도 2에 나타난 모듈을 둘 이상 캐스케이드 연결하여 구성한 3상 멀티레벨 컨버터의 실시 예를 나타낸 블록도이다.FIG. 5 is a block diagram illustrating an embodiment of a three-phase multilevel converter configured by cascading two or more modules shown in FIG. 2.
도 6은 본 발명에 의한 전력회생이 가능한 모듈 구조의 멀티레벨 컨버터가 전력공급모드로 동작하는 경우에 대한 교류입력전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing an AC input voltage and a current when a multilevel converter having a modular structure capable of power regeneration according to the present invention operates in a power supply mode.
도 7은 도 2에 나타난 모듈을 3개 캐스케이드 연결한 경우의 입력전압과 각 모듈의 직류 링크단 전압을 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating input voltages and DC link voltages of respective modules when three cascaded modules are connected to each other.
도 8은 본 발명에 의한 전력회생이 가능한 모듈 구조의 멀티레벨 컨버터가 전력회생모드로 동작하는 경우에 대한 교류입력전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.8 is a graph illustrating an AC input voltage and a current when the multilevel converter having a modular structure capable of power regeneration according to the present invention operates in a power regeneration mode.
도 9는 본 발명에 의한 멀티레벨 컨버터의 부하측 전압과 스위칭상태를 나타낸 그래프이다.9 is a graph illustrating a load side voltage and a switching state of a multilevel converter according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 단위 셀 11 : 리액터10: unit cell 11: reactor
12 : PWM 정류기 13 : 커패시터12: PWM Rectifier 13: Capacitor
14 : PWM인버터 20 : 부하(LOAD) 14: PWM inverter 20: LOAD
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