KR102572424B1 - 인버터 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인버터 시스템의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 인버터 시스템의 제어 방법은, 병렬로 연결된 인버터들을 포함하는 인버터 시스템의 제어 방법에 있어서, 목표 전력량과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계, 상기 비교 결과에 따라서 구동 인버터의 수를 결정하는 단계, 상기 결정된 구동 인버터의 수만큼 인버터를 구동시켜 최종 출력 전력을 AC 전원 계통에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 목표 전력량에 적절한 수의 인버터를 선택적으로 구동시켜 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

인버터 시스템의 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING OF INVERTER SYSTEM}
본 발명은 인버터 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효율적으로 인버터 시스템을 운전하는 인버터 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인버터는 전동기를 효율적으로 제어하기 위한 기기로서, 전동기의 소모 전력을 줄여 에너지 효율을 높인다. 구체적으로, 인버터는 트랜지스터를 이용하여 스위칭함으로써 직류 전원을 교류 전원으로 변환할 수 있다.
대용량의 전동기를 구동하기 위해 대용량 인버터가 필요하다. 대용량 인버터를 제작하기 위해서 단위 인버터를 복수개 병렬로 연결하고, 전류를 균등하게 분산 제어하여 하나의 대형 모터를 구동하는 것이 일반적이다.
도 1은 일반적인 병렬의 인버터를 포함하는 인버터 시스템의 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 인버터 시스템은 DC 전류원(10), 병렬로 연결된 N개의 인버터(1, 2, …n)를 포함하는 인버터 블록(20) 및 AC 전원 계통(30)을 포함한다.
인버터 시스템은, DC 전류원(10)에 연결된 N개의 인버터(#1, #2, …#n)가 각각 1/N만큼 출력 전력(Po_1, Po_2, ..Po_n)을 담당하게 한다. 인버터 시스템은, 각각의 전력 변환율을 갖는 N개의 인버터를 구동시킴으로써 정격 출력 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
하지만, 인버터의 구조적 특징 및 동작 특성 상 전력 손실이 있을 수 있다.
구체적으로, 인버터의 전력 손실로는 도체 저항 성분으로 인한 도통 손실, 내부 전력용 반도체의 스위칭 동작에 기인하는 스위칭 손실 및 내부의 변압 및 출력 필터용 리액터에 의한 히스테리시스 손실을 포함한다. 인버터 동작시 스위칭 손실 및 히스테리시스 손실은 일정한 값을 갖게 되나, 도통 손실은 출력 전력의 증가에 따라 손실되는 전류도 비례한다.
도 2는 인버터의 전력 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 2의 그래프에서, X축은 출력 전력이고, Y축은 전력 효율일 때, 출력 전력 대비 전력 효율의 비율로써 전력 변환 효율을 알 수 있다. 여기서는 인버터의 전력 변환 효율의 최대치는 60-70% 사이의 범위로 제한됨을 알 수 있다. 즉, 인버터의 전력 변환 효율은 60-70%에서 최대 효율점을 갖는 커브로서 나타낼 수 있다. 이는 출력 전력이 증가함에 따라 도통 손실도 증가함으로써 일정 수준을 넘어서지 못하고 전력 효율이 제한되는 것을 의미한다.
인버터 시스템 구동 시, 병렬로 연결된 모든 인버터를 항시 동작시키는데 낮은 전력이 요구되는 구간에서도 모든 인버터가 동시에 동작하게 되므로 필요한 전력 대비 구동되는 인버터의 수는 과도하고, 그에 비해 전력 효율은 높지 못하므로 전체적으로 시스템의 운전 효율은 저하될 수 밖에 없다.
예컨대 종래 기술에 따르면, 최대 정격 출력 전력이 필요치 않은 경우에도, 모든 인버터를 동작시킨다. 이와 같이, 최대 전력에 미치지 못하는 범위의 전력을 위해 모든 인버터를 구동시키므로 시스템 운전 효율은 현저히 저하된다.
따라서, 출력 전력에 따른 탄력적 인버터 구동 방안이 절실히 필요하다.
본 발명은 병렬로 연결된 인버터들을 선택적으로 구동시키는 인버터 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 출력 전력 대비 필요한 인버터들을 탄력적으로 구동시키는 인버터 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 출력 전력에 비해 시스템의 과도한 출력 부하가 발생하여 시스템 운전 효율이 저하되는 것을 방지하는 인버터 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인버터 시스템의 제어 방법은, 병렬로 연결된 인버터들을 포함하는 인버터 시스템의 제어 방법에 있어서, 목표 전력량과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계, 상기 비교 결과에 따라서 구동 인버터의 수를 결정하는 단계, 상기 결정된 구동 인버터 수만큼 인버터를 구동시켜 최종 출력 전력을 AC 전원 계통에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 목표 전력량과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계는, 상기 비교 대상 인버터의 수를 감소시키면서 상기 목표 전력량과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 비교하는 것은, 상기 목표 전력량과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계는, 상기 비교 대상 인버터의 수가 공급할 수 있는 전력량이 상기 목표 전력량을 만족시키는지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비교 결과에 따라서 구동 인버터의 수를 결정하는 단계는, 상기 비교 결과 상기 비교 대상 인버터의 수가 공급할 수 있는 전력량이 상기 목표 전력량보다 크거나 같다면 상기 비교 대상 인버터의 수를 상기 구동 인버터의 수로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 병렬로 연결된 인버터들은, 상기 인버터 시스템의 최대 정격 전력을 출력시킬 수 있도록 균등한 전력 변환율을 각각 갖는다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 인버터 시스템은, 병렬로 연결된 인버터들을 선택적으로 구동시키는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 인버터 시스템은, 출력 전력 대비 필요한 인버터들을 탄력적으로 구동시키는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 인버터 시스템은, 출력 전력에 비해 시스템의 과도한 출력 부하가 발생하여 시스템 운전 효율이 저하되는 것을 방지하는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 병렬 인버터를 포함하는 인버터 시스템의 개략적 구성을 나타낸다.
도 2는 도 1에 따른 인버터의 전력 변환 효율의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 인버터 시스템의 개략적 도면이다.
도 4는 종래 기술 대비 본 발명의 실시예에 따른 전력 효율 실험 그래프이다.
도 5는 도 3의 동작에 따른 판별 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템(100)의 구성을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템(100)은, 전력 제어부(110), DC 전류원(120), 인버터 블록(130) 및 AC 전원 계통(140)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터 시스템(100)은, 필요한 전력량을 지시하고, 이에 따라 가동되어야 할 인버터의 수를 판별한다. 이로써, 목표 전력량 대비 가동되는 인버터의 수를 적절히 선택함으로써 시스템 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
우선, 전력 제어부(110)는 DC 전류원(120)과 연결되어 요구되는 전력량을 DC 전류원(120)에 지시한다. 또한, 전력 제어부(110)는 인버터 블록(130)과 연결되어, 요구되는 전력량과 단위 인버터들의 전력 변환 용량을 비교하고, 필요한 단위 인버터의 수를 설정한다. 그리하여, 전력 제어부(110)는 전체 인버터 중 소정의 수만 선택하여 인버터를 구동시킬 수 있다. 예컨대, 소정의 수로 선택되는 인버터는 기 설정된 순서대로 구동 여부가 결정될 수 있다.
DC 전류원(120)은 전력 제어부(110)에 의해 제어되어 목표 전력량을 인버터 블록(130)에 공급한다.
인버터 블록(130)은 병렬로 연결된 N개의 단위 인버터(#1, #2, …#n)를 포함한다. 인버터 블록(130) 내 각각의 인버터(#1, #2, …#n)는 전체 시스템의 출력 전력의 1/N만큼 출력 전력(Po_1, Po_2, ..Po_n)을 균등하게 담당한다. 그리하여, 각 인버터(#1, #2, …#n)는 일정 전력 변환율을 가질 수 있다. 예컨대, 전체 시스템의 정격 출력 전력이 1000KW라 하고 10개의 단위 인버터를 구비한다면, 각각의 단위 인버터는 100KW의 전력을 담당할 수 있도록 전력 변환율을 갖는다.
AC 전원 계통(140)은 교류로 변환된 전력을 수신하여, 변환된 교류 전원으로 동작할 수 있는 전원 도메인이다. AC 전원 계통(140)은 교류로 동작하는 전원 기기 및 전동기들이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템(100)의 동작을 설명하기로 한다.
전력 제어부(110)가 목표 전력량을 DC 전류원(120)에 제공한다. 전력 제어부(110)는 현재 목표 전력량 대비 필요한 인버터의 수를 판별한다. 이는 목표 전력량 대비 모든 인버터를 가동시킴으로써 시스템 운전 효율이 저하되는 것을 방지하는 것으로써, 소정의 인버터를 선택하여 탄력적으로 구동시킨다. 본 발명의 실시예에 따르면, 모든 인버터가 항시 동시에 구동되지 않고, 구동되는 인버터와 유휴 상태로 전환되는 인버터가 있을 수 있다.
도 4는 종래 기술 대비 본 발명의 실시예에 따른 전력 효율 실험 그래프이다.
도 4를 참조하면, X축은 출력 전력이고, Y축은 전력 효율을 나타낸다. 이러한 그래프로써 출력 전력 대비 전력 효율의 비율인 전력 변환 효율을 알 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 인버터의 전력 변환 효율은 60-70%에서 최대 효율점을 갖는 커브로서 나타낼 수 있다. 이는 출력 전력이 증가함에 따라 도통 손실도 증가함으로써 일정 수준을 넘어서지 못하고 전력 효율이 제한되는 것을 의미한다.
종래의 경우, 전체 시스템 효율에 대해 모든 인버터의 도통 손실에 따라, 60-70%에서 최대 효율점 갖는 커브의 전력 변환 효율로서 나타낼 수 있다(도 4의 그래프(a) 참조).
종래에는 낮은 출력 전력 구간에 모든 인버터를 구동시킨다 해도, 각 인버터마다의 도통 손실로 인하여 목표 전력을 출력시키는 전력 효율은 낮았다. 예컨대 A KW 이내 구간의 경우, 모든 인버터를 구동시켜도 필요한 전력량 대비 구동되는 인버터의 수가 현저히 많기 때문에 시스템의 부하는 과도한 반면 운전 효율은 낮았다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전체 정격 출력 용량에 비해 현저히 출력 부하가 낮은 구간일 때는, 모든 인버터를 구동하는 대신, 목표 용량에 도달할 수 있는 적절한 수의 인버터만 구동시키도록 한다(도 4의 그래프(b) 참조).
종래의 경우(a)에 비해 본 발명의 경우(b)를 볼 때, 시스템의 전력 부하가 작은 구간에서는 모든 인버터를 구동시키는 경우보다 출력 전력에 적절한 소정의 인버터를 구동시키는 것이 더 유리하다는 것을 알 수 있다. 도 4의 그래프는, 종래의 경우(a)보다 본 발명의 경우(b), 시스템의 전력 효율이 소정 크기(Δ)만큼 더 높음을 의미한다.
본 발명에서는 인버터의 도통 손실로 인한 전력 효율을 고려하여, 병렬로 구성되는 인버터 시스템에서 구동되는 단위 인버터의 수를 목표 전력량에 따라 적절히 선택할 수 있다. 이로써, 시스템 운전의 고효율을 성취할 수 있다. 시스템의 출력 전력에 따라 구동되는 단위 인버터의 수를 결정하기 위해서는 판별 알고리즘이 필요할 수 있다.
도 5는 도 3의 동작에 따른 판별 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
도 3 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 인버터 시스템의 동작을 자세히 설명하기로 한다.
목표 전력량(Po)과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하기 위해, 먼저 전체 인버터의 수(N)보다 하나 적은 수의 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교한다(S10).
비교 동작은 수식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Po>(N-i) x Prate
여기서, Po는 목표 전력량, N은 모든 인버터의 수, i는 자연수(1,2,3..)이다. Prate 는 전체 정격 용량의 1/N 용량, 즉 단위 인버터의 출력 변환율이다.
목표 전력량(Po)이 모든 인버터의 수보다 하나 적은 수의 인버터가 공급할 수 있는 전력량보다 높으면(Y), 이는 목표 전력량(Po)이 인버터 시스템의 최대 전력량, 즉 모든 인버터를 구동시켜야 하는 경우를 의미하며, 비교 결과에 따라 구동 인버터의 수를 결정할 수 있다.
따라서, 목표 전력량(Po)을 만족시키려면 모든 단위 인버터들을 구동시킨다(S20).
이를 AC 전원 계통에 최종 출력 전력량으로 제공할 수 있다(S30).
한편, 목표 전력량(Po)이 모든 인버터의 수보다 하나 적은 수의 인버터가 공급할 수 있는 전력량보다 높지 않으면(N), 감소시킬 숫자를 하나 증가시킨다(S40).
감소시킬 숫자를 증가시키는 수식은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
I= i+1
(I는 감소 대상의 수, i는 자연수(1, 2, 3..))
수학식으로는 숫자가 증가되었으나, 이후 비교 동작 시, 감소되는 숫자이므로, 결과적으로 비교 대상 인버터의 수는 하나씩 감소된다.
그리하여, 목표 전력량 대비 구동시킬, 즉 비교 대상 인버터의 수가 공급할 수 있는 전력량과 비교한다(S50).
비교 동작은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Po >(N-I) X Prate
비교 결과, 목표 전력량 대비 하나 증가시킨 인버터의 수의 전력량이 동등하거나 목표 전력량이 더 크다면(Y), 현재 비교 대상 인버터의 수만큼 구동시킨다(S60). 즉, 비교 결과에 따라 구동 인버터의 수를 결정할 수 있는 것이다. 이로써, AC 전원 계통에 최종 출력 전력량을 제공할 수 있다(S30).
하지만, 비교 결과, 목표 전력량이 여전히 현재 인버터의 수의 전력량 대비 낮다면(N), 다시 비교할 인버터의 수를 하나 증가시키며(S40), 비교 동작(S50)을 반복할 수 있다.
반복 동작을 통해 목표 전력량을 만족시키는 적절한 수의 인버터를 결정하고 이를 구동시킨다. 그리하여, AC 전원 계통에 최종 출력 전력량을 제공할 수 있다(S30).
구체적으로 예시하면, 전체 시스템의 정격 출력 전력량은 1000KW, 단위 인버터의 수는 10개, 각 단위 인버터의 출력 변환율에 따른 변환 출력량을 100KW라고 하자.
목표 전력량이 700KW일 때, 목표 전력량(Po)과 모든 인버터의 수(10개)보다 하나 적은 수(9개)의 전력량을 비교(S10)하면, 700KW와 900KW의 비교 시, 목표 전력량(Po)이 모든 인버터의 수보다 하나 적은 수의 전력량보다 높지 않으므로(N), 감소될 숫자를 하나 증가(2; I=i+1에 의해)시킨다(S40).
그리하여, 목표 전력량 700KW와 새로 비교 대상인 8개의 인버터의 전력량 800KW를 비교한다(S50).
여전히, 목표 전력량 대비 구동될 인버터의 전력량 800KW이 더 크므로, 다시 감소 대상 숫자를 증가(3; I=i+1에 의해)시키고(S40), 새롭게 비교 대상의 인버터 (7; N-I에 의해 )가 공급할 전력량과 비교한다(S50).
비교 결과, 목표 전력량과 현재 인버터의 전력량이 동등하므로, 현재 인버터의 수를 선택한다.
따라서, 7개의 인버터를 구동시켜 최종 출력 전력량을 제공할 수 있다(S30).
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 목표 전력량과 단위 인버터의 출력 전력량을 비교하여, 목표 전력량 대비 구동되어야 할 인버터의 수를 선택할 수 있다. 이로써, 탄력적으로 인버터를 구동시킴으로써, 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 전력 제어부
120: DC 전류원
130: 인버터 블록
140: AC 전원 계통

Claims (5)

  1. 병렬로 연결된 인버터들을 포함하는 인버터 시스템의 제어 방법에 있어서,
    목표 전력량과 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계,
    상기 비교에 따라서 구동될 인버터의 수를 결정하는 단계,
    상기 결정된 인버터의 수만큼 인버터를 구동시켜 최종 출력 전력을 AC 전원 계통에 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 목표 전력량과 상기 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계는,
    상기 목표 전력량과 전체 인버터의 수보다 하나 적은 수의 비교 대상 인버터가 공급하는 전력량을 비교하는 단계;
    상기 목표 전력량이 상기 비교 대상 인버터가 공급하는 전력량 보다 크면 상기 전체 인버터를 구동시켜 최대 전력량을 제공하는 단계;
    상기 목표 전력량이 상기 비교 대상 인버터가 공급하는 전력량 보다 크지 않으면 상기 비교 대상 인버터의 수를 감소시키는 숫자를 하나 증가시키는 단계; 및
    상기 목표 전력량이 상기 비교 대상 인버터가 공급하는 전력량 보다 크지 않으면, 상기 증가된 숫자에 기반하여 상기 비교 대상 인버터의 수를 감소시키면서 상기 목표 전력량과 상기 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계를 포함하며,
    상기 인버터들 각각은 상기 인버터 시스템의 출력 전력의 1/N에 해당되는 전력을 출력하며-상기 N은 상기 인버터들의 수를 나타냄-,
    상기 결정된 인버터의 수에 의해 공급되는 전력량은 상기 인버터들 중 하나가 출력하는 전력량의 상기 인버터의 수의 배인
    인버터 시스템의 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 목표 전력량과 상기 비교 대상 인버터가 공급할 수 있는 전력량을 비교하는 단계는,
    상기 비교 대상 인버터의 수가 공급할 수 있는 전력량이 상기 목표 전력량을 만족시키는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는
    인버터 시스템의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비교에 따라서 구동될 인버터의 수를 결정하는 단계는,
    상기 비교 대상 인버터의 수가 공급할 수 있는 전력량이 상기 목표 전력량보다 크거나 같다면 상기 비교 대상 인버터의 수를 상기 구동될 인버터의 수로 결정하는 단계를 포함하는
    인버터 시스템의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 병렬로 연결된 인버터들은,
    상기 인버터 시스템의 최대 정격 전력을 출력시킬 수 있도록 균등한 전력 변환율을 각각 갖는
    인버터 시스템의 제어 방법.

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