전기버스 급속충전기의 PI-IP 혼합 제어기를 이용한 AC/DC 컨버터 DC-Link 전압 제어에 관한 연구 A Study on AC/DC Converter DC-Link Voltage Control Using PI-IP Hybrid Controller of EV Bus Fast Charger원문보기
전 세계적인 이산화탄소 배출량 감소 요구에도 수송 분야에서는 전기 자동차(xEV)의 더딘 보급으로 인하여 배출량이 오히려 매년 상승되는 등 고전을 면치 못하고 있다. 그 이유로는 내연기관 자동차와 비교하여 상대적으로 높은 가격과 일 충전 거리 한계 및 충전 인프라 부족 문제 등이 대두되고 있다. 이렇게 보급이 더딘 상황에서 승용차와 비교하여 상대적으로 이용률이 높은 대중교통을 우선적으로 친환경화하는 방법이 각광 받고 있다. 특히, 대중교통에서 큰 비중을 차지하는 ...
전 세계적인 이산화탄소 배출량 감소 요구에도 수송 분야에서는 전기 자동차(xEV)의 더딘 보급으로 인하여 배출량이 오히려 매년 상승되는 등 고전을 면치 못하고 있다. 그 이유로는 내연기관 자동차와 비교하여 상대적으로 높은 가격과 일 충전 거리 한계 및 충전 인프라 부족 문제 등이 대두되고 있다. 이렇게 보급이 더딘 상황에서 승용차와 비교하여 상대적으로 이용률이 높은 대중교통을 우선적으로 친환경화하는 방법이 각광 받고 있다. 특히, 대중교통에서 큰 비중을 차지하는 전기버스가 빠르게 도입되고 있으며 이에 따라 수백 kW의 배터리를 30분 내로 충전할 수 있는 대용량 급속 충전기의 도입 요구가 높아지고 있다. 급속 충전기 구조는 상용 3상 계통의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하고 역률을 개선하는 AC/DC 컨버터와 정류된 DC 출력을 전기버스 배터리가 요구하는 전압 및 전류로 제어해주는 절연형 DC/DC 컨버터의 2-Stage 구조로 구성된다. 이중 AC/DC 컨버터는 여러 가지 Topology가 존재하지만 높은 효율과 전력 밀도로 구현 가능하며 3-Level 동작으로 고 역률 제어를 할 수 있다는 장점을 갖는 Vienna Rectifier가 대표적으로 많이 적용된다. 하지만 Vienna Rectifier는 무부하나 경부하 동작 시 제어가 어려워 초기 구동과 배터리 완충 시에 불안정한 단점이 있어 이를 해결하고자 여러 방법이 제안되고 있다. 대표적인 방법인 Burst Mode 제어 [1,2]는 큰 DC-Link 전압의 스윙 문제로 인하여 2차 측 컨버터와 충전 중인 배터리의 성능에 악영향을 주는 문제점을 가지고 있다. 또 다른 제안 방법으로 Hysteresis 루프를 설정한 제어기법이 검토되었으나[3] 높은 돌입전류가 유기되는 문제점이 발생하여 문제를 효과적으로 개선하지 못하였다.[4] 따라서 본 논문에서는 Vienna Rectifier의 안정적 제어를 위한 시스템 설계와 제어 기법을 제시한다. Vienna Rectifier는 단방향 컨버터로서 무부하나 경부하 조건에서 제어의 불안정성이 존재한다. 이러한 문제를 해결하고자 통상적으로 더미 저항을 사용하지만 이는 모두 손실로 발생하게 된다. 따라서 더미 저항 대신 시스템의 전원으로 사용하여 손실을 줄일 수 있는 하드웨어 구성을 제안한다. 일반적인 PI 제어기를 이용하여 제어기를 설계할 경우 급변 부하 시 속응성으로 인하여 과도한 응답이 나타나게 되고 Vienna Rectifier 출력의 정상 상태 회복이 지연될 수 있다. 따라서 제어기와 전 부하 구간에서 신뢰성을 확보하기 위하여 부하 전류를 이용하여 PI-IP 혼합 제어기의 설정 변수를 결정하는 전압 제어 기법을 제시하였다. 그리고 PSIM 시뮬레이션과 실험을 통하여 제시한 Vienna Rectifier의 하드웨어 구성과 제어 알고리즘의 타당성을 입증하였다.
전 세계적인 이산화탄소 배출량 감소 요구에도 수송 분야에서는 전기 자동차(xEV)의 더딘 보급으로 인하여 배출량이 오히려 매년 상승되는 등 고전을 면치 못하고 있다. 그 이유로는 내연기관 자동차와 비교하여 상대적으로 높은 가격과 일 충전 거리 한계 및 충전 인프라 부족 문제 등이 대두되고 있다. 이렇게 보급이 더딘 상황에서 승용차와 비교하여 상대적으로 이용률이 높은 대중교통을 우선적으로 친환경화하는 방법이 각광 받고 있다. 특히, 대중교통에서 큰 비중을 차지하는 전기버스가 빠르게 도입되고 있으며 이에 따라 수백 kW의 배터리를 30분 내로 충전할 수 있는 대용량 급속 충전기의 도입 요구가 높아지고 있다. 급속 충전기 구조는 상용 3상 계통의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하고 역률을 개선하는 AC/DC 컨버터와 정류된 DC 출력을 전기버스 배터리가 요구하는 전압 및 전류로 제어해주는 절연형 DC/DC 컨버터의 2-Stage 구조로 구성된다. 이중 AC/DC 컨버터는 여러 가지 Topology가 존재하지만 높은 효율과 전력 밀도로 구현 가능하며 3-Level 동작으로 고 역률 제어를 할 수 있다는 장점을 갖는 Vienna Rectifier가 대표적으로 많이 적용된다. 하지만 Vienna Rectifier는 무부하나 경부하 동작 시 제어가 어려워 초기 구동과 배터리 완충 시에 불안정한 단점이 있어 이를 해결하고자 여러 방법이 제안되고 있다. 대표적인 방법인 Burst Mode 제어 [1,2]는 큰 DC-Link 전압의 스윙 문제로 인하여 2차 측 컨버터와 충전 중인 배터리의 성능에 악영향을 주는 문제점을 가지고 있다. 또 다른 제안 방법으로 Hysteresis 루프를 설정한 제어기법이 검토되었으나[3] 높은 돌입전류가 유기되는 문제점이 발생하여 문제를 효과적으로 개선하지 못하였다.[4] 따라서 본 논문에서는 Vienna Rectifier의 안정적 제어를 위한 시스템 설계와 제어 기법을 제시한다. Vienna Rectifier는 단방향 컨버터로서 무부하나 경부하 조건에서 제어의 불안정성이 존재한다. 이러한 문제를 해결하고자 통상적으로 더미 저항을 사용하지만 이는 모두 손실로 발생하게 된다. 따라서 더미 저항 대신 시스템의 전원으로 사용하여 손실을 줄일 수 있는 하드웨어 구성을 제안한다. 일반적인 PI 제어기를 이용하여 제어기를 설계할 경우 급변 부하 시 속응성으로 인하여 과도한 응답이 나타나게 되고 Vienna Rectifier 출력의 정상 상태 회복이 지연될 수 있다. 따라서 제어기와 전 부하 구간에서 신뢰성을 확보하기 위하여 부하 전류를 이용하여 PI-IP 혼합 제어기의 설정 변수를 결정하는 전압 제어 기법을 제시하였다. 그리고 PSIM 시뮬레이션과 실험을 통하여 제시한 Vienna Rectifier의 하드웨어 구성과 제어 알고리즘의 타당성을 입증하였다.
The supply of electric vehicles (xEVs) in the transport sector is increasing in response to the global demand for reducing carbon dioxide emissions. However, due to the gradual slow dissemination, the emission is rather difficult, increasing every year. The reasons for this include a relatively high...
The supply of electric vehicles (xEVs) in the transport sector is increasing in response to the global demand for reducing carbon dioxide emissions. However, due to the gradual slow dissemination, the emission is rather difficult, increasing every year. The reasons for this include a relatively high price compared to an internal combustion engine vehicle, limiting the driving range on a single charge, and insufficient charging station. In such a situation where the spread is slow, the method of preferentially eco-friendly public transportation, which has a higher usage rate than passenger cars, is being accepted. In particular, EV buses, which account for a large portion of public transportation, are rapidly spreading. Accordingly, there is a growing demand for the introduction of a large-capacity fast charger that can charge a battery of several hundred kW within 30 minutes. In general, the structure of a fast charger consists of an AC/DC converter and a 2-stage of an isolated DC/DC converter. AC/DC converter converts system 3-phase AC power to DC power and improves power factor. The isolated DC/DC converter uses the rectified DC output to control the voltage and current required by the EV bus battery to directly charge the battery. AC/DC converters have several topologies. Among them, the fast charger for charging is a 3-level converter, and the Vienna Rectifier has many advantages. However, the Vienna Rectifier is a unidirectional converter and it is difficult to control during no-load or light-load operation. In particular, there is a disadvantage in that it is unstable during initial operation and when the battery is fully charged. Several methods have been proposed to solve this problem. Burst mode control [1,2], which is a representative method, has a problem in that it adversely affects the performance of the secondary-side converter and the battery being charged due to the large DC-Link voltage ripple. As another method, a control method with a hysteresis loop was reviewed [3], However, the problem of induced high inrush current is not effectively improved.[4] Therefore, in this paper, hardware configuration and voltage control method for stable control of Vienna Rectifier are presented. Vienna Rectifier is a unidirectional converter characteristic, but there is instability of control under light load conditions. Accordingly, we propose a hardware configuration that can reduce losses by using it as a system power source instead of a conventional dummy resistor. In addition, the existing PI controller has a large transient state due to its quick response when a sudden load change occurs, and the recovery of the steady state may be delayed in the Vienna Rectifier. To solve this problem, In order to secure reliability in the entire load section, we propose a voltage control method that determines the setting parameters of the PI-IP hybrid controller using the load current. The proposed method proved the validity of the hardware configuration and control algorithm of Vienna Rectifier presented through PSIM simulations and experiments.
The supply of electric vehicles (xEVs) in the transport sector is increasing in response to the global demand for reducing carbon dioxide emissions. However, due to the gradual slow dissemination, the emission is rather difficult, increasing every year. The reasons for this include a relatively high price compared to an internal combustion engine vehicle, limiting the driving range on a single charge, and insufficient charging station. In such a situation where the spread is slow, the method of preferentially eco-friendly public transportation, which has a higher usage rate than passenger cars, is being accepted. In particular, EV buses, which account for a large portion of public transportation, are rapidly spreading. Accordingly, there is a growing demand for the introduction of a large-capacity fast charger that can charge a battery of several hundred kW within 30 minutes. In general, the structure of a fast charger consists of an AC/DC converter and a 2-stage of an isolated DC/DC converter. AC/DC converter converts system 3-phase AC power to DC power and improves power factor. The isolated DC/DC converter uses the rectified DC output to control the voltage and current required by the EV bus battery to directly charge the battery. AC/DC converters have several topologies. Among them, the fast charger for charging is a 3-level converter, and the Vienna Rectifier has many advantages. However, the Vienna Rectifier is a unidirectional converter and it is difficult to control during no-load or light-load operation. In particular, there is a disadvantage in that it is unstable during initial operation and when the battery is fully charged. Several methods have been proposed to solve this problem. Burst mode control [1,2], which is a representative method, has a problem in that it adversely affects the performance of the secondary-side converter and the battery being charged due to the large DC-Link voltage ripple. As another method, a control method with a hysteresis loop was reviewed [3], However, the problem of induced high inrush current is not effectively improved.[4] Therefore, in this paper, hardware configuration and voltage control method for stable control of Vienna Rectifier are presented. Vienna Rectifier is a unidirectional converter characteristic, but there is instability of control under light load conditions. Accordingly, we propose a hardware configuration that can reduce losses by using it as a system power source instead of a conventional dummy resistor. In addition, the existing PI controller has a large transient state due to its quick response when a sudden load change occurs, and the recovery of the steady state may be delayed in the Vienna Rectifier. To solve this problem, In order to secure reliability in the entire load section, we propose a voltage control method that determines the setting parameters of the PI-IP hybrid controller using the load current. The proposed method proved the validity of the hardware configuration and control algorithm of Vienna Rectifier presented through PSIM simulations and experiments.
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