[논문]불평형 입력 전압 하에서 위상 검출이 없는 3상 PWM AC/DC 컨버터의 새로운 제어 기법

박규서; 안성찬; 현동석

불평형 입력 전압 하에서 위상 검출이 없는 3상 PWM AC/DC 컨버터의 새로운 제어 기법
New Control Scheme for 3 Phase PWM AC/DC Converter without Phase Angle Detection under Unbalanced Input Voltage Conditions 원문보기

박규서 (해군사관학교, 해군 대위) , 안성찬 (한양대 대학원 박사과정 수료) , 현동석 (한양대 공대 전기공학과)

일반적으로 3상 PWM AC/DC 컨버터는 정상상태에서의 효과적인 오차제거 및 빠른 과도응답 특성을 얻기 위해 동기좌표계상으로 모델링하여 제어한다. 그러나 이와 같은 제어기는 입력전압이 평형일 경우를 전제조건으로 하므로, 입력전압이 불평형일 경우 입력전류와 직류링크 전압에 2차 고조파 성분이 나타나게 된다. 본 논문에서는 불평형 입력전압 하에서 컨버터 시스템의 입력전류와 직류링크 전압에 발생하는 2차 고조파 성분을 최소화하기 위한 새로운 제어기법을 제안하였다. 입력측 역기전력 성분으로 간주할 수 있는 동기좌표계상의 전압을 입력전압의 상태에 따라 변동하였으며, 전류지령치를 무효전력과 2차 고조파 유효전력을 선택적으로 제거하도록 선정하였다. 입력전압의 분석은 동기좌표계상에서 수행되어지며, 각 상의 위상과 진폭의 검출이 불필요하다. 제안한 제어기법은 매우 간단하며 불평형 입력전압 상태에서 입출력 시스템의 고조파 왜란을 효과적으로 제어할 수 있다.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 zero crossing시의 문제점 및 입력전압의 정상분 및 역상분 분리에 따르는 부가적인 연산에 의한 복잡한 알고리즘을 피하고 제어기를 간단히 하기 위해서 다음과 같은 방법을 적용하였다. 우선 전원 전압의 변동에 따른 제어기의 속응성 향상을 위해 전원 전압의 분석을 동기좌표계상에서 직접 하였으며 이 경우 3상 전원의 위상검출과 진폭검출은 필요하지 않다.
본 논문에서는 3상 PWM AC/DC 컨버터에 불평형 입력전압이 인가되었을 때 입력전류와 직류링크 전압에 나타나는 고조파 성분을 최소화하기 위한 효과적인 제어기법을 제안하였다. 불평형 입력전압을 동기 좌표 계상에서의 직접 정상분과 역상분으로 분석함으로써 입력전압의 위상 및 진폭검출이 불필요하며, 따라서 연산 알고리즘이 간단히 되었고 순시 전압변동에 대한 속응 제어능력을 향상시킬 수 있었다.

제안 방법

입력전압 불평형은 산업계에서 자주 일어나는 현상으로 이에 의한 문제점을 제거하기 위해서는 불평형 입력전압이 컨버터의 입출력 시스템에 미치는 영향을 순시적으로 보상할 수 있는 알고리즘이 필요하게 되며, 그간 불평형 입력전압의 영향분석 및 이것을 제거하려는 많은 연구가 있어 왔다.『罚 Enjeti와 Choudhury는 불평형 입력전압에 의한 저차고조파 성분을 제거하기 위해서 입력전압의 정상분과 역상분을 계산한 후 feedforward 제어 알고리즘을 통하여 PWM 신호를 발생시켰다.团 Rioual et.
따라서 입력전류와 직류링크 전압에 2차 고조파 성분이 나타나게 된다. 그러므로 입력전압의 상태에 따라 £万와 矶를 재 설정해 주는 알고리즘이 필요하며 본 논문에서는 다음과 같은 방법을 사용하여 동기 좌표 계상에서 입력 전압을 분석하였다.
불평형 입력전압을 동기 좌표 계상에서의 직접 정상분과 역상분으로 분석함으로써 입력전압의 위상 및 진폭검출이 불필요하며, 따라서 연산 알고리즘이 간단히 되었고 순시 전압변동에 대한 속응 제어능력을 향상시킬 수 있었다. 또한 무효전력 성분과 2차 고조파 유효전력 성분이 0이 되도록 각 성분별 전류지령값을 구하였으며, 이를 동기 좌표 계상에서 일치시킨 값을 전류지령값으로 택하였다. 따라서 전류제어 시 입력전류를 성분별로 분석하지 않고도 고조파 성분을 효과적으로 제거 함으로써 제어기의 구조를 간단히 할 수 있었다.
분석된 동기좌표계상의 전압은 입력측 역기전력 성분이며 이 전압은 입력전압의 변동에 따라 가변 되어진다. 또한 전류지령치를 무효전력 및 2차 고조파 유효전력 성분이 0이 되도록 선정하여 입력전류의 정현적 제어 및 직류링크 전압의 리플을 효과적으로 제거하였다.
团 Rioual et. al은 정상분과 역상분 전압 방정식을 각각 유도하였으며 직류링크 전압을 일정하게 유지하고 평균 무효전력을。으로 만들기 위한 정상분과 역상분 전류지령치를 구하여 역상분 전류지령치를 정상분 동기좌표계로 환산하여 전류제어를 하였다.⑸

대상 데이터

실험에 사용된 컨버터 스택은 IGBT(1200[V], 150[A])로 구성되었고, 제어 알고리즘은 150[«sec]의 샘플링 주기로 32bit DSP인 TMS320C₃₁ 에 의해 수행되었으며 시스템 파라미터는 표 1과 같고 적용된 입력전압은 식(13)과 같다.

성능/효과

또한 무효전력 성분과 2차 고조파 유효전력 성분이 0이 되도록 각 성분별 전류지령값을 구하였으며, 이를 동기 좌표 계상에서 일치시킨 값을 전류지령값으로 택하였다. 따라서 전류제어 시 입력전류를 성분별로 분석하지 않고도 고조파 성분을 효과적으로 제거 함으로써 제어기의 구조를 간단히 할 수 있었다. 제안한 알고리즘은 불평형 입력전압 하에서 일반적인 컨버터 시스템의 변동 없이 안정된 입력전류 와 직류링크 전압을 얻을 수 있다.
제안하였다. 불평형 입력전압을 동기 좌표 계상에서의 직접 정상분과 역상분으로 분석함으로써 입력전압의 위상 및 진폭검출이 불필요하며, 따라서 연산 알고리즘이 간단히 되었고 순시 전압변동에 대한 속응 제어능력을 향상시킬 수 있었다. 또한 무효전력 성분과 2차 고조파 유효전력 성분이 0이 되도록 각 성분별 전류지령값을 구하였으며, 이를 동기 좌표 계상에서 일치시킨 값을 전류지령값으로 택하였다.
제안된 알고리즘은 입력전압의 위상 및 진폭 검출이 필요치 않아 매우 간단하며 기존 시스템의 토폴로지 변동 없이 적용 가능하다. 제안된 알고리즘의 타당성을 실험을 통하여 입증하였다.
따라서 전류제어 시 입력전류를 성분별로 분석하지 않고도 고조파 성분을 효과적으로 제거 함으로써 제어기의 구조를 간단히 할 수 있었다. 제안한 알고리즘은 불평형 입력전압 하에서 일반적인 컨버터 시스템의 변동 없이 안정된 입력전류 와 직류링크 전압을 얻을 수 있다.

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