[논문]PLL 기법을 이용한 단상 PWM 인버터의 정상상태 성능개선

정세교; 이대식

PLL 기법을 이용한 단상 PWM 인버터의 정상상태 성능개선
Steady-State Performance Improvement of Single-Phase PWM Inverters Using PLL Technique 원문보기

정세교 (경상대 전기전자공학부) , 이대식 (대구대 정보통신공학부)

본 논문에서는 무정전 전원장치와 같이 일정전압 일정주파수(constant voltage and constant frequency; CVCF) 운전에 사용되는 단상 PWM 인버터의 정밀 전압제어 기법을 다루었으며 정상상태에서 전압 오차를 최소화하기 위해 phase-locked loop(PLL) 기법을 이용한 새로운 전압 제어 방법을 제안하였다. 제안된 제어기법에서는 출력 커패시터 전압과 전류를 이용하여 PLL 보상기를 구성하였으며 주제어기에 PLL 보상기를 추가하여 출력 전압의 정상상태 성능을 개선하였다. 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며, 그 결과 기존의 방법에 비해 정상상태 전압제어 성능과 Total Harmonic Distortion(THD)이 현저히 개선됨을 입증할 수 있었다.

This paper presents a precision voltage control technique of a single phase PWM inverter for a constant voltage and constant frequency(CVCF) applications. The proposed control scheme employs an additional phase-locked loop(PLL) compensator which is constructed using the output capacitor voltage and current. The computer simulation and experiment are carried out for the actual single-phase PWM inverter and it is well demonstrated from these results that the steady-state performance and total harmonic distortion(THD) are remarkably improved by employing the proposed technique.

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문제 정의

본 논문에서는 단상 PWM 인버터의 새로운 전압제어기법을 제안하였다. 제안된 제어기는 전압제어기, 커패시터 전류제어기 및 PLL 보상기로 구성되어 있다.
따라서 비례 제어기나 비례-적분-제어기를 사용할 경우 정상상태 오차나 위상 지연을 피할 수 없게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 PLL 기법을 이용한 보상 루프를 제안하였다.
본 는문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 phase-locked loop(PLL) 기법을 이용한 새로운 전압제어 방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 인버터 필터 커패시터 전압과 전류의 위상차가 90°임을 이용하여 출력전압 보상기를 구성하며, 3상 시스템의 dq 변환과 유사하게 출력 전압의 크기와 위상 성분을 분리하여 직류 값으로 제어할 수 있다.

제안 방법

따라서 적절한 필터링이나 관측기에 의한 추정기법 등이 사용될 수 있다. 본 논문에서는 커패시터 전류를 측정한 다음 저역통과 필터를 사용하여 필터링 하였다. 저역통과 필터로는 2차의 Butterworth 필터를 사용하였으며 필터의 전달함수는 다음과 같다.
TMS320C₃₁ DSP를 사용한 디지털 제어기와 IGBT인버터, LC 필터, 전압 및 전류센서 회로로 구성되어있다. 전압과 전류의 궤환을 위해 12bit의 A/D 변환기를 사용하였고 FPGA를 이용하여 PWM 회로를 구현하였다. 실험에 사용된 파라미터는 표 1과 동일하다.
방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 인버터 필터 커패시터 전압과 전류의 위상차가 90°임을 이용하여 출력전압 보상기를 구성하며, 3상 시스템의 dq 변환과 유사하게 출력 전압의 크기와 위상 성분을 분리하여 직류 값으로 제어할 수 있다. 따라서 비례-적분 제어 방식으로 정상상태 오차를 최소화 할 수 있다.
본 논문에서는 단상 PWM 인버터의 새로운 전압제어기법을 제안하였다. 제안된 제어기는 전압제어기, 커패시터 전류제어기 및 PLL 보상기로 구성되어 있다. 제안된 PLL 보상기는 3상 시스템의 동기 좌표축 변환과 유사하게 인버터의 출력 전압을 직류 성분의 크기와 위상 정보로 분리할 수 있어 비례-적분 제어기를 이용하여 정상상태 오차를 최소화 할 수 있다.
나타내고 있다. 제안된 제어기법은 전압제어 루프와 내부에 커패시터 전류제어 루프를 가지고 있으며 부가적으로 PLL 기법을 이용한 보상 루프를 가지고 있다. 커패시터 전류 궤환 방식은 부하전류에 대한 decoupling 효과에 의해 매우 우수한 동특성을 가진다고 알려져 있다“时 그러나 단상 PWM 인버터의 경우 60Hz의 정현파 기준 전압을 추종하게 되며 제어관점에서 일종의 추종 제어(tracking control)라고 할 수 있다.
표 2에서는 제안된 제어기와 PLL 보상기가 없는 경우 그리고 데드비트 제어기에 대한 고조파특성을 비교하였다. 표에서 제안된 제어기가 가장 우수한 고조 파 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.

대상 데이터

있다. TMS320C₃₁ DSP를 사용한 디지털 제어기와 IGBT인버터, LC 필터, 전압 및 전류센서 회로로 구성되어있다. 전압과 전류의 궤환을 위해 12bit의 A/D 변환기를 사용하였고 FPGA를 이용하여 PWM 회로를 구현하였다.
본 논문에서는 커패시터 전류를 측정한 다음 저역통과 필터를 사용하여 필터링 하였다. 저역통과 필터로는 2차의 Butterworth 필터를 사용하였으며 필터의 전달함수는 다음과 같다.

데이터처리

제안된 제어기법의 타당성을 검증하기 위해 컴퓨터시뮬레 이 션과 실험을 수행하였다. 시 뮬레 이 션은 MATLAB/SIMULINK를 이용하였으며 사용된 파라미터는 표 1과 같다.

이론/모형

이 션과 실험을 수행하였다. 시 뮬레 이 션은 MATLAB/SIMULINK를 이용하였으며 사용된 파라미터는 표 1과 같다.

성능/효과

그림 6과 7은 부하저항이 30〃에서 150으로 순간적으로 변할 때의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 두 제어기의 과도상태 특성은 유사하나 제안된 제어기의 경우 PLL 보상기의동작으로 정상상태 오차가 작아짐을 알 수 있다.
그림 11은 정류기 부하에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 실험 결과에서 보듯이 비선형부하에 대해서도 우수한 출력전압 특성을 나타내고 있음을 볼 수 있다. 그림 12는 PLL 보상기가 있는 경우와 없는 경우에 대한 정상상태 오차를 비교한 그림이다.
제안된 제어기는 전압제어기, 커패시터 전류제어기 및 PLL 보상기로 구성되어 있다. 제안된 PLL 보상기는 3상 시스템의 동기 좌표축 변환과 유사하게 인버터의 출력 전압을 직류 성분의 크기와 위상 정보로 분리할 수 있어 비례-적분 제어기를 이용하여 정상상태 오차를 최소화 할 수 있다. 제안된 제어기의 성능을 검증하기 위해 다양한 조건에서 실험과 시뮬레이션을 수행 하였으며 저항부하, 부하변동, 정류기와 같은 비선형부하에 대해서 우수한 제어 특성을 나타내고 있음을 입증하였다.
따라서 비례-적분 제어 방식으로 정상상태 오차를 최소화 할 수 있다. 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며 그 결과 제안된 방법의 우수성을 입증할 수 있었다.
제안된 제어기법에서는 커패시터 전류를 주 제어 루프 및 PLL 보상기에 사용하므로 정확한 커패시터 전류의 정보를 얻는 것이 매우 중요하다. 그러나 커패시터 전류는 큰 맥동 성분을 포함하고 있어 직접 제어기에 적용하기는 어렵다.
제안된 제어기의 경우 PLL 보상기에 의해 보상되므로 다양한 부하 조건에서 우수한 정상상태 특성을 보여주고 있다.
그림 5는 동일한 실험조건에서 PLL 보상기가 있는 경우와 없는 경우에 대한 전압오차를 나타낸 그림이다. 제안된 제어기의 경우 정상상태 오차가 PLL 보상기가 없는 제어기의 20% 정도로 줄어듦을 볼 수 있다. 그림 6과 7은 부하저항이 30〃에서 150으로 순간적으로 변할 때의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다.
제안된 PLL 보상기는 3상 시스템의 동기 좌표축 변환과 유사하게 인버터의 출력 전압을 직류 성분의 크기와 위상 정보로 분리할 수 있어 비례-적분 제어기를 이용하여 정상상태 오차를 최소화 할 수 있다. 제안된 제어기의 성능을 검증하기 위해 다양한 조건에서 실험과 시뮬레이션을 수행 하였으며 저항부하, 부하변동, 정류기와 같은 비선형부하에 대해서 우수한 제어 특성을 나타내고 있음을 입증하였다. 제안된 제어기법은 향후 무정전 전원장치나 계통연계 인버터 등과 같이 정밀한 전압 및 위상 제어 성능이 요구되는 곳에 효과적으로 사용될 수 있으리라 생각된다.
표에서 제안된 제어기가 가장 우수한 고조 파 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.

후속연구

제안된 제어기의 성능을 검증하기 위해 다양한 조건에서 실험과 시뮬레이션을 수행 하였으며 저항부하, 부하변동, 정류기와 같은 비선형부하에 대해서 우수한 제어 특성을 나타내고 있음을 입증하였다. 제안된 제어기법은 향후 무정전 전원장치나 계통연계 인버터 등과 같이 정밀한 전압 및 위상 제어 성능이 요구되는 곳에 효과적으로 사용될 수 있으리라 생각된다.

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