[논문]연속적인 운전모드의 전환을 위한 계통연계형 인버터의 간접 전류 제어기법

유태식; 배영상; 김효성; 최세완

연속적인 운전모드의 전환을 위한 계통연계형 인버터의 간접 전류 제어기법
Indirect Current Control of Utility Interactive Inverter for Seamless Transfer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.11 no.1, 2006년, pp.72 - 78

유태식 (서울산업대 제어계측공학과) , 배영상 (서울산업대 제어계측공학과) , 김효성 (공주대 전기전자공학부) , 최세완 (서울산업대 제어계측공학과)

초록
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분산발전시스템에 비상부하 등의 전용부하가 접속되어 있는 경우, 주전원에 고장이 발생하러라도 비상전용부하에는 지속적인 전력을 공급하기 위하여 의도적인 단독운전을 하게 된다. 기존의 계통연계형 인버터는 주전원에 전력을 주입하기 위하여 평소에 전류제어모드로 운전을 하기 때문에, 의도적인 단독운전 상황이 발생하는 경우 비상부하에 안정된 전압을 공급해 주기 위하여 전압제어모드로 운전을 전환하여야한다. 이러한 운전모드의 전환시 인버터의 출력단 전압에 심각한 과도문제가 발생된다. 본 논문에서는 의도적인 단독운전 발생시 인버터 운전모드 전환에 따른 출력전압의 과도현상을 최소화하기 위한 인버터 토폴로지와 제어알고리즘을 제안한다. 제안된 간접전류제어 알고리즘에 적합한 LCL필터 설계방법과 설계데이터를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Distributed generation (DG) systems go to intentional islanding operation to back up private emergency loads when the main grid is out of electric power. Conventional utility interactive inverters normally operated in current control mode in DG system must change their operation mode into voltage control mode to ensure stable voltage source to the emergency loads when intentional islanding operation occurs. During the transfer between current control mode and voltage control mode, serious transient problem may occur on the output terminal voltage of the utility interactive inverter. This paper proposes reasonal inverter topology and its control algorithm for seamless transfer of DG systems in intentional islanding operation. Filter design guide line and data for a LCL filter that is appropriate for the proposed control algorithm are also presented by the authors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 Zero order holder를 사용하여 간단히 디지털제어 시스템의 특성을 예측해 볼 수도 있다. 본 논문에서는 시뮬레이션의 정밀도를 높이기 위하여 인버터회로를 실제의 소자에 해당되는 IGBT 요소를 사용하여 구성하였고, PLL회로를 하드웨어설계에 맞추어 구현하는 등 가능한 실제의 상황을 충분히 예측할 수 있도록 하였다. PWMe 실제의 구현에 맞추어 삼각파 비교법을 적용하였다.
본 논문에서는 의도적인 단독운전을 고려한 계통연계형 인버터의 제어알고리즘에 관하여 연구한다. 주 전원계통의 사고가 분산발전시스템에서 늦게 감지되더라도 주요부하의 전압에 과도문제가 발생하지 않는 새로운 인버터 토폴로지를 제시하고 그에 따른 인버터 제어 알고리즘을 구현한다.
본 논문은, 의도적인 단독운전이 발생한 경우 주요 부하에 인가되는 전압이 끊임없이 안정되게 공급될 수 있도록, 새로운 인버터 토폴로지 및 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 토폴로지에 따른 LCL필터 구조에 대하여 필터설계 방법과 설계 데이터를 제시하였다.

가설 설정

보인다. 본 논문에서는 교류측 전압 및 전류의 제어에 목적을 두고 있으므로 직류 링크측의 에너지원은 편의상 배터리로 가정하였다. 그러나 적절한 직류단 전압제어기가 고려된다면 직류 링크측에는 태양전지, 연료전지, 등의 어떠한 에너지원이 접속되어도 제안된 제어기의 성능은 보장이 될 것이다.
35초의 시점에 전원측에 고장이 발생된다. 이때 보호 스위치 &는 즉시 차단되지만 계통연계 인버터는 1/4사이클이 지난 후에 고장을 인식한다고 가정한다.

제안 방법

주 전원계통의 사고가 분산발전시스템에서 늦게 감지되더라도 주요부하의 전압에 과도문제가 발생하지 않는 새로운 인버터 토폴로지를 제시하고 그에 따른 인버터 제어 알고리즘을 구현한다. 시뮬레이션에 의해 제안된 인버터의 특성을 검증하여 타당성을 확보한다.
이와 달리, 본 논문에서 제안한 간접전류제어방식의 토폴로지는 LC형 교류필터를 기본으로 동작하여 필터 커패시터 양단의 전압을 제어함으로써, 계통쪽의 라인 인덕터 Lg 양단에 걸리는 전압을 제어하여 간접적으로 계통에 주입되는 전류를 조정한다. 다음에 본 논문에서 제안하는 인버터 토폴로지에 적용되는 LCL 필터설계 순서를 설명한다的
(regulation) 해 주는 기능을 갖는다. 제안된 간접전류 제어 알고리즘에서는 계통연계운전시, 라인인덕 터 爲에 인가되는 전압을 제어함으로써 간접적으로 주입전류를 조정한다. 주전원계통에 주입하고자하는 유효전력이 P라고 하면, 라인인덕터 玦를 통하여 주입되어야 할 전류 는 ⑻과 같이 계산되어질 수 있다.
제안된 시스템은 가정용을 대상으로 하여 IkW 급의 규모로 하였으나 대용량의 경우에도 토폴로지 및 제어알고리즘의 적용이 가능하다.
요구된다. 제안된 제어방식에서는 그림 2에 보인 것처럼 주입 전류의 오차를 PI제어기로 처리한 출력을 위상차각의 제어변수 a로 택하였다. 이 위상차각 제어변수 a에 PLL 에 출력되는 전원전압의 기본위상각。를 더하면 인버터 출력단 전압 μ°에 요구되는 제어각의 기준이 된다.
제안된 제어방식의 계통연계운전에 대한 타당성을 검증하기 위하여 PSIM을 사용한 시뮬레이션을 수행하였다. PSIMe 전력전자회로의 특성을 분석 검증하기에 적절한 범용 시뮬레이터 중의 하나로서 특히 단상회로의 경우 비교적 정밀히 회로의 동작을 예측할 수 있으며, 전력전자분야에서 사용되는 다양한 소자들과 아날로그제어기 및 함수들을 편리하게 사용할 수 있는 특징이 있다.
제안된 토폴로지에 따른 LCL필터 구조에 대하여 필터설계 방법과 설계 데이터를 제시하였다. 시뮬레이션을 통하여 제안된 방법의 타당성을 조사하였다.
주 전원계통의 사고가 분산발전시스템에서 늦게 감지되더라도 주요부하의 전압에 과도문제가 발생하지 않는 새로운 인버터 토폴로지를 제시하고 그에 따른 인버터 제어 알고리즘을 구현한다. 시뮬레이션에 의해 제안된 인버터의 특성을 검증하여 타당성을 확보한다.

이론/모형

본 논문에서는 시뮬레이션의 정밀도를 높이기 위하여 인버터회로를 실제의 소자에 해당되는 IGBT 요소를 사용하여 구성하였고, PLL회로를 하드웨어설계에 맞추어 구현하는 등 가능한 실제의 상황을 충분히 예측할 수 있도록 하였다. PWMe 실제의 구현에 맞추어 삼각파 비교법을 적용하였다. 따라서 본 논문에서 수행한 시뮬레이션은 하드웨어를 구성하여 제작하기 전에 제안된 토폴로지와 제어알고리즘의 타당성을 미리 검증하여 보기에 충분하다고 사료된다.

성능/효과

그림 5(a)의 직접전류제어방식의 경우 주 전원 계통에 고장이 발생한 상황을 인버터가 인식하기까지의 지연시간동안 인버터의 출력전압과 전류가 제어 불능의 상태에 빠져서 회로의 조건에 따라 비상 부하에 걸리는 전압과 전류가 비정상적인 형태로 결정되는 것을 알 수 있다. 이에 반하여 그림 5(b)의 제안된 간접 전류 제어방식의 경우 과도기간 중에도 비상부하에 걸리는 전압과 전류는 아주정상적인 것을 볼 수 있다.
그림 5(a)의 직접전류제어방식의 경우 주 전원 계통에 고장이 발생한 상황을 인버터가 인식하기까지의 지연시간동안 인버터의 출력전압과 전류가 제어 불능의 상태에 빠져서 회로의 조건에 따라 비상 부하에 걸리는 전압과 전류가 비정상적인 형태로 결정되는 것을 알 수 있다. 이에 반하여 그림 5(b)의 제안된 간접 전류 제어방식의 경우 과도기간 중에도 비상부하에 걸리는 전압과 전류는 아주정상적인 것을 볼 수 있다. 그림 6은 단독운전의 상황에서 부하전류의 외란에 대한 인버터 출력단전압의 레귤레이션 특성을 보인다, 제안된 간접전류제어방식의 경우가 전류외란에 대하여 출력전압이 강인함을 보인다.
또한 부하전류 외란에 대하여 제어의 강인함을 보였다. 결론적으로 제안된 방법은 의도적인 단독운전을 하는 분산발전시스템에 유용하게 쓰일 것으로 판단된다.
시뮬레이션 파형에서 알 수 있는 바와 같이 직접전류 제어방식이나 제안된 간접전류제어방식 모두 계통연계시 주입전류를 잘 제어하고 있다. 그러나 주전원계통에 고장이 발생하여 이를 감지하고 의도적인 단독운전으로 전환하는 0.35초 이후의 파형을 보면, 제안된 간접전류 제어방식의 동작특성이 우수함을 알 수 있다.
PWMe 실제의 구현에 맞추어 삼각파 비교법을 적용하였다. 따라서 본 논문에서 수행한 시뮬레이션은 하드웨어를 구성하여 제작하기 전에 제안된 토폴로지와 제어알고리즘의 타당성을 미리 검증하여 보기에 충분하다고 사료된다. 본 논문에서 적용한 시뮬레이션의 시나리오는 다음과 같다.
또한 각각 1세트의 전압센서와 전류센서 만에 의하여 우수한 제어특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
이상의 시뮬레이션 결과를 볼 때 제안된 간접전류 제어방식은, 의도적인 단독운전이 발생한 상황에서 단독 운전의 검출에 지연이 발생되어도 비상부하에 끊임없는 안정된 전압을 공급할 수 있음이 검증되었다. 또한 각각 1세트의 전압센서와 전류센서 만에 의하여 우수한 제어특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
제안된 방법은 인버터가 항상 전압모드로만 안정하게 동작하므로, 주전원에 고장이 발생한 경우에 주요부 하단 전압을 안정하게 유지할 수 있었다. 제안된 간접전류제어 방법은 계통에 주입하는 전력을 전 영역에서 안정되게 조정할 수 있으며, 직접전류 제어방식에 비하여 정상상태 특성과 과도상태 특성의 우수함이 입증되었다. 또한 부하전류 외란에 대하여 제어의 강인함을 보였다.
시뮬레이션을 통하여 제안된 방법의 타당성을 조사하였다. 제안된 방법은 인버터가 항상 전압모드로만 안정하게 동작하므로, 주전원에 고장이 발생한 경우에 주요부 하단 전압을 안정하게 유지할 수 있었다. 제안된 간접전류제어 방법은 계통에 주입하는 전력을 전 영역에서 안정되게 조정할 수 있으며, 직접전류 제어방식에 비하여 정상상태 특성과 과도상태 특성의 우수함이 입증되었다.

후속연구

본 논문에서는 교류측 전압 및 전류의 제어에 목적을 두고 있으므로 직류 링크측의 에너지원은 편의상 배터리로 가정하였다. 그러나 적절한 직류단 전압제어기가 고려된다면 직류 링크측에는 태양전지, 연료전지, 등의 어떠한 에너지원이 접속되어도 제안된 제어기의 성능은 보장이 될 것이다.

참고문헌 (8)

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상세보기
M.Liserre, F.Blaabjerg, S.Hansen, 'Design and Control of An LCL Filter Based Active Rectifier,' IEEE Transactions on Ind App., Vol. 38, No.2, pp.299-307, Sept/Oct. 2001
T.CY.Wang, Z.Ye, G.Sinha, X.Yuan, 'Output Filter Design for a Grid-interconnected Three-Phase Inverter,' Conference Records on PESC'03, Vol. 2, pp.779-784, June 2003
Hyosung Kim, Seung-Ki Sul, 'The Behavior of Filter Inductor Current on Controlling Filter Capacitor Voltage of Output LC Filters for PWM Inverters,' Conference Records on ICPE 2004-Pusan, CD Rom, October 2004
A. Nabae, H. Nakano, Y. Okamura, 'A novel control strategy of the inverter with sinusoidal voltage and current outputs,' Conference Records on PESC'94, Vol. 1, pp. 154-159, June 1994
M.J. Ryan, W.E. Brumsickle, and R.D. Lorenz, 'Control Topology Options for Single-Phase UPS Inverters,' IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.33, No.2, pp.491-501, March/April 1997

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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