[논문]PDFF 기법을 적용한 플라이휠 에너지 저장장치용 PWM 인버터 시스템 제어

박종찬; 정병환; 최해용; 최규하

[국내논문] PDFF 기법을 적용한 플라이휠 에너지 저장장치용 PWM 인버터 시스템 제어
PWM Inverter System Control for Flywheel Energy Storage System using PDFF(Pseudo-Derivative Control with Feedforward Gain) Algorithm 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.12 no.3, 2007년, pp.267 - 275

박종찬 (건국대 전기공학과) , 정병환 (기초전력연구원) , 최해용 (현대기아자동차 연구개발본부) , 최규하 (건국대 전기공학과)

초록
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본 논문은 현재 청정에너지의 개념으로 대두되고 있는 에너지원 가운데 기계적인 에너지로 저장하여 필요 시 꺼내어 사용할 수 있는 플라이휠 에너지 저장장치에 대한 에너지 입, 출력 모델링 및 PWM 인버터 시스템의 해석 및 제어에 관한 논문으로서, 플라이휠 저장장치 특성 및 시스템 모델링에 관해 논의한다. 재질에 따른 플라이휠의 특성과 플라이휠 에너지 저장장치의 속도 특성에 따른 전압과 전류의 변화량을 수식으로 간략화 하여 분석하고, 시뮬레이션을 통하여 플라이휠의 에너지 저장상태를 분석하였다. 또한, 부하측 전원의 이상유무에 관계없이 에너지를 공급할 수 있는 Online UPS로 사용하기 위해 PDFF 제어기법을 이용하여 전압제어 및 전류제어의 이중루프 제어로 구성된 단상 PW방식의 인버터 시스템 제작하였으며, 실험을 통하여 실제로 0.1[p.u], 1[p.u]에서의 제어되는 전압, 전류제어파형 및 THD 특성에 관하여 평가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents about energy input and output modeling for a flywheel energy storage system that can store and supply mechanical energy, which is emerging as one of clean energy sources, and the analysis and control of a PWM inverter system. Moreover, this paper describes flywheel's characteristics related to variations of mechanical and electrical parameters like as voltage and current versus speed characteristics formed as numerical formula and thus simulate behaviour-status of flywheel energy. Also for comparison and analysis between PI control and PDFF control, the modeling, design and analysis to the single-phase full bridge inverter with double loop feedback control is accomplished through numerical description and simulation. Finally, under load condition 0.1[pu], 1[pu]. it is validated that harmonic characteristics for voltage and current wave is controlled within 5% below even dynamics condition.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 서론에서 언급한 바와 같이 영점의 영향에 의한 과도상태에서의 전압응답의 오버슈트를 줄이고자 제어기의 폐루프 전달함수의 극의 위치는 일정하게 유지하며 영점의 위치를 가변 할 수 있는 PDFF 제어기를 이용하여 시스템을 구성하였으며, 이를 비교 분석하기 위하여, PI 제어 시스템도 모델링을 같이 하였다. 따라서, 식(14广(19)로 PI 제어방식으로 제어기를 모델링 하였고, 식 (20广(25)로 PDFF 제어방식을 이용하여 모델링을 하고 그림 7~10 으로 블록선도를 나타내었다.

제안 방법

본 논문은 플라이휠의 특성과 플라이휠 에너지 저장장치의 속도 특성에 따른 전압과 전류의 변화량을 수식으로 간략화하여 분석하고, 시뮬레이션을 통하여 플라이휠의 에너지 저장상태를 분석하였으며, 단상 PWM방식의 인버터를 모델링하였다.
따라서, 이 논문에서는 PDFF 방식을 이용한 전압제어, 전류제어를 이중루프 제어회로를 구성하여 각각의 제어 값을 계산하고, 출력특성을 시뮬레이션을 하여, 영점에 의한 과도상태 및 정상상태 특성을 개선, 또한 위상지연 특성도 동기 신호의 샘플값을 조절하는 방식으로 개선하여, PI 제어 시스템의 응답특성과 비교분석도 함께 수행하였다. Powersim 사의 Psim tool을 이용하여 시뮬레이션을 하여 부하특성을 확인하였다.
따라서, 이 논문에서는 PDFF 방식을 이용한 전압제어, 전류제어를 이중루프 제어회로를 구성하여 각각의 제어 값을 계산하고, 출력특성을 시뮬레이션을 하여, 영점에 의한 과도상태 및 정상상태 특성을 개선, 또한 위상지연 특성도 동기 신호의 샘플값을 조절하는 방식으로 개선하여, PI 제어 시스템의 응답특성과 비교분석도 함께 수행하였다. Powersim 사의 Psim tool을 이용하여 시뮬레이션을 하여 부하특성을 확인하였다. 그리고, 실제로 DSP(TMS320C₃₁)< 이용한 UPS 인버터 시스템을 제작하였고, 실험은 부하를 저항부하로 하였고, 실제로 0.
Powersim 사의 Psim tool을 이용하여 시뮬레이션을 하여 부하특성을 확인하였다. 그리고, 실제로 DSP(TMS320C₃₁)< 이용한 UPS 인버터 시스템을 제작하였고, 실험은 부하를 저항부하로 하였고, 실제로 0.1[p.u], l[p.u]에서의 제어되는 전압, 전류제어 파형과 최대부하로의 변동시에 발생하는 과도상태등을 측정하였고, 시뮬레이션 결과와 비교 분석을 하였다. 또한 부하에서의 전압, 전류에 대한 THD, 부하변동시에 발생하는 THD 변화율도 Power Analyzer를 통하여 측정하고 분석하였다.
u]에서의 제어되는 전압, 전류제어 파형과 최대부하로의 변동시에 발생하는 과도상태등을 측정하였고, 시뮬레이션 결과와 비교 분석을 하였다. 또한 부하에서의 전압, 전류에 대한 THD, 부하변동시에 발생하는 THD 변화율도 Power Analyzer를 통하여 측정하고 분석하였다.
플라이휠 에너지 저장장치를 이용하여 부하에 AC 전력을 공급하기위한 단상 PWM 인버터의 정상 상태 및 과도상태에 대한 시뮬레이션 및 실험을 하였다. 본 논문에서 구현한 시스템의 스위칭주파수는 10[KHz]이며, 시뮬레이션 또한 lOCKHz]의 스위칭주파수로 구현하여 분석하였고, 본 시스템의 결과와 비교 분석하였다.
표 1은 시뮬레이션에 관련한 파라미터를 나타내고 있다. 위의 파라미터를 이용하여 PDFF 제어기를 구현하고, 이를 시뮬레이션 하였다. 그림 12 는 단상 PWM 인버터 시뮬레이션 회로도를 나타낸다.
본 논문은 재질에 따른 플라이휠의 특성과 플라이휠 에너지 저장장치의 속도 특성에 따른 전압과 전류의 변화량을 수식으로 간략화하여 분석하였고, 시뮬레이션을 통하여 플라이휠의 에너지 저장상태를 분석하였으며, 부하측에 전원의 이상유무에 관계없이 에너지를 공급할 수 있는 Online 財S로 사용하기위해 단상 PWM 방식의 인버터를 모델링하고, Powersim 사의 Psim tool을 이용하여 시뮬레이션을 하여 부하 특성을 확인하였다.
PI제어기법에서 발생하는 영점에 의한 정상상태 오차를 저감하기 위해 PDFF 제어를 이용하여 시뮬레이션 하고 PI제어방식과 비교함으로서, 영점 효과 저감 특성을 확인하였다. 그리고, 실제로 DSP를 이용한 단상 PWM 인버터 시스템을 제작하여, 저항부하를 갖고 정격부하 및 변동부하 특성을 확인하였고, 시뮬레이션도 비슷한 결과가 나왔음을 확인하였다.

데이터처리

본 논문에서 구현한 시스템의 스위칭주파수는 10[KHz]이며, 시뮬레이션 또한 lOCKHz]의 스위칭주파수로 구현하여 분석하였고, 본 시스템의 결과와 비교 분석하였다.

이론/모형

이러한 사항은 Matlab tool을 이용하여, 보드 선도를 작성 하였고, 그림 11에 전압제어기의 보드 선도를 나타내었다.
시뮬레이션은 단상 PWM 인버터를 모델링하여 Powersim 사의 시뮬레이션 툴인 Psim을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 표 1은 시뮬레이션에 관련한 파라미터를 나타내고 있다.
시뮬레이션은 Unipolar 방식의 변조방법을 사용하여 단상 PWM 인버터를 시뮬레이션을 하였고, 부하 조건은 3[kVA]를 l[p.u]로하고 0.1[p.u]에서 l[p.u]까지 부하를 변동하는 조건으로 저항부하를 사용하였다. 또한 시뮬레이션 분석중에서 온도조건 및 스위치 특성과 같은 세세한 특성은 여기서 배제하였다.

성능/효과

3 일 때만을 나타내었다. 사용주파수 상에서의 PI제어기의 영점특성에 의한 게인 값이 0.687[dB]으로 가장 크게 나타나고, PDFF 제어기는 a값이 0.3일때 0.0346[dB]으로 가장 작게 나타남을 알 수 있다. 즉, a값이 작아질 수록 영점 효과는 사라지고 있음을 알 수 있다.
따라서, 위의 전류제어기는 전압제어기 보다 대역폭을 전압제어기 보다 5배 이상 크게 하였다. 그런 결과 상용주파수 대역에서의 전류제어기 보드선도는 PI 제어방식이나, PDFF 제어방식에 있어서, 영점 효과나 위상지연 현상에서 별다른 차이를 보이지 않았다.
5. 실험

실험에서 구현한 시스템의 스위칭주파수는 10[KHz] 이며 실제로 DSP를 이용한 단상 PWM 인버터 시스템을 제작하여, 저항부하를 갖고 정격부하시 실험 파형과 및 THD 특성을 확인하였고, 시뮬레이션과 비슷한 결과가 나왔음을 확인하였다.
확인하였다. 그리고, 실제로 DSP를 이용한 단상 PWM 인버터 시스템을 제작하여, 저항부하를 갖고 정격부하 및 변동부하 특성을 확인하였고, 시뮬레이션도 비슷한 결과가 나왔음을 확인하였다.

후속연구

향후 과제로는 얻어진 이론과 설계를 바탕으로 단상 UPS 인버터시스템에 플라이휠 에너지 저장장치와 연계 운전을 통하여 플라이휠 저장장치의 운전특성과 부하출력 특성, DC link voltage 변동특성, 부하 변동 시속도 특성, 고장에 의한 계통전원과의 분리시 전압변동에 따른 전류특성 등을 실험적 고찰을 통해 제시 및 분석하여야 할 것이다.

참고문헌 (7)

J. G. Bitterly, 'Flywheel technology past, present, and 21st Century projections', Energy Conversion Engineering Conference, Aug. 1997, pp. 2312-2315
R. S. Weissbach, G. G. Karady, R. G. Farmer, 'A combined uninterruptible power supply and dynamic voltage compensator using a flywheel energy storage system', Power Delivery, IEEE Trans. Vol. 16, No. 2, 2001, pp. 265-270

상세보기
R. G. Lawrence, K. L. Craven, G. D. Nichols, 'Flywheel UPS', Industry Applications Magazine, IEEE, Vol. 9, Issue. 3, May-June. 2003, pp.44-50

상세보기
정환명, 'UPS응용을 위한 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구동 및 제어'. 충북대학교 공학박사 학위논문, 2001
Zhang Jiancheng, Huang Lipei, Chen Zhiye, 'Research on flywheel energy storage system for power quality', PowerCon Proc., 2002, pp. 496-499
O. Kukrer, H. Komurcugil, N. S. Bayindir, 'Control strategy for single-phase UPS inverters', Electric Power Applications, IEEE Proc. Vol. 150, Issue. 6, Nov. 2003, pp. 743-746
M. J. Ryan, W. E. Brumsickle, R. D. Lorenz, 'Controltopology option for single-phase UPS inverters' IEEE Transsaction on Industry Application, Vol. 33, Issue. 2, March-April. 1997, pp. 493-50

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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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