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문제 정의
- 그러므로 본 논문에서는 계통의 품질향상, 효율적 전력사용, 안정된 전원 공급, 친환경 에너지원 이용 등과 같은 계통 연계형 시스템에서 요구되는 기능들을 하나의 시스템에서 모두 만족할 수 있는 UPS를 고려한 계통연계 전류제어형 전압원 인버터 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 추가적인 장치 없이 단상 풀-브릿지 인버터 하나만을 사용하여 전력품질개선 기능, 수요관리 기능, 무정전 전원공급 기능 등을 모두 수행할 수 있도록 통합 · 운영된다.
- 발생된다. 따라서 본 연구에서는 하나의 시스템에서 이런 기능들을 통합 운영할 수 있는 UPS를 고려한 계통연계 전류제어형 전압원 인버터 시스템을 제안하였으며 전체 구성도는 그림 1과 같다.
제안 방법
- 3.1절의 '시뮬레이션 결과를 통해 검증된 시스템을 실제 1{KVA}급 시작품을 제작하여 실험하였다. 인버터에 사용되는 스위칭 소자는 IGBT를 사용하였고, 전압 및 전류센서는 LEM사의 LV25P와 LA25P를 이용하였다.
- 전체 시스템의 제어기로 기사의 DSP 320C33을 이용하였으며, 스위칭 제어알 고리즘(PRT and SVM)은 xillings사의 CPLD로 구성하였다. 계통의 전력 및 역률을 측정하기 위해 전력분석 장비인 Voltech사의 PM3000A를 사용하였으며 Texronix사의 디지털 오실로스코프 TDS3054B를 이용하여 시스템의 전압 및 전류 파형을 측정하였다.
- 본 연구에서 계통연계형 시스템에서 요구되는 전력품질 개선, 부하수요관리, 무정전전원공급 기능 등을 하나의 시스템에서 통합 운영할 수 있는 UPS를 고려한 계통연계 전류 제어형 전압원 인버터를 제안하였고, 부하조건 및 계통의 이상유무에 따른 모드별 동작원리 및 제어 알고리즘을 이론적으로 해석하였다. 또한, 시뮬레이션 프로그램 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며 HKVA]급 시작품을 제작 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 본 연구에서 제안한 시스템은 기존의 시스템과 비교하여 소형경량화, 가격경쟁력 확보, 제어의 용이성, 효율성 등의 장점을 가진다. 본 논문에서는 제안된 시스템의 부하 조건 및 계통의 상태에 따른 모드별 동작 원리 및 제어 알고리즘을 이론적으로 해석하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안된 시스템의 유용성을 확인하였다.
- 본 연구에서 계통연계형 시스템에서 요구되는 전력품질 개선, 부하수요관리, 무정전전원공급 기능 등을 하나의 시스템에서 통합 운영할 수 있는 UPS를 고려한 계통연계 전류 제어형 전압원 인버터를 제안하였고, 부하조건 및 계통의 이상유무에 따른 모드별 동작원리 및 제어 알고리즘을 이론적으로 해석하였다. 또한, 시뮬레이션 프로그램 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며 HKVA]급 시작품을 제작 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서 제안한 UPS를 고려한 계통연계 전류제어형 전압원 인버터 시스템의 유용성을 확인하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션 및 1{KVA}급 시작품을 제작하여 실험하였다. 시뮬레이션 결과와 실험결과를 분석하기 위하여 시뮬레이션 및 실험조건은 동일하게 설정하였으며 표 1과 같다.
- 여기서, 배터리의 전력은 계통 고장 발생 시에 일정시간동안(백업시간) 부하에 전력을 공급할 수 있도록 항상 유지 시켜야 한다. 본 연구에서는 임의로 약 30% 범위 내에서 배터리의 전력을 이용하도록 설정하였다. 그림 7은 방전모드 일 때의 시뮬레이션 파형으로 부하조건은 그림 6과 동일하다.
- 제안된 시스템은 단상 풀-브릿지 전압원 인버터, DSP 기반의 제어기, 센싱 및 인터페이스 모듈로 구성된다. 인버터의 DC 입력은 배터리와 연결되며 태양광, 연료전지와 같은 신재생에너지원과 연계하여 운영할 수 있다.
- 전압원 인버터 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 추가적인 장치 없이 단상 풀-브릿지 인버터 하나만을 사용하여 전력품질개선 기능, 수요관리 기능, 무정전 전원공급 기능 등을 모두 수행할 수 있도록 통합 · 운영된다. 시스템의 동작은.
- 제안된 시스템의 제어 알고리즘은 부하조건 및 배터리의 상태에 따라 인버터의 지령전류를 생성하는 PQC 알고리즘과 계통 고장 발생 시 부하에 정전압을 공급할 수 있는 인버터의 지령전압을 생성하는 UPS 제어 알고리즘으로 구분할 수 있다. 여기서, 계통 전압을 항시 모니터링하여(본 연구에서는 46.
대상 데이터
- 1절의 '시뮬레이션 결과를 통해 검증된 시스템을 실제 1{KVA}급 시작품을 제작하여 실험하였다. 인버터에 사용되는 스위칭 소자는 IGBT를 사용하였고, 전압 및 전류센서는 LEM사의 LV25P와 LA25P를 이용하였다. 전체 시스템의 제어기로 기사의 DSP 320C33을 이용하였으며, 스위칭 제어알 고리즘(PRT and SVM)은 xillings사의 CPLD로 구성하였다.
- 인버터에 사용되는 스위칭 소자는 IGBT를 사용하였고, 전압 및 전류센서는 LEM사의 LV25P와 LA25P를 이용하였다. 전체 시스템의 제어기로 기사의 DSP 320C33을 이용하였으며, 스위칭 제어알 고리즘(PRT and SVM)은 xillings사의 CPLD로 구성하였다. 계통의 전력 및 역률을 측정하기 위해 전력분석 장비인 Voltech사의 PM3000A를 사용하였으며 Texronix사의 디지털 오실로스코프 TDS3054B를 이용하여 시스템의 전압 및 전류 파형을 측정하였다.
데이터처리
- 먼저 제안된 시스템의 유용성을 확인하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험결과와 비교. 분석하기 위하여 C 언어로 코딩이 가능한 DLL 블록을 사용하였다.
이론/모형
- UPS 모드에서는 계통의 이상유무를 항시모니터링 하여 고장 발생 시에는 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 즉시 정전압을 공급한다. PQC 모드에서는 순시 전류피드백 제어를 통해 생성된 지령 전류를 잘 추종하도록 PRT(Polarized Ramp time) 전류제어 알고리즘을 사용하며 UPS 모드에서는 캐패시터 피드백을 통한 SVM(Space Vector Modulation) 전압제어 알고리즘을 이용한다. 이 두 가지 제어 알고리즘 중에서 계통과 부하조건에 따라 하나만을 선택하여 사용하기 때문에 DSP 하나만을 사용한다.
- PQC 알고리즘은 계통 전압(Vg)의 위상 및 크기, 부하 조건(Vload, Iload) 및 배터리의 전력(Vbat, Ibat)을 센싱하여, 그 정보를 토대로 부하에서 요구하는 유효 및 무효전력성분을 연산하고, 배터리의 상태에 따라 식 (1-4) 를 이용하여 최종적인 인버터 지령전류 (*) Ic-M 를 생성하게 된다. 본 연구에서는 실제 인버터 전류를 생성된 인버터 지령전류에 따라 추종하도록 PWM 스위칭 패턴을 결정하는 스위칭 알고리즘으로 PRT(Polarized Ramp time) 전류제어알고리즘을 이용하였다. 전류제어 스위칭 알고리즘은 일반적으로 히시테리시스기법을 주로 사용하는데 이는 하드웨어가 간단하고 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있지만 스위칭 주파수가 가변되는 단점을 갖고 있다.
- 기본 주파수(60Hz)를 갖는 sinwt* 를 이용하여 최종적인 인버터 지령전압(Vc-ref*)을 생성하게 된다. 본 연구에서는 실제 인버터 전압을 생성된 인버터 지령전압에 따라 추종하도록 PWM 스위칭 패턴을 결정하는 스위칭 알고리즘으로 SVM(Space Vector Modulation) PWM기법을 이용하였다.
성능/효과
- 그림 6의 (a)와 (b)의 부하 전류는 왜곡이 많은 비선형 특성을 나타내고 있지만 인버터가 PQC 알고리즘을 통해 고조파 저감 기능을 수행함으로서 계통 전류는 왜곡 없는 정현파임을 알 수 있다. 또한, 계통 전압과 전류는 위상차가 거의 "0”에 근사하며 따라서 제안된 시스템은 단위역률로 운전되고 있음을 확인할 수 있다.
- (a)와 (b)의 부하 전류는 왜곡이 많은 비선형 특성을 나타내고 있지만 인버터가 PQC 알고리즘을 통해 고조파 저감 기능을 수행함으로서 계통 전류는 왜곡 없는 정현파임을 알 수 있다. 또한, 계통 전압과 전류는 위상차가 거의 "0”에 근사하며 따라서 제안된 시스템은 단위역률로 운전되고 있음을 확인할 수 있다.
- 1. 제안된 시스템은 비선형 부하를 포함한 모든 부하조건에서 계통의 역률을 항상 0.99이상을 유지 할 수 있고, THD를 4.51%] 이내로 저감할 수 있어 한전배전계통공급기 준 및 IEEE 표준규격을 만족한다.
- 2. 제안된 시스템은 배터리를 이용하여 계통 및 부하조건에 따라 일정범위 안에서 첨두부하 시 계통의 전력을 일부 분담하고 낮은 부하 시 계통의 잉여전력을 충전함으로서 전력사용의 효율성을 향상시킬 수 있다.
- 3. 제안된 시스템은 계통의 이상유무를 항시 모니터링 하여 고장 발생 시 부하에 일정기간동안 정전압을 공급할 수 있다.
- 그림 11은 시뮬레이션 결과 파형인 그림 7 (a)의 유도성 정류기 부하 조건일 때의 방전 모드 실험파형으로 시뮬레이션 결과와 근사함을 확인할 수 있다. 그림 11에서 제안된 시스템은 배터리에 저장된 에너지가 충분하다고 판단되면 배터리의 전력을 이용하여 부하에서 요구하는 전력을 인버터가 일정 부분 분담하고 있음을 확인할 수 있으며, 동시에 부하전류의 고조파 성분을 보상함으로서 계통전류는 정현파에 근사함을 확인할 수 있다. 그림 12는 시뮬레이션 결과 파형인 그림 8 (b)의 콘덴서 입력형 정류기 부하 조건일 때의 충전 모드 실험 파형으로 시뮬레이션 결과와 근사함을 확인할 수 있다.
- 그림 9는 제안된 시스템의 UPS 모드 동작파형으로 부하 조건은 그림 6과 동일하며, 위로부터 부하전압(Vbad) 및 인버터 출력전압(Vc), 부하전류(Iload), 계통전류(Ig), 인버터 전류(L)이다. 그림 9에서처럼 계통의 이상 유무를 모니터링하여 평상시에는 PQC 모드로 동작하고, 계통 고장 발생 시에는 UPS 모드로 전환되어 부하조건에 관계없이 제안된 시스템이 부하에 요구하는 정전압(200Vrms, 60Hz)을 공급하고 있음을 확인할 수 있다.
- 이 두 가지 제어 알고리즘 중에서 계통과 부하조건에 따라 하나만을 선택하여 사용하기 때문에 DSP 하나만을 사용한다. 따라서 본 연구에서 제안한 시스템은 기존의 시스템과 비교하여 소형경량화, 가격경쟁력 확보, 제어의 용이성, 효율성 등의 장점을 가진다. 본 논문에서는 제안된 시스템의 부하 조건 및 계통의 상태에 따른 모드별 동작 원리 및 제어 알고리즘을 이론적으로 해석하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안된 시스템의 유용성을 확인하였다.
- 이상의 결과로 본 연구에서 제안한 시스템이 추가적인 장치 없이 계통의 전력품질 향상 및 안정적 전력공급에 유용함을 확인하였다. 따라서 제안된 시스템은 기존의 시스템과 비교하여 시스템의 소형 경량화 및 가격 면에서 장점이 있어 실제 시스템의 구축, 설계 및 보급에 유리하다.
- 이상과 같은 시뮬레이션 결과를 종합하면 제안된 시스템은 비선형 부하를 포함한 모든 부하조건에서 단위역률제어 및 고조파 저감 성능이 우수하며, 동시에 배터리를 이용하여(30[%] 범위 안에서) 계통 및 부하조건에 따라 첨두부하 시 계통의 전력을 일부 분담하고 낮은 부하 시 계통의 잉여전력을 충전함으로서 효율적인 전력사용이 가능하다. 또한, 계통의 이상유무를 항시 모니터링 하여 고장 발생 시에도 부하에 일정시간동안(백업시간) 정전압을 공급할 수 있음을 확인하였다.
- 이상과 같은 시뮬레이션 결과를 종합하면 제안된 시스템은 비선형 부하를 포함한 모든 부하조건에서 단위역률제어 및 고조파 저감 성능이 우수하며, 동시에 배터리를 이용하여(30[%] 범위 안에서) 계통 및 부하조건에 따라 첨두부하 시 계통의 전력을 일부 분담하고 낮은 부하 시 계통의 잉여전력을 충전함으로서 효율적인 전력사용이 가능하다. 또한, 계통의 이상유무를 항시 모니터링 하여 고장 발생 시에도 부하에 일정시간동안(백업시간) 정전압을 공급할 수 있음을 확인하였다.
- 이상의 결과로 본 연구에서 제안한 시스템이 추가적인 장치 없이 계통의 전력품질 향상 및 안정적 전력공급에 유용함을 확인하였다. 따라서 제안된 시스템은 기존의 시스템과 비교하여 시스템의 소형 경량화 및 가격 면에서 장점이 있어 실제 시스템의 구축, 설계 및 보급에 유리하다.
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