[논문]단상 그리드연결형 인버터의 동기화를 위한 PLL 시스템 해석

트란콴빈; 전태원; 이홍희; 김흥근; 노의철

단상 그리드연결형 인버터의 동기화를 위한 PLL 시스템 해석
Analysis of a Synchronizing PLL System for Single-phase Grid-tie Inverters 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.6, 2008년, pp.447 - 452

트란콴빈 (울산대 대학원 전기공학과) , 전태원 (울산대 전기전자정보시스템공학부) , 이홍희 (울산대 전기전자정보시스템공학부) , 김흥근 (경북대 전자전기공학부) , 노의철 (부경대 전기제어계측공학부)

초록
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본 논문은 단상 그리드전압의 동기화에 가장 적합한 곱형 PLL 시스템을 설계한다. 소신호 해석방법으로 PLL 시스템을 모델링하고, 동기 과도 응답특성뿐만 아니라 동기신호의 왜곡을 고려하여 저역필터의 차단주파수 및 이득의 최적 값을 유도한다. 설계의 성능을 검증하기 위하여, 시뮬레이션 및 실험결과로 차단주파수 및 이득의 변화에 동기신호의 과도응답과 리플성분을 관찰한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the paper, the product-type PLL system, which is so suitable for synchronizing a single phase grid voltage is designed. The PLL system is modelled with the small signal analysis. Both the cut-off frequency of low pass filter and the optimal gain are derived by considering the transient response for synchronization as well as a distortion of synchronization signal. Through the simulation studies and experimental results, the transient response and ripple component of synchronization signal are investigated with a variation of both the cut-off frequency and gain in order to verify the performance of design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 기준신호가 정현파일 경우 가장 적합하면서 간단한 구조를 가진 곱형 위상검출기에 저역필터를 사용한 단상 그리드 전압용 PLL시스템을 설계하고자 한다. 먼저 PLL회로를 모델링한 후 과도응답 특성뿐만 아니라 동기신호의 왜곡현상까지 고려하여 최적의 이득 및 필터의 차단주파수를 설계한다.

제안 방법

PSIM으로 시뮬레이션을 수행하였으며, 각 변수 값을 단위화시키기 위하여 단상 그리드 전압의 피크치를 1로 하였다. 먼저 그림 5는 이득이 100일 경우 차단주파수를 5Hz, 20Hz, 50Hz로 변화하였을 때 그리드전압및 동기신호와 저역필터의 출력을 각각 보인 것이다.
TI사의 16-비트 DSP TMS320LF2406으로 이 PLL 시스템을 구현하였으며, 샘플링시간은 200μsec로 하였다.
^[2[3] 이 기법은 비교적 단순하나, 전압의 왜곡/ 불균형에 상당히 민감하다는 단점이 있다. 따라서 고정좌표계 2축 정현파 신호 적분기를 사용하여 3상 그리드전압의 불균형이나 왜곡에도 정상상태오차를 최소화시키는 기법을 제시하였다.^[4][5]
^[6-8] 이 방법은 3상 그리드 전압에서 동기화 시키는 방법과 유사하므로 제어시스템이 복잡하다는 문제가 있다. 또한 동기신호의 과도 응답특성만을 고려하고 PLL 시스템의 제어기를 설계하였다.^[8][9]
본 논문은 곱형 위상검출기에 저역필터를 사용한 단상 그리드 전압용 PLL회로를 설계하였다. 먼저 PLL시스템을 소신호 해석으로 모델링한 후, 이 동기신호의과도응답 특성 및 안정도와 함께 동기신호의 왜곡까지 고려하여 이득 및 필터 차단주파수의 허용범위를 구하였다. 시뮬레이션 결과와 32-비트 DSP를 사용한 실험 결과를 통하여 이득 및 차단주파수의 변화에 대한 필터 출력의 고주파 크기 및 동기신호 과도응답시간이 설계 결과와 거의 유사함을 확인하였다.
본 논문은 기준신호가 정현파일 경우 가장 적합하면서 간단한 구조를 가진 곱형 위상검출기에 저역필터를 사용한 단상 그리드 전압용 PLL시스템을 설계하고자 한다. 먼저 PLL회로를 모델링한 후 과도응답 특성뿐만 아니라 동기신호의 왜곡현상까지 고려하여 최적의 이득 및 필터의 차단주파수를 설계한다. PSIM을 사용한 시뮬레이션 및 16-비트 DSP를 사용한 실험을 통하여 본 논문에서 제안한 설계의 타당성을 확인한다.
본 논문은 곱형 위상검출기에 저역필터를 사용한 단상 그리드 전압용 PLL회로를 설계하였다. 먼저 PLL시스템을 소신호 해석으로 모델링한 후, 이 동기신호의과도응답 특성 및 안정도와 함께 동기신호의 왜곡까지 고려하여 이득 및 필터 차단주파수의 허용범위를 구하였다.

대상 데이터

TI사의 16-비트 DSP TMS320LF2406으로 이 PLL 시스템을 구현하였으며, 샘플링시간은 200μsec로 하였다. IGBT 스위칭소자로 단상 인버터를 구성하였으며, 단상 그리드 전압의 크기는 110V, 주파수는 60Hz인 상태에서 실험을 수행하였다. 또한 PLL 시스템에서 주요변수인 동기신호, 궤환신호 저역필터 출력 등의 파형을 오실로스코프와 관측하기 위하여 4-채널 12-비트 D/A 컨버터를 사용하였다.

이론/모형

IGBT 스위칭소자로 단상 인버터를 구성하였으며, 단상 그리드 전압의 크기는 110V, 주파수는 60Hz인 상태에서 실험을 수행하였다. 또한 PLL 시스템에서 주요변수인 동기신호, 궤환신호 저역필터 출력 등의 파형을 오실로스코프와 관측하기 위하여 4-채널 12-비트 D/A 컨버터를 사용하였다.

성능/효과

먼저 PLL회로를 모델링한 후 과도응답 특성뿐만 아니라 동기신호의 왜곡현상까지 고려하여 최적의 이득 및 필터의 차단주파수를 설계한다. PSIM을 사용한 시뮬레이션 및 16-비트 DSP를 사용한 실험을 통하여 본 논문에서 제안한 설계의 타당성을 확인한다.
그런데 가정용이나 빌딩 등에서 구성하는 소규모 마이크로그리드에서는 대부분 단상전원을 사용한다. 따라서 그리드 단상 전압의 90^o 위상차를 가지는 전압을 발생 시킨 후 동기각속도 2상 좌표계 d-q축 전압으로 변환시켜 d축 전압을 0으로 제어하는 방법을 발표하였다.^[6-8] 이 방법은 3상 그리드 전압에서 동기화 시키는 방법과 유사하므로 제어시스템이 복잡하다는 문제가 있다.
먼저 PLL시스템을 소신호 해석으로 모델링한 후, 이 동기신호의과도응답 특성 및 안정도와 함께 동기신호의 왜곡까지 고려하여 이득 및 필터 차단주파수의 허용범위를 구하였다. 시뮬레이션 결과와 32-비트 DSP를 사용한 실험 결과를 통하여 이득 및 차단주파수의 변화에 대한 필터 출력의 고주파 크기 및 동기신호 과도응답시간이 설계 결과와 거의 유사함을 확인하였다. 이 PLL 기법 및 제어기 설계방법은 타 연구에서 제시한 PLL기법에 비하여 상당히 간단하므로 UPS 등 그리드 전압과 동기화시키는 응용분야에서 쉽게 적용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재생에너지에 대한 관심이 높아지는 이유는?	앞으로 석유 등 화석연료의 고갈과 이에 의한 공해등 환경파괴 문제 때문에 태양광, 풍력, 연료전기 등 재생에너지에 대한 관심이 근래에 급격히 높아지고 있다. 따라서 여러 재생에너지를 전력계통으로 효율적 으로 전달하기 위하여 분산발전 방식을 사용하며, 재생 에너지원에서 전력용 반도체 컨버터를 통하여 단상 또는 3상의 분산 그리드에 연결되어 진다.
	분산발전 방식의 목적은?	앞으로 석유 등 화석연료의 고갈과 이에 의한 공해등 환경파괴 문제 때문에 태양광, 풍력, 연료전기 등 재생에너지에 대한 관심이 근래에 급격히 높아지고 있다. 따라서 여러 재생에너지를 전력계통으로 효율적 으로 전달하기 위하여 분산발전 방식을 사용하며, 재생 에너지원에서 전력용 반도체 컨버터를 통하여 단상 또는 3상의 분산 그리드에 연결되어 진다. 이 때 그리드 전압벡터의 위치 정보를 정확하게 얻기 위한 Phase lock loop (PLL) 알고리즘이 그리드에 연결된 컨버터의 제어 성능에 큰 영향을 준다.
	Phase lock loop 알고리즘은 언제 컨버터의 제어성능에 영향을 주는가?	앞으로 석유 등 화석연료의 고갈과 이에 의한 공해등 환경파괴 문제 때문에 태양광, 풍력, 연료전기 등 재생에너지에 대한 관심이 근래에 급격히 높아지고 있다. 따라서 여러 재생에너지를 전력계통으로 효율적 으로 전달하기 위하여 분산발전 방식을 사용하며, 재생 에너지원에서 전력용 반도체 컨버터를 통하여 단상 또는 3상의 분산 그리드에 연결되어 진다. 이 때 그리드 전압벡터의 위치 정보를 정확하게 얻기 위한 Phase lock loop (PLL) 알고리즘이 그리드에 연결된 컨버터의 제어 성능에 큰 영향을 준다.

참고문헌 (9)

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X. Yuan, W. Me, and J. Allmeling, "Stationary-Frame Generalized Integrators for Current Control of Active Power Filters With Zero Steady-State Error for Current Harmonics of Concern Under Unbalanced and Distorted Operation Conditions", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 38, No. 2, pp. 523-532, 2002, Mar./Apr

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R. I.Bojoi, G. Griva, V. Bostan, M. Guerriero, F. Farina, and F. Profumo, "Current Control Strategy for Power Conditioners Using Sinusoidal Signal Integrators in Synchronous Reference Frame", IEEE Trans. Power Elect., Vol. 20, No. 6, pp. 1402-1412, 2005, Nov
R. Y. Kim, S. Y. Choi, and I. Y. Suh, "Instantaneous Control of Average Power for Grid Tie Inverter Using Phase D-Q Rotating Frame with PLL Pass Filter", in Proc. IEEE-IECON, pp. 274-279, 2004
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S. M. Silva, B. M. Lopes, B.J.F, R. P. Campana, and W. C. Boaventura, "Performance Evaluation of PLL Algorithms for Single-phase Grid-connected Systems", Conf. Rec, of IEEE-IAS, pp. 2259-2263, 2004
L.G.B. Rolim, D.R. Costa, and M. Aredes, "Analysis and Software Implementation of a Robust Synchronizing PLL Circuit Based on the pq Theory", IEEE Trans. Ind. Elect., Vol. 53, No. 6, pp. 1919-1926, 2006, Dec

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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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