[논문]정상분 전압 관측기를 이용한 불평형 3상 전원의 PLL

김형수; 최종우

정상분 전압 관측기를 이용한 불평형 3상 전원의 PLL
PLL for Unbalanced Three-Phase Utility Voltage using Positive Sequence Voltage Observer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.2, 2008년, pp.145 - 151

김형수 (경북대 전기공학과) , 최종우 (경북대 전자전기컴퓨터학부)

초록
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본 논문에서는 계통 전압이 불평형인 경우에 정확한 위상각을 검출할 수 있는 정상분 전압 관측기를 이용한 PLL(Phase Locked Loop) 방법을 제안한다. 제안된 PLL 방법은 기존의 전역 통과 필터(APF, All Pass Filter)를 이용하여 불평형 전원전압으로부터 정상분 전압을 구하는 것과는 달리 전차원 상태관측기를 사용함으로써 불평형사고 발생 시 추정위상각의 과도상태 응답특성을 개선하였다. 기존의 정상분 전압 추출 PLL 방법과 본 논문에서 제안된 PLL 방법의 성능을 비교하기 위해, 전원단 전압에 불평형 사고 발생시 위상각을 검출하는 실험을 하였고, 이를 통해 기존의 전역 통과 필터를 이용한 정상분 전압 추출 PLL 방법보다 제안된 전차원 상태관측기를 이용한 정상분 전압 추출 PLL 방법의 과도상태 응답특성이 개선됨을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the PLL method using positive sequence voltage which is estimated by full-order state observer to find an accurate phase angle under the condition of unbalanced utility voltage. The proposed method uses the full-order state observer instead of existing method(APF All Pass Filter) to find a positive sequence of a utility voltage and this proposed method improves transient response of an estimated phase angle when a three-phase utility voltage becomes unbalanced. To compare proposed method withexisting method, experiments have been done for a phase angle detection of utility voltage when a three-phase utility voltage becomes unbalanced. Their results show that transient state response of proposed method is improved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 불평형한 전원의 위상각을 전차원 상태관측기를 이용하여 검출하는 방법을 제안한다. 먼저 기존의 불평형한 전원의 위상각 검출 방법인 전역 통과 필터를 사용한 PLL 방법을 살펴보고, 불평형 사고 발생 시 과도상태 응답특성을 개선시킨 정상분 전압관측기를 이용한 PLL 방법을 제안한다.
본 논문은 기존의 정상분 전압 추출 PLL 방법의 과도상태 응답특성을 개선한 전차원 상태관측기를 이용한 3상 불평형 전원의 PLL 방법을 제안하였다. 이 PLL 방법은 기존의 전역 통과 필터를 사용하여 불평형한 전원단 전압에서 정상분 전압을 추출 하는 방법 대신 전차원 상태관측기로 추출한 전원단 전압의 정상분 전압을 PLL 함으로써 전원의 위상각을 검출한다.

가설 설정

여기서 첨자 p와 ne 각각 정상분 변수와 역상분 변수를 의미하며 3상 3선식을 가정하여 영상분 전압은 고려하지 않았다.

제안 방법

하지만이 방법은 전원전압이 왜곡되거나 만은 노이즈를 포함할 경우 한 주기내에 여러 개의 영전압 교차점이 존재하여 위상검출에 오류가 발생할 수 있으며, 각 상의 위상차에 대한 고려가 없는 등 여러가지 문제점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위해 제안된 방법으로 동기좌표계 축에서 제어기를 이용하여 실제 위상각과 추정위상각의 오차가 없게 제어함으로 위상각을 검출하는 “동기좌표계 PLL" 방법이 있다[니 하지만 이 방법도 전원단 전압이 불평형일 경우 동기 좌표계로 변환한 d 축과 q축 전압에서 전원 주파수의 2배에 해당하는 맥동(ripple)전압이 발생하는 문제점이 있다. 이와 같은위상각 검출 시 전원단 전압의 불평형에 의한 문제점은 불평형한 전원단 전압으로부터 평형한 정상분 성분만을 얻어내 이를 동기좌표계 PLL의 입력으로 사용함으로 개선할 수 있다』
이는 기존의 동기좌표계 PLL 방법과 같다. 그리고 전원단에 사고 발생시 전차원 상태관측기의 과도상태 출력에 추정주파수가 급격하게 변동하는 것을 방지하기 위해 추정주파수를 일정한 범위안으로 제한하고, 이로 인한 적분기 오차누적의 대책으로 안티와인드업(antirwind up)을 추가하였다(3).
사고 발생시。以를 -180。에서 180。까지 5° 간격으로 변화시켜 총 72회의 모의실험 및 실험을 각각 실시하였다. 모의실험에는 MATLAB Simulink를 사용하였고, 실제 실험에서는 제어프로그램으로 불평형 사고의 시작점을 조절할 수 있은 3상 교류전압공급기(TW525 0)를 전원전압으로 사용하였으며, DSP(TMS320F2812) 보드를 사용하여 기존방법과 제안된 방법을 구현하였다.
먼저 기존의 불평형한 전원의 위상각 검출 방법인 전역 통과 필터를 사용한 PLL 방법을 살펴보고, 불평형 사고 발생 시 과도상태 응답특성을 개선시킨 정상분 전압관측기를 이용한 PLL 방법을 제안한다. 제안된 방법은 MATLAB Simulink를 통한 모의실험과 실험의 결과를 기존방식과 비교함으로써 그 우수성을 입증한다.
이를 고려하기 위해 사고 발생시。以를 -180。에서 180。까지 5° 간격으로 변화시켜 총 72회의 모의실험 및 실험을 각각 실시하였다. 모의실험에는 MATLAB Simulink를 사용하였고, 실제 실험에서는 제어프로그램으로 불평형 사고의 시작점을 조절할 수 있은 3상 교류전압공급기(TW525 0)를 전원전압으로 사용하였으며, DSP(TMS320F2812) 보드를 사용하여 기존방법과 제안된 방법을 구현하였다.
이 PLL 방법은 기존의 전역 통과 필터를 사용하여 불평형한 전원단 전압에서 정상분 전압을 추출 하는 방법 대신 전차원 상태관측기로 추출한 전원단 전압의 정상분 전압을 PLL 함으로써 전원의 위상각을 검출한다. 기존의 방법은 전역 통과 필터 고유의 특성이 과도상태 추정성능을 결정짓는 반면, 전차원 상태관측기는 전체 시스템이 안졍한 범위 안에서 시스템 특성방정식의 근의 위치를 변화시킴으로써 원하는 성능을 얻을 수 있다.
전체 PLL시스템에서 정상분 전압을 계산하는 방법만 기존 방법과 제안한 방법으로 달리하여 불평형 사고 발생 시 전원의 위상각과 정상분 및 역상분 전압의 크기검출성능을 비교해 보았다. 실험조건은 아래 표 1과 같다.

데이터처리

모의실험에는 MATLAB Simulink를 사용하였다. 전체 PLL시스템에서 정상분 전압을 계산하는 방법만 기존 방법과 제안한 방법으로 달리하여 불평형 사고 발생 시 전원의 위상각과 정상분 및 역상분 전압의 크기검출성능을 비교해 보았다.

성능/효과

기존의 방법은 전역 통과 필터 고유의 특성이 과도상태 추정성능을 결정짓는 반면, 전차원 상태관측기는 전체 시스템이 안졍한 범위 안에서 시스템 특성방정식의 근의 위치를 변화시킴으로써 원하는 성능을 얻을 수 있다. 모의실험과 실험을 통해 기존방법과 제안된 방법을 비교함으로써 과도상태 응답특성이 개선되었음을 입증하였다.
모의실험이다. 성능이 가장 안 좋을 때에도 기존 방법에 비해 위상각 검출 성능과 전원단 주파수 추정 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. 정상분 전압과 역상분 전압의 추정 성능 또한 기존방법과 비슷한 시간인 10ms정도에 오버슈트 없이 정상상태 도달한다.
먼저 기존의 불평형한 전원의 위상각 검출 방법인 전역 통과 필터를 사용한 PLL 방법을 살펴보고, 불평형 사고 발생 시 과도상태 응답특성을 개선시킨 정상분 전압관측기를 이용한 PLL 방법을 제안한다. 제안된 방법은 MATLAB Simulink를 통한 모의실험과 실험의 결과를 기존방식과 비교함으로써 그 우수성을 입증한다.
제안된방법의 최대오차가 전체의 약 7% 구간을 제외한 나머지 영역에서 기존 방법보다 작음을 알 수 있다. 최대오차의 크기도 기존방법의 최대오차 U。의 절반인 0.

참고문헌 (4)

V. Kaura, V. Blasko, "Operation of a Phase Locked Loop System Under Distorted Utility Conditions", IEEE Trans. Ind. App., Vol. 33, No. 1, pp. 58-63, 1997, Jan./Feb.

상세보기
Sang-Joon Lee, "New PLL Method and Voltage Controller of Series Compensator for Voltage Sag Compensation", PH.D Thesis. 2003
지준근, 김효성, 설승기, 김경환, "무정전전원장치에 적합한 주파수 제한기와 안티 와인드업을 가지는 PLL 방식", 전력전자학술대회논문집, pp. 778-782, 2004. 7
A. Campos, G. Joos, P. Ziogas, J. Lindsay, "Analysis and Design of a Series Voltage Compensator for Three-Phase Unbalanced Sources", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 39, No. 2, pp. 159-167, 1992

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