[논문]FFT를 이용한 위상추종 방법

류강열; 이종필; 김태진; 유동욱; 송의호; 민병덕

[국내논문] FFT를 이용한 위상추종 방법
A Method of PLL(Phase-Locked Loop) using FFT 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.3, 2008년, pp.206 - 212

류강열 (한국전기연구원) , 이종필 (한국전기연구원) , 김태진 (한국전기연구원) , 유동욱 (한국전기연구원) , 송의호 (창원대 제어계측공학과) , 민병덕 (한국전기연구원)

초록
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본 논문에서는 계통 연계형 태양광 발전 시스템의 새로운 FFT에 의한 위상추종 알고리즘을 제안한다. 신재생 에너지 분야에 적용되는 계통연계형 인버터에서는 계통과 동기를 위해서 반드시 계통의 위상 정보가 필요하다. 일반적으로 사용하는 3상 D-Q 변환에 의한 위상 추종과 달리 새롭게 제안하는 FFT를 사용하는 알고리즘은 게인튜닝 부분이 필요 없어 직접제어가 가능하며, FFT의 특성상 기본주파수 이외의 성분을 제외한 강력한 노이즈 제거효과로 인해 노이즈에 강한 특징을 가지고 있다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 알고리즘의 성능이 만족함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the PLL(Phase-Locked Loop) algorithm by a new FFT(Fast Fourier Transform) in a grid-connected PV PCS(Photovoltaics Power Conditionning System). The grid-connected inverter that is applied in a new renewable energy field needs the grid phase information for synchronism. Unlike the PLL which is normally used by three phase D-Q conversion, the preposed PLL algorithm using FFT has non-gain tuning and the powerful noise elimination by the characteristics of FFT. Both simulation and experimental result show that proposed algorithm has the good capacity.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이런 문제점을 해결하기 위해 지금까지 사용되지 않은 새로운 FFT 방법에 의한 계통 위상추정 알고리즘으로 일반적인 마이크로프로세서를 이용하여 시간적인 문제없이 FFT 할 수 있는 방법과 이를 이용하여 계통의 위상을 번거로운 게인 튜닝 과정 없이 직접적으로 얻는 방법을 제시하고 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해서 우수성을 검증한다.

제안 방법

쉽게 알 수 있다. 계통의 3상 중에 한 상의 전압를센싱하여 기존의 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘과 달리 새로운 고조파 분석 방법으로 신호를 분석하고 계통전압의 크기와 위상 성분을 추출하여 위상을 추종한다.
본 논문에서 사용된 주파수 추출 방법은 그림 3와같으며, 입력 전원 신호는 RC 저 역 필터를 통하여 충분히 기본파 이외의 노이즈 성분을 감쇄시킨다. 이 신호를 영 전압 센싱 회로의 입력으로 사용하면 구형 파가 얻어지며 이 신호를 마이크로프로세서로 입력하여 펄스 폭의 시간을 정확하게 측정하여 주파수를 계산 할 수 있다.
본 시스템의 제어기 설계 시 최대한 TMS320F2812 (DSP)가 가진 기능을 활용하도록 설계하였으며 디버깅 및 개발을 위한 부분들을 고려하여 설계되었다. 제어기의 전체 구성은 그림 7과 같으며, 그림 8에서 제작된 제어기를 확인할 수 있다.
제안한 FFT를 이용한 PLL의 동작 특성을 확인 하기 위해 Matlab을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션과 25아N 계통 연계형 PV PCS를 사용하여 실험을 하였다. 표 1은 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험에 적용된 PV PCS의 파라미터이다.
제안된 FFT를 이용한 PLL의 특성을 확인하기 위해 그림 9와 10과 같이 고조파, 의상, 주파수대한 입력조건으로 시뮬레이션과 실험을 하였다. 실험은 PV PCS 의 제어기의 3상 계통 전원 전압 Va, Vb, Vc 센싱 포트에 입력으로 고조파, 위상, 주파수에 따른 조건을 만들어 검출하도록 하여 실험하였다.
시뮬레이션과 실험을 하였다. 실험은 PV PCS 의 제어기의 3상 계통 전원 전압 Va, Vb, Vc 센싱 포트에 입력으로 고조파, 위상, 주파수에 따른 조건을 만들어 검출하도록 하여 실험하였다. 그림 9와 10의 (a) 는기본파에 3, 5, 7 고조파를 각각 20%, 10%, 10%로 합성하여 계통전원 전압으로 검출하도록 하였다.
실험은 PV PCS 의 제어기의 3상 계통 전원 전압 Va, Vb, Vc 센싱 포트에 입력으로 고조파, 위상, 주파수에 따른 조건을 만들어 검출하도록 하여 실험하였다. 그림 9와 10의 (a) 는기본파에 3, 5, 7 고조파를 각각 20%, 10%, 10%로 합성하여 계통전원 전압으로 검출하도록 하였다. 제안된 FFT 방법의 특성으로 기본파 이외의 고조파 성분을 필터링 하여 기본파에 의한 우상이 잘 추종됨을 확인할 수 있다.

대상 데이터

제안된 PLL의 실험은 그림 6의 250kW 계통 연계형 PV PCS를 사용하였다钮5]. 태양전지 모듈를 통해 450 V~850V를 입력 받아 DC/DC 컨버터에서 일정한 DC 650V 를 인버터에 공급하고 인버터에서 3상 AC 380V™ 전압을 출력 하도 톡 구성되어 있다.

성능/효과

그림 9와 10의 (a) 는기본파에 3, 5, 7 고조파를 각각 20%, 10%, 10%로 합성하여 계통전원 전압으로 검출하도록 하였다. 제안된 FFT 방법의 특성으로 기본파 이외의 고조파 성분을 필터링 하여 기본파에 의한 우상이 잘 추종됨을 확인할 수 있다. (b)는 계통 전원 전압의 위상을 20°도 이동 했을 때 위상이 잘 주종 됨을 확인할 수 있다.
(b)는 계통 전원 전압의 위상을 20°도 이동 했을 때 위상이 잘 주종 됨을 확인할 수 있다. (c)와 (d)는 계통전원 전압 주파수가 60Hz에서 59Hz, 61Hz로 각각 가변했을 때 위상이 잘 추종됨을 확인할 수 있다. 계통 연계형 PV PCS의 계통 전원 전압 동작 주파수 영역은 IEEE 929-2000에 따라 593Hz에서 60.
본 논문은 새로운 FFT를 이용한 PLL의 방법을 제안 하였으며 시뮬레이션과 실험 결과가 일치하다는 것을 알 수 있다. 게인 튜닝 과정 없이 구현되었고, 입력신호에 노이즈가 있어도 FFT를 통하여 정확히 기본파 신호를 측정하므로 노이즈에 강하고, 새로운 FFT 알고리즘이 간단하여 일반적인 마이크로 프로세서로도 시간 문제없이 구현이 가능함을 입증하였다.
알 수 있다. 게인 튜닝 과정 없이 구현되었고, 입력신호에 노이즈가 있어도 FFT를 통하여 정확히 기본파 신호를 측정하므로 노이즈에 강하고, 새로운 FFT 알고리즘이 간단하여 일반적인 마이크로 프로세서로도 시간 문제없이 구현이 가능함을 입증하였다.

참고문헌 (8)

S.-K. Chung, "Phase-locked loop for grid-connected three-phase power conversionsystem", Electric Power Applications. IEEE Proceedings, Vol. 147, pp. 213-219, 2000, May
L.N Arruda, B.J. Cardoso Filho, S.M. Silva, S.R. Silva, A.S.A.C. Diniz, "Wide bandwidth single and three-phase PLL structures for grid-tied PV systems", Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE, pp. 1660-1663, 2000, Sept. 15-22
V. Kaura and V. Blasko, "Operation of a Phase Locked Loop System Under Distorted Utility Conditions", IEEE Transactions on Industy Applications, Vol. 33, No. 1, pp. 58-63, 1997

상세보기
B.D Min, J.P Lee, J.H Kim, T.J Kim, D.W Yoo, K.R R, J.J Kim, E.H Song, "A Novel Grid-Connected PV PCS with New High Efficiency Converter", International Conference on Power Electronics, pp.478-482, 2007, Oct. 22-26
J.P. Lee, B.D Min, J.J Kim, K.R R, T.J Kim, D.W Yoo, E.H Song, J.Y Yoo, "A New Topology for Photovoltaic 4 Series DC/DC Converter with High Efficiency Under Wide Load Range", International Conference on Power Electronics, pp. 257-260, 2007, Oct. 22-26
IEEE Std 929-2000 IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems
김용균, 최종우, 김흥근, "디지털 PLL 제어의 특성 분석", 전력전자학회, 2003 춘계전력전자학술대회 논문집(2), pp. 548-553, 2003
정세교, 이대식, "PLL 기법을 이용한 단상 PWM 인버터의 정상상태 성능개선", 전력전자학회 논문지, 제9권, 제4호, pp. 356-363, 2004. 8

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