분산전원을 계통에 연계하기 위해서는 전류제어가 필수적이며, 최근에 고성능 DSP(Digital Signal Processors)를 기반으로 빠른 동특성을 만족시키는 예측전류제어에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 예측전류제어는 디지털 구현 시 발생하는 시지연, 파라미터 및 입력값의 오차, 노이즈에 의한 간섭으로 인해 제어 성능이 감소할 뿐만 아니라 시스템을 불안정하게 하는 단점을 갖고 있다. 따라서 본 논문은 계통연계형 인버터 응용에 있어서 계통전압 관측기를 이용한 예측전류제어를 제안한다. 전압 관측기 이득 선정을 위해, 계통전압에 존재하는 저차 고조파에 의한 영향을 고려하며, 필터 파라미터 오차에 의한 영향을 분석한다. 제안된 방법은 빠른 전류응답특성 뿐만 아니라, 전압센서를 사용하지 않음으로 인해 노이즈에 강인하며 시스템 구현이 간단하고 계통의 저차 고조파에 강인한 전류제어성능을 갖는다. 제안된 방법의 타당성은시뮬레이션과 실험을 통하여 검증한다.
분산전원을 계통에 연계하기 위해서는 전류제어가 필수적이며, 최근에 고성능 DSP(Digital Signal Processors)를 기반으로 빠른 동특성을 만족시키는 예측전류제어에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 예측전류제어는 디지털 구현 시 발생하는 시지연, 파라미터 및 입력값의 오차, 노이즈에 의한 간섭으로 인해 제어 성능이 감소할 뿐만 아니라 시스템을 불안정하게 하는 단점을 갖고 있다. 따라서 본 논문은 계통연계형 인버터 응용에 있어서 계통전압 관측기를 이용한 예측전류제어를 제안한다. 전압 관측기 이득 선정을 위해, 계통전압에 존재하는 저차 고조파에 의한 영향을 고려하며, 필터 파라미터 오차에 의한 영향을 분석한다. 제안된 방법은 빠른 전류응답특성 뿐만 아니라, 전압센서를 사용하지 않음으로 인해 노이즈에 강인하며 시스템 구현이 간단하고 계통의 저차 고조파에 강인한 전류제어성능을 갖는다. 제안된 방법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증한다.
For a grid-connected inverter in distributed generation systems, the current control is essential, and recently, the predictive current control based on a high performance digital signal processors (DSP) to satisfy a fast dynamic response has been widely investigated. However, the performance of pre...
For a grid-connected inverter in distributed generation systems, the current control is essential, and recently, the predictive current control based on a high performance digital signal processors (DSP) to satisfy a fast dynamic response has been widely investigated. However, the performance of predictive current control is degraded by the time delay due to digital implementation, the parameter and measured value errors and the interference of noise, and also theses make system even unstable. Therefore, this paper proposes the predictive current control using grid voltage observer for grid-connected inverter applications. To determine the relevant voltage observer gain, the low-order harmonics of grid voltage are considered, and the effect of filter parameter errors is analyzed. The proposed method has a fast current response capability, the robustness to noise and simple implementation due to voltage sensorless control and the robust current control performance to low-order grid harmonics. The feasibility of the proposed method is verified by simulation and experimental results.
For a grid-connected inverter in distributed generation systems, the current control is essential, and recently, the predictive current control based on a high performance digital signal processors (DSP) to satisfy a fast dynamic response has been widely investigated. However, the performance of predictive current control is degraded by the time delay due to digital implementation, the parameter and measured value errors and the interference of noise, and also theses make system even unstable. Therefore, this paper proposes the predictive current control using grid voltage observer for grid-connected inverter applications. To determine the relevant voltage observer gain, the low-order harmonics of grid voltage are considered, and the effect of filter parameter errors is analyzed. The proposed method has a fast current response capability, the robustness to noise and simple implementation due to voltage sensorless control and the robust current control performance to low-order grid harmonics. The feasibility of the proposed method is verified by simulation and experimental results.
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문제 정의
따라서 본 논문은 분산전원용 계통연계형 인버터 응용에 적합한 새로운 계통전압 센서를 사용하지 않는 센서리스 예측전류제어를 제안한다. 이를 위해 기존의 예측전류제어[4]에 이산 시간 영역에서 새로운 계통전압 관측기를 구성하고, PLL(Phase Locked Loop)을 적용하여 위상각을 검출하게 된다.
본 논문은 계통연계형 인버터에서 기존의 예측전류제어에 계통전압 관측기를 추가한 센서리스 예측전류제어를 제안하였다. 인버터 출력전압과 전류로부터 간단하게 계통전압 관측기를 구현하였고, 기존의 PLL을 통하여 위상각을 검출하였다.
가설 설정
제안된 센서리스 예측전류제어의 파라미터 오차 및 관측기 이득에 의한 영향을 살펴보기 위해 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션에 사용된 조건은 표 1과 같다. 계통전압은 실험환경과 유사한 2%의 5고조파 성분과 1%의 7고조파 성분을 포함하는 것으로 가정하였다. 전압 관측기의 이득은 감쇠비가 0.
제안 방법
따라서 전압 관측기를 구성하여 계통전압의 센서를 대체하려면 동특성이 우수한 관측기가 설계되어야 하며, 이는 전체적인 시스템의 제어 성능에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 논문에서는 2상 동기 좌표계에서 계통전압을 추정하고, 추정된 계통전압을 PLL을 통하여 위상각을 검출하는 계통전압 관측기를 구성하였다. 식 (4)와 계통전압이 3상 평형이라는 가정을 통해 식 (8)을 구할 수 있다.
전압 관측기를 통하여 전압센서 없는 저가 구현이 가능하며, 관측기에 내장되어 있는 저역통과필터 기능으로 인해 노이즈에 강인한 시스템 구현이 가능하다. 또한 실제 계통전압에 저차 고조파가 존재하는 경우에도 잘 추종할 수 있는 적절한 전압 관측기의 대역폭을 선정하였다. 제안된 방법은 예측전류제어가 갖는 우수한 전류응답특성을 보였으며, 모델에 사용된 필터 인덕턴스가 실제 값보다 작을 경우에는 제어 성능이 약간 감소하였지만, 실제 값보다큰 경우에는 제어 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
제안된 센서리스 예측전류제어는 예측전류제어의 빠른 동특성과 센서리스 운전이 갖는 노이즈에 강인한 성능을 가지며, 전압센서 없이 간단히 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 전압 관측기 이득을 선정함에 있어 계통전압의 저차고조파에 대한 영향을 고려하여 전력품질을 향상시킬 수 있었고, 필터 파라미터 오차에 의한 영향을 분석하였다. 마지막으로 제안된 센서리스 예측전류제어의 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
만약 관측기의 이득을 더욱 증가시키게 되면 노이즈에 민감해지기 때문에, 본 논문에서는 관측기의 대역폭을 600 Hz로 선정하였다. 또한 전압 관측기의 성능을 파라미터 오차에 의한 근궤적 변화를 통해 분석하였다. 그림 8은 인덕턴스 오차가 -80% 에서 +80% 까지 0.
마지막으로 제안된 센서리스 예측전류제어의 성능을 비교하기 위하여 동기좌표계 PI 제어기를 동일한 계통연계형 인버터에 적용하여 실험을 수행하였다. 그림 13 (a)는 동기좌표계 PI 제어기를 적용한 전제적인 제어 블록도를 보여주며, PI 제어기(kp+ki/s)의 이득 값은 대역폭이 1 kHz 를 갖도록 kp=18.
그림 6, 7에서 볼 수 있듯이 전류 지령치의 변화에 따른 예측전류제어의 빠른 동특성을 확인할 수 있고, 관측기의 대역폭이 300 Hz에서 600 Hz로 증가함에 따라 저차 고조파가 포함되어 있는 계통전압의 추정이 잘 이루어져 전류의 정상상태 오차 또한 감소함을 확인할 수 있었다. 만약 관측기의 이득을 더욱 증가시키게 되면 노이즈에 민감해지기 때문에, 본 논문에서는 관측기의 대역폭을 600 Hz로 선정하였다. 또한 전압 관측기의 성능을 파라미터 오차에 의한 근궤적 변화를 통해 분석하였다.
하지만 디지털 구현 시 발생하는 시스템 지연과 모델에 사용되는 파라미터의 오차 및 입력값의 오차, 노이즈에 의한 간섭으로 인해 제어 성능이 감소할 뿐만 아니라 심지어 불안정 상태에 이른다는 단점을 갖는다. 이를 극복하기 위해 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)구동에서는 각각 회전자 위치 오차와 데드타임 및 이상적이지 않은 스위칭 특성으로 인한 출력전압 왜곡의 영향을 보상하여 정확한 입력값을 사용하고자 하였고[4], 부하 인덕턴스 변화에 강인한 제어를 구현하기 위해 목표 전류의 오차를 영이 아닌 이전 두 시점의 전류 차가 되게 제어하였으며[5], 계통연계형 인버터에서는 고속의 ADC(Analog to Digital Converter)를 사용하여 샘플링 주파수를 스위칭 주파수의 4배로 동작시켰다[6].
따라서 본 논문은 분산전원용 계통연계형 인버터 응용에 적합한 새로운 계통전압 센서를 사용하지 않는 센서리스 예측전류제어를 제안한다. 이를 위해 기존의 예측전류제어[4]에 이산 시간 영역에서 새로운 계통전압 관측기를 구성하고, PLL(Phase Locked Loop)을 적용하여 위상각을 검출하게 된다. 제안된 센서리스 예측전류제어는 예측전류제어의 빠른 동특성과 센서리스 운전이 갖는 노이즈에 강인한 성능을 가지며, 전압센서 없이 간단히 구현할 수 있는 장점을 갖는다.
본 논문은 계통연계형 인버터에서 기존의 예측전류제어에 계통전압 관측기를 추가한 센서리스 예측전류제어를 제안하였다. 인버터 출력전압과 전류로부터 간단하게 계통전압 관측기를 구현하였고, 기존의 PLL을 통하여 위상각을 검출하였다. 전압 관측기를 통하여 전압센서 없는 저가 구현이 가능하며, 관측기에 내장되어 있는 저역통과필터 기능으로 인해 노이즈에 강인한 시스템 구현이 가능하다.
계통전압은 실험환경과 유사한 2%의 5고조파 성분과 1%의 7고조파 성분을 포함하는 것으로 가정하였다. 전압 관측기의 이득은 감쇠비가 0.707이며 대역폭이 각각 300 Hz, 600 Hz일 경우에 대해 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
제안된 센서리스 예측전류제어의 파라미터 오차 및 관측기 이득에 의한 영향을 살펴보기 위해 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션에 사용된 조건은 표 1과 같다. 계통전압은 실험환경과 유사한 2%의 5고조파 성분과 1%의 7고조파 성분을 포함하는 것으로 가정하였다.
대상 데이터
마지막으로 제안된 센서리스 예측전류제어의 성능을 비교하기 위하여 동기좌표계 PI 제어기를 동일한 계통연계형 인버터에 적용하여 실험을 수행하였다. 그림 13 (a)는 동기좌표계 PI 제어기를 적용한 전제적인 제어 블록도를 보여주며, PI 제어기(kp+ki/s)의 이득 값은 대역폭이 1 kHz 를 갖도록 kp=18.84, ki=628.31 로 선정하였고, 추가적인 분리(decoupling) 제어와 피드포워드 제어를 포함시켰다. 그림 13(b)는 과도응답특성을 보여주며, 그림 11(a)의 제안된 센서리스 예측전류제어의 성능과 유사함을 확인할 수 있다.
실험은 1.5 KVA급 프로토타입 계통연계형 인버터로 수행하였고, 제어기는 TMS320VC33 DSP를 이용하여 구현하였다. 9 KVA의 변압기를 통하여 인버터 출력필터와 계통전압을 연계하였으며, 계통전압에는 약 2%의 5고조파와 약 1%의 7고조파가 포함되어 있음을 확인하였다.
데이터처리
또한 전압 관측기 이득을 선정함에 있어 계통전압의 저차고조파에 대한 영향을 고려하여 전력품질을 향상시킬 수 있었고, 필터 파라미터 오차에 의한 영향을 분석하였다. 마지막으로 제안된 센서리스 예측전류제어의 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
성능/효과
그림 12는 모델 인덕턴스의 파라미터 오차가 각각±50% 인 경우에 대한 출력 파형을 보여준다. 그림 12(a)의 +50% 인덕턴스 오차에 대해서는 그림 11(a)와 유사한 동작 특성을 확인할 수 있었고, 그림 12(b)의-50% 인덕턴스 오차에 대해서는 오버슈트와 정상상태 전류 리플이 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 시뮬레이션 결과와 일치하는 동작 특성을 보여준다.
5 KVA급 프로토타입 계통연계형 인버터로 수행하였고, 제어기는 TMS320VC33 DSP를 이용하여 구현하였다. 9 KVA의 변압기를 통하여 인버터 출력필터와 계통전압을 연계하였으며, 계통전압에는 약 2%의 5고조파와 약 1%의 7고조파가 포함되어 있음을 확인하였다. 실험에 사용된 다른 조건은 시뮬레이션에 사용된 것과 같다.
그림 6, 7에서 볼 수 있듯이 전류 지령치의 변화에 따른 예측전류제어의 빠른 동특성을 확인할 수 있고, 관측기의 대역폭이 300 Hz에서 600 Hz로 증가함에 따라 저차 고조파가 포함되어 있는 계통전압의 추정이 잘 이루어져 전류의 정상상태 오차 또한 감소함을 확인할 수 있었다. 만약 관측기의 이득을 더욱 증가시키게 되면 노이즈에 민감해지기 때문에, 본 논문에서는 관측기의 대역폭을 600 Hz로 선정하였다.
그림 13(b)는 과도응답특성을 보여주며, 그림 11(a)의 제안된 센서리스 예측전류제어의 성능과 유사함을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 센서리스 예측전류제어는 별도의 이득 선정 절차 없이 우수한 동특성을 갖는 전류제어기 구현이 가능함을 보여준다.
전류변화 시 발생하는 계통전압의 변동은 전압관측기의 성능 및 실험에 사용된 변압기의 누설 인덕턴스와 누설 저항의 영향 때문인 것으로 생각되며, 추가적으로 이는 모델파라미터에 사용된 값이 약간 작게 추종된 효과에 의하여 제어 성능이 감소한 것으로 생각된다. 또한 2A 부하보다 10A 부하에서 계통전압의 유효성분이 약간 증가하는 것도 같은 이유로 생각되며, 부하증가 시에는 약 4ms, 부하감소 시에는 약 2ms 이내 정상상태로 들어감을 확인할 수 있었다.
전류제어기로는 일반적으로 동기좌표계 PI(Proportional Integral) 제어기와 정지좌표계 PR(Proportional Resonant) 제어기가 널리 사용되고 있지만, 최근에는 고성능 DSP(Digital Signal Processors)를 기반으로 하는 예측제어에 대한 연구도 상당히 진행되어 왔다[2,3]. 예측제어는 시스템 모델을 통하여 제어 대상의 향후 변화를 예측하는 것으로써, PI 제어기의 직렬구조를 회피할 수 있어 빠른 동특성을 만족시키므로 계통연계형 인버터에 적용하였을 경우 추가적인 고조파 보상기 없이 계통전압의 왜곡에 더욱 강인한 전류제어기 구현이 가능함을 의미한다. 또한 예측제어는 시스템에 포함되어 있는 비선형성을 고려하여 설계할 수 있기 때문에, 동작점에서의 선형화 과정이 불필요하다는 장점이 있다.
또한 실제 계통전압에 저차 고조파가 존재하는 경우에도 잘 추종할 수 있는 적절한 전압 관측기의 대역폭을 선정하였다. 제안된 방법은 예측전류제어가 갖는 우수한 전류응답특성을 보였으며, 모델에 사용된 필터 인덕턴스가 실제 값보다 작을 경우에는 제어 성능이 약간 감소하였지만, 실제 값보다큰 경우에는 제어 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 이는 사용된 파라미터의 정확한 값을 알지 못하는 경우에 약간 큰 모델 파라미터 값을 사용하는 것이 바람직함을 보여준다.
이를 위해 기존의 예측전류제어[4]에 이산 시간 영역에서 새로운 계통전압 관측기를 구성하고, PLL(Phase Locked Loop)을 적용하여 위상각을 검출하게 된다. 제안된 센서리스 예측전류제어는 예측전류제어의 빠른 동특성과 센서리스 운전이 갖는 노이즈에 강인한 성능을 가지며, 전압센서 없이 간단히 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 전압 관측기 이득을 선정함에 있어 계통전압의 저차고조파에 대한 영향을 고려하여 전력품질을 향상시킬 수 있었고, 필터 파라미터 오차에 의한 영향을 분석하였다.
후속연구
제안된 센서리스 예측전류제어는 DSP 기반의 계통연계형 인버터 시스템 구현에 적합할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
예측제어의 장점은?
예측제어는 시스템 모델을 통하여 제어 대상의 향후 변화를 예측하는 것으로써, PI 제어기의 직렬구조를 회피할 수 있어 빠른 동특성을 만족시키므로 계통연계형 인버터에 적용하였을 경우 추가적인 고조파 보상기 없이 계통전압의 왜곡에 더욱 강인한 전류제어기 구현이 가능함을 의미한다. 또한 예측제어는 시스템에 포함되어 있는 비선형성을 고려하여 설계할 수 있기 때문에, 동작점에서의 선형화 과정이 불필요하다는 장점이 있다. 하지만 디지털 구현 시 발생하는 시스템 지연과 모델에 사용되는 파라미터의 오차 및 입력값의 오차, 노이즈에 의한 간섭으로 인해 제어 성능이 감소할 뿐만 아니라 심지어 불안정 상태에 이른다는 단점을 갖는다.
예측전류제어의 단점은?
분산전원을 계통에 연계하기 위해서는 전류제어가 필수적이며, 최근에 고성능 DSP(Digital Signal Processors)를 기반으로 빠른 동특성을 만족시키는 예측전류제어에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 예측전류제어는 디지털 구현 시 발생하는 시지연, 파라미터 및 입력값의 오차, 노이즈에 의한 간섭으로 인해 제어 성능이 감소할 뿐만 아니라 시스템을 불안정하게 하는 단점을 갖고 있다. 따라서 본 논문은 계통연계형 인버터 응용에 있어서 계통전압 관측기를 이용한 예측전류제어를 제안한다.
본 논문은 분산전원용 계통연계형 인버터 응용에 적합한 새로운 계통전압 센서를 사용하지 않는 센서리스 예측전류제어를 제안한다, 제안된 센서리스 예측전류제어의 장점은?
이를 위해 기존의 예측전류제어[4]에 이산 시간 영역에서 새로운 계통전압 관측기를 구성하고, PLL(Phase Locked Loop)을 적용하여 위상각을 검출하게 된다. 제안된 센서리스 예측전류제어는 예측전류제어의 빠른 동특성과 센서리스 운전이 갖는 노이즈에 강인한 성능을 가지며, 전압센서 없이 간단히 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 전압 관측기 이득을 선정함에 있어 계통전압의 저차고조파에 대한 영향을 고려하여 전력품질을 향상시킬 수 있었고, 필터 파라미터 오차에 의한 영향을 분석하였다. 마지막으로 제안된 센서리스 예측전류제어의 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
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P. Antoniewicz and M. P. Kazmierkowski, "Virtual-flux-based predictive direct power control of ac/dc converters with online inductance estimation", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 55, No. 12, pp. 4381 ？4390, Dec. 2008.
S.-K. Chung, "A phase tracking system for three phase utility interface inverters", IEEE Trans. Power Electron., Vol. 15, No. 3, pp. 431？438, May 2000.
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