전원전압의 불평형 및 왜곡 보상기능을 갖는 3상 PWM 정류기의 전류제어기 A Current Controller with the Compensation of the Input Voltage Unbalance and Distortion for Three Phase PWM Rectifier원문보기
본 논문은 상용의 전원 전압이 불평형 및 왜곡을 갖는 경우, 전원전압 불평형 및 왜곡 보상기능을 갖는 전류제어기를 제안한다. 일반적으로 3상 전원 시스템은 공통 입력 단자 (Point of Common Coupling)에 단상 부하 및 비선형 부하가 3상 부하와 같이 연결될 수 있어, 종종 불평형과 왜곡이 발생한다. 이런 조건하에서 3상 PWM 정류기를 일반적인 전류 제어기로 제어 할 경우, 3상 PWM 정류기 입력 전류가 불평형 및 왜곡을 갖는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 간단한 모델 기반 적응 제어 시스템(Model Reference Adaptive System)기법을 이용하여 3상 입력 전압의 불평형 및 왜곡을 관측하고 전향 보상하는 전류 제어기를 제안하며, 모의해석과 실험을 통하여 그 효용성을 입증한다.
본 논문은 상용의 전원 전압이 불평형 및 왜곡을 갖는 경우, 전원전압 불평형 및 왜곡 보상기능을 갖는 전류제어기를 제안한다. 일반적으로 3상 전원 시스템은 공통 입력 단자 (Point of Common Coupling)에 단상 부하 및 비선형 부하가 3상 부하와 같이 연결될 수 있어, 종종 불평형과 왜곡이 발생한다. 이런 조건하에서 3상 PWM 정류기를 일반적인 전류 제어기로 제어 할 경우, 3상 PWM 정류기 입력 전류가 불평형 및 왜곡을 갖는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 간단한 모델 기반 적응 제어 시스템(Model Reference Adaptive System)기법을 이용하여 3상 입력 전압의 불평형 및 왜곡을 관측하고 전향 보상하는 전류 제어기를 제안하며, 모의해석과 실험을 통하여 그 효용성을 입증한다.
In this paper, a new current controller with the compensation of an unbalance and distorted grid voltages has been proposed. Generally, in the three-phase power system, single phase or nonlinear loads can be connected with the 3 phase linear load simultaneously on the same point of common coupling. ...
In this paper, a new current controller with the compensation of an unbalance and distorted grid voltages has been proposed. Generally, in the three-phase power system, single phase or nonlinear loads can be connected with the 3 phase linear load simultaneously on the same point of common coupling. Therefore, The source voltage unbalance and distortion problem can be occurred. Under these unbalance and distorted grid voltage conditions, the input current of 3 phase PWM rectifiers also have unbalance and distortion. In this paper, a current controller with the simple Model Reference Adaptive System based unbalance and distorted voltages observer is proposed to get a sinusoidal input current. The performance of the proposed algorithm is verified through the simulation and the experiment.
In this paper, a new current controller with the compensation of an unbalance and distorted grid voltages has been proposed. Generally, in the three-phase power system, single phase or nonlinear loads can be connected with the 3 phase linear load simultaneously on the same point of common coupling. Therefore, The source voltage unbalance and distortion problem can be occurred. Under these unbalance and distorted grid voltage conditions, the input current of 3 phase PWM rectifiers also have unbalance and distortion. In this paper, a current controller with the simple Model Reference Adaptive System based unbalance and distorted voltages observer is proposed to get a sinusoidal input current. The performance of the proposed algorithm is verified through the simulation and the experiment.
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문제 정의
본 논문에서는 간단한 MRAS 관측기를 이용하여 실시간으로 불평형 및 왜곡 전압을 관측하는 방법을 제안한다. MRAS 관측기는 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 가지는 실제 시스템의 전류 상태와, 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 갖지 않는 적응 제어기준 모델로부터 구해지는 모델 전류 상태의 차로부터 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분을 관측한다.
전원 전압 불평형 및 왜곡을 보상하는 방법으로 정상분과 역상분을 분리하여 제어하는 이중제어기와 공진 제어기를 추가하여 보상하는 방법이 제안된 바 있지만,[5,6] 이중제어기와 공진제어기의 추가로 인하여 제어기가 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 간단한 전원 전압 불평형 및 왜곡 관측기를 제안하고, 전류 제어기에 전원 전압 전향 보상기를 갖는 간단한 불평형 및 왜곡 보상 방법을 제안한다. 간단한 전원 전압 불평형 및 왜곡 관측기는 모델 기반 적응제어 시스템 (Model Reference Adaptive System, 이하 MRAS) 관측기[11-14] 원리로 동작된다.
본 논문에서는 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 가질 때, 이를 전류기반의 MRAS관측기를 사용하여 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분을 관측하고, 관측된 결과를 전류 제어기에서 보상하는 간단한 전류 제어 기법을 제안하였다. 제안한 전류 제어기를 적용하여, 입력 전류가 평형 상태를 갖게 되며, 입력전류의 THD가 보상 후 4.
또한, #, #은 d축과 q축의 전압 지령이다. 이제 전원 전압의 불평형과 왜곡 성분을 관측하는 방법을 설명하고자 한다. 불평형과 왜곡 성분을 가지고 있는 식 (4)의 실제 시스템의 상태 방정식과, 평형 상태이며 순수 정현파 성분인 식 (5)의 모델의 상태 방정식의 차를 구하면 식 (6)과 같다.
가설 설정
모의해석은 불평형 및 왜곡 성분이 모두 있을 경우를 가정하여 실시하였다. 표 1은 모의해석 조건이며, 불평형 조건은 a상 상전압 183[V] 나머지 b, c상은 220[V]로 하였다.
vb,vc는 PWM 정류기가 만들어내는 단자 전압(Terminal voltage)을 나타낸다. 식 (2)는 식(1)의 전원 전압 상태일 때 전압 방정식이며, 전원 전압이 a상은 불평형을 가지며, a, b, c상에 왜곡이 있는 상태로 가정하였다. 전원전압에 불평형 및 왜곡이 생겼을 경우 입력 인덕터에 흐르는 입력전류는 전원전압의 불평형 및 왜곡이 그대로 나타나게 된다.
MRAS 관측기는 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 가지는 실제 시스템의 전류 상태와, 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 갖지 않는 적응 제어기준 모델로부터 구해지는 모델 전류 상태의 차로부터 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분을 관측한다. 실제 시스템의 전원 전압은 그림 4와 같이 기본파 성분, 불평형, 및 왜곡 성분이 합해진 형태이며, 모델 기반 적응제어 시스템의 기준 모델은 그림 3과 같이 전원 전압이 순수 정현파인 기본파 성분만 가지는 것으로 가정한다. 모델 기반 적응제어 시스템의 기준 모델의 전압 방정식은 식 (5)와 같다.
제안 방법
6%보다 상당히 줄어들었음을 확인하였다. 또한 불평형 및 왜곡이 없을 때와 유사한 수준의 입력전류 THD를 가지는 것을 모의해석 및 실험을 통하여 확인하였다.
표 1은 모의해석 조건이며, 불평형 조건은 a상 상전압 183[V] 나머지 b, c상은 220[V]로 하였다. 또한 왜곡 조건은 5차 3%, 7차 4%, 11차 2%을 전원전압에 주입하여 왜곡을 주었다.
먼저 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분이 입력 전류에 미치는 영향을 살펴본다. 입력 인덕터를 기준으로 키르히호프의 전압법칙을 적용하여 3상 전압 방정식으로 쓰면 식 (2)와 같다.
그림 2는 a상 전압을 183[V] b상 및 c상의 전압이 220[V]이며, a, b, c 3상에 고조파가 포함된 경우 3상 전압을 나타낸다. 전원전압의 고조파의 경우 저차의 고조파에 대한 영향이 크므로[15], 본 논문에서는 5차 고조파는 기본파의 3%, 7차 및 11차 고조파는 각각 4%, 2% 를 포함하였다. 이 경우 3상 전원전압은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
대상 데이터
제안된 기법의 성능을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험시스템은 TI의 염가형 DSP인 TMS320F28035을 이용하여 디지털 제어 시스템을 구현 하였다.
데이터처리
제안된 기법의 성능을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험시스템은 TI의 염가형 DSP인 TMS320F28035을 이용하여 디지털 제어 시스템을 구현 하였다.
제안된 기법의 효용성을 입증하기 위해 MATLAB/ SIMULINK를 사용하여 모의해석을 실시하였다.
간단한 전원 전압 불평형 및 왜곡 관측기는 모델 기반 적응제어 시스템 (Model Reference Adaptive System, 이하 MRAS) 관측기[11-14] 원리로 동작된다. 제안된 방법의 타당성은 MATLAB/SIMULINK를 이용하여 모의해석하였으며, 실험을 통하여 입증하였다. 제안하는 전류제어기를 사용하면 전원전압의 불평형 및 왜곡이 있는 조건에서도 입력 전류의 THD가 상당히 개선됨을 확인하였다.
이론/모형
본 논문에서 사용하는 MRAS 방법은 전류 기반 관측기이다. 전류 기반 관측기를 사용하는 이유는 실제 전원전압의 왜곡이 생겼을 경우 DSP로 제어하는 경우 계측하는 전압의 분해능이 낮기 때문에 오차를 가져오게 되면 정확하게 불평형 및 왜곡 성분을 추출하기 어렵다.
성능/효과
09%로 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었으며, 불평형 및 왜곡이 없을 때와 거의 유사한 입력 전류 THD가 나오는 것을 확인하였다. 또한 제안된 알고리듬의 보상후 5차 고조파는 불평형 및 왜곡이 없을때 보다 작게 나타났다. 일반적인 데드타임보상의 경우[16] 데드타임이 정확히 보상되지 않아 5차 고조파가 크게 발생할 수 있다.
6%로 높게 나타났다. 반면, 제안된 기법의 전압 불평형 및 왜곡 보상 방법을 적용한 경우 입력 전류의 고조파가 줄어들며, THD는 4.09%로 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었으며, 불평형 및 왜곡이 없을 때와 거의 유사한 입력 전류 THD가 나오는 것을 확인하였다. 또한 제안된 알고리듬의 보상후 5차 고조파는 불평형 및 왜곡이 없을때 보다 작게 나타났다.
그림 10은 제안된 방법의 사용 전후 각각의 조건에 대한 입력 전류의 고조파 분석결과를 나타낸다. 보상전 입력 전압에 강제로 주입한 5차 7차 11차의 고조파가 입력 전류에 영향을 받아 전류의 THD는 10.6%로 높게 나타났다. 반면, 제안된 기법의 전압 불평형 및 왜곡 보상 방법을 적용한 경우 입력 전류의 고조파가 줄어들며, THD는 4.
55%로 비교적 큰 전류 왜곡 성분이 나타나는 것을 알 수 있다. 입력전압의 불평형과 왜곡에 대한 제안된 방법을 사용하여 보상한 결과, 입력 전류가 정현파에 가깝게 제어되며 FFT 분석한 결과 보상 전에 나타났던 고조파가 크게 줄어들었으며, THD가 3.01%로 나타났다.
제안된 방법의 타당성은 MATLAB/SIMULINK를 이용하여 모의해석하였으며, 실험을 통하여 입증하였다. 제안하는 전류제어기를 사용하면 전원전압의 불평형 및 왜곡이 있는 조건에서도 입력 전류의 THD가 상당히 개선됨을 확인하였다.
본 논문에서는 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 가질 때, 이를 전류기반의 MRAS관측기를 사용하여 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분을 관측하고, 관측된 결과를 전류 제어기에서 보상하는 간단한 전류 제어 기법을 제안하였다. 제안한 전류 제어기를 적용하여, 입력 전류가 평형 상태를 갖게 되며, 입력전류의 THD가 보상 후 4.09%로, 보상 전 10.6%보다 상당히 줄어들었음을 확인하였다. 또한 불평형 및 왜곡이 없을 때와 유사한 수준의 입력전류 THD를 가지는 것을 모의해석 및 실험을 통하여 확인하였다.
보상 전 입력전류는 고조파가 많이 함유되어 있으며, 전류의 불평형과 왜곡이 나타나 이에 따라 출력 DC 전압의 맥동이 나타난다. 하지만 제안된 기법을 사용하여 전압의 불평형 및 왜곡을 보상한 경우 입력 전류가 정현파에 가깝게 제어되며 전류가 평형으로 제어되고, 출력 DC전압의 맥동이 줄어드는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
승압형 3상 PWM 정류기가 정류기 분야 외에 가변속 구동 시스템 및 UPS 분야까지 넓게 이용될 수 있는 이유는?
일반적으로 3상 AC/DC 정류기로 저가형 다이오드 정류기가 많이 사용되고 있으나, 다이오드 정류기는 비선형 특성으로 인하여 입력전류 고조파가 많이 발생될 수 있으며, 출력 직류 전압을 제어할 수 없는 단점을 가지고 있다. 반면, 승압형 3상 PWM 정류기는 입력전류를 정현파로 제어할 수 있고, 출력 직류 전압을 일정하게 제어할 수 있으며, 양방향의 전력 전달이 가능하여, 정류기 분야 외에 가변속 구동 시스템 및 UPS 분야까지 넓게 이용되고 있다.[1,2] 하지만, 3상 전원 시스템은 공통 접속 단자 (Point of Common Coupling)에 동시에 단상 부하 및 비선형 부하가 연결될 수 있기 때문에 3상 전원전압은 불평형 및 왜곡을 가질 수 있다.
본 논문에서는 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 가질 때, 이를 전류기반의 MRAS관측기를 사용하여 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분을 관측하고, 관측된 결과를 전류 제어기에서 보상하는 간단한 전류 제어 기법을 제안하였다, 이 전류 제어 기법을 적용한 결과는?
본 논문에서는 전원 전압이 불평형 및 왜곡 성분을 가질 때, 이를 전류기반의 MRAS관측기를 사용하여 전원 전압의 불평형 및 왜곡 성분을 관측하고, 관측된 결과를 전류 제어기에서 보상하는 간단한 전류 제어 기법을 제안하였다. 제안한 전류 제어기를 적용하여, 입력 전류가 평형 상태를 갖게 되며, 입력전류의 THD가 보상 후 4.09%로, 보상 전 10.6%보다 상당히 줄어들었음을 확인하였다. 또한 불평형 및 왜곡이 없을 때와 유사한 수준의 입력전류 THD를 가지는 것을 모의해석 및 실험을 통하여 확인하였다.
다이오드 정류기의 단점은?
일반적으로 3상 AC/DC 정류기로 저가형 다이오드 정류기가 많이 사용되고 있으나, 다이오드 정류기는 비선형 특성으로 인하여 입력전류 고조파가 많이 발생될 수 있으며, 출력 직류 전압을 제어할 수 없는 단점을 가지고 있다. 반면, 승압형 3상 PWM 정류기는 입력전류를 정현파로 제어할 수 있고, 출력 직류 전압을 일정하게 제어할 수 있으며, 양방향의 전력 전달이 가능하여, 정류기 분야 외에 가변속 구동 시스템 및 UPS 분야까지 넓게 이용되고 있다.
참고문헌 (16)
J. W. Dixon and B. T. Ooi, "Indirect Current Control of a Unity Power Factor Sinusoidal Boost type 3-phase Rectifier," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 35, pp. 508-515, 1988, Nov.
B. Singh, B. N. Singh, A. Chandra, K. Al-Haddad, A Pandey, and D. P. Kothari, "A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 51, no. 3, pp. 641-660, 2004, Jun.
N. C. Park, H. S. Mok and S. H. Kim, "Reduction of Input Current Harmonics for Three Phase PWM Converter Systems under a Distorted Utility Voltage," Journal of Power Electronics, Vol. 10, No.4, pp. 428-433, 2010, July.
M. Liserre, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, "Multiple Harmonics Control for Three-Phase Grid Converter Systems With the Use of PI-RES Current Controller in a Rotating Frame," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 21, no. 3, pp. 836-841, 2006, May.
L. Mihalache, "A High Performance DSP Controller for Three-Phase PWM Rectifiers With Ultra Low Input Current THD under Unbalanced and Distorted Input Voltage," Conference Record of IAS Annual meeting, pp.138-144, 2005.
H. S. Song and K. H. Nam, "Dual Current Control Scheme for PWM Converter Under Unbalance Input Voltage Conditions," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 46, no. 5, pp. 953-959, 1999, October.
S. C. Ahn and D. S. Hyun, "New Control Scheme of Three-Phase PWM AC/DC Converter Without Phase Angle Detection Under the Unbalance Input Voltage Conditions." IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 17, no. 5, pp. 616-622, 2002, September.
Y. S. Suh and T. A. Lipo, "Control Scheme In Hybrid Synchronous Stationary Frame for PWM AC/DC Converter Under Generalized Unbalanced Operating Conditions," IEEE Trans. on Industrial Applications, vol. 42, no. 3, pp. 825-835, 2006, May/June.
Z. Li, Y. Li, P. Wang, H. Zhu, C. Liu and W. Xu, "Control of Three-Phase Boost-Type PWM Rectifier In Stationary Frame Under Unbalanced Input Voltage," IEEE Trans. on Power. Electronics, vol. 25, no. 10, 2010, October.
A. R. Haron and N. R. N. Idris, "Simulation of MRAS based Speed Sensorless Estimation of Induction Motor Drives Using MATLAB/SIMULINK," First International Power and Energy Conference (PECon), pp. 411-415, 2006.
M. Cirrincione and M. Pucci, "An MRAS-based Sensorless High-Performance Induction Motor Drive With a Predictive Adaptive Model," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 52, no. 2, pp. 532-551, 2005, April.
H. W. Kim, M. J. Youn, K. Y. Cho and H. S. Kim, "Nonlinearity Estimation and Compensation of PWM VSI for PMSM Under Resistance and Flux Linkage Uncertainty," IEEE Trans. on Control Systems, vol. 14, no. 4, 2006, July.
H. K. Shin, B. C. Yoon, H. W. Kim, K. Y Cho, B. K. Lim amd S. S. Hwang, "An MRAS based Current Harmonics Reduction for Three Phase PWM Rectifier Under Input Voltage Distortion," 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia, pp. 2267-2273, 2011.
한국전기안전공사 전기안전연구원, "전원이상에 의한 차단기류의 동작특성에 관한연구," 전기안전조사연구보고서, 2006.
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