[논문]입력 직류 전압과 Z-네트워크 커패시터 전압 검출에 의한 Z-소스 인버터의 출력 전압 제어

김세진; 정영국; 임영철; 최준호

doi:10.5370/kiee.2011.60.8.1515

입력 직류 전압과 Z-네트워크 커패시터 전압 검출에 의한 Z-소스 인버터의 출력 전압 제어
Output Voltage Control of Z-Source Inverter by the Detection of the Input DC Voltage and Z-Network Capacitor Voltage 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.8, 2011년, pp.1515 - 1522

김세진 (전남대학교 전기공학과) , 정영국 (대불대학교 융합기술학부) , 임영철 (전남대학교 전기공학과) , 최준호 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the algorithm for the output AC voltage control of Z-source inverter by the detection of the input DC voltage and Z-network capacitor voltage. The actual modulation index of the proposed method is detected by the capacitor voltage in Z-network and input DC voltage of three-phase Z-source inverter. Control modulation index for the output voltage control is calculated by the detected actual modulation index and reference modulation index. And, calculated control modulation index is applied to the modified space vector modulation (SVM) for control the output voltage of Z-source inverter. To verify the validity of the proposed method, PSIM simulation was achieved and a DSP controlled 1[kW] three-phase Z-source inverter was producted. The simulation and experiment were performed under the condition that the load was changed in case of the constant input DC voltage and the input DC voltage was changed in case of the load was constant. As a result, we could know that the output phase voltage of Z-source inverter followed to the reference voltage 70[VRMS] despite the load or the input DC voltage were suddenly changed.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 입력전압과 Z-네트워크의 커패시터 전압 검출을 이용한 3상 Z-소스 인버터의 출력전압 일정제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방법은 3상 Z-소스 인버터의 입력전압과 Z-네트워크 커패시터 전압으로 부터 전압이득(G)을 구하고 이를 이용하여 변조지수(M)를 계산한다.
제안된 방법은 전압이득(G)에서 변조지수(M)를 직접 연산하므로 출력전압의 일정 제어를 위한 변조지수(M)의 연산이 매우 빠르다는 장점이 있다. 또한 본 연구에서는 이와 같이 출력전압을 제어하기를 위한 변조지수(M)로 제어되는 공간벡터 변조방식도 제안하였다.
본 논문에서는 3상 Z-소스 인버터의 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 변조지수 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방법은 입력전압과 Z-네트워크의 커패시터 전압 검출에 의한 기준 변조지수(M_R)와 실제 변조지수(M_A)의 간단한 연산을 기본으로 하고 있다.
본 연구에서는 Z-네트워크의 커패시터 전압(V_C)과 입력 입력전압(V_IN)을 이용한 Z-소스 인버터의 출력전압을 일정 제어하기 위한 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 3상 Z-소스 인버터의 입력전압(V_IN) 및 커패시터 전압(V_C)을 검출하여 변조지수(M)를 제어하는 과정을 포함하고 있다.
본 연구의 목적은 3상 Z-소스 인버터의 출력 상 전압을 일정하게 제어하기 위하여 Z-임피던스 망의 커패시터 전압(V_C)을 일정하게 제어하는 것이다.

제안 방법

Z-소스 인버터의 출력전압을 일정 제어하기 위한 변조지수(M_C)가 앞의 단계-2에 의하여 결정되었으며, 이를 적용하기 위하여 공간벡터 변조 방식(SVM)의 각 벡터의 인가시간을 다음과 같이 변형하였다. 종전의 공간벡터 변조방식에서 지령벡터(V_R)에 인접한 두 유효벡터의 인가시간(T_A, T_B)은 식 (7)과 같다.
또한 입력전압이 120[V]→90[V]로 감소하는 상태에서 각 상의 부하저항이 단계적으로 20[Ω]→40[Ω]→80[Ω]의 증가를 하는 경우의 제어 특성을 살펴보았다.
또한, 입력전압 100[V]에서 출력 측의 각 상 부하저항이 40[Ω]에서 20[Ω]으로 감소하는 경우에 대해서도 테스트하였다.
또한, 입력전압이 120[V]에서 90[V]로 변화하는 상황에 대하여 3상 부하저항이 20[Ω], 40[Ω], 80[Ω]의 단계적인 변화에 대해서 수행 하였다.
먼저 Z-소스 인버터의 입력전압을 80[V]에서 110[V]로 변화하는 경우와 입력전압을 110[V]로 일정한 조건에서 각 상의 부하저항을 40[Ω]→20[Ω]으로 변동하는 경우에 대한 특성을 살펴보았다.
본 연구의 타당성 검증을 위하여, 3상 Z-소스 인버터의 입력전압이 120[V]에서 90[V]로 감소하는 경우와 80[V]에서 110[V]로 증가 하는 경우에 대한 PSIM 시뮬레이션 수행과 1[kw]급 3상 Z-소스 인버터 실험을 수행하였다. 또한, 입력전압 100[V]에서 출력 측의 각 상 부하저항이 40[Ω]에서 20[Ω]으로 감소하는 경우에 대해서도 테스트하였다.
실험 및 시뮬레이션은 Z-소스 인버터의 입력전압이 80[V]에서 110[V]로 증가하는 경우와 120[V]에서 90[V]로 감소하는 경우 그리고 각 상의 부하저항이 40[Ω]에서 20[Ω]로 감소하는 상황에 대하여 수행하였다.
실험 및 시뮬레이션의 결과, 출력 상 전압을 일정 제어하기 위한 Z-네트워크의 커패시터 전압 V_C는 입력전압 및 부하 변동에 대하여 3[V]의 오차로 커패시터 기준전압(V_CR)을 추종하였다. 또한 3상 Z-소스 인버터의 출력 전압은 기준치 70[V_RMS]에 대하여 68[V_RMS]이며 2[V_RMS]의 오차 범위 내에서 추종함을 알 수 있었다.
실험은 입력전압이 80[V]에서 110[V]로 변화하는 경우와 110[V]로 일정한 조건하에서 출력 측의 부하(RO)가 40[Ω]에서 20[Ω]으로 변화하는 조건에 대하여 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 입력전압과 Z-네트워크의 커패시터 전압 검출을 이용한 3상 Z-소스 인버터의 출력전압 일정제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방법은 3상 Z-소스 인버터의 입력전압과 Z-네트워크 커패시터 전압으로 부터 전압이득(G)을 구하고 이를 이용하여 변조지수(M)를 계산한다. 그리고 이를 이용하여 Z-임피던스 망의 커패시터 전압(V_C)을 제어하여 출력전압을 제어한다.
본 논문에서는 3상 Z-소스 인버터의 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 변조지수 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방법은 입력전압과 Z-네트워크의 커패시터 전압 검출에 의한 기준 변조지수(M_R)와 실제 변조지수(M_A)의 간단한 연산을 기본으로 하고 있다. 이 두 변조지수(M_R, M_A)로부터 제어 변조지수(M_C)가 구해지며 M_C를 이용하여 3상 Z-소스 인버터가 제어된다.
이 두 변조지수(M_R, M_A)로부터 제어 변조지수(M_C)가 구해지며 M_C를 이용하여 3상 Z-소스 인버터가 제어된다. 제안된 방법은 출력전압의 d-q변환이나 PID제어 등을 사용하지 않으며, 단지 두 변조지수(M_R, M_A)를 비교하고 연산하는 과정에서 변조지수의 보상 범위가 간단하게 결정된다.
제안된 방법의 타당성을 입증을 위하여, PSIM 시뮬레이션과 1[kW]급 3상 Z-소스 인버터를 제작하였다. 실험은 입력전압이 80[V]에서 110[V]로 변화하는 경우와 110[V]로 일정한 조건하에서 출력 측의 부하(R_O)가 40[Ω]에서 20[Ω]으로 변화하는 조건에 대하여 수행하였다.
)을 이용한 Z-소스 인버터의 출력전압을 일정 제어하기 위한 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 3상 Z-소스 인버터의 입력전압(V_IN) 및 커패시터 전압(V_C)을 검출하여 변조지수(M)를 제어하는 과정을 포함하고 있다. 입력전압(V_IN)과 Z-임피던스 망의 커패시터 전압(V_C)을 이용한 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 방법은 다음과 같이 3가지 Step-1,2,3을 이용하여 구현 된다.
출력 상 전압을 70[VRMS]로 일정 제어하기 위하여, 기준 커패시터 전압(VCR)은 출력상 전압의 최대치 99[V](=70[VRMS])와 √3을 곱하여 VCR(=171.5[V])을 구한 후, VC가 VCR를 추종하게 하였다.

대상 데이터

이상에서 살펴본 시뮬레이션의 결과를 검증하기 위하여, 그림 14와 같은 실험이 수행되었다. Z-소스 인버터의 제어에 사용된 DSP는 150[MHz]의 고속 소수 연산이 가능한 TMS320F28335이며, IGBT (FGL60N100D) 구동을 위하여 TLP559 포토커플러와 IR2118 게이트 드라이버가 사용되었다. 인버터는 IGBT 6개를 이용하여 구성하였으며, 입력전원은 가변전원장치인 NF corporation사의 ES2000S를 이용하였다.
인버터는 IGBT 6개를 이용하여 구성하였으며, 입력전원은 가변전원장치인 NF corporation사의 ES2000S를 이용하였다. Z-소스 임피던스 망은 다이오드 80EPF60, coupled 인덕터 3.0[mH]와 커패시터 1000[uF]/400[V]로 구성하였다.
입력전압[V_IN]과 Z-임피던스 망의 커패시터 전압[V_C]의 검출을 위하여 AC 250[V]의 전압 검출이 가능한 LV-25를 이용하였다.

이론/모형

Z-소스 인버터의 제어에 사용된 DSP는 150[MHz]의 고속 소수 연산이 가능한 TMS320F28335이며, IGBT (FGL60N100D) 구동을 위하여 TLP559 포토커플러와 IR2118 게이트 드라이버가 사용되었다. 인버터는 IGBT 6개를 이용하여 구성하였으며, 입력전원은 가변전원장치인 NF corporation사의 ES2000S를 이용하였다. Z-소스 임피던스 망은 다이오드 80EPF60, coupled 인덕터 3.

성능/효과

)을 추종하였다. 또한 3상 Z-소스 인버터의 출력 전압은 기준치 70[V_RMS]에 대하여 68[V_RMS]이며 2[V_RMS]의 오차 범위 내에서 추종함을 알 수 있었다.
또한, 입력전압이 120[V]에서 90[V]로 변화하는 상황에 대하여 3상 부하저항이 20[Ω], 40[Ω], 80[Ω]의 단계적인 변화에 대해서 수행 하였다. 실험 결과, Z-소스 인버터의 출력 상 전압은 입력전압과 부하변동과 무관하게 약 68[V RMS]의 전압을 유지하였다. 출력 상 전압의 2[V]정도의 오차 문제는 추후에 Z-네트워크의 커패시터 전압의 검출 방법을 보완하면 해결 가능하리라 생각한다.
제안된 방법은 3상 Z-소스 인버터의 입력전압 또는 부하저항 변화에 의한 Z-임피던스 망의 커패시터 전압의 변화에도 제어 변조지수(M_C)가 적정 범위 안에서 비교적 빠르게 결정되는 장점이 있다. 또한 Z-소스 인버터의 출력전압을 일정 제어하는 M_C가 먼저 결정되므로, 공간벡터 변조방식에 적용하기 위해 출력전압에 대한 부스트율(B), 전압이득(G), 암 단락 비(D)등을 모두 고려 할 필요가 없다.
그리고 이를 이용하여 Z-임피던스 망의 커패시터 전압(V_C)을 제어하여 출력전압을 제어한다. 제안된 방법은 전압이득(G)에서 변조지수(M)를 직접 연산하므로 출력전압의 일정 제어를 위한 변조지수(M)의 연산이 매우 빠르다는 장점이 있다. 또한 본 연구에서는 이와 같이 출력전압을 제어하기를 위한 변조지수(M)로 제어되는 공간벡터 변조방식도 제안하였다.
5[V])을 구한 후, V_C가 V_CR를 추종하게 하였다. 표 1의 파라미터에 의하여 PSIM 시뮬레이션과 실험을 하였으며, V_CR을 일정하게 제어하여 출력 상 전압이 일정하게 출력됨을 확인하였다. 실험 및 시뮬레이션은 Z-소스 인버터의 입력전압이 80[V]에서 110[V]로 증가하는 경우와 120[V]에서 90[V]로 감소하는 경우 그리고 각 상의 부하저항이 40[Ω]에서 20[Ω]로 감소하는 상황에 대하여 수행하였다.

후속연구

실험 결과, Z-소스 인버터의 출력 상 전압은 입력전압과 부하변동과 무관하게 약 68[V RMS]의 전압을 유지하였다. 출력 상 전압의 2[V]정도의 오차 문제는 추후에 Z-네트워크의 커패시터 전압의 검출 방법을 보완하면 해결 가능하리라 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Z-소스 인버터란?	이를 위한 방안으로 L-C로 이루어진 Z-네트워크를 이용한 Z-소스 인버터[1-4]가 제시되었다. Z-소스 인버터는 동일한 암의 두 스위치를 단락시키는 Shoot-through 시간을 조절하여 낮은 입력전압을 곧바로 높은 출력전압으로 부스트 가능한 Single-stage 인버터를 말한다. 따라서 Z-소스 인버터는 Two-stage 인버터에 비하여 제어가 간편하고 상용화 되어있는 IGBT모듈을 곧바로 사용할 수 있는 장점이 있다.
	Two-stage의 인버터의 문제점은?	태양광 및 풍력 등의 신재생 에너지를 입력 직류전원으로하여 출력전압을 얻기 위한 인버터는 입력 측에 부스트 컨버터를 추가한 Two-stage 시스템으로 되어 있는 경우가 많다. 그런데 Two-stage의 인버터는 인버터 제어 이외에 부스트 컨버터의 스위칭 소자의 제어 방법이 추가로 필요하므로 구성과 제어의 복잡성의 문제점이 있다[1]. 이를 위한 방안으로 L-C로 이루어진 Z-네트워크를 이용한 Z-소스 인버터[1-4]가 제시되었다.
	Two-stage의 인버터의 문제점을 해결하기 위한 방안은?	그런데 Two-stage의 인버터는 인버터 제어 이외에 부스트 컨버터의 스위칭 소자의 제어 방법이 추가로 필요하므로 구성과 제어의 복잡성의 문제점이 있다[1]. 이를 위한 방안으로 L-C로 이루어진 Z-네트워크를 이용한 Z-소스 인버터[1-4]가 제시되었다. Z-소스 인버터는 동일한 암의 두 스위치를 단락시키는 Shoot-through 시간을 조절하여 낮은 입력전압을 곧바로 높은 출력전압으로 부스트 가능한 Single-stage 인버터를 말한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
김세진, 정영국, 임영철, 양승학, "전압 이득과 변조지수 제어에 의한 3상 Z-소스 인버터의 출력 교류 전압 제어" 대한전기학회 논문지 ABCD, Vol. 59, No.11, pp. 1996-2005, Nov 2010.

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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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