[논문]단상 UPS 인버터의 강인한 전압제어기 설계

구대관; 지준근; 차귀수; 문준희

doi:10.6113/tkpe.2011.16.4.317

단상 UPS 인버터의 강인한 전압제어기 설계
Design of Robust Voltage Controller for Single-phase UPS Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.4, 2011년, pp.317 - 325

구대관 (순천향대 대학원 전기통신시스템공학과) , 지준근 (순천향대 전기통신공학과) , 차귀수 (순천향대 전기통신공학과) , 문준희 (대림대학 메카트로닉스과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 단상 UPS 인버터의 강인한 전압제어기를 제안하고 설계한다. 제안된 전압제어기는 부하 변동에 대해서 강인 안정성과 강인 추종 성능을 얻기 위해 ${\mu}$-합성에 기초한 강인 제어 이론을 이용하여 설계되었다. 설계된 전압제어기의 강인 제어 성능은 ${\mu}$-해석을 통해 이론적으로 확인하였다. 그리고 단상 인버터에 대해 선형 부하와 비선형 부하로 시뮬레이션 및 실험을 수행하여 제안된 전압제어기가 안정된 전압제어 성능과 빠른 동특성을 가지는 향상된 제어성능을 제공하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper a robust voltage controller for a single-phase UPS inverter is newly presented. The voltage controller is designed using ${\mu}$-based robust control scheme to simultaneously guarantee robust stability and robust tracking performance in the presence of load variations. Firstly the robust performance of the resulting controller is theoretically confirmed via ${\mu}$-analysis. Then simulations and experiments for the single-phase inverter system with linear and nonlinear loads demonstrate feasibility of the proposed control method providing improved performance - good regulation and fast dynamic response.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 단상 UPS 인버터의 부하 변동에 강인한 전압제어기를 제안하였다. MATLAB으로 정격출력과 역률 요소를 이용하여 부하 어드미턴스에 대한 불확실성을 고려한 전압제어기를 설계하고 R-L 선형부하와 다이오드 정류기 비선형 부하에 대해 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 정격출력과 역률에 의해 부하의 불확실성을 표현하는 방법을 새롭게 제안하였다. 본 연구의 방법이 기존의 방법보다 나은 점은 다음과 같다: 정격출력을 바로 부하의 불확실성을 모델링하는데 사용함으로써 부하의 불확실성의 범위가 시스템이 정상적으로 동작할 수 있는 범위를 벗어나지 않게 해 준다는 것과 정전용량형 부하(capacitive load)의 경우에 대해서도 강인한 시스템을 구축할 수 있게 해 준다는 것이다.

제안 방법

전압제어기를 제안하였다. MATLAB으로 정격출력과 역률 요소를 이용하여 부하 어드미턴스에 대한 불확실성을 고려한 전압제어기를 설계하고 R-L 선형부하와 다이오드 정류기 비선형 부하에 대해 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 시뮬레이션에서 제안된 전압 제어기는 뛰어난 정상상태 성능 및 부하 변동상황 시 우수한 과도 상태 성능을 보여 주었으며, 실제 실험에서도 선형 부하와 비선형 부하에 대해 우수한 성능을 보여주었다.
본 논문에서 제안한 강인 전압제어기의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용한 시뮬레이션 회로를 그림 6과 같이 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이상적인 직류 전압원과 IGBT 하프 브릿지로 인버터를 구성하였고, 제어부는 제안된 강인 전압제어기의 z-영역전달함수를 차분 방정식으로 변환 한 후, PSIM의 DLL을 이용하여 디지털 제어기로 구현하였다.
본 연구에서는 단상 UPS 인버터의 부하변동에 대한 불확실성을 어드미턴스 모델로 고려해서 〃-합성 방법을 이용하여 설계한 강인한 전압제어기를 제안한다. 제안된 전압제어기는 단일루프 전압제어기로서 기존의 다중루프 제어기 보다 구현이 쉽고 간단하다.
본 연구에서는 이상 요약된 〃-합성의 방법을 사용하여 견실한 제어기를 설계하였다. MATLAB 의 Robust Control Toolbox는 〃-합성을 하는데 기계적으로 수행되어야 하는 부분을 시스템적으로 처리되도록 해 주기 때문에, 연구자가 실질적으로 노력을 기울여야 할 부분은 제어대상계의 구조설계와 불확실성의 정의, 가중 함수의 선택 등이다.
표현하는 방법을 새롭게 제안하였다. 본 연구의 방법이 기존의 방법보다 나은 점은 다음과 같다: 정격출력을 바로 부하의 불확실성을 모델링하는데 사용함으로써 부하의 불확실성의 범위가 시스템이 정상적으로 동작할 수 있는 범위를 벗어나지 않게 해 준다는 것과 정전용량형 부하(capacitive load)의 경우에 대해서도 강인한 시스템을 구축할 수 있게 해 준다는 것이다.
부하의 어드미턴스 Y가 빗금친 부분과 같이 분포되기 때문에 이 영역을 모두 포함한 영역을 부하의 어드미턴스의 불확실성으로 규정하기로 하였다. 이는 아주 보수적인 불확실성 표현으로서 시스템의 견실성을 높인 것이다.
이상적인 직류 전압원과 IGBT 하프 브릿지로 인버터를 구성하였고, 제어부는 제안된 강인 전압제어기의 z-영역전달함수를 차분 방정식으로 변환 한 후, PSIM의 DLL을 이용하여 디지털 제어기로 구현하였다. 시뮬레이션과 다음 장의 실험에 사용된 부하 모델과 시스템파라미터를 그림 7과 표 2에 나타내었다.
제안된 전압제어기는 단일루프 전압제어기로서 기존의 다중루프 제어기 보다 구현이 쉽고 간단하다. 제안된 전압제어기의 성능을 확인하기 위해 R-L 부하와 다이오드 전파정류기 부하에 대해 정상상태와 부하 변동상황에 대한 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.

대상 데이터

15에 나타낸다. 제어기는 TI DSP (TMS320 F28335)를 사용한 디지털 제어기로 구현하였다. 실험에 사용된 단상 UPS용 인버터의 실험조건은 시뮬레이션과 같다.

이론/모형

UFS용 단상 인버터를 위해서 사용한 DSP 보드는 이산 시스템이므로 식 (21)의 전달함수를 Tustin 방법을 통해 이산 전달함수로 변환하여 사용하였다.
1 절에서 제공한 값들을 사용하였다. 설계된 제어기의 차수가 높아서 Hankel 차수감소 기법을 사용하여 4차의 제어기를 얻었으며, 그것의 수식을 나타낸 것은 다음과 같다.
지금까지 정리한 시스템 모델과 부하 불확실성 모델 및 가중함수를 가지고 〃-합성을 통해 제어기를 설계하기 위해서 MATLAB의 Robust Control Toolbox를 이용하였다. 시스템 변수들은 2.

성능/효과

MATLAB으로 정격출력과 역률 요소를 이용하여 부하 어드미턴스에 대한 불확실성을 고려한 전압제어기를 설계하고 R-L 선형부하와 다이오드 정류기 비선형 부하에 대해 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 시뮬레이션에서 제안된 전압 제어기는 뛰어난 정상상태 성능 및 부하 변동상황 시 우수한 과도 상태 성능을 보여 주었으며, 실제 실험에서도 선형 부하와 비선형 부하에 대해 우수한 성능을 보여주었다.
제안한다. 제안된 전압제어기는 단일루프 전압제어기로서 기존의 다중루프 제어기 보다 구현이 쉽고 간단하다. 제안된 전압제어기의 성능을 확인하기 위해 R-L 부하와 다이오드 전파정류기 부하에 대해 정상상태와 부하 변동상황에 대한 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.

참고문헌 (12)

박지호, 노태균, 김춘삼, 안인모, 우정인, "UPS 인버터의 성능 개선을 위한 강인한 2중 디지털 제어기의 설계", 전력전자학회 논문지, pp. 116-127, 2003. 4.
정세교, 이대식, "PLL 기법을 이용한 단상 PWM 인버터의 정상상태 성능개선", 전력전자학회 논문지, pp. 356-363, 2004. 8.
P. C. Loh, M. J. Newman, D. N. Zmood, and D. G. Holmes, "A comparative analysis of multi-loop voltage regulation strategies for single and three-phase UPS systems", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 5, pp. 1176-1185, 2003.

상세보기
M. J. Ryan and R. D. Lorenz, "A high-performance sine wave inverter controller with capacitor current feedback and "Back-EMF" decoupling", Conf. Rec. IEEE-PESC, pp. 507-513, 1995.
Task Force on Harmonics Modeling and Simulation, IEEE PES Harmonic Working Group "Characteristics and modeling of harmonic sources-power electronic devices", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 14, No. 4, pp. 791-800, 2001.
P. C. Loh, D. G. Holmes, "Analysis of multiloop control strategies for LC/CL/LCL-filtered voltagesource and current-source inverters", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 41, No. 2, pp. 644-654, 2005.

상세보기
M. J. Ryan, W. E. Brumsickle, and R. D. Lorenz, "Control topology options for single-phase UPS inverters", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 33, No. 2, pp. 493-501, 1997.

상세보기
D. N. Zmood, D. G. Holmes, and G. Bode, "Frequency domain analysis of three phase linear current regulators", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 37, pp. 601-610, 2001.

상세보기
Buso, S., "Robust control of single phase UPS", APEC '97 Conference Proceedings 1997., Twelfth Annual, pp. 825-831, 1997.
T. S. Lee, S. J. Chiang,. and J. M. Chang,, " $H{\infty}$ loop-shaping controller designs for the single-phase UPS inverters", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 14, No. 4, pp. 473-481, 2001.
T. S. Lee, K. S. Tzeng and M. S. Chong, "Robust controller design for a single-phase UPS inverter using ${\mu}-synthesis$ ", IEE Proc., Electr. Power Appl., Vol. 151, No. 3, pp. 334-340, 2004.

상세보기
K. Zhou, and J. C. Doyle, Essentials of Robust Control, Prentice-Hall, 1995.

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증