[논문]3상 2레벨 계통연계형 태양광 인버터의 강인제어

안경필; 이영일

doi:10.6113/tkpe.2014.19.6.538

3상 2레벨 계통연계형 태양광 인버터의 강인제어
Robust Control of a Grid Connected Three-Phase Two-Level Photovoltaic Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.6, 2014년, pp.538 - 548

안경필 (Power Conversion Team, LSIS Co. Ltd) , 이영일 (Dept. of Electrical and Information Eng., Seoul National University of Sci. and Tech.)

Abstract ▼ AI-Helper

This study provides a robust control of a grid-connected three-phase two-level photo voltaic inverter. The introduced control method uses the cascade control strategy to regulate AC-side current and DC-link voltage. A robust controller with integration action is used for the inner-loop AC-side current control, which maximizes the convergence rate using a linear matrix inequality-based optimization design method and eliminates the offset error. The robust controller design method considers the parameter uncertainty set to accommodate parameter mismatch and un-modeled components in the inverter model. An outer-loop proportional-integral controller is used to regulate DC-link voltage with linearization of DC/AC relation. The proposed control strategy is applied to a grid-connected 100 kW photo voltaic inverter.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 계통 연계 형 인버터의 목적은 신재생 에너지원으로부터 최대한의 에너지를 계통으로 주입하는데 있으며 이를 위해 계통의 전압과 동상으로 전류를 계통으로 주입하는 전류 제어 기술, 입력 측 전력을 출력 측으로 안정적으로 전달하는 전력 제어 기술, 그리고 신재생 에너지원으로부터 최대 에너지 점을 찾아내는 최대 전력 점 제어 기술 등이 필요하다. 본 논문에서는 태양광 계통 연계 인버터에 초점을 맞추어 인버터의 성능에 가장 핵심적인 영향을 미치는 전류 제어에 강인 제어기를 적용하고 전력 제어를 위해 PI(Proportional Integral) 제어를 활용한 dc-link 전압 제어기를 설계한 방법을 차례로 논의한다.

가설 설정

강인 제어기와의 성능 비교를 위해서 고전적인 이중 루프 PI 제어기도 동일한 환경에서 시험을 진행하였으며 제어기의 튜닝 방법은 이너 루프 전류제어기의 경우 극점/영점 상쇄 방법^[8] 및 이 값으로부터 매뉴얼 튜닝한 값을 사용하였고, 바깥 루프 전류제어기의 경우 식 (18)을 사용하되 dc-link 출력 전류 지령치를 선형화하지 않고 dc-link 전압 및 계통 전압이 정격 값일 때를 가정하여 이득을 계산하였다. 이중 루프 PI 제어기의 제어기 설계 값은 TABLE 3과 같다.
그러나 일반적으로 기생 저항 성분은 수 mΩ에서 수십 mΩ정도로 알려져 있으며 온도에 따라 변화하므로 기생 저항 성분에 대한 불확실성은 상대적으로 크다고 보았으며 반면에 리액턴스에 대한 불확실성은 상대적으로 작다고 가정하였다.

제안 방법

PV 시뮬레이터의 일사량을 100%(20kW)에서 20%(4kW)로 순간 변경하고 과도 상태 응답을 측정하였다. dc-link 전압 제어기의 settling time을 모두 0.
계통의 전압을 0.3 초 간 0%로 순간 강하하고 과도 상태 응답을 측정비교 하였다. Fig.
강인 제어는 inner-loop의 ac 전류제어에만 사용되었으며 outer-loop에는 dc-link 전압 제어를 위한 PI 제어기를 병행 사용하는 전략을 취하였다. 또한 dc-link 전압 제어에 대해서는 정상 상태에서의 dc/ac 전류 사이의 관계식^[17-18]을 이용하여 dc-link 전 범위에 걸쳐서 PI 제어기가 동일한 성능을 낼 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 3상 2레벨 대용량 태양광 인버터에 강인제어 방법을 적용하고 100kW급 프로토타입 시스템에서 그 유효성을 검증하였다.
본 논문은 [22]에서 UPS 제어에 사용된 강인제어를 3상 2레벨 계통연계형 태양광 인버터에 적용하고 100kW 급 프로토타입 인버터에서 시험을 수행하여 그 결과를 검증한다. 강인 제어는 inner-loop의 ac 전류제어에만 사용되었으며 outer-loop에는 dc-link 전압 제어를 위한 PI 제어기를 병행 사용하는 전략을 취하였다.

대상 데이터

지금까지 논의된 제어기의 설계 방법을 검증하기 위해 100kW급 프로토타입의 태양광 인버터에 태양광/계통 시뮬레이터를 이용하여 시험을 수행하였으며 자세한 시험환경은 Fig 5 및 표 1과 같다. 단 시뮬레이터 용량의 제약으로 인버터 정격 용량 대비 약 20% 부하에서 시험이 수행되었다.

이론/모형

위의 제어기들을 기반으로 제어 성능을 평가하기 위해 아래의 상황에서 인버터의 응답파형을 측정하였다.

성능/효과

PV 시뮬레이터의 일사량을 100%(20kW)에서 20%(4kW)로 순간 변경하고 과도 상태 응답을 측정하였다. dc-link 전압 제어기의 settling time을 모두 0.1 sec로 설계하였기에 Fig. 9 ~ Fig, 11에서 큰 차이는 발생하지 않았으나 이중루프 PI (매뉴얼 튜닝) 이 dc-link전압의 오버슛/언더슛이 가장 작았으며 강인제어를 사용하였을 때 가장 크게 나타났다.
인버터 초기 기동 시 soft start 기능에 의해 계통 전류지령치는 0 으로부터 천천히 증가하므로 초기 기동파형으로부터 ac 전류 제어기의 영 전류 제어 성능을 평가할 수 있으며 Fig. 6, Fig. 7 및 Fig. 8 및 TABLE 4에서 볼 수 있듯이 강인제어기의 수렴 속도가 확연히 짧음을 확인할 수 있다.
이는 시험을 통해 강인제어가 다른 PI 제어 전략에 비해 순시 전류제어에 뛰어나면서도 계통전압 강하 등의 외란에 대해서도 강인함을 보여준 것으로 그 유효성을 판단할 수 있다. 즉 강인제어는 최적화 정도를 파라미터 불확실성이라는 설계 파라미터로 조절함으로써 퍼포먼스와 안정성에 균형을 맞출 수 있으므로 실제 현장에서도 유연하게 적용될 수 있는 효과적인 제어전략이라 판단된다.

후속연구

한편 시험 설비 제약에 따라 간략하게 이루어졌는데 인버터 용량 대비 (100kW) 낮은 부하 (20kW)에서 수행되었으며 시뮬레이터와의 공진 등으로 전류 파형에 THD가 높은 문제가 있었다. 추후에는 정격 용량에서 강인제어 방법을 적용 했을 때 효율과 전류 THD 같은 인버터 품질에 대한 성능 측정이 추가적으로 수행될 필요가 있다고 생각 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PI 제어기의 가장 오래되었고 지금도 가장 널리 사용되는 제어방법은?	PI 제어기는 가장 오래되었고 지금도 가장 널리 사용되는 제어방법으로 일반적으로 inner-loop에 ac 전류 제어를 위한 제어기와 outer loop에 dc-link 전압 제어기를 결합한 이중루프를 사용한다. PI 제어기는 각 상 혹은 고정좌표 계의 각 축에 대해서 독립적으로 사용될 수도 있으나, PI 제어기의 특성 상 ac 제어 시에는 추종 오차가 발생할 수밖에 없다는 단점이 있을 뿐만 아니라, 각 상에 대해 cross-coupling terms 이 존재하게 되므로 폐루프 시스템의 분석에 어려움이 따른다[11].
	본 논문에서 3상 2레벨 대용량 태양광 인버터에 강인제어 방법을 적용한 결과는?	Deadbeat 제어기 등 많은 MPC 계열 알고리즘이 이론적으로 빠른 퍼포먼스를 제공하는 것으로 알려졌지만 실제 현장 적용에서는 파리미터 미스매치 문제를 겪는 것에 비해 강인제어 방법은 LMI 기반 최적설계 방법을 파라미터 불확실성을 고려하여 적용함으로써 실질적으로 적용 가능한 최적화를 수행한다고 판단된다. 이는 시험을 통해 강인제어가 다른 PI 제어 전략에 비해 순시 전류제어에 뛰어나면서도 계통전압 강하 등의 외란에 대해서도 강인함을 보여준 것으로 그 유효성을 판단할 수 있다. 즉 강인제어는 최적화 정도를 파라미터 불확실성이라는 설계 파라미터로 조절함으로써 퍼포먼스와 안정성에 균형을 맞출 수 있으므로 실제 현장에서도 유연하게 적용될 수 있는 효과적인 제어전략이라 판단된다.
	계통 연계 형 인버터의 목적은?	이러한 계통 연계 형 인버터의 목적은 신재생 에너지원으로부터 최대한의 에너지를 계통으로 주입하는데 있으며 이를 위해 계통의 전압과 동상으로 전류를 계통으로 주입하는 전류 제어 기술, 입력 측 전력을 출력 측으로 안정적으로 전달하는 전력 제어 기술, 그리고 신재생 에너지원으로부터 최대 에너지 점을 찾아내는 최대 전력 점 제어 기술 등이 필요하다. 본 논문에서는 태양광 계통 연계 인버터에 초점을 맞추어 인버터의 성능에 가장 핵심적인 영향을 미치는 전류 제어에 강인 제어기를 적용하고 전력 제어를 위해 PI(Proportional Integral) 제어를 활용한 dc-link 전압 제어기를 설계한 방법을 차례로 논의한다.

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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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