[논문]계통연계 인버터의 인덕터 최적화 기법을 통한 LCL 필터 설계

장재하; 김경화

doi:10.5207/jieie.2014.28.11.058

계통연계 인버터의 인덕터 최적화 기법을 통한 LCL 필터 설계
Design of LCL Filter through Inductor Optimization Method in Grid-Connected Inverter 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.11, 2014년, pp.58 - 67

장재하 (서울과학기술대학교 전기정보공학과) , 김경화 (서울과학기술대학교 전기정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A grid-connected inverter used for renewable energy resources produces harmonic components in the switching frequency. To effectively reduce switching harmonic components, several types of filter are generally used in the output stage of the grid-connected inverter. Many research works on LCL filter design have been done to maintain the performance with low cost. However, it is not easy to make the filter design be economical and optimal due to the varying characteristic of magnetic core and redundancy design by experience. In this paper, a design method for a LCL filter is presented through the inductor optimization scheme in view of the size and cost when the inductor is manufactured using the magnetic core. The effectiveness is verified through tests using a 3kW grid-connected inverter by simulations and experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계통연계형 3상 PWM 인버터의 중요 구성요소인 LCL 필터에서 자성코어 인덕터의 최적 설계기법을 분석하고 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 입증하였다. 자성코어의 최적 설계를 위하여 LCL 필터 인덕터 설계 흐름도의 설계 절차를 제시하였고 MathLab과 PSIM을 이용하여 설계와 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 최근 여러 종류의 신재생 에너지원을 이용한 다양한 방법의 논문[2-6]으로 설계된 LCL 필터 연구결과를 바탕으로 계통에 전력을 공급하는 인버터에서 LCL 필터의 최적설계를 통하여 인버터의 경제적 설계를 구현하고자 한다. 이를 위하여 3상 3kW급 인버터 LCL 필터의 이론적 고찰, 해석과[7] 총 고조파 왜율(Total Hamonic Distortion; THD)과 리플 감쇠율(Ripple Attenuation Factor, RAF)를 이용하여 LCL 필터 파라미터를 설계하고 Matlab 및 PSIM 을 활용하여 선정된 파라미터의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증한다.

가설 설정

그림 1의 블럭도에서 계통전압은 이상적인 전압원으로 가정하였으며 고조파 해석 시에는 영으로 간주하므로 계통측 전압원은 단락회로로 나타낸다.

제안 방법

계통연계형 인버터에서 LCL 필터의 성능을 확인하기 위해 2절에서 설계한 파라미터 값을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 3은 표 2의 LCL 필터 파라미터 값의 타당성을 검증하기 위한 PSIM으로 구성된 시스템 구성도를 나타낸다.
여기서 N은 권선수이다. 권선간 낮은 기생 커패시턴스, 냉각 효율 향상과 작업성을 고려하여 1층 권선으로 설계하기 위하여 다음 식을 이용하여 권선이 감겼을 때의 자성코어의 내경 ID를 조사한다.
그림 2는 Matlab을 이용하여 구한 설계된 LCL 필터의 보드선도를 나타낸다. 그림 2의 결과에서 LCL 필터의 공진극점 4.47kHz와 공진영점 3.71kHz를 확인할 수 있으며 이 공진점은 시스템을 불안정하게 만들 수 있으므로 댐핑저항을 연결한 패시브댐핑 방법으로 이를 제거하였다. 일반적으로 수십 kW급 인버터에서는 댐핑저항의 손실이 크게 발생하여 액티브댐핑 방식으로 구현하나, 본 논문에서 사용한 계통연계 인버터는 3kW급의 소용량 인버터이므로 댐핑저항의 손실을 무시할 수 있다.
최적의 LCL 필터를 설계하기 위하여 필터 에너지용량 산출, 자성코어 선정, 선경 및 권선수를 산출하며, 직류중첩에 의한 초기투자율 대비 인덕턴스 감쇄율을 검토하여 전류가 중첩되었을 때 설계치를 만족하는 인덕턴스 값을 확인한다. 또한 설계된 필터의 열손실을 최소화하기 위하여 코어손실(P_fe) 및 , 동선손실을 (P_cu) 계산 후 LCL 필터 인덕터를 제작하며 계통연계형 3상 3kW급 인버터에 적용 실험을 하여 고조파가 효과적으로 제거 되었는지 타당성을 검증한다.
자성코어의 최적 설계를 위하여 LCL 필터 인덕터 설계 흐름도의 설계 절차를 제시하였고 MathLab과 PSIM을 이용하여 설계와 시뮬레이션을 수행하였다. 성능 시험평가를 위하여 3상 계통연계형 인버터 시스템을 구축하였으며 설계된 LCL 필터를 이용하여 성능시험과 평가를 수행하였다. 실험에서는 자성코어 사이즈를 작게 설계하기 위하여 전류중첩 특성이 우수한 High Flux 코어를 사용한 설계가 이루어졌으나 보급률을 높이기 위해서는 저가격대 인버터의 설계를 위하여 MPP 재질 이하급의 코어를 사용한 필터 설계가 필요하다.
앞 절에서는 총고조파 왜율(THD)과 리플 감쇠율(RAF)을 이용하여 계통연계 인버터용 LCL 필터 파라미터를 설계하였다. 자성코어가 적용되는 경우 LCL 필터 파라미터를 구현하기 위해 최적화 설계를 통해 인덕터가 설계된다[11].
본 논문에서는 최근 여러 종류의 신재생 에너지원을 이용한 다양한 방법의 논문[2-6]으로 설계된 LCL 필터 연구결과를 바탕으로 계통에 전력을 공급하는 인버터에서 LCL 필터의 최적설계를 통하여 인버터의 경제적 설계를 구현하고자 한다. 이를 위하여 3상 3kW급 인버터 LCL 필터의 이론적 고찰, 해석과[7] 총 고조파 왜율(Total Hamonic Distortion; THD)과 리플 감쇠율(Ripple Attenuation Factor, RAF)를 이용하여 LCL 필터 파라미터를 설계하고 Matlab 및 PSIM 을 활용하여 선정된 파라미터의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증한다. 최적의 LCL 필터를 설계하기 위하여 필터 에너지용량 산출, 자성코어 선정, 선경 및 권선수를 산출하며, 직류중첩에 의한 초기투자율 대비 인덕턴스 감쇄율을 검토하여 전류가 중첩되었을 때 설계치를 만족하는 인덕턴스 값을 확인한다.
인버터 출력 전류를 2A와 4A로 설정하여 실험을 수행하였다. 그림 11과 그림 12는 각각 인버터 출력 전류가 2A 및 4A일 때의 인버터 출력전류의 고조파 특성을 나타내며 그림 13은 인버터 출력전류 4A에서 계통측 a상전류(Channel 2) 및 인버터측 a상전류(Channel 3)를 나타낸다.
본 논문에서는 계통연계형 3상 PWM 인버터의 중요 구성요소인 LCL 필터에서 자성코어 인덕터의 최적 설계기법을 분석하고 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 입증하였다. 자성코어의 최적 설계를 위하여 LCL 필터 인덕터 설계 흐름도의 설계 절차를 제시하였고 MathLab과 PSIM을 이용하여 설계와 시뮬레이션을 수행하였다. 성능 시험평가를 위하여 3상 계통연계형 인버터 시스템을 구축하였으며 설계된 LCL 필터를 이용하여 성능시험과 평가를 수행하였다.
전력밀도 ψ 값을 이용하여 설계된 인덕터의 온도상승율을 다음 식과 같이 계산하고 실사용 주위온도에 적합한지 검토한다[11].
이를 위하여 3상 3kW급 인버터 LCL 필터의 이론적 고찰, 해석과[7] 총 고조파 왜율(Total Hamonic Distortion; THD)과 리플 감쇠율(Ripple Attenuation Factor, RAF)를 이용하여 LCL 필터 파라미터를 설계하고 Matlab 및 PSIM 을 활용하여 선정된 파라미터의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증한다. 최적의 LCL 필터를 설계하기 위하여 필터 에너지용량 산출, 자성코어 선정, 선경 및 권선수를 산출하며, 직류중첩에 의한 초기투자율 대비 인덕턴스 감쇄율을 검토하여 전류가 중첩되었을 때 설계치를 만족하는 인덕턴스 값을 확인한다. 또한 설계된 필터의 열손실을 최소화하기 위하여 코어손실(P_fe) 및 , 동선손실을 (P_cu) 계산 후 LCL 필터 인덕터를 제작하며 계통연계형 3상 3kW급 인버터에 적용 실험을 하여 고조파가 효과적으로 제거 되었는지 타당성을 검증한다.

대상 데이터

실험은 표 1의 계통연계형 3상 인버터를 사용하였으며 그림 10은 계통연계형 3상 인버터로 구성된 실험세트의 구성을 나타낸다.

데이터처리

본 연구에서 실험에 사용한 계통연계형 인버터 시스템의 사양은 표 1과 같다[10]. 최적의 결과 값을 구하기 위하여 Matlab을 활용하여 설계가 이루어졌으며 표 2는 제안된 알고리즘으로 설계한 3kW급 LCL 필터 파라미터의 설계 결과이다.

이론/모형

LCL 필터의 파라미터는 다양한 기법으로 설계될 수 있으나 본 논문에서는 총고조파 왜율(THD)과 리플감쇠율(RAF)을 이용한 계통연계 인버터용 LCL 필터 설계방법을 사용한다[8-9].

성능/효과

표 4는 각 전류 값에서 인버터 출력전류의 고조파 특성을 나타내며 λ는 기본파 전류에 대한 각 고조파의 비율을 나타낸다. 인버터 출력 전류가 2A인 경우에 비해 인버터 출력 전류가 4A일 때의 고조파 크기가 증가하지만 전체적으로 설계된 LCL 필터가 3차, 5차 및 7차 고조파를 효과적으로 억제함을 확인할 수 있다.
그림 4와 그림 5는 계통연계형 인버터에서 PI 전류 제어기의 응답특성과 LCL 필터의 계통측 인덕터 전류를 나타낸다. 전류 명령은 3.46A로 설정 하였으며 그림 4의 PI 전류 제어기의 응답특성과 같이 목표치에 오버슛이나 언더슛 없이 전류 명령을 추종함을 확인할 수 있다. 그림 5에 나타난 LCL 필터의 계통측 인덕터 전류리플은 양호하며 이 때 THD는 약 1.

후속연구

실험에서는 자성코어 사이즈를 작게 설계하기 위하여 전류중첩 특성이 우수한 High Flux 코어를 사용한 설계가 이루어졌으나 보급률을 높이기 위해서는 저가격대 인버터의 설계를 위하여 MPP 재질 이하급의 코어를 사용한 필터 설계가 필요하다. 시험 인버터의 PWM 주파수 한계로 인덕터의 인덕턴스의 값이 크게 설계되었으나 스위칭 손실을 고려한 범위 내에서 PWM 주파수를 높게 설계한다면 작은 사이즈의 코어와 합리적인 가격대의 LCL 필터 설계를 통한 계통연계형 인버터가 구현될 것으로 판단된다.
성능 시험평가를 위하여 3상 계통연계형 인버터 시스템을 구축하였으며 설계된 LCL 필터를 이용하여 성능시험과 평가를 수행하였다. 실험에서는 자성코어 사이즈를 작게 설계하기 위하여 전류중첩 특성이 우수한 High Flux 코어를 사용한 설계가 이루어졌으나 보급률을 높이기 위해서는 저가격대 인버터의 설계를 위하여 MPP 재질 이하급의 코어를 사용한 필터 설계가 필요하다. 시험 인버터의 PWM 주파수 한계로 인덕터의 인덕턴스의 값이 크게 설계되었으나 스위칭 손실을 고려한 범위 내에서 PWM 주파수를 높게 설계한다면 작은 사이즈의 코어와 합리적인 가격대의 LCL 필터 설계를 통한 계통연계형 인버터가 구현될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표피효과란?	LCL 필터의 선경은 PWM 주파수를 고려하여 선정되어야 한다. 주파수의 증가에 따라 도체 중심부의 자장이 증가되어 전류가 도체 전체로 흐르지 못하고 표면에 한정되어 흐르는 현상을 표피효과라 한다. 이 현상을 보완하기 위해 유효 단면적이 넓은 선의 선택이 필요하며 동선은 단선 보다 여러 가닥수인 릿지와이어를 선정하는 것이 유효 단면적을 넓히는 방법이다.
	표피효과를 보완하기 위한 방법은?	주파수의 증가에 따라 도체 중심부의 자장이 증가되어 전류가 도체 전체로 흐르지 못하고 표면에 한정되어 흐르는 현상을 표피효과라 한다. 이 현상을 보완하기 위해 유효 단면적이 넓은 선의 선택이 필요하며 동선은 단선 보다 여러 가닥수인 릿지와이어를 선정하는 것이 유효 단면적을 넓히는 방법이다. 전류의 밀도가 표피보다 37% 감소되는 도체의 깊이인 표피효과(Skin depth) 깊이 ε는 다음과 같이 구해진다.
	신재생 에너지원이 고효율의 전력변환 인버터를 필요로 하는 이유는?	신재생 에너지원으로 여러 종류의 에너지원이 개발되고 있으며 이러한 에너지원을 기반으로 스마트 그리드의 목적인 전기공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로서 에너지효율을 최적화하여 효과적인 전력발생을 위한 분산전원으로 계통과 연계되어 전력을 송출하고 있다. 사용되는 신재생 에너지원은 환경에 따라 불안정한 전력을 발생하므로 안정된 전력을 효과적으로 변환 송출하기 위해서는 고효율의 전력변환 인버터를 필요로 한다. 또한 신재생 에너지원을 이용한 전력 보급률을 높이고 발전비용을 낮추기 위하여서는 경제적인 고효율 인버터의 개발이 필요하다[1].

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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S. E. Cho, "Commercial technology of non consumption of electrical power for elevator and escalator using photovoltaic generation and regeneration," SEOUL Final Report Number. PA09741, 2011.8.26
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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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