[논문]Quasi-Notch Filter를 이용한 DC-DC-AC 계통연계형 단상 인버터에서의 저주파 전류 감소 기법

정홍주; 김래영

doi:10.6113/tkpe.2014.19.3.276

Quasi-Notch Filter를 이용한 DC-DC-AC 계통연계형 단상 인버터에서의 저주파 전류 감소 기법
Low Frequency Current Reduction using a Quasi-Notch Filter operated in Two-Stage DC-DC-AC Grid-Connected Systems 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.3, 2014년, pp.276 - 282

정홍주 (Dept. of Electrical Eng., EECS Lab, Hanyang University) , 김래영 (Dept. of Electrical and Biomedical Eng., Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

In a single-phase grid-connected power system consisting of a dc-dc converter and a dc-ac converter, the current drawn from renewable energy sources has a tendency to be pulsated and contains double-fundamental frequency ripple components, which results in several drawback such as a power harvesting loss and a shortening of the energy source's life. This paper presents a new double-fundamental current reduction-scheme with a fast dc-link voltage loop for two-stage dc-dc-ac grid connected systems. In the frequency domain, an adequate control design is performed based on the small-signal transfer function of a two-stage dc-dc-ac converter. To verify the effectiveness of proposed control algorithm, a 1 kW hardware prototype has been built and experimental results are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Dc-dc 컨버터 입력인 dc측 전류에 저주파수 리플 전류를 제거하면서 빠른 DC 링크 전압 제어특성을 갖기 위해 dc-dc 컨버터의 전류 제어루프를 DC 링크 전압과 분리하고 DC 링크 전압제어 부분을 dc-ac 인버터 제어기로 이동 시켰다. 또한 제어 성능을 높이기 위해 dc-ac 인버터의 전압 제어 루프에 quasi-notch filter를 적용한 기본적인 제어 기법에 대해 설명하였다. 그리고 1kW 소형 모델과 PV 시뮬레이터를 통해 실험을 실시하였고 기존 방식과 제안된 방식의 비교한 내용을 설명함으로써 제안된 기법의 우수성을 검증하였다.
본 논문에서는 dc-dc 컨버터와 dc-ac 인버터로 구성된 단상 계통연계형 전력변환장치에서의 저주파수 전류 리플 저감기법에 대해 제안하였다. Dc-dc 컨버터 입력인 dc측 전류에 저주파수 리플 전류를 제거하면서 빠른 DC 링크 전압 제어특성을 갖기 위해 dc-dc 컨버터의 전류 제어루프를 DC 링크 전압과 분리하고 DC 링크 전압제어 부분을 dc-ac 인버터 제어기로 이동 시켰다.
본 논문에서는 효과적인 저주파 전류 리플제거를 위한 새로운 보상기법을 제시하였다. 제안된 기법은 논문[10]에서 제시한 기존의 두 개의 루프를 갖는 피드백 기법에서 피드백 구성을 변화시키면서 제어 구조를 변형한 방법으로 외부 전압 제어 루프의 빠른 동특성을 갖는 장점을 지닌다.

제안 방법

= 270 rad/sec인 특성을 갖는다. 그림 8(a)는 컨버터의 전류제어기 보드선도를 나타낸 것으로 루프 이득의 크로스오버 주파수는 100Hz, 위상 마진은 160도 이상을 갖도록 설계하였다. 인버터의 전류제어는 60Hz 주파수에서 높은 이득을 갖는 비례공진(proportional-resonant : PR) 제어기를 적용하였으며 C_is(0) = 970, k_ps = 0.
본 논문에서는 dc-dc 컨버터와 dc-ac 인버터로 구성된 단상 계통연계형 전력변환장치에서의 저주파수 전류 리플 저감기법에 대해 제안하였다. Dc-dc 컨버터 입력인 dc측 전류에 저주파수 리플 전류를 제거하면서 빠른 DC 링크 전압 제어특성을 갖기 위해 dc-dc 컨버터의 전류 제어루프를 DC 링크 전압과 분리하고 DC 링크 전압제어 부분을 dc-ac 인버터 제어기로 이동 시켰다. 또한 제어 성능을 높이기 위해 dc-ac 인버터의 전압 제어 루프에 quasi-notch filter를 적용한 기본적인 제어 기법에 대해 설명하였다.
이러한 방법을 통해 DC 링크단 전압에는 저주파 리플을 어느 정도 허용하면서 dc-dc 컨버터의 입력 전류에는 저주파 리플을 제거 할 수 있게 된다. 그리고 이러한 방법을 실재 구현하기 위해서 dc-ac 인버터의 전압 제어 루프에 quasi-notch filter를 적용하여 특정 주파수에 대해 전압 제어 이득을 줄일 수 있도록 하였으며 반면 dc-dc 컨버터의 전류 제어기의 동특성은 충분히 확보할 수 있도록 제어기를 구현하였다.
하지만, 소자들의 허용오차 (component tolerance), 온도변화 (temperature variation), 기생효과 (parasitic effect) 들로 인해 높은 이득을 구현하기는 시스템이 불안해 질수 있어 실제 구현에 한계가 있다. 따라서 대안으로 특정 주파수에 대해 dc-ac 인버터의 전압 제어 루프 이득을 dc-dc 컨버터의 전류 제어 루프 이득보다 충분히 작게 설계하는 방법을 사용하였다. 이러한 방법을 통해 DC 링크단 전압에는 저주파 리플을 어느 정도 허용하면서 dc-dc 컨버터의 입력 전류에는 저주파 리플을 제거 할 수 있게 된다.
제안된 제어 방식의 타당성 검토를 위해 DSP (TMS320F28335)를 적용한 1kW급의 하드웨어를 그림 10과 같이 제작하였다. 또한 Regatron사의 태양광 어레이 시률레이션(SAS : solar array simulation) 기능을 갖는 직류 전원장치를 이용하여 태양광 에너지원을 모의하였다.
또한 전압제어기는 식 1에서 Qz = 500, Qp = 10, 그리고 ωo = 753.98 rad/sec 값을 적용한 quasi-notch filter를 적용하였다.
제안된 기법은 논문[10]에서 제시한 기존의 두 개의 루프를 갖는 피드백 기법에서 피드백 구성을 변화시키면서 제어 구조를 변형한 방법으로 외부 전압 제어 루프의 빠른 동특성을 갖는 장점을 지닌다. 소신호 모델을 이용해 주파수 도메인에서 제어기를 설계하였으며 제안된 기법의 우수성을 검증하기 위해 소용량 시스템을 제작하여 실험을 실시하였다.
인버터의 전류제어는 60Hz 주파수에서 높은 이득을 갖는 비례공진(proportional-resonant : PR) 제어기를 적용하였으며 Cis(0) = 970, kps = 0.2 그리고 ωps = 380 rad/sec인 특성을 갖는 식 4와 같이 설계하였다.
그림 3은 제안된 저주파수 전류감소 기법을 적용한 단상 계통연계형시스템의 전력변환장치와 제어 구성을 나타낸 것이다. 전력변환장치는 비절연형 부스터 컨버터(Non-isolated Boost Converter)와 단상 풀브릿지 인버터(Full Bridge Inverter)를 적용하였다.
본 논문에서는 효과적인 저주파 전류 리플제거를 위한 새로운 보상기법을 제시하였다. 제안된 기법은 논문[10]에서 제시한 기존의 두 개의 루프를 갖는 피드백 기법에서 피드백 구성을 변화시키면서 제어 구조를 변형한 방법으로 외부 전압 제어 루프의 빠른 동특성을 갖는 장점을 지닌다. 소신호 모델을 이용해 주파수 도메인에서 제어기를 설계하였으며 제안된 기법의 우수성을 검증하기 위해 소용량 시스템을 제작하여 실험을 실시하였다.

대상 데이터

보상기 설계를 위해 고려한 회로정수는 Vg = 50∼70V, Vd = 250V, Vs = 110V, Lg = 3.3mH, Cd = 1,880uF, Ls = 3mH로 실험에 적용된 1kW 프로토타입의 회로정수가 적용되었다.
제안된 제어 방식의 타당성 검토를 위해 DSP (TMS320F28335)를 적용한 1kW급의 하드웨어를 그림 10과 같이 제작하였다. 또한 Regatron사의 태양광 어레이 시률레이션(SAS : solar array simulation) 기능을 갖는 직류 전원장치를 이용하여 태양광 에너지원을 모의하였다.

데이터처리

또한 제어 성능을 높이기 위해 dc-ac 인버터의 전압 제어 루프에 quasi-notch filter를 적용한 기본적인 제어 기법에 대해 설명하였다. 그리고 1kW 소형 모델과 PV 시뮬레이터를 통해 실험을 실시하였고 기존 방식과 제안된 방식의 비교한 내용을 설명함으로써 제안된 기법의 우수성을 검증하였다.

이론/모형

이 기준 값인 i_s^*는 외부 전압제어 루프로부터 얻게 된다. 특히 외부 전압제어 루프로부터 외란이 없는 기준 값을 얻기 위해 V_d에서 포함되어 있는 리플 성분의 전압을 효과적으로 제거하기 위해 qusai-notch filter를 적용하였다.

성능/효과

그림 13(b)는 제안된 방식을 적용한 결과로 그림에서와 같이 높은 크로서오버 주파수로 인해 빠른 과도 응답특성을 가짐을 확인 할 수 있다. 또한 제어기의 특성에 따라 이 경우는 dc-dc 컨버터의 입력 전류가 우선 증가 하게 되어 순간적으로 DC 링크 전압은 상승하게 되며 dc-ac 인버터에 있는 전압제어기에 의해 일정 시간 이후에 정상상태에 도달하게 되는 것을 시험 결과로 확인 할 수 있다.
그림 14(b)에서와 같이 제안된 방식에서는 입력 전류의 저주파수 리플이 거의 없기 때문에 동작 영역이 평균값에 가까이 있음을 확인 할 수 있다. 실험을 통하여 기존 방식의 경우 MPPT효율이 93.57%인데 반해 제안된 방식은 96.43%로 약 3%의 높은 MPPT 효율 상승의 효과를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	출력 전력과 DC 링크 전압간의 관계를 고려하여 리플을 제거할 수 있는 제어 값을 전향 보상기로 공급하는 기법의 단점은?	이러한 방법 중의 하나로 출력 전력과 DC 링크 전압간의 관계를 고려하여 리플을 제거할 수 있는 제어 값을 전향 보상기로 공급하는 기법을 소개되기도 하였다[9]. 하지만 이 방식은 일반적인 전향 보상기가 갖는 외란 및 시스템 파라미터 변동에 따른 제어의 견고성이 약한 단점을 지니고 있다.
	저주파수 전류가 신재생에너지원에 악영향을 미치는데, 이에 대한 해결책은?	그리고 이 저주파수 전류는 신재생에너지원에 영향을 미치게 되어 분산전원 시스템의 효율적인 운영이나 수명 등에 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 전력변환장치와 신재생에너지 사이에 추가적인 전력디커플링(power decoupling) 회로를 삽입[3]-[7]하거나 능동형 필터를 적용[8]하여 저주파 전류리플을 제거하는 여러 가지 방법들이 연구되어왔다. 이들 중 몇 가지 방법들은 간단한 적용성과 효과의 유용성으로 산업에 적용되는 사례가 있지만 추가적인 소자들의 사용으로 인한 시스템의 수명감소, 비용증가 또는 사이즈 증가 등의 단점을 가지고 있다.
	저주파수 전류가 신재생에너지원에 어떤 영향을 미치는가?	이로 인해 전력변환장치의 DC 링크 커패시터가 큰 경우 DC 링크 전압은 평활하게 유지되지만 전류는 두 배의 기본파 주파수를 가지고 맥동하게 된다. 그리고 이 저주파수 전류는 신재생에너지원에 영향을 미치게 되어 분산전원 시스템의 효율적인 운영이나 수명 등에 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 전력변환장치와 신재생에너지 사이에 추가적인 전력디커플링(power decoupling) 회로를 삽입[3]-[7]하거나 능동형 필터를 적용[8]하여 저주파 전류리플을 제거하는 여러 가지 방법들이 연구되어왔다.

참고문헌 (11)

Mohamed El-Ashry, "Renewable Energy Policy Network for the 21st Century," Renewables global status report, REN21, 2009.
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상세보기
S. B. Kjaer and F. Blaabjerg, "Design optimization of a single phase inverter for photovoltaic applications," in Proc. IEEE 34th Power Electronics Specialist Conference 2003, pp. 1183-1190, Jun. 2003.
J. G. Lee, J. W. Choi, "DC link Ripple Voltage Compensation of a Single-phase Grid-Connected PV System," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 5, pp. 377-387, Oct. 2012.

원문보기 상세보기
H. S. An, W. J. Lee, B. H. Mun, I. K. Park, S. Y. Jung, Y. R. Kim., H. J. Cha, "Experiment of Single-phase Grid Connected Battery Charger," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 18, No. 1, pp. 84-90, Feb. 2013.

원문보기 상세보기
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상세보기
J.-M. Kwon, E.-H. Kim, B.-H. Kwon, and K.-H. Nam, "High efficiency fuel cell power conditioning system with input current ripple reduction," IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 56, No. 3, pp. 826-834, Mar. 2009.

상세보기
C. Liu and J.-S. Lai, "Low frequency current ripple reduction technique with active control in a fuel cell power system with inverter load," IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 22, No. 4, pp. 1429-1436, Jul. 2007.

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V. Voperian, "Simplified analysis of PWM converters using the model of the PWM switch, continuous conduction mode," IEEE Trans. Aerospace and Electronics Systems, Vol. 26, No. 3, pp. 490-496, May 1990.

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저자의 다른 논문 :

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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