계통 연계형 단상 인버터의 단독 운전 모드를 위한 정지좌표계 전압 제어기 Stationary Reference Frame Voltage Controller for Single Phase Grid Connected Inverter for Stand Alone Mode원문보기
홍창표
(Dept. of control & Instrumentation Eng., Korea Nat' Univ. of Transportation)
,
김학원
(Dept. of control & Instrumentation Eng., Korea Nat' Univ. of Transportation)
,
조관열
(Dept. of control & Instrumentation Eng., Korea Nat' Univ. of Transportation)
,
임병국
(Dept. of control & Instrumentation Eng., Korea Nat' Univ. of Transportation)
A grid connected inverter must be operated as the main electricity source under an isolated condition caused by the grid problem. Conventionally, the dual loop controller is used for the grid inverter, and the controller is used for control under the stand-alone mode. Generally, the PI(Proportional ...
A grid connected inverter must be operated as the main electricity source under an isolated condition caused by the grid problem. Conventionally, the dual loop controller is used for the grid inverter, and the controller is used for control under the stand-alone mode. Generally, the PI(Proportional - Integral) controller is highly efficient under a synchronous reference frame, and stable control can be available. However, in this synchronous frame-based control, high-quality DSP is required because many sinusoidal calculations are necessary. When the PI control is conducted under a stationary frame, the controller constructions are made simple so that they work even with a low-price micro controller. However, given the characteristics of the PI controller, it should be designed with the phase of reference voltage considered. Otherwise, the phase delay of the output voltage can occur. Although the current controller also has a higher bandwidth than the voltage controller, distortion of the voltage is difficult to avoid only by the rapid response of the PI controller, as a sudden load change can occur in the nonlinear load. In this study, a new control method that solves the voltage controller bandwidth problem and rapidly copes with it even in the nonlinear load situation is proposed. The validity of the proposed method is proved by simulation and experimental results.
A grid connected inverter must be operated as the main electricity source under an isolated condition caused by the grid problem. Conventionally, the dual loop controller is used for the grid inverter, and the controller is used for control under the stand-alone mode. Generally, the PI(Proportional - Integral) controller is highly efficient under a synchronous reference frame, and stable control can be available. However, in this synchronous frame-based control, high-quality DSP is required because many sinusoidal calculations are necessary. When the PI control is conducted under a stationary frame, the controller constructions are made simple so that they work even with a low-price micro controller. However, given the characteristics of the PI controller, it should be designed with the phase of reference voltage considered. Otherwise, the phase delay of the output voltage can occur. Although the current controller also has a higher bandwidth than the voltage controller, distortion of the voltage is difficult to avoid only by the rapid response of the PI controller, as a sudden load change can occur in the nonlinear load. In this study, a new control method that solves the voltage controller bandwidth problem and rapidly copes with it even in the nonlinear load situation is proposed. The validity of the proposed method is proved by simulation and experimental results.
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문제 정의
본 논문에서는 높은 과도상태 특성과 빠른 응답성을 가지고, 정지좌표계에서 비례-공진 제어기와 같은 성능 가지면서 하나의 제어기로 기본파 뿐 아니라 고조파 보상 또한 가능한 제어기를 제안하였다. 정지좌표계에서 제어는 간단하다는 장점을 가지면서 전압제어기의 낮은 대역폭으로 인한 전압 위상지연, 비선형 부하에선 급격히 변동되는 부하전류로 인한 전압 왜곡이 발생되는 단점을 가지고 있다.
그렇기 때문에 계통연계형 인버터의 전압제어는 비상 시 신속히 대처가 가능하도록 보다 높은 과도상태 특성과 속응성을 필요로 하게 된다. 본 논문에서는 높은 과도상태 특성과 속응성을 가지고, 정지좌표계에서 비례- 공진 제어기와 같은 성능 가지면서 하나의 제어기로 기본파뿐만 아니라 고조파 보상 또한 가능한 제어기를 제안하고자 한다.
본 논문에서는 정지좌표계에서 대표적으로 사용되는 비례 공진 제어기와 같은 효과를 보이면서, 별도의 고조파 보상 제어기 없이 비선형 부하에서도 전압 왜곡이 발생하지 않는 제어방법을 제안한다. 제안된 방법의 동작원리를 이론적으로 설명하기 위하여, 정지좌표계에서 비례-적분, 비례-공진 제어 방법과 제안하는 제어 방법의 전달함수를 구하여 비교하고, 주파수 특성 곡선을 통해 제어 특성을 확인한다.
가설 설정
그러나 비선형 부하에서는 그림18(a)에서처럼 다이오드 도통 구간에 급격한 전류 변동으로 인한 전압 일그러짐과 낮은 대역폭으로 인한 전압 위상지연 현상이 발생하게 된다. 하지만 제안한 방식으로 사용하면 전향 보상 항으로 인하여 그림18(b)와 같이 위상지연뿐만 아니라 전압 왜곡 현상이 크게 감소된다. 이런 전압 왜곡 현상은 그림18(a)와 같이 급격히 변동하는 전류 지령을 인덕터 전류가 추종하지 못하여 생기는 오차만큼 발생하게 된다.
제안 방법
제안하는 제어방법은 그림 5에 나타낸 것처럼 출력전압-인덕터 전류 이중루프 제어기에 전향 보상 항을 더하여 부하에 따른 과전류를 방지하고, 교류 지령전압을 위상지연 없이 출력전압이 추종하도록 설계된 제어기이다. 또한 본 논문에서는 PI제어기가 아닌 P제어기를 사용한다. 일반적으로 동기좌표계 제어 시에는 직류 전압,전류 제어에 유리한 PI제어기를 사용하여 P제어기는 순시 오차를 보상, I제어기는 제어출력 유지하도록 설계한다.
제안된 방법의 동작원리를 이론적으로 설명하기 위하여, 정지좌표계에서 비례-적분, 비례-공진 제어 방법과 제안하는 제어 방법의 전달함수를 구하여 비교하고, 주파수 특성 곡선을 통해 제어 특성을 확인한다. 또한 제안된 방식의 효용성을 확인하기 위하여 모의해석을 PSIM으로 구현하여 선형 부하와 비선형 부하조건에서 시뮬레이션과 실험을 진행하였다.
본 논문에서 제안된 인버터의 출력전압-인덕터전류 이중루프제어방법의 효용성을 입증하기 위해 표2와 같은 조건으로 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 PSIM을 사용하였다.
본 논문에서 제안한 제어방법의 실제 적용가능성을 판단하기 위하여 시뮬레이션과 같은 조건으로 실험을 진행하였다. 그림 17(a)는 저항 부하 조건에서 전향 보상 항 없이 제어한 전압 및 전류제어 응답 특성을 나타내고, 그림 17(b)는 전향 보상 항을 추가한 전압 및 전류 제어 응답 특성을 나타낸다.
본 절에서는 비례-적분, 비례- 공진, 제안하는 제어방법의 인덕터 전류 지령 대 인덕터 전류의 전달함수를 구하고, 인덕터 전류 지령의 주파수마다 인덕터 전류의 위상 및 이득상태를 확인하여 제어기의 주파수 특성을 비교 확인한다. 식 (15)은 비례-적분 전류제어기의 전달함수를 나타낸다.
본 제어기의 설계형태를 전압제어기와 전류제어기로 구분하여 나타내었다. 전압제어기 방정식은 아래와 같다.
시뮬레이션은 PSIM을 사용하였다. 부하 조건은 저항 부하와 비선형 부하로 시뮬레이션을 진행하였다. 저항 부하 조건에서 그림 12은 비례-공진 제어기 사용, 그림 13는 제안하는 제어기 사용 시 시뮬레이션 파형이다.
정지좌표계에서 제어는 간단하다는 장점을 가지면서 전압제어기의 낮은 대역폭으로 인한 전압 위상지연, 비선형 부하에선 급격히 변동되는 부하전류로 인한 전압 왜곡이 발생되는 단점을 가지고 있다. 이런 단점을 보완하고자 전압 지령을 미분한 캐패시터 전류와 전류 지령을 미분한 인덕터 전압을 각각 전류제어기 지령과 전압 지령에 전향 보상하여 제어기의 부담을 줄이고 과도상태 시 빠른 응답특성과 정상상태일 때 위상지연 없는 제어방법을 제안하였다. 이를 증명하고자 지령 – 출력 전압 주파수 특성 분석을 실시하여 위상지연이 방지됨을 확인하였고, 실질 적인 성능을 확인하고자 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
이를 증명하고자 지령 – 출력 전압 주파수 특성 분석을 실시하여 위상지연이 방지됨을 확인하였고, 실질 적인 성능을 확인하고자 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 정지좌표계에서 대표적으로 사용되는 비례 공진 제어기와 같은 효과를 보이면서, 별도의 고조파 보상 제어기 없이 비선형 부하에서도 전압 왜곡이 발생하지 않는 제어방법을 제안한다. 제안된 방법의 동작원리를 이론적으로 설명하기 위하여, 정지좌표계에서 비례-적분, 비례-공진 제어 방법과 제안하는 제어 방법의 전달함수를 구하여 비교하고, 주파수 특성 곡선을 통해 제어 특성을 확인한다. 또한 제안된 방식의 효용성을 확인하기 위하여 모의해석을 PSIM으로 구현하여 선형 부하와 비선형 부하조건에서 시뮬레이션과 실험을 진행하였다.
그러나 정지좌표계에서는 직류성분 없이 교류 전압,전류만을 제어하기 때문에 I제어기의 성능을 기대할 수 없다. 제안하는 제어방법은 I제어기 대신 전향 보상 항을 사용하여 안정적으로 제어출력을 유지시키고, P제어기를 사용하여 순시 오차만을 보상하도록 설계하였다.
제안하는 제어방법은 그림 5에 나타낸 것처럼 출력전압-인덕터 전류 이중루프 제어기에 전향 보상 항을 더하여 부하에 따른 과전류를 방지하고, 교류 지령전압을 위상지연 없이 출력전압이 추종하도록 설계된 제어기이다. 또한 본 논문에서는 PI제어기가 아닌 P제어기를 사용한다.
이론/모형
본 논문에서 제안된 인버터의 출력전압-인덕터전류 이중루프제어방법의 효용성을 입증하기 위해 표2와 같은 조건으로 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 PSIM을 사용하였다. 부하 조건은 저항 부하와 비선형 부하로 시뮬레이션을 진행하였다.
성능/효과
이를 증명하고자 지령 – 출력 전압 주파수 특성 분석을 실시하여 위상지연이 방지됨을 확인하였고, 실질 적인 성능을 확인하고자 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 그 결과 본 논문에서 제안한 제어방법의 성능과 효과를 입증하였다.
그러나 제안하는 제어 방법의 경우 파라미터 값을 이용하여 전향 보상 해주기 때문에 실제 파라미터 값과 제어에 사용한 파라미터 값의 오차가 10%이상 차이가 날 경우 출력 전압 및 인덕터 전류의 정상상태 오차를 유발하는 것을 실험을 통해 확인하였다. 그렇기 때문에 본 제어기를 설계 시 정확한 파라미터 값을 요구한다.
비례 공진 제어기에서 각 고조파의 주파수 대역의 공진 제어기가 추가한다면 그림 14과 같이 전압의 왜곡 없이 제어가 가능하다. 반면 그림 16와같이 제안하는 제어기를 적용할 경우 인덕터 전압 전향 보상 항은 기본 주파수뿐만 아니라 고조파 성분 또한 보상이 가능하기 때문에 그림 15와 같이 전압 왜곡 없이 제어가 가능한 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신재생에너지의 발전량이 불규칙적인 이유는?
최근 화석연료의 고갈에 의한 에너지 위기와 발전 폐기물에 의한 환경오염 문제가 대두됨에 따라 신재생에너지에 대한 요구가 증대되고 있다. 하지만 풍력 발전이나 태양광 발전 같은 신재생에너지의 경우 날씨, 계절, 시간 등 환경의 영향을 받기 때문에 발전량이 불규칙적 이다. 따라서 지속적인 에너지 공급을 위하여 발전된 에너지를 저장하여 부하에 계통전력과 함께 전력을 공급하거나, 단독으로 전력을 공급할 수 있는 ESS에 대한 관심이 증가하고 있다[1][2].
신재생에너지에 대한 요구가 증대된 이유는?
최근 화석연료의 고갈에 의한 에너지 위기와 발전 폐기물에 의한 환경오염 문제가 대두됨에 따라 신재생에너지에 대한 요구가 증대되고 있다. 하지만 풍력 발전이나 태양광 발전 같은 신재생에너지의 경우 날씨, 계절, 시간 등 환경의 영향을 받기 때문에 발전량이 불규칙적 이다.
계통 연계형 인버터의 모드별 동작은?
앞에서 언급하였듯이 계통 연계형 인버터는 계통과 연결되어 운전되는 계통 연계 모드와 계통 고장으로 인하여 계통에서 전력 공급이 원활하지 않을 때 단독으로 운전되는 단독 운전 모드에서 모두 동작된다. 인버터가 계통 연계 모드로 동작될 때는 인버터의 출력 전류를 제어하는 전류 제어 모드로 동작되고, 단독 운전 모드로 동작할 때는 LC 필터의 출력 전압을 제어하는 전압 제어 모드로 동작된다. 일반적으로 단독 운전 모드를 위한 전압 제어기는 전압 제어기 내부에 전류제어기를 갖는 듀얼 루프 제어 방식이 많이 사용되 며, 전압 제어기 및 전류 제어기는 각각 PI 제어기가 사용되는 것이 일반적이다[1][2][6][7].
참고문헌 (11)
Y. Zhilei, X. Xiao, and Y. Yangguang, “Seamless transfer of single-phase grid-interactive inverters between grid-connected and stand-alone modes,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 25, No. 6, pp. 1597-1603, June 2010.
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H. S. An, W. J. Lee, B. H. Mun, I. K. Park, S. Y. Jung, Y. R. Kim, and H. J. Cha "Experiment of single-phase grid connected battery charger," Trans. of KIPE, Vol. 18, No. 1, pp. 84-90, Feb. 2013.
P. C. Loh and D. N. Zmood "A comparative analysis of multiloop voltage regulation strategies for single and three phase UPS systems," IEEE Trans. on Power Electronic., Vol. 18, No. 5, pp. 1176-1185, Sep. 2003.
X. Guo, Q. Zhao, and W. Wu "A single phase grid connected inverter system with zero steady state error," IEEE Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC, pp. 1-5, Aug. 2006.
S. Xu, J. wang, and J. Xu "A current decoupling parallel control strategy of single phase inverter with voltage and current dual closed loop feedback," IEEE Trans. on Industrial Electronic., Vol. 60, No. 4, pp. 1306-1313, Apr. 2013.
M. J. Ryan, W. E. Brumsickle, and R. D. Lorenz, “Control topology options for single phase UPS inverter,” IEEE Trans. on Industry Applications., Vol. 33, No. 2, pp. 493-501, Apr. 1997.
H. J. Cha, T. K. Vu, and J. E. Kim "Design and control of proportional resonant controller based photovoltaic power conditioning system," IEEE Energy Conversion Congress and Exposition., ECCE, pp. 2198-2205, Sep. 2009.
Y. Zhilei and X. Lan "Control of single phase grid connected inverter with nonlinear loads," IEEE Trans. on Industrial Electronic., Vol. 60, No. 4, pp. 1384-1389, Apr. 2013.
B. W. An, C. P. Hong, H. W. Kim, K. Y. Cho, and B. K. Lim "A study on LLCL filter to reduce harmonic current of grid connected power inverter," Trans. of KIPE, Vol. 19, No. 1, pp. 64-70, Feb. 2014.
J. H. Park, T. H. Jo, H. G. Kim, T. W. Chun, E. C. Nho, and H. N. Cha "Comparison of current controllers of grid-connected PCS for distributed resources," Trans. of KIPE, Vol. 17, No. 3, pp. 274-280, June 2012.
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