[논문]PQ변동을 이용한 개선된 계통 임피던스 추정기법

조제희; 김용욱; 김래영

doi:10.6113/tkpe.2015.20.2.152

PQ변동을 이용한 개선된 계통 임피던스 추정기법
An Improved Grid Impedance Estimation using PQ Variations 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.2, 2015년, pp.152 - 159

조제희 (Dept. of Electrical Eng., EECS lab., Hanyang University) , 김용욱 (Dept. of Electrical Eng., EECS lab., Hanyang University) , 김래영 (Dept. of Electrical and Biomedical Eng., Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

In a weak grid condition, the precise grid impedance estimation is essential to guaranteeing the high performance current control and power transfer for a grid-connected inverter. This study proposes a precise estimation method for grid impedance by PQ variations by employing the variation method of reference currents. The operation principle of grid impedance estimation is fully presented, and the negative impact of the phase locked loop is analyzed. Estimation error by a synchronization angle in the park's transformation using the phase locked loop is derived. As a result, the variation method of reference currents for accurate estimation is introduced. The validation of the proposed method is verified through several simulation results and experiments based on a 2-kW voltage source inverter prototype.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계통 임피던스 추정을 위해 측정된 전압 및 전류의 d-q 변환 시 PLL로 발생되는 오차에 대한 분석을 하였다. PLL의 동작원리에 따라 PQ변동 시 측정되는 전압을 d-q상의 벡터도로 나타내어 분석하였다.
계통 임피던스로 인해 계통 전류에 저차 고조파 성분이 추가되어 왜곡되는데, 이를 제어기 내부에서 계통 임피던스의 추정값을 이용하여 왜곡성분을 보상하게 된다. 이 기법을 사용하여 보상된 실험결과를 통해 계통 임피던스 추정값의 유효성을 검증하고자 한다.
PLL의 동작원리에 따라 PQ변동 시 측정되는 전압을 d-q상의 벡터도로 나타내어 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 PQ변동을 이용한 계통 임피던스 추정기법에서 정확한 계통 임피던스 추정값을 얻어내기 위해 전력변동의 지령방법을 제안한다. 계통 임피던스 추정기법은 전류제어기를 사용하는 3상 계통연계형 인버터 시스템에 적용하였기 때문에, 전류지령의 변동을 통한 전력변동이 이루어진다.
먼저 기존의 PQ변동을 이용한 계통 임피던스의 추정기법을 고찰해보았으며, 기존의 임피던스 추정기법에서 전력변동에 대한 가이드라인이 제시되지 않아 3상인버터 시스템에서 Phase Locked Loop 사용 시 d-q상의 전압 V_q가 임피던스 추정오차를 유발하는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 계통 임피던스 추정 시 d축 및 q축의 전류지령을 개별적으로 변동 시키는 방법을 제안하였다. 제안한 방법으로 PLL로 인하여 발생하는 Vq의 측정오차와 상관없이 계통 임피던스 값을 정확하게 추정할 수 있었으며, 시뮬레이션 및 실험용 하드웨어를 통해 이를 검증하였다.

가설 설정

따라서 측정된 전류와 전압의 변동량 만으로 계통 임피던스를 계산할수 있다. 계통 임피던스(Z_g)는 식 (4)와 같이 저항(R_g)과 인덕턴스(L_g) 성분으로 구성되어있다고 가정하였다.
그림 9(a)의 파형은 계통 임피던스의 R_g를 추정하기 위해 d축 전류지령 만 변동시킨 것을 나타낸다. 본 논문에서 제안한 방법대로 q축 전류지령은 변동시키지 않았다. i_d, i_q는 DSP 내에서 디지털 값으로 계산된 것이므로 DSP 제어보드 내의 DAC 출력신호를 통해 나타낸 파형이다.
)과 Matrix의 미분 항에 대한 몇 가지 수학적 테크닉을 이용하여 abc상의 변수를 전부 d-q상의 변수로 변환하면 식 (10)과 같다. 이때 계통전원이 3상 평형임을 가정하여 영상분은 모두 제거하였다.
그림 1(b)의 두 동작점(1, 2)에서 전압방정식은 식 (2) 와 같이 쓸 수 있다. 이때 두 동작점 간에 계통전압 및 계통 임피던스의 크기는 변하지 않는다고 가정한다. 두 전압(V₁, V₂)의 차를 구하면 식 (3)과 같이 되며 측정이불가능한 순수 계통전압 V_g는 제거된다.
42[A]로 올린 정상상태 영역을 두 번째 동작점(그림 4의 ②)으로 잡는다. 제안한 방법대로 R_g 추정 시 q 축의 전류지령(\(I_q^* \))은 변동시키지 않는다. 그 다음 각 동작점의 전류와 전압을 측정하여 저장하고 두 동작점 간의 변화량(∆V_d, ∆V_q , ∆I_d, ∆I_q )을 구하여 R_g를 계산한다.

제안 방법

실험 환경은 시뮬레이션 환경과 동일하게 적용하였으며, 추정을 위한 계통 임피던스는 절연형 트랜스의 누설 인덕턴스 및 기생 저항으로 대체하였다. DSP 제어보드를 통해 3상 인버터의 전류제어가 되고, PQ변동을 이용한 계통 임피던스의 추정 알고리즘도 구현하였다. 전류지령의 변동 전후로 두 동작점에서 저장된 전압 및 전류의 센싱값으로 계통 임피던스의 계산이 이루어진다.
본 논문에서는 계통 임피던스 추정을 위해 측정된 전압 및 전류의 d-q 변환 시 PLL로 발생되는 오차에 대한 분석을 하였다. PLL의 동작원리에 따라 PQ변동 시 측정되는 전압을 d-q상의 벡터도로 나타내어 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 PQ변동을 이용한 계통 임피던스 추정기법에서 정확한 계통 임피던스 추정값을 얻어내기 위해 전력변동의 지령방법을 제안한다.
과도상태 방법은 시스템에 순간적인 전류를 발생시켜 그에 따라 순시적으로 발생하는 전압 및 전류의 임펄스를 측정하여 분석한다. 이 방법은 빠른 결과를 얻을 수있는 장점이 있으나, 고성능의 A/D 분석장치를 요구하거나 노이즈 및 랜덤에러 제거를 위한 수학적 기술이 요구된다^[11].
파형에서 알 수있듯이 출력되는 d-q축 전류가 리플성분을 포함하고 있기 때문에, 계통 임피던스 계산을 위한 알고리즘에는 한주기 동안의 평균값을 적용하였다. 또한 대부분의 Noise 의 경우 계통 주파수 대비 매우 높은 주파수 영역에서 발생하므로, 이를 제거하기 위해 디지털제어 내부에 Low Pass Filter를 추가하였다.
먼저 계통 임피던스의 추정을 위해 전류지령 값을 변동시켰다. 그림 9(a)의 파형은 계통 임피던스의 R_g를 추정하기 위해 d축 전류지령 만 변동시킨 것을 나타낸다.
본 논문에서 제안한 방법은 계통 임피던스의 R_g와 L_g 추정 시 전류지령의 변동을 각각 다르게 하는 것이다. R_g 추정 시에는 d축 전류지령만 변동시키고, L_g 추정 시에는 q축 전류지령만 변동시킨다.
본 논문에서는 3상 계통 연계형 인버터의 전류제어를 하기 때문에 d-q상의 전류의 지령 값을 조절하여 전력을 변동시킨다. 전력변동을 위한 d-q상의 전류지령은 수식 (1)과 같이 계산한다.
본 실험에서는 12-bit의 A/D Converter를 사용하여 센싱 전압 및 전류에 대한 디지털신호를 사용하였다. 이보다 더 정확한 측정을 위해서는 더 높은 bit의 A/D Converter를 사용하여 ADC Resolution을 키우면 개선될 것이다.
본 논문에서 제안한 전류지령 변동방법을 적용하여 계통 임피던스 추정의 유효성을 증명하기 위해 실험용 하드웨어를 그림 8과 같이 구성하였다. 실험 환경은 시뮬레이션 환경과 동일하게 적용하였으며, 추정을 위한 계통 임피던스는 절연형 트랜스의 누설 인덕턴스 및 기생 저항으로 대체하였다. DSP 제어보드를 통해 3상 인버터의 전류제어가 되고, PQ변동을 이용한 계통 임피던스의 추정 알고리즘도 구현하였다.
이전에 설정된 계통임피던스 값(Rg : 0.27[Ω], Lg : 560[μH])을 기준으로 위아래로 변동시켜 계통 임피던스를 추정하였다.
플랜트 (Plant)는 DC link 를 입력으로 L필터를 사용한 3상 계통연계형 인버터이며, 전류제어를 통해 전류지령의 크기를 바꿔 전력을 변동시킨다. 인버터와 계통 임피던스 간에 연계지점인 Point of Common Coupling (PCC)에서 전압(v_{abc- pcc}) 및 전류( i_{abc- pcc})의 측정으로 인버터제어 및 계통 임피던스를 계산한다. 전류지령(\(i_d^*\) , \(i_p^*\))을 변동시킴으로써, PCC에서 측정된 전압 및 전류의 d-q 변환 값(vdq- pcc, idq- pcc)의 변화량을 통해 계통 임피던스를 계산한다.
정확하게 추정하기 위한 전력변동의 지령방법을 제안하였다. 먼저 기존의 PQ변동을 이용한 계통 임피던스의 추정기법을 고찰해보았으며, 기존의 임피던스 추정기법에서 전력변동에 대한 가이드라인이 제시되지 않아 3상인버터 시스템에서 Phase Locked Loop 사용 시 d-q상의 전압 V_q가 임피던스 추정오차를 유발하는 것을 확인하였다.
3상 계통연계형 시스템에서 계통의 위상과 동기화시키기 위한 PLL의 사용이 불가피하기 때문에, 제안한 방법을 통해 PLL에 따른 계통 임피던스의 추정오차를 해소할 수 있다. 제안하는 전류지령의 변동 방법은 수학적인 검증과 시뮬레이션을 통해 유효성을 증명하였으며, 3상 2kW 계통연계형 인버터 프로토타입 (Prototype)을 이용한 실험을 통해서 제안하는 방법을 적용한 계통 임피던스의 추정 성능을 검증한다. 실험용 하드웨어를 통한 검증 시 추정된 계통 임피던스 값을 전향 보상 기법에 적용하여 유효성을 확인하였다.
그림 10(a)의 파형은 계통 임피던스의 L_g 를 추정하기 위해 q축 전류지령 만 변동시킨 것을 나타낸다. 제안한 방법대로 d축 전류지령은 변동시키지 않았다. 그림 9(b)는 L_g의 추정값을 DAC 출력신호를 통해 나타낸 파형이다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 계통 임피던스 추정 시 d축 및 q축의 전류지령을 개별적으로 변동 시키는 방법을 제안하였다. 제안한 방법으로 PLL로 인하여 발생하는 Vq의 측정오차와 상관없이 계통 임피던스 값을 정확하게 추정할 수 있었으며, 시뮬레이션 및 실험용 하드웨어를 통해 이를 검증하였다. 실험을 통한 검증 시 추정된 계통 임피던스 값을 전향 보상 기법에 적용하여 유효성을 확인하였다.
DAC 출력신호의 Scale을 고려하여 Division을 그림 9(a) 내에 표시하였다. 파형에서 알 수있듯이 출력되는 d-q축 전류가 리플성분을 포함하고 있기 때문에, 계통 임피던스 계산을 위한 알고리즘에는 한주기 동안의 평균값을 적용하였다. 또한 대부분의 Noise 의 경우 계통 주파수 대비 매우 높은 주파수 영역에서 발생하므로, 이를 제거하기 위해 디지털제어 내부에 Low Pass Filter를 추가하였다.

데이터처리

추정값의 파형은 실제값과 거의 유사하게 따라가는 것을 확인할 수 있다. PCC에서 신호 측정 시계통 임피던스로 인한 리플성분이 완벽하게 제거되지 못하는 점을 고려하여 추정값은 한 주기 동안의 평균값으로 계산하였다.
본 논문에서 제안하는 전류지령 방법을 적용한 계통 임피던스 추정의 타당성을 검증하기 위해 PSIM 툴을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 환경은 표 1과 같다.
제안하는 전류지령의 변동 방법은 수학적인 검증과 시뮬레이션을 통해 유효성을 증명하였으며, 3상 2kW 계통연계형 인버터 프로토타입 (Prototype)을 이용한 실험을 통해서 제안하는 방법을 적용한 계통 임피던스의 추정 성능을 검증한다. 실험용 하드웨어를 통한 검증 시 추정된 계통 임피던스 값을 전향 보상 기법에 적용하여 유효성을 확인하였다.
제안한 방법으로 PLL로 인하여 발생하는 Vq의 측정오차와 상관없이 계통 임피던스 값을 정확하게 추정할 수 있었으며, 시뮬레이션 및 실험용 하드웨어를 통해 이를 검증하였다. 실험을 통한 검증 시 추정된 계통 임피던스 값을 전향 보상 기법에 적용하여 유효성을 확인하였다.

이론/모형

실험 시 사용된 절연형 트랜스의 누설 인덕턴스 및 기생 저항은 고정값이 아닌 전류의 크기 및 온도 등 여러 가지 변수에 따라 변하기 때문에 정확한 값을 추정하기는 힘들다. 따라서 실험 시 추정한 임피던스 값의 유효성을 검증하기 위해 전류고조파 감쇄를 위한 전향보상기법^[3]을 이용하고자 한다.

성능/효과

3상 계통연계형 시스템에서 계통의 위상과 동기화시키기 위한 PLL의 사용이 불가피하기 때문에, 제안한 방법을 통해 PLL에 따른 계통 임피던스의 추정오차를 해소할 수 있다. 제안하는 전류지령의 변동 방법은 수학적인 검증과 시뮬레이션을 통해 유효성을 증명하였으며, 3상 2kW 계통연계형 인버터 프로토타입 (Prototype)을 이용한 실험을 통해서 제안하는 방법을 적용한 계통 임피던스의 추정 성능을 검증한다.
의 추정 결과값과 오차율을 표 2에 나타내었다. 계통 임피던스의 저항 추정값과 인덕턴스 추정값 모두 실제값과 대비하여 2%의 오차율 이내로 정확하게 추정되었다.
정확하게 추정하기 위한 전력변동의 지령방법을 제안하였다. 먼저 기존의 PQ변동을 이용한 계통 임피던스의 추정기법을 고찰해보았으며, 기존의 임피던스 추정기법에서 전력변동에 대한 가이드라인이 제시되지 않아 3상인버터 시스템에서 Phase Locked Loop 사용 시 d-q상의 전압 V_q가 임피던스 추정오차를 유발하는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 계통 임피던스 추정 시 d축 및 q축의 전류지령을 개별적으로 변동 시키는 방법을 제안하였다.

후속연구

본 실험에서는 12-bit의 A/D Converter를 사용하여 센싱 전압 및 전류에 대한 디지털신호를 사용하였다. 이보다 더 정확한 측정을 위해서는 더 높은 bit의 A/D Converter를 사용하여 ADC Resolution을 키우면 개선될 것이다. 절연형 트랜스의 임피던스 추정 결과 R_g는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임피던스 추정 기법 중 수동적 방법이란?	임피던스 추정 기법은 크게 수동적 방법(passive method)과 능동적 방법 (active method) 두 가지로 나뉜다. 수동적 방법은 시스템에 이미 내제되어있는 선전류 및 선전압과 같은 비 특성신호를 이용하는 것이다. 이 방법은 주로 전압에 포함되어있는 왜곡성분에 의존적인데[5]-[6], 이는 측정을 위한 적절한 크기 및 반복성을 갖지 않으므로 계통연계형 인버터 시스템의 적용에는 적합하지 않다.
	임피던스 추정 기법은 어떻게 나뉘는가?	계통 임피던스의 영향력이 큰 계통연계 시스템에서 적응 가능한 제어기 설계를 위해서 여러 가지의 임피던스 추정 방법이 연구되어 왔다[4]. 임피던스 추정 기법은 크게 수동적 방법(passive method)과 능동적 방법 (active method) 두 가지로 나뉜다. 수동적 방법은 시스템에 이미 내제되어있는 선전류 및 선전압과 같은 비 특성신호를 이용하는 것이다.
	임피던스 추정 기법 중 수동적 방법의 단점은?	수동적 방법은 시스템에 이미 내제되어있는 선전류 및 선전압과 같은 비 특성신호를 이용하는 것이다. 이 방법은 주로 전압에 포함되어있는 왜곡성분에 의존적인데[5]-[6], 이는 측정을 위한 적절한 크기 및 반복성을 갖지 않으므로 계통연계형 인버터 시스템의 적용에는 적합하지 않다. 능동적 방법 (active method)은 계통연계형 시스템의 고의적인 변동을 이용하여 발생하는 신호를 통해 추정한다[7]-[10].

참고문헌 (15)

M. Liserre, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, "Stability of grid connected PV inverters with large grid impedance variation," in Proc. IEEE PESC'04, pp. 4773-4779, Jun. 2004.
M. Liserre, R. Teodorescu, F. Blaabjerg, "Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, No. 1, pp. 263-272, Jan. 2006.

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B. J. Park, K. Y. Choi, and R. Y. Kim, "An active feedforward compensation for a current harmonics reduction in three-phase grid-connected inverters," IEEE International Conference on Networks (ICON) , pp. 400-405, Nov. 2013.
M. Ciobotaru, V. Agelidis, and R. Teodorescu, "Line impedance estimation using model based identification technique," in Proc. 14th Eur. Conf. Power Electron., pp. 1-9, Apr. 2011.
K. O. H. Pedersen, A. H. Nielsen, and N. K. Poulsen, "Short-circuit impedance measurement," Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings, Vol. 150, pp. 169-174, Mar. 2003.

상세보기
A. Bien, D. Borkowski, and A. Wetula, "Estimation of power system parameters based on load variance observations - laboratory studies," in Proc. of EPQU, pp. 1-6, Oct. 2007.
M. Sumner, B. Palethorpe, D. Thomas, P. Zanchetta, and M. C. Di Piazza, "Estimation of power supply harmonic impedance using a controlled voltage disturbance," 2001 IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 2, pp. 522-527, Jun. 2001.
M. C. Di Piazza, P. Zanchetta, M. Sumner, and D. W. P. Thomas, "Estimation of load impedance in a power system," Ninth International Conference on Harmonics and Quality of Power, Vol. 2, pp. 520-525, Oct. 2000.
M. Sumner, B. Palethorpe, D. W. P. Thomas, P. Zanchetta, and M. C. Di Piazza, "A technique for power supply harmonic impedance estimation using a controlled voltage disturbance," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No. 2, pp. 207-215, Mar. 2002.

상세보기
N. Ishigure, K. Matsui, and F. Ueda, "Development of an on-line impedance meter to measure the impedance of a distribution line," ISIE 2001. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Vol. 1, pp. 549-554, Jun. 2001.
B. Palethorpe, M. Sumner, and D. W. P. Thomas, "Power system impedance measurement using a power electronic converter," in Proc. Harmonics and Quality of Power Conf., Vol. 1, pp. 208-213, Oct. 2000.
M. Ciobotaru, R. Teodorescu, P. Rodriguez, A. Timbus, and F. Blaabjerg, "Online grid impedance estimation for single-phase grid-connected systems using P-Q variations," Proc. of PESC'07, pp. 2306-2312, Jun. 2007.
S. K. Chung, "Phase-locked loop for grid-connected three-phase power conversion systems," IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 147, No. 3, pp. 213-219, May. 2000.

상세보기
T. Timbus, M. Liserres, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, "Synchronization methods for three phase distributed power generation systems, an overview and evaluation," Conf. Rec. of IEEE-PESC, pp. 2474-2481, Jun. 2005.
V. Blasko and V. Kaura, "A new mathematical model and control of a three phase AC-DC voltage source converter," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 12, No. 1, pp. 116-123, Jan. 1997.

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표제어: PCR

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