[논문]비례공진 제어기를 이용한 단상 계통연계형 인버터의 데드타임 영향과 옵셋 오차로 인한 전류맥동 저감에 관한 연구

성의석; 황선환

doi:10.6113/tkpe.2015.20.3.201

비례공진 제어기를 이용한 단상 계통연계형 인버터의 데드타임 영향과 옵셋 오차로 인한 전류맥동 저감에 관한 연구
A Study on Current Ripple Reduction Due to Offset Error and Dead-time Effect of Single-phase Grid-connected Inverters Based on PR Controller 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.3, 2015년, pp.201 - 208

성의석 (Dept. of Advanced Engineering, Kyungnam University) , 황선환 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungnam University)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of dead-time and offset error, which cause output current distortion in single-phase grid-connected inverters are investigated this paper. Offset error is typically generated by measuring phase current, including the voltage unbalance of analog devices and non-ideal characteristics in current measurement paths. Dead-time inevitably occurs during generation of the gate signal for controlling power semiconductor switches. Hence, the performance of the grid-connected inverter is significantly degraded because of the current ripples. The current and voltage, including ripple components on the synchronous reference frame and stationary reference frame, are analyzed in detail. An algorithm, which has the proportional resonant controller, is also proposed to reduce current ripple components in the synchronous PI current regulator. As a result, computational complexity of the proposed algorithm is greatly simplified, and the magnitude of the current ripples is significantly decreased. The simulation and experimental results are presented to verify the usefulness of the proposed current ripple reduction algorithm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단상 계통연계형 인버터의 데드타임 및 옵셋 오차 영향으로 인한 전류맥동 저감 알고리즘이 제안되었다. 기본적으로 데드타임은 스위칭 소자 제어시 단락을 방지하기 위해 삽입되며 옵셋 오차는 전류측정회로의 비선형적인 특성에 의해 발생된다.
본 논문에서는 데드타임과 옵셋 오차의 영향을 고려한 단상 계통연계형 인버터의 새로운 전류맥동 저감 알고리즘을 제안하였다. 또한 H-브릿지 인버터의 데드타임과 옵셋 오차의 영향을 좌표계상에서 상세히 분석하였다.
따라서 상전류에도 계통 전압과 동일한 차수의 고조파가 발생하게 된다. 이러한 고조파로 인한 상전류 왜곡을 저감하기 위하여 본 논문에서는 옵셋 오차 성분만을 고려하여 검출 및 보상하는 연구를 수행하고자 한다.

제안 방법

기본적으로 데드타임은 스위칭 소자 제어시 단락을 방지하기 위해 삽입되며 옵셋 오차는 전류측정회로의 비선형적인 특성에 의해 발생된다. 그에 따라야기되는 전류맥동 성분을 동기 좌표계와 정지 좌표계를 기반으로 수학적으로 분석되었다. 또한 동기 좌표계 PI 전류제어기 기반의 시스템에 제안된 특정 차수의 고조파를 선택적으로 제거할 수 있는 특성을 가진 PR 제어기를 이용한 알고리즘을 적용하였으며 복잡한 연산과정을 갖지 않고 전류맥동을 쉽게 저감할 수 있었다.
본 논문에서는 데드타임과 옵셋 오차의 영향을 고려한 단상 계통연계형 인버터의 새로운 전류맥동 저감 알고리즘을 제안하였다. 또한 H-브릿지 인버터의 데드타임과 옵셋 오차의 영향을 좌표계상에서 상세히 분석하였다. 그 결과 동기 좌표계에는 전원 주파수의 1배, 2배 3배 그리고 정지 좌표계에는 직류성분, 전원 주파수의 1배, 2배, 3배 그리고 4배 고조파가 야기됨을 확인하였다.
옵셋 오차의 영향은 동기 좌표계 PI 전류 제어기에 특정 주파수에서 무한대의 이득을 갖는 PR 제어기를 사용함으로써 개선되었다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 알고리즘의 유용성을 증명하였다.
제안한 옵셋 오차 보상 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 Matlab의 Simulink를 사용하여 그림 7과 같은 단상 계통연계형 인버터 시스템을 구현하였으며 전력변환회로, 단상 PLL, 전압 및 전류 제어기 등과 같은 제어 시스템을 포함하고 있다. 그림 8은 시뮬레이션에서 사용된 전류 제어기의 내부 구성을 보여주고 있다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 단상 계통연계형 인버터의 전류 맥동 저감 알고리즘의 효용성을 검증하기 위해 그림 10과 같은 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며 제어 부는 TMS320VC33을 사용하여 구성하였다.
계통 전압 및 주파수는 220V, 60Hz로인가하였으며, 스위칭 주파수는 10kHz로 설정하였다. 직류단 커패시터의 용량은 5240uF, 리액터 인덕턴스의 용량은 5mH로 사용하였다.

성능/효과

그림 9(a)는 보상 전 상전류와 FFT 분석 결과로써 상전류에는 데드타임과 옵셋 오차로 인한 직류 성분과 전원 주파수의 1배, 2배, 3배 및 4배의 고조파를 포함하고 있음을 알 수 있다. 반면, 그림 9(b)에서는 제안한 전류 리플 저감 알고리즘을 통하여 상전류에 기본파 이외의 직류 및 고조파성분이 크게 감소되었고 결과적으로 THD가 1.
그림 9(a)는 보상 전 상전류와 FFT 분석 결과로써 상전류에는 데드타임과 옵셋 오차로 인한 직류 성분과 전원 주파수의 1배, 2배, 3배 및 4배의 고조파를 포함하고 있음을 알 수 있다. 반면, 그림 9(b)에서는 제안한 전류 리플 저감 알고리즘을 통하여 상전류에 기본파 이외의 직류 및 고조파성분이 크게 감소되었고 결과적으로 THD가 1.68%에서 0.6%로 개선됨을 확인할 수 있었다.
또한 H-브릿지 인버터의 데드타임과 옵셋 오차의 영향을 좌표계상에서 상세히 분석하였다. 그 결과 동기 좌표계에는 전원 주파수의 1배, 2배 3배 그리고 정지 좌표계에는 직류성분, 전원 주파수의 1배, 2배, 3배 그리고 4배 고조파가 야기됨을 확인하였다.
그에 따라야기되는 전류맥동 성분을 동기 좌표계와 정지 좌표계를 기반으로 수학적으로 분석되었다. 또한 동기 좌표계 PI 전류제어기 기반의 시스템에 제안된 특정 차수의 고조파를 선택적으로 제거할 수 있는 특성을 가진 PR 제어기를 이용한 알고리즘을 적용하였으며 복잡한 연산과정을 갖지 않고 전류맥동을 쉽게 저감할 수 있었다. 제안된 알고리즘의 효용성은 시뮬레이션과 실험결과를 통해 증명하였다.
옵셋 오차의 영향은 동기 좌표계 PI 전류 제어기에 특정 주파수에서 무한대의 이득을 갖는 PR 제어기를 사용함으로써 개선되었다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 알고리즘의 유용성을 증명하였다.
그림 5는 제안된 동기 좌표계 dq축 전류리플 저감 알고리즘의 블록도를 나타낸다. 앞서 계산된 수식에 의해 정지 좌표계에 포함된 직류, 전원 주파수의 1배, 2배, 3배 및 4배 고조파의 수와 비교해 동기 좌표계에 존재하는 옵셋 오차에 의한 고조파의 수가 상대적으로 적다는 것을 알 수 있었다. 따라서 동기 좌표계 dq축 전류를 상 전류 맥동 보상을 위한 기준신호로 사용하면 연산적 복잡성을 감소할 수 있다.
그림 16의 동기 좌표계 dq축 전류 또한 FFT 결과를 통해 보상 전과 비교하여 고조파의 영향이 줄어듦을 알 수 있다. 옵셋 오차의 영향으로 인해 발생 하는 1차 및 3차 고조파에 대한 2개의 PR 제어기를 사용하여 보상한 결과, 동기 좌표계 dq축 전류에 데드타임에 의한 2차 고조파는 여전히 존재하고 있지만 옵셋 오차로 인한 상전류의 전류맥동은 크게 저감됨을 확인할 수 있다.
또한 동기 좌표계 PI 전류제어기 기반의 시스템에 제안된 특정 차수의 고조파를 선택적으로 제거할 수 있는 특성을 가진 PR 제어기를 이용한 알고리즘을 적용하였으며 복잡한 연산과정을 갖지 않고 전류맥동을 쉽게 저감할 수 있었다. 제안된 알고리즘의 효용성은 시뮬레이션과 실험결과를 통해 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생 에너지의 상용화에 있어서 중요한 것은?	세계적으로 전력수요가 증가함에 따라 지속 가능한 에너지원의 활용과 전력품질 개선 등을 위한 연구개발이 이루어지고 있으며 풍력, 태양광 및 연료전지 등과 같은 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 신재생 에너지의 상용화에 있어서 분산전원 시스템의 일부분으로써 계통연계형 인버터의 역할은 매우 중요하다. 그림 1은 일반적인 단상 계통연계형 인버터 시스템의 구성도이며 전력변환회로와 계통전원의 위상 검출을 위한 위상 동기 루프제어, 전원측 전류제어, 직류단 전압제어 및 전력품질 개선을 위한 알고리즘 등으로 이루어져 있다[1]-[2].
	계통연계형 인버터는 높은 전력품질을 위해 정밀한 제어가 요구되는데, 이를 위해 어떤 기법이 주로 사용되며 그 이유는 무엇인가?	일반적으로 계통연계형 인버터는 높은 전력품질을 위해 계통측 전류 정보를 기반으로 정밀한 제어가 요구된다. 이를 위하여 다양한 전류제어 기법이 적용되고 있으며, 대표적인 동기 좌표계 PI 전류제어기를 이용하면 모든 정상상태에서의 변수들이 직류성분으로 변환되어 제어의 용이성이 증가하여 널리 사용되어 오고 있다.
	PR 제어기의 장단점은?	PR 제어기는 특정한 주파수에서 개루프 이득이 무한대이며 위상지연이 없는 제어특성을 가지는 반면, 무한대의 이득으로 인하여 시스템의 안정성이 저하되는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 향상된 PR 제어기를 사용하면 특정 주파수에서의 이득을 조절할 수 있으며 옵셋 오차 및 데드타임에 의해서 동기 좌표계 dq축 전류에 발생하는 각 차수의 고조파 성분을 선택적으로 저감할 수 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
H. S. Jung, S. H. Hwang, J. M. Kim, C. U. Kim, and C. Choi, "Diminution of current-measurement error for vector-controlled AC motor drives," IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 42, No. 5, pp. 1249-1255, Oct. 2013.
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상세보기
S. H. Hwang, Y. G. Hwang, and S. K. Kwon, "A study on current ripple reduction due to offset error in SRF-PLL for single-phase grid-connected inverters," JIEIE, Vol. 28, No. 11, pp. 68-76, Nov. 2014.
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M. Castilla, J. Miret, J. Matas, L. G. de Vicuna, and J. M. Guerrero, "Control design guidelines for single-phase grid-connected photovoltaic inverters with damped resonant harmonic compensators," IEEE Trans. on Ind. Electronics, Vol. 56, No. 11, pp. 4492-4501, Nov. 2009.

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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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