[논문]Matlab SISO TOOL을 이용한 ESS용 양방향 벅-부스트 컨버터 제어기 설계 기법

박해찬; 김일송

doi:10.6113/tkpe.2016.21.6.457

Matlab SISO TOOL을 이용한 ESS용 양방향 벅-부스트 컨버터 제어기 설계 기법
Bi-directional Buck-Boost Converter Controller Design Method for ESS using Matlab SISO TOOL 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.6, 2016년, pp.457 - 464

박해찬 (Dept. of Electrical Eng. Korea Nat'l Univ. of Transportation) , 김일송 (Dept. of Electrical Eng. Korea Nat'l Univ. of Transportation)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a bi-directional buck-boost converter controller design method for ESS using the MATLAB SISO tool. The conventional two-loop controller design is based on a continuous S-domain model that designs each controller independently. The demerit of the conventional method is that optimal performance is not easily achieved and extensive trials and errors are required because two-loop systems interact with one another. Using the MATLAB SISO tool based on the design method proposed in this work overcomes the disadvantages of the conventional method. In the proposed method, the SISO tool can select the location of the poles and zeroes of the open loop system, thereby facilitating the effective design of a high-performance controller. The design sequence is detailed systematically, and the performance of the method is verified with a computer simulation and 10 kW experimental system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 Matlab SISO TOOL을 이용하여 On-line Single-loop 제어기와 Off-line Two-loop 제어 시스템을 쉽게 설계하는 방법에 대해 설명한다. 기존 방식처럼 전류제어기와 전압제어기를 따로 설계하지 않고 동시에 전압제어기와 전류제어기를 z-domain에서 직접 설계함으로 설계과정이 단순해지고 정교한 제어기 이득 설계가 가능한 장점을 가지게 된다.
본 논문에서는 Matlab SISO TOOL을 이용한 양방향 벅-부스트 컨버터 제어기 설계방법을 제안하였다. 연속적인 s-domain 소신호 모델을 통해 Two-loop 시스템을 독립적인 두 개의 Single-loop처럼 표현해 제어기를 설계한 후 z-domain으로 변환해 제어기 이득을 얻는 전통적인 방법과는 달리 처음부터 Matlab SISO TOOL을 이용해 직접 극점과 영점을 이동시켜 z-domain에서 설계 목표인 위상여유와 차단주파수 fc를 interactive한 방식으로 제어기를 설계하는 방법을 제시하였다.
일반적으로 배터리 전압은 250^~450V 범위에 있기 때문에 3상 계통에 연계시키기 위해서는 양방향 승/강압의 DC/DC 컨버터가 필요하다. 본 논문에서는 그림 1과 같이 ESS 전력변환기 중 하나인 양방향 벅-부스트 컨버터 제어기 설계 방법에 관해 서술하였다.
(s)의 이득을 결정하는 것이다. 특히 양방향 컨버터와 인버터가 Cascade 구조로 연결된 시스템에서 DC_link 전압에 Overshoot가 발생할 경우, 인버터단의 IGBT를 손상시킬 수 있기 때문에 모든 동작 조건에서 전압의 Overshoot가 발생하지 않도록 하는 것을 중요 목표로 설정하였다.

가설 설정

일반적으로 PI제어기의 이득(Kp, KI)을 구할 때 오픈 루프의 전달함수를 계산한 다음에 원하는 차단 주파수 fc를 적용해 얻는다. 전압제어기의 오픈루프를 구할 때는 전류제어기와 전압제어기의 fc 주파수 차이를 최소 10배 이상 분리시켜서 서로 간섭이 없다고 가정하여 전류제어기의 이득을 1로 놓고 계산한다. 그러나 전류제어기와 전압제어기가 주파수 차이가 많이 난다 하여도 서로 약간의 영향을 주기 때문에 많은 반복적인 계산과정을 통해 제어기 이득을 얻는다.

제안 방법

일반적으로 Two-loop 제어기를 설계할 때 전류제어기와 전압제어기를 각각 따로 설계한다. 먼저 전류제어기를 설계한 후 전압제어기를 설계하는데 이때 Inner loop인 전류제어기의 이득은 1/s (large signal에서는 1의 게인)로 보고 설계를 한다. 제어기를 설계할 때 s-domain상태에서 많은 계산과정을 통해 제어기 설계를 한다.
그림 14는 two-loop 부스트 컨버터를 실험한 파형이다. 배터리 전압 400V를 기준전압 500V로 승압한 후 600 [V]로 변경했을 때 인덕터 전류와 DC_link전압을 측정한 것이다. 인덕터 전류가 18A에서 25A로 증가하여 최종 출력은 10 [kW] 이다.
그리고 L, C, R 값은 표 1파라미터 값을 사용하였다. 벅 컨버터 동작 시 배터리는 배터리 시뮬레이터로 대체 사용하였고 부스트 컨버터 동작 시 배터리는 DC 파워 서플라이로 대체하여 사용하였다.
그러나 실제로는 digital control을 사용하므로 소신호 모델로 구한 게인 값이 정확히 맞지 않는다. 본 논문에서는 Matlab SISO TOOL을 이용하여 z-domain 상태에서 PI(z)의 극점 위치를 상하 좌우로 조절하여 위상여유(Phase Margin)과 fc를 직접 손으로 계산하지 않고 GUI 화면상에서 이득을 설계한다. PI제어기는 최대한의 위상으로 45 [deg]를 원하는 주파수에 더할 수 있기 때문에 위상 여유를 크게 할 수 있다.
본 논문에서는 Matlab SISO TOOL을 이용한 양방향 벅-부스트 컨버터 제어기 설계방법을 제안하였다. 연속적인 s-domain 소신호 모델을 통해 Two-loop 시스템을 독립적인 두 개의 Single-loop처럼 표현해 제어기를 설계한 후 z-domain으로 변환해 제어기 이득을 얻는 전통적인 방법과는 달리 처음부터 Matlab SISO TOOL을 이용해 직접 극점과 영점을 이동시켜 z-domain에서 설계 목표인 위상여유와 차단주파수 fc를 interactive한 방식으로 제어기를 설계하는 방법을 제시하였다. 제시된 Matlab SISO TOOL로부터 설계된 제어기 이득은 컴퓨터 시뮬레이션인 PSIM과 10 [kW] 실험 장치를 통해 제어기 성능을 입증하였다.
4 [krad/s]로 선정하였다. 오버슈트가 없는 시스템을 위해 전압제어기의 fc을 10 [rad/s]이하로 선정하여 전압제어기와 전류제어기의 차단주파수 차이를 크게 설계하였다. 설계 목표는 전류 제어기는 위상여유 60 [deg], fc 2.
또한 이 방법은 기존의 전압제어기와 전류제어기의 차단주파수(cut-off frequency = fc)가 10배 이상 차이가 나지 않을 경우에도 신뢰성 있는 설계가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 제안된 방식은 10kW 시스템을 통해 시뮬레이션과 실험으로 그 성능을 입증하였다.
먼저 전류제어기를 설계한 후 전압제어기를 설계하는데 이때 Inner loop인 전류제어기의 이득은 1/s (large signal에서는 1의 게인)로 보고 설계를 한다. 제어기를 설계할 때 s-domain상태에서 많은 계산과정을 통해 제어기 설계를 한다. 그러나 실제로 DSP와 같은 마이크로프로세서를 통해 사용할 때는 s-domain이 아니기 때문에 z-domain으로 변환 후 사용하는 번거로움이 있다.
1 장의 제어기 이득으로 동작하는 벅 컨버터의 전류파형이다. 측정 방법은 기준치 전류를 4 [A]에서 10 [A]로 증가시켰을 때 전류의 기준 값과 실제 전류를 비교하기 위해서 12-bit DAC (digital to analog conversion)로 기준 전류와 실제전류를 출력하여 표시하였다. 위의 파형이 기준치 전류이고 아래 파형이 기준치 전류를 따라가는 실제 전류파형이 된다.

대상 데이터

PI제어기는 최대한의 위상으로 45 [deg]를 원하는 주파수에 더할 수 있기 때문에 위상 여유를 크게 할 수 있다. 그래서 본 논문에서는 위성여유를 15 [deg] 크게 한 60 [deg]로 선정하였다.
오버슈트가 없는 시스템을 위해 전압제어기의 fc을 10 [rad/s]이하로 선정하여 전압제어기와 전류제어기의 차단주파수 차이를 크게 설계하였다. 설계 목표는 전류 제어기는 위상여유 60 [deg], fc 2.4 [krad/s]로 선정하였고 전압제어기는 위상여유 90 [deg], fc 8 [rad/s]로 선정하였다.
그림 12은 실험장치 구성을 나타내었다. 제어기는 320F28069 DSP를 이용하여 제어기 보드를 구성하였고 양방향 컨버터는 interleaved로 구성하였다. 그리고 L, C, R 값은 표 1파라미터 값을 사용하였다.

데이터처리

연속적인 s-domain 소신호 모델을 통해 Two-loop 시스템을 독립적인 두 개의 Single-loop처럼 표현해 제어기를 설계한 후 z-domain으로 변환해 제어기 이득을 얻는 전통적인 방법과는 달리 처음부터 Matlab SISO TOOL을 이용해 직접 극점과 영점을 이동시켜 z-domain에서 설계 목표인 위상여유와 차단주파수 fc를 interactive한 방식으로 제어기를 설계하는 방법을 제시하였다. 제시된 Matlab SISO TOOL로부터 설계된 제어기 이득은 컴퓨터 시뮬레이션인 PSIM과 10 [kW] 실험 장치를 통해 제어기 성능을 입증하였다. 본 기법은 ESS, 급속충전기, 태양광 인버터와 같이 Cascade로 구성된 시스템에서 overshoot 없는 양방향 컨버터 제어기 설계에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.
제안한 방법의 타당성을 입증하기 위하여 실험 장치를 설치하여 PSIM 시뮬레이션과 비교하였다. 그림 12은 실험장치 구성을 나타내었다.

이론/모형

3 장에서 설계한 제어기 성능을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션인 PSIM을 사용하였고 이산신호(discrete control)로 변환한 식은 다음과 같이 계산된다.
Two-loop 부스트 컨버터의 PSIM 시뮬레이션은 Off-line UPS 동작으로 수행되었다. 기준 전압을 500V에서 600V로 변경하였을 때 DC_link 전압이 Overshoot없이 제어되는 것을 그림 11에서 확인할 수 있다.
Off-line UPS로 동작 시 부스트 컨버터는 그림 4를 보면 Outer loop(전압제어)와 Inner loop(전류제어)로 이루어진 Two-loop diagram으로 구성된다. 부스트 컨버터의 전압제어, 전류제어는 PI 제어를 사용한다. 부스트 컨버터의 스위치 on-off동작을 평균하여 계산한 상태방정식은 식 (8)과 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

그림 10에 기준전류가 4A에서 10A로 변화에 대한 충전전류 파형을 보여준다. 설계 사양대로 20% 정도의 %오버슈트와 3 [msec]의 안정시간을 가짐을 확인할 수 있다.

후속연구

제시된 Matlab SISO TOOL로부터 설계된 제어기 이득은 컴퓨터 시뮬레이션인 PSIM과 10 [kW] 실험 장치를 통해 제어기 성능을 입증하였다. 본 기법은 ESS, 급속충전기, 태양광 인버터와 같이 Cascade로 구성된 시스템에서 overshoot 없는 양방향 컨버터 제어기 설계에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Matlab SISO TOOL을 이용하여 On-line Single-loop 제어기와 Off-line Two-loop 제어 시스템을 설계할 때 어떤 장점이 있는가?	본 논문에서는 Matlab SISO TOOL을 이용하여 On-line Single-loop 제어기와 Off-line Two-loop 제어 시스템을 쉽게 설계하는 방법에 대해 설명한다. 기존 방식처럼 전류제어기와 전압제어기를 따로 설계하지 않고 동시에 전압제어기와 전류제어기를 z-domain에서 직접 설계함으로 설계과정이 단순해지고 정교한 제어기 이득 설계가 가능한 장점을 가지게 된다. 또한 이 방법은 기존의 전압제어기와 전류제어기의 차단주파수(cut-off frequency = fc)가 10배 이상 차이가 나지 않을 경우에도 신뢰성 있는 설계가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 제안된 방식은 10kW 시스템을 통해 시뮬레이션과 실험으로 그 성능을 입증하였다.
	일반적으로 PI제어기의 이득은 어떻게 구하는가?	일반적으로 PI제어기의 이득(Kp, KI)을 구할 때 오픈 루프의 전달함수를 계산한 다음에 원하는 차단 주파수 fc를 적용해 얻는다. 전압제어기의 오픈루프를 구할 때는 전류제어기와 전압제어기의 fc 주파수 차이를 최소 10배 이상 분리시켜서 서로 간섭이 없다고 가정하여 전류제어기의 이득을 1로 놓고 계산한다.
	배터리 에너지 저장 장치를 계통 시스템에 적용했을 때 얻을 수 있는 이점은 무엇인가?	신재생에너지의 활발한 보급에 따라 계통시스템에 대한 통제를 강화하기 위해 배터리 에너지 저장 시스템(Energy Storage System : ESS)에 대한 활발한 연구와 보급이 확대되고 있다. 배터리 에너지 저장 장치는 전력 사용량이 적은 시간대에는 전원(Grid)으로부터 배터리에 저장한 후 전력사용량이 많은 피크 시간대에는 배터리에 저장돼있는 에너지를 공급함으로 에너지의 효율을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 최근에는 ESS에 off-line UPS 기능을 추가하여 정전 시에 부하에 전원공급이 가능하도록 동작하게 되어 있다.

참고문헌 (8)

V. D. Yurkevich, "Design of controller for buck-boost converter," The 9th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, KORUS pp. 741-745, 2005.
S. Giri, R. Galam, and S. Raghu, "Design of feedback controller for boost converter using optimization technique," International Journal of Power Electronics and Drive Systems, Vol. 3, No. 1, pp. 117-128, 2013.
W. J. Lee, J. K. Eom, B. M. Han, and H. J. Cha, "Design and experiment of three-phase interleaved DC-DC converter for 5kW lead-acid battery charger," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 16, No. 3, pp. 227-233, June 2011.

원문보기 상세보기
Y. S. Jung, "Design of digital current mode control for power converters," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 10, No. 2, pp. 162-168, Apr. 2010.
K. W. Lee, "Design and implementation of a current controller for boost converters using a DSP," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 3, pp. 259-265, June 2012.

원문보기 상세보기
J. I. Lee, J. H. Lee, A. Y. Jung, C. H. Lee, J. H. Park, and H. J. Jeon, "Bidirectional charging/discharging digital control system for eco-friendly capacitor energy storage device implemented by TMS320F28335 chip," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 15, No. 3, pp. 188-198, June 2010.

원문보기 상세보기
https://www.dei.unipd.it/-rampazzom/MATLAB_SISO_Design_Tool.pdf
https://www.ece.nus.edu.sg/stfpage/akr/controlboost.pdf

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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