[논문]불평형 및 비선형부하 시 전력품질 향상을 위한 독립형 인버터의 전압제어 기법

이우종; 조종민; 차한주

doi:10.5370/kiee.2016.65.4.567

불평형 및 비선형부하 시 전력품질 향상을 위한 독립형 인버터의 전압제어 기법
Voltage Control of Stand-Alone Inverter for Power Quality Improvement Under Unbalanced and Non-linear Load 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.4, 2016년, pp.567 - 575

이우종 (Hanwha Corporation R&D Center) , 조종민 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National Univ.) , 차한주 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposed the voltage control of stand-alone inverter for power quality improvement under unbalanced and non-linear load. The 3-phase DC-AC inverter controls CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) and selective harmonic eliminate method in stand-alone mode by PR controller, and the stand-lone inverter supplies stable sinusoidal voltage to balanced, unbalanced and non-linear loads. The total harmonic distortion(THD) of line-to-line load voltage($V_{LL}$) is 1.2% in the balanced load. THD of $V_{LL}$ is reduced from 5.2% to 1.4% and 6.7% to 3.5%, respectively unbalanced and non-linear load. The stand-alone inverter can be supplies sinusoidal balanced voltage to unbalanced load because the voltage unbalanced factor(VUF) of $V_{LL}$ is reduced from 5.2% to 1.4% in the unbalanced load. Feasibility of control method for a stand-alone inverter will be verified through 30kW stand-alone inverter system.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 불평형 및 비선형부하 구동 시 발생하는 독립형 인버터의 출력전압 왜곡을 보상하기 위한 제어 알고리즘으로 비례-공진(Proportional and Resonant)제어기를 적용하였다. 기존에는 PI제어기를 이ㅊ생하는 2고조파, 즉 불평형부하의 역상분을 고려하지 않는 장점이 있다.
본 논문에서는 불평형 및 비선형부하 조건에서도 안정적인 전압을 공급하는 3상 독립형 인버터의 제어 알고리즘에 대하여 제안하였다. 불평형 및 비선형부하 구동 시 발생하는 홀수차 고조파를 보상하는 제어 알고리즘으로서 정지좌표계에서 제어하는 PR 전압제어기를 적용하여 CVCF 제어를 통해 모든 부하 조건에 대하여 안정적인 정현파 전압을 공급하였다.
본 논문에서는 불평형 부하 시 3상 독립형 인버터의 스위칭 동작에 의한 데드타임을 보상하고, 비선형 부하의 고조파를 제거하기 위해 사용하였다.

가설 설정

3상 독립형 인버터 구동은 IGBT의 스위칭 소자로 동작한다. 그림 1의 상단 스위치(S₁,S₃,S₅)와 하단 스위치(S₂,S₄,S₆)가 상보적으로 동작하며 출력하는 과정에서 암 단락을 방지하여 시스템이 안전하데 동작할 수 있도록 데드타임 기법을 적용하지만 이로 인한 출력전압의 비선형적인 특성이 발생하여 전압 및 전류가 왜곡된다.

제안 방법

4%로 개선하였다. 또한 선간전압의 불평형율은 2.2%에서 0.8%로 감소하여 우수한 정현파 전압을 부하에 공급하였다. 평형, 불평형, 비선형의 모든 부하조건에서 IEEE Standard에서 제시하는 전압 THD 5%를 만족함을 실험을 통해 검증하였고, 제안하는 알고리즘이 타당함을 확인하였다.
본 논문에서는 불평형 및 비선형부하 조건에서도 안정적인 전압을 공급하는 3상 독립형 인버터의 제어 알고리즘에 대하여 제안하였다. 불평형 및 비선형부하 구동 시 발생하는 홀수차 고조파를 보상하는 제어 알고리즘으로서 정지좌표계에서 제어하는 PR 전압제어기를 적용하여 CVCF 제어를 통해 모든 부하 조건에 대하여 안정적인 정현파 전압을 공급하였다. 공진제어기를 이용하는 선택적 고조파 기법을 적용하여 평형부하 시 부하 선간전압의 THD 1.

대상 데이터

제안하는 전압 제어 알고리즘을 검증하기 위해 그림 7의 30kW 독립형 인버터 프로토타입를 제작하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 3상 평형 및 불평형부하는 부하장비의 저항을 이용하고, 비선형부하는 다이오드정류기와 저항부하를 이용하여 제작하였다. 실험 조건은 표 1과 같다.
제안하는 전압 제어 알고리즘을 검증하기 위해 그림 7의 30kW 독립형 인버터 프로토타입를 제작하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 3상 평형 및 불평형부하는 부하장비의 저항을 이용하고, 비선형부하는 다이오드정류기와 저항부하를 이용하여 제작하였다.

성능/효과

그림 12와 비교하면, 선간전압의 왜곡은 보상되고 3상 선간전압에 대해 발생한 불평형이 보상됨을 확인하였다. 3상 선간전압의 RMS는 R상 374V_rms, S상 375V_rms, T상 379V_rms로 불평형률은 2.2%에서 0.8%로 감소하였고, 선간전압의 THD는 5.2%에서 1.4%로 감소하였다. 3차 고조파 성분은 18.
불평형 및 비선형부하 구동 시 발생하는 홀수차 고조파를 보상하는 제어 알고리즘으로서 정지좌표계에서 제어하는 PR 전압제어기를 적용하여 CVCF 제어를 통해 모든 부하 조건에 대하여 안정적인 정현파 전압을 공급하였다. 공진제어기를 이용하는 선택적 고조파 기법을 적용하여 평형부하 시 부하 선간전압의 THD 1.2%를 만족하였고, 비선형부하에서는 부하 선간전압의 THD 6.7%의 왜곡된 파형을 3.5%로 개선하였으며, 불평형부하에서는 부하 선간전압의 THD를 5.2%에서 1.4%로 개선하였다. 또한 선간전압의 불평형율은 2.
그림 11은 PR전압제어기와 공진제어기를 사용한 데드타임 보상기법이 동시에 적용된 실험파형이다. 공진제어기를 적용하여 왜곡된 고조파를 감소시킴으로서 영점에서 왜곡된 파형이 감소하였고, 부하 선간전압의 THD는 1.5%에서 1.2%로 감소하였다.
로 공진 제어기를 적용하기 전보다 고조파 함유율이 감소하였다. 그 결과 부하 선간전압의 THD는 6.7%에서 3.5%로 감소하였다.
본 논문에 적용한 PR제어기는 PI제어기와 동일하게 인버터 파라미터의 정확한 측정에 영향을 받지 않으므로 신뢰성 있는 제어가 가능하며 공진주파수(f_res : Resonant frequency)에서 무한대 이득을 통해 제어대상 주파수의 정상상태 오차를 제거하는 출력을 발생시키며 기본파에서 강인한 동작을 수행한다. 또한 정지좌표변환에서 제어를 수행하여 동기좌표계에서 동작하는 PI제어기의 제어 방식에 비해 계산양이 적다는 장점이 있다[13, 14].
부하 선간전압의 5차 고조파는 9V_rms, 7차 고조파는 5V_rms로 공진 제어기를 적용하기 전보다 고조파 함유율이 감소하였다. 그 결과 부하 선간전압의 THD는 6.
8%로 감소하여 우수한 정현파 전압을 부하에 공급하였다. 평형, 불평형, 비선형의 모든 부하조건에서 IEEE Standard에서 제시하는 전압 THD 5%를 만족함을 실험을 통해 검증하였고, 제안하는 알고리즘이 타당함을 확인하였다.
평형계통 및 평형부하를 구동하는 3상 독립형 인버터에 대한 데드타입의 전압 왜곡을 분석한 결과, 각 상의 데드타임에 의한 오차 전압은 L필터에 흐르는 전류의 부호에 따라 결정되며 3상의 전류가 평형일 때 평균 오차 전압도 120°의 위상차를 가진다.

후속연구

정상분과 역상분을 식 (3)의 동기좌표계 PSRF (Positive Synchronous Reference Frame) 변환 행렬로 식 (4)와 같이 변환하면 식 (5)와 같다. 그 결과 정상분은 DC 성분으로 크기와 위상으로 표현되지만, 역상분은 2고조파 성분으로 나타나므로 제한된 대역폭을 가지는 PI 제어기로는 정상상태 전압 오차를 제어하기 어렵기에 추가적인 제어 알고리즘이 필요하다.
정상분과 역상분을 각각 정지좌표계로 변환한 결과, 정지좌표계에서는 기본파 외의 추가적인 고조파 성분이 보이지 않는다. 즉, 불평형부하 구동 시 정지좌표계에서는 기본파 전압왜곡이 발생하지 않기에 기본파 성분만을 제어하는 PR 전압제어기를 이용하면 추가적인 알고리즘을 요구하지 않는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로그리드의 정의와 어떻게 구분할 수 있는가?	기존의 전력 시스템은 발전소에서 생산된 전기를 소비자 에게 전달하는 단방향 구성이었지만, 마이크로그리드는 기존의 전력 시스템과 상호보완적인 관계를 가지며 양방향 전력 교환이 가능하다. 마이크로그리드는 ‘다수의 전력 및 열을 공급하는 소규 모의 에너지 공급 시스템’으로 정의할 수 있으며 계통연계형과 독립형으로 구분된다[3, 4]. 이러한 마이크로그리드는 분산전원기술, 에너지 저장기술, 전력망 운용기술, 통신기술, 제어기술이 통합된 미래혁신적인 전력공급기술로 받아들여지고 있으며 이 기술이 가진 환경적, 경제적, 사회적 가치 때문에 더욱 더 주목받는 기술이다[5].
	평형부하란?	평형부하는 3상 전압이 각각 120°의 위상차를 갖는 것을 말한다. 불평형부하라 함은 3상 전압이 서로 120°의 위상차를 갖지 못하고 서로 크기가 다른 불평형 전압을 나타내고 있으며 이는 그림 2와 같이 표현된다.
	평행부하 조건일지라도 기본파 전압제어 뿐만 아니라 데드타임을 보상하는 알고리즘이 필요한 이유는?	3상 독립형 인버터 동작이 이상적인 경우, 기본적인 R, L, C 로 이루어진 평형부하에서는 부하에 의한 출력전압 왜곡을 고려하지 않아도 안정적인 정현파 전압을 공급할 수 있다. 하지만, 실제의 3상 독립형 인버터 구동에서 데드 타임이 존재하기에 3상 출력전압에 5차 및 7차 고조파가 발생한 다. 따라서 평형부하 조건일지라도 기본파 전압제어 뿐만 아니라 데드타임을 보상하는 알고리즘이 필요하다.

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상세보기
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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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