[논문]LLCL 입력필터를 갖는 단상 그리드 컨버터의 가상 저항에 따른 전류제어 안정도 해석

배철주; 이동춘

doi:10.6113/tkpe.2016.21.5.404

[국내논문] LLCL 입력필터를 갖는 단상 그리드 컨버터의 가상 저항에 따른 전류제어 안정도 해석
Stability Analysis of Current Control based on Virtual Resistor for Single-Phase Grid Converters with LLCL Input Filters 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.5, 2016년, pp.404 - 410

배철주 (Electric Equip. Develop. Team, Hyundai-rotem Comp.) , 이동춘 (Dept. of Electrical Eng., Yeungnam University)

Abstract ▼ AI-Helper

To avoid the stability issues of LLCL filters, passive or active damping methods to eliminate the resonance phenomena are required. In this paper, system stability of a current control is analyzed when the active damping scheme based on the virtual resister is utilized in single-phase grid converter systems with LLCL input filters. The control performance according to the parameters of the virtual resistance is investigated. The validity of stability analysis was verified by simulation and experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

LLCL 필터를 갖는 단상 시스템의 경우는 미비하다. 따라서 본 연구에서는 LLCL 입력필터를 갖는 단상 그리드 컨버터 시스템에 대해 가상저항의 변화에 따른 제어 안정도를 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 그 효과를 검증한다.
본 논문에서 분석한 가상저항의 효과를 검증하기 단상 컨버터 시스템에 대한 실험을 수행하였다. 그림 9는 LLCL 입력필터를 갖는 단상 그리드 컨버터와 제어보드를 보인다.
본 논문은 LLCL 필터를 갖는 단상 그리드 컨버터 시스템에서 가상저항 기반의 능동 댐핑기법의 전류제어 안정도를 고찰하였다. 가상저항은 필터에 의해 발생하는 공진을 억제하기 위한 것으로 가상저항 값에 따라 나타나는 전류제어의 특성을 관찰하였다.
본 연구에서는 가상저항을 이용하여 LLCL 필터에 의해 발생되는 공진 현상을 제거하고자 한다. 그림 3(a), (b)는 각각 필터 커패시터에 직렬로 실제 저항을 삽입한 경우(수동댐핑 제어)와 가상저항 기반의 능동댐핑 제어를 적용한 경우의 블럭도를 나타낸다^[15].

제안 방법

본 논문은 LLCL 필터를 갖는 단상 그리드 컨버터 시스템에서 가상저항 기반의 능동 댐핑기법의 전류제어 안정도를 고찰하였다. 가상저항은 필터에 의해 발생하는 공진을 억제하기 위한 것으로 가상저항 값에 따라 나타나는 전류제어의 특성을 관찰하였다. 가상저항값이 작을 경우 공진 억제 성능이 만족스럽지 않고 반대로 클 경우 전류제어 성능이 악화된다.
앞서 기술한 전류제어 안정도 분석을 바탕으로 동일한 조건하에 PSIM 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

그림 9는 LLCL 입력필터를 갖는 단상 그리드 컨버터와 제어보드를 보인다. TMS320F28335 DSP 칩이 탑재된 제어보드를 이용하여 제어 시스템을 구성하고 Semikron사의 IGBT(SKM75GB12T4) 모듈을 사용하여 단상 컨버터를 구성하였다. 사용된 직류단 평활용 커패시터는 2,350 μF이며, 5kHz의 유니폴라 PWM을 사용하여 유효 스위칭주파수는 10 kHz이며 데드타임은 4 μs으로 설정하였다.
TMS320F28335 DSP 칩이 탑재된 제어보드를 이용하여 제어 시스템을 구성하고 Semikron사의 IGBT(SKM75GB12T4) 모듈을 사용하여 단상 컨버터를 구성하였다. 사용된 직류단 평활용 커패시터는 2,350 μF이며, 5kHz의 유니폴라 PWM을 사용하여 유효 스위칭주파수는 10 kHz이며 데드타임은 4 μs으로 설정하였다. 그 외 파라미터는 시뮬레이션 조건 및 표 1과 동일하다.
그림 4는 가상저항기법이 적용된 전체 전류제어 블럭도를 보인다. 적절한 제어 동특성 및 안정도를 위해 PR 전류제어기의 대역폭을 300 Hz로 선정하였고, 이 때의 이득 값은 K_p = 10.18, K_r = 196이다. 실제 디지털 제어로 동작되는 컨버터 시스템에는 디지털 프로세서의 연산 및 PWM으로 인한 샘플 지연시간을 갖는다.

데이터처리

적절한 가상저항 값을 선택함으로써 공진을 완전히 제거하면서도 안정된 전류제어가 가능함을 확인하였다. 제시된 시스템 안정도 해석을 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다.

성능/효과

첫 째, 공진 주파수에서 매우 큰 이득과 함께 180° 상전이가 발생하는 것으로 이로 인한 공진현상은 시스템의 불안정을 야기할 수 있다. 두 째, 특정 주파수에서 매우 낮은 임피던스를 보이는 2차 공진 현상이 있는데, 이는 해당 주파수 대역의 성분은 모두 필터 커패시터 루프로 바이패스(bypass)되어 계통측 전류에는 나타나지 않음을 의미한다. 따라서 적절한 필터 파라미터의 설계를 통해 해당 주파수를 스위칭 주파수 대역으로 설정한다면 계통측 전류에는 컨버터의 PWM에 의한 스위칭 리플 성분이 나타나지 않는다.
가상저항값이 작을 경우 공진 억제 성능이 만족스럽지 않고 반대로 클 경우 전류제어 성능이 악화된다. 적절한 가상저항 값을 선택함으로써 공진을 완전히 제거하면서도 안정된 전류제어가 가능함을 확인하였다. 제시된 시스템 안정도 해석을 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다.
첫 째, 공진 주파수에서 매우 큰 이득과 함께 180° 상전이가 발생하는 것으로 이로 인한 공진현상은 시스템의 불안정을 야기할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LLCL 필터의 공진 현상을 억제하는 기법에는 몇 가지 종류가 있고, 각각의 특징은?	그러나 LLCL 필터도 LCL 필터에서와 마찬가지로 공진 현상이 발생될 수 있다. 공진을 억제하는 기법은 크게 수동댐핑 제어(Passive damping, PD)와 능동댐핑 제어(Active damping, AD)로 분류할 수 있다. 수동댐핑 제어는 필터 커패시터에 직렬로 저항 소자를 삽입하여 공진을 제거하는 방법으로 간단하고 신뢰성이 높다[6],[7]. 그러나, 추가 비용 및 전력 손실이 발생하는 문제가 있다. 이에 비해 능동댐핑 제어는 제어 알고리즘의 추가에 의해 공진을 억제할 수 있으므로 수동댐핑 기법의 문제점을 해결할 수 있으나 제어 알고리즘이 복잡하다는 단점이 있다[5],[8]-[14].
	LLCL 필터의 장점은?	한편, 최근 개발된 LLCL 필터는 LCL 필터에 작은 인덕터를 추가하여 스위칭 주파수의 고조파 저감 특성이 우수하다[2]-[3]. 또한 LLCL 필터는 LCL 필터의 커패시터에 직렬로 작은 인덕터를 추가함으로써 계통 측 인덕터를 크게 줄일 수 있어 전체적으로 LCL 필터보다 작게 설계할 수 있다[4],[5]. 뿐만 아니라 LLCL 필터는 전력손실 면에도 LCL 필터보다 유리하여 최근 많은 주목을 받고 있다[4].
	LCL 구조의 필터의 장단점은?	흔히 사용되는 L 필터는 단순하고 제어가 간단하지만 충분한 고조파 저감을 위해서 큰 용량의 인덕터가 필요하여 비용 및 전류제어 동특성 면에서 불리하다. LCL 구조의 필터는 인덕터 사이즈를 줄이고 전류제어 동특성을 향상시킬 수 있으나 계통 전류에 공진 현상이 발생할 가능성이 있다.

참고문헌 (16)

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P. Alemi, S. Y. Jeong, and D. C. Lee, "Active damping of LLCL filters using PR control for grid-connected three-level T-Type converters," Journal of Power Electronics, Vol. 15, No. 3, pp. 786-795, May 2015.

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C. Bao, X. Ruan, X. Wang, W. Li, D. Pan, and K. Weng, "Step-by-step controller design for LCL-type grid connected inverter with capacitor current feedback active damping," IEEE Trans. on Power Electron., Vol. 29, No. 3, pp. 1239-1253, Mar. 2014.

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M. Huang, X. Wang, P. C. Loh, and F. Blaabjerg, "Active damping of LLCL-filter resonance based on LC-trap voltage or current feedback," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 3, pp. 2337-2346, Mar. 2016.

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C. Wessels, J. Dannehl, and F. W. Fuchs, "Active damping of LCL filter resonance based on virtual resistor for PWM rectifiers-stability analysis with different filter parameters," in Proc. of IEEE PESC, pp. 3532-3538, Jun., 2008.
C.-J. Bae, P. Alemi and D.-C. Lee, "Resonance elimination of LLCL filters based on virtual resistor for single-phase PWM inverters," in Proc. of ICPE, Jun. 2015, pp. 2875-2880.
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J. C. Wiseman and B. Wu, "Active damping control of a high-power PWM current-source rectifier for line-current THD reduction," IEEE Trans. on Industry Electron., Vol. 52, No. 3, pp. 758-764, Jun. 2005.

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