[논문]3상 부스트 컨버터의 제어기 최적 이득 설계 기법

박해찬; 김일송

doi:10.6113/tkpe.2017.22.1.1

3상 부스트 컨버터의 제어기 최적 이득 설계 기법
Optimal Gain Design Method of the 3 Phase Boost Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.1, 2017년, pp.1 - 8

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

The optimal gain design method of a three-phase boost converter is proposed in this study. The control system has a two-loop configuration, in which each controller is coupled closely; thus, the optimal design is difficult to achieve using conventional gain-tuning method. The proposed method is adopted to the MATLAB SISO TOOL software and is based on the controller requirements, which are phase margin and cut-off frequency of the open-loop system. The optimal proportional -integral gains can be designed easily using the proposed interactive method of the SISO TOOL. The performance of the proposed system is verified through simulation and experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 제어기의 설계 목적은 컨버터의 IGBT 과전압과 과전류로 인한 손상을 막기 위해 DClink 전압 이 오버슈트가 없고 25% 이하의 오버슈트를 가질 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 Matlab SISO TOOL을 이용하여 z-domain으로 변환하는 계산과정을 단축시키고 쉽게 최적 이득을 얻는 수 있는 방법을 제시한다.

가설 설정

기존에는 전류제어기와 전압제어기를 독립적으로 설계하였다. 즉 전류제어기의 이득 변화가 전압제어기에 영향을 미치지 않는다고 가정을 하여 이득을 선정하였다. 하지만 실제로는 두 시스템은 서로 closely couple 되어 있어서 전류제어기 응답특성이 전압 제어기를 선정한 후에 변화가 생기게 된다.

제안 방법

따라서 차단주파수(cut-off frequency = fc)가 높은 전류제어기를 먼저 설계한 후 전류제어기보다 fc가 낮은 전압제어기를 설계하게 된다. 그리고 전압제어기는 Inner loop인 전류제어기의 이득을 1/s(large signal에서 는 1의 이득)로 보고 설계를 한다.
또한 전류제어기나 전압제어기를 각각 독립적으로 설계함으로써 이중-구조로 연결된 시스템의 상호 연결(cross-coupling)로 인한 제어 이득 변동을 정확히 알아 낼 수 없는 단점이 있었다^[1] . 본 논문에 서는 이러한 문제점을 보완하기 위한 제어기 설계 방법을 MATLAB의 SISO TOOL을 이용하여 제시하였다.
q-축 전류제어기는 d-축 전류제어기와 동일하게 PI 로 구성되며 제어기 이득은 Single-loop SISO TOOL로 부터 계산된다. 응답 특성은 d-축과 유사하게 25%이하 의 오버슈트를 갖도록 설계하였다. 이 경우 주파수응답 특성은 차단주파수 2.
전압제어기는 최대 전류제어기의 fc의 1/5 이하로 하면 Inner-loop 시스템과 Outer-loop 시스템 간에 간섭이 일어나지 않 기 때문에 차이를 많이 크게 할수록 안정한 조건에 들 수 있다. 이러한 조건에 들기 위해 전압제어기의 fc는 496 [rad/s]이하인 15 [rad/s]로 설정하였고 위상여유는 오버슈트가 없게 설계하기 위해서 90 [deg]에 가깝게 설 정하여 제어기를 설계하였다. 표 1은 SISO TOOL에 사용되는 파라미터 값들이다.
표 1의 파라미터들을 이용하여 PSIM으로 시뮬레이션 을 수행하였다(그림 8).
일반적으로 Two-loop 시스템으로 구성된 제어기는 Outer loop와 Inner loop를 각각 설계하여 이득을 얻는다. 하지만 본 논문에서는 3상 부스트 컨버터를 sdomain으로 모델링한 후 z-domain으로 변환하여 Matlab SISO TOOL을 통해 위상여유와 fc를 설정하여 Two-loop 시스템의 Outer loop와 Inner loop의 이득을 쉽고 동시에 얻을 수 있는 제어기 이득 설계기법을 제안하였다. 이 제어기 이득은 PSIM 시뮬레이션과 실험을 통해 성능을 입증하였고 Two-loop 시스템인 제어기를 구성하는 다른 여러 토플로지에서 제어기를 설계하는데 있어서 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

대상 데이터

d축, q축의 전압, 전류제어기는 일반적으로 많이 사용 하는 PI 제어기를 사용하였고 아래와 같이 표현된다.
PI 제어기는 최대한의 위상으로 45 [deg]를 원하는 주파수에 더할 수 있기 때문에 위상여유를 크게 할 수 있다. 그래서 본 논문에서는 전류제어기의 위상여유 목표 를 15 [deg] 크게 한 60 [deg]로 선정하였다. 그리고 전류제어기는 스위칭 한 주기(15.
전압제어기는 설계목표가 오버슈트가 없는 응답을 갖 기 위해서 표 1을 참고하여 차단주파수 fc = 15 [rad/s] 과 위상여유 90 [deg]로 선정하였다. 이 시스템은 영점 이 단위 원 외부에 존재하는 non-minimum 시스템이기 때문에 안정하기 위한 제어기 이득에 제한이 가해지게 된다.
제안한 제어기 설계기법을 적용한 제어기의 성능을 입증하기 위해 그림 10와 같이 3상 부스트 컨버터를 제 작하여 실험을 수행하였다. 회로 상수인 인덕턴스와 DClink 커패시터 값은 표 1과 같고 제어기는 320F28069 DSP를 사용하여 제어기 보드를 구성하였다.

성능/효과

그림 14에 전압 기준치를 550 [V]에서 650 [V]로 승 압하였을 때 DClink전압과 3상 전류파형을 나타내었다. DClink 전압의 안정시간은 0.12 [s]이고 오버슈트 없이 기준치전압에 도달하는 것을 확인하였다. PSIM 시뮬레 이션인 그림 10과 매우 유사하며 설계조건을 만족시키는 것을 알 수 있다
(15)과 (19)을 사용했다. 설계한 오버슈트가 25%이하와 안정시간 2 [ms]와 유사하게 전류파형이 나오는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

하지만 본 논문에서는 3상 부스트 컨버터를 sdomain으로 모델링한 후 z-domain으로 변환하여 Matlab SISO TOOL을 통해 위상여유와 fc를 설정하여 Two-loop 시스템의 Outer loop와 Inner loop의 이득을 쉽고 동시에 얻을 수 있는 제어기 이득 설계기법을 제안하였다. 이 제어기 이득은 PSIM 시뮬레이션과 실험을 통해 성능을 입증하였고 Two-loop 시스템인 제어기를 구성하는 다른 여러 토플로지에서 제어기를 설계하는데 있어서 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제어기 설계 방법들의 단점은?	3상 부스트 컨버터 설계는 오랫동안 연구되어 온 고전적인 분야이며 주로 모델링과 제어기 설계 방법들에 대해서 다루어져 왔다. 제어기 설계 방법들은 보데선도를 이용한 방법들에서 지능제어 기법들까지 광범위하게 연구되어 왔으나, 설계 방법이 복잡하고 체계적이지 못한 단점이 있었다. 또한 전류제어기나 전압제어기를 각각 독립적으로 설계함으로써 이중-구조로 연결된 시스템의 상호 연결(cross-coupling)로 인한 제어 이득 변동을 정확히 알아 낼 수 없는 단점이 있었다[1] . 본 논문에 서는 이러한 문제점을 보완하기 위한 제어기 설계 방법을 MATLAB의 SISO TOOL을 이용하여 제시하였다.
	s-domain이 아닌 z-domain으로 변환 하여 사용하는 이유는?	제어기를 설계할 때 연속시간 영역인 s-domain상태에서 많은 계산과정을 거처 제어기를 설계를 하지만 실제로 사용할 때는 DSP와 같은 마이크로프로세서를 통해 제어하기 때문에 s-domain이 아닌 z-domain으로 변환 하여 사용하게 된다. 이러한 변환은 많은 계산과정이 요구된다[2][3] .
	3상 부스트 컨버터의 사용 분야의 대표적인 예시는?	최근, 신재생 에너지와 분산전원의 활발한 보급에 따라 계통에 연계된 3상 부스트 컨버터의 사용이 늘어가고 있다. 주된 응용 분야로는 전력저장장치(ESS), V2G, 백투백(BTB) 시스템, 전기자동차용 급속 충전기등을 대표적으로 들 수 있다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
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C. H. Kwak and G. H. Choe, "Design of single loop output voltage controller for 3 phase PWM inverterl," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 8, No. 6, pp. 561-568, Dec. 2003.

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