[논문]반도체 변압기용 단상 계통 연계형 인버터의 소신호 모델링과 제어기 설계

김보경; 이준영; 정지훈

doi:10.5370/kiee.2017.66.1.40

반도체 변압기용 단상 계통 연계형 인버터의 소신호 모델링과 제어기 설계
Small-Signal Modeling and Controller Design of Grid-Connected Inverter for Solid State Transformer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.1, 2017년, pp.40 - 47

김보경 (School of Electrical and Computer Engineering, UNIST) , 이준영 (School of Electrical and Computer Engineering, UNIST) , (School of Electrical and Computer Engineering, UNIST) , 정지훈 (School of Electrical and Computer Engineering, UNIST)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a small signal model for grid-connected inverter with unipolar pulse width modulation method is presented. Small-signal analysis allows to predict the stability and dynamics of the inverter. To regulate output voltage and to achieve power factor correction, inverter has two control loops. Loop gains are useful to identify the stability for multi-loop controlled system. Based on small-signal model, controllers are designed to improve audio susceptibility and output impedance characteristics. Proposed small-signal model and controllers are verified by PSIM simulation and experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안된 소신호 모델과 제어기는 MATLAB과 PSIM을 이용하여 인버터의 동작을 적절히 기술하는 지를 검증된다. 마지막으로 3.3 kW급 계통 연계형 인버터 시작품에서 소신호 모델의 실험적 데이터를 얻어 유도한 소신호 모델을 검증하고 제안하는 제어기 설계 및 성능을 검증하고자 한다.
본 논문에서 제안하는 계통 연계형 인버터의 소신호 모델과 제어기를 검증하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 회로 변수는 표 1과 같다.
본 논문에서는 반도체 변압기를 구성하는 단상 계통 연계형인버터에 대하여 수정된 양극성 펄스 폭 변조 방식의 소신호 모델링을 수행하여, 다양한 변동과 외란에 대한 인버터의 안정도와 동특성을 파악한다. 또한 소신호 모델을 기반으로 제어기를 설계하여 동작 영역에서 인버터의 안정적인 동작과 적절한 동특성을 확보한다.
본 논문에서는 반도체 변압기용 계통 연계형 인버터의 소신호 모델을 유도하여 검증하였다. 수학적으로 유도된 소신호 모델을 이용하여 인버터의 안정도와 동특성을 파악할 수 있다.

가설 설정

다음으로 kii를 변화시키고 나머지 세 변수를 상수로 가정하였다(kiv = 1, ωzv = 2π, ωzi = 2π).
두 번째로 ωzv를 변화시키고 나머지 세 변수를 상수로 가정하였다(kiv = 1, kii = 1, ωzi = 2Π).
마지막으로 ωzi를 변화시키고 나머지 세 변수를 상수로 가정하였다(kiv = 1, ωzv = 2π, kii = 1).
우선 전압제어기의 이득 kiv를 변화시키기 위해 나머지 세 변수를 상수로 가정하였다(전압제어기의 영점 ωzv = 2Π, 전류제어기의 이득 kii = 1, 전류제어기의 영점 ωzi = 2Π).
저항 R_L은 인덕터의 등가 직렬 저항을 나타낸다. 회로에서 인덕터를 제외한 나머지 소자들은 이상적이라고 가정하였다. 인덕터와 커패시터 양단에 걸리는 전압은 각각 v_L과 v_dc 로, 인덕터와 커패시터에 흐르는 전류는 각각 i_L과 i_C로 정의하였다.

제안 방법

인버터를 제어하기 위해서는 직류 전압을 일정하게 유지하기 위한 전압제어기와 역률을 제어하기 위한 전류제어기가 필요하다. 계통 전압과 부하 전류 변동에 대하여 인버터의 안정성과 성능을 확보하기 위하여 소신호 모델을 기반으로 PI제어기를 설계하는 방법을 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안하는 소신호 모델과 제어기의 타당성을 검증하였다.
하지만 반도체 변압기용 단상 계통 연계형 인버터는 이를 설계할 수 있는 장점이 있다. 따라서 그림 9-12를 통해 인버터 출력 임피던스를 설계하고 이에 맞게 DC-DC 컨버터의 전압 전달함수가 인버터 출력 임피던스의 영향을 받지 않도록 DC-DC 컨버터의 입력 임피던스를 설계한다.
그러므로 기존의 스위칭 방법들에 비해 스위칭 손실이 적다. 따라서 여기서는 인버터의 효율을 높이기 위하여 수정된 양극성 스위칭 방법을 적용하였다.
시스템의 안정성은 전압제어기의 영향을 많이 받으며, 전류제어기는 전압제어기에 비해 출력 임피던스 특성에 미치는 영향이 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서 전류제어기는 계통 전압 민감도와 출력 임피던스에서 피킹을 갖지 않으면서 최댓값이 가장 낮은 특성을 가지도록 설계되었다. 전압제어기는 시스템의 안정성을 해치지 않는 범위에서 계통 전압 민감도와 출력 임피던스를 최소화하도록 하였다.
본 논문에서는 반도체 변압기를 구성하는 단상 계통 연계형인버터에 대하여 수정된 양극성 펄스 폭 변조 방식의 소신호 모델링을 수행하여, 다양한 변동과 외란에 대한 인버터의 안정도와 동특성을 파악한다. 또한 소신호 모델을 기반으로 제어기를 설계하여 동작 영역에서 인버터의 안정적인 동작과 적절한 동특성을 확보한다. 제안된 소신호 모델과 제어기는 MATLAB과 PSIM을 이용하여 인버터의 동작을 적절히 기술하는 지를 검증된다.
따라서 전류제어기는 계통 전압 민감도와 출력 임피던스에서 피킹을 갖지 않으면서 최댓값이 가장 낮은 특성을 가지도록 설계되었다. 전압제어기는 시스템의 안정성을 해치지 않는 범위에서 계통 전압 민감도와 출력 임피던스를 최소화하도록 하였다.
전체 루프 이득(overall loop gain)과 바깥 루프 이득(outer loop gain)이 보여주는 시스템의 절대 안정성은 동일하므로[11],바깥 루프 이득을 이용하여 폐루프 시스템의 소신호 모델을 그림8을 통해 검증하였다.
또한 소신호 모델을 기반으로 제어기를 설계하여 동작 영역에서 인버터의 안정적인 동작과 적절한 동특성을 확보한다. 제안된 소신호 모델과 제어기는 MATLAB과 PSIM을 이용하여 인버터의 동작을 적절히 기술하는 지를 검증된다. 마지막으로 3.
인버터의 제어 목표는 직류 전압을 일정하게 유지하고, 역률을 높이는 것이다. 직류 전압을 일정하게 유지하기 위한 전압제어기와, 역률을 제어하기 위한 전류제어기에 각각 PI 제어기를 이용하였다. PI 제어기는 정상 상태 오차를 없애고, 이득 값을 조정하기 쉽다는 장점 때문에 산업에서 주로 사용된다.

대상 데이터

반도체 변압기를 구성하는 단상 계통 연계형 인버터의 토폴로지로 승압형 풀브리지를 선택하였다. 이는 간단한 회로 구성을 가지며, 양방향 4상한 운전이 가능하다.
3 kW급 계통 연계형 인버터 시작품을 보여준다. 제어용 DSP로 TI사의 TMS320F28335를 이용하였다.

데이터처리

그림 4는 개루프 시비율-출력 전압 전달 함수의 보드 선도이며, 그림 5는 개루프 시비율-인덕터 전류 전달 함수의 보드 선도이다. 그림 4와 5에서 그림6에 제시된 PSIM 모의시험 소프트웨어를 이용하여 본 논문에서 제시한 각각의 전달 함수의 수학적 모델의 타당성을 검증하였다. 모의시험에 사용된 회로 변수는 표1과 같다.

성능/효과

5%에 들어오는 정착 시간은 154 ms이다. 계단 부하 응답에서의 인버터의 안정적인 동작과 적절한 동특성을 통해 본 논문에서 제안하는 제어기설계 방법의 타당성을 확인할 수 있다.
점근적 분석 기법의 사용과 실제 실험에서 이상적인 계단 응답을 구현할 수 없음에서 오차가 발생할 수 있다는 점을 고려할 때, 소신호 모델에 기인하는 오차는 매우 작음을 유추할 수 있다. 따라서 본 논문에서 유도한 수정된 양극성 펄스 폭 변조 방법을 가지는 인버터의 소신호 모델의 정확성을 확인할 수 있다. 단계적 부하 변화에서 출력 전압이 정상 상태 전압의 ±2.
시뮬레이션과 실험을 통하여 제안하는 소신호 모델과 제어기의 타당성을 검증하였다. 소신호 모델과 점근적 분석 기법을 이용하여 추정한 출력 전압의 이론적 해석 결과와 실험 결과의 비교를 통해 소신호 모델의 정확성을 확인하고, 계단 부하 응답에서의 언더슈트와 정착 시간을 통해 인버터의 안정성과 동특성을 확인하였다.
계통 전압과 부하 전류 변동에 대하여 인버터의 안정성과 성능을 확보하기 위하여 소신호 모델을 기반으로 PI제어기를 설계하는 방법을 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안하는 소신호 모델과 제어기의 타당성을 검증하였다. 소신호 모델과 점근적 분석 기법을 이용하여 추정한 출력 전압의 이론적 해석 결과와 실험 결과의 비교를 통해 소신호 모델의 정확성을 확인하고, 계단 부하 응답에서의 언더슈트와 정착 시간을 통해 인버터의 안정성과 동특성을 확인하였다.
이론적인 분석 결과에 따르면, 출력 임피던스를 감소시키기 위해 루프 이득을 증가시키는 것은 시스템의 불안정성을 야기할 수 있다. 시스템의 안정성은 전압제어기의 영향을 많이 받으며, 전류제어기는 전압제어기에 비해 출력 임피던스 특성에 미치는 영향이 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서 전류제어기는 계통 전압 민감도와 출력 임피던스에서 피킹을 갖지 않으면서 최댓값이 가장 낮은 특성을 가지도록 설계되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 교류 계통의 배전에 사용되는 변압기의 장단점은?	현재 교류 계통의 배전에 사용되는 변압기는 효율과 신뢰성이 높으며 내구성이 우수하지만, 전력을 제어할 수 없어 입력 전력에 따라 공급되는 전력의 품질이 결정된다는 단점이 있다. 또한 계통 전원 주파수인 50 혹은 60 Hz의 저주파를 이용하므로 변압기의 무게와 부피가 크며, 절연유를 사용하기 때문에 환경 문제와도 관련이 있다[1].
	인버터를 제어하기 위하여 어떤 방법이 사용되는가?	인버터를 제어하기 위하여 주로 양극성 또는 단극성 펄스 폭 변조 방법이 사용된다. 양극성 펄스 폭 변조 방법은 대각에 위치한 2개의 스위치가 동시에 스위칭하기 때문에 제어하기 용이하다는 장점이 있지만 모든 스위치들이 한꺼번에 스위칭하기 때문에 스위칭 손실이 크다.
	반도체 변압기의 장점은?	반도체 변압기는 계통 전원 주파수보다 높은 수십 kHz 이상의 주파수로 스위칭이 가능하므로 수동소자의 무게와 부피를 상당히 줄일 수 있다[2]. 그리고 전력 계통 혹은 부하 중 한 쪽에 문제가 발생할 경우 다른 쪽을 보호하는 기능을 가지며, 양방향 전력 제어가 가능하여 신재생 에너지원과 전기자동차 등의 계통연계를 가능하게 한다. 또한 전력 수요와 공급의 변화에 신속하게 대응할 수 있고, 고품질의 전력 공급이 가능하다는 것도 반도체 변압기의 장점이다[1,3,4].

참고문헌 (11)

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상세보기
Zhao Qinglin, Xu Yunhua, Jin Xiaoyi, Wu Weiyang and Cao Lingling, "DSP-based closed-loop control of bi-directional voltage mode high frequency link inverter with active clamp," Fourtieth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2005 Industry Applications Conference, 2005., 2005, pp. 928-933 Vol. 2.
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상세보기
B. Choi, Pulsewidth Modulated DC-to-DC Power Conversion : Circuits, Dynamics, and Control Designs, Wiley-IEEE Press, pp. 465-558, 2013

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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