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문제 정의
- 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 새로운 단일 반송파와 비교를 하는 PWM의 구현 방법을 제안한다. 또한 비엔나 컨버터의 교류 입력 전류제어기에 PI 제어기와 PR 제어기를 비교해 본다.
- 본 논문은 10[kW]급 비엔나 컨버터를 이용해 전류제어에서 PI 제어와 PR 제어의 성능을 비교를 하였고, 단일 반송파를 이용한 SVPWM의 새로운 구현방법을 제안하였다. 먼저 PI 제어와 PR 제어에서의 입력전류의 모양과 THD를 비교했을 때, PR 전류제어를 사용한 경우가 우수한 것을 시뮬레이션을 통해서 확인을 할 수 있었다.
제안 방법
- 또한 비엔나 컨버터의 교류 입력 전류제어기에 PI 제어기와 PR 제어기를 비교해 본다. PWM 구현 방법에서 2개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법 및 제안하는 새로운 방법에 대해서 효율, THD 및 스위치의 선간전압을 비교한다. 그리고 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용해 시뮬레이션을 먼저 수행하고, 10kW급 비엔나 컨버터 시스템을 제작하여 실제 실험을 통해서 결과를 확인한다.
- 전압제어기는 동일한 PI 제어기를 사용하고, 전류제어기는 PI 제어기와 PR 제어기를 각각 사용하며 동일한 PWM 방법으로 전류파형을 비교한다. 그리고 DC 전압제어기와 PI 제어기 혹은 PR제어기 중 우수한 전류제어기를 이용하여, 2개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법, 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법, 새롭게 제안하는 방법에 대해서 스위치의 선간전압과 전류의 THD를 비교하도록 한다.
- PWM 구현 방법에서 2개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법 및 제안하는 새로운 방법에 대해서 효율, THD 및 스위치의 선간전압을 비교한다. 그리고 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용해 시뮬레이션을 먼저 수행하고, 10kW급 비엔나 컨버터 시스템을 제작하여 실제 실험을 통해서 결과를 확인한다.
- 이때 전류제어기는 PI 제어기 혹은 PR 제어기를 사용한다. 그리고 전류제어기 출력인 Van*,Vbn*, Vcn*으로 전압변조의 한주기 내에 정중앙에 위치하는 SVPWM의 특성을 이용한 옵셋전압을 사용해서 단자전압 명령을 생성한다. 생성된 단자전압 명령을 2개의 반송파 비교방법 혹은 단일 반송파와 절대값을 취한 단자전압 명령 비교방법 혹은 제안하는 새로운 PWM 방법으로 스위치(Sa, Sb, Sc)의 ON/OFF 명령을 구해서 비엔나 컨버터를 동작시킨다.
- 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 새로운 단일 반송파와 비교를 하는 PWM의 구현 방법을 제안한다. 또한 비엔나 컨버터의 교류 입력 전류제어기에 PI 제어기와 PR 제어기를 비교해 본다. PWM 구현 방법에서 2개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법 및 제안하는 새로운 방법에 대해서 효율, THD 및 스위치의 선간전압을 비교한다.
- 반송파를 이용한 SVPWM 구현 방법은 기존에 제시된 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법이 제안되어 있었고, 본 논문에서는 단일 반송파와 전압지령의 양의 구간에서는 전압지령을 비교하고 전압지령의 음의 구간에서는 전압지령의 기존 구간인 –1[V]~1[V]의 범위에서 +1[V]를 더해서 0[V]~2[V]의 새로운 전압지령을 비교하는 방법을 제안한다.
- 본 논문에서 비엔나 컨버터의 전체적인 시스템은 전압제어기, 전류제어기 PWM 방법으로 구성된다. 전압제어기는 부하전력의 전향보상을 가지는 PI 제어기를 사용하며, 전류제어기는 PI(Proportional Integral) 제어기 혹은 PR(Proportional Resonant)제어기를 사용하여 성능을 비교한다.
- 표 2의 시스템 정수를 이용해서 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용하여 진행한다. 본 논문은 10[kW] 비엔나 컨버터를 사용하며 안정적인 동작을 위해 한 번에 전부하로 동작을 시키는 것이 아닌 경부하에서 전부하로 키우는 시뮬레이션을 진행한다. 전압제어기는 동일한 PI 제어기를 사용하고, 전류제어기는 PI 제어기와 PR 제어기를 각각 사용하며 동일한 PWM 방법으로 전류파형을 비교한다.
- 그리고 전류제어기 출력인 Van*,Vbn*, Vcn*으로 전압변조의 한주기 내에 정중앙에 위치하는 SVPWM의 특성을 이용한 옵셋전압을 사용해서 단자전압 명령을 생성한다. 생성된 단자전압 명령을 2개의 반송파 비교방법 혹은 단일 반송파와 절대값을 취한 단자전압 명령 비교방법 혹은 제안하는 새로운 PWM 방법으로 스위치(Sa, Sb, Sc)의 ON/OFF 명령을 구해서 비엔나 컨버터를 동작시킨다.
- 본 논문에서는 그림 15처럼 10[kW] 비엔나 컨버터의 구성을 하였다. 실험을 위해 Power Analyzer, Load Bank, Oscilloscope,Vienna Converter를 사용하며, 전류제어기에 PI 제어기 혹은 PR 제어기를 사용하였을 때 전류 THD를 비교해 보고, 3가지 SVPWM의 구현 방법에 대해서 스위치의 선간전압, 전류 THD 및 시스템 효율을 확인해 본다.
- 본 논문은 10[kW] 비엔나 컨버터를 사용하며 안정적인 동작을 위해 한 번에 전부하로 동작을 시키는 것이 아닌 경부하에서 전부하로 키우는 시뮬레이션을 진행한다. 전압제어기는 동일한 PI 제어기를 사용하고, 전류제어기는 PI 제어기와 PR 제어기를 각각 사용하며 동일한 PWM 방법으로 전류파형을 비교한다. 그리고 DC 전압제어기와 PI 제어기 혹은 PR제어기 중 우수한 전류제어기를 이용하여, 2개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법, 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법, 새롭게 제안하는 방법에 대해서 스위치의 선간전압과 전류의 THD를 비교하도록 한다.
- 본 논문에서 비엔나 컨버터의 전체적인 시스템은 전압제어기, 전류제어기 PWM 방법으로 구성된다. 전압제어기는 부하전력의 전향보상을 가지는 PI 제어기를 사용하며, 전류제어기는 PI(Proportional Integral) 제어기 혹은 PR(Proportional Resonant)제어기를 사용하여 성능을 비교한다. 교류입력 전류제어기에서 PI 제어기는 정상상태 오차와 외란제거 능력이 낮으므로 계통에서 만족할만한 성과를 얻지 못하나, 현장에서 이득설정이 용이하므로 일반적으로 사용된다.
- 표 2의 시스템 정수를 이용해서 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용하여 진행한다. 본 논문은 10[kW] 비엔나 컨버터를 사용하며 안정적인 동작을 위해 한 번에 전부하로 동작을 시키는 것이 아닌 경부하에서 전부하로 키우는 시뮬레이션을 진행한다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 그림 15처럼 10[kW] 비엔나 컨버터의 구성을 하였다. 실험을 위해 Power Analyzer, Load Bank, Oscilloscope,Vienna Converter를 사용하며, 전류제어기에 PI 제어기 혹은 PR 제어기를 사용하였을 때 전류 THD를 비교해 보고, 3가지 SVPWM의 구현 방법에 대해서 스위치의 선간전압, 전류 THD 및 시스템 효율을 확인해 본다.
성능/효과
- 그림 16은 시스템 동작을 나타낸 실험파형이다. 2.1[kW] 부하를 사용하며 비엔나 컨버터가 동작하기 전에는 3상 다이오드 정류기 동작으로 Vdc 값이 500[V]가 출력되며 컨버터 동작 시에 650[V]의 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있다.
- 스위치 선간전압을 비교하면 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 제안하는 방법에서는 스위치의 선간전압 Vs_line_line이 0[V]~Vdc/2[V], Vdc/2[V]~Vdc[V], 0[V]~-Vdc/2[V], -Vdc/2[V]~-Vdc[V]로 출력되며, 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법에서는 0[V]~Vdc/2[V],0[V]~Vdc[V], 0[V]~-Vdc/2[V], 0[V]~-Vdc[V]로 출력된다. 각각 THD와 효율은 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법은 효율: 97.88%, THD-R : 5.38%, THD-F : 5.39%를 나타낸다. 단일 반송파와 절대값을 취한 전압지령을 이용한 비교방법은 효율 : 96.
- 결과적으로는 제안하는 새로운 방법이 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 동일한 스위치 선간전압을 만들어 냈지만 구현에 대한 편리성이 있었다. 그리고 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법과 동일하게 단일 반송파를 사용하지만 스위치의 선간전압이 좋은 3-Level 형태로 출력됨에 따라 THD와 효율이 상승한 것을 확인할 수 있었다.
- 이상의 실험을 통해서 얻은 결론은 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법은 스위치의 선간전압인 Vs_line_line 파형이 완벽한 3-Level 형태를 만들어내지 못하며, 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법에 비해서 구현은 쉽지만 효율은 낮고 THD는 높게 나타났다. 그러나 제안하는 새로운 방법은 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법에 비해서 구현하기가 쉽고, 반송파를 이용한 SVPWM의 3가지 구현 방법 중에서 가장 높은 효율이 높으며 가장 낮은THD를 얻을 수 있다.
- 결과적으로는 제안하는 새로운 방법이 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 동일한 스위치 선간전압을 만들어 냈지만 구현에 대한 편리성이 있었다. 그리고 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법과 동일하게 단일 반송파를 사용하지만 스위치의 선간전압이 좋은 3-Level 형태로 출력됨에 따라 THD와 효율이 상승한 것을 확인할 수 있었다.
- 먼저 PI 제어와 PR 제어에서의 입력전류의 모양과 THD를 비교했을 때, PR 전류제어를 사용한 경우가 우수한 것을 시뮬레이션을 통해서 확인을 할 수 있었다. 그리고 실험을 통해서도 PI 전류제어로 구성한 시스템에서는 THD-R : 8.60%, THD-F : 8.63%를 나타내고, PR 전류제어로 구성한 시스템에서는 THD-R : 4.91%, THD-F : 4.92%를 나타내는 것을 통해 PR 전류제어로 구성하는 시스템이 전류제어 응답 특성이 더 좋은 것을 확인할 수 있었다.
- 39%를 나타낸다. 단일 반송파와 절대값을 취한 전압지령을 이용한 비교방법은 효율 : 96.96%, THD-R : 7.55%, THD-F : 7.58%를 나타낸다. 마지막으로 제안하는 방법은 효율 : 98.
- 반송파를 이용한 SVPWM 구현 방법은 기존에 제시된 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법이 제안되어 있었고, 본 논문에서는 단일 반송파와 전압지령의 양의 구간에서는 전압지령을 비교하고 전압지령의 음의 구간에서는 전압지령의 기존 구간인 –1[V]~1[V]의 범위에서 +1[V]를 더해서 0[V]~2[V]의 새로운 전압지령을 비교하는 방법을 제안한다. 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 제안하는 방법은 0[V]~Vdc/2[V], Vdc/2[V]~Vdc[V], 0V~-Vdc/2[V], -Vdc/2[V]~-Vdc[V]로 출력되는 동일한 스위치의 선간전압을 확인할 수 있었으나, 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법은 0[V]~Vdc/2[V], 0[V]~Vdc[V], 0[V]~-Vdc/2[V], 0[V]~-Vdc[V]로 출력되는 스위치 선간전압을 확인할 수 있었다. 선간전압이 다르게 나오는 이유는 스위치의 On과 Off의 시간에 따른 차이로 나타난다.
- 부하가 감소함에 따라 순간적으로 Vdc 값이 650[V]에서 670[V]로 20[V]의 전압이상승하며 60[ms]이내로 정상상태로 돌아오는 것을 확인할 수 있다. 또한 a상 입력전류 Iin_a와 부하전류 Iout은 부하가 2배 정도 감소함에 따라 전류의 크기 또한 0.5배 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- PI 제어기로 구성한 시스템에서의 전류파형은 PR 제어기로 구성한 시스템에서의 전류파형보다 정현파 형태가 아닌 왜곡이 많이 포함된 것을 알 수 있다. 또한 수치상으로 PI 제어기로 구성한 시스템에서는THD-R : 8.60%, THD-F : 8.63%를 출력하고, PR 제어기로 구성한 시스템에서는 THD-R : 4.91%, THD-F : 4.92%를 출력한다. 이를 통해 PR 제어기로 구성한 시스템이 PI 제어기로 구성한 시스템보다 전류응답 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
- 3가지 방법의 차이는 스위치의 선간전압이 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 새롭게 제안하는 방법에서는 0[V]~Vdc/2[V], Vdc/2[V]~Vdc[V], 0[V]~-Vdc/2[V],-Vdc/2[V]~-Vdc[V]로 출력되며, 단일 반송파와 절대값을 취한 전압지령을 이용한 비교방법은 0[V]~Vdc/2[V], 0[V]~Vdc[V],0[V]~-Vdc/2[V], 0[V]~-Vdc[V]로 출력되는 것을 확인할 수 있다. 또한 이로 인해 전류 모양도 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법만 Peak 값에서 흔들리는 것을 확인할 수 있다. 또한 전류의 THD는 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 제안하는 방법에서는 0.
- 또한 이로 인해 전류 모양도 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법만 Peak 값에서 흔들리는 것을 확인할 수 있다. 또한 전류의 THD는 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 제안하는 방법에서는 0.04이 출력되며, 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법에서는 0.85가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
- 58%를 나타낸다. 마지막으로 제안하는 방법은 효율 : 98.02%, THD-R : 5.25%,THD-F : 5.26%를 나타낸다. 이상의 실험을 통해서 얻은 결론은 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법은 스위치의 선간전압인 Vs_line_line 파형이 완벽한 3-Level 형태를 만들어내지 못하며, 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법에 비해서 구현은 쉽지만 효율은 낮고 THD는 높게 나타났다.
- 본 논문은 10[kW]급 비엔나 컨버터를 이용해 전류제어에서 PI 제어와 PR 제어의 성능을 비교를 하였고, 단일 반송파를 이용한 SVPWM의 새로운 구현방법을 제안하였다. 먼저 PI 제어와 PR 제어에서의 입력전류의 모양과 THD를 비교했을 때, PR 전류제어를 사용한 경우가 우수한 것을 시뮬레이션을 통해서 확인을 할 수 있었다. 그리고 실험을 통해서도 PI 전류제어로 구성한 시스템에서는 THD-R : 8.
- 그림 17(a)는 부하가 상승하는 실험파형이며 순간적으로 Vdc는 감소하게 되는데, 이때 650[V]에서 630[V]로 20[V]의 전압이 감소가 되며 60[ms]이내로 정상상태 전압으로 회복하게 된다. 부하가 2배 정도 상승함에 따라 a상 입력전류 Iin_a와 부하전류 Iout은 동작 후에 2배로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 17(b)는 부하가 감소하는 실험파형이다.
- 8%가 나오는 것에 비해 PR 전류제어기를 사용한 그림 13(b)는 THD가 4% 나오는 것을 확인할 수 있다. 이것을 통해 PI 전류제어기로 동작시킨 입력전류 파형의 왜곡현상이 PR 전류제어기에 비해 심하다는 것을 확인할 수 있다. 제어기의 이득값은 동일한 전압제어기를 사용하였으며 PI 전류제어기의 wn_c=600, ςc=2, Kp_c=0.
- 92%를 출력한다. 이를 통해 PR 제어기로 구성한 시스템이 PI 제어기로 구성한 시스템보다 전류응답 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
- 이를 통해 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법과 제안하는 방법은 전류의 THD와 스위치 선간전압이 동일하게 출력되는 것을 확인할 수 있고, 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법은 다른 2가지 방법과 비교해 볼 때 스위치 선간전압이 완벽한 3-Level 출력이 되지 못하며 입력전류의THD도 더 높게 나타난다.
- 26%를 나타낸다. 이상의 실험을 통해서 얻은 결론은 단일 반송파와 전압지령의 절대값을 이용한 비교방법은 스위치의 선간전압인 Vs_line_line 파형이 완벽한 3-Level 형태를 만들어내지 못하며, 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법에 비해서 구현은 쉽지만 효율은 낮고 THD는 높게 나타났다. 그러나 제안하는 새로운 방법은 두 개의 반송파와 전압지령을 이용한 비교방법에 비해서 구현하기가 쉽고, 반송파를 이용한 SVPWM의 3가지 구현 방법 중에서 가장 높은 효율이 높으며 가장 낮은THD를 얻을 수 있다.
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