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문제 정의
- 본 논문에서는 SOGI를 이용한 새로운 데드타임 보상알고리즘이 제안되었다. 또한 단상 계통연계형 인버터에서 데드타임의 영향을 동기좌표계 dq축 전류를 기준으로 상세히 분석되었으며 특히, 데드타임 이외에 직류단 전압의 변동시 계통측 상전류에 홀수차 고조파 성분에 영향을 미침을 확인하였다.
- 본 논문에서는 특정 주파수의 신호를 통과시키는 특성을 가지는 SOGI(Second-order Generalized Integrator)와 비례이득을 갖는 새로운 데드타임 보상 알고리즘이 제안되었다. 또한 단상 계통연계형 인버터의 데드타임에 따른 계통측 상전류의 영향을 좌표계상에서 상세히 분석하였다.
제안 방법
- 또한 Look-up 테이블을 이용하여 데드타임의 영향을 완화시키는 기법도 제안되었다[6]. 데드타임 보상 전의 크기는 피크 전류에 따라 좌우되는데 이를 테이블을 사용하여 보상함으로써 개선된 성능의 데드타임 보상기법을 구현하였다. 다른 기법으로는 데드타임에 의한 맥동을 적분기를 통해 그 크기를 검출하여 전향보상하는 기법과 적응 제어기를 통한 데드타임 보상기법을 소개하였다[7]-[10].
- 데드타임에 의한 영향을 상세히 살펴보기 위해 그림13에서 제안된 데드타임 보상 알고리즘 사용 전·후의 상전류 및 직류단 전압을 확대한 파형을 보여준다.
- 그 결과 정지 좌표계에서는 데드타임에 의한 홀수차 고조파 (1, 3, 5…)가 발생하였으며 좌표변환 시 동기 좌표계에서는 짝수차 고조파 (2, 4…)가 야기됨을 확인하였다. 따라서 정지 좌표계에 비해 고조파 차수의 개수가 적은 동기 좌표계상에서 데드타임의 영향을 전류 제어기의 출력전압에 전향보상 함으로써 2개의 보상기를 사용하여 데드타임을 보상한다. 이를 통해 비교적 빠른 연산속도와 외부적인 하드웨어를 필요로 하지 않고 구현이 가능한 장점을 갖는다.
- 본 논문에서는 특정 주파수의 신호를 통과시키는 특성을 가지는 SOGI(Second-order Generalized Integrator)와 비례이득을 갖는 새로운 데드타임 보상 알고리즘이 제안되었다. 또한 단상 계통연계형 인버터의 데드타임에 따른 계통측 상전류의 영향을 좌표계상에서 상세히 분석하였다. 그 결과 정지 좌표계에서는 데드타임에 의한 홀수차 고조파 (1, 3, 5…)가 발생하였으며 좌표변환 시 동기 좌표계에서는 짝수차 고조파 (2, 4…)가 야기됨을 확인하였다.
- 직류단 커패시터의 용량은 2200uF, 리액터 인덕턴스의 용량은 3mH로 사용하였다. 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 직류단 전압의 변동에 따른 데드타임의 영향을 확인하기 위하여 데드타임 2[us]에서 직류단 전압을 320[V]부터 350[V]로 변화하며 실험을 수행하였다.
- 제안된 데드타임 보상 알고리즘의 보상 효과를 정량적으로 비교해 보기 위해서 계통에 주입되는 상전류의 THD와 저차 고조파 성분 3개의 크기를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 상전류의 순시치는 1[A]이며, 보상 전 THD는 8%로 나타났으나, 보상 후 직류단 전압의 증가에 따라 각각 3%와 4%로 상전류 THD가 개선됨을 알 수 있다.
대상 데이터
- 동기 좌표계 dq축 전류의 오차항은 ‘0’으로 수렴되도록 제어되므로 맥동 검출에 용이하다. 따라서 동기 좌표계 dq축 전류의 오차항을 제안된 데드타임 보상 알고리즘의 입력 신호로 선정하였다. 또한 동기 좌표계 PI 전류제어기를 보상 기준신호로 사용함으로서 정지 좌표계에 비해 보상기를 2개로 줄일 수 있는 장점이 있다.
데이터처리
- 제안한 데드타임 보상 알고리즘의 성능을 확인하기위해 Matlab/Simulink를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 7은 단상 계통연계형 인버터의 시뮬레이션블록을 나타내며 전력변환회로, 직류단 전압 제어기, 전류 제어기, 계통측 위상각 추정 알고리즘 등으로 구성되어 있다.
이론/모형
- 8. Output current and FFT results before and after using the proposed compensation algorithm (Vdc = 320[V]).
- 9. Output current and FFT results before and after using the proposed compensation algorithm (Vdc = 350[V]).
성능/효과
- 그림 11은 데드타임 보상 전의 직류단 전압, 계통측상전류 및 FFT 결과를 각각 보여준다. 그림 11(a)와 그림 11(b)로부터 직류단 전압이 320[V]에서 350[V]로 증가함에 따라 데드타임에 의한 계통측 상전류에 포함된 홀수차 고조파의 크기가 증가함을 확인할 수 있다.
- 그림 12는 제안된 데드타임 보상 알고리즘을 적용한 후의 결과파형을 나타낸다. 그림 12(a)와 그림 12(b)에서 직류단 전압의 변동에 상관없이 제안된 알고리즘을 사용하여 효과적으로 데드타임이 보상됨을 FFT 결과를 통해 확인할 수 있다.
- 제안된 알고리즘은 추가적인 하드웨어가 필요 없으며 계통측 전압 및 상전류 정보만으로 구현이 가능한 장점이 있다. 계통측 상전류에 포함된 데드타임에 의한 고조파는 동기 좌표계 dq축 전류의 오차항을 ‘0’으로 제어함으로써 효과적으로 보상되었다. 제안된 알고리즘의 유용성은 시뮬레이션과 실험을 통해 그 성능을 증명하였다.
- 그 결과 데드타임의 영향으로 정지 좌표계 dq축 전류에는 홀수차(1, 3, 5…) 고조파가 발생하며 좌표변환 시동기 좌표계 dq축 전류에는 짝수차(2, 4…) 고조파가 나타나는 것을 알 수 있다.
- 그 결과 정지 좌표계에서는 데드타임에 의한 홀수차 고조파 (1, 3, 5…)가 발생하였으며 좌표변환 시 동기 좌표계에서는 짝수차 고조파 (2, 4…)가 야기됨을 확인하였다.
- 본 논문에서는 SOGI를 이용한 새로운 데드타임 보상알고리즘이 제안되었다. 또한 단상 계통연계형 인버터에서 데드타임의 영향을 동기좌표계 dq축 전류를 기준으로 상세히 분석되었으며 특히, 데드타임 이외에 직류단 전압의 변동시 계통측 상전류에 홀수차 고조파 성분에 영향을 미침을 확인하였다. 제안된 알고리즘은 추가적인 하드웨어가 필요 없으며 계통측 전압 및 상전류 정보만으로 구현이 가능한 장점이 있다.
- 따라서 동기 좌표계 dq축 전류의 오차항을 제안된 데드타임 보상 알고리즘의 입력 신호로 선정하였다. 또한 동기 좌표계 PI 전류제어기를 보상 기준신호로 사용함으로서 정지 좌표계에 비해 보상기를 2개로 줄일 수 있는 장점이 있다.
- 하지만 이러한 기존의 SOGI를 사용하여 앞서 전개된 식 (7)의 동기 좌표계 dq축 전류에 포함된 데드타임에 의한 2차 및 4차 고조파를 보상하는 경우, 대역폭 이득을 조정하여 입력 신호의 특정 주파수와 동일한 크기와 위상의 신호만을 검출하게 되어 출력 신호의 이득 조정이 불가능하므로 정확한 보상특성을 기대하기 어렵다. 반면, 제안된 SOGI 기반의 데드타임 보상 알고리즘은 대역폭 이득을 조정하여 입력되는 특정 주파수 신호의 크기와 위상을 정확히 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 출력부에 비례이득을 추가함으로써 출력 신호의 이득을 조절할 수 있어 제어기 구현이 용이하고 기존의 SOGI에 비해 개선된 동작특성을 가진다.
- 그림 8은 320[V]의 직류단 전압에서 제안된 데드타임보상 알고리즘 적용 전·후의 계통측 상전류 파형과 FFT결과를 나타낸다. 보상 전 데드타임에 의해 왜곡된 계통측 상전류의 THD는 5.74%이며 데드타임 보상 후 0.37%로 크게 개선됨을 보인다. 그림 9는 350[V]의 직류단 전압에서 제안된 데드타임 보상 알고리즘 적용 전·후의 계통측 상전류 파형과 FFT 결과를 나타낸다.
- 제안된 데드타임 보상 알고리즘의 보상 효과를 정량적으로 비교해 보기 위해서 계통에 주입되는 상전류의 THD와 저차 고조파 성분 3개의 크기를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 상전류의 순시치는 1[A]이며, 보상 전 THD는 8%로 나타났으나, 보상 후 직류단 전압의 증가에 따라 각각 3%와 4%로 상전류 THD가 개선됨을 알 수 있다. 상전류의 크기가 비교적 작음에도 제안된 보상 알고리즘이 잘 동작함을 보인다.
- 상전류의 순시치는 1[A]이며, 보상 전 THD는 8%로 나타났으나, 보상 후 직류단 전압의 증가에 따라 각각 3%와 4%로 상전류 THD가 개선됨을 알 수 있다. 상전류의 크기가 비교적 작음에도 제안된 보상 알고리즘이 잘 동작함을 보인다.
- 이를 통해 비교적 빠른 연산속도와 외부적인 하드웨어를 필요로 하지 않고 구현이 가능한 장점을 갖는다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 직류단 전압이 변동하는 경우에도 제안된 알고리즘이 효과적임을 검증하였다.
- 또한 단상 계통연계형 인버터에서 데드타임의 영향을 동기좌표계 dq축 전류를 기준으로 상세히 분석되었으며 특히, 데드타임 이외에 직류단 전압의 변동시 계통측 상전류에 홀수차 고조파 성분에 영향을 미침을 확인하였다. 제안된 알고리즘은 추가적인 하드웨어가 필요 없으며 계통측 전압 및 상전류 정보만으로 구현이 가능한 장점이 있다. 계통측 상전류에 포함된 데드타임에 의한 고조파는 동기 좌표계 dq축 전류의 오차항을 ‘0’으로 제어함으로써 효과적으로 보상되었다.
- 계통측 상전류에 포함된 데드타임에 의한 고조파는 동기 좌표계 dq축 전류의 오차항을 ‘0’으로 제어함으로써 효과적으로 보상되었다. 제안된 알고리즘의 유용성은 시뮬레이션과 실험을 통해 그 성능을 증명하였다.
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