[논문]주택용 단상 ESS-PCS의 전압손실과 직류링크 맥동을 고려한 직류측 배터리 사이즈 및 제어기 설계

김용중; 이진성; 김효성

doi:10.6113/tkpe.2018.23.2.94

주택용 단상 ESS-PCS의 전압손실과 직류링크 맥동을 고려한 직류측 배터리 사이즈 및 제어기 설계
Design of DC Battery Size & Controller for Household Single-Phase ESS-PCS Considering Voltage Drop and DC Link Voltage Ripple 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.2, 2018년, pp.94 - 100

김용중 (Dept. of Electrical, Electronic and Control Eng., Kongju National University) , 이진성 (Dept. of Electrical, Electronic and Control Eng., Intech-FA) , 김효성 (Div. of Electrical, Electronic and Control Eng., Kongju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, in a single-phase energy storage system (ESS) for households, AC ripple component with twice the fundamental frequency exists inevitably in the DC link voltage of single-phase PCS. In the grid-connected mode of a single-phase inverter, the AC ripple component in the DC link voltage causes low-order harmonics on grid-side current that deteriorates power quality on an AC grid. In this work, a control system adopting a feedforward controller is established to eliminate the AC ripple interference on the DC link side. Optimal battery nominal voltage design method is also proposed by considering the voltage loss and AC ripple voltage on DC link side in a single-phase ESS. Finally, the control system and battery nominal voltage design method are verified through simulations and experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 교류 그리드측에 주입되는 단상계통연계형 인버터의 교류측 전류제어에 있어서 직류링크측에서의 맥동성분 간섭을 제거하기 위해 피드포워드 제어기를 채택한 제어 시스템을 수립하고, 인버터의 전압 손실과 직류링크측 맥동전압을 고려한 배터리 공칭 전압 설계 방법을 제안한다. 또한 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 제어 시스템 및 배터리 공칭 전압 설계 방법의 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 단상 계통연계형 인버터 교류출력단의 그리드 주입전류 제어에 있어서 직류링크측 맥동전압의 영향을 제거하기 위한 피드포워드 제어방법 및 배터리 공칭전압설계를 검증하기 위해 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 주택용 단상 계통연계 인버터의 직류측 배터리의 최적 공칭전압 설계법을 제안하였다. 또한 직류링크측에서 발생되는 맥동전압의 간섭을 제거를 위한 피드포워드 제어방법을 제안하였고, 그에 따른 변조 지수의 변화를 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 교류 그리드측에 주입되는 단상계통연계형 인버터의 교류측 전류제어에 있어서 직류링크측에서의 맥동성분 간섭을 제거하기 위해 피드포워드 제어기를 채택한 제어 시스템을 수립하고, 인버터의 전압 손실과 직류링크측 맥동전압을 고려한 배터리 공칭 전압 설계 방법을 제안한다. 또한 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 제어 시스템 및 배터리 공칭 전압 설계 방법의 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 주택용 단상 계통연계 인버터의 직류측 배터리의 최적 공칭전압 설계법을 제안하였다. 또한 직류링크측에서 발생되는 맥동전압의 간섭을 제거를 위한 피드포워드 제어방법을 제안하였고, 그에 따른 변조 지수의 변화를 분석하였다. 본 논문에서 제안한 설계 사양, 효율, 맥동을 고려한 배터리의 공칭전압 설계는 계통연계형 단상인버터의 사양에 대한 최적의 배터리공칭 전압을 설계할 수 있다는 장점이 있다.
본 논문에서는 제안된 이론을 검증하기 위하여 공칭 전압이 48V인 납산배터리를 채용한 3kW급 주택용 ESS를 구축하였다. 실험조건에서 납산배터리의 SOC=100% 이고, 계통전압은 220V이다.

성능/효과

그림 6은 30% 부하조건에서 직류링크측 전압과 단상 인버터 출력전압 파형을 보이며, 그림 6(a)는 피드포워드 제어가 적용되지 않은 경우에 대한 실험파형을 나타내고 그림 6(b)는 피드포워드 제어가 적용된 경우에 대한 실험파형을 나타낸다. 그림 6(a)를 통해 부하가 증가 할수록 직류링크측 전압의 맥동성분이 증가함을 확인 할 수 있고, 직류링크측 전압 피드포워드 제어가 적용되지 않은 경우 인버터 교류측 출력전압의 THD는 4.88% 임을 확인 할 수 있다. 반면, 직류링크측 전압 피드포워드 제어가 적용될 경우 직류링크측 전압이 맥동성분이 존재함에도 불구하고 그림 6(b)의 인버터 교류측 출력전압 THD가 2.
이때, 직류링크측 전압은 계통주파수의 두 배로 맥동하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 계통전압의 크기가 1.1[pu] 조건임에도 불구하고 설계전압에 대한 최대 변조지수 역시 0.9 이하로 안정되게 동작됨을 확인 하였다. 그림 4(b)는 설계전 압에 대한 SOC 0% 조건에서 변압기 1차측 전류 FFT 파형을 보이며 계통전압의 THD가 6%임에도 불구하고 변압기 1차측 전류의 THD는 3.
이때, 직류링크측 전압은 계통주파수의 두 배로 맥동하는 것을 확인할 수 있다. 또한 계통전압의 크기가 1.1[pu] 조건임에도 불구하고 설계전압에 대한 최대 변조지수는 0.9 이하로 안정되게 동작됨을 확인 하였다. 그림 3(b)는 설계전압에 대한 SOC 100%조건에서 변압기 1차측 전류 FFT파형을 보이며 계통전압의 THD가 6%임에도 불구하고 변압기 1차측 전류의 THD는 4.
또한 직류링크측에서 발생되는 맥동전압의 간섭을 제거를 위한 피드포워드 제어방법을 제안하였고, 그에 따른 변조 지수의 변화를 분석하였다. 본 논문에서 제안한 설계 사양, 효율, 맥동을 고려한 배터리의 공칭전압 설계는 계통연계형 단상인버터의 사양에 대한 최적의 배터리공칭 전압을 설계할 수 있다는 장점이 있다.
표 2는 48VDC/3kW 단상 PCS에서 부하에 따른 직류 링크측 전압 피드포워드 제어 실험결과를 나타낸다. 표2의 실험결과를 통해 부하가 증가함에 따라 직류링크측 전압 피드포워드 제어에 따른 인버터 교류측 전압에서 발생하는 왜곡의 감소효과가 향상됨을 보인다. 이는 인버터 교류측 전압을 제어할 때 직류링크측 전압을 피드포워드 제어 함으로써, 부하가 증가할수록 상승하게 되는 직류링크측 전압의 맥동성분의 영향을 보상하기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Energy Storage System의 역할은?	최근 에너지 사용의 급격한 증가로 인해 전력망에서 수요와 공급의 완충역할을 하는 Energy Storage System(ESS)에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 ESS 는 신재생에너지 발전에서 일사량 및 풍속과 같은 환경 변화에 따라 급변하는 발전량을 완충하여 안정적인 전력공급을 가능하도록 한다.
	피드포워드 제어기를 채택한 제어 시스템를 사용하는 이유는?	본 논문에서는 교류 그리드측에 주입되는 단상계통연계형 인버터의 교류측 전류제어에 있어서 직류링크측에서의 맥동성분 간섭을 제거하기 위해 피드포워드 제어기를 채택한 제어 시스템을 수립하고, 인버터의 전압 손실과 직류링크측 맥동전압을 고려한 배터리 공칭 전압 설계 방법을 제안한다. 또한 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 제어 시스템 및 배터리 공칭 전압 설계 방법의 타당성을 검증한다.
	주택용 단상 계통연계 인버터의 직류측 배터리의 최적 공칭전압 설계법의 장점은?	또한 직류링크측에서 발생되는 맥동전압의 간섭을 제거를 위한 피드포워드 제어방법을 제안하였고, 그에 따른 변조 지수의 변화를 분석하였다. 본 논문에서 제안한 설계 사양, 효율, 맥동을 고려한 배터리의 공칭전압 설계는 계통연계형 단상인버터의 사양에 대한 최적의 배터리공칭 전압을 설계할 수 있다는 장점이 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
J. S. Lee and H. S. Kim, "Design of battery nominal voltage for single phase line-interactive inverters considering voltage drop and DC link voltage ripple," The Korean Institute of Power Electronics 2015 Annual Conference, pp. 290-240, Jul. 2015.

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