[논문]태양광 인버터의 노치 필터 최적 설계

김용래; 허철영; 이영권; 최익; 최주엽

doi:10.7836/kses.2019.39.2.081

Abstract ▼ AI-Helper

When Photovoltaic inverter is connected to grid and used as PVPCS (Photovoltaic Power Conditioning System), 120 Hz AC ripple occurs at the dc-link capacitor voltage. This AC ripple reduces the efficiency of PVPCS and shortens the lifetime of the capacitor. In this paper, we design a notch filter to ...

When Photovoltaic inverter is connected to grid and used as PVPCS (Photovoltaic Power Conditioning System), 120 Hz AC ripple occurs at the dc-link capacitor voltage. This AC ripple reduces the efficiency of PVPCS and shortens the lifetime of the capacitor. In this paper, we design a notch filter to remove AC ripple. As a result, the AC voltage ripple was removed from the dc link and the THD of the PVPCS output current with the notch filter was lowered. This notch filter is determined by the damping coefficient, the bandwidth coefficient, and the switching frequency. Among these, the switching frequency determines the switching loss and the size of the LC filter, and the PVPCS with the high switching frequency has a greater efficiency loss due to the switching loss than the efficiency improvement by the notch filter. Therefore, it is important to set the optimum switching frequency in the PVPCS with the notch filter applied. In this paper, THD and switching loss of PVPCS output current with notch filter are calculated through simulation, and cost function to calculate optimum switching frequency through data is proposed.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Configuration of residential single-phase PVPCS
그림 Fig. 2 The bode plot of Notch filter
그림 Fig. 3 The bode plot of notch filter according to d
표 Table 1 The depth of the notch filter according to the value of d
그림 Fig. 4 The bode plot of notch filter according to c
표 Table 2 The bandwidth of the notch filter according to the value of c
그림 Fig. 5 Simulation circuit of the single-phase PVPCS
그림 Fig. 6 Control block diagram of single-phase PVPCS
그림 Fig. 7 Voltage & Current control block diagram of single-phase PVPCS
그림 Fig. 8 Dc-link voltage waveform of reference, without and with notch filter
그림 Fig. 9 I_ds, I_qs waveform of without and with notch filter
그림 Fig. 10 Output current waveform of without and with notch filter
그림 Fig. 11 FFT analysis of output voltage according to switching frequency
그림 Fig. 12 Output current waveform according to switching frequency
그림 Fig. 13 Switching loss waveform according to switching frequency
표 Table 3 THD of output current according to switching frequency
표 Table 4 Switching loss value according to switching frequency

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 시스템의 전체 성능을 고려한 스위칭 주파수를 선정하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 단상 PVPCS의 출력전류의 THD와 스위칭 손실에 따른 최적의 노치 필터를 설계하고, 이를 시뮬레이션을 통해 검증했다.

가설 설정

인버터에서 스위칭 손실이나 다른 손실이 발생하지 않고 이상적으로 동작한다고 가정하면 dc-link 단 전력과 인버터 출력 전력이 같다. P_dc= P_ac일 때 dc-link 단 전류 I_dc는 식(3)과 같이 계산할 수 있다.
결국 단상 PVPCS에서 효율에 직/간접적으로 영향을 주는 것은 크게 출력 전류의 THD와 스위칭 손실이라고 할 수 있다. 출력 전류의 THD에 의한 효율의 변화는 스위칭 손실에 의한 변화보다는 상대적으로 작지만 효율의 측면에 있어서는 무시할 수 없다. 이러한 점을 바탕으로 출력 전류의 THD가 낮을수록 Cost function은 증가하고 스위칭 손실이 커질수록 Cost function은 감소해야 하므로 각각의 계수는 시뮬레이션 데이터를 기반으로 계산했다.

제안 방법

또한 PVPCS의 출력 전류를 통해 노치 필터 적용 전/후를 비교했다. Fig.
노치 필터를 이용해 120 Hz AC 리플을 제거하는 것만으로도 PVPCS의 출력 전류의 THD가 낮아짐을 확인했다. 또한, 스위칭 주파수 f_sw의 변화에 따른 출력전류의 THD와 전력용 반도체 스위치의 스위칭 손실을 시뮬레이션을 통해 확인함으로써 Cost function을 제안하였고 최적의 스위칭 주파수 f_sw를 확인했다. 향후 계획으로는 실험을 통하여 본 논문에서 제안한 Cost function을 증명해 보이도록 하겠다.
아날로그 노치 필터의 s-domain의 전달 함수를 디지털 노치 필터로 구현하기 위해서는 z-domain의 전달 함수로 변환해야 한다. 본 논문에서는 Bilinear Transform을 이용해 s-domain의 전달 함수를 z-domain의 전달 함수로 변환한다. 따라서 식 (5)에 #을 대입하여 식 (7)의 형태의 전달 함수로 변환한다.
본 논문에서는 단상 태양광 인버터가 계통과 연결해 단상 PVPCS로 동작하는 경우 dc-link 커패시터의 전압에 계통에 의한 120 Hz AC 리플이 발생하며 노치 필터를 이용해 리플을 제거하였다. 노치 필터를 이용해 120 Hz AC 리플을 제거하는 것만으로도 PVPCS의 출력 전류의 THD가 낮아짐을 확인했다.

데이터처리

출력 전류의 THD에 의한 효율의 변화는 스위칭 손실에 의한 변화보다는 상대적으로 작지만 효율의 측면에 있어서는 무시할 수 없다. 이러한 점을 바탕으로 출력 전류의 THD가 낮을수록 Cost function은 증가하고 스위칭 손실이 커질수록 Cost function은 감소해야 하므로 각각의 계수는 시뮬레이션 데이터를 기반으로 계산했다. 최종적으로 식(10)과 같은 Cost function을 나타낼 수 있다.

성능/효과

9의 왼쪽 파형은 노치 필터를 적용하지 않았을 때이며, 오른쪽 파형은 노치 필터를 적용했을 때의 I_ds,I_qs의 파형이다. 노치 필터 적용 전인 왼쪽 파형에서는 120Hz AC 리플에 의해 I_ds,와 I_qs의 파형의 크기가 같지 않지만 노치 필터 적용 후 I_ds,와 I_qs의 파형의 크기는 같음을 확인할 수 있다. 이는 V_dc-filter에 의해 출력된 전압 제어기의 전류 지령에 왜곡이 존재하지 않기 때문이다.
본 논문에서는 단상 태양광 인버터가 계통과 연결해 단상 PVPCS로 동작하는 경우 dc-link 커패시터의 전압에 계통에 의한 120 Hz AC 리플이 발생하며 노치 필터를 이용해 리플을 제거하였다. 노치 필터를 이용해 120 Hz AC 리플을 제거하는 것만으로도 PVPCS의 출력 전류의 THD가 낮아짐을 확인했다. 또한, 스위칭 주파수 f_sw의 변화에 따른 출력전류의 THD와 전력용 반도체 스위치의 스위칭 손실을 시뮬레이션을 통해 확인함으로써 Cost function을 제안하였고 최적의 스위칭 주파수 f_sw를 확인했다.
10의 왼쪽 파형은 노치 필터 적용 전출력 전류의 파형과 THD이며, 오른쪽 파형은 적용 후 출력 전류의 파형과 THD를 나타낸다. 노치 필터를 적용한 경우 출력 전류의 THD가 1.86%로 적용 전보다 1.38% 개선된 것을 확인할 수 있다.
을 결정하기 위한 Cost function은 다음과 같이 정의할 수 있다. 우선 노치 필터의 적용 전/후에 따라 출력 전류의 THD가 영향을 받는 것을 확인하였으며 노치 필터를 적용한 PVPCS에 대해서만 구한다. 출력 전류의 THD와 스위칭 손실은 f_sw의 변수라고 할 수 있다.

후속연구

또한, 스위칭 주파수 f_sw의 변화에 따른 출력전류의 THD와 전력용 반도체 스위치의 스위칭 손실을 시뮬레이션을 통해 확인함으로써 Cost function을 제안하였고 최적의 스위칭 주파수 f_sw를 확인했다. 향후 계획으로는 실험을 통하여 본 논문에서 제안한 Cost function을 증명해 보이도록 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노치 필터의 목적은 무엇인가?	노치 필터는 Fig. 2의 보데 선도와 같이 특정 주파수에서 급격한 감쇠 특성을 가지며, 원하지 않는 특정 주파수를 제거하는 데 그 목적이 있다. 노치 필터는 저역 통과 필터와 고역 통과 필터의 조합으로 이뤄지며 식(5)와 같이 2-zero, 2-pole을 갖는 2차 전달 함수로 표현할 수 있다3).
	높은 스위칭 주파수를 사용할 경우 장점은 무엇인가?	스위칭 주파수 fsw에 따라 PVPCS의 LC 필터 크기가 결정되며, 전력용 반도체 스위치의 스위칭 손실이 결정된다. 높은 스위칭 주파수를 사용할 경우 인버터 출력전압의 가장 큰 고조파 차수가 증가하므로 크기가 작은 LC 필터에 의해 쉽게 필터링 되어 전압 파형의 질이 좋아진다. 하지만 스위칭 손실의 증가로 인해 출력전류의 THD가 낮아져도 전체 시스템의 효율이 감소한다.
	노치 필터가 PVPCS에 필요한 이유는 무엇인가?	태양광 발전 중에서 Fig. 1과 같이 단상 태양광 인버터를 계통과 연결해 계통 연계형 인버터 PVPCS(Photovoltaic Power Conditioning System)로 운전시키는 경우 계통에 의해 dc-link 단에 계통의 주파수의 2배에 해당하는 120 Hz의 AC 리플이 발생한다. 이러한 120 Hz AC 리플은 커패시터의 수명을 단축하게 하며 PVPCS의 출력전류의 THD(Total Harmonic Distortion)를 증가시킨다. 이러한 원인은 PVPCS의 효율을 저하시키므로 노치 필터를 이용하여 계통에 의한 120 Hz의 리플 성분을 제거한다.

참고문헌 (3)

김승민, 박봉희, 최주엽, 최익, 이상철, 이동하. 연료전지용 PCS의 출력 전류 리플 개선을 위한 노치 필터 설계. 한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, vol.32, no.6, 106-112.

원문보기 상세보기
Hirano, K., Nishimura, S., Mitra, S.. Design of Digital Notch Filters. IEEE transactions on communications, vol.22, no.7, 964-970.

상세보기
양승대, 김승민, 최주엽, 최익, 송승호, 이상철, 이동하. 3상 양방향 인버터의 계통전압 불평형 및 왜곡에 의한 계통전류 보상. 한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, vol.32, no.suppl3, 228-234.

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