[논문]PLL보상루프를 이용할 단상 PWM 인버터의 정밀 전압제어

정세교; 최성락; 최진우

PLL보상루프를 이용할 단상 PWM 인버터의 정밀 전압제어
A Precision Voltage Control of Single Phase PWM Inverters Using PLL Compensation Loop 원문보기

정세교 (경상대학교 전기전자공학부) , 최성락 (경상대학교 전기전자공학부) , 최진우 (경상대학교 전기전자공학부)

This paper presents a precision voltage control technique of a single phase PWM inverter for a constant voltage and constant frequency(CVCF) applications. The proposed control employes a PLL compensating loop which minimize the steady state error and phase delay. The computer simulation and experiment are carried out for the actual single phase PWM inverter and the results well demonstrate the effectiveness of the proposed control.

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문제 정의

그러나, 단상 PWM 인버터의 경우 정현파 기준전압을 추종하게 되며 이로 인해 비례제어기나 비례-적분 제어기를 사용할 경우 정상상태 오차나 위상지연이 발생하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 단점을 개선하기 위하여 PLL 기법을 이용한 보상루프를 추가하였다.
본 논문에서는 단상 PWM 새로운 .인버터의 출력전압제어기법을 제안하였다.
본 논문에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 phase-locked loop(PLL) 보상기를 사용한 새로운 제어기법을 제안하였다. 제안된 제어기법에서는 인버터 필터 커패시터의 전압과 전류의 위상 차가 90° 임을 이용하며, 3상 시스템의 동기 좌표축과 유사하게 출력전압의 크기와 위상 성분을 분리하여 직류 값으로 다룰 수 있다.

제안 방법

따라서, 적절한 필터링이나 미분 또는 관측기에 의한 추정 기법이 사용될 수 있다. 본 논문에서는 커패시터 전류를 측정한 다음 low pass 필터를 사용하여 필터링 하였다. Low Pass Filte或로는 2차의 Butterworth Filter를 사용하였으며 필터의 전달함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
위상 보상을 위상보상을 위해서는 PLL을 사용하였다. 위상 보상을 위한 주파수 보상 성분은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
본 논문에서는 단상 PWM 새로운 .인버터의 출력전압제어기법을 제안하였다. 제안된 제어기는 커패시터 전류 제어기와 PLL 보상기로 구성되어 있다.
인버터의 출력전압제어기법을 제안하였다. 제안된 제어기는 커패시터 전류 제어기와 PLL 보상기로 구성되어 있다. PLL 보상기의효과에 의해 정상상태 오차를 최소화 할 수 있으며 정류기와 같은 비선형 부하에 대해서도 우수한 제어 특성을 나타내고 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해서 입증하였다.
제안하였다. 제안된 제어기법에서는 인버터 필터 커패시터의 전압과 전류의 위상 차가 90° 임을 이용하며, 3상 시스템의 동기 좌표축과 유사하게 출력전압의 크기와 위상 성분을 분리하여 직류 값으로 다룰 수 있다. 따라서, 비례-적분 제어기를 사용하여 정상 상태 오차를 최소화 할 수 있다.
있다. 제안된 제어기법은 기본적으로 커패시터 전류와 출력전압 제어루프 가지고 있으며 부가적으로 PLL 기법을 이용한 보상루프를 가지고 있다. 커패시터전류궤환 방식은 부하전류에 대한 decoupling 효과에 의해 매우 우수한 동특성을 가진다고 알려져 있다⑸-[7].

대상 데이터

실험 시스템의 구성은 그림 6과 같으며 TMS320C₃₁ DSP 제어기와 IGBT 인버터, LC 필터, 센서회로로 구성되어 있다. 실험에 사용된 파라미터는 표 1과 동일하다.

데이터처리

제안된 제어기법의 타당성을 검증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 수행하였다 . 시뮬레이션은 MATLAB/SIMULINK를 이용하였으며 사용된 파라미터와 조건은 표 1과 같다.

이론/모형

시뮬레이션은 MATLAB/SIMULINK를 이용하였으며 사용된 파라미터와 조건은 표 1과 같다.
여기서, G/s)은 loop filter로 식 ⑻과 동일한 형태의 비려)-적분 형식을 사용하였다. 식 ⑺과 ⑼를 주 제어 루프에 보상입력으로 사용하기 위해서는 정현적인 함수로 나타내져야 하며 다음과 같이 합성 할 수 있다.

성능/효과

제안된 제어기는 커패시터 전류 제어기와 PLL 보상기로 구성되어 있다. PLL 보상기의효과에 의해 정상상태 오차를 최소화 할 수 있으며 정류기와 같은 비선형 부하에 대해서도 우수한 제어 특성을 나타내고 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해서 입증하였다. 제안된 제어기법은 향후 무정전 전원장치나 계통연계 인버터 등에 효과적으로 사용될 수 있으리라 생각된다.
그림 8은 정류기 부하에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 실험 결과에서 보듯이 비선형 부하에 대해서도 우수한 출력전압 특성을 나타내고 있음을 볼 수 있다.
제안된 제어기법에서는 커패시터 전류를 주 제어 루프 및 PLL 보상기에 사용하므로 커패시터 전류의 정보를 얻는 것이 매우 중요하다. 그러나, 커패시터 전류는 큰 리플 성분을 포함하고 있어 직접 제어기에 적용하기는 어렵다.
따라서, 비례-적분 제어기를 사용하여 정상 상태 오차를 최소화 할 수 있다. 제안된 제어기법의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며 그 결과 제안된 제어기법이 우수성을 입증할 수 있었다.
그림 5는 PLL 보상기가 있는 경우와 없는 경우에 대한 전압 오차를 나타낸 그림이다. 제안된 제어기의 경우 정상상태 오차가 크게 줄어듦을 볼 수 있다.

후속연구

PLL 보상기의효과에 의해 정상상태 오차를 최소화 할 수 있으며 정류기와 같은 비선형 부하에 대해서도 우수한 제어 특성을 나타내고 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해서 입증하였다. 제안된 제어기법은 향후 무정전 전원장치나 계통연계 인버터 등에 효과적으로 사용될 수 있으리라 생각된다.

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