[논문]3상 계통연계형 인버터를 위한 SRF-PLL 시스템의 동특성 개선

최형진; 송승호; 정승기; 최주엽; 최익

3상 계통연계형 인버터를 위한 SRF-PLL 시스템의 동특성 개선
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최형진 (광운대학교 전기공학과) , 송승호 (광운대학교 전기공학과) , 정승기 (광운대학교 전기공학과) , 최주엽 (광운대학교 전기공학과) , 최익 (광운대학교 정보제어공학과)

급변하는 전압 변동 상황에서 전력 제어를 수행하기 위해서 기존의 동기좌표 위상각 검출 제어기의 특성을 보완할 수 있는 방법을 제시하였다. 실질적인 SRF (Synchronous Reference Frame) - PLL(Phase Locked Loop) 시스템에서 계통 전압은 이상적이지 않고 센서 노이즈 등의 저감을 위하여 측정된 전압에 LPF(Low Pass Filter)를 사용하고 있는데 이러한 LPF의 특성을 고려하여 위상각 제어기의 PI게인을 설정하는 방법을 제시하였으며 가변 게인과 LPF 차단주파수 변동방식을 이용하여 전원 전압 사고의 종류에 따라 위상과 전압이 급변하는 경우에 대하여 시뮬레이션과 실험을 통해 제한된 방법으로 동특성이 개선되고 원하는 응답속도로 설계가 가능함을 보였다.

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문제 정의

본 논문에서는 SRF (Synchronous Reference Frame) – PLL(Phase Locked Loop)을 바탕으로 전원 위상각과 전압 크기를 계산할 수 있는 새로운 고속 전압 모니터링 방식을 제시하였다.
본 논문에서는 실제 PLL 각종 노이즈와 주변상황에 의하여 사용되어 지고 있는 LPF를 포함한 모델링을 통하여 구한 게인의 설정방법을 제안하였으며 또한 이를 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다. 또한 둘의 결과가 일치함을 알 수 있다.

제안 방법

Ede - f 의 변동을 확인하여 일정범위에 있을 때는 Normal Condition으로 생각하여 (11)와 같은 게인과 차단주파수로 설정하고 전원사고 등의 큰 변동이 생겼을 경우에는 빠른 전원의 위상각 추종을 위하여 LPF의 차단주파수를 α배하여 LPF의 영향을 적게 받게 게인을 변경하여 전원의 위상각을 빠르게 추종할 수 있도록 하였다.
2에서 설명한 것과 같이 PLL 시스템의 동특성은 LPF의 적절한 차단주파수의 설정과 밀접한 관계가 있다. 본 논문에서 제안한 방법은 가변 PI 게인과 가변 LPF 차단주파수를 사용하여 정상상태에서 들어올 수 있는 노이즈를 차단하여 정상상태 에러를 줄이고 과도상태의 경우에는 LPF의 차단주파수 변경을 통하여 빠르게 전원의 위상각을 추종할 수 있다. 이는 그림 5 와 같은 PLL 블록으로 표현할 수 있다.
시뮬레이션의 검증을 위하여 그림 7과 같은 PLL 실험 장치를 구성하였다. 사고 전원의 사고 전원의 신호를 만들기 위하여 2채널 동기를 맞출 수 있는 임의 파형 발생기를 사용하여 가상의 사고전원 사고를 만들어 이를 사용하여 실험하였다. 그림 9는 위상변동과 전압 급변시의 기존방법으로 실험을 수행한 결과이며, 그림 10은 제안된 방법으로 실험을 수행한 결과이다.
특히 안정된 위상 검출을 위해 전압 측정값에 필수적으로 사용되고 있던 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)의 특성을 고려하여 PLL시스템 전체의 동특성을 설계하고 그 응답 성능을 개선하도록 하였다. 순간 저전압 발생과 같은 전원 전압의 급격한 변동 시 제안된 방법으로 설계된 전압 모니터링 시스템의 전압 위상 및 크기의 응답 특성을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
이의 동특성을 확인하기 위하여 Psim을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 8은 제안된 방법과 기존의 방법으로 Phase Jump와 전원사고를 동시에 일으켰을 때 이것이 Theta 와 동기좌표계 q축 전압에 미치는 영향을 보여준 것이다.
본 논문에서는 SRF (Synchronous Reference Frame) – PLL(Phase Locked Loop)을 바탕으로 전원 위상각과 전압 크기를 계산할 수 있는 새로운 고속 전압 모니터링 방식을 제시하였다. 특히 안정된 위상 검출을 위해 전압 측정값에 필수적으로 사용되고 있던 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)의 특성을 고려하여 PLL시스템 전체의 동특성을 설계하고 그 응답 성능을 개선하도록 하였다. 순간 저전압 발생과 같은 전원 전압의 급격한 변동 시 제안된 방법으로 설계된 전압 모니터링 시스템의 전압 위상 및 크기의 응답 특성을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.

성능/효과

또한 둘의 결과가 일치함을 알 수 있다. 기존의 방법과는 다르게 정상상태에서는 노이즈에 강하고 과도 상태에서는 LPF에 의한 지연을 최소화 하여 빠르게 위상각을 추종할 수 있는 새로운 PLL 알고리즘을 제시하고 시뮬레이션과 실험을 통하여 기존방법과 제안된 방법을 비교함으로써 과도상태의 응답성이 좋아짐을 입증하였다.
그림 8은 제안된 방법과 기존의 방법으로 Phase Jump와 전원사고를 동시에 일으켰을 때 이것이 Theta 와 동기좌표계 q축 전압에 미치는 영향을 보여준 것이다. 제안된 방법이 기존의 방법에 비하여 전원의 위상각을 추종 속도가 매우 빨라짐을 확인 할 수 있다. 시뮬레이션의 검증을 위하여 그림 7과 같은 PLL 실험 장치를 구성하였다.

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