[논문]무정전 전원장치를 위한 홀수고조파 반복제어기의 설계

윤춘기; 조영훈; 임승범

[국내논문] 무정전 전원장치를 위한 홀수고조파 반복제어기의 설계
Design of Odd Harmonic Repetitive Controller for Uninterruptible Power Supply 원문보기

윤춘기 (건국대학교 전력전자 연구실) , 조영훈 (건국대학교 전력전자 연구실) , 임승범 ((주)이온)

This paper presents an odd harmonic repetitive controller for single-phase UPS inverters. The proposed repetitive controller achieves the low output voltage THD and reduces the steady-state error by eliminating odd harmonic distortions caused by nonlinear and unbalanced loads. The proposed control scheme is verified through experiment using a 5kW single-phase T-type inverter.

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문제 정의

본 논문에서는 UPS 인버터의 홀수고조파 제거를 위한 반복제어기를 추가한 PR PI제어기를 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 진행한 결과 약 2.

제안 방법

일반적인 UPS 시스템에서 인버터는 UPS의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소이며 이에 따라 안정적인 제어성능을 위한 제어기들이 많이 연구되고 있다. UPS 인버터는 통상적으로 60Hz의 일정한 주파수를 출력으로 하고 있으므로 본 논문에서는 전압제어기로 PR제어기를, 전류제어기로 PI제어기를 사용하였다. 또한 이 PR PI제어기의 한계인 대역폭과 출력전압 오차 제거를 위하여 반복제어기를 적용시킨 제어기를 제안하였다.
UPS 인버터는 통상적으로 60Hz의 일정한 주파수를 출력으로 하고 있으므로 본 논문에서는 전압제어기로 PR제어기를, 전류제어기로 PI제어기를 사용하였다. 또한 이 PR PI제어기의 한계인 대역폭과 출력전압 오차 제거를 위하여 반복제어기를 적용시킨 제어기를 제안하였다. 반복제어기는 반복되는 오차를 제거해주는 특성을 가지고 있으므로 전압의 THD를 개선시킬 수 있으며 출력에 포함된 홀수고조파를 제거하는 효과를 가진다.
정상상태 추종성능을 결정하는 외곽루프의 전압제어기는 UPS 인버터의 특성상 주파수가 60Hz로 일정하므로 공진주파수에서 큰 이득값을 가지는 PR제어기로 설계한다. 이때 PR제어기의 전달함수는 (1)과 같다.
PI제어기의 전달함수는 식(2)와 같으며 K_pc와 K_ic는 각각 비례이득, 적분이득이다. 제어기를 저역통과필터의 성분을 가지도록 설계하여 이득값을 설정한다. 여기서 제어기 주파수 대역 w_n은 스위칭 주파수의 1/10인 2.
본 논문에서는 2.1에서 설계한 다중루프제어기에 플러그인 타입의 반복제어기를 추가하여 인버터 출력전압의 오차를 줄이며 홀수고조파를 제거해 THD를 낮출 수 있는 제어기를 제안한다. 반복제어기가 추가된 제어기 블록도는 그림 1과 같다.

대상 데이터

실험은 3kW 프로토타입 단상 T type인버터를 사용하여 진행하였다. 전압 THD는 FLUKE 사의 435SERIESⅡ를 이용하여 측정하였으며 실험파형은 아래의 그림 4와 같고 THD는 그림 5에 나와 있다.
실험은 3kW 프로토타입 단상 T type인버터를 사용하여 진행하였다. 전압 THD는 FLUKE 사의 435SERIESⅡ를 이용하여 측정하였으며 실험파형은 아래의 그림 4와 같고 THD는 그림 5에 나와 있다. 실험결과 그림 4의 전압오차가 반복제어기 적용후 피크값 10V에서 2V로 현저히 줄었으며 THD분석 결과 2.

데이터처리

반복제어기는 반복되는 오차를 제거해주는 특성을 가지고 있으므로 전압의 THD를 개선시킬 수 있으며 출력에 포함된 홀수고조파를 제거하는 효과를 가진다. 제안한 제어기의 성능을 확인하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 진행하였으며 홀수고조파제거 효과를 확인하였다.
제안한 제어기의 성능을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 실시하였으며 PSIM을 이용하였다. T type 인버터의 제어기 구조와 시뮬레이션 제정수는 아래의 표1과 같다.

성능/효과

시뮬레이션 결과는 아래의 그림3과 같다. 반복제어기 적용전 출력전압의 THD가 0 87%이었으며 반복제어기 적용후 0.55%로 0 3%의 개선효과가 있었다. 실제 시스템에서는 기생 커패시터와 기생 인덕터 성분으로 인한 전압제어기의 대역폭이 더 낮아지므로 반복제어기의 효과는 더 커질 수 있다.
전압 THD는 FLUKE 사의 435SERIESⅡ를 이용하여 측정하였으며 실험파형은 아래의 그림 4와 같고 THD는 그림 5에 나와 있다. 실험결과 그림 4의 전압오차가 반복제어기 적용후 피크값 10V에서 2V로 현저히 줄었으며 THD분석 결과 2.9%에서 0.5%로 약 2.4%의 THD개선 효과가 있었다. 또한 3고조파 성분의 크기가 2.
4%의 THD개선 효과가 있었다. 또한 3고조파 성분의 크기가 2.3에서 0.2로 크게 낮아지며 홀수고조파 제거효과를 확인하였다.

후속연구

본 논문에서는 UPS 인버터의 홀수고조파 제거를 위한 반복제어기를 추가한 PR PI제어기를 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 진행한 결과 약 2.4%의 THD개선 효과가 있었으며 차후 더 높은 스위칭 주파수와 정격에서 더 큰 효과를 얻을 수 있을 것이다.

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