KR100732220B1 - 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법 - Google Patents

간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100732220B1
KR100732220B1 KR1020050114706A KR20050114706A KR100732220B1 KR 100732220 B1 KR100732220 B1 KR 100732220B1 KR 1020050114706 A KR1020050114706 A KR 1020050114706A KR 20050114706 A KR20050114706 A KR 20050114706A KR 100732220 B1 KR100732220 B1 KR 100732220B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
inductor
grid
power supply
inverter
Prior art date
Application number
KR1020050114706A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070056264A (ko
Inventor
김효성
최세완
Original Assignee
주식회사 씨엠파트너
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 씨엠파트너 filed Critical 주식회사 씨엠파트너
Priority to KR1020050114706A priority Critical patent/KR100732220B1/ko
Publication of KR20070056264A publication Critical patent/KR20070056264A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100732220B1 publication Critical patent/KR100732220B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/02—Speed or phase control by the received code signals, the signals containing no special synchronisation information
    • H04L7/033—Speed or phase control by the received code signals, the signals containing no special synchronisation information using the transitions of the received signal to control the phase of the synchronising-signal-generating means, e.g. using a phase-locked loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/388—Islanding, i.e. disconnection of local power supply from the network

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터에 관한 것으로써, 직류전원공급수단의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 소정의 펄스폭변조 제어신호에 따라 작동하여 상기 직류전원공급수단으로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 1 및 제 2 스위칭소자, 상기 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 상기 제 1 및 제 2 스위칭소자와 병렬로 연결하고, 소정의 펄스폭변조 제어신호에 따라 작동하여 상기 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 3 및 제 4 스위칭소자, 상기 제 1 및 제 2 스위칭소자의 공통접점인 제 1 노드에 연결하여 상기 제 1 스위칭소자에서 출력하는 신호의 저주파를 통과시키는 인덕터, 상기 인덕터의 출력단과 상기 제 3 및 제 4 스위칭소자의 공통접점인 제 2 노드에 사이에 연결하여 상기 인덕터를 통해 출력되는 신호의 고주파를 통과시키는 커패시터, 상기 인덕터의 일측단에 연결되어 상기 LC형의 교류필터에서 출력하는 교류전압신호를 필터링하는 라인인덕터 및 상기 라인인덕터의 일측단과 상기 제 2 노드에 연결된 트랜스포머의 2차측코일에 사이에 직렬 연결되어 상기 주전원계통스위치와 연계 동작하는 계통연계스위치로 이루어진다.
라인인덕터, 계통연계, 간접전류제어

Description

간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법{UTILITY INTERACTIVE INVERTER OF INDIRECT CURRENT CONTROL TYPE AND CONTROL METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 의한 계통연계형 인버터 토폴로지
도 2는 본 발명에 의한 간접전류제어알고리즘의 벡터도
도 3은 본 발명에 의한 간접전류제어알고리즘을 적용한 제어시스템 블록도
도 4a 내지 도 6b는 본 발명에 의한 간접전류제어방식과 기존의 직접전류제어방식에 따른 각각의 출력전류 및 출력전압의 파형 비교
** 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 **
100: 제어부 110: 비교기
120: 외부루프 제어기 130: 내부루프 제어기
140: 피드포워드제어기
본 발명은 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 주전원계통의 이상 발생으로 인해 의도적인 단독운전 모드로 전환되는 과정에서 출력전압이 불안정해지는 것을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
현재 사용되고 있는 에너지원의 대부분을 차지하는 화석연료는 지구온난화를 일으키는 이산화탄소 및 각종 공해물질을 배출하고 있다. 최근 기후변화협약을 바탕으로 채택된 교토의정서가 발효됨에 따라 신·재생에너지를 활용할 수 있는 기술의 중요성이 점차 증대되고 있다. 이러한 신·재생에너지원은 그 규모가 1kW급의 소형에서부터 수백MW급에 이르기까지 다양하며 분산발전의 형태로 계통에 연계된다.
분산발전시스템에서 주전원계통에 정전이 발생하는 경우에도 분산발전시스템이 주전원으로부터 분리되지 않고 계속 동작하는 상황을 단독운전(Islanding operation)이라고 하는데, 일반적으로 단독운전상태가 검출되면 즉시 인버터의 동작을 정지시켜서 주전원계통과 분산발전시스템과의 연결을 해제하여야 한다. 단독운전방지(anti-islanding) 기법은 이러한 비의도적인 단독운전을 방지하는 것을 의미한다.
한편 의도적인 단독운전은 분산발전시스템에 비상전용부하 등의 전용부하가 접속되어 있어서, 주전원에 고장이 발생하더라도 비상전용부하에는 지속적인 전력을 공급하고자하는 경우이다. 이같이 의도적인 단독운전의 상황에서는 단독운전상 태가 검출되더라도 분산발전시스템은 주요부하에 끊임없는 안정된 전압을 공급하는 한편 주전원계통으로부터는 접속을 차단하여 안전을 확보하여야 한다.
의도적인 단독운전 발생시 인버터는 운전모드의 전환에 따른 출력전압의 과도현상을 최소화하는 기술이 필수적이지만, 기존의 직접전류 제어방식의 경우 계통연계운전시에는 전류제어모드로 작동하고 단독운전시에는 전압제어모드로 동작하게 되어 상기 계통연계운전 중 주전원계통에 고장이 발생하는 경우에는 의도적인 단독운전을 지속하기 위하여 인버터가 전류원모드에서 전압원모드로 전환해야만 했으므로 인버터출력전압이 매우 불안정해질 수 있는 문제점이 있다. 특히 새그나 스웰 또는 순시정전 등과 같이 시간적으로 급격한 사고시에는 운전모드의 전환이 신속히 이루어지지 못하게 되어 과도문제가 더욱 심각하게 나타날 것이다. 더욱이, 단독운전검출 알고리즘의 불검출영역(NDZ)과 통신지연 등의 요인에 의하여 주전원계통의 고장이 분산발전시스템에서 즉시에 인식이 되지 못하게 된다면 상당한 시간 동안 주요부하의 전압이 심각한 과도상태에 놓일 수 있는 문제점이 있다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 본 발명의 목적은, 라인인덕터에 가해지는 전압을 적절히 제어하여 계통주입전류를 레귤레이션하고 인버터가 항시 전압제어모드로 작동하도록 하여 주전원 이상으로 인한 인버터의 운전모드 전환 시 출력전압의 과도현상 발생 없이 지속적으로 안정된 전력을 주요부하에 공급할 수 있도록 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 계통주입전류(IO)의 목표치(IO *) 입력에 따른 라인인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg)를 구하고, 상기 전류 목표치(IO *)와 계통에 흐르는 실제전류(IO,peak)의 크기를 비교계산한 전류 오차값(IO,error)을 근거로 제어기가 지령위상각(α)을 계산하여 출력하며, 주전원전압(VS)으로부터 위상고정루프를 사용하여 전원각(θ)를 구하고 상기 지령위상각(α)과 전원각(θ)를 더하여 커패시터전압의 위상각을 구하는 단계, 상기 주전원전압(VS)과 라인인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg)을 이용하여 커패시터 양단 전압의 크기(VCf,rms)을 계산하고 상기 커패시터 양단의 전압의 크기(VCf , rms)와 커패시터전압의 위상각을 근거로 하여 전압 목표치(VCf *)를 계산하며, 상기 전압 목표치(VCf *)와 실제치(VCf)를 비교계산한 전압 오차값(VCf,error)을 근거로 제어기가 전압 지령치를 계산하는 단계 및 상기 전압 지령치에 의해 펄스폭변조(PWM) 제어신호를 출력하도록 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정의 직류전원을 공급하는 직류전원 공급수단, 상기 직류전원공급수단의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 소정의 펄스폭변조 제어신호에 따라 작동하여 상기 직류전원공급수단으로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 1 및 제 2 스위칭소자, 상기 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 상기 제 1 및 제 2 스위칭소자와 병렬로 연결하고, 소정의 펄스폭변조 제어신호에 따라 작동하여 상기 직류전원공급수단으로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 3 및 제 4 스위칭소자, 상기 제 1 및 제 2 스위칭소자의 공통접점인 제 1 노드에 연결하여 상기 제 1 스위칭소자에서 출력하는 신호의 저주파를 통과시키는 인덕터, 상기 인덕터의 출력단과 상기 제 3 및 제 4 스위칭소자의 공통접점인 제 2 노드에 사이에 연결하여 상기 인덕터와 함께 교류필터를 형성하며 상기 인덕터를 통해 출력되는 신호의 고주파를 통과시키는 커패시터, 상기 인덕터의 일측단에 연결되어 상기 LC형의 교류필터에서 출력하는 교류전압신호를 필터링하는 라인인덕터 및 상기 라인인덕터의 일측단과 상기 제 2 노드에 연결된 트랜스포머의 2차측코일에 사이에 직렬 연결되어 상기 주전원계통스위치와 연계 동작하는 계통연계스위치를 포함하여 구성하며, 상기 라인인덕터는 LC형 교류필터로부터 인버터 출력단 전압을 인가받아 계통주입전류를 간접제어하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명의 구성에 따른 인버터의 제어방법에 있어서, 계통주입전류(IO)의 목표치(IO*)를 입력하고 상기 목표치(IO *)에 따라 라인인덕터 양단에 요구되 는 전압(VLg)을 구하는 제 1 단계, 상기 제 1 단계의 목표치(IO *)와 계통에 흐르는 실제전류(IO,peak)의 크기를 비교하여 오차를 계산하는 제 2 단계, 상기 제 2 단계의 전류 오차값(IO,error)을 근거로 외부루프 제어기가 상기 제 1 단계의 라인인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg) 및 주전원전압을 이용하여 지령위상각(α)을 계산하여 출력하는 제 3 단계, 상기 제 3 단계의 지령위상각(α)과 소정의 주전원전압(VS)으로부터 위상고정루프(PLL:Phase Lock Loop)에 의해 계산된 전원각(θ)을 더하여 커패시터전압의 위상각(sin(θ+α))을 구하는 제 4 단계, 상기 제 1 단계의 인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg)과 주전원전압(VS)을 이용하여 계산한 커패시터 양단 전압의 크기(VCf , rms)와 상기 제 4 단계에서 구해진 커패시터전압의 위상각(sin(θ+α))을 근거로 하여 전압 목표치(VCf *)를 계산하는 제 5 단계, 상기 제 5 단계의 전압 목표치(VCf *)와 실제치(VCf)를 비교하여 전압 오차값(VCf,error)을 계산하는 제 6 단계, 상기 제 6 단계의 전압 오차값(VCf,error)을 근거로 내부루프 제어기가 전압 지령치를 계산하는 제 7 단계 및 상기 제 7 단계의 전압 지령치에 의해 펄스폭변조(PWM) 제어신호를 출력하는 제 8 단계로 이루어진다.
상기 제 1 단계의 라인인덕터 양단 전압(VLg)값은
Figure 112005069388654-pat00001
이고, 상기 제 3 단계의 지령위상각(α)은
Figure 112005069388654-pat00002
이며, 상기 제 5 단계의 커패시터 양단 접압(VCf,rms)값은
Figure 112005069388654-pat00003
인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 7 단계 실행 후, 전압 실제치(VCf)의 신호를 필터링하여 소정의 이득을 곱한 값과 상기 전압 지령치를 비교하여 오차를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 살펴보고자 한다.
도 1은 본 발명에 의한 계통연계형 인버터 토폴로지를 나타낸 것이다.
상기 도 1을 참조하여 설명하면, 주전원계통이 정상일 때 주전원계통스위치(Su) 및 계통연계스위치(Si)가 ON 상태이고 계통연계형 인버터가 전압제어모드로 운 전되면서 라인인덕터(Lg)에 가해지는 전압을 제어함으로써 계통에 주입되는 전류(Io)를 조정한다. 계통연계형 인버터에는 정격대비 소정비율(본 발명의 경우 25%로 가정하여 설명한다)의 비상전용부하가 상시 연결되어 있으므로, 계통에 주입할 수 있는 최대 전력은 정격에서 비상전용부하를 제외한 나머지(본 발명의 경우 75%)까지이다.
상기 주전원계통에 고장이 발생하면, 주전원계통스위치(Su)는 곧바로 차단되면서 의도적인 단독운전으로 모드가 전환되고 약 1/4사이클 이내에 계통연계형 인버터에게 사고를 알리게 되는데, 이때 계통연계형 인버터에서 OVP/UVP(Over Voltage Protection/Under Voltage Protection) 또는 OFP/UFP(Over Frequency Protection/Under Frequency Protection) 등의 방법에 의하여 사고를 인식하면 전류주입을 중단하고 계통연계스위치(Si)를 차단하는 한편, 정격대비 소정비율의 비상전용부하에 끊임없이 안정적인 전력을 공급한다.
상기 주전원계통스위치(Su)는 지락계전기, 영상계전기, 과전압보호기 등 전기공급자(한국전력)가 설치 및 운영하는 보호용 계전기에 의하여 동작하며 전기공급자측이 설치하여 관리하는 보호용 차단기, 단로기 등이 이에 해당되고, 상기 계통연계스위치(Si)는 인버터 제작자가 설치 및 운영하는 보호용 스위치로서 주전원의 이상 발생으로 주전원계통이 차단되었을 때 계통연계형 인버터를 계통으로부터 분 리시킴으로써 배전용 변압기에 2차측으로부터의 역-여자현상이 발생하지 않도록 방지하는 용도이다.
단상인버터를 구성하는 무접점 스위치인 S1, S2, S3, S4는 펄스폭변조(PWM; Pulse Width Modulation) 방법에 의하여 직류에너지원(Vd 및 Cd)으로부터 직류전압을 공급받아 교류형태의 전압을 만들어 내며 제어부(100, 도 3에서 설명)에 의해 온오프된다. 상기 직류에너지원은 배터리가 사용될 수도 있고, 연료전지 등의 신재생 에너지원이 사용될 수도 있으며, 상기 직류에너지원의 커패시터(Cd)는 직류링크의 전압을 평활하게 유지해 주는 기능을 갖는다.
인덕터(Lf)및 커패시터(Cf)는 계통연계형 인버터를 위한 출력필터요소를 구성하며, 인버터가 만들어 내는 PWM방식의 교류전압을 보다 정현적으로 만들어 주는 기능을 갖는다. 따라서 스위치 S1, S2, S3, S4로 구성되는 단상인버터와 인덕터(Lf)및 커패시터(Cf)로 구성되는 출력필터의 조합에 의하여 정현파에 근사한 출력전압을 만들어 낸다. 이러한 기능에 의하여 단독운전 모드에서 비상전용부하에 안정적인 정현파 교류전압을 공급할 수 있다.
라인인덕터(Lg)는 간접전류제어를 수행하기 위한 요소이다. 라인인덕터에 가해지는 전압을 적절히 제어하여 줌으로써 계통에 주입되는 전류를 레귤레이션할 수 있다.
본 발명의 효과를 확인하기 위하여 일 실시 예에 적용한 분산발전시스템의 전기적 사양은 다음의 표 1과 같으며, 대용량의 경우에도 인버터 토폴로지 및 제어알고리즘의 적용이 가능하다.
정격출력전력 (P) 1kW
공칭전원전압 (V) 240V
공칭전원주파수 (f) 50Hz
스위칭주파수 (fSW) 15kHz
본 발명에 따른 간접전류제어방식의 인버터 토폴로지는 LCL필터를 기본으로 동작하여 커패시터(Cf) 양단의 전압(VCf)을 제어함으로써, 계통쪽의 라인인덕터(Lg) 양단에 걸리는 전압을 제어하여 간접적으로 계통에 주입되는 전류(IO)를 조정한다.
간접전류제어방식의 인버터 토폴로지에 적용되는 LCL필터 설계순서를 설명하면 다음과 같다.
① 필터공진주파수(fc)를 결정한 뒤 LC 필터뱅크 값을 구한다.
Figure 112005069388654-pat00004
Figure 112005069388654-pat00005
② 인덕터 과도 전류 특성을 보장하는 Lf/Cf를 구한다.(Rb=V2/P : 계통 공칭 임피던스)
Figure 112005069388654-pat00006
③ 인덕터(Lf)와 커패시터(Cf)를 구한다.
Figure 112005069388654-pat00007
Figure 112005069388654-pat00008
④ Lg 값을 구한다(0.1pu).
Figure 112005069388654-pat00009
위의 과정에 의해 설계된 LCL필터의 설계결과는 다음의 표2와 같다.
Lf 6.11mH
Cf 1.84㎌
Lg 18.3mH
도 2는 본 발명에 의한 간접전류제어알고리즘의 벡터도이고, 도 3은 본 발명에 의한 간접전류제어알고리즘을 적용한 제어시스템 블록도이다.
상기 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면, 제어시스템 블록도의 외부루프에서는 계통주입전류를 제어하고 내부루프에서는 인버터 출력단 LC필터의 커패시터전압(이하 인버터 출력전압으로 표기함)을 제어하며 상기 인버터 출력전압을 정밀하게 제어하기 위하여 상기 내부루프 제어기(130, 본 발명의 경우는 PI제어기를 예로 들어 설명한다)를 사용한다.
상기 제어시스템은 계통주입전류의 목표치를 입력하여 상기 목표치에 따라 라인인덕터 양단에 요구되는 전압을 구하고, 상기 목표치와 계통주입전류의 실제치를 비교계산(110, 비교기)한 오차값으로부터 외부루프 제어기(120)가 지령위상각(α)을 계산하여 출력하며, 주전원전압(VS)으로부터 위상고정루프(PLL)를 사용하여 구한 전원각(θ)과 상기 지령위상각(α)을 더하여 커패시터전압의 위상각을 구하고, 상기 주전원전압과 라인인덕터 양단에 요구되는 전압을 이용하여 커패시터 양단 전압의 크기(VCf,rms)를 구한다. 상기 커패시터 양단 전압의 크기(VCf , rms)와 상기 커패시터전압의 위상각을 근거로 계산되는 전압 목표치(VCf *)를 실제치(VCf)와 비교하여 전압 오차값(VCf,error)를 구하고, 상기 전압 오차값을 근거로 내부루프 제어기(130)가 전압 지령치를 계산하면, PWM블록을 통해 상기 전압 지령치에 의한 펄스폭변조 제어신호를 출력하도록 하여, 상기 도 1에 표시된 스위칭 소자의 ON/OFF를 제어하는 제어부(100)를 이룬다.
상기 인버터 출력전압은 LC형 출력필터에 의한 공진의 가능성이 있으나 상기 내부루프 제어기로(130)는 공진주파수대의 신호를 적절히 억제하기가 어려우므로 상기 인버터 출력전압의 공진을 억제하기 위하여 고주파필터(HPF)를 사용한 피드포워드제어기(140)를 추가하였다. K는 고주파필터(HPF)를 사용한 피드포워드 제어루프의 게인이다. 상기 외부루프가 계통주입전류를 제어하도록 하기 위해 외부루프 제어기(120)를 사용하며, 상기 계통주입전류의 검출값은 피크값검출기에 의하여 평균값에 해당되는 신호를 추출한다. 따라서 외부루프 제어기(120)는 적분 게인이 상대적으로 작아도 된다.
다음에 도 2를 참조하여 본 발명에서 제안하는 간접전류제어의 원리를 상세하게 설명한다. 간접전류제어 알고리즘에서는 계통연계 운전시 라인인덕터에 인가되는 전압을 제어함으로써 간접적으로 주입전류를 조정한다. 주전원계통에 주입하고자하는 유효전력이 P라고 하면, 라인인덕터를 통하여 주입되어야할 전류는 다음의 [수학식 7]과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112005069388654-pat00010
상기 전류값의 목표치 IO *를 이용하여 라인인덕터(Lg)에 가해지는 전압을 구하면 다음의 [수학식 8]와 같이 유도된다.
Figure 112005069388654-pat00011
상기 라인인덕터에 가해지는 전압(VLg)과 주전원전압(Vs) 그리고 인버터 출력전압(VCf)사이에는 상기 도 2와 같은 벡터관계가 형성된다. 따라서 주전원계통에 계통주입전류를 주입하기 위하여 필요한 인버터 출력전압의 크기 및 위상은 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112005069388654-pat00012
Figure 112005069388654-pat00013
상기 수학식 9 내지 10은 계통연계형 인버터를 제어하기 위한 기준값이 된다. 출력전압의 크기는 정밀히 제어할 필요는 없으며 피드포워드제어기(140)로 간단히 구현할 수 있다. 그러나 지령위상각(α)은 매우 정밀한 제어가 요구되므로 상기 도 3에서 보인 것처럼 계통주입전류의 오차를 위상각의 제어변수로 택하여 외부루프 제어기(120)로 피드백제어 하였다.
도 4a 내지 도 6b는 본 발명에 의한 간접전류제어방식과 기존의 직접전류제어방식에 따른 각각의 출력전류 및 출력전압의 파형을 비교한 것으로, 간접제어방식의 계통연계운전에 대한 타당성을 검토하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션 시나리오는 다음과 같다.
① 초기에 주전원계통이 정상적인 상태(Su=ON)에서 계통연계스위치(Si)를 ON시켜서 계통연계운전을 시작한다. 이때 전류주입은 하지 않고, 다만 비상전용부하에 25%의 전력을 공급하고 있다.
② 0.14초의 시점부터 서서히 75%의 전력을 계통에 주입한다.
③ 0.35초의 시점에 전원측에 고장이 발생된다. 주전원계통스위치는 즉시 차단되지만 계통연계인버터는 1/4사이클이 지난 후에 고장을 인식한다고 가정한다.
④ 0.355초에 인버터는 주전원계통의 사고를 인지하여 계통연계스위치를 차단하고 25%의 비상전용부하에 끊임없는 전력을 공급하면서 의도적인 독립운전으로 전환한다.
도 4는 상기한 시뮬레이션 시나리오에 따른 출력전류 및 전압 파형을 보인 것이며, 도 4(a)는 직접전류제어방식으로 운전되는 경우이고 도 4(b)는 간접전류제어방식으로 운전되는 경우이다. 시뮬레이션 파형에서 보이는 바와 같이 직접전류제어나 간접전류제어 모두 계통연계시 주입전류를 잘 제어하고 있다. 그러나 주전원계통에 고장이 발생하여 이를 감지하고 의도적인 단독운전으로 전환하는 0.35초 이후의 파형을 보면, 본 발명의 간접전류제어방식의 동작특성이 우수함을 알 수 있다.
도 5는 주전원에 고장이 발생한 시점을 확대한 파형이다. 도 5(a)의 직접전류제어방식의 경우 주전원계통에 고장이 발생한 상황을 인버터가 인식하기까지의 지연시간동안 출력전압과 전류가 제어 불능의 상태에 빠져서 회로의 조건에 따라 비상전용부하에 걸리는 전압과 전류가 비정상적인 형태로 결정되는 것을 알 수 있다. 이에 반하여 도 5(b)의 본 발명에 따른 간접전류제어방식의 경우 과도기간 중에도 비상전용부하에 걸리는 전압과 전류는 아주 정상적인 것을 볼 수 있다.
도 6은 단독운전의 상황에서 부하전류의 외란에 대한 출력전압의 레귤레이션 특성을 보인 것으로, 도 6(b)의 본 발명에 따른 간접전류제어방식의 경우가 전류외란에 대하여 출력전압이 강인함을 보인다. 이는 도 6(a)의 직접전류제어방식이 전 압진동을 억제하기 위하여 내부 인덕터전류만을 피드백을 하기 때문이다. 이를 개선하기 위하여는 인버터에서 출력하는 전류에 대한 센서를 추가하면 되지만 이는 센서의 추가로 인한 비용이 든다.
상기 도4a 내지 도6b에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 간접전류제어방식은 의도적인 단독운전이 발생한 상황에서 단독운전의 검출에 지연이 발생되어도 비상전용부하에 끊임없는 안정된 전압을 공급할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 간접전류제어방식의 토폴로지는 계통연계운전 시 LCL 구조의 필터를 기본으로 인버터를 동작시켜서 커패시터의 양단 전압 즉 인버터 출력전압을 제어함으로써 계통쪽의 라인인덕터 양단에 걸리는 전압을 제어하여 간접적으로 계통에 주입되는 전류를 조정한다. 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 계통연계형 인버터는 의도적인 단독운전에서뿐만 아니라, 계통연계운전모드일 때에도 항시 전압제어모드(간접전류제어모드)로 운전되도록 하여 운전모드 전환에 따른 과도현상 발생 없이 안정된 전압을 비상전용부하에 지속적으로 공급함과 동시에, 계통에 전력을 주입하거나 계통으로부터 전력을 수급할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 특정 실시 예를 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변형되는 실시 예들은 이하에 청구하는 본 발명의 특허 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 라인인덕터에 가해지는 전압을 적절히 제어하여 계통주입전류를 레귤레이션할 수 있도록 함으로써 인버터가 항시 전압제어모드로 작동되어 계통연계운전 시 정현적인 출력전압을 공급함은 물론, 의도적인 단독운전으로 전환될 때에도 주요부하에 지속적으로 안정된 전력을 공급할 수 있으며 운전모드 전환에 따른 출력전압 과도현상이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 주전원계통의 전원을 주전원계통스위치와 트랜스포머를 통해 계통연계형 인버터로 공급하여 주요부하를 제어하되 상기 주전원계통 이상 발생 시 상기 주전원계통으로부터의 접속을 차단하고 의도적인 단독운전으로 전환하여 주요부하에 전원을 공급하는 계통연계형 인버터에 있어서:
    소정의 직류전원을 공급하는 직류전원공급수단;
    상기 직류전원공급수단의 출력단인 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 소정의 펄스폭변조 제어신호에 따라 작동하여 상기 직류전원공급수단으로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 1 및 제 2 스위칭소자;
    상기 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결하되 상기 제 1 및 제 2 스위칭소자와 병렬로 연결하고, 소정의 펄스폭변조 제어신호에 따라 작동하여 상기 직류전원공급수단으로부터 인가되는 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 제 3 및 제 4 스위칭소자;
    상기 제 1 및 제 2 스위칭소자의 공통접점인 제 1 노드에 연결하여 상기 제 1 스위칭소자에서 출력하는 신호의 저주파를 통과시키는 인덕터;
    상기 인덕터의 출력단과 상기 제 3 및 제 4 스위칭소자의 공통접점인 제 2 노드에 사이에 연결하여 상기 인덕터와 함께 교류필터를 형성하며 상기 인덕터를 통해 출력되는 신호의 고주파를 통과시키는 커패시터;
    상기 인덕터의 일측단에 연결되고, 상기 인덕터와 상기 커패시터를 통과한 교류전압신호를 필터링하는 라인인덕터; 및
    상기 라인인덕터의 일측단과 상기 제 2 노드에 연결된 트랜스포머의 2차측코일에 사이에 직렬 연결되어 상기 주전원계통스위치와 연계 동작하는 계통연계스위치;
    로 이루어지는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인인덕터는 상기 인덕터와 상기 커패시터를 통과한 인버터 출력단의 교류 전압을 인가받아 계통주입전류를 간접제어하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터.
  3. 계통연계형 인버터를 설계하는 방법에 있어서,
    계통주입전류(IO)의 목표치(IO *)를 입력하고 상기 목표치(IO *)에 따라 라인인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg)을 구하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계의 목표치(IO *)와 계통에 흐르는 실제전류(IO , peak)의 크기를 비교하여 오차를 계산하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계의 전류 오차값(IO,error)을 근거로 외부루프 제어기가 상기 제 1 단계의 라인인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg) 및 주전원전압을 이용하여 지령위상각(α)을 계산하여 출력하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계의 지령위상각(α)과 소정의 주전원전압(VS)으로부터 위상고정루프(PLL:Phase Lock Loop)에 의해 계산된 전원각(θ)을 더하여 커패시터전압의 위상각(sin(θ+α))을 구하는 제 4 단계;
    상기 제 1 단계의 인덕터 양단에 요구되는 전압(VLg)과 주전원전압(VS)을 이용하여 계산한 커패시터 양단 전압의 크기(VCf , rms)와, 상기 제 4 단계에서 구해진 커패시터전압의 위상각(sin(θ+α))을 근거로 하여 전압 목표치(VCf *)를 계산하는 제 5 단계;
    상기 제 5 단계의 전압 목표치(VCf *)와 실제치(VCf)를 비교하여 전압 오차값(VCf,error)을 계산하는 제 6 단계;
    상기 제 6 단계의 전압 오차값(VCf,error)을 근거로 내부루프 제어기가 전압 지령치를 계산하는 제 7 단계; 및
    상기 제 7 단계의 전압 지령치에 의해 펄스폭변조(PWM) 제어신호를 출력하는 제 8 단계;
    로 이루어지는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 라인인덕터 양단 전압(VLg)값은
    Figure 112005069388654-pat00014
    인 것을 특징으로 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 단계의 지령위상각(α)은
    Figure 112005069388654-pat00015
    인 것을 특징으로 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 5 단계의 커패시터 양단 접압(VCf,rms)값은
    Figure 112005069388654-pat00016
    인 것을 특징으로 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 7 단계 실행 후, 전압 실제치(VCf)의 신호를 필터링하여 소정의 이득을 곱한 값과 상기 전압 지령치를 비교하여 오차를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법.
KR1020050114706A 2005-11-29 2005-11-29 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법 KR100732220B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050114706A KR100732220B1 (ko) 2005-11-29 2005-11-29 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050114706A KR100732220B1 (ko) 2005-11-29 2005-11-29 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070056264A KR20070056264A (ko) 2007-06-04
KR100732220B1 true KR100732220B1 (ko) 2007-06-27

Family

ID=38354049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050114706A KR100732220B1 (ko) 2005-11-29 2005-11-29 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100732220B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101424317B1 (ko) * 2010-11-30 2014-08-01 엘에스산전 주식회사 계통연계형 인버터 시스템

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8068352B2 (en) * 2008-12-19 2011-11-29 Caterpillar Inc. Power inverter control for grid-tie transition
KR100920152B1 (ko) * 2009-04-06 2009-10-06 (주)그린파워테크놀로지스 변압기 탭 절환을 이용한 계통 연계형 ｐｃｓ 장치
KR101296812B1 (ko) * 2011-06-08 2013-08-14 한국전기연구원 계통 연계형 모의운전 시스템 및 그 운용방법
KR101486940B1 (ko) * 2014-09-18 2015-01-29 카코뉴에너지 주식회사 병렬 분산 전원용 단독 운전 검출 장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004187362A (ja) 2002-11-29 2004-07-02 Matsushita Electric Works Ltd 系統連系インバータ装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004187362A (ja) 2002-11-29 2004-07-02 Matsushita Electric Works Ltd 系統連系インバータ装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101424317B1 (ko) * 2010-11-30 2014-08-01 엘에스산전 주식회사 계통연계형 인버터 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070056264A (ko) 2007-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105375510B (zh) 光伏逆变器系统及其在高开路电压的启动方法
EP2395644B1 (en) Method and system to allow for high dc source voltage with lower dc voltage in a two stage power converter
US8897040B2 (en) Power converter systems and methods of operating a power converter system
US9490626B2 (en) Methods for anti-islanding in distributed-source electrical power generation and distribution systems and electrical systems and apparatus using same
US20140056041A1 (en) Power generation system, power converter system, and methods of operating a power converter system
US9509231B2 (en) Power converter system, damping system, and method of operating a power converter system
KR101178393B1 (ko) 3상 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법
Torabzad et al. Z-source inverter based dynamic voltage restorer
Khan et al. Reliable and effective ride-through controller operation for smart PV systems connected to LV distribution grid under abnormal voltages
KR101646170B1 (ko) 계통연계운전 및 독립운전을 수행하는 전력시스템 제어 방법
JP6730826B2 (ja) パワーコンディショナ、電力供給システム及び電流制御方法
KR100732220B1 (ko) 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법
Van Tu et al. Impacts of inverter-based distributed generation control modes on short-circuit currents in distribution systems
Yu et al. Indirect current control algorithm for utility interactive inverters for seamless transfer
Sadeque et al. A universal controller for grid-forming inverters in microgrid during islanding for low transient current
KR101099919B1 (ko) 태양전지를 이용한 전력변환 제어 장치
Nguyen et al. Seamless transition scheme between grid-tied and stand-alone modes of distributed generation inverters
Patel et al. Indian grid code based low voltage ride through control development for large scale solar PCS
KR100964138B1 (ko) 계통연계형 차단장치 및 보호방법
Bayrak et al. Fault ride-through (FRT) capability and current FRT methods in photovoltaic-based distributed generators
Lei et al. A universal droop-based control strategy for single-phase two-stage PV inverters
Ranjbar et al. Power electronic interface in a 70 kW microturbine-based distributed generation
Sun et al. A seamless transfer algorithm based on feed-forward control method for bi-modal grid-connected PCS
Papanikolaou et al. Estimation of maximum distributed photovoltaic penetration level, driven by flyback inverters in discontinuous conduction mode
Malad et al. Simulation of a buck-boost single phase voltage source inverter for distribution generation systems

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130603

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140617

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150616

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160614

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170718

Year of fee payment: 11

LAPS Lapse due to unpaid annual fee