KR101125111B1 - 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 계통연계를 위한 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득시에 저역 통과필터를 사용하지 않고 고역 통과필터를 사용하여 기본파 성분을 획득함으로써 위상 추종시에 시간응답이 우수하고, 고조파가 완벽히 제거된 기본파 성분을 획득할 수 있는 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기에 관한 것이다.

Description

피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기{Method for acquiring fundamental frequency component of phase-locked loop and phase-locked loop controller using the method}

본 발명은 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 계통연계를 위한 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득시에 저역 통과필터를 사용하지 않고 고역 통과필터를 사용하여 기본파 성분을 획득함으로써 위상 추종시에 시간응답이 우수하고, 고조파가 완벽히 제거된 기본파 성분을 획득할 수 있는 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기에 관한 것이다.

신뢰성 있는 피엘엘(PLL:phase-locked loop, 위상 고정 루프) 제어를 수행하기 위해서는 계통전압의 기본파 성분에 대한 정확한 정보를 획득하는 것이 필수적이다.

그러나, 계통전압에는 기본파 성분 이외에 고조파 성분이 다소 포함되어 있으며, 이는 위상각 추정의 에러에 직접적인 영향을 미친다.

도 1은 종래의 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 계통전압 기본파 성분 획득방법은 먼저, 계통전압을 입력받아 2상 정지좌표로 변환(α-β 변환)하여 정지좌표 전압(V_ab)을 획득하고(S10), 다음, 상기 정지좌표 전압(10)을 2상 회전좌표로 변환(d-q 변환)하여 상기 계통전압의 기본파 성분(V(f₁))이 직류 성분이 되는 회전좌표 전압(V_dq)을 획득한다(S20).

다음, 상기 회전좌표 전압(20)을 컷-오프 주파수(F_c)를 갖는 저역 통과필터에 통과시켜, 회전좌표 계통전압(20)의 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))을 제거하고(S30), 상기 계통전압 중의 기본파 성분(V(f₁))을 획득한다(S40).

이때, 상기 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))을 강력히 제거하기 위해서는 낮은 컷오프 주파수를 갖는 저역 통과필터를 설계하여야 하나, 이는 큰 시정수에 의해 위상각 검출 속도가 저감되는 문제가 있다.

따라서, 종래의 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법은 상기 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))을 완벽하게 제거하는데 한계가 있다.

또한, 일반적인 피엘엘 제어기의 구조는 d축 전압성분을 Zero로 할 수 있도록 PI제어기가 위상을 출력하므로 d축 전압성분에 리플분이 존재하는 경우 피엘엘 제어기의 이득 설정에 문제가 있으며, 이로 인해 한정된 에러 범위 내에서 위상각 추종에 어려움이 있다. 또한, 위상을 추종할 수 있는 d축 전압 리플율에 제한이 있어 모든 신호영역에 대하여 위상을 추종하는 것이 불가능하게 된다.

따라서, 종래의 피엘엘 제어기는 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))이 완벽하게 제거된 기본파 성분을 얻는데 한계가 있고, 계통전압의 위상추종속도가 느린 단점이 있다.

본 발명자들은 피엘엘 제어기가 계통전압 변동에도 실시간으로 검출이 유리하여 동특성이 우수하고, 고조파 성분이 완벽히 제거된 기본파 성분을 획득할 수 있는 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기를 연구 노력한 결과, 저역 통과필터를 사용하지 않고 고역 통과필터를 사용하여 계통전압의 기본파 성분을 검출함으로써 동특성이 우수하여 계통전압 변동의 실시간 검출이 유리하고, 고조파 성분이 완벽히 제거된 기본파 성분을 획득할 수 있는 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 위상지연이 적어 빠르게 위상추종이 가능하고, 계통전압 계산시에 고조파 성분이 완벽히 제거된 기본파 성분을 이용하여 고조파 및 상 불평형에 강인한 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그 방법을 이용하는 피엘엘 제어기를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 계통연계를 위해 계통전압의 크기 및 위상의 계산기준이 되는 피엘엘(PLL:Phase-Locked Loop) 제어의 기본파 성분 획득방법에 있어서, 계통전압을 입력받아 저역 통과필터를 사용하지 않고, 고역 통과필터를 이용하여 상기 계통전압의 고조파 성분만을 획득하는 제1단계; 및 상기 계통전압에서 상기 고조파 성분을 감하여 상기 계통전압 중의 기본파 성분을 획득하는 제2단계;를 포함하는 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 단계:는 상기 계통전압을 입력받아 2상 정지좌표로 변환(α-β 변환)하여 정지좌표 전압(V_αβ)을 획득하는 제1-1단계; 상기 정지좌표 계통전압을 2상 회전좌표로 변환(d-q 변환)하여 회전좌표 전압(V_dq)을 획득하는 제1-2단계; 및 상기 회전좌표 전압을 고역 통과필터에 통과시켜 상기 고역 통과필터의 컷-오프 주파수(f_hc) 이하의 성분을 제거함으로써 고조파 성분들 만으로 이루어진 고조파 회전좌표 전압(V_{dq_h})을 획득하는 제1-3단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2단계는 상기 회전좌표 전압(V_dq)에서 상기 고조파 회전좌표 전압(V_{dq_h})을 감한 직류성분을 상기 기본파 성분으로 획득한다.

또한 본 발명은 상기 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법을 이용하여 상기 계통전압의 위상을 추종하는 피엘엘 제어기를 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그를 이용하는 피엘엘 제어기에 의하면, 계통전압의 기본파 성분을 획득하기 위해 저역 통과필터를 사용하지 않고 고역 통파필터를 사용하므로 낮은 컷-오프 주파수로 인해 발생하는 위상각 검출 속도의 저감을 방지할 수 있어 동특성이 매우 우수한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법 및 그를 이용하는 피엘엘 제어기에 의하면, 고조파 성분이 완벽히 제거된 기본파 성분을 획득할 수 있으므로 계통연계 시에 발전전력의 크기 및 위상을 정확히 계산할 수 있게 하여 계통연계의 효율을 매우 높일 수 있다.

도 1은 종래의 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피엘엘 제어기의 블록도이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법은 발전소 등에서 발전된 발전전력을 계통에 연계할 때 필요한 계통전압의 크기 및 위상 계산에 기반이 되는 회전좌표 전압을 획득하기 위한 것이다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법은 계통전압(V_a,V_b,V_c)을 입력받아 2상 정지좌표로 변환(α-β 변환)하여 정지좌표 전압(V_ab)을 획득한다(S1000). 도 2의 (a)에서도 알 수 있듯이 상기 정지좌표 계통전압(V_ab)에는 기본파 성분(V(f₁)) 이외에 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))이 포함되어 이루어지는 것을 알 수 있다.

다음, 상기 정지좌표 전압(V_ab)을 2상 회전좌표로 변환(d-q변환)하여 회전좌표 전압(V_dq)을 구한다(S2000).

이 경우 상기 기본파 성분(V(f₁))은 직류 성분으로 변환되고, 상기 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))은 한 차수 낮거나 높은 고조파 성분이 된다. 특히, 역 상분 성분은 2상 회전좌표 변환 시 120[Hz] 성분인 2고조파 성분이 된다.

다음, 상기 회전좌표 전압(V_dq)을 고역 통과필터(HPF)에 통과시켜(S3000), 상기 고역 통과필터의 컷-오프 주파수(f_hc) 이하의 성분, 즉, 상기 기본파 성분(V(f₁))을 제거하여 상기 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))만으로 이루어진 고조파 회전좌표 전압(V_{dq_h})를 획득한다(S4000).

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법은 종래의 저역 통과필터(LPF)를 사용하여 상기 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))을 제거하는 방법과 비교하여 필터가 낮은 컷-오프 주파수를 가질 필요가 없으므로 시정수가 작아 시간응답이 빠르므로 동특성이 우수한 장점이 있다.

다음, 상기 회전좌표 전압(V_dq)에서 상기 고조파 회전좌표 전압(V_{dq_h})을 감하여 직류성분인 기본파 성분(V(f₁))을 획득한다(S5000).

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득방법은 저역 통과필터를 이용하는 종래의 피엘엘 제어의 계통전압 기본파 성분 획득방법에 비해 계통전압에 포함된 고조파 성분들(V(f₂),V(f₃),...,V(f_n))을 완벽하게 제거할 수 있는 장점이 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피엘엘 제어기의 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 피엘엘 제어기(100)는 본 발명의 일 실시예에 따른 기본파 성분 획득방법에 의해 획득된 기본파 성분을 이용하여 발전전력을 계통에 연계할 때 필요한 전압의 크기 및 위상을 출력하는 것으로, 정지좌표 변환부(110), 회전좌표 변환부(120) 및 고역 통과필터부(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 정지좌표 변환부(110)는 계통전압(V_a,V_b,V_c)을 입력받아 2상 정지좌표 로 변환하여 정지좌표 전압(V_ab)을 획득한다.

상기 회전좌표 변환부(120)는 상기 정지좌표 변환부(110)에서 변환된 정지좌표 전압(V_ab)을 2상 회전좌표로 변환하여 회전좌표 전압(V_dq)을 획득한다.

상기 고역 통과필터부(130)는 고역 통과필터(131), 제1감산기(132) 및 제2감산기(133)을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 고역 통과필터(131)는 상기 회전좌표 전압(V_dq) 중에서 컷-오프 주파수(f_hc) 이하의 성분을 제거하며, 더욱 자세하게는 상기 회전좌표 전압(V_dq)의 d축 성분 및 q축 성분에 대해 컷-오프 주파수(f_hc) 이하의 성분을 제거한다.

또한, 상기 제1감산기(132)는 상기 회전좌표 변환부에서 변환된 회전좌표 전압(V_dq)의 d축 성분에서 상기 고역 통과필터(131)를 통과한 회전좌표 전압(V_{dq_f})의 d축 성분을 감하여, 기본파의 d축 성분(d_l)을 출력하고, 상기 제2감산기(133)는 상기 상기 회전좌표 변환부에서 변환된 회전좌표 전압(V_dq)의 q축 성분에서 상기 고역 통과필터(131)를 통과한 회전좌표 전압(V_{dq_f})의 q축 성분을 감하여, 기본파의 q축 성분(q_l)을 출력한다.

즉, 상기 기본파의 d축 성분(d_l) 및 q축 성분(q_l)이 상기 계통전압의 기본파 성분으로 획득되는 것이다.

또한, 상기 기본파 성분(d_l,q_l)은 계통전압의 위상을 추종하기 위한 위상 추종부(140)로 입력되어 지령치 위상(θ)으로 계산되어 출력되며 발전전력을 계통에 연계하는 인버터(도시하지 않음)는 발전전력의 위상을 상기 지령치 위상(θ)이 되게 하여 발전전력을 연계한다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 피엘엘 제어기(100)는 종래의 저역 통과필터를 사용하지 않고 고역 통파필터를 사용하여 계통전압의 기본파 성분을 획득하므로 낮은 컷-오프 주파수로 인해 발생하는 위상각 검출 속도의 저감을 방지할 수 있다. 또한, 계통전압에서 고조파 성분이 완벽히 제거된 기본파 성분을 이용하여 연계할 발전전력의 크기 및 위상을 계산하므로 계통연계의 효율을 매우 높일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:피엘엘 제어기 110:정지좌표 변환부
120:회전좌표 변환부 130:고역 통과 필터부
131:고역 통과필터 132:제1감산기
133:제2감산기 140:위상 추종부

Claims (4)

1. 계통연계를 위해 계통전압의 크기 및 위상의 계산기준이 되는 피엘엘(PLL:Phase-Locked Loop) 제어의 기본파 성분 획득방법에 있어서,
   계통전압을 입력받아 저역 통과필터를 사용하지 않고, 고역 통과필터를 이용하여 상기 계통전압의 고조파 성분만을 획득하는 제1단계; 및
   상기 계통전압에서 상기 고조파 성분을 감하여 상기 계통전압 중의 기본파 성분을 획득하는 제2단계;를 포함하는 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 단계:는
   상기 계통전압을 입력받아 2상 정지좌표로 변환(α-β 변환)하여 정지좌표 전압(V_αβ)을 획득하는 제1-1단계;
   상기 정지좌표 계통전압을 2상 회전좌표로 변환(d-q 변환)하여 회전좌표 전압(V_dq)을 획득하는 제1-2단계; 및
   상기 회전좌표 전압을 고역 통과필터에 통과시켜 상기 고역 통과필터의 컷-오프 주파수(f_hc) 이하의 성분을 제거함으로써 고조파 성분들 만으로 이루어진 고조파 회전좌표 전압(V_{dq_h})을 획득하는 제1-3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제2단계는 상기 회전좌표 전압(V_dq)에서 상기 고조파 회전좌표 전압(V_{dq_h})을 감한 직류성분을 상기 기본파 성분으로 획득하는 것을 특징으로 하는 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 피엘엘 제어의 기본파 성분 획득방법을 이용하여 상기 계통전압의 위상을 추종하는 피엘엘 제어기.

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