KR101367522B1 - 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/70—Regulating power factor; Regulating reactive current or power

Abstract

본 발명은 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 상기 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 제어장치에 있어서, 상기 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 지령 산출부;
상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성부; 및 상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 위상각을 산출하는 위상각 산출부를 포함하되, 상기 상태 변수는 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 위상각을 제어 입력으로 사용하는 정지형 무효전력 보상장치에 적용될 수 있는 제어장치가 제공된다.

Description

정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법{APPATATUS AND METHOD FOR CONTROLLING STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR}
본 발명의 실시예들은 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위상각을 제어 입력으로 사용하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
정지형 무효전력 보상장치(STATCOM: Static Synchronous Compensator) 시스템은 컨버터의 무효 전류를 제어하여 송전 전력 계통의 전압을 보상하고 계통의 안정성을 높이는 장치이다. 기존의 SVC(Static Var Compensator)에 비해 더 빠른 응답, 안정성, 낮은 고조파, 작은 크기 등을 가진다는 장점이 있다. 특히 반도체 스위치를 이용한 전력전송시스템의 핵심인 이 설비는 전기 흐름을 능동적으로 제어함으로써 풍력이나 태양광 등 신 재생에너지 발전 시 기상상황에 따라 발전량이 급변하더라도 출력 전압을 일정하게 유지해 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 해준다.
하지만 정지형 무효전력 보상장치는 비선형 특성을 갖는 시스템으로서 모든 동작 점에서 빠르고 안정한 전압 조정을 보장하는 제어기를 설계하기가 쉽지 않다. 정지형 무효전력 보상장치 시스템을 위한 제어기 설계 방법 및 종류는 다음과 같다.
PI(Proportional-Integral) 제어기는 설계가 용이하기 때문에 산업 현장에서 널리 사용되었다. 하지만 고정된 PI 게인은 특정 동작 점에서만 사용될 수 있고, 다른 동작 점에서는 불안정한 응답을 얻을 수 있는 단점이 존재한다. 이에 대해서는 M. M. Farsangi, Y. H. Song, and Y. Z. Sun, "Supplementary control design of SVC and STATCOM using optimal robust control," International Conference on DRPT, pp. 355-360, 2000 의 논문에 기재되어 있다.
또한, 입출력 피드백 선형화(IOL: Input-Output Feedback Linearization) 을 이용한 비선형 제어기 설계 방법이 P. Petitclair, S. Bacha, and J. P. Ferrieux, "Optimized linearization via feedback control law for a STATCOM," in Industry Applications Conference Annual Meeting, vol.2, pp. 880-885, 1997의 논문에 기재되어 있다. 비선형 제어기 설계 기법은 구성이 복잡하며 내부 역동성(dynamics)의 안정성을 고려하지 않은 단점이 있다.
이에 입출력 피드백 선형회로에 비해 구성이 단순한 수동성 기반 제어기(PBC: passivity based controller)가 제안되었다. 이는 H.-C. Tsai, C.-C. Chu and S.-H. Lee, "Passivity-based nonlinear statcom controller design for improving transient stablility of power systems",in IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2005, pp. 1-5에 기재되어 있다.
상기 제안된 수동성 기반 제어기는 두 개의 전류의 내부 루프와 외부 루프로 구성되며, 내부 루프는 각각 D축 및 Q축 전류를 통제하고 외부 루프는 내부 DC bus 전압을 통제한다.
하지만 상기 제안된 수동성 기반 제어기(Passivity-based controller)는 펄스 폭 변조(PWM) 기술과 컨버터를 사용하여 유효전력과 무효전력을 제어하는 제1 타입의 정지형 무효전력 보상장치에만 적용 가능할 뿐, 위상각을 제어 입력으로 사용하는 제2 타입의 정지형 무효전력 보상장치에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 위상각을 제어 입력으로 사용하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 상기 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 제어장치에 있어서, 상기 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 지령 산출부;
상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성부; 및 상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 위상각을 산출하는 위상각 산출부를 포함하되, 상기 상태 변수는 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치가 제공된다.
사용자로부터 상기 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는 지령 입력부를 더 포함하되, 상기 무효 전류에 대한 지령 값은 상기 무효 전류에 대한 초기 지령 값, 최종 지령 값 및 상기 무효 전류에 대한 지령 값이 상기 초기 지령 값으로부터 상기 최종 지령 값으로 변하는 시간을 포함할 수 있다.
상기 지령 산출부는 상기 정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값을 산출할 수 있다.
상기 피드백 제어 신호 생성부는 상기 오차의 제곱 값 또는 상기 오차의 포화 값을 이용하여 상기 피드백 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 위상각 산출부는 상기 정지형 무효전력 보상장치의 Euler-Lagrange(EL) 모델을 이용하여 상기 위상각을 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 방법에 있어서, 사용자로부터 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는 단계; 상기 입력된 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 산출하는 단계를 포함하되, 상기 상태 변수는 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 방법을 제공하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며, 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체로서, 사용자로부터 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는 단계; 상기 입력된 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 산출하는 단계를 수행할 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
본 발명에 따른 제어장치는 위상각을 하나의 제어 입력으로 사용하는 정지형 무효전력 보상장치에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류와 직류 전압의 과도 응답 성능이 개선되어 시스템이 빠르게 안정될 수 있다.
또한, 수동성 기반 제어장치의 적용으로 폐 루프 시스템의 안정도를 보장할 수 있다.
도 1은 정지형 무효전력 보상장치의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치 시스템을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지령 입력부에 입력되는 무효 전류에 대한 지령 값의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 타입의 피드백 제어 신호의 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법에 대한 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 시간응답의 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 시간 응답과 입출력 피드백 선형회로를 이용하는 경우의 정지형 무효전력 보상장치의 시간 응답의 일례를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
정지형 무효전력 보상장치에서의 제어장치를 설명하기에 앞서 정지형 무효전력 보상장치의 기본 회로에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 정지형 무효전력 보상장치의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면,
Figure 112011056127614-pat00001
,
Figure 112011056127614-pat00002
,
Figure 112011056127614-pat00003
는 라인을 통해 흐르는 3상 전류,
Figure 112011056127614-pat00004
,
Figure 112011056127614-pat00005
는 전압 전원 컨버터(Voltage Sourced Convert)에 인가되는 직류 전압 및 전류를 각각 의미한다. 또한 인덕턴스 L은 실제의 전원 변압기의 누설 손실, 저항
Figure 112011056127614-pat00006
는 인버터와 변압기사이의 전도 손실을 나타내며 캐패시터 C에 병렬로 연결된 저항
Figure 112011056127614-pat00007
는 스위칭 손실을 의미한다.
여기서, d-q프레임에 대한 상태 공간에서의 정지형 무효전력 보상장치 시스템의 수학적 평균 모델은 하기의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011056127614-pat00008
Figure 112011056127614-pat00009
여기서,
Figure 112011056127614-pat00010
,
Figure 112011056127614-pat00011
는 유효 전류,
Figure 112011056127614-pat00012
,
Figure 112011056127614-pat00013
는 무효 전류,
Figure 112011056127614-pat00014
,
Figure 112011056127614-pat00015
는 커패시터에 인가되는 직류 전압,
Figure 112011056127614-pat00016
는 컨버터의 교류 터미널에서의 위상에 중립적인 전압의 최대 진폭을 위한 직류 전압과 관련된 상수,
Figure 112011056127614-pat00017
는 전압 벡터
Figure 112011056127614-pat00018
를 리드하는 컨버터의 전압 벡터
Figure 112011056127614-pat00019
에 의한 위상각을 각각 의미한다.
무효 전류의 값이 양수인 경우 정지형 무효전력 보상장치는 유도성 모드에서 작동되며 무효전력을 흡수한다. 무효 전류의 값이 음수인 경우 정지형 무효전력 보상장치는 용량성 모드에서 작동되며 무효전력을 공급한다.
여기서,
Figure 112011056127614-pat00020
는 sufficiently smooth 함수이며
Figure 112011056127614-pat00021
는 정지형 무효전력 보상장치의 제어 입력으로 사용되는 위상각을 의미한다. 함수
Figure 112011056127614-pat00022
는
Figure 112011056127614-pat00023
가 비특이성을 가지는 경우 음 함수(implicit function)의 정리를 만족한다.
제어장치는 정지형 무효전력 보상장치 시스템의 고유의 물리적 구조와 자연적인 에너지 낭비를 고려하여 설계될 수 있다. Energy Shaping을 고려하지 않은 제어장치를 설계하는 경우 과도(transient) 상태에서 정지형 무효전력 보상장치에 과도한 제어 입력을 가함으로써 진동이 가진 될 수 있으며, 이러한 진동은 전력 품질을 떨어트리고, 전력 전송의 시간을 늦출 수 있기 때문이다.
따라서, 정지형 무효전력 보상장치 시스템의 안정화를 위해 에너지 균형의 관점 또는 에너지의 낭비 속성의 관점에서 제어장치가 설계될 수 있으며 이를 위해 정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 하기의 수학식 2와 같이 Euler-Lagrange(EL) 모델로 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011056127614-pat00024
여기서,
Figure 112011056127614-pat00025
는 제어 입력,
Figure 112011056127614-pat00026
는 시스템에서의 에너지 소모력,
Figure 112011056127614-pat00027
는 에너지의 보존력,
Figure 112011056127614-pat00028
는 에너지 획득량을 의미한다.
Figure 112011056127614-pat00029
값이 작으므로
Figure 112011056127614-pat00030
로 가정할 수 있으며 따라서, Euler-Lagrange(EL) 모델을 하기의 수학식 3과 같이 다시 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011056127614-pat00031
정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 Euler-Lagrange(EL) 모델로 표현하는 경우 후술할 리아프노프 함수 후보(Lyapunov function candidate)의 시간에 대한 미분 값이 음의 값을 가지는 경우 시스템이 안정하다고 할 수 있다.
이하, 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 제어장치에 대해 상기에서 설명한 수식들을 이용하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 정지형 무효전력 보상장치 시스템은 제어장치(200), 정지형 무효전력 보상장치(210)를 포함하며 제어장치(200)는 지령 입력부(201), 지령 산출부(203), 피드백 제어 신호 생성부(205) 및 위상각 산출부(207)를 포함할 수 있다.
지령 입력부(201)는 사용자로부터 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는다. 여기서 무효 전류에 대한 지령 값이란 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력될 사용자가 원하는 무효 전류의 값을 의미한다.
지령 산출부(203)는 지령 입력부(201)에 입력된 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출한다. 여기서 상태변수는 정지형 무효전력 보상장치(210)의 출력에서 측정되는 무효 전류, 유효 전류 및 직류 전압을 의미하며 지령 산출부(203)는 수학식 1을 이용하여 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출할 수 있다.
수학식 1을 이용하여 산출된 위상각에 대한 지령 값을
Figure 112011056127614-pat00032
, 유효 전류에 대한 지령 값을
Figure 112011056127614-pat00033
, 무효 전류에 대한 지령 값을
Figure 112011056127614-pat00034
, 직류 전압에 대한 지령 값을
Figure 112011056127614-pat00035
로 표현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지령 입력부에 입력되는 무효 전류에 대한 지령 값의 일례를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 지령 입력부(201)는 사용자로부터 무효 전류에 대한 초기 지령 값
Figure 112011056127614-pat00036
, 무효 전류에 대한 최종 지령 값
Figure 112011056127614-pat00037
, 무효 전류에 대한 지령 값이 초기 지령 값으로부터 최종 지령 값으로 변하는 시간
Figure 112011056127614-pat00038
를 입력 받을 수 있다. 여기서 무효 전류에 대한 초기 지령 값은 현재의 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 무효 전류의 값일 수 있다.
지령 입력부(201)에 무효 전류에 대한 최종 지령 값이 바로 입력되는 것이 아닌 도 3과 같이 지령 입력부(201)에 시간
Figure 112011056127614-pat00039
동안 무효 전류에 대한 초기 지령 값으로부터 무효 전류에 대한 최종 지령 값이 순차적으로 입력되는 경우 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 무효 전류가 보다 부드럽고 안정적으로 무효 전류에 대한 지령 값에 일치될 수 있다.
이어서, 피드백 제어 신호 생성부(205)는 상태 변수에 대한 지령 값과 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성한다.
위상각 산출부(207)는 수동성 기반 제어기로서 위상각에 대한 지령 값, 상태 변수에 대한 지령 값, 오차 및 피드백 제어 신호를 이용하여 정지형 무효전력 보상장치(210)에 입력되는 위상각을 산출한다.
이하, 피드백 제어 신호 생성부(205)에서 피드백 제어 신호를 생성하는 방법과 위상각 산출부(207)에서 위상각을 산출 하는 방법에 대해 보다 자세하게 설명하도록 한다.
지령 산출부(203)에서 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 경우 desired dynamics는 하기의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112011056127614-pat00040
여기서,
Figure 112011056127614-pat00041
는 desired dynamics,
Figure 112011056127614-pat00042
는 상태 변수에 대한 지령 값을 의미하며
Figure 112011056127614-pat00043
는 위상각에 대한 지령 값으로
Figure 112011056127614-pat00044
와 동일한 값을 의미한다.
또한, error dynamics는 수학식 4에서 수학식 2를 뺌으로써 하기의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112011056127614-pat00045
Figure 112011056127614-pat00046
여기서,
Figure 112011056127614-pat00047
는 error dynamics,
Figure 112011056127614-pat00048
는 오차를 의미한다.
이때, 리아프노프 함수 후보(Lyapunov function candidate)를 하기의 수학식 6으로 표현할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112011056127614-pat00049
이어서, 수학식 6의 도함수를 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112011056127614-pat00050
수학식 2에서
Figure 112011056127614-pat00051
이므로
Figure 112011056127614-pat00052
의 첫 번째 텀인
Figure 112011056127614-pat00053
는 음의 값을 가진다. 두 번째 텀인
Figure 112011056127614-pat00054
는 하기의 수학식 8과 같이 다시 표현할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112011056127614-pat00055
정지형 무효전력 보상장치(210)의 시스템을 안정화 하기 위한 위상각을 산출하기 위해서는
Figure 112011056127614-pat00056
값이 음의 값을 가져야 한다.
만약 위상각을 하기의 수학식 9와 같이 표현하는 경우 피드백 제어 신호가 양의 값을 가질 때
Figure 112011056127614-pat00057
가 음의 값을 가지게 된다.
[수학식 9]
Figure 112011056127614-pat00058
여기서,
Figure 112011056127614-pat00059
는 피드백 제어 신호를 의미한다.
즉,
Figure 112011056127614-pat00060
가 음의 값을 가지는 경우 Lyapunov의 정리에 의해 정지형 무효전력 보상장치(210) 시스템의 평형 점이 안정하다 판단할 수 있다.
피드백 제어 신호 생성부(205)는 가중치
Figure 112011056127614-pat00061
가 고려된 제곱 오차의 합을 이용하여 모든 상태 변수의 시간 응답을 고려하는 피드백 제어 신호를 생성할 수 있으며 이는 하기의 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112011056127614-pat00062
이어서, 피드백 제어 신호 생성부(205)에서 피드백 제어 신호가 생성되는 경우 위상각 산출부(207)는 수학식 9를 이용하여 위상각을 산출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 수학식 6의 도함수를 하기의 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112011056127614-pat00063
이때 위상각에 대한 수식을 하기의 수학식 12와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112011056127614-pat00064
여기서,
Figure 112011056127614-pat00065
는 입력 값의 포화를 피하기 위해 추가한 변수를 의미한다.
정지형 무효전력 보상장치(210)의 시스템을 안정화 하기 위한 위상각을 산출하기 위해서는 피드백 제어 신호는 양의 값을 가져야 하며 이하, 두 가지 타입의 피드백 제어 신호를 생성하는 방법을 제안한다.
첫 번째 타입은 오차의 제곱 값을 이용하는 방식으로 하기의 수학식 13과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112011056127614-pat00066
여기서,
Figure 112011056127614-pat00067
은 첫 번째 타입의 피드백 제어 신호를 의미한다.
수학식 12를 통해 무효 전류의 가중치
Figure 112011056127614-pat00068
가 클수록 무효 전류의 조정 시간(settling time)
Figure 112011056127614-pat00069
가 빨라짐을 알 수 있다. 하지만 위상각
Figure 112011056127614-pat00070
의 한계 값이 있기 때문에 무효 전류의 가중치가 특정 크기 이상의 값을 가지는 경우 무효 전류의 상태는 발산하게 되는 문제점이 있다.
이러한
Figure 112011056127614-pat00071
의 포화로 인한 문제점을 해결하기 위해 오차의 포화 값을 이용하는 두 번째 타입의 피드백 제어 신호를 하기의 수학식 14와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112011056127614-pat00072
여기서,
Figure 112011056127614-pat00073
는 두 번째 타입의 피드백 제어 신호를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 가지 타입의 피드백 제어 신호의 그래프를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면,
Figure 112011056127614-pat00074
가 수학식 13과 수학식 14에서 동일하다 가정하는 경우
Figure 112011056127614-pat00075
인 구간에서는
Figure 112011056127614-pat00076
가
Figure 112011056127614-pat00077
보다 작은 값을 가진다. 따라서, 두 번째 타입의
Figure 112011056127614-pat00078
를 적용하면 오차가 큰 경우에도 위상각
Figure 112011056127614-pat00079
가 포화하는 것을 막을 수 있다.
Figure 112011056127614-pat00080
구간에서는
Figure 112011056127614-pat00081
가
Figure 112011056127614-pat00082
보다 큰 값을 가진다. 따라서 과도 응답의 성능 즉 상승 시간
Figure 112011056127614-pat00083
및 조정 시간
Figure 112011056127614-pat00084
의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법에 대한 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 단계(S500)에서는 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 무효 전류의 초기 지령 값, 무효 전류의 최종 지령 값 및 초기 지령 값으로부터 최종 지령 값까지 변하는 동안의 시간 간격을 입력 받을 수도 있다.
이어서, 단계(S510)에서는 입력 받은 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출한다. 여기서, 상태 변수는 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
단계(S520)에서는 위상각의 상태 변수에 대한 지령 값과 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성한다.
마지막으로 단계(S530)에서는 위상각에 대한 지령 값, 상태 변수에 대한 지령 값, 오차 및 피드백 제어 신호를 이용하여 위상각을 산출한다.
지금까지 본 발명에 따른 정지형 무효전력 보상장치(210)의 제어방법의 실시 예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 2 내지 도 4에서 설명한 제어장치(200)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용이 가능하다. 이에 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 시간응답의 일례를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 오차의 포화 값을 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 경우의 무효 전류의 조정 시간은 오차의 제곱 값을 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 경우의 무효 전류의 조정 시간보다 빠름을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 시간 응답과 입출력 피드백 선형회로를 이용하는 경우의 정지형 무효전력 보상장치의 시간 응답의 일례를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 입출력 피드백 선형화(IOL)에 의한 무효전류의 시간 응답이 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전류의 시간 응답보다 더 우수한 것을 확인할 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전압과 유효전류의 시간 응답은 입출력 피드백 선형회로에 의한 시간 응답보다 우수하다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치 시스템은 유효전류와 DC 전압을 포함하는 내부 동특성이 빠르게 안정될 수 있다. 또한 입출력 피드백 선형회로(IOL)를 적용한 정지형 무효전력 보상장치 시스템이 파라미터 불확실성과 외란에 취약하다는 단점을 본 발명으로 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
200: 제어장치 201: 지령 입력부
203: 지령 산출부 205: 피드백 제어 생성부
207: 위상각 산출부 210: 정지형 무효전력 보상장치

Claims (13)

  1. 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 상기 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 제어장치에 있어서,
    상기 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 지령 산출부;
    상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성부; 및
    상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 위상각을 산출하는 위상각 산출부를 포함하되,
    상기 상태 변수는 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자로부터 상기 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는 지령 입력부를 더 포함하되,
    상기 무효 전류에 대한 지령 값은 상기 무효 전류에 대한 초기 지령 값, 최종 지령 값 및 상기 무효 전류에 대한 지령 값이 상기 초기 지령 값으로부터 상기 최종 지령 값으로 변하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지령 산출부는 상기 정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어 신호 생성부는 상기 오차의 제곱 값 또는 상기 오차의 포화 값을 이용하여 상기 피드백 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 피드백 제어 신호 생성부는 상기 오차의 제곱 값을 이용하여 생성되는 상기 피드백 제어 신호를 하기의 수학식을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
    Figure 112011056127614-pat00085

    Figure 112011056127614-pat00086

    여기서,
    Figure 112011056127614-pat00087
    는 상기 오차의 제곱 값을 이용하여 생성된 피드백 제어 신호,
    Figure 112011056127614-pat00088
    는 상기 오차
    Figure 112011056127614-pat00089
    는 상기 유효 전류에 대한 지령 값,
    Figure 112011056127614-pat00090
    는 상기 유효 전류,
    Figure 112011056127614-pat00091
    는 상기 무효 전류에 대한 지령 값,
    Figure 112011056127614-pat00092
    는 상기 무효 전류,
    Figure 112011056127614-pat00093
    는 상기 직류 전압에 대한 지령 값,
    Figure 112011056127614-pat00094
    는 상기 직류 전압,
    Figure 112011056127614-pat00095
    는 가중치를 각각 의미함.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 피드백 제어 신호 생성부는 상기 오차의 포화 값을 이용하여 생성되는 상기 피드백 제어 신호를 하기의 수학식을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
    Figure 112013094559875-pat00096

    여기서,
    Figure 112013094559875-pat00097
    는 상기 오차의 포화 값을 이용하여 생성된 피드백 제어 신호,
    Figure 112013094559875-pat00108
    는 오차,
    Figure 112013094559875-pat00109
    는 가중치를 의미함.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위상각 산출부는 상기 정지형 무효전력 보상장치의 Euler-Lagrange(EL) 모델을 이용하여 상기 위상각을 산출하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 위상각 산출부는 하기의 수학식을 이용하여 위상각을 산출하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치.
    Figure 112013094559875-pat00098

    Figure 112013094559875-pat00099
    는 상기 위상각,
    Figure 112013094559875-pat00100
    는 상기 위상각에 대한 지령 값,
    Figure 112013094559875-pat00110
    는 무효 전류에 대한 지령 값,
    Figure 112013094559875-pat00111
    는 무효 전류,
    Figure 112013094559875-pat00112
    는 직류 전압에 대한 지령 값,
    Figure 112013094559875-pat00113
    는 직류 전압,
    Figure 112013094559875-pat00114
    는 피드백 제어 신호를 각각 의미함.
  9. 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 방법에 있어서,
    사용자로부터 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는 단계;
    상기 입력된 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계;
    상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 상태 변수는 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무효 전류에 대한 지령 값은 상기 무효 전류에 대한 초기 지령 값, 최종 지령 값 및 상기 무효 전류에 대한 지령 값이 상기 초기 지령 값으로부터 상기 최종 지령 값으로 변하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 오차의 제곱 값 또는 상기 오차의 포화 값을 이용하여 상기 피드백 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 위상각을 산출하는 단계는 상기 정지형 무효전력 보상장치의 Euler-Lagrange(EL) 모델을 이용하여 상기 위상각을 산출하는 것을 특징으로 하는 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  13. 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 무효 전류가 무효 전류에 대한 지령 값에 일치하도록 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 제어하는 방법을 제공하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며, 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체로서,
    사용자로부터 무효 전류에 대한 지령 값을 입력 받는 단계;
    상기 입력된 무효 전류에 대한 지령 값을 이용하여 상기 위상각에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계;
    상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 위상각에 대한 지령 값, 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 위상각을 산출하는 단계를 수행할 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체.
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