KR101381599B1 - 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법 - Google Patents

비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로로서, 비례적분 제어기를 이용한 비례 적분 전류 제어를 통해 기본파의 전류 제어를 수행하는 비례적분 제어부; 및 비례공진 제어기를 이용한 비례 공진 전류 제어를 통해 상기 계통전류의 저차 고조파 보상을 수행하는 비례공진 제어부를 포함하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로가 제공된다.

Description

비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법{CIRCUITARY AND METHOD FOR COMPENSATION OF HARMONIC DISTORTION FOR GRID-CONNECTED INVERTER SYSTEM USING A PROPORTION RESONANT CONTROLLER}
본 발명은 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법에 관한 것으로, 상세하게는 복잡한 연산과정을 탈피하기 위해서 지정된 주파수에서 무한대에 가까운 이득 값을 가지는 비례공진(PR) 제어기를 고조파 보상기로 사용하여 계통전류의 고조파를 보상하는 비례공진(proportion resonant) 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 세계적으로 기후변화 협약과 에너지 자원의 고갈 문제가 대두되면서 태양 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 따라 태양 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연구가 선진국을 중심으로 폭넓게 진행되고 있다.
특히 국내에서는 대체 에너지를 이용하여 발전된 전력을 상용계통에 공급할 수 있도록 하는 전기 사업법의 개정이 진행중에 있으며 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 태양광 에너지를 이용한 계통 연계형 발전 시스템은 여름철 첨두 부하시 기존 화력 발전소의 부담을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
국외에서 개발되어 사용되고 있는 계통 연계형 인버터의 종류는 크게 저주파(60Hz) 변압기를 사용하는 방식과 고주파 변압기를 사용하는 고주파 링크 방식, 그리고 절연 변압기가 없는 방식으로 구분된다. 과거에는 저주파 변압기 방식이 많이 사용되었으나 저주파 변압기 때문에 전체 시스템의 크기와 무게가 커지는 단점이 있어 최근에는 고주파 링크 방식이나 절연 변압기가 없는 방식이 많이 사용되고 있다.
고주파 링크 방식은 고주파 변압기를 사용하여 계통 라인과 전기적으로 절연되어 있으나 스위칭 소자의 수가 많고, 승압과 동시에 인버팅을 하기 때문에 회로의 최적화가 어렵고 고주파 변압기의 누설 인덕턴스로 인해 변압기 2차측 정류단에 심한 전압 링잉이 생기는 단점을 가지고 있다.
변압기 없는 방식은 태양 전지의 출력 전압이 계통 라인 전압의 첨값 보다 낮을 경우 승압을 위한 DC/DC 컨버터가 추가로 요구되는 단점이 있으나 최대 전력 추적제어나 시스템 설계의 최적화에 있어 고주파 링크 방식에 비해 유리하여 대용량 태양광 발전 시스템에 많이 사용되고 있다.
태양광 인버터는 계통과 태양광 시스템 사이의 공통 접속점에 고조파, 플리커, 고주파 노이즈가 없는 고품질 전력을 공급하는 핵심적인 역할을 한다.
계통 연계형 발전 시스템이 전력 계통과 연계되어 운전하기 위해서는 다른 수용가 및 전력 계통에 장애를 주지 않도록 고려하는 동시에 전압 변동 고조파 왜곡 보상, 역률개선, 직류성분 제거 등과 같은 계통 연계 기술수준을 만족시켜야 한다.
특히, 계통의 공통접속점 선로 상에 비선형 부하로 인해 계통 전압에 3차, 5차, 7차 고조파와 같은 저차 고조파가 포함되는데 이것은 전원전압 파형의 왜곡을 유발할 수 있다. 종래에는 동기좌표축 상에서 고조파를 제거하기 위한 제어기를 설계하여 사용하였으나 제어하려는 고조파 차수에 비례하여 연산과정이 복잡해지는 단점이 있다.
도 1은 종래의 비례 적분(PI) 제어기를 이용한 고조파 왜곡 보상 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 비례적분 제어기를 이용하여 3차, 5차, 7차 고조파를 보상하기 위해서 고정 좌표계의 전류를 계통측 PLL로부터 구한 위상각에 정-역상 추출을 위해 고조파의 차수에 맞게 각각 ±3, ±5, ±7배 하여 동기시킨 후 저역통과 필터를 통해 동기좌표계의 3차, 5차, 7차의 고조파 전류를 추출한다. 추출한 전류를 비례적분 제어기를 통해 0으로 제어한다.
도시된 바와 같이 3차, 5차, 7차 고조파 이외의 차수의 고조파를 보상하기 위해서는 3차, 5차, 7차의 고조파를 보상했던 것처럼 각각의 고조파 차수마다 좌표계변환이 필요하여 번거로운 연산과정이 필요하다.
즉, 종래의 비례적분 제어기를 이용하여 계통전압의 왜곡으로 인한 계통전류에 발생하는 고조파 왜곡을 보상해 주기 위해서는 고조파의 차수마다 좌표계변환이 필요하여 번거로운 연산과정이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복잡한 연산과정을 탈피하기 위해서 지정된 주파수에서 무한대에 가까운 이득 값을 가지는 비례공진 제어기를 고조파 보상기로 사용하여 계통전류의 고조파를 보상하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로로서, 비례적분 제어기를 이용한 비례 적분 전류 제어를 통해 기본파의 전류 제어를 수행하는 비례적분 제어부; 및 비례공진 제어기를 이용한 비례 공진 전류 제어를 통해 상기 계통전류의 저차 고조파 보상을 수행하는 비례공진 제어부를 포함하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로가 제공된다.
상기 비례공진 제어기는 d-q축 고정좌표계에서 이용할 수 있다.
상기 저차 고조파는 3차, 5차, 7차의 고조파일 수 있다.
상기 비례공진 제어기는,
Figure 112013044150417-pat00001
(Gh(s)는 전달함수, h는 보상할 고조파 차수, Kih는 각각의 공진 이득)를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로의 보상 방법으로서, 비례적분 제어기를 이용한 비례 적분 전류 제어를 통해 기본파의 전류 제어를 수행하는 단계; 및 비례공진 제어기를 이용한 비례 공진 전류 제어를 통해 상기 계통전류의 저차 고조파 보상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비례공진 제어기는 d-q축 고정좌표계에서 이용할 수 있다.
상기 저차 고조파는 3차, 5차, 7차의 고조파일 수 있다.
상기 비례공진 제어기는,
Figure 112013044150417-pat00002
(Gh(s)는 전달함수, h는 보상할 고조파 차수, Kih는 각각의 공진 이득)를 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 특정 주파수에서 큰 이득을 가지는 비례공진제어기의 특징을 이용하여 고조파 왜곡을 보상함에 따라, 고조파의 차수에 맞게 비례공진 제어기의 개수만 추가해주면 됨으로써 연산과정이 단순화되어 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류에 대하여 보다 간단하게 고조파 왜곡 보상이 가능하다.
도 1은 종래의 비례 적분(PI) 제어기를 이용한 고조파 왜곡 보상 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로에서 이상적인 비례 공진 제어기의 보데선도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로에서 비이상적인 비례 공진 제어기의 보데선도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 구성하는 공진 필터를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 구성하는 공진 필터의 주파수 응답 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들을 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로는 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위해 비례적분 제어부(10), 비례공진제어기를 이용한 3차, 5차, 7차 고조파 전류 제어를 수행하는 제1 비례공진 제어부(20), 제2 비례공진 제어부(30), 제3 비례공진 제어부(40), 및 전압 축변환부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로는 기본파의 전류제어는 비례적분 제어기를 사용하고, 3차, 5차, 7차 고조파 보상에 비례공진 제어기를 사용하고 있다.
비례적분 제어부(10)는 비례 적분 전류 제어를 통해 기본파의 전류 제어를 수행한다.
제1 비례공진 제어부(20)는 비례 공진 전류 제어를 통해 3차 고조파 보상을 수행하며, 제1 비례공진 제어기(21)를 포함한다. 제1 비례공진 제어부(20)는 제1 비례공진 제어기(21)를 이용하여 계통전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 3차 고조파를 효과적으로 보상한다.
제1 비례공진 제어기(21)에는 계통의 d축 전류(Ids)와 q축 전류(Iqs)와 제3 고조파 기준 레벨 전류 신호(0)와의 차이에 의해 추출된 에러 전류 신호(Ids_3rd_err, Idq_3rd_err)가 입력된다. 제1 비례공진 제어기(21)는 에러 전류 신호(Ids_3rd_err, Idq_3rd_err)를 입력받아 비례 공진 전류 제어를 수행하여 기준 전압 신호(Vds_ref_3rd, Vds_ref_3rd)를 출력한다.
제2 비례공진 제어부(30)는 비례 공진 전류 제어를 통해 5차 고조파 보상을 수행하며, 제2 비례공진 제어기(31)를 포함한다. 제2 비례공진 제어부(30)는 제2 비례공진 제어기(31)를 이용하여 계통전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 5차 고조파를 효과적으로 보상한다.
제2 비례공진 제어기(31)에는 계통의 d축 전류(Ids)와 q축 전류(Iqs)와 제5 고조파 기준 레벨 전류 신호(0)와의 차이에 의해 추출된 에러 전류 신호(Ids_5th_err, Idq_5th_err)가 입력된다. 제2 비례공진 제어기(31)는 에러 전류 신호(Ids_5th_err, Idq_5th_err)를 입력받아 비례 공진 전류 제어를 수행하여 기준 전압 신호(Vds_ref_5th, Vds_ref_5th)를 출력한다.
제3 비례공진 제어부(40)는 비례 공진 전류 제어를 통해 7차 고조파 보상을 수행하며, 제3 비례공진 제어기(41)를 포함한다. 제3 비례공진 제어부(40)는 제3 비례공진 제어기(41)를 이용하여 계통전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 7차 고조파를 효과적으로 보상한다.
제3 비례공진 제어기(41)에는 계통의 d축 전류(Ids)와 q축 전류(Iqs)와 제7 고조파 기준 레벨 전류 신호(0)와의 차이에 의해 추출된 에러 전류 신호(Ids_7th_err, Idq_7th_err)가 입력된다. 제3 비례공진 제어기(41)는 에러 전류 신호(Ids_7th_err, Idq_7th_err)를 입력받아 비례 공진 전류 제어를 수행하여 기준 전압 신호(Vds_ref_7th, Vds_ref_7th)를 출력한다.
전압 축변환부(50)는 비례적분 제어부(10), 제1 비례공진 제어부(20), 제2 비례공진 제어부(30), 제3 비례공진 제어부(40)의 출력을 입력받아 d-q축에서 a,b,c 축으로 전압 축변환을 수행한다.
제1 비례공진 제어부(20), 제2 비례공진 제어부(30), 제3 비례공진 제어부(40)는 각각의 비례공진 제어기(21, 31, 41)를 구비하고 있음에 따라, 비례적분 제어부(10)의 비례적분 제어기(11)를 이용한 기법과는 다르게 축 변환을 하지 않고 고정좌표계에서 이용한다. 이를 통하여 계통전압의 왜곡으로 인하여 발생한 계통전류의 고조파를 효과적으로 보상한다.
즉, 비례공진 제어기(21, 31, 41)는 비례적분 제어기(11)와 달리 d-q축 동기 좌표계에서의 DC 값을 사용하지 않고 d-q축 고정좌표계에서 AC값을 이용한다.
식 (1)은 이것을 위한 주파수 변조 과정을 수학적으로 나타낸 것이다.
Figure 112012008054914-pat00003
식 (1)
여기에서,
Figure 112012008054914-pat00004
는 등가 고정좌표계 함수를 의미한다. 이상적인 적분기,
Figure 112012008054914-pat00005
와 비이상적인 적분기,
Figure 112012008054914-pat00006
로 유도된 일반적인 AC적분기
Figure 112012008054914-pat00007
는 아래의 식 (2) 및 식 (3)과 같이 표현될 수 있다. 한편, Ki는 제어이득을 나타내며,
Figure 112012008054914-pat00008
는 차단주파수를 나타낸다.
Figure 112012008054914-pat00009
식(2)
Figure 112012008054914-pat00010
식(3)
비례이득 항 Kp와 묶여졌을 때, 식 (2)는 AC 주파수, ω에서 무한대의 이득을 가지는 이상적인 비례공진 제어기의 전달함수를 나타낸 것이다.
이 식은 도 3과 같이 그려질 수 있다. 비례적분 제어기에서와 동일한 방식으로 조정되는 Kp는 기본적으로 대역폭, 위상마진과 이득마진의 범위를 조절한다. 도 3은 이상적인 비례공진 제어기의 보데선도이다.
무한대 이득과 연관된 안정성 문제를 해결하기 위해서 식 (2)는 식 (3)으로 대체될 수 있으며, 도 4와 같이 비이상적인 비례공진제어기로 대체될 수 있다. 도 4는 비이상적인 비례공진 제어기의 보데선도이다. 이것의 이득은 제한적이지만 정상 상태 오류를 0으로 만들어 주기에는 비교적 큰 이득 값이다.
식 (2)와 다르게 식 (3)의 대역폭은 ωc를 적절히 조정함으로써 조절할 수 있다. 대역폭을 조절하는 것은 일반적인 계통에서의 미세한 주파수 변화에 대한 민감성을 줄이는데 도움이 된다.
비례공진 제어기(21, 31, 41)는 특정 주파수 대역에서 비교적 높은 이득값을 가지는 특징을 이용하여 고조파 보상을 할 수 있다.
식 (4)와 식 (5)는 각각 3차, 5차, 7차 고조파 보상을 위해 설계된 이상적인 고조파 보상기(harmonic compensator)와 비이상적인 고조파 보상기(harmonic compensator)를 나타낸 것이다.
Figure 112012008054914-pat00011
식(4)
Figure 112012008054914-pat00012
식(5)
여기에서, h는 보상되는 고조파 차수이고, Kith는 각각의 공진이득을 의미한다. 공진이득은 정상상태 에러를 최소할 수 있도록 비교적 높게 조정되어야 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 구성하는 공진 필터를 보여주는 도면이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비례 공진 제어기를 구성하는 공진 필터의 주파수 응답 그래프이다.
도 5를 참조하면, 비례공진 제어기(21, 31, 41)는 왜곡된 부하 전류를 입력받아 3차, 5차, 7차의 각각의 고조파를 출력하는 공진 필터(Gh(s))를 포함한다. 공진 필터는 식 (5)에서 설명된 전달함수(Gh(s))를 가지고 있다.
도 6을 참조하면, ωc가 작아질수록 공진 필터(Gh(s))는 더욱 선별성이 좋아진다. 그러나 너무 작은 ωc는 필터를 주파수변화에 민감하게 만들어서 과도상태 응답을 느리게 만들 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 비례적분 제어부 11 : 비례적분 제어기
20 : 제1 비례공진 제어부 21 : 제1 비례공진 제어기
30 : 제2 비례공진 제어부 31 : 제2 비례공진 제어기
40 : 제3 비례공진 제어부 41 : 제3 비례공진 제어기
50 : 전압 축변환부

Claims (8)

  1. 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로로서,
    비례적분 제어기를 이용한 비례 적분 전류 제어를 통해 기본파의 전류 제어를 수행하는 비례적분 제어부; 및
    제한된 주파수 대역범위에서 정상상태 오류를 없도록 만들어 주는 이득을 갖는 비이상적인 고조파 보상기인 비례공진 제어기를 이용한 비례 공진 전류 제어를 통해 상기 계통전류의 저차 고조파 보상을 수행하는 비례공진 제어부를 포함하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 비례공진 제어기는
    d-q축 고정좌표계에서 이용하는 것을 특징으로 하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 저차 고조파는 3차, 5차, 7차의 고조파인 것을 특징으로 하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 비례공진 제어기는,
    Figure 112013044150417-pat00013

    (Gh(s)는 전달함수, h는 보상할 고조파 차수, Kih는 각각의 공진 이득, ωc는 차단주파수)
    를 가지는 것을 특징으로 하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로.
  5. 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로의 보상 방법으로서,
    비례적분 제어기를 이용한 비례 적분 전류 제어를 통해 기본파의 전류 제어를 수행하는 단계; 및
    제한된 주파수 대역범위에서 정상상태 오류를 없도록 만들어 주는 이득을 갖는 비이상적인 고조파 보상기인 비례공진 제어기를 이용한 비례 공진 전류 제어를 통해 상기 계통전류의 저차 고조파 보상을 수행하는 단계를 포함하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 비례공진 제어기는
    d-q축 고정좌표계에서 이용하는 것을 특징으로 하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 저차 고조파는 3차, 5차, 7차의 고조파인 것을 특징으로 하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 비례공진 제어기는,
    Figure 112013044150417-pat00014

    (Gh(s)는 전달함수, h는 보상할 고조파 차수, Kih는 각각의 공진 이득, ωc는 차단주파수)
    를 가지는 것을 특징으로 하는 비례공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 방법.
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