KR101401038B1 - 정지형 동기 보상기(ｓｔａｔｃｏｍ)를 위한 제어 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

정지형 동기 보상기(ｓｔａｔｃｏｍ)를 위한 제어 시스템 및 제어 방법 Download PDF

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정정주
이영옥
계용호
강용철
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전북대학교산학협력단
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
    • H02J3/16—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load by adjustment of reactive power

Abstract

본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 목표 값 생성부; 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 기초로 산출되는 에러 값(e, error), 상기 목표 위상 각(αd) 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성하는 수동성 기반의 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

정지형 동기 보상기(ＳＴＡＴＣＯＭ)를 위한 제어 시스템 및 제어 방법{Control system and method for STATCOM}
본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM, Static synchronous compensator) 를 위한 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피드포워드(feed forward) 방식의 입력과 피드백(feedback) 방식의 입력을 기초로 하여 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성할 수 있고, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)에서 동작하는 경우에, 시스템의 비선형적인 특성을 고려하여 감쇠(damping) 특성을 개선시킬 수 있는 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
정지형 동기 보상기(STATCOM, Static synchronous compensator)는, 시스템의 안전성과 효용성을 유지하면서 기존 선로의 전송 능력을 극대화하기 위하여 교류 송전 계통에서 무효 전력을 보상하는 장치를 의미한다. 이러한 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)는 동기 전압원으로 전압형 컨버터(voltage-sourced converter)가 교류 계통과 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 살펴본다.
도 1은 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)는 전압형 컨버터를 이용하여 입력단의 DC 전압을 조절함으로써 3상의 출력 전압을 변환한다.
여기서, Va, Vb, Vc는 선전압 벡터(line voltage vector)를 나타내고, ea, eb, ec는 컨버터 전압 벡터(converter voltage vector)를 나타내고, ia, ib, ic는 선로를 따라 흐르는 3상 전류(three phase current)를 나타낸다. 또한, Ｖdc와 idc는 DC측의 전압과 전류를 나타내고, Rs는 인버터와 변압기 사이의 전도 손실(conduction loss)를 나타내며, L은 변압기의 누설(leakage) 임피던스를 나타내고, Rp는 스위칭 손실(switching loss)을 나타낸다.
상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 수학적 상태 방정식 모델은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112012097568215-pat00001
Figure 112012097568215-pat00002
여기서,
Figure 112012097568215-pat00003
는 시간에 대한 미분을 나타내고(이하에서, 문자 위의 점은 별다른 설명이 없어도 미분된 것을 나타냄), 각 변수의 아포스트로피(apostrophe, ')는 해당 변수가 단위법(per-unit system)으로 표현된 것을 나타낸다. 또한, Id는 유효 전류(active current)를 나타내고, Iq는 무효 전류(reactive current)를 나타내며, Vdc는 입력부의 DC 전압을 나타낸다. 또한, C는 입력단 커패시터의 커패시턴스를 나타내고, k는 DC 전압-AC 전압단 사이의 피크 전압 사이의 크기 관계를 나타내는 상수이며, α는 컨버터 전압 벡터와 선전압 벡터 사이의 위상의 차이를 나타내는 위상 각이다. 또한, ωb는 기본 주파수(base frequency)를 나타내고, ω는 변동 주파수(fluctuation of the frequency)을 나타낸다.
또한, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 오일러-라그랑지 모델(Euler-Lagrange model)은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112012097568215-pat00004
Figure 112012097568215-pat00005
Figure 112012097568215-pat00006
여기서,
Figure 112012097568215-pat00007
은 소모력(dissipative forces)를 나타내고,
Figure 112012097568215-pat00008
는 보존력(conservative forces)를 나타내며,
Figure 112012097568215-pat00009
는 에너지 흡수(energy acquisition)을 나타낸다. 또한, u는 sinα를 나타낸다.
한편, 이러한 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템에는 대표적으로 2가지 타입(TYPE)의 제어 시스템이 존재한다.
첫 번째 타입(TYPE 1)의 제어 시스템은, PWM(Pulse Width Modulation) 기술을 이용한 제어 시스템으로서, 2가지의 제어 입력을 가지는 시스템이다. 구체적으로 상기 TYPE 1 시스템은, 위상 각(α)과 전압관계 상수(k)라는 2가지 제어 입력을 통해 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 제어한다.
두 번째 타입(TYPE 2)의 제어 시스템은, 멀티 펄스(Multipulse) 기술을 이용한 제어 시스템으로서, 1가지의 제어 입력을 가지는 시스템이다. 구체적으로, 상기 TYPE 2 시스템은, 단일 제어 입력인 위상 각(α)을 통해 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)을 제어한다.
본 발명은 위에서 살펴본 2가지 타입의 제어 시스템 중 두 번째 타입(TYPE 2)의 제어 시스템에 관한 발명이며, 특히, 수동성 기반으로 상기 정지형 동기 보상기를 제어하는 제어 시스템(Passivity-Based Controller)에 관한 발명이다.
본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 시간 응답성을 개선하고, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에 감쇠(damping) 특성을 개선하는 것을 해결과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 제어 시스템은, 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 목표 값 생성부; 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 기초로 산출되는 에러 값(e, error), 상기 목표 위상 각(αd) 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성하는 수동성 기반의 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 목표 상태 값(ｘd)은, 목표 유효 전류(Ｉd'd, desired active current), 목표 무효 전류(Ｉq'd, desired reactive current), 목표 DC 입력 전압(Ｖdc'd, desired DC input voltage)을 성분으로 포함하는 벡터(vector)값일 수 있다.
또한, 상기 목표 값 생성부는, 무효 전류의 기준 초기 값(Ｉq, i')과 기준 최종 값(Ｉq, f') 및 음함수 정리(implicit theorem)을 이용하여, 상기 목표 상태 값(ｘd)과 상기 목표 위상 각(αd)을 생성할 수 있다.
또한, 상기 에러 값(e)은, 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ)과 상기 목표 값 생성부가 생성하는 목표 상태 값(ｘd)의 비교를 통해 산출될 수 있다.
또한, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템은, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여 추가적인 제어 기초 값(ν)을 생성하는 제어 기초 값 생성부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 기초 값 생성부는, 아래의 관계를 통해 상기 제어 기초 값(ν)을 생성할 수도 있다.
Figure 112012097568215-pat00010
또한, 수동성 기반의 제어부는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 목표 상태 값(ｘd), 상기 에러 값(e) 및 상기 제어 기초 값(ν)을 이용하여 상기 위상 각(α)을 산출할 수 있다.
또한, 상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 제어 기초 값(ν) 및 상기 위상 각(α)이 아래와 같은 관계를 가지도록 제어할 수도 있다.
Figure 112012097568215-pat00011
또한, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 시스템은, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에, 감쇠 특성을 개선 시키기 위한 감쇠 제어부;를 더 포함할 수 있고, 상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 감쇠 제어부에 의해 추가되는 감쇠항(damping term)을 고려하여 제어 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 제어 기초 값(ν), 상기 위상 각(α), 상기 감쇠항이 아래와 같은 관계를 가지도록 제어할 수도 있다.
Figure 112012097568215-pat00012

한편, 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 제어 방법은, 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 단계; 상기 목표 값 생성부로부터 전달되는 상기 목표 상태 (ｘd)값을 이용하여 에러 값(e)을 산출하는 단계; 및 상기 목표 위상 각(αd), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 제어하는 과정에서 목표 값(desired value)를 이용한 피드 포워드 파트(feed forward part)을 추가할 수 있으며, 이를 통해 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 시간 응답성을 개선할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 피드 포워드 파트(feedforward part)와 피드백 파트(feedback part)를 이용하여 제어 입력을 생성할 수 있으며, 이러한 과정을 통해 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 시간 응답성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 유효 전류와 DC 전압의 과도 응답을 개선할 수 있으며, 이들의 안정화 시간(settling time) 및 진동(oscillation)을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로 본 발명은, 목표 값(desired value)를 이용하여 포텐셜 에너지(potential energy)를 최소화하고 시스템의 지수적 안정성(exponential stability)를 보장할 수 있는 제어 입력을 산출할 수 있고, 산출된 제어 입력을 이용하여 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 제어하므로, 시스템의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작할 때의 감쇠 특성 및 시간 응답성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에 발생하는 진동(oscillation)을 줄일 수 있고, 안정화 시간(settling time)을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 선형 제어 시스템 등의 다른 제어 시스템과 비교하여, 외부 요인의 변화에 더 강하며, 더 안정하다.
도 1은 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 제어 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의해 유효 전류(Ｉd'), DC 전압(Ｖdc')의 과도 응답(transient response)이 개선되는 것을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의해 유도성 모드(inductive mode)에서 동작하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 과도 응답(transient response)이 개선되는 것을 보여주는 그래프이다.
도 5는 시스템에 비선형 감쇠(damping)가 추가되는 경우의 폐루프 고유값(closed-loop eigenvalues)의 이동을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템 및 방법을 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형의 표현'으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭하는 표현이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템을 살펴본다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템은, 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 목표 값 생성부(110), 상기 목표 상태 값(ｘd)과 정지형 동기 보상기(STATCOM)로부터 피드백(feedback)되는 상태 값(ｘ)을 기초로 산출되는 에러 값(e, error), 상기 목표 위상 각(αd) 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성하는 수동성 기반(passivity-based)의 제어부(100)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ)은, 유효 전류(Ｉd' = x1, desired active current), 무효 전류(Ｉq' = x2, desired reactive current), DC 입력 전압(Ｖdc' = x3, desired DC input voltage)을 성분으로 포함하는 벡터(vector)값일 수 있다. 또한, 상기 목표 상태 값(ｘd)은, 목표 유효 전류(Ｉd'd = x1 d, desired active current), 목표 무효 전류(Ｉq'd = x2 d, desired reactive current), 목표 DC 입력 전압(Ｖdc'd = x3 d, desired DC input voltage)을 성분으로 포함하는 벡터(vector)값일 수 있다.
상기 목표 값 생성부(110)는, 목표 위상 각(αd)과 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd)을 생성할 수 있다. 이러한 상기 목표 위상 각(αd)과 상기 목표 상태 값(ｘd)은 다양한 방식에 의해 생성될 수 있는데, 바람직하게는 다음과 같은 방식에 의해 생성될 수 있다.
1) 먼저, 무효 전류의 기준 초기 값(Ｉq, i')과 기준 최종 값(Ｉq, f')이 결정된다. 이러한 상기 무효 전류의 기준 초기 값(Ｉq, i')과 기준 최종 값(Ｉq, f')은 외부 입력에 의해 결정되거나 내부의 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. 2) 무효 전류의 기준 초기 값(Ｉq, i')과 기준 최종 값(Ｉq, f')이 결정되면, 결정된 무효 전류의 기준 초기 값(Ｉq, i'), 기준 최종 값(Ｉq, f'), 수학식 1 및 음함수 정리(implicit theorem)를 통해, 유효 전류의 기준 초기 값(Ｉd, i'), 유효 전류의 기준 최종 값(Ｉd, f'), DC 전압의 기준 초기 값(Vdc , i'), DC 전압의 기준 최종 값(Vdc , f')이 산출된다. 3) 산출된 유효 전류의 기준 초기 값(Ｉd, i'), 유효 전류의 기준 최종 값(Ｉd, f'), DC 전압의 기준 초기 값(Vdc , i'), DC 전압의 기준 최종 값(Vdc , f')을 통해, 목표 유효 전류 값(Ｉd'd)과 목표 DC 전압 값(Ｖdc'd)이 생성되는데, 여기서 상기 목표 유효 전류 값(Ｉd'd)과 목표 DC 전압 값(Ｖdc'd)은 2차 이상으로 미분 될 수 있는 형태로 생성되는 것이 바람직하다. 4) 목표 유효 전류 값(Ｉd'd)과 목표 DC 전압 값(Ｖdc'd)이 생성되면, 생성된 유효 전류 값(Ｉd'd)과 목표 DC 전압 값(Ｖdc'd)을 기초로 목표 위상 각(αd)과 목표 무효 전류 값(Ｉq'd)이 생성되는데, 구체적으로 수학식 1를 기초로 유도되는 다음과 같은 관계(수학식 3)를 통해 생성된다.
Figure 112012097568215-pat00013
상기 수동성 기반(passivity-based)의 제어부(100)는, 상기 목표 값 생성부로부터 생성되는 목표 위상 각(αd), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 에러 값(e)을 이용하여 단독 제어 입력인 위상 각(α)을 생성하며, 이렇게 생성된 상기 위상 각(α)을 기초로 정지형 동기 보상기(STATCOM)을 제어한다.
한편, 여기서 상기 수동성 기반의 제어부(100)가 활용하는 상기 에러 값(e)은, 정지형 동기 보상기(STATCOM)로부터 피드백(feedback)되는 상태 값(ｘ)과 상기 목표 값 생성부(110)가 생성하는 목표 상태 값(ｘd)의 비교를 통해 산출될 수 있다.
구체적으로, 상기 에러 값(e)은 아래의 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112012097568215-pat00014
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)을 위한 제어 시스템은, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여 추가적인 제어 기초 값(ν)을 생성하는 제어 기초 값 생성부(130)을 더 포함할 수 있으며, 상기 수동성 기반의 제어부(100)는 상기 제어 기초 값 생성부(130)에 의해 생성되는 상기 제어 기초 값(ν)도 고려하면서 제어 동작을 수행할 수 있다.
상기 제어 기초 값 생성부(130)는, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여, 다양한 방식에 의해 추가적인 제어 기초 값(ν)을 생성할 수 있는데, 바람직하게는 아래의 수학식 5와 같은 방식을 통해 상기 추가적인 제어 기초 값(ν)을 생성할 수 있다.
Figure 112012097568215-pat00015
참고로, 상기 가중치(weighting) 값은 바람직하게는 안정화 시간(settling time)을 기초로 결정될 수 있고, 상기 νlow 및 상기 νup는 상기 위상 각(α)의 범위와 목표 위상 각(αd)의 범위를 기초로 결정될 수 있다.
또한, 상기 수동성 기반의 제어부(100)는 상기 제어 기초 값 생성부(130)에 의해 생성되는 상기 제어 기초 값(ν)도 추가적으로 고려하면서 상기 위상 각(α,제어 입력)을 생성할 수 있는데, 이 경우 아래의 수학식 6과 같은 관계를 만족시키는 상태로 상기 위상 각(α)을 생성하는 것이 바람직하다.
Figure 112012097568215-pat00016
이러한 수학식 6을 통한 제어를 통해, 상기 수동성 기반의 제어부(100)는 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있는데, 이러한 안정성의 향상은 위에서 살펴본 수학식들과 리아프노프 정리(Lyapunov theorem)를 통해 확인될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템은, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에, 감쇠 특성을 개선 시키기 위한 감쇠 제어부(150)를 더 포함할 수 있으며, 상기 수동성 기반의 제어부(100)는 상기 감쇠 제어부에 의해 추가되는 감쇠항(damping term)을 고려하여 제어 동작을 수행할 수 있다.
상기 감쇠 제어부(150)는, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에, 비선형 감쇠(damping)를 추가하여 감쇠 특성을 개선시키기 위한 구성이다.
(참고로, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 용량성 부하로 동작하여 무효 전력을 보상하는 경우(capacitive mode, Ｉq'< 0)에는, 충분한 감쇠(damping)를 가지기 때문에 비선형 감쇠(nonlinear damping)가 추가될 필요가 없으나, 상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 부하로 동작하여 무효 전력을 보상하는 경우(inductive mode, Ｉq'> 0)에는, 감쇠(damping) 특성이 충분하지 못하므로 위와 같이 비선형 감쇠(nonlinear damping)가 추가될 필요가 있다. )
이러한 상기 감쇠 제어부(150)에 의해, 상기 수동성 기반의 제어부(100)의 제어 프로세스에 비선형 감쇠항(damping term)이 추가되는데, 이 경우 상기 수동 기반의 제어부(100)는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 제어 기초 값(ν), 상기 위상 각(α), 상기 감쇠항이 아래의 수학식 7과 같은 관계를 가지도록 제어하는 것이 바람직하다.
Figure 112012097568215-pat00017
여기서 상기 비선형 감쇠항(damping term)은 다양하게 구성될 수 있으나, 바람직하게는 아래의 수학식 8과 같이 구성될 수 있다.
Figure 112012097568215-pat00018
Figure 112012097568215-pat00019
Figure 112012097568215-pat00020

한편, 이렇게 추가되는 비선형 감쇠항(damping term)을 통해, 지수적인 안정성(exponentially stable) 등 시스템의 안정성(stability)이 보장될 수 있는데, 이러한 시스템의 안정성은 위에서 살펴본 수학식들과 리아프노프 정리(Lyapunov theorem)를 통해 확인될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템의 퍼포먼스(performance)를 살펴본다.
이하에서 살펴볼 시뮬레이션은, 매틀랩/시뮬링크(MAT-LAB/Simulink)를 통해 수행되었으며, 시뮬레이션에 사용된 구체적인 파라미터들은 아래의 표 1과 같다.
Figure 112012097568215-pat00021
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템을 통해, 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 시간 응답성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
특히, 유효 전류(Ｉd')와 DC 전압(Ｖdc')의 시간 응답, 감쇠 특성이 IOL(Input Output feedback Linearization) 등의 다른 제어 시스템보다 향상된 것을 확인할 수 있다.
(참고로, 그래프 상의 reference가 목표 값(desired value)을 나타낸다.)
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템(비선형 감쇠항이 추가된 상태)을 통해, 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 정지형 동기 보상기의 시간 응답성이 더욱 개선되는 것을 확인할 수 있다.
(여기서, PBCD가 비선형 감쇠항이 추가된 퍼포먼스를 나타내며, reference는 목표 값(desired value)을 나타낸다.)
또한, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템이 비선형 감쇠항(damping term)을 포함함에 따라, 시스템의 폐루프 고유값(closed-loop eigenvalues)이 이미지축(imaginary axis)의 좌측으로 더 멀리 이동하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 비선형 감쇠항(damping term)의 추가에 따라 시스템이 더욱 안정해지는 것을 확인할 수 있다.
(참고로 Ｉqref는 Ｉq'd를 나타낸다.)
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 방법을 살펴본다.
본 발명의 일 실시에에 따른 제어 방법은, 먼저 (a)목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법은, (b)상기 목표 값 생성부로부터 전달되는 상기 목표 상태 (ｘd)값을 이용하여 에러 값(e)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법은, (c)상기 목표 위상 각(αd), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 살핀, 본 발명에 따른 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 방법은, 카테고리는 상이하지만, 본 발명에 따른 제어 시스템과 실질적으로 동일한 특징을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제어 시스템과 관련하여 상술한 특징들은, 중복 기재를 지양하기 위해 구체적으로 서술하지는 않았지만, 상기 제어 방법 발명에도 쉽게 유추되어서 적용될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 수동성 기반의 제어부 110 : 목표 값 생성부
130 : 제어 기초 값 생성부 150 : 감쇠 제어부

Claims (11)

  1. 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 목표 값 생성부; 및
    상기 목표 상태 값(ｘd)을 기초로 산출되는 에러 값(e, error), 상기 목표 위상 각(αd) 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성하는 수동성 기반의 제어부;
    를 포함하고,
    상기 목표 상태 값(ｘd)은, 목표 유효 전류(Ｉd'd, desired active current), 목표 무효 전류(Ｉq'd, desired reactive current), 목표 DC 입력 전압(Ｖdc'd, desired DC input voltage)을 성분으로 포함하는 벡터(vector)값인 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 값 생성부는,
    무효 전류의 기준 초기 값(Ｉq,i')과 기준 최종 값(Ｉq,f') 및 음함수 정리(implicit theorem)을 이용하여, 상기 목표 상태 값(ｘd)과 상기 목표 위상 각(αd)을 생성하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
  4. 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 목표 값 생성부; 및
    상기 목표 상태 값(ｘd)을 기초로 산출되는 에러 값(e, error), 상기 목표 위상 각(αd) 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성하는 수동성 기반의 제어부;
    를 포함하고,
    상기 에러 값(e)은, 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ)과 상기 목표 값 생성부가 생성하는 목표 상태 값(ｘd)의 비교를 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 상태 값(ｘ), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여 추가적인 제어 기초 값(ν)을 생성하는 제어 기초 값 생성부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상태 값(ｘ)은, 유효 전류(Ｉd' = x1, desired active current), 무효 전류(Ｉq' = x2, desired reactive current), DC 입력 전압(Ｖdc' = x3, desired DC input voltage)을 성분으로 포함하는 벡터(vector)값이고,
    상기 제어 기초 값 생성부는, 아래의 관계를 통해 상기 제어 기초 값(ν)을 생성하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
    Figure 112014000495164-pat00022

  7. 제 5 항에 있어서,
    수동성 기반의 제어부는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 목표 상태 값(ｘd), 상기 에러 값(e) 및 상기 제어 기초 값(ν)을 이용하여 상기 위상 각(α)을 산출하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 제어 기초 값(ν) 및 상기 위상 각(α)이 아래와 같은 관계를 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
    Figure 112012097568215-pat00023

  9. 목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 목표 값 생성부;
    상기 목표 상태 값(ｘd)을 기초로 산출되는 에러 값(e, error), 상기 목표 위상 각(αd) 및 상기 목표 상태 값(ｘd)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 생성하는 수동성 기반의 제어부; 및
    상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에, 감쇠 특성을 개선 시키기 위한 감쇠 제어부;
    를 포함하고,
    상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 감쇠 제어부에 의해 추가되는 감쇠항(damping term)을 고려하여 제어 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 정지형 동기 보상기(STATCOM)가 유도성 모드(inductive mode)로 동작하는 경우에, 감쇠 특성을 개선 시키기 위한 감쇠 제어부;
    를 더 포함하고,
    상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 감쇠 제어부에 의해 추가되는 감쇠항(damping term)을 고려하여 제어 동작을 수행하며,
    상기 수동성 기반의 제어부는, 상기 목표 위상 각(αd), 상기 제어 기초 값(ν), 상기 위상 각(α), 상기 감쇠항이 아래와 같은 관계를 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 시스템.
    Figure 112014000495164-pat00024

  11. 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 제어 방법에 있어서,
    목표 위상 각(αd, desired phase angle) 및 정지형 동기 보상기(STATCOM)의 목표 상태 값(ｘd, desired state)을 생성하는 단계;
    생성된 상기 목표 상태 (ｘd)값을 이용하여 에러 값(e)을 산출하는 단계; 및
    상기 목표 위상 각(αd), 상기 목표 상태 값(ｘd) 및 상기 에러 값(e)을 이용하여, 단독 제어 입력인 위상 각(α, phase angle)을 산출하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 목표 상태 값(ｘd)은, 목표 유효 전류(Ｉd'd, desired active current), 목표 무효 전류(Ｉq'd, desired reactive current), 목표 DC 입력 전압(Ｖdc'd, desired DC input voltage)을 성분으로 포함하는 벡터(vector)값인 것을 특징으로 하는 정지형 동기 보상기(STATCOM)를 위한 제어 방법.
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