KR101652196B1 - 피드백 선형화 제어 장치 - Google Patents

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이동춘
정윤철
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    • H02J1/02—Arrangements for reducing harmonics or ripples

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Abstract

본 발명은 피드백 선형화 제어 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 직류 전원과 교류 전원을 포함하는 PWM 직류 배전 시스템에서의 피드백 선형화 제어 장치에 있어는, 저역통과필터(LFP)를 통과한 입력 전압 및 인버터 출력 전류로부터 지령치를 생성하는 지령치생성부와, 지령치와 직류능동필터로부터 피드백된 전력값의 오차값을 산출하고, 산출된 값을 입력받아 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값을 연산하는 추종제어부와 제어값을 입력받아 선형화하여 PWM 전압 지령치를 생성하는 디커플링부, 그리고 PWM 전압 지령치에 따라 인버터를 제어하고, LC필터를 거쳐 변압기 입력 전압 및 인버터 출력 전류를 각각 측정하고 측정된 값을 연산하여 전력값을 산출하고, 전력값을 추종제어부로 피드백하는 직류능동필터를 포함한다.
본 발명에 따르면, PWM 직류 배전 시스템에서 직류버스의 전압 맥동을 저감하기 위한 피드백 선형화 제어를 통해 비선형 시스템을 선형화하여 전압제어기의 대역폭을 늘림으로써 동특성을 행상시킬 수 있다.

Description

피드백 선형화 제어 장치{APPARATUS FOR FEEDBACK LINEARIZATION CONTROL}
본 발명은 피드백 선형화 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PWM 직류 배전 시스템에서 직류버스의 전압 맥동을 저감하기 위한 피드백 선형화 제어 장치에 관한 것이다.
최근 전력 전자 기술의 발전으로 인해 직류배전 시스템에 대한 관심이 증가되고 있다. 특히 전기 선박에서는 종전의 기계식 구동 시스템에서 전기식 구동시스템이 도입됨에 따라, 전력발전, 전력분배, 전력변환, 전력부하, 에너지 저장 및 전력제어시스템으로 구성되는 통합전력시스템이 주가 되는 추세이다.
또한, 시스템의 소형화, 경량화, 고신뢰성 및 저비용 등의 장점으로 인해 고압 혹은 중전압의 직류시스템이 채택되고 있다. 육상의 배전 시스템의 경우에는 좀 더 빠른 속도로 교류에서 직류로의 천이가 이루어지고 있다.
2010년 발표된 중전압 직류배전 선박의 전력 시스템에 대한 IEEE 표준에 의하면, 직류 전압 편차 및 허용 가능한 맥동의 RMS 크기는 각각 ±10%와 ±5%이다. 직류버스 전압은 터빈-발전기-정류기로 구성되는 발전 시스템의 동특성 및 부하의 동작에 따라 변동하게 된다.
이러한 직류 버스의 전압 맥동은 시스템의 성능에 영향을 미치며 고장을 야기할 수도 있다.
따라서, 종래에는 직류 버스 전압의 맥동을 억제하기 위하여 수동 필터를 사용했는데, 수동필터는 제한적인 성능을 가지며, 큰 용량의 전해커패시터를 사용하므로 유지보수가 필요하다는 단점이 있다.
수동필터의 단점을 극복하기 위해 능동 필터를 사용했는데, 능동필터에 사용되는 PI(Proportional-Intergral)제어기는 교류신호에 대한 출력지연 및 불확실한 입력에 의한 응답이 좋지 않았고, 스위칭 주파수가 충분히 크지 않을 경우 전압제어기의 대역폭이 낮아 맥동 보상 특성이 우수하지 않은 단점이 있다.
이러한 PI제어기의 단점을 극복하기 위해 전송 전류의 고조파를 이용한 히스테리시스 제어방식, 전류 피드백 방식을 이용한 보상, 시스템 모델에 근거한 최적제어방식, 이산시간 모델링에 근거한 반복제어기를 이용한 방식 등이 제안되었지만 많은 계산과정 및 복잡한 설계가 요구되는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0973658호(2010. 07. 27. 등록)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 PWM 직류 배전 시스템에서 직류버스의 전압 맥동을 저감하기 위한 피드백 선형화 제어 장치를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 직류 전원과 교류 전원을 포함하는 PWM 직류 배전 시스템에서의 피드백 선형화 제어 장치에 있어서, 저역통과필터(LFP)를 통과한 입력 전압 및 인버터 출력 전류로부터 지령치를 생성하는 지령치생성부; 상기 지령치와 직류능동필터로부터 피드백된 전력값의 오차값을 산출하고, 산출된 값을 입력받아 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값을 연산하는 추종제어부; 상기 제어값을 입력받아 선형화하여 PWM 전압 지령치를 생성하는 디커플링부; 그리고 상기 PWM 전압 지령치에 따라 인버터를 제어하고, LC필터를 거쳐 변압기 입력 전압 및 인버터 출력 전류를 각각 측정하고 측정된 값을 연산하여 전력값을 산출하고, 상기 전력값을 상기 추종제어부로 피드백하는 상기 직류능동필터를 포함한다.
또한, 상기 직류능동필터는, 다음의 수학식과 같이 상기 전력값을 산출할 수 있다.
Figure 112015033999227-pat00001
여기서, y(t)는 전력값을 나타내고, Vof는 직류능동필터 변압기 입력 전압, iLf는 인버터 출력 전류이다.
또한, 기 직류능동필터는, 음의 수학식과 같이 미분한 전력값을 적분하여 상기 전력값을 연산할 수 있다.
Figure 112016061224758-pat00022
여기서, y'(t)는 전력값의 미분을 나타내고, iLf는 인버터 출력 전류, Vof는 직류능동필터 변압기 입력 전압, iof는 직류능동필터 변압기 입력 전류, Lf는 필터 인덕턴스, Rf는 필터 저항, Cf는 필터 커패시터, Vif는 인버터 출력 전압이다.
또한, 상기 디커플링부는, 다음의 식에 의해 상기 PWM 전압 지령치를 생성할 수 있다.
Figure 112016061224758-pat00023
여기서, u는 인버터 출력 전압 즉, PWM 전압 지령치를 나타내고, z는 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값이다.
또한, 상기 추종제어부는, 상기 지령치와 상기 피드백된 전력값이 동일해 질 때까지 상기 직류능동필터로부터 상기 전력값을 피드백 받을 수 있다.
본 발명에 따른 피드백 선형화 제어 장치는 PWM 직류 배전 시스템에서 직류버스의 전압 맥동을 저감하기 위한 피드백 선형화 제어를 통해 비선형 시스템을 선형화하여 전압제어기의 대역폭을 늘림으로써 동특성을 행상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전력을 제어기 출력변수로 설정하여 선형화 과정 중에 직류 성분에 섞인 교류 성분을 제거하여 부하단에 직류 성분만 존재하도록 함으로써 노이즈를 저감시킬 수 있고 시스템 안정화에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은 제어기에 적분기를 추가함으로써 정상상태 오차를 0으로 수렴 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 직렬형 직류능동필터가 포함된 PWM 직류 배전 시스템의 간략 회로구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 기법을 이용한 직렬형 직류 능동 필터의 동작을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PI 제어기를 적용한 직렬형 직류 능동 필터의 제어 성능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 기법을 적용한 직류 능동 필터의 제어 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치에서 직류버스 전압 및 주파수별 크기를 비교한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 직렬형 직류능동필터가 포함된 PWM 직류 배전 시스템의 간략 회로구성도이다.
도 1에서와 같은 직류 배전 시스템에서 정류기의 출력은 전압맥동을 포함하고 있으며, 직렬형 직류능동필터(Series Active DC Filter : SADF, 150)는 전압원(110), 2-레벨 인버터(151), LC필터(152), 변압기(153)로 구성된다. 직류버스(DC BUS)에는 부하(Load)들이 직접적으로 연결된다. 또한, 직류능동필터(150)에서 생성되는 PWM 제어신호는 인버터(151)로 전달되어 PWM 제어신호에 따라 인버터(151)의 스위치(s1 ~s4)가 스위칭되도록 한다.
이때, 직렬형 직류능동필터(150)의 모델을 전압과 전류의 관계를 통해 다음의 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112015033999227-pat00004
여기서, iLf는 인버터 출력 전류, vif는 인버터 출력 전압, iof는 직류능동필터(150)의 변압기(153) 입력 전류, vof는 직류능동필터(150)의 변압기(153) 입력 전압, ZL는 등가 임피던스 그리고 Lf, Rf, Cf는 각각 필터 인덕턴스, 필터 저항, 필터 커패시터이다.
이때, 직류배전 시스템의 모델을 다음의 수학식 2와 같이 행렬식 형태로 표현할 수 있다.
Figure 112015033999227-pat00005
여기서, 수학식 2는 x' = f(x)·x + g(x) ·u의 형태로 정리할 수 있고, 각각의 요소들을 정의하면, 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112015033999227-pat00006
이러한 직류 전원과 교류 전원을 포함하는 PWM 직류 배전 시스템에서의 피드백 선형화 제어 장치는 다음과 같이 구성된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 2에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치는, 지령치생성부(120), 추종제어부(130), 디커플링부(140) 및 직류능동필터(150)를 포함한다.
먼저, 지령치생성부(120)는 저역통과필터(LFP, 121)를 통과한 입력 전압(Vin) 및 인버터(151) 출력 전류(iLF)의 곱셈 연산으로부터 지령치(PADF*)를 생성한다.
이때, 전압원(110)의 입력 전압(Vin)에는 직류성분과 교류성분이 섞여있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치는 동일한 파형의 교류 성분을 생성하여 교류 성분을 상쇄함으로써 부하단에 직류 성분만 존재하도록 하는데 그 목적이 있다.
추종제어부(130)은 지령치생성부(120)에서 생성된 지령치(PADF*)와 직류능동필터(150)로부터 피드백된 전력값(y)의 오차값(e)을 산출하고, 산출된 값을 입력받아 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값(z)을 연산한다.
이때, 추종제어부(130)는 지령치생성부(120)에서 생성된 지령치(PADF*)와 직류능동필터(150)로부터 피드백된 전력값(y)이 동일해질 때까지 직류능동필터(150)로부터 전력값(y)을 피드백 받는다.
즉, 정상상태 오차를 0으로 하기 위한 적분기를 추가한 추종제어부(130)는 다음의 수학식 3에 의해 제어값(z)을 연산한다.
Figure 112015033999227-pat00007
디커플링부(140)는 추종제어부(130)로부터 제어값(z)을 입력받아 선형화하여 PWM 전압 지령치(u)를 생성한다.
이때, PWM 전압 지령치(u) 즉, 새로운 제어입력은 다음의 수학식 4에 의해 생성된다.
Figure 112016061224758-pat00024
여기서, u는 인버터 출력 전압 즉, PWM 전압 지령치를 나타내고, z는 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값이다.
직류능동필터(150)는 디커플링부(140)에서 생성된 PWM 전압 지령치(u)에 따라 인버터(151)를 제어하고, LC필터(152)를 거쳐 변압기(153) 입력 전압(vof) 및 인버터(151) 출력 전류(iLf)를 각각 측정하고 측정된 값을 곱셈 연산하여 전력값(y)을 산출한다.
자세히는, 직류능동필터(150)는 인버터(151) 제어 시 새로운 제어 입력을 얻기 위해 인버터 출력 전압(vif)이 나올 때까지 출력값(y)을 다음의 수학식 5와 같이 미분한다.
Figure 112016061224758-pat00025
여기서,
Figure 112015033999227-pat00010
이다.
여기서, y'(t)는 전력값의 미분을 나타내고, iLf는 인버터 출력 전류, Vof는 직류능동필터 변압기 입력 전압, iof는 직류능동필터 변압기 입력 전류, Lf는 필터 인덕턴스, Rf는 필터 저항, Cf는 필터 커패시터, Vif는 인버터 출력 전압이다.
따라서, 새로운 제어 입력을 바탕으로 얻어지는 선형화 모델은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112015033999227-pat00011
그리고, 수학식 5와 같이 미분한 전력값(y')을 다음의 수학식 6과 같이 적분하여 전력값(y)을 연산한다.
Figure 112015033999227-pat00012
여기서, y(t)는 전력값을 나타내고, Vof는 직류능동필터 변압기 입력 전압, iLf는 인버터 출력 전류이다.
이때, 산출된 전력값(y)을 추종제어부(130)로 피드백한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 기법을 이용한 직렬형 직류 능동 필터의 동작을 나타낸 그래프이다.
이때, 도 3의 (a)는 부하 전력, 도 3의 (b)는 직류버스 전압, 도 3의 (c)는 부하전류의 응답을 나타내고, 발전기의 속도는 일정하다고 가정한다.
도 3을 참고하면 알 수 있듯이, 부하 전력 변환 장치의 스위칭 주파수는 2kHz이며, 초기 20MW 부하 조건에서 500kW의 부하 변동을 인가한다. 1초에서 직류 능동 필터(150)가 동작하며, 이로 인해 발전기 측에서 출력되는 직류버스(DC BUS) 전압의 맥동이 억제된다. 2초에서 3초 사이에 500kW의 부하를 인가할 경우의 결과를 보인다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PI 제어기를 적용한 직렬형 직류 능동 필터의 제어 성능을 나타낸 그래프이다.
이때, 도 4의 (a)는 부하전력, 도 4의 (b)는 부하전류, 도 4의 (c)는 전압제어기의 동작, 도 4의 (d)는 전류제어기의 동작을 나타낸다.
도 4를 참고하면 알 수 있듯이, PI 제어기의 응답에 시지연이 생기며, 맥동전압은 110V로 저감되었으나 여전히 높은 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 기법을 적용한 직류 능동 필터의 제어 성능을 나타낸 그래프이다.
이때, 도 5의 (a)는 부하전력을 나타내며, 이로부터 20MW의 평균 전력을 소비하고 있음을 확인할 수 있다. 그리고, 도 5의 (b)는 직류 능동 필터 출력 전력의 지령치를 측정한 전력을 나타내며, 이로부터 정상상태 오차가 0으로 수렴하였음을 확인할 수 있다. 또한, 도 5의 (c)는 직류버스 전압을 나타내며, 이로부터 12펄스 SCR 정류기를 통해 6kV로 출력되고 있는 것을 확인할 수 있고, 직류 능동 필터의 동작으로 인해 534V 만큼 맥동하던 맥동 전압이 41V로 저감되었음을 확인할 수 있다. 마지막으로, 도 5의 (d)는 부하 전류를 나타내며, 이로부터 전압의 맥동성분이 억제됨에 따라 부하전류 또한 맥동이 억제되고 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치에서 직류버스 전압 및 주파수별 크기를 비교한 그래프이다.
이때, 도 6의 (a)는 직류버스 전압, 도 6의 (b)는 직렬형 직류능동필터의 미동작시, 도 6의 (c)는 PI 제어기를 적용한 직렬형 직류능동필터 동작시, 도 6의 (d)는 피드백 선형화 제어 기법을 적용한 직렬형 직류능동필터 동작시의 직류버스 전압과 주파수 해석을 보인다. 또한, 아래의 표 1에 각 상태별 직류버스 전압 맥동성분의 크기를 정리하였다.
without SADF PI control FL control
120-Hz harmonic component 100% 21.4% 7.8%
표 1에서와 같이, 직렬형 직류능동필터의 동작이 없을 경우를 기준으로 PI 제어기는 21.4%, 피드백선형화(FL) 제어기는 7.8%로 저감됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피드백 선형화 제어 장치는 직류배전 시스템의 직류버스 전압 맥동 저감을 위한 피드백 선형화 제어를 통해 비선형 시스템을 선형화하여 전압제어기의 대역폭을 늘림으로써 동특성을 행상시킬 수 있다.
또한, 전력을 제어기 출력변수로 설정하여 선형화 과정 중에 직류 성분에 섞인 교류 성분을 제거하여 부하단에 직류 성분만 존재하도록 함으로써 노이즈를 저감시킬 수 있고 시스템 안정화에 기여할 수 있다.
또한, 제어기에 적분기를 추가함으로써 정상상태 오차를 0으로 수렴 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 전압원 120 : 지령치생성부
121 : 저역통과필터 130 : 추종제어부
140 : 디커플링부 150 : 직류능동필터
151 : 인버터 152 : LC필터
153 : 변압기

Claims (5)

  1. 직류 전원과 교류 전원을 포함하는 PWM 직류 배전 시스템에서의 피드백 선형화 제어 장치에 있어서,
    저역통과필터(LFP)를 통과한 입력 전압 및 인버터 출력 전류로부터 지령치를 생성하는 지령치생성부;
    상기 지령치와 직류능동필터로부터 피드백된 전력값의 오차값을 산출하고, 산출된 값을 입력받아 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값을 연산하는 추종제어부;
    상기 제어값을 입력받아 선형화하여 PWM 전압 지령치를 생성하는 디커플링부; 그리고
    상기 PWM 전압 지령치에 따라 인버터를 제어하고, LC필터를 거쳐 변압기 입력 전압 및 인버터 출력 전류를 각각 측정하고 측정된 값을 연산하여 전력값을 산출하고, 상기 전력값을 상기 추종제어부로 피드백하는 상기 직류능동필터를 포함하는 피드백 선형화 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류능동필터는,
    다음의 수학식과 같이 상기 전력값을 산출하는 피드백 선형화 제어 장치:
    Figure 112015033999227-pat00013

    여기서, y(t)는 전력값을 나타내고, Vof는 직류능동필터 변압기 입력 전압, iLf는 인버터 출력 전류이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직류능동필터는,
    다음의 수학식과 같이 미분한 전력값을 적분하여 상기 전력값을 연산하는 피드백 선형화 제어 장치:
    Figure 112016061224758-pat00026

    여기서, y'(t)는 전력값의 미분을 나타내고, iLf는 인버터 출력 전류, Vof는 직류능동필터 변압기 입력 전압, iof는 직류능동필터 변압기 입력 전류, Lf는 필터 인덕턴스, Rf는 필터 저항, Cf는 필터 커패시터, Vif는 인버터 출력 전압이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디커플링부는,
    다음의 식에 의해 상기 PWM 전압 지령치를 생성하는 피드백 선형화 제어 장치:
    Figure 112016061224758-pat00027

    여기서, u는 인버터 출력 전압 즉, PWM 전압 지령치를 나타내고, z는 정상상태 오차를 제거하기 위한 제어값이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 추종제어부는,
    상기 지령치와 상기 피드백된 전력값이 동일해 질 때까지 상기 직류능동필터로부터 상기 전력값을 피드백 받는 피드백 선형화 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112670975A (zh) * 2021-01-13 2021-04-16 天津大学 基于泰勒展开的直流配用电系统状态反馈控制方法

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