KR101723431B1 - 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치 및 방법 - Google Patents

가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치 및 방법 Download PDF

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이기현
구태근
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성신전기공업(주)
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Abstract

본 기술은 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 기존의 전압 제어기 및 전류 제어기에 반복제어기 및 가상 댐핑 제어기를 추가함에 따라 저가로 부하에서 발생하는 외란 및 공진 현상으로 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전압제어의 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있게 된다.

Description

가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치 및 방법{HIGH PRECISION VOLTAGE CONTROL APPARATUS BASED ON DUAL CURRENT FEEDBACK WITH VIRTUALLY WEIGHTED REACTANCE METHOD THEREOF}
본 발명은 가상 리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 LC 필터부의 인덕터 및 캐패시터 전류를 이용하여 부하의 고전압 및 저전압에 대한 고정밀 전압 제어를 실행하고 차단 주파수 및 댐핑 계수를 이용하여 부하의 전압 제어를 실행함에 따라 무정전 전원장치의 전압 제어 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
가정이나 공장 등과 같은 말단 수용가에서 컴퓨터를 조작할 때 데이터 등이 순간적으로 사라지거나 TV화면이 찌그러지고 오디오의 음질이 달라지는 경우가 있는데, 이러한 현상들은 기기자체의 문제에서 비롯될 수도 있지만 일반적으로 공급되는 전압이 안정되지 못하거나 주변의 기기에 의한 전원교란 때문에 발생된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 전압 자동 조절기(AVR; Automatic Voltage Regulator)를 사용하는데, 상기 전압 자동 조절기는 전압변동에 관계없이 연결된 컴퓨터, 오디오와 같은 기기에 안정된 전압을 공급해 준다는 장점은 있으나, 정전 시 충전기능이 없기 때문에 전원이 차단될 뿐만 아니라 외부에서 발생되는 노이즈를 그대로 기기에 전달해주는 단점이 있다.
따라서, 근래에는 중대형 정보처리장치 또는 중요한 전기전자장치의 경우 전원공급의 중단 시 상기 장치들에 대한 전원공급이 연속되도록 유지하는 무정전 전원공급장치를 이용하여, 정전과 같은 비상시에 작업중인 데이터의 유실 등과 같은 중대한 사고가 발생하는 것을 방지하고 있다.
이러한 무정전 전원장치는 1970년대 대형 컴퓨터 시스템에 안정된 전력을 공급하기 위하여 처음 시장에 등장하여 1980년대 이후 디지털 시스템의 발달과 함께 그 중요성은 더욱 커지게 되었고, 최근에는 전력 공급이라는 본래의 기능 외에 공급자 및 수용가 양측에 영향을 주는 전력 품질 관리(Power Quality Conditioning) 기능을 가진 무정전 전원공급장치가 개발되고 있는 실정이다.
한편, 최근 들어 상업용 빌딩, 주거용 빌딩 및 공장 등에서 비선형부하의 사용이 급증함에 따라, 상기 무정전 전원장치에서 출력되는 전원에 고주파 성분이 많은 왜형파 형태의 전원이 포함됨으로써 제어계통과 통신계통 신호선에 전자유도 장해가 일으키거나 각종 계전기들의 오동작을 야기하게 되는 문제점이 발생되었다.
따라서, 기존에는 비선형부하에 의한 이러한 출력전압의 왜형율 증가를 보상하기 위하여 복잡하고 대형인 수동 필터를 사용하였으나 비선형 부하에서의 전압 제어 특성은 향상될 수 있으나, 과부하에서 출력전압이 왜곡되어 응답 특성이 낮아지는 단점이 있다.
또한, 최근에는 멀티 루프 컨트롤 등의 피드백 제어기를 사용한 개선된 무정전 전원공급장치가 개발되었으나 이 또한 제어기 구성이 복잡하고 구현이 어려운 단점이 있다.
즉, 기존의 반복제어를 도입한 전압제어기에서 높은 제어 이득을 얻기 위해서는 반복제어기의 이득을 높여야 한다. 그러나 LC필터의 공진에 의하여 반복제어기의 이득을 높이는 데에는 한계가 존재한다.
이에 본 발명은, 기존의 전압 제어기에 반복 제어기와 가상 댐핑 제어기와 가중치를 갖는 이중 전류 피드백 제어기를 추가함에 따라 LC 필터부의 전압 및 전류 제어를 통해 비선형 부하에서 매우 낮은 고조파 특성을 갖는 고정밀 전압 제어를 실행하고, LC필터부의 공진을 능동적으로 감쇄시켜 전압제어의 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상기의 한계를 극복하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은, 기존의 전압 제어기에 반복 제어기와 가중치를 갖는 이중 전류 피드백 제어기를 추가함에 따라 반복되는 오차를 저감하고, 인덕터 및 캐패시터의 전류제어를 통해 능동적으로 LC필터부의 댐핑 성분을 증가시켜 전압제어의 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있는 가상 리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반의 고정밀 전압 제어 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가상 리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반의 고정밀 전압 제어 장치는,
LC 필터부의 인덕터 전류 및 전압과 캐패시터 전류 및 전압을 토대로 인버터 스위칭부를 제어하는 인버터 제어부를 포함하되,
상기 인버터 제어부는,
기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 차를 입력으로 제1 제어값을 생성하는 전압 제어기; 상기 기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 차를 입력으로 제2 제어값을 생성하는 반복 제어기; 및 인덕터 전류 및 캐패시터 전류를 입력으로 제3 제어값을 생성하는 이중 전류 피드백 제어기를 포함하고, 상기 제1 제어값 및 제2 제어값의 가산된 값에 제3 제어값을 감산한 값을 상기 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 이중 전류 피드백 제어기는,
상기 인덕터 전류값(iL)에 인덕터 가중치(KL)의 곱한 값과 상기 캐패시터 전류(iC)에 캐패시터 가중치(KC)를 곱한 값을 가산하여 상기 제3 제어값을 생성하도록 구비될 수 있으며, 상기 인덕터 가중치(KL)와 캐패시터 가중치(KC)의 합은 1을 만족할 수 있다.
바람직하게 상기 반복 제어기는, 주기적인 외란을 증폭시키고, 보상이 불가능한 고조파 성분을 제거하기 위하여 위상 지연 없는 저역통과필터 Q(z) 를 가지는 것을 특징으로 하고, 상기 저역통과필터의 입출력 비는 기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 오차와 듀티 비로 나타내며, 오차와 듀티 비(Grep(Z))는 다음 식1을 만족하고, 여기서 전달함수 Q(z)는 다음 식 2를 만족할 수 있다.
GREP(Z)= KREP*z-N+M/(1-Z-N*Q(z)).. 식1
Q(z)=(z+2a+z-1)/ (2a+2) .. 식 2
바람직하게 상기 인버터 제어부는,
상기 전압 제어기의 제1 제어값과 상기 반복 제어기의 제2 제어값의 합에서 상기 이중 전류 피드백 제어기의 제3 제어값을 감산한 전력 지령값을 입력으로 제4 제어값을 출력하는 전류 제어기; 및 상기 반복제어기에 의해 발생된 상기 LC 필터부의 공진을 제거하기 위해 LC 필터부의 인덕터 전류(iL)를 입력으로 제5 제어값을 생성하는 가상 댐핑 제어기를 더 포함하고, 상기 제4 제어값에서 제5 제어값을 감산한 값을 상기 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 가상 댐핑 제어기는, 인덕터 전류(iL)의 평균값과 인덕터 전류(iL)의 평균값에 능동 댐핑 계수를 곱한 값의 합으로 상기 제5 제어값을 출력하도록 구비하며, 가상 댐핑 제어기의 개루프 전달 함수(
Figure 112016060638745-pat00001
)는 다음 식 3을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112016060638745-pat00002
.. 식 3
여기서, 공진주파수(
Figure 112016060638745-pat00003
)와 댐핑 계수(
Figure 112016060638745-pat00004
) 각각은 다음 식 4 및 다음 식 5와 같이 정의된다.
.
Figure 112016060638745-pat00005
. 식 4,
Figure 112016060638745-pat00006
.. 식 5
전술한 장치를 이용한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어방법은,
기준 전압 지령과 LC 필터부의 캐패시터 전압의 오차를 입력으로 하여 전압 제어기에서 제1 제어값을 산출하고, 기준 전압 지령과 LC 필터부의 캐패시터 전압의 오차를 입력으로 하여 반복 제어기에서 제2 제어값을 산출하며, LC 필터부의 인덕터 전류 및 인덕터 가중치와 캐패시터 전류 및 캐패시터 가중치를 입력으로 이중 전류 피드백 제어기에서 제3 제어값을 산출하는 (a) 단계; 및 상기 제1 제어값과 상기 제2 제어값을 가산한 후 제3 제어값을 감산한 값을 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 출력하는 (b) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제1 제어값과 제2 제어값의 가산한 후 상기 제3 제어값을 감산한 값을 입력으로 제4 제어값을 산출하는 (c) 단계; LC 필터부의 인덕터 전류를 입력으로 댐핑 계수가 고려된 제5 제어값을 산출하는 (d) 단계; 및 상기 제4 제어값에서 제5 제어값을 감산한 값으로 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 (e) 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가상 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치 및 방법은, 기존의 전압 제어기 및 전류 제어기에 반복제어기 및 가상 댐핑 제어기를 추가함에 따라 저가로 부하에서 발생하는 외란 및 공진 현상으로 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전압제어의 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 무정전 전원장치의 구성을 보인 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어부의 세부적인 구성을 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어부의 반복제어기의 구조를 보인 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 반복 제어기의 위상지연 없는 저역 통과필터의 주파수 응답 상태를 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 의한 출력 전압을 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 인버터 제어부의 동작 과정을 보인 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 실시 예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무정전 전원장치의 구성을 보인 도이고, 도 2는 도 1에 도시된 인버터 제어부의 세부적인 구성을 보인 도이며, 도 3은 도 2에 도시된 반복제어기의 구조를 보인 도이고, 도 4는 도 3의 반복제어기의 주파수 응답성을 보인 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예가 적용되는 무정전 전원장치(S)는 평활콘덴서에서 출력되는 직류전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 상용주파수를 가진 펄스형태의 단상 또는 3상 교류(U, V, W)로 바꾸어 출력하는 인버터 스위치부(30), 인버터 스위치부(30)에서 출력된 PWM 파형을 필터링하기 위해 일정량의 리액턴스를 포함한 인덕터와 커패시터로 구성된 LC 필터부(50), 및 인버터 스위치부(30)의 동작을 제어하는 인버터 제어부(10)를 포함하여 구성된다.
여기서, 인버터 스위치부(30)는 ６개의 스위칭소자(IGBT)와 다이오드(FRD)를 2-레벨 또는 3-레벨을 갖는 단상 또는 ３상 하프 브릿지(Half Bridge) 및 풀 브릿지(Full Bridge)로 결선하여 직류전압을 단상 또는 3상 교류로 변환하고 이 단상 또는 3상 교류를 출력하는 통상의 스위칭회로이다.
여기서, 인버터 제어부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 무정전 전원장치(S)의 동특성을 보장하기 위한 전압 제어기(11)와, 비선형부하에 의한 주기적인 외란을 보상하기 위한 반복제어기(13)와, LC필터의 공진을 감쇄시키고 전압제어의 안정도를 높여 무정전 전원장치(S)의 응답 특성을 보정하기 위한 가중치를 갖는 이중 전류 피드백 제어기(15)를 포함한다.
여기서, 전압 제어기(11)는 기준 전압 지령(Vref)과 부하(40)에 공급되는 캐패시터 전압(Vc)의 차를 입력으로 제1 제어값을 출력하도록 구비되며. 통상의 비례-적분 또는 비례-공진 제어기이며, 상기 전압 제어기에 관한 기술은 공지된 기술이기 때문에 보다 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 반복 제어기(13)는 기준 전압 지령(Vref)와 부하(40)에 공급되는 캐패시터 전압(Vc)의 차를 입력으로 제2 제어값을 출력하도록 구비되며, 반복 제어기(13)의 입력은 기준 전압 지령(Vref)에서 캐패시터 전압(Vc)를 뺀 오차값이고, 반복 제어기(13)의 출력은 오차값이 보상된 값으로 전압 제어기(11)의 출력에 더해진다.
본 발명의 실시 예에 적용되는 반복 제어기(13)의 구조는 도 3에 도시된 바와 같다. 여기서, N은 오차 주기의 샘플링 시간으로 나눈 값이며, M은 샘플링 및 프로세싱 시 지연을 보상하기 위한 선정된 정수값으로, z-N+ M 은 제어동작이 한 주기 이전 값에서 이루어지도록 지연 기능을 수행한다.
이때 반복 제어기(13)은 주기적인 외란을 증폭시키고 보상이 불가능한 고조파 성분을 제거하기 위하여 위상 지연 없는 저역통과필터(Q(z))를 포함할 수 있다. 즉, 반복 제어기(13)의 전달 함수(GREP(Z))는 기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 오차와 듀티 비로 나타내며, 전달 함수(Grep(Z))는 다음 식1을 만족할 수 있다.
GREP(Z)= KREP*z-N+M/(1-z-N*Q(z)) 식1
여기서, Q(z)는 위상 지연이 없는 저역통과필터(제로위상 지연 로우패스필터)에서 반복 제어기(13)의 안정성 및 필터의 차단 특성을 제어하는 기능을 수행한다. 이때 위상 지연이 없는 저역통과필터에서 전달함수 Q(z) 는 다음 식 2의 특성을 가진다.
여기서, Q(z)=(z+2a+z-1)/ (2a+2) 식 2
예를 들어, 위상 지연이 없는 저역통과필터(제로위상 지연 로우패스필터)에서 Q(z)는 도 4에 도시된 바와 같이 차단 계수(a)가 증가함에 따라 차단 주파수는 증가하고 고주파 대역에서의 위상 감소 효과가 둔화됨을 알 수 있다.
즉, 저역통과필터에서 Q(z)를 이용한 고주파 신호의 감쇄는 안정적으로 향상되나 감쇄폭이 매우 큰 경우 제어 특성이 악화되며, 감쇄폭이 작을수록 안정성이 저하된다. 이에 시스템의 안정도를 위해 차단 계수(a)를 변동함에 따라 차단하는 고조파 차수의 최저값을 설정하여 주기적인 신호에 의한 정상 상태 오차와 비선형 부하의 주기적인 외란을 제거하여 전압 제어 성능을 향상시키는 기능을 수행한다.
또한, 반복 제어기(13)은 KREP 의 변동에 따라 빠른 응답 특성 및 안정성을 조정하는 기능을 수행하며, z- M 은 샘플링 지연 및 PWM 지연 등과 같은 디지털 시스템의 전체 시지연을 보상하는 기능을 수행한다.
한편, 도 2의 이중 전류 피드백 제어기(15)는 인덕터 전류(iL) 및 캐피시터(iC)를 입력으로 하는 제어기로서, LC 필터부(50)의 인덕터 및 캐패시터 각각에 흐르는 전류값을 이용하여 제3 제어값을 출력하도록 구비된다.
즉, 이중 전류 피드백 제어기(15)는, 인덕터 전류(iL)에 인덕터 가중치(K1)를 곱한 값과 캐피시터 전류(iC)에 캐패시터 가중치 (K2)를 곱한 값을 가산하여 제3 제어값을 출력하고, 제1 제어값과 제2 제어값의 합으로부터 제3 제어값을 뺀 값으로 전류 지령이 출력한다.
여기서, 이중 전류 피드백 제어기(15)에서 가중치(K1)와 가중치 (K2)의 합은 1을 만족하므로, 목표 전류값에 대한 전류 지령이 이루어지는 바, 인덕터 및 캐패시터에 대한 전류 검출 및 지령이 동시에 이루어진다.
또한, LC 필터부(50)의 비 선형 구간에서 기 정해진 소정치 이상의 고조파가 감지되면, 전압제어 특성이 악화될 것으로 고려하여 캐패시터의 가중치가 인덕터의 가중치 보다 높게 설정되고, 소정치 이하의 고조파가 감지되면 인덕터의 가중치가 캐패시터의 가중치 보다 높게 설정된다. 이 때 캐패시터의 가중치와 인덕터의 가중치는 무정전 전원시스템이 설치되는 장소의 부하 전류 특성에 따라 조절한다.
즉, 캐패시터의 전류 제어로 인해 높은 전압 제어 정밀도를 가질 수 있으나, 부하 과전류 시 인덕터 전류의 제한이 적절히 이루어지지 못하는 이유로 무정전 전원시스템의 과전류를 보호하기 위해 인덕터에 대한 전류 제어가 필요하다. 이에 이중 전류 피드백 제어기(15)는 부하의 과전류 검출 시 인덕터 전류 제어로 인해 전압 제어의 응답 특성 및 안정성을 향상시키는 기능을 수행한다.
이러한 전압 제어기(11)의 제1 제어값과 반복제어기(13)의 제2 제어값이 더한 값에서 이중 전류 피드백 제어기(15)의 출력이 감산된 값은 상기 인버터 스위칭부(30)의 동작을 제어하는 제어값으로 이용되고 상기와 같은 제어에 의하여 출력된 인버터 스위칭부(30)의 출력은 LC 필터부(50)에서 필터링된 후 부하(70)에 공급된다.
즉, 반복제어기(13) 및 이중 전류 피드백 제어기(15)에 의한 제어를 통해 전압 제어기(11)의 출력과 캐패시터 전압(Vc)의 오차 값이 0으로 수렴하게 되므로, 비선형 부하시에서도 높은 정밀도를 갖는 전압 제어에 대한 전압제어의 응답 특성에 따라 부하(70)에서 발생하는 주기적인 외란이 안정적으로 제거됨을 알 수 있다.
한편, 가상 댐핑 제어기(19)의 능동 저항값(KR)은 LC필터부(50)의 공진을 제어함에 따라 크게 감쇄시킬 수 있다.
이러한 능동 저항값을 반영하여 LC 필터부(50)의 공진을 제거하기 위해, 인버터 제어부(10)는, 전압 제어기(11)의 제1 제어값과 반복제어기(13)의 제2 제어값이 더한 값에서 이중 전류 피드백 제어기(15)의 출력이 감산된 값을 입력으로 제4 제어값을 산출하는 전류 제어기(17)와, LC 필터부(50)의 리액턴스 성분을 제거하는 가상 댐핑 제어기(19)를 포함할 수 있다.
즉, 인버터 제어부(10)는 상기 전류 제어기(17)를 통해 보상한 후 보상된 값에서 가상 리액턴스 성분을 뺀 후 인버터 스위칭부(30)의 동작을 제어하는 제어값으로 적용되고, 인버터 스위칭부(30)의 출력은 LC 필터부(50)에서 필터링된 후 부하(70)에 공급된다.
이때 전류 제어기(17)의 출력 전압(V1)과 LC 필터부(50)의 인덕터의 출력 전압(Vo)에 대한 개루프 응답 전달함수는 다음 관계식 3을 만족한다.
Figure 112016060638745-pat00007
.. 식 3
식 3을 정리하면, 식 4로 나타낸다
Figure 112016060638745-pat00008
.. 식 4
여기서, 공진주파수와 댐핑 계수 각각은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112016060638745-pat00009
.. 식 5
Figure 112016060638745-pat00010
.. 식 6
로 정의하면 식 4는 다음 식 7로 정리된다.
Figure 112016060638745-pat00011
.. 식 7
이에 대한 출력 임피던스는 다음 식 8을 만족한다
Figure 112016060638745-pat00012
.. 식 8
이에 따라 식 7 및 식 8을 참조하면, 가상 댐핑 제어기(19)는 통상의 저역통과필터 및 대역통과필터로 구비됨을 알 수 있다.
또한 댐핑 계수는 기 정해진 능동 저항값(KR)과의 비례 관계식으로부터 도출된다. 즉, 댐핑 계수와 능동 저항값과의 비례 관계식은 일반적인 인덕터와 캐패시터로부터 댐핑 계수와 능동 저항값과의 비를 도출하는 일련의 과정과 동일 또는 유사하다. 이에 따라 능동 저항값은 LC 필터부(50)의 공진을 억제하는 댐퍼로 적용된다.
즉, 도 5는 도 2에 도시된 인버터 제어부(10)의 제어에 의하여 출력된 인버터 스위칭부(30)의 출력이 LC 필터부(50)에서 필터링된 후 부하(70)에 공급되는 전압 파형을 보인 그래프로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 부하(70) 전류가 급변하는 경우 노치 또는 딥 형태의 왜곡이 반복 제어기, 이중 전류 피드백 제어기, 및 가상 댐핑 제어기의 제어에 따라 점차 줄어 비선형 부하 상태에서 안정적인 전압 제어 성능을 얻을 수 있다.
인버터 제어부에서 부하로 공급되는 인덕터 및 캐패시터의 전류 및 전압을 토대로 인버터 스위칭부를 제어하는 제어값을 산출하는 일련의 과정을 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 도 2에 도시된 인버터 제어부의 동작 과정을 보인 흐름도로서, 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어 과정을 설명한다.
우선, 인버터 제어부(10)는 기준 전압 지령과 LC 필터부의 캐패시터 전압의 오차를 입력으로 하여 전압 제어기에서 제1 제어값을 산출하고, 기준 전압 지령과 LC 필터부의 캐패시터 전압의 오차를 입력으로 하여 반복 제어기에서 제2 제어값을 산출하며, LC 필터부의 인덕터 전류 및 인덕터 가중치와 캐패시터 전류 및 캐패시터 가중치를 입력으로 이중 전류 피드백 제어기에서 제3 제어값을 산출한다(S1, S2, S3).
이어 인버터 제어부(10)는 상기 제1 제어값과 상기 제2 제어값을 가산한 후 제3 제어값을 감산한 값을 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 출력 한다(S4).
그리고 인버터 제어부(10)는 상기 제1 제어값과 제2 제어값의 가산한 후 상기 제3 제어값을 감산한 값을 입력으로 제4 제어값을 산출하고, LC 필터부(50)의 인덕터 전류를 입력으로 댐핑 계수가 고려된 제5 제어값을 각각 산출한다(S5, S6).
이어 인버터 제어부(10)는 상기 제4 제어값에서 제5 제어값을 감산한 값으로 인버터 스위칭부(30)의 동작을 제어한다(S7).
이러한 인버터 제어부(10)이 동작으로 인하여 스위칭되는 인버터 스위칭부(30)의 출력은 LC 필터부(50)를 통해 공진이 필터링된 후 부하(70)로 전달된다.
이에 따라, 기존의 전압 제어기 및 전류 제어기에 반복제어기 및 가상 댐핑 제어기를 추가함에 따라 저가로 부하에서 발생하는 외란 및 공진 현상으로 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전압제어의 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있게 된다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
기존의 전압 제어기 및 전류 제어기에 반복제어기 및 가상 댐핑 제어기를 추가함에 따라 저가로 부하에서 발생하는 외란 및 공진 현상으로 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전압제어의 응답 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어 장치 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 무정전 전원 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (7)

  1. LC 필터부의 인덕터 전류 및 전압과 캐패시터 전류 및 전압을 토대로 인버터 스위칭부를 제어하는 인버터 제어부를 포함하되,
    상기 인버터 제어부는,
    기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 차를 입력으로 제1 제어값을 생성하는 전압 제어기; 상기 기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 차를 입력으로 제2 제어값을 산출하는 반복 제어기; 및 인덕터 전류 및 캐패시터 전류를 입력으로 제3 제어값을 도출하는 이중 전류 피드백 제어기를 포함하고,
    상기 제1 제어값 및 제2 제어값의 가산된 값에 제3 제어값을 감산한 값을 상기 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 제공하고,
    상기 이중 전류 피드백 제어기는,
    인덕터 및 캐패시터에 대한 전류 검출 및 지령이 동시에 진행하되
    비 선형 구간에서 기 정해진 소정치 이상의 고조파가 감지되면 전압제어 특성이 악화될 것으로 고려하여 캐패시터의 가중치가 인덕터의 가중치 보다 높게 설정되고, 소정치 이하의 고조파가 감지되면 인덕터의 가중치가 캐패시터의 가중치 보다 높게 설정하며,
    인덕터 가중치(K1)와 캐패시터 가중치(K2)의 합을 1로 설정하고,
    캐패시터의 전류 제어로 인해 높은 전압 제어 정밀을 수행하고, 부하 과전류 시 인덕터에 대한 전류 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이중 전류 피드백 제어기는,
    상기 인덕터 전류값(iL)에 인덕터 가중치(K1)의 곱한 값과 상기 캐패시터 전류(iC)에 캐패시터 가중치(K2)를 곱한 값을 가산하여 상기 제3 제어값을 생성하고,
    상기 인덕터 가중치(K1)와 캐패시터 가중치(K2)의 합은 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반복 제어기는,
    주기적인 외란에 의한 보상이 불가능한 고조파 성분을 제거하기 위해 위상 지연 없는 저역통과필터로 구비되며,
    상기 반복 제어기의 전달함수는 기준 전압 지령 및 캐패시터 전압의 오차와 듀티 비로 나타내며, 전달함수(Grep(Z))는 다음 식11을 만족하고, 저역통과필터(Q(z))는 다음 식 12를 만족하는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치.
    Figure 112017021254321-pat00013
    식 11
    Q(z)=z+2a+z-1/ 2a+2 식 12
    여기서. KREP 는 저역통과필터의 게인이고, a는 저역통과필터의 차단 계수이다.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인버터 제어부는,
    상기 전압 제어기의 제1 제어값과 상기 반복 제어기의 제2 제어값의 합에서 상기 이중 전류 피드백 제어기의 제3 제어값을 감산한 전력 지령값을 입력으로 제4 제어값을 출력하는 전류 제어기; 및
    상기 반복제어기에 의해 발생된 상기 LC 필터부의 공진을 제거하기 위해 LC 필터부의 인덕터 전류(iL)를 입력으로 제5 제어값을 생성하는 가상 댐핑 제어기를 포함하고,
    상기 제4 제어값에서 제5 제어값을 감산한 값을 상기 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가상 댐핑 제어기는,
    인덕터 전류(iL)의 평균값과 인덕터 전류(iL)의 평균값에 능동 댐핑 계수를 곱한 값의 합으로 상기 제5 제어값을 출력하도록 구비하며,
    가상 댐핑 제어기의 개루프 전달 함수(
    Figure 112017021254321-pat00014
    )는 다음 식 13를 만족하는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어장치.
    Figure 112017021254321-pat00015
    .. 식 13
    여기서, 공진주파수(
    Figure 112017021254321-pat00016
    )와 댐핑 계수(
    Figure 112017021254321-pat00017
    ) 각각은 다음 식 14 및 다음 식 15와 같이 정의된다.
    Figure 112017021254321-pat00018
    .. 식 14,
    Figure 112017021254321-pat00019
    .. 식 15
    여기서, L은 인덕터의 인덕턴스, C는 캐패시터의 캐패시턴스, K1은 인덕터가중치, K2는 캐패시터 가중치, 및 s는 2차 방정식의 개루프 전달함수에 대한 연산자이다.
  6. 기준 전압 지령과 LC 필터부의 캐패시터 전압의 오차를 입력으로 하여 전압 제어기에서 제1 제어값을 산출하고, 기준 전압 지령과 LC 필터부의 캐패시터 전압의 오차를 입력으로 하여 반복 제어기에서 제2 제어값을 산출하며, LC 필터부의 인덕터 전류 및 인덕터 가중치와 캐패시터 전류 및 캐패시터 가중치를 입력으로 이중 전류 피드백 제어기에서 제3 제어값을 산출하는 (a) 단계; 및
    상기 제1 제어값과 상기 제2 제어값을 가산한 후 제3 제어값을 감산한 값을 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 제어값으로 출력하는 (b) 단계를 포함하고,
    상기 (a) 단계에서,
    인덕터 및 캐패시터에 대한 전류 검출 및 지령이 동시에 진행하되
    비 선형 구간에서 기 정해진 소정치 이상의 고조파가 감지되면 전압제어 특성이 악화될 것으로 고려하여 캐패시터의 가중치가 인덕터의 가중치 보다 높게 설정되고, 소정치 이하의 고조파가 감지되면 인덕터의 가중치가 캐패시터의 가중치 보다 높게 설정하며,
    인덕터 가중치(K1)와 캐패시터 가중치(K2)의 합을 1로 설정하고,
    캐패시터의 전류 제어로 인해 높은 전압 제어 정밀을 수행하고, 부하 과전류 시 인덕터에 대한 전류 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (b) 단계 이후에
    상기 제1 제어값과 제2 제어값의 가산한 후 상기 제3 제어값을 감산한 값을 입력으로 제4 제어값을 산출하는 (c) 단계;
    LC 필터부의 인덕터 전류를 입력으로 댐핑 계수가 고려된 제5 제어값을 산출하는 (d) 단계; 및
    상기 제4 제어값에서 제5 제어값을 감산한 값으로 인버터 스위칭부의 동작을 제어하는 (e) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상리액턴스 및 가중치를 가지는 이중 전류 피드백 기반 고정밀 전압 제어방법.
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