KR101732930B1 - Ｌｌｃｌ 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치 - Google Patents

Ｌｌｃｌ 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치는 LLCL 필터의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류를 피드백하여 댐핑 성분을 생성하는 댐핑 성분 생성부와, 계통측으로 주입되는 계통측 전류의 전류 지령 값과 생성된 댐핑 성분을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성하는 연산부와, 계통측의 교류 전원으로부터 산출된 위상 성분과 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 입력받아, 비례-공진제어기 및 반복제어기를 이용하여 전압 지령 값을 생성하는 전류제어부 및 생성된 전압 지령 값에 따라 인버터의 스위칭소자를 PWM 제어하는 PWM제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, LLCL 필터에 의해 발생되는 공진을 제거하기 위한 댐핑 성분을 반영하여 인버터를 제어함으로써, 실제 저항을 사용하지 않고 공진을 제거할 수 있어 저항에 의해 발생하는 전력 손실이 없고, 안정적인 전류 제어가 가능해지며 뛰어난 고조파 저감 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

Description

ＬＬＣＬ 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치{CONTROLLING APPARATUS FOR SINGLE-PHASE GRID INVERTERS USING LLCL FILTERS}
본 발명은 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LLCL 필터에 의해 발생되는 공진을 제거하기 위한 댐핑 성분을 반영하여 인버터를 제어하는 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치에 관한 것이다.
최근 전력 수요의 증대에 따라 신재생 에너지를 이용한 분산전원 시스템이 많은 주목을 받고 있다. 계통연계를 위한 PCS(power conditioning system) 즉, 그리드 인버터는 분산전원 시스템 관련 분야뿐만 아니라 계통에 연계되는 모든 분야에 걸쳐 광범위하게 응용되고 있다.
이러한 계통연계를 위한 인버터의 출력단에는 PWM 스위칭에 의해 발생하는 고조파 성분을 계통으로부터 차단하기 위해 전력 필터인 L 필터 또는 LCL 필터가 사용된다. 이때, L 필터는 하나의 인덕터만을 사용하므로 단순하다는 장점이 있으나, 고조파 성분을 충분히 감쇠하기 어렵다는 단점이 있다. 즉, 고조파를 충분히 감쇠하기 위해서는 큰 용량의 인덕터가 사용되어야 하는데, 이 경우 인덕턴스의 용량이 크고 부피가 크다는 점과, 이로 인해 시스템의 동적 성능이 저하된다는 단점이 있다. 따라서, L 필터보다 인덕터 사이즈를 줄인 LCL 필터가 선호되는데, LCL 필터는 L 필터와 비교하여 인덕터 사이즈가 감소되어 시스템의 동적 성능이 향상될 수 있다는 장점이 있으나 LCL 필터로 인해 계통에 유입되는 전류에 공진 현상이 발생하는 문제점이 수반된다.
최근에는 많은 연구를 통하여 공진 현상을 해결하기 위한 기법들이 개발되었는데, 크게는 수동댐핑 제어기법과 능동댐핑 제어기법으로 나뉜다. 먼저, 수동댐핑 제어기법은 필터의 커패시터에 직렬로 저항을 삽입하여 공진 현상을 억제하는 방식으로 신뢰성이 높고 구현하기에 단순한 장점이 있으나 저항이 추가되어야 하고 시스템의 전력 손실을 가져오는 단점이 있다. 또한, 능동댐핑 제어기법은 인버터의 제어기 상에서 공진 억제를 위해 노치필터, 비례-공진 제어기 등 별도의 제어기를 추가하는 방식으로써, 별도의 하드웨어를 추가하지 않아도 된다는 장점이 있으나, 시스템의 제어 알고리즘이 다소 복잡해진다는 단점이 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위해서 LCL 필터에서보다 계통측의 인덕터 사이즈를 더욱 줄이면서 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시켜 성능을 향상시킬 수 있는 LLCL 필터가 개발되었다.
LLCL 필터는, LCL 필터에서 커패시터에 직렬로 매우 작은 인덕터가 추가됨에 따라 계통측의 인덕터 사이즈가 크게 감소되며, 스위칭 주파수 대역에서 제로 임피던스를 만들어 시스템의 동적 성능 및 고조파 저감 성능을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 LLCL 필터에서도 여전히 공진 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0607038호(2006. 07. 24. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 LLCL 필터에 의해 발생되는 공진을 제거하기 위한 댐핑 성분을 반영하여 인버터를 제어하는 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치는, LLCL 필터의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류를 피드백하여 댐핑 성분을 생성하는 댐핑 성분 생성부; 계통측으로 주입되는 계통측 전류의 전류 지령 값과 상기 생성된 댐핑 성분을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성하는 연산부; 상기 계통측의 교류 전원으로부터 산출된 위상 성분과 상기 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 입력받아, 비례-공진제어기 및 반복제어기를 이용하여 전압 지령 값을 생성하는 전류제어부; 및 상기 생성된 전압 지령 값에 따라 인버터의 스위칭소자를 PWM 제어하는 PWM제어부를 포함하고, 상기 연산부는, 상기 계통측 전류 값을 더 연산하여 상기 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성한다.
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또한, 상기 전류제어부는, 다음의 수학식과 같이 연산되는 전달함수에 의해 전압 지령 값을 생성할 수 있다.
Figure 112015015048413-pat00003
여기서, GPR은 비례공진 제어기의 전달함수, s는 라플라스 변환 계수, Kp는 비례제어기 게인, Kr은 공진제어기 게인, Kre는 반복제어기 게인, ωf는 각 주파수를 의미한다.
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본 발명에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치는 LLCL 필터에 의해 발생되는 공진을 제거하기 위한 댐핑 성분을 반영하여 인버터를 제어함으로써, 실제 저항을 사용하지 않고 공진을 제거할 수 있어 저항에 의해 발생하는 전력 손실이 없고, 안정적인 전류 제어가 가능해지며 뛰어난 고조파 저감 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 LLCL 필터를 적용함으로써 LCL 필터에 비해 소형의 사이즈로 뛰어난 고조파 저감 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 나타낸 블록도이다.
도 4는 댐핑 성분 반영 유무에 따른 계통측 전류 및 주파수 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 5는 계통측 인덕턴스가 0.8mH인 LCL 필터에서의 계?v측과 인버터측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도6은 계통측 인덕턴스가 0.2mH인 LCL 필터에서의 계?v측과 인버터측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 계통측 인덕턴스가 0.2mH인 LLCL 필터에서의 계?v측과 인버터측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 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 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 시스템을 나타낸 구성도이며, 도 1에서와 같이 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 시스템은 계통측 교류 전원(110, ea), 교류 전원(110)과 인버터(170) 사이에서 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LLCL 필터(120), 스위칭소자(Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)를 포함하는 인버터(170), 인버터(170)의 후단에 형성되는 직류 링크 커패시터(180) 및 부하(190)를 포함한다.
자세히는, 도 1은 계통측 교류 전원(110, ea)과, 교류 전원(110)과 인버터(170) 사이에 저항이 삽입된 LLCL 필터(120)와, 인버터(170)의 후단의 직류단에 위치하는 직류 링크 커패시터(180, Cdc) 및 부하(190)를 포함한다.
이때, LLCL 필터는(120)은 LCL 필터에서 필터 커패시터(C)에 직렬로 작은 인덕터(Lf)를 삽입하는 것으로 구성된다. 여기서 ig는 계통측 전류, ic는 인버터측 전류, icap는 필터 커패시터(C) 전류이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치를 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 나타낸 블록도이다.
도 2 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치는, 댐핑 성분 생성부(130), 연산부(140), 전류제어부(150) 및 PWM제어부(160)를 포함한다.
먼저, 댐핑 성분 생성부(130)는 LLCL 필터(120)의 커패시터(C)에 흐르는 커패시터 전류를 피드백하여 댐핑 성분을 생성한다.
자세히는, 도 3의 블록도로부터 다음의 수학식 1과 같이 연산되는 전달함수를 통해 댐핑 성분을 생성한다.
Figure 112016127293117-pat00027
여기서, ic는 인버터측 전류(출력단), ig는 계통측 전류(입력단), Lf는 일단이 교류전원에 연결되고 타단이 커패시터(Cf)에 연결되는 직렬 인덕터(작은 인덕터), L1은 일단이 상기 교류전원에 연결되고 타단이 상기 인버터의 스위칭소자에 연결되는 인덕터, R은 저항, Cf는 커패시터, s는 라플라스 변환 계수를 의미한다.
그리고, 연산부(140)는 계통측으로 주입되는 계통측 전류(ig)의 전류 지령 값과 수학식 1과 같이 연산되는 전달함수로부터 생성된 댐핑 성분을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성한다.
이때, 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값은 다음의 수학식 2와 같이 연산된다.
Figure 112016127293117-pat00028
여기서, i* g_new는 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값, i* g는 계통측 전류의 전류 지령 값, R은 저항, Cf는 커패시터, s는 라플라스 변환 계수, icap은 커패시터 전류를 의미한다.
이때, 연산부(140)는 계통측 전류 값(ig)을 더 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성한다.
전류제어부(150)는 계통측의 교류 전원(110, ea)으로부터 위상동기회로(PLL)에 의해 산출된 위상 성분(θ)과 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 입력받아, 계통에 흐르는 전류를 제어하는 비례-공진(PR)제어기 및 고조파 보상을 위한 반복제어기(RC)를 이용하여 다음의 수학식 3과 같이 연산되는 전달함수에 의해 전압 지령 값을 생성한다.
Figure 112015015048413-pat00006
여기서, GPR은 비례공진 제어기의 전달함수, s는 라플라스 변환 계수, Kp는 비례제어기 게인, Kr은 공진제어기 게인, Kre는 반복제어기 게인, ωf는 각 주파수를 의미한다.
PWM제어부(160)는 전류제어부(150)에서 생성된 전압 지령 값에 따라 인버터(170) 스위칭소자를 PWM 제어한다.
이때, 스위칭소자(Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)는 주로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)로 구성되며, 펄스 폭을 조절할 수 있는 다른 종류의 트랜지스터, 예를 들면 MOSFET, BJT 등으로 구현될 수 있다.
즉, 스위칭소자(Sa1, Sb2)가 턴온되면, 교류 전원(110, ea)에서 출력되는 교류 전류(ig)는 인덕터(L), 스위치(Sa1), 커패시터(C) 및 스위치(Sb2)를 통하여 교류 전원(110, ea)으로 입력되며, 교류 전원(110, ea)으로 입력되는 전류는 직류 형태를 가진다. 또한 스위치(Sa2, Sb1)가 턴온되면, 교류 전원(110, ea)에서 출력되는 교류 전류는 스위치(Sb1), 커패시터(C), 스위치(Sa2) 및 인덕터(L)를 통하여 교류 전원(110, ea)으로 입력된다.
인버터(170)의 후단에 연결된 직류 링크 커패시터(180, Cdc)에는 직류 링크 전압(Vdc)이 충전되고, 후단에 연결된 부하(190)에 전력을 공급한다.
도 4는 댐핑 성분 반영 유무에 따른 계통측 전류 및 주파수 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 즉, 도 4는 아래 표 1의 파라미터로 계통측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프로써, (a)는 댐핑 성분이 반영되지 않은 그래프이며, (b)는 댐핑 성분이 반영된 그래프이다.
Figure 112015015048413-pat00007
도 4를 참고하면 알 수 있듯이, (a)는 계통에 흐르는 전류에 공진이 발생함을 보이고 공진 주파수는 4.1kHz 대역임을 알 수 있다. 그러나, (b)는 공진 현상이 완전히 제거되어 계통에 흐르는 전류는 정현파가 되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 계통측 인덕턴스가 0.8mH인 LCL 필터에서의 계?v측과 인버터측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도6은 계통측 인덕턴스가 0.2mH인 LCL 필터에서의 계?v측과 인버터측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 7은 계통측 인덕턴스가 0.2mH인 LLCL 필터에서의 계?v측과 인버터측 전류 및 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 LCL 필터와 LLCL 필터(120)를 비교하기 위한 것으로, 표 2에서와 같은 다양한 조건에서 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
표 2에서와 같이, 도 5(Case I)은 계통측 인덕턴스가 0.8mH인 LCL 필터인 경우이고, 도 6(Case II)은 계통측 인덕턴스가0.2mH인 경우이며, 도 7(Case III)은 계통측 인덕턴스가 0.2mH, 직렬 인덕턴스가 36μH인 LLCL 필터인 경우이다.
먼저, 도 5의 경우에는, 계통에 흐르는 전류의 전고조파왜율(THD)이 3.18%이고 지배적인 고조파 크기가 0.17%로서 THD는 5% 이하, 지배적인 고조파 크기는 0.3% 이하를 유지하도록 하는 IEEE 519-1992 규정에 잘 부합한다. 그러나 계통측 인덕턴스를 0.2mH로 줄인 도 6의 경우에는, 지배적인 고조파 크기가 0.83%가 되어 IEEE 규정에 만족되지 않는데, 동일한 계통측 인덕턴스 값을 사용하는 도 7의 경우에는, THD가 2.48%이며 지배적인 고조파 크기는 0.1%로서 IEEE 규정을 만족하면서 뛰어난 고조파 저감 성능을 보이고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치는 LLCL 필터에 의해 발생되는 공진을 제거하기 위한 댐핑 성분을 반영하여 인버터를 제어함으로써, 실제 저항을 사용하지 않고 공진을 제거할 수 있어 저항에 의해 발생하는 전력 손실이 없고, 안정적인 전류 제어가 가능해지며 뛰어난 고조파 저감 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
상세히는, 실제 저항이 삽입된 LLCL 필터의 모델링으로부터 실제 저항과 같은 입출력 특성을 갖도록 하는 전달함수 및 블록 다이어그램을 유도하여, 유도된 블록 다이어그램을 통해 LLCL 필터의 커패시터(C)에 흐르는 전류를 피드백하고, 연산을 통해 댐핑 성분을 생성하여 생성된 댐핑 성분을 기존의 계통측 전류 제어를 위해 사용하는 전류 제어기의 입력 지령 값에 더해줌으로써 실제 저항이 있는 것처럼 공진을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 LLCL 필터를 적용함으로써 LCL 필터에 비해 소형의 사이즈로 뛰어난 고조파 저감 성능을 발휘할 수 있는 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 : 교류 전원 120 : LLCL 필터
130 : 댐핑 성분 생성부 140 : 연산부
150 : 전류제어부 160 : PWM제어부
170 : 인버터 180 : 직류 링크 커패시터
190 : 부하

Claims (5)

  1. LLCL 필터의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류를 피드백하여 댐핑 성분을 생성하는 댐핑 성분 생성부;
    계통측으로 주입되는 계통측 전류의 전류 지령 값과 상기 생성된 댐핑 성분을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성하는 연산부;
    상기 계통측의 교류 전원으로부터 산출된 위상 성분과 상기 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 입력받아, 비례-공진제어기 및 반복제어기를 이용하여 전압 지령 값을 생성하는 전류제어부; 및
    상기 생성된 전압 지령 값에 따라 인버터의 스위칭소자를 PWM 제어하는 PWM제어부를 포함하고,
    상기 연산부는,
    상기 계통측 전류 값을 더 연산하여 상기 댐핑 성분이 반영된 전류 지령 값을 생성하는 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류제어부는,
    다음의 수학식과 같이 연산되는 전달함수에 의해 전압 지령 값을 생성하는 LLCL 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치:
    Figure 112016060345728-pat00011

    여기서, GPR은 비례공진 제어기의 전달함수, s는 라플라스 변환 계수, Kp는 비례제어기 게인, Kr은 공진제어기 게인, Kre는 반복제어기 게인, ωf는 각 주파수를 의미한다.
  5. 삭제
KR1020150021573A 2015-02-12 2015-02-12 Ｌｌｃｌ 필터를 이용한 단상 그리드 인버터 제어 장치 KR101732930B1 (ko)

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