KR101755299B1 - 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치에 관한 것으로; 철도차량의 급전을 위한 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 전류 제어 방법에 있어서, 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 제1단계; 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 원래 전류신호와 가상 전류신호를 생성하는 제2단계; 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 제3단계; 상기 추출된 전류 신호의 크기 및 위상을 이용해 공진인버터를 제어하는 제4단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법과; 그와 같은 전류 제어를 위한 전류 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 철도차량에 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계시 DQ 동기 좌표계 모델을 통하여 실제 단상 전류를 동기 좌표계 성분으로 좌표 변환하도록 하여 저주파 필터(low frequency filter)에서 발생하는 상(phase)의 지연(delay)을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전력 전송 시스템 전류의 실시간 추종이 가능해 제어 안전성을 향상시킴은 물론 대역폭(bandwith)을 용이하게 설계할 수 있으며, 시스템의 물리적 해석을 용이하게 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 철도차량에 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계시 DQ 동기 좌표계 모델을 통하여 실제 단상 전류를 동기 좌표계 성분으로 좌표 변환하도록 하여 저주파 필터(low frequency filter)에서 발생하는 상(phase)의 지연(delay)을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전력 전송 시스템 전류의 실시간 추종이 가능해 제어 안전성을 향상시킴은 물론 대역폭(bandwith)을 용이하게 설계할 수 있으며, 시스템의 물리적 해석을 용이하게 할 수 있다.
Description
본 발명은 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 단상 전류를 동기 좌표계 성분으로 좌표변환하여 전류의 실시간 추종을 통해 안정적인 무선 전력 전송 제어를 수행할 수 있는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치에 관한 것이다.
최근 철도차량 분야에서 무선 전력 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 등록특허 제10-1535284호, 공개특허 제10-2015-0050952호 등을 통해 다양한 시스템이 제안되고 있다.
이와 같은 종래 무선 전력 전송 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 주로 공진형 인버터(1)를 사용하며, 단상이고 고주파(10kHz 이상) 전압전류를 걸어주기 때문에 제어기의 대역폭(bandwidth)이 매우 높아야 한다.
이때, 공진형 인버터(1)의 출력 전류를 제어하기 위해 AC 전류를 제어하려면 제어기의 대역폭(bandwidth)이 AC 전류 주파수의 최소 5배 이상은 되어야 한다. 따라서 상용 주파수인 60kHz 전류를 제어하기 위해서는 제어기는 300kHz 이상의 대역폭(bandwidth)이 나와야 하지만 이는 센서 노이즈 등에 의해서 현실적으로 구현하기 어렵다.
이에 종래에는 공진형 인버터(1)의 출력 전류를 센싱해 풀 브릿지(full-bridge) 정류기(2)를 이용해 정류한 전류 신호를 저역필터(lowpass filter)(3)를 통과시켜 저주파(low frequency) 성분만 추출한 후 전류제어기(4)에 피드백하여 공진형 인버터(1)의 출력 전류를 제어하는 방식을 사용한다.
그런데, 이와 같은 종래 무선 전력 전송 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 저역 필터(lowpass filter)(3)를 이용한 신호의 피드백은 원신호에 phase lag을 더해주어 지연(delay)이 발생하게 되어 시스템의 안정성(stability)이 낮아 치명적인 영향을 주며 전류제어기(4)의 응답특성을 나쁘게 한다.
더욱이 전류제어 특성을 개선하기 위해 전류제어기(4)의 게인(gain)을 키우면 지연(delay)에 의해 시스템이 불안정(unstable)해져 발산할 수도 있는 문제점도 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 철도차량의 단상 공진형 무선전력 전송 시스템에 dq 동기 좌표계 모델을 적용하여 실제 단상 전류를 동기좌표계 성분으로 좌표 변환하여 상 지연(phase delay)없이 신호를 전류제어기에 피드백하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러 본 발명은 저주파 필터(low frequency filter) 등의 부가 구성 없이도 전류의 상(phase)을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 전력 전송 시스템 전류의 실시간 추종이 가능한 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
철도차량의 급전을 위한 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 전류 제어 방법에 있어서, 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 제1단계; 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 원래 전류신호와 가상 전류신호를 생성하는 제2단계; 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 제3단계; 상기 추출된 전류 신호의 크기 및 위상을 이용해 공진인버터를 제어하는 제4단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법을 제공한다.
이때, 상기 제1단계는, 급전 회로(transmitter) 또는 집전 회로(receiver)의 단상 전류를 센싱하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제2단계는, 상기 원래 전류신호가 입력되면 가상의 정지 좌표계 상 q축 전류를 원래 전류신호 대비 90°지연하는 가상 전류신호를 생성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제3단계는, 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 단상 전류를 감지하는 전류감지부에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호)를 생성하는 가상 신호 생성 모듈과; 상기 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈과; 상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 산출하는 크기 및 위상 산출모듈과; 상기 크기 및 위상 산출모듈에서 산출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 공진인버터를 제어하는 스위치 드라이버로 출력하는 전류 크기 및 위상 제어모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치도 제공한다.
이때, 상기 가상 신호 생성 모듈은, 상기 전류감지부에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호를 디지털 신호 형태로 변환하는 제1 AD컨버터와, 상기 제1 AD컨버터를 통해 디지털 신호 형태로 변환된 원래 전류신호를 90°위상차를 갖는 지연 전류신호로 변환하는 메모리&딜레이부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가상 신호 생성 모듈은, 상기 전류감지부에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호를 디지털 신호 형태로 변환하는 제2 AD컨버터와, 상기 전류감지부에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호를 90°위상차를 갖는 지연 전류신호로 변환하는 위상변환부와, 상기 위상변환부를 통해 90°위상차를 갖도록 지연된 지연 전류신호를 디지털 신호 형태로 변환하는 제3 AD컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 동기 좌표계 변환 모듈은 상기 가상 신호 생성 모듈을 통해 출력되는 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전류감지부는 급전 회로(transmitter) 또는 집전 회로(receiver)의 단상 전류를 센싱하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량에 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계시 DQ 동기 좌표계 모델을 통하여 실제 단상 전류를 동기 좌표계 성분으로 좌표변환하도록 하여 저주파 필터(low frequency filter)에서 발생하는 상(phase)의 지연(delay)을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전력 전송 시스템 전류의 실시간 추종이 가능해 제어 안전성을 향상시킴은 물론 대역폭(bandwith)을 용이하게 설계할 수 있으며, 시스템의 물리적 해석을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템은 제어기의 설계시 피드백(feedback)성분에 저주파(low frequency) 성분만 남게되고 안정상태(steady state)에서는 DC값을 가져 제어기의 대역폭(bandwidth)을 설계하는데 도움이 될 뿐만 아니라, 종래 저주파 필터(low frequency filter)를 이용했을 경우 발생하는 필터(filter) 게인에 따른 출력 전류 변동 등의 문제가 없고, 실제 출력전류의 피크(peak)값에 해당하는값이 d,q축에 반영되기 때문에 시스템의 물리적인 해석에 도움이 된다.
아울러 본 발명은 센싱된 d,q축전류를 이용함에 따라 추가적인 회로의 구성없이 전류의 상(phase)을 검출할 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 무선 전력 전송 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 센싱된 전류와 lowpass filter에 의해서 왜곡된 전류의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명을 설명하기 위해 도시한 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로이다.
도 6은 도 5의 시스템과 90°위상차가 나는 가상 회로 구성도이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 회로를 복소 평면상에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 8은 도 7의 회로를 dq 좌표계에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 9는 도 8의 회로를 복소 평면 동기 좌표계에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 10은 도 9의 동기 좌표계 d축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 11은 도 9의 동기 좌표계 q축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 12는 완벽히 튜닝된 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 측 전압 및 전류 위상 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 13은 전형적인 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 측 전압 및 전류 위상 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 단상 무선 전력 전송시스템의 dq 변환을 이용한 피드백 구성도이다.
도 15a는 본 발명에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 제어기 설계 개념도이다.
도 15b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 전류 제어 장치의 상세 구성도이다.
도 15c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 전류 제어 장치의 상세 구성도이다.
도 16은 무선 전력 전송 시스템의 AC모델을 도시한 도면이다.
도 17은 무선 전력 전송 시스템의 dq모델을 도시한 도면이다.
도 18은 무선 전력 전송 dq모델의 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.
도 19는 AC 무선 전력 전송 시스템에 인가된 전압 및 급전회로의 코일 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 20은 dq모델에 인가되는 전압 및 집전 회로(transmitter) 측 코일(coil)의 전류 그래프이다.
도 21은 무선 전력 전송 시스템의 AC모델을 도시한 도면이다.
도 22는 AC모델 출력 전류 센싱 및 좌표 변환을 위한 구성의 내부 구조도이다.
도 23은 도 22의 좌표 변환을 위한 내부 구조도이다.
도 24는 급전을 위한 전류 제어기의 내부 구조도이다.
도 25는 급전 전류 제어기 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 26은 급전 및 집전 회로 측 전류 위상을 검출하는 구조를 도시한 도면이다.
도 27은 도 26의 검출 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 센싱된 전류와 lowpass filter에 의해서 왜곡된 전류의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명을 설명하기 위해 도시한 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로이다.
도 6은 도 5의 시스템과 90°위상차가 나는 가상 회로 구성도이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 회로를 복소 평면상에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 8은 도 7의 회로를 dq 좌표계에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 9는 도 8의 회로를 복소 평면 동기 좌표계에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 10은 도 9의 동기 좌표계 d축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 11은 도 9의 동기 좌표계 q축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 12는 완벽히 튜닝된 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 측 전압 및 전류 위상 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 13은 전형적인 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 측 전압 및 전류 위상 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 단상 무선 전력 전송시스템의 dq 변환을 이용한 피드백 구성도이다.
도 15a는 본 발명에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 제어기 설계 개념도이다.
도 15b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 전류 제어 장치의 상세 구성도이다.
도 15c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 전류 제어 장치의 상세 구성도이다.
도 16은 무선 전력 전송 시스템의 AC모델을 도시한 도면이다.
도 17은 무선 전력 전송 시스템의 dq모델을 도시한 도면이다.
도 18은 무선 전력 전송 dq모델의 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.
도 19는 AC 무선 전력 전송 시스템에 인가된 전압 및 급전회로의 코일 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 20은 dq모델에 인가되는 전압 및 집전 회로(transmitter) 측 코일(coil)의 전류 그래프이다.
도 21은 무선 전력 전송 시스템의 AC모델을 도시한 도면이다.
도 22는 AC모델 출력 전류 센싱 및 좌표 변환을 위한 구성의 내부 구조도이다.
도 23은 도 22의 좌표 변환을 위한 내부 구조도이다.
도 24는 급전을 위한 전류 제어기의 내부 구조도이다.
도 25는 급전 전류 제어기 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 26은 급전 및 집전 회로 측 전류 위상을 검출하는 구조를 도시한 도면이다.
도 27은 도 26의 검출 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치가 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템은 철도차량의 무선 전력 공급을 위한 시스템으로 dq 동기 좌표계 모델을 적용하여 실제 단상전류를 동기좌표계 성분으로 좌표 변환하여 상 지연(phase delay)없이 신호를 피드백하여 전류를 제어한다.
이와 같은 본 발명에서는 3상 전기기기에서 주로 이용되는 동기 좌표계 dq 모델링 기법을 이용해 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템을 모델링하며, 그와 같은 모델링을 통해 제어기를 구성한다.
이러한 본 발명의 dq 모델링은 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템은 물론 급전과 집전의 인덕터와 캐패시터가 직렬 또는 병렬로 연결되거나 혹은 직·병렬 혼합으로 연결된 회로에도 폭넓게 적용이 가능한 것으로, 이 같은 설계 변경 정도는 모두 본 발명의 기술 범주에 속하는 것이다.
이하, 본 발명에서는 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템을 예로들어 제안하는 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링 기법, 무선 전력 전송 시스템 특성 분석, 측정된 신호의 dq 변환 방법, 제어기 설계 방법 등을 설명한다.
우선, 무선 전력 전송 시스템을 dq 동기 좌표계로 모델링하는 과정을 설명한다.
도 3은 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 회로도로서, 이에 의하면 급전 회로의 급전코일(Ltx)과 그 급전코일(Ltx)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 보상하기 위한 보상캐패시터(Ctx)가 직렬로 연결되고 급전코일(Ltx)에서 발생되는 자기장에 의해 집전 회로의 집전코일(Lrx)에 전자기 유도 현상으로 전압 및 전류가 유기된다.
그리고, 상기 집전코일(Lrx)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 보상하기 위해 집전코일(Lrx)에는 급전코일(Ltx)과 마찬가지로 캐패시터(Crx)가 직렬로 연결된다. 이때, 상기 캐패시터(Ctx, Crx)는 급전코일(Ltx) 및 집전코일(Lrx)과 병렬로 연결할수도 있다.
이와 같은 도 3에 도시된 바와 같이 급전코일(Ltx) 및 집전코일(Lrx)와 캐패시터(Ctx, Crx)가 직렬 연결된 회로에서 각각의 급전코일(Ltx) 및 집전코일(Lrx)에 걸리는 전압(VLtx, VLrx)은 아래의 식과 같다.
따라서, 도 3의 회로는 도 4에 도시된 바와 같은 두개의 종속전원(dependent source)을 가지는 등가회로로 나타낼 수 있다.
이때, 시간 영역(Time domain)에서 보면 Vs=Vscos(ωt), itx=Itxcos(ωt-φ1), irx=Irxcos(ωt-φ2)이며, 이때 φ1은 입력전압대비 급전측 전류의 위상이며, φ2는 입력전압대비 집전측 전류의 위상이다. 이를 도 4의 회로에 표시하면 도 5에 도시된 바와 같다.
한편, 무선 전력 전송 시스템은 단상 시스템이기 때문에 이를 dq 직교좌표계로 나타내기 위해서 전압 및 전류 등이 원래 시스템과 90°위상차를 가지도록 도 5의 시스템을 도 6에 도시된 바와 같이 90°위상차를 가지는 가상의 회로를 만들 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같은 가상의 공진회로는 인덕터와 캐패시터 등의 전류 및 전압 값이 모두 원래 회로와 90°위상차를 갖는다.
이와 같은 도 5 및 도 6에 도시된 두개의 회로를 복소 평면상에 나타내면 도 7에 도시된 바와 같으며 이를 다시 dq 직교좌표계의 성분으로 표시하면 도 8에서와 같이 나타낼 수 있다.
이때, 도 8에서 Id tx, Iq tx는 급전회로의 d,q 축상의 전류의 저주파(low frequency) 성분이고, Id rx, Iq rx는 집전회로의 d,q 축상의 전류의 저주파(low frequency) 성분이다. 급전회로의 인덕터에 걸리는 전압은 아래의 식과 같다. 이때, 위첨자 s는 정지 좌표계에서 나타낸 식임을 나타낸다.
이러한 인덕터 전압은 ω의 속도로 회전하는 동기 좌표계에서 보면 인덕터 전압(VLtx e)은 아래의 식과 같이 저주파(low frequency) 성분만 남게 된다. 이때, 위첨자 e는 동기 좌표계에서 나타낸 식임을 나타낸다.
즉, 정지 좌표계의 인덕터는 동기 좌표계에서 보면 기존의 Ltx의 인덕턴스를 가지는 인덕터와 jωLtx의 기전력을 가지는 종속전원(dependent source)으로 표현된다. 이는 집전회로에도 동일하게 적용되어 집전 측 인덕터 전압(VLrx e)은 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
그리고, 정지 좌표계 및 동기 좌표계에서의 캐패시터 전압(VCtx s, VCtx e)은 아래의 식들과 같이 부분 적분법을 이용하여 구할 수 있다.
즉, 동기 좌표계에서 본 급전측 캐패시터 전압은 
와 
의 기전력을 가지는 종속전원(dependent source)으로 나타낼 수 있다. 물론 집전측 캐패시터 전압도 이와 동일하게 나타낼 수 있다.
따라서, 도 8의 회로는 도 9에서와 같은 동기 좌표계 등가회로 모델로 나타낼 수 있다.
물론, 상기 도 9의 회로는 도 10의 동기 좌표계 d축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로 모델과 도 11의 동기 좌표계 q축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로 모델로 제시될 수 있다.
이와 같이 동기 좌표계를 이용하면 등가회로상의 전압, 전류 등이 모두 저주파(low frequency) 성분만 남아 제어기 설계 및 상태 관측기 설계에 있어 큰 도움이 된다.
이러한 dq 등가회로를 이용하면 공진형 무선 전력전송 시스템에 관한 특성을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 저주파(low frequency) 전압 전류 성분을 이용해 제어기에 사용가능하다.
이하, 본 발명에 다른 무선 전력 전송시스템의 dq 동기 좌표계 모델 이용한 특성을 살펴본다.
우선, 본 발명에서 제안한 dq 동기 좌표계 모델을 이용하면 d축 회로의 전류들은 q축 전류성분들에 의해서 결정되고 q축 회로의 전류들은 d축 전류성분들에 의해서 결정되고, d축 급전 회로(transmitter)는 입력전압 Vs와 q축 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver)의 전류에 영향을 받고, d축 집전 회로(receiver) 전류에는 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
급전 전력의 입력은 급전 회로(transmitter) d축을 통해서 전해지며 출력은 집전회로(receiver) q축을 통해서 전달된다. 위 등가회로에서 만약 급전 회로(transmitter)와 집전 회로(receiver)의 공진주파수가 완전하게 동일하고 그 공진주파수에서 시스템을 운전하면, 각 등가회로에서 wL-1/(wC)I의 역기전력 텀(term)이 '0'이 되고 q축 급전 회로(transmitter)에는 전압이 가해지지 않기 때문에 "Iq tx= 0" 이 된다. q축 급전 회로(transmitter)의 전류가 '0'이기 때문에, d축 집전 회로(receiver)의 전류도 역시 '0'이 된다. d축 급전 회로(transmitter)에의해 발생하는 전력은 q축 집전 회로(receiver)에 전달된다.
따라서, 전력의 전달 측면에서 급전 회로(transmitter)는 d축이 메인축(main axis)이고, 집전 회로(receiver)는 q축이 메인축(main axis)이다.
이는 도 12의 AC 회로의 전압 및 전류의 위상 다이어그램(phasor diagram)에서도 확인할 수 있다. 만약 급전 회로(transmitter)측 튜닝이 이상적으로 이루어져 "ωLtx-1/ωCtx = 0"이면, 입력전압(Vs)과 입력전류(Itx)는 도 12에서와 같이 d축에 동상(same phase)으로 위치한다.
따라서, 입력전력은 모두 d축에 있는 전압, 전류의 곱에 따라서 결정된다. 이때 집전 회로(receiver) 측에 유기되는전압 jωMItx는 Itx와 90°의 위상차가 발생하며 도시된 바와 같이 q축에 위치하게 된다.
만약, 급전 회로(transmitter) 측도 튜닝이 이상적으로 이루어져 운전주파수에서 ωLrx-1/ωCrx의 값이 '0'이 되면 도시된 바와 같이 Irx는 jωMItx와 동일하게 q축에 위치하게 된다.
따라서, 출력전력은 집전 회로(receiver)의 q축 상에 있는 전압, 전류에 의해서결정된다. 이 경우 입력전압 및 입력전류의 역률(power factor)은 '1'이고, 출력 급전 회로(transmitter) 측의 역률(power factor) 역시 '1'이다.
한편, 만약 튜닝이 완벽하지 않으면 도 13에서와 같이 d축에 입력전압이 위치했을때 Itx가 스위치의 ZVS를 위해 φtx만큼 lagging하는 형태일 수 있다. jωMItx는 이러한 Itx와 90°의 추가 lagging하는 벡터(vector)이고, Irx는 인덕터와 캐패시터의 튜닝에 따라 jωMItx보다 leading 혹은 lagging 할 수 있다.
이때, dq 모델을 이용했을 경우 Id tx, Iq tx의 비와 atan(inverse tangent)함수를 이용하면 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 전류의 위상을 즉시 알 수 있다는 장점이 있다. 즉, 전류의 위상검출 회로를 따로 구성하지 않아도 이러한 좌표변환 만으로도 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 전류의 위상을 지연(delay) 없이 구할 수 있다.
여기서, Vs와 Id tx는 동상이기 때문에 입력 유효전력(real power)에 기여하고, 급전 회로(transmitter) 측의 Iq tx는 Vs와 90°위상차가 발생하기 때문에 유효전력에는 기여하지 못하고 무효전력(imaginary power) 및 손실에만 기여한다는 점이 중요하다. 그리고 집전 회로(receiver) 측은 d축 전류 Id rx와 전압 ωMIq tx가 동일한 위상을 가지고, q축 전류 Iq rx와 전압 ωMId tx가 동일한 위상에 위치하기 때문에, d축과 q축 회로 모두 출력 유효전력에 기여한다.
이하, 측정된 전류 신호의 동기 좌표계 변환 방법을 설명한다.
일반적인 3상 시스템의 경우 3상(Iasin(ωt), Ibsin(ωt-2π/3), Icsin(ωt-4π/3)) 전류 신호의 동기 좌표계 변환을 위해서는 Park's transformation을 이용하여 90°의 위상차를 가지는 정지 좌표계 d축, q축 신호로 변환한 다음, 전기각속도와 동기된 좌표계 변환인, 아래의 행렬 식을 곱해 동기 좌표계 변환을 이룬다.
이때, 일반적인 3상 시스템의 경우 위의 행렬식을 이용하면 동기 좌표계 d축이 a상과 동일한 위치에 오고 q축이 이와 90°위상차가 나도록 할 수 있다.
하지만 단상 무선 전력 전송 시스템은 이와 같은 일반적인 3상 시스템과는 달리, 도 5 및 도 6에서와 같이 원래 전류신호와, 그 원래 전류신호와 90°의 위상차가 발생하는 가상의 전류신호를 센싱하는 것으로 가정해 동기 좌표계 변환을 이용할 수 있다.
즉, 도 14에 도시된 바와 같이 전류감지부(10)에서 감지되는 원래 전류신호를 센싱후 90°위상차가 발생하도록 메모리를 이용해 지연시키거나 원래 전류신호를 미분 또는 적분하면 원래 전류신호와 90°의 위상차가 발생하는 가상 전류신호를 얻을수 있다. 동기 좌표계 변환에 필요한 각은 입력 전압 벡터 Vs가 d축상에 위치한다고 가정했으므로, 전압 벡터가 인가되는 시점을 0°로 가정해서 한 주기 동안 선형적으로 2π만큼 변하는 임의의 각을 만들어서 진행하면 된다.
전술한 바와 같이 3상 시스템의 동기 좌표계 변환은 a상에 sin(ωt) 형태의 전류가 흐른다고 가정하고 좌표변환을 하게 되면 동기 좌표계의 d축이 a상과 일치되도록 설계되어 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 경우 d축 및 q축 등가회로 모델을 구하기 위해 전압 및 전류가 d축에 cos(ωt)의 함수를 가진다고 가정하고 유도하였으므로, 3상 동기 좌표계 변환의 경우와 90°의 위상차를 가지고 d축 및 q축 좌표계가 위치하게 된다. 입력된 원래 전류신호는 가상 신호 생성(12)을 통해 가상의 정지 좌표계 상 q축 전류를 원래 전류신호 대비 90°지연하는 가상 전류신호를 생성하고, 좌표계 변환(14)을 통해 두 개의 전류신호인 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하면 저주파(low frequency) 성분의 전류만 남게 된다. 이는 아래와 같은 좌표 변환 행렬을 이용해 곱해주면, 실제 전류 신호의 동기 좌표계 변환값과 위에서 도출한 dq 등가회로의 크기나 부호가 일치하게 된다.
이러한 좌표 변환을 이용하여 동기 좌표계에서 보면 전류의 엔벨로프(envelope)만 남게되어 Id tx, Iq tx, Id rx, Iq rx 네 가지 저주파(low frequency) 성분값을 가질 수 있고, 이들은 스테디스테이트(steady state)에서는 dc 값을 갖는다.
따라서, 이러한 dq 모델링 및 변환기술은 제어기 설계 및 대역폭(bandwidth) 선정에 큰 도움을 준다. 그리고 급전 및 집전 전류의 크기 및 위상은 아래와 같은 식들을 이용하여 구할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템에서의 동기 좌표계 dq 모델링 기법을 이용한 제어 방법을 설명한다.
도 15a는 본 발명에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 제어기 설계도이다. 이를 참고하면 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어를 위한 전류 제어 장치(100)는 급전 회로(transmitter) 또는 집전 회로(receiver)의 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 전류감지부(10)와, 전류감지부(10)에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 원래 전류신호와 가상 전류신호를 재생산하는 가상 신호 생성 모듈(110)과, 상기 가상 신호 생성 모듈(110)을 통해 출력되는 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈(120)과, 상기 동기 좌표계 변환 모듈(120)에서 추출된 전류의 크기 및 위상을 계산하여 피드백하는 전류크기 및 위상 피드백 모듈(130,140)과, 상기 전류크기 및 위상 피드백 모듈(130,140)로부터 입력되는 전류의 크기 및 위상을 이용해 공진인버터(1)를 제어하는 스위치 드라이버(1a)를 제어하는 전류크기 및 위상 제어모듈(150)로 구성된다.
이때, 전류감지부(10)를 통해 급전 회로(transmitter) 또는 집전 회로(receiver)의 센싱된 단상 전류인 원래 전류신호는 도시된 바와 같이 가상 신호 생성 모듈(110)을 통해 90°위상차를 갖는 두개의 전류신호 즉 원래 전류신호와 가상 전류신호로 재 생산된다. 이후 동기 좌표계 변환 모듈(130)을 통해 두 개의 전류신호인 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하면 저주파(low frequency) 성분의 전류만 남게 된다.
이후 PI(Proportional-Integral) 전류제어 및 피드-포워드(feed-forward) 기법 등을 이용해 전류 제어기 설계가 가능하며, 전류크기 및 위상 피드백 모듈(130,140)을 통해 d축, q축 전류의 비 및 atan 함수를 이용해 입력전압 대비 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 전류의 위상을 구해 전류 위상 제어 및 전류 크기 제어 등에 사용할 수 있다.
즉, 전류크기 및 위상 피드백 모듈(130,140)을 통해 입력전압 대비 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 전류의 위상을 구하고 이는 크기 및 위상제어모듈(150)로 피드백되어 상용 주파수 전원을 고주파 주파수 전원으로 변환하는 공진인버터(1)의 구동을 제어하는데 이용된다. 물론 그에 따른 집전회로의 수신측회로(5)의 전류가 제어되며 집전 전력은 부하(6)로 공급된다.
이하, 도 15b 및 도 15c를 참고로 본 발명에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파(low frequency) 모델을 이용한 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어를 위한 전류 제어 장치(100)를 좀 더 구체적으로 설명한다.
본 발명의 전류 제어 장치(100)는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 단상 전류를 감지하는 전류감지부(10)에서 감지된 원래 전류신호(Id s)를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호(Iq s)를 생성하는 가상 신호 생성 모듈(110)과, 상기 원래 전류신호(Id s)와 지연 전류신호(Iq s)를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호(Id e,Iq e)를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈(120)과, 상기 동기 좌표계 변환 모듈(120)에서 추출된 변환 전류 신호(Id e,Iq e)의 크기 및 위상을 산출하는 크기 및 위상 산출모듈(130,140)과, 크기 및 위상 산출모듈(130,140)에서 산출된 변환 전류 신호(Id e,Iq e)의 크기 및 위상을 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 공진인버터(1)를 제어하는 스위치 드라이버(1a)로 출력하는 전류 크기 및 위상 제어모듈(150)로 구성된다.
이때, 상기 전류감지부(10)는 급전 회로(transmitter) 또는 집전 회로(receiver)의 단상 전류를 원래 전류신호(Id s)로 센싱한다.
이와 같은 가상 신호 생성 모듈(110)은 디지털 방식 및 아날로그 방식으로 원래 전류신호(Id s)를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호(Iq s)를 생성할 수 있다.
이때, 상기 가상 신호 생성 모듈(110)은 디지털 방식의 경우 도 15b를 참고하면, 상기 전류감지부(10)에서 감지된 원래 전류신호(Id s)를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호(Iq s)를 생성하는 것으로, 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호(Id s)를 디지털 신호 형태로 변환하는 제1 AD컨버터(112)와, 상기 제1 AD컨버터(112)를 통해 디지털 신호 형태로 변환된 원래 전류신호(Id s)를 90°위상차를 갖는 지연 전류신호(Iq s)로 변환하는 메모리&딜레이부(114)로 구성된다. 이에 따라 상기 제1 AD컨버터(112)를 통해 추출된 디지털 신호 형태로 변환된 원래 전류신호(Id s)와, 메모리&딜레이부(114)를 통해 추출된 지연 전류신호(Iq s)를 상기 동기 좌표계 변환 모듈(120)의 입력으로 사용한다.
한편, 상기 가상 신호 생성 모듈(110)은 아날로그 방식의 경우 상기 전류감지부(10)에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호(Id s)를 디지털 신호 형태로 변환하는 제2 AD컨버터(113)와, 상기 전류감지부(10)에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호(Id s)를 90°위상차를 갖는 지연 전류신호(Iq s)로 변환하도록 미분 또는 적분하는 위상변환부(115)와, 상기 위상변환부(115)를 통해 90°위상차를 갖도록 지연된 지연 전류신호(Iq s)를 디지털 신호 형태로 변환하는 제3 AD컨버터(117)로 구성된다. 이에 따라 상기 제2 AD컨버터(113)를 통해 추출된 디지털 신호 형태로 변환된 원래 전류신호(Id s)와, 상기 제3 AD컨버터(117)를 통해 추출된 디지털 신호 형태의 지연 전류신호(Iq s)를 상기 동기 좌표계 변환 모듈(120)의 입력으로 사용한다.
그리고, 상기 동기 좌표계 변환 모듈(120)은 상기 가상 신호 생성 모듈(110)을 통해 출력되는 원래 전류신호(Id s)와 지연 전류신호(Iq s)를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호(Id e,Iq e)를 추출하여 상기 크기 및 위상 산출모듈(130,140)의 입력으로 사용하여 변환 전류 신호(Id e,Iq e)의 크기 및 위상을 산출한다.
이하, 본 발명의 일 실시 예를 설명한다.
본 발명의 일 실시 예로 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver)의 코일 인덕턴스는 30μH이며, 부하(6)는 3Ω, 60kHz에 Series-Series 튜닝이 된 도 16 내지 도 18과 같은 회로의 dq모델, 변환 및 이를 이용한 제어기 설계를 들수 있다.
이를 Matlab simulink를 이용하여 dq모델, dq변환 및 이를 이용한 제어기 설계를 시뮬레이션하면 도 4의 고주파 공진회로는 도 16 내지 도 18과 같은 모델로 표현된다.
이때, 도 16에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 AC모델에 약 600V의 square wave형태의 전압을 인가하면 도 19에 도시된 바와 같이 약 400A peak의 sine형태 전류가 급전 회로(transmitter)에 흐른다.
한편, 도 20에는 dq모델에 인가된 전압이 AC모델에 인가된 전압과 동일할 때 급전 회로(transmitter)에 흐르는 전류가 AC모델에 흐르는 전류의 peak값을 잘따라서 움직이는 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 20의 그래프에서 노란색, 분홍색은 AC 모델의 전압 및 전류이며, 파란색과 빨간색은 dq모델의 전압 및 전류이다. dq모델의 전류(빨간색)가 분홍색의 AC모델 전류의 peak 값을 delay없이 잘 트랙킹(tracking)하는 것을 알 수 있다.
도 20은 dq모델에 인가되는 전압 및 집전 회로(transmitter) 측 코일(coil)의 전류 그래프이다.
도 21의 무선 전력 전송 시스템은 실제 모델인 무선 전력 전송 AC모델 블록 및 센싱된 전류의 좌표변환블록, 좌표변환 후 급전 회로(transmitter) 측 전류의 크기를 제어하기 위한 전류제어기인 PI제어기가 포함된다.
또한, 도 22는 AC모델 출력 전류 센싱 및 좌표 변환을 위한 구성의 내부 구조가 도시되며, 도 23은 도 22의 좌표 변환을 위한 내부 구조가 도시되며, 도 24는 급전을 위한 전류 제어기의 내부 구조가 도시된다.
도 25의 급전 젠류 제어기 시뮬레이션 결과는 실제 급전 회로 측 전류(AC 모델 출력)와 그 좌표 변환된 값과 전류 제어기 지령 및 좌표 변환된 피드백(feedback) 전류를 보여준다. 도 25(b)에서 보여지는 바에 의하면 지령을 실제 전류가 약 20ms 정도에 추종해 가는 것을 알 수 있다.
그리고, 도 26은 급전 및 집전 회로 측 전류 위상을 검출하는 구조를 도시한 도면으로 이의 검출된 결과는 도 27에 도시된다. 이에 의하면 측정된 전류의 크기 및 위상은 전류제어기에 피드백되어 고정 주파수 운전인 경우 전류의 크기 제어를 위한 신호로 사용이 가능하다. 만약 주파수 가변이 가능하면 전류 위상의 피드백을 이용하여 크기 및 위상 제어까지 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 공진인버터 5: 수신측 회로
6: 부하 10: 전류감지부
100: 전류 제어 장치 110: 가상 신호 생성 모듈
120: 동기 좌표계 변환 모듈 130: 전류크기 피드백 모듈
140: 전류위상 피드백 모듈 150: 전류 크기 및 위상 제어모듈
6: 부하 10: 전류감지부
100: 전류 제어 장치 110: 가상 신호 생성 모듈
120: 동기 좌표계 변환 모듈 130: 전류크기 피드백 모듈
140: 전류위상 피드백 모듈 150: 전류 크기 및 위상 제어모듈
Claims (9)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 단상 전류를 감지하는 전류감지부에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호를 생성하는 가상 신호 생성 모듈과;
상기 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈과;
상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 산출하는 크기 및 위상 산출모듈과;
상기 크기 및 위상 산출모듈에서 산출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 공진인버터를 제어하는 스위치 드라이버로 출력하는 전류 크기 및 위상 제어모듈;로 구성되고,
상기 가상 신호 생성 모듈은, 상기 전류감지부에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호를 디지털 신호 형태로 변환하는 제1 AD컨버터와, 상기 제1 AD컨버터를 통해 디지털 신호 형태로 변환된 원래 전류신호를 90°위상차를 갖는 지연 전류신호로 변환하는 메모리&딜레이부로 구성되며,
상기 동기 좌표계 변환 모듈은 상기 가상 신호 생성 모듈을 통해 출력되는 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 장치.
- 삭제
- 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 단상 전류를 감지하는 전류감지부에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호)를 생성하는 가상 신호 생성 모듈과;
상기 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈과;
상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 산출하는 크기 및 위상 산출모듈과;
상기 크기 및 위상 산출모듈에서 산출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 공진인버터를 제어하는 스위치 드라이버로 출력하는 전류 크기 및 위상 제어모듈;로 구성되고,
상기 가상 신호 생성 모듈은, 상기 전류감지부에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호를 디지털 신호 형태로 변환하는 제2 AD컨버터와, 상기 전류감지부에서 감지된 아날로그 신호 형태의 원래 전류신호를 90°위상차를 갖는 지연 전류신호로 변환하도록 미분 또는 적분하는 위상변환부와, 상기 위상변환부를 통해 90°위상차를 갖도록 지연된 지연 전류신호를 디지털 신호 형태로 변환하는 제3 AD컨버터로 구성되며,
상기 동기 좌표계 변환 모듈은 상기 가상 신호 생성 모듈을 통해 출력되는 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 장치.
- 삭제
- 제 5항 또는 제 7항에 있어서,
상기 전류감지부는 급전 회로(transmitter) 또는 집전 회로(receiver)의 단상 전류를 센싱하는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 장치.
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| KR1020150135534A KR101755299B1 (ko) | 2015-09-24 | 2015-09-24 | 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 제어 방법 및 이를 이용한 전류 제어 장치 |
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Patent Citations (3)
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