KR102333788B1 - Lcl 필터형 계통연계 인버터의 adrc 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Lcl 필터형 계통연계 인버터의 adrc 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템은, 계통 전압 및 계통 전류를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정하는 공진 확장형 상태 관측기와; 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링하는 기본 주파수 성분 필터와; 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 기본 주파수 성분 필터를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각 및 각주파수를 추출하는 계통 주파수 및 위상각 추정기; 및 계통 전압 센서리스 전류 제어기로서, 계통 주파수 및 위상각 추정기에 의해 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수와 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 이를 바탕으로 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터의 제어에 반영하는 공진 ADRC 기반 전류 제어기를 포함한다.

Description

LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법{ADRC(Active Disturbance Rejection Control)-based sensorless control system and method for LCL-filtered grid-connected inverter}
본 발명은 LCL 필터형 계통연계 인버터의 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 약한 계통 전압 뿐만 아니라 왜곡 및 불균형 계통 전압과 같은 다양한 예기치 않은 불리한 계통 조건에서 고품질 전류를 계통에 주입하고, 계통 전압 센서를 사용하지 않고도 저렴하고, 신뢰할 수 있으며 안정적인 시스템 작동을 실현할 수 있는 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC(Active Disturbance Rejection Control) 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
오늘날, 재생 가능한 에너지원을 사용하는 분산 발전(DGs)은 환경 친화적인 특징으로 인해 전력 시스템의 미래 트렌드가 되었다.
전압원 인버터(VSI)는 분산 발전(Distributed Generations; DGs)과 메인 계통 전력 시스템 사이의 인터페이스로서 재생 가능한 에너지의 효율을 최대화하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 메인 계통 환경에는 왜곡된 그리고 불균형 계통 전압, 계통 주파수 또는 계통 임피던스 변동과 같은 예기치 않은 여러 소스가 포함되어 있어, 인터페이스 인버터 작동의 안정성에 잠재적으로 해를 끼칠 수 있다.
작은 인덕터 크기로 높은 스위칭 고조파 억제의 장점 때문에 인덕터-커패시터-인덕터(LCL) 필터의 계통-연계 인버터는 인덕터(L) 또는 인덕터-커패시터(LC) 필터의 인버터와 같은 다른 옵션 중에서 이 애플리케이션에 선호되는 프로토(proto) 타입이다. 그러나 인버터 제어 전략은 LCL 필터(120)의 공진 현상뿐만 아니라 고품질 전류를 생성하고 그에 따른 시스템 전체의 안정적이고 신뢰할만한 동작을 생성하기 위해 메인 계통으로부터 부정적인 영향의 억제를 처리하도록 요구된다.
실제 상황에서는 외부 요인의 영향으로 LCL 매개 변수에 대한 정확한 지식을 사용할 수 없다. 따라서 계통 연계 인버터의 작동이 인버터 모델의 불확실성에 대해 강건하다는 것을 보장해야 한다.
낮은 전기 가격은 또한 종래의 전기 소스와 비교할 때 재생 가능한 에너지 소스의 매력적인 특징이다. 총 시스템 비용을 추가로 절감할 수 있는 옵션 중 하나는 인버터의 하드웨어 기반 계통 전압 센서의 사용을 소프트웨어 기반 솔루션으로 대체하는 것이다. 그러나 실제 계통 전압 감지 장치를 사용하지 않고 DG와 주 계통 간의 동기화 작업을 성공적으로 수행하기 위해서는 더욱 우수한 제어 알고리즘이 필요하다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2016-0031114호(특허문헌 1)에는 "계통연계운전 및 독립운전을 수행하는 전력시스템 제어 방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른 계통연계운전 및 독립운전이 가능한 전력 시스템 제어 방법은, 계통연계운전 및 독립운전이 가능한 전력 시스템을 제어하는 방법에 있어서, 상기 전력 시스템이 계통연계모드에서 독립운전모드로 전환시, 계통전압, 부하전압, 부하전류 및 기준 전류지령치에 기초하여 전류기준치를 산출하는 단계; 상기 산출한 전류기준치를 전류제어기 제어를 위한 기준값으로 사용하여 PWM 듀티 사이클 주기를 산출하는 단계; 및상기 PWM 듀티 사이클 주기에 기초하여 계통부하로 공급되는 전력의 PWM 신호를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 계통연계형 전력 시스템에서 계통이상 시에도 운전 가능하도록 모드전환시 과도상태를 개선하면서 무순단 변환(Seamless Transfer) 형태로 부하 전력 공급이 지속되도록 하는 장점이 있기는 하나, 계통전압이나 계통전류를 센서를 이용하여 감지하고, 이를 피드백받아 전류기준치 및 PWM 듀티 사이클 주기를 산출하는 방식으로 되어 있어 필연적으로 시스템 구축에 고비용이 소요되는 문제점을 내포하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0031114호(2016.03.22.)
본 발명은 이상과 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 약한 계통 전압 뿐만 아니라 왜곡 및 불균형 계통 전압과 같은 다양한 예기치 않은 불리한 계통 조건에서 고품질 전류를 계통에 주입하고, LCL 필터 매개 변수의 불확실성을 벗어나도 인버터 작동의 강건함을 보장하며, 계통 전압 센서를 사용하지 않고도 저렴하고, 신뢰할 수 있으며 안정적인 시스템 작동을 실현할 수 있는 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC(Active Disturbance Rejection Control) 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템은,
LCL 필터형 계통연계 인버터와 계통 전력 시스템 사이에 위치되어 계통연계 인버터를 제어하는 시스템으로서,
계통 전압 및 계통 전류를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정하는 공진 확장형 상태 관측기와;
상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링하는 기본 주파수 성분 필터와;
상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 상기 기본 주파수 성분 필터를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각 및 각주파수를 추출하는 계통 주파수 및 위상각 추정기; 및
계통 전압 센서리스 전류 제어기로서, 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기에 의해 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수와 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 이를 바탕으로 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터의 제어에 반영하는 공진 ADRC 기반 전류 제어기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 왜곡된 계통 환경에서 전류 고조파를 감쇄시키기 위한다중 고조파 보상기가 상기 공진 ADRC 기반 전류 제어기에 병렬로 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기는 적응형 최소 평균 제곱 기반 주파수 및 위상각 추정기로 구성될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법은,
a) 공진 확장형 상태 관측기에 의해 계통 전압 및 전류를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정하는 단계와;
b) 기본 주파수 성분 필터가 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링하는 단계와;
c) 계통 주파수 및 위상각 추정기가 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 상기 기본 주파수 성분 필터를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각 및 각주파수를 추정하는 단계와;
d) 공진 ADRC 기반 전류 제어기가 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기에 의해 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수와 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하는 단계; 및
e) 공진 ADRC 기반 전류 제어기가 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 상기 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수를 바탕으로 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터의 제어에 반영하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 d)에서 상기 공진 ADRC 기반 전류 제어기에 다중 고조파 보상기가 더 설치되고, 상기 다중 고조파 보상기에 의해 왜곡된 계통 환경에서 전류 고조파를 감쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 예상치 못한 여러 계통 조건에서 LCL 필터 계통연계 인버터의 우발적 작동과 필터 파라미터의 불확실성을 동시에 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한, 계통 주입 전류는 왜곡 및 불균형 계통 전압, 계통 임피던스 변동이 있는 취약한 계통 상태, 계통 주파수 편차와 같은 심각한 조건에서 안정적으로 조정될 수 있는 장점이 있다.
또한, 계통 전압 센서리스 전류 컨트롤러를 구현함으로써, 전체 시스템 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 LCL 필터형 계통연계 인버터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템에 다중 고조파 보상기가 더 포함된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 기본 주파수 성분 필터 및 계통 주파수 및 위상각 추정기의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법의 실행 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 왜곡된 계통 전압과 왜곡 및 불균형의 계통 전압 조건 하에서의 공진 ADRC 기반 전류 제어기의 성능을 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 7은 불균형 계통 조건 하에서의 공진 ADRC 기반 전류 제어기의 성능 및 응답을 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 8은 왜곡된 계통 전압 조건하에서의 왜곡된 계통 전압 및 주입 전류와 왜곡 및 불균형 계통 전압 조건하에서의 전류 제어기의 성능을 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 9는 강한 계통 및 약한 계통의 계통 주파수 변동하에서의 공진 ADRC 기반전류 제어기의 성능을 각각 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
여기서, 본 발명의 실시예에 대하여 본격적으로 설명하기에 앞서 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명이 적용되는 LCL 필터형 계통연계 인버터와 관련하여 먼저 간략히 설명해 보기로 한다.
도 1은 일반적인 LCL 필터형 계통연계 인버터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 계통연계 인버터(110)는 신재생 에너지원으로서의 분산 발전(Distributed Generations; DGs)(101)에 의해 생성된 직류 전원(VDC)으로부터의 DC 전압을 입력 받아 계통 전력 시스템(130)으로의 연계를 위해 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다수의 반도체 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 상기 계통 전력 시스템(130)과의 전력 동기화를 수행한다.
LCL 필터부(120)는 상기 인버터(110)와 계통 전력 시스템(130) 사이에 위치되며, 인버터(110)로부터 출력된 AC 전압에 혼입되어 있는 고조파를 약화시키기 위한 것으로, 인버터(110)의 출력단의 3상 라인에 각각 직렬로 연결되는 제1 인덕터(L1)와, 계통 전력 시스템(130)의 입력단의 3상 라인에 각각 직렬로 연결되는 제2 인덕터(L2)와, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이의 인버터측과 계통 전력 시스템측을 연결하는 3상 라인의 각 라인에 그 일단이 각각 병렬로 연결되고, 타단은 상호 공통 접속되는 커패시터(C)를 포함하여 구성된다.
이상과 같은 계통연계 인버터(DC/AC 인버터)(110)는 전력 시스템의 미래 트렌드가 된 신재생 에너지 기반 분산 발전(DG)의 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.
또한, 이상과 같은 계통연계 인버터(110)의 제어 전략은 왜곡 및 불균형 계통 전압 또는 모델링되지 않은 역학(에너지) 및 취약한 계통 조건의 불확실성 소스와 같은, 메인 계통에서 예상치 못한 몇 가지 장애가 발생하더라도 고품질 계통 주입 전류를 생성하도록 요구된다.
또한, 시스템 설계 과정에서 저비용 솔루션을 고려해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 계통연계 인버터의 하드웨어 복잡성과 가격을 낮추기 위해 계통 전압 센서리스 전류 제어기를 도입한다.
그러면, 이하에서는 이상의 사항을 바탕으로 본 발명의 실시예에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템(240)은, LCL 필터(220)형의 계통연계 인버터(210)와 계통 전력 시스템(230) 사이에 위치되어 계통연계 인버터(210)를 제어하는 시스템으로서, 공진 확장형 상태 관측기(241), 기본 주파수 성분 필터(242), 계통 주파수 및 위상각 추정기(243), 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)를 포함하여 구성된다.
공진 확장형 상태 관측기(241)는 계통 전압(
Figure 112020091412283-pat00001
) 및 계통 전류(
Figure 112020091412283-pat00002
)를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정한다.
기본 주파수 성분 필터(242)는 상기 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링한다.
계통 주파수 및 위상각 추정기(243)는 상기 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 추정된 교란 상태를 상기 기본 주파수 성분 필터(242)를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각(
Figure 112020091412283-pat00003
) 및 각주파수(
Figure 112020091412283-pat00004
)를 추출한다.
공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)는 계통 전압 센서리스 전류 제어기로서, 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)에 의해 추정된 계통 전압 위상각(
Figure 112020091412283-pat00005
) 및 각주파수(
Figure 112020091412283-pat00006
)와 상기 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 이를 바탕으로 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터(210)의 제어에 반영한다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템(240)에 있어서, 바람직하게는 도 3에 도시된 바와같이, 왜곡된 계통 환경에서 전류 고조파를 감쇄시키기 위한 다중 고조파 보상기(245)가 상기 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)에 병렬로 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)는 적응형 최소 평균 제곱 기반 주파수 및 위상각 추정기로 구성될 수 있다.
또한, 이상과 같은 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)는 인버터와 메인 계통 간의 안정적이고 신뢰할 수 있는 동기화 작업을 보장하기 위해 배치되며, 이와 같은 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)는 불균형 또는 왜곡된 고조파와 같은 비이상적인 계통 전압의 부정적인 영향을 억제한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)의 입력으로는 α축의 추정된 교란만 사용된다. 입력 신호의 계통 전압 기본 성분
Figure 112020091412283-pat00007
및
Figure 112020091412283-pat00008
는 공진 필터(기본 주파수 성분 필터(242))를 통해 추출된다.
신호
Figure 112020091412283-pat00009
및
Figure 112020091412283-pat00010
는 실제 계통 주파수를 적응적으로 추정하기 위해 적응형 최소 평균 제곱 기반 주파수 추정기(계통 주파수 및 위상각 추정기(243))로 공급된다.
이때, 계통 위상각은 필터(기본 주파수 성분 필터(242))의 두 출력 성분의 관계를 통해 다음의 수식 관계에 의해 계산할 수도 있다.
Figure 112020091412283-pat00011
여기서,
Figure 112020091412283-pat00012
및
Figure 112020091412283-pat00013
는 직교좌표계의 α, β축의 계통 전압 기본 성분을 각각 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법의 실행 과정을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법은, 전술한 바와 같은 공진 확장형 상태 관측기(241), 기본 주파수 성분 필터(242), 계통 주파수 및 위상각 추정기(243), 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)를 포함하는 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템(240)에 기반한 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법으로서, 먼저 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 계통 전압 및 전류를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정한다(단계 S501).
그러면, 기본 주파수 성분 필터(242)가 상기 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링한다(단계 S502).
이후, 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)가 상기 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 추정된 교란 상태를 상기 기본 주파수 성분 필터(242)를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각(
Figure 112020091412283-pat00014
) 및 각주파수(
Figure 112020091412283-pat00015
)를 추정한다(단계 S503).
그러면, 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)가 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기(243)에 의해 추정된 계통 전압 위상각(
Figure 112020091412283-pat00016
) 및 각주파수(
Figure 112020091412283-pat00017
)와 상기 공진 확장형 상태 관측기(241)에 의해 추정된 교란 상태를 수신한다(단계 S504).
그런 후, 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)는 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 상기 추정된 계통 전압 위상각(
Figure 112020091412283-pat00018
) 및 각주파수(
Figure 112020091412283-pat00019
)를 바탕으로 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터(210)의 제어에 반영한다(단계 S505).
이상과 같은 일련의 과정에서, 상기 단계 S504에서 상기 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)에 다중 고조파 보상기(245)(도 3 참조)가 더 설치되고, 상기 다중 고조파 보상기(245)에 의해 왜곡된 계통 환경에서 전류 고조파를 감쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 6은 왜곡된 계통 전압과 왜곡 및 불균형의 계통 전압 조건 하에서의 공진 ADRC 기반 전류 제어기의 성능을 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템의 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)(도 2 참조)의 성능 테스트를 위해 기본 계통 전압의 5% 크기로 5차, 7차, 11 차 및 13차의 고조파 성분을 포함하는 왜곡된 계통 전압이 시뮬레이션에 사용되었다.
공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)의 성능은 왜곡된 계통 조건 하에서 정상 상태에서의 3상 계통측 전류의 시뮬레이션 결과를 보여주는 (A)에서 평가된다.
(A)에서 볼 수 있는 바와 같이, 계통에서 왜곡된 고조파는 잘 보정되어, 상대적으로 정현파 전류를 생성한다. 신뢰할 수 있는 동기화는 추정된 계통 위상각의 성능으로 입증되며, 본 발명의 제어 방법에 의해 고정밀 추정값이 감지될 수 있다.
(B)는 불균형 계통 조건에서 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)의 성능을 보여준다. 여기서 a상 전압은 공칭 전압 크기에 비해 29.4% 감소한다.
이러한 불리한 계통 조건 하에서 정현파 전류는 본 발명의 제어 방법의 안정성을 나타낸다.
도 7은 불균형 계통 조건 하에서의 공진 ADRC 기반 전류 제어기의 성능 및 응답을 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 7을 참조하면, (A)는 불균형 계통 조건 하에서의 전류 제어기의 성능을 보여주는 것으로서, 계통 주파수가 0.6 초에서 60Hz에서 50Hz로 갑자기 점프하는 불균형 계통 조건 하에서 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)의 성능을 나타낸다.
정현파 전류는 약 3 계통 전압 사이클의 과도 시간 후에 잘 복구됨을 알 수있다.
계통 전압 감지 장치를 사용하지 않고도, 본 발명의 제어 방법에서의 동기화 기술의 신뢰할 수 있고 고정밀 추정 성능을 입증하기 위해 계통 위상각 및 주파수도 제공된다.
(B)는 앞의 경우와 동일한 조건 하에서 본 발명의 제어 방법의 응답을 나타낸 것이다. 또한, 5mH의 계통 임피던스가 계통에 적용되어 공통 결합 점(PCC)이 약해지는 것을 나타낸다.
명백히, 계통 주파수 변동 이벤트 동안 허용될 수 있는 과도 응답으로 불리한 조건 하에서도 주입된 전류는 여전히 안정적이다.
도 8은 왜곡된 계통 전압 조건하에서의 왜곡된 계통 전압 및 주입 전류와 왜곡 및 불균형 계통 전압 조건하에서에서의 전류 제어기의 성능을 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 8을 참조하면, 동일한 왜곡된 계통 전압이 실험 설정에서 모방되었다.
(A)는 왜곡된 계통 전압 조건 하에서 왜곡된 계통 전압과 주입된 전류를 보여준다. 고조파 왜곡없이 정현파 전류가 생성됨을 알 수 있다.
(B)는 왜곡 및 불균형 계통 전압 조건하에서 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)의 성능을 보여준다.
실험 결과는 본 발명의 제어 시스템의 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)에서 획득된 고품질 계통 전류로 제시된 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 보여준다.
도 9는 강한 계통 및 약한 계통의 계통 주파수 변동하에서의 공진 ADRC 기반전류 제어기의 성능을 각각 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제어 시스템의 공진 ADRC 기반 전류 제어기(244)는 강한 계통(A)과 약한 계통(B)의 계통 주파수 변동 하에서 실험적으로 검증되었다. 두 경우 모두 본 발명의 계통 전압 센서리스 전류 제어기의 응답은 불리한 계통 조건에 대해 제어기의 강건함을 확인시켜 주었다.
제시된 모든 시뮬레이션과 실험적 검증은 본 발명의 센서리스 방식의 타당성뿐만 아니라 신뢰성, 안정성 및 강건성 측면에서 고성능을 입증한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템 및 방법은, 공진 확장형 상태 관측기, 기본 주파수 성분 필터, 계통 주파수 및 위상각 추정기, 공진 ADRC 기반 전류 제어기를 구비하여 상호 유기적으로 작동시킴으로써, 예상치 못한 여러 계통 조건에서 LCL 필터 계통연계 인버터의 우발적 작동과 필터 파라미터의 불확실성을 동시에 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한, 계통 주입 전류는 왜곡 및 불균형 계통 전압, 계통 임피던스 변동이 있는 취약한 계통 상태, 계통 주파수 편차와 같은 심각한 조건에서 안정적으로 조정될 수 있는 장점이 있다.
또한, 계통 전압 센서리스 전류 컨트롤러를 구현함으로써, 전체 시스템 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 분산 발전 110, 210: 계통연계 인버터
120, 220: LCL 필터(부) 130, 230: 계통 전력 시스템
240: LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템
241: 공진 확장형 상태 관측기 242: 기본 주파수 성분 필터
243: 계통 주파수 및 위상각 추정기 244: 공진 ADRC 기반 전류 제어기
245: 다중 고조파 보상기

Claims (5)

  1. LCL 필터형 계통연계 인버터와 계통 전력 시스템 사이에 위치되어 계통연계 인버터를 제어하는 시스템으로서,
    계통 전압 및 계통 전류를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정하는 공진 확장형 상태 관측기와;
    상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링하는 기본 주파수 성분 필터와;
    상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 상기 기본 주파수 성분 필터를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각 및 각주파수를 추출하는 계통 주파수 및 위상각 추정기; 및
    계통 전압 센서리스 전류 제어기로서, 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기에 의해 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수와 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 이를 바탕으로 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터의 제어에 반영하는 공진 ADRC 기반 전류 제어기를 포함하는 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    왜곡된 계통 환경에서 전류 고조파를 감쇄시키기 위한 다중 고조파 보상기가 상기 공진 ADRC 기반 전류 제어기에 병렬로 더 설치된 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계통 주파수 및 위상각 추정기는 적응형 최소 평균 제곱 기반 주파수 및 위상각 추정기로 구성된 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 시스템.
  4. a) 공진 확장형 상태 관측기에 의해 계통 전압 및 전류를 입력받아 적분-체인형 기반 인버터 모델의 상태와, 인버터에 영향을 미치는 전체 교란 및 불확실성 상태를 추정하는 단계와;
    b) 기본 주파수 성분 필터가 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 왜곡된 고조파를 필터링하는 단계와;
    c) 계통 주파수 및 위상각 추정기가 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 상기 기본 주파수 성분 필터를 거쳐 수신하고, 추정된 교란 상태로부터 계통 전압 위상각 및 각주파수를 추정하는 단계와;
    d) 공진 ADRC 기반 전류 제어기가 상기 계통 주파수 및 위상각 추정기에 의해 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수와 상기 공진 확장형 상태 관측기에 의해 추정된 교란 상태를 수신하는 단계; 및
    e) 공진 ADRC 기반 전류 제어기가 추정된 교란 상태로부터 교란을 제거 및 상기 추정된 계통 전압 위상각 및 각주파수를 바탕으로 전압 기준값을 추적하여 계통연계 인버터의 제어에 반영하는 단계를 포함하는 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 d)에서 상기 공진 ADRC 기반 전류 제어기에 다중 고조파 보상기가 더 설치되고, 상기 다중 고조파 보상기에 의해 왜곡된 계통 환경에서 전류 고조파를 감쇄시키는 단계를 더 포함하는 LCL 필터형 계통연계 인버터의 ADRC 기반 센서리스 제어 방법.
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