KR102367501B1 - 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치가 개시된다. 본 발명의 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치는, 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값을 입력받아 계통전압을 반영하여 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL 필터부; LCL 필터부에서 출력되는 계통전류를 적분하는 적분기; LCL 필터부의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류와, 커패시터에 걸리는 커패시터 전압과, LCL 필터부에서 출력되는 계통전류와, 적분기를 통해 적분된 계통전류 적분값의 제어 루프이득을 조정하여 피드백하는 댐핑 제어부; 및 전압 지령값과 댐핑 제어부에서 피드백되는 피드백 전압을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값을 생성하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

계통 연계형 전력변환장치의 제어장치{CONTROL APPARATUS OF GRID CONNECTED POWER CONVERSION APPARATUS}
본 발명은 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수동소자인 댐핑저항을 사용하지 않고 계통전류와 계통전류 적분성분을 LCL 필터에 피드백 성분으로 추가함으로써, 가상 저항에 의한 능동형 댐핑 제어를 통해 공진현상을 제거할 뿐만 아니라 계통 주파수에서의 외란을 제거하여 동강성(dynamic stiffness)을 개선할 수 있도록 하는 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치에 관한 것이다.
최근 전력 수요의 증대에 따라 신재생 에너지를 이용한 분산전원 시스템이 많은 주목을 받고 있다. 계통연계를 위한 PCS(Power Conditioning System) 즉, 그리드 전력변환장치는 분산전원 시스템 관련 분야뿐만 아니라 계통에 연계되는 모든 분야에 걸쳐 광범위하게 응용되고 있다.
이러한 계통연계를 위한 전력변환장치의 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 수동형 댐핑 제어기법과 능동형 댐핑 제어기법으로 나뉜다.
먼저, 수동형 댐핑 제어기법은 LC/LCL 필터의 L 또는 C에 임피던스(저항)를 직렬 혹은 병렬로 삽입하여 공진 현상을 억제하는 방식으로 신뢰성이 높고 구현하기에 단순한 장점이 있으나 저항이 추가되어야 하고 시스템의 전력 손실을 가져오는 단점이 있다.
또한, 능동형 댐핑 제어기법은 전력변환장치의 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.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1776160호(2017.05.15. 공고, 계통 연계형 태양광/ESS 전력변환장치)에 개시되어 있다.
이와 같이 수동형 댐핑 기법과 능동형 댐핑 기법을 통해 계통에 유입되는 공진 현상을 개선하고 있으나, 외란 제거 성능지표인 동강성(dynamic stiffness)은 개선되지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 수동소자인 댐핑저항을 사용하지 않고 계통전류와 계통전류 적분성분을 LCL 필터에 피드백 성분으로 추가함으로써, 가상 저항에 의한 능동형 댐핑 제어를 통해 공진현상을 제거할 뿐만 아니라 계통 주파수에서의 외란을 제거하여 동강성(dynamic stiffness)을 개선할 수 있도록 하는 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치는, 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값을 입력받아 계통전압을 반영하여 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL 필터부; LCL 필터부에서 출력되는 계통전류를 적분하는 적분기; LCL 필터부의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류와, 커패시터에 걸리는 커패시터 전압과, LCL 필터부에서 출력되는 계통전류와, 적분기를 통해 적분된 계통전류 적분값의 제어 루프이득을 조정하여 피드백하는 댐핑 제어부; 및 전압 지령값과 댐핑 제어부에서 피드백되는 피드백 전압을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값을 생성하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 댐핑 제어부는, 주파수 대역별로 피드백되는 커패시터 전류, 커패시터 전압, 계통전류 및 계통전류 적분값에 대해 주파수 대역별로 제어 루프이득을 각각 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 LCL 필터부는, 제1 인덕터, 커패시터 및 제2 인덕터를 포함하며, 커패시터 전압에서 계통전압을 뺀 차전압이 제2 인덕터로 인가되고, 제2 인덕터의 출력전류는 피드백되어 제1 인덕터의 출력전류에서 제2 인덕터의 출력전류를 뺀 차전류가 커패시터에 인가되며, 커패시터 전압은 피드백되어 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값에서 커패시터 전압을 뺀 차전압이 상기 제1 인덕터로 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치는 수동소자인 댐핑저항을 사용하지 않고 계통전류와 계통전류 적분성분을 LCL 필터에 피드백 성분으로 추가함으로써, 가상 저항에 의한 능동형 댐핑 제어를 통해 공진현상을 제거할 뿐만 아니라 계통 주파수에서의 외란을 제거하여 동강성(dynamic stiffness)을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치를 나타낸 제어함수 블록선도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치를 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 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치를 나타낸 제어함수 블록선도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치는, LCL 필터부(20), 적분기(30), 댐핑 제어부(40) 및 연산부(10)를 포함할 수 있다.
LCL 필터부(20)는 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값(Vi)을 입력받아 계통전압(Vg)을 반영하여 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시킬 수 있다.
여기서, LCL 필터부(20)는 제1 인덕터, 커패시터 및 제2 인덕터를 포함하며, 커패시터 전압(Vc)에서 계통전압(Vg)을 뺀 차전압이 제2 인덕터로 인가되고, 제2 인덕터의 출력전류(Ig)는 피드백되어 제1 인덕터의 출력전류에서 제2 인덕터의 출력전류를 뺀 차전류가 커패시터에 인가되며, 커패시터 전압(Vc)은 피드백되어 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값(Vi)에서 커패시터 전압을 뺀 차전압이 제1 인덕터로 인가되도록 구성될 수 있다.
적분기(30)는 LCL 필터부(20)에서 출력되는 계통전류(Ig)를 적분할 수 있다.
댐핑 제어부(40)는 LCL 필터부(20)의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류(Ic)와, 커패시터에 걸리는 커패시터 전압(Vc)과, LCL 필터부(20)에서 출력되는 계통전류(Ig)와, 적분기(30)를 통해 적분된 계통전류 적분값의 제어 루프이득을 조정하여 피드백할 수 있다.
여기서, 댐핑 제어부(40)는, 피드백되는 커패시터 전류(Ic), 커패시터 전압(Vc), 계통전류(Ig) 및 계통전류 적분값에 대해 주파수 대역별로 제어 루프이득(K1, K2, K3, K4)을 각각 조정하여 동강성 효과를 조절할 수 있다.
연산부(10)는 전압 지령값(V*i)과 댐핑 제어부(40)에서 피드백되는 피드백 전압을 연산하여 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값(Vi)을 생성할 수 있다.
이와 같은 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치에 따른 동강성 전달함수는 아래식과 같이 표현할 수 있다.
(아래식)
Figure 112020035098438-pat00001
여기서, Vg는 계통전압, Ig는 계통전류, L1, L2은 LCL 필터부의 인덕턴스, C1은 LCL 필터부의 커패시턴스, K1은 커패시터 전류의 제어 루프이득, K2는 커패시터 전압의 제어 루프이득, K3는 계통전류의 제어 루프이득, K4는 계통전류 적분값의 제어 루프이득이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치에 따르면, 수동소자인 댐핑저항을 사용하지 않고 계통전류와 계통전류 적분성분을 LCL 필터에 피드백 성분으로 추가함으로써, 가상 저항에 의한 능동형 댐핑 제어를 통해 공진현상을 제거할 뿐만 아니라 계통 주파수에서의 외란을 제거하여 동강성(dynamic stiffness)을 개선할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
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 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 연산부
20 : LCL 필터부
30 : 적분기
40 : 댐핑 제어부

Claims (3)

  1. 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값을 입력받아 계통전압을 반영하여 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL 필터부;
    상기 LCL 필터부에서 출력되는 계통전류를 적분하는 적분기;
    상기 LCL 필터부의 커패시터에 흐르는 커패시터 전류와, 상기 커패시터에 걸리는 커패시터 전압과, 상기 LCL 필터부에서 출력되는 계통전류와, 상기 적분기를 통해 적분된 계통전류 적분값의 제어 루프이득을 조정하여 피드백하는 댐핑 제어부; 및
    전압 지령값과 상기 댐핑 제어부에서 피드백되는 피드백 전압을 연산하여 상기 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값을 생성하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 댐핑 제어부는, 주파수 대역별로 피드백되는 상기 커패시터 전류, 상기 커패시터 전압, 상기 계통전류 및 상기 계통전류 적분값에 대해 주파수 대역별로 제어 루프이득을 각각 조정하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 LCL 필터부는, 제1 인덕터, 커패시터 및 제2 인덕터를 포함하며, 상기 커패시터 전압에서 상기 계통전압을 뺀 차전압이 상기 제2 인덕터로 인가되고, 상기 제2 인덕터의 출력전류는 피드백되어 상기 제1 인덕터의 출력전류에서 상기 제2 인덕터의 출력전류를 뺀 차전류가 상기 커패시터에 인가되며, 상기 커패시터 전압은 피드백되어 상기 댐핑 성분이 반영된 전압 지령값에서 상기 커패시터 전압을 뺀 차전압이 상기 제1 인덕터로 인가되는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력변환장치의 제어장치.
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