KR102500296B1 - Voltage power converter system Suppressing Power Oscillations in DC bus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직류 마이크로그리드에 적용되어 전압 버스의 진동을 감쇠할 수 있는 전압 전원 컨버터 시스템에 관한 것으로, 적어도 하나의 부하 및 적어도 하나의 컨버터와 DC 버스에 병렬로 연결된 전압 전원 컨버터 시스템에 있어서, 적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고, 상기 DC 버스에 연결되며, DC 전압()을 출력하는 컨버터인 전압 전원 컨버터(VSC), 상기 전압 전원 컨버터의 출력단과 상기 DC 버스 사이에 구비된 라인 인덕턴스(), 상기 전압 전원 컨버터의 출력단의 양의 단자와 음의 단자 사이에 구비된 출력 커패시터(C) 및 상기 출력 커패시터의 양단 전압인 컨버터의 출력 DC 전압(), 상기 DC 버스의 전압(), 상기 전압 전원 컨버터의 입력 전류(), 및 상기 라인 인턱터를 통해서 흐르는 출력 전류()의 측정값 및 상기 컨버터의 출력 DC 공칭 전압 지령치()에 기초하여 상기 반도체 스위치를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, DC 버스의 전력 진동을 감쇠하기 위해 수동성 기반(Passivity-based)으로 진동 제어하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a voltage power converter system applied to a DC microgrid and capable of damping vibration of a voltage bus. In a voltage power converter system connected in parallel to a DC bus with at least one load and at least one converter, at least A voltage power converter (VSC), which includes one semiconductor switch, is connected to the DC bus, and is a converter that outputs a DC voltage ( ), a line inductance ( ) provided between an output terminal of the voltage power converter and the DC bus, The output capacitor (C) provided between the positive terminal and the negative terminal of the output terminal of the voltage power converter, and the output DC voltage ( ) of the converter, which is the voltage across the output capacitor, the voltage ( ) of the DC bus, and the voltage power supply And a controller for controlling the semiconductor switch based on a measured value of an input current ( ) of the converter and an output current ( ) flowing through the line inductor and an output DC nominal voltage command value ( ) of the converter, the controller comprising: It is characterized by vibration control based on passivity to attenuate power vibration of the DC bus.
Description
본 발명은 전압 전원 컨버터 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 직류 마이크로그리드에 적용되어 전압 버스 전력의 진동을 감쇠할 수 있는 전압 전원 컨버터 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage power converter system, and more particularly, to a voltage power converter system that is applied to a direct current microgrid and can damp oscillations of voltage bus power.
최근 직류 전력 시스템은 무효전력이 없고 전력변환 단계가 적다는 장점이 있어 높은 전력 밀도가 필요한 선박, 항공기, 건물, 데이터 센터 등 송배전 분야에서 많은 관심을 받고 있다.Recently, DC power systems have the advantage of having no reactive power and fewer power conversion steps, so they are receiving a lot of attention in transmission and distribution fields such as ships, aircraft, buildings, and data centers that require high power density.
직류 마이크로그리드(DC Microgrid)는 기존의 광역적 전력시스템으로부터 독립된 분산전원(distributed energy resources)을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템을 의미한다. 직류 마이크로그리드의 전력원은 디젤 엔진, 가스 터빈, 태양 광 및 풍력 발전 시스템, 연료 전지 등으로 구성될 수 있고, 주거용, 교육용, 산업용 및 상업용 애플리케이션과 같은 마이크로그리드의 유형에 따라 수kW 에서 수백 MW의 전력 용량을 가지며 범위를 가지며, 일반적인 직류 마이크로그리드의 구조에 관해서는 도 1에 도시되어 있다.A DC microgrid refers to a localized power supply system centered on distributed energy resources independent of the existing wide-area power system. The power sources of DC microgrids can consist of diesel engines, gas turbines, photovoltaic and wind power systems, fuel cells, etc., ranging from a few kW to hundreds of MW depending on the type of microgrid, such as residential, educational, industrial and commercial applications. It has a power capacity of and has a range, and the structure of a typical DC microgrid is shown in FIG.
이러한 장점에도 불구하고 직류 마이크로그리드 시스템은 안정성, 출력 전력 및 전류의 정확한 공유 등 기술적으로 해결해야 할 몇 가지 문제가 있었으며, 특히 직류 마이크로그리드 시스템에서 발생하는 전력 및 전류의 진동 또한 해결해야할 문제 중 하나였다.Despite these advantages, the DC microgrid system has some technical problems to be solved, such as stability and accurate sharing of output power and current. In particular, the oscillation of power and current occurring in the DC microgrid system is one of the problems to be solved. was
종래에는 다양한 방법으로 상술한 바와 같은 전력 및 전류의 진동을 감쇠시켰다. 일예로, 직류 마이크로그리드 시스템의 DC 소스측의 제어기에 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)를 포함하는 드룹 제어 루프를 추가하는 방식이 있었다. 이러한 방식은 전압 제어 루프의 대역폭이 낮으면 저역 통과 필터의 차단 주파수가 매우 낮아야 하며, 직류 마이크로그리드 시스템의 안정적인 운영을 위해서는 저역 통과 필터의 차단 주파수를 적절하게 설정해야 하는데, 시스템에 따라 차단 주파수를 적절하게 설정하기 용이하지 않은 문제점이 있었다.Conventionally, vibrations of power and current as described above are damped in various ways. As an example, there was a method of adding a droop control loop including a low pass filter (LPF) to the controller of the DC source side of the DC microgrid system. In this method, if the bandwidth of the voltage control loop is low, the cutoff frequency of the low-pass filter must be very low. For stable operation of the DC microgrid system, the cutoff frequency of the low-pass filter must be set appropriately. There was a problem that was not easy to set up properly.
전력 및 전류의 진동 감쇠를 위한 몇몇 예로, 가변 직류원을 포함하는 어플리케이션에 적용할 수 있는 입력 전압 오류에 대한 피드포워드 제어 기술, 다른 제어방식에 비해 구조 및 구현이 상대적으로 복합한 옵저버를 이용한 출력 전류 피드백 방식, 피드백 필터의 차단 주파수 이하의 진동 성분을 억제하기 위한 가상 임피던스 방식, 전압 조절기의 출력을 보상하기 위한 출력 전류 피드백 제어가 제안되었다. 상술한 방식들은 전력 및 전류의 진동을 효과적으로 억제할 수 있지만, 정상적으로 전력 및 전류의 진동을 억제하기 위해서는 시스템의 각종 파라미터를 조정해야 하는데, 이러한 파라미터를 조정하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있었다.Some examples of vibration attenuation of power and current, feedforward control technology for input voltage errors that can be applied to applications involving variable DC sources, output using observers whose structure and implementation are relatively complex compared to other control methods A current feedback method, a virtual impedance method for suppressing vibration components below the cutoff frequency of the feedback filter, and an output current feedback control for compensating the output of the voltage regulator have been proposed. Although the above-described methods can effectively suppress oscillations of power and current, in order to normally suppress oscillations of power and current, various parameters of the system must be adjusted, and it is not easy to adjust these parameters.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 전압 전원 컨버터 시스템의 목적은 종래와 다른 방식으로 직류 마이크로그리드의 DC버스의 전력 진동을 감쇠시킬 수 있는 전압 전원 컨버터 시스템을 제공함에 있다.
본 연구는 한국전력공사의 2018년 착수 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음(과제번호 : R18XA06-35)The present invention has been made to solve the above problems, and the purpose of the voltage power converter system according to the present invention is a voltage power converter capable of attenuating the power oscillation of the DC bus of the DC microgrid in a manner different from the prior art. in providing the system.
This research was supported by the Korea Electric Power Corporation's 2018 basic research and development project research fund (assignment number: R18XA06-35)
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 적어도 하나의 부하 및 적어도 하나의 컨버터와 DC 버스에 병렬로 연결된 전압 전원 컨버터 시스템에 있어서, 적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고, 상기 DC 버스에 연결되며, DC 전압()을 출력하는 컨버터인 전압 전원 컨버터(VSC), 상기 전압 전원 컨버터의 출력단과 상기 DC 버스 사이에 구비된 라인 인덕턴스(), 상기 전압 전원 컨버터의 출력단의 양의 단자와 음의 단자 사이에 구비된 출력 커패시터(C) 및 상기 출력 커패시터의 양단 전압인 컨버터의 출력 DC 전압(), 상기 DC 버스의 전압(), 상기 전압 전원 컨버터의 입력 전류(), 및 상기 라인 인턱터를 통해서 흐르는 출력 전류()의 측정값 및 상기 컨버터의 출력 DC 공칭 전압 지령치()에 기초하여 상기 반도체 스위치를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, DC 버스의 전력 진동을 감쇠하기 위해 수동성 기반(Passivity-based)으로 전력의 진동을 제어하는 것을 특징으로 한다.In the voltage power converter system connected in parallel to at least one load and at least one converter and a DC bus according to the present invention for solving the above problems, including at least one semiconductor switch, connected to the DC bus and the DC voltage ( A voltage power converter (VSC), which is a converter that outputs ), and a line inductance provided between the output terminal of the voltage power converter and the DC bus ( ), an output capacitor C provided between the positive terminal and the negative terminal of the output terminal of the voltage power converter, and the output DC voltage of the converter, which is the voltage of both ends of the output capacitor ( ), the voltage of the DC bus ( ), the input current of the voltage power converter ( ), and the output current flowing through the line inductor ( ) and the output DC nominal voltage command value of the converter ( ), and a controller controlling the semiconductor switch based on a passivity-based method to attenuate the power oscillation of the DC bus.
또한, 상기 제어기는, 상기 , 상기 , 상기 , 상기 에 기초하여 전압 전원 컨버터의 입력 전류 지령치 을 산출하는 전압 제어 모듈 및 상기 , 상기 , 상기 , 상기 에 기초하여 상기 전압 전원 컨버터의 출력 전압 지령치를 산출하는 전류 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the controller , remind , remind , remind The input current command value of the voltage power converter based on A voltage control module that calculates and the , remind , remind , remind It characterized in that it comprises a current control module for calculating the output voltage command value of the voltage power converter based on.
또한, 상기 전압 제어 모듈은, 전압 제어 오차를 산출하는 전압 제어 오차 산출부, 상기 전압 제어 오차를 입력받고, 상기 전압 제어 오차가 줄어들도록 상기 를 산출하는 전압 제어부를 포함하고, 상기 전압 제어 오차 산출부는, 상기 , 상기 , 상기 의 진동 성분, 에 기초한 보상 성분, 및 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분에 기초하여 상기 전압 제어 오차를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the voltage control module may receive a voltage control error calculation unit that calculates a voltage control error, the voltage control error, and reduce the voltage control error. And a voltage control unit that calculates, wherein the voltage control error calculation unit, , remind , remind the vibration component of based on compensating component, and based on the high-frequency components of It is characterized in that the voltage control error is calculated based on the compensation component.
또한, 상기 전압 제어 오차 산출부는, 상기 을 입력 받고 상기 의 진동 성분을 출력하는 고주파 통과 필터인 제1HPF(HPF4), 상기 을 입력 받고 상기 의 고주파 성분에 비례하는 보상 성분을 출력하는 보상부(HPF3 & rc) 및 상기 의 고주파 성분에 비례하는 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 보상부 및 상기 의 저주파 성분에 비례하는 저주파 보상 성분을 출력하는 저주파 보상부를 포함하는 것 을 특징으로 한다.In addition, the voltage control error calculator, and remind A first HPF (HPF4), which is a high-pass filter that outputs vibration components of and remind proportional to the high-frequency component of outputting the compensation component Compensation unit (HPF3 & r c ) and the above proportional to the high-frequency component of outputting high-frequency compensation components High-frequency compensator and the proportional to the low-frequency component of Outputting the low frequency compensation component It is characterized in that it includes a low frequency compensator.
또한, 상기 전압 제어 오차 산출부는, 상기에 상기 의 진동 성분을 더하고, 보상 성분, 고주파 보상 성분, 및 저주파 보상 성분을 빼서 상기 전압 제어 오차를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the voltage control error calculator, Remind me to Add the vibration component of compensation component, a high-frequency compensation component, and It is characterized in that the voltage control error is calculated by subtracting the low frequency compensation component.
또한, 상기 전류 제어 모듈은, 전류 제어 오차를 산출하는 전류 제어 오차 산출부 및 상기 전류 제어 오차를 입력받고, 상기 전류 제어 오차가 줄어들도록 상기 반도체 스위치 ON/OFF 지령을 산출하는 전류 제어부를 포함하고, 상기 전류 제어 오차 산출부는, 상기 , 상기 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분, 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분, 에 기초한 보상 성분에 기초하여 상기 전류 제어 오차를 산출하는 것을 특징으로 한다.The current control module includes a current control error calculation unit that calculates a current control error and a current control unit that receives the current control error and calculates the semiconductor switch ON/OFF command to reduce the current control error, , the current control error calculator, , remind based on the high-frequency components of compensation component, based on the high-frequency components of compensation component, based on It is characterized in that the current control error is calculated based on the compensation component.
또한, 상기 전류 제어 오차 산출부는, 상기 을 입력 받고 상기 의 진동 성분에 비례하는 보상 성분을 산출하는 보상부(HPF2 & k2) 상기 을 입력 받고 상기 IDC 고주파 성분에 기초한 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 통과 필터인 HPF1, 상기 을 입력 받고 상기 의 고주파 성분에 비례하는 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 보상부(HPF3) 및 상기 을 입력 받고 상기 의 저주파 성분에 비례하는 저주파 보상 성분을 출력하는 저주파 보상부(LPF1);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the current control error calculator, and remind proportional to the vibration component of Calculating the Compensation Component Compensation section (HPF2 & k2) above is input and based on the IDC high frequency component HPF1, which is a high-pass filter that outputs a high-frequency compensation component; and remind proportional to the high-frequency component of outputting high-frequency compensation components High frequency compensator (HPF3) and the and remind proportional to the low-frequency component of Outputting the low frequency compensation component It is characterized in that it includes; a low frequency compensator (LPF1).
또한, 상기 전류 제어 오차 산출부는, 에 상기 고주파 보상 성분을 더하고, 보상 성분, 고주파 보상 성분 및 저주파 보상 성분을 빼서 상기 전류 제어 오차를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the current control error calculator, Remind me to Add a high-frequency compensation component, compensation component, high-frequency compensation component and It is characterized in that the current control error is calculated by subtracting the low frequency compensation component.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 전압 전원 컨버터 시스템에 의하면, 직류 마이크로그리드의 컨버터에 IDA-PBC기법을 적용하여 제어하므로, 종래의 방법과 같이 어렵게 시스템 파라미터를 설정하지 않고도 수동성을 기반으로(Passivity-based) 시스템의 진동을 감쇠시킬 수 있는 효과가 있다.According to the voltage power converter system according to the present invention as described above, since the IDA-PBC technique is applied to the converter of the DC microgrid and controlled, it is based on passivity (Passivity- based) has the effect of damping the vibration of the system.
도 1은 일반적인 직류 마이크로그리드의 개략도.
도 2는 간단화된 직류 마이크로그리드의 회로도.
도 3은 서로 다른 형태의 직류 출력을 갖는 컨버터들의 개략도.
도 4는 직류 전압 소스 컨버터의 제어 블록도와 등가회로도.
도 5는 라인 임피던스와 드룹 제어 이득을 포함하고, 1개의 소스와 1개의 부하로 구성된 등가회로도.
도 6은 드룹 제어를 적용한 버스 임피던스의 영향을 나타내기 위한 보드 선도와 극영점 맵.
도 7은 버스 임피던스의 전압 제어 루프의 대역폭 변화에 따른 영향을 나타내기 위한 보드 선도와 극영점 맵.
도 8은 가상의 전압 및 전류 소스를 포함하여 간단화된 소스 컨버터의 등가회로.
도 9는 본 발명의 직류 마이크로그리드 시스템에서 제안하는 진동 제어의 블록 다이어그램이다.
도 10은 버스 임피던스에 대한 드룹 제어에 사용되는 저역 통과 필터(LPF)의 영향을 나타내기 위한 보드 선도와 극영점 맵.
도 11은 전압 제어 루프의 대역폭이 버스 임피던스에 미치는 영향을 나타내기 이한 보드 선도와 극영점 맵.
도 12는 버스 임피던스에 따른 여러 소스의 영향을 나타내기 위한 그래프.
도 13은 2개의 소스 및 하나의 CPL 버스 시스템에 대한 서로 다른 라인 임피던스의 효과를 나타내기 위한 그래프.
도 14는 루프 시뮬레이션 설정에 사용되는 하드웨어의 사진.
도 15는 본 발명의 진동 컨트롤러가 없는 직류 마이크로그리드의 동적 응답 그래프.
도 16은 본 발명의 진동 컨트롤러를 사용한 직류 마이크로그리드의 동적 응답 그래프.
도 17은 드룹 제어를 위한 저역 통과 필터가있는 직류 마이크로그리드의 동적 응답 그래프.
도 18은 본 발명의 진동 컨트롤러를 사용한 직류 마이크로 그리드의 작동 성능 그래프.
도 19는 3상 다이오드 정류기, 부스트 컨버터 2개, 벅 컨버터 부하 및 저항 부하로 구성된 소규모 100V DC 전원 시스템의 하드웨어의 사진.
도 20은 진동 컨트롤러가 없는 직류 마이크로 그리드의 부하 변화에 따른 응답 그래프.
도 21은 본 발명의 진동 컨트롤러가 있는 상태와 없는 상태의 직류 마이크로 그리드의 작동 성능 그래프.
도 22는 부하 변경시 본 발명의 진동 컨트롤러를 사용한 직류 마이크로그리드의 부하 변경에 따른 응답 그래프.1 is a schematic diagram of a typical DC microgrid.
2 is a circuit diagram of a simplified DC microgrid.
Figure 3 is a schematic diagram of converters with different types of direct current output.
4 is a control block diagram and an equivalent circuit diagram of a DC voltage source converter;
5 is an equivalent circuit diagram including line impedance and droop control gain and composed of one source and one load.
6 is a Bode diagram and a pole-zero map for showing the effect of bus impedance to which droop control is applied.
7 is a Bode diagram and a pole-zero map for showing the effect of a change in bandwidth of a voltage control loop of bus impedance.
8 is an equivalent circuit of a simplified source converter including imaginary voltage and current sources.
9 is a block diagram of vibration control proposed in the DC microgrid system of the present invention.
10 is a Bode diagram and a pole-zero map for showing the effect of a low-pass filter (LPF) used for droop control on bus impedance.
11 is a Bode plot and a pole-zero map illustrating the effect of the bandwidth of a voltage control loop on bus impedance.
12 is a graph for showing the influence of various sources according to bus impedance.
13 is a graph for showing the effect of different line impedances for two sources and one CPL bus system.
14 is a photograph of hardware used for setting up a loop simulation.
15 is a dynamic response graph of a DC microgrid without a vibration controller of the present invention.
16 is a dynamic response graph of a DC microgrid using the vibration controller of the present invention.
17 is a dynamic response graph of a DC microgrid with a low pass filter for droop control.
18 is a graph of the operating performance of a DC microgrid using the vibration controller of the present invention.
19 is a photograph of the hardware of a small-scale 100V DC power supply system consisting of a three-phase diode rectifier, two boost converters, a buck converter load, and a resistive load.
20 is a response graph according to load change of a DC microgrid without a vibration controller.
21 is a graph of the operating performance of the DC microgrid with and without the vibration controller of the present invention.
22 is a response graph according to the load change of the DC microgrid using the vibration controller of the present invention when the load is changed.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 전압 전원 컨버터 시스템의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a voltage power converter system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 단순화된 일반적인 직류 마이크로그리드의 회로를 도시한 것이다.Figure 2 shows the circuit of a simplified general DC microgrid.
직류 마이크로그리드의 전력원 및 전력원과 연계되는 전력변환장치는 이상적인 직류 소스가 있는 DC-DC 부스트 컨버터로 모델링되며, DC-DC 부스트 컨버터의 출력 단자는 라인 임피던스를 통해 DC버스에 연결된다. DC-DC 부스트 컨버터의 부하부분은 정전력 부하(Constant Power Loads, CPL)와 저항부하(Resistance Load)로 구성될 수 있다. 정전력 부하의 특성을 나타내기 위해 벅 컨버터는 출력 전압 및 내부 전류 조정을 위해 직렬형 제어 구조를 사용하고, 커패시터 과 는 DC 버스에 병렬로 연결된다. 도 2에 도시된 기호는 다음의 의미를 나타낸다.The power source of the DC microgrid and the power converter associated with the power source are modeled as a DC-DC boost converter with an ideal DC source, and the output terminal of the DC-DC boost converter is connected to the DC bus through the line impedance. The load part of the DC-DC boost converter may be composed of constant power loads (CPL) and resistance loads. To characterize a constant power load, the buck converter uses a series control scheme for output voltage and internal current regulation, and a capacitor class is connected in parallel to the DC bus. The symbols shown in FIG. 2 represent the following meanings.
과 는 VSC(Voltage Source Converter)의 입력전압, 과 은 VSC의 출력전압, 과 는 VSC의 출력 커패시터, 과 는 라인 저항, 과 는 라인 인덕턴스, 는 DC버스 전압, 과 는 부하의 입력 커패시터, 과 는 부하 전류, 과 은 부하 저항이다. class is the input voltage of VSC (Voltage Source Converter), class is the output voltage of VSC, class is the output capacitor of VSC, class is the line resistance, class is the line inductance, is the DC bus voltage, class is the input capacitor of the load, class is the load current, class is the load resistance.
도 2에 도시된 직류 마이크로그리드의 시스템 파라미터들은 아래 [표 1]과 같이 설정될 수 있다.System parameters of the DC microgrid shown in FIG. 2 can be set as shown in [Table 1] below.
[표 1][Table 1]
도 3은 서로 다른 형태의 DC전압 전원 컨버터를 개략적으로 도시한 것이다.3 schematically shows different types of DC voltage power converters.
도 3a에 도시된 컨버터는 AC-DC PMW 컨버터이고, 도 3b에 도시된 컨버터는 백 엔드 DC-DC컨버터를 포함하는 정류기이며, 도 3c에 도시된 컨버터는 일반적인 DC-DC컨버터이다.The converter shown in FIG. 3A is an AC-DC PMW converter, the converter shown in FIG. 3B is a rectifier including a back-end DC-DC converter, and the converter shown in FIG. 3C is a general DC-DC converter.
본 명세서에서는 백 엔드 DC-DC 컨버터가 있는 다이오드 정류기가 직류 전원을 공급한다고 가정한다. 여기서 정류기의 출력 전압은 큰 출력 커패시터로 인해 일정한 것으로 간주되며, 결과적으로 AC-DC PWM 컨버터의 출력은 도 2에 도시된 바와 같이 전압원으로 간주될 수 있다.In this specification, it is assumed that a diode rectifier with a back-end DC-DC converter supplies DC power. Here, the output voltage of the rectifier is considered constant due to the large output capacitor, and consequently the output of the AC-DC PWM converter can be considered as a voltage source as shown in FIG. 2 .
안정적인 직류 전압을 출력하기 위해, DC 전원 전압 컨버터 (Voltage source converter, VSC)의 출력 전압은 내부 전류 제어 루프와 외부 전압 제어 루프를 통해 제어된다.To output a stable DC voltage, the output voltage of the DC power source converter (VSC) is controlled through an inner current control loop and an outer voltage control loop.
단일의 직류 마이크로그리드에 적용되는 다수개의 DC VSC는 일반적으로 전력과 전류의 분담을 위해 드룹 제어가 사용되며, 도 4에 도시된 제어 블록 다이어그램에는 V/I 드룹 제어 루프가 추가되어 있는 것을 확인할 수 있다. 드룹 제어에는 저역 통과 필터가 사용된다. 는 공칭(nominal) DC버스 전압, 는 DC VSC의 출력 전압이고, 은 DC VSC의 입력 전류, 는 라인 임피던스를 통해 흐르는 소스측의 출력 전류, 는 드룹 제어루프의 이득(gain)이다.A plurality of DC VSCs applied to a single DC microgrid generally use droop control to share power and current, and it can be seen that a V/I droop control loop is added to the control block diagram shown in FIG. there is. A low pass filter is used for droop control. is the nominal DC bus voltage, is the output voltage of DC VSC, is the input current of DC VSC, is the output current on the source side flowing through the line impedance, is the gain of the droop control loop.
도 4a에서 전류 제어 루프의 대역폭이 전압 제어 루프의 대역폭보다 충분히 높기 때문에, 전류 제어 루프의 동작을 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)로 단순화할 수 있다. 또한 드룹 제어기와 전압 제어기를 포함하지 않는 전류원 및 전류원과 병렬 연결된 커패시터로 모델링될 수 있으며, 는 커패시터의 등가 직렬 저항 (small Equivalent Series Resistance, ESR)을 의미한다.In FIG. 4A , since the bandwidth of the current control loop is sufficiently higher than that of the voltage control loop, the operation of the current control loop can be simplified to a low pass filter (LPF). It can also be modeled as a current source not including a droop controller and a voltage controller and a capacitor connected in parallel with the current source, Means the equivalent series resistance (small Equivalent Series Resistance, ESR) of the capacitor.
도 5는 시스템의 전압 방정식을 다음과 같이 표현되는 라인 임피던스와 드룹 제어 게인을 가진 하나의 소스 변환기와 하나의 부하에 해당하는 회로를 보여준다.5 shows a circuit corresponding to one source converter and one load with a line impedance and a droop control gain where the voltage equation of the system is expressed as follows.
상기한 수식에서 와 는 라인 인덕턴스와 라인 저항을 의미한다.in the above formula and means line inductance and line resistance.
도 2에 도시된 바와 같이, DC버스에는 다양한 유형의 부하가 연결되어 있으며, 정전력 부하(CPL), 정 임피던스 부하(CIL) 및 정전류 부하(CCL)로 분류할 수 있다. DC 전원 시스템에서 정전력 부하(CPL)는 작동 지점에서 임력 임피던스는 음의 값을 가지므로 직류버스의 전압 안정성에 영향을 미치며, 작동 지점에서 정전력 부하(CPL)의 입력 임피던스는 아래와 같은 수식으로 표현될 수 있다.As shown in FIG. 2, various types of loads are connected to the DC bus, and can be classified into constant power loads (CPL), constant impedance loads (CIL), and constant current loads (CCL). In the DC power system, the input impedance of the constant power load (CPL) at the operating point has a negative value, so it affects the voltage stability of the DC bus, and the input impedance of the constant power load (CPL) at the operating point is can be expressed
상기한 수식에서 과 은 동작 지점에서 부하 입력 터미널의 전력과 전압을 의미한다. 도 2에는 정전력 부하(CPL)와 정임피던스 부하를 포함하는 저항부하가 도시되어 있다.in the above formula class is the power and voltage of the load input terminal at the operating point. 2 shows a resistive load including a constant power load (CPL) and a constant impedance load.
도 5에 도시된 부하측 입력 커패시터의 ESR인 rL이 무시되면, DC 버스 커패시터의 전압은 아래와 같은 수식으로 표현될 수 있다.If rL, which is the ESR of the load-side input capacitor shown in FIG. 5, is ignored, the voltage of the DC bus capacitor can be expressed by the following equation.
여기서 과 는 부하측 커패시터와 저항이다.here class is the load-side capacitor and resistance.
분산형 DC 전원 시스템의 버스 전압의 신뢰성이나 품질을 보장하기 위해 안정성 분석을 수행해야한다. 기존에는 Middlebrook Criterion, Gain and Phase Margin Criterion, Energy Source Analysis Consortium (ESAC) Criterion 등 소스와 부하 간 임피던스 비율의 Nyquist 윤곽을 사용하여 금지 영역 기반 방법으로 안정성 분석을 수행했다. 반면 A. Riccobono and E. Santi, "A novel passivity-based stability criterion (PBSC) for switching converter DC distribution systems," in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo, 2012, pp. 2560.2567(이하 선행기술 1) 에서는 수동성 기반 안정성 분석 방법이 제안되었는데, 이는 동작 모드 변경이나 시스템 재구성으로 인해 양방향 전력 흐름이 존재하는 애플리케이션에 효과적이었다.A stability analysis must be performed to ensure the reliability or quality of the bus voltage of a distributed DC power system. Previously, stability analysis was performed with forbidden region-based methods using Nyquist contours of the impedance ratio between source and load, such as the Middlebrook Criterion, Gain and Phase Margin Criterion, and Energy Source Analysis Consortium (ESAC) Criterion. On the other hand, A. Riccobono and E. Santi, "A novel passivity-based stability criterion (PBSC) for switching converter DC distribution systems," in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo, 2012, p. 2560.2567 (hereinafter referred to as Prior Art 1) proposed a passivity-based stability analysis method, which was effective for applications in which bidirectional power flow exists due to operation mode change or system reconfiguration.
수동성 기반 안정성 분석을 위해서는 1 포트 시스템으로 표현되는 버스 임피던스가 필요하며 상기 임피던스는 다음과 같이 표현할 수 있다.For passivity-based stability analysis, a bus impedance expressed as a 1-port system is required, and the impedance can be expressed as follows.
여기서 는 총 버스 임피던스이고 ~ 은 서브시스템의 입력 및 출력 임피던스 (n 소스 변환기 및 m 부하 변환기)이고, 와 는 각각 버스 전압 및 버스 전류이다.here is the total bus impedance and ~ is the input and output impedance of the subsystem (n source transformers and m load transformers), and are the bus voltage and bus current, respectively.
시스템이 에너지를 소비만 하는 경우, 시스템은 수동적이라고 간주되며 는 아래 수식과 같이 표현될 수 있다.If a system only consumes energy, the system is considered passive and can be expressed as the formula below.
선행기술 1에 따르면, 선형 시불변(linear time-invariant)시스템의 경우 다음과 같은 조건이 충족되어야 시스템이 안정적이다.According to
- (s)는 우 반면 극(right half-plane poles)을 포함하지 않음- (s) does not include right half-plane poles
버스 임피던스를 도출하기 위해서는 소스의 출력 임피던스와 부하의 입력 임피던스가 필요하다. 도 5는 전압 제어 루프가 제외되되, 라인 임피던스와 드룹 제어 게인을 포함하는 하나의 소스와 하나의 부하로 이루어진 등가회로가 도시되어 있다.To derive the bus impedance, the output impedance of the source and the input impedance of the load are required. 5 shows an equivalent circuit consisting of one source and one load including line impedance and droop control gain, except for the voltage control loop.
도 4와 도 5로부터, 드룹 제어()를 사용하는 DC VSC의 출력 임피던스는 메이슨의 게인 공식을 적용하여 아래와 같이 표현할 수 있다.4 and 5, the droop control ( ) can be expressed as below by applying Mason's gain formula.
여기서 와 는 저역 통과 필터(LFP)의 차단 주파수, 와 는 전압 컨트롤러의 PI게인(gain), 는 전류 컨트롤러의 대역폭, 은 커패시터의 ESR이다. 덧붙여, 라인 임피던스를 포함하는 소스측의 출력 임피던스 은 아래 수식과 같이 표현할 수 있다.here and Is the cutoff frequency of the low pass filter (LFP), and is the PI gain of the voltage controller, is the bandwidth of the current controller, is the ESR of the capacitor. In addition, the output impedance of the source side including the line impedance can be expressed as the formula below.
도 6은 버스 임피던스의 컷 오프 주파수()의 변화(10Hz에서 100Hz)에 따라 드룹 제어에 사용되는 저역 통과 필터(LPF)의 영향을 도시한 것이다. 도 6a는 보드 선도이며, 도 6b는 극 영점 맵이다.6 shows the cut-off frequency of the bus impedance ( ) shows the effect of the low-pass filter (LPF) used for droop control according to the change (from 10 Hz to 100 Hz). 6A is a Bode diagram, and FIG. 6B is a pole zero map.
저항 부하에서 부하 측의 입력 임피던스는 다음과 같이 표현할 수 있다.In a resistive load, the input impedance on the load side can be expressed as:
덧붙여, 는 정전력 부하(CPL)에서 수식 3으로부터 로 대체될 수 있다. 수식 12와 수식 13을 수식 5로 대체함으로써, 1개의 소스와 1개의 부하를 가진 버스의 임피던스를 다음과 같이 얻을 수 있다.Incidentally, From
본 발명에서는 수동성 기반 안정성 분석을 위해 전압 제어 루프의 드룹 제어 및 대역폭에서 사용되는 저역 통과 필터(LPF)의 차단 주파수의 영향을 검토한다.In the present invention, the influence of the cut-off frequency of the low-pass filter (LPF) used in the droop control and bandwidth of the voltage control loop is examined for passivity-based stability analysis.
도 6은 1개의 소스 및 1개의 정전력 부하(CPL)로 버스 임피던스에 대한 드룹 제어에 사용되는 저역 통과 필터(LPF)의 영향을 보여준다. 도 6a와 도 6b는 버스 임피던스의 보드 플롯과 극 영점 맵이다. 차단 주파수가 50Hz일 때 위상은 400Hz에 가까운 -90ㅀ보다 낮다. 이 경우, 그림 6b와 같이 우측 반평면 극(right half-plane pole)이 없음에도 불구하고 버스 임피던스의 수동성 조건이 충족되지 않는다. 반면 차단 주파수가 40Hz 이하일 때는 수동성 조건이 충족된다.Figure 6 shows the effect of a low pass filter (LPF) used for droop control on bus impedance with one source and one constant power load (CPL). 6A and 6B are Bode plots and pole zero maps of bus impedance. When the cutoff frequency is 50Hz, the phase is lower than -90° close to 400Hz. In this case, the passivity condition of the bus impedance is not satisfied despite the absence of the right half-plane pole as shown in Figure 6b. On the other hand, when the cutoff frequency is below 40Hz, the passivity condition is satisfied.
도 7은 1개의 소스 및 1개의 정전력 부하(CPL)로 버스 임피던스에 대한 전압 제어 루프 대역폭의 영향을 보여준다. 도 7a는 버스 임피던스의 보드 선도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 부분 중 200Hz와 1.5kHz 사이를 확대 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전력 변환기의 전압 제어 루프의 대역폭이 높을수록 불안정성이 발생한다. 대역폭을 600Hz로 설정하면 대역폭 주파수 근처의 위상이 -90ㅀ보다 약간 낮기 때문에 수동 조건이 만족되지 않는다. 도 7c에는 대역폭을 1.5kHz로 선택할 때 오른쪽 반평면 극이 있다.Figure 7 shows the effect of voltage control loop bandwidth on bus impedance with one source and one constant power load (CPL). 7A is a Bode diagram of bus impedance, and FIG. 7B is an enlarged view between 200 Hz and 1.5 kHz of the portion shown in FIG. 7A. As shown in FIG. 7 , instability occurs as the bandwidth of the voltage control loop of the power converter increases. When the bandwidth is set to 600Hz, the passive condition is not satisfied because the phase near the bandwidth frequency is slightly below -90°. In Fig. 7c there is a right half-plane pole when the bandwidth is selected as 1.5 kHz.
환경과 상호 작용하는 독립 스토리지 요소가 있는 비저항 시스템의 네트워크 표현은 포트 제어 해밀턴 시스템(PCHS)의 수학적 모델로 표현될 수 있으며, 아래와 같은 수식으로 표현될 수 있다.The network representation of a resistive system with independent storage elements interacting with the environment can be expressed as a mathematical model of a Port Controlled Hamilton System (PCHS), which can be expressed as:
상기한 수식에서 와 는 상호 연결 및 소산 행렬이다. 는 해밀턴 함수이며, 는 외란(diaturbance) 행렬, g는 외부 포트 연결 행렬, u는 제어 입력, y는 시스템의 출력이다. 위 첨자인 T는 행렬의 전치를 의미한다.in the above formula and is the interconnection and dissipation matrix. is the Hamiltonian function, is the disturbance matrix, g is the external port connection matrix, u is the control input, and y is the output of the system. The superscript T means the transposition of the matrix.
상호 연결 및 진동 할당 수동성 기반 제어(Interconnection and damping assignment passivity-based control, IDA-PBC)의 목표는 제어 대상 시스템의 폐쇄 루프 역학이 소실이있는 PCHS가 되는 상태 피드백 제어 법칙 u=β(x)를 찾는 것이다.The goal of interconnection and damping assignment passivity-based control (IDA-PBC) is to satisfy the state-feedback control law u=β(x) such that the closed-loop dynamics of the controlled system is a PCHS with dissipation. is to find
이하 본 발명의 일실시예에 의한 전압 전원 컨버터 시스템을 모델링한다.Hereinafter, a voltage power converter system according to an embodiment of the present invention is modeled.
전력 및 전류의 진동 성분을 감쇠하기 위해 가상 전압 소스() 및 전류 소스()가 도 5의 등가 회로에 새로 추가되어 도 8에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 전압 전원 컨버터 시스템의 등가회로가 된다. 본 발명은 이러한 가상 전압을 추가하여 전압 및 전류 제어 루프의 기본 구조를 수정하지 않고도 전력 및 전류 진동을 효과적으로 보상 하도록 할 수 있는 효과가 있다.A virtual voltage source ( ) and a current source ( ) is newly added to the equivalent circuit of FIG. 5 to become an equivalent circuit of the voltage power converter system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 8 . The present invention has an effect of effectively compensating for power and current oscillations without modifying the basic structure of the voltage and current control loop by adding such a virtual voltage.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 전압 전원 컨버터 시스템은 적어도 하나의 부하 및 적어도 하나의 컨버터와 DC 버스에 병렬로 연결된 전압 전원 컨버터 시스템에 관한 것으로, 적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고, 상기 DC 버스에 연결되며, DC 전압()을 출력하는 컨버터인 전압 전원 컨버터(VSC)(100), 상기 전압 전원 컨버터(100)의 출력단과 상기 DC 버스 사이에 구비된 라인 인덕터()(200), 전압 전원 컨버터(100)의 출력단의 양의 단자와 음의 단자 사이에 구비된 출력 커패시터(C)(300), 및 상기 출력 커패시터의 양단 전압인 컨버터의 출력 DC 전압(), 상기 DC 버스의 전압(), 상기 전압 전원 컨버터의 입력 전류(), 및 상기 라인 인턱터를 통해서 흐르는 출력 전류()의 측정값 및 상기 컨버터의 출력 DC 공칭 전압 지령치()에 기초하여 상기 반도체 스위치를 제어하는 제어기를 포함한다.Referring to FIG. 8 , a voltage power converter system according to an embodiment of the present invention relates to a voltage power converter system connected in parallel to at least one load and at least one converter and a DC bus, and includes at least one semiconductor switch. And, connected to the DC bus, DC voltage ( A voltage power converter (VSC) 100, which is a converter that outputs ), and a line inductor provided between the output terminal of the
상술한 제어기는 상기 DC 버스의 전력 진동을 감쇠하기 위해 수동성 기반으로 진동 제어하며, 제어기에 대해서는 후술한다.The controller described above performs vibration control based on passivity in order to attenuate power vibration of the DC bus, and the controller will be described later.
도 8에서 전류 및 전압 진동 성분의 동적 방정식은 다음 수식과 같이 표현될 수 있다.In FIG. 8 , dynamic equations of current and voltage oscillation components can be expressed as the following equation.
상기한 식에서 위첨자 ~ 는 진동 성분을 나타낸다.In the above formula, the superscript ~ represents the vibration component.
상술한 수식 17과 18에 의해, PCHS에 대한 상태 변수는 다음과 같이 설정될 수 있다.According to Equations 17 and 18 described above, the state variable for PCHS can be set as follows.
상술한 식에서, D는 다음과 같이 정의된다.In the above formula, D is defined as follows.
제어입력은 다음 수식 21 같이 선택되고, 출력변수는 다음 수식 22와 같이 표현된다.The control input is selected as in Equation 21 below, and the output variable is expressed as in Equation 22 below.
이때, 상기 해밀턴 함수는 다음과 같이 설정된다.At this time, the Hamilton function is set as follows.
상기한 수식 15부터 23까지, DC VSC에서 진동 구성 요소의 PCHS 폼은 다음과 같이 파생된다.From
평형점 에서 안정성을 얻기 위해, 폐쇄 루프 시스템의 원하는 역학 을 다음과 같이 설정할 수 있다.equilibrium point In order to obtain the stability at , the desired dynamics of the closed-loop system can be set as follows:
상기한 수식 30에서 는 평형점 에서 최소화된다. 제어법칙 u=β(x)를 사용하면 소산이 있는 PCHS 폼은 와 을 이용하여 다음과 같이 표현될 수 있다.In
원하는 해밀턴 함수를 기반으로 제어 법칙을 얻으려면 및 를 선택하여 다음 조건을 충족해야한다.To obtain control laws based on the desired Hamiltonian function and must meet the following conditions:
PCHS에 대해 , , 및 벡터 함수 를 찾을 수 있다고 가정하면 원하는 에너지 함수에 대한 PDE 편미분 방정식이 다음과 같이 주어진다.About PCHS , , and vector function Assuming that can be found, the PDE partial differential equation for the desired energy function is given by
상기 수식 36에서 벡터함수 는 다음 조건을 충족해야 한다.In Equation 36 above, the vector function must meet the following conditions:
이러한 조건이 충족되면 폐쇄 루프 시스템은 다음과 같이 소산이 있는 PCH 폼이 된다.When these conditions are met, the closed-loop system becomes a PCH foam with dissipation:
수식 37 ~ 39의 조건을 충족하기 위해 를 다음과 같이 설정할 수 있다.In order to satisfy the conditions of Equations 37 to 39 can be set as follows:
마찬가지로, 와 는 다음과 같이 선택될 수 있다.Likewise, and can be selected as follows.
여기서 와 는 진동 컨트롤러의 이득이다.here and is the gain of the vibration controller.
한편, 도 8에서는 은 낮기 때문에, 전압 전원 컨버터(100)의 커패시터 전압과 출력 전압의 진동 성분은 동일한 것으로 간주된다. 따라서 수식 36으로부터 전력 및 전류 진동 감쇠에 대한 제어 법칙 는 다음과 같이 도출될 수 있다.On the other hand, in FIG. 8 Since is low, the oscillation component of the capacitor voltage and the output voltage of the
여기서 및 는 각 신호의 고역 통과 필터링된 양이다.here and is the high-pass filtered quantity of each signal.
전압 및 전류 기준에 각각 수식 43 및 44를 추가하면 진동에 대한 새로운 기준()이 다음과 같이 얻어진다.Adding Equations 43 and 44 to the voltage and current criteria, respectively, creates a new criterion for vibration ( ) is obtained as follows.
여기서 는 저역 통과 필터링 된 양이다.here is low pass filtered It is a sheep.
도 9는 앞서 설명한 본 발명의 일실시예에 의한 전압 전원 컨버터 시스템에 포함되는 제어기의 블록 다이어그램을 도시한 것이다.9 is a block diagram of a controller included in the voltage power converter system according to an embodiment of the present invention described above.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 전압 전원 컨버터 시스템의 제어기는, 전압 제어 모듈(410)과 전류 제어 모듈(420)을 포함할 수 있다As shown in FIG. 9 , the controller of the voltage power converter system according to an embodiment of the present invention may include a
전압 제어 모듈(410)은 상기 , 상기 , 상기 , 상기 에 기초하여 전압 전원 컨버터의 입력 전류 지령치 을 산출한다.The
전압 제어 모듈(410)은 상술한 바와 같은 동작을 위하여 크게 전압 제어 오차 산출부(도번 미도시)와 전압 제어부(도번 미도시)를 포함할 수 있다.The
상기 전압 제어 오차 산출부는 전압 제어 오차를 산출한다. 보다 구체적으로, 도 9를 참조하면 상기 전압 제어 오차 산출부는 상기 , 상기 , 상기 의 진동 성분, 에 기초한 보상 성분, 및 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분에 기초하여 상기 전압 제어 오차를 산출하며, 상술한 바와 같은 동작을 위해 제1HPF(411) 보상부(412), 고주파 보상부(413), 및 저주파 보상부(414)를 포함할 수 있다.The voltage control error calculator calculates a voltage control error. More specifically, referring to FIG. 9, the voltage control error calculation unit , remind , remind the vibration component of based on compensating component, and based on the high-frequency components of Calculate the voltage control error based on the compensation component, and for the above-described operation, the first HPF (411) Compensation unit 412, a
도 9를 참조하면, 제1HPF(411)는 상기 을 입력 받고 상기 의 진동 성분을 출력하는 고주파 통과 필터일 수 있다.Referring to FIG. 9, the
도 9를 참조하면, 보상부(412)는 상기 을 입력 받고 상기 의 고주파 성분에 비례하는 보상 성분을 출력한다.Referring to Figure 9, Compensation unit 412 is and remind proportional to the high-frequency component of Output the compensation component.
도 9를 참조하면, 고주파 보상부(413)는 상기 의 고주파 성분에 비례하는 고주파 보상 성분을 출력한다.Referring to Figure 9, The
도 9를 참조하면, 저주파 보상부(414)는 상기 의 저주파 성분에 비례하는 저주파 보상 성분을 출력한다.Referring to Figure 9, The
전압 제어부는 상기 전압 제어 오차 산출부로부터 전압 제어 오차를 입력받고, 전압 제어 오차가 줄어들도록 전압 전원 컨버터의 입력 전류 지령치 를 산출한다. 전압 제어부에서 산출된 전압 전원 컨버터의 입력 전류 지령치 는 후술할 전류 제어 모듈(420)로 입력된다.The voltage control unit receives the voltage control error from the voltage control error calculation unit and inputs the input current command value of the voltage power converter to reduce the voltage control error. yields Input current command value of the voltage power converter calculated by the voltage control unit Is input to the
전류 제어 모듈(420)은 제어 순서상 상기 전압 제어 모듈(410)의 후단에 위치할 수 있으며, 상기 , 상기 , 상기 , 상기 에 기초하여 상기 전압 전원 컨버터의 출력 전압 지령치를 산출하며, 상기한 바와 같은 동작을 위해 전류 제어 오차 산출부(도번 미도시)와 전류 제어부(도번 미도시)를 포함할 수 있다.The
전류 오차 산출부는, 에 상기 고주파 보상 성분을 더하고, 보상 성분, 고주파 보상 성분 및 저주파 보상 성분을 빼서 전류 제어 오차를 산출하며, 보상부(HPF2 & k2)(421), HPF1, 고주파 보상부(HPF3)(422) 및 저주파 보상부(LPF1)(423)를 포함할 수 있다.Current error calculator, Remind me to Add a high-frequency compensation component, compensation component, high-frequency compensation component and Calculate the current control error by subtracting the low-frequency compensation component, Compensation unit (HPF2 & k2) 421, HPF1, A high frequency compensator (HPF3) 422 and A low frequency compensator (LPF1) 423 may be included.
보상부(HPF2 & k2)(421)는 상기 을 입력 받고 상기 의 진동 성분에 비례하는 보상 성분을 산출한다. The compensation unit (HPF2 & k2) 421 is and remind proportional to the vibration component of Compensation component is calculated.
HPF1은 상기 을 입력 받고 상기 IDC 고주파 성분에 기초한 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 통과 필터이다. HPF1은 상술했던 고주파 보상부(413)에 포함한다. 즉, HPF1는 전류 오차 산출부에도 포함되며, 상술한 고주파 보상부(413)에도 포함되어 공유된다.HPF1 above is input and based on the IDC high frequency component It is a high-pass filter that outputs a high-frequency compensation component. HPF1 described above It is included in the
고주파 보상부(HPF3)(422)는 상기 을 입력 받고 상기 의 고주파 성분에 비례하는 고주파 보상 성분을 출력한다. 고주파 보상부(HPF3)(422)는 앞서 설명했던 보상부(412)에도 포함된다. 즉, 고주파 보상부(HPF3)(422)는 보상부(412)와 공유된다. The high frequency compensator (HPF3) 422 is and remind proportional to the high-frequency component of Outputs a high-frequency compensation component. The high frequency compensator (HPF3) 422 has been previously described. It is also included in the compensation unit 412. in other words, The high frequency compensator (HPF3) 422 is It is shared with the compensation unit 412.
저주파 보상부(LPF1)(423)는 상기 을 입력 받고 상기 의 저주파 성분에 비례하는 저주파 보상 성분을 출력한다. The low frequency compensator (LPF1) 423 is and remind proportional to the low-frequency component of Output the low-frequency compensation component.
전류 제어부는 상기 전류 제어 오차를 입력받고, 상기 전류 제어 오차가 줄어들도록 상기 반도체 스위치 ON/OFF 지령을 산출한다.The current controller receives the current control error and calculates the semiconductor switch ON/OFF command to reduce the current control error.
도 9에 도시된 전압 제어 모듈(410)과 전류 제어 모듈(420) 각각은 출력 전압과 내부 전류를 조절하는 데 사용된다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 진동의 제어를 추가 제어 입력( 및 )이 전압 소스와 전류 소스에 추가된다. 본 발명에서 드룹 제어는 전압 전원 컨버터간의 전력과 전류의 균형을 맞추는 데 사용된다.Each of the
고역 통과 필터인 HPF1 ~ HPF4는 피드백 신호의 진동 성분을 수집하는 데 사용된다. 피드백 신호에서 스위칭 주파수 리플을 제거하기 위해 LPFv 및 LPFi의 차단 주파수는 스위칭 주파수의 1/10로 설정된다. 드룹 제어의 경우 LPFd를 사용하여 고주파 성분을 제거한다. 필터의 차단 주파수는 표 I에 개시되어 있다.High-pass filters HPF1 to HPF4 are used to collect the vibrational components of the feedback signal. To remove the switching frequency ripple in the feedback signal, the cut-off frequencies of LPFv and LPFi are set to 1/10 of the switching frequency. In the case of droop control, high-frequency components are removed using LPFd. The cutoff frequencies of the filters are listed in Table I.
도 8과 도 9에서 전압 전원 컨버터(DC VSC)의 출력 임피던스는 다음과 같이 유도할 수 있다.8 and 9, the output impedance of the voltage power converter (DC VSC) can be derived as follows.
여기서 , , 및 는 출력전압(), DC-버스 전압(), 출력 전류() 및 입력 전류()에 대한 고역 통과 필터의 전달함수이며, 는 라인 임피던스이다.here , , and is the output voltage ( ), the DC-bus voltage ( ), the output current ( ) and input current ( ) is the transfer function of the high-pass filter for is the line impedance.
수식 27과 30, 41에서 가 와 같으면 다음 조건이 얻어진다.In
따라서 수식 39에서 제시된 조건이 충족되어, 시스템이 안정적이다.Therefore, the condition presented in Equation 39 is satisfied, and the system is stable.
수식 43과 44에서 볼 수 있듯이 제안 된 컨트롤러에 대해 두 가지 이득(, )이 있다. 이러한 이득을 결정하기 위한 기본 조건은 수식 32 및 33에 나와 있다. 그러나 만족스러운 성능을 얻기 위해서는 반복적인 시간 영역 시뮬레이션을 수행해야 한다. 이러한 문제점을 피하기 위해 다음과 같은 이득 선택 기술이 개발되었습니다.As shown in Equations 43 and 44, for the proposed controller there are two gains ( , ) is there. The basic conditions for determining these gains are given in Equations 32 and 33. However, iterative time-domain simulations must be performed to obtain satisfactory performance. To avoid these problems, the following gain selection technique has been developed.
수식 43과 44를 수식 24에 대입하면 감쇠 제어를 위한 시스템 동적 방정식은 다음과 같이 구할 수 있다.Substituting Equations 43 and 44 into Equation 24, the system dynamic equation for damping control can be obtained as follows.
수식 50에서 특성 방정식은 다음과 같이 표현할 수 있다.In
수식 51을 다음과 같은 이차방정식과 비교할 때,When comparing Equation 51 to the quadratic equation
PCHS에 대한 감쇠비 ζ 및 고유 주파수 은 각각 다음과 같이 표현된다.Damping ratio ζ and natural frequency for PCHS are each expressed as:
수식 51 및 52에서 결과 컨트롤러 이득은 다음과 같이 제공된다.In Equations 51 and 52, the resulting controller gain is given by
수식 55와 56에서 고유 주파수 은 전압 제어 루프의 대역폭와 같거나 낮아야한다. 또한 오버 슈트를 방지하기 위해 감쇠비를 단일로 설정할 수 있다.Natural frequencies in Equations 55 and 56 must be less than or equal to the bandwidth of the voltage control loop. In addition, the damping ratio can be set to single to prevent overshoot.
이하 제안된 능동 감쇠 제어 방법의 효과를 검증한다. 여기서 f1 ~ f4는 3Hz로 설정되고 컨트롤러의 고유 주파수 은 전압 제어 루프의 대역폭과 동일하게 설정되며 감쇠비 ζ는 1로 설정한다.Hereinafter, the effect of the proposed active damping control method is verified. where f1 to f4 are set to 3 Hz and the natural frequency of the controller is set equal to the bandwidth of the voltage control loop, and the damping ratio ζ is set to 1.
도 10a와 도 10b는 가 50Hz일 때 기존 방법과 제안 된 방법의 버스 임피던스에 대한 보드 플롯과 극 영점 지도를 보여준다. 기존 방식의 경우 버스 임피던스의 수동성 조건을 만족하지 못하는 반면, 제안 된 제어에서는 400Hz 부근의 위상 보상으로 인해 수동성 조건을 만족한다. 또한, 오른쪽 반평면 극이 있이 없음을 보여준다.10a and 10b show Bode plot and pole zero map of the bus impedance of the existing method and the proposed method are shown when is 50 Hz. In the case of the existing method, the passivity condition of the bus impedance is not satisfied, whereas the proposed control satisfies the passivity condition due to phase compensation around 400Hz. It also shows that there is no right half-plane pole.
도 11b에 도시된 바와 같이, 제안된 방법에서는 오른쪽 반면에 가깝게 위치한 극이 왼쪽 반면에서는 멀리 이동한 것을 볼 수 있다.As shown in Fig. 11b, in the proposed method, it can be seen that the pole located close to the right hand side moved farther away from the left hand hand.
도 11은 전압 제어 루프의 대역폭이 200Hz, 400Hz, 600Hz 및 800Hz로 설정되었을 때의 효과를 보여준다. 도 7에서 알 수 있듯이 전압 제어 루프의 대역폭이 높으면 수동 조건이 충족되지 않는다. 그러나 제안된 방법에 대해 제어 대역폭이 높더라도 도 11a와 같이 위상 보상으로 인해 수동 조건을 만족한다. 또한 그림 11b와 같이 극은 가상 축에서 더 왼쪽 반평면으로 이동한다.11 shows the effect when the bandwidth of the voltage control loop is set to 200 Hz, 400 Hz, 600 Hz and 800 Hz. As can be seen from FIG. 7, the passive condition is not satisfied when the bandwidth of the voltage control loop is high. However, even if the control bandwidth is high for the proposed method, the passive condition is satisfied due to phase compensation as shown in FIG. 11A. Also, as shown in Figure 11b, the pole moves to the left half-plane further on the imaginary axis.
도 12는 소스()의 수가 증가함에 따라 버스 임피던스의 보드 선도가 도시되어 있다. 여기서 각 소스 측의 라인 임피던스는 동일하다고 가정한다. 소스()의 수가 증가함에 따라 크기(dB)는 감소하지만 위상은 변하지 않음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 전원 전압 컨버터 시스템은 더 많은 소스가 연결 되어도 수동성 조건을 만족한다.12 is a source ( The Bode plot of the bus impedance as the number of ) increases is shown. It is assumed here that the line impedance on each source side is the same. sauce( As the number of ) increases, it can be seen that the magnitude (dB) decreases but the phase does not change. Therefore, the power voltage converter system according to the present invention satisfies the passivity condition even when more sources are connected.
도 13은 2개의 소스와 1개의 정전력 부하(CPL)로 구성되는 버스 시스템에 대한 버스 임피던스의 보드 선도를 보여 주며, 여기서 2개의 라인 임피던스가 다르다고 가정한다. 두 라인 임피던스의 차이로 인해 위상이 변하지만, 값은 여전히 수동성 조건을 만족하는 범위 이내에 위치한다. 출력 커패시턴스 변동에 대한 분석 결과는 공간 제한으로 인해 표시되지 않았지만 버스 임피던스의 수동성 조건에 미치는 영향은 상대적으로 덜 중요하다.13 shows a Bode plot of bus impedance for a bus system consisting of two sources and one constant power load (CPL), assuming that the two line impedances are different. Although the phase changes due to the difference between the two line impedances, the value is still within the range that satisfies the passivity condition. Analysis of the output capacitance variation is not shown due to space limitations, but its effect on the passivity condition of the bus impedance is relatively insignificant.
수식 47의 DC 버스 임피던스에는 제어 게인( 및 )이 포함된다. 또는 을 부적절하게 선택하면 수동성 조건이 충족되지 않아 시스템이 불안정해진다.The DC bus impedance in Equation 47 is the control gain ( and ) are included. or Improperly chosen, the passivity condition is not met and the system becomes unstable.
제안된 제어방식을 검증하기 위해 HILS를 수행했다. 도 14는 NI-PXIe-1078 섀시와 모듈(PXIe-1078, 8840, 7821R, PXI-6723) 및 실험실 제어 보드로 구성된 HILS 설정을 보여준다. 제어보드는 DSP(TI-TMS320F28335), FPGA (XILINX-XC3S400-PQ208), 아날로그-디지털 컨버터(MAX11056) 등으로 설계되었다. 도 2에 도시된 직류 마이크로그리드 모델은 Labview 2016에 의해 구현되었고, 전원 전압 컨버터(DC VSC)는 부스트 컨버터로 구현되었으며, 부하는 벅 컨버터(정전력 부하)와 저항으로 구성된다. 시스템 매개 변수는 표 I에 개시되어 있다. 전압 및 전류 컨트롤러의 PI 이득은 컨버터 모델에 대한 소신호 분석을 기반으로 발견되었으며, 전압 제어 모듈(410)의 비례 및 적분 게인은 2.5 및 1508이다. 전류 제어 모듈(420)의 값은 23과 1162이다. 진동 컨트롤러 이득(gain)은 수식 55 및 56에서 = -2.1 및 = 2.5로 결정된다.HILS was performed to verify the proposed control method. Figure 14 shows a HILS setup consisting of an NI-PXIe-1078 chassis and modules (PXIe-1078, 8840, 7821R, PXI-6723) and a lab control board. The control board is designed with a DSP (TI-TMS320F28335), an FPGA (XILINX-XC3S400-PQ208), and an analog-to-digital converter (MAX11056). The DC microgrid model shown in FIG. 2 is implemented by Labview 2016, the power supply voltage converter (DC VSC) is implemented as a boost converter, and the load is composed of a buck converter (constant power load) and a resistor. System parameters are listed in Table I. The PI gains of the voltage and current controllers were found based on small-signal analysis of the converter model, and the proportional and integral gains of the
첫째, 제안된 진동 컨트롤러가 없는 DC 마이크로 그리드의 동적 응답은 각각 도 15와 도 16에 나와 있다. 부하가 0.2 p.u에서 0.8 p.u로 변경되었고, 0.8p.u.에서 0.2 p.u로 돌아간다. 정상 상태에서 제안된 본 발명에서 제안하는 전압 전원 컨버터 시스템의 진동 컨트롤러를 포함하는 방식과 진동 컨트롤러를 포함하지 않은 직류 마이크로그리드의 제어 성능은 거의 유사하며, 정전력 부하 및 저항부하에 충분한 전력을 제공한다. DC 버스 전압의 편차는 도 15b 및 도 16b에 표시된 것처럼 380V의 공칭값의 10% 이내로 유지된다. 부하 전력이 증가하면 출력 전류는 증가하지만,( 및 ) 출력전압은 드룹 제어에 의해 감소한다. 과도 상태에서 의 안정화 시간은 도 16에 도시된 진동 제어의 영향으로 인해 도 15의 설정 시간보다 길어지지만, 도 16c와 도 16d에 도시된 바와 같이 출력 전류의 과도 응답에는 부정적인 영향을 미치지 않는다. 따라서 공급된 전원( 및 )의 과도 응답은 두 방법이 서로 다르지 않다.First, the dynamic response of the DC microgrid without the proposed vibration controller is shown in FIGS. 15 and 16, respectively. The load is changed from 0.2 pu to 0.8 pu, and back to 0.2 pu from 0.8 pu. In a steady state, the control performance of the method including the vibration controller of the voltage power converter system proposed in the present invention and the DC microgrid without the vibration controller are almost similar, and provide sufficient power to the constant power load and resistive load. do. The deviation of the DC bus voltage remains within 10% of the nominal value of 380V as shown in FIGS. 15B and 16B. When the load power increases, the output current increases, but ( and ) The output voltage is reduced by droop control. in transient The stabilization time of is longer than the set time of FIG. 15 due to the influence of the vibration control shown in FIG. 16, but does not negatively affect the transient response of the output current as shown in FIGS. 16c and 16d. Therefore, the supplied power ( and ), the transient response of the two methods is not different.
둘째, 본 발명에서 제안하는 컨트롤러의 우수성이 파라미터 변동에 대해 입증되었다. 파라미터 변경은 다음 네 가지 종류가 있다.Second, the superiority of the controller proposed in the present invention was demonstrated for parameter variation. There are four types of parameter change:
- 드룹 제어를 위한 저역 통과 필터의 차단 주파수 - Cutoff frequency of low pass filter for droop control
- 전압 제어 루프의 대역폭 - Bandwidth of the voltage control loop
- DC VSC의 출력 커패시턴스 ()- output capacitance of DC VSC ( )
- DC 버스 커패시턴스 ()- DC bus capacitance ( )
부하전력의 변화는 부하 저항()을 변경하여 이루어진다.The change in load power is the load resistance ( ) is made by changing
도 17은 특별한 진동 컨트롤러 없이 드룹 컨트롤러의 저역 통과 필터(LPF)만 사용하는 경우 직류 마이크로그리드의 과도응답을 보여준다. 부하조건은 0.2 p.u.에서 0.8 p.u.로 변경되며, 다시 0.8 p.u.에서 0.2 p.u로 돌아간다. 도 17i에서는 가 50Hz일 때의 결과이며, DC 버스 전압의 편차는 공칭 전압 380V의 ㅁ10% 이내로 유지된다. 그러나 도 6에서 예상한 바와 같이, 특별한 진동 컨트롤러 없이 드룹 컨트롤러의 저역 통과 필터(LPF)만 사용하는 경우, 수동성 조건이 충족되지 않으므로, 큰 진동 성분이 나타나며, 부하 전력 및 DC 버스 전압에서 진동 성분의 크기는 부하조건이 0.8 p.u인 상태에서 각각 3kW 및 20V이다.17 shows the transient response of the DC microgrid when only the low-pass filter (LPF) of the droop controller is used without a special vibration controller. The load condition is changed from 0.2 pu to 0.8 pu, and then from 0.8 pu to 0.2 pu. In Figure 17i This is the result when is 50Hz, and the deviation of the DC bus voltage is maintained within ㅁ10% of the nominal voltage of 380V. However, as expected from FIG. 6, when only the low-pass filter (LPF) of the droop controller is used without a special vibration controller, since the passivity condition is not satisfied, a large vibration component appears, and the vibration component of the load power and DC bus voltage The sizes are 3 kW and 20 V, respectively, with a load condition of 0.8 pu.
도 17(ii)은 전압 제어 루프()의 대역폭을 200Hz로 설정하고 를 40Hz로 유지했을 때의 결과를 도시한 것이다. 이 경우, 도 7과 같이 버스 임피던스의 수동성 조건이 만족된다. 따라서 부하 전력과 DC 버스 전압의 진동 성분이 상대적으로 낮다. 반면에 부하가 0.8p.u로 증가하면 전압 제어 루프의 낮은 대역폭으로 인해 (c) ~ (f)와 같이 출력 전류 및 전압에 진동 성분이 나타난다.17(ii) shows a voltage control loop ( ) set the bandwidth to 200 Hz and It shows the result when kept at 40 Hz. In this case, the passivity condition of the bus impedance is satisfied as shown in FIG. 7 . Therefore, the oscillation components of load power and DC bus voltage are relatively low. On the other hand, when the load increases to 0.8pu, oscillation components appear in the output current and voltage as shown in (c) to (f) due to the low bandwidth of the voltage control loop.
도 17(iii)은 DC VSC의 출력 커패시턴스가 2000μF로 설정된 경우 과도 응답을 보여준다. 일반적으로 출력 커패시턴스 증가와 같은 매개 변수 변화로 인해 PI 컨트롤러가 디튜닝되며(detuned), 따라서 동작점이 변경되면 불안정해질 수 있다. 커패시턴스를 증가 시키면 수동성 조건이 충족되지 않음을 알 수 있다.17(iii) shows the transient response when the output capacitance of DC VSC is set to 2000 μF. Typically, a change in a parameter such as an increase in output capacitance detunes the PI controller and can therefore become unstable when the operating point changes. It can be seen that the passivity condition is not met when the capacitance is increased.
도 17(iii)의 (a)와 (b)에서는 부하 전력 및 DC-버스 전압의 진동 성분이 부하가 0.2 p.u에서 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 진동 성분은 부하가 0.8 p.u에서 훨씬 증가한다. 도 17(iV)은 DC-bus 커패시턴스를 1000μF로 설정했을 때의 성능을 보여주며, 부하가 0.2 p.u,일 때 진동 성분이 없음을 알 수 있다. 그러나 부하가 0.8p.u로 증가하면 (b)와 같이 버스 전압에 피크 대 피크 값이 80V인 큰 진동이 나타난다.In (a) and (b) of FIG. 17(iii), it can be seen that the vibration components of the load power and DC-bus voltage appear at the load of 0.2 p.u. Also, the vibration component is greatly increased at the load of 0.8 p.u. 17 (iV) shows the performance when the DC-bus capacitance is set to 1000 μF, and it can be seen that there is no vibration component when the load is 0.2 p.u. However, when the load increases to 0.8p.u, a large oscillation with a peak-to-peak value of 80V appears in the bus voltage as shown in (b).
도 18은 초기에 진동 컨트롤러 없는 상태에서 잠시 후에 진동 제어로 작동되는 직류 마이크로그리드의 작동 성능을 보여준다. 이때 부하 조건은 0.8 p.u.이다. 도 18 (i) ~ (iV)의 네 가지 경우에 사용 된 매개 변수 값은 각각 도 17 (i) ~ (iV)와 동일하게 설정된다. 초기 작동 중에는 전력, 전압 및 전류 진동이 높으나, 본 발명에서 제안되는 진동 제어가 적용된 후에는 모든 진동 구성 요소가 일부 과도 간격에서 크게 감소한다. 또한 도 18 (c)와 (d), (g)와 (h)에서 볼 수 있듯이 두 전압 전원 컨버터(DC VSC) 사이에서는 전류 및 전력 공유가 용이하게 수행된다. 매개 변수 변경의 네 가지 경우에서 컨트롤러 이득( 및 )이 업데이트되지 않았으며, 이는 매개 변수 변화에 대한 제안 된 방식의 견고성을 보여준다.18 shows the operating performance of a DC microgrid initially operated without a vibration controller and then with vibration control after a while. At this time, the load condition is 0.8 pu. The parameter values used in the four cases of Fig. 18 (i) to (iV) are set the same as those in Fig. 17 (i) to (iV), respectively. During initial operation, the power, voltage, and current oscillations are high, but after the vibration control proposed in the present invention is applied, all the oscillation components greatly decrease in some transient intervals. Also, as shown in (c) and (d), (g) and (h) of FIG. 18, current and power sharing is easily performed between the two voltage power converters (DC VSC). Controller gain in four cases of parameter change ( and ) was not updated, which shows the robustness of the proposed scheme to parameter changes.
제안된 제어 방식의 감쇠 성능을 조사하기 위한 실험이 수행되었다. 3상 다이오드 정류기, 부스트 컨버터 2개, 벅 컨버터 부하 및 저항 부하로 구성된 소규모 100V DC 전원 시스템의 하드웨어 설정은 도 19와 같이 구축되었다. 시스템 매개 변수는 표 2에 나열되어 있다. DSP에서 제안 된 감쇠 제어 알고리즘의 실행 시간은 34μs이다. = 200Hz의 잘못된 설정으로 인해 불안정한 조건에서 실험 테스트가 수행되었다. 제안된 진동 컨트롤러 없이 가 130Hz보다 낮게 설정되면 수동성이 충족된다. 부하 전력은 이 일정한 벅 컨버터의 출력 전압 크기를 조정하여 변경된다.An experiment was conducted to investigate the damping performance of the proposed control scheme. The hardware configuration of a small-scale 100V DC power supply system consisting of a three-phase diode rectifier, two boost converters, a buck converter load, and a resistive load was constructed as shown in FIG. System parameters are listed in Table 2. The execution time of the proposed decay control algorithm in DSP is 34 μs. Experimental tests were performed under unstable conditions due to incorrect settings of = 200 Hz. Without suggested vibration controller When is set lower than 130 Hz, passivity is satisfied. load power is This constant is changed by scaling the output voltage of the buck converter.
도 20은 부하 전력이 200W에서 450W로 변경되었다가 다시 200W로 변경 될 때 제안 된 능동 진동 제어가 없는 직류 마이크로그리드의 응답을 보여준다. 여기서 는 200Hz로 설정된다. 도 20a 및 도 20b에서 볼 수 있듯이 부하 전력 및 DC 버스 전압의 진동 성분은 부하 전력이 250W일 때 크게 증가하지 않는다. 그러나 450W에서 전압 전원 컨버터(DC VSC)의 전류, 전압 및 전력은 버스 임피던스의 수동성 조건이 충족되지 않기 때문에 출력의 진동 성분은 현저하게 증가한다.20 shows the response of the proposed DC microgrid without active vibration control when the load power is changed from 200W to 450W and then back to 200W. here is set to 200 Hz. As shown in FIGS. 20A and 20B , vibration components of the load power and the DC bus voltage do not greatly increase when the load power is 250W. However, at 450W, the current, voltage, and power of the voltage power converter (DC VSC) significantly increase the oscillation component of the output because the passivity condition of the bus impedance is not satisfied.
도 21은 제안된 제어 방법이 있는 경우와 없는 경우 각각의 직류 마이크로그리드의 작동 성능을 보여준다. 처음에는 진동 제어가 적용되지 않으므로 높은 진동 구성 요소가 나타나나, 진동 제어가 활성화 된 후 진동 구성 요소가 크게 억제된다. 또한 두 전압 전원 컨버터(DC VSC)( 및 ) 사이의 전력 공유는 도 21 (g) 및 (h)과 같이 달성된다.21 shows the operating performance of each DC microgrid with and without the proposed control method. At first, no vibration control is applied, so high vibration components appear, but after vibration control is activated, the vibration components are greatly suppressed. In addition, two voltage power converters (DC VSC) ( and ) is achieved as shown in FIGS. 21 (g) and (h).
도 22는 제안된 방법에 따른 직류 마이크로 그리드의 응답을 보여준다. 전체적으로 도 20에 나타난 것과 비교하여 진동 성분이 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있다. 실험 테스트에서 가 130Hz보다 높기 때문에 실험 테스트에서 과도 응답이 가 40Hz로 설정된 HILS 결과보다 빠르다는 것을 알 수 있다. 의 값은 앞서 논의 된 바와 같이 충족되어야하는 버스 임피던스의 수동성 조건에 따라 선택된다.22 shows the response of the DC microgrid according to the proposed method. Overall, it can be seen that the vibration component is significantly reduced compared to that shown in FIG. 20 . in the experimental test is higher than 130 Hz, so the transient response in the experimental test It can be seen that is faster than the HILS result set to 40 Hz. The value of is chosen according to the passivity condition of the bus impedance which must be satisfied as discussed earlier.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above embodiments, and the scope of application is diverse, and anyone with ordinary knowledge in the field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims Of course, various modifications are possible.
100 : 전압 전원 컨버터
200 : 라인 인덕터
300 : 출력 커패시터
410 : 전압 제어 모듈
411 : 제1HPF
412 : 보상부
413 : 고주파 보상부
414 : 저주파 보상부
420 : 전류 제어 모듈
421 : 보상부
422 : 고주파 보상부
423 : 저주파 보상부100: voltage power converter
200: line inductor
300: output capacitor
410: voltage control module
411: 1st HPF
412: reward department
413: high frequency compensator
414: low frequency compensation
420: current control module
421: reward department
422: high frequency compensator
423: low frequency compensation
Claims (8)
적어도 하나의 반도체 스위치를 포함하고, 상기 DC 버스에 연결되며, DC 전압을 출력하는 컨버터인 전압 전원 컨버터(VSC);
상기 전압 전원 컨버터의 출력단과 상기 DC 버스 사이에 구비된 라인 인덕턴스();
상기 전압 전원 컨버터의 출력단의 양의 단자와 음의 단자 사이에 구비된 출력 커패시터(C); 및
상기 출력 커패시터의 양단 전압인 컨버터의 출력 DC 전압(), 상기 DC 버스의 전압(), 상기 전압 전원 컨버터의 입력 전류(), 및 상기 라인 인턱터를 통해서 흐르는 출력 전류()의 측정값 및 상기 컨버터의 출력 DC 공칭 전압 지령치()에 기초하여 상기 반도체 스위치를 제어하는 제어기;를 포함하고,
상기 제어기는,
DC 버스의 전력 진동을 감쇠하기 위해 수동성 기반(Passivity-based)으로 전력의 진동을 제어하고,
상기 제어기는,
상기 , 상기 , 상기 , 상기 에 기초하여 전압 전원 컨버터의 입력 전류 지령치 을 산출하는 전압 제어 모듈; 및
상기 , 상기 , 상기 , 상기 에 기초하여 상기 전압 전원 컨버터의 출력 전압 지령치를 산출하는 전류 제어 모듈;을 포함하며,
상기 전압 제어 모듈은,
전압 제어 오차를 산출하는 전압 제어 오차 산출부;
상기 전압 제어 오차를 입력받고, 상기 전압 제어 오차가 줄어들도록 상기 를 산출하는 전압 제어부;를 포함하고,
상기 전압 제어 오차 산출부는,
상기 , 상기 , 상기 의 진동 성분, 에 기초한 보상 성분, 및 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분에 기초하여 상기 전압 제어 오차를 산출하는 것
을 특징으로 하는 전압 전원 컨버터 시스템.
A voltage power converter system connected in parallel to a DC bus with at least one load and at least one converter, comprising:
a voltage power converter (VSC) including at least one semiconductor switch, connected to the DC bus, and outputting a DC voltage;
Line inductance provided between the output terminal of the voltage power converter and the DC bus ( );
an output capacitor (C) provided between a positive terminal and a negative terminal of the output terminal of the voltage power converter; and
The output DC voltage of the converter, which is the voltage across the output capacitor ( ), the voltage of the DC bus ( ), the input current of the voltage power converter ( ), and the output current flowing through the line inductor ( ) and the output DC nominal voltage command value of the converter ( ) Based on the controller for controlling the semiconductor switch; includes,
The controller,
In order to attenuate the power oscillation of the DC bus, the oscillation of power is controlled based on passivity,
The controller,
remind , remind , remind , remind The input current command value of the voltage power converter based on A voltage control module that calculates; and
remind , remind , remind , remind A current control module for calculating an output voltage command value of the voltage power converter based on; includes,
The voltage control module,
a voltage control error calculation unit that calculates a voltage control error;
The voltage control error is received, and the voltage control error is reduced. Including; voltage control unit that calculates
The voltage control error calculator,
remind , remind , remind the vibration component of based on compensating component, and based on the high-frequency components of Calculating the voltage control error based on a compensation component
A voltage power converter system characterized by a.
상기 전압 제어 오차 산출부는,
상기 을 입력 받고 상기 의 진동 성분을 출력하는 고주파 통과 필터인 제 4 HPF(HPF4);
상기 을 입력 받고 상기 의 고주파 성분에 비례하는 보상 성분을 출력하는 보상부(HPF3 및 rc); 및
상기 의 고주파 성분에 비례하는 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 보상부; 및
상기 의 저주파 성분에 비례하는 저주파 보상 성분을 출력하는 저주파 보상부;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압 전원 컨버터 시스템.
According to claim 1,
The voltage control error calculator,
remind and remind a fourth HPF (HPF4) which is a high-pass filter outputting a vibration component of;
remind and remind proportional to the high-frequency component of outputting the compensation component compensation units (HPF3 and rc); and
remind proportional to the high-frequency component of outputting high-frequency compensation components high frequency compensator; and
remind proportional to the low-frequency component of Outputting the low frequency compensation component Including; low frequency compensation unit
Characterized by a voltage power converter system.
상기 전압 제어 오차 산출부는,
상기에 상기 의 진동 성분을 더하고, 보상 성분, 고주파 보상 성분, 및 저주파 보상 성분을 빼서 상기 전압 제어 오차를 산출하는 것
을 특징으로 하는 전압 전원 컨버터 시스템.
According to claim 4,
The voltage control error calculator,
remind Remind me to Add the vibration component of compensation component, a high-frequency compensation component, and Calculating the voltage control error by subtracting a low frequency compensation component
Characterized by a voltage power converter system.
상기 전류 제어 모듈은,
전류 제어 오차를 산출하는 전류 제어 오차 산출부; 및
상기 전류 제어 오차를 입력받고, 상기 전류 제어 오차가 줄어들도록 상기 반도체 스위치 ON/OFF 지령을 산출하는 전류 제어부;를 포함하고,
상기 전류 제어 오차 산출부는,
상기 , 상기 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분, 의 고주파 성분에 기초한 보상 성분, 에 기초한 보상 성분에 기초하여 상기 전류 제어 오차를 산출하는 것
을 특징으로 하는 전압 전원 컨버터 시스템.
According to claim 1,
The current control module,
a current control error calculation unit that calculates a current control error; and
A current controller receiving the current control error and calculating the semiconductor switch ON/OFF command to reduce the current control error;
The current control error calculator,
remind , remind based on the high-frequency components of compensation component, based on the high-frequency components of compensation component, based on Calculating the current control error based on a compensation component
Characterized by a voltage power converter system.
상기 전류 제어 오차 산출부는,
상기 을 입력 받고 상기 의 진동 성분에 비례하는 보상 성분을 산출하는 보상부(HPF2 및 k2);
상기 을 입력 받고 상기 IDC 고주파 성분에 기초한 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 통과 필터인 제 1 HPF(HPF1);
상기 을 입력 받고 상기 의 고주파 성분에 비례하는 고주파 보상 성분을 출력하는 고주파 보상부(HPF3); 및
상기 을 입력 받고 상기 의 저주파 성분에 비례하는 저주파 보상 성분을 출력하는 저주파 보상부(LPF1);를 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압 전원 컨버터 시스템.
According to claim 6,
The current control error calculator,
remind and remind proportional to the vibration component of Calculating the Compensation Component compensation units (HPF2 and k2);
remind is input and based on the IDC high frequency component a first HPF (HPF1) that is a high-pass filter that outputs a high-frequency compensation component;
remind and remind proportional to the high-frequency component of outputting high-frequency compensation components a high frequency compensator (HPF3); and
remind and remind proportional to the low-frequency component of Outputting the low frequency compensation component Including; low frequency compensator (LPF1)
Characterized by a voltage power converter system.
상기 전류 제어 오차 산출부는,
에 상기 고주파 보상 성분을 더하고, 보상 성분, 고주파 보상 성분 및 저주파 보상 성분을 빼서 상기 전류 제어 오차를 산출하는 것
을 특징으로 하는 전압 전원 컨버터 시스템.According to claim 7,
The current control error calculator,
Remind me to Add a high-frequency compensation component, compensation component, high-frequency compensation component and Calculating the current control error by subtracting a low frequency compensation component
Characterized by a voltage power converter system.
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JP2016082661A (en) * | 2014-10-15 | 2016-05-16 | 株式会社明電舎 | Method for suppressing cross current of power converter |
KR102061988B1 (en) * | 2015-09-30 | 2020-01-02 | 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤 | Uninterruptible power supply |
JP6750508B2 (en) * | 2017-01-11 | 2020-09-02 | 住友電気工業株式会社 | Power converter and harmonic suppression method thereof |
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-
2020
- 2020-12-31 KR KR1020200189284A patent/KR102500296B1/en active IP Right Grant
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JP6750508B2 (en) * | 2017-01-11 | 2020-09-02 | 住友電気工業株式会社 | Power converter and harmonic suppression method thereof |
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