KR20060112747A - Improved adaptive predictive filter for generating reference signal and active power filter using the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 능동전력필터의 구성 및 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the configuration and operation principle of a general active power filter.
도 2는 종래 기술의 기준신호발생기(100)의 데이터 흐름을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing the data flow of the
도 3은 종래 기술의 적응예측필터(30)의 데이터 처리 흐름을 설명하기 위한 블록도이다. 3 is a block diagram illustrating a data processing flow of the
도 4는 본 발명의 개선된 기준신호발생기의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한다.4 schematically shows a preferred embodiment of the improved reference signal generator of the present invention.
도 5는 리키지 팩터(leakage factor)를 0.5에서 0.999까지 변화시켰을 때 적응예측필터 출력에 포함된 THD(Total harmonic Distortion)를 나타낸다. 5 shows the total harmonic distortion (THD) included in the adaptive prediction filter output when the leakage factor is changed from 0.5 to 0.999.
도 6의 (a)는 부하전류의 파형, (b)와 (c)는 부하전류가 종래 기술의 기준신호발생기를 통과하였을 때 발생하는 적응예측필터의 출력과 필터계수의 주파수응답을 나타낸다.6 (a) shows the waveform of the load current, and (b) and (c) show the frequency response of the output and the filter coefficient of the adaptive prediction filter generated when the load current passes through the reference signal generator of the prior art.
도 7은 종래 기술의 기준신호발생기에 대하여 20초 동안 진행된 시뮬레이션 결과를 도시한다.7 shows a simulation result performed for 20 seconds with respect to the conventional reference signal generator.
도 8은 부하전류가 본 발명의 기준신호발생기를 통과하였을 때 발생하는 적응예측필터의 출력과 필터계수의 주파수응답을 나타낸다.8 shows the frequency response of the filter coefficient and the output of the adaptive prediction filter generated when the load current passes through the reference signal generator of the present invention.
도 9는 부하 변동 시 본 발명의 기준신호발생기의 동작 상태를 확인하기 위해 실시한 시뮬레이션 결과이다.9 is a simulation result carried out to check the operating state of the reference signal generator of the present invention when the load changes.
도 10은 본 발명의 기준신호발생기를 하드웨어로 구현하여 테스트하기 위한 시험 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.10 schematically shows the configuration of a test apparatus for testing by implementing the reference signal generator of the present invention in hardware.
도 11은 본 발명의 적응예측필터를 기본으로 한 기준신호발생기의 동작을 나타낸 것이다.11 shows the operation of a reference signal generator based on the adaptive prediction filter of the present invention.
도 12는 데드비트 전류제어기에 의한 능동전력필터의 동작을 나타낸다.12 shows the operation of the active power filter by the dead bit current controller.
도 13의 (a)는 부하가 20% 스텝 증가할 때, (b)는 부하가 20% 스텝 감소할 때의 보상된 전원 측의 전류와 기준신호발생기의 interpolator 출력인 기본파 성분을 나타낸다.(A) of FIG. 13 shows the fundamental wave component which is the interpolator output of the reference signal generator and the current on the compensated power supply side when the load increases by 20% step.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 410: 피크 검출기 20, 420: 전치필터10, 410:
30, 430: 적응예측필터 40, 440: interpolator30, 430:
435: 기본파 크기 보정부 435: fundamental wave size correction unit
본 발명은 능동전력필터 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적응예측필터의 성능을 개선하여 위상 지연이 없는 기준신호를 정확히 추출할 수 있는 기준신호 발생기를 제공하며, 또한, 이를 활용한 고성능 능동전력필터 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to an active power filter system, and more particularly, to provide a reference signal generator capable of accurately extracting a reference signal without phase delay by improving the performance of the adaptive prediction filter. To provide a filter system.
최근 비선형 부하인 전력 전자 기기의 보급이 보편화되면서 고조파전류에 의해 발생되는 문제가 심각하다. 고조파전류는 교류계통의 단자전압을 왜곡하여 연계된 전력기기에 과열과 진동을 유발시킨다. 따라서 고조파전류는 전력기기의 수명단축과 교류계통의 고장을 초래한다.Recently, as the spread of power electronic devices, which are nonlinear loads, becomes more common, a problem caused by harmonic currents is serious. Harmonic currents distort the terminal voltage of the AC system, causing overheating and vibration in the associated power equipment. Therefore, harmonic current shortens the life of power equipment and breaks down AC system.
비선형 부하에 의해 발생된 고조파전류를 효과적으로 제거하기 위해 고안된 전력전자기기가 능동전력필터(Active Power Filter)이다. 능동전력필터의 기능은 부하전류에 포함된 고조파와 크기가 같고 위상이 반대인 전류를 부하와 병렬로 주입하여 전원 측에서는 왜곡이 없는 기본파 성분에 해당하는 전류만 공급되도록 하는 것이다. 따라서 능동전력필터의 성능은 인버터의 특성, 고조파전류 제어방식, 그리고 기준전류신호를 추출하는 방식에 따라 결정된다.An active power filter is a power electronic device designed to effectively remove harmonic currents generated by nonlinear loads. The function of the active power filter is to inject a current having the same magnitude and opposite phase as the harmonic included in the load current in parallel with the load so that only the current corresponding to the fundamental wave component without distortion is supplied from the power supply side. Therefore, the performance of the active power filter is determined by the characteristics of the inverter, the harmonic current control method, and the method of extracting the reference current signal.
부하전류로부터 기준전류신호를 추출하는 방식으로는, 부하전류를 Notch 필터를 통과시켜 얻는 방법이나 또는 직각좌표변환에 의한 순시전력이론을 이용하여 얻는 방법이 제안되어 있다. 그러나 Notch 필터를 사용할 경우 기준신호에 위상지연을 가져오게 되는 단점이 있다. 순시전력이론에 의한 방법은 부하전류, 전원전압, 능동전력필터의 주입전류를 측정하여 복잡한 좌표변환과 역변환을 수행하여야 하고 저역필터를 사용해야한다.As a method of extracting a reference current signal from a load current, a method of obtaining a load current through a Notch filter or a method of obtaining an instantaneous power theory by rectangular coordinate transformation has been proposed. However, when the notch filter is used, a phase delay is caused in the reference signal. In the instantaneous power theory method, complex coordinate transformation and inverse transformation should be performed by measuring load current, supply voltage, and injection current of active power filter, and low-pass filter should be used.
위 방법들의 단점을 극복하기 위해, 능동전력필터로의 응용을 위해 위상지연이 없는 기준전류신호를 생성하기 위한 적응예측필터의 적용이 1998년에 Valiviita와 Ovaska에 의해 처음으로 발표 되었다[S. Valiviita and S. J. Ovaska, "Delayless method to generate current reference for active filters." IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 45, pp. 559∼567, Aug. 1998.]. 상기 논문에서는 기준신호를 추출하기 위해 전치필터, 적응예측필터, 피크검출기, Lagrange interpolator로 구성된 기준신호발생기를 제안하고, MATLAB 시뮬레이션에 의해 그 성능을 평가한 내용을 기술하고 있다.To overcome the drawbacks of the above methods, the application of an adaptive predictive filter to generate a reference current signal without phase delay for its application as an active power filter was first published in 1998 by Valiviita and Ovaska [S. Valiviita and S. J. Ovaska, "Delayless method to generate current reference for active filters." IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 45, pp. 559-567, Aug. 1998.]. In this paper, we propose a reference signal generator consisting of a pre-filter, adaptive prediction filter, peak detector, and Lagrange interpolator to extract the reference signal, and describe the performance evaluation by MATLAB simulation.
능동전력필터 시스템의 전체 구성:Overall configuration of the active power filter system:
능동전력필터 시스템의 기본적인 기능은 비선형 부하에 공급되는 전원전류의 고조파 성분을 경감시키는 것이다. 도 1은 일반적인 능동전력필터의 구성 및 작동원리를 설명하기 위한 도면이다. 능동전력필터(300)는 부하와 병렬 또는 직렬로 연결되나 전력계통에서 일반적으로 사용되는 방식은 도 1과 같이 부하(500)와 병렬 결합되는 방식이다.The basic function of an active power filter system is to mitigate the harmonic content of the supply current supplied to a nonlinear load. 1 is a view for explaining the configuration and operation principle of a general active power filter. The
도 1과 같이, 능동전력필터(300)가 부하(500)에 흐르는 고조파전류와 위상이 같고 크기가 반대인 전류(iF)를 병렬로 연결점에 공급하면 키르히호프의 법칙에 의해 전원전류는 기본파 성분만 남게 된다. 이를 실제로 구현하기 위해서는 부하전류를 검출하여 기준신호발생기를 통해 능동전력필터가 계통에 주입해야 되는 기준 전류신호 를 다음 수식과 같이 산출한다.As shown in FIG. 1, when the
(1) (One)
여기서 은 비선형 부하에 의해 왜곡된 부하전류이고 은 부하전류에 포함된 기본파 성분이다. 이렇게 산출된 기준 전류 는 인버터 출력 전류가 이를 추종하도록 스위칭 펄스를 만들어 낸다.here Is the load current distorted by nonlinear load Is the fundamental wave component included in the load current. So calculated reference current Generates a switching pulse so that the inverter output current follows it.
수식 (1)에 표현된 기준신호 발생 과정은, 이론적으로는 간단하나, 문제는 고조파전류를 포함한 부하전류에서 어떻게 기본파성분을 제거한 고조파 기준신호를 실제로 얻는가이다. 이를 위해 처음으로 제안된 것이 기본파성분을 제거하는 Notch 필터의 사용이다. 이 경우 고조파성분의 추출은 가능하나 추출된 고조파가 위상이 지연되는 문제가 발생한다. 위상지연의 문제를 효과적으로 해결하기 위해 3상 비선형부하의 경우 순시좌표변환을 사용하여 기본파성분을 직류성분으로 바꾸고 저역통과필터(Low-Pass Filter)를 통해 기본파 성분을 추출하여 결국 고조파전류를 포함하는 기준신호를 발생하는 순시전력이론에 의한 방법이 제안되었는데 이 방법의 단점은 입력센서가 많이 필요하고 복잡한 좌표변환이 필요하다는 것이다.The process of generating the reference signal represented by Equation (1) is simple in theory, but the problem is how to actually obtain the harmonic reference signal from which the fundamental wave components are removed from the load current including the harmonic current. The first proposal for this is the use of a notch filter to remove fundamental components. In this case, it is possible to extract harmonic components, but there is a problem that the extracted harmonics are delayed in phase. In order to effectively solve the problem of phase delay, in case of 3-phase nonlinear load, instantaneous coordinate transformation is used to change the fundamental wave component into direct current component, and the low-pass filter extracts the fundamental wave component. The method by the instantaneous power theory to generate the reference signal is included. The disadvantage of this method is that it requires a lot of input sensors and complex coordinate transformation.
기준신호발생기(100)의 구성:Configuration of the reference signal generator 100:
도 2는 종래 기술의 기준신호발생기(100)의 데이터 흐름을 나타내는 블록도이다. 종래 기술의 기준신호발생기(100)는, 피크검출기(10), 전치필터(pre-filter)(20), 적응예측필터(adaptive predictive filter)(30), 그리고 Lagrange interpolator(40)로 구성되어 있다.2 is a block diagram showing the data flow of the
먼저 적응예측필터(30)는 입력신호의 크기가 크게 변하면 처리가 어렵기 때문에 측정된 값을 피크치로 나누어 정규화(normalization)를 시킨다. 적응예측필터(30)를 통과한 신호에는 측정된 피크값이 곱하여져 역정규화(denormalization)된다. 정규화된 신호의 원하지 않는 주파수 성분을 제거하기 위해, 저역통과 필터(20)로 필터링한다. 만약 원래의 왜곡된 신호가 직접 적응예측필터(30)로 들어가게 되면 최소자승법(LMS) 알고리즘이 모든 correlation 요소에 민감하기 때문에 필터계수의 적응 수행을 방해하게 되기 때문이다.First, since the
전치필터(20)에는 통과영역 차단주파수(passband cut-off frequency)와 stopband 리플이 각각 0.17, 10dB인 5차 Chebyshev II IIR(infinite impulse response) 필터를 사용하여 성능 시험을 수행하였다. 이때, 전치필터(20)의 샘플링 주파수는 1.67㎑ 이므로 통과영역 차단주파수 값은 142㎐가 된다. 따라서 5차, 7차 그리고 그 이상의 고조파는 전치필터(20)에 의해 제거된다. 또한 이 전치필터(20)에서 발생되는 위상지연 문제는 적응예측필터(30)에서 보상된다.The
1.67㎑의 샘플링 주파수는 능동전력필터(100)에서 인버터의 PWM(Pulse Width Modulation)스위칭에 적용하기에는 다소 낮고, 샘플링에 의한 고조파 발생을 제거하기 위해서는 10kHz정도의 샘플링 주파수가 요구되므로 이를 위해 2차 Lagrange interpolator(40)를 적용하였다.The sampling frequency of 1.67 ㎑ is rather low to apply to PWM (Pulse Width Modulation) switching of the inverter in the
적응예측필터(30):Adaptive prediction filter 30:
도 3은 종래 기술의 적응예측필터(30)의 데이터 처리 흐름을 설명하기 위한 블록도이다. 적응예측필터(30)는 10㎑로 샘플링을 높이기 위해, 한 step 먼저 예측해야 한다. 그래서 도 3과 같이 전치필터(20)를 통과한 신호를 한 step지연시킨 후, 이를 적응예측필터가 처리하게 된다. 기본적으로 적응예측필터(30)는 one-step-ahead 예측기로 동작한다.3 is a block diagram illustrating a data processing flow of the
적응예측필터(30)는 FIR(finite impulse response) 필터를 기반으로 되어 있다. 그리고 필터계수의 적응처리는 Widrow-Hoff 최소자승법(Least Mean Square)기반으로 되어있으며, 그 알고리즘은 다음과 같다.The
(2) (2)
이 수식에서 계수 적응에 관여하는 에러는 다음 수식에 의해 정의된다.The error involved in coefficient adaptation in this equation is defined by the following equation.
(3) (3)
여기서 는 필터 계수벡터이고, 는 필터의 데이터 벡터이다. N은 FIR 필터의 길이이다. 식 (2)에 사용된 는 LMS 알고리즘의 안정성을 보장하기 위해 충분히 작게 선택되어진 값이다. 값의 선택은 항상 적응률과 전반적인 시스템의 안정성 사이에서 트레이드-오프(trade-off)관계에 있다. 여기에서는 =0.002, =22로 선택되었다.here Is the filter coefficient vector, Is the data vector of the filter. N is the length of the FIR filter. Used in equation (2) Is a value chosen small enough to ensure the stability of the LMS algorithm. The choice of value is always a trade-off between adaptation rate and overall system stability. Here = 0.002, = 22 was chosen.
마지막으로 적응예측필터의 최종 출력 는 다음 식에 의해 계산된다.Finally, the final output of the adaptive prediction filter Is calculated by the following equation.
(4) (4)
Interpolator(40):Interpolator (40):
적응예측필터의 출력값은 1.67㎑의 sampling 데이터인데 이 시간 분해능은 interpolator(40)에 의한 up-sampling으로 향상되어질 수 있으며, interpolation 비율은 소프트웨어와 하드웨어 조건에 의해 정해진다. 능동전력필터의 스위칭 주파수는 일반적으로 수 ㎑에서 10㎑까지이다.The output value of the adaptive prediction filter is 1.67 1. sampling data. The time resolution can be improved by up-sampling by the
임의의 포인트들을 interpolation하는 방법으로 2차 Lagrange interpolator(40)를 사용하였다. 이 Lagrange interpolation의 이점은 데이터 포인트의 차를 계산할 필요가 없으며, interpolation coefficients를 미리 계산하여 테이블화 함으로써 연산량을 줄일 수 있다는 것이다.
Interpolator(40)는 적응예측필터를 통해 역정규화되고 기본파 크기가 보정된 데이터 , , 을 조작하는 6상의 필터로 구성되어 있다. 각각의 새로운 입력 샘플에 대해 출력 측에서 각 6상 필터로부터의 샘플이 모아지게 된다. 다상 필터의 계수, 는 식 (5) 와 같이 주어진다.The
(5) (5)
결국, interpolator(40)의 출력 신호 v(m)은 식 (6)에 의해 결정된다.As a result, the output signal v (m) of the
(6) (6)
여기서, 는 interpolator(40)의 데이터 벡터이다. 다상 필터 인덱스 는 출력 시간 인덱스 m이 입력 시간 인덱스 n보다 6배 빠르게 증가하기 때문에 의 나머지로서 10㎑비율로 회전 이동한다.here, Is the data vector of the
피크 검출기(10):Peak detector (10):
전류 크기의 큰 변화는 적응예측필터의 안정된 수행을 방해하는 요소이므로 이를 경감하기 위해 측정된 피크값으로 나누어 정규화(normalization)를 수행한다. 이렇게 되면 신호는 피크값이 거의 1인 신호로 정규화된다. 피크검출기는 기본주파수의 한주기 동안에 입력 샘플의 최대값을 선정함으로 이루어진다. 만약 60㎐의 전력 시스템에서 1.67㎑의 샘플링 주파수가 사용된다면 피크치 검출을 위해 22개의 샘플이 필요하다.Since the large change in the current magnitude is a factor that hinders the stable performance of the adaptive prediction filter, the normalization is performed by dividing by the measured peak value to alleviate this. This normalizes the signal to a signal with a peak value of nearly one. The peak detector consists of selecting the maximum value of the input sample during one period of the fundamental frequency. If a sampling frequency of 1.67 kHz is used in a 60 kHz power system, 22 samples are required for peak detection.
그러나 상기 종래 기술에서 제안된 기준신호발생기를 사용하여 부하전류로부터 추출한 기준 신호는 처음 2-3초 동안은 정상 동작을 하는 것처럼 보이나 20초 이상 경과하면 추출한 기본파 성분이 심하게 왜곡되는 현상을 나타내었다. 따라서 이를 이대로 실제의 능동전력필터에 적용하는 것은 불가능하다.However, the reference signal extracted from the load current using the reference signal generator proposed in the prior art appears to operate normally for the first 2-3 seconds, but after 20 seconds or more elapsed, the extracted fundamental wave component is severely distorted. . Therefore, it is impossible to apply this to the actual active power filter as it is.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기준신호발생기 내에 있는 적응예측필터의 작동 알고리즘을 개선하여 정확한 동작을 안정적으로 지속할 수 있는 개선된 기준신호발생기 및 이를 이용한 능동전력필터를 제공하기 위한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and to provide an improved reference signal generator and an active power filter using the same to improve the operation algorithm of the adaptive prediction filter in the reference signal generator. will be.
또한, 본 발명은 누설계수(leakage factor)를 도입하고 스케일계수를 보정하는 알고리즘을 추가함으로써 드리프트 현상이 보정된 적응예측필터를 제공하여 이를 기준신호발생기에 응용할 수 있도록 하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide an adaptive prediction filter with a drift corrected by introducing a leak factor (leakage factor) and by adding an algorithm for correcting the scale factor to be applied to the reference signal generator.
나아가서, 본 발명은, 전치필터, 피크검출기 및 적응예측필터 등의 구성요소를 개선하여, 센서의 개수를 줄이는 등 시스템 구성이 단순화되고, 크기가 변하는 신호에 대해서도 위상지연 없이 안정적으로 기준신호의 추출이 가능하여, 능동전력필터에 활용 시 매우 우수한 동작 특성을 보장할 수 있는 기준신호발생기를 제공하기 위한 것이다.Furthermore, the present invention improves the components of the prefilter, the peak detector, and the adaptive prediction filter, thereby simplifying the system configuration such as reducing the number of sensors, and stably extracting the reference signal even for a signal having a variable size. This is possible, to provide a reference signal generator that can ensure a very good operating characteristics when used in an active power filter.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 특징에 의한 적응예측필터는, 정규화된 전류 신호 및 상기 정규화된 전력 신호에서 m차 이상의 고조파 성분을 제거한 입력 신호 을 입력받아, 출력신호 [여기서 는 필터 계수벡터]을 출력하는 FIR 필터 및 최소자승법 기반의 적응예측필터이며, n+1 스텝의 필터 계수 벡터 H(n+1)를 결정하기 위하여, 으로 정의되는 관계를 사용하고, 여기서, , 는 필터의 데이터 벡터이며, δ는 필터 계수의 표류를 완화하기 위해 0<δ<1 범위에서 조정되는 리키지 팩터(leakage factor) 값인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the adaptive prediction filter according to the first aspect of the present invention is a normalized current signal. And an input signal from which harmonic components of m order or more are removed from the normalized power signal. Input signal, output signal [here Is an FIR filter and a least-squares adaptive prediction filter that outputs a filter coefficient vector], and to determine a filter coefficient vector H (n + 1) of n + 1 steps, Using a relationship defined by , Is a data vector of the filter, and δ is a leakage factor value adjusted in the range of 0 <δ <1 to mitigate the drift of the filter coefficients.
필요에 따라, 본 발명의 적응예측필터는, 상기 리키지 팩터의 도입에 의하여 발생하는 출력 신호에 있어서의 기본파 크기 손실을 보상하는 것임이 바람직하다.If necessary, the adaptive prediction filter of the present invention preferably compensates for the loss of the fundamental wave in the output signal generated by the introduction of the above-mentioned liquid factor.
여기서, 상기 기본파 크기 손실을 보상하기 위하여서는, 단위 크기의 직교하는 두 정현파를 내장된 FIR 필터에 통과시켜 상기 두 정현파 성분의 벡터 합 크기를 역수로 취하여 SF(Scaling factor)를 구하고, 상기 SF를 상기 출력신호에 곱하는 방식이 사용될 수 있다.In order to compensate for the loss of the fundamental wave size, two orthogonal sinusoids of unit size are passed through a built-in FIR filter to obtain a scaling factor (SF) by taking the inverse of the vector sum of the two sinusoidal components as the inverse. The method of multiplying by the output signal can be used.
본 발명의 제2 특징에 의한 기준신호발생기는, 상술한 바와 같은 적응예측필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.The reference signal generator according to the second aspect of the present invention is characterized by including the adaptive prediction filter as described above.
여기서, 본 발명의 기준신호발생기는, 전류 신호를 정규화하기 위하여 기본 주파수의 한 주기 동안에 입력 샘플의 최대 값을 선정하는 피크 검출기를 더 포함하며, 상기 피크 검출기는 저역통과필터(LPF)를 더 구비하는 것일 수 있다.Here, the reference signal generator of the present invention further includes a peak detector for selecting the maximum value of the input sample during one period of the fundamental frequency to normalize the current signal, the peak detector further comprises a low pass filter (LPF) It may be.
또한, 본 발명의 기준신호발생기는, 상기 적응예측필터로 입력되는 신호의 고조파 성분을 제거하기 위한 전치필터를 더 포함하는 것일 수 있다.In addition, the reference signal generator of the present invention may further include a pre-filter for removing harmonic components of the signal input to the adaptive prediction filter.
본 발명의 제3 특징에 의한 능동전력필터는 상술한 바와 같은 기준신호발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The active power filter according to the third aspect of the present invention is characterized by including the reference signal generator as described above.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명자는 기준신호발생기의 동작 알고리즘을 개선하고, 그 성능을 평가하기 위해 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 수행하고, TMS320C31 DSP를 사용한 하드웨어로 구현하여, 이 기준신호발생기를 기반으로 하는 단상능동전력필터를 제작하여 단상다이오드정류기로 구성된 비선형부하에 연결하여 실제 동작 시험을 실시한 결과 아래와 같은 양호한 특성을 얻을 수 있음을 검증하였다.The present inventors improve the operation algorithm of the reference signal generator, perform simulation using MATLAB to evaluate its performance, implement it with hardware using TMS320C31 DSP, and manufacture single-phase active power filter based on this reference signal generator. As a result of the actual operation test connected to the nonlinear load composed of the single-phase diode rectifier, it was verified that the following good characteristics were obtained.
도 4는 본 발명의 개선된 기준신호발생기의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한다. 상술한 도 2와 같은 종래기술의 기준신호발생기는 적응예측필터의 계수벡터 이 약 20초 정도 경과 후 표류하여 결국에는 출력으로 나오는 기본파에 고조파가 함유되어 출력 파형이 왜곡되는 현상이 발생한다. 본 발명자들은 이러한 표류 문제가 지속적인 적응조건을 만족하지 못하는 환경에서 도 3과 같이 LMS 알고리즘이 사용되어질 때 나타난다는 사실을 관측하였다. 따라서 이러한 표류현상을 제거하고 출력 기본파에 고조파 함유를 최소화하기 위해 본 발명자들은 기준신호발생기를 도 4와 같이 재구성하였다.4 schematically shows a preferred embodiment of the improved reference signal generator of the present invention. The reference signal generator according to the related art as shown in FIG. 2 described above is a coefficient vector of the adaptive prediction filter. After about 20 seconds, the drift takes place, and eventually, the fundamental wave coming out of the output contains harmonics, causing the output waveform to be distorted. The inventors observed that this drift problem occurs when the LMS algorithm is used as shown in FIG. 3 in an environment that does not satisfy the continuous adaptation condition. Therefore, in order to eliminate such drift and to minimize harmonic content in the output fundamental wave, the present inventors reconfigure the reference signal generator as shown in FIG. 4.
제안된 기준신호발생기의 구성 중, interpolator(440)는 종래기술의 기준신호발생기와 동일한 형태로 구성되어 있고, 나머지 구성요소는 다음과 같이 개선되었다.In the configuration of the proposed reference signal generator, the
피크 검출기(440):Peak detector 440:
고조파에 의한 왜곡을 경감시키기 위한 피크 검출기(440)의 기능은 종래기술의 기준신호발생기의 피크 검출기(40)와 같다. 하지만 종래기술의 피크값 검출은 1.67 kHz의 샘플링 비율(sampling rate)로 수행되었고, 이와 같이 낮은 샘플링 비율을 갖는 신호는 835 Hz 이상의 고조파에 의해 간섭을 받게 되어 적응예측필터(430)의 입력에 좋지 않은 영향을 주게 되고, 결과적으로 적응예측필터(430)의 출력 안정도에 영향을 준다. 이러한 영향을 최소화하기 위해서 입력 단에 180 Hz 차단 주파수(cut-off frequency)를 갖는 2차 LPF를 두어 입력신호를 필터링하였다. 그리고 이와 같이 필터링 된 신호를 10 kHz 비율로 샘플링하여 고차 고조파의 영향이 현저히 경감되었다.The function of the
전치필터(420):Prefilter 420:
상술한 도 2의 종래기술의 기준신호발생기(100)에서는 적응예측필터(30)에 전달되는 입력이 고조파에 의한 오염이 적은 기본파 성분이 되도록 하기 위한 전치필터(20)로서, 5차 Chebyshev II IIR 필터를 사용하였는데 이는 스커트 특성이 좋으며 위상 지연이 적게 발생하는 장점이 있는 반면, aliasing에 민감한 단점으로 인해 835 Hz 이상의 고조파가 전치필터(20)를 거친 후에도 남아 있어서 적응예측필터(30)의 동작을 방해하는 요소로 존재하게 된다. 따라서 본 발명의 기준신호발생기(400)에서는 Chebyshev II IIR 필터보다 위상특성, 스커트 특성에서는 뒤지지만 aliasing에 비교적 덜 민감한 5차 butter-worth IIR 필터를 전치필터(420)로써 사용하였다. In the above-described
적응예측필터(430):Adaptive prediction filter 430:
필터 계수의 표류를 완화 및 제거하기 위해 리키지 팩터(leakage factor) 를 도입하여 관계식 (2)를 다음과 같이 수정하였다.Leakage factor to mitigate and eliminate drift in filter coefficients By introducing the equation (2) was modified as follows.
(7) (7)
에러 산출 함수는 식 (3)과 동일하고, 계수벡터, 그리고 적응률 등은 개선 전의 형태와 동일한 값을 취하였다. 그리고 계수가 업데이트 되면 식 (4)와 같이 FIR 필터에 의해 출력이 결정된다.The error calculation function is the same as Equation (3), and the coefficient vector , And adaptation rate Etc. took the same value as the form before improvement. When the coefficient is updated, the output is determined by the FIR filter as shown in Equation (4).
도 5는 리키지 팩터(leakage factor)를 0.5에서 0.999까지 변화시켰을 때 적응예측필터 출력에 포함된 THD(Total harmonic Distortion)를 나타낸다. 이렇게 하여 적응예측필터 출력데이터의 THD가 가장 작으면서 필터 계수가 표류(drift)하지 않는 값인 =0.999로 리키지 팩터(leakage factor)가 설정되었다. 리키지 팩터는 0보다 크고 1보다 작은 범위 내에서 적절히 설정 가능하며, 리키지 팩터가 작으면 적응예측필터 계수의 업데이트가 빠르나 기본파 손실이 커져 신호의 안정성이 결여되고, 1에 가까울수록 기본파 손실이 적으며 고조파 함유율이 작아지는 특성을 가지나 필터계수의 표류가 발생하기 쉬움이 관측되었다. 따라서 이러한 범위 중 필터 계수의 표류가 발생하지 않는 값으로 설정하면 된다.5 shows the total harmonic distortion (THD) included in the adaptive prediction filter output when the leakage factor is changed from 0.5 to 0.999. In this way, the THD of the adaptive predictive filter output data is the smallest and the filter coefficient does not drift. A leakage factor was set to = 0.999. The liquidity factor can be appropriately set within the range of greater than 0 and less than 1, and the smaller the factor, the faster the update of the adaptive predictive filter coefficient, but the greater the fundamental wave loss, resulting in a lack of stability of the signal. It is observed that the loss is small and the harmonic content is small, but the drift of the filter coefficient is likely to occur. Therefore, what is necessary is just to set it to the value which does not produce the drift of a filter coefficient in this range.
이러한 리키지 팩터를 도입할 경우, 필터 계수 벡터 의 표류가 발생하 지 않도록 하는 개선이 가능하지만, 적응예측필터의 주파수 크기특성에 있어서 원하는 주파수대역에 손실이 발생한다. 이러한 손실을 보상하기 위해서는 기본파의 크기를 보정해야 한다.Introducing such a liquidity factor, filter coefficient vectors Although it is possible to improve such that the drifting does not occur, a loss occurs in a desired frequency band in the frequency magnitude characteristic of the adaptive prediction filter. To compensate for this loss, the magnitude of the fundamental wave must be corrected.
기본파 크기 보정부(435):Fundamental wave size corrector 435:
본 발명의 적응예측필터(430)로의 리키지 팩터 도입에 따른 기본파의 크기손실은 크기보정계수 SF(Scaling Factor)를 산출하여 출력값에 곱함으로써 보상한다. 기본파 크기 손실은 FIR 필터의 기본파 크기 손실을 직접 측정함으로서 알 수 있다. 이를 측정하기 위해 식 (8)과 같이 크기가 1이고 직교하는 두 정현파를 FIR 필터에 통과시킨다(도 4 참조). 두 정현파는 직교좌표계 각 축에서의 벡터로 정의되며 두 성분의 벡터합의 크기는 1이 된다. 필터 통과 후 두 성분의 벡터합 크기를 역수로 취하여 SF를 구하는데 이 값은 역정규화 할 때 적응예측필터 출력 값에 곱해진다.The magnitude loss of the fundamental wave according to the introduction of the leakage factor into the adaptive
(8) (8)
상술한 바와 같은 개선이 이루어진 본 발명의 기준신호발생기(400)를 종래기술의 기준신호발생기(100)와 성능을 비교하기 위해서, MATLAB에 의한 시뮬레이션을 통해 정상상태의 파형과, 그 때의 필터계수 주파수특성을 분석하였다. 시뮬레이션 에서는 20초를 정상상태로 간주하였다. 표 1은 성능비교를 위해 입력신호로 사용된 부하전류의 기본파와 고조파별 함유량(%)을 나타낸 것이다. In order to compare the performance of the
<표 1. 부하전류 가정신호의 각 주파수 성분><Table 1. Frequency components of load current hypothesis signal>
표 1의 기본파와 고조파들로 구성된 부하전류의 파형은 도 6의 (a)와 같다. 이 신호를 기반으로 종래 기술 및 본 발명의 기준신호발생기의 기본파를 20초 동안 시뮬레이션 하여 분석을 실시하였다.The waveform of the load current composed of the fundamental and harmonics of Table 1 is shown in FIG. Based on this signal, the fundamental wave of the reference signal generator of the prior art and the present invention was simulated for 20 seconds and analyzed.
도 6의 (b)와 (c)는 부하전류가 종래 기술의 기준신호발생기를 통과하였을 때 발생하는 적응예측필터의 출력과 필터계수의 주파수응답을 나타낸다. 시뮬레이션 시간 약 1초 동안은 도 6의 (b)와 (C)에 도시된 바와 같이, 고조파 함유율이 대단히 낮은 신호를 발생하고 기준신호발생기가 잘 동작하는 것처럼 보여 진다.6 (b) and 6 (c) show the frequency response of the output of the adaptive predictive filter and the filter coefficient generated when the load current passes through the conventional reference signal generator. For about one second of simulation time, as shown in Figs. 6B and 6C, it is seen that the harmonic content generates a signal with a very low rate and the reference signal generator works well.
도 7은 종래 기술의 기준신호발생기에 대하여 20초 동안 진행된 시뮬레이션 결과를 보여주는데 심한 왜곡이 진행됐음을 알 수 있고 이것은 기준신호발생기가 더 이상 제대로 동작하지 않음을 의미하며, 이 결과는 도 7(b)의 필터계수 주파수 응답을 통해 더욱 확실히 알 수 있다. FIG. 7 shows a simulation result of 20 seconds with respect to the reference signal generator of the prior art, and it can be seen that severe distortion has been performed, which means that the reference signal generator does not operate properly anymore. This can be seen more clearly by the filter coefficient frequency response of.
도 8은 부하전류가 본 발명의 기준신호발생기를 통과하였을 때 발생하는 적응예측필터의 출력과 필터계수의 주파수응답을 나타낸다. 그리고 표 2는 출력신호의 각 주파수 성분의 비율을 표시하였다. 시뮬레이션은 동등한 비교를 위해 20초 동안 실시하였다. 이러한 결과를 통해 본 발명의 적응예측필터 출력신호가 고조파 함유율이 대단히 낮음을 알 수 있고 시간 경과 후에도 안정적으로 동작하며, 결국 적응예측필터가 위상지연 보상을 하는 대역통과필터로 최적화되어 동작함을 확인할 수 있다.8 shows the frequency response of the filter coefficient and the output of the adaptive prediction filter generated when the load current passes through the reference signal generator of the present invention. Table 2 shows the ratio of each frequency component of the output signal. The simulation was run for 20 seconds for equivalent comparison. Through these results, it can be seen that the adaptive predictive filter output signal of the present invention has a very low harmonic content and operates stably after a lapse of time. Finally, the adaptive predictive filter is optimized to operate as a bandpass filter that compensates for phase delay. Can be.
<표 2 출력 신호의 각 주파수 성분><Table 2 Frequency Components of Output Signals>
도 9는 부하 변동 시 본 발명의 기준신호발생기의 동작 상태를 확인하기 위해 실시한 시뮬레이션 결과이다. 고조파가 함유된 입력신호를 0.303초에 20% 또는 40% Step 증가시키고 다시 0.395초에 원래 크기로 Step 감소하도록 기준신호발생기에 입력하였을 때 기준신호발생기 내부의 적응예측필터 출력을 나타낸 것이다. 본 발명의 기준신호발생기는 부하 Step 변동 시에 피크 검출기의 지연요소에 의해 1주기의 과도상태가 존재하지만 1주기 후에는 안정적으로 정상 동작함을 알 수 있다.9 is a simulation result carried out to check the operating state of the reference signal generator of the present invention when the load changes. It shows the output of the adaptive prediction filter inside the reference signal generator when the harmonic-containing input signal is input to the reference signal generator to increase the 20% or 40% step in 0.303 seconds and then decrease the step to its original size in 0.395 seconds. It can be seen that the reference signal generator of the present invention has a transient state of one cycle due to the delay element of the peak detector when the load step changes, but operates stably after one cycle.
도 10은 본 발명의 기준신호발생기를 하드웨어로 구현하여 테스트하기 위한 시험 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 본 발명의 기준신호발생기의 성능을 평가하고 실제 응용타당성을 검토할 목적으로 RL 부하와 다이오드 정류기로 구성된 비선형 부하를 가진 단상능동전력필터의 축소모형을 도 10과 같이 제작하고 실험을 실시하였다. 능동전력필터의 용량은 1KVA로 하였으며, 출력단에는 스위칭 리플을 경감하기 위해 LRC수동필터를 부착하였다. 그리고 RL 부하는 부하변동에 따른 실 험을 위해 가변저항을 사용하였으며 전체 시스템의 회로 정수는 표 3과 같다.10 schematically shows the configuration of a test apparatus for testing by implementing the reference signal generator of the present invention in hardware. For the purpose of evaluating the performance of the reference signal generator of the present invention and examining its practical applicability, a reduced model of a single phase active power filter having a nonlinear load composed of an RL load and a diode rectifier was fabricated and tested as shown in FIG. 10. The capacity of the active power filter was 1KVA, and the output stage was equipped with an LRC passive filter to reduce switching ripple. In addition, the RL load used a variable resistor to test the load variation. The circuit parameters of the whole system are shown in Table 3.
<표 3 시스템 회로 정수>Table 3 System Circuit Constants
제안하는 기준신호발생기의 각 요소를 구성하는 알고리즘은 부동소수점 연산방식의 TMS320C31 DSP에서 수행되도록 하였으며, 전류제어는 데드비트 전류제어기를 사용하여 인버터 출력 전류가 기준전류를 추종하도록 하였다. 데드비트 전류제어는 1990년대 이후로 전력전자의 전류제어에 도입된 방식으로 제어이론에서 언급되는 deadbeat response를 얻기 위한 제어 방식이다. 이 제어기에 사용되는 제어변수들은 선간 전압, 커플링 리액터 값, 현재 인버터출력전류, 그리고 기준전류 등인데, 제어의 지연이 이 방식의 근본적인 단점이다. 본 발명에서 시험을 위해 사용된 데드비트 전류제어기는 n-1의 출력에 의해 발생되는 n시점에서의 에러를 예측하여 n+1시점에 n시점의 에러와 n-1시점의 에러를 같이 보상하는 방식으로 제어를 수행하여 제어기의 지연을 개선하여 수행하였다.The algorithm constituting each element of the proposed reference signal generator is implemented in TMS320C31 DSP with floating-point arithmetic, and the current control is based on the deadbit current controller so that the inverter output current follows the reference current. Deadbit current control has been introduced in current control of power electronics since the 1990s and is a control method to obtain the deadbeat response mentioned in the control theory. The control variables used in this controller are line voltage, coupling reactor value, current inverter output current, and reference current. The delay of control is a fundamental disadvantage of this method. The dead-bit current controller used for the test in the present invention predicts an error at time n caused by the output of n-1 and compensates the error at time n and the error at time n-1 at the
도 11은 본 발명의 적응예측필터를 기본으로 한 기준신호발생기의 동작을 나타낸 것이다. 여기서, 도 11의 (a)는 부하전류를, (b)는 interpolator 출력인 기본파성분을, 그리고 (c)는 기준전류신호발생기의 출력인데, 예측한대로 본 발명의 기준신호발생기는 부하전류를 입력으로 받아 위상지연이 없는 고조파기준신호를 발생함을 알 수 있다.11 shows the operation of a reference signal generator based on the adaptive prediction filter of the present invention. Here, (a) of FIG. 11 is a load current, (b) is a fundamental wave component that is an interpolator output, and (c) is an output of a reference current signal generator. It can be seen that a harmonic reference signal with no phase delay is generated as an input.
도 12는 데드비트 전류제어기에 의한 능동전력필터의 동작을 나타낸 것이다. 그림 12 (a)는 전원 전류를, (b)는 능동전력필터의 주입전류를, 그리고 (c)는 부하전류를 나타낸다. 부하 전류의 THD(Total Harmonic Distortion)는 25.3%인데 반해 보상된 전류의 THD는 5.93%이다.12 illustrates an operation of an active power filter by a dead bit current controller. Figure 12 (a) shows the supply current, (b) shows the injection current of the active power filter, and (c) shows the load current. Total Harmonic Distortion (THD) of the load current is 25.3%, whereas THD of the compensated current is 5.93%.
본 발명의 기준신호발생기와 데드비트 전류제어기를 사용한 능동전력필터는 비록 전원전류에 약간의 과도현상이 존재하기는 하지만 비선형 부하에 의한 고조파를 보상할 수 있다. 여기서 존재하는 약간의 과도는 부하 입력전류가 스텝 상승하는 순간에 스텝 상승이 제어를 추종하기에 너무 가파르기 때문에 발생한다. 부하전류의 가파름은 dc 리액터의 인덕턴스를 줄임으로써 완화시킬 수 있다.The active power filter using the reference signal generator and the deadbeat current controller of the present invention can compensate for harmonics caused by nonlinear loads, although there is a slight transient in the power supply current. The slight transient that exists here occurs because the step rise is too steep to follow the control at the moment the load input current steps up. The steepness of the load current can be mitigated by reducing the inductance of the dc reactor.
일반적으로 부하는 시간에 따라 변하므로 제안한 기준신호발생기가 갑작스런 부하 변동에 대해서 안정적으로 동작하는지 확인하는 것은 매우 중요하다. 도 13은 부하가 20% 스텝 증가하고 20% 스텝 감소할 때의 실험 결과이다. 도 13의 (a)는 부하가 20% 스텝 증가할 때, (b)는 부하가 20% 스텝 감소할 때의 보상된 전원 측의 전류와 기준신호발생기의 interpolator 출력인 기본파 성분을 나타낸다. 예측한대로 본 발명의 기준신호발생기는 스텝 부하 가변 시에도 심각한 과도 없이 우수하게 동작함을 알 수 있다.In general, the load changes with time, so it is very important to verify that the proposed reference signal generator operates stably against sudden load changes. 13 shows the results of experiments when the load increased by 20% step and decreased by 20% step. (A) of FIG. 13 shows the fundamental wave component which is the interpolator output of the reference signal generator and the current on the compensated power supply side when the load increases by 20% step. As expected, it can be seen that the reference signal generator of the present invention operates well without serious transients even when the step load is varied.
본 발명에 의한 기준신호발생기 및 이를 이용한 능동전력필터는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 바람직한 실 시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.The reference signal generator and the active power filter using the same according to the present invention can be modified and applied in various forms within the scope of the technical idea of the present invention and are not limited to the above preferred embodiment. In addition, the embodiments and drawings are merely for the purpose of describing the contents of the invention in detail, and are not intended to limit the scope of the technical idea of the invention, the present invention described above is common knowledge in the technical field to which the present invention belongs As those skilled in the art can have various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit and scope of the present invention, it is not limited to the embodiments and the accompanying drawings. And should be judged to include equality.
본 발명에 의하여, 기준신호발생기 내에 있는 적응예측필터의 작동 알고리즘을 개선하여 정확한 동작을 안정적으로 지속할 수 있는 개선된 기준신호발생기 및 이를 이용한 능동전력필터를 구현할 수 있다.According to the present invention, it is possible to implement an improved reference signal generator and an active power filter using the same to improve the operation algorithm of the adaptive prediction filter in the reference signal generator.
또한, 본 발명의 누설계수(leakage factor) 도입 및/또는 스케일계수 보정 알고리즘 추가에 의하여 드리프트 현상이 보정된 적응예측필터를 제공하는 것이 가능하며, 이를 기준신호발생기에 응용할 수 있다.In addition, it is possible to provide an adaptive prediction filter in which the drift phenomenon is corrected by introducing a leakage factor and / or adding a scale factor correction algorithm of the present invention, which can be applied to a reference signal generator.
나아가서, 본 발명에 의하여, 전치필터, 피크검출기 및 적응예측필터 등의 구성요소를 개선하여, 센서의 개수를 줄이는 등 시스템 구성이 단순화되고, 크기가 변하는 신호에 대해서도 위상지연 없이 안정적으로 기준신호의 추출이 가능하여, 능동전력필터에 활용 시 매우 우수한 동작 특성을 보장할 수 있는 기준신호발생기를 제공할 수 있다.Furthermore, according to the present invention, the system configuration is simplified, such as reducing the number of sensors by improving components such as a prefilter, a peak detector, and an adaptive prediction filter, and stably applying a reference signal without a phase delay even for a signal having a variable size. By extracting, it is possible to provide a reference signal generator that can ensure very good operating characteristics when used in an active power filter.
시뮬레이션과 실험을 통하여 본 발명의 기준신호발생기가 위상지연이 없는 기준신호를 추출하여 능동전력필터에 활용가능하며 그 성능도 대단히 우수함이 검증되었다. 제안된 기준전류신호발생기는 부하전류 검출만으로 기준신호를 추출함으로써 센서의 개수를 줄일 수 있고 크기가 변하는 신호에 대해서도 위상지연 없이 안정적으로 동작하는 장점을 갖고 있다.Through simulation and experiment, it was verified that the reference signal generator of the present invention can extract the reference signal without phase delay and use it in the active power filter, and its performance is also excellent. The proposed reference current signal generator can reduce the number of sensors by extracting the reference signal only by detecting the load current, and has the advantage of stable operation without phase delay even for the signal of varying size.
Claims (7)
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