KR20110072838A - 인버터의 모델전류추종 적응제어방법 - Google Patents

인버터의 모델전류추종 적응제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110072838A
KR20110072838A KR1020090129929A KR20090129929A KR20110072838A KR 20110072838 A KR20110072838 A KR 20110072838A KR 1020090129929 A KR1020090129929 A KR 1020090129929A KR 20090129929 A KR20090129929 A KR 20090129929A KR 20110072838 A KR20110072838 A KR 20110072838A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current
inverter
model current
control
error signal
Prior art date
Application number
KR1020090129929A
Other languages
English (en)
Inventor
김태원
박태준
이성희
Original Assignee
재단법인 포항산업과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 포항산업과학연구원 filed Critical 재단법인 포항산업과학연구원
Priority to KR1020090129929A priority Critical patent/KR20110072838A/ko
Publication of KR20110072838A publication Critical patent/KR20110072838A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

인버터의 모델전류추종 적응제어방법이 제공된다.
상기 인버터의 모델전류추종 적응제어방법은, 인버터의 출력필터 인덕터 양단 순시치 전류의 미분방정식과 정현파 모델전류를 모델링하는 단계; 상기 순시치 전류와 상기 정현파 모델전류의 에러신호의 미분치를 구하는 단계; Lyapunov 함수를 시간에 대해 미분하고, 상기 에러신호의 미분치를 시간에 대해 미분한 Lyapunov 함수에 대입하는 단계; 및 상기 에러신호 미분치를 대입한 Lyapunov 함수가 0 이하가 되도록 제어하여, 시간의 경과에 따라 상기 순시치 전류가 상기 정현파 모델전류를 추종하도록 하는 단계;를 포함하여 구성된다.
인버터, 정현파 모델전류, 적응제어, 에러신호, Lyapunov 함수

Description

인버터의 모델전류추종 적응제어방법{Adaptive control method for following model current of inverter}
본 발명은 인버터의 모델전류추종 적응제어방법에 관한 것으로, 특히 계통연계형 인버터의 정현파 전류제어를 위한 모델전류추종 적응제어방법에 관한 것이다.
근래에 계통연계형 분산전원 시스템의 보급이 확대되고 있으며, 실제 분산전원의 요소기술 중 전력변환장치는 발전전력의 고품질화, 시스템의 안정화 및 고효율화, 전력품질 및 신뢰도 향상에 결정적 역할을 수행한다.
특히, 전력의 품질을 향상시키기 위해서 계통연계형 인버터는 낮은 종합 고조파 왜형율(Total Harmonics Distortion, 이하 THD)을 만족하는 정현파 전류제어를 감당해야만 한다. 한국전력공사 가이드라인 및 국제규격(IEEE1547, UL1741 등)에서는 계통연계전류의 THD에 대해 엄격한 기준을 정하고 있다.
즉, 전류 THD의 총합이 5% 미만이어야 하고, 각 차수에 대해서도 3% 미만이어야 한다. 또한, 일반적인 상용전원전압도 이상적인 정현파 전압원이 아니어서 고조파 왜곡이 심한데, 이러한 조건하에서도 계통연계형 인버터는 발전전력의 고품질을 이루기 위해 깨끗한 정현파 전류제어가 이루어질 수 있도록 해야 한다.
정현파 전류제어를 달성하기 위해 기존에는 PI(Proportion Integral) 제어기 의 형태를 많이 사용했으나, 주기적으로 변하는 목표값을 추종하는데는 한계가 있기 때문에 이를 극복하기 위해 비례공진 제어기가 소개되었다. 그러나, 비례공진 제어기도 기본파의 추종은 쉽게 달성할 수 있으나 많은 차수의 고조파에 대해 보상하기 위해서는 차수별로 제어기를 추가시켜야 하고, 제어기 상호간에도 간섭현상이 생길 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면은 전류제어기를 이용하여 계통연계형 인버터의 정현파 전류제어를 위한 모델전류추종 적응제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 인버터의 출력필터 인덕터 양단 순시치 전류의 미분방정식과 정현파 모델전류를 모델링하는 단계; 상기 순시치 전류와 상기 정현파 모델전류의 에러신호의 미분치를 구하는 단계; Lyapunov 함수를 시간에 대해 미분하고, 상기 에러신호의 미분치를 시간에 대해 미분한 Lyapunov 함수에 대입하는 단계; 및상기 에러신호 미분치를 대입한 Lyapunov 함수가 0 이하가 되도록 제어하여, 시간의 경과에 따라 상기 순시치 전류가 상기 정현파 모델전류를 추종하도록 하는 단계;를 포함하여 구성된 인버터의 모델전류추종 적응제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미분방정식에 상기 순시치 전류가 상기 정현파 모델전류를 추종하도록 제어입력을 인가하는 것을 특징으로 하는 인버터의 모델전류추종 적응제어방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 스위칭 주기 내에서 펄스폭변조 파형의 시비율에 따라 상기 제어입력이 결정되는 것을 특징으로 하는 인버터의 모델전류추종 적응제어방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 제어입력은 매 제어주기마다 변경되어 인가되는 것을 특징으로 하는 인버터의 모델전류추종 적응제어방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전류제어기를 이용하여 계통연계형 인버터의 정현파 전류제어를 위한 모델전류추종 적응제어방법을 제공함으로써, 종래의 전류제어방법에 비해 고조파 성분의 제거능력이 우수하고 소프트웨어로 쉽게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전류제어기는 전원전압의 왜곡에 의한 성능하락이 거의 없고 안정된 응답특성을 나타낼 뿐만 아니라, 고조파 차수별로 전류제어기를 구성하지 않아도 쉽게 정현파의 전류제어가 가능하며 전류제어기 상호간에도 간섭현상이 생기지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명에 따른 계통연계형 단상 인버터의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 계통연계형 단상 인버터는 일반적인 풀-브리지(full-bridge) 구조에 LC 필터가 연결된 형태로써 계통전원과 연계되어 운전된다. 인버터의 출력필터 인덕터 L의 양단의 순시치 전류에 대한 미분방정식을 구해보면 수학식 1과 같이 모델링할 수 있다.
Figure 112009079792984-PAT00001
그리고, 크기 I와 각 주파수
Figure 112009079792984-PAT00002
를 갖는 정현파 모델전류를 수학식 2와 같이 정의하여 모델링할 수 있으며, 수학식 1에서 입력 u = vs-vr이고, vs는 계통전원이며, vr은 인버터의 출력전압으로 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009079792984-PAT00003
vr = duty Vd
수학식 3에서 듀티(duty)는 한 스위칭 주기 안에서의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 파형의 시비율을 나타내고, Vd는 DC 링크 양단전압을 의미한다. 이때, 수학식 3에서 전류 i가 정현파 모델전류인 im을 추종하도록 제어입력 u를 구하는 것이 필요하다.
미분방정식의 전류 i와 모델전류 im의 차이를 에러신호 e = i-im로 정의하면 e의 미분치는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009079792984-PAT00004
여기서, 제어입력
Figure 112009079792984-PAT00005
(k1 = La -R, k2= -R, k3 = -L, a는 임의의 양수)로 하면, 수학식 4는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 제어입력은 스위칭 주기 내에서 펄스폭변조 파형의 시비율에 따라 결정되며, 매 제어주기마다 변경되어 인가된다.
Figure 112009079792984-PAT00006
그런데, 제어 파라미터 k1, k2, k3는 알려지지 않았으므로, 제어원리(control law)를 추정값으로 치환해서 구성하면 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009079792984-PAT00007
에러신호 e의 미분은 직렬-병렬(series-parallel) 모델을 적용하면 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다(『P.A.Ioannou, J.Sun, "Robust Adaptive Control", Prentice Hall.』참조).
Figure 112009079792984-PAT00008
여기서, Lyapunov 함수
Figure 112009079792984-PAT00009
를 정의하고 시간에 대해 미분하면 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서,
Figure 112009079792984-PAT00010
는 각각 k1, k2, k3의 수렴속도를 조절하는 업데이트 계수이다. 그리고,
Figure 112009079792984-PAT00011
,
Figure 112009079792984-PAT00012
,
Figure 112009079792984-PAT00013
는 각각 k1, k2, k3의 추정치이고,
Figure 112009079792984-PAT00014
,
Figure 112009079792984-PAT00015
,
Figure 112009079792984-PAT00016
는 각각
Figure 112009079792984-PAT00017
과 k1,
Figure 112009079792984-PAT00018
와 k2,
Figure 112009079792984-PAT00019
와 k3의 오차를 나타낸다.
Figure 112009079792984-PAT00020
수학식 8에 수학식 7을 대입하면 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009079792984-PAT00021
따라서, 제어 업데이트 원리(control update law)를 수학식 10 내지 수학식 12와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112009079792984-PAT00023
Figure 112009079792984-PAT00024
수학식 10 내지 수학식 12를 수학식 9에 대입하면,
Figure 112009079792984-PAT00025
이 된다. 따라서,『P.A.Ioannou, J.Sun, "Robust Adaptive Control", Prentice Hall.』참조)를 참조하면
Figure 112009079792984-PAT00026
이면 에러신호 e는 시간 t의 경과에 따라 0으로 수렴한다는 것을 알 수 있다. 즉, 시간의 경과에 따라 순시치 전류가 정현파 모델전류를 추종한다. 제어 알고리즘을 블록다이어그램으로 표현하면 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 모델전류추종 적응제어기에 의한 모델전류추종 적응제어 알고리즘을 나타낸 블록다이어그램이다. 본 발명에 의한 모델전류추종 적응제어 알고리즘의 연산기능 및 제어기능은 도 1의 계통연계형 단상 인버터를 제어하는 모델전류추종 적응제어기에 의해 구현된다.
도 2를 참조하면, 정현파 모델전류를
Figure 112009079792984-PAT00027
라고 가정하면,
Figure 112009079792984-PAT00028
가 된다. 적응제어 알고리즘에 의해 제어입력 u가 매 제어주기마다 변경되며, 전원전압 vs를 센싱하여 빼주면 인버터 출력전압 vr을 구할 수 있다. 그리고, vr을 수학식 3에 의해 dc 링크 전압 Vd로 나누면 최종 시비율(duty)를 구할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 모델전류추종 적응제어 알고리즘은 소프트웨어로 쉽게 구현하는 것이 가능하고, 고조파 차수별로 전류제어기를 구성하지 않아도 쉽게 정현파의 전류제어가 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 적응제어기의 과도상태 응답특성 파형이다. 본 발명에서는 PSIM 툴(tool)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 모델전류추종 적응제어 알고리즘의 타당성을 검증하였다. 회로에 사용된 각종 파라미터들은 다음과 같다.
1) 유틸리티 그리드(utility grid) : 1상, 220V(선간전압), 60Hz
2) DC 링크 커패시터 : 2000uF
3) 인버터 필터 인덕터(inverter filter inductor) : 3mH
4) 인버터 필터 커패시터(inverter filter capacitor) : 15uF
4) 스위칭 주파수(switching frequency) : 20kHz
5) 선로 임피던스 : 10mΩ +100uH
모델전류 기준치를 계통전원과 30°위상차를 갖는??im = Isin(
Figure 112009079792984-PAT00029
+30°)로 하고 시뮬레이션을 수행하였을 때 계통전류가 기준치 모델전류를 2에서 3사이클 안에 추종한다는 것을 볼 수 있다.
따라서, Lypunov 안정도(stability)에 의해 모델전류와 계통전류의 에러신호인 e는 시간이 지남에 따라 0으로 수렴하고 제어 파라미터인 k1, k2, k3는 일정한 값으로 바운드(bound)가 되어 수렴하는 것을 볼 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 왜곡된 전원전압하의 전류제어기의 응답특성과 성능을 나타낸 파형이다. 도 4를 참조하면, 전원전압의 고조파는 vs = 300sin
Figure 112009079792984-PAT00030
+ 30sin
Figure 112009079792984-PAT00031
+ 20sin
Figure 112009079792984-PAT00032
+ 10sin
Figure 112009079792984-PAT00033
로 설정하였다.
파형을 관찰해보면, 왜곡된 전원전압하에서도 안정적인 성능을 나타내고, 정현파 전류제어가 이루어지고 있음을 볼 수 있다. 제어 파라미터인 k1, k2, k3는 일정한 값으로 수렴하고 있고, 에러신호인 e도 시간이 경과에 따라 0으로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 계통연계 운전시 계통전압 및 계통전류의 파형이다. 도 2의 제어 알고리즘 검증을 위해 도 3 및 도 4에서 적용된 파라미터를 동일하게 사용하여 3kW급 인버터에 적용하였다.
도 5에서 계통전류는 THD가 5% 미만의 정현파 전류제어가 이루어지고 있음을 알 수 있는데, 계통연계형 정현파 전류제어를 위한 모델전류추종 적응제어방법을 이용함으로써 기존의 계통연게형 인버터 전류제어기에 비해 고조파 성분 제어능력이 우수하고 소프트웨어로 쉽게 구현할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 전원전압의 왜곡에 의한 전류제어기의 성능하락이 거의 없고, 안정된 응답을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 계통연계형 단상 인버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모델전류추종 적응제어기에 의한 모델전류추종 적응제어 알고리즘을 나타낸 블록다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 적응제어기의 과도상태 응답특성 파형이다.
도 4는 본 발명에 따른 왜곡된 전원전압하의 전류제어기의 응답특성과 성능을 나타낸 파형이다.
도 5는 본 발명에 따른 계통연계 운전시 계통전압 및 계통전류의 파형이다.

Claims (4)

  1. 인버터의 출력필터 인덕터 양단 순시치 전류의 미분방정식과 정현파 모델전류를 모델링하는 단계;
    상기 순시치 전류와 상기 정현파 모델전류의 에러신호의 미분치를 구하는 단계;
    Lyapunov 함수를 시간에 대해 미분하고, 상기 에러신호의 미분치를 시간에 대해 미분한 Lyapunov 함수에 대입하는 단계; 및
    상기 에러신호 미분치를 대입한 Lyapunov 함수가 0 이하가 되도록 제어하여, 시간의 경과에 따라 상기 순시치 전류가 상기 정현파 모델전류를 추종하도록 하는 단계;
    를 포함하여 구성된 인버터의 모델전류추종 적응제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미분방정식에 상기 순시치 전류가 상기 정현파 모델전류를 추종하도록 제어입력을 인가하는 것을 특징으로 하는 인버터의 모델전류추종 적응제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    스위칭 주기 내에서 펄스폭변조 파형의 시비율에 따라 상기 제어입력이 결정되는 것을 특징으로 하는 인버터의 모델전류추종 적응제어방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어입력은 매 제어주기마다 변경되어 인가되는 것을 특징으로 하는 인버터의 모델전류추종 적응제어방법.
KR1020090129929A 2009-12-23 2009-12-23 인버터의 모델전류추종 적응제어방법 KR20110072838A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090129929A KR20110072838A (ko) 2009-12-23 2009-12-23 인버터의 모델전류추종 적응제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090129929A KR20110072838A (ko) 2009-12-23 2009-12-23 인버터의 모델전류추종 적응제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110072838A true KR20110072838A (ko) 2011-06-29

Family

ID=44403712

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090129929A KR20110072838A (ko) 2009-12-23 2009-12-23 인버터의 모델전류추종 적응제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110072838A (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108667288A (zh) * 2018-05-28 2018-10-16 西安理工大学 一种电力电子变换器鲁棒切换控制方法
US11498446B2 (en) * 2020-01-06 2022-11-15 Ford Global Technologies, Llc Plug-in charge current management for battery model-based online learning
CN117767778A (zh) * 2024-02-22 2024-03-26 中国人民解放军空军预警学院 一种自适应的逆变器智能控制方法及系统
CN117767778B (zh) * 2024-02-22 2024-05-28 中国人民解放军空军预警学院 一种自适应的逆变器智能控制方法及系统

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108667288A (zh) * 2018-05-28 2018-10-16 西安理工大学 一种电力电子变换器鲁棒切换控制方法
CN108667288B (zh) * 2018-05-28 2020-05-22 西安理工大学 一种电力电子变换器鲁棒切换控制方法
US11498446B2 (en) * 2020-01-06 2022-11-15 Ford Global Technologies, Llc Plug-in charge current management for battery model-based online learning
CN117767778A (zh) * 2024-02-22 2024-03-26 中国人民解放军空军预警学院 一种自适应的逆变器智能控制方法及系统
CN117767778B (zh) * 2024-02-22 2024-05-28 中国人民解放军空军预警学院 一种自适应的逆变器智能控制方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108023352B (zh) 抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置及方法
Van de Sype et al. Duty-ratio feedforward for digitally controlled boost PFC converters
CN103326386B (zh) 一种基于电容电压的并网逆变器有源阻尼方法
CN103560690A (zh) 一种单相lcl型并网逆变器谐波阻尼控制方法
CN104716668A (zh) 提高lcl型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法
CN104410074A (zh) 一种基于pi自适应的有源电力滤波器复合控制方法
Adam et al. An adaptive hysteresis band current control for three phase shunt active power filter U sing Fuzzy logic
Rahmani et al. Two PWM techniques for single-phase shunt active power filters employing a direct current control strategy
CN107968406B (zh) 一种有源电力滤波器抗饱和频率自适应重复控制方法
CN210167979U (zh) 抑制共模电流的非隔离单相光伏并网逆变器
Meurer et al. Module integrated buck inverter: Analysis and design
KR20110072838A (ko) 인버터의 모델전류추종 적응제어방법
Guo et al. Frequency adaptive repetitive controller for grid-connected inverter with an all-pass infinite impulse response (IIR) filter
Jiang et al. Research on the comparison analyses of three-phase discrete and integrated LC filters in three-phase PV inverter
CN106230015B (zh) 基于输出网侧电流估计的单相lcl型并网逆变器谐振抑制方法
Gambhir et al. Low frequency current ripple reduction of a current-fed switched inverter
CN113067372A (zh) 一种改善lcl滤波并网控制性能的有源阻尼方法及电路
CN107359804B (zh) 一种lcl型三电平并网逆变器的无差拍控制方法
CN111313458A (zh) 一种适用于lcl型并网逆变器的组合滤波前馈控制方法
Kanda et al. A robust stabilization method of power converter for islanded microgrids to realize plug and play function
Xu et al. Current control based on zero-placement strategy for grid-connected LCL-filtered inverters
Arif et al. Integrated grid inductance estimation technique for finite control set model predictive control in grid connected converters
Bai et al. Investigation on control strategies for LCL-filtered voltage-source converter
Wu et al. A moving pole-placement compensation design method to increase the bandwidth of RC-damper-based dual “Buck-Boost” AC/DC converter
Agrawal et al. Comparative study of ATSMC and PTMC for a Single Phase SAPF

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid