KR20130093406A - 분산전원용 전력변환장치의 ｌｃｌ필터 설계방법 - Google Patents

분산전원용 전력변환장치의 ｌｃｌ필터 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 독립부하의 소비전력을 고려하여 계통전류의 고조파 기준을 만족하며, 계통연계와 독립운전시 독립부하에 인가되는 전압의 품질을 보장할 수 있는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법에 대한 것으로, 인버터 사양에 따른 LCL필터의 초기값을 설정하는 단계; 인버터의 사양, 계통전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 이용하여 필터 설계 제한조건을 만족하는 인버터 전류 리플율 영역(필터설계 영역)을 계산하는 단계; 상기 계산된 인버터 전류 리플율 영역에서 평가기준에 따라 가중치를 적용하여 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 계산하는 단계; 및 상기 계산된 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 필터 계산식에 적용하여 최적의 LCL필터 설계값을 계산하는 단계;를 포함한다.

Description

분산전원용 전력변환장치의 ＬＣＬ필터 설계방법{LCL FILTER DESIGN METHOD OF POWER CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 계통연계 운전과 독립운전이 가능한 분산전원용 전력변환장치(PCS)를 위한 저비용 고효율의 LCL필터 설계방법에 관한 것이다.
일반적으로 분산전원용 계통연계형 전력변환장치(Power Conditioning System : PCS)는 입력된 DC 또는 AC전압을 50Hz나 60Hz의 상용주파수의 AC전압으로 변환하기 위해 내부에서 펄스폭변조(Pulse Width Modulation : PWM)를 하게 되고, 이로 인하여 발생하는 고조파성분은 IEEE 1547규정에 따라 제한된다.
상기 펄스폭변조시 발생하는 고조파 성분은 분산전원용 전력변환장치(PCS)의 출력단에 LCL필터를 사용하여 저감시킬 수 있다. 상기 LCL필터는 스위칭 주파수대에서의 고조파를 줄이는데 효과적인 방법으로 알려져 있으며, 저비용과 상대적으로 작은 부피로 구현할 수 있는 장점이 있기 때문에 많이 사용되고 있다. 이러한 LCL필터의 설계방법은 여러 문헌을 통해 이미 소개되었다.
미국 등록 특허 7,450,405호에서는 단순히 LCL필터만을 설계하고 작용할 경우 LCL필터를 구성하는 인덕터와 커패시터등 각각의 소자가 갖는 정수로 인한 공진현상이 발생하게 되어 이를 억제하기 위하여 능동적인 댐핑기법을 적용한 LCL필터설계가 "DC/AC Converter with Dampened LCL Filter Distortions"을 제시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 독립부하,예를들면 발전용 연료전지 시스템의 운전장치(Balance of plant)의 존재를 고려하지 않고 설계되기 때문에 독립부하가 소비하는 전력이 큰 분산전원용 발전시스템의 경우 분산전원용 전력변환장치(PCS)의 출력전류의 일부가 독립부하에 의해 소비되고, 이로 인하여 IEEE 1547에서 규정된 고조파기준을 만족하기 어렵게 된다.
게다가 이러한 종래의 LCL설계방법은 계통전류의 고조파 저감만을 고려하여 LCL필터를 설계하기 때문에 계통연계시 및 독립운전시 모두 독립부하에 인가되는 전압의 품질을 보장할 수 없는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 독립부하의 소비전력을 고려하여 계통전류의 고조파 기준을 만족하며, 계통연계와 독립운전시 독립부하에 인가되는 전압의 품질을 보장할 수 있는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제한조건을 만족하고 독립부하의 설계조건에 따라 LCL필터를 설계함으로써 저비용 고효율의 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법은, 인버터 사양에 따른 LCL필터의 초기값을 설정하는 단계; 인버터의 사양, 계통전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 이용하여 필터 설계 제한조건을 만족하는 인버터 전류 리플율 영역을 계산하는 단계; 상기 계산된 인버터 전류 리플율 영역에서 평가기준에 따라 가중치를 적용하여 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 필터 계산식에 적용하여 최적의 LCL필터 설계값을 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 인버터의 사양은 정격출력전력, 중요부하 정격전력, 출력 선간전압, DC전압, 계통주파수, 스위칭 주파수 및 계통전류 리플율을 포함한다.
상기 LCL필터의 초기값은 인덕턴스 크기 제한상수, 커패시턴스 크기 제한상수, 기본주파수에 대한 공진 주파수 비율, 스위칭 주파수에 대한 공진 주파수 비율, 독립부하 전압 리플율 의 초기값 및 최대값을 포함한다.
상기 필터 설계제한 조건은 전체 인덕턴스, 커패시턴스 및 공진 주파수 제한조건을 포함한다.
상기 평가기준은 독립부하 전압 리플율, 인덕터 부피, 무효 전류량 및 시스템 대역폭을 포함한다.
상기 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율은 사용자에 의해 각 평가기준에 부여되는 가중치에 따라 변경되며, 중요한 평가기준에 따라 가중치가 크게 설정된다.
상기 필터설계제한 조건에서 총 인덕턴스는 독립부하의 소비전력을 고려하여 항상 계통전류의 고조파 기준을 만족하도록 설계된다.
상기 필터설계제한 조건에서 필터 커패시턴스는 계통연계시와 독립운전시 모두 독립부하 전압의 전고조파왜율을 만족하도록 설계된다.
상기 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 계산하는 단계는, 계산된 필터설계 영역내에서 인버터 전류 리플율을 증가시키면서 가중치를 적용한 평가식으로부터 각 인버터 전류 리플율의 평가값을 계산하는 단계; 계산된 평가값을 이전 평가값과 비교하는 단계; 비교결과 현재의 평가값 이전 평가값보다 보다 작으면 버리고, 크면 현재의 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 저장하는 단계; 및 상기 저장된 독립부하 전압 리플율을 증가시키면서 필터설계 영역을 계산한 후 상기 동작을 반복적으로 수행하여 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 최적의 LCL필터 설계값을 계산하는 단계는 상기 저장된 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 필터 설계식에 적용하여 LCL필터값을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 LCL필터값이 필터 설계제한 조건을 만족하는 경우 최적의 LCL필터값으로 최종 결정하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 계통연계 운전과 독립운전이 가능한 분산전원용 전력변환장치 (PCS)를 위한 저비용 고효율의 LCL필터 설계방법을 제공함으로써 LCL필터 설계시 독립부하가 존재하는 시스템에서 독립부하의 소비전력과 관계없이 항상 계통전류가 계통규정에 만족하며, 독립부하의 전압품질도 독립운전시와 계통연계시 항상 보장할 ㅅ한수 있는 효과가 있다. 특히 본 발명은 필터 설계 제한조건을 만족하는 필터 설계 영역을 계산하고, 구해진 필터설계 영역에서 독립부하 전압리플, 인덕터 부피, 무효 전류량, 시스템 대역폭 등에 설계자에 따라 가중치를 적용함으로써 최적필터 설계가 가능하다.
도 1은 분산전원용 전력변환장치(PCS)의 3상 인버터 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LCL필터 모델을 나타낸 도면.
도 3은 발명의 실시예에 따른 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에서, 설계조건을 만족하는 LCL필터 설계영역과 최적 필터값을 나타낸 그래프.
도 5와 도 6a~도 6c는 설계예의 사양과 Case1의 LCL필터값의 실험 파형도.
LCL필터는 스위칭 주파수대에서의 고조파를 줄이는데 효과적인 방법으로 알려져 있다. 그런데, LCL필터의 설계는 적절한 필터파라미터의 선택이 쉽지 않기 때문에 좋은 필터 성능을 위해서는 효과적인 방법들이 필요하다.
본 발명에서는 독립부하의 존재를 고려하여 고조파 기준을 만족하면서도 독립운전과 계통연계 운전시 상기 독립부하에 인가되는 전압 품질이 규정범위내에서 유지되도록 하는 LCL필터 설계 기법을 제안한다.
도 1은 분산전원용 전력변환장치(PCS)의 3상 인버터 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와같이, 3상 인버터 시스템은 직류전압(Vdc)을 공급하는 입력부(10)와, 상기 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터부(11)와, 상기 인버터부(10)의 PWM동작으로 인해 발생하는 스위칭 주파수대의 고조파를 감쇄시키는 LCL필터부(12)와, 상기 LCL필터부(12)의 커패시터(
Figure pat00001
) 양단에 연결된 독립부하(13)와, 상기 LCL필터부(12)에서 필터링되어 고조파가 감쇄된 3상 출력전압을 계통과 연결 및 차단시키는 차단기부(14) 및 상기 필터링된 3상교류전압이 만나는 전력 계통망(15)으로 구성된다.
상기 인버터부(10)의 각 계통연계형 인버터는 IEEE 1547의 규정에 의하여 계통주입전류의 고조파 성분이 제한되기 때문에 LCL필터는 항상 계통 규정을 만족할 수 있도록 설계되어야 한다. 그리고 도 1과 같이 독립부하, 예를들면 연료전지 시스템 자체 부하인 기계적 운전장치(Mechanical Balance Of Plant : MBOP)에도 동시에 전력을 공급하는 분산전원용 전력변환장치의 경우에는 LCL필터를 설계할 때 독립부하의 전압품질도 함께 고려해야 한다.
1. 독립부하의 소비전력을 고려하여 항상 계통전류의 고조파 기준을 만족하는 총 인덕턴스(Li+Lg)설계 방법
도 1에서 인버터부(10)측의 각 계통연계형 인버터에 대한 인덕터(Li)를 설계하기 위해, 먼저 인버터측 전류(
Figure pat00002
)의 스위칭 성분(
Figure pat00003
)을 다음의 [수학식1]을 이용하여 구한다.
[수학식1]
Figure pat00004
여기서, 상기
Figure pat00005
는 스위칭 주파수이다.
이때, 상기 인버터부(10)의 출력전압(
Figure pat00006
)의 스위칭성분(
Figure pat00007
)은 정현파 펄스폭변조(SPWM)방식(
Figure pat00008
=0.8)이고 스위칭 주파수가 계통주파수에 비하여 매우 크면, 상기 스위칭성분(
Figure pat00009
)은 다음 [수학식2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식2]
Figure pat00010
여기서, 상기
Figure pat00011
는 인버터의 DC링크의 입력전압이다.
따라서, 상기 [수학식1]과 [수학식2]를 이용하여 다음의 [수학식3]과 같은 인버터측 인덕터(
Figure pat00012
)의 설계식을 구할 수 있다.
[수학식3]
Figure pat00013
여기서
Figure pat00014
이고,
Figure pat00015
이며,
Figure pat00016
는 계통전압이다.
한편 독립부하가 소비하는 전력에 따라 계통으로 주입되는 기본파 전류는 감소하여 리플율이 증가하는데, 독립부하가 정격전력으로 동작할 때 독립부하로 흐르는 전류가 가장 크기 때문에 계통전류 리플율은 가장 크게 된다.
따라서, 상기 독립부하가 정격전력으로 동작할 때를 고려하여 계통측 인덕터 (
Figure pat00017
)가 설계되어야 한다. 도 2는 LCL필터 모델을 나타낸다. 상기 LCL필터 모델로부터 스위칭 주파수에서의 인버터 전류(
Figure pat00018
)에 대한 계통전류(
Figure pat00019
)의 전달함수를 다음의 [수학식4]와 같이 구할 수 있다.
[수학식4]
Figure pat00020
상기 [수학식 4]에, 상기 계통측 인덕터(
Figure pat00021
) 흐르는 전류 기본파에 대한 스위칭 성분비
Figure pat00022
, 인버터의 정격전력(
Figure pat00023
)에 대한 계통에 주입되는 전력(
Figure pat00024
)의 비율
Figure pat00025
을 각각 대입하여 정리하면 다음 [수학식5]와 같이 계통측 인덕터(
Figure pat00026
)의 설계식을 구할 수 있다.
[수학식5]
Figure pat00027
그리고, 계통규정 IEEE 1547규정을 만족시키기 위하여 [수학식5]에 계통측 인덕터(
Figure pat00028
)에 흐르는 전류 기본파에 대한 스위칭 성분비(
Figure pat00029
)를 0.3%이하로 선정하면, 선정된 필터는 계통규정을 항상 만족시킬 수 있다.
2. 계통연계와 독립운전시 모두 독립부하 전압의 전고조파왜곡율(THD: Total hamonic distortion )을 만족하는 필터 커패시터(
Figure pat00030
)설계방법
도 2에 도시된 LCL필터 모델로부터, 계통연계시와 동기연계시 스위칭 주파수에서의 인버터 출력전압(
Figure pat00031
)에 대한 커패시터(
Figure pat00032
) 양단전압(
Figure pat00033
)의 전달함수를 각각 [수학식6] 및 [수학식 7]과 같이 구할 수 있다.
[수학식6]
Figure pat00034
(계통연계시)
[수학식7]
Figure pat00035
(독립 운전시)
따라서, 독립부하로 인가되는 전압의 품질이 독립 운전시와 계통연계시 항상 보장될 수 있도록, 전압 감쇠율이 적은 독립운전시의 전달함수를 이용하여 상기 필터 커패시터(
Figure pat00036
)를 설계한다. 즉, [수학식7]에 커패시터(Vcf) 양단의 전압 기본파에 대한 스위칭 성분비
Figure pat00037
,
Figure pat00038
및 [수학식2]를 대입하여 정리하면, 다음 [수학식8]과 같이 필터 커패시터(
Figure pat00039
)의 설계식을 구할 수 있다.
[수학식8]
Figure pat00040
상기 [수학식8]에 IEEE 549를 적용하여
Figure pat00041
를 3%이하로 선정하여 필터 커패시터(
Figure pat00042
)를 설계할 경우 독립부하이 전압품질은 항상 보장된다.
3. 필터설계 제한조건을 항상 만족하는 필터 설계방법
LCL필터 설계시 전체 인덕턴스(Lt)는 다음의 [수학식9]과 같은 제한조건을 만족해야 한다.
[수학식9]
Figure pat00043
(여기서
Figure pat00044
는 총 인덕턴스 제한상수)
따라서, [수학식9]에 앞에서 설정한
Figure pat00045
설계식,
Figure pat00046
설계식,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
을 대입하면, 다음 [수학식10]과 같이 상기 제한조건을 만족하는
Figure pat00050
영역을 구할 수 있다.
[수학식10]
Figure pat00051
Figure pat00052
Figure pat00053
여기서, 상기 A는
Figure pat00054
이다.
또한, LCL필터 설계시 커패시턴스(
Figure pat00055
)는 다음의 [수학식11]과 같은 제한조건을 만족해야 한다.
[수학식11]
Figure pat00056
(여기서
Figure pat00057
필터 커패시터 제한상수)
상기 식에 앞에서 설명한
Figure pat00058
설계식 및
Figure pat00059
를 대입하면, 다음 [수학식12]와 같이 제한조건을 만족하는
Figure pat00060
영역을 구할 수 있다.
[수학식12]
Figure pat00061
Figure pat00062
Figure pat00063
한편 공진주파수(
Figure pat00064
)의 제한조건은 다음 [수학식13]과 같다
[수학식13]
Figure pat00065
여기서
Figure pat00066
는 기준파 제한상수이고,
Figure pat00067
는 스위칭주파수 제한상수이다.
상기 [수학식13]에
Figure pat00068
,
Figure pat00069
설계식,
Figure pat00070
설계식,
Figure pat00071
설계식,
Figure pat00072
을 대입하여 정리하면, 상기 공진주파수의 제한조건을 만족하는
Figure pat00073
영역은 다음 [수학식14]과 같다.
[수학식14]
Figure pat00074
따라서 필터설계 제한조건인 [수학식 9], [수학식11] 및 [수학식13]을 만족하는 LCL필터 설계값은 [수학식10], [수학식12] 및 [수학식14]에서
Figure pat00075
영역과
Figure pat00076
영역으로부터 구할 수 있다. 이는 제한조건을 만족하는 설계 영역내에서 필터 설계가 이루어지기 때문에 기존의 여러 LCL필터 설계기법의 설계과정에서 생기는 시행착오 없이 필터설계가 가능하다.
4. 독립부하 전압리플, 인덕터 부피, 무효전류량, 시스템 대역폭을 고려하여 설계자에 따라 가중치를 적용한 LCL필터 최적 설계기법
그런데, 상기 필터설계 조건을 만족하는 설계영역 안에는 무수히 많은 LCL필터 값이 존재한다. 따라서, 최적 필터 설계를 위하여 영역내에서 아래의 각 성능에 가중치를 두어 최적의 LCL필터 값을 구한다.
- E1 : 총 인덕턴스
Figure pat00077
(인덕터 부피)
- E2 : 필터 커패시턴스
Figure pat00078
(무효 전류량)
- E3 : 독립부하 전압 리플율
Figure pat00079
(독립부하 전압품질)
- E4 : 공진주파수
Figure pat00080
(시스템 대역폭)
상기 각 평가기준에 따라 가중치 λ를 고려한 평가식은 다음 [수학식15]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure pat00081
따라서, 설계자는 중요한 항목에 가중치(λ)를 크게 설정하여 각 항목에 가중치를 부여한다. 상기 식의 결과값인 평가값(Eval)이 조건에 따라 최대 또는 최소가 되는
Figure pat00082
와
Figure pat00083
로부터 최적의 필터값을 구할 수 있으며, 최적 필터값은 각 평가기준에 부여되는 가중치(λ)에 따라 달라질 수 있다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법을 나타낸 순서도이다.
도 3에 도시된 바와같이, 제어부(미도시)는 사용자가 입력한 LCL필터 설계에 필요한 초기값을 설정한다(S10).상기 초기값은
Figure pat00084
를 포함한다.
상기 초기값이 설정되면 제어부(미도시)는 인버터의 사양,
Figure pat00085
로부터 상기 [수학식10], [수학식12] 및 [수학식14]를 이용하여 설계조건을 만족하는 필터설계 영역(
Figure pat00086
영역)을 계산한다 (S11).
상기
Figure pat00087
영역이 계산되면 제어부는 설계조건을 만족하는 영역내에서
Figure pat00088
를 적절히 증가시키면서 상기 평가식(수학식15)으로부터 평가값(Eval)을 계산한다. 상기 평가값(Eval)이 계산되면 현재
Figure pat00089
의 평가값 Eval(
Figure pat00090
)과 이전
Figure pat00091
의 평가값 Eval(
Figure pat00092
-△
Figure pat00093
)을 비교한다(S12). 비교결과, 현재
Figure pat00094
의 평가값 Eval(
Figure pat00095
)이 이전
Figure pat00096
의 평가값 Eval(
Figure pat00097
-△
Figure pat00098
)보다 작으면 버리고(S13), 더 크면 현재의
Figure pat00099
와
Figure pat00100
를 메모리(미도시)에 저장한다(S14).
이어서 제어부는 현재
Figure pat00101
와 최대
Figure pat00102
(
Figure pat00103
)를 비교하여(S15), 현재
Figure pat00104
가 최대
Figure pat00105
(
Figure pat00106
)보다 작으면 상기 단계(S12)이후의 동작을 수행하고, 크면 저장된
Figure pat00107
값을 최대
Figure pat00108
값(
Figure pat00109
)과 비교한다(S16). 비교결과 상기 저장된
Figure pat00110
값이 최대
Figure pat00111
값(
Figure pat00112
)보다 작으면 상기
Figure pat00113
를 증가시키면서 상기 단계(S11)이후의 동작을 반복적으로 수행하여
Figure pat00114
와
Figure pat00115
를 메모리에 저장한다.
상기 반복적인 동작에 의해 저장된
Figure pat00116
값이 최대
Figure pat00117
값(
Figure pat00118
)와 같아지거나 커지면, 제어부는 최종 저장된
Figure pat00119
와
Figure pat00120
를 최적 설계된
Figure pat00121
와
Figure pat00122
로 결정한다(S17). 상기 결정된
Figure pat00123
와
Figure pat00124
는 상기 [수학식3], [수학식5] 및 [수학식8]에 각각 대입하여 최적 LCL필터값(
Figure pat00125
)을 계산한 다음(S18) 그 계산된 최적 LCL필터값이 설계조건을 만족하는지 확인하여 최종 LCL필터값을 결정한다(S19).
이하 본 발명에 다른 LCL필터 설계방법에 따라 실제로 LCL필터를 설계하는 예를 설명한다.
먼저 인버터의 사양은 다음 [표1]과 같이 설정한다.
정격출력전력(P) 4kW
중요부하 정격전력(
Figure pat00126
)		 500W
출력 선간전압(
Figure pat00127
)		 220V
DC링크 전압(
Figure pat00128
)		 450V
계통 주파수(
Figure pat00129
)		 60HZ
스위칭 주파수(
Figure pat00130
)		 10kHz
계통전류 리플율(
Figure pat00131
)		 0.003
이어서 [표2]와 같이 상기 인버터 사양에 관련된 LCL필터의 초기값을 아래와 같이 설정한다.
Figure pat00132
(인덕턴스 크기 제한상수)		 0.1
Figure pat00133
(커패시턴스 크기 제한상수)		 0.05
Figure pat00134
(기본 주파수에 대한 공진 주파수 비율		 10
Figure pat00135
(스위칭 주파수에 대한 공진 주파수 비율)		 0.5
Figure pat00136
(독립부하 전압 리플율의 최대값)		 0.03
Figure pat00137
(독립부하 전압 리플율)		 0.007
인버터의 사양과 LLC필터의 초기값이 설정되면, 인버터의 사양,
Figure pat00138
(초기값)을 [수학식10],[수학식12] 및 [수학식14]에 적용하여, 설계조건을 만족하는
Figure pat00139
영역을 계산한다.
도 4는 설계조건을 만족하는 LCL필터 설계영역과 최적 필터값을 나타낸 그래프이다. 즉, 스위칭 주파수를 10kHz,
Figure pat00140
(IEEE 519규정 적용)로 필터를 설계할 경우, 설계조건을 만족하는
Figure pat00141
와
Figure pat00142
L영역을 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와같이, 상기 인버터의 사양,
Figure pat00143
(초기값)을 [수학식10], [수학식12] 및 [수학식14]에 적용하여, 설계조건을 만족하는
Figure pat00144
영역을 계산하면,
Figure pat00145
=0.015일 때 [수학식10]으로부터 계산된
Figure pat00146
영역은 0.0913≤
Figure pat00147
이고, 수학식(12)로부터 계산된
Figure pat00148
영역은
Figure pat00149
≤0.128이며, [수학식14]로부터 계산된
Figure pat00150
영역은 0.0139≤
Figure pat00151
이다. 따라서, 상기 설계조건을 모두 만족하는
Figure pat00152
영역은 0.0913≤
Figure pat00153
≤0.128이다.
일단 설계조건을 모두 만족하는
Figure pat00154
영역이 계산되면, 제어부는 해당 영역안에서 인버터 전류(
Figure pat00155
)의 리플율 즉,
Figure pat00156
를 적절히 증가시켜 가며 평가식으로부터 Eval을 계산하고, 현재값(
Figure pat00157
)과 이전 값(
Figure pat00158
-△
Figure pat00159
)을 비교하여 평가점수(Eval)가 높은
Figure pat00160
와
Figure pat00161
를 메모리에 저장한다.
이때, 도 4에 도시된 바와같이 어떤 평가기준에 따라 가중치를 부여하느냐에 따라 최적 설계 필터값도 달라지는데, [표3]에는 인덕터 부피와 무효 전류량을 고려한 예를 나타낸다.
Figure pat00162
Figure pat00163
Figure pat00164
Figure pat00165
Case 1
(인덕터 부피를 최우선으로 고려)		 0.5 0.25 0.1 0.15
Case 2
(무효전류량을 최우선으로 고려)		 0.2 0.6 0.1 0.1
이 상태에서
Figure pat00166
를 적절하게 증가시키면서 상기 동작을 반복적으로 수행하고, 상기 증가된
Figure pat00167
가 최대
Figure pat00168
값(
Figure pat00169
)보다 같거나 커지면 [표4]에 도시된 바와같이, 최종 저장된
Figure pat00170
와
Figure pat00171
를 [수학식3],[수학식5] 및 [수학식8]에 대입하여 아래 [표5]와 같이, 최적 필터 설계값(
Figure pat00172
)을 계산한다.
Figure pat00173
Figure pat00174
Case 1 0.123 0.0162
Case 2 0,11 0.02
Figure pat00175
Figure pat00176
Figure pat00177
Case 1 1.6mH 9.7uF 1.2mH
Case 2 1.78mH 7uF 1.44mH
[표5]에 도시된 바와같이, 최적 필터의 설계값(
Figure pat00178
)이 계산되면, 계산된 최적 설계값이 [수학식9], [수학식11] 및 [수학식13]에 도시된 설계조건(제한조건)을 만족하는지 최종적으로 확인한다. 확인결과 다음의 [표6]와 같이 두가지 경우 모두 필터설계 제한조건을 만족함을 알 수 있다.
Figure pat00179
(≤0.1P)
Figure pat00180
(≤0.05P) 		(600Hz≤)
Figure pat00181
(≤5kH)
Case 1 0.086PU 0.044PU 1.96kHz
Case 2 0.1PU 0.032PU 2.12kHz
도 5와 도 6a 내지 6c는 설계예의 사양과 Case1의 LCL필터값의 실험 파형으로서, 도 5는 PCS를 계통연계 운전시 부하전압(
Figure pat00182
), 계통전류(
Figure pat00183
), 인버터전류(
Figure pat00184
) 의 각 파형이고, 계통전류의 THD는 5%이내이다.
또한, 도 6a에 도시된 바와같이, PCS를 계통연계 운전시 인버터전류의 기본파에 대한 계통전류 리플율(
Figure pat00185
)의 측정값은 0.0025(설계 목표값:0.003)이다. 또한, 도 6b에 도시된 바와같이, 독립부하의 양단전압(
Figure pat00186
)의 기본파에 대한 부하전압 리플율(
Figure pat00187
)의 측정값은 PCS를 계통연계 운전시에는 0.0145(설계 목표값:0.0162)이고, 도 6c에 도시된 바와같이 PCS를 독립운전시에는 0.0155(설계 목표값:0.0162)로서 모두 설계목표를 만족함을 알 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명은 LCL필터를 구성하는 인덕터와 커패시터 정수를 설계함에 있어 인덕터 정수는 계통전류의 고조파기준인 IEEE 1547규정을 준수하도록 설정하고, 커패시터 정수는 IEEE 519의 독립부하 전압의 고조파 권고사항을 준수하도록 설정한다. 본 발명은 독립운전과 계통연계 운전의 경우 모두 독립부하를 고려하여 독립부하에 인가되는 전압 품질이 규정범위내에서 유지되도록 필터 정수의 범위를 선정하기 때문에, 독립부하가 존재하는 분산발전 시스템의 독립부하의 소비전력과 관계없이 항상 계통전류가 규정에 만족한다.
또한 본 발명은 구해진 필터 정수 영역에서 독립부하의 전압리플, 인덕터 부피, 무효 전류량, 시스템 대역폭등을 고려한 가중치를 고려하여 LCL필터를 설계함으로써 저비용 및 고효율의 LCL필터를 설계할 수 있다.
따라서, 본 발명은 LCL필터 설계시 독립부하가 존재하는 시스템에서 독립부하의 소비전력과 관계없이 항상 계통전류가 계통규정에 만족하며, 독립운전시와 계통연계 운전시 항상 독립부하의 전압품질을 보장할 수 있다.
상기와 같이 설명된 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10 : 입력부 11 : 인버터부
12 : LCL필터부 13 : 독립부하
14 : 차단기부 15 : 전력계통망

Claims (10)

  1. 인버터 사양에 따른 LCL필터의 초기값을 설정하는 단계;
    인버터의 사양, 계통전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 이용하여 필터 설계 제한조건을 만족하는 인버터 전류 리플율 영역을 계산하는 단계;
    상기 계산된 인버터 전류 리플율 영역에서 평가기준에 따라 가중치를 적용하여 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 필터 계산식에 적용하여 최적의 LCL필터 설계값을 계산하는 단계;를 포함하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인버터의 사양은
    정격출력전력, 중요부하 정격전력, 출력 선간전압, DC전압, 계통주파수, 스위칭 주파수 및 계통전류 리플율을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LCL필터의 초기값은
    인덕턴스 크기 제한상수, 커패시턴스 크기 제한상수, 기본주파수에 대한 공진 주파수 비율, 스위칭 주파수에 대한 공진 주파수 비율, 독립부하 전압 리플율 의 초기값 및 최대값을 포함하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 필터 설계제한 조건은
    전체 인덕턴스, 커패시턴스 및 공진 주파수 제한조건인 것을 특징으로 하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 평가기준은
    독립부하 전압 리플율, 인덕터 부피, 무효 전류량 및 시스템 대역폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율은 사용자에 의해 각 평가기준에 부여되는 가중치에 따라 변경되며, 중요한 평가기준에 따라 가중치가 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 총 인덕턴스는
    독립부하의 소비전력을 고려하여 항상 계통전류의 고조파 기준을 만족하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 필터 커패시턴스는
    계통연계시와 독립운전시 모두 독립부하 전압의 전고조파왜율을 만족하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 계산하는 단계는
    계산된 필터설계 영역내에서 인버터 전류 리플율을 증가시키면서 가중치를 적용한 평가식으로부터 각 인버터 전류 리플율의 평가값을 계산하는 단계;
    계산된 평가값을 이전 평가값과 비교하는 단계;
    비교결과 현재의 평가값 이전 평가값보다 보다 작으면 버리고, 크면 현재의 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 저장하는 단계; 및
    상기 저장된 독립부하 전압 리플율을 증가시키면서 필터설계 영역을 계산한 후 상기 동작을 반복적으로 수행하여 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율 계산하는 단계;를 포함하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 최적의 LCL필터 설계값을 계산하는 단계는
    상기 저장된 인버터 전류 리플율 및 독립부하 전압 리플율을 필터 설계식에 적용하여 LCL필터값을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 LCL필터값이 필터 설계제한 조건을 만족하는 경우 최적의 LCL필터값으로 최종 결정하는 단계;를 포함하는 분산전원용 전력변환장치의 LCL필터 설계방법.
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