KR20170110985A - 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법은, 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 인버터 제어용 프로세서에 의해 외란 관측기를 구성하는 단계; 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 구성된 외란 관측기를 이용하여 전력계통의 계통 전압을 추정하는 단계; 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 추정된 계통 전압을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정하는 단계; 및 추정된 계통 전압 및 계통 전압의 위상각을 바탕으로 인버터 제어용 프로세서에 의해 계통 연계형 인버터를 제어하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 계통전압을 직접 측정하지 않고 계통에 주입되는 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성하고, 이를 통해 계통전압 및 위상각을 추정하므로, 전압센서를 사용하지 않으며 이에 따라 계통연계 인버터의 제조 비용 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법{System and Method for Controlling Grid Connected Inverter Using Disturbance Observer}
본 발명은 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성하여 계통 전압과 위상각을 추정함으로써, 계통 전압의 측정 없이도 계통 전압의 위상각을 측정할 수 있는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
분산전원 시스템의 발전 에너지를 활용하기 위해서는 발전 전력을 계통에 주입하여야 하며, 이때 계통과 동기화하여 발전시스템을 운영하기 위해서는 계통전압의 위상각 정보가 필수적으로 요구된다.
종래에는 분산전원 시스템을 계통에 연계하여 전력을 공급하기 위해 필수적인 요소인 계통전압의 위상각 정보를 계통전압 측정을 통해 획득하였으며, 이를 위해 고가의 전압센서가 사용되었다. 이에 따라 종래 방식에서는 계통연계 인버터의 생산 시 전압 및 전류 센서가 필요하여 생산비용이 증가하는 문제가 있다.
한편, 공개특허공보 제10-2007-0056264호(특허문헌 1)에는 "간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터 및 그의 제어방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법은, 계통주입전류의 목표치를 입력하고 상기 목표치에 따라 라인인덕터 양단에 요구되는 전압을 구하는 단계; 상기 목표치와 계통에 흐르는 실제전류의 크기를 비교하여 오차를 계산하는 단계; 상기 전류 오차값을 근거로 외부루프 제어기가 상기 라인인덕터 양단에 요구되는 전압 및 주전원전압을 이용하여 지령위상각을 계산하여 출력하는 단계; 상기 지령위상각과 소정의 주전원전압으로부터 위상고정루프(PLL)에 의해 계산된 전원각(θ)을 더하여 커패시터전압의 위상각(sin(θ+α))을 구하는 단계; 상기 인덕터 양단에 요구되는 전압과 주전원전압을 이용하여 계산한 커패시터 양단 전압의 크기와, 상기 커패시터전압의 위상각(sin(θ+α))을 근거로 하여 전압 목표치를 계산하는 단계; 상기 전압 목표치와 실제치를 비교하여 전압 오차값을 계산하는 단계; 상기 전압 오차값을 근거로 내부루프 제어기가 전압 지령치를 계산하는 단계; 및 상기 전압 지령치에 의해 펄스폭변조(PWM) 제어신호를 출력하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 라인인덕터에 가해지는 전압을 적절히 제어하여 계통주입전류를 조정하고 인버터가 항시 전압제어모드로 작동하도록 함으로써, 주전원 이상으로 인한 인버터의 운전모드 전환 시 출력전압의 과도현상 발생 없이 지속적으로 안정된 전력을 주요부하에 공급할 수 있을지는 몰라도, 최종 제어신호를 출력하기까지 다단계의 연산 과정을 거쳐야 하므로, 운전모드 전환 시나 제어환경의 변화 시 제어 시간이 오래 걸리고, 연산 과정에서의 각종 변수의 개입으로 에러 발생 위험성을 내포하고 있다.
공개특허공보 제10-2007-0056264호(2007.06.04.)
본 발명은 이상과 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성하여 계통 전압과 위상각을 추정함으로써, 계통 전압의 측정 없이도 계통 전압의 위상각을 측정할 수 있고, 실제로 계통에 연계 및 운영되어 기존의 계통연계 인버터의 활용 목적을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 전력품질을 유지할 수 있는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템은,
분산발전 시스템과 전력계통 사이에 위치되며, 상기 분산발전 시스템으로부터 생산된 전력을 상기 전력계통에 연계해주는 계통 연계형 인버터;
상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 설치되며, 계통 연계형 인버터로부터 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서; 및
내부에 외란 관측기를 구비하고 있으며, 상기 전류 센서로부터 검출된 전류 신호를 입력받아 상기 전력계통의 계통전압 및 계통전압의 위상각을 추정하고, 추정된 계통전압 및 계통전압의 위상각을 바탕으로 상기 계통 연계형 인버터를 제어하는 인버터 제어용 프로세서를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 외란 관측기는 상기 인버터 제어용 프로세서의 출력(
Figure pat00001
)과 상기 계통 연계형 인버터의 출력전류(
Figure pat00002
)를 피드백 입력받아 계통전압 추정값 (
Figure pat00003
)을 생성하는 하나의 알고리즘으로서 상기 인버터 제어용 프로세서 내에 소프트웨어 프로그램으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전류 센서와 상기 인버터 제어용 프로세서 사이에는 상기 전류 센서로부터 검출된 전류 신호(아날로그 신호)를 디지털 데이터로 변환하여 상기 인버터 제어용 프로세서로 제공하는 A/D(analog-to-digital) 컨버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어용 프로세서와 상기 계통 연계형 인버터 사이에는 상기 인버터 제어용 프로세서로부터의 제어신호를 입력받아 상기 계통 연계형 인버터의 반도체 스위칭 소자의 게이트 단자에 바이어스 전압을 인가 또는 차단하여 반도체 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF) 제어하는 게이트 드라이버를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법은,
계통 연계형 인버터와, 전류 센서 및 인버터 제어용 프로세서를 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템에 의한 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법으로서,
a) 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 외란 관측기를 구성하는 단계;
b) 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 구성된 외란 관측기를 이용하여 상기 전력계통의 계통 전압을 추정하는 단계;
c) 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 추정된 계통 전압을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정하는 단계; 및
d) 상기 추정된 계통 전압 및 계통 전압의 위상각을 바탕으로 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 계통 연계형 인버터를 제어하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 a)에서 상기 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성함에 있어서, 상기 인버터 제어용 프로세서의 출력(
Figure pat00004
)과 상기 계통 연계형 인버터의 출력전류(
Figure pat00005
)를 피드백 입력받아 계통전압 추정값 (
Figure pat00006
)을 생성하는 하나의 알고리즘을 상기 인버터 제어용 프로세서 내에 소프트웨어 프로그램으로 구성함으로써 외란 관측기를 구성할 수 있다.
또한, 상기 단계 b)에서 외란 관측기를 이용하여 전력계통의 계통 전압을 추정함에 있어서, 상기 인버터 제어용 프로세서의 출력(
Figure pat00007
)과 상기 계통 연계형 인버터의 출력전류(
Figure pat00008
)를 상기 외란 관측기로 피드백 입력받아 외란 관측기 내에서 LPF(low pass filter)의 출력(
Figure pat00009
)과 전달 매트릭스의 출력(
Figure pat00010
)을 각각 얻고, LPF의 출력(
Figure pat00011
)에서 전달 매트릭스의 출력(
Figure pat00012
)을 감산하여 얻은 외란 추정값(
Figure pat00013
)을 계통전압 추정값(
Figure pat00014
)으로 취함으로써 계통 전압을 추정할 수 있다.
또한, 상기 단계 b)에서 상기 추정된 계통 전압(
Figure pat00015
)이 가지는 위상 지연을 보상하기 위하여 위상 보상기를 이용하여 위상 지연을 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 위상 보상기를 이용하여 위상 지연을 보상함에 있어서, 추정된 계통전압(
Figure pat00016
)으로부터 결정된 위상각(추정된 위상)(
Figure pat00017
)에 지연각(
Figure pat00018
)을 더하여 지연 보상된 위상각(
Figure pat00019
)을 얻음으로써 위상 지연을 보상할 수 있다.
또한, 상기 단계 c)에서 추정된 계통 전압을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정함에 있어서, 추정된 계통전압(
Figure pat00020
)으로부터 결정된 위상각(추정된 위상)(
Figure pat00021
)에 예상되는 위상 지연만큼을 가산함으로써 실제 계통전압과 일치하는 계통 전압의 위상각(
Figure pat00022
)을 추정할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 계통전압을 직접 측정하지 않고 계통에 주입되는 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성하고, 이를 통해 계통전압 및 위상각을 추정하므로, 전압센서를 사용하지 않으며 이에 따라 계통연계 인버터의 제조 비용 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법에 따른 제어 개념을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 프로그램이 가능한 3상 교류 전압 소스에 의해 생성된 테스트용의 다양한 계통 전압을 나타낸 도면이다.
도 5는 외란 관측기를 이용한 계통전압 및 위상각 추정 성능을 설명하기 위해 이상적인 계통전압 조건하에서 행한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 3상 계통 전압이 불평형 조건에 있을 때, 본 발명에서의 외란 관측기 기반의 추정방식을 이용한 계통전압 및 위상각 추정 성능을 나타낸 도면이다.
도 7은 계통 전압이 고조파 왜곡을 가질 때 본 발명에서의 외란 관측기 기반의 추정방식을 이용한 계통전압 및 위상각 추정 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템(100)은 계통 연계형 인버터(110), 전류 센서(120) 및 인버터 제어용 프로세서(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
계통 연계형 인버터(110)는 분산발전 시스템(미도시)과 전력계통 사이에 위치되며, 상기 분산발전 시스템으로부터 생산된 전력을 상기 전력계통에 연계해주는 역할을 한다. 즉, 분산발전 시스템(예를 들면, 풍력발전 시스템)에 의해 발전된(생산된) 교류 전압은 직류 전압으로 변환되어 저장되고, 그 저장된 직류 전압을 계통 연계형 인버터(110)가 공급받아 다시 교류 전압으로 변환하여 전력계통(상용전력)에 연계해주는 역할을 한다.
전류 센서(120)는 상기 계통 연계형 인버터(110)의 출력단에 설치되며, 계통 연계형 인버터(110)로부터 출력되는 전류를 검출한다. 여기서, 이와 같은 전류 센서(120)로는 케이블(라인)을 통해 흐르는 전류를 측정할 수 있는 전류 센서이면 특별한 제한 없이 사용이 가능하다.
인버터 제어용 프로세서(140)는 내부에 외란 관측기(141)(도 3 참조)를 구비하고 있으며, 상기 전류 센서(120)로부터 검출된 전류 신호를 입력받아 상기 전력계통의 계통전압 및 계통전압의 위상각을 추정하고, 추정된 계통전압 및 계통전압의 위상각을 바탕으로 상기 계통 연계형 인버터(110)를 제어한다. 이와 같은 인버터 제어용 프로세서(140)로는 DSP(Digital Signal Processor)가 사용될 수 있다.
여기서, 상기 인버터 제어용 프로세서(140)의 내부에 구비된 상기 외란 관측기(141)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 인버터 제어용 프로세서(140)의 출력(
Figure pat00023
)과 상기 계통 연계형 인버터(110)의 출력전류(
Figure pat00024
)를 피드백 입력받아 계통전압 추정값(
Figure pat00025
)을 생성하는 하나의 알고리즘으로서 상기 인버터 제어용 프로세서(140) 내에 소프트웨어 프로그램으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어용 프로세서(140)는 전력계통의 계통전압 및 계통전압의 위상각을 추정하는 과정에서 발생하는 위상 지연을 보상하기 위한 위상 보상기(142)를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 전류 센서(120)와 상기 인버터 제어용 프로세서(140) 사이에는 상기 전류 센서(120)로부터 검출된 전류 신호(아날로그 신호)를 디지털 데이터로 변환하여 상기 인버터 제어용 프로세서(140)로 제공하는 A/D(analog-to-digital) 컨버터(130)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어용 프로세서(140)와 상기 계통 연계형 인버터(110) 사이에는 상기 인버터 제어용 프로세서(140)로부터의 제어신호를 입력받아 상기 계통 연계형 인버터(110) 내부의 반도체 스위칭 소자(예를 들면, IGBT(insulated gate bipolar transistor))의 게이트 단자에 바이어스 전압을 인가 또는 차단하여 반도체 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF) 제어하는 게이트 드라이버(150)를 더 포함할 수 있다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템을 기반으로 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법에 따른 제어 개념을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법은, 전술한 바와 같은 계통 연계형 인버터(110)와, 전류 센서(120) 및 인버터 제어용 프로세서(140)를 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템(100)을 기반으로 하여 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법으로서, 먼저 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 상기 인버터 제어용 프로세서(140)에 의해 외란 관측기(141)를 구성한다(단계 S201). 여기서, 상기 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 외란 관측기(141)를 구성함에 있어서, 상기 인버터 제어용 프로세서(140)의 출력(
Figure pat00026
)과 상기 계통 연계형 인버터(110)의 출력전류(
Figure pat00027
)를 피드백 입력받아 계통전압 추정값 (
Figure pat00028
)을 생성하는 하나의 알고리즘을 상기 인버터 제어용 프로세서(140) 내에 소프트웨어 프로그램으로 구성함으로써 외란 관측기(141)를 구성할 수 있다.
이상에 의해 외란 관측기(141)가 구성되면, 상기 인버터 제어용 프로세서 (140)에 의해 상기 구성된 외란 관측기(141)를 이용하여 상기 전력계통의 계통 전압을 추정한다(단계 S202). 여기서, 외란 관측기(141)를 이용하여 전력계통의 계통 전압을 추정함에 있어서, 상기 인버터 제어용 프로세서(140)의 출력(
Figure pat00029
)과 상기 계통 연계형 인버터(110)의 출력전류(
Figure pat00030
)를 상기 외란 관측기(141)로 피드백 입력받아 외란 관측기(141) 내에서 LPF(low pass filter)(
Figure pat00031
)의 출력(
Figure pat00032
)과 전달 매트릭스(
Figure pat00033
)의 출력(
Figure pat00034
)을 각각 얻고, LPF(
Figure pat00035
)의 출력(
Figure pat00036
)에서 전달 매트릭스(
Figure pat00037
)의 출력(
Figure pat00038
)을 감산하여 얻은 외란 추정값(
Figure pat00039
)을 추정된 계통전압(
Figure pat00040
)으로 취함으로써 계통 전압을 추정할 수 있다.
또한, 상기 단계 S202에서 상기 추정된 계통전압(
Figure pat00041
)이 가지는 위상 지연을 보상하기 위하여 상기 인버터 제어용 프로세서(140) 내의 위상 보상기(142)를 이용하여 위상 지연을 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 위상 보상기(142)를 이용하여 위상 지연을 보상함에 있어서, 추정된 계통전압(
Figure pat00042
)으로부터 결정된 위상각(추정된 위상)(
Figure pat00043
)에 지연각(
Figure pat00044
)을 더하여 지연 보상된 위상각(
Figure pat00045
)을 얻음으로써 위상 지연을 보상할 수 있다.
이렇게 하여 계통 전압이 추정되면, 상기 인버터 제어용 프로세서(140)에 의해 상기 추정된 계통 전압(
Figure pat00046
)을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정한다(단계 S203). 여기서, 추정된 계통 전압을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정함에 있어서, 추정된 계통전압(
Figure pat00047
)으로부터 결정된 위상각(추정된 위상)(
Figure pat00048
)에 예상되는 위상 지연만큼을 가산함으로써 실제 계통전압과 일치하는 계통 전압의 위상각(
Figure pat00049
)을 추정할 수 있다.
이상에 의해 계통 전압 및 계통 전압의 위상각이 추정되면, 그 추정된 계통 전압(
Figure pat00050
) 및 계통 전압의 위상각(
Figure pat00051
)을 바탕으로 상기 인버터 제어용 프로세서(140)에 의해 상기 계통 연계형 인버터(110)를 제어한다(단계 S204).
이상과 같은 일련의 과정에서, 계통 전압의 위상각 정보가 없는 초기 단계에서는 인버터 제어용 프로세서(140)는 계통 연계형 인버터(110)에 적은 전류만이 흐르도록 하여 과도한 전류 발생을 방지하고, 이후에는 확보된 계통전압 정보를 활용하여 계통 연계형 인버터(110)가 전력계통에 연계되어 필요 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
한편, 도 4는 프로그램이 가능한 3상 교류 전압 소스에 의해 생성된 테스트용의 다양한 계통 전압을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, (A)는 60Hz, 220V AC의 이상적인 계통전압을 나타내고, (B)는 C상에 진폭 감소를 갖는 3상 불평형 계통전압을 나타내며, (C)는 제5 및 제7 고조파의 일부를 포함하는 고조파 왜곡의 계통전압을 나타낸다.
도 5는 외란 관측기를 이용한 계통전압 및 위상각 추정 성능을 설명하기 위해 이상적인 계통전압 조건하에서 행한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 계통전압은 도 3에서의 외란 관측기(141)에 의해 획득된 외란 추정값(
Figure pat00052
)을 이용하여 정지 좌표계에서 추정되었다. 도 5의 (A)는 측정 및 추정된 정지 좌표계의 q축 및 d축의 계통 전압을 나타내고, 도 5의 (B)는 기동시 측정 전압 및 추정 전압을 이용한 PLL 결과를 나타낸다.
도 5의 (A)로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법은 정지 좌표계의 q축 및 d축의 계통 전압을 훌륭하게 추정해 냄에도 불구하고, 추정된 전압은 실제 계통 전압으로부터 약간의 위상 지연을 갖는다. 이러한 결과는 계통전압 추정치를 얻기 위해 LPF에 의해 2개의 필터링 신호가 적용되었기 때문으로 예상된다. 그러나 이러한 위상 지연은 쉽게 계산될 수 있다. 결과적으로, 실제 계통전압의 위상각을 복원하기 위해 진상(phase-lead) 보상이 전술한 바와 같은 지연 보상된 위상각(
Figure pat00053
)에 의해 간단히 이루어질 수 있다.
도 5의 (B)를 참조하면, 두 개의 파형이 3주기 이내에 일치함을 알 수 있다. 이는 본 발명의 방법에 의한 계통 전압 추정 방식이 타당함을 의미한다.
도 6은 3상 계통 전압이 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이 불평형 조건에 있을 때, 본 발명에서의 외란 관측기 기반의 추정방식을 이용한 계통전압 및 위상각 추정 성능을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 이 경우에 있어서도, 예상되는 만큼의 작은 위상 지연을 제외하고는 외란 관측기는 여전히 성공적으로 작용하고 있음을 알 수 있다. 유사하게, 계통전압의 정확한 위상각은 몇 사이클 내에 본 발명의 방법에 의해 결정될 수 있다. 도 6에서 (A)는 측정 및 추정된 정지 좌표계의 q축 및 d축의 계통 전압을 나타내고, (B)는 기동시 측정 전압 및 추정 전압을 이용한 PLL 결과를 나타낸다.
도 7은 계통 전압이 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이 고조파 왜곡을 가질 때 본 발명에서의 외란 관측기 기반의 추정방식을 이용한 계통전압 및 위상각 추정 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 7에서 (A)는 측정 및 추정된 정지 좌표계의 q축 및 d축의 계통 전압을 나타내고, (B)는 기동시 측정 전압 및 추정 전압을 이용한 PLL 결과를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 고조파 왜곡에도 불구하고, 본 발명에 따른 방법에 의한 추정방식은 위상각 결정뿐만 아니라 계통 전압의 추정에서 뛰어난 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템 및 방법은, 계통전압을 직접 측정하지 않고 계통에 주입되는 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성하고, 이를 통해 계통전압 및 위상각을 추정하므로, 계통전압을 측정하기 위해 별도의 전압센서를 사용하지 않으며 이에 따라 계통연계 인버터의 제조 비용 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이상과 같이 계통연계 인버터의 생산 비용을 감축함으로써 인버터 제품의 경제성과 경쟁력을 향상시킬 수 있고, 신재생 에너지의 공급량 증대에 기여할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 계통 연계형 인버터 120: 전류 센서
130: A/D 컨버터 140: 인버터 제어용 프로세서
141: 외란 관측기 142: 위상 보상기
150: 게이트 드라이버

Claims (10)

  1. 분산발전 시스템과 전력계통 사이에 위치되며, 상기 분산발전 시스템으로부터 생산된 전력을 상기 전력계통에 연계해주는 계통 연계형 인버터;
    상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 설치되며, 계통 연계형 인버터로부터 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서; 및
    내부에 외란 관측기를 구비하고 있으며, 상기 전류 센서로부터 검출된 전류 신호를 입력받아 상기 전력계통의 계통전압 및 계통전압의 위상각을 추정하고, 추정된 계통전압 및 계통전압의 위상각을 바탕으로 상기 계통 연계형 인버터를 제어하는 인버터 제어용 프로세서를 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외란 관측기는 상기 인버터 제어용 프로세서의 출력(
    Figure pat00054
    )과 상기 계통 연계형 인버터의 출력전류(
    Figure pat00055
    )를 피드백 입력받아 계통전압 추정값 (
    Figure pat00056
    )을 생성하는 하나의 알고리즘으로서 상기 인버터 제어용 프로세서 내에 소프트웨어 프로그램으로 구성되어 있는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류 센서와 상기 인버터 제어용 프로세서 사이에는 상기 전류 센서로부터 검출된 전류 신호(아날로그 신호)를 디지털 데이터로 변환하여 상기 인버터 제어용 프로세서로 제공하는 A/D(analog-to-digital) 컨버터를 더 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어용 프로세서와 상기 계통 연계형 인버터 사이에는 상기 인버터 제어용 프로세서로부터의 제어신호를 입력받아 상기 계통 연계형 인버터의 반도체 스위칭 소자의 게이트 단자에 바이어스 전압을 인가 또는 차단하여 반도체 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF) 제어하는 게이트 드라이버를 더 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템.
  5. 계통 연계형 인버터와, 전류 센서 및 인버터 제어용 프로세서를 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 시스템에 의한 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어 방법으로서,
    a) 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 외란 관측기를 구성하는 단계;
    b) 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 구성된 외란 관측기를 이용하여 상기 전력계통의 계통 전압을 추정하는 단계;
    c) 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 추정된 계통 전압을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정하는 단계; 및
    d) 상기 추정된 계통 전압 및 계통 전압의 위상각을 바탕으로 상기 인버터 제어용 프로세서에 의해 상기 계통 연계형 인버터를 제어하는 단계를 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 a)에서 상기 전력계통에 주입된 전류 정보를 이용하여 외란 관측기를 구성함에 있어서, 상기 인버터 제어용 프로세서의 출력(
    Figure pat00057
    )과 상기 계통 연계형 인버터의 출력전류(
    Figure pat00058
    )를 피드백 입력받아 계통전압 추정값 (
    Figure pat00059
    )을 생성하는 하나의 알고리즘을 상기 인버터 제어용 프로세서 내에 소프트웨어 프로그램으로 구성함으로써 외란 관측기를 구성하는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 외란 관측기를 이용하여 전력계통의 계통 전압을 추정함에 있어서, 상기 인버터 제어용 프로세서의 출력(
    Figure pat00060
    )과 상기 계통 연계형 인버터의 출력전류(
    Figure pat00061
    )를 상기 외란 관측기로 피드백 입력받아 외란 관측기 내에서 LPF(low pass filter)의 출력(
    Figure pat00062
    )과 전달 매트릭스의 출력(
    Figure pat00063
    )을 각각 얻고, LPF의 출력(
    Figure pat00064
    )에서 전달 매트릭스의 출력(
    Figure pat00065
    )을 감산하여 얻은 외란 추정값(
    Figure pat00066
    )을 추정된 계통전압(
    Figure pat00067
    )으로 취함으로써 계통 전압을 추정하는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 추정된 계통전압(
    Figure pat00068
    )이 가지는 위상 지연을 보상하기 위하여 위상 보상기를 이용하여 위상 지연을 보상하는 단계를 더 포함하는 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 위상 보상기를 이용하여 위상 지연을 보상함에 있어서, 추정된 계통전압(
    Figure pat00069
    )으로부터 결정된 위상각(추정된 위상)(
    Figure pat00070
    )에 지연각(
    Figure pat00071
    )을 더하여 지연 보상된 위상각(
    Figure pat00072
    )을 얻음으로써 위상 지연을 보상하는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 단계 c)에서 추정된 계통 전압을 바탕으로 계통 전압의 위상각을 추정함에 있어서, 추정된 계통전압(
    Figure pat00073
    )으로부터 결정된 위상각(추정된 위상)(
    Figure pat00074
    )에 예상되는 위상 지연만큼을 가산함으로써 실제 계통전압과 일치하는 계통 전압의 위상각(
    Figure pat00075
    )을 추정하는, 외란 관측기를 이용한 계통 연계형 인버터의 제어방법.
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