KR20190033673A - System and method for controlling grid-connected system of distributed generation using integral state feedback controller - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 계통연계 장치의 효과적인 제어를 위해 적분형 상태궤환 제어기를 도입함으로써, 시스템의 복잡성을 단순화하고 시스템 설계 비용을 저감할 수 있는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a control system and method for a distributed power grid interconnecting apparatus, and more particularly, to an integrated state feedback controller for effective control of a grid interconnecting apparatus, thereby simplifying system complexity and reducing system design cost And more particularly to a control system and method for a distributed power grid interconnecting apparatus using an integral type state feedback controller.
마이크로그리드 구성 및 신재생에너지를 활용한 분산전원 발전량 증가로 인해 계통연계 장치의 수요가 대폭 증가하고 있다. 이와 같은 계통연계 장치를 전력망과 연계하기 위해서는 고조파를 효과적으로 줄이고 계통 유입전류의 품질을 보장해야 한다. 이를 위해 일반적으로 LCL 필터를 채용하고 있다. Demand for grid-connected equipment is increasing dramatically due to the increase in the generation of distributed grid power using micro grid structure and renewable energy. In order to connect such a grid-connecting device with the power grid, it is necessary to effectively reduce the harmonics and ensure the quality of the grid inrush current. For this purpose, LCL filters are generally adopted.
계통연계 장치와 결합된 LCL 필터는 작은 사이즈로 고조파 감소에 효과적인 성능을 발휘함에도 불구하고 시스템의 상태 증가를 통한 시스템 모델의 고차수화 및 제어기 설계의 복잡성을 유발한다. 이에 대처하기 위해 종래에는 인덕터의 전류, 커패시터의 전압, 다시 인덕터의 전류를 각각 별도로 종속적인 구조로 제어하는 방식을 사용했다. 그러나 이러한 종래 제어방식은 무순단 절체 등에서 장점을 가지지만 별도의 제어기가 각각 설계되어야 하고, 각 제어기의 궤환 제어 구성을 위해 인버터측 전류, 커패시터의 전압 및 계통측 전류가 측정되어야 하는 단점이 있다.Although the LCL filter combined with the grid linkage is effective in reducing the harmonics with a small size, it causes the complexity of the controller design and the high systematic modeling of the system model by increasing the state of the system. In order to cope with this, conventionally, a method of controlling the current of the inductor, the voltage of the capacitor, and the current of the inductor again in a dependent structure is used. However, such a conventional control method has advantages in a non-discrete switching and the like, but a separate controller must be designed, and the inverter side current, the voltage of the capacitor, and the system side current must be measured for the feedback control configuration of each controller.
한편, 공개특허공보 제10-2011-0013221호(특허문헌 1)에는 "계통연계 인버터 장치 및 그 제어 방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른 계통연계 인버터 장치의 제어 방법은, 직류 전원에 접속된 인버터 회로는 전류 제한 저항 및 제1 개폐기로 구성된 직렬 회로와, 상기 직렬 회로의 상기 전류 제한 저항 또는 상기 직렬 회로에 병렬접속된 제2 개폐기로 이루어지는 개폐 회로를 통해서 전력계통에 접속되고, 상기 인버터 회로와 상기 개폐 회로 사이에 필터용 콘덴서가 배치되어 있는 계통연계 인버터 장치의 제어 방법으로서, 상기 제1 개폐기가 온 상태가 된 후 상기 제2 개폐기가 온 상태가 될 때까지는 상기 인버터 회로의 출력 전류가 제로가 되도록 상기 인버터 회로를 제어하고, 상기 필터용 콘덴서와 상기 개폐 회로 사이를 흐르는 상기 출력 전류가 제로가 되도록 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.[0006] On the other hand, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-2011-0013221 (Patent Document 1) discloses a " grid-connected inverter apparatus and a control method thereof ", and a control method of the grid- Wherein the inverter circuit is connected to the power system through a series circuit comprising a current limiting resistor and a first switch and an open / close circuit comprising a current limit resistor of the series circuit or a second switch connected in parallel to the series circuit, And a filter capacitor is disposed between the switching circuit and the switching circuit, wherein the output current of the inverter circuit is changed until the second switch is turned on after the first switch is turned on And the output current flowing between the filter capacitor and the open / close circuit becomes zero Characterized in that the lock control feedback.
이와 같은 특허문헌 1의 경우, 제1 개폐기가 온 상태가 된 후 제2 개폐기가 온 상태가 될 때까지는 인버터 회로의 출력전류가 제로가 되도록 인버터 회로를 제어하기 때문에, 제2 개폐기를 온 상태로 했을 때에 필터용 콘덴서에 돌입 전류가 흐르는 것을 저지할 수 있고, 그 결과, 돌입 전류 대책을 위하여 전력 정격이 큰 전류 제한 저항을 사용하거나, 전류 정격이 큰 개폐기를 준비할 필요가 없어지는 장점이 있을 수 있다. 그러나 이 또한 인덕터의 전류, 커패시터의 전압을 각각 별도로 종속적인 구조로 제어하는 방식을 사용하고 있어, 별도의 제어기가 각각 설계되어야 하고, 각 제어기의 궤환 제어 구성을 위해 인버터측 전류, 커패시터의 전압이 측정되어야 하는 단점이 있다.In the case of Patent Document 1, since the inverter circuit is controlled so that the output current of the inverter circuit becomes zero until the second switch is turned on after the first switch is turned on, the second switch is turned on It is possible to prevent an inrush current from flowing into the capacitor for the filter when the inrush current is cut off. As a result, there is an advantage in that it is unnecessary to use a current limiting resistor having a large power rating or to prepare a switch having a large current rating . However, this also uses a method of controlling the current of the inductor and the voltage of the capacitor separately, so that a separate controller must be designed. In order to configure the feedback control of each controller, the inverter side current and the voltage of the capacitor There is a drawback that it must be measured.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 계통연계 장치의 효과적인 제어를 위해 적분형 상태궤환 제어기를 도입함으로써, 별도의 3개의 제어기를 따로 설계하는 단점을 극복하고 체계적인 방법으로 시스템 사양에 맞는 계통연계 장치를 설계할 수 있고, 인버터측 전류, 커패시터 전압 및 계통측 전류를 모두 측정하는 대신 계통측 전류만 측정하고 나머지 성분은 상태 관측기를 통해 추정하여 궤환신호로 사용함으로써 시스템의 복잡성을 단순화하고 시스템 설계 비용을 저감할 수 있는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to overcome the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to overcome the disadvantage of separately designing three controllers by introducing an integral type state feedback controller for effective control of the grid- , It is possible to design a grid connection device that meets the system specifications. Instead of measuring both the inverter side current, the capacitor voltage and the system side current, only the grid side current is measured and the remaining components are estimated through the state observer, And an object of the present invention is to provide a control system and method for a distributed power grid interconnecting apparatus using an integrated state feedback controller that can simplify the complexity of the system and reduce the system design cost.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템은,According to another aspect of the present invention, there is provided a control system for a distributed power grid interconnecting apparatus using an integrated state feedback controller,
분산전원 계통연계 장치에 적용되어 분산전원 계통연계 장치를 제어하기 위한 시스템으로서, A system for controlling a distributed power grid interconnector applied to a distributed power grid interconnector,
전압 센서 및 전류 센서에 의해 각각 측정된 계통측 전압 및 전류를 각각입력받아 그것을 바탕으로 상기 분산전원 계통연계 장치의 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압을 각각 추정하는 상태 관측기와; A state observer for receiving a voltage and a current on the grid side respectively measured by the voltage sensor and the current sensor, respectively, and estimating a capacitor voltage of the LCL filter based on the inverter side current of the distributed power grid interconnecting device and the LCL filter;
상기 상태 관측기에 의해 추정된 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압과, 상기 전류 센서에 의해 측정된 계통측 전류를 입력받아 상태방정식을 이용하여 상기 분산전원 계통연계 장치의 인버터를 제어하기 위한 q,d축 기준 전압을 생성하는 적분형 상태궤환 제어기; 및 And a controller for controlling the inverter of the distributed power grid interconnecting device by using the state equation, receiving the inverter side current estimated by the state observer, the capacitor voltage of the LCL filter, and the system side current measured by the current sensor, an integral type state feedback controller for generating a d-axis reference voltage; And
상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성된 q,d축 기준 전압을 입력받아 펄스 폭 변조처리하고 상기 인버터 내의 복수의 반도체 스위칭 소자의 제어를 위한 신호를 상기 인버터측으로 출력하는 공간벡터 펄스 폭 변조기를 포함하는 점에 그 특징이 있다. A spatial vector pulse width modulator for receiving the q and d axis reference voltages generated by the integral type state feedback controller and performing a pulse width modulation process and outputting a signal for controlling the plurality of semiconductor switching elements in the inverter to the inverter side This is characterized by the fact that
여기서, 상기 전압 센서에 의해 측정된 계통측 전압을 입력받아 계통 전압 위상각(θ)을 생성하여 상기 공간벡터 펄스 폭 변조기로 제공하는 SRF-PLL (Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop)을 더 포함할 수 있다.The system further includes an SRF-PLL (Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop) that receives the system voltage measured by the voltage sensor and generates a system voltage phase angle? .
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a distributed power grid interconnecting apparatus using an integrated state feedback controller,
상태 관측기, 적분형 상태궤환 제어기 및 공간벡터 펄스 폭 변조기를 포함하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템을 기반으로 한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법으로서,A method for controlling a distributed power grid interconnecting device based on a control system of a distributed power grid interconnecting device using an integrated state feedback controller including a state observer, an integrated state feedback controller, and a spatial vector pulse width modulator,
a) 전압 센서 및 전류 센서에 의해 계통측 전압 및 전류를 각각 측정하는 단계;a) measuring voltage and current on the system side by a voltage sensor and a current sensor, respectively;
b) 상기 측정된 계통측 전압 및 전류 정보를 이용하여 상기 제어 시스템에 의해 상태 관측기를 구성하는 단계; b) constructing a state observer by the control system using the measured grid side voltage and current information;
c) 상기 구성된 상태 관측기에 의해 상기 전압 센서 및 전류 센서에 의해 각각 측정되는 계통측 전압 및 전류를 각각 입력받아 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정하는 단계; c) receiving a system side voltage and a current respectively measured by the voltage sensor and the current sensor by the state observer, and estimating a q, d-axis inverter side current and a capacitor voltage of the LCL filter of the distributed power grid interconnector step;
d) 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 상기 상태 관측기에 의해 추정된 q, d축 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압과, 상기 전류 센서에 의해 측정된 q, d축 계통측 전류를 입력받아 상태방정식을 이용하여 인버터 제어를 위한 q, d축 기준 전압을 생성하는 단계; 및 d) receiving the q, d-axis inverter side current and the capacitor voltage of the LCL filter estimated by the state observer by the integral type state feedback controller and the q, d-axis system side current measured by the current sensor, Generating a q, d axis reference voltage for inverter control using an equation; And
e) 분산전원 계통연계 장치의 제어를 위해 상기 제어 시스템에 의해 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성된 q, d축 기준 전압을 분산전원 계통연계 장치로 제공하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.e) providing the q, d-axis reference voltage generated by said integral state feedback controller by said control system to the distributed power grid interconnector for control of the distributed power grid interconnector, have.
여기서, 상기 단계 c)에서 상기 상태 관측기에 의해 추정되는 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압은 다음의 수식 관계로 표현될 수 있다.Here, the q-th, d-axis inverter-side current and the capacitor voltage of the LCL filter, which are estimated by the state observer in step c), can be expressed by the following equation.
또한, 상기 단계 d)에서 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성되는 q, d축 기준 전압은 다음의 수식 관계로 표현될 수 있다.The q, d-axis reference voltage generated by the integral type state feedback controller in step d) may be expressed by the following equation.
이와 같은 본 발명에 의하면, 적분형 상태궤환 제어기를 도입함으로써, 별도의 3개의 제어기를 따로 설계하는 단점을 극복하고 체계적인 방법으로 시스템 사양에 맞는 계통연계 장치를 설계할 수 있고, 인버터측 전류, 커패시터 전압 및 계통측 전류를 모두 측정하는 대신 계통측 전류만 측정하고 나머지 성분은 상태 관측기를 통해 추정하여 궤환신호로 사용함으로써 시스템의 복잡성을 단순화하고 시스템 설계 비용을 저감할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by introducing the integral type state feedback controller, it is possible to overcome the disadvantage of separately designing three controllers and to design a grid coupling device that meets system specifications in a systematic manner, and the inverter side current, Instead of measuring both the voltage and the system side current, only the system side current is measured and the remaining components are estimated through the state observer and used as a feedback signal, which simplifies the system complexity and reduces system design cost.
도 1은 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 적분형 상태궤환 제어기의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 적분형 상태궤환 제어기의 3상 변수에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 적분형 상태궤환 제어기에 의한 q, d축 계통전류, 추정된 인버터측 전류 및 커패시터 전압의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a control system of a distributed power supply system linking apparatus using an integrated state feedback controller according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the internal configuration of the integrated state feedback controller of the control system of the distributed power supply system linking apparatus shown in FIG. 1. FIG.
3 is a flowchart illustrating a method of controlling a distributed power grid interconnecting apparatus using an integrated state feedback controller according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a simulation result of a three-phase variable of the integral type state feedback controller of the control system of the distributed power supply system coupling device shown in FIG.
5 is a diagram showing simulation results of the q, d-axis system current, the estimated inverter side current, and the capacitor voltage by the integrated state feedback controller of the control system of the distributed power supply system linkage apparatus shown in Fig.
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.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way Should be construed in accordance with the principles and meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.
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.Throughout the specification, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms " part, " " module, " and " device "Lt; / RTI >
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing a configuration of a control system of a distributed power grid interconnecting apparatus using an integral type state feedback controller according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(140)은, 분산전원 계통연계 장치에 적용되어 분산전원 계통연계 장치를 제어하기 위한 시스템으로서, 상태 관측기(141)와, 적분형 상태궤환 제어기(142)와, 공간벡터 펄스 폭 변조기(143)를 포함하여 구성된다.1, a
상태 관측기(141)는 전압 센서 및 전류 센서(미도시)에 의해 각각 측정된 계통측 전압(eabc) 및 전류(i2abc)를 3상 교류 전압 및 전류를 q, d 축 직류 전압 및 전류로 변환해주는 장치를 거쳐 각각 입력받아 그것을 바탕으로 상기 분산전원 계통연계 장치의 인버터(110) 측 전류(i1q, i1d)와 LCL 필터(120)의 커패시터 전압 (vcq, vcd)을 각각 추정한다. 이와 관련해서는 뒤에서 다시 설명한다.The
적분형 상태궤환 제어기(142)는 상태 관측기(141)에 의해 추정된 인버터(110) 측 전류(i1q, i1d)와 LCL 필터(120)의 커패시터 전압(vcq, vcd)과, 상기 전류 센서에 의해 측정된 계통측 전류(i2q, i2d)를 입력받아 상태방정식을 이용하여 상기 분산전원 계통연계 장치의 인버터(110)를 제어하기 위한 q, d축 기준 전압 (v* q, v* d)을 생성한다. 이와 관련해서도 뒤에서 다시 설명한다.The integral type
공간벡터 펄스 폭 변조기(143)는 적분형 상태궤환 제어기(142)에 의해 생성된 q, d축 기준 전압(v* q, v* d)을 입력받아 펄스 폭 변조처리하고, 상기 인버터 (110) 내의 복수(예컨대, 6개)의 반도체 스위칭 소자(예를 들면, MOSFET, IGBT 등)의 제어를 위한 신호를 상기 인버터(110) 측으로 출력한다.The spatial vector
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(140)은, 바람직하게는 상기 전압 센서(미도시)에 의해 측정된 계통측 전압(eq, ed)을 입력받아 계통 전압 위상각(θ)을 생성하여 상기 공간벡터 펄스 폭 변조기(143)로 제공하는 SRF-PLL(Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop)(144)을 더 포함할 수 있다.The
여기서, 이상과 같은 상태 관측기(141), 적분형 상태궤환 제어기(142), 공간벡터 펄스 폭 변조기(143) 및 SRF-PLL(144)은 각각 하나의 소프트웨어프로그램으로 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(140)은 상태 관측기(141), 적분형 상태궤환 제어기(142), 공간벡터 펄스 폭 변조기(143) 및 SRF-PLL(144)의 각각의 소프트웨어 프로그램이 탑재된 하나의 컴퓨터 시스템으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 상태 관측기(141), 적분형 상태궤환 제어기(142), 공간벡터 펄스 폭 변조기(143) 및 SRF-PLL(144)은 소프트웨어 프로그램으로 구성되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 하드웨어로 구성되어 컴퓨터의 내부 혹은 외부에 설치될 수도 있다.The
도 2는 도 1에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 적분형 상태궤환 제어기의 내부 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a diagram showing the internal configuration of the integrated state feedback controller of the control system of the distributed power supply system linking apparatus shown in FIG. 1. FIG.
도 2를 참조하면, 적분형 상태궤환 제어기(142)는 기준 전류에 적분 이득 (Ki)이 반영된 값과, 그 값에 입력 매트릭스(B)가 반영된 값에 계통 매트릭스(D)가 가산된 값을 미리 설계된 상태 공간 모델(State space model)에 적용하여 상태 공간 모델로부터의 출력값과, 이 출력값에 출력 매트릭스(C)를 반영한 값과, 계통 매트릭스(D) 값을 입력받아 처리하고 궤환 이득(Kx)을 출력하는 관측기(Observer)를 구비할 수 있다.2, the integral type
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템을 기반으로 한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법에 대하여 설명해 보기로 한다.Hereinafter, a method of controlling the distributed power grid interconnecting apparatus based on the control system of the distributed power grid interconnecting apparatus using the integrated state feedback controller according to the present invention having the above configuration will be described.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of controlling a distributed power grid interconnecting apparatus using an integrated state feedback controller according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법은, 전술한 바와 같은 상태 관측기(141), 적분형 상태궤환 제어기(142) 및 공간벡터 펄스 폭 변조기(143)를 포함하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(140)(일종의 컴퓨터 시스템으로 볼 수 있음)을 기반으로 한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법으로서, 먼저 전압 센서 및 전류 센서(미도시)에 의해 계통 전원(이하, '계통'이라 함)(130) 측 전압 및 전류를 각각 측정한다(단계 S301).3, a method of controlling a distributed power grid interconnecting apparatus using an integrated state feedback controller according to the present invention includes a
그런 후, 상기 측정된 계통(130) 측 전압 및 전류 정보를 이용하여 본 발명의 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(140)(컴퓨터 시스템)에 의해 상태 관측기(141)를 구성한다(단계 S302). 여기서, 이와 같은 상태 관측기(141)는 미리 설계된 하나의 연속 모델(continuous model)로서의 상태 공간 모델(state space model)을 이용하여 구성될 수 있다. 그리고 이와 같은 상태 공간 모델은 이산계 모델(discrete model)에서의 상태방정식의 근사치 결과를 이용하여 이산화될 수 있다.Then, the
이렇게 하여 상태 관측기(141)의 구성이 완료되면, 그 구성된 상태 관측기 (141)에 의해 상기 전압 센서 및 전류 센서에 의해 각각 측정되는 계통(130) 측 전압 및 전류를 각각 입력받아 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터(110) 측 전류(,)와 LCL 필터(120)의 커패시터 전압(,)을 추정한다(단계 S303). When the configuration of the
여기서, 상기 상태 관측기(141)에 의해 추정되는 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터(110) 측 전류(,)와 LCL 필터(120)의 커패시터 전압 (,)은 다음의 수식 관계로 표현될 수 있다.Here, the current of the q, d-
여기서, a31,...a36, a41,...a46, a51,...a56, a61,...a66은 계통연계 인버터 이산 모델에서의 시스템 행렬 A의 성분이고, i2 q, i2 d는 계통측 q,d축 전류이며, b31,b32,b41,b42,b51,b52,b61,b62는 계통연계 인버터 이산 모델에서의 시스템 행렬 B의 성분이고, vi q, vi d는 인버터측 q,d축 전압이며, d31,d32,d41,d42,d51,d52,d61,d62는 계통연계 인버터 이산 모델에서의 계통전압 행렬의 성분이고, eq, ed는 계통측 q,d축 전압이며, g31,g32,g41,g42,g51,g52,g61,g62는 극점 배치방식에 의해 결정된 관측기의 이득값이다.Here, a 31 , ... a 36 , a 41 , ... a 46 , a 51 , ... a 56 , a 61 , ... a 66 are components of the system matrix A in the grid- and, i 2 q, i 2 d is the grid side q, d-axis current, b 31, b 32, b 41, b 42, b 51, b 52, b 61, b 62 are in the system interconnection inverter discrete model D 31 , d 32 , d 41 , d 42 , d 51 , d 52 , d 61 , d 62 are components of the system matrix B and v i q and v i d are the q and d- E q and e d are the system side q and d axis voltages and g 31 , g 32 , g 41 , g 42 , g 51 , g 52 , g 61 and g 62 are components of the grid voltage matrix in the inverter discrete model, Is the gain value of the observer determined by the pole arrangement method.
이상에 의해 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터(110) 측 전류 (,)와 LCL 필터(120)의 커패시터 전압(,)의 추정이 완료되면, 적분형 상태궤환 제어기(142)에 의해 상태 관측기(141)에 의해 추정된 q, d축 인버터 (110) 측 전류(,)와 LCL 필터(120)의 커패시터 전압(,)과, 상기 전류 센서에 의해 측정된 q, d축 계통측 전류(i2q, i2d)를 입력받아 상태방정식(예를 들면, 8차 상태방정식)을 이용하여 인버터 제어를 위한 q, d축 기준 전압(v* q, v* d)을 생성한다(단계 S304). 여기서, 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성되는 q, d축 기준 전압(v* q, v* d)은 다음의 수식 관계로 표현될 수 있다.As described above, the q, d-
여기서, k11,...k16, k21,...k26은 극점 배치 방식에 의해 결정된 상태제어 이득 값이고, s11,s12,s21,s22는 극점 배치 방식에 의해 결정된 적분상태 이득 값이다.Here, k 11 , ..., k 16 , k 21 , ... k 26 are state control gain values determined by the pole arrangement method, and s 11 , s 12 , s 21 , s 22 are determined by the pole arrangement method It is the integral state gain value.
이렇게 하여 q, d축 기준 전압(v* q, v* d)의 생성이 완료되면, 분산전원 계통연계 장치의 제어를 위해 상기 제어 시스템(140)(컴퓨터 시스템)에 의해 적분형 상태궤환 제어기(142)에 의해 생성된 q, d축 기준 전압(v* q, v* d)을 분산전원 계통연계 장치로 제공한다(단계 S305). 이때, 공간벡터 펄스 폭 변조기(143)에 의해 적분형 상태궤환 제어기(142)에 의해 생성된 q, d축 기준 전압(v* q, v* d)을 입력받아 펄스 폭 변조처리한 후, 처리된 기준 전압을 분산전원 계통연계 장치의 인버터(110)로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.When the generation of the q, d axis reference voltages (v * q , v * d ) is completed, the control system 140 (computer system) controls the integral type state feedback controller Q, and d-axis reference voltages (v * q , v * d ) generated by the q-axis and the q-axis reference voltages to the distributed power grid interconnector (step S305). At this time, the space vector
여기서, 분산전원 계통연계 장치의 인버터와 관련하여 본 발명에 채용되는 상태방정식 및 시스템 방정식에 대하여 부연 설명을 해보기로 한다.Hereinafter, the state equations and the system equations used in the present invention will be described in detail with respect to the inverter of the distributed power grid interconnecting apparatus.
분산전원 계통연계 장치의 인버터(110)는 다음과 같은 상태방정식으로 표현될 수 있다.The
여기서, 는 계통측 전류, 인버터측 전류, 커패시터 전압을 각각 나타내고, u와 e는 시스템 입력 값과 계통측 전압값을 나타낸다. 이상과 같이 언급된 모든 값은 동기좌표계로 표현된다.here, Represents the system side current, the inverter side current, and the capacitor voltage, and u and e represent the system input value and the system side voltage value, respectively. All values mentioned above are expressed in the synchronous coordinate system.
또한, 위의 상태방정식에서 A는 시스템 행렬, B는 입력행렬, D는 계통측 입력행렬, C는 출력행렬을 각각 나타내며, 아래와 같은 행렬식으로 표현될 수 있다. In the above state equation, A represents a system matrix, B represents an input matrix, D represents a systematic input matrix, and C represents an output matrix, and can be expressed by the following matrix expression.
위의 각 행렬은 연속시간을 전제로 하여 모델링하였기 때문에 실제 시스템에 적용하기 위해 아래와 같이 쌍일차 방정식의 근사치(bilinear approximation) 접근법을 사용하여 이산화해주게 된다.Since each of the above matrices is modeled on the assumption of a continuous time, it is discretized by using the bilinear approximation approach as shown below for the practical system.
다음은 연속시간 모델을 이산화하여 새롭게 정의한 시스템 행렬, 입력 행렬, 계통측 행렬을 각각 나타낸다.The following shows the system matrix, input matrix, and systematic matrix newly defined by discretizing the continuous time model.
최종적으로 시스템 방정식은 다음과 같이 이산화하여 표현될 수 있다.Finally, the system equation can be represented by discretization as follows.
다음에 위의 시스템을 제어하기 위해 시스템 입력값을 정해야 한다. 먼저, 시스템의 가제어성을 확인하기 위해 다음과 같은 행렬 PC를 사용하여 확인한다.Next, you need to set system input values to control the above system. First, we use the following matrix P C to check the system's controllability.
위 행렬의 계수(랭크, rank)가 시스템 차수(n)와 같을 경우 시스템은 제어 가능하며, 가제어성의 판단이 끝나면 극점배치 방식을 통해 아래와 같이 시스템의 이득행렬을 구해주게 된다.The system is controllable when the rank (rank) of the above matrix is equal to the system order (n), and when the controllability is judged, the gain matrix of the system is obtained through the pole arrangement method as follows.
만일, 위의 특성 방정식의 모든 근이 단위원 내부에 있다면, 폐루프 시스템은 안정하다. 임의의 초기조건에 대하여 Ad,Bd 행렬이 주어지면 폐루프 시스템의 모든 극점을 단위원 내부에 두기 위한 K가 항상 존재할 필요충분조건은 시스템이 완전 제어 가능함을 말한다. 위의 방정식을 통해 다음과 같은 이득 행렬 K를 얻을 수 있다.If all the roots of the above characteristic equation are within the unit circle, then the closed-loop system is stable. Given Ad and Bd matrices for arbitrary initial conditions, K is always present in order to place all poles of the closed-loop system in the unit circle. The condition is that the system is fully controllable. The above equation gives the following gain matrix K:
여기서, K는 의 상태제어를 위한 이득행렬이고, Ki는 출력전류의 오차 값을 줄여주기 위한 즉, 출력값과 기준값의 적분 이득행렬이다. r은 명령값(reference)을 의미하고, y는 출력전류(계통측 전류)를 의미한다. Here, K is And K i is a gain matrix for reducing the error of the output current That is, it is an integral gain matrix of the output value and the reference value. r denotes a command value, and y denotes an output current (system side current).
한편, 관측기를 포함한 시스템 방정식은 다음과 같은 수식 관계로 표현할 수 있다.On the other hand, the system equation including the observer can be expressed by the following equation.
위의 수식에서 G는 관측기 이득행렬이며, 이는 관측기 설계 과정에서 결정되는 값이다. 관측기의 입력은 u와 y이고 출력은 이다. 이때, u는 시스템 입력값이고, y는 시스템 출력값이다. 여기서, 관측기(상태 관측기(141))의 목적은 에 따라 가 되도록 추정값 를 제공함에 있다. In the above equation, G is the observer gain matrix, which is the value determined during the observer design process. The inputs of the observer are u and y and the output is to be. Where u is the system input value and y is the system output value. Here, the purpose of the observer (state observer 141) Depending on the Lt; / RTI > .
관측기 또한 마찬가지로 가관측성 행렬 의 계수(랭크, rank)가 시스템 차수(n)와 같을 때 시스템은 완전한 관측이 가능하다. 시스템이 완전한 관측이 가능하면 추적 오차가 점근적으로 안정되는 행렬 G를 항상 찾을 수 있다. 위에서의 시스템 이득 행렬과 유사한 방식으로 다음의 특성 방정식 가 단위원 내부에 모든 근을 가지면 에 따라 를 만족하도록 하는 다음과 같은 행렬 G를 찾을 수 있다.Observers are likewise likewise probabilistic matrices The system is fully observable when the rank (rank) of the system is equal to the system order (n). If the system is capable of full observations, it can always find a matrix G whose tracking error is asymptotically stable. In a manner similar to the system gain matrix above, the following characteristic equation Has all the roots inside the unit circle Depending on the The following matrix G can be found.
한편, 도 4는 도 1에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 적분형 상태궤환 제어기의 3상 변수에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. Meanwhile, FIG. 4 is a diagram showing a simulation result of a three-phase variable of the integral type state feedback controller of the control system of the distributed power supply system coupling device shown in FIG.
도 4를 참조하면, (A)는 3상 계통측 전류 파형을 나타낸 것이고, (B)는 3상 인버터측 전류 파형을 나타낸 것이며, (C)는 3상 커패시터 전압 파형을 나타낸 것이다. 이와 같이 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템에 의한 인버터측 전류 및 커패시터 전압 파형은 인버터측 및 커패시터측에 별도의 센서를 설치함 없이 적분형 상태궤환 제어기를 이용하여 추정한 값임에도 실제로 센서를 이용하여 측정한 파형과 거의 유사함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, (A) shows a three-phase system side current waveform, (B) shows a three-phase inverter side current waveform and (C) shows a three-phase capacitor voltage waveform. As described above, the inverter side current and the capacitor voltage waveform by the control system of the distributed power supply system using the integrated state feedback controller according to the present invention can be realized by integrating the state of the inverter with the integrated state feedback controller without installing separate sensors on the inverter side and the capacitor side. It can be seen that it is almost similar to the measured waveform using the sensor.
도 5는 도 1에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 적분형 상태궤환 제어기에 의한 q, d축 계통전류, 추정된 인버터측 전류 및 커패시터 전압의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing simulation results of the q, d-axis system current, the estimated inverter side current, and the capacitor voltage by the integrated state feedback controller of the control system of the distributed power supply system linkage apparatus shown in Fig.
도 5를 참조하면, (A)는 계통측의 전류(i2q, i2d) 및 추정 상태 전류(i2q e, i2d e) 파형을 나타낸 것이고, (B)는 인버터측의 전류(i1q, i1d) 및 추정 상태 전류(i1q e, i1d e) 파형을 나타낸 것이며, (C)는 커패시터 전압(vcq, vcd) 및 추정 상태 전압(vcq e, vcd e) 파형을 나타낸 것이다.Referring to Figure 5, (A) a current in the grid side (i 2q, i 2d) and the estimated state will showing a current (i 2q e, i 2d e ) waveform, (B) an inverter-side current (i 1q of , a will showing the i 1d) and the estimated state current (i 1q e, i 1d e ) waveform, (C) a capacitor voltage (v cq, v cd) and the estimated state voltage (v cq e, v cd e) waveform .
이상을 통해서도 알 수 있는 바와 같이, 각각 실제의 전류 및 전압 파형과 본 발명을 적용하여 추정한 전류 및 전압 파형이 거의 일치함을 알 수 있다. As can be seen from the above, it can be seen that the actual current and voltage waveforms are almost identical to the current and voltage waveforms estimated by applying the present invention, respectively.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템 및 방법은 적분형 상태궤환 제어기를 도입함으로써, 별도의 3개의 제어기를 따로 설계하는 단점을 극복하고 체계적인 방법으로 시스템 사양에 맞는 계통연계 장치를 설계할 수 있는 장점이 있다.As described above, the control system and method of the distributed power supply system linking apparatus using the integral type state feedback controller according to the present invention overcomes the disadvantage of separately designing three controllers by introducing the integral type state feedback controller, Method, it is possible to design a system linkage device that meets system specifications.
또한, 인버터측 전류, 커패시터 전압 및 계통측 전류를 모두 측정하는 대신 계통측 전류만 측정하고 나머지 성분은 상태 관측기를 통해 추정하여 궤환신호로 사용함으로써 시스템의 복잡성을 단순화하고 시스템 설계 비용을 저감할 수 있는 장점이 있다.In addition, instead of measuring both the inverter side current, capacitor voltage and system side current, only the system side current is measured and the remaining components are estimated through the state observer and used as a feedback signal to simplify the system complexity and reduce the system design cost There is an advantage.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Be clear to the technician. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of the same should be construed as being included in the scope of the present invention.
110: 인버터 120: LCL 필터
130: 계통전원 141: 상태 관측기
140: (본 발명)분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템
142: 적분형 상태궤환 제어기 143: 공간벡터 펄스 폭 변조기
144: SRF-PLL110: inverter 120: LCL filter
130: system power supply 141: state observer
140: (invention) control system of distributed power grid interconnection device
142: Integral type state feedback controller 143: Space vector pulse width modulator
144: SRF-PLL
Claims (5)
전압 센서 및 전류 센서에 의해 각각 측정된 계통측 전압 및 전류를 각각입력받아 그것을 바탕으로 상기 분산전원 계통연계 장치의 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압을 각각 추정하는 상태 관측기와;
상기 상태 관측기에 의해 추정된 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압과, 상기 전류 센서에 의해 측정된 계통측 전류를 입력받아 상태방정식을 이용하여 상기 분산전원 계통연계 장치의 인버터를 제어하기 위한 q,d축 기준 전압을 생성하는 적분형 상태궤환 제어기; 및
상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성된 q,d축 기준 전압을 입력받아 펄스 폭 변조처리하고 상기 인버터 내의 복수의 반도체 스위칭 소자의 제어를 위한 신호를 상기 인버터측으로 출력하는 공간벡터 펄스 폭 변조기를 포함하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
A system for controlling a distributed power grid interconnector applied to a distributed power grid interconnector,
A state observer for receiving a voltage and a current on the grid side respectively measured by the voltage sensor and the current sensor, respectively, and estimating a capacitor voltage of the LCL filter based on the inverter side current of the distributed power grid interconnecting device and the LCL filter;
And a controller for controlling the inverter of the distributed power grid interconnecting device by using the state equation, receiving the inverter side current estimated by the state observer, the capacitor voltage of the LCL filter, and the system side current measured by the current sensor, an integral type state feedback controller for generating a d-axis reference voltage; And
A spatial vector pulse width modulator for receiving the q and d axis reference voltages generated by the integral type state feedback controller and performing a pulse width modulation process and outputting a signal for controlling the plurality of semiconductor switching elements in the inverter to the inverter side Control System for Distributed Power System Linkage System Using Integral State Feedback Controller.
상기 전압 센서에 의해 측정된 계통측 전압을 입력받아 계통 전압 위상각(θ)을 생성하여 상기 공간벡터 펄스 폭 변조기로 제공하는 SRF-PLL (Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop)을 더 포함하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
The method according to claim 1,
And an SRF-PLL (Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop) that receives the system voltage measured by the voltage sensor and generates a system voltage phase angle? Control System of Distributed Power System Linkage System Using State Feedback Controller.
a) 전압 센서 및 전류 센서에 의해 계통측 전압 및 전류를 각각 측정하는 단계;
b) 상기 측정된 계통측 전압 및 전류 정보를 이용하여 상기 제어 시스템에 의해 상태 관측기를 구성하는 단계;
c) 상기 구성된 상태 관측기에 의해 상기 전압 센서 및 전류 센서에 의해 각각 측정되는 계통측 전압 및 전류를 각각 입력받아 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정하는 단계;
d) 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 상기 상태 관측기에 의해 추정된 q, d축 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압과, 상기 전류 센서에 의해 측정된 q, d축 계통측 전류를 입력받아 상태방정식을 이용하여 인버터 제어를 위한 q, d축 기준 전압을 생성하는 단계; 및
e) 분산전원 계통연계 장치의 제어를 위해 상기 제어 시스템에 의해 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성된 q, d축 기준 전압을 분산전원 계통연계 장치로 제공하는 단계를 포함하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법.
A method for controlling a distributed power grid interconnecting device based on a control system of a distributed power grid interconnecting device using an integrated state feedback controller including a state observer, an integrated state feedback controller, and a spatial vector pulse width modulator,
a) measuring voltage and current on the system side by a voltage sensor and a current sensor, respectively;
b) constructing a state observer by the control system using the measured grid side voltage and current information;
c) receiving a system side voltage and a current respectively measured by the voltage sensor and the current sensor by the state observer, and estimating a q, d-axis inverter side current and a capacitor voltage of the LCL filter of the distributed power grid interconnector step;
d) receiving the q, d-axis inverter side current and the capacitor voltage of the LCL filter estimated by the state observer by the integral type state feedback controller and the q, d-axis system side current measured by the current sensor, Generating a q, d axis reference voltage for inverter control using an equation; And
e) providing, by the control system, the q, d-axis reference voltage generated by the integral state feedback controller to the distributed power grid interconnector for control of the distributed power grid interconnector, Control Method of Distributed Power System Linkage Device Using.
상기 단계 c)에서 상기 상태 관측기에 의해 추정되는 분산전원 계통연계 장치의 q, d축 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압은 다음의 수식 관계로 표현되는 것을 특징으로 하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법.
여기서, a31,...a36, a41,...a46, a51,...a56, a61,...a66은 계통연계 인버터 이산 모델에서의 시스템 행렬 A의 성분이고, i2 q, i2 d는 계통측 q,d축 전류이며, b31,b32,b41,b42,b51,b52,b61,b62는 계통연계 인버터 이산 모델에서의 시스템 행렬 B의 성분이고, vi q, vi d는 인버터측 q,d축 전압이며, d31,d32,d41,d42,d51,d52,d61,d62는 계통연계 인버터 이산 모델에서의 계통전압 행렬의 성분이고, eq, ed는 계통측 q,d축 전압이며, g31,g32,g41,g42,g51,g52,g61,g62는 극점 배치방식에 의해 결정된 관측기의 이득값이다.
The method of claim 3,
Wherein the q-th, d-axis inverter-side current and the capacitor voltage of the LCL filter of the distributed power supply linkage device estimated by the state observer in the step c) are represented by the following equation: Method of controlling a distributed power grid interconnecting device.
Here, a 31 , ... a 36 , a 41 , ... a 46 , a 51 , ... a 56 , a 61 , ... a 66 are components of the system matrix A in the grid- and, i 2 q, i 2 d is the grid side q, d-axis current, b 31, b 32, b 41, b 42, b 51, b 52, b 61, b 62 are in the system interconnection inverter discrete model D 31 , d 32 , d 41 , d 42 , d 51 , d 52 , d 61 , d 62 are components of the system matrix B and v i q and v i d are the q and d- E q and e d are the system side q and d axis voltages and g 31 , g 32 , g 41 , g 42 , g 51 , g 52 , g 61 and g 62 are components of the grid voltage matrix in the inverter discrete model, Is the gain value of the observer determined by the pole arrangement method.
상기 단계 d)에서 상기 적분형 상태궤환 제어기에 의해 생성되는 q, d축 기준 전압은 다음의 수식 관계로 표현되는 것을 특징으로 하는 적분형 상태궤환 제어기를 이용한 분산전원 계통연계 장치의 제어 방법.
여기서, k11,...k16, k21,...k26은 극점 배치 방식에 의해 결정된 상태제어 이득 값이고, s11,s12,s21,s22는 극점 배치 방식에 의해 결정된 적분상태 이득 값이다.The method of claim 3,
Wherein the q, d axis reference voltage generated by the integral type state feedback controller in the step (d) is expressed by the following equation: < EMI ID = 1.0 >
Here, k 11 , ..., k 16 , k 21 , ... k 26 are state control gain values determined by the pole arrangement method, and s 11 , s 12 , s 21 , s 22 are determined by the pole arrangement method It is the integral state gain value.
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