KR20200001300A - 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템은, DC 전압을 계통 전력 시스템으로의 연계를 위해 AC 전압으로 변환해주며, 계통 전력 시스템과의 전력 동기화를 수행하는 인버터; 인버터로부터 출력된 AC 전압에 혼입되어 있는 고조파를 약화시키기 위한 것으로, 인버터 출력단의 제1 인덕터와, 계통 전력 시스템 입력단의 제2 인덕터와, 제1 인덕터와 제2 인덕터 사이에 연결되는 커패시터를 구비하는 LCL 필터; LCL 필터의 제2 인덕터를 거쳐 계통 전력 시스템으로 입력되는 계통 전류를 측정하는 계통 전류 센서; LCL 필터의 제2 인덕터를 거쳐 계통 전력 시스템으로 공급되는 계통 전압을 측정하는 계통 전압 센서; 계통 전류 센서 및 계통 전압 센서에 의해 각각 측정된 계통 전류 및 계통 전압 정보를 이용하여 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정하는 전상태 관측기; 및 전상태 관측기로부터의 출력을 입력받아 계통연계 모드 시 빠른 과도응답성과 시스템 안정성을 유지하고, 독립운전 모드 시 부하 전압 변동을 최소화하는 무순단 절체가 이루어지도록 인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터 전압을 제어하는 통합 제어기를 포함한다.

Description

분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템{System for controlling grid-connected apparatus for distributed generation}
본 발명은 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 이산시간 모델을 사용한 적분형 슬라이딩 모드 제어기와 공진형 제어기를 결합함으로써, 계통연계 운전시 기존의 공진형 제어기에서의 과도응답 특성을 개선하고, 시스템 안정성 및 강인성을 향상시킬 수 있는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템에 관한 것이다.
최근 마이크로그리드 구성 및 신재생에너지를 활용한 분산전원 발전량의 증가로 인해 계통연계 인버터 및 장치의 수요가 크게 증가하고 있다.
계통연계 인버터는 계통연계 환경에서의 안정적인 운전, 계통 유입 전류의 고조파 저감 및 분산전원설비가 계통연계 규정을 만족하도록 설계되어야 함. 또한, 계통과 마이크로그리드 간의 안정적인 양방향의 전력제어가 가능해야 하고, 계통 사고 시 중요 부하에 대해 안정적이고 연속적인 전력을 공급하기 위한 독립운전 모드로 동작할 수 있어야 한다.
하지만, 각 운전에서의 제어 출력은 접속점의 부하에 따라 변동하거나 순간적인 운전 상태의 변화에 따라 변동함. 부하에 발생하는 전압변동을 줄이기 위해서는 계통연계 모드와 독립운전 모드 사이에 무순단 절체(Seamless transfer)가 가능하여야 하며 이를 통해 부하의 손상을 최소화하여야 한다.
이를 위해 최근 무순단 절체 기능 혹은 다중 루프 간접 전류 제어 방식이 계통연계 인버터에 적용되었으나, 이러한 기법은 계통측 전류, 커패시터측 전압, 그리고 인버터측 전류를 각각 별도로 측정하며, 이에 따라 시스템의 비용을 증대시키고 제어기의 구조를 복잡하게 하는 단점이 있다.
또한, 분산전원 설비가 계통연계 모드로 동작 시에는 왜곡 계통의 영향을 받아 계통 주입 전류의 고조파가 계통연계 규정에서 명시한 수준 이상으로 증가할 수 있으나 기존의 무순단 절체 기법에서는 이러한 특성을 고려하지 않고 있다.
종래 일반적인 계통연계 인버터 시스템에서는 왜곡 계통의 영향을 줄이기 위해 특정 고조파 성분을 억제할 수 있는 공진형 제어기를 적용했다. 그러나 기존의 공진형 제어기는 특정 고조파 성분의 보상 효과는 우수하지만, 전류의 과도응답이 매우 느리고 초기 계통연계 시 혹은 전류 명령치 변화와 같은 과도상태에서 매우 진동이 심한 문제가 있다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2017-0123021호(특허문헌 1)에는 "분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법"이 개시되어 있는바, 이에 따른분산전원 마이크로그리드 시스템의 무순단 절체 방법은, 계통전원 및 분산전원에서 전원을 부하에 공급하는 분산전원 마이크로그리드 시스템에서 상기 계통전원이 차단된 상태에서 상기 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드에서 상기 계통전원의 전류를 센싱하는 단계; 상기 센싱된 계통전원의 전류가 정상이면, 상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수에 대한 편차를 계산하는 단계;상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 위상에 대한 편차를 계산하는 단계; 상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수에 대한 오프셋을 계산하는 단계; 상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 위상에 대한 오프셋을 계산하는 단계; 상기 주파수에 대한 오프셋과 위상에 대한 오프셋을 이용하여 기준 위상을 산정하는 단계; 상기 계통전원의 전압과 상기 분산전원의 전압에 대한 편차를 계산하는 단계;
상기 계산된 전압의 편차에 대한 오프셋을 계산하는 단계; 상기 전압 편차의 오프셋을 이용하여 전류 레퍼런스를 계산하는 단계 및 상기 산정된 기준 위상과 전류 레퍼런스를 이용하여 상기 분산전원에서 출력되는 전류 레퍼런스를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 분산전원 마이크로그리드 시스템이 독립운전 모드에서 동작되다가 계통연계 모드로 전환될 때, 분산전원에서 부하에 공급되는 전압과 주파수를 계통전원에 맞게 조정한 다음에 계통연계 모드로 전환하기 때문에 독립운전 모드에서 계통연계 모드로 무순단 전환될 수 있는 효과가 있기는 하겠으나, 무순단 전환 동작시 시스템 제어 변수에 대한 제어는 고려하고 있지 않아 계통 왜곡 및 부하 변동이 있을 경우 고품질의 전력을 공급하기 어려운 문제점을 내포하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0123021호(2017.11.07. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 이산시간 모델을 사용한 적분형 슬라이딩 모드 제어기와 공진형 제어기를 결합한 형태의 계통연계 인버터의 제어 시스템을 구축함으로써, 계통연계 운전시 기존의 공진형 제어기에서의 과도응답 특성을 개선하고 시스템 안정성 및 강인성을 향상시킬 수 있는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 이산시간 상태 공간에서 전상태 관측기를 적용하여 무순단 절체 동작 시 각 내부 루프 제어기에서 요구하는 제어변수를 추정하고, 이를 궤환신호로 사용함으로써, 시스템의 하드웨어 설계 비용 및 디지털 신호처리 복잡성을 크게 줄일 수 있는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템은,
직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 계통 전력 시스템으로의 연계를 위해 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다수의 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 상기 계통 전력 시스템과의 전력 동기화를 수행하는 인버터;
상기 인버터와 상기 계통 전력 시스템 사이에 위치되며, 상기 인버터로부터 출력된 AC 전압에 혼입되어 있는 고조파를 약화시키기 위한 것으로, 상기 인버터의 출력단에 연결되는 제1 인덕터와, 상기 계통 전력 시스템의 입력단에 연결되는 제2 인덕터와, 상기 제1 인덕터와 제2 인덕터 사이에 연결되는 커패시터를 구비하는 LCL 필터;
상기 LCL 필터의 제2 인덕터를 거쳐 상기 계통 전력 시스템으로 입력되는 계통 전류를 측정하는 계통 전류 센서;
상기 LCL 필터의 제2 인덕터를 거쳐 상기 계통 전력 시스템으로 공급되는 계통 전압을 측정하는 계통 전압 센서;
상기 계통 전류 센서 및 상기 계통 전압 센서에 의해 각각 측정된 계통 전류 및 계통 전압 정보를 이용하여 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정하는 전상태 관측기(full-state observer); 및
상기 전상태 관측기로부터의 출력을 입력받아 계통연계 모드 시 빠른 과도응답성과 시스템 안정성을 유지하고, 독립운전 모드 시 부하 전압 변동을 최소화하는 무순단 절체가 이루어지도록 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 제어하는 통합 제어기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 전상태 관측기는 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정함에 있어서, 가관측성 행렬
Figure pat00001
=
Figure pat00002
의 행렬식이 영(zero)이 아니고, 시스템(분산전원 계통연계 장치)이 완전 관측 가능하면, 추적 오차가 점근적으로 안정하게 되는 다음과 같은 행렬 G를 찾음으로써, 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정할 수 있다.
G =
Figure pat00003
또한, 상기 통합 제어기는,
사고나 이상현상으로 인해 계통전압이 왜곡되었을 때, 나타나는 고조파 (harmonic frequency)를 포함한 왜곡 전압을 보상하기 위한 공진 제어기 (proportional resonant controller: PR 제어기);
상기 공진 제어기의 과도 응답성을 개선하고, 계통 임피던스 변화에 대응하기 위한 슬라이딩 모드 제어기;
계통연계 모드 시, 상기 공진 제어기 및 슬라이딩 모드 제어기를 통해 획득된 명령치를 이용하여 상기 LCL 필터의 커패시터측 전압 제어 명령을 생성하고, 계통과의 연결이 차단된 독립운전 모드 시 상기 전상태 관측기에 의해 추정된 LCL 필터의 커패시터 전압(
Figure pat00004
) 값을 제어 명령치로 사용하여 부하에 흐르는 전압을 제어하는 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기(PI-vc); 및
상기 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기(PI-vc)를 통해 획득된 인버터 출력 전류 명령치를 이용하여 인버터의 출력 전류를 제어하는 인버터측 전류 제어기(PI-i1)를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 공진 제어기로는 이산 시간 공진 제어기가 사용될 수 있다.
이때, 상기 이산 시간 공진 제어기는 다음의 수식 관계로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
여기서, a, b는 각각 특정 주파수를 보상하기 위한 상수값, u와 y는 이산 시간 공진 제어기의 입력값과 출력값을 각각 나타낸다.
또한, 상기 슬라이딩 모드 제어기로는 이산시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기가 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전상태 관측기를 이용하여 시스템 제어변수(인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터측 전압)를 추정하고, 추정된 제어변수를 내부의 인버터측 전류 제어기 및 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기에 의해 제어함으로써, 계통연계 시스템의 하드웨어 설계비용 및 CPU 구현의 복잡성을 개선할 수 있고, 계통 왜곡 및 파라미터 변화에도 고품질의 전력을 공급할 수 있으며, 제어기의 과도응답성과 강인성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 통합 제어기의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 계통 전압 왜곡 시 기존의 PI 제어기에 의한 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 이산 시간 공진 제어기를 사용한 계통 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 6은 이산 시간 공진 제어기에 이산 시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기가 추가된 계통전류 파형을 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.
여기서, 본 발명의 실시예에 대해 본격적으로 설명하기에 앞서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명과 관련한 기존의 제어 시스템에 대해 먼저 설명해 보기로 한다.
도 1은 종래 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(100)은 직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 계통 전력 시스템(180)으로의 연계를 위해 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다수의 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 계통 전력 시스템(180)과의 전력 동기화를 수행하는 PWM 인버터(110)와, PWM 인버터(110)와 계통 전력 시스템(180) 사이에 위치되며, PWM 인버터(110)로부터 출력된 AC 전압에 혼입되어 있는 고조파를 약화시키기 위한 것으로, PWM 인버터(110)의 출력단에 연결되는 제1 인덕터(L1)와, 계통 전력 시스템(180)의 입력단에 연결되는 제2 인덕터(L2)와, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이의 3상 라인에 연결되는 커패시터(C)를 구비하는 LCL 필터(120)와, PWM 인버터(110)로부터의 출력 전류와 계통 전력 시스템(180)으로 인가되는 전압 및 전류를 피드백 입력받아 PWM 인버터(110)측의 출력 전류를 제어하기 위한 기준 전압을 생성하여 PWM 인버터(110)측으로 제공하는 전류 제어기(130)를 포함하여 구성된다.
이상과 같은 종래 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(100)은 제어기 설계의 복잡성을 해결하기 위해 계통측 제2 인덕터(L2)의 전류, LCL 필터(120)의 커패시터(C)의 전압, PWM 인버터(110)측 제1 인덕터(L1)의 전류를 각각 별도로 종속적인 구조로 제어하는 형태를 취하고 있다. 즉, PWM 인버터(110) 측에 2개의 인버터 전류 센서(140), 계통 전력 시스템(180) 측에 2개의 계통 전류 센서(150), LCL 필터(120)의 커패시터(C) 측에 2개의 커패시터 전압 센서(170)를 각각 설치하여, 이들 센서로부터 측정된 전류 및 전압을 전류 제어기(130)에서 입력받아 PWM 인버터(110)측의 출력 전류를 제어하기 위한 기준 전압을 생성하여 PWM 인버터(110)측으로 공급하는 방식을 취하고 있다.
이상과 같은 제어 방식은 무순단 절체 등 나름대로 장점이 있기는 하지만, 전술한 바와 같이 PWM 인버터(110) 측에 2개의 인버터 전류 센서(140), 계통 전력 시스템(180) 측에 2개의 계통 전류 센서(150), LCL 필터(120)의 커패시터(C) 측에 2개의 커패시터 전압 센서(170)가 설치됨에 따라 시스템의 비용을 증대시키고 회로 및 제어기의 설계를 복잡하게 하는 단점이 있다.
또한, 이상과 같은 종래 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(100)은 왜곡 계통의 영향을 줄이기 위해 특정 고조파 성분을 억제할 수 있는 공진형 제어기를 적용했다. 그러나 기존의 공진형 제어기는 특정 고조파 성분의 보상 효과는 우수하지만, 전류의 과도응답이 매우 느리고 초기 계통연계 시 혹은 전류 명령치 변화와 같은 과도상태에서 매우 진동이 심한 문제가 있다. 도 1에서 미설명 부호 160은 계통측에 인가되는 전압을 측정하기 위한 계통 전압 센서를 나타낸다.
본 발명은 이상과 같은 종래 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(100)의 여러 가지 문제점들을 해소하기 위해 창출된 것으로서, 이상과 같은 사항들을 기반으로 이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 설명해 보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템(200)은 인버터(210), LCL 필터(220), 계통 전류 센서(230), 계통 전압 센서 (240), 전상태 관측기(full-state observer)(250), 통합 제어기(260)를 포함하여 구성된다.
인버터(210)는 직류 전원(VDC)으로부터의 DC 전압을 입력받아 계통 전력 시스템(290)으로의 연계를 위해 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다수의 반도체 스위치 소자(예를 들면, MOSFET, IGBT 등)의 온/오프 동작에 의해 상기 계통 전력 시스템(290)과의 전력 동기화를 수행한다. 이와 같은 인버터(210)로는 PWM(pulse width modulation) 인버터가 사용될 수 있다.
LCL 필터(220)는 인버터(210)와 계통 전력 시스템(290) 사이에 위치되며, 인버터(210)로부터 출력된 AC 전압에 혼입되어 있는 고조파를 약화시키기 위한 것으로, 인버터(210)의 출력단의 3상 라인에 각각 연결되는 제1 인덕터(L1)와, 계통 전력 시스템(290)의 입력단의 3상 라인에 각각 연결되는 제2 인덕터(L2)와, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이의 3상 라인에 병렬로 각각 연결되는 커패시터(C)를 구비한다.
계통 전류 센서(230)는 상기 LCL 필터(220)의 제2 인덕터(L2)를 거쳐 상기 계통 전력 시스템(290)으로 입력되는 계통 전류를 측정한다. 여기서, 이와 같은 계통 전류 센서(230)는 3상 라인 상의 전류를 측정할 수 있는 형태이면 모두 사용 가능하며, 특별히 제한을 두지 않는다. 여기서, 또한 이상과 같은 계통 전류 센서(230)는 2개가 설치될 수 있다.
계통 전압 센서(240)는 상기 LCL 필터(220)의 제2 인덕터(L2)를 거쳐 상기 계통 전력 시스템(290)으로 공급되는 계통 전압을 측정한다. 여기서, 이와 같은 계통 전압 센서(240)는 마찬가지로 3상 라인 간의 전압을 측정할 수 있는 형태이면 모두 사용 가능하며, 특별히 제한을 두지 않는다.
전상태 관측기(full-state observer)(250)는 상기 계통 전류 센서(230) 및 계통 전압 센서(240)에 의해 각각 측정된 계통 전류 및 계통 전압 정보를 이용하여 상기 인버터(210)측 전류와 상기 LCL 필터(220)의 커패시터 전압을 추정한다.
여기서, 이상과 같은 전상태 관측기(250)에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.
통합 제어기(260)는 상기 전상태 관측기(250)로부터의 출력을 입력받아 계통연계 모드 시 빠른 과도응답성과 시스템 안정성을 유지하고, 독립운전 모드 시 부하 전압 변동을 최소화하는 무순단 절체가 이루어지도록 상기 인버터(210)측 전류와 상기 LCL 필터(220)의 커패시터 전압을 제어한다.
여기서, 상기 통합 제어기(260)는 도 3에 도시된 바와 같이, 사고나 이상현상으로 인해 계통전압이 왜곡되었을 때, 나타나는 고조파(harmonic frequency)를 포함한 왜곡 전압을 보상하기 위한 공진 제어기(proportional resonant controller: PR 제어기)(261)와; 공진 제어기(261)의 과도 응답성을 개선하고, 계통 임피던스 변화에 대응하기 위한 슬라이딩 모드 제어기(262)와; 계통연계 모드 시, 상기 공진 제어기(261) 및 슬라이딩 모드 제어기(262)를 통해 획득된 명령치를 이용하여 상기 LCL 필터(220)의 커패시터측 전압 제어 명령을 생성하고, 계통(계통 전력 시스템(290))과의 연결이 차단된 독립운전 모드 시 상기 전상태 관측기(250)에 의해 추정된 LCL 필터의 커패시터 전압(
Figure pat00006
) 값을 제어 명령치로 사용하여 부하에 흐르는 전압을 제어하는 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기(PI-vc)(263); 및 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기(PI-vc)(262)를 통해 획득된 인버터 출력 전류 명령치를 이용하여 인버터(210)의 출력 전류를 제어하는 인버터측 전류 제어기(PI-i1)(264)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 공진 제어기(261)로는 이산 시간 공진 제어기(Discrete-time PR 제어기)가 사용될 수 있다.
이때, 상기 이산 시간 공진 제어기는 다음의 수식 관계로 표현될 수 있다.
Figure pat00007
여기서, a, b는 각각 특정 주파수를 보상하기 위한 상수값, u와 y는 이산 시간 공진 제어기의 입력값과 출력값을 각각 나타낸다.
또한, 상기 슬라이딩 모드 제어기(262)로는 이산시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기(Discrete-time integral sliding mode controller)가 사용될 수 있다.
도 2에서 미설명 부호 270은 통합 제어기(260)로부터의 q축 및 d축 기준 전압(v* q, v* d)을 입력 받아 펄스 폭 변조처리하고, 인버터(210) 내의 다수의 반도체 스위치 소자의 제어를 위한 신호를 인버터(210)로 출력하는 공간 벡터 펄스 폭 변조기(Space Vector Pulse Width Modulation; SVPWM), 280은 상기 계통 전압 센서(240)에 의해 측정된 계통측 전압(eq, ed)을 입력받아 계통 전압 위상각(θ)을 생성하여 상기 공간벡터 펄스 폭 변조기(270)로 제공하는 위상 고정 루프(Phase Locked Loop; PLL)를 각각 나타낸다.
여기서, 상기 전상태 관측기(full-state observer)(250)와 관련하여 부연 설명을 해보기로 한다.
전상태 관측기(full-state observer)(250)는 전술한 바와 같이, 계통 전류 센서(230) 및 계통 전압 센서(240)에 의해 각각 측정된 계통 전류 및 계통 전압 정보를 이용하여 인버터(210)측 전류와 LCL 필터(220)의 커패시터 전압을 추정한다. 이와 관련하여 조금 더 상세히 설명해 보기로 한다.
계통연계 장치, 즉 계통연계 인버터(210)는 다음과 같은 상태 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
이때, x, u, e는 각각
Figure pat00010
로 정의된다.
여기서,
Figure pat00011
Figure pat00012
는 각각 계통측 전류, 인버터측 전류, 커패시터 전압을 나타낸다. 그리고 u와 e는 시스템 입력값과 계통측 전압값을 각각 나타낸다. 위에 언급된 모든 값은 고정 좌표계로 표현된다.
또한, 상기 A는 시스템 행렬, B는 입력행렬, D는 계통 입력행렬, C는 출력 행렬이며, 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
C =
Figure pat00015
최종적으로 인버터 시스템의 상태 방정식은 다음과 같이 이산화하여 표현될 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
아래의 수식은 전상태 관측기를 포함한 시스템 방정식이다.
Figure pat00018
위의 수식에서 G는 전상태 관측기 이득 행렬이며, 전상태 관측기의 설계 과정에서 결정된다.
전상태 관측기의 입력은 u와 y이고, 출력은
Figure pat00019
이다. (u는 시스템 입력값, y는 시스템 출력값이다) 전상태 관측기의 목적은 t >
Figure pat00020
에 따라
Figure pat00021
> x 가 되도록 추정값
Figure pat00022
를 제공하고자 하는 것이다.
전상태 관측기는 가관측성 행렬
Figure pat00023
=
Figure pat00024
의 행렬식이 영(zero)이 아닐 때, 시스템(분산전원 계통연계 장치)을 완전히 관측할 수 있게 된다. 시스템(분산전원 계통연계 장치)이 완전 관측 가능하면, 추적 오차가 점근적으로 안정하게 되는 행렬 G를 항상 찾을 수 있다. 위의 시스템 이득 행렬과 유사한 방식으로 다음의 특성 방정식
Figure pat00025
= 0 가 좌반평면에 모든 근을 가지면 t >
Figure pat00026
에 따라
Figure pat00027
Figure pat00028
x 를 만족하도록 하는 행렬 G를 찾을 수 있다. 이때, 행렬 G는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
G =
Figure pat00029
이상과 같이 전상태 관측기(250)는 상기 인버터(210)측 전류와 상기 LCL 필터(220)의 커패시터 전압을 추정함에 있어서, 가관측성 행렬
Figure pat00030
=
Figure pat00031
의 행렬식이 영(zero)이 아니고, 시스템(분산전원 계통연계 장치)이 완전 관측 가능하면, 추적 오차가 점근적으로 안정하게 되는 행렬 G를 찾음으로써, 인버터(210)측 전류와 LCL 필터(220)의 커패시터 전압을 추정할 수 있게 된다.
여기서, 또한 본 발명에 채용되는 상기 이산 시간 공진 제어기(Discrete-time PR controller)와 이산시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기(Discrete-time integral sliding mode controller)와 관련하여 부연 설명을 해보기로 한다.
도 4는 계통 전압 왜곡 시 기존의 PI 제어기에 의한 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 이는 사고나 이상현상으로 인해 우측 파형(우측 파형 하부)과 같이 계통전압이 왜곡되었을 때, 기존에 사용하는 PI 제어기를 이용하여 인버터를 제어한 시뮬레이션 파형을 보여주는 것으로서, 좌측 파형을 통해 볼 수 있듯이 기존의 PI 제어기를 이용하여 인버터를 제어할 경우 전압, 전류 모두 계통 전압 왜곡의 영향을 받아 왜곡됨을 알 수 있다.
도 5는 이산 시간 공진 제어기(Discrete-time PR controller)를 사용한 계통 전류 파형을 나타낸 도면이다.
계통 왜곡 시 나타날 수 있는 고조파는 위의 도 4에서 표시된 바와 같은 5, 7, 11, 13차 고조파로서, 이러한 고조파를 포함한 왜곡 전압을 보상하기 위해 통상 PR 제어기가 사용된다. PR 제어기는 이러한 고조파를 보상하여 IEEE st.1547에서 제시한 인버터 출력전류 고조파 제한 요건을 만족시키게 된다.
도 5는 도 4의 PI 제어기와 동일한 계통왜곡 환경에서 이산 시간 공진 제어기(Discrete-time PR controller)를 사용하여 고조파를 보상한 출력 파형이다. 이와 같이 고조파를 보상함으로써 높은 품질의 출력전류 파형을 얻을 수 있지만, 과도 응답성이 떨어지는 것을 볼 수 있다.
도 6은 이산 시간 공진 제어기에 이산 시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기가 추가된 계통전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 이는 상기 도 5의 이산 시간 공진 제어기에 이산 시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기(Discrete-time integral sliding mode controller)가 추가된 계통전류 파형으로서, 과도 응답성이 개선되고 슬라이딩 모드 제어기의 특성인 강인성이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 슬라이딩 모드 제어기는 그 강인성으로 인해 시스템 외란에 효과적으로 대응할 수 있으며, 계통의 파라미터 변경 시에도 기존 명령치를 효과적으로 추종할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 이산 시간 공진 제어기를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00032
이는 연속 시간의 공진 제어기 전달 함수를 쌍선형 변환(bilinear transform)을 이용하여 이산화한 전달함수 이다. 여기서, a, b는 각각 특정 주파수를 보상하기 위한 상수값, u와 y는 이산 시간 공진 제어기의 입력값과 출력값을 각각 나타낸다.
또한, 이산 시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기(Discrete-time integral sliding mode controller)를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00033
Figure pat00034
이산 시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기는 이산 시간 슬라이딩 모드가 존재하기 위한 충분 조건을 만족하고, 이산시간에서 가변 구조 제어 특징을 항상 만족하도록 도달 법칙(Reaching Law)을 정하여 이러한 도달 법칙이 직접적으로 스위칭 함수 s(k)의 역학 관계가 되도록 설계한다.
여기서, 이산 시간 슬라이딩 모드가 존재하기 위한 충분 조건은 다음과 같다.
가) 연속 시간에서 슬라이딩 모드 제어기 초기 상태 궤적은 제한된 시간 안에 스위칭 평면에서 만나지만 이산 시간 모델의 경우 슬라이딩 평면을 지나가게 된다.
나) 상태의 궤적이 스위칭 평면을 지나가게 되면 바로 다음 샘플링 순간에는 다시 스위칭 평면 반대편으로 되돌아가야 한다. 그 결과로 스위칭 평면에서 진동하게 된다.
다) 연속적인 진동의 크기는 감소되고 상태의 궤적은 한정된 대역에 머물게 된다.
- Reaching Law s(k +1) - s(k) = - qTs(k) - εT sgn(s(k))
- 위 식에서 q＞0, ε＞0, 1-qT＞0, 샘플링 주기 T는 0보다 크다. 따라서 1-qT＞0이 유효하다면, s(k)＞0이면 s(k+1)＜0이되고, s(k)＜0이면 s(k+1)＞0이 되어 이산 가변 구조 제어의 특징 "가)"가 보장된다.
- sgn(s(k))은 이산 가변 구조 제어의 특징 "나)" 및 "다)"를 만족시킨다.
여기서, 상기 수학식 2의 도출 과정에 대해 조금 더 설명을 부가해 보기로 한다.
먼저, 슬라이딩 함수 S(t)을 다음과 같이 정의하기로 한다.
Figure pat00035
그리고 E(t)는 다음과 같이 정의하기로 한다.
Figure pat00036
상기 슬라이딩 함수는 z 변환,
Figure pat00037
을 이용하여 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00038
Figure pat00039
Figure pat00040
Figure pat00041
도달 법칙 접근법(근사치)을 이용하여,
Figure pat00042
는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00043
Figure pat00044
Figure pat00045
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
로 정의하기로 한다. 그러면, 최종적으로 이산 시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기는 다음과 같은 수식 관계로 표현될 수 있다.
Figure pat00049
Figure pat00050
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템은 전상태 관측기를 이용하여 시스템 제어변수(인버터측 전류와 LCL 필터의 커패시터측 전압)를 추정하고, 추정된 제어변수를 내부의 인버터측 전류 제어기 및 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기에 의해 제어함으로써, 계통연계 시스템의 하드웨어 설계비용 및 CPU 구현의 복잡성을 개선할 수 있고, 계통 왜곡 및 파라미터 변화에도 고품질의 전력을 공급할 수 있으며, 제어기의 과도응답성과 강인성을 개선할 수 있는 장점이 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.
100:(종래) 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템
110: PWM 인버터 120: LCL 필터
130: 전류 제어기 140: 인버터 전류 센서
150: 계통 전류 센서 160: 계통 전압 센서
170: 커패시터 전압 센서 180: 계통 전력 시스템
200:(본 발명)분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템
210: 인버터(PWM 인버터) 220: LCL 필터
230: 계통 전류 센서 240: 계통 전압 센서
250: 전상태 관측기(full-state observer) 260: 통합 제어기
261: 공진 제어기 262: 슬라이딩 모드 제어기
263: LCL 필터 커패시터측 전압 제어기 264: 인버터측 전류 제어기
270: 공간 벡터 펄스 폭 변조기 280: 위상 고정 루프(PLL)
290: 계통 전력 시스템

Claims (5)

  1. 직류 전원으로부터의 DC 전압을 입력받아 계통 전력 시스템으로의 연계를 위해 AC 전압으로 변환해주며, 내부의 다수의 반도체 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 상기 계통 전력 시스템과의 전력 동기화를 수행하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 계통 전력 시스템 사이에 위치되며, 상기 인버터로부터 출력된 AC 전압에 혼입되어 있는 고조파를 약화시키기 위한 것으로, 상기 인버터의 출력단에 연결되는 제1 인덕터와, 상기 계통 전력 시스템의 입력단에 연결되는 제2 인덕터와, 상기 제1 인덕터와 제2 인덕터 사이에 연결되는 커패시터를 구비하는 LCL 필터;
    상기 LCL 필터의 제2 인덕터를 거쳐 상기 계통 전력 시스템으로 입력되는 계통 전류를 측정하는 계통 전류 센서;
    상기 LCL 필터의 제2 인덕터를 거쳐 상기 계통 전력 시스템으로 공급되는 계통 전압을 측정하는 계통 전압 센서;
    상기 계통 전류 센서 및 상기 계통 전압 센서에 의해 각각 측정된 계통 전류 및 계통 전압 정보를 이용하여 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정하는 전상태 관측기(full-state observer); 및
    상기 전상태 관측기로부터의 출력을 입력받아 계통연계 모드 시 빠른 과도응답성과 시스템 안정성을 유지하고, 독립운전 모드 시 부하 전압 변동을 최소화하는 무순단 절체가 이루어지도록 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 제어하는 통합 제어기를 포함하는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전상태 관측기는 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정함에 있어서, 가관측성 행렬
    Figure pat00051
    =
    Figure pat00052
    의 행렬식이 영(zero)이 아니고, 시스템(분산전원 계통연계 장치)이 완전 관측 가능하면, 추적 오차가 점근적으로 안정하게 되는 다음과 같은 행렬 G를 찾음으로써, 상기 인버터측 전류와 상기 LCL 필터의 커패시터 전압을 추정하는 것을 특징으로 하는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
    G =
    Figure pat00053

  3. 제1항에 있어서,
    상기 통합 제어기는,
    사고나 이상현상으로 인해 계통전압이 왜곡되었을 때, 나타나는 고조파 (harmonic frequency)를 포함한 왜곡 전압을 보상하기 위한 공진 제어기 (proportional resonant controller: PR 제어기);
    상기 공진 제어기의 과도 응답성을 개선하고, 계통 임피던스 변화에 대응하기 위한 슬라이딩 모드 제어기;
    계통연계 모드 시, 상기 공진 제어기 및 슬라이딩 모드 제어기를 통해 획득된 명령치를 이용하여 상기 LCL 필터의 커패시터측 전압 제어 명령을 생성하고, 계통과의 연결이 차단된 독립운전 모드 시 상기 전상태 관측기에 의해 추정된 LCL 필터의 커패시터 전압(
    Figure pat00054
    ) 값을 제어 명령치로 사용하여 부하에 흐르는 전압을 제어하는 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기(PI-vc); 및
    상기 LCL 필터 커패시터측 전압 제어기(PI-vc)를 통해 획득된 인버터 출력 전류 명령치를 이용하여 인버터의 출력 전류를 제어하는 인버터측 전류 제어기(PI-i1)를 포함하는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공진 제어기는 이산 시간 공진 제어기인 것을 특징으로 하는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 슬라이딩 모드 제어기는 이산시간 적분형 슬라이딩 모드 제어기인 것을 특징으로 하는 분산전원 계통연계 장치의 제어 시스템.
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