KR20230040003A - 전압 안정화를 위한 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터 - Google Patents

전압 안정화를 위한 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2조 병렬 인버터의 협력 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게 출력 전압을 제어하는 메인 인버터부와 출력 전류를 제어하는 댐핑 인버터부를 병렬 구조로 연결함으로써, 공진 현상과 부하 탈락시 출력 전압의 진동을 최소화할 수 있고 고신뢰성을 갖는 2조 병렬 인버터의 협력 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 관한 것이다.

Description

전압 안정화를 위한 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터{Single-phase independent inverter with cooperative control structure of two sets of parallel inverters for voltage stabilization}
본 발명은 2조 병렬 인버터의 협력 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게 출력 전압을 제어하는 메인 인버터부와 출력 전류를 제어하는 댐핑 인버터부를 병렬 구조로 연결함으로써, 공진 현상과 부하 탈락시 출력 전압의 진동을 최소화할 수 있고 고신뢰성을 갖는 2조 병렬 인버터의 협력 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 관한 것이다.
최근 연료전지와 압축공기 에너지 저장 시스템 그리고 플라이휠(Flywheel)과 같은 분산 에너지 저장 시스템의 증가와 풍력 및 태양광 발전기와 같은 신재생 에너지원의 사용이 증가함에 따라 단상 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply System, UPS)의 공급이 활발히 이루어지고 있다.
이러한 무정전 전원공급장치는 낮은 전 고조파 왜율(Total Harmonic Distortion, THD)과 선형 및 다이오드 정류기와 같은 비선형 부하에 대한 빠른 동특성을 가지며, 정현파 출력 전압을 제공하도록 기능도록 기능하나 스위칭 주파수의 영향으로 인해 필연적으로 고조파가 발생이 되어 출력 전압의 왜곡이 생기게 되는 문제가 있다.
도 1은 단상 무정전 전원공급장치에 구성된 독립형 단상 인버터의 구조를 보여주는 도면으로 도 1을 참조하면, 위에서 언급한 고조파를 제거하기 위한 방법으로 일반적으로 인버터 출력단에 2차 저역 통과 필터인 LC필터를 연결하여 인버터 출력 전압 파형의 고조파 성분을 효과적으로 완하 시키고 있으나, LC 필터는 2차 저역 통과 필터로 에너지 저장 소자로만 이루어져 있기 때문에 부하 탈락시 에너지가 필터 인덕터(L)와 필터 커패시터(C)가 주고 받으면서 출력 전압에 공진 현상이 발생하게 되므로 시스템의 불안정을 가져오는 단점이 있다.
이와 같은 공진 현상을 감쇠시키기 위해 댐핑(Damping) 구성/방법이 필수적으로 요구되고 있으며, 대표적으로 능동 댐핑 방식과 수동 댐핑 방식이 있다.
먼저, 능동 댐핑 방식은 공진 현상을 억제하기 위해 다중 루프 방식 또는 필터 기반 방식들이 사용되고 있으며, 다중 루프 방식은 필터 커패시터 전압 또는 전류의 상태 변수를 측정 및 제어하기 위한 센서가 사용된다.
또한, 필터 기반 방식은 노치필터(NBotch Filter), 저역 통과 필터 그리고 진상-지상 보상기(Lead-Lag Compensator)와 같이 고차 제어기의 사용을 기반으로 하며, 저주파를 규제시킬 뿐 아니라 고주파를 감쇠할 경우 사용이 된다.
한편. 이러한 능동 댐핑 방식은 공진을 감쇠시키기 위한 우수한 성능을 제공하나, 센서의 수가 증가하고 측정된 변수에 민감해 시스템의 신뢰성이 낮고 복잡하다는 단점이 있다
반면, 수동 댐핑 방식은 직접 댐핑 저항을 필터 인덕터 및 필터 커패시터에 직렬 또는 병렬로 댐핑 저항을 연결하는 방식으로, 높은 신뢰성을 갖고, 능동 댐핑 방식보다 더 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있으나,댐핑 저항으로 인한 소비전력으로 인해 시스템의 효율이 낮아지는 단점이 있다.
이에, 시스템 효율을 저하시키지 않으면서, 고신뢰성을 갖는 댐핑 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 댐핑 저항을 사용하지 않아 시스템 효율의 손실을 방지할 수 있으며, 공진 현상 및 인덕턴스 변화와 같은 시스템의 변수 변동에 강인한 고신뢰성을 갖는 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터를 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 도 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 2조 인버터 제어 협력 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 관한 것으로, 부하 또는 버스측으로 공급할 출력 전압을 생성하며 제1 전압 지령치를 수신하는 제1 인버터와 상기 제1 인버터의 출력단에 연결된 LC 필터를 포함하는 메인 인버터부; 상기 제1 인버터부와 병렬로 연결되며, 제2 전압 지령치를 수신하는 제2 인버터와 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 L필터를 포함하는 댐핑 인버터부; 상기 출력 전압을 d-q 좌표계를 변환하고, 변환된 d-q 좌표계의 전압과 각 축의 출력 전압 지령치를 기반으로 오차 전압을 계산하며, 상기 오차 전압으로부터 비례적분제어를 통해 상기 제1 전압 지령치를 생성하는 전압 제어부; 및 상기 댐핑 인버터로의 출력 전류를 d-q 좌표계로 변환하고, 변환된 d-q좌표계의 출력 전류와 각 축의 출력 전류 지령치 기반으로 오차 전류를 계산하며, 상기 오차 전류로부터 비례적분제어를 통해 상기 제2 전압 지령치를 생성하는 전류 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전압 제어부:는 상기 출력 전압을 d-q 좌표계를 변환하는 제1 d-q 좌표계 변환부; 변환된 d-q 좌표계의 출력 전압과 각 축의 출력 전압 지령치의 오차가 감소하도록 각 축의 전압 지령치를 출력하는 제1 비례적분제어기; 상기 각축의 전압 지령치를 역변환하여 상기 제1 전압 지령치를 출력하는 제1 d-q 좌표계 역변환부;를 포함하고, 상기 전류 제어부:는 상기 제2 인버터부의 L필터에 흐르는 출력 전류를 d-q 좌표계로 변환하는 제2 d-q 좌표계 변환부; 변환된 d-q좌표계의 출력 전류와 각 축의 출력 전류 지령치의 오차가 감소하도록 각 축의 전압 지령치를 출력하는 제2 비례적분제어기; 및 상기 각 축의 전압 지령치를 역변환하여 상기 제2 전압 지령치를 출력하는 제2 d-q 좌표계 역변환부;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LC필터는 제1 인덕터와 상기 제1 인덕터와 직렬로 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 L필터는 제2 인덕터를 포함하며, 상기 제2 인덕터의 출력단은 상기 제1 인덕터의 출력단에 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 인버터는 상기 제1 인버터의 용량보다 크게 설계될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터의 용량은 동일하도록 설계될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전류 제어부는 상기 제2 인버터로부터 출력되는 전류가 0에 가깝도록 상기 제2 전압 지령치를 생성한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 서로 다른 인덕턴스를 갖으며 상기 제1 인덕터의 인덕턴스가 상기 제2 인덕터의 인덕턴스 보다 크다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
본 발명의 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 따르면, 메인 인버터에서 출력 전압을 형성하고, 댐핑 제어부에서 출력 전류를 제어하여 공진 현상 및 부하 탈락 시 출력 전압의 진동을 최소화되고, 시정수가 종래의 수동 댐핑 및 능동 댐핑 방식보다 감소하는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 의하면, 공진 현상 및 전압 진동을 감쇠하기 위해 댐핑 저항을 사용하지 않기 때문에 소비전력으로 인한 시스템 효율이 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 2조 병렬 인버터의 협조 제어 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 의하면, 메인 인버터와 댐핑 제어 인버터의 용량의 비를 제어하여, 출력 전압의 품질을 상승시키거나 메인 인버터부의 출력 전압을 보조하도록 설계할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 단상 독립형 인버터의 구조를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 독립형 인버터의 구성을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보여주는 출력 임피던스 비교 결과를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 부하 탈락 시 과도 상태 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형과 비선형 부하 탈락 시 과도 상태 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 독립형 인버터 제어 시스템을 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 독립형 인버터는 출력 전압을 제어하는 인버터부와 출력 전류를 제어하는 인버터부를 상호 병렬로 연결하여 공진 현상과 출력 전압의 진동(Damping)을 최소화할 수 있는 단상 독립형 인버터(1000)이다.
또한. 본 발명의 단산 독립형 인버터(1000)는 메인 인버터부(100), 댐핑 인버터부(200), 전압 제어부(300) 및 전류 제어부(400)를 포함하여 이루어진다.
상기 메인 인버터부(100)는 제1 전압 지령치(Vinv1*)를 수신받아 동작하는 제1 인버터(110)와 상기 제1 인버터(110)의 출력측에 연결된 LC 필터(120)로 이루어진다.
상기 제1 인버터(110)는 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 제1 인버터(110)는 단상의 출력 전압을 발생하며, 상기 출력 전압은 부하 또는 버스(AC Bus)로 공급될 수 있다.
상기 LC 필터(120)는 직렬로 연결된 제1 인덕터(L1)와 커패시터(C)로 이루어지며, 상기 제1 인버터(110)로부터 출력되는 고주파 신호를 필터링한 공진 주파수를 갖는 정현파 신호를 출력한다.
또한, 상기 LC 필터(120)의 출력측은 부하 또는 버스과 연결되어 출력 전압(Vo)을 제공한다.
상기 댐핑 인버터부(200)는 제2 전압 지령치(Vinv2*)를 수신받아 동작하는 제2 인버터(210)와 상기 제2 인버터(210)의 출력측에 연결된 L필터(220)로 이루어진다.
여기서, 상기 제2 인버터(210)는 상기 제1 인비터(110)와 동일한 기능과 구조를 갖으므로, 이하 설명은 생략하도록 한다.
상기 L필터(220)는 상기 제2 인버터(210)의 출력측에 직렬로 연결된 제2 인덕터(L2)로 이루어지며, 연결된 인덕터(L2)에 의해 상기 제2 인버터(210)로부터 출력되는 고주파 신호를 필터링하여 출력한다.
또한, 상기 제2 인덕터(L2)의 인덕턴스는 상기 제1 인덕터(L1)의 인덕턴스 보다 낮은 것을 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 메인 인버터부(100)와 상기 댐핑 인버터부(200)는 상호 병렬로 연결되며, 상기 메인 인버터부(100)의 제1 인덕터(L1)의 출력측에 상기 댐핑 인버터부(200)에 제2 인덕터(L2) 출력측이 연결된다.
상기 전압 제어부(300)는 상기 제1 인버터(100)의 출력 전압을 제어하기 위한 상기 제1 전압 지령치(Vinv1*)을 생성하여 상기 제1 인버터(100)로 제공하며, 제1 d-q 좌표계 변환부(310), 제1 비례적분 제어기(320) 및 제1 d-q 좌표계 역변환부(330)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1 d-q 좌표계 변환부(310)는 정지좌표계의 출력 전압(Vo)을 동기회전좌표계의 d축과 q축의 출력 전압(Vd,Vq)으로 변환하는 기능을 수행한다.
여기서, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 메인 인버터부(100)의 LC필터(120)를 통과하여 부하 또는 버스로 제공되는 전압을 의미한다.
또한, 상기 제1 d-q 좌표계 변환부(310)는 상기 출력 전압(Vo)을 d-q 좌표계로 변환하는데 필요한 가상축을 생성하기 위해 전역통과필터(APF,All Pass Filter)를 포함하여, 상기 전역통과필터를 통해 입력된 출력 전압(Vo)의 신호보다 90도 지연된 위상각을 갖는 가상축을 생성한 후 d-q 좌표계 변환을 수행한다.
상기 제1 비례적분 제어기(320)는 상기 d-q 좌표계 변환부(310)를 통해 동기회전좌표계로 변환된 d-q축 출력 전압(Vd,Vq)과 각 축에 대한 출력 전압 지령치(Vd*,Vq*)을 비교하고, 각 축의 전압 지령치를 출력한다.
여기서, 상기 각 축에 대한 출력 전압 지령치(Vd*,Vq*)는 고정값이며, 상기 제1 비례적분 제어기(320)는 상기 변환된 d-q축 출력 전압(Vd,Vq)과 각 축의 출력 전압 지령치(Vd*,Vq*) 간의 오차를 0에 수렴시키는 비례적분 연산을 수행하여 각 축의 전압 지령치를 출력한다.
상기 제1 d-q 좌표계 역변환부(330)는 상기 제1 비례적분 제어기(320)로부터 출력되는 각 축의 전압 지령치를 상기 제1 인버터(110)를 제어하기 위한 정지좌표계의 제1 전압 지령치(Vinv1*)로 변환한다.
상기 전류 제어부(400)는 상기 제2 인버터(210)로부터 출력되는 출력 전류를 제어하기 위한 상기 제2 전압 지령치(Vinv2*)를 생성하여,상기 제2 인버터(210)로 제공하며, 제2 d-q 좌표계 변환부(410), 제2 비례적분 제어기(420) 및 제2 d-q 좌표계 역변환부(430)를 포함하여 이루어진다.
상기 제2 d-q 좌표계 변환부(410)는 정지좌표계인 상기 L필터(220)의 출력 전류(iLd)를 동기회전좌표계의 d축과 q축의 전류로 변환하는 기능을 수행한다.
한편, 상기 제2 d-q 좌표계 변환부(410)는 상기 L필터(220)의 출력 전류(iLd)를 d-q 좌표계로 변환하는데 필요한 가상축을 생성하기 위해 전역통과필터(APF,All Pass Filter)를 포함하여, 상기 전역통과필터를 통해 입력된 상기 L필터(220)의 출력 전류(iLd)의 신호보다 90도 지연된 위상각을 갖는 가상축을 생성한 후 d-q 좌표계 변환을 수행한다.
상기 제2 비례적분 제어기(420)는 상기 제2 d-q 좌표계 변환부(410)를 통해 동기회전좌표계로 변환된 d-q축 출력 전류(id.Ld, iq.Ld)와 각 축에 대한 출력 전류 지령치(id.Ld*, iq.Ld*)를 비교하고, 각 축의 전압 지령치를 출력한다.
여기서, 상기 각 축에 대한 출력 전류 지령치(id.Ld*, iq.Ld*)는 고정값이며, 상기 제2 비례적분 제어기(420)는 상기 변환된 d-q축 출력 전류(id.Ld, iq.Ld)와 각 축의 출력 전류 지령치(id.Ld*, iq.Ld*) 간의 오차를 0에 수렴시키는 비례적분 연산을 수행하여 각 축의 전압 지령치를 출력한다.
또한, 상기 각 축에 대한 출력 전류 지령치(id.Ld*, iq.Ld*)는 0으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 제2 d-q 좌표계 역변환부(430)는 상기 제2 비례적분 제어기(420)로부터 출력되는 각 축의 전압 지령치를 상기 제2 인버터(210)를 제어하기 위한 정지좌표계의 제2 전압 지령치(Vinv2*)로 변환한다.
한편, 상기 제1 인버터(110)와 상기 제2 인버터(210)의 용량(kW)은 목적에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
상세하게는 상기 제2 인버터(210)의 용량을 상기 제1 인버터(110)의 용량 보다 작게 설계하여 상기 댐핑 인버터부(200)가 출력 전압(Vo)의 품질을 상승시키는 역할을 수행하도록 할 수 있다.
또한, 총 인버터의 용량을 상기 제1 인버터(110)와 상기 제2 인버터(210)가 일정한 비율 나누어 갖도록 용량을 설계함으로써 상기 제1 인버터(110)로부터 출력되는 전류를 보조하는 역할을 수행하도록 할 수 있다.
이러한, 각 인버터의 용량은 상기 제2 인버터(210)의 전류 지령치 설정값에 따라 나뉘도록 설계될 수 있다.
따라서, 본 발명의 단상 독립형 인버터(1000)는 상기 댐핑 인버터부(200)의 인덕터(L2)가 상기 메인 인버터부(100)의 인버터(L1)보다 작은 것을 배치할 경우, 상기 댐핑 인버터부(200)의 임피던스가 상대적으로 작기 때문에 고조파 전압이 발생하였을 때, 상기 댐핑 인버터부(200)로 큰 고조파 전류가 흐르게된다.
이때, 상기 메인 인버터부(100)가 기본파 전류를 가져가게 되며, 상기 댐핑 인버터부(200)는 기본파 성분의 전류를 상기 제2 전압 지령치(Vinv2*)에 의해 기본파 성분의 전류를 0으로 제어하기 때문에 임피던스가 무한이되어, 상기 출력 전압(Vo)이 진동없이 안정적으로 부하 또는 버스 측으로 공급될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 독립형 단상 인버터의 제어 방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 독립형 단상 인버터의 제어 방법은 크게 출력 전압 및 전류 검출 단계, d-q 좌표계 변환 단계, 비례적분 단계, d-q 좌표계 역변환 및 전압 지령치 생성 단계를 포함하여 이루어진다.
먼저, 본 발명의 독립형 단상 인버터(1000)의 제어 방법은 메인 인버터부(100)의 LC 필터(120)를 통과하여 부하 또는 버스로 제공되는 출력 전압(Vo)과 댐핑 인버터부(200)의 L필터(220)에 흐르는 출력 전류(iLd)를 입력받는다.
다음, 상기 출력 전압(Vo)과 상기 출력 전류(iLd)를 정지좌표계에서 동기좌표계인 d-q 좌표계 변환을 수행하여 d축과 q축의 출력 전압(Vd,Vq)과 출력 전류(id.Ld, Iq.Ld)를 생성한다.
다음, 생성된 d축과 q축의 출력 전압(Vd,Vq)과 출력 전류(id.Ld, iq.Ld)를 각 축에 대한 출력 전압 지령치(Vd*,Vq*)과 출력 전류 지령치(id.Ld*, iq.Ld*)를 기반으로 각각 비례적분을 수행하여 제1 인버터(110)와 제2 인버터(210) 제어를 위한 제1 전압 지령치(Vinv1*)와 제2 전압 지령치(Vinv2*)를 생성한다.
이때, 상기 제1 전압 지령치(Vinv1*)는 d축과 q축의 출력 전압(Vd,Vq)과 d축과 q축의 출력 전압 지령치(Vd*,Vq*) 간의 오차를 0에 수렴시키는 비례적분 연산을 수행하여 각 축의 전압 지령치를 생성한 후 d-q 좌표계 역변환을 통해 생성된다.
또한, 상기 제2 전압 지령치(Vinv2*)는 d축과 q축의 출력 전류(id.Ld, iq.Ld)와 d축과 q축의 출력 전류 지령치(id.Ld*, iq.Ld*) 간의 오차를 0에 수렴시키는 비례적분 연산을 수행하여 각 축의 전압 지령치를 생성한 후 d-q 좌표계 역변환을 통해 생성된다.
이렇게 생성된 상기 제1 전압 지령치(Vinv1*)는 상기 제1 인버터(110)로 제공되고 상기 제2 전압 지령치(Vinv2*)는 상기 제2 인버터(210)로 제공되어, 각 인버터(110,120)는 전압 지령치에 대응되는 전압을 출력하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 임피던스 비교 결과를 보여주는 그림으로, 도 3를 참조하면, 출력 임피던스 비교 실험을 위해 일반적인 단상 독립형 인버터 구조에서 댐핑 구성이 없는 경우, 능동 댐핑 구성이 포함된 경우 및 본 발명의 단상 독립형 인버터를 구현하여 각각의 출력 임피던스를 측정하였다.
각 출력 임피던스 비교 결과 기본파 주파수인 60Hz에서 임피던스 값이 전부 낮음을 확인할 수 있으며, 능동 댐핑 방식의 경우 능동 댐핑 이득값이 높아질수록 60Hz 주변에서 임피던스가 높아지는 것을 볼 수 있으며, 본 발명의 단상 독립형 인버터의 경우 공진주파수 대역에서 임피던스가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 부하변동 및 탈락 시 능동 방식보다 출력 전압의 변동 감쇄 능력이 우수하고,외란의 영향이 적음을 알 수 있다..
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 부하 탈락 시 과도 상태 시뮬레이션 결과를 보여주는 것으로, 도 4를 참조하면 일반적인 단상 독립형 인버터 구조에서 댐핑 구성이 없는 경우, 능동 댐핑 구성이 포함된 경우 및 본 발명의 단상 독립형 인버터의 선형 부하 탈락 시 과도 상태를 시뮬레이션한 결과를 보여준다.
시뮬레이션 결과 댐핑 구성이 없는 경우 에너지를 소비하지 못해 출력 전압의 진동이 크게 나타나다 LC 필터의 기생 저항으로 인해 에너지가 소비되면서 파형의 진동이 줄어듬을 확인할 수 있다.
또한, 능동 댐핑 구성을 갖는 경우에는 선형 부하 탈락시 능동 댐핑의 저항으로 인해 출력 전압이 커지게 되는 현상이 나타나 정착 시간(Settle Time)이 길어지는 것을 알 수 있으며, 댐핑이 없을 경우보다 댐핑이 줄어듦을 확인할 수 있다.
본 발명의 경우에는 과도분을 담당하는 댐핑 인버터부가 고조파 전류를 가져감으로써 출력 전압의 안정을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 공진 현상이 가장 적게 일어남을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형과 비선형 부하 탈락시 과도 상태 시뮬레이션 결과를 보여주는 것으로 도 5를 참조하면, 일반적인 단상 독립형 인버터 구조에서 댐핑 구성이 없는 경우, 능동 댐핑 구성이 포함된 경우 및 본 발명의 단상 독립형 인버터의 선형과 비선형 부하 탈락 시 과도 상태 시뮬레이션 결과를 보여준다.
시뮬레이션 결과 댐핑 구성이 없는 경우에 출력 전압의 진동이 감쇄되지 않고 공진 현상이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 능동 댐핑 구성을 갖는 경우에는 초기에는 출력 전압의 진동이 감쇄되지 않다가 줄어듦을 확인할 수 있으며 본 발명의 경우에는 공진 현상이 출력 전압의 진동이 방법들 보다 가장 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
아래의 표 1은 IEEE-519 최대 허용 가능한 전압 고조파 기준을 보여주는 표이며, 표 는 THD 실험 결과를 보여주는 결과이며, 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 THD 실험 결과를 나타낸다.
Individual harmonic Total Harmonic Distortion
69kV이하 3.0 5.0
69.001kV 이상 161kV이하 1.5 2.5
161kV 초과 1.0 1.5


THD
Inverter
 Proposed
No Damping Active 2mH(L1)+2mH(L2) 2mH(L1) +1mH(L2)
무부하 4.845 2.509 1.449 0.82
선형부하 1.926 1.553 1.395 1.153
비선형부하 11.731 6.825 4.538 3.0565
선형&비선형 6.034 4.588 3.881 2.863
본 발명의 우수성을 검증하기 위해 THD 실험을 수행하였으며, 본 실험을 위해 69kV 회로 전압 환경을 구축하고, 일반적인 단상 독립형 인버터에 댐핑 구성이 없는 경우, 능동 댐핑 구성을 갖는 경우와 본 발명의 단상독립형 인버터의 회로를 구현하여 비교하였다.
또한, 각 회로가 정상상태일 경우 무부하, 선형부하, 비선형부하, 선형&비선형 부하에서 THD 실험을 수행하였다. 이에, 국제규제범규에 의한 최대 허용 가능한 전압 고조파가 5%를 초과하면 않된다.
표 2를 살펴보면, THD 실험 결과 단상 독립형 인버터 1개를 댐핑 없이 이루어진 경우 비선형 부하와 선형과 비선형부하에서 5%를 초과한 결과를 나타내고 있으며, 능동 댐핑 구성을 갖는 경우 비선형부하에서 5%를 초과하였다.
반면, 본 발명의 경우 모든 부하 조건에서 최대 허용 가능한 전압 THD가 5% 이내에 들어온 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명은 공진 주파수의 변화 및 인덕턴스 변화와 같은 시스템의 변수 변동에 강인하며, 회로 자체에 댐핑을 위한 추가적인 저항을 연결하지 않아 시스템 효율이 손실되지 않는 특징이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
1000:단상 독립형 인버터 100:메인 인버터부
200:댐핑 인버터부 300:전압 제어부
400:전류 제어부

Claims (7)

  1. 2조 인버터 제어 협력 구조를 갖는 단상 독립형 인버터에 관한 것으로,
    부하 또는 버스측으로 공급할 출력 전압을 생성하며 제1 전압 지령치를 수신하는 제1 인버터와 상기 제1 인버터의 출력단에 연결된 LC 필터를 포함하는 메인 인버터부;
    상기 제1 인버터부와 병렬로 연결되며, 제2 전압 지령치를 수신하는 제2 인버터와 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 L필터를 포함하는 댐핑 인버터부;
    상기 출력 전압을 d-q 좌표계를 변환하고, 변환된 d-q 좌표계의 전압과 각 축의 출력 전압 지령치를 기반으로 오차 전압을 계산하며, 상기 오차 전압으로부터 비례적분제어를 통해 상기 제1 전압 지령치를 생성하는 전압 제어부; 및
    상기 댐핑 인버터로의 출력 전류를 d-q 좌표계로 변환하고, 변환된 d-q좌표계의 출력 전류와 각 축의 출력 전류 지령치 기반으로 오차 전류를 계산하며, 상기 오차 전류로부터 비례적분제어를 통해 상기 제2 전압 지령치를 생성하는 전류 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 제어부:는
    상기 출력 전압을 d-q 좌표계를 변환하는 제1 d-q 좌표계 변환부;
    변환된 d-q 좌표계의 출력 전압과 각 축의 출력 전압 지령치의 오차가 감소하도록 각 축의 전압 지령치를 출력하는 제1 비례적분제어기;
    상기 각축의 전압 지령치를 역변환하여 상기 제1 전압 지령치를 출력하는 제1 d-q 좌표계 역변환부;를 포함하고,
    상기 전류 제어부:는
    상기 제2 인버터부의 L필터에 흐르는 출력 전류를 d-q 좌표계로 변환하는 제2 d-q 좌표계 변환부;
    변환된 d-q좌표계의 출력 전류와 각 축의 출력 전류 지령치의 오차가 감소하도록 각 축의 전압 지령치를 출력하는 제2 비례적분제어기; 및
    상기 각 축의 전압 지령치를 역변환하여 상기 제2 전압 지령치를 출력하는 제2 d-q 좌표계 역변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 LC필터는 제1 인덕터와 상기 제1 인덕터와 직렬로 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 L필터는 제2 인덕터를 포함하며,
    상기 제2 인덕터의 출력단은 상기 제1 인덕터의 출력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 인버터는 상기 제1 인버터의 용량보다 크게 설계되는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터의 용량은 일정 비율을 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는 상기 제2 인버터로부터 출력되는 전류가 0에 가깝도록 상기 제2 전압 지령치를 생성하는 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 서로 다른 인덕턴스를 갖으며,
    상기 제1 인덕터의 인덕턴스가 상기 제2 인덕터의 인덕턴스 보다 큰 것을 특징으로 하는 단상 독립형 인버터

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