KR20230139057A - 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 pr 제어장치 - Google Patents

3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 pr 제어장치 Download PDF

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KR20230139057A
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Abstract

3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR(Proportional Resonant) 제어장치가 개시된다. 본 발명에 따른 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치는, 정지좌표계의 αβn상에서 α, β 및 n상의 각각의 기본파 성분을 제어하는 PR 제어부; 및 α, β 및 n상의 각각의 3차 및 5차수 고조파 주파수의 정상상태 오차를 제어하는 R 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치{PROPORTIONAL RESONANT CONTROL APPARATUS BASED ON STATIONARY REFERENCE FRAME OF 3 PHASE 4 WIRE INVERTER}
본 발명은 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어기 설계구조를 간단히 하며, 기본파 제어와 홀수 고조파 성분을 적절히 보상하고, 제어기 수를 최소화하여 연산량을 감소시킬 수 있는 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치에 관한 것이다.
의료, 캠핑, 군용 등의 특수 목적의 차량에는 계통의 전원을 대신할 수 있는 독립형의 전원공급장치가 필요하다. 특히, 군용 전술화 차량에는 다양한 장비가 탑재되지만 저전압 배터리로는 충분한 전력을 공급하지 못하기 때문에 발전기가 필요하다. 이를 위해 이전에는 발전기 트레일러를 따로 운용하는 불편함을 감수하였다.
최근에는 엔진 직결형 발전기를 개발하여 차량 자체에서 엔진을 이용한 발전이 가능하게 하거나 차량의 시스템이 전기차, 수소차 등으로 변화하면서 고전압 배터리를 탑재하여 자체적으로 수십 kW 급의 전력공급 능력을 갖게 되었으며, 이로 인해 차량에 탑재될 수 있는 컴팩트한 AC 전원공급기가 요구되고 있다.
한편, 일반적인 동기좌표계 제어기는 불평형 조건에서 정상분은 DC, 역상분은 2고조파, 영상분은 3고조파, 홀수고조파 성분은 짝수 고조파로 표현되기 때문에 제어기 설계가 복잡하다는 문제점이 있다. 또한, 3상 좌표계 각상 제어기는 전역통과필터를 사용하고 제어기 수가 증가하기 때문에 연산량이 증가하게 된다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2020-0003703호 (공개일자: 2020.01.10)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 제어기 설계구조를 간단히 하며, 기본파 제어와 홀수 고조파 성분을 적절히 보상하고, 제어기 수를 최소화하여 연산량을 감소시킬 수 있는 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR(Proportional Resonant) 제어장치는, 정지좌표계의 αβn상에서 α, β 및 n상의 각각의 기본파 성분을 제어하는 PR 제어부; 및 상기 α, β 및 n상의 각각의 3차 및 5차수 고조파 주파수의 정상상태 오차를 제어하는 R(Resonant) 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치는, 상기 PR 제어부 및 상기 R 제어부를 통해 출력되는 값에 대하여 전류제어를 수행하는 P(Proportional) 제어부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 P 제어부에 사용되는 전류 피드백은 리액터 전류와 부하전류의 차로 커패시터 전류제어를 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제어기 설계구조를 간단히 하며, 기본파 제어와 홀수 고조파 성분을 적절히 보상하고, 제어기 수를 최소화하여 연산량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 전압 조정 제어기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정지좌표계 αβn상 PR 제어기를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 전압 조정 제어기를 나타낸 도면이다.
Vqe_ref는 3상 전압의 동기 좌표계 q축 지령치를 나타낸다. 이는 3상 전압의 크기를 나타내며, 3상 전압 기본파 크기의 오차를 보상해주며 부하 인가, 차단 시와 같은 과도상태에서도 과도응답을 줄이기 위해 사용된다. PI 제어기와 각 축의 지령치는 다음과 같이 결정된다.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
4레그 인버터를 제어하는 방법으로 3상 좌표계에서의 각상 제어, 정지 좌표계에서의 αβn상 제어, 회전 좌표계에서의 dqn상 제어 등 여러 제어기법이 사용되고 있다.
각상제어는 A, B, C상을 3개의 단상인버터와 같이 제어하고 N상은 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)의 오프셋(Offset) 전압으로 제어한다. 단상 인버터의 경우, 일반적으로 축 변환을 하여 3상 제어기처럼 제어하는데, 이를 위해 전역통과필터를 사용하며 제어기의 수가 많아지고 연산량이 증가한다.
회전 좌표계에서의 dqn상 제어는 3상 기본파의 정상분이 DC 성분이 되기 때문에 제어가 가장 간단하다. 그러나 불평형 성분이 존재하는 경우, 회전 좌표계에서 역상분은 d, q축에서 2고조파 형태로 나타나며, 영상분은 n축에서 3고조파 형태로 나타난다. 또한, 성능개선을 위해 고조파 보상을 하는 경우, 3, 5차인 고조파 성분도 짝수의 고조파로 표현되는 등 제어기 설계에 복잡도가 증가하는 단점이 있다.
정지 좌표계의 αβn상에서 제어하는 경우, α, β, n상의 제어기를 동일하게 설계할 수 있으며, 고조파 보상과정도 간단해진다. 또한, α, β상에서 크기와 위상을 제어하고, n상에서 중성점의 영상분을 제어함으로써 불평형 전압을 보상할 수 있으며 3, 5 고조파 보상기를 사용함으로써 전압 THD(Total Harmonic Distortion) 특성을 개선하기 용이하다.
AC 성분을 직접 제어하는 경우, PI(Proportional Integral) 제어기는 정상상태에서 항상 AC의 오차성분을 갖고 있기 때문에 제어기 설계가 어렵고 제어성능이 떨어진다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 도 2에 도시한 바와 같이, PR(Proportional Resonant) 제어기를 사용하여 제어기를 구성한다. 이때, R(Resonant) 제어기는 수학식 5 및 수학식 6에 나타낸 바와 같이, 특정 주파수의 이득을 증가시켜 정상상태에서 해당 주파수의 성분을 갖기 때문에 AC 성분 제어시 정상상태 오차를 0으로 제어할 수 있다.
[수학식 5]
[수학식 6]
본 발명의 실시예에 따른 정지좌표계 기반의 제어장치는 α, β 및 n상의 각각에 PR 제어기를 사용하여 기본파 성분을 제어한다. 또한, 추가로 3, 5차수의 고조파를 R제어기를 사용하여 각 주파수의 정상상태 오차를 0으로 제어한다.
이때, 전류제어기는 설계를 간단하게 하면서 안정적인 제어기 동작을 위해 P 제어기만 사용하여 구성한다. 전류제어에 사용되는 전류 피드백은 리액터 전류와 부하전류의 차로 커패시터 전류제어를 수행한다.
P 제어기만 사용하는 경우, 전류제어기의 정상상태 오차가 커지기 때문에 정상상태 오차를 감소시키기 위해 Vα_ref, Vβ_ref의 피드포워드를 추가하여 보다 안정적인 제어가 가능하다.
여기서, P 제어, R 제어, PI 제어, PR 제어 등은 저항, 리액터, 커패시터 등을 이용할 수 있으며, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 정지좌표계의 αβn상에서 α, β 및 n상의 각각의 기본파 성분을 제어하는 PR(Proportional Resonant) 제어부; 및
    상기 α, β 및 n상의 각각의 3차 및 5차수 고조파 주파수의 정상상태 오차를 제어하는 R(Resonant) 제어부;
    를 포함하는 것을 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PR 제어부 및 상기 R 제어부를 통해 출력되는 값에 대하여 전류제어를 수행하는 P(Proportional) 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 P 제어부에 사용되는 전류 피드백은 리액터 전류와 부하전류의 차로 커패시터 전류제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 3상 4선식 인버터의 정지좌표계 기반 PR 제어장치.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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