왜곡된 불평형 3상 전원에 강인한 계통 연계형 인버터의 위상 동기화 기법에 관한 연구

Abstract

최근까지 마이크로 프로세스의 비약적인 발전으로 디지털 제어에 기반을 둔 DC/AC 인버터들이 전동기 구동시스템, 계통 안정화 장치, 그리고 신재생 에너지 등 분산 전원에 널리 사용되고 있다. 특히 화석 연료로 인한 온실가스 배출이 기후 변화의 주요 원인으로 인식되면서 신재생 에너지에 대한 연구와 보급이 급격하게 증가하고 있다. 대표적인 재생에너지원인 풍력 발전과 태양광 발전은 지속 가능한 청정에너지원으로 인식되어 전세계적으로 급속히 증가하고 있다. 위상 동기화 기능과 전류 제어 기능은 인버터가 계통에 연계되어 유효전력 혹은 무효전력을 제어하기 위해 매우 중요하다. 특히, 다양한 계통 사고에서 정상분 전압에 대한 정보는 계통 연계형 인버터의 제어 성능과 계통 감시를 위해 필수적이다. 지금까지 계통 정보를 얻기 위한 다양한 기법들이 제안되었다. 특정한 조건하에서 불연속적으로 추정하는 방식과 연속적으로 추정하는 방식이 있다. 불연속적인 방법으로 전압이나 전류가 0점을 지나는 시점을 검출하는 zero crossing detection 방식이 대표적이다. 이 방식은 구현이 간단하지만 계통 전압의 왜곡에 취약한 단점을 가지고 있다. 연속적인 기법에는 입력 신호로부터 직접 위상각이나 크기를 계산하는 open-loop 방식과 내부 제어기가 입력신호를 받아 지속적으로 추종하는 closed-loop 방식이 있다. 대표적인 closed-loop 방식인 PLL이 많이 사용되고 있다. 3상 계통 연계형 인버터의 위상 동기화를 위해 동기 좌표계에서 PLL을 적용하는 SRF-PLL (synchronous reference frame-phase locked loop)이 많이 사용되고 있다. 이 방식은 동기 좌표계에서 PI 제어기를 사용하여 매우 우수한 성능을 보여주고 있다. 하지만 실제 계통에서는 많은 사고가 발생하고 있으며, 이로 인해 계통에 불평형이 발생하거나 왜곡된다. 특히, 불평형이 발생하면 정상분 전압, 역상분 전압, 그리고 영상분 전압이 발생한다. 역상분 전압은 동기 좌표계에서 2차 고조파로 나타나며 PLL에 입력되어 성능을 저하시키거나 시스템을 불안정하게 만들 수 있다. 불평형 전원에서 정상분 전압을 검출하는 다양한 기법이 제안되었다. APF를 사용하는 방식은 매우 우수한 응답을 가지지만, 주파수 변동에 취약한 단점이 있다. 정지 좌표계에서 두 개의 SOGI를 이용한 DSOGI(dual SOGI)-PLL, 정상분 방향으로 회전하는 동기 좌표계와 역상분 방향으로 회전하는 두 개의 동기 좌표계에서 서로 상보적으로 동작하는 DDSRF(Decoupled double synchronous reference frame)-PLL 등의 기법이 있다. 본 논문에서는 불평형 계통 전원에서 역상분 전압을 효과적으로 제거하여 정상분 전압을 찾는 기법을 제안한다. 제안하는 방식은 동기 좌표계에서 2차 고조파로 나타나는 역상분을 제거하기 위해 Enhanced SOGI(ESOGI) 함수를 사용한다. ESOGI 함수가 가지는 주파수 추종 성능과 동기 좌표계에서 높은 이득으로 인해 강인하고 빠른 응답성을 가지며, 시뮬레이션과 실험을 통해 제안하는 알고리즘의 유효성을 확인하였다.