A low frequency input current reduction scheme of a two-stage single-phase inverter with DC-DC boost converter

Abstract

A two-stage single-phase grid-connected inverter has 120Hz component in input current as influence of pulsating output power at double of the grid frequency. The 120Hz component of input current has to be reduced or eliminated because low frequency current can damage a source or reduce efficiency in the photovoltaic, fuel cell and battery systems. Prior studies which deal with reduction of the 120Hz component have their own limits. Thus, it is unavoidable to use a bulky dc link capacitor or a high gain controller. This paper proposes the feed-forward compensation for current control of the boost converter in a two-stage single-phase grid-connected inverter. The feed-forward compensation substantially removes 120Hz component from the input current without a bulky dc link capacitor or a high gain current controller as removes the disturbance of dc link voltage from the current control. Removal of the disturbance and reduction of the 120Hz component of input current are analyzed with a small-signal model and bode plot. Simulation and experimental results are provided for validation.2단 단상 계통 연계 인버터는 계통 주파수의 두 배로 맥동하는 출력의 영향으로 입력 전류에 120Hz 성분을 포함한다. 이 120Hz 입력 전류는 감소시키거나 제어해야 할 대상이다. 그 이유는 태양광, 연료 전지, 배터리와 같은 직류 전원을 이용하는 시스템에서 입력 전류의 저주파 성분은 전원의 수명을 줄이거나 시스템의 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 입력 전류의 120Hz 성분 저감을 다룬 기존의 연구들은 각각의 한계를 갖고 있다. 이로 인해 결국 큰 용량의 DC 링크 커패시터를 사용하거나 높은 이득의 전류 제어기를 설계하는 것이 필요하다. 본 논문은 DC 링크 커패시터를 늘리거나 전류 제어기의 이득을 높이지 않고 입력 전류의 120Hz 성분을 감소시키기 위하여 2단 단상 계통 연계 인버터의 컨버터 부의 전류 제어에 전향 보상을 이용한다. 제안한 전향 보상은 dc-dc 컨버터의 전류 제어로부터 DC 링크 전압의 외란을 제거한다. 외란의 제거는 dc-dc 컨버터의 소신호 모델을 이용하여 분석된다. 3상 인터리브드 컨버터를 채용한 2단 단상 계통 연계 인버터를 이용하여 시뮬레이션과 실험을 수행한다. 제안한 전향 보상을 이용한 경우와 이용하지 않은 경우의 결과를 주파수 성분 분석을 통해 비교하여 제안한 기법의 타당성을 검증한다. 제안한 전향 보상을 이용하여 입력 전류의 120Hz 성분을 아주 미미한 수준으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.