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Performance Improvement of DC-link Control for a Dynamic Voltage Restorer with Power Feedforward Compensation
Performance Improvement of DC-link Control for a Dynamic Voltage Restorer with Power Feedforward Compensation
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Sep, 64(9): 1297-1305
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
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  • Received : March 30, 2015
  • Accepted : August 20, 2015
  • Published : September 01, 2015
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균선 지
Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea
성탁 주
Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea
교범 이
Corresponding Author : Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea E-mail :kyl@ajou.ac.kr

Abstract
This paper proposes a power feedforward technique for the performance improvement of DC-link voltage control in the dynamic voltage restorer (DVR). The DC-link Voltage is able to be unstable for an instant owing to any change in the load and voltage sag. The distortion of the DC-link voltage leads to the negative influence on the performance of DVR. To mitigate the distortion of the DC-link voltage, the power feedforward component is calculated by the load power and the grid voltage, and then it is added to the reference current of the conventional DC-link voltage controller. By including output power feedforward component on the DC-link controller, the DC-link voltage can settle down more quickly than when the conventional DC-link voltage controller applied. The proposed technique was validated through the simulation and experimental results.
Keywords
1. 서 론
현대 산업이 발달함에 따라 대형 변압기 및 전동기의 동작, 비선형 부하의 증가, 가변속 장치 및 정류기 사용 급증, 계통 지락사고 등의 현상이 나날이 늘어나고 있다. 이런 현상은 결국 전력품질의 저하 문제로 이어지고, 이 중 순간전압강하(voltage sag) 등의 문제는 반도체 공정 라인 등에 직접적인 영향을 주어 경제적으로 심각한 손실을 발생시킨다. 순간전압강하는 송배전 계통에서 발생하는 전압 이상 현상이며, 수 주기 동안 발생하는 일시적인 전압강하 현상으로서 일반적인 정전과 그 의미가 다르다 [1 , 2] . 송전 계통에서 순간전압강하는 대부분 낙뢰나 지락사고 등에 의해서 발생하며, 배전계통에서는 대형 전동기 구동이나 아크로, 전력변환장치 등의 비선형 부하로 인해 발생한다 [3 , 4] . 특히 스위칭 부하에 의해 순간 구형파나 펄스형태의 전류가 흐르게 되면 이로 인하여 스위칭 전후에 큰 전류 변화가 나타나므로 배전계통의 내부 임피던스에 의한 전압 강하의 불연속성이 전원 전압에 심한 왜곡을 가져온다. 이 같은 전력품질의 저하 문제가 발생하면, 민감한 반도체 공정 라인 등에서 사용하는 로봇, 통신기기 및 각종 반도체를 이용한 기기 및 시스템이 고장이나 오동작을 일으켜 불량품 생산이나 납기 지연 등의 문제를 발생시킬 수 있다 [5 , 6] . 이러한 전원 장애에 대한 대비책으로 현재 가장 많이 사용 중인 장비는 배터리와 전력변환기로 구성되어 있는 무정전전원장치(Uninterruptible Power Supply)이다 [7 , 8] . 무정전전원장치는 외란에 관계없이 부하에서 요구되는 전압을 공급할 수 있도록 동작한다. 하지만 무정전전원장치는 급전선과 부하가 완전히 분리된 구조로 인버터가 부하의 최대 정격으로 동작하기 때문에 손실이 크고, 고가이며 배터리의 유지보수가 필요한 단점이 있다.
최근 전력 품질 중 전압크기 변동에 대한 중요성이 대두되면서 순간전압강하 또는 순간정전(momentary interruption) 등에 대한 전압보상시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다 [9 - 11] . 특히 순간전압강하는 산업 시설에서 발생하는 전력품질의 저하 문제 중 가장 큰 비중을 차지한다 [12] . 송전선에 낙뢰가 떨어지면 계통측에서 사고 부분을 차단기로 제거하지만, 낙뢰시점부터 계통차단시점까지 순간전압강하가 발생한다. 이를 보상하기 위한 장치 중 대표적인 전력 전자 기기가 동적전압보상기(Dynamic Voltage Restorer)이다. 동적전압보상기는 직렬형 보상기로서 부하에 공급되는 전압에 순간전압강하 또는 순간전압상승(voltage swell)이 발생하면 상승/하강한 전압 크기의 전압만 보상하여 부하에 안정된 전압을 공급한다. 동적전압보상기는 직류-링크단으로 에너지를 저장하는 컨버터부와 전해커패시터로 구성되어 에너지를 저장하는 직류-링크부, 전원단 전압의 크기가 변동했을 때 부하 전압을 보상하는 인버터부, 부하에 직렬로 연결된 변압기로 이루어져 있다. 전원단 전압의 크기가 변동했을 때 인버터가 변동한 크기만큼 에너지를 보상하기 위해서는 안정된 직류-링크단의 전압이 필요하다. 하지만 부하량이 급변하거나, 전원단 전압의 크기가 급변하면 컨버터와 인버터의 출력 또한 급변하면서 인버터 출력의 전압원인 직류-링크단 전압도 급변하게 된다. 직류-링크 전압 제어기는 직류-링크단 전압을 지령 전압으로 유지하기 위하여 직류-링크단의 입력 전류를 제어하지만, 직류-링크단의 에너지 변화 속도가 너무 빨라 순간적으로 직류-링크단의 전압이 불안정해진다 [13] . 불안정한 직류-링크단 전압은 인버터 출력의 왜곡을 발생시킨다 [14] .
본 논문에서는 동적전압보상기의 직류-링크단의 전압 제어 성능을 향상시키기 위하여 전력 전향보상기법을 제안한다. 부하의 전력을 전향보상하여 직류-링크단의 전압을 보다 빠르게 안정화하였다. 제안하는 전향보상기법은 부하 급변(10kW 부하에서 8kW, 3kW 부하로 변동)과 순간전압강하(10%, 20%)상황에 적용되었으며, 10kVA급 PSIM시뮬레이션과 실험을 통해 성능을 검증하였다.
2. 동적전압보상기 원리
부하에 안정적인 전원을 공급하기 위해서 전력 품질 개선에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 배전용 전력 품질 향상 전력전자기기 중 대표적인 동적전압보상기는 전원에 사고가 발생할 경우, 전원단 전압의 상승/하강한 만큼만 보상함으로써 항상 최대 정격으로 동작하는 무정전전원장치보다 효율적이다. 그림 1 은 전원단에 연결된 동적전압보상기의 회로를 나타낸다.
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동적전압보상기 회로 Fig. 1 Schematic of dynamic voltage restorer
동적전압보상기는 입력전류 리플 저감을 위한 L-필터와 전원단에 병렬로 연결되어 직류-링크단의 커패시터에 에너지를 저장하는 컨버터부, 커패시터로 구성되어 인버터의 전압원으로 일정한 전압으로 유지되는 직류-링크단, 직류-링크단의 전압을 전압원으로 사용하여 상승/하강한 전원단 전압만큼 부하단에 필요한 보상 전압을 출력하는 인버터부, 인버터의 출력전류 리플 저감을 위한 LC-필터, 배전선로로부터 동적전압보상기를 절연시키며 부하단과 직렬로 연결되어 인버터가 출력하는 보상전압을 부하단에 전달하는 정합변압기, 각 종 트립으로 동적전압보상기의 동작이 멈추거나 이상동작을 할 경우에 전원단 전압을 그대로 바이패스 시켜주는 사이리스터(Silicon Controlled Rectifier)로 구성된다. 컨버터와 인버터는 4개의 전력반도체 스위치를 사용한 H-bridge 토폴로지로 구성된다.
동적전압보상기는 크게 두 부분으로 나누어서 제어된다. 첫 번째 부분은 전원단 전압에 사고가 발생해 전원단 전압 크기에 변동이 생겼을 때 전원단 전압을 감시하여 동적전압보상기가 보상해야 하는 전압 지령치를 계산하는 부분이다. 두 번째 부분은 계산된 보상전압 지령치를 인버터 출력 전압이 잘 추종할 수 있도록 제어하는 전압 제어기 부분이다. 보상전압 지령치를 계산하는 방법으로 동기좌표계 위상고정루프(Phase Locked Loop)를 이용하여 전원단 전압의 위상을 계산한 후, 전원단 전압과 위상이 같은 부하단 전압 지령치를 계산하여 전원단 전압에 사고가 발생하면 전원단 전압과 부하단 전압 지령치를 비교하여 그 차이를 보상전압 지령치로 설정하였다. 인버터 출력 전압제어기는 LC-필터의 커패시터 전류제어기를 포함하는 출력 전압 제어기이며 PI제어기로 구성하였다. 그림 2 는 동적전압보상기의 인버터 제어 블록도를 나타낸다. 입력 전압 Vin 에 변동이 생기면 기준 전압 Vq * 와 비교하고, 그 전압 차이를 계산하여 PI 제어기를 통해 보상전압을 인버터로 출력한다. 이 과정에서 인덕터 필터로 인해 강하된 전압 성분을 보상하고, 출력 전압을 피드백하여 부하 전압을 지령 전압으로 제어한다. 출력 전압 피드백은 부하 전압 Vload 를 측정하여 좌표변환하고, 기준 전압과의 차이를 계산하여 PI제어기를 거쳐 보상전압에 더해준다. 인덕터 전압 강하 성분은 인덕터 전류 Iind 를 측정하여 좌표변환 후 인덕터의 임피던스를 곱하여 계산한다. 계산된 전압 강하 성분은 d축, q축에 맞게 인버터 보상전압에서 뺀 뒤 역 좌표변환 후 PI제어기를 통해 인버터로 출력된다.
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동적전압보상기 인버터 제어 블록도 Fig. 2 Block diagram of dynamic voltage restorer inverter
또한 비선형 부하를 제어하기 위한 컨버터의 능동전력필터(Active Power Filter) 제어도 중요하다. 비선형 부하에는 많은 고조파가 포함된 비선형 전류가 흐른다. 이 비선형 전류는 전원단 전류에 영향을 주어 비선형으로 흐르게 한다. 전원단에 비선형 전류가 흐르게 되면 전고조파왜율(Total Harmonic Distortion)이 증가하여 역률이 감소한다. 또한 전원단의 비선형 전류는 펄스 형태이기 때문에 순간적으로 큰 전류변화를 동반한다. 큰 전류변화는 전원단 전압에도 영향을 미쳐 입력단 전압의 왜곡을 발생시킨다. 이와 같은 이유로 능동전력필터 제어를 적용 하여 전원단 전류를 정현파에 가깝게 제어해야 한다. 능동전력필터 제어를 통해 컨버터는 부하 전류에 포함된 고조파 및 무효전력성분을 부하로 직접 공급하고 전원단에서 기본파 형태로 에너지를 가져오기 때문에 전원단에서는 부하의 기본파 성분의 유효전력만을 부하로 공급할 수 있게 되고 정현파 형태의 전원단 전류를 유지하여 역률을 높일 수 있게 된다.
동적전압보상기의 동작 중 컨버터는 입력전류를 제어하여 직류-링크단의 전압을 일정하게 유지하며 부하단에 고조파 및 무효전력성분을 공급하여 전원단 전류를 정현파로 만들어 역률 및 전고조파왜율을 개선한다. 인버터는 직류-링크단의 전압을 전압원으로 사용하여 부하단에 필요한 보상전압을 출력하게 되는데, 이 과정에서 직류-링크단 전압이 불안정해질 수 있다. 전원단 사고로 인하여 전압의 크기 변동이 발생하면 인버터는 순간적으로 보상전압을 출력하게 되고, 직류-링크단의 전압은 순간적으로 변동하며 변동량이 커지면 전력반도체 스위치의 스트레스가 커지고 동적전압보상기의 보상전압에 왜곡이 발생할 수 있다. 전압의 크기 변동이 발생할 때와 마찬가지로 부하량이 변동할 때도 직류-링크단의 전압은 변동하게 된다. 인버터가 보상전압을 출력하고 있을 때 부하량이 순간적으로 줄어든다면, 직류-링크단의 전압은 순간적으로 상승하게 된다. 부하량이 감소하면 부하 전류가 감소하게 되고, 그에 따른 컨버터의 고조파 및 무효전력성분 출력도 감소하게 되는데 직류-링크 제어기의 전류 지령치의 속응성이 느려 직류-링크단의 전압이 순간적으로 상승하게 된다.
3. 전력 전향보상
- 3.1. 직류-링크 전압 및 전원단 전류 제어
전향보상을 포함하지 않은 직류-링크 전압 및 컨버터부 전류제어기 블록도를 그림 3(a) 에 나타내었다. 직류-링크 전압 제어기는 직류-링크단 지령 전압값과 현재 전압값의 차이를 계산하여 PI제어기로 입력 전류를 제어함으로써 직류-링크단의 전압을 원하는 값으로 제어한다. 전원단 전류를 측정하여 동기좌표계로 변환하고 직류-링크단의 지령 전압값에 도달하기 위해 필요한 전류값을 더하여 컨버터 지령 전류를 계산한다. 이렇게 계산된 직류-링크 전압 제어기의 컨버터 지령 전류 I con_de * 는 부하단에 고조파 및 무효전력성분을 공급하기 위한 능동전력필터의 입력 신호로 사용된다. 컨버터 지령 전류 I con_de * 는 무효성분 제어를 위한 I con_qe * 와 함께 고정좌표계로 변환된다. 여기에 능동전력필터 제어를 위해 부하단에 흐르는 전류 I out 을 더하여 최종 컨버터 지령 전류 I con * 를 계산한다. 그리고 현재 컨버터 전류 I con 과의 오차가 반영된 PI제어기의 출력전압은 전원단 전압 V in 과 더해져 컨버터 지령전압으로 사용된다.
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직류-링크 전압 및 전원단 전류 제어기 블록도 : (a) 전향보상 미포함, (b) 전향보상 포함 Fig. 3 Block diagram of DC-link voltage and utility current controller : (a) without feedforward and (b) with feedforward
저항성 부하일 경우에는 무효전력성분 보상이 필요 없기 때문에 컨버터 전압은 전원단 전압을 추종하여 직류-링크단의 전압만 지령 전압으로 제어하게 된다. 부하 전력량이 순간적으로 줄어들면 부하 전류도 순간적으로 줄어들게 되어 컨버터 출력이 줄어들어야 하는데 직류-링크 전압 제어기의 속응성 문제로 직류-링크단의 전압이 상승하게 된다. 전원단 전압 강하로 인하여 인버터가 직류-링크단의 에너지를 출력하고 있다면 부하량 변동 시 직류-링크단의 전압 상승폭은 더욱 커질 것이다. 부하량 변동이 없을 때 전원단 전압 강하가 발생한다면 부하단에 영향이 미치기 전에 전원단 전류가 감소하게 된다. 전원단 전류가 감소함에 따라 직류-링크단의 전압이 일시적으로 감소하게 되고, 전원단 전압 상승이 발생한다면 반대로 직류-링크단의 전압은 상승 하게 된다. 전원단 전압에 발생하는 전압 변동이 커질수록 직류-링크단의 전압 변동도 커지게 되고, 직류-링크단의 전압이 불안정하게 되면 이를 전압원으로 사용하는 인버터의 출력 전압도 불안정하게 되며 전력반도체 스위치가 부담하는 스트레스도 증가하는 등의 문제점이 발생한다.
특히 부하 변동 시 직류-링크단 전압 파형의 과도상태에서 발생하는 링잉(ringing)은 외란의 영향으로 생기는 순간적인 직류-링크단 전압의 변화다. 이는 직류-링크단의 커패시턴스와 전압 제어기의 이득과 밀접한 관계가 있다. 커패시턴스가 클수록 직류-링크단 전압의 변동 또는 링잉이 감소하지만 커패시턴스를 증가시키는 것은 시스템의 부피와 비용을 증가시킨다. 또한 외란에 의한 직류-링크단 전압의 과도상태의 특성은 PI 제어기의 이득에 따라 달라진다. PI 제어기의 이득이 클수록 직류-링크단 전압의 변동 또는 링잉은 감소하지만 제어기가 불안정해진다. 본 논문에서는 안정적인 직류-링크단 전압 제어와 과도상태 파형을 개선하기 위해서 전향보상을 추가하여 제어하였다.
- 3.2. 전력 전향보상
앞 절에서 언급하였듯이 직류-링크 전압 제어기의 속응성 문제로 부하나 전원단 전압의 변동이 커질수록 직류-링크단 전압의 변동도 커진다. 본 논문에서는 직류-링크단 전압을 안정적으로 제어하기 위해서 전력 전향보상기법을 제안한다. 제안하는 방법은 전원단에서 부하로 전달되는 전력의 변화량을 전향보상하여 속응성을 개선한다. 전력 보상 성분을 포함하는 직류-링크 전압 및 전원단 전류 제어기 블록도를 그림 3(b) 에 나타내었다. 전력 보상 성분 I out_peak 는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
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여기서 V in_qe 는 전원단 전압을 동기좌표계로 좌표변환한 q축 전압이며 P inload 는 전원단에서 부하단으로 전달되는 전력으로 식 (2)와 같이 계산할 수 있다.
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여기서 V in 은 전원단 전압이며 I out 은 부하에 흐르는 전류다.
P inload I out 이 비선형일 때도 출력 전력을 계산하기 위하여 V in I out 을 곱하고 한 주기 평균으로 계산된다. P inload 이 평균값이기 때문에 V in_qe
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를 나누어 V in_qe 의 실효값으로 나누고 다시 첨두값을 구하기 위해
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를 곱하였다. 이렇게 계산한 I out_peak 를 직류-링크 전압 제어기의 출력인 전류 지령치에 더하여 전향보상을 하면 직류-링크단의 전압 제어 속응성이 개선된다.
4. 시뮬레이션
제안하는 전력 전향보상을 포함하는 직류-링크 전압 제어기의 성능을 검증하기 위하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 4 는 정상적인 전원단 전압에서 부하가 10kW에서 8kW로 변동한 후, 4초 뒤에 3kW 부하로 다시 변동했을 때의 직류-링크단 전압 파형이다. 부하에 변동이 있을 때마다 직류-링크단 전압에약간의 변동이 생기는 것을 확인할 수 있다. 그림 5 그림 4 의 조건에서 전향보상을 포함한 파형으로 부하 변동 시 직류-링크단의 전압 변동량이 감소하였다. 그림 6 은 전원단의 전압이 20% 강하된 상태에서 부하량이 변동했을 때 직류-링크단의 전압 파형이다. 정상적인 전원에서 부하량이 변동했을 때보다 직류-링크 단 전압 변동량이 증가하였다. 여기에 전향보상을 추가하여 그림 7 과 같이 직류-링크단 전압 변동량을 감소시켰다. 그림 8 은 전원단의 전압이 40% 강하된 상태에서 부하를 변동시켰을 때 직류-링크단의 전압 파형이다. 전원단의 전압 강하량과 부하 변동량이 증가할수록 직류-링크단 전압 변동량도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전향보상을 적용하여 그림 9 와 같이 직류-링크단 전압 변동량을 감소시켰다. 그림 10 은 10kW의 부하에서 전원단 전압 강하에 따른 직류-링크단 전압 파형이다. 10%의 전원단 전압 강하가 두 번 발생할 때마다 직류-링크단의 전압이 변동하였고, 그림 11 과 같이 전향보상을 통하여 직류-링크단 전압의 변동량이 감소되었다. 그림 12 는 20%의 전원단 전압 강하가 발생하였을 때 직류-링크단 전압 파형이다. 순간적으로 직류-링크단 전압이 절반 가량 감소하였다. 전향보상을 포함하여 그림 13 과 같이 직류-링크단 전압을 안정시켰다. 그림 14 는 10%의 전원단 전압 강하가 두 번 발생했을 때 부하 전압과 부하 전류 파형이다. 전원단 전압이 변동해도 동적전압보상기가 부하에 일정한 전압을 공급하는 것을 확인할 수 있다. 그림 15 는 20%의 전원단 전압 강하가 발생했을 때 파형으로 그림 14 와 같이 부하 전압과 부하 전류 파형이 일정한 것을 확인할 수 있다. 부하량 및 전원단 전압이 변동하였을 때 직류-링크단 전압 변동량을 표 1 과 같이 정리하였다.
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정상상태에서 보상 전 직류-링크 전압 파형 Fig. 4 DC-link voltage under steady state without feedforward
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정상상태에서 보상 후 직류-링크 전압 파형 Fig. 5 DC-link voltage under steady state with feedforward
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20% 전압 강하에서 보상 전 직류-링크 전압 파형 Fig. 6 DC-link voltage under 20% voltage sag without feedforward
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20% 전압 강하에서 보상 후 직류-링크 전압 파형 Fig. 7 DC-link voltage under 20% voltage sag with feedforward
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40% 전압 강하에서 보상 전 직류-링크 전압 파형 Fig. 8 DC-link voltage under 40% voltage sag without feedforward
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40% 전압 강하에서 보상 후 직류-링크 전압 파형 Fig. 9 DC-link voltage under 40% voltage sag with feedforward
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전압 강하 변동 시 보상 전 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 10 Waveform under voltage sag changes without feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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전압 강하 변동 시 보상 후 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 11 Waveform under voltage sag changes with feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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20% 전압 강하 시 보상 전 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 12 Waveform under 20% voltage sag without feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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20% 전압 강하 시 보상 전 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 13 Waveform under 20% voltage sag with feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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전압 강하 변동 시 파형 : (a) 입력 전압, (b) 부하 전압, (c) 부하 전류 Fig. 14 Waveform under voltage sag changes : (a) input voltage, (b) load voltage, and (c) load current
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20% 전압 강하 시 파형 : (a) 입력 전압, (b) 부하 전압, (c) 부하 전류 Fig. 15 Waveform under 20% voltage sag : (a) input voltage, (b) load voltage, and (c) load current
시뮬레이션 결과 분석Table. 1Analysis of simulation results
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시뮬레이션 결과 분석 Table. 1 Analysis of simulation results
5. 실 험
본 논문에서 제안하는 전력 전향보상을 포함하는 직류-링크단 전압 제어기의 성능을 검증하기 위하여 10kVA급 220V 단상 동적전압보상기 실험 세트를 그림 16 과 같이 구성하고 실험을 수행하였다. 동적전압보상기의 설계사양은 표 2 와 같다. 부하단에는 2kW, 3kW, 5kW의 부하를 병렬로 결선하고 각각 온/오프 스위치를 통해 부하량을 수동으로 제어 하였고, 직류-링크단 전압은 시뮬레이션과 같이 400V로 제어하였다. 그림 17 은 정상적인 전원단 전압에서 10kW의 부하가 8kW로 변동한 후, 4초 뒤에 3kW로 변동했을 때의 직류-링크단 전압 파형이며 그림 18 은 전력 전향보상을 포함하는 직류-링크단 전압 제어기를 적용한 파형이다. 그림 19 , 그림 21 은 각각 전원단의 전압이 20%, 40% 강하된 상태에서 부하 량이 변동했을 때 직류-링크단의 전압 파형이며 그림 20 , 그림 22 는 전력 전향보상을 포함하는 직류-링크단 전압 제어기를 적용한 파형이다. 정상적인 전원단 전압에서는 직류-링크단의 전압 변동량이 적지만 전원단 전압 강하량이 증가할수록 전압 변동량도 증가하게 되고, 40% 전압 강하된 상태에서는 직류-링크 단의 전압이 50% 이상 상승하였다. 그림 23 은 10kW의 부하에서 전원단 전압이 10% 강하되고 4초 뒤에 10%가 더 강하될 때의 직류-링크단 전압 파형이며 전력 전향보상을 포함하는 직류-링크단 전압 제어기를 적용할 경우 그림 24 와 같이 전압 변동량이 감소되었다. 그림 25 와 같이 전원단 전압이 20% 강하되었을 때 직류- 링크단 전압 파형은 절반 가까이 감소되었지만 전력 전향보상을 포함하는 직류-링크단 전압 제어기를 통하여 그림 26 과 같이 안정시켰다. 그림 27 28 은 전원단 전압 강하가 발생하거나 변동했을 때 부하전압과 부하 전류파형을 나타내며 동적전압보상기의 동작으로 전원단 전압 강하가 발생하여도 부하에 공급되는 전압과 전류는 변하지 않고 일정한 것을 확인할 수 있다. 부하량 및 전원단 전압이 변동하였을 때 직류-링크단 전압 변동량을 표 3 과 같이 정리하였다.
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동적전압보상기 실험 세트 Fig. 16 Experimental setup of dynamic voltage restorer
동적전압보상기 시스템 사양Table. 2Dynamic voltage restorer parameters
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동적전압보상기 시스템 사양 Table. 2 Dynamic voltage restorer parameters
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정상상태에서 보상 전 직류-링크 전압 파형 Fig. 17 DC-link voltage under steady state without feedforward
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정상상태에서 보상 후 직류-링크 전압 파형 Fig. 18 DC-link voltage under steady state with feedforward
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20% 전압 강하에서 보상 전 직류-링크 전압 Fig. 19 DC-link voltage under 20% voltage sag without feedforward
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20% 전압 강하에서 보상 후 직류-링크 전압 Fig. 20 DC-link voltage under 20% voltage sag with feedforward
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40% 전압 강하에서 보상 전 직류-링크 전압 Fig. 21 DC-link voltage under 40% voltage sag without feedforward
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40% 전압 강하에서 보상 후 직류-링크 전압 Fig. 22 DC-link voltage under 40% voltage sag with feedforward
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전압 강하 변동 시 보상 전 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 23 Waveform under voltage sag changes without feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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전압 강하 변동 시 보상 후 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 24 Waveform under voltage sag changes with feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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20% 전압 강하 시 보상 전 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 25 Waveform under 20% voltage sag without feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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20% 전압 강하 시 보상 전 파형 : (a) 입력 전압, (b) 직류-링크 전압 Fig. 26 Waveform under 20% voltage sag with feedforward : (a) input voltage and (b) DC-link voltage
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전압 강하 변동 시 파형 : (a) 입력 전압, (b) 부하 전압, (c) 부하 전류 Fig. 27 Waveform under voltage sag changes : (a) input voltage, (b) load voltage, and (c) load current
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20% 전압 강하 시 파형 : (a) 입력 전압, (b) 부하 전압, (c) 부하 전류 Fig. 28 Waveform under 20% voltage sag : (a) input voltage, (b) load voltage, and (c) load current
실험 결과 분석Table. 3Analysis of experiment results
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실험 결과 분석 Table. 3 Analysis of experiment results
6. 결 론
본 논문에서는 동적전압보상기에서 전원단 전압이나 부하의 크기가 변동하였을 때 속응성의 문제로 직류-링크단 전압이 크게 변동하는 것을 확인하였고, 이를 위해 전력을 보상하는 방법을 제안하였다. 직류-링크단 전압이 크게 상승하거나 하강한다면 전력반도체 스위치가 부담하는 스트레스 또한 증가할 것이며 직류-링크단의 전압을 전압원으로 사용하는 인버터의 출력에도 영향을 미치게 된다. 전원단에서 부하로 전달되는 전력을 미리 보상하여 직류-링크단의 전압 제어기의 속응성을 보완함으로써 직류-링크단 전압 변동량을 감소시켰다. 전력 보상은 10kVA급 220V 단상 동적전압보상기에 적용하여 그 성능을 검증하였다.
Acknowledgements
이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (No. 2013R1A1A2A10006090)
BIO
지 균 선 (Kyun Seon Ji)
2007년 고려대 제어계측공학과 졸업. 2015년 아주대 대학원 전자공학과 졸업(석사).
E-mail : kutar@ajou.ac.kr
주 성 탁 (Sung Tak Jou)
2005년 아주대 전자공학과 졸업. 현재 동대학원 전자공학과 석박사 통합 과정.
E-mail : jst@ajou.ac.kr
이 교 범 (Kyo-Beum Lee)
1997년 아주대 공대 전자공학부 졸업. 1999년 동 대학원 제어계측공학과 졸업 (석사). 2003년 고려대 전기공학과 졸업 (공박). 2003년~2006년, Aalborg 대학교 에 너지기술학과(덴마크). 2006년~2007년 전북 대 전기공학과 조교수. 2007년~현재 아주대 전자공학과 교수.
E-mail : kyl@ajou.ac.kr
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