소용량 직류단 캐패시터가 있는 단상 계통 연계형 전동기 및 발전기 제어 시스템

Abstract

본 논문에서는 전동기 또는 발전기 제어를 위한 단상 계통 연계 소용량 직류단 캐패시터 시스템의 제어 방식을 제안한다. 소용량 직류단 캐패시터 시스템은 직류단에 사용되는 전해 캐패시터를 제거하여 시스템의 신뢰도를 향상시면서 필터 인덕터 및 캐패시터의 크기를 줄여 전체 시스템의 경량화 및 가격 감소에 기여할 수 있다. 소용량 직류단 캐패시터 시스템에서는 에너지 저장소의 부재로 인한 시스템의 제어 안정성 관련 문제와 계통 전류 성형 관련 문제가 발생한다. 이에 기존 연구에서는 이 문제를 해결하기 위한 여러 가지 제어 방식이 제안되었다. 이 중 전압 지령의 수정을 통한 방식은 빠르고 정확한 인버터 전력 제어를 통해 우수한 계통 전류 성형 성능을 달성할 수 있지만 전류 제어기에 전압 수정분이 외란으로 작용하여 전동기 전류 제어 오차 및 제어 불안정 현상이 발생하는 문제가 있다. 지금까지의 연구에서는 이 오차 및 제어 불안정 현상에 관한 분석이 정확히 이루어지지 않았으며, 제어 불안정 현상에 대한 적절한 해결 방안도 제시된 바가 없었다. 이 때문에 엄격한 계통 전류 고조파 저감 성능을 요구하는 양방향 전력 변환 시스템에서 소용량 직류단 캐패시터 시스템이 널리 적용되지 못하였다. 본 논문에서는 기존 연구에서 다루지 못한 전압 지령의 수정을 통한 계통 전류 성형 제어 시 발전 영역에서 발생하는 전동기 전류 제어 불안정 현상의 원인에 대해 분석했다. 그리고 그 분석 결과를 바탕으로 전동기 전류 제어 불안정 현상을 개선하기 위한 새로운 전압 지령 수정 방식을 제안했다. 기존 논문에서 전동기 전류를 통한 인버터 제어 수행 시 q축 전류의 영향만을 고려한 것과 달리, 제안 방식에서는 d축 전류의 영향 역시 고려하여 전동기 전류 제어기가 보다 정확하게 인버터 전력 지령을 추종하도록 하는 전동기 전류 지령 생성 방식을 제안했다. 그리고 위의 전동기 전류 제어 불안정성을 개선하기 위한 새로운 전압 지령 수정 방식을 제안했다. 인버터 전력 제어에 직접적으로 관여하지 않는 무효 전압 수정분의 인가를 통해 원점으로 향하는 유효 전압 성분의 크기를 저감하는 방식을 제안했다. 또 본 논문에서는 낮은 계통 전압 구간에서의 직류단 전압 승압 제어 방식을 제안하고 직류단 전압의 승압 제어가 이루어지는 구간에서 직류단 전압의 크기가 시스템의 효율, 계통 전류 고조파, 시스템의 운전 영역에 미치는 영향을 분석했다. 끝으로 본 논문에서는 모의 실험 및 실험을 통해 제안된 제어 방식의 개선된 전동기 전류 제어 특성 및 우수한 계통 전류 고조파 저감 성능을 실증하였다.