계통 연계형 인버터의 최적화된 LCL-필터 설계 기법

Abstract

현재 세계 각국에서는 지구온난화 현상을 대비해 저탄소 정책을 실시하고 있다. 이로써 태양광, 연료전지, 풍력발전 등 신재생 에너지의 중요성이 대두되 고 있다. 신재생 에너지를 도입하기 위해서 분산형 전원을 전력 계통에 연계하 는 기술이 필요하기 때문에 스마트 그리드 기술 개발에 많은 나라들이 관심을 가지고 있다. 스마트 그리드는 기존 전력망에 정보통신 기술(ICT)을 병합하여 효과적인 전력망을 운영하는 것을 의미한다. 태양광발전, 연료전지발전 등은 직류 발전설비로서 인버터를 이용하여 직류 를 교류로 변환하고 이를 계통과 같은 전력망에 연계하여 사용한다. 인버터의 스위칭 동작에 의해 고조파가 발생되는데 이 고조파 성분은 IEEE 규정(IEEE- 519, IEEE-1547.2)을 준수해야 하며 규정에 따라 출력 전류의 THD (Total Harmonic Distortion)는 5% 이내로 제한되어야 한다. 따라서 인버터 입·출력 단에 필터를 사용하여 고조파를 저감시켜야 한다. 과거에는 L-필터를 주로 사용하였 으나 고조파 저감을 위해 인덕터 용량이 증가되어 과도 현상시 시스템의 응답 특성이 좋지 않다. 따라서 현재에는 LC-필터, 또는 LCL-필터를 주로 사용되고 있다. LCL-필터는 인버터 측 L-필터와 LC-필터가 결합되어있는 구조로서 3차 저역 통과 필터와 같은 특성을 가지며 L-필터에 비해 작은 용량으로 동일한 고 조파를 저감시킬 수 있다. 하지만 설계가 복잡하며 공진이 발생할 수 있는 단 점이 존재한다. 본 논문에서는 인버터의 토폴로지와 스위칭 변조 방식, 전압 변조 지수(Mi)에 따라 고조파 왜곡율이 달라지기 때문에 이를 고려한 LCL-필터의 최적 설계 방법을 제시하였다. 본 논문에서 제안한 방법으로 설계한 LCL-필터를 적용한 시스템을 이용하여 시뮬레이션과 실험을 진행하였으며, 이를 통해 제안한 설계 기법의 타당성을 검증하였다.