LCL필터를 갖는 계통연계 인버터의 제어이득 조정기법

Abstract

신재생 에너지의 중요성이 증대되고 관련기술들이 발전하면서 태양광 발전이나 풍력발전 등의 분산전원 시스템 사용이 증가하고 있으며 연구와 개발도 활발히 진행 중이다. 분산전원시스템의 급속한 발전은 전력변환기술의 발전과 더불어 전력변환시스템의 계통연계를 증가시키고 있다. 계통 연계시 사용되는 인버터는 주로 전압 형 인버터로 구현이 되며, 스위칭 주파수대의 전류 고조파를 저감하기 위해 인버터와 계통사이에 저역통과필터가 사용된다. 그 중 구현이 간단한 L필터가 많이 사용되지만, 낮은 스위칭 주파수에 의한 고조파 특성을 향상시키기 위해서는 큰 인덕턴스를 가진 필터를 필요로 한다. 그러나 큰 인덕턴스를 가진 필터는 비용의 증가를 야기 시키고 시스템의 동특성을 나쁘게 하는 단점이 있다. 또한 전 고조파 왜율을 기준치이상 만족시키기 위해서 스위칭 주파수를 증가시켜야 하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 작은 인덕턴스와, 높은 고조파 저감 효과를 갖는 LCL필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 LCL필터의 임피던스가 전형적으로 공진 점을 갖는 주파수 스펙트럼을 가지고 있다. 시스템의 안정성 확보를 저해하는 공진현상을 억제하기 위해 공진감쇠기법의 필요하다. 일반적으로 공진감쇠기법은 수동댐핑과 능동댐핑 두가지로 분류된다. 수동댐핑은 저항을 필터 커패시터에 직렬로 연결하여 공진을 억제한다. 이 방법은 소용량 시스템에서는 응용이 적합하나 용량이 커질수록 댐핑 저항으로 인한 손실이 발생하여 효율을 떨어뜨리고 방열을 위한 추가 장치를 요구한다. 따라서 대용량에서는 이러한 손실을 최소화한 능동댐핑을 사용한다. 기존의 능동댐핑 방법으로는 진-지상 보상기를 사용하는 방식이 있는데 이 방법은 댐핑을 위한 시정수를 선정하기에 어려운 문제가 있다. 또한 가상저항을 사용하는 방식과 멀티루프제어기를 사용하는 방식은 커패시터에 전류센서를 추가해야 하는 단점이 있다. 이러한 공진감쇠기법들로 인해 안정화된 시스템일지라도 계통 측에 시스템의 증설이나 분리로 인해 계통임피던스가 변할 경우 시스템의 응답특성을 변화시키고 공진주파수의 변화로 인해 제어기의 안정성을 저하시킨다. LCL필터를 사용한 계통연계 시스템에서 안정한 시스템제어를 위해 앞서 소개된 댐핑 기법들의 단점을 보완하고 계통임피던스 변화 시에도 적용 가능한 능동적인 공진감쇠기법이 필요하다. 제안된 공진감쇠기법은 기존의 알고리즘에 비해 제어기 파라미터 설정이 용이하고 연산알고리즘이 간소화되며 추가적인 센서가 필요 없는 장점이 있다, 또한 계통 연계 시 변화하는 임피던스에 대한 능동적인 제어가 가능한 장점이 있다. 추정된 계통임피던스 정보를 기반으로 제어기의 이득을 조정하여 LCL필터 사용 시 발생할 수 있는 공진현상을 감쇠시키고 시스템 안정성을 보장한다. 시뮬레이션과 실험결과를 통해 제안하는 기법의 타당성을 검증하였다.