불평형 계통에서의 정전력 전달을 위한 선간 전압 기반 전류 지령 보상 = Line-to-line Voltage Based Current Reference Compensation for Constant Power in Unbalanced Grid Conditions

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Three-phase grid-connected converters are widely used in renewable energy systems, industrial drives, and electric vehicle charging systems, with the goals of achieving bidirectional power conversion between the AC grid and DC systems, regulating the DC-link voltage, and maintaining power quality. Conventional grid-connected three-phase converters typically assume a balanced grid voltage condition for their control schemes. However, in actual systems, grid voltage unbalance is common, and in fault scenarios, severe unbalances may occur. Therefore, it is crucial to ensure stable operation and maintain power quality even under unbalanced grid conditions, which has led to significant research efforts in this area.
These converters usually employ synchronous reference frame control based on d–q transformation. However, under grid voltage unbalance, the advantage of having DC control variables in the synchronous frame is lost, as they turn into AC quantities, and independent control of active and reactive power becomes infeasible. Accordingly, many prior studies have proposed modified control algorithms that maintain DC values for the control variables in the d–q frame even under unbalanced grid conditions. However, due to the use of filtering components and sequence separation algorithms, these approaches often exhibit limited dynamic performance, especially under rapidly changing grid conditions such as faults.
To address this, many studies have also explored stationary reference frame control methods. These are primarily divided into two types: control using α–β transformation and line-to-line voltage-based control, which directly utilizes measured line-to-line voltages without requiring transformation. In this paper, the latter method is adopted, as it simplifies the algorithm by removing the need for α–β conversion and additional control structures for unbalanced conditions. This approach enhances dynamic performance in fault scenarios or other rapidly changing grid conditions.
Furthermore, this paper proposes a compensation algorithm that utilizes instantaneous power measurement to correct the current references. Most conventional methods modify current references based on the unbalanced grid voltage to reduce power ripple caused by voltage asymmetry. However, due to parameter mismatches or unpredictable unbalance, complete elimination of power ripple is not feasible. The proposed method not only adjusts the current reference based on grid voltage unbalance but also incorporates real-time compensation using instantaneous power, enabling further reduction of power ripple in steady-state operation. When power ripple is detected, the current reference is adjusted accordingly, significantly reducing steady-state ripple.
Moreover, this method responds effectively not only to static but also dynamic and transient unbalance conditions, enabling the converter to maintain stable operation and reducing the risk of protection trips or output abnormalities caused by grid faults. This is particularly valuable because the proposed current reference compensation technique can compensate for control delays caused by PLL dynamics in real time.
In conclusion, the proposed stationary frame line-to-line voltage-based current control combined with instantaneous power compensation enables effective current control without complex negative-sequence extraction. It provides robust control performance under both steady and transient unbalanced grid conditions, thereby improving both the reliability and responsiveness of grid-connected power conversion systems. The effectiveness of the proposed method has been validated through both simulation and hardware-based experiments.

국문 초록 (Abstract)

계통 연결형 3상 컨버터는 재생에너지 발전, 산업용 드라이브, 전기차 충전 시스템 등에서 사용되며, AC 계통과 DC 시스템 간의 양방향 전력 변환, DC-link 전압 제어, 전력 품질 유지를 목표로 한다. 보통의 계통 연결형 3상 컨버터는 계통 전압이 평형한 상태를 가정하고 제어를 수행한다. 하지만 실제 계통에서는 계통 전압이 불평형한 상태가 일반적이고, 특히 사고 상황에서는 큰 계통 전압 불평형이 발생하게 된다. 그러므로 계통 전압 불평형 상황에서도 계통 연결형 3상 컨버터를 원활하게 제어하여 전력 품질을 유지하는 것이 중요하며, 따라서 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
계통 연결형 3상 컨버터는 d, q 변환을 이용한 동기좌표계 기반 제어를 주로 사용한다. 하지만 계통 전압 불평형 상황에서는 기존의 d, q 변환 알고리즘의 장점이었던 DC 제어 변수가 AC로 바뀌며, 유효 전력과 무효 전력 독립 제어가 불가능하다. 따라서 다수의 선행 연구들에서는 계통 전압 불평형 상황에서도 동기좌표계 d, q 변환시 제어 변수들을 DC 값으로 유지하기 위해서 기존의 알고리즘을 수정하는 방향으로 연구가 진행되었다. 하지만 추가된 알고리즘에 사용되는 필터 성분이나 성분 분해 알고리즘으로 인해 동적 성능이 제한되어 사고 상황 등 가변 상황에서 제한적인 동적 성능을 보여주고 있다.
계통 전압 불평형 상황에서 동기좌표계 기반 제어의 문제로 인해 정지좌표계 기반 제어도 많은 연구가 진행되고 있다. 정지좌표계 기반 제어에는 크게 α, β 변환을 이용한 정지좌표계 제어, 선간 전압을 바로 이용하는 선간 전압 기반 제어가 있다. 선간 전압 기반 제어의 경우 불필요한 α, β 변환 과정 없이 측정하는 선간 전압을 바로 제어에 이용할 수 있기 때문에 본 논문에서는 선간 전압 기반 제어 방법을 사용한다. 선간 전압 기반 제어의 경우 d, q 변환과 계통 전압 불평형 상황에서의 제어를 위한 추가적인 알고리즘이 필요하지 않으므로, 알고리즘이 간단하고, 사고 상황 등 계통 전압이 급변하는 상황에서 동적 성능을 개선시킬 수 있다.
또한 본 논문에서는 순시 전력을 측정하여 이를 통해 전류 지령을 보상하는 알고리즘을 제안한다. 대부분의 기존 연구는 불평형한 계통 전압 정보를 이용하여 그에 맞게 기존의 전류 지령을 수정하여 불평형한 계통 전압으로 인해 발생하는 전력 리플을 저감한다. 하지만 파라미터 오차나 불평형으로 인해 계통 전압 불평형 상황에서 발생하는 전력 리플을 완전히 저감하는 것은 불가능하다. 본 논문에서는 기존의 불평형한 계통 전압 정보를 이용하여 전류 지령을 수정하는 방법에 더하여, 순시 전력 정보를 이용한 보상 방법을 통해 전력 리플을 저감하는 방법을 제안한다. 전력 리플이 발생하였을 때, 이를 측정하고 저감하는 방향으로 전류 지령을 수정하여 정상 상태에서 전력 리플을 크게 줄일 수 있다.
또한, 본 방법은 기존의 정적인 전압 불평형 뿐 아니라 동적인, 즉 순간적으로 발생하는 불평형 상황에서도 빠르게 반응함으로써, 계통 연결형 컨버터가 안정적으로 동작하고 계통 사고에 기인한 출력 이상이나 보호 동작 유발 가능성을 줄일 수 있다는 점에서 실용적인 가치를 지닌다. 이는 PLL의 응답 지연으로 인해 발생할 수 있는 제어 오차를 전류 지령 보상 기법이 실시간으로 보완할 수 있기 때문이다.
결론적으로, 제안된 정지좌표계 선간 전압 기반의 전류 제어 및 전류 지령 보상 기법은 복잡한 역상분 추출 없이도 효과적으로 전류 제어를 수행할 수 있으며, 계통 전압 불평형 및 갑작스러운 전압 변화 상황에서도 우수한 제어 성능을 제공함으로써, 계통 연결형 전력 변환 시스템의 신뢰성과 응답성을 동시에 향상시킬 수 있다. 제안하는 방법의 유효성은 시뮬레이션뿐 아니라 하드웨어 기반의 실험을 통해서도 검증되었다.

목차 (Table of Contents)

• 제１장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 9
• 1.3 논문의 구성 11
• 제２장 계통 전압 불평형 상황에서의 제어에 관한 기존 연구 12
• 2.1 정지좌표계의 PR 제어기와 동기좌표계의 PI 제어기 12
• 2.1.1 정지좌표계의 PR 제어기 13
• 2.1.2 동기좌표계의 PI 제어기 15
• 2.2 계통 전압 불평형 상황에서의 제어 18
• 2.2.1 계통 전압 불평형 상황이 컨버터에 미치는 영향 18
• 2.2.2 정상 성분, 역상 성분 분리 방법 21
• 2.2.3 전류 제어기 설계 방법 22
• 2.2.3.1 동기좌표계 기반의 전류 제어 방법 23
• 2.2.3.2 정지좌표계 기반의 전류 제어 방법 32
• 제３장 선간 전압 기반 계통 전압 불평형 상황 제어 35
• 3.1 선간 전압 기반 전력 및 전류 지령 계산 방법 35
• 3.1.1 선간 전압 기반 유효 전력 및 전류 지령 계산 방법 35
• 3.1.2 선간 전압 기반 무효 전력 및 전류 지령 계산 방법 40
• 3.2 제안하는 선간 전압 기반 전류 지령을 이용한 전류 제어 방법 42
• 3.3 시뮬레이션 결과 44
• 3.4 추가적인 전력 리플 보상이 필요한 원인 50
• 제４장 선간 전압 기반 전류 지령 보상 제어를 이용한 전력 리플 저감 방법 54
• 4.1 선간 전압 기반 컨버터 제어에서 제어 변수가 유효 전력에 미치는 영향 54
• 4.1.1 제어 변수 I_a가 유효 전력에 미치는 영향 55
• 4.1.2 제어 변수 I_b가 유효 전력에 미치는 영향 57
• 4.1.3 제어 변수 φ_a가 유효 전력에 미치는 영향 59
• 4.1.4 제어 변수 φ_b가 유효 전력에 미치는 영향 62
• 4.1.5 각 제어 변수들이 유효 전력에 미치는 영향 정리 64
• 4.2 전류 지령 보상 제어를 위한 제어 변수 보상 값 선정 방법 66
• 4.2.1 제어 변수 값 선정을 위한 페이저도 66
• 4.2.2 Area 1일 때 제어 변수 값 선정 70
• 4.2.3 Area 2일 때 제어 변수 값 선정 72
• 4.2.4 Area 3일 때 제어 변수 값 선정 74
• 4.2.5 Area 4일 때 제어 변수 값 선정 76
• 4.2.6 제어 변수 값 선정 방법 정리 78
• 4.3 전류 지령 보상 제어 알고리즘 구성 80
• 4.3.1 전류 지령 보상 제어를 위한 전력 리플 크기와 위상 추출 방법 83
• 4.3.2 전력 리플을 상쇄하기 위한 Area 구분 방법 84
• 4.3.3 전류 지령 보상 방법 87
• 4.4 제안하는 제어 시뮬레이션 결과 88
• 4.5 전류 지령 보상 제어 평균 전력 보상 알고리즘 102
• 제５장 전류 지령 보상 제어가 계통 연결형 컨버터 동적 성능 개선에 주는 영향 107
• 5.1 전압 강하 발생 시 계통 전압 불평형 컨버터 제어에 미치는 영향 107
• 5.2 전압 강하 발생 시 전류 지령 보상 제어가 동적 성능 개선에 미치는 영향 108
• 5.3 전압 강하 발생 시 전류 지령 보상 제어 시뮬레이션 결과 109
• 제６장 실험 결과 113
• 제 7 장 결론 129
• 7.1 연구 결과 129
• 7.2 향후 과제 및 후속 연구 131
• 참고 문헌 133
• Abstract 141