그리드-팔로잉 인버터의 안정도 향상을 위한 계통 전류 제어 및 전향 보상 설계

국문 초록 (Abstract)

최근 탄소 중립 실현과 에너지 효율 향상에 대한 요구가 증가함에 따라 신 · 재생 에너지 기반의 분산형 전원 보급이 확대되고 있다. 이러한 분산형 전원을 전력 계통에 연계하기 위해서는 계통 연계형 인버터(Grid-connected Inverter)의 안정적 운전이 필수적이다. LCL 필터를 적용한 전압형 인버터(Voltage Source Inverter, VSI)는 단일 L 필터 대비 적은 인덕턴스 용량으로도 우수한 고조파 감쇠 성능을 제공하여 시스템의 부피와 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 그러나 LCL 필터의 고유한 공진 특성으로 인해 디지털 제어 지연과 결합될 경우 내부 안정성(Internal Stability)을 저하시킬 수 있다. 또한, 약한 계통(Weak Grid)에서 계통과의 상호작용으로 인해 외부 안정성(External Stability) 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 내부 안정성과 외부 안정성을 동시에 고려한 계통 전류 제어기 설계가 요구된다. 기존 연구에서는 내부 안정성을 확보하기 위해 능동 댐핑(Active Damping)을 주로 채택하여 LCL 필터의 공진을 억제하였다. 그러나 내부 안정성을 위한 능동 댐핑 제어기 설계 시, 외부 안정성을 고려하지 않아 계통 임피던스 증가 시 인버터 출력 어드미턴스와의 상호작용으로 인해 불안정 현상이 발생하였다. 반면 외부 안정성을 고려한 능동 댐핑 제어기 설계 시, 내부 능동 댐핑 루프의 위상 여유를 감소하므로 전류 제어기의 동특성을 제한하는 문제가 발생한다. 따라서, 계통 전압 전향 보상을 통해 인버터 출력 어드미턴스의 위상을 안정 영역으로 제한하기 위한 수동성 기반 제어 기법이 제안되었다. 본 논문에서는 LCL 필터 기반 계통 연계형 인버터의 내부 및 외부 안정성을 동시에 확보하기 위한 고역 통과 필터(High-Pass Filter, HPF)를 이용한 계통 전류 피드백 기반의 수동성 기반 전류 제어기 설계 기법을 제안한다. 우선, 임피던스 모델링을 통해 내부 능동 댐핑 루프의 위상 여유가 외부 전류 제어 루프의 동특성 및 안정도에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 기반으로 적절한 HPF 차단 주파수와 댐핑 이득을 선정하는 능동 댐핑 설계 절차를 제시한다. 제안한 방법은 LCL 공진을 효과적으로 억제함과 동시에 전류 제어기의 동특성을 향상하여 과도 응답 성능을 개선한다. 또한 공통 연결점(Point of Common Coupling, PCC) 전압 전향 보상 경로에 저역 통과 필터(Low-Pass Filter, LPF)를 적용하여 인버터의 출력 어드미턴스의 위상이 나이퀴스트 주파수(Nyquist Frequency)까지 수동성을 만족하도록 설계함으로써, 다양한 계통 임피던스 조건에서도 외부 안정성을 확보한다. 제안된 설계 기법의 타당성은 주파수 영역 분석을 통해 검증하였으며, 본 논문의 분석 결과와 제안된 설계 방법을 검증하기 위하여 모의 실험 및 실험 결과를 통해 우수한 안정성 및 제어 성능을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 １
• 1.1 연구의 배경 및 목적 １
• 1.2 논문의 구성 ７
• 제 2장 LCL 필터 기반 계통연계형 인버터 시스템의 모델링 ８
• 2.1 LCL 필터 기반 계통 연계형 인버터 시스템의 회로 구성 ９
• 2.2 계통 연계형 인버터 시스템의 임피던스 기반 모델링 １０
• 2.3 임피던스 기반 소신호 안정도 분석 방법 １４
• 2.3.1 외부 안정성 판별을 위한 임피던스 기반 안정도 분석 방법 １４
• 2.3.2 수동성 기반 전류 제어기 설계 １５
• 제 3장 수동성 기반 계통 전류 제어 및 전향 보상 설계 １７
• 3.1 내부 능동 댐핑 루프의 안정 영역 분석 １８
• 3.2 제안하는 능동 댐핑 및 전류 제어 이득 선정 방안 ２３
• 3.2.1 내부 능동 댐핑 루프와 외부 전류 제어 루프의 간의 상호 작용 분석 ２３
• 3.2.2 능동 댐핑 및 전류 제어 이득의 최적 선정 ３２
• 3.3 PCC 전압 전향 보상 미적용 시 외부 안정성 분석 ３４
• 3.4 PCC 전압 전향 보상 기법 이득 선정 방안 ３６
• 3.4.1 1차 LPF 기반 PCC 전압 전향 보상의 차단 주파수 선정 ３７
• 3.4.2 1차 LPF 기반 PCC 전압 전향 보상의 이득 선정 ３８
• 3.5 주파수 영역 기반 전체 시스템 안정도 분석 ４１
• 제 4장 시뮬레이션 및 실험 결과 ４４
• 4.1 시뮬레이션 결과 ４４
• 4.1.1 이상적인 계통 조건(Lg = 0mH)에서의 내부 안정성 검증 ４４
• 4.1.2 수동성 기반 전류 제어 설계 시뮬레이션 결과 ４５
• 4.1.3 제안하는 PCC 전압 전향 보상 시뮬레이션 결과 ５８
• 4.2 실험 결과 ６２
• 4.2.1 이상적인 계통 조건(Lg = 0mH)에서의 내부 안정성 검증 ６２
• 4.2.2 기존 수동성 기반 전류 제어 설계 실험 결과 ６３
• 4.2.3 제안하는 PCC 전압 전향 보상 실험 결과 ７６
• 제 5장 결론 ８０
• 5.1 연구 결과 ８０
• 5.2 향후 과제 ８２
• 부 록 ８４
• A. 실험 세트 구성 및 제정수 ８４
• B. 시스템의 과도 응답 시 시간 응답 사양 ８５
• 참고 문헌 ８７
• Abstract ９０