가상 2상 좌표변환에 의한 계통전압의 상태 추정 기법 = Grid Voltage State Estimation Using Virtual Two-Phase Coordinate Transformation

국문 초록 (Abstract)

3상 전력 시스템은 각 상이 동일한 크기와 120°의 위상차를 유지하는 대칭 구조로 동작한다. 그러나 계통 연동 과정에서 상순이 A-C-B로 뒤바뀌는 역상 상태가 발생하면 전동기 역회전이나 발전기 동기화 실패 등 심각한 사고로 이어질 수 있다. 이에 따라 설비 연결 전 상순 및 결상 상태를 정확히 진단하는 기술의 중요성이 높아지고 있다. 기존의 PLL 기반 또는 미분항 활용 방식은 복잡한 연산과 노이즈 취약성으로 인해 한계가 존재한다.
본 논문은 단상 계통에서 계통전압의 위상 및 크기를 안정적으로 추정하기 위한 새로운 상태 추정 기법을 제안한다. 기존 단상 계통에서는 전압 신호가 단일 위상 성분만을 포함하고 있어, 위상 동기화 과정에서 고조파, 불평형 부하, 외란 신호 등에 의해 오차가 발생하는 문제가 빈번하게 나타났다. 이러한 문제는 분산전원 연계형 인버터의 계통 연계 운전 시 동기화 지연, 전력품질 저하, 제어 불안정성으로 이어져 전체 전력망의 신뢰성을 저해하는 요인이 된다.
이를 해결하기 위해 본 연구에서는 가상 2상 좌표변환(Virtual Two-Phase Transformation)기법 도입으로 단상 전압을 α-β 직교 좌표계로 확장하여 두 개의 가상 신호를 생성함으로써, 3상 dq 변환 기반 제어와 동일한 구조를 단상 계통에서도 구현할 수 있도록 하였다. 제안된 기법은 PLL(Phase-Locked Loop) 기반 동기화 알고리즘과 결합하여 계통전압의 상태를 실시간으로 추정할 수 있으며, 이를 통해 기존 방식 대비 빠른 응답성과 높은 강인성을 확보할 수 있다. 또한, 본 연구에서는 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 기법의 성능을 검증하였으며, 고조파가 포함된 환경이나 급격한 부하 변동 상황에서도 안정적인 위상 추정이 가능함을 확인하였다.
본 연구에서 제안된 상태 추정 기법은 기존 PLL 기반 방식의 한계를 극복하고, 단상 계통에서 발생하는 불안정성을 효과적으로 개선할 수 있음을 보여주었다. 특히 태양광, 풍력 등 변동성이 큰 분산 전원 연계형 인버터 및 스마트그리드 환경에서 요구되는 실시간성, 정확성, 안정성을 충족시킬 수 있어, 향후 전력계통의 디지털화 및 지능화 과정에서 핵심적인 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With This paper proposes a novel state estimation method for grid voltage based on virtual two-phase coordinate transformation in single-phase power systems. In conventional single-phase systems, only one voltage signal is available, which makes phase and magnitude estimation vulnerable to harmonics, unbalanced loads, and external disturbances. These limitations often lead to synchronization delays, deterioration of power quality, and instability in control, especially when inverter-based distributed generation units are interconnected with the grid.
To overcome these challenges, the proposed method introduces a virtual two-phase transformation that expands the single-phase voltage into orthogonal α-β components, thereby enabling the application of a control structure similar to the three-phase dq transformation. By generating two virtual signals, the method allows for more stable and accurate estimation of grid voltage phase and magnitude. When combined with a Phase-Locked Loop (PLL) synchronization algorithm, the proposed approach achieves fast dynamic response and enhanced robustness against disturbances.
Simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed technique. Even under conditions with significant harmonic distortion and sudden load variations, the method demonstrates reliable phase estimation and improved synchronization performance compared to conventional PLL-based approaches.
The findings suggest that the proposed state estimation method can effectively address the limitations of existing single-phase synchronization techniques. It is particularly suitable for inverter-based distributed generation systems such as photovoltaic and wind power units, as well as smart grid environments that demand real-time, accurate, and stable voltage estimation. Therefore, this research provides a fundamental contribution to the digitalization and intelligence of future power systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가 . 연구 배경 1
• 나 . 논문의 구성 4
• 2. 좌표변환의 특성 5
• 가 . Clarke 변환을 이용한 전압 불평형 검출 및 상순 특성해석 5
• 나 . PLL기법을 이용한 전압 불평형 검출 및 상순 특성 해석 7
• 다. 비정상 결선 상태에서의 상 불평형 특성 비교 8
• 1) 결상 상태 특성 분석 8
• 2) 3상 동상 결선 (Same-Phase Connection) 상태 특성 분석 8
• 3) R-S-S 결선(Misconnection) 상태 특성 분석 9
• 3. 가상 2좌표 변환을 이용한 상 검출 알고리즘 10
• 가. 정지 2상 좌표변환의 특성 10
• 나. 가상 좌표변환에 의한 상 검출 11
• 다. 상 전압 불평형 검출 15
• 4. 시뮬레이션 및 실험 결과 23
• 가. 시뮬레이션 회로도 및 결과 23
• 나. 실험구성 및 실험 파형 31
• 1) 실험구성 31
• 2)실험파형 34
• 5. 결론 38
• 가. 결론 38
• 참고문헌 40
• Abstract(영문초록) 44