AC-DC 전력변환장치의 피드포워드 전압 제어기 설계 기법 = Feed-Forward Voltage Controller Design of AC-DC Power Converter

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 부하 변동에 강인한 전력변환장치의 전압 제어기 설계기법을 제안한다. AC-DC 전력변환장치는 커패시터 전압과 인덕터 전류를 제어하여 부하에 안정적인 전기 에너지를 공급해야한다. 기존의 전력변환장치는 부하 전류, 입력 전압과 커패시터 전류의 관계를 고려하지 않고 부하의 파라미터를 고정하여 전압제어기를 설계하였다. 하지만 부하의 양이 일정하지 않고 변동되는 시스템에 적용하는 경우, 부하 변동이 발생할 때마다 출력 전압의 과도현상이 나타나게 된다. 이러한 과도현상은 전압의 급격한 상승이나 하강으로 나타나 반도체 스위치와 부하에 악영향을 끼친다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 전압 제어기 설계 기법을 제안한다. 단상 PFC 부스트 컨버터와 3상 PWM 인버터를 각각 모델링하고 각 회로의 커패시터 전류방정식을 통해 과도현상의 원인을 파악한다. 모델링을 통한 분석을 기반으로 피드포워드 보상기를 설계하여 과도현상의 원인을 제거하는 전압 제어기 설계 기법을 제안한다.
단상 PFC 부스트 컨버터의 경우, 부하 전류와 입력 전압 변동이 출력 전압의 과도현상을 유발하기 때문에 이를 피드포워드 보상하여 부하 변동에 강인한 제어기를 설계하였다. 마이크로 그리드 인버터의 경우, 모드 전환 과정에서 전압제어기가 투입되면서 출력 전압과 부하 성분을 전압제어기가 모두 담당하게 되어 출력 전압의 변동이 발생한다. 따라서 부하전류를 피드포워드 보상기가 담당하도록 제어기를 설계하여 모드 변환 시 과도현상 없이 부드러운 모드 전환을 할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 피드포워드 제어기는 PSIM을 통한 모의해석과 실험을 통해 그 효과를 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we propose a voltage controller design technique for a power converter that is robust to load variations. AC-DC power converters must provide stable electrical energy to the load by controlling capacitor voltage and inductor current. In the conventional power converter, the voltage controller is designed by fixing the parameters of the load without considering the relationship between the load current, input voltage and capacitor current. However, when applied to a system in which the amount of load is not constant and fluctuates, a transient phenomenon of the output voltage occurs every time a load fluctuation occurs. This transient phenomenon appears as a sudden rise or fall of the voltage, which has a problem of adversely affecting the semiconductor switch and the load.
In this paper, to solve these problems, we model the single-phase PFC boost converter and the three-phase PWM inverter, respectively. The cause of the transient phenomenon is identified through the current equation of the capacitor of each circuit. We design a feedforward compensator based on analysis through modeling, and propose a voltage controller design technique that can eliminate the cause of transient phenomena.
In the case of a single phase PFC boost converter, the load current and input voltage fluctuations cause the transient of the output voltage. In the case of the microgrid inverter, the output voltage fluctuates during the process of switching the output voltage and the load component of the voltage controller while the voltage controller is turned on during the mode switching process. Therefore, a controller is designed so that the feedforward compensator is responsible for the load current. The proposed feedforward controller proved its effectiveness through PSIM simulation and experiments.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 논문의 구성 3
• Ⅱ. 단상 PFC 부스트 컨버터의 전압 제어 4
• 2.1 단상 PFC 부스트 컨버터의 제어기 설계 5
• 2.2 기존 단상 PFC 부스트 컨버터 제어기의 문제점 5
• 2.2.1 단상 PFC 부스트 컨버터의 상태 평균 모델링 6
• 2.2.2 출력 전압 변동을 위한 이전의 연구들 7
• 2.3 제안하는 부하전류와 듀티를 보상하는 단상 PFC 부스트 컨버터 제어기 설계 10
• 2.4 모의 해석 13
• 2.4.1 정격 전압 입력에서 부하 변동 모의 해석 15
• 2.4.2 비정격 전압(-20% 입력) 에서 부하 변동 모의해석 17
• 2.4.3 비정격 전압(+20% 입력) 에서 부하 변동 모의해석 19
• 2.5 실험 21
• 2.5.1 정격 전압 입력에서 부하 변동 실험 22
• 2.5.2 비정격 전압(-20% 입력) 에서 부하 변동 실험 24
• 2.5.3 비정격 전압(+20% 입력) 에서 부하 변동 실험 26
• Ⅲ. AC 마이크로 그리드 인버터의 출력 전압 제어 기법 26
• 3.1 AC 마이크로 그리드 인버터의 seamless transfer 알고리즘 29
• 3.2 AC 마이크로 그리드 인버터 모델링 31
• 3.3 기존 마이크로 그리드 인버터 전압 제어기의 문제점 35
• 3.4 제안하는 마이크로 그리드 인버터의 전압 제어기 36
• 3.5 모의 해석 38
• Ⅳ. 결 론 46
• 참고문헌 48
• Abstract 51