KR101367467B1 - Ｂｔｂ 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Ｂｔｂ 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 정류기부 및 인버터부로 구성된 BTB(Back to Back) 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 제어 입력을 제어하는 방법에 있어서, 상기 정류기부의 유효 전류의 지령 값, 상기 정류기부의 무효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 유효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 적어도 하나 이상의 지령 값을 이용하여 상기 제어 입력의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 제어 입력에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 제어 입력을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법이 제공된다.

Description

ＢＴＢ 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법{APPATATUS AND METHOD FOR CONTROLLING BTB STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR}
본 발명의 실시예들은 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터단과 정류기단으로 구성된 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
정지형 무효전력 보상장치(STATCOM: Static Synchronous Compensator) 시스템은 컨버터의 무효 전류를 제어하여 송전 전력 계통의 전압을 보상하고 계통의 안정성을 높이는 장치이다. 기존의 SVC(Static Var Compensator)에 비해 더 빠른 응답, 안정성, 낮은 고조파, 작은 크기 등을 가진다는 장점이 있다. 특히 반도체 스위치를 이용한 전력전송시스템의 핵심인 이 설비는 전기 흐름을 능동적으로 제어함으로써 풍력이나 태양광 등 신 재생에너지 발전 시 기상상황에 따라 발전량이 급변하더라도 출력 전압을 일정하게 유지해 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 해준다.
하지만 정지형 무효전력 보상장치는 비선형 특성을 갖는 시스템으로서 모든 동작 점에서 빠르고 안정한 전압 조정을 보장하는 제어기를 설계하기가 쉽지 않다. 정지형 무효전력 보상장치 시스템을 위한 제어기 설계 방법 및 종류는 다음과 같다.
PI(Proportional-Integral) 제어기는 설계가 용이하기 때문에 산업 현장에서 널리 사용되었다. 하지만 고정된 PI 게인(gain)은 특정 동작점에서만 사용될 수 있고, 다른 동작 점에서는 불안정한 응답을 얻을 수 있는 단점이 존재한다. 이에 대해서는 M. M. Farsangi, Y. H. Song, and Y. Z. Sun, "Supplementary control design of SVC and STATCOM using optimal robust control," International Conference on DRPT, pp. 355-360, 2000 의 논문에 기재되어 있다.
또한, 입출력 피드백 선형화(IOL: Input-Output Feedback Linearization) 을 이용한 비선형 제어기 설계 방법이 P. Petitclair, S. Bacha, and J. P. Ferrieux, "Optimized linearization via feedback control law for a STATCOM," in Industry Applications Conference Annual Meeting, vol.2, pp. 880-885, 1997의 논문에 기재되어 있다. 비선형 제어기 설계 기법은 구성이 복잡하며 내부 역동성(dynamics)의 안정성을 고려하지 않은 단점이 있다.
이에 입출력 피드백 선형회로에 비해 구성이 단순한 수동성 기반 제어기(PBC: passivity based controller)가 제안되었다. 이는 H.-C. Tsai, C.-C. Chu and S.-H. Lee, "Passivity-based nonlinear statcom controller design for improving transient stability of power systems,"in IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2005, pp. 1-5.에 기재되어 있다.
상기 제안된 수동성 기반 제어기는 두 개의 전류의 내부 루프와 외부 루프로 구성되며, 내부 루프는 각각 D축 및 Q축 전류를 통제하고 외부 루프는 내부 DC bus 전압을 통제한다.
하지만 상기 제안된 수동성 기반 제어기(Passivity-based controller)는 펄스 폭 변조(PWM) 기술과 컨버터를 사용하여 유효전력과 무효전력을 제어하는 제1 타입의 정지형 무효전력 보상장치에만 적용 가능할 뿐, 인버터단과 정류기단으로 구성된 BTB(Back to Back, 이하 BTB) 정지형 무효전력 보상장치에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 인버터단과 정류기단으로 구성된 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치 및 제어방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 정류기부 및 인버터부로 구성된 BTB(Back to Back) 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 제어 입력을 제어하는 방법에 있어서, 상기 정류기부의 유효 전류의 지령 값 및 상기 정류기부의 무효 전류의 지령 값과 상기 인버터부의 유효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 적어도 하나 이상의 지령 값을 이용하여 상기 제어 입력의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 제어 입력에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 제어 입력을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 정류기부 및 인버터부로 구성된 BTB(Back to Back) 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 제어 입력을 제어하는 제어장치에 있어서, 상기 정류기부의 유효 전류의 지령 값 및 상기 정류기부의 무효 전류의 지령 값과 상기 인버터부의 유효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 제어 입력의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 지령 산출부; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 신호 생성부; 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 제어 입력에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 제어 입력을 생성하는 제어 입력 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정류기부 및 인버터부로 구성된 BTB(Back to Back) 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 제어 입력을 제어하는 방법을 제공하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있으며, 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체로서, 상기 정류기부의 유효 전류의 지령 값 및 상기 정류기부의 무효 전류의 지령 값과 상기 인버터부의 유효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 제어 입력의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계; 상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 제어 입력에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 제어 입력을 생성하는 단계를 수행할 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
본 발명에 따른 제어장치 및 제어방법은 정류기부의 모듈레이션 인덱스 및 위상각과 인버터부의 위상각을 제어 입력으로 사용하는 BTB 정지형 무효 전력 보상장치에 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 정류기부의 유효 전류와 무효 전류, 인버터부의 유효 전류와 직류 전압의 과도 응답 성능이 개선되어 시스템이 빠르게 안정될 수 있다.
또한, 수동성 기반 제어장치의 적용으로 폐 루프 시스템의 안정도를 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 무효전력 보상장치의 제어장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지령 입력부에 입력되는 지령 값의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법에 대한 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서의 정류기부의 시간응답의 일례를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서의 인버터부의 시간응답의 일례를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
BTB 정지형 무효전력 보상장치는 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템에 기반한 VSC(Voltage Source Converter, 이하 VSC) 타입의 정지형 무효전력 보상장치이다.
VSC-HVDC 시스템은 무효 전력과 유효 전력을 독립적으로 컨트롤 하며, 직류 링크 전압의 극성 변화 없이 쌍 지향성(bi-directional)의 전력을 전송한다. VSC-HVDC 시스템의 안정성 및 유연성으로 인해 전력 생산 및 전력 마켓에서 중요한 역할을 하고 있다.
종래의 VSC-HVDC 시스템은 정류기(rectifier)부와 인버터(inverter)부를 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 전략 또는 멀티 브리지 토폴리지(topology)를 채택하였다. 때문에 두 개의 스테이션은 대칭 변환 구성을 가지게 된다.
BTB 정지형 무효전력 보상장치는 공통의 직류 링크를 공유하며 정류기부와 인버터부가 벡투벡(back-to-back)으로 서로 연결된 서로 다른 타입의 VSC로 구성된다.
정류기부는 PWM을 이용한 컨버터를 이용하여 전력을 전송하기 위해 무효 전력과 유효 전력을 전력 추적 제어 모드로 운영한다. 인버터부는 직류 전압의 조절을 위해 멀티펄스(multipulse) 기법을 적용하는 컨버터를 운영한다.
이와 달리 정류기부가 멀티펄스 기법이 적용되는 컨버터를 이용할 수 있으며, 이때 인버터부는 PWM을 이용한 컨버터를 이용할 수도 있을 것이다.
이러한 서로 다른 타입의 VSC로 이루어진 BTB 정지형 무효전력 보상장치는 적은 비용으로 작은 공간에 설치될 수 있으며 전력 손실이 낮은 장점이 있다. 멀티펄스 기법을 적용하는 VSC는 고조파 주파수를 가지지 않기 때문이다.
이하, 도 1을 참조하여 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 대해 보다 상세하게 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, BTB 정지형 무효전력 보상장치는 정류기부(101)와 인버터부(103)가 벡투벡으로 연결되어 있다. 여기서, 정류기부(101)와 인버터부는 물리적으로 매우 먼 거리에 떨어져 위치할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 정류기부(101)는 PWM 기법을 적용한 VSC이며, 인버터부(103)는 멀티펄스 기법을 이용한 VSC이다.
Figure 112011091053004-pat00001
는 정류기부(101)와 인버터부(103)의 3상 phase-to-neutral bus 전압이며,
Figure 112011091053004-pat00002
는 인버터의 교류 측 터미널의 전압,
Figure 112011091053004-pat00003
,
Figure 112011091053004-pat00004
는 정류기부(101)와 인버터부(103)의 3상 전류의 흐름을 나타낸다.
정류기부(101)와 인버터부(103)는 인덕턴스
Figure 112011091053004-pat00005
및
Figure 112011091053004-pat00006
와 각각 병렬로 연결되어 있으며, 각 인덕턴스는 실제 전력 변압기의 누설을 나타낸다.
선로 손실인
Figure 112011091053004-pat00007
와
Figure 112011091053004-pat00008
는 정류기부(101)와 인버터부(103) 각각과 변압기 사이의 전도 손실을 의미한다.
Figure 112011091053004-pat00009
는 직류 측 전압을 나타내며
Figure 112011091053004-pat00010
과
Figure 112011091053004-pat00011
는 정류기부(101)와 인버터부(103)와 관련된 직류측 전류를 나타낸다. 커패시터 C와 병렬로 연결되어 있는 저항
Figure 112011091053004-pat00012
는 스위칭 손실을 나타낸다.
정류기부(101)의 교류측 회로 벡터는 하기의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011091053004-pat00013
여기서,
Figure 112011091053004-pat00014
,
Figure 112011091053004-pat00015
는 정류기부(101)의 유효 전류 및 무효 전류를 의미한다.
Figure 112011091053004-pat00016
및
Figure 112011091053004-pat00017
는 제어 인자인
Figure 112011091053004-pat00018
및
Figure 112011091053004-pat00019
을 이용하여 하기의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011091053004-pat00020
이하, 본 발명의 설명을 위해 정류기부(101)로 입력되는 제어 입력을 하기의 수학식 3과 같이 정의 하도록 한다.
[수학식 3]
Figure 112011091053004-pat00021
이어서, 인버터부(103)의 교류측 회로 벡터는 하기의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112011091053004-pat00022
여기서,
Figure 112011091053004-pat00023
는 인버터부(103)의 유효전류,
Figure 112011091053004-pat00024
는 인버터부(103)의 무효전류를 의미한다.
Figure 112011091053004-pat00025
및
Figure 112011091053004-pat00026
는 제어 인자인
Figure 112011091053004-pat00027
및
Figure 112011091053004-pat00028
를 이용하여 하기의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112011091053004-pat00029
이하, 본 발명의 설명을 위해 인버터부(103)로 입력되는 제어 입력을 하기의 수학식 6과 같이 정의 하도록 한다.
[수학식 6]
Figure 112011091053004-pat00030
AC 터미널에서의 순시 전력(instantaneous power)은 인터버부(103)의 DC 터미널에서의 값과 동일하며 하기의 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112011091053004-pat00031
도 1에 도시된 정류기부(101)와 인버터부(103)로 각각 구성된 2개의 VSC는 매우 무시할 수 있을 정도의 로드(load) 저항과 함께 직류 링크를 공유한다. 하지만 실제로는 저항을 고려할 정도로 긴 직류 링크 케이블을 통해 정류기부(101)와 인버터부(103)가 연결된다. 때문에 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 직류 측 회로 방정식은 하기의 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112011091053004-pat00032
따라서, d-q 프레임에 대한 상태 공간에서의 BTB 정지형 무효전력 보상장치 시스템의 수학적 평균 모델은 하기의 수학식 9과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112011091053004-pat00033
Figure 112011091053004-pat00034
Figure 112011091053004-pat00035
제어장치(200)는 BTB 정지형 무효전력 보상장치 시스템의 고유의 물리적 구조와 자연적인 에너지 낭비를 고려하여 설계될 수 있다. Energy Shaping을 고려하지 않은 제어장치를 설계하는 경우 과도(transient) 상태에서 정지형 무효전력 보상장치에 과도한 제어 입력을 가함으로써 진동이 가진 될 수 있으며, 이러한 진동은 전력 품질을 떨어트리고, 전력 전송의 시간을 늦출 수 있기 때문이다.
따라서, 정지형 무효전력 보상장치 시스템의 안정화를 위해 에너지 균형의 관점 또는 에너지의 낭비 속성의 관점에서 제어장치가 설계될 수 있으며 이를 위해 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 하기의 수학식 10과 같이 Euler-Lagrange(EL) 모델로 표현할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112011091053004-pat00036
여기서,
Figure 112011091053004-pat00037
는 제어 입력,
Figure 112011091053004-pat00038
는 시스템에서의 에너지 소모력,
Figure 112011091053004-pat00039
는 에너지의 보존력,
Figure 112011091053004-pat00040
는 에너지 획득량을 의미한다.
수학식 9를 수학식 10의 EL 모델로 변환하여 표현하면 하기의 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure 112011091053004-pat00041
Figure 112011091053004-pat00042
Figure 112011091053004-pat00043
Figure 112011091053004-pat00044
여기서, 전압 벡터
Figure 112011091053004-pat00045
를 리드하는 인버터부(103)의 전압 벡터 에 의한 위상각
Figure 112011091053004-pat00047
는 매우 작기 때문에 수식의 간소화를 위해
Figure 112011091053004-pat00048
로 가정할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 정류기부(101) 및 인버터부(103)에 입력되는 제어 입력을 하기의 수학식 12와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112011091053004-pat00049
Figure 112011091053004-pat00050
Figure 112011091053004-pat00051
Figure 112011091053004-pat00052
,
Figure 112011091053004-pat00053
는 정류기부(101)에 입력되는 제어 입력,
Figure 112011091053004-pat00054
는 인버터부(103)에 입력되는 제어 입력을 의미한다.
이에 따라 수학식 11을 하기의 수학식 13와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112011091053004-pat00055
BTB 정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 Euler-Lagrange(EL) 모델로 표현하는 경우 후술할 리아프노프 함수 후보(Lyapunov function candidate)의 시간에 대한 미분 값이 음의 값을 가지는 경우 시스템이 안정하다고 할 수 있다.
이하, 정류기부(101)의 무효 전류 및 유효전류의 지령 값을 추종하고, 직류 전압의 값을 일정하게 유지시키시도록 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 제어 입력 신호를 제어하는 제어장치에 대해 상기에서 설명한 수식들을 이용하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 정지형 무효전력 보상장치 시스템은 제어장치(200), BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)를 포함하며 제어장치(200)는 지령 입력부(201), 지령 산출부(203), 피드백 제어 신호 생성부(205) 및 제어 입력 생성부(207)를 포함할 수 있다.
지령 입력부(201)는 사용자로부터 정류기부(101)의 유효 전류 및 무효 전류의 지령 값을 입력 받는다. 또한, 사용자로부터 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 인가되는 직류 전압의 지령 값, 인버터부(103)의 유효 전류 및 무효 전류의 지령 값 중 어느 하나의 지령 값을 입력 받는다. 즉, 총 세 가지의 상태변수의 지령 값을 입력 받을 수 있다. 여기서 유효 전류 및 무효전류의 지령 값이란 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력될 사용자가 원하는 유효 전류 및 무효 전류의 값을 의미한다.
인버터부(103)의 유효 전류, 무효 전류의 지령 값 및 직류 전압의 지령 값 중 어느 하나의 지령 값만을 입력 받는 이유는 어느 하나의 지령 값을 가지고 나머지 지령 값을 산출할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 인버터부(103)의 유효 전류의 지령 값을 입력 받는 경우 인버터부(103)의 무효 전류의 지령 값 및 직류 전압이 지령 값은 수학식 13을 통해 산출할 수 있다.
지령 산출부(203)는 지령 입력부(201)에 입력된 세가지 상태변수의 지령 값을 이용하여 제어 입력의 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출한다. 여기서 상태변수는 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 인가되는 직류 전압, 정류기부(10)의 출력에서 측정되는 무효 전류 및 유효 전류, 인버터부(103)의 출력에서 측정되는 무효 전류 및 유효 전류를 의미하며 지령 산출부(203)는 수학식 13을 이용하여 제어 입력의 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출할 수 있다.
이때, 수학식 13을 이용하여 산출된 제어 입력 대한 지령 값은 (
Figure 112011091053004-pat00056
,
Figure 112011091053004-pat00057
,
Figure 112011091053004-pat00058
)로 표현할 수 있다. 또한, 상태변수에 대한 지령 값은 정류기부(101)의 유효 전류에 대한 지령 값
Figure 112011091053004-pat00059
, 정류기부(101)무효 전류에 대한 지령 값
Figure 112011091053004-pat00060
, 직류 전압에 대한 지령 값
Figure 112011091053004-pat00061
, 인버터부(103)의 유효 전류에 대한 지령 값
Figure 112011091053004-pat00062
및 인버터부(103)의 무효 전류에 대한 지령 값
Figure 112011091053004-pat00063
로 표현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지령 입력부에 입력되는 지령 값의 일례를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 지령 입력부(201)는 사용자로부터 정류기부(101)의 유효 전류에 대한 초기 지령 값
Figure 112011091053004-pat00064
, 무효 전류에 대한 초기 지령 값
Figure 112011091053004-pat00065
및 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 인가되는 직류 전압에 대한 초기 지령 값
Figure 112011091053004-pat00066
, 인버터부(103)의 유효 전류에 대한 초기 지령 값
Figure 112011091053004-pat00067
및 무효 전류에 대한 초기 지령 값
Figure 112011091053004-pat00068
중 적어도 하나 이상의 초기 지령 값을 입력 받으며, 정류기부(101)의 유효 전류에 대한 최종 지령 값
Figure 112011091053004-pat00069
, 무효 전류에 대한 최종 지령 값
Figure 112011091053004-pat00070
및 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 인가되는 직류 전압에 대한 최종 지령 값
Figure 112011091053004-pat00071
, 인버터부(103)의 유효 전류에 대한 최종 지령 값
Figure 112011091053004-pat00072
및 무효 전류에 대한 최종 지령 값
Figure 112011091053004-pat00073
중 적어도 하나 이상의 최종 지령 값을 입력 받는다.
또한, 초기 지령 값으로부터 최종 지령 값으로 변하는 시간
Figure 112011091053004-pat00074
를 입력 받을 수 있다. 여기서 초기 지령 값은 현재의 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 상태변수의 값일 수 있다.
지령 입력부(201)에 최종 지령 값이 바로 입력되는 것이 아닌 도 3과 같이 지령 입력부(201)에 시간
Figure 112011091053004-pat00075
동안 초기 지령 값으로부터 최종 지령 값이 순차적으로 입력되는 경우 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 상태변수 값들이 부드럽고 안정적으로 최종 지령 값에 일치될 수 있다.
이어서, 피드백 제어 신호 생성부(205)는 상태 변수에 대한 지령 값과 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성한다.
제어 입력 생성부(207)는 수동성 기반 제어기로서 제어 입력에 대한 지령 값, 상태 변수에 대한 지령 값, 오차 및 피드백 제어 신호를 이용하여 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 입력되는 제어 입력을 생성한다.
이하, 지령 산출부(203)에서 제어 입력에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 방법, 피드백 제어 신호 생성부(205)에서 피드백 제어 신호를 생성하는 방법 및 제어 입력 생성부(207)에서 제어 입력을 생성하는 방법에 대해 보다 자세하게 설명하도록 한다.
지령 산출부(203)에서 제어 입력에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 경우 desired dynamics는 하기의 수학식 14와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 14].
Figure 112011091053004-pat00076
여기서,
Figure 112011091053004-pat00077
는 desired dynamics,
Figure 112011091053004-pat00078
는 상태 변수에 대한 지령 값을 의미하며
Figure 112011091053004-pat00079
는 제어 입력에 대한 지령 값을 의미한다.
또한, error dynamics는 수학식 14에서 수학식 10을 뺌으로써 하기의 수학식 15와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112011091053004-pat00080
Figure 112011091053004-pat00081
여기서,
Figure 112011091053004-pat00082
는 error dynamics,
Figure 112011091053004-pat00083
는 오차를 의미한다.
이때, 리아프노프 함수 후보(Lyapunov function candidate)를 하기의 수학식 16으로 표현할 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112011091053004-pat00084
이어서, 수학식 16의 도함수를 수학식 17과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112011091053004-pat00085
수학식 10에서
Figure 112011091053004-pat00086
이므로
Figure 112011091053004-pat00087
의 첫 번째 텀인
Figure 112011091053004-pat00088
는 음의 값을 가진다. 두 번째 텀인
Figure 112011091053004-pat00089
는 하기의 수학식 18과 같이 다시 표현할 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112011091053004-pat00090
BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)의 시스템을 안정화 하기 위한 제어 입력을 산출하기 위해서는
Figure 112011091053004-pat00091
값이 음의 값을 가져야 한다.
만약 제어 입력을 하기의 수학식 19와 같이 표현하는 경우 피드백 제어 신호
Figure 112011091053004-pat00092
,
Figure 112011091053004-pat00093
,
Figure 112011091053004-pat00094
가 양의 값을 가질 때
Figure 112011091053004-pat00095
가 음의 값을 가지게 된다.
[수학식 19]
Figure 112011091053004-pat00096
Figure 112011091053004-pat00097
Figure 112011091053004-pat00098
여기서,
Figure 112011091053004-pat00099
은 정류기부(101)에 입력되는 모듈레이션(modulation) 인덱스 제어 입력,
Figure 112011091053004-pat00100
은 정류기부(101)에 입력되는 위상각 제어 입력,
Figure 112011091053004-pat00101
는 인버터부(103)에 입력되는 위상각 제어 입력을 의미한다.
즉,
Figure 112011091053004-pat00102
가 음의 값을 가지는 경우 Lyapunov의 정리에 의해 정지형 무효전력 보상장치(210) 시스템의 평형 점이 안정하다 판단할 수 있다.
피드백 제어 신호 생성부(205)는 가중치
Figure 112011091053004-pat00103
가 고려된 제곱 오차의 합을 이용하여 모든 상태 변수의 시간 응답을 고려하는 피드백 제어 신호를 생성할 수 있으며 이는 하기의 수학식 20과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 20]
Figure 112011091053004-pat00104
따라서, 제어 입력 생성부(207)는
Figure 112011091053004-pat00105
가 음의 값을 가지도록 상기에서 구한 제어 입력 지령 값(
Figure 112011091053004-pat00106
), 상태 변수 지령 값(
Figure 112011091053004-pat00107
), 오차 (
Figure 112011091053004-pat00108
) 및 모든 상태의 시간 응답을 고려하는 피드백 제어 신호(
Figure 112011091053004-pat00109
)를 고려하여 실제 제어 입력(
Figure 112011091053004-pat00110
)를 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법에 대한 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 단계(S400)에서는 정류기부(101)의 유효 전류의 지령 값, 정류기부(101)의 무효 전류의 지령 값 및 인버터부(103)의 유효 전류의 지령 값, 인버터부(103)의 무효 전류의 지령 값 및 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 어느 하나의 지령 값을 입력 받는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 복수의 지령 값은 초기 지령 값 및 및 최종 지령 값을 포함할 수 있으며, 단계(S400)은 초기 지령 값으로부터 최종 지령 값까지 변하는 동안의 시간 간격을 더 입력 받을 수도 있다.
이어서, 단계(S410)에서는 단계(S400)에서 입력 받은 복수의 지령 값들을 이용하여 제어 입력에 대한 지령 값 및 상태 변수에 대한 지령 값을 산출한다.
여기서, 상태 변수는 정류기부(101)에서 출력되는 유효 전류 및 무효 전류, BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에 인가되는 직류 전압, 인버터부(103)에서 출력되는 유효 전류 및 무효 전류 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
단계(S420)에서는 단계(S410)에서 산출된 상태 변수에 대한 지령 값과 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)에서 출력되는 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성한다.
마지막으로 단계(S430)에서는 제어 입력에 대한 지령 값, 상태 변수에 대한 지령 값, 오차 및 피드백 제어 신호를 이용하여 제어 입력을 산출한다.
지금까지 본 발명에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치(210)의 제어방법의 실시 예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 2 내지 도 3에서 설명한 제어장치(200)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용이 가능하다. 이에 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서의 정류기부의 시간응답의 일례를 도시한 도면이다.
도 5(a)는 정류기부(101)의 유효 전류의 시간 응답, 도 5(b)는 정류기부(101)의 무효 전류의 시간 응답, 도 5(c)는 정류기부(101)의 위상각 제어 입력의 시간 응답, 도 5(d)는 정류기부(101)의 모듈레이션 인덱스 제어 입력의 시간응답을 각각 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 정류기부(101)의 유효 전류 및 무효 전류는 레퍼런스 유효 전류 및 무효 전류로 진동 없이 settling 됨을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서의 인버터부의 시간응답의 일례를 도시한 도면이다.
도 6(a)는 인버터부(103)의 유효 전류의 시간 응답, 도 6(b)는 인버터부(103)의 무효 전류의 시간 응답, 도 6(c) 직류 전압의 시간 응답, 도 6(d)는 인버터부(103)의 위상각 제어 입력의 시간응답을 각각 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 인버터부(103)의 유효 전류, 무효 전류 및 인가되는 직류 전압은 레퍼런스 유효 전류, 무효 전류 및 직류 전압으로 적은 진동과 함께 빠르게 settling 됨을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 BTB 정지형 무효전력 보상장치 시스템은 정류기부(101)의 유효 전류와 무효 전류, 인버터부(103)의 유효 전류와 직류 전압의 과도 응답 성능이 개선되어 시스템이 빠르게 안정될 수 있다.
또한. PI, PID 등의 선형 제어기와 비교하여 외부 요인 변화에 강인하며 정류기부(101)의 모듈레이션 인덱스 및 위상각과 인버터부(103)의 위상각을 제어 입력으로 사용하는 BTB 정지형 무효 전력 보상장치에 적용됨으로써 포텐셜(potential) 에너지를 고려하는 제어장치의 설계가 가능하다.
또한, 수동성 기반 제어장치의 적용으로 폐 루프 시스템의 안정도를 보장할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
101: 정류기부 103: 인버터부
200: 제어장치 201: 지령 입력부
203: 지령 산출부 205: 피드백 제어 신호 생성부
207: 제어 입력 생성부
210: BTB 정지형 무효전력 보상장치

Claims (14)

  1. 정류기부 및 인버터부로 구성된 BTB(Back to Back) 정지형 무효전력 보상장치에 입력되는 제어 입력을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 정류기부의 유효 전류의 지령 값 및 상기 정류기부의 무효 전류의 지령 값과 상기 인버터부의 유효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 적어도 하나 이상의 지령 값을 이용하여 상기 제어 입력의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에서 출력되는 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 단계;
    상기 상태 변수에 대한 지령 값과 상기 상태 변수 사이의 오차를 이용하여 피드백 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 상태 변수에 대한 지령 값, 상기 제어 입력에 대한 지령 값, 상기 오차 및 상기 피드백 제어 신호를 이용하여 상기 제어 입력을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태 변수는 상기 정류기부에서 출력되는 유효 전류 및 무효 전류와 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압, 상기 인버터부에서 출력되는 유효 전류 및 무효 전류 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정류기부의 유효 전류의 지령 값, 상기 정류기부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 인버터부의 유효 전류의 지령 값, 상기 인버터부의 무효 전류의 지령 값 및 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치에 인가되는 직류 전압의 지령 값 중 적어도 하나 이상을 입력 받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 지령 값은 초기 지령 값 및 최종 지령 값을 포함하며,
    상기 지령 값을 입력 받는 단계는 상기 초기 지령 값으로부터 상기 최종 지령 값으로 변하는 동안의 시간 간격을 더 입력 받는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지령 값을 산출하는 단계는 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 평균 모델을 이용하여 상기 제어 입력에 대한 지령 값 및 상기 상태 변수에 대한 지령 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 오차의 제곱 값을 이용하여 상기 피드백 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 입력을 생성하는 단계는 상기 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 Euler-Lagrange(EL) 모델을 이용하여 상기 제어 입력을 생성하는 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정류기부는 PWM(Pulse width Modulation) 기법을 이용한 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter)이며, 상기 인버터부는 멀티펄스(multipulse) 기법을 이용한 전압 소스 컨버터인 것을 특징으로 하는 BTB 정지형 무효전력 보상장치의 제어방법.
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