KR101843064B1 - 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 부하 추정 시스템 - Google Patents

단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 부하 추정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 부하 추정 시스템에 관한 것으로; 급전 회로의 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 제1단계, 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 원래 전류신호와 가상 전류신호를 생성하는 제2단계, 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 제3단계, 상기 추출된 전류 신호를 이용해 집전 회로측 부하를 추정하는 제4단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법과; 그와 같은 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 추정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 철도차량 등에 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계시 DQ 동기 좌표계 모델을 통하여 실제 단상 전류를 동기 좌표계 성분으로 좌표변환하도록 하여 저주파 필터(low frequency filter)에서 발생하는 상(phase)의 지연(delay)을 제거하며 집전 회로 측 부하 전류의 실시간 추종이 가능해 무선 전력 전송의 제어 안전성을 향상 시킬수 있다.

Description

단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 부하 추정 시스템 { Load monitoring method and load estimation system for current control using synchronous coordinate dq modeling of wireless power transmission system }
본 발명은 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 부하 추정 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 단상 공진형 무선전력 전송 시스템에 부하측 전압/전류 센서 및 무선 통신을 위한 추가적인 회로없이 dq 동기 좌표계 모델을 적용하여 집전측의 부하 상태를 안정적으로 모니터링할 수 있는 방법 및 이를 이용한 부하 추정 시스템에 관한 것이다.
최근 철도차량 분야에서 무선 전력 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 등록특허 제10-1535284호, 공개특허 제10-2015-0050952호 등을 통해 다양한 시스템이 제안되고 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 시스템은 급전측(transmitter)은 특정 위치에 고정 설치되어 전력 전송을 위한 자기장을 만들고, 집전측(receiver)은 휴대용 단말기(hand-held device)나 가동 차량(movable vehicle)에 설치되어 정지 상태 혹은 움직이는 상태에서 급전측에서 발생한 자기장에 의해 유기된 전압/전류를 이용해 부하에 전력을 전달하는 역할을 한다.
이와 같은 종래 무선 전력 전송 시스템의 일 예가 도 1에 도시된다. 이에 의하면 공진형 인버터(1)의 출력 전류를 센싱해 풀 브릿지(full-bridge) 정류기(2)를 이용해 정류한 전류 신호를 저역필터(lowpass filter)(3)를 통과시켜 저주파(low frequency) 성분만 추출한 후 전류제어기(1a)에 피드백하여 공진인버터(1)의 출력 전류를 제어하는 방식을 사용한다.
이때, 급전측의 부하(5)의 부하전력을 감지하기 위해 전압 및 전류 센서 및 장치(6) 등을 구비하고 급전측과 집전측 사이에 무선 통신수단(7,8)을 구비하여 집전측 부하 상태를 급전측에 feedback 해서 급전측 입력 전력을 제어한다.
좀 더 상세하게 설명하면 급전용 공진인버터(1)의 부하 전력(혹은 전압 또는 전류)제어기(9)는 이러한 센싱된 신호를 이용해 집전측 부하 상태를 모니터링 및 집전측 전력을 제어하기 위한 공진인버터(1)의 전류의 크기를 결정하며, 공진인버터(1)의 전류제어기(1a)는 부하 전력제어기(9)로부터 받은 전류 지령에 따라 급전용 공진인버터(1)의 출력 전류를 제어한다.
이때, 공진인버터(1)의 전류제어기(1a)는 일반적으로 단상 전류를 센싱해 full-bridge 정류기(2)를 이용해 정류하고, lowpass filter(3) 등을 이용해 출력 전류 크기의 평균 값을 구해 제어에 이용한다.
그런데, 이와 같은 종래 무선 전력 전송 시스템은 부하측 전압/전류 센서 및 무선 통신을 위한 추가적인 회로가 필요하다.
또한, 무선 전력 전송의 고주파 전압/전류를 제어하기 위해서는 DSP의 샘플링 주기보다 빠른 대개 수ms 이내의 센서 신호의 피드백(feedback)이 필요한데 비해 무선 통신에서 발생하는 지연은 대개는 20ms 이상이 되어, 지연에 의해 발생하는 제어기 불안정성 및 제어 대역폭 감소 등의 문제를 발생시킨다.
아울러 종래 무선 통신 시스템의 경우 외란에 의해서 통신이 끊어질 수 있어 이를 방지하고 안정적인 시스템 운영을 위해 다중의 통신 채널을 이용하여 구성하는 경우가 많은데 이는 시스템의 설치 및 유지 보수 비용을 상승 시키는 요인이 된다.
참고문헌: 등록특허 제10-1535284호 참고문헌: 공개특허 제10-2015-0050952호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템을 이용한 전력 전송을 위해 부하측 전압/전류 센서 및 무선 통신을 위한 추가적인 회로가 필요없고 무선 통신시 발생가능한 신호 지연 및 외란에 의해서 통신 끊김을 방지하고 안정적인 시스템 운영을 할 수 있도록 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 이를 이용한 부하 추정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 부하 모니터링 방법에 있어서, 급전 회로의 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 제1단계; 상기 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 가상 전류신호를 생성하는 제2단계; 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 제3단계; 상기 추출된 전류 신호를 이용해 집전 회로측 부하를 추정하는 제4단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법을 제공한다.
이때, 상기 제1단계는, 급전 회로(transmitter)의 단상 전류를 센싱하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제2단계는, 상기 원래 전류신호가 입력되면 가상의 정지 좌표계 상 q축 전류를 원래 전류신호 대비 90°지연하는 가상 전류신호를 생성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3단계는, 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 단계인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제4단계는, 상기 추출된 급전 회로측 전류 신호를 PID 제어를 수행한 후
Figure 112015102860074-pat00001
을 곱하여 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 산출하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 4단계는 상기 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 PID 제어를 수행하여 집전 회로(receiver) 측의 전압 추정치를 더 산출하는 단계인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 집전 회로(receiver) 측의 전압 추정치를 상기 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치로 나누어 부하 저항 추정치를 더 산출하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 단상 전류를 감지하는 전류감지부에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호를 생성하는 가상 신호 생성 모듈과; 상기 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈과; 상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 산출하는 크기 및 위상 산출모듈과; 상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 전류의 크기 및 위상을 이용해 부하인 집전 회로(receiver) 측의 전류 상태를 추정하는 전류 상태 관측기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 추정 시스템도 제공한다.
이때, 상기 동기 좌표계 변환 모듈은 상기 가상 신호 생성 모듈을 통해 출력되는 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전류 상태 관측기는 상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 급전 회로측 전류 신호를 PID 제어를 수행한 후
Figure 112015102860074-pat00002
을 곱하여 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 산출하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전류 상태 관측기의 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 PID 제어를 수행하여 집전 회로(receiver) 측의 전압 추정치를 더 산출하고, 상기 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치로 나누어 부하 저항 추정치를 더 산출하는 부하 저항 관측기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량 등에 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계시 DQ 동기 좌표계 모델을 통하여 실제 단상 전류를 동기 좌표계 성분으로 좌표변환하도록 하여 저주파 필터(low frequency filter)에서 발생하는 상(phase)의 지연(delay)을 제거하며 집전 회로 측 부하 전류의 실시간 추종이 가능해 무선 전력 전송의 제어 안전성을 향상 시킬수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면 급전 회로측에서 측정된 전류를 상태 관측기를 이용해 집전 회로 측 전류를 추정할 수 있어 급집전 장치 간에 무선 통신이 필요 없어 시스템 구성 비용을 절감할 수 있고, 무선 통신이 필요 없어 무선 통신으로 발생하는 통신 단절, 지연 등의 문제가 없어 전력 전송을 안정적으로 수행할 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 무선 전력 전송 시스템의 센서 및 무선 피드백을 이용한 부하 전력제어 구성도이다.
도 2는 본 발명을 설명하기 위해 도시한 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 3은 도 2의 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로이다.
도 4는 도 2의 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 타임 도메인에서 나타낸 등가 회로이다.
도 5는 도 4의 시스템과 90°위상차가 나는 가상 회로 구성도이다.
도 6은 도 4 및 도 5의 회로를 복소 평면상에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 7은 도 6의 회로를 직교 좌표계 상에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성도이다.
도 8은 도 7의 회로를 복소 평면 동기 좌표계에 나타낸 무선 전력 전송 시스템의 등가회로이다.
도 9는 도 8의 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 d축 등가회로이다.
도 10은 도 8의 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 q축 등가회로이다.
도 11은 완벽히 튜닝된 급전 및 집전 회로 측 전압 및 전류 위상 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 12는 시간축에서 본 전압 및 전류 신호와 생성된 신호 파형을 도시한 도면이다.
도 13은 전형적인 시스템에서의 급전 회로 및 집전 회로 측 전압 및 전류 위상 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 14는 단상 무선 전력 전송시스템의 dq 변환을 이용한 피드백 구성도이다.
도 15는 동기 좌표 변환 및 저주파 모델을 이용한 전류 상태 관측기 설계 예를 도시한 도면이다.
도 16은 도 15을 변형한 본 발명에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파 모델을 이용한 전류 상태 관측기를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파 모델을 이용한 전류 제어 장치의 상세 구성도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기 좌표 변환 및 저주파 모델을 이용한 부하 저항 관측기를 도시한 도면이다.
도 19는 무선 전력 전송 시스템의 AC모델을 도시한 도면이다.
도 20은 무선 전력 전송 시스템의 DQ모델을 도시한 도면이다.
도 21은 무선 전력 전송 DQ모델의 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.
도 22는 AC 무선 전력 전송 시스템에 인가된 전압 및 급전회로의 코일 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 23은 DQ모델에 인가되는 전압 및 집전 회로 측 코일(coil)의 전류 그래프이다.
도 24는 무선 전력 전송 시스템의 DQ 전류 상태 관측기 모델을 도시한 도면이다.
도 25의 (a) 내지 (d)는 집전 회로 측 전류 및 부하 상태 추정기 블록의 상세 구성도이다.
도 26의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 상태 관측기를 이용한 전류 및 부하 저항 추정 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 부하 추정 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법 및 이를 이용한 상태 관측 장치가 적용되는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템은 철도차량의 무선 전력 공급을 위한 시스템으로 dq 동기 좌표계 모델을 적용하여 실제 단상전류를 동기좌표계 성분으로 좌표 변환하여 상 지연(phase delay)없이 신호를 피드백하여 전류를 제어한다.
이와 같은 본 발명에서는 3상 전기기기에서 주로 이용되는 동기 좌표계 dq 모델링 기법을 이용해 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템을 모델링하며, 그와 같은 모델링을 통해 집전측 전압/전류/부하 관측 장치를 구성하는 방법, 부하 관측기를 이용해 제어기를 구성하는 방법을 제안한다.
이러한 본 발명의 dq 모델링은 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템은 물론 급전과 집전의 인덕터와 캐패시터가 직렬 또는 병렬로 연결되거나 혹은 직·병렬 혼합으로 연결된 회로에도 폭넓게 적용이 가능한 것으로, 이 같은 설계 변경 정도는 모두 본 발명의 기술 범주에 속하는 것이다.
이하, 본 발명에서는 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템을 예로들어 제안하는 무선 전력전송 시스템 동기 좌표계 DQ 모델링 기법, 측정된 신호의 DQ 변환 방법, 관측기 구성 방법, 제어기 설계 방법 등을 설명한다.
우선, 무선 전력 전송 시스템을 dq 동기 좌표계로 모델링하는 과정을 설명한다.
도 2는 단상 직렬-직렬 공진형 무선 전력 전송 시스템의 회로도로서, 이에 의하면 급전 회로의 급전코일(Ltx)과 그 급전코일(Ltx)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 보상하기 위한 보상캐패시터(Ctx)가 직렬로 연결되고 급전코일(Ltx)에서 발생되는 자기장에 의해 집전 회로의 집전코일(Lrx)에 전자기 유도 현상으로 전압 및 전류가 유기된다.
그리고, 상기 집전코일(Lrx)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 보상하기 위해 집전코일(Lrx)에는 급전코일(Ltx)과 마찬가지로 캐패시터(Crx)가 직렬로 연결된다.
이때, 상기 캐패시터(Ctx, Crx)는 급전코일(Ltx) 및 집전코일(Lrx)과 병렬로 연결할수도 있다.
이와 같은 급전코일(Ltx) 및 집전코일(Lrx)과 캐패시터(Ctx, Crx)가 직렬 연결된 회로에서 각각의 급전코일(Ltx) 및 집전코일(Lrx)에 걸리는 전압(VLtx, VLrx)은 아래의 식과 같다.
Figure 112015102860074-pat00003
따라서, 도 2의 회로는 도 3에 도시된 바와 같은 두개의 종속전원(dependent source)을 가지는 등가회로로 나타낼 수 있다.
이때, 시간 영역(Time domain)에서 보면 Vs=Vscos(ωt), itx=Itxcos(ωt-φ1), irx=Irxcos(ωt-φ2)이며, 이때 φ1은 입력전압대비 급전측 전류의 위상이며, φ2는 입력전압대비 집전측 전류의 위상이다. 이를 도 3의 회로에 표시하면 도 4에 도시된 바와 같다.
한편, 무선 전력 전송 시스템은 단상 시스템이기 때문에 이를 dq 직교좌표계로 나타내기 위해서 전압 및 전류 등이 원래 시스템과 90°위상차를 가지도록 도 5의 시스템을 도 5에 도시된 바와 같이 90°위상차를 가지는 가상의 회로를 만들 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 가상의 공진회로는 인덕터와 캐패시터 등의 전류 및 전압 값이 모두 원래 회로와 90°위상차를 갖는다.
이와 같은 도 4 및 도 5에 도시된 두개의 회로를 복소 평면상에 나타내면 도 6에 도시된 바와 같으며 이를 다시 dq 직교좌표계의 성분으로 표시하면 도 7에서와 같이 나타낼 수 있다.
이때, 도 7에서 Id tx, Iq tx는 급전회로의 d,q 축상의 전류의 저주파(low frequency) 성분이고, Id rx, Iq rx는 집전회로의 d,q 축상의 전류의 저주파(low frequency) 성분이다. 급전회로의 인덕터에 걸리는 전압은 아래의 식과 같다. 이때, 위첨자 s는 정지 좌표계에서 나타낸 식임을 나타낸다.
Figure 112015102860074-pat00004
이러한 인덕터 전압은 ω의 속도로 회전하는 동기 좌표계에서 보면 인덕터 전압(VLtx e)은 아래의 식과 같이 저주파(low frequency) 성분만 남게 된다. 이때, 위첨자 e는 동기 좌표계에서 나타낸 식임을 나타낸다.
Figure 112015102860074-pat00005
즉, 정지 좌표계의 인덕터는 동기 좌표계에서 보면 기존의 Ltx의 인덕턴스를 가지는 인덕터와 jωLtx의 기전력을 가지는 종속전원(dependent source)으로 표현된다. 이는 집전회로에도 동일하게 적용되어 집전 측 인덕터 전압(VLrx e)은 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015102860074-pat00006
그리고, 정지 좌표계 및 동기 좌표계에서의 캐패시터 전압(VCtx s, VCtx e)은 아래의 식들과 같이 부분 적분법을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112015102860074-pat00007
Figure 112015102860074-pat00008
즉, 동기 좌표계에서 본 급전측 캐패시터 전압은
Figure 112015102860074-pat00009
와
Figure 112015102860074-pat00010
의 기전력을 가지는 종속전원(dependent source)으로 나타낼 수 있다. 물론 집전측 캐패시터 전압도 이와 동일하게 나타낼 수 있다.
따라서, 도 7의 회로는 도 8에서와 같은 동기 좌표계 등가회로 모델로 나타낼 수 있다. 물론 상기 도 8의 회로는 도 9의 동기 좌표계 d축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로 모델과 도 10의 동기 좌표계 q축 무선 전력 전송 시스템의 등가회로 모델로 제시될 수 있다.
이와 같이 동기 좌표계를 이용하면 등가회로상의 전압, 전류 등이 모두 저주파(low frequency) 성분만 남아 제어기 설계 및 상태 관측기 설계에 있어 큰 도움이 된다.
이러한 dq 등가회로를 이용하면 공진형 무선 전력전송 시스템에 관한 특성을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 저주파(low frequency) 전압 전류 성분을 이용해 제어기에 사용가능하다.
이하, 본 발명에 따른 무선 전력 전송시스템의 dq 동기 좌표계 모델을 이용한 특성을 살펴본다.
우선 본 발명에서 제안한 dq 동기 좌표계 모델을 이용하면 d축 회로의 전류들은 q축 전류성분들에 의해서 결정되고 q축 회로의 전류들은 d축 전류성분들에 의해서 결정되고, d축 급전 회로(transmitter)는 입력전압 Vs와 q축 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver)의 전류에 영향을 받고, d축 집전 회로(receiver) 전류에는 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
급전 전력의 입력은 급전 회로(transmitter) d축을 통해서 전해지며 출력은 집전회로(receiver) q축을 통해서 전달된다. 위 등가회로에서 만약 급전 회로(transmitter)와 집전 회로(receiver)의 공진주파수가 완전하게 동일하고 그 공진주파수에서 시스템을 운전하면, 각 등가회로에서 wL-1/(wC)I의 역기전력 텀(term)이 '0'이 되고 q축 급전 회로(transmitter)에는 전압이 가해지지 않기 때문에 "Iq tx= 0" 이 된다. q축 급전 회로(transmitter)의 전류가 '0'이기 때문에, d축 집전 회로(receiver)의 전류도 역시 '0'이 된다. d축 급전 회로(transmitter)에의해 발생하는 전력은 q축 집전 회로(receiver)에 전달된다.
따라서, 전력의 전달 측면에서 급전 회로(transmitter)는 d축이 메인축(main axis)이고, 집전 회로(receiver)는 q축이 메인축(main axis)이다.
이는 도 11의 전압 및 전류의 위상 다이어그램(phasor diagram)에서도 확인할 수 있다. 만약 급전 회로(transmitter)측 튜닝이 이상적으로 이루어져 "ωLtx-1/ωCtx = 0"이면, 입력전압(Vs)과 입력전류(Itx)는 도 11에서와 같이 d축에 동상(same phase)으로 위치한다.
따라서, 입력전력은 모두 d축에 있는 전압, 전류의 곱에 따라서 결정된다. 이때 집전 회로(receiver) 측에 유기되는전압 jωMItx는 Itx와 90°의 위상차가 발생하며 도시된 바와 같이 q축에 위치하게 된다.
만약, 급전 회로(transmitter) 측도 튜닝이 이상적으로 이루어져 운전주파수에서 ωLrx-1/ωCrx의 값이 '0'이 되면 도시된 바와 같이 Irx는 jωMItx와 동일하게 q축에 위치하게 된다.
따라서, 출력전력은 집전 회로(receiver)의 q축 상에 있는 전압, 전류에 의해서결정된다. 이 경우 입력전압 및 입력전류의 역률(power factor)은 '1'이고, 출력 급전 회로(transmitter) 측의 역률(power factor) 역시 '1'이다.
한편, 만약 튜닝이 완벽하지 않으면 도 13에서와 같이 d축에 입력전압이 위치했을때 Itx가 스위치의 ZVS를 위해 φtx만큼 lagging하는 형태일 수 있다. jωMItx는 이러한 Itx와 90°의 추가 lagging하는 벡터(vector)이고, Irx는 인덕터와 캐패시터의 튜닝에 따라 jωMItx보다 leading 혹은 lagging 할 수 있다.
이때, dq 모델을 이용했을 경우 Id tx, Iq tx의 비와 atan(inverse tangent)함수를 이용하면 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 전류의 위상을 즉시 알 수 있다는 장점이 있다.
즉, 전류의 위상검출 회로를 따로 구성하지 않아도 이러한 좌표변환 만으로도 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver) 전류의 위상을 지연(delay) 없이 구할 수 있다. 여기서 Vs와 Id tx는 동상이기 때문에 입력 유효전력(real power)에 기여하고, 급전 회로(transmitter) 측의 Iq tx는 Vs와 90°위상차가 발생하기 때문에 유효전력에는 기여하지 못하고 무효전력(imaginary power) 및 손실에만 기여한다는 점이 중요하다. 그리고 집전 회로(receiver) 측은 d축 전류 Id rx와 전압 ωMIq tx가 동일한 위상을 가지고, q축 전류 Iq rx와 전압 ωMId tx가 동일한 위상에 위치하기 때문에, d축과 q축 회로 모두 출력 유효전력에 기여한다.
이하, 측정된 전류 신호의 동기 좌표계 변환 방법을 설명한다.
일반적인 3상 시스템의 경우 3상(Iasin(ωt), Ibsin(ωt-2π/3), Icsin(ωt-4π/3)) 전류 신호의 동기 좌표계 변환을 위해서는 Park's transformation을 이용하여 90°의 위상차를 가지는 정지 좌표계 d축, q축 신호로 변환한 다음, 전기각속도와 동기된 좌표계 변환인, 아래의 행렬 식을 곱해 동기 좌표계 변환을 이룬다.
Figure 112015102860074-pat00011
이때, 일반적인 3상 시스템의 경우 위의 행렬식을 이용하면 동기 좌표계 d축이 a상과 동일한 위치에 오고 q축이 이와 90°위상차가 나도록 할 수 있다.
하지만, 단상 무선 전력 전송 시스템은 이와 같은 일반적인 3상 시스템과는 달리, 도 4 및 도 5에서와 같이 원래 전류신호와, 그 원래 전류신호와 90°의 위상차가 발생하는 가상의 전류신호를 센싱하는 것으로 가정해 동기 좌표계 변환을 이용할 수 있다.
즉, 도 14에 도시된 바와 같이 전류감지부(101)에서 감지되는 원래 전류신호를 센싱후 90°위상차가 발생하도록 메모리를 이용해 지연시키거나 원래 전류신호를 미분 또는 적분하면 원래 전류신호와 90°의 위상차가 발생하는 가상 전류신호를 얻을수 있다. 동기 좌표계 변환에 필요한 각은 입력 전압 벡터 Vs가 d축상에 위치한다고 가정했으므로, 전압 벡터가 인가되는 시점을 0°로 가정해서 한 주기 동안 선형적으로 2π만큼 변하는 임의의 각을 만들어서 진행하면 된다.
전술한 바와 같이 3상 시스템의 동기 좌표계 변환은 a상에 sin(ωt) 형태의 전류가 흐른다고 가정하고 좌표변환을 하게 되면 동기 좌표계의 d축이 a상과 일치되도록 설계되어 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 경우 d축 및 q축 등가회로 모델을 구하기 위해 전압 및 전류가 d축에 cos(ωt)의 함수를 가진다고 가정하고 유도하였으므로, 3상 동기 좌표계 변환의 경우와 90°의 위상차를 가지고 d축 및 q축 좌표계가 위치하게 된다. 입력된 원래 전류신호는 가상 신호 생성(102)을 통해 가상의 정지 좌표계 상 q축 전류를 원래 전류신호 대비 90°지연하는 가상 전류신호를 생성하고, 좌표계 변환(103)을 통해 두 개의 전류신호인 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하면 저주파(low frequency) 성분의 전류만 남게 된다. 이는 아래와 같은 좌표 변환 행렬을 이용해 곱해주면, 실제 전류 신호의 동기 좌표계 변환값과 위에서 도출한 dq 등가회로의 크기나 부호가 일치하게 된다.
Figure 112015102860074-pat00012
이러한 좌표 변환을 이용하여 동기 좌표계에서 보면 전류의 엔벨로프(envelope)만 남게되어 Id tx, Iq tx, Id rx, Iq rx 네 가지 저주파(low frequency) 성분값을 가질 수 있고, 이들은 스테디스테이트(steady state)에서는 dc 값을 갖는다.
따라서, 이러한 dq 모델링 및 변환기술은 제어기 설계 및 대역폭(bandwidth) 선정에 큰 도움을 준다.
이하, 본 발명에 따른 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템에서의 동기 좌표계 모델을 이용한 급집전 전류 상태 관측기의 설계 예를 설명한다.
도 9 및 도 10의 DQ모델을 이용하면 도 15에 도시된 바와 같이 급전 회로(Transmitter) 측 D축 및 Q축 전류상태 관측기를 설계할 수 있다. 이때 ^ 은 제어기에서 알고 있는 추정치를 의미하며, Vs *는 공진인버터의 전류 제어기 출력 전압 지령을 의미하며, Id tx 및 Iq tx 값은 급전 회로(Transmitter) 측 D축 및 Q축 전류를 측정한 값이며,
Figure 112015102860074-pat00013
는 상태 관측기를 이용해 추정한 값이다. 만약 집전 회로(receiver) 측 D축 및 Q축 전류 Id rx 와 Iq rx의 측정이 가능하면, 도 15에 도시된 바와 같은 전류 상태 관측기는 완벽한 전류 상태 관측기라고 할수 있다. 하지만 집전 회로(receiver) 측 D축 및 Q축 전류 Id rx 와 Iq rx는 집전측이라 급전 측에서 직접 측정할 수 없고, 측정시에는 무선 통신을 이용한 feedback 만이 가능하며, 이는 무선 통신시 일반적으로 딜레이(delay)가 10 ms 이상으로 커 제어에 사용할 수 없거나, 제어 안정성을 떨어뜨려 상태 관측기의 완벽한 구성이 불가능하다.
이에 본 발명에서는 도 15에 제안된 상태 관측기를 수정해 집전 회로(receiver) 측 D축 및 Q축 전류 Id rx 와 Iq rx를 추정하는 방법을 제안한다. 즉 도 15의 상태 관측기에서 feedback 제어기 출력을 제외한 Feedforward term 들이 정확하면, PID controller의 출력은 '0' 이된다. 하지만 전술한 바와 같이 집전 회로(receiver) 측 D축 및 Q축 전류 Id rx, Iq rx 관련한 term들이 없으면, PID 제어기의 출력은
Figure 112015102860074-pat00014
,
Figure 112015102860074-pat00015
들의 값을 가진다.
따라서, PID 제어기 출력에
Figure 112015102860074-pat00016
을 곱하면, 집전 회로(receiver) 측의 D축 및 Q축 전류 추정치
Figure 112015102860074-pat00017
,
Figure 112015102860074-pat00018
를 구할 수 있다. 이는 도 16에 도시된 바와 같다. 이러한 외란 추종 형태의 상태 관측기는 제어기의 대역폭(bandwidth)까지 추종을 잘하는 것으로서, 이러한 집전 회로(Receiver)측 전류 상태 관측기를 이용하면 도 17에 도시된 바와 같이 집전 회로(Receiver)측 전류를 제어하도록 전류 제어 장치를 구성할 수 있다.
도 17을 참고하면 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 전류 추정 시스템(100)은 급전 회로(transmitter)의 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 전류감지부(101)와, 전류감지부(101)에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 원래 전류신호와 가상 전류신호를 재생산하는 가상 신호 생성 모듈(110)과, 상기 가상 신호 생성 모듈(110)을 통해 출력되는 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈(120)과, 상기 동기 좌표계 변환 모듈(120)에서 추출된 전류의 크기 및 위상을 이용해 부하인 집전 회로(receiver) 측의 전류 상태를 추정하는 전류 상태 관측기(130)로 구성되며, 상기 전류 상태 관측기(130)에서 추정된 전류의 크기 및 위상 등의 정보는 공진인버터(141)의 구동을 제어하는 전류제어기(140)로 전달된다.
이때, 전류감지부(101)를 통해 급전 회로(transmitter)의 센싱된 단상 전류인 원래 전류신호는 가상 신호 생성 모듈(110)을 통해 90°위상차를 갖는 두개의 전류신호 즉 원래 전류신호와 가상 전류신호로 재 생산된다. 이후 동기 좌표계 변환 모듈(120)을 통해 두 개의 전류신호인 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하면 저주파(low frequency) 성분의 전류만 남게 된다.
이후 동기 좌표계 변환 모듈(120)에서 추출된 전류의 크기 및 위상은 전류 상태 관측기(130)로 입력되어 별도의 집전 회로(receiver) 측의 전류 상태 감지를 수행하지 않고서도 집전 회로(receiver) 측의 전류 상태를 추정하여 전류제어기(140)로 피드백되어 상용 주파수 전원을 고주파 주파수 전원으로 변환하는 공진인버터(141)의 구동을 제어하는데 이용된다. 물론, 그에 따른 집전회로의 수신측회로(200)의 전류가 제어되며 집전 전력은 부하(201)로 공급된다.
한편, 집전 회로(Receiver) 측 등가 저항의 값을 알고자 하면, 간단하지만 오차가 있는 방법은 바로 아래 식처럼 입력 전력을 출력 전류로 나누는 것이다.
Figure 112015102860074-pat00019
즉, 급전 회로 측 d축 전력을 집전 회로 측 전류 추정치의 절대값으로 나누어 집전 회로 측 전압 추정치를 산출하고, 산출된 전압 추정치의 절대갑을 집전 회로 측 전류 추정치의 절대값으로 나누어 집전 회로(Receiver) 측 등가 저항의 값을 구한다. 이와 같은 방법은 간단하게 부하저항을 관측할 수 있지만, 무선 급전 시스템의 효율이 100%가 아니기 때문에 오차가 있으며, 출력 전력이 작을 때 효율이 나쁘기 때문에 오차는 더욱 커진다.
두번째 방법은 Receiver측 DQ 모델을 이용해 도 18에서와 같이 상태 관측기의 형태로 구할 수 있다. 도 18의 부하저항 관측기에 의하면 집전 회로 측 전류 추정치가 PID제어기로 입력되면 연산과정을 거쳐 집전 회로 측 전압 추정치를 산출하고, 그 산출된 축 전압 추정치를 PID제어기로 입력값인 집전 회로 측 전류 추정치로 나누어줌으로서 부하저항 추정치를 산출할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 예를 설명한다.
본 발명의 일 실시 예로 급전 회로(transmitter) 및 집전 회로(receiver)의 코일 인덕턴스는 30μH이며, 부하는 3Ω, 60kHz에 Series-Series 튜닝이 된 도 19 내지 도 21과 같은 회로의 dq모델, 변환 및 이를 이용한 전류 관측기 및 부하 저항 관측기 설계를 들수 있다.
이를 Matlab simulink를 이용하여 DQ모델, DQ변환 및 이를 이용한 전류 관측기 및 부하 저항 관측기 설계를 시뮬레이션하면 도 3의 고주파 공진회로는 도 19 내지 도 21과 같은 모델로 표현된다.
이때, 도 19에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 AC모델에 약 600V의 square wave형태의 전압을 인가하면 도 22에 도시된 바와 같이 약 400A peak의 sine형태 전류가 급전 회로(transmitter)에 흐른다.
한편, 도 23에는 DQ모델에 인가된 전압이 AC모델에 인가된 전압과 동일할 때 급전 회로(transmitter)에 흐르는 전류가 AC모델에 흐르는 전류의 peak값을 잘 따라서 움직이는 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 23의 그래프에서 노란색, 분홍색은 AC 모델의 전압 및 전류이며, 파란색과 빨간색은 DQ모델의 전압 및 전류이다. DQ모델의 전류(빨간색)가 분홍색의 AC모델 전류의 peak 값을 delay없이 잘 트랙킹(tracking)하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 23은 DQ모델에 인가되는 전압 및 집전 회록(transmitter) 측 코일(coil)의 전류 그래프이고, 도 24는 무선 전력 전송 시스템의 집전 회로(Receiver ) 측 DQ 전류 상태 관측기 모델을 도시한 도면이다.
또한, 도 25의 (a) 내지 (d)는 집전 회로(transmitter) 측 전류 및 부하 상태 추정기 블록의 상세 구성도로서, (a)는 집전 회로(receiver) 측의 q축 전류 추정치
Figure 112015102860074-pat00020
를 추정하기 위한 관측기의 구성을 도시한 도면이고, (b)는 집전 회로(receiver) 측의 d축 전류 추정치
Figure 112015102860074-pat00021
를 추정하기 위한 관측기의 구성을 도시한 도면이고, (c)는 집전 회로(receiver) 측의 q축 전류 추정치
Figure 112015102860074-pat00022
를 이용한 부하 저항 추정기의 구성을 도시한 도면이고, (d)는 집전 회로(receiver) 측의 d축 전류 추정치
Figure 112015102860074-pat00023
를 이용한 부하 저항 추정기의 구성을 도시한 도면이다.
또한, 도 26의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 상태 관측기를 이용한 전류 및 부하 저항 추정 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프로서, 급전 회로(Transmitter) 측 전류 측정후 도 25의 전류 상태 추정기 및 부하 저항 추정기를 이용해서 추정한 집전 회로(Receiver) 측 전류와 부하 값을 실제 값과 비교한 그래프이다. 시뮬레이션 조건은 시뮬레이션 초기에 3Ω의 등가 저항을 가지는 부하가 있는 상태에서 2㎳에 등가 저항의 값이 6Ω으로 변하는 경우를 가정했다. 도 26에서 확인되는 바와 같이 집전 회로(Receiver) 측 d, q축 추정 전류는 실제 전류를 거의 오차 없이 따라가는 것을 볼 수 있고, 부하 저항의 값은 시뮬레이션 초기에는 약 100㎲ 만에 실제 값을 추종해 가는 것을 볼 수 있으며, 3Ω에서 6Ω으로 변할 때는 약 40㎲ 만에 추종해 가는 것을 확인 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 부하 추정 시스템 101: 전류감지부
110: 가상 신호 생성 모듈 120: 동기 좌표계 변환 모듈
130: 전류 상태 관측기 140: 전류제어기
200: 수신측 회로 201: 부하

Claims (11)

  1. 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 부하 모니터링 방법에 있어서,
    급전 회로의 단상 전류인 원래 전류신호를 감지하는 제1단계;
    상기 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖도록 가상 전류신호를 생성하는 제2단계;
    상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 제3단계;
    상기 추출된 전류 신호를 이용해 집전 회로측 부하를 추정하는 제4단계;로 구성되고,
    상기 제4단계는, 상기 추출된 급전 회로측 전류 신호를 PID 제어를 수행한 후
    Figure 112017105829894-pat00058
    을 곱하여 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단계는, 급전 회로(transmitter)의 단상 전류를 센싱하는 단계인 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 원래 전류신호가 입력되면 가상의 정지 좌표계 상 q축 전류를 원래 전류신호 대비 90°지연하는 가상 전류신호를 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제3단계는, 상기 원래 전류신호와 가상 전류신호를 좌표변환 공식을 이용해 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 전류신호를 추출하는 단계인 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 4단계는 상기 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 PID 제어를 수행하여 집전 회로(receiver) 측의 전압 추정치를 더 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 집전 회로(receiver) 측의 전압 추정치를 상기 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치로 나누어 부하 저항 추정치를 더 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 모니터링 방법.
  8. 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 단상 전류를 감지하는 전류감지부에서 감지된 원래 전류신호를 이용해 90°위상차를 갖는 지연 전류신호를 생성하는 가상 신호 생성 모듈과;
    상기 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 동기 좌표계 변환 모듈과;
    상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 변환 전류 신호의 크기 및 위상을 산출하는 크기 및 위상 산출모듈과;
    상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 전류의 크기 및 위상을 이용해 부하인 집전 회로(receiver) 측의 전류 상태를 추정하는 전류 상태 관측기;로 구성되고,
    상기 전류 상태 관측기는 상기 동기 좌표계 변환 모듈에서 추출된 급전 회로측 전류 신호를 PID 제어를 수행한 후
    Figure 112017105829894-pat00059
    을 곱하여 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 산출하는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 추정 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 동기 좌표계 변환 모듈은 상기 가상 신호 생성 모듈을 통해 출력되는 원래 전류신호와 지연 전류신호를 좌표변환하여 저주파(low frequency) 성분의 변환 전류 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 추정 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 전류 상태 관측기의 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치를 PID 제어를 수행하여 집전 회로(receiver) 측의 전압 추정치를 더 산출하고, 상기 집전 회로(receiver) 측의 전류 추정치로 나누어 부하 저항 추정치를 더 산출하는 부하 저항 관측기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 공진형 무선 전력 전송 시스템의 동기 좌표계 dq 모델링을 이용한 부하 추정 시스템.
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