Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 4 pp. 26-33, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.4.26 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김승호 1, 박재범 1, 태동현 1, 김승종 2, 송중호 3, 노대석 1* 1 한국기술교육대학교전기전자통신공학부, 2 세방전기, 3 서울과학기술대학교 A Study on the Algorithm for Single Phase Control of IGBT PWM Rectifier Seung-Ho Kim 1, Jae-Beom Park 1, Dong-Hyun Tae 1, Seung-Jong Kim 2, Joong-Ho Song 3, Dae-Seok Rho 1* 1 Korea University of Technology & Education, 2 Global Electricity Co., Ltd, 3 Seoul National University of Science and Technology 요약최근 UPS의효율을높이기위하여무변압기형 UPS의사용이증가되고있다. 하지만무변압기형 UPS는입 출력구조상문제로인해 3상4 선식의 IGBT PWM 정류기가필요하며이는기존의 3상3 선식 PWM 정류기의 PFC 제어기법으로는중성선전류문제로동작이되지않으므로 3상4 선식 PWM 정류기의특성에맞는적절한 PWM 제어기법이요구되고있다. 3상4 선식 IGBT PWM 정류기의제어를위한제어기법으로는각상개별제어기법과 3D SVM 기법이있지만두방식모두장단점이존재한다. 각상개별제어기법은제어가불안정하고 3D SVM 기법은입력측인덕터의 L값이상당히커져야하는문제점을가지고있다. 따라서본논문에서는기존의각상개별제어방식과 d-q 제어알고리즘을접목시켜동기좌표계상에서직류로제어하는 3상4 선식 IGBT PWM 정류기제어기법을제안하였다. 또한본논문에서제안한 3상4 선식 IGBT 의 PWM 정류기제어알고리즘을바탕으로시뮬레이션과실험을수행하였다. 시뮬레이션을수행한결과, 3상4 선식 IGBT PWM 정류기를안정적으로제어하고중성선전류를줄일수있어, 본논문에서제안한방식의유효성을확인하였다. Abstract Recently, the use of transformer-less UPS has increased to improve the efficiency of UPS. However, transformer-less UPS is required in three-phase four-wire input IGBT PWM rectifier and the existing three-phase three-wire PFC algorithm cannot be applied in the three-phase four-wire system due to the neutral current problem of UPS input. To control the three-phase four-wire input IGBT PWM rectifier, there are two existing algorithms: 3D SVM and single phase control method. These two algorithms have advantages/disadvantages in controlling the rectifier. The single phase control method is unstable for controlling the rectifier and the 3D SVM method has a problem that must increase the L value of the input-side inductor considerably. Therefore, this paper proposes digital single phase control technology and another new algorithm considering the d-q control, to improve the characteristics of the existing control algorithm. In addition, this paper performed a simulation and experiment based on the proposed control algorithm. The simulation results showed that the proposed technology can control three-phase four-wire IGBT PWM rectifier in a stable manner and can also reduce the neutral current. The proposed algorithm is a useful tool for controlling the three-phase four-wire IGBT PWM rectifier. Keywords : UPS, IGBT PWM Rectifier, Single Phase Control, d-q Control * Corresponding Author : Dae-Seok Rho(Korea University of Technology & Education) Tel: +82-10-2306-2213 email: dsrho@kut.ac.kr Received October 5, 2015 Accepted April 7, 2016 Revised (1st March 23, 2016, 2nd April 5, 2016, 3rd April 6, 2016) Published April 30, 2016 26
1. 서론최근전력손실을최소화하고효율을높이기위하여 UPS(Uninterruptible Power Supply) 내의변압기를제거한무변압기형 UPS의사용이확대되고있다. 그러나무변압기형 UPS는구조상의문제로입 출력 3상4선식의토폴로지를가지게되며입력특성을개선하기위해 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) PWM(Pulse Width Modulation) 정류기를사용한다 [1-3]. 이러한 3상 4선식 IGBT PWM 정류기의 PFC (Power Factor Correction) 제어에있어 3상3선식 PWM 정류기의제어기법인 SVM(Space Vector Modulation) 으로는중성선전류폭주문제로인해동작이되지않으므로 3상4선식 IGBT PWM 정류기의특성에맞는적절한제어기법이반드시필요하다 [4]. 기존의제어기법으로는각상개별제어기법과 3D(3 Dimensional) SVM 기법이있는데, 후자는 d-q 변환에의해동기좌표계상에서제어하므로동작이안정적으로이루어지며중성선전류를최소로줄일수있는장점이있으나입력측인덕터의 L 값이상당히커져야하는문제점이있다. 또한, 기존의각상개별제어제어기법은아날로그적인방법으로제어를하므로튜닝이매우까다롭고제어가불안정하다는단점이있다 [5-6][10]. 따라서본논문에서는 3상4선식 IGBT PWM 정류기의제어를디지털제어기반의각상개별제어방식으로구현하였으며, 개별제어방식의제어를원활하게수행하기위하여 d-q 제어알고리즘을제안하였다 [7]. 각상개별제어는단상을제어하는것이므로이러한 3상에서사용하는 d-q 제어를단상제어에적용하기위해서는 APF(All Pass Filter) 를사용하는특별한메커니즘을제시하였으며, 제어방식은고속디지털제어가가능한 DSP(Digital Signal Processor) 를사용하였다 [11-12]. 2. 각상개별제어방식의 3상4선식 PWM 정류기의제어알고리즘 3상4선식 IGBT PWM 정류기는 Fig. 1과같이교류입력의중성점이직류출력의중성점과서로연결되는구조가되며, 이는기존의 3상 3선식 IGBT PWM 정류기제어방식으로는중성선전류가폭주하는등제어가 불가능하다. 따라서 3상4선식시스템에서는 3상정류기의 PFC 제어와더불어중성선전류의적절한제어가필수적이며, 3상4선식 PWM 정류기의제어특성에맞는적절한제어기법이반드시필요하다. Fig. 1. PWM rectifier of 3-phase 4-wire system 2.1 기존의 3 상 3 선식정류기제어알고리즘 AC/DC Boost 컨버터에대한컴퓨터시뮬레이션을수행하거나 DSP에의한디지털제어를구현하려면 3상의입력의전압과전류를고정좌표계와동기좌표계사이에서서로변환하는것이요구된다 [8-9]. 이를위해컨버터의전압방정식을통하여수학적모델링이필요하며, 이모델링을바탕으로디지털제어알고리즘을수행할수있다. 이들사이의변환관계는다음식과같이나타낼수있다. (1) 여기서, 는정지좌표계를동기좌 표계로바꾸는변환행렬이며, 는 좌표계를정지좌표계 로바꾸는변환행렬이다. 2.2 각상개별제어방식의정류기제어알고리즘 2.2.1 각상개별제어방식의동작모드및알고리즘 Fig. 2는 Fig. 1의 3상4선식 IGBT PWM 정류기에서 하나의상만을나타낸단상 half bridge AC/DC boost 컨 버터의각동작모드를나타낸것이다. 이회로는교류입 력측리액터 를매개로한 AC/DC 스텝-업 (step-up) 27
한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 기능을가진직류출력승압형컨버터이다. 초기동작시에전원전압 Vs는다이오드브리지회로를통해서직류측으로전력을공급하며, 출력측커패시터 C1 에는 2 Vs로직류전압이충전되고, 충전이끝나면다이오드는모두역바이어스상태가된다. 이때 IGBT S2가턴온 (Turn-on) 하면 Vs 전압은 L을통해단락모드가되므로전류는 L과 C2를통해흐르게되어 L 양단에에너지가축적되고 (Mode-1), S2가 Off되면이에너지는 S1의다이오드를통해방전하며 C1을충전시키게된다 (Mode-2). 이러한원리로교류입력측리액터의스텝-업기능에의해직류출력측커패시터의양단전압은입력전압보다높은전압을가지게된다. 또한 IGBT는 PWM 변조방식으로입력전류의크기와위상을제어하여, 입력전류를정현파에가깝게함으로서고조파성분을제거하여고역률운전이가능하도록하며, 부하측전압 가일정하게유지되도록입력 i를제어한다. 또한 Mode-3와 Mode-4는상기의메커니즘과같이교류전원전압이 (-) 반주기구간의동작상태를나타낸것이다. 지고변환과정이복잡한단점을가지고있으나, 기존의제어방식은정지좌표계상에서제어하므로벡터가회전하는상태로제어해야해서 sine wave 상태에서제어하게되는데비해본방식과같이동기좌표계상에서제어하면벡터가정지해있는것과같이보이므로제어과정이 DC로처리되어제어가안정되고튜닝이쉽다는장점이있다. Fig. 3. Block diagram of single phase control for 3-phase 4-wire IGBT PWM rectifier Fig. 2. Operate mode of single phase half bridge AC/DC boost converter 한편, 각상의전류는각상의전원전압을추종동작하여각상이독립적으로개별제어되는원리로 3상이통합적으로제어되지는않는다. 즉, 3개의 1상 half bridge AC/DC boost 컨버터가개별적으로동작하는구조이다. 2.2.2 각상개별제어방식의 d-q 제어알고리즘본연구에서는 Fig. 3과같이 d-q 제어를기반으로 3 상4선식정류기의각상을개별로제어하는알고리즘을적용하였다. 이러한 d-q 제어기반의각상개별제어방식은일반적인 SVM 방식에비해제어기의수량이많아 한편, 3상제어에사용되는 d-q 제어를단상제어에적용시키기위하여본논문에서는다음과같이 APF를적용하였다. 즉, 교류입력측의 3상전압과전류신호는디지털제어를위해 abc 좌표계-정지좌표계 (αβ)-동기좌표계 (d-q) 로의변환과정을거친다. 그러나각상개별제어방식에서는전압, 전류신호입력이단상이므로 abc-αβ 변환기를사용할수없다. 여기서정지좌표계는 2상 α-β로구성되며, 이 α-β는서로 90 위상차인점을이용해정지좌표계로의변환을위해 a상신호와크기는같고위상만 90 뒤지는가상의파형을생성한후 αβ-dq 변환기의입력에인가시킨다. 즉, 기준신호와크기는같고위상만 90 뒤지는가상의신호를만드는 APF 필터를사용하여단상제어 d-q 변환에적용하였다. Fig. 3은각상의전압과전류를검출하는데에이러한 APF를이용하여, αβ-dq 변환기의입력에인가하는상태를나타낸것이다. 따라서식 (1) 에서 좌표계를정지좌표계로바꾸는변환행렬 를제외한나머지부분은그대로적용이가능하며, 각상개별제어방식의변환행렬은다음과같이나타낼수있다. (2) 28
여기서컨버터각상의입 출력전압은식 (3) 과같고, 식 (3) 의컨버터입 출력전압과크기는같고위상이 90 뒤진임의의전압파형은식 (4) 와같이나타낼수있다. (3) 가능함을확인하였다. 이러한고역율제어는동일부하조건에서정류기의입력전류크기를감소시키고전력선및보호기기등관련전력기자재의사용을절감할수있다. (4) 따라서이러한파형을 αβ-dq 변환기의입력에인가하고동기좌표계로 d-q 변환하게되면식 (5) 와같고, 에식 (2) 를대입하면다음식 (6) 과같이나타낼수있다. 또한식 (6) 에식 (3) 과식 (4) 를대입하면최종적으로식 (7) 을구할수있다. (5) (6) Fig. 4. Current waveform of input 3-phase (7) 이상의과정과결과는교류 3상을동기좌표계로변환하는과정과같으며, 따라서이는단상회로에도위와같은방식으로동기좌표계를적용가능함을나타낸다. 한편위식 (7) 의결과는교류변수들이그교류의각속도 ( 주파수 ) 로회전하는회전좌표계에서는직류 (DC) 값으로표현됨을알수있다. 3. 시뮬레이션결과및분석 3.1 PSIM을이용한특성분석앞서 2.2.2의제어알고리즘을적용한 3상4선식정류기의유효성과타당성을검증하고실험결과를예측하기위한시뮬레이션을다음과같이수행하였다. Fig. 4는정류기의직류출력에정격용량의저항부하를인가한조건에서입력측각상의전류파형을나타내고, Fig. 5는 A상의전압과전류파형을나타낸것이다. 이그림에서와같이각상의입력전류는입력전압과동위상으로제어되며, 전체적으로 3상입력전류는입력전압과모양과위상이거의일치하여 0.99이상의고역율제어가 Fig. 5. Voltage and current waveform of input A-phase 3.2 H/W 장치를이용한특성분석 3.2.1 실험조건실험용 UPS의시스템파라미터는 Table 1과같다. Table 1. System parameter Input Voltage IGBT Input Inductor Input filter Cap. Capacity of rated power DC-link Voltage DC-link Cap. Switching frequency 3-phase 4-wire system 380/220Vrms, 60Hz 1200V 75A 0.5mH 30uF 30kW ±375V(750V) 2* 4700uF/String* 2 parallel 10kHz 29
한국산학기술학회논문지 제17권 제4호, 2016 3.2.2 실험 결과 1) 입력 측 상전류 Table 1과 같은 설계사양으로 3상4선식 AC/DC boost 컨버터를 구현한 회로도 및 구성도는 Fig. 6과 같 고, 또한 Fig. 7은 저항부하가 정격의 90%인 경우에 대 한 입력 A상의 상전압과 상전류의 파형을 나타낸 것이 고, Fig. 8은 같은 조건에서 입력 측의 3상전류 파형 그 리고 Fig. 9는 이 상태에서 입력 측의 역율 및 THDi를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이 그림에서와 같이, 입력 전류가 입력전압과 동일한 위상으로 정현파를 유지하며 Fig. 7. Phase voltage and phase current waveform of input A-Phase(resistive load 90%) 제어가 원활이 수행되고 있음을 확인하였다. (a) Schematic diagram of test equipment Fig. 8. Phase current waveform of 3-phase input (resistive load 90%) (b) Configuration of test equipment Fig. 6. Diagram and configuration of AC/DC boost converter 한편 Fig. 8은 정격출력에 대하여 저항부하 90%를 인 가한 경우에 대하여 3상 입력의 각 상 전류파형을 나타 내며, Fig. 9에서와 같이 0.99 이상의 높은 역율과 4% 이내의 낮은 THDi로 제어됨을 확인하였다. Fig. 9. Power factor and THDi(resistive load 90%) 30
2) 입력측중성선전류 Fig. 10과 Fig. 11은저항부하 25%, 100% 인가시, 입력측중성선의전류파형을나타낸것이고, Table 2 는저항부하를각각 25%, 50%, 75%, 100% 인가시각각의입력측중성선전류의크기를나타낸것이다. 중성선전류는주로 3조파성분으로비교적안정된모습을보이고있으며경부하시에는부하량에비례하여증가하기는하지만약 50% 이상의부하시에는부하량이증가하여도더이상증가하지않고유지되어 100% 부하시입력상전류 45A의약 15% 정도로유지되는것을확인할수있었다. 는다. 그러나전원전압이왜곡된경우에는전원전압의고조파성분이중성선에나타나는것을알수있다. 3) 출력단 DC-Link 전압 Fig. 12는 DC-Link 전압을 750[V] 로유지시킨무부하상태에서 100% 저항부하를인가했을때의 DC-Link 전압의과도변동파형이다. 초기기동시전압지령은목표전압까지서서히소프트스타트 (soft-start) 하도록램프 (ramp) 형태의지령을인가하여급격한전압변동에의한제어기탈조및 Overshoot 가능성을방지하였으며, 기동후목표전압에도달한후파형의좌측과같이낮은리플과일정전압으로원활이제어되는것을알수있었다. 이그림에서와같이무부하상태에서 100% 저항부하 (750V DC 41A) 를직류측에순간적으로인가한경우, 약 30msec 이내에목표치의 95% 이내로회복되는것을확인하였다. 또한, Fig. 13과 Fig. 14는 DC 측과 AC 측에있어서 100% 저항부하의투입과탈락을반복한경우로 DC Link 전압과입력측의전압및전류파형이안정되게제어됨을알수있었다. Fig. 10. Input current of neutral line waveform (resistive load 25%) Fig. 12. DC-Link output voltage waveform Fig. 11. Input current of neutral line waveform (resistive load 100%) Table 2. Current values of neutral line load capacity 25% 50% 75% 100% current of neutral 2.84A 6.04A 6.84A 7.08A 각상개별제어에서는각상의전류를전압파형에추종하여제어할뿐이러한중성선전류를직접제어하지는않으나실계통에서는전원전압의파형이양호하므로기본파전류도거의평형을이루어실용상문제가되지않 Fig. 13. DC output voltage waveform 31
한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 Fig. 14. Input voltage and current waveform 4. 결론본연구에서는 3상4선식 IGBT PWM 정류기를 d-q 제어기반의디지털각상개별제어방식으로제어하기위한 PWM 제어알고리즘을제안하였으며, 각상의단상제어에 APF를이용한 1상 d-q 제어알고리즘을적용한각상개별제어방식으로 3상4선식 PWM 정류기의실제구현및동작성능을평가하였다. 주요연구결과를요약하면다음과같다. 1) 동기좌표계를이용한단상 d-q 제어를접목시킨각상개별제어방식은안정적인 d-q 동기좌표계변환알고리즘을적용하여제어를직류로하게됨으로서기존에발생하고있는문제점을개선하였다. 2) 본연구에서제안한알고리즘으로구현한실험장치의특성을분석한결과, 입력측역율 0.99 이상, THDi 4% 이내, 직류측전압안정도 2%, 부하급변시과도특성 30mSec 및 5% 이내로복귀하여제안한알고리즘의유용성을확인하였다. References [4] John G. Tracy, Hans-Erik Pfitzer, "Achieving High Efficiency in Double Conversion Transformer-less UPS" Eaton Powerware, IEEE, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/iecon.2005.1569031 [5] E. H. Kim, J. M. Kwon, B. H. Kwon, "Transformer-less three-phase on-line UPS with high performance" IET Power Electron, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/iet-pel:20070422 [6] Xiangsheng Li, Zhiquan, Zhida Chen, and Qingzhao Fei "Analysis and Simplification of Three-Dimensional Space Vector PWM for Three-Phase Four-Leg Inverter", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 58, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/tie.2010.2046610 [7] Seung-Ho Kim, Seung-Teak Oh, Joo-kwang Lee, Sang-Won Yoo, Dae-seok Rho, "Algorithm of single phase control of IGBT PWM rectifier", Korea University of Technology and Education, 2014. [8] Sang-Hun Kim, DC and AC Motor Control, Bogdoo publishing company, pp.159-196, 268-308, 2007. [9] S.Y. Choi, R.Y. Kim, H.N. Kwon and J.W. Song, "The Control of Single Phase Inverter System Using DQ Modeling", korean institute of power electronics, announced conference proceedings in 2003, pp. 602-605. [10] K.-H. Um, Design of Semiconductor-Operated Bidirectional Transformers Driven by Polarities of Alternating Voltage Sources, The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), Vol. 15, No. 1, pp.253-259, Feb. 28, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.7236/jiibc.2015.15.1.253 [11] S.-K. Shin, B.-J. Lee, D.-W. Jang, K.-S. Kim, Implementation of a dynamic high-performance Notch Filter for Power-Line Communications, The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), Vol. 13, No. 1, pp.221-227, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7236/jiibc.2013.13.1.221 [12] T.K. Oh, H.K. choi, H.K. Lee, Design of Waveguide Low Pass Filter using Rectangular Rings and Ridges, The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), Vol. 14, No. 1, pp.7-13, Feb. 28, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.7236/jiibc.2014.14.1.7 [1] IEC 62040-3 Uninterruptible Power System, Annex-I 2011. [2] Juha Lantta, "The UPS Trend", Eaton Powerware Finland, 2003. [3] White Paper, "High Power UPS Achieves Significant Size and Weight Reductions While Enhancing Performance", Eaton Powerware, 2009. 32
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