Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 38, No. 1 pp. 64~69, 2014 http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2014.38.1.64 ISSN 2234-7925 Print ISSN 2234-8352 Online 선박계통연계형단상 2 레벨인버터의 THD 저감에관한연구 김정훈 1 김성환 2 이성근 ( 원고접수일 : 2013 년 5 월 28 일, 원고수정일 : 2013 년 8 월 20 일, 심사완료일 : 2013 년 12 월 19 일 ) A study on the THD reduction of single phase 2 level inverter for grid connection for ship Jung-hoon Kim 1 Sung-hwan Kim 2 Sung-geun Lee 요약 : 본논문에서는선박내의에너지절감을위하여주거구역전원인단상 220V 교류전원에접속이가능한계통연계형단상인버터시스템을제작하여저주파 L-C 필터정수및스위칭펄스의데드타임변화에따른전고조파왜곡율 (THD) 의변화를분석하였다. 주제어 : 계통연계, 인버터시스템, 전고조파왜곡율 Abstract: There are 440V and 220V electric source in ship. A 440V source is used to drive the power system such as crane and winch on deck and pump in engine room, and a 220V source is used to drive the power source for residential zones, control devices in engine room. In this paper, we made single phase inverter system for grid connection with 220V source for ship, and analyzed THD(Total harmonic distortion) by variation of parameters of L-C low pass filter and deadtime of inverter switching. Keywords: Grid-connection, Inverter system, Total harmonic distortion 1. 서론 미래의전기에너지는기후변화문제의심화와화석연료의부족으로신재생에너지 (Renewable energy) 에의존하는비중이높아질것이다. 신재생에너지는풍력, 파력, 해양에너지, 연료전지, 태양열, 태양광발전등의재생가능한에너지를변환하여얻게된다. 선박에서도이들에너지를이용한전기에너지의생산이가능할것이다. 선박은대부분이 3 대이상의발전기를가지고있다. 이들발전기로부터생산된 440V 3상전원은갑판위또는기관실내의주요동력원으로사용되며, 변압기를거쳐 220V 전원으로감압된단상전원 은각종제어장치나선내주거구역의일반전원으로사용된다. 재생가능한에너지중에서태양전지를이용한전기에너지의생산은선박에서도가능할것이다. 다만선박의구조상대형전지를장착하는것은곤란하다 [1][2]. 본논문에서는선박에서의에너지절감을위하여주거구역내에서사용이가능한소형 100W급단상전력변환기를제작하여계통연계의가장중요한요소인 THD를감소시킬수있는방안을분석하였다. 2. 시스템구성 Corresponding Author : Division of Electrical and Electronics Engineering, Korea maritime and Ocean University, 727, Taejongro, Yeongdo-gu, Busan, 606-791, South Korea, E-mail: sglee48@kmou.ac.kr, Tel: 051-410-4821 1 CNC Department, CSCAM, E-mail: theking@hanmail.net, Tel: 031-737-7616 2 Division of Marine System Engineering, Korea maritime and Ocean University, E-mail: kksh@kmou.ac.kr, Tel: 051-410-4265
선박계통연계형단상 2 레벨인버터의 THD 저감에관한연구 2.1 전체시스템구성 Figure 1은전체제어블록도로서, 부스트컨버터, 2 레벨인버터, LC필터, TMS320F2812 마이크로프로세서 (MCU) 등으로구성된다 [3]. 직류승압용부스트컨버터는직류 25V를인버터입력레벨의직류 400V로승압하여인버터로공급하고, 2레벨인버터에서는게이트에공급되는 PWM(Pulse width modulation) 펄스에의해, 2 레벨의구형파교류전압으로바뀌어지며, 이구형파전압은 LC 필터에의해고조파가제거되어정현파가만들어진다. 계통과인버터의전압과위상을각각검출하여 MCU로전송되고, 인버터의전압과위상이계통의전압과위상을추종하도록 PWM이제어된다. 진 PWM 파형을출력하도록하였으며, 스위칭주파수 ( ) 는 60Hz의 360배인 21.6kHz가된다. 타이머가시작되면타이머클럭에의해 0부터 T1PR과같을때까지카운트를한후다시역으로 0까지감소하는카운트를하므로실질적인주기는 2 (T1PR) 이되고, 이주기가스위칭주파수의주기와같아야하므로구동클럭주파수 ( ) 가 150MHz이라할때 T1PR의값은 3472가된다. 비교레지스터는실제스위칭주파수를최소화하기위해기본적으로타이머한주기에한번만변하도록설정하며, 주기 T1PR은 360개를 1사이클로계산하였기때문에 CMPR1과 CMPR2도마찬가지로 360번계산을하게된다. Figure 1: Total control block diagram 2.2 인버터및필터구성 Figure 2는 2레벨인버터의목표전압위상이 0 일때의정현파교류출력전압을발생시키기위한마이크로프로세서 PWM 스위칭패턴을나타내고있다. PWM1은 Figure 1에서 Leg1의상부, Leg2의하부에공급되는펄스신호이고, PWM2는 Leg2의상부, Leg1의하부에공급되는펄스신호이다. 220V, 60Hz의정현파교류전압을생성하기위해삼각함수중 Sin 함수를이용하여비교레지스터값을계산하였다. 이때 Sin 함수의분해능은 360으로 1 마다그에해당하는듀티비 (Duty ratio) 를가 Figure 2: Sin0 switching pattern of inverter output sine waveform Figure 2와같이스위칭을하였을경우, 출력전압의방정식은식 (1) 과같다. (1) (2) 위식에서 는 Sin0 =0 이되어야하므로 가되어야한다. 는 PWM1 과 PWM2 사 이의데드타임이며, 를제어함으로써인버터출 한국마린엔지니어링학회지제 38 권제 1 호 (2014. 1) 65
김정훈 김성환 이성근 력전압을조정할수있다. 또한이값의변화가출력전압및전류의전고조파왜율 (THD) 에영향을주므로선박계통연계규정에만족하는운전범위에서선정되어야한다 [4][5]. Figure 3은 의변화에따라 THD 변화를알아보기위한단상 2레벨인버터의정현파 PWM 발생원리를보여주고있다. Figure 3의맨위에서와같이 의차이를가진 2개의기준파, 와주파수변조지수 =17을가지고있는반송파 이비교되어 PWM1과 PWM2의파형으로출력되는데, 이 보다클때가 PWM1이 High가되고, 반대로 이 보다작을때 PWM2가 High가되도록동작하며, 두파형의전위차 가인버터출력선간전압이된다. 여기서, 단상 PWM 인버터의출력선간전압에포함된 THD를계산하는식은식 (3) 과같고, 이식을이용하여듀티비 에의해계산된결과값은 Table 1과같다. 이표에서듀티비 가작아짐에따라서전압전고조파왜율 ( ) 이작아짐을알수가있다 [6]. Table 1: variations for 0.80 0.20 1.2251 0.82 0.18 1.2372 0.84 0.16 1.2176 0.86 0.14 1.1946 360 0.88 0.12 1.1678 0.90 0.10 1.1419 0.92 0.08 1.1136 0.94 0.06 1.0856 Figure 4는, 2레벨정현파인버터출력에포함된 21.6kHz의스위칭주파수성분을제거하기위한저주파 LC 필터이고, 식 (4) 는입력전압에대한출력전압의전달함수이다. 식 (5), (6) 은 21.6kHz의성분을 5% 이하로줄이 기위해 LC 값의범위를구한것이며, 본논문에서 는 L=2.8mH, C=0.47μF 으로선정하였다 [7]. (3) 단, s, Figure 4: Circuit of LC filter (4) (5) (6) Figure 3: PWM generating principle of single 2 level inverter 2.3 소프트웨어구성 Figure 5는인버터제어용프로그램순서도이다. 변수초기화이후에계통전압의주파수, 위상을검출하고, 그주파수에해당하는주기를계산하여 PWM의주기를조절한다. 위상값의영점에서인터럽트가발생하여 PWM 신호의시작점을정하고, 주 한국마린엔지니어링학회지제 38 권제 1 호 (2014. 1) 66
선박계통연계형단상 2 레벨인버터의 THD 저감에관한연구 3. 실험및결과고찰 Figure 7은인버터데드타임을 0.06으로고정한상태에서저주파필터의 L, C값의변화에따른인버터의출력파형을나타낸것이다. ch1과 ch2는인버터에입력되는 PWM1과 PWM2이고, ch3과 ch4는 LC필터를거친출력파형이다. 그림 (a) 와 (b) 는각각 L과 C의값을식 (5) 의범위내에속하는값과속하지않는값을선정하였을때의출력전압파형이다. (b) 의파형에비해 (a) 의파형이고조파제거특성이매우양호함을알수있다. Figure 5: Control block diagram of 2 level inverter for grid connection 파수와위상이일치하게되면계통과연계시키며, 계통연계이후에는전류검출에의해 PWM의듀티비를조정하게된다 [8]. Figure 6는주파수위상제어순서도이다. 각계통과인버터의영점펄스를입력으로받아 ( 계통영점부터인버터영점까지의시간 ) 과 ( 인버터영점부터계통영점까지의시간 ) 를계산한다. 계통의위상이앞설경우 High신호가마이크로프로세서의포트 (GPIO.B1단자) 에입력되며, 이경우주기 T에해당하는타이머의최대값 T1PR의크기에 에비례하는값을보정한다. 마찬가지로인버터의위상이앞설경우 Low신호가포트에입력되며, 이경우주기 T1PR의크기에 에비례하는값을보정한다. (a) L=2.8mH, C=0.47uF (b) L=1.2mH, C=0.1μF Figure 7: Inverter output waveforms(ch1:10v/div, ch2:10v/div, ch3, ch4 :250V/div, Time:5ms/div) Figure 6: Phase control block diagram of inverter Figure 8과 Figure 9은저주파필터의 L,C 값을각각 L=2.8mH, C=0.47μF으로고정한상태에서데드타임 의변화에따른인버터출력전압과전류의고조파를측정한파형이다. 이때전류파형은측정용전류프로브의스케일을맞추기위해 10배확대한파형이다. Figure 8은 =0.10일때의파형으로 한국마린엔지니어링학회지제 38 권제 1 호 (2014. 1) 67
김정훈 김성환 이성근 (a): Waveforms of voltage and current 서전압및전류 THD는각각 5.0%, 3.9% 이고, 3조파전압 THD는 4.9% 이다. Figure 9은 =0.06일경우의파형으로서전압및전류 THD는각각 2.7%, 1.9% 이고, 3조파전압 THD는 2.6% 이다. =0.06일때의파형이한국선급규정 ( 전압 THD는 8%, 단일고조파는 3% 를초과해서는안됨 ) 에만족된다. Figure 10은 에따른전압의 THD, 3조파, 전류의 THD 변화를나타낸다. 값이적어질수록전압과전류의 THD, 전압의 3조파가적어지는것을확인할수있다. (b): Voltage spectrum Figure 8 : Harmonic characteristics for =0.10 Figure 10: THD curves for (a): Waveforms of voltage and current (b): Voltage spectrum Figure 9 : Harmonic characteristics for =0.06 4. 결론 본논문에서는선박의협소한공간을고려하여 100W급계통연계형단상 2레벨인버터시스템을제작하여계통과연계운전을수행한후다음과같은결론을얻을수있었다. 1. 고주파제거용 L-C 저주파필터 (L=2.8mH, C=0.47μF) 를설계하여실험을수행한결과, 전압및전류의전고조파왜율이한국선급규정에적합함을확인하였다. 2. 인버터 PWM의데드타임변화에따른출력고조파특성을분석한결과데드타임변화에따라서선형적인고조파감소가됨을확인할수있었고, 한국선급규정에만족한범위를얻기위해서는데드타임을 6%(1μsec) 이내로조정해야함을확인하였다. 3. 계통의중요한변수인전압, 전류, 주파수, 위상을 32비트마이크로프로세서인 TMS320F2812 마이크로프로세서를이용하여실시간으로검출하였고, 인버터출력전압및전류는 PWM 듀티비에의 한국마린엔지니어링학회지제 38 권제 1 호 (2014. 1) 68
선박계통연계형단상 2 레벨인버터의 THD 저감에관한연구 해, 주파수와위상은계통전압의영점검출에의해 제어하였다. 후기 이연구는해양수산부의지원으로수행한해양에너지전문인력양성사업의연구결과입니다. 참고문헌 [1] J. H. Kim, J. H. Kim, H. S. Choi, K. D. Park, Y. S. Kim, and S. G. Lee, Improvement of output characteristics of power conversion system for ship s grid connection, Proceedings of the Korean Society of Marine Engineers Conference, pp. 81-81, 2012 (in Korean). [2] J. H. Kim, J. H. Kim, Y. S. Kim, and S. G. Lee, Development power converter and monitoring system for ship's grid connection, Proceedings of the Korean Society of Marine Engineers Conference, pp. 81-81, 2011 (in Korean). [3] J. C. Baek, TMS320F28X CPU Handbook, Syncworks, 2006 (in Korean). [4] J. C. Baek, DSP Hardware Design using TMS320C24 Series, Syncworks, 2005 (in Korean). [5] BIN WU, High-Power Converters and AC Drives, Willy inter Science, pp. 95-157, 2006. [6] E. C. Nho, G. B. Joung, and N. S. Choi, Power Electronics, Munundang. pp. 370-386, 2000 (in Korean). [7] K. J. Lee, N. J. Park, and D. S. Hyun, Design of an LCL filter employing a symmetric geometry and its control in grid-connected inverter applications, Power Electronics Annual Conference, pp. 250-252, 2008 (in Korean). [8] H. M. Oh, S. W. Choi, and S. J. Yoon, Control method of utility interactive PCS considering voltage quality of critical load, Power Electronics Annual Conference, pp. 175-176, 2011 (in Korean). 한국마린엔지니어링학회지제 38 권제 1 호 (2014. 1) 69