연료 지 계통연계형 인버터의 Islanding에 강인한 PLL 기법

윤선재*, 권 범

*, 최세완

*, 최우진

**, 이교범

***서울산업 학교

*, 숭실 학교

**, 아주 학교

***

A Robust PLL Algorithm under Islanding of Utility Interactive Inverter for

Fuel Cell

Sunjae Yoon*, Junbum Kwon

*, Sewan Choi

*, Woojin Choi

**, Kyobeum Lee

***Seoul National Univ. of Tech.*, Soongsil Univ.**, Ajou Univ.***

ABSTRACT

계통연계 인버터에서 계통과 상을 일치시키기 한 고성능

의 PLL 알고리즘을 필수 이다. 기존 PLL 알고리즘의 경우

계통에 이상이 발생한 후 단독운 검출 까지 출력 주 수가

변동하는데, 특히 NDZ와 통신지연등의 요인에 의하여 크게 변

동된 주 수는 주요부하에 심각한 향을 미칠 수 있다.

본 논문에서는 단독운 검출 에도 출력 주 수가 변동하지

않는 PLL알고리즘을 제안하고 시뮬 이션과 실험을 통해 그

타당성을 검증한다.

1. 서 론

최근 신재생에 지의 보 이 확산되면서 신재생에 지원을

분산발 의 형태로 계통에 속하는 계통연계 기술이 요구되고

있다. 특히 연료 지를 이용한 분산발 시스템은 주변 기후환

경 요인에 향을 받지 않고 설치면 이 타 에 지원과 비교하

여 작으므로 차세 에 지로 각 받고 있다. 연료 지를 이용

한 분산발 시스템은 계통에 에 지를 공 할 뿐만 아니라 독

립부하 연료 지 자체부하인 M-BOP(Mechanical Balance

of Plant)에도 안정 인 원을 공 해야 한다.

분산발 시스템에서 주 원 계통에 정 이 발생하는 경우에

도 분산발 시스템이 주 원으로부터 분리되지 않고 계속 동작

하는 상황을 단독운 (Islanding operation)이라고 하는데, 독립

부하 M-BOP가 연결되어 있는 연료 지 발 시스템의 경

우 이러한 단독운 상황을 검출하여 의도 인 단독운 으로

환해야 한다. 그러나 단독운 검출 알고리즘에 따른 불검출

역(nondetection zone; NDZ)과 통신지연 등의 요인에 의하여

주 원계통의 고장이 연료 지 발 시스템에서 즉시에 인식이

되지 못하게 된다면 상당한 시간동안 독립부하 M-BOP 등

에 공 압이 심한 과도상태에 놓이게 되어 시스템에 심각한

향을 수 있게 된다.[1]

이와 유사한 문제 을 해결하기 해 UPS에서의 용을

목 으로 PI 출력을 제한하고 안티와인드업을 사용하는 PLL알

고리즘이 제안된바 있다.[2] 하지만 이러한 PLL알고리즘은 PI출

력을 제한하므로 설정할 수 있는 PI게인에 제한이 있어서 빠른

동특성을 얻기에는 한계가 있다.

본 논문에서는 연료 지 발 시스템에서 단독운 검출

에도 PLL의 출력 주 수가 변동되지 않아 독립부하

M-BOP에 안정 인 압을 공 할 수 있으며 빠른 동특성을

갖는 PLL알고리즘을 제안한다. 제안하는 방식은 시뮬 이션과

실험을 통하여 타당성을 검증하 다.

2. 제안하는 PLL 기법

분산발 시스템이 계통과 연계되기 해서는 주 원 계통의

상과 인버터의 출력을 정확하게 동기 시켜야 하므로 계통의

상정보를 검출하는 기법이 필수 이다. 일반 으로 상정보

를 검출하는 기법으로는 PLL을 사용하며, dq PLL, αβ PLL 등

다양한 PLL 기법들이 존재한다.[3] 그림 1은 가장 많이 사용되

고 있는 dq PLL기법의 제어 블록도를 나타낸다.

그림 1 기존의 dq PLL 제어블록도

Fig. 1 A control block diagram of the conventional dq PLL

dq PLL은 3상의 계통 압을 동기좌표 변환한 뒤 d축 압

을 0으로 제어함으로써 계통과 일치하는 상각을 얻는 방법으

로 d축 압을 제어하는 PI제어기와 그 출력을 분하여 상

각을 얻는 Integrator로 이루어져있다. PI제어기의 출력은 Δω에

해당하며 60Hz에 해당하는 ωff와 더해져 각속도를 얻고 이를

분하여 원하는 상각 θ를 얻는다. 얻어진 상각 θ를 수식

으로 표 하면 다음과 같다.

(1)

PLL알고리즘이 시작되는 과도상태에서는 PI제어기의 출력

Δω가 0이 아닌 값으로 출력되어 주 수가 변조되면서 PLL 출

력 상각이 계통 압의 상각과 일치하도록 조정된다. 과도

상태를 지나 정상상태에 이르면, PI제어기의 출력 Δω는 0이 되

고 PLL 출력 상각은 60Hz의 주 수를 갖게 된다. 하지만 이

와 같은 PLL 구조는 주 원 계통에 이상이 발생하여 Islanding

상황이 되는 경우 기 이 되는 상각의 정보를 얻을 수 없으

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(a) Vgrid (a) Vgrid

(b) Vcap (b) Vcap

(c) Vgrid d축 (c) Vgrid d축

(d) PI 출력 (d) PI 출력

(e) PLL 출력 위상각(angle) (e) PLL 출력 위상각(Ref_angle)

그림 4 기존의 dq PLL 시뮬레이션

Fig. 4 Simulation waveform of the conventional dq PLL

그림 5 제안된 dq PLL 시뮬레이션

Fig. 5 Simulation waveform of the proposed dq PLL

므로 PI제어기의 출력이 비정상 으로 가변되어 출력주 수가

변동되는 문제 이 발생한다.

IEEE 1547 계통연계 규정에 의하면 계통이 정 되어 분산

발 시스템이 비의도 인 단독운 을 할 경우, 분산발 시스템

은 이를 감지하여 0.16 (약 10주기)안에 의도 인 단독운 으

로 모드 환을 해야 한다고 규정하고 있다.[4] PLL의 동특성을

고려하여 PI제어기의 게인 값을 결정하여 시뮬 이션 한 결과,

그림 4와 같이 기존의 PLL기법은 계통이상이 발생되고 약 3주

기 만에 출력주 수가 -10Hz까지 변동되는 것을 알 수 있다.

만약 단독운 검출에 이보다 많은 시간이 소모된다면 독립부

하에 심각한 향을 수 있는 주 수 변동이 일어날 수 있

다.

그림 2는 계통이상이 발생한 후 단독운 검출 에도 출력

주 수가 변동하지 않는 제안한 PLL 기법의 제어블록도이다.

제안한 PLL은 d축 압을 제어하는 PI 제어기 출력이 Δθ가

되며 60Hz에 해당하는 θff와 더해져 계통 압의 상각과 일치

하는 상각을 출력한다. θff는 60Hz에 해당하는 ωff를 분하

여 얻은 상각이다. 제안한 PLL의 출력 상각을 수식으로

표 하면 다음과 같다.

(2)

θff는 60Hz의 주 수를 가지는 상각이며 Δθ는 계통 압의

상각과의 차이를 보상하기 한 각도 값이므로, 제안한 PLL

의 출력 상각의 주 수는 언제나 60Hz로 일정하다. 그러므로

계통이 정 되어 단독운 검출 계통 상에 한 올바른

정보를 얻지 못하는 경우에도 제안한 PLL의 출력 주 수는 변

동하지 않는다.

그림 2 제안한 dq PLL 제어블록도

Fig. 2 A block diagram of the proposed dq PLL

3. 시뮬 이션 실험

제안한 PLL 기법의 성능을 확인하기 하여 PSim 시뮬

이션과 실험을 수행하 다. 시뮬 이션은 각 시간에 따라 모드

를 변경하면서 수행하 으며, 시뮬 이션 실험 구성도는 그

림 3와 같다. 그림 4와 그림 5는 각각 기존의 PLL 기법과 제

안된 PLL 기법의 시뮬 이션 형이다.

그림 3 시뮬레이션 및 실험 구성도

Fig. 3 A Simulation and Experimental Setup

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기존의 PLL 기법의 출력 상각은 그림 4-(e)이며, 제안된

PLL 기법의 출력 상각은 그림 5-(e)에서 기존 60Hz에 해당

하는 상각에 PI 보상부분이 더해진 란색 형이다. 계통과

상이 동기화 되는 상호 환 모드에서 기존의 PLL와 제안한

PLL의 동특성과 동기화 과정을 볼 수 있다. 기존의 PLL은

상각의 주 수가 가변되면서 동기화 되었고, 제안한 PLL은 계

통과 차이나는 상각만큼 더해져 주 수는 그 로 유지되면서

동기화 되었다. 계통이 정 되어 단독운 이 검출되는 0.24 s ~

0.3 s동안 기존의 PLL 기법의 출력 상각은 주 수가 변동하

여 단독운 이 검출되기 직 의 주 수가 50Hz정도로 약

-10Hz정도가 변동하 다. 반면에 제안된 PLL 기법의 출력

상각은 주 수가 그 로 유지되어 단독운 검출 직 에도

60Hz로 출력되었다.

그림 6과 그림 7은 다음의 실험 라미터에 하여 기존의

PLL기법과 제안된 PLL 기법을 사용하여 실험한 결과이다.

․Po = 1kW ․VLL = 110V ․fs = 10kHz

․L = 1mH ․C = 7uF ․Lg = 0.5m

인버터가 계통연계 모드로 동작하고 있을 때 계통의 정 상

황에서 인버터 출력 압과 PLL 출력 상각을 출력하여 실험

결과를 확인하 다.

기존의 PLL 기법은 계통에 정 이 발생하면, 인버터 출력

압의 주 수가 변동하여 약 5 주기 동안에 50Hz정도의 주

수로 감소하 다. 반면에 제안된 PLL 기법은 계통에 정 이

발생하 음에도 출력 압의 주 수가 60Hz로 유지되었다.

4. 결 론

본 논문에서는 연료 지 발 시스템에서 단독운 검출

PLL의 출력 주 수가 변동하는 상황에 해 수식 시뮬 이

션을 통해 확인하고, 이를 개선하여 출력주 수가 고정된 PLL

기법을 제안하 다. 제안된 PLL 기법은 기존의 PLL 기법의

동특성을 하 시키지 않으며, 계통이 정 된 상황에서도 원하

는 출력주 수를 유지하 다. 제안된 PLL 기법은 기존의 PLL

기법과 비교하여 시뮬 이션 실험을 통해 타당성과 성능을

검증하 다.

그림 6 기존의 dq PLL 실험파형

Fig. 6 Experimental Waveforms of the conventional dq PLL

그림 7 제안된 dq PLL 실험파형

Fig. 7 Experimental Waveforms of the proposed dq PLL

이 논문은 기 력연구원의 “연료 지용 고성능 계통연

계형 력변환기 제어기술 개발” 과제 연구비 지원에

의하여 연구되었음

참 고 문 헌

[1] H.Kim, T.Yu and S.Choi, "Indirect Current Control

Algorithm for Utility Interactive Inverters in Distributed

Generation Systems," in Proc. 2006 IEEE Power

Electronics Specialists Conf., pp 1-6.

[2] 지 근, 김효성, 설승기, 김경환, “무정정 원장치에 합한

주 수 제한기와 안티 와인드업을 가지는 PLL 방식”,

2004. 7 력 자학술 회논문집, pp. 778~772.

[3] A.V.Timbus, M.Liserre, R.Teodorescu and F.Blaabjerg,

"Synchronization Methods for Three Phase Distributed

Power Generation Systems. An Overview and

Evaluation" in Proc. IEEE-IAS Annu. Meeting, 2001,

vol. 4, pp.2655-2660.

[4] Standard for Interconnecting Distributed Resources With

Electric Power Systems, IEEE Std. 1547-2003.

[5] S.Lee, J.Kang, and S.Sul, " A new phase detecting

method for power conversion systems considering

distorted conditions in power system," in Proc.

IEEE-IAS Annu. Meeting, 1999, vol. 4, pp. 2167-2172.

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