본 연구에서는 계통 연계 3상 인버터를 위한 LCL 필터를 설계 방법론을 연구하였다. 먼저, 대표적인 필터 구조들에 대해서 3상 인버터의 계통 연계를 위한 필터로서의 적용 시 장단점을 분석하였다. 다음, 3상 인버터의 계통 연계를 위한 필터 설계 방법론들을 분석하여 그리드 연계 시 고조파 요구 조건을 만족할 수 있는 효과적인 필터 설계 방법론을 결정하였다. 그리고 설계 방법론의 유효성을 확인하기 위해서 EMTP-RV를 이용하여 3상 인버터, LCL 필터 그리고 필터의 성능을 평가하기 위한 성능 평가 시스템을 모델링 하였다. 끝으로, 하나의 3상 인버터에 대한 LCL 필터를 설계하였으며, EMTP-RV 시뮬레이션 작업을 통해 3상 인버터의 출력 전류 리플의 크기가 제한됨을 확인함으로서 설계 방법론의 유효성을 검증할 수 있었다.
본 논문에서는 LCL 필터의 성능 검증을 위한 SPWM 제어기반의 3상 인버터 출력 파형 발생 장치를 개발하였다. 필터의 성능 검증을 위한 검사 신호를 얻기 위해 먼저, DSP 기반의 3상 SPWM 신호 생성 알고리즘을 개발하였으며, 동시에 3개의 하프 브리지 게이트 드라이버를 이용하여 SPWM 게이트 구동 신호들로부터 3상 SPWM 출력 파형을 발생시키기 위한 3상 전압형 인버터 회로를 설계하였다. 다음, 개발된 SPWM 기반 3상 인버터 출력 파형 장치의 검사 신호 발생 장치로서의 유효성을 검증하기 위해 하나의 LCL 필터가 실험, 제작되었으며, DSP 기반의 성능 검증 시스템이 실험적으로 구축되었다. 끝으로, 주어진 시비율을 가지는 출력 제어 실험에서 LCL 필터의 전 후의 3상 전압 파형을 비교함으로써 SPWM 기반 3상 인버터 출력파형 발생 장치의 유효성을 확인할 수 있었다.
Zheng, Hong;Liang, Zheng-feng;Li, Meng-shu;Li, Kai
Journal of Electrical Engineering and Technology
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제10권4호
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pp.1626-1634
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2015
LCL filters are widely used in three-phase PWM converter for its advantages of small volume, low cost and inhibition of high frequency current harmonic. However, it is difficult to optimize its design because its parameters are mutually influenced while the value of each parameter for LCL filter has impacts on the converter's cost and size. In this paper, the target of optimization is to minimize the parameter values of LCL filter, and an optimization method for parameters of LCL filter of three-phase PWM converter based on least square method is proposed. With this method, a quantitative calculation of the harmonic component of the converter’s side phase voltage is performed first, and then the quantitative relationship between phase voltage harmonics and grid phase current harmonics is analyzed. After that, the attenuation requirement of each harmonic is obtained by taking into account the requirements for each harmonic component of grid current. Then according to the optimization objective, the objective function with minimum harmonic attenuation deviation is established, and least squares method is adopted for three-dimensional global searching of parameters for LCL filter. Thus, the designed harmonic attenuation curve approximates the minimum attenuation requirements, and the optimized LCL filter parameters are obtained. Finally, the effectiveness of the method is verified by the experiments.
The analysis and design process of the LCL filter with passive damping circuits for three-phase grid-connected inverter are presented based on the generalized model of LCL filter. Several types of the passive damping circuits in previous studies could be compared and analyzed by using the generalized model considering various design criteria of passive damping circuits. According to the analysis in this paper, a reasonable configuration of passive damping circuits for three-phase grid-connected inverters is proposed. The validity of the proposed design process is verified by informative simulation and experimental results.
This paper proposes a design method of LCL-filter for a grid-connected three-phase inverter using a discontinuous PWM (DPWM) method. When using a DPWM method, many harmonic voltages are generated in the inverter output compared to a continuous PWM (CPWM) method. Therefore, an optimized grid-connected filter design is required for a DPWM method. The proposed design method provides generalized formula to design accurate LCL-filter without trial and error procedures. An inverter side inductance is designed by analyzing the current ripple injected to the grid. The Optimized parameters of LCL-filter can be designed by analyzing the total harmonic distortion (THD) and the ripple attenuation factor of the output current. The proposed LCL filter design method is demonstrated by simulation and experimental results.
본 논문에서는 총고조파 왜율(THD, Total Harmonic Distortion)과 리플 감쇄율(RAF, Ripple Attenuation Factor)을 이용한 계통연계 인버터용 LCL 필터 설계 방법을 제안한다. 인버터 측 인덕터 전류의 총고조파 왜율($THD_i$)과 필터 커패시터와 계통 측 인덕터 사이의 전류 리플 감쇄율(RAF), 그리고 계통에 주입되는 전류의 총고조파 왜율($THD_g$)의 관계를 분석하여 관계식을 도출하고, 이 관계식을 바탕으로 계통 주입 전류의 $THD_g$ 목표치를 만족하는 $THD_i$와 RAF를 선정하여 계통 측 인덕터($L_g$)와 인버터 측 인덕터($L_i$)의 인덕턴스 값을 계산한다. 한편 커패시터의 커패시턴스 값은 커패시터에 유입되는 무효전력을 고려하여 선정한다. 제안한 방법으로 LCL를 설계하여 시뮬레이션과 실험을 통해 계통에 주입되는 전류의 $THD_g$가 목표치를 만족하는 것을 보임으로써 설계 방법의 타당성을 입증한다.
LCL filters are widely used in high-order harmonics attenuation of output currents in grid-connected inverters. However, output currents of grid-connected inverters with LCL filters can become unstable because of the resonance of the filters. Given that the characteristics of output currents in inverters mostly depend on filter performance, the exact analysis of filters by considering parasitic components is necessary for both harmonics attenuation and current control. LCL filters have three or four parasitic components: the series and/or parallel resistance of the filter capacitor and the series resistance of the two filter inductors. Most studies on LCL filters have focused on the parasitic components of the filter capacitor. Although several studies have addressed the parasitic components of the filter inductor at the inverter side, no study has yet investigated the concurrent effects of series resistance in both filter inductors in detail. This paper analyzes LCL filters by considering series resistance in both filter inductors; it proposes an active damping method based on the virtual series resistance of LCL filters. The performance of the proposed active damping is then verified through both simulation and experiment using Hardware-in-the-Loop Simulator(HILS).
본 논문은 계통 연계형 3-레벨 인버터 시스템을 위한 LCL-필터 설계 방법을 제안한다. 최근 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지 발전 시스템을 위한 3상 PWM 인버터의 수요가 증가하고 있다. 이러한 PWM 인버터는 스위칭 동작에 의해 발생하는 고조파 성분을 제거하기 위하여 LCL-필터를 거쳐 계통과 연결된다. 필터 설계에 관한 다양한 연구가 진행되었지만 최소의 사이즈로 목표하는 고조파 제거 성능을 얻기 위해서는 해당 PWM 인버터의 스위칭 방법을 고려한 필터 설계 방법이 요구된다. 본 논문은 공간 전압벡터 변조기법(SVPWM)에 최적화된 LCL-필터 설계방법을 제시한다. 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 제안하는 방법으로 설계된 LCL-필터의 성능을 검증한다.
A new design method for the LCL filters of three-phase voltage source PWM rectifiers is presented in this paper. Based on the single-phase harmonic equivalent model, the harmonic voltage of the rectifier side is calculated to design the LCL filter parameters by an iterative algorithm, in which the resonance frequency $f_{res}$ and the ratio r between the grid-side inductance and the rectifier-side inductance are selected as known constants. The design criteria and process are introduced and the influence on the design result by the value of the resonance frequency $f_{res}$, ratio r is analyzed. Finally an example (600V, 500kW) is tested by simulation and experiment to verify the validity of the new design method.
This paper proposes an LCL-filter design for space vector pulse width modulation (SVM) in grid-connected three-phase inverter systems. Although there are a several studies in progress, the existing methods are erroneous because they do not focus on the other switching methods. This paper presents the design methodology for an LCL-filter that is optimized for SVM switching operations. The design procedure for the LCL-filter is presented step-by-step. The inverter-side inductor was determined by an analysis of the ripple components, mathematically. Based on the reactive power absorption ratio, the filter capacitor was determined. The grid-side inductor was determined by the ripple attenuation factor of the output current. Experimental results verify the validity of the design method for the LCL-filter.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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