가상 어드미턴스 기반 그리드 포밍 인버터의 구조적 고조파 불안정성 완화: 스킨 효과 모방 기법

초록

본 논문은 가상 어드미턴스‑전류 제어(VA‑CC) 구조에서 필터 인덕턴스와 가상 인덕턴스의 상호작용이 초고주파 영역에서 음의 저항을 발생시켜 비수동성을 초래함을 밝혀낸다. 이를 해결하기 위해 가상 인덕턴스와 병렬로 가상 저항을 삽입해 스킨 효과를 모방함으로써 고조파 대역에서 저항성을 증가시켜 시스템의 패시비티를 회복한다. 실험 결과, 기존 VA‑CC는 동일한 그리드 조건에서 고조파 불안정을 보였으나, 제안된 병렬 저항 방식은 안정적인 동작을 유지한다.

상세 분석

VA‑CC는 내부 전압원(IVS) 앞에 가상 어드미턴스(Yv)를 삽입하고, 전류 제어기(CC)와 전압 피드포워드(VFF)를 결합한 구조로, 전류 규제 성능을 크게 향상시킨다. 그러나 필터 인덕턴스(Lf)와 가상 인덕턴스(Lv)가 직렬로 결합될 경우, 등가 출력 임피던스 Zeq(s) 에서 2차 항 s²LfLv/Kcc,p 가 나타난다. 이 항은 jω 대역에서 –ω²LfLv/Kcc,p 라는 음의 저항을 만들어, 고조파 영역에서 시스템을 비수동적으로 만든다. 기존 설계는 R‑L 직렬 형태의 가상 어드미턴스를 사용해 전압‑전류 관계를 단순화했지만, 고주파에서 저항성 증가가 없으므로 위와 같은 음의 저항이 억제되지 않는다.

제안된 해결책은 가상 인덕턴스와 병렬 가상 저항(Rπ)을 도입해 스킨 효과를 전자적으로 재현하는 것이다. 물리적 인덕터는 고주파에서 전류가 표면에 집중돼 유효 저항이 증가하는데, 이를 가상 회로에서 Rπ와 직렬 저항(Rσ)으로 모델링한다. 전송함수 Yv,prop(s)=