최근까지 선박 및 산업용 브러쉬리스 동기발전기의 자동전압조정기는 발전기 출력전압을 싸이리스터 정류기를 사용한 위상제어를 통해 여자전류의 크기를 제어하는 방식을 주로 사용하였다. 브러쉬리스 동기발전기의 자동전압조정기는 계자권선에 직류인 여자전류를 공급하여 단자전압을 상시 일정하게 유지하고 전력계통의 역률과 무효전력을 개선한다.

그 과정은 기준 전압값에 대한 자동전압조정기의 제어신호에 따라 3상 전파정류기의 스위칭 위상을 조정하여 여자기의 전류량을 제어함으로써 주 발전기의 출력전압을 제어한다. 현재 IEEE에서는 자동전압조정기의 여자전류 제어방식으로 PID 제어방식을 표준으로 정하고 있다[1]. 하지만 PID제어방식은 단자전압의 큰 변화량과 잦은 변화횟수가 발생하는 경우에는 제어성능이 다소 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한 최근 동기발전기의 여자제어방식으로 퍼지제어방식을 적용한 연구들이 있지만 육상 전력에 초점이 맞춰져 있고 그 제어대상은 전력안정화장치(Power Stability System, PSS)이다[2]. 선박의 전력계통에서는 육상에 비해 장소가 협소하여 PSS를 장착할 수 없고 전압변동이 훨씬 크다는 점을 감안할 때 자동전압조정기에 보다 강건한 제어기법을 고려해야 한다.

본 논문에서는 선박에서 주로 사용하는 PID 제어방식을 이용한 자동전압조정기의 전압 제어성능을 개선하기 위해서 과도상태 응답특성과 정정시간 제어성능이 우수한 퍼지제어방식을 사용하였으며 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 유효성을 검증하였다.

본 논문에서는 최근 브러쉬리스 동기 발전기에 주로 사용되는 PID 제어방식을 사용하는 자동전압조정기의 전압 제어를 대신하여 퍼지제어방식을 사용하여 전압 제어성능을 개선하였다.

4.1 퍼지 추론 및 퍼지 시스템

퍼지제어기는 인간의 의사결정능력을 효과적으로 묘사할 수 있어 널리 이용하고 있다[8]. 언어적인 형태로 기술된 퍼지제어의 규칙을 적용하기 위해서는 논리적인 실행과정이 필요하다.

따라서 Figure 4와 같은 과정을 거쳐 퍼지제어기를 구성한다.

Figure 4: 
Basic structure of general FLC

지식기반(Knowledge Base)은 규칙기반(Rule - Base)으로 불리기도 하며 기준입력과 제어프로세스의 실제출력값의 차이로부터 전압오차를 계산한다. 그 오차값은 If-then 형식으로 입력인자가 된다. 퍼지화(Fuzzification interface)는 애매한 표현의 명령문들이 모여서 각 경우에 대해 제어결정을 일차적으로 하게 된다. 비퍼지화(Defuzzification interface)는 퍼지제어기의 내부에서 이루어지는 규칙기반) 및 추론부분에서는 퍼지적인 표현의 명령문을 사용하고 실제 퍼지제어기의 출력은 산술적인 값이 필요하다[10].

4.2 퍼지제어방식을 사용한 전압조정시스템

다음 Figure 5는 본 논문에서 새롭게 구성하여 사용하는 퍼지제어방식을 사용하는 전압조정시스템의 구성도이다. Figure 4에 나타낸 퍼지제어기를 사용하여 기준 단자전압값과 실제 측정된 단자전압값의 오차를 계산하고 이 값을 퍼지화를 통해 제어 출력 로직을 결정하고 비퍼지화를 거쳐 여자기의 여자전류량을 제어함으로써 실제 발전기 출력 전압값을 기준 단자전압값에 일치시킨다.

Figure 5: 
AVR system with FLC

또한 본 논문에서 사용하는 퍼지제어기는 Mamdani 방식을 사용하였다.

Figure 6은 오차의 멤버십 함수를 표시한 것으로서 동기발전기의 입력변수 오차(e)의 범위를 [-3~3]로 지정하여 5개의 멤버십 함수로 구성하였다.

Figure 6: 
Membership function of error

Figure 7은 입력변수인 오차 변화율(de)에 대한 5개의 멤버십 함수로 그 범위를 [-1~1]로 설정하였다.

Figure 7: 
Membership function of differential error

Figure 8에서 출력변수 단자전압(u)은 5개의 멤버십 함수로 구성하였으며 범위는 [-1~1]로 설정하였다.

Figure 8: 
Membership function of output

본 논문에서 제안하는 퍼지제어방식의 우수성을 입증하기 위해서 시뮬레이션을 시행하였으며 발전시스템의 각 종 파라미터는 다음과 같다[5].

최대 전압변화량과 정정시간에 대해서 퍼지제어방식의 속응성의 우수성을 비교 분석하기 위해서 단자전압의 기준값을 0.6[Unit]과 1.0[Unit]으로 설정하여 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션을 위한 전체 시스템 구성도는 Figure 9와 같다.

PID 제어방식을 사용하는 경우는 Ziegler Nichols의 제2방법에 의해서 조정하였다. 단자전압 0.6으로 설정하였을 경우, 임계이득 K_cr는 3.825이고 임계주기 P_cr는 1.4이다. 시뮬레이션 결과 최대 단자전압 변화량은 기준값보다 0.26 상승하였으며, 정정시간은 3.1[sec] 이었다. 또한, 단자전압을 1.0[Unit]으로 설정하였을 경우에는 임계이득 K_cr는 3.83이고 임계주기 P_cr는 1.4이다. 이 때 최대 단자전압 변화량은 기준값보다 0.36정도 상승하였으며 정정시간은 3.2[sec]임을 Figure 10을 통해서 알 수 있다.

Figure 9: 
Structure of brushless synchronous generator by FLC

Figure 10: 
Termivoltage response (0.6[Unit] and 1.0[Unit]) by PID

Figure 11의 (a)와 (b)를 통해서 본 논문에서 제안하는 퍼지제어방식을 사용하였을 경우의 단자전압 기준값 0.6[Unit]와 1.0[Unit]에 대한 최대 전압변화량과 전압 정정시간은 0.08과 1.4[sec] 및 0.1과 2.3[sec]로써 PID 제어방식에 비해 각각 기준 단자전압값이 0.6[Unit]의 경우에는 최대 변화량은 0.18[Unit], 정정시간은 1.7[sec]로 개선되었으며, 1.0[Unit]의 경우에는 최대 변화량은 0.26[Unit], 정정시간은 0.9[sec] 개선되었음을 확인하였다.

Figure 11: 
Terminal voltage response (0.6[Unit] and 1.0[Unit]) by FLC

또한, 실제 발전기 운전 상황에 대한 PID 제어방식의 단자전압 조정성능을 분석하기 위해 단자전압변동에 따른 전압 조정 정도를 시뮬레이션 하였다.

Figure 12의 (a)는 단자전압을 0.6[Unit]을 6[sec]에서 1.0[Unit]으로 변동 시켰을 경우의 응답 결과이며, 전압변화량과 정정시간에 있어서도 제어성능이 다소 떨어짐을 알 수 있다. 또한, 그림 (b)는 PID 제어방식에 의해 출력되어진 계자전압값을 보여준다.

Figure 12: 
Terminal voltage step response(0.6[Unit] to 1.0[Unit]) and field voltage by PID

Figure 13의 (a)는 퍼지제어방식을 사용하는 발전시스템에서 단자전압을 0.6[Unit]을 6[sec]에서 1.0[Unit]으로 변화시켰을 경우의 전압 변화량과 정정시간이며, 제어성능이 PID 제어방식에 비해 크게 개선되었음을 알 수 있으며, (b)에는 단자전압 변동에 따른 퍼지제어기의 계자전압 제어결과를 보여준다.

Figure 13: 
Terminal voltage step response (0.6 [Unit] to 1.0[Unit]) and field voltage by FLC

본 논문에서는 브러쉬리스 동기발전기의 자동전압조정기에 주로 사용되는 PID 제어방식에 대해서 응답성과 제어성능을 향상시키기 위해서 새로운 방식인 퍼지제어방식을 제안하였다. 제안하는 방식의 유효성과 우수성을 입증하기 위해서 시뮬레이션을 실시하였으며, 발전기 출력 단자전압을 0.6[Unit]과 1.0[Unit]로 설정하고 자동전압조정기의 전압제어방식을 PID 제어방식과 퍼지제어방식을 적용하여 전압 제어과정의 최대 전압변화량과 정정시간을 측정하여 비교 분석하였다.

단자전압이 0.6[Unit] 일 경우에는 새롭게 제안된 퍼지제어방식이 기존의 PID 제어방식을 사용하였을 경우에 비해서 최대 전압변화량은 69[%], 정정시간은 55[%] 개선됨을 확인할 수 있었다. 단자전압을 1.0[Unit]으로 설정하였을 경우에는 최대 전압변화량은 72[%], 정정시간은 28[%] 개선되었다. 또한, 부하변동에 따른 전압조정 성능을 평가하기 위해서 단자전압의 설정을 0.6에서 1.0으로 변화시켰을 경우의 최대 전압변화량과 정정시간을 PID 제어방식과 제안된 퍼지제어방식을 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 그 결과에서도 퍼지제어방식을 사용하였을 경우에 보다 우수한 제어성능을 보임을 알 수 있었다.