[학위논문]예비 모듈 활용을 통한 MMC(Modular Multilevel Converter)의 평균 스위칭 주파수 저감 방법에 관한 연구 Study on average switching frequency decrease method of MMC(Modular Multilevel Converter) through utilizing of redundancy module원문보기
본 논문에서는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC : Modular Multi-level Converter)의 예비 모듈(redundancy module)을 출력전압 레벨 형성에 참여시킴으로써 얻을 수 있는 장점에 대해 살펴보고, 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성 중에 전압 형성 모듈의 고장 발생 시 상/하단 암의 전압 형성 모듈의 수가 다르게 동작하는 ...
본 논문에서는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC : Modular Multi-level Converter)의 예비 모듈(redundancy module)을 출력전압 레벨 형성에 참여시킴으로써 얻을 수 있는 장점에 대해 살펴보고, 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성 중에 전압 형성 모듈의 고장 발생 시 상/하단 암의 전압 형성 모듈의 수가 다르게 동작하는 모듈형 멀티레벨 컨버터 시스템이 정상 동작을 유지할 수 있도록 하는 개선된 제어기를 제안한다. 먼저 예비 모듈이 출력전압 레벨 형성에 참여하지 않는 일반적인 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 서브모듈 커패시터 용량을 설계하고, 설계된 서브모듈 커패시터가 적용된 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전반적인 동작을 시뮬레이션을 통해서 확인한다. 다음으로 예비 모듈을 출력전압 레벨 형성에 참여시키는 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 서브모듈 커패시터 용량을 설계하고, 설계된 서브모듈 커패시터가 적용된 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전반적인 동작을 시뮬레이션을 통해서 확인한다. 각 시뮬레이션 결과를 비교분석하여 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 장점을 확인한다. 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)는 기존 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)와 다르게 암(arm) 중 고장 모듈이 발생하게 되면 고장 모듈이 발생된 암의 출력전압의 레벨 형성이 저감되어진다. 즉 암의 모든 서브모듈()이 정상동작을 하는 암의 출력전압보다 적은 레벨의 전압을 형성하게 된다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 암 간 출력전압 레벨이 다르게 형성되는 경우에도 안정적인 동작을 유지할 수 있도록 제어기를 구성하여 제안하는 동작 방식의 타당성을 확인하였다. 본 논문에서는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 전송 시스템에 적용될 경우, 필수적으로 요구되는 스위칭 저감 방법을 제안한다. 모듈형 멀티레벨 컨버터는 경제성 및 동작의 연속성을 보장하는 모듈화 구조를 극대화시킨 시스템으로 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 고압 직류 전송을 위해 사용되는 모듈의 개수가 전압에 비례해서 증가되기 때문에 효율적인 운전을 위해서는 각 반도체 스위치의 평균 스위칭 주파수를 저감하는 방법이 필수적이다. 본 논문에서 제안하는 스위칭 저감 방법은 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성에 따른 서브모듈 커패시터 평균 전압의 저감 동작을 이용한다. 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성을 통해 서브모듈 커패시터의 평균 전압을 저감시키고 이에 따라 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 서브모듈 커패시터 허용 가능 맥동률은 증가한다. 서브모듈 커패시터의 맥동률은 스위칭 주파수에 반비례하는데, 증가된 허용 가능 맥동률로 동작하도록 평균 스위칭 주파수를 저감하여 운전할 수 있다. 또한 제안하는 스위칭 저감 방법에서는 서브모듈 커패시터 전압의 동작 제한값을 설정하여 스위칭 주파수의 저감 또는 서브모듈 커패시터의 용량 저감에 따른 맥동전압 증가 시 서브모듈 커패시터의 전압이 제한값을 넘지 않도록 추가적인 스위칭 동작을 추가하여 시스템의 동작 안정성을 확보하였다. 서브모듈 커패시터 전압의 동작 제한값의 설정에 따라 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)에서 고장 모듈이 발생하여 서브모듈 커패시터의 평균 전압이 상승하더라도 서브모듈 커패시터 전압의 동작 제한값에 의해 추가적인 스위칭이 증가하여 서브모듈 커패시터의 맥동률이 저감되어 안정적인 동작의 연속성이 보장된다. 본 논문에서는 2고조파 전류 주입을 통한 서브모듈 커패시터 용량 저감 방법을 소개하고, 저감된 서브모듈 커패시터 용량을 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터에 제안하는 평균 스위칭 주파수 저감 방법을 적용 시 운전 특성에 대해서 분석하였다. 기존 논문에서 제안하는 2고조파 전류 주입 방식을 통한 서브모듈 커패시터 전압 맥동 저감 기법을 구현하고, 제안하는 새로운 모듈레이션 기법을 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 주입되는 2고조파 전류 가중치 k에 따른 동작 특성을 분석하였다. 또한 제안하는 모듈레이션 기법을 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터에 최적화된 2고조파 전류 가중치 k를 새로 제안한다. 또한 제안된 최적 2고조파 전류 가중치 k는 고장 모듈 발생에 따라 동작 전압 레벨이 저감되게 되면 최적 운전을 위해 새로운 최적 2고조파 전류 가중치 k로 운전을 하여 최대 허용 맥동 전압 내에서 안정적인 운전이 지속되는 것을 확인 하였다. 본 논문에서는 위에서 기술한 내용들의 유효함을 입증하기 위해 40kV의 직류단 전압, 암당 서브모듈의 개수가 22개인 40MVA급 모듈형 멀티레벨 컨버터를 모의하여 결과를 분석하였다. 또한 600V의 직류단 전압, 암당 서브모듈의 개수가 11개인 10kVA급 모듈형 멀티레벨 컨버터를 축소형 실험장치로 제작하여 제안하는 방법들을 구현하고 결과 분석을 통해 그 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC : Modular Multi-level Converter)의 예비 모듈(redundancy module)을 출력전압 레벨 형성에 참여시킴으로써 얻을 수 있는 장점에 대해 살펴보고, 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성 중에 전압 형성 모듈의 고장 발생 시 상/하단 암의 전압 형성 모듈의 수가 다르게 동작하는 모듈형 멀티레벨 컨버터 시스템이 정상 동작을 유지할 수 있도록 하는 개선된 제어기를 제안한다. 먼저 예비 모듈이 출력전압 레벨 형성에 참여하지 않는 일반적인 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 서브모듈 커패시터 용량을 설계하고, 설계된 서브모듈 커패시터가 적용된 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전반적인 동작을 시뮬레이션을 통해서 확인한다. 다음으로 예비 모듈을 출력전압 레벨 형성에 참여시키는 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 서브모듈 커패시터 용량을 설계하고, 설계된 서브모듈 커패시터가 적용된 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전반적인 동작을 시뮬레이션을 통해서 확인한다. 각 시뮬레이션 결과를 비교분석하여 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 장점을 확인한다. 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)는 기존 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)와 다르게 암(arm) 중 고장 모듈이 발생하게 되면 고장 모듈이 발생된 암의 출력전압의 레벨 형성이 저감되어진다. 즉 암의 모든 서브모듈()이 정상동작을 하는 암의 출력전압보다 적은 레벨의 전압을 형성하게 된다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 암 간 출력전압 레벨이 다르게 형성되는 경우에도 안정적인 동작을 유지할 수 있도록 제어기를 구성하여 제안하는 동작 방식의 타당성을 확인하였다. 본 논문에서는 모듈형 멀티레벨 컨버터가 고압 직류 전송 시스템에 적용될 경우, 필수적으로 요구되는 스위칭 저감 방법을 제안한다. 모듈형 멀티레벨 컨버터는 경제성 및 동작의 연속성을 보장하는 모듈화 구조를 극대화시킨 시스템으로 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 고압 직류 전송을 위해 사용되는 모듈의 개수가 전압에 비례해서 증가되기 때문에 효율적인 운전을 위해서는 각 반도체 스위치의 평균 스위칭 주파수를 저감하는 방법이 필수적이다. 본 논문에서 제안하는 스위칭 저감 방법은 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성에 따른 서브모듈 커패시터 평균 전압의 저감 동작을 이용한다. 예비 모듈의 출력전압 레벨 형성을 통해 서브모듈 커패시터의 평균 전압을 저감시키고 이에 따라 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)의 서브모듈 커패시터 허용 가능 맥동률은 증가한다. 서브모듈 커패시터의 맥동률은 스위칭 주파수에 반비례하는데, 증가된 허용 가능 맥동률로 동작하도록 평균 스위칭 주파수를 저감하여 운전할 수 있다. 또한 제안하는 스위칭 저감 방법에서는 서브모듈 커패시터 전압의 동작 제한값을 설정하여 스위칭 주파수의 저감 또는 서브모듈 커패시터의 용량 저감에 따른 맥동전압 증가 시 서브모듈 커패시터의 전압이 제한값을 넘지 않도록 추가적인 스위칭 동작을 추가하여 시스템의 동작 안정성을 확보하였다. 서브모듈 커패시터 전압의 동작 제한값의 설정에 따라 제안하는 모듈형 멀티레벨 컨버터( 레벨)에서 고장 모듈이 발생하여 서브모듈 커패시터의 평균 전압이 상승하더라도 서브모듈 커패시터 전압의 동작 제한값에 의해 추가적인 스위칭이 증가하여 서브모듈 커패시터의 맥동률이 저감되어 안정적인 동작의 연속성이 보장된다. 본 논문에서는 2고조파 전류 주입을 통한 서브모듈 커패시터 용량 저감 방법을 소개하고, 저감된 서브모듈 커패시터 용량을 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터에 제안하는 평균 스위칭 주파수 저감 방법을 적용 시 운전 특성에 대해서 분석하였다. 기존 논문에서 제안하는 2고조파 전류 주입 방식을 통한 서브모듈 커패시터 전압 맥동 저감 기법을 구현하고, 제안하는 새로운 모듈레이션 기법을 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 주입되는 2고조파 전류 가중치 k에 따른 동작 특성을 분석하였다. 또한 제안하는 모듈레이션 기법을 적용한 모듈형 멀티레벨 컨버터에 최적화된 2고조파 전류 가중치 k를 새로 제안한다. 또한 제안된 최적 2고조파 전류 가중치 k는 고장 모듈 발생에 따라 동작 전압 레벨이 저감되게 되면 최적 운전을 위해 새로운 최적 2고조파 전류 가중치 k로 운전을 하여 최대 허용 맥동 전압 내에서 안정적인 운전이 지속되는 것을 확인 하였다. 본 논문에서는 위에서 기술한 내용들의 유효함을 입증하기 위해 40kV의 직류단 전압, 암당 서브모듈의 개수가 22개인 40MVA급 모듈형 멀티레벨 컨버터를 모의하여 결과를 분석하였다. 또한 600V의 직류단 전압, 암당 서브모듈의 개수가 11개인 10kVA급 모듈형 멀티레벨 컨버터를 축소형 실험장치로 제작하여 제안하는 방법들을 구현하고 결과 분석을 통해 그 타당성을 검증하였다.
This paper aims to examine advantages of having redundancy modules of a modular multi-level converter(MMC) participate in formation of output voltage level and to propose an improved controller so that a MMC system may normally operate where voltage formation module of the upper/lower arm differentl...
This paper aims to examine advantages of having redundancy modules of a modular multi-level converter(MMC) participate in formation of output voltage level and to propose an improved controller so that a MMC system may normally operate where voltage formation module of the upper/lower arm differently operate when voltage formation modules(N) fail during formation of output voltage level of redundant modules(R). First, module capacitor capacity of an ordinary MMC(N+1 level) where redundancy modules did not participate in output voltage level formation was designed. Then overall operation of the MMC to which the designed module capacitor was applied was checked through simulation. Next, module capacitor capacity of the proposed MMC(N+1+R level) having redundancy modules take part in the formation of output voltage level was designed. Then overall operation of the MMC to which the designed module capacitor was applied was checked through simulation. The results of the simulations were comparatively analyzed and advantages of the MMC (N+1+R level) were identified. Unlike existing MMCs (N+1 level), when failed modules occur in the arms in the proposed MMC (N+1+R level), output voltage level formation of the arm where failure modules take place is reduced. In other words, all modules (N+R) of the arm form lower level of voltage than output voltage of the normally operating arm. Validity of the system proposed in this paper was verified by configuring the controller so that even if output voltage level was formed differently between the two arms, the system can stably operate. This paper proposes a method of switching reduction required when the MMC is applied to a high voltage direct current (DC) transmission system. The MMC is a system that maximizes modulation structure that guarantees economy and continuity of operation. However, the number of modules used for high voltage DC transmission increases in proportion to voltage, and therefore for efficient operation, a method to reduce average switching frequency of each semiconductor switch is essential. The switching reduction method proposed in this paper utilizes operation of the module capacitor with reduced average voltage according to the formation of output voltage level by redundancy modules. When average voltage of module capacitor is reduced through formation of output voltage level of redundancy modules, the permissible ripple factor of the module capacitor of the proposed MMC (N+1+R) increases. The ripple factor of the module capacitor is in inverse proportion to switching frequency. Average switching frequency may be reduced so that it operates with an increased permissible ripple factor. Moreover, the proposed switching reduction method set an operation restriction value of module capacitor voltage and obtained operation stability of the system by adding additional switching operation so that the module capacitor's voltage did not exceed the restriction value when ripple voltage increased according to reduction of module capacitor capacity. By setting operation restriction value of module capacitor voltage, continuity of stable operation is guaranteed by increased additional switching through the restriction value of module capacitor voltage and the corresponding decrease in ripple factor, even if failed modules occur in the proposed MMC (N+1+R) and as a result average voltage of the module capacitor increases. This paper introduced a method to reduce module capacitor capacity by injecting current of second-harmonic wave and analyzed operation characteristics when the proposed average switching frequency reduction method was applied to the MMC to which reduced module capacitor capacity was applied. This study embodied the technique of ripple reduction of the module capacitor through the method of injecting second-harmonic wave current and analyzed operation characteristics according to weighted current k of second-harmonic wave injected in the MMC to which the proposed new modulation technique was applied. Moreover, this paper newly proposes a weighted current k of second-harmonic wave optimized for the MMC to which the proposed modulation technique was applied. In addition, this paper verified that stable operation continues within maximal permissible ripple voltage by operating with the new optimal second-harmonic weighted current k when operation voltage level decreases according to occurrence of failure modules. In order to verify effectiveness of the content described above, this paper simulated a 40MVA MMC with 40kV DC-link voltage and 22 modules in each arm and analyzed the result. Further, this study produced a 10kVA MMC hardware system with 600V DC-link voltage and 11 modules in each arm, embodied the proposed methods, and verified their validity by analyzing the result.
This paper aims to examine advantages of having redundancy modules of a modular multi-level converter(MMC) participate in formation of output voltage level and to propose an improved controller so that a MMC system may normally operate where voltage formation module of the upper/lower arm differently operate when voltage formation modules(N) fail during formation of output voltage level of redundant modules(R). First, module capacitor capacity of an ordinary MMC(N+1 level) where redundancy modules did not participate in output voltage level formation was designed. Then overall operation of the MMC to which the designed module capacitor was applied was checked through simulation. Next, module capacitor capacity of the proposed MMC(N+1+R level) having redundancy modules take part in the formation of output voltage level was designed. Then overall operation of the MMC to which the designed module capacitor was applied was checked through simulation. The results of the simulations were comparatively analyzed and advantages of the MMC (N+1+R level) were identified. Unlike existing MMCs (N+1 level), when failed modules occur in the arms in the proposed MMC (N+1+R level), output voltage level formation of the arm where failure modules take place is reduced. In other words, all modules (N+R) of the arm form lower level of voltage than output voltage of the normally operating arm. Validity of the system proposed in this paper was verified by configuring the controller so that even if output voltage level was formed differently between the two arms, the system can stably operate. This paper proposes a method of switching reduction required when the MMC is applied to a high voltage direct current (DC) transmission system. The MMC is a system that maximizes modulation structure that guarantees economy and continuity of operation. However, the number of modules used for high voltage DC transmission increases in proportion to voltage, and therefore for efficient operation, a method to reduce average switching frequency of each semiconductor switch is essential. The switching reduction method proposed in this paper utilizes operation of the module capacitor with reduced average voltage according to the formation of output voltage level by redundancy modules. When average voltage of module capacitor is reduced through formation of output voltage level of redundancy modules, the permissible ripple factor of the module capacitor of the proposed MMC (N+1+R) increases. The ripple factor of the module capacitor is in inverse proportion to switching frequency. Average switching frequency may be reduced so that it operates with an increased permissible ripple factor. Moreover, the proposed switching reduction method set an operation restriction value of module capacitor voltage and obtained operation stability of the system by adding additional switching operation so that the module capacitor's voltage did not exceed the restriction value when ripple voltage increased according to reduction of module capacitor capacity. By setting operation restriction value of module capacitor voltage, continuity of stable operation is guaranteed by increased additional switching through the restriction value of module capacitor voltage and the corresponding decrease in ripple factor, even if failed modules occur in the proposed MMC (N+1+R) and as a result average voltage of the module capacitor increases. This paper introduced a method to reduce module capacitor capacity by injecting current of second-harmonic wave and analyzed operation characteristics when the proposed average switching frequency reduction method was applied to the MMC to which reduced module capacitor capacity was applied. This study embodied the technique of ripple reduction of the module capacitor through the method of injecting second-harmonic wave current and analyzed operation characteristics according to weighted current k of second-harmonic wave injected in the MMC to which the proposed new modulation technique was applied. Moreover, this paper newly proposes a weighted current k of second-harmonic wave optimized for the MMC to which the proposed modulation technique was applied. In addition, this paper verified that stable operation continues within maximal permissible ripple voltage by operating with the new optimal second-harmonic weighted current k when operation voltage level decreases according to occurrence of failure modules. In order to verify effectiveness of the content described above, this paper simulated a 40MVA MMC with 40kV DC-link voltage and 22 modules in each arm and analyzed the result. Further, this study produced a 10kVA MMC hardware system with 600V DC-link voltage and 11 modules in each arm, embodied the proposed methods, and verified their validity by analyzing the result.
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