[논문]플라잉 커패시터 멀티-레벨 인버터의 커패시터 전압 균형을 이루기 위한 캐리어 비교방식의 대칭 기법

전재현; 김태진; 강대욱; 현동석

플라잉 커패시터 멀티-레벨 인버터의 커패시터 전압 균형을 이루기 위한 캐리어 비교방식의 대칭 기법
A Symmetric Carrier Technique of CRPWM for Voltage Balance Method of the Flying Capacitor Multi-level Inverter 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.52 no.12, 2003년, pp.624 - 631

전재현 (한양대 전기공학과) , 김태진 (한양대 전기공학과) , 강대욱 (한양대 전기공학과) , 현동석 (한양대 공대 전기공학과)

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This paper presents a simple carrier symmetric method for the voltage balance of flying capacitors in FCMLI(flying capacitor multi-level inverter). To achieve the voltage balance of flying capacitors, the utilization of each carrier must be balanced during a half-cycle of the switching period such as PSPWM(Phase-Shifted PWM). However, the CRPWM(Carrier Redistribution PWM) method causes the fluctuation of flying capacitor voltages because the balanced utilization of carriers is not achieved. Moreover, it does not consider that the load current change has an influence on flying capacitor voltages by assuming that the current flows into the load. To overcome the drawbacks of CRPWM, it is modified by the technique that carriers of each band are disposed symmetrically at every fundamental period. Firstly, the CRPWM method is reviewed and the theory on voltage balance of flying capacitors is analyzed. The proposed method is introduced and is verified through the experiment result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 멀티-레벨 플라잉 커패시터 인버터의 플라잉 커패시터의 전압 균형을 이루기 위한 간단한 대칭 캐리어 기법을 제안하였다. CRPWM 방법을 토대로 그 문제점을 보완, 수정하였다.

제안 방법

제안하였다. CRPWM 방법을 토대로 그 문제점을 보완, 수정하였다.
CRPWM 방법의 단점을 극복하기 위해서 각 밴드의 캐리어들을 매 기본파 주기동안 대칭적으로 배치하는 기법으로 수정하였다. 제안한 방법은 기본파 주기동안 플라잉 커패시터의 불균형을 다음 기본파 주기에서 보상하는 것이다.
우선, CRPWM 방법을 고찰하고 플라잉 커패시터 전압균형 이론을.분석한 뒤 제안된 방법을 소개하고 시뮬레이션 및 실험 결과로써 제안된 방법을 검증한다.
물론, PSPWM 방법도 플라잉 커패시터 전압제어에 있어서는 좋은 특성을 가지지만 제안된 방법보다는 더 많은 고조파를 갖게 된다. 우선, CRPWM 방법을 고찰하고 플라잉 커패시터 전압균형 이론을.분석한 뒤 제안된 방법을 소개하고 시뮬레이션 및 실험 결과로써 제안된 방법을 검증한다.
그러나, CRPWM 방법은 캐리어의 불균형적인 사용과 부하 전류의 변화 때문에 플라잉 커패시터 전압의 변동이 발생한다. 제안된 방법은 매 기본파 주기동안 대칭적으로 캐리어를 배치하는 것으로 작은 리플과 출력전압의 최소의 고조파 성분으로 플라잉 커패시터 전압을 제어하며 멀티-레벨로의 확장이 용이하다. 또한, 실험을 통해서 제안된 방법의 우수성을 증명하였다.
제안된 방법의 입증하기 위해 R-L 부하를 갖는 3상 3-레벨 플라잉 커패시터 인버터를 모델링하고 제안한 알고리즘을 4-레벨로 확장하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 다음 표 2와 같다.
제안한 방법은 기본파 주기동안 플라잉 커패시터의 불균형을 다음 기본파 주기에서 보상하는 것이다. 제안된 방법은 쉽게 멀티-레벨로의 확장이 용이하고 CRPWM 방법과 비교하여 플라잉 커패시터 전압의 안정성을 확인하였다.
CRPWM 방법의 캐리어들을 사용하였으며 각각의 전압 레벨은 캐리어 1과 캐리어 2로 구성되어 있다. 제안한 수정된 CRPWM 방법은 그림 6에서 보여진 것처럼 기준전압의 매 기본파 주기 동안 대칭적으로 캐리어들을 배치하는 것이다. 다시 말해, 기본파 주기인 T 시간까지는 캐리어 1과 캐리어 2를 사용하고 다음 T 시간에는 캐리어 1과 캐리어 2의 위치가 변한다.

대상 데이터

방법을 위한 PWM 기법을 보여준다. CRPWM 방법의 캐리어들을 사용하였으며 각각의 전압 레벨은 캐리어 1과 캐리어 2로 구성되어 있다. 제안한 수정된 CRPWM 방법은 그림 6에서 보여진 것처럼 기준전압의 매 기본파 주기 동안 대칭적으로 캐리어들을 배치하는 것이다.
TMS320C31 DSP 보드를 이용하여 PWM 방법들을 구현하였고 전력 소자로써 CM100DY-6H를 사용하였다. 모터를 제어하기 위해서 v/f 방법을 사용하였고 출력 주파수는 30[Hz]이다.
제안된 방법의 타당성을 입증하기 위하여 3-레벨 플라잉 커패시터 인버터를 제작하여 3상 유도기 (2HP-220V)에 적용하였다. TMS320C31 DSP 보드를 이용하여 PWM 방법들을 구현하였고 전력 소자로써 CM100DY-6H를 사용하였다.

이론/모형

TMS320C31 DSP 보드를 이용하여 PWM 방법들을 구현하였고 전력 소자로써 CM100DY-6H를 사용하였다. 모터를 제어하기 위해서 v/f 방법을 사용하였고 출력 주파수는 30[Hz]이다. DC-링크 커패시터는 8200F]이고, 플라잉커패시터는 2200[F]이다.

성능/효과

그러나 기준전압 가 H-레벨에 위치하면 그때의 연속적인 스위치 상태는 2T_s 동안 P-P-P-O₁-P-P-P이 된다. 결과적으로 H-레벨에서 캐리어들은 스위칭 주기의 반주기 동안 충전 또는 방전 상태만을 유지한다. 그것은 3-레벨에서 기준전압이 반주기 동안 레벨에 위치 시 나중상태가 충전 또는 방전으로 끝남을 의미하며 최종 상태에 따라 플라잉 커패시터 전압이 변동한다.
제안된 방법은 매 기본파 주기동안 대칭적으로 캐리어를 배치하는 것으로 작은 리플과 출력전압의 최소의 고조파 성분으로 플라잉 커패시터 전압을 제어하며 멀티-레벨로의 확장이 용이하다. 또한, 실험을 통해서 제안된 방법의 우수성을 증명하였다.
또한, 제안된 방법은 간단하며 멀티-레벨로의 확장이 용이한 특성을 가진다.
제안한 방법은 기본파 주기동안 플라잉 커패시터의 불균형을 다음 기본파 주기에서 보상하는 것이다. 제안된 방법은 쉽게 멀티-레벨로의 확장이 용이하고 CRPWM 방법과 비교하여 플라잉 커패시터 전압의 안정성을 확인하였다. 물론, PSPWM 방법도 플라잉 커패시터 전압제어에 있어서는 좋은 특성을 가지지만 제안된 방법보다는 더 많은 고조파를 갖게 된다.

참고문헌 (10)

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S. G. Lee, D. W. Kang, Y. H. Lee and D. S. Hyun, 'The Carrier-Based PWM method for voltage Balancing of Flying Capacitor Multilevel Inverter', IEEE Power Electron. Spec. Conf., vol. 1, pp.126-131,2001
D. W. Kang, Y. H. Lee, B. S. Suh, C. H. Choi and D. S. Hyun, 'An Improved Carrier-based SVPWM Method Using Leg Voltage Redundancies for Generalized Cascaded Multilevel Inverter Topology,' IEEE Trans. on Power Electronics., vol. 18, no. 1, pp. 180-187, Jan. 2003

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Y. Liang, C. O. Nwankpa, 'A Power Line Conditioner Based on Flying capacitor multilevel Voltage Source Converter with Phase Shift SPWM,' IEEE Trans. on Industry Applications., vol. 36, Issue. 4, pp. 965-971, Aug. 2000

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