[논문]다중펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성된 Back-to-Back 컨버터의 계통연계 성능 분석

정종규; 심명보; 이혜연; 한병문; 한영성; 정정주; 장병훈

doi:10.6113/tkpe.2010.15.6.451

다중펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성된 Back-to-Back 컨버터의 계통연계 성능 분석
Performance Analysis of Grid Connected Back-to-Back Converter Composed of Multi-pulse Converter and PWM Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.15 no.6, 2010년, pp.451 - 459

정종규 (명지대 전기공학과) , 심명보 (LS전선 기술개발부문 H&M팀) , 이혜연 (LS산전 HVDC연구팀) , 한병문 (명지대 전기공학과) , 한영성 (효성중공업PG 전력PU) , 정정주 (한양대 전기제어생체 공학부) , 장병훈 (한국전력연구원 송배전연구소)

초록
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본 논문은 대규모 풍력단지를 교류 전력망에 연계하기 위한 3-레벨 PWM 컨버터와 3-레벨 24-펄스 컨버터로 구성된 하이브리드 Back-to-Back 컨버터의 성능을 비교한 결과에 대해 기술하고 있다. 또한 3-레벨 24-펄스 컨버터를 점호각만 제어하는 경우와 영 전압제어를 같이 수행하는 경우 각각이 제어와 고조파레벨에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 구체적인 성능비교를 위해 먼저 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 실시하고 이를 바탕으로 2 kVA 용량의 하드웨어 축소모형을 제작하고 실험을 실시하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 영전압과 점호각을 동시에 조절하는 방식과 점호각만 제어하는 방식의 성능비교분석을 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the performance comparison results for a hybrid back-to-back converter, which is composed of a 3-level 24-pulse converter and a 3-level PWM converter, in order to interconnect a large scale wind farm with the power grid. Also it describes the performance comparison results when the 24-pulse converter operates in only firing-angle control, and both firing-angle and the zero-voltage control. For the purpose of systematic performance comparison, computer simulations with PSCAD/EMTDC software were carried out, and based on simulation results a scaled hardware model with 2 kVA rating was built and tested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3-레벨 다중펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성된 하이브리드 BTB 컨버터 시스템을 제안하였다. 또한 다중펄스 컨버터의 제어방식을 영 전압 폭과 점호각을 모두 제어하는 방식과 점호각만을 제어하는 방식으로 나누어 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 비교분석하였다.

가설 설정

본 논문에서는 후자의 방식을 택한 것으로 가정한다. 그림 2에 보인바와 같이 BTB 컨버터에서 유·무효 전력의 제어는 전류제어기에 의해 구현되고 3상전원에서의 제어이므로 d-q변환과 역변환을 사용한다.

제안 방법

이를 위해 3-레벨 PWM 컨버터와 3-레벨 24-펄스 컨버터로 구성된 BTB 컨버터의 동작과 성능을 분석하였다. 또한 3-레벨 24-펄스 컨버터를 점호각만 제어하는 경우와 영전압제어를 같이 수행하는 경우 각각이 제어와 고조파레벨에 미치는 영향도 비교분석하였다.
하이브리드 BTB 컨버터 시스템은 다중펄스 컨버터측에서 DC link전압을 일정하게 제어하고, PWM 컨버터 측에서 유효전력의 흐름을 양방향으로 제어하도록 하였다. 또한 각 컨버터가 연계된 계통의 무효전력은 각각 독립적으로 제어하도록 하였다.
본 논문에서는 3-레벨 다중펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성된 하이브리드 BTB 컨버터 시스템을 제안하였다. 또한 다중펄스 컨버터의 제어방식을 영 전압 폭과 점호각을 모두 제어하는 방식과 점호각만을 제어하는 방식으로 나누어 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 비교분석하였다. 그림 5는 하이브리드 BTB 컨버터의 각각의 제어방식에 따른 동작을 나타낸 것이다.
그러나 사용하는 스위칭 소자의 개수가 2배로 증가하는 경제적인 부담이 있으므로, 3-레벨 시스템의 적용은 시스템의 환경 즉 회로전압, 용량 및 허용 고조파 전류의 크기 등을 충분히 고려 할 필요가 있다. 본 논문에서 제안하는 하이브리드 BTB 컨버터는 대규모 풍력발전단지에서 생산되는 전력을 교류계통에 연계하거나, 두 개의 서로 다른 계통을 연계하는 것이 목적이므로 대용량으로 구성되어야 한다. 그러므로 양 쪽 컨버터 모두 3-레벨 컨버터로 구성하였다.
본 논문에서는 대규모풍력단지를 전력망에 연계하는데 유용한 BTB 컨버터를 3-레벨 24-펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성하고 각 컨버터의 손실과 고조파 레벨에 대해 성능을 비교분석하였다. 또한 3-레벨 24-펄스 컨버터를 점호각만 조절할 경우와 영전압을 추가로 제어할 경우에 대해 시뮬레이션과 실험을 통해 제어와 고조파레벨 측면에서의 성능도 비교분석하였다.
본 연구에서는 대규모 풍력발전단지를 전력망에 연계하는 BTB 컨버터의 구성에 있어 PWM 방식과 다중펄스 방식의 스위칭손실과 고조파레벨의 상호비교분석을 실시하였다. 이를 위해 3-레벨 PWM 컨버터와 3-레벨 24-펄스 컨버터로 구성된 BTB 컨버터의 동작과 성능을 분석하였다.
본 연구에서는 대규모 풍력발전단지를 전력망에 연계하는 BTB 컨버터의 구성에 있어 PWM 방식과 다중펄스 방식의 스위칭손실과 고조파레벨의 상호비교분석을 실시하였다. 이를 위해 3-레벨 PWM 컨버터와 3-레벨 24-펄스 컨버터로 구성된 BTB 컨버터의 동작과 성능을 분석하였다. 또한 3-레벨 24-펄스 컨버터를 점호각만 제어하는 경우와 영전압제어를 같이 수행하는 경우 각각이 제어와 고조파레벨에 미치는 영향도 비교분석하였다.
제안하는 다중펄스 컨버터의 경우 컨버터의 상·하단 점호각을 제어하는 방식이 아닌, 출력전압의 점호각과 영 전압 폭을 제어하는 단일펄스폭변조방식을 적용하였다.
그림 10은 제안하는 컨버터의 축소모형을 나타낸 것이다. 좌측에는 다중펄스 컨버터를 두었고, 우측에는 PWM 컨버터를 두었으며 DC-link를 서로 공유하도록 구성하여 BTB 컨버터로 동작하도록 하였다.
하이브리드 BTB 컨버터 시스템은 다중펄스 컨버터측에서 DC link전압을 일정하게 제어하고, PWM 컨버터 측에서 유효전력의 흐름을 양방향으로 제어하도록 하였다. 또한 각 컨버터가 연계된 계통의 무효전력은 각각 독립적으로 제어하도록 하였다.
하이브리드 BTB 컨버터를 계통연계시스템으로 적용하기 위해 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 시스템 동작특성 및 제어기의 성능해석을 실시하였다. 전력회로는 회로소자, 스위치, 변압기를 사용하여 구성하였고, 제어기는 C 인터페이스 모듈을 이용하여 C코드로 구성하였다.
하이브리드 BTB컨버터 시스템의 하드웨어구현 가능성을 확인하기 위해 앞서 수행한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 하드웨어 시스템을 구성하였다. 그림 10은 제안하는 컨버터의 축소모형을 나타낸 것이다.

대상 데이터

하이브리드 BTB 컨버터를 계통연계시스템으로 적용하기 위해 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 시스템 동작특성 및 제어기의 성능해석을 실시하였다. 전력회로는 회로소자, 스위치, 변압기를 사용하여 구성하였고, 제어기는 C 인터페이스 모듈을 이용하여 C코드로 구성하였다. 그림 8은 3-레벨 다중펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성된 하이브리드 BTB 컨버터의 전력회로를 보여준다.

데이터처리

본 논문에서는 대규모풍력단지를 전력망에 연계하는데 유용한 BTB 컨버터를 3-레벨 24-펄스 컨버터와 PWM 컨버터로 구성하고 각 컨버터의 손실과 고조파 레벨에 대해 성능을 비교분석하였다. 또한 3-레벨 24-펄스 컨버터를 점호각만 조절할 경우와 영전압을 추가로 제어할 경우에 대해 시뮬레이션과 실험을 통해 제어와 고조파레벨 측면에서의 성능도 비교분석하였다.

이론/모형

본 논문에서는 다중펄스 컨버터의 출력전압의 영 전압 폭 ϒ를 조절하기 위하여 단일 펄스폭 변조방식을 사용하였다.

성능/효과

(a)과 점호 각(γ) 제어를 수행할 때 출력전압은 12-펄스로 나타나고, 영 전압 폭은 일정한 값으로 고정하고, 점호각 제어만을 수행할 때 출력전압의 파형은 24-펄스로 나타나므로 출력전압 THD는 점호각만을 제어할 경우에 더 낮음을 알 수 있다.
그림 9 (e)와 (f)는 서로 다른 제어방식으로 동작하는 다중펄스 컨버터의 출력전류 파형을 나타낸 것이다. 영 전압 폭과 점호각을 제어하는 경우 전류 THD는 5.2%이며, 점호각만을 제어하는 경우 전류 THD는 3.5%로 더 낮은 것을 확인 할 수 있었다.
그림 11 (e)와 (f)는 서로 다른 제어방식으로 동작하는 다중펄스 컨버터의 출력전류 파형을 나타낸 것이다. 영 전압 폭과 점호각을 제어하는 경우 전류 THD는 6.7%이며, 점호각만을 제어하는 경우 전류 THD는 3.4%로 더 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 그림 11 (g)는 각 제어방식에서 BTB 컨버터를 정격으로 운전하였을 때 운전효율을 비교한 것이다.
그림 11 (c)는 제어방식에 따른 다중펄스 컨버터의 출력전압 파형을 나타낸 것이다. 출력전압의 THD는 점호각만 제어 시에 더 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 그림 11 (d)는 제어응답성을 비교한 것으로 영 전압 폭과 점호각을 제어하는 방식이 비교적 빠른 응답성을 보이는 것을 확인하였다.
그림 11 (g)는 각 제어방식에서 BTB 컨버터를 정격으로 운전하였을 때 운전효율을 비교한 것이다. 측정결과 점호각만 제어하는 경우에 운전효율이 더 좋게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다중펄스 방식는 어떻게 고조파레벨을 낮출 수 있는가?	다중펄스 방식은 일반적으로 2-레벨 6-펄스 컨버터를 기본모듈로 하여 이 모듈을 정수배로 증가하면서 각 컨버터모듈은 전원에 연계하는 주변압기를 정수배로 증가하여 출력파형의 펄스수를 12-펄스, 18-펄스, 24-펄스 등과 같이 증가하여 고조파레벨을 낮출 수 있다. 따라서 시스템의 외형이 크고 컨버터가 2-레벨 6-펄스 구조일 경우 출력파형의 크기 조절이 불가능하다.
	전압원 컨버터는 무엇이 채택되고 있는가?	BTB 컨버터를 구성하는 전압원 컨버터는 통상 용량이 10 MVA 이상에서는 스위칭손실에 따른 효율문제로 다중펄스 방식이 사용되고 있고 용량이 1 MVA 이하에서는 PWM 방식이 채택되고 있다.[1][2] 그런데 PWM 방식은 점호각과 변조지수를 조절하여 연계된 전력망의 유무효전력을 독립적으로 제어할 수 있는 반면 다중펄스 방식은 점호각만 조절할 수 있어 유무효 전력을 독립적으로 제어하려면 별도의 대책을 필요로 한다.
	다중펄스 방식은 출력파형의 크기를 조절하기 위해서 어떤 구조가 적절한가?	따라서 시스템의 외형이 크고 컨버터가 2-레벨 6-펄스 구조일 경우 출력파형의 크기 조절이 불가능하다. 출력파형의 크기를 조절하기 위해서는 3-레벨 6-펄스 구조가 적절하다.[3][4][5]

참고문헌 (9)

K. Oguchi, Y Maki, Y. Sunaga "Three-Phase Multilevel Voltage Source Converters with Low Switching Frequencies and Less-Distorted Input Voltages", Industry Applications Society Annual meeting, Conference Record of the 1993 IEEE, Vol. 2, pp. 878, 1993, Oct., 2-8.
C. Schauder, et. al., "Development of a ${\pm}$ 100Mvar static condenser for voltage control of transmission systems", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 10, No. 3, pp. 1486-1493, 1995, July.

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Portillo, R.C. Prats, M.M. Leon, J.I. Sanchez, J.A. Carrasco, J.M. Galvan, E. Franquelo, L.G. "Modeling Strategy for Back-to-Back Three-Level Converters Applied to High-Power Wind Turbines", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 53, No. 5, pp. 1483-1491, 2006, October.

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이혜연, 이지헌, 한병문, 리위룽, 최남섭, "직류송전 적용을 위한 18-스텝 Back-to-Back 전압원 컨버터에 관한 연구", 대한전기학회 학술대회 논문집, Vol. 58, No. 4, pp. 748-755, 2009.
B. Han, S. Baek, B. Bae, J. Choi, "Back-to-Back HVDC system using a 36-step voltage source converter", IEE Proc. Gener. Transm. Distrib, Vol. 153, No. 6, pp.677-683, 2006, November.

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D. Ramey, "Design, Installation, and Operation of American Electric Power (AEP) 320MVA Unified Power Flow Controller (UPFC)", EPRI (Electric Power Research Institute), Palo Altos, CA, Tech. Rep. TR-113839, 1999, Nov.
Kalyan K. Sen, Eric J. Stacey, "UPFC - Unified Power Flow Controller : Theory, Modeling, and Application", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, No. 4, pp. 1453-1460, 1998.

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한영성, 정정주, 최종윤, 김대희, 서인영, "10MVA STATCOM 설치 및 운영현황 사례 소개", 대한전기학회 학술대회 논문집, pp. 371-372, 2008.
S. Masukawa and S. Iida, "A Method for Reducing Harmonics in output Voltages of a Double-Connected Inverter", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 9, No. 5, pp. 543-550, 1994, September.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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