[논문]공진회로를 이용한 대용량 인버터 구성용 밸브 및 폴 시험설비에 관한 연구

한영성; 정정주

doi:10.5370/kiee.2011.60.5.971

공진회로를 이용한 대용량 인버터 구성용 밸브 및 폴 시험설비에 관한 연구
A Test System of Valve and Poles for Large Scale Inverter using Resonant Circuit 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.5, 2011년, pp.971 - 976

한영성 (한양대 공과대 전기공학과, (주)효성 중공업PG) , 정정주 (한양대 전기생체공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a test system for a valve and poles building blocks used for large scale inverters such as STATCOM, SSSC, UPFC and VSC HVDC. Power semiconductors in the valve are normally connected in series to withstand switching voltage much larger than the voltage rating of a single power semiconductor. Therefore, there is a need to verify if the dynamic voltage sharing during switching in a valve is satisfactory. In this paper, we propose a test system that provides the necessary test condition: voltage and current in the valve using resonant circuits. A test scheme for a single phase inverter consisting two poles is also proposed. The performance of the inverter pole has to be verified at the factory test, before the system is installed at the site to secure the reliability of the system. The proposed scheme makes it possible to confirm if the pole can withstand voltage and current switching condition and handle loss.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이전 방식의 단점들을 보완하여 전류조건과 전압조건을 별도로 적용할 수 있는 새로운 방식을 제안한다. 밸브로 구성된 단상 인버터의 특성 또한 simulation을 통하여 어느 정도의 예측은 가능하지만, 설계상, 제작상의 문제점을 점검하기 위해서는 실제 운전조건에 상당하는 정격전압, 정격전류를 스위칭 하여 검증 실험을 수행하여야 한다.
FACTS(Flexible AC Transmission System)기기 등에 사용되는 고전압의 대용량 인버터를 구성하기 위하여 전력용 반도체 소자를 직렬 연결하여 인버터의 스위칭 밸브를 구성하는 방식이 사용되고 있다. 본 논문에서는 직렬 연결된 스위칭 밸브의 turn on, off 동작의 특성을 실제 운전 조건과 유사한 환경에서 검증하는 단계를 거치기 위하여 공진회로를 이용한 스위칭 밸브 시험 장치를 제안하였다. 이 장치를 이용하여 스위치의 전류, 전압 조건을 독립적으로 조정하여 요구되는 조건들을 정확하게 선정할 수 있었다.
직렬로 연결된 스위칭 밸브의 turn on, off시 동작의 특성은 numerical simulation을 통하여 어느 정도의 동적 특성의 예측은 가능하지만, 현장실장 이전에 실제 운전 조건과 동등한 환경에서 단위 밸브를 시험하여 동적특성의 검증이 요구된다. 이러한 실험의 목적은 직렬 연결된 스위칭 밸브의 turn on, off 동작시에 스너버 회로 및 스위칭 밸브가 설계된 최대 전압 또는 전류의 사양을 충족시키는지 여부에 대한 검증을 하는 것이다. Turn off 시험에 의하여 동적 전압 분포 및 전압 overshoot 분배 특성이 점검되고, turn on 시험에 의해 스너버 회로에 저장된 에너지의 발산 및 역병렬 diode의 hard recovery 특성을 파악할 수 있으며 설계사양의 충족여부가 점검될 수 있다.

제안 방법

이렇게 함으로써 과도상태에서의 전압분포, 각부의 온도가 허용범위 내에 있는지 검증할 수 있다. 2개의 H-Bridge 시험 장치를 설계하였으며 시뮬레이션을 수행하여 시험 장치를 검증해 보았다.
H-Bridge 시험은 DC 전압을 500 V 단위로 증가시켜 6,330 V까지 시험을 수행하였으며 전류를 50 A단위로 증가시켜 2,930 Apeak까지 시험을 수행하였다. HMI 화면에서 전류지령을 변화시킴에 따라 제어기는 한 폴의 alpha각은 고정시키고 다른 폴의 alpha 각을 변화시켜 제어를 수행하게 되며 이 alpha 각을 모니터링 하여 alpha 각에 따른 출력전류가 정상적으로 제어됨을 확인하였다.
기존의 2개의 전원을 사용하는 방식에서는 DC 전압을 스위칭 할 때 순간적으로 이 전압이 그대로 AC 전원에 인가되기 때문에 AC 전류를 공급하는 전원장치의 대지 간 절연이 상당히 크게 된다[4]. 본 논문에서는 AC power supply를 제거하고 공진회로를 이용한 H-Bridge 시험 장치를 제안하였으며, 단상 인버터 폴 2대를 연결하여 시험설비를 검증하였다.
밸브 시험 장치에 대한 시뮬레이션결과를 바탕으로 전력용 반도체 소자가 직렬 연결된 스위칭 밸브의 시험 장치를 아래의 그림 3과 같이 구성하였다. 스위칭 밸브는 ABB사의 4500V, 4000A급의 IGCT를 5개 직렬 연결하여 구성하였으며 동일 용량의 다이오드를 5개 직렬 연결하여 역병렬 다이오드 및 전류 순환용 다이오드를 구성하였다.
인버터 폴의 설계상, 제작상의 문제점을 점검하기 위해 실제 운전조건에 근사한 상태인 정격전압, 정격전류를 스위칭 하여 정격 전류를 충분히 도통시키는 실험을 구현하였다. 인버터 폴 2대를 연결하여 LC 공진회로를 통한 폴 시험설비의 구성을 제안하였다. LC 공진회로를 사용함으로써 전원장치 한 개를 제거함으로써 부하장치의 부피를 줄일 수 있었다.
이러한 제안된 시험장치를 이용하여 직렬 연결된 스위칭 밸브의 turn on, off 동작시에 설계한 스너버 회로 및 스위칭 밸브가 최대사양 전압, 전류를 견딜 수 있는지의 여부를 확인하고, turn off 동작에서의 동적 전압 분포 및 전압 overshoot 분배 특성을 확인할 수 있었다. 인버터 폴의 설계상, 제작상의 문제점을 점검하기 위해 실제 운전조건에 근사한 상태인 정격전압, 정격전류를 스위칭 하여 정격 전류를 충분히 도통시키는 실험을 구현하였다. 인버터 폴 2대를 연결하여 LC 공진회로를 통한 폴 시험설비의 구성을 제안하였다.
DC Power supply는 10KV 12A를 사용하였다. 정격용량에서 스위칭시스위칭 소자에서 발생하는 열의 냉각을 위하여 냉각시스템 및 열교환기를 설치하였다.
LC 공진회로를 사용함으로써 전원장치 한 개를 제거함으로써 부하장치의 부피를 줄일 수 있었다. 제안된 시험설비를 이용하여 과도상태에서의 전압분포, 각부의 온도가 허용범위 내에 있는지 검증이 가능하다.
직렬 연결된 전력용 반도체 소자로 구성된 인버터 스위칭 밸브의 turn off 시험에 의해 동적 전압 분포 및 전압 overshoot, turn on 시험에 의해 스너버 회로에 저장된 에너지의 발산 및 역병렬 diode의 hard recovery 특성의 점검을 위하여 그림 1과 같은 시험 장치를 고안하였다. 시험장치는 크게 스위칭 밸브, 역병렬 다이오드 및 전류 순환용 다이오드로 구성된 스위칭 밸브 부분과 2개의 DC 전원장치, 에너지 저장용 커패시터 및 부하 리액터로 구성된다.

대상 데이터

공진 회로를 이용한 H-Bridge 시험 장치는 아래의 그림과 같은 단상 인버터 폴 2대로 구성된다. 스위칭 밸브는 ABB 사의 4500V, 4000A급의 IGCT를 5개 직렬연결 하여 구성하였으며 동일 용량의 다이오드를 5개 직렬 연결하여 역병렬 다이오드를 구성하였다. 4개의 스위칭 밸브를 이용하여 3레벨 단상 인버터 폴을 구성하였다.
직렬 연결된 전력용 반도체 소자로 구성된 인버터 스위칭 밸브의 turn off 시험에 의해 동적 전압 분포 및 전압 overshoot, turn on 시험에 의해 스너버 회로에 저장된 에너지의 발산 및 역병렬 diode의 hard recovery 특성의 점검을 위하여 그림 1과 같은 시험 장치를 고안하였다. 시험장치는 크게 스위칭 밸브, 역병렬 다이오드 및 전류 순환용 다이오드로 구성된 스위칭 밸브 부분과 2개의 DC 전원장치, 에너지 저장용 커패시터 및 부하 리액터로 구성된다. 전류제한장치가 있는 전원장치로 C1, C2를 미리 충전하고, T1을 on 시키면 C2에 충전된 에너지가 L2에 흐르는 전류에너지로 바뀌는데 이 전류가 최대인 지점, 즉 L2와 C2의 공진주기 1/4이 될 때 T1을 off 하면 T1은 전류를 차단하면서 C1에 충전된 전압이 인가된다.

성능/효과

H-Bridge 시험은 DC 전압을 500 V 단위로 증가시켜 6,330 V까지 시험을 수행하였으며 전류를 50 A단위로 증가시켜 2,930 Apeak까지 시험을 수행하였다. HMI 화면에서 전류지령을 변화시킴에 따라 제어기는 한 폴의 alpha각은 고정시키고 다른 폴의 alpha 각을 변화시켜 제어를 수행하게 되며 이 alpha 각을 모니터링 하여 alpha 각에 따른 출력전류가 정상적으로 제어됨을 확인하였다.
아래의 그림 7에는 스위칭 밸브 turn off 특성을 확대하여 나타내었다. 시험 조건은 DC1에 10000V, DC2에 3500V 충전 조건에서 시험하였으며, 균등한 turn off 전압분배를 보임을 알 수 있다.
이 장치를 이용하여 스위치의 전류, 전압 조건을 독립적으로 조정하여 요구되는 조건들을 정확하게 선정할 수 있었다. 이러한 제안된 시험장치를 이용하여 직렬 연결된 스위칭 밸브의 turn on, off 동작시에 설계한 스너버 회로 및 스위칭 밸브가 최대사양 전압, 전류를 견딜 수 있는지의 여부를 확인하고, turn off 동작에서의 동적 전압 분포 및 전압 overshoot 분배 특성을 확인할 수 있었다. 인버터 폴의 설계상, 제작상의 문제점을 점검하기 위해 실제 운전조건에 근사한 상태인 정격전압, 정격전류를 스위칭 하여 정격 전류를 충분히 도통시키는 실험을 구현하였다.
제시된 수식을 이용하여 스위칭 타임을 적용하면, 제안된 방식에서는 Valve의 스위칭 전압 전류조건을 정확히 선정할 수 있다.

후속연구

밸브로 구성된 단상 인버터의 특성 또한 simulation을 통하여 어느 정도의 예측은 가능하지만, 설계상, 제작상의 문제점을 점검하기 위해서는 실제 운전조건에 상당하는 정격전압, 정격전류를 스위칭 하여 검증 실험을 수행하여야 한다. 이러한 실험을 통하여 과도상태의 전압 분포, 각부의 온도가 허용범위 내에 있는지를 확인해야 한다. 기존의 2개의 전원을 사용하는 방식에서는 DC 전압을 스위칭 할 때 순간적으로 이 전압이 그대로 AC 전원에 인가되기 때문에 AC 전류를 공급하는 전원장치의 대지 간 절연이 상당히 크게 된다[4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력용 반도체 스위칭 시험방식에는 일반적으로 어떠한 방식을 사용해왔는가?	일반적으로 전력용 반도체 스위칭 시험방식에서는 인덕터를 사용하여 소자시험에 필요한 전류를 생성시키고 이 전류를 이용하여 power semiconductor를 turn off 특성을 검증하는 방식을 사용해 왔다[4]. DC 전압공급부에서 turn-on시에 흐르는 부하전류를 공급함과 동시에 turn-off 시 전력용 반도체의 turn-off 전압을 유지해 주는 방식으로 스위칭시 소자의 정격전압, 정격전류에서의 스위칭 특성을 파악할 수 있다.
	전압의 대용량 인버터에 사용되는 밸브는 무엇인가?	STATCOM등 FACTS(Flexible AC Transmission System) 기기 등에 사용되는 고전압의 대용량 인버터에는 전력용 반도체 소자가 직렬로 연결된 스위칭 밸브가 이용되고 있으며이 밸브로 폴을 구성하는 방식이 사용되고 있다 [1]∼[3]. 현재 산업계에서 일반적으로 사용하는 폴 구성방식은 2 레벨 또는 3 레벨 방식이다.
	큰 용랑의 DC 전압공급부가 필요한 이유는 무엇인가?	DC 전압공급부에서 turn-on시에 흐르는 부하전류를 공급함과 동시에 turn-off 시 전력용 반도체의 turn-off 전압을 유지해 주는 방식으로 스위칭시 소자의 정격전압, 정격전류에서의 스위칭 특성을 파악할 수 있다. 하지만 전력용 반도체 turn-on 시에는 많은 부하전류가 흐르게 되며 이에 따라 콘덴서가 충분히 큰 용량이 아니라면 콘덴서에 충전되어 있던 DC 전압은 방전을 하게 되어, turn-off 시에 충분한 전압을 공급하지 못하게 된다. 이를 방지하기 위해서 큰 용랑의 DC 전압공급부가 필요하며, 이에 따라 시험하는 전력용 반도체의 정격전압, 정격전류가 커 질수록 DC 전압공급부의 용량도 커져야 하는 단점이 있다.

참고문헌 (6)

C. Schauder, E. Stacey, M. Lund, L. Gyugyi, L. Kovalsky, A. Keri, A. Mehraban, and A. Edris, "AEP UPFC Project: Installation, Commissioning and Operation of the 160 MVA STATCOM (Phase I)", IEEE Trans. Power Delivery, vol. 13, no. 4, pp. 1530-1535, Oct. 1998.

상세보기
B. A. Renz, A. Keri, A. S. Mehraban, C. Schauder, E. Stacey, L. Kovalsky, L. Gyugyi, and A. Edris, "AEP Unified Power Flow Controller Performance", IEEE Trans. Power Delivery, vol. 14, no. 4, pp. 1374-1381, Oct. 1999.

상세보기
J. Sun, L. Hopkins, B. Shperling, B. Fardanesh, M. Graham, M. Parisi, S. MacDonald, S. Bhattacharya, S. Berkowitz, and A. Edris, "Operating Characteristics of the Convertible Static Compensator on the 345 kV Network", in Proc. of PSCE'04, New York, Oct. 2004.
S. Bhattacharya, "Series Connected IGCT based High Power Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Inverter Pole for FACTS Applications", PESC'05, pp. 2315-2321, 2005.
고속 전력용 반도체 소자의 스위칭 테스트 장치 (공개특허 제1998-67320)
대용량 전력수송 기술개발(1단계 : FACTS 운용 및 기기 국산화 기술개발) 3차년도 1차분기 보고서, 2006.

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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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