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문제 정의
- 본 논문에서는 3.3kV/220V, 6kVA 용량의 양방향 지능형 반도체 변압기의 새로운 회로구성을 제안하고 그 동작과 성능을 분석하였다. 제안하는 3상 반도체변압기는 1.
제안 방법
- IGBT는 스위칭 주파수가 올라갈수록 턴-오프 시 Tail-current에 의한 스위칭 손실이 증가하여 이로 인해 효율이 감소되는 단점이 있어 이를 개선하기 위해 MOSFET 스위치를 병렬로 연결한 하이브리드 스위치를 사용하였다. 그림 6는 하이브리드 스위치에서 게이팅 신호를 가하는 방법을 나타낸 것이다.
- 본 논문에서 제안하는 반도체변압기는 고압측과 저압측으로 나누어 구성되며 고압측은 반-브리지 AC-DC 컨버터를 고주파 변압기를 통해 입력은 직렬로 출력은 병렬로 결합되어 있고, 저압측은 양방향 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터로 구성되어 있다. 고압측 입력전압은 단상 1900V, 1차 DC 링크전압은 320V, 2차 DC 링크전압은 700V, 그리고 인버터의 출력전압은 단상 127V 이다.
- 시뮬레이션 결과를 기반으로 그림 10에 보인 바와 같이 양방향 고주파 변압기의 하드웨어 프로토타입을 제작하고 실험을 실시하였다. 그림 10에서 왼쪽의 사진은 고압측 고주파 양방향 AC-DC정류기의 하드웨어 구조이며, 오른쪽 사진은 저압측 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터의 하드웨어 구조이다.
- 그림 2는 단상 교류 1900V를 320V 전파정류파형으로 변환하는 양방향 고주파 AC-DC 정류기의 구조를 나타낸 것이다. 입력과 출력 측의 회로구성은 기본적으로 반-브리지 모듈을 기반으로 구성하였고 입력 측의 전압이 고압이므로 3개의 반-브리지 모듈을 직렬로 연결하고 출력 측의 전압은 저압임을 고려하여 3개의 반-브리지 모듈을 병렬로 연결하였다. 또한 입력 측 반-브리지 모듈의 스위칭 소자는 2개의 IGBT 소자를 역방향으로 직결하였다.
- 3kV/220V, 6kVA 용량의 양방향 지능형 반도체 변압기의 새로운 회로구성을 제안하고 그 동작과 성능을 분석하였다. 제안하는 3상 반도체변압기는 1.9kV/127V 단상 반도체 변압기 모듈 3대를 Y-결선으로 구성하였으며, 각 단상 반도체 변압기는 고압 고주파 AC-DC 정류기와 저압 양방향 DC-AC 컨버터로 구성되어 있다. 제안하는 반도체변압기의 회로적인 특성을 다양하게 분석하기 위하여 먼저 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션을 실시하였고 이를 기반으로 1.
- 제안하는 반도체 변압기는 상전압 1900V의 단상 교류 파형을 고정 시비율의 소프트스위칭을 적용한 양방향 고주파 AC-DC 정류기를 통해 피크치 320V의 반-브리지 정류파형으로 변환한다. 이 전파 정류파형은 가변 시 비율로 제어되는 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 역률제어와 일정한 직류 700V로 변환된다.
- 제안하는 반도체변압기의 회로적 특성과 제어성능의 분석을 위하여 먼저 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션을 수행하였다.
데이터처리
- 9kV/127V 단상 반도체 변압기 모듈 3대를 Y-결선으로 구성하였으며, 각 단상 반도체 변압기는 고압 고주파 AC-DC 정류기와 저압 양방향 DC-AC 컨버터로 구성되어 있다. 제안하는 반도체변압기의 회로적인 특성을 다양하게 분석하기 위하여 먼저 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션을 실시하였고 이를 기반으로 1.9kV/127V, 2kVA 단상 반도체변압기를 제작하고 실험을 통해 그 동작과 성능을 검증하였다. 향후 통신을 이용한 원격 제어와 감시기능을 추가하여 최근 많은 관심이 고조되고 있는 Smart-Grid에 효율적으로 적용 가능할 것으로 보인다.
성능/효과
- 그림 11은 입력전압과 입력전압이 양의 전압일 때 M1, M2, M5 스위치에 공급되는 Gate 펄스의 파형이다. M1과 M2 파형은 입력전압의 위상에 따라 개별적으로 동작하고 M5 파형은 입력전압에 관계없이 계속해서 동작하는 것을 확인할 수 있다. 이때 스위칭 주파수는 50kHz이고, LC공진주파수 역시 50kHz로 고정하였다.
- 22sec에서 정방향에서 역방향으로 바뀌는 저압측 입력전류의 파형을 나타낸 것이다. 네 번째 그래프는 DC 링크전압으로 비교적 리플이 적은 상태에서 700V를 유지함을 알 수 있다. 다섯 번째 그래프는 DC-AC 인버터의 출력전압과 전류를 나타낸 것으로 고조파 함유율이 낮은 정현파임을 알 수 있다.
- 또한 2차 측은 병렬로 구성되어 있고 고정된 게이트 구동펄스에 의해 균등한 320V의 전압이 병렬로 결합됨을 확인할 수 있었다. 따라서 제안하는 반도체 변압기에서 고압측 컨버터는 별도의 제어가 필요 없이 고압의 AC파형에서 전파 정류된 전압파형을 생성함을 확인하였다.
- 입력전압이 고압측 고주파 양방향 AC-DC 정류기의 1차 측이 직렬로 결합되어 있어 입력전압 1900V가 3등분으로 분배됨을 알 수 있다. 또한 2차 측은 병렬로 구성되어 있고 고정된 게이트 구동펄스에 의해 균등한 320V의 전압이 병렬로 결합됨을 확인할 수 있었다. 따라서 제안하는 반도체 변압기에서 고압측 컨버터는 별도의 제어가 필요 없이 고압의 AC파형에서 전파 정류된 전압파형을 생성함을 확인하였다.
- 세 번째 파형은 전력흐름이 변화할 때 과도적으로 DC 링크 전압이 상승하나 짧은 과도시간이 경과된 후 700V로 유지 되는 것을 알 수 있다. 또한 인버터의 출력전압은 약간 감소하나 일정 값을 유지함을 알 수 있고 출력전류는 유효전력의 크기에 따라 증가함을 알 수 있다. 이 실험을 통하여 제안하는 반도체 변압기는 양방향으로 출력전력의 크기를 제어 가능함을 검증할 수 있었다.
- 두 번째 파형은 정류된 전압과 PFC 제어를 통해 전력 흐름에 따른 전류가 형성되는 모습을 볼 수 있다. 세 번째 파형은 전력흐름이 변화할 때 과도적으로 DC 링크 전압이 상승하나 짧은 과도시간이 경과된 후 700V로 유지 되는 것을 알 수 있다. 또한 인버터의 출력전압은 약간 감소하나 일정 값을 유지함을 알 수 있고 출력전류는 유효전력의 크기에 따라 증가함을 알 수 있다.
- 또한 인버터의 출력전압은 약간 감소하나 일정 값을 유지함을 알 수 있고 출력전류는 유효전력의 크기에 따라 증가함을 알 수 있다. 이 실험을 통하여 제안하는 반도체 변압기는 양방향으로 출력전력의 크기를 제어 가능함을 검증할 수 있었다.
- 또한 그림 15(b)는 입력전력이 역방향인 상태에서 입력전압에 Sag가 발행하였을 때의 실험파형이며, 정방향과 동일하게 역방향에서도 DC-DC 컨버터에서 DC 링크 전압제어를 통하여 DC 링크 전압이 700V로 유지되고 DC-AC 인버터가 정상적으로 동작하는 것을 알 수 있다. 이 실험을 통하여 제안하는 반도체 변압기는 입력전압에 Sag가 발생할 때에도 정방향과 역방향으로 전력전달이 가능함을 검증하였다.
- 96의 역률이 나온 모습을 파형을 통해 볼 수 있다. 이상의 실험을 통해 얻은 결과는 이전에서 시뮬레이션결과와 동일함을 알 수 있다.
- 고압측 입력전압은 단상 1900V, 1차 DC 링크전압은 320V, 2차 DC 링크전압은 700V, 그리고 인버터의 출력전압은 단상 127V 이다. 제안하는 반도체변압기는 양방향으로 전력전달이 가능하고, 입력전압이 변동하여도 출력전압은 부하에서 요구하는 파형을 생성 가능한 특징을 갖는다.
후속연구
- 9kV/127V, 2kVA 단상 반도체변압기를 제작하고 실험을 통해 그 동작과 성능을 검증하였다. 향후 통신을 이용한 원격 제어와 감시기능을 추가하여 최근 많은 관심이 고조되고 있는 Smart-Grid에 효율적으로 적용 가능할 것으로 보인다.
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