[논문]불평형 전압 조건에서 스위칭 소자의 전류 용량과 순환전류를 고려한 HVDC-MMC 제어기법

문지우; 배득우; 박정우; 강대욱; 유동욱; 김장목

doi:10.6113/tkpe.2013.18.3.270

불평형 전압 조건에서 스위칭 소자의 전류 용량과 순환전류를 고려한 HVDC-MMC 제어기법
Control of HVDC-MMC Considering the Switching Device's Current Capacity and Circulating Current under Unbalanced Voltage Conditions 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.3, 2013년, pp.270 - 278

문지우 (Power Conversion & Control Research Center, Korea Electrotechnology Research institute) , 배득우 (Department of Electrical Engineering, Pusan National University) , 박정우 (Power Conversion & Control Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute) , 강대욱 (Power Conversion & Control Research Center, Korea Electrotechnology Research institute) , 유동욱 (Power Conversion & Control Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute) , 김장목 (Department of Electrical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a control method for high voltage direct current(HVDC) with modular multilevel converter (MMC) under unbalanced voltage conditions considering the submodule(SM)'s current capacity and circulating current. It is aimed to propose a control method in which the current peak value does not exceed the maximum value of HVDC-MMC by considering the current capacity of the SM under unbalance voltage conditions. And it analyzes the effect of the unbalanced voltage on circulating currents in MMC and then proposes a control method considering each component of circulating currents under unbalanced voltages. The effectiveness of the proposed controlling method is verified through simulation results using PSCAD/EMTDC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 불평형 전압 발생시 MMC를 제어하는 제어기법에 대하여 제안한다. 불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여, 첫째 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 맥동을 저감하면서 스위칭 소자의 최대 허용전류 이내로 MMC를 제어하는 제어기법에 대하여 제안한다.
본 논문에서는 불평형 전압 조건에서도 HVDC – MMC를 안정적으로 제어할 수 있는 제어기법에 대하여 제안하였다.

가설 설정

MMC에 손실이 없다고 가정하면 MMC의 AC측 유효전력과 DC측 유효전력은 동일하여야 한다. 또한 불평형 전압 발생시 AC측 유효전력의 맥동은 DVCC를 통하여 제거하기 때문에 맥동이 없다고 가정하면 DC측 유효전력은 식 (26)과 같으며 이때 AC측 유효전력과 DC-link 전압을 알고 있으므로 DC-link 전류 지령치를 계산할 수 있다.

제안 방법

하지만 이 방식의 경우 MMC의 AC측 유효전력에 기본파 주파수의 두 배의 맥동이 존재하는 단점을 가지고 있다. 두 번째 방법은 불평형 전압 발생 시 역상분 전류를 주입하여 MMC의 AC측 유효전력의 맥동을 저감하는 제어 방식이다.^[2]하지만 이 방식의 경우 역상분 전류의 주입에 따라 스위칭 소자에 흐르는 전류의 크기가 증가하게 되며 이를 정격 전류 이내로 제한하기 위하여 별도의 전류제한이 필요하게 된다.
첫째, 불평형 전압 시 발생되는 유효전력의 맥동을 저감하기 위하여 주입되는 역상분 전류의 크기와 i_diffk를 고려하여 정상분 전류가 사용할 수 있는 최대 전류를 계산하고 이에 따라 전류를 제한함으로써 SM 및 스위칭 소자에 흐르는 전류가 전류 제한 범위 이내에서 제어되도록 제안하였다. 둘째, 불평형 전압 발생 시에도 i_diffk 및 순환전류에 맥동 없이 안정적으로 제어할 수 있는 제어 기법을 제안하였다. 불평형 전압발생 시, 순환전류에 나타나는 정상분, 역상분 및 영상분 성분을 고려한 제어기를 설계하여 순환전류를 억제하였다.
불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여, 첫째 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 맥동을 저감하면서 스위칭 소자의 최대 허용전류 이내로 MMC를 제어하는 제어기법에 대하여 제안한다. 둘째, 역상분 전류의 주입에 따라 발생하게 되는 순환전류의 정상분 전류와 영상분 전류를 고려한 새로운 제어 기법에 대하여 제안하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.
하지만 이 방법의 경우 제어기 구조가 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 따라서 정상분과 역상분의 분리 없이 각각의 성분을 제어하기 위하여 3상 정지 좌표계에서 proportional-integral-resonant (PIR) 제어기를 이용하여 제어기를 설계하였다.
^[14] 하지만 resonant 제어기의 경우 하나의 주파수에만 반응을 하기 때문에 기본파 이외의 고조파 성분이 포함되어 있는 경우 고조파를 제거하기 위한 resonant 제어기가 추가되어야 하는 단점을 가지고 있다. 또한 제안한 제어 방식의 경우 AC측 역상분 전류를 0으로 제어하여 AC측 유효전력에 기본파 주파수의 두 배의 맥동이 존재하는 단점을 가지고 있다.
본 논문에서는 불평형 전압 발생시 MMC를 제어하는 제어기법에 대하여 제안한다. 불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여, 첫째 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 맥동을 저감하면서 스위칭 소자의 최대 허용전류 이내로 MMC를 제어하는 제어기법에 대하여 제안한다. 둘째, 역상분 전류의 주입에 따라 발생하게 되는 순환전류의 정상분 전류와 영상분 전류를 고려한 새로운 제어 기법에 대하여 제안하였다.
둘째, 불평형 전압 발생 시에도 i_diffk 및 순환전류에 맥동 없이 안정적으로 제어할 수 있는 제어 기법을 제안하였다. 불평형 전압발생 시, 순환전류에 나타나는 정상분, 역상분 및 영상분 성분을 고려한 제어기를 설계하여 순환전류를 억제하였다. 제안한 제어기법은 순환전류 뿐만 아니라 i_diffk 및 DC-link 전류의 과도특성 또한 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
참고문헌 [2]는 DVCC를 이용할 경우, 역상분 전류 지령치를 계산하는 방식을 제안하였다. 제안된 방식의 경우 MMC의 계통측 인덕턴스 성분을 고려한 유효전력의 맥동을 분석하고 인덕턴스에 의한 맥동 성분도 보상하는 방식을 제안하였다. 하지만 제안한 방식의 경우 역상분 전류의 주입에 따른 AC측 전류의 peak치가 증가하게 되며, 이로 인하여 스위칭 소자에 흐르는 전류가 증가하게 되어 정격전류 이상으로 상승할 수 있다.
참고문헌 [3]에서는 불평형 전압 발생시 DVCC를 이용하여 AC측 전류를 제어하고, 이에 따른 각 상의 순시 전력을 분석하였다. 제안한 방식의 경우 AC측 역상분 전류를 0A로 제어함으로써, AC측 유효전력에 기본파 주파수의 두 배의 맥동이 존재하는 단점을 가지고 있으며, 유효전력의 맥동으로 인해 DC-link 전압의 맥동이 나타나는 단점이 있다. 따라서 참고문헌 [3]에서는 DC-link 전압의 맥동을 제거하기 위하여 추가적인 제어기를 통하여 DC-link단 전압을 제어하는 방식을 제안한 바 있다.
불평형 전압 발생시 MMC를 제어하는 기존 제어 방식들을 정리하면 크게 두 가지 방식으로 나눌수 있다. 첫 번째 방법은 불평형 전압 발생시 역상분 전류를 0으로 제어하고, 정상분 전류를 기존의 2-lelvel 방식의 전류제한 방식을 이용하여 스위칭 소자에 흐르는 전류의 크기를 제한한다. 하지만 이 방식의 경우 MMC의 AC측 유효전력에 기본파 주파수의 두 배의 맥동이 존재하는 단점을 가지고 있다.
본 논문에서는 불평형 전압 조건에서도 HVDC – MMC를 안정적으로 제어할 수 있는 제어기법에 대하여 제안하였다. 첫째, 불평형 전압 시 발생되는 유효전력의 맥동을 저감하기 위하여 주입되는 역상분 전류의 크기와 i_diffk를 고려하여 정상분 전류가 사용할 수 있는 최대 전류를 계산하고 이에 따라 전류를 제한함으로써 SM 및 스위칭 소자에 흐르는 전류가 전류 제한 범위 이내에서 제어되도록 제안하였다. 둘째, 불평형 전압 발생 시에도 i_diffk 및 순환전류에 맥동 없이 안정적으로 제어할 수 있는 제어 기법을 제안하였다.

데이터처리

둘째, 역상분 전류의 주입에 따라 발생하게 되는 순환전류의 정상분 전류와 영상분 전류를 고려한 새로운 제어 기법에 대하여 제안하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 검증하였다.

이론/모형

시뮬레이션에 사용한 파라메터는 표 1과 같다. PWM 방식 및 SM의 커패시터 전압 balancing 알고리즘은 참고문헌 [7]의 modified PSC-PWM 방식을 이용하였다.
시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였으며 그림 8과 같은 구조로 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션에 사용한 파라메터는 표 1과 같다.

성능/효과

그림 (c)는 각상의 암전류 및 스위칭 소자의 전류 제한치를 보여준다. 각상의 암 전류는 스위칭 소자의 전류 제한치 이내에서 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다. 그림 (d)는 MMC의 유효전력를 보여준다.
그림 (b)는 a상의 i_diffk를 보여준다. 기존 제어기법의 경우 불평전압 투입 시, DC-link 전류에 과도특성에 의한 맥동이 발생하는 것을 확인할 수 있으며 또한 불평형 전압에 의한 맥동성분이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 제안한 방식의 경우 DC-link 전류를 직접적으로 제어하기 때문에 과도 특성 없이 안정적으로 제어되며, 불평형 전압이 유지되는 구간에서도 맥동 없이 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다.
식 (18)에서 a상의 성분을 나타내면 식 (19)^~(22)와 같다. 따라서 각 상의 순시전력은 DC 성분과 역상분 성분뿐만 아니라, 정상분 성분과 영상분 성분이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그림 4는 불평형 전압 발생시 MMC의 등가회로를 보여준다.
6 [s]에서 유효전력이 증가함에 따라 각 leg에 흐르는 i_diffk의 i_dc/3의 크기가 증가하게 되고, 이로 인하여 정상분 q-축 전류 제한치가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 또한 불평형 전압 발생 시 역상분 전류의 주입으로 인하여 역상분 전류의 크기만큼 정상분 q-축전류 제한치가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 그림 (g)와 (h)는 MMC의 AC측 역상분 d-q축 전류를 보여준다.
그림 (a)와 (b)는 계통측 전압과 MMC의 AC측 전류를 보여준다. 불평형 전압이 발생함에 따라 유효전력의 맥동을 저감하기 위하여 주입되는 역상분 전류로 인하여 MMC의 AC측 전류가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 그림 (c)는 각상의 암전류 및 스위칭 소자의 전류 제한치를 보여준다.
제안한 제어기법은 순환전류 뿐만 아니라 i_diffk 및 DC-link 전류의 과도특성 또한 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 제안된 알고리즘은 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 입증하였다.
불평형 전압발생 시, 순환전류에 나타나는 정상분, 역상분 및 영상분 성분을 고려한 제어기를 설계하여 순환전류를 억제하였다. 제안한 제어기법은 순환전류 뿐만 아니라 i_diffk 및 DC-link 전류의 과도특성 또한 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 제안된 알고리즘은 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 입증하였다.
기존 제어기법의 경우 불평형 전압 발생 시 순환전류에 나타나는 정상분과 영상분 성분을 고려하지 않았기 때문에 순환전류의 맥동이 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 제안한 방법의 경우 삼상 정지좌표계에서 각각의 성분들을 고려하였기 때문에 기존 제어 기법과 비교하여 맥동이 줄어든 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그림 (b)는 a상의 i_diffk를 보여준다.
기존 제어기법의 경우 불평전압 투입 시, DC-link 전류에 과도특성에 의한 맥동이 발생하는 것을 확인할 수 있으며 또한 불평형 전압에 의한 맥동성분이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 제안한 방식의 경우 DC-link 전류를 직접적으로 제어하기 때문에 과도 특성 없이 안정적으로 제어되며, 불평형 전압이 유지되는 구간에서도 맥동 없이 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다.
제안된 방식의 경우 MMC의 계통측 인덕턴스 성분을 고려한 유효전력의 맥동을 분석하고 인덕턴스에 의한 맥동 성분도 보상하는 방식을 제안하였다. 하지만 제안한 방식의 경우 역상분 전류의 주입에 따른 AC측 전류의 peak치가 증가하게 되며, 이로 인하여 스위칭 소자에 흐르는 전류가 증가하게 되어 정격전류 이상으로 상승할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2상 정지 좌표계에서 PR 제어기를 사용할 경우 장점은?	참고문헌 [4]는 2상 정지 좌표계에서 proportional-resonant (PR) 제어기를 이용하여 MMC를 제어하는 제어 방법을 제안하였다. 2상 정지 좌표계에서 PR 제어기를 사용할 경우 정상분 성분과 역상분 성분의 분리 없이 2개의 PR제어기만으로 정상분 전류와 역상분 전류를 제어할 수 있는 장점이 있다.[14] 하지만 resonant 제어기의 경우 하나의 주파수에만 반응을 하기 때문에 기본파 이외의 고조파 성분이 포함되어 있는 경우 고조파를 제거하기 위한 resonant 제어기가 추가되어야 하는 단점을 가지고 있다.
	2상 정지 좌표계에서 resonant 제어기를 사용할 경우 단점은?	2상 정지 좌표계에서 PR 제어기를 사용할 경우 정상분 성분과 역상분 성분의 분리 없이 2개의 PR제어기만으로 정상분 전류와 역상분 전류를 제어할 수 있는 장점이 있다.[14] 하지만 resonant 제어기의 경우 하나의 주파수에만 반응을 하기 때문에 기본파 이외의 고조파 성분이 포함되어 있는 경우 고조파를 제거하기 위한 resonant 제어기가 추가되어야 하는 단점을 가지고 있다. 또한 제안한 제어 방식의 경우 AC측 역상분 전류를 0으로 제어하여 AC측 유효전력에 기본파 주파수의 두 배의 맥동이 존재하는 단점을 가지고 있다.
	전압형 HVDC가 전류형 HVDC에 비해 가지는 장점은?	이러한 HVDC 시스템은 전류형 HVDC와 전압형 HVDC로 구분할 수 있으며, 특히 신재생 에너지의 증가에 따라 전력계통의 안정화를 위해 능동적인 제어가 가능한 전압형 HVDC 시스템에 대한 관심이 고조되고 있다.[1]-[2] 전압형 HVDC의 경우, 전류형 HVDC와 비교하여 유효전력과 무효전력의 독립제어가 가능하며, 계통측 필터 사이즈의 감소, pulse width modulation(PWM)방식의 사용으로 빠른 과도응답특성, 전환 과정을 돕기 위한 변압기가 필요 없다는 장점을 가진다.[3] 이러한 장점때문에 전압형 HVDC의 사용이 제안되었고, 현재 modular multilevel converter(MMC)을 이용한 전압형 HVDC에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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C. Hsu, and P. Cheng, "A Low-Voltage Ride-Through Technique for Grid-Connected Converters of Distributed Energy Resources," Industry Applications, IEEE Transactions on, Vol. 47, No. 4 pp. 1821-1832, 2011.

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저자의 다른 논문 :

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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