[논문]멀티레벨 인버터를 이용한 무효전력 보상장치에서의 DC-Link 전압 불평형 보상

김효진; 정승기

doi:10.6113/tkpe.2013.18.5.422

멀티레벨 인버터를 이용한 무효전력 보상장치에서의 DC-Link 전압 불평형 보상
DC-Link Voltage Unbalance Compensation of Reactive Power Compensator using Multi-level Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.5, 2013년, pp.422 - 428

김효진 (Dept. of Electrical Eng., Kwangwoon University) , 정승기 (Dept. of Electrical Eng., Kwangwoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, we use a static synchronous compensator(STATCOM) with cascaded H-bride topologies, because it is easy to increase capacity and to reduce total harmonic distortion(THD). When we use equipment for reactive power compensation, dc-link voltage unbalances occur from several reasons although loads are balanced. In the past, switching pattern change of single phase inverter and reference voltage magnitude change of inverter equipped with power sensor have been used for dc-link voltage balance. But previous methods are more complicated and expensive because of additional component costs. Therefore, this paper explains reasons of dc-link voltage unbalance and proposes solution. This solution is complex method that is composed of reference voltage magnitude change of inverter without additional hardware and shifted phase angle of inverter reference voltages change. It proves possibility through 1000[KVA] system simulation.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

DC-Link 전압 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션의 조건은 표 1, 표 2와 같다.
수식(12)에서 보는 것과 같이 개별 단상 인버터의 DC-Link 전압을 변경하려면 커패시터로 흐르는 인버터 출력 전류를 제어해야 한다. 개별 단상 인버터의 DC-Link 전압을 제어하기 위해 직접 전류를 제어하는 방법이 사용될 수 없어, 수식(12)에서 SW(Switching)상태를 변경해야 하는데, 이 SW 상태를 변경하기 위해 각 단상 인버터의 기준 전압을 변경하는 방법을 사용하였다.
다른 논문에서와 같이 단상 인버터의 순시 전력을 추정하여 기준 전압 크기를 제어하는 방법은 전력을 추정하는 방법의 어려움과 각 단상 인버터에서 낼 수 있는 기준 전압의 크기가 한정되어 DC-Link 불평형을 제어할 만큼의 여유 전압이 없을 시 효과를 얻기 어렵다. 그래서 단상 인버터 기준 전압 크기와 위상을 변경하는 방법을 고안하였다. 그림 3은 알고리즘 블록도 이다.
본 논문에서 적용한 STATCOM의 기본 형태는 그림 1과 같이 Cascaded H-Bridge 토폴로지로 구성한 STATCOM 시스템과 전원전압, 그리고 가변부하(Balanced)로 구성할 수 있다.
STATCOM의 출력 전압을 제어하기 위해 Phase Shift PWM을 사용하였으며 이 때문에 개별 단상 인버터간 DC-Link 전압 불평형이 발생한다. 이 불평형을 개선하는 방법으로 기준 전압 레퍼런스의 크기와 위상을 변경하는 방법을 사용하였고 시뮬레이션 통하여 검증하였다. 기존의 유효전력을 이용하여 기준 전압 크기를 변경하는 방법 또는 스위칭 패턴을 이용하는 방법에 비하여 추가의 하드웨어 없이 보조 제어기에 알고리즘을 추가 적용하는 방법으로 구현이 쉬우며, 단상 인버터가 개별 동작을 하므로 고장에 대한 추가 동작에도 유리하다.
그 외의 방법들은 연산하기가 어렵거나 순시적으로 변하는 부하에서는 빠르게 응답하지 못하는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 논문에서는 주제어기의 부하 분담률을 줄이고 연산을 간단하게 하려고 단상 인버터의 출력 전압 레퍼런스 크기와 위상을 이용한 제어 방법을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
전력 품질 개선을 위하여 계통을 안정화하고 공급 전압을 일정하게 유지할 목적으로 고압 대용량 시스템에 저압 단상 인버터를 이용한 멀티레벨 타입의 STATCOM을 적용하였다. STATCOM의 출력 전압을 제어하기 위해 Phase Shift PWM을 사용하였으며 이 때문에 개별 단상 인버터간 DC-Link 전압 불평형이 발생한다.

이론/모형

STATCOM의 시뮬레이션은 PSIM을 이용하였다. 부하의 무효전류는 시스템 정격 전류의 90%로 시뮬레이션 하였다.
개별 단상 인버터의 상전압 635[V], 선간 전압 1100[V]이다. 스위칭 방법으로 Phase Shifted PWM 방법을 사용하였으며 자세한 내용은 표 3과 같다.

성능/효과

출력 전압은 정현파에 가까운 파형을 만들고 있으며, 입력 전압과 STATCOM의 출력 전압은 동상을 유지 하는 것을 확인할 수 있다. 그림 7(b)는 출력 상전압과 부하 상전류에 대한 파형이며 출력 상전압과 인버터 출력 전류는 90^∘ 위상 차이가 나는 것을 확인할 수 있으며 이는 부하 에 흐르는 무효전류를 모두 STATCOM에서 보상했다는 것을 증명한다. 마지막 그림 7(c)는 입력 상전압과 입력 상전류에 해당하는 것으로 입력단 쪽에는 부하에 의한 전류가 흐르지 않음을 확인할 수 있다.
결론적으로 본 논문은 STATCOM에 Cascaded H-Bridge 토폴로지를 적용함으로써 발생하는 DC-Link 전압 불평형을 개선하였고 STATCOM 성능에 영향을 미치지 않으면서 멀티레벨 인버터의 이점(전압 증가, 용량 증대의 용이성 및 출력 전압 THD 감소 등)을 얻게 하였다. 추가로 미니어처 시스템에 적용할 예정에 있으며 현재 시스템 제작 중이다.
이 불평형을 개선하는 방법으로 기준 전압 레퍼런스의 크기와 위상을 변경하는 방법을 사용하였고 시뮬레이션 통하여 검증하였다. 기존의 유효전력을 이용하여 기준 전압 크기를 변경하는 방법 또는 스위칭 패턴을 이용하는 방법에 비하여 추가의 하드웨어 없이 보조 제어기에 알고리즘을 추가 적용하는 방법으로 구현이 쉬우며, 단상 인버터가 개별 동작을 하므로 고장에 대한 추가 동작에도 유리하다.
둘째, 단상 인버터 커패시터는 약 +10%에서 -10% 범위의 용량에 대한 허용오차를 갖고 있기 때문에 같은 커패시터를 이용하여 에너지를 충/방전을 함에도 DC-Link 전압에는 차이가 생긴다.
셋째, 구조적으로 직렬 연결된 단상 인버터가 전력계통에서 가장 가까운 쪽에 있는 경우와 가장 멀리 있는 경우 선로 임피던스의 차에 따라 손실이 달라진다.
2초 이후에 제어를 시작했다. 이 때 발산하는 전압들이 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 이 때 부하의 무효전류 보상 여부를 확인하면, 제어를 시작하는 과도 상태에서 전류가 흔들림을 갖다가 무효 전류를 정상적으로 보상하는 것을 확인하였다. 즉, 정상 상태에서 DC-Link 불평형 제어가 STATCOM의 주목적인 무효전력 보상 성능에 영향을 미치지 않는다.
첫째, 각 단상 인버터에서 사용되는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 스위칭 손실이 같지 않으므로 소모되는 유효전력 차가 발생한다.
그림 7(a) 파형은 입력 전원 R, S, T와 인버터 출력 전압 U 상의 전압 파형이다. 출력 전압은 정현파에 가까운 파형을 만들고 있으며, 입력 전압과 STATCOM의 출력 전압은 동상을 유지 하는 것을 확인할 수 있다. 그림 7(b)는 출력 상전압과 부하 상전류에 대한 파형이며 출력 상전압과 인버터 출력 전류는 90^∘ 위상 차이가 나는 것을 확인할 수 있으며 이는 부하 에 흐르는 무효전류를 모두 STATCOM에서 보상했다는 것을 증명한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무효전력 보상 장치를 적용하는 목적은?	에너지 절감 및 에너지 효율 증대의 일환으로 산업계에서 엄격한 전력 품질 제한 및 양질의 전력에 대한 요구가 증대 되고 있다. 이에 전력 품질의 개선을 위하여 계통을 안정화하고 공급 전압을 일정하게 유지할 목적으로 무효전력 보상 장치를 적용하고 있다.[1]~[2]
	무효전력 보상 장치류 3-레벨 인버터들이 주를 이루고 있으나 이에 대한 문제점은?	기존의 무효전력을 보상하기 위해 커패시터 뱅크를 전원단에 병렬로 연결하여 사용하는 진상 콘덴서, 계자 전류를 제어하는 동기 조상기, 정지형 무효전력 보상 장치가 사용되고 있다. 무효전력 보상 장치로 3-레벨 인버터들이 기존에 주를 이루고 있으나 이는 고압의 대용량을 목적으로 하는 시스템에 적용하기에는 소자 및 부품 추가로 인한 비용 증가와 스위칭 손실, 고조파 장애 등이 문제가 된다. 이에 저압의 소자를 사용하고 단상 풀 브릿지 인버터(H-Bridge Inverter)를 직렬 연결한 멀티레벨 인버터를 무효전력 보상 장치로 많이 사용하고 있다.
	DC-Link 전압 불평형을 해결하기 위한 방법에는 각각의 단상 인버터의 스위칭 패턴을 변경하는 방법, 직렬 연결된 단상 인버터의 유효전력을 계산하여 해결하는 방법 및 그 외의 방법들이 있다, 제안된 이 방법들의 단점은?	이 DC-Link 전압 불평형을 해결하기 위해 다수 논문의 저자들은 각각의 단상 인버터의 스위칭 패턴을 변경하는 방법[5]-[9], 직렬 연결된 단상 인버터의 유효전력을 계산하여 해결하는 방법[5] 및 그 외의 방법들을이용하여[10]-[11] DC-Link 전압 불평형 해결안을 제시해왔다. 그러나 스위칭 패턴을 이용하는 방법은 주제어기가 모든 단상 인버터의 스위칭을 관리해야 하므로 주제어기의 부하 부담률이 늘어나게 되며, 유효전력을 계산하여 제어하는 방법은 추가적인 하드웨어가 필요하게 된다. 그 외의 방법들은 연산하기가 어렵거나 순시적으로 변하는 부하에서는 빠르게 응답하지 못하는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 논문에서는 주제어기의 부하 분담률을 줄이고 연산을 간단하게 하려고 단상 인버터의 출력 전압 레퍼런스 크기와 위상을 이용한 제어 방법을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.

참고문헌 (11)

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동의어: Packet Collision Rate

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