[논문]3상 3.3kV/220V 6kVA 모듈형 반도체 변압기의 프로토타입 개발

김재혁; 김도현; 이병권; 한병문; 이준영; 최남섭

doi:10.5370/kiee.2013.62.12.1678

3상 3.3kV/220V 6kVA 모듈형 반도체 변압기의 프로토타입 개발
Prototype Development of 3-Phase 3.3kV/220V 6kVA Modular Semiconductor Transformer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.12, 2013년, pp.1678 - 1687

김재혁 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 김도현 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 이병권 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 한병문 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 이준영 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University) , 최남섭 (Div. of Electric., Electron. Communication & Computer Eng., Chonnam Nat'l Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a prototype of 3-phase 3.3kV/220V 6kVA modular semiconductor transformer developed in the lab for feasibility study. The developed prototype is composed of three single-phase units coupled in Y-connection. Each single-phase unit with a rating of 1.9kV/127V 2kVA consists of a high-voltage high-frequency resonant AC-DC converter, a low-voltage hybrid-switching DC-DC converter, and a low-voltage hybrid-switching DC-AC converter. Also each single-phase unit has two DSP controllers to control converter operation and to acquire monitoring data. Monitoring system was developed based on LabView by using CAN communication link between the DSP controller and PC. Through various experimental analyses it was verified that the prototype operates with proper performance under normal and sag condition. The system efficiency can be improved by adopting optimal design and replacing the IGBT switch with the SiC MOSFET switch. The developed prototype confirms a possibility to build a commercial high-voltage high-power semiconductor transformer by increasing the number of series-connected converter modules in high-voltage side and improving the performance of switching element.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

미전력연구원 (EPRI: Electric Power Research Institute) 이 주관으로 Virginia 공대와 철심과 코일로 구성된 기존 변압기를 대체하는 지능형 반도체 변압기의 타당성을 검토하였다.
본 논문에서 3상 3.3kV/220V 6kVA 양방향 반도체 변압기의 프로토타입을 제작하고 그 동작을 실험을 통해 검증한 내용을 기술하였다.
이 컨버터의 출력은 양방향 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터에 의해 교류전압으로 변환된다. 본 논문에서는 단상 1.9kV의 교류전압을 단상 127V로 변환하는 양방향 반도체 변압기를 제작하고 동작을 분석하였다. 그리고 이 단상 반도체 변압기 3대를 가지고 입력과 출력을 Y-결선으로 연결하여 3상 3.

제안 방법

3대의 반-브리지 고주파 공진 AC-DC 컨버터의 고압 단은 직렬로 결합하여 입력전압을 1/3로 분압하고 저압 단은 병렬로 결합하여 저압 단의 전류를 증대하도록 설계하였다.
IGBT는 턴-오프 시 Tail-current에 의해 스위칭 손실이 증가하는 단점을 갖는데 이를 개선하는 방안으로 MOSFET 스위치를 병렬로 연결한 하이브리드 스위치를 사용하였다.
9kV의 교류전압을 단상 127V로 변환하는 양방향 반도체 변압기를 제작하고 동작을 분석하였다. 그리고 이 단상 반도체 변압기 3대를 가지고 입력과 출력을 Y-결선으로 연결하여 3상 3.3kV 입력전압을 3상 220V로 변환하는 동작시험을 실시하였고, 특히 전력의 흐름이 순방향과 역방향 일 때의 동작을 다양한 실험으로 확인하였으며 입력전압에 Sag가 발생하였을 시에도 적절히 동작하는 가를 확인하였다. 또한 전체 시스템의 동작을 모니터링하기 위하여 LabView를 기반으로 DSP 제어기와 PC를 CAN 통신으로 연결하는 모니터링 시스템을 개발하였다.
또한 래크상단에 LabView를 통하여 실시간으로 고압측의 전압과 전류, 정류된 전압과 전류, DC 링크전압, 저압측의 전압과 전류를 측정하여 표시할 수 있게 하였다.
또한 전체 시스템의 동작을 모니터링 하기 위하여 LabView를 기반으로 DSP 제어기와 PC를 CAN 통신으로 연결하여 입력 전압과 전류, 정류된 전압과 전류, 출력 전압과 전류를 실시간으로 표시하는 디스플레이 시스템을 개발하였다.
3kV 입력전압을 3상 220V로 변환하는 동작시험을 실시하였고, 특히 전력의 흐름이 순방향과 역방향 일 때의 동작을 다양한 실험으로 확인하였으며 입력전압에 Sag가 발생하였을 시에도 적절히 동작하는 가를 확인하였다. 또한 전체 시스템의 동작을 모니터링하기 위하여 LabView를 기반으로 DSP 제어기와 PC를 CAN 통신으로 연결하는 모니터링 시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 3상 3.3kV/220V 6kVA 반도체 변압기를 제작 및 실험하기 위해 먼저 그림 11에 보인 단상 1.9kV/127V 2kVA 반도체 변압기를 제작 및 실험 한 후 이 단상 반도체 변압기 3대를 그림 12에 보인 것처럼 래크에 설치하고 Y-결선하여 통합시험을 실시하였다.
양방향 전력흐름을 갖도록 하기 위해서 입력 단에 IGBT로 구성된 고전압 멀티레벨 컨버터를 사용하여 고압 교류전압을 직류전압으로 바꾸고 그림 1(b)와 같이 입력 측이 직렬로 그리고 출력 측이 병렬로 결합된 다수의 공진형 DC-DC 컨버터를 사용하여 DC 400V로 변환한 후 이를 다시 단상 인버터를 통해 교류 120V 또는 240V를 얻는 반도체 변압기가 제안되었다. 이 반도체 변압기는 높은 직류전압을 입력 측이 직렬로 결합된 공진형 DC-DC 컨버터에 분압되고 각 공진형 DC-DC 컨버터의 출력 측은 병렬로 연결 되어 있어 출력 전압은 낮추고 전류는 증대한다.
양방향 전력흐름을 갖도록 하기 위해서 그림 1(c)과 같이 입력 단에 IGBT로 구성된 다수의 H-브리지를 직렬로 결합하고 각 H-브리지의 DC 출력전압을 고주파변압기를 갖는 공진형 DC-DC 컨버터를 사용하여 DC 400V로 변환하고 다시 단상 인버터를 통해 교류 120V 또는 240V를 얻는 반도체 변압기가 제안되었다.
이를 바탕으로 2007년에서 2009년까지 3년 동안은 4.16kV 20kVA 용량의 실증모델을 제작하여 다양한 실험을 실시하였다.
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.
제작한 프로토타입은 단상 1.9kV/127V 양방향 반도체 변압기 3대를 입력과 출력을 Y-결선으로 결합하여 구성하였다.

이론/모형

그러나 3상의 경우도 동일한 전송속도로 데이터를 송부해야 하므로 각상 파형을 표시할 수 있는 데이터는 1/3에 해당하여 이를 가지고 화면에 파형을 표시할 경우 정현파와는 거리가 있는 왜곡된 파형을 나타낸다. 따라서 이 경우를 대비하여 Curve Fitting을 이용하여 정현파로 표시하는 기법을 사용하였다.

성능/효과

다양한 실험결과를 통하여 개발한 3상 반도체 변압기는 정상동작 시와 Sag 발생 시 적절히 동작함을 알 수 있었다. 그러나 시스템 효율은 85% 정도로 다소 낮아 최적설계를 채택하고 기존 IGBT 스위치를 SiC MOSFET 스위치로 대체하여 효율을 적어도 90% 이상으로 제고할 필요성이 있다.
본 논문에서 제안하는 반도체 변압기는 입력 단에 IGBT로 구성된 다수의 공진형 AC-DC 컨버터를 입력 측은 직렬로 그리고 출력 측이 병렬로 결합하여 입력 측의 교류전압은 직렬로 결합된 수로 낮추고 출력전류는 병렬로 결합된 수만큼 증대한다. 이 컨버터의 출력은 양방향 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터에 의해 교류전압으로 변환된다.
또한 출력 전압과 전류는 Sag와 관계없이 일정 값을 유지함을 알 수 있다. 이상의 시뮬레이션을 통해 얻은 결과는 이론적으로 분석한 결과와 동일함을 알 수 있었다.
또한 출력 전압과 전류는 Sag와 관계없이 일정 값을 유지함을 알 수 있다. 이상의 실험을 통해 얻은 결과는 그림 10의 시뮬레이션 결과와 일치함을 알 수 있다.
제작된 3상 반도체 변압기의 프로토타입은 고압 측에 직렬로 연결된 컨버터 모듈을 증가하고 스위칭소자의 성능향상에 의해 고압 대용량으로 상용화 가능성을 입증하였다. 또한 제작된 3상 반도체 변압기는 단상 반도체 변압기 3대로 구성되어 있어 생산과 정비에 있어 유리한 점을 갖는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지능형 반도체 변압기 특징은?	지능형 반도체 변압기는 전력전자기술을 활용하여 기존 상용주파수 변압기보다 소형화 및 경량화가 쉽고, Voltage Sag 보상과 순시전압 통제 등에 의해 고품질의 전력공급이 가능하다. 또한 직류전압 출력도 가능하여 직류배전이나 신재생전원의 계통연계 등에 활용될 수 있다.[1-2]
	3상 반도체 변압기가 고압 대용량으로 사용화 가능성을 입증한 방법은?	제작된 3상 반도체 변압기의 프로토타입은 고압 측에 직렬로 연결된 컨버터 모듈을 증가하고 스위칭소자의 성능향상에 의해 고압 대용량으로 상용화 가능성을 입증하였다. 또한 제작된 3상 반도체 변압기는 단상 반도체 변압기 3대 로 구성되어 있어 생산과 정비에 있어 유리한 점을 갖는다.
	3상 반도체 변압기의 개선사항은?	다양한 실험결과를 통하여 개발한 3상 반도체 변압기는 정상동작 시와 Sag 발생 시 적절히 동작함을 알 수 있었다. 그러나 시스템 효율은 85% 정도로 다소 낮아 최적설계를 채택하고 기존 IGBT 스위치를 SiC MOSFET 스위치로 대체하여 효율을 적어도 90% 이상으로 제고할 필요성이 있다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
S. H. Hwang, X. Liu, J. M. Kim, and H. Li, "Distributed Digital Control of Modular-Based Solid-State Transformer Using DSP+FPGA," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 60, no. 2, pp. 670-680, Feb. 2013.

상세보기
X. Liu, H. Li, and Z. Wang, "A Start-Up Scheme for a Three-Stage Solid-State Transformer With Minimized Transformer Current Response," IEEE Trans. Power. Electron., vol. 27, no. 12, pp. 4832- 4836, Dec. 2012.

상세보기
X. She, A. Q. Huang, and G. Wang, "3-D Space Modulation With Voltage Balancing Capability for a Cascaded Seven-Level Converter in a Solid-State Transformer," IEEE Trans. Power. Electron., vol. 26, no. 12, pp. 3778-3789, Dec. 2011.

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J. Y. Lee, Y. S. Jeong, and B. M. Han, "An Isolated DC/DC Converter Using High-Frequency Unregulated LLC Resonant Converter for Fuel Cell Applications," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 7, pp. 2926-2934, Jul. 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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