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문제 정의
- 본 논문에서는 고효율 멀티레벨 인버터 시스템 구현을 위한 멀티레벨용 DC/DC 컨버터와 13레벨 멀티레벨 인버터를 제안한다. 독립적인 3개의 DC 전압을 공급해주기 위한 멀티레벨용 DC/DC 컨버터는 2대의 벅-부스트 컨버터를 대칭으로 결합한 구조이며, 180° 위상차를 갖고 스위칭 함으로써 2배의 스위칭 효과를 낼 수 있다, 이로써, 인덕터 용량 산정 및 전압, 전류 리플 감소에 장점을 가지고 있다.
제안 방법
- 3.2절에서 언급한 PWM알고리즘 및 제안한 인버터 시스템을 증명하기 위하여, 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 14는 전압 지령치에 따른 출력 암전압을 나타내고 있다.
- TMS28335 제어보드는 DC/DC 컨버터와 멀티레벨 인버터의 제어부분을 담당하고 있으며, TMS28035 제어보드는 모니터링 시스템용으로 사용된다. 또한 PWM 확장을 위하여 FPGA 모듈을 사용하였다. 18개의 3상 멀티레벨 인버터 스위치는 75A, 1200V의 정격을 가지는 MITSUBISHI 사의 PM75CL1B120 모델과 SEMIKRON 사의 SK80GM063의 양방향 스위치를 사용하였다.
- 본 논문에는 전압 및 모드별로 전압지령치를 생성하는 방법과 한 상의 6개의 스위치 상태를 정의하고, 이를 PSIM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 계통연계 실험을 통하여 전류 지령치에 따른 출력 특성을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 고효율 멀티레벨 인버터 시스템은 기존 연계형 시스템보다 보다 높은 레벨수와 고효율을 위한 최대 변조비 알고리즘을 적용함으로서 고성능의 멀티레벨 인버터 시스템을 구현하였다.
- 인버터의 연계모드를 확인하기 위하여 110Vac에서 계통연계를 수행하였다. 또한, 전류 지령치(Id)를 가변하여, 단위역률 및 지상, 진상 실험을 수행하였다.
- 제안된 멀티레벨 인버터는 H-bridge 구조에서 양방향 스위치를 사용한 구조로 총 18개의 스위치 소자와 3개의 독립 DC 전원을 이용하여 인버터 출력 13-레벨 상전압을 출력한다. 본 논문에는 전압 및 모드별로 전압지령치를 생성하는 방법과 한 상의 6개의 스위치 상태를 정의하고, 이를 PSIM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 계통연계 실험을 통하여 전류 지령치에 따른 출력 특성을 확인하였다.
- 본 논문에서 제안하는 고효율 멀티레벨 인버터 시스템은 3-레벨을 생성하는 새로운 타입의 벅-부스트 구조의 멀티 레벨용 DC/DC 컨버터와 3상 H-브리지에 양방향 스위치를 사용한 4-레벨 암전압을 출력하는 멀티레벨 인버터를 결함한 구조이다.
- 본 논문에서 제안하는 멀티레벨 인버터는 DC-Link 입력단에 3개의 커패시터로 전압을 분압하고, H-브리지 구조에 양방향 스위치를 추가하여, 4-레벨 암전압을 출력한다.
- 또한, 계통연계 실험을 통하여 전류 지령치에 따른 출력 특성을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 고효율 멀티레벨 인버터 시스템은 기존 연계형 시스템보다 보다 높은 레벨수와 고효율을 위한 최대 변조비 알고리즘을 적용함으로서 고성능의 멀티레벨 인버터 시스템을 구현하였다. 따라서 태양광 발전과 계통 연계를 위한 새로운 인터페이스 회로에 적합하다고 사료 된다.
- 본 논문에서는 3상 H-bridge 구조에 양방향 스위치를 조합한 13-Level 멀티레벨 인버터와 Buck-Boost 구조의 멀티레벨용 DC/DC 컨버터를 제안하고, 두 전력변환기를 직렬로 연결한 고효율 멀티 레벨 인버터 시스템을 제안한다. 제안된 멀티레벨 인버터는 H-bridge 구조에서 양방향 스위치를 사용한 구조로 총 18개의 스위치 소자와 3개의 독립 DC 전원을 이용하여 인버터 출력 13-Level 상전압을 출력할 수 있다.
- 또한 인터리브 구조로 설계되어 인덕터 용량과 사이즈를 줄이고, 전압·전류 리플을 감소시킬 수 있는 특징을 갖고 있다. 본 제안한 방식의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용한 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.
- 그림 10은 적용된 일반적인 연계형 인버터 제어 블록도이다. 위상각 검출을 위해 d-q 좌표계의 PI제어기를 적용하였고, 전류제어기는 그림 11과 같이 IP제어 기를 사용하였다. 전류제어기로부터 전압 지령치는 3상 좌표계 변환 후, 최종 멀티레벨 PWM 알고리즘에 적용되어 스위치가 구동된다.
- 인버터의 연계모드를 확인하기 위하여 110Vac에서 계통연계를 수행하였다. 또한, 전류 지령치(Id)를 가변하여, 단위역률 및 지상, 진상 실험을 수행하였다.
- 입력전압에 따른 출력전압의 THD를 분석하기 위해서, PSIM과 LabVIEW를 이용하여 FFT와 THD를 계산하였다. 실제 입력조건에 따른 THD는 Vdc2가 500V 일 경우에 가장 낮은 0.
- 멀티레벨 인버터를 구현하기 위해서는 다수의 DC 레벨 전압을 갖는 DC/DC 컨버터가 필수적이다. 제안된 DC/DC 컨버터는 두 대의 벅-부스트 회로를 대칭으로 결합한 구조로 3개의 독립전원을 출력할 수 있다.
- 본 논문에서는 3상 H-bridge 구조에 양방향 스위치를 조합한 13-Level 멀티레벨 인버터와 Buck-Boost 구조의 멀티레벨용 DC/DC 컨버터를 제안하고, 두 전력변환기를 직렬로 연결한 고효율 멀티 레벨 인버터 시스템을 제안한다. 제안된 멀티레벨 인버터는 H-bridge 구조에서 양방향 스위치를 사용한 구조로 총 18개의 스위치 소자와 3개의 독립 DC 전원을 이용하여 인버터 출력 13-Level 상전압을 출력할 수 있다. 이 구조는 기존 태양광 멀티레벨 인버터에 비해 동일 스위치 소자에서 높은 레벨을 출력함으로서 우수한 출력 파형을 생성할 수 있으며, 출력 단자가 중성점과 전기적으로 분리되어 시스템이 안정적이며 무효 전력을 효율적으로 제어 가능한 특징을 갖고 있다.
- 제안된 멀티레벨 인버터는 H-bridge 구조에서 양방향 스위치를 사용한 구조로 총 18개의 스위치 소자와 3개의 독립 DC 전원을 이용하여 인버터 출력 13-레벨 상전압을 출력한다. 본 논문에는 전압 및 모드별로 전압지령치를 생성하는 방법과 한 상의 6개의 스위치 상태를 정의하고, 이를 PSIM을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
- 제안된 멀티레벨 인버터에 독립적인 3개의 DC 전압을 공급해주기 위한 멀티레벨용 DC/DC 컨버터는 2대의 Buck-Boost 컨버터를 대칭으로 결합한 구조로 출력전압은 승·강압이 가능하나 입력전압 대비 20% 출력을 발생하고 있다.
- 제안된 시스템은 컨버터와 인버터 모두 전류제어 모드를 수행하고, 최대 변조비를 유지하기 위한 알고리즘과 최소 THD를 위한 멀티레벨 스위칭에 의해 고효율 멀티레벨 인버터로 동작한다.
대상 데이터
- 또한 PWM 확장을 위하여 FPGA 모듈을 사용하였다. 18개의 3상 멀티레벨 인버터 스위치는 75A, 1200V의 정격을 가지는 MITSUBISHI 사의 PM75CL1B120 모델과 SEMIKRON 사의 SK80GM063의 양방향 스위치를 사용하였다.
- 시스템 전체 효율은 YOKOGAWA사의 WT3000을 이용하여 효율을 측정하였다. 시스템 효율을 용량별 측정하여, 부하용량 16kW에서 최대 98.
성능/효과
- 이 구조는 기존 태양광 멀티레벨 인버터에 비해 동일 스위치 소자에서 높은 레벨을 출력함으로서 우수한 출력 파형을 생성할 수 있으며, 출력 단자가 중성점과 전기적으로 분리되어 시스템이 안정적이며 무효 전력을 효율적으로 제어 가능한 특징을 갖고 있다. 또한 제안된 토폴로지는 각 암마다 모듈화가 가능하여 스위칭 손실이나 열 문제 그리고 유지보수가 용이한 특징을 갖고 있다. 제안된 멀티레벨 인버터에 독립적인 3개의 DC 전압을 공급해주기 위한 멀티레벨용 DC/DC 컨버터는 2대의 Buck-Boost 컨버터를 대칭으로 결합한 구조로 출력전압은 승·강압이 가능하나 입력전압 대비 20% 출력을 발생하고 있다.
- 제안된 멀티레벨 인버터 토폴로지는 출력단자가 중성점과 전기적으로 분리되어 있으며, 최소의 스위치 소자로 최대의 멀티레벨을 구현함으로서 효율적인 시스템 구성이 가능하다. 또한, 기존 각 암별로 스위치 소자를 전용 모듈로 모듈화 함으로서 스위칭 손실 및 열 문제를 해결할 수 있으며 유지 보수가 용이한 특징을 가질 수 있다.
- 시스템 전체 효율은 YOKOGAWA사의 WT3000을 이용하여 효율을 측정하였다. 시스템 효율을 용량별 측정하여, 부하용량 16kW에서 최대 98.2%로 높은 효율을 확인하였다.
- 입력전압에 따른 출력전압의 THD를 분석하기 위해서, PSIM과 LabVIEW를 이용하여 FFT와 THD를 계산하였다. 실제 입력조건에 따른 THD는 Vdc2가 500V 일 경우에 가장 낮은 0.562%의 결과를 얻을 수 있었다.
- 제안된 멀티레벨 인버터 토폴로지는 출력단자가 중성점과 전기적으로 분리되어 있으며, 최소의 스위치 소자로 최대의 멀티레벨을 구현함으로서 효율적인 시스템 구성이 가능하다. 또한, 기존 각 암별로 스위치 소자를 전용 모듈로 모듈화 함으로서 스위칭 손실 및 열 문제를 해결할 수 있으며 유지 보수가 용이한 특징을 가질 수 있다.
- 제안된 인버터의 4-레벨 암전압을 출력하기 위해서는 3.1절에 소개된 DC/DC 컨버터의 안정된 DC출력이 요구되며, 기존 3상 PWM 스위칭 알고리즘에 멀티 레벨 PWM 알고리즘이 추가되어 3상 지령전압을 출력할 수 있다. 그림 9처럼 3개의 Vdc입력에 200V 전압을 인가하여 모드별 인버터 출력 암전압을 확인할 수 있다.
- 제안된 컨버터는 인터리브 구조와 IM(Integrated Magnetic) 인덕터를 사용함으로서 인덕터 용량 및 사이즈를 줄일 수 있고, 전압 전류 리플을 감소시킬 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제안된 멀티레벨 인버터를 구동하기 위해서는 제안된 토폴로지에 적합한 스위칭 알고리즘이 필요하다. 인버터 출력 13-레벨 상전압을 출력하기 위해서는 4-레벨 암전압을 출력해야 하며, 이는 3개의 모드에 따라 스위치를 ON/OFF하여 구현할 수 있다.
- 최근 신재생에너지 발전과 더불어 고효율, 저 EMI 기능을 갖는 인버터에 대한 수요가 증가하고 있으며, 스위치 소자의 가격이 저렴해짐에 따라 새로운 멀티레벨 인버터에 대한 토폴로지 연구가 활발히 이루어지고 있다. 향후 계통안정화 측면에서 무효전력 제어가 가능하고, 고효율 및 고품질 전력을 출력할 수 있는 멀티 레벨 인버터에 대한 기술 확보가 요구된다.
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