[논문]모델 예측 제어 기반 Cascaded H-bridge 컨버터의 균일한 손실, 스위칭 주파수, 전력 분배를 위한 알고리즘

김이김; 곽상신

doi:10.6113/tkpe.2015.20.5.448

[국내논문] 모델 예측 제어 기반 Cascaded H-bridge 컨버터의 균일한 손실, 스위칭 주파수, 전력 분배를 위한 알고리즘
An Algorithm for Even Distribution of Loss, Switching Frequency, Power of Model Predictive Control Based Cascaded H-bridge Multilevel Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.5, 2015년, pp.448 - 455

김이김 (LG Innotek) , 곽상신 (School of Electrical & Electronics Eng., Chung-Ang Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

A model predictive control (MPC) method without individual PWM has been recently researched to simplify and improve the control flexibility of a multilevel inverter. However, the input power of each H-bridge cell and the switching frequency of switching devices are unbalanced because of the use of a restricted switching state in the MPC method. This paper proposes a control method for balancing the switching patterns and cell power supplied from each isolated dc source of a cascaded H-bridge inverter. The supplied dc power from isolated dc sources of each H-bridge cells is balanced with the proposed cell balancing method. In addition, the switching frequency of each switching device of the CHB inverter becomes equal. A simulation and experimental results are presented with nine-level and five-level three-phase CHB inverter to validate the proposed balancing method.

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AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

모델 예측제어 기반 제어에서는 제한된 스위칭 상태만 사용하기 때문에, H-bridge 셀 간 스위칭 디바이스의 스위칭 주파수 및 셀 입력 파워에 분균형 문제가 발생하지만, 앞서 멀티캐리어 기반 PWM방법에서 사용한 캐리어 순환 방법이나 캐리어 재배치 방법은 사용할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 H-bridge 셀의 스위칭 패턴의 순환 방식을 통해 모델 예측 제어 기반 제어에서 H-bridge 셀의 입력 파워와 스위칭 주파수의 균형을 위한 방법에 대해 제안한다.
따라서 스위칭 불균형으로 인한 스위칭 열화량의 불균형과, 각 H-bridge 셀에서 공급하는 파워의 불균형, 스위칭 평균주파수 불균형이 나타난다. 따라서 본 논문에서는 한 레그의 각 H-bridge셀의 스위칭 신호를 출력 전압의 기본 주파수마다 한 번씩 순환 시켜주므로써 DC 링크에서 각 H-bridge 셀로 공급하는 파워의 균형과 각 스위치의 평균 스위칭 주파수가 동일하게 하는 방법을 제안한다. 이러한 방법은 각 H-bridge 셀의 출력 전압이 순환하는 방법이으로 수식 (1)에서 본 것과 같이 CHB 인버터의 동작 특성상 각 H-bridge의 출력 전압의 합이 한 레그의 출력 전압이기 때문에, CHB 인버터의 전체적인 출력 성능 동일하게 된다.
본 논문에서는 멀티레벨 CHB 인버터에 모델 예측제어를 적용 시 각 H-bridge셀의 분균형을 해소할 수 있는 벨런싱 방법을 제안하였다. 멀티레벨 CHB 인버터의 모델 예측 제어기의 스위칭 순서를 출력 전압의 기본 주기 마다 스위칭 신호를 순환 시켜 주는 방법을 이용하여 모델 예측 제어 기반 제어에서 스위칭 디바이스의 평균 스위칭 주파수와 손실을 균일하게 하였다.

제안 방법

본 논문의 알고리즘을 검증하고자 3상 9레벨 CHB 기반 시뮬레이션을 구현하였다. 시뮬레이션에서 사용된 파라미터는 저항 0.
그림 6은 이에 따른 각 셀의 첫 번 째 스위치의 스위칭 손실과 전도 손실의 비교를 나타낸다. 손실 분석은 상용 IGBT 모듈 5SNA0750G650300의 데이터 시트를 바탕으로 시뮬레이션 하였으며, IGBT와 다이오드의 온 드랍 전압, 전도전류에 관한 관계로 구할 수 있다^[16]-[17]. 스위칭 순환 방식 미 적용 시 각 H-bridge 셀의 첫 번째 스위치 S_a11, S_a21, S_a31, S_a41의 스위칭 주파수가 서로 차이가 나는 것을 보이며, 각 dc링크로부터 입력 받아온 전력도 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있다.
하드웨어 구성은 독립된 여러 개의 DC 전원을 위하여 멀티펄스 다이오드 정류기를 구현하였으며, 용량 6 kVA 변압기 코어를 사용하여 1차측 Y권선, 2차측 6개의 Y-Δ 권선을 3개씩 총 6개의 출력을 만들고 다이오드 정류기 (VUO 50-12NO3)와 500 V / 1200 F의 DC 커패시터를 사용하여 구성하였다.
실험에서 사용한 파라미터 값은, DC 링크 전압을 동일하게 40 V로 사용하였으며, MPC 알고리즘의 샘플링 주기는 200 μs로 구현하였고, 각각 20 Ω 과 15 mH의 R-L 부하를 사용하여, 기준전류 3A에서 제어를 하였다.
본 논문에서는 멀티레벨 CHB 인버터에 모델 예측제어를 적용 시 각 H-bridge셀의 분균형을 해소할 수 있는 벨런싱 방법을 제안하였다. 멀티레벨 CHB 인버터의 모델 예측 제어기의 스위칭 순서를 출력 전압의 기본 주기 마다 스위칭 신호를 순환 시켜 주는 방법을 이용하여 모델 예측 제어 기반 제어에서 스위칭 디바이스의 평균 스위칭 주파수와 손실을 균일하게 하였다. 이로 인하여, 각 H-bridge 셀의 dc 링크로부터 공급받는 파워를 일정하게 하였으며, 셀 소모 전력이 균형을 이루도록 하였다.
멀티레벨 CHB 인버터의 모델 예측 제어기의 스위칭 순서를 출력 전압의 기본 주기 마다 스위칭 신호를 순환 시켜 주는 방법을 이용하여 모델 예측 제어 기반 제어에서 스위칭 디바이스의 평균 스위칭 주파수와 손실을 균일하게 하였다. 이로 인하여, 각 H-bridge 셀의 dc 링크로부터 공급받는 파워를 일정하게 하였으며, 셀 소모 전력이 균형을 이루도록 하였다. 제안된 벨런싱 방법을 검증하기 위하여, 시뮬레이션을 통해 9 레벨 CHB 인버터를 구현하였으며, 5 레벨 CHB 인버터의 실험을 통해 검증하였다.

대상 데이터

시뮬레이션에서 사용된 파라미터는 저항 0.5 Ω, 인덕터 19.5 mH의 3상 R-L 부하와 단자 전압 21 kV와 출력 전류 2400 A, 기본 주파수 39.6 Hz에서 동작하는 대용량 CHB 인버터이다.
하드웨어 구성은 독립된 여러 개의 DC 전원을 위하여 멀티펄스 다이오드 정류기를 구현하였으며, 용량 6 kVA 변압기 코어를 사용하여 1차측 Y권선, 2차측 6개의 Y-Δ 권선을 3개씩 총 6개의 출력을 만들고 다이오드 정류기 (VUO 50-12NO3)와 500 V / 1200 F의 DC 커패시터를 사용하여 구성하였다. CHB 인버터는 Infineon 사의 4-pack power IGBT 모듈(F4-30R06W1E3) 을 사용하였으며, Semikron 사의 게이트 드라이버 (SKHI 22b)를 사용하였다. 실험에서 사용한 파라미터 값은, DC 링크 전압을 동일하게 40 V로 사용하였으며, MPC 알고리즘의 샘플링 주기는 200 μs로 구현하였고, 각각 20 Ω 과 15 mH의 R-L 부하를 사용하여, 기준전류 3A에서 제어를 하였다.
실험에서 사용한 파라미터 값은, DC 링크 전압을 동일하게 40 V로 사용하였으며, MPC 알고리즘의 샘플링 주기는 200 μs로 구현하였고, 각각 20 Ω 과 15 mH의 R-L 부하를 사용하여, 기준전류 3A에서 제어를 하였다. MPC 알고리즘 및 제안된 스위칭 순환 방식을 수행하기 위한 제어기는 TI (Texas Instrument) 사의 DSPTSM320F28335 모듈을 사용하여 구성하였다.

데이터처리

본 논문에서 제안한 벨런싱 방법을 위한 스위칭 순환을 그림 7과 같은 5 레벨 CHB 인버터 실험 세트로 검증하였다. 하드웨어 구성은 독립된 여러 개의 DC 전원을 위하여 멀티펄스 다이오드 정류기를 구현하였으며, 용량 6 kVA 변압기 코어를 사용하여 1차측 Y권선, 2차측 6개의 Y-Δ 권선을 3개씩 총 6개의 출력을 만들고 다이오드 정류기 (VUO 50-12NO3)와 500 V / 1200 F의 DC 커패시터를 사용하여 구성하였다.
이로 인하여, 각 H-bridge 셀의 dc 링크로부터 공급받는 파워를 일정하게 하였으며, 셀 소모 전력이 균형을 이루도록 하였다. 제안된 벨런싱 방법을 검증하기 위하여, 시뮬레이션을 통해 9 레벨 CHB 인버터를 구현하였으며, 5 레벨 CHB 인버터의 실험을 통해 검증하였다.

성능/효과

예를 들어 출력 전압이 가장 높을 때 (그림에서는 출력전압이 jV_DC일 때) 가장 위쪽에 있는 Cell1의 스위치들만 스위칭 하게 된다. 따라서 스위칭 불균형으로 인한 스위칭 열화량의 불균형과, 각 H-bridge 셀에서 공급하는 파워의 불균형, 스위칭 평균주파수 불균형이 나타난다. 따라서 본 논문에서는 한 레그의 각 H-bridge셀의 스위칭 신호를 출력 전압의 기본 주파수마다 한 번씩 순환 시켜주므로써 DC 링크에서 각 H-bridge 셀로 공급하는 파워의 균형과 각 스위치의 평균 스위칭 주파수가 동일하게 하는 방법을 제안한다.
스위칭 순환 방식 미 적용 시 각 H-bridge 셀의 첫 번째 스위치 S_a11, S_a21, S_a31, S_a41의 스위칭 주파수가 서로 차이가 나는 것을 보이며, 각 dc링크로부터 입력 받아온 전력도 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 또한 각 스위치의 스위칭손실과 전도손실이 서로 다른 것을 하지만 스위칭 순환 방법 적용 시, 각 스위치의 스위칭 주파수가 동일하게 균형을 이루는 것을 확인할 수 있으며, 각 H-bridge 셀에서 소모하는 전력도 균일한 것을 확인 할 수 있다.
그림 9은 그림 8과 동일한 조건에서 제안한 셀 벨런싱 방법을 적용하여 나타낸 파형이다. 제안된 벨런싱 방법을 적용하지 않은 파형에서는 S_a11의 스위치가 더 많이 스위칭하며, 첫 번째 셀의 dc전류 i_DCa1이 더 작은 것을 볼 수 있으며, S_a21의 스위칭 개수는 적으며 도통되어 있는 시간이 길어서 더 많은 셀 전류 i_DCa2가 흐르는 것을 볼 수 있다. 또한 그림 7의 스위칭 순환 방법이 적용된 파형을 보면, S_a11과 S_a21이 출력 전압의 주기마다 한번씩 교대로 스위칭 패턴이 바뀌어 출력 전류와 스위칭 개수가 벨런싱 된 것을 확인 할 수 있다.
또한 그림 7의 스위칭 순환 방법이 적용된 파형을 보면, S_a11과 S_a21이 출력 전압의 주기마다 한번씩 교대로 스위칭 패턴이 바뀌어 출력 전류와 스위칭 개수가 벨런싱 된 것을 확인 할 수 있다. 표 3은 실험 결과로부터 얻은 각 셀의 스위칭 디바이스의 스위칭 주파수와 셀 소모 전력을 나타낸 것으로 제안된 스위칭 순환 방식을 적용하였을 때, 각 셀의 스위칭 주파수와 셀 입력 전력이 균형을 이루는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	멀티레벨 인버터의 장점은?	한정된 스위칭 소자의 용량에서 대용량 전동기를 구동하기 위해 고 출력 전압과 고용량의 멀티레벨 인버터가 필요하다. 멀티레벨 인버터는 출력 전압을 다수의 레벨로 출력하여 기존 2레벨 AC/DC 인버터에 비해 낮은 전 고조파 왜곡률 (Total harmonic distortion)을 갖고 전자기기 간섭 (Electromagnetic interface)에 영향에 강하며, dv/dt 특성이 낮다는 장점이 있다[1]-[6].
	고 출력 전압과 고용량의 멀티레벨 인버터가 필요한 이유는?	한정된 스위칭 소자의 용량에서 대용량 전동기를 구동하기 위해 고 출력 전압과 고용량의 멀티레벨 인버터가 필요하다. 멀티레벨 인버터는 출력 전압을 다수의 레벨로 출력하여 기존 2레벨 AC/DC 인버터에 비해 낮은 전 고조파 왜곡률 (Total harmonic distortion)을 갖고 전자기기 간섭 (Electromagnetic interface)에 영향에 강하며, dv/dt 특성이 낮다는 장점이 있다[1]-[6].
	CHB 멀티레벨 인버터 구조의 장점은 무엇인가?	최근 고압 인버터 시장에서 가장 많이 사용된 그림 1과 같은 CHB 멀티레벨 인버터는 셀별로 독립 전압원이 필요하고 이를 위해 사용된 H-bridge cell 개수만큼 정류기가 필요하다는 단점이 있으나 단상 H-bridge cell이 직렬연결 된 구조로써 완전한 모듈화가 가능하고 모듈 단위 설계에 따라 구성변화가 용이하며 개별 cell 고장 발생 시 연속운전이 가능하고 고장 대처에 용이하다. 또한 클램핑 다이오드와 부가적인 커패시터의 사용이 필요 없는 구조라는 장점이 있어 대용량 인버터에 가장 많이 쓰이는 구조이다[4]-[5].

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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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