[논문]순환 전류를 이용한 병렬 연결된 사이리스터 듀얼 컨버터의 불균형 병렬 운전 보상 기법에 관한 연구

김성안; 한성우; 문동옥; 김영우; 이창희; 조윤현

doi:10.6113/tkpe.2016.21.6.473

순환 전류를 이용한 병렬 연결된 사이리스터 듀얼 컨버터의 불균형 병렬 운전 보상 기법에 관한 연구
A Study on the Compensation Method for Unbalance Parallel Operation of Parallel Connected Thyristor Dual Converters using Circulating Current 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.6, 2016년, pp.473 - 480

김성안 (Dept. of Electrical Eng., Dong-A Univ.) , 한성우 (R&D center, Busan Transportation Corporation) , 문동옥 (Core Tech. Innovation Lab. Dawonsys) , 김영우 (Core Tech. Innovation Lab. Dawonsys) , 이창희 (Core Tech. Innovation Lab. Dawonsys) , 조윤현 (Dept. of Electrical Eng., Dong-A Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a performance improvement for parallel-connected thyristor dual converters using a circulating current with an unbalanced parallel operation compensator. The proposed control method determines a variable reference value for the voltage PI controller according to voltage error at firing angle control applied to a difference current control. This method uses circulating current control to maintain a stable voltage and excellent current response during parallel operation. The effectiveness of the proposed control is verified with a simulation and an experiment based on the comparison of the performance of the proposed control method with other conventional methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 순환전류를 이용한 병렬 연결된 사이리스터 듀얼컨버터의 불균형 운전 보상 기법을 제안하였다. 제안한 방법은 각 컨버터의 전압 PI 제어기의 오차값에 따라 전압 PI 제어기의 기준값을 변화시켜 기존 병렬 운전 제어에서 발생하는 전압의 오버슈트와 언더슈트를 억제시키며 두 컨버터 간의 순환전류의 발산을 방지하고 하나의 컨버터에 부하 전류가 편중되는 현상을 개선하였다.
그러나 실제 시스템에서 발생하는 각 듀얼 컨버터의 전압 센서의 오차로 인한 병렬 운전시의 불균형 병렬 운전을 고려하지 않았다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 논문에서는 순환 전류를 이용한 병렬 연결된 사이리스터 듀얼 컨버터의 불균형 병렬 운전 보상 기법을 제안한다. 제안된 보상 기법의 유효성은 기존 제어 방식과 제안된 제어 방식의 성능 비교를 기반으로 시뮬레이션과 실험을 통해 증명한다.

제안 방법

제안하는 알고리즘을 검증하기 위하여 그림 11과 같이 10kW 축소형 사이리스터 듀얼 컨버터를 이용하여 실험을 수행하였다. CNV1과 CNV2를 병렬로 연결하여 병렬 연결된 사이리스터 듀얼컨버터 시스템을 구성하였다. 부하는 별도의 사이리스터 듀얼 컨버터를 추가하여 전류원 컨버터로 동작시켰다.
전압 및 전류 샘플링 주기와 제어주기는 동기화하여 10kHz로 선정하였으며 V_dc,CNVn과 I_dc,CNVn는 12펄스 듀얼 컨버터가 가지는 기본고조파를 고려하여 360Hz의 디지털 필터를 적용하였다. D형 컨버터와 Y형 컨버터의 출력 전류 측정은 CNVn의 2차측 교류 입력전류 I_ac,CNVn,sec을 통해서 측정되므로 차전류 PI 제어기 적용될 때 교류 파형을 직류화 시키기 위해서 디지털 필터는 2Hz로 선정하였다.
동일한 비율로 축소시켰기 때문에 실제 모델과 동일한 응답특성을 확인할 수 있다^[2]_. 그러므로 축소 모델을 기준으로 시뮬레이션 회로를 구성하였다.
시뮬레이션 프로그램은 PSIM을 사용하였으며 축소 모델 마이크로프로세서의 C언어를 그대로 적용할 수 있도록 DLL 파일을 사용하였다. 전압 및 전류 샘플링 주기와 제어주기는 동기화하여 10kHz로 선정하였으며 V_dc,CNVn과 I_dc,CNVn는 12펄스 듀얼 컨버터가 가지는 기본고조파를 고려하여 360Hz의 디지털 필터를 적용하였다. D형 컨버터와 Y형 컨버터의 출력 전류 측정은 CNVn의 2차측 교류 입력전류 I_ac,CNVn,sec을 통해서 측정되므로 차전류 PI 제어기 적용될 때 교류 파형을 직류화 시키기 위해서 디지털 필터는 2Hz로 선정하였다.
12펄스 사이리스터 듀얼 컨버터의 DC 출력전압과 DC 출력전류는 사이리스터의 점호각으로 제어가 가능하다. 점호각 변화를 위해서 듀얼 컨버터의 전압 위상을 추종하기 위한 교류단 전압센서, D형 컨버터와 Y형 컨버터의 전력을 계산하기 위한 전류센서, DC 출력전압과 DC 출력전류를 측정하기 위한 센서로 구성된다.
제안하는 알고리즘을 검증하기 위하여 그림 11과 같이 10kW 축소형 사이리스터 듀얼 컨버터를 이용하여 실험을 수행하였다. CNV1과 CNV2를 병렬로 연결하여 병렬 연결된 사이리스터 듀얼컨버터 시스템을 구성하였다.
본 논문에서는 순환전류를 이용한 병렬 연결된 사이리스터 듀얼컨버터의 불균형 운전 보상 기법을 제안하였다. 제안한 방법은 각 컨버터의 전압 PI 제어기의 오차값에 따라 전압 PI 제어기의 기준값을 변화시켜 기존 병렬 운전 제어에서 발생하는 전압의 오버슈트와 언더슈트를 억제시키며 두 컨버터 간의 순환전류의 발산을 방지하고 하나의 컨버터에 부하 전류가 편중되는 현상을 개선하였다. 제안된 제어 기법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통해서 검증하였다.
표 1은 실제 모델과 축소 모델의 정격사양을 나타낸다. 축소 모델의 정격 전압 및 정격 전류를 실제 모델의 1/20배로 축소시켜서 설계하였다. 동일한 비율로 축소시켰기 때문에 실제 모델과 동일한 응답특성을 확인할 수 있다^[2]_.

대상 데이터

제안된 보상기에서의 제정수의 선정의 경우, 각 컨버터의 전압 오차 3%를 고려하여 기준 전압 80V의 3%에 해당하는 82.4V와 77.6V를 고려하여 불균형 병렬운전 보상기 전압의 상한치 V_upper와 하한치 V_lower는 각각 82.5V와 77.5V로 선정하였다. 전압 지령값이 변경되는 전압 PI 제어기의 오차는 전압 리플을 고려하여 0.
에너지를 저장하는 시스템은 4가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 시스템은 도시철도 전차선과 병렬로 연결된 배터리 저장 시스템 (Battery Energy Storage System : BESS)이다. 이 시스템은 회생 브레이크에서 발생하는 에너지를 저장할 수 있다.

데이터처리

이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 논문에서는 순환 전류를 이용한 병렬 연결된 사이리스터 듀얼 컨버터의 불균형 병렬 운전 보상 기법을 제안한다. 제안된 보상 기법의 유효성은 기존 제어 방식과 제안된 제어 방식의 성능 비교를 기반으로 시뮬레이션과 실험을 통해 증명한다.
제안한 방법은 각 컨버터의 전압 PI 제어기의 오차값에 따라 전압 PI 제어기의 기준값을 변화시켜 기존 병렬 운전 제어에서 발생하는 전압의 오버슈트와 언더슈트를 억제시키며 두 컨버터 간의 순환전류의 발산을 방지하고 하나의 컨버터에 부하 전류가 편중되는 현상을 개선하였다. 제안된 제어 기법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통해서 검증하였다.

이론/모형

시뮬레이션 프로그램은 PSIM을 사용하였으며 축소 모델 마이크로프로세서의 C언어를 그대로 적용할 수 있도록 DLL 파일을 사용하였다. 전압 및 전류 샘플링 주기와 제어주기는 동기화하여 10kHz로 선정하였으며 V_dc,CNVn과 I_dc,CNVn는 12펄스 듀얼 컨버터가 가지는 기본고조파를 고려하여 360Hz의 디지털 필터를 적용하였다.

성능/효과

그림 12 (b)는 부하가 있는 경우의 실험 파형을 나타낸다. Vdc에서 순화전류 모드 변환할 때 큰 오버슈트와 언더슈트가 발생하며 최대 부하전류 ±30A에서 CNV1과 CNV2간의 전류 불균형이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그림 10은 각 컨버터의 전압센서 오차가 존재하는 경우에 제안된 병렬 운전 보상 기법을 적용하였을 때의 파형을 나타낸다. 기존 병렬 운전에서 발생하는 V_dc의 오버슈트와 언더슈트가 제거되었으며 기존 병렬 운전제어에서의 컨버터간의 불균형 전류는 불균형 병렬운전 보상기를 적용하여 V_dc의 변화를 통해서 개선됨을 확인할 수 있다.
그림 13 (b)는 부하가 있는 경우의 실험 파형을 나타낸다. 순환전류 모드변환할 때 기존 병렬 운전 제어에서 발생하는 V_dc의 큰 오버슈트와 언더슈트가 없으며 최대 부하전류 ±30A에서 CNV1와 CNV2간의 균등한 전류가 제어됨을 확인할 수 있다.
그림 13 (a)는 V_dc가 기준값 80V 도달한 후에 무 부하 상태에서 순환전류를 이용한 병렬운전이 동작하고 대기하는 상태의 조건이다. 순환전류 제어가 시작된 후 기존 병렬 운전 제어에서 발생하는 전압 PI 제어기의 오차에 따른 CNV1과 CNV2의 순환 전류 발산을 병렬 운전 보상기를 통해서 방지됨을 확인할 수 있다. 그림 13 (b)는 부하가 있는 경우의 실험 파형을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지를 저장하는 시스템은 어떻게 분류할 수 있는가?	에너지를 저장하는 시스템은 4가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 시스템은 도시철도 전차선과 병렬로 연결된 배터리 저장 시스템 (Battery Energy Storage System : BESS)이다. 이 시스템은 회생 브레이크에서 발생하는 에너지를 저장할 수 있다. 그러나 BESS는 짧은 수명, 충·방전의 사이클의 한계 및 낮은 효율을 가지는 단점이 있다[4] . 두 번째 시스템은 95% 이상의 높은 효율과 충·방전 시간의 고 신뢰성, 긴 수명 및 낮은 유지보수비를 가지는 초전도 저장 (Superconducting Magnetic Energy Storage : SMES) 시스템이다[5] . 그러나 생산성의 한계, 초전도 물질의 높은 가격 및 고강도 자계의 의한 생태 영향으로 인한 낮은 신뢰성과 같은 단점을 포함한다. 세번째는 플라이훨 에너지 저장 시스템(Flywheel Energy Storage System)이다[6],[7] . 이 시스템은 짧은 방전 시간과 짧은 시간 내에서 높은 전력 밀도를 가지므로 장기간 에너지를 저장해야하는 도시철도 변전설비에는 적합 하지 못하다. 마지막으로는 울트라 커패시터 저장 시스템(Ultra-capacitor Energy Storage System)으로 배터리에너지 저장 시스템과 다르게 큰 에너지 용량을 가지지만 회생 에너지의 전압 변동, 짧은 수명 및 낮은 동작 신뢰성의 단점을 가진다[8] .
	기존의 도시철도 변전소에 설치된 전력공급 시스템은 어떤 방식을 채택하였는가?	기존의 도시철도 변전소에 설치된 전력공급 시스템은 전차선에 직류전원을 공급하기 위해서 다이오드 정류방식을 채택하였다[2] . 이 시스템은 전동차에서 발생하는 회생전력을 자체적으로 소비할 수 없으므로 회생저항을 사용하여 열로 에너지를 소비한다.
	사이리스터 듀얼 컨버터의 장점은?	사이리스터 듀얼 컨버터는 빠른 응답 특성과 IGBT 인버터보다 부피당 높은 전력 밀도를 가지는 장점이 있다. 그러므로 듀얼 컨버터는 많은 도시철도 변전설비에서 여전히 사용되고 있다.

참고문헌 (12)

S. H. Bae, "Domestic greenhouse gas reduction policy," Journal of Energy Engineering, Vol. 20, No 1, pp. 8-12, Mar. 2011.

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S. W. Han, C. H. Lee, Y. W. Kim, and D. O. Moon, "Control algorithm of thyristor dual converter power system for railway power substations," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 20, No. 6, pp. 573-579. Dec. 2015.

원문보기 상세보기
S. A. Kim, G. J. Han, S. W. Han, and Y. H. Cho, "Study on parallel operation control of dual converter for urban railway DC power substations," The Korean Institute of Electrical Engineers summer conference, pp. 999-1000, Jul. 2016.
Y. Jiang, J. Liu, W. Liu, W. Tian, M. Shahidehpour, and M. Krishnamurthy, "Energy harvesting for the electrification of railway stations: Getting a charge from the regenerative braking of trains. A," IEEE Electrification Mag., Vol. 2, pp. 39-48, Sep. 2014.

상세보기
M. Hasan Ali, B. Wu, and R. A. Dougal, "An overview of SMES applications in power and energy systems," IEEE Trans. Sustain. Energy, Vol. 1, pp. 38-47, Apr. 2010.

상세보기
T. A. Aanstoos, J. P. Kajs, W. G. Brinkman, H. P. Liu, A. Ouroua, R. J. Hayes, C. Hearn, J. Sarjeant, and H. Gill, "High voltage stator for a flywheel energy storage system," IEEE Trans. Magn., Vol. 37, pp. 242-247, Aug. 2001.

상세보기
S. R. Gurumurthy, V. Agarwal, and A. Sharma, "Optimal energy harvesting from a high-speed brushless DC generator-based flywheel energy storage system," IET Electr. Syst. Transp., Vol. 7, pp. 693- 700, Nov. 2013.
P. J. Grbovic, P. Delarue, P. L. Moigne, and P. Bartholomeus, "The ultracapacitor-based regenerative controlled electric drives with power-smoothing capability," IEEE Trans. on Industrial Electr., Vol. 59, pp. 4511-4522, Jan. 2012.

상세보기
D. U. Jang, C. H. Bae, S. K. Jung, M. S. Han, and Y. K. Kim "Prediction of regenerative energy and examination of install location of regenerative inverter for DC railway system," The Korean Society for Railway Fall Conference, pp. 1499-1504, Nov. 2007.
C. S. Jang, S. A. Kim, S. W. Han, and Y. H. Cho, "A study on output characteristics according to initial firing angle of double converter," The Korean Institute of Electrical Engineers summer conference, pp. 978-979, Jul. 2015.
S. W. Han, S. A. Kim, Y. H. Cho, and G. S. Byun, "A studies for sequential mode change control algorithm of the parallel dual converter of using thyristor for supplying the urban railway DC power," The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 65, pp. 511-519, Mar. 2016.

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C. Lee, H. Liu, K. Hwang, S. Lee, H. Park, C. Kim, J. S. Oh, J. H. Suh, and J. Choi, "A novel control for four-quadrant operation of ITER VS converter," Int. Conf. Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp. 1657-1661, 2013.

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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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