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전압 불평형 조건에서 스위칭 소자의 전류용량을 고려한 MMC-HVDC 순환전류 제어기법
Circulating Current Control in MMC-HVDC Considering Switching Device Current Capacity under Unbalanced Voltage Conditions 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.30 no.1, 2016년, pp.55 - 65  

김춘성 ,  정승환 (전남대학교 전기공학과) ,  황정구 (전남대 대학원 전기공학과) ,  박성미 (한국승강기대 승강기공학부 설계전공) ,  박성준

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposed a new control method which is capable of controlling circulating current considering current capacity of switching device. In the unbalanced voltage conditions, active power and reactive power have double line frequency. Thus, in order to provide active power without ripple, it i...

주제어

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문제 정의

  • 불평형 전압 조건에서 컨버터는 유효전력의 리플이 감소하는 목적으로 제어할 시, 리플을 감소시키기 위해 역상분 전류를 계통에 주입하게 되고, 이는 각 arm에 흐르는 전류의 상승을 가져온다. 따라서 AC측 에 역상분 전류를 주입하는 조건에서, 스위칭 소자가 갖는 허용전류 범위 내에서 안정적으로 제어할 수 있는 제어 기법을 제안하고 검증하였다. 둘째, 순환전류 를 제거하면서 안정적으로 운전될 수 있는 제어 기법을 제안하였다.
  • 스위칭 소자의 정격 전류 내에서 유효전력에 리플 없는 최고 전력을 출력하기 위해서는 정확한 역상분 전류의 값이 계산되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 역상분 전류의 지령치와 인덕터의 손실을 포함한 내부적인 손실을 고려할 필요 없이 스위칭 소자의 정격 내에서 최고 출력을 확보할 수 있는 제어기법을 제안한다.
  • 이렇게 제어할 경우 각 상의 유효전력이 같은 크기로 제어되지 못하기 때문에 AC측의 역상분 전류를 주입하거나 전류제한을 하더라도 순환전류를 완전히 제거하지 못한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 불평형 전압 발생 시 역상분 전류를 주입하면서 최적의 유효전력을 출력할 수 있는 전류 제한 제어 기법을 제안한다. 불평형 전압 발생시 MMC를 안정적으로 제어하기 위하여 역상분 전류를 주입하여 AC측 유효전력의 리플을 저감하였다.
  • 본 논문은 스위칭 소자의 전류 용량을 고려하면서 순환전류를 제거할 수 있는 제어기법을 제안하였다. 첫째, MMC를 운용함에 있어 전류의 허용범위 내에서 운전이 가능하도록 전류를 제한하는 기법을 제안하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CSC의 특성상 특수 변압기가 사용된다는 단점을 보완하기 위해 발전된 기술은? CSC-HVDC는 연결되는 교류의 고조파특성 및 직류단 전류 특성의 개선을 위해 12-Pulse 형태의 컨버터가 주로 사용되며, 직렬 연결된 CSC의 특성상 컨버터 측에 연결된 변압기에 직류전압이 인가되기 때문에 특수한 변압기가 사용된다는 단점이 있다[4]. 이러한 단점을 보완하기 위해 발전된 기술이 VSC-HVDC 이다. VSC는 독립적으로 유․무효 전력의 제어가 가능하며 CSC에 비하여 빠른 동특성을 갖는다.
CSC-HVDC에는 어떠한 형태의 컨버터가 주로 사용되는가? HVDC 송전 시스템에서는 크게 전류원 컨버터(Line-Commutated Current Source Converter; LCCSC, CSC)와 전압원 컨버터 (Self-Commutated Voltage Source Converter; VSC) 의 2가지의 기술이 사용된다[2-3]. CSC-HVDC는 연결되는 교류의 고조파특성 및 직류단 전류 특성의 개선을 위해 12-Pulse 형태의 컨버터가 주로 사용되며, 직렬 연결된 CSC의 특성상 컨버터 측에 연결된 변압기에 직류전압이 인가되기 때문에 특수한 변압기가 사용된다는 단점이 있다[4]. 이러한 단점을 보완하기 위해 발전된 기술이 VSC-HVDC 이다.
HVDC 송전 시스템에 사용되는 2가지 기술은? 이후 유럽과 미국, 중국을 중심으로 투자 및 연구가 크게 확대되고 있으며, 초기 전류형 컨버터부터 최근 전압형 컨버터까지 많은 분야의 연구가 진행되고 있다[1]. HVDC 송전 시스템에서는 크게 전류원 컨버터(Line-Commutated Current Source Converter; LCCSC, CSC)와 전압원 컨버터 (Self-Commutated Voltage Source Converter; VSC) 의 2가지의 기술이 사용된다[2-3]. CSC-HVDC는 연결되는 교류의 고조파특성 및 직류단 전류 특성의 개선을 위해 12-Pulse 형태의 컨버터가 주로 사용되며, 직렬 연결된 CSC의 특성상 컨버터 측에 연결된 변압기에 직류전압이 인가되기 때문에 특수한 변압기가 사용된다는 단점이 있다[4].
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참고문헌 (17)

  1. M. P. Bahrman and B. K. Johnson, "The ABCs of HVDC transmission technologies," IEEE Power Energy Mag., vol. 5, no. 2, pp. 32-44, Mar./Apr. 2007. 

  2. Flourentzou, N. Agelidis, V.G. Demetriades, G.D., "VSC-Based HVDC Power Transmission Systems: An Overview," IEEE Trans., Power Electronics, vol.24, no.3, pp.592-602, Mar.2009. 

  3. S. Cole and R. Belmans, "Transmission of bulk power: The history and applicationsof voltage-source converter high-voltage direct current systems," IEEE Ind. Electron.Mag., vol. 3, no.3, pp. 19-24, Sept. 2009. 

  4. M. Callavik, "ABB-HVDC grids for integration of renewable power sources," in Proc. EPRI HVDC & FACTS Users Meeting, 2010. 

  5. R. Marquardt, "Current Rectification Circuit for Voltage Source Inverters with Separate Energy Stores Replaces Phase Blocks with Energy Storing Capacitors," German Patent (DE10103031A1), 25 July 2002. 

  6. A. Lesnicar, R. Marquardt, "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range," IEEE Power Tech Conference Proceedings, vol.3, pp. 6, Bologna 2003. 

  7. Q. Tu, Z. Xu, H. Huang, and J. Zhang, "Parameter design principle of the arm inductor in modular multilevel converter based HVDC," in Proc. Int. Conf. Power Syst. Tech., Hangzhou, China, 2010, pp. 1-6. Oct. 2010. 

  8. Chaudhary.S.K., Teodorescu. R., Rodriguez. P.,Kjaer. P.C.,Gole. A.M., "Negative Sequence Current Control in Wind Power Plants With VSC-HVDC Connection", IEEE Trans. Sustainable Energy, Vol. 3, No. 3, pp. 535-544, July. 2012. 

  9. Ji-Woo Moon, Chun-Sung Kim, Jung-Woo Park, Dea-Wook Kang, and Jang-Mok Kim, "Circulating Current Control in MMC Under the Unbalanced Voltage", IEEE Trans. Power Del, Vol.28, No.3, pp. 1952-1959, Jul. 2013. 

  10. QingruiTu, ZhengXu, Yong Chang, and Li Guan, "Suppressing DC Voltage Ripples of MMC-HVDC Under Unbalanced Grid Conditions", IEEE Trans. Power Del, Vol. 27, No. 3, pp. 1332 - 1338, July. 2012. 

  11. Hong-Seok Sing, and Kwang-hee Nam, "Dual Current Control Scheme for PWM Converter Under Unbalanced Input Voltage Conditions", IEEE Trans. Industrial electronics, Vol. 46, No. 5, pp. 953-959, Oct. 1999. 

  12. M. Saeedifard and R. Iravani, "Dynamic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system", IEEE Trans. Power Del, Vol.25, No. 4, pp. 2903-2912, Oct. 2010. 

  13. Yazdani. A, Iravani. R, "A unified dynamic model and control for the voltage-sourced converter under unbalanced grid conditions", IEEE Trans. Power Del, Vol.21, No. 3, pp. 1620-1629, Jul. 2006. 

  14. Q. Tu, Z. Xu, and L. Xu, "Reduced switching-frequency modulation and circulating current suppression for modular multilevel converters," IEEE Trans. Power Del., Vol. 26, No. 3, pp. 2009-2017, Jul. 2011. 

  15. Gnanarathna. U.N., Gole. A.M., Jayasinghe. R.P., "Efficient Modeling of Modular Multilevel HVDC Converters (MMC) on Electromagnetic Transient Simulation Programs", IEEE Trans. Power Del,. Vol. 26, No. 1, pp. 316-324, Jan. 2011. 

  16. Jianzhong Xu, Chengyong Zhao, Wenjing Liu, Chunyi Guo, "Accelerated Model of Modular Multilevel Converters in PSCAD/EMTDC", IEEE Trans. Power Del., Vol. 28, No. 1, pp. 129-136, Jan. 2013. 

  17. Minyuan Guan, Zheng Xu, "Modeling and Control of a Modular Multilevel Converter-Based HVDC System Under Unbalanced Grid Conditions", IEEE Trans. Power Electronics., Vol. 27, No. 12, pp. 4858-4867, Dec. 2012. 

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