Three-Level H-Bridge 컨버터를 이용한 철도차량용 지능형 변압기의 구조 및 제어 Structure and Control of Smart Transformer with Single-Phase Three-Level H-Bridge Cascade Converter for Railway Traction System원문보기
본 논문은 철도차량의 추진용 유입식 변압기 및 AC/DC 컨버터를 대체하기 위한 지능형 변압기의 구조를 제안한다. 제안된 지능형 변압기는 반도체 스위칭 소자 및 고주파 변압기를 사용한 양방향 전력 변환 컨버터의 형태로써, 기존 변압기에 비해 경량화 되고, 역률 제어 등의 능동적인 제어 성능으로 인해 단상 계통 전원의 효율적인 활용을 가능하게 한다. 제안하는 지능형 변압기는 60Hz 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Neutral point clamped type 의 H-bridge 컨버터를 여러 개 직렬 연결해 구성했다. 직류로 변환된 입력단 전력은 고주파 변압기와 Neutral point clamped type H-bridge 컨버터 2개로 구성된 Dual-Active-Bridge 컨버터를 이용해 출력측에 필요한 저전압을 공급할 수 있도록 했다. 또한, 본 논문에서는 다수의 컨버터 모듈 내부 직류단 전압을 균형제어하며, 단상 교류 전원에서 직류 출력 전원간의 양방향 전력 제어를 가능하게 하는 제어 알고리즘을 제안한다. 제안한 지능형 변압기의 구조 및 제어 시스템은 75kVA 급 3.3kVrms 입력, 750VDC 출력의 지능형 변압기를 설계 및 회로 시뮬레이션 결과를 통해 검증했다.
본 논문은 철도차량의 추진용 유입식 변압기 및 AC/DC 컨버터를 대체하기 위한 지능형 변압기의 구조를 제안한다. 제안된 지능형 변압기는 반도체 스위칭 소자 및 고주파 변압기를 사용한 양방향 전력 변환 컨버터의 형태로써, 기존 변압기에 비해 경량화 되고, 역률 제어 등의 능동적인 제어 성능으로 인해 단상 계통 전원의 효율적인 활용을 가능하게 한다. 제안하는 지능형 변압기는 60Hz 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Neutral point clamped type 의 H-bridge 컨버터를 여러 개 직렬 연결해 구성했다. 직류로 변환된 입력단 전력은 고주파 변압기와 Neutral point clamped type H-bridge 컨버터 2개로 구성된 Dual-Active-Bridge 컨버터를 이용해 출력측에 필요한 저전압을 공급할 수 있도록 했다. 또한, 본 논문에서는 다수의 컨버터 모듈 내부 직류단 전압을 균형제어하며, 단상 교류 전원에서 직류 출력 전원간의 양방향 전력 제어를 가능하게 하는 제어 알고리즘을 제안한다. 제안한 지능형 변압기의 구조 및 제어 시스템은 75kVA 급 3.3kVrms 입력, 750VDC 출력의 지능형 변압기를 설계 및 회로 시뮬레이션 결과를 통해 검증했다.
This paper proposes the structure of a smart transformer to improve the performance of the 60Hz main power transformer for rolling stock. The proposed smart transformer is a kind of solid state transformer that consists of semiconductor switching devices and high frequency transformers. This smart t...
This paper proposes the structure of a smart transformer to improve the performance of the 60Hz main power transformer for rolling stock. The proposed smart transformer is a kind of solid state transformer that consists of semiconductor switching devices and high frequency transformers. This smart transformer would have smaller size than the conventional 60Hz main transformer for rolling stock, making it possible to operate AC electrified track efficiently by power factor control. The proposed structure employs a cascade H-Bridge converter to interface with the high voltage AC single phase grid as the rectifier part. Each H-Bridge converter in the rectifier part is connected by a Dual-Active-Bridge (DAB) converter to generate an isolated low voltage DC output source of the system. Because the AC voltage in the train system is a kind of medium voltage, the number of the modules would be several tens. To control the entire smart transformer, the inner DC voltage of the modules, the AC input current, and the output DC voltage must be controlled instantaneously. In this paper, a control algorithm to operate the proposed structure is suggested and confirmed through computer simulation.
This paper proposes the structure of a smart transformer to improve the performance of the 60Hz main power transformer for rolling stock. The proposed smart transformer is a kind of solid state transformer that consists of semiconductor switching devices and high frequency transformers. This smart transformer would have smaller size than the conventional 60Hz main transformer for rolling stock, making it possible to operate AC electrified track efficiently by power factor control. The proposed structure employs a cascade H-Bridge converter to interface with the high voltage AC single phase grid as the rectifier part. Each H-Bridge converter in the rectifier part is connected by a Dual-Active-Bridge (DAB) converter to generate an isolated low voltage DC output source of the system. Because the AC voltage in the train system is a kind of medium voltage, the number of the modules would be several tens. To control the entire smart transformer, the inner DC voltage of the modules, the AC input current, and the output DC voltage must be controlled instantaneously. In this paper, a control algorithm to operate the proposed structure is suggested and confirmed through computer simulation.
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문제 정의
정류단의 각 컨버터와 연결된 DAB 컨버터의 2차측 출력 전압은 병렬로 연결되어 있으며, 최종 출력 전압이 750V로 제어되어야 한다. 따라서, 제안된 구조는 최종 출력 전압을 일정하게 제어하면서, 정류단의 6개 직류단 전압을 균형 제어하는 것을 목표로 한다.
멀티레벨 컨버터를 모듈로 사용하였기 때문에, 제안된 구조에서는 교류/직류간의 지능형 변압기의 기본 기능인 교류단 전류 제어와 직류단 출력 전압 제어뿐만 아니라, 지능형 변압기 내부의 캐패시터 전압의 균형 제어가 매우 중요하다. 본 논문에서는 멀티레벨 컨버터를 모듈로 갖는 단상 교류/직류 연계용 지능형 컨버터에서 내부 캐패시터 전압의 균형 제어기를 포함한 전체 제어 구조를 제안한다.
이를 위해서는 각 DAB 컨버터가 독립적으로 제어되어야 하기 때문에 제어 시스템이 매우 복잡해진다. 본 논문에서는 복수의 직렬 연결된 H-Bridge 컨버터 구조 내부에서 교류 전력을 적절하게 분배하는 방법으로 캐패시터 전압 균형 제어를 구현한다. 이러한 접근은 DAB 컨버터의 제어 구조를 간단히 할 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 접근은 DAB 컨버터의 제어 구조를 간단히 할 수 있다는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 이러한 원리를 구현하기 위해 3가지의 제어기로 구성된 직류 캐패시터 전압의 균형 제어 방법을 제안한다.
본 논문에서는 철도차량용 추진 시스템의 전원 공급용 권선형 변압기를 대체하기 위한 지능형 변압기의 구조를 제안하고 그 제어기를 설계하였다. 제안된 지능형 변압기는 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Cascade H-Bridge 컨버터를 사용하며, 직렬 연결된 각 H-Bridge 컨버터의 직류단은 DAB 컨버터를 이용해 절연된 출력 저전압 직류 전원으로 변환된다.
특히, 수십kV의 높은 배전 전압과 연계되는 시스템에서는 정류기에 사용되는 스위칭소자 부품개수가 매우 많아지는데, 이는 시스템을 구현하는데 있어서 부담이 된다. 본 논문에서는 컨버터 모듈 부품의 개수를 줄이기 위해서 멀티레벨 컨버터로 모듈화된 부품으로 설계하였다. 가장 대중적인 멀티레벨 컨버터인 Neutral point clamped type H-bridge 컨버터는 이론적으로는 무한히 많은 레벨의 컨버터를 구현할 수 있으니, 레벨 숫자가 증가할수록, 구현 가능한 PWM 조합이 증가하고, 각 레벨의 캐패시터 전압을 균형 제어해야 한다는 부담이 증가한다.
본 논문은 철도 차량에 적용하기 위한 단상 지능형 변압기의 구조를 제안하며, 제안한 지능형 변압기의 주된 기능인 양방향 전력 전달 제어와 내부 모듈의 캐패시터 전압을 일정하게 유지하기 위한 균형 제어기 등의 전체적인 제어기의 구조 및 설계 방법을 제시한다. 제안한 지능형 변압기의 구조 및 제어 시스템은 75kVA급 3.
가설 설정
제어기의 출력인 전력 지령을 출력단으로 공급하기 위해서 Fig. 5(b)의 구조와 같이 DAB 컨버터는 Gating Signal을 적절하게 생성하게 된다. 캐패시터에 저장된 에너지를 지령으로 제어하기 위한 궤한 루프 전달함수는 식 (1)과 같이 정리된다.
1차측 H-Bridge 컨버터의 스위칭 시점을 결정하기 위한 G1, G2과 2차측 H-Bridge 컨버터의 스위칭 시점을 결정하기 위한 위상 지연 시점 D에 의해 DAB 컨버터의 전력 전달이 제어될 수 있다. DAB 컨버터 1/2차측 직류단 전압이 각각 일정하게 제어된다고 가정할 때, 전력 지령에 대한 복수의 G1, G2, D를 결정할 수 있다. 본 논문에서는 사전 시뮬레이션을 통해 동일 전력에 대해서 DAB 컨버터의 손실을 최소화할 수 있는 G1, G2, D를 사전에 Look-up Table로 작성하여 사용하도록 한다.
제안 방법
복수의 컨버터 모듈로 구성된 시스템을 제어하기 위해서는 각 모듈의 직류단 전압을 일정하게 제어하며, 출력단 전압을 일정하게 유지하는 제어 전략을 필요로 한다. DAB 컨버터를 이용하여 최종 출력 직류단 전압을 제어하였다. DAB 컨버터 동작에 의해 지능형 변압기 내부 캐패시터 전압이 가변할 경우, 교류단 전류를 제어함으로써 전체 지능형 변압기 내부 캐패시터 전압의 평균을 제어한다.
7에서 나타난 것과 같이 가상의 B상과 C상 회로를 가정하여 동기 좌표계의 PI 제어기를 구현할 수 있다. 가상의 3상 전류를 모의하기 위해서 A상 전류의 지령과 실제 전류의 차이를 B상 전류과 C상 전류에 분담시켜 B, C상 전류를 계산하는 방법을 사용하였다. Fig.
동기 좌표계 3상 전류 제어기와 동일한 구조를 가지고 있으며, 3상 출력 전압 지령 중, A상 전압을 실제 제어 전압으로 사용한다. 계통 전압의 변동을 보상하기 위하여 측정한 계통 전압을 전향 보상하도록 제어기를 설계하였다.
16은 지금까지 제안한 지능형 변압기의 전체 제어 구조를 도시하고 있다. 교류간 입력 전류 제어 및 출력 직류단 전압 제어를 기본 성능으로 수행하며, 이를 위해서 각 컨버터 모듈의 6개 직류 캐패시터 전압을 균형 제어를 위해 제어 전략을 수립하고, 각 제어 전략에 맞추어 제어기를 구현하였다. 이러한 제어기는 각 제어기를 독립적으로 설계하고 시험할 수 있기 때문에 전체 제어기를 쉽게 설계할 수 있다.
하지만, 수 많은 DAB 컨버터에 개별 제어기를 설계하여 연결하는 것은 실제 시스템에서는 제어 복잡성이 매우 높아지게 된다[5]. 따라서, 제안된 제어 구조에서는 전체 DAB 컨버터는 순시적인 균형 제어에는 관여하지 않고 단순히 각 컨버터 모듈의 정류단 직류 캐패시터와 최종 출력단 직류 캐패시터 간의 전력을 전달하는 역할만 하도록 제한하였다. 따라서, DAB 컨버터는 출력 직류단 전압을 제어하기 위한 제어기에서 스위칭 신호를 받으며, 전체 DAB 컨버터 모두 동일한 전압 지령을 받는다.
동기 좌표계에서의 PI 제어기는 기본파 주파수에 대한 추종 성능이 좋을 뿐 아니라 주파수 변화에 대해서도 매우 강인한 특성을 보인다[10]. 본 논문에서는 동기 좌표계에서의 PI 제어기를 사용하여 교류단 단상 전류를 제어하였다.
DAB 컨버터 1/2차측 직류단 전압이 각각 일정하게 제어된다고 가정할 때, 전력 지령에 대한 복수의 G1, G2, D를 결정할 수 있다. 본 논문에서는 사전 시뮬레이션을 통해 동일 전력에 대해서 DAB 컨버터의 손실을 최소화할 수 있는 G1, G2, D를 사전에 Look-up Table로 작성하여 사용하도록 한다.
철도차량의 추진시스템에 적용하기 위한 지능형 변압기는 수 MVA 이상의 대용량 시스템으로서, 축소 모델을 통한 제어기 개발 및 검증 단계는 매우 중요하다. 본 장에서는 3개의 모듈로 구성된 75kVA 축소 시스템의 구조를 설계하여 검증한다. 축소 시스템의 지능형 변압기를 제어하기 위한 제어기를 설계하고, 시뮬레이션을 통한 제어 성능을 검증한다.
단상 DAB 컨버터는 단상 Full-Bridge 컨버터 2개를 단상 고주파 변압기를 통해 연결한 구조이다. 실제 제안된 DAB 컨버터는 양 측 모두 Three-level Full-Bridge 컨버터의 구조이지만, 축소 시스템에서는 직류단 부하를 750V로 사용하기 때문에 DAB 컨버터의 2차측 컨버터의 구조는 Two-level Full-Bridge 컨버터를 사용한다. 지능형 변압기의 실제 시스템과 축소 시스템의 사양은 Table 1에 비교되어 나타나 있다.
가장 대중적인 멀티레벨 컨버터인 Neutral point clamped type H-bridge 컨버터는 이론적으로는 무한히 많은 레벨의 컨버터를 구현할 수 있으니, 레벨 숫자가 증가할수록, 구현 가능한 PWM 조합이 증가하고, 각 레벨의 캐패시터 전압을 균형 제어해야 한다는 부담이 증가한다. 일반적으로 3-Level 컨버터의 형태가 구현이 비교적 용이하기 때문에 본 논문에서는 3 Level Full-Bridge 형태의 정류단 컨버터 모듈을 적용하였다. 멀티레벨 컨버터를 모듈로 사용하였기 때문에, 제안된 구조에서는 교류/직류간의 지능형 변압기의 기본 기능인 교류단 전류 제어와 직류단 출력 전압 제어뿐만 아니라, 지능형 변압기 내부의 캐패시터 전압의 균형 제어가 매우 중요하다.
제안된 지능형 변압기는 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Cascade H-Bridge 컨버터를 사용하며, 직렬 연결된 각 H-Bridge 컨버터의 직류단은 DAB 컨버터를 이용해 절연된 출력 저전압 직류 전원으로 변환된다. 제안된 구조를 검증하기 위해 75kVA 축소 시스템을 설계하였고, 축소 시스템을 제어하기 위한 제어기를 구현하였다. 복수의 컨버터 모듈로 구성된 시스템을 제어하기 위해서는 각 모듈의 직류단 전압을 일정하게 제어하며, 출력단 전압을 일정하게 유지하는 제어 전략을 필요로 한다.
1.2 교류단 전류 제어
제안된 구조의 지능형 변압기는 최종 직류단에 연결된 부하에서 전력을 가져가면, 순시적으로 교류단으로부터 직류단 부하만큼의 전력을 공급받아야 한다
. 정류단에 연결된 고전압 교류 계통에서 전력을 공급받게 되므로 단상 전류 제어기를 구현할 필요가 있다[8].
본 논문에서는 철도차량용 추진 시스템의 전원 공급용 권선형 변압기를 대체하기 위한 지능형 변압기의 구조를 제안하고 그 제어기를 설계하였다. 제안된 지능형 변압기는 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Cascade H-Bridge 컨버터를 사용하며, 직렬 연결된 각 H-Bridge 컨버터의 직류단은 DAB 컨버터를 이용해 절연된 출력 저전압 직류 전원으로 변환된다. 제안된 구조를 검증하기 위해 75kVA 축소 시스템을 설계하였고, 축소 시스템을 제어하기 위한 제어기를 구현하였다.
본 논문은 철도 차량에 적용하기 위한 단상 지능형 변압기의 구조를 제안하며, 제안한 지능형 변압기의 주된 기능인 양방향 전력 전달 제어와 내부 모듈의 캐패시터 전압을 일정하게 유지하기 위한 균형 제어기 등의 전체적인 제어기의 구조 및 설계 방법을 제시한다. 제안한 지능형 변압기의 구조 및 제어 시스템은 75kVA급 3.3kVrms 단상 입력, 750VDC 출력의 축소 시스템으로 설계하였고, 이를 검증하기 위해서 Mathwork사의 Matlab과 Plexim사의 PLECS를 기반으로 하는 회로 시뮬레이션을 수행하였다.
DAB 컨버터 동작에 의해 지능형 변압기 내부 캐패시터 전압이 가변할 경우, 교류단 전류를 제어함으로써 전체 지능형 변압기 내부 캐패시터 전압의 평균을 제어한다. 축소 시스템은 내부에 총 6개의 직류 캐패시터 전압을 균형제어하기 위한 3가지 종류의 제어기를 설계하고 그 성능을 모의실험을 통해 검증하였다.
본 장에서는 3개의 모듈로 구성된 75kVA 축소 시스템의 구조를 설계하여 검증한다. 축소 시스템의 지능형 변압기를 제어하기 위한 제어기를 설계하고, 시뮬레이션을 통한 제어 성능을 검증한다.
출력 직류단 전압 제어기의 이득을 결정하기 위해서 캐패시터 모델을 기반으로 시스템을 모델링하였다. DAB 컨버터의 2차측 캐패시터가 병렬로 연결되어 출력단을 형성하므로, 등가 캐패시턴스는 각 모듈 캐패시터의 병렬 연결된 값이다.
이론/모형
5와 같은 형태로 제안하였다. 최종 직류단 전압을 제어하기 위해 각 DAB 컨버터의 2차측 직류단 전압의 평균이 Feedback 전압으로 사용된다. 전압 지령과 Feedback 전압의 오차는 PI 제어기를 통해 전류 지령으로 계산되고, 여기에 직류단 전압이 곱해져서 전력 지령으로 변환된다.
성능/효과
제어기를 동작하기 전까지 각 컨버터 모듈의 상단 캐패시터 전압과 하단 캐패시터 전압은 차이를 보이고 있으나, 제어기를 동작시킨 이후 모두 균형 제어가 되고 있음을 알 수 있다. Offset 전압은 three-level NPC 컨버터의 출력 전압에 영향을 미치지 않으므로, NPC voltage balancing controller가 동작하는 과정에서 교류 전류 제어는 과도 상태 없이 잘 제어되고 있음을 확인할 수 있다.
현실적으로 Three-Level 컨버터의 경우 산업계에서 널리 사용되고 있는 추세이다. 따라서 Fig. 2와 같이 Three-Level H-Bridge 컨버터를 사용한 컨버터 모듈을 구현하게 되면 컨버터 모듈의 직류단 전압을 2배로 증가시켜 모듈의 개수를 22개로 줄일 수 있으며, DAB 컨버터의 고주파 변압기에 인가하는 전압의 주파수도 높게 유지할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도차량용 지능형 변압기는 어떻게 구성되는가?
1에 철도차량에 적용할 수 있는 지능형 변압기의 구조를 나타냈다. 단상 입력 전원을 직류 전압으로 변환하기 위한 정류 단과 정류된 직류 전압을 시스템에서 요구하는 저전압 직류 전압으로 변경하는 DC/DC 변환부로 구성된다. 입력 측 정류 단은 25kVrms의 고압으로 인해 다수의 H-bridge 컨버터를 직렬 연결한 Cascaded H-bridge로 구성된다.
Neutral point clamped type H-bridge 컨버터의 단점은 무엇인가?
본 논문에서는 컨버터 모듈 부품의 개수를 줄이기 위해서 멀티레벨 컨버터로 모듈화된 부품으로 설계하였다. 가장 대중적인 멀티레벨 컨버터인 Neutral point clamped type H-bridge 컨버터는 이론적으로는 무한히 많은 레벨의 컨버터를 구현할 수 있으니, 레벨 숫자가 증가할수록, 구현 가능한 PWM 조합이 증가하고, 각 레벨의 캐패시터 전압을 균형 제어해야 한다는 부담이 증가한다. 일반적으로 3-Level 컨버터의 형태가 구현이 비교적 용이하기 때문에 본 논문에서는 3 Level Full-Bridge 형태의 정류단 컨버터 모듈을 적용하였다.
철도 차랑 주 변압기의 전력밀도가 낮은 이유는 무엇인가?
일반적인 전기 철도 차량은 전차선에 걸리는 60Hz, 25kVrms의 AC 전압을 차량에 필요한 1500VDC 또는 3000VDC로 변환하기 위해 수 MVA 급의 주 변압기 및 AC/DC Boost Converter를 이용한다. 하지만 이러한 철도 차량의 주 변압기는 운전 주파수가 60Hz로 낮아 임피던스 매칭을 위한 인덕턴스의 값이 커 변압기 권선을 많이 감거나 철심 코어를 많이 사용해야 하기 때문에, 전력 밀도가 0.2~0.
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