[논문]계통연계형 3-레벨 NPC 인버터의 6차 고조파 제어 기법을 이용한 계통 전류 고조파 저감

신지욱; 박영수; 박성수; 이교범

doi:10.5370/kiee.2017.66.5.778

[국내논문] 계통연계형 3-레벨 NPC 인버터의 6차 고조파 제어 기법을 이용한 계통 전류 고조파 저감
Reduction of Grid Current Harmonic Distortion through a 6th Harmonic Control Method in Grid-Connected Three-Level NPC Inverters 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.5, 2017년, pp.778 - 785

신지욱 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Ajou University) , 박영수 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Ajou University) , 박성수 (Dept. of Space Survey Information Technology, Ajou University) , 이교범 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a control method for reducing the distortion of the grid current at a grid-connected three-level neutral point clamped (NPC) inverter. The grid current is distorted from the 5th and 7th harmonic components in the stationary frame current also the 6th harmonic component in the synchronous frame current. In this paper, the 6th harmonic component on synchronous frame is controlled by using all-pass filters (APFs) and proportional integral (PI) controllers for distortion of the grid side. When transformed the 6th harmonic component is controlled, the 5th and 7th harmonic components are reduced. The validity of the proposed control method is verified by simulation and experiment results using a 25kW three-level NPC inverter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계통연계형 3-레벨 NPC 인버터의 6차 고조파 성분을 저감하는 제어 기법을 제안한다. 계통 측의 5차 및 7차 고조파 성분은 인버터 출력 전류의 왜곡을 발생시킨다.
본 논문에서는 계통연계형 3-레벨 NPC 인버터의 계통 전압에 포함되는 5차 및 7차 고조파에 의한 전류 왜곡 발생 시, 동기 좌표계 6차 고조파 성분을 제어하여 전류의 고조파에 의한 왜곡을 감소시키는 기법을 제안하였다. 계통 측 전류의 정지 좌표계 5차 및 7차 고조파 성분은 동기 좌표계로 변환 시, 6차 고조파 성분으로 표현된다.

가설 설정

그림 12의 (a)에 나타나는 360 Hz 대역의 동기 좌표 계 6차 고조파 성분의 크기는 그림 14의 (a)와 같이 제안하는 제어 기법에 의해 85 mA에서 9 mA로 감소한다. 또한, 동기 좌표계 6차 고조파 성분의 저감으로 인해 그림 14의 (b)와 같이 300 Hz와 420 Hz 대역의 정지 좌표계 5차 및 7차 성분이 저감된다.

제안 방법

이로 인해 계통 연계 시, 계통으로 투입되는 전류의 THD가 증가하며 효율이 저감된다. 5차 및 7차 고조파 성분은 동기 좌표계 6차 고조파 성분으로 나타나고, 제안하는 제어 기법을 이용해 6차 고조파 성분을 0으로 제어하여 인버터 출력 전류의 왜곡을 저감한다. 제안한 기법은 전역 통과 필터와 비례 적분 제어기로 구성되어 있으며 구현이 간단하다.
그림 13은 제안하는 6차 고조파 제어 기법을 적용한 후의 전류 제어 실험 파형을 나타낸다. 본 논문에서 제안하는 6차 고조 파 제어 기법을 통해 동기 좌표계 d-q축 6차 고조파 성분을 각각 0으로 제어한다. 이에 따라, 동기 좌표계 q-축 전류에 6차 고조파 성분의 리플이 저감된다.
시뮬레이션에서는 5차 및 7차 고조파 성분의 전압을 계통 측으로부터 인버터 측으로 투입하여 출력 상전류의 고조파에 의한 왜곡을 모의하였다. 이때 투입된 5차 및 7차 고조파 성분의 전압 크기는 각각 기본파 전압 크기의 1/5, 1/7로 설정하였다.
인버터는 디지털 신호 처리장치 (DSP)인 TMS320F28377로 제어하였다. 실험 파라미터는 시뮬레이션과 같으며, 계통 측으로부터 5차 및 7차 고조파 성분을 투입하여 상전류의 고조파에 의한 왜곡을 모의하였다. 제안하는 제어 기법을 검증하기 위해 전류 제어 실험을 진행하였고 q-축 지령 전류의 크기를 8 Apeak로 설정하였다.
시뮬레이션에서는 5차 및 7차 고조파 성분의 전압을 계통 측으로부터 인버터 측으로 투입하여 출력 상전류의 고조파에 의한 왜곡을 모의하였다. 이때 투입된 5차 및 7차 고조파 성분의 전압 크기는 각각 기본파 전압 크기의 1/5, 1/7로 설정하였다.
제안하는 6차 고조파 제어 기법의 타당성을 확인하기 위해 그림 5와 같이 계통연계형 3-레벨 NPC 인버터를 구성하여 PSIM 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 파라미터는 표 2와 같다.
실험 파라미터는 시뮬레이션과 같으며, 계통 측으로부터 5차 및 7차 고조파 성분을 투입하여 상전류의 고조파에 의한 왜곡을 모의하였다. 제안하는 제어 기법을 검증하기 위해 전류 제어 실험을 진행하였고 q-축 지령 전류의 크기를 8 Apeak로 설정하였다.
5차 및 7차 고조파 성분은 동기 좌표계 6차 고조파 성분으로 나타나고, 제안하는 제어 기법을 이용해 6차 고조파 성분을 0으로 제어하여 인버터 출력 전류의 왜곡을 저감한다. 제안한 기법은 전역 통과 필터와 비례 적분 제어기로 구성되어 있으며 구현이 간단하다. 또한, 단일 이득을 가지는 전역 통과 필터를 사용하여 이득 감쇠가 발생하지 않고 빠른 동특성을 가지는 비례 적분 제어기를 통해 변화에 대한 속응성이 빠른 장점이 있다.

대상 데이터

그림 10은 본 논문에서 제안하는 6차 고조파 제어 기법을 검증하기 위한 3-레벨 NPC 인버터의 실험 세트를 나타내며, 제어 보드와 전력보드로 구성된다. 인버터는 디지털 신호 처리장치 (DSP)인 TMS320F28377로 제어하였다. 실험 파라미터는 시뮬레이션과 같으며, 계통 측으로부터 5차 및 7차 고조파 성분을 투입하여 상전류의 고조파에 의한 왜곡을 모의하였다.

데이터처리

동기 좌표계 6차 고조파를 저감하기 위해서는 전역 통과 필터(All-pass filter)와 비례 적분 제어기를 사용하며, 전역 통과 필터는 동기 좌표계 d-q축 전류 각각의 지연된 위상을 제공하기 위해 사용된다. PSIM을 이용한 시뮬레이션 결과와 25kW 인버터 시스템을 이용한 실험 결과를 통해 제안하는 6차 고조파 제어 기법의 실효성 및 타당성을 검증하였다.
또한, 단일 이득을 가지는 전역 통과 필터를 사용하여 이득 감쇠가 발생하지 않고 빠른 동특성을 가지는 비례 적분 제어기를 통해 변화에 대한 속응성이 빠른 장점이 있다. 본 논문에서 제안하는 제어 기법의 타당성을 시뮬레이션과 실험 결과를 통하여 검증하였다.

이론/모형

일반적으로 아날로그 필터의 전달함수는 Bilinear, Forward, Backward 등의 방식을 통해 디지털 필터로 구현된다. 본 논문에 서는 식 (9)와 같은 변환 식을 갖는 Bilinear 방식을 사용하였다. 이를 통해 디지털 전역 통과 필터의 전달함수는 식 (10)과 같이 표현된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계통연계형 3-레벨 NPC 인버터는 어디에 사용되는가?	계통연계형 3-레벨 NPC 인버터는 고전력 어플리케이션에 사용되는 멀티 레벨 인버터들 중에서 가장 일반적으로 사용되는 토폴로지이다. 그림 1과 같이 3-레벨 NPC 인버터는 역병렬 다이오드가 포함된 12개의 IGBT 소자와 6개의 다이오드로 구성된다.
	계통으로 투입되는 전류의 THD가 증가하는 이유는?	본 논문에서는 계통연계형 3-레벨 NPC 인버터의 6차 고조파 성분을 저감하는 제어 기법을 제안한다. 계통 측의 5차 및 7차 고조파 성분은 인버터 출력 전류의 왜곡을 발생시킨다. 이로 인해 계통 연계 시, 계통으로 투입되는 전류의 THD가 증가하며 효율이 저감된다.
	계통연계형 인버터의 역할은?	계통의 전력을 저장하기 위한 전력변환장치로써 일반적으로 계통연계형 인버터가 사용된다. 이는 계통에 투입되기 위한 고품질 전력을 보장하는 중요한 역할을 한다[1]. 일반적으로 계통연계형 인버터는 그림 1과 같이 3-레벨 NPC (Neutral Point Clamped) 인버터가 전력변환장치로써 사용되고, 이는 2- 레벨 인버터와 비교했을 때, 낮은 전압 스트레스와 스위칭 손실을 가지는 장점이 있다.

참고문헌 (15)

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U.-M. Choi and K.-B. Lee, "Neutral-point voltage balancing method for three-level inverter systems with a time-offset estimation scheme," Journal of Power Electronics, Vol. 13, No. 2, pp. 243-249, Mar. 2013.

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S.-W. Hyun, S.-J. Hong, J.-H. Lee, C.-B. Lee, and C.-Y. Won, "A method to compensate the distorted space vectors in the unbalanced neutral point voltage of 3-level NPC PWM inverters," Journal of Power Electronics, Vol. 16, No. 2, pp. 455-463, Mar. 2016.

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K.-S. Ji, S.-T. Jou, H.-G. Jeong, and K.-B. Lee, "Simple compensation method of unclamped switch voltages in a three-level NPC inverter," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 19, No. 3, pp. 257-265, Jun. 2014.

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P. Alemi and D.-G. Lee, "Comparative analysis of power losses for three-level T-type and NPC PWM inverters," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 19, No. 2, pp. 173-183, Apr. 2014.

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