[논문]반도체 변압기용 멀티레벨 H-bridge 컨버터에 적용한 간단한 전압 밸런싱 방법

정동근; 김호성; 백주원; 조진태; 김희제

doi:10.6113/tkpe.2017.22.2.95

반도체 변압기용 멀티레벨 H-bridge 컨버터에 적용한 간단한 전압 밸런싱 방법
A Simplified Voltage Balancing Method Applied to Multi-level H-bridge Converter for Solid State Transformer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.2, 2017년, pp.95 - 101

정동근 (Power Conversion and Control Research Center, HVDC Research Division, KERI) , 김호성 (Power Conversion and Control Research Center, HVDC Research Division, KERI) , 백주원 (Power Conversion and Control Research Center, HVDC Research Division, KERI) , 조진태 (Smart Power Distribution Lab. Power Distribution ICT Group. KEPCO) , 김희제 (Dept. of Electrical Eng., Pusan Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

A simple and practical voltage balance method for a solid-state transformer (SST) is proposed to reduce the voltage difference of cascaded H-bridge converters. The tolerance device components in SST cause the imbalance problem of DC-link voltage in the H-bridge converter. The Max/Min algorithms of voltage balance controller are merged in the controller of an AC/DC rectifier to reduce the voltage difference. The DC-link voltage through each H-bridge converter can be balanced with the proposed control methods. The design and performance of the proposed SST are verified by experimental results using a 30 kW prototype.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 간단하고 실용적인 전압 불평형 보상 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 추가적인 센서가 필요 없으며, 기존 AC/DC 정류기의 제어기에 최소한의 전압 보상 제어기만을 추가하여 CHB 컨버터의 전압 불평형을 개선하였다.
제안하는 3-Port DAB 컨버터는 옥외 DC 배전 전압인 ± 750Vdc 바이폴라 DC 배전에 적합하도록 두 개의 출력 포트가 독립적인 출력 전압이 가능한 특성을 가진다. 본 논문에서는 반도체 변압기 시스템에 적용되는 CHB 컨버터의 출력 전압 밸런싱 성능 개선과 관련된 내용에 집중하였다.
본 논문에서는 반도체 변압기 시스템의 간단하고 실용적인 방법의 전압 밸런싱 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 기존의 밸런싱 방법에 비해서 추가적인 센서가 필요 없으며, DC-link 전압의 최대/최소값 검출 알고리즘을 AC/DC 정류기 제어기에 추가하여 전압 불평형을 해결하였다.

제안 방법

계통의 단상 교류전압 220Vac를 트랜스포머를 이용하여 입력 전압 2640Vac만큼 상승시킨다. H-bridge 각각의 모듈 출력 직류 전압 2000Vdc를 하나의 제어기로 제어하기 위하여, H-bridge 컨버터 모듈 전체 출력 전압 4000Vdc를 전압 제어기로는 PI 제어기, 전류 제어기로는 PR 제어기를 사용하여 제어하였다. 다음 입력 출력 전압 조건에서의 MI(Modulation index)는 0.
단상 전류의 THD 개선 및 제어기의 정상상태 오차를 줄이기 위해서 PR 제어기를 전류 제어기로 사용하였다. 제안하는 반도체 변압기 시스템에서는 최종적으로 전류 제어기에서 나온 교류 전압 지령치를 PSPWM (Phase Shift Pulse Width Modulation) 방식으로 PWM을 출력해서 멀티레벨 컨버터로 제어했다.
본 논문에서는 SST 시스템에서 H-bridge 컨버터에 대한 제안된 최대/최소값 검출 알고리즘을 이용한 전압 불평형 보상 제어기를 검증하기 위하여 실험에 앞서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 최종 목표 시스템 사양인 입력 교류 전압 13.
본 논문에서는 SST 시스템에서 H-bridge 컨버터에 대한 제안된 최대/최소값 검출 알고리즘을 이용한 전압 불평형 보상 제어기를 검증하기 위하여 실험에 앞서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 최종 목표 시스템 사양인 입력 교류 전압 13.2kVac, 출력 직류 전압 20kVdc 조건에서 15kW H-bridge 컨버터 모듈 10개를 적용하기 위한 제어기를 검증하였다.
그림 10은 실제로 구성한 30kW 반도체 변압기 시제품을 나타낸다. 제안된 시스템은 두 개의 15kW 직렬 모듈로 구성된 5-level H-bridge 컨버터와 3-Port DAB 컨버터 모듈 2개로 병렬로 구성된다. H-bridge 컨버터는 입력 전압 2640Vac를 출력전압 4000Vdc로 변환하고, 3권선 DAB 컨버터는 입력 전압 4000Vdc를 ±750Vdc 바이폴라 구조로 출력전압을 제어한다.
제안하는 3-Port DAB 컨버터는 옥외 DC 배전 전압인 ± 750Vdc 바이폴라 DC 배전에 적합하도록 두 개의 출력 포트가 독립적인 출력 전압이 가능한 특성을 가진다.
제안된 제어기는 추가적인 센서가 필요 없으며, 기존 AC/DC 정류기의 제어기에 최소한의 전압 보상 제어기만을 추가하여 CHB 컨버터의 전압 불평형을 개선하였다. 제안하는 SST 시스템 및 전압 불평형 보상 알고리즘은 성능은 30kW 반도체 변압기 시제품을 통해서 검증하였다.
단상 전류의 THD 개선 및 제어기의 정상상태 오차를 줄이기 위해서 PR 제어기를 전류 제어기로 사용하였다. 제안하는 반도체 변압기 시스템에서는 최종적으로 전류 제어기에서 나온 교류 전압 지령치를 PSPWM (Phase Shift Pulse Width Modulation) 방식으로 PWM을 출력해서 멀티레벨 컨버터로 제어했다.
본 논문에서는 반도체 변압기 시스템의 간단하고 실용적인 방법의 전압 밸런싱 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 기존의 밸런싱 방법에 비해서 추가적인 센서가 필요 없으며, DC-link 전압의 최대/최소값 검출 알고리즘을 AC/DC 정류기 제어기에 추가하여 전압 불평형을 해결하였다. 또한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안하는 전압 밸런싱 방법의 타당성을 검증하였다.
H-bridge 컨버터는 입력 전압 2640Vac를 출력전압 4000Vdc로 변환하고, 3권선 DAB 컨버터는 입력 전압 4000Vdc를 ±750Vdc 바이폴라 구조로 출력전압을 제어한다. 제어 주기는 스위칭 주파수 1.8kHz로 555[us]의 제어주기를 갖고 동작하며, 메인 제어기로 TMS320F28377D를 이용하였으며 10개 모듈 시스템 확장을 고려해서 CPLD를 이용해서 다출력 PWM 을 확보하였다.
그림 6은 적용된 최대/최소값 검출 알고리즘의 블록 다이어그램이다. 첫 번째 모듈의 전압을 최대값, 최소값으 로 설정하고 두 번째 모듈부터 순차적으로 N개의 모듈까지 비교한다. 만약 비교되는 모듈이 첫 번째 모듈보다 크다면 최대값이 비교되는 모듈의 값으로 변경된다.
2kVac, 용량 150kW, ± 750Vdc 출력의 DC 배전용 반도체 변압기 시스템이다. 하지만 본 논문에서는 제안하는 단위 모듈을 10개를 사용하는 시스템으로 확장하기 위해서 최소한의 멀티 레벨 컨버터의 기본 특성 확인 및 제안하는 밸런싱 알고리즘을 검증하기 위해서 2개의 단위 모듈 직병렬로 구성된 5-level H-bridge 컨버터와 2개의 DAB 컨버터를 병렬 연결을 통해서 반도체 변압기 시스템을 구성하였다.

대상 데이터

실제로 목표하는 시스템의 최종 사양은 제안하는 단위 모듈 10개를 직병렬 구성을 통해서 입력 단상 13.2kVac, 용량 150kW, ± 750Vdc 출력의 DC 배전용 반도체 변압기 시스템이다.
그림 2는 본 논문에서 제안하는 반도체 변압기의 단위 모듈 구조이다. 제안하는 단위모듈은 H-bridge 컨버터와 3-Port 출력 조건을 가진 NPC 구조의 DAB 컨버터로 구성된다. 실제로 목표하는 시스템의 최종 사양은 제안하는 단위 모듈 10개를 직병렬 구성을 통해서 입력 단상 13.

성능/효과

10개의 모듈의 불평형 부하를 최대 ± 10% 발생 했다고 가정하였을 때, 출력 DC-link 전압의 불평형이 발생하는 것을 확인 할 수 있다. +150kW 부하 조건에서 0.4초 이후 제안된 최대/최소값 검출 알고리즘을 이용한 전압 불평형 보상 제어기를 사용하였을 때, 10개의 H-bridge 컨버터 모듈의 출력 DC-link 전압이 2000Vdc로 동일하게 제어되었다. 0.
4초 이후 제안된 최대/최소값 검출 알고리즘을 이용한 전압 불평형 보상 제어기를 사용하였을 때, 10개의 H-bridge 컨버터 모듈의 출력 DC-link 전압이 2000Vdc로 동일하게 제어되었다. 0.6초 이후, 6,9번 모듈의 부하를 감소시키고, 2,3번 모듈의 부하를 증가시켜 부하 변동을 발생시켜도 제안된 알고리즘을 이용하면 출력 DC-link 전압이 일정하게 제어되는 것을 확인할 수 있다. 0.
10개의 모듈의 불평형 부하를 최대 ± 10% 발생 했다고 가정하였을 때, 출력 DC-link 전압의 불평형이 발생하는 것을 확인 할 수 있다.
2초 시간에 불평형 부하 조건 이 발생함으로써, 출력 DC-link 전압 불평형이 발생한다. 6.4초 시간에 제안된 최대/최소값 검출 알고리즘을 이용한 전압 불평형 보상 제어기를 적용하였을 때, DC-link 전압 불평형이 해결되는 것을 확인하였다.
그림 5는 각 모듈수 만큼의 추가적인 전압 불평형 보상용 제어기가 필요하므로 모듈 수가 많아질수록 모듈 수와 동일한 양의 불평형 보상 제어기 추가로 인해서 많은 연산 시간을 필요로 하는 단점을 가진다. 그러므로, 본 논문은 최대/최소값을 찾는 알고리즘을 이용한 전압 불평형 보상 제어기 제안을 통해서 PI 제어기의 사용량을 최소화 하였다.
제안한 방법은 기존의 밸런싱 방법에 비해서 추가적인 센서가 필요 없으며, DC-link 전압의 최대/최소값 검출 알고리즘을 AC/DC 정류기 제어기에 추가하여 전압 불평형을 해결하였다. 또한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안하는 전압 밸런싱 방법의 타당성을 검증하였다. 차후 본 논문에서 제안하는 밸런싱 알고리즘은 최종 목표로 하는 입력 전압 13.
6초때처럼 임의적으로 부하를 가변해도 출력 DC-link 전압이 일정하게 제어되었다. 시뮬레이션 결과를 통해서 제안하는 불평형 보상 제어기가 정상 상태 및 스탭 응답 부하 조건에서 출력 전압 밸런싱 제어 기능의 성능을 확인하였으며, 동시에 제안하는 밸런싱 알고리즘이 10개의 모듈 이상의 CHB 컨버터의 출력 전압 불평형 제어기로 적용 가능함을 확인하였다.
본 논문에서는 간단하고 실용적인 전압 불평형 보상 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 추가적인 센서가 필요 없으며, 기존 AC/DC 정류기의 제어기에 최소한의 전압 보상 제어기만을 추가하여 CHB 컨버터의 전압 불평형을 개선하였다. 제안하는 SST 시스템 및 전압 불평형 보상 알고리즘은 성능은 30kW 반도체 변압기 시제품을 통해서 검증하였다.
그림 8과 같이 최대 출력 전압 모듈과 최소 출력 전압 모듈의 교류 전류 지령치의 크기를 조절하여, 최소 전압 모듈의 출력 커패시터에는 더 많은 전류를 충전하고, 최대 전압 모듈의 출력 커패시터에는 보다 적은 전류를 충전함으로써 충전되는 전류의 크기를 조절한다. 제안된 제어기로는 이전에 제안되었던 전압 불평형 제어 방법들처럼 각각의 모듈마다 추가적 제어기 계산이 최대/최소값 검출 알고리즘과 제어기 하나로 불평형 보상 제어가 가능하다.

후속연구

또한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안하는 전압 밸런싱 방법의 타당성을 검증하였다. 차후 본 논문에서 제안하는 밸런싱 알고리즘은 최종 목표로 하는 입력 전압 13.2kVac, 출력 ± 750Vdc, 150kW급 용량의 DC 배전용 반도체 변압기 시스템에 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DAB 컨버터의 전압 불평형으로 생기는 문제점은 무엇인가?	반도체 변압기의 AC/DC 정류기 부분을 CHB 컨버터로 구성했을 때 발생하는 문제점중 하나는 각각의 H-bridge 컨버터의 DC-link 전압 불평형이다. DAB 컨버터의 소자 특성 오차 및 각각 컨버터 단의 유효전력 오차에 의해서 전압 불평형이 발생하며, 이러한 문제는 반도체 변압기에 적용된 반도체 소자의 스트레스를 증가시키며, 과전압에 의한 시스템 신뢰성 감소 등의 문제를 일으킨다. 특히 전압 불평형 문제는 반도체 변압기 시스템의 모듈에서 인가되는 유효 전력의 비율 차가 증가하는 무부하와 경부하일 때 심각한 전압 불균형을 일으키기 때문에 반드시 해결해야 된다.
	전압 불균형 문제를 해결하기 위한 방법에는 어떤 것들이 존재하는가?	특히 전압 불평형 문제는 반도체 변압기 시스템의 모듈에서 인가되는 유효 전력의 비율 차가 증가하는 무부하와 경부하일 때 심각한 전압 불균형을 일으키기 때문에 반드시 해결해야 된다. 다른 스위칭 패턴을 이용하여 각각의 H-brdige 모듈의 DC 캐패시터의 충전과 방전을 조절하여 DC-link 불평형을 해결하는 방법 및 H-bridge 모듈의 출력 전압이 동일하면 각 모듈의 유효 전력 역시 동일하다는 것을 이용하여 각각의 H-bridge 모듈의 유효 전력의 차를 이용하여 DC-link 불평형을 해결하는 방법 등 기존의 연구에서 CHB 컨버터의 전압 불평형을 줄이기 위해서 다양한 전압 밸런싱 방법이 제안되었다[8]-[10]. 그러나 이 방법은 각 모듈수 만큼의 추가적인 전압 불평형 보상용 제어기가 필요하므로 많은 수의 불평형 보상 제어기 추가로 인해서 많은 연산 시간을 필요로 하는 단점을 가진다.
	반도체 변압기의 특징은?	기존의 전력 시스템에서 큰 부피를 차지하는 계통 주파수 (50/60Hz) 변압기를 대체하기 위해서, 최근 고주파 절연 변압기 기반의 전력용 반도체 변압기에 대한 연구가 많이 수행되고 있다[1]-[3]. 반도체 변압기는 기존의 저주파 변압기에 비해서 자기소자의 부피 감소, 시스템 크기 감소, 전력 품질 보상 기능, 양방향 전력 변환 기능 등의 다양한 장점을 가진다. 특히 반도체 변압기는 AC/DC 컨버터의 직렬 연결을 통해 13.

참고문헌 (10)

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J. A. Barrena, L. Marroyo, M. A. R. Videl, and J. R. T. Apraiz, "Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded h-bridge converter-based STATCOM," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 1, pp. 21-29, Jan. 2008.
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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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