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문제 정의
- 본 논문에서는 국내 배전 계통에 적용이 가능한 반도체 변압기 구현을 위한 단위 모듈 설계에 관해 기술한다. 제안하는 반도체 변압기 단위 모듈 1개의 입력 전압은 1.
- 본 논문은 13.2kV의 10kVA급 반도체 변압기 개발의 일환으로 단위 모듈제작을 진행하였으며, 소자의 정격을 유지하기 위한 기법들에 대해서 논의하였다. 또한 연구에 사용된 단방향 AFE 컨버터를 위한 새로운 회로와 모듈레이션을 제안하였고, 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
제안 방법
- 10개의 모듈과 출력단으로 구성된 반도체 변압기의 단위모듈은 13.2kV의 0.1pu입력전압을 갖도록 설계하였으며, 1.32kV의 교류전압을 2.5kV의 직류전압으로 능동 정류할 수 있다.
- 2.5kV의 고전압 직류링크 전압을 제어하기 위하여 전부하영역에서 입력전압 레벨에 따라 출력전압이 변동하는 DC-DC 컨버터를 설계하였으며, 높은 스위칭 주파수를 이용하여 보다 최적화된 하드웨어를 구성하였다. 특히 고전압에서의 높은 스위칭 주파수를 구현하기 위하여 SiC기반 스위칭 소자를 도입하여 성공적인 실험결과를 보여주었다.
- 3-레벨의 회로로 구성한 공진 컨버터는 추가적인 제어 알고리즘과 모듈레이션이 필요하게 되는데, 이를 간편화하기 위하여 그림 8과 같이 3-레벨 중 ‘0’전압을 제외한 ± Vdc/2만을 이용하도록 모듈레이션을 구현하였다.
- 게이트 드라이버에 인가되는 PWM은 포토커플러(Pho to-coupler)를 이용한 전달방식을 채택하여 제어보드와 전력변환기의 전기적 접촉을 원천적으로 차단하였다. 이러한 광케이블을 이용한 절연은 전력부에서 발생할 수있는 폭발 및 고장에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 특히 고전압을 제어하는 전력부의 높은 전위를 회피할 수 있는 효율적인 방법이다.
- 그림 7은 1차측과 2차측의 전기적절연과 감압을 동시에 구현할 수 있는 절연형 DC-DC 공진컨버터 회로이다. 고주파 변압기를 이용하여 시스템의 부피를 감소시켰으며, 2차측에 직렬로 연결된 공진커패시터를 통해 ZVS(Zero voltage switching), ZCS(Zero current switching)를 구현하였다. 또한 DC-DC 컨버터 역시 양방향의 전력전달은 불필요한 요소이기 때문에 2차측을 다이오드 브리지로 설계함으로써 능동 스위칭소자의 수를 최소화 하였다.
- 이 절연형 DC-DC 컨버터는 1차측 고압 직류링크와 2차측 저압 직류링크의 연계를 위하여 사용된다. 기존의 연구에서는 이를 위하여 이중 능동 브리지 형태(Dual active bridge)형태의 컨버터가 주로 사용되었으나, 본 논문에서는 제어의 단순화와 고효율화를 위하여 개루프로 동작하는 절연형 LLC 컨버터를 적용 하였다. 한편 이 반도체 변압기 단위 모듈들은 2차측 수용가 부하 전력 공급을 위한 인버터가 접속될 수 있다.
- 이러한 하드웨어를 기반으로 제어의 단순화를 위한 절대값 기반 전류 제어기와[10]-[12] 모듈레이션 기법을 제안하였다. 또한 3-레벨 NPC 회로 기반 공진형 컨버터의 제어를 간략화하기 위하여 풀브릿지와 같이 2-레벨로 작동하기 위한 모듈레이션을 구현하였다[13],[14].
- 고주파 변압기를 이용하여 시스템의 부피를 감소시켰으며, 2차측에 직렬로 연결된 공진커패시터를 통해 ZVS(Zero voltage switching), ZCS(Zero current switching)를 구현하였다. 또한 DC-DC 컨버터 역시 양방향의 전력전달은 불필요한 요소이기 때문에 2차측을 다이오드 브리지로 설계함으로써 능동 스위칭소자의 수를 최소화 하였다.
- 또한 고정된 스위칭 주파수, 고정된 듀티, 스위칭주파수와 공진주파수의 비(Normalized switching frequency)를 1로 설계함으로써 경부하에서 정격부하까지의 출력 전압이 변압기의 권선비에 따라 일정한 전압을 출력할수 있도록 설계하였다. 이러한 설계는 직접적으로 센싱 하기 어려운 직류링크를 컨버터의 출력전압레벨에 따라 간접적으로 추정할 수 있기 때문에 고전압제어에 있어 매우 효율적이다.
- 2kV의 10kVA급 반도체 변압기 개발의 일환으로 단위 모듈제작을 진행하였으며, 소자의 정격을 유지하기 위한 기법들에 대해서 논의하였다. 또한 연구에 사용된 단방향 AFE 컨버터를 위한 새로운 회로와 모듈레이션을 제안하였고, 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
- 실제 실험을 위한 제어기는 그림 12와 같이 전압과 전류제어기 모두 PI제어기로 구성하였으며, 내측루프(In ner loop)에 전류제어기를 갖는 직렬형으로 설계하였다.
- 실험에 사용된 반도체 변압기 모듈은 Si 기반의 소자 대신 Cree社의 1700V급 SiC 소자를 적용하여 고전압 정격을 가짐에도 불구하고 수십kHz 이상의 높은 스위칭 주파수에서 동작을 구현하였다. 이러한 높은 스위칭 주파수는 전류 리플을 크게 줄일 수 있어 동일 사양의 전류리플 대비 시스템의 부피감소 효과를 기대할 수 있다.
- 실험은 그림 13, 14와 같이 전압조정기와 220V -13.2kV 변압기를 직렬로 연결하여 출력전압을 수동제어하였으며, 오실로스코프와 게이트 드라이버에 전원을 공급하는 SMPS(Switching mode power supply)의 전기적절연을 위하여 약 26kV의 절연성능을 갖는 절연변압기 2기를 사용하였다. 부하는 직류링크전압 2500V에서 약 1kW의 정격의 선형 저항부하를 결선하였다.
- 실험은 단일 모듈실험과 2직결 모듈실험으로 진행하였으며, 단일 모듈실험을 통해 제안한 제어기와 모듈을 구성하고 있는 하드웨어의 성능을 검증하였고, 2직렬 모듈 실험에서는 출력전압의 늘어난 다중레벨과 2배의 입력전압 정격, 2배의 정격용량, DC-DC 컨버터의 병렬운전 등 최대정격에서의 정상상태를 확인하였다. 또한 그림 16,17 그리고 19의 전류파형은 보다 높은 분해능으로 파형을 확인하기 위하여 5개의 권선으로 묶여 있는 전력선의 전류를 측정한 파형으로 실제는 1A/div의 파형으로 간주하여야 한다.
- 제안하는 반도체 변압기 모듈은 5-레벨 단방향 AFE 컨버터, 고압 DC와 저압 DC의 연계를 위한 3-레벨 NPC(Neutral point clamp 하프 브리지 기반 절연형 LLC 공진 컨버터로 구성되어 있다. 이러한 하드웨어를 기반으로 제어의 단순화를 위한 절대값 기반 전류 제어기와[10]-[12] 모듈레이션 기법을 제안하였다. 또한 3-레벨 NPC 회로 기반 공진형 컨버터의 제어를 간략화하기 위하여 풀브릿지와 같이 2-레벨로 작동하기 위한 모듈레이션을 구현하였다[13],[14].
- 따라서 이 단위 모듈 10개를 직결하여 국내 배전용 반도체 변압기로 사용할 수 있다. 제안하는 반도체 변압기 모듈은 5-레벨 단방향 AFE 컨버터, 고압 DC와 저압 DC의 연계를 위한 3-레벨 NPC(Neutral point clamp 하프 브리지 기반 절연형 LLC 공진 컨버터로 구성되어 있다. 이러한 하드웨어를 기반으로 제어의 단순화를 위한 절대값 기반 전류 제어기와[10]-[12] 모듈레이션 기법을 제안하였다.
- 그림 2는 반도체 변압기 단위모듈의 AFE 컨버터부 회로구조를 보여준다. 제안하는 반도체 변압기는 배전단 1차측에서 2차측으로만 전력을 전달하는 단방향 변압기를 목표로 하기 때문에 NPC 인버터의 최상단과 최하단 스위치를 각각 다이오드로 대체하여 효율향상과 제어의 단순화를 실현한다. 구성한 회로는 멀티레벨 기능을 수행할 뿐만 아니라, AFE 컨버터에 사용되는 능동 스위칭 소자의 개수를 최소화함으로써 게이트 드라이버 및 PWM을 구성하기 위한 하드웨어 부담 또한 최소화 할 수 있다.
대상 데이터
- . 본 실험에서는 AFE 컨버터와 절연형 DC-DC컨버터 모두 동일한 소자를 사용하였으며, 사용된 이산소자는 다음과 같다.
이론/모형
- 제안한 AFE 컨버터는 단방향 전력 전달만을 목표로 하기 때문에 단상 PFC회로의 제어와 같이 단방향 즉 정류된 전류 지령 |#|와 정류된 전류 궤환값 ig를 사용한다. 그림 3에서 G(s)는 제어기를 의미하며 본 연구에서는 PI (Proportional-integral)형태의 제어기를 채용하였다. 제어기의 출력은 비교기 C1,C2,C3 그리고 C4에 입력되어 C1과 C3는 항상 on상태 C2, C4는 듀티에 따른 스위칭 신호(PWM)를 출력한다.
성능/효과
- 5kV로 정류된 직류링크전압을 2-레벨의 회로로 구성하기 위해서는 단일 스위치의 전압정격에 대한 부담이 커져 하드웨어 구성에 어려움이 있다. 따라서 소자의 정격을 Vdc의 1/2로 줄일 수 있는 3-레벨의 회로구성이 효율적이다. 3-레벨의 회로로 구성한 공진 컨버터는 추가적인 제어 알고리즘과 모듈레이션이 필요하게 되는데, 이를 간편화하기 위하여 그림 8과 같이 3-레벨 중 ‘0’전압을 제외한 ± Vdc/2만을 이용하도록 모듈레이션을 구현하였다.
- 일반적으로 스위칭 소자의 전압정격이 높을수록 스위칭 또는 전도 손실의 증가가 커지며, 스위칭 주파수 또한 높이 가져갈 수 없다. 따라서 전력 밀도 측면에서는 본 논문에서 제안하는 5-레벨 방식이 유리하게 작용할 수 있으며, 효율과 제어특성 역시 더 우수할 것으로 판단된다.
- 또한 수·능동 소자의 정격을 유지하기 위하여 모듈간의 직·병렬 연결된 모듈들은 결선된 수에 따라 제어 가능한 입력전압의 범위와 정격용량을 증가시킬 수 있었 으며, 모듈간의 위상천이 기법을 이용하여 계통전류의 리플을 효과적으로 감소시켰다.
- 제안한 회로와 모듈레이션 기법들은 실험을 통해 검증하였으며, 추가적으로 2개의 단위모듈을 직결 구성하여 제안하는 모듈의 입력전압과 전력용량 확장의 가능성을 확인하였다.
- 5kV의 고전압 직류링크 전압을 제어하기 위하여 전부하영역에서 입력전압 레벨에 따라 출력전압이 변동하는 DC-DC 컨버터를 설계하였으며, 높은 스위칭 주파수를 이용하여 보다 최적화된 하드웨어를 구성하였다. 특히 고전압에서의 높은 스위칭 주파수를 구현하기 위하여 SiC기반 스위칭 소자를 도입하여 성공적인 실험결과를 보여주었다.
후속연구
- 반도체 변압기를 구성하는 단위 모듈과 2직렬 모듈 실험결과들은 13.2kV의 입력전압을 갖는 반도체 변압기에 대한 가능성과 성능을 충분히 보여주고 있으며, 향후 13.2kV를 입력으로 갖는 전체 모듈에 대한 연구가 진행될 예정이다.
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