[논문]단상 NPC Module- 3직렬 Cascade 구성 방식의 75KVA급 단상 지능형 변압기 개발

박주영; 니이테게카; 조경식; 김명룡; 박가우

doi:10.6113/tkpe.2017.22.2.118

문제 정의

본 논문 의 목적은 철도차량에 사용되는 기존의 변압기를 대체하는 반도체 변압기를 개발하기 위해서, 실제 25kV의 입력에 1MVA급의 변압기 제작에 앞서, 3300Vrms 입력의 75 kVA급으로 축소하여 설계 및 제작하며, 반도체 변압기의 원리 구현을 통한 핵심기술을 검증하는 것이다. 본 논문은 철도 차량의 주 변압기를 대체할 25kV 입력에 1MVA급 용량을 가지는 지능형 변압기의 구조를 제안하며, 제안한 지능형 변압기의 모듈 Capacitor 전압을 균등하게 유지 시키는 3가지 제어기를 검증하였다.
본 논문에서는 3직렬 연결된 NPC H-Bridge 컨버터의 제어기에서 교류 전력을 적절하게 분배하여 입력 받는 방법으로 Capacitor 전압의 균형 제어를 구현한다. 이러한 방법은 DAB 컨버터를 하나의 제어기로 병렬운전이 가능하게 하는 장점을 갖는다.
본 논문에서는 철도차량용 전원 공급용 권선형 변압기를 대체하기 위한 지능형 변압기의 구조를 75kVA급으로 축소 제작 시험하였다. 제작한 지능형 변압기는 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Cascade npc H-Bridge 컨버터를 사용하며, 연결된 직류 단은 DAB 컨버터를 이용해 계통과 부하간 절연된 형태를 취하였다.
본 논문 의 목적은 철도차량에 사용되는 기존의 변압기를 대체하는 반도체 변압기를 개발하기 위해서, 실제 25kV의 입력에 1MVA급의 변압기 제작에 앞서, 3300Vrms 입력의 75 kVA급으로 축소하여 설계 및 제작하며, 반도체 변압기의 원리 구현을 통한 핵심기술을 검증하는 것이다. 본 논문은 철도 차량의 주 변압기를 대체할 25kV 입력에 1MVA급 용량을 가지는 지능형 변압기의 구조를 제안하며, 제안한 지능형 변압기의 모듈 Capacitor 전압을 균등하게 유지 시키는 3가지 제어기를 검증하였다. 제안한 구조 및 제어 시스템은 75kVA급 3300Vrms 단상 입력, 750VDC 출력의 축소 시스템으로 설계 및 제작하였고, 이를 검증하기 위해서 PSIM 시뮬레이션과, 실험을 수행하였다.

제안 방법

삼각파 비교방식은 샘플링시간 단위로 제어되므로 동 특성이 우수하며 스위칭 주파수가 삼각파의 주파수로 일정하게 유지된다. NPC converter의 삼각파의 방식은 삼각파에 옵셋을 주는 형태와 삼각파의 위상차이를 주는 방식이 있는데 본 논문에서는 옵셋을 주는 형태를 이용하였다.
PWM에 의해 발생하는 전력 불균형을 피하기 위해 앞에서 설명하였듯 본 논문에서는 Cascade방식의 구현을 PWM Carrier의 120도 위상차이를 주는 방식으로 구현하였다. 그림 24는 그림 23을 오실로스코프에서 확대한 결과로써 120도의 위상차이를 보여주는 파형이며, 그림 25는 축소형 지능형 변압기 시험 결과 파형을 보여주며, 그림 26은 지능형 변압기 모니터링(HMI) 화면을 보여준다.
고전압의 전력변환기기를 제어하기 위해서는 단상 AC 전압을 입력 또는 차단하는 동작을 시행하게 되는 Incoming Part의 동작 또한 중요하게 되는데, 그림 20은 계통 단상 전원 인가 후 초기 충전 저항 MC Turn On 시 입력 과전류 측정과 DC Link 충전 시간을, Main MC turn on 시 입력 과전류 측정과 DC Link의 변화를 측정 하였다. 초기 충전 시간은 약 2초로 동작하며, Main MC Turn On 동작 시 8A의 피크전류가 있는 것을 확인하였다.
제어기로는 DSP 28335를 사용하였는데, 28335의 PWM 채널은 12개로 제한되어 있으므로 AC/DC converter의 PWM 채널 24개를 동작 시킬 수가 없다. 따라서, AC/DC Converter 의 24 Chanel PWM 동작을 위해서 그림 8과 같이 12개 채널의 PWM을 24개의 채널로 확장시켜주는 PWM EXT B/D를 설계하여 제작하였다.
7[%]로 Balancing 제어기의 성능을 검증하였다. 또한 Half Bridge IGBT Module을 적용하여, 멀티레벨 AC/DC Converter 하드웨어 구성을 확인하였으며, 차후 AC 25000[V] 1MW급 지능형 변압기 개발 시 IGBT 구성방법에 대한 하드웨어 검증을 확인 하였다.
위 그림 21은 NPC part의 제작 사진이다. 모든 전력선을 Bus-bar 형태로 제작하여, 라인 impedance에 의해 DC link의 전압 Balancing이 영향을 받는 것을 최소화하는 형태로 제작 되었으며, 2개의 ARM으로 Full Bridge 방식으로 구성하였고, 이를 Cascade 3직렬연결하는 형태로 1800V의 입력전압을 600V로 분압 하였다. 그림 22는 지능형 변압기 1모듈의 무부하 운전 실험 결과이며, 입력 전압 AC 300[V], DC Link는 450[V] 제어 결과 이다.
삼각파 비교 방식을 이용하여 PWM방식을 구현하였다. 삼각파 비교방식의 전압변조방법의 기본 동작 원리는 지령 폴 전압과 삼각파를 비교하여 그 크기를 비교하여 인버터 각 상의 스위치를 조작하는 것이다^[8].
그림 1은 1MW급 25000[V] 지능형 변압기의 구조이다. 제안하는 1MW급 지능형 변압기는 크게 AC/DC Converter와 DAB Converter 2 Part로 구성되며, AC/DC Converter Part는 계통 입력 전압 AC 25[kV]를 Cascade 방식으로 직렬 구성되며, DAB Converter Part는 출력 부하에 병렬운전 방식으로 구성된다. 제안한 지능형 변압기는 총 모듈 22개의 지능형 변압기 Module로 구성된다.
본 논문은 철도 차량의 주 변압기를 대체할 25kV 입력에 1MVA급 용량을 가지는 지능형 변압기의 구조를 제안하며, 제안한 지능형 변압기의 모듈 Capacitor 전압을 균등하게 유지 시키는 3가지 제어기를 검증하였다. 제안한 구조 및 제어 시스템은 75kVA급 3300Vrms 단상 입력, 750VDC 출력의 축소 시스템으로 설계 및 제작하였고, 이를 검증하기 위해서 PSIM 시뮬레이션과, 실험을 수행하였다.
그림 5는 AC/DC Converter module을 구성하는 IGBT 배치 및 배선 방식이다. 제안한 지능형 변압기는 AC 25[kV]를 입력 전원을 22직렬 방식 Cascade 방식으로 분압하는 방식으로 각 Converter Module에는 각각 약 AC 1100[V]로 인가 된다. AC/DC Converter 모듈은 입력 AC 1100[V]의 전원을 DC 1800[V]로 승압하여 DC Link 전압을 제어하여야 하며, AC/DC Converter 구성 NPC Topology 방식 특성상 IGBT 소자 양단 전압은 DC Link 전압의 절반인 900[V]가 인가된다.
제작한 지능형 변압기는 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로 Cascade npc H-Bridge 컨버터를 사용하며, 연결된 직류 단은 DAB 컨버터를 이용해 계통과 부하간 절연된 형태를 취하였다. 축소 시스템은 총 6개의 직류 전압을 제어하기 위한 3가지 종류의 제어기 동작을 실험을 통해 검증 하였으며, Cascade Unbalancing 오차는 1.7[%]로 Balancing 제어기의 성능을 검증하였다. 또한 Half Bridge IGBT Module을 적용하여, 멀티레벨 AC/DC Converter 하드웨어 구성을 확인하였으며, 차후 AC 25000[V] 1MW급 지능형 변압기 개발 시 IGBT 구성방법에 대한 하드웨어 검증을 확인 하였다.
그림 24는 그림 23을 오실로스코프에서 확대한 결과로써 120도의 위상차이를 보여주는 파형이며, 그림 25는 축소형 지능형 변압기 시험 결과 파형을 보여주며, 그림 26은 지능형 변압기 모니터링(HMI) 화면을 보여준다. 축소형 지능형 변압기 운전 조건은 표 4에서 같이 DC Link 지령치 900[V]를 설정하였으며, 입력 전압 1400[V]를 인가하여 축소형 지능형 변압기 운전 동작을 확인 하였다. 그림 26을 통해 운전 지령치 900[V] 설정을 확인 할 수 있으며, 지능형 변압기 Capacitor Bank 전압은 2700[V] 제어로 설정되는 것을 확인 할 수 있다.
AC/DC Converter 모듈의 IGBT 사양은 DC Link 상, 하단 balancing 오차 및 Cascade 직렬 Capacitor Bank간의 balancing 오차 마진율 및 소자 양단의 Vce Peak 전압의 마진율을 고려하여 1700[V]급으로 선정하였다. 현재 상용화된 NPC 멀티레벨 패키지 모델은 최대전압은 1200V 이상 패키지 구성이 없는 관계로 본 논문에서는 그림 6과 같은 구성으로 1700V Half Bridge Type을 이용하여 NPC모듈을 구성하였다. 그림 5는 컨버터 한 Reg 설계그림이며, 그림 6은 NPC 컨버터의 모듈 회로도 이며, 표 2은 NPC컨버터의 스위치 상태를 나타내는 표이다.

대상 데이터

AC/DC Converter 모듈은 입력 AC 1100[V]의 전원을 DC 1800[V]로 승압하여 DC Link 전압을 제어하여야 하며, AC/DC Converter 구성 NPC Topology 방식 특성상 IGBT 소자 양단 전압은 DC Link 전압의 절반인 900[V]가 인가된다. AC/DC Converter 모듈의 IGBT 사양은 DC Link 상, 하단 balancing 오차 및 Cascade 직렬 Capacitor Bank간의 balancing 오차 마진율 및 소자 양단의 Vce Peak 전압의 마진율을 고려하여 1700[V]급으로 선정하였다. 현재 상용화된 NPC 멀티레벨 패키지 모델은 최대전압은 1200V 이상 패키지 구성이 없는 관계로 본 논문에서는 그림 6과 같은 구성으로 1700V Half Bridge Type을 이용하여 NPC모듈을 구성하였다.
제안하는 1MW급 지능형 변압기는 크게 AC/DC Converter와 DAB Converter 2 Part로 구성되며, AC/DC Converter Part는 계통 입력 전압 AC 25[kV]를 Cascade 방식으로 직렬 구성되며, DAB Converter Part는 출력 부하에 병렬운전 방식으로 구성된다. 제안한 지능형 변압기는 총 모듈 22개의 지능형 변압기 Module로 구성된다. 그림 2는 1MW급 지능형 변압기를 구성하는 모듈의 구성을 보여준다.
제어기로는 DSP 28335를 사용하였는데, 28335의 PWM 채널은 12개로 제한되어 있으므로 AC/DC converter의 PWM 채널 24개를 동작 시킬 수가 없다. 따라서, AC/DC Converter 의 24 Chanel PWM 동작을 위해서 그림 8과 같이 12개 채널의 PWM을 24개의 채널로 확장시켜주는 PWM EXT B/D를 설계하여 제작하였다.

이론/모형

이러한 방법은 DAB 컨버터를 하나의 제어기로 병렬운전이 가능하게 하는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 이러한 원리를 구현하기 위해 3가지의 제어기로 구성된 직류 Capacitor 전압의 균형 제어 방법을 이용하였다^[6]. 그림 7은 3직렬 Cascade Converter 제어 블럭도 보여준다.
그림 10은 AC/DC Converter Simulation Control Block을 보여주며, 축소형 지능형 변압기 실험 및 제작에 앞서 제어기의 검증을 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 툴은 PSIM을 사용하였고, 실제 시뮬레이션은 C Code를 활용하여 C Block을 통해 진행되었다. 회로의 변수는 표 3과 같다.

성능/효과

4초부터 균형제어가 되고 있다. 시뮬레이션 결과 DAB와 3병렬로 연결된 직류전압을 제어하는 첫 번째 제어기와 DC Link의 Balancing 제어를 위한 두 번째 세 번째 제어기 모두 직류 전압제어를 잘 수행하고 있음을 확인하였다.
각 AC/DC Converter DC Link 전압이 분압되는 것을 확인할 수 있다. 시험 결과 각 AC/DC Converter Module 내부의 DC Link Balancing은 900[V] 기준으로 오차 전압 2.4[V], 0.5[%]의 결과를 확인 할 수 있으며, Cascade Module의 Capacitor Bank Balancing은 2700[V] 기준으로 15.4[V], 1.7[%]의 오차 발생하는 것을 확인 할 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도차량용 주 변압기는 어떠한 기기인가?	철도차량용 주 변압기는 전차선으로부터 입력되는 25[kV], 60 [Hz] 교류전압의 크기만을 변환하는 기기로서 큰 인덕턴스를 위한 대량의 권선과 철심 코어 사용으로 사이즈가 크며, 고전압의 절연을 위한 절연유의 사용 등에 따라 낮은 중량 대 출력 비(약0.2~0.
	본 연구에서 제안된 철도차량에 사용되는 기존의 변압기를 대체하는 1MW급 지능형 변압기의 모듈 구성은 어떠한가?	그림 2는 1MW급 지능형 변압기를 구성하는 모듈의 구성을 보여준다. 지능형 변압기 모듈은 AC/DC 변환 NPC Converter Part와 DAB Part & AC/DC Converter와 DAB를 연결하는 DC Link Part로 구성된다. 또한 DAB Converter Part는 NPC Inverter와 고주파 변압기 & Full Bridge Converter로 구성된다.
	철도차량용 주 변압기는 어떠한 단점들이 있는가?	철도차량용 주 변압기는 전차선으로부터 입력되는 25[kV], 60 [Hz] 교류전압의 크기만을 변환하는 기기로서 큰 인덕턴스를 위한 대량의 권선과 철심 코어 사용으로 사이즈가 크며, 고전압의 절연을 위한 절연유의 사용 등에 따라 낮은 중량 대 출력 비(약0.2~0.35 MVA/ton)[5]와 환경 문제, 기구적 취약성이 있으며, 절연유가 오염되는 경우 변압기 수명단축, 전력 품질 저하, 전력손실의 증가 등의 단점이 있다.

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