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문제 정의
- 본 논문에서는 DC 나노그리드에서 Droop제어를 적용한 80kW급 DC-DC컨버터를 개발하였다. 넓은 전압범위를 가지며 양방향 모두 승·강압이 가능한 2상 인터리빙부스트 컨버터와 단상 벅 컨버터의 Cascade구조이다.
- 본 논문에서는 넓은 전압범위를 가지며 양방향 모두 승·강압이 가능한 80kW급 고효율 모듈형 양방향 컨버터를 제안한다.
제안 방법
- 그림 2는 전체 시스템의 전력의 흐름을 나타내고, 전체 시스템은 ESS, 태양광, 계통, 부하로 구성 되어있다. 80kW급 ESS의 전류분담을 위해 20kW급 양방향 컨버터를 4대 병렬연결하였다. 그림 2(a)는 계통이 정상인 경우로 AC-DC컨버터가 DC-Bus전압을 제어한다.
- 전압제어기 2개와 전류제어기 3개로 구성되어 있고 일반적인 비례적분(Proportional-Integral)보상기를 이용하여평균 전류모드 제어(Average Current-mode Control)로구현한 구조이다. 각각의 제어기는 동작상황에 따라 포화되거나 활성화되는 동작을 하는데, 포화된 제어기가 활성화 되었을 때 포화된 적분기의 누적오차로 인한 제어기의 오작동을 막기 위하여 안티와인드업 (Anti-windup)을 적용하였다 [16] .
- 그림 4는 제안하는 양방향 DC-DC 컨버터를 나타내며 2상 인터리빙 부스트 컨버터와 단상 벅컨버터의 Cascade 구조이다. 그림 5는 Si IGBT와 SiC 다이오드로 구성되어 있는 상용 하이브리드 SiC 기반 6-pack IPM이며 다이오드의 역회복 특성에 따른 손실을 감소시키기 위해 역회복 특성이 좋은 SiC 다이오드를 적용하였다. MITSUBISHI Electric사 PMH75-120--S002을 사용하였다.
- 고효율을 달성하기 위해 승·강압모드에 따른 스위칭을 최소화하여 스위칭 손실을 저감할 수 있는 하이브리드 스위칭 기법이 있다. 기존의 Cascade 벅-부스트 컨버터를 인터리빙한 토폴로지와 제안하는 토폴로지에 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 표 2에서 스위치 최대전압, 최대전류, 인덕터와 커패시터를 비교하였다. 제안하는 토폴로지는 기존의 토폴로지보다 스위치 개수가 적고 인덕터와 커패시터 개수가 많다.
- 또한 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 승·강압모드에 따른 스위칭을 최소화하여 스위칭손실을 저감하였다.
- 그림 2(b)는 정전이 발생하여 계통이 차단되는 경우로 ESS의 컨버터가 DC-Bus전압을 제어한다. 이 때 컨버터 모듈간의 전류분담 성능과 전압변동성능을 향상시키기 위해 DC Droop제어에 Secondary제어를 적용하였다. 부하량이 태양광 발전량보다 큰 경우 컨버터는 배터리를 방전하고 반대로 부하량이 태양광 발전량보다 작은 경우 컨버터는 배터리를 충전한다.
- 이와 같이 제안하는 양방향 컨버터에 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 승·강압모드에 따른 스위칭을 최소화하여 스위칭 손실을 저감하였다.
- 제안하는 컨버터는 각 레그의 스위치가 서로 상보적으로 스위칭하며 6개의 스위치가 항상 스위칭하지 않고 그림 7과 같이 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 스위칭한다 [13] . 배터리를 입력, DC-Bus를 출력으로 할 경우 승압모드 시 그림 7(a)와 같이 스위치 S1∼4 는 스위칭하며 스위치 S 5 는 항상 턴 온하고, 스위치 S6 은 항상 턴오프한다.
- 컨버터를 고효율·컴팩트화 하기 위하여 모듈화된 소자가 선호되는데 그 중 6-pack 하이브리드-SiC기반 지능형 파워모듈 (IPM, Intelligent power module)을 사용하였다.
대상 데이터
- 그림 5는 Si IGBT와 SiC 다이오드로 구성되어 있는 상용 하이브리드 SiC 기반 6-pack IPM이며 다이오드의 역회복 특성에 따른 손실을 감소시키기 위해 역회복 특성이 좋은 SiC 다이오드를 적용하였다. MITSUBISHI Electric사 PMH75-120--S002을 사용하였다. 게이트드라이버와 보호회로가 내장되어 있으며, 기생성분이 작고 전압정격은 1200V, 전류정격은 75A이다.
- 6L)이다. 디지털 제어기로 듀얼코어 DSP TMS320F28377D를 사용하였고 각 코어가 각 모듈을 제어하도록 하였다. 그림 15는 승압모드 시 전류제어 실험파형이다.
- 더욱이 병렬제어는 DC Droop제어에 Secondary제어를 적용하여 향상된 전류분담과 전압변동 보상성능을 가진다. 본 논문은 2장에서 제안하는 DC 나노그리드 시스템, 3 장에서 제안하는 양방향 컨버터, 4장에서 병렬운전제어, 5장에서 실험결과에 대해 다룰 것이며 20kW급 시작품 2개를 통한 실험으로 검증하였다.
- 본 논문에서는 넓은 전압범위를 가지며 양방향 모두 승·강압이 가능한 80kW급 고효율 모듈형 양방향 컨버터를 제안한다. 전류분담을 위해 컨버터 모듈 4대를 병렬로 사용하며 모듈 1대는 2상 인터리빙 부스트 컨버터와 단상 벅 컨버터의 Cascade구조로 하였다. 컨버터를 고효율·컴팩트화 하기 위하여 모듈화된 소자가 선호되는데 그 중 6-pack 하이브리드-SiC기반 지능형 파워모듈 (IPM, Intelligent power module)을 사용하였다.
- 제안하는 DC Nano-grid 시스템을 위한 양방향 컨버터의 타당성을 검증하기 위해 그림 14와 같이 20kW급 시작품 모듈 2대를 제작하여 1세트로 구성하였으며 1세트의 전체크기는 650mm×445mm×130mm(37.6L)이다.
성능/효과
- 실선은 가상저항이 작은 경우의 slope이며, 점선은 가상저항이 큰 경우의 droop slope를 나타낸 것이다. 가상저항이 작으면 선로저항의 영향을 크게 받아 부하분담 성능이 안좋으며, 반대로 가상저항이 크면 부하분담 성능은 좋아지지만 전압저하 크기가 더 커지게 되는 trade-off관계인 것을 알 수 있다. droop 제어의 가상저항을 크게 가져갔을 때, 전압저하가 발생하지 않도록 할 수 있는 기법으로 Secondary control이 있다.
- 고효율·컴팩트화 하기 위하여 상용 6-pack 하이브리드-SiC기반 IPM을 사용하였다. 또한 하이브리드 스위칭기법을 적용하여 스위칭 손실을 최소화하며 높은 효율을 유지하였고 20kW급 시작품을 통해 최고효율 99.3%, 정격효율 98.8%를 달성하였다. 컨버터 모듈의 병렬운전 제어는 DC droop제어에 Secondary제어를 적용하여 전류분담과 전압변동 보상성능을 모두 향상시켰다.
- 기존의 Cascade 벅-부스트 컨버터를 인터리빙한 토폴로지와 제안하는 토폴로지에 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 표 2에서 스위치 최대전압, 최대전류, 인덕터와 커패시터를 비교하였다. 제안하는 토폴로지는 기존의 토폴로지보다 스위치 개수가 적고 인덕터와 커패시터 개수가 많다. 일반적으로 컨버터의 부피는 수동소자의 부피가 크게 영향을 주는데 제안하는 토폴로지는 배터리 전류 리플이 작아서 필터를추가하지 않아도 되기 때문에 부피 측면에서 비슷하다.
- 게이트드라이버와 보호회로가 내장되어 있으며, 기생성분이 작고 전압정격은 1200V, 전류정격은 75A이다. 제안한 컨버터의 스위치에 흐르는최대전류는 승압모드 시 63A이고, 강압모드 시 34A로이 IPM을 사용하기에 제안한 컨버터가 적합하다.
- 8%를 달성하였다. 컨버터 모듈의 병렬운전 제어는 DC droop제어에 Secondary제어를 적용하여 전류분담과 전압변동 보상성능을 모두 향상시켰다.
- 그림 16(a), (b)는 각각 배터리를 방전, 충전하는 경우의 실험파형이다. 하이브 리드 스위칭 기법에 의해 강압모드 시 부스트 컨버부의 인덕터전류(iL1, iL2 )에 리플성분이 없고 벅 컨버부의 인덕터전류(iL3 )에 리플성분이 있는 것을 확인할 수 있다. 그림16(c)는 컨버터가 배터리 방전 중에 충전하는 동작으로 전환되는 것을 보여준다.
- 6%를 달성하였다. 하이브리드 SiC기반 6-pack IPM을 최적사용하고 제안하는 스위칭기법을 통해 높은 효율을 갖는다. 그림 19(a)는 Secondary제어를 적용 전, 그림 19(b)는 적용후의 실험파형이다.
- 그림 15(a)는 배터리를 방전하는 경우이고 그림 15(b)는 배터리를 충전하는 경우의 실험파형이다. 하이브리드 스위칭 기법에 의해 승압모드시 벅 컨버부의 인덕터전류(iL3 )에 리플성분이 없고 부스트 컨버부의 인덕터전류(iL1, iL2 )에 리플 성분이 있는 것을 확인할 수 있다. 그림 15(c)는 배터리를 방전 중이던 컨버터가 배터리를 충전하면서 전류의 방향이 전환되는 상황을 나타낸다.
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