[논문]소용량 직류단 커패시터를 가지는 3-레벨 NPC 인버터의 입-출력 전류 품질 향상을 위한 제어 기법

인효철; 김석민; 박성수; 이교범

doi:10.6113/tkpe.2017.22.4.369

[국내논문] 소용량 직류단 커패시터를 가지는 3-레벨 NPC 인버터의 입-출력 전류 품질 향상을 위한 제어 기법
A Control Scheme for Quality Improvement of Input-Output Current of Small DC-Link Capacitor Based Three-Level NPC Inverters 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.4, 2017년, pp.369 - 372

인효철 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Ajou University) , 김석민 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Ajou University) , 박성수 (Dept. of Space Survey Information Tech., Ajou University) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a control scheme for three-level NPC inverters using small DC-link capacitors. To reduce the inverter system volume, the film capacitor with small capacitance is a promising candidate for the DC-link. When small capacitors are applied in a three level inverter, however, the AC ripple component increases in the DC-link NPV (neutral point voltage). In addition, the three-phase input grid currents are distorted when the DC-link capacitors are fed by diode rectifier. In this paper, the additional circuit is applied to compensate for small capacitor systems defect, and the offset voltage injection method is presented for the stabilization in NPV. These two proposed processes evidently ensure the quality improvement of the input grid currents and output load currents. The feasibility of the proposed method is verified by experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 캡리스 3-레벨 NPC 인버터의 입-출력 전류 품질을 개선하기 위한 제어 기법을 제안하였다. 추가 회로 적용을 통해 입력 전류의 품질을 개선하며, 중성점 전압 안정화 기법을 적용하여 출력 전류의 품질이 향상시킨다.

제안 방법

제안하는 기법을 검증하기 위해 10 kW급 3레벨 NPC 인버터로 실험을 진행하였다. C_dc는 C_dc1과 C_dc2를 직렬 연결한 값이며, 인버터와 추가회로의 스위칭 주파수는 각각 10 kHz, 20 kHz로 진행하였다.
그림 1은 제안하는 캡리스 3-레벨 NPC 인버터 시스템을 나타낸다. 기존의 대용량 전해 커패시터 C_dc1, C_dc2를 소용량 필름 커패시터로 대체하고 Buck-Boost 타입의 DC-DC 컨버터를 연결하였다. 추가회로의 제어 블록도는 그림 2와 같다.
따라서 P_diode는 P_inv의 변동에 따라 변하며 입력 전류 I_r,s,t 또한 P_inv에 따라 변동하는 문제점을 가진다. 본 논문에서는 입력 전류 품질 개선을 위해 추가회로를 적용하였다.
본 논문에서는 캡리스 3-레벨 NPC 인버터에서 추가 회로(DSC, dc-link shunt compensator)^[5]를 적용하여 입력 전류의 품질을 향상 시키고 중성점 전압 안정화 기법을 적용해 출력 전류의 품질을 향상 시킨다^[6].
제안하는 기법을 검증하기 위해 10 kW급 3레벨 NPC 인버터로 실험을 진행하였다. C_dc는 C_dc1과 C_dc2를 직렬 연결한 값이며, 인버터와 추가회로의 스위칭 주파수는 각각 10 kHz, 20 kHz로 진행하였다.

데이터처리

추가 회로 적용을 통해 입력 전류의 품질을 개선하며, 중성점 전압 안정화 기법을 적용하여 출력 전류의 품질이 향상시킨다. 제안하는 알고리즘은 실험을 통해 검증하였다.

성능/효과

표 1과 같은 파라미터로 구성된 캡리스 3-레벨 NPC 인버터 시스템의 출력 파형은 그림 4와 같다. 소용량 커패시터로 인해 입력 전류의 품질이 악화되었으며 중성점 전압이 안정화되지 않아 출력 전류의 품질 또한 악화되었다. 입력 전류의 품질 개선을 위해 추가회로를 적용하면 그림 5와 같이 입력 전류의 파형이 6차 고조파를 포함하도록 개선되었다.
소용량 커패시터로 인해 입력 전류의 품질이 악화되었으며 중성점 전압이 안정화되지 않아 출력 전류의 품질 또한 악화되었다. 입력 전류의 품질 개선을 위해 추가회로를 적용하면 그림 5와 같이 입력 전류의 파형이 6차 고조파를 포함하도록 개선되었다. 하지만 소용량의 커패시터로 인해 중성점 전압이 변동하기 때문에 출력 전류의 품질이 개선되지 않았다.
중성점 안정화 기법의 적용 전과 후를 그림 6에 나타내었다. 중성점 전압 안정화 기법을 적용하였을 때, 상-하단 커패시터 전압의 차이가 감소하였으며, 출력 전류의 품질이 개선됨을 확인하였다.
최종적으로 모든 제어가 적용 되었을 때, 입력 전류의 전고조파왜율(THD, Total harmonic distortion)은 42.65%에서 34.78%로 개선되었으며, 입력 전류의 국제 규정인 IEC 61000에서 정한 전고조파왜율의 제한치인 37% 이내에 들어오는 것을 확인하였다^[5]. 출력 전류 전고조파왜율은 11.
78%로 개선되었으며, 입력 전류의 국제 규정인 IEC 61000에서 정한 전고조파왜율의 제한치인 37% 이내에 들어오는 것을 확인하였다^[5]. 출력 전류 전고조파왜율은 11.19%에서 5.06%로 개선되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3-레벨 인버터에 사용되는 직류단 커패시터는 어떤 문제점을 가지고 있는가?	또한 3-레벨 인버터에 사용되는 직류단 커패시터는 제작 허용 오차, 스위치의 특성 불일치, 3상 불평형 등과 같은 이유로 중성점 전압이 변동하여 일정한 극전압을 출력하지 못하며 출력 전력의 품질을 악화시키는 요인이 된다. 또한, 직류단 커패시터의 불안정한 전압은 스위칭 소자와 직류단 커패시터에 전압 스트레스를 주게 되어 커패시터와 스위치 수명을 단축시킬 수 있으므로 시스템의 신뢰도가 하락한다.
	3-레벨 NPC가 중전압, 고전력 분야에 널리 사용되는 이유는?	전력 변환 시스템에서 3-레벨 NPC (neutral-point clamped) 인버터는 직류단이 2개의 커패시터로 구성되어 -Vdc/2, 0, +Vdc/2 의 3개의 극전압 레벨을 출력한다. 4개의 스위치가 직렬로 연결된 구조이기 때문에 2레벨 인버터와 비교하여 절반의 정격내압을 갖는 스위치를 사용할 수 있으며 인버터 출력 전류에 적은 고조파를 포함하므로 중전압, 고전력 분야에 널리 사용된다[1].
	3-레벨 인버터에 사용되는 대용량 전해 커패시터의 단점은 무엇인가?	그러나 3-레벨 인버터의 직류단 구성을 위해 주로 사용되는 대용량 전해 커패시터는 필름 커패시터에 비해 짧은 수명을 가지므로 인버터의 신뢰성을 저하시키며 상대적으로 큰 크기로 인해 시스템의 부피가 커지는 단점이 있다. 따라서 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해 직류단에 작은 용량의 필름 커패시터를 적용하는 연구가 많이 진행되고 있다.

참고문헌 (6)

V. Yaramasu and B. Wu, "Predictive control of a three-level boost converter and an NPC inverter for high-power PMSG-based medium voltage wind energy conversion systems," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 10, pp. 5308-5322, Oct. 2015.
A. Emadi, A. Khaligh, and C. H. Rivetta, "Constant power loads and negative impedance instability in automotive systems: definition, modeling, stability, and control of power electronics converter and motor drives," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 55, No. 4, pp. 1112-1125, Jul. 2006.

상세보기
J. S. Lee and K. B. Lee, "Time-offset injection method for neutral-point ac ripple voltage reduction in a three-level inverter," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, No. 3, pp. 1931-1941, Mar. 2016.

상세보기
J. S. Lee, S. Yoo, and K. B. Lee, "Novel discontinuous PWM method of a three-level inverter for neutral-point voltage ripple reduction," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, No. 6, pp. 3344-3354, Jun. 2016.

상세보기
H. Shin, Y. Son, and J. I. Ha, "Grid current shaping method with dc-link shunt compensator for three-phase diode rectifier-fed motor drive system," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 2, pp. 1279-1288, Mar. 2016.
R. Maheshwari, S. Munk-Nilelsen, and S. Busquets-Monge, "Design of neutral-point voltage controller of a three-level NPC inverter with small dc-link capacitor," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 5, pp. 1861-1871, May 2013.

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