[논문]MMC 기반 HVDC 시스템용 서브모듈 시험회로의 커패시터 용량 분석

서병준; 박권식; 조광래; 노의철; 김흥근; 전태원; 김태진; 이종필

doi:10.6113/tkpe.2018.23.6.433

MMC 기반 HVDC 시스템용 서브모듈 시험회로의 커패시터 용량 분석
Capacitance Value Analysis of Sub-module Test Circuit for MMC-based HVDC System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.6, 2018년, pp.433 - 439

서병준 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 박권식 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 조광래 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 노의철 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University) , 김흥근 (Dept. of Electrical Eng., Kyungpook National University) , 전태원 (Dept. of Electrical Eng., University of Ulsan) , 김태진 (Power Conversion & System for Renewable Energy research Center, KERI) , 이종필 (Power Conversion & System for Renewable Energy research Center, KERI)

Abstract ▼ AI-Helper

This study considers the design of a submodule test circuit for the modular multi-level converter (MMC)-based HVDC systems. A novel submodule test circuit is proposed to provide not only an AC but also a DC component to the submodule current. However, the current waveforms depend on the capacitor voltages. Therefore, determining the capacitance value of the test circuit is important. Finding a proper capacitance value is easy when the proposed analysis method is used. Simulation and experimental results show the usefulness of the proposed method.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. HVDC station using modular multi-level converter.
그림 Fig. 2. SM test circuit providing both AC and DC current component.
그림 Fig. 3. Switching state and current waveforms of SM test circuit.
그림 Fig. 4. Waveforms of i_I, i_R, i_CEN and v_CEN.
그림 Fig. 5. Relation between C_cen and v_SM,error with simulation parameter.
그림 Fig. 6. Waveforms with the variation of C_cen.
표 TABLE I SIMULATION PARAMETERS
그림 Fig. 7. Relation between C_cen and v_SM,error with experimental parameter.
그림 Fig. 8. Experimental waveforms of vcen, i_I, i_R and i_cen (v_cen: 20 [V/div], i_I, i_R: 50 [A/div], i_cen: 100 [A/div]).
표 TABLE II EXPERIMENTAL PARAMETERS
표 TABLE III EXPERIMENTAL RESULTS
그림 Fig. 9. Experimental waveforms of v_CI , i_IU, i_ID and i_I (v_CI :20 [V/div], i_IU, i_ID, i_I: 50 [A/div]).
그림 Fig. 10. Experimental waveforms of v_CR , i_RU, i_RD and i_R (v_CR :20 [V/div], i_RU, i_RD, i_R: 50 [A/div]).

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 MMC 기반 HVDC 시스템용 서브모듈 시험회로의 C_cen 설계기준을 제시하였다. 본 논문에서 다룬 서브모듈 시험회로는 한 주기 동안 전력반도체의 스위칭주파수가 120 ∼ 200 [Hz] 정도로서 서브 모듈의 IGBT 스위칭 주파수와 유사하다.

제안 방법

본 논문에서는 제안한 시험회로의 동작을 분석하고, C_cen에 따른 v_cen의 리플과 i_I과 i_R의 오차를 분석하여 최적의 C_cen를 선정하는 기준을 제시하였다. 제시된 기준을 토대로 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
본 논문의 타당성을 검증하기 위하여 축소 모형을 통한 실험을 수행하였다. 표 2는 축소 모형의 실험 파라미터이다.

데이터처리

를 선정하는 기준을 제시하였다. 제시된 기준을 토대로 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
서브모듈 시험회로에 일정한 전압을 공급하는 적절한커패시턴스의 선정을 통해 서브모듈 입력 전류의 오차를 최소화할 수 있고 이를 통해 시험 결과의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다. 제안하는 시험회로 설계 방식을 시뮬레이션으로 증명하였으며 축소 모형 실험을 통해 타당성을 검증하였다.

성능/효과

i_cen은 그림 6에 나타낸 시뮬레이션 파형과 유사하며 i_I와 i_R이 더해져서 i_cen이 되므로 i_cen의 peak-to-peak가 시험 전류인 i_I와 i_R 보다 더 큰것을 확인할 수 있다. v_cen의 평균값은 75 [V]로 서브모듈 커패시터 전압의 0.75배로 유지함을 확인하였다.
서브모듈 시험회로에 일정한 전압을 공급하는 적절한커패시턴스의 선정을 통해 서브모듈 입력 전류의 오차를 최소화할 수 있고 이를 통해 시험 결과의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다. 제안하는 시험회로 설계 방식을 시뮬레이션으로 증명하였으며 축소 모형 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
제안된 회로는 MMC 기반 HVDC 시스템의 2고조파의 순환전류와 DC 오프셋의 모사가 가능하며, 초기충전이 필요 없어 초기 구동이 쉽고, 회로 내 스위치의 온오프 동작이 시험할 서브모듈과 유사하여 스위칭 손실이 적다는 장점이 있다. 제안된 회로의 구성에 있어 서브모듈 입력 전류 i_I와 i_R의 선형적인 모사를 위해 가능한 일정한 크기를 갖는 v_cen이 필요하다.

후속연구

제안하는 MMC 기반 HVDC 시스템은 서브모듈 시험 회로 설계 방식은 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 MMC HVDC 시스템의 밸브 및 서브모듈 시험회로에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서브모듈 시험회로의 단점은 무엇인가?	따라서 서브모듈 시험회로에 대한 연구 결과가 발표되었다[5],[6]. 참고문헌 [5]에서는 정현파 형태의 시험 전류를 유지하기 위해 시험회로의 입력 전압은 서브모듈 커패시터의 정격 전압보다 높아야 하며 스위칭 주파수가 높아 성능 시험의 손실이 크다. 뿐만 아니라 DC성분을 공급하지 못하는 단점도 있다. 참고문헌 [6]은 시험회로에 변압기를 통해 AC 전압을 인가하고 직렬 연결된 커패시터와 인덕터의 공진으로 시험 전류를 만들 수 있으나 시험 전류에 DC 오프셋이 없는 AC 성분만 있어서 실제 시스템에서의 전류와 상이하다.
	서브모듈 성능 시험내용이 밸브 시험 내용과 유사한 이유는 무엇인가?	서브모듈은 밸브의 일부이므로 서브모듈 성능 시험내용은 밸브 시험 내용과 유사하다. 따라서 서브모듈 시험회로에 대한 연구 결과가 발표되었다[5],[6].
	전압형 HVDC 시스템의 장점은 무엇인가?	종래의 전류형 HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템에 비해 최근에는 MMC(Modular Multi-level Converter)를 이용한 전압형 HVDC에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전압형 HVDC 시스템은 전류형HVDC 시스템과 비교하여 무효전력과 유효전력의 독립제어가 가능함에 따라 계통 측 필터 크기가 감소하고 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 사용으로 빠른 과도응답특성을 가지는 등의 장점이 있다[1]-[3].

참고문헌 (7)

J. W. Moon, D. W. Pae, J. W. Park, D. W. Kang, D. W. Yoo, and J. M. Kim, "Control of HVDC-MMC considering the switching device's current capacity and circulating current under unbalanced voltage conditions," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 18, No. 3, pp. 270-278, Jun. 2013.
N. Flourentzou, V. G. Agelidis, and G. D. Demetriades, "VSC-based HVDC power transmission systems: An overview," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 18, No. 3, pp. 592-602, Feb. 2009.
P. L. Francos, S. S. Verdugo, H. F. Alvarez, S. Guyomarch, and J. Loncle, "INELFE-Europ's first integrated onshore HVDC interconnection," 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, USA, Jul. 2012.
IEC 62501, "Voltage sourced converter (VSC) valves for high-voltage direct current (HVDC) power transmission- electrical testing," 2009.
G. Tang, K. Zha, C. Gao, X. Luo, and Y. Yang, "Steady-state operation test method for flexible direct-current power transmission modular multilevel converter (MMC) high-voltage sub-module," China Patent, CN1 021 759 42(B), Jul. 2014.
T. Modeer, S. Norrga, and H. P. Nee, "Resonant test circuit for high-power cascaded converter submodules," 15th European Conf., Power Electronics and Applications (EPE), Lille, France, Sep. 2013.
J. H. Jung, E. C. Nho, Y. H. Chung, S. T. Baek, and J. H. Lee, "Test circuit for MMC-based VSC valves in HVDC power station," Electronics Letters, Vol. 53, No. 4, pp. 272-273, Feb. 2017.

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