[논문]PWM 방식을 이용한 옵셋 전압 주입에 따른 MMC 시스템 내부 에너지 맥동 분석

김재명; 정재정

doi:10.7471/ikeee.2019.23.4.1140

PWM 방식을 이용한 옵셋 전압 주입에 따른 MMC 시스템 내부 에너지 맥동 분석
Analysis of Internal Energy Pulsation in MMC System According to Offset Voltage Injection with PWM Methods 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.4, 2019년, pp.1140 - 1149

김재명 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University) , 정재정 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University)

초록
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전압형 컨버터의 다양한 전압 합성 방법을 구현하기 위해서, 옵셋 전압을 주입하는 방법이 널리 사용되고 있다. 즉, 전압 변조 방식(pulse width modulation; PWM)들은 교류 측 전압 지령에 적절한 옵셋 전압을 주입하는 것과 수학적으로 동일하다. 이러한 옵셋 전압을 이용한 AC 단 출력 전압 합성 방법에 따라 DC 단 전압의 전압 이용률이 달라지며, 이는 모듈형 다단 컨버터(modular multilevel converter; MMC) 시스템에서도 동일하다. 따라서, DC 단의 용량이 정해져 있는 고압 직류(high voltage DC; HVDC) 송전 시스템의 경우에도 AC 단에 옵셋 전압을 이용함에 따라 AC 단으로 공급 가능한 최대 무효 전력의 크기를 변화시킬 수 있다. 본 논문에서는 대표적인 전압 변조 방식을 적용한 옵셋 전압 주입 시 합성된 AC 측 출력 전압에 따라 MMC 시스템의 레그 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다. 또한, 이를 실제 스케일의 400MVA급 MMC 시스템 시뮬레이션을 통해 수학적 분석의 경향성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, there are various pulse width modulation(PWM) methods simply using the offset voltage injection in voltage source converter(VSC). In accordance with the AC side voltage synthesis method with the offset voltage, DC side voltage utilization factor in VSC is changed. Also, this can apply equally to the MMC system. In other words, if the DC side capacity of the high voltage DC(HVDC) transmission system is determined, the maximum reactive power which can be supplied to the AC side can be changed according to the applied output voltage synthesis method with the offset voltage. In this paper, the leg energy pulsation in MMC system according to the AC side output voltage synthesis method with offset voltage which several representative PWM are applied to are mathematically analyzed and compared with each other. Finally, the above results are verified by simulation emulating the 400MVA full-scale MMC system to determine the consistency of the mathematical analysis.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Back to back MMC HVDC system. 그림 1. 백투백 모듈형 다단 컨버터 고압 직류 시스템
그림 Fig. 2. Equivalent model of MMC. 그림 2. MMC 등가 모델
그림 Fig. 3. Variation of voltage and current capability. 그림 3. 전압과 전류 용량 변화
그림 Fig. 4. Variation of P-Q capability. 그림 4. P-Q 용량 변화
표 Table 1. The list of the offset voltage references according to the various PWM methods. 표 1. PWM 방식에 따른 옵셋 전압 지령
그림 Fig. 5. MATLAB simulation esults for the seven modulation methods：(a) no offset voltage injection (b) THIPWM (c) SVPWM (d) 60PWM (e) 30DPWM (f) 60(+30)DPWM (g) 60(-30)DPWM. 그림 5. 7가지 변조 방식을 적용한 MATLAB 시뮬레이션 결과：(a) 옵셋 전압 주입하지 않음 (b) THIPWM (c) SVPWM (d) 60PWM (e) 30DPWM (f) 60(+30)DPWM (g) 60(-30)DPWM
표 Table 2. Parameters of the MATLAB simulation. 표 2. MATLAB 시뮬레이션 파라미터
표 Table 3. Parameters of the PSIM simulation. 표 3. PSIM 시뮬레이션 파라미터
그림 Fig. 6. PSIM simulation results：(a) no offset voltage injection vs SVPWM(MI=0.74, PF=0.93) (b) THIPWM vs 60(+30)DPWM (MI=73, PF=0.81) (c) 60DPWM vs 30DPWM(MI=0.69, PF=0) (d) 30DPWM vs 60(-30)DPWM(MI=0.76, PF=1) 그림 6. PSIM 시뮬레이션 결과：(a) 옵셋 전압 주입하지 않음 vs SVPWM(MI=0.74, PF=0.93) (b) THIPWM vs 60(+30)DPWM (MI=73, PF=0.81) (c) 60DPWM vs 30DPWM(MI=0.69, PF=0) (d) 30DPWM vs 60(-30)DPWM(MI=0.76, PF=1)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대표적인 PWM 방식들을 이용한옵셋 전압 주입 시 MMC 내부 에너지 맥동을 분석하였다. MMC 등가 모델을 바탕으로 레그 에너지맥동을 수학적으로 분석하였으며 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
MMC 등가 모델을 바탕으로 레그 에너지맥동을 수학적으로 분석하였으며 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 본 논문은 2장에서 MMC 등가 모델의 기초적인해석과 MMC의 AC 단 출력 전압에 옵셋 전압 주입 시 발생하는 효과에 대해 제시하였다. 3장에서 MMC 등가 모델을 바탕으로 대표적인 PWM 방식들을 이용한 옵셋 전압 주입 시 MMC 내부 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다.

가설 설정

L₀와 R₀는 각 암의 등가 인덕턴스와 저항이다. 분석의 단순화를 위해서 3상의 암 임피던스(R₀ + sL₀)및 계통 라인 임피던스(R_s + sL₀)는 3상에서 각각같다고 가정한다.

제안 방법

본 논문은 2장에서 MMC 등가 모델의 기초적인해석과 MMC의 AC 단 출력 전압에 옵셋 전압 주입 시 발생하는 효과에 대해 제시하였다. 3장에서 MMC 등가 모델을 바탕으로 대표적인 PWM 방식들을 이용한 옵셋 전압 주입 시 MMC 내부 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다. 4장에서는 실제 스케일의 400MVA 급 MMC 시스템 시뮬레이션 결과를 제시하고 수학적 분석의 결과와 경향성을 비교 검증하였다.
MATLAB 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 MATLAB 시뮬레이션과 동일한 전압 변조 지수와 역률 조건에서 실제 스케일의 400MVA급 MMC시스템을 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 파라미터는 표 3의 값을 사용하였다.
본 논문에서는 각각의 PWM 방식을 적용한 옵셋전압 주입 시 합성된 AC 측 출력 전압에 따라 MMC의 내부 에너지 맥동을 분석하였다. MATLAB을 이용하여 레그 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다. 특히, 레그 에너지 맥동 관점에서 전압 변조 지수와 역률에 따라 옵셋 전압에 적용된 PWM방식 간 레그 에너지 맥동의 차이를 분석하였다.
본 논문에서는 대표적인 PWM 방식들을 이용한옵셋 전압 주입 시 MMC 내부 에너지 맥동을 분석하였다. MMC 등가 모델을 바탕으로 레그 에너지맥동을 수학적으로 분석하였으며 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 본 논문은 2장에서 MMC 등가 모델의 기초적인해석과 MMC의 AC 단 출력 전압에 옵셋 전압 주입 시 발생하는 효과에 대해 제시하였다.
본 논문에서 사용된 옵셋 전압 주입은 DC 단 전압 이용률을 증가시킨다. DC 단 전압 이용률의 증가는 V_dc의 증가와 같게 생각할 수 있다.
본 논문에서는 각각의 PWM 방식을 적용한 옵셋전압 주입 시 합성된 AC 측 출력 전압에 따라 MMC의 내부 에너지 맥동을 분석하였다. MATLAB을 이용하여 레그 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다.
시뮬레이션 파라미터는 표 3의 값을 사용하였다. 특정 전압 변조 지수와 역률에서 7가지 방식 모두 사용하여 시뮬레이션을 진행하였고 그 중에가장 작은 레그 에너지 맥동의 최댓값이 도출된 방식과 비교가 될 방식 두 개만 제시하였다.
MATLAB을 이용하여 레그 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다. 특히, 레그 에너지 맥동 관점에서 전압 변조 지수와 역률에 따라 옵셋 전압에 적용된 PWM방식 간 레그 에너지 맥동의 차이를 분석하였다.실제 스케일의 400MVA급 MMC 시스템을 반영한 시뮬레이션으로 수식을 이용한 MATLAB 분석의 경향성을 검증하였으며 MI가 0.
각각의 PWM 방식을 적용한 옵셋 전압 주입 시 합성되는 AC 측 출력 전압에 따라 내부 에너지 맥동의 크기를 확연하게 비교하기 위해서 표 2의 파라미터 값을 사용하였다[13]. 표 2의 파라미터 값을 바탕으로 MATLAB을 이용하여 MMC 내부 에너지 맥동의 수학적으로 분석하였다. 그림 5는 옵셋 전압을 주입하지 않는 경우와 대표적인 6개의 PWM방식(THIPWM, SVPWM, 60DPWM, 30DPWM, 60(+30)DPWM, 60(-30)DPWM)을 적용한 옵셋 전압 주입 시 전압 변조 지수(MI)와 상 전압과 상 전류의 위상차(Theta; θ)에 따른 MMC의 레그 에너지 맥동의 최댓값을 나타낸다.

데이터처리

3장에서 MMC 등가 모델을 바탕으로 대표적인 PWM 방식들을 이용한 옵셋 전압 주입 시 MMC 내부 에너지 맥동을 수학적으로 분석하였다. 4장에서는 실제 스케일의 400MVA 급 MMC 시스템 시뮬레이션 결과를 제시하고 수학적 분석의 결과와 경향성을 비교 검증하였다. 마지막으로 5장에서 결론을 제시하였다.

성능/효과

MATLAB 시뮬레이션 결과에 보면 전압 변조 지수와 상전압과 상전류의 위상차에 따라 적절한 PWM 방식을 적용한 옵셋 전압으로 AC 측 출력전압을 합성하면 MMC의 내부 에너지 맥동을 최소한으로 줄일 수 있다.
69이고 PF가 0인경우에는 레그 에너지 맥동의 최댓값이 가장 작은방식이 가장 큰 방식 보다 약 76% 레그 에너지 맥동을 줄일 수 있었다. MATLAB과 PSIM 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 전압 변조 지수와 역률에 따라 적절한 옵셋 전압 적용 방식을 선택하면 레그에너지 맥동 관점에서 안정적으로 시스템을 제어할 수 있는 최적 운전점을 도출할 수 있다.
PSIM 시뮬레이션 결과를 MATLAB 시뮬레이션 결과와 비교하면 두 가지의 시뮬레이션에서 AC 단 전압과 전류의 정격 값과 서로의 비율이 달라서 맥동 감소량은 일치하지 않았다. 하지만 PSIM 시뮬레이션에서 각각의 PWM 방식을 적용한 옵셋 전압 주입 시 합성되는 AC 측 출력 전압에 따라 전압 변조 지수와 역률에 따른 MMC의 레그 에너지 맥동의 최댓값 결과와 수식을 이용한 MATLAB 분석 결과와 경향이 일치하는 것을 확인할 수 있다.
특히, 레그 에너지 맥동 관점에서 전압 변조 지수와 역률에 따라 옵셋 전압에 적용된 PWM방식 간 레그 에너지 맥동의 차이를 분석하였다.실제 스케일의 400MVA급 MMC 시스템을 반영한 시뮬레이션으로 수식을 이용한 MATLAB 분석의 경향성을 검증하였으며 MI가 0.69이고 PF가 0인경우에는 레그 에너지 맥동의 최댓값이 가장 작은방식이 가장 큰 방식 보다 약 76% 레그 에너지 맥동을 줄일 수 있었다. MATLAB과 PSIM 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 전압 변조 지수와 역률에 따라 적절한 옵셋 전압 적용 방식을 선택하면 레그에너지 맥동 관점에서 안정적으로 시스템을 제어할 수 있는 최적 운전점을 도출할 수 있다.
PSIM 시뮬레이션 결과를 MATLAB 시뮬레이션 결과와 비교하면 두 가지의 시뮬레이션에서 AC 단 전압과 전류의 정격 값과 서로의 비율이 달라서 맥동 감소량은 일치하지 않았다. 하지만 PSIM 시뮬레이션에서 각각의 PWM 방식을 적용한 옵셋 전압 주입 시 합성되는 AC 측 출력 전압에 따라 전압 변조 지수와 역률에 따른 MMC의 레그 에너지 맥동의 최댓값 결과와 수식을 이용한 MATLAB 분석 결과와 경향이 일치하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전압 변조 방식(pulse width modulation; PWM)의 특징은?	전압형 컨버터의 다양한 전압 합성 방법을 구현하기 위해서, 옵셋 전압을 주입하는 방법이 널리 사용되고 있다. 즉, 전압 변조 방식(pulse width modulation; PWM)들은 교류 측 전압 지령에 적절한 옵셋 전압을 주입하는 것과 수학적으로 동일하다. 이러한 옵셋 전압을 이용한 AC 단 출력 전압 합성 방법에 따라 DC 단 전압의 전압 이용률이 달라지며, 이는 모듈형 다단 컨버터(modular multilevel converter; MMC) 시스템에서도 동일하다.
	모듈형 다단 컨버터(modular multilevel converter; MMC)란?	모듈형 다단 컨버터(modular multilevel converter; MMC)는 고 전압 직류 전력 전송에 주로 사용되는수많은 전압 레벨을 가지는 컨버터이다[1]-[3]. 그림 1과 같이 MMC는 하프 브릿지와 풀 브릿지 등으로 구성된 여러 개의 서브모듈이 각 암에 직렬로 연결된 구조를 가진다.
	모듈형 다단 컨버터의 특징은 무엇인가?	이러한 서브모듈이 직렬로 연결된 구조적 특성에 많은 이점이 있다[4]. 출력 전압의 레벨을 높이기가 용이하며 출력 전압 파형은 고조파 함유율이 매우 낮고 작은 크기의 dv/dt특성을 가진다. 그리고 고전압 DC 단 커패시터가 없으며 서브모듈이 고장 시에도 고장 서브모듈을 바이패스 시켜 정상 작동이 가능하다. 일반적으로 전압형 컨버터와 마찬가지로 MMC에는 유효 전력과 무효 전력을 제어하는 AC단 제어기와 DC 전압과 전류를 제어하는 DC단 제어기가 있다.

참고문헌 (13)

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S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Pou, L. G. Franquelo, B. Wu, J. Rodriguez, M. A. Perez, and J. I. Leon, "Recenct advances and industrial applications of multilevel converters," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.57, no.8, pp.2553- 2580, 2010. DOI: 10.1109/TIE.2010.2049719

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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