[논문]3-레벨 ANPC 인버터의 고장 허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어 기법

이재운; 김지원; 박병건; 노의철

doi:10.6113/tkpe.2019.24.2.120

3-레벨 ANPC 인버터의 고장 허용 운전 시 중성점 전압 균형 제어 기법
Neutral-Point Voltage Balancing Control Scheme for Fault-Tolerant Operation of 3-Level ANPC Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.2, 2019년, pp.120 - 126

이재운 (Electric Machines and Drives Research Center, KERI) , 김지원 (Electric Machines and Drives Research Center, KERI) , 박병건 (Electric Machines and Drives Research Center, KERI) , 노의철 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a neutral voltage balance control scheme for stable fault-tolerant operation of an active neutral point clamped (ANPC) inverter using carrier-based pulse width modulation. The proposed scheme maintains the neutral voltage balance by reconfiguring the switching combination and modulating the reference output voltage in order to solve the degradation of the output characteristic in the fault tolerant operation due to the fault of the power semiconductor switch constituting the ANPC inverter. The feasibility of the proposed control scheme is confirmed by HIL experiment using RT-BOX.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Circuit diagram of Three-level ANPC inverter.
그림 Fig. 2. Current flow path under single device open fault.
그림 Fig. 3. Current flow path under single device short fault.
표 TABLE I SWITCHING STATES OF THREE-LEVEL ANPC INVERTER
그림 Fig. 4. Voltage phasor relationships under fault tolerant control.
표 TABLE II SWITCHING SEQUENCE FOR SINGLE DEVICE OPEN CIRCUIT FAULT
그림 Fig. 5. Space vector diagram under Sa1 open-circuit fault.
그림 Fig. 6. Reference voltage modulation in case of S_a1 open-circuit fault.
그림 Fig. 7. Waveforms under S_a1 open fault.
그림 Fig. 8. Waveforms under S_a2 open fault.
그림 Fig. 9. Waveforms under S_a5 open fault.
표 TABLE III MAIN EXPERIMENT PARAMETERS
그림 Fig. 10. Vector diagram of maximum modulation index of phase voltage in fault condition.
그림 Fig. 11. HIL experiment using RT-BOX.
그림 Fig. 12. Output current under S_a1 open fault.
그림 Fig. 13. DC link capacitor voltage and motor speed ripple in different mode of operation.
그림 Fig. 14. DC link capacitor voltage and motor speed ripple before and after the application of the proposed neutral voltage balance control.

AI 본문요약
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문제 정의

ANPC 토폴로지의 대칭 구조로 인해 S_a1, S_a2 및 S_a5 스위치의 고장은 각각 S_a4, S_a3 및 S_a6 스위치의 고장과 유사한 결과를 가지기 때문에 본 논문에서는 S_a1, S_a2 및 S_a5스위치의 고장에 대해 다루기로 한다.
본 논문에서는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장 허용 구동 시, 안정적인 구동을 위한 중성점 전압 균형 제어 기법을 제안한다. 제안된 중성점 전압 균형 제어 기법은 기준 출력전압의 변조와 스위칭 조합의 재구성을 통해 간단하게 구현이 가능하며, 안정적으로 고장 허용 운전을 할 수 있다.
본 논문에서는 ANPC 인버터의 고장 조건에서 연속적인 동작과 중성점 전압 균형 제어를 통해 고장 시 전동기의 속도 리플 감소와 출력 품질이 향상되어 보다 안정적인 구동이 가능하도록 하고 새로운 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 복잡한 위상 변경 및 계산을 요구하는 방법보다 고장 허용 제어 및 중성점 전압 균형 제어의 구현이 매우 간단하다는 특징이 있다.

제안 방법

제안된 기법은 스위칭 재구성과 간단한 기준 전압 제어를 통해 ANPC에서 전력 반도체 스위치가 고장난 경우의 대책과 중성점 전압 균형 제어이다. 제안된 기법은 ANPC 구조에서 추가적인 스위치나 장치를 사용하지 않고 안정적인 동작을 제어할 수 있다.
제안된 중성점 전압 균형 제어 기법은 기준 출력전압의 변조와 스위칭 조합의 재구성을 통해 간단하게 구현이 가능하며, 안정적으로 고장 허용 운전을 할 수 있다. 제안된 중성점 전압 균형 제어 기법의 타당성을 시뮬레이션과 RT-BOX를 이용한 HIL 실험을 통하여 확인하였다.
제안한 ANPC의 고장 허용 제어 및 중성점 제어방법의 타당성을 검증하기 위한 20kW PMSM 전동기 구동 시스템을 그림 11과 같이 PLEXIM사의 RT-BOX를 이용하여 시뮬레이션을 구성하였다. 부하로 사용한 PMSM 전동기의 파라미터는 표 3과 같다.
중성점 전압 균형 제어 기법은 S_a1스위치가 고장일 경우 a상의 P 상태는 출력을 할 수 없기 때문에 그림과 같이 전압벡터의 구성에 따라서 두 가지 영역으로 표현할 수 있다. 제안한 중성점 전압 균형 제어는 중복 스위칭 상태를 가지는 전압 벡터의 특성을 이용하여 제어하는 제어 가능 영역과 고장으로 인하여 중복 스위칭이 존재하지 않아 제어가 불가능한 영역으로 구분되며, 본 논문에서는 두 영역에 대해 다른 제어기법을 적용하였다. 각 영역별 제어 방법은 다음과 같다.

데이터처리

제안한 기법은 복잡한 위상 변경 및 계산을 요구하는 방법보다 고장 허용 제어 및 중성점 전압 균형 제어의 구현이 매우 간단하다는 특징이 있다. 제안하는 고장 허용 제어 기법의 타당성은 시뮬레이션과 HIL 실험을 통해 검증하였다.
제안한 ANPC의 고장 허용 제어의 타당성을 검증하기 위해 PLECS를 이용하여 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 파라미터는 표 3과 같다.

성능/효과

S_a1, S_a2 및 S_a5 스위치의 개방성 고장 상태는 S_a3, S_a4 및 S_a6와 ANPC 인버터의 구조적인 대칭으로 인해 동일한 결과를 확인할 수 있었다.
S_a5 스위치의 개방성 고장인 경우 기존 NPC 인버터와 동일하게 운전이 가능하다. 따라서 출력이 감소하지 않고 ANPC 인버터의 정상 구동 상태와 거의 동일한 출력 전류를 확인하였다.
이러한 중성점 전압 불균형은 출력 전류를 왜곡 시키고 이로 인해 전동기의 속도 리플이 증가하는 것을 보인다. 또한, t=30 [s] 근처에서 제안한 중성점 전압 균형 제어 기법을 적용 하였을 경우 고장 허용 구동 중 DC링크 전압이 균형을 이루고 출력 전류의 왜곡이 줄어들어 속도 리플도 감소함을 알 수 있다.
그림 12는 정상 구동 중 S_a1 스위치 고장에 따른 고장 허용 제어를 하였을 경우 출력 전류이다. 시뮬레이션을 통해 확인하였던 결과와 같이 출력 전류의 크기는 0.577배 만큼 줄어들지만 고장 허용 구동에 필요한 출력을 얻을 수 있다.
제안된 기법은 스위칭 재구성과 간단한 기준 전압 제어를 통해 ANPC에서 전력 반도체 스위치가 고장난 경우의 대책과 중성점 전압 균형 제어이다. 제안된 기법은 ANPC 구조에서 추가적인 스위치나 장치를 사용하지 않고 안정적인 동작을 제어할 수 있다.
본 논문에서는 3-레벨 ANPC 인버터의 고장 허용 구동 시, 안정적인 구동을 위한 중성점 전압 균형 제어 기법을 제안한다. 제안된 중성점 전압 균형 제어 기법은 기준 출력전압의 변조와 스위칭 조합의 재구성을 통해 간단하게 구현이 가능하며, 안정적으로 고장 허용 운전을 할 수 있다. 제안된 중성점 전압 균형 제어 기법의 타당성을 시뮬레이션과 RT-BOX를 이용한 HIL 실험을 통하여 확인하였다.
본 논문에서는 ANPC 인버터의 고장 조건에서 연속적인 동작과 중성점 전압 균형 제어를 통해 고장 시 전동기의 속도 리플 감소와 출력 품질이 향상되어 보다 안정적인 구동이 가능하도록 하고 새로운 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 복잡한 위상 변경 및 계산을 요구하는 방법보다 고장 허용 제어 및 중성점 전압 균형 제어의 구현이 매우 간단하다는 특징이 있다. 제안하는 고장 허용 제어 기법의 타당성은 시뮬레이션과 HIL 실험을 통해 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업 공정 및 전기 추진 시스템에서 신뢰성과 견고성이 중요한데, 이와 관련하여 멀티레벨 인버터의 중요성은?	특히 산업 공정 및 전기 추진 시스템에서 시스템 구동의 신뢰성과 견고성은 매우 중요하게 고려되어 진다[4]-[5]. 그러므로 멀티레벨 인버터의 고장 허용(Fault-tolerant) 운전은 시스템 운영의 신뢰성 측면에서 매우 중요하게 인식되어지며, 멀티레벨 인버터의 고장 허용 운전을 위해 다양한 방법들이 연구되어 왔다[6]. 하지만, 대부분의 고장허용 구동 방법은 추가적인 구성요소를 필요로 하거나 복잡한 알고리즘 구현으로 시스템 구성의 비용을 증가시키고 더 많은 부품을 사용하므로 인버터 및 구동 시스템의 신뢰성을 오히려 저하시킬 수 있다.
	멀티레벨 인버터의 출력 레벨 수의 증가로 할 수 있는 것은?	멀티레벨 인버터 토폴로지는 고전압 응용분야에 적합한 기술로서 2-레벨 인버터와 비교하여 출력 전압 및 전류 품질을 향상시키는데 큰 이점이 있다[1]. 멀티레벨 인버터의 출력 레벨 수의 증가는 출력 파형의 고조파를 저감시킬 뿐만 아니라 관련 기기들의 절연에 대한 부담을 줄일 수 있다. 이러한 특성 때문에 멀티레벨 인버터는 특히 고전압과 관련된 많은 응용 분야에서 이용되고 있다.
	멀티레벨 인버터 토폴로지의 특징은?	멀티레벨 인버터 토폴로지는 고전압 응용분야에 적합한 기술로서 2-레벨 인버터와 비교하여 출력 전압 및 전류 품질을 향상시키는데 큰 이점이 있다[1]. 멀티레벨 인버터의 출력 레벨 수의 증가는 출력 파형의 고조파를 저감시킬 뿐만 아니라 관련 기기들의 절연에 대한 부담을 줄일 수 있다.

저자의 다른 논문 :

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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