[논문]다양한 불평형 계통 상황에서 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류 변동에 대한 해석 및 제어

최재훈; 서용석

doi:10.6113/tkpe.2020.25.5.385

[국내논문] 다양한 불평형 계통 상황에서 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류 변동에 대한 해석 및 제어
Analysis and Control of Neutral Point Current Deviation in Grid Tied 3-Level NPC Converter under Various Grid Unbalanced Conditions 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.5, 2020년, pp.385 - 393

최재훈 (Dept. of Electrical Engineering, Smart Grid Research Center, Jeonbuk National University) , 서용석 (Dept. of Electrical Engineering, Smart Grid Research Center, Jeonbuk National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study introduces an analysis and control method for the variation of neutral point current in a grid-tied three-level neutral point clamped (NPC) converter under various grid imbalance operating conditions. Various fault cases with unbalanced amplitude and phase are systematically categorized and described using a unified metric called the imbalance factor. The fundamental component of neutral point current is generated under grid imbalance cases. The pattern and behavior of this fundamental component of neutral point current highly depend on the imbalance factor regardless of the particular type of grid fault cases. The control scheme for regulating the negative sequential component of AC input current effectively reduces the size of the fundamental component of neutral point current under a wide range of grid imbalance cases. The control scheme will enable a grid-tied three-level NPC converter to operate reliably and stably under various types of grid faults.

Keyword

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Grid tied 3-level NPC voltage source converter.
그림 Fig. 2. Unbalanced voltage according to transformer types and accidents.
그림 Fig. 3. Vector diagram of unbalanced voltage by ABC classification.
그림 Fig. 4. The amplitude of the fundamental component of the neutral point current according to IF in each unbalanced type.
그림 Fig. 5. Overall control block diagram.
그림 Fig. 6. Dual frame current regulator block diagram.
그림 Fig. 7. Reference frame transformation block.
그림 Fig. 8. DDSRF-PLL block diagram.
표 TABLE 1 EXPERIMENT PARAMETERS
그림 Fig. 9. Fundamental component of the neutral point current [A] vs. Imbalance Factor [%] under unbalanced 3-phase conditions using single frame current control method and dual frame current control method.
그림 Fig. 10. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type B, IF=7%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].
그림 Fig. 11. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type C, IF=7%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].
그림 Fig. 12. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type D, IF=7%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].
그림 Fig. 13. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type E, IF=7%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].
그림 Fig. 14. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type F, IF=7%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].
그림 Fig. 15. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type G, IF=7%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].
그림 Fig. 16. Waveforms of input voltage, input current, neutral point current, and DC-link voltage under unbalanced grid condition [Type B, IF=17%] using single frame current control method [left] and dual frame current control method [right].

AI 본문요약
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문제 정의

이로 인해 중성점의 균형이 깨지게 되면 스위칭 스트레스가 증가하고, 컨버터 출력전압의 THD(Total Harmonic Distortion)가 증가하며, 비대칭적인 스위칭 상태가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 중성점 불균형이 발생하는 여러 이유 중 계통 사고에 의해 발생하는 3상 불평형 전압 상황에 대해 연구하였다. 앞서 설명한 대로 계통사고에 의해 3상 불평형의 전압이 컨버터에 인가될 경우, 컨버터에 인가되는 전압에 역상분의 성분이 존재하게 된다.
따라서 불평형 계통 상황에서는 기존에 사용하는 입력전류의 정상분만을 제어하는 방식이 아닌 역상분까지 제어하기 위한 제어전략이 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 계통에서 여러 사고유형에 따라 발생하는 다양한 사고 전압이 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류에 어떠한 영향을 끼치는지 해석하고, 불평형의 전압이 중성점 전류에 미치는 영향을 줄이기 위한 두 가지의 제어 방식을 비교하고자 한다. 기존에 많이 사용되고 있는 입력전류의 정상 분만을 제어하는 Single Frame Current Control 방식과 입력전류의 정상분과 역상분을 따로 제어하는 Dual Frame Current Control 방식의 제어 성능을 비교한다.
Dual Frame Current Control 방식의 역상분 전류 제어기는 역상분 성분의 전류를 0로 하는 데 목적이 있다. 따라서 불평형 계통전압의 역상분 성분과 동일한 역상분 성분의 pole 전압을 스위칭을 통해 생성하여 결과적으로 역상분 성분의 전류를 흐르지 않게 한다.
본 논문은 계통 사고에 의한 3상 불평형의 전압이 인가되는 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류의 변동에 대한 해석 및 제어에 대해 서술하였다. 3상 불평형 전압은 ABC classification으로 7가지 타입으로 분류 할 수 있고, Imbalance Factor를 사용하여 7가지 타입의 불평형 전압이 컨버터에 미치는 영향을 일관된 방식으로 비교하였다.

제안 방법

따라서 현재 연구된 좁은 범위의 불평형 조건만으로는 컨버터의 안정성을 완전히 보장하기는 어려운 면이 있다. 그러므로 본 논문에서는 불평형 계통 전압을 계통 사고 유형과 변압기의 권선 타입에 따라서 7가지의 불평형 전압 타입으로 나누고^[10],[11] 각 타입별 불평형 계통 전압이 계통 연계형 3-level NPC 컨버터에 미치는 영향 및 제어 성능에 대한 검증을 진행하였다.
그러므로 본 논문에서는 계통에서 여러 사고유형에 따라 발생하는 다양한 사고 전압이 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류에 어떠한 영향을 끼치는지 해석하고, 불평형의 전압이 중성점 전류에 미치는 영향을 줄이기 위한 두 가지의 제어 방식을 비교하고자 한다. 기존에 많이 사용되고 있는 입력전류의 정상 분만을 제어하는 Single Frame Current Control 방식과 입력전류의 정상분과 역상분을 따로 제어하는 Dual Frame Current Control 방식의 제어 성능을 비교한다.
그러나 순시적으로 중성점 전류의 값을 보았을 때 중성점 전류의 DC 성분의 값은 항상 0의 값은 아니므로, 측정 시점에 따라서 중성점의 밸런싱 편차 여부를 명확하게 판단하기 어렵다. 따라서 중성점의 밸런싱의 편차 여부를 중성점 전류의 기본파 성분인 60Hz 성분을 통하여 근접적으로 확인하였다. 이는 기존 계통 불평형 상황에서 3-레벨 NPC 컨버터에 대한 연구^[1]에서 3상 불평형에 의해 발생하는 중성점 전류의 기본파 성분은 NPC 컨버터의 중성점의 불균형의 발생과 DC-link 전압의 리플의 발생에 관계가 있음을 확인되었다.
그림 8은 제어기에 사용한 DDSRF-PLL(Decoupled Double Synchronous Reference Frame–PLL)의 블록다이어그램이다. 입력 3상 전압을 동기좌표계 dq-축의 정상분과 역상분으로 분리하고, 정상분의 d축 값을 0로 제어하여 정상분에 위상을 추종하도록 설계하였다. 사고 전압의 IF가 커질수록 역상분의 크기는 증가하게 되지만 DDSRF-PLL은 Decoupling을 과정을 통해 dq-축 동기 좌표계에서 정상분의 성분 중 정상분의 DC 성분을 추출하고 역상분에 의한 리플성분을 제거함으로써, 역상분에 의한 영향을 줄인 정상분의 전압에 위상을 동기화하게 된다.
추가적으로, 중성점 전류의 기본파 성분의 감소가 컨버터에 미치는 영향을 보다 정확히 검증하기 위해 각각 제어 방식을 사용하였을 때 컨버터의 입력전류 및 DC-link 전압의 리플을 확인하였다. 그림 10에서 15는 다양한 불평형 전압에서 실험 파형이다.
그림 10에서 15는 다양한 불평형 전압에서 실험 파형이다. 불평형 전압 조건은 실제 계통에서 발생할 수 있는 수준으로 실험하였다. 중성점 전류의 기본파 성분을 감소시키는 Dual Frame Current Control 방식을 사용함으로써, 각 불평형 상황에 평균적으로 입력 전류의 THD가 약 2% 감소하고 DC-link 전압의 리플 성분은 peak-to-peak 약 2V 감소하였다.
본 논문은 계통 사고에 의한 3상 불평형의 전압이 인가되는 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류의 변동에 대한 해석 및 제어에 대해 서술하였다. 3상 불평형 전압은 ABC classification으로 7가지 타입으로 분류 할 수 있고, Imbalance Factor를 사용하여 7가지 타입의 불평형 전압이 컨버터에 미치는 영향을 일관된 방식으로 비교하였다. 또한 다양한 불평형 계통 조건에서 Dual Frame Current Control 방식 이용하여 중성점 전류의 기본파 성분을 낮출 수 있다는 것을 증명하였고, 중성점 전류의 기본파 성분이 감소하면서 컨버터의 입력전류의 THD가 명확하게 감소하고, DC-link 전압의 리플 성분 또한 감소하는 것을 증명하였다.
반면에 Dual Frame Current Control 방식은 입력전류의 역상분을 0으로 제어할 수 있기 때문에 중성점 전류의 고조파 성분, 특히 입력전류의 THD와 DC-link 전압의 리플의 주요 원인인 중성점 전류의 기본파 성분을 감소시킬 수 있다. 보다 정확한 제어 성능의 검증을 위해 다양한 불평형 전압 상황에서 두 제어 방식의 성능 비교를 진행하였다.
실험은 실시간 시뮬레이터인 Typhoon-HILS를 이용하였고, 회로 구성 및 제어기는 Typhoon-HILS 내부에 구성하여 HILS의 input/output 포트를 사용하여 실험을 진행하였다. 실험 조건은 표 1과 같다.

대상 데이터

본 논문에서는 광범위하게 사용되고 있는 3-level NPC 회로를 사용하여 연구하였다. 그림 1은 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 회로를 보여준다.

이론/모형

PWM(Pulse Width Modulation) 방식은 일반적으로 사용하는 Carrier-based PWM방식을 사용하였다. 그림 8은 제어기에 사용한 DDSRF-PLL(Decoupled Double Synchronous Reference Frame–PLL)의 블록다이어그램이다.
제어 성능의 비교를 위해 Single Frame Current Control 방식과 Dual Frame Current Control 방식으로 각각 실험을 진행하였고, 그림 9는 제어방식에 따른 IF 대비 중성점 전류의 기본파 성분의 크기를 보여주고 있다. 중성점 전류의 기본파 성분을 비교해 보면, Dual Frame Current Control 방식을 사용하였을 때 중성점 전류의 기본파 성분이 평균적으로 Type B에서 73%, Type C에서 82%, Type D에서 72%, Type E에서 73%, Type F 에서 52%, Type G에서 73%가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
9. Fundamental component of the neutral point current [A] vs. Imbalance Factor [%] under unbalanced 3-phase conditions using single frame current control method and dual frame current control method.

성능/효과

그림 4는 5MW급 계통 연계형 3-level NPC 컨버터 시뮬레이션 모델로 측정한 불평형 전압 타입별 IF와 중성점 전류의 60Hz 성분, 즉 중성점 전류의 기본파 성분에 대한 그래프를 보여주고 있다. 그래프에서 보이듯이 각각 불평형 타입에 상관없이 IF가 증가함에 따라서 중성점 전류의 기본파 성분이 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. NPC 컨버터의 중성점 전류의 DC 성분의 값이 0일 때 이상적으로 밸런싱이 맞춰졌다고 할 수 있다.
제어 성능의 비교를 위해 Single Frame Current Control 방식과 Dual Frame Current Control 방식으로 각각 실험을 진행하였고, 그림 9는 제어방식에 따른 IF 대비 중성점 전류의 기본파 성분의 크기를 보여주고 있다. 중성점 전류의 기본파 성분을 비교해 보면, Dual Frame Current Control 방식을 사용하였을 때 중성점 전류의 기본파 성분이 평균적으로 Type B에서 73%, Type C에서 82%, Type D에서 72%, Type E에서 73%, Type F 에서 52%, Type G에서 73%가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
불평형 전압 조건은 실제 계통에서 발생할 수 있는 수준으로 실험하였다. 중성점 전류의 기본파 성분을 감소시키는 Dual Frame Current Control 방식을 사용함으로써, 각 불평형 상황에 평균적으로 입력 전류의 THD가 약 2% 감소하고 DC-link 전압의 리플 성분은 peak-to-peak 약 2V 감소하였다. 실험에 사용한 불평형 조건은 실제 계통에서 발생할 수 있는 일반적인 수준의 불평형 조건으로 진행하였고, 불평형 조건이 더욱 심해질수록 그림 16과 같이 확연한 제어 성능의 차이를 보인다.
중성점 전류의 기본파 성분을 감소시키는 Dual Frame Current Control 방식을 사용함으로써, 각 불평형 상황에 평균적으로 입력 전류의 THD가 약 2% 감소하고 DC-link 전압의 리플 성분은 peak-to-peak 약 2V 감소하였다. 실험에 사용한 불평형 조건은 실제 계통에서 발생할 수 있는 일반적인 수준의 불평형 조건으로 진행하였고, 불평형 조건이 더욱 심해질수록 그림 16과 같이 확연한 제어 성능의 차이를 보인다.
3상 불평형 전압은 ABC classification으로 7가지 타입으로 분류 할 수 있고, Imbalance Factor를 사용하여 7가지 타입의 불평형 전압이 컨버터에 미치는 영향을 일관된 방식으로 비교하였다. 또한 다양한 불평형 계통 조건에서 Dual Frame Current Control 방식 이용하여 중성점 전류의 기본파 성분을 낮출 수 있다는 것을 증명하였고, 중성점 전류의 기본파 성분이 감소하면서 컨버터의 입력전류의 THD가 명확하게 감소하고, DC-link 전압의 리플 성분 또한 감소하는 것을 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 회로에서 중성점의 균형이 깨지게 되는 이유는?	그림에서 보이듯이 DC-link는 2개의 커패시터로 이루어져 있고, 윗단 커패시터와 아랫단 커패시터 사이의 중성점의 균형을 유지하는 게 중요하다. 중성점의 균형이 깨지게 되는 이유는 DC-link 커패시터의 제조 공차에 의한 커패시턴스 값의 불균형에 의해 발생할 수 있고, 스위치 소자들 간의 특성에 불일치로 발생할 수 있다. 마지막으로 3상 불평형 입력전압에 의해 발생할 수 있다. 이로 인해 중성점의 균형이 깨지게 되면 스위칭 스트레스가 증가하고, 컨버터 출력전압의 THD(Total Harmonic Distortion) 가 증가하며, 비대칭적인 스위칭 상태가 발생할 수 있다.
	본 논문에서 PWM 방식으로 무엇을 사용하였는가?	PWM(Pulse Width Modulation) 방식은 일반적으로 사용하는 Carrier-based PWM방식을 사용하였다. 그림 8은 제어기에 사용한 DDSRF-PLL(Decoupled Double Synchronous Reference Frame–PLL)의 블록다이어그램이다.
	본 논문은 계통 사고에 의한 3상 불평형의 전압이 인가되는 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류의 변동에 대한 해석 및 제어에 관해 서술하였다. 이에 대한 결론은?	본 논문은 계통 사고에 의한 3상 불평형의 전압이 인가되는 계통 연계형 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전류의 변동에 대한 해석 및 제어에 대해 서술하였다. 3상 불평형 전압은 ABC classification으로 7가지 타입으로 분류 할 수 있고, Imbalance Factor를 사용하여 7가지 타입의 불평형 전압이 컨버터에 미치는 영향을 일관된 방식으로 비교하였다. 또한 다양한 불평형 계통 조건에서 Dual Frame Current Control 방식 이용하여 중성점 전류의 기본파 성분을 낮출 수 있다는 것을 증명하였고, 중성점 전류의 기본파 성분이 감소하면서 컨버터의 입력전류의 THD가 명확하게 감소하고, DC-link 전압의 리플 성분 또한 감소하는 것을 증명하였다.

참고문헌 (11)

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N. Celanovic and D. Boroyevich, "A comprehensive study of neutral-point voltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped voltage source PWM inverters," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 2, pp. 242-249, 2000.

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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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