[논문]마이크로그리드 전력변환장치용 커패시터 고장 검출 기법

이우현; 송광철; 안준재; 박성미; 박성준

doi:10.21289/ksic.2023.26.6.1117

[국내논문] 마이크로그리드 전력변환장치용 커패시터 고장 검출 기법
Capacitor Failure Detection Technique for Microgrid Power Converter 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.6/2, 2023년, pp.1117 - 1125

이우현 (전남대학교 전기공학과) , 송광철 ((주)엘탑) , 안준재 (전남대학교 전기공학과) , 박성미 (한국승강기대학교 승강기공학부) , 박성준 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The DC part of the DC microgrid power conversion system uses capacitors for buffers of charge and discharge energy for smoothing voltage and plays important roles such as high frequency component absorption, power balancing, and voltage ripple reduction. The capacitor uses an aluminum electrolytic capacitor, which has advantages of capacity, low price, and relatively fast charging/discharging characteristics. Aluminum electrolytic capacitors(AEC) have previous advantages, but over time, the capacity of the capacitors decreases due to deterioration and an increase in internal temperature, resulting in a decrease in use efficiency or an accident such as steam extraction due to electrolyte evaporation. It is necessary to take measures to prevent accidents because the failure diagnosis and detection of such capacitors are a very important part of the long-term operation, safety of use, and reliability of the power conversion system because the failure of the capacitor leads to not only a single problem but also a short circuit accident of the power conversion system.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Distribution chart by failure element of power conversion system
그림 Fig. 2 Capacitor basic structure
그림 Fig. 3 Capacitor degradation characteristics
그림 Fig. 4 Analysis of failure modes of aluminium electrolytic capacitors
그림 Fig. 6 PSIM on circuit
그림 Fig. 5 Simulation circuit diagram
그림 Fig. 7 Capacitor voltage and current filter circuit
그림 Fig. 8 BPF circuit signal detection
그림 Fig. 9 ABS filter circuit signal detection
그림 Fig. 10 Filter circuit average value signal detection
그림 Fig. 11 Capacitor capacity detection [D=0.75]
그림 Fig. 12 Experimental test set
표 Table 1. Capacitor capacity detection simulation results
표 Table 2. DC/DC Bcuk Converter Design Specifications
그림 Fig. 13 Experimental current waveform
그림 Fig. 14 Experimental voltage waveform
그림 Fig. 15 Current characteristics of the load
표 Table 3. Capacitor capacity detection results

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 전력변환장치 회로의 구성을 이용하여 추가적인 신호 주입을 사용하지 않은 상태에서 출력전압과 전류의 스위칭 주파수 성분을 근거로 하여 커패시터의 값을 추정하여 알루미늄 전해 커패시터의 열화 정도 추정 정확도 및 신뢰성을 향상시키고자 한다.
본 방법은 알루미늄 전해 커패시터(AEC)의 고장상태를 검출하기 위하여 PCB 회로상 필터부를 구성해 출력전압과 전류의 스위칭 주파수 성분을 근거로 알루미늄 전해 커패시터의 커패시턴스 값을 추정하고, 커패시턴스의 변화량 모니터링을 통해 전해 커패시터의 열화 정도를 판별하는 방식이다. 제안된 전해 커패시터의 고장 검출 방법은 모의시험을 통해 정확성과 유용성을 검증하였다.

제안 방법

DC 마이크로 그리드의 전압 평활이 목적인 Buffer용 전해 커패시터의 사용에서 생길 수 있는 고장을 줄이기 위해 고장 검출을 통해 발생할 수 있는 전력변환장치의 사고 방지를 위한 방법으로써 제안하는 전력변환 회로에 제안하는 시스템 구성을 통하여 스위칭 주파수 성분을 근간으로 커패시터 용량 값을 검출함으로써 알루미늄 전해 커패시터의 열화 정도를 판단한다. 이는 PSIM 시물레 이션을 통해 제안한 방식의 정확도 및 신뢰성을 간편적으로 평가하였으며, 제안하는 기법을 적용 할 수 있는 아날로그 필터 회로 및 DSP를 이용한 디지털 회로를 설계하여 프로토타입 제작을 통하여 용량 검출 성능의 정확도와 신뢰성에 대한 평가를 진행하였다.
본 방식에서는 커패시터의 스위칭 주파수 성분의 전압과 전류를 계측하면 이 성분의 전압, 전류 관계식에 의해 커패시터의 용량을 쉽게 계산할 수 있다. 그러나, 전력변환기 구조상 커패시터의 전류를 직접 검출하기에는 하드웨어적으로 큰 부담이 있기 때문에 본 연구에서는 컨버터의 전류제어용 리액터 전류와 부하전류의 차를 이용하여 커패시터에 유입되는 전류를 센싱한다. 또한, Fig.
8은 제안하는 필터 회로에서 BPF를 통과했을 때 나타나는 전압 및 전류 파형의 모습이다. 시뮬레이션에서 Buck 컨버터의 스위칭 주파수를 10 [kHz]로 설정하였으며 BPF의 중심 주파수를 동일하게 10 [kHz]로 설정하였으며 Q Factor를 10으로 설정하였으므로, Band width를 1 [kHz] 로 설계하였다. 전압 전류의 출력 결과는 거의 정현적인 형태를 나타냄을 확인할 수 있다.
6은 커패시턴스 검출을 위한 PSIM 시뮬레이션 회로도이다. 시뮬레이션은 그림과 같이 일반적인 Buck 컨버터를 이용해 구성였으며, PI 제어기를 통하여 출력전압을 제어하였고, 커패시터 전류와 출력전압의 스위칭 주파수를 근간으로 필터회로와 간단한 연산을 통하여 커패시터의 용량 검출을 수행한다. 시뮬레이션 실험에 사용한 PWM 스위칭 주파수는 10 [kHz]로 인가하였고 인덕터는 47 [uH]로 설정하였으며, 출력단 커패시터의 정전용량은 각각 1000 [uF], 2000 [uF]으로 설정하여 다양한 조건을 부여하기 위하여 컨버터의 스위칭 듀티비를 0.
12는 커패시터 용량 검출을 위한 시험 장치의 구성을 보여주고 있다. 시험구성은 알루미늄 전해 커패시터 정전용량 검출 시험을 위한 Buck 컨버터와 필터 회로부를 PCB로 설계 및 제작하고 실험을 통해 제안된 필터의 유용성을 검증하였다. 전력변환 회로의 구성은 벅 컨버터와 인덕터 및 출력전류 센서로 구성하였으며, 커패시터 전압 및 전류 리플 검출 회로는 PSIM 시뮬레이션 상의 OP-AMP를 사용한 필터회로와 동일하게 구성하였고 제어기는 DSP TMS320F28335를 사용하여 구성하였다.
이는 PSIM 시물레 이션을 통해 제안한 방식의 정확도 및 신뢰성을 간편적으로 평가하였으며, 제안하는 기법을 적용 할 수 있는 아날로그 필터 회로 및 DSP를 이용한 디지털 회로를 설계하여 프로토타입 제작을 통하여 용량 검출 성능의 정확도와 신뢰성에 대한 평가를 진행하였다. 제안된 방식은 일반적인 전력변 환장치에서 스위칭 주파수에 따른 전압 및 전류리플 특성에 대해 분석하였으며, 알루미늄 전해 커패시터의 스위칭 주파수의 전압 및 전류 성분에 의한 용량 기법을 분석하였다. 제안된 알루미늄 전해 커패시터의 고장 검출 방법은 커패시터의 전압과 전류를 검출하여 BPF, ABS, LPF 회로를 통해 커패시터의 전압 및 전류의 스위칭 주파수 성분의 검출기법을 제안하였으며, 이를 검출하기 위하여 인덕터 전류센서와 부하 측 전류센서 및 전압 센서를 사용하여 검출하였다.
제안된 방식은 일반적인 전력변 환장치에서 스위칭 주파수에 따른 전압 및 전류리플 특성에 대해 분석하였으며, 알루미늄 전해 커패시터의 스위칭 주파수의 전압 및 전류 성분에 의한 용량 기법을 분석하였다. 제안된 알루미늄 전해 커패시터의 고장 검출 방법은 커패시터의 전압과 전류를 검출하여 BPF, ABS, LPF 회로를 통해 커패시터의 전압 및 전류의 스위칭 주파수 성분의 검출기법을 제안하였으며, 이를 검출하기 위하여 인덕터 전류센서와 부하 측 전류센서 및 전압 센서를 사용하여 검출하였다. 또한, 동일 특성을 가지는 전압 및 전류의 기본파 성분 검출에 의한 검출 회로의 위상 지연 문제를 해소하였다.
본 방법은 알루미늄 전해 커패시터(AEC)의 고장상태를 검출하기 위하여 PCB 회로상 필터부를 구성해 출력전압과 전류의 스위칭 주파수 성분을 근거로 알루미늄 전해 커패시터의 커패시턴스 값을 추정하고, 커패시턴스의 변화량 모니터링을 통해 전해 커패시터의 열화 정도를 판별하는 방식이다. 제안된 전해 커패시터의 고장 검출 방법은 모의시험을 통해 정확성과 유용성을 검증하였다.
사용한 블록은 BPF와 ABS-Circuit, LPF를 사용하였으며, 실제 회로에 사용하기 위해 OP-AMP를 사용한 아날로그 회로를 각각 나타낸다. 커패시터 용량값 검출을 위한 컨버터의 동작스위칭 주파수는 10 [kHz]로 설정하며, 필터의 Center Frequency 역시 10[kHz]로 설정하였으며 컨버터의 용량을 변경 시 와 듀티비 변경 시 검출성능을 확인하였다.

대상 데이터

7은 알루미늄 전해 커패시터의 용량 검출을 실험을 위해 제안하는 아날로그 필터 회로의 개념적 타당성 검증용 PSIM 라이브러리 블록도를 사용하였다. 사용한 블록은 BPF와 ABS-Circuit, LPF를 사용하였으며, 실제 회로에 사용하기 위해 OP-AMP를 사용한 아날로그 회로를 각각 나타낸다. 커패시터 용량값 검출을 위한 컨버터의 동작스위칭 주파수는 10 [kHz]로 설정하며, 필터의 Center Frequency 역시 10[kHz]로 설정하였으며 컨버터의 용량을 변경 시 와 듀티비 변경 시 검출성능을 확인하였다.
시뮬레이션은 그림과 같이 일반적인 Buck 컨버터를 이용해 구성였으며, PI 제어기를 통하여 출력전압을 제어하였고, 커패시터 전류와 출력전압의 스위칭 주파수를 근간으로 필터회로와 간단한 연산을 통하여 커패시터의 용량 검출을 수행한다. 시뮬레이션 실험에 사용한 PWM 스위칭 주파수는 10 [kHz]로 인가하였고 인덕터는 47 [uH]로 설정하였으며, 출력단 커패시터의 정전용량은 각각 1000 [uF], 2000 [uF]으로 설정하여 다양한 조건을 부여하기 위하여 컨버터의 스위칭 듀티비를 0.75, 0.5, 0.25의 조건에서 검증하였다.
시험구성은 알루미늄 전해 커패시터 정전용량 검출 시험을 위한 Buck 컨버터와 필터 회로부를 PCB로 설계 및 제작하고 실험을 통해 제안된 필터의 유용성을 검증하였다. 전력변환 회로의 구성은 벅 컨버터와 인덕터 및 출력전류 센서로 구성하였으며, 커패시터 전압 및 전류 리플 검출 회로는 PSIM 시뮬레이션 상의 OP-AMP를 사용한 필터회로와 동일하게 구성하였고 제어기는 DSP TMS320F28335를 사용하여 구성하였다. Buck 컨버터는 설계 사양은 Table 2와 같이 제작하였으며, 필터 회로를 통해 전압과 전류스위칭 주파수의 리플을 검출하여 DSP 연산을 통하여 전해 커패시터의 용량을 검출하였다.
2는 알루미늄 전해 커패시터의 기본 구조이다. 커패시터는 고순도 알루미늄 포일과 얇은 산화막을 유전체로 사용한다. 이중 알루미늄 전극 사이에 전해질과 유전체로 구성된 전해 커패시터는 거의 모든 전력변환장치의 필수 구성 요소이다.

데이터처리

Fig. 7은 알루미늄 전해 커패시터의 용량 검출을 실험을 위해 제안하는 아날로그 필터 회로의 개념적 타당성 검증용 PSIM 라이브러리 블록도를 사용하였다. 사용한 블록은 BPF와 ABS-Circuit, LPF를 사용하였으며, 실제 회로에 사용하기 위해 OP-AMP를 사용한 아날로그 회로를 각각 나타낸다.

성능/효과

15는 부하의 동특성을 확인하기 위한 시험결과이며, 동특성 검출을 위해 부하가 인가 되었을 때와 탈락 하였을 때를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 검출 회로의 커패시터에 유입되는 스위칭주파수 성분들의 특성은 부하를 변동하여도 리플변동이 거의 없으며, 커패시터 스위칭 주파수의 전류값과 전압값이 급격한 부하 변동에 주파수 성 분 변동이 없음을 확인하였다. 또한, 커패시터의 스위칭 주파수의 전압 및 전류 성분 검출을 통한 시정수 특성을 분석한 결과 컨버터의 부하를 투입 및 탈락 시에 나타나는 시정수는 약 30 [msec]로 나타났다.
제안된 알루미늄 전해 커패시터의 고장 검출 방법은 커패시터의 전압과 전류를 검출하여 BPF, ABS, LPF 회로를 통해 커패시터의 전압 및 전류의 스위칭 주파수 성분의 검출기법을 제안하였으며, 이를 검출하기 위하여 인덕터 전류센서와 부하 측 전류센서 및 전압 센서를 사용하여 검출하였다. 또한, 동일 특성을 가지는 전압 및 전류의 기본파 성분 검출에 의한 검출 회로의 위상 지연 문제를 해소하였다. 이는 추후 DC 전압 안정화 및 신뢰도 평가 측면의 활성화에 기여할 것으로 예상된다.
Table 1은 제안하는 필터회로를 통해 커패시터 용량 값을 다양한 조건에서 검출한 결과를 나타낸다. 본 논문에서 DSP로 처리하기 어려운 부분을 해소하기 위해 사용한 아날로그 필터회로를 PCB 회로에 적용하여 커패시터 용량 검출 시뮬레이션을 진행한 결과로 세가지 조건의 듀티비에 각 1000 [uF], 2000 [uF]의 용량 값을 검출한 결과시뮬레이션에서 5 [%] 이내의 추정 리플을 가지며 검출을 확인하였으며, 다양한 조건을 부여하여 검증 과정을 가졌다. Fig.
DC 마이크로 그리드의 전압 평활이 목적인 Buffer용 전해 커패시터의 사용에서 생길 수 있는 고장을 줄이기 위해 고장 검출을 통해 발생할 수 있는 전력변환장치의 사고 방지를 위한 방법으로써 제안하는 전력변환 회로에 제안하는 시스템 구성을 통하여 스위칭 주파수 성분을 근간으로 커패시터 용량 값을 검출함으로써 알루미늄 전해 커패시터의 열화 정도를 판단한다. 이는 PSIM 시물레 이션을 통해 제안한 방식의 정확도 및 신뢰성을 간편적으로 평가하였으며, 제안하는 기법을 적용 할 수 있는 아날로그 필터 회로 및 DSP를 이용한 디지털 회로를 설계하여 프로토타입 제작을 통하여 용량 검출 성능의 정확도와 신뢰성에 대한 평가를 진행하였다. 제안된 방식은 일반적인 전력변 환장치에서 스위칭 주파수에 따른 전압 및 전류리플 특성에 대해 분석하였으며, 알루미늄 전해 커패시터의 스위칭 주파수의 전압 및 전류 성분에 의한 용량 기법을 분석하였다.

후속연구

또한, 동일 특성을 가지는 전압 및 전류의 기본파 성분 검출에 의한 검출 회로의 위상 지연 문제를 해소하였다. 이는 추후 DC 전압 안정화 및 신뢰도 평가 측면의 활성화에 기여할 것으로 예상된다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Wu, Y., & Du, X. A VEN condition？monitoring method of DC-link capacitors for？power converters. IEEE, Transactions, on, Industrial,？Electronics, vol. 66, no., 2, pp. 1296-1306, (2018).？
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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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