[논문]PWM 방식에 따른 계통연계 양방향 인버터 특성 비교 및 분석

허성준; 안효민; 변종은; 이병국

PWM 방식에 따른 계통연계 양방향 인버터 특성 비교 및 분석
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허성준 (성균관대학교 정보통신대학) , 안효민 (성균관대학교 정보통신대학) , 변종은 (성균관대학교 정보통신대학) , 이병국 (성균관대학교 정보통신대학)

본 논문은 ESS용 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용 가능한 PWM (Pulse width modulation) 방식에 따른 계통전류 품질 특성 및 손실 양상에 대해 다룬다. 각 PWM 방식이 적용된 ESS용 3상 계통연계 양방향 인버터의 부하 크기 및 배터리 충 방전 모드 조건에 따른 계통전류 품질과 손실 양상을 비교 분석을 한다.

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문제 정의

전류는 충·방전 모드에 따라주 도통 구간이 IGBT 혹은 다이오드가 된다. 본 논문에서 인버터 동작 모드는 방전 모드로 DC link에서 계통으로 에너지를 전달하는 구간이다. 따라서 전류는 IGBT로 도통되는 구간이 다이오드로 도통되는 구간보다 길기 때문에, IGBT에서의 도통 손실이 상대적으로 다이오드의 도통 손실 보다 크게 나타난다.

제안 방법

Min max PWM와 DPWM을 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용하여 비교하기 위해 설계한 인버터 사양은 표 1과 같다. DC link 전압과 전류를 고려하여 전력 반도체 스위치 소자를 선정 하였고, 스위칭 주파수를 고려하여 설계 하였다. 이를 시뮬레이션에 적용하여 전력 반도체 소자에서 발생하는 손실양상 및 출력 전류 품질 양상을 비교 한다.
그러나 본 논문에서는 ESS용 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용하였으며, 배터리 충·방전 모드 변화, 부하 변화, DC link 전압 변화 등 다양한 입·출력 조건을 고려하여 Min max PWM과 DPWM을 적용 하였을 때의 전류 품질 및 손실양상 차이를 비교, 분석 한다.
그러나 본 논문에서는 ESS용 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용하였으며, 배터리 충·방전 모드 변화, 부하 변화, DC link 전압 변화 등 다양한 입·출력 조건을 고려하여 Min max PWM과 DPWM을 적용 하였을 때의 전류 품질 및 손실양상 차이를 비교, 분석 한다. 그리고 이를 시뮬레이션을 통해 검증 한다.
기존 Min max PWM과 DPWM을 비교한 연구는 주로 단방향 인버터의 모터부하 등과 같은 유도성 부하에 적용하여 비교 및 분석을 하였다. 그러나 본 논문에서는 ESS용 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용하였으며, 배터리 충·방전 모드 변화, 부하 변화, DC link 전압 변화 등 다양한 입·출력 조건을 고려하여 Min max PWM과 DPWM을 적용 하였을 때의 전류 품질 및 손실양상 차이를 비교, 분석 한다.
본 논문은 DC link 전압, 부하, 모드의 변화에 따른 3상 계통연계 인버터에 Min max PWM기법과 DPWM 기법을 적용하여 전류품질 및 스위칭에서의 손실을 비교분석하였다. 분석 결과 DPWM 기법이 Min max PWM 기법에 비해 THD 특성이 감소하는 경향이 있지만 국제표준을 만족하는 조건에서 스위칭 손실 측면에서 Min max PWM 보다 유리하기 때문에 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용가능성을 확인 하였다.
설계 조건을 시뮬레이션에 적용하여 인버터 모드와 컨버터모드에 따른 손실 양상을 비교 및 분석을 하였다. 인버터 모드는 배터리에서 계통으로 에너지를 전달하는 동작이고 컨버터모드는 계통을 이용하여 배터리를 충전하는 동작이다.
DC link 전압과 전류를 고려하여 전력 반도체 스위치 소자를 선정 하였고, 스위칭 주파수를 고려하여 설계 하였다. 이를 시뮬레이션에 적용하여 전력 반도체 소자에서 발생하는 손실양상 및 출력 전류 품질 양상을 비교 한다.

성능/효과

Min max PWM 기법이 DPWM 기법보다 고조파 함유율이 더 적게 나타나는 경향을 보이고 있다. 그리고 DPWM 기법의 비스위칭 구간이 길어질수록 그리고 DC link 전압 크기가 커질수록 고조파 함유율이 많아져 THD 특성이 나빠지는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 비스위칭 구간동안 IGBT가 스위칭을 하지 않아 고조파 함유율이 높아지고 DC link 전압크기가 커지면 인덕터 양단에 인가되는 전압이 증가하여 비 스위칭 구간 동안에 전류 왜곡이 상대적으로 Min max PWM 기법보다 크게 나타나 고조파가 많이 포함되기 때문이다.
본 논문은 DC link 전압, 부하, 모드의 변화에 따른 3상 계통연계 인버터에 Min max PWM기법과 DPWM 기법을 적용하여 전류품질 및 스위칭에서의 손실을 비교분석하였다. 분석 결과 DPWM 기법이 Min max PWM 기법에 비해 THD 특성이 감소하는 경향이 있지만 국제표준을 만족하는 조건에서 스위칭 손실 측면에서 Min max PWM 보다 유리하기 때문에 3상 계통연계 양방향 인버터에 적용가능성을 확인 하였다.
시뮬레이션 결과 Min max PWM 기법은 전류품질 특성에서 유리한 측면을 보이고 있으며, DPWM 기법은 전력손실 양상에서 유리한 측면을 보이고 있다. 계통연계 인버터 특성상 손실뿐만 아니라 계통전류 품질이 중요 하다.

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