[논문]반도체 변압기용 멀티레벨 H-bridge 컨버터의 전압 불평형 해결 방법

정동근; 김호성; 김종현; 백주원; 조진태; 김희제

반도체 변압기용 멀티레벨 H-bridge 컨버터의 전압 불평형 해결 방법
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정동근 (부산대학교) , 김호성 (한국전기연구원) , 김종현 (한국전기연구원) , 백주원 (한국전기연구원) , 조진태 (한전전력연구원) , 김희제 (부산대학교)

기존의 전력 시스템에서 큰 부피를 차지하는 계통 주파수(50/60Hz) 변압기를 대체하기 위해서, 최근 전력용 반도체 변압기 SST(Solid State Transformer)에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. AC/DC 컨버터는 높은 시스템 입력 전압에 대응 가능한 기존의 다양한 멀티레벨 컨버터 중 CHB (Cascaded H-bridge) 컨버터는 시스템 모듈화의 용이성과 상용 소자의 정격전압을 고려했을 때 반도체 변압기 시스템에 가장 많이 적용되고 있는 토폴로지이지만 각각의 H-bridge 컨버터 DC-link 전압의 불평형 문제가 발생한다. 본 논문에서는 CHB 컨버터의 전압 불평형을 해결하기 위하여 추가적인 센서가 필요없는 간단하고 실용적인 전압 불평형 보상 제어기를 제안한다.

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문제 정의

본 논문에서는 반도체 변압기 시스템의 간단하고 실용적인 방법의 전압 밸런싱 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 기존의 밸런싱 방법에 비해서 추가적인 센서가 필요 없으며, DC link 전압의 최대/최소값 검출 알고리즘을 AC/DC 정류기 제어기에 추가하여 전압 불평형을 해결하였다.

제안 방법

[2] 본 논문에서 제안된 제어기는 추가적인 센서가 필요 없으며, 기존 AC/DC 정류기의 제어기에 최소한의 전압 보상 제어기만을 추가하여 CHB 컨버터의 전압 불평형을 개선하였다. 제안하는 SST 시스템 및 전압 불평형 보상 알고리즘은 30kW SST 시제품을 통해서 검증하였다.
본 논문에서는 반도체 변압기 시스템의 간단하고 실용적인 방법의 전압 밸런싱 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 기존의 밸런싱 방법에 비해서 추가적인 센서가 필요 없으며, DC link 전압의 최대/최소값 검출 알고리즘을 AC/DC 정류기 제어기에 추가하여 전압 불평형을 해결하였다. 또한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안하는 전압 밸런싱 방법의 타당성을 검증하였다.
그림 2은 적용된 최대/최소값 검출 알고리즘의 블록다이어그램이다. 첫 번째 모듈의 전압을 두 번째 모듈부터 순차적으로 N개의 모듈까지 비교한다. 만약 비교되는 모듈이 첫 번째 모듈보다 크다면 최대값이 비교되는 모듈의 값으로 변경된다.

대상 데이터

실제로 목표하는 시스템의 최종 사양은 제안하는 단위 모듈 10개를 직병렬 구성을 통해서 입력 단상 13.2kVac, 용량 150kW, ±750Vdc 출력의 DC 배전용 반도체 변압기 시스템이다.
그림 1은 본 논문에서 제안하는 반도체 변압기의 단위모듈 구조이다. 제안하는 단위모듈은 H bridge 컨버터와 3 Port 출력 조건을 가진 NPC 구조의 DAB 컨버터로 구성된다. 실제로 목표하는 시스템의 최종 사양은 제안하는 단위 모듈 10개를 직병렬 구성을 통해서 입력 단상 13.

성능/효과

다른 스위칭 패턴을 이용하여 각각의 H bridge 모듈의 DC 캐패시터의 충전과 방전을 조절하여 DC link 불평형을 해결하는 방법 등 기존의 연구에서 CHB 컨버터의 전압 불평형을 줄이기 위해서 다양한 전압 밸런싱 방법이 제안되었다.[2] 본 논문에서 제안된 제어기는 추가적인 센서가 필요 없으며, 기존 AC/DC 정류기의 제어기에 최소한의 전압 보상 제어기만을 추가하여 CHB 컨버터의 전압 불평형을 개선하였다. 제안하는 SST 시스템 및 전압 불평형 보상 알고리즘은 30kW SST 시제품을 통해서 검증하였다.
제안한 방법은 기존의 밸런싱 방법에 비해서 추가적인 센서가 필요 없으며, DC link 전압의 최대/최소값 검출 알고리즘을 AC/DC 정류기 제어기에 추가하여 전압 불평형을 해결하였다. 또한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안하는 전압 밸런싱 방법의 타당성을 검증하였다.

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