[논문]계통 연계형 PCS의 운전모드 전환시 사고전류 최소화를 고려한 LCL 필터 설계

정재헌; 권창근; 노의철; 김인동; 김흥근; 전태원

계통 연계형 PCS의 운전모드 전환시 사고전류 최소화를 고려한 LCL 필터 설계
LCL Filter Design with the consideration of Fault Current Minimization in Mode Transfer of a Grid Connected Type PCS 원문보기

정재헌 (부경대학교) , 권창근 (부경대학교) , 노의철 (부경대학교) , 김인동 (부경대학교) , 김흥근 (경북대학교) , 전태원 (울산대학교)

A new LCL filter design of a PCS with the consideration of fault current minimization is proposed. The magnitude of fault current is analysed with the variation of inverter side $L_i$, line side $L_u$, and filter capacitor $C_f$ under constant line side $THD_i$ of 5%. It is found that inverter side fault current reaches up to 200%~660% of the rated current with the variation of $L_i$. It is expected that the results can be applied to the detailed design of PCS filter.

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문제 정의

본 논문에서는 계통 사고 발생을 고려한 계통 연계형 PCS의 LCL 필터 설계 기법을 제안하였고 설계한 필터에 대한 사고전류 특성을 분석하였다. 인버터 전류 THD_i가 큰 경우 L_T(L_i+L_u)는 작은 값을 가질 수 있지만 사고 발생 시 인버터측에 흐르는 사고 전류는 정격전류의 약 7배까지 증가하며 STS에 흐르는 사고 전류는 작은 THD_i인 경우 정격 전류의 약 3배까지 증가한다.
본 논문에서는 최근 많은 연구가 되고 있는 LCL 필터의 인버터 측 L_i와 계통 측 L_u, 그리고 필터 커패시터 C_f의 파라미터의 변화에 따른 사고발생 시 사고전류의 특성을 분석하고 이를 고려한 LCL 필터 설계 기법을 제안하고자한다. 먼저 기존에 제안된 LCL 필터 설계 방법을 간단히 설명하고, 이를 통하여 계통 측으로 유입되는 전류 THD_u를 만족하는 몇 가지 L_i, L_u, C_f 조합을 구하였다.

제안 방법

하지만 필터의 성능을 높이기 위해서 인덕턴스 값을 크게 할수록 L의 부피와 제작비용이 증가하는 단점이 있으며, 이 때문에 작은 인덕턴스로 동일한 고조파 억제 효과가 있는 LCL 필터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.^[1] 비록 LCL 필터의 각 소자의 파라미터 선정 과정이 복잡하며, 전류 리플, 필터 크기, 스위칭 리플 감쇄율, 필터 커패시터에 흐르는 무효전력 등의 제약사항에 대해 고려해야 한다는 단점이 있지만 PCS 시스템의 전체 부피와 무게는 필터 인덕터의 부피와 무게가 큰 영향을 미치므로 작은 인덕턴스로 동일한 고조파 감소 효과가 있는 LCL 필터를 사용하였다.
방법을 이용하여 필터를 설계 하였다. 계통으로 주입되는 전류 THD_u는 5%이며, Cf는 Cb(base capacitance)의 5%일 때 인버터 출력 전류 THD_i의 값을 5～30% 까지 5% 구간별로 L_i, 와 L_u 파라미터 조합을 정하였다. 또한 THD_i를 30%로 고정하고 Cf의 값을 Cb용량의 2～5% 까지 1% 구간별로 LCL 파라미터를 계산하였다.
기존에 제안된 총 고조파 왜율과 리플 감쇄율을 이용한 LCL 필터 설계^[2] 방법을 이용하여 필터를 설계 하였다. 계통으로 주입되는 전류 THD_u는 5%이며, Cf는 Cb(base capacitance)의 5%일 때 인버터 출력 전류 THD_i의 값을 5～30% 까지 5% 구간별로 L_i, 와 L_u 파라미터 조합을 정하였다.
계통으로 주입되는 전류 THD_u는 5%이며, Cf는 Cb(base capacitance)의 5%일 때 인버터 출력 전류 THD_i의 값을 5～30% 까지 5% 구간별로 L_i, 와 L_u 파라미터 조합을 정하였다. 또한 THD_i를 30%로 고정하고 Cf의 값을 Cb용량의 2～5% 까지 1% 구간별로 LCL 파라미터를 계산하였다. 각 조합은 표 1에 나타내었다.
의 파라미터의 변화에 따른 사고발생 시 사고전류의 특성을 분석하고 이를 고려한 LCL 필터 설계 기법을 제안하고자한다. 먼저 기존에 제안된 LCL 필터 설계 방법을 간단히 설명하고, 이를 통하여 계통 측으로 유입되는 전류 THD_u를 만족하는 몇 가지 L_i, L_u, C_f 조합을 구하였다. 사고전류 최소화 기법을 이용하여 계통의 정전 사고발생 시 PCS가 전류모드에서 전압모드로 모드전환이 이루어지는 경우에 발생하는 사고전류의 특성을 시뮬레이션을 통하여 분석하였으며, 이를 통하여 계통 사고 발생 시를 고려한 LCL 필터 설계의 타당성을 입증하였다.
먼저 기존에 제안된 LCL 필터 설계 방법을 간단히 설명하고, 이를 통하여 계통 측으로 유입되는 전류 THD_u를 만족하는 몇 가지 L_i, L_u, C_f 조합을 구하였다. 사고전류 최소화 기법을 이용하여 계통의 정전 사고발생 시 PCS가 전류모드에서 전압모드로 모드전환이 이루어지는 경우에 발생하는 사고전류의 특성을 시뮬레이션을 통하여 분석하였으며, 이를 통하여 계통 사고 발생 시를 고려한 LCL 필터 설계의 타당성을 입증하였다.

후속연구

하지만 C_b의 3% 이하에서의 C_f의 값은 크기가 작아질수록 인버터 사고전류를 저감하는 효과가 증대된다. 본 연구 결과는 계통으로 주입되는 전류 THD_u의 제한과 계통사고 발생 시 인버터와 STS에 흐르는 사고 전류 크기를 고려한 LCL 필터 설계에 응용될 것으로 기대된다.

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