[논문]3상 모듈형 UPS용 PFC 제어기 설계

박내춘; 김상훈; 지준근

3상 모듈형 UPS용 PFC 제어기 설계
PFC Controller Design for 3-Phase Modular UPS 원문보기

박내춘 (강원대학교) , 김상훈 (강원대학교) , 지준근 (순천향대학교)

In this paper a new PFC Controller for 3-Phase Modular UPS is proposed. The PFC circuit for 3-Phase Modular UPS is implemented using three 1-phase 3-level boost PFC circuits. To control DC output voltage and AC input current, single voltage controller considering imbalance of two capacitor voltages and three independent current controllers are used in proposed PFC controller.

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문제 정의

본 논문에서는 3상 모듈형 UPS에 사용하는 3-레벨 부스트 PFC를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안하는 PFC 제어기는 DC 전압 제어기를 3개 모듈이 공통으로 사용하고, AC 전류 제어기는 각상이 독립적으로 사용하는 구조를 채택하였다.
본 논문에서는 단상 3-레벨 부스트 PFC 3개를 사용한 3상 모듈형 UPS용 PFC의 출력전압과 입력전류 제어를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안한 PFC 제어기로 시뮬레이션을 수행한 결과 입력단 역률은 항상 거의 1이 되고 전류의 THD도 평형 부하인 경우 약 2.

제안 방법

그림 1은 3상 모듈형 UPS용 PFC 회로의 전체구성을 나타내고 있다. 3상 PFC를 위해 정류기와 부스트 컨버터로 되어있는 단상 3-레벨 PFC 모듈 3개를 3상 연결하여 구성하였다.
하나의 전압제어기를 공통으로 사용하여 DC 출력 전압을 제어하였고, 두개의 커패시터 전압 불평형 성분을 보상하기 위하여 커패시터의 전압 V₁과 V₂의 오차를 전압 제어기 출력에 보상하였다. 각상의 전류를 제어하기 위해서 독립적인 전류 제어기를 사용하였고, PLL(Phase Locked Loop)과 사인파 발생기를 이용하여 전원 전압 성분을 만들기 때문에 전원 전압이 왜곡되었을 경우에도 입력 전류를 정현파에 가깝게 역률 1로 제어 할 수 있다.
본 논문에서는 3상 모듈형 UPS에 사용하는 3-레벨 부스트 PFC를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안하는 PFC 제어기는 DC 전압 제어기를 3개 모듈이 공통으로 사용하고, AC 전류 제어기는 각상이 독립적으로 사용하는 구조를 채택하였다. 제안하는 PFC 제어기의 성능을 확인하기 위하여 PSIM으로 시뮬레이션을 수행하여 결과를 확인하였다.
그림 2는 3상 모듈형 UPS를 위한 PFC 제어 블록도를 나타내고 있다. 하나의 전압제어기를 공통으로 사용하여 DC 출력 전압을 제어하였고, 두개의 커패시터 전압 불평형 성분을 보상하기 위하여 커패시터의 전압 V₁과 V₂의 오차를 전압 제어기 출력에 보상하였다. 각상의 전류를 제어하기 위해서 독립적인 전류 제어기를 사용하였고, PLL(Phase Locked Loop)과 사인파 발생기를 이용하여 전원 전압 성분을 만들기 때문에 전원 전압이 왜곡되었을 경우에도 입력 전류를 정현파에 가깝게 역률 1로 제어 할 수 있다.

대상 데이터

5[mH]이고, 직류 출력단 커패시턴스는 4400[uF]이다. 스위칭 주파수는 20[kHz]이며, 스위칭 소자로는 MOSFET를 사용하였다. 전원 전압은 60[Hz], 220[V]이고, 직류 출력단 전압은 800[V]로 제어하였으며, 부하는 15[Ω] 저항부하이다.
시뮬레이션은 두 개의 커패시터 양단의 부하가 평형인 경우와 부하가 30% 불평형인 경우에 대하여 수행하였다.

데이터처리

제안된 제어기의 성능을 확인하기 위하여 PSIM을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 교류 입력단 인덕턴스는 1.
제안하는 PFC 제어기는 DC 전압 제어기를 3개 모듈이 공통으로 사용하고, AC 전류 제어기는 각상이 독립적으로 사용하는 구조를 채택하였다. 제안하는 PFC 제어기의 성능을 확인하기 위하여 PSIM으로 시뮬레이션을 수행하여 결과를 확인하였다.

성능/효과

본 논문에서는 단상 3-레벨 부스트 PFC 3개를 사용한 3상 모듈형 UPS용 PFC의 출력전압과 입력전류 제어를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안한 PFC 제어기로 시뮬레이션을 수행한 결과 입력단 역률은 항상 거의 1이 되고 전류의 THD도 평형 부하인 경우 약 2.2%가 되며, 불평형 부하인 경우에도 직류 출력단 두 개의 커패시터 전압은 동일하게 제어되는 것을 확인하였다.

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