보고서 정보
주관연구기관 |
울산과학기술원 Ulsan National Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
정지훈
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-05 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700010221 |
과제고유번호 |
1711024737 |
사업명 |
신진연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
반도체 변압기.양방향 컨버터.교류-교류 컨버터.교류-직류 정류기.직류-직류 컨버터.직류-교류 인버터.고주파 절연.병렬 운전.전력 변환.Solid State Transformer.Bi-directional Converter.AC-AC Converter.AC-DC Rectifier.DC-DC Converter.DC-AC Inverter.High-frequency Isolation.Parallel Operation.Power Conversion.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700010221 |
초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구를 통하여 스마트 그리드의 필수기술인 Solid State Transformer(SST)를 구현하기 위한 고효율 절연형 양방향 DC-DC 컨버터, 고성능 양방향 AC-DC 정류기와 DC-AC 인버터, 그리고 최적화된 모듈형 컨버터와 속응형 병렬운전 기술을 확보하고, 3.3 kW급 SST 시제품의 설계와 제작 및 10 kW급 모듈형 SST 시제품을 제작하여 실제성능을 검증하고자 하였다.
1차년도에는 스마트 그리드 및 기타 전력 인터페이스를 위한 SST용 고효율 절연형 양방향 DC-DC 컨
연구의 목적 및 내용
본 연구를 통하여 스마트 그리드의 필수기술인 Solid State Transformer(SST)를 구현하기 위한 고효율 절연형 양방향 DC-DC 컨버터, 고성능 양방향 AC-DC 정류기와 DC-AC 인버터, 그리고 최적화된 모듈형 컨버터와 속응형 병렬운전 기술을 확보하고, 3.3 kW급 SST 시제품의 설계와 제작 및 10 kW급 모듈형 SST 시제품을 제작하여 실제성능을 검증하고자 하였다.
1차년도에는 스마트 그리드 및 기타 전력 인터페이스를 위한 SST용 고효율 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 Topology를 선정하고 양방향 DC-DC 컨버터의 양방향 전력변환 제어를 위한 효과적인 디지털 제어 알고리즘을 연구하여 실제 성능을 검증한다. 2차년도에는 SST용 고성능 양방향 AC-DC 정류기와 DC-AC 인버터의 전력변환회로를 설계하였고 단상 PLL을 위한 고성능 고신뢰성 위상추종 알고리즘과 고효율 스위칭 기법을 연구한다. 제안한 정류기와 인버터의 검증 후 DC-DC 컨버터와 연계를 통하여 단일 SST의 실제 성능을 검증한다. 3차년도에는 SST 시제품의 모듈형 설계 보완과 완성도 향상을 진행하고, SST의 병렬운전을 위한 병렬제어 알고리즘과 SST별 통신 및 데이터 공유 알고리즘을 연구한다. 3기의 제어기 간 데이터 및 제어신호의 안정적 공유를 위한 병렬제어기를 개발하여 최종적으로 10 kW급 병렬 SST 시제품의 실제 성능을 검증한다.
연구결과
1차년도에는 SST에 사용될 고효율의 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 연구와 개발을 진행하였다. 양방향 컨버터 중 소프트 스위칭에 의한 고효율의 가능성과 및 양방향 제어시 Seamless 제어기법이 가능하기 때문에 DAB컨버터가 이번 연구의 토폴로지로 적용되었다. 시뮬레이션을 통한 사전 모의성능을 검증하였고, 시제품을 만들어 실험 한 결과 양방향 모두 1.5 kW 시 최고 효율 96% 이상을 얻을 수 있었고, 3.3 kW에서 최종 효율 94.35%와 95.10%를 Forward시와 Backward 변환 시 측정 할 수 있었다. 또한 스위치를 병렬로 설계하여 도통손실을 줄여 기존 대비 1%의 효율을 증가시켰다. 마지막으로 일반적인 DAB컨버터의 제어방법 대비 새로운 소프트 스타트 알고리즘을 적용하여 Start-up 구간에서 발생할 수 있는 돌입 전류의 RMS를 기존 대비 41%를 줄일 수 있었다.
2차년도에는 양방향 AC-DC 정류기와 DC-AC 인버터의 토폴로지 선정과 제어 알고리즘에 대한 연구가 진행되었다. 토폴로지로는 큰 전력 용량을 가지면서 4상한 운전이 가능한 풀브리지가 채택되었다. 부스트타입 풀브리지는 1차년도에 기 개발된 양방향 DAB 컨버터와의 연계도 용이하다는 장점이 있다. 계통 연계를 위하여, 계통 전압의 위상과 진폭, 주파수를 추적하는 Phase Locked Loop 알고리즘을 구현하였다. 또한 양방향 AC-DC 정류기와 DC-AC 인버터의 전압과 전류를 제어하기 위한 제어 알고리즘이 연구되었다. 제안된 전력 제어 알고리즘은 시뮬레이션과 시제품 실험을 통하여 유효성을 확인하였다. 또한 양방향 DC-DC 컨버터와의 연계 동작을 확인하였다.
3차년도에는 SST 간의 병렬화를 통해 대용량 전력 변환을 위한 모듈형 SST를 개발 및 연구하였다. 각각의 병렬화된 SST를 제어하기 위해 Master-Slave 제어 방식을 사용하였는데, 이는 기존 드룹 제어 방식에 비해 정전압 제어가 가능하다는 장점이 있다. 이를 제어 방식을 실제로 구현하기 위해 CAN 통신을 사용하여 각 모듈간의 데이터 및 제어 신호를 공유하는 기술을 개발하였다. 시뮬레이션을 통해 병렬화 제어 알고리즘이 정상동작함을 검증하였고, 실험을 통해 CAN 통신을 정상동작함을 검증하였다. 이를 이용하여 AC-DC-DC-DC 구조에서 2개 병렬로 6.6 kW까지 실험을 진행하고, 동일 구조에서 3개 병렬로 3 kW까지 실험을 진행하여 병렬화 제어 알고리즘의 타당성을 검증하고 향후 대용량 전력 변환이 가능할 것을 검증하였다.
연구결과의 활용계획
SST를 구현하는 양방향 전력변환 기술은 다양한 전력변환 및 송배전에 있어서 가장 필수적이면서도 고성능과 높은 안정성을 가진 기술로써 기존 계통의 전력품질 향상, 스마트 그리드, 전기추진 응용, 신재생에너지 활용, ESS 연계 등 활용분야가 다양하다. 또한 양방향 AC-DC 전력 변환 기술은 전기자동차나 신재생 에너지원의 계통 연계를 돕는, 스마트 그리드 구현에 필요한 주요 기술 중 하나이다. 본 연구를 통하여 SST용 양방향 전력변환 기술의 원천기술을 확보하고 스마트 그리드의 성능 및 안정성을 개선하며 궁극적으로 저탄소 산업 및 생활 생태계를 실현하는 고효율 전력시스템을 구현할 수 있다. 또한 SST 기술을 응용하여 마이크로그리드의 자율 운전, 혹은 고효율 직류배전시스템 등의 분야로 연구를 확장하고자 한다.
(출처 : 한글요약문 5p)
Abstract
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Purpose&contents
In this research, high efficiency bi-directional DC-DC Converter, bi-directional AC-DC rectifier, DC-AC inverter, modular converters and parallel operation technology will be developed to implement smart gird's essential technology which is called Solid State Transformer (SST). I
Purpose&contents
In this research, high efficiency bi-directional DC-DC Converter, bi-directional AC-DC rectifier, DC-AC inverter, modular converters and parallel operation technology will be developed to implement smart gird's essential technology which is called Solid State Transformer (SST). It will also be verified its performance by 3.3 kW prototype SST and 10 kW modular prototype SST.
In the first year, we choose SST high efficiency bi-directional DC-DC converter topology for smart grid and verify its performance by researching on digital control algorithm for power conversion using bi-directional DC-DC converter. In the second year, the power conversion circuits of the high efficient bi-directional AC-DC rectifier and DC-AC inverter are designed. The Phase Locked Loop (PLL) algorithm and the efficient switching algorithm are investigated for single-phase applications.
Proposed rectifier and inverter are verified by experiments with and without DC-DC converter. In the third year, SST’s prototype design will be improved and developed for parallel operation and communication algorithms. A 10 kW modular three SST prototypes are used to verify their performance by developing a parallel controller which can share control signal and data among three controllers for the parallel operation.
Result
In the first year, we proceeded research about high efficiency bi-directional DC-DC converter. In bi-directional converter, a DAB converter was chosen for this topology because of soft switching and seamless control method. Their performance is verified by using simulation which showed 96% efficiency at 1.5 kW in bi-directional and also had 94.35% in forward, 95.10% in backward at 3.3 kW in a prototype converter. Using parallel switches, power conversion efficiency raised up to 1%. Novel soft start method reduced the RMS value of the inrush current up to 41% in a cold start duration.
In the second year, the high efficient bi-directional AC-DC rectifier and DC-AC inverter are tested with the bi-directional DC-DC converter which is developed prior to the AC-DC converter. This work uses the full-bridge topology for the rectifier and the inverter. Boost type full-bridge topology has advantages of large power capacity and four quadrant operation. For interfacing with utility line, phase locked loop algorithm is implemented. In addition, voltage and current control algorithms are designed. Algorithms are verified by PSIM simulations and experiments. Linkage operation with DC-DC converter is also verified.
In the third year, modular SSTs were developed for high power capability and easy extension by parallel operations of the SST converters. To control each modular SST, a master-slave parallel operation method was used, which has a advantage of constant voltage control in parallel load sharing. In addition, a CAN communication technique was used to share data and control signal for parallel operation. They were verified by simulation and experiment results. Finally in the SST’s AC-DC-DC-AC structure, parallel SSTs and parallel operation algorithm were verified by using three 3 kW SST prototypes in experiments.
Expected Contribution
Bi-directional power conversion technology is the most essential in power transmission, distribution and conversion. It also has high quality and high safety to utilize conventional system quality improvement, smart grid, electric propulsion, renewable energy and ESS linkage. Bi-directional AC-DC power conversion is one of the major technology to implement smart grid. It helps electric vehicle and renewable sources in interfacing utility line. From this research, bi-directional power conversion technology using SST was developed under high power conversion efficiency, which can realize low carbon industry and sustainable ecosystem. Those kind of environment-friendly power system can be implemented by smart grid technology in terms of high quality and safety. In addition, future extend research of SST will be prepared to an autonomous and intelligent microgrid system and high-ffficiency DC distribution system.
(출처 : SUMMARY 6p)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 8 1. 연구개발과제의 개요 ... 8 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 23 5. 연구결과의 활용계획 ... 24 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 25 7. 참고문헌 ... 25 8. 연구성과 ... 26 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 28 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 29 11. 기타사항 ... 30끝페이지 ... 30
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