직렬 연결 고주파 변압기를 갖는 계통 연계형 양방향 교류 전력 변환 회로

Abstract

본 논문은 계통 연계형 3상 교류 전력 변환 회로를 제안한다. 제안된 전력 변환 회로는 전원 계통과 분산 전원 장치 간의서로 다른 전원 계통 간의 연결 혹은 전동기 구동을 위한 용도로 사용될 수 있다.. 제안된 전력 변환 회로는 입력측과 출력측 사이에 전기적 절연을 제공하고, 둘 사이에 양방향 전력 전달이 가능하도록 한다. 전원 계통으로 입력되는 전류는 정현파의 형태를 띠며 그 역률의 제어가 가능하다. 제안된 전력 변환 회로는 기존의 전력 변환 회로에 비해 수동 소자의 사용이 적다. 전원 계통이 연결된 입력측에 작은 LC 필터만을 사용하고, 입력측 직류단에도 큰 전해 캐패시터를 사용하지 않는다. 전기적 절연 및 전압 크기의 조절 기능은 계통 주파수의 변압기 대신 고주파 변압기를 이용하여 제공한다. 이러한 특징은 전력 변환 회로의 부피와 무게를 줄일 수 있게 한다. 제안된 전력 변환 회로는 모듈화 구조를 가진다. 동일 풀 브릿지 인버터 모듈 12개로 구성된 한 단을 기본으로 하며, 이 단을 쌓아 직렬로 연결함으로써 높은 전압의 전원 계통 혹은 부하에 적용할 수 있다. 한 단의 풀 브릿지 인버터 모듈 12개는 그 연결 구조와 동작에 따라 저주파 양방향 정류기, 정현 변조 풀 브릿지 인버터, 고주파 양방향 정류기의 4가지 종류로 구분된다. 전원 계통에 연결되는 저주파 양방향 정류기는 입력되는 계통 전원의 전압에주파수에 동기되어 스위칭 함으로써 입력 전압을 단순 정류하는 역할을 하며, 여기서 발생하는 스위칭 손실이 거의 없다. 정현 변조 풀 브릿지 인버터와 고주파 양방향 정류기 사이는 고주파 다권선 변압기를 통해 연결되어 있으며, 듀얼 액티브 브릿지 컨버터의 동작과 유사하게 각 부분의 출력 전압의 크기와 위상차를 이용하여 전력 전달을 한다. 출력 풀 브릿지 인버터는 CHB 컨버터의 각 셀과 같이 독립된 직류 전압원출력측 직류단 전압을 이용하여 각각의 출력 전압을 합성하는 동작을 통해하여 부하 전류를 제어한다. 본 논문은 각 부분의 구조와 동작 원리를 유사한 기존의 전력 변환 회로와 비교하여 설명하고, 고주파 전력 전달 부분을 분석하여 제어에 사용할 수 있도록 모델링하였다. 분석된 모델을 토대로 각 상의 출력측 직류단 제어기의 구조를 제시한다. 또한 운전 조건에 따른 고주파 전력 전달 부분의 소프트 스위칭 특성도 분석하였다. 제안된 전력 변환 회로 및 그에 관한 분석들은 실험을 통해 그 타당성을 입증하였다. 제안된 전력 변환 회로를 12 kW 용량으로 제작하여 두 개의 독립된 3상 전원을 연결시키도록 구성하였다. 다양한 운전 조건에서 각 부분의 동작을 확인하였으며, 이 때 입력 상전류가 거의 정현파에 가까운 형태로 유지됨을 확인하였다. 또한 효율과 사용되는 전력 소자와 수동 소자의 측면에서 제안된 전력 변환 회로와 반도체 변압기 회로를 비교하였다.