더블 델타 결선 전원에 의한 PWM 컨버터의 멀티레벨 운전

Abstract

본 논문에서는 변압기 또는 전동기의 권선들을 조합하여 2레벨 컨버터로 멀티레벨 운전을 하는 회로 방식 및 그 제어 방법을 새롭게 제안한다. 전력용 반도체의 스위칭을 이용하는 정지형 컨버터(static converter)는 직류 전압으로부터 교류 전압을 출력하여 변압기 또는 전동기 권선에 교류 전압을 인가할 수 있지만, 스위칭 과정에서 전력 변환에 도움이 되지 않는 맥동(ripple) 전류를 발생시킬 수 밖에 없다. 이러한 맥동 전류를 줄이기 위한 하나의 방법으로서, 전압 출력의 변화 단계를 높이는 멀티레벨 운전이 널리 적용되고 있다. 또한, 대부분의 대용량 전력 변환 과정에는 여러 권선들이 직/병렬로 사용된다. 예를 들어, 대용량 전동기는 여러 권선에 병렬로 전류를 흘리거나 직렬로 연결된 권선끼리 전압을 분담하여 대용량의 전류 또는 전압으로부터 회전력을 얻는다. 대용량 변압기 역시 여러 권선들이 직/병렬로 대단위 전력을 분담하여 전압을 변환한다. 본 논문에서는 대용량 전력 변환에 필수적인 직/병렬 권선과 가격 경쟁력이 있고 신뢰성이 높은 2레벨 컨버터를 조합하여 멀티레벨 운전하는 방법을 제안하였다. 먼저, 제안하는 회로 방식에서 변압기/전동기 권선과 컨버터가 어떻게 결합되어 멀티레벨 운전을 하는지 설명한다. 운전 주파수 관점에서 제안된 방식의 컨버터 전압 이용율을 살펴보고, 권선 전압을 컨버터의 스위칭 함수로 표현하여 실시간적인 전압 변화에서 기존의 방법과 어떤 차이를 보이는지 서술한다. 또한, 시스템 구성적인 측면에서 기존의 회로 방식들에 대해 제안된 회로 방식이 어떠한 장점과 단점을 가지는지 정성적으로 분석한다. 제안하는 회로 방식은 대표적으로 변압기와 전동기에 적용될 수 있다. 각 응용에서 전력 변환을 조절하기 위해서는 권선에 흐르는 전류에 대하여 궤환(feedback) 제어가 가능해야 한다. 본 논문에서는 변압기와 전동기 응용 각각에 대한 적절한 모델링을 기반으로 한 전력 제어 방법들을 제안한다. 특히, 본 논문에서는 제안된 회로 방식이 적용된 유도기 구동을 위해 비간섭(decoupling) 제어 방법이 새롭게 제안되었는데, 기존의 전류 제어 방법과 비교하여 동일한 설계에서 약 114 % 빠른 동특성을 보였다. 제안된 회로 방식은 전력 변환에 참여하던 컨버터 두 대 중에 하나가 탈락하더라도 전압 이용률 측면에서 여전히 운전 가능한 장점을 지니므로, 컨버터 한 대가 탈락하는 사고 상황에서의 제어 방법도 논의된다. 제안된 회로 방식은 컨버터 1기가 탈락된 사고 운전 실험에서, 내부 권선 간의 자체적인 인터리빙(interleaving) 효과에 의해 스위칭 주파수의 변경없이도 계통 전류의 고조파왜율(total harmonic distortion, THD)이 정상 운전에 비해 70 % 감소하는 특성을 보였다. 제안된 회로 방법은 PWM(pulse width modulation)에 사용되는 삼각파들 간에 위상천이(phase shift)를 이용하여 쉽게 구현 가능하지만, 두 대의 컨버터 운용을 통합적으로 고려하여 PWM 최적화를 진행할 수 있다. 본 논문은 제안하는 PWM 방식의 전압 평면 상에서의 의미를 설명하고, 3상 지령과 삼각파 비교를 통하여 어떻게 제안된 PWM 방법이 구현될 수 있는지 기술한다. PWM 최적화는 출력되는 전류의 고조파 특성 및 스위칭 손실이 고려되었다. 제안된 회로 방식을 이용한 모의 실험과 실험에서, 제안된 PWM 방법은 기존의 PWM 방법에 비해 출력 전류의 THD가 10~40%에 이르는 감소를 보였다.