3단 구성을 가지는 단상 반도체 변압기의 신뢰성 향상을 위한 분산 제어 방법

Abstract

본 논문에서는 단상 SST의 신뢰성 제고 방안에 대해서 연구하였다. 중앙 제어기가 담당하는 역할을 최소화하는 분산 제어 방법을 제안하고 이를 검증하여 SST 신뢰성 향상에 기여하고자 하였다. 연구의 대상이 된 회로는 CHB 컨버터의 AC-DC단, 다중 모듈 DAB 컨버터의 DC-DC단, 인버터의 DC-AC단으로 이루어진 3단 구성 SST이다. 단, 분산 제어를 통한 신뢰성 향상은 다중 모듈인 경우에만 검증이 가능하므로 통상 단일 모듈로 구성되는 DC-AC단을 제외한 AC-DC단과 DC-DC단을 논의의 대상으로 한정하였다. CHB 컨버터의 분산 제어 방법으로 피드포워드 기반의 간접 전류 제어 방법을 제안하였다. 제안한 방법에서는 간접 전류 제어를 통한 분산 제어 방법으로 n개 모듈의 (n+1)개의 상태 변수(1개의 입력 전류 + n개의 DC-link 전압)를 제어할 수 있다. 단, 제안한 방법을 통해 각 CHB 모듈의 출력 전압이 기준 전압으로 수렴하기 위해서는 각 CHB 모듈이 전력을 전달 받는 속도가 모두 달라야 한다. 이를 달성하기 위하여 간접 전류 제어를 위한 피드포워드 계수를 도입하였다. 그 결과, 각 CHB 모듈의 출력 전압이 기준 전압으로 수렴할 수 있다. 제안하는 방법의 성능에 대해서는 CHB 컨버터의 소신호 모델을 기반으로 분석을 수행하였다. 한편, 각 CHB 모듈이 DC-link 전압을 제어하고 있는데 모듈 간 전력 균등 분배가 이루어지지 않을 경우에 전력 변환의 품질이 떨어질 수 있다. 또한 과도하게 전력을 공급하는 모듈의 고장 확률이 증가하여 시스템의 신뢰성이 떨어지게 된다. 이에 다중 모듈 DAB 컨버터에 대해서는 CHB 컨버터와 DAB 컨버터의 전력 전달 원리를 이용한 분산 제어 방법을 제안하여 모듈 간 전력 균등 분배를 달성하고자 하였다. CHB 컨버터에서 간접 전류 제어 시 d축 제어 지령 정보는 DAB 컨버터의 전력 정보를 가지게 된다. 따라서 DAB 컨버터는 CHB 컨버터의 d축 제어 지령을 피드백 정보로 이용하여 모듈 간 전력 균형을 달성할 수 있다. 제안한 제어의 성능을 분석하였으며, 이를 바탕으로 피드백 계수의 설계가 가능하도록 하였다. 제안된 분산 제어 방법들의 유효성을 3개 모듈로 이루어진 하드웨어를 구축하여 실험으로 검증하였다. 그 결과 CHB 컨버터 단에서는 d축 상 전압 제어와 q축 피드포워드 입력을 통해 지령의 입력 전류가 형성되는 것을 확인하였다. 또한 1이 아닌 역률을 이용해 제어 지령 공유 없이 3개 모듈이 각각의 출력 전압을 기준 전압으로 잘 제어하고 있음을 확인하였다. 다중 모듈 DAB 컨버터 단에서는 CHB 컨버터 단의 d축 제어 지령 정보를 이용하여 제어 지령 공유 없이 3개 모듈 간 전력 분배 특성을 크게 향상 할 수 있음을 확인하였다. 이상의 제안된 분산 제어 방법들을 통해 중앙 제어기가 담당하는 역할을 전체 시스템 운영 지침 전달 및 모듈 고장 정보 관장 등의 보조 기능들로 축소할 수 있다. 그 결과 백업 시스템 구축이 간편해져 SST 시스템의 신뢰성 향상, 단순화 및 비용 저감 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.