가변속 교류 전동기 구동을 위한 Modular Multilevel Converter의 셀 캐패시터 전압 맥동 저감 제어에 관한 연구

Abstract

최근 환경에 대한 세계적인 관심과 화석 연료의 고갈로 세계 각국은 전체 발전량 중에서 신재생 에너지의 비율을 높이고 있는 추세이다. 특히, 풍력 발전은 신재생 에너지 발전량 중 가장 큰 비중을 차지하는 에너지원 중 하나이며, 그 비중은 점점 더 커지고 있다. 따라서 해상 풍력 단지로부터 육지로의 효율적인 전력 전송을 위한 HVDC 송전 기술로써 모듈형 다단 컨버터(Modular Multilevel Converter

MMC)는 많은 각광을 받고 있으며, 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 또한, 최근에는 MMC를 이용한 고전압, 대용량 전동기의 가변속 구동에 대한 연구도 이루어지고 있다. MMC는 모듈화된 구조를 가지므로 전압 레벨의 증가가 손쉬우므로, 고품질의 교류 출력 전압 생성이 가능하다. 본 논문에서는 MMC의 전(全) 영역운전을 위한 제어 알고리즘을 제안한다. MMC 시스템에서는 각 모듈에 DC 전원을 공급하는 셀 캐패시터의 전압 맥동 제어가 필수적이다. 이론적으로, 셀 캐패시터의 전압 맥동은 출력 주파수에 반비례하고 출력 전류에 비례한다. 따라서 교류 전동기의 기동 토크 인가 및 저속 운전 시에 각 셀 캐패시터의 전압 맥동이 과도하게 커져 시스템 동작이 불가능하다는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 고주파 옵셋 전압 인가 및 순환 전류 제어를 통해 기동 토크 및 저속 운전에서의 캐패시터 전압 맥동 증가를 방지하는 제어 기법을 제시한다. 또한, 고속 운전 영역에서의 제어 기법도 제안하여, 두 운전 모드의 절환을 통해 전 주파수 운전을 위한 제어 기법에 대하여 서술한다. 전압 맥동은 구동 주파수와 캐패시터 크기에 반비례하므로, 전압 맥동 감소 알고리즘을 적용하면, 시스템 제작 시 큰 부피와 원가를 차지하는 캐패시터 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 순환전류 제어에 있어, 고주파 순환 전류 주입 방식과 레그 옵셋 전압 주입 방식의 비교를 통한 분석을 수행한다. 제안된 방법의 유효성을 증명하기 위하여 10kVA급 MMC 세트를 제작하여, 교류 전동기의 전 영역 운전을 위한 제안된 제어 기법을 적용한 실험을 수행하고 그 결과를 분석한다.