대역폭을 통한 직류 배전 시스템의 전압 안정도 해석 및 설계

Abstract

본 논문에서는 직류 배전 시스템을 안정적으로 설계하기 위한 방법에 대하여 연구한다. 전력변환장치로 인해 나타나는 정전력 부하가 가진 음의 저항 특성으로 인해 댐핑이 줄어들어 직류 배전 시스템의 안정도가 불안정하게 나타날 수 있기 때문에, 직류 배전 시스템에 대한 안정적인 설계가 중요하다. 기존에 시스템 설계 방법으로 사용되는 임피던스 판별법의 경우 주파수에 대한 임피던스의 크기와 위상을 동시에 고려해야 하기 때문에 설계 정보로 활용하기에는 복잡하며, 구성요소의 가변성이 존재하는 직류 배전 시스템을 대상으로 적용하기에는 한계가 존재한다. 본 논문에서는 1차 대역필터의 통과 주파수 범위로 정의되는 대역폭(Bandwidth)을 통해 시스템의 안정성을 분석한다. 대역폭은 명확한 값을 지님과 동시에, 보드선도 상에서 임피던스의 크기와 위상 정보를 포함하기 때문에 설계 정보로 활용 시 큰 이점이 존재한다. 본 논문에서는 먼저 직류 배전 시스템의 구성 요소 모델링을 통해 버스 및 부하단 시스템에 대한 대역폭을 정의하였다. 그리고 나이퀴스트 안정도 판별법을 바탕으로 대역폭과 시스템의 전압 안정도의 관계에 대하여 분석하였다. 또한 단일 버스 및 부하단을 대상으로 한 분석을 통해서 버스의 대역폭과 부하단의 대역폭 사이의 관계식을 유도하였다. 직류 배전 시스템은 구성 요소의 가변성으로 인해 특성이 독립적인 다중 전원단으로 시스템이 구성될 수 있으며, 부하단 역시 다양한 부하가 존재할 수 있다. 이를 위해 대역폭이 서로 다른 다중 전원단 시스템이 병렬로 연결되는 경우에 등가 버스 대역폭에 대해서 분석하였다. 또한, 대역폭이 서로 다른 부하단이 병렬로 연결되는 경우의 등가 부하단 대역폭에 대하여 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 안정적인 직류 배전 시스템을 설계하기 위한 설계 방법에 대하여 제안하였다. 안정적인 버스를 유지하기 위해 기준 그룹-발전 그룹에 기반한 전원단 설계와 가상 그룹에 기반한 전원단 설계를 제안하고 예시 설계를 모의 실험을 통해 확인하였다. 또한 다른 설계 방법으로 가상 그룹에 기반한 전원단 설계를 제안하고 예시 설계를 모의 실험을 통해 확인하였다. 그리고 실제 설계를 진행하는 경우에 존재하는 현실적인 고려사항들에 대하여 분석하였다. 제안된 대역폭 기반의 안정도 분석에 대한 검증을 위해 축소된 하드웨어 시스템을 구성하여 대역폭 해석의 결과에 대하여 실험을 통해 검증하였다.