직류 배전 시스템의 고효율 양방향 AC-DC 컨버터 디지털 제어

Abstract

최근 전 세계적인 유가 급등 등으로 대두하고 있는 에너지 위기 때문에 태양광, 풍력과 같은 신재생에너지원의 개발과 보급에 많은 노력이 이루어지고 있다. 신재생에너지원을 효과적으로 활용하기 위해서는 배전계통과의 연계가 필요한데, 이를 위해서는 이들을 효율적으로 통합하는 계통 운영기술이 필요하다. 한편, 디지털 부하의 증가로 말미암아 높은 품질의 직류 전력에 대한 수요가 지속적으로 늘어날 전망이다. 이상의 필요들 때문에 양방향 전력 조류를 제어할 수 있고, 직류 기반 신재생에너지의 이용에 있어 효율 향상을 가능하게 하는 직류 배전 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재 전력 소비의 상당 부분을 차지하는 가정-상업용 건물의 주 전력 소비 원은 IT기기를 포함한 다수 전자기기, 조명 등이다. 이들에 전력을 공급하기 위해서는 일차적으로 교류를 직류로 변환한 다음 이를 다시 교류 또는 직류로 변환해야 하는데 이 과정에서 이중의 변환 손실이 발생하게 된다. 이러한 문제를 개선하기 위해 직류 배전 시스템은 전기기기마다 사용되는 소용량의 AC-DC 컨버터들을 하나의 대용량 컨버터로 통합함으로써 효율을 향상시킬 수 있다. 통합된 대용량 AC-DC 컨버터는 배전 계통의 지능화와 효율적인 에너지 관리를 위해 신 재생에너지원과 계통 간 양방향 조류가 가능해야 한다. 또한, 가정-상업용 건물의 전력 소비 형태는 매우 다양하므로 양방향 AC-DC 컨버터의 모듈화와 병렬 운전에 대한 연구가 필요하다. 그리고 전력 소비가 적은 심야나 낮에는 양방향 AC-DC 컨버터의 경부하 영역 운전이 잦기 때문에 경부하 효율을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다. 본 논문에서는 직류 배전 시스템에서 필요한 양방향 AC-DC 컨버터의 인버터 모드/정류기 모드에 대한 모델링과 제어방법을 제안한다. 그리고 양방향 AC-DC 컨버터의 전 부하 영역에서 효율을 향상시키기 위해 부하에 따라 동작 모듈 수를 변화시키는 phase shedding 알고리즘을 제안하고, 동작 모듈 수 변화에 따라 제어 변수를 가변하여 컨버터의 응답특성을 개선한다. 또한, 경부하 효율 향상을 위해 skip cycle 알고리즘을 제안한다. 제안된 제어 알고리즘을 검증하기 위해 디지털 제어를 이용한 3.3kW 양방향 AC-DC 컨버터를 제작하였고, 경부하에서 90% 이상의 효율을 보임으로써 제안된 방법의 효용성을 검증하였다.