T-type 3레벨 4레그 3상 컨버터의 전압 합성

Abstract

본 논문에서는 교류 전원 장치로 사용하기 위한 3레벨 (Level) 4레그 (Leg) 전압형 컨버터의 출력 전압 합성을 위한 제어 방법과 그 구현에 대하여 논하였다. 최근 들어 신/재생 에너지와 같은 분산 전원이 폭넓게 활용 되면서 전력 계통과 연계되어 동작하는 컨버터의 비중이 점점 증대되고 있다. 이와 같은 계통 연계형 컨버터들의 증대와 함께 계통 규정을 만족하기 위한 전력 품질 보상용 컨버터들의 사용 또한 증대되고 있다. 이러한 컨버터들은 정상적인 계통 상황뿐만 아니라 비정상적인 계통 상황에서도 계통 연계 규정 (Grid Code)을 준수하면서 의도한대로 동작해야 한다. 그러므로 제품 개발 단계뿐만 아니라 최종 제품 시험 시에도 비정상적인 계통 전압을 모의하여 동작 검증을 해야 한다. 따라서 비정상적인 계통 상황을 모의 할 수 있도록 임의의 전압을 합성할 수 있는 교류 전원 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 교류 전원 장치는 부하가 평형 (Balanced), 불평형 (Unbalanced)인지에 관계 없이 어떤 경우에도 원하는 3상 전압을 합성할 수 있어야 한다. 따라서 본 논문에서는 3상 4선식 구조 중 전압 사용율이 높은 4레그 토폴로지 (Topology)를 선정하여 임의의 3상 전압을 합성하고자 한다. 또한 2레벨 토폴로지에 비해 전력용 소자의 개수는 증가하지만, 높은 효율, 높은 등가 스위칭 주파수, 낮은 전압 변동율 (dv/dt), 따라서 작은 출력 필터 적용이 가능한 멀티 레벨 토폴로지 중 T-type 형태의 3레벨 토폴로지를 선정하였다. 컨버터는 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작을 통해 평균적으로 필요한 전압을 합성하게 된다. 이러한 스위칭 동작은 부득이하게 커먼 모드 전압 (Common-mode voltage)을 발생시키고, 이로 인해 전자파 간섭 (Electro Magnetic Interference, EMI)의 소스 (Source)인 커먼 모드 전류 (Common-mode current)가 흐르게 된다. 또한 3레벨 토폴로지의 경우 2레벨 토폴로지와 다르게 지령 전압이 작은 경우에 데드 타임 (Dead-time) 보상이 어렵게 된다. 추가로 컨버터를 교류 전원 장치로 사용하기 위해서는 정확한 전압 합성을 위한 전압 제어기가 필요하다. 이러한 제어기는 컨버터 출력의 LC필터에 의한 공진 (Resonance)을 억제할 수 있어야 할 뿐 아니라, 출력 전압을 지령 전압과 비교했을 때 크기의 왜곡이나 시지연이 없도록 합성해주어야 한다. 본 논문에서는 3상 임의 전압 합성이 가능한 교류 전원 장치에 사용될 3레벨 4레그 컨버터의 전압 합성을 위해 커먼 모드 전압 저감을 위한 PWM 방법, 데드 타임 전압 왜곡 보상을 위한 PWM 방법 및 전압 제어 방법을 제안한다. 제안된 방법의 성능은 이론적인 해석과 함께, 컴퓨터 모의 실험, 5kW용량 3레벨 4레그 컨버터 실험 등을 통하여 검증하였다. 커먼 모드 전압에 관하여 PPPWM 방법을 적용하면 통상의 SVPWM 방법을 적용했을 때에 비해 크기는 66%, 변화 횟수는 75% 줄어든 것을 확인하였다. 그리고 제안된 데드 타임 보상 방법과 전압 제어기를 사용했을 때에는 저 전압 및 고 전압 조건에서 VTR의 값이 증가함을 확인하였다.