소용량 직류단 캐패시터를 갖는 단상 계통 연계형 교류 발전기 시스템에 관한 연구

Abstract

최근 전력 수요의 증가로 인해 전력난이 사회적 이슈로 대두되고 있으며 온실가스 배출의 규제 강화로 인해 그린 에너지에 대한 중요성이 강조되고 있다. 신재생 에너지 발전에서부터 분산형 발전 시스템까지 다양한 발전 시스템 중 교류 발전기를 사용하는 가변속 발전 시스템은 일반적으로 풀 스케일의 Back to Back PWM 컨버터 구조를 사용한다. 이와 같은 구조를 갖는 기존 시스템의 제어는 안정적인 직류단 전압을 기반으로 이루어지는데, 이를 위해 직류단에 대용량의 전해 캐패시터를 사용한다. 기존 시스템의 제어 방식은 두 부분으로 나눌 수 있다. 먼저 발전기에서 발생하는 전력을 제어하기 위해 발전기 측 컨버터에서는 토크 제어를 수행하게 된다. 그 다음 발전기 측으로부터 넘어오는 전력에 의해 증가하는 직류단 전압을 제어하기 위해 계통 측 인버터에서는 직류단 전압 제어를 수행한다. 이 때 계통 측 인버터는 직류단 전압 제어를 통한 역률 보상 제어로 계통 전류를 제어하게 된다. 기존 시스템에서 문제가 되는 것은 계통 측 인버터의 스위칭에 따른 계통 전류의 고조파 왜곡이다. 계통 측 인버터의 계통 전류 제어 시 높은 직류단 전압을 이용하여 계통 전류의 전 구간에 대해서 스위칭이 일어나기 때문에 스위칭 손실뿐만 아니라 스위칭 리플이 큰 문제가 있다. 이 때 보이는 큰 스위칭 리플은 계통 전류에 포함되어 IEEE-519와 같은 계통 전류의 고조파 규정을 만족하지 못하게 한다. 따라서 기존 시스템에서는 역률 보상 제어 시 스위칭 리플에 의한 고조파 왜곡 문제를 해결하기 위해 계통단에 대용량의 스위칭 인덕터를 사용하게 된다. 기존의 시스템은 직류단 전해 캐패시터나 계통 필터 인덕터와 같은 대용량의 수동 소자를 사용하기 때문에 전체 시스템의 부피 및 비용이 크다. 또한 직류단에 사용하는 전해 캐패시터는 높은 고장률로 인해 시스템의 신뢰성을 저하시키는 문제가 있다. 본 논문에서는 기존 시스템에서 사용하는 대용량의 수동 소자를 제거하기 위해 소용량 직류단 캐패시터를 갖는 단상 계통 연계형 교류 발전기 시스템을 제안한다. 기존 시스템에서 단점으로 언급하였던 계통 인버터의 스위칭 손실 및 스위칭 리플이 큰 문제를 해결하기 위해 제안된 시스템은 계통 측 인버터를 능동 정류기로 동작 시키고 계통 전류 제어를 발전기 측 컨버터에서 수행하도록 한다. 이를 통해 계통 필터 인덕터의 크기를 줄일 수 있다. 소용량 직류단 캐패시터 시스템은 직류단 전압이 계통 전압에 따라 맥동하는데, 이로 인해 직류단 전압이 발전기의 역기전력 이하로 낮아지는 영역이 존재한다. 이러한 영역에서는 과도한 약자속 전류가 주입되거나 전압 부족으로 인해 LC 공진이 발생하여 계통 전류가 왜곡된다. 본 논문에서는 직류단 전압이 낮은 부분에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 직류단 전압 제어 방식을 제안한다. 제안된 시스템은 발전기 측 컨버터에서 직류단 전압을 제어하며 계통 측 인버터는 승압된 전압을 이용해 계통 전류 제어를 보조하게 된다. 제안된 시스템에서 발전기 측 컨버터의 출력 전력 제어 시 발전기의 임피던스 강하 및 지연으로 인해 발전기의 출력 전력과 컨버터의 출력 전력이 다르다. 컨버터 출력 전력의 왜곡은 계통 전류의 왜곡을 야기하고 이는 계통 전류의 고조파 규정을 위배 시킨다. 본 논문에서는 발전기 측 컨버터의 출력 전력을 정확한 형태로 제어할 수 있는 제어 방법을 제안한다. 마지막으로 본 논문에서는 소용량 직류단 캐패시터를 갖는 단상 계통 연계형 시스템의 안정도 분석을 통해 전동기 구동 시스템과 발전기 시스템에서 계통 필터 인덕터의 설계 방향을 비교 분석한다. 제안된 시스템은 800W 영구자석 동기 발전기를 대상으로 진행한 모의 실험을 통해 검증한다. 제안된 시스템의 계통 전류는 IEEE-519의 규정치를 따른다.