KR102629309B1 - 커패시터 리플 감소를 위한 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 npc 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류계통의 그리드와, 상기 교류계통의 그리드와 연결되어 스위칭 동작을 하는 스위칭부와, 기준점 N에 대하여 상위 레벨(노드 H)의 전압을 출력하는 제1 커패시터()과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 제2 커패시터()를 구비한 DC 링크단을 포함하는 AC/DC 전력변환장치에 있어서, 지그재그 변압기가 상기 교류계통의 그리드에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)에 접속되게 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

커패시터 리플 감소를 위한 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 NPC 컨버터{３­level Neutral Point Clamped Converter for Capacitor Ripple Reduction Using Zigzag Transformer}

본 발명은 멀티레벨 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지그재그 변압기를 이용하여 커패시터 리플의 크기를 감소시킨 3레벨 NPC 컨버터에 관한 것이다.

일반적으로 2-레벨 컨버터는 멀티 레벨 컨버터가 발전되기 전에 산업계에서 널리 쓰여져 왔다. 한편, 산업의 발달과 부하의 증가로 인해 배전시스템의 공칭 전력은 계속해서 증가하는 추세이며, 이에 따라 3-레벨 및 멀티레벨 컨버터가 많이 연구되고 있다.

멀티레벨 컨버터는 NPC(Neutral Point Clamped) 컨버터, CHB(Cascaded H-Bridge) 컨버터, FCMC(Flying Capacitor Multilevel Converter), MMC(Modular Multilevel Converter) 등이 있으며, 이러한 멀티레벨 컨버터는 출력전압 레벨 증가로 고조파의 크기를 감소시켜 필터의 인덕턴스 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있으며, EMI(Electro-Magnetic Interference) 저감이 가능하다. 다양한 멀티레벨 컨버터 중에서 NPC 컨버터는 구조의 간단성과 제어의 용이성에 의해 산업계에서 널리 사용되고 있다.

DC 링크 커패시터는 NPC 컨버터의 중요한 부분 중 하나이며, 출력전압을 안정화시키며 전력 변환 시 전압을 유지시켜 일정한 전압 공급을 가능하도록 하는 역할을 수행한다. 커패시터는 환경적 요인과 전해질의 증발로 인해 노화되어 DC 링크의 두 커패시터의 전하량은 완벽하게 같을 수가 없다. 그러므로, 중성점 전압에 편차가 생기며 이 편차가 커질수록 리플이 커진다. 다양한 이유로 발생된 전압 리플은 커패시터의 전하량과 수명에 영향을 주며 이는 커패시터의 성능을 저하시킨다. 그러므로 컨버터 설계 시 전압 리플을 줄이는 방법은 중요한 요소 중 하나이다.

NPC 컨버터의 DC 링크 커패시터 전압 리플의 주요 성분은 두 가지 주파수로 구성된다. 기본파의 3배의 주파수를 가진 3고조파 성분과 스위칭 주파수 대역과 그 정수배의 성분이다. 스위칭 주파수 대역과 그 이상의 리플 성분들은 쉽게 필터링되지만, 3-레벨 NPC 컨버터의 중성점 전위 변동으로 인해 생기는 중성점 전류의 3고조파는 DC 링크의 2개의 커패시터 전압의 주요한 리플로 나타난다. 이러한 DC 링크의 전압 리플은 DC 링크 커패시터의 크기를 증가시키고 출력 AC 전압 및 전류의 THD(Total Harmonic Distortion)를 증가시키는 단점이 있다.

그러므로 저차 고조파 억제 대책은 컨버터 설계 시 필수적으로 고려되어야 한다.

한국공개특허 10-2020-0007164호 한국등록특허 1792824호 한국공개특허 10-2014-0013863호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3상 3레벨 NPC 컨버터에서, 지그재그 변압기의 중성점이 DC 링크의 제1 커패시터() 와 제2 커패시터()의 연결점(Z)으로서 중성점에 접속되게 구성하여, NPC의 DC 링크 커패시터 전압의 3고조파 성분을 보상하고, 커패시터 전압 리플을 저감하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은, 교류계통의 그리드와, 상기 교류계통의 그리드와 연결되어 스위칭 동작을 하는 스위칭부와, 상위 레벨(노드 H)의 전압을 출력하는 제1 커패시터()과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 제2 커패시터()를 구비한 DC 링크단을 포함하는 AC/DC 전력변환장치에 있어서, 지그재그 변압기가 상기 교류계통의 그리드에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)에 접속되게 구성하는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치를 제공한다.

또한, 상기 스위칭부는 제1레그, 제2레그, 제3레그의 3개의 레그들로 구성되고, 각각의 제1레그, 제2레그, 제3레그는 모두 동일한 구조를 가지며, 각 레그는 제1 내지 제4 트랜지스터의 4개의 스위칭 소자와 제1 및 제2 클램프 다이오드를 구비하고, 총 12개의 스위칭 소자와 6개의 클램핑 다이오드를 구비하여, 상기 AC/DC 전력변환장치는 3레벨 NPC 컨버터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1레그, 제2레그, 제3레그들은 서로 120도의 위상차를 가지는 교류 신호들을 출력단에 출력하며, 서로 120도의 위상차를 가지는 3상 교류계통 그리드의 입력 전압들에 따라 동작하며, 서로 120도의 위상차를 가지는 3개의 출력 전류들을 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 델타 또는 와이결선으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)에서의 중성점 전류 제어기는 PR 제어기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지그재그 변압기와 상기 스위칭부 사이에는 보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 3상 3레벨 NPC 컨버터에서, 지그재그 변압기의 중성점이 DC 링크의 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)으로서 중성점에 접속되게 구성한다.

이를 통해, 지그재그 변압기가 교류 영상분 성분에 대하여 낮은 임피던스를 가지는 특성을 이용하여 NPC의 DC 링크 커패시터 전압의 3고조파 성분을 보상하고, 커패시터 전압 리플을 저감할 수 있게 한다.

도 1은 일반적인 3상 3-level NPC 컨버터의 등가회로도,
도 2는 일반적인 지그재그 변압기를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 3-level NPC 컨버터의 회로도를 나타낸 것이다.
도 4는 중성점 전류의 3 고조파 성분의 제어기를 나타낸 블럭도이다.
도 5a는 커패시터의 3 고조파 전압을 옵셋 전압으로 보상하지 않았을 경우의 DC 링크 커패시터의 전압 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프, 도 5b는 옵셋 전압으로 보상하였을 경우의 DC 링크 커패시터 전압 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 2초에 커패시터 전압 리플을 보상하였을 때의 컨버터 출력 전류 그래프,
도 7은 계통 상전류를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 NPC 컨버터에서 DC 링크에 흐르는 중성점 전류의 지배적인 고조파 성분인 3고조파의 발생원리를 분석한다. 지그재그 변압기는 교류 영상분 성분에 대하여 낮은 임피던스를 가진다. 이러한 특성을 이용하여 NPC의 DC 링크 커패시터 전압의 3고조파 성분을 보상하여, 커패시터 전압 리플을 저감하는 방법을 제공한다.마지막으로 시뮬레이션을 통해 본 발명에 따른 커패시터 전압 리플 저감 방법을 검증한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 3레벨 NPC 컨버터에 대해 자세히 설명한다.

<NPC 컨버터 커패시터 리플 저감 기법>

<NPC 컨버터의 중성단 3 고조파 전류 발생원리>

도 1은 3상 3-level NPC 컨버터의 등가회로도이다.

KCL(Kirchhoff's Current Law)에 의해 에 흐르는 전류는 다음 수학식1과 같다.

또한, 수학식 1을 정리하면 다음 수학식 2와 같다.

, 는 커패시터 , 에 흐르는 전류이며, 두 전류의 차가 중성점 전류()로 나타나는 것을 수학식 2를 통해 알 수 있다.

도 1의 스위칭 함수는 다음 수학식 3과 같다.

스위칭 함수의 값 중 1은 노드H, 0은 노드N, -1은 노드L에 연결되었을 때의 값이다. 중성점 전류()는 3상 상전류()와 연관이 있으며, 이를 스위칭 함수를 고려하여 나타내면 다음 수학식 4와 같다.

스위칭 함수는 다음 수학식 5와 같이 2개의 주파수 로 각각 구분할 수 있다.

본 발명에서는 NPC 컨버터 중성단의 3 고조파 발생 원인을 분석하기 위해 기본파 성분의 주파수만 고려하였다.

기본파 성분의 주파수만 고려한 스위칭 함수()는 다음 수학식 6과 같이, 출력 전류는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다/.

수학식 6 및 수학식 7에 의해 수학식 4는 다음 수학식 8과 같이 나타나며, 중성점 전류()는 3고조파 성분을 가짐을 볼 수 있다.

<전체 시스템 구성 및 제어 기법>

여기서, 지그재그 변압기 특성과 본 발명에 따른 지그재그 변압기를 이용한 3-level NPC 회로에 대한 동작원리를 설명하고, DC 링크 커패시터 전압 리플 저감 기법에 대하여 설명한다.

<A. 지그재그 변압기 특성>

도 2는 지그 재그 변압기를 나타낸 도면이다.

지그재그 변압기는, 도 2에 도시된 바와 같이, 자속이 서로 상쇄되어 영상분(3차, 9차) 전류를 제한함으로써 영상분 성분에 대한 낮은 임피던스를 가지는 특징이 있다. 이러한 특성 때문에 지그재그 변압기는 전력계통의 중성점 제공 및 보호를 위한 접지 목적으로 주로 사용되며 본 발명에서는 NPC 컨버터 중성점에 지그재그 변압기 중성단 제공을 목적으로 한다.

<B. 동작원리>

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 3-level NPC 컨버터의 회로도를 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 NPC 컨버터는 AC/DC 변환장치로서, 3상의 위상별 전원과, 상기 전원 각각의 일단과 연결되는 3개의 인덕턴스 성분들(L)로 구성되는 입력 전원부와, 각각의 위상별로 스위칭 동작을 하는 12개의 스위칭 소자와 6개의 클램핑 다이오드를 구비하는 스위칭부와, 기준점 N에 대하여 각 상의 상위 레벨(노드 H)의 전압을 출력하는 커패시터()과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 커패시터()를 구비한 출력부를 구비할 수 있다. 이때, 스위칭부는 제1레그, 제2레그, 제3레그의 3개의 레그들로 구성되고, 각각의 제1레그, 제2레그, 제3레그는 모두 동일한 구조를 가지며, 각 레그(제1, 제2, 제3 레그)는 제1 내지 제4 트랜지스터의 4개의 스위칭 소자와 제1 및 제2 클램프 다이오드를 구비한다. 이를 통해 총 12개의 스위칭 소자와 6개의 클램핑 다이오드를 구비하게 된다. 또한, 제1레그, 제2레그, 제3레그들은 서로 120도의 위상차를 가지는 교류 신호들을 출력단에 출력한다. 이에, 서로 120도의 위상차를 가지는 3상 입력 전압들에 따라 동작하며, 서로 120도의 위상차를 가지는 3개의 출력 전류들을 출력하게 된다.

또한, NPC(Neutral Point Clamped) 타입은, 직류단(DC link)에는 2개의 커패시터, 즉, 제1 커패시터()와 제2 커패시터()가 직렬구조로 연결되어 있고 커피시터 연결점(Z)을 중성점(Neutral-point)이라 정의한다. 따라서, 제1 커패시터()는 상위 레벨(노드 H)와 중성점(neutral point, Z) 사이에 연결되고, 제2 커패시터()는 중성점(Z)와 하위 레벨(노드 L) 사이에 연결된다.

또한, 3상의 교류 계통의 그리드가 입력 전원부가 되고 DC 커패시터 링크가 출력단이 된 예를 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 커패시터( ₁)과 커패시터()를 구비한 DC 링크가 입력 전원부가 되고 3상 교류 계통의 그리드가 출력단으로 AC/DC 또는 DC/AC 변환이 가능할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 지그재그 변압기는 3상의 위상별 교류 그리드에 직렬로 연결되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 직류단(DC link)에는 2개의 커패시터 연결점(Z), 즉 DC 링크 중성점(Neutral-point)과 일치하도록 결선하는 것을 특징으로 한다. 즉, 지그재그 변압기의 중성점이 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)에 연결되게 구성한다.

또한, 상기 지그재그 변압기는 3상의 교류 계통의 그리드 또는 부하(인덕턴스)에 델타 결선으로 직렬로 접속되어 AC측과 DC 측을 분리한다. 이때, 상기 델타 결선 대신에 와이결선으로 직렬로 접속할 수도 있다.

또한, 지그재그 변압기와 스위칭부 사이에는 인덕턴스와 저항 등으로 구성되는 보호회로가 더 구비될 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다.

이를 통해, 본 발명에서는 교류 영상분에 대해 낮은 임피던스를 가지는 지그재그 변압기의 중성단을 통하여 NPC의 주입 3 고조파 옵셋전압과 DC 링크 커패시터 전압 리플의 3 고조파 성분이 서로 상쇄되어 커패시터 전압 리플이 보상되게 한다.

<C. DC 링크 커패시터 전압 리플 저감 제어>

도 3에서 DC 링크 전압이 이상적일 때, 노드 H, L에 걸리는 전압은 일정하고 노드 Z에 걸리는 전압은 변한다. 이때, DC 링크 커패시터로 흐르는 전류 ,는 다음 수학식 9와 같다.

또한, 다음 수학식 10과 같이 키르히호프의 전류 법칙에 따라 중성점 전류는 각각의 커패시터에 절반씩 흐르며 중성점 전위 변동으로 인해 생기는 3고조파 전류를 포함하고 이는 커패시터의 3고조파 전압으로 나타난다.

DC 링크 커패시터의 전압 크기는 부하와 커패시터의 전하량 그리고 전압 변조기법에 의해 결정된다,

하지만, 전압 리플은 커패시터를 통해 흐르는 전류에 의해 결정된다. 따라서, 중성점 전류의 3 고조파 성분을 제어함으로써 커패시터의 전압 리플을 저감할 수 있다.

중성점 전류의 3 고조파 성분의 제어기는 도 4와 같다.

도 4를 참조하면, 3상 3레벨 NPC 컨버터 회로의 구동을 위한 제어 구성으로는 측정된 순환전류를 0으로 제어하기 위해(중성점 전류에서 오차값이 0으로 수렴되도록) PR(Proportional and Resonant) 제어기를 사용하며, PR 제어기의 출력은 옵셋 전압으로 나타난다.

즉, PR(Proportional and Resonant) 제어기를 사용하여 3 고조파 성분을 제어하였으며, 제어기 출력은 옵셋전압으로 나타나며, 이는 DC link 전압제어와 직류단의 DC 옵셋(offset) 주입을 위한 직류단 전류제어로 PR 제어기 출력을 이용할 수 있다.

이때, 상기 PR 제어기 출력인 옵셋전압은 3상 3레벨 NPC 컨버터 DC 링크 커패시터 전압 지령에 더해지게 된다.

<시뮬레이션 결과>

제안된 회로 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 8kW 급 3-level NPC 컨버터를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.

표 1은 시뮬레이션 매개변수(parameter) 값을 나타낸 것이다.

매개변수(parameter)	값
출력 파워(Output Power)	8kW
AC 전압(line to line rms)	380V/60Hz
DC 링크 전압(DC-link Voltage)	800V
DC 링크 커패시터(DC-link Capacitor)	300μF
스위칭 주파수(Switching frequency)	10kHz
역률(Power Factor)	1

도 5a는 커패시터의 3 고조파 전압을 옵셋 전압으로 보상하지 않았을 경우의 DC 링크 커패시터의 전압이고, 도 5b는 옵셋 전압으로 보상하였을 경우의 DC 링크 커패시터 전압이다.

NPC의 3 고조파 전압과 지그재그 중성단으로 보상된 3 고조파 전압이 상쇄되어 본 조건하에서 시뮬레이션 결과는 커패시터 전압 리플이 31V에서 16V로 약 50% 감소하였다.

또한, 제안한 기법을 적용하였을 경우의 커패시터 전압 리플 크기는 제안한 기법 적용하기 전 커패시터의 전하량이 500μF 일때와 같으므로 DC 링크 커패시터의 크기를 약 40% 감소시킬 수 있다.

도 6은 2초에 커패시터 전압 리플을 보상하였을 때의 컨버터 출력 전류 그래프이다.

도 6을 참조하면, 3 고조파 전압 리플을 보상하기 전보다 보상 후에 컨버터 출력 전류 피크 값이 23.08A에서 20.67A로 약 10% 줄어들었다.

이는 커패시터 3 고조파 전압이 지그재그 변압기의 중성단을 통해 컨버터 출력전류의 최대값을 감소시키기 때문이며, 이로 인해 전력반도체 스위치의 정격과 손실을 낮출 수 있다.

도 7은 계통 상전류이다. 컨버터 출력 전류의 THD는 20.37%이지만 계통 상전류의 THD는 3.5% 으로 배전계통 고조파 관리 기준을 충족시킨다.

<결론>

본 발명에서는 지그재그 변압기를 이용하여 3상 3-level NPC 컨버터의 DC 링크 커패시터 리플 저감 기법을 제안하였다.

3상 3-level NPC의 중성점 전류의 3 고조파 성분을 분석하였으며, 지그재그 변압기와 중성점 전류의 3 고조파 성분 제어를 통해 DC 링크 커패시터 전압 리플 저감하였다. 제안된 기법은 8kW 급 3-level NPC 컨버터의 컴퓨터 시뮬레이션으로 검증하였다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 3상 교류계통의 그리드 입력부와, 상기 3상 교류계통의 그리드 입력부와 연결되어 스위칭 동작을 하는 스위칭부와, 기준점 N에 대하여 상위 레벨(노드 H)의 전압을 출력하는 제1 커패시터()과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 제2 커패시터()를 구비한 DC 링크단 출력부를 포함하는 3레벨 NPC 컨버터에 있어서,
   서로 120도의 위상차를 가지는 3상 교류계통 그리드의 입력 전압들에 따라 동작하며, 서로 120도의 위상차를 가지는 3개의 출력 전류들을 출력하며,
   지그재그 변압기가 상기 3상 교류계통의 그리드 입력부에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)에 접속되게 구성하고,
   상기 제1 커패시터()와 제2 커패시터()의 연결점(Z)에서의 중성점 전류 오차값이 0이 되게 하는 전류 제어기가 더 추가되고,
   상기 전류 제어기는 PR 제어기로 구성되고, 상기 PR 제어기의 출력은 옵셋 전압으로 나타내는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 NPC 컨버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭부는, 제1레그, 제2레그, 제3레그의 3개의 레그들로 구성되고, 각각의 제1레그, 제2레그, 제3레그는 모두 동일한 구조를 가지며,
   각 레그는 제1 내지 제4 트랜지스터의 4개의 스위칭 소자와 제1 및 제2 클램프 다이오드를 구비하고,
   총 12개의 스위칭 소자와 6개의 클램핑 다이오드를 구비하고,
   상기 제1레그, 제2레그, 제3레그들은 서로 120도의 위상차를 가지는 교류 신호들을 상기 DC 링크단 출력부에 출력하는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 NPC 컨버터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 지그재그 변압기와 상기 스위칭부 사이에는 보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 NPC 컨버터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 지그재그 변압기는 3상 교류계통의 그리드 입력부의 전원 또는 부하에 델타 또는 와이결선으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 NPC 컨버터.
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