KR20230076248A - 3­level Neutral Point Clamped Converter for Capacitor Ripple Reduction Using Zigzag Transformer - Google Patents

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최성휘
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Abstract

The present invention relates to an AC/DC power conversion device comprising: a grid of an AC system; a switching unit connected to the grid of the AC system and performing a switching operation; and a DC link terminal including a first capacitor that outputs a voltage at a higher level (node H) and a second capacitor that outputs a voltage at a lower level (node L) for a reference point N, wherein a zigzag transformer is connected to the grid of the AC system, and a neutral point of the zigzag transformer is connected to a connection point (Z) of the first capacitor and the second capacitor.

Description

커패시터 리플 감소를 위한 지그재그 변압기를 이용한 3레벨 NPC 컨버터{３­level Neutral Point Clamped Converter for Capacitor Ripple Reduction Using Zigzag Transformer} 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.The present invention relates to a multi-level converter, and more particularly, to a 3-level NPC converter in which a capacitor ripple is reduced by using a zigzag transformer.

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.In general, 2-level converters have been widely used in industry before multi-level converters have been developed. Meanwhile, due to industrial development and load increase, the nominal power of the distribution system continues to increase, and accordingly, 3-level and multi-level converters are being studied a lot.

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. Multilevel converters include NPC (Neutral Point Clamped) converter, CHB (Cascaded H-Bridge) converter, FCMC (Flying Capacitor Multilevel Converter), MMC (Modular Multilevel Converter), etc. It has the advantage of reducing the size of the inductance of the filter by reducing the size of , and it is possible to reduce EMI (Electro-Magnetic Interference). Among various multilevel converters, NPC converters are widely used in the industry due to their simple structure and ease of control.

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.The DC link capacitor is one of the important parts of the NPC converter and plays a role in stabilizing the output voltage and maintaining the voltage during power conversion to enable constant voltage supply. Capacitors age due to environmental factors and evaporation of electrolyte, so the charge of the two capacitors in the DC link cannot be perfectly equal. Therefore, a deviation occurs in the neutral point voltage, and the larger the deviation, the larger the ripple. The voltage ripple generated for various reasons affects the charge amount and lifetime of the capacitor, which degrades the performance of the capacitor. Therefore, how to reduce voltage ripple is one of the important factors in converter design.

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. The main components of the DC link capacitor voltage ripple in NPC converters consist of two frequencies. It is the 3rd harmonic component with a frequency 3 times the fundamental wave and the components of the switching frequency band and its integer multiples. Ripple components above the switching frequency band are easily filtered out, but the third harmonic of the neutral point current due to the neutral point potential fluctuation of the 3-level NPC converter appears as the main ripple of the voltage of the two capacitors in the DC link. The voltage ripple of this DC link has the disadvantage of increasing the size of the DC link capacitor and increasing the Total Harmonic Distortion (THD) of the output AC voltage and current.

그러므로 저차 고조파 억제 대책은 컨버터 설계 시 필수적으로 고려되어야 한다. Therefore, countermeasures to suppress low-order harmonics must be considered when designing a converter.

한국공개특허 10-2020-0007164호Korean Patent Publication No. 10-2020-0007164 한국등록특허 1792824호Korea Patent No. 1792824 한국공개특허 10-2014-0013863호Korean Patent Publication No. 10-2014-0013863

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3상 3레벨 NPC 컨버터에서, 지그재그 변압기의 중성점이 DC 링크의 제1 커패시터(

Figure pat00001
) 와 제2 커패시터(
Figure pat00002
)의 연결점(Z)으로서 중성점에 접속되게 구성하여, NPC의 DC 링크 커패시터 전압의 3고조파 성분을 보상하고, 커패시터 전압 리플을 저감하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, in a 3-phase 3-level NPC converter, the neutral point of the zigzag transformer is the first capacitor of the DC link (
Figure pat00001
) and the second capacitor (
Figure pat00002
) is configured to be connected to the neutral point as the connection point (Z) of the NPC, and the purpose is to compensate for the third harmonic component of the DC link capacitor voltage of the NPC and reduce the capacitor voltage ripple.

이를 위해, 본 발명은, 교류계통의 그리드와, 상기 교류계통의 그리드와 연결되어 스위칭 동작을 하는 스위칭부와, 상위 레벨(노드 H)의 전압을 출력하는 제1 커패시터(

Figure pat00003
)과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 제2 커패시터(
Figure pat00004
)를 구비한 DC 링크단을 포함하는 AC/DC 전력변환장치에 있어서, 지그재그 변압기가 상기 교류계통의 그리드에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 제1 커패시터(
Figure pat00005
)와 제2 커패시터(
Figure pat00006
)의 연결점(Z)에 접속되게 구성하는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치를 제공한다.To this end, the present invention provides a grid of an AC system, a switching unit connected to the grid of the AC system and performing a switching operation, and a first capacitor outputting a voltage of an upper level (node H) (
Figure pat00003
) and a second capacitor outputting a voltage of the lower level (node L) (
Figure pat00004
In the AC / DC power converter including a DC link terminal having a ), a zigzag transformer is connected to the grid of the AC system, and the neutral point of the zigzag transformer is the first capacitor (
Figure pat00005
) and the second capacitor (
Figure pat00006
) Provides an AC / DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that configured to be connected to the connection point (Z) of.

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.In addition, the switching unit is composed of three legs of a first leg, a second leg, and a third leg, and each of the first leg, the second leg, and the third leg has the same structure, and each leg has a first leg 4 switching elements of the to 4th transistors and first and second clamp diodes, and a total of 12 switching elements and 6 clamping diodes, and the AC/DC power converter is a 3-level NPC converter. to be

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.In addition, the first leg, the second leg, and the third leg output AC signals having a phase difference of 120 degrees from each other to the output terminal, and operate according to input voltages of a three-phase AC system grid having a phase difference of 120 degrees from each other. It is characterized by outputting three output currents having a phase difference of 120 degrees.

또한, 상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 델타 또는 와이결선으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 한다.In addition, the zigzag transformer is characterized in that it is connected in series to the grid or load of the AC system in a delta or wye connection.

또한, 상기 제1 커패시터(

Figure pat00007
)와 제2 커패시터(
Figure pat00008
)의 연결점(Z)에서의 중성점 전류 제어기는 PR 제어기로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first capacitor (
Figure pat00007
) and the second capacitor (
Figure pat00008
) is characterized in that the neutral point current controller at the connection point (Z) is composed of a PR controller.

또한, 상기 지그재그 변압기와 상기 스위칭부 사이에는 보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.In addition, a protection circuit may be further included between the zigzag transformer and the switching unit.

본 발명은 3상 3레벨 NPC 컨버터에서, 지그재그 변압기의 중성점이 DC 링크의 제1 커패시터(

Figure pat00009
)와 제2 커패시터(
Figure pat00010
)의 연결점(Z)으로서 중성점에 접속되게 구성한다.In the present invention, in a 3-phase 3-level NPC converter, the neutral point of the zigzag transformer is the first capacitor of the DC link (
Figure pat00009
) and the second capacitor (
Figure pat00010
) is configured to be connected to the neutral point as the connection point (Z).

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.Through this, it is possible to compensate for the third harmonic component of the DC link capacitor voltage of the NPC and reduce the capacitor voltage ripple by using the characteristic that the zigzag transformer has a low impedance with respect to the AC zero component.

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.1 is an equivalent circuit diagram of a general 3-phase 3-level NPC converter;
2 is a view showing a general zigzag transformer;
3 shows a circuit diagram of a 3-phase 3-level NPC converter according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 4 is a block diagram showing a controller of the third harmonic component of the neutral point current.
5A is a graph showing voltage simulation results of the DC link capacitor when the third harmonic voltage of the capacitor is not compensated with the offset voltage, and FIG. 5B is a graph showing the DC link capacitor voltage simulation results when the offset voltage is compensated.
6 is a graph of the converter output current when the capacitor voltage ripple is compensated for at 2 seconds;
7 is a graph showing system phase current.

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.The present invention analyzes the generation principle of the third harmonic, which is the dominant harmonic component of the neutral point current flowing in the DC link in the NPC converter. The zigzag transformer has a low impedance with respect to the AC zero component. A method of reducing the capacitor voltage ripple by compensating for the third harmonic component of the DC link capacitor voltage of the NPC using these characteristics is provided. Finally, the method of reducing the capacitor voltage ripple according to the present invention is verified through simulation.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 3레벨 NPC 컨버터에 대해 자세히 설명한다.Hereinafter, a three-phase, three-level NPC converter according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

<NPC 컨버터 커패시터 리플 저감 기법><NPC converter capacitor ripple reduction technique>

<NPC 컨버터의 중성단 3 고조파 전류 발생원리><Principle of generation of 3rd harmonic current in neutral stage of NPC converter>

도 1은 3상 3-level NPC 컨버터의 등가회로도이다. 1 is an equivalent circuit diagram of a 3-phase 3-level NPC converter.

KCL(Kirchhoff's Current Law)에 의해

Figure pat00011
에 흐르는 전류는 다음 수학식1과 같다.According to KCL (Kirchhoff's Current Law)
Figure pat00011
The current flowing through is as shown in Equation 1 below.

Figure pat00012
Figure pat00012

또한, 수학식 1을 정리하면 다음 수학식 2와 같다.In addition, Equation 1 is summarized as Equation 2 below.

Figure pat00013
Figure pat00013

Figure pat00014
,
Figure pat00015
는 커패시터
Figure pat00016
,
Figure pat00017
에 흐르는 전류이며, 두 전류의 차가 중성점 전류(
Figure pat00018
)로 나타나는 것을 수학식 2를 통해 알 수 있다.
Figure pat00014
,
Figure pat00015
is the capacitor
Figure pat00016
,
Figure pat00017
is the current flowing in , and the difference between the two currents is the neutral point current (
Figure pat00018
) can be seen through Equation 2.

도 1의 스위칭 함수는 다음 수학식 3과 같다.The switching function of FIG. 1 is expressed in Equation 3 below.

Figure pat00019
Figure pat00019

스위칭 함수의 값 중 1은 노드H, 0은 노드N, -1은 노드L에 연결되었을 때의 값이다. 중성점 전류(

Figure pat00020
)는 3상 상전류(
Figure pat00021
)와 연관이 있으며, 이를 스위칭 함수를 고려하여 나타내면 다음 수학식 4와 같다.Among the values of the switching function, 1 is the value when connected to node H, 0 to node N, and -1 to node L. neutral point current (
Figure pat00020
) is the three-phase phase current (
Figure pat00021
), which is expressed in consideration of the switching function as shown in Equation 4 below.

Figure pat00022
Figure pat00022

스위칭 함수는 다음 수학식 5와 같이 2개의 주파수

Figure pat00023
로 각각 구분할 수 있다.The switching function is two frequencies as shown in Equation 5 below.
Figure pat00023
can be distinguished from each other.

본 발명에서는 NPC 컨버터 중성단의 3 고조파 발생 원인을 분석하기 위해 기본파 성분의 주파수만 고려하였다.In the present invention, only the frequency of the fundamental component was considered in order to analyze the cause of the third harmonic in the neutral point of the NPC converter.

Figure pat00024
Figure pat00024

기본파 성분의 주파수만 고려한 스위칭 함수(

Figure pat00025
)는 다음 수학식 6과 같이, 출력 전류는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다/.A switching function considering only the frequency of the fundamental wave component (
Figure pat00025
) can be expressed as in Equation 6 below, and the output current can be expressed as in Equation 7 below.

Figure pat00026
Figure pat00026

Figure pat00027
Figure pat00027

수학식 6 및 수학식 7에 의해 수학식 4는 다음 수학식 8과 같이 나타나며, 중성점 전류(

Figure pat00028
)는 3고조파 성분을 가짐을 볼 수 있다.By Equation 6 and Equation 7, Equation 4 is expressed as Equation 8 below, and the neutral point current (
Figure pat00028
) has a third harmonic component.

Figure pat00029
Figure pat00029

<전체 시스템 구성 및 제어 기법><Overall system configuration and control technique>

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.Here, the characteristics of the zigzag transformer and the operating principle of the 3-level NPC circuit using the zigzag transformer according to the present invention will be described, and the DC link capacitor voltage ripple reduction technique will be described.

<A. 지그재그 변압기 특성><A. Zigzag Transformer Characteristics>

도 2는 지그 재그 변압기를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing a zigzag transformer.

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.As shown in FIG. 2, the zigzag transformer has a characteristic of having a low impedance for the zero-sequence component by limiting the zero-sequence (third-order, ninth-order) current by canceling magnetic fluxes with each other. Because of these characteristics, the zigzag transformer is mainly used for grounding purposes for providing and protecting the neutral point of the power system, and in the present invention, the neutral point of the zigzag transformer is provided at the neutral point of the NPC converter.

<B. 동작원리><B. Operation principle>

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 3-level NPC 컨버터의 회로도를 나타낸 것이다.3 shows a circuit diagram of a 3-phase 3-level NPC converter according to a preferred embodiment of the present invention.

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(

Figure pat00030
)과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 커패시터(
Figure pat00031
)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.Referring to FIG. 3, the NPC converter according to the present invention is an AC/DC converter, and includes an input power supply unit composed of three phase-specific power sources and three inductance components (L) connected to one end of each of the power sources; A switching unit having 12 switching elements and 6 clamping diodes that perform a switching operation for each phase, and a capacitor outputting a voltage of the upper level (node H) of each phase with respect to the reference point N (
Figure pat00030
) and a capacitor that outputs a voltage of the lower level (node L) (
Figure pat00031
) may be provided with an output unit. At this time, the switching unit is composed of three legs of a first leg, a second leg, and a third leg, and each of the first leg, the second leg, and the third leg has the same structure, and each leg (first, The second and third legs) include four switching elements of first to fourth transistors and first and second clamp diodes. Through this, a total of 12 switching elements and 6 clamping diodes are provided. In addition, the first leg, the second leg, and the third leg output AC signals having a phase difference of 120 degrees to the output terminal. Thus, it operates according to the three-phase input voltages having a phase difference of 120 degrees from each other, and outputs three output currents having a phase difference of 120 degrees from each other.

또한, NPC(Neutral Point Clamped) 타입은, 직류단(DC link)에는 2개의 커패시터, 즉, 제1 커패시터(

Figure pat00032
)와 제2 커패시터(
Figure pat00033
)가 직렬구조로 연결되어 있고 커피시터 연결점(Z)을 중성점(Neutral-point)이라 정의한다. 따라서, 제1 커패시터(
Figure pat00034
)는 상위 레벨(노드 H)와 중성점(neutral point, Z) 사이에 연결되고, 제2 커패시터(
Figure pat00035
)는 중성점(Z)와 하위 레벨(노드 L) 사이에 연결된다.In addition, the NPC (Neutral Point Clamped) type has two capacitors, that is, a first capacitor (DC link)
Figure pat00032
) and the second capacitor (
Figure pat00033
) are connected in series, and the coffee sitter connection point (Z) is defined as a neutral point. Therefore, the first capacitor (
Figure pat00034
) is connected between the upper level (node H) and the neutral point (Z), and the second capacitor (
Figure pat00035
) is connected between the neutral point (Z) and the lower level (node L).

또한, 3상의 교류 계통의 그리드가 입력 전원부가 되고 DC 커패시터 링크가 출력단이 된 예를 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 커패시터(

Figure pat00036
1)과 커패시터(
Figure pat00037
)를 구비한 DC 링크가 입력 전원부가 되고 3상 교류 계통의 그리드가 출력단으로 AC/DC 또는 DC/AC 변환이 가능할 수 있다.In addition, an example in which the grid of a three-phase AC system is an input power supply unit and a DC capacitor link is an output terminal is described, but is not limited thereto, and a capacitor (
Figure pat00036
1 ) and a capacitor (
Figure pat00037
) The DC link provided with the input power supply unit and the grid of the three-phase alternating current system may be capable of AC/DC or DC/AC conversion as an output terminal.

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(

Figure pat00038
)와 제2 커패시터(
Figure pat00039
)의 연결점(Z)에 연결되게 구성한다.In particular, in the present invention, the zigzag transformer is connected in series to the AC grid for each phase of the three phases, and the neutral point of the zigzag transformer is two capacitor connection points (Z) in the DC link, that is, the DC link neutral point (Neutral-point) It is characterized by wiring to match. That is, the neutral point of the zigzag transformer is the first capacitor (
Figure pat00038
) and the second capacitor (
Figure pat00039
) is configured to be connected to the connection point (Z).

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.In addition, the zigzag transformer is connected in series with a delta connection to a grid or load (inductance) of a three-phase AC system to separate the AC side and the DC side. At this time, instead of the delta connection, they may be connected in series with a wye connection.

또한, 지그재그 변압기와 스위칭부 사이에는 인덕턴스와 저항 등으로 구성되는 보호회로가 더 구비될 수 있으며, 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다. In addition, a protection circuit composed of inductance and resistance may be further provided between the zigzag transformer and the switching unit, which is apparent to those skilled in the art according to the present invention.

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.Through this, in the present invention, through the neutral terminal of the zigzag transformer having low impedance for the AC zero component, the 3rd harmonic offset voltage injected by the NPC and the 3rd harmonic component of the DC link capacitor voltage ripple cancel each other so that the capacitor voltage ripple is compensated. .

<C. DC 링크 커패시터 전압 리플 저감 제어><C. DC Link Capacitor Voltage Ripple Reduction Control>

도 3에서 DC 링크 전압이 이상적일 때, 노드 H, L에 걸리는 전압은 일정하고 노드 Z에 걸리는 전압은 변한다. 이때, DC 링크 커패시터로 흐르는 전류

Figure pat00040
,
Figure pat00041
는 다음 수학식 9와 같다.3, when the DC link voltage is ideal, the voltage across the nodes H and L is constant and the voltage across the node Z varies. At this time, the current flowing into the DC link capacitor
Figure pat00040
,
Figure pat00041
Is equal to the following Equation 9.

Figure pat00042
Figure pat00042

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.In addition, according to Kirchhoff's current law, as shown in Equation 10, the neutral point current flows halfway through each capacitor and includes the third harmonic current caused by the change in neutral point potential, which is represented as the third harmonic voltage of the capacitor.

Figure pat00043
Figure pat00043

DC 링크 커패시터의 전압 크기는 부하와 커패시터의 전하량 그리고 전압 변조기법에 의해 결정된다,The voltage magnitude of the DC link capacitor is determined by the load, the charge amount of the capacitor, and the voltage modulation technique.

하지만, 전압 리플은 커패시터를 통해 흐르는 전류에 의해 결정된다. 따라서, 중성점 전류의 3 고조파 성분을 제어함으로써 커패시터의 전압 리플을 저감할 수 있다.However, the voltage ripple is determined by the current flowing through the capacitor. Therefore, the voltage ripple of the capacitor can be reduced by controlling the third harmonic component of the neutral point current.

중성점 전류의 3 고조파 성분의 제어기는 도 4와 같다.The controller of the third harmonic component of the neutral point current is shown in FIG. 4 .

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.Referring to FIG. 4, as a control configuration for driving the 3-phase 3-level NPC converter circuit, a proportional and resonant (PR) controller is used to control the measured circulating current to 0 (so that the error value converges to 0 at the neutral point current). is used, and the output of the PR controller appears as an offset voltage.

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.That is, the 3rd harmonic component was controlled using a PR (Proportional and Resonant) controller, and the output of the controller appears as an offset voltage, which is a DC link voltage control and DC link current control for DC offset injection of the DC link. Controller outputs are available.

이때, 상기 PR 제어기 출력인 옵셋전압은 3상 3레벨 NPC 컨버터 DC 링크 커패시터 전압 지령에 더해지게 된다.At this time, the offset voltage, which is the output of the PR controller, is added to the DC link capacitor voltage command of the 3-phase 3-level NPC converter.

<시뮬레이션 결과><Simulation result>

제안된 회로 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 8kW 급 3-level NPC 컨버터를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.To verify the proposed circuit and control algorithm, a simulation was performed for an 8kW class 3-level NPC converter.

표 1은 시뮬레이션 매개변수(parameter) 값을 나타낸 것이다. Table 1 shows simulation parameter values.

매개변수(parameter)parameter 값value 출력 파워(Output Power)Output Power 8kW8kW AC 전압(line to line rms)AC voltage (line to line rms) 380V/60Hz380V/60Hz DC 링크 전압(DC-link Voltage)DC-link Voltage 800V800V DC 링크 커패시터(DC-link Capacitor)DC-link Capacitor 300μF300μF 스위칭 주파수(Switching frequency)Switching frequency 10kHz10 kHz 역률(Power Factor)Power Factor 1One

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.5A is the voltage of the DC link capacitor when the third harmonic voltage of the capacitor is not compensated with the offset voltage, and FIG. 5B is the DC link capacitor voltage when the offset voltage is compensated.

NPC의 3 고조파 전압과 지그재그 중성단으로 보상된 3 고조파 전압이 상쇄되어 본 조건하에서 시뮬레이션 결과는 커패시터 전압 리플이 31V에서 16V로 약 50% 감소하였다.The 3rd harmonic voltage of NPC and the 3rd harmonic voltage compensated by the zigzag neutral point cancel out, and the simulation result shows that the capacitor voltage ripple is reduced by about 50% from 31V to 16V under this condition.

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.In addition, since the size of the capacitor voltage ripple when the proposed technique is applied is the same as when the charge amount of the capacitor is 500 μF before applying the proposed technique, the size of the DC link capacitor can be reduced by about 40%.

도 6은 2초에 커패시터 전압 리플을 보상하였을 때의 컨버터 출력 전류 그래프이다.6 is a graph of the converter output current when the capacitor voltage ripple is compensated for at 2 seconds.

도 6을 참조하면, 3 고조파 전압 리플을 보상하기 전보다 보상 후에 컨버터 출력 전류 피크 값이 23.08A에서 20.67A로 약 10% 줄어들었다.Referring to FIG. 6 , the converter output current peak value is reduced by about 10% from 23.08A to 20.67A after compensation than before compensation for the third harmonic voltage ripple.

이는 커패시터 3 고조파 전압이 지그재그 변압기의 중성단을 통해 컨버터 출력전류의 최대값을 감소시키기 때문이며, 이로 인해 전력반도체 스위치의 정격과 손실을 낮출 수 있다.This is because the capacitor 3 harmonic voltage reduces the maximum value of the converter output current through the neutral point of the zigzag transformer, thereby lowering the rating and loss of the power semiconductor switch.

도 7은 계통 상전류이다. 컨버터 출력 전류의 THD는 20.37%이지만 계통 상전류의 THD는 3.5% 으로 배전계통 고조파 관리 기준을 충족시킨다.7 is a system phase current. The THD of the converter output current is 20.37%, but the THD of the grid phase current is 3.5%, which satisfies the distribution system harmonic management standard.

<결론><Conclusion>

본 발명에서는 지그재그 변압기를 이용하여 3상 3-level NPC 컨버터의 DC 링크 커패시터 리플 저감 기법을 제안하였다.In the present invention, a DC link capacitor ripple reduction technique of a 3-phase 3-level NPC converter using a zigzag transformer is proposed.

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.The 3rd harmonic component of the neutral point current of the 3-phase 3-level NPC was analyzed, and the voltage ripple of the DC link capacitor was reduced by controlling the 3rd harmonic component of the neutral point current with a zigzag transformer. The proposed method was verified by computer simulation of an 8kW class 3-level NPC converter.

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.In the above description, the present invention has been shown and described in relation to specific embodiments, but it is common knowledge in the art that various modifications and changes are possible without departing from the spirit and scope of the invention indicated by the claims. Anyone who has it will be able to easily understand.

Claims (6)

교류계통의 그리드와, 상기 교류계통의 그리드와 연결되어 스위칭 동작을 하는 스위칭부와, 기준점 N에 대하여 상위 레벨(노드 H)의 전압을 출력하는 제1 커패시터(
Figure pat00044
)과 하위 레벨(노드 L)의 전압을 출력하는 제2 커패시터(
Figure pat00045
)를 구비한 DC 링크단을 포함하는 AC/DC 전력변환장치에 있어서,
지그재그 변압기가 상기 교류계통의 그리드에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 제1 커패시터(
Figure pat00046
)와 제2 커패시터(
Figure pat00047
)의 연결점(Z)에 접속되게 구성하는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치.A grid of an AC system, a switching unit connected to the grid of the AC system and performing a switching operation, and a first capacitor outputting a voltage of a higher level (node H) with respect to the reference point N (
Figure pat00044
) and a second capacitor outputting a voltage of the lower level (node L) (
Figure pat00045
) In the AC / DC power converter including a DC link terminal having a,
A zigzag transformer is connected to the grid of the AC system, and the neutral point of the zigzag transformer is the first capacitor (
Figure pat00046
) and the second capacitor (
Figure pat00047
) AC / DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that configured to be connected to the connection point (Z) of. 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 구비하여,
상기 AC/DC 전력변환장치는 3레벨 NPC 컨버터인 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치.According to claim 1,
The switching unit is composed of three legs of a first leg, a second leg, and a third leg,
Each of the first leg, second leg, and third leg has the same structure,
Each leg includes four switching elements of first to fourth transistors and first and second clamp diodes,
With a total of 12 switching elements and 6 clamping diodes,
The AC / DC power converter is an AC / DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that the 3-level NPC converter. 제2항에 있어서,
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 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치.According to claim 2,
The first leg, the second leg, and the third leg output AC signals having a phase difference of 120 degrees to an output terminal;
AC / DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that it operates according to the input voltages of the three-phase AC grid having a phase difference of 120 degrees from each other and outputs three output currents having a phase difference of 120 degrees from each other. 제3항에 있어서,
상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 델타 또는 와이결선으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치.According to claim 3,
The zigzag transformer is an AC / DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that connected in series to the grid or load of the AC system in a delta or wye connection. 제1항에 있어서,
상기 제1 커패시터(
Figure pat00048
)와 제2 커패시터(
Figure pat00049
)의 연결점(Z)에서의 중성점 전류 제어기는 PR 제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치.According to claim 1,
The first capacitor (
Figure pat00048
) and the second capacitor (
Figure pat00049
) AC / DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that the neutral point current controller at the connection point (Z) is composed of a PR controller. 제1항에 있어서,
상기 지그재그 변압기와 상기 스위칭부 사이에는 보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 지그재그 변압기를 이용한 AC/DC 전력변환장치.According to claim 1,
An AC/DC power converter using a zigzag transformer, characterized in that a protection circuit is further included between the zigzag transformer and the switching unit.
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