WO2022270818A1 - Bipolar power conversion device using zig-zag transformer - Google Patents

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WO2022270818A1
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정재정
최성휘
이승용
김예린
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a bipolar power conversion device using a zig-zag transformer with respect to a cathode of a DC power source provided from a direct current distribution system, so as to enable independent power control of respective poles and load-side control dynamic characteristics to be improved. To this end, the bipolar power conversion device according to the present invention comprises: power sources of the cathode and an anode; first and second power conversion devices, which perform conversion on the basis of AC/DC from the power sources of the cathode and the anode, so as to output as a grid or a load; and a zig-zag transformer connected between the first and second power conversion devices and the grid or the load, wherein the zig-zag transformer is connected to a point of common coupling (PCC) end of the first and second power conversion devices, and is wired such that the neutral point of the zig-zag transformer coincides with the neutral point of the cathode or anode power source.

Description

지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치Bipolar power converter using zigzag transformer
본 발명은 직류배전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 양극에 대해 지그재그 변압기를 이용하여 각 극의 독립적인 전력제어 및 부하측 제어 동특성 향상이 가능한 바이폴러 전력변환장치에 관한 것이다. The present invention relates to a DC power distribution system, and more particularly, to a bipolar power converter capable of independent power control of each pole and improvement of load-side control dynamic characteristics by using a zigzag transformer for the poles of DC power supplied from the DC distribution system. It is about.
석탄, 석유 등 화석연료의 연소로 인한 이산화탄소(온실가스)의 배출 문제가 심각해짐에 따라, 국제사회는 기후변화에 따른 국가별 탄소중립 및 감축목표를 제시하며 탈탄소 정책을 강화하고 있다. As the issue of carbon dioxide (greenhouse gas) emissions from the combustion of fossil fuels such as coal and oil has become serious, the international community is strengthening decarbonization policies by presenting carbon neutrality and reduction targets for each country in accordance with climate change.
이러한 온실가스 배출 규제 및 대기오염의 심각화에 따라 신재생 에너지를 이용한 발전량 및 발전 설비가 확대되고 있다. In accordance with these greenhouse gas emission regulations and the seriousness of air pollution, the amount of power generation and power generation facilities using renewable energy are expanding.
신재생 에너지원의 확산으로 DC 기반의 전력변환장치 및 배전 계통에 대한 직류 기술 적용 방안이 대두되고 있으며, 차세대 배전방식인 LVDC(Low Voltage Direct Current) 및 MVDC(Medium Voltage Direct Current)의 수요가 증가하고 있는 추세이다.With the spread of renewable energy sources, a plan to apply DC technology to DC-based power converters and distribution systems is emerging, and demand for LVDC (Low Voltage Direct Current) and MVDC (Medium Voltage Direct Current), which are next-generation power distribution methods, is increasing. It is a trend that
선행기술로서 LVDC 저압배전 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터를 명칭으로 하여 특허공개된 대한민국 특허공개 제1020200113870호가 있다. 이는 전력을 저장하는 배터리부와 상기 배터리부로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Conditioning System)와 제어부와 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부를 포함하는 LVDC 저압배선 시스템에 설치되는 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되되, 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 LVDC 저압배선 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터를 개시한다. As a prior art, there is Korean Patent Publication No. 1020200113870, which has been published on the name of a DC/DC converter applied to an LVDC low voltage power distribution system. This is an LVDC low voltage including a battery unit that stores power, a PCS (Power Conditioning System) that converts the battery unit into a voltage corresponding to the load and supplies energy to the load, a control unit, and a supercapacitor unit in which supercapacitors are connected in series and parallel. In a DC/DC converter installed in a wiring system, the DC/DC converter is composed of a symmetrical schematic circuit in which power is transmitted in both directions, and two switches are connected in series, one of which conducts in the ground direction, A circuit in which a smoothing capacitor is connected in parallel to a circuit to which two switches are connected, an inductor is connected between the intermediate contacts of the two switches, and a ground contact is connected to each other in the connection of the two switches. The applied DC/DC converter is disclosed.
그리고, 대한민국 특허공개 제1020200053144호는 직류의 입력 전압을 제1교류 전압으로 변환하며, 상기 제1교류 전압을 출력하는 복수의 연결단자를 포함하는 입력부; 및 상기 연결단자와 각각 연결되며, 상기 제1교류 전압을 제2 교류전압으로 변압하고, 상기 제2교류 전압을 직류의 출력전압으로 변환하는 복수의 출력부를 포함하는 다출력 컨버터를 개시한다. And, Korean Patent Publication No. 1020200053144 converts a DC input voltage into a first AC voltage, and includes an input unit including a plurality of connection terminals for outputting the first AC voltage; and a plurality of output units connected to the connection terminals and transforming the first AC voltage into a second AC voltage and converting the second AC voltage into a DC output voltage.
이러한 DC 배전 방식은 기존 AC 배전 방식에 비해 더 높은 효율성과 유연성을 제공할 수 있으며, DC 배전 방식의 경우 단극(monopole) 방식과 양극(bipolar) 방식으로 구분된다.This DC distribution method can provide higher efficiency and flexibility than the conventional AC distribution method, and the DC distribution method is divided into a monopole method and a bipolar method.
단극성 구조는 양극와 음극이 하나의 공통된 직류 전압을 공급하며, 양극성 구조는 양극과 음극 사이에 중성점을 공유하여 각각의 독립된 직류 전압 공급이 가능한 구조이다.In the unipolar structure, an anode and a cathode supply one common DC voltage, and in a bipolar structure, a neutral point is shared between an anode and a cathode, so that each independent DC voltage can be supplied.
여기서, 하나의 극성을 가지는 단극성 구조는 간단한 구조로 인해 제어가 용이하다는 장점이 있지만 직류단 사고 시 전체 전력이 차단되므로 전력 공급 신뢰성이 낮은 단점이 존재한다. 이에 반해 양극성 구조는 두극의 독립적인 작동이 가능하며 직류단 사고 시 안정적인 대처가 가능한 장점이 있어 이에 대한 연구와 개발이 요구되고 있다.Here, the unipolar structure having one polarity has the advantage of being easy to control due to its simple structure, but has a disadvantage of low power supply reliability because the entire power is cut off in the event of a DC link fault. On the other hand, the bipolar structure is capable of independent operation of the two poles and has the advantage of being able to deal stably in the event of a DC link accident, so research and development on this are required.
본 발명은 전술한 바와 같은 요구를 반영한 것으로, DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 양극에 대해 지그재그 변압기를 이용하여 각 극의 독립적인 전력제어 및 부하측 제어 동특성 향상이 가능한 바이폴러 전력변환장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention reflects the above-described needs, and provides a bipolar power converter capable of independently controlling power of each pole and improving load-side control dynamic characteristics by using a zigzag transformer for the poles of DC power provided from a DC power distribution system. aims to do
이를 위해, 본 발명에 따른 바이폴러 전력변환장치는, 상기 양극 및 음극의 전원 소스와, 상기 양극 및 음극의 전원 소스로부터 AC/DC 기반으로 변환하여 그리드 또는 부하로 출력하는 제1 및 제2 전력변환장치와, 상기 제1 및 제2 전력변환장치와 상기 그리드 또는 부하 사이에 연결되는 지그재그 변압기를 포함하고,To this end, the bipolar power converter according to the present invention converts the positive and negative power sources and the positive and negative power sources on an AC/DC basis and outputs the first and second power to a grid or a load. A conversion device and a zigzag transformer connected between the first and second power conversion devices and the grid or load,
상기 지그재그 변압기는 상기 제1 및 제2 전력변환장치의 PCC(Point of Common Coupling)단에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 양극과 음극 전원소스의 중성점과 일치하도록 결선하는 것을 특징으로 한다.The zigzag transformer is connected to PCC (Point of Common Coupling) terminals of the first and second power converters, and the neutral point of the zigzag transformer is connected to coincide with the neutral point of the positive and negative power sources. Characterized in that.
또한, 상기 제1 및 제2 전력변환장치는, 2레벨 DC-AC 인버터, 3레벨 또는 그 이상의 멀티레벨 DC-AC 인버터 중의 어느 하나가 해당될 수 있다.In addition, the first and second power converters may correspond to any one of a 2-level DC-AC inverter and a 3-level or higher multi-level DC-AC inverter.
또한, 상기 제1 및 상기 제2 전력변환장치는 DC-AC 인버터이고, 제1 및 제2 인버터는 교류 PCC를 기준으로 병렬로 연결하고, 병렬로 연결된 제1 및 제2 인버터의 상기 PCC단에 접속된 상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 병렬로 접속되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first and second power converters are DC-AC inverters, and the first and second inverters are connected in parallel based on AC PCC, and the PCC terminals of the first and second inverters connected in parallel The connected zigzag transformer is characterized in that it is connected in parallel to the grid or load of the AC system.
또한, 상기 제1 및 상기 제2 전력변환장치는 DC-AC 인버터이고, 제1 및 제2 인버터는 교류 PCC를 기준으로 직렬로 연결하고, 직렬로 연결된 제1 및 제2 인버터의 상기 PCC단에 접속된 상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 델타 또는 와이 결선으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first and second power converters are DC-AC inverters, and the first and second inverters are connected in series based on AC PCC, and the PCC terminals of the first and second inverters connected in series The connected zigzag transformer is characterized in that it is connected in series with a grid or load of an AC system in a delta or wye connection.
또한, 상기 제1 및 제2 인버터의 구동을 위한 제어부는, DC 링크 전압 제어부와 직류단의 DC 옵셋(offset) 주입을 위한 직류단 전류 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the control unit for driving the first and second inverters is characterized in that it is composed of a DC link voltage control unit and a DC link current control unit for DC offset injection of the DC link.
또한, 상기 지그재그 변압기와 상기 제1 및 제2 전력변환장치 사이에는 보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.In addition, a protection circuit may be further included between the zigzag transformer and the first and second power converters.
본 발명은 DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 양극에 대해 지그재그 변압기를 이용하여 각 극의 독립적인 전력제어 및 부하측 제어 동특성 향상이 가능하게 한다.The present invention enables independent power control of each pole and improvement of load-side control dynamic characteristics by using a zigzag transformer for the poles of DC power supplied from a DC power distribution system.
또한, DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 각 극에 대해 상이한 부하량 대처를 가능하게 함은 물론이고, 빠른 조류 제어 및 직류단 사고시 능동적으로 안정적인 대처를 가능하게 할 수 있다. In addition, it is possible to cope with different loads for each pole of the DC power provided from the DC power distribution system, as well as to actively and stably cope with rapid current control and DC link accidents.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치의 회로도를 나타낸 것으로, 각각 도 1은 지그재그 변압기(200)를 병렬 연결한 상태를 예시한 도면이고, 도 2는 지그재그 변압기(300)를 직렬 연결한 상태를 예시한 도면이고,1 and 2 show a circuit diagram of a bipolar power converter using a zigzag transformer according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which zigzag transformers 200 are connected in parallel, FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which zigzag transformers 300 are connected in series,
도 3은 도 1 및 도 2의 바이폴러 전력변환장치의 회로도에서 지그재그 변압기(200, 300)의 구조를 예시한 도면, 3 is a diagram illustrating the structure of zigzag transformers 200 and 300 in the circuit diagram of the bipolar power converter of FIGS. 1 and 2;
도 4는 도 2의 바이폴러 전력변환장치의 회로도에서 3상 2레벨 인버터의 의 평균 등가회로 모델을 나타낸 도면,4 is a diagram showing an average equivalent circuit model of a 3-phase 2-level inverter in the circuit diagram of the bipolar power converter of FIG. 2;
도 5는 도 4의 평균 등가회로 모델을 이용하여 제안된 바이폴러 DC 배전 인버터 회로의 전체 등가 모델을 나타낸 도면, 5 is a diagram showing an entire equivalent model of a proposed bipolar DC power distribution inverter circuit using the average equivalent circuit model of FIG. 4;
도 6은 도 5의 바이폴러 DC 배전 인버터 회로에서 VPG를 제어하기 위한 블럭도,6 is a block diagram for controlling V PG in the bipolar DC power distribution inverter circuit of FIG. 5;
도 7은 10kVA급 프로토타입 컨버터(converter)를 사용하여 도 1 및 도 2의 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이폴러 전력변환장치의 하드웨어 구성을 나타낸 도면이고, 7 is a diagram showing the hardware configuration of a bipolar power converter according to a preferred embodiment of the present invention of FIGS. 1 and 2 using a 10 kVA class prototype converter;
도 8 및 도 9는 도 7의 실험 장치를 통한 시뮬레이션 결과 및 실험 결과를 나타낸 그래프이다.8 and 9 are graphs showing simulation results and experimental results through the experimental apparatus of FIG. 7 .
본 발명은 DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 양극성 구조에 대해 독립적으로 AC로 변환한 후에 변압함으로써 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. The present invention can improve the reliability of the system by independently converting the bipolar structure of the DC power provided from the DC power distribution system into AC and then transforming it.
즉, 본 발명은 DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 각 극에 대한 상이한 부하량 대처를 가능하게 함은 물론이고, 빠른 조류제어 및 직류단 사고시 능동적으로 안정적인 대처를 가능하게 할 수 있다. That is, the present invention enables not only to cope with different loads for each pole of DC power supplied from the DC power distribution system, but also to actively and stably cope with rapid flow control and DC linkage accidents.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치의 구성 및 동작을 이하에서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. The configuration and operation of a bipolar power converter using a zigzag transformer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지그재그 변압기를 이용한 전력변환장치의 회로도이고, 각각 도 1은 지그재그 변압기(200)를 병렬 연결한 상태를 예시한 도면이고, 도 2는 델타 지그재그 변압기(300)를 직렬 연결한 상태를 예시한 도면이다.1 and 2 are circuit diagrams of a power converter using a zigzag transformer according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which zigzag transformers 200 are connected in parallel, and FIG. 2 is a delta zigzag It is a diagram illustrating a state in which the transformers 300 are connected in series.
상기한 본 발명에 따른 지그재그 변압기(200, 300)는 제1 및 제2 인버터(100,102)의 출력단에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 지그재그 변압기(200)를 병렬연결한 상태를 예시한 도면이고, 도 2는 델타 지그재그 변압기(300)를 직렬연결한 상태를 예시한 도면이다. The zigzag transformers 200 and 300 according to the present invention described above may be connected in series or parallel to the output terminals of the first and second inverters 100 and 102 . 1 is a diagram illustrating a state in which zigzag transformers 200 are connected in parallel according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which delta zigzag transformers 300 are connected in series.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치는, 양극(+극) 또는 음극(-극)의 2 레벨 인버터 모듈 2대(100, 102)를 교류 PCC(Point of Common Coupling)을 기준으로 병렬로 연결하고, 병렬 인버터의 PCC단에 접속된 지그재그 변압기(Zigzag Transformer, 200)의 중성점이 직류전원의 중성점(G)과 일치하도록 결선한다.Referring to FIG. 1, a bipolar power converter using a zigzag transformer according to the present invention uses an AC PCC (Point of Connect in parallel based on Common Coupling, and connect so that the neutral point of the Zigzag Transformer (200) connected to the PCC terminal of the parallel inverter coincides with the neutral point (G) of the DC power supply.
도 1에 도시된 바와 같이, 상단 인버터(100)의 직류단 전압의 양의 노드(P node)가 전체 양극(bipole) 직류단의 양의 극(positive pole)을 제공하며, 하단 인버터(102)의 직류단 전압의 음의 노드(N node)가 전체 양극(bipole) 직류단의 음의 극(negative pole)을 제공한다. 교류 영상분 성분에 대하여 낮은 임피던스를 가지는 지그재그 변압기(200)의 중성점(G) 제공으로 전력변환장치는 완전한 바이폴러 동작 구조를 제공할 수 있으며, 각각의 인버터는 정현파 비교 변조 방식(Sinusoidal Pulse Width Modulation : SPWM)을 기반으로 동작하게 된다. 이때, 본 발명에 따른 바이폴러 전력변환장치에서 회로 구성 방식은 2레벨 DC-AC 인버터에 국한되지 않고, 3레벨 또는 그 이상의 멀티레벨 DC-AC 인버터 등 일반적인 AC/DC 기반의 전력변환장치들을 이용하여 확장 응용이 가능하다.As shown in FIG. 1, the positive node (P node) of the DC link voltage of the upper inverter 100 provides the positive pole of the entire bipole DC link, and the lower inverter 102 The negative node (N node) of the DC link voltage of N provides the negative pole of the entire bipole DC link. By providing the neutral point (G) of the zigzag transformer 200 having a low impedance to the AC zero component, the power converter can provide a complete bipolar operating structure, and each inverter uses a sinusoidal pulse width modulation method (Sinusoidal Pulse Width Modulation : SPWM). At this time, the circuit construction method in the bipolar power converter according to the present invention is not limited to a 2-level DC-AC inverter, but uses general AC/DC-based power converters such as a 3-level or higher multi-level DC-AC inverter. Therefore, extended application is possible.
이하에서는 본 발명에 따른 바이폴러 전력변환장치에서 회로 구성 방식으로 2레벨 DC-AC 인버터를 중심으로 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the bipolar power converter according to the present invention will be described in more detail, focusing on a two-level DC-AC inverter as a circuit configuration method.
도 1을 참조하면, 양극의 DC 전원을 제공받아 제1 AC 전원으로 변환하여 출력하는 제1 인버터(100), 음극의 DC 전원을 제공받아 제2 AC 전원으로 변환하여 출력하는 제2 인버터(102), 및 상기 제1 및 상기 제2 인버터(100, 102)에 중성극을 제공함과 아울러, 상기 제1 및 제2컨버터(100, 102)로부터 제1 및 제2 AC 전원을 제공받아 미리 정해진 출력 AC 전원으로 변압하여 출력하는 지그재그 변압기(200)로 구성된다. Referring to FIG. 1, a first inverter 100 receives positive DC power and converts it into first AC power and outputs it, and a second inverter 102 receives negative DC power and converts it into second AC power and outputs it. ), and providing a neutral pole to the first and second inverters 100 and 102, and receiving the first and second AC power from the first and second converters 100 and 102 to output a predetermined output It consists of a zigzag transformer 200 that transforms and outputs AC power.
상기 제1 인버터(100)는 콘덴서와 브리지회로로 구성되어, DC 링크로부터 양극의 DC 전원을 제공받아 제1 AC 전원으로 변환하여 출력한다. The first inverter 100 is composed of a capacitor and a bridge circuit, receives positive DC power from a DC link, converts it into first AC power, and outputs it.
상기 제2 인버터(102)는 콘덴서와 브리지회로로 구성되어, DC 링크로부터 음극의 DC 전원을 제공받아 제2AC 전원으로 변환하여 출력한다. The second inverter 102 is composed of a capacitor and a bridge circuit, receives negative DC power from the DC link, converts it into second AC power, and outputs it.
상기 지그재그 변압기(300)는 제1 인버터(100) 및 제2 인버터(102)로 입력되는 양극의 DC 전원과 음극의 DC 전원에 대한 중성점을 제공함과 아울러, 상기컨버터 및 제2 인버터(100, 102)가 출력하는 제1 및 제2 AC 전원을 제공받아 변압하여 출력한다.The zigzag transformer 300 provides a neutral point for the positive DC power and the negative DC power input to the first inverter 100 and the second inverter 102, and the converter and the second inverter 100, 102 ) receives the first and second AC power output and transforms and outputs them.
그리고, 상기 지그재그 변압기(200)와 상기 제1 및 제2 인버터(100,102) 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 200 and the first and second inverters 100 and 102, which is obvious to those skilled in the art according to the present invention.
상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따르는 바이폴러 전력변환장치의 지그재그 변압기(200,300)는 A, B, C를 각각 A, B, C 순으로 지그재그 결선하여 접지측에 낮은 임피던스를 제공하여 중성점을 형성한다. Referring to FIGS. 1 and 2, the zigzag transformers 200 and 300 of the bipolar power converter according to the present invention provide low impedance on the ground side by connecting A, B, and C in a zigzag manner in the order of A, B, and C, respectively. to form a neutral point.
그리고, 지그재그 변압기(200,300)가 형성한 중성점에 제1 인버터(100)의 양극과 제2 인버터(102)의 음극이 직렬 또는 병렬로 연결되며, 제1 및 제2 인버터(100,102)의 DC 단의 중성단을 제공하여 양극(bipolar) 구조를 제공한다. In addition, the positive electrode of the first inverter 100 and the negative electrode of the second inverter 102 are connected in series or parallel to the neutral point formed by the zigzag transformers 200 and 300, and the DC terminals of the first and second inverters 100 and 102 are connected. A neutral terminal is provided to provide a bipolar structure.
또한 영상분(zero-sequence) 레퍼런스를 조절하여 DC 링크 중성점에 대한 전류 제어가 가능하며, 이로써 양극에 대한 DC 링크 전압(VPG,VGN)도 조절가능해지며, 후술하는 도 4 내지 도 6에서 자세히 설명한다.In addition, it is possible to control the current for the DC link neutral point by adjusting the zero-sequence reference, so that the DC link voltage (V PG ,V GN ) for the anode is also adjustable, and in FIGS. 4 to 6 described later Explain in detail.
상기의 지그재그 변압기(200, 300)에 대해 조금 더 상세히 설명한다. 도 3은상기한 지그재그 변압기(200, 300)의 구조를 예시한 것이다. The above zigzag transformers 200 and 300 will be described in more detail. 3 illustrates the structure of the zigzag transformers 200 and 300 described above.
도 3의 (a) 및 (b)는 접지 변압기의 구조를 예시한 것이다. 상기 접지 변압기는 전력계통에 중성점을 만들기 위한 변압기로, 계통 보호에 필요한 요소인 전압 및 전류를 검출한다. 특히, 상기 중성점과 연결되는 중성선에 대해서는 상대적으로 낮은 임피던스 경로를 제공하며, 지락 발생시 일시적인 과전압을 제한한다. 이러한 접지 변압기는 지그재그 및 델타 또는 와이 결선으로 구성된 변압기를 사용한다. 3 (a) and (b) illustrate the structure of a grounding transformer. The grounding transformer is a transformer for creating a neutral point in the power system and detects voltage and current, which are elements necessary for system protection. In particular, a relatively low impedance path is provided for the neutral wire connected to the neutral point, and temporary overvoltage is limited when a ground fault occurs. These grounding transformers use zigzag and delta or wye connection transformers.
도 3의 (c) 및 (d)는 지그재그 변압기(300)의 구조를 예시한 것으로, 상기 지그재그 변압기(200, 300)의 1차측은 u,v,w 각 상에 1개의 권선으로 연결되고 2차측은 각 상에 2개의 권선으로 결선되어 지그재그의 형상을 가지며, 같은 림(limb)상 위에 있는 두 권선의 제로 시퀀스 전류는 암페어 턴(ampere turns)을 제거(canceling)한다.3(c) and (d) illustrate the structure of the zigzag transformer 300, the primary sides of the zigzag transformers 200 and 300 are connected with one winding on each of u, v, and w, and 2 The secondary has a zigzag shape with two windings connected on each phase, and the zero sequence current in the two windings on the same limb cancels the ampere turns.
이러한 지그재그 변압기(200, 300)는 주로 전력계통에서 중성점을 구할 수 없을 때에 사용하며 접지용 변압기(grounding transformer)라고도 한다. These zigzag transformers 200 and 300 are mainly used when a neutral point cannot be obtained in a power system and is also referred to as a grounding transformer.
상기 지그재그 변압기(200, 300)를 구성하는 권선 a1,a2는 같은 림(limb)상 위에 있으며, 동일 턴수비로 반대방향으로 감겨있다. 각 레그(leg)의 MMF(Magnetic Motive Force) 균형 유지를 위해 모든 전류는 동일(ia1=ia2=ib1=ib2=ic1=ic2)하다. 이러한 지그재그 변압기(200, 300)는 3상 4선식 계통에서 중성선 영상분 고조파 전류를 제거할 수 있는 이점이 있다. Windings a 1 and a 2 constituting the zigzag transformers 200 and 300 are on the same limb and are wound in opposite directions at the same turn ratio. All currents are the same (i a1 =i a2 =i b1 =i b2 =i c1 =i c2 ) to maintain the MMF (Magnetic Motive Force) balance of each leg. These zigzag transformers (200, 300) have the advantage of being able to remove the harmonic current of the neutral zero sequence in a three-phase, four-wire system.
특히, 본 발명에 따른 지그재그 변압기(200, 300)는 제1 및 제2 인버터(100,102)로 입력되는 DC 전원에 대한 중성극을 제공하여 양극(bipolar) 구조를 형성할 수 있게 한다. In particular, the zigzag transformers 200 and 300 according to the present invention provide a neutral pole for DC power input to the first and second inverters 100 and 102 to form a bipolar structure.
그리고 도 3의 (e)는 지그재그 변압기(200, 300)의 등가회로를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 지그재그 변압기(200, 300)는 제1 및 제2 인버터(100,102)의 병렬 운전시 생기는 중성단 전류 성분들을 지그재그 변압기(200, 300)의 중성점으로 흘려보내기 위해 ZG 값을 0으로 하여 시뮬레이션하였다. 이와 같이, 본 발명은 지그재그 변압기(200, 300)를 통해 중성점을 제공하여 제1 및 제2 인버터(100,102)에 대한 DC 측의 특성을 향상시킬 수 있다. And Figure 3 (e) shows the equivalent circuit of the zigzag transformer (200, 300). The zigzag transformers 200 and 300 according to the present invention set the Z G value to 0 in order to flow the neutral point current components generated during parallel operation of the first and second inverters 100 and 102 to the neutral point of the zigzag transformers 200 and 300 and simulated. In this way, the present invention can improve DC-side characteristics of the first and second inverters 100 and 102 by providing a neutral point through the zigzag transformers 200 and 300 .
<Average model을 이용한 영상분 옵셋전압 분석><Analysis of zero-segment offset voltage using average model>
도 4는 도 2의 바이폴러 전력변환장치의 회로도에서 3상 2레벨 인버터의 의 평균 등가회로 모델을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 평균 등가회로 모델을 이용하여 제안된 바이폴러 DC 배전 인버터 회로의 전체 등가 모델을 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a diagram showing the average equivalent circuit model of the 3-phase 2-level inverter in the circuit diagram of the bipolar power converter of FIG. 2, and FIG. 5 is a bipolar DC power distribution inverter proposed using the average equivalent circuit model of FIG. It is a diagram showing the entire equivalent model of the circuit.
도 4 및 도 5를 참조하면, VPG, VGN은 지그재그 변압기의 중성점과 직류단 양긍 및 음극 사이의 전압을 나타내고, VPN 은 양극과 음극 사이의 전체 전압을 나타낸다.Referring to FIGS. 4 and 5 , V PG and V GN represent voltages between the neutral point of the zigzag transformer and the positive and negative poles of the DC link, and V PN represents the total voltage between the positive and negative poles.
도 4의 a상의 daVdc는 Va를 의미하고, 다음 수학식 1의 관계를 가진다.(단, dχ 는 x상 듀티 사이클이며, x는 a, b, c상 중 하나이다.)In FIG. 4, d a V dc of the a phase means V a and has the relationship of Equation 1 below. (However, dχ is the duty cycle of the x phase, and x is one of a, b, and c phases.)
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계통전압이 3상 균형되어 있음을 가정하면, 각 상하단 인버터의 상전압의 합은 0이다. 이를 토대로 도 3의 직류 등가회로에 대한 키르히호프 전압식은 다음과 같다. 또한, 후술한 지그재그 변압기의 특성을 반영하여 VOG = 0을 가정한다.Assuming that the grid voltage is three-phase balanced, the sum of the phase voltages of the upper and lower inverters is zero. Based on this, the Kirchhoff voltage equation for the DC equivalent circuit of FIG. 3 is as follows. In addition, V OG = 0 is assumed by reflecting the characteristics of the zigzag transformer described later.
즉, 직류단 전압은 각 인버터 직류단 전압의 절반에 옵셋전압의 합으로 표현된다. 직류단 전압과 각 극의 옵셋 전압 성분은 수학식 2 내지 수학식 4와 같은 관계식을 가지며, 각 극의 영상분 주입에 따라 직류단 전압을 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.That is, the DC link voltage is expressed as the sum of the half of the DC link voltage of each inverter and the offset voltage. The DC link voltage and the offset voltage component of each pole have relational expressions such as Equations 2 to 4, and it can be seen that the DC link voltage can be controlled according to the injection of the zero-phase component of each pole.
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<Average model 기반 옵셋 전압 주입 제어 방식><Average model based offset voltage injection control method>
도 6은 도 5의 바이폴러 DC 배전 인버터 회로에서 양의 극 VPG를 제어하기 위한 블럭도이다. FIG. 6 is a block diagram for controlling the positive pole V PG in the bipolar DC power distribution inverter circuit of FIG. 5 .
도 6을 참조하면, 도 5의 바이폴러 DC 배전 인버터 회로의 구동을 위한 제어 구성으로는 상단 인버터의 DC link 전압제어와 직류단의 DC 옵셋(offset) 주입을 위한 직류단 전류제어로 구성된다. 또한, VGN을 제어하기 위해 하단 인버터에도 동일한 제어를 적용할 수 있다.Referring to FIG. 6, the control configuration for driving the bipolar DC power distribution inverter circuit of FIG. 5 consists of DC link voltage control of the upper inverter and DC link current control for DC offset injection of the DC link. Also, the same control can be applied to the bottom inverter to control V GN .
이때, 상기 직류단 전류제어기의 출력인 옵셋전압은 인버터 극전압 지령에 더해지게 된다.At this time, the offset voltage, which is an output of the DC link current controller, is added to the inverter pole voltage command.
여기서, 수학식 5와 수학식 6은 각 극의 옵셋전압을 나타내며, 평균 등가 모델 분석을 통한 각 극의 옵셋 전압 주입을 통해 직류단 전압 제어가 가능하다.Here, Equations 5 and 6 represent the offset voltage of each pole, and the DC link voltage can be controlled by injecting the offset voltage of each pole through an average equivalent model analysis.
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<지그재그 변압기 특성을 이용한 직류단 동적 응답><DC link dynamic response using zigzag transformer characteristics>
도 2에서 변압기는 계통측이 델타 결선으로 이루어졌으며, 코어 비선형성 등에 의한 3고조파 전류의 순환 경로를 제공한다. 본 발명에서 적용된 변압기의 인버터단은 도 2에 도시된 바와 같이, 지그 재그 결선으로 이루어져 있다. 지그재그 변압기는 전력계통의 중성점 제공 및 보호를 위한 접지 목적으로 주로 사용되며, 본 발명에서는 부하측 직류단 중성점 제공을 목적으로 한다.In FIG. 2, the transformer has a delta connection on the grid side and provides a circulation path for third harmonic current due to core nonlinearity. As shown in FIG. 2, the inverter stage of the transformer applied in the present invention consists of a zigzag connection. The zigzag transformer is mainly used for the purpose of providing a neutral point of a power system and grounding for protection.
이때, 지그재그 변압기의 원리와 구조적인 특성상 변압기 권선 전류의 영상분에 의한 선속(flux)이 서로 상쇄되므로 영상분 임피던스가 누설 임피던스의 크기 정도로 매우 작다. 따라서, 지그재그 변압기의 중성점을 직류단 양극(bipole)의 중성점으로 연결할 경우, 매우 빠른 직류단 동적 응답을 가질 수 있다. At this time, due to the principle and structural characteristics of the zigzag transformer, the zero-segment impedance is very small, about the size of the leakage impedance, because the flux due to the zero-sequence component of the transformer winding current cancels each other. Therefore, when the neutral point of the zigzag transformer is connected to the neutral point of the DC link bipole, a very fast DC link dynamic response can be obtained.
<시뮬레이션 및 실험 결과><Simulation and experiment results>
제안된 바이폴러 전력변환장치의 직류단 동특성 향상 기법에 대한 타당성 검증을 위해 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다.Simulations and experiments were performed to verify the validity of the DC link dynamic characteristics improvement technique of the proposed bipolar power converter.
도 7은 10kVA급 프로토타입 컨버터(converter)를 사용하여 도 1 및 도 2의 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이폴러 전력변환장치의 하드웨어 구성을 나타낸 도면이고, 시뮬레이션 및 실험에 사용된 조건을 표 1과 같다.7 is a diagram showing the hardware configuration of a bipolar power converter according to a preferred embodiment of the present invention of FIGS. 1 and 2 using a 10 kVA class prototype converter, and a table of conditions used in simulation and experiment Same as 1.
ParameterParameter ValueValue
DC 전압 ( Vdc-link ) DC voltage ( V dc-link ) 400V400V
그리드 인덕턴스 ( Lg )Grid Inductance (L g ) 4mH4mH
스위칭 주파수 (fs ) switching frequency (f s ) 5kHz5kHz
인터페이스 인덕턴스 ( Lsh ) Interface inductance (L sh ) 2mH2mH
DC side 로드 저항 ( Rload ) DC side load resistance ( R load ) 60Ω60Ω
양극의 독립적인 제어 및 동특성 향상 검증을 위해 직류단 옵셋 전압 주입에 따른 출력 응답 특성을 모의하였다.실험은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 수행되었으며, 도 8 및 도 9는 시뮬레이션 결과 및 실험 결과를 나타낸 그래프이다.In order to verify the independent control of the anode and the improvement of the dynamic characteristics, the output response characteristics according to the DC link offset voltage injection were simulated. The experiment was performed based on the simulation results, and FIGS. 8 and 9 are graphs showing the simulation results and the experimental results. .
도 8a는 각 극에 옵셋 전압을 주입하지 않았을 경우의 직류단 전압(VPG, VGN)을 나타낸다.8A shows DC link voltages (V PG , V GN ) when no offset voltage is injected into each pole.
평균 등가 모델을 통해 분석한 수학식 3 및 수학식 4와 같이 컨버터 DC link 전압의 절반이 나타나는 것을 확인할 수 있다. As shown in Equations 3 and 4 analyzed through the average equivalent model, it can be seen that half of the converter DC link voltage appears.
도 8b는 초기에 옵셋 전압을 인가하지 않은 채 동작을 하다가 1초에 양극에 옵셋 전압을 주입하여 양극전압(VPG)을 40V 증가시켰으며, 직류단 전압(VPN)도 40V 증가한다. 이때 옵셋 전압 주입 후 정상상태에 도달하기까지 0.01초가 걸렸다.In FIG. 8B , while initially operating without applying an offset voltage, the anode voltage (V PG ) is increased by 40V by injecting the offset voltage to the anode at 1 second, and the DC link voltage (V PN ) is also increased by 40V. At this time, it took 0.01 second to reach the steady state after the injection of the offset voltage.
도 8c는 도 8b와 동일한 초기 상태에서 동작을 하다가 1초에 양극에는 negative 옵셋을, 음극에는 positive 옵셋을 주입하여 직류단 전압(VPG, VGN)을 각각 40V 증가시켰으며, 0.01초 후에 정상상태 응답을 가진다.FIG. 8c shows that while operating in the same initial state as FIG. 8b, a negative offset is injected into the positive electrode and a positive offset is injected into the negative electrode for 1 second to increase the DC link voltages (V PG , V GN ) by 40V, respectively, and return to normal after 0.01 second. It has a status response.
도 9a는 도 8b와 같이 양극에만 25V의 옵셋을 주입하였으며 0.005초 후에 정상상태 응답을 가진다.In FIG. 9a, as in FIG. 8b, an offset of 25V was injected into only the anode, and a steady-state response was obtained after 0.005 seconds.
도 9b는 도 8c와 같이 양극과 음극에 25V의 옵셋을 주입하였으며, 0.005초 후에 정상상태에 도달하는 것을 확인하였다.In FIG. 9b, as shown in FIG. 8c, an offset of 25V was injected into the positive and negative electrodes, and it was confirmed that a steady state was reached after 0.005 seconds.
상기 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 옵셋전압 주입에 따른 각 극의 독립적인 전압 제어 및 동특성 향상이 가능함을 검증하였다.Through the above simulation and experimental results, it was verified that independent voltage control and dynamic characteristics improvement of each pole according to offset voltage injection are possible.
따라서, 본 발명에서는 직류 배전 시스템의 신뢰성과 유연성 확보를 위해 지그재그 변압기를 사용한 개선된 양극성 구조를 제안한다. 이때, 제안된 회로의 평균 모델을 통해 각 극의 영상분 옵셋 전압 성분을 분석하였으며, 각 극의 영상분 주입에 따른 컨버터 직류단 전압 제어가 가능함을 확인하였다. 또한, 각 극의 독립적인 제어는 제어대역폭의 동특성 향상이 가능하며 직류단 사고 시 부하에 대한 안정성 확보가 가능함을 확인하였다..Therefore, the present invention proposes an improved bipolar structure using a zigzag transformer to ensure reliability and flexibility of a DC distribution system. At this time, the zero-sequence offset voltage component of each pole was analyzed through the average model of the proposed circuit, and it was confirmed that the converter DC link voltage control is possible according to the zero-sequence injection of each pole. In addition, it was confirmed that the independent control of each pole can improve the dynamic characteristics of the control bandwidth and secure the load stability in the event of a DC link fault.
또한, 제안된 회로 및 동적 응답 특성은 시뮬레이션 및 10kVA급 프로토타입 하드웨어 장치를 통해 방법의 유효성을 검증하였다.In addition, the proposed circuit and dynamic response characteristics were validated through simulation and a 10kVA-class prototype hardware device.
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.
[부호의 설명][Description of code]
100 : 제1 인버터100: first inverter
102 : 제2 인버터102: second inverter
200, 300 : 지그재그 변압기200, 300: zigzag transformer
본 발명은 DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 양극에 대해 지그재그 변압기를 이용하여 각 극의 독립적인 전력제어 및 부하측 제어 동특성 향상이 가능하게 한다.The present invention enables independent power control of each pole and improvement of load-side control dynamic characteristics by using a zigzag transformer for the poles of DC power supplied from a DC power distribution system.
또한, DC 배전 시스템으로부터 제공되는 DC 전원의 각 극에 대해 상이한 부하량 대처를 가능하게 함은 물론이고, 빠른 조류 제어 및 직류단 사고시 능동적으로 안정적인 대처를 가능하게 할 수 있다. In addition, it is possible to cope with different loads for each pole of the DC power provided from the DC power distribution system, as well as to actively and stably cope with rapid current control and DC link accidents.
이러한 DC 기반의 전력변환장치 및 배전 시스템을 통해 신재생 에너지를 이용한 발전량 및 발전 설비에 적용할 수 있다. Through this DC-based power converter and distribution system, it can be applied to power generation and power generation facilities using renewable energy.

Claims (6)

  1. 상기 양극 및 음극의 전원 소스와,The positive and negative power sources,
    상기 양극 및 음극의 전원 소스로부터 AC/DC 기반으로 변환하여 그리드 또는 부하로 출력하는 제1 및 제2 전력변환장치와,First and second power converters for converting AC/DC from the positive and negative power sources and outputting them to a grid or a load;
    상기 제1 및 제2 전력변환장치와 상기 그리드 또는 부하 사이에 연결되는 지그재그 변압기를 포함하고,And a zigzag transformer connected between the first and second power converters and the grid or load,
    상기 지그재그 변압기는 상기 제1 및 제2 전력변환장치의 PCC(Point of Common Coupling)단에 접속되고, 상기 지그재그 변압기의 중성점이 상기 양극 및 음극의 전원소스의 중성점과 일치하도록 결선하는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전력변환장치.The zigzag transformer is connected to PCC (Point of Common Coupling) terminals of the first and second power converters, and the neutral point of the zigzag transformer is connected to match the neutral point of the positive and negative power sources Bipolar power converter.
  2. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 제1 및 제2 전력변환장치는,The first and second power converters,
    2레벨 DC-AC 인버터, 3레벨 또는 그 이상의 멀티레벨 DC-AC 인버터 중의 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 바이폴러 전력변환장치.A bipolar power converter, characterized in that any one of a 2-level DC-AC inverter, a 3-level or higher multi-level DC-AC inverter.
  3. 제2항에 있어서,According to claim 2,
    상기 제1 및 상기 제2 전력변환장치는 DC-AC 인버터이고,The first and second power converters are DC-AC inverters,
    제1 및 제2 인버터는 교류 PCC를 기준으로 병렬로 연결하고,The first and second inverters are connected in parallel based on AC PCC,
    병렬로 연결된 제1 및 제2 인버터의 상기 PCC단에 접속된 상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전력변환장치.The zigzag transformers connected to the PCC terminals of the first and second inverters connected in parallel are connected in parallel to a grid or load of an AC system.
  4. 제2항에 있어서,According to claim 2,
    상기 제1 및 상기 제2 전력변환장치는 DC-AC 인버터이고,The first and second power converters are DC-AC inverters,
    제1 및 제2 인버터는 교류 PCC를 기준으로 직렬로 연결하고,The first and second inverters are connected in series based on AC PCC,
    직렬로 연결된 제1 및 제2 인버터의 상기 PCC단에 접속된 상기 지그재그 변압기는 교류 계통의 그리드 또는 부하에 델타 또는 와이결선으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전력변환장치.The zigzag transformer connected to the PCC terminals of the first and second inverters connected in series is a bipolar power converter, characterized in that connected in series to a grid or load of an AC system in a delta or wye connection.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,According to claim 3 or 4,
    상기 제1 및 제2 인버터의 구동을 위한 제어부는, The control unit for driving the first and second inverters,
    DC 링크 전압 제어부와 직류단의 DC 옵셋(offset) 주입을 위한 직류단 전류 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전력변환장치. A bipolar power converter characterized in that it consists of a DC link voltage control unit and a DC link current control unit for DC offset injection of the DC link.
  6. 제1항에 있어서, According to claim 1,
    상기 지그재그 변압기와 상기 제1 및 제2 전력변환장치 사이에는 보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전력변환장치.A bipolar power converter, characterized in that a protection circuit is further included between the zigzag transformer and the first and second power converters.
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