3레벨 컨버터의 성능과 유지관리 강화를 위한 신뢰성 향상 기법
Reliability Improvement Methods of Three-Level Converters for Enhanced Performance and Maintenance
초록/요약
본 논문은 3레벨 컨버터의 신뢰성 향상 방법들을 제안한다. 3레벨 컨버터는 전류 전고조파왜율(THD), 효율 면에서 우수한 성능을 가지고 있으며, 그 종류에는 NPC (Neutral-point clamped) 토폴로지와 T타입 토폴로지가 있다. 본 논문에서는 두 종류의 3레벨 컨버터 토폴로지에 관련된 3가지 신뢰성 향상 분야에 대한 연구가 진행되었으며, 각 분야는 개방성 스위치 고장진단 및 허용제어, 중성점 전압 리플 저감, 누설전류 저감이다. 첫 번째로 개방성 스위치 고장진단 및 허용제어 방법을 제안한다. 고장진단은 관리자에게 전력변환장치의 유지/보수 편의성을 제공할 수 있으며, 허용제어 동작을 위한 정보를 제공하는 역할을 한다. 본 논문에서는 NPC와 T타입 토폴로지의 구조적 특징 분석을 통해 각 토폴로지에 적합한 개방성 스위치 고장진단 방법을 제안한다. 제안하는 고장진단 방법은 고장 발생 시 전류의 모양을 이용하여 고장의 위치를 판단한다. 본 논문에서는 개방성 고장이 발생한 위치에 따라 적용 가능한 여러 가지 허용제어 방법을 제안한다. 제안된 허용제어 방법들은 전류 THD, 중성점 전압 리플, 효율 면에서 서로 다른 성능을 보인다. 두 번째로 옵셋전압을 이용한 중성점 전압 리플 저감 방법을 제안한다. 두 개의 직류단 캐패시터를 가지고 있는 3레벨 컨버터의 중성점 전압에서는 전압 불평형이 발생할 수 있으며, 중성점 전압 불평형은 DC 전압 불평형과 AC 전압 불평형으로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 중성점 전압의 리플을 의미하는 AC 전압 불평형만을 고려한다. 큰 직류단 전압 리플은 출력전류 왜곡뿐만 아니라 직류단 캐패시터 수명을 단축시킬 수 있기 때문에 필수적으로 감소되어야 한다. 세 번째로 3레벨 컨버터의 누설전류 저감을 위한 스위칭 방법을 제안한다. 무변압기 타입의 전력변환장치는 크기, 무게, 효율면에서 장점을 가지고 있기 때문에 많은 산업분야에서 사용되고 있다. 하지만, 절연이 되지 않는 무변압기 타입의 전력변환장치는 누설전류가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 무변압기 타입 3레벨 컨버터에서 발생하는 누설전류의 원인을 모델링을 통해 회로적으로 분석하고 이를 저감하기 위한 스위칭 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 누설전류 저감뿐만 아니라 중성점 전압제어가 가능하다. 3레벨 컨버터의 신뢰성 향상을 위해 3가지 분야에서 제안된 방법들은 우선시뮬레이션을 통해 성능을 확인하고, 10kW급 실험 세트에 최종적으로 적용 함으로써 실현 가능성을 검증한다.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 2
1.2.1 3레벨 컨버터의 고장진단 및 허용제어 2
1.2.2 중성점 전압 리플 저감 3
1.2.3 누설전류 저감 5
1.3 논문의 구성 6
제 2 장 3레벨 컨버터 개방성 스위치 고장진단 8
2.1 3레벨 컨버터 8
2.1.1 NPC (Neutral-Point Clamped)타입 컨버터 8
2.1.2 T타입 3레벨 컨버터 9
2.1.3 3레벨 컨버터 동작 원리 10
2.2 스위치 고장의 종류 및 발생 원리 14
2.3 NPC 3레벨 정류기의 개방성 스위치 고장진단 19
2.3.1 개방성 스위치 고장 위치에 따른 전류 영향 19
2.3.2 풍력발전 시스템에서 Sx1와 Sx4 개방성 고장 20
2.3.3 NPC 3레벨 정류기의 개방성 스위치 고장진단 22
2.3.4 개방성 스위치 고장진단 방법 실험 27
2.4 T타입 3레벨 정류기의 개방성 스위치 고장진단 방법 32
2.4.1 개방성 스위치 고장 위치에 따른 전류 영향 32
2.4.2 계통연계 정류기에서 개방성 스위치 고장으로 인한 전류 왜곡 33
2.4.3 개방성 스위치 고장진단 방법 시뮬레이션 및 실험 38
제 3 장 3레벨 컨버터의 스위치 고장 허용제어 42
3.1 NPC 3레벨 컨버터와 T타입 3레벨 컨버터의 허용제어 44
3.2 T타입 3레벨 컨버터의 Sx2와 Sx3 개방성 고장 허용제어 45
3.2.1 2레벨 스위칭 방법을 이용한 허용제어(R2LS-TC) 46
3.2.2 3레벨 스위칭 방법을 유지하는 허용제어(M3LS-TC) 52
3.2.3 한 레그에 2레벨 스위칭 방법을 적용한 허용제어(OP2LS-TC) 61
3.2.4 3레벨 스위칭 방법 기반의 허용제어(3LSO-TC) 69
3.2.5 Sx2와 Sx3 개방성 고장을 위한 허용제어 방법들의 성능 비교 74
3.3 3레벨 정류기의 Sx1와 Sx4 개방성 고장 허용제어 81
3.3.1 3레벨 정류기에서 무효전류 주입을 이용한 허용제어 방법 81
3.3.2 3레벨 정류기에서 옵셋전압을 이용한 허용제어 방법 86
제 4 장 3레벨 컨버터의 중성점 전압 리플 저감 96
4.1 3레벨 컨버터의 중성점 전압 리플 98
4.1.1 중성점 전압 리플 발생 원인 98
4.1.2 중성점 전류 계산을 이용한 중성점 전압 리플 예측 99
4.2 3레벨 컨버터의 중성점 전압 리플 저감 제어 103
4.2.1 스위칭 인가시간 보상을 이용한 중성점 전압 리플 저감 103
4.2.2 중성점 전압 리플 저감 방법의 동작 허용 범위 111
4.3 중성점 전압 리플 저감 방법 시뮬레이션 및 실험 결과 113
제 5 장 3레벨 컨버터의 누설전류 저감 119
5.1 비절연 전력변환장치의 누설전류 120
5.1.1 누설전류 발생 원인 120
5.1.2 3레벨 컨버터의 누설전류 121
5.2 3레벨 컨버터의 누설전류 저감 스위칭 방법 129
5.2.1 Medium, Zero 벡터를 이용한 누절전류 저감 스위칭 방법 129
5.2.2 누설전류 저감을 위한 LMZVM 방법 130
5.2.3 누설전류 저감을 위한 LMSVM 방법 133
5.2.4 LMZVM와 LMSVM 혼합 방법 136
5.3 LMZVM과 LMSVM 혼합 방법 시뮬레이션 및 실험 137
제 6 장 결론 및 요약 147
제 7 장 참고문헌 150
