계통연계 기능을 갖는 연료전지 철도차량용 보조전원장치의 삼중 루프 전류 제어 기법

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 계통연계 기능을 갖는 연료전지 철도차량용 보조전원장치의 삼중 루프 전류 제어기법을 제안 하였다. 연료전지 철도차량용 보조전원장치는 계통에 전원을 공급해야 할 때 계통연계 기능을 갖는다. 보조전원장치는 일반적으로 1500V ~ 1800V의 높은 DC 링크 전압을 사용하므로, 내압이 높은 전력반도체 소자를 사용하여야 한다. 따라서 높은 PWM 주파수를 적용할 경우 스위칭 손실이 증가하기 때문에 낮은 스위칭 주파수를 선정하여야 한다. 이러한 경우 제어기간 대역폭의 간섭이 발생하게 되어 제어기 설계에 어려움을 준다.
또한 연료전지 철도차량용 보조전원장치는 계통연계 모드와 단독운전 모드로 나뉘게 되며, 계통연계 모드에서는 전류 제어를 수행하고 단독운전 모드에서는 인버터가 계통을 대체하여 전압 제어를 수행하게 된다. 따라서 모드 절환 순간에 전류 제어에서 전압 제어로, 제어기의 시퀀스가 변경됨에 따라 과도현상이 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존에 간접 전류 제어 기법에 대한 연구들이 진행되어 왔다. 이러한 연구들은 캐패시터 전압의 크기와 위상을 조절하여 계통 측 전류를 간접적으로 제어하거나, 내부에 캐패시터 전류 제어기를 추가하는 기법들이 있다. 이러한 기법들은 인버터 전류를 제어하지 않기 때문에 인버터 신뢰성에 악영향을 줄 수 있으며, PWM 주파수가 낮은 철도 차량 시스템에 적용하기 어렵다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 낮은 PWM 주파수를 갖는 삼중 루프 제어기를 제안하며 PSIM을 이용한 모의해석과 실험으로 이를 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 논문의 구성 5
• Ⅱ. 계통 연계형 3상 PWM 인버터의 이해 6
• 2.1 d-q 좌표변환 9
• 2.2 LCL 필터 설계 16
• 2.3 기존의 간접 전류제어 기법 20
• Ⅲ. 제안하는 삼중 루프 전류제어 기법 22
• 3.1 일반적인 제어 기법 23
• 3.2 단독운전 제어 기법 24
• 3.3 계통연계 운전 제어 기법 27
• Ⅳ. 모의해석 37
• Ⅴ. 실험 및 향후과제 50
• 5.1 실험 50
• 5.2 향후 과제 54
• Ⅵ. 결 론 55
• 참고문헌 56
• Abstract 61