DC-DC 컨버터의 비통신 병렬운전 분석및 제어 알고리즘 설계

국문 초록 (Abstract)

에너지 수요가 증가함에 따라 전원장치에 요구되는 전력 처리용량도 지속해서 증가하는 추세이다. 따라서 효율적으로 전력 처리용량을 확장하기 위해 단위 모듈의 전원장치를 직렬 및 병렬로 적절히 조합하여 용량 확장과 더불어 전력 처리 효율을 증가시키는 방법이 널리 사용되고 있다. 직렬조합은 모듈에 인가되는 전압을 감소시킬 수 있어 낮은 내압의 반도체 소자를 사용 가능하게 한다. 이는 높은 스위칭 주파수를 적용할 수 있으며 수동 소자의 크기를 감소시킬 수 있어 체적 감소가 가능하다. 반면 병렬 연결은 모듈에서 처리하는 전류 용량을 분배하여 부하로 전달시키는 방법으로 전력 처리용량을 효율적으로 확장하는 조합이다. 이는 컨버터의 전력 처리용량을 확장하기 위해 가장 보편적으로 사용되는 방법이다.

한편, 병렬 연결에서 모듈 사이의 출력 전류 차이는 장치의 수명 및 신뢰성과 직결되는 요인으로써 그 차이가 발생하지 않도록 제어하는 것이 중요하다. 이를 달성하기 위해 다양한 병렬운전 알고리즘이 연구되었으며 통신을 이용하는 방법은 마스터-슬레이브 기법, 통신을 사용하지 않는 방법은 드룹 제어 기법이 널리 사용된다. 특히, 통신을 사용하지 않는 방법 중 드룹 제어는 장치 간의 거리에 구애받지 않으며 병렬로 연결되는 모듈의 개수의 제한이 않는 것을 장점으로 대표적인 병렬 제어 알고리즘으로 사용된다. 하지만 드룹제어기법은 출력 전류에 비례하여 부하전압이 감소하는 단점을 가진다.

본 논문에서는 드룹 제어를 활용한 비통신 병렬운전에 관해 분석하고 병렬운전을 지원하지 않는 모듈과의 전류 공유를 달성할 수 있는 새로운 제어기법을 제안했다. 컨버터의 병렬 연결 등가회로 분석을 통해 각 상태를 정의하고 전류 공유를 달성할 수 있는 드룹 저항을 자동으로 선정하고 적용하여 구동하는 알고리즘을 제안하였으며, 제안한 알고리즘은 모의해석 및 실험을 통해 검증되었다. 제안된 방법은 접속되는 모듈의 병렬운전 지원 여부와 관계없이 항상 적용할 수 있는 장점으로 기생산된 전력변환장치를 활용한 용량 확장이 가능한 장점이 있으며, 출력 전류의 차이 5% 이내로 감소시킬 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 17
• I.1. 연구의 배경 17
• I.2. 연구의 목적 및 범위 21
• I.3. 논문의 구성 24
• II. 모듈형 컨버터의 특성 및 기존의 병렬 제어 전략 26
• II.1. 모듈형 컨버터의 특성 29
• II.1.1. 직렬-직렬 조합 29
• II.1.2. 직렬-병렬 조합 33
• II.1.3. 병렬-직렬 조합 37
• II.1.4. 병렬-병렬 조합 40
• II.2. 병렬 컨버터의 구성 및 제어 전략 42
• II.2.1. 마스터-슬레이브 제어 43
• II.2.2. 통신기반 분산형 제어 45
• II.2.3. 비통신 제어 46
• III. 드룹 및 논드룹 컨버터의 병렬 조합 특성 48
• III.1. 전력변환장치의 병렬 접속 모델 분석 49
• III.1.1. 모의 해석 61
• III.1.2. 실험 결과 66
• IV. 비통신 병렬형 컨버터의 드룹 저항 자동 조정 기법 71
• IV.1. 선정의 목적 및 조건 71
• IV.2. 부하 공유 개선을 위한 드룹 저항 자동 조정 기법 71
• IV.2.1. 드룹-논드룹 조합 72
• IV.2.2. 드룹-드룹 컨버터 82
• IV.2.3. 모의 해석 92
• IV.2.4. 실험 결과 104
• V. 선박평형수 처리용 전력변환장치 구조 및 제어 117
• V.1. 제어기 설계 123
• V.2. 모의 해석 130
• V.2.1. 제어기 설계 검증 130
• V.2.2. 드룹-논드룹 모듈의 모의해석 검증 : 부하 조건 1 132
• V.2.3. 드룹-논드룹 모듈의 모의해석 검증 : 부하 조건 2 132
• V.2.4. 드룹-드룹 모듈의 모의해석 검증 : 부하 조건 1 136
• V.2.5. 드룹-드룹 모듈의 모의해석 검증 : 부하 조건 2 136
• V.3. 실험 결과 139
• V.3.1. 제어기 성능 검증 139
• V.3.2. 알고리즘 미적용 모듈의 운전 142
• V.3.3. 드룹-논드룹 조합 알고리즘 검증 : 부하 조건 1 144
• V.3.4. 드룹-논드룹 조합 알고리즘 검증 : 부하 조건 2 145
• V.3.5. 드룹-드룹 조합 알고리즘 검증 : 부하 조건 1 149
• V.3.6. 드룹-드룹 조합 알고리즘 검증 : 부하 조건 2 151
• VI. 결론 및 향후 과제 153
• VI.1. 결론 153
• VI.2. 향후과제 155
• 부 록 156
• A. ISOP LLC 컨버터의 입력 전압 밸런싱 156
• A.1. 정류기의 DC-Link 전압 평형 제어가 적용되지 않은 경우 ISOP LLC 컨버터의 DC-Link 전압 불평형에 대한 영향 159
• A.2. 정류기의 DC-Link 전압 평헝 제어 시 ISOP LLC 컨버터의 전력 불평형 165
• 참고 문헌 174
• Abstract 190

참고문헌 (Reference)

1. A Distributed Control Strategy for Parallel DC- DC Converters, M. S. Sadabadi, vol. 5, no. 4, pp. 1231–1236, , 2021

2. Power Routing in Modular Smart Transformers: Active Thermal Control Through Uneven Loading of Cells,, G. Buticchi, M. Liserre, M. Andresen, L. Costa, vol. 10, no. 3, pp. 43–53, , 2016

3. A comparison of six different ballast water treatment systems based on UV radiation, electrochlorination and chlorine dioxide,, L. Peperzak, A. Buma, P. P. Stehouwer, vol. 36, no. 16, pp. 2094–2104, , 2015