3상 다이오드 정류기 기반 캐패시터리스 인버터 시스템의 계통 전류 안정화 및 고조파 저감 기법 = Grid Current Stabilization and Harmonic Suppression Strategy for Three-phase Diode Rectifier-Fed Capacitorless Inverter Systems

국문 초록 (Abstract)

전력 변환 시스템에서 DC 링크 캐패시터는 입력 전력과 출력 전력의 순시적인 차이를 보상해주는 역할을 수행한다. 특히 인버터의 직류단에는 일반적으로 작은 부피로 대용량의 캐패시턴스를 얻을 수 있는 전해 캐패시터를 많이 사용한다. 그러나 전해 캐패시터의 수명 문제로 인해 소용량의 필름 캐패시터로 직류단 캐패시터를 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전환은 인버터 시스템의 수명을 연장시키고, 비용을 절감할 수 있으며, 계통 전류 고조파를 저감할 수 있는 장점을 가진다. 그러나 직류단 캐패시턴스가 감소함에 따라, LC 공진으로 인한 직류단 전압 불안정 및 계통 전류 고조파 증가와 같은 새로운 문제점들이 부각되고 있다. 본 논문에서는 소용량 직류단 캐패시터를 갖는 3상 다이오드 정류기 기반 전동기 구동 시스템의 계통 전류 고조파 저감 기법을 제안하였다. 먼저, LC 공진으로 인한 직류단 전압 불안정 문제를 해결하기 위해 수동 댐퍼를 모의하는 가상 임피던스 기반의 능동 댐핑 기법을 제안하였다. 제안하는 방식은 직류단 전압 센서만을 이용하여 직렬 R-C 댐퍼 회로를 등가적으로 구현하며, 수동 댐퍼 모델을 기반으로 댐핑 이득을 설계함으로써 보다 명확한 이득 선정이 가능하다는 장점이 있다. 능동 댐핑을 통한 직류단 전압 안정화 시에도 계통 전류의 고조파 저감성능에는 여전히 한계가 존재한다. 고조파 개선을 위해 계통 측에 필터 인덕터를 추가할 수 있으나, 이는 전체 시스템의 부피와 비용을 증가시키는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 하드웨어 추가 없이 정류 전류의 고조파 성분을 효과적으로 저감하기 위한 계통 전류 고조파 저감 기법을 제안하였다. 이를 위해 정류 전류를 정확히 추정하기 위한 이산 시간 확장 상태 관측기를 설계하며, 추정된 정류 전류에 포함되어 있는 6차 이상의 고조파는 위상 보상을 포함한 공진 제어기를 통해 억제하였다. 생성된 보상 전류는 전류-전압 변환식을 통해 보상 전압 지령으로 직접 변환되어 기존 전동기 제어 알고리즘에 더해진다. 제안한 능동 댐핑 및 정류 전류 추정 기반 고조파 저감 기법의 안정성은 인버터 시스템의 임피던스 모델링 및 나이퀴스트 안정도 판별법을 통해 이론적으로 검증하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해, 제안하는 계통 전류 고조파 저감 기법이 낮은 필터 인덕터 조건에서도 계통 전류의 고조파를 효과적으로 저감하고, 동시에 직류단 전압의 안정화를 달성함을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 １
• 1.1 연구의 배경 및 목적 １
• 1.2 논문의 구성 ７
• 제 2장 소용량 직류단 캐패시터를 갖는 전동기 구동 시스템 ８
• 2.1 3상 다이오드 정류기 기반 인버터 구동 시스템 구성 ８
• 2.2 영구자석 전동기 구동 시스템의 임피던스 기반 모델링 １４
• 제 3장 제안하는 계통 전류 고조파 저감 기법 ２２
• 3.1 가상 임피던스 기반 능동 댐핑 ２４
• 3.2 확장 상태 관측기 기반 정류 전류 관측기 ２９
• 3.2.1 확장 상태 관측기 기반 정류 전류 관측기 설계 ２９
• 3.2.2 정류 전류 관측기의 제정수 오차에 의한 영향 분석 ３３
• 3.3 계통 전류 고조파 억제 기법 ３５
• 3.4 보상 전류-전압 변환 기법 ３８
• 제 4장 제안하는 고조파 전류 제어 기법의 안정도 판별 ４０
• 4.1 능동 댐핑 기법에 따른 안정도 판별 ４０
• 4.2 고조파 전류 제어 기법에 따른 안정도 판별 ４４
• 4.2.1 공진 제어기 위상 특성 분석 ４４
• 4.2.2 고조파 전류 제어 기법 적용에 따른 시스템 안정도 판별 ４８
• 4.3 전체 제어 시스템 적용에 따른 안정도 판별 ５１
• 제 5장 시뮬레이션 및 실험 결과 ５４
• 5.1 시뮬레이션 결과 ５４
• 5.2 실험 결과 ６５
• 제 6장 결론 ７６
• 6.1 연구 결과 ７６
• 6.2 향후 과제 ７８
• 부 록 ７９
• A. 실험 세트 구성 및 제정수 ７９
• B. 정류 전류 관측기 성능 비교 분석 ８２
• 참고문헌 ８６
• Abstract ８８