전기기관차 보조전원장치 인버터의 전압 왜곡 및 불평형 개선 알고리즘 = A Control Algorithm to Mitigate Voltage Distortion and Unbalance in Electric Locomotive Auxiliary Power Unit Inverters

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 비선형 및 불평형 부하가 연결된 전기기관차 보조 전 원장치 인버터에서 출력 전류 feed-forwrad 방식과 비례 공진 제어기 를 이용하여 전압 왜곡과 전압 불평형을 개선하였다. 전기기관차용 보조전원장치(APU)는 객차의 냉·난방, 제동 등 핵심 부하에 교류 전력을 공급하는 장치로서, 안정적인 AC 전압 품질 확보 가 필수적으로 요구된다. 그러나 현재 철도차량 분야에서는 전력변환 장치 분야에서 적용되는 전압 왜곡(THD), 전압 불평형(VUF), 비선형 부하 조건 등에 대한 시험 규격이 충분히 반영되지 못하고 있으며, 향 후 관련 규제 강화가 예상됨에 따라 비선형 및 불평형 부하 조건에서 도 안정적인 전압 품질을 확보할 수 있는 기술의 필요성이 증가하고 있다. 기존에는 하드웨어 추가를 통한 전압 품질 개선 방식이 주로 적용 되어 왔으나, 철도차량 설계의 공간 및 중량 제약으로 인해 실용성이 낮고, 부품 증가에 따른 유지보수 부담과 고장 위험을 증가시키는 한 계가 있다. 이를 보완하기 위한 제어 기반 보상 기법이 다수 연구되 었으나, 기존 제어 알고리즘은 dq 좌표계 기반 구조로 인해 불평형 성분에 대한 보상이 제한되며, 외부·내부 제어 루프의 대역폭 한계로 인해 일정 수준 이상의 스위칭 주파수를 요구하는 구조적 제약을 갖 는다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 논문에서는 abc 좌표계를 기반 으로 출력 전류에 포함된 비선형 성분과 불평형 성분을 개별 상에서 물리적으로 보상하는 feed-forward 구조와, 특정 고조파 대역에서 선택적인 보상이 가능한 PR 제어기를 전류 제어기에 적용한 전압 왜 곡 및 불평형 개선 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘의 타당성 은 PSIM 기반 모의해석과 10 kW급 축소형 실험을 통해 검증하였 다. 실험 결과, 비선형 부하 및 불평형 부하가 단독으로 연결된 조건에 서 제안하는 제어 알고리즘은 기존 PI 제어 방식 대비 전압 왜곡에 대해서는 THD가 약 37.8% 감소하고, 선간 전압 불평형율은 약 20.4% 감소하는 성능 향상을 보였다. 또한 비선형 및 불평형 부하가 동시에 연결된 가장 가혹한 조건에서는 THD가 약 30.4%, 선간 전압 불평형율은 약 42.5% 감소하는 성능 향상을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 논문의 구성 5
• Ⅱ. 전기기관차 보조전원장치의 인버터 6
• 1. 비선형 및 불평형 부하의 영향 6
• 2. 3상 인버터의 수학적 모델링 11
• Ⅲ. 전압 왜곡 및 불평형 개선 알고리즘 14
• 1. 비례-공진 제어기 14
• 2. 기존 전압 왜곡 개선 알고리즘 19
• 3. 제안하는 제어 알고리즘 26
• 3.1 전류 제어기 설계 28
• 3.2 전압 제어기 설계 31
• Ⅳ. 모의해석 34
• 1. 모의해석 구성 34
• 2. 모의해석 결과 36
• Ⅴ. 실험 48
• 1. 실험 구성 48
• 2. 실험 결과 51
• Ⅵ. 결론 68