계통 연계형 병렬 인버터의 캐리어 상 반전에 의한 ZSCC 저감 전략 = Zero-Sequence Circulating Current Reduction Strategy for Grid-Connected Parallel Inverters Using Carrier Phase Inversion

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 병렬 인버터 시스템에서 캐리어 위상 반전을 적용한 PWM 변조를 이용하여, 스위칭 주파수 대역의 영상분 순환전류(Zero-Sequence Circulating Current, ZSCC)를 저감하는 새로운 방법을 제안한다. 병렬 인버터는 높은 출력 전력과 우수한 확장성을 바탕으로 대용량 UPS, 마이크로그리드 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있으나, 소자 파라미터의 미세한 불일치, 게이트 신호 지연, 제어 오차 등으로 인해 각 인버터가 동일한 전압 파형을 생성하기 어렵다. 그 결과 인버터 간 순환전류가 발생하며, 이는 스위치 소자의 전류 스트레스 증가, 손실 증가, 열적 부담 등 성능 저하 요인으로 작용한다. 기존 순환전류 저감 기법은 절연 변압기 또는 개별 DC 링크 커패시터를 추가하여 순환전류 경로를 차단하는 하드웨어적 방식과, 공간벡터 변조(SVM)를 활용하여 서로 다른 영전압 벡터 조합을 회피하는 제어 기반 방식이 대표적이다. 그러나 이러한 기법들은 시스템 부피와 비용 증가, 제어 구조의 복잡성 등의 이유로 실제 적용에 제약이 있다. 이에 본 논문에서는 각 인버터의 세 상 중 한 상의 캐리어 위상만 180°반전시키는 새로운 캐리어 위상 변조 기법(SPI-PWM)을 제안한다. 제안된 방식은 기존 인터리빙 PWM(ISPWM)의 출력 전류 품질을 유지하면서, 한 상 반전에 의해 각 인버터의 공통모드 전압(CMV) 생성 타이밍이 비동기적으로 분산되어 인버터 간 CMV 차(△CMV)가 줄어들고, 이에 비례하는 순환전류 또한 효과적으로 저감된다. 제안된 기법의 동작 원리를 이중 푸리에 적분(Double Fourier Integral, DFI) 기반의 주파수 영역 해석을 통해 정량적으로 해석하였으며, PSIM 기반 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, a novel pulse-width modulation (PWM) strategy employing carrier phase inversion is proposed to reduce the zero-sequence circulating current (ZSCC) in the switching-frequency range in parallel inverter systems. Parallel inverters are widely used in various industrial applications, such as high-power uninterruptible power supplies (UPS) and microgrids, owing to their high output power capability and excellent scalability. However, it is difficult for each inverter to generate identical voltage waveforms due to slight mismatches in device parameters, gate signal delays, and control errors. As a result, circulating currents arise between the inverters, leading to increased current stress on switching devices, higher losses, and additional thermal burden, which degrade overall system performance.
Conventional circulating-current suppression methods can be broadly classified into hardware-based approaches, such as inserting isolation transformers or individual DC-link capacitors to block circulating current paths, and control-based approaches that avoid specific zero-voltage vector combinations using space vector modulation (SVM). Nevertheless, these methods suffer from practical limitations, including increased system volume and cost, as well as increased control complexity.
To address these issues, this paper proposes a new carrier phase modulation technique, referred to as single-phase-inverted PWM (SPI-PWM), in which the carrier phase of only one phase among the three phases of each inverter is inverted by 180°. The proposed method preserves the output current quality of conventional interleaved PWM (ISPWM) while asynchronously dispersing the common-mode voltage (CMV) generation timing of each inverter through single-phase carrier inversion. Consequently, the common-mode voltage difference (△CMV) between the inverters is reduced, leading to an effective suppression of the circulating current, which is proportional to △CMV.
The operating principle of the proposed method is quantitatively analyzed through frequency-domain analysis based on the Double Fourier Integral (DFI) approach. Furthermore, the effectiveness and validity of the proposed SPI-PWM are verified through PSIM based simulations and experimental results.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 ⅱ
• 그림목차 ⅲ
• 국문초록 ⅳ
• 제 1장 서론 1
• 제 1절 연구 배경 1
• 제 2절 논문의 구성 4
• 제 2장 병렬 인버터 구조와 순환전류 5
• 제 1절 병렬 인버터 구조 5
• 제 2절 병렬 인버터 순환전류 특성 7
• 제 3절 순환전류 발생 메커니즘 분석 9
• 제 3장 제안하는 순환전류 저감기법 12
• 제 1절 캐리어 위상 반전 기법 12
• 제 2절 이중 푸리에 적분 해석 19
• 1. ISPWM(Interleved SPWM) 21
• 2. SPI-PWM(Single Phase carrier Inversion PWM) 23
• 제 4장 모의 실험 26
• 제 1절 모의 실험 구성 26
• 제 2절 모의 실험 결과 28
• 제 5장 실험 32
• 제 1절 실험 구성 32
• 제 2절 실험 결과 34
• 제 6장 결론 43
• 참고문헌 44
• ABSTRACT 47