PWM 컨버터의 계통 필터 위치에 무관한 상전압 측정 및 센서 오차 보상에 관한 연구 = Study on Phase Voltage Measurement Independent of Grid Filter Location and Sensor Error Compensation in PWM Converters

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, with the widespread adoption of power conversion systems utilizing high-performance semiconductor devices across various applications, research on voltage-source PWM converters for AC/DC conversion has attracted significant attention.
As the rated power increases, the input filter typically becomes larger, which thereby requiring longer sensing cables and more complex wiring when the voltage sensor is placed on the grid side of the filter. These long low-level sensing lines are more susceptible to EMI, degrading measurement reliability.
This paper therefore proposes relocating the voltage sensor from the grid side of the input filter to the converter side, thereby reducing wiring complexity and noise sensitivity and enabling a more compact and practical hardware design for high-power PWM converters.
Since the voltage measured on the converter side corresponds to the pole voltage generated by switching operations, this paper presents a method for processing the measured voltage using a low-pass filter (LPF) for control purposes, along with an algorithm to compensate for the phase delay introduced by the LPF cutoff frequency.
In addition, the relationship between the converter-side sensed voltage and the grid voltage is analyzed. Based on this analysis, a grid voltage estimation method applicable to L, LC, and LCL filters, regardless of the filter structure, is proposed.
Furthermore, voltage measurement errors arising from the inclusion of a capacitor in the input filter are identified, and a real-time compensation method is proposed.
To verify the effectiveness of the proposed algorithms, experimental results obtained from a single PWM converter setup are presented, demonstrating the validity of the proposed approach.

국문 초록 (Abstract)

최근 고성능 반도체 소자를 이용한 전력변환 장치가 다양한 응용 분야에 적용되면서, AC/DC 변환에 널리 사용되는 전압형 PWM 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 기존 시스템에서 입력 필터 전단에 위치하던 전압 센서를 컨버터 측으로 이동시켜, 필터 대형화에 따른 배선 복잡도와 케이블 길이에 따른 노이즈취약성을 줄이고 전압 센서와 전류 센서를 포함하는 PWM 컨버터의 모듈화 방안을 제시함에 따라 하드웨어 설계의 단순화를 제안한다. 이를 수행하기 위해 먼저 컨버터 측에서 측정되는 전압은 스위칭에 따른 극전압이므로, 이를 저역통과필터(LPF)로 처리하여 제어에 사용할 수 있는 방법과, LPF 차단 주파수에 따른 위상 지연을 보상하는 알고리즘을 제안한다. 아울러 컨버터 측 센싱 전압과 계통 전압의 관계를 이론적으로 분석하고, 이를 바탕으로 필터 구조와 무관하게 L, LC, LCL 필터 모두에 적용 가능한 계통 전압 추정 기법을 제시한다. 마지막으로, 입력 필터에 커패시터가 포함될 때 발생하는 전압 측정 오차 요인을 정의하고 이에 대한 실시간으로 보상 방법을 제안하였
다. 제안된 알고리즘의 유용성을 검증하기 위하여 PWM 컨버터 세트를 통해 실험으로 제안된 방법의 유효성을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 2. 다이오드 정류기와 전압형 PWM 컨버터 4
• 2.1 3상 다이오드 정류기의 특징 4
• 2.2 3상 전압형 PWM 컨버터의 특징 7
• 가. PWM 컨버터의 입력 필터 7
• 나. L필터를 가지는 PWM 컨버터 10
• 다. LC필터를 가지는 PWM 컨버터 14
• 라. LCL필터를 가지는 PWM 컨버터 17
• 2.3 3상 PWM 컨버터의 제어기 설계 20
• 가. 전체 제어기 구성 20
• 나. 전압 제어기 20
• 다. 전류제어기 25
• 라. 제어각 연산 27
• 3. PWM 컨버터의 기존 전압 센싱 위치와 제안된 전압 센싱 위치 29
• 3.1 PWM 컨버터의 기존 전압 센싱 방식 29
• 가. 일반적인 PWM 컨버터의 하드웨어 구조 29
• 나. 기존 전압 센싱 방법과 기술적 한계 30
• 3.2 제안하는 컨버터의 전압 센싱 방법 31
• 가. 제안하는 전압 센싱 방법의 장점 31
• 나. 제안하는 컨버터의 전압 센싱 방법을 사용하기 위한 문제점 33
• 3.3 제안하는 전압 센싱 위치에서의 기존 연구 37
• 3.4 기존 연구의 기술적 한계 39
• 가. 입력 필터 형태에 따른 전압 추정의 한계 39
• 나. LPF 위상 지연 보상에 대한 한계 44
• 다. 입력 필터에 따른 측정 오차에 대한 한계 45
• 4. 제안하는 연구 51
• 4.1 LPF 위상 지연 보상에 대한 연구 52
• 4.2 입력 필터에 따른 측정 오차 보상에 대한 연구 57
• 4.3 제안하는 전압 센싱 위치에서 계통 전압 추정에 대한 연구 62
• 가. LCL 필터 62
• 나. LC 필터 65
• 다. L 필터 66
• 4.4 제안하는 PWM 컨버터의 제어 블럭도 68
• 5. 시뮬레이션 69
• 5.1 시뮬레이션 구성 69
• 5.2 시뮬레이션 결과 72
• 6. 실험 85
• 6.1 실험 구성 85
• 6.2 실험 결과 87
• 가. 제안된 LPF 위상 지연 보상 88
• 나. 제안된 LPF 위상 지연 보상과 기존 연구의 계통 전압 추정 적용 90
• 다. 제안된 LPF 위상 지연 보상과 제안된 연구의 계통 전압 추정 적용 92
• 라. 제안된 측정 오차 보상 적용 95
• 7. 결 론 100
• 참 고 문 헌 102
• Abstract 109