NLC 기반 모듈형 멀티레벨 컨버터의 상전류 리플률을 고려한 암 인덕턴스 설계에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 근사 레벨 제어 (Nearest Level Control, NLC) 기반 모듈형 멀티 레벨 컨버터 (Modular Multilevel Converter, MMC)의 상전류 리플률 (Ripple Factor, RF)을 고려한 암 인덕턴스 (Larm) 설계 방법을 제안한다. MMC 는 다수 의 서브 모듈 (Sub-Module, SM)과 암 인덕터가 직렬로 연결된 구조로 높은 전 압 레벨 출력이 가능한 멀티레벨 토폴로지이다. 일반적으로 Larm 설계는 순환 전류 억제 및 단락전류 제한에 중점을 두고 있다. 이러한 설계는 NLC 기반 MMC 에서 서브 모듈의 개수가 적은 경우에 순환전류 및 단락전류를 기반으 로 설계하여 도출된 Larm이 상전류 리플을 충분히 저감하지 못해 오히려 상전 류의 품질을 악화시키는 문제를 일으킬 수 있다. 이와 같은 시스템에서는 순 환전류 및 단락전류 제한보다 상전류 RF 을 우선적으로 만족시키는 설계 기 준이 요구된다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 상전류의 목표 RF 에 최적 화된 암 인덕터의 값을 수학적으로 도출하는 설계 방법을 제안한다. 일반적 인 상전류 RF 을 고려한 Larm 설계는 고정된 스위칭 주기를 기반으로 전압 리 플성분을 분석하는 방식에 의존하지만, NLC 기반 MMC 는 전압 레벨마다 스 위칭 주기가 가변적이므로 기존 방법을 적용하기 어렵다. 따라서 이러한 한 계를 극복하기 위해 본 논문에서는 보다 간단한 접근 방식을 통해 상전류 RF 을 고려한 Larm을 설계한다. 먼저, 중첩의 원리를 이용하여 MMC 의 등가 회로 를 구성하고, KVL (Kirchhoff’s Voltage Law)을 이용하여 암 인덕터 전압에 대 한 방정식을 도출한다. 이어서, MATLAB 을 이용하여 FFT 분석을 통해 암 인 덕터 전압의 기본파 성분을 제외한 리플 성분만을 추출한다. 추출된 각 차수 의 전압 성분을 옴의 법칙을 이용하여 전류로 변환한 후, Larm와 상전류 RF 간의 수식을 정리한다. 위 수식을 통해 목표하는 상전류 RF 에 최적의 Larm를 결정할 수 있다. 제안된 설계 방법은 MATLAB 및 DSIM 시뮬레이션을 통해 이 론적인 타당성을 검증하고, 실험을 통해 결과를 제시하여 그 성능의 유효성 과 타당성을 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 4
• 1.3 논문 개요 6
• Ⅱ. Modular Multilevel Converter 이론 7
• 2.1 MMC 의 기본 구조 8
• 2.1.1 MMC 의 구조 8
• 2.1.2 MMC 의 수학적 모델링 14
• 2.2 MMC 의 변조 기법 19
• 2.2.1 Level-shifted PWM (LS-PWM) 20
• 2.2.2 Phase-shifted PWM (PS-PWM) 21
• 2.2.3 Nearest Level Control (NLC) 22
• 2.3 MMC 의 제어 방법 25
• 2.3.1 MMC 의 계통 연계 전류 제어 25
• 2.3.2 MMC 의 레그 커패시터 에너지 제어 27
• 2.3.3 MMC 의 암 커패시터 에너지 제어 29
• 2.3.4 MMC 전체 제어 블록도 36
• Ⅲ. MMC 의 파라미터 설계 방법 38
• 3.1 서브모듈 커패시턴스 설계 39
• 3.2 Larm 설계 45
• 3.2.1 2차 순환전류 기반 설계 방법 45
• 3.2.2 단락전류 기반 설계 방법 50
• Ⅳ. NLC 기반 MMC 에서의 Larm 설계 방법 53
• 4.1 고정 스위칭 변조 기법 기반 인덕턴스 설계 54
• 4.1.1 PS-PWM 기반 인덕턴스 설계 54
• 4.1.2 NLC 기반 MMC 에 고정 스위칭 기반 인덕턴스 설계 방법의 한계 56
• 4.2 제안하는 NLC 에서의 Larm 설계 58
• Ⅴ. 시뮬레이션 71
• 5.1 시뮬레이션 환경 71
• 5.2 MMC 기본 동작 검증 73
• 5.2.1 RL 부하 시 전류 제어 동작 검증 73
• 5.2.2 계통 연계 시 전류 제어 동작 검증 76
• 5.3 제안하는 상전류 RF 을 고려한 Larm 설계 검증 80
• Ⅵ. 실험 82
• 6.1 실험 환경 및 제어 계층 구조 82
• 6.2 MMC 기본 동작 검증 84
• 6.2.1 RL 부하 시 전류 제어 동작 검증 85
• 6.2.2 계통 연계 시 전류 제어 동작 검증 87
• 6.3 제안하는 상전류 RF 을 고려한 Larm 설계 검증 91
• Ⅶ. 결 론 92
• 참고문헌 93
• Abstract 98