중성점 전압 변동을 고려한 3-레벨 인버터의 과변조 기법

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 3-레벨 인버터의 직류단 중성점에서 발생하는 중성점 전압 변동 을 고려한 과변조 기법을 제안한다. 부하 조건과 직류단 전압 여유에 따라 출력 전압 지령이 선형 변조 영역의 한계를 초과하면 인버터는 과변조 영역 에 진입하며, 이때 전압 지령을 정확히 출력할 수 없어 출력 전압 선형성이 저하되고, 출력 전류에는 저차 고조파 성분이 증가하여 전고조파왜율(Total Harmonic Distortion, THD)에 악영향을 끼친다. 또한 3-레벨 인버터에서는 중 성점 경로의 존재로 중성점 전류가 흐르며, 이 전류로 인해 직류단의 상단 커패시터 전압과 하단 커패시터 전압이 변화하여 중성점 전압 변동이 유발 된다. 해당 변동은 AC 불평형 성분과 DC 불평형 성분으로 구분되며, AC 불평형 성분은 인버터의 출력 극전압 오차를 발생시켜 과변조 구간에서 출력 전압 선형성을 저하시키고, DC 불평형은 출력 전류 왜곡을 유발하고, 직류단 커패시터 및 스위치 소자의 손상을 초래할 수 있다. 따라서 본 논문은 중성점 전류로부터 중성점 전압의 AC 와 DC 불평형 성분을 각각 추정하고 이를 이용해 중성점 전압 변동을 보상하는 과변조 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 AC 불평형 성분을 기준 전압 벡터의 인가 시간을 계산할 때 반영해줌으로써 극전압 오차를 보상한다. 또한 DC 불평형 정도에 상응하는 중성점 전류 지령을 도출하고, 이를 만족하는 오프셋 성분을 산출하여 3 상 스위칭 듀티에 더해줌으로써 DC 불평형을 저감할 수 있다. 그 결과 과변조 구간에서 출력 전압 선형성을 확보하고 출력 전류의 저차 고조파 성분을 저감하며, 직류단 커패시터 및 스위치 소자의 손상을 방지할 수 있다. 제안하는 기법의 유효성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 4
• 1.3 논문의 구성 5
• Ⅱ. 3-레벨 인버터의 개요 6
• 2.1 3-레벨 인버터의 특성 및 동작원리 6
• 2.1.1 3-레벨 NPC 인버터 7
• 2.1.2 3-레벨 TNPC 인버터 8
• 2.1.3 3-레벨 HANPC 인버터 9
• 2.2 3-레벨 인버터의 중성점 전압 불평형 11
• Ⅲ. 3-레벨 인버터의 제어 기법 13
• 3.1 2-레벨 인버터의 제어 기법 13
• 3.1.1 2-레벨 인버터의 공간 벡터 PWM 기법 14
• 3.1.2 2-레벨 인버터의 과변조 기법 24
• 3.2 3-레벨 인버터의 제어 기법 32
• 3.2.1 3-레벨 인버터의 공간 벡터 PWM 기법 32
• 3.2.2 3-레벨 인버터의 과변조 기법 37
• Ⅳ. 중성점 전압 변동을 고려한 3-레벨 인버터의 과변조 기법 42
• 4.1 제안하는 3-레벨 인버터의 과변조 기법 42
• 4.1.1 중성점 전류 기반 중성점 전압 추정 46
• 4.1.2 중성점 전압 AC 불평형 성분을 고려한 벡터 인가 시간 도출 48
• 4.1.3 중성점 전압 DC 불평형 보상 60
• Ⅴ. 시뮬레이션 65
• 5.1 시뮬레이션 환경 65
• 5.2 시뮬레이션 결과 67
• Ⅵ. 실 험 80
• 6.1 실험 환경 80
• 6.2 실험 결과 81
• Ⅶ. 결 론 90
• 참고문헌 91
• Abstract 96