3상 양방향 AC-DC 컨버터의 낮은 직류단 전압 운전 = Low DC-Link Voltage Operation of Three-Phase Bidirectional AC-DC Converter

국문 초록 (Abstract)

3상 양방향 AC-DC 컨버터는 계통의 교류 전원으로부터 직류단 전압을 제어하면서 부하의 요구에 따라 유효 전력을 공급하거나 흡수해야 하며, 또한 계통의 요구에 따라 무효 전력을 공급하거나 흡수할 수 있는 능력을 가져야 한다. 이러한 능력은 컨버터의 펄스 폭 변조 방식을 통해 입력 인덕터 양단에 양과 음의 전압을 순시적으로 만들어냄으로써 가능하다. 하지만, 직류단 전압이 계통의 선간 전압 피크치보다 낮다면, 그 순간에는 인덕터 양단에 양과 음의 전압을 인가하지 못하기 때문에 전류 제어의 성능이 저하된다. 즉, 직류단 전압이 계통의 선간 전압 피크치보다 얼마나 큰지가 컨버터가 전류 제어에 활용할 수 있는 전압의 마진이라고 할 수 있다. 따라서 대부분의 AC-DC 컨버터는 계통 전압보다 충분히 높게 직류단 전압을 승압하여 전압 마진을 확보함으로써 유효 전력과 무효 전력의 독립적인 제어를 달성한다. 본 논문은 전압 마진이 부족한 과변조 영역에서 전류 제어의 성능을 개선하는 q-축 전류 제어기를 제안함으로써 낮은 직류단 전압 운전을 달성하는 것을 목표로 한다.
직류단에 전동기 구동을 위한 전압원 인버터가 연결되는 가변속 구동 응용에서 낮은 직류단 전압 운전을 통해 전체 시스템 효율을 개선할 수 있다. 낮은 직류단 전압 운전을 위해 AC-DC 컨버터는 과변조 영역의 운전이 요구되는데 이에 따라 고조파 손실이 증가하지만 유효 스위칭 주파수가 작아지기 때문에 스위칭 손실은 감소한다. 낮은 직류단 전압은 스위치에 인가되는 전압의 크기를 감소시켜 컨버터와 인버터의 스위칭 손실을 저감할 뿐만 아니라 전동기의 능력 곡선을 축소시켜 고효율 운전점을 저속 영역으로 이동시킬 수 있다. 이러한 가변속 구동 응용은 중대형 건물의 실외기에 사용되는 압축기 구동과 공장의 자동화 설비를 위한 서보 드라이브에 적용될 수 있다.
과변조 영역에서는 전압 크기가 전압 육각형 내로 제한되기 때문에 기존 AC-DC 컨버터의 전압 크기라는 하나의 제어 출력이 유효하지 못하게 되며 따라서 유, 무효 전력의 독립 제어가 제한된다. 한편, 전압 각은 순시적인 전압 각을 조정할 순 없지만 전압 육각형 제한으로 인한 전압 각 지령의 6고조파 성분을 허용한다면 평균적인 전압 각 조정이 가능하다. 따라서, 본 논문은 전압 각만을 유일한 제어기 출력으로 갖는 q-축 전류 제어기를 제안한다. 이 때 전압의 크기는 전압 벡터의 순시 크기가 아닌 전압의 기본파 성분을 기준으로 조정될 수 있다. 과변조 영역에서는 전압 변조 지수를 통해 전압의 크기를 조정하며 식스-스텝 운전에 도달하면 직류단 전압을 통해 전압의 크기를 조정한다. 결과적으로, 제안하는 작은 직류단 전압 운전은 전압 각을 출력으로 갖는 q-축 전류 제어기를 통해 과변조 영역에서 직류단 전압 제어 성능을 개선하며 기본파 전압 크기 조정 전략을 통해 개선된 역률 운전을 달성한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A three-phase bidirectional AC-DC converter is required to control the DC-link voltage from the AC grid while supplying or absorbing active power based on load demands. Furthermore, it must be capable of managing reactive power flow as required by the grid. This capability is achieved by instantaneously generating arbitrary voltages across the input inductor via pulse width modulation (PWM). However, if DC-link voltage is lower than the peak of the grid's line- to-line voltage, the converter cannot generate a voltage sufficient to overcome the grid voltage at that instant, which degrades current control performance. The extent to which the DC-link voltage exceeds the peak grid voltage defines the voltage margin available for current control. Consequently, most converters secure a large voltage margin by boosting the DC-link voltage to a level significantly higher than the grid voltage, thereby achieving independent control of active and reactive power. This dissertation aims to achieve low DC-link voltage operation by proposing a q-axis current controller that improves current control performance in the overmodulation region, where this voltage margin is insufficient.
In variable-speed drive (VSD) applications where a voltage source inverter is connected to the DC-link for motor driving, low DC-link voltage operation can enhance overall system efficiency. While this mode of operation requires the AC-DC converter to operate in the overmodulation region, thereby increasing harmonic losses. Wheras, it reduces switching losses due to a lower effective switching frequency. Furthermore, a low DC-link voltage reduces the voltage stress on switches in both the converter and inverter, and shifts the high-efficiency operating points toward the low-speed range by scaling down the motor's capability curve. Such applications are highly relevant for compressor drives in outdoor units of mid-to-large-sized buildings and servo drives for factory automation.
In the overmodulation region, the voltage magnitude is constrained within the voltage hexagon, rendering the traditional degree of freedom in voltage magnitude control ineffective and limiting the independent control of active and reactive power. On the other hand, while the instantaneous voltage angle cannot be freely adjusted, average voltage angle regulation becomes possible if the sixth-order harmonic components in the voltage angle reference caused by the hexagonal limit are tolerated. Therefore, this paper proposes a q-axis current controller that utiizes the voltage angle as its sole output. In this scheme, the voltage magnitude is regulated based on the fundamental component rather than its instantaneous value. Specifically, the magnitude is adjusted via the voltage modulation index in the overmodulation region and through the DC-link voltage once six-step operation is reached. Consequently, the proposed low DC-link operation improves DC-link voltage regulation in the overmodulation region through the angle-output q-axis controller and achieves an enhanced power factor through the fundamental voltage magnitude strategy.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 8
• 1.3 논문의 구성 10
• 제 2 장 고조파 전류와 역률 제한에 따른 정격 설계 12
• 2.1 고조파 전류 제한 12
• 2.1.1 고조파 전류 방출 규정: IEC61000-3-12 13
• 2.1.2 역률 제한 20
• 2.2 과변조 운전의 정격 설계 24
• 2.2.1 페이저도 분석 24
• 2.2.2 정격 설계 30
• 제 3 장 낮은 직류단 전압 운전을 위한 고정 MI 제어 56
• 3.1 낮은 직류단 전압 운전을 위한 제어 전략 수립 56
• 3.2 낮은 직류단 전압 운전을 위한 고정 MI 제어 전략 59
• 3.2.1 D-축 전류 지령 수정 기반 d-, q-축 전류 독립 제어 60
• 3.2.2 제안하는 q-축 전류 제어기 설계를 위한 플랜트 모델링 71
• 3.2.3 제안하는 q-축 전류 제어기 설계 76
• 3.2.4 식스-스텝 운전의 q-축 전류 제어 구현 87
• 3.2.5 식스-스텝 운전의 q-축 전류 제어 시뮬레이션 결과 103
• 3.2.6 제안하는 q-축 전류 제어를 위한 인덕턴스 설정 기준 108
• 제 4 장 낮은 직류단 전압 운전을 위한 d-축 전류 제어 115
• 4.1 Q-축 전류 제어에 따른 d-축 전류 안정도 분석 115
• 4.2 D-축 전류 제어기 설계 118
• 4.3 최소 무효 전력 제어 전략 122
• 4.3.1 식스-스텝 운전의 최소 무효 전력 제어 전략 123
• 4.3.2 과변조 운전의 최소 무효 전력 제어 전략 132
• 제 5 장 실험 결과 140
• 5.1 식스-스텝 운전 성능 검증 140
• 5.2 과변조 운전 성능 검증 150
• 5.3 선형 변조 영역으로의 확장 161
• 5.4 낮은 직류단 전압 운전의 효율 개선 효과 검증 170
• 제 6 장 결론 및 향후 과제 189
• 6.1 결론 189
• 6.2 향후 과제 190
• 부 록 192
• 참고 문헌 200
• Abstract 206