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표제지

국문요약

목차

제1장 서론 12

1.1. 연구의 배경 12

1.2. 연구의 목적 18

1.2.1. 멀티레벨 컨버터의 고장 허용 제어 18

1.2.2. 멀티레벨 컨버터의 스위칭 손실 저감 19

1.3. 논문의 구성 20

제2장 모듈형 멀티-셀 컨버터 21

2.1. 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터 21

2.1.1. 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터 회로 구조 21

2.1.2. 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 23

2.2. 모듈형 멀티레벨 컨버터 34

2.2.1. 모듈형 멀티레벨 컨버터 회로 구조 34

2.2.2. 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 36

제3장 다단 H-bridge 컨버터의 스위치 고장 허용 제어 41

3.1. 다단 H-bridge 컨버터의 스위치 고장 분석 41

3.2. 중성점 천이 기반 허용 제어 기법 43

3.3. 3상 CHMC의 스위치 고장 대응을 위한 변조 기법 48

3.3.1. 개방성 및 단락성 스위치 고장 허용 제어 49

3.3.2. 개방성 스위치 고장 허용 제어 51

3.3.3. 서브모듈 간 전력 균등 분배를 위한 교차 변조 53

3.4. 시뮬레이션 결과 분석 56

3.5. 실험 결과 분석 61

제4장 3상 MMC의 스위치 고장 허용 제어 66

4.1. 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위치 고장 66

4.2. 3 상 MMC의 스위치 고장 대응을 위한 변조 기법 70

4.2.1. Sorting 알고리즘 기반 대체 서브모듈 선택 기법 70

4.2.3. Sorting 알고리즘과 CB-PWM 기반 대체 서브모듈 선택 기법 74

4.3. 시뮬레이션 결과 분석 78

제5장 MMC의 손실 저감을 위한 하이브리드 변조 기법 85

5.1. MMC의 전기적 모델 85

5.2. 스위칭 손실 저감을 위한 하이브리드 변조 기법 88

5.2.1. 하이브리드 변조 기법의 원리 88

5.2.2. 커패시터 전압 균등 분배를 위한 모듈 간 교차 변조 91

5.3. 시뮬레이션 결과 분석 96

5.3.1. 하이브리드 변조 기법의 출력 특성 96

5.3.2. 스위칭 손실 분석 99

5.4. 실험 결과 분석 101

제6장 결론 및 요약 106

참고문헌 109

Abstract 117

그림목차

그림 1.1. 연안 풍력 발전 단지 연계용 HVDC 송전 시스템의 개략도 13

그림 1.2. ㎹DC 배전망 개략도와 전압에 따른 가공선 송전탑 크기 비교 14

그림 1.3. 고전압 응용분야를 위한 전압형 컨버터 토폴로지 16

그림 2.1. 3상 7-레벨 CHMC 기본 구조도 22

그림 2.2. 7-레벨 CHMC의 phase-shifted PWM 원리 24

그림 2.3. Phase-shifted PWM 기반 7-레벨 CHMC의 출력 파형 25

그림 2.4. Phase-shifted PWM의 고조파 스펙트럼 26

그림 2.5. 5-레벨 CHMC를 위한 LS-PWM 기법 종류 27

그림 2.6. 7-레벨 CHMC의 level-shifted PWM 원리 28

그림 2.7. Level-shifted PWM 기반 7-레벨 CHMC의 출력 파형 29

그림 2.8. Level-shifted PWM의 고조파 스펙트럼 30

그림 2.9. 낮은 진폭 변조지수로 구동되는 7-레벨 인버터의 출력 전압 31

그림 2.10. N개의 서브모듈로 구성된 3상 MMC 기본 구조도 34

그림 2.11. 5-레벨, 9-레벨 MMC를 위한 PS-PWM의 원리 37

그림 2.12. PS-PWM 기반 MMC의 출력 파형 38

그림 2.13. PS-PWM 기반 MMC의 출력 전압, 전류 및 순환전류 39

그림 3.1. 변조 기법에 따른 7-레벨 CHMC의 SM01 고장 시, 출력 전압 파형 42

그림 3.2. 상 당 3개의 서브모듈로 구성된 CHMC의 출력 전압 페이저도 44

그림 3.3. CHMC 서브모듈 우회 방법 48

그림 3.4. 개방성 및 단락성 고장을 위한 제안하는 허용 제어 과정 50

그림 3.5. 개방성 고장을 위한 제안하는 허용 제어 과정 52

그림 3.6. LS-PWM 기반 CHMC를 위한 기존의 교차 변조 기법 54

그림 3.7. 스위치 고장 허용제어를 위한 제안하는 교차 변조 기법 55

그림 3.8. 고장 서브모듈의 우회 기반 고장 허용 제어 시뮬레이션 결과 57

그림 3.9. 개방성 스위치 고장 최적 허용 제어 시뮬레이션 결과 58

그림 3.10. 두 개 상 스위치 고장 시 허용 제어 시뮬레이션 결과 59

그림 3.11. 교차 변조 기법에 따른 서브모듈 출력 전압 및 전달 전력 60

그림 3.12. 시험 평가를 위한 6 ㎾ 급 CHMC 시작품 62

그림 3.13. 고장 서브모듈의 우회 기반 고장 허용 제어 실험 결과 63

그림 3.14. 개방성 스위치 고장 최적 허용 제어 실험 결과 64

그림 3.15. 제안하는 교차 변조 기법 적용 시, 서브모듈 출력 전압 65

그림 4.1. 예비 서브모듈이 추가 된 단상 5-레벨 MMC의 개략도 67

그림 4.2. 5-레벨 MMC의 정상 운전 시, 하단 암 전압과 극전압 68

그림 4.3. SM01의 고장 발생 시, 출력 하단 암 전압 69

그림 4.4. 제안하는 허용 제어를 위한 서브모듈 대체 기법의 원리 70

그림 4.5. 서브모듈 전압 균형 제어를 위한 대체 서브모듈 선택 알고리즘 71

그림 4.6. 중성점 천이에 의해 재구성 된 지령 신호와 출력 암 전압 72

그림 4.7. PS-PWM 적용 시, 한 암 내의 서브모듈 커패시터 전압 75

그림 4.8. 스위칭 주파수 저감을 고려한 대체 서브모듈 선택 기법의 원리 76

그림 4.9. 스위칭 주파수 저감을 고려한 고장 허용 제어 기법의 순서도 77

그림 4.10. SM.l1의 고장 발생 시, MMC의 출력 파형 79

그림 4.11. SM.l1의 고장 발생 시, 제안한 허용 제어에 의한 MMC의 출력 파형 80

그림 4.12. 고장 하단 암의 각 모듈 서브모듈 커패시터 전압 81

그림 4.13. 정상 운전 시와 허용 제어를 적용한 고장 상황 시의 순환 전류 82

그림 4.14. 순수 Sorting 알고리즘 기반 허용 제어 시, 하단 암 서브모듈 스위칭 주파수 83

그림 4.15. PS-PWM과 sorting 알고리즘 혼용 허용 제어 시, 하단 암 서브모듈 스위칭 주파수 84

그림 5.1. 단상 MMC의 등가 회로 모델 86

그림 5.2. PS-PWM 기반 5-레벨 MMC의 하단 암 전압 합성 87

그림 5.3. 4개의 서브모듈에 적용되는 제안하는 변조 기법의 지령 신호 89

그림 5.4. 서브모듈 전압의 조합에 따른 합성된 하단 암 전압 90

그림 5.5. 제안하는 하이브리드 변조 기법의 지령 신호 92

그림 5.6. 제안하는 하이브리드 변조 기법의 제어 순서도 94

그림 5.7. 변조 기법에 따른 5-레벨 MMC의 출력 파형 97

그림 5.8. 암 당 10개의 서브모듈을 갖는 MMC의 하이브리드 변조 기반 출력 파형 98

그림 5.9. 변조 기법에 따른 IGBT 모듈의 전력 손실 비교 100

그림 5.10. 시험 평가를 위한 5-레벨 MMC 시작품 101

그림 5.11. 변조 기법에 따른 5-레벨 MMC의 출력 파형 102

그림 5.12. 서브모듈 커패시터 전압 균형 성능 검증 103

그림 5.13. 변조 기법에 따른 계통 연계형 MMC의 출력 특성 104

초록보기

 본 논문은 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터와 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위치 고장 허용 제어 기법을 제시한다. 일반적인 멀티레벨 컨버터의 허용 제어는 추가로 설치된 단위 모듈을 이용한다. 본 논문에서 제안하는 허용 제어 기법은 전력반도체소자의 고장이 발생하여도 추가 단위 모듈을 사용하지 않고 3상 선간 전압과 전류의 평형을 효과적으로 유지할 수 있다. 제안하는 허용 제어 기술은 추가적으로 교차 변조 기법을 적용하여 고장 상황 시에 발생되는 모듈 간 전달 전력의 극심한 불균형 문제를 해소한다. 제안하는 허용 제어 기법은 개방성 고장과 단락성 고장 모두를 대응하기 위한 두 가지 방법으로 구성된다.

전력반도체소자의 수명은 온도에 기인하며 스위칭 손실은 온도를 높이는 열원으로 변환된다. 본 논문은 전력반도체소자의 수명을 연장하기 위해 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 손실을 저감하면서도 높은 품질의 전압과 전류를 출력할 수 있는 변조 기법을 제안한다. 제안하는 변조 기법은 스위칭 손실 저감을 위한 불연속 구간을 포함하며 해당 불연속 구간은 서브모듈의 커패시터 전압을 극심하게 변동 시키는 요인이다. 서브모듈 간 전압 균형 제어를 유지하기 위해 제안하는 변조 기법은 불연속 변조와 재구성된 사인파 변조를 교차로 수행한다. 불연속 구간에 의해 스위칭 손실을 효과적으로 저감하면서도 각 서브모듈의 커패시터 전압을 균등하게 유지할 수 있으며 기존의 변조 기법과 유사한 품질의 전압과 전류를 출력할 수 있다.

본 논문에서 제안하는 기법은 다양한 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 성능과 실현 가능성을 검증한다.

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