단상 Z-소스 Buck-Boost 매트릭스 컨버터 및 응용

우엔 민 카이 전남대학교 대학원 2010 국내박사

본 연구에서는 단상 Z-소스 벅-부스트 매트릭스 컨버터(single-phase Z-source buck-boost matrix converter)와 단상 quasi–Z-소스 교류-교류 컨버터(single-phase quasi-Z-source AC-AC converter) 두 가지 새로운 종류의 컨버터를 연구하였다. 단상 Z-소스 벅-부스트 매트릭스 컨버터는 출력 주파수 및 출력전압의 벅-부스트 제어가 가능하다. 추가로, 제안된 컨버터는 safe commutaion방법에 의하여 스너버 회로없이 스위치의 전압 스파이크의 제거를 할 수 있다. 제안한 단상 Z-소스 벅-부스트 매트릭스 컨버터의 동작방법을 표현하고 회로 분석을 제공하였다. 제안된 컨버터의 성능을 확인을 위해 R-L부하와 40Vrms/60Hz의 전압을 갖는 회로를 설계하였다. 제안한 컨버터의 성능 검증은 각각 30Hz, 60Hz, 120Hz의 출력 주파수와 벅-부스트된 출력전압을 실험과 시뮬레이션을 통하여 입증하였다. 단상 quasi–Z-소스 교류-교류 컨버터는 종전의 단상Z-소스 교류-교류 컨버터의 모든 장점을 포함할뿐만아니라 벅-부스트된 출력전압의 위상을 반전시키거나 유지하는 것이 가능하다. 추가로, 제안한 단상 quasi–Z-소스 교류-교류 컨버터는 입력 측과 출력 측이 동일한 접지를 가지는 특징과 동작 중 입력전류가 연속으로 흐르는 특징이 있다. 제안한 컨버터의 구동 방법을 표현하고 회로분석을 하였다. 제안한 컨버터의 성능을 입증하기 위해 84Vrms/60 Hz입력의 실제 회로를 구성하였다. 시뮬레이션 및 실험결과를 통해 종전의 단상 Z-소스 교류-교류 컨버터에 비해서 입력전류의 전고조파 왜곡을 낮출수있으며 높은 입력 Power factor와 효율이 가능 함을 증명 하였다. 전압 swell/sag보상기를 위한 단상 Z-소스 교류-교류 컨버터의 응용 방법을 소개 하였다. 소개한 토폴로지는 변압기와 PWM Z-소스 교류-교류 컨버터를 사용하였다. 전압의 swell/sag 발생시 제안한 시스템은 부하 측에 인가되는 전압의 증가 또는 감소시키는 과정을 통해 일정하게 유지한다. 일반적인 경우 시스템은 위의 과정을 수행하지 않는다. 제안한 시스템은 전력변환을 위한 높은 정격의 베터리 모듈 또는 커패시터 모듈 등이 요구되지 않는다. Commutation 방법을 이용한 교류-교류 컨버터는 스너버장치가 없는 동작이 가능하다. 제안한 시스템의 동작 방법을 설명하고 회로를 분석하였다. 제안한 시스템의 성능을 검증하기 위해 기본 입력전압 110 Vrms/60Hz으로 동작하는 TMS320F2812 DSP 기반의 실제 회로를 구성하였다. 입력 측과 출력 측의 최대 전압을 검출하기 위한 장치를 구성하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과 20% 전압 swell과 60% 전압 sag의 보상이 가능함을 확인 할수있었다. This thesis deals with two new types of converter called a single-phase Z-source buck-boost matrix converter and a single-phase quasi-Z-source AC-AC converter. The single-phase Z-source buck-boost matrix converter can buck and boost with step-changed frequency, and both the frequency and the voltage can be stepped up or stepped down. In addition, the converter employs a safe-commutation strategy to conduct along a continuous current path, which results in the elimination of voltage spikes on switches without the need for a snubber circuit. The operating principles of the proposed single-phase Z-source buck-boost matrix converter are described, and a circuit analysis is provided. To verify the performance of the proposed converter, a laboratory prototype was constructed with a voltage of 40 Vrms/60Hz and a passive R-L load. The simulation and the experimental results verified that the converter can produce an output voltage with three different frequencies 120 Hz, 60 Hz, and 30 Hz, and that the amplitude of the output voltage can be bucked and boosted. The single-phase quasi-Z-source AC-AC converter inherits all the advantages of the traditional single-phase Z-source AC-AC converter, which can realize buck-boost, reversing or maintaining the phase angle. In addition, the proposed single-phase quasi-Z-source AC-AC converter has the unique features that the input voltage and output voltage share the same ground and the operation is in the continuous current mode (CCM). The operating principles of the proposed converter are described, and a circuit analysis is provided. In order to verify the performance of the proposed converter, a laboratory prototype was constructed with a voltage of 84 Vrms/60 Hz. The simulation and experimental results verified that the converter has a lower input current total harmonic distortion, higher input power factor and higher efficiency in comparison with the conventional single-phase Z-source AC-AC converter. An application of the single-phase Z-source AC-AC converter for voltage swell/sag compensation is presented. The presented topology employs a pulse width modulation (PWM) Z-source AC-AC converter along with a transformer. During a voltage swell/sag occupation, the proposed system adjusts the adding or missing voltage and maintains the rate voltage at the terminal of the critical load. During normal conditions, the system works in bypass mode. The proposed system does not require any large energy-storage elements such as batteries bank or bulk capacitors. A commutation strategy to drive the AC-AC converter is employed to realize snubberless operation. The operating principles of the proposed system are described, and a circuit analysis is provided. To verify the performance of the proposed system, a laboratory prototype based on TMS320F2812 DSP was constructed with a normal voltage of 110 Vrms/60Hz. A peak voltage detector was made for both input and output sides. Simulation and experimental results at 20% voltage swell, and 60% voltage sag are shown.

AC-AC Converter를 이용한 단상유도전동기의 동작특성에 관한 연구

허정윤 朝鮮大學校 大學院 1995 국내석사

In the general, the speed control of single-phase induction motor is accomplished at a few discrete speed by using tapped-winding, pole changing or gear. These technique is inefficient and complicated. In the reason, the applied voltage of single-phase induction motor is controlled for improvement speed characteristics. The AC-AC converter can be easily realized using module transistor. The output voltage from the AC-AC converter is applied to single-phase induction motor. This paper presented operating characteristics of single-phase induction motor by AC-AC converter.

커뮤테이션 문제를 해결한 새로운 단상 PWM AC-AC 컨버터

신현학 경북대학교 대학원 2015 국내석사

본 논문은 커뮤테이션 문제를 해결한 새로운 PWM AC-AC 컨버터를 제안하였다. 제안한 컨버터는 스위칭 셀 구조와 결합인덕터를 사용 하여 회로의 암-단락, 개방 에도 문제없이 동작하며 스위치를 보호하기 위한 스너버 회로가 필요하지 않다. 승압형, 강압형, 승-강압형 세 개의 컨버터를 제안하였으며 역 회복 시간이 빠른 다이오드를 사용하여 높은 스위칭 주파수로 컨버터의 동작이 가능하므로 자기 소자들의 크기를 좀 더 작게 설계 할 수 있는 장점이 있다. 제안한 컨버터를 성능을 검증하기 위하여 200 W의 승압형 시제품을 제작 하여 실험 검증 하였다. This paper presents novel single-phase PWM AC-AC converters that can solve the commutation problem in single-phase direct PWM AC-AC converters without sensing the input voltage polarity. By using a basic switching cell structure and coupled inductors, the proposed AC-AC converters can be short-and open-circuited without damaging the switching devices. Neither lossy RC snubber nor dedicated soft commutation strategy is required in the proposed converter. By replacing the conventional phase-leg of the PWM AC-AC converters with the switching cell structure and the coupled inductor, three novel buck, boost, and buck-boost type PWM AC-AC converters are developed. The volume of the magnetic components can be further reduced by increasing switching frequency of the converter because very fast recovery diodes can be selected externally. In order to verify performance and robustness of the proposed converter, a 200 W boost type prototype converter was built and tested with both mismatched gate signals and highly distorted input voltage

교루초퍼제어에 의한 AC-AC콘버터에 관한 연구

백형호 朝鮮大學校 大學院 1992 국내석사

The availability of fast components like power MOSFETs, needing no forced commutation circuits, allows one to utilize more easily chopper methods in AC-AC converters. Direct AC-AC converter has certain advantages compared to DC link converter. In this paper, various circuit characteristics for AC-AC power converters are discussed. The simulation and experimentation are performed to vary voltage and frequency and analyzed the harmonic contents.

Single-Phase Single-Stage PWM AC-AC Converters with Bipolar Voltage Gain and Versatile Modes of Operation : 바이폴라 전압 이득 및 다양한 동작 모드를 갖춘 단상 단일-스테이지 PWM AC-AC 컨버터

Ahmed, Hafiz Furqan 경북대학교 대학원 2017 국내박사

There are three commonly used PWM ac-ac power converter topologies, namely: 1) Indirect ac-dc-ac converters with dc-link capacitor. 2) Matrix converters. 3) Direct pulse width modulated (PWM) ac-ac converters. The first two topologies can provide ac output voltage with variable amplitude and frequency, owing to their symmetric bipolar voltage gain capability, with both non-inverting and inverting voltage operations. Whereas, the third one can only provide voltage regulation, as they usually suffer from unipolar voltage gain range. The bipolar voltage gain capability is necessary to provide variable frequency operation, which is required for applications such as variable speed drives, and induction heating, etc. In addition, the non-inverting and inverting output voltages are required in utility voltage compensation applications, to mitigate both voltage sags and swells. Despite their bipolar voltage gain capability, the indirect ac-dc-ac converters require two-stage power conversion with bulky and short-life dc-link capacitors, whereas the matrix converters require large number of active switches. The new simple topologies of single-phase single-stage ac-ac and matrix converters are proposed in this dissertation, with bipolar voltage gain range, and with/without high-frequency transformer (HFT) isolation. The proposed topologies can provide the versatile modes of operation with both non-inverting and inverting output voltages, without using bulky dc-link capacitor or large number of active switches, as required in the case of indirect ac-dc-ac converters and matrix converters, respectively. In the first part of the dissertation, a single-phase single-stage non-isolated buck-boost ac-ac or matrix converter is proposed, which can operate as traditional non-inverting buck and boost converters, and non-inverting/inverting buck-boost converters as well. Whereas it uses smaller number of active switches and passive components. It combines the functions of basic conventional ac-ac buck, boost and buck-boost converters, with additional benefits of no shoot-through or commutation problem, and no reverse recovery problem of body diodes when MOSFETs are used as switching devices. Therefore, it can be used to replace its conventional counterparts in ac-ac applications. The second part of the dissertation deals with a single-phase single-stage buck ac-ac or matrix converter with symmetric bipolar voltage gain and high-frequency transformer (HFT) isolation. It can be used in ac-ac applications with electrical isolation requirements such as utility voltage compensation, etc., with the benefit of eliminating bulky and costly line frequency transformer. In the third part of the dissertation, a class of high-frequency transformer (HFT) isolated single-phase Z-source ac-ac converters is proposed. The proposed converters retain all the benefits of existing non-isolated Z-source converters such as; buck-boost voltage capability with reversing or maintain phase-angle, reducing the in-rush and harmonic currents, and improving reliability. Moreover, the HFT isolation eliminate the need for bulky line frequency transformer, which is otherwise required in their applications as dynamic voltage restorer (DVR) to compensate voltage sag/swell, and static volt-ampere reactive (VAR) compensator, etc. The switching strategies for various operations of the proposed topologies are developed, and detailed analysis, design guidelines and appropriate comparisons are presented. The laboratory prototypes of the proposed converters are also fabricated, and experimental results are provided to confirm their operation. 본 논문은 바이폴라 전압 이득 및 다양한 동작 모드를 가진 새로운 단상 단일-스테이지 AC-AC 및 매트릭스 컨버터를 제안한다. 간접적인 ac-dc-ac 컨버터 및 매트릭스 컨버터가 요구될 경우 제안된 토폴로지는 큰 DC 커패시터와 많은 추가적인 스위치 없이 반전 및 비 반전 출력 전압을 가진 동작모드를 제공할 수 있다. 논문의 첫 파트에서는 단상 단일-스테이지 비 절연 벅-부스트 AC-AC 또는 매트릭스 컨버터가 제안된다. 이 컨버터는 기존의 비 반전 벅 혹은 부스트 컨버터처럼 동작 할 수 있다. 또한 이는 비 반전 및 반전 벅-부스트 동작을 제공 할 수 있다. 또한 이것은 스위치 및 기타 소자를 적게 사용합니다. 이는 슛-스루 문제와 커뮤테이션 문제를 가지지 않는다. 또한, MOSFET을 스위치로 사용하더라도, 이 회로는 바디 다이오드의 역 회복 문제가 생기지 않는다. 따라서 이는 기존의 AC-AC 애플리케이션을 대체하여 사용할 수 있다. 논문의 두 번째 파트는 바이폴라 전압 이득 및 고주파 변압기 (HFT) 절연을 갖춘 단상 단일 스테이지 벅 AC-AC 또는 매트릭스 컨버터를 다룬다. 이것은 전압 보상기 같은 크고 비싼 변압기를 제거 가능하며 전기적 절연이 필요한 AC-AC 어플리케이션에 사용 될 수 있다. 논문의 세 번째 파트에서는 고주파 변압기(HFT)로 절연한 단상 Z-소스 AC-AC 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터는 기존의 비 절연 Z-소스 컨버터의 모든 이점을 가지고 있다. 이 이점들은 위상 각을 반전 혹은 유지하며 인 러시 및 고조파 전류를 줄이고 신뢰성을 향상시키는 벅-부스트 전압 특징을 포함한다. 또한 HFT 절연은 전압 강하 / 팽창을 보상하기 위한 동적 전압 복원 장치 (DVR)와 같은 애플리케이션에서 요구되는 부피가 큰 라인 주파수 변압기의 필요성을 제거한다.

신경망 이론을 적용한 마이크로그리드의 지능형 에너지 관리 및 인터링킹 컨버터의 고장 제어에 관한 연구

최봉연 성균관대학교 일반대학원 2020 국내박사

본 논문에서는 차세대 전력망으로 연구되고 있는 AC/DC 마이크로그리드의 에너지 관리 알고리즘과 계통 연계 제어를 위한 인터링킹 컨버터의 다양한 동작모드 및 지락 상황에서의 고장 지점 분리를 위한 스위칭 기법에 대해 연구를 진행하였다. 에너지관리 알고리즘을 위해 배전망 내 ESS의 잔존 용량, 분산 발전량, 부하 수요 및 계통 수전전력에너지의 관계를 통해 다양한 전력 상황에서의 ESS의 충, 방전량에 대한 기준 데이터를 선정하였다. 이러한 비선형적인 기준 데이터에 의한 에너지 관리 시스템 운용을 위해 인공 신경망 이론을 이용하여 학습을 진행한다. 인공 신경망의 특성상 비선형 적인 데이터에 학습 및 추론이 용이하기 때문에 에너지 관리 알고리즘에 적용이 용이하다. 그러므로 이를 이용하면 AC/DC 마이크로그리드의 순시적으로 변동하는 전력 상황을 고려한 에너지 관리가 가능하다. 또한 지락과 같은 고장 상황에 있어서 인터링킹 컨버터의 고장 제어를 위해 3상 4선식 인버터를 인터링킹 컨버터로 사용하였다. 3상 4선식 인버터는 기존 3상 AC/DC 컨버터와는 달리 3상 부하의 N상과 연결된 4번째 leg를 이용하여 N상의 전압 제어가 가능하다. 이러한 특징을 분석하면 각상 또는 선간에 0 전압 벡터를 포함한 3가지 전압 벡터의 인가가 가능하므로 지락과 같은 고장 상황에서 특정 상 전압에 전기적으로 0전압 벡터의 지속적인 인가가 가능하도록 스위칭 벡터를 선정할 수 있다. 따라서 고장 지점의 전기적 분리를 위해 3상 4선식 인버터의 스위칭 벡터를 분석하여 각 상 지락 또는 선간 단락 상황에서 이용 가능한 스위칭 벡터를 선정하고, 고장 분리 및 고장이 아닌 상에 정상적인 전압 인가를 위한 SVPWM(Switching vector pulse width modulation) 기법을 연구 하였다. 이에 따라 불평형 형태로 나타나는 삼상 전압의 제어를 위해 불평형 삼상 전압의 정확한 크기 추출을 위한 새로운 DQ-변환 기법을 적용하였고, 이를 이용하여 사고시에 불평형 삼상 전압제어를 수행하였다. 제안한 에너지관리 기법과, 고장 시 인터링킹 컨버터의 스위칭 제어의 타당성을 검증하기 위해 10kW급 인터링킹 컨버터와 5kW급 분산발전원 및 ESS를 이용한 마이크로그리드의 축소모델을 구성하여 시뮬레이션 및 실험을 진행 하였다. In this dissertation, an Artifical Neural Network (ANN) based Energy Management System (EMS) in AC/DC microgrid and Fault Tolerant Control of Interlinking Converter are proposed. The fisrt part of the disstertation focuses on managing various power situations, which are having instantaneous characteristic. For this energy management algorithm, reference data for Energy Storage System (ESS) charging and discharging in several situations was selected through the relationship between state of charge, the amount of the Distributed Generation (DG), the load demand, and the power of the grid. Since these reference data have nonlinear characterestics, ANN based theory was applied to learn data and infer the reference of distribution system. Through this process, it was proved that power management of the microgrid is effectively operated in consideration of the grid-connected and standalone mode. The second part of the dissertation focuses on the analysis of a new switching modulation method of interlinking converter, which is connecting the network and main grid. In this research work, a three-phase four-wire inverter was used to control the voltage vector under Single Line Ground (SLG) fault and Line-to-Line (L-L) fault. Unlike the three-wire converter, the three-phase four-wire inverter topology can control the voltage of the N phase using the fourth leg connected to the N phase of three-phase load. By using this topolgy, it is possible to apply three voltage vectors including zero voltage vector to each phase or line voltage, so that a switching vector combination can be determined to enable continuous application of the zero voltage vector to a specific phase in a fault condition. To perform this new Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) method, the synthesis of the reference vector and the calculation of duty cycles are mathematically analyzed. In addition, a new coordinate transformation was introduced to control the magnitude of the unbalanced voltage. Through this transformation, the magnitude of AC voltage was controlled by applying the new SVPWM method under the fault condition. To build the system, laboratory scale microgrid was installed in which a 10kW interlinking converter, 5kW distributed power sources, and an energy storage. Through the simulation and experiment results, the validity of the proposed ANN based EMS and the new SVPWM method of the interlinking converter under fault condition was verified.

동적전압보상 기능을 갖는 출력이 직렬 결합된 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터

엄준현 전남대학교 대학원 2013 국내박사

근래의 부하인 컴퓨터, 자동화 생산설비, 정밀 전자장비 등은 종래의 부하와 달리 전력품질에 매우 민감하다. 이와 같이 전력품질에 민감한 부하 장치들이 증가하면서 주파수가 고정된 전력 계통이나 수용가측에 설치되어 동작하는 순간 전압 보상기, 위상 천이기, 전자 변압기등과 같은 AC-AC 전력 변환장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 같은 장치로는 AC 쵸퍼, PWM AC-AC 컨버터, 매트릭스 컨버터 그리고 Z-소스 AC-AC 컨버터 등이 있다. 이 중에서도 Z-소스 AC-AC 컨버터는 최근에 연구된 방법으로서 구조와 제어 방법이 간단하며 입력 전압에 대하여 동상(In phase)의 승압(Boost) 출력전압과 역상(Out of phase)의 출력전압을 강압(Buck) 또는 승압(Boost) 할 수 있다. 그러나 Z-소스 AC-AC 컨버터는 불연속 전류 모드(DCM)로 동작되므로, 연속전류 모드(CCM)의 경우 보다는 소자의 스트레스가 크며, 파형의 관점에 있어서도 불리하다. 이상의 문제점은 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터를 통하여 해결 가능하다. 그러나 Z-소스 AC-AC 컨버터나 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 모두 전원과 역상인 출력 전압을 강압 또는 승압하거나, 전원과 동상인 출력 전압은 승압 할 수 있지만, 강압 모드로는 동작이 불가능하다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 출력이 직렬 연결된 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터를 제안하였다. 제안된 시스템은 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 2대의 입력 단을 병렬로 연결하고 출력 단을 직렬로 연결한 구조로 되어 있다. 그리고 입력에 대하여 동상의 강압 모드 출력을 위하여 교차 스위칭 기법을 제안하였으며 입력에 대한 역상 출력 모드와 동상 출력 모드의 전류 흐름과 출력전압 형성 과정을 나타내었다. 이와 더불어 동적전압보상 기능을 갖는 출력이 직렬 결합된 Quasi Z-소스AC-AC 컨버터를 제안하였다. 일반적으로 전력 품질을 저하시키는 여러 문제들 중에서 가장 빈도가 높고 민감한 부하를 가지고 있는 수용가에 많은 영향을 주고 있는 것이 순간 전압 상승(Voltage Swell)과 순간 전압 강하(Voltage Sag)이다. 순간 전압 상승은 전압 크기가 공칭 전압의 1.1∼1.8[p.u]이고 지속 시간이 0.5∼30[cycles]동안 공급 전압의 크기가 증가하는 것이고, 순간 전압 강하는 전압 크기가 공칭 전압의 0.1∼0.9[p.u]이고 지속 시간이 0.5∼30[cycles] 동안 공급 전압의 크기가 감소하는 것으로 대부분 인접한 배전 선로에서의 사고가 그 원인으로 작용한다. 이러한 순간 전압 상승과 순간 전압 강하는 자동화 장치 등의 오동작이나 작업정지 등의 문제를 유발하여 경제적으로 큰 손실을 일으키게 되는데, 이러한 순간 전압 상승과 순간 전압 강하의 문제를 해결하기 위하여 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 구조의 동적 전압 보상기가 제안되었다. 그러나 이 방법은 정상 전압에 대하여 0.1∼0.5[p.u]의 전압 Sag와 전 영역의 전압 Swell은 보상이 가능하나, 실제 산업현장에서 가장 빈번히 발생하는 0.51∼0.9[p.u]의 Sag, 즉 50[%]초과의 전압 Sag 보상을 하지 못하는 문제점이 있다. 이에 대하여 본 연구에서는 기존의 단상 Quasi Z-소스 동적 전압 보상기에서 보상을 해주지 못하는 구간, 즉 가장 중요한 실제 산업현장에서 많이 발생하는 50[%]초과의 전압 Sag 영역을 단상 Quasi Z-소스 AC/AC converter 2대를 이용하여 출력단을 직렬로 연결하고, 상위 컨버터 듀티비 sa_D와 하위 컨버터 듀티비 sb_D를 교차 제어 방법을 이용하여 전원전압의 변동 상태에 따라 1대의 단상 Quasi Z-소스 AC-AC컨버터 구조의 동적 전압 보상기가 보상하지 못하는 50[%]초과의 전압 Sag를 보상할 수 있었다. 본 연구에서는 제안된 시스템들의 타당성을 검증하기 위하여 DSP로 제어되는 실험 시스템을 제작하여 PSIM시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다. 그 결과 출력이 직렬 결합된 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터는 각 모드별로 듀티비D를 제어하여 원하는 출력 전압을 역상과 동상에 대하여 강압-승압 할 수 있었다. 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 1대가 단독으로 운전한 경우에 비하여, 각각의 모드에 대하여 부하 저항의 증가에 따른 컨버터 효율과 입력 역률을 제안된 방법에 의하여 개선할 수 있었다. 또한 역상 모드의 경우, 일정 부하에서 컨버터의 효율과 입력 역률을 각각 10[%]와 35[%]정도 개선하였으며, 특히 부하 저항이 변동하는 과도상태에서도 일정한 출력 전압을 유지할 수 있었다. 그리고 출력이 직렬 결합된 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터를 이용한 동적 전압 보상기(DVR)는 교차 스위칭 기법을 이용하여 가장 빈번하게 발생되는 50[%]초과의 전압 Sag에 대한 보상이 가능해짐으로써 전 영역 전압 Sag-Swell보상이 가능하였고, 전압 변동과 부하 변동에 따른 전압 보상률과 보상 후 부하전압의 THD를 측정하여 제안된 시스템의 전력품질에 대한 신뢰성을 확인하였다.

Two-Step 구조의 인공신경망을 적용한 마이크로그리드의 운영 기법에 관한 연구

김태규 성균관대학교 일반대학원 2021 국내석사

In this dissertation, an Artificial Neural Network(ANN) based operation method for hybrid AC/DC microgrid that can connect DC microgrid AC grids is proposed. Hybrid AC/DC microgrid is constructed by interlinking converters to connect AC grid and DC microgird, distributed power sources, and Energy Storage System(ESS). Microgrid operate in a centralized controlled method, and individual components are controlled by Microgrid Central Controller(MGCC). Information of load power is transmitted to MGCC through Power Quality Monitoring(PQM). In the case of small-scale customers less than 50kW, it is difficult to operate by applying traditional Energy Management System(EMS) because power generation and load power do not have a certain pattern. In order to use nonlinear data that does not have such a certain pattern, ANN was applied to the MGCC. The ANN has a characteristic that it is easy to derive the desired result by training nonlinear data, and the State of Charge(SOC) of the ESS, distributed power generation, and load power were selected to train ANN By applying the two-step structure to the ANN, the operation mode of individual components is determined through the output of the first step, and the power command of the ESS is determined through the output of the second step. In addition, due to the characteristics of small-scale customers, there is a high possibility that a voltage unbalance problem occurs due to load unbalance in the 3- phase AC system. To solve this problem, a bidirectional 3-Phase 4-leg converter was used as the topology of the interlinking converter. To verify the proposed microgrid operation method, installed the small-scale microgrid, which configured with 10kW interlinking converter, 5kW distributed power sources, and the ESS. Through the simulation and experiment result, the validity of the proposed ANN of Two-Step based microgrid operation method is confirmed. 본 논문에서는 차세대 배전망인 DC 마이크로그리드와 기존 AC 그리드와 연계 가능한 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 인공신경망 기반 운영 기법에 대하여 제안하였다. 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드는 AC 그리드와 DC 마이크로그리드를 연계하기 위한 Interlinking 컨버터, 분산 발전원, 에너지 저장 장치를 연계하여 구성하였으며, 개별 구성 요소는 상위 제어기인 Microgrid Central Controller(MGCC)를 통해 제어되고 부하량은 Power Quality Monitoring을 통해 정보를 MGCC에 상시적으로 전송하는 중앙 집중형 제어 방식으로 마이크로그리드를 운영하였다. 50kW 이하의 소규모 수용가와 같은 경우 발전량과 부하량이 일정한 패턴을 갖지 않아 기존 에너지 관리 기법을 적용하여 운영하는데 어려움이 있으며, 이러한 일정한 패턴을 갖지 않는 비선형적인 데이터를 사용하기 위해 MGCC에 인공신경망을 적용하였다. 인공신경망은 비선형적인 데이터를 학습하여 원하는 결과를 도출하는데 용이한 특징을 가지며, 인공신경망을 학습시키기 위해 에너지 저장 장치의 잔존 용량, 분산 발전량, 부하 수요량에 대한 데이터를 선정하였다. 인공신경망에 Two-Step 구조를 적용하여 첫 번째 스텝의 출력을 통해 개별 구성 요소의 동작 모드가 결정되고, 두 번째 스텝의 출력을 통해 에너지 저장 장치의 전력 지령이 결정되도록 구성하였다. 또한 소규모 수용가의 특성상 3상 AC 계통에 부하 불평형으로 인한 전압 불평형의 문제가 발생할 가능성이 높으며, 이를 해소하기 위해 Interlinking 컨버터의 토폴로지로 양방향 3-Phase 4-leg 컨버터를 사용하였다.

(A) wide input range hybrid DC-DC conversion system and ASIFO AC-DC rectifier for energy harvesting

김지환 Graduate School, Korea University 2012 국내석사

A wide input range hybrid DC-DC conversion system designed for use in solar energy harvesting is presented. The proposed architecture achieves high conversion efficiency over a wide 2.6V input voltage (from 0.7V to 3.3V) for an output of 0.7V. The proposed system is optimally designed for solar energy harvesting systems. The combination of a variable conversion ratio switched-capacitor step-down DC-DC converter and a low drop-out voltage regulator makes the drop-out voltage lower. A power multiplexer and a voltage doubler reduce the power dissipation of the entire system. The fabricated chip occupies an area of 1.088mm2 in a 0.35-μm CMOS process and operates at a switching frequency of 1-MHz. The maximum efficiency of this system is 84.9%. Single input four outputs (SIFO) AC-DC rectifier for use in vibration energy harvesting is also presented. From a single piezoelectric generator, the proposed rectifier generates two DC outputs. The generated outputs are split by the double output controller. The proposed rectifier provides higher power and wider input range than a conventional full-bridge rectifier in high input voltage, and one more output port than a conventional voltage doubler rectifier. And the proposed double output generation scheme can control a duty of output switch control signals using only one NAND gate. The core occupies an area of 0.143mm2 in a 0.35-μm CMOS process.

(A) study on modulated carrier control method for power factor correction boost converter

Kim, Jintae Sungkyunkwan university 2018 국내박사

As demand of electrical devices steeply increases, harmonic pollution on the power grid has attracted concern. This circumstance leads standards such as IEC61000-3-2 and 80-Plus regulating harmonic currents or PF (Power Factor) to have been more stringent. Thus, a PFC (Power Factor Correction) circuit able to improve power quality while reducing current harmonics has been indispensible at the electrical devices. For the reason, the PFC has been constantly researched so that various topologies and control types have been proposed and realized as silicon. So far, many of proposed PFC converters have each optimal operation mode offering good PFC performance such as CCM (Continuous Conduction Mode), DCM (Discontinuous Conduction Mode) or BCM (Boundary Conduction Mode). The same is true of conventional MCC (Modulated Carrier Control) PFC converters. The conventional MCC PFC method does not require sensing the line input voltage and offers very fast dynamic current control by directly comparing an inductor current. These are advantages of the conventional ones. However, these conventional MCC converters enter into DCM by load reduction, the line input current is distorted and harmonic current is increased. In this dissertation, a research on new MCC method is revealed from a study and analysis on the conventional MCC PFC converter. Two types of MCC method are proposed to overcome the problem of the conventional MCC aforementioned. The proposed MCC methods newly employ a circuit to detect DCM region and generate DCM compensation signal in common. Using the compensation, the MCC methods can control the line input current as a desirable sinusoidal waveform, which results in better PFC performance regardless of a line input voltage range or load variation unlike the conventional MCC method. With all them, the proposed method can maintain the advantages of the conventional MCC method and even it can be easily implemented with analog or digital circuits. This dissertation describes the proposed MCC methods and the operating principle. In addition, to verify the proposed methods, they are implemented in 400 W PFC boost converter.