멀티레벨 컨버터 기반 직류 배전 시스템의 신뢰성 향상을 위한 전압 변조 및 고장 허용 제어 = Modulation and fault tolerant strategies for multilevel converter based high reliable direct current distribution systems

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents switch fault-tolerant strategies for cascaded H-bridge multilevel converter (CHMC) and modular multilevel converter (MMC). The proposed tolerant methods are categorized in two different methods to handle open- and short-circuit faults separately. Most of fault-tolerant methods uses the reserved submodules installed in a multilevel converter. The proposed tolerant method in this thesis can maintain the balanced three-phase line-to-line voltages and currents without reserved submodules under faulty switch condition. Additionally, the rotation scheme is introduced to mitigate unbalanced power distribution among submodules.
The life-time of a power semiconductor relies on its temperature and switching loss is converted as a source of the temperature. This thesis proposes a modulation method for MMCs to reduce the switching loss while the MMC produces high quality output voltage and current. The proposed modulation scheme includes discontinuous modulation period to reduce the switching loss, however, the period causes severe deviation of submodule capacitor voltage. In order to balance the submodule capacitor voltage, the proposed method conducts rotation method using clamping operation and reconfigured sinusoidal modulation both. By applying the clamping operation, the MMC can reduce the switching loss effectively and maintain balanced capacitor voltages.
In this thesis, the effectiveness of the proposed control methods is verified by the simulation and experimental results.

국문 초록 (Abstract)

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 성능과실현 가능성을 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 7
• 1.2.1 멀티레벨 컨버터의 고장 허용 제어 7
• 1.2.2 멀티레벨 컨버터의 스위칭 손실 저감 8
• 1.3 논문의 구성 9
• 제 2 장 모듈형 멀티-셀 컨버터 10
• 2.1 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터 10
• 2.1.1 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터 회로 구조 10
• 2.1.2 다단 H-bridge 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 12
• 2.2 모듈형 멀티레벨 컨버터 23
• 2.2.1 모듈형 멀티레벨 컨버터 회로 구조 23
• 2.2.2 모듈형 멀티레벨 컨버터의 전압 변조 25
• 제 3 장 다단 H-bridge 컨버터의 스위치 고장 허용 제어 30
• 3.1 다단 H-bridge 컨버터의 스위치 고장 분석 30
• 3.2 중성점 천이 기반 허용 제어 기법 32
• 3.3 3상 CHMC의 스위치 고장 대응을 위한 변조 기법 37
• 3.3.1 개방성 및 단락성 스위치 고장 허용 제어 38
• 3.3.2 개방성 스위치 고장 허용 제어 40
• 3.3.3 서브모듈 간 전력 균등 분배를 위한 교차 변조 42
• 3.4 시뮬레이션 결과 분석 45
• 3.5 실험 결과 분석 50
• 제 4 장 3상 MMC의 스위치 고장 허용 제어 55
• 4.1 모듈형 멀티레벨 컨버터의 스위치 고장 55
• 4.2 3상 MMC의 스위치 고장 대응을 위한 변조 기법 59
• 4.2.1 Sorting 알고리즘 기반 대체 서브모듈 선택 기법 59
• 4.2.2 선택적 중성점 천이 기법 61
• 4.2.3 Sorting 알고리즘과 CB-PWM 기반 대체 서브모듈 선택 기법 63
• 4.3 시뮬레이션 결과 분석 67
• 제 5 장 MMC의 손실 저감을 위한 하이브리드 변조 기법 74
• 5.1 MMC의 전기적 모델 74
• 5.2 스위칭 손실 저감을 위한 하이브리드 변조 기법 77
• 5.2.1 하이브리드 변조 기법의 원리 77
• 5.2.2 커패시터 전압 균등 분배를 위한 모듈 간 교차 변조 80
• 5.3 시뮬레이션 결과 분석 85
• 5.3.1 하이브리드 변조 기법의 출력 특성 85
• 5.3.2 스위칭 손실 분석 88
• 5.4 실험 결과 분석 90
• 제 6 장 결론 및 요약 95
• 참고문헌 98