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

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 전력 품질 저해 요인 및 영향 5
• 가. 전력품질 저해 요인 5
• 나. 순간 전압 강하 8
• 1) 순간 전압 강하와 순간 정전 대책 비교 9
• 가) 순간 전압 강하 대책의 장단점 9
• 나) 순간 정전 대책의 장단점 9
• 2) 전압 강하 내성 기준 11
• 3. 출력이 직렬 결합된 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 14
• 가. 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 14
• 나. 출력이 직렬 결합된 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 18
• 1) 동작 모드 21
• 가) 역상 출력 모드 22
• 나) 동상 출력 모드 26
• 4. 동적전압보상기능을 갖는 출력이직렬 결합된 Quasi Z-소스AC-AC컨버터 39
• 가. 제안된 시스템의 구성 및 원리 39
• 나. 제안된 시스템(DVR)의 보상 방법 42
• 1) 전압 변동 검출과 보상 동작 모드 42
• 가) Sag Mode-1(50[%] 초과 전압 sag보상) 42
• 나) Sag Mode-2(35~50[%]의 전압 sag보상) 47
• 다) Sag Mode-3(10~34[%]의 전압 sag보상) 50
• 라) Swell Mode(110[%]~190[%]의 전압 swell보상) 53
• 5. 제안된 시스템들의 시뮬레이션 및 실험 결과 58
• 가. 출력이 직렬 결합된 단상 Quasi Z-소스 AC-AC 컨버터 58
• 1) 시스템 구성 58
• 2) 역상 출력 모드의 시뮬레이션 및 실험 결과 61
• 3) 동상 출력 모드의 시뮬레이션 및 실험 결과 64
• 4) 효율 및 입력 역률 그래프 68
• 나. 동적전압보상기능을 갖는 출력이직렬결합된Quasi Z-소스AC-AC컨버터 72
• 1) 시스템 구성 72
• 2) 80[%], 40[%] 전압 sag보상 시뮬레이션 및 실험 결과 75
• 3) 120[%], 160[%] 전압 swell보상 시뮬레이션 및 실험 결과 79
• 4) 80[%]와 120[%]의 전압 sag-swell의 과도 상태 83
• 5) 80[%], 40[%] 전압 sag보상 실험 결과 85
• 6) 120[%], 160[%] 전압 swell보상 실험 결과 88
• 7) 80[%]와 120[%]의 전압 sag-swell의 과도 상태 91
• 8) 부하 변동과 전압 sag 발생 시 부하전압 보상률과 전압 THD 94
• 9) 부하 변동과 전압 swell 발생 시 부하전압 보상률과 전압 THD 99
• 6. 결 론 105
• 참고문헌 107
• Abstract 113