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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 70, No. 6, p.867-877

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 3 May 2021Revised : 10 May 2021Accepted : 15 May 2021

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2021.70.6.867

Comparative Study of Grid Conditions on Three-phase PWM Rectifier Performance

고조파 및 불평형 성분을 가지는 계통 환경에 따른 3상 펄스폭변조정류기 성능 비교 연구

김동연 (Dongyeon Kim) ¹iD 김재창 (Jae-Chang Kim) ¹iD 곽상신 (Sangshin Kwak) ^†iD

(School of Electrical and Electronic Engineering, Chung-Ang University, Korea.)

^†Corresponding Author : School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Korea.

E-mail : sskwak@cau.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

In this paper, the input and output performance of a three-phase pulse width modulation (PWM) rectifier operated by each of three different control techniques based on current control and power control in the grid with harmonics and unbalanced components are compared and analyzed. Regardless of the basic and high-efficiency types, the same current-controlled and power-controlled techniques showed similar performance in the harmonics and unbalanced grid conditions. In all grid conditions with harmonics and unbalanced components, the output voltage by the power-controlled rectifier has a lower ripple value than the output voltage by the current-controlled rectifier. Therefore, in terms of output voltage ripple, it is confirmed that the power-controlled rectifier shows more robust characteristics in harmonics and unbalanced grid condition.

Key words

Three-phase PWM rectifier, grid condition, total harmonic distortion, dc voltage ripple

1. 서 론

고조파 및 불평형 성분을 포함하는 3상 계통 환경에도 불구하고, 높은 품질의 정현파 교류 전류를 생성하는 동시에 낮은 리플값을 가지는 안정된 직류 출력 전압을 만들어 내기 위한 교류-직류 전력 변환의 필요성이 지속적으로 증가하고 있다^(1-⁴⁾. 이러한 필요성을 만족하기 위하여, 낮은 입력 전류 고조파 왜곡 (total harmonic distortion: THD), 높은 역률 및 우수한 직류 출력 전압 조정 능력을 가지는 3상 펄스폭변조 (pulse width modulation: PWM) 정류기가 3상 다이오드 정류기 및 위상제어 정류기를 대체하여 사용될 수 있다^(5,⁶⁾. 또한, 3상 펄스폭변조 정류기의 동작을 제어하기 위하여 다양한 제어 기법들이 개발되어 왔다^(7-⁹⁾. 가장 대표적인 제어 알고리즘은 3상 정류기의 3상 교류 입력 전류들을 제어 변수로 활용함으로써, 3상 교류 전류의 크기 및 위상을 변화시키기 위해 3상 정류기 입력 전압을 변화시키는 전류제어형 (Voltage Oriental Control: VOC) 방법이 있다^(10,¹¹⁾. 전류제어형 정류기는 3상 교류 전류의 위상을 교류 전압과 일치시키고 전류의 형태를 정현파 형태로 제어함으로써 단일 역률을 가지는 고품질 정현파 입력 전류 파형을 생성한다. 또한, 3상 교류 입력 전류보다 직류 형태의 제어 변수가 될 수 있는 유효 전력과 무효 전력을 사용함으로써 3상 펄스폭변조 정류기를 제어하는 전력제어형 (Direct Power Control: DPC) 방법이 있다⁽¹²⁾. 전력제어형 정류기는 직류 부하가 필요로 하는 유효 전력 성분과 역률을 제어하기 위한 무효 전력 성분을 독립적으로 제어함으로써, 효과적인 교류-직류 변환과 동시에 단일 역률의 정류기 동작을 구현할 수 있다. 전류제어형과 전력제어형을 기본으로 하는 다양한 형태의 개선된 성능을 추구하는 3상 펄스폭변조 정류기 제어기법들이 개발되어 왔다[1,2,5]. 이러한 연구개발과정을 통하여, 모델예측제어기법을 제어 플랫폼으로 한 기본형 전류제어형과 기본형 전력제어형 알고리즘들이 고안되었다. 기본형 알고리즘들을 기반으로 하여 각 제어형에서 스위칭 손실을 감소시키기 위한 2가지 고효율형 알고리즘들이 또한 개발되었다^(13-¹⁷⁾. 3상 펄스폭변조 정류기를 동작시키기 위해 사용될 수 있는 다양한 제어 기법들 중, 고조파 및 불평형 성분에 의해 왜곡된 계통 환경에서 강건한 성능을 보일 수 있는 기법들에 대한 비교 평가가 필요하다.

본 논문에서는 고조파 및 불평형 성분을 가지는 계통환경에서, 전류제어형과 전력제어형 기반의 각 3가지 상이한 제어 기법들에 의해 동작하는 3상 펄스폭 변조 정류기의 입출력 성능을 비교 분석하였다. 기본형과 고효율형에 관계없이, 동일한 전류제어형과 전력제어형 기법들은 왜곡 및 불평형 계통 환경에서 유사한 성능을 보였다. 3상 입력 전압 중 한 상에만 5차 고조파 성분이 포함된 경우에는 전류제어형이 전력제어형보다 다소 개선된 입력전류 품질을 보였다. 또한, 불평형 성분이 포함된 계통 환경에서도 전류제어형 정류기에 의해 생성된 입력 전류 파형이 전력제어형보다 다소 낮은 THD 값을 가졌다. 한편 한 상에만 7차 고조파 성분이 포함된 경우와 3상 모두에 5차 및 7차 고조파 성분이 포함된 경우에는, 전류제어형과 전력제어형에 의해 생성된 입력 전류 THD 값이 유사한 결과를 보였다. 고조파 및 불평형 성분을 가지는 모든 계통 환경에서, 전력제어형 정류기에 의한 출력 전압이 전류제어형 정류기에 의한 출력 전압보다 더 낮은 리플값을 가졌다. 따라서, 출력 전압 리플 측면에서는 전력제어형 정류기가 계통 전압의 왜곡 및 불평형 환경에 더 강건한 특성을 보임을 확인하였다.

2. 전류제어 및 전력제어 기반의 제어 알고리즘을 가지는 3상 펄스폭변조 정류기

그림. 1. 3상 펄스폭 변조 정류기

Fig. 1. Three-phase pulsewidth modulated rectifier

그림 1은 3상 펄스폭 변조 정류기를 나타낸다. 그림 1에서 ina와 ina는 각각 상의 입력 전압과 입력 전류를 나타낸다. 또한 o는 정류기 출력 측 커패시터를 의미한다. 정류기의 상 upper와 lower 스위치는 각각 S, S이고 상의 upper 및 lower 스위치는 S, S이다. S와 S는 각각 상의 upper 와 lower 스위치를 의미한다. 그림 1과 같은 3상 펄스폭 변조 정류기를 제어하기 위해 모델예측제어에서는 크게 전류제어형과 전력제어형의 제어 기법이 제안되었다^(17,¹⁸⁾. 전류제어형의 모델예측제어기법에서는 모델예측제어를 위한 비용함수가 다음 스텝(+1 번째)의 기준 부하 전류와 다음 스텝(+1 번째)의 예측 부하 전류로 구성되어 있다. +1 번째의 기준 부하 전류는 입력 전압의 위상을 한 스텝 딜레이시킨 값을 이용해 구할 수 있다. 또한 +1 번째의 예측 부하 전류는 부하와 정류기의 동적 방정식을 통해 유도할 수 있다. 전력제어형은 비용함수가 +1 번째의 유효 전력 (real power: P)과 무효전력 (reactive power: Q) 그리고 그에 대한 각각의 기준 값으로 구성된다. 유효 전력과 무효 전력은 순시 전력식을 통해 얻을 수 있다. 또한 유효 전력의 기준 값은 부하 전압과 비례적분(proportional-integral: PI) 제어기를 통해 구할 수 있고 무효 전력의 기준치는 단일 역률 제어를 위해 0으로 설정한다. 이러한 전류제어형과 전력제어형을 기본으로 하여 3상 펄스폭 변조 정류기의 효율을 높이기 위해 정류기 제어 동작 중 3상의 한 상을 클램핑 시키는 기법들이 제안되어 왔다^(13-¹⁶⁾. 전류제어형과 전력제어형에서 한 상을 클램핑 시키기 위해 여러 스위칭 동작 중 한 상을 클램핑 시킬 수 있는 전압 벡터들만 이용하여 비용함수를 통해 최적의 스위칭 동작을 하게 하는 기법들이 각각 제안되었다^(13,¹⁵⁾. 정류기 전압 벡터를 미리 선정하기 위해 +1 번째의 정류기 전압과 입력 전류의 크기를 이용한다. +1 번째의 정류기 입력 전압과 입력 전류 부하와 정류기의 동적 방정식을 통해 구할 수 있다. 전류제어형의 preselection 기법을 통한 정류기 효율 증가 기법은 비용 함수를 3상의 정류기 전압과 그에 대한 기준치로 설정한다. 또한 전력제어형의 preselection 기법은 기본 전력제어형과 겉으로는 동일하지만 정류기 전압 벡터의 후보군이 다르다. 한편, 옵셋 전압을 인가하여 3상 중 한 상을 클램핑 시키는 모델예측제어기법이 전류제어형과 전력제어형에서 각각 제안되었다^(14,¹⁶⁾. 스위칭 손실을 줄이기 위해 인가될 옵셋 전압은 입력 전류의 최댓값, 최솟값, 정류기 출력 DC 전압, 그리고 정류기 전압을 통해 정해진다. 옵셋 전압을 이용한 전류제어형 모델예측제어 기법의 비용함수는 옵셋 전압이 인가된 정류기 전압과 그에 대한 기준치로 구성된다. 또한 옵셋 전압을 이용한 전력제어형 모델예측제어 기법의 비용함수는 겉으로는 기본 전력제어형 기법과 동일하지만 예측 유효 전력과 무효 전력의 계산 방식이 다르다. 본 논문에서는 기본 전류제어형과 전력제어형을 각각 VOC(conv)와 DPC(conv)로 명명한다. 또한 전류제어형과 전력제어형에서 전압벡터의 후보군 중 한상을 클램핑을 시키는 전압벡터만을 사용하여 최적의 전압 벡터를 선택하는 모델예측제어기법을 각각 VOC (mod1)과 DPC(mod2)로 부른다. 옵셋 전압을 인가하여 한상을 클램핑을 시키는 모델예측제어기법의 전류제어형과 전력제어형은 각각 VOC(mod2)와 DPC(mod2)로 명명한다.

그림. 2. 제어 블록 다이어그램 (a) 전류제어형 (b) 전력제어형

Fig. 2. Control block diagram based on (a) current control (b) power control

그림. 3. a상 5차 고조파 성분 (20%)을 가지는 계통 환경에서 입력 전류 파형 (a) 3상 입력전압 (b) VOC(conv) (c) DPC(conv) (d) VOC(mod1) (e) DPC(mod1) (f) VOC(mod2) (g) DPC(mod2)

Fig. 3. Input current waveform in the grid system with the 5th harmonic component (20%) in a-phase input voltage (a) 3-phase input voltage (b) VOC(conv) (c) DPC(conv) (d) VOC(mod1) (e) DPC(mod1) (f) VOC(mod2) (g) DPC(mod2)

3. 고조파 성분을 가지는 계통 환경에서 3상 펄스폭변조 정류기 특성 비교

고조파 및 불평형이 포함된 계통 환경에서, 상이한 제어 알고리즘을 가지는 3상 정류기의 성능을 비교 분석하기 위하여 동일한 컨버터 파라미터 및 계통 조건을 사용한다. 사용한 입력 전압의 root mean sqare (rms) 값은 110 V, 주파수 60 Hz, 정류기 입력 인덕턴스 10 mH, 입력 저항 1 Ω, 출력 저항 100 Ω, 샘플링 주파수는 20 kHz이다. 또한, 실험실 환경에서 3상 교류 전압원 Chroma 61702를 이용하여 고조파 및 불평형 성분을 가지는 3상 계통 환경을 모사하였으며, 3상 정류기의 제어 알고리즘들은 디지털 신호 처리 보드 (TMS320F28335)를 이용하여 구현되었다. 5차 고조파 성분을 포함하는 3상 계통 전압은 다음과 같다.

(1)

$$ \begin{aligned} &v_{i n a}(t)=V_{m} \sin (u t)+a_{5} V_{m} \sin (5 u t) \\ &v_{i n b}(t)=V_{m} \sin \left(u t-\frac{2 \pi}{3}\right)+b_{5} V_{m} \sin \left(5 u t+\frac{2 \pi}{3}\right) \\ &v_{i n c}(t)=V_{m} \sin \left(u t+\frac{2 \pi}{3}\right)+c_{5} V_{m} \sin \left(5 u t-\frac{2 \pi}{3}\right) \end{aligned} $$

식(1)에서 $a_{5},\: b_{5},\: c_{5}$은 각 상에 포함된 5차 고조파 성분 크기를 나타내는 항이다. 또한 m은 3상 계통 전압의 기본주파수의 크기를 의미한다. $\omega$는 각주파수를 나타낸다.

그림 3는 상에 20%의 5차 고조파 성분을 가지는 계통환경 하에서 각 제어기법들에 의해 생성되는 3상 입력 전류파형을 보인다. 전류제어형과 전력제어형에 따라 입력전류 형태는 상이하지만, 모두 입력전류 형태가 왜곡됨을 알 수 있다. 전류제어형의 경우, 5차 고조파 전압 성분이 포함된 상 전류가 상 및 상 전류보다 더 큰 고조파 성분을 가지고 왜곡되는 현상을 보인다. 반면, 전력제어형의 경우, 전류제어형보다 3개의 상전류가 유사한 형태로 왜곡됨을 알 수 있다. 3개의 전류제어형 및 3개의 전력제어형에 의해 생성된 입력전류 파형은 기본형 및 고효율형에 관계없이 유사함을 보인다. 입력 상에 포함된 5차 고조파 성분 크기에 따른 3상 정류기 입력전류 THD 값이 그림 4에 보인다. 5차 고조파 성분의 크기가 증가할수록 입력 전류의 왜곡이 심해진다. 기본형의 경우, 큰 고조파 성분(15% 이상)을 가지는 계통 환경에서는 전력제어형이 전류제어형보다 큰 THD를 만든다는 것을 알 수 있다. 또한, 고효율형의 경우, 전력제어형에 의한 방법이 전류제어형보다 다소 낮은 THD를 얻는다.

그림. 4. 계통에 포함된 a상 5차 고조파 성분 크기에 따른 입력전류 THD (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 4. Input current THD according to the magnitude of the a-phase 5th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림 5과 그림 6는 상 5차 고조파 성분(20%)을 가지는 계통 환경 하에서 출력전압 리플 파형 및 주파수 스펙트럼을 보인다. 시간 영역과 모든 전류제어형이 전력제어형보다 출력 전압의 리플값이 약 2배 크다는 것을 확인할 수 있고, 이는 주파수 영역에서 스펙트럼의 크기로부터도 동일한 결과가 확인된다. 3개의 전류제어형 및 3개의 전력제어형에 의해 생성된 출력전압 파형 및 주파수 스펙트럼은 기본형 및 고효율형에 관계없이 유사함을 보인다. 그림 7은 계통에 포함된 상 5차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값을 보인다. 계통에 포함되는 고조파 성분의 크기가 증가할수록, 출력 전압의 리플 값이 증가하는 경향을 보인다. 또한, 기본형 및 고효율형 모두에서, 전류제어형보다 전력제어형이 상대적으로 낮은 출력 전압 리플 값을 생성한다.

그림. 5. a상 5차 고조파 성분(20%)을 가지는 계통 환경 하에서 출력전압 리플 파형 (a) VOC(conv) (b) DPC(conv) (c) VOC(mod1) (d) DPC(mod1) (e) VOC(mod2) (f) DPC(mod2)

Fig. 5. Ripple of the output voltage in the grid system with a-phase 5th harmonic component (20%) (a) VOC(conv) (b) DPC(conv) (c) VOC(mod1) (d) DPC(mod1) (e) VOC(mod2) (f) DPC(mod2)

그림. 6. a상 5차 고조파 성분(20%)을 가지는 계통 환경 하에서 출력전압 리플 FFT (Fast Fourier Transform) 파형 (a) VOC(conv) (b) DPC(conv)

Fig. 6. FFT (Fast Fourier Transform) results of the output voltage ripple in the grid system with a-phase 5th harmonic component (20%) (a) VOC(conv) (b) DPC(conv)

그림. 7. 계통에 포함된 상 5차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값 (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 7. Peak ripple value of the output voltage according to the magnitude of the a-phase 5th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림. 8. 계통에 포함된 3상 5차 고조파 성분 크기에 따른 입력전류 THD (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 8. Input current THD according to the magnitude of the three-phase 5th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림 8는 3상 계통에 동일한 크기의 5차 고조파 성분이 포함되는 경우, 고조파 성분 크기에 따른 입력전류 THD값을 보인다. 상에만 5차 고조파 성분이 포함된 경우와 마찬가지로, 3상 모두에 포함된 고조파 성분의 크기가 증가할수록 입력전류 THD는 증가한다. 그림 4와 그림 8를 비교시, 입력전류 왜곡의 정도는 상에만 고조파가 포함된 경우보다 더 크게 증가함을 알 수 있다. 또한, 3상 모두에 고조파가 포함된 계통 환경 하에서는 전류제어형과 전력제어형의 THD값이 더 유사해지는 경향을 보인다. 그림 9은 계통에 포함된 3상 5차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플값을 보인다. 한상에만 고조파 성분이 포함된 경우보다, 3상 모두에 고조파 성분이 포함되었을 때 출력 전압의 리플이 더 증가함을 알 수 있다. 그림 7과 그림 9을 비교시 상에만 고조파 성분이 포함된 경우와 동일하게 전력제어형이 전류제어형보다 더 낮은 리플값을 보이고, 그 차이는 상에만 고조파가 포함된 경우보다 더 크다.

그림. 9. 계통에 포함된 3상 5차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플값 (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 9. Peak ripple value of the output voltage according to the magnitude of the three-phase 5th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림 10은 상에 7차 고조파 성분 (20%)을 가지는 계통 환경에서 각 제어기법들에 의해 생성되는 3상 입력 전류파형을 보인다. 5차 고조파 성분을 주입했을 때와 동일하게, 기본형과 고효율형에 관계없이 유사한 형태를 보이기 때문에 기본형 전류제어와 기본형 전력제어에 의해 생성된 실험 파형들만 보인다. 전류제어형과 전력제어형에 따라 입력전류 형태는 상이하지만, 모두 입력전류 형태가 왜곡된다. 전류제어형의 경우 7차 고조파 전압 성분이 포함된 상 전류가 상 및 상 전류보다 더 큰 고조파 성분을 가지고 왜곡되는 현상을 보이는 반면, 전력제어형의 경우 3개의 상전류가 유사한 형태로 왜곡됨을 알 수 있다. 입력 상에 포함된 7차 고조파 성분 크기에 따른 3상 정류기 입력전류 THD 값을 그림 11에 보인다. 7차 고조파 성분의 크기가 증가할수록 입력 전류의 왜곡이 심해진다. 기본형의 경우 전력제어형과 전류제어형이 유사하고, 고효율형의 경우 전력제어형에 의한 방법이 전류제어형보다 다소 낮은 THD를 생성한다.

그림. 10. a상 7차 고조파 성분(20%)을 가지는 계통 환경에서 입력전류 파형들 (a) 3상 입력전압 (b) VOC(conv) (c) DPC(conv)

Fig. 10. Input current waveform in the grid system with a-phase 7th harmonic component (20%) (a) three-phase input voltage (b) VOC(conv) (c) DPC(conv)

그림 12는 상 7차 고조파 성분(20%)을 가지는 계통 환경에서 출력전압 리플 파형 및 주파수 스펙트럼을 보인다. 5차 고조파 성분을 주입했을 때와 동일하게, 기본형과 고효율형에 관계없이 유사한 형태를 보이기 때문에 기본형 전류제어와 기본형 전력제어에 의해 생성된 실험 파형들만 보인다. 시간 영역과 모든 전류제어형이 전력제어형보다 출력 전압의 리플값이 다소 커지만, 5차 고조파 성분을 포함한 경우보다는 작다는 것을 확인할 수 있다. 그림 13은 계통에 포함된 상 7차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값을 보인다. 계통에 포함되는 고조파 성분의 크기가 증가할수록, 출력 전압의 리플 값이 증가하는 경향을 보인다. 또한, 기본형 및 고효율형 모두에서, 전류제어형보다 전력제어형이 상대적으로 낮은 출력 전압 리플 값을 생성한다.

그림. 11. 계통에 포함된 a상 7차 고조파 성분 크기에 따른 입력전류 THD (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 11. Input current THD according to the magnitude of the a-phase 7th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림. 12. a상 7차 고조파 성분 (20%)을 가지는 계통 환경에서 출력전압 리플 및 주파수 스펙트럼 파형 (a) VOC(conv) (b) DPC(conv)

Fig. 12. Output voltage ripple and frequency spectrum in the grid system with a-phase 7th harmonic component (20%) (a) VOC(conv) (b) DPC(conv)

그림. 13. 계통에 포함된 a상 7차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플값 (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 13. Peak ripple value of the output voltage according to the magnitude of the a-phase 7th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림 14는 3상 계통에 동일한 크기의 7차 고조파 성분이 포함되는 경우, 고조파 성분 크기에 따른 입력전류 THD값을 보인다. 상에만 7차 고조파 성분이 포함된 경우와 마찬가지로, 3상 모두에 포함된 고조파 성분의 크기가 증가할수록 입력전류 THD는 증가한다. 그림 11와 그림 14를 비교시, 입력전류 왜곡의 정도는 상에만 고조파가 포함된 경우보다 더 크게 증가함을 알 수 있다. 또한, 3상 모두에 고조파가 포함된 계통 환경하에서는 전류제어형과 전력제어형의 THD값이 더 유사해지는 경향을 보인다. 그림 15은 계통에 포함된 3상 7차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값을 보인다. 한상에만 고조파 성분이 포함된 경우보다, 3상 모두에 고조파 성분이 포함되었을 때 출력 전압의 리플이 더 증가함을 알 수 있다. 기본형과 고효율형에서, 전력제어형이 전류제어형보다 더 낮은 리플 값을 보임을 알 수 있다.

그림. 14. 계통에 포함된 3상 7차 고조파 성분 크기에 따른 입력전류 THD (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 14. Input current THD according to the magnitude of the three-phase 7th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림. 15. 계통에 포함된 3상 7차 고조파 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값 (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 15. Peak ripple value of the output voltage according to the magnitude of the three-phase 7th harmonic component included in the grid system (a) Basic type (b) High-efficiency type

그림. 16. a상 불평형 성분(20%)을 가지는 계통 환경에서 입력전류 파형들 (a) 3상 입력전압 (b) VOC(conv) (c) DPC(conv)

Fig. 16. Input current waveform in the grid system with a-phase unbalance component (20%) (a) three-phase input voltage (b) VOC(conv) (c) DPC(conv)

4. 불평형 성분을 가지는 계통 환경에서 3상 펄스폭변조 정류기 특성 비교

상이한 제어 알고리즘을 가지는 3상 PWM 정류기가 불평형 계통 환경에 노출되었을 때 입력 전류 품질 및 출력 전압 리플 특성이 조사되었다. 불평형 상태의 3상 계통 전압은 다음과 같다.

(2)

\begin{align*} v_{"\in " a}(t)=V_{m}\sin(\omega t)+a_{un}V_{m}\sin(\omega t)\\ v_{"\in " b}(t)=V_{m}\sin(\omega t-\dfrac{2\pi}{3})+b_{un}V_{m}\sin(\omega t+\dfrac{2\pi}{3})\\ v_{"\in " c}(t)=V_{m}\sin(\omega t+\dfrac{2\pi}{3})+c_{un}V_{m}\sin(\omega t-\dfrac{2\pi}{3}) \end{align*}

여기서, $a_{un},\: b_{un},\: c_{un}$은 각 상의 불평형 지수를 나타내는 항이다.

그림. 17. 불평형 전압 환경에서 상 불평형 성분 크기에 따른 입력전류 THD (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 17. Input current THD according to the magnitude of the a-phase unbalanced component in an unbalanced voltage environment (a) Basic type (b) High- efficiency type

그림 16은 상 불평형 성분(20%)을 가지는 계통 환경에서 각 제어기법들에 의해 생성되는 3상 입력 전류파형을 불평형 계통 전압과 함께 보여준다. 고조파 성분을 주입했을 때와 동일하게 기본형과 고효율형에 관계없이 유사한 형태를 보이기 때문에 기본형 전류제어와 기본형 전력제어에 의해 생성된 실험 파형들만 보인다. 불평형 계통 환경에서는 전류제어형에 의해 생성된 3상 전류 파형들이 전력제어형에 의한 파형들보다 우수한 품질을 보이는 것을 확인할 수 있다. 그림 17는 불평형 전압 환경에서 상 불평형 성분 크기에 따른 입력전류 THD 값을 보인다. 불평형 전압 성분의 크기가 증가할수록 입력 전류의 왜곡이 심해진다. 기본형의 경우, 큰 고조파 성분(15% 이상)을 가지는 계통 환경에서는 전력제어형이 전류제어형보다 상당히 큰 THD를 만든다는 것을 알 수 있다. 전류제어형과 전력제어형 모두에서, 고효율형 제어 기법들이 기본형 제어 기법들보다 다소 낮은 THD를 생성함을 알 수 있다.

그림. 18. a상 불평형 성분(20%)을 가지는 계통 환경에서 출력전압 리플 파형 및 주파수 스펙트럼 (a) VOC(conv) (b) DPC(conv)

Fig. 18. Output voltage ripple waveform and frequency spectrum in the grid system with a-phase unbalance component (20%) (a) VOC(conv) (b) DPC(conv)

그림 18은 상 불평형 성분을 가지는 계통 환경에서 출력전압 리플 파형 및 주파수 스펙트럼을 보인다. 입력 전류 파형과 동일하게, 기본형과 고효율형에 관계없이 유사한 형태를 보이기 때문에 기본형 전류제어와 기본형 전력제어에 의해 생성된 실험 파형들만 보인다. 시간 영역과 주파수 영역 모두에서 전류제어형이 전력제어형보다 더 큰 출력 전압 리플을 생성한다는 것을 확인할 수 있다. 그림 19는 불평형 전압 환경에서 상 불평형 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값을 보인다. 계통에 포함되는 불평형 성분의 크기가 증가할수록, 출력 전압의 리플값이 증가하는 경향을 보인다. 또한, 기본형 및 고효율형 모두에서, 전류제어형보다 전력제어형이 상대적으로 낮은 출력 전압 리플값을 생성함을 확인할 수 있다.

그림. 19. 불평형 전압 환경에서 a상 불평형 성분 크기에 따른 출력 전압 피크 리플 값 (a) 기본형 (b) 고효율형

Fig. 19. Peak ripple value of the output voltage according to the magnitude of the a-phase unbalanced component in an unbalanced voltage environment (a) Basic type (b) High-efficiency type

5. 결 론

본 논문에서는 고조파 및 불평형 성분을 가지는 계통환경에서, 전류제어형과 전력제어형 기반의 각 3가지 상이한 제어 기법들에 의해 동작하는 3상 펄스폭 변조 정류기의 입출력 성능을 비교 분석하였다. 기본형과 고효율형에 관계없이, 동일한 전류제어형과 전력제어형 기법들은 왜곡 및 불평형 계통 환경에서 유사한 성능을 보였다. 3상 입력 전압 중 한 상에만 5차 고조파 성분이 포함된 경우에는 전류제어형이 전력제어형보다 다소 개선된 입력전류 품질을 보였다. 또한, 불평형 성분이 포함된 계통 환경에서도 전류제어형 정류기에 의해 생성된 입력 전류 파형이 전력제어형보다 다소 낮은 THD값을 가졌다. 한편 한 상에만 7차 고조파 성분이 포함된 경우와 3상 모두에 5차 및 7차 고조파 성분이 포함된 경우에는, 전류제어형과 전력제어형에 의해 생성된 입력 전류 THD값이 유사한 결과를 보였다. 고조파 및 불평형 성분을 가지는 모든 계통 환경에서, 전력제어형 정류기에 의한 출력 전압이 전류제어형 정류기에 의한 출력 전압보다 더 낮은 리플값을 가졌다. 따라서, 출력 전압 리플 측면에서는 전력제어형 정류기가 계통 전압의 왜곡 및 불평형 환경에 더 강건한 특성을 보였다.

Acknowledgements

이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구 (No. 2020R1A2C1013413)로서, 관계부처에 감사드립니다.

References

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저자소개

김동연(Dongyeon Kim)

Dongyeon Kim received the M.S. degree in electrical and electronics engineering from Chung-Ang University, Seoul, South Korea, in 2021.

곽상신(Sangshin Kwak)

Sang-Shin Kwak received the Ph.D. degree in electrical engineering from Texas A&M University, College Station, TX, USA, in 2005.

From 1999 to 2000, he was a Research Engineer with LG Electronics, Changwon, South Korea.

He was also with Whirlpool R&D Center, Benton Harbor, MI, USA, in 2004.

From 2005 to 2007, he was a Senior Engineer with Samsung SDI R&D Center, Yongin, South Korea.

From 2007 to 2010, he was an Assistant Professor with Daegu University, Gyeongsan, South Korea.

Since 2010, he has been with ChungAng University, Seoul, South Korea, where he is currently a Professor.

His research interests include design, modulation, and control of power converters, multilevel converters, renewable energy systems, deep learning applied power conversion, and reliability.

김재창(Jae-Chang Kim)

Jae-Chang Kim received the B.S. degree in electrical and electronics engineering from Chung-Ang University, Seoul, South Korea, in 2017, where he is currently pursuing the combined M.S and Ph.D. degrees in electrical and electronics engineering.

His research interests include control and analysis for two-level, multilevel, and matrix converters.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

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ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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고조파 및 불평형 성분을 가지는 계통 환경에 따른 3상 펄스폭변조정류기 성능 비교 연구

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 전류제어 및 전력제어 기반의 제어 알고리즘을 가지는 3상 펄스폭변조 정류기

3. 고조파 성분을 가지는 계통 환경에서 3상 펄스폭변조 정류기 특성 비교

(1)

4. 불평형 성분을 가지는 계통 환경에서 3상 펄스폭변조 정류기 특성 비교

(2)

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

김동연(Dongyeon Kim)

곽상신(Sangshin Kwak)

김재창(Jae-Chang Kim)

Article Information (continued)

Key words

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1. 서 론

2. 전류제어 및 전력제어 기반의 제어 알고리즘을 가지는 3상 펄스폭변조 정류기

3. 고조파 성분을 가지는 계통 환경에서 3상 펄스폭변조 정류기 특성 비교

(1)

4. 불평형 성분을 가지는 계통 환경에서 3상 펄스폭변조 정류기 특성 비교

(2)

5. 결 론

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김동연(Dongyeon Kim)

곽상신(Sangshin Kwak)

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