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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김흥근
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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최근 마이크로그리드(Microgrid) 기술 발달로 인해서 각종 신재생 에너지원의 사용이 확대 되고 있다. 이에 따라 계통 전압의 왜곡 문제가 대두되기 시작해서 2000년 이후 계통 전압 품질 개선을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고조파 보상과 교류 전력 품질 개선 장치로 전압형 인버터가 많이 적용되고 있다. 최근에는 AC-DC-AC의 3단 구조를 가진 전압형 인버터를 사용하는 토폴로지의 단점을 극복하고자 AC-AC 2단 구조인 직접형 AC-AC PWM 컨버터가 이용 되고 있다. 전압형 인버터를 사용할 경우 DC로 변환하는 구조상 큰 에너지 저장장치인 커패시터가 필연적으로 필요하게 되고 이것을 유지 관리하는 비용, 수명 등의 문제가 있으므로 2단구조로 효율과 비용을 절감한 AC-AC 컨버터의 연구가 활발히 진행되고 있다.
통상적으로 쓰이는 직접형 PWM AC-AC 컨버터는 AC 스위치 사용으로 인해 대부분 커뮤테이션 문제가 발생한다고 알려져 있다. 이 문제를 해결하기 위해 부피가 큰 RC 스누버 회로 또는 안전한 전류 과도상태를 충족할 수 있는 PWM 방법이 필요하다. 현재 사용되는 방법들은 입력전압의 극성을 검출하여 스위치를 제어해주는 방식이다. 그러나 입력전압에 노이즈가 있거나 왜곡이 생길 경우 영-전압 부분에서 전압극성의 검출이 어려워져 여전히 커뮤테이션 문제를 가지고 있다.
최근에 커뮤테이션 문제를 해결한 직접형 단상 PWM AC-AC 컨버터가 개발되었다. 이 컨버터는 스위칭셀 구조와 결합인덕터를 사용하여서 컨버터의 스위칭 암을 구성하고 이 구조로 인해 입력전압의 극성을 검출할 필요없이 커뮤테이션 문제를 해결할 수 있다. 스위칠 셀을 구성하기 위해 다이오드가 추가적으로 필요하지만, 이 다이오드들은 스위치와 분리되어 구성되어 있으므로 빠른 역회복 특성을 갖춘 다이오드를 선택하여서 컨버터를 고주파로 동작하도록 만들 수 있다. 결과적으로 자기소자들의 크기를 줄일 수 있고 또한 게이트 신호간의 작은 미스매치로 인한 커뮤테이션 문제가 없다. 따라서 이 컨버터는 매우 강한 신뢰성을 가진다.
계통전압 보상을 위한 장치들은 주로 고전압에 연결되기 때문에 멀티레벨 개념을 적용한 형태로 사용 된다. 하지만 기존의 AC-AC 컨버터를 멀티레벨 개념을 적용해서 확장하게 되면 커뮤테이션 문제로 인해 실제적 구현이 힘들다. 현재까지 나와있는 멀티레벨 AC-AC 컨버터는 3-레벨 형태까지만 나와있는 상태이다.
본 논문에서 최근에 개발된 직접형 단상 PWM AC-AC 컨버터의 개념을 확장하여 직접형 멀티레벨 PWM AC-AC 컨버터를 제안한다. 이 컨버터는 스위칭 소자에 인가되는 전압을 줄일 수 있고 출력 전압/전류의 향상된 품질을 얻을 수 있다. 또한 기존에 존재하던 커뮤테이션 문제가 없기 때문에 확장성이 용이하며 강한 신뢰성을 가진다. 2kW급 시스템을 제작하여서 성능을 검증하였다.
통상적으로 쓰이는 직접형 PWM AC-AC 컨버터는 AC 스위치 사용으로 인해 대부분 커뮤테이션 문제가 발생한다고 알려져 있다. 이 문제를 해결하기 위해 부피가 큰 RC 스누버 회로 또는 안전한 전류 과도상태를 충족할 수 있는 PWM 방법이 필요하다. 현재 사용되는 방법들은 입력전압의 극성을 검출하여 스위치를 제어해주는 방식이다. 그러나 입력전압에 노이즈가 있거나 왜곡이 생길 경우 영-전압 부분에서 전압극성의 검출이 어려워져 여전히 커뮤테이션 문제를 가지고 있다.
최근에 커뮤테이션 문제를 해결한 직접형 단상 PWM AC-AC 컨버터가 개발되었다. 이 컨버터는 스위칭셀 구조와 결합인덕터를 사용하여서 컨버터의 스위칭 암을 구성하고 이 구조로 인해 입력전압의 극성을 검출할 필요없이 커뮤테이션 문제를 해결할 수 있다. 스위칠 셀을 구성하기 위해 다이오드가 추가적으로 필요하지만, 이 다이오드들은 스위치와 분리되어 구성되어 있으므로 빠른 역회복 특성을 갖춘 다이오드를 선택하여서 컨버터를 고주파로 동작하도록 만들 수 있다. 결과적으로 자기소자들의 크기를 줄일 수 있고 또한 게이트 신호간의 작은 미스매치로 인한 커뮤테이션 문제가 없다. 따라서 이 컨버터는 매우 강한 신뢰성을 가진다.
계통전압 보상을 위한 장치들은 주로 고전압에 연결되기 때문에 멀티레벨 개념을 적용한 형태로 사용 된다. 하지만 기존의 AC-AC 컨버터를 멀티레벨 개념을 적용해서 확장하게 되면 커뮤테이션 문제로 인해 실제적 구현이 힘들다. 현재까지 나와있는 멀티레벨 AC-AC 컨버터는 3-레벨 형태까지만 나와있는 상태이다.
본 논문에서 최근에 개발된 직접형 단상 PWM AC-AC 컨버터의 개념을 확장하여 직접형 멀티레벨 PWM AC-AC 컨버터를 제안한다. 이 컨버터는 스위칭 소자에 인가되는 전압을 줄일 수 있고 출력 전압/전류의 향상된 품질을 얻을 수 있다. 또한 기존에 존재하던 커뮤테이션 문제가 없기 때문에 확장성이 용이하며 강한 신뢰성을 가진다. 2kW급 시스템을 제작하여서 성능을 검증하였다.
목차
목 차 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ⅰ그림 목록 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? ⅱ표 목록 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? iv기호 및 약어 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? v1. 서 론 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12. AC-AC 컨버터 동작원리 ?????????????????????????????????????????????? 32.1. 기존 AC-AC 컨버터 ???????????????????????????????????????????????????? 32.2. 커뮤테이션 문제 ??????????????????????????????????????????????????????? 52.3. 스위칭 셀을 사용한 AC-AC 컨버터 ?????????????????????????????? 92.4. 기존 AC-AC 멀티레벨 컨버터의 문제점 ???????????????????????? 143. 제안한 멀티레벨 AC-AC 컨버터 ???????????????????????????????????????? 163.1. 시스템 구성 ???????????????????????????????????????????????????????? 163.2. 동작원리 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 213.3. 전류리플해석 ????????????????????????????????????????????????????? 284. 실험 ???????????????????????????????????????????????????????????? 334.1. 실험 조건 ???????????????????????????????????????????????????? 334.2. 실험 결과 ?????????????????????????????????????????????????? 345. 적용 가능한 토폴로지 ??????????????????????????????????????????????????????? 416. 결 론 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 44참고문헌 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 46abstract ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48
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