이 논문은 중전압 직류송전 시스템에 적용을 위해 수십 레벨로 구성된 모듈형 멀티레벨 컨버터(Modular Multi-level Converter; MMC)에서의 개선된 모듈레이션 기법을 제안한다. 여러 개의 서브모듈로 모듈화 구조를 가지는 모듈형 멀티레벨 컨버터는 직류단 전압에 비례하여 서브모듈의 개수가 증가되기 때문에 서브모듈의 평균 스위칭 주파수와 연관되어 있는 운전 효율은 시스템을 구성함에 있어 중요한 요소이다. 하지만 서브모듈의 평균 스위칭 주파수를 최소한으로 낮추기만 한다면 출력성능에 악영향을 미치기 때문에 효율적으로 조절할 필요성이 있다.
모듈형 멀티레벨 컨버터를 동작시키기 위한 모듈레이션 기법은 다양하게 존재하며, 대용량 고전압에서는 주로 근사 계단 제어 방식(Nearest Level Control; NLC)이 사용된다. 이 방식은 다른 방식들에 비해 구현이 간단하고 스위칭 주파수가 낮은 장점을 가지고 있지만 전압 변조 지수(Modulation Index; MI)에 의해 동작레벨이 정해지고 제어주기가 일정하지 않아 저 레벨 동작에서 전고조파 왜곡률(Total harmonic distortion; THD)이 높아지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점은 고전압 직류송전 시스템보다 중전압 직류송전 시스템에서 더 큰 악영향을 미치며, 이를 보완하고자 가변적인 영상분 전압성분을 이용한 모듈레이션 방식을 제안하였다.
근사 계단 제어 방식에서 필수적으로 고려해야 할 사항은 전압 변조 지수의 대소와 불특정한 제어 주기이다. 첫 번째로 고려되어야 할 전압 변조 지수의 대소는 직류전압 대비 출력 가능한 교류전압의 비율, 유·무효 전력량, 그리고 순환전류에 의한 전압 등과 같이 다양한 요소로 인해 결정되며, 이로 인해 멀티레벨 컨버터의 동작레벨이 정해지고 평균 스위칭 횟수와 시스템 성능에 영향을 주기 때문에 중요시하게 여겨지는 부분 중에 하나이다. 두 번째로 반올림 함수를 이용하여 동작레벨의 변화가 생기는 순간에 제어가 수행되기 때문에 불특정한 제어 주기를 갖는다는 점이다. 이는 별도의 정렬 알고리즘을 갖고 수행하는 근사 계단 제어 방식에서 불규칙적인 제어가 이루어지고 나아가 불규칙적인 서브모듈의 전압 맥동을 유발시키게 된다.
이 논문에서 제안한 가변적인 영상분 전압성분을 이용한 모듈레이션 방식은 제어 가능한 전압 변조 지수 영역에서 일정한 극전압의 크기를 갖도록 모듈형 멀티레벨 컨버터에서 필요로 하는 상전압 성분에 영상분 전압성분을 추가하는 것이다. 이로 인해 출력되는 극전압은 일정하게 N+1 레벨로 출력되고, 영상분 전압성분을 사용하지 않은 방식에 비해 규칙적인 제어 주기를 갖게 된다. 규칙적인 제어 주기를 통해 서브모듈 커패시터 맥동전압의 리플이 저감되는 효과와 출력전압 성능 면에서 개선될 수 있다. 또한 다양한 전력품질 문제에 의해 발생되는 계통전압 불평형에서 모듈형 멀티레벨 컨버터가 갖추어야 할 불평형 제어전략에 대해 살펴보고, 제안하는 모듈레이션 기법을 적용하였을 경우의 동작에 대해 기술한다. 기술한 내용들의 유효함을 입증하기 위해 PSCAD/EMTDC 상의 시뮬레이션 모델과 하드웨어 상의 10kVA 용량 모듈형 멀티레벨 컨버터 장치를 기반으로 다양한 조건에서의 실험을 수행하고 타당성을 검증하였다.
이 논문에서 제안하는 가변적인 영상분 전압을 이용한 근사 계단 제어 방식은 스위칭 주파수와 전압 맥동 관점에 있어 효율적으로 동작되는 운전 기법으로써, 향후 모듈형 멀티레벨 컨버터 이외에도 다양한 측면에서 널리 활용될 것으로 기대된다.

주제어
모듈형 멀티레벨 컨버터, 중전압 직류송전 시스템, 근사 계단 제어, 전압 변조 지수, 전고조파 왜곡률

This paper suggest improved modulation scheme on modular multi-level converter(MMC) which is consisted dozens of level in order to apply on medium voltage direct current(MVDC) transmission system. The operation efficiency which is related to average switching frequency of sub-modules is significant factor for system composition. Because MMC system is increase the number of sub-modules proportional to DC voltage. Since the lower average switching frequency of sub-modules can affects output performance, we need to regulate it efficiently.
There are various modulation methods to operate the MMC and Nearest Level Control(NLC) method mainly used in high voltage direct current(HVDC) transmission system. This method have some advantages in terms of simple materialization and lower switching frequency, on the other hand, there are few critical problem such as its operation level set by modulation index(MI) and in case of low level operation, increase the total harmonic distortion(THD). These problems caused adverse effects on MVDC system than HVDC system. Therefore, this study proposed the modulation method using variable zero phase component sequence voltage.
MI’s size and unspecific control period are the points to be requisitely considered in NLC method. First of all, the size of the MI which is considered significantly is decided by various causes such as AC ratio, active/reactive power, and voltage depending on circulating current. For these reasons, operation level of multi-level converter is decided and then affects average switching number and system performance. The other important point is having unspecific control period. Because control performs at moments of performance level change using the rounding function. When NLC method’s control is irregular, sub-module’s voltage ripple becomes also irregular.
In this paper, we propose a modulation scheme using a variable zero phase component sequence voltage. It is that adding zero phase component sequence voltage to the phase voltage, which is needed for MMC so that the size of the pole voltage in the controllable MI’s domain is constant. Because of this, pole voltage is constantly output at the N+1 level, and it has a regular control period as compared with the method in which the zero phase component sequence voltage is not used. The regular control period reduces the voltage ripple of sub-modules and improves output voltage performance. Also, we discuss about the unbalanced control strategy that a MMC should have when the grid unbalance is caused by various power quality problems and describe the operation when applying the proposed modulation method. To prove the validity of the proposed method, we performed the experiments under various conditions and verified their validity based on simulation model on the PSCAD/EMTDC and 10kVA MMC on the hardware.
As a result, the proposed method is an efficient operation method in terms of switching frequency and voltage ripple. In the future, it is expected that the method using the variable zero phase component sequence voltage will be widely used in various aspects other than the MMC.

Key words: Modular multi-level converter, Medium voltage direct current transmission system, Nearest level control, Modulation index, Total harmonic distortion