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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최의민
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수19
이 논문의 연구 히스토리 (5)
2022
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태양광은 유망한 신재생 에너지원 중 하나로 태양광 발전 시스템은 친환경 전기
에너지 발전에 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 태양광 발전 시스템이 기존 화석
연료 기반 에너지 발전을 효과적으로 대체하기 위해서는 안정적인 에너지 공급과
경쟁력 있는 에너지 원가(COE, Cost of Energy 혹은 LCOE, Levelized Cost of
Energy)가 요구되며 고신뢰성 (Reliability) 태양광 발전 시스템은 이를 위한 필수적
인 요소이다. 에너지 원가는 자본비, 운영유지비 및 연간 에너지 생산량으로 정의
되며 신뢰성 향상은 운영유지비를 감소시키고 연간 에너지 생산량을 증가시켜 결
과적으로 에너지 원가를 감소시킨다. 태양광 인버터는 태양광 발전 시스템의 주요
고장 원인으로 여겨지며 전력 반도체와 커패시터는 신뢰성 측면에서 가장 취약한
소자로 태양광 인버터의 신뢰성에 많은 영향을 준다. 일반적으로 전력 반도체와
커패시터의 열화 고장은 주로 온도 스트레스에 의해 발생한다.
불연속 전압 변조 (Discontinuous Pulse Width Modulation, DPWM) 방법은 특정
구간 동안 인버터의 스위칭 상태를 유지하는 방법으로 전력 반도체의 스위칭 손
실을 감소시켜 인버터의 효율을 향상시킨다. 스위칭 손실의 감소는 전력 반도체의
열 부하 감소를 야기하며 이는 전력 반도체의 신뢰성을 향상시킨다. 하지만
DPWM 방법의 적용은 직류단 커패시터에 저주파 전류 리플을 증가시키며 이는 커
패시터의 동작 온도를 증가시켜 직류단 커패시터의 수명 감소를 야기한다. 하지만
기존의 연구에서는 DPWM 적용 시, 인버터의 효율, 출력전류의 전고조파 왜곡율
(THD) 및 전력 반도체 소자의 신뢰성 등이 고려되었을 뿐 커패시터의 신뢰성에
미치는 영향 및 이를 고려한 인버터 시스템 수준에서의 신뢰성에 관한 연구는 수
행되지 않았다.
본 연구에서는 단상 5-레벨 T-type NPC 인버터의 신뢰성을 고려한 최적 불연속
전압 변조 적용 방법에 대해 연구한다. 7 kW 급 단상 5-레벨 T-type NPC 인버터
를 고려하여 DPWM 적용 구간 변화에 따른 전력 반도체와 직류단 커패시터의 수
명을 비교 분석한다. 그 후 태양광 미션 프로파일을 적용한 사례 연구를 통해
인버터의 모든 전력 반도체와 직류단 커패시터의 신뢰성을 고려하여 인버터의
목표 수명을 만족시키기 위한 최적 불연속 전압 변조 적용 방법을 제시하고
실험을 통해 DPWM 방법의 동작과 효능을 입증한다.
에너지 발전에 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 태양광 발전 시스템이 기존 화석
연료 기반 에너지 발전을 효과적으로 대체하기 위해서는 안정적인 에너지 공급과
경쟁력 있는 에너지 원가(COE, Cost of Energy 혹은 LCOE, Levelized Cost of
Energy)가 요구되며 고신뢰성 (Reliability) 태양광 발전 시스템은 이를 위한 필수적
인 요소이다. 에너지 원가는 자본비, 운영유지비 및 연간 에너지 생산량으로 정의
되며 신뢰성 향상은 운영유지비를 감소시키고 연간 에너지 생산량을 증가시켜 결
과적으로 에너지 원가를 감소시킨다. 태양광 인버터는 태양광 발전 시스템의 주요
고장 원인으로 여겨지며 전력 반도체와 커패시터는 신뢰성 측면에서 가장 취약한
소자로 태양광 인버터의 신뢰성에 많은 영향을 준다. 일반적으로 전력 반도체와
커패시터의 열화 고장은 주로 온도 스트레스에 의해 발생한다.
불연속 전압 변조 (Discontinuous Pulse Width Modulation, DPWM) 방법은 특정
구간 동안 인버터의 스위칭 상태를 유지하는 방법으로 전력 반도체의 스위칭 손
실을 감소시켜 인버터의 효율을 향상시킨다. 스위칭 손실의 감소는 전력 반도체의
열 부하 감소를 야기하며 이는 전력 반도체의 신뢰성을 향상시킨다. 하지만
DPWM 방법의 적용은 직류단 커패시터에 저주파 전류 리플을 증가시키며 이는 커
패시터의 동작 온도를 증가시켜 직류단 커패시터의 수명 감소를 야기한다. 하지만
기존의 연구에서는 DPWM 적용 시, 인버터의 효율, 출력전류의 전고조파 왜곡율
(THD) 및 전력 반도체 소자의 신뢰성 등이 고려되었을 뿐 커패시터의 신뢰성에
미치는 영향 및 이를 고려한 인버터 시스템 수준에서의 신뢰성에 관한 연구는 수
행되지 않았다.
본 연구에서는 단상 5-레벨 T-type NPC 인버터의 신뢰성을 고려한 최적 불연속
전압 변조 적용 방법에 대해 연구한다. 7 kW 급 단상 5-레벨 T-type NPC 인버터
를 고려하여 DPWM 적용 구간 변화에 따른 전력 반도체와 직류단 커패시터의 수
명을 비교 분석한다. 그 후 태양광 미션 프로파일을 적용한 사례 연구를 통해
인버터의 모든 전력 반도체와 직류단 커패시터의 신뢰성을 고려하여 인버터의
목표 수명을 만족시키기 위한 최적 불연속 전압 변조 적용 방법을 제시하고
실험을 통해 DPWM 방법의 동작과 효능을 입증한다.
목차
I. 서론II. 전압 변조 방법에 따른 전력 반도체와 커패시터의 열 부하1. 전압 변조 방법2. 전력 반도체의 열 부하3. 커패시터의 열 부하III. T-type 인버터의 신뢰성에 따른 최적의 클램핑 구간 선정 전략1. 커패시터의 누적 손상2. 전력 반도체의 누적 손상3. 클램핑 구간에 따른 T-type 인버터의 시스템 수준에서의 신뢰성IV. 실험 결과V. 결 론
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