Analysis and Control of Bipolar HVDC Transmission System Based on Asymmetric Mixed MMC Topology

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2017. 8. 설승기.최근 세계적으로 국가간, 그리고 지역간의 에너지 교환량이 늘어남에 따라 대규모 장거리 전력 전송에 대한 요구가 급증하고 있다. 또한, 풍력 및 태양광 등에 의한 발전 시스템이 대규모, 집단화 됨에 따라 신재생 발전 단지로부터 대도시 전력 소비처에 대한 전력 전송에 대한 필요성도 증대되고 있다. 이러한 요구와 필요성에 따라 고압 직류(high voltage DCHVDC)송전 시스템이 대규모로 설치되고 있으며, 관련 기술이 비약적으로 발전되어 왔다. 본 논문에서는 양극 (bipolar) HVDC 시스템을 구성하는 컨버터로서 경제적이고 합리적인 회로방식으로 검토되고 있는 비대칭 혼합 MMC (asymmetric mixed MMC) 회로를 소개하고 그 적용 가능성을 검토하였다. 최근 HVDC 시스템의 송전 직류 승압 요구에 의해, 가공선로를 통한 효율적인 전력 전송에 대한 관심이 높아지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 가공 선로에서 빈번한 직류단 사고 발생에 대한 대처 능력을 가지는 대표적인 MMC 회로들 간의 비교와 분석을 수행하고, 그 결과 비대칭 혼합 MMC 회로가 직류단 사고 대처 능력뿐만 아니라 비용 및 효율 등의 경제성과 컨버터 내부 에너지 균형 등에 있어서 상대적으로 가장 합리적인 회로라는 것을 확인하였다. 또한, 본 회로의 정상운전과 사고운전 제어 알고리즘을 제시하고 제안하였다. 직류단 사고 시에는 직류단 전압이 불안정하거나 그 크기가 매우 작으므로 일반적인 컨버터 내부 에너지 제어에 이용하기가 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 전압 주입법과 전류 주입법을 제안하여, 사고 상황에서도 유연한 연속 운전이 가능하도록 하였다. 본 논문에서는 여러 HVDC 계통 형태들 중에 대칭 단극 구조를 제외한 비대칭 단극 구조와 양극 구조에 본 회로를 적용하였다. 대칭 단극 구조에서는 비대칭 혼합 MMC의 회로적 특성에 의하여, 직류단 사고 시에 교류단 과전압이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 이 현상에 대한 해석과 분석을 새로이 수행하였고, 시뮬레이션과 실험으로 확인하였다. 비대칭 혼합 MMC 회로는 DC fault ride-through 능력을 보유하며, 넓은 직류단 전압 합성 범위를 가지므로 직류단 사고 대처에 매우 유연하다. 또한, 교류단과 직류단의 제어가 독립적으로 이루어질 수 있으므로, 사고 후에도 빠른 회복과 재기동이 가능하다. 이를 바탕으로 비대칭 단극 및 양극 HVDC 구조에 본 회로를 적용한다. 특히, 양극 HVDC 시스템은 양극 전압형 HVDC와 양극 하이브리드 HVDC형태의 두가지 형태로 본 회로를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 직류단 사고 상황에서 본 회로가 가지는 직류단 사고 대처 능력의 유연성을 확인하고 타당성을 검증하였다. 또한, MMC 회로의 운영 손실과 시스템 비용 저감을 위하여 HVDC 전송 시스템에서 교류 옵셋 전압 주입 가능성을 교류 및 직류 계통에 미치는 영향의 관점에서 새로이 분석하였고, 이론적 해석과 함께 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 마지막으로, 비대칭 혼합 MMC 회로의 축소 모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 암당 셀 개수가 6개인 실험장치 2대를 제작하여 비대칭 단극, 양극 전압형, 그리고 양극 하이브리드 HVDC 형태를 구성하였다. 이를 통하여, 비대칭 혼합 MMC 회로의 적용 타당성을 실험적으로 검증하였다.1. 서 론 1 1.1. 연구의 배경 1 1.1.1. 전압형 고전압 직류 전력전송 시스템 1 1.1.2. 모듈형 다단 컨버터 시스템 5 1.1.3. 멀티터미널 HVDC 전력전송 시스템과 계통구조 7 1.2. 연구의 목적 13 1.3. 논문의 구성 15 2. 모듈형 다단 컨버터의 기본 원리와 그 제어 17 2.1. 모듈형 다단 컨버터 (MMC) 모델링 20 2.1.1. MMC의 교류 계통 전류에 관한 모델링 24 2.1.2. MMC의 직류 계통 전류에 관한 모델링 27 2.1.3. MMC의 순환전류에 관한 모델링 29 2.2. 모듈형 다단 컨버터(MMC)의 제어법 33 2.2.1. MMC의 전체 캐패시터 에너지 제어 34 2.2.2. MMC의 각 상의 레그 캐패시터 에너지 제어 37 2.2.3. MMC의 상단 및 하단 암 캐패시터 에너지 제어 40 2.3. MMC 전체 제어기 구조 47 2.4. 교류 계통 전압 불평형을 고려한 MMC 균형 제어 50 3. 양극 HVDC전송을 위한 MMC전력변환 시스템 58 3.1. 직류단 사고 대처 방법과 MMC 회로방식 비교 60 3.1.1. 대칭 암 구조를 가지는 MMC 전력변환 장치 68 3.1.2. 비대칭 암 구조를 가지는 MMC 전력변환 장치 79 3.1.3. 직류단 전압 합성의 관점에서 Asymm.와 Symm.의 비교 93 3.2. MMC 전력변환 시스템 요약 비교 111 4. HVDC 전송 시스템을 위한 ASYM-MMC 전력 변환 시스템 114 4.1. 비대칭 단극 전압형 HVDC 전송 시스템 114 4.1.1. ASYM-MMC의 정상운전 제어 114 4.1.2. ASYM-MMC의 사고 운전 제어 120 4.1.2.1. ASYM-MMC의 사고 대처 운전 알고리즘 121 4.1.2.2. ASYM-MMC의 사고 시 균형 제어 알고리즘 125 4.1.3. ASYM-MMC 시뮬레이션 130 4.1.4. ASYM-MMC의 대칭 단극 시스템 적용 135 4.2. 양극 전압형 HVDC 전송 시스템 148 4.2.1. 양극 전압형 HVDC 전송 시스템을 위한 ASYM-MMC 시스템 구성 148 4.2.2. 컨버터 측 교류단 사고 시 서브모듈 과전압 현상 비교 분석 151 4.2.3. ASYM-MMC 기반의 양극 전압형 HVDC 시스템 시뮬레이션 172 4.3. 양극 하이브리드 HVDC 전송 시스템 188 4.3.1. 하이브리드 HVDC 전송 시스템의 원리와 ASYM-MMC의 적용 188 4.3.2. ASYM-MMC 기반의 양극 하이브리드 HVDC 시스템 시뮬레이션 192 5. 양극 HVDC 전송 시스템을 위한 ASYM-MMC의 실험 결과 201 5.1. ASYM-MMC의 사고 시 균형 제어 알고리즘 검증 201 5.2. ASYM-MMC를 이용한 양극 전압형 HVDC 축소 실험 212 5.3. ASYM-MMC를 이용한 양극 하이브리드 HVDC 축소 실험 220 6. MMC의 최적 설계를 위한 옵셋 전압 주입 228 6.1. MMC의 옵셋 전압 주입에 따른 효과 228 6.2. MMC의 옵셋 전압 주입 가능성 검토 239 6.3. MMC의 옵셋 전압 주입 시뮬레이션 및 실험 결과 249 6.3.1. MMC 옵셋 전압 주입 시뮬레이션 결과 249 6.3.2. MMC 옵셋 전압 주입 실험 결과 255 7. 결론 및 향후 과제 258 7.1. 연구 결과 258 7.2. 향후 과제 262 부 록 A. PSIM 시뮬레이션 제정수 264 부 록 B. PSCAD 시뮬레이션 제정수 268 부 록 C. 축소 실험세트 제정수 273 참고 문헌 275 Abstract 286Docto

Cell Capacitor Voltage Control Strategy of the Modular Multilevel Converter for Variable Speed AC Motor Drives

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2013. 2. 설승기.최근 환경에 대한 세계적인 관심과 화석 연료의 고갈로 세계 각국은 전체 발전량 중에서 신재생 에너지의 비율을 높이고 있는 추세이다. 특히, 풍력 발전은 신재생 에너지 발전량 중 가장 큰 비중을 차지하는 에너지원 중 하나이며, 그 비중은 점점 더 커지고 있다. 따라서 해상 풍력 단지로부터 육지로의 효율적인 전력 전송을 위한 HVDC 송전 기술로써 모듈형 다단 컨버터(Modular Multilevel ConverterMMC)는 많은 각광을 받고 있으며, 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 또한, 최근에는 MMC를 이용한 고전압, 대용량 전동기의 가변속 구동에 대한 연구도 이루어지고 있다. MMC는 모듈화된 구조를 가지므로 전압 레벨의 증가가 손쉬우므로, 고품질의 교류 출력 전압 생성이 가능하다. 본 논문에서는 MMC의 전(全) 영역운전을 위한 제어 알고리즘을 제안한다. MMC 시스템에서는 각 모듈에 DC 전원을 공급하는 셀 캐패시터의 전압 맥동 제어가 필수적이다. 이론적으로, 셀 캐패시터의 전압 맥동은 출력 주파수에 반비례하고 출력 전류에 비례한다. 따라서 교류 전동기의 기동 토크 인가 및 저속 운전 시에 각 셀 캐패시터의 전압 맥동이 과도하게 커져 시스템 동작이 불가능하다는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 고주파 옵셋 전압 인가 및 순환 전류 제어를 통해 기동 토크 및 저속 운전에서의 캐패시터 전압 맥동 증가를 방지하는 제어 기법을 제시한다. 또한, 고속 운전 영역에서의 제어 기법도 제안하여, 두 운전 모드의 절환을 통해 전 주파수 운전을 위한 제어 기법에 대하여 서술한다. 전압 맥동은 구동 주파수와 캐패시터 크기에 반비례하므로, 전압 맥동 감소 알고리즘을 적용하면, 시스템 제작 시 큰 부피와 원가를 차지하는 캐패시터 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 순환전류 제어에 있어, 고주파 순환 전류 주입 방식과 레그 옵셋 전압 주입 방식의 비교를 통한 분석을 수행한다. 제안된 방법의 유효성을 증명하기 위하여 10kVA급 MMC 세트를 제작하여, 교류 전동기의 전 영역 운전을 위한 제안된 제어 기법을 적용한 실험을 수행하고 그 결과를 분석한다.1. 서론 1 1.1. 연구 배경 및 목적 1 1.2. 논문의 구성 4 2. 대용량 멀티레벨 인버터 5 2.1. 대용량 멀티레벨 인버터의 필요성 5 2.2. 대표적인 대용량 멀티레벨 인버터의 종류 6 2.2.1. 다이오드 클램프형 멀티레벨 인버터 6 2.2.2. 플라잉(flying) 캐패시터 멀티레벨 인버터 10 2.2.3. 직렬연결 H-브릿지 멀티레벨 인버터 13 3. MMC 시스템의 개요 15 3.1. 모듈형 다단 컨버터 15 3.2. MMC 시스템의 구성 17 3.2.1. 하위모듈 셀(Sub-Module Cell)의 구조 19 3.2.2. 암 인덕터(Arm Inductor)의 선정 22 3.3. MMC 시스템 모델링 25 3.4. MMC 시스템의 전압 지령 생성 29 3.4.1. 극 전압 합성을 위한 전압 지령 생성 29 3.4.2. 순환전류 제어를 위한 전압 지령 생성 30 3.4.3. 전체 전압 지령 생성 31 3.5. MMC 시스템의 전압 합성 방법과 셀 간의 균형제어 방법 32 3.5.1. 위상 천이 PWM (phase-shifted PWM) 32 3.5.2. 레벨 천이 PWM (level-shifted PWM) 33 3.5.3. 위상 천이 PWM과 레벨 천이 PWM의 비교 34 4. 전 영역 운전방안 40 4.1. 캐패시터 전력 분석 40 4.2. 전류 주입 방법 44 4.2.1. 옵셋 전압을 이용한 저속 영역 운전 방안 44 4.2.2. 전 영역 운전을 위한 절환 운전 방안 52 4.3. 전압 주입 방법 57 4.3.1. 정현파 옵셋 전압 주입 방법 57 4.3.2. 구형파 옵셋 전압 주입 방법 61 5. 실험 결과 65 5.1. 실험 장치의 구성 65 5.2. 전류 주입 방법 68 5.2.1. 저속 영역 운전 68 5.2.2. 중•고속 영역 운전 70 5.2.3. 제어기의 절환을 통한 기동 및 전 영역 운전 72 5.3. 전압 주입 방법 74 5.3.1. 정현파 옵셋 전압 주입 74 5.3.2. 구형파 옵셋 전압 주입 75 5.4. 전류 주입과 전압 주입 방식의 동특성 비교 77 6. 결론 79 6.1. 연구 결과 79 6.2. 향후 과제 81Maste