단상 반도체 변압기의 출력 전력 전향 보상을 통한 과도 응답 개선 = A Transient Response Improvement by Output Power Feedforward Compensation for Single-Phase Solid-State Transformer
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- 건국대학교 일반대학원 : 전기공학과 전기기계및전력전자전공 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
79 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 조영훈
UCI식별코드
I804:11004-200000653032
소장기관
본 논문은 듀얼 액티브 브릿지 컨버터 기반 2단 구성 단상 반도체 변압기의 출력 전력 기반 전향 보상 방안을 제안한다. 반도체 변압기는 입/출력단의 전기적 절연이 가능한 양방향 교류-직류 전력 변환 장치로, 태양광 패널, 연료 전지 등 신재생 에너지원의 계통 접속과 ESS 등의 직류 전력원의 손쉬운 접속을 직류 모선 형성을 통해 가능하도록 한다.
반도체 변압기의 토폴로지로는 교류 전력 변환을 위한 교류-직류 컨버터와 절연형 직류-직류 컨버터의 2단 구성을 주로 채택하며, 고주파 변압기를 통한 전기적 절연, 양방향 전력 전달의 용이성과 소프트 스위칭을 통한 고효율 시스템 설계 등의 장점을 가지는 듀얼 액티브 브릿지 컨버터는 반도체 변압기의 핵심 구성 토폴로지로 여겨지고 있다. PWM 컨버터의 시비율 제어를 통한 출력 전압 및 전류 제어 방식과는 달리, DAB 컨버터는 고주파 변압기 양단의 극전압 위상을 제어하는 위상 변이 변조(PSM) 방식을 통해 출력 전력을 제어한다.
출력 전압 제어기의 설계를 위해 위상 지령에 따른 출력 전력을 이용하여 듀얼 액티브 브릿지 컨버터의 소신호 모델에 기반하여 DAB 컨버터의 출력 전압 제어기를 설계한다. 또한 계통 전압의 2배 주파수에 해당하는 직류 링크 전압의 120Hz 전력 리플 응답 최소화를 위한 직류 링크 전압 제어기의 대역폭 제한으로 인해 발생하는 DAB 컨버터의 입출력 전압비 변동에 대해 기술한다. 이러한 전압비 변동에 의해 발생하는 과도 상태 고주파 변압기의 전류 첨두치 및 누설 인덕터 양단 전압 첨두치 증가에 대해 기술하며, 이를 해소하기 위한 DAB 컨버터의 출력 전력 기반 전향 보상 방안을 제안한다. 제안하는 전향 보상 방안의 유무에 따른 출력 임피던스의 개선을 소신호 모델에 기반하여 확인한다. 실험을 통해 동일한 제어기에 대해 제안하는 전향 보상항의 유무를 비교하였을 때, 부하 투입 시 직류 링크 전압의 과도 상태 하락에서 전압 지령 대비 약 24.8%의 개선을, 고주파 변압기 전류에 대해 약 27.7%의 개선을 확인하였다. 또한 부하 차단 시 직류 링크 전압의 과도 상태 상승에서 지령 대비 약 23%의 개선을 확인하였다.
This paper proposes a output power feedforward compensation method for Dual Active Bridge(DAB) converter based 2-stage single-phase solid-state transformer. Solid-State Transformer(SST) is a bidirectional power converter which is capable of electrical isolation between input and output stage. SST enables the connection of DC power sources such as PV panels, Fuel Cells, and ESS much easier compared with conventional transformers by forming DC bus.
Each stage of SST composes of AC-DC converter and isolated DC-DC converter. Especially, DAB converter, which has advantages of galvanic isolation with high frequency(HF) transformer, facility of bidirectional operation, and ease of realizing soft switching, is regarded as one of the most fundamental elements in SST. In contrast to conventional PWM converters, DAB converter controls output power by adjusting the phase shift between output voltage of two H-bridges.
For designing output voltage feedback controller, small signal model of DAB converter derived from output power equation with phase reference is applied. Also, bandwidth limitation caused by 120Hz power ripple in DC-link voltage controller, which induces unequal input and output voltage ratio compared with turns ratio of HF transformer, is described. For eliminating this voltage decoupling with current peak rising of leakage inductor, output power-based feedforward compensation method for DC-link voltage controller is proposed. Furthermore, the effectiveness of feedforward term is identified by confirming the reduction in output impedance of converter based on small signal model. In comparison of experimental results, proposed method verified the improvement in transient DC-link voltage decrease by 24.8% and leakage inductor current peak increase by 27.7% during load step input. It also yielded improvement in DC-link voltage increase by 23% while unload transient.
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