A Study of High Resolution Isolated Multi-Level Inverter for Grid-Tied Renewable Generation System

Abstract

최근 에너지 부족 및 고유가 문제로 인하여 신재생에너지 활용을 위한 많은 연구를 하고 있으며 그 중에서도 다양한 발전시스템의 결합체인 마이크로 그리드시스템을 계통에 연계하기 위한 활동이 활발히 진행되고 있다. 마이크로그리드시스템은 독립적으로 유효 및 무효전력 제어가 가능한 마이크로 터빈, 연료전지, 태양광 발전 및 풍력 발전시스템과 같이 친환경적이고 신뢰할 수 있는 전력을 공급 할 수 있는 장치들로 구성되며, 최종적으로 이들 시스템의 전력은 계통과 연계되어 전력을 모선(bus)으로 공급할 수 있도록 설계되어야 한다. 마이크로 그리드에서 각각의 발전장치는 전력변환장치를 통하여 계통과 연계되는데 그 중에서 태양광 발전 및 풍력 발전시스템은 자연 조건에 따라 발전 전력이 매우 가변적이라 안정적인 계통 연계를 위해서는 출력전력을 일정하게 제어할 수 있는 계통연계형전력변환장치는 발전시스템의 매우 중요한 역할을 할 수 밖에 없는 요소이다. 본 논문은 이런 신재생 발전시스템에 사용되는 대용량용 전력변환기에 적합한 새로운 제어기법을 적용한 고정도 3상 멀티레벨인버터의 상용화를 달성하는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위하여 기존의 멀티레벨인버터의 종류와 기본적인 동작원리에 대하여 알아보고 종류별로 각각의 장?단점에 대하여 기술하였다. 또한 멀티레벨인버터에 적용되는 변조기법과 계통연계형인버터가 기본적으로 갖추어야 할 계통연계기술의 국?내외 표준과 보호기술에 대하여 알아보고 제안된 멀티레벨인버터에 적용하였다. 본 논문에서 제안한 3상 멀티레벨인버터의 구조와 동작원리에 대해서 기술하였으며, 새로이 제안한 제어기법인 정규화된 공간벡터 변조방법에 대한 이론적인 고찰과 실행의 타당성에 대하여 기술하였다. 더불어 저주파변압기를 이용한 제안된 절연형 3상 멀티레벨인버터를 요소별로 발생가능한 손실을 예측하고 전체적인 손실을 계산해 봄으로서 효율적인 우수성을 이론적으로 나타내었다. 이미 조사한 계통연계를위해 인버터가 필연적으로 가져야 할 기능중의 하나인 단독운전방지를 위하여 적용한 제어기법에 대하여 설명하였고, 이상의 제안된 요소들을Matrap/Simulink를 이용하여 변조비별 출력파형 및 THD를 확인함으로서 제안된 3상 저주파 트랜스포머를 사용한 멀티레벨인버터에 대하여 제안된 기술적의 우수성에 대하여 검증하였다. 이론이나 시뮬레이션을 벗어나 실제로 시제품 30kW 절연형 3상 멀티레벨인버터를 요소별로 설계하고 제작하여 실험함으로서 기존의 2레벨 인버터 방식에 뒤지 않는 성능이 구현되고 있음을 확인하였다. 제안된 방식의 3상 멀티레벨인버터는 제조에 있어서도 많은 Know_how에 의존하여 제작되는 기존의 2레벨인버터에 비하여 어려움이 월등히 적었고 이번에 연구용으로 제작된 30kW보다 큰 용량의 연계형인버터를 제작하는데 있어서도 기술적인 제약이 적을 것으로 확인이 되 갈수록 대용량화 되는 계통연계형 신재생에너지 발전시스템용 전력변환기를 국산화할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.

The objective of this paper is to contribute to the commercialization of high resolution 3 phase multi level inverter that uses new control method which is proper to the great capacity inverter used for Grid-tied Renewable Generation System. For this purpose, the basic operation principle and types of the conventional multi level inverter is divided to describe the each merit and demerit, the modulation technique applicable to multi level inverter, the domestic and overseas standard and protecting technology of grid-tied technology which is indispensable to grid-tied inverter. The loss for each factor in 3 phase multi level inverter that uses low-frequency transformer was analyzed with structure of 3 phase multi level, theoretic investigation on the regular space vector modulation method and a new control technique so as to calculate all loss that may occur in the proposed inverter. Further, this research explained the control technique applied to anti-islanding, an essential function of grid-tied inverter and confirmed output waveform and THD for each rate of modulation by using Matrap/Simulink so as to check the technical feasibility of multi level inverter using 3 phase low-frequency transformer. As 3 phase multi level inverter in 30kW isolate type was designed, produced and experimented, it was confirmed that the performance which was not inferior to that of the existing 2 level inverter method was embodied. Since there is no particular difficulty in production compared to the existing products which are produced by depending on many know-hows and less part was technically restricted in producing inverter with capacity larger than that of inverter produced for research, it presents the possibility of localizing power transformer for Grid-tied Renewable Generation System which gets larger.