ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 8, pp. 1193~1201, 2015 http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2015.64.8.1193 전원조건에서 MMC 기반 HVDC 시스템순환전류에관한연구 A Study of Circulating Current in MMC based HVDC System under an Unbalanced Grid Condition 도원석 * 김시환 * 김태진 ** 김래영 (Won-Seok Do Si-Hwan Kim Tae-Jin Kim Rae-Young Kim) Abstract - This paper presents a study of circulating current of modular multi-level converter (MMC) based a high voltage direct current (HVDC) system under unbalanced grid conditions. Due to the connection of a dependent DC source in each phase, the MMC system inherently generates the power ripple of double-line-frequency components in the AC-side and as a result, the additional sinusoidal current named circulating current flows through the each arm. Reliability improvement of HVDC system under an unbalanced grid condition is one of the important criteria. Generally, the modeling of the circulating current is based on the power relation between DC-side and AC-side. However, the method is not perfectly matched in the MMC system due to the difference of the structural characteristic. In this paper, improved modeling method of circulating current is proposed, which is based on the inner arm power. The proposed method is verified by several simulations to have good agreement of the circulating current components. Key Words : Circulating current, Modular multi-level converter (MMC), High voltage direct current (HVDC) 1. 서론 최근전력계통의신뢰성향상과계통연계간효율성을증대시키기위하여고압직류송전 (High Voltage Direct Current, HVDC) 시스템투자및연구가확대되고있다. 현재 HVDC 시스템은전류형컨버터와전압형컨버터시스템으로분류된다. 사이리스터밸브로구성된전류형컨버터시스템은항상지상전류로동작하며, 큰무효전력보상을필요로한다. 따라서컨버터입력측은커패시터뱅크가병렬로설계되어야하고큰수동필터가요구된다. 반면에자기소호가가능한스위칭소자인 IGBT로구성된전압형컨버터시스템은유효전력과무효전력의독립적인제어가가능하여무효전력보상기를필요로하지않고, 고속스위칭이가능한전력용반도체소자를사용하여큰수동필터가요구되지않아전류형컨버터시스템의단점들을극복할수있다. 그러나전압형컨버터시스템은아직신뢰성이확보되지않은단점이있어이문제가해결된다면전류형컨버터시스템을대체할것으로전망하고있다. 현재전압형 HVDC 시스템에사용되는컨버터토폴로지들중 Corresponding Author : Dept. of Electrical and Biomedical Engineering Hanyang University, Korea E-mail : rykim@hanyang.ac.kr * Dept. of Electrical Engineering Hanyang University, Korea ** Living & Energy R&D Center, LG Electronics Received : December 10, 2014; Accepted : April 23, 2015 모듈형멀티레벨컨버터 (Modular Multi-level Converter, MMC) 에대한연구가활발히진행되고있다. 이것은동일한구조로구성된서브모듈 (Sub-module, SM) 을단순히확장시킴으로써저압스위칭소자를이용하여고전압구현이용이하며, 스위칭주파수증가없이정현적인출력파형을만들수있다. 또한예비모듈을각상에장착할수있어고장발생시예비모듈을투입함으로써연속적인운전이가능해신뢰성이우수하다 [1]-[2]. 그러나각상마다독립된직류전원을갖는회로적특징으로전원주파수두배에해당하는교류전력이필연적으로각상에존재하여 MMC 시스템내에순환전류가발생한다. 이전류는계통측에영향을주지않으며 MMC 시스템내부에서만순환하는특징을가지고있다 [3]-[4]. 순환전류는시스템전류용량및커패시터전압리플을증가시켜전기적스트레스를가중시키므로반드시제거되어야할성분이다 [5]. 순환전류를제어하기위해각상의상단과하단암에인덕터를설치하며, 또한이것은시스템의지락및단락과같은오동작에의해발생되는과도한전류를억제하는데사용된다. 계통운용의신뢰성확보에대한중요성이대두됨에따라계통전원의지락사고와같은전원조건에서 HVDC 시스템을운전하기위한전력제어기법들이제안되었다 [6]-[7]. 전원조건에서기존전력제어기법들이적용된 MMC 기반 HVDC 시스템운전은전력제어와별개로과도한순환전류가발생되어시스템성능및신뢰성이크게저하된다. 2-레벨과 3-레벨컨버터시스템의경우기존전력제어기법이나전류제어기법 Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers 1193 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
전기학회논문지 64 권 8 호 2015 년 8 월 을이용하여시스템의성능및신뢰성문제를해결할수있지만, MMC는구조적특징으로인해기존컨버터들과는달리내부순환전류가존재하므로이에대한정확한해석및추가적인제어가필요하다. 하지만현재까지전원조건에서기존의전력제어기법적용에따라다양하게발생하는순환전류성분에대한정확한해석과정의는이뤄지지않았다. 본논문에서는단상지락 (Single Line Ground, SLG) 사고시전원조건에서전력제어기법에따른순환전류의분석및제어방법을제안한다. 기존의순환전류해석방법은직류측과계통측의전력관계식으로부터유도되었다 [8]-[9]. 그러나 MMC 는구조적으로 DC-link 전압을독립적으로구성하는단상인버터가병렬로연결된구조로 DC-link를공유하는기존컨버터시스템에서적용되어온전력관계식으로부터유도된수학적모델링방법은전원조건에서발생되는다양한성분의순환전류와일치하지않는다. 따라서개별상마다독립적인직류전원으로구성된 MMC 내부암전력을고려하여순환전류의수학적모델링방법을제안한다. 이방법은전원조건하에존재하는다양한순환전류성분들의발생원인을밝히고해석할수있다. 본눈문의구성은다음과같다. 2장에서는 MMC에대한구조및동작원리에대한설명을서술하고, 3장에서는기존계통전력을이용한순환전류모델링방법및이것의적용결과를나타내었다. 4장에서는본논문에서제안하는 MMC 시스템의암전력을이용한순환전류모델링해석방법을기술하였다. 제안된방법은시뮬레이션결과를통하여그타당성을검증하였다. 2. MMC 동작원리및해석 2.1 MMC 구조및해석 (n+1)-레벨 MMC 시스템의구조는그림 1과같다. 3개의상 (phase) 으로구성되어있으며, 각상은상단과하단암 (Arm) 으로구성된다. 이것의동작은계통측과 MMC 및직류측과 MMC 사이의관계해석을통해알수있다. DC-link 전압인 로변동하는정현파형태를가지며서로 180도의위상차를갖는이상적인전압원으로가정하면그림 2와같이한상에대한 AC 등가회로로표현할수있다. MMC 각상의계통측연결지점인 x에대하여 KCL과 KVL을적용하면계통측상전류 와직류측가상의중성점기준계통측상전압 는각각식 (1) 과 (2) 로표현할수있다 [10]-[11]. 여기서 x는 a, b, c 상을나타낸다. for (1) for (2) 그림 2 MMC 시스템에대한한상의 AC 등가회로 Fig. 2 AC equivalent circuit of one phase for MMC system 상단암전압 와하단암전압 의합은항상 와같으므로상단암전류 와하단암전류 의합 는영이다. 따라서각상단암전류 와하단암전류 는식 (3) 과같고, 상단암전압 와하단암전압 은식 (4) 와같다. (3) (4) 그림 1 (n+1)-레벨 MMC 구조 Fig. 1 Structure of (n+1)-level MMC 계통측전류는연속적이며, 각상의상단과하단암의임피던스는동일하고, 서브모듈의개수는무한대, 각암전압은영부터 그림 3은직류측과 MMC 사이의관계를나타낸 MMC 시스템의단상 DC 등가회로이다. 앞서설명한계통측과 MMC 사이의관계해석시상단과하단암전압이이상적이며 180도위상차를갖는다가정하였으므로출력전압을생성하기위한스위칭동작에의해한상에직렬연결된서브모듈커패시터들의개수는항상 n개로일정하다. 전력변환시발생되는손실은없다고가정하면, MMC의직류측전력 와교류측전력 는항상같으므로식 (5) 와같이나타낼수있다 [12]. (5) 1194
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 8, AUG, 2015 단암전류의합인 의성분중 2고조파전류성분이영이되도록암전압의합을제어한다. 이제어에의해상단암전압 와하단암전압 의합은더이상 와일치하지않으며암인덕터양단에전압이존재하므로인덕터를고려하지않고이상적인전압원으로가정한식 (2) 는식 (10) 과같이수정되어야한다. (10) 그림 3 단상 MMC 시스템의 DC 등가회로 Fig. 3 DC equivalent circuit of singel-phase MMC system 이때계통측상전압 와상전류 는식 (6) 과같고, 식 (5) 로부터직류측전류 는식 (7) 과같이일정한 DC 전류 와전원주파수두배성분인 AC 전류 로구성된다. 여기서 과 은 와 의최대값이며, 와 는 와 의초기위상각이다. cos cos (6) 이식으로부터암전압들의합과순환전류와의관계를나타낸식 (11) 을유도할수있으며, 암인덕터를고려한암전압 와 은식 (12) 로표현된다. 여기서 는 MMC 각상의내부전압, 는 2고조파전류에의한인덕터전압으로정의한다 [5]. (11) (12) (7) 따라서계통측및직류측해석으로부터그림 1의 MMC 시스템상단및하단암전류 와 는식 (8) 과같이정의할수있다. 결국암전류에는계통측상전류 성분이외에도직류측과 MMC 사이에흐르는전류 가포함된다. (8) 여기서 MMC 시스템각상의상단및하단암전류에동일한전류성분인 와 는 MMC 내부에서순환하는성분으로직접적인측정이불가능하며상단및하단암전류의합인 를이용한식 (9) 로부터간접적으로측정가능하다. (9) 실제 MMC 시스템은그림 1에나타내었듯이각암에인덕터가존재한다. 이암인덕터역할중하나는계통측또는 MMC 시스템자체고장과같은비정상적인상황으로인해과도한전류가발생되는것을억제하기위함이며, 다른기능은암전류에포함된 전류를제어하는것이다 [3]. 그림 4는암인덕터를이용한스위칭제어를통해 제어를나타낸것으로상단및하 그림 4 순환전류제어를위한등가회로 Fig. 4 Equivalent circuit for circulating current control 3. 계통전력을이용한순환전류해석 3.1 기존순환전류모델링 [8]-[9] 전원조건에서그림 1의 MMC와연결된변압기 측에의해영상분성분이없다고가정하면상전압 와상전류 는식 (13) 과같이정상분과역상분성분으로표현할수있다 [7]. 전력관계식을나타낸식 (5) 로부터직류측전류 는식 (14) 와같이나타낼수있다. 여기서 는정상분과역상분상전압의최대값, 는정상분과역상분상전압의초기위상각, 는정상분과역상분상전류의최대값, 그리고 는정상분과역상분상전류의초기위상각이다. 전원조건에서 MMC 기반 HVDC 시스템순환전류에관한연구 1195
전기학회논문지 64 권 8 호 2015 년 8 월 cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos (13) (14) 직류측전류 를나타낸식 (14) 는세상내에동일한크기 를갖는 DC 전류, 서로다른크기를갖는 DC 전류, 그리고전원주파수두배에해당하는정상분, 역상분, 영상분 로구분하여식 (15) 에서 (19) 에정리하였다. 정상전원조건에서는역상분상전압과역상분상전류가존재하지않아순환전류내에역상분성분만존재하지만, 전원조건에서는역상분이외에도정상분과영상분순환전류성분이발생하게된다. cos cos (15) cos cos cos cos cos cos (16) cos cos cos (17) cos cos cos (18) cos cos (19) 3.2 전력제어를고려한순환전류해석 sin cos sin cos (20) 유효전력및무효전력의각성분들은계통측상전압과상전류의수식관계로표현가능하며, abc/dq 변환을이용하여식 (21) 과같이나타낼수있다 [13]. (21) 전원조건에서기존컨버터시스템을운전하기위한전력제어기법은두가지로분류할수있다. 첫번째전력제어기법은계통측에흐르는상전류가대칭이며평형이되도록제어하는전력제어기법1로전원조건에서발생하게되는역상분상전류를영으로제어한다. 이때전력지령 에따른전류지령 는식 (22) 와같이표현가능하다 [9]. (22) 두번째전력제어기법은유효전력또는무효전력성분중전원주파수두배에해당하는 AC 전력성분을선택적으로영으로제어하는전력제어기법2이다. 이것은전원조건에서역상분상전압과정상분상전류에의해발생하게되는 AC 전력성분을정상분상전압과역상분상전류에의해발생하는 AC 전력성분과상쇄되도록제어한다. 만약무효전력지령이영이며계통측유효전력의맥동을영으로제어하는경우, 행렬식 를식 (21) 에대입하여전류지령 을식 (23) 과같이계산할수있다 [13]. (23) 전원조건시전력계통의신뢰성및시스템성능을확보하기위한전력제어기법들이연구되어왔다. 전력제어기법을적용하기위하여계통측전력을유효전력과무효전력성분으로구분이필요하며식 (20) 과같이표현할수있다. 여기서 은유효전력과무효전력의 DC성분이며, 는유효전력과무효전력의전원주파수두배에해당하는 AC 성분이다. 전력제어기법1이적용된시스템에서는역상분상전류를영으로제어하기때문에역상분상전압과역상분상전류에의한식 (17) 의정상분순환전류는발생하지않지만역상분상전압과정상분상전류에의한식 (19) 의영상분순환전류는발생한다. 하지만전력제어기법2가적용된시스템에서는유효전력또는무효전력의맥동을제어하기위해역상분상전류가계통에존재하므로역상분상전압과역상분상전류에의한식 (17) 의정상분순환전 1196
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 8, AUG, 2015 류가발생한다. 또한정상분상전압과역상분상전류에의한전류성분은역상분상전압과정상분상전류에의한전류성분을상쇄시키도록발생하기때문에식 (19) 의영상분순환전류는발생하지않는다. 이와같은기존순환전류모델링방법을사용하여해석한결과를표 1에나타내었다. 이것은전력제어기법에따른기존순환전류모델링방법적용시순환전류성분들에대한비교표이다. 표 2는단상지락사고조건으로시뮬레이션을수행한순환전류결과를나타낸다. 표 1에정리한이론적해석결과가표 2의시뮬레이션결과와일치하지않음을알수있다. 이것은독립된직류전원을갖는 MMC 시스템의구조적특징때문으로 DC-link 전압을공유하는기존컨버터시스템의해석방법으로는 MMC 시스템의순환전류를설명할수없다. 따라서전원조건시 MMC 시스템의순환전류를해석하기위해서는새로운방법이필요하다. 4. 암전력을이용한순환전류해석 4.1 제안한순환전류모델링본논문에서는개별상마다독립된전원을가진 MMC 내부암전력을이용한개선된순환전류모델링을제안한다. 전원조건에서각상의상단과하단암전압은식 (24) 와같이나타낼수있다. 여기서 는식 (12) 에서정의한 MMC 각상내부전압의정상분과역상분및영상분성분을의미하고, 는정상분과역상분및영상분내부전압의최대값, 는각각정상분과역상분및영상분내부전압의초기위상각이다. 내부영상분전압은전원조건에서커패시터전압변동의크기와동작하는서브모듈의개수변동에의해발생하게된다. 또한 는식 (12) 에서정의한순환전류제어를위한전압 의최대값, 는 의초기위상각이다. 는내부전압변조지수, 는순환전류제어를위한전압변조지수를나타내고수식관계를단순화시키기위하여식 (25) 와같이정의된다 [7]. 표 1 기존해석방법에서순환전류성분의유무 Table 1 Existence of circulating current components with conventional analysis 발생성분역상분정상분영상분조건순환전류순환전류순환전류평형 _ 식 (15) _ 식 (15) _ 식 (16) ( 전력제어1) _ 식 (15) _ 식 (14) ( 전력제어2) 표 2 순환전류시뮬레이션결과 ( 표4 참조 ) Table 2 Simulation results of circulating current component 조건 발생크기 역상분순환전류 정상분 순환전류 영상분 순환전류 평형 6A peak 0A peak 0A peak ( 전력제어1) ( 전력제어2) 6.3A peak 1.7A peak 2A peak 9.6A peak 3.7A peak 2A peak sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin sin ± ± (24) (25) 제어전압 에의해순환전류의역상분성분이영으로제어된다가정하면상단과하단암전류 는식 (26) 과같이나타낼수있다. 여기서 는상전류변조지수를의미하며수식관계를단순화시키기위하여식 (27) 과같이정의된다 [7]. 각상전력은상단암과하단암전력의합과같으므로식 (24) 와 (26) 에나타낸상단및하단암전압과전류의곱에의하여식 (28) 과같이나타낼수있다. 각상의합을대칭좌표법을이용하여대칭분으로분리하면 a상에대한전력성분은식 (29) 에서 (35) 와같이정리할수있다. 식 (29) 와 (30) 은전원주파수두배의주파수로회전하는역상분성분의암전력, 식 (31) 과 (32) 는전원주파수두배의주파수로회전하는정상분성분의암전력, 식 (33) 은전원주파수두배의주파수로회전하는영상분성분의암전력, 식 (34) 는 DC 암전력, 식 (35) 는평형전원조건에서발생하는순환전류에의한전압보상에따른암전력이다. 이들은각각커패시터에저장되는에너지식으로부터정상분과역상분및영상분에해당하는전원주파수두배의전압을각상에유발하고, 결국순환전류를발생시킨다 [3]. 전원조건에서 MMC 기반 HVDC 시스템순환전류에관한연구 1197
전기학회논문지 64 권 8 호 2015 년 8 월 sin sin sin sin ± ± (26) (27) (28) 정상분상전류에의한전력성분식 (29) 와내부영상분전압과역상분상전류에의한전력성분식 (30) 에의해역상분순환전류가발생하고, 내부역상분전압과역상분상전류에의한전력성분식 (31) 과내부영상분전압과정상분상전류에의한전력성분식 (32) 에의해정상분순환전류가발생한다. 또한기존순환전류모델링방법에서는존재하지않던영상분순환전류는그림 6에서확인할수있듯이내부역상분전압과정상분상전류에의한전력성분이내부정상분전압과역상분상전류에의한전력성분과상쇄되지못하므로전력성분식 (33) 에의한영상분순환전류가발생한다. cos (29) -전원주파수두배의역상분암전력- cos (30) -전원주파수두배의역상분암전력- cos (31) -전원주파수두배의정상분암전력- cos (32) -전원주파수두배의정상분암전력- cos (33) cos -전원주파수두배의영상분암전력- cos cos cos cos (34) cos cos -DC 암전력- sin (35) -순환전류보상전압에따른암전력- 4.2 전력제어기법에따른순환전류해석전원조건에서계통측상전류가삼상평형을유지하도록제어하기위해서는역상분상전류를영으로제어한다. 이때내부정상분전압과정상분상전류에의한전력성분식 (29) 에의해역상분순환전류가발생한다. 기존순환전류모델링방법에서는역상분상전류를영으로제어함으로써전력성분식 (31) 에의한정상분순환전류는발생하지않는다. 그러나내부영상분전압이존재하므로, 이것은정상분상전류와의관계인전력성분식 (32) 에의해정상분순환전류를발생시키며이때의전력을그림 5에나타내었다. 또한내부역상분전압과정상분상전류에의한전력성분식 (33) 에의해영상분순환전류가발생한다. 전원조건에서계통측유효전력맥동을제어하는경우역상분상전류는계통측에존재한다. 여기서내부정상분전압과 그림 5 전력제어기법1 적용시정상분순환전류의원인이되는정상분암전력 Fig. 5 Positive sequence arm power about the cause of positive sequence component of circulating current applied power control method1 그림 6 전력제어기법2 적용시영상분순환전류의원인이되는영상분암전력 Fig. 6 Zero sequence arm power about the cause of zero sequence component of circulating current applied power control method2 표 3은제안된순환전류모델링방법을사용하였을때각순환전류성분들의원인이되는암전력들을전력제어기법에따라정리한것이다. 결론적으로전력제어기법 1과 2를사용하는 MMC 기반 HVDC 시스템에서는정상분, 역상분및영상분에해당하는순환전류제어가모두필요하다. 1198
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 8, AUG, 2015 표 3 전력제어기법적용에따른순환전류발생의원인이되는암전력 Table 3 Arm power about the cause of circulating current components according to power control methods 발생성분조건 역상분순환전류 정상분순환전류 영상분순환전류 평형 _ 식 (26) ( 전력제어1) _ 식 (26) _ 식 (29) _ 식 (30) ( 전력제어2) _ 식 (26,27) _ 식 (28,29) _ 식 (30) 그림 7 시스템제어블록도 Fig. 7 System control block diagram 표 4 시스템사양 Table 4 System specifications Parameter Value Comments Active power 10[kW] 1.0[p.u.] Reactive power 0[var] 0[p.u.] DC Bus Voltage 1000V AC Grid Voltage 500Vpeak Arm Inductance Larm = 2 mh 0.00754[p.u.] Grid Inductance Lgrid = 10 mh 0.0377[p.u.] SM capacitance CSM = 3.28 mf 그림 8 순환전류제어블록도 Fig. 8 Circulating current control block diagram 5. Case study 시뮬레이션은 PSIM 9.0 프로그램을이용하였으며시스템사양은표 4와같다. 스위칭기법으로는 NLC (Nearest Level Control) 변조방식을사용하였다 [14]. 순환전류및전력제어를위한시스템제어블록도는그림 7에나타내었다. 선택된전력제어기법에관계없이순환전류제어를위한 CCC 제어기가동작하여정상분, 역상분그리고영상분성분의순환전류제어가수행된다. 이때 CCC의제어블록도를그림 8에나타내었다. 세상의정상분및역상분순환전류는 abc/dq 변환후노치필터를거쳐각각의순환전류성분들을분리하고 PI제어기를통하여제어하였다. 여기서노치필터는정상분과역상분순환전류 의 dq- 좌표계변환과정에서정상분과역상분성분이 2고조파성분으로나타나므로이영향을제거하기위해사용하였다. 설계된노치필터중심주파수는 240Hz이며, Q는 2.4이다. 또한영상분순환전류는모든암전압의합을이용하여영상분전압을구하고밴드패스필터를사용하여해당주파수성분만전향보상할수있도록하였다. 여기서밴드패스필터중심주파수는 120Hz이며, Q는 6으로설계하였다. 전원을모사하기위하여단상지락사고를 0.5초에서발생시켰다. 두가지전력제어기법적용시시뮬레이션결과를각각그림 9와 10에나타내었다. 이들은전원조건에서발생하는모든순환전류의성분들을제어하지않고있을때의시 뮬레이션결과이다. 그림 9는전력제어기법1을적용한시스템으로전원조건에서전원주파수두배에해당하는전력맥동이발생됨을그림 9(a) 에서확인할수있고, 와이델타삼상변압기기준와이측계통전압 와델타측전압 를각각 (b) 와 (c) 에나타내었다. 이때델타측전압은등가와이결선된전원으로변환하여나타내었다. 계통으로흐르는역상분상전류를영으로제어함으로써대칭이며평형한 3상출력상전류가유지됨을그림 9(d) 에서확인할수있다. 또한정상분, 역상분, 그리고영상분에해당하는순환전류가모두발생되고있는것이그림 9(e), (f), (g) 에보여진다. 그림 10은전력제어기법2를적용한시스템으로전원이발생되더라도전원주파수두배에해당하는전력맥동이발생하지않음을그림 10(a) 에서확인할수있다. 전력제어기법1 을적용한시스템과는달리계통에역상분상전류가존재하므로한상전류가계통에흐르고있음을그림 10(d) 에서확인할수있다. 또한정상분과역상분및영상분에해당하는순환전류가전력제어기법1 적용시와마찬가지로모두발생되고있음을그림 10(e), (f), (g) 를통하여확인할수있다. 그림 11과 12는각각전력제어기법 1과 2를적용시킨시스템에서발생하게되는순환전류성분들을모두제어한결과이다. 이그림을통해순환전류를제어하더라도전력에는영향이없음을알수있다. 또한정상분과역상분및영상분에해당하는순환전류가영으로제어됨을그림 11과 12의 (c), (d), (e) 에보여진다. 전원조건에서 MMC 기반 HVDC 시스템순환전류에관한연구 1199
전기학회논문지 64 권 8 호 2015 년 8 월 (a) 유효전력 (a) 유효전력 (a) 유효전력 (a) 유효전력 (b) 와이측계통전압 (b) 와이측계통전압 (b) 계통상전류 (b) 계통상전류 (c) 델타측상전압 (c) 델타측상전압 (c) 역상분순환전류 (c) 역상분순환전류 (d) 계통상전류 (d) 계통상전류 (d) 정상분순환전류 (d) 정상분순환전류 (e) 역상분순환전류 (e) 역상분순환전류 (e) 영상분순환전류 (e) 영상분순환전류 (f) 정상분순환전류 (f) 정상분순환전류 그림 11 전력제어기법1 적용시순환전류를제어하는시스템 Fig. 11 Power control method 1 with circulating current contro 그림 12 전력제어기법2 적용시순환전류를제어하는시스템 Fig. 12 Power control method 2 with circulating current control 6. 결론 (g) 영상분순환전류그림 9 전력제어기법1 적용시순환전류를제어하지않은시스템 Fig. 9 Power control method 1 without circulating current contro (g) 영상분순환전류그림 10 전력제어기법2 적용시순환전류를제어하지않은시스템 Fig. 10 Power control method 2 without circulating current control 본논문은전원조건에서 MMC 기반 HVDC 시스템에적용가능한새로운순환전류해석및제어에관한연구이다. 전원조건시기존순환전류해석은직류측과계통측의전력관계식으로부터유도되었다. 그러나 MMC 시스템은구조적으로 DC-link 전압이독립적으로구성된단상인버터가병렬로연결된구조로, DC-link 전압을공유하는기존컨버터시스템에적용되는직류측과계통측전력관계식으로부터유도된순환전류의수학적모델링방법은전원조건시 MMC 시스템에서발 1200
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 8, AUG, 2015 생되는순환전류를설명할수없다. 따라서본논문에서는각상의내부암전력을기반으로한개선된순환전류모델링방법을제안하였다. 제안한해석방법을통해전원조건에서나타나는다양한순환전류성분들의발생원인을밝혔으며본논문의유효성은시뮬레이션결과를통하여입증하였다. References [1] A. Lesnicar and R. Maquardt, An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range, in Proc. Power Tech Conf., Bologna, Italy, 2003, p. 6. [2] A. Lesnicar and R. Marqurdt, A new modular voltage source inverter topology, in Proc. EPE, vol. 3, pp. 2-4, 2003. [3] Q. Tu, Z. Xu, H. Huang, and J. Zhang, Parameter design principle of the arm inductor in modular multilevel converter based HVDC, in Proc. Int. Conf. Power Syst. Technol, pp. 1-6, 2010. [4] Qingrui Tu, Zheng Xu, Jing Zhang, Circulating current suppressing controller in modular multilevel converter, IECON 2010 36 th Annu. Conf. IEEE Ind. Electron. Soc., pp. 3198-3202, 2010. [5] Q. Tu, Z. Xu, and L.Xu, Reduced switching-frequency modulation and circulating current suppression for modular multilevel converters, IEEE Trans. Power Del. Vol. 26, No. 3, pp. 2009-2017, 2011. [6] A. Yazdani and R. Iravani, A unified dynamic model and control for the voltage-sourced coverter under unbalanced grid conditions, IEEE Trans. Power Del., vol. 21, no. 3, pp. 1620-1629, Jul. 2006. [7] Quingrui Tu, Zheng Xu, Yong Chang, and Li Guan, Suppressing DC Voltage Ripples of MMC-HVDC Under Unbalanced Grid Conditions, IEEE Trans. Power Del, Vol. 27, No. 3, pp. 1332-1338, 2012. [8] S. Li, X. Wang, Z. Yao, T. Li and Z. Peng, Circulating Current Suppressing Strategy for MMC-HVDC Based on Non-Ideal Proportional Resonant Controllers Under Unbalanced Grid Conditions, IEEE Trans. Power Del., vol. pp, no. 99, pp. 1, 2014. [9] M. Guan and Z. Xu, Modeling and control of a modular multilevel converter-based HVDC system under unbalanced grid conditions, IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 12, pp. 4858-4867, Dec. 2012. [10] A. Antonopoulos, L. Angquist, and H. P. Nee, On dynamics and voltage control of the modular multilevel converter, in proc. Eur. Conf. Power Electron. Appl., Barcelona, Spain, 2009, pp. 1-10. [11] E. Solas, G. Abad, and J. A. Barrena, Modelling, simulation and control of modular multilevel converter, in Proc. 14 th Int. Power Electron. Motion Control conf., 2010, pp. T2-90 T2-96. [12] J.-W. Moon, C.-S. Kim, J.-W. Park, D.-W. Kang, and J.-M. Kim, Circulating current control in MMC under the unbalanced voltage, IEEE Trans. Power Del., vol. 28, no. 3, pp. 1952-1959, Jul. 2013. [13] H. Song and K. Nam, Dual current control scheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 46, no.5, pp. 953-959, Oct. 1999. [14] M. Guan and Z. Xu, Control and modulation strategies for modular multilevel converter based HVDC system, in Proc. 37 th Annu. Conf. IEEE Ind. Electron. Soc., Nov., 2011, pp 849-854. 저자소개 도원석 (Won-Seok Do) 1987년 12월 7일생. 2013년국립한경대학교전기공학과졸업. 2015년한양대학교전기공학과졸업 ( 석사 ). 2015년 ~ 현재 LS산전 PCS연구팀연구원. 김시환 (Si-Hwan Kim) 1986년 4월 11일생. 2012년한양대전기공학과졸업. 2012년 ~ 현재동대학원전기공학과석박통합과정. 김태진 (Tae-Jin Kim) 1974년 8월 31일생. 2000년대진대전기공학과졸업. 2002년한양대전기공학과졸업 ( 석사 ). 2009년동대학원전기공학과졸업 ( 박사 ). 2009년 ~2013년삼성전자생활가전사업부책임연구원. 2013년 ~2015년한양대학교에너지전자제어시스템연구교수. 2015 년 ~ 현재 LG전자 L&E연구센터책임연구원. 김래영 (Rae-Young Kim) 1974년 6월 6일생. 1997년한양대전기공학과졸업. 1999년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 2009년미국버지니아공대 (Virginia Tech) 대학원전기공학과졸업 ( 공박 ). 1999년 ~2004년효성중공업연구소선임연구원. 2009년 ~2010년미국 National Semiconductor PostDoc. Researcher. 2010 년 ~ 현재한양대전기생체공학부조교수. 전원조건에서 MMC 기반 HVDC 시스템순환전류에관한연구 1201