1.서 론

최근 친환경 에너지의 활용에 대한 관심이 증가함에 따라 태양광, 풍력 등의 신재생에너지를 이용하여 생산된 전력을 기존의 전력망에 연결시키는 마이크로그리드 시스템에 대 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 선박에서도 환경 오염물 질 배출 저감 및 에너지 절감을 위해 기존의 선박 전력원과 배터리, 태양광, 연료전지 등의 친환경 에너지원을 같이 연 계해서 사용할 수 있는 직류 배전시스템이 연구 개발되어 적용되고 있다.

기존의 운항중인 선박에서 교류를 직류로 변환하기 위한 전력변환장치로 사용하고 있는 다이오드나 사이리스터를 이용한 정류기는 비선형 부하의 입력 전압과 전류에 높은 고조파(Harmonic) 포함, 역률(Power Factor) 저하 및 잡음이 많 이 포함된 직류 출력 등의 문제를 발생시킨다(Kim, 2011). 그 리고 직류 출력파형을 개선하기 위한 수동필터를 추가하거 나 입력 전원의 고조파 저감을 위해 상천이변압기를 설치해 야하는 단점이 있다(Shukla, 2016).

반면에 정류기는 PWM 입력전류를 정현적으로 제어 가능 하여 입력전류에 포함되는 고조파의 크기를 줄일 수 있고, 정류기를 양방향 컨버터로 사용 가능하며 입력 전압과 전류 의 역률 제어가 가능하다(Kim et al., 2012). 또한, 제어기의 설계를 통하여 PWM 정류기 각 단 소자의 스위칭을 제어하 여 직류 파형의 출력을 개선 할 수 있다(Wang and Qi, 2013).

따라서 본 논문에서는 전원전압 위상의 정확한 검출을 위 한 PLL(Phase Locked Loop)기법을 제어회로에 적용한 새로운 AFE 방식 PWM 정류기를 제안하였으며, DC-Link단 직류 출 력전압 파형과 전원의 역률을 개선하였고 규정에 적합한 총 고조파왜형률 값을 시뮬레이션을 통해 도출하였다.

2.AFE 방식 PWM 정류기 개요

AFE 방식 PWM 정류기는 기존 정류기의 다이오드나 사이 리스터 소자 대신 전력용 스위칭 소자인 IGBT, MOSFET 등 을 사용하고, 제어기를 통해 전원 전압의 크기 및 부하에 따 라 능동적으로 정류를 행하는 제어기법을 사용한다. 이러한 AFE 방식 PWM 정류기를 사용함으로서 DC-Link단 전압의 제어, 부하 변동 시 출력 전압의 일정한 유지, 정류기 입력 역률 제어, 입력 전류에 포함된 고조파 제거 등의 장점을 가 진다(Keyhani, 2011).

AFE 방식 PWM 정류기의 기본 구조는 Fig. 1과 같다.

정류기는 3개의 레그로 이루어져 있으며, 각 레그에 2개 의 스위칭 소자가 직렬로 연결되어 있는 구조를 가진다. 각 레그의 두 소자는 서로 번갈아 가며 온/오프하는 상보적인 스위칭을 한다. 스위칭 소자의 작동을 위한 신호를 발생시 키기 위해 제어기를 설계하고, 제어기에서 발생한 출력 신 호는 SPWM이나 SVPWM 등의 변조 방식을 거쳐 최종적으로 정류기 스위칭 소자를 작동하게 하는 신호로 사용된다.

3.AFE 방식 PWM 정류기의 수학적 모델링

υ a , υ b , υ c는 3상 교류전원이며, 인덕터 ‘L’은 전력변환을 위한 입력측 전류조정을 위해 사용된다. 그리고 정류기 출 력측의 커패시터 ‘C’의 설치로 급격한 전압변동에도 DC- Link단에 안정된 전압출력을 유지한다.(1)(2)

Fig. 1의 AFE 방식 PWM 정류기를 전압방정식으로 표현하 면 다음 식과 같다.(4)

여기서, υ a , υ b , υ c는 a, b, c 상의 전원전압, i a , i b , i c는 각 상의 입력 전류, e a , e b , e c는 정류기 입력전압을 말한다.

3상 교류전원은 위 식(3)~(5)와 같이 시변 특성을 갖는 미 분방정식으로 표현되어 해석에 어려움이 있으므로 좌표변 환 기법을 적용해 동기회전좌표계 d-q축으로 표현하면 시변 계수는 제거되고 일정한 계수를 갖는 시불변 미분방정식으 로 변환되어 AFE 방식 PWM 정류기의 해석이 간략해진다 (Kim, 2016).

abc 좌표계의 3상 변수를 정지좌표계 α − β축으로 변환하 는 행렬식은 다음 식(6)과 같다(Krause et al., 2002).

이 때 θ = 0 °로 하여 a축과 α축을 일치시키고 영상분을 무시하면 식(7)과 같다.

3상 abc축의 전압방정식을 고정된 정지좌표계 α − β축으 로 변환한 전압방정식은 식(8), (9)와 같이 표현된다.

정지좌표계 α − β축을 동기회전좌표계 d-q축 성분으로 변 환하는 식은 다음과 같다.(10)

식(11), (12)은 정지좌표계 α − β축의 수학적 모델을 동기 회전좌표계 d-q축으로 변환한 전압방정식이다.

Fig. 2는 동기회전좌표계 d-q축으로 변환한 전압방정식을 이용하여 설계한 제어기를 나타낸 블록다이어그램이다.

또한, 정류기 직류 출력전압의 제어를 통한 DC-Link단의 전압을 수학적으로 모델링하면 식(13)과 같다.

DC-Link단 직류 출력전압을 제어하기 위해 전압지령과 실 제 측정전압을 비교한 후 전압제어기를 통해 d축 전류 지령 값을 구한다.

4.제안한 AFE 방식 PWM 정류기의 제어기 설계

기존의 PWM 정류기에서는 전원전압 위상을 구하기 위해 영점교차(Zero Crossing)기법을 사용하였으나 전원전압이 고 조파나 잡음 등의 이유로 정확하게 측정되지 않을 경우 위 상각이 제대로 검출되지 않게 되어 정류기의 제어가 불안 정해진다. 따라서 제안한 새로운 AFE 방식 PWM 정류기에 서는 전원측 입력 전압과 전류의 위상을 동기화하기 위한 전원전압 위상을 빠르고 정확하게 구하기 위해 Fig. 3의 PLL(Phase Lokced Loop) 기법을 적용한다.

식(14), (15)는 3상 abc 전압을 정지좌표계 α − β축으로 변 환한 값을 나타낸다. 3상의 경우 식(16)을 이용한 d-q축 변환 을 통해 기준축에 직교하는 q축 전압의 값이 0이 되도록 조 정하고, 이를 통해 전압 위상을 검출한다.

여기서, V는 각 상 전원전압의 피크치를 말한다.

d축을 a상에 일치시킨 경우 식(14), (15)를 식(16)에 대입하 여 정리하면 식(17), (18)을 구할 수 있고 식(17), (18)은 d-q축 변환을 통해 구한 전압값을 나타낸다.

따라서 θ = θ ′인 경우 기준축에 직교하는 q축 전압의 값을 0이 되도록 조정하면 식(19), (20)과 같은 결과를 얻을 수 있 으며 식(19), (20)을 통해 전원전압의 위상차 θ를 구한다.

PLL 회로가 추가된 AFE 방식 PWM 정류기 제어기 구성은 Fig. 4와 같다.

전류제어기를 통해 d축 전류 지령값과 실제 전류값의 d축 전압 출력값을 구하고, 정류기 스위칭 신호 발생을 위해 d-q 축 전압 출력값을 다시 3상 abc 값으로 변환한다. 이 과정에 서 좌표변환을 위해 정확한 전원전압 위상각 θ가 필요하며 PLL 회로를 사용하여 전원전압 위상각과 동일한 θ를 빠르게 구할 수 있고, 전원 전압과 전류의 역률 제어도 가능하다.

5.시뮬레이션

시뮬레이션을 위해 구성한 회로의 파라미터 정수는 Table 1과 같으며, 객관적인 비교를 위해 기존 방식의 PWM 정류 회로와 제안된 방식의 PWM 정류회로에 동일한 파라미터 정수를 적용하여 시뮬레이션 결과를 도출하였다

Fig. 5는 기존의 AFE 방식 PWM 정류기의 전체 구성을 나 타내며, 영점교차회로를 사용하여 전원전압 위상각 θ를 구 한다.

Fig. 6 제안하는 전원전압 위상각 제어를 위해 PLL 기법을 사용한 새로운 AFE 방식 PWM 정류기의 전체 구성이며, Fig. 7은 3상 전원과 인덕터, 6개의 IGBT 스 위칭 소자로 구성된 AFE 방식 PWM 정류기의 전력변환회로 이다.

또한, Fig. 8은 PLL 기법을 적용한 AFE 방식 PWM 정류기 의 제어기 구성을 나타내었으며 제어기를 통해 구해진 값은 최종적으로 정현파 펄스폭변조기법을 사용하여 스위칭 소 자를 작동시키는 신호를 생성한다.

Table 1에 제시된 파라미터 정수로 AFE 방식 PWM 정류기 회로를 구성하였으며, DC-Link단의 기준 출력전압은 1000[V] 로 설정하여 시뮬레이션 하였다.

먼저 Fig. 9는 기존의 영점교차회로를 이용한 AFE 방식 PWM 정류기 회로의 교류 입력전압과 전류 파형을 나타낸 것이고, Fig. 10은 제안된 PLL 기법을 이용한 AFE 방식 PWM 정류기의 교류 입력전압과 전류 파형을 시뮬레이션 한 결과 이다. 정상상태 시의 3상 교류입력 중 a상의 전원전압과 전 류 파형을 나타낸 결과로서 Fig. 9는 입력 전압과 전류의 위 상에 차이가 발생하며, Fig. 10은 입력 전압과 전류가 동위상 으로 제어됨을 알 수 있다.

또한 정류기 출력 DC-Link단의 직류 출력전압 파형의 개 선 정도를 확인하기 위하여 기존의 영점교차회로를 이용한 AFE 방식 PWM 정류기와 PLL회로를 이용하는 AFE 방식 PWM 정류기를 사용하여 시뮬레이션을 비교 분석하였다. Fig. 11은 기존 회로를 이용하여 시뮬레이션 한 DC-Link단 직 류 출력전압 파형이며, Fig. 12는 제안된 PLL 기법을 적용한 AFE 방식 PWM 정류기의 DC-Link단 직류 출력전압 파형을 나타낸 것이다. Fig. 11과 같이 기존의 회로는 초기 DC-Link 단 직류 출력전압 파형이 크게 헌팅하며, 정상상태 시에도 목표값에서 약 ± 5% 정도의 오차를 갖지만, Fig. 12의 제안 된 회로는 DC-Link단 직류 출력전압 파형은 목표값과의 정 상상태 오차가 거의 없음을 알 수 있다.

Fig. 13과 Fig. 14는 DC-Link단 직류 출력전류 파형으로서 직류 출력전압 파형과 동일하게 제안된 AFE 방식 정류기가 기존 방식의 정류기 회로의 출력 전류파형 보다 목표값까지 의 상승시간이 빠르고 정상상태 오차가 크게 개선된 것을 나타낸다.

Fig. 15과 Fig. 16은 교류 입력단의 총고조파왜형률의 결과 로서 기존 방식의 정류기는 총고조파왜형률이 약 4.5 % 정도 이고, 제안된 방식 정류기는 약 3 % 정도의 총고조파왜형률 을 보인다. 두 가지 방식의 정류기는 모두 IEEE Std519-2014 에 정해진 규정을 만족하지만 제안된 방식을 이용한 정류기 의 총고조파왜형률이 더 낮음을 알 수 있고, 이는 고조파로 인해 전체 전력시스템 및 타 기기에 미치는 영향이 감소할 수 있음을 보여준다.

Fig. 17은 0[s], 0.8[s], 1.4[s]에서 부하저항의 크기를 50Ω ~ 80Ω ~ 20Ω 로 가변하는 경우의 DC-Link단 직류 출력전압 파 형의 시뮬레이션 결과이며, 정상상태에서 부하의 변동에도 약 0.3[s] 후 직류 출력전압 파형이 오차없이 목표값을 추종 하였다.

6.결 론

전원전압 위상각을 검출하는 PLL 기법을 적용한 AFE 방 식 PWM 정류기를 제안하였으며 시뮬레이션을 통해 정류기 성능의 유효성을 입증하였다. 제안된 AFE 방식 PWM 정류 기에 전원전압 위상각 검출을 위해 PLL 기법을 적용하였으 며, 검출한 위상각을 이용하여 전압과 전류제어기를 설계하 고, 정류기 스위칭을 위한 신호는 SPWM 방식을 활용하여 생성하였다. 그 결과 제안하는 AFE 방식 PWM 정류기의 교 류입력 전압과 전류 파형의 위상이 동위상으로 제어됨을 보 았고, 직류 출력전압 파형의 목표값까지 상승시간과 정상상 태 오차가 기존 방식에 비해 개선되었음을 시뮬레이션 결과 로서 확인할 수 있다.

또한, 부하 저항의 변화에도 DC-Link단 직류 출력전압 파 형이 정상상태 오차없이 목표값을 빠르게 추종하였으며, 이 를 통해 제안된 AFE 방식 정류기의 속응성과 제어성이 우수 함을 알 수 있다.