Implementation and Test of 3-level NPC VSC-HVDC System using Hardware-in-the-Loop Simulation

Hardware-in-the-Loop Simulation을 이용한 3-레벨 NPC 전압형 HVDC 시스템 구현 및 테스트

Abstract

Recently, applications of VSC-HVDC systems to power systems are growing because of their control ability of reactive power. Meanwhile, the hardware-in-the-loop simulation (HILS) based on the real-time digital simulator has been applying to develop and test imbedded controllers and systems in the power industry to decrease costs and to save time. In this paper, a 3-level neutral point clamped (NPC) VSC-HVDC system is modeled and the embedded controllers of the NPC VSC-HVDC system are designed. The designed controllers are implemented by TMS320F28335. The TMS320F28335-based controllers of the NPC VSC-HVDC system are tested using the HILS.

1. 서 론

전 세계적으로 부하가 증가하고 있는 가운데 원활한 전력 공급을 위하여 국가간 계통 연계와 같은 장거리 전력 전송 및 해상풍력에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 국가간의 계통 연계와 같은 장거리 송전에 있어서 DC 전력 송전은 AC 전력 송전에 비하여 손실 및 경제적, 다른 주파수를 가지는 계통간 연계 등 여러 장점이 있다[1]-[4].

DC 전력 전송을 위하여 초창기 HVDC는 사이리스터 기반의 전력변환 장치를 이용한 전류형 HVDC 시스템이 적용 되었으나[5] 최근 전력용 반도체 소자와 제어기술의 발전으로 인하여 IGBT(insulated gate bipolar transistor)기반의 전f력변환장치를 이용한 전압형 HVDC가 개발되어 적용되고 있다[4][6].

전압형 HVDC는 전류형 HVDC에 비하여 독립적인 유/무효 전력 제어가 가능하여 해상풍력에 적용할 경우 black start가 가능하고, 신속한 제어응답 등 여러 장점을 가지고 있어 최근 전압형 HVDC가 개발/적용되고 있다[1][7][8].

그러나 전압형 HVDC는 IGBT의 정격용량 및 내전압 문제로 인하여 전류형 HVDC에 비하여 소용량에서만 설계가 가능하다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 최근 IGBT를 직/ 병렬로 추가하는 멀티레벨 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[9]- [11].

한편, 최근 고가의 실험 비용과 장소 등 실험에 제약을 받는 다양한 공학분야에서는 실시간 디지털 시뮬레이터에 플랜트를 실제와 동일한 조건으로 모델링하고, 검증하고자하는 제어기 또는 시스템을 실제 하드웨어로 구성하여 테스트 하는 HILS(hardware-in-the-loop simulation) 기법이 점차 활용되고 있다[12][13]. 이는 실제 하드웨어로 구성된 제어기를 실시간 디지털 시뮬레이터에 연결하여 실제 신호를 주고 받으며 시뮬레이션하기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션 결과보다 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있어 신뢰도가 높은 실험결과를 얻을 수 있고, 다양한 시나리오를 손쉽게 모의할 수 있어 경비와 시간을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다[12][13].

본 논문에서는 실시간 디지털 시뮬레이터인 eMEGAsim real-time digital simulator(RTDS)에 멀티레벨 컨버터의 일종인 3-레벨 NPC(neutral point clamped) 전압형 HVDC를 모델링하고, TMS320F28335에 3-레벨 NPC 전압형 HVDC 의 제어시스템을 설계하여 HILS 시스템을 구성하고, 설계된 3-레벨 NPC 전압형 HVDC의 제어기의 기본 성능을 테스트 하였다.

 

2. 전압형 HVDC 시스템

일반적인 전압형-HVDC 시스템은 그림 1과 같이 컨버터 스테이션, 변압기, AC 필터, phase reactor, 커패시터, DC 케이블로 구성되어 있다[14].

그림 1전압형 HVDC 시스템 Fig. 1 VSC-HVDC System

이러한 전압형 HVDC 시스템은 그림 2와 같이 AC계통과 컨버터가 연결되어 있는 간략 등가회로로 나타낼 수 있다. 이때, 컨버터의 출력전압은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있고, 이를 통하여 전압형 컨버터를 이용하여 ω,δ,M이 각각 제어가 가능함을 확인할 수 있다.

여기서, Vdc : DC링크 전압

M : 진폭변조지수

ω : 각 주파수

δ : 위상각

그림 2등가회로 Fig. 2 Equivalent circuit

또한, 전압형 컨버터와 AC계통간에 유/무효 전력의 흐름은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있으며, 이를 통하여 유/무효 전력을 제어하기 위해서는 컨버터의 전압크기 및 위상각 제어가 요구됨을 알 수 있다. 즉, 유효전력을 제어하기 위해서는 식 (2)에서와 같이 출력전압의 위상각(δ)을 제어하며, 무효전력을 제어하기 위해서는 출력 전압크기(V2)를 제어한다.

 

3. 시스템 모델링

3.1 3-레벨 NPC 전압형 컨버터

본 논문에서는 그림 3과 같이 IGBT와 다이오드를 이용한 3-레벨 NPC 전압형 컨버터를 모델링하였다. 이 때, 전압방 정식은 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다. 이를 dq변환하여 수리적 모델로 나타내면 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

이를 d축과 q축으로 나누어 표현하면 식 (5)와 같이 나타 낼 수 있다[15].

그림 33-레벨 NPC 전압형 컨버터 회로도 Fig. 3 Circuit diagram of 3-level NPC VSC

3.2 AC 필터

본 논문에서는 일반적인 전압형 HVDC에 적용하고 있는 2차 passive high-pass damped filter를 모델링하였고, 필터의 각 소자의 값은 식 (6)을 이용하여 산정하였다[16].

여기서,ωe : 각속도

vLL : 선간전압

h : 고조파

3.3 DC 링크 커패시터

전압형 HVDC 시스템에서 DC링크의 손실이 없다고 가정 할 때, DC측 전력은 AC측 전력과 동일하다. 이러한 전력균형이 무너졌을 때, DC링크측의 전압변동이 발생하며 이때, DC링크의 전류는 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다[16].

여기서, Cdc : 커패시터 용량

udc : DC전압

또한, DC링크의 커패시터 크기는 DC링크의 전류의 리플 (ripple), 응답특성과 반비례 관계가 있어 적절한 커패시터 크기 선정이 요구되며, 식 (8)을 통하여 커패시터 크기를 결정할 수 있으며, 시정수는 7ms로 산정하였다[16].

여기서, udcN : 정격 DC전압

SN : 피상전력

T : 커패시터 시정수

ωe : 각속도

3.4 제어기 구성

본 논문에서 전압형-HVDC의 제어 시스템은 그림 4와 같이 구성하였다. 정류기(rectifier)는 DC링크 전압제어와 필요에 따라 무효전력/AC계통의 전압 제어를 하며, 인버터 (inverter)측은 필요에 따라 유/무효 전력제어 또는 주파수 및 AC계통의 전압 제어를 할 수 있도록 구성되어 있다.

이때, 제어시스템은 그림 4와 같이 inner control loop와 outer control loop로 나뉘어 구성되며, inner control loop는 응동이 빠른 전류제어기로서 지령치는 outer control loop에 의하여 생성된다.

그림 4전압형-HVDC의 제어 시스템 Fig. 4 Control system of VSC-HVDC

 

4. HILS 시스템을 이용한 전압형HVDC 제어기 테스트

4.1 HILS 시스템

본 논문에서는 그림 5와 같이 실시간 디지털 시뮬레이터인 eMEGAsim RTDS에 3-레벨 NPC 전압형 HVDC를 모델링하였다. 또한, 3-레벨 NPC 전압형 HVDC를 제어하기 위하여 TMS320F28335를 이용하여 디지털 제어기를 설계하였다.

그림 5eMEGAsim RTDS에서 구현된 3-레벨 NPC 전압형 HVDC 시스템 모델 Fig. 5 3-level NPC VSC-HVDC system modeled in the eMEGAsim RTDS

이와 같이 3-레벨 NPC 전압형 HVDC가 모델링된 eMEGAsim RTDS로부터 정류기 측 3상 전압/전류, DC 링크 전압과 인버터 측 3상 전압/전류를 측정하고 지령치에 따른 PWM신호를 각각 출력하여 3-레벨 NPC 전압형 HVDC 시스템을 제어함으로써 HILS 시스템을 구축하였고, 신호 관계도는 그림 6과 같이 나타낼 수 있으며, 실제 구축 된 HILS 시스템은 그림 7과 같다.

그림 6HILS 시스템의 신호 입/출력 관계도 Fig. 6 I/O signal of HILS system

그림 7구축된 HILS 시스템 Fig. 7 Implemented HILS system

4.2 실험 결과

본 논문에서 모델링한 전압형-HVDC 시스템의 사양은 표 1과 같다. 또한, 설계한 제어기의 성능을 테스트하기 위하여 표 2와 같이 두 가지 시나리오를 산정하여 테스트를 수행하였으며, 시뮬레이션 결과를 통하여 DC 링크 전압, 인버터 측의 주파수 및 전압, 유/무효 전력 출력량을 확인하였다.

표 1HVDC 시스템 사양 Table 1 HVDC system data

표 2테스트 케이스 Table 2 Test cases

4.2.1 Case 1 (유/무효 전력 제어)

Case 1에서는 전압형 HVDC 시스템이 유/무효 전력의 제어로 345kV/154kV 변압기를 통하여 강압된 전압을 정류한 후 인버터 측에서 다음 표 3의 시나리오 지령치에 따라 유/무효 전력을 제어하는 것을 테스트하였다.

표 3시뮬레이션 시나리오 Table 3 Simulation scenario

그림 8은 DC 링크 전압을 나타내고 있으며, 이를 통하여 정류기 측의 DC링크 전압이 인버터 측의 유/무효 전력의 지령치가 변함에 따라 순간적으로 변한 후 정상 상태로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 4초, 8초에는 인버터가 전력을 출력하여 DC링크의 전력이 출력됨으로써 전압이 순간 강압 되었다가 정상상태로 회복되며, 12초, 16초, 20초, 24초에는 인버터가 전력을 흡수하여 DC링크에 전력이 입력됨으로써 전압이 순간 상승 되었다가 정상상태로 회복됨을 확인할 수 있다. 이는 DC 링크 단의 커패시터는 전력 버퍼 역할을 하기 때문이다.

그림 8DC 링크 전압 Fig. 8 DC link voltage

그림 9는 인버터 측의 지령치 변화에 따른 전류변화를 나타내고 있다. 이를 통하여 변화되는 지령치에 따라서 d축 전류가 신속하게 제어되며 이러한 d축 전류의 변화로 인하여 3상전류도 변화되는 것을 확인할 수 있다.

그림 9인버터 측 전류 Fig. 9 Current at inverter

따라서 인버터 측의 유/무효 전력은 그림 10과 같이 지령치에 따라 원활하게 제어되는 것을 확인할 수 있다.

4.2.2 Case 2 (주파수 및 AC 전압 제어)

Case 2에서는 전압형 HVDC 시스템이 상대적으로 약한 계통의 주파수와 AC 전압을 제어하는 경우로 345kV/154kV 변압기를 통하여 강압된 전압을 DC 전압으로 정류한 후 인버터 측에서 주파수와 전압을 제어한다. 또한, 약 9초에 부하를 증가시킴으로써 주파수제어 성능을 검토하였다.

그림 10인버터의 출력 전력 Fig. 10 Power output of inverter

그림 11인버터 측 전류 Fig. 11 Current at inverter

그림 11은 인버터 측의 d축 전류가 지령치에 따라서 전류가 신속하게 제어되는 것을 보여주고 있으며, 지령치에 따라 원활히 제어되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 인버터 측의 유/무효 전력은 그림 12와 같이 원활하게 제어된다.

그림 12인버터의 출력 전력 Fig. 12 Inverter output

위와 같이 부하변동에 따라 증가된 부하량 만큼 유/무효 전력을 공급해 줌으로써 그림 13과 같이 주파수 및 전압이 원활하게 제어됨을 확인할 수 있다.

그림 13주파수와 전압 Fig. 13 Frequency and Voltage

 

5. 결 론

본 논문에서는 IGBT의 정격용량 문제로 대용량에 적용이 어려움을 해결하기 위하여 멀티레벨 컨버터 일종인 3-레벨 NPC 전압형 HVDC를 eMEGAsim RTDS에 모델링하고, TMS320F28335에 제어기를 설계하여 HILS 시스템을 구축하였다. HILS 시스템을 이용한 제어기 성능 평가 결과, 전압형 HVDC 시스템의 독립적인 유/무효 전력제어와 부하변동에 따른 주파수 및 전압제어가 제어설계 의도대로 잘 이 루어지는 것을 확인하였다.

추후 연구에서는 본 연구에서 구현한 HILS 시스템 기반의 NPC 전압형 HVDC 시스템을 활용하여 HVDC 시스템의 제어 및 보호 연구를 수행할 계획이다.