Multilevel Inverter Development to Utilize Renewable Energy in Urban Railway Station

도시철도 역사 신재생에너지 활용을 위한 멀티레벨 인버터 개발

Abstract

Energy Saving Methods in existing railway vehicle are considered by active approach such as regenerative energy storage and utilization, eco driving, etc. On the other hands, energy saving measures in railway station are operated by passive method such as reduction of operating time in ventilation system, cooing system and power equipment. To reduce energy and for independence in railway system, it requires an active energy saving measures. It needs to its own power source besides the power source of electric supply company such as renewable energy and regenerative energy and take the advantage of power storage system and stored power are used in optimum time. This paper deal with 3-level NPC inverter and T-type NPC inverter that used in various multi-level topology applicable to the railway system.

1. 서 론

기존의 철도차량 운행에 따른 에너지 절감 방안은 회생에너지 저장 및 활용, 에코 드라이빙 등 능동적인 방식을 검토하고 있으나, 도시철도 역사에 대한 에너지 절감 대책은 환기설비 및 냉방설비의 운전시간 감축, 조명제어를 통한 격등, 구간별 소등 등으로 전력설비의 사용시간을 감소시키는 수동적인 대책을 운영하고 있다. 따라서 도시철도 역사의 에너지 사용 절감 및 자립화를 위해서는 전기공급사업자의 전력원 이외에 신재생에너지 및 차량회생에너지 등 자체적인 전력원 확보와 전력저장장치를 이용하여 최적의 시간대에 저장된 전력을 사용하는 능동적인 에너지 절감방안이 필요하다. 일반적으로 태양광 에너지와 같은 신재생에너지를 전기 에너지로 변환할 경우 에너지 변환 과정에서 손실이 발생할 수 있어 효율이 낮다. 두 가지 전압상태를 갖는 IGBT 소자를 이용한 2-레벨 컨버터가 산업현장에서 사용되고 있으나, 최근에 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의해 고조파가 적게 포함된 전압을 부하에 공급할 수 있는 멀티레벨 컨버터가 많이 적용되고 있다[1].

멀티레벨 인버터는 출력 상전압이 3가지 이상의 전압레벨을 만들어 낼 수 있는 인버터로서, NPC(Neutral Point Clamped), NPP(Neutral Point Piloted), ANPC(Active Neutral Point Clamped), T-Type NPC(Neutral Point Clamped) 인버터와 같은 IGBT 기반의 여러 토폴로지들이 효율을 향상시키기 위해 제안되어 왔다[2]. 3-레벨 NPC형 인버터는 구조가 간단하며 2-레벨 인버터에 비해 출력 전압스트레스가 적고, 동일 스위칭 주파수에서 출력전압 파형을 보다 정현적으로 출력하여 고조파 왜곡을 감소시킬 수 있는 장점이 있다[3].

TNPC 인버터(T-type Neutral-pointed Clamped Inverter)는 2-레벨 전압소스컨버터 (VSC: Voltage Sourced Converter) 토폴로지와 비교하면, 한 개의 게이트 드라이브가 추가되며. 3-레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 토폴로지와 비교하면 2개의 다이오드 소자를 줄일 수 있다. 이는 낮은 전도 손실, 작은 구성 요소와 간단한 작동 원리를 갖춘 2-레벨 인버터와 낮은 스위칭 손실과 우수한 출력전압의 품질을 갖춘 3-레벨 인버터의 장점을 함께 갖춘 3-레벨 인버터의 토폴로지이다.

본 연구에서는 도시철도 역사의 피크전력을 저감하고, 전력사용량을 줄이기 위해 도시철도역사에 적용 가능한 신재생에너지를 활용하기 위한 3-레벨 TNPC 인버터 설계를 다룬다. 또한 Matlab Power GUI Toolbox를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 실제 하드웨어로 구현하여 실험을 통해 얻은 출력값과 비교하였다.

 

2. 신재생에너지 활용을 위한 멀티레벨 인버터

화석연료를 대체할 에너지원으로 연료전지, 태양광 및 풍력 등의 신재생 에너지자원의 개발이 활발히 진행되고 있어 이에 대한 각 산업 분야에의 응용이 요구되고 있다. 특히, 수소에너지를 이용하는 연료전지 발전시스템은 고효율과 다양한 연료를 이용할 수 있다는 장점 때문에 분산 발전 시스템의 응용으로 각광받고 있다[4].

분산발전시스템은 계통과 연계되기 위해서는 전력변환장치를 필요로 한다. 전력변환장치에는 컨버터부에서 상승된 DC전압을 AC전압으로 변환시켜주는 DC-AC 인버터부가 포함된다. DC의 에너지 저장장치로부터 AC전력으로 변환하는 AC인버터의 주요쟁점은 정현파 전류를 만들기 위한 전류제어이다. 또한 단상 인버터는 높은 스위칭 주파수를 사용하므로 기본파에 높은 고조파 성분이 많이 포함되어 있다. 이 고조파 성분을 감소시키기 위해 인버터의 출력단에 LC필터를 연결하여 단상인버터의 출력전압을 더 가까운 정현파를 갖도록 한다[5-6].

그림 1은 도시철도 역사의 에너지 절감 대책으로 신재생 에너지 활용을 위한 시스템의 구성도를 나타낸다. 구성도는 신재생에너지원인 태양광에너지와 회생에너지를 전력변환장치를 이용하여 에너지저장시스템 (ESS: Energy storage system)에 저장하고, 저장된 에너지는 전력변환장치를 이용하여 부하로 공급하게 된다. 본 논문에서는 그림 1에 표시된 ESS에서 부하로 공급되기 위한 과정에서 거치는 전력변환장치 개발로써, ESS의 출력전압인 DC 650 V를 단상 AC 380 V로 변환하는 단상 TNPC 인버터를 구성하고자 한다.

그림 1신재생에너지 활용을 위한 시스템의 구성도 Fig. 1 Configuration of system for renewable energy utilization

 

3. TNPC 인버터 동작 원리

TNPC 인버터 토폴로지는 NPC 토폴로지에 비해 적은 전력소자로 회로가 구성되어, 비용 및 손실측면에서 유리한 이점 갖고 있다. 이는 4개의 IGBT 소자로 구성되고, TNPC의 게이트 신호는 T1과 T3가 상보적으로 동작하며, T2와 T4가 상보적으로 동작하도록 입력된다. 출력전압은 그림 1에 나타낸 것처럼 양 전압(P), 영 전압(0), 음 전압(N)으로 DC링크 전압레벨로 연결된다. TNPC의 게이트 신호에 따른 스위치 모드는 출력전압과 같이 3가지로 모드로 구분된다. 그림 2는 출력전압에 따른 3가지 스위치 모드와 모드에 따른 정 방향, 역 방향의 전류경로를 나타낸다.

그림 2TNPC 전류경로 (모드 1, 모드 2, 모드 3) Fig. 2 Current path of TNPC (Mode 1, Mode 2, Mode 3)

TNPC의 스위칭 전환 과정의 예로써, 모드 1 → 모드 2 전환상태를 살펴보면, 모드 1은 정(P)출력단을 위해 T1과 T2이 연결 된다. 중간(0)출력단으로 전환하기 위해서는 T1이 열리고, 그 후에 추가적으로 T3가 닫힌다. 이는 T1이 오프되더라도 정방향의 전류는 T2, D3로 흐르게 되고, 역방향의 전류는 D1을 통해 흐른다. 따라서 T1 오프 후, T3을 온하게 되면, 중간(0)출력단으로 자연스럽게 바뀐다.

반대로, 모드 2 → 모드 1 전환상태를 살펴보면, 모드 2은 중간(0)출력단을 위해 T2과 T3이 연결된다. 정(P)출력단으로 전환 하기 위해서는 T3가 열리고, 그 후에 추가적으로 T1가 닫힌다. 이는 T3이 오프 되더라도 정방향의 전류는 T2, D3로 흐르게 되고, 역방향의 전류는 D1을 통해 흐른다. 따라서 T3 오프 후, T1 을 온하게 되면, 정(P)출력단으로 자연스럽게 바뀌게 된다.

그림 3는 2개의 상으로 구성이 된 T-type 인버터를 나타낸다. Vdc는 입력전압이며, 커패시터 C1과 C2에는 Vdc/2 만큼의 전압이 인가된다. 커패시터 C1과 C2사이 중성점에는 상이 연결되어 커패시터에 저장된 에너지가 부하로 전달된다. T-type NPC 단상 인버터 구동을 위한 스위칭 상태는 각 상에 대해서 3가지 스위칭 상태가 존재하며, 이러한 3가지 스위칭 상태를 조합하면 총9개의 스위칭 상태가 존재한다. 각 상의 스위칭 상태에 따른 상전압은 표 1과 표 2에 나타내었고, 선간전압은 표 3에 나타내었다.

그림 3TNPC 단상 인버터의 회로도 Fig. 3 Circuit diagram of single-phase TNPC inverter

표 1A상을 구동하기 위한 스위칭 상태도 Table 1 Switching state for driving the A-phase

표 2B상을 구동하기 위한 스위칭 상태도 Table 2 Switching state for driving the B-phase

표 3단상 TNPC 인버터를 구동하기 위한 스위칭 상태도 Table 3 Switching state for driving single-phase TNPC inverter

표 4시뮬레이션 파라미터 Table 4 Simulation parameter

 

4. 시뮬레이션

시뮬레이션은 Matlab Simulink Power GUI를 이용하여 수행하였으며, 그림 3은 구성회로를 나타내었고, 표 2는 구성회로의 파라미터 값들이다.

4.1 Carrier based PWM 제어기법

TNPC 인버터는 1 개의 상을 구동하기 위해서 1개의 기준파와 2 개의 삼각 반송파를 비교하여 PWM 신호를 발생시키는데, 본 시뮬레이션에서는 2 개의 기준파와 1 개의 삼각 반송파를 비교하여 PWM 신호를 발생시켰다. 기준파와 동작하는 삼각 반송파를 나타내면 그림 5 와 같이 표현할 수 있다. 기준파의 진폭변 조지수는 0.8, 주파수는 60 Hz 이며, 반송 삼각파의 진폭은 1, 주파수는 4 kHz의 파형으로 기준파와 삼각 반송파의 크기를 비교하여 기준파의 파형이 큰 구간이 PWM의 출력신호로 발생된다. PWM의 출력신호는 동작회로의 A상, B상의 각각 4 개 스위치 on, off를 제어하며, 그림 5의 상단 그림은 A상의 스위치 T1을 구동하기 위한 기준파와 삼각 반송파를 나타내며, 기준파가 삼각 반송파보다 크면 스위치 T1이 on이 되고, 작으면 off가 되도록 구성하였다. 그림 5의 하단 그림은 기준파를 180 도 위상차이를 갖도록 한 스위칭 구동 신호를 나타낸다. 이는 A상의 스위치 T2를 구동하기 위한 기준파와 삼각 반송파를 나타내며. 기준파가 삼각 반송파보다 크면 스위치 T2가 on이 되고, 작으면 off 가 되도록 구성하였다.

그림 5단상 TNPC를 구동을 위한 기준파와 삼각 반송파 Fig. 5 Reference wave and triangular wave for driving single-phase TNPC inverter

그림 6은 동작회로의 A상, B상의 각각 4 개 스위치 on, off를 위한 PWM 출력신호를 나타내었다. 상단에서부터 4 개의 파형은 A상의 4 개 스위치 파형(T1,T2,T3,T4)을 나타내며, 다음의 4 개의 파형은 B상의 4 개 스위치 파형(T5,T6,T7,T8)을 나타낸다. A 상의 스위치 T1과 T3. T2와 T4는 서로 상보적으로 동작하며, B상의 스위치 T5과 T7, T6와 T8이 서로 상보적으로 동작하는 파형을 나타낸다.

그림 6단상 TNPC를 구동을 위한 스위치 파형 (T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8) Fig. 6 Switching waveform for driving single-phase TNPC inverter (T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8)

4.2 시뮬레이션 결과

그림 7과 그림 8은 제안된 방법의 시뮬레이션 결과이다. 그림 7은 A상 ,B상의 상전압과 각 상 사이의 선간전압을 나타내었다. 각 상의 상전압은 Vdc/2, 0, -Vdc/2 (325 V, 0 V, -325 V) 값을 나타내며, 선간 전압은 Vdc, Vdc/2, 0, -Vdc/2, Vdc (650 V, 325 V, 0 V, -325 V, -650 V) 값을 나타낸다. 이는 표 1에서 나타난 스위치 상태도와 동일한 결과값 임을 확인할 수 있다. 그림 8은 부하단에 85 Ω저항을 연결하고 인가되는 전압과 전류를 나타내며, 전압은 527 V, 전류는 6.3 A값을 가지며 원하는 출력전압 단상 380 V AC 전압을 확인하였다.

그림 7시뮬레이션 출력파형(A,B 상의 상전압과 선간전압) Fig. 7 Output waveform in simulation (Phase voltage and line voltage on A, B phase)

그림 8시뮬레이션 출력파형(부하단 전압, 전류) Fig. 8 Output waveform in simulation (voltage and current in load)

그림 9시뮬레이션 출력파형(필터설치 전, 후 전압파형) Fig. 9 Output waveform in simulation (voltage wave of before the filter install and after filter install)

그림 10와 그림 11은 단상 인버터의 높은 스위칭 주파수에 따른 고조파 성분을 제거하기 위해 LC필터를 설계한 후, LC필터 전단과 후단의 FFT분석한 그래프를 나타내었다. 인가된 스위칭 주파수 4 kHz에 따라 설계된 LC필터를 통과한 경우가 전단의 경우보다 고조파성분이 크게 감소되는 것을 알 수 있다.

그림 10LC필터 전단에서의 FFT 분석 파형 Fig. 10 FFT analysis wave in front of LC filter

그림 11LC필터 후단에서의 FFT 분석 파형 Fig. 11 FFT analysis wave in rear of LC filter

 

5. 하드웨어 구성

그림 12는 그림 4와 직류전원을 단상 AC 전원으로 변환하는 DC/AC 인버터를 나타내었다. 이는 직류 650 V를 입력받아 단상 380 V를 출력한다.

그림 12DC/AC Inverter 회로도 Fig. 12 Schematic of DC/AC Inverter

그림 4단상 TNPC 시뮬링크 동작회로 Fig. 4 Simulink operating circuit TNPC

5.1 제어보드

제어회로는 회로의 집적화와 외부 노이즈의 영향을 받지 않도록 다층 인쇄회로 기판으로 CPU, RAM 및 VLSI 등으로 구성된 마이크로 프로세서를 사용한 PWM 파형 발생기능, 각종 경보 및 상태표시 기능 등이 복합 구성되도록 제작하였다. 표 5는 제어회로의 구성 및 기능을 나타내었다.

표 5제어회로의 구성 및 기능 Table 5 Configuration and function of the control circuit

그림 13DC/AC Inverter 회로도 Fig. 13 Schematic of DC/AC Inverter

그림 14는 실제 제작한 CPU 보드 및 BASE 보드 외형을 나타내었으며, 그림 11은 Gate Board 사진이다.

그림 14CPU 보드 및 BASE 보드 외형 Fig. 14 Appearance of CPU board and base borad

그림 15Gate 보드 외형 Fig. 15 Appearance of gate board

 

6. 실험결과

실제 하드웨어를 통한 실험에서 아래 그림은 DC/AC Inverter가 출력전압 380 [V]를 낼 수 있는지에 대한 테스트 파형으로 85 [Ω] 저항부하에서 실험한 결과이다. 입력전압은 650 [V]이며, 출력전압은 380 [V]로 제어되는 것을 확인하였다.

그림 16측정 결과 Fig. 16 Measurement result

 

7. 결 론

본 논문에서는 단상 3-레벨 TNPC 인버터를 MATLAB Simulink를 이용하여 발생하는 출력전압/전류의 파형과 실제 하드웨어를 구성한 후의 출력전압/전류의 파형을 비교분석하였다. 그 결과 미미한 차이는 있었지만, 거의 일치함을 확인하였다. 그리고, 출력단에 LC필터를 설계하고, 필터 전/후단에서의 FFT 분석을 한 결과, 스위칭 주파수인 4[kHz]에서 필터 전단에서는 높게 나타났지만, 필터 후단에는 낮게 나타남을 확인하였다. 따라서, 도시철도 역사의 피크전력을 저감하고, 전력사용량을 줄이기 위해 도시철도역사에 적용 가능한 신재생에너지를 활용하기 위해 MATLAB Simulink 시뮬레이션 값과 실제 하드웨어로 구현하여 얻은 출력 값으로 적정성을 검토하였다.