A Study on Generalized Model Predictive Control based on Hierarchical Structure for Flying Capacitor Multilevel Rectifier in Solid State Transformer

Abstract

본 논문에서는 반도체 변압기를 위해 사용되는 단상 플라잉 커패시터 멀티레벨 정류기의 제어를 위해 계층적 구조에 기반한 새로운 제어 방법을 소개한다. 제안하는 방법은 유한 제어 요소 모델 예측 제어(Finite Control SetModel Predictive Control, FCS-MPC)에 기반한 일반화된 모델 예측 제어 방법으로 단일 컨버터 구성뿐만 아니라 모듈형 컨버터 구성을 갖는 임의의 N레벨 플라잉 커패시터 멀티레벨 정류기에 적용이 가능하다. 반도체 변압기의 여러 구조 중 가장 널리 쓰이는 3-단계 구조를 가지는 반도체 변압기에서는 AC-DC 정류를 위한 정류기가 필요하다. 반도체 변압기는 중전압 레벨에서 주로 운용되므로 정류기로서 멀티레벨 컨버터가 주로 사용된다. 플라잉 커패시터 멀티레벨 컨버터는 셀 구조로 인하여 단일 컨버터 구조의 정류기에서 레벨 확장이 용이할 뿐만이 아니라, 다수의 컨버터를 직렬 연결하여 사용할 경우 모듈형 컨버터 구조의 정류기로도 사용이 가능하다. 따라서, 3-단계 구조를 가지는 반도체 변압기에서 활용도가 높은 토폴로지이다. 플라잉 커패시터 멀티레벨 컨버터의 확장성을 향상시키기 위해서는 계통 전류 제어를 위한 전류 제어기 외에 다수의 플라잉 커패시터 전압들을 제어하기 위한 추가적인 제어 알고리즘이 필요하다. 또한, 컨버터가 정류기로 동작할 경우 안정성 향상을 위해 DC 링크 전압의 동특성이 고려되어야 한다. 특히, 모듈형 컨버터 구조로 동작하는 플라잉 커패시터 정류기에서 각 모듈의 DC 링크 전압 평형을 유지하는 것은 중요한 고려 사항이다. FCS-MPC는 직관적이고 구현이 용이하며, 비용함수를 통해 다양한 제약 조건을 포함 할 수 있어 다양한 어플리케이션에 적용되어 왔다. 하지만, 기존의 FCS-MPC 기반 제어 방법은 스위칭 함수를 이용하여 모든 변수를 예측하고 제어하므로 스위치 수가 증가하면 연산량이 기하급수적으로 증가하는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 단일 컨버터 구조를 갖는 플라잉 커패시터 멀티레벨 컨버터에서 연산량을 줄이기 위한 방법들이 소개되었다. 하지만, DC 링크 전압의 동특성이 고려되지 않아 정류기 모드로 동작하는 플라잉 커패시터 컨버터에 적용할 경우 시스템의 불안정을 야기할 수 있다. 즉, 기존의 방법은 인버터 운전 시에만 적용이 가능 하다. 또한, 모듈형 컨버터 구조를 갖는 플라잉 커패시터 멀티레벨 정류기를 제어하기 위한 FCS-MPC 기반의 기존 방법 역시 연산량이 많아지는 문제가 있었으며, 하나의 비용함수를 통해 전류와 전압을 동시에 제어하므로 전류 품질과 전압 품질 사이의 절충이 힘들다. 뿐만 아니라, 최적의 가중치를 선정하기 위한 어려움이 있었다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 단일 컨버터 구조뿐만 아니라 모듈형 컨버터 구조에도 적용 가능한 일반화된 제어 방법을 제안하였다. 제안하는 방법은 계통 전류와 DC 링크 전압의 예측을 위해 스위칭 함수를 이용하지 않으므로 연산량을 줄일 수 있다. 또한, 제안하는 방법은 DC 링크 전압의 동특성을 고려하여 제어를 하므로 과도 상황에서도 정류기를 안정적으로 동작 시킬 수 있게 한다. 특히, 각 모듈의 DC 링크 전압의 동특성이 모두 고려되므로 모듈형 컨버터 구조의 플라잉 커패시터 멀티레벨 정류기에서 DC 링크 전압 평형을 유지할 수 있다. 따라서, 시스템의 신뢰성과 안정성이 향상된다. 마지막으로, 제안하는 방법은 계층 구조를 통해 비용 함수를 분리하여 제어 변수를 개별적으로 제어하므로 가중치에 의한 영향이 없다. 즉, 가중치 값에 따른 전류와 전압 품질 사이에 트레이드 오프 관계가 나타나지 않으며, 가중치 선정을 위한 어려움도 없다. 제안하는 방법의 효과를 검증하기 위해 단상 9-레벨 단일 플라잉 커패시터 멀티레벨 정류기와 단상 9-레벨 직렬 연결 플라잉 커패시터 멀티레벨 정류기의 프로토 타입 세트를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험을 통해 제안한 계층 구조 기반의 일반화된 모델 예측 제어 방법의 효과를 입증하였다.; This paper introduces a novel control method based on hierarchical structure for control a single-phase flying capacitor multilevel rectifier for a solid state transformer (SST). The proposed method is a generalized model predictive control method based on finite control set-model predictive control (FCS-MPC), which can be applied to arbitrary N-level flying capacitor multilevel rectifier with not only single converter structure but also modular converter structure. For a SST with three-stage structure which is the most widely used structure among SSTs, an active front-end (AFE) rectifier for AC-DC rectification is required. Since SSTs are mainly operated at medium voltage level, multilevel converters are mainly used as AFE rectifiers. The flying capacitor multilevel converter is not only easy to expand the level in a single converter structure based AFE rectifier due to its cell structure, but also can be used as an AFE rectifier of a modular converter structure when a plurality of converters are connected in series. Therefore, it can be a highly utilized topology in SSTs with three-stage structure. In order to expandability of the flying capacitor multilevel converter, an additional control algorithm for control a number of flying capacitor voltages in addition to the current controller for the grid current control is required. In addition, in the case of the converter operate as a rectifier, the dynamic characteristics of the DC link voltage should be considered to improve stability. In particular, maintaining the DC link voltage balance of each module in flying capacitor rectifier operating with modular converter structure is an important consideration. FCS-MPC has been applied to various applications because it is intuitive, easy to implement, and can contain various constraints through cost function. However, the conventional FCS-MPC based control method has a disadvantage that the calculation amount increases exponentially when the number of switches increases because all parameters are predicted and controlled by using the switching functions. To solve this problem, a method for reducing the amount of computation in a flying capacitor multilevel converter having a single converter structure has been introduced. However, since the dynamic characteristics of the DC link voltage are not considered, application to a flying capacitor multilevel converter operating in a rectifier mode may cause instability of the system. That is, the conventional method can be applied only to the inverter operation mode. The conventional FCS-MPC based method to control the flying capacitor multilevel rectifier of the modular converter structure also has a problem in that the computational load is increased. Moreover, it is difficult to make a trade-off between current quality and voltage quality because the current and the voltages are simultaneously controlled through a single cost function. In addition, it is difficult to select the optimal weighting factor because the weighting factors are selected through the trial and error method. In this paper, to solve these problems, a generalized control method applicable not only to single converter structure but also to modular converter structure is proposed. The proposed method does not use the switching functions to predict the grid current and the DC link voltage, so the computational load can be reduced. In addition, the proposed method considers the dynamic characteristics of the DC link voltage, so that the rectifier can be operated stably even under transient conditions. In particular, the DC link voltage balancing can be maintained in the flying capacitor multilevel rectifier of the modular converter structure because the dynamic characteristics of the DC link voltage of each module are all considered. Therefore, the reliability and stability of the system are improved. Finally, the proposed method has no influence by the weighting factor because the cost function is separated through the hierarchical structure and the control variable is controlled individually. That is, there is no trade-off relationship between current and voltage quality due to weighting factor, and there is no difficulty to select weighting factor. To verify the effectiveness of the proposed method, experiments were conducted through a single-phase 9-level single flying capacitor multilevel rectifier and single-phase 9-level cascaded flying capacitor multilevel rectifier prototype set-ups. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed hierarchical structure based generalized model predictive control method.