PWM 전압 고조파 분석을 통한 LCL 필터 설계

Abstract

전통적 화석 연료의 고갈 가능성과 환경문제로 인해 재생 에너지의 수요는 계속 증가하는 추세이다. 재생 에너지의 전력을 전력계통과 연계하기 위해서는 계통 연계형 3상 Pulse Width Modulation(PWM) 전압형 인버터가 널리 사용된다. 3상 PWM 전압형 인버터의 출력 전압은 기본파 성분, 데드타임 성분, 스위칭 주파수와 그 정수배인 고조파 성분을 포함한다. 전류 고조파 성분은 포함된 전압 고조파 성분에 의하여 나타나며, 많은 전류 고조파 성분들이 계통에 흐르게 되면 계통 변압기의 손실을 증가시키거나 전력 계통시스템 동작에 안정적인 운영에도 문제를 일으킨다. 따라서 계통에 주입되는 전류 고조파 성분을 줄이기 위하여 수동형 필터를 사용한다. 기존의 LCL 필터 설계 방법은 주로 특정 시스템 조건에 따라서 스위칭 주파수에서 전압 고조파 성분을 이용하여 필터를 설계하였다. 스위칭 주파수가 높지 않은 어플리케이션에서는 기존의 방법만으로도 전류고조파 규정을 만족하지만 높은 스위칭 주파수의 어플리케이션에서는 데드타임의 영향으로 인하여 전류 고조파 규정을 만족하지 못할 가능성이 존재한다. 본 논문에서는 데드타임의 영향을 고려한 LCL 필터 설계 방안을 제안한다. 데드타임에 의한 PWM 전압 고조파를 기본파에 대한 스위칭 주파수, MI(변조지수)에 대하여 분석하여 표준화된 표를 작성하고 이 표를 이용하여 LCL 필터의 전체 인덕턴스를 해석적으로 결정한다. LCL 필터의 인버터 측과 계통측의 인덕턴스 비율은 LCL 필터의 공진 주파수를 맞추기 위한 커패시턴스 증가 비율을 최소화하면서 컨버터 측 전류 고조파 감소 비율을 최대로 할 수 있는 함수를 통해 최적화된 비율을 찾았다. LCL 필터의 커패시터는 LCL 필터의 공진 주파수 및 무효전력 성분을 고려하여 커패시터를 결정한다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 방안이 타당함을 검증하였다.; Nowadays, the demand for renewable energy is increasing due to the possibility of depletion of traditional fossil fuel and environmental problems. Renewable energy generation such as photovoltaic solar systems, biomass power plants, fuel cells and wind turbines will be part of future power generation systems. Grid-connected three-phase Pulse Width Modulation (PWM) voltage inverters are widely used in these systems. Besides fundamental wave components, the output voltage of the PWM inverter contains harmonic components that are integer multiples of the switching frequency. If the harmonic currents flow through the grid, it may increase the loss of the grid transformer or cause problems in the operation of other active power converters connected to the grid. Therefore, to reduce the negative effects of current harmonics, Industry has to meet grid regulation such as IEEE 519.2014 and IEC EN61000-3-2. According to IEEE-519-2014, Permissible current harmonic distortion is 4% at 3rd ~11th and 2% 11th~ 17th and Current harmonics are limited to 50th. under the condition that ratio of maximum short-circuit current to maximum load current is 20 or less. There are several ways to reduce the harmonic content of the current injected into the system. The most common way to reduce the harmonic content of the current injected into the system is to use passive filters in the form of L, LC and LCL. LC filters are the most common passive filters that grid-connected converters use to limit current harmonics. The LCL filter is a structure in which capacitors are connected in parallel to a grid side inductor and a inverter side inductor. The LCL filter has a cutoff frequency and a higher harmonic attenuation rate than the L filter. However, below the resonant frequency, the frequency characteristics of the LCL filter and the L filter are the same. The cause of the voltage harmonics displayed in the low harmonic region is the effect of dead time. Select the total inductance to attenuate the 5th and 7th harmonics caused by the dead time, and select the capacitance in consideration of the resonance frequency and reactive power. The optimum ratio of the inductance on the inverter side and the inductance ratio on the system side was selected through the cost function related to the resonance frequency and the system side current. The inductance design is proposed through a normalized table by considering voltage harmonics and considering the factors affecting voltage harmonics. There are four major factors to consider in determining voltage harmonics. Four factors are fundamental to carrier frequency ratio, MI, dead time, feedback control. A normalized voltage harmonic table is created by considering the factors affecting voltage harmonics. In this paper, the LCL filter design is obtained by experiment of the voltage harmonics considering dead time and a normalized table through pu.