The buck type PWM rectifier and current source type static var compensator (SVC) are completely analyzed using circuit DQ transformation. Exact LTI DC and AC equivalent circuits in unified forms are induced and full set of equations are derived in explicit form. From the DC circuit, various characteristics such as possible operating range, gain, powers, power factor, unity power factor condition and the practical behavior including component and load variations are analyzed clearly. From the AC perturbation circuits, the system dynamic characteristic equations of small signal dynamic model and simplified output model are fully derived. These circuit models are verified through computer simulations and experiments with good agreement, so it is very useful to estimate all the electrical values of the designed converter and to design the controller. Such analyses is not possible or very difficult in other modeling techniques, so the results contribute in the research area of the converter analysis and the easy controller design with sufficient accuracy. But it is noted that the model is based on the averaging concept, which may result in some time delay in control process, so the need of instantaneous model for real time control is also important.
New modeling method by vector transformed circuit theory is proposed with theory and applications. The proposed method is general because the variables need not be sinusoidal, and has simple but full informed circuit forms, moreover the method is equivalent and easily converted to contemporary per phase analysis and DQ transformation analysis. The method is valid for any instantaneous variation of voltage and current, and adequately describes the performance of the converter under both steady stage and transient operation with simplicity and clear physical picture. As examples of applications, three- phase buck type PWM rectifier and single phase boost type PWM converter are modeled. From this model, full steady state and transient analysis is possible by various tools such as DQ circuit transformation techniques.
Vectored type control, which has been widely used in AC servo control industry, must be applied to the control of buck type converter for fast response and high quality performance such as good harmonics suppression. The theory is well matched with the SV-PWM technique and digital realizations. Basic control strategies are considered, but controller blocks are more needed and also much complex compared to boost type due to its high system order. So considerable efforts are needed for more effective control.
최근 전력계통을 안정화하고자 하는 일환으로 전원에 대한 역율저하 및 고조파발생 문제를 갖고 있는 기존의 위상제어에 의한 SCR정류기나 다이오드정류기는 급속히 PWM형태의 컨버터군으로 대체되고 있다. 이 PWM방식의 컨버터의 구현의 한 방법 으로 벅형이 있으며 이는 직류측이 전류원특성을 갖는 경우 적합한 방식으로 직류측이 큰 용량의 인덕터이거나 초전도코일 또는 일반자석 등인 경우를 말한다. 이 벅형의 컨버터는 시스템의 차수가 최소 5차이상으로 매우 높고 시스템자체가 비선형이며 시변의 특성을 갖고 있기때문에 시스템 전체를 파악하기 보다는 단순한 모델과 가정된 조건의 특성상에서만 유효하게 해석되고 제어기가 구성되었다. 따라서 고속응답 및 넓은 동작범위에서 다기능의 제어 요구를 만족할 수가 없었고 시스템의 설계를 효과적으로 수행하기에 문제가 있었다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 제2장과 3장에서는 각각 벅형 PWM 정류기와 전류원 무효 전력보상기(SVC)를 DQ회로변환기법을 이용하여 완전한 해석을 하였다. 즉 정확한 시불변-선형 시스템의 직류 및 교류 등가회로를 하나의 통일된 형태로 유도하었고 독립변수만으로 시스템을 표현할 수 있는 형태의 수식들을 도출하였다. 유도된 직류회로에 의해서 동작가능한 영역, 이득, 유효전력 및 무효전력, 역율, 단위역율 조건등의 다양한 특성들과 부하변화를 포함한 모든 회로성분에 대한 실제적인 특성들을 명확하게 해석하였다. 또한 교류등가회로로서 소신호의 동적특성을 파악 할수 있는 모델과 간략화된 출력회로모델을 유도하였다. 이들은 다양한 컴퓨터 시뮬레이션과 실험 등을 통해서 그 정확성이 입증되었다. 따라서 이들 방식은 설계된 모든 컨버터의 전기적 특성들을 예측 파악하고 제어기를 설계하는데 매우 유용하게 이용될 수 있다. 이러한 해석결과들은 다른 모델링 및 해석수단으로서는 불가능하거나 매우 어려운 것으로 컨버터 해석 및 정확한 제어기의 설계연구분야에 기여하고 있다. 그러나 이들 모델들은 평균화개념하에 입각한 모델로서 제어시 어느정도의 지연효과를 가져올 수 있기때문에 실시간 제어를 위한 순시모델이 또한 중요한 문제로 대두되게 된다.
따라서 벡터변환된 회로에 의한 새로운 모델링 방식의 이론이 4장에서 제안되었고 그 응용을 소개하였다. 이 방식은 일반화된 모델방식으로 회로변수들의 값이 정형파일 필요가 없으며 간략한 표현이지만 그 내부적으로는 모든 정보를 포함하고 있으며 기존의 per-phase 등가회로에 입각한 해석방식이나 회로 DQ변환방식으로 모두 전환이 가능하다. 또한 전압,전류의 순시 변화에서도 적용되며 정상상태와 과도상태하에서의 컨버터의 성능특성을 풍부한 물리적의미를 갖고 묘사할수 있다. 적용의 예로서 삼상 벅형PWM정류기와 부스트형 단상 PWM정류기에 대한 벡터변환모델을 유도하였고 필요한 분석이 가능함을 보였다.
이들 벅형 컨버터군들에 대한 고속 고성능의 제어를 위해서는 유도전동기의 고성능 서보제어를 위해 사용되고 있는 벡터형 제어기법을 도입할 필요가 있다. 따라서 2가지의 가능한 벡터제어구현인 위상각 및 변조지수제어방식과 d-q성분에 대한 독립적인 제어방식에 대해서 제 5장에서 제안하였고 그 제어기 설계상에서 해결 되어야 하는 문제에 대하여 시물레이션 결과와 함께 논의하였다. 결론적으로는 이들 제어방식은 기존의 공간벡터 PWM의 구현방식과 연관되어 디지탈제어기로 구성 되어야 하며 구성시 요구되는 제어기의 수가 증가하는 문제와 다입력다출력형태 (Multi-Inut Multi-Output)로 입출력모두 연동되는 시스템동적특성을 제어기의 루프에서 서로 분리시키는 문제가 주요 관건으로 되고 있고 따라서 이의 심도있는 출력 제어기 설계가 보다 요구된다.
본 연구결과는 모든 종류의 다상 컨버터/인버터 및 AC/DC/AC 변환장치의 해석 및 제어기 설계에 효과적으로 이용이 확대될 수 있을 것이며 벡터변환회로기법을 토대로 고조파해석이 가능할 것으로 판단되며 이 경우 Active Filter 및 비균형 3상시스템에 대한 해석 및 설계분야에서 기존방식보다 용이하게 이론적으로 접근할 수 있을 것으로 사료된다.
