In general, increasing the switching frequency in voltage source inverters(VSI) leads to the better output voltage/current waveforms. Harmonic reduction in controlling a VSI with variable amplitude and frequency of the output voltage is of importance and thus the conventional VSI's, which are now categorized into two-level inverters, have required increased switching frequency along with various pulse width modulation(PWM) switching strategies.
In the case of high power/high voltage applications, however, the conventional two-level inverters have some limitations to operate at high frequency mainly due to switching losses and constraints of device rating itself. Futhermore, the semiconductor switching devices should be used in such a manner as problematic series/parallel combinations to obtain elther capability of handling high power and enduring high input voltage possible, which further lower the highest possible switching frequencies.
In this thesis, a general circuit topology of multilevel inverters above three level is suggested. When compared with conventional two-level inverters, the multilevel structure allows to raise the power handling capability in the conversion process in a very powerful and systematical way while the level of inverter employed can be determined according to the inverter input voltage, output power, device rating, waveform quality required, etc. The proposed multilevel inverter can realize any multilevel pulsewidth modulation scheme which leads to harmonic content reduction and provides full utilization of semiconductor devices like GTOs especially in high power range where high voltage could be applied. Thus, with our multilevel inverter, 6600V direct conversion could be possible requiring no additional coupling component such as transformer. Moreover, high quality output waveform in higher level inverter can be applicable to, for example, high power uninterrupteble power supply system such as TRIPORT type with low switching frequency and thus high efficiency.
In chapter 3, for the control of the multilevel inverter, a simple real-time PWM technique is described, especially for five level. It has advantage such that, for any level modulation, it can be easily applied without changing the controller except for the level quantizer. The level quantizer can be easily programmed in micro-controller allowing minimum dwelling time with hysteresis. Hence the resultant MPWM will give simple and reliable output, permitting overmodulation along with excellent harmonic spectrum for the multilevel approach.
The chapter 4 deals with a high power/high voltage three phase SVC with the multilevel VSI, especially five-level inverter. It is pointed out that the multilevel PWM for the control of the SVC system has some features such that the multilevel modulation index depend on the values of DC side capacitors to meet the DC side voltage balancing. The DC side voltage balancing is basically required in order for the inverter to operate with allowable voltage stress at each active devices. The description of the compensator circuit, the modeling of the SVC system in the fundamental frequency domain, multilevel PWM control of the inverter and Var compensation with open-loop and closed-loop are presented.
일반적으로 전압원 인버터에서 스위칭 주파수를 증가시키면 출력 전압/전류의 파형이 개선되는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 고조파의 억제는 인버터가 포함되는 대개의 응용에서 필수적으로 요구되므로 전력전자 관련 엔지니어들은 이러한 요구조건을 만족하는 인버터를 개발하기 위한 노력을 끊임없이 기울여 왔다. 그 한 일례가 기존의 2-레벨 전압원 인버터에 있어서의 다양하고 풍부한 PWM 기술의 개발이다.
한편, 오늘날 전력반도체 스위치의 발전은 점차 대용량화, 고속화되는 추세이며 아울러 좀더 다루기 쉬운, 즉 간단하고 쉬운 구동회로를 갖는 스위치의 개발에 힘이 모아지고 있다. 그러나, 고압 대전력 전압원 인버터는 회로구성 및 동작에 있어서 몇가지 제한적인 측면을 갖는다. 그것은 무엇보다 현재 상용화된 전력 반도체 스위치의 전력용량 및 전압.전류의 임계치에 의하여 규정된다. 즉, 현재 3.3kV 1MVA 이상의 고압 대전력 인버터의 회로구성을 살펴보면, 기존의 전압원 인버터를 대전력 수준에서 구현하기 위하여 GTO(Gate Turn-off Thyristor)와 같은 전력 반도체 소자를 직병렬로 연결하여 사용할 수 밖에 없다. 그러나, 이 경우 직병렬된 소자들의 동기 스위칭이 매우 어렵고, 또 이로 인하여 인버터의 스위칭 주파수도 소자가 낼 수 있는 최대 스위칭 주파수로 동작시킬 수 없다. 결과적으로, 획기적인 전력 반도체 소자가 개발되지 않는 한, 고압 대전력 인버터의 회로 구성에 있어서 출력의 고조파 성분이 많아지고 동적특성이 저하되는 등의 부현상은 상존할 수 밖에 없다.
본 논문은 앞서 말한 고압 대용량 시스템에 적합한 새로운 멀티레벨 전압원 인버터에 관한 것 이다. 기존의 2-레벨 인버터와 비교할 때, 제안된 멀티레벨 인버터는 그 고유한 특징으로 인하여 대용량화가 가능하며 개개 스위치에서 스위칭 주파수의 증가 없이도 고조파가 적게 함유된 출력파형을 낼 수 있다. 아울러 제안된 멀티레벨 인버터는 입력전압이 고압인 경우에도 견딜 수 있는 구조적인 장점을 갖고 있어서 6600V 라인에도 직접 연결하여 사용할 수 있다.
한편 이러한 멀티레벨 인버터를 제어하기 위한 PWM 제어방법은 아직 거의 연구되지 않은 상태이다. 이에, 본 논문에서는 임의의 레벨을 갖더라도 적용이 가능한 실시간 PWM 방법을 제안한다. 이러한 PWM 방법은 구현하기 매우 간단하며 2-레벨의 Subharmonic PWM방법을 일반화 시킨것이라고 볼 수 있다.
마지막으로 4장은 이와 같이 제안된 멀티레벨 인버터를 응용한 고전압 대용량 무효전력 보상시스템(Static Var Compensator: SVC)에 대한 것이다. 주지하듯이, 전압원 인버터를 사용한 무효전력보상기는 과거의 커패시터 뱅크를 사용하는 수동소자 방식에 비하여 우수한 동특성, 최소의 점유공간, 진상 지상의 자유로운 보상능력등 많은 이로운 점들을 갖고 있다. 이러한 보상기를 Static Var Compensator(SVC)라고 부르는데 이것은 과거의 동기전동기에 의한 Var보상이 기계적인 동적인 부분을 포함했던 것에 반하여 붙여진 이름이다. 오늘날 이러한 SVC는 효율적인 전기에너지의 관리라는 측면에서 활발히 연구되고 있으며 점차 대용량화 되는 추세이다. 그러나 SVC 시스템의 대용량화는 바로 거기에 사용된 전압원 인버터의 대용량화를 의미한다. 그 우수한 시스템 특성에도 불구하고 아직 대용량 분야에서 그 사용이 불가능했던 것은 바로 고압 대용량 인버터의 부재에서 비롯되었다고 할 수있다.
본 논문에서는 멀티레벨 인버터를 사용한 SVC 시스템을 제안하고 그 특성을 밝히기 위하여 멀티레벨 인버터를 포함한 SVC 시스템을 모델링한다. 모델링에는 Circuit DQ 변환을 도입함으로써 그 결과를 간명하고 포괄적으로 표현하며, 아울러 새로운 몇가지 다음과 같은 사실들을 밝혔다. 1) 멀티레벨 SVC 시스템에서 커패시터 전압의 밸런싱은 인버터의 제어변수가운데 modulation index와 직접 관련이 있으며 2) 커패시터들이 서로 Coupling되어 있어 실제 시스템의 차수는 줄어들고, 3) 한개의 5-레벨 인버터는 2개의 3-레벨 인버터로 분해될 수 있어서 전압원 인버터의 제어변수는 5-레벨인 경우 3개가 된다.
본 논문에서는 실제로 5kVA용량의 SVC시스템을 구현 실험하였고 실험을 통하여 모델링하고 해석했던 위의 사항들이 예측과 일치함을 확인했다.
