Three-Level H-Bridge 컨버터를 이용한 철도차량용 지능형 변압기의 구조 및 제어

Abstract

본 논문은 철도차량의 추진용 유입식 변압기 및 AC/DC 컨버터를 대체하기 위한 지능형 변압기의 구조를 제안한다. 제안된 지능형 변압기는 반도체 스위칭 소자 및 고주파 변압기를 사용한 양방향 전력 변환 컨버터의 형태로써, 기존 변압기에 비해 경량화 되고, 역률 제어 등의 능동적인 제어 성능으로 인해 단상 계통 전원의 효율적인 활용을 가능하게 한다. 제안하는 지능형 변압기는 60Hz 교류 고전압을 직류 고전압으로 변환하기 위한 정류단으로Neutral point clamped type 의 H-bridge 컨버터를 여러 개 직렬 연결해 구성했다. 직류로 변환된 입력단 전력은 고주파 변압기와 Neutral point clamped type H-bridge 컨버터 2개로 구성된 Dual-Active-Bridge 컨버터를 이용해 출력측에 필요한 저전압을 공급할 수 있도록 했다. 또한, 본 논문에서는 다수의 컨버터 모듈 내부 직류단 전압을 균형제어하며, 단상 교류 전원에서 직류 출력 전원간의 양방향 전력 제어를 가능하게 하는 제어 알고리즘을 제안한다. 제안한 지능형 변압기의 구조 및 제어 시스템은 75kVA 급 3.3kVrms 입력, 750VDC 출력의 지능형 변압기를 설계 및 회로 시뮬레이션 결과를 통해 검증했다.

This paper proposes the structure of a smart transformer to improve the performance of the 60Hz mainpower transformer for rolling stock. The proposed smart transformer is a kind of solid state transformer that consists ofsemiconductor switching devices and high frequency transformers. This smart transformer would have smaller size thanthe conventional 60Hz main transformer for rolling stock, making it possible to operate AC electrified track efficientlyby power factor control. The proposed structure employs a cascade H-Bridge converter to interface with the high voltageAC single phase grid as the rectifier part. Each H-Bridge converter in the rectifier part is connected by a Dual-Active-Bridge (DAB) converter to generate an isolated low voltage DC output source of the system. Because the ACvoltage in the train system is a kind of medium voltage, the number of the modules would be several tens. To controlthe entire smart transformer, the inner DC voltage of the modules, the AC input current, and the output DC voltage mustbe controlled instantaneously. In this paper, a control algorithm to operate the proposed structure is suggested and confirmedthrough computer simulation.