[논문 리뷰] Modular Medium Voltage AC to Low Voltage DC Converter for Extreme Fast Charging Applications

M A Awal, Iqbal Husain외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 08.

Advanced DC-DC Converters참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중압축 AC에서 저압 DC로의 변환을 위한 모듈형, 분산식 중압축 전압 변환기 아키텍처를 제안한다. 이는 입력-직렬-출력-병렬(ISOP) 구성의 단상 모듈(SPM)을 사용하며, DC-DC 단계에 대한 완전한 분산 제어를 통해 현장에서만 피드백을 사용하고 중앙집중식 저압 DC(VDC) 전압 조절을 수행함으로써 고속의 모듈 간 통신이 필요 없이도 내재된 전압 및 전력 균형을 달성한다. 이로 인해 중압축 DC 버스 커패시터의 크기를 줄이고, 제어 복잡도를 최소화하면서도 확장 가능하고 신뢰성 높은 초고속 충전(XFC) 시스템을 실현한다.

ABSTRACT

A modular and scalable converter for medium voltage (MV) AC to low voltage (LV) DC power conversion is proposed; single-phase-modules (SPMs), each consisting of an active-front-end (AFE) stage and an isolated DC-DC stage, are connected in input-series-output-parallel (ISOP) configuration to reach desired voltage and power capacity. In prior art, high-speed bidirectional communication among modules and a centralized controller is required to ensure module-level voltage and power balancing, which severely limits the scalability and practical realization of higher voltage and higher power systems. Moreover, large capacitors are used to suppress double-line-frequency voltage variations on the common MV DC bus shared by the AFE and the DC-DC stage originating from AC power pulsations through the SPMs. We propose a comprehensive controller which achieves voltage and power balancing using complete decentralized control of the DC-DC stages based on only local sensor feedback and the AFE stages are controlled using feedback of only the LV DC output. Furthermore, reduced capacitor requirement on the MV DC bus is achieved through design and control. The proposed method is validated through simulation and experimental results.

연구 동기 및 목표

• 기존의 초고속 충전(XFC)을 위한 다중 모듈형 고체 상태 변압기(SST)의 확장성 한계를 해결하기 위해 중앙집중식 제어기와 고속 통신에 의존하는 문제를 해결한다.
• 모듈 간 복잡한 통신이 필요 없도록, 단지 현장 센서 피드백만을 사용하여 DC-DC 단계의 분산 제어를 가능하게 한다.
• 공진 보상기 설계를 통해 중압축 DC(MVDC) 버스의 이중선주기 전압 리플을 억제함으로써 중압축 DC 버스 커패시터의 크기를 줄인다.
• 부품 변동성에도 불구하고 SPM 간 내재된 전압 및 전력 균형을 확보하여 일시적 조건에서도 안정된 작동을 보장한다.
• 실제 부품 허용 오차 조건 하에서 소프트 스타트 및 동적 하중 반응을 갖춘 전면 프로토타입의 실현 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 시스템은 각각 활성 프론트엔드(AFE) 스테이지와 모듈식 다중레벨 컨버터(MMC) 및 이중 활성 브리지(DAB) 구조를 기반으로 한 분리형 DC-DC 스테이지로 구성된 단상 모듈(SPM)을 ISOP 구성으로 사용한다.
• DC-DC 스테이지에 대해 중앙집중식 제어 없이 중압축 DC 버스 전압 및 전류의 현장 측정값만을 사용하는 분산 제어를 구현함으로써 모듈 간 통신이 필요 없어진다.
• AFE 스테이지 제어는 저압 DC(LVDC) 출력 전압 피드백에만 기반하며, 중앙집중식 제어기가 LVDC 버스를 기준값으로 조절한다.
• DC-DC 스테이지 제어에 공진 보상기를 통합하여 중압축 DC 버스의 이중선주기 전압 리플을 능동적으로 억제함으로써 커패시터 요구량을 감소시킨다.
• 빠른 현장 제어 루프(DC-DC)와 느린 중앙집중식 조절(LVDC) 간의 시간 스케일 분리를 활용하여 DC-DC 스테이지가 이상적인 DC 변압기처럼 행동하도록 한다.
• 유도 리액턴스 및 중압축 DC 버스 커패시턴스의 부품 변동성(±17%)을 시뮬레이션 및 테스트하여 내성적 균형 기능과 강건성의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 모듈 간 통신이나 DC-DC 스테이지의 중앙집중식 조율 없이도 SPM 간 내재된 전압 및 전력 균형을 달성할 수 있는가?
• RQ2 공진 보상기가 중압축 DC 버스의 이중선주기 전압 리플을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가? 이는 커패시터 요구량 감소에 기여하는가?
• RQ3 부품 허용 오차 및 동적 하중 변화 조건 하에서 제안된 분산 제어 아키텍처가 안정성과 균형을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ4 단지 현장 피드백과 중앙집중식 LVDC 조절만을 사용하여도 일시적 과전압 또는 과전류 충격 없이 안정적인 소프트 스타트 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ5 부하 없음에서 정격 부하, 정격 부하에서 부하 없음으로의 전이 조건에서의 시스템 성능은 어떠한가? 전압 및 전력 균형을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 유도 리액턴스 및 중압축 DC 버스 커패시턴스의 부품 변동성(최대 ±17%)에도 불구하고 18개의 SPM 간 내재된 전압 및 전력 균형을 달성한다.
• 공진 보상기가 중압축 DC 버스의 이중선주기 전압 리플을 효과적으로 제거하여 리플을 약 90 V(보상 없음)에서 무시할 만한 수준으로 감소시킨다.
• 부하 없음에서 정격 부하, 정격 부하에서 부하 없음으로의 단계적 전이 후, LVDC 버스 전압이 기준값으로 신속하게 안정화되며 최소한의 전이 현상이 발생한다.
• 전면 프로토타입의 SPM을 사용한 실험적으로 소프트 스타트 시퀀싱이 성공적으로 검증되었으며, 중압축 DC 버스의 안정적 충전과 전력망 연결 시 일시적 과전압이 발생하지 않았다.
• 실제 부품 허용 오차 조건 하에서도 시스템이 강건한 성능을 보이며, 확장 가능한 고전력 XFC 시스템을 위한 분산 제어의 실현 가능성을 확인한다.
• 제안된 아키텍처는 큰 중압축 DC 버스 커패시터의 의존도를 감소시키고 복잡한 고대역폭 통신 네트워크가 필요 없어지며, 이는 확장성과 실용적 구현의 향상에 크게 기여한다.