전력 전자의 기술 동향 - 전압 소스 인버터(VSI) -

 

오늘은 인버터의 종류 중에 하나인 전압 소스 인버터 인버터에 대한 소개와 최신 기술 동향에 대해서  포스팅해 보겠습니다.

 

3상 전압 소스 인버터 기본 회로도

 - 전압 소스 인버터(VSI)  소개 -

 

전압 소스 인버터(VSI)의  정의

 

 

전압 소스 인버터(VSI)는 전력 전자 및 전기 시스템에서 직류(DC) 입력 전압을 가변 주파수 및 진폭의 교류(AC) 출력 전압으로 변환하는 데 사용되는 전자 장치입니다. 부하 조건에 관계없이 출력 단자에서 거의 일정한 전압을 유지하기 때문에 "전압 소스" 인버터라고 불립니다.
VSI는 일련의 전력 전자 장치(일반적으로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 빠르게 전환하여 DC 입력에서 고주파 AC 파형을 생성하는 방식으로 작동합니다. 이러한 스위치는 스위칭 펄스의 지속 시간과 타이밍을 변경하여 출력 전압과 주파수를 조절하는 펄스폭 변조(PWM) 기술로 제어됩니다.
VSI는 일반적으로 모터 드라이브, 재생 에너지 시스템(예: 태양광 또는 풍력 인버터), 무정전 전원 공급 장치(UPS) 및 전기 자동차 파워트레인과 같은 애플리케이션에 사용됩니다. AC 전압과 주파수를 효율적이고 정밀하게 제어하여 AC 부하를 유연하고 조정 가능하게 작동할 수 있습니다.

 

전압 소스 인버터(VSI)의  사용 예시

 

전압 소스 인버터(VSI)는 다양한 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. 

전압 소스 인버터를 실생활에 적용한 예시들을 몇 가치 추려 보면 아래와 같습니다.

1. 모터 드라이브

VSI는 전기 모터의 속도와 토크를 제어하기 위해 모터 드라이브에 광범위하게 사용됩니다. 전원 공급 장치 또는 배터리의 DC 전원을 가변 주파수 AC 전원으로 변환하여 모터를 구동합니다. 이 애플리케이션은 산업 자동화, 로봇 공학, 전기 자동차 및 가전제품에서 볼 수 있습니다.

2. 재생 에너지 시스템

태양광(PV) 및 풍력 발전과 같은 재생 에너지 시스템에서 VSI는 태양광 패널 또는 풍력 터빈에서 생성된 DC 전력을 그리드 호환 가능한 AC 전력으로 변환하는 데 사용됩니다. 이러한 인버터는 효율적인 전력 변환과 유틸리티 그리드와의 동기화를 보장합니다.

3. 무정전 전원 공급 장치(UPS)

UPS 시스템은 VSI를 사용하여 유틸리티 정전 시 백업 전력을 제공합니다. VSI는 배터리의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 중요 부하에 전력을 공급합니다. 최소한의 전환 시간으로 고품질 전력을 제공하여 유틸리티 전원과 배터리 전원 간의 원활한 전환을 보장합니다.

4. 전기 자동차(EV) 충전기

VSI는 전기 자동차 충전 인프라에서 중요한 역할을 합니다. VSI는 전력망의 AC 전력을 DC 전원으로 변환하여 차량의 배터리를 충전합니다. 고속 충전소에서는 충전 시간을 단축하기 위해 고출력 VSI를 사용하여 빠른 충전 속도를 제공합니다.

5. 고전압 직류(HVDC) 전송

HVDC 시스템은 손실을 줄이면서 장거리 전송을 위해 교류 전력을 고전압 직류 전력으로 변환하기 위해 VSI를 사용합니다. 수신 측에서는 또 다른 VSI가 DC 전력을 다시 AC 전력으로 변환합니다.

6. 가변 속도 드라이브

VSI는 펌프, 팬, 컴프레서, 컨베이어 등 다양한 가변 속도 드라이브 애플리케이션에 사용됩니다. 모터 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있어 에너지를 절약하고 공정 제어를 개선할 수 있습니다.

7. 무효 전력 보상

VSI는 전력 시스템에서 무효 전력 보상에 활용할 수 있습니다. 전압 안정성을 유지하고 역률을 개선하며 시스템 손실을 줄이기 위해 무효 전력을 주입하거나 흡수합니다.

이는 전압 소스 인버터가 사용되는 많은 애플리케이션 중 몇 가지 예에 불과합니다. 다용도성, 제어 가능성 및 효율성 덕분에 전압 소스 인버터는 최신 전력 전자 시스템의 기본 구성 요소입니다.

 

전압 소스 인버터(VSI)의  종류들

 

전압 소스 인버터(VSI)는 구성 및 제어 방식에 따라 여러 유형이 있습니다. 

일반적인 전압 소스 인버터의 종류들을 정리하면 아래와 같습니다.

1. 구형파 인버터

구형파 출력 전압을 생성하는 가장 간단한 형태의 VSI입니다. DC 소스를 출력 단자에 교대로 연결하여 구형파 전압 파형을 생성하는 스위치로 구성됩니다. 그러나 구형파 인버터는 고조파 왜곡이 커서 실제 애플리케이션에서는 일반적으로 사용되지 않습니다.

2. 펄스폭 변조(PWM) 인버터

PWM 인버터는 가장 널리 사용되는 VSI 유형입니다. 스위치에 적용되는 펄스의 폭을 변화시켜 출력 전압을 제어합니다. 가장 일반적인 PWM 기술에는 정현파 PWM(SPWM), 공간 벡터 변조(SVM), 제3 고조파 주입(THI)이 있습니다. PWM 인버터는 고조파 함량을 줄이고 출력 전압 및 주파수를 더 잘 제어하여 파형 품질을 개선합니다.

3. 멀티레벨 인버터

멀티레벨 인버터는 여러 레벨의 DC 전압 소스를 사용하여 계단식 출력 전압 파형을 제공합니다. 멀티레벨 인버터는 커패시터 또는 전압 소스를 직렬로 사용하여 계단형 파형을 구현함으로써 고조파 왜곡을 줄이고 더 높은 전압 레벨을 허용합니다. 멀티레벨 인버터는 일반적으로 고전력 애플리케이션 및 그리드 연결 재생 에너지 시스템에서 사용됩니다.

4. 전류 소스 인버터(CSI)

대부분의 인버터가 전압 소스 인버터인 반면, 전류 소스 인버터는 입력의 전류 소스를 기반으로 작동합니다. CSI는 제어된 전류 소스를 사용하여 교류 전류를 생성한 다음 교류 전압으로 변환합니다. CSI는 일반적으로 일부 유형의 모터 드라이브 및 고출력 유도 가열 시스템과 같이 정전류 출력이 필요한 애플리케이션에 사용됩니다.

5. 전압 공급 인버터

전압 공급 인버터는 출력 측에 LC 필터를 사용하여 정현파 출력 전압을 생성하는 VSI의 변형입니다. 표준 전압 소스 인버터에 비해 더 나은 고조파 성능과 전압 레귤레이션을 제공합니다. 전압 공급 인버터는 민감한 장비 또는 그리드 연결 애플리케이션과 같이 낮은 고조파 왜곡과 고품질 출력 전압이 필요한 애플리케이션에 자주 사용됩니다.

다음은 일반적으로 알려진 전압 소스 인버터 유형 중 일부입니다. 인버터 유형 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항, 전력 수준, 비용 고려 사항 및 원하는 성능 특성에 따라 달라집니다.

 - 전압 소스 인버터의 현재 기술 동향 -

 

전압 소스 인버터(VSI)의 현재 중요하게 생각하는 기술들을 정리하면 아래와 같습니다. 

1. 더 높은 전력 밀도

VSI의 전력 밀도를 높이기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭(WBG) 소재와 같은 전력 반도체 디바이스의 발전으로 스위칭 주파수를 높이고 손실을 줄이며 전력 처리 능력을 향상할 수 있게 되었습니다. 따라서 더 작고 가벼운 VSI 설계가 가능하여 전기 자동차 및 휴대용 전력 시스템과 같이 공간 제약이 있는 애플리케이션에 적합합니다.

2. 에너지 스토리지의 통합

배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 스토리지 시스템과 VSI의 통합이 각광받고 있습니다. 이러한 통합을 통해 피크 쉐이빙, 부하 평준화, 그리드 지원 및 백업 전력을 포함한 다양한 기능을 사용할 수 있습니다. 에너지 스토리지와 VSI를 결합하면 보다 효율적인 에너지 관리와 향상된 시스템 안정성을 달성할 수 있습니다.

3. 고급 제어 기법

VSI의 성능과 기능을 향상하기 위해 고급 제어 기술이 개발 및 구현되고 있습니다. 더 높은 효율성, 향상된 출력 파형 품질, 향상된 그리드 통합 기능을 달성하기 위해 모델 예측 제어(MPC), 직접 전력 제어(DPC), 선택적 고조파 제거(SHE) 및 공간 벡터 변조(SVM)와 같은 고급 변조 전략이 사용되고 있습니다.

4. 그리드 친화적 기능

재생 에너지 시스템의 통합이 증가하고 그리드 안정성에 대한 요구가 증가함에 따라 VSI는 그리드 친화적인 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 기능에는 무효 전력 보상, 역률 보정, 전압 조정 및 고장 통과 기능이 포함됩니다. VSI는 전력망 코드 및 표준을 충족하도록 설계되어 전력망과의 원활한 통합을 보장하고 전력망 지원 서비스 제공을 가능하게 합니다.

5. 디지털화 및 IoT 통합

전력 전자 장치의 디지털 전환은 VSI에도 영향을 미치고 있습니다. IoT(사물 인터넷) 연결과 함께 디지털 제어 및 모니터링 시스템을 통합하면 시스템 성능 모니터링, 진단 및 예측 유지보수를 개선할 수 있습니다. 이러한 디지털화를 통해 원격 모니터링, 실시간 데이터 분석, VSI의 신뢰성 개선이 가능합니다.

6. 광범위한 애플리케이션 범위

VSI는 점점 더 다양한 산업과 시스템에서 적용 범위를 넓혀가고 있습니다. 기존의 모터 드라이브와 재생 에너지 시스템부터 전기 자동차 충전 인프라, 데이터 센터, 스마트 그리드에 이르기까지 다양한 분야에 VSI가 배포되고 있습니다. VSI는 다재다능하기 때문에 특정 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 맞춤형 설루션이 가능하여 광범위한 채택에 기여하고 있습니다.

이러한 추세는 전압 소스 인버터의 효율성, 신뢰성 및 기능을 개선하려는 지속적인 노력을 반영하여 최신 전력 변환 시스템의 핵심 구성 요소로 자리 잡았습니다.

 

 - 전압 소스 인버터의 한계점들 -

 

전압 소스 인버터(VSI)는 널리 사용되고 많은 이점을 제공하지만, 작동과 관련된 몇 가지 과제와 문제점도 있습니다. 전압 소스 인버터의 문제점을 정리하면 아래와 같습니다.

1. 고조파 왜곡

VSI는 출력 전압 파형에 고조파 왜곡을 일으킬 수 있습니다. VSI에 사용되는 전력 전자 장치의 스위칭 동작은 고주파 고조파를 생성하여 시스템에서 원치 않는 전압 및 전류 고조파를 유발할 수 있습니다. 이러한 고조파 왜곡은 민감한 장비의 성능에 영향을 미치고 전력 품질 문제를 일으키며 시스템에서 추가적인 손실을 초래할 수 있습니다.

2. 전자기 간섭(EMI)

VSI에 사용되는 높은 스위칭 주파수는 전자기 간섭을 발생시켜 주변의 다른 전자 장치에 간섭을 일으킬 수 있습니다. EMI는 작동 문제를 일으키고 통신 시스템에 영향을 미치며 전자파 적합성(EMC) 표준을 준수하는 데 문제를 일으킬 수 있습니다. EMI 영향을 완화하기 위해 추가적인 필터링 및 차폐 조치가 필요할 수 있습니다.

3. 스위칭 손실 및 열 방출

VSI에서 전력 전자 장치의 스위칭 동작으로 인해 스위칭 손실이 발생하며, 이는 전체 전력 손실과 열 발생에 기여합니다. VSI의 신뢰성과 성능을 유지하려면 효율적인 열 방출이 매우 중요합니다. 고전력 애플리케이션에서는 발생된 열을 효과적으로 관리하기 위해 방열판, 팬 또는 액체 냉각과 같은 냉각 시스템이 필요할 수 있습니다.

4. 전압 및 전류 과부하

특정 작동 조건에서 VSI는 전압 또는 전류 과부하가 발생하여 잠재적으로 디바이스 고장을 일으킬 수 있습니다. 부하 조건의 급격한 변화, 전압 과도 또는 단락으로 인해 디바이스 정격을 초과하는 과전압 또는 과전류가 발생할 수 있습니다. 과전압 및 과전류 보호 회로와 같은 적절한 보호 조치를 구현하여 VSI 구성 요소의 손상을 방지해야 합니다.

5. 복잡성 및 제어 과제

VSI의 제어 및 작동에는 정교한 제어 알고리즘과 기술이 필요합니다. 이러한 제어 전략을 구현하고 최적화하는 것은 복잡할 수 있으므로 신중한 설계, 파라미터 튜닝, 시스템 통합이 필요합니다. 여러 스위칭 디바이스의 제어, 그리드와의 동기화, 다른 전력 시스템 구성 요소와의 조정은 상당한 과제가 될 수 있습니다.

6. 비용 고려 사항

특히 고전력 애플리케이션에서 VSI의 비용은 중요한 요소가 될 수 있습니다. IGBT 및 고전압 커패시터와 같은 전력 전자 장치는 VSI 시스템의 전체 비용에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 추가 필터링 구성 요소, 보호 조치 및 냉각 시스템이 필요하기 때문에 VSI 구현의 전체 비용이 더욱 증가할 수 있습니다.

7. 신뢰성 및 유지보수

VSI의 신뢰성은 전력 전자 장치, 제어 시스템 및 전체 시스템 설계의 견고성에 따라 달라집니다. 중요한 구성 요소의 고장은 시스템 다운타임과 고가의 수리 비용으로 이어질 수 있습니다. 잠재적인 문제를 파악하고 최적의 성능을 보장하기 위해서는 VSI 시스템의 정기적인 유지보수 및 모니터링이 필요합니다.

이러한 문제를 해결하려면 신중한 시스템 설계, 적절한 구성 요소 선택, 효과적인 제어 전략, 적절한 시스템 통합이 필요한 경우가 많습니다. 지속적인 연구 개발 노력은 이러한 문제를 완화하고 전압 소스 인버터의 성능, 효율성 및 신뢰성을 개선하는 것을 목표로 합니다.

이상, 전력전자 시장에서 사용하는 전압 소스 인버터에 대한 소개와 최신 기술 동향에 대해서  포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 감사드립니다.