1.1 연구 배경

화석 연료의 고갈과 환경 오염, 지구온난화에 대한 경각심이 대두되면서 태양광, 태양열, 풍력, 조력, 지열등과 같은 자연의 힘을 이용한 신재생 에너지와 친환경적인 에너지의 연구 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 이런 가운데 에너지 문제를 해결하기 위한 해결책으로 깨끗하고 안전한 핵융합 발전이 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
핵융합과 핵분열의 정의를 설명하면, 원자력 발전에 이용되는 하나의 원자가 두 개의 원자로 나누어지는 과정을 핵분열이라고 하고, 반면에 핵융합은 원자와 원자가 만나서 새로운 핵을 만들어 내는 반응으로서 질량 결손의 개념이 적용된다. 이런 원리를 이용한 국제열핵융합실험로(ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor)는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 물의 성분인 중수소와 삼중수소를 연료로 하며 결합을 위해 1억도 이상의 고온으로 가열하면, 수소원자는 기체 상태보다 밀도가 낮은 플라즈마 형태로 변한다. 이러한 플라즈마의 제어로 인해 발생하는 에너지를 이용한 것으로써 핵융합 발전은 폐기물이 없는 미래의 무한한 에너지원이라고 말할 수 있다.
핵융합 발전에서 에너지를 발생시키기 위해서는 ITER, 즉 핵융합 실험장치의 역할이 중요하다. ITER 건설 프로젝트는 한국, EU, 미국, 러시아, 중국, 인도, 일본 등 7개국이 공동으로 참여하여 국제적인 연구 활동이 진행되고 있고, 프랑스 남부 카다라쉬(Cadarache) 지역에 건설 중에 있으며 ITER의 구성품을 각 참여국들이 분담하여 현물조달 방식으로 공급하고 있다. 한국과 중국이 초전도자석 전원공급 계통에 대하여 공동으로 AC-DC 컨버터를 조달하는데, 중국이 16대의 PF 컨버터 한 종류만을 공급하고, 우리나라가 나머지 TF, CS, VS 및 CC 컨버터를 공급한다. 컨버터의 종류마다 규격과 역할이 분담 돼 있으며, 안정적이고 정밀한 전원장치의 설계는 핵융합 실험장치의 원활한 실험 조건 및 환경을 보장하도록 만들 것이다[1]-[7].


1.2 연구 목적

핵융합에 의해 발생되는 에너지를 전기 에너지로 사용하기 위한 조건으로 핵융합 토카막 장치에서 발생된 고온의 플라즈마를 제어해야 한다.
플라즈마의 발생, 가열, 밀폐 및 제어를 위해서는 강력한 자장을 형성해주기 위한 다양한 대용량 AC-DC　전원장치를 필요로 한다. ITER 초전도자석 전원공급 계통을 구성하는 기본 구성요소인 AC-DC 컨버터는 총 44대의 12펄스 Thyristor 위상 제어 정류기로 제작되고 있으며 컨버터 변압기의 출력이 30도의 위상차를 갖도록 하여 12펄스로 위상을 제어할 수 있는 구조이다. 컨버터의 4상한 운전모드를 위해서 초전도 코일 부하에 역방향 전류를 공급할 수 있도록 2상한 구조에 역방향 회로를 부가하여 각각의 출력에 직류인덕터를 갖는 브리지를 서로 역병렬로 연결한 백투백(Back-to-Back)브리지의 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 여러 종류의 컨버터가 초전도자석(코일)들에 적절한 제어전류를 전달하기 위해서는 정밀한 대전류 전원장치가 필요하다. 따라서 부하전류의 안정된 정역 전환 동작을 수행하기 위한 ITER 4상한 컨버터의 제어 알고리즘을 설계 및 구현하였다.
제안한 알고리즘에는 부하전류를 제어하는 전류제어기와 출력 직류전압을 제어하는 전압제어기로 크게 분류할 수 있다. 그리고 부하전류의 정역 전환 과정에서 영전류 불연속 구간을 제거하기 위한 순환전류 제어와 차전류 제어 및 정격전류 이상이 되면 부하전류를 제한하는 부하 전류 리미트 제어도 설계하였다. 또한 위상을 제어하기 위한 점호각()의 범위를 조절 및 제한할 수 있도록 적용하였다.
제안한 제어 알고리즘을 ITER 4상한 컨버터의 시스템 파라미터에 적용하여 RTDS(Real Time Digital Simulator)를 이용한 시뮬레이션을 통해 4상한 컨버터의 동작을 확인하였다. 또한 RTDS와 4상한 컨버터 프로토타입으로 제작된 DSP 제어보드간의 루프 연결하는 하드웨어 구성을 통해 제안한 제어 알고리즘의 성능 및 적합성을 컨버터 동작으로 확인하였다[8]-[13].