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Power Electronics Lab

한양대학교 전자공학부

김성민 교수

Solid-State Transformer

Grid-Connected Inverter Control

DC Circuit Breaker

Power Electronics Lab

전자공학부 김성민

한양대학교 ERICA캠퍼스 전력전자연구실은 전력변환 기술의 혁신을 선도하는 연구기관으로, 대용량 전력변환 시스템, 재생에너지 기반 전력망, 고성능 모터 및 발전기 제어 등 다양한 분야에서 첨단 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 모듈형 컨버터 토폴로지의 설계 및 구현, 그리고 이를 위한 고도화된 제어 알고리즘 개발에 중점을 두고 있습니다. 이를 통해 철도, 풍력, 태양광, 에너지저장장치 등 다양한 산업 분야에서 요구되는 고효율, 고신뢰성의 전력변환 솔루션을 제공하고 있습니다. 특히, 재생에너지의 확대와 더불어 전력망의 안정적 운용이 중요한 과제로 대두됨에 따라, 연구실은 Grid Forming 기술, Virtual Synchronous Generator(VSG) 제어, Black Start 알고리즘 등 차세대 전력망 핵심 기술 개발에 매진하고 있습니다. 이러한 기술은 신재생에너지의 변동성을 효과적으로 제어하고, 전력품질을 유지하며, 미래의 스마트그리드 및 마이크로그리드 실현에 필수적인 역할을 합니다. 고성능 모터 및 발전기 제어 분야에서도 연구실은 센서리스 제어, I-F 속도 제어, 순시 토크 제어 등 첨단 알고리즘을 개발하여, 전기자동차, 전기추진선박, 산업용 로봇 등 다양한 응용 분야에 적용하고 있습니다. 실시간 파라미터 추정, 고속/고정밀 제어, 기계적 파라미터 식별 등 다양한 기술을 통해 시스템의 효율성과 신뢰성을 극대화하고 있습니다. 이외에도 연구실은 전력전자 시스템의 보호 및 신뢰성 향상을 위한 회로 보호장치, 직류 시스템 보호 회로, 고속 고전압 반도체 스위칭 구동장치 등 다양한 특허 기술을 보유하고 있습니다. 또한, 산업체 및 공공기관과의 협력 연구, 국내외 학술대회 및 저널 논문 발표, 대형 국책과제 수행 등 활발한 연구 활동을 이어가고 있습니다. 전력전자연구실은 앞으로도 차세대 전력변환 기술, 스마트그리드, 친환경 에너지 시스템 등 미래 에너지 산업의 핵심 기술 개발을 선도하며, 지속가능한 사회 구현에 기여할 것입니다.

Solid-State Transformer
Grid-Connected Inverter Control
DC Circuit Breaker
대용량 전력변환 및 모듈형 컨버터 토폴로지
전력전자연구실은 대용량 전력변환을 위한 모듈형 컨버터 토폴로지의 설계, 구현, 그리고 제어 알고리즘 개발에 중점을 두고 있습니다. 기존의 전력변환 시스템은 단일 구조에 의존하는 경우가 많았으나, 본 연구실은 모듈형 구조를 도입하여 확장성과 신뢰성을 크게 향상시켰습니다. 이를 통해 다양한 산업 현장, 특히 철도, 신재생에너지, 대규모 전력망 등에서 요구되는 고출력, 고효율, 고신뢰성의 전력변환 시스템을 실현하고 있습니다. 모듈형 컨버터는 각 모듈이 독립적으로 동작하면서도 전체 시스템의 통합 제어가 가능하도록 설계되어 있습니다. 이러한 구조는 고장 발생 시에도 시스템 전체가 중단되지 않고, 손상된 모듈만을 교체하거나 우회할 수 있는 장점을 제공합니다. 또한, 다양한 전압 및 전류 요구에 맞춰 모듈의 수를 조정할 수 있어, 맞춤형 전력변환 솔루션을 제공할 수 있습니다. 연구실에서는 Full-bridge, Dual Active Bridge(DAB), Triple Active Bridge(TAB) 등 다양한 토폴로지의 설계 및 제어 알고리즘을 개발하고, 실험을 통해 그 성능을 검증하고 있습니다. 이러한 연구는 실제 산업 현장에 적용되어 고속철도용 반도체 변압기, 대용량 풍력발전 시스템, 그리드 연계형 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 앞으로도 연구실은 모듈형 컨버터의 효율, 신뢰성, 제어 정밀도를 더욱 향상시키기 위한 연구를 지속적으로 수행할 계획입니다.
재생에너지 기반 전력망 운용 및 Grid Forming 기술
재생에너지의 보급이 확대됨에 따라, 전력망의 안정적 운용과 효율적인 에너지 관리가 중요한 이슈로 부상하고 있습니다. 본 연구실은 100% 재생에너지 기반 전력망 운용을 위한 Grid Forming 기술 개발에 주력하고 있습니다. Grid Forming 기술은 인버터 기반의 전력변환 장치가 전력망의 주파수와 전압을 능동적으로 형성하고 유지하는 핵심 기술로, 기존의 동기발전기 중심 전력망에서 인버터 중심의 신재생에너지 전력망으로의 전환을 가능하게 합니다. 연구실에서는 Virtual Synchronous Generator(VSG) 제어, Black Start 알고리즘, 과전류 대응 알고리즘 등 다양한 Grid Forming 관련 제어기술을 개발하고 있습니다. 이러한 기술은 풍력, 태양광 등 변동성이 큰 재생에너지원을 안정적으로 계통에 연계하고, 전력품질을 유지하는 데 필수적입니다. 또한, 에너지저장장치(ESS)와의 연계, 다양한 부하 조건에서의 안정성 확보, 실시간 제어 및 통신 프로토콜(EtherCAT 등) 적용 등 실용적인 시스템 구현에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이러한 연구는 미래의 스마트그리드, 마이크로그리드, 분산형 전원 시스템 등 차세대 전력망의 핵심 기반 기술로 자리매김하고 있습니다. 연구실은 실제 전력망 환경에서의 실증 및 상용화를 목표로, 산업체 및 공공기관과의 협력 연구도 활발히 진행하고 있습니다.
고성능 모터 및 발전기 제어 알고리즘
고성능 모터 및 발전기 제어는 전력전자 분야에서 매우 중요한 연구 주제입니다. 본 연구실은 영구자석 동기전동기(PMSM), 유도전동기, 발전기 등 다양한 전기기계의 고정밀, 고효율 제어 알고리즘을 개발하고 있습니다. 특히, 센서리스 제어, I-F 속도 제어, 순시 토크 제어 등 첨단 제어기술을 통해 모터 및 발전기의 성능을 극대화하고, 비용 절감 및 시스템 신뢰성 향상에 기여하고 있습니다. 연구실에서는 실시간 파라미터 추정, 기동 및 운전 조건에서의 제어 절환, 고속/고정밀 위치 및 속도 제어 등 다양한 응용 시나리오에 대응할 수 있는 알고리즘을 개발합니다. 이러한 기술은 전기자동차, 전기추진선박, 산업용 로봇, 가전제품 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 실제 하드웨어 기반의 실험을 통해 그 성능을 검증하고 있습니다. 또한, 기계적 파라미터(관성, 마찰계수 등) 식별, 고장 진단 및 예지보전 기술 등도 함께 연구하고 있습니다. 이러한 연구는 에너지 효율 향상, 시스템 경량화, 유지보수 비용 절감 등 산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 가져오고 있습니다. 앞으로도 연구실은 차세대 전동기 및 발전기 제어기술의 선도적 개발을 통해, 스마트 모빌리티, 친환경 에너지 시스템 등 미래 산업의 핵심 기술 발전에 기여할 것입니다.
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Development of Medium Voltage Single-Phase Solid-State Transformer for High-Speed Railway Vehicles: Reduced Scale Verification Results
Dong-Uk Kim, Jin-Hyuk Park, Seung-Hwan Lee, Sungmin Kim
IET High Voltage, 2025
2
Accurate Harmonic Current Control for Large-Capacity LCL-Type Active Power Filter With Inverter-Side Current Feedback
Deok Yong Woo, Sungmin Kim
IEEE Transactions on Industry Applications, 2025
3
Design and Validation of a 100 kW, 60 kHz, High Efficiency, Loosely-Coupled-Resonant Dual-Active-Bridge Converter
Jaehong Lee, Dong-Uk Kim, Sungmin Kim, Seung-Hwan Lee
IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2025
1
특고압 직류수전용 2MW급 모듈형 컨버터스테이션 기술개발
산업통상자원부
2025년 ~ 2025년 07월
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컨버터 일체형 반도체변압기 개발
국토교통부
2023년 ~ 2023년 12월
3
그린수소 생산 전력시스템 모델링 및 전력변환기 최적 운영기술 개발
산업통상자원부
2022년 11월 ~ 2024년 11월