KR20060084068A - A electrical energy saving controller with multi-function - Google Patents

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KR20060084068A
KR20060084068A KR1020050004056A KR20050004056A KR20060084068A KR 20060084068 A KR20060084068 A KR 20060084068A KR 1020050004056 A KR1020050004056 A KR 1020050004056A KR 20050004056 A KR20050004056 A KR 20050004056A KR 20060084068 A KR20060084068 A KR 20060084068A
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Abstract

본 발명은 두 대의 인버터(Inverter)를 이용하여 입력 계통 전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질의 전력(High Power Quality)으로 유지하면서 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 다기능 전기에너지 절전장치에 관한 것으로, 계통 인입 전원에 병렬로 연결되는 전류제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI), 전원과 부하사이에 직렬로 연결되는 전압제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI) 그리고 이들 인버터의 직류 측이 직류전압 안정용 커패시터에 의해 공통으로 연결되어 구성되는 토폴로지(Topology), VCVSI는 부하의 전압을 입력 계통 전압에 관계없이 에너지 절감 효과를 극대화하기 위한 최적의 전압으로 제어하고, CCVSI는 부하 전류를 검출하여 무효 전력 및 고조파를 보상(태양광, 풍력 등의 분산전원과 배터리가 추가되면 계통전력의 Peak-cutting 기능을 수행하는 수요관리제어 및 UPS 기능을 부가적으로 수행) 하도록 제어하는 구조, 본 발명에서 제안한 방식에 의하여 기존의 절전장치에 비하여 부하에너지의 소비 절감 뿐 아니라 고조파 및 무효전력 보상 등 전력 품질을 획기적으로 개선시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention uses two inverters (Inverters) to improve the power factor, harmonics, etc. of the input system power supply to maintain a high power (High Power Quality) while reducing the power consumption of the load multi-function electric energy saving device A current controlled voltage source inverter (CCVSI) connected in parallel to a grid inlet power supply, a voltage controlled voltage source inverter (VCVSI) connected in series between a power supply and a load, and these Topology, which consists of the DC side of the inverter connected by a DC voltage stabilizer in common, VCVSI controls the voltage of the load to the optimal voltage to maximize energy saving effect regardless of the input system voltage. Compensates reactive power and harmonics by detecting load current (distributed power sources such as solar and wind power) When the battery is added, the structure to control the demand management control and UPS function to perform the peak-cutting function of the grid power), and the reduction of the load energy consumption compared to the existing power saving device by the method proposed in the present invention. In addition, power quality, such as harmonics and reactive power compensation can be significantly improved.

본 발명은 절전을 위하여 부하 입력전압을 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 탭 변환 방식에 의하여 제어하는 기존의 구조와는 근본적으로 다르게, 반도체 스위칭 소자로 제어되는 인버터에 의해 구성되기 때문에 기존에 비하여 소형, 경량화 할 수 있고, VCVSI에 의하여 에너지 절감을 위한 부하 전압 제어성능이 향상될 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선할 수 있으며, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 10퍼센트 이하이고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 30퍼센트 이하이기 때문에 보다 컴팩트(compact)하고, 저렴한 비용으로 다기능 전기에너지 절전장치의 제작이 가능하다.The present invention is fundamentally different from the conventional structure in which the load input voltage is controlled by a tap-change method of a single winding transformer (or mutual induction reactor) for power saving, and is constituted by an inverter controlled by a semiconductor switching element. It can be compact and lightweight, and the load voltage control performance for energy saving is improved by VCVSI, and the harmonics and reactive power can be dramatically improved by CCVSI, and the energy controlled through VCVSI is controlled for voltage control. With less than 10 percent of the load rating and less than 30 percent of the load rating of energy delivered through CCVSI for reactive power and harmonic control, it is possible to produce a more compact and low cost multifunction electrical energy saver. .

절전장치(Energy Saving Controller), 다기능(Multi-function), 인버터(Inverter) Energy Saving Controller, Multi-function, Inverter

Description

다기능 전기에너지 절전장치 {A Electrical Energy Saving Controller with Multi-function} Multifunctional Electric Energy Saving Controller {A Electrical Energy Saving Controller with Multi-function}

[도 1a]는 기존의 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller) Figure 1a is a conventional step-down type energy saving controller (Step-Down type Energy Saving Controller)

[도 1b]는 기존의 승압 및 강압형 절전장치(Step-Up/Down type Energy Saving Controller) Figure 1b is a conventional step-up / step-down type energy saving device (Step-Up / Down type Energy Saving Controller)

[도 1c]는 기존의 반도체 스위치에 의한 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller by using electronic switch) 1C is a step-down type energy saving controller by using an electronic switch.

[도 2]는 본 발명에서 고안한 다기능 전기에너지 절전장치(A Electrical Energy Saving Controller with Multi-function)2 is a multi-functional electrical energy saving device devised in the present invention (A Electrical Energy Saving Controller with Multi-function)

[도 3a]는 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하 Figure 3a shows a nonlinear load of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94) capacity.

[도 3b]는 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하3B shows a nonlinear load of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84) capacity.

[도 4a]는 240V, 50Hz의 입력전압을 [도 3a]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형4A shows waveforms of input voltage, current, and their effective and reactive power when an input voltage of 240 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3A].

[도 4b]는 210V, 50Hz의 입력전압을 [도 3a]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형4B shows waveforms of input voltage, current, and their effective and reactive power when an input voltage of 210 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3A].

[도 5a]는 240V, 50Hz의 입력전압을 [도 3b]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형5A shows waveforms of input voltage, current, and their effective and reactive power when an input voltage of 240 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3B].

[도 5b]는 210V, 50Hz의 입력전압을 [도 3b]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형5B shows waveforms of input voltage, current, and their effective and reactive power when an input voltage of 210 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3B].

[도 6]은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치의 전류(전원전류, 부하전류, CCVSI전류), 전압(전원전압, 부하전압, VCVSI전압), 유효전력(전원, 부하, CCVSI, VCVSI) 그리고 무효전력(전원, 부하, CCVSI)의 파형6 is a current (power supply current, load current, CCVSI current), voltage (power supply voltage, load voltage, VCVSI voltage), active power (power supply, load, CCVSI, VCVSI) and the multifunction power saving device devised in the present invention Reactive Power (Power, Load, CCVSI) Waveforms

[도 7]은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치를 분산전원시스템에 적용한 예7 is an example of applying the multi-functional power saving device devised in the present invention to a distributed power system

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명><Brief description of the main parts of the drawing>

10 : 전류제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)10: Current Controlled Voltage Source Inverter (CCVSI)

20 : 전압제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)20: Voltage Controlled Voltage Source Inverter (VCVSI)

Ig : 입력 전원 전류Ig: input power current

Ip : 단권변압기의 1차측 전류Ip: Primary current of single winding transformer

IL : 부하 전류IL: Load Current

IC : 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류IC: Output Current of Current Controlled Voltage Source Inverter

Vg : 입력 전원 전압Vg: input power supply voltage

VL : 부하 전압 VL: load voltage

VX : 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압 VX: Voltage controlled by voltage controlled voltage source inverter

본 발명은 다기능 전기에너지 절전장치에 관한 것이다. The present invention relates to a multifunctional electric energy saving device.

일반적으로 전기에너지 절감을 위해 사용되고 있는 기존의 절전장치들의 전기에너지 절감의 기본 개념은 부하에 인가되는 전압을 강하하여 이의 비율만큼 소비에너지를 절약하는 것이다. 이는 전기공급규정에 전력회사로부터의 공급전압 범위(Supply Voltage Range)를 규정전압(Nominal Voltage)의 상하 6퍼센트까지로 규정하고 있어, 공급전압 범위 내에서 전기전자기기가 정상적으로 작동 또는 운전되도록 하기 위하여 모든 기기는 정격전압의 상하 10퍼센트까지의 이용전압 범위(Utilization Voltage Range) 내에서 정상 운전될 수 있게 설계, 제작하도록 기기제조법규로 규정하고 있기 때문에 가능한 것이다. 즉, 기기제작 시 제조법규를 만족하기 위해서는 이용전압 범위 내에서 출력특성을 보장하도록 과잉 설계(Over Design)할 수밖에 없고, 실제 정격전압 인가 시에는 공급과잉으로 불필요한 전력을 낭비하게 되기 때문에, 에너지 절감 효과를 얻기 위한 적정전압을 유지하기 위하여 공급전압을 강압 또는 승강압하여 운전함으로서 절전 효과를 얻게 된다. In general, the basic concept of electric energy saving of existing power saving devices used for electric energy saving is to save energy consumption by a ratio by dropping the voltage applied to the load. In the electricity supply regulations, the supply voltage range from the utility company is defined as up to 6 percent above and below the nominal voltage, so that the electric and electronic equipment operates or operates normally within the supply voltage range. This is possible because all equipment is regulated by device manufacturing codes to be designed and manufactured to operate normally within the Utility Voltage Range up to 10 percent above and below the rated voltage. In other words, in order to satisfy the manufacturing regulations when manufacturing the device, it is necessary to over design to guarantee the output characteristics within the available voltage range, and when the rated voltage is actually applied, unnecessary power is wasted due to excess supply, thereby saving energy. In order to maintain the proper voltage to obtain the effect by operating the power supply voltage step-down or step-down to obtain a power saving effect.

상기에 기술한 절전개념에 의한 기존의 절전장치들은 크게 단권변압기(또는 상호유도리액터)에 의한 방법과 반도체 스위치에 의해 부하전압을 제어하는 방법으로 나눌 수 있고, 이들 각각의 대표적인 토폴로지(topology)를 [도 1a] ~ [도 1c]에 보였는데, [도 1a]는 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 특성을 이용하여 부하전압을 절전 가능전압으로 제어하는 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller)이고, [도 1b]는 [도 1a]를 개선하여 부하전압을 승압 또는 강압이 가능하도록 제어하는 승강압형 절전장치(Step-Up/Down type Energy Saving Controller)이다. 한편 [도 1c]는 [도 1a], [도 1b]와 달리 반도체 스위치에 의해 부하전압을 제어하는 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller by using electronic switch)이다. 이들 절전장치는 가정용의 소 용량에서부터 산업응용의 대용량에 이르기까지 교류전원을 사용하는 곳에서 부하의 소비에너지를 절감하기 위하여 다양하게 적용되고 있다. Existing power saving devices according to the power saving concept described above can be largely divided into a method using a single winding transformer (or a mutual induction reactor) and a method of controlling a load voltage by a semiconductor switch. 1A to 1C, FIG. 1A is a step-down type energy saving device for controlling a load voltage to a power saving voltage using characteristics of a single winding transformer (or mutual induction reactor). Saving Controller), and [Fig. 1B] is a step-up / down type energy saving controller for controlling the load voltage to be stepped up or down by improving [Fig. 1A]. 1C is a step-down type energy saving controller by using electronic switch to control a load voltage by a semiconductor switch, unlike FIG. 1A and FIG. 1B. These power saving devices are applied in various ways to reduce the energy consumption of the load in the place where AC power is used, from the small capacity of home use to the large capacity of industrial application.

한편, 이라크 전쟁 등 국제 정세의 불안으로 인한 국제 유가의 급등, 교토 의정서에 의해 온실가스배출 기준의 강화로 대체에너지의 개발 및 보급과 함께 에너지 생산 및 사용량의 절감 문제와 자동화 및 이동 통신시스템의 발달로 전력 품질의 향상 문제는 이 시대의 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 하지만, 지금까지 개발된 기존의 절전장치는 단순히 전압제어를 통해 에너지절감효과를 얻는 것으로, 역율 이나 전력 품질(Power Quality)개선에 대해서는 전혀 고려가 되지 않고 있는 실정이다. 특히 전기공급규정의 역율 0.9 이상 유지규정을 고려하면, 기존의 제작, 판매되고 있는 기기들은 기본적으로 일정부분 역율을 발생시키고 있기 때문에 불 필요한 발전 용량 감소를 위하여 이의 개선은 시급한 실정이다. 그러므로 부하전압 제어만을 하는 기존의 절전장치와는 달리, 절전은 물론이고, 부하의 역율 및 전력품질까지도 개선할 수 있는 다기능 절전장치의 개발이 절실하게 요구되고 있다. Meanwhile, the surge in international oil prices due to the unrest of the international situation such as the Iraq war and the strengthening of greenhouse gas emission standards under the Kyoto Protocol have led to the development and dissemination of alternative energy, the reduction of energy production and consumption, and the development of automation and mobile communication systems. As a result, the improvement of power quality has emerged as a very important problem in this era. However, the existing power-saving devices that have been developed so far are simply energy-saving effect through the voltage control, the situation is not considered at all to improve the power factor or power quality (Power Quality). In particular, considering that the power supply regulation maintains a power factor of 0.9 or more, the existing devices manufactured and sold basically generate a partial power factor, and thus, it is urgent to improve the power generation capacity to reduce unnecessary power generation capacity. Therefore, unlike conventional power saving devices that only control the load voltage, the development of a multifunctional power saving device that can improve not only power saving but also the power factor and power quality of the load is urgently required.

상기의 종래 기술들이 갖는 문제점들을 해결하기 위해 창안된 본 발명은 기존의 부하전압 제어를 통하여 전기에너지 절감효과를 꾀하는 시도와는 다르게, 두 대의 인버터(Inverter)를 이용하여 입력 계통 전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 계통 전원을 고품질 전력(High Power Quality)으로 유지하면서 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 효과적인 방법을 제안하는 것이다.
The present invention, which was devised to solve the problems of the prior arts, differs from the attempt to reduce the electric energy through the conventional load voltage control, and the power factor and harmonics of the input system power supply using two inverters. It is to propose an effective way to drastically reduce the power consumption of the load while maintaining the system power at high power quality by improving the power supply.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제를 설명하기 위하여, 기존 절전 장치를 살펴보면, [도 1a]는 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 특성을 이용하여 부하전압을 절전 가능전압으로 제어하는 강압형 절전장치로서, 이는 비교적 쉬운 방법으로 구현이 가능하기 때문에 비교적 많이 사용되고 있지만, 부하전압제어를 위하여 변압기의 탭 변환이 필수이고, 이를 위해 서보모터나 탭 절환 스위치를 사용하게 되는데, 탭 절환 시 접점에서 스파이크 또는 리액터 에너지에 의한 서지가 발생하고, 변압기 운전시의 소음 등의 단점이 있다. [도 1b]는 부하전압을 승압 또는 강압이 가능하도록 제어하는 승강압형 절전장치로서, 기본 원리는 [도 1a]와 같지만, [도 1a]의 절전장치가 강압 구조이기 때문에 공급전압이 절전가능전압 이하일 때는 제어가 불가능한 단점을 개선하기 위하여 1 차측에 센터 탭(center tap)을 두어 승·강압이 가능하도록 개선한 것이다. 한편 [도 1c]는 [도 1a], [도 1b]와 달리 반도체 스위치에 의해 부하전압을 제어하는 강압형 절전장치로서, [도 1a], [도 1b]의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 문제와 변압기 소음 등의 문제를 해결할 수 있지만, 에너지 절감을 위해 강하하는 전압(Vx)을 제어하면서 생기는 에너지를 전원 측에 회생(regeneration)시키지 못하고, 저항(R)에서 소모하기 때문에 에너지 절감 효과가 [도 1a], [도 1b]에 비하여 작은 단점이 있다.
In order to explain the technical problem to be achieved by the present invention, looking at the existing power saving device, [1a] is a step-down type power saving device for controlling the load voltage to the power saving voltage using the characteristics of a single winding transformer (or mutual induction reactor). This is relatively used because it can be implemented in a relatively easy way, but it is necessary to change the tap of the transformer to control the load voltage, and to do this, a servo motor or a tap-changing switch is used. Surge occurs due to energy, and there are disadvantages such as noise when operating a transformer. FIG. 1B is a step-up / type power saving device for controlling a load voltage to be stepped up or down, and the basic principle thereof is the same as that of FIG. 1A. However, since the power saving device of FIG. In the following case, in order to improve the disadvantages that cannot be controlled, the center tap is installed on the primary side to improve the pressure. On the other hand, [Fig. 1c] is a step-down type power saving device that controls the load voltage by a semiconductor switch, unlike [Fig. 1a], [Fig. 1b], the problem of spikes during tap-change which is a disadvantage of [Fig. 1a], [Fig. 1b] And transformer noise can be solved, but the energy saving effect is reduced because energy generated by controlling the voltage (Vx) that is falling for energy saving is not regenerated on the power supply side but consumed by the resistor (R). 1a] and [1b] have a small disadvantage.

따라서 본 발명의 기술적 과제는 기존의 절전장치가 갖고 있는 단점([도 1a], [도 1b]와 같이 단권변압기의 원리를 사용하는 절전장치의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 및 변압기 소음 등의 문제, [도 1c]와 같이 반도체 스위치를 사용하는 절전장치의 단점인 제어 에너지의 회생 문제 등)을 개선함은 물론, 입력 계통 전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질 전력으로 유지하도록 제어가 가능하면서 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 다기능의 전기에너지 절전장치를 고안하는 것이다.
Therefore, the technical problem of the present invention is a disadvantage of the conventional power saving device ([FIG. 1A], [FIG. 1B] problems such as spikes and transformer noise during tap change, which are disadvantages of the power saving device using the principle of a single winding transformer). In addition to improving the regeneration problem of control energy, which is a disadvantage of a power saving device using a semiconductor switch, as shown in FIG. 1C), the power factor, harmonics, etc. of the input system power supply may be improved to maintain high quality power. It is to devise a multifunctional electric energy saving device that can dramatically reduce the power consumption of the load.

본 발명에 의한 다기능 전기에너지 절전장치의 구성은 [도 2]와 같고 이를 설명하면 다음과 같다. 즉 입력 계통전원과,The configuration of the multifunction electric energy saving device according to the present invention is as shown in FIG. Input grid power,

상기 계통전원과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 계통전원을 역율 1의 고품질 전력으로 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 구성한 전류 제어형 전압원 인버터(10)와,In order to remove the phase difference and harmonics of the current generated from the load and control the grid power supply with high power of 1, the four diodes are connected in parallel to the grid power supply. a current controlled voltage source inverter 10 constructed of a bridge type),

상기 계통전원과 직렬 연결되어, 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하기 위한 변압기와,A transformer connected in series with the grid power supply and controlling a load voltage to reduce load energy;

상기 변압기의 2차측에 연결되어, 부하 에너지 절감을 위한 변압기 전압(Vx)를 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입으로 구성한 전압 제어형 전압원 인버터(20)와,A voltage controlled voltage source inverter 20 connected to the secondary side of the transformer and configured to have four full-conductor switches for conduction time control in which a diode is anti-parallel connected to control the transformer voltage Vx for reducing load energy;

상기 전류 제어형 전압원 인버터(10)와 전압 제어형 전압원 인버터(20)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화하기 위한 직류 커패시터와,  A DC capacitor for stabilizing the DC voltage of the inverter by commonly connecting the DC side of the current controlled voltage source inverter 10 and the voltage controlled voltage source inverter 20;

상기 계통 전압에 직렬 연결된 부하전압 제어용 변압기 1차측 권선의 나머지 단자에 부하가 연결되고, 부하와 계통전원의 접지가 공통 접지되는 구조를 가진다.The load is connected to the remaining terminals of the primary winding of the load voltage control transformer connected in series with the grid voltage, and the ground of the load and the grid power supply is commonly grounded.

첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.Detailed description of the invention with reference to the accompanying drawings is as follows.

[도 1a]는 기존의 강압형 절전장치로서 부하전압이 계통전압보다 항상 Vx 만큼 작게 강압 제어하는 절전 장치이다. 이는 단권변압기의 탭 변환에 의하여 부하의 전압을 입력 계통 전압에 관계없이 에너지 절감 효과를 극대화하기 위한 최적의 전압으로 제어하는데, 이를 위하여 서보모터를 이용하거나 탭 절환 스위치의 사용이 필수이고, 이 때문에 탭 절환 시 접점에서 스파이크 또는 리액터 에너지에 의한 서지가 발생하고, 변압기 운전시의 소음 등의 단점이 있다. 하지만, 이는 에너지 절감을 위해 강하하는 전압(Vx)을 제어하면서 생기는 에너지를 전원 측에 그대로 회생시킬 수 있기 때문에 에너지 절감 효과가 크고, 비교적 쉬운 방법으로 구현이 가능하기 때문에 가장 많이 사용되고 있는 장치이다Figure 1a is a conventional step-down type power saving device is a power saving device for step-down control of the load voltage is always as small as Vx than the grid voltage. This is to control the voltage of the load by the tap change of the single winding transformer to the optimum voltage to maximize the energy saving effect irrespective of the input system voltage. For this purpose, it is necessary to use a servo motor or the use of a tap-changing switch. When tap-changing, a surge occurs due to spike or reactor energy at a contact point, and there are disadvantages such as noise when operating a transformer. However, this is the most widely used device because energy saving effect is large and it can be implemented in a relatively easy way because energy generated while controlling the voltage (Vx) falling for energy saving can be regenerated as it is.

[도 1b]는 기존의 승강압형 절전장치로서, 계통의 전압이 부하 에너지 절감을 위한 적정 부하전압 보다 작게 인가될 때, 승압제어가 불가능한 [도 1a]의 절전장치를 승압 또는 강압 제어가 가능하도록 개선하기 위하여 1 차측에 센터 탭을 두어 승강압이 가능하도록 개선한 것이다. 따라서 이 승강압형 절전장치는 [도 1a]의 장점과 단점을 그대로 공유하게 되는데, 다만, 승압 및 강압이 가능하기 때문에 [도 1a]에 비하여 입력전압의 범위가 더 넓다는 장점이 있다. Figure 1b is a conventional step-up type power saving device, when the voltage of the system is applied less than the appropriate load voltage for reducing the load energy, so that the step-up or step-down control of the power saving device of [Fig. In order to improve, the center tap is placed on the primary side to improve the lifting pressure. Therefore, the step-down type power saving device shares the advantages and disadvantages of the [FIG. 1A], but it has the advantage that the input voltage range is wider than that of [FIG.

[도 1c]는 기존의 반도체 스위치에 의한 강압형 절전장치로서, 반도체 스위치에 의해 제어되기 때문에 [도 1a], [도 1b]과 같이 단권변압기를 이용하는 방식의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 문제와 변압기 소음 등의 문제를 해결할 수 있지만, 에너지 절감을 위해 강하하는 전압(Vx)을 제어하면서 생기는 에너지를 전원 측에 회생시키지 못하고, 저항(R)에서 소모하기 때문에 에너지 절감 효과가 [도 1a], [도 1b]에 비하여 작은 단점이 있다. FIG. 1C is a step-down type power saving device using a conventional semiconductor switch, and is controlled by a semiconductor switch, so that the problem of spikes at the time of tap switching, which is a disadvantage of the method using a single winding transformer as shown in FIGS. 1A and 1B, Problems such as transformer noise can be solved, but the energy saving effect is reduced because the energy generated by controlling the voltage Vx dropping for energy saving is not regenerated on the power supply side and consumed by the resistor R [FIG. 1A], There is a small disadvantage compared to FIG. 1b.

[도 2]는 본 발명에서 고안한 다기능 전기에너지 절전장치로서, 기존의 단권변압기를 이용하는 절전장치([도 1a], [도 1b])나 반도체 스위치를 사용하여 정류 제어하는 절전장치([도 1c])와 달리, 양방향 제어가 가능한 두 대의 인버터로 구성되어 기존 절전장치가 갖고 있는 단점([도 1a], [도 1b]와 같이 단권변압기의 원리를 사용하는 절전장치의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 및 변압기 소음 등의 문제, [도 1c]와 같이 반도체 스위치를 사용하는 절전장치의 단점인 제어 에너지의 회생 문제 등)을 개선함은 물론, 입력 계통 전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질 전력으로 유지하도록 제어가 가능하면서 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 전기에너지 절전장치이다.2 is a multi-functional electric energy saving device devised in the present invention, a power saving device ([FIG. 1A], [FIG. 1B]) using a conventional single winding transformer or a power saving device for rectifying control using a semiconductor switch (FIG. Unlike 1c]), it consists of two inverters capable of bi-directional control, and has the disadvantage of the existing power saving device ([1a], [1b] as shown in FIG. 1b]. Problems such as spikes and transformer noise, and regenerative problems of control energy, which are disadvantages of power saving devices using semiconductor switches as shown in FIG. 1C), as well as improving power factor and harmonics of input system power. It is an electric energy saving device that can be controlled to maintain power and can significantly reduce the power consumption of a load.

본 발명의 전기에너지 절감을 위한 부하인가 전압의 제어는 계통과 부하사이에 직렬 연결된 변압기 전압(Vx)에 의하여 수행된다. 이들 관계는 VL = Vg - Vx로서 계통인가 전압의 크기에 상관없이 Vx의 제어로 에너지절감에 필요한 적정부하전압을 유지할 수 있고, 이를 위하여 본 발명에서는 기존 절전장치와 달리 전압제어형 전압원 인버터를 사용한다. 이 인버터는 양방향 제어가 가능하기 때문에 Vx를 양(+)의 전압에서부터 음(-)의 전압까지 선형적으로 제어가 가능하여 부하전압의 승압 및 강압 제어가 가능할 뿐 아니라, Vx의 제어범위가 정격의 상하 10퍼센트 범위인 이용전압의 범위에 있기 때문에 이의 제어를 위한 인버터의 용량은 부하 정격의 10퍼센트면 충분하고, 이의 에너지는 공통 연결된 전류제어형 전압원 인버터를 통하여 전원 측에 회생하게 된다. 한편, 현재 제작, 판매되고 있는 전기전자기기들은 전기공급규정의 역율 0.9 이상 유지규정을 적용하여 제작하였기 때문에, 기본적으로 일정부분 역율을 발생시키고 있을 뿐 아니라 비선형 부하의 경우 고조파 또한 무시할 수 없는 수준이다. 이를 개선하기위하여 본 발명의 CCVSI가 부하전류의 무효 및 고조파 성분을 보상하도록 제어(Ig = IL - Ic)하고, 이의 제어범위가 역율 0.9 정도의 부하이기 때문에 인버터의 용량은 부하 정격의 30퍼센트면 충분하다.The control of the load application voltage for the electrical energy saving of the present invention is performed by a transformer voltage (Vx) connected in series between the grid and the load. These relations are VL = Vg-Vx so that the proper load voltage required for energy saving can be maintained by the control of Vx regardless of the magnitude of the voltage applied to the system. For this purpose, the present invention uses a voltage controlled voltage source inverter unlike the conventional power saving device. . Since the inverter is bi-directional controllable, it is possible to control Vx linearly from positive voltage to negative voltage, and to control the step-up and step-down of the load voltage, and the control range of Vx is rated. Since it is in the range of the available voltage, which is in the range of 10% above and below, the capacity of the inverter for controlling it is sufficient to be 10% of the load rating, and its energy is regenerated to the power supply side through a commonly connected current controlled voltage source inverter. On the other hand, the electrical and electronic devices currently manufactured and sold are manufactured by applying a power supply factor of 0.9 or higher of the electricity supply regulation, which basically generates some power factor, and in the case of nonlinear loads, harmonics cannot be ignored. . In order to improve this, the CCVSI of the present invention is controlled to compensate for the invalid and harmonic components of the load current (Ig = IL-Ic), and since its control range is a load with a power factor of about 0.9, the capacity of the inverter is 30% of the load rating. Suffice.

그러므로 본 발명은 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 탭 변환 방식 또는 제어정류회로에 의하여 제어하는 기존의 구조와는 근본적으로 다르게, VCVSI에 의하여 에너지 절감을 위한 부하 전압을 선형적으로 승압 및 강압 제어가 가능하고, 이를 위한 에너지는 CCVSI와 연계하여 회생할 수 있을 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선할 수 있으며, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 10퍼센트 이하이고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 30퍼센트 이하이기 때문에 보다 컴팩트하고, 저렴한 비용으로 다기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 제작이 가능하다.Therefore, the present invention is fundamentally different from the conventional structure controlled by the tap-change method or the control rectifier circuit of the single winding transformer (or mutual induction reactor), and linearly boosts and lowers the load voltage for energy saving by VCVSI. The energy for this can be regenerated in conjunction with CCVSI, and can significantly improve harmonics and reactive power by CCVSI, and the energy controlled through VCVSI is 10 percent of the load rating for voltage control. Since the energy received through CCVSI for reactive power and harmonic control is 30% or less of the load rating, it is possible to manufacture a more compact, low cost, and multifunctional electric energy saving device.

[도 3a]는 240V, 50Hz 전압 인가 시 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하로서, 본 발명의 에너지 절감 및 전력 품질 개선효과를 검증하기 위하여 순수 저항 부하(23 Ω)와 비선형 부하(다이오드 브리지 정류회로에 연결된 R=20Ω, L=10mH, C=1000uF)가 병렬 연결된 형태의 부하이다. FIG. 3A is a nonlinear load having a capacity of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94) when 240V and 50 Hz voltage is applied, in order to verify the energy saving and power quality improvement effect of the present invention. A resistive load (23 Ω) and a nonlinear load (R = 20Ω, L = 10mH, C = 1000uF connected to the diode bridge rectifier circuit) are connected in parallel.

[도 3b]는 240V, 50Hz 전압 인가 시 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하로서, 본 발명의 에너지 절감 및 전력 품질 개선효과를 검증하기 위한 비선형 부하(다이오드 브리지 정류회로에 연결된 R=20Ω, L=10mH, C=1000uF)이다. FIG. 3b is a nonlinear load having a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84) when a 240 V and 50 Hz voltage is applied, and is a nonlinear device for verifying the energy saving and power quality improvement effect of the present invention. The load (R = 20Ω, L = 10mH, C = 1000uF) connected to the diode bridge rectifier circuit.

[도 4a]는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하([도 3a])에 240V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. 시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 5860[W], 2126[Var]의 전력 소비에 비선형부하에 의해 입력전류의 파형이 심하게 왜곡되어 있음을 볼 수 있다.4A shows 240V and 50Hz of a nonlinear load ([FIG. 3A]) of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94) capacity in order to confirm the energy saving effect by the load voltage control. This waveform shows simulation results when an input voltage is applied. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL). As shown in the figure, the waveform of the input current is severely distorted by the nonlinear load in the power consumption of 5860 [W] and 2126 [Var].

[도 4b]는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하([도 3a])에 210V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. 시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 4761[VA](4476[W], 1622[Var], PF 0.94)의 전력 소비로 부하전압 강하에 의해 [도 4a]에 비하여 약 24퍼센트 정도의 에너지 절감 효과가 있음을 알 수 있으며, 이러한 에너지 절감 효과는 부하에 따라 다르게 되는데, 실제 조명부하에서 그 효과가 가장 크고, 전동기부하에서 가장 작은 것으로 알려져 있다. 하지만 [도 4a]에 비하여 부하 역율 및 비선형부하에 의한 부하전류 파형의 왜곡현상에는 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 부하전압 제어만을 수행하는 기존의 절전 장치는 에너지 절감 효과이외의 부하역율 및 고조파 저감에 아무런 역할을 할 수 없음을 보여주는 것이다. FIG. 4B shows 210V and 50Hz of a nonlinear load ([FIG. 3A]) with a capacity of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94) in order to confirm the energy saving effect by the load voltage control. This waveform shows simulation results when an input voltage is applied. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL). As shown in the figure, the power consumption of 4761 [VA] (4476 [W], 1622 [Var], PF 0.94) shows about 24% energy saving effect compared to [Fig. 4A] by the load voltage drop. It can be seen that the energy saving effect is different depending on the load, the effect is the largest in the actual lighting load, the smallest in the motor load is known. However, it can be seen that there is no difference in the distortion phenomenon of the load current waveform due to the load power factor and the nonlinear load, as compared with FIG. 4A. This shows that the existing power saving device performing only load voltage control can play no role in reducing the load power factor and harmonics other than the energy saving effect.

[도 5a]는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하([도 3b])에 240V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. 시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 3349[W], 2126[Var]의 전력 소비에, 비선형부하만의 부하로 [도 4a]에 비하여 입력전류의 파형이 더욱 심하게 왜곡되어 있음을 볼 수 있다.FIG. 5A shows 240V and 50Hz of a nonlinear load ([FIG. 3B]) with a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], and PF 0.84) in order to confirm the energy saving effect by the load voltage control. This waveform shows simulation results when an input voltage is applied. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL). As shown in the figure, the waveform of the input current is more severely distorted than the power consumption of 3349 [W] and 2126 [Var] compared to [Fig. 4A] with only a nonlinear load.

[도 5b]는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하([도 3b])에 210V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. 시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 3029[VA](2558[W], 1622[Var], PF 0.84)의 전력 소비로 부하전압 강하에 의해 [도 5a]에 비하여 약 24퍼센트 정도의 에너지 절감 효과가 있음을 알 수 있으며, 이러한 에너지 절감 효과는 부하에 따라 다르게 되는데, 실제 조명부하에서 그 효과가 가장 크고, 전동기부하에서 가장 작은 것으로 알려져 있다. 하지만 [도 5a]에 비하여 부하 역율 및 비선형부하에 의한 부하전류 파형의 왜곡현상에는 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 부하전압 제어만을 수행하는 기존의 절전 장치는 에너지 절감 효과이외의 부하역율 및 고조파 저감에 아무런 역할을 할 수 없음을 보여주는 것이다. FIG. 5B shows 210V and 50Hz of a nonlinear load ([FIG. 3B]) having a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], and PF 0.84) in order to confirm the energy saving effect by the load voltage control. This waveform shows simulation results when an input voltage is applied. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL). As can be seen in the figure, the power consumption of 3029 [VA] (2558 [W], 1622 [Var], PF 0.84) shows about 24% energy saving effect compared to [Fig. 5A] by the load voltage drop. It can be seen that the energy saving effect is different depending on the load, the effect is the largest in the actual lighting load, the smallest in the motor load is known. However, it can be seen that there is no difference in the distortion phenomenon of the load current waveform due to the load power factor and the nonlinear load as compared with FIG. 5A. This shows that the existing power saving device performing only load voltage control can play no role in reducing the load power factor and harmonics other than the energy saving effect.

[도 6]은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치의 전기에너지 절감 효과 및 전력품질 향상 효과를 확인하기 위하여 [도 2]의 절전장치의 시뮬레이션 결과 파형이다. 시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 [도 4a] ~ [도 5b]에 서와 마찬가지로 이상적인 것으로 가정하였으나, 인버터에 사용된 스위치의 턴-온저항 Rsw=36mΩ의 조건으로 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 본 발명의 효용성 및 제어특성을 확인하기 위하여, 240V, 50Hz의 전압(유럽연합, 호주 등의 정격전압)을 인가했을 때, 에너지절감을 위한 적정 부하전압으로 210V를 설정하고, 3967[VA] (3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하([도 3b])를 인가하다가 0.15초 후에 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하([도 3a])로 증가시켰을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. 그림 위에서부터 전류(전원전류 Ig, 부하전류 IL, CCVSI전류 Ic), 전압(전원전압 Vg, 부하전압 VL, VCVSI전압 Vc), 유효전력(전원 Wg, 부하 WL, CCVSI Wc, VCVSI Wx) 그리고 무효전력(전원 Varg, 부하 VarL, CCVSI Varc)의 파형이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 본 발명의 절전장치는 부하변동에 상관없이 부하전압을 210V로 제어하고 있음을 보여주고, 이에 의하여 부하 소비에너지는 2608[W], 1675[Var](역율 0.84)를 소비하다가 0.15초 후에 4676[W], 1725[Var](역율 0.94)로 제어되고, 이와 대응하여 CCVSI의 전력은 197[W], 1666[Var]에서 429[W], 1730[Var]로, VCVSI는 260[W]에서 463[W]로, 계통 입력전력은 2679[W](역율 1)에서 4630[W](역율 1)로 제어하면서 비선형 부하에 의해 왜곡된 부하전류를 CCVSI에 의해 보상함으로서 입력전류가 정현전류로 제어됨을 알 수 있다. 이는 본 고안의도대로 에너지절감을 위한 VCVSI의 제어 에너지가 CCVSI와 연계하여 회생하고 있음을 보여줄 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선함으로서 전력 품질 향상은 물론이고, 약 26%의 에너지 절감 효과가 있음을 보여주고 있다. 이는 단순히 인가전압만을 강하하여 손실이 전혀 없는 [도 4a] ~ [도 5b]의 에너지 절감효과 보다도 높은 것으로, 본 발명의 절전장치가 인버터 손실에도 불구하고 전압강하효과에 더하여 무효전력 개선에 의한 에너지 절감의 시너지(synergy) 효과가 있음을 알 수 있다. 또한, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 7.4퍼센트에 불과하고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 28.5퍼센트에 불과하기 때문에 보다 컴팩트하고, 저렴한 비용으로 고품질 전력 보상기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 제작이 가능함을 알 수 있다.FIG. 6 is a simulation result waveform of the power saving device of FIG. 2 to confirm the electric energy saving effect and the power quality improvement effect of the multifunctional power saving device devised in the present invention. All devices used in the simulation were assumed to be ideal as in [Fig. 4a] to [Fig. 5b], but the simulation was performed using the Psim software under the condition of the turn-on resistance Rsw = 36mΩ of the switch used in the inverter. . In order to confirm the utility and control characteristics of the present invention, when a voltage of 240 V and 50 Hz (rated voltage of EU, Australia, etc.) is applied, 210 V is set as an appropriate load voltage for energy saving, and 3967 [VA] ( 3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84) Apply a nonlinear load ([Fig. 3b]), and after 0.15 seconds, 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94). It is a waveform of a simulation result when it increases with a load ([FIG. 3A]). From above figure, current (power current Ig, load current IL, CCVSI current Ic), voltage (power voltage Vg, load voltage VL, VCVSI voltage Vc), active power (power Wg, load WL, CCVSI Wc, VCVSI Wx) and invalid The waveform of power (power Varg, load VarL, CCVSI Varc). As shown in the figure, the power saving device of the present invention shows that the load voltage is controlled to 210 V regardless of the load fluctuation, thereby consuming 2608 [W] and 1675 [Var] (power factor 0.84). After 0.15 sec, it is controlled to 4676 [W], 1725 [Var] (power factor 0.94), and the corresponding CCVSI power is 197 [W], 1666 [Var] to 429 [W], 1730 [Var], and VCVSI. Is controlled from 260 [W] to 463 [W] and the grid input power is controlled from 2679 [W] (power factor 1) to 4630 [W] (power factor 1) while compensating for the load current distorted by the nonlinear load by CCVSI. It can be seen that the input current is controlled by the sinusoidal current. This not only shows that the control energy of VCVSI for energy saving is regenerating in connection with CCVSI, but also significantly improves harmonics and reactive power by CCVSI. It shows energy savings. This is higher than the energy saving effect of [FIG. 4A] to [FIG. 5B] that there is no loss by simply dropping only the applied voltage, and the energy saving device of the present invention is improved by reactive power in addition to the voltage drop effect in spite of inverter loss. It can be seen that there is a synergy effect of the savings. In addition, the energy controlled through VCVSI for voltage control is only 7.4 percent of the load rating, and the energy received through CCVSI for reactive power and harmonic control is only 28.5 percent of the load rating. It can be seen that it is possible to manufacture an electric energy saving device having a high quality power compensation function at a cost.

[도 7]은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치를 분산전원시스템에 적용한 예를 보인 것이다. 그림의 옵션(option)부분과 같은 태양광 등의 대체에너지와 에너지 저장장치인 배터리가 본 발명의 절전장치에 추가되면, 본 발명의 에너지 절감 효과 및 전력 품질 향상 효과에 더하여 Peak-cutting 등의 수요관리제어(Demand side management)와 계통전력 사고 시를 대비한 UPS (Uninterruptible Power Supply) 등의 기능을 추가로 수행 할 수 있다. 이를 위해 VCVSI의 용량은 변함이 없고, 다만 CCVSI가 무효 전력 및 고조파의 보상이외에 DSM 및 UPS 기능을 부가적으로 수행하기 위하여 CCVSI의 용량을 VCVSI에 의해 절감된 부하용량만으로 증설하면 되기 때문에 기존의 분산전원시스템에 비하여도 경제적인 시스템이다. 또한 전압 제어에 의한 에너지 절감은 조명부하 시 가장 효과가 좋고, 전동기 부하의 경우 효과가 작기 때문에 부하 특성을 최적으로 유지하면서 에너지절감 효과를 얻기 위해서는 본 발명의 절전장치를 그림에서처럼 조명부하와 일반 동력 부하를 분리하여 조명부하만을 절전장치에 적용하는 방법을 고려할 수 있다. 이 경우에도 계통인입 전원이 분전반(Distribution Board)에서 일반 동력 부하와 조명부하로 이미 배분되어 연결되어 있으므로 시스템 적용에 문제가 전혀 없다. 따라서 본 발명의 절전장치는 에너지 절감효과가 우수한 조명부하의 비중이 40퍼센트 정도 되는 주거용 또는 상업용 빌딩에 적용하면 에너지 절감 효과가 극대화 될 뿐 아니라 건물의 분전반에 간단하게 설치할 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 다기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 활용이 가능하다.7 shows an example of applying the multifunctional power saving device devised in the present invention to a distributed power supply system. If alternative energy such as solar energy and a battery as an energy storage device are added to the power saving device of the present invention as shown in the option part of the figure, demand for peak-cutting and the like is added to the energy saving effect and power quality improvement effect of the present invention. Additional functions such as demand side management and uninterruptible power supply (UPS) in case of a grid power accident can be performed. To this end, the capacity of the VCVSI remains unchanged, but the CCVSI needs to expand the capacity of the CCVSI with only the load capacity saved by the VCVSI in order to perform the DSM and UPS functions in addition to the compensation of reactive power and harmonics. It is economical system compared to power system. In addition, energy saving by voltage control is most effective at lighting load, and in case of electric motor load, the effect is small. Therefore, in order to obtain the energy saving effect while maintaining the load characteristics optimally, the power saving device of the present invention uses lighting load and general power as shown in the figure. Consider separating the load and applying only the lighting load to the power saving device. In this case, there is no problem in applying the system since the grid-in power is already distributed and connected to the general power load and the lighting load in the distribution board. Therefore, the energy saving device of the present invention can be applied to residential or commercial buildings with a high energy saving effect of about 40 percent, so that the energy saving effect can be maximized and can be simply installed in the distribution panel of the building. It is possible to utilize the electric energy saving device having.

본 발명은 계통 인입 전원에 병렬로 연결되는 전류제어형 전압원 인버터에 의하여 입력 계통전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질의 전력으로 유지하면서, 전원과 부하사이에 직렬로 연결되는 전압제어형 전압원 인버터에 의하여 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 것을 특징으로 한다.
The present invention improves the power factor, harmonics, and the like of the input system power supply by a current controlled voltage source inverter connected in parallel to the grid inlet power supply, while maintaining a high quality power by a voltage controlled voltage source inverter connected in series between the power supply and the load. Characterized in that it can significantly reduce the power consumption of the load.

본 발명은 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 탭 변환 방식 또는 제어정류회로에 의하여 제어하는 기존의 구조와는 근본적으로 다르게, VCVSI에 의하여 에너지 절감을 위한 부하 전압을 선형적으로 승압 및 강압 제어가 가능하고, 이를 위한 에너지는 CCVSI와 연계하여 회생할 수 있을 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선할 수 있으며, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 10퍼센트 이하이고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 30퍼센트 이하이기 때문에 보다 컴팩트하고, 저렴한 비용으로 고품질 전력 보상기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 제작이 가능하다.
The present invention is fundamentally different from the conventional structure that is controlled by a tap-changing method or a control rectifier circuit of a single winding transformer (or mutual induction reactor), and a linear step-up and step-down control of a load voltage for energy saving is performed by VCVSI. The energy for this can be regenerated in conjunction with CCVSI, and can significantly improve harmonics and reactive power by CCVSI, and the energy controlled by VCVSI for voltage control is less than 10 percent of the load rating. In addition, the energy received through CCVSI for reactive power and harmonic control is less than 30 percent of the load rating, making it possible to manufacture an electric energy saving device with higher power compensation with a more compact and low cost.

그러므로 본 발명은 기존의 절전장치가 사용되는 모든 분야에 다기능, 저가격, 고효율 절전장치로 활용할 수 있을 뿐 아니라, 특히, 전압제어에 의한 절전효과가 조명부하에서 가장 크기 때문에 조명부하 사용 비중이 40퍼센트에 달하는 주거용 또는 상업용 빌딩에 적용하면 에너지 절감 효과가 극대화 될 뿐 아니라 건물의 분전반에 간단하게 설치할 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 다기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 활용이 가능하다. 또한 본 발명의 절전장치에 태양광 등의 대체에너지와 에너지 저장장치인 배터리를 추가하면, 본 발명의 에너지 절감 효과 및 전력 품질 향상 효과에 더하여 Peak-cutting 등의 수요관리제어와 계통전력 사고 시를 대비한 UPS 등의 기능을 추가로 수행할 수 있기 때문에 국가에너지 절약 사업에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.


Therefore, the present invention can be utilized as a multi-function, low-cost, high-efficiency power-saving device in all fields where a conventional power-saving device is used, and in particular, since the power saving effect by voltage control is the largest in the lighting load, the use of the lighting load is 40 percent. When applied to residential or commercial buildings, not only maximizes energy savings but also can be easily installed in the distribution panel of the building, and thus it is possible to use electric energy saving device having multi-function at low cost. In addition, the addition of alternative energy such as solar light and an energy storage device to the power saving device of the present invention, in addition to the energy saving effect and power quality improvement effect of the present invention, demand management control such as peak-cutting and system power accidents It is expected to contribute much to the national energy saving business because it can perform additional functions such as UPS in preparation.


Claims (4)

입력 계통전원과,상기 계통전원과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 계통전원을 고품질 전력으로 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 구성한 전류 제어형 전압원 인버터(10)와,In order to control the system power supply with high quality power by eliminating phase difference and harmonics of current generated from the load in parallel with the input power supply and the system power supply, 4 switches for conduction time control with diodes in parallel and parallel are connected. a current controlled voltage source inverter 10 composed of a full bridge type, 상기 계통전원과 직렬 연결되어, 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하기 위한 변압기와,A transformer connected in series with the grid power supply and controlling a load voltage to reduce load energy; 상기 변압기의 2차측에 연결되어, 부하 에너지 절감을 위한 변압기 전압(Vx)를 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입으로 구성한 전압 제어형 전압원 인버터(20)와,A voltage controlled voltage source inverter 20 connected to the secondary side of the transformer and configured to have four full-conductor switches for conduction time control in which a diode is anti-parallel connected to control the transformer voltage Vx for reducing load energy; 상기 전류 제어형 전압원 인버터(10)와 전압 제어형 전압원 인버터(20)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화하기 위한 직류 커패시터와,  A DC capacitor for stabilizing the DC voltage of the inverter by commonly connecting the DC side of the current controlled voltage source inverter 10 and the voltage controlled voltage source inverter 20; 상기 계통 전압에 직렬 연결된 부하전압 제어용 변압기 1차측 권선의 나머지 단자에 부하가 연결되고, 부하와 계통전원의 접지가 공통 접지되는 구조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기능 전기에너지 절전장치.And a structure in which a load is connected to the other terminal of the primary winding of the load voltage control transformer connected in series with the grid voltage, and the ground of the load and the grid power supply is commonly grounded. 제1항에 있어서, 단상으로 구성된 전류 제어형 인버터(10)와 전압 제어형 인버터(20) 대신에; 2. A power supply according to claim 1, wherein instead of the current controlled inverter (10) and the voltage controlled inverter (20) consisting of single phases; 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브릿지 타입으로 구성한 3상 전류 제어형 인버터와 3상 전압 제어형 인버터로 3상 계통 전압에 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 3상 다기능 전기 에너지 절전 장치. Three-phase multi-function electric energy saving device, characterized in that the three-phase current control inverter consisting of six bridges for the conduction time control in which the diodes are connected in reverse parallel and the three-phase voltage controlled inverter connected to the three-phase system voltage . 제 1항에 있어서, 계통 전압에 직렬 연결된 부하전압 제어용 변압기 1차 측 권선의 나머지 단자에 전체 부하를 연결하는 대신에;2. The method of claim 1, further comprising: instead of connecting the entire load to the remaining terminals of the primary side winding of the load voltage control transformer connected in series with the grid voltage; 계통인입 전원을 분전반에서 일반 동력 부하와 조명부하로 배분하여, 일반 동력부하는 계통 전압에 직접 연결하고, 조명부하만 부하전압 제어용 변압기 1차 측 권선의 나머지 단자에 연결되는 구조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다기능 전기에너지 절전장치.The grid-input power is distributed from the distribution board to the general power load and the lighting load, and the general power load is directly connected to the grid voltage, and only the lighting load is connected to the remaining terminals of the primary winding of the load voltage control transformer. A multifunctional electric energy saving device characterized in that. 제 1항에 있어서, 전류제어형과 전압제어형 전압원 인버터의 직류 측에 연결된 직류커패시터에 배터리와 태양전지가 연결된 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 컨버터가 병렬 연결되는 구조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 분산전원시스템(Distributed Generation System) 기능을 갖는 다기능 전기에너지 절전장치.According to claim 1, characterized in that it comprises a structure in which a maximum power point tracking (MPPT) converter connected to a battery and a solar cell is connected in parallel to a DC capacitor connected to the DC side of the current controlled voltage controlled voltage source inverter, distributed Multifunctional electric energy saving device with a distributed generation system function.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101895717B1 (en) * 2017-04-28 2018-09-05 건국대학교 산학협력단 A solid-state transformer for compensting a power of grid and method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343139A (en) * 1992-01-31 1994-08-30 Westinghouse Electric Corporation Generalized fast, power flow controller
KR19990071714A (en) * 1995-11-29 1999-09-27 드폴 루이스 에이 Power flow control device and method
KR20010023974A (en) * 1997-09-15 2001-03-26 마이클 제이. 왈라스, 쥬니어 Power flow controller with dc-to-dc converter linking shunt and series connected inverters
JP2001251765A (en) * 2000-03-06 2001-09-14 Central Res Inst Of Electric Power Ind Loop power distribution system and power distribution line loop controller used in the same system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343139A (en) * 1992-01-31 1994-08-30 Westinghouse Electric Corporation Generalized fast, power flow controller
KR19990071714A (en) * 1995-11-29 1999-09-27 드폴 루이스 에이 Power flow control device and method
KR20010023974A (en) * 1997-09-15 2001-03-26 마이클 제이. 왈라스, 쥬니어 Power flow controller with dc-to-dc converter linking shunt and series connected inverters
JP2001251765A (en) * 2000-03-06 2001-09-14 Central Res Inst Of Electric Power Ind Loop power distribution system and power distribution line loop controller used in the same system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101895717B1 (en) * 2017-04-28 2018-09-05 건국대학교 산학협력단 A solid-state transformer for compensting a power of grid and method thereof

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