KR101010069B1 - 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치 - Google Patents

3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치 Download PDF

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윤중혁
박태범
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Abstract

본 발명은 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치를 제공하려는 것으로서, 본 발명에 따라서 출력전류 지령과 부하측으로부터 궤환된 궤환전류간 오차를 출력하는 제 1 감산기와, 제 1 감산기가 출력하는 오차를 비례적분하여 출력하는 비례적분기와, 상기 비례적분기의 출력에 전향보상전류를 가산하는 가산기를 구비하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치에 있어서, 상기 제 1 감산기와 상기 가산기 사이에 병렬로 접속되고, 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하고, 상기 제 1 감산기가 출력하는 오차로부터 상기 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 상기 가산기에 출력하는 공진형 제어기;를 포함하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치가 개시된다.
전력계통, 고조파 보상장치

Description

3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치{ACTIVE POWER FILTER FOR 3 POLES 4 WIRES POWER SYSTEM}
본 발명은 전력계통의 고조파 보상장치에 관한 것으로서, 특히 공진형 제어기를 이용한 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치에 관한 것이다.
최근 전력전자분야의 기술발전에 따라서 전력계통과 직접 연계하여 제어하는 기술의 보급이 확산되고 있는 추세이다. 이러한 전력계통과 직접 연계하여 제어하는 것으로서 대표적으로 태양광발전, 풍력발전 등의 분산전원 제어와 디지털 전압 조정기(Digital Voltage Regulator), 능동형 전력 필터(Active Power Filter)와 같은 전력 품질기기를 예로 들 수 있다.
교류 전력을 인입하여 변압기로 전압을 강압하여 부하기기에 공급하는 전력 계통에 있어서, 변압기 후단의 매끄러운 정현파(기본파) 형태의 교류파형은 고조파발생 부하기기(일명 비선형 부하기기)에 의해서 고조파 왜곡이 발생하였다.
따라서 이러한 전력 계통의 고주파 왜곡을 저감하기 위해서 비례적분 제어를 이용한 전류 제어기가 종래기술로서 제시되었다.
이러한 종래기술은 출력전류 지령으로부터 부하에 흐르는 출력검출전류의 궤 환전류를 빼서 그 차이전류를 비례적분하고 전향보상전류를 더하여 보상해주는 비례적분 필터 방식이었으나, 제어대상전류가 교류전류이거나 전향보상전류의 근거인 계통전압 검출값에 왜곡이 발생하면 오차가 지속 발생 및 누적되어 정상적인 전류 제어가 불가능해지는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 고주파 보상 대상전류가 교류전류이거나 전향보상전류의 근거인 계통전압 검출값에 왜곡이 발생하여도 안정적인 고조파 보상성능을 보이는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 상기 고조파 보상장치를 포함하는 능동 전력 필터를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 제 1 목적은, 출력전류 지령과 부하측으로부터 궤환된 궤환전류간 오차를 출력하는 제 1 감산기와, 제 1 감산기가 출력하는 오차를 비례적분하여 출력하는 비례적분기와, 상기 비례적분기의 출력에 전향보상전류를 가산하는 가산기를 구비하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치에 있어서,
상기 제 1 감산기와 상기 가산기 사이에 병렬로 접속되고, 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하고, 상기 제 1 감산기가 출력하는 오차로부터 상기 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 상기 가산기에 출력하는 공진형 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
상기 본 발명의 제 2 목적은, 고조파 보상장치를 갖는 능동 전력 필터에 있어서,
출력전류 지령과 부하측으로부터 궤환된 궤환전류간 오차를 출력하는 제 1 감산기와, 제 1 감산기가 출력하는 오차를 비례적분하여 출력하는 비례적분기와, 상기 비례적분기의 출력에 전향보상전류를 가산하는 가산기를 구비하는 1차 필터;
2차 필터로서, 상기 제 1 감산기와 상기 가산기 사이에 병렬로 접속되고, 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하고, 상기 제 1 감산기가 출력하는 오차로부터 상기 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 상기 가산기에 출력하는 공진형 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 고조파 보상장치를 갖는 능동 전력 필터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 출력전류 지령과 부하측으로부터의 궤환전류간 오차로부터 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 출력하는 공진형 제어기를 포함하므로, 교류신호가 보상 대상전류에 포함되어있는 경우에도 고조파 보상이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 2차 고조파 내지 50차 고조파중 적어도 어느 하나를 필터부에 의해 추출하여 빼주므로, 다양한 주파수의 고조파가 혼합된 전력계통의 전류에 대해서도 안정된 기본파 전류를 회복할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor)로 구성되므로, 큰 외형의 필터와 같은 수동 소자를 구성하는 것에 비해서 장치의 크기 및 점유면적이 대폭 축소되고 제작비용 또한 감축될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 그의 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 상세한 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 고조파 보상장치를 포함하는 능동형 전력 필터(Active Power Filter, 통상 APF로 약칭)(100)의 구성과 작용을 설명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고조파 보상장치를 포함하는 능동형 전력 필터(100)는 센싱(sensing) 회로부(20), 제어 회로부(10), 구동 회로부(30) 및 인버터(40)를 포함하여 구성된다.
센싱(sensing) 회로부(20)는 R상, S상, T상, N상의 선로를 가진 3상 4선식 전력계통(PL)에 접속되어 상별 전류와 상별 전압을 검출하고 상별 검출 전류와 상별 검출 전압을 디지털 신호로 변환하여 제어 회로부(10)에 출력한다.
제어 회로부(10)는 도 2에 도시된 것과 같은 본 발명에 따른 고조파 보상장치를 주요구성으로하며, 센싱 회로부(20)의 출력단에 접속되어 센싱 회로부(20)가 제공한 상별 검출 전류와 상별 검출 전압을 근거로 고조파를 제거한다.
구동 회로부(30)는 제어 회로부(10)의 출력단에 접속되어 제어 회로부(10)로 부터 출력되는 고조파 보상 출력 신호를 인버터(40)에 전달한다.
인버터(40)는 내부에 미도시의 펄스 폭 변조회로부 및 상별 스위칭 소자 쌍들을 포함하고, 구동 회로부(30)의 출력단에 접속되어, 고조파 보상(고조파 제거)된 구동 회로부(30)로부터의 고조파 보상 출력 신호를 근거로 펄스 폭 변조하여 상 별 스위치 소자 쌍들을 스위칭 듀티(switching duty) 제어함으로써 왜곡이 최소화된 기본파(정형파) 형태의 3상 교류파형을 만들어 3상 4선식 전력계통(PL)로 출력한다.
한편, 도 1의 능동 전력 필터(100)중 제어 회로부(10)의 주요부를 구성하는 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치의 회로구성을 보여주는 기능 블록도인 도 2를 참조하여 구성과 작용을 설명한다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 크게 구분하여 1차 필터부와 2차 필터부로 구성된다.
1차 필터부는 제 1 감산기(1), 제 1 비례제어기(2), 제 1 적분기(3), 제 2 비례제어기(4) 및 가산기(5)를 포함하여 구성된다.
2차 필터부는 본 발명의 특징적 구성부인 공진형 제어기(7-1 내지 7-n)로 구성된다.
1차 필터부에 있어서, 제 1 감산기(1)는 출력전류 지령(I_ref)과 인버터(40)의 출력단으로부터 궤환된 궤환전류(I_fb)간 오차를 출력한다. 여기서, 출력전류 지령(I_ref)은 목표로하는 지령 전류이고, 궤환전류(I_fb)는 도 1의 인버터(40)가 3상 4선식 전력계통(PL)에 출력하는 출력 전류를 궤환한 전류이다. 제 1 감산기(1)는 출력전류 지령(I_ref)로부터 인버터(40)의 출력단으로부터 궤환된 궤환전류(I_fb)를 빼서 그 차이, 즉, 오차를 출력한다.
1차 필터부에 있어서, 제 1 비례제어기(2)는 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차에 이득인 Ki를 곱한 오차증폭신호를 출력한다.
1차 필터부에 있어서, 제 1 적분기(3)는 제 1 비례제어기(2)가 출력하는 오차증폭신호를 적분하여 출력한다. 더욱 상세히, 제 1 적분기(3)는 제 1 비례제어기(2)가 출력하는 오차증폭신호를 적분회로를 통해 적분하여 출력한다.
1차 필터부에 있어서, 제 2 비례제어기(4)는 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차에 이득인 Kp를 곱한 오차증폭신호를 출력한다.
제 1 적분기(3)의 출력과 제 2 비례제어기(4)가 출력하는 오차증폭신호는 제 1 적분기(3)의 출력단과 제 2 비례제어기(4)의 출력단의 접속점에서 합해져서, 가산기(5)에 입력된다.
도 2에 있어서 가산기(5)에 입력되는 또 하나의 입력은 전향보상신호(I_ff) 즉, 도 1의 센싱 회로부(20)로부터의 계통전압 검출신호이다. 이러한 계통전압 검출신호의 입력 목적은 계통 연계형인 도 1에 도시된 바와 같은 능동 필터 장치(100)에 있어서 인버터(40)의 초기 동작시 계통 전압과 동일한 전압을 발생하여야 전력 평형이 이루어지기 때문이다.
1차 필터부에 있어서, 가산기(5)는, 제 1 적분기(3)의 출력과, 제 2 비례제어기(4)가 출력하는 오차증폭신호와, 전향보상신호(I_ff) 즉, 도 1의 센싱 회로부(20)로부터의 계통전압 검출 신호 및 본 발명에 따른 2차 필터 부인 공진형 제어기(7-1 내지 7-n)의 출력을 합하여 인버터(40)에 출력한다.
공진형 제어기(7-1 내지 7-n)는 제 1 감산기(1)와 가산기(5) 사이에 병렬로 접속된다. 공진형 제어기(7-1 내지 7-n)는, 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하고, 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차로부터 상기 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 가산기(5)에 출력한다.
공진형 제어기(7-1 내지 7-n)는 필터회로부(7d1 내지 7dn) 및 제 2 감산기(7b1 내지 7bn)를 포함하여 구성된다.
각각의 공진형 제어기(7-1 내지 7-n중 어느 하나)에 있어서, 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)는 제 1 감산기(1)와 가산기(5) 사이에 병렬로 접속되고, 각각 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출한다. 바람직한 실시 예상, 인버터(40)의 출력단으로부터 궤환된 교류신호에 포함될 수 있는 2차 고조파 내지 50차 고조파를 추출할 수 있도록, 공진형 제어기(7-1 내지 7-n)는 2차 고조파 내지 50차 고조파에 각각 대응하게 49개가 병렬접속될 수 있으며, 따라서 필터회로부(7d1 내지 7dn)는 49개가 될 수 있다. 이러한 필터회로부(7d1 내지 7dn)는 바람직한 실시 예상 능동 필터(active filter)로 불리는 고조파 필터로 구성될 수 있다. 공진형 제어기(7-1 내지 7-n)내에서, 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)는 후술하는 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)의 출력단과 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)사이에 병렬로 접속되며, 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)가 출력하는 신호중 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출한다.
각각의 공진형 제어기(7-1 내지 7-n중 어느 하나)에 있어서, 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)는 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차로부터 필터 회로부(7d1 내지 7dn)로부터 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 가산기(5)에 출력한다.
각각의 공진형 제어기(7-1 내지 7-n중 어느 하나)는 제 3 비례제어기(7a1 내지 7an중 어느 하나)와 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나) 및 제 3 적분기(7e1 내지 7en 중 어느 하나)를 더 포함할 수 있다.
제 3 비례제어기(7a1 내지 7an중 어느 하나)는 제 1 감산기(1)와 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나) 사이에 접속되어, 제 1 감산기(1)로부터의 오차에 미리 결정된 이득(Ki)을 곱하여 출력한다.
제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)는 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)의 출력을 적분하여 출력한다. 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)의 출력신호는 가산기(5)에 입력되는 동시에 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)로 궤환 입력된다.
제 3 적분기(7e1 내지 7en 중 어느 하나)는 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)와 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나) 사이에 접속되어, 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)로부터의 출력, 즉 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 적분하여 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)에 출력한다. 이때 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)는 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차로부터 필터 회로부(7d1 내지 7dn)로부터 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 적분한 제 3 적분기(7e1 내지 7en 중 어느 하나)로부터의 출력신호를 빼서 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)를 통해 가산기(5)에 출력한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor, 통상 DSP로 약칭됨)로 구성되므로, 장치를 소형화 구성하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이 구성되는 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치의 동작을 간략히 설명한다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 크게 1차 필터와 2차 필터로서 공진형 제어기를 포함한다.
제 1 감산기(1), 제 1 비례제어기(2), 제 1 적분기(3), 제 2 비례제어기(4) 및 가산기(5)를 포함하는 1차 필터에서, 제 1 감산기(1)는 출력전류 지령과 인버터(40)의 출력단측으로부터 궤환된 궤환전류(I_fb)간 오차를 출력한다.
그러면 제 1 비례제어기(2), 제 1 적분기(3), 제 2 비례제어기(4)를 포함하는 비례적분기는, 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차를 비례적분하여 출력한다.
가산기(5)는 상기 비례적분기의 출력에 전향보상신호로서 전력계통 검출전압신호(I_ff)를 가산한다.
2차 필터로서, 공진형 제어기(7-1 내지 7-n중 어느 하나)는 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하고, 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차로부터 상기 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 가산기(5)에 출력한다.
더욱 상세히, 공진형 제어기(7-1 내지 7-n중 어느 하나)는 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차에 미리 결정된 이득(Ki)을 곱한 신호를 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)에 출력하고, 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)는 제 1 감산기(1)가 출력하는 오차로부터 필터 회로부(7d1 내지 7dn)로부터 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 가산기(5)에 출력한다. 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)는 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)의 출력을 적분하여 출력한다. 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)의 출력신호는 가산기(5)에 입력되는 동시에 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)로 궤환 입력된다. 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)는 제 2 적분기(7c1 내지 7cn 중 어느 하나)가 출력하는 신호중 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출한다. 제 3 적분기(7e1 내지 7en 중 어느 하나)는 필터회로부(7d1 내지 7dn중 어느 하나)로부터의 출력, 즉 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 적분하여 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)에 출력한다. 그러면, 제 2 감산기(7b1 내지 7bn중 어느 하나)는 상기 비례적분기의 출력에 전향보상신호로서 전력계통 검출전압신호(I_ff)와, 2차 필터로서, 공진형 제어기(7-1 내지 7-n중 어느 하나)의 출력신호 즉, 제 3 적분기(7e1 내지 7en 중 어느 하나)로부터의 출력신호를 가산하여 최종적으로 인버터(40)에 출력한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 출력전류 지령과 부하측으로부터의 궤환전류간 오차로부터 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 출력하는 공진형 제어기를 포함하므로, 교류신호가 보상 대상전류에 포함되어있는 경우에도 고조파 보상이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 2차 고조파 내지 50차 고조파중 적어도 어느 하나를 필터부에 의해 추출하여 빼주므로, 다양한 주파수의 고조파가 혼합된 전력계통의 전류에 대해서도 안정된 기본파 전류를 회복할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치는 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor)로 구성되므로, 큰 외형의 필터와 같은 수동 소자를 구성하는 것에 비해서 장치의 크기 및 점유면적이 대폭 축소되고 제작비용 또한 감축될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치를 포함하는 능동형 전력 필터의 구성을 보여주는 기능 블록도이고,
도 2는 본 발명에 따른 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치의 회로구성을 보여주는 기능 블록도이다.
*도면의 주요부에 대한 부호의 설명
1: 제 1 감산기 2: 제 1 비례제어기
3: 제 1 적분기 4: 제 2 비례제어기
5: 가산기
7-1: 제 1 공진형 제어기 7a1: 제 3 비례제어기
7b1: 제 2 감산기 7c1: 제 2 적분기
7d1: 필터회로부 7e1: 제 3 적분기
7-n: n번째 공진형 제어기 7an: n번째 제 3 비례제어기
7bn: n번째 제 2 감산기 7cn: n번째 제 2 적분기
7dn: n번째 필터회로부 7en: n번째 제 3 적분기
10: 제어 회로부 20: 센싱 회로부
30: 구동 회로부 40: 인버터
PL: 3상 4선식 전력계통

Claims (5)

  1. 출력전류 지령과 인버터 출력단측으로부터 궤환된 궤환전류간 오차를 출력하는 제 1 감산기와, 제 1 감산기가 출력하는 오차를 비례적분하여 출력하는 비례적분기와, 상기 비례적분기의 출력에 전력계통 검출전압신호를 가산하는 가산기를 구비하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치에 있어서,
    상기 제 1 감산기와 상기 가산기 사이에 병렬로 접속되고, 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하고, 상기 제 1 감산기가 출력하는 오차로부터 상기 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 상기 가산기에 출력하는 공진형 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진형 제어기는,
    상기 제 1 감산기와 상기 가산기 사이에 병렬로 접속되고, 미리 결정된 주파수의 교류신호만을 추출하는 필터회로부; 및
    상기 제 1 감산기가 출력하는 오차로부터 상기 필터 회로부로부터 추출된 미리 결정된 주파수의 교류신호를 빼서 상기 가산기에 출력하는 제 2 감산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공진형 제어기는,
    상기 제 1 감산기와 상기 제 2 감산기 사이에 접속되어, 상기 제 1 감산기로부터의 오차에 미리 결정된 이득을 곱하여 출력하는 비례제어기;
    상기 제 2 감산기의 출력을 적분하여 출력하는 제 1 적분기; 및
    상기 필터회로부와 상기 제 2 감산기 사이에 접속되어, 상기 필터회로부로부터의 출력을 적분하여 출력하는 제 2 적분기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    미리 결정된 주파수는 2차 고조파 내지 50차 고조파중 어느 하나의 고조파 주파수인 것을 특징으로 하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 보상장치는 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor)로 구성되는 것을 특징으로 하는 3상 4선식 전력계통의 고조파 보상장치.
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