KR101034542B1 - 무효 전력 보상 장치 제어기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 무효 전력 보상 장치 제어기는 제어 기준 전압과 전력 계통 전압의 차 신호와 제어 슬로프 신호를 비례 적분하여 무효 전력 보상 장치를 제어하는 제어기로서, 전력 계통 전류를 전력 계통 전압으로 나누어 제산 신호를 생성하는 제산기, 제산 신호가 특정 주파수 대역을 가지도록 필터링한 필터 신호를 생성하는 저역필터, 및 필터 신호에 가중치 계수를 곱하여 제어 슬로프 신호를 생성하는 가중치계수기;를 포함한다.

Description

무효 전력 보상 장치 제어기{CONTROLLER FOR COMPENSATION REACTIVE POWER APPARATUS}

본 발명은 무효 전력 보상 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 계통의 특성 변화에 따라 무효 전력 보상 장치의 제어 특성을 조절하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 무효 전력 보상 장치는 무효 전력을 조정하여 전력 계통의 전압 보상과 안정도 향상을 위해 전력 계통에 설치되는 장치로서, 정지형 무효 전력 보상기(SVC: Static Var Compensator) 또는 정지형 동기 보상기(STATCOM: Static Synchronous Compensator)를 말한다.

도 1은 일반적인 전력 계통을 등가로 나타낸 등가 회로이다. 도 1을 참조하면, V는 부하단에서 모선 전압을 나타내고, E_th는 전력 계통 전압을 나타내고, X_th는 전력 계통 임피던스를 나타내고, I_s는 계통 전류를 나타낸다. 여기서 모선 전압 V는 아래 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

이때, 전력 계통 등가 회로의 전압과 무효 전력의 특성을 그래프로 나타내면 도 2와 같다. 이러한 전력 계통 등가 회로에서 부하량 증가 등에 의해 전력 계통의 전원 전압이 변동되면 전류도 도 3과 같이 변화한다. 도 4는 전력 계통 등가 회로에서 전력 계통 임피던스가 변화하는 경우 영향을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 전력 계통 등가 회로에서 외란 등에 의해 전력 계통의 구성 조건이 변화하는 경우 전력 계통의 임피던스(Z)가 바뀌므로, 전압 대 전류 특성인 임피던스 즉 기울기가 변화하게 된다.

반면, 전력 계통에 무효 전력 보상 장치를 제어하여 운전하는 경우 제어가능한 무효 전류와 전력 계통 전압과의 관계는 아래 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, V₀ 최초의 운전 전압이고, X_SL은 무효 전력 보상 장치 제어기의 제어 슬로프이다. 도 5는 무효 전력 보상 장치를 제어하는 경우 제어 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5에는 무효 전력 보상 장치의 연속 제어 동작이 가능한 구간이 표시되어 있다. 연속 제어 동작이 가능한 구간에서 종래 무효 전력 보상 장치의 제어기는 제어기 슬로프인 X_SL을 수동으로 설정하여 조정할 수 있다.

한편, 수학식2를 그래프로 나타내면 도 6과 같다. 도 6은 전력 계통 등가 회로에서 무효 전력 보상 장치 운전점의 영향을 도시한다. 도 6을 참조하면, 도 2에 도시된 전력 계통 등가 회로의 특성과 무효 전력 보상 장치 제어 특성도가 함께 표시되어 있으며, 이들이 만나는 점이 무효 전력 보상 장치의 동작점(Operating Point)이 된다. 만일 최초의 운전전압 V₀에서 전력 계통의 전압 저하가 이루어지면 무효 전력 보상 장치가 커패시터 모드로 운전되어 I₄ 용량의 진상 무효 전력을 발생시키고 전력 계통 전압은 V₄로 변한다.

그러나 무효 전력 보상 장치가 존재하지 않는다면 전력 계통 전압은 V₂까지 저하되어 심각해질 수 있다. 따라서, 무효 전력 보상 장치가 제어 슬로프에 의해 전력 계통의 전압 변동을 적절하게 보상한다고 할 수 있으며, 무효 전력 보상 장치에서 제어 슬로프의 결정은 전력 계통 제어 특성에 많은 영향을 미친다고 할 수 있다.

즉, 종래 무효 전력 보상 장치를 제어하는 알고리즘에는 무효 전력 보상 장치가 설치되는 모선의 전압이 무효 전력 보상 장치의 보상 전류에 비례하도록 일정한 제어 슬로프(Slope)을 적용한다. 제어 슬로프의 적용은 무효 전력 보상 장치의 한정된 용량에도 선형적인 제어 영역을 확대시킬 수 있고, 또한, 제어 슬로프의 적용이 없다면 전력 계통의 임피던스가 작은 경우 전력 계통의 변화에 따라 무효 전력 보상 장치의 운전 상태가 심하게 변동되어 오히려 전력 계통을 불안하게 할 수 있기 때문에, 종래 무효 전력 보상 장치를 제어하는 경우 무효 전력 보상 장치가 설치되는 위치에 따라 일정한 이득(Gain) 가진 제어 슬로프를 적용하여 왔다.

도 7은 제어 슬로프가 일정(10%)하고 작은 전력 계통 임피던스(X_th 0.1pu)를 가진 경우 전압 대 전류 특성을 도시하고, 도 8은 제어 슬로프가 일정(10%)하고 큰 전력 계통 임피던스(X_th 0.2pu)를 가진 경우 전압 대 전류 특성을 도시한다. 도 7과 도 8을 참조하면, 전력 계통 임피던스가 큰 경우(전력 계통 특성 기울기가 큰 경우)는 전력 계통 전압 변동이 심한 약한 전력 계통(Weak Power System)에 해당한다. 전력 계통 임피던스가 큰 전력 계통은 전력 계통 임피던스가 작은 전력 계통보다 전력 계통 전압 변동이 심하지만, 무효 전력 보상 장치의 제어 슬로프를 고정하게 되면 오히려 무효 전력 보상 장치의 출력 제어량을 감소하게 되므로 전력 계통 전압 제어 효과도 감소되게 된다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 전력 계통 임피던스가 큰(X_th 0.2pu) 전력 계통에서는 제어 슬로프를 감소(<10%)시켜 무효 전력 보상 장치의 출력을 증가시키는 것이 전력 계통의 전압 제어 효과를 크게 하는 것이다.

즉, 종래 무효 전력 보상 장치 제어에서 제어 슬로프의 선택은 선형 운전 가능 구간의 최대화 및 전력 계통의 임피던스 특성 등 무효 전력 보상 장치가 설치되는 계통 특성에 따라 경험적으로 미리 결정된 값(대표값 5~10%)으로 고정되어, 전력 계통 사고나 변화 등으로 인한 전력 계통의 임피던스 특성 변화에 능동적으로 대처할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 따라 안출된 것으로서, 전력 계통의 임피던스 특성 변화로 무효 전력 보상 장치의 출력이 전력 계통 변화에 적절히 추종하지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 전력 계통의 조건 변화에 따라 자동으로 제어 슬로프가 적응(Adaptive)하는 기술의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 무효 전력 보상 장치 제어기는 제어 기준 전압과 전력 계통 전압의 차 신호와 제어 슬로프 신호를 비례 적분하여 무효 전력 보상 장치를 제어하는 제어기로서, 전력 계통 전류를 전력 계통 전압으로 나누어 제산 신호를 생성하는 제산기; 상기 제산 신호가 특정 주파수 대역을 가지도록 필터링한 필터 신호를 생성하는 저역필터; 및 상기 필터 신호에 가중치 계수를 곱하여 상기 제어 슬로프 신호를 생성하는 가중치계수기;를 포함한다.

본 발명의 무효 전력 보상 장치 제어기는 상기 제어 슬로프 신호가 상기 무효 전력 보상 장치의 제어 슬로프 가변 범위를 초과하지 않도록 상기 제어 슬로프 신호의 상하한을 제한하는 제한기를 더 포함한다.

여기서 상기 가중치 계수는, 기본값의 1% 내지 10% 사이의 값을 가질 수 있다.

본 발명의 무효 전력 보상 장치 제어기는 전력 계통의 조건 변화에 따라 자동으로 제어 슬로프가 변화되므로, 전력 계통의 과도 현상, 전력 계통의 구성 변경, 전력 계통의 운전 조건 변경 등으로 인한 전력 계통의 임피던스 변화에 능동적으로 적응하여 전력 계통의 안정도를 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 무효 전력 보상 장치 제어기의 블록 구성도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 무효 전력 보상 제어기(100)는 제1 연산기(110), 제2 연산기(112), 비례적분 제어기(114), 제1 제한기(116), 제산기(120), 제1저역필터(122), 가중치 계수기(124), 제2 제한기(126), 승산기(130) 및 제2 저역필터(132)를 포함한다.

상기 제1 연산기(100)는 사용자에 의해 설정되는 제어 기준 전압(V_ref)과 전력 계통(300)으로부터 제공되는 계통 전압(V₂)의 차에 해당하는 차전압(V_err)을 제2 연산기(112)로 제공한다.

상기 제2 연산기(112)는 제1 연산기(100)로부터 제공되는 차전압(V_err)과 제1 저역필터(132)로부터 제공되는 슬로프 전압을 연산하여 비례적분 제어기(114)로 제공한다.

상기 비례적분(Proportional Integral) 제어기(114)는 제2 연산기(112)로부터 제공되는 차전압(V_err)과 슬로프 전압을 비례 적분하여 제어 전압(V_R)을 생성한다.

상기 제1 제한기(116)는 무효 전력 보상 장치(200)의 용량을 고려하여 제어 전압(V_R)의 상하한을 제한하고 제한된 제어 전압(V_R)을 무효 전력 보상 장치(200)로 제공한다.

상기 무효 전력 보상 장치(200)는 상하한이 제한된 제어 전압(V_R)에 응답하여 인터페이스를 통해 연결된 전력 계통(300)의 전압을 조정한다.

상기 제산기(120)는 계통 전류(I_S)를 계통 전압(V₂)로 나눈 제산 신호(1/X_th)를 제1 저역필터(122)로 제공한다.

상기 제1저역필터(122)는 제산기(120)로부터 제공되는 제산 신호(1/X_th)를 특정 주파수 대역을 가지도록 필터링한 필터링 신호((1/X_th * K(s))를 가중치 계수기(124)로 제공한다. 여기서 주파수 대역은 K(s) = 1/(1+STs) 특성에 의해 결정될 수 있다.

상기 가중치 계수기(124)는 제1저역필터(122)로부터 제공되는 필터링 신호에 가중치 계수(W)를 승산한 승산 신호(1/X_th * K(s) * W)를 제2 제한기(126)로 제공한 다. 여기서 가중치 계수(W)는 기본값의 1% 내지 10% 사이의 값을 가질 수 있다.

상기 제2 제한기(126)는 가중치 계수기(124)로부터 제공되는 승산 신호(1/X_th * K(s) * W)의 상하한을 제한하고 상하한이 제한된 승산 신호를 승산기(130)로 제공한다. 여기서 제한된 승산 신호는 임피던스를 나타내는 제어 슬로프 신호(X_SL)가 된다. 상하한 제한치는 도 5에 도시된 바와 같이, 무효 전력 보상 장치 제작시 가변 가능한 X_SL범위를 초과하지 않도록 하는 것이 좋다.

상기 승산기(130)는 제2 제한기(126)로부터 제공되는 제어 슬로프 신호(X_SL)와 계통 전류(I_S)를 곱한 슬로프 전압을 제2 저역필터(132)로 제공한다.

상기 제2 저역필터(132)는 승산기(130)로부터 제공되는 슬로프 전압가 특정 주파수 대역을 가지도록 필터링하여 제2 연산기(112)로 제공한다. 여기서 주파수 대역은 K(s) = 1/(1+STs) 특성에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 일실시 예에서는 전력 계통 전압과 전력 계통 전류의 비인 X_th 신호를 저역 필터(K(s))를 거친 후 가중치 계수(W)를 곱하여 제어 슬로프 X_SL를 산출하기 때문에, 전력 계통의 임피던스 특성의 순시적인 변화에 능동적으로 대처할 수 있다. 예를들면, 전력 계통의 임피던스가 증가하여 전력 계통이 이전보다 취약해진 경우 본 실시 예의 무효 전력 보상 장치 제어기는 더 큰 보상 제어가 이루어지도록 무효 전력 보상 장치를 제어할 수 있다. 반면, 전력 계통의 임피던스가 감소되어 전력 계통이 이전보다 강인해진 경우 본 실시 예의 무효 전력 보상 장치 제어 기는 보상 제어 출력이 감소되도록 무효 전력 보상 장치를 제어하여 불필요한 과다 제어가 이루어 지지 않도록 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

도 1은 일반적인 전력 계통을 등가로 나타낸 등가 회로도,

도 2는 전력 계통 등가 회로의 전압과 무효 전력의 특성을 나타내는 그래프,

도 3은 전력 계통 등가 회로에서 전력 계통 전원 전압 변동 특성을 나타내는 그래프,

도 4는 전력 계통 등가 회로에서 전력 계통 임피던스 변화의 효과를 나타내는 그래프,

도 5는 무효 전력 보상 장치의 운전 특성 그래프,

도 6는 전력 계통 등가 회로에서 무효 전력 보상 장치의 운전점 영향을 나타내는 그래프,

도 7은 제어 슬로프가 일정하고 작은 전력 임피던스를 가진 경우 전압 대 전류 특성을 나타내는 그래프,

도 8은 제어 슬로프가 일정하고 큰 전력 계통 임피던스를 가진 경우 전압 대 전류 특성을 나타내는 그래프,

도 9은 제어 슬로프를 축소하고 큰 전력 계통 임피던스를 가진 경우 전압 대 전류 특성을 나타내는 그래프, 및

도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 무효 전력 보상 장치 제어기의 블록 구 성도이다.

Claims (3)

1. 제어 기준 전압과 전력 계통 전압의 차 신호와 제어 슬로프 신호를 비례 적분하여 무효 전력 보상 장치를 제어하는 제어기로서,

   전력 계통 전류를 전력 계통 전압으로 나누어 제산 신호를 생성하는 제산기;

   상기 제산 신호가 특정 주파수 대역을 가지도록 필터링한 필터 신호를 생성하는 저역필터;

   상기 필터 신호에 가중치 계수를 곱하여 상기 제어 슬로프 신호를 생성하는 가중치계수기; 및

   상기 제어 슬로프 신호가 상기 무효 전력 보상 장치의 제어 슬로프 가변 범위를 초과하지 않도록 상기 제어 슬로프 신호의 상하한을 제한하는 제한기

   를 포함하는 무효 전력 보상 장치 제어기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 가중치 계수는,

   기본값의 1% 내지 10% 사이의 값을 가지는 무효 전력 보상 장치 제어기.

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