KR101128377B1 - 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치 - Google Patents

전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치 Download PDF

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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 전력품질개선 기능을 갖는 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.

Description

전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치{A ELECTRICAL ENERGY SAVER WITH IMPROVED POWER QUALITY}
본 발명은 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치에 관한 것이다.
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.
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.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 절전장치가 많이 소개되고 있었다.
도 1a는 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 장치이다
도 1b는 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 1a의 장점과 단점을 그대로 공유하게 되는데, 다만, 승강압이 가능하기 때문에 도 1a에 비하여 입력전압의 범위가 더 넓다는 장점이 있다.
도 1c는 기존의 반도체 스위치에 의한 강압형 절전장치로서, 반도체 스위치에 의해 제어되기 때문에 도 1a, 도 1b과 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 1b에 비하여 작은 단점이 있었다.
즉, 기존 절전 장치를 살펴보면, 도 1a는 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 있었다.
도 1b는 부하전압을 승압 또는?강압이 가능하도록 제어하는 승강압형 절전장치로서, 기본 원리는 도 1a와 같지만, 도 1a의 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 1c는 도 1a, 도 1b와 달리 반도체 스위치에 의해 부하전압을 제어하는 강압형 절전장치로서, 도 1a, 도 1b의 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 1b에 비하여 작은 단점이 있었다.
공개특허공보 제10-2009-0124515호(2009년12월03일 공개)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 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 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는
각 기기에 전원을 입력시키는 입력 계통전원부(10)과,
상기 입력 계통전원부과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 입력 계통전원부을 고품질 전력으로 제어하기 위해 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 이루어진 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)과,
상기 입력 계통전원부과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하는 변압기(30)와,
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(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)와,
상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)와 전압 제어형 전압원 인버터(40)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화하기 위한 직류 커패시터(50)로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 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.
도 1a는 기존의 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller)를 도시한 회로도,
도 1b는 기존의 승강압형 절전장치(Step-Up/Down type Energy Saving Controller)를 도시한 회로도,
도 1c는 기존의 반도체 스위치에 의한 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller by using electronic switch)를 도시한 회로도,
도 2는 본 발명에서 고안한 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치(A Electrical Energy Saving Controller with Multi-function)를 도시한 회로도,
도 3a는 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하를 도시한 회로도,
도 3b는 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하를 도시한 회로도,
도 4a는 240V, 50Hz의 입력전압을 [도 3a]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 4b는 210V, 50Hz의 입력전압을 [도 3a]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 5a는 240V, 50Hz의 입력전압을 [도 3b]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 5b는 210V, 50Hz의 입력전압을 [도 3b]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 6는 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치의 전류(전원전류, 부하전류, CCVSI전류), 전압(전원전압, 부하전압, VCVSI전압), 유효전력(전원, 부하, CCVSI, VCVSI) 그리고 무효전력(전원, 부하, CCVSI)의 파형도,
도 7은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치를 분산전원시스템에 적용한 일실시예도.
먼저, 본 발명에서 설명되는 인버터는 직류 전기에너지를 교류 전기에너지로 변환시키는 전력변환장치를 말한다.
여기서 인버터의 입력은 직류이고 출력은 교류가 된다.
따라서 인버터의 입력이 직류 전압 형태이면 전압원 인버터가 되고, 인버터의 입력이 직류전류 형태이면 전류원 인버터라 부른다.
또한 인버터의 출력인 교류는 정현파(사인파)이어야 하는데, 여기서 인버터의 출력전압을 정현파로 제어하는 것을 전압제어형이라고 하고, 인버터의 출력전류를 제어하는것을 전류제어형이라고 한다.
따라서 전류제어형 전압원 인버터(20)은 인버터 입력은 직류전압형태이고, 인버터 출력전류를 제어하는 방식을 나타낸다.
이렇게 구분하는 이유는 인버터의 출력 신호(전압 또는 전류)를 제어하는 방법을 명확하게 표시하기 위함이다.
계통전력의 품질은 역률과 전고조파왜곡률(THD:Total Harmonic distortion)의 2가지 파라미터로 설명할 수 있다.
즉 가장 이상적인 계통전원은 정현파로 역률 1과 THD 0%를 의미한다.
하지만 부하에 무효전력성분이나 비선형 부하가 발생하면 전압과 전류의 위상차가 발생하여 역률은 감소하고 THD는 증가하게 된다. 이를 해결하기 위해서는 계통에서 발생하는 전압과 전류의 위상차를 보정해줘야 합니다. 일반적으로 전류의 위상차와 찌그러짐을 보상하는 방식을 채택한다.
그러므로 인버터의 출력전류를 직접 제어할 수 있는 전류제어형 전압원 인버터가 계통의 품질을 향상시킬 수 있는 가장 이상적인 인버터이다.
또한 본 발명에서 설명되는 부하는 일반 동력 부하와 조명부하를 말한다.
본 발명에서 사용되는 2가지 인버터 중 전류제어형 전압원 인버터는 계통 전류의 위상차와 찌그러짐을 보상하여, 계통의 역률을 향상시키고 THD를 저감시키는 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 전압제어형 전압원 인버터에서는 획득 가능한 에너지를 계통에 회생시키는 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 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 1b와 같이 단권변압기의 원리를 사용하는 절전장치의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 및 변압기 소음 등의 문제, 도 1c와 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.
본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치는 입력 계통전원부(10), 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20), 변압기(30), 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40), 직류 커패시터(50)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 입력 계통전원부(10)에 관해 설명한다.
상기 입력 계통전원부(10)는 각 기기에 전원을 입력시키는 역할을 한다.
이는 한전에서 가정이나 건물에 공급하는 220Vrms/60Hz의 상용전원으로서, 부하(본 발명에서는 일예로, "조명장치"로 설정함)에 전력을 공급한다.
다음으로, 본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)에 관해 설명한다.
상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 상기 입력 계통전원부과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 입력 계통전원부을 고품질 전력으로 제어하기 위해 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 이루어진다.
상기 도통시간 제어용 스위치는 제1 도통시간 제어용 스위치, 제2 도통시간 제어용 스위치, 제3 도통시간 제어용 스위치, 제4 도통시간 제어용 스위치로 구성된다.
또한 본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브리지 타입으로 구성한 3상 전류제어형인버터와 3상 전압제어형인버터로 3상 계통전압에 연결하여 구성된다.
본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 도 2에 도시한 바와 같이, 입력단자 일측에 부하 전류(IL)가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류(IC)가 입력되고, 출력단자 일측에 제1 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제2 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제3 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제4 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성된다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 병렬로 연결된 전류제어형 인버터를 통하여 전원 측에 회생시키고, 부하조건(비선형 부하 및 역률부하)에 따라 무효전력을 보상함으로써 계통의 전력품질을 향상시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 변압기(30)에 관해 설명한다.
상기 변압기(30)는 입력 계통전원부과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 변압기는 도 2에 도시된 바와 같이, 일측에 전압제어형 전압원 인버터(40)과 입력계통전원부(10)와 직렬로 연결된다.
그리고, 본 발명에 따른 변압기를 사용하는 목적은 2가지로 하나는 계통과 인버터를 분리(절연)하는 것이고, 하나는 전압 비율을 맞추기 위함이다.
전압제어형 전압원 인버터(40)의 출력 전압 (Vx)은 실제 계통전압의 약 10%(약 20V)이지만, 이는 변압기 2차 측의 전압으로 변압기 1차 측의 전압은 220Vrms 정도 된다.
그 이유는 병렬로 연결된 전류제어형 전압원 인버터와 입력전원을 동일하게 사용하기 때문이다.
따라서, 본 발명에서는 인버터의 입력전압이 350 VDC 이상이기 때문에 이를 계통 전압의 10%를 맞추기 위해 변압기를 사용한다.
또한, 본 발명에 따른 변압기(30)는 계통 전압에 직렬 연결된 부하전압 제어용 변압기 1차 측 권선의 나머지 단자에 전체 부하가 연결되도록 구성된다.
즉, 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 이루어진다.
다음으로, 본 발명에 따른 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)에 관해 설명한다.
상기 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)는 상기 변압기의 2차측에 연결되어, 부하 에너지 절감을 위한 변압기 전압(Vx)를 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입으로 구성된다.
상기 도통시간 제어용 스위치는 제5 도통시간 제어용 스위치, 제6 도통시간 제어용 스위치, 제7 도통시간 제어용 스위치, 제8 도통시간 제어용 스위치로 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 전압 제어형 전압원 인버터(40)는 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브리지 타입으로 구성한 3상 전류제어형인버터와 3상 전압제어형인버터로 3상 계통전압에 연결하여 구성된다.
본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 도 2에서 도시한 바와 같이, 입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)이 연결되고, 또 다른 입력단자 일측에 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압(VX)이 연결되며, 출력단자 일측에 제5 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제6 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제7 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제8 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성된다.
본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치는 부하에 공급되는 전압을 일정부분 강하시켜(220Vrms에서 200Vrms로) 그만큼의 에너지를 절감하는 방식이다.
즉, 전압이 강하되면 전류도 감소하게 되어 실제적으로 소비되는 에너지를 강하시키는 비율만큼 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 인버터의 출력 전압을 제어할 수 있는 전압제어형 전압원 인버터가 사용된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 전압제어형 전압원 인버터는 오른쪽 Voltage-Controlled controller(전압제어형 전압원 인버터용 제어기를 나타냄)에 연결된 4개의 스위치로 구성된다.
본 발명에 따른 전압제어형 전압원 인버터(40)는 계통에 변압기를 통해 직렬로 연결되어 있고, Vx는 이의 출력전압을 의미한다.
따라서 Vx를 계통 전압(Vg)과 위상차를 180도 다르게 제어하게 되면(즉 역으로 전압을 인가하게 되면) 계통전압에 -Vx를 인가한 효과가 발생하게 된다.
이로 인해 실제적으로 부하전압(VL)=V(g)-(Vx)가 되어 계통전압보다 Vx만큼 적게 인가하게 된다.
이런 결과로 실제적으로 부하전압이 감소하게 되어 에너지를 절감시킬 수 있다.
또한 절감된 만큼의 에너지는 병렬로 연결된 전류제어형 전압원 인버터(20)를 통해 계통으로 보낸다.
본 발명에서는 이를 회생에너지 반환이라고 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 직류 커패시터(50)에 관해 설명한다.
상기 직류 커패시터(50)는 상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)와 전압 제어형 전압원 인버터(40)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 직류 커패시터(50)는 전압제어형 전압원 인버터(40)과 전류제어형 전압원 인버터(20)의 입력전원의 역할을 수행한다.
범용 인버터인 경우 배터리나 다른 직류전원장치를 사용하여 인버터의 입력전원을 사용한다. 이 경우에도 직류캐패시터(50)은 1차로 완충역할을 수행하기 위해 사용된다.
또한, 본 발명에 따른 직류캐패시터(50)는 2차로 전압제어형 전압원 인버터(40)에서 발생되는 회생에너지를 직류캐패시터를 통해 전류제어형 전압원 인버터(20)로 공급시키는 역할을 수행한다.
또한, 본 발명에 따른 직류캐패시터(50)는 3차로 무효전력을 충방전하여 전류제어형 전압원 인버터를 통해 계통의 무효전력을 보상하기 위한 무효전력을 공급시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 MPPT 컨버터에 관해 설명한다.
상기 MPPT 컨버터는 도 7에 도시한 바와 같이, 직류전압을 직류전압으로 변환하는 전력변환장치로 직류전압의 크기를 제어할 때 사용된다.
상기 MPPT 컨버터는 태양전지에서 발생되는 출력 전력을 최대로 할 수 있도록 태양전지의 출력전압을 제어하는 전력변환기의 역할을 한다.
즉, 태양전지에서 발생하는 출력 전력은 외부환경변화(일사량, 온도, 경사도)에 의해 변하게 된다. 이때 태양전지의 출력 전압은 변동하게 되는데, 전압이 상승하더라도 전류가 감소하게 되어 실제적으로는 전압이 강하하는 방향이 최대전력에 근사함을 알 수 있다.
이때, MPPT 컨버터에서는 태양전지의 최대전력점이 발생하는 전압크기를 추종하여 제어한다.
이하, 본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 구체적인 동작과정에 설명한다.
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.
상기 전압제어형 전압원 인버터는 양방향 제어가 가능하기 때문에 Vx를 양(+)의 전압에서부터 음(-)의 전압까지 선형적으로 제어가 가능하여 부하전압의 승강압 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.
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 승강압 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.
도 3a는 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.

도 3b는 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.
도 4a는 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.
도 4b는 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 4a에 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 4a에 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.
도 5a는 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 4a에 비하여 입력전류의 파형이 더욱 심하게 왜곡되어 있음을 볼 수 있다.
도 5b는 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 5a에 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 5a에 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.
도 6은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치의 전기에너지 절감 효과 및 전력품질 향상 효과를 확인하기 위하여 도 2의 절전장치의 시뮬레이션 결과 파형이다.
시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 도 4a ~ 도 5b에 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 발명의 토대로 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 5b의 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.
도 7은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치를 분산전원시스템에 적용한 예를 보인 것이다.
도 7의 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 수행할 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.
본 발명은 계통 인입 전원에 병렬로 연결되는 전류제어형 전압원 인버터에 의하여 입력 계통전원부의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질의 전력으로 유지하면서, 전원과 부하사이에 직렬로 연결되는 전압제어형 전압원 인버터에 의하여 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있다.
본 발명에서는 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 탭 변환 방식 또는 제어정류회로에 의하여 제어하는 기존의 구조와는 근본적으로 다르게, VCVSI에 의하여 에너지 절감을 위한 부하 전압을 선형적으로 승강압 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.
10 : 입력 계통전원부
20 : 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)
30 : 변압기
40 : 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)
50 : 직류 커패시터
Ig : 입력 전원 전류
Ip : 단권변압기의 1차측 전류
IL : 부하 전류
IC : 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류
Vg : 입력 전원 전압
VL : 부하 전압
VX : 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압

Claims (6)

  1. 각 기기에 전원을 입력시키는 입력 계통전원부(10)과,
    상기 입력 계통전원부과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 입력 계통전원부을 고품질 전력으로 제어하기 위해 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 이루어진 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)과,
    상기 입력 계통전원부과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하는 변압기(30)와,
    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(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)와,
    상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)와 전압 제어형 전압원 인버터(40)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화하기 위한 직류 커패시터(50)가 하나의 PCB 기판으로 구성되는 것에 있어서,
    상기 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)는
    입력단자 일측에 부하 전류(IL)가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류(IC)가 입력되고, 출력단자 일측에 제1 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제2 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제3 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제4 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)는
    입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)이 연결되고, 또 다른 입력단자 일측에 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압(VX)이 연결되며, 출력단자 일측에 제5 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제6 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제7 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제8 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.
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