KR101241103B1 - 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 무효전력 보상방법 - Google Patents

스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 무효전력 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존 배전변압기에서 각 가구로 전력 공급시 발생되는 역률을 0.9에서 역률 1로 개선하기 위해 각 수용 가구마다 79.5 [uF] 크기의 콘덴서를 부착하는 것이 제시된 바 있으나, 각 수신 가구들이 역률개선을 위해 역률개선소자를 수용가 측(부하측)에 부착할 기술적 능력이 없고, 실질적으로 각 기관이나 업체에서 이를 수행하기에는 많은 인적 자원과 설치비용, 그리고 각 수용가에 개별적으로 설치하는데 많은 시간이 필요하다는 문제점을 개선하고자, 배전변압기의 2차권선과 근거리에서 직접 연결되어 가정으로의 전력 공급시 발생되는 부하역률을 개선시키도록 제1 전원부, 제1 변류기(CT), 휴면모드 센서부, 활동모드 센서부, 휴면모드 제어부, 활동모드 제어부, 제1 기준전압설정부, 제2 기준전압설정부, 제1 SSR 스위칭부, 제2 SSR 스위칭부, 휴면모드용 역률개선소자, 활동모드용 역률개선소자로 이루어진 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈이 형성되어 제1외함, 제2외함, 제3외함에 부착되어 구성됨으로서, 배전변압기에서 바로 역률을 개선시켜 각 수신 가구별로 전력을 공급시킬 수 있어, 각 수신가구별로 양질의 전력을 공급시킬 수가 있고, 라이프 사이클을 이용한 일일 지상전력 사용량에 따른 휴면모드와 활동모드에 의해 무접점 온·오프되도록 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시킬 수 있으며, 역률 개선에 따른 전류 절감으로 인하여 막대한 경제적 이익을 달성할 수 있다(역률 2% 개선시 매년 2500억원 이상 경제적 효과). 또한 수신 가구별로 역률개선을 위해 역률개선소자를 수용가 측(부하측)에 설치하지 않고, 배전변압기에 직접 설치하는 방식은 수용가 측 방식 보다, 시간과 설치비용을 상당량 경감 할 수 있으며 기술적으로 보수 유지 관리가 용이한 장점이 있는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 무효전력 보상방법{THE APPARATUS AND METHOD OF DISTRIBUTION TRANSFORMER ATTACHED A CONDENSER CONTROLL MOUDLE WITH SWITCHING}
본 발명은 배전변압기의 역률개선을 위해 역률 개선회로가 구성된 외함을 배전변압기에 직접 연결하거나 또는 지근거리인 동일 장소에 설치하는 방안을 제시 한 것이다. 배전변압기의 역률 보상 방법으로는 라이프 사이클을 이용하여 배전변압기의 일일 지상전력 사용량 패턴을 휴면시간대와 활동시간대로 구분하고 지상전력 보상을 위한 보상용 콘덴서 투입 시기를 결정하여 보상함으로서 배전변압기의 역률을 0.99 이상으로 보상 가능한 보상방법에 관한 것이다. 보상용 콘덴서의 온·오프 방법은 전력소자를 이용한 스위칭 방법을 이용하였다. 이를 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법이라 표현하였다.
전력을 공급함에 있어 전송선로 또는 부하에서는 일정한 무효전력이 발생된다. 이러한 무효전력은 전력공급 시 역률을 저하시키기 때문에 무효전력을 억제할 필요가 있다.
이를 위해 발생되는 무효전력의 크기만큼 콘덴서 또는 인덕터를 사용하여 무효전력을 억제하며, 이것을 회로의 역률 개선 또는 부하역률 개선이라고 한다.
예를 들어 설명하면, 전력을 공급하고 있는 단상용 배전변압기(P.Tr 그리고 pad.Tr)의 용량이 100KVA 이고, 각 수용가구의 최대 부하가 3.33KVA이고 지상역률이 0.9인 고정부하로 가정하면 30개의 수용가에 전력을 공급할 수 있다.
그러나 역률을 0.9에서 역률 1로 개선하기 위해서는 각 수용 가구마다 72.7 [uF] 크기의 콘덴서를 부착하여야 한다.
콘덴서의 용량은 수학식 1과 같이 계산할 수가 있다.
[수학식 1]
Figure 112011071058759-pat00001
여기서, Q는 무효전력이고, w는 각속도이며, V는 변압기 2차권선 전압을 나타낸 것이다.
하지만, 상기와 같이 역률을 0.9에서 역률 1로 개선하기 위해서는 각 수용 가구마다 72.7 [uF] 크기의 콘덴서를 부착하는 방법은 각 수신 가구들이 역률개선을 위해 역률개선소자를 수용가 측(부하측)에 부착하여야 하나, 일반 수용가(각 가정)은 이를 수행하기 위한 기술적 능력이 없고, 무엇보다 실질적으로 각 기관이나 업체에서 이를 수행하기에는 많은 인적 자원과 자금, 그리고 각 수용가에 개별적으로 설치하는데 많은 시간이 필요하다는 문제점이 있다.
국내공개특허공보 제10-2008-0078702호(2008년08월27일 공개)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 배전변압기에서 바로 역률을 개선시켜 각 수신 가구별로 전력을 공급시킬 수 있어, 각 수신가구별로 양질의 전력을 공급시킬 수가 있고, 라이프 사이클을 이용한 일일 지상전력 사용량에 따른 휴면모드와 활동모드에 의해 무접점 온·오프되도록 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시킬 수 있으며, 수신 가구별로 역률개선을 위해 역률개선소자를 수용가 측(부하측)에 설치하지 않고, 배전변압기에 직접 설치함으로서, 수용가 측에 설치하는 것에 비해 시간과 설치비용을 상당량 줄일 수가 있는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 부하 가변 시 무효전력 보상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기는
전봇대에 설치되어 가정으로 전력을 공급시키는 배전변압기(100)로 이루어지고,
상기 배전변압기(100)의 2차권선과 5cm~200cm의 근거리에서 배전변압기의 부싱에 직접 연결되어 가정으로의 전력 공급 시 발생되는 부하역률을 역률개선소자로 개선시키고, 역률개선소자의 온·오프 스위칭이 일일 지상전력 사용량에 따른 배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 온·오프되도록 스위칭시키는 스위칭형 역률개선용 모듈(200)이 부착되어 구성됨으로서 달성된다.
상기 스위칭형 역률개선용 모듈(200)은
역률개선소자의 온·오프 스위칭이 배전변압기 일일 지상전력 사용량에 따른 휴면시간대와 활동시간대에 의해 온·오프되도록 스위칭시켜 역률 0.99 이상으로 개선시키는 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법은
SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)를 통해 역률개선소자의 온·오프 스위칭 동작점을 결정하기 위해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분하는 휴면모드·활동모드 설정단계(S100)와,
휴면모드·활동모드 설정단계를 통해 설정된 휴면모드와 활동모드의 시간대에 알맞은 보상용 콘덴서 동작 시점과 그 용량을 도출하여, 배전변압기의 전류 변화에 추정하여 온·오프되도록 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시키는 무효전력 보상단계(S200)가 포함되어 이루어짐으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 배전변압기에서 바로 역률을 개선시켜 각 수신 가구별로 전력을 공급시킬 수 있어, 각 수신가구별로 양질의 전력을 공급할 수 있고, 라이프 사이클을 이용한 일일 지상전력 사용량에 따른 휴면모드와 활동모드에 따라 역률개선소자를 온·오프되도록 스위칭시킬 수 있어, 배전변압기 역률을 최대로 향상시킬 수 있으며, 전류를 기존에 비해 개선된 역률 차이만큼 절약시킬 수 있어 막대한 경제적 잇점이 있고, 각 수신 가구별로 역률개선을 위해 역률개선소자를 수용가 측(부하 측)에 설치하지 않고, 배전변압기에 직접 설치함으로서, 수용가 측에 설치하는데 비해 설치 시간과 상당량의 설치비용을 줄일 수가 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈이 부착된 배전변압기의 구성을 도시한 전체회로도,
도 3은 본 발명에 따른 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 제1 전원부(211)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 5은 본 발명에 따른 제1 변류기(CT)(212), 휴면모드 센서부(213), 활동모드 센서부(214), 휴면모드 제어부(215), 활동모드 제어부(216), 제1 기준전압설정부(217), 제2 기준전압설정부(218)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 제1 SSR 스위칭부(219), 휴면모드용 역률개선소자(219b)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 제2 SSR 스위칭부(219a), 활동모드용 역률개선소자(219c)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 무효전력 보상방법을 도시한 순서도,
도 9는 본 발명에 따른 휴면모드 설정 방법 및 휴면모드용 역률개선소자(콘덴서)의 제어 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 활동모드 설정 방법 및 활동모드용 역률개선소자(콘덴서)의 제어 흐름도,
도 11은 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 무효전력 보상방법 중 무효전력 보상단계의 구성을 도시한 순서도,
도 12는 본 발명에 기재된 표 5의 데이터 중 50KVA기준변압기의 일일 24시간 전류 사용량을 도시한 일실시예도,
도 13은 본 발명에 기재된 표 5의 데이터 중 50KVA 기준변압기의 일일 24시간 지상전력 발생량을 도시한 일실시예도,
도 14는 본 발명에 기재된 표 5에서 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1, 이 투입되는 2:00시 부근의 전류 곡선을 도시한 그래프,
도 15는 본 발명에 기재된 표 5에서 활동모드 시 역률보상으로 사용되는 콘덴서가 투입되는 12:00시 부근의 전류 곡선을 도시한 그래프.
본 발명에서는 본 출원인이 출원한 특허출원 제10-2010-0090550호의 "스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기 및 이를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법"이 단지, FET 스위칭형 역률개선용 모듈로만 구성되어 있어, 일일 지상전력 사용량에 따른 휴면모드와 활동모드로 나누어 탄력적인 역률개선이 어려운 점을 보완하고자, 국내우선권을 주장하여 본 발명을 출원하고자 한다.
즉, 본 발명에서는 배전변압기의 부하에 공급되는 전력량이 일생활을 기준하여 사람의 행동패턴과 동일하게 변화하며, 이에 따라 발생되는 무효전력량도 유사하게 변화되는 특성을 파악하고, 이를 휴면모드와 활동모드로 구분하여, 다단으로 휴면모드용 역률개선소자와 활동모드용 역률개선소자를 투입함으로서 배전변압기 역률을 최대로 향상시키고 전류를 절감할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 설명되는 휴면모드는 사람이 일일 시간 중 수면 또는 휴식을 취하는 1:00시 이후부터 10:00시까지는 일 중 가장 낮은 일정한 전기 사용량이므로 이때의 모드를 휴면모드(휴면 시간대)라 칭한다.
그리고, 활동모드는 사람이 일일 시간 중 11:00시부터 24:00시까지는 활동이 왕성한 활동영역으로 전기 사용량이 급격히 증가되므로, 이때의 모드를 활동모드(활동 시간대)라 칭한다.
이에, 본 발명에서는 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)을 통해 역률개선소자의 온·오프 스위칭 동작점을 결정하기 위해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분시키는 휴면모드·활동모드 설정부가 포함되어 구성된다.
상기 휴면모드·활동모드 설정부는 프로그램 설정을 통해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈이 부착된 배전변압기의 구성을 도시한 회로도에 관한 것으로, 이는 배전변압기(100)와 스위칭형 역률개선용 모듈(200)이 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 배전변압기(100)에 관해 설명한다.
상기 배전변압기(100)는 전봇대에 설치되어 가정으로 전력을 공급시키는 것으로, 이는 주상변압기 또는 지상변압기로 구성된다.
상기 배전변압기는 원통드럼형 몸체, 탭절환기, 저압리드, 탭리드, 철심, 권선으로 구성된다.
상기 원통드럼형 몸체는 상단 일측에 부싱이 형성된다.
여기서, 부싱은 전압이 고전압(예. 22.9kV)이기 때문에 원통드럼형 몸체와 인입선(스터드, Stud)이 일정 거리이상 이격되어 설치된다.
본 발명에 따른 스위칭형 역률개선용 모듈(200)은 2차권선과 5cm~200cm의 근거리에서 배전변압기의 2차측 부싱에 직접 연결되어 가정으로의 전력 공급시 발생되는 부하역률을 역률개선소자로 개선시키고, 역률개선소자의 온·오프 스위칭이 일일 지상전력 사용량에 따른 배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 온·오프되도록 스위칭시키는 역할을 한다.
상기 스위칭형 역률개선용 모듈(200)은 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)이 포함되어 구성된다.
상기 본 발명에 따른 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)에 관해 설명한다.
상기 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)은 역률개선소자의 온·오프 스위칭이 일일 지상전력 사용량에 따른 휴면모드와 활동모드에 의해 무접점 온·오프 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시키는 역할을 한다.
이는 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 전원부(211), 제1 변류기(CT)(212), 휴면모드 센서부(213), 활동모드 센서부(214), 휴면모드 제어부(215), 활동모드 제어부(216), 제1 기준전압설정부(217), 제2 기준전압설정부(218), 제1 SSR 스위칭부(219), 제2 SSR 스위칭부(219a), 휴면모드용 역률개선소자(219b), 활동모드용 역률개선소자(219c)로 구성된다.
상기 제1 전원부(211)는 배전변압기 2차 측 전압으로 15[V]를 발생시켜, 휴면모드 및 활동모드 제어부의 출력전압으로 작용한다.
이는 도 4에 도시된 바와 같이, AC 230[V]를 퓨즈, 변압기, 다이오드(D1~D4), 콘덴서(Cs)를 통해 DC전압을 생성시키고, 생성된 DC전압을 저항 Rs와 Rd를 통해 제너다이오드 Zd로 일정 전압을 공급하도록 구성된다.
여기서, 출력전압 Vcc는 제어부 제1비교기와 제2비교기의 기준전압과, 출력전압으로 작용하게 된다.
상기 제1 변류기(CT)(212)는 배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 흐르는 배전변압기 2차 측 전류를 검출하는 역할을 하며, 변류비(電流比)는 1:2000으로 설정하고, 제1 센싱저항 R의 전압은 이에 따라 변화한다.
제1 변류기에는 휴면모드 센서부(213), 활동모드 센서부(214), 휴면모드 제어부(215), 활동모드 제어부(216), 제1 기준전압설정부(217), 제2 기준전압설정부(218), 제1 SSR 스위칭부(219), 제2 SSR 스위칭부(219a), 휴면모드용 역률개선소자(219b), 활동모드용 역률개선소자(219c)가 구성된다.
상기 휴면모드 센서부(213)는 제1 변류기(CT) 출력단자 2차 측에 연결되어 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1 센싱저항(R = Ra+Rb)으로 센싱한 후 제1 제너다이오드(Za)를 통해 휴면모드제어부의 동작전압을 발생시키는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 센싱저항(R = Ra+Rb), 저항 RD1, 제1 제너다이오드(Za)가 구성된다.
상기 제1 센싱저항은 두개의 저항 Ra(제1a 센싱저항)와 Rb (제1b 센싱저항)로 구성된다.
즉, 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류가 다이오드 D5~D8를 통해 정류되고, 콘덴서 C에 휴면모드제어용 동작전압과 활동모드제어용 동작전압으로 형성되고 이는 다시 저항 R에 동일 전압을 인가시킨다.
여기서, 제1 센싱저항에 인가되는 휴면모드 일 때의 전압(VR)은 다음의 수학식 2과 같이 표현할 수가 있다.
[수학식 2]
VR=변압기전류×CT 변류비×R 저항값-회로손실전압
여기서, CT변류비는 1/2000으로 하고, R저항값은 220옴으로 하며, 회로손실전압은 0.7V로 한다.
본 발명에 따른 휴면모드 센서부는 변압기의 전류가 42.46[A] 그리고 45.0[A] 일 때, 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류, 손실전압, 제1 센싱저항에 인가되는 전압(VR), 제1 제너다이오드(Za)를 통한 휴면모드제어부의 동작전압(Za)은 다음의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
구분 변압기전류
[A]		 CT전류[mA] 손실전압[V] VR[V] Za전압[V]
휴면모드
01:00~11:00		 42.46 21.23 0.7 3.97 3.97
45.00 22.50 0.7 4.25 4.25
상기 활동모드 센서부(214)는 제1 변류기(CT)에 연결되어 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1b 센싱저항(Rb)으로 센싱한 후 제2 제너다이오드(Zb)를 통해 활동모드제어부의 동작전압을 발생시키는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1b 센싱저항(Rb), 저항RD2, 제2 제너다이오드(Zb)로 구성된다.
즉, 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류가 다이오드 D5~D8를 통해 정류되고, 콘덴서 C에 휴면모드제어용 동작전류와 활동모드제어용 동작전류가 축적된다.
여기서, 제1b 센싱저항에 인가되는 활동모드일때의 전압(VRb)은 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수가 있다.
[수학식 3]
VRb=변압기전류×CT 변류비×Rb 저항값-회로손실전압
여기서, CT변류비는 1/2000으로 하고, Rb저항값은 약 122옴으로 하며, 회로손실전압은 0.7V로 한다.
본 발명에 따른 활동모드 활동모드 센서부는 변압기의 전류가 79.13[A] 그리고 81.70[A] 일 때, 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류, 손실전압, 제2 센싱저항에 인가되는 활동모드일때의 전압(VRb), 제2 제너다이오드(Zb)를 통한 활동모드제어부의 동작전압(Zb)은 다음의 표 2과 같이 나타낼 수 있다.
구분 변압기전류
[A]		 CT전류[mA] 손실전압[V] VRb[V] Zb전압[V]
활동모드
12:00~24:00		 79.13 39.57 0.7 4.13 4.13
81.70 40.85 0.7 4.28 4.28
상기 휴면모드 제어부(215)는 휴면모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제1비교기의 (+)단자로 인가받고, 제1 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제1비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보내는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시된 바와 같이, 저항 RA1, 제1비교기, 저항 RF1으로 구성된다.
즉, 저항 RA1을 통해 휴면모드 센서부로부터 발생된 동작전압, 즉 표1의 Za전압(일예 : 3.97[V]~4.25[V])을 제1비교기의 (+)단자로 인가시킨다.
제1비교기는 비반전증폭기로 구성되어 (+)단자에 휴면모드 센서부로부터 발생된 동작전압(일예 : 3.97[V]~4.25[V])을 인가받고, (-)단자에 제1 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 인가받은 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호(하이신호)를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호(로우신호)를 보내는 역할을 한다.
여기서, 휴면모드일때 제1비교기에 설정된 임계설정값(Threshold)은 수학식 4와 같은 최대임계설정값(Upper Threshold)에 의해 설정되거나, 또는 수학식 5와 같은 최소임계설정값(Low Threshold)에 의해 설정된다.
상기 최대임계설정값(Upper Threshold)은 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호(하이신호)의 전압을 결정하고, 상기 최소임계설정값(Low Threshold)은 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호(로우신호)의 전압을 결정한다.
[수학식 4]
VUT=Vref×(1+RA1/RF1)-VOL×(RA1/RF1)
[수학식 5]
VLT=Vref×(1+RA1/RF1)-VOH×(RA1/RF1)
여기서, 수학식 4의 VUT는 제1비교기가 동작하기 위한 최대임계설정값(Upper Threshold)에 따른 전압이고, 수학식 5의 VLT는 제1비교기가 차단되는 최소임계설정값(Low Threshold)에 따른 전압을 의미한다.
수학식 4에서 VOL은 동작시 제1 비교기의 출력 전압이 로우(Low) 상태임을 의미하고, 수학식 5에서 VOH는 동작시 제1 비교기의 출력 전압이 하이(High) 상태임을 의미한다.
본 발명에 따른 제1비교기의 동작범위는 표 3에서 도시한 바와 같이, 4.29[V]~3.96[V]에서 동작된다.
이 범위안에서 제1 비교기의 출력전압 V01은 항시 15[V]를 유지한다.
이러한 동작은 휴면모드센서부의 제1제너다이오드 Za 전압이 4.25[V]를 지나 계속 증가할 때, 4.29[V] 이상으로 증가하면 제1비교기의 출력 V01은 계속 15[V]를 유지한다. 그러나, 휴면모드센서부의 제1제너다이오드 Zb 전압이 감소할 때는 VLT의 3.96[V] 미만에서 제1비교기 출력 V01은 0[V]가 된다.
Za Vcc Vref R RA1 RF1 VUT VLT V01
4.25[V] 15[V] 4.2[V] 220[Ω] 22[kΩ] 1[MΩ] 4.29[V] 3.96[V] 15[V]
상기 활동모드 제어부(216)는 활동모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제2비교기의 (+)단자로 인가받고, 제2 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제2비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보내는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시된 바와 같이, 저항 RA2, 제2비교기, 저항 RF2로 구성된다.
즉, 저항 RA2를 통해 활동모드 센서부로부터 발생된 동작전압, 즉 표2의 Zb전압(일예 : 4.13[V]~4.28[V])을 제2비교기의 (+)단자로 인가시킨다.
제2비교기는 비반전증폭기로 구성되어 (+)단자에 활동모드 센서부로부터 발생된 동작전압(일예 : 4.13[V]~4.28[V])을 인가받고, (-)단자에 제2 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 인가받은 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호(하이신호)를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호(로우신호)를 보내는 역할을 한다.
여기서, 활동모드일때 제2비교기에 설정된 임계설정값(Threshold)은 수학식 6과 같은 최대임계설정값(Upper Threshold)에 의해 설정되거나, 또는 수학식 7과 같은 최소임계설정값(Low Threshold)에 의해 설정된다.
상기 최대임계설정값(Upper Threshold)은 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호(하이신호)의 전압을 결정하고, 상기 최소임계설정값(Low Threshold)은 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호(로우신호)의 전압을 결정한다.
[수학식 6]
VUT=Vref×(1+RA2/RF2)-VOL×(RA2/RF2)
[수학식 7]
VLT=Vref×(1+RA2/RF2)-VOH×(RA2/RF2)
여기서, VUT는 제2비교기가 동작하기 위한 최대임계설정값(Upper Threshold)에 따른 전압이고, VLT는 제2비교기가 차단되는 최소임계설정값(Low Threshold)에 따른 전압을 의미한다.
본 발명에 따른 제2비교기의 동작범위는 표 4에서 도시한 바와 같이, 4.24[V]~4.09[V]에서 동작된다.
이 범위안에서 출력전압 V02는 항시 15[V]를 유지한다.
이러한 동작은 활동모드센서부의 제2제너다이오드 Zb 전압이 4.13[V]를 지나 계속 증가할 때, 4.24[V] 이상으로 증가하면 제1비교기의 출력 V02는 계속 15[V]를 유지한다. 그러나, 활동모드센서부의 제2제너다이오드 Zb 전압이 감소할 때는 VLT의 4.09[V] 미만에서 제2비교기 출력 V02는 0[V]가 된다.
Zb Vcc Vref Rb RA2 RF2 VUT VLT V02
4.28[V] 15[V] 4.2[V] 122[Ω] 10[kΩ] 1[MΩ] 4.24[V] 4.09[V] 15[V]
상기 제1 기준전압설정부(217)는 제1 전원부(221)에서 인가되는 전압을 병렬로 연결된 저항 R1과 저항 R2를 통해 기준전압을 설정해서 제1비교기의 (-)입력단자로 전달시키는 역할을 한다.
이는 VCC 전압이 저항 R1과 저항 R12에 비례되어 제1비교기의 (-)입력단자로 기준전압(Vref1)으로 동작된다.
상기 제2 기준전압설정부(218)는 제1 전원부(221)에서 인가되는 전압을 병렬로 연결된 저항 R4와 저항 R5를 통해 기준전압을 설정해서 제2비교기의 (-)입력단자로 전달시키는 역할을 한다.
이는 VCC 전압이 저항 R4와 저항 R5에 비례되어 제2비교기의 (-)입력단자로 기준전압(Vref2)으로 동작된다.
상기 제1 SSR 스위칭부(219)는 휴면모드 제어부의 출력단자와 연결되어, 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴온신호가 입력되면 턴온되어 휴면모드용 역률개선소자(229b)에 전류를 인가시키고, 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴오프신호가 입력되면 턴오프되어 휴면모드용 역률개선소자(229b)에 인가시킨 전류를 차단시키는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 SSR(반도체 릴레이)부와, 퓨즈, 제1리액터 그리고 역률 개선용 소자로 구성된다.
상기 제1 SSR부는 제1 입력회로, 제1포토커플러, 제1스위칭회로, 제1트라이악으로 이루어진다.
상기 제1 입력회로는 휴면모드 제어부로부터 전달된 제1 SSR 턴온신호와 제1 SSR 턴오프신호를 입력받는 역할을 한다.
상기 제1포토커플러는 제1 입력회로에서 전달받은 제1 SSR 턴온신호와 제1 SSR 턴오프신호를 포토트랜지스터를 통해 제1 스위칭회로로 전달시키는 역할을 한다.
상기 제1스위칭회로는 제1 SSR 턴온신호에 따라 교류전원전압의 제로전압 근방에서 트라이악을 온(On)시키고, 제1 SSR 턴오프신호에 따라 교류전원전압의 제로전압 근방에서 트라이악을 오프(Off)시키는 역할을 한다.
상기 제1 트라이악은 제1스위칭회로의 제어신호에 따라 온·오프되고, 이 결과로 역률개선소자(229b)를 배전변압기 선로에 연결시키거나, 차단시키는 역할을 한다.
상기 제1 리액터는 스위칭에 의한 과도현상과 돌입전류, 네트워크와의 공진을 억제시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 제1 SSR 스위칭부는 휴면모드 제어부의 출력신호가 하이신호이면, 제1 입력회로를 통해 제1 SSR 턴온신호를 입력받고, 제1포토커플러가 턴온되어 제1 스위칭회로로 제1 트라이악에 턴온신호를 보낸다.
이때, 제1 트라이악이 턴온되어 휴면모드용 역률개선소자를 배전변압기 선로에 연결시킨다.
상기 제2 SSR 스위칭부(219a)는 활동모드 제어부의 출력단자와 연결되어, 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴온신호가 입력되면 턴온되어 활동모드용 역률개선소자를 배전변압기 선로에 연결시키고, 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴오프신호가 입력되면 턴오프되어 활동모드용 역률개선소자를 배전변압기 선로에서 차단시키는 역할을 한다.
이는 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 SSR(반도체 릴레이)부와, 퓨즈, 제1리액터 그리고 역률 개선용 소자로 구성된다.
상기 제2 SSR(반도체 릴레이)부는 제2 입력회로, 제2 포토커플러, 제2 스위칭회로, 제2 트라이악으로 이루어진다.
상기 제2 입력회로는 활동모드 제어부로부터 전달된 제2 SSR 턴온신호와 제2 SSR 턴오프신호를 입력받는 역할을 한다.
상기 제2포토커플러는 제2 입력회로에서 전달받은 제2 SSR 턴온신호와 제2 SSR 턴오프신호를 포토트랜지스터를 통해 제2 스위칭회로로 전달시키는 역할을 한다.
상기 제2스위칭회로는 제2 SSR 턴온신호에 따라 교류전원전압의 제로전압 근방에서 트라이악을 온(On)시키고, 제2 SSR 턴오프신호에 따라 교류전원전압의 제로전압 근방에서 트라이악을 오프(Off)시키는 역할을 한다.
상기 제2 트라이악은 제2스위칭회로의 제어신호에 따라 온·오프시키며, 이 결과로 역률개선소자(229c)를 배전변압기 선로에 연결시키거나, 차단시키는 역할을 한다.
상기 제2 리액터는 스위칭에 의한 과도현상과 돌입전류, 네트워크와의 공진을 억제시키는 역할을 한다.
상기 휴면모드용 역률개선소자(219b)는 휴면모드 제어부의 제어신호에 따라배전변압기의 선로에 연결되거나, 차단되는 동작을 수행하여 역률개선을 수행한다.
이는 휴면기 시간대 지상전력의 최저값과, 그 최저값의 1.1배 이내의 범위, 또는 최저값과 시간별로 3번째 높은 값 이내의 범위에서 적당한 콘덴서 용량값을 설정한다.
여기서, 휴면기 시간대 지상전력의 최저값과, 그 최저값의 1.1배 이내의 범위에서 콘덴서 용량값을 설정하는 이유는 콘덴서 투입시 발생되는 진상전력을 최대한 억제하기 위한 방안이며, 콘덴서 용량값이 1.1배 이상이면 경우에 따라 많은 진상전력이 발생하여 배전시스템 운영에 나쁜 영향을 준다. 따라서 휴면기 시간대 지상전력의 최저값과, 그 최저값의 1.1배 이내의 범위에서 콘덴서 용량값을 설정하는 것이 배전시스템 운영시 발생되는 진상전력을 최대한 억제하기 위한 방안이다.
또한, 휴면기 시간대 무효전력이 진상전력일 경우는 이와 동일한 방법으로 진상전력을 보상하기 위한 인덕터로 구성한다.
상기 활동모드용 역률개선소자(219c)는 활동모드 제어부의 제어신호에 따라배전변압기의 선로에 연결되거나, 차단되는 동작을 수행하여 역률개선을 수행한다.
이는 배전변압기 일 평균 지상전력 값의 0.9배~1.12배 범위 내에서 적당한 콘덴서 용량값을 설정한다. 이는 시간 단위별로 지상전력이 파동을 칠 때 빈번히 발생되는 스위칭 동작을 억제하고, 또한 진상전력의 발생을 감소시키며 역률을 최대로 개선하기 위한 방안이다.
또한, 활동기 시간대의 무효전력이 진상전력일 경우는 이와 동일한 방법으로 진상전력을 보상하기 위한 인덕터로 구성한다.
본 발명에 따른 스위칭형 역률개선용 모듈이 제1 전원부(211), 제1 변류기(CT)(212), 휴면모드 센서부(213), 활동모드 센서부(214), 휴면모드 제어부(215), 활동모드 제어부(216), 제1 기준전압설정부(217), 제2 기준전압설정부(218), 제1 SSR 스위칭부(219), 제2 SSR 스위칭부(219a), 휴면모드용 역률개선소자(219b), 활동모드용 역률개선소자(219c)로 구성되어 볼트조임식 제1외함, 삽입식 제2외함, 슬라이드식 제3외함 내부에 수용됨으로서, 제작 적용이 가능하고, 기존 변압기에 호환시켜 부착할 수 있으며, 외부 온도변화에 따른 적응력을 향상시킬 수 있고, 고장시 개보수가 용이한 특징을 갖는다.
상기 볼트조임식 제1외함, 삽입식 제2외함, 슬라이드식 제3외함은 폴리아미드 6 등을 이용하여 사출성형 제작하여, 경도가 높고, 경량성 그리고 내부식성을 방지 할 필요가 있다.
상기 볼트조임식 제1외함은 곡면형태의 사각박스 형상으로 이루어지고, 배전용 변압기의 측면부에 형성된 제2나사홈과 1:1 결합되도록 일측면 둘레 일측에 제1나사홈이 형성되고, 볼트를 통해 제1나사홈과 제2나사홈이 체결되어 배전용 변압기의 측면부와 결합된다.
상기 삽입식 제2 외함은 원통형상으로 이루어지고, 배전용 변압기의 하단부에 형성된 삽입홈)과 1:1 대응이 되도록 상단 일측에 복수개의 걸림바가 돌출되어 배전용 변압기의 하단부와 결합된다.
상기 슬라이드식 제3 외함은 상하 길이방향을 따라 슬라이드 바가 돌출된 슬라이드 박스형상으로 이루어지고, 동일전주의 안내레일박스를 따라 슬라이드되어 배전변압기가 설치된 동일전주와 결합된다.
이하, 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법에 관해 설명한다.
이는 도 8에 도시한 바와 같이, SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)를 통해 역률개선소자의 온·오프 스위칭 동작점을 결정하기 위해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분하는 휴면모드·활동모드 설정단계(S100)와,
휴면모드·활동모드 설정단계를 통해 설정된 휴면모드와 활동모드의 시간대에 알맞은 보상용 콘덴서동작 시점과 그 용량을 도출하여, 배전변압기의 전류 변화에 추정하여 온·오프되도록 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시키는 무효전력 보상단계(S200)가 포함되어 이루어진다.
[ 휴면모드 · 활동모드 설정단계( S100 )]
휴면모드·활동모드 설정부에서 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)를 통해 역률개선소자의 온·오프 스위칭 동작점을 결정하기 위해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분한다.
그리고, 설정된 휴면모드와 활동모드의 시간대에 알맞은 보상용 콘덴서동작 시점과 그 용량을 도출한다.
본 발명에 따른 휴면모드·활동모드 설정단계(S100)는 구체적으로 휴면모드 설정 방법 및 휴면모드용 역률개선소자(콘덴서)의 제어단계(S110)와, 활동모드 설정 방법 및 활동모드용 역률개선소자(콘덴서)의 제어단계(S120)로 나뉜다.
첫째, 도 9에 도시한 바와 같이, 휴면모드 설정 방법 및 휴면모드용 역률개선소자(콘덴서)의 제어 흐름도에 관해 설명한다(S110).
먼저, 배전변압기 일 전류곡선을 분석하고, 배전변압기 일 지상 전력곡선을 분석하여 지상전력의 최저값과, 그 최저값의 1.1배 이내의 범위에 휴면기 시간대가 있는지 여부를 탐색한다(S111~S113).
이어서, 지상전력의 최저값과, 그 최저값의 1.1배 이내의 범위에 휴면기 시간대가 있으면 그 시간대를 휴면모드로 설정하고, 휴면모드용 역률개선소자인 콘덴서 투입시기를 결정한다(S114).
이어서, 휴면모드용 역률개선소자인 콘덴서 용량을 설정한다(S115).
이어서, 진상전력 발생유무를 검토하여, 진상전력이 발생되면 다시 배전변압기 일 전류곡선을 분석하고, 진상전력이 발생되지 않으면 제1 변류기 전류를 검출한다(S116~S117).
이어서, 휴면모드제어부 전압작동여부를 체크하여, 출력신호가 하이신호이면, 휴면모드용 역률개선소자인 콘덴서를 온(On)시키고, 출력신호가 로우신호이면, 휴면모드용 역률개선소자인 콘덴서를 오프(Off)시킨다(S118).
둘째, 도 10에 도시한 바와 같이, 활동모드 설정 방법 및 활동모드용 역률개선소자(콘덴서)의 제어 흐름도에 관해 설명한다(S120).
먼저, 배전변압기 일 전류곡선을 분석하고, 배전변압기 일 지상 전력곡선을 분석하여 배전변압기 일평균 지상전력 값의 0.9배~1.12배 범위 내에서 활동기 시간대가 있는지 여부를 탐색한다(S121~S123).
이어서, 배전변압기 일평균 지상전력 값의 0.9배~1.12배 범위 내에 활동기 시간대가 있으면 그 시간대를 활동모드로 설정하고, 활동모드용 역률개선소자인 콘덴서 투입시기를 결정한다(S124).
이어서, 활동모드용 역률개선소자인 콘덴서 용량을 설정한다(S125).
이어서, 진상전력 발생유무를 검토하여, 진상전력이 발생되면 다시 배전변압기 일 전류곡선을 분석하고, 진상전력이 발생되지 않으면 제1 변류기 전류를 검출한다(S126~S127).
이어서, 활동모드제어부 전압작동여부를 체크하여, 출력신호가 하이신호이면, 활동모드용 역률개선소자인 콘덴서를 온(On)시키고, 출력신호가 로우신호이면, 활동모드용 역률개선소자인 콘덴서를 오프(Off)시킨다(S128).
[무효전력 보상단계( S200 )]
이는 도 11에 도시한 바와 같이, 제1 변류기(CT)(212)에서 배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 흐르는 배전변압기 2차 측 전류를 검출한다(S210).
이어서, 휴면모드 센서부에서 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1 센싱저항(R = Ra+Rb)으로 센싱한 후 제1 제너다이오드(Za)를 통해 휴면모드제어부의 동작전압을 발생시킨다(S220).
이어서, 활동모드 센서부에서 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1b 센싱저항(Rb)으로 센싱한 후 제2 제너다이오드(Zb)를 통해 활동모드제어부의 동작전압을 발생시킨다(S230).
이어서, 휴면모드 제어부에서 휴면모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제1비교기의 (+)단자로 인가받고, 제1 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제1비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보낸다(S240).
이어서, 활동모드 제어부에서 활동모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제2비교기의 (+)단자로 인가받고, 제2 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제2비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보낸다(S250).
이어서, 제1 SSR 스위칭부에서 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴온신호가 입력되면 제1트라악이 턴온되어 휴면모드용 역률개선소자를 배전변압기에 연결시켜 휴면모드 역률개선 소자)에 의해 역률을 개선시키고, 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴오프신호가 입력되면 제1트라이악이 턴오프되어 휴면모드용 역률개선소자를 배전변압기로 부터 차단시킨다(S260).
끝으로, 제2 SSR 스위칭부에서 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴온신호가 입력되면 제2트라악이 턴온되어 휴면모드용 역률개선소자를 배전변압기에 연결시켜 휴면모드 역률개선 소자(219c)에 의해 역률을 개선시키고, 휴면모드 제어부의 제2 SSR 턴오프신호가 입력되면 제2트라이악이 턴오프되어 휴면모드용 역률개선소자를 배전변압기로 부터 차단시킨다(S270).
이하, 본 발명에 따른 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법 중 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)를 통해 역률개선소자의 온·오프 스위칭 동작점을 결정하기 위해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분하는 휴면모드·활동모드 설정단계(S100)와,
휴면모드·활동모드 설정단계를 통해 설정된 휴면모드와 활동모드의 시간대에 알맞은 보상용 콘덴서동작 시점과 그 용량을 도출하여, 배전변압기의 전류 변화에 추정하여 온·오프되도록 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시키는 무효전력 보상단계(S200)에 관한 구체적인 실시 예를 들어 설명한다.
표 5는 서울시 서초구 방배동의 변대주번호가 9921F531인 용량 50KVA, 평균이용률 35%, 평균역률이 0.965인 주상변압기의 일 시간별 24시간의 사용 지상전력용 표시에 관한 것이다.
이는 한전의 저압 원격검침 시스템의 계량치로 측정된 데이터이다.
구분 기준 변압기 데이터 휴면모드시 C138사용 개선데이터 활동모드시 C119사용 개선데이터
시간 전압 전류 이용률 지상
전력		 진상
전력		 지상
전력		 개선
역률		 개선
전류		 감소
전류		 진상
전력		 지상
전력		 개선
역률		 개선
전류		 감소
전류
단위 [V] [A] [%] KVar KVar KVar [A] [A] KVar KVar [A] [A]
24:00 226 104 47.0 6.16 2.66 3.51 0.988 101.5 2.45 4.95 1.22 0.999 100.5 3.50
1:00 226 68 30.7 4.03 2.66 1.37 0.996 65.90 2.10 2.66 1.37 0.996 65.90 2.10
2:00 225 45 20.3 2.66 2.63 0.02 1.000 43.43 1.57 2.63 0.02 1.000 43.43 1.57
3:00 226 44 19.9 2.61 2.66 -0.05 1.000 42.46 1.54 2.66 -0.05 1.000 42.46 1.54
4:00 227 49 22.2 2.92 2.68 0.24 1.000 47.30 1.70 2.68 0.24 1.000 47.30 1.70
5:00 227 51 23.2 3.04 2.68 0.36 1.000 49.24 1.76 2.68 0.36 0.999 49.24 1.76
6:00 227 49 22.2 2.92 2.68 0.24 0.999 47.30 1.70 2.68 0.24 1.000 47.30 1.70
7:00 225 55 24.8 3.25 2.63 0.61 1.000 53.14 1.86 2.63 0.61 0.999 53.14 1.86
8:00 227 49 22.2 2.92 2.68 0.24 0.999 47.30 1.70 2.68 0.24 1.000 47.30 1.70
9:00 228 58 26.4 3.47 2.70 0.76 0.998 56.07 1.93 2.70 0.76 0.998 56.07 1.93
10:00 227 71 32.2 4.23 2.68 1.55 0.995 68.85 2.15 2.68 1.55 0.995 68.5 2.15
11:00 227 74 33.6 4.41 2.68 1.73 0.994 71.81 2.19 2.68 1.73 0.994 71.81 2.19
12:00 227 84 38.1 5.00 2.68 2.32 0.992 81.70 2.30 4.99 0.01 1.000 81.06 2.94
13:00 227 82 37.2 4.88 2.68 2.20 0.993 79.72 2.28 4.99 -0.11 1.000 79.13 2.87
14:00 226 94 42.5 5.57 2.66 2.92 0.990 91.62 2.38 4.95 0.63 1.000 90.75 3.25
15:00 227 91 41.3 5.42 2.68 2.74 0.991 88.64 2.36 4.99 0.43 1.000 87.84 3.16
16:00 227 108 49.0 6.43 2.68 3.75 0.988 105.5 2.48 4.99 1.44 0.998 104.4 3.59
17:00 227 90 40.9 5.36 2.68 2.68 0.991 87.65 2.35 4.99 0.37 1.000 86.87 3.13
18:00 227 90 40.9 5.36 2.68 2.68 0.991 87.65 2.35 4.99 0.37 1.000 86.87 3.13
19:00 226 95 42.9 5.63 2.66 2.97 0.990 92.62 2.38 4.95 0.68 0.999 91.73 3.27
20:00 226 99 44.7 5.87 2.66 3.21 0.989 96.59 2.41 4.95 0.92 0.999 95.62 3.38
21:00 227 97 44.0 5.77 2.68 3.10 0.990 94.59 2.41 4.99 0.78 0.999 93.67 3.33
22:00 228 98 44.7 5.86 2.70 3.16 0.989 95.58 2.42 5.03 0.83 0.999 94.64 3.36
23:00 226 107 48.4 6.34 2.66 3.69 0.988 104.5 2.46 4.95 1.40 0.998 103.4 3.56
합계 110.1 64.1 45.9 23.85 51.24 94.1 16.2 23.97 62.68
평균 227 77.1 35.0 4.59 2.67 1.91 0.994 75.03 2.13 3.92 0.67 0.999 74.55 2.61
감소율[%] -2.68 -3.30
표 5에서 전압, 전류는 측정치이고, 나머지 항목은 계산치로서 역률개선소자 중 콘덴서 138[㎌]와 콘덴서 119[㎌], 즉 총 257[㎌]를 2단으로 보상하였을 때의 개선결과는 평균 역률이 약 0.999로 개선되었으며, 변압기 전류는 시간당 평균 2.61[A] 개선되었음을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 기재된 표 5의 데이터 중 50KVA기준변압기의 일일 24시간 전류 사용량을 도시한 일실시예도에 관한 것이고, 도 13은 본 발명에 기재된 표 5의 데이터 중 50KVA 기준변압기의 일일 24시간 지상전력 발생량을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
시간별 전류 사용량은 24:00시부터 1:00까지는 급격히 감소하고, 1:00시부터 10:00시까지는 낮은 전류 사용량을 제시하다가 11:00시부터 24:00시까지 급격히 증가하는 패턴을 보이고 있다.
이러한 전류곡선의 모양은 사람의 일일 24시간 하루활동형태와 아주 유사한 모습을 나타내고 있다.
즉, 사람이 일일 시간 중 수면 또는 휴식을 취하는 1:00시 이후부터 10:00시까지는 일중 가장 낮은 일정한 전기 사용량을 제시하고 있으며, 11:00시부터 24:00시까지는 활동영역으로 전기 사용량이 급격히 증가함을 제시하고 있다. 이에 따라 시간별 지상전력 발생량도 전류 사용량과 동일한 패턴이 형성된다.
따라서, 본 발명에서는 휴면모드·활동모드 설정부에서 변압기의 일일 전류곡선 형태를 분석하고, 휴면모드 및 활동모드 등 2단계로 구분한다.
이어서, 기준변압기에서 발생되는 지상전력을 휴면모드용 역률개선소자(콘덴서, 인덕터) 및 활동모드 역률개선소자(콘덴서, 인덕터)를 이용하여 보상하는 방법이 구성됨으로서, 기존 변압기의 역률을 0.965에서 0.99 이상으로 개선할 수 있고, 기준변압기의 전류는 시간당 평균 약 2.61A로 절감할 수가 있다.
[ 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 용량 및 동작전류]
휴면모드시 구성되는 휴면모드용 역률개선소자 중 역률보상으로 사용되는 콘덴서의 용량 및 동작전류에 관해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 휴면모드는 1:00시부터 11:00시로 설정된다.
상기 시간대는 평균 지상전력량이 적으며 그 변화가 완만하다.
그리고, 휴면모드시 콘덴서 C1 투입 시기는 2:00시로 설정한다.
이때 기존 변압기의 전류는 45[A]이며 발생되는 지상전력은 2.66[kvar] 이다. 그리고 24시간 동작하도록 구성된다. 콘덴서 용량 C1은 수학식 8을 적용한다.
[수학식 8]
C1 = 지상전력/(2*3.14*전원주파수*전압2)
= 2.66[kvar] / ( 2*3.14*60*2262 ) = 약 138 [uf]
여기서, 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1의 설정 값은 휴면모드 시간대의 지상전력 최저 값과 그 최저값의 1.1배 이내, 또는 최저값과 시간별로 3번째 높은 값 이내의 범위에서 적당한 콘덴서 용량값을 설정한다.
그 이유는 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1 투입 시 가능한 불필요한 진상전력을 억제시켜야 하며, 규격화된 콘덴서 용량의 문제, 작으나마 일정하지 않는 변압기 전압 불균일성, 스위칭on/off전압의 차이와 이를 동작시키기 위한 제1비교기의 on/off 전압 등을 고려하여야 하기 때문이다. 이러한 이유로 전력 보상용 콘덴서 용량인 2.66[kvar] 는 휴면 시간대의 가장 작은 지상전력 값인 3:00시의 2.61[kvar] 보다 1.019 배 값으로 설정하여 불필요한 진상전력이 발생하는 것을 억제하였다.
도 14는 표 5에서 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1이 투입되는 2:00시 부근의 전류 곡선을 도시한 그래프에 관한 것이다.
즉, 개선전 전류곡선 2:00시의 45[A]에서 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1이 온(on)되면 변압기의 전류는 즉시 휴면기 시의 전류곡선 2:00시의 전류 43.43[A]로 변하게 되고, 휴면모드 시의 전류 곡선으로 동작하게 된다.
그러므로 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1 은 처음에 45[A] 에서 동작하여 3:00시의 42.46[A] 까지는 유지되어 지상전력을 보상하여야 한다.
그리고 변압기의 전류가 42.46[A] 미만에서는 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1 의 동작이 오프(off) 되도록 하였다.
그러므로 콘덴서 C1의 동작 범위에 해당되는 전류는 45[A]에서 42.46[A] 이다. 다시 표현하면 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C1 은 개선전 전류곡선 45[A]에서 동작하고, 그 이후에는 휴면모드 전류곡선을 따라 동작하기 때문에 3:00시의 전류 42.46[A] 에서도 동작하여 지상전력을 보상 할 수 있도록, 휴면모드 전류가 42.46[A] 미만에서는 오프(off) 되는 조건을 갖도록 구성하였다.
그리고 휴면모드 시 역률 보상용 콘덴서 C1의 동작특성은 다음과 같다.
배전변압기의 전류가 45[A] 일 때 제1제어부의 + 단자 전압은 표 1 의 Za의 전압 4.25[V]가 인가된다.
그러나 표 3에서 제1제어부의 최대임계설정 전압 VUT 가 4. 28[V] 임으로 Za의 전압 4.25[V]에서는 역률 보상용 콘덴서 C1은 턴온되지 않는다.
그러므로 배전변압기의 전류가 45[A]에서 증가하여 45.27[A] 이상에서 Za의 전압이 4.28[V] 이상이 되어, 이때 역률 보상용 콘덴서 C1 콘덴서가 턴온되고 처음 설계치의 동작 전압과 차이가 미세하다.
또한 배전변압기의 전류가 휴면 모드에 의해 42.46[A] 일 때, 표 1에서 Za의 전압 3.97[V]가 제1제어부의 + 단자에 인가되나, 표 3에서 제1제어부의 최소임계설정 전압 VLT가 3.96[V] 임으로 역률 보상용 콘덴서 C1 콘덴서가 턴오프 되지 않는다.
따라서 배전변압기의 전류가 42.46[A]에서 감소하여 42.36[A] 미만 일 때 Za의 전압이 3.96[V] 미만이 되고, 이때 역률 보상용 콘덴서 C1은 턴오프 되며 처음의 설계치 동작전압값과 거의 일치한다.
[ 활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 용량 및 동작전류]
활동모드시 구성되는 활동모드용 역률개선소자 중 역률보상으로 사용되는 콘덴서의 용량 및 동작전류에 관해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 활동모드는 휴면모드 시간대를 제외한 12:00시 에서 24:00시까지로 설정된다.
그리고, 지상전력에서 그 크기를 반올림하여 5.0[kvar] 이상이 되는 경우는 총 13개소로, 전체적인 비중이 높다. 그러므로 활동시간대의 보상 평균전력은 표 5의 기준변압기 평균 지상전력 4.59[kvar]의 약1.1배 이며, 또한 표 5에서 12:00시의 동작값인 5.0[kvar] 로 기준하였다.
이때 역률보상으로 사용되는 콘덴서 용량 C2는 다음의 수학식 9를 적용한다.
[수학식 9]
C2 = 지상전력/(2*3.14*전원주파수*전압2) - C1
= 5.0[kvar] / ( 2*3.14*60*2262 ) - 138[uf]= 약 119 [uf]이다.
그리고 활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 용량은 약 119[uf] 이나, 이 시간 대에도 이미 휴면시간대의 콘덴서, C1, 약 138[uf] 가 동작하고 있으므로 콘덴서 전체 용량은 약 257 [uf]가 된다.
여기서 활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C2의 설정 값은 배전변압기의 일 평균 지상전력 값과 그 값의1.15 배 이내의 값으로 설정하였다.
그 이유는 활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C2 투입 시 가능한 불필요한 진상전력을 억제 시켜야 하며, 규격화된 콘덴서 용량의 문제, 작으나마 일정하지 않는 변압기 전압 불균일성, 그리고 스위칭on/off전압의 차이와 이를 동작시키기 위한 비반전 증폭기의 임계설정전압 (on/off 전압)등을 고려하여야 하기 때문이다.
따라서 변압기의 시간당 평균 지상전력이 표 5에서와 같이 4.59[kvar] 이므로 콘덴서 C2 의 보상전력은 약 1.089배인 12:00시의 5.0[kvar] 를 선택한다.
앞에서 언급한 휴면모드 시간대와 활동모드 시간대의 역률보상으로 사용되는 콘덴서 용량 설정 범위의 제한은 다양한 지상전력 곡선을 갖는 변압기의 특성에도 불구하고 그 역률을 0.99 이상 올리기 위한 조건이다.
도 15는 본 발명에 기재된 표 5에서 활동모드 시 역률보상으로 사용되는 콘덴서가 투입되는 12:00시 부근의 전류 곡선을 도시한 그래프에 관한 것으로, 이는 12:00시 부터 13:00시 까지 표시하였으며 그 이상 시간은 전류가 지속적으로 증가하기 때문에 표시하지 않았다.
활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C2의 동작은 도 15에서 개선전 전류 곡선 12:00시의 84[A]로 설정 하였으나, 이 경우 이미 휴면모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서(C1)이 작용하고 있으므로, 그 동작 전류는 실제적으로 휴면모드 시 전류곡선 12:00시의 81.70[A] 에서 활동기 콘덴서 C2 가 온(on) 되어야 한다.
또한 활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C2 가 동작 됨과 동시에 변압기의 전류는 활동모드 시 전류곡선으로 동작하기 때문에 13:00시 때의 79.13[A]에서 발생되는 지상전력을 보상하기 위해서는 활동모드시 역률보상으로 사용되는 콘덴서 C2는 활동기 시 전류곡선 13:00시의 79.13[A] 미만 에서 오프(off)되도록 구성된다. 이때 발생되는 전력은 표 5에서와 같이 0.11[kvar] 의 진상전력이 발생되나 시스템에 미치는 영향은 매우 적다. 따라서 콘덴서 C2의 동작 범위에 해당되는 전류는 81.70[A] 에서 79.13[A] 이다.
그리고 휴면모드 시 역률 보상용 콘덴서 C1의 동작특성은 다음과 같다.
배전변압기의 전류가 81.70[A] 일 때 제2제어부의 + 단자 전압은 표 2 의 Zb의 전압 4.28[V]가 인가된다.
그러나 표 4에서 제1제어부의 최대임계설정 전압 VUT 가 4. 24[V] 임으로 Zb의 전압 4.28[V] 이전에 역률 보상용 콘덴서 C2는 턴온 된다.
그러므로 배전변압기의 전류가 81.70[A]가 되기 이 전인 80.98[A] 이상에서 Za의 전압이 4.24[V] 이상이 되어, 이때 역률 보상용 콘덴서 C1 콘덴서가 턴온되며, 처음 설계치의 동작전압과 최대임계설정 전압의 차이는 1% 미만으로 그 차이가 미세하다.
또한 배전변압기의 전류가 활동모드에 의해 79.13[A] 일 때, 표 2에서 Zb의 전압 4.13[V]가 제2제어부의 + 단자에 인가되나, 표 4에서 제2제어부의 최소임계설정 전압 VLT가 4.09[V] 임으로 역률 보상용 콘덴서 C1 콘덴서가 턴오프 되지 않는다.
따라서 배전변압기의 전류가 79.13[A]에서 감소하여 78.52[A] 미만일 때 Zb의 전압이 4.09[V] 미만이 되고, 이 때 역률 보상용 콘덴서 C1 은 턴오프된다.
100 : 배전변압기 200 : 스위치형 역률개선용 모듈
210 : SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈

Claims (7)

  1. 전봇대에 설치되어 가정으로 전력을 공급시키는 배전변압기(100)로 이루어지고,
    상기 배전변압기(100)의 2차권선과 5cm~200cm의 근거리에서 배전변압기의 부싱에 직접 연결되어 가정으로의 전력 공급시 발생되는 부하역률을 역률개선소자로 개선시키고, 역률개선소자의 온·오프 스위칭이 일일 지상전력 사용량에 따른 배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 온·오프되도록 스위칭시키는 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)이 포함되어 이루어진 스위칭형 역률개선용 모듈(200)이 부착되어 구성되는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기에 있어서,
    상기 SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)은
    배전변압기 2차 측 전압으로 부하에 전력을 공급시키는 제1 전원부(211)와,
    배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 흐르는 배전변압기 2차 측 전류를 검출하는 제1 변류기(CT)(212)와,
    제1 변류기(CT) 출력단자 2차 측에 연결되어 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1 센싱저항(R)으로 센싱한 후 제1 제너다이오드(Za)를 통해 휴면모드제어부의 동작전압을 발생시키는 휴면모드 센서부(213)와,
    제1 변류기(CT)에 연결되어 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1b 센싱저항(Rb)으로 센싱한 후 제2 제너다이오드(Zb)를 통해 활동모드제어부의 동작전압을 발생시키는 활동모드 센서부(214)와,
    휴면모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제1비교기의 (+)단자로 인가받고, 제1 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제1비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보내는 휴면모드 제어부(215)와,
    활동모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제2비교기의 (+)단자로 인가받고, 제2 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제2비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보내는 활동모드 제어부(216)와,
    제1 전원부(221)에서 인가되는 전압을 병렬로 연결된 저항 R1과 저항 R2를 통해 기준전압을 설정해서 제1비교기의 (-)입력단자로 전달시키는 제1 기준전압설정부(217)와,
    제1 전원부(221)에서 인가되는 전압을 병렬로 연결된 저항 R4와 저항 R5를 통해 기준전압을 설정해서 제2비교기의 (-)입력단자로 전달시키는 제2 기준전압설정부(218)와,
    휴면모드 제어부의 출력단자와 연결되어, 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴온신호가 입력되면 턴온되어 휴면모드용 역률개선소자(229b)에 전류를 인가시키고, 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴오프신호가 입력되면 턴오프되어 휴면모드용 역률개선소자(229b)에 인가시킨 전류를 차단시키는 제1 SSR 스위칭부(219)와,
    활동모드 제어부의 출력단자와 연결되어, 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴온신호가 입력되면 턴온되어 활동모드용 역률개선소자(229c)를 배전변압기 선로에 연결시키고, 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴오프신호가 입력되면 턴오프되어 활동모드용 역률개선소자(229c)를 배전변압기 선로에서 차단시키는 제2 SSR 스위칭부(219a)와,
    휴면모드 제어부의 제어신호에 따라 배전변압기의 선로에 연결되거나, 차단되는 동작을 수행하여 역률개선을 수행하는 휴면모드용 역률개선소자(219b)와,
    활동모드 제어부의 제어신호에 따라배전변압기의 선로에 연결되거나, 차단되는 동작을 수행하여 역률개선을 수행하는 활동모드용 역률개선소자(219c)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 휴면모드용 역률개선소자(219b)는
    휴면기 시간대 지상전력의 최저값과, 그 최저값의 1.1배 범위 내에서 보상용량을 결정한 콘덴서로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 활동모드용 역률개선소자(219c)는
    배전변압기 일평균 지상전력 값의 0.9배~1.12배 범위 내에서 보상용량을 결정한 인덕터로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기.
  6. SSR 스위칭형 2단 역률개선용 모듈(210)를 통해 역률개선소자의 온·오프 스위칭 동작점을 결정하기 위해 지상전력 일사용량패턴을 휴면모드(휴면시간대)와 활동모드(활동시간대)로 구분하는 휴면모드·활동모드 설정단계(S100)와,
    휴면모드·활동모드 설정단계를 통해 설정된 휴면모드와 활동모드의 시간대에 알맞은 보상용 콘덴서동작 시점과 그 용량을 도출하여, 배전변압기의 전류 변화에 추정하여 온·오프되도록 스위칭시켜 역률을 0.99 이상으로 개선시키는 무효전력 보상단계(S200)가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 무효전력 보상단계(S200)는
    제1 변류기(CT)(212)에서 배전변압기 가변 부하의 변동에 따라 흐르는 배전변압기 2차 측 전류를 검출하는 단계(S210)와,
    휴면모드 센서부에서 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1 센싱저항(R = Ra+Rb)으로 센싱한 후 제1 제너다이오드(Za)를 통해 휴면모드제어부의 동작전압을 발생시키는 단계(S220)와,
    활동모드 센서부에서 제1 변류기(CT)에 흐르는 전류를 제1b 센싱저항(Rb)으로 센싱한 후 제2 제너다이오드(Zb)를 통해 활동모드제어부의 동작전압을 발생시키는 단계(S230)와,
    휴면모드 제어부에서 휴면모드센서부로부터 발생된 동작전압을 제1비교기의 (+)단자로 인가받고, 제1 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제1비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제1 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보내는 단계(S240)와,
    활동모드 제어부에서 활동모드 센서부로부터 발생된 동작전압을 제2비교기의 (+)단자로 인가받고, 제2 기준전압설정부에서 설정된 기준전압을 제2비교기의 (-)단자로 인가받아 비교한 후, 비교값이 임계설정값 이상이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴온시키는 출력신호를 보내고, 비교값이 임계설정값 이하이면 출력단자로 제2 SSR 스위칭부의 구동을 턴오프시키는 출력신호를 보내는 단계(S250)와,
    제1 SSR 스위칭부에서 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴온신호가 입력되면 턴온되어 휴면모드용 역률개선소자에 전류를 인가시켜 휴면모드용 역률개선소자에 의해 역률 0.99 이상으로 개선시키고, 휴면모드 제어부의 제1 SSR 턴오프신호가 입력되면 턴오프되어 휴면모드용 역률개선소자에 인가시킨 전류를 차단시키는 단계(S260)와,
    제2 SSR 스위칭부에서 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴온신호가 입력되면 턴온되어 활동모드용 역률개선소자에 전류를 인가시켜 활동모드용 역률개선소자에 의해 역률 0.99 이상으로 개선시키고, 활동모드 제어부의 제2 SSR 턴오프신호가 입력되면 턴오프되어 활동모드용 역률개선소자에 인가시킨 전류를 차단시키는 단계(S270)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭형 역률 개선용 모듈 부착형 배전변압기를 통한 부하가변시 무효전력 보상방법.
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