KR101379246B1 - Grid-connected filter and design method thereof - Google Patents

Grid-connected filter and design method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR101379246B1
KR101379246B1 KR1020120094947A KR20120094947A KR101379246B1 KR 101379246 B1 KR101379246 B1 KR 101379246B1 KR 1020120094947 A KR1020120094947 A KR 1020120094947A KR 20120094947 A KR20120094947 A KR 20120094947A KR 101379246 B1 KR101379246 B1 KR 101379246B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
filter
grid
inductor
converter
transformer
Prior art date
Application number
KR1020120094947A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20140029687A (en
Inventor
이승민
Original Assignee
삼성중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성중공업 주식회사 filed Critical 삼성중공업 주식회사
Priority to KR1020120094947A priority Critical patent/KR101379246B1/en
Publication of KR20140029687A publication Critical patent/KR20140029687A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101379246B1 publication Critical patent/KR101379246B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/01Arrangements for reducing harmonics or ripples
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/76Power conversion electric or electronic aspects
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/40Arrangements for reducing harmonics

Abstract

계통 연계형 필터 및 그 설계 방법이 개시된다. 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터는, 상기 변압기와 상기 컨버터 사이에 연결되는 컨버터측 인덕터 및 상기 컨버터측 인덕터와 상기 변압기를 연결하는 노드 및 그라운드 사이에 연결되는 필터 커패시터를 포함하되, 상기 계통 연계형 필터는 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 상기 노드 및 상기 계통 입력단 사이에 배치되는 계통측 인덕터로 사용하는 LCL 필터일 수 있다. A system-associated filter and a design method thereof are disclosed. A grid-connected filter connected between a converter connected to a wind generator and converting AC power generated by wind power to DC power and then to AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to a grid input terminal includes the transformer and the converter. And a filter capacitor connected between the converter-side inductor connected between the converter-side inductor and the node connecting the transformer and the ground, wherein the grid-associated filter includes an equivalent inductor for the transformer in the node and the grid input stage. It may be an LCL filter used as a grid side inductor interposed therebetween.

Figure R1020120094947
Figure R1020120094947

Description

계통 연계형 필터 및 그 설계 방법{Grid-connected filter and design method thereof}Grid-connected filter and design method

본 발명은 계통 연계형 필터 및 그 설계 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a system-associated filter and a method of designing the same.

최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다. Wind power generation, which has been attracting attention as a next generation power source, is growing in size and marketability around the world. Generally, wind power generation is a power generation system that uses wind turbines to convert wind into electric energy. Wind power plays a major role as a next generation power source as it occupies a larger portion in the power grid.

풍력은 깨끗하고, 재생가능하며, 온실 효과를 유발하지 않으므로, 종래 화석 연료를 대체하는 친환경 에너지로 각광받고 있지만 풍력 발전 시스템의 경우 가변적인 특성으로 인해 그 주변 전력망에 큰 영향력을 가지며 심할 경우 전력망 안정도에 지장을 줄 수도 있다. 따라서 전체 전력망의 안정성을 보장하기 위해 계통 연계 규정(Grid Code)이 각 국가별로 제정되어 풍력 발전 시스템의 계통 연계를 규제하고 있다. Because wind power is clean, renewable and does not cause greenhouse effect, it is traditionally regarded as eco-friendly energy replacing fossil fuel. However, wind power generation system has a large influence on the surrounding power network due to its variable characteristics, It can hurt. Therefore, in order to ensure the stability of the entire grid, grid codes are established for each country to regulate grid linkage of wind power generation systems.

계통 연계형 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터를 구동함에 있어서, LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전) 혹은 역률 제어뿐만 아니라 고조파 제한 규격을 만족시키는 것 또한 중요하다. 고조파가 포함된 전류가 계통으로 유입되면 민감한 부하나 전원에 장애 요인이 되어 제한이 필요하게 되며, 고조파 제한 규격에 대해서는 대표적으로 IEEE 519-1992, IEC 61000-3-2(Harmonics), IEC 61000-3-4 등과 같은 국제 규격이 정해져 있다. In driving a grid-coupled pulse width modulation (PWM) converter, it is also important to meet harmonic limiting specifications as well as low voltage ride through (LVRT) or power factor control. If a current containing harmonics enters the grid, it will cause a disturbance to sensitive loads or power supplies and will require restrictions. Representative harmonic limits are IEEE 519-1992, IEC 61000-3-2 (Harmonics), and IEC 61000-. International standards such as 3-4 are established.

컨버터 시스템에서 고조파(harmonics)가 생성되는 가장 큰 요인은 PWM 스위칭 성분과 전원단의 외란 전류 성분이다. 그 중에서 저고조파 성분은 컨버터 전류 제어기의 능동 댐핑을 이용하여 효과적으로 그 크기 제한이 가능하다. 하지만, 스위칭 주파수와 같은 고조파 성분은 제어기 대역폭의 한계로 인하여 능동 제어가 어려운 문제점이 있다. The biggest source of harmonics in the converter system is the PWM switching component and the disturbance current component of the power stage. Among them, the low harmonic component can be effectively limited in size by using active damping of the converter current controller. However, harmonic components such as switching frequency have a problem in that active control is difficult due to the limitation of the controller bandwidth.

따라서, 고조파 성분을 효과적으로 감쇄시키기 위하여 계통 입력단에 필터를 설치하게 된다. 필터의 형태는 L 필터, LC 필터 혹은 LCL 필터일 수 있다. 도 1에는 일반적인 3상 Y결선 LC 필터와 LCL 필터가 도시되어 있다. Therefore, in order to effectively attenuate harmonic components, a filter is installed at the system input stage. The form of the filter may be an L filter, an LC filter or an LCL filter. 1 shows a typical three-phase Y-connected LC filter and an LCL filter.

L 필터의 경우 구성이 단순하고 제어가 용이하지만, 기준을 만족하는 고조파 저감효과를 얻기 위해서는 큰 용량의 인덕터(Inductor)가 필요하다. 이로 인해 필터의 부피와 제작 비용이 증대되고 독립운전이 불가능하며 시스템의 동특성이 나빠지는 단점이 있다. The L filter is simple in configuration and easy to control, but a large capacity inductor is required to obtain harmonic reduction effects that meet the criteria. As a result, the volume and manufacturing cost of the filter are increased, standalone operation is impossible, and the dynamic characteristics of the system are deteriorated.

LC 필터의 경우(도 1의 (a) 참조) 필터 인덕터(L)에 필터 커패시터(C)를 추가한 구성으로, L 필터에 비해 고조파 저감 효과가 좋다. 하지만 대용량 시스템에서는 L 필터와 같이 인덕터 정격을 증가시켜야 하고 LC 필터에 의한 공진이 발생하는 문제점이 있다. In the case of the LC filter (see (a) of FIG. 1), the filter capacitor C is added to the filter inductor L, and the harmonic reduction effect is better than that of the L filter. However, in a large-capacity system, the inductor rating must be increased like the L filter, and resonance caused by the LC filter has a problem.

LCL 필터의 경우(도 1의 (b) 참조) 직렬 연결된 필터 인덕터(L1, L2) 사이의 노드와 그라운드 사이에 필터 커패시터(C)가 연결된 구성으로, 3차 저역통과필터(Low Pass Filter) 특성을 가지고 있어 L 필터 혹은 LC 필터에 비해 낮은 필터 용량으로 더 높은 고조파 감쇄 효과를 나타낸다. 이러한 LCL 필터부를 포함하는 계통 연계형 인버터 시스템이 한국공개특허공보 제10-2012-0058833호에 개시되어 있다. In the case of the LCL filter (refer to (b) of FIG. 1), the filter capacitor (C) is connected between the node and the ground between the series connected filter inductors (L1 and L2). It has a lower filter capacity than the L filter or LC filter, resulting in higher harmonic attenuation. A system-linked inverter system including such an LCL filter unit is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2012-0058833.

일반적으로 대부분의 풍력 발전기는 내부 스위칭 소자의 전압 레벨 한계로 인해 로우 레벨(Low Level)(±700V) 혹은 미디엄 레벨(Medium Level)(±3000V 혹은 ±6000V) 소자로 구성된다. 하지만, 계통 연계 시 계통측 전압은 22.9kV 혹은 그 이상이기 때문에 필터와 계통 사이에 변압기가 필수적으로 적용되고 있다. 여기서, 변압기도 코일이 감긴 인덕터로 볼 수 있는데, 이를 고려한 계통 연계형 필터의 설계가 필요한 실정이다. In general, most wind generators consist of low level (± 700V) or medium level (± 3000V or ± 6000V) devices due to the voltage level limitations of internal switching devices. However, since the grid-side voltage is 22.9 kV or more at grid linkage, a transformer is indispensable between the filter and the grid. Here, the transformer can also be seen as a coiled inductor, which requires the design of a grid-tied filter considering this.

한국공개특허공보 제10-2012-0058833호Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2012-0058833

본 발명은 변압기의 등가 인덕터를 필터 인덕터로 이용하거나 필터 인덕터에 포함시킴으로써 발전 시스템에 보다 적합하면서 전류 총고조파 왜율(THD: Total Harmonic Distortion)과 전도 노이즈를 감소시키고 시스템 제어 성능이 향상된 계통 연계형 필터 및 그 설계 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention utilizes the equivalent inductor of a transformer as a filter inductor or includes it in a filter inductor, thereby making it more suitable for a power generation system while reducing current total harmonic distortion (THD) and conduction noise and improving system control performance. And a design method thereof.

본 발명은 변압기의 등가 인덕터를 필터 인덕터로 이용하거나 필터 인덕터에 포함시킴으로써 전체 크기를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 계통 연계형 필터 및 그 설계 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a system-associated filter and a method of designing the same, which can reduce the overall size and reduce the cost by using an equivalent inductor of a transformer as a filter inductor or by including a filter inductor.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터에 있어서, 상기 변압기와 상기 컨버터 사이에 연결되는 컨버터측 인덕터; 및 상기 컨버터측 인덕터와 상기 변압기를 연결하는 노드 및 그라운드 사이에 연결되는 필터 커패시터를 포함하되, 상기 계통 연계형 필터는 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 상기 노드 및 상기 계통 입력단 사이에 배치되는 계통측 인덕터로 사용하는 LCL 필터인 계통 연계형 필터를 제공한다. According to an aspect of the present invention, the grid-connected type is connected between the converter connected to the wind generator and converts the AC power generated by the wind power generation to the DC power and then to the AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to the grid input terminal A filter, comprising: a converter side inductor coupled between the transformer and the converter; And a filter capacitor connected between the converter-side inductor and the node connecting the transformer and the ground, wherein the grid-associated filter includes a grid-side inductor having an equivalent inductor for the transformer disposed between the node and the grid input terminal. Provides a grid-connected filter, an LCL filter used as a system.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터에 있어서, 상기 변압기와 상기 컨버터 사이에 직렬 연결되는 계통측 서브 인덕터 및 컨버터측 인덕터; 및 상기 계통측 서브 인덕터와 상기 컨버터측 인덕터를 연결하는 노드 및 그라운드 사이에 연결되는 필터 커패시터를 포함하되, 상기 계통 연계형 필터는 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 상기 계통측 서브 인덕터에 합산하여 상기 노드 및 상기 계통 입력단 사이에 배치되는 계통측 인덕터로 사용하는 LCL 필터인 계통 연계형 필터를 제공한다.Meanwhile, according to another aspect of the present invention, a grid connection is connected between a converter connected to a wind generator and converting AC power generated by wind power into DC power and then converting into AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to the grid input terminal. A filter comprising: a grid side sub inductor and a converter side inductor connected in series between the transformer and the converter; And a filter capacitor connected between a node connecting the grid side sub inductor and the converter side inductor and a ground, wherein the grid link filter includes adding an equivalent inductor for the transformer to the grid side sub inductor. And an LCL filter used as a grid-side inductor disposed between the grid input terminals.

한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 컴퓨팅 장치에서 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터의 설계 방법에 있어서, (a) 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 계산하는 단계; (b) 상기 등가 인덕터를 LCL 필터 중 계통측 인덕터로 사용하는 단계; 및 (c) 상기 LCL 필터 중 컨버터측 인덕터 및 필터 커패시터를 계산하는 단계를 포함하는 계통 연계형 필터의 설계 방법이 제공된다. On the other hand, according to another aspect of the present invention, between the converter connected to the wind generator in the computing device converts the AC power generated by the wind power generation to the DC power and then to the AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to the grid input stage CLAIMS What is claimed is: 1. A method of designing a grid-connected filter to be connected, comprising: (a) calculating an equivalent inductor for the transformer; (b) using the equivalent inductor as a grid side inductor in an LCL filter; And (c) calculating a converter-side inductor and a filter capacitor among the LCL filters.

한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 컴퓨팅 장치에서 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터의 설계 방법에 있어서, (a) 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 계산하는 단계; (b) 상기 등가 인덕터를 LCL 필터 중 계통측 인덕터에 합산되는 계통측 서브 인덕터로 사용하는 단계; 및 (c) 상기 LCL 필터 중 다른 계통측 서브 인덕터, 컨버터측 인덕터 및 필터 커패시터를 계산하는 단계를 포함하는 계통 연계형 필터의 설계 방법이 제공된다. On the other hand, according to another aspect of the present invention, between the converter connected to the wind generator in the computing device converts the AC power generated by the wind power generation to the DC power and then to the AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to the grid input stage CLAIMS What is claimed is: 1. A method of designing a grid-connected filter to be connected, comprising: (a) calculating an equivalent inductor for the transformer; (b) using the equivalent inductor as a system side sub inductor summed with the system side inductor in the LCL filter; And (c) calculating another system side sub inductor, a converter side inductor, and a filter capacitor among the LCL filters.

상기 단계 (c)는, (c1) 풍력 발전 시스템의 베이스 임피던스, 베이스 인덕턴스 및 베이스 커패시턴스를 계산하는 단계; (c2) 소정 값의 전류 총고조파 왜율(THD)를 가지도록 상기 컨버터측 인덕터의 용량을 선정하는 단계; (c3) 상기 베이스 커패시턴스의 소정 % 미만이 되도록 상기 필터 커패시터의 용량을 선정하는 단계; (c4) 상기 계통측 인덕터의 용량과 상기 컨버터측 인덕터의 용량의 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 % 미만이 되는지 확인하는 단계; (c5) 확인 결과 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 % 미만인 경우 상기 LCL 필터의 공진 주파수를 계산하는 단계를 포함하되, 상기 단계 (c5)에서 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 %보다 큰 경우 상기 단계 (c2)로 되돌아가 전류 총고조파 왜율을 재설정하고 상기 단계 (c2) 내지 (c5)를 반복 수행할 수 있다. Step (c) may include: (c1) calculating base impedance, base inductance and base capacitance of the wind power generation system; (c2) selecting a capacitance of the converter-side inductor to have a current total harmonic distortion (THD) of a predetermined value; (c3) selecting a capacity of the filter capacitor to be less than a predetermined percentage of the base capacitance; (c4) checking whether the sum of the capacitance of the grid-side inductor and the capacitance of the converter-side inductor is less than a predetermined percentage of the base inductance; (c5) calculating a resonant frequency of the LCL filter when the sum is less than a predetermined percentage of the base inductance, and if the sum is greater than a predetermined percentage of the base inductance in step (c5); In step (a), the total current harmonic distortion may be reset, and steps (c2) to (c5) may be repeated.

(c6) 상기 공진 주파수가 소정 범위 내에 있는지 확인하는 단계를 더 포함하되, 확인 결과 상기 공진 주파수가 소정 범위 내에 있으면 공진 주파수를 제거하기 위한 댐핑 방법을 적용하고, 공진 주파수가 소정 범위 내에 없으면 상기 단계 (c2)로 되돌아가 전류 총고조파 왜율을 재설정하고 상기 단계 (c2) 이하를 반복 수행할 수 있다. (c6) further comprising checking whether the resonant frequency is within a predetermined range, and applying a damping method for removing the resonant frequency if the resonant frequency is within a predetermined range, and if the resonant frequency is not within a predetermined range, Returning to (c2), it is possible to reset the current total harmonic distortion and repeat the steps (c2) and below.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 변압기의 등가 인덕터를 필터 인덕터로 이용하거나 필터 인덕터에 포함시킴으로써 발전 시스템에 보다 적합하면서 전류 총고조파 왜율(THD)과 전도 노이즈를 감소시키고 시스템 제어 성능이 향상되는 효과가 있다. According to an embodiment of the present invention, by using the equivalent inductor of the transformer as a filter inductor or in the filter inductor, it is more suitable for the power generation system, reducing current total harmonic distortion (THD) and conduction noise, and improving system control performance. have.

또한, 변압기의 등가 인덕터를 필터 인덕터로 이용하거나 필터 인덕터에 포함시킴으로써 전체 크기를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. In addition, by using the equivalent inductor of the transformer as a filter inductor or included in the filter inductor, there is an effect that can reduce the overall size and cost.

도 1은 일반적인 3상 Y결선 LCL 필터와 LC 필터가 도시된 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 필터를 포함하는 발전 시스템 구조를 나타낸 도면,
도 3은 도 2에 도시된 발전 시스템 구조에 포함되는 계통 연계형 필터에 있어서 변압기의 등가 인덕터를 적용한 등가 회로도,
도 4는 LCL 필터의 설계 방법의 순서도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 필터를 포함하는 발전 시스템 구조를 나타낸 도면,
도 6은 도 5에 도시된 발전 시스템 구조에 포함되는 계통 연계형 필터에 있어서 변압기의 등가 인덕터를 적용한 등가 회로도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 필터의 설계 방법의 순서도.
1 is a view showing a typical three-phase Y-connected LCL filter and LC filter,
2 is a view showing a power generation system structure including a system-associated filter according to an embodiment of the present invention;
3 is an equivalent circuit diagram to which an equivalent inductor of a transformer is applied in a system-associated filter included in the power generation system structure shown in FIG. 2;
4 is a flowchart of a method of designing an LCL filter;
5 is a view showing a power generation system structure including a system-associated filter according to another embodiment of the present invention;
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram to which an equivalent inductor of a transformer is applied in a system-associated filter included in the power generation system structure shown in FIG. 5;
7 is a flowchart of a method of designing a system-associated filter according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, the term "part" or the like, as described in the specification, means a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.It is to be understood that the components of the embodiments described with reference to the drawings are not limited to the embodiments and may be embodied in other embodiments without departing from the spirit of the invention. It is to be understood that although the description is omitted, multiple embodiments may be implemented again in one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 필터를 포함하는 발전 시스템 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 발전 시스템 구조에 포함되는 계통 연계형 필터에 있어서 변압기의 등가 인덕터를 적용한 등가 회로도이며, 도 4는 LCL 필터의 설계 방법의 순서도이다. 2 is a view showing a power generation system structure including a grid-associated filter according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an equivalent inductor of a transformer in the grid-associated filter included in the power generation system structure shown in FIG. Fig. 4 is a flow chart of the design method of the LCL filter.

본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 필터는 컨버터와 변압기 사이에 배치되며, 변압기에 대한 등가 인덕터를 필터 인덕터 중 하나로 사용하여 LCL 필터로서 기능하여 전체 크기를 감소시키는 것이 가능한 것을 특징으로 한다. The grid-associated filter according to an embodiment of the present invention is disposed between the converter and the transformer, and it is possible to reduce the overall size by using an equivalent inductor for the transformer as one of the filter inductors to function as an LCL filter.

도 2를 참조하면, 발전 시스템(100)은 발전기(110), 컨버터(130), 계통 연계형 필터(150), 변압기(140), 계통(120)을 포함한다. 2, the power generation system 100 includes a generator 110, a converter 130, a grid-associated filter 150, a transformer 140, and a grid 120.

발전기(110)는 터빈의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 교류 전력을 발생시킨다. 발전기(110)에 의해 발생된 3상 교류 전력은 예를 들어 3.3kV의 전압 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 발전기(110)는 풍력 등과 같은 신재생에너지원을 이용하여 터빈을 회전시키는 신재생에너지 발전기일 수 있다. The generator 110 generates three phase AC power of variable frequency from the rotation of the turbine. The three phase AC power generated by the generator 110 may have a voltage magnitude of 3.3 kV, for example. For example, the generator 110 may be a renewable energy generator that rotates a turbine using a renewable energy source such as wind power.

계통(120)은 그리드(Grid)라고도 하며, 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들어, 계통(120)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계(連繫)이다. The grid 120 is also called a grid, and is an AC power system provided by a power company or a power generation company. For example, grid 120 is an electrical linkage over a wide area, including power plants, substations, and power lines.

컨버터(130)는 발전기(110)에 의해 발생된 전력을 계통(120)에 안정적으로 전달하는 기능을 수행한다. 컨버터(130)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 구조 혹은 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 다시 교류 전력으로 변환하는 구조 중 하나일 수 있다. 컨버터(130)는 특히 풍력 발전기에서는 발전기(110)에서 생성되는 랜덤 주파수의 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 이를 소정 주파수의 교류 전력으로 변환한다. The converter 130 performs a function of stably transferring power generated by the generator 110 to the system 120. The converter 130 may be one of a structure for converting AC power into DC power, a structure for converting DC power to AC power, or a structure for converting AC power to DC power and then back to AC power. In particular, the converter 130 converts AC power of a random frequency generated by the generator 110 into DC power and then converts the AC power into AC power of a predetermined frequency.

변압기(140)는 발전기(110)에서 발생된 전력의 전압 레벨을 승압시켜 계통(120)에 전달하게 된다. 변압기(140)는 계통 입력단에 연결되며, 컨버터(130)에서 전달되는 전압이 내부 스위칭 소자의 전압 레벨 한계로 인해 로우 레벨 혹은 미디엄 레벨인 경우 이를 하이 레벨의 계통측 전압으로 승압시킨다. The transformer 140 boosts the voltage level of the power generated by the generator 110 and transfers it to the system 120. The transformer 140 is connected to the grid input terminal. When the voltage transmitted from the converter 130 is a low level or a medium level due to the voltage level limit of the internal switching device, the transformer 140 boosts the voltage to a high level grid side voltage.

계통 연계형 필터(150)는 변압기(140)와 컨버터(130) 사이에 연결되어, 발전 과정에서 생성된 고조파 성분을 감쇄시킨다. The grid-associated filter 150 is connected between the transformer 140 and the converter 130 to attenuate harmonic components generated in the power generation process.

LC 필터 혹은 LCL 필터의 경우 필터 인덕터 및 필터 커패시터와 같은 소자들에 의해 특정 주파수 대역에서 높은 공진이 일어나게 되는데, 이를 제거하기 위해서는 능동 댐핑 방법 혹은 수동 댐핑 방법을 사용하게 된다. 수동 댐핑 방법은 실제 저항을 연결하는 것이며, 능동 댐핑 방법은 노치 필터(Notch Filter)와 같은 대역 소거 필터(Band Stop Filter)를 이용하여 공진주파수 대역의 신호를 제거하는 것이다. 이러한 댐핑 방법을 사용하기 위해서는 공진주파수와 임피던스를 정확하게 아는 것이 중요하다. In the case of the LC filter or the LCL filter, elements such as filter inductor and filter capacitor generate high resonance in a specific frequency band. In order to eliminate this, an active damping method or a passive damping method is used. Passive damping method is to connect the actual resistance, and active damping method is to remove the signal of the resonant frequency band by using a band stop filter such as a notch filter (Notch Filter). In order to use this damping method, it is important to know the resonance frequency and impedance accurately.

하지만, 종래에는 필터 제어에 있어서 변압기(140)의 임피던스를 고려하지 않고 필터 부분만을 고려하여 전체 시스템을 설계하였다. 하지만, 변압기(140) 역시 코일이 감겨 있어 광의의 인덕터로 가정할 수 있기 때문에, 변압기(140)의 임피던스를 고려하여 시스템을 설계하는 경우 필터의 성능이 전체 시스템에 보다 적합하게 설계되어 전류 총고조파 왜율 및 전도 노이즈가 감소하고 시스템 제어 성능이 향상되게 될 것이다. However, in the related art, the entire system is designed by considering only the filter part without considering the impedance of the transformer 140 in the filter control. However, since the transformer 140 may also be assumed to be a wide inductor because the coil is wound, when the system is designed in consideration of the impedance of the transformer 140, the performance of the filter is designed to be more suitable for the entire system, so that the current total harmonics. Distortion and conduction noise will be reduced and system control performance will be improved.

이를 위해 본 실시예에 따른 계통 연계형 필터(150)는 변압기(140)의 임피던스로부터 등가 인덕터(LT)를 계산하고, 이를 계통측 인덕터(Lg)로 사용함으로써 변압기(140)의 임피던스 중 인덕턴스 성분을 필터 설계에 반영시키게 된다. To this end, the grid-associated filter 150 according to the present exemplary embodiment calculates an equivalent inductor L T from the impedance of the transformer 140 and uses the grid inductor Lg as the grid-side inductor Lg. The components will be reflected in the filter design.

계통 연계형 필터(150)는, 변압기(140)와 컨버터(130) 사이에 연결되는 컨버터측 인덕터(Lc)와, 컨버터측 인덕터(Lc)와 변압기(140)를 연결하는 노드(N1) 및 그라운드 사이에 연결되는 필터 커패시터(C)를 포함한다. The grid-associated filter 150 includes a converter-side inductor Lc connected between the transformer 140 and the converter 130, and a node N1 and ground connecting the converter-side inductor Lc and the transformer 140. It includes a filter capacitor (C) connected between.

기본적으로는 LC 필터인 것처럼 보이지만, 변압기(140)의 등가 인덕터(LT)가 계통측 인덕터(Lg)로 기능하기 때문에, 계통 연계형 필터(150)는 LCL 필터가 될 것이다(도 3 참조). Basically it appears to be an LC filter, but since the equivalent inductor L T of transformer 140 functions as a grid side inductor Lg, grid-associated filter 150 will be an LCL filter (see FIG. 3). .

따라서, 시스템의 공진주파수를 계산함에 있어서도 변압기(140)의 등가 인덕터(LT)를 고려하고, 계통 연계형 필터(150)의 컨버터측 인덕터(L2) 및 필터 커패시터(C)의 설계 시에도 LCL 필터의 설계 방법에 따라 인덕턴스 및 커패시턴스를 계산하면 된다. Therefore, in calculating the resonant frequency of the system, the equivalent inductor L T of the transformer 140 is taken into consideration, and the LCL in the design of the converter side inductor L2 and the filter capacitor C of the system-associated filter 150 is also considered. The inductance and capacitance can be calculated according to the filter design method.

LCL 필터의 설계 방법의 일례가 도 4에 도시되어 있다. An example of the design method of the LCL filter is shown in FIG. 4.

도 4를 참조하면, LCL 필터의 파라미터를 선정하기에 앞서 시스템의 베이스 임피던스 값(Zb, Lb, Cb)을 계산한다(단계 S210). 베이스 임피던스(Zb)로부터 베이스 인덕턴스(Lb)와 베이스 커패시턴스(Cb)를 계산할 수 있다(하기 수학식 1~3 참조). Referring to FIG. 4, the base impedance values Z b , L b , and C b of the system are calculated before selecting the parameters of the LCL filter (step S210). The base inductance Lb and the base capacitance Cb can be calculated from the base impedance Zb (see Equations 1 to 3 below).

Figure 112012069670948-pat00001
Figure 112012069670948-pat00001

Figure 112012069670948-pat00002
Figure 112012069670948-pat00002

Figure 112012069670948-pat00003
Figure 112012069670948-pat00003

여기서, P는 컨버터의 정격 전력, E는 선간 전압, ω1은 2πf1을 의미한다. 계통으로 주입되는 전류 총고조파 왜율(THD)은 정부 규제 혹은 발전 시스템의 특성에 따라 소정 % 이내(예를 들어, 5% 이내)로 선정될 수 있다. Where P is the rated power of the converter, E is the line voltage, and ω 1 is 2πf 1 . The total harmonic distortion (THD) injected into the system can be selected within a certain percentage (eg within 5%), depending on government regulations or the characteristics of the power generation system.

컨버터측 인덕터(Lc)의 용량은 기본 주파수의 스위칭 주파수를 고려하여 THD를 적절한 값이 되도록 설정하여 그 파라미터를 선정할 수 있다(단계 S220). 예를 들어, 공진주파수가 전류 제어기의 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 적절히 놓이도록 5% ~ 30% 정도의 THD를 선정하는 것이 적절하다. The capacitance of the converter-side inductor Lc may be selected by setting THD to an appropriate value in consideration of the switching frequency of the fundamental frequency (step S220). For example, it is appropriate to select a THD on the order of 5% to 30% so that the resonant frequency lies properly between the bandwidth and switching frequency of the current controller.

필터 커패시터(C)의 용량은 베이스 커패시터(Cb)의 소정 % 미만(예를 들어, 5% 미만)이 되도록 하여 그 용량을 선정한다(단계 S230). The capacitance of the filter capacitor C is selected to be less than a predetermined percentage (for example, less than 5%) of the base capacitor C b (step S230).

다음으로 전류 리플 감쇄율 RAFsw를 선정한 후 계통측 인덕터(Lg)의 용량을 계산한다(단계 S240). Next, after selecting the current ripple attenuation ratio RAF sw , the capacity of the grid-side inductor Lg is calculated (step S240).

인버터측 인덕터의 용량과 계통측 인덕터의 용량의 합인 전체 인덕터의 용량이 베이스 인덕턴스(Lb)의 소정 % 미만(예를 들어, 10% 미만)이 되는지를 확인한다(단계 S250). 만약 전체 인덕터의 용량이 베이스 인덕턴스의 소정 %보다 커진다면, 컨버터 출력 전류의 THDi 혹은 전류 리플 감쇄율 RAFsw를 재설정하여 전술한 과정을 반복한다. It is checked whether the capacity of the entire inductor, which is the sum of the capacity of the inverter side inductor and the system side inductor, is less than a predetermined percentage (for example, less than 10%) of the base inductance L b (step S250). If the capacity of the entire inductor is greater than a predetermined percentage of the base inductance, the above-described process is repeated by resetting the THD i or the current ripple attenuation rate RAF sw of the converter output current.

LCL 필터의 파라미터가 모두 결정되면, 하기 수학식 4와 같이 공진주파수(frea)를 계산한다(단계 S260). 일반적으로 공진주파수는 시스템의 동특성을 고려하여 스위칭 주파수(fsw)의 1/2배 또는 제어기 대역폭에서 계통주파수(f1)의 10배 사이에 들어야 한다(단계 S270). 만약 공진주파수가 이 조건을 벗어나면, 컨버터 출력 전류의 THDi 혹은 전류 리플 감쇄율 RAFsw를 재설정하여 전술한 과정을 반복한다. When all the parameters of the LCL filter are determined, the resonance frequency f rea is calculated as shown in Equation 4 below (step S260). In general, the resonant frequency should be between 1/2 times the switching frequency f sw or 10 times the grid frequency f 1 at the controller bandwidth in consideration of the dynamic characteristics of the system (step S270). If the resonant frequency is out of this condition, the above-described process is repeated by resetting the THD i or the current ripple attenuation rate RAF sw of the converter output current.

Figure 112012069670948-pat00004
Figure 112012069670948-pat00004

공진주파수가 스위칭 주파수(fsw)의 1/2배 또는 제어기 대역폭에서 계통 주파수(f1)의 10배 사이에 들면, 단계 S280으로 진행하여 시스템에 대해 결정된 댐핑 방법을 적용한다. If the resonant frequency is between 1/2 times the switching frequency f sw or 10 times the system frequency f 1 at the controller bandwidth, the flow proceeds to step S280 to apply the damping method determined for the system.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 필터를 포함하는 발전 시스템 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 발전 시스템 구조에 포함되는 계통 연계형 필터에 있어서 변압기의 등가 인덕터를 적용한 등가 회로도이다. 5 is a diagram illustrating a power generation system structure including a grid-associated filter according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an equivalent inductor of a transformer in the grid-associated filter included in the power generation system structure shown in FIG. 5. It is an equivalent circuit diagram to which is applied.

본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 필터는 컨버터와 변압기 사이에 배치되며, 변압기에 대한 등가 인덕터를 필터 인덕터 중 하나의 일부분으로 사용하여 LCL 필터로서 기능하여 전체 크기를 감소시키는 것이 가능한 것을 특징으로 한다. A grid-tied filter according to another embodiment of the present invention is disposed between the converter and the transformer, and it is possible to reduce the overall size by functioning as an LCL filter by using an equivalent inductor for the transformer as part of one of the filter inductors. It is done.

도 5를 참조하면, 발전 시스템(100)은 발전기(110), 컨버터(130), 계통 연계형 필터(250), 변압기(140), 계통(120)을 포함한다. 발전기(110), 컨버터(130), 변압기(140), 계통(120)은 도 2에 도시된 것과 동일한 구성요소인 바 그 설명을 생략하고, 계통 연계형 필터(250)에 대하여 설명하기로 한다. Referring to FIG. 5, the power generation system 100 includes a generator 110, a converter 130, a system-associated filter 250, a transformer 140, and a system 120. Since the generator 110, the converter 130, the transformer 140, and the system 120 are the same components as those shown in FIG. 2, the description thereof will be omitted, and the system-associated filter 250 will be described. .

계통 연계형 필터(250)는 변압기(140)와 컨버터(130) 사이에 연결되어, 발전 과정에서 생성된 고조파 성분을 감쇄시킨다. The grid-associated filter 250 is connected between the transformer 140 and the converter 130 to attenuate harmonic components generated during the power generation process.

본 실시예에 따른 계통 연계형 필터(250)는 변압기(140)의 임피던스로부터 등가 인덕터(LT)를 계산하고, 이를 계통측 인덕터(Lg) 중의 일부분(즉, 계통측 서브 인덕터)으로 사용함으로써 변압기(140)의 임피던스 중 인덕턴스 성분을 필터 설계에 반영시키게 된다. The grid-associated filter 250 according to the present exemplary embodiment calculates an equivalent inductor L T from the impedance of the transformer 140 and uses it as a part of the grid-side inductor Lg (that is, the grid-side sub-inductor). The inductance component of the impedance of the transformer 140 is reflected in the filter design.

계통 연계형 필터(250)는, 변압기(140)와 컨버터(130) 사이에 직렬 연결되는 계통측 서브 인덕터(L1) 및 컨버터측 인덕터(Lc)와, 계통측 서브 인덕터(L1)와 컨버터측 인덕터(Lc) 사이의 노드(N2) 및 그라운드 사이에 연결되는 필터 커패시터(C)를 포함한다. The grid-associated filter 250 includes a grid side sub inductor L1 and a converter side inductor Lc, a grid side sub inductor L1 and a converter side inductor connected in series between the transformer 140 and the converter 130. It includes a filter capacitor (C) connected between the node (N2) and the ground between (Lc).

이 구성만으로도 LCL 필터이지만, 변압기(140)의 등가 인덕터(LT)가 계통측 인덕터(Lg)의 일부분으로 참여하기 때문에, 계통 연계형 필터(250)는 보다 시스템에 적합한 LCL 필터가 될 것이다. This configuration alone is an LCL filter, but since the equivalent inductor L T of the transformer 140 participates as part of the grid side inductor Lg, the grid-associated filter 250 would be a more suitable LCL filter for the system.

즉, 본 실시예에서 계통측 인덕터(Lg)는 하기 수학식 5와 같이 계산될 수 있다. That is, in the present embodiment, the grid-side inductor Lg may be calculated as shown in Equation 5 below.

Figure 112012069670948-pat00005
Figure 112012069670948-pat00005

즉, 시스템의 공진주파수를 계산함에 있어서도 변압기(140)의 등가 인덕터(LT)를 계통측 서브 인덕터(L1)와 함께 고려하고, 계통 연계형 필터(250)의 컨버터측 인덕터(Lc) 및 필터 커패시터(C)의 설계 시에도 LCL 필터의 설계 방법에 따라 인덕턴스 및 커패시턴스를 계산하면 된다. LCL 필터의 설계 방법에 대해서는 앞서 도 4를 참조하여 설명한 바 있다. That is, in calculating the resonance frequency of the system, the equivalent inductor L T of the transformer 140 is considered together with the grid side sub inductor L1 and the converter side inductor Lc and the filter of the grid-associated filter 250 are included. When designing the capacitor C, the inductance and capacitance may be calculated according to the design method of the LCL filter. The design method of the LCL filter has been described above with reference to FIG. 4.

풍력 발전 시스템에 사용되는 대용량 컨버터에서 계통 연계형 필터는 큰 부피와 발열량으로 인해 하나의 독립된 캐비닛으로 제작되는 것이 일반적이며, IGBT와 같은 전력 반도체 소자가 포함된 캐비닛 옆에 설치된다. In high-capacity converters used in wind power systems, grid-connected filters are typically manufactured in one independent cabinet due to their large volume and heat output, and are installed next to cabinets containing power semiconductor devices such as IGBTs.

본 발명에서는 기존의 IGBT 캐비닛과 계통 연계형 필터 캐비닛 방식에서 변압기의 등가 인덕터를 계통 연계형 필터의 필터 인덕터 중 하나로 사용하거나 직렬 연결된 서브 인덕터로 필터 인덕터 중 하나에 포함시켜 LCL 필터를 구성함으로써, 필터부 전체의 크기를 감소시킬 수 있게 된다. In the present invention, the LCL filter is configured by using an equivalent inductor of a transformer as one of the filter inductors of the grid-associated filter in the existing IGBT cabinet and the grid-associated filter cabinet, or by including it in one of the filter inductors in series as a sub-inductor. It is possible to reduce the size of the whole part.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 필터의 설계 방법의 순서도이다. 도 7의 각 단계들은 발전 시스템의 설계 과정에서 이용되는 컴퓨팅 장치에 의해 수행될 수 있다. 7 is a flowchart illustrating a method of designing a system-associated filter according to an embodiment of the present invention. Each step of FIG. 7 may be performed by a computing device used in the design process of a power generation system.

단계 S410에서 변압기에 대한 등가 인덕터를 계산한다. In step S410, an equivalent inductor for the transformer is calculated.

예를 들어, 변압기에 대한 등가 인덕터의 계산은 다음과 같다. For example, the calculation of the equivalent inductor for a transformer is as follows.

일반적으로 변압기의 임피던스는 변압기 카타로그에 수록되어 있다. 일반적으로는 예를 들어 6~7%이며 이는 유저의 요구에 의해 단가는 올라가지만 더 높게 제작될 수 있다. 임피던스는 결국 저항(R)과 인덕턴스(L) 성분이 같이 나온 합이다. 이를 구분하기 위해 카타로그에 나와 있는 변압기 효율을 이용할 수 있다. In general, the impedance of a transformer is listed in the transformer catalog. Generally, it is 6-7%, for example, and the unit price can be made higher by the demand of the user. Impedance is the sum of the resistance (R) and inductance (L) components. The transformer efficiencies listed in the catalog can be used to distinguish this.

예를 들어, 변압기의 용량이 3.3MVA, 전압이 690V/22900V, 임피던스가 7%, 효율이 99%, 주파수가 60Hz인 경우를 가정한다. 이러한 변압기 스펙이 주어져 있으면, 기준 임피던스는 약 0.14옴이 되고, 임피던스가 7%이므로 약 0.01옴이 된다. For example, suppose a transformer has a capacity of 3.3 MVA, a voltage of 690 V / 22900 V, an impedance of 7%, an efficiency of 99%, and a frequency of 60 Hz. Given this transformer specification, the reference impedance is about 0.14 ohms, and the impedance is about 0.01 ohms because the impedance is 7%.

효율이 99%이므로 1%가 손실인데 손실은 크게 철손 및 동손으로 나누어지고, 고조파 동손이나 표면 효과는 무시하는 것으로 가정하면, 동손은 순수 도통손으로 볼 수 있다. 일반적으로 전기기기를 설계할 때 철손 및 동손의 비율을 동일하게 본다고 가정하면, 1%의 1/2이므로 0.5%가 동손으로 볼 수 있으며 이를 저항으로 역산하면 약 721u옴이 된다. 이를 각각의 코일로 나누면 360u옴이 된다. 7% 임피던스에서 저항 성분을 제한다면 약 6.75% 임피던스가 인덕턴스 성분으로 볼 수 있으며 이는 약 26uH가 된다. 이는 한쪽 코일(컨버터측)만 환산한 것이므로 다른쪽 코일도 환산하면 약 26uH이므로 변압기의 등가 인덕터 및 등가 저항은 52uH, 721u옴이 된다. Since the efficiency is 99%, 1% is lost, but the loss is largely divided into iron loss and copper loss, and if the harmonic copper loss or surface effect is ignored, the copper loss can be regarded as pure conduction loss. In general, assuming that the ratio of iron loss and copper loss is the same when designing an electric device, it is 1/2 of 1%, so 0.5% can be regarded as copper loss, which is about 721 u ohms. Dividing this by each coil results in 360u ohms. If we subtract the resistive component from the 7% impedance, about 6.75% impedance can be considered as the inductance component, which is about 26uH. Since only one coil (converter side) is converted, the other coil is about 26 uH, so the equivalent inductor and equivalent resistance of the transformer are 52 uH and 721 u ohms.

단계 S420에서, 변압기의 등가 인덕터를 LCL 필터 중 계통측 인덕터로 사용한다. 계통측 인덕터로 사용하는 경우에는 도 2에 도시된 것과 같이 설계될 것이다. In step S420, the equivalent inductor of the transformer is used as the grid side inductor in the LCL filter. When used as a grid-side inductor will be designed as shown in FIG.

단계 S430에서, 등가 인덕터(계통측 인덕터)에 상응하여 LCL 필터 중 나머지 파라미터, 즉 컨버터측 인덕터 및 필터 커패시터를 계산한다. LCL 필터의 파라미터의 계산 방법은 도 5에서 설명한 바 있다. In operation S430, the remaining parameters of the LCL filter, that is, the converter side inductor and the filter capacitor, are calculated according to the equivalent inductor (system side inductor). The method of calculating the parameters of the LCL filter has been described with reference to FIG. 5.

이 경우 동일한 성능을 내는 필터라 하더라도 변압기를 계통측 인덕터로 이용함으로써 필터부를 LC 필터가 아닌 LCL 필터로 이용하게 되어 필터부의 전체 크기를 줄일 수 있게 된다. In this case, even if the filter having the same performance, by using the transformer as a grid-side inductor, the filter part is used as the LCL filter, not the LC filter, thereby reducing the overall size of the filter part.

혹은 단계 S440에서, 변압기의 등가 인덕터를 LCL 필터 중 계통측 인덕터의 일 구성요소(계통측 서브 인덕터)로 사용한다. 계통측 인덕터의 일 구성요소로 사용하는 경우에는 도 5에 도시된 것과 같이 설계될 것이다. Alternatively, in step S440, the equivalent inductor of the transformer is used as one component (system side sub inductor) of the grid side inductor in the LCL filter. When used as a component of the grid-side inductor will be designed as shown in FIG.

단계 S450에서, 등가 인덕터에 상응하여 나머지 계통측 서브 인덕터를 계산하고, LCL 필터 중 나머지 파라미터, 즉 컨버터측 인덕터 및 필터 커패시터를 계산한다. LCL 필터의 파라미터의 계산 방법은 도 5에서 설명한 바 있다. In step S450, the remaining system side sub inductor is calculated corresponding to the equivalent inductor, and the remaining parameters of the LCL filter, that is, the converter side inductor and the filter capacitor are calculated. The method of calculating the parameters of the LCL filter has been described with reference to FIG. 5.

이 경우 동일한 성능을 내는 필터라 하더라도 변압기를 계통측 인덕터 중 일부분으로 이용함으로써 계통측 인덕터의 크기를 줄일 수 있어 필터부의 전체 크기를 줄일 수 있게 된다. In this case, even if the filter having the same performance, by using the transformer as part of the grid-side inductor can reduce the size of the grid-side inductor can reduce the overall size of the filter.

또한, 변압기의 등가 인덕터에 대해서 계통측 서브 인덕터를 합산하여 계통측 인덕터로 이용함으로써 LCL 필터의 설계 자유도를 높이는 효과도 있다. In addition, by adding the grid-side sub-inductor to the grid-side inductor for the equivalent inductor of the transformer, there is also an effect of increasing the design freedom of the LCL filter.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

100, 200: 발전 시스템 110: 발전기
120: 계통 130: 컨버터
140: 변압기 150, 250: 계통 연계형 필터
100, 200: power generation system 110: generator
120: system 130: converter
140: transformer 150, 250: grid-associated filter

Claims (6)

삭제delete 삭제delete 컴퓨팅 장치에서 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터의 설계 방법에 있어서,
(a) 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 계산하는 단계;
(b) 상기 등가 인덕터를 LCL 필터 중 계통측 인덕터로 사용하는 단계; 및
(c) 상기 LCL 필터 중 컨버터측 인덕터 및 필터 커패시터를 계산하는 단계를 포함하되,
상기 단계 (c)는,
(c1) 풍력 발전 시스템의 베이스 임피던스, 베이스 인덕턴스 및 베이스 커패시턴스를 계산하는 단계;
(c2) 소정 값의 전류 총고조파 왜율(THD)를 가지도록 상기 컨버터측 인덕터의 용량을 선정하는 단계;
(c3) 상기 베이스 커패시턴스의 소정 % 미만이 되도록 상기 필터 커패시터의 용량을 선정하는 단계;
(c4) 상기 계통측 인덕터의 용량과 상기 컨버터측 인덕터의 용량의 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 % 미만이 되는지 확인하는 단계;
(c5) 확인 결과 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 % 미만인 경우 상기 LCL 필터의 공진 주파수를 계산하는 단계를 포함하되,
상기 단계 (c5)에서 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 %보다 큰 경우 상기 단계 (c2)로 되돌아가 전류 총고조파 왜율을 재설정하고 상기 단계 (c2) 이하를 반복 수행하는 계통 연계형 필터의 설계 방법.
In the design method of a grid-connected filter connected between a converter connected to a wind generator in a computing device and converts AC power generated by wind power into DC power and then to AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to a grid input terminal. In
(a) calculating an equivalent inductor for the transformer;
(b) using the equivalent inductor as a grid side inductor in an LCL filter; And
(c) calculating a converter side inductor and a filter capacitor among the LCL filters,
The step (c)
(c1) calculating base impedance, base inductance and base capacitance of the wind power generation system;
(c2) selecting a capacitance of the converter-side inductor to have a current total harmonic distortion (THD) of a predetermined value;
(c3) selecting a capacity of the filter capacitor to be less than a predetermined percentage of the base capacitance;
(c4) checking whether the sum of the capacitance of the grid-side inductor and the capacitance of the converter-side inductor is less than a predetermined percentage of the base inductance;
(c5) calculating a resonance frequency of the LCL filter when the sum is less than a predetermined percentage of the base inductance;
And returning to step (c2) to reset the current total harmonic distortion and repeating step (c2) or less if the sum is greater than a predetermined percentage of the base inductance in step (c5).
컴퓨팅 장치에서 풍력 발전기에 연결되어 풍력 발전에 의해 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 및 계통 입력단에 연결된 변압기 사이에 연결되는 계통 연계형 필터의 설계 방법에 있어서,
(a) 상기 변압기에 대한 등가 인덕터를 계산하는 단계;
(b) 상기 등가 인덕터를 LCL 필터 중 계통측 인덕터에 합산되는 계통측 서브 인덕터로 사용하는 단계; 및
(c) 상기 LCL 필터 중 다른 계통측 서브 인덕터, 컨버터측 인덕터 및 필터 커패시터를 계산하는 단계를 포함하되,
상기 단계 (c)는,
(c1) 풍력 발전 시스템의 베이스 임피던스, 베이스 인덕턴스 및 베이스 커패시턴스를 계산하는 단계;
(c2) 소정 값의 전류 총고조파 왜율(THD)를 가지도록 상기 컨버터측 인덕터의 용량을 선정하는 단계;
(c3) 상기 베이스 커패시턴스의 소정 % 미만이 되도록 상기 필터 커패시터의 용량을 선정하는 단계;
(c4) 상기 계통측 인덕터의 용량과 상기 컨버터측 인덕터의 용량의 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 % 미만이 되는지 확인하는 단계;
(c5) 확인 결과 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 % 미만인 경우 상기 LCL 필터의 공진 주파수를 계산하는 단계를 포함하되,
상기 단계 (c5)에서 합이 상기 베이스 인덕턴스의 소정 %보다 큰 경우 상기 단계 (c2)로 되돌아가 전류 총고조파 왜율을 재설정하고 상기 단계 (c2) 이하를 반복 수행하는 계통 연계형 필터의 설계 방법.
In the design method of a grid-connected filter connected between a converter connected to a wind generator in a computing device and converts AC power generated by wind power into DC power and then to AC power of a predetermined frequency and a transformer connected to a grid input terminal. In
(a) calculating an equivalent inductor for the transformer;
(b) using the equivalent inductor as a system side sub inductor summed with the system side inductor in the LCL filter; And
(c) calculating other grid side inductors, converter side inductors, and filter capacitors of the LCL filters,
The step (c)
(c1) calculating base impedance, base inductance and base capacitance of the wind power generation system;
(c2) selecting a capacitance of the converter-side inductor to have a current total harmonic distortion (THD) of a predetermined value;
(c3) selecting a capacity of the filter capacitor to be less than a predetermined percentage of the base capacitance;
(c4) checking whether the sum of the capacitance of the grid-side inductor and the capacitance of the converter-side inductor is less than a predetermined percentage of the base inductance;
(c5) calculating a resonance frequency of the LCL filter when the sum is less than a predetermined percentage of the base inductance;
And returning to step (c2) to reset the current total harmonic distortion and repeating step (c2) or less if the sum is greater than a predetermined percentage of the base inductance in step (c5).
삭제delete 제3항 또는 제4항에 있어서,
(c6) 상기 공진 주파수가 소정 범위 내에 있는지 확인하는 단계를 더 포함하되,
(c7) 확인 결과 상기 공진 주파수가 소정 범위 내에 있으면 공진 주파수를 제거하기 위한 댐핑 방법을 적용하고, 공진 주파수가 소정 범위 내에 없으면 상기 단계 (c2)로 되돌아가 전류 총고조파 왜율을 재설정하고 상기 단계 (c2) 이하를 반복 수행하는 계통 연계형 필터의 설계 방법.
The method according to claim 3 or 4,
(c6) further comprising checking whether the resonant frequency is within a predetermined range,
(c7) If it is confirmed that the resonant frequency is within a predetermined range, a damping method for removing the resonant frequency is applied. If the resonant frequency is not within the predetermined range, the method returns to step (c2) to reset the current total harmonic distortion and the step ( c2) A method of designing a system-driven filter which repeats the following.
KR1020120094947A 2012-08-29 2012-08-29 Grid-connected filter and design method thereof KR101379246B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120094947A KR101379246B1 (en) 2012-08-29 2012-08-29 Grid-connected filter and design method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120094947A KR101379246B1 (en) 2012-08-29 2012-08-29 Grid-connected filter and design method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140029687A KR20140029687A (en) 2014-03-11
KR101379246B1 true KR101379246B1 (en) 2014-03-28

Family

ID=50642522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120094947A KR101379246B1 (en) 2012-08-29 2012-08-29 Grid-connected filter and design method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101379246B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11493026B2 (en) 2020-05-21 2022-11-08 General Electric Company Wind turbine electrical system having redistributed components reducing the overall footprint of the electrical system

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9973003B2 (en) 2014-10-30 2018-05-15 Lsis Co., Ltd. Multiple-tuned filter design method for HVDC system
KR102485699B1 (en) * 2016-04-28 2023-01-05 엘에스일렉트릭(주) Apparatus and method for damping of converter system
CN107785925A (en) * 2016-08-30 2018-03-09 天津瑞能电气有限公司 A kind of mounting structure of wind-power electricity generation frequency conversion device ripple resistance and electric capacity
CN106300357A (en) * 2016-09-27 2017-01-04 国网天津市电力公司 A kind of output filter multiple-objection optimization Parameters design
CN115833166B (en) * 2022-11-04 2024-03-22 上海正泰电源系统有限公司 Resonance protection design method for grid-connected inverter

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005184990A (en) * 2003-12-19 2005-07-07 Fuji Electric Systems Co Ltd Wind power equipment
KR20120060271A (en) * 2010-12-01 2012-06-12 한국전기연구원 Inverter parallel operation using current balancer in wind power generation system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005184990A (en) * 2003-12-19 2005-07-07 Fuji Electric Systems Co Ltd Wind power equipment
KR20120060271A (en) * 2010-12-01 2012-06-12 한국전기연구원 Inverter parallel operation using current balancer in wind power generation system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11493026B2 (en) 2020-05-21 2022-11-08 General Electric Company Wind turbine electrical system having redistributed components reducing the overall footprint of the electrical system

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140029687A (en) 2014-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101379246B1 (en) Grid-connected filter and design method thereof
Araújo et al. LCL filter design for grid-connected NPC inverters in offshore wind turbines
Beres et al. Optimal design of high-order passive-damped filters for grid-connected applications
US8325500B2 (en) Inverter filter including differential mode and common mode, and system including the same
US20170294833A1 (en) Multiphase Coupled and Integrated Inductors with Printed Circuit Board (PCB) Windings for Power Factor Correction (PFC) Converters
US20140139167A1 (en) Transformerless multilevel converter
Nguyen et al. Trans‐switched boost inverters
Shuai et al. Study on a novel hybrid active power filter applied to a high-voltage grid
CN103560680A (en) Double fed induction generator (dfig) converter and method for improved grid fault ridethrough
JP5634102B2 (en) Grid interconnection inverter
Li et al. Magnetic integration of LTL filter with two LC-traps for grid-connected power converters
CN102027677A (en) Lossy triphase low-pass filter
Jammy et al. A new configuration of seven‐level quasi Z‐source–based isolated inverter for renewable applications
Marzoughi et al. Steady-state analysis of voltages and currents in modular multilevel converter based on average model
Darwish et al. Operation and control design of an input‐series–input‐parallel–output‐series conversion scheme for offshore DC wind systems
Yang et al. Improved LCL filter design procedure for grid-connected voltage-source inverter system
Al‐Barashi et al. Enhancing power quality of high‐speed railway traction converters by fully integrated T‐LCL filter
Delpino et al. Line harmonics on systems using reduced DC-link capacitors
Sztykiel et al. Modular multilevel converter modelling, control and analysis under grid frequency deviations
BC et al. Higher order output filter design for grid connected power converters
Lee et al. Design of an LCL filter employing a symmetric geometry and its control in grid-connected inverter applications
CN102823122A (en) Modular multi -level power converter with second and third order harmonics reduction filter
Rathnayake et al. Grid-tied inverters in renewable energy systems: Harmonic emission in 2 to 9 kHz frequency range
Park et al. Filter hardware optimization of grid-tied converters: LCL vs. LLCL filter
Larsen et al. Managing resonances in windfarm collector systems

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant