KR101797082B1

KR101797082B1 - 연산량을 최소화한 전력품질제어장치

Info

Publication number: KR101797082B1
Application number: KR1020160130756A
Authority: KR
Inventors: 유진완; 윤봉영
Original assignee: 파워소프트 주식회사
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2017-11-14

Abstract

본 발명은 전력품질제어장치에 관한 것으로, 부하 전류값과 부하 전압값을 검출하는 검출부; 상기 부하 전류값과 상기 부하 전압값을 이용하여 유효전력값을 연산하는 유효전력계산부; 상기 부하 전압값을 이용하여 Vrms값을 출력하는 RMS계산부; 상기 유효전력값을 상기 Vrms값으로 나누어 Irms값을 출력하는 제1 연산부; 상기 부하 전압값과 위상이 동일한 계통신호를 생성하는 계통전압위상추종부; 상기 Irms값과 상기 계통신호를 곱셈하는 제2 연산부; 상기 제2 연산부의 출력값에서 상기 부하 전류값을 감산하여 인버터전류 기준치를 출력하는 제3 연산부; 상기 인버터전류 기준치에 기초해서, DC/AC 양방향 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 유효전력계산부는 부하의 유효 전력량을 출력하는 아날로그회로인 것으로 할 수 있다.

Description

연산량을 최소화한 전력품질제어장치{Power quality control apparatus for having reduced computational complexity}

본 발명은 배터리 에너지 저장 시스템 등의 파워 시스템에 적용될 수 있는 전력 품질 제어 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 ESS(Energy Storage System)기능 등의 수행 여부와 관계없이 연산량을 최소화하여 저가의 컨트롤러로 APF(Active Power Filter)기능을 수행하는 파워 시스템의 전력품질제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 부하는 비선형 부하이기 때문에 전류의 형태가 정현파가 아닌 일그러진 형태를 가진다. 일그러진 전류는 배전망의 선로 임피던스에 비선형 전압강하를 발생시켜 민감한 부하의 트립 사고나 오동작을 유발시킨다. 또한, 배전용 변압기는 운전 손실의 증대를 가져와 변압기를 과열시키고 수명이 단축되며, 고조파가 이웃 배전계통에 공진을 야기하여 배전용 변압기를 파괴하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 비선형 부하가 만들어내는 전류 고조파를 상쇄할 수 있는 역방향 고조파 전류를 생성하고 출력해야 한다.

도 1은 종래의 발전시스템에 적용된 전력품질제어장치이다.

도 1을 참조하면, 종래의 전력품질제어장치는, 계통전압위상추종부(6)가 계통전압의 위상을 갖는 단위크기의 계통신호를 생성하고, 기본파 추출부(7)는 DC/AC 인버터(3)와 계통(4)사이에 연결된 비선형 부하로 유입되는 부하전류의 기본파의 크기를 추출하며, 제1 연산부(8)는 기본파 추출부(7)로부터의 기본파 크기에서 기설정된 전류 보상값을 감산하고, 제2 연산부(9)가 제1 연산부(8)의 출력값과 계통전압위상추종부(6)로부터의 계통신호와 부하 전류를 이용하여 DC/AC 인버터용 인버터(3) 전류 기준치를 생성하는 구성을 가진다.

이러한 전력품질제어장치에 의하면 기본파추출부(7)는 부하전류의 기본파를 검출하기 위해서 DFT,FFT 알고리즘이 구현되어야 한다.

수학식 1은 이산푸리에변환(DFT)을 정의한 식이다.

[수학식 1]

수학식 1에 의하면 부하전류의 기본파를 검출하기 위해 N²번의 곱셈연산과 N(N-1)번의 덧셈연산을 필요로 한다.

예를 들면, 15고조파까지 상쇄를 위해 샘플링 주파수는 나이퀴스트 이론에 따라 60*15*2로 적어도 1800Hz 이상이어야 하며 Aliasing을 방지하기 위해 샘플링 전에 Anti-aliasing R-C필터를 사용한다면 R-C필터의 비이상적 특성에 의해 보호대역을 포함하여야 하므로 적어도 9000Hz 이상의 샘플링주파수를 가져야 한다 따라서 1주기당 연산해야 할 샘플링수는 150개가 되어 90000번의 곱셈연산을 필요로한다.

연산을 줄이기 위해 FFT알고리즘에 의하는 경우에도

번의 곱셈연산을 수행해야 하여 543번의 곱셈연산을 수행하여야 한다.

따라서 종래의 전력품질제어장치에서 이러한 많은 연산을 수행하기 위해서는 매우 고성능을 가진 디지털컨트롤러가 필요하여 생산비용이 증가하는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제 10-2011-0115945호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파워시스템의 기능 수행 여부와 관계없이 전력품질을 개선하기 위해 DFT, FFT 등의 알고리즘을 사용하지 않아 연산량을 획기적으로 줄여 저가의 컨트롤러로 동일한 성능을 보일 수 있는 파워시스템의 전력제어장치를 설계하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력 품질 제어장치는,

부하 전류값과 부하 전압값을 검출하는 검출부, 상기 부하 전류값과 상기 부하 전압값을 이용하여 유효전력값을 연산하는 유효전력계산부, 상기 부하 전압값을 이용하여 Vrms값을 출력하는 RMS계산부, 상기 유효전력값을 상기 Vrms값으로 나누어 Irms값을 출력하는 제1 연산부, 상기 부하 전압값과 위상이 동일한 계통신호를 생성하는 계통전압위상추종부, 상기 Irms값과 상기 계통신호를 곱셈하는 제2 연산부, 상기 제2 연산부의 출력값에서 상기 부하 전류값을 감산하여 인버터전류 기준치를 출력하는 제3 연산부, 상기 인버터전류 기준치에 기초해서, DC/AC 양방향 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 유효전력계산부는 부하의 유효 전력량을 출력하는 아날로그회로인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 파워시스템의 기능 수행 여부와 관계없이 연산량을 획기적으로 줄여 저가의 컨트롤러로 능동파워필터(Active Power Filter) 기능을 수행하는 파워시스템의 품질제어장치의 구현이 가능하다.

따라서, 제품의 가격 경쟁력과 구매력을 높이고, 사용자로서는 저렴한 비용으로 전력 관리가 가능하다.

도 1은 종래의 발전시스템에 적용된 전력품질제어장치의 블록도
도 2는 본 발명에 따른 에너지저장시스템에 적용된 전력 품질 제어 장치의 블록도

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 BESS(Battery Energy Storage System)에 적용된 전력 품질 제어 장치의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 전력품질제어장치가 적용되는 BESS(Battery Energy Storage System)은 계통으로부터의 전력을 저장하고 방출하는 배터리(20)와, 배터리(20)로부터의 직류전압을 정해진 전압 레벨로 승압하고 배터리(20)에서 나오는 최대전력점을 추종하는 DC/DC 양방향 컨버터(30)와, 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통에 인버터전류를 공급하는 DC/AC 양방향 인버터(40)를 포함할 수 있다.

도 2는 BESS(Battery Energy Storage System)에 적용된 전력품질 제어 장치를 도시하였으나, BESS(Battery Energy Storage System)뿐만 아니라 태양전지를 포함하는 발전시스템 등 여타의 파워시스템에도 본 발명의 전력 품질 제어 장치가 적용가능 할 것이다.

본 발명의 전력 품질 제어 장치는, 부하 전류값(il)과 부하 전압값(vl)을 검출하는 검출부(100,200)와, 상기 부하 전류값(il)과 상기 부하 전압값(vl)을 이용하여 유효전력값(P)을 연산하는 유효전력계산부(300)와, 상기 부하 전압값(vl)을 이용하여 Vrms값을 출력하는 RMS계산부(400)와 상기 유효전력값(P)을 상기 Vrms값으로 나누어 Irms값을 출력하는 제1 연산부(500)와, 상기 부하 전압값(vl)과 위상이 동일한 계통신호(sin(wt))를 생성하는 계통전압위상추종부(600)와 상기 Irms값과 상기 계통신호(sin(wt))를 곱셈하는 제2 연산부(700)와, 상기 제2 연산부(700)의 출력값에서 상기 부하 전류값(il)을 감산하여 인버터전류 기준치(im*)를 출력하는 제3 연산부(800)와, 상기 인버터전류 기준치(im*)에 기초해서 DC/AC 양방향 인버터(40)를 제어하는 제어부(900,1000)를 포함할 수 있다.

검출부(100,200)는 비선형부하(50)에 연결되어 부하전압(vl)과 부하전류(il)를 검출한다.

유효전력계산부(300)는 부하 전압값(vl)과 부하 전류값(il)을 이용하여 유효전력(P)을 계산한다.

하기 수학식 2는 유효전력 정의식이다.

[수학식 2]

수학식 2에 의하면 한 주기 샘플링 수가 N 번인 경우 N 번의 곱셈연산으로 유효전력을 얻을 수 있다.

유효전력계산부(300)는 부하(50)의 유효전력량(P)을 출력하는 아날로그회로를 활용하면 1번의 곱셈연산만으로도 유효전력을 얻을 수 있다.

아날로그회로는 전압과 전류를 곱셈하는 아날로그 곱셈기로 구성 가능하며 AD633, AD743 등을 적용 가능하다.

RMS계산부(400)는 부하 전압값(vl)을 이용하여 Vrms값을 출력한다.

제1 연산부(500)는 유효전력값(P)과 RMS계산부(400)의 Vrms값을 나누기 연산하여 Irms값을 출력한다.

이때, 무효전력보상에 의하여

이므로

로 연산가능하다.

계통전압위상추종부(600)는 부하 전압값(vl)을 이용하여 부하전압(vl)과 동 위상을 갖는 계통신호(sin(wt))를 출력한다.

계통전압위상추종부(600)는 부하 전압(vl)을 검출하는 위상 검출기와, 위상 검출기로부터의 위상에 기초하여 부하 전압(vl)의 위상과 동일한 위상을 갖고 단위크기를 갖는 계통신호(sin(wt))를 생성하는 신호 생성기를 포함할 수 있다.

제2 연산부(700)는 제1 연산부(500)의 Irms값과 계통전압위상부(600)의 계통신호(sin(wt))를 곱셈하는 연산을 수행한다.

제3 연산부(800)는 제2 연산부(700)의 출력값에서 부하 전류값(il)을 감산하여 전류제어부(900)에 인버터전류 기준치(im*)를 출력한다.

제어부는(900,1000)는 인버터전류 기준치(im)을 기초로하여, DC/AC 양방향 인버터(40)를 제어하는 전류를 생성한다.

제어부(900,1000)는 전류제어부(900)과 PWM제어부(1000)로 되는데,

전류제어부(900)는 인버터전류(im)와 인버터전류 기준치(im*)의 오차인 PWM제어전류(i*)를 출력한다.

PWM제어부(1000)는 PWM제어전류(i*)에 기초하여 DC/AC 양방향 인버터(40)를 제어하는 제어전류를 생성한다.

전류제어부(900)는 인버터전류(im)를 제3 연산부의 인버터전류 기준치(im로 감산하여 오차를 PWM제어부(1000)에 출력한다.

PWM제어부(1000)는 전류제어부(900)의 출력값을 이용하여 DC/AC 양방향 인버터(40)를 제어하기 위한 PWM신호를 출력한다.

따라서 본 발명에 따른 파워시스템에서의 전력품질제어장치는 무효전력을 보상하기 위해서 유효전력계산부(300)에서 N번과 제1 연산부에서 1번, 제2 연산부에서 1번 총 N+2번의 곱셈연산을 수행한다. 또한, 유효전력계산부(300)를 아날로그회로로 구현하면 최소 3번의 곱셈연산으로 줄일 수 있다.

이는 종래기술에 비해 현저히 적은 연산량으로서, 저가의 컨트롤러로도 역률 개선기능을 수행할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

20 : 배터리 30 : DC/DC 양방향 컨버터
40 : DC/AC 양방향 인버터 50 : 비선형 부하
100 : 부하전류검출부 200 : 부하전압검출부
300 : 유효전력계산부 400 : RMS계산부
500 : 제1 연산부 600 : 계통전압위상추종부
700 : 제2 연산부 800 : 제3 연산부
900 : 전류제어부 1000 : PWM제어부

Claims

부하 전류값과 부하 전압값을 검출하는 검출부;
상기 부하 전류값과 상기 부하 전압값을 이용하여 유효전력값을 연산하는 유효전력계산부;
상기 부하 전압값을 이용하여 Vrms값을 출력하는 RMS계산부;
상기 유효전력값을 상기 Vrms값으로 나누어 Irms값을 출력하는 제1 연산부;
상기 부하 전압값과 위상이 동일한 계통신호를 생성하는 계통전압위상추종부;
상기 Irms값과 상기 계통신호를 곱셈하는 제2 연산부;
상기 제2 연산부의 출력값에서 상기 부하 전류값을 감산하여 인버터전류 기준치를 출력하는 제3 연산부; 및
상기 인버터전류 기준치에 기초해서, DC/AC 양방향 인버터를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는, 인버터 전류(im)를 제3 연산부의 인버터전류 기준치로 감산한 PWM 제어전류의 오차를 출력하는 전류 제어부와 상기 전류 제어부의 PWM 제어전류의 오차와 관련한 출력값에 기초하여 상기 DC/AC 양방향 인버터를 제어하는 PWM 제어부를 포함하는, 전력 품질 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 유효전력계산부는 부하의 유효 전력량을 출력하는 아날로그회로인 것을 특징으로 하는 전력 품질 제어 장치.