KR101809868B1 - 무효전력보상장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

무효전력보상장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

무효전력보상장치는 각각 복수의 셀을 포함하는 다수의 상 클러스터와, 다수의 상 클러스터를 제어하는 제어부를 포함한다. 제어부는 다수의 상 클러스터 각각의 전압값과 전류값을 바탕으로 페이저변환을 통한 오프셋신호를 생성하여 에너지 에러를 보상하도록 제어한다.

Description

무효전력보상장치 및 그 제어 방법{Inactive power compensator and method of controlling the same}
실시예는 무효전력보상장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
산업이 발전하고 인구가 증가함에 따라 전력 수요는 급증하는데 반해, 전력생산에는 한계가 있다.
이에 따라, 생산지에서 생성된 전력을 손실 없이 안정적으로 수요지로 공급하기 위한 전력계통이 점차 중요해지고 있다.
전력조류와 계통전압, 안정도 향상을 위한 FACTS(Flexible AC Transmission System) 설비의 필요성이 대두되고 있다. FACTS 설비 중 3세대로 불리는 전력보상장치의 일종인 STATCOM(STATic synchronous COMpensator) 설비는 전력계통에 병렬로 병입되어 전력계통에서 필요로 하는 무효전력을 보상해 주고 있다.
도 1은 일반적인 전력계통시스템을 도시한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 일반적인 전력계통시스템(10)은 전력생성원(20), 전력계통(30), 부하(40) 및 다수의 무효전력보상장치(50)를 포함할 수 있다.
전력생성원(20)은 전력을 생성하는 장소나 설비를 의미하는 것으로서, 전력을 생성하는 생산자로 이해될 수 있다.
전력계통(30)은 전력생성원(20)에서 생성된 전력을 부하(40)로 송전하도록 하여 주는 전력선, 철탑, 피뢰기, 애자 등을 포함하는 일체의 설비를 의미할 수 있다.
부하(40)는 전력생성원(20)에서 생성된 전력을 소비하는 장소나 설비를 의미하는 것으로서, 전력을 소비하는 소비자로 이해될 수 있다.
무효전력보상장치(50)는 STATCOM으로서, 전력계통(30)에 연계되어 전력계통(30)으로 흐르는 전력 중에서 무효전력의 부족시 이를 보상하여 주는 장치일 수 있다.
무효전력보상장치(50)는 전력계통의 교류전력을 직류전력으로 변환하거나 직류전력을 교류전력으로 변환하여 줄 수 있는 컨버터를 포함한다.
컨버터는 3상 각각에 대해 서로 직렬로 연결되는 다수의 셀(cell)을 포함하는 클러스터(cluster)를 포함한다.
도 2a는 스타 커넥션(star connection topology)을 갖는 컨버터의 회로도이고, 도 2b는 델타 커넥션(delta connection topology)을 갖는 컨버터의 회로도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 3상 클러스터(52) 각각에 다수의 셀(54)이 서로 직렬로 연결되는 구조를 가진다.
스타 커넥션을 갖는 컨버터나 델타 커넥션을 갖는 컨버터 모두 신뢰성과 우수한 운전 성능을 확보하기 위해서는 각 클러스터 간의 균등 에너지 제어와 클러스터 내의 셀 간의 균등 전압 제어가 중요하다.
각 클러스터 간의 균등 에너지 제어를 위해 스타 커넥션을 갖는 컨버터에서는 영상분 전압이 이용되고, 델타 커넥션을 갖는 컨버터에서는 영상분 전류가 이용된다.
종래 영상분전압을 이용한 균등제어 방법은 전류가 공급되지 않을 경우 제어가 불가능하고 계산이 복잡한 문제가 있다.
종래 영상분전류를 이용한 균등제어 방법은 역상분 성분이 고려되지 않아 균등 제어에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
종래 균등제어 방법의 경우 각 클러스터의 에너지의 에러값을 이용하여 영상분 전압 및 전류를 계산하기 때문에, 외부 왜란 발생 시, 오버슈트(overshoot)나 과도전압(Transient)이 크게 발생할 수 있다. 따라서 셀(서브모듈)의 커패시터나 스위칭소자의 내전압이 낮은 경우 시스템의 지속적인 운전이 불가능 할 수도 있다
실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 다른 목적은 신뢰성과 안정성을 확보할 수 있는 균등 제어가 가능한 무효전력보상장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 일 측면에 따르면, 무효전력보상장치는, 각각 복수의 셀을 포함하는 다수의 상 클러스터; 및 상기 다수의 상 클러스터를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 다수의 상 클러스터 각각의 전압값과 전류값을 바탕으로 페이저변환을 통한 오프셋신호를 생성하여 상기 에너지 에러를 보상하도록 제어한다.
실시예의 다른 측면에 따르면, 무효전력보상장치의 제어 방법은, 각각 복수의 셀을 포함하는 다수의 상 클러스터의 전압값과 전류값을 페이저변환하여 페이저다이어그램을 생성하는 단계; 상기 페이저다이어그램 상에서 오프셋신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 영상분성분의 오프셋신호를 반영한 지령값을 생성하는 단계; 및 상기 지령값을 이용하여 상기 다수의 상 클러스터를 제어하여 에너지 에러를 보상하는 단계를 포함한다.
실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 페이저 변환을 통해 산출된 영상분성분에 의해 실시간으로 제1 상 내지 제3 상 클러스터 간의 에너지 에러를 보상하여 줌으로써, 에러 보상의 응답성이 뛰어나고 오버슈트(overshooting)나 과도적인 현상(transient phenomenon)을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 실시예의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 전력계통시스템을 도시한다.
도 2a는 스타 커넥션을 갖는 컨버터의 회로도이다.
도 2b는 델타 커넥션을 갖는 컨버터의 회로도이다.
도 3은 실시예에 따른 스타 커넥션의 무효전력보상장치를 구비한 전력계통시스템을 도시한다.
도 4는 실시예에 따른 델타 커넥션의 무효전력보상장치를 구비한 전력계통시스템을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 스타 커넥션의 무효전력보상장치를 도시한 블록도이다.
도 6은 제어부를 상세히 도시한 블록도이다.
도 7은 오프셋신호생성부를 상세히 도시한 블록도이다.
도 8은 오프셋신호를 생성하는 과정을 도시한 페이저다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 3은 실시예에 따른 스타 커넥션의 무효전력보상장치를 구비한 전력계통시스템을 도시한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 스타 커넥션의 무효전력보상장치(100)가 전력계통(140)에 병렬로 병입되어 전력계통(140)에서 필요로 하는 무효전력을 보상해 줄 수 있다.
스타 커넥션의 무효전력보상장치(100)는 전력계통(140)의 3상 라인(142, 144, 146)에 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)가 개별적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 상 클러스터(130)는 전력계통(140)의 제1 상 라인(142)과 노드(n) 사이에 연결되고, 제2 상 클러스터(132)는 전력계통(140)의 제2 상 라인(144)과 노드(n) 사이에 연결되며, 제3 상 클러스터(134)는 전력계통(140)의 제3 상 라인(146)과 노드(n) 사이에 연결될 수 있다.
각 상 클러스터(130, 132, 134)는 서로 직렬로 연결되는 다수의 셀(136)을 포함할 수 있다. 각 셀(136)은 다수의 스위칭소자, 이들 스위칭소자와 병렬로 연결되는 다수의 다이오드 그리고 커패시터를 포함할 수 있다.
전력계통(140)이 운용되는 경우, 각 셀(136)의 커패시터가 수시로 충전 또는 방전될 수 있다.
각 상 클러스터(130, 132, 134) 내에서 선택 또는 비선택되는 셀(136)의 개수에 따른 각 셀(136) 내의 커패시터의 전압의 합에 의해 교류무효전력이 생성되어 전력계통(140)에 보상될 수 있다
셀(136)이 선택됨은 셀(136)이 활성화됨을 의미하고, 셀(136)이 비선택됨은 셀(136)이 비활성화됨을 의미할 수 있다.
셀(136)이 선택되는 경우, 셀(136) 내의 다수의 스위칭소자 중 특정 스위칭소자가 턴온되어 커패시터의 전압이 출력될 수 있다.
셀(136)이 비선택되는 경우, 해당 셀(136) 내의 커패시터로 전류 흐름 통로(current flow path)가 형성되지 않고 해당 셀(136)이 바이패스(bypass)되어 해당 셀(136)의 커패시터의 전압이 출력되지 않게 된다.
이와 같이 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)가 스타 커넥션으로 구성되는 경우, 제1 상 클러스터(130)에 걸리는 전압은 vcan이고, 제2 상 클러스터(132)에 걸리는 전압은 vcbn이며, 제3 상 클러스터(134)에 걸리는 전압은 vccn일 수 있다.
vcan, vcbn 및 vccn은 수학식 1과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112017009639234-pat00001
Figure 112017009639234-pat00002
Figure 112017009639234-pat00003
여기서, Vm+은 정상분성분(positive sequence component)의 크기이고, Vm-은 역상분성분(negative sequence component)의 크기이며, v0은 영상분성분(zero sequence component)의 크기일 수 있다. 또한, Øv -는 역상분성분의 위상(phase)이고, Ø0는 영상분성분의 위상일 수 있다.
아울러, Vma, Vmb 및 Vmc 각각은 정상분성분의 크기(Vm +)와 역상분성분의 크기가 합쳐진 크기이고, Øcva, Øcvb 및 Øcvc 각각은 정상분성분의 위상과 역상분성분의 위상이 합쳐진 위상일 수 있다.
따라서, vcan, vcbn 및 vccn 각각은 정상분성분(Vm +), 역상분성분(Vm -, Øv -) 및 영상분성분(v0, Ø0)이 포함된 교류전압의 파형을 가질 수 있다.
제1 상 클러스터(130)에 흐르는 전류는 ica이고, 제2 상 클러스터(132)에 흐르는 전류는 icb이며, 제3 상 클러스터(134)에 흐르는 전류는 icc일 수 있다.
ica, icb 및 icc 각각은 수학식 2와 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112017009639234-pat00004
Figure 112017009639234-pat00005
Figure 112017009639234-pat00006
여기서, Im +는 정상분성분의 크기이고, Im -는 역상분성분의 크기일 수 있다. 또한, Øi +는 정상분성분의 위상이고, Øi -는 역상분성분의 위상일 수 있다.
아울러, Ima, Imb 및 Imc 각각은 정상분성분의 크기와 역상분성분의 크기가 합쳐진 크기이고, Øcia, Øcib 및 Øcic는 정상분성분의 위상과 역상분성분의 위상이 합쳐진 위상일 수 있다.
따라서, ica, icb 및 icc 각각은 정상분성분(Im +, Øi +)과 역상분성분(Im -, Øi -)이 포함된 교류전류의 파형을 가질 수 있다.
정리하면, 스타 커넥션을 구성하는 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)에서는 각 상 클러스터(130, 132, 134)에 걸리는 전압(vcan, vcbn, vccn)에 정상분성분(Vm +), 역상분성분(Vm -, Øv -) 및 영상분성분(v0, Ø0)이 모두 포함되지만, 각 상 클러스터(130, 132, 134)에 흐르는 전류(ica, icb, icc)에는 정상분성분(Im +, Øi +)과 역상분성분(Im -, Øi -)만이 포함되고 영상분성분은 포함되지 않는다.
이와 달리, 나중에 설명하겠지만, 델타 커넥션을 구성하는 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)에서는 각 상 클러스터(130, 132, 134)에 걸리는 전압(vab,vbc,vca)에 정상분성분과 역상분성분만이 포함되고 영상분성분은 포함되지 않고, 각 상 클러스터(130, 132, 134)에 흐르는 전류(ica, icb, icc)에는 정상분성분, 역상분성분 및 영상분성분이 모두 포함될 수 있다.
이로부터, 스타 커넥션을 구성하는 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)를 갖는 무효전력보상장치(100)에서는 영상분성분인 영상분 전압을 이용하여 각 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 균등 제어가 수행되고, 델타 커넥션을 구성하는 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)를 갖는 무효전력보상장치(100)에서는 영상분성분인 영상분 전류를 이용하여 각 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 균등 제어가 수행될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 델타 커넥션의 무효전력보상장치를 구비한 전력계통시스템을 도시한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 델타 커넥션의 무효전력보상장치(101)가 전력계통(140)에 병렬로 병입되어 전력계통(140)에서 필요로 하는 무효전력을 보상해 줄 수 있다.
델타 커넥션의 무효전력보상장치(101)는 전력계통(140)의 3상 라인(142, 144, 146)에 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)가 연결될 수 있다.
구체적으로, 전력계통(140)의 3상 라인(142, 144, 146)은 제1 내지 제3 노드(n1, n2, n3)에 연결될 수 있다.
제1 상 클러스터(130)는 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 연결되고, 제2 상 클러스터(132)는 제2 노드(n2)와 제3 노드(n3) 사이에 연결되며, 제3 클러스터(134)는 제3 노드(n3)와 제1 노드(n1) 사이에 연결될 수 있다.
델타 커넥션을 구성하는 제1 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)의 세부 구성은 스타 커넥션을 구성하는 제1 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)와 동일한 세부 구성을 가질 수 있다.
이에 따라, 각 상 클러스터(130, 132, 134) 내의 셀(136)들의 선택 개수에 따라 원하는 교류전압의 파형 및 교류전류의 파형이 생성될 수 있다.
이와 같이 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)가 델타 커넥션으로 구성되는 경우, 제1 상 클러스터(130)에 걸리는 전압은 vab이고, 제2 상 클러스터(132)에 걸리는 전압은 vbc이며, 제3 상 클러스터(134)에 걸리는 전압은 vca일 수 있다.
vab, vbc 및 vca는 수학식 3과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112017009639234-pat00007
Figure 112017009639234-pat00008
Figure 112017009639234-pat00009
여기서, Vm +은 정상분성분의 크기이며, Vm -은 역상분성분의 크기일 수 있다. 또한, Øv +는 정상분성분의 위상이며, Øv -는 역상분성분의 위상일 수 있다.
아울러, Vmab, Vmbc 및 Vmca 각각은 정상분성분의 크기와 역상분성분의 크기가 합쳐진 크기이고, Øcab, Øcbc 및 Øcca 각각은 정상분성분의 위상과 역상분성분의 위상이 합쳐진 위상일 수 있다.
따라서, vab, vbc 및 vca 각각은 정상분성분(Vm +, Øv +) 및 역상분성분(Vm -, Øv -)이 포함되는 교류전압의 파형을 가질 수 있다. 이때, 각 상 클러스터(130, 132, 134)에 걸리는 전압(vab, vbc, vca)에는 영상분성분이 포함되지 않게 된다. 왜냐하면, 델타 커넥션에서는 영상분성분이 존재하지 않기 때문이다.
제1 상 클러스터(130)에 흐르는 전류는 iab이고, 제2 상 클러스터(132)에 흐르는 전류는 ibc이며, 제3 상 클러스터(134)에 흐르는 전류는 ica일 수 있다.
iab, ibc 및 ica 각각은 수학식 4와 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112017009639234-pat00010
Figure 112017009639234-pat00011
Figure 112017009639234-pat00012
여기서, Im +는 정상분성분의 크기이고, Im -는 역상분성분의 크기이며, I0은 영상분성분의 크기일 수 있다. 또한, Øi +는 정상분성분의 위상이고, Øi -는 역상분성분의 위상이며, Ø0는 영상분성분의 위상일 수 있다.
아울러, Imab, Imbc 및 Imca 각각은 정상분성분의 크기와 역상분성분의 크기가 합쳐진 크기이고, Øab, Øbc 및 Øca는 정상분성분의 위상과 역상분성분의 위상이 합쳐진 위상일 수 있다.
따라서, ica, icb 및 icc 각각은 정상분성분(Im +, Øi +), 역상분성분(Im -, Øi -) 및 영상분성분(I0, Ø0) 포함된 교류전류의 파형을 가질 수 있다.
실시예는 이와 같이 각 상 클러스터(130, 132, 134)의 전압 및 전류에 의한 에너지를 바탕으로 에너지 에러값을 추출하여, 이 추출된 에너지 에러값을 바탕으로 영상분성분을 갖는 오프셋신호를 산출하고, 이 산출된 영상분성분을 갖는 오프셋신호를 보상신호로서 각 상 클러스터(130, 132, 134) 내의 셀(136)들의 구동에 반영됨으로써, 각 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 균등 제어가 수행될 수 있다.
오프셋신호는 스타 커넥션의 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 구조에서는 영상분성분의 오프셋전압값일 수 있다.
오프셋신호는 델타 커넥션의 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 구조에서는 영상분성분의 오프셋전류값일 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 스타 커넥션의 무효전력보상장치를 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 스타 커넥션의 무효전력보상장치(100)는 제어부(110), 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124) 및 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)를 포함할 수 있다.
제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각은 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 직렬로 연결되는 다수의 셀(136)을 포함하고, 각 셀(136)은 다수의 스위칭소자, 이들 스위칭소자와 병렬로 연결되는 다수의 다이오드 그리고 커패시터를 포함할 수 있다.
나중에 설명하겠지만, 델타 커넥션의 무효전력보상장치(101) 또한 도 5와 동일한 구성을 가질 수 있다. 다만, 델타 커넥션의 무효전력보상장치(101)에서 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)는 도 4에 도시한 바와 같은 구조를 가질 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124) 각각은 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)를 제어할 수 있다.
이와 달리, 하나의 클러스터 제어기가 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)를 제어할 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124) 각각은 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)를 제어하기 위한 제1 내지 제3 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 제1 상 클러스터 제어기(120)는 제1 상 클러스터(130) 내의 각 셀(136)을 제어하기 위한 제1 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다. 제2 상 클러스터 제어기(122)는 제2 상 클러스터(132) 내의 각 셀(136)을 제어하기 위한 제2 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다. 제3 상 클러스터 제어기(124)는 제3 상 클러스터(134) 내의 각 셀(136)을 제어하기 위한 제3 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다.
제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)는 제어부(110)로부터 제공된 지령값 및/또는 제어신호를 바탕으로 제1 내지 제3 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다.
제어부(110)는 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(110)는 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)를 제어하기 위한 지령값을 생성할 수 있다.
구체적으로, 제어부(110)는 전력계통(140)로부터 획득된 전력 상황 정보 및/또는 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각의 상태 정보 및 각 상 클러스터(130, 132, 134) 내의 각 셀(136)의 상태 정보와 더불어 영상분성분을 갖는 오프셋신호를 토대로 지령값를 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 지령값이 제1 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)로 전송될 수 있다.
각 상 클러스터(130, 132, 134) 내의 각 셀(136)의 상태 정보는 각 셀(136)의 탈락 여부, 각 셀(136)의 전압 정보 등을 포함할 수 있다.
제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각의 상태 정보는 전압 및/또는 전류 정보일 수 있다. 예컨대, 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각의 상태 정보는 예컨대 제1상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각에서 검출된 전압갑(vcan, vcbn, vccn) 및 전류값(ica, icb, icc)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
이를 위해, 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)에 변류기(current transformer) 및 변압기(potential transformer)가 설치될 수 있다.
제어부(110)는 예컨대, 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각에서 검출된 전압값(vcan, vcbn, vccn) 및 전류값을 바탕으로 페이저(phasor) 변환을 하고, 이로부터 영상분성분을 산출하여, 그 영상분성분을 포함하는 오프셋신호를 생성할 수 있다.
스타 커넥션을 갖는 컨버터인 경우, 영상분성분은 영상분전압값일 수 있다. 이와 달리, 델타 커넥션을 갖는 컨버터인 경우, 영상분성분은 영상분전류값일 수 있다.
이와 같이 생성된 오프셋신호가 지령값에 반영되어 해당 지령값에 따라 제 1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 내의 각 셀(136)들이 스위칭될 수 있다. 오프셋신호가 반영된 지령값에 따라 각 셀(136)들이 스위칭됨에 따라, 제1 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)의 에너지 에러가 보상되어 에너지 에러가 제거되어 궁극적으로 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 에너지가 균등하게 유지될 수 있다.
제어부(110)와 상기 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124) 사이는 유선 통신 또는 무선 통신이 가능하다. 또한, 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)와 상기 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 사이는 유선 또는 무선 통신이 가능하지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
실시예는 이상과 같이 페이저 변환을 통해 산출된 영상분성분에 의해 실시간으로 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 에너지 에러를 보상하여 줌으로써, 에러 보상의 응답성이 뛰어나고 오버슈트(overshooting)이나 과도적인 현상(transient phenomenon)을 최소화할 수 있다.
도 6은 제어부를 상세히 도시한 블록도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제어부(110)는 오프셋신호생성부(115) 및 지령값생성부(117)를 포함할 수 있다.
제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각으로부터 검출된 전압값(vcan, vcbn, vccn)과 전류값(ica, icb, icc)이 오프셋신호생성부(115)로 입력될 수 있다.
전압값(vcan, vcbn, vccn)과 전류값(ica, icb, icc)은 각각은 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타내어질 수 있다.
오프셋신호생성부(115)는 전압값(vcan, vcbn, vccn)과 전류값(ica, icb, icc)을 이용하여 페이저 변환을 통해 오프셋신호(OFFset)를 생성할 수 있다.
오프셋신호(OFFset)의 생성방법을 도 7 및 도 8을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 7은 오프셋신호생성부를 상세히 도시한 블록도이고, 도 8은 오프셋신호를 생성하는 과정을 도시한 페이저다이어그램이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 오프셋신호생성부(115)는 페이저변환부(151), 역상분코사인벡터산출부(153), 중심성분산출부(155) 및 영상분성분산출부(157)를 포함할 수 있다.
페이저변환부(151)는 제1상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각으로부터 검출된 전압값(vcan, vcbn, vccn)과 전류값(ica, icb, icc)을 페이저 변환하여 도 8a에 도시한 바와 같이 페이저다이어그램을 생성할 수 있다.
페이저다이어그램은 수학식 1에 나타내어진 전압값(vcan, vcbn, vccn)의 정상분성분(Vm +) 및 역상분성분(Vm -) 그리고 수학식 2에 나타내어진 전류값 중 역상분성분이 0일때의 전류값, 즉 전류값의 정상분성분을 바탕으로 생성될 수 있다.
페이저다이어그램은 도 8a에 도시된 바와 같다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 제1 상 정상분전압벡터값(Va +), 제2 상 정상분전압벡터값(Vb +) 및 제3 정상분전압벡터값(Vc +)이 페이저다이어그램 상에 위치될 수 있다. 제1 상 정상분전압벡터값(Va +), 제2 상 정상분전압벡터값(Vb +) 및 제3 정상분전압벡터값(Vc +) 각각의 크기와 위상에 따라 페이저다이어그램 상에 도시되는 위치는 달라질 수 있다.
제1 상 내지 제3 상 정상분전압벡터값(Va +, Vb +, Vc +)은 정상분성분의 크기(Vm+)와 관련될 수 있다.
또한, 제1 상 역상분전압벡터값(Va -), 제2 상 역상분전압벡터값(Vb -) 및 제3 상 역상분전압벡터값(Vc -)이 페이저다이어그램 상에 위치될 수 있다. 제1 상 역상분전압벡터값(Va -), 제2 상 역상분전압벡터값(Vb -) 및 제3 상 역상분전압벡터값(Vc -) 각각의 크기와 위상에 따라 페이저다이어그램 상에 도시되는 위치가 달라질 수 있다.
제1 상 내지 제3 상 역상분전압벡터값(Va -, Vb -, Vc -)는 역상분성분의 크기(Vm -) 및 역상분성분의 위상(Øv -)과 관련될 수 있다.
아울러, 제1 상 정상분전류벡터값(Ia +), 제2 상 정상분전류벡터값(Ib +) 및 제3 정상분전류벡터값(Ic +)가 페이저다이어그램 상에 위치될 수 있다. 제1 상 정상분전류벡터값(Ia +), 제2 상 정상분전류벡터값(Ib +) 및 제3 정상분전류벡터값(Ic +) 각각의 크기와 위상에 따라 페이저다이어그램 상에 도시되는 위치가 달라질 수 있다.
제1 상 내지 제3 정상분전류벡터값(Ia +, Ib +, Ic +)는 정상분성분의 크기(Im +) 및 정상분성분의 위상(Øi +)과 관련될 수 있다.
도 8a에서는 제1 상 정상분전압벡터값(Va +)이 가로축과 일치되도록 도시되고 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 상 정상분전압벡터값(Va +)이 가로축(x축)과 일치되는 경우, 이 제1 상 정상분전압벡터값(Va +)을 기준으로 다른 값들, 즉 제2 상 정상분전압벡터값(Vb +), 제3 정상분전압벡터값(Vc +), 제1 상 역상분전압벡터값(Va -), 제2 상 역상분전압벡터값(Vb -), 제3 상 역상분전압벡터값(Vc -), 제1 상 정상분전류벡터값(Ia +), 제2 상 정상분전류벡터값(Ib +) 및 제3 상 정상분전류벡터값(Ic +)의 위치가 결정될 수 있다.
역상분코사인벡터산출부(153)는 페이저다이어그램에서 제1 상 내지 제3 상 역상분전압벡터값(Va -, Vb -, Vc -) 각각이 제1 상 내지 제3 상 정상분전류벡터값(Ia +, Ib +, Ic +)과 만나는 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분(VaAct -, VbAct -, VcAct -)을 산출할 수 있다.
도 8b에 도시한 바와 같이, 제1 상 역상분전압벡터값(Va -)이 제1 상 정상분전류벡터값(Ia +)과 만나는 제1 상 역상분코사인성분(VaAct -)이 산출될 수 있다.
제2 상 역상분전압벡터값(Vb -)이 제2 상 정상분전류벡터값(Ib +)과 만나는 제2 상 역상분코사인성분(VbAct -)이 산출될 수 있다.
제3 상 역상분전압벡터값(Vc -)이 제3 상 정상분전류벡터값(Ib +)과 만나는 제3 상 역상분코사인성분(VcAct -)이 산출될 수 있다.
제1 내지 제3 역상분코사인성(VaAct -, VbAct -, VcAct -) 각각을 산출하기 위해 반드시 제1 상 내지 제3 상 정상분전류벡터값(Ia +, Ib +, Ib +) 대신 제1 상 내지 제3 상 역상분전류벡터값(Ia -, Ib -, Ib -)이 사용될 수도 있다.
제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분(VaAct -, VbAct -, VcAct -)은 수학식 5와 같이 나타내어질 수 있다.
[수학식5]
VaAct - = |Vm -|cos(Фv - - Фcia)*sin(wt+ Фv - - Фcia)
= |Vm -cos(Фv - - Фcia)|∠(Фv - - Фcia)
VbAct - = |Vm -cos(Фv - - Фcib)*sin(wt+ Фv - - Фcib +2π/3)
= |Vm -cos(Фv - - Фcib -2π/3)|∠(Фv - - Фcib +2π/3)
VcAct - = |Vm -|cos(Фv - - Фcic)*sin(wt+ Фv - - Фcic -2π/3)
= |Vm -cos(Фv - - Фcic +2π/3)|∠(Фv - - Фcic -2π/3)
중심성분산출부(155)는 도 8c에 도시한 바와 같이, 이들 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분(VaAct -, VbAct -, VcAct -)을 바탕으로 중심성분(COG)을 산출할 수 있다. 중심성분(COG)은 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성(VaAct -, VbAct -, VcAct -)의 중심에 위치하는 벡터로서, 원점으로부터의 크기와 위상을 가질 수 있다. 원점은 가로축(x축)과 세로축(y축)의 교차점일 수 있다.
중심성분(COG)의 전압(VCOG)는 하기의 수학식 6과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112017009639234-pat00013
제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분(VaAct -, VbAct -, VcAct -) 각각으로부터 중심성분(COG)까지의 거리는 동일할 수 있다. 즉, 제1 상 역상분코사인성분(VaAct -)과 중심성분(COG) 사이의 거리는 제2 상 역상분코사인성분(VbAct -)과 중심성분(COG) 사이의 거리와 동일할 수 있다. 제2 상 역상분코사인성분(VbAct -)과 중심성분(COG) 사이의 거리는 제3 상 역상분코사인성분(VcAct -)과 중심성분(COG) 사이의 거리와 동일하다. 제3 상 역상분코사인성분(VcAct -)과 중심성분(COG) 사이의 거리는 제1 상 역상분코사인성분(VaAct -)과 중심성분(COG) 사이의 거리와 동일할 수 있다.
영상분성분산출부(157)는 도 8d에 도시한 바와 같이, 중심성분(COG)을 바탕으로 영상분성분(v0, Ø0)을 산출할 수 있다. 즉, 영상분성분은 벡터로서, 영상분크기(v0)와 영상분위상(Ø0)을 가질 수 있다.
영상분성분(v0, Ø0)은 수학식 7과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112017009639234-pat00014
즉, 중심성분(COG)의 크기, 즉 원점으로부터 중심성분(COG)까지의 제1 거리값(x)이 산출될 수 있다.
이어서, 제1 거리값(x)이 원점 대칭된 제2 거리값(2x)과 제2 거리값(2x)에서의 위상이 산출될 수 있다.
제2 거리값(2x)은 원점을 기준으로 제1 거리값(x)과 반대 방향으로서 제1 거리값(x)의 2배일 수 있다.
따라서, 제2 거리값(2x)이 영상분전압(v0)이 되고, 제2 거리값(2x)에서의 위상이 영상분위상(Ø0)이 될 수 있다. 즉, 영상분성분(v0, Ø0)이 산출될 수 있다.
이 영상분성분(v0, Ø0)이 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 에너지 에러를 보상하기 위한 오프셋신호(OFFset)일 수 있다.
이 오프셋신호(OFFset)에 의해 보상됨으로써, 제1 상 역상분전압벡터값(Va -), 제2 상 역상분전압벡터값(Vb -) 및 제3 상 역상분전압벡터값(Vc -)가 제1 상 보상역상분전압벡터값(Va -*), 제2 상 보상역상분전압벡터값(Vb -*), 제3 상 보상역상분전압벡터값(Vc -*)으로 보상될 수 있다.
즉, 도 6을 참고하여, 지령값생성부(117)는 영상분성분(v0, Ø0)을 포함하는 오프셋신호(OFFset)를 바탕으로 지령값을 생성할 수 있다. 이와 같이 생성된 지령값이 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)로 전달되고, 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)가 해당 지령값에 따른 제1 내지 제3 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다. 제1 내지 제3 스위칭 제어신호가 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134)로 전달되어, 제1 내지 제3 스위칭 제어신호에 응답하여 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 내의 다수의 셀이 스위칭될 수 있다. 이에 따라, 제1 상 역상분전압벡터값(Va -), 제2 상 역상분전압벡터값(Vb -) 및 제3 상 역상분전압벡터값(Vc -)이 제1 상 보상역상분전압벡터값(Va -*), 제2 상 보상역상분전압벡터값(Vb -*), 제3 상 보상역상분전압벡터값(Vc -*)으로 보상됨으로써, 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 간에 균등한 에너지 제어가 가능할 수 있다.
지령값생성부(117)는 지령값을 제1 상 내지 제3 상 클러스터 제어기(120, 122, 124)별로 개별적으로 생성할 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
이상에서는 스타 커넥션의 무효전력보상장치에 대해 설명하였다.
실시예는 델타 커넥션의 무효전력보상장치에도 스타 커넥션의 무효전력보상장치의 에너지 균등 제어 기법이 동일하게 적용될 수 있다.
다만, 델타 커넥션의 무효전력보상장치에서 산출된 오프셋신호는 영상분전류의 크기와 위상(i0, Ø0)를 가질 수 있다.
이상에서 설명된 제어 기법은 피드포워드제어를 이용한 균등 제어 기법이다.
실시예는 피드포워드(feedforward)제어뿐만 아니라 피드백(feedback)제어도 가능하다.
피드백제어는 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각의 에너지 에러로부터 직접 영상분성분(v0, Ø0)인 오프셋신호를 생성하여, 이 오프셋신호를 반영한 지령값에 따라 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 각각의 다수의 셀을 스위칭함으로써, 제1 상 내지 제3 상 클러스터(130, 132, 134) 간의 에너지가 균등하게 유지되도록 제어되므로 제품에 대한 신뢰성과 안정성을 향상시킬 수 있다
아울러, 실시예는 피드포워드제어와 피드백제어가 함께 사용될 수도 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
100, 101: 무효전력보상장치
110: 제어부
115: 오프셋신호생성부
117: 지령값생성부
120, 122, 124: 클러스터 제어기
130, 132, 134: 클러스터
136: 셀
140: 전력계통
151: 페이저변환부
153: 역상분코사인벡터산출부
155: 중심성분산출부
157: 영상분성분산출부

Claims (24)

  1. 전력계통의 무효전력을 보상하기 위한 무효전력보상장치에 있어서,
    각각 복수의 셀을 포함하는 다수의 상 클러스터; 및
    상기 다수의 상 클러스터를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 다수의 상 클러스터 각각의 전압값과 전류값을 바탕으로 페이저변환을 통한 오프셋신호를 생성하여 상기 다수의 상 클러스터 간의 에너지 에러를 보상하도록 제어하고,
    상기 오프셋신호는 영상분성분을 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 상 내지 제3 상 클러스터의 전압값과 전류값을 페이저변환하여 페이저다이어그램을 생성하는 페이저변환부;
    상기 생성된 페이저다이어그램 상에서 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분을 산출하는 역상분코사인벡터산출부;
    상기 산출된 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분을 바탕으로 중심성분을 산출하는 중심성분산출부; 및
    상기 산출된 중심성분을 바탕으로 상기 영상분성분을 산출하는 영상분성분산출부를 포함하는 무효전력보상장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 상 클러스터가 스타 커넥션을 가질 때, 상기 오프셋신호는 영상분전압인 무효전력보상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 상 클러스터가 델타 커넥션을 가질 때, 상기 오프셋신호는 영상분전류인 무효전력보상장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 페이저다이어그램은 상기 전압값의 정상분성분과 역상분성분 및 상기 전류값의 정상분성분을 바탕으로 생성되는 무효전력보상장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분은 상기 전압값의 제1 상 내지 제3 상 역상분전압벡터값 각각이 상기 전류값의 제1 상 내지 제3 상 정상분전류벡터값과 만나는 지점에 위치되는 무효전력보상장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중심성분은 상기 제1 내지 제3 상 역상분코사인성분의 중심에 위치되는 무효전력보상장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분 각각으로부터 상기 중심성분까지의 거리는 동일한 무효전력보상장치.
  10. 제1항에 있어서,
    x축과 y축의 교차점인 원점으로부터 상기 중심성분까지의 거리값을 제1 거리값이라고 할 때,
    상기 영상분성분은 상기 제1 거리값이 원점 대칭된 제2 거리값과 상기 제2 거리값에서의 위상을 포함하는 무효전력보상장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 거리값은 상기 원점을 기준으로 상기 제1 거리값과 반대 방향으로 상기 제1 거리값의 2배인 무효전력보상장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 거리값은 영상분전압이고, 상기 제2 거리값에서의 위상은 영상분위상인 무효전력보상장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 오프셋신호를 바탕으로 지령값을 생성하여, 상기 지령값에 따라 다수의 상 클러스터 각각이 스위칭되도록 제어하는 지령값생성부를 더 포함하는 무효전력보상장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 페이저변환부는,
    정상분전압벡터값 중 적어도 어느 하나를 가로축(x축)과 일치시켜 페이저다이어그램을 생성하는 무효전력보상장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 페이저변환부는,
    상기 가로축에 일치시킨 정상분전압벡터값을 기준으로 다른 정상분전압벡터값, 제1상 내지 제3상 역상분전압벡터값 및 제1상 내지 제3상 정상분전류벡터값의 위치를 결정하는 무효전력보상장치.
  16. 전력계통의 무효전력을 보상하기 위한 무효전력보상장치의 제어 방법에 있어서,
    각각 복수의 셀을 포함하는 다수의 상 클러스터의 전압값과 전류값을 페이저변환하여 페이저다이어그램을 생성하는 단계;
    상기 페이저다이어그램 상에서 오프셋신호를 생성하는 단계;
    상기 생성된 오프셋신호를 반영한 지령값을 생성하는 단계; 및
    상기 지령값을 이용하여 상기 다수의 상 클러스터를 제어하여 상기 다수의 상 클러스터 간의 에너지 에러를 보상하는 단계를 포함하며,
    상기 오프셋신호를 생성하는 단계는,
    상기 생성된 페이저다이어그램 상에서 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분을 산출하는 단계;
    상기 산출된 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분을 바탕으로 중심성분을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 중심성분을 바탕으로 영상분성분을 산출하는 단계를 포함하는 무효전력보상장치의 제어 방법.
  17. 삭제
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 상 내지 제3 상 역상분코사인성분은 상기 전압값의 제1 상 내지 제3 상 역상분전압벡터값 각각이 상기 전류값의 제1 상 내지 제3 상 정상분전류벡터값과 만나는 지점에 위치되는 무효전력보상장치의 제어 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 중심성분은 상기 제1 내지 제3 상 역상분코사인성분의 중심에 위치되는 무효전력보상장치의 제어 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    x축과 y축의 교차점인 원점으로부터 상기 중심성분까지의 거리값을 제1 거리값이라고 할 때,
    상기 영상분성분은 상기 제1 거리값이 원점 대칭된 제2 거리값과 상기 제2 거리값에서의 위상을 포함하는 무효전력보상장치의 제어 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 거리값은 상기 원점을 기준으로 상기 제1 거리값과 반대 방향으로 상기 제1 거리값의 2배인 무효전력보상장치의 제어 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 거리값은 영상분전압이고, 상기 제2 거리값에서의 위상은 영상분위상인 무효전력보상장치의 제어 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 페이저다이어그램을 생성하는 단계는,
    정상분전압벡터값 중 적어도 어느 하나를 가로축(x축)과 일치시켜 페이저다이어그램을 생성하는 단계를 포함하는 무효전력보상장치의 제어 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 페이저다이어그램을 생성하는 단계는,
    상기 가로축에 일치시킨 정상분전압벡터값을 기준으로 다른 정상분전압벡터값 , 제1상 내지 제3상 역상분전압벡터값 및 제1상 내지 제3상 정상분전류벡터값의 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는 무효전력보상장치의 제어 방법.
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