KR101858586B1 - 능동 직류단 회로를 포함하는 전력 보상 장치 및 능동 직류단 회로를 이용하는 전력 보상 방법 - Google Patents

Abstract

전력 보상 장치는 계통으로부터 전력을 공급받고 부하단에 구동 전력을 공급하는 능동 직류단 회로; 및 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부는 계통 전류의 고조파 성분을 보상하도록 능동 직류단 회로를 제어할 수 있다. 또, 일 실시예에서, 제어부는 계통에서 부하단으로 전력을 공급하지 않는 구간에 능동 직류단 회로가 부하단으로 보상전력을 공급하도록 능동 직류단 회로를 제어할 수 있다.
또한, 전력 보상 장치는 전원으로부터 전력을 공급받고 부하에 구동 전력을 공급하는 능동 직류단 회로; 및 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 제어부를 포함하되, 제어부는 스위칭 리플을 포함하는 전류를 발생시키는 전원 또는 부하의 스위칭 주파수의 기본파 또는 고조파 전력을 보상하도록 상기 능동 직류단 회로를 제어할 수 있다.

Description

능동 직류단 회로를 포함하는 전력 보상 장치 및 능동 직류단 회로를 이용하는 전력 보상 방법{POWER COMPENSATING APPARATUS INCLUDING ACTIVE DC-LINK CIRCUIT AND METHOD FOR COMPENSATING POWER USING ACTIVE DC-LINK CIRCUIT}

실시예들은 능동 직류단 회로를 포함하는 전력 보상 장치 및 능동 직류단 회로를 이용한 전력 보상 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 계통단 전류에 고조파 성분 등의 전력을 보상하거나, 스위칭 주파수 리플(ripple)을 보상하기 위한 전력 보상 장치 및 전력 보상 방법에 관한 것이다.

다이오드 정류 시스템은 일반적으로 세탁기, 냉장고 등의 가전제품 및 대용량 모터 구동 시스템 등의 계통 연계형 시스템에서 사용된다.

도 1을 참고하면, 기존의 다이오드 정류 시스템(100)은 계통단(110)에서 발생한 전력을 다이오드 정류기(120)를 통해 부하단(130)쪽으로 전달한다. 이 때, 다이오드 정류기(120)의 출력 전압, 즉, 다이오드 정류기(120)와 초기 충전 회로(140) 사이의 노드의 전압은 계통 선간 전압의 최대치로 정의되기 때문에, 계통 주파수의 고조파(계통단이 단상인 경우에는 2고조파, 3상인 경우에는 6고조파) 성분이 직류단(150)으로 들어오게 된다. 따라서, 고조파 성분이 부하단(130)에 영향을 미치지 않게 하기 위해 대용량 직류단 캐패시터(capacitor)(160)를 이용하여 고조파 성분을 직류단 캐패시터(160)에 흡수시킨다.

일반적으로, 대용량 캐패시턴스(capacitance)를 확보하기 위해 직류단 캐패시터(160)로서 단위 부피당 용량이 가장 큰 전해 캐패시터를 사용하는 경우, 높은 고장률로 인해 전체 시스템의 신뢰성이 떨어지며, 다른 종류의 수명이 긴 캐패시터를 사용하는 경우, 가격 및 부피의 문제가 발생한다. 또한, 기본적으로 직류단 캐패시터(160)로 대용량 캐패시터를 사용하는 경우, 추가적으로 초기 충전 회로(pre-charging circuit)(140)가 필요한 문제점이 있다.

도 2는 모터 구동용 3상 다이오드 정류 시스템의 일 실시예로서, 인덕터(L_dc)가 입력단 DC 필터로 사용되었다. 입력단은 정류 시스템에서 부하단을 제외한 부분을 의미한다. 도 2의 시스템에서, 인덕터(L_dc) 없이 수천 μF의 캐패시턴스를 갖는 직류단 캐패시터(260)를 사용할 경우, 계통 전류(인덕터(L_g)와 EMI 필터(270) 사이에 흐르는 전류)는 도 3a에 나타난 바와 같이 토끼귀 모양으로 형성되며, 많은 고조파 성분을 생성하여 다른 기기에 악영향을 준다. 따라서, 인덕터(L_dc)를 사용함으로써 도 3b에 나타난 바와 같이 계통 전류의 고조파 성분을 감쇄시킬 수 있고, 계통 규정(IEC61000-3-12 R_{sce . min} > 250)을 만족시킬 수 있다. 그러나, 입력단 필터 또한 전체 시스템의 무게 및 가격을 증가시키는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해, 작은 용량의 직류단 캐패시턴스를 이용한 시스템들이 연구되었으며, 소용량 직류단 캐패시턴스를 가진 시스템은 직류단 캐패시터가 큰 부피를 차지하지 않기 때문에 집약적이고 가격 경쟁력 있는 회로로 제작할 수 있다. 그러나, 낮은 캐패시턴스로 인해 직류단 전압(직류단 캐패시터의 양단 전압)이 계통 선간 전압의 최대치로 흔들리게 되고, 직류단 캐패시터와 인덕터로 인한 공진 주파수가 제어기의 대역폭을 벗어나게 되어, 도 4a에 나타난 바와 같이 시스템이 불안정해진다.

따라서, 종래의 제어기술은 부하단에서 능동 댐핑 제어(Active Damping Control)를 함으로써 적극적으로 대처하며, 그 결과, 도 4b에 나타난 바와 같이 계통 전류 및 직류단 전압은 비교적 안정되나, 부하 측 출력에 맥동이 발생하게 되어 작동 성능이 떨어지게 된다. 또한, 센서리스(sensorless) 제어와 같은 모터 구동 알고리즘으로 인해 부하단 측 인버터에 스위칭(switching) 및 샘플링 주기(sampling periods)에 제약이 있는 경우, 종래의 능동 제어 기술의 성능은 현저히 저하된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1321236호

본 발명의 일 측면에 의하면, 대용량 직류단 캐패시터를 대체하며 입력단 필터 또한 저감할 수 있고, 부하 측 출력 품질이나 운전 영역에서 손해를 보지 않을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 계통단 전류의 고조파 보상 제어를 부하단과 분리시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 부하단에 항상 일정한 전력을 제공함으로써 부하단에서 필요한 토크를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 리플 함유 전류원 또는 리플 함유 전류 부하의 스위칭 주파수 리플을 보상할 수 있다.

일 실시예에 따른 전력 보상 장치는, 계통으로부터 전력을 공급받고 상기 전력을 이용하여 부하단에 구동 전력을 공급하는 능동 직류단 회로; 및 상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결되어 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 능동 직류단 회로는 일단이 상기 계통과 전기적으로 연결되며 타단이 접지와 연결된 제1캐패시터를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 능동 직류단 회로가 계통 전류를 제어함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 보상하도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 고조파 보상 제어부를 포함하고, 상기 고조파 보상 제어부는, 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호에서 고조파 성분을 추출함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 보상한다.

일 실시예에 따른 전력 보상 장치는, 계통으로부터 전력을 공급받고 상기 전력을 이용하여 부하단에 구동 전력을 공급하는 능동 직류단 회로; 및 상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결되어 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 능동 직류단 회로가 계통 전류를 제어함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 조절하도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 계통 전류 보상 제어부를 포함하고, 상기 계통 전류 보상 제어부는, 상기 계통에서 상기 부하단으로 전력을 공급하지 않는 구간에서 상기 능동 직류단 회로가 상기 부하단으로 보상전력을 공급하도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 부하단 전력 보상 제어부를 포함한다.

일 실시예에 따른 전력 보상 장치는, 전원으로부터 전력을 공급받고 상기 전력을 이용하여 부하에 구동 전력을 공급하는 능동 직류단 회로; 및 상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결되어 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 전원 및 상기 부하 중 하나 이상은 스위칭 리플을 포함하는 전류를 발생시키며, 상기 제어부는, 상기 능동 직류단 회로가 리플 함유 전원 또는 리플 함유 부하의 스위칭 주파수의 기본파 또는 고조파 전력을 보상하도록, 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 스위칭 리플 보상 제어부를 포함한다.

일 실시예에 따른 전력 보상 방법은, 계통으로부터 능동 직류단 회로에 전력을 공급하는 단계; 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 계통 전류를 제어함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 보상하는 단계; 및 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 부하에 전력을 공급하는 단계를 포함하되, 상기 능동 직류단 회로는 일단이 상기 계통과 전기적으로 연결되며 타단이 접지와 연결된 제1캐패시터를 포함하고, 상기 계통 전류의 고조파 성분을 보상하는 단계는, 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호에서 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호에서 고조파 성분을 추출하는 단계는, 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호를 대역 통과 필터링(band pass filtering)하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 계통 전류의 고조파 성분을 보상하는 단계는, 추출된 고조파 성분을 증폭하는 단계; 및 증폭된 고조파 성분을 합산하는 단계;를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 상기 계통 전류를 제어함으로써 공진을 감소시키는 단계를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 계통 전류를 제어함으로써 공진을 감소시키는 단계는, 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호를 고역 통과 필터링(high pass filtering)하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 계통 전류를 제어함으로써 공진을 감소시키는 단계는, 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호에서 추출된 고조파 성분을 합산하는 단계; 합산된 고조파 성분으로부터 고역 통과 필터링된 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호를 감산하는 단계; 및 고역 통과 필터링된 상기 제1캐패시터 양단의 전압 신호가 감산된 상기 합산된 고조파 성분을 증폭하는 단계;를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 계통 전류의 고조파 성분을 보상하는 단계는, 상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결된 부하단의 출력 전력을 검출하는 단계; 및 검출된 상기 부하단의 출력 전력을 기초로 상기 계통 전류를 실시간으로 제어하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따른 전력 보상 방법은, 계통으로부터 능동 직류단 회로에 전력을 공급하는 단계; 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 계통 전류를 제어함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 조절하는 단계; 및 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 부하에 전력을 공급하는 단계를 포함하되, 상기 계통 전류의 고조파 성분을 조절하는 단계는, 상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결된 부하단이 상기 계통으로부터 전력을 공급받지 않는 구간에서 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 상기 부하단으로 보상전력을 공급하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 부하단으로 보상전력을 공급하는 단계는, 상기 부하단의 출력 전력을 검출하는 단계; 및 검출된 상기 부하단의 출력 전력을 기초로 상기 부하단의 전류 지령을 계산하는 단계;를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 능동 직류단 회로는 일단이 상기 계통과 전기적으로 연결되며 타단이 접지와 연결된 제1캐패시터를 포함하고, 상기 부하단으로 보상전력을 공급하는 단계는, 상기 제1캐패시터 양단의 전압을 미리 설정된 최소값 이상으로 유지하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 계통 전류의 고조파 성분을 제거하는 단계는, 계통 전압, 상기 제1캐패시터의 양단 전압의 상기 미리 설정된 최소값 및 상기 부하단의 출력 전력을 이용하여 계통 전류 지령 및 상기 제1캐패시터의 양단 전압의 지령을 계산하는 단계를 더 포함한다.

일 실시예에 따른 전력 보상 방법은, 전원으로부터 능동 직류단 회로에 전력을 공급하는 단계; 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 상기 전원 또는 상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결된 부하의 스위칭 주파수의 기본파 또는 고조파 전력을 보상하는 단계; 및 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 상기 부하에 전력을 공급하는 단계;를 포함하되, 상기 전원 및 상기 부하 중 하나 이상은 스위칭 리플을 포함하는 전류를 발생시킨다.

일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수의 기본파 또는 고조파 전력을 보상하는 단계는, 상기 능동 직류단 회로에 포함된 인덕터 전류의 스위칭 주파수를 리플 함유 전원 또는 리플 함유 부하의 스위칭 주파수와 동일하거나 상기 리플 함유 전원 또는 상기 리플 함유 부하의 스위칭 주파수보다 높게 제어하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 능동 직류단 회로에 포함된 인덕터 전류의 스위칭 주파수를 상기 리플 함유 전원 또는 상기 리플 함유 부하의 스위칭 주파수와 동일하거나 상기 리플 함유 전원 또는 상기 리플 함유 부하의 스위칭 주파수보다 높게 제어하는 단계는,상기 리플 함유 전원 또는 리플 함유 부하에 흐르는 전류 신호를 대역 통과 필터링하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치는 에너지를 저장하여 입력단의 공진을 억제하거나 입출력 전류의 고조파 성분을 보상할 수 있으므로, 부하단은 입력단에서 발생되는 고조파 전력과 무관하게 동작할 수 있어 고품질의 출력과 운전 영역을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치는 낮은 고장률과 고수명의 소자를 사용함으로써 높은 신뢰성을 갖는 시스템을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치는 스위칭 주파수 리플(ripple)을 보상할 수 있으므로, 이에 따른 추가적인 캐패시터 리플 전류도 저감할 수 있다.

도 1은 종래의 다이오드 정류 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 입력단 DC 필터로서 인덕터를 사용한 모터 구동용 3상 다이오드 정류 시스템을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 대용량 직류단 캐패시터를 사용한 380V 3상 다이오드 정류 시스템의 전류 및 전압을 나타낸다.
도 4a 및 4b는 소용량 직류단 캐패시터와 입력단 필터를 사용한 380V 3상 다이오드 정류 시스템의 전류, 전압 및 부하 측 모터의 토크를 나타낸다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 다이오드 정류 시스템을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 제어부의 세부 블록도이다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 승압형 능동 직류단 회로를 채용한 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 전류, 전압 및 토크의 파형을 나타낸다.
도 9는 IEC61000-3-12 R_{sce . min} = 250 규정과 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 고조파 성분을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 제어부의 세부 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 전압 및 전류 파형을 나타낸다.
도 12는 소용량 직류단 캐패시터를 사용하는 단상 다이오드 정류 시스템의 부하단 전력에 따른 직류단 전압 및 계통 전류의 파형을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템의 직류단 전압의 최소값에 따른 전압, 전류 및 전력 파형을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 단상 다이오드 정류 시스템의 제어부의 세부 블록도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템의 전압, 전류 및 전력 파형을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치, 전원 및 부하의 연결 관계를 나타내는 블록도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 제어부의 세부 블록도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 제어부에 포함되는 대역 통과 필터의 통과 대역을 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 이용하여 최소 주파수 스위칭으로 스위칭 노이즈를 저감한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 이용하여 고주파 스위칭으로 스위칭 노이즈를 저감한 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 구성 및 특성을 실시예를 이용하여 설명하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 한정하는 것은 아니다. 유사한 참조부호가 복수의 도면에서 사용되는 경우, 유사한 참조부호는 여러 실시 예들에 대해서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 능동 직류단 회로를 포함하는 다이오드 정류 시스템을 나타낸다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 다이오드 정류 시스템(5000)은 계통단(5010), EMI(Electromagnetic Interference) 필터(5020), 다이오드 정류기(5030), 전력 보상 장치(5080) 및 부하단(5090)을 포함할 수 있으며, 전력 보상 장치(5080)는 능동 직류단 회로(5040), 측정부(5050), 제어부(5060) 및 게이트 드라이버(5070)를 포함할 수 있다.

계통단(5010)은 도 5a에 나타난 바와 같이 단상 계통일 수도 있고, 도 7에 도시된 계통단과 같이 3상 계통일 수도 있다. 계통단(5010)은 부하단(5090)에서 필요한 전력을 공급하고, EMI 필터(5020)는 150kHz 이상의 고조파를 저감시키며, 다이오드 정류기(5030)는 계통 전압을 정류한다.

능동 직류단 회로(5040)와 이를 제어하기 위한 측정부(5050), 제어부(5060) 및 게이트 드라이버(5070)는 종래 소용량 직류단 캐패시터를 포함하는 회로의 부하단(5090)에서 담당하던 능동 댐핑 제어를 수행하기 때문에, 계통단(5010)에서 능동 직류단 회로(5040)까지의 구성을 포함하는 입력단 측에서 발생하는 공진을 억제할 뿐만 아니라, 계통단(5010)의 계통 전류에 포함되는 계통 주파수의 고조파 성분 또한 보상하는 역할을 한다. 구체적으로, 측정부(5050)가 부하단(5090)의 출력과 능동 직류단 회로(5040) 내의 입출력 전압 및 전류를 측정하여 제어부(5060)로 전달하고, 제어부(5060)는 고조파 성분 보상 제어 및/또는 공진 억제 제어를 수행하며, 게이트 드라이버(5070)는 제어 결과를 능동 직류단 회로(5040)에 적용한다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 다이오드 정류 시스템(5100)은 AC 필터(5110) 또는 DC 필터(5120)를 더 포함할 수 있다. 다이오드 정류 시스템(5100)은 능동 직류단 회로(5130)를 포함하기 때문에, AC 필터(5110)와 DC 필터(5120)는 기존의 다이오드 정류 회로에서 사용되던 필터보다 작은 값의 소자를 사용할 수 있으며, 도 5a에 도시된 바와 같이 제거도 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치(5080; 도 5) 내의 제어부(5060; 도 5)의 세부 블록도이다. 제어부(5060)는 내부 직류단 전압 제어부(610), 고조파 보상 제어부(620) 및 전류 제어부(630)를 포함할 수 있다.

측정부(5050)에서 측정한 전압 및 전류 정보는 내부 직류단 전압 제어부(610) 또는 고조파 보상 제어부(620)로 전달된다. 내부 직류단 전압 제어부(610)는 능동 직류단 회로의 내부 직류단 전압(예를 들면, 도 7a의 캐패시터(C_dc2)의 양단 전압)의 평균값을 특정 값으로 유지시키며, 고조파 보상 제어부(620)는 입력단의 계통 전류에 발생하는 고조파를 개선시키기 위한 고조파 전력 제어를 수행한다. 내부 직류단 전압 제어부(610)와 고조파 보상 제어부(620)의 출력은 전류 제어부(630)로 입력되며, 전류 제어부(630)는 고조파 보상 제어부(620)의 출력 및 내부 직류단 전압 제어부(610)의 출력에 기초하여 능동 직류단 회로(5040; 도 5) 내부의 전류를 제어하기 위한 출력 지령을 게이트 드라이버(5070)로 전달한다. 게이트 드라이버(5070)는 입력 받은 출력 지령을 기초로 능동 직류단 회로(5040; 도 5) 내부의 스위칭 소자로 스위칭 신호를 전달한다.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 보상 장치를 통해 계통단에 발생하는 고조파를 개선시키는 전력을 공급함으로써 고조파 보상 제어를 부하단과 분리시킬 수 있으므로, 대용량 캐패시터와 입력단 필터를 사용한 종래의 다이오드 정류 시스템과 동일한 부하단 출력을 얻을 수 있다. 이에 더불어, 능동 직류단 회로는 모두 소용량 또는 집약적인 소자를 사용하기 때문에 시스템 전체의 부피를 줄일 수 있으며, 전해 캐패시터를 사용하는 경우와 달리 고수명의 회로 설계가 가능하다.

도 7a 내지 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템을 나타낸다. 도 7a 내지 7d는 각각 승압형(boost type), 강압형(buck type), 승강압형(buck-boost type) 및 H-브릿지(H-bridge) 승강압형 능동 직류단 회로를 포함하고 있으며, 능동 직류단 회로의 구조는 전체 시스템의 적용 분야에 따라 결정될 수 있다. 도 7b 내지 7d의 정류 시스템은 각각의 능동 직류단 회로에 더불어 도 7a에 도시된 측정부, 제어부 및 게이트 드라이버(미도시)를 포함할 수 있다. 이하, 도 7a의 승압형 능동 직류단 회로를 참고로 하여 3상 다이오드 정류 시스템의 동작 및 세부적인 제어에 대하여 설명한다.

도 7a를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치(700)의 능동 직류단 회로(740)는 전체 시스템의 직류단 캐패시터(C_dc1) 외에 내부 직류단 캐패시터(C_dc2)를 포함하며, 계통단에서 발생하는 고조파 전력이 내부 직류단 캐패시터(C_dc2)로 전달되어 고조파 전력을 보상한다. 고조파 전력 보상 제어는 능동 직류단 회로(740) 내부의 전류를 제어하는 스위치(S₁, S₂)를 교번하여 온/오프함으로써 인덕터(L_x)에 흐르는 전류를 제어하고, 전류의 흐름에 따라 에너지가 전달되는 형태로 이루어진다. 능동 직류단 회로(740)는 큰 용량의 소자를 사용하지 않더라도 계통단의 고조파 전력을 보상할 수 있다. 또한, 능동 직류단 회로(740)의 제어는 부하단(750)의 제어와 별도로 동작되기 때문에, 상대적으로 높은 주파수로 스위칭할 수 있으며, 이는 인덕터(L_x)를 소형화할 수 있고 빠른 제어 성능을 확보할 수 있음을 의미한다.

도 7a에 도시된 전력 보상 장치(700)의 제어부는 크게 세 부분을 포함할 수 있다. 내부 직류단 전압 제어부(710)는 내부 직류단 전압(V_dc2)의 평균 전압이 일정한 값으로 유지되도록 능동 직류단 회로(740)를 제어하며, 고조파 보상 제어부(720)는 직류단 전압(V_dc1)에 포함된 고조파 성분을 추출하여 보상 전력을 제공하는 제어를 수행한다. 내부 직류단 전압(V_dc2)은 내부 직류단 캐패시터(C_dc2)의 양단 전압을 의미하고, 직류단 전압(V_dc1)은 직류단 캐패시터(C_dc1)의 양단 전압을 의미한다. 내부 직류단 전압 제어부(710)의 출력(P_dc2) 및 고조파 보상 제어부(720)의 출력(P_damp)은 각각 내부 직류단 전압(C_dc2)을 제어하기 위해 필요한 전력량 및 계통단의 고조파를 보상하기 위해 필요한 전력량을 의미한다. 필요한 총 전력량, 즉, 출력(P_dc2)과 출력(P_damp)의 합을 직류단 전압(V_dc1)으로 나누어 능동 직류단 회로의 인덕터(L_x) 전류의 기준 전류, 즉, 전류 지령(I_x ^ref)을 구할 수 있으며, 전류 제어부(730)는 인덕터 전류(I_x)를 전류 지령(I_x ^ref)으로 제어하기 위해 필요한 스위치(S₂) 양단의 평균 전압을 계산한다. 계산된 전압은 게이트 드라이버로 전달되고, 게이트 드라이버는 스위치(S₂)의 양단 전압을 전류 제어부(730)에서 계산된 전압으로 합성하기 위한 스위치(S₁, S₂)의 온/오프 제어 신호를 생성하여 회로에 적용한다.

일 실시예에서, 고조파 보상 제어부(720)는 능동 직류단 회로가 계통 전류를 제어함으로써 입력단에 발생하는 공진을 감소시키도록 능동 직류단 회로를 제어하는 공진 보상 제어부를 더 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 측정부는 능동 직류단 회로(740)와 전기적으로 연결된 부하단(750)의 출력 전력(P_inv)을 검출하고, 고조파 보상 제어부(720)는 도 7a에 도시된 바와 같이 부하단(750)의 출력 전력(P_inv)을 측정부로부터 입력받아 피드백을 이용하여 출력 전력(P_inv)을 기초로 계통 전류를 실시간으로 제어를 수행할 수 있다.

도 8은 도 7a에 도시된 3상 다이오드 정류 시스템의 전류, 전압 및 토크의 파형을 나타낸다. 소용량 캐패시터만을 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 결과 파형을 나타내는 도 4b와 비교하여, 도 8에 나타난 부하측 모터 토크에는 리플이 거의 존재하지 않으며, 직류단 전압(V_dc1)의 변동 폭도 더욱 작은 것을 알 수 있다. 반면, 내부 직류단 전압(V_dc2)에 다량의 고조파 성분이 함유된 것을 확인할 수 있고, 이는 계통단에서 발생하는 고조파 전력을 내부 직류단 캐패시터(C_dc2; 도 7a)에서 보상해 준 결과 발생하는 에너지 변화이다. 이 때, 인덕터 전류(I_x)는 가장 아래에 나타난 파형과 같다.

도 9는 IEC61000-3-12 R_{sce . min} = 250 규정과 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 직류단 회로를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 고조파 성분(단위:%)을 비교한 그래프이며, 수치는 아래 표 1에 나타난 바와 같다.

고조파	I 2	I 4	I 5	I 6	I 7	I 8	I 10	I 11	I 12	I 13	T HD	P WHD
규정치(%)	8	4	31	2.7	20	2	1.6	12	1.3	7	37	38
측정 고조파(%)	0.05	0.05	28.03	0.05	9.06	0.02	0.03	9.9	0.04	5.06	32.54	37.9

도 9 및 표 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템에서 발생하는 고조파 성분은 IEC61000-3-12 R_sce.min = 250 계통 규정을 만족하는 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 다이오드 정류 시스템의 능동 직류단 회로의 제어부의 세부 블록도이다. 내부 직류단 전압 제어부(1010)는 전압 지령(V_dc2 ^*)과 전압의 평균치 오차를 0으로 만들기 위한 전압 제어기(PI)를 포함할 수 있다. 고조파 보상 제어부(1020)는 고조파 보상 제어를 위한 전류(I_6nh)를 출력하는 부분을 포함할 수 있다. 또, 고조파 보상 제어부(1020)는 능동 직류단 회로가 계통 전류를 제어함으로써 공진을 감소시키도록 능동 직류단 회로를 제어하는 공진 보상 제어부를 더 포함할 수 있으며, 공진 보상 제어부는 공진 보상 제어를 위해 전류(I_res)를 출력하는 부분을 포함할 수 있다.

먼저, 공진 보상 제어부는 직류단 캐패시터(C_dc1) 양단의 전압을 입력으로 받는 고역통과필터(High Pass Filter; HPF), 직류단 캐패시터(C_dc1) 양단의 전압 신호에서 고조파 성분을 추출하는 하나 이상의 대역통과필터(Band Pass Filter; BPF), 하나 이상의 대역통과필터의 출력을 합산하는 덧셈기, 상기 덧셈기의 출력으로부터 고역통과필터의 출력을 감산하는 감산기 및 상기 감산기의 출력을 증폭하는 증폭기(k_R)를 포함하며, 이를 통해 직류단 전압(V_dc1)에서 직류(DC) 성분을 제거한다.

고조파 보상 제어부(1020)의 전류(I_6nh)를 출력하는 부분은 직류단 캐패시터(C_dc1) 양단의 전압 신호에서 계통 주파수 f₁(예를 들면, 60 Hz)의 고조파 성분(3상의 경우 6n 고조파, 단상의 경우 2n 고조파(n = 1, 2, …))을 추출하는 복수의 대역통과필터를 포함한다. 대역통과필터(BPF)의 ω_bw1, ω_bw2, ω_bw3, …는 각각 2π·(6f₁), 2π·(6·2·f₁), 2π·(6·3·f₁), …[rad]와 같고, 해당 주파수 성분만 추출할 수 있도록 ζ는 0.1 이하일 수 있다. 따라서, 예를 들면 3상의 경우, 전압(v_dc6n)에는 6n 고조파 성분만 존재하게 되고, 전압(v_dc6n)에서 HPF의 출력을 뺀 성분이 곧 전압(v_res)가 된다. 전압(v_res)에는 대부분 공진 주파수 성분이 존재하게 되고, 전압(v_res)를 k_R 의 이득으로 증폭하여 전류(I_res)를 얻을 수 있다.

고조파 보상 제어부(1020)는 대역통과필터(BPF)들의 출력을 각각 k₁, k₂, k₃, …의 이득으로 증폭하는 하나 이상의 증폭기를 포함하며, 이득 값 k_n 은 필요에 따라 조절될 수 있다. k_n (n=1, 2, 3,…)은 k_R 보다 큰 값을 가질 수 있으며, k_n 이 큰 값을 가질수록 고조파 성분의 주입 정도가 커짐을 의미한다. 고조파 보상 제어부(1020)는 또한 상기 하나 이상의 증폭기의 출력을 합산하는 덧셈기를 더 포함할 수 있다. k_n 이 모두 동일한 경우, 전류(I_6nh)와 전압(v_dc6n) 은 아래의 식 1과 같이 표현될 수 있다.

[식 1]

이 때, P_inv는 부하단의 출력 전력이고, α는 비례 상수이다. P_inv/V_dc1 은 부하단의 출력 전류(I_inv)와 동일하고, v_dc6n/V_dc1은 6n 고조파 성분을 V_dc1 로 나누어 정규화(normalization)한 값이다. 즉, I_6nh 는 부하단의 출력 전류를 V_dc1의 6n 고조파 성분의 α배로 공급한다는 것을 의미한다. 부하단 측은 항상 일정한 전력(constant power load)을 출력하려는 특성을 가지기 때문에, 직류단 성분과 V_dc1 고조파 역수 성분의 합이 흐른다. 도 11은 식 1의 α가 1 인 경우의 능동 직류단 회로를 포함하는 3상 다이오드 정류 시스템의 전압 및 전류 파형을 나타낸다. α가 1 인 경우, V_dc1 의 6n 고조파 성분과 동일한 백분율의 전류를 공급해주는 의미이므로 I_inv와 상쇄되어, 다이오드 정류기로부터 나오는 전류(I_diode)에는 직류 성분만 존재하게 된다. 반면, α가 1 이상인 경우, 고조파 성분이 다이오드 정류기 전류(I_diode)로 흐르게 되고, 이는 곧 계통 전류의 고조파 성분이 변화함을 의미한다. 따라서, 능동 직류단 회로에서의 고조파 전력 주입을 통해 계통 규정을 만족시키는 전류 파형을 형성할 수 있다. 통상적으로, IEC61000-3-12 R_{sce . min} > 250 의 계통 규정을 만족시키는 α는 4와 5 사이 정도의 값을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치는 단상 다이오드 정류 시스템에도 적용될 수 있다. 도 12는 종래의 소용량 직류단 캐패시터를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템의 전류, 전압 및 전력 파형을 나타낸다.

도 12에서 점선으로 도시된 바와 같이, 계통단 전력과 입력단 전력이 정현파 제곱(정현파 전압과 정현파 전류의 곱)의 형태인 경우, 계통 전류는 정현파로 형성되나, 부하단(예를 들면, 모터) 전력 리플은 커진다. 또한, 부하단의 전력에 따라 직류단 전압이 매우 크게 변동하며, 심지어 직류단 전압의 최소값(V_dcmin)은 0V 까지 떨어질 수 있다.

한편, 도 12에서 실선으로 도시된 바와 같이, 특정 구간에서 부하단의 출력을 0으로 제어하면, 계통 전류는 정현파로 형성되지 않으나, 계통 규정을 만족시키기엔 충분한 파형을 유지할 수 있으며, 직류단 전압이 일정한 값(도 12의 실선 파형의 경우, 100V) 이상으로 유지되어 상대적으로 높은 출력 전압을 요구하는 부하 측 고속 운전 제어 시에도 비교적 안정적으로 속도 제어를 수행할 수 있다. 그러나, 부하단의 출력이 0으로 유지되는 구간에서는 계통단과 부하단 사이에 전력 전달이 없기 때문에, 추가적인 전력 공급원이 없다면 부하에 필요한 토크를 제공할 수 없게 된다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템을 나타낸다. 단상 다이오드 정류 시스템(1300)의 전력 보상 장치의 제어부는 내부 직류단 전압 제어부(1310), 계통 전류 보상 제어부(1320) 및 전류 제어부(1330)를 포함할 수 있으며, 내부 직류단 전압 제어부(1310) 및 전류 제어부(1330)는 도 7a의 내부 직류단 전압 제어부(710) 및 전류 제어부(730)와 동일하다. 계통 전류 보상 제어부(1320)는 부하단 전력 보상 제어부(1340)를 포함할 수 있으며, 부하단 전력 보상 제어부(1340)는 도 12에 도시된 계통단에서 부하단으로 전력을 공급하지 않아 부하단 출력이 0으로 유지되는 구간에 능동 직류단 회로의 전력을 부하단 측으로 제공함으로써 부하단에 필요한 토크를 보충한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 부하단 전력 보상 제어부(1340)로 인해 부하는 일정한 출력을 유지할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템의 직류단 전압의 최소값에 따른 전압, 전류 및 전력 파형을 나타낸다. 도 14에 도시된 전압, 전류 및 전력의 단위는 각각 [V], [A], [W]이다. 도 14를 참고하면, 도통 구간, 즉, 계통 전류가 0A가 아닌 구간에서 계통 전류의 최대값은 종래에 비해 더 커지지만, 비도통 구간에도 능동 직류단 회로를 통해 부하단으로 일정하게 전력을 공급할 수 있기 때문에, 전동기 등의 부하 제어 시 안정적인 출력을 보장한다는 이점을 갖는다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 제어부의 세부 블록도이다. 내부 직류단 전압 제어부(1510) 및 전류 제어부(1530)는 도 10의 내부 직류단 전압 제어부(1010) 및 전류 제어부(1030)와 동일하게 동작한다. 도 15에 도시된 단상 다이오드 정류 시스템에서는, 계통 전류 보상 제어부(1520)가 계통 전류의 고조파 성분을 포함하는 원치 않는 잡음 주파수 성분을 조절하도록 능동 직류단 회로를 제어할 수 있으며, 일 실시예에서는 고조파 성분을 감소 또는 제거할 수 있다.

또한, 일단이 계통과 전기적으로 연결되며 타단이 접지와 연결된 캐패시터(C_dc1; 도 13) 양단의 전압인 직류단 전압(V_dc1)이 미리 설정된 최소값(V_{dc1 _ min}) 이상으로 유지될 수 있도록 계통 전류 보상 제어부(1520)에 포함된 부하단 전력 보상 제어부가 능동 직류단 회로를 제어하며, 구체적으로는, 부하단 전력 보상 제어부가 능동 직류단 회로를 이용하여 부하 측으로 전력을 공급한다. 계통 전류 보상 제어부(1520)는 지령 계산부(References Calculation), 전압 제어기(PI)를 포함할 수 있다. 지령 계산부(References Calculation)는 계통 전압(V_g), 직류단 전압의 최소값(V_{dc1 _ min}) 및 부하단의 출력 전력(P_inv)을 입력받아 이들을 기초로 직류단 전압의 지령(V_dc1 ^*) 및 계통 전류 지령(I_g ^*)을 계산하여 출력할 수 있다. 여기서 계통 전류 지령(I_g ^*)의 크기를 나타내는 I_m은 계통 한 주기 내 입력 전력과 부하단의 출력 전력(P_inv)이 동일함을 이용해 계산할 수 있다. 입력 전력은 계통 전압(Vg)과 계통 전류 지령(I_g ^*)의 곱과 동일하다. 출력된 직류단 전압의 지령(V_dc1 ^*)은 전압 제어기(PI)로 입력되고, 전압 제어기(PI)는 직류단 전압(V_dc1)이 지령(V_dc1 ^*) 값으로 유지되도록 하기 위한 직류단 커패시터 전류의 지령(I_dc1 ^*)을 출력한다. 계통 전류 보상 제어부(1520)에 포함된 부하단 전력 보상 제어부는 부하단의 출력 전력(P_inv)을 기초로 부하단의 전류 지령(I_inv ^*)을 계산하며, 전류 지령(I_inv ^*)은 부하단의 출력 전력(P_inv)을 직류단 전압(V_dc1)으로 나누어 구할 수 있다. 직류단 전압 지령(V_dc1 ^*) 및 계통 전류 지령(I_g ^*)은 각각 아래의 식 2 및 3과 같이 계산될 수 있다.

[식 2]

[식 3]

전류 제어부(1530)의 입력인 인덕터 전류 지령(I_x ^*)은 내부 직류단 전압 제어부(1510)의 출력(I_dc)과 계통 전류 보상 제어부(1520)의 출력(I_comp)을 합산하여 얻을 수 있다. 전류 제어부(1530)는 인덕터 전류 지령(I_x ^*) 및 실제 인덕터 전류(I_x)를 입력받고, 직류단 전압(V_dc1)과 계통 전류(I_g)를 각각 직류단 전압 지령(V_dc1 ^*)과 계통 전류 지령(I_g ^*)으로 만들기 위한 능동 직류단 회로의 스위치(S₂; 도 13) 양단의 전압 지령(V_x ^*)을 출력한다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 직류단 회로를 포함하는 단상 다이오드 정류 시스템의 모의실험을 통한 전압, 전류 및 전력 파형을 나타낸다. 직류단 전압(V_dc1)이 일정값 이상으로 유지되면서 부하단에 일정한 전력이 공급되는 것을 확인할 수 있으며, 직류단 전압이 최소값 근처로 유지되는 구간이 존재하더라도 계통 전류의 고조파 성분은 계통 규정을 만족하기에 충분함을 확인할 수 있다.

능동 직류단 회로는 스위칭 주파수(예를 들면, 수십 kHz) 대역의 고조파 성분을 저감시키도록 제어될 수도 있다. 도 17에 도시된 직류단 평활용 캐패시터(C_dc1)는 두 전류원(Current source)을 연결한다. 이 때, 두 전류원은 DC 성분뿐만 아니라 스위칭 리플 성분도 포함할 수 있다. 즉, 연결된 기기 또는 전원의 특성에 따라 전류원이 포함하는 스위칭 주파수와 그 형태가 다르다. 특히, 연속 전류원(continuous current source)-불연속 전류 부하(discontinuous current load), 불연속 전류원-연속 전류 부하 또는 불연속 전류원-불연속 전류 부하의 조합을 갖는 경우, 전류원과 전류 부하 사이에 평활용 캐패시터(C_dc1)만 사용되면, 불연속 전류를 평활화하기 위해 평활용 캐패시터(C_dc1)가 큰 용량을 가져야 한다. 불연속 전류 기기의 고조파 전류 rms(root mean squre)값이 높을수록, 스위칭 주파수가 낮을수록 평활용 캐패시터(C_dc1)의 용량은 커져야 한다. 즉, 종래 기술에서는 전류(i_in)와 전류(i_out) 사이에 존재하는 스위칭 리플(또는, 고조파 전류 성분)을 대용량의 평활용 캐패시터(C_dc1)가 모두 흡수한다.

반면, 도 17에 도시된 바와 같이 전류원과 전류 부하 사이에 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치(1740)를 연결하는 경우, 입력 전류(i_in)와 부하 전류(i_out) 사이에 존재하는 고조파 전류 성분을 전력 보상 장치(1740)에 포함된 능동 직류단 회로에서 보상할 수 있으므로, 평활용 캐패시터(C_dc1)로 흐르는 고조파 전류를 줄일 수 있게 되고, 이에 따라 보다 작은 용량의 캐패시터를 사용하더라도 DC 링크(link)단의 전압 맥동 및 캐패시터(C_dc1)로 흐르는 고조파 전류의 rms 크기는 줄일 수 있다.

전력 보상 장치(1740)는 도 5a에서와 같이 측정부, 제어부 및 게이트 드라이버(미도시)가 도 17에 도시된 능동 직류단 회로와 연결되어 있다. 능동 직류단 회로와 연결된 전원(1710) 또는 부하(1720)는 각각 스위칭 리플을 포함하는 전류를 발생시키는 리플 함유 전원 또는 리플 함유 부하일 수 있으며, 스위칭 리플은 불연속 또는 연속적이다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보상 장치의 제어부의 세부 블록도이며, 스위칭 고조파를 저감시키기 위해 사용될 수 있다. 내부 직류단 전압 제어부(1810)는 능동 직류단 회로의 내부 직류단 전압(V_dc2)이 전압 지령(V_dc2 ^*)을 추종하도록 제어하며, 낮은 주파수 대역에서 작동하도록 설정될 수 있다. 전류 제어부(1830)는 도 10의 전류 제어부(1030)와 동일하게 동작한다. 능동 직류단 회로는 도 17에 도시된 바와 같이 인덕터(L_x)를 포함하며, 스위칭 리플 보상 제어부(1820)는 능동 직류단 회로에 포함된 스위치(S₁, S₂)의 스위칭 주파수, 즉, 인덕터(Lx) 전류의 스위칭 주파수를 리플 함유 전원 또는 리플 함유 부하의 스위칭 주파수와 같거나 그보다 높게 제어할 수 있으며, 스위치(S₁, S₂)의 스위칭 주파수를 높게 제어할수록 리플 함유 전원 또는 리플 함유 부하의 고차 고조파(high order harmonics)까지 제거할 수 있다.

일 실시예에서, 스위칭 리플 보상 제어부(1820)는 리플 함유 전원에 흐르는 전류(I_in) 신호에서 리플 함유 전원의 스위칭 주파수의 기본파 또는 고조파 대역을 추출하는 대역통과필터(BPF) 또는 리플 함유 부하에 흐르는 전류(I_out) 신호에서 리플 함유 부하의 스위칭 주파수의 기본파 또는 고조파 대역을 추출하는 대역통과필터(BPF)를 포함할 수 있다.

도 19를 참고하면, 도 18에 도시된 대역통과필터(BPF)의 통과 대역의 예시가 도시되어 있다. 대역통과필터(BPF)는 기존에 설계된 회로의 제어 성능을 훼손하지 않도록 DC 및/또는 기존의 전류 제어 대역 주파수를 제거하여 고조파 보상 전력에 포함시키지 않는다. 또한, 능동 직류단 고조파 대역의 주파수(또는, 능동 직류단 회로의 스위칭 소자의 스위칭 주파수)도 통과시키지 않음으로써, 능동 직류단 회로를 안정적으로 제어할 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 직류단 회로를 이용하여 최소 주파수 스위칭으로 스위칭 리플을 저감한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 20에 도시된 전류의 단위는 모두 [A]이며, 능동 직류단 회로의 인덕터 전류(i_x)의 스위칭 주파수를 리플 함유 전류원 또는 리플 함유 전류 부하의 스위칭 주파수와 동일하도록 제어하였다. 도 20을 참고하면, 직류단 캐패시터(C_dc1; 도 17)의 전류(i_Cdc1)의 평균이 0[A]이 되었으며, 아래쪽 두 개의 그래프를 통해 스위칭 리플의 기본파 성분이 상쇄된 것을 확인할 수 있다.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 직류단 회로를 이용하여 고주파 스위칭으로 스위칭 노이즈를 저감한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 15에 도시된 전류의 단위는 모두 [A]이며, 능동 직류단 회로의 인덕터 전류(i_x)의 스위칭 주파수를 리플 함유 전류원 또는 리플 함유 전류 부하의 스위칭 주파수보다 높게 제어함으로써, 도 21의 아래쪽 두 개의 그래프를 참고하면, 스위칭 주파수의 고차 고조파까지 상쇄된 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

610 : 내부 직류단 전압 제어부
620 : 고조파 보상 제어부
630 : 전류 제어부

Claims (33)

1. 부하단과 정류단 사이 직류단에 전기적으로 연결되어, 계통으로부터 전력을 공급받고 상기 전력을 이용하여 상기 부하단에 구동 전력을 공급하는 능동 직류단 회로; 및
   상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결되어 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는, 상기 능동 직류단 회로가 계통 전류를 제어함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 조절하도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 계통 전류 보상 제어부를 포함하고,
   상기 계통 전류 보상 제어부는, 상기 계통에서 상기 부하단으로 전력을 공급하지 않는 구간에서 상기 능동 직류단 회로가 상기 부하단으로 보상전력을 공급하도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 부하단 전력 보상 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 부하단 전력 보상 제어부는, 상기 부하단의 출력 전력을 기초로 상기 부하단의 전류 지령을 계산하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 능동 직류단 회로는 일단이 상기 계통과 전기적으로 연결되며 타단이 접지와 연결된 제1캐패시터를 포함하며,
   상기 부하단 전력 보상 제어부는, 제1캐패시터의 양단 전압이 미리 설정된 최소값 이상으로 유지되도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 계통 전류 보상 제어부는, 계통 전압, 상기 제1캐패시터의 양단 전압의 상기 미리 설정된 최소값 및 상기 부하단의 출력 전력을 기초로 계통 전류 지령 및 상기 제1캐패시터의 양단 전압의 지령을 계산하는 지령 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 장치.
5. 제1항에 있어서,
   능동 직류단 회로는 상기 계통에서 발생하는 고조파 전력이 전달되는 제2캐패시터 및 상기 능동 직류단 회로 내부의 전류를 제어하는 스위치를 포함하며,
   상기 제어부는,
   상기 제2캐패시터의 양단 전압이 일정한 값으로 유지되도록 상기 능동 직류단 회로를 제어하는 내부 직류단 전압 제어부; 및
   고조파 보상 제어부의 출력 및 상기 내부 직류단 전압 제어부의 출력에 기초하여 상기 스위치 양단의 평균 전압을 계산하는 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 장치.
6. 계통으로부터, 부하단과 정류단 사이 직류단에 전기적으로 연결된 능동 직류단 회로에 전력을 공급하는 단계;
   상기 능동 직류단 회로를 이용하여 계통 전류를 제어함으로써 상기 계통 전류의 고조파 성분을 조절하는 단계; 및
   상기 능동 직류단 회로를 이용하여 부하단에 전력을 공급하는 단계를 포함하되,
   상기 계통 전류의 고조파 성분을 조절하는 단계는,
   상기 능동 직류단 회로와 전기적으로 연결된 부하단이 상기 계통으로부터 전력을 공급받지 않는 구간에서 상기 능동 직류단 회로를 이용하여 상기 부하단으로 보상전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 부하단으로 보상전력을 공급하는 단계는,
   상기 부하단의 출력 전력을 검출하는 단계; 및
   검출된 상기 부하단의 출력 전력을 기초로 상기 부하단의 전류 지령을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 능동 직류단 회로는 일단이 상기 계통과 전기적으로 연결되며 타단이 접지와 연결된 제1캐패시터를 포함하고,
   상기 부하단으로 보상전력을 공급하는 단계는,
   상기 제1캐패시터 양단의 전압을 미리 설정된 최소값 이상으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 계통 전류의 고조파 성분을 제거하는 단계는,
   계통 전압, 상기 제1캐패시터의 양단 전압의 상기 미리 설정된 최소값 및 상기 부하단의 출력 전력을 이용하여 계통 전류 지령 및 상기 제1캐패시터의 양단 전압의 지령을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 보상 방법.
   
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