KR102417810B1 - 3상4선식 배전전력 품질개선 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3상4선식 배전전력 품질개선 장치에 관한 것이다. 일례로, 본 발명은 배전 변압기와 부하측 사이에 설치된 3상4선식 결선을 갖는 전원계통; 전원계통중 부하측 중성선에 직렬로 설치되어 부하측 전원계통의 고조파를 저감하는 중성선 RLC 필터; 중성선 RLC 필터의 RLC 값을 제어하는 중성선 고조파 제어보드; 전원계통중 부하측 RST선에 병렬로 연결되어 부하측 전원계통의 무효전력을 저감시키는 RST선 무효전력 필터; RST선 무효전력 필터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 드라이버; 스위칭 드라이버의 스위칭 주파수를 제어하는 RST선 무효전력 제어보드; 전원계통중 부하측 RST선 및 부하측 중성선의 전압 및 전류를 센싱하는 전압 및 전류 센서; 및 전압 및 전류 센서로부터 전압 및 전류를 획득하여 중성선 고조파 제어보드 및 RST선 무효전력 제어보드를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

3상4선식 배전전력 품질개선 장치{3-phase 4-wire type distribution power quality improvement device}
본 발명은 3상4선식 부하측 배전전력 품질개선 장치에 관한 것이다. 일례로, 본 발명은 3상4선식 결선을 갖는 부하계통에서 발생되는 고조파 전류로 인해 중성선의 고조파 전류를 증가시키고 전배전 계통에서 접지 전위를 높여서 배전 계통에 악영향을 미치게 되는 중성선에 흐르는 고조파를 부하측까지 모두 원천적으로 제거하고, 그와 함께 전력품질을 악화시키는 무효전력, 불평형 전력등을 종합적으로 감시하고 제거하는 장치에 관한 것이다.
무효전력, 불평형전력 및 고조파 전류는 이미 그 유해성이 다수 확인되고 있으며, 특히 3상4선식 결선을 갖는 부하계통(예를 들면, 역사내 전등, 전열 부하 등)에서 발생되는 영상분 고조파전류가 중성선에 크게 흐르게 되는 경우 장애의 위험성을 더욱 크게 증가시킬 수 있다.
이에 대하여 영상분 고조파에 대하여, 영상분 ZIG-ZAG 변압기(영상고조파필터)등의 기술이 개발되었으나 부하측의 고장등으로 지락이 발생하는 경우 고장전류가 크게 증가하여 오히려 안정적이지 못하다.
도 1을 참조하면, 종래 기술로서 부하측에 개별 설치된 능동형 고조파필터 및 역률제어장치 등이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 상 고조파 및 중성선의 영상고조파를 동시에 제거할 수 있는 능동고조파 필터가 개별적으로 설치될 수 있으나 이는 실질적으로 부하측의 고조파를 경감시키지 못하며, 부하측에 다수 설치시 비용의 증가로 적용하는데 한계가 있다. 또한, 무효전력을 제거하기 위해 자동역률 개선장치가 개별적으로 설치될 수 있으나 이는 고조파를 제거할 수 없으며, 오히려 고조파에 더욱 위험한 요소가 되고 있다.
상기 언급한 것처럼 전력계통에서는 많은 전력품질 저해 요소가 있으며, 이를 개선하기 위해 다양한 전력품질 개선장치를 모두 적용하기에는 너무 많은 비용과 시설이 필요하게 된다. 따라서, 부하측의 고조파 제거 및 무효 전력, 불평형 전류등의 유해 요소를 통합적으로 제거하고 관리하기 위한 장치에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 3상4선식 부하측 배전전력 품질개선 장치를 제공하는데 있다. 일례로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 3상4선식 배전선로에서 부하 측과 전원 측으로 순환하는 고조파 전류를 감쇄하고 무효전력 및 불평형 전력을 동시에 해결하여 궁극적으로 전력기기에 입력되는 전기 에너지 절감에도 기여하기 위한 3상4선식 배전전력 품질개선 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치는 배전 변압기와 부하측 사이에 설치된 3상4선식 결선을 갖는 전원계통; 전원계통중 부하측 중성선에 직렬로 설치되어 부하측 전원계통의 고조파를 저감하는 중성선 RLC 필터; 중성선 RLC 필터의 RLC 값을 제어하는 중성선 고조파 제어보드; 전원계통중 부하측 RST선에 병렬로 연결되어 부하측 전원계통의 무효전력을 저감시키는 RST선 무효전력 필터; RST선 무효전력 필터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 드라이버; 스위칭 드라이버의 스위칭 주파수를 제어하는 RST선 무효전력 제어보드; 전원계통중 부하측 RST선 및 부하측 중성선의 전압 및 전류를 센싱하는 전압 및 전류 센서; 및 전압 및 전류 센서로부터 전압 및 전류를 획득하여 중성선 고조파 제어보드 및 RST선 무효전력 제어보드를 제어하는 컨트롤러를 포함하되, 중성선 RLC 필터는 중성선에 직렬 연결되고 상호간 병렬 연결된 저항, 인덕터 및 캐패시터를 포함하고, 중성선 고조파 제어보드는 중성선 RLC 필터의 RLC 값을 조정함으로써 중성선 RLC 필터에 의해 영상 전압이 발생되도록 하여 부하측 중성선에 흐르는 영상분 고조파 전류의 발생이 방지되도록 한다.
삭제
중성선 RLC 필터에 병렬로 연결되어 중성선 RLC 필터의 이상 동작시 중성선을 직접 연결하는 보호회로를 더 포함할 수 있다.
보호회로는 중성선 RLC필터에 병렬로 연결되어 중성선에 흐르는 전류를 수동으로 바이패스시키는 수동 바이패스 컨택터와, 전류 센서에서 센싱한 영상분 고조파전류와 불평형전류에 대하여 컨트롤러에서 기준치를 설정하고, 센싱된 고조파전류나 불평형전류가 컨트롤러에서 설정된 기준치를 초과하면 중성선에 흐르는 전류를 자동으로 바이패스시키는 자동 바이패스 컨택터를 포함할 수 있다.
컨트롤러에 연결되어 고조파 및 무효전력을 표시하고 사용자 설정값을 입력받는 HMI(human-machine interface) 디스플레이 모듈을 더 포함할 수 있다.
컨트롤러는 전압 및 전류 센서에서 센싱한 전압, 역률, 고조파전류 및 불평형 전류에 대하여 기준치를 설정하고, 센싱된 전압, 역률, 고조파전류 및 불평형 전류중 적어도 하나가 기준치를 초과하면 경고 신호를 HMI 디스플레이 모듈에 전송할 수 있다.
본 발명은 3상4선식 부하측의 배전전력 품질개선 장치를 제공한다. 일례로, 본 발명은 3상4선식 배전선로에서 부하 측과 전원 측으로 순환하는 고조파 전류를 감쇄하고 무효전력 및 불평형 전력을 동시에 해결하여 궁극적으로 전력기기에 입력되는 전기 에너지 절감에도 기여하기 위한 3상4선식 배전전력 품질개선 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 부하측에 개별 설치된 능동형 고조파필터 및 역률제어장치 등을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치중 디스플레이 화면의 일례이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 컨트롤러(제어부) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 컨트롤러(제어부) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 컨트롤러(제어부)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 컨트롤러(제어부)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 컨트롤러(제어부)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치(100)의 구성 도시한 블럭도이고, 도 4는 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치(100)중 HMI 디스플레이 모듈 (160)에 의한 화면의 일례이다.
도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치(100)는 전원계통(110), 중성선 RLC 필터(120), 중성선 고조파 제어보드(121), RST선 무효전력 필터(130), 스위칭 드라이버(131), RST선 무효전력 제어보드(132), 전압 센서(141) 및 전류 센서(142), 컨트롤러(150), 및 HMI 디스플레이 모듈(160)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치(100)는 전원계통(110)과 중성선 RLC 필터(120), 그리고 전원계통(110)과 RST선 무효전력 필터(130)의 사이에 설치된 보호회로(170)를 더 포함할 수 있다.
전원계통(110)은, 일례로, 배전 변압기와 부하측 사이에 설치된 3상4선식 결선을 포함할 수 있다. 이러한 전원계통(110)은 3상4선식 결선을 통하여, 예를 들면, 역사내 전등이나 전열 부하 등에 전원을 제공할 수 있다. 여기서, 결선은 3개의 RST선 및 1개의 중성선을 포함할 수 있다.
중성선 RLC 필터(120)는 전원계통(110)중 부하측 중성선(N)에 직렬로 설치되어 부하측 전원계통(110)의 고조파를 저감시킬 수 있다. 일부 예들에서, 중성선 RLC 필터(120)는 중성선에 직렬 연결될 수 있고, 상호간 병렬 연결된 저항(R), 인덕터(L) 및 캐패시터(C)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 저항(R), 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 값은 중성선 고조파 제어보드(121)에 의해 적절히 변경/조정될 수 있다. 이와 같이 하여, RLC 필터(120)의 동작에 의해 적절한 영상 전압이 발생됨으로써, 부하측 중성선에 흐르는 영상분 고조파 전류의 발생을 방지할 수 있다.
중성선 고조파 제어보드(121)는 중성선 RLC 필터(120)의 RLC 값을 적절하게 제어하여 중성선 RLC 필터(120)에 의한 영상 전압이 변하도록 하여 고조파 전류를 발생을 억제하도록 한다.
RST선 무효전력 필터(130)는 전원계통(110)중 부하측 RST선에 병렬로 연결되어 부하측 전원계통(110)의 무효전력을 저감시킬 수 있다. 일부 예들에서, RST선 무효전력 필터(130)는, H-브릿지 형태의 IGBT 스위치들을 포함할 수 있으며, IGBT 스위치들의 적절한 스위칭에 의해 RST선의 무효전력이 저감될 수 있다. 즉, 역률이 개선될 수 있다.
스위칭 드라이버(131)는 RST선 무효전력 필터(130)의 스위칭 소자를 제어할 수 있다. 일부 예들에서, 스위칭 드라이버(131)는 다수의 IGBT 스위치의 스위칭 순서를 적절한 듀티비로 제어함으로써, 부하측 RST선 각상의 무효전력이 저감되도록 한다.
RST선 무효전력 제어보드(132)는 스위칭 드라이버(131)에 스위칭 주파수에 연관된 제어 신호를 전송하여 스위칭 드라이버(131)가 무효전력 필터(130)를 적절하게 제어하도록 한다.
전압 센서(141) 및 전류 센서(142)는 각각 전원계통(110)중 부하측 RST선 및 부하측 중성선(N)에 각각 설치되어 부하측의 RST선 및 중성선에 대한 전압 및 전류를 각각 센싱하여 컨트롤러(150)에 전송할 수 있다.
컨트롤러(150)는 전압 센서(141) 및 전류 센서(142)로부터 전압 및 전류에 대한 정보를 획득하여 중성선 고조파 제어보드(121) 및 RST선 무효전력 제어보드(132)를 제어한다. 일부 예들에서, 컨트롤러(150)는 인/아웃 보드로 지칭될 수도 있다.
HMI(human-machine interface) 디스플레이 모듈(160)은 컨트롤러(150)에 연결되어 고조파 및 무효전력을 사용자에게 표시하고 또한 사용자에 의한 다양한 설정값을 입력받을 수 있다.
한편, 보호회로(170)는 중성선 RLC 필터(120)에 병렬로 연결되어 중성선 RLC 필터(120)의 이상 동작시 부하측 중성선을 직접 직렬 연결하거나 또는 무효전력 필터(130)를 부하측 RST선으로부터 전기적으로 분리할 수 있다.
일부 예들에서, 보호회로(170)는 중성선 RLC 필터(120)에 병렬로 연결되어 중성선 RLC 필터(120)에 흐르는 전류를 수동으로 중성선으로 바이패스시키는 수동 바이패스 컨택터(171)와, 전류 센서(142)에서 센싱한 영상분 고조파전류와 불평형전류에 대하여 컨트롤러(150)에서 미리 기준치를 설정/저장하고, 센싱된 고조파전류나 불평형전류가 컨트롤러(150)에서 미리 설정된 기준치를 초과하면, 중성선 RLC 필터(120)에 흐르는 전류를 자동으로 중성선으로 바이패스시키는 자동 바이패스 컨택터(172)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 보호회로(170)는 RST선과 무효전력 필터(130) 사이에 설치된 ACB(Air Circuit Breaker) 차단기(173)를 더 포함할 수 있다. 또한, 부하측 전력계통에도 ACB 차단기(111)가 설치될 수 있다.
일부 예들에서, 컨트롤러(150)는 전압 센서(141) 및 전류 센서(142)에서 센싱하거나 계산한 전압, 역률, 고조파전류 및/또는 불평형 전류에 대하여 미리 기준치를 설정/저장하고, 센싱된 전압, 역률, 고조파전류 및 불평형 전류중 적어도 하나가 기준치를 초과하면, 경고 신호를 HMI 디스플레이 모듈(160)에 전송하여 관리자가 즉시 이를 인지하여 사고를 예방하도록 할 수 있다.
일부 예들에서, HMI 디스플레이 모듈(160)은 부하측 RST선의 역률, 고조파, 유효 전력, 무효 전력, 전압 및 전류 등을 표시할 수 있다(도 4 참조).
일부 예들에서, 중성선 RLC 필터(120), 중성선 고조파 제어보드(121), RST선 무효전력 필터(130), 스위칭 드라이버(131), RST선 무효전력 제어보드(132), 컨트롤러(150), 및 보호회로(170)를 포함하는 3상4선식 배전전력 품질개선 장치(100)는 하나의 장치/모듈로 통합됨으로써, 설치 및 운영이 편리해질 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 3상4선식 배전전력 품질개선 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 3상4선식 배전전력 품질개선 장치
110; 전원계통 111; ACB 차단기
120; 중성선 RLC 필터 121; 중성선 고조파 제어보드
130; RST선 무효전력 필터 131; 스위칭 드라이버
132; RST선 무효전력 제어보드 141; 전압 센서
142; 전류 센서 150; 컨트롤러
160; HMI 디스플레이 모듈 170; 보호회로
171; 수동 컨택터 172; 자동 컨택터
173; ACB 차단기

Claims (6)

  1. 배전 변압기와 부하측 사이에 설치된 3상4선식 결선을 갖는 전원계통;
    전원계통중 부하측 중성선에 직렬로 설치되어 부하측 전원계통의 고조파를 저감하는 중성선 RLC 필터;
    중성선 RLC 필터의 RLC 값을 제어하는 중성선 고조파 제어보드;
    전원계통중 부하측 RST선에 병렬로 연결되어 부하측 전원계통의 무효전력을 저감시키는 RST선 무효전력 필터;
    RST선 무효전력 필터의 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 드라이버;
    스위칭 드라이버의 스위칭 주파수를 제어하는 RST선 무효전력 제어보드;
    전원계통중 부하측 RST선 및 부하측 중성선의 전압 및 전류를 센싱하는 전압 및 전류 센서; 및
    전압 및 전류 센서로부터 전압 및 전류를 획득하여 중성선 고조파 제어보드 및 RST선 무효전력 제어보드를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    중성선 RLC 필터는 중성선에 직렬 연결되고 상호간 병렬 연결된 저항, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며,
    중성선 고조파 제어보드는 중성선 RLC 필터의 RLC 값을 조정함으로써 중성선 RLC 필터에 의해 영상 전압이 발생되도록 하여 부하측 중성선에 흐르는 영상분 고조파 전류의 발생이 방지되도록 하는, 3상4선식 배전전력 품질개선 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    중성선 RLC 필터에 병렬로 연결되어 중성선 RLC 필터의 이상 동작시 중성선을 직접 연결하는 보호회로를 더 포함하는, 3상4선식 배전전력 품질개선 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    보호회로는 중성선 RLC필터에 병렬로 연결되어 중성선에 흐르는 전류를 수동으로 바이패스시키는 수동 바이패스 컨택터와, 전류 센서에서 센싱한 영상분 고조파전류와 불평형전류에 대하여 컨트롤러에서 기준치를 설정하고, 센싱된 고조파전류나 불평형전류가 컨트롤러에서 설정된 기준치를 초과하면 중성선에 흐르는 전류를 자동으로 바이패스시키는 자동 바이패스 컨택터를 포함하는, 3상4선식 배전전력 품질개선 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    컨트롤러에 연결되어 고조파 및 무효전력을 표시하고 사용자 설정값을 입력받는 HMI(human-machine interface) 디스플레이 모듈을 더 포함하는, 3상4선식 배전전력 품질개선 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    컨트롤러는 전압 및 전류 센서에서 센싱한 전압, 역률, 고조파전류 및 불평형 전류에 대하여 기준치를 설정하고, 센싱된 전압, 역률, 고조파전류 및 불평형 전류중 적어도 하나가 기준치를 초과하면 경고 신호를 HMI 디스플레이 모듈에 전송하는, 3상4선식 배전전력 품질개선 장치.
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