KR102589589B1 - 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치 및 그 방법 - Google Patents

계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치에 관한 것으로, 현장계통의 공진상황에 따라 공진을 저감시키는 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터 설정부, LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결하는 패시브 댐핑부, 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 스위칭 제어부를 포함하여 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 현장의 계통의 공진상황에 따라 스위치를 이용하여 ON/OFF하여 패시브 댐핑을 유연하게 사용하고 공진현상의 부하영역의 효율을 상승시키는 효과가 있다.

Description

계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치 및 그 방법{Resonance reduction device for grid-connected power converter and method therefor}
본 발명은 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 현장계통의 공진상황에 따라 공진을 저감시키는 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치 및 그 방법에 관한 것이다.
3상 전력변환장치는 반도체 소자가 수kHz로 스위칭하게 된다. 스위칭으로 인하여 계통으로 유입되는 전류는 스위칭 주파수에 따른 고조파가 발생하게 되고 전력품질을 저하시키는 요인이 된다.
또한 계통에 연계시키기 위해서는 계통규정에 따른 일정 수준이상의 THD를 만족해야 하므로 입력단 필터는 필수적이다. 이때, 계통에 주입되는 전류의 고조파성분을 줄이기 위하여 L또는 LC필터를 사용하게 되는데, 필터의 성능을 높이기 위해서는 필터의 부피 및 크기 증가를 야기시킨다.
LCL 필터는 L 또는 LC 필터에 비해 낮은 필터용량으로 더 높은 고조파 감쇄 효과를 보이며, 이를 통해 비용과 부피를 줄일 수 있다. 또한 낮은 스위칭 주파수에서도 만족할 만한 수준의 THD로 계통과 연계가 가능하다.
하지만, LCL 필터는 파라미터 선정 과정이 복잡하고 필터 커패시터의 무효전력, 공진현상으로 인한 댐핑저항 등을 고려해야하는 문제가 있다.
공개특허 2012-0058833 (2012.06.08)
본 발명은 상술한 문제를 해결하고자 고안한 것으로, 댐핑저항 및 CAP을 포함하는 현장계통에서 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터 설정부(110), 상기 LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결하는 패시브 댐핑부(120), 상기 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 스위칭 제어부(130)를 포함한다.
바람직하게 LCL필터 설정부(110)는 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하는 base값 산출부(111), 공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 인덕터 전류 리플률을 선정하여 인덕터값을 설정하는 전력변환 스택 측 인덕터 선정부(112), 무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출하는 커패시터 산출부(113), 상기 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하는 계통측 인덕터 선정부(114), 상기 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하는 설정부(115)를 포함한다.
스위칭 제어부(130)는 상기 LCL필터 설정부(110)의 base값, 전력변환 스택 측 인덕터값, 커패시터값, 계통측 인덕터의 리플 감쇄율, 전체 인덕턴스에 따른 계통의 공진상황에 따라 온/오프 스위칭 제어한다.
스위칭 제어부(130)는 공진 주파수의 범위가 스위칭 주파수의 절반이 되도록 한다.
한편, 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법에 있어서, (a) 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 LCL필터 설정부를 통해 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터를 설정하는 단계, (b) 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 패시브 댐핑부를 통해 상기 LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결하는 단계, (c) 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 스위칭 제어부를 통해 상기 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 단계를 포함한다.
(a)단계는 (a-1) 상기 LCL필터 설정부가 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하는 단계, (a-2) 공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 상기 LCL필터 설정부가 전류 리플률을 선정하여 전력변환 스택 측 인덕터값을 설정하는 단계, (a-3) 무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출하는 단계, (a-4) 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하는 단계 및 (a-5) 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 댐핑저항 및 커패시터(CAP)를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 현장의 계통의 공진상황에 따라 스위치를 이용하여 ON/OFF하여 패시브 댐핑을 유연하게 사용하고 공진현상의 부하영역의 효율을 상승시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCL필터 설정부를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치의 현장계통의 공진상황에 따라 공진을 저감시키는 스위칭을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법의 (a)단계에 대한 상세 흐름도이다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 LCL필터 설정부(110), 패시브 댐핑부(120), 스위칭 제어부(130)를 포함한다.
LCL필터 설정부(110)는 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터를 설정하는 구성이다.
패시브 댐핑부(120)는 LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결하는 구성이다.
스위칭 제어부(130)는 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 구성이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCL필터 설정부를 나타낸 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, LCL필터 설정부는 base값 산출부(111), 전력변환 스택 측 인덕터 선정부(112), 커패시터 산출부(113), 계통측 인덕터 선정부(114), 설정부(115)를 포함한다.
base값 산출부(111)는 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하는 구성이다. 여기서, 계통연계형 전력변환장치는 공진주파수가 LCL필터값에 의해 결정되는 반면 타기기의 영향을 받아 공진주파수가 변화한다. 이에 공진주파수가 상용주파수에 가까워짐에 따라 시스템이 불안정해지고 댐핑이 필요로 한다. 이에, base값 산출부(111)는 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하기 위해 base값은 계통연계형 전력변환장치 전체 시스템의 정격용량 3상의 상전압, 계통측 주파수에 의해 결정된다.
(수학식 1)
Zb는 Base 임피던스, VLL은 3상전압, P는 정격용량, Lb는 base 인덕터 L값, wb는 각속도, Cb는 Base 커패시터이다.
전력변환 스택 측 인덕터 선정부(112)는 공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 인덕터 전류 리플률을 선정하여 전력변환 스택 측 인덕터값을 설정한다.
여기서, 전력변환 스택 측 L값은 기본주파수와 스위칭 주파수를 고려하여 전류 리플이 10%가 되도록 한다. 공진 주파수가 전류제어기의 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 적절히 놓아질 수 있는 10% 정도의 인덕터 전류 리플률을 선정한다.
변조지수()에 의해서 인덕터 용량을 조절할 수 있다.
(수학식 2)
fgrid는 그리드 주파수, fsw는 스위칭 주파수, THD는 전류 총고조파 왜율(THD: Total Harmonic Distortion)이다.
커패시터 산출부(113)는 무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출한다.
커패시터 Cf값은 Cb와 역률에 의해서 구해지게 되며, 정격전력의 역률과 관계가 있다. 역률 95% 이상이 되도록 제어하기 위해서 무효전력율 x를 5% 선정하여 Cf를 결정한다.
(수학식 3)
x는 무효 전력율, Cb는 Base 커패시터값이다.
계통측 인덕터 선정부(114)는 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하는 구성이다. 이때, 계통측 인덕터(Lg)선정에 있어서, 계통측과 인덕터의 비율을 r이라 한다. 여기서 a는 스택측 인덕터에서 계통측 인덕터로 리플 감쇄율을 나타내는 것은 최적화 30%로 선정한다.
(수학식 4)
r은 계통측과 인덕터의 비율, a는 스택측 인턱터에서 계통측 인덕터로 리플 감쇄율을 나타낸다.
설정부(115)는 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하기 위한 구성이다. 여기서, 전체 인덕턴스 값은 교류전압의 강하를 고려하여 Lb의 0.1pu미만이 되도록 한다. 만약 0.1pu 보다 커지게 되면 dc link 전압을 크게 해주어야 한다.
(수학식 5)
여기서, L와 Lg(그리드 인덕턴스)의 합은 전체 인덕턴스 값, Lb는 base 인덕턴스이다.
본 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치의 스위칭 제어부(130)는 LCL필터 설정부(110)의 base값, 전력변환 스택 측 인덕터값, 커패시터값, 계통측 인덕터의 리플 감쇄율, 전체 인덕턴스에 따른 계통의 공진상황에 따라 온/오프 스위칭을 제어한다.
이러한 스위칭 제어부(130)는 공진 주파수의 범위가 스위칭 주파수의 절반이 되도록 한다. 여기서, 공진 주파수의 범위는 제어기의 대역폭을 보장하기 위하여 기본주파수 10배 이상이 되어야 하고 스위칭 주파수의 절반이 되도록 하여 공진이 더크게 일어나지 않도록 한다.
(수학식 6)
여기서, fgrid는 그리드 주파수(기본 주파수), fres는 공진 주파수, fsw는 스위치 주파수, fres1은 공진 극점, fres2는 공진 영점이다.
본 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치에서 LCL 필터의 사용은 두 개의 공진점이 존재하게 된다. 이로 인해 계통연계형 전력변환장치의 시스템을 불안하게 만들기 때문에 적절한 댐핑을 요구한다. 댐핑을 하는 방법으로 커패시터에 직렬로 댐핑 저항을 연결하는 패시브 댐핑과 제어기를 사용하여 댐핑을 하는 액티브 댐핑으로 나눌 수 있다.
댐핑 저항값은 수학식 7과 같다.
(수학식 7)
여기서, Rd는 댐핑저항, fsw는 스위칭 주파수, Cf는 필터 커패시터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치의 현장계통의 공진상황에 따라 공진을 저감시키는 스위칭을 나타낸 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 댐핑저항 및 커패시터(CAP)를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 현장의 계통의 공진상황에 따라 스위치를 이용하여 ON/OFF하여 패시브 댐핑을 유연하게 사용하고 공진현상의 부하영역의 효율을 상승시키는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법을 나타낸 흐름도이다.
계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법에 있어서, 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 LCL필터 설정부를 통해 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터를 설정한다(a).
다음으로 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 패시브 댐핑부를 통해 LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결한다(b).
다음으로 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치는 스위칭 제어부를 통해 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 단계를 포함한다(c).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법의 (a)단계에 대한 상세 흐름도이다.
여기서, (a)단계는 (a-1) 상기 LCL필터 설정부가 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하는 단계, (a-2) 공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 상기 LCL필터 설정부가 전류 리플률을 선정하여 전력변환 스택 측 인덕터값을 설정하는 단계, (a-3) 무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출하는 단계, (a-4) 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하는 단계 및 (a-5) 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 (c)단계에서, 스위칭 제어부(130)는 LCL필터 설정부(110)의 base값, 전력변환 스택 측 인덕터값, 커패시터값, 계통측 인덕터의 리플 감쇄율, 전체 인덕턴스에 따른 계통의 공진상황에 따라 온/오프 스위칭 제어한다. 여기서 스위칭 제어부(130)는 공진 주파수의 범위가 스위칭 주파수의 절반이 되도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (6)

  1. 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치에 있어서,
    계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터 설정부,
    상기 LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결하는 패시브 댐핑부,
    상기 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 스위칭 제어부를 포함하며,
    상기 LCL필터 설정부는 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하고, 공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 인덕터 전류 리플률을 선정하여 인덕터값을 설정하며, 무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출하고, 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하며, 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하며,
    상기 스위칭 제어부는 LCL필터 설정부의 base값, 전력변환 스택측 인덕터값, 커패시터값, 계통측 인덕터의 리플 감쇄율, 전체 인덕턴스에 따른 계통의 공진상황에 따라 온/오프 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LCL필터 설정부는
    정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하는 base값 산출부,
    공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 인덕터 전류 리플률을 선정하여 인덕터값을 설정하는 전력변환 스택 측 인덕터 선정부,
    무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출하는 커패시터 산출부,
    상기 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하는 계통측 인덕터 선정부 및
    상기 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하는 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 공진 주파수의 범위가 스위칭 주파수의 절반이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치.
  5. 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법에 있어서,
    (a) 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 LCL필터 설정부를 통해 계통에 흐르는 고조파 성분을 저감시키기 위한 LCL필터를 설정하는 단계,
    (b) 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 패시브 댐핑부를 통해 상기 LCL필터부의 커패시터에 직렬로 댐핑저항을 연결하는 단계,
    (c) 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 스위칭 제어부를 통해 상기 댐핑저항 및 커패시터를 포함하는 전력변환장치가 설치되는 계통의 공진상황에 따라 스위칭 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 (a)단계는 (a-1) 상기 LCL필터 설정부가 정격용량 3상의 상전압과 계통측 주파수에 의해 결정되는 base값을 산출하는 단계, (a-2) 공진 주파수가 계통의 전류제어기 대역폭과 스위칭 주파수 사이에 위치하도록 상기 LCL필터 설정부가 전류 리플률을 선정하여 전력변환 스택 측 인덕터 값을 설정하는 단계, (a-3) 무효전력율을 선정하여 정격전력의 역률과 관련한 커패시터 값을 산출하는 단계, (a-4) 계통측 인덕터의 리플 감쇄율을 선정하는 단계 및 (a-5) 계통측 교류전압의 강하를 고려하여 전체 인덕턴스를 설정하는 단계를 포함하며,
    상기 (c)단계는 상기 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치가 스위칭 제어부를 통해 LCL필터 설정부의 base값, 전력변환 스택측 인덕터값, 커패시터값, 계통측 인덕터의 리플 감쇄율, 전체 인덕턴스에 따른 계통의 공진상황에 따라 온/오프 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 공진 저감장치를 이용한 방법.
  6. 삭제
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005117777A (ja) * 2003-10-07 2005-04-28 Toshiba Elevator Co Ltd エレベータの電力変換装置
KR20120058833A (ko) 2010-11-30 2012-06-08 엘에스산전 주식회사 계통연계형 인버터 시스템
KR20130093406A (ko) * 2012-02-14 2013-08-22 두산중공업 주식회사 분산전원용 전력변환장치의 lcl필터 설계방법
KR101776160B1 (ko) * 2017-05-15 2017-09-08 디아이케이(주) 계통 연계형 태양광/ess 전력변환장치
KR20220132825A (ko) * 2021-03-24 2022-10-04 한국전력공사 고조파 전류 저감 필터 및 이를 포함하는 배전 연계 시스템

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