KR102598225B1 - 자계 제어 방식의 지상 무효 전력 공급을 전류센서없이 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

자계 제어 방식의 지상 무효 전력 공급을 전류센서없이 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시 내용은 전력 계통에 자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전압을 측정하는 단계; 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 계산하는 단계; 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터에서 발생하는 무효 전력값을 계산하는 단계; 상기 발생된 무효 전력값과 설정된 목표 무효 전력값을 비교하는 단계; 및 상기 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 2차권선의 DC 전류는 상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각 제어에 의해 조정될 수 있다. 본 개시 내용에 따르면, 사이리스터의 위상 제어를 통해 2차권선의 DC 전류를 조정하기 때문에 사이리스터의 저압 동작 구현을 가능하게 하며, 고가의 특고압용 전류센서의 적용없이 전압센서만을 사용하여 자계 제어 리액터를 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

자계 제어 방식의 지상 무효 전력 공급을 전류센서없이 제어하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING LAGGING REACTIVE POWER IN A MAGNETICALLY CONTROLLED MANNER WITHOUT CURRENT TRANSFORMER}
본 개시 내용은 자계 제어 리액터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전력 계통에 자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치에 관한 것이다.
전력 계통을 운용함에 있어 계통에 적용되는 유도성 부하에 기인한 지상 무효 전력 및 계통에 적용되는 장거리 선로 및 용량성 부하에 기인한 진상 무효 전력이 발생할 수 있으며, 이러한 무효 전력들은 전력 계통에서의 전력 품질을 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 전력 계통에서의 전력 품질 문제를 해결하기 위해 전력 전자 소자를 이용하는 유연송전시스템(FACTS: Flexible AC Transmission System) 설비의 개발 및 공급이 활발히 이루어지고 있다.
이러한 전력 전자 소자를 이용하는 무효 전력 보상 방식 중에서 기존에 많이 이용되고 있는 방식은 사이리스터 밸브를 이용하여 리액터를 가변하는 TCR(Thyristor Controlled Reactor) 방식이다. 이러한 TCR 방식에서 사이리스터 밸브는 고압 또는 특고압의 전력 계통에 직결로 연결되기 때문에 사이리스터 밸브의 절연 및 방열 설계 및 제작에 어려움이 있으며, 제조 비용 또한 매우 고가이다. 또한, TCR 방식은 위상 제어를 통해 전류를 조정하여 무효 전력을 발생시키기 때문에 많은 양의 고조파를 발생시킬 수 있으며, 이는 동일 모선 내 타 장치 및 보호설비의 고장을 유발할 수 있다. 또한, TCR 방식에서 리액터는 단일 권선 구조를 가지기 때문에 동작시 진동 및 소음이 크게 발생할 수 있다.
따라서, 전술한 문제점들을 해결하면서 연속적이고 안정적인 무효 전력 제어를 가능하게 하는 전력 시스템의 개발이 요구되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 개시 내용은 전력 계통에 자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시 내용의 일 실시예에 따르면, 자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 1차권선 및 2차권선을 포함하는 자계 제어 리액터(MCR) － 상기 1차권선은 전력 계통과 병렬로 연결됨 －; 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전압을 측정하는 전압센서(PT); 및 상기 자계 제어 리액터의 상기 1차권선에 상기 2차권선의 직류(DC) 전류에 대응하는 지상 무효 전력이 발생하도록, 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성되는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 자계 제어 리액터는 상기 2차권선에 연결되는 제 1 사이리스터 및 상기 제 1 사이리스터와 역병렬로 상기 2차권선에 연결되는 제 2 사이리스터를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각을 제어함으로써 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는 상기 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 계산하고, 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터에서 발생하는 무효 전력값을 계산하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 자계 제어 리액터는 양측 주각(York)들을 포함하고 각 주각에 상기 1차권선 및 상기 2차권선이 배치될 수 있다. 상기 제 1 사이리스터는 하나의 주각의 2차권선에 연결되고, 상기 제 2 사이리스터는 다른 하나의 주각의 2차권선으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 자계 제어 리액터는 상기 하나의 주각의 2차권선 및 상기 다른 하나의 주각의 2차권선 사이에 연결된 다이오드를 더 포함할 수 있다. 상기 다이오드는 상기 제 1 사이리스터 또는 상기 제 2 사이리스터의 오프시 유도성 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 2차권선에 발생하는 DC 전류를 계산하고 상기 계산된 DC 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 산출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 자계 제어 리액터에서 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 미리 결정된 위상만큼 상기 점호각을 증가 또는 감소시킴으로써 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하고, 상기 발생된 무효 전력값이 상기 설정된 목표 무효 전력값에 도달할 때까지 상기 조정을 반복하도록 구성될 수 있다.
본 개시 내용의 일 실시예에 따르면, 자계 제어 리액터(MCR)를 포함하는 무효 전력 공급 장치를 이용하여 지상 무효 전력을 공급하기 위한 방법이 제시된다. 상기 방법은, 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전압을 측정하는 단계 ― 상기 자계 제어 리액터는 상기 1차권선, 2차권선, 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터를 포함하고, 상기 1차권선은 전력 계통과 병렬로 연결되고, 상기 제 1 사이리스터는 상기 2차권선에 연결되고, 상기 제 2 사이리스터는 상기 제 1 사이리스터와 역병렬로 상기 2차권선에 연결되고, 상기 1차권선 측의 출력 전압은 전압센서(PT)에 의해 측정됨 ―; 상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 계산하는 단계; 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터에서 발생하는 무효 전력값을 계산하는 단계; 상기 발생된 무효 전력값과 설정된 목표 무효 전력값을 비교하는 단계; 및 상기 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 2차권선의 DC 전류는 상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각 제어에 의해 조정될 수 있다.
본 개시 내용에 따르면, 종래의 사이리스터 제어 리액터에 비하여 2차 권선의 전류를 제어하므로, 사이리스터 밸브가 저압에 적용될 수 있고 사이리스터에 전류가 적게 흐르고 손실도 적기 때문에, 사이리스터 밸브의 절연 및 방열 설계 및 제작을 절감된 비용으로 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 사이리스터 위상각에 기초하여 1차권선 측의 출력 전류를 계산함으로써 고가의 특고압용 전류센서의 적용없이 전압센서만을 사용하여 자계 제어 리액터를 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 사이리스터의 위상 제어를 통해 2차 권선의 DC 전류를 조정하여 1차 권선의 목표 무효전력을 생성하기 때문에 고조파 발생을 저감시켜 모선 내 타 설비로의 악영향을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 리액터의 구조가 변압기와 유사한 2개 권선 구조를 가짐에 따라 진동 및 소음을 저감시킨 무효 전력 보상 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 자계 제어 리액터의 기본 원리를 나타내는 예시적인 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 자계 제어 리액터의 2차 권선에서 발생한 직류 전류에 따른 1차 권선의 전류 발생량을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 무효 전력 공급을 위한 자계 제어 리액터의 구성을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 자계 제어 리액터가 전력 계통으로 무효 전력을 제공하는 것을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 전력 계통에 자계 제어 방식으로 무효 전력을 공급하기 위한 장치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 6은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 전력 계통에 자계 제어 방식으로 무효 전력을 공급하기 위한 방법을 나타내는 예시적인 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다양한 양상들이 아래에서 설명된다. 여기에서 제시되는 발명들은 폭넓은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며 여기에서 제시되는 임의의 특정한 구조, 기능 또는 이들 모두는 단지 예시적이라는 것을 이해하도록 한다. 여기에서 제시되는 발명들에 기반하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에서 제시되는 하나의 양상이 임의의 다른 양상들과 독립적으로 구현될 수 있으며 둘 이상의 이러한 양상들이 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 여기에서 설명되는 임의의 수의 양상들을 이용하여 장치가 구현될 수 있거나 또는 방법이 실시될 수 있다. 또한, 여기에서 설명되는 하나 이상의 양상들에 더하여 또는 이들 양상들이 아닌 다른 구조, 기능 또는 구조 및 기능을 이용하여 이러한 장치가 구현될 수 있거나 또는 이러한 방법이 실시될 수 있다.
본 개시 내용은 자계 제어 리액터(MCR: Magnetically Controlled Reactor)를 이용하여 전력 계통에 연속적으로 지상 무료 전력을 제공할 수 있는 기술에 관한 것이다.
도 1은 자계 제어 리액터의 기본 원리를 나타내는 예시적인 개념도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 자계 제어 리액터는 철심에 1차권선 및 2차권선이 감겨있는 변압기와 유사한 형태로 정의될 수 있다. 기본적으로 변압기는 리액턴스의 성질을 보유하고 있으며, 공유하고 있는 철심을 통하여 하나의 권선(예를 들어, 2차권선)에서 교류(AC) 전압을 발생시키면 자속의 시간 변화에 따라 다른 권선(예를 들어, 1차권선)에서도 AC 전압을 발생시킬 수 있다. 반면에, 자계 제어 리액터는 변압기와 다르게 2차권선에 직류(DC) 전류(도 1의 DC 소스 E)가 흐르게 하여 자속의 DC 오프셋()을 발생시킬 수 있으며, DC 오프셋으로 인해 철심의 자화가 포화 영역으로 도달하게 되면 정상 영역과 대비하여 1차권선에서 발생하는 전류의 증폭을 가능하게 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 자계 제어 리액터의 2차권선에서 발생한 DC 전류에 따른 1차권선의 전류 발생량을 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 2a는 2차권선 내 DC 전류 발생값이 '0'일때 기자력(Hl) 및 자속(Φ)에 대한 그래프를 도시하며, 도 2b는 2차권선 내 DC 전류 발생값이 '0'이 아닐때 기자력(Hl) 및 자속(Φ)에 대한 그래프를 도시한다.
도 2a에서와 같이, 2차권선 내 DC 전류 발생값이 '0'이면(즉, ), 자계는 포화되지 않아 1차권선에 약간의 지상 전류를 공급하게 된다. 그러나, 도 1 및 도 2b에서와 같이, 2차권선 내 DC 전류가 발생하면(즉, ) 리액터의 철심은 포화되고 1차권선에 발생하는 지상 전류가 크게 포화되는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 2차권선에 DC 전류를 흐르게 하여 자속의 DC 오프셋이 발생하는 경우, 자계 제어 리액터의 자속(Φ)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서, 은 정현파 진폭이고, w는 각속도이고, 는 자속의 DC 오프셋이다.
자속에 따라 2차권선에 유기되는 전압(e)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서, N은 2차권선의 권선수이다.
상기식과 같이 2차권선에서 DC 전류가 발생하는 경우에는 시간에 따라 변화가 없으므로 2차측에 유기되는 전압에는 영향이 없게 된다. 그러나, 자기회로에서는 투자율(μ)이 변화하여 포화 특성을 갖기 때문에 기자력(Hl)과 자속(Φ)의 관계는 비선형성을 가진다. 이러한 비선형 관계를 함수로 나타내면 다음과 같다:
여기서, H는 자장의 세기(즉, 자계)이고, Hl은 기자력으로서 H에 대한 선적분으로 흐르는 전류와 같다.
기자력(Hl)은 AC 성분과 DC 성분의 전류값에 대하여 발생할 수 있으며, 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서, 는 AC 전류에 기인하는 기자력 성분이고, 는 DC 전류에 기인하는 기자력 성분이다.
상기식 및 도 2b에서와 같이, DC 전류에 의한 자계의 세기가 0이 아니며 양의 방향으로 오프셋되어 있기 때문에, 2차권선에서 발생하는 자속에 따라 자계가 포화됨을 확인할 수 있다. 이 때, 발생하는 자계에 따라 1차권선에서 발생하는 전류는 해당 포화 영역에서 일정한 증가 대비 급격히 전류 증폭을 보이게 된다. 전술한 바와 같이, 이러한 비선형적 특성에 대하여 2차에 유기되는 전압과 2차권선에 흐르는 DC 전류는 수식에 의하여 계산이 가능하며, 이에 발생하는 자속과 1차 측에 흐르게 되는 전류의 피크값도 계산이 가능하다.
도 3은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 무효 전력 공급을 위한 자계 제어 리액터의 구성을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 자계 제어 리액터는 양측 주각(York)에 2개의 변압기 구조의 권선(즉, 1차권선 및 2차권선)을 구성할 수 있으며, 하나는 전류의 값이 양에서 전류가 증폭되고, 다른 하나는 전류의 값이 음에서 전류가 증폭하도록 구성될 수 있다. 이렇게 두 개의 전류가 합쳐져서 출력 전류는 교류파 형태를 가질 수 있으며, 2차권선에서 발생하는 AC 전류값에 대비하여 1차권선 측에서는 권선비의 역수인 N2/N1(여기서, N1은 1차권선수이고 N2는 2차권선수임)의 비율보다 훨씬 높게 증폭된 전류값을 얻을 수 있다.
도 1 내지 3과 관련하여 전술한 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 자계 제어 리액터는 2차권선에 DC 전류를 추가로 발생시킴으로써 1차권선에 증폭된 전류를 발생시킬 수 있으며, 해당 전류는 유도성 전류로서 자계 제어 리액터는 전력 계통에 지상 무효 전력을 공급할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 자계 제어 리액터는 전력 계통에 병렬로 설치될 수 있으며, 3상 전력 계통의 경우 각 상에 자계 제어 리액터가 병렬로 연결될 수 있다. 1상 당 권선은 사이리스터들(310, 320)의 제어를 통하여 2차권선에 DC 전류를 만들어줄 수 있는 미리 결정된 개수(예를 들어, 8개)로 설계될 수 있다. 사이리스터들(310, 320)은 2차권선으로 연결될 수 있으며, 역병렬로 연결되어 사이리스터 밸브를 형성할 수 있다. 예를 들어, 사이리스터(310)는 하나의 주각(예를 들어, 도 3의 왼쪽 주각)의 2차권선에 연결될 수 있고, 사이리스터(320)는 다른 하나의 주각(예를 들어, 도 3의 오른쪽 주각)의 2차권선에 연결될 수 있다.
또한, 양측 주각의 2차권선 사이에는 사이리스터(310 또는 320) 오프시 유도성 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하기 위한 다이오드(330)가 연결될 수 있다. 다이오드(330)의 연결방향은 구현예에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 왼쪽 주각으로부터 오른쪽 주각으로 순방향으로 연결될 수 있거나 또는 그와 반대인 역방향으로 연결될 수 있다.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 자계 제어 리액터가 전력 계통으로 무효 전력을 제공하는 것을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 자계 제어 리액터는 예컨대 22.9kV와 같은 고압 또는 특고압의 전력 계통(200)에 병렬로 연결되어 전력 계통(200)으로 지상 무효 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 사이리스터들(310, 320)을 포함하는 DC 전류 공급용 AC-DC 컨버터(400)는 2차권선에 DC 전류를 발생시킬 수 있으며, 전력 계통(200)과 연결된 1차권선 측에서 목표 지상 무효 전력을 발생시킬 수 있도록 사이리스터들(310, 320)의 위상 제어를 통해 2차권선에서 발생되는 DC 전류를 조정할 수 있다.
도 5는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 전력 계통에 자계 제어 방식으로 무효 전력을 공급하기 위한 장치을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 자계 제어 방식으로 무효 전력을 공급하기 위한 장치는 자계 제어 리액터(500), 제어부(550), HMI(Human Machine Interface)(560), 전압센서(PT: Potential Transformer)(510)를 포함할 수 있다.
자계 제어 리액터(500)의 1차권선은 고압 또는 특고압이 흐르는 전력 계통(200)에 병렬로 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 자계 제어 리액터(500)의 2차권선에 DC 전류를 발생시키면 자계 제어 리액터(500)의 철심이 포화되면서 1차권선에서 발생하는 지상 전류가 크게 증폭될 수 있다. 이러한 2차권선에 발생한 DC 전류에 대응하여 1차권선에서 생성되는 지상 무효 전력은 도 1 내지 도 3과 관련하여 설명된 바에 따라 계산 또는 예측될 수 있다.
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 자계 제어 리액터(500)는 양측 주각에 각각 1차권선 및 2차권선이 배치된 형태로 구성될 수 있다. 자계 제어 리액터(500)는 제 1 사이리스터(310) 및 제 2 사이리스터(320)를 포함할 수 있다. 제 1 사이리스터(310)는 하나의 주각(예를 들어, 왼쪽 주각)의 2차권선으로 연결될 수 있고, 제 2 사이리스터(320)는 제 1 사이리스터(310)와 역병렬로 다른 하나의 주각(예를 들어, 오른쪽 주각)의 2차권선으로 연결될 수 있다. 또한, 자계 제어 리액터(500)는 하나의 주각의 2차권선 및 다른 하나의 주각의 2차권선 사이에 연결된 다이오드(330)를 포함할 수 있다. 다이오드(330)는 제 1 사이리스터(310) 및/또는 제 2 사이리스터(320)의 오프시 유도성 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공할 수 있으며, 구현예에 따라 순방향 또는 역방향으로 연결될 수 있다.
제어부(550)는, 자계 제어 리액터(500)의 1차권선에 2차권선에서 발생한 직류(DC) 전류에 대응하는 지상 무효 전력이 발생하도록, 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성될 수 있다. 전압센서(PT)(510)는 전력 계통(200)과 연결된 자계 제어 리액터(500)의 1차권선 측의 출력 전압을 측정하여 제어부(550)로 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 무효 전력 공급 장치는 전류센서(CT: Current Transformer)를 구비하지 않으며, 후술할 바와 같이, 자계 제어 리액터(500)의 1차권선 측의 출력 전류는 자계 제어 리액터(500)의 사이리스터(310, 320)의 위상각(즉, 점호각)에 기초하여 산출될 수 있다. 1차권선 측의 출력 전압 및 출력 전류를 측정하기 위해 전압센서(PT) 및 전류센서(CT) 모두를 구비하는 구성의 경우에, 전력 계통(200)이 3상이면 각 상에 대하여 전압센서(PT) 및 전류센서(CT)가 필요하기 때문에, 총 3개의 전압센서(PT) 및 3개의 전류센서(CT)를 필요로 한다. 그러나, 본 개시 내용의 무효 전력 공급 장치는 전류센서(CT) 없이도 1차권선 측의 출력 전류를 계산하여 자계 제어 리액터(500)를 제어할 수 있기 때문에, 3상 전력 계통(200)에 대하여 3개의 전압센서(PT)만을 구비하도록 구현될 수 있다. 고압 또는 특고압용 전류센서(CT)는 고가일뿐만 아니라 큰 무게 및 부피를 가지는 장치이기 때문에, 이러한 구현을 통해 본 개시 내용은 원가를 크게 절감하면서 면적 효율적이고 설계가 간편해지는 무효 전력 공급 장치를 제공할 수 있게 된다.
HMI(560)는 운용자가 시스템 설정, 시스템 상태 감시 및 시스템 제어를 수행할 수 있는 장치로서 소정의 통신망(예를 들어, RS-485 등과 같은 해당 설비에 적용된 통신망)을 통해 제어부(550)와 연결될 수 있다. 또한, HMI(560)는 전력 시스템에서 보상되어야 할 목표 무효 전력값을 예측 또는 설정하고, 전력 시스템의 모니터링을 수행할 수 있다.
제어부(550)는 중앙처리유닛(CPU), 구동부 및 전압검출부를 포함할 수 있다. CPU는 제어부(550)의 각 유닛을 제어하고 무효 전력 보상 동작을 수행할 수 있다. 구현예에 따라, 중앙처리유닛은 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 다른 처리 유닛이 추가되거나 통합된 형태일 수 있다. 구동부는 제어부(550)의 제어에 따라 자계 제어 리액터(500)의 2차권선의 DC 전류를 조정할 수 있도록 제 1 사이리스터(310) 및/또는 제 2 사이리스터(320)의 위상제어(즉, 점호각 제어)를 수행할 수 있다. 전압검출부는 전압센서(510)로부터 출력 전압을 수신하여 제어부(550)로 전달할 수 있다.
제어부(550)는 사이리스터(310, 320)의 점호각에 기초하여 자계 제어 리액터(500)의 1차권선 측의 출력 전류를 계산할 수 있다. 먼저 제어부(550)는 상기 점호각에 기초하여 자계 제어 리액터(500)의 2차권선에 발생하는 DC 전류를 계산할 수 있으며, 계산된 DC 전류에 기초하여 자계 제어 리액터(500)의 1차권선 측의 출력 전류를 산출할 수 있다. 이러한 계산 또는 예측은 도 1 내지 도 4과 관련하여 전술한 바와 같이 이루어질 수 있다.
제어부(550)는 측정된 출력 전압 및 산출된 출력 전류에 기초하여 자계 제어 리액터(500)에서 발생하는 무효 전력값을 계산할 수 있다. 제어부(550)는 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 자계 제어 리액터(500)의 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 발생된 지상 무효 전력값이 3MVAR이고 목표 지상 무효 전력값이 5MVAR인 경우, 제어부(550)는 추가로 2MVAR의 지상 무효 전력이 더 발생할 수 있도록 자계 제어 리액터(500)의 2차권선의 DC 전류를 조정할 수 있다.
일 구현예에서, 제어부(550)는 자계 제어 리액터(500)의 2차권선의 DC 전류를 조정하기 위해 미리 결정된 위상만큼(예를 들어, 1도 등) 제 1 사이리스터(310) 및/또는 제 2 사이리스터(320)의 점호각을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 또한, 제어부(550)는 자계 제어 리액터(500)에서 발생된 무효 전력값이 설정된 목표 무효 전력값에 도달할 때까지 전술한 2차권선의 DC 전류 조정 동작을 반복할 수 있다.
예를 들어, 제어부(550)는 설정된 목표 무효 전력값이 자계 제어 리액터(500)에서 발생되는 무효 전력값보다 큰 경우에 사이리스터들(310, 320)의 점호각을 미리 결정된 위상만큼 증가시키고 다시 발생된 무효 전력값과 목표 무효 전력값을 비교하는 동작을 반복함으로써 발생된 무효 전력값이 목표 무효 전력값에 가까워지도록 제어할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제어부(550)는 설정된 목표 무효 전력값이 자계 제어 리액터(500)에서 발생되는 무효 전력값보다 작은 경우에 사이리스터들(310, 320)의 점호각을 미리 결정된 위상만큼 감소시키고 다시 발생된 무효 전력값과 목표 무효 전력값을 비교하는 동작을 반복함으로써 발생된 무효 전력값이 목표 무효 전력값에 가까워지도록 제어할 수 있다.
이러한 구성을 통해, 본 개시 내용에 따르면, 사이리스터의 위상 제어를 통해 2차권선의 DC 전류를 조정함으로써 전력 계통과 연결되는 1차권선 측에 무효 전력을 생성시키기 때문에, 사이리스터가 고압의 전력 계통에 연결되지 않고 저압에서 동작할 수 있어 저전류 및 저손실 동작을 가능하게 하고 고조파 발생을 저감시킬 수 있다. 이를 통해, 사이리스터 밸브의 절연 및 방열 설계 및 제작을 절감된 비용으로 용이하게 수행할 수 있으며, 고조파로 인한 모선 내 타 설비로의 악영향을 최소화시킬 수 있다. 또한, 본 개시 내용에 따르면, 사이리스터 위상각에 기초하여 1차권선 측의 출력 전류를 계산함으로써 고가의 특고압용 전류센서의 적용없이 전압센서만을 사용하여 자계 제어 리액터를 제어할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 개시 내용에 따르면, 리액터의 구조가 변압기와 유사한 2개 권선 구조를 가짐에 따라 진동 및 소음을 저감시킨 무효 전력 보상 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 전력 계통에 자계 제어 방식으로 무효 전력을 공급하기 위한 방법을 나타내는 예시적인 순서도이다.
이러한 방법은 전술한 바와 같이 자계 제어 리액터(500), 제어부(550), 전압센서(PT)(510)를 포함하는 무효 전력 공급 장치에 의해 수행될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(550)는 자계 제어 리액터(500)의 1차권선 측의 출력 전압 을 측정할 수 있다(610). 제어부(550)는 사이리스터(310, 320)의 위상각(즉, 점호각)에 기초하여 자계 제어 리액터(500)의 1차권선 측의 출력 전류를 계산할 수 있다(620). 제어부(550)는 측정된 출력 전압 및 계산된 출력 전류에 기초하여 자계 제어 리액터(500)에서 발생하는 무효 전력값을 계산할 수 있다(630). 제어부(550)는 발생된 무효 전력값과 설정된 목표 무효 전력값을 비교할 수 있다(640). 제어부(550)는 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 자계 제어 리액터(500)의 2차권선의 DC 전류를 조정할 수 있다(650).
전술한 바와 같이, 2차권선의 DC 전류는 제 1 사이리스터(310) 및 제 2 사이리스터(320)의 점호각 제어에 의해 조정될 수 있다. 제어부(550)는 미리 결정된 위상만큼 제 1 사이리스터(310) 및 제 2 사이리스터(320)의 점호각을 증가 또는 감소시킴으로써 2차권선의 DC 전류를 조정할 수 있으며, 자계 제어 리액터(500)에서 발생된 무효 전력값이 설정된 목표 무효 전력값에 도달할 때까지 상기 점호각의 증가 또는 감소를 반복 수행하도록 제어할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
200: 전력 계통
310, 320: 사이리스터
330: 다이오드
400: AC-DC 컨버터
500: 자계 제어 리액터
510: 전압 센서(PT)
550: 제어부
560: HMI

Claims (8)

  1. 자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치로서,
    1차권선 및 2차권선을 포함하는 자계 제어 리액터(MCR) － 상기 1차권선은 전력 계통과 병렬로 연결됨 －;
    상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전압을 측정하는 전압센서(PT); 및
    상기 자계 제어 리액터의 상기 1차권선에 상기 2차권선의 직류(DC) 전류에 대응하는 지상 무효 전력이 발생하도록, 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성되는 제어부를 포함하며,
    상기 자계 제어 리액터는 상기 2차권선에 연결되는 제 1 사이리스터 및 상기 제 1 사이리스터와 역병렬로 상기 2차권선에 연결되는 제 2 사이리스터를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각을 제어함으로써 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성되며,
    상기 제어부는 상기 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 계산하고, 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터에서 발생하는 무효 전력값을 계산하도록 구성되는,
    자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자계 제어 리액터는 양측 주각(York)들을 포함하고 각 주각에 상기 1차권선 및 상기 2차권선이 배치되며,
    상기 제 1 사이리스터는 하나의 주각의 2차권선에 연결되고, 상기 제 2 사이리스터는 다른 하나의 주각의 2차권선으로 연결되는,
    자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자계 제어 리액터는 상기 하나의 주각의 2차권선 및 상기 다른 하나의 주각의 2차권선 사이에 연결된 다이오드를 더 포함하며,
    상기 다이오드는 상기 제 1 사이리스터 또는 상기 제 2 사이리스터의 오프시 유도성 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하는,
    자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 2차권선에 발생하는 DC 전류를 계산하고 상기 계산된 DC 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 산출하도록 구성되는,
    자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 자계 제어 리액터에서 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하도록 구성되는,
    자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 미리 결정된 위상만큼 상기 점호각을 증가 또는 감소시킴으로써 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하고, 상기 발생된 무효 전력값이 상기 설정된 목표 무효 전력값에 도달할 때까지 상기 조정을 반복하도록 구성되는,
    자계 제어 방식으로 지상 무효 전력을 공급하기 위한 장치.
  7. 자계 제어 리액터(MCR)를 포함하는 무효 전력 공급 장치를 이용하여 지상 무효 전력을 공급하기 위한 방법으로서,
    상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전압을 측정하는 단계 ― 상기 자계 제어 리액터는 상기 1차권선, 2차권선, 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터를 포함하고, 상기 1차권선은 전력 계통과 병렬로 연결되고, 상기 제 1 사이리스터는 상기 2차권선에 연결되고, 상기 제 2 사이리스터는 상기 제 1 사이리스터와 역병렬로 상기 2차권선에 연결되고, 상기 1차권선 측의 출력 전압은 전압센서(PT)에 의해 측정됨 ―;
    상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각에 기초하여 상기 자계 제어 리액터의 1차권선 측의 출력 전류를 계산하는 단계;
    상기 출력 전압 및 상기 출력 전류에 기초하여 상기 자계 제어 리액터에서 발생하는 무효 전력값을 계산하는 단계;
    상기 발생된 무효 전력값과 설정된 목표 무효 전력값을 비교하는 단계; 및
    상기 발생된 무효 전력값으로부터 설정된 목표 무효 전력값에 도달하도록 상기 2차권선의 DC 전류를 조정하는 단계를 포함하며,
    상기 2차권선의 DC 전류는 상기 제 1 사이리스터 및 상기 제 2 사이리스터의 점호각 제어에 의해 조정되는,
    지상 무효 전력을 공급하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차권선의 DC 전류를 조정하는 단계는,
    미리 결정된 위상만큼 상기 점호각을 증가 또는 감소시키는 단계; 및
    상기 발생된 무효 전력값이 상기 설정된 목표 무효 전력값에 도달할 때까지 상기 점호각의 증가 또는 감소를 반복하는 단계를 포함하는,
    지상 무효 전력을 공급하기 위한 방법.
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