KR20030066035A - 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터 - Google Patents

병렬형 하이브리드 능동 파워 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터에 관한 것으로, 공급 전원과 부하 사이에 연결되는 수동 필터와 능동 필터를 구비하고, 능동 필터의 고장 발생시에 수동 필터의 전기적 특성이 유지되도록 정합 트랜스가 수동 필터에 전기적으로 연결되어 이루어진다. 이와 같은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 능동 필터의 크기를 줄이고, 능동 필터가 고장 등의 이유로 동작하지 않는 경우에도 수동 필터의 정상적인 동작을 보장함으로써 보다 저렴하고 안정적으로 동작하는 효과를 제공한다.

Description

병렬형 하이브리드 능동 파워 필터{Parallel Hybrid Active Power Filter}
본 발명은 능동 파워 필터에 관한 것으로, 특히 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터(Parallel Hybrid Active Power Filter)에 관한 것이다.
다양한 산업 분야에서 다이오드 정류기(Diode Rectifier), 사이리스터 정류기(Thyristor Rectifier) 및 UPS(Uninterruptible Power Supply, 무정전 전원 장치) 등의 많은 비선형 부하 특성을 나타내는 장치들이 사용되고 있다. 이와 같은 비선형 특성의 부하를 사용할 경우 전원단, 전송로 및 기타 주변 기기 등에 심각한 전원 왜곡을 초래하게 된다. 이를 해결하기 위하여 이미 다양한 형태의 수동 및 능동 파워 필터가 사용되고 있다. 특히 대전력이 요구되는 분야에서는 경제적 및 기술적인 이유로 수동 및 능동 필터의 복합형인 하이브리드 능동 파워 필터가 주로 사용된다.
도 1은 종래의 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 회로도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 비선형 부하(106)에 발생한 왜곡된 전류 성분이 공급 전원(102) 측으로 유입되는 것을 막기 위하여, 특정 고조파 주파수(harmonic frequency) 성분을 제거(filtering)하도록 수동 필터(108)를 연결한다. 이 수동 필터(108)는 캐패시터(CFS)와 인덕터(LFS)로 구성된다.
그러나 이 수동 필터(108)는 구성 소자의 오차 및 시간이 경과함에 따라 용량이 감소하는 물리적 특성으로 인해 하모닉스 성분을 완전히 제거하지 못한다. 따라서 수동 필터(108)에 정합 트랜스(Matching Transformer, 110)와 능동 필터(112)를 직렬 연결하여 수동 필터(108)에서 제거하지 못한 나머지 고조파 성분을 제거한다. 능동 필터(112)는 컨버터(118)와 인덕터(LC') 등으로 구성된다. 차단 회로(120)는 능동 필터(112)에 고장이 발생하면 이를 검출하여 수동 필터(108)와 정합 트랜스(110) 사이를 개방시켜 수동 필터(108)가 능동 필터(112) 고장의 영향을 받지 않도록 한다.
이처럼 수동 필터(108)와 능동 필터(112)의 조합에 의해 하이브리드 필터가 구성되고, 이 하이브리드 필터가 공급 전원(102) 측과 비선형 부하(106)를 연결하는 선로에 병렬 연결되므로 전체적으로 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터라 칭한다. 이와 같은 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 수동 필터(108)가 전원전압(VS)의 기본파 성분을 제거하기 때문에, 능동 필터(112)는 나머지 고조파 성분만을 제거하면 되므로 능동 필터(112)를 구성하는 값비싼 능동 소자의 용량을 줄일 수 있어 대용량 시스템에 적합하다.
도 2는 종래의 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 기본파 정류시의 전류 경로를 나타낸 회로도이다. 도 2에 나타낸 것처럼 비선형 부하(106)가 다이오드 정류기일 때, 부하 전류(iL)에는 기본파 전류 성분 외에 5차 및 7차 고조파 주파수 성분이 존재한다. 이 고조파 성분을 제거하기 위하여 일차적으로 수동 필터(108)는 전원 전류(iS)의 기본파 성분에 대해서는 큰 저항을 형성하여 기본파 성분이 수동 필터(108)로 유입되는 것을 막고, 제 5 고조파 성분에 대해서는 작은 저항을 형성하여 제 5 고조파 성분이 공급 전원(102) 측으로 흐르지 않고 수동 필터(108)로 유입되도록 한다.
능동 필터(112)는 전압 제어 또는 전류 제어에 의해 임피던스 변환기로 동작하여 임의의 임피던스를 생성한다. 따라서 수동 필터의 임피던스와 능동 필터의 임피던스의 조합이 위에 언급한 제 7 고조파 성분과 같은 특정 고조파 성분에 대해 최저가 되도록 능동 필터를 제어함으로써 수동 필터의 단점을 보완할 수 있다.
그러나 이와 같은 종래의 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 다음과 같은 문제를 가지고 있다. 첫째, 능동 필터(112)가 동작하지 않으면 수동 필터(108)의 동작 특성이 나빠져서 공진 등의 문제를 유발한다. 능동 필터(112)가 동작하지 않을 경우 정합 트랜스(110)의 2차즉이 단락되어 매우 큰 인덕터로 동작하게 되므로수동 필터(108)의 전체 인덕턴스가 크게 증가한다. 이 때문에 인덕터(LFS)와 캐패시터(CFS)의 조합으로 이루어진 수동 필터(108)의 동작 특성이 크게 변화한다. 이를 방지하지 위해서는 능동 필터(112)의 고장시 능동 필터(112)를 완전히 분리시킬 필요가 있다. 이를 구현하기 위해서는 차단 회로 등의 부가적인 장치가 요구된다.
둘째, 기본파 성분에 대한 수동 필터(108)의 임피던스가 이상적으로 무한대가 아니라는 것이다. 이 때문에 기본파 성분이 전량 능동 필터(112)의 스위칭 소자를 통해 흐르게 된다. 따라서 능동 필터(112)는 이러한 전류를 충분히 흐르게 할 수 있는 용량의 스위칭 소자를 요구하게 되어 불필요한 시스템의 용량 증가를 가져온다. 즉, 능동 필터(112)는 공급 전원의 기본파 주파수에 대해서는 정합 트랜스(110)의 2차측을 단락시킨다. 능동 필터(112)는 수동 필터(108)와 직렬로 연결되기 때문에 공급 전원의 기본파 성분이 전량 능동 필터(112)의 스위칭 소자를 통해 흐르게 된다. 따라서 능동 필터(112)는 이러한 전류를 충분히 흐르게 할 수 있는 용량의 스위칭 소자를 요구하게 되어 불필요한 시스템의 용량 증가를 가져온다. 이와 같은 문제는 정합 트랜스(110)의 1차-2차 권선 비를 조절하여 해결하였는데, 1차-2차 권선 비를 1:N으로 설정하여 2차측 능동 소자로 흐르는 전류를 1/N의 비율만큼 줄이는 것이다. 그러나 이 경우 컨버터(118)의 지지 전압은 반대로 N배 만큼 커지게 되어, 결과적으로는 능동 필터(112)를 구성하는 능동 소자의 전체 용량은 감소하지 않아 여전히 문제가 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 능동 필터의 크기를 줄이고, 능동 필터가 고장 등의 이유로 동작하지 않는 경우에도 수동 필터의 동작을 보장함으로써 보다 저렴하고 안정적으로 동작하는 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 회로도.
도 2는 종래의 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 기본파 정류시의 전류 경로를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 회로도.
도 4a는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 등가 회로도.
도 4b는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 기본파 제거 동작을 나타낸 회로도.
도 4c는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 고조파 제거 등가 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터와 종래 기술의 전류 크기를 비교하기 위한 시뮬레이션 결과의 파형도.
도 6은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 공급 전원 고조파 제거 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도.
도 7은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 전류 공진 억제 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*
102, 302 : 공급 전원
106, 306 : 비선형 부하
108, 308 : 수동 필터
110, 310 : 정합 트랜스
112, 312 : 능동 필터
118, 318 : 컨버터
CFS: 캐패시터
LS, LC', LFS, LC: 인덕터
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 공급 전원과 부하 사이에 연결되는 수동 필터와 능동 필터를 구비하고, 능동 필터의 고장 발생시에 수동 필터의 전기적 특성이 유지되도록 정합 트랜스가 수동 필터에 전기적으로 연결되어 이루어진다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 3은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 회로도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 공급 전원(302)과 비선형 부하(306) 사이의 전력선에 수동 필터(308)가 병렬 연결된다. 이 수동 필터(308)는 직렬 연결된 캐패시터(CFS)와 인덕터(LFS)로 구성된다. 수동 필터(308)의 캐패시터(CFS)와 인덕터(LFS) 사이에는 정합 트랜스(310)와 능동 필터(312)가 직렬 연결되는데, 이 능동 필터(312)는 컨버터(318)와 인덕터(LC')로 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 능동 필터(312)가 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)와 병렬 연결되는 구조이다.
이와 같은 본 발명의 구조에서, 수동 필터(308)가 비선형 부하(306)에 의해 공급 전원(302) 쪽으로 유입되는 대부분의 고조파 성분을 제거(filtering)하고, 나머지 고조파 성분은 능동 필터(312)가 제거한다. 능동 필터(312)는 병렬 연결된 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)의 임피던스를 변화시킴으로써 수동 필터(308)가 제거하지 못한 고조파 성분을 제거하는데 필요한 특성을 구현한다. 능동 필터(312)의 컨버터(318)는 별도의 전원 공급 없이 자체적으로 DC-링크 전압(DC-link voltage)을 유지한다.
도 3에서, 수동 필터(308)의 임피던스가 종래 기술에서와 같이 매우 크므로 공급 전원(302)의 주파수와 일치하는 기본파 성분은 매우 효과적으로 제거한다. 그러나 수동 필터(308)의 임피던스가 현실적으로 무한대가 아니기 때문에 일정한 기본파 전류가 수동 필터(308)를 통해 유입된다. 능동 필터(312)는 이 기본파 성분에 대해서는 단락된 회로(Short Circuit)를 형성한다. 이 때문에 유입된 기본파 전류는 수동 필터(308)의 캐패시터(CFS)를 통해 인덕터(LFS)와 정합 트랜스(310)의 인덕턴스 성분(LC)의 두 가지 경로로 배분된다. 이와 같은 전류의 배분에 의해 컨버터(318)에 유입되는 기본파 전류의 크기는 종래 기술과 비교할 때 현저히 감소하게 되어 능동 필터(312)를 구성하는 능동 소자의 용량을 그만큼 줄일 수 있는 것이다. 시뮬레이션을 통해 확인한 결과, 본 발명에 따른 능동 필터에 유입되는 전류는 기존의 능동 필터와 수동 필터의 직렬 연결 구조에서 능동 필터에 유입되는 전류와 동일하게 해석할 수 있는 것으로 나타났다.
이와 같은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 고조파 제거 특성을 도 4 내지 도 7에 나타내었다. 도 4는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 여러 가지 동작 특성에 대한 등가 회로를 나타낸 도면으로서, 도 4a는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 등가 회로도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 기본파 제거 동작을 나타낸 회로도이다.
도 4b에서, 기본파 정류시 능동 필터(312)가 단락 회로로 동작하여 수동 필터(308)에 유입되는 기본파 전류가 병렬 연결된 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)와 능동 필터(312)측 인덕턴스(LC-LC'/N2)를 통해 분배되는 것을 알 수 있다.
도 4c는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 고조파 제거 등가 회로도이다. 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터에서 컨버터(318)가 전원측 하모닉스를 검출하여 이에 비례하는 전압 Vi를 발생시킨다고 가정하면 V_I = KI_Sh 의 관계식이 도출된다. 여기서 VI는 컨버터 출력 전압, ISh는 공급 전원의 고조파 전류, K는 비례 이득(Proportional Gain)이다. 이 관계식을 참조하면 도 4c의 등가 회로로부터 다음과 같은 전류식을 유도할 수 있다.
위의 전류식으로부터 알 수 있듯이 비례 이득 K가 무한히 크다면 공급 전원의 고조파는 0이 될 것이나, 실제로는 비례 이득 K를 무한히 크게 할 수 없으므로 대신 충분히 크게 하여 공급 전원의 고조파를 0에 근접하게 만들 수 있다.
본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 기본파 전류 배분 효과를 설명하면 다음과 같다. 이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 공급 전원(302)의 기본파 성분에 대해 단락 회로를 형성하므로 이 때의 컨버터 출력 전압(VI)은 0이 된다. 따라서 다음의 관계식이 성립된다.
위 식에서 IIO, IF0는 각각 컨버터(318)의 기본파 전류와 수동 필터(308)의 기본파 전류이고, ZI, ZFL은 각각 능동 필터(312)의 인덕턴스 성분과 수동 필터(308)의 인덕턴스 성분을 의미한다. 이 식으로부터 컨버터(318)에 흐르는 기본파 전류는 능동 필터(312) 인덕턴스 성분과 수동 필터(308)의 인덕턴스 성분에 의해 배분되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터와 종래 기술의 전류 크기를 비교하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 시뮬레이션은 정합 트랜스(310)의 권선 비를 1:1로 하고, 능동 필터(312)의 인덕터(LC')와 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)가 동일한 조건에서 실시된 것이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 수동 필터(308)에서는 7차 고조파가 현저히 감소하는 것을 알 수 있고, 능동 필터(312)의 컨버터(318)에서는 5차 전류와 7차 전류가 모두 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 전원측 고조파 제거 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도이다. 도 6의 시뮬레이션 역시 도 5의 경우와 마찬가지로 정합 트랜스(310)의 권선 비를 1:1로 하고, 능동 필터(312)의 인덕터(LC')와 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)가 동일한 조건에서 실시된 것이다. 도 6에서 수동 필터의 전류와 비교할 때 컨버터의 전류가 약 50%로 감소한 것을 알 수 있다. 또한 공급 전원의 파형이 정현파를 유지하는 것으로 볼 때 공급 전원에 포함된 고조파가 충분히 제거되는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터의 전류 공진 억제 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도로서, 수동 필터(308)에 의해 발생하는 전류 공진을 능동 필터(312)가 억제하는 시뮬레이션 결과이다. 도 7에서, 동작 초기에 공급 전원의 전류에 따라 수동 필터의 전류가 공진하는 것을 볼 수 있는데, 능동 필터의 동작 신호가 하이 레벨로 활성화되면서 수동 필터 전류의 공진 현상이 급격히 사라지는 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는, 능동 필터(312)의 고장 발생시에도 수동 필터(308)의 정상적인 동작을 기대할 수 있다. 능동 필터(312)의 고장 등에 의해 정합 트랜스(310)의 2차측이 단락될 경우 정합 트랜스(310)는 큰 인덕턴스를 갖게 되고 이는 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)에 비해 충분히 크므로 병렬 구성에서는 무시될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)가 능동 필터(312)와 병렬로 연결되어 있으므로 능동 필터(312)의 고장 발생시에도 수동 필터(308)의 캐패시터(CFS)와 인덕터(LFS)에 의한 수동 필터링 특성을 그대로 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터에서는 능동 필터(312)의 용량을 크게 줄일 수 있다. 종래 기술의 문제에서 언급했듯이, 능동 필터와 수동 필터가 직렬 연결될 경우 능동 필터는 공급 전원의 기본파 성분을 충분히 흐르게 할 수 있는 용량의 스위칭 소자를 요구하게 되어 불필요한 시스템의 용량 증가를 가져온다. 그러나 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 능동 필터(312)가 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)와 병렬로 연결되므로 기본파 성분에 대해서 능동 필터(312)의 인덕터(LC) 및 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)에 의해 배분된다. 따라서 능동 필터(312)의 인덕터(LC)와 수동 필터(308)의 인덕터(LFS)를 같은 값으로 설계하고, 정합 트랜스(310)의 1차-2차 권선 비를 1:1로 설계하면, 능동 필터(312)로 흐르는 기본파 성분은 전체 공급 전류의 1/2로 감소한다. 또 정합 트랜스(310)의 1, 2차 권선 비를 1:N 으로 설정하면 능동 필터(312)로 흐르는 전류는 대략적으로 1/2N이 되어 종래 기술과 비교할 때 능동 필터(312)로 흐르는 전류가 크게 감소한다. 이로써 능동 필터(312)의 전체 용량을 크게 줄일 수 있는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 수동 필터의 인덕터가 능동 필터와 병렬로 연결되어 있으므로 능동 필터의 고장 발생시 능동 필터의 인덕턴스 성분 증가가 수동 필터의 인덕터의 크기에 크게 영향을 미치지 못하므로 기존의 수동 소자를 이용한 필터링 특성을 그대로 얻을 수 있어, 공진 등의 문제가 발생하지 않고 수동 필터의 정상적인 동작을 기대할 수 있다. 따라서 능동 필터 고장시 능동 필터 차단을 위한 별도의 차단 회로는 필요치 않다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터는 능동 필터가 수동 필터의 인덕터와 병렬로 연결되므로 기본파 성분에 대해서 능동 필터의 인덕터 및 수동 필터의 인덕터에 의해 배분되어 능동 필터의 구성에 필요한 능동 소자의 용량을 크게 줄일 수 있다. 따라서 능동 필터의 인덕터와 수동 필터의 인덕터를 같은 값으로 설계하고, 정합 트랜스의 1차-2차 권선 비를 1:1로 설계하면, 능동 필터로 흐르는 기본파 성분은 전체 공급 전류의 1/2로 감소한다. 또 정합 트랜스의 1차-2차 권선 비를 1:N으로 설정하면 능동 필터로 흐르는 전류는 대략적으로 1/2N이 되어 종래 기술과 비교할 때 능동 필터로 흐르는 전류가 크게 감소한다. 이로써 능동 필터의 전체 용량을 크게 줄일 수 있는 것이다.
이와 함께, 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터를 사용할 경우, 능동 필터의 동작함에 따라 수동 필터 전류의 공진 현상을 억제하는 부수적인 효과도 제공한다. 이로써 본 발명은 저렴하고 안정적으로 동작하는 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터를 제공하는 효과를 제공한다.

Claims (5)

  1. 공급 전원과 부하 사이에 연결되는 수동 필터와 능동 필터를 구비하고, 상기 부하에 의하여 발생하는 왜곡된 전류 성분을 제거하기 위한 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터에 있어서,
    상기 능동 필터의 고장 발생시에 상기 수동 필터의 전기적 특성이 유지되도록 정합 트랜스가 상기 수동 필터에 전기적으로 연결되는 것이 특징인 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동 필터는 캐패시터와 인덕터로 구성되고, 상기 인덕터가 접지되는 것이 특징인 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 정합 트랜스의 1차측이 상기 수동 필터의 캐패시터와 인덕터 사이에 연결되고, 2차측이 상기 능동 필터에 연결되는 것이 특징인 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 필터의 고장 발생시 상기 정합 트랜스의 2차측이 단락되는 것이 특징인 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수동 필터의 전기적 특성이 상기 수동 필터의 인덕턴스 값인 것이 특징인 병렬형 하이브리드 능동 파워 필터.
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