KR200394249Y1 - 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터 - Google Patents

개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터 Download PDF

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KR200394249Y1
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이승환
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output

Abstract

본 고안은 전력계통에서 부하로 전력을 전달하는 과정에서 반도체 전력변환장치를 사용하는 부하로 인한 심각한 고조파를 발생시키는 부하의 고조파를 저감시키는 능동전력필터의 전류제어기의 제어기법을 향상시키기 위한 것으로,
기존의 능동전력필터에서 전류제어기로 많이 이용되던 히스테리시스 제어기의 장점인 과도상태의 특성이 우수한 특징을 지니면서, 밴드내에서 변조 주파수가 가변되므로 스위칭 주파수가 일정하지 않으므로 항시 전류리플이 발생한다는 단점을 보안한 개선된 히스테리시스 제어기를 구성하였다.
따라서, 능동전력필터의 전류제어를 용이하게 할 뿐만아니라, 스위칭 주파수를 일정한 범위내로 제한함으로써 전력 품질도 개선 및 스위칭 손실을 줄일 수 있다.

Description

개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터{The improved hysteresis controller for Active power filter}
본 고안은 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터에 관한 것으로, 특히 기존의 OP-AMP를 이용하여 아날로그로 전류를 제어하기 때문에 제어특성이 우수하면서도, D-FF을 이용하여 스위칭 주파수를 일정한 범위내로 제한함으로써 전력 품질도 개선 및 스위칭 손실을 줄일 수 있는 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터를 제공하는 것을 특징으로 하는 기존의 OP-AMP를 이용하여 아날로그로 전류를 제어하기 때문에 제어특성이 우수하면서도, D-FF을 이용하여 스위칭 주파수를 일정한 범위내로 제한함으로써 전력 품질도 개선 및 스위칭 손실을 줄일 수 있는 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터를 제공에 관한 것이다.
일반적으로, 전력계통에서 부하로 전력을 전달하는 과정에서, 반도체 전력변환장치를 사용하는 부하는 비선형 부하로 동작하여 전원측에 심각한 고조파를 발생하는 요인으로 작용한다.
이러한 고조파는 전원전압의 왜곡 및 발전기, 송전선, 변압기등과 같은 전력 계통 장치들의 용량증대를 가져오며, 전기기기, 케이블, 진상 콘덴서등의 전력계통 소자들에 열 및 소음을 발생시키고 더 나아가 절연파괴 또는 수명단축을 초래한다.
또한 컴퓨터, 계측장비와 같은 각종 전자장비의 오동작이나 통신 시스템에 EMI현상을 야기하며, 전동기에 이상 진동 토크를 발생시키고 철손, 동손 등의 손실을 증대시킨다. 따라서, 고조파 발생에 대한 효과적인 대책에 관한 연구는 매우 중요한 과제라고 할 수 있으며, 오랜 기간동안 연구가 행해졌다.
종래에는 이러한 문제들을 해결하기 위해 저가의 수동필터를 사용하여 왔지만, 주로 인덕터와 커패시터로 구성되는 수동필터는 특정한 차수의 고조파 성분만을 제거할 수 있어, 교류 전원측에 광범위한 차수의 고조파가 발생할 경우 그다지 만족할 만한 성능을 얻기 힘들다. 또한, 계통내에 공진을 유발할 가능성이 있으며, 외형이 크다는 단점을 안고 있다.
따라서, 수동필터의 단점을 보완하기 위해 병렬형 능동전력필터에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
한편, 기존의 능동전력필터는 과도특성이 우수하며 제어가 간단하여 히스테리시스 제어기가 능동전력필터의 전류제어기에 많이 이용되어져 왔다.
그러나 히스테리시스 전류제어기는 전압제어기에서 지령한 지령전류를 밴드내에서 변조 주파수가 가변되므로 스위칭 주파수가 일정하지 않으므로 항시 전류리플이 발생한다는 단점이 있다.
본 고안은 병렬형 능동전력필터의 전류제어기 개선에 관한 것으로써, 기존의 OP-AMP를 이용하여 아날로그로 전류를 제어하기 때문에 제어특성이 우수하면서도, D-FF을 이용하여 스위칭 주파수를 일정한 범위내로 제한함으로써 전력 품질도 개선 및 스위칭 손실을 줄일 수 있는 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,
본 고안은 3상의 교류 입력 전원과, 상기 3상 교류 전원을 직류로 정류하는 정류부와, 게이트단의 제어에 의해 정류부를 통과한 직류전원을 고속 스위칭하는 양극성 트랜지스터(IGBT)와, 상기 양극성 트랜지스터로부터 직류전원을 공급받아 동작되는 전동기 부하와, 상기 전동기 부하와 교류 입력 전원간에 병렬로 연결되어 전동기 부하에서 발생되는 고조파 성분을 필터링하는 능동전력 필터로 이루어짐이 특징이다.
또한, 상기 능동전력필터는, 전류의 정상, 역상 성분을 구하기 위한 변환기와, 상기 변환기에 얻어진 정상, 역상 성분의 전류와 순시치 전류를 이용하여 유효 전력 및 무효전력을 구하는 전력 계산기와, 상기 전력 계산기에서 얻어진 유효 전력에서 유효전력의 직류성분만을 얻기 위한 LPF와 상기 유효전력의 고조파 성분을 얻기 위하여 유효전력에서 유효전력의 직류성분을 연산하기 위한 감산기와 유효전력 손실분과 유효전력의 고조파 성분을 감산하기 위한 감산기와, 상기 감산기에 의해 계산된 최종 보상 유효전력 고조파 성분과 전력 계산기에서 얻은 무효전력 성분을 가지고 정상, 역상 전류를 구하기 위한 연산기와, 상기 연산기에서 얻어낸 정상분 전류와 역상분 전류를 가지고 보상전류 파형을 구하기 위한 역변환기를 포함하는 것이 특징이다.
또한, DC 링크 전압제어기로부터 연산된 지령전류을 아날로그 값으로 변환하여 비교기의 입력하는 D/A컨버터와, 전류검출기로부터 검출된 전류와 비교되어 비교기의 채터링(chattering) 현상을 차단하기 위한 D-FF와, 상기 D-FF 출력을 인가받아 Dead-time 구현 및 각상의 출력파형을 발생시키는 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)로 이루어짐이 특징이다.
또한, 상기 D-FF의 clock 주파수는 시스템의 스위칭주파수가 되면 5-15kHz 가변되도록 구성한 것이 특징이다.
본 고안의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 고안에서 구성하고자하는 부하시스템 및 능동전력필터를 나타내고 있다.
부하회로의 구성은 정류부와 DC 링크단 그리고 IGBT(Insulated gate bipolar transistor; 절연게이트형 양극성 트랜지스터)로 구성된 전력 변환부와 전동기 부하이다.
능동전력필터의 구성은 전류제어용 직렬 인덕턴스와 컨버터로 구성되어져 있으며, 능동전력필터의 동작원리는 비선형 부하로 흐르는 전류를 회전좌표법으로 변환하여 고조파를 제거할 수 있는 보상용 전류를 연산한다.
따라서, 전원측에는 전원전압과 동상인 정현파 전류가 흐르게 되어 전력품질을 높일 수 있다.
도면을 통해 보다 상세히 설명하면,
본 고안은 3상의 교류 입력 전원(100)과,
상기 3상 교류 전원을 직류로 정류하는 정류부(200)와,
게이트단의 제어에 의해 정류부를 통과한 직류전원을 고속 스위칭하는 양극성 트랜지스터(IGBT)(300)와,
상기 양극성 트랜지스터로부터 직류전원을 공급받아 동작되는 전동기 부하(400)와,
상기 전동기 부하와 교류 입력 전원간에 병렬로 연결되어 전동기 부하에서 발생되는 고조파 성분을 필터링하는 능동전력 필터(500)로 이루어진다.
도 2는 능동전력필터의 전압제어 및 보상전류 연산부이다.
부하장치의 유효부하에 의해 소비되는 손실분의 전력은 전원전압벡터와 정격 부하시 능동전력필터의 직렬 인덕턴스의 양단 전압벡터의 합에 해당하는 전압을 능동전력필터의 DC링크 전압을 일정하게 제어하여 능동전력필터의 유효전류 성분을 보상한다.
본 고안에서 적용한 전압은 직렬인덕턴스 및 정격전류를 고려하여 능동전력필터의 DC 링크 지령전압을 540V로 하였으며, 전압제어기는 PI 제어기로 구성하였다.
이렇게 PI 전압제어기에 의해 연산된 지령전류값은 좌표변환된 부하전류의 q축 성분에 더하고, 이를 역변환하여 구하게 된다.
이를 도면을 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, DC 캐패시터 전압(Vdc)을 감산기를 이용하여 감산하여, 전압 강하 손실분을 구한뒤 LPF(510)를 거친 DC 전압 직류분을 PI 제어기(520)를 거치면 유효전력 손실분을 구하게 된다.
그리고, 변환기(530)로 얻어진 전류중 전류 정상분과 전류 역상분을 전력 계산기(540)를 이용하여 유,무효 전력을 구하고, 유효 전력의 직류성분을 검출하기 위한 LPF(550)와 유효전력 손실분과 상기의 유효전력 리플성분을 감산기를 이용하여 보상해야할 유효전력 성분과 무효전력과 순시치 전압을 이용하여 기준전류를 얻어내는 전류 기본파 연산기(560)와, 상기의 전류 기본파 연산기에서 얻어진 보상전류 성분을 이용하여 보상전류를 계산하는 역변환기(570)로 구성된다.
도 3은 최대 스위칭 주파수를 제한할 수 있는 히스테리시스 전류 제어회로이다. 이 회로의 동작은 다음과 같다.
DC 링크 전압제어기로부터 연산된 지령전류는 D/A컨버터(10)를 이용하여 아날로그 값으로 변환되어 비교기(20)의 입력으로 사용하고, 전류검출기로부터 검출된 전류와 비교되어 D-FF(30)에 입력하게된다.(여기에서 D-FF의 clock 주파수는 시스템의 스위칭주파수가 되면 여기서는 5-15kHz 가변되도록 구성하였다.) 따라서 D-FF(30)에 의해 비교기의 채터링(chattering) 현상을 막을 수 있다. 이러한 제어 출력값은 EPLD(Erasable Programmable Logic Device, 40)에서 Dead-time 구현 및 각상의 출력파형을 발생시키게 된다.
도 4는 R부하에 대한 능동전력필터의 각부파형에 관한 것을 시뮬레이션을 통하여 나타낸 것으로, APF의 각부파형으로 각각 정류부하의 전류와 보상전류, 그리고 전원전압 및 전류를 나타내고 있다.
도 5는 R-L부하에 대한 능동전력필터의 각부파형을 시뮬레이션을 통하여 나타낸 것으로써, R-L정류부하에 흐르는 부하전류 및 보상전류, 그리고 전원전압 및 전원전류를 나타내고 있다. 그림으로부터 R-L정류부하에 대해서도 전원과 동상인 정현전류를 흐를 수 있도록 APF가 양호하게 제어되고있음을 볼 수 있다.
전술한 바와 같이, 일반적인 반도체 전력변환장치를 사용하는 부하는 비선형 부하로 동작하여 전원측에 심각한 고조파를 발생하는 요인으로 작용하고, 이러한 고조파는 전원전압의 왜곡 및 발전기, 송전선, 변압기등과 같은 전력 계통 장치들의 용량증대를 가져오며, 전기기기, 케이블, 진상 콘덴서등의 전력계통 소자들에 열 및 소음을 발생시키고 더 나아가 절연파괴 또는 수명단축을 초래한다. 또한 컴퓨터, 계측장비와 같은 각종 전자장비의 오동작이나 통신 시스템에 EMI현상을 야기하며, 전동기에 이상 진동 토크를 발생시키고 철손, 동손 등의 손실을 증대시킨다.
이를 개선한 본 고안은 고조파 발생에 대한 효과적인 시스템으로써, 본 고안에서 제안한 개선된 히스테리시스 제어기를 탑재한 능동전력필터는 고조파를 발생시키는 부하에 접속이 용이할 뿐만 아니라, 고조파를 효과적으로 제거할 수 있어 기존의 전력설비에 파급효과가 크다고 할 수 있다.
비록 본 고안이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 고안의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 고안의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
도 1은 비선형 부하회로 및 능동전력필터 회로도.
도 2는 능동전력필터의 보상전류 연산부 구성도.
도 3은 최대 스위칭 주파수를 제한할 수 있는 히스테리시스 전류 제어부 구성도.
도 4는 R부하에 대한 능동전력필터의 각부 파형도.
도 5는 R-L부하에 대한 능동전력필터의 각부 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: D/A 컨버터 20: 비교기
30: D-플립플롭 40: 제너레이터
100: 교류 전원부 200: 정류부
300: 양극성 트랜지스터 400: 전동기 부하
500: 능동전력 필터 510: LPF
520: PI 제어기 530: 변환기
540: 전력계산기 550: LPF
560: 전류기본파 연산기 570: 역변환기

Claims (2)

  1. 3상의 교류 입력 전원과,
    상기 3상 교류 전원을 직류로 정류하는 정류부와,
    게이트단의 제어에 의해 정류부를 통과한 직류전원을 고속 스위칭하는 양극성 트랜지스터(IGBT)와,
    상기 양극성 트랜지스터로부터 직류전원을 공급받아 동작되는 전동기 부하와,
    상기 전동기 부하와 교류 입력 전원간에 병렬로 연결되어 전동기 부하에서 발생되는 고조파 성분을 필터링하는 능동전력 필터로 이루어짐을 특징으로 하는 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 능동전력필터는,
    전류의 정상, 역상 성분을 구하기 위한 변환기와,
    상기 변환기에 얻어진 정상, 역상 성분의 전류와 순시치 전류를 이용하여 유효 전력 및 무효전력을 구하는 전력 계산기와,
    상기 전력 계산기에서 얻어진 유효 전력에서 유효전력의 직류성분만을 얻기 위한 LPF와 상기 유효전력의 고조파 성분을 얻기 위하여 유효전력에서 유효전력의 직류성분을 연산하기 위한 감산기와 유효전력 손실분과 유효전력의 고조파 성분을 감산하기 위한 감산기와,
    상기 감산기에 의해 계산된 최종 보상 유효전력 고조파 성분과 전력 계산기에서 얻은 무효전력 성분을 가지고 정상, 역상 전류를 구하기 위한 연산기와,
    상기 연산기에서 얻어낸 정상분 전류와 역상분 전류를 가지고 보상전류 파형을 구하기 위한 역변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 히스테리시스 전류제어기를 갖는 능동전력필터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230018880A (ko) * 2021-07-30 2023-02-07 가천대학교 산학협력단 하이브리드 능동전력필터
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