KR20040076379A - 전압 새그 및 스웰 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전압 새그 및 스웰 발생 장치에 관한 것으로 특히, 실제 배전계통에서 전력 품질에 악영향을 미치는 전압 새그와 스웰을 발생시키기 위하여 많은 수의 변압기 탭과 사이리스터를 필요로 하거나 큰 용량의 무효 전력 변동을 필요하는 종래 기술에서의 단점을 보완하면서도 경제적인 비용으로 전압 새그와 스웰을 발생시키도록 함에 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 3상 전원선에 병렬 연결되어 5개의 탭 전압(Vm1~Vm5)을 출력하는 변압기(710)와, 3상 전원선에 직렬 연결되어 입력 전원(Va,Vb,Vc)을 부하측으로 출력하는 변압기(720)와, 평상시 입력 전압이 부하측으로 그대로 제공되도록 상기 변압기(720)의 2차측 단자를 단락시키는 바이패스용 스위치(740)와, 상기 변압기(720)의 2차측 단자에 병렬 접속되어 고조파를 제거하는 하모닉 필터(HF ; Harmonic Filter)(750)와, 상기 변압기(710)의 각 출력 탭과 상기 변압기(720)의 2차측 단자 사이에 연결되어 현재 발생시키려는 전압에 따라 턴온되는 반도체 스위치(731~734)를 구비하여 구성한다.

Description

전압 새그 및 스웰 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING VOLTAGE SAG AND SWELL}
본 발명은 배전 시스템에 관한 것으로 특히, 전압 새그 및 스웰 발생 장치에 관한 것이다.
통상적으로 대용량 전원 장치의 전력 품질 및 성능을 평가할 때 전압 새그(sag) 및 스웰(swell)을 참조하게 된다. 여기서, 전압 새그(sag)와 스웰(swell)이라 함은 각각 수 사이클 내지 수십 사이클 정도만 지속되는 저 전압 및 과 전압을 의미한다.
그런데, 배전 계통에서 지락 및 단락 사고가 발생하면 사고가 파급되어 인근 배전 계통에 전압 새그 및 스웰이 발생하게 된다.
이러한 전압 새그 및 스웰은 전력 품질에 악영향을 미치는 것으로 이를 제거하여 전력 품질을 향상하기 위한 기기들이 개발되고 있다.
하지만, 전력 품질 향상을 위한 기기가 개발된다고 하더라도 이를 실제 배전 계통에 연결하여 시험할 수 없으며 또한, 실제 지락이나 단락 사고를 일으켜 시험할 수도 없다. 따라서, 현재 배전 계통에서는 지락이나 단락 사고로 인하여 파생되는 전압 새그 및 스웰을 발생시킴으로써 지락이나 단락 사고를 대신하게 된다.
도1은 종래의 전압 새그 및 스웰 발생 장치의 일실시예를 보인 회로도이다.
도1에서 도면 부호 '110'은 전원을 공급받아 여러 크기의 전압을 출력하기위한 변압기이다.
상기 변압기(110)는 여러 크기의 전압을 출력할 수 있는 탭들이 2차 권선 측에 구비되는데, 정상 전압을 기준으로 정상 전압보다 높은 전압을 출력하기 위한 탭과 정상 전압보다 낮은 전압을 출력하기 위한 탭이 모두 구비되어 구성된다. 즉, 변압기(110)는 정상 전압을 출력하기 위한 탭(Tap-N)과, 정상전압보다 높은 전압의 탭(Tap-O1~Tap-On)과, 정상전압보다 낮은 전압의 탭(Tap-U1~Tap-Un)을 갖추고 있다.
또한, 도1에서 도면 부호 'Thy-O1~Thy-On, Thy-N, Thy-U1~Thy-Un'은 변압기(110)의 2차측 탭에 각기 연결되어 현재 발생시키고자 하는 전압 새그(sag)와 스웰(swell)에 따라 도통되는 사이리스터(Thyristor)이다. 여기서, 사이리스터(Thy-N)는 정상전압 탭(Tap-N)에 연결되고, 사이리스터(Thy-O1~Thy-On)은 과전압 탭(Tap-O1~Tap-On)에 각기 연결되며, 사이리스터(Thy-U1~Thy-Un)는 저전압 탭(Tap-U1~Tap-Un)에 각기 연결된다.
이와같은 종래 기술의 일실시예에 대한 동작을 도2의 전형적인 전압 새그 및 스웰에 대한 파형도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 변압기(110)의 2차측 탭 중에서 정상 전압 탭(Tap-N)이 선택되고 사이리스터(Thy-N)가 켜진 상태이면 도2의 파형(210)과 같은 정상 전압이 발생되는 경우이다.
만약, 임의의 순간에 도2의 파형(220 또는 250)과 같이 전압 새그를 발생시키려는 경우 변압기(110)의 2차측 각각의 탭(Tap-U1~Tap-Un)에 각기 연결된 사이리스터(Thy-U1~Thy-Un) 중 해당 사이리스터를 켜면 된다.
이후, 도2의 파형(230)과 같이 다시 정상 전압으로 복귀시키려면 사이리스터(Thy-N)의 게이트에 온신호를 인가하는 동시에 기존에 전압 새그 발생을 위해 켜졌던 사이리스터의 게이트에 인가되어 있던 턴온신호를 제거한다.
그리고, 상기 동작과 비슷하게 임의의 순간에 도2의 파형(240)과 같은 전압 스웰을 발생시키려는 경우 변압기(110)의 2차측 각각의 탭(Tap-O1~Tap-On)에 각기 연결된 사이리스터(Thy-O1~Thy-On) 중 해당 사이리스터를 켜면된다.
한편, 도3은 종래의 전압 새그 및 스웰 장치의 다른 실시예를 보인 회로도로서 이에 도시된 바와 같이, 변압기(310)는 2개 탭 중 과전압 탭에 스위치(SW-OV), 리액터(L-OV)가 직렬 연결됨과 아울러 정상전압 탭에 스위치(SW-NV), 리액터(L-NV)가 직렬 연결되고, 상기 리액터(L-OV)(L-NV)의 공통 접속점에는 변압기(320)와 사이리스터(330)가 직렬 연결됨과 아울러 필터(340)가 연결되어 구성된다.
이와같은 종래 기술의 다른 실시예에 대한 동작을 설명하면 다음과 같다.
변압기(310)는 2가지의 전압 즉, 과전압 또는 정상 전압을 발생시킬 수 있다.
이때, 과전압을 발생시키는 경우 기계적 스위치(SW-OV)를 온시키고 반대로, 정상 전압을 발생시키는 경우 기계적 스위치(SW-NV)를 온시키게 된다.
이에 따라, 변압기(310)에서 발생된 과전압이 기계적 스위치(SW-ON)와 리액터(L-OV)를 통해 변압기(320)로 공급되거나 반대로, 변압기(310)에서 발생된 정상 전압이 기계적 스위치(SW-NV)와 리액터(L-NV)를 통해 상기 변압기(320)로 공급된다.
따라서, 사이리스터(330)의 턴온/턴오프 즉, 점호각()에 따라 전압 새그 및 스웰의 크기를 조정하게 된다.
즉, 도3의 회로에서는 변압기(320)의 누설 인덕턴스와 사이리스터(330)로 구성된 TCR(Thyristor Controlled Reactor)를 이용하여 무효 전력을 제어함으로써 전압 새그와 스웰 전압의 크기를 제어하는 것이다.
다시 말해서, 기계적 스위치(SW-OV)가 연결될 때에는 TCR을 이용하여 정상 전압까지 낮추다가 어느 순간에 도2의 파형(240)과 같은 스웰 전압을 얻으려는 경우 TCR의 점호각()을 지연시킴으로써 정상 전압보다 높은 전압을 발생시키게 된다. 반대로, 기계적 스위치(SW-NV)가 연결되어 있을 때에는 임의의 순간에 TCR을 동작시킴으로써 도2의 파형(220)과 같은 새그 전압을 발생시킬 수 있다.
도4는 TCR의 등가 회로도이고, 도5는 TCR의 동작 원리를 보인 파형도이다.
도4에서 인덕터(410)는 도3의 변압기(320)과 동일한 소자임으로, 사이리스터(420)의 점호각()을 '0','',''로 제어하면 상기 인덕터(410)에 흐르는 전류 파형이 도5의 파형도와 같이 변화하게 된다.
이때, 인덕터(410)에 흐르는 전류에 의해 고조파가 발생하게 된다.
따라서, 고조파 필터(340)를 전원측에 연결함으로써 TCR 회로에 의해 발생되는 고조파를 흡수하여 전원측으로 유입되는 고조파를 최소화시키게 된다.
실제 배전계통에서 발생되는 전압 새그 및 스웰은 사고가 난 배전계통의 임피던스와 인근 배전계통의 임피던스로 인하여 다양한 전압으로 나타나게 된다.
하지만, 도1의 종래 장치는 변압기와 사이리스터에만 의존하여 원하는 전압을 발생시키게 되므로 전압 새그와 스웰의 크기가 변압기의 출력 탭 수만큼으로 제한되며 만일, 다양한 크기의 새그 및 스웰 전압을 발생시키기 위하여 변압기의 탭 수를 증가시키면 이에 비례하여 사이리스터도 많이 필요하게 되므로 제작 비용이 증가하게 되고 뿐만 아니라 변압기와 사이리스터가 모든 부하를 감당할 수 있도록 설계하여야 하므로 용량이 커지는 문제점이 있다.
또한, 도1의 종래 장치는 도2의 파형(250)과 같은 가장 전형적인 새그 전압 파형을 발생시키는 것이 불가능하다는 결정적인 문제점이 있다.
그리고, 도3의 종래 장치는 도1의 방식과는 달리 도2의 파형(250)과 같은 새그 전압을 쉽게 발생시킬 수 있지만, 새그 및 스웰을 발생시키기 위하여 필요한 무효 전력의 양이 부하 정격 용량의 2~3배 정도가 필요하기 때문에 변압기(310)에 유입되는 무효 전력의 변동에 의해서 인접한 다른 기기에도 큰 영향을 미치게 되는 문제점이 있고 또한, 변압기(310)와 인덕터(L-OV, L-NV)에서 부하 전체를 감당하여야 하기 때문에 가격이 비싸지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 실제 배전계통에서 전력 품질에 악영향을 미치는 전압 새그와 스웰을 발생시키기 위하여 많은 수의 변압기 탭과 사이리스터를 필요로 하거나 큰 용량의 무효 전력 변동을 필요하는 종래 기술에서의 단점을 보완하면서도 경제적인 비용으로 전압 새그와 스웰을 발생시키도록 창안한 전압 새그 및 스웰 발생장치를 제공함을 목적으로 한다.
도1은 종래의 전압 새그 및 스웰 발생 장치의 일실시예를 보인 회로도.
도2는 전형적인 전압 새그 및 스웰에 대한 파형도.
도3은 종래의 전압 새그 및 스웰 발생 장치의 다른 실시예를 보인 회로도.
도4는 도3에서 TCR의 등가 회로도.
도5는 도4의 TCR의 동작 원리를 보인 파형도.
도6은 본 발명의 실시예를 위한 장치의 개략적인 회로도.
도7은 도6에서 점호각 제어에 따른 2레벨 출력 전압의 파형도.
도8은 도6에서 기본파 전압과 고조파 전압을 도시한 파형도.
도9는 도6에서 점호각(,) 제어에 따른 기본파 전압의 크기를 보인 특성 곡선.
도10은 도9의 기본파 전압에 대한 5차 고조파 전압을 보인 특성 곡선.
도11은 본 발명의 실시예에서 3레벨 출력 전압의 파형도.
도12는 본 발명의 실시예를 위한 장치의 상세 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
610,620,710,720 : 변압기 631,632,640,731~734,740 : 스위치
650 : 제어부 750 : 하모닉 필터(Harmonic Filter)
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 전원선에 병렬 연결되어 센터 탭을 기준으로 임의 개의 탭 전압을 출력하는 제1 변압기와, 전원선에 직렬 연결되어 입력 전원을 부하측으로 출력하는 제2 변압기와, 평상시 입력 전압이 부하측으로 그대로 제공되도록 상기 제2 변압기의 2차측 단자를 단락시키는 바이패스용 스위치와, 상기 제2 변압기의 2차측 단자에 병렬 접속되어 고조파를 제거하는 하모닉 필터(Harmonic Filter)와, 상기 재1 변압기의 각 출력 탭과 상기 제2 변압기의 2차측 단자 사이에 연결되어 현재 발생시키려는 전압에 따라 턴온되는 다수의 전압 크기 제어용 스위치를 구비하여 구성함을 특징으로 한다.
상기 전압 크기 제어용 스위치 및 바이패스용 스위치는 GTO(Gate Turn-Off Thyristor) 또는 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)로 구성함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도6은 본 발명의 실시예를 보인 전압 새그 발생 장치의 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 3상 전원선에 병렬 연결되어 2개의 탭 전압(Vm1,Vm3)을 출력하는 변압기(610)와, 3상 전원선에 직렬 연결되어 입력 전원(Va,Vb,Vc)을 부하측으로 출력하는 변압기(620)와, 평상시 입력 전압이 부하측으로 그대로 제공되도록 상기 변압기(620)의 2차측 단자를 단락시키는 바이패스용 스위치(640)와, 상기 변압기(610)의 각 출력 탭과 상기 변압기(620)의 2차측 단자 사이에 연결되어 현재발생시키려는 전압에 따라 턴온되는 스위치(631,632)와, 발생시키려는 전압 크기에 따라 상기 스위치(631,632,640)의 턴온/턴오프를 제어하는 제어부(650)를 구비하여 구성한다.
상기 스위치(631,632) 및 바이패스용 스위치(640)는 GTO(Gate Turn-Off Thyristor) 또는 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)와 같이 강제 소호 능력을 가진 반도체 스위치로 구성한다.
이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
평상시 바이패스용 스위치(640)는 제어부(650)에 의해 변압기(650)의 2차측 단자를 단락시키고 있기 때문에 전원 전압(Va,Vb,Vc)이 그대로 부하측으로 인가된다.
이후, 임의의 순간에 새그(sag) 전압을 발생시켜야 하는 경우 제어부(650)는 바이패스용 스위치(640)의 게이트 신호를 제거하여 그 바이패스용 스위치(640)가 영(zero) 전류에서 꺼지도록 기다린 다음 원하는 새그 전압의 크기에 따라 변압기(610)의 2차측 탭 전압(Vm1)(Vm3) 중 하나를 선택하기 위하여 스위치(631 또는 632)를 턴온시키게 된다.
이에 따라, 변압기(610)의 탭 전압(Vm1 또는 Vm3)과 변압기(620)의 권선비(1:n)에 의해서 결정된 전압(,,) 만큼 줄어든 전압이 부하측으로 인가되게 된다. 즉, 스위치(631)가 켜졌을 때에는 n:Vm1 만큼 줄어든 새그 전압이 부하측으로 인가되며, 스위치(632)가 켜졌을 때에는 n:Vm3 만큼 줄어든 새그 전압이 부하측으로 인가된다.
만약, 원하는 전압()의 크기가 Vm1 보다 작고 Vm3 보다 크다면 도7의 파형도와 같은 펄스폭으로 변조하면 원하는 전압의 크기를 얻을 수 있게 된다.
도7은 직렬 변압기(620)의 2차측 단자 즉, 바이패스용 스위치(640)의 양단에 나타나는 전압 파형도로서, 도7(a)는 점호각()으로의 크기를 제어한 단펄스(single pulse) 형태의 출력 전압 파형도이고, 도7(b)는 점호각()()으로의 크기를 제어한 더블 펄스(double pulse) 형태의 출력 전압 파형도이며, 도7(c)는 점호각(,,)으로의 크기를 제어한 트리 펄스(three pulse) 형태의 출력 전압 파형도이다.
예를 들어, 도6의 장치에서 도7(a)의 출력 전압 파형을 발생시키는 동작을 간략히 설명하면, 점호각(0~)에서는 스위치(632)를 켜고, 점호각()에서는 스위치(631)를 켜며, 점호각(~)에서는 스위치(632)를 다시 켜는 동작을 수행하여 도7(a)와 같은 출력 전압 파형을 발생시키게 된다.
도7의 파형도에서의 크기는 탭 전압(Vm1,Vm3)의 레벨을 이용하여 제어하므로 2레벨 PWM(Pulse Width Modulation)이라 부르기로 한다.
도8은 도7(a)의 출력 전압 파형에 대한 기본파 전압 및 고조파 전압의 크기를 점호각()의 함수로 도시한 파형도이다. 여기서, Vm1=1.0, Vm3=0.2로 가정하였다.
도8의 파형도에서 알 수 있듯이 3차, 5차, 7차 고조파 전압의 크기가 크게나타남을 알 수가 있다.
3상 평형 시스템의 경우 3의 배수 고조파 전압은 서로 상쇄되므로 5차, 7차 고조파 전압의 크기만 줄일 수 있다면 깨끗한 파형의 새그 전압을 얻을 수 있다.
도9는 점호각()()을 제어했을 때의 기본파 전압의 크기를 보여주는 특성 곡선이고, 도10은 도9의 기본파 전압에 대한 5차 고조파 전압의 크기를 보인 특성 곡선이다.
도9 및 도10에서 알 수 있듯이, 특정 고조파 예로, 5차 고조파의 크기를 최소화시키면서 기본파 전압의 크기를 제어할 수 있음을 알 수가 있다.
즉, 도9와 도10의 특성 곡선에서 제어 궤적이라 표시된 선을 따라 점호각()()를 제어하면 되는 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 전압 스웰을 발생하기 위한 회로 구성을 필요로 한다.
따라서, 전압 스웰 발생을 위해서는 병렬 변압기(610)의 2차측 전압 탭을 4개로 증가시켜 도12의 회로도와 같이 구성할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서 전압 새그 및 스웰 발생 장치는 도12의 회로도에 도시한 바와 같이, 3상 전원선에 병렬 연결되어 5개의 탭 전압(Vm1~Vm5)을 출력하는 변압기(710)와, 3상 전원선에 직렬 연결되어 입력 전원(Va,Vb,Vc)을 부하측으로 출력하는 변압기(720)와, 평상시 입력 전압이 부하측으로 그대로 제공되도록 상기 변압기(720)의 2차측 단자를 단락시키는 바이패스용 스위치(740)와, 상기 변압기(720)의 2차측 단자에 병렬 접속되어 고조파를 제거하는 하모닉 필터(HF ;Harmonic Filter)(750)와, 상기 변압기(710)의 각 출력 탭과 상기 변압기(720)의 2차측 단자 사이에 연결되어 현재 발생시키려는 전압에 따라 턴온되는 반도체 스위치(731~734)를 구비하여 구성한다.
도11은 도12의 회로에서 직렬 변압기(720)의 2차측 단자에 나타나는 출력 전압 파형도로서, 도11(a)는 탭 전압(Vm1,Vm2,Vm3)를 모두 사용하여 3레벨 PWM 제어를 한 경우의 출력 전압 파형도이고, 도11(b)(c)는 원하는 새그 전압의 크기에 따라 탭 전압(Vm1,Vm2)만을 사용하거나 또는 탭전압(Vm2,Vm3)만을 사용하여 도7의 2레벨 PWM과 유사한 제어에 의한 출력 전압 파형도이다.
도11(b)(c)의 출력 전압의 경우 선택되는 전압차가 도7의 파형에 비해서 50% 정도로 작기 때문에 고조파 크기도 도7의 2레벨 PWM에 비해서 50% 정도 줄어들게 된다.
그리고, 도12에서 탭 전압(Vm5)을 선택하기 위하여 스위치(734)를 켜면 직렬 변압기(720)에 의해 입력 전압(Va,Vb,Vc) 보다 큰 스웰 전압이 부하측으로 인가된다.
그런데, 도12에서 다양한 크기의 스웰 전압을 발생시키려는 경우 해당 전압 발생을 위한 탭을 추가하여 구성할 수 있다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 수 사이클에서 수십 사이클 이내의 전압 새그 및 스웰을 발생시키는 장치의 구성을 단순화시킴으로써 다양한 형태의 전력 품질을 경제적으로 시험하고 평가할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 전원선에 병렬 연결되어 센터 탭을 기준으로 임의 개의 탭 전압을 출력하는 제1 변압기와,
    전원선에 직렬 연결되어 입력 전원을 부하측으로 출력하는 제2 변압기와,
    상기 제1 변압기의 각 출력 탭과 상기 제2 변압기의 2차측 단자 사이에 연결되어 현재 발생시키려는 전압에 따라 턴온되는 다수의 스위칭 수단과,
    발생시키려는 전압 크기에 따라 상기 스위칭 수단의 턴온/턴오프를 제어하는 제어부를 구비하여 구성함을 특징으로 하는 전압 새그 및 스웰 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 스위칭 수단은
    GTO(Gate Turn-Off Thyristor) 또는 IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)로 구성함을 특징으로 하는 전압 새그 및 스웰 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제어부는
    전압 크기에 따라 점호각()을 세분화하여 다수의 스위칭 수단의 턴온/턴오프를 제어하도록 구성함을 특징으로 하는 전압 새그 및 스웰 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서, 입력 전압이 그대로 부하측으로 제공되도록 제2 변압기의 2차측 단자를 단락시키는 바이패스용 스위칭 수단을 더 구비하여 구성함을 특징으로하는 전압 새그 및 스웰 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제2 변압기의 2차측 단자에 병렬 접속되어 고조파를 제거하는 하모닉 필터(Harmonic Filter)를 더 구비하여 구성함을 특징으로 하는 전압 새그 및 스웰 발생 장치.
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KR100622352B1 (ko) * 2004-08-27 2006-09-19 노의철 위상 제어가 가능한 전력 품질 외란 발생 장치
CN100369345C (zh) * 2006-05-26 2008-02-13 华北电力大学 串联型电压质量扰动发生装置
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