KR20050036666A - 변압기 병렬결선을 이용한 대전력용 정전압 제어 방법 - Google Patents

Abstract

우리나라에서 전력계통에서 사용하는 주파수는 60Hz이다. 이를 상용주파수라 한다. 상용주파수의 전압을 제어한다는 것은 전압의 크기와 주파수를 제어한다는 의미이다. 일반적으로 상용주파수의 전압의 제어는 어려운 것은 전압이 높고 에너지가 큰 전력이기 때문에 상용주파수의 전압을 제어하는 기술적으로도 쉬운 일이 아니다. 그럼에도 불구하고 주파수가 일정하고 크기가 흔들리지 않는 일정한 고품질의 정전압이 요구되는 것은 정밀전기기기 산업분야, 특히 모터를 사용하는 산업분야뿐만이 아니라 최근의 정밀정보통신사업의 근본이기 때문이다. 또한 전압의 변동률이 심하면 전기기기의 수명이 짧아지고 전등의 밝기가 흔들리는 등 일상생활에도 불편을 초래한다.

현재 전력계통 혹은 고전압 대전력분야에서 사용되고 있는 전압제어방식으로 인버터방식, 배전변압기 수동 탭 절체방식 그리고 초고압변압기에서 사용되는 자동 탭 절환장치가 있는데 제어기가 복잡하고 소자 비용이 비싸고, 크기가 대형이고, 제어가 어려우며 제어기에서 유도작용을 발생하는 등 여러 가지 문제가 발생하게 된다.

본 발명에서는 위의 문제점을 해결하고 전압 품질에 영향을 미치지 않는 제어기가 가능하도록 하기 위해 새로운 개념의 변압기 병렬결선을 이용한 대전력용 정전압 제어 방법을 발명하였다.

Description

변압기 병렬결선을 이용한 대전력용 정전압 제어 방법{omitted}

우리나라에서 전력계통에서 사용하는 주파수는 60Hz이다. 이를 상용주파수라 한다. 상용주파수의 전압을 제어한다는 것은 전압의 크기와 주파수를 제어한다는 의미이다. 일반적으로 상용주파수의 전압제어가 어려운 것은 전압이 높고 에너지가 큰 전력이기 때문에 상용주파수의 전압의 제어는 기술적으로도 쉬운 일이 아니다. 그럼에도 불구하고 주파수가 일정하고 크기가 흔들리지 않는 일정한 고품질의 정전압이 요구되는 것은 정밀전기기기 산업분야, 특히 모터를 사용하는 산업분야뿐만이 아니라 최근의 정밀 정보통신사업의 근본이기 때문이다. 또한 전압의 변동률이 심하면 전기기기의 수명이 짧아지고 전등의 밝기가 흔들리는등 일상생활에도 불편을 초래한다.

현재 사용하는 고전압 전력계통 혹은 고전압분야로 수백 V 이상의 전기기기에 사용하는 전압제어방식을 크게 3가지로 설명한다.

첫째, 단일기기에 주로 사용되는 인버터방식에 의한 제어( 도 2 )

둘째, 배전변압기에 사용되는 1차 수동탭 절환방식( 도 3 )

셋째, 초고압 대용량의 변전소에서 사용되는 자동 탭 절환장치( 도 4 )

전력용반도체 소자 즉, 전력전자소자가 발전하면서 전압제어의 가장 보편적인 장치가 인버터에 의한 방식(도 2)으로 되었다. 인버터에 의한 전압제어기술은 교류전압을 정류하여 직류전압으로 만든 다음 전력전자소자의 스위치 작용에 의해 다시 교류를 만드는 기술이다. 이러한 방식의 전압제어기의 작동원리는 전원( 도2의 4)을 정류( 22)한 후 직류파형을 만들고, 다시 품질이 좋은 직류전원을 만들기 위한 필터(23)을 거친 후, 전력소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )를 게이트 제어기(26)에 의해 제어하여 교류를 만드는 인버터(24)를 구동하고, 인버터에서 만든 전압신호를 다시 좀더 깨끗한 교류전압을 만들기 위해 다시 필터(25)를 거친후 부하(도 2의 3)에 공급하게 된다.

도 2의 인버터방식의 전압제어방식이 갖는 장점은 크게 다음의 두 가지이다.

첫째, 주파수까지도 제어 가능한 장점

둘째, 전압 제어폭이 넓다는 장점

전력전자소자를 사용하여 전압을 제어하는 인버터 방식의 제어에서 갖는 장점이 있는 대신 다음과 같은 단점도 있다.

첫째, 제어기가 복잡하고 소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )비용이 비싸진다. 특히 수십 kVA 이상의 대용량인 경우 소자의 가격과 평활하는데 사용하는 리액터(도2의 L1, L2), 콘덴서(도 2의 C1, C2)가격도 수십만원 대가 된다.

둘째, 제어가 어렵다. 정확한 전압과 주파수를 유지하기 위해서 정확한 제어가 필요하게 된다. 이러한 게이트 제어기(26)는 보통 마이크로프로세서에 의해 제어된다.

셋째, 인버터 제어기(도 2)에 의한 전압제어는 기본적으로 전력전자소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )의 스위치작용을 이용하는 방법로 스위치 동작시 많은 고주파와 고조파가 발생한다. 이러한 고조파의 발생은 통신설비등에 유도작용을 발생시킨다.

넷째, 열이 많이 발생한다. 인버터 제어기(도 2)에 의한 전압제어는 기본적으로 전력전자소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )의 스위치작용을 이용하는 방법로 스위치 동작시 스위칭에 의한 열이 발생한다. 보통 이러한 열의 억제를 위해 방열판 처리를 하고 냉각팬을 부착한다. 열은 전력을 소비하는 것이고 냉각팬도 전력을 소비하는 것이므로 본 방식은 효율이 나빠진다.

다섯째, 대용량이 될수록 고가이다. 현재 전력전자에 의한 전압제어가 단일 전기기기 예를 들면 소형모터를 사용하는 전기기기에는 범용화되리 만큼 많이 사용되고 있고, 크기도 작고 가격도 저렴하게 된다. 그러나 수십 kVA 정도의 전력을 사용하는 전력기기의 경우 가격이 매우 비싸고 제어도 어려워 현실적으로 적용이 용이하지 않다. 다만, 고가라고 하더라도 꼭 필요한 개소에는 일부 사용중에 있으나, 대용량의 전압제어에는 사용이 범용화되지 않고 있고, 특히 전력계통상의 전압제어에는 가격과 고조파 및 고주파 문제등으로 현재 거의 사용이 불가한 실정이다.

전력계통에서 수용가에 정전압을 공급하기 위해 사용하는 전압방식은 크게 변전소 단위에서 사용하는 전압제어 방식( 도 4)과 배전변압기 혹은 주상변압기에서 사용하는 전압 제어 방식(도 3)이 있다. 변전소 단위에서 사용하는 전압방식은 전력을 공급하는 중에도 전압의 제어가 가능한 방식이고 전력도 수백 kVA이상이며, 배전변압기에서 사용하는 방식은 전압의 변동을 위해서는 정전작업이 요구되는 방식이고, 전력도 몇백kVA 이하의 용량이다.

먼저, 배전변압기의 전압제어 방식을 설명한다. 도 3은 주상변압기 혹은 주상변압기에서 사용하고 있는 전압제어방식이다. 도 3에서 전원전압( 도 3의 4와 32)은 변전소의 대형 변압기에서 제공되는 전압이다. 배전변압기에서의 전압제어방식은 배전변압기의 1차측의 권선을 수동으로 변환절체하는 방식이다.

배전변압기 혹은 주상변압기(33)의 1차측 권선(36)에 여러개의 탭(도 3의 34)을 기계적으로 내어 변압기 1차측의 권선비를 변화시켜 변압기 2차측권선(27)의 전압(도 3의 5)을 변화시키는 방식이다. 1차측 권선의 방향이 도3의 L방향이면 배전변압기 2차측 전압( 도 3의 5)가 낮아지고, 반대로 1차측 권선의 방향이 도3의 H방향이면 배전변압기 2차측 전압(도 3의 5)가 높아진다.

이러한 방식의 전압제어방식을 탭절환방식이라하고, 일반적으로 배전변압기에서 가장 많이 사용하는 방식이다. 그러나 이러한 방식에는 다음과 같은 세가지의 문제점이 존재한다.

첫째, 배전변압기(33)에 취부된 1차측의 탭(34)를 절체하는데 정전작업을 요구한다. 그러므로 수용가에 전압을 공급하면서 전압제어를 할수 없다. 탭 절체작업동안 수용가에 정전이라는 불편함을 유발시킨다.

둘째, 배전변압기(33)의 1차측 탭을 절환하는데 위험요소가 존재한다. 즉 사람이 직접 공기구를 사용하여 작업을 해야하므로 위험하다는 점이다.

셋째, 어느 일정한 탭에 연결되어 있는 경우 부하(도 3의 3)가 변동되어 부하에 흐르는 전류가 변화하게 되면 부하단 전압(도 3의 5)이 일정하게 되지 않는다는 점이다. 즉, 부하량에 따라 전압이 변화하게 되어 부하(도 3의 3)에 정전압공급이 불가능하게 된다.

이러한 주상변압기(33)에서 부하(도 3의 3)단에 정전압을 공급하려면 위의 3가지 단점을 개선하는 노력이 필요하다.

전력계통에서 사용하는 전압을 제어하는 또 하나의 장치로 부하상태 자동 탭 절환장치(도 4)에 의한 장치가 있다. 변전소등에 설치되고 전압이 수백 kV이고, 전력이 수십 MVA용의 초고압 대전력용 변압기에서 사용하는 방식으로 현재 많이 사용되고 있다.

이 방식은 발전소에서 발생된 전압을 1차측전압(41)로 받아 전압을 변성하는 작용을 하는 초고압 변압기의 2차측권선(43)의 권선 중간에 리드선을 연결하여 여러 개의 탭을 구성하고 각 탭을 전동방법에 의해서 자동을 조절하는 방식이다.

이 방식의 장점은 크게 두가지로 다음과 같다

첫째, 전력을 공급하면서 전압을 조절 가능하므로 정전을 발생시키지 않는다.

둘째, 자동으로 제어되므로 조작할 때 위험요소가 없다.

그러나 이 방식에도 단점이 있다

첫째, 초고압 변압기(44) 2차측의 OLTC에 존재하는 탭의 수가 20개 정도로 연속적인 전압제어방식이 아니라 단계적으로 제어가능한 방식이다.

둘째, 고가이다. 초고압변압기(44)의 수십% 정도의 비용이 들어가는 고가의 전력방법이다.

셋째, 크기 즉 규모가 대단히 크다. 그러므로 이 전압 방식을 배전변압기(33)의 2차측에 적용하는 것은 무리이다. 가격도 고가여서 배전변압기의 수십배의 가격에 달한다.

현재 이 방식은 변전소에서 사용하는 전 세계적으로 가장 대표적인 전압제어방식이다. 이러한 방식을 순수한 전력전자소자를 사용하여 제어하기에는 기술적으로 경제적으로 불가능하다.

현재 전력계통 혹은 고전압 대전력분야에서 사용되고 있는 전압제어방식으로 인버터방식( 도 2 ), 배전변압기 수동 탭 절체방식 ( 도 3 ) 그리고 초고압변압기(44)에서 사용되는 자동 탭 절환장치(도 4)가 갖는 단점을 보완하는 방법로 다음과 같은 조건을 두고 착안하였다.

첫째, 자동으로 전압이 제어되어야 한다.

둘째, 구조가 간단하여 취급이 편해야한다.

셋째, 가격이 저렴하고 경량이어야 한다.

넷째, 전압품질을 해치지 않아야한다.

본 발명에서는 위의 조건을 만족시키는 제어기가 가능하도록 하기 위해 다음과 같은 현상을 발견하였다. 일반적으로 전력계통 혹은 고전압에서 사용하는 전압에서 전압이 흔들리는 폭은 크지 않다는 점이다. 예를 들어 설명하면 우리나라 가정용으로 공급되는 정격전압은 220V이다. 현재 우리나라 전력계통상황에서 이 220V 전압이 하루에 변동폭은 크게 잡아도 5%이내에 해당한다. 즉, 전압의 변동폭이 적다는 것이다. 그러므로 제어해야하는 전압의 폭도 크지 않다는 것이다. 이러한 원리에서 인버터방식처럼 필요한 전력 용량 전체를 새로 생성할 필요는 없다는 점이다.

일반적인 변압기는 전원과 병렬로 연결하여 전압을 변화시키는 작용을 한다. 도 5는 일반적인 변압기(51) 결선도를 설명하고 있다. 여러 대의 변압기를 운전할 때, 즉 이를 변압기 병렬운전이라 한다. 특성이 같은 변압기를 도 5에서와 같이 입력측의 단자를 병렬로 연결하여 2차측에 부하(도 5의 3)를 걸어 사용하는 것이 일반적인 변압기 결선방법이다. 즉 부하와도 병렬 연결하여 사용하는 것이다.

그런데 이 부하( 도 5의 3)와 직렬로 변압기를 1대 더 사용할 경우, 도 6에서와 같이 부하와 직렬로 변압기를 결선하게 된다. 도 6에서 변압기(51)은 배전변압기로 적용 될 수 있고, 초고압변압기로 적용 될 수 있고, 수용가에서 사용하는 일반 변압기로 적용 될 수도 있다. 도 5에서는 변압기(51)과 부하(도 5의 3) 병렬로 연결되어 있다. 이 결선에서 부하(도6의 3)와 변압기(도 6의 51) 사이에 제어 변압기(56)를 부하(3)와 직렬로 연결한다. 그리고 2차측에는 일반적으로 사용하는 유접점 스위치(57)을 연결한다. 이 상태에서 부하전류(도 6의 6)을 일정하게 하고 유접점 스위치(57)를 닫았을 때와 열였을 때 제어변압기(56)의 1차측전압(Vc)과 부하단 단자전압(VL, 도 6의 5)을 측정한다. 이때의 현상을 다음과 같다.

첫째, 유접점 스위치(57)를 열었을 때, 변압기(도 6의 T1, 51)에서 공급하는 전압(Vt)중 대부분이 제어변압기 1차측(Vc, 56)에 걸리고, 부하단전압(VL, 도 6의 5)은 매우 적은 값이 된다. 이때 제어변압기(56) 2차측에서는 전류가 흐를 수 없다.

둘째, 유접 스위치(67)를 닫았을 때, 변압기(도 6의 T1, 51)에서 공급하는 전압(Vt) 중 대부분은 부하단전압(VL, 도 6의 5)이 되고, 제어변압기 1차측(Vc, 58)에는 거의 전압이 걸리지 않는다. 이때 제어변압기(56)의 2차측의 스위치에는 제어변압기(56)의 변압비에 반비례하는 전류가 흐른다.

이러한 시험결과는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

첫째, 제어변압기(56)를 부하(도 6의 3)와 직렬로 연결하면 부하단 전압(도6의 5)을 제어할 수 있다. 결국 제어변압기(56) 2차측의 전류에 따라 제어변압기 1차측의 전압이 변한다.

둘째, 제어변압기(56)의 2차측의 전류를 제어하면 부하단 전압(VL, 도6의 5)를 큰 폭으로 제어할 수 있다. 그러나 큰 폭으로 부하단 전압(VL, 도6의 5)을 제어하려면 제어변압기의 용량이 일반적인 변압기(51)의 용량과 같은 크기가 같아야 한다. 결국 전압의 제어폭을 크게 하려면 제어변압기의 용량도 커져야 한다는 것이다. 그러나 일반적으로 전력계통에서 전압의 변동폭이 크지 않으므로 제어변압기의 용량이 적어도 된다는 결론에 도달한다. 즉, 제어하고자 하는 전압의 변동폭이 10%이면 제어변압기(56)의 용량은 일반적인 변압기(도 6의 51) 용량의 10%가 된다. 그러므로 적은 용량의 변압기로 대용량의 전압을 제어할 수 있다는 중요한 결론에 도달한다. 이러한 현상과 실험결과가 본 발명의 착안점이다.

여기서 제어변압기(도 1의 56)의 2차측 전류(77)를 편리하게 제어하는 방법는 다음과 같다. 정전압제어의 대상은 부하단전압(도1의 5)이다. 즉, 전원(도 1의 71)이 변화여도, 혹은 부하(도1의 3)이 변화하여 부하전류(도 1의 6)가 변하여도 부하단 전압(도1의 5)이 일정하게 되는 것을 의미한다.

어떠한 원인에 의해 부하단 전압(도1의 5)이 크게 되면 제어변압기 1차측전압강하(도1의 58)를 크게하여 부하단 전압을 감소시켜 일정하게 유지토록하고, 부하단전압(도1의 5)이 적게되면 제어변압기 1차측전압강하(도1의 58)도 적게하여 부하단 전압(도1의 5)을 일정하게 유지할 수 있다. 이러한 방법가 본 발명의 착안사항이며, 이러한 동작을 위해 일반변압기를 부하(도1의 3)와 직렬로 연결하여 제어변압기(도1의 56)로 사용한다.

부하단 전압(도1의 5)을 일정하게 하는 방법에 대해 설명하면, 부하단 전압(도1의 5)이 증가하면 제어변압기 1차측 전압(도1의 58)을 증가시켜 부하단 전압(도1의 5)을 낮추어 일정하게 유지하면 된다. 부하단 전압(도1의 5)이 감소하면 제어변압기 1차측전압(도1의 58)을 감소시킴으로서 부하단 전압(도 1의 5)을 증가시켜 일정하게 유지하도록 할 수 있다. 결국 부하단전압(도1의 5)을 일정하게 유지하려면 제어변압기(도1의 56)의 1차측전압 (도1의 58) 증감시켜면 가능하고, 제어변압기(도1의 56)를 증감시키려면 제어변압기 2차측 전류(도1의 77)를 증감시키면 가능하다. 즉, 제어변압기 1차측전압(도1의 58)을 증가시키려면 제어변압기의 2차측전류(도1의 77)를 감소시키면 되고, 제어변압기의 1차측전압(도1의 58)을 감소시키려면 제어변압기 2차측전류(도1의 77)를 증가시키면 된다.

결국, 제어대상 전압인 부하단 전압(VL, 도1의 5)을 일정하게 제어하려면 제어변압기의 2차측전류(Ic2, 도1의 77)를 증감시키면 된다. 그러므로 제어변압기(56) 2차측전류(Ic2, 도1의 77)을 제어하는 것이 부하단 정전압 제어가 전압제어가 된다는 결론에 도달한다.

이제 제어대상인 제어변압기의 2차측 전류(Ic2, 도1의 77)를 제어하는 방법에 대해서 설명한다. 이를 위해 구조적으로 3가지의 방법를 조합하여 사용한다.

첫째, 부하와 직렬로 연결하는 제어변압기(도1의 56)의 2차측에 다수의 탭( 도1의 S1, S3, S4, S5)을 두어 2차측에 유기되는 전압의 크기를 변경할 수 있도록 했다. 이 탭의 조정은 탭 제어용 전력전자 스위치부(도1의 73)를 두어 'on', 'off' 제어를 행할 수 있도록 하였다.

둘째, 부하로 사용하는 콘덴서군(도1의 74)를 두고 콘덴서 각각을 개별제어할 수 있도록 했다. 여기서 콘덴서 제어는 두 가지로 수행한다. 한 가지 방법는 'on', 'off'제어만 행하는 제어부분(도 1의 75)으로 각각의 콘덴서가 전부 부하에 연결되어 각각의 용량으로 작용하고, 다른 한 가지 방법는 위상제어(도 11)가 가능한 콘덴서 제어용 위상제어 전력전자스위치부(76)로 콘덴서용량을 미세하게 제어할 수 있도록 했다. 이렇게 함으로서 제어변압기 2차측전류가 계단적으로 작용하지 않고 부드럽게 작용하도록 하였다.

셋째, 제어변압기(56)로 승압변압기를 사용한다. 즉, 제어변압기 2차측의 전압(78)이 1차측의 전압보다 높은 변압기를 사용하는 것이다. 이렇게 함으로서 2차측의 전류(77)가 적어 전력전자소자의 크기가 작아지고, 열도 적게 발생하고, 가격도 저렴하게 된다.

제어변압기(도1의 56)의 2차측 전류(도1의 77)를 증감제어하기 위한 부하로서 콘덴서(74)를 사용하였다. 콘덴서(74)를 사용하는 경우 이유는 다음과 같은 세가지의 장점을 가지기 때문이다.

첫째, 콘덴서(74)가 용량성으로 작용하므로 전력을 소비하지 않는다.

둘째, 일반적으로 전력계통에서 사용하는 부하는 유도성이므로 역율 개선의 효과가 있다.

셋째, 제어변압기(56) 1차측에 침입하는 서지는 제어변압기(56)를 쉽게 통과하게 되므로 2차측의 콘덴서(74)가 이를 흡수하여 부하로 서지가 침입하는 것을 차단하여 부하단을 보호할 수 있다.

본 발명의 목적은 부하단에 걸리는 전압을 일정하게 유지하는 것이다.

우선 하드웨어구조는 도 7에서 설명한다. 본 전압제어기의 목적인 부하단전압(도7의 5)를 일정하게 제어하기 위해서 제어변압기(도7의 56) 2차측전류(도7의 77)를 제어해야한다. 이러한 제어를 위해 4가지의 아날로그 정보를 주제어기(도7의 87)로 받아들인다.

첫째, 전원전압(Vac, 도 7의 71)을 제어기(87)로 읽어들이기 위한 변환기(도 7의 88)

둘째, 부하단 전압(VL, 도7의 5)을 제어기(87)로 읽어들이기 위한 변환기(도 7의 89)

셋째, 제어변압기 2차측 전압(Vc2, 도7의 78)을 제어기(87)로 읽어들이기 위한 변환기(도 7의 90)

넷째, 제어변압기 2차측 전류(Ic2, 도 7의 77)를 제어기(87)로 읽어들이기 위한 변환기(도 7의 91)

일정전압 제어를 위해 필요한 위의 4가지 정보는 주제어기(도 7의 87)에 전달되어 다음의 4가지 부분의 제어를 위한 신호발생에 사용된다.

첫째, 주제어기(87)에 문제가 있거나 전압제어변압기(도7의 56)의 2차측이 개방될 경우 제어변압기 2차측을 'CLOSE'시키기 위한 보호접점(72)을 동작시키는 1bit 제어기( 도 7의 82) 신호발생

둘째, 제어변압기(56)의 2차측에 여러개의 탭이 존재할 경우, 각각의 탭을 선택하는 스위치군(도 7의 73)을 제어하는 제어기( 도7의 83) 신호발생

셋째, 제어변압기(도 7의 56) 2차측에 연결되어 2차측 전류(도 7의 77)를 증감시키는 역할을 하는 콘덴서중 'ON', 'OFF' 제어(도 10)만을 수행하는 콘덴서 스위치군(도 7의 75)을 제어하는 제어기(도 7의 84)의 신호발생

넷째, 제어변압기(도 7의 56) 2차측에 연결되어 2차측 전류(도 7의 77)를 세밀하게 증감시키는 역할을 하는 콘덴서중 위상제어(도 11)를 수행하는 콘덴서 스위치군(도 7의 76)을 제어하는 제어기(도 7의 86)의 신호발생

다음은 이러한 제어를 가능하게 하는 소프트웨어에 대해서 설명한다. 위에서 언급한 4가지의 제어신호발생을 위한 알고리즘은 주제어기(도 7의 87)에서 수행되며 마이크로프로세서로 구성한다.

알고리즘의 설명을 편리하게 하기 위해 여기서 단계(step)을 정의하자. 도 1에서 제어변압기(도1의 56)의 2차측 탭은 4개(도1의 S1, S3, S4, S5)이다. 이에 대응되는 스위치는 도 1에서 Q1, Q2, Q3, Q4이고 게이트는 G1, G2, G3,G4 이다.

또한 콘덴서 제어용 전력전자 스위치부(76)는 도 1에서 Q5, Q6, Q7, Q8이고, 이에 대응되는 게이트는 G5, G6, G7, G8이다.

그리고 정밀제어를 위한 위상제어방식의 Q9스위치와 게이트 G9,G10이 있다.

탭스위치부(도 1에서 73)와 콘덴서 스위치부(도1의 74)만으로 경우의 수를 만들면 4 ×4 =16으로 16개의 경우에 수가 된다. 이를 step으로 정의하자.

표1과 도1에서 보는 바와 같이 step을 증가시키면 도 1의 제어변압기 2차전류(Ic2, 77)가 감소하고, 제어변압기 1차전압(Vc, 58)증가하므로 부하단전압(VL, 도1의 5)이 감소한다. 반대도 성립하므로 step에 의해 부하단전압(도1의 5)가 제어된다.

결론적으로 부하단자전압(도1의 5)을 적게 하려면 제어변압기(56) 1차측 전압을 증가시켜야 하므로 step을 증가시킨다. 또한 부하단자전압을 크게 하려면 제어변압기(56) 1차측 전압을 감소시켜야 하므로 step를 감소시킨다. 즉, step 수의 증가는 부하단자전압(도1의 5)의 감소이다.

도 8은 도 1에서의 부하단 전압(VL)을 정전압으로 제어하기 위한 제어알고리즘 순서도 이다. 주제어기(87)가 동작을 시작하면 프로그램상( 표 1 )에서 정의된 step을 메모리에서 불러들이고, 사용자가 원하는 정전압 수치를 기억한다. 그 후 외부에서 전원전압정보(도 1의 71), 부하단 전압(VL), 제어변압기(도1의 56)의 2차측 전압(도1의 78), 제어변압기의 2차측전류(도1에서 77)를 A/D 변환한다. 부하단자전압(도1에서 5)과 사용자가 원하는 정전압수치(도8에서 V_LD)와 비교하여 부하단자전압(도1에서 5)이 크면 스텝을 상승시키고, 정밀하게 전압을 제어하기 위해 위상제어(도1에서 76)을 행한다. 반대로 부하단자전압이(도1에서 5)가 작으면 스텝을 하강시키고 정밀제어를 위해 위상제어(도 1에서 76)을 행한다.

여기서 전압제어방식은 기본적으로 step를 가변하여 단계적으로 변압기 1차측의 전압강하를 제어한다. 이렇게 되면 전압이 단계적으로 제어되기 때문에 정밀한 제어가 어렵다. 이러한 전압제어는 스위치부(도 1의 73, 75)에 의해서 스위치제어를 행하게 된다. 이러한 제어방식은 도 10에서 설명하고 있다. 여기서는 부하가 순수하게 저항부하로 하고 설명하였다. 도 10에서 보는 바와 같이 순수한 스위치처럼 작용한다.

전압이 단계적으로 제어되는 것을 보완하는 방법로 도1의 76에서 위상제어(도 11)를 수행하여 단계적으로 변하는 전압을 직선적(96)으로 변화하도록 한다. 도 11에서 위상제어를 설명하고 있다. 여기서도 순수한 저항부하로 설명하고 있다. 도 11에서 보는 바와 같이 전압파형중 어느 특정부의 위상에서 스위칭 동작을 수행하는 것이다.

.

전력계통에서 사용하고 있는 전압을 제어함에 있어 기존의 교류전원을 전력소자의 스위칭 동작에 의해서 만드는 인버터방식(도 2)과 변압기 탭을 조절한 방식(도 3)과는 달리 본 발명에서는 부하와 직렬로 일반적으로 사용하는 변압기를 연결하고 이 변압기의 2차측의 전류를 제어함으로서 변압기 1차측의 전압강하를 일으키는 구조를 갖도록 하고 있다. 이러한 구조의 전압제어방식의 장점은 다음과 같다.

첫째, 대전력용의 전압제어에도 사용가능하다. 대전력 변압기의 경우 제어하고자 하는 전압의 폭이 크지 않으므로 본 발명의 방법가 적용될 수 있다. 예를 들면 10kVA, 220V 공급변압기에서 제어하고자 하는 전압 폭이 5%라면 본 발명에서 사용하는 제어변압기의 용량은 다음과 같이 정해진다.

jdrur 220V, 10kVA용량의 부하에서 제어 전압폭이 5%이면 제어전압은 11[V]이다. 최대부하에서 제어변압기 1차측에 흐르는 전류는 45.45[A]이다. 그러므로 제어변압기의 용량은 약 500[VA]이다. 공급변압기의 5%에 해당한다. 즉 10kVA의 대용량변압기의 5%전압제어를 위해서 500[VA]의 소형 변압기가 사용된다는 것이 본 발명의 큰 장점이다. 본 방법는 수백 kVA에서도 사용가능하다. 원하는 전압제어폭이 작으면 소형, 경량의 제어기 구성이 가능해진다. 또한 저전압에서는 광범위의 정밀 전압제어가 가능해진다.

둘째, 원하는 정전압이 자동으로 제어된다. 현재 전력계통에서 사용하는 방법는 기계적인 접점을 수동 혹은 자동으로 제어한다. 그러므로 수명과 동작기구가 복잡하다. 본 발명은 마치 기계적인 접점과 같이 동작하면서도 실제로는 전력전자스위치로 동작한다.

셋째, 역률이 개선된다. 본 제어기에서 사용하는 제어변압기(도1의 56)는 2차측 부하로 콘덴서를 사용하므로 역률 개선효과가 있다. 등가회로 상으로 설명하면 선로에 콘덴서를 연결한 것과 같이 작용한다.

넷째, 전력품질을 저해하지 않는다. 일반적으로 사용하는 인버터방식(도 2)과 자동 탭절환장치(도 3)는 동작순간에 고조파가 발생한다. 본 발명의 경우 고전적은 방법의 변압기를 사용하므로 전력품질에 저해하지 않는다. 또한 통신장애를 일으키지 않는다.

다섯째, 저가, 경량제품이 가능하다. 특히 전압제어폭이 적은 경우에는 제어변압기(56)도 소형이 된다. 특히 제어변압기(56)를 승압형을 사용함으로서 2차측이 전력전자 스위치소자가 저가형으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 현상은 일반적으로 사용하는 전력전자 스위칭소자는 고전압에 잘 견디는 특징이 있고, 전류가 적으면 저가가 된다. 이러한 스위칭소자의 특징과 본 발명의 제어변압기를 승압형을 사용하는 것이 잘 일치된다.

여섯째, 3상으로의 확대가 용이하다. 단상의 1선을 제어하므로 3상의 각상에 개별적으로 적용되므로 3상으로의 확대가 용이하다.

일곱째, 서지의 흡수효과가 있다. 전원단에서 서지가 발생하는 경우 제어변압기 2차측에 콘덴서가 서지를 흡수하여 부하에 서지가 침입하는 것을 방지한다.

여덟째, 부하에 일정전압을 유지 가능하므로 부하의 동작에 무리가 없는 한 다소 낮은 전압으로 제어하여 공급하는 경우 절전효과가 있다.

아홉째, 부하의 성격에 관계없이 정전압공급이 가능하다. 전압강하를 고전적인 변압기를 이용하기 때문에 부하가 전등과 같은 저항성, 아크등과 같은 용량성, 모터와 같은 유도성, 어떤 부하성격에서도 정전압제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 정전압 제어 방법의 대표도

도 2는 전압제어의 한 방식인 인버터를 설명하기 위한 구조도

도 3는 전력계통에서 사용하는 주상변압기 혹은 배전변압기의 전압제어 설명도

도 4는 변전소에서 사용하는 대용량 변압기의 전압제어 설명도

도 5는 일반적인 변압기 결선도

도 6은 변압기를 이용한 전압강하 설명도

도 7은 본 발명의 정전압 제어 방법을 설명하기 위한 제어도

도 8은 본 발명을 설명하기 위한 제어알고리즘 순서도

도 9는 step과 제어변압기 1차측 전압강하 설명도

도 10은 스위치 제어에 대한 설명도

[ 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ]

1. 2. 부하단의 단자

이 두단자 사이에 인가되는 전압을 일정하게 제어하는 것이 정전압의 목적이다. 또한 이 두단자 사이의 전압을 일정하게 하고 주파수를 안정하게 하는 것이 정전압 제어이다.

3. 부하

일반적으로 전기적인 관점에서 부하이다. 가정 혹은 산업용으로 사용하는 모든 전기기기 및 전기제품은 부하에 해당한다. 부하는 전등과 같은 저항성부하( 동상 부하)와 모터와 같은 유도성 부하(지상부하), 방전 혹은 콘덴서와 용량성 부하(진상부하)로 나누어진다. 여기서 동상부하라는 것은 전압과 전류의 위상이 일치하는 것을 말하고, 지상부하는 전류가 전압의 위상을 기준으로 할 때 90도 늦은 것을 말하고, 진상부하는 전류가 전압을 기준으로 할 때 90도 앞서는 것을 말한다.

4. 전원

전기사업자가 공급하는 전원을 의미한다. 전기적으로 무한대의 에너지를 공급하는 것을 의미하고, 내부임피던스가 '0'인 것을 이상적인 전원이라 한다.

5. 부하단 전압

부하(3)에 걸리는 전압을 말한다. 본 발명에서 정전압제어란 여기서 언급하는 부하단 전압을 일정하게 하는 것을 말한다. 정전압제어란 부하단에 걸리는 전압의 크기를 일정하고 주파수가 일정하게 하는 것이고, 이러한 조건은 부하(3)의 성격이 저항성, 용량성, 유도성으로 변동하여도 전압크기와 주파수가 일정하게 유지되는 것을 말한다.

6. 부하전류

부하(3)에 공급되는 전류

22. 정류부

교류전원을 직류전원으로 바꾸어주는 기능을 수행하는 부분으로 정류소자인 다이오드 4개로 구성된다. 정류부의 다른 표현으로 컨버터라고 한다. 여기서의 회로를 전파정류회로하고 한다. 교류전원을 직류전원으로 변환하는 것을 정류라 한다.

23 평활필터

상기 22의 정류부에서 정류된 전압파형을 완전한 직류가 아니라 교류성분은 갖는 파형이 된다. 이러한 파형을 '맥동성분을 갖는다'라고 하고, 리액터(도 2의 L1)와 콘덴서(도 2의 C1)에 의해서 좀더 직류에 가까운 전압파형이 된다.

24 인버터

상기의 평활필터를 거친 직류전압으로 다시 원하는 주파수와 원하는 크기의 전압을 만드는 인버터 부분이다. 전력전자소자의 스위치작용에 의해 새로운 교류전원을 만든다.

25 평활회로

전력전자소자를 이용하여 만든 AC 전압은 많은 고조파 및 고주파를 함유하고 있어 이러한 고조파 및 고주파를 부하에 인가하면 소음, 통신장애등의 문제점을 발생한다. 그러므로 이러한 고조파와 고주파를 제한하기 위한 필터를 사용한다.

26 게이트 제어회로

상기 24의 인버터에 사용되는 전력전자소자의 스위치 작용을 하는 부분으로 전압 및 주파수를 제어하는 부분에 해당한다. 보통 마이크로프로세서로 제어되는 것이 보통이다. 또한 제어전원으로 절연전원을 사용하여 각각의 전력전자소자의 동작을 확실하게 보장하게 된다. 그러나 이러한 절연전원을 제작하는데 많은 비용이 든다.

31. 절환 TAP

배전변압기 혹은 주상변압기(33)의 1차측 권선(36)에 여러개의 탭(도 3의 34)을 기계적으로 내어 변압기 1차측의 권선비를 변화시켜 변압기 2차측 권선(27)의 전압(도 3의 5)을 변화시키는 위함이다.

32. 주상변압기 혹은 배전변압기 1차전압

이 전압은 변전소에서 공급되는 전압이다.

33. 배전변압기, 혹은 주상변압기

전력계통에 연결된 변전소에서 전력을 공급받아 일반 수용가 및 가정에서 사용하는 저압으로 강압시키는 작용을 하는 변압기를 말한다. 우리나라에서는 1차측전압이 선간전압기준 공칭전압으로 22.9[kV]이고 2차측은 수용가에 공급되는 전압으로 전압은 220[V]이다.

34. 탭(TAP)

가정이나 일반 전력수용가에 일정전압을 공급하기 위해 배전변압기(33)의 1차권선에 여러 개의 연결점을 내어 이를 수동적으로 변화시킴으로서 2차측의 전압(도 3의 5)을 일정하게 유지하기 위한 기계적, 전기적 구조이다.

35. 탭(34) 절환방향

탭을 도 3의 L방향으로 접속하면 배전변압기(33) 2차측의 전압(도 3의 5)이 저하하고, 탭을 도 3의 H방향으로 접속하면 배전변압기(33) 2차측의 전압(도 3의 5)이 상승한다.

36. 배전변압기(33) 1차측 권선

37. 배전변압기(33)의 2차측 권선

41. 변전소에서 사용하는 초고압변압기(44)의 1차측 전압

42. 초고압변압기(44)의 1차측 권선

43. 초고압변압기(44)의 2차측 권선

44. 변전소 등의 전력계통에서 사용하는 초고압변압기

주로 1차측 전압이 수백 kV 이상이고 용량이 수십 MVA로 대용량 변압기에 해당한다.

45. 자동 탭절환장치

초고압변압기(44)의 2차측에 설치된 탭을 전력을 공급하는 상태에서 탭절환을 수행할 수 있는 자동 탭 절환장치(OLTC: On Load Tap Changer)이다.

46. 초고압변압기의 2차측 전압

47. 초고압변압기의 2차측 출력단자

이 단자는 전선으로 연결되어 배전변압기(33)의 1차측 전압으로 사용된다.

51. 일반적인 변압기

일반적인 변압기로 여러 대의 변압기를 사용할 때 즉, 병렬운전 할 변압기는 동일한 내부특성을 갖는 변압기를 병렬로 사용한다.

52. 본 발명에서 제안하는 제어변압기의 1차측 단자(P1)

53. 본 발명에서 제안하는 제어변압기의 1차측 단자(P2)

54. 본 발명에서 제안하는 제어변압기의 2차측 단자(S1)

55. 본 발명에서 제안하는 제어변압기의 2차측 단자(S2)

56. 제어 변압기

본 발명에서 제안하는 전압제어 변압기로 부하와 직렬로 연결되어 사용된다.

57. 일반 유접접 스위치

제어변압기(56)의 극단적인 시험을 위한 일반 스위치

58. 제어변압기(56)의 일차측에 걸리는 전압(Vc)

71. 전원

이 전원은 제어하고자 하는 전압에 따라 달라진다. 제어전압이 초고압변압기(44)의 2차이면 본 전원은 초고압 변압기(44) 1차측전압이 되고, 제어전압이 배전변압기(33)의 2차측이면 본전원은 배전변압기(33)의 1차측이 되고, 제어전압이 수용가 전압이 되면 본 전원은 배전변압기 2차측 전압이 된다.

72. 기계적 계전기 'b' 접점

기계적 접접으로 제어기에 이상이 생기면 'b'접접으로 복귀하여 제어변압기(도 6의 56)의 동작을 중지시킨다.

73. 탭 제어용 전력전자 스위치부

제어변압기(도 1의 56)의 2차측에 여러개의 탭을 내어 제어변압기(도 1의 56)의 2차측전류( 도 1의 77)를 폭넓고 세밀하게 제어하기 위한 전력전자 스위치. 소프트웨어에 의해서 제어된다. 이 스위치는 'on', 'off' 제어(도 10)만을 담당한다.

74. 콘덴서 군

제어변압기( 도1의 56)의 1차측 전압강하(도1의 58)를 제어하기 위해 제어변압기의 2차측 전류(도 1의 77)를 제어해야하는데 이러한 전류를 가변시키는 부하로 사용한다. 제어변압기(도 1의 56)의 부하로 콘덴서를 이용하는데는 두가지의 이유가 있다. 일반적으로 부하는 유도성이므로 역률을 개선하는 효과와 저항성부하가 아니기 때문에 전력을 소비하지 않는다는 효과가 있다.

75. 콘덴서 제어용 전력전자 스위치부

콘덴서의 용량을 가변하여 제어변압기(도 1의 56)의 2차측전류(77)를 제어하기 위해 사용하는 전력전자 스위치부로 'on', 'off' 제어(도 10)만을 담당한다.

76. 콘덴서 제어용 위상제어 전력전자 스위치부

상기 75의 스위치는 'on', 'off' 제어만을 담당하므로 제어변압기(도1의 56)의 2차측 전류(도 1의 77)은 계단적인 형태로 제어된다. 이러한 계단적인 증감을 부드러운 형태의 마치 아날로그 제어와 같이 되도록 위상제어(도 11)를 실현하기 위한 스위치

77. 제어변압기(도 1의 56)의 2차측전류

이 전류를 제어하면 반비례적으로 제어변압기의 1차측전압 즉 전압강하(도1의 58)가 변화하게 된다. 즉 정전압이 요구되는 곳인 부하단 전압(도1의 5)을 일정하게 하기 위해 Vc(도 1의 58)을 제어하면 된다. 다시 Vc를 제어하려면 제어변압기 2차측전류(77)을 제어하면 되고, 2차측전류는 콘덴서(74)를 제어하는 스위치류(73, 75,76)을 제어하면 가능하다.

78. 제어변압기(도1의 56)의 2차측 전압

이 전압을 다양화하기위해 제어변압기(도1의 56) 2차측에 다수의 탭을 마련하였다.

81. 변류기

제어변압기(도 7의 56) 2차측 전류를 검출하기 위한 전류센서

82. 보호접점을 제어하기 위한 1 bit 제어기

83. 제어변압기 2차측의 다중 탭을 스위치하는 스위치군(도 7의 73)을 제어하는 제어기

84. 제어변압기 2차측 부하로 사용되는 콘덴서를 스위치하는 스위치군(도 7의 75)을 제어하는 제어기

86. 제어변압기 2차측의 여러 콘덴 서중 1개를 골라 정밀 위상제어를 하는 스위치(도7의 76)를 제어하는 제어기

87. 전체시스템을 제어하는 주 제어기

88. 전원전압(도 7의 71)을 주 제어기(87)로 받아들이기 위해 디지털 신호화하는 아날로그-디지털 변환기

89. 제어변압기(도7의 56) 1차측의 전압강하(도 7의 58)를 주제어기(87)로 받아들이기 위해 디지털 신호화하는 아날로그-디지털변환기

90. 제어변압기(도7의 56)의 2차측전압(도7의 78)을 주제어기(87)로 받아들이기 위해 디지털 신호화하는 아날로그-디지털 변환기

91. 제어변압기(도7의 56)의 2차측전류(도7의 77)를 주제어기(87)로 받아들이기 위해 디지털 신호화하는 아날로그-디지털 변환기

95. step과 위상제어를 사용한 경우의 step에 대한 제어변압기 1차측 전압강하 곡선

96. 위상제어에 의해서 제어변압기의 1차측 전압강하가 제어되는 부분

97. 스위치의 'on', 'off' 제어에 의해서 제어변압기의 1차측 전압강하가 제어되는 부분

Claims (10)

1. 실제로 전력계통에서의 전압제어는 정격전압이 수%의 전압제어만이 필요하다는 점에 착안하고, 일반적으로 사용하는 변압기(이하 제어변압기)를 부하와 직렬로 연결하여 사용하면 제어변압기 2차측의 전류를 제어하면 1차측의 전압강하가 변한다는 사실에 착안하여 전력계통에서의 부하전압( 도1의 5)을 일정하게 제어함에 있어;

   부하( 도1의 3)와 일반적인 변압기를 제어변압기(도1의 56)로 사용하고, 이 제어변압기를 부하와 직렬로 연결하는 스텝;

   제어변압기(도1의 56)의 2차측에 탭(도1의 S1, S3, S4, S5)을 내고, 제어변압기의 부하로 여러 개의 콘덴서(도1의 74)를 제어변압기 부하로 하는 스텝;

   제어변압기(도1의 56)의 2차측 탭과 2차측의 부하를 여러 개의 콘덴서를 사용하고 제어변압기의 2차측전류(도1의 77)를 제어하기 위해 전력전자소자를 탭 절환 스위치(도1의 73)로 사용하고, 전력전자소자를 콘덴서 제어스위치(도1의 75)로 사용하고, 2차전류를 정밀제어하기 위해 위상제어 스위치로 전력전자스위치(도1의 76)를 사용하는 스텝;

   을 특징으로 하는 정전압 제어 방법
2. 제 1 항에 있어서,

   부하단 전압(도1의 5)을 일정하게 제어함에 있어, 제어변압기(도1의 56)를 부하와 직렬로 연결하고 변압기 2차측의 전류(도 1의 77)를 증가 혹은 감소하도록 제어하여 변압기 1차측의 전압강하(도 1의 58)를 제어함으로서 부하에 공급되는 전압(도1의 5)을 일정하게 유지하는 정전압 제어 방법,
3. 제 1 항에 있어,

   제어변압기(도1의 56) 2차측의 부하로 유효전력을 소비하지 않으면서 무효전력을 보상하는 기능을 갖는 콘덴서(도1의 74)를 사용하여 제어변압기 2차측의 전류( 도 1의 77)를 제어함으로서 제어변압기 1차측의 전압강하( 도 1의 58)를 제어하는 정전압 제어 방법
4. 제 1 항에 있어

   제어변압기( 도 1의 56) 2차측의 콘덴서(도1의 74)에 흐르는 전류( 도 1의 77)를 연속적으로 가변할 수 있는 방법으로 변압기 2차측에 다수의 탭( 도 1의 S1, S2, S4, S5)으로 구성하여 전력전자스위치( 도 1의 77)로 무접접제어하고, 이와 동시에 다수의 콘덴서( 도 1의 74)를 설치하고, 이를 전력전자 스위치( 도 1의 75)로 무접접제어하여, 제어 변압기( 도1의 56) 2차측의 전류( 도 1의 77)를 다단으로 제어하여, 변압기 1차측의 전압강하( 도 1의 58)를 제어하여 부하단 전압( 도 1의 5)을 일정하게 제어하는 제어방법
5. 제 1 항에 있어

   제어변압기( 도 1의 56) 2차측에 다수의 탭( 도 1의 S1, S2, S4, S5)과 다수의 콘덴서( 도 1의 74 )를 설치하여 이를 전력전자스위치( 도1의 73과 75)로 제어하여 변압기 2측의 전류를 제어함에 있어, 다수의 콘덴서중 한 개의 콘덴서의 제어는 위상제어( 도 11)하여 제어변압기 2차측의 전류(도 1의 77)제어를 미세하게 할 수 있는 정전압 제어 방법,
6. 제 1 항에 있어,

   부하( 도 1의 3)와 직렬로 연결하여 전압강하 기능으로 사용하는 제어변압기( 도 1의 56)를 1차측 전압보다 2차측 전압이 높은 승압기를 사용하여 일정한 전력이 제어변압기에 유입될 때, 2차측의 전류를 작게 하여 전력전자스위치( 도 1의 73, 75,76)가 제어할 전류를 작게하여 제어가 편하고, 소자에서의 발열이 작고, 가격이 저렴한 구조로 제어변압기 2차 전류( 도 1의 77)의 제어가 가능한 정전압 제어 방법
7. 제 1 항의 특징을 갖는 정전압 방법를 이용하여 전력계통에 사용하는 주상변압기의 전압을 제어하는 방법
8. 제 1 항 의 특징을 갖는 정전압 방법를 이용하여 일반 가정용 전력과 및 산업용 전력의 전압을 정전압으로 제어하는 방법
9. 제 1 항의 특징을 갖는 정전압 방법를 이용하여 저손실로 이루어지는 전압강하를 이용하여 가정용 전압을 일정하게 낮추어 절전의 효과를 갖는 정전압 제어방법
10. 제 1 항의 특징을 갖는 정전압 방법를 이용하여 변압기 2차측에 사용한 콘덴서를 전압보상용 혹은 위상보정용을 이용하는 무효전력 보상방법