KR20080017031A - 멀티 레벨 액티브 필터 - Google Patents

멀티 레벨 액티브 필터 Download PDF

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KR20080017031A
KR20080017031A KR1020077029193A KR20077029193A KR20080017031A KR 20080017031 A KR20080017031 A KR 20080017031A KR 1020077029193 A KR1020077029193 A KR 1020077029193A KR 20077029193 A KR20077029193 A KR 20077029193A KR 20080017031 A KR20080017031 A KR 20080017031A
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무꿀 라스토기
피터 더블유. 하몬드
스탠 알. 심스
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지멘스 에너지 앤드 오토메이션 인코포레이티드
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Abstract

다중 위상 액티브 필터는 3 위상 구성으로 전기적으로 연결된 일 그룹의 전력셀, 선충전 회로, 및 복수의 전력셀에 전달되는 전압을 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 각 전력셀은 한쌍의 직류(DC) 단자를 가진 인버터, 상기 인버터와 병렬로 전기적으로 연결된 적어도 하나의 커패시터, 및 상기 인버터와 병렬로 전기적으로 연결된 에너지 소산 회로를 포함한다. 각 전력 셀의 상기 에너지 소산 회로는 상기 셀내의 DC 전압을 자가 조정한다.
액티브 필터, 위상, 직렬, 전력 셀, 전원, 공통 결합 포인트, 로드,직류, 인버터, 에너지 소산 회로

Description

멀티 레벨 액티브 필터{MULTI­LEVEL ACTIVE FILTER}
액티브 필터는 주파수에 대해 신호의 진폭 및/또는 위상 특성을 변조하는 디바이스로서, 이는 상대적으로 낮은 주파수의 신호를 증폭하기 위한 증폭 디바이스를 포함한다. 액티브 필터는 전원과 로드 사이에 전기적으로 배치되고, 고조파 전류와 저전력 팩터에 의해 도입된 전력의 질의 문제를 경감하는 것을 도울 수 있다.
현재 산업적 응용분야에 대한 액티브 필터의 해결안은 낮은 정격전압에서 가용하다(즉, 690 볼트 이하). 그러나, 1000 볼트 이상의 전압레벨에서 기존의 액티브 필터에 대한 해결안은 상당한 단점을 가지고 있다. 예를 들면, 유틸리티 전압의 작은부분에 대해 규격화된 인버터를 포함하는 하이브리드 액티브 필터를 제공하려는 시도는 커다란 커패시터와 고비용의 자기 컴포넌트를 필요로하고, 이러한 시스템들은 고정된 레벨의 리액티브 전력을 가져오는 전력을 흡수하고(VARs), 이는 중간 및 가벼운 로드에서 열화한 역률(power factor)를 야기한다.
기본적인 리액티브 전력(또는 VARs)의 보상을 위해 캐스케이딩된 또는 직렬연결된 인버터를 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 데이터에 대해 제시되는 회로는 제한된 기능을 가진다. 직렬 연결된 인버터를 이용할 때의 다른 시도는 인버터에서의 손실을 감소시키는 동작의 구형파 모드를 제안한다. 그러나, 이러한 시스템에서, 더 높은 고조파는 더 많은 수의 인버터를 필요로하기 때문에, 보상될 수 있는 고조파의 수는 직렬연결된 인버터의 수에 의해 제한된다.
따라서, 중간-전압 인가를 위한 개선된 필터를 제공하는 것이 요구된다.
일 실시예에서, 다중 위상 액티브 필터는 적어도 3개의 상을 포함한다. 각 위상은 직렬로 전기적으로 연결된 일 그룹의 전력 셀을 포함한다. 각 위상은 제 1 단과 제 2 단을 구비한다. 각 위상의 제 1 단은 서로 전기적으로 결합되고, 각 위상의 제 2 단은 전원과 공통 결합 포인트에서의 로드 사이에 전기적으로 연결되도록 위치된다. 각 전력셀은 한쌍의 직류(DC) 단자와 인버터의 DC 단자를 가로질러 전기적으로 연결되는 에너지 소산 회로를 갖는 인버터를 포함한다. 상기 전력 셀은 로드에 의해 생성된 고조파와 리액티브 전류를 필터링할 수 있다.
일부 실시예에서, 각 인버터는 H-브리지 인버터 또는 중성 포인트 크램핑된 단일-위상 인버터 중 어느 하나이다. 각 셀은 또한 상기 인버터와 병렬로 전기적으로 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함한다. 중앙 컨트롤러는, 각 전력셀이 자신의 에너지 소산 회로를 이용하여 자신의 DC 전압을 자가 조정하도록 전력 흐름을 조정함으로써 각 인버터에서 DC 전압을 공유하는 것을 보장할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 필터는 선충전 회로를 포함한다. 상기 선충전 회로는, 상기 제 1 인덕터가 상기 제 1 인덕터와 제 2 인덕터 사이에 있도록 직렬로 전기적으로 연결된 제 1 접촉기, 제 1 인덕터, 및 제 2 인덕터를 포함한다. 상기 선충전 회로는 또한 상기 제 1 접촉기와 제 1 인덕터를 가로질러 병렬로 전기적으로 연결된 제 2 접촉기를 포함한다. 상기 제 1 접촉기는 상기 전력셀에 전력을 공급하기 위해 닫히고, 상기 전력셀이 노미널 DC 전압으로 충전된 때에 상기 제 2 접촉기가 닫히며, 상기 제 1 접촉기는 상기 제 2 접촉기가 닫힌후에 열린다.
일부 실시예에서, 상기 필터는 각 전력셀의 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링으로부터 수신된 데이터에 기초하여 상기 제 1 접촉기와 제 2 접촉기를 활성화 또는 비활성화 시키는 컨트롤러를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 에너지 소산 회로는 트랜지스터와 레지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터는 상기 레지스터를 통해 에너지의 소산을 일으키도록 상기 레지스터를 통해 인버터를 단락시킨다. 각 셀은 셀 트랜지스터를 활성화시키고, 셀에서의 전압을 자가 조정하는 제어 회로를 구비한다.
또다른 실시예에서, 다중 위상의 액티브 필터가, 각각의 위상이 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 전력 셀을 구비하는 적어도 3개의 위상을 포함한다. 각 위상은 제 1 단 및 제 2 단을 구비하는데, 상기 각 위상의 제 1 단은 서로 전기적으로 결합되고, 상기 각 위상의 제 2 단은 전원과 공통 결합 포인트에서의 로드 사이에 전기적으로 연결되도록 위치된다. 각 전력 셀은 한쌍의 DC 단자를 갖는 인버터와, 상기 DC 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 정류기, 및 상기 DC 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터를 구비한다. 상기 각 정류기는 변압기의 전용 3-위상 제 2 권선의 세트로부터 전력을 수신한다. 상기 변압기는 필터의 외부에 있고, 상기 필터의 볼트-암페어 정격보다 작은 볼트-암페어 정격을 가진다. 중앙 컨트롤러가 상기 액티브 필터로부터의 전력 흐름을 명령한다.
본 발명의 측면, 특징, 효익, 및 장점은 하기의 설명과 도면을 참조하여 명확하게 될 것이다.
도 1은 예시적인 H-브리지 인버터의 회로도이다.
도 2는 전원과 로드 사이에 전기적으로 연결된 예시적인 액티브 필터 회로의 회로도이다.
도 3은 예시적인 전력 셀의 회로도이다.
도 4는 본 명세서의 액티브 필터의 예시적인 애플리케이션의 회로도이다.
도 5는 예시적인 선충전 회로의 회로도이다.
도 6은 액티브 필터의 예시적인 구현으로부터의 유틸리티 전류, 로드 전류, 액티브 필터 전류의 예시이다.
도 7은 스위칭 컴포넌트를 가진 도 6의 파형을 예시한다.
도 8은 입력 변압기를 포함하는 대안의 액티브 필터를 예시한다.
도 9는 도 8의 액티브 필터를 위한 대안의 전력 셀 구성을 예시한다.
본 방법, 시스템 및 물질이 기술되기 전에, 본 설명은, 이것들이 변화가 가능하기 때문에, 특정한 방법론, 시스템 및 물질에 한정되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 설명에 사용된 전문용어는 특정한 버전 또는 실시예를 설명할 목적일 뿐, 그 범위를 한정할 의도가 없다는 것이 이해되어야한다. 예를 들면, 본 문과 청구범위에 사용된 것과 같은, 단수형인, "a", "an", 및 "the"는 문 맥에서 명확하게 달리 표시하지 않는한 복수의 참조번호를 포함한다. 달리 정의되지 않는다면, 본 문에 사용되는 모든 기술적, 과학적 용어는 당업자에 의해 공통으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가진다. 추가하여, 하기의 용어들은 본 문에서 하기의 정의를 가지는 것으로 의도된다:
액티브 필터 - 주파수에 대해 신호의 진폭 및/또는 위상 특성을 변조하는 디바이스로서, 상대적으로 낮은 주파수에서의 신호를 증폭하는 증폭 디바이스를 포함한다.
구비한다(comprising)- 포함하지만 제한되는 것은 아니다.
접촉기 - 활성화시에 전기적 연결을 만들고, 비활성화시에는 회로를 단절시키거나 또는 전기적 연결을 해제하는 디바이스.
전기적으로 연결됨 또는 전기적으로 결합됨 - 전기 에너지를 전송하도록 적용되는 방식으로 연결됨.
단 - 전기회로의 소자에서, 회로가 끝나거나 또는 다른 소자와 결합하는 지점.
에너지 소산 회로 - 인버터 또는 기타 디바이스를 단락시키도록 활성화되고 단락회로의 저항 소자를 통해 에너지를 소산할 수 있는 직렬로 연결된(그에 한정된 것은 아님) 트랜지스터와 레지스터와 같은 디바이스 또는 디바이스의 조합.
H-브리지 인버터 - 4개의 트랜지스터와 4개의 다이오드를 가지는 AC 및 DC 회로 사이의 제어된 전력 흐름을 위한 회로. 도 1을 참조하면, H-브리지 인버터는 일반적으로 제 1 위상 레그(111)와 제 2 위상 레그(112)를 포함한다. 각 위상 레 그는 전원(112)을 가로질러 병렬로 전기적으로 연결된다. 각 레그는 직렬로 연결된 2 개의 트랜지스터/다이오드 조합(113/114 및 115/116과 같은)을 포함한다. 각 조합에서, 다이오드(114)는 트랜지스터의 베이스와 이미터를 가로질러 전기적으로 결합된다. 로드(121)는 각 레그의 트랜지스터/다이오드 조합 사이의 각 레그에 전기적으로 결합된다.
고조파 왜곡 - AC 전력 신호, 기본 I 전류 주파수의 전력에 대한 기본 전류 주파수의 이상 및/또는 이하인 모든 고조파 주파수의 전력의 합의 비.
인덕터 - 대전된 바디에 근접하여 위치된 때에 전기적으로 대전되는 디바이스.
인버터 - DC 전력을 AC 전력으로, 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 디바이스.
중간전압(medium voltage)- 690볼트(V) 이상 68킬로볼트(kV) 이하의 정격 전압. 일부 실시예에서, 중간 전압은 약 1000V와 약 69kV 사이의 전압일 수 있다.
병렬-모든 양의 극, 전극 및 단자가 서로 전기적으로 결합되고, 모든 음의 극, 전극 및 단자가 서로 전기적으로 결합된 전기 디바이스의 배치.
위상- 회로의 다른 부분의 것들과 구별할 수 있는 전기적 특성을 나타내는 회로의 부분.
공통 결합 포인트 - 복수의 디바이스가 서로 전기적으로 결합된 위치 또는 영역.
정격 전력 - 모터에 대해 일반적으로 와트 단위로 나타내며, 정격 속도에서 자신의 정상 동작을 하는 모터에 인가되는 전력; 변압기, 정류기, 또는 인버터에 대해, 볼트 x 암페어(VA)와 같은 리액티브 전력의 식으로 나타낸 전기용량의 정격.
리액티브 전류 - 작업을 수행하는데에 적용되지않는 교류의 벡터 및/또는 허수 컴포넌트의 측정치.
제 2 권선 - 변압기에 구비된 주권선을 통해 도전되는 교류로부터 유도되어 전송된 에너지를 수신하는 변압기에 포함되는 와이어 코일.
자동조정 - 인버터 또는 전력셀에 대해, 국부적 제어를 이용하여 내부 전압을 조절하기 위해 턴온 또는 턴오프하는 기능을 가지는 것.
직렬 - 전체 전류가 브랜칭 없이 각 소자를 통과하는 전기회로 소자의 배치.
거의 - 대부분 또는 대부분의 정도.
다양한 실시예에서, 고조파 전류 또는 저전력 인자에 의해 도입되는 전력 질의 문제를 완화시키기 위해 액티브 필터는 중간-전압 펄스폭 변조(PWM) 토폴로지를 이용한다. 도 2에서, 전기 유틸리티 또는 다른 전원과 같은 AC 전원(230)은 3위상, 중간 전압 전력을 출력 라인(231, 232, 및 233)을 통해 로드(240)로 전달한다.
각 출력 라인은 결합 포인트(210, 211, 및 212)에서 로드(240)의 위상에 전기적으로 결합된다. 직렬 연결된 전력 셀의 3위상 중 하나는 각 출력 라인에 또한 연결된다. 예를 들면, 위상 출력 라인(231)은 전력 셀(241, 244, 247, 및 250)에 직렬로 연결된다. 유사하게, 위상 출력 라인(232)은 전력 셀(242, 245, 248, 및 251)에 직렬로 연결된다. 유사하게, 위상 출력 라인(233)은 전력 셀(243, 246, 249, 및 252)에 직렬로 연결된다. 본 실시예에서, 출력 라인과 셀의 급전 브랜 치(231, 232, 및 233)는 부동 중성점(floating neutral)과 WYE 연결(234)에 의해 접합된다.
도 2에 도시된 위상당 셀의 수는 예시이며, 위상당 4개 이상 또는 그 이하의 셀이 다양한 실시예에서 가능함에 유의해야한다. 예를 들면, 2300볼트 AC(VAC) 유도 모터 로드에 적용될 수 있는 일 실시예에서, 3 개의 전력 셀이 3 위상 출력 라인의 각각에 대해 사용될 수 있다. 4160 VAC 유도 모터 로드에 적용될 수 또다른 실시예에서, 5개의 전력 셀이 3 위상 출력 라인의 각각에 대해 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 약 +/- 3000 볼트 DC(VDC), +/-2400 VDC, +/-1800 VDC, +/-1200 VDC, +/-600 VDC 및제로 VDC를 포함하는 11개의 전압 스테이지를 가질 수 있다.
3 위상 비선형 로드(240)는 급전 또는 출력 브랜치(231, 232, 233)에 연결된다. 이러한 방식으로 로드(240)를 연결함으로써, 상기 로드는 각 전력 셀 직렬의 일단에서 인버터의 출력부에 연결되는 반면, 각 전력 셀의 직렬의 다른 일단은 WYE(254)에서의 부동중성점으로서 기능을 한다. 비선형 로드(240)는 필터링되지 않은 조건하에서 고조파 전류원으로서 기능을 한다. 따라서, 설정된 상태에서, 전력셀(241 내지 249)은 액티브하게 소스(230)에서 로드(240)로 전달되는 고조파 컴포넌트를 필터링할 수 있다.
예시적인 전력 셀의 개략도가 도 3에 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 각 전력 셀(300)은 AC 출력 전압을 생성하기 위해 4 개의 트랜지스터/다이오드 조합을 구비하는 H-브리지 인버터(310)를 포함한다. 다른 실시예에서, 단일 위상 중성점 클래핑된(NPC) 인버터 또는 다른 DC 단일위상 AC 인버터와 같은 다른 인버터가 H- 브리지 인버터 대신에 사용될 수 있다. 각 셀은 또한 고주파수 컴포넌트 및 에너지 스토리지의 필터링을 제공하는 인버터(310)에 병렬로(즉, 그의 DC 단자를 가로질러) 전기적으로 연결된 커패시터 또는 커패시터 뱅크(320)를 포함한다. 또한, 각 셀은 H-브리지 인버터에 병렬로 전기적으로 연결된 에너지 소산 회로(330)를 포함할 수 있다. 상기 에너지 소산 회로(330)는, 전력셀에서 DC 버스 전압을 조절하는 것을 돕기위해, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 또는 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT) 및 레지스터(332)와 같은 트랜지스터(331)를 포함할 수 있다. 브레이크 또는 기타 디바이스와 같은 에너지 소산 회로(330)는, 저항성 소자(332)를 통해 에너지를 소산하도록 활성화될 수 있다. 각 셀에 대한 국부 제어 회로(340)는 광섬유 링크, 통신선, 무선 통신 또는 기타 통신 네트워크 또는 인버터 디바이스에 대해 게이트 신호를 제공하기 위한 디바이스(345)를 통해 중앙 제어 시스템(340)으로부터 명령을 수신한다. 에너지 소산 회로의 트랜지스터(331)는 미리정해진 값에서 커패시터(320)를 가로지르는 DC 전압을 관리하려고 하는 국부 제어 회로(340)에 의해 제어된다. 상기 국부 제어 회로(340)는 제너 다이오드/레지스터 조합과 같은 에너지 소산 회로를 활성화/비활성화 시키는 기능을 가진 회로가 될 수 있다. 그러나, 국부 제어 회로(340)는 이러한 기능 또는 조합에 한정된 것은 아니고, 다른 기능 및 회로 소자가 가능하다.
도 2를 참조하면, 액티브 필터는 국부적 컨트롤러를 통해 각 전력 셀에 명령을 전달하는 중앙 제어 시스템을 갖는다. 상기 중앙 제어 시스템은 측정된 로드 전류와 인버터 디바이스의 게이트 명령을 판정하는 공통 결합 포인트(PCC)에서의 전압을 이용한다. 도 4는 본 설명에서의 액티브 필터가 제어 시스템으로 구현되는 예로든 회로를 도시한다. 도 4를 참조하면, 액티브 필터(220)는 AC 전원(230)과 로드(240) 사이에서 연결된다. 도 4에서, 예로든 로드는 DC 커패시터와 DC 전류원을 가진 6-펄스 정류기를 포함한다. 작은 AC 라인 인덕터(410)는 로드 전류 iL에서의 고조파를 제어하는 것으로 도시된다. 상기 제어 회로(400)는 하기에 기술된다. 다른 제어 회로가 사용될 수 있다.
도 4의 예에서의 목적은 로드 전류(=iL , har)의 고조파 컴포넌트 모두 또는 거의 모두를 상쇄하는 액티브 전류(if)를 제어하기 위한 것이다. 여기서 액티브 필터에 의해 생성된 전압은 다음과 같이 주어진다:
vf=vcc+ifZf=vcc+(iL-iL1)Zf
여기서, if=iL , har=iL-iL1 및 Zf=ωLf
상기 수학식에서, Zf는 액티브 필터 인덕턴스의 임피던스이고, iL1은 로드 전류의 기본 컴포넌트이고, vcc는 공통 결합 포인트(415)(도 2의 210, 211 및 212에 해당함)에서의 전압이다. 액티브 필터에 대한 제어는 수학식(1)에 기초한 것이다. 제어 회로는 드라이브 전류(iL), 액티브 필터 전류(if) 및 공통 결합 포인트에서의 전압(vcc)을 측정하는 것이 필요하다. 노치 필터(420)는 측정된 로드 전류로부터 기본 컴포넌트를 제거한다. PCC에서의 전압을 가진 위상으로부터의 180°의 기본 전류 컴포넌트가 노치 필터의 출력에 디바이스(422)를 이용하여 추가된다. 이러한 기본 컴포넌트는 각 전력 셀에서의 DC 전압이 미리 정해진 레벨 이상에 있는 것을 보장하도록 흡수될 필요가 있는 작은 전력의 양을 나타낸다. 이러한 두 개 신호, 노치 필터의 출력값과 기본 컴포넌트의 합은, 비교기(425)에 의해 비례 + 미분(PD) 조정기(430)에 대한 입력값을 형성하는 전류 오류를 얻기위해 측정된 액티브 필터 전류와 비교된다. 액티브 필터 제어(450)에 대한 전방 급전은 (a)PCC 전압을 스케일링 및 필터링하는 하나 이상의 디바이스(440), 및 (b)로드 고조파 전류 신호를 미분하고 필터 인덕턴스(Lf)의 알려진 값으로 스케일링하는 하나 이상의 디바이스(445)를 사용함으로써 제공된다. 전방 급전 신호와 함께 조정기(430)의 출력값의 합이 제어 시스템(450)의 펄스폭 변조(PWM) 비교기로의 전압 기준 신호를 형성한다. 상기 PWM 비교기는 3 상 전압 명령을, 다중 출력 레벨을 갖는 전압 출력을 가져오는 각 전력셀에 대한 위상-변이 게이트 신호로 변환한다.
본문에 기술한 예시한 중앙 제어는 작은 양의 리얼 전력이 전력 셀에 의해 흡수되고, 각 전력셀 내에서 DC 전압을 제어하는 번거로운 임무에서 자신을 벗어나도록 한다. 대신에, 중앙 제어 시스템은 전력 흐름이 액티브 필터로 흐르도록 조정하여, DC 전압이 전력셀/인버터 사이에서 공유되는 것을 보장한다. 각 전력셀에 의해 흡수된 리얼 전력은 상기 DC 전압을 개별 국부적 셀 컨트롤러에 의해 감지된 미리 정해진 전압 레벨 이상으로 증가시킨다. 상기 국부적 컨트롤러는 그런 다음 DC 전압을 감소시키기 위해 에너지 소산 회로의 트랜지스터를 제어하여, 그에 의해 거의 일정한 값을 유지시킨다. 따라서, 중앙 제어 시스템은 모든 인버터 디바이스에 대한 게이트 명령 만을 전력셀로 전송하기만 하면된다.
다시 도 2를 참조하면, 액티브 필터는 각 위상에 대한 하나 이상의 선택적인 인덕터(255, 256, 257) 및 인버터(220)의 출력 측에 대한 선충전 회로(260)를 포함할 수 있다. 상기 선충전 회로(260)는 급전 동안의 유입을 제한하는 것을 돕는다. 도 5는 각 위상에 나타낼 수 있는 예시적인 선충전 회로를 도시한다. 도 5를 참조하면, 상기 선충전 회로는 필터로서 기능하는 제 1 인덕터(255)와 및 제 1 인덕터(255)에 직렬로 연결된 제 2 인덕터(510)를 포함할 수 있다. 제 1 접촉기(520)는 제 2 인덕터(510)에 직렬로 전기적으로 연결되고, 제 2 접촉기(530)는 제 2 인덕터/제 1 접촉기 조합에 병렬로 전기적으로 연결된다.
상기 제 2 인덕터(510)는 선충전 전류를 제한하고, 일부 실시예에서는 여러배로, 제 1 인덕터(555)보다 일반적으로 인덕턴스가 더 크다. 공간 제한이 바람직한 일부 실시예에서, 제 1 인덕터(555)와 제 2 인덕터(510)는 제 2 인덕터(510)보다 더 작은 권선을 가진 제 1 인덕터(255)를 가진 단일 코어를 포함한다. 추가로, 일부 실시예에서, 제 2 인덕터(510)는 상기 제 2 인덕터(510)가 상대적으로 짧은 기간 동안 사용되기 때문에, 제 1 인덕터(255)보다 그의 권선에 대해 더 작은 가우지 와이어를 사용한다.
선충전 회로를 동작시키는 시퀀스는: (1) 제 1 접촉기(520)를 닫는 단계; (2) 최대 전압이 인버터 단자에서 구축되고 모든 전력 셀이 노미널 DC 전압으로 충전될 때, 제 2 접촉기(530)를 닫는 단계; (3) 제 2 접촉기(530)가 닫히는 것을 확인한 후, 제 1 접촉기(520)를 여는 단계; 및 (4) 제 1 접촉기가 열리는 것을 확인한 후에, 선충전 시퀀스가 완료되는 단계;를 포함한다.
제어 시스템은 전력셀 전압을 모니터링하고, 상기 나열한 시퀀스에 따라 접촉기를 활성화시킨다. 통신 네트워크를 통해 원격제어 장비와 통신하는 국부적 모니터링 디바이스를 가진 상기 제어 시스템은, 인버터에 로컬이거나, 또는 인버터로부터 원거리에 있다.
예시
예로써, 액티브 필터는 각각이 1150V DC 버스 볼트를 가진 총 9개의 셀(위상당 3개)을 포함한다. 이러한 설정에서, 필터의 총 AC 전압 가능출력은 4.88kV가 된다. 도 6은 예시적인 유틸리티 전류(610), 로드 전류(620) 및 액티브 전류(630) 파형을 도시한다. 상기 유틸리티 전류의 총 고조파 왜곡(THD)은 4.6%이고, RMS 액티브 필터 전류는 본 예시에서 109A이다. 62%의 로드 왜곡은 본 예의 액티브 필터가, 유틸리티 전류에서 5% 이하의 THD를 유지하는 동안 보상할 수 있는 최대 로드 왜곡을 나타낸다. 도 7은 본 예에 대한 액티브 필터 출력 전압(710)과 인덕터 전압(720) 파형을 도시한다.
대안의 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 도 2에서의 구성과 유사한 구성은, 성망형 구성 뿐만 아니라 선택적으로 델타형 구성으로 도시된, 주권선(801) 및 복수의 제 2 권선(805-816)을 갖는 변압기를 또한 포함한다. 상기 액티브 필터 는 볼트-암페어(VA) 정격과 같은 형태로 표현된, 리액티브 전력을 핸들링하기 위한 자신의 정격 용량을 가진다. 본문에 기술된 실시예에서, 상기 변압기(800)VA 정격은 액티브 필터의 정격과 매칭할 필요는 없고, 실제로는 그것은 액티브 필터에 비해 상대적으로 낮을 수 있다. 일부 실시예에서, 변압기는 액티브 필터의 정격의 100% 미만인 VA 정격을 가진다. 예를 들면, 변압기 정격은 액티브 필터의 정격의 75% 이하, 50% 이하, 또는 40% 이하일 수 있다. 비용감소를 위해, 변압기 정격은 액티브 필터의 정격에 비해 상대적으로 작게될 수 있다. 예를 들면, 변압기의 정격은 액티브 필터 정격의 20% 이하, 액티브 필터 정격의 10% 이하, 또는 액티브 필터 정격의 약 1% 내지 약 5%가 될 수 있다. 그러나, 모든 실시예에서 변압기 정격이 필터의 정격보다 작은 것이 필수조건은 아니다.
변압기의 각 제 2 권선은, 선충전기가 보다 상세히 하기에 기술될 필요가 없는 것을 제외하고는, 도 2의 인버터의 구성의 나머지 부분이 유사한, 전력셀에 전기적으로 연결된다. 이러한 구성에 대한 다양한 선택사항이 예를 들면, 본문에 참조에 의해 통합되어 있는 미국 특허 제 5,625,545의 명세서의, 컬럼 4 내지 6에 기술되어 있다. 이러한 구성에서, 도 9를 참조하면, 각 전력셀(900)은 H-브리지 인버터(902), 상기 H-브리지 인버터(902)와 병렬로 연결된(즉, 그의 DC 단자를 가로질러 있는) 커패시터 또는 커패시터 뱅크(904), 및 변압기의 정격과 유사한 정도의 상대적으로 낮은 정격을 가진 입력 정류기(906)를 포함한다. 본 실시예에서 낮은 VA 정격을 가진 변압기(800)는 전력셀에 대해 선충전 디바이스로서 기능을 할 수 있고, 그에 의해 선충전을 달성하는 추가 컴포넌트에 대한 필요성을 방지한다. 각 전력셀은 전력셀의 입력부(910)에서 전력을 수신하는 변압기의 전용 3 위상 제 2 권선의 셋에 전기적으로 연결된다. 일부 실시예에서, 각 셀 내의 정류기의 전력 정격은 액티브 필터 시스템의 손실의 요구조건과 전압 공유의 요구조건을 만족시키기에는 실질적으로는 낮을 수 있다. 예를 들면, 정류기는 그의 대응하는 전력 셀의 정격의 100% 보다 낮은 VA 정격을 가진다. 예를 들면, 정류기는 자신의 셀의 정격의 75% 이하, 50% 이하, 또는 40% 이하인 정격을 가진다. 선택적으로, 정류기의 정격은 자신의 대응하는 전력 셀의 정격의 20% 이하, 10% 이하, 또는 약 1% 내지 약 5%이다. 그러나, 모든 실시예에서 정류기 정격이 그의 대응하는 셀의 정격보다 낮은 것이 필수조건은 아니다.
액티브 필터에 의해 제공될 필요가 있는 기본 전류 컴포넌트의 위상-변이에서의 하나의 차이를 가지는, 이러한 배치의 제어는 도 4에 도시된 것과 유사할 수 있다. 상기 디바이스(422)로부터의 기본 전류 컴포넌트는 리얼 전력이 각 인버터로부터 출력되어 각 전력셀에서의 다이오드 정류기가 통전하도록 하고, 그결과 실질적으로 동일한 DC 전압을 유지하도록 한다. 따라서, 제 2 실시예에서 조차, 중앙 제어 시스템(도 8에서 850)은 개별 셀 전압을 유지할 필요가 없지만, 그러나 각 인버터로부터의 전력 흐름을 통해 셀을 간접적으로 제어할 수 있다.
다양한 변형, 변조, 및 추가적인 실시예가 가능함과, 따라서, 이러한 모든 변형, 변조, 및 실시예는 본 출원의 취지 및 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것이 이해되어야한다. 예를 들면, 본 출원의 임의의 부분의 컨텐츠에 관계없이, 명시적으로 정의하는 것과 같이, 명시적으로 반론으로 규정되지 않는다면, 특징적으 로 기술되거나 특성이 기술된 본문의 임의의 청구범위에서 포함될 필요가 없다.

Claims (20)

  1. 다중 위상 액티브 필터에 있어서,
    각각의 위상이 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 전력 셀을 구비하는 복수의 위상;을 포함하고,
    각 위상의 제 1 단은 서로 전기적으로 결합되고, 각 위상의 제 2 단은 전원과 공통 결합 포인트에서의 로드 사이에 전기적으로 연결되도록 위치하는, 제 1 단과 제 2 단을 상기 각 위상이 구비하고;
    각 전력 셀은 한쌍의 직류(DC) 단자를 갖는 인버터와, 상기 인버터의 DC 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 에너지 소산 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 셀은 상기 로드에 의해 생성된 고조파 전류를 필터링하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 인버터는 H-브리지 인버터 또는 중성점 클램핑된 단일 위상 인버터 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 셀은 또한 상기 인버터와 병렬로 전기적으로 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    전력 흐름을 조절함으로써 DC 전압을 각각의 인버터에서 공유하는 것을 보장하는 중앙 컨트롤러를 더 포함하고, 각 전력셀은 자신의 에너지 소산 회로를 이용하여 자신의 DC 전압을 자가조정하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    선충전 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  7. 제 6 항에 있어서, 각 선충전 회로는,
    제 1 인덕터가 제 1 인덕터와 제 2 인덕터 사이에 있도록하는, 직렬로 전기적으로 연결된 제 1 접촉기, 제 1 인덕터, 및 제 2 인덕터와;
    상기 제 1 접촉기와 제 1 인덕터를 가로질러 병렬로 전기적으로 연결된 제 2 접촉기;를 포함하고,
    상기 제 1 접촉기는 전력셀에 전력을 공급하기 위해 닫히고, 상기 제 2 접촉기는 상기 전력 셀이 노미널 DC 전압으로 충전될 때 닫히고, 상기 제2 접촉기가 닫힌 후에 상기 제 1 접촉기가 열리는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    각 전력 셀의 전압을 모니터링하고, 모니터링으로부터 수신한 데이터에 기초하여 상기 제 1 접촉기와 제 2 접촉기를 활성화 또는 비활성화하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    에너지 소산 회로는 트랜지스터와 레지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터는 상기 레지스터를 통해 인버터를 단락시켜 레지스터를 통한 에너지의 소산을 유발하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    셀 트랜지스터를 활성화 시키고, 셀에서 전압을 자가조정하는 각각의 셀에 대한 제어 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  11. 다중 위상 액티브 필터에 있어서,
    각각의 위상이 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 전력 셀을 구비하는 복수의 위상;을 포함하고,
    각 위상의 제 1 단은 서로 전기적으로 결합되고, 각 위상의 제 2 단은 전원과 공통 결합 포인트에서의 로드 사이에 전기적으로 연결되도록 위치되는, 제 1 단 과 제 2 단을 상기 각 위상이 구비하고;
    각 전력 셀은 한쌍의 DC 단자를 갖는 인버터와, 상기 DC 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 정류기, 및 상기 DC 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터를 구비하고;
    각 정류기는 변압기의 전용 3 위상 제 2 권선의 세트로부터 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 변압기는 필터의 외부에 있고, 상기 필터의 볼트-암페어 정격보다 작은 볼트-암페어 정격을 가지는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 변압기 정격은 상기 필터의 볼트-암페어 정격의 약 5% 이하인 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 액티브 필터로부터의 전력 흐름을 명령하는 중앙 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  15. 다중 위상 액티브 필터에 있어서,
    3 위상 구성으로 전기적으로 연결된 복수의 전력 셀;
    선충전 회로; 및
    상기 복수의 전력셀로 전달되는 전압을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
    각 전력 셀은 한쌍의 직류(DC) 단자를 갖는 인버터와, 상기 인버터와 병렬로 전기적으로 연결된 적어도 하나의 커패시터, 및 상기 인버터와 병렬로 전기적으로 연결된 에너지 소산 회로를 구비하고;
    각 전력셀의 상기 에너지 소산 회로는 상기 셀 내의 DC 전압을 자가 조정하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전력셀은 로드에 의해 생성된 고조파 전류를 필터링하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  17. 제 15 항에 있어서,
    각 인버터는 H-브리지 인버터 또는 중성점 클램핑된 단일 위상 인버터 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  18. 제 15 항에 있어서,
    선충전 회로의 출력부, 전원, 및 로드를 전기적으로 연결하는 공통 결합 포인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 선충전 회로는,
    제 1 인덕터가 제 1 인덕터와 제 2 인덕터 사이에 있도록하는, 직렬로 전기적으로 연결된 제 1 접촉기, 제 1 인덕터, 및 제 2 인덕터와;
    상기 제 1 접촉기와 제 1 인덕터를 가로질러 병렬로 전기적으로 연결된 제 2 접촉기;를 포함하고,
    상기 제 1 접촉기는 전력셀에 전력을 공급하기 위해 닫히고, 상기 제 2 접촉기는 상기 전력 셀이 노미널 DC 전압으로 충전될 때 닫히고, 상기 제 2 접촉기가 닫힌 후에 상기 제 1 접촉기가 열리는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
  20. 제 19 항에 있어서,
    각 전력 셀의 전압을 모니터링하고, 모니터링으로부터 수신한 데이터에 기초하여 상기 제 1 접촉기와 제 2 접촉기를 활성화 또는 비활성화하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 위상 액티브 필터.
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