KR20090100221A

KR20090100221A - 모듈형 삼상 능동 필터의 운전방법

Info

Publication number: KR20090100221A
Application number: KR1020080135651A
Authority: KR
Inventors: 정재기; 김홍성; 길서종
Original assignee: 한빛이디에스(주)
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2009-09-23
Also published as: KR100984135B1

Abstract

본 발명은 대용량 3상 능동 필터 구성에 적합한 단상 3대를 이용한 모듈형 삼상 능동필터의 운전방법에 관한 것이다. 본 발명에서 제안하는 모듈형 능동필터는 3상 4선식, 3상 3선식 계통에 모두 적용가능하며 제안된 모듈형 능동필터의 채용할 경우 단극(Unipolar) 스위칭 방식을 채용할 수 있어서 기존의 3상 능동 필터에 비해 시스템 운전 주파수가 스위칭 주파수의 2배로 되어 인덕터의 무게를 줄일 수 있고, 3상 4선식 계통에 적용 시 능동필터의 DC 링크 전압을 낮게 운전 할 수 있어서 낮은 내압의 스위칭 소자(예를 들면 IGBT)를 사용할 수 있으며, 3상 3선식 계통에서는 1상의 고장 시에도 2대로 보상이 가능하여 시스템 안정성을 높일 수 있다.

능동필터, 고주파제거, 비선형 부하, 삼상 전력필터

Description

모듈형 삼상 능동 필터의 운전방법{Method for controlling of Module type three phase active filter}

본 발명은 대용량 3상 능동 필터 구성에 적합한 단상 3대를 이용한 모듈형 능동필터의 운전방법에 관한 것이다.

능동 전력필터는 비선형 부하기기가 적용된 개소에서 전원 품질의 개선을 위해 부하전류에 포함된 고조파 전류를 제거하는 기능을 하게 되는 것으로, 기존의 삼상 능동필터 시스템은 도 1에 도시된 바와 같은 전압형 3상 인버터를 이용한 삼상 풀브리지 방식을 이용하고, 3상 4선 계통에서는 도 2에 도시된 바와 같이 능동필터를 구성하는 경우 영상분 고조파까지 제거할 수 있는 것이다.

상기 된 도 1a는 비선형 부하(10)가 포함하는 고조파 분에 해당하는 전류를 능동 전력 필터(20)가 주입하면 전원(30)의 전류는 정현파 전류로 개선됨을 설명하는 능동 전력 필터의 고조파 전류 보상 개념도이다.

도 1a에 도시된 능동 전력 필터(20)는 도 1b에 도시된 바와 같은 전압형 인버터를 사용하는 능동 필터(50)가 일반적으로 이용되고, 상기 된 도 1과 같은 능동 전력 필터(20)는 입력전원(30)과 비선형 부하(10) 사이에서 도 2a와 같이 영상분 고조파의 보상이 가능한 3상 4선식과 도 2b와 같이 3상 3선식으로 사용되게 된다.

이러한 3상 4선식 능동필터(50)의 보상원리는 다음과 같다.

도 2a에서 각 상의 계통 전류에 대해 키르히호프의 전류 법칙을 적용하여 표기하면 다음과 같다.

(1)

여기서

: 부하전류

에 포함된 기본파 성분,

: 부하전류

에 포함된 고조파 성분

(2)

(3)

각 상 능동필터(50)의 출력 전류

,

는 임의로 제어 가능한 전류로 가정하고, 상기 능동 필터(50)의 각 상 전류를 다음과 같이 제어하면,

(4)

(5)

(6)

와 같다.

상기 된 식(1),(2),(3)에 식(4),(5),(6)에 대입하면 전원측 전류에 포함된 성분은 다음과 같이 부하에 공급되는 기본파 성분만 남게 되어 부하(10)측에서 발생한 고조파 전류는 전원(30)측에 영향을 미치지 않는다.

(7)

(8)

(9)

부하전류의 기본파 성분을 유효전력 성분 및 무효전력 성분으로 분리하여 다음과 같이 표기할 수 있다.

(10)

여기서

: 기본파 부하전류의 유효전력 성분

: 기본파 부하전류의 무효전력 성분

(11)

(12)

능동필터(50)의 각 상 전류를 다음과 같이 제어하면

(13)

(14)

(15)

전원전류는 다음과 같이 기본파 유효 전류만으로 구성되며 이론적으로 단위 역율이 됨을 알 수 있다.

(16)

(17)

(18)

한편 도 2b와 같이 구성되는 3상 4선식의 경우는 각 상 부하 전류는 영상분 고조파 전류를 포함하므로 각 상 보상 전류를 다음과 같이 제어하면 영상분 고조파 전류를 제거할 수 있다.

(19)

여기서

(20)

(21)

그리고 제어계통은 도 3에 도시된 바와 같이 고조파 전류 및 무효전류 검출기(60)를 통하여 부하전류에 포함된 고조파 전류 및 무효전류를 검출하고 이 신호는 각 상 능동 필터 출력 전류 icoma, icomb, icomc를 제어하기 위한 기준신호 icoma*, icomb*, icomc*(3상 3선식 구성에서는 식(13),(14),(15)와 같으며, 3상 4선식으로 구성시는 식(19),(20),(21)에 해당하는 성분)에 해당된다.

상기 고조파 전류 및 무효전류 검출기(60)를 통하여 구해진 icoma*, icomb*, icomc*신호는 전류 제어기(70)의 입력(기준신호 역할)을 하며 각 상 능동 필터 출력 전류 icoma, icomb, icomc가 추종하도록 하는 기준이 되며, 고조파 및 무효전류의 검출방식 그리고 전류 제어 방식은 본 명세서의 논의의 범위를 초과하므로 생략한다.

상기와 같이 3상 4선식 대용량 능동필터를 구성할 경우 낮은 스위칭 주파수(인버터 용량이 커질수록 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자의 운전 주파수는 제한됨)로 운전될 경우 보상 전류에 포함된 전류 리플이 커지는 단점을 가진다.

이러한 문제를 해결하기 위해선 필터 인덕터의 인덕턴스를 크게 하면 되나 시스템의 무게가 증가하는 단점을 가지며, 능동 필터의 출력 상 전압 최대치는 DC 링크 전압(Vdc)의 1/2로 제한되어 DC 링크 전압은 최소한 상 전압의 피크치의 2배 이상이 되어야 한다(예를 들면 선간 전압 380[V]계통에서 DC 링크 전압의 최소치는 620[V] 이상이여야 하며, 실제 구현시는 인덕터의 전압 강하 분을 고려하므로 실제 능동필터 시스템의 DC link 전압은 이보다 높아야 함).

따라서 안정적 시스템 운전을 위해서는 상 전압에 비해 훨씬 고압의 스위칭 소자(IGBT)를 요구하는데 내압이 높을수록 스위칭 소자의 가격은 증가하는 단점이 있게 된다.

그리고 도 2b와 같이 3상 3선식에 적용되는 3상 능동필터는 1상의 스위치가 이상을 일으킬 경우 제어 자체가 불가능한 단점을 가진다.

본 발명에서는 3상 4선식, 3상 3선식 계통에 모두 적용가능하며 기존의 3상 능동 필터에 비해 시스템 운전 주파수가 스위칭 주파수의 2배로 되어 인덕터의 무게를 줄일 수 있고, 3상 4선식 계통에 적용 시 능동필터의 DC 링크 전압을 낮게 운전 할 수 있어서 낮은 내압의 스위칭 소자(예를 들면 IGBT)를 사용할 수 있으며, 3상 3선식 계통에서 1상의 고장 시에도 2대로 보상이 가능하여 시스템 안정성을 높일 수 있는 협조제어 기능을 가지는 단상 3대를 이용한 모듈형 3상 능동필터의 운전 방법을 제안한다.

본 발명에서 제안된 시스템이 3상 4선 계통에 연결되는 경우는 3개의 단상 능동 필터를 병렬 배치하되 단상 능동필터의 출력전류 라인중 하나는 3상 전류라인에 각각 연결되게 하고, 나머지 한선은 중성선에 연결되게 함으로써 이루어지게 된다.

그리고 3상 3선식 계통에 적용할 경우 제안된 모듈형 3상 능동필터는 단상 능동 필터 3대를 각 선간에 연결하여 협조제어를 수행하도록 시스템을 제어한다.

본 발명의 모듈형 삼상 능동 필터는 기존의 3상 풀브리지 능동필터 에 비해 동일한 스위칭 주파수에서 전류리플 측면에서 유리하며, 3상 4선식 계통에 적용시 DC 링크 전압을 작게 하여 운전이 가능하여 기존 3상 능동필터에 비해 내압이 낮은 IGBT 사용이 가능하여 스위칭 소자 구성측면에서 기존의 3상 능동필터에 비해 유리하고, 3상 3선식 계통에 적용시는 모듈형 구성에 따라 1상 시스템이 고장이 나더라도 운전이 가능한 장점을 갖게 된다.

본 발명은 대용량 구성시 전류 리플 및 내압 측면에서 IGBT 선정이 유리한 단상 3대를 이용한 삼상 능동필터를 구성하는 방식을 제공하기 위한 것으로, 도 4에는 단상 능동필터의 전력회로 구성도 및 제어계통을 나타낸다.

단상 능동 필터의 전력회로는 도 4a와 같이 전원(30)과 비선형 부하(10) 사이에 단상 능동필터(100)를 연결하게 되고, 제어계통은 도 4b에 도시된 바와 같이 고조파 전류 및 무효전류 검출기(110)를 통하여 부하전류에 포함된 고조파 전류 및 무효전류를 검출하고 이 신호는 능동 필터 출력 전류 icom를 제어하기 위한 기준신호 icom*가 되고, 이러한 기준신호 icom* 는 전류 제어기(120)를 통하여 단상 능동필터(100)의 출력 전류 icom가 추종하도록 제어한다.

이러한 단상 능동필터(100)를 3상4선식으로 적용하여 삼상 능동필터(200)를 구성하는 경우는 도 5에 도시된 바와 같이 전원(30)과 비선형 부하(10) 사이에 단상 능동필터(100)(101)(102)를 연결하되 상기 능동필터(100)(101)(102)의 출력전류 중 하나는 각각 3상 전류라인에 연결하는 한편 나머지 한 선은 중성선에 연결함으로써 이루어지게 된다.

상기 3상4선식 능동필터의 제어기는 도 4b에 도시된 바와 같이 고조파 전류 및 무효전류 검출기(110)를 통하여 부하전류에 포함된 고조파 전류 및 무효전류를 검출함으로써 능동 필터 출력 전류 icom를 제어하기 위한 기준신호 icom*가 되게 하고, 이러한 기준신호 icom* 는 전류 제어기(120)를 통하여 삼상 능동필터(200) 출력 전류 icom가 추종하도록 제어하게 되는 것으로, 이를 각 상 능동필터(100)(101)(102)에 적용하면 된다.

이러한 모듈형 삼상 능동필터(200)를 도 2a와 같이 구성되는 기존 시스템과 비교하는 경우 다음과 같은 장점이 있다.

최소 직류전압(Vdc)은 도 2a와 같이 구성되는 시스템에 비해 1/2 이면 되므로 스위칭 소자 선정시 낮은 내압의 것을 선정할 수 있다. 실제 능동 필터 구성시 DC 링크 전압은 상전압 피크치의 1.3~1.5배 정도를 요구하므로 도 2a와 같이 구성되는 삼상 시스템의 경우 DC 링크 전압(Vdc)은 상전압 피크치의 2.6~3배가 되어야 하나, 본 발명에서 제안한 시스템은 상전압 피크치의 1.3~1.5배 가 되면 되므로, 내압 측면에서 스위칭 소자의 가격이 저렴해진다.

한편 도 5와 같이 구성되는 시스템의 경우 스위칭 회로의 변조기법으로 단극 스위칭(Unipolar switching) 방식을 이용할 경우 스위칭 회로의 운전 주파수는 스위칭 주파수의 2배가 되도록 운전이 가능하여 동일한 스위칭 주파수에서 도 2a와 같이 구성되는 시스템에 비해 인덕터의 인덕턴스가 1/2이 되므로 시스템의 무게 및 부피를 감소시킬 수 있다.

도 6은 3상 3선식에 적용된 단상필터(100)(101)(102)를 이용한 모듈형 삼상 능동필터(300)의 구성 방식을 나타내는 것으로, 단상 능동 필터(100)(101)(102) 3대를 이용하여 3상 3선식으로 삼상 능동 필터(300)를 구성하는 경우 도 6에 도시된 바와 같이 단상 필터(100)(101)(102)의 능동필터의 출력전류 라인은 각 상의 선간에 연결된다.

본 발명의 도 6으로 도시된 삼상 3상 3선식에 단상 능동필터(100)(101)(102)를 이용한 모듈형 삼상 능동필터(300)를 구성하기 위해서는 아래에 표기 된 식22~24와 같이 보상전류가 구성되도록 도 4a와 같은 단상 능동 필터(100)의 제어계에 변형이 요구된다.

도 6과 같이 능동필터 시스템이 구성될 경우 보상전류와 3대의 단상 능동 필터의 출력 전류간의 관계는 다음과 같다.

(22)

(23)

(24)

그러므로 각 상의 부하전류를 이용하여 계산된 식(22),(23),(24)에서의

,

은 선간에 연결된 단상필터의 출력 전류

,

로 분리되어야 한다.

식22~24를 행렬 형태(matrix form)로 표현하면 다음과 같다.

(25)

행렬

의 역행렬을 구하면 단상필터의 출력 전류가 구해지나, 행렬

는 singular matrix 이므로 역행렬을 가지지 않는다.

다음과 같은 보조 방정식를 도입하고 이는 영이라고 가정한 후

(26)

식(25)를 다시 쓰면 다음과 같다.

(27)

의 역행렬을 구해서 각 능동필터의 보상전류를 구하면 다음과 같다.

(28)

그러므로 3대의 단상 능동필터(100)(101)(102)의 출력전류는 다음과 같이 표현된다.

(29)

(30)

(31)

식(29)~(31)과 표현되는 단상 능동필터(100)(101)(102)의 출력전류의 합은 다음과 같이 영이 되어 식(26)과 같은 가정을 만족시킨다.

(32)

도 2b와 같이 구성되는 시스템은 스위치 회로를 구성하는 스위칭 소자 중 1개만 이상이 발생하여도 시스템은 정상적인 운전을 수행할 수 없으나, 도 6과 같 이 제안된 모듈형 시스템은 1대의 능동 필터(100)에 이상이 발생하여도 2대의 능동필터(101)(102)시스템 만으로 삼상의 보상이 가능하게 된다.

도 6에서 APF3이 이상이라고 가정하면

이므로 식25는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

(33)

의 행벡터는 1차 독립을 이루므로 Pseudo inverse를 이용하여 정상 인 2대의 능동필터의 보상전류를 구하면 다음과 같다.

(34)

상기와 같은 방법으로 각각 APF2, APF1 이상시 정상인 두 대의 능동필터의 보상전류를 구하면 다음과 같다.

(35)

(36)

상기 된 바와 같은 3상 3선식 모듈형 삼상 능동필터(300)의 제어계통은 도 7에 도시된 바와 같다.

본 발명은 전원(30)과 비선형 부하(10)가 3상3선식으로 연결되고, 단상능동 필터(100)(101)(102)가 각 상의 선간에 설치되며, 각 상전압(Va,Vb,Vc)과 상전류(iLa,iLb,iLc)를 입력받은 고조파전류 및 무효전류 검출기(310)에서 단상능동필터(100)(101)(102)의 출력전류(ia,ib,ic)를 제어하기 위한 기준신호(icoma^*,icomb^*,icomc^*)가 연산된다.

이렇게 연산된 기준신호(icoma^*,icomb^*,icomc^*)는 모듈형 3상 능동필터(300) 각각의 단상능동필터(100)(101)(102)의 이상을 검출한 모드선택시퀀스(330)의 모드신호 입력에 따라 이상이 없을 경우

의 식에 의해 각 모듈의 보상기준 신호(ia^*,ib^*,ic^*)를 구하고, 단상능동필터(100)(101)(102)중 하나라도 이상이 있을 경우는

,

,

중 하나의 식에 의해 모듈형 3상 능동필터(300)의 보상 기준 신호(ia^*,ib^*,ic^*)를 구한 후 이 신호를 전류 제어기(320) 입력 신호로 이용되며, 상기 전류 제어기(320)는 능동 필터 출력 전류 ia,ib,ic가 기준신호 ia^*,ib^*,ic^*를 추종하도록스위치 회로를 제어하기 위한 스위칭 신호를 출력한다.

도 1a는 능동 필터의 개념도

도 1b는 3상 능동필터용 전력회로

도 2a는 3상 4선 적용 방식도

도 2b는 3상 3선 적용 방식도

도 3은 삼상 능동필터 제어계통도

도 4a는 본 발명의 전력회로 구성도

도 4b는 본 발명의 제어계 구성도

도 5는 단상 능동필터를 이용한 3상 4선식 모듈형 삼상 능동필터 장치도

도 6은 단상 능동필터를 이용한 3상 3선식 모듈형 삼상 능동필터 장치도

도 7은 본 발명의 3상 3선식 모듈형 삼상 능동필터의 협조제어계통도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 비선형 부하 30 : 전원

100,101,102 : 단상 능동필터

200,300 : 3상 능동필터

Claims

전원(30)과 비선형 부하(10)가 3상3선식으로 연결되고, 단상능동필터(100)(101)(102)가 각 상의 선간에 설치되며, 각 상전압(Va,Vb,Vc)과 상전류(iLa,iLb,iLc)를 입력받은 고조파전류 및 무효전류 검출기(310)에서 단상능동필터(100)(101)(102)의 출력전류(ia,ib,ic)를 제어하기 위한 기준신호(icoma^*,icomb^*,icomc^*)를 연산하는 단계와;

상기 된 연산 기준신호(icoma^*,icomb^*,icomc^*)는 모듈형 3상 능동필터(300) 각각의 단상능동필터(100)(101)(102)의 이상을 검출한 모드선택시퀀스(330)의 모드신호 입력에 따라 이상이 없을 경우
의 식에 의해 각 모듈의 보상기준 신호(ia^*,ib^*,ic^*)를 구하는 단계와;

상기 단상능동필터(100)(101)(102)중 하나라도 이상이 있을 경우는
,
,
중 하나의 식에 의해 모듈형 3상 능동필터(300)의 보상 기준 신호( ia^*,ib^*,ic^*)를 구하는 단계와;

상기 보상 기준 신호( ia^*,ib^*,ic^*)를 전류 제어기(320) 입력 신호로 이용하며 전류 제어기(320)에서 능동 필터 출력 전류 (ia,ib,ic)가 기준신호( ia^*,ib^*,ic^*)를 추종하도록스위치 회로를 제어하기 위한 스위칭 신호를 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모듈형 삼상 능동필터의 운전방법.