KR20110129043A - A electrical energy saver with improved power quality - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an electric energy saving device having a power quality improvement function.
일반적으로 전기에너지 절감을 위해 사용되고 있는 기존의 절전장치들의 전기에너지 절감의 기본 개념은 부하에 인가되는 전압을 강하하여 이의 비율만큼 소비에너지를 절약하는 것이다. 이는 전기공급규정에 전력회사로부터의 공급전압 범위(Supply Voltage Range)를 규정전압(Nominal Voltage)의 상하 6퍼센트까지로 규정하고 있어, 공급전압 범위 내에서 전기전자기기가 정상적으로 작동 또는 운전되도록 하기 위하여 모든 기기는 정격전압의 상하 10퍼센트까지의 이용전압 범위(Utilization Voltage Range) 내에서 정상 운전될 수 있게 설계, 제작하도록 기기제조법규로 규정하고 있기 때문에 가능한 것이다. 즉, 기기제작 시 제조법규를 만족하기 위해서는 이용전압 범위 내에서 출력특성을 보장하도록 과잉 설계(Over Design)할 수밖에 없고, 실제 정격전압 인가 시에는 공급과잉으로 불필요한 전력을 낭비하게 되기 때문에, 에너지 절감 효과를 얻기 위한 적정전압을 유지하기 위하여 공급전압을 강압 또는 승강압하여 운전함으로서 절전 효과를 얻게 된다. In general, the basic concept of electric energy saving of existing power saving devices used for electric energy saving is to save energy consumption by a ratio by dropping the voltage applied to the load. In the electricity supply regulations, the supply voltage range from the utility company is defined as up to 6 percent above and below the nominal voltage, so that the electric and electronic equipment operates or operates normally within the supply voltage range. This is possible because all equipment is regulated by device manufacturing codes to be designed and manufactured to operate normally within the Utility Voltage Range up to 10 percent above and below the rated voltage. In other words, in order to satisfy the manufacturing regulations when manufacturing the device, it is necessary to over design to guarantee the output characteristics within the available voltage range, and when the rated voltage is actually applied, unnecessary power is wasted due to excess supply, thereby saving energy. In order to maintain the proper voltage to obtain the effect by operating the power supply voltage step-down or step-down to obtain a power saving effect.
한편, 이라크 전쟁 등 국제 정세의 불안으로 인한 국제 유가의 급등, 교토 의정서에 의해 온실가스배출 기준의 강화로 대체에너지의 개발 및 보급과 함께 에너지 생산 및 사용량의 절감 문제와 자동화 및 이동 통신시스템의 발달로 전력 품질의 향상 문제는 이 시대의 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. Meanwhile, the surge in international oil prices due to the unrest of the international situation such as the Iraq war and the strengthening of greenhouse gas emission standards under the Kyoto Protocol have led to the development and dissemination of alternative energy, the reduction of energy production and consumption, and the development of automation and mobile communication systems. As a result, the improvement of power quality has emerged as a very important problem in this era.
하지만, 지금까지 개발된 기존의 절전장치는 단순히 전압제어를 통해 에너지절감효과를 얻는 것으로, 역율 이나 전력 품질(Power Quality)개선에 대해서는 전혀 고려가 되지 않고 있는 실정이다. 특히 전기공급규정의 역율 0.9 이상 유지규정을 고려하면, 기존의 제작, 판매되고 있는 기기들은 기본적으로 일정부분 역율을 발생시키고 있기 때문에 불 필요한 발전 용량 감소를 위하여 이의 개선은 시급한 실정이다. However, the existing power-saving devices that have been developed so far are simply energy-saving effect through the voltage control, the situation is not considered at all to improve the power factor or power quality (Power Quality). In particular, considering that the power supply regulation maintains a power factor of 0.9 or more, the existing devices manufactured and sold basically generate a partial power factor, and thus, it is urgent to improve the power generation capacity to reduce unnecessary power generation capacity.
그러므로 부하전압 제어만을 하는 기존의 절전장치와는 달리, 절전은 물론이고, 부하의 역율 및 전력품질까지도 개선할 수 있는 다기능 절전장치의 개발이 절실하게 요구되고 있다.Therefore, unlike conventional power saving devices that only control the load voltage, the development of a multifunctional power saving device that can improve not only power saving but also the power factor and power quality of the load is urgently required.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 절전장치가 많이 소개되고 있었다.In order to solve such a problem, a conventional power saving device has been introduced.
도 1a는 기존의 강압형 절전장치로서 부하전압이 계통전압보다 항상 Vx 만큼 작게 강압 제어하는 절전 장치이다. Figure 1a is a conventional step-down type power saving device is a power saving device for step-down control of the load voltage is always as small as Vx than the grid voltage.
이는 단권변압기의 탭 변환에 의하여 부하의 전압을 입력 계통 전압에 관계없이 에너지 절감 효과를 극대화하기 위한 최적의 전압으로 제어하는데, 이를 위하여 서보모터를 이용하거나 탭 절환 스위치의 사용이 필수이고, 이 때문에 탭 절환 시 접점에서 스파이크 또는 리액터 에너지에 의한 서지가 발생하고, 변압기 운전시의 소음 등의 단점이 있다. This is to control the voltage of the load by the tap change of the single winding transformer to the optimum voltage to maximize the energy saving effect irrespective of the input system voltage. For this purpose, it is necessary to use a servo motor or the use of a tap-changing switch. When tap-changing, a surge occurs due to spike or reactor energy at a contact point, and there are disadvantages such as noise when operating a transformer.
하지만, 이는 에너지 절감을 위해 강하하는 전압(Vx)을 제어하면서 생기는 에너지를 전원 측에 그대로 회생시킬 수 있기 때문에 에너지 절감 효과가 크고, 비교적 쉬운 방법으로 구현이 가능하기 때문에 가장 많이 사용되고 있는 장치이다However, this is the most widely used device because energy saving effect is large and it can be implemented in a relatively easy way because energy generated while controlling the voltage (Vx) falling for energy saving can be regenerated as it is.
도 1b는 기존의 승강압형 절전장치로서, 계통의 전압이 부하 에너지 절감을 위한 적정 부하전압 보다 작게 인가될 때, 승압제어가 불가능한 [도 1a]의 절전장치를 승압 또는 강압 제어가 가능하도록 개선하기 위하여 1 차측에 센터 탭을 두어 승강압이 가능하도록 개선한 것이다. Figure 1b is a conventional step-up type power saving device, when the voltage of the system is applied to less than the appropriate load voltage for reducing the load energy, to improve the power saving device of [Fig. For this purpose, the center tap is installed on the primary side to improve the lifting pressure.
따라서 이 승강압형 절전장치는 도 1a의 장점과 단점을 그대로 공유하게 되는데, 다만, 승강압이 가능하기 때문에 도 1a에 비하여 입력전압의 범위가 더 넓다는 장점이 있다. Therefore, the step-down type power saving device shares the advantages and disadvantages of FIG. 1A as it is. However, since the step-down voltage is possible, the input voltage range is wider than that of FIG. 1A.
도 1c는 기존의 반도체 스위치에 의한 강압형 절전장치로서, 반도체 스위치에 의해 제어되기 때문에 도 1a, 도 1b과 같이 단권변압기를 이용하는 방식의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 문제와 변압기 소음 등의 문제를 해결할 수 있지만, 에너지 절감을 위해 강하하는 전압(Vx)을 제어하면서 생기는 에너지를 전원 측에 회생시키지 못하고, 저항(R)에서 소모하기 때문에 에너지 절감 효과가 도 1a, 도 1b에 비하여 작은 단점이 있었다.
Figure 1c is a step-down type power saving device using a conventional semiconductor switch, because it is controlled by a semiconductor switch, such as the problem of spikes and tapping at the time of tap switching, which is a disadvantage of the method using a single winding transformer as shown in Figure 1a, Figure 1b Although it can be solved, the energy saving effect is smaller than that of FIGS. 1A and 1B because energy generated by controlling the voltage Vx falling for energy saving is not regenerated on the power supply side and consumed by the resistor R. .
즉, 기존 절전 장치를 살펴보면, 도 1a는 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 특성을 이용하여 부하전압을 절전 가능전압으로 제어하는 강압형 절전장치로서, 이는 비교적 쉬운 방법으로 구현이 가능하기 때문에 비교적 많이 사용되고 있지만, 부하전압제어를 위하여 변압기의 탭 변환이 필수이고, 이를 위해 서보모터나 탭 절환 스위치를 사용하게 되는데, 탭 절환 시 접점에서 스파이크 또는 리액터 에너지에 의한 서지가 발생하고, 변압기 운전시의 소음 등의 단점이 있었다. That is, referring to the existing power saving device, Figure 1a is a step-down type power saving device that controls the load voltage to the power saving voltage by using the characteristics of a single winding transformer (or mutual induction reactor), which is relatively easy because it can be implemented in a relatively easy way Although it is widely used, tap change of transformer is necessary for load voltage control, and servo motor or tap change switch is used for this purpose. When tap changeover, surge occurs due to spike or reactor energy at contact, There were disadvantages such as noise.
도 1b는 부하전압을 승압 또는·강압이 가능하도록 제어하는 승강압형 절전장치로서, 기본 원리는 도 1a와 같지만, 도 1a의 절전장치가 강압 구조이기 때문에 공급전압이 절전가능전압 이하일 때는 제어가 불가능한 단점을 개선하기 위하여 1 차측에 센터 탭(center tap)을 두어 승·강압이 가능하도록 개선한 것이다.FIG. 1B is a step-up / type power saving device for controlling a load voltage to be stepped up or down, and the basic principle is the same as that of FIG. 1A. However, since the power saving device of FIG. In order to remedy the disadvantage, the center tap was installed on the primary side to improve the pressure.
한편 도 1c는 도 1a, 도 1b와 달리 반도체 스위치에 의해 부하전압을 제어하는 강압형 절전장치로서, 도 1a, 도 1b의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 문제와 변압기 소음 등의 문제를 해결할 수 있지만, 에너지 절감을 위해 강하하는 전압(Vx)을 제어하면서 생기는 에너지를 전원 측에 회생(regeneration)시키지 못하고, 저항(R)에서 소모하기 때문에 에너지 절감 효과가 도 1a, 도 1b에 비하여 작은 단점이 있었다.
On the other hand, Figure 1c is a step-down type power saving device that controls the load voltage by a semiconductor switch, unlike Figures 1a, 1b, it can solve the problems such as spikes and transformer noise when switching taps, which is a disadvantage of Figures 1a, 1b In addition, the energy saving effect is smaller than that of FIGS. 1A and 1B because energy generated by controlling the voltage Vx falling for energy saving is not regenerated at the power supply side and consumed by the resistor R. .
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 기존의 부하전압 제어를 통하여 전기에너지 절감효과를 꾀하는 시도와는 다르게, 두 대의 인버터(Inverter)를 이용하여 입력 계통 전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 계통 전원을 고품질 전력(High Power Quality)으로 유지하면서 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
In order to solve the above problems, in the present invention, unlike the attempt to reduce the electrical energy through the conventional load voltage control, by using two inverters (Inverter) to improve the power factor, harmonics, etc. of the input system power supply system power supply It is an object of the present invention to provide an electric energy saving device having a power quality improvement function that can significantly reduce power consumption of a load while maintaining a high power quality.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는In the present invention to achieve the above object
각 기기에 전원을 입력시키는 입력 계통전원부(10)과,Input system
상기 입력 계통전원부과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 입력 계통전원부을 고품질 전력으로 제어하기 위해 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 이루어진 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)과,Connected in parallel with the input system power supply unit, four conduction time control switches with diodes in parallel and in parallel to remove the phase difference and harmonics generated from the load to control the input system power supply unit with high quality power. The current controlled voltage source inverter (Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI) (20),
상기 입력 계통전원부과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하는 변압기(30)와,A
상기 변압기의 2차측에 연결되어, 부하 에너지 절감을 위한 변압기 전압(Vx)를 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입으로 구성한 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)와,Voltage controlled voltage source inverter connected to the secondary side of the transformer and configured to have a full bridge type of four switches for conduction time control in which diodes are connected in reverse parallel to control transformer voltage (Vx) for reducing load energy. Inverter (VCVSI) 40,
상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)와 전압 제어형 전압원 인버터(40)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화하기 위한 직류 커패시터(50)로 구성됨으로서 달성된다.
The current control
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 기존의 절전장치가 사용되는 모든 분야에 다기능, 저가격, 고효율 절전장치로 활용할 수 있을 뿐 아니라, 특히, 전압제어에 의한 절전효과가 조명부하에서 가장 크기 때문에 조명부하 사용 비중이 40퍼센트에 달하는 주거용 또는 상업용 빌딩에 적용하면 에너지 절감 효과가 극대화 될 뿐 아니라 건물의 분전반에 간단하게 설치할 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 다기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 활용이 가능하다. As described above, the present invention not only can be utilized as a multi-function, low-cost, high-efficiency power-saving device in all fields in which the existing power-saving device is used, and in particular, since the power-saving effect by voltage control is the largest in the lighting load, the lighting load When applied to residential or commercial buildings with up to 40 percent use, the energy savings can be maximized and can be simply installed in the distribution panel of the building, enabling the use of multi-functional electric energy saving devices at low cost.
또한 본 발명의 절전장치에 태양광 등의 대체에너지와 에너지 저장장치인 배터리를 추가하면, 본 발명의 에너지 절감 효과 및 전력 품질 향상 효과에 더하여 Peak-cutting 등의 수요관리제어와 계통전력 사고 시를 대비한 UPS 등의 기능을 추가로 수행할 수 있기 때문에 국가에너지 절약 사업에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
In addition, the addition of alternative energy such as solar light and an energy storage device to the power saving device of the present invention, in addition to the energy saving effect and power quality improvement effect of the present invention, demand management control such as peak-cutting and system power accidents It is expected to contribute much to the national energy saving business because it can perform additional functions such as UPS in preparation.
도 1a는 기존의 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller)를 도시한 회로도,
도 1b는 기존의 승강압형 절전장치(Step-Up/Down type Energy Saving Controller)를 도시한 회로도,
도 1c는 기존의 반도체 스위치에 의한 강압형 절전장치(Step-Down type Energy Saving Controller by using electronic switch)를 도시한 회로도,
도 2는 본 발명에서 고안한 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치(A Electrical Energy Saving Controller with Multi-function)를 도시한 회로도,
도 3a는 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하를 도시한 회로도,
도 3b는 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하를 도시한 회로도,
도 4a는 240V, 50Hz의 입력전압을 [도 3a]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 4b는 210V, 50Hz의 입력전압을 [도 3a]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 5a는 240V, 50Hz의 입력전압을 [도 3b]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 5b는 210V, 50Hz의 입력전압을 [도 3b]의 부하에 인가했을 때의 입력전압, 전류 그리고 이의 유효 및 무효전력의 파형도,
도 6는 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치의 전류(전원전류, 부하전류, CCVSI전류), 전압(전원전압, 부하전압, VCVSI전압), 유효전력(전원, 부하, CCVSI, VCVSI) 그리고 무효전력(전원, 부하, CCVSI)의 파형도,
도 7은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치를 분산전원시스템에 적용한 일실시예도.1A is a circuit diagram illustrating a conventional step-down type energy saving controller.
1B is a circuit diagram showing a conventional step-up / down type energy saving controller;
1C is a circuit diagram illustrating a step-down type energy saving controller by using an electronic switch.
2 is a circuit diagram showing an A Electrical Energy Saving Controller having a power quality improving function devised in the present invention;
3A is a circuit diagram showing a nonlinear load with a capacity of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94);
3B is a circuit diagram showing a nonlinear load with a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84),
4A is a waveform diagram of input voltage, current, and effective and reactive power thereof when an input voltage of 240 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3A].
4B is a waveform diagram of an input voltage, a current, and effective and reactive power thereof when an input voltage of 210 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3A].
FIG. 5A is a waveform diagram of input voltage, current, and effective and reactive power thereof when an input voltage of 240 V and 50 Hz is applied to the load shown in FIG. 3B.
5B is a waveform diagram of an input voltage, a current, and effective and reactive power thereof when an input voltage of 210 V and 50 Hz is applied to the load of [FIG. 3B].
Figure 6 is a current (power supply current, load current, CCVSI current), voltage (power supply voltage, load voltage, VCVSI voltage), active power (power supply, load, CCVSI, VCVSI) and reactive power of the multi-function power saving device devised in the present invention (Power supply, load, CCVSI) waveform diagram,
Figure 7 is an embodiment applying the multi-function power saving device devised in the present invention to a distributed power system.
먼저, 본 발명에서 설명되는 인버터는 직류 전기에너지를 교류 전기에너지로 변환시키는 전력변환장치를 말한다.First, the inverter described in the present invention refers to a power converter for converting direct current electrical energy into alternating current electrical energy.
여기서 인버터의 입력은 직류이고 출력은 교류가 된다.The input of the inverter is direct current and the output is alternating current.
따라서 인버터의 입력이 직류 전압 형태이면 전압원 인버터가 되고, 인버터의 입력이 직류전류 형태이면 전류원 인버터라 부른다.Therefore, when the input of the inverter is in the form of a DC voltage, it is a voltage source inverter. When the input of the inverter is in the form of DC current, it is called a current source inverter.
또한 인버터의 출력인 교류는 정현파(사인파)이어야 하는데, 여기서 인버터의 출력전압을 정현파로 제어하는 것을 전압제어형이라고 하고, 인버터의 출력전류를 제어하는것을 전류제어형이라고 한다.In addition, the AC output of the inverter should be a sine wave (sinusoidal wave). Here, controlling the output voltage of the inverter with a sine wave is called a voltage control type, and controlling the output current of the inverter is called a current control type.
따라서 전류제어형 전압원 인버터(20)은 인버터 입력은 직류전압형태이고, 인버터 출력전류를 제어하는 방식을 나타낸다. Therefore, the current control
이렇게 구분하는 이유는 인버터의 출력 신호(전압 또는 전류)를 제어하는 방법을 명확하게 표시하기 위함이다.The reason for this distinction is to clearly indicate how to control the output signal (voltage or current) of the inverter.
계통전력의 품질은 역률과 전고조파왜곡률(THD:Total Harmonic distortion)의 2가지 파라미터로 설명할 수 있다. The quality of grid power can be explained by two parameters: power factor and total harmonic distortion (THD).
즉 가장 이상적인 계통전원은 정현파로 역률 1과 THD 0%를 의미한다.In other words, the ideal system power source is a sine wave, which means power factor of 1 and THD of 0%.
하지만 부하에 무효전력성분이나 비선형 부하가 발생하면 전압과 전류의 위상차가 발생하여 역률은 감소하고 THD는 증가하게 된다. 이를 해결하기 위해서는 계통에서 발생하는 전압과 전류의 위상차를 보정해줘야 합니다. 일반적으로 전류의 위상차와 찌그러짐을 보상하는 방식을 채택한다.However, when reactive power component or nonlinear load is generated in the load, the phase difference between voltage and current occurs, so the power factor decreases and THD increases. To solve this problem, it is necessary to correct the phase difference between voltage and current occurring in the grid. Generally, a method of compensating for the phase difference and distortion of the current is adopted.
그러므로 인버터의 출력전류를 직접 제어할 수 있는 전류제어형 전압원 인버터가 계통의 품질을 향상시킬 수 있는 가장 이상적인 인버터이다.
Therefore, the current-controlled voltage source inverter that can directly control the output current of the inverter is the ideal inverter to improve the quality of the system.
또한 본 발명에서 설명되는 부하는 일반 동력 부하와 조명부하를 말한다.
In addition, the load described in the present invention refers to a general power load and lighting load.
본 발명에서 사용되는 2가지 인버터 중 전류제어형 전압원 인버터는 계통 전류의 위상차와 찌그러짐을 보상하여, 계통의 역률을 향상시키고 THD를 저감시키는 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.Among the two inverters used in the present invention, the current-controlled voltage source inverter compensates for the phase difference and distortion of the grid current, thereby improving the power factor of the grid and reducing THD.
그리고, 전압제어형 전압원 인버터에서는 획득 가능한 에너지를 계통에 회생시키는 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the voltage-controlled voltage source inverter is characterized in that it serves to regenerate the energy obtainable to the system.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치로서, 기존의 단권변압기를 이용하는 절전장치(도 1a, 도 1b)나 반도체 스위치를 사용하여 정류 제어하는 절전장치(도 1c)와 달리, 양방향 제어가 가능한 두 대의 인버터로 구성되어 기존 절전장치가 갖고 있는 단점(도 1a, 도 1b와 같이 단권변압기의 원리를 사용하는 절전장치의 단점인 탭 절환 시의 스파이크 및 변압기 소음 등의 문제, 도 1c와 같이 반도체 스위치를 사용하는 절전장치의 단점인 제어 에너지의 회생 문제 등)을 개선함은 물론, 입력 계통 전원의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질 전력으로 유지하도록 제어가 가능하면서 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있는 전기에너지 절전장치이다.2 is an electric energy saving device having a power quality improvement function according to the present invention, and a power saving device (FIG. 1A, 1B) using a conventional single winding transformer or a power saving device (FIG. 1C) for rectifying control using a semiconductor switch. On the contrary, it is composed of two inverters capable of bidirectional control, and has the disadvantage of the existing power saving device (such as spikes and transformer noise during tap change, which is a disadvantage of the power saving device using the principle of a single winding transformer as shown in FIGS. 1A and 1B). 1C, as well as the regeneration problem of control energy, which is a disadvantage of a power saving device using a semiconductor switch, as well as improving power factor, harmonics, etc. of the input system power supply and controlling to maintain high quality power while maintaining load It is an electric energy saving device that can drastically reduce power consumption.
본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치는 입력 계통전원부(10), 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20), 변압기(30), 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40), 직류 커패시터(50)로 구성된다.
Electrical energy saving device having a power quality improvement function according to the present invention is an input system
먼저, 본 발명에 따른 입력 계통전원부(10)에 관해 설명한다.First, the input system
상기 입력 계통전원부(10)는 각 기기에 전원을 입력시키는 역할을 한다.The input system
이는 한전에서 가정이나 건물에 공급하는 220Vrms/60Hz의 상용전원으로서, 부하(본 발명에서는 일예로, "조명장치"로 설정함)에 전력을 공급한다.
This is a 220Vrms / 60Hz commercial power supply to the home or building from KEPCO, and supplies power to the load (in the present invention, for example, set to "lighting device").
다음으로, 본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)에 관해 설명한다.Next, a current controlled voltage source inverter (CCVSI) 20 according to the present invention will be described.
상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 상기 입력 계통전원부과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 입력 계통전원부을 고품질 전력으로 제어하기 위해 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 이루어진다.The current-controlled
상기 도통시간 제어용 스위치는 제1 도통시간 제어용 스위치, 제2 도통시간 제어용 스위치, 제3 도통시간 제어용 스위치, 제4 도통시간 제어용 스위치로 구성된다.The conduction time control switch includes a first conduction time control switch, a second conduction time control switch, a third conduction time control switch, and a fourth conduction time control switch.
또한 본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브리지 타입으로 구성한 3상 전류제어형인버터와 3상 전압제어형인버터로 3상 계통전압에 연결하여 구성된다.In addition, the current-controlled
본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 도 2에 도시한 바와 같이, 입력단자 일측에 부하 전류(IL)가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류(IC)가 입력되고, 출력단자 일측에 제1 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제2 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제3 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제4 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성된다.In the current controlled
이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 병렬로 연결된 전류제어형 인버터를 통하여 전원 측에 회생시키고, 부하조건(비선형 부하 및 역률부하)에 따라 무효전력을 보상함으로써 계통의 전력품질을 향상시킨다.
The current controlled
다음으로, 본 발명에 따른 변압기(30)에 관해 설명한다.Next, the
상기 변압기(30)는 입력 계통전원부과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하는 역할을 한다.The
본 발명에 따른 변압기는 도 2에 도시된 바와 같이, 일측에 전압제어형 전압원 인버터(40)과 입력계통전원부(10)와 직렬로 연결된다.As shown in FIG. 2, the transformer according to the present invention is connected in series with a voltage controlled
그리고, 본 발명에 따른 변압기를 사용하는 목적은 2가지로 하나는 계통과 인버터를 분리(절연)하는 것이고, 하나는 전압 비율을 맞추기 위함이다.In addition, the purpose of using the transformer according to the present invention is two types, one is to isolate (insulate) the grid and the inverter, and one is to match the voltage ratio.
전압제어형 전압원 인버터(40)의 출력 전압 (Vx)은 실제 계통전압의 약 10%(약 20V)이지만, 이는 변압기 2차 측의 전압으로 변압기 1차 측의 전압은 220Vrms 정도 된다.The output voltage Vx of the voltage controlled
그 이유는 병렬로 연결된 전류제어형 전압원 인버터와 입력전원을 동일하게 사용하기 때문이다.This is because the same current-controlled voltage source inverter and the input power source are connected in parallel.
따라서, 본 발명에서는 인버터의 입력전압이 350 VDC 이상이기 때문에 이를 계통 전압의 10%를 맞추기 위해 변압기를 사용한다.
Therefore, in the present invention, since the input voltage of the inverter is 350 VDC or more, a transformer is used to match 10% of the grid voltage.
또한, 본 발명에 따른 변압기(30)는 계통 전압에 직렬 연결된 부하전압 제어용 변압기 1차 측 권선의 나머지 단자에 전체 부하가 연결되도록 구성된다.In addition, the
즉, 계통인입 전원을 분전반에서 일반 동력 부하와 조명부하로 배분하여, 일반 동력부하는 계통 전압에 직접 연결하고, 조명부하만 부하전압 제어용 변압기 1차 측 권선의 나머지 단자에 연결되는 구조를 포함하여 이루어진다.
That is, the grid input power is distributed from the distribution panel to the general power load and the lighting load, and the general power load is directly connected to the grid voltage, and only the lighting load is connected to the remaining terminals of the primary winding of the transformer for load voltage control. Is done.
다음으로, 본 발명에 따른 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)에 관해 설명한다.Next, a voltage controlled voltage source inverter (VCVSI) 40 according to the present invention will be described.
상기 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)는 상기 변압기의 2차측에 연결되어, 부하 에너지 절감을 위한 변압기 전압(Vx)를 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입으로 구성된다.The voltage controlled voltage source inverter (VCVSI) 40 is connected to the secondary side of the transformer to control the conduction time of a diode connected in parallel with a diode in order to control the transformer voltage Vx for reducing load energy. Four switches are of full bridge type.
상기 도통시간 제어용 스위치는 제5 도통시간 제어용 스위치, 제6 도통시간 제어용 스위치, 제7 도통시간 제어용 스위치, 제8 도통시간 제어용 스위치로 구성된다.The conduction time control switch includes a fifth conduction time control switch, a sixth conduction time control switch, a seventh conduction time control switch, and an eighth conduction time control switch.
또한, 본 발명에 따른 전압 제어형 전압원 인버터(40)는 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브리지 타입으로 구성한 3상 전류제어형인버터와 3상 전압제어형인버터로 3상 계통전압에 연결하여 구성된다.In addition, the voltage-controlled
본 발명에 따른 전류 제어형 전압원 인버터(20)는 도 2에서 도시한 바와 같이, 입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)이 연결되고, 또 다른 입력단자 일측에 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압(VX)이 연결되며, 출력단자 일측에 제5 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제6 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제7 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제8 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성된다.
As shown in FIG. 2, the current controlled
본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치는 부하에 공급되는 전압을 일정부분 강하시켜(220Vrms에서 200Vrms로) 그만큼의 에너지를 절감하는 방식이다.The electric energy saving device having the power quality improvement function according to the present invention is a method of reducing the energy by decreasing the voltage supplied to the load by a certain amount (from 220 Vrms to 200 Vrms).
즉, 전압이 강하되면 전류도 감소하게 되어 실제적으로 소비되는 에너지를 강하시키는 비율만큼 감소시킬 수 있다.In other words, when the voltage drops, the current also decreases, which can be reduced by a rate that actually lowers the energy consumed.
따라서, 본 발명에서는 인버터의 출력 전압을 제어할 수 있는 전압제어형 전압원 인버터가 사용된다.Therefore, in the present invention, a voltage controlled voltage source inverter capable of controlling the output voltage of the inverter is used.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 전압제어형 전압원 인버터는 오른쪽 Voltage-Controlled controller(전압제어형 전압원 인버터용 제어기를 나타냄)에 연결된 4개의 스위치로 구성된다.That is, as shown in FIG. 2, the voltage controlled voltage source inverter is composed of four switches connected to the right Voltage-Controlled controller (representing a controller for the voltage controlled voltage source inverter).
본 발명에 따른 전압제어형 전압원 인버터(40)는 계통에 변압기를 통해 직렬로 연결되어 있고, Vx는 이의 출력전압을 의미한다.The voltage controlled
따라서 Vx를 계통 전압(Vg)과 위상차를 180도 다르게 제어하게 되면(즉 역으로 전압을 인가하게 되면) 계통전압에 -Vx를 인가한 효과가 발생하게 된다. Therefore, if Vx is controlled to be different from the grid voltage (Vg) by 180 degrees (that is, if the voltage is applied in reverse), the effect of applying -Vx to the grid voltage occurs.
이로 인해 실제적으로 부하전압(VL)=V(g)-(Vx)가 되어 계통전압보다 Vx만큼 적게 인가하게 된다.As a result, the load voltage (VL) = V (g)-(Vx) is actually applied to Vx less than the grid voltage.
이런 결과로 실제적으로 부하전압이 감소하게 되어 에너지를 절감시킬 수 있다.As a result, the load voltage is actually reduced, thereby saving energy.
또한 절감된 만큼의 에너지는 병렬로 연결된 전류제어형 전압원 인버터(20)를 통해 계통으로 보낸다.In addition, the amount of energy saved is sent to the system through the current-controlled
본 발명에서는 이를 회생에너지 반환이라고 한다.
In the present invention, this is called regenerative energy return.
다음으로, 본 발명에 따른 직류 커패시터(50)에 관해 설명한다.Next, the
상기 직류 커패시터(50)는 상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)와 전압 제어형 전압원 인버터(40)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화시키는 역할을 한다.The
본 발명에 따른 직류 커패시터(50)는 전압제어형 전압원 인버터(40)과 전류제어형 전압원 인버터(20)의 입력전원의 역할을 수행한다.
The
범용 인버터인 경우 배터리나 다른 직류전원장치를 사용하여 인버터의 입력전원을 사용한다. 이 경우에도 직류캐패시터(50)은 1차로 완충역할을 수행하기 위해 사용된다.In the case of general-purpose inverters, the input power of the inverter is used by using a battery or other DC power supply. Even in this case, the
또한, 본 발명에 따른 직류캐패시터(50)는 2차로 전압제어형 전압원 인버터(40)에서 발생되는 회생에너지를 직류캐패시터를 통해 전류제어형 전압원 인버터(20)로 공급시키는 역할을 수행한다.In addition, the
또한, 본 발명에 따른 직류캐패시터(50)는 3차로 무효전력을 충방전하여 전류제어형 전압원 인버터를 통해 계통의 무효전력을 보상하기 위한 무효전력을 공급시키는 역할을 한다.
In addition, the
다음으로, 본 발명에 따른 MPPT 컨버터에 관해 설명한다.Next, an MPPT converter according to the present invention will be described.
상기 MPPT 컨버터는 도 7에 도시한 바와 같이, 직류전압을 직류전압으로 변환하는 전력변환장치로 직류전압의 크기를 제어할 때 사용된다.
The MPPT converter is used to control the magnitude of the DC voltage as a power converter for converting the DC voltage into the DC voltage, as shown in FIG.
상기 MPPT 컨버터는 태양전지에서 발생되는 출력 전력을 최대로 할 수 있도록 태양전지의 출력전압을 제어하는 전력변환기의 역할을 한다.The MPPT converter serves as a power converter for controlling the output voltage of the solar cell to maximize the output power generated from the solar cell.
즉, 태양전지에서 발생하는 출력 전력은 외부환경변화(일사량, 온도, 경사도)에 의해 변하게 된다. 이때 태양전지의 출력 전압은 변동하게 되는데, 전압이 상승하더라도 전류가 감소하게 되어 실제적으로는 전압이 강하하는 방향이 최대전력에 근사함을 알 수 있다.That is, the output power generated from the solar cell is changed by external environmental changes (insolation amount, temperature, gradient). At this time, the output voltage of the solar cell is fluctuated, and even though the voltage increases, the current decreases, and thus, the direction in which the voltage drops actually approaches the maximum power.
이때, MPPT 컨버터에서는 태양전지의 최대전력점이 발생하는 전압크기를 추종하여 제어한다.
At this time, the MPPT converter controls by following the voltage magnitude generated by the maximum power point of the solar cell.
이하, 본 발명에 따른 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 구체적인 동작과정에 설명한다.Hereinafter, a detailed operation process of an electric energy saving device having a power quality improving function according to the present invention will be described.
본 발명의 전기에너지 절감을 위한 부하인가 전압의 제어는 계통과 부하사이에 직렬 연결된 변압기 전압(Vx)에 의하여 수행된다. The control of the load application voltage for the electrical energy saving of the present invention is performed by a transformer voltage (Vx) connected in series between the grid and the load.
이들 관계는 VL = Vg - Vx로서 계통인가 전압의 크기에 상관없이 Vx의 제어로 에너지절감에 필요한 적정부하전압을 유지할 수 있고, 이를 위하여 본 발명에서는 기존 절전장치와 달리 전압제어형 전압원 인버터를 사용한다. These relations are VL = Vg-Vx so that the proper load voltage required for energy saving can be maintained by the control of Vx regardless of the magnitude of the voltage applied to the system. For this purpose, the present invention uses a voltage controlled voltage source inverter unlike the conventional power saving device. .
상기 전압제어형 전압원 인버터는 양방향 제어가 가능하기 때문에 Vx를 양(+)의 전압에서부터 음(-)의 전압까지 선형적으로 제어가 가능하여 부하전압의 승강압 제어가 가능할 뿐 아니라, Vx의 제어범위가 정격의 상하 10퍼센트 범위인 이용전압의 범위에 있기 때문에 이의 제어를 위한 인버터의 용량은 부하 정격의 10퍼센트면 충분하고, 이의 에너지는 공통 연결된 전류제어형 전압원 인버터를 통하여 전원 측에 회생하게 된다. Since the voltage-controlled voltage source inverter can control in both directions, it is possible to control Vx linearly from a positive voltage to a negative voltage, thereby controlling the step-up / down of the load voltage, and also controlling the range of the Vx. Since is in the range of the available voltage, which is in the range of 10% above and below the rating, the capacity of the inverter for controlling thereof is sufficient to be 10% of the load rating, and its energy is regenerated to the power supply side through a commonly connected current controlled voltage source inverter.
한편, 현재 제작, 판매되고 있는 전기전자기기들은 전기공급규정의 역율 0.9 이상 유지규정을 적용하여 제작하였기 때문에, 기본적으로 일정부분 역율을 발생시키고 있을 뿐 아니라 비선형 부하의 경우 고조파 또한 무시할 수 없는 수준이다.
On the other hand, the electrical and electronic devices currently manufactured and sold are manufactured by applying a power supply factor of 0.9 or higher of the electricity supply regulation, which basically generates some power factor, and in the case of nonlinear loads, harmonics cannot be ignored. .
이를 개선하기위하여 본 발명의 CCVSI가 부하전류의 무효 및 고조파 성분을 보상하도록 제어(Ig = IL - Ic)하고, 이의 제어범위가 역율 0.9 정도의 부하이기 때문에 인버터의 용량은 부하 정격의 30퍼센트면 충분하다.
In order to improve this, the CCVSI of the present invention is controlled to compensate for the invalid and harmonic components of the load current (Ig = IL-Ic), and since its control range is a load with a power factor of about 0.9, the capacity of the inverter is 30% of the load rating. Suffice.
그러므로 본 발명은 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 탭 변환 방식 또는 제어정류회로에 의하여 제어하는 기존의 구조와는 근본적으로 다르게, VCVSI에 의하여 에너지 절감을 위한 부하 전압을 선형적으로 승강압 제어가 가능하고, 이를 위한 에너지는 CCVSI와 연계하여 회생할 수 있을 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선할 수 있으며, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 10퍼센트 이하이고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 30퍼센트 이하이기 때문에 보다 컴팩트하고, 저렴한 비용으로 다기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 제작이 가능하다.Therefore, the present invention is fundamentally different from the conventional structure controlled by a tap-change method or a control rectifier circuit of a single winding transformer (or mutual induction reactor). The energy for this can be regenerated in conjunction with CCVSI, and can significantly improve harmonics and reactive power by CCVSI, and the energy controlled by VCVSI for voltage control is less than 10 percent of the load rating. In addition, since the energy received through CCVSI for reactive power and harmonic control is less than 30% of the load rating, it is possible to manufacture a more compact and low-cost electric energy saving device.
도 3a는 240V, 50Hz 전압 인가 시 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하로서, 본 발명의 에너지 절감 및 전력 품질 개선효과를 검증하기 위하여 순수 저항 부하(23 Ω)와 비선형 부하(다이오드 브리지 정류회로에 연결된 R=20Ω, L=10mH, C=1000uF)가 병렬 연결된 형태의 부하이다. 3A is a non-linear load having a capacity of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94) when a 240 V, 50 Hz voltage is applied, and a pure resistive load to verify the energy saving and power quality improvement effect of the present invention. (23 Ω) and a non-linear load (R = 20Ω, L = 10mH, C = 1000uF connected to the diode bridge rectifier circuit) are connected in parallel.
도 3b는 240V, 50Hz 전압 인가 시 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하로서, 본 발명의 에너지 절감 및 전력 품질 개선효과를 검증하기 위한 비선형 부하(다이오드 브리지 정류회로에 연결된 R=20Ω, L=10mH, C=1000uF)이다. 3B is a nonlinear load having a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84) when a 240 V, 50 Hz voltage is applied, and a non-linear load for verifying the energy saving and power quality improvement effect of the present invention. R = 20Ω, L = 10mH, C = 1000uF) connected to the diode bridge rectifier circuit.
도 4a는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하([도 3a])에 240V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. 4A shows an input voltage of 240 V and 50 Hz to a nonlinear load ([FIG. 3A]) having a capacity of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], and PF 0.94) in order to confirm the energy saving effect by the load voltage control. The waveform is the result of simulation when.
시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software.
그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL).
그림에서 볼 수 있는 것처럼 5860[W], 2126[Var]의 전력 소비에 비선형부하에 의해 입력전류의 파형이 심하게 왜곡되어 있음을 볼 수 있다.As shown in the figure, the waveform of the input current is severely distorted by the nonlinear load in the power consumption of 5860 [W] and 2126 [Var].
도 4b는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하(도 3a)에 210V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. FIG. 4B shows an input voltage of 210 V and 50 Hz to a nonlinear load (FIG. 3A) having a capacity of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], and PF 0.94) in order to confirm the energy saving effect by the load voltage control. Is the waveform of the simulation result.
시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software.
그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL).
그림에서 볼 수 있는 것처럼 4761[VA](4476[W], 1622[Var], PF 0.94)의 전력 소비로 부하전압 강하에 의해 도 4a에 비하여 약 24퍼센트 정도의 에너지 절감 효과가 있음을 알 수 있으며, 이러한 에너지 절감 효과는 부하에 따라 다르게 되는데, 실제 조명부하에서 그 효과가 가장 크고, 전동기부하에서 가장 작은 것으로 알려져 있다. As can be seen from the figure, the power consumption of 4761 [VA] (4476 [W], 1622 [Var], PF 0.94) shows that the energy saving effect is about 24% compared to FIG. 4A by the load voltage drop. In addition, the energy saving effect is different depending on the load, it is known that the effect is the largest in the actual light load, the smallest in the motor load.
하지만 도 4a에 비하여 부하 역율 및 비선형부하에 의한 부하전류 파형의 왜곡현상에는 차이가 없음을 알 수 있다. However, it can be seen that there is no difference in distortion of the load current waveform due to the load power factor and the nonlinear load as compared with FIG. 4A.
이는 부하전압 제어만을 수행하는 기존의 절전 장치는 에너지 절감 효과이외의 부하역율 및 고조파 저감에 아무런 역할을 할 수 없음을 보여주는 것이다.
This shows that the existing power saving device performing only load voltage control can play no role in reducing the load power factor and harmonics other than the energy saving effect.
도 5a는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하(도 3b)에 240V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. FIG. 5A shows an input voltage of 240 V and 50 Hz to a nonlinear load (FIG. 3B) having a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], and PF 0.84) to confirm the energy saving effect by the load voltage control. Is the waveform of the simulation result.
시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software.
그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다.
From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL).
그림에서 볼 수 있는 것처럼 3349[W], 2126[Var]의 전력 소비에, 비선형부하만의 부하로 도 4a에 비하여 입력전류의 파형이 더욱 심하게 왜곡되어 있음을 볼 수 있다.As shown in the figure, the waveform of the input current is more severely distorted than the power consumption of 3349 [W] and 2126 [Var] compared to FIG. 4A with a nonlinear load only.
도 5b는 부하전압제어에 의한 에너지 절감 효과를 확인하기 위하여 3967[VA](3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하(도 3b)에 210V, 50Hz의 입력전압을 인가했을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. FIG. 5B shows an input voltage of 210 V and 50 Hz to a nonlinear load (FIG. 3B) having a capacity of 3967 [VA] (3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84) in order to confirm an energy saving effect by the load voltage control. Is the waveform of the simulation result.
시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 이상적인 것으로 가정하여 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. All the devices used in the simulation were assumed to be ideal, and the simulation was performed using Psim software.
그림 위에서부터 부하 입력전압(Vac)과 전류(Iac : 디스플레이 편의상 5배 확대) 그리고 이의 유효전력(WL) 및 무효전력(VarL)의 파형이다. From the figure above, it is the waveform of load input voltage (Vac) and current (Iac: 5 times magnification for display convenience) and its active power (WL) and reactive power (VarL).
그림에서 볼 수 있는 것처럼 3029[VA](2558[W], 1622[Var], PF 0.84)의 전력 소비로 부하전압 강하에 의해 도 5a에 비하여 약 24퍼센트 정도의 에너지 절감 효과가 있음을 알 수 있으며, 이러한 에너지 절감 효과는 부하에 따라 다르게 되는데, 실제 조명부하에서 그 효과가 가장 크고, 전동기부하에서 가장 작은 것으로 알려져 있다. As can be seen in the figure, the power consumption of 3029 [VA] (2558 [W], 1622 [Var], PF 0.84) shows that the energy saving effect is about 24% compared to FIG. 5A by the load voltage drop. In addition, the energy saving effect is different depending on the load, it is known that the effect is the largest in the actual light load, the smallest in the motor load.
하지만 도 5a에 비하여 부하 역율 및 비선형부하에 의한 부하전류 파형의 왜곡현상에는 차이가 없음을 알 수 있다. However, it can be seen that there is no difference in distortion of the load current waveform due to the load power factor and the nonlinear load as compared with FIG. 5A.
이는 부하전압 제어만을 수행하는 기존의 절전 장치는 에너지 절감 효과이외의 부하역율 및 고조파 저감에 아무런 역할을 할 수 없음을 보여주는 것이다. This shows that the existing power saving device performing only load voltage control can play no role in reducing the load power factor and harmonics other than the energy saving effect.
도 6은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치의 전기에너지 절감 효과 및 전력품질 향상 효과를 확인하기 위하여 도 2의 절전장치의 시뮬레이션 결과 파형이다. 6 is a waveform diagram of the simulation result of the power saving device of FIG. 2 to confirm the electric energy saving effect and power quality improvement effect of the multifunctional power saving device devised in the present invention.
시뮬레이션에 사용된 모든 소자는 도 4a ~ 도 5b에 서와 마찬가지로 이상적인 것으로 가정하였으나, 인버터에 사용된 스위치의 턴-온저항 Rsw=36mΩ의 조건으로 Psim 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. All devices used in the simulation were assumed to be ideal as in FIGS. 4A to 5B, but the simulation was performed using Psim software under the condition of the turn-on resistance Rsw = 36mΩ of the switch used in the inverter.
본 발명의 효용성 및 제어특성을 확인하기 위하여, 240V, 50Hz의 전압(유럽연합, 호주 등의 정격전압)을 인가했을 때, 에너지절감을 위한 적정 부하전압으로 210V를 설정하고, 3967[VA] (3349[W], 2126[Var], PF 0.84) 용량의 비선형 부하(도 3b)를 인가하다가 0.15초 후에 6234[VA](5860[W], 2126[Var], PF 0.94)용량의 비선형 부하(도 3a)로 증가시켰을 때의 시뮬레이션 결과 파형이다. In order to confirm the utility and control characteristics of the present invention, when a voltage of 240 V and 50 Hz (rated voltage of EU, Australia, etc.) is applied, 210 V is set as an appropriate load voltage for energy saving, and 3967 [VA] ( A nonlinear load of 3349 [W], 2126 [Var], PF 0.84) was applied (FIG. 3b), and after 0.15 seconds, a nonlinear load of 6234 [VA] (5860 [W], 2126 [Var], PF 0.94) capacity ( It is a waveform of a simulation result when it increases to FIG. 3A).
그림 위에서부터 전류(전원전류 Ig, 부하전류 IL, CCVSI전류 Ic), 전압(전원전압 Vg, 부하전압 VL, VCVSI전압 Vc), 유효전력(전원 Wg, 부하 WL, CCVSI Wc, VCVSI Wx) 그리고 무효전력(전원 Varg, 부하 VarL, CCVSI Varc)의 파형이다. From above figure, current (power current Ig, load current IL, CCVSI current Ic), voltage (power voltage Vg, load voltage VL, VCVSI voltage Vc), active power (power Wg, load WL, CCVSI Wc, VCVSI Wx) and invalid The waveform of power (power Varg, load VarL, CCVSI Varc).
그림에서 볼 수 있는 것처럼 본 발명의 절전장치는 부하변동에 상관없이 부하전압을 210V로 제어하고 있음을 보여주고, 이에 의하여 부하 소비에너지는 2608[W], 1675[Var](역율 0.84)를 소비하다가 0.15초 후에 4676[W], 1725[Var](역율 0.94)로 제어되고, 이와 대응하여 CCVSI의 전력은 197[W], 1666[Var]에서 429[W], 1730[Var]로, VCVSI는 260[W]에서 463[W]로, 계통 입력전력은 2679[W](역율 1)에서 4630[W](역율 1)로 제어하면서 비선형 부하에 의해 왜곡된 부하전류를 CCVSI에 의해 보상함으로서 입력전류가 정현전류로 제어됨을 알 수 있다. As shown in the figure, the power saving device of the present invention shows that the load voltage is controlled to 210 V regardless of the load fluctuation, thereby consuming 2608 [W] and 1675 [Var] (power factor 0.84). After 0.15 sec, it is controlled to 4676 [W], 1725 [Var] (power factor 0.94), and the corresponding CCVSI power is 197 [W], 1666 [Var] to 429 [W], 1730 [Var], and VCVSI. Is controlled from 260 [W] to 463 [W] and the grid input power is controlled from 2679 [W] (power factor 1) to 4630 [W] (power factor 1) while compensating for the load current distorted by the nonlinear load by CCVSI. It can be seen that the input current is controlled by the sinusoidal current.
이는 본 발명의 토대로 에너지절감을 위한 VCVSI의 제어 에너지가 CCVSI와 연계하여 회생하고 있음을 보여줄 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선함으로서 전력 품질 향상은 물론이고, 약 26%의 에너지 절감 효과가 있음을 보여주고 있다.
This not only shows that the control energy of the VCVSI for energy saving is regenerated in conjunction with the CCVSI based on the present invention, but also significantly improves the harmonics and reactive power by the CCVSI. It shows the savings.
이는 단순히 인가전압만을 강하하여 손실이 전혀 없는 도 4a ~ 도 5b의 에너지 절감효과 보다도 높은 것으로, 본 발명의 절전장치가 인버터 손실에도 불구하고 전압강하효과에 더하여 무효전력 개선에 의한 에너지 절감의 시너지(synergy) 효과가 있음을 알 수 있다. This is higher than the energy saving effect of FIGS. 4A to 5B in which only the applied voltage is dropped and there is no loss. The energy saving device of the present invention, in addition to the voltage drop effect, despite the inverter loss, generates synergy of energy saving by improving reactive power. synergy) effect.
또한, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 7.4퍼센트에 불과하고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 28.5퍼센트에 불과하기 때문에 보다 컴팩트하고, 저렴한 비용으로 고품질 전력 보상기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 제작이 가능함을 알 수 있다.
In addition, the energy controlled through VCVSI for voltage control is only 7.4 percent of the load rating, and the energy received through CCVSI for reactive power and harmonic control is only 28.5 percent of the load rating. It can be seen that it is possible to manufacture an electric energy saving device having a high quality power compensation function at a cost.
도 7은 본 발명에서 고안한 다기능 절전장치를 분산전원시스템에 적용한 예를 보인 것이다. Figure 7 shows an example of applying the multi-function power saving device devised in the present invention to a distributed power system.
도 7의 옵션(option)부분과 같은 태양광 등의 대체에너지와 에너지 저장장치인 배터리가 본 발명의 절전장치에 추가되면, 본 발명의 에너지 절감 효과 및 전력 품질 향상 효과에 더하여 Peak-cutting 등의 수요관리제어(Demand side management)와 계통전력 사고 시를 대비한 UPS (Uninterruptible Power Supply) 등의 기능을 추가로 수행할 수 있다.When alternative energy, such as sunlight, and a battery, which is an energy storage device, are added to the power saving device of the present invention, the energy saving effect and power quality improvement effect of the present invention, such as Peak-cutting, etc. Additional functions such as demand side management and uninterruptible power supply (UPS) in case of a grid power accident can be performed.
이를 위해 VCVSI의 용량은 변함이 없고, 다만 CCVSI가 무효 전력 및 고조파의 보상이외에 DSM 및 UPS 기능을 부가적으로 수행하기 위하여 CCVSI의 용량을 VCVSI에 의해 절감된 부하용량만으로 증설하면 되기 때문에 기존의 분산전원시스템에 비하여도 경제적인 시스템이다. To this end, the capacity of the VCVSI remains unchanged, but the CCVSI needs to expand the capacity of the CCVSI with only the load capacity saved by the VCVSI in order to perform the DSM and UPS functions in addition to the compensation of reactive power and harmonics. It is economical system compared to power system.
또한 전압 제어에 의한 에너지 절감은 조명부하 시 가장 효과가 좋고, 전동기 부하의 경우 효과가 작기 때문에 부하 특성을 최적으로 유지하면서 에너지절감 효과를 얻기 위해서는 본 발명의 절전장치를 그림에서처럼 조명부하와 일반 동력 부하를 분리하여 조명부하만을 절전장치에 적용하는 방법을 고려할 수 있다.In addition, energy saving by voltage control is most effective at lighting load, and in case of electric motor load, the effect is small. Therefore, in order to obtain the energy saving effect while maintaining the load characteristics optimally, the power saving device of the present invention uses lighting load and general power as shown in the figure. Consider separating the load and applying only the lighting load to the power saving device.
이 경우에도 계통인입 전원이 분전반(Distribution Board)에서 일반 동력 부하와 조명부하로 이미 배분되어 연결되어 있으므로 시스템 적용에 문제가 전혀 없다. In this case, there is no problem in applying the system since the grid-in power is already distributed and connected to the general power load and the lighting load in the distribution board.
따라서 본 발명의 절전장치는 에너지 절감효과가 우수한 조명부하의 비중이 40퍼센트 정도 되는 주거용 또는 상업용 빌딩에 적용하면 에너지 절감 효과가 극대화 될 뿐 아니라 건물의 분전반에 간단하게 설치할 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 다기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 활용이 가능하다.
Therefore, the energy saving device of the present invention can be applied to residential or commercial buildings with a high energy saving effect of about 40 percent, so that the energy saving effect can be maximized and can be simply installed in the distribution panel of the building. It is possible to utilize the electric energy saving device having.
본 발명은 계통 인입 전원에 병렬로 연결되는 전류제어형 전압원 인버터에 의하여 입력 계통전원부의 역율, 고조파 등을 개선하여 고품질의 전력으로 유지하면서, 전원과 부하사이에 직렬로 연결되는 전압제어형 전압원 인버터에 의하여 부하의 소비전력을 획기적으로 저감할 수 있다.
The present invention improves the power factor, harmonics, etc. of the input system power supply unit by a current controlled voltage source inverter connected in parallel to the grid inlet power supply, while maintaining a high-quality power, by a voltage controlled voltage source inverter connected in series between the power supply and the load. The power consumption of the load can be significantly reduced.
본 발명에서는 단권변압기(또는 상호유도리액터)의 탭 변환 방식 또는 제어정류회로에 의하여 제어하는 기존의 구조와는 근본적으로 다르게, VCVSI에 의하여 에너지 절감을 위한 부하 전압을 선형적으로 승강압 제어가 가능하고, 이를 위한 에너지는 CCVSI와 연계하여 회생할 수 있을 뿐 아니라 CCVSI에 의하여 고조파 및 무효전력 등을 획기적으로 개선할 수 있으며, 전압 제어를 위하여 VCVSI를 통해 제어하는 에너지가 부하 정격의 10퍼센트 이하이고, 무효전력 및 고조파 제어를 위해 CCVSI를 통해 수수하는 에너지가 부하 정격의 30퍼센트 이하이기 때문에 보다 컴팩트하고, 저렴한 비용으로 고품질 전력 보상기능을 갖는 전기에너지 절전장치의 제작이 가능하다.
In the present invention, unlike the conventional structure controlled by the tap-change method or the control rectifier circuit of the single winding transformer (or mutual induction reactor), it is possible to linearly control the voltage boost of the load voltage for energy saving by VCVSI. The energy for this can be regenerated in conjunction with CCVSI and can significantly improve harmonics and reactive power by CCVSI, and the energy controlled by VCVSI for voltage control is less than 10 percent of the load rating. In addition, the energy delivered through CCVSI for reactive power and harmonic control is less than 30 percent of the load rating, enabling a more compact, low cost electrical energy saving device with high quality power compensation.
10 : 입력 계통전원부
20 : 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)
30 : 변압기
40 : 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)
50 : 직류 커패시터
Ig : 입력 전원 전류
Ip : 단권변압기의 1차측 전류
IL : 부하 전류
IC : 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류
Vg : 입력 전원 전압
VL : 부하 전압
VX : 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압10: input system power supply
20: Current Controlled Voltage Source Inverter (CCVSI)
30: transformer
40: Voltage Controlled Voltage Source Inverter (VCVSI)
50: DC capacitor
Ig: input power current
Ip: Primary current of single winding transformer
IL: Load Current
IC: Output Current of Current Controlled Voltage Source Inverter
Vg: input power supply voltage
VL: load voltage
VX: Voltage controlled by voltage controlled voltage source inverter
Claims (6)
상기 입력 계통전원부과 병렬 연결되어, 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 입력 계통전원부을 고품질 전력으로 제어하기 위해 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입(full bridge type)으로 이루어진 전류 제어형 전압원 인버터(Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI)(20)과,
상기 입력 계통전원부과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하전압을 제어하는 변압기(30)와,
상기 변압기의 2차측에 연결되어, 부하 에너지 절감을 위한 변압기 전압(Vx)를 제어하기 위해서, 다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 4개를 풀 브리지 타입으로 구성한 전압 제어형 전압원 인버터(Voltage Controlled Voltage Source Inverter, VCVSI)(40)와,
상기 전류 제어형 전압원 인버터(20)와 전압 제어형 전압원 인버터(40)의 직류 측을 공통 연결하여, 인버터의 직류전압을 안정화하기 위한 직류 커패시터(50)가 하나의 PCB 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.
Input system power supply unit 10 for inputting power to each device,
Connected in parallel with the input system power supply unit, four conduction time control switches with diodes in parallel and in parallel to remove the phase difference and harmonics generated from the load to control the input system power supply unit with high quality power. The current controlled voltage source inverter (Current Controlled Voltage Source Inverter, CCVSI) (20),
A transformer 30 connected in series with the input system power supply unit and controlling a load voltage to reduce load energy;
Voltage controlled voltage source inverter connected to the secondary side of the transformer and configured with four full-bridge switches for conduction time control in which diodes are connected in reverse parallel to control transformer voltage (Vx) for reducing load energy. Inverter (VCVSI) 40,
By connecting the current-controlled voltage source inverter 20 and the DC side of the voltage-controlled voltage source inverter 40 in common, the DC capacitor 50 for stabilizing the DC voltage of the inverter is characterized in that the power is composed of one PCB board Electric energy saving device with quality improvement function.
입력단자 일측에 부하 전류(IL)가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 전류제어형 전압원 인버터의 출력전류(IC)가 입력되고, 출력단자 일측에 제1 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제2 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제3 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제4 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.
The method of claim 1, wherein the current controlled voltage source inverter (CCVSI) (20)
The load current I L is input to one side of the input terminal, the input power supply voltage Vg is input to one side of another input terminal, and the output current I C of the current controlled voltage source inverter is input to one side of the other input terminal. The base terminal of the first conduction time control switch is connected to one side of the output terminal to output a switching output signal, and the second terminal of the second conduction time control switch is connected to the other output terminal to output a switching output signal. The base terminal of the third conduction time control switch is connected to one side of the other output terminal to output a switching output signal, and the base terminal of the fourth conduction time control switch is connected to the other output terminal to one side of the switching output signal. Electric energy saving device having a power quality improvement function, characterized in that.
다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브리지 타입으로 구성한 3상 전류제어형인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.
The method of claim 1, wherein the current controlled voltage source inverter (CCVSI) (20)
An electric energy saving device having a power quality improvement function, comprising a three-phase current control type inverter in which six switches for controlling conduction time connected in parallel with a diode are configured in a full bridge type.
입력단자 일측에 입력 전원 전압(Vg)이 연결되고, 또 다른 입력단자 일측에 전압제어형 전압원 인버터에 의해 제어되는 전압(VX)이 연결되며, 출력단자 일측에 제5 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제6 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되며, 또 다른 출력단자 일측에 제7 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되고, 또 다른 출력단자 일측에 제8 도통시간 제어용 스위치의 베이스 단자가 연결되어 스위칭 출력신호가 출력되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.
The voltage controlled voltage source inverter (VCVSI) 40 of claim 1, wherein
An input power supply voltage Vg is connected to one input terminal, and a voltage V X controlled by a voltage controlled voltage source inverter is connected to one input terminal, and the base terminal of the fifth conduction time control switch is connected to one output terminal. Is connected to output a switching output signal, the output terminal of the sixth conduction time control switch is connected to one output terminal, the switching output signal is output, the base terminal of the seventh conduction time control switch to one output terminal Is connected to output a switching output signal, and another output terminal is connected to the base terminal of the eighth conduction time control switch, the switching output signal is output electrical power saving device having a power quality improvement function, characterized in that the configuration .
다이오드가 역병렬 연결된 도통시간 제어용 스위치 6개를 풀 브리지 타입으로 구성한 3상 전압제어형인버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력품질개선 기능을 갖는 전기에너지 절전장치.The voltage controlled voltage source inverter (VCVSI) 40 of claim 1, wherein
An electric energy saving device having a power quality improvement function comprising a three-phase voltage controlled inverter in which six switches for controlling conduction time connected in parallel with a diode are configured in a full bridge type.
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