KR20120019652A - 다수의 단상 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치 - Google Patents

다수의 단상 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치 Download PDF

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KR20120019652A
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Abstract

본 발명은 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 고압용으로 제작하기 위하여 6개 이상의 단상 풀브리지 인버터를 직렬로 연결하여 1상을 구성하는 3상 무효전력제어장치와, d-q-0 변환 공식을 이용한 무효전력 계측 공식을 이용하여 아크로 운전 시 발생하는 무효전력 저감과, 무효전력에 의한 플리커 현상을 저감 시킴으로써, 계통의 전력품질을 향상시킬 수 있다.

Description

다수의 단상 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치 {High Voltage Reactive Power Compensator using many single-phase inverters for arc furnace}
본 발명은 멀티레벨 인버터를 이용한 고압 무효전력 보상장치에 관한 것으로, 상세하게는 6600V이상의 고압 전원과 아크로 부하 사이에 연결되는 무효전력 보상장치에서, 계통의 정상분, 역상분 전류 및 전력을 제어함으로써 계통의 전력품질을 개선시키는 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치에 관한 것이다.
본 발명은 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치에 관한 것으로써, 선로의 무효전력의 제거와 특히 아크로의 운전에 의한 플리커현상 제거가 가능한 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치에 관한 것이다.
*고압 아크로를 운전하게 되면, 아크를 공급하는 순간, 많은 전류가 발생하면서, 무효전력이 발생하게 되며, 상기 무효전력에 의하여, 순간적으로 전압강하가 발생하게 된다.
이러한 순간이 수십 번 발생하면서, 60Hz의 기본 주파수 외에 약 10Hz 전후의 주파수가 생성되며, 플리커 현상이 발생하게 되고, 이 플리커 현상에 의하여 전력계통에 악영향을 미치게 된다.
이를 해결하기 위하여 이미 다양한 형태의 수동 및 사이리스터를 이용한 전력보상장치가 사용되고 있다.
이하 종래의 사이리스터를 이용한 전력보상장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 사이리스터를 이용한 전력보상장치의 회로도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 사이리스터를 이용한 필터는 다수의 사이리스터를 직렬로 연결하여, 고압의 콘덴서 뱅크를 무효전력이 발생할 때마다 투입하는 시스템으며, 상기의 사이리스터를 이용한 전력보상장치는 3상의 교류 입력 전원(1)과, 상기 교류 입력 전원(1)을 입력받아 동작되는 아크로 부하(2)와, 상기 아크로 부하(2)와 상기 교류 입력 전원(1)간에 병렬로 연결되어 아크로 부하(2)에서 발생되는 무효전력 성분을 보상하는 다수의 콘덴서 뱅크(3)와, 콘덴서 뱅크를 계통에 투입하기 위해 스위치 역할을 하는 사이리스터(4)가 있다. 상기 교류 입력 전원(1)의 전압을 받는 계기용 변압기(7)와 전류를 받는 계기용 변류기(6)를 통하여 신호를 받아 보상 전류 파형을 결정하기 위한 제어부(5)로 이루어 진다.
이러한 종래의 사이리스터를 이용한 전력보상장치는 3상의 교류 전원(1)의 무효전력을 계단 형식으로 보상할 수 밖에 없기 때문에 실시간의 연속제어가 불가하며, 한번 투입되었다 개방된 콘덴서 뱅크는 재투입하는데에 지연시간이 발생한다는 문제점이 있다.
따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치보상장치보상장치와 달리 무효전력을 보상함에 있어,연속성 및 속응성을 가질 수 있게, 스위칭 속도가 빠른 IGBT를 이용한 다수의 인버터를 직렬 연결한 무효전력 보상장치를 개발하고, 상기 무효전력 보상장치의 알고리즘을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 제어장치는 아크로 부하에서 발생하는 무효전력을 보상함에 있어서,
아크로 부하(12)와 입력 전원(11)간에 병렬로 연결되어, 아크로 부하(12)에서 발생되는 계통의 무효전력을 보상할 수 있는 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 제어장치(13)와 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 제어장치의 제어를 위한 주제어 알고리즘(14)과 개별 셀 인버터를 제어하기 위한 셀제어 알고리즘(15)를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 제어장치를 사용함으로써, 실시간으로 무효전력을 보상하여 계통을 안정화하고, 역률이 향상되어 전력손실이 저감되며, 플리커 현상을 저감 시킴으로써 전력품질이 향상되는 효과를 볼 수 있다.
도 1은 사이리스터를 이용하여 커패시터 뱅크를 계통에 투입 무효전력을 보상하는 장치이다.
도 2는 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치의 개념도이다.
도 3은 도 2의 고압용 무효전력 보상장치를 구동하기 위하여, 무효전력을 계산하고, 셀 인버터 제어부를 제어하기 위한 메인 제어부이다.
도 4는 도 2의 고압용 무효전력 보상장치에서 개별 단상 풀 브리지 인버터로 구성된 셀 인버터를 제어하기 위한 셀 제어부이다.
이하에는 본 발명의 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 제어장치의 양호한 실시 예에 따른 구성 및 작용 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치의 구성을 보인 회로도이고, 도 3은 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 제어장치를 제어하기 위한 주제어장치를 도시한 것이며, 도 4는 개별 단상 풀 브리지 인버터를 제어하기 위한 셀 인버터 제어장치를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치는 3상의 교류 입력 전원(11)과, 상기 교류 입력 전원(11)을 입력받아 동작하는 아크로 부하(12)와, 상기 부하(12)와 상기 교류 입력 전원(11)간에 병렬로 연결되어 고압계통과 보상장치 사이의 절연 및 보상장치의 운용이 쉽도록 전압을 낮춰주는 절연변압기(TR)과, 무효전력 보상장치에서 발생시키는 보상전압을 전류로 변환시키기 위한 리액터(L1)와, 상기 아크로 부하(12)에서 발생하는 무효전력 성분을 보상하도록 1상에 6개 이상의 단상 풀 브리지 인버터(V1A~V6A, V1B~V6B, V1C~V6C)를 직렬로 연결하여, 총 18개 이상의 단상 풀 브리지 인버터로 이루어져 있는 고압용 무효전력 보상장치(13)와, 상기 아크로 부하의 전압을 측정하기 위한 변압기(PT)와 전류를 측정하기 위한 변류기(CT1), 그리고 보상 전류를 측정하기 위한 변류기(CT2)와 18개 이상의 인버터를 제어하기 위한 메인 제어부(14)와 각각의 풀 브리지 인버터를 제어하기 위한 셀 제어부(15)를 구비하여 이루어진다.
도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치의 메인제어부의 알고리즘은 정상분 전압 검출부(21)과 무효전력을 보상하기 위한 전류 검출부(23)과 풀 브리지 인버터의 제어기인 셀 제어부와 통신하기 위한 통신부(22)로 되어 있으며, 정상분 전압 검출부(21)는 교류 입력 전원(11)측의 3상 전압 기본파 정상 성분의 순시치 전압(_)을 계산하기 위해 3상의 부하 전압(
Figure pat00001
)을 변압기(PT)를 통해 받아서 교류전압의 기본주파수(
Figure pat00002
)를 결정하기 위해 PLL 회로(31)를 사용하며, 상기의 PLL 회로(31)는 외란과 불평형 전압 하에서도 동작하도록 설계되었으며, PLL 회로(31)를 이용하여 얻어진 기본주파수(
Figure pat00003
)를 이용하여 Sine 발진기(32)를 구동하여 구한 보조 기본파 전류(
Figure pat00004
)와 변압기(PT)로 받은 3상의 부하전압을 α-β-0변환기(33)를 이용하여 얻어진 (
Figure pat00005
)를 직류성분 전력변환계산기(34)를 통하여 유효전력(
Figure pat00006
)과 무효전력(
Figure pat00007
)을 구하고, 상기 도출된 유, 무효전력(
Figure pat00008
)을 LPF(35)를 거쳐 직류 성분(
Figure pat00009
,
Figure pat00010
)만을 추출하여 보조 기본파 전류(
Figure pat00011
)와 함께 α-β전압 기본파 연산기(36)를 통해서 순시치 전압(
Figure pat00012
)을 구한다.
3상의 부하 전압(
Figure pat00013
Figure pat00014
) 또는 3상의 부하 전류(
Figure pat00015
)을 α-β-0변환하는 공식은 다음 식(1)과 같다. 유, 무효전력(
Figure pat00016
)과 보조 기본파 성분 전류(
Figure pat00017
)를 이용하여 순시치 전압(
Figure pat00018
)을 구하는 공식은 식(2)와 같다.
Figure pat00019

무효전력 보상 전류 검출부(23)는 부하 전류를 변류기(CT)를 통해 받아 PLL회로(31)에서 구한 기본주파수(
Figure pat00020
)을 이용하여 α-β-0변환기(33)로 얻어진 전류(
Figure pat00021
Figure pat00022
) 중 전류 정상분(
Figure pat00023
)과 역상분(
Figure pat00024
)와 정상분 전압 검출기(21)에서 얻어진 순시치 (
Figure pat00025
)을 직류성분 전력변환계산기(52)를 이용하여 유,무효 전력(p, q)를 구하고, 유효전력의 직류성분(
Figure pat00026
)을 검출하기 위한 LPF(35)와 유효전력의 직류성분(
Figure pat00027
)과 유효전력(p)을 감산하여 리플성분(
Figure pat00028
)을 추출할 수 있는 감산기를 구비하고 있으며, 상기에서 구한 유효전력 성분과 무효전력 성분 그리고 순시치 전압성분을 통신부를 이용하여, 각각의 셀 인버터를 구동하는 셀 제어기 들에 데이터를 송신한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 메인제어기에서 송신한 무효전력과 기본주파수(
Figure pat00029
), 순시치 전압(
Figure pat00030
) 등을 받은 각각의 셀 제어기 중 각각의 셀 인버터 DC 전압 검출부(22)는 셀 인버터의 전압을 일정 전압으로 유지시키며, 무효전력을 보상함으로써 발생하는 각각의 DC 커패시터(VDC)의 전압강하를 막아주는 역할을 하며, DC커패시터의 전압을 유지시키기 위하여 발생하는 유효전력 손실분(
Figure pat00031
)과 무효전력(q)와 순시치 전압(
Figure pat00032
)을 이용하여 레퍼런스 전류(
Figure pat00033
)를 얻어내는 전류 기본파 연산기(56)와 상기의 α-β 기본파 연산기(36)에서 얻어진 보상전류 성분(
Figure pat00034
)과 영상분 전류 (
Figure pat00035
)를 이용하여 보상전류(
Figure pat00036
)를 계산하는
Figure pat00037
역변환기(57)와 상기 보상 전류(
Figure pat00038
)와 변류기(CT2)를 통해 인버터 발생 전류(
Figure pat00039
)를 받아 인버터를 통해 보상 전류가 제대로 발생했는지를 연산하기 위한 감산기(58)와 상기 감산기(58)를 통한 전류값(
Figure pat00040
)을 개별 셀 인버터에 맞는 PWM신호로 만들어주기 위하여 반송파를 shift 시키기 위한 Level Shift(55)와, PWM 신호로 바꿔 주는 Inverter PWM Logic(59)과 상기 Inverter PWM Logic(59)을 통하여 나온 PWM 신호를 셀인버터의 스위칭 소자를 구동하기 위한 펄스신호로 바꾸어 주는 스위칭 게이트부(SW)로 구성되어 있다.
개별 셀 인버터들의 반송파 위상이 모두 동일하다면, 직렬로 연결된 단상 풀 브리지 인버터 PWM신호의 ON/OFF 신호가 모두 동일하게 된다는 뜻이며, 이러한 상황이 발생하면, PWM스위칭에 의한 리플전압이 상당히 크게 발생하게 된다.
리플전압이 크게 발생하게 되면, 무효전력 보상 전류 파형에도 리플전류가 자주 발생하게 되며 또 다른 전력품질에 대한 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방편으로, 반송파 Vtri 의 신호를 모듈이 하나씩 증가할 때마다 (직렬로 연결된 모듈의 개수 n, 반송파 Vtri의 반송파의 주파수 Ftri 라 할 때 각 모듈에 들어가야 할 반송파 Vtri 의 신호는 (1/(Ftri *n)) = T 만큼씩 위상 지연을 시켜 인가한다. 예를 들어 3개의 모듈이 직렬연결되어 있다면, 첫 번째 모듈에 들어가는 반송파 vtri를 신호 그대로 인가한다면, 두 번째 모듈에는 T 만큼 위상 지연된 반송파 Vtri 의 신호가 세 번째 모듈에는 2T 만큼 위상 지연된 반송파 Vtri 신호를 인가하여준다.
Figure pat00041
역변환기(57)의 공식은 다음 식(3)과 같다.
Figure pat00042
각상의 셀 인버터는 상에 맞춰
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
중 하나만을 이용하여, PWM 신호를 만든다.
유지하고자 하는 레퍼런스 전압 (Vref)에서 DC 캐패시터 전압 (VDC)를 감산기을 이용해서 감산하여, 전압 강하 손실분(
Figure pat00046
)를 구한 뒤 LPF를 거친 DC 전압 직류분(
Figure pat00047
)를 PI 제어기(45)를 거치면 유효전
력 손실분(
Figure pat00048
)를 구하게 된다.
유효 전력 직류성분(
Figure pat00049
)과 손실분(
Figure pat00050
)과 무효 전력(q)와 순시치 전압(
Figure pat00051
)를 이용하여 보상 전류성분(
Figure pat00052
)을 도출하는 계산식은 식(4)와 같다.
Figure pat00053
다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치가 어떤 형태로 보상할 것인가에 대해 2가지 경우가 있다. 여기서 그 2가지 경우에 대해 살펴보면 다음과 같다.
Figure pat00054
Case 1 : 역률보상
Figure pat00055
Case 1과 같은 경우에는 식(5)에서 순시무효전력의 직류성분만 포함된다.
Case 2 : 역률보상 & 무효 고조파성분 보상
Figure pat00056
Case 2와 같은 경우에는 식(5)에서의 순시무효전력 직류성분과 교류성분이 모두 포함되는 경우이다.
단순히 무효전력만 보상하고 싶으면, Case 1처럼 q성분의 직류분(
Figure pat00057
)만 계산하여 보상하면 되고, 고조파 성분도 보상하고 싶으면, q성분 모두를 계산하면 된다. 반면에, 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치 상의 손실로 인한 DC전압 변동을 보상하기 위해 유효전력 손실분(
Figure pat00058
)는 항상 연산된다.
11. : 3상 고압 공급 전원
12. : 아크로 부하
13. : 고압용 무효전력 보상장치
V1A~V6A : A상에 직렬로 연결된 6개의 단상 풀 브리지 인버터
V1B~V6B : B상에 직렬로 연결된 6개의 단상 풀 브리지 인버터
V1C~V6C : C상에 직렬로 연결된 6개의 단상 풀 브리지 인버터
TR : 고압의 공급전원 계통과 절연 및 전압을 다운시키기 위한 다운 변압기
PT : 계통의 전압 상태를 제어부에 보내기 위한 계측용 변압기
CT1 : 계통의 전류 상태를 제어부에 보내기 위한 계측용 변류기
CT2 : 고압용 무효전력 보상장치의 전류 상태를 제어부에 보내기 위한 계측용 변류기
14 : 고압용 무효전력 보상장치의 주 제어부
15: 고압용 무효전력 보상장치의 단상 풀 브리지 인버터의 셀 제어부
21: 기준 순시치 전압과, 기준 PLL을 구하는 연산부
22: 셀 제어부를 제어하기 위한 통신부
23: 유효전력과 무효전력을 구하기 위한 전력 연산부
31: PLL 회로
32: 기준이 되는 Sin, Cos을 구하는 Sine 발진기
33: α-β-0 정지좌표 변환기
34: 직류성분 전력변환 계산기
35: Low Pass Filter
36: α-β 기본파 연산기
40: DC커패시터 전압 제어기
45: PI제어기
57: α-β-0 역변환기
55: Level Shift
59: 인버터 PWM 발진기
VDC: DC 커패시터 전압

Claims (3)

  1. 3상의 고압 공급 전원과 아크로 부하 사이에 연결되는, 아크로와 보상장치가 보상하는 전류의 상태를 확인할 수 있는 변류기(CT1)와,
    계통 전압 상태 및 위상상태를 확인할 수 있는 변압기(PT)와,
    상기 변류기와 아크로 부하 사이에 공급 전원과 보상장치에 절연과 전압강하를 위한 변압기(TR)와,
    보상장치의 전류상태를 확인할 수 있는 변류기(CT2)와,
    보상장치에서 발생시키는 보상 전압파형을 보상전류로 변환 시키기 위한 리액터(L1)과,
    고전압을 분할하여 콘덴서와 IGBT의 전압을 낮추기 위한 각상마다 직렬로 연결된 다수의 셀 인버터와,
    계통의 무효전력량 및 전원품질 상태를 확인하여, 보상량을 정하는 주 제어기와,
    주제어기에서 통신부를 이용하여 보낸 무효전력량과, 기본주파수 등을 가지고 DC커패시터 전압 안정화 및 보상량을 계산하여, 단상 풀 브리지 인버터를 구동하기 위한 PWM을 발생시키는 셀 제어부,
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    주제어부는,
    각 상의 전류 신호를 받기 위한 변류기(CT)에서 받은 전류 신호와 3상의 전압신호를 PLL회로를 이용하여 만든 기본주파수(
    Figure pat00059
    )를 이용하여 전류의 정상, 역상, 영상 성분을 얻기 위한
    Figure pat00060
    변환기(51)와,
    상기 변환기(51)에서 얻어진 정상, 역상 성분의 전류(
    Figure pat00061
    )와 정상분 전압 검출기(21)에서 얻어진 순시치 전압(
    Figure pat00062
    )을 이용하여 유효전력(p) 및 무효 전력(q)을 구하기 위한 전력 계산기(52)와,
    상기의 전력 계산기(52)에서 얻어진 유효 전력(p)에서 유효 전력의 직류 성분(
    Figure pat00063
    )만을 얻기 위한 LPF와,
    상기의 유효전력(p)의 고조파 성분을 얻기 위하여 유효전력(p)에서 유효전력의 직류성분(
    Figure pat00064
    )을 감산하기 위한 감산기와
    상기의 연산으로 구해진 유효전력 고조파 성분과, 무효전력, 기본주파수, 순시치 전압(
    Figure pat00065
    ), 영상분 전류를 각각의 셀 인버터로 보내기 위한 통신부,
    를 가진 주 제어기(14),
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력보상장치
  3. 청구항 1항에 있어,
    셀 제어부는,
    각각의 단상 풀 브리지 인버터에 개별적으로 들어가는 제어부로,
    DC 전압 검출부(22)에서 계산된 유효전력 손실분(
    Figure pat00066
    )와
    상기 유효전력 손실분(
    Figure pat00067
    )과 유효 전력의 리플성분을 감산하기 위한 감산기와
    상기의 유효전력 고조파 성분(
    Figure pat00068
    )과 무효전력성분(q)을 가지고 정상, 역상 전류를 구하기 위한
    Figure pat00069
    기본파 연산기(36)와
    상기의 검출기(56)에서 얻어낸 정상분 전류(
    Figure pat00070
    )와 역상분 전류(
    Figure pat00071
    )와 영상분 전류(
    Figure pat00072
    )를 가지고 보상 전류 파형(
    Figure pat00073
    )을 구하기 위한
    Figure pat00074
    역변환기(57)와,
    인버터에 의해서 출력되는 보상 전류와 계산된 보상 전류 파형의 오차를 알아보기 위한 감산기와,
    PWM 신호로 바꿔 주는 Inverter PWM Logic(59)과,
    각 셀 인버터의 Inverter PWM Logic에 반송파의 위상을 지연시켜 주기 위한 Level Shift(55)와,
    각 스위칭 소자를 구동하기 위한 펄스신호로 바꾸어 주는 스위칭 게이트부(SW)를 포함한 각각의 개별 셀제어부(15)를
    가진 것을 특징으로 하는 다수의 인버터를 이용한 아크로용 고압 무효전력 보상장치
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