KR20140038641A - 하이브리드 능동 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수동필터와 능동필터를 포함하여 구성되는 하이브리드 능동 필터로서, 상기 능동필터는 정전소자인 커패시터; 및 교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 인덕턴스가 가변되는 정지형 동기 직렬 보상기(static synchronous series compensator, SSSC)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터에 관한 것이다.

Description

하이브리드 능동 필터{HYBRID ACTIVE FILTER}
본 발명은 하이브리드 능동 필터에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 일반 하이브리드 능동 필터에 비하여 필터용량을 감소시킬 수 있고 필터 파라미터를 직접 제어하여 고조파 전류에 대한 필터링 성능을 강화시킬 수 있는 하이브리드 능동 필터에 관한 것이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제 0774100호(2007. 11. 06 공고)에 개시되어 있다.
고조파 전류를 제거하기 위해 전력계통에 사용되는 필터의 종류에는 L,C 소자의 공진특성을 이용한 수동필터, 인버터 응용기술에 의한 역상의 고조파를 발생시켜 소거하는 능동필터, 그리고 이 두가지를 혼합한 하이브리드(Hybrid) 능동필터가 있다. 현재, 하이브리드 능동필터는 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이 병렬 또는 직렬 형태로 능동필터(1, 2)가 수동필터와 결합된 형태가 사용되고 있다. 그런데, 이러한 종래의 하이브리드 능동 필터는 능동필터가 설치되는 형태에 따라 각각 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 능동필터(1)가 수동필터에 병렬로 연결된 하이브리드 능동필터의 경우에는, 능동필터를 포함하는 전력전자 소자가 부동작하더라도 수동필터는 여전히 연결되어 수동필터로서의 역할을 수행할 수 있으므로, 일부 전력전자 소자의 부동작에 대해서도 대응할 수 있어 신뢰도를 보장할 수 있는 특징이 있는 반면, 병렬 연결된 능동필터의 용량이 커지게 되는 문제점이 있다.
그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 능동필터(2)가 수동필터에 직렬로 연결된 하이브리드 능동필터의 경우에는, 능동필터(2)를 포함하는 전력전자 소자가 소모하는 전력이 작아 그 용량은 크지 않아도 되는 반면, 능동필터(2)를 포함하는 전력전자 소자가 부동작하거나 단선이 발생하는 경우에는 수동필터도 함께 부동작하게 되어 필터로서의 기능을 상실할 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 수동필터와 능동필터를 포함하여 구성된 하이브리드 능동 필터에서 능동필터 부분에 일반 인덕터 대신에 교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 인덕턴스가 가변되는 정지형 동기 직렬 보상기(static synchronous series compensator, SSSC)를 설치함으로써, 일반 하이브리드 능동 필터에 비하여 필터용량을 감소시킬 수 있고 필터 파라미터를 직접 제어하여 고조파 전류에 대한 필터링 성능을 강화시킬 수 있는 하이브리드 능동 필터를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 수동필터와 능동필터를 포함하여 구성되는 하이브리드 능동 필터로서, 상기 능동필터는 정전소자인 커패시터; 및 교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 인덕턴스가 가변되는 정지형 동기 직렬 보상기(static synchronous series compensator, SSSC)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터를 제공한다.
본 발명에서, 상기 능동필터는 직렬필터이고, 상기 수동필터는 상기 능동필터에 연결되는 병렬필터인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 SSSC를 구동하기 위한 스위칭 전압을 생성하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 SSSC는 상기 커패시터에 직렬로 연결되는 변압기; 상기 스위칭 전압에 의해 스위칭구동되는 복수의 스위치; 및 상기 복수의 스위치 각각의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결되는 복수의 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 제어부는 정상분 교류전류를 입력받아, 상기 SSSC에 포함된 변압기의 1차측 기본파 정상전류에 대한 전류지령을 생성하는 기본파 전류지령 생성부; 정상분 교류전류에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값을 생성하는 고조파 보상부; 및 상기 기본파 전류지령 생성부로부터의 전류지령 및 고조파 보상부로부터의 지령값에 응답하여 상기 스위칭 전압을 생성하는 스위칭부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 기본파 전류지령 생성부는 상기 정상분 교류전류를 입력받아 3상 성분을 2상 성분으로 변환하는 제 1 상변환부; 상기 제 1 상변환부의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제 1 좌표계 변환부; 고조파 전압신호를 입력받아 3상 성분을 2상 성분으로 변환하는 제 2 상변환부; 상기 제 2 상변환부의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제 2 좌표계 변환부; 상기 2 좌표계 변환부의 출력신호를 기준 프레임과 비교하여 고조파 성분을 제거하는 비교기; 상기 제 1 좌표계 변환부의 출력신호에서 상기 비교기의 출력신호를 감산하는 감산기; 상기 감산기의 출력신호를 회전좌표계에서 정지좌표계로 변환하는 제 3 좌표계 변환부; 및 상기 제 3 좌표계 변환부의 출력신호를 입력받아 2상 성분을 3상 성분으로 변환하는 제 3 상변환부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 고조파 보상부는 제거하고자 하는 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 생성하는 복수의 지령값 생성부; 및 상기 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 가산하여 상기 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값을 출력하는 제 1 가산기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 각각의 지령값 생성부는 상기 정상분 교류전류에 포함된 각 차수의 고조파 전류 및 역율에 대한 위상각를 입력받아 고조파의 실수부 성분을 출력하는 고조파 실수부출력부; 상기 각 차수의 고조파 전류 및 역율에 대한 위상각를 입력받아 고조파의 허수부 성분을 출력하는 고조파 허수부출력부; 및 상기 고조파의 실수부 성분과 상기 고조파의 허수부 성분을 가산하여 상기 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 출력하는 제 2가산기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 스위칭부는 상기 기본파 전류지령 생성부로부터의 전류 지령 및 상기 고조파 보상부로부터의 지령값을 가산하는 가산기; 및 상기 가산기의 출력을 삼각파와 비교하여 그 비교결과를 상기 스위칭 전압으로서 출력하는 비교기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 하이브리드 능동 필터는, 수동필터와 능동필터를 포함하여 구성된 하이브리드 능동 필터에서 능동필터 부분에 일반 인덕터 대신에 교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 인덕턴스가 가변되는 정지형 동기 직렬 보상기(SSSC)를 설치함으로써, 일반 하이브리드 능동 필터에 비하여 필터용량을 감소시킬 수 있고 필터 파라미터를 직접 제어하여 고조파 전류에 대한 필터링 성능을 강화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 능동 필터는 SSSC를 하이브리드 능동필터에 적용함으로써 종래의 하이브리드 능동필터의 장점인 온도특성이나 경년열화에 따른 공진점 변동보상 특성 등을 가지면서도 보다 적은 용량으로 구현될 수 있는 장점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 하이브리드 능동 필터의 예를 도시한 것이다.
도 2는 이중 동조 필터(double tuned filter)의 구성 및 그 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 하이브리드 능동 필터의 구성을 도시한 것이다.
도 3b는 본 실시예에 따른 하이브리드 능동 필터의 구성을 3상에 대하여 좀 더 상세히 도시한 상세도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터에 포함된 기본파 전류지령 생성부의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터에 포함된 고조파 보상부의 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터에 포함된 스위칭부의 구성을 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3a는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 하이브리드 능동 필터의 구성을 도시한 것이고, 도 3b는 본 실시예에 따른 하이브리드 능동 필터의 구성을 3상에 대하여 좀 더 상세히 도시한 상세도이며, 도 4는 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터에 포함된 기본파 전류지령 생성부의 구성을 도시한 것이고, 도 5는 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터에 포함된 고조파 보상부의 구성을 도시한 것이며, 도 6은 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터에 포함된 스위칭부의 구성을 도시한 것이다. 이를 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터는 수동필터(C2, L2)와 능동필터를 포함하여 구성되며, 상기 능동필터는 정전소자인 커패시터(C1); 교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 인덕턴스가 가변되는 정지형 동기 직렬 보상기(static synchronous series compensator, SSSC, 100); 및 상기 SSSC(100)를 구동하기 위한 스위칭 전압을 생성하는 제어부(200)를 포함한다.
상기 능동필터는 직렬필터이고, 상기 수동필터(C2, L2)는 상기 능동필터에 연결되는 병렬필터인 것을 특징으로 한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, SSSC(100)는 상기 커패시터(C1)에 직렬로 연결되는 변압기(T1); 스위칭 전압(V1, V4)에 의해 스위칭구동되는 복수의 스위치(IG1,IG2); 및 상기 복수의 스위치(IG1,IG2) 각각의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결되는 복수의 다이오드(D1,D2)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 정상분 교류전류를 입력받아, 상기 SSSC(100)에 포함된 변압기(T1)의 1차측 기본파 정상전류에 대한 전류지령을 생성하는 기본파 전류지령 생성부(210); 정상분 교류전류에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값을 생성하는 고조파 보상부(220); 및 상기 기본파 전류지령 생성부(210)로부터의 전류지령 및 고조파 보상부(220)로부터의 지령값에 응답하여 상기 스위칭 전압(V1, V4)을 생성하는 스위칭부(230)를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기본파 전류지령 생성부(210)는 상기 정상분 교류전류(Isa, Isb, Isc)를 입력받아 3상 성분을 2상 성분으로 변환하는 제 1 상변환부(11); 상기 제 1 상변환부(11)의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제 1 좌표계 변환부(12); 고조파 전압신호(Vcha, Vchb, Vchc)를 입력받아 3상 성분을 2상 성분으로 변환하는 제 2 상변환부(15); 상기 제 2 상변환부(15)의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제 2 좌표계 변환부(16); 상기 2 좌표계 변환부(16)의 출력신호를 기준 프레임("0")과 비교하여 고조파 성분을 제거하는 비교기(18, 20); 상기 제 1 좌표계 변환부(12)의 출력신호에서 상기 비교기(18, 20)의 출력신호를 감산하는 감산기(23, 24); 상기 감산기(23, 24)의 출력신호를 회전좌표계에서 정지좌표계로 변환하는 제 3 좌표계 변환부(25); 및 상기 제 3 좌표계 변환부(25)의 출력신호를 입력받아 2상 성분을 3상 성분으로 변환하는 제 3 상변환부(26)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 고조파 보상부(220)는 제거하고자 하는 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 생성하는 복수의 지령값 생성부(220, 221); 및 상기 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 가산하여 상기 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값을 출력하는 제 1 가산기(38)를 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스위칭부(230)는 기본파 전류지령 생성부(210)로부터의 전류 지령 및 고조파 보상부(220)로부터의 지령값을 가산하는 가산기(41); 및 상기 가산기(41)의 출력을 삼각파와 비교하여 그 비교결과를 상기 스위칭 전압(V1, V4)으로서 출력하는 비교기(42)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 동작 및 작용을 도 2 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
SSSC(static synchronous series compensator, 정지형 동기 직렬 보상기)는 선로에 직렬로 연결되어 컨버터를 이용하여 인위적으로 선로의 리액턴스값을 제어해 주는 것으로서, 계통에 적용하는 경우에는 계통의 리액턴스를 변화시켜줌으로써 전력전송을 제어하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 이러한 임피던스를 변화시켜 주는 SSSC의 특징을 하이브리드 능동필터에 적용시키는 개념을 채용하는 바, 수동필터의 리액터 대신에 SSSC를 적용함으로써, 기존의 수동필터 파라미터변동에 대한 보상기능 이외에 수동필터의 공진점을 변경해주는 기능을 추가하여 종래의 일반 능동필터와 수동필터를 결합한 하이브리드 능동필터의 한계를 극복한 새로운 형태의 필터를 제안한다.
도 2는 이중 동조 필터(double tuned filter)의 구성 및 그 동작을 설명하기 위한 개념도로서, "A"는 직렬필터(C1, L1)이고 "B"는 병렬필터(C2, L2)이다. 직렬필터는 공진주파수에서 임피던스가 최소가 되고, 병렬필터는 공진 주파수에서 임피던스가 최대가 되는 것으로서, 직렬필터와 병렬필터를 합성한 경우에는 직렬필터와 병렬필터의 임피던스궤적이 만나는 점에서 필터의 공진점이 생기게 된다. 이러한 공진 점의 개수에 따라 단일 동조 필터(Single Tuned Filter), 이중 동조 필터(Double Tuned Filter) 및 삼중 동조 필터(Triple Tuned Filter) 등으로 분류되는데, 도 2에 도시된 커패시터(C1)는 기본적으로 기본 주파수에서 계통의 무효전력을 보상하는 개념으로 설계되고, 나머지 수동필터의 파라미터 값은 다음 수식과 같이 정의된다.
L1, C1의 직렬 회로 임피던스와 공진 주파수는 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
w < ws이면 Zs(w)는 용량성이고, w > ws이면 Zs(w)는 유도성이 된다.
그리고, L2, C2의 병렬 회로 임피던스와 공진 주파수는 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00002
이 때, w < wp이면 Zp(w)는 유도성이고, w > wp이면 Zp(w)는 용량성이 된다.
참고문헌([1] Mingcai Kang, “The Parameters Calculation and Simulation Research about Two Types Structure of Double tuned Filter”, UPEC2010, 31st Aug - 3rd Sept 2010)에 따라 이중 동조 필터의 파라미터를 구하면 다음과 같다.
먼저, C1은 계통의 무효전력을 결정하는 변수이기 때문에 미리 계산해 두고, 나머지 파라미터를 구해보면 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
만약, 필터의 파라미터 C1, L1, C2, L2가 변한다면, 공진주파수와 무효전력에 대한 변화가 생길 수 있으며, 필터가 AC계통과 연계되어 있는 경우에는 필터와 AC계통 사이의 상호작용(Interaction)에 의해서 고조파 불안정이 생길 수 있다. 본 실시예는 이러한 필터의 파라미터 변동에 대한 보상기능을 가지고 있는 하이브리드 능동필터를 제공하는 바, 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이 커패시터(C1)와 SSSC(100)을 포함하는 직렬필터(능동필터), 및 커패시터(C2)와 인덕터(L2)를 포함하는 병렬필터(수동필터)를 포함하여 구성되는 하이브리드 능동 필터를 제공한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 SSSC(100)는 제어부(200)로부터 제공되는 스위칭 전압(V1, V4)에 의해 스위칭 제어되어 변압기(T1)의 1차측 선로의 인덕턴스 등의 필터 파라미터를 가변조절한다. 본 실시예의 하이브리드 능동필터는 도 3b에 도시된 바와 같이 3상(A, B, C)에 각각 설치될 수 있으며 각 상에 대한 스위칭 전압 생성 및 그에 의한 필터 파라미터 조절방법은 동일하므로, 이하에서는 A상을 중심으로 하여 스위칭 전압(V1, V4)의 생성 및 그에 따른 SSSC(100)의 필터 파라미터 조절에 대하여 설명한다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 기본파 전류지령 생성부(210)는 정상분 교류전류(isa, isb,isc)를 입력받아, SSSC(100)에 포함된 변압기(T1)의 1차측 기본파 정상전류에 대한 전류지령(isa *, isb *,isc *)을 생성한다. 즉, 먼저 제 1 상변환부(11)가 상기 정상분 교류전류(isa, isb,isc)를 입력받아 이 3상 성분을 d축 및 q축으로의 2상 성분으로 변환한다. 그러면, 제 1 좌표계 변환부(12)는, PLL제어기로부터 제공되는 정상분 전류의 코사인 및 사인성분(cosθe, sinθe)을 이용하여, 제 1 상변환부(11)의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하여 출력한다. 로우패스필터(13, 14)는 제 1좌표계 변환부(12)의 출력신호에 대해 로우 패스 필터링을 실시한다.
그리고, 제 2 상변환부(15)는 고조파 전압신호(vcha, vchb, vchc)를 입력받아 이 3상 성분을 d축 및 q축으로의 2상 성분으로 변환한다. 그러면, 제 2 좌표계 변환부(16)는, PLL제어기로부터 제공되는 정상분 전류의 코사인 및 사인성분(cosθe, sinθe)을 이용하여, 제 2 상변환부(15)의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하여 출력한다. 로우패스필터(17, 19)는 제 2좌표계 변환부(16)의 출력신호에 대해 로우 패스 필터링을 실시하고, 비교기(18, 20)는 로우패스 필터(17, 19)의 출력신호를 기준 프레임("0")과 비교하여 하이성분을 제거하여 고조파 성분을 제거한다. 그리고, PI제어기(비례적분제어기, 21, 22)는 상기 비교기(18, 20)의 출력신호를 비례적분하여 출력한다.
이어서, 감산기(23, 24)는 로우패스 필터(13, 14)의 출력신호에서 상기 비교기(21, 22)의 출력신호를 감산하여 출력하고, 제 3 좌표계변환부(25)는 감산기(23, 24)의 출력신호를 회전좌표계에서 정지좌표계로 재변환하여 출력한다.
그러면, 제 3상 변환부(26)는 제 3 좌표계 변환부(25)의 출력신호를 입력받아 2상 성분을 다시 3상 성분으로 변환하여 출력함으로써, SSSC(100)에 포함된 변압기(T1)의 1차측 기본파 정상전류에 대한 전류지령(isa *, isb *,isc *)을 생성한다. SSSC(100)는 기본적으로 선로의 전류가 연속적으로 흘러야 하기 때문에, SSSC(100)의 변압기(T1)의 2차 측에서도 계속적으로 SSSC(100)의 1차측 선로의 기본파 정상전류에 대응하는 전류를 발생시켜야 한다. 따라서, 기본파 전류지령 생성부(210)는 도 4에 도시된 바와 같은 구성을 통하여 변압기(T1)의 1차측 기본파 정상전류에 대한 전류지령(isa *, isb *,isc *)을 생성한다.
한편, 고조파 보상부(220)는 정상분 교류전류에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값(fa)을 생성한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 지령값 생성부(221, 222)는 제거하고자 하는 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값(f11(t), f13(t))을 생성한다.
좀 더 구체적으로는, 고조파 실수부 출력부(221a)는 정상분 교류전류(Ia)에 포함된 각 차수(11차)의 고조파 전류(I11a) 및 역율에 대한 위상각(θ11a)을 FFT(fast furier transform)제어기(300)로부터 입력받아 고조파의 실수부 성분을 출력한다. 즉, 가산기(31)가 기준 프레임신호(0)에서 고조파 전류의 실수성분(I11acosθ11a)을 감산하여 출력하고, PI제어기(비례적분제어기, 32)는 상기 가산기(31)의 출력신호를 비례적분하여 출력하며, 승산기(33)는 PI제어기(33)의 출력에 11차 성분에 대한 코사인값(cos11wt)을 곱하여 출력한다.
아울러, 고조파 허수부 출력부(221b)는 정상분 교류전류(Ia)에 포함된 각 차수(11차)의 고조파 전류(I11a) 및 역율에 대한 위상각(θ11a)을 FFT제어기(30)로부터 입력받아 고조파의 허수부 성분을 출력한다. 즉, 가산기(34)가 기준 프레임신호(0)에서 고조파 전류의 허수성분(I11asinθ11a)를 감산하여 출력하고, PI제어기(35)는 상기 가산기(34)의 출력신호를 비례적분하여 출력하며, 승산기(36)는 PI제어기(35)의 출력에 11차 성분에 대한 사인값(sin11wt)을 곱하여 출력한다.
그리고, 제 2가산기(37)는 상기 고조파의 실수부 성분과 상기 고조파의 허수부 성분을 가산하여 11차 고조파 성분의 예비지령값(f11(t))을 출력한다.
이와 같이, 지령값 생성부(221)는 제거하고자 하는 11차 고조파 성분의 예비지령값(f11(t))을 생성한다. 마찬방법으로, 지령값 생성부(222)는 제거하고자 하는 13차 고조파 성분의 예비지령값(f13(t))을 생성한다.
이어서, 제 1 가산기(38)는 상기 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값(f11(t), f13(t))을 가산하여 상기 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값(fa)을 출력한다. 이와 같이, 고조파 보상부(220)는 정상분 교류전류에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값(fa)을 생성한다. 필터의 커패시턴스나 인덕턴스의 값이 변하는 경우 11차나 13차 고조파 전류를 완벽하게 제거하는 것은 어렵기 때문에, 고조파 보상부(220)는 상기와 같은 과정을 통해 비튜닝(Detuning)된 부분을 보상하는 알고리즘을 제공한다. 도 5에 도시된 고조파 보상부(220)는 제거하고자 하는 고조파전류를 실수부와 허수부로 분리하여 제어하는 2/3상 변환방식(Park's Equation)을 사용하여 기준파를 만들어 사용할 수 있다.
다음으로, 스위칭부(230)는 상기 기본파 전류지령 생성부(210)로부터의 전류지령(isa *, isb *,isc *) 및 고조파 보상부(220)로부터의 지령값(fa, fb, fc)에 응답하여 상기 스위칭 전압(V1~V6)을 생성한다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 3상 중 A상을 예를 들어 설명하면, 먼저 가산기(41)는 기본파 전류지령 생성부(210)로부터의 전류 지령(isa *) 및 상기 고조파 보상부(220)로부터의 지령값(fa)을 가산하여 출력한다. 비교기(42)는 가산기(41)의 출력을 삼각파와 비교하여 그 비교결과를 출력하는 바, 예를 들어 가산기(41)의 출력이 삼각파보다 큰 부분에 대해서는 1을 출력하고 작은 부분에 대해서는 0을 출력하는 방식으로 해서 비교 결과를 출력한다. 그리고, 비교기(42)의 출력신호는 인버터(43)을 거쳐서 스위칭 전압(V1), 및 스위칭 전압(V4)로서 출력된다.
이와 같이, 스위칭부(230)는 기본파 전류지령 생성부(210)로부터의 전류지령(isa *, isb *,isc *) 및 고조파 보상부(230)로부터의 지령값(fa, fb, fc)을 이용하여 스위칭 전압(V1~V6)을 생성한다. SSSC(100)의 변압기(T1) 1차 측에 흐르는 기본파 전류지령값과 제거하고자 하는 지령값을 합하여 SSSC(100)의 인버터 전류 지령값을 생성하고, PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하기 위해서 지령값과 삼각파 비교파형을 비교하여 인버터의 스위칭 함수를 만들었다.
마지막으로, SSSC(100)는 제어부(200)로부터 제공되는 스위칭전압(V1~V6)에 의해 제어됨으로써, 교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 변압기(T1)의 1차측 인덕턴스가 가변되도록 제어된다. 즉, 복수의 스위치(IG1~IG6)는 상기에서 생성된 스위칭 전압(V1~V6)를 각각 게이트로 입력받아 스위칭 구동되고, 이에 따라 복수의 스위치(IG1~IG6) 및 복수의 다이오드(D1~D6)의 동작에 의해 생성되는 구동신호에 의해 변압기(T1)의 1차측의 인덕턴스가 가변됨으로써, 본 실시예의 하이브리드 능동필터는 능동필터로서의 역할을 수행한다. 본 실시예에서, 복수의 스위치(IG1~IG6)로는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)가 사용될 수 있다.
본 실시예에는 이중 동조필터(Double Tuned Filter)를 11차와 13차에 공진점을 만들어 11차와 13차 고조파를 제거하는 방식을 취하였으나, 이는 본 실시예에서 제안한 방법을 설명하기 위한 구체적인 예시일 뿐 공진점의 선택에 제한이 없이 사용가능하다. 본 방식은 종래의 병렬 능동 필터에 사용하는 방법에 비하여 인버터 정격이 훨씬 작아지는 장점이 있으며, 필터의 임피던스를 제어할 수 있기 때문에 무효전력제어도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 의한 하이브리드 능동필터는 AC 전압, 전류에 포함되어 있는 11차, 13차 등의 고조파성분에 의해 스위칭 제어되도록 하여 능동필터 내의 인덕턴스 성분을 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.
특히, 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터는 일반 하이브리드 능동 필터에 비하여 필터용량을 감소시킬 수 있다. 인가전압에 따라 능동필터의 용량이 결정되게 되는데, 종래 병렬 하이브리드 능동필터(도 1a)의 경우 상단 커패시터를 제외한 나머지 구성요소에 대해 모선 전압의 약 10%정도가 인가되는 반면, 본 실시예에서 제안하는 하이브리드 능동필터(도 3a)의 경우에는 상단 커패시터(C1)를 제외한 나머지 부분 전체에 인가되는 10%(모선전압기준) 전압이 대부분 하단 커패시터(C2)에 인가되기 때문에 리액터 성분인 변압기(T1) 1차측 부분의 양단 전압은 상당히 작다. 결과적으로 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터는 동일한 보상 전류를 기준으로 했을 때 인가되는 전압이 종래의 방식에 비해 상당히 작기 때문에 용량이 훤씬 작아지는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따른 하이브리드 능동필터는 필터 파라미터를 직접 제어하여 고조파 전류에 대한 필터링 성능을 강화시킬 수 있고, SSSC를 하이브리드 능동필터에 적용함으로써 종래의 하이브리드 능동필터의 장점인 온도특성이나 경년열화에 따른 공진점 변동보상 특성 등을 가지면서도 보다 적은 용량으로 구현될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 수동필터와 능동필터를 포함하여 구성되는 하이브리드 능동 필터로서,
    상기 능동필터는
    정전소자인 커패시터; 및
    교류신호에 포함되어 있는 고조파 성분에 따라 인덕턴스가 가변되는 정지형 동기 직렬 보상기(static synchronous series compensator, SSSC)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 능동필터는 직렬필터이고, 상기 수동필터는 상기 능동필터에 연결되는 병렬필터인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 SSSC를 구동하기 위한 스위칭 전압을 생성하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 SSSC는
    상기 커패시터에 직렬로 연결되는 변압기;
    상기 스위칭 전압에 의해 스위칭구동되는 복수의 스위치; 및
    상기 복수의 스위치 각각의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결되는 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는
    정상분 교류전류를 입력받아, 상기 SSSC에 포함된 변압기의 1차측 기본파 정상전류에 대한 전류지령을 생성하는 기본파 전류지령 생성부;
    정상분 교류전류에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값을 생성하는 고조파 보상부; 및
    상기 기본파 전류지령 생성부로부터의 전류지령 및 고조파 보상부로부터의 지령값에 응답하여 상기 스위칭 전압을 생성하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동 필터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기본파 전류지령 생성부는
    상기 정상분 교류전류를 입력받아 3상 성분을 2상 성분으로 변환하는 제 1 상변환부;
    상기 제 1 상변환부의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제 1 좌표계 변환부;
    고조파 전압신호를 입력받아 3상 성분을 2상 성분으로 변환하는 제 2 상변환부;
    상기 제 2 상변환부의 출력신호를 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제 2 좌표계 변환부;
    상기 2 좌표계 변환부의 출력신호를 기준 프레임과 비교하여 고조파 성분을 제거하는 비교기;
    상기 제 1 좌표계 변환부의 출력신호에서 상기 비교기의 출력신호를 감산하는 감산기;
    상기 감산기의 출력신호를 회전좌표계에서 정지좌표계로 변환하는 제 3 좌표계 변환부; 및
    상기 제 3 좌표계 변환부의 출력신호를 입력받아 2상 성분을 3상 성분으로 변환하는 제 3 상변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동필터.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 고조파 보상부는
    제거하고자 하는 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 생성하는 복수의 지령값 생성부; 및
    상기 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 가산하여 상기 고조파 성분을 제거하기 위한 지령값을 출력하는 제 1 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동필터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 각각의 지령값 생성부는
    상기 정상분 교류전류에 포함된 각 차수의 고조파 전류 및 역율에 대한 위상각를 입력받아 고조파의 실수부 성분을 출력하는 고조파 실수부출력부;
    상기 각 차수의 고조파 전류 및 역율에 대한 위상각를 입력받아 고조파의 허수부 성분을 출력하는 고조파 허수부출력부; 및
    상기 고조파의 실수부 성분과 상기 고조파의 허수부 성분을 가산하여 상기 각 차수의 고조파 성분의 예비지령값을 출력하는 제 2가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동필터.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 스위칭부는
    상기 기본파 전류지령 생성부로부터의 전류 지령 및 상기 고조파 보상부로부터의 지령값을 가산하는 가산기; 및
    상기 가산기의 출력을 삼각파와 비교하여 그 비교결과를 상기 스위칭 전압으로서 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 능동필터.
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