KR20150027396A - Ups기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치 - Google Patents

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Abstract

계통 전원과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하 전압을 제어하기 위한 제1 변압기; 상기 제1 변압기의 2차측에 연결되어 부하 에너지 절감을 위한 상기 제1 변압기 전압을 제어하기 위한 전압 제어형 전압원 인버터; 상기 계통전원과 병렬 연결되어 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 상기 계통 전원을 고품질 전력으로 제어하기 위한 제2 변압기; 상기 제2 변압기의 2차측에 연결되어 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거를 위한 상기 제2 변압기의 전류를 제어하기 위한 전류 제어형 전압원 인버터; 및 상기 전압 제어형 전압원 인버터와 상기 전류 제어형 전압원 인버터의 직류측을 공통 연결하여 인버터의 직류 전압을 안정화시키는 직류 커패시터; 상기 전압 제어형 전압원 인버터와 상기 전류 제어형 전압원 인버터에 연결되어 계통의 고장 발생시 상기 전류 제어형 전압원 인버터를 통해 상기 부하에 무정전 전원을 공급하기 위한 에너지 저장부를 포함하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 제공된다.

Description

UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치{Unified Power Quality Conditioner with UPS capability}
본 발명은 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치(Unified Power Quality Conditioner: UPQC)에 관한 것으로, 상세하게는 정상상태에서는 다기능 전력품질 보상장치로 동작을 하여 수용가와 계통에 안정적인 전력품질을 보장하고, 정전 등의 비상상황에서는 무정전 전원 공급장치(UPS)로 동작하도록 하여 수용가에 끊김 없는 전력을 공급하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치에 관한 것이다.
최근 산업화로 인한 비선형 부하 등의 사용으로 전력품질 저하 문제가 대두되고 있다. 전력품질 문제는 전류와 전압의 문제로 구분이 가능하고 전류의 문제는 고조파전류(Harmonic Current) 유입, 역률(Power Factor) 저하 등이 있고, 전압의 문제로는 순간정전(Interruption), 순간전압강하(Voltage Sag), 순간전압상승(Voltage Swell) 등이 있다.
비선형 부하로 인한 고조파 전류의 계통망 유입은 전원전압 왜곡, 발전기나 송배전선 변압기의 용량 증대, 계통 내의 다른 전력장치들의 열 및 공진현상을 발생시켜 절연 파괴 및 수명 단축의 문제를 야기하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 능동 전력필터(Active Power Filter)의 연구가 활발히 진행되었다.
한편 전원전압 불평형이나 전압강하 및 상승 등의 문제 역시 수용가의 전력기기들에 오동작이나 고장의 문제를 일으킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 동적전압 보상기(Dynamic Voltage Restorer)의 연구가 활발히 진행되었다.
그러나 능동 전력필터는 고조파 전류 보상을 주목적으로 하기 때문에 전압보상효과를 기대할 수 없으며, 동적 전압 보상기 또한 전압의 외란 보상이 주 목적이기 때문에 고조파 전류에 대한 보상효과를 기대하기 힘들었다.
이러한 서로의 단점을 보완하기 위해 제안되어진 것이 다기능 전력 품질 보상 장치(Unified Power Quality Conditioner : UPQC)이다. 다기능 전력 품질 보상 장치는 직렬 인버터와 병렬 인버터가 직류 커패시터를 공유하는 형태로 구성되어 능동전력필터와 동적전압보상기 기능을 동시에 수행할 수 있다.
이러한 다기능 전력품질 보상장치는 능동전력 필터와 동적전압보상기 기능을 하지만 최근 크게 대두되고 있는 정전 등의 상황에서는 대처할 수 없는 문제가 있으며 이 문제를 해결하기 위해서는 별도의 무정전 전원 공급 장치(UPS)를 설치해야 하는 번거로움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 정상상태에서는 다기능 전력품질 보상장치로 동작을 하여 수용가와 계통에 안정적인 전력품질을 보장하고, 정전 등의 비상상황에서는 무정전전원공급장치(UPS)로 동작하도록 하여 수용가에 끊김 없는 전력을 공급하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 계통 전원과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하 전압을 제어하기 위한 제1 변압기; 상기 제1 변압기의 2차측에 연결되어 부하 에너지 절감을 위한 상기 제1 변압기 전압을 제어하기 위한 전압 제어형 전압원 인버터; 상기 계통전원과 병렬 연결되어 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 상기 계통 전원을 고품질 전력으로 제어하기 위한 제2 변압기; 상기 제2 변압기의 2차측에 연결되어 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거를 위한 상기 제2 변압기의 전류를 제어하기 위한 전류 제어형 전압원 인버터; 상기 전압 제어형 전압원 인버터와 상기 전류 제어형 전압원 인버터의 직류측을 공통 연결하여 인버터의 직류 전압을 안정화시키는 직류 커패시터; 및 상기 전압 제어형 전압원 인버터와 상기 전류 제어형 전압원 인버터에 연결되어 계통의 고장 발생시 상기 전류 제어형 전압원 인버터를 통해 상기 부하에 무정전 전원을 공급하기 위한 에너지 저장부를 포함하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 제공된다.
상기 에너지 저장부는 배터리를 포함할 수 있다.
상기 전압 제어형 전압원 인버터는 동적 전압 보상(DVR : Dynamic Voltage Restore) 동작을 수행할 수 있다.
상기 전류 제어형 전압원 인버터는 능동 전력 필터(APF : Active Power Filter)동작을 수행할 수 있다.
상기 전류 제어형 전압원 인버터는 상기 부하의 무효전력을 보상해야 할 경우 정지형 무효 전력 보상(STATCOM : Static Compensator) 동작을 수행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 정상상태에서는 다기능 전력품질 보상장치로 동작을 하여 수용가와 계통에 안정적인 전력품질을 보장하고, 정전 등의 비상상황에서는 무정전전원공급장치(UPS)로 동작하도록 하여 수용가에 끊김 없는 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치의 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 동적 전압 보상 장치(DVR) 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 동적 전압 보상 장치(DVR), 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 무정전 전원 공급 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들을 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치의 구성 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치(100)는 계통 전원(1)에 직렬로 연결된 제1 변압기(3), 전압 제어형 전압원 인버터(4), 제2 변압기(6), 전류 제어형 전압원 인버터(7), 직류 커패시터(8), 에너지 저장부(9)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 변압기(3)과 부하(2)사이에 양방향 스위치(5)가 설치된다.
제1 변압기(3)는 계통 전원(1)과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하 전압을 제어할 수 있다.
전압 제어형 전압원 인버터(4)는 제1 변압기(3)의 2차측에 연결되어 부하 에너지 절감을 위한 제1 변압기 전압을 제어할 수 있다. 전압 제어형 전압원 인버터(4)는 계통 전원(1)에 직렬 연결된다는 점에서 직렬 인버터(Series Inverter)라고 할 수 있다.
전압 제어형 전압원 인버터(4)는 동적 전압 보상(DVR : Dynamic Voltage Restore) 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 전압 제어형 전압원 인버터(4)는 순간전압강하(Sag) 또는 순간전압상승(Swell)의 전압변동을 보상할 수 있다. 전압 제어형 전압 인버터(4)는 계통 전원(1)에 병렬로 연결된다는 점에서 병렬 인버터(Shunt Inverter)라 할 수 있다.
제2 변압기(6)는 계통전원(1)과 병렬 연결되어 부하(2)에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 계통 전원을 고품질 전력으로 제어할 수 있다.
전류 제어형 전압원 인버터(7)는 제2 변압기(6)의 2차측에 연결되어 부하(2)에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거를 위한 제2 변압기(6)의 전류를 제어할 수 있다.
전류 제어형 전압원 인버터(7)는 능동 전력 필터(APF : Active Power Filter)동작을 수행할 수 있다. 전류 제어형 전압원 인버터(7)는 부하(2)의 무효전력을 보상해야 할 경우 정지형 무효 전력 보상(STATCOM : Static Compensator) 동작을 수행할 수 있다.
직류 커패시터(8)는 전압 제어형 전압원 인버터(4)와 전류 제어형 전압원 인버터(7)의 직류측을 공통 연결하여 인버터의 직류 전압을 안정화시킬 수 있다.
에너지 저장부(9)는 전압 제어형 전압원 인버터(4)와 전류 제어형 전압원 인버터(7)에 연결되어 계통 전원의 고장 발생시 전류 제어형 전압원 인버터(7)를 통해 부하에 무정전 전원을 공급할 수 있다. 에너지 저장부(9)는 배터리를 포함할 수 있다. 에너지 저장부(9)의 동작에 의해 계통 전원(1)의 고장 발생 시 무정전 전원장치(UPS :Uninterruptible Power Supply)로서의 동작이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 동적 전압 보상 장치(DVR) 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치(100)는 동적 전압 보상 장치(DVR) 동작을 수행하는 경우, 계통 전원(1), 제1 변압기(3), 양방향 스위치(5), 부하(2)의 전류 경로와, 계통 전원(1), 제1 변압기(3), 전압 제어형 전압원 인버터(4), 에너지 저장부(9)의 전류 경로가 형성된다.
다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 전압 제어형 전압원 인버터(4)는 동적전압보상장치(DVR : Dynamic Voltage Restore)로 동작하고 순간전압강하(Sag) 혹은 순간전압상승(Swell) 등의 전압변동을 보상한다.
아울러, 계통 전원(1)으로부터 공급되는 전력에 의해 전압 제어형 전압원 인버터(4)를 통해 에너지 저장부(9)에 대한 충전이 이루어진다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치(100)는 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 경우, 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 경우, 계통 전원(1), 제1 변압기(3), 양방향 스위치(5), 부하(2)의 전류 경로와, 부하(2), 제2 변압기(6), 전류 제어형 전압원 인버터(7), 에너지 저장부(9)의 전류 경로가 형성된다.
다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 전류 제어형 전압원 인버터(7)는 능동전력필터(APF : Active Power Filter)기능을 하여 비선형부하등의 사용으로 인한 고조파를 보상하여 전류 THD의 감소 등 계통 전원품질을 보상할 수 있다.
아울러, 다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 전류 제어형 전압원 인버터(7)는 부하(2)의 무효전력을 보상해야 할 경우 정지형무효전력보상기(STATCOM : Static Compensator)로의 기능을 수행한다.
또한, 계통 전원(1)으로부터 공급되는 전력에 의해 전류 제어형 전압원 인버터(7)를 통해 에너지 저장부(9)에 대한 충전이 이루어진다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 동적 전압 보상 장치(DVR), 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치(100)는 동적 전압 보상 장치(DVR), 능동 전력 필터 및 정지형 무효 전력 보상기 동작을 수행하는 경우, 계통 전원(1), 제1 변압기(3), 양방향 스위치(5), 부하(2)의 전류 경로와, 계통 전원(1), 제1 변압기(3), 전압 제어형 전압원 인버터(4), 에너지 저장부(9)의 전류 경로와, 부하(2), 제2 변압기(6), 전류 제어형 전압원 인버터(7), 에너지 저장부(9)의 전류 경로가 형성된다.
다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 전압 제어형 전압원 인버터(4)는 동적전압보상장치(DVR : Dynamic Voltage Restore)로 동작하고 순간전압강하(Sag) 혹은 순간전압상승(Swell) 등의 전압변동을 보상한다.
다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 전류 제어형 전압원 인버터(7)는 능동전력필터(APF : Active Power Filter)기능을 하여 비선형부하등의 사용으로 인한 고조파를 보상하여 전류 THD의 감소 등 계통 전원품질을 보상할 수 있다.
아울러, 다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 전류 제어형 전압원 인버터(7)는 부하(2)의 무효전력을 보상해야 할 경우 정지형무효전력보상기(STATCOM : Static Compensator)로의 기능을 수행한다.
또한, 계통 전원(1)으로부터 공급되는 전력에 의해 전압 제어형 전압원 인버터(4) 또는 전류 제어형 전압원 인버터(7)를 통해 에너지 저장부(9)에 대한 충전이 이루어진다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치가 무정전 전원 공급 동작을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치(100)는 무정전 전원 공급 동작을 수행하기 위해, 에너지 저장부(9), 전류 제어형 전압원 인버터(7), 제2 변압기(6), 부하(2)의 전류 경로가 형성된다.
다기능 전력 품질 보상 장치(100)의 에너지 저장부(9)는 계통 전원의 고장 발생시 전류 제어형 전압원 인버터(7)를 통해 부하에 무정전 전원을 공급하여 무정전 전원장치(UPS :Uninterruptible Power Supply)로서의 동작을 수행할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 계통 전원과 직렬 연결되어 부하 에너지 절감을 위하여 부하 전압을 제어하기 위한 제1 변압기;
    상기 제1 변압기의 2차측에 연결되어 부하 에너지 절감을 위한 상기 제1 변압기 전압을 제어하기 위한 전압 제어형 전압원 인버터;
    상기 계통전원과 병렬 연결되어 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거하여 상기 계통 전원을 고품질 전력으로 제어하기 위한 제2 변압기;
    상기 제2 변압기의 2차측에 연결되어 부하에서 발생하는 전류의 위상차와 고조파를 제거를 위한 상기 제2 변압기의 전류를 제어하기 위한 전류 제어형 전압원 인버터; 및
    상기 전압 제어형 전압원 인버터와 상기 전류 제어형 전압원 인버터의 직류측을 공통 연결하여 인버터의 직류 전압을 안정화시키는 직류 커패시터;
    상기 전압 제어형 전압원 인버터와 상기 전류 제어형 전압원 인버터에 연결되어 계통의 고장 발생시 상기 전류 제어형 전압원 인버터를 통해 상기 부하에 무정전 전원을 공급하기 위한 에너지 저장부를 포함하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 에너지 저장부는 배터리를 포함하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 전압 제어형 전압원 인버터는 동적 전압 보상(DVR : Dynamic Voltage Restore) 동작을 수행하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 전류 제어형 전압원 인버터는 능동 전력 필터(APF : Active Power Filter)동작을 수행하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 전류 제어형 전압원 인버터는 상기 부하의 무효전력을 보상해야 할 경우 정지형 무효 전력 보상(STATCOM : Static Compensator) 동작을 수행하는 UPS기능을 가진 다기능 전력 품질 보상 장치.
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