KR20210118595A - 스마트 능동형 고조파 필터 - Google Patents

스마트 능동형 고조파 필터 Download PDF

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KR20210118595A
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Abstract

본 발명에 따른 능동형 고조파 필터는, 고조파 왜형률 개선 목표를 설정받는 입출력부(20); 센싱된 부하전류에서 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 결정하며, 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정하는 컨트롤부(10); 상기 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 인가하는 보상 전류 생성부(30);를 포함하되, 운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 능동형 고조파 필터{Smart Active Power Filter}
본 발명은 능동형 고조파 필터에 관한 것이다.
최근 PC, LED, Inverter 및 기타 AC/DC 정류회로를 내장하는 다양한 형태의 생활가전 및 산업용 전기설비의 사용량 증가로 인해 고조파 발생량도 함께 증가하면서 전력배전설비에 발열, 오동작, 소음 등 다양한 형태의 장애가 발생하고 있다.
능동형 고조파 필터는 고조파를 저감하는 효과적인 수단이다. 그런데 능동형 고조파 필터에 있어서 저감률은 설치 효과를 결정하는 핵심적인 요소임에도 불구하고 시운전 초기, 부하의 변동이나 필터내부의 여러 가지 운전조건 변화와 무관하게 특정 값으로 결정하게 된다.
만약 설정 값을 100%로 설정할 경우, 고조파의 발생을 완전히 억제할 수 있겠지만, 그에 따라 고조파 필터의 출력이 과도하게 증가하면서 통상 3% 전·후인 고조파 필터의 전력손실도 함께 증가하며 필터 내부의 발열이 과도하게 증가하면서 수명이 감소하게 된다.
반면, 고조파필터의 저감률을 낮게 설정할 경우, IEEE-519 규제를 만족시킬 수 없게 되므로 고조파 필터를 설치했음에도 불구하고 충분한 고조파 개선 효과를 기대할 수 없게 된다.
특히, 적정 저감률을 설정했더라도 부하설비에 변화가 발생해 고조파 발생량이 변동하게 되면 설정되었던 저감률은 무의미한 값이 될 수밖에 없다. 최적의 조건으로 설정하였더라도 부하의 고조파 발생 비율이 변동하면 다시 저감률 설정 값을 변경해야하므로, 사실상 적정 설정 값을 적용한 필터의 연속적인 사용이 불가능해지며 이와 같은 이유로 저감률 설정 값을 적정치 보다 충분히 여유 있게(즉, 과도하게) 설정하여 사용하고 있는 실정이다.
이상 종래 기술의 문제점 및 과제에 대하여 설명하였으나, 이러한 문제점 및 과제에 대한 인식은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것은 아니다.
본 발명의 목적은 부하설비의 고조파 발생량 변동에 자동 대응할 수 있는 능동형 고조파 필터와 이를 이용한 고조파 저감 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 고조파 왜형률 개선 목표을 만족하면서 고조파 필터의 전력손실을 저감할 수 있는 능동형 고조파 필터와 이를 이용한 고조파 저감 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일상에 따른 능동형 고조파 필터에서 실행되는 고조파 저감 방법은, 고조파 왜형률 개선 목표를 설정받는 제 1 단계; 부하전류를 계측하되 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류로 구분하여 계측하는 제 2 단계; 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 계측된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 저감률을 연산하는 제 3 단계; 상기 저감률을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류를 생성하여 인가하는 제 4 단계;를 포함하되, 상기 제 2 단계 내지 상기 제 4 단계를 반복 실행함으로써, 운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일상에 따른 능동형 고조파 필터에서 실행되는 고조파 저감 방법은, 고조파 왜형률 개선 목표와 저감률을 자동설정할 차수와 수동설정할 차수를 나누어서 설정받는 제 1 단계; 부하전류를 계측하되 상용주파수 성부의 전류와 각 고조파 성분의 전류로 구분하여 계측하는 제 2 단계; 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 계측된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 자동설정할 차수의 저감률을 연산하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 연산된 저감률과 수동설정된 저감률을 이용하여 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류를 생성하여 인가하는 제 4 단계;를 포함하되, 상기 제 2 단계 내지 상기 제 4 단계를 반복 실행함으로써, 운전중 상기 연산된 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 한다.
상기한 능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법에 있어서, 저감률의 수동설정은 저감을 하지 않는 것을 선택하는 것, 또는 저감하는 비율을 지정하는 것을 포함할 수 있다.
상기한 능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법에 있어서, 상기 제 2 단계의 계측 결과를 이용하여 공진이 발생된 고조파의 차수를 식별하는 제 5 단계;를 더 포함하며, 공진이 발생된 고조파의 차수에 대해서는 저감률을 0% 로 하여 상기 제 3 단계의 연산과 상기 제 4 단계에서의 합성 보상 전류가 생성될 수 있다.
상기한 능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법에 있어서, 합성 보상 전류가 인가된 후 전압이 증가하는 고조파인 경우 공진이 발생된 고조파로 판단할 수 있다.
상기한 능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법에 있어서, 능동형 고조파 필터의 온도를 모니터링하여 미리 정해진 온도 이상이 되는 경우, 고차수의 고조파부터 저감률 낮추거나 저감률을 0 %로 하여 상기 제 3 단계의 연산과 상기 제 4 단계에서의 합성 보상 전류가 생성될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 능동형 고조파 필터는, 고조파 왜형률 개선 목표를 설정받는 입출력부(20); 센싱된 부하전류에서 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 결정하며, 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정하는 컨트롤부(10); 상기 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 인가하는 보상 전류 생성부(30);를 포함하되, 운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 능동형 고조파 필터는, 고조파 왜형률 개선 목표와 저감률을 자동설정할 차수와 수동설정할 차수를 나누어서 설정받는 입출력부(20); 센싱된 부하전류에서 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 결정하며, 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 자동설정할 차수의 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률과 수동설정된 저감률을 이용하여 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정하는 컨트롤부(10); 상기 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 인가하는 보상 전류 생성부(30);를 포함하되, 운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 부하전류(I 1 ) 및 부하의 고조파 발생량(∑I n 2 )과도 연계되므로 부하의 고조파 발생량이 변동하더라도 사용자가 원하는 왜형률 개선목표(Target THD) 값을 항상 만족할 수 있게 되며, 부하전류 조건이 변동하더라도 저감률을 부하전류와 연계하여 산출하고 자동으로 저감률을 변경할 수 있게 함으로써 종합 왜형률(THD)를 일정한 값으로 유지 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고차수 고조파의 감쇄과정에서는 표피효과로 인해 고조파 필터의 내부발열이 많을 수 있는 데, 본 발명에 따르면 고차수의 고조파 저감률을 사용자가 임의로 낯추거나 저감하지 않게 하면서도 나머지 저차수의 저감률을 자동 결정하는 것이 가능한 효과가 있다. 또한, 특정 차수의 고조파 감쇄는 간혹 공진 현상을 야기할 수 있는 데, 본 발명에 따르면 문제가 되는 특정 차수의 저감률을 임의로 낯추거나 저감하지 않게 하면서도 나머지 저차수의 저감률을 자동 결정하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 특정 차수의 저감률이 0%가 되더라도 나머지 차수의 저감률을 다시 자동 결정되므로, 공진 현상의 원인을 신속 제거하면서도 고조파 왜형률 개선 목표는 그대로 달성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 능동형 고조파필터에서 부하 조건의 변동과 연계해 왜형률 개선 목표를 만족할 수 있는 최적의 고조파 저감률을 자동으로 산출할 수 있어서 능동형 고조파필터의 운용편의 제공 및 고조파 감쇄 신뢰성 증대와 고조파 감쇄로 인한 전력손실의 최소화가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 고조파 저감 방법이 적용될 능동형 고조파 필터의 구성예를 도시한 것이다.
도 2(a)는 컨트롤부가 합성한 합성 보상 전류의 프로파일 예이며, 도 2(b)는 평활회로를 거쳐서 인가되는 합성 보상 전류의 예이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 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 명칭 및 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명에 따른 고조파 저감 방법이 적용될 능동형 고조파 필터의 구성예를 도시한 것이다.
능동형 고조파 필터(1)는 컨트롤부(10), 입출력부(20), 보상전류 생성부(30), 전류 검출회로(41), 전압 검출회로(42) 및 온도 센서(50)를 포함하여 구성된다.
입출력부(20)는 사용자와의 인터페이스를 위한 것으로서 각종 정보를 디스플레이하고 사용자로부터 명령 및 정보를 입력받는 데, 예를 들면 고조파 왜형률 개선 목표를 설정받는다. 실시 형태에 따라 전체 차수의 고조파에 대하여 저감률(감쇄율)을 자동설정토록 하거나 고조파의 저감률을 자동설정할 차수와 수동설정할 차수를 나누어서 설정받게 할 수 있다.
전류 검출회로(41)는 부하로 가는 전력 선로에 결합된 전류 검출센서(CT)로부터의 신호를 입력받아 컨트롤부(10)에 제공할 부하 전류의 신호 또는 정보를 생성한다. 전류 검출회로(41)는 신호처리, A-D 변환 등의 기능을 수행할 수 있고 이러한 기능의 일부 또는 전부는 컨트롤부(10)에 통합 구성될 수도 있다.
전압 검출회로(41)는 부하로 가는 전력 선로에 병렬 연결되어 컨트롤부(10)에 제공할 부하 전압의 신호 또는 정보를 생성한다. 전압 검출회로(41)는 트랜스포머에 의한 전압의 스케일다운, 신호처리, A-D 변환 등의 기능을 수행할 수 있고 이러한 기능의 일부 또는 전부는 컨트롤부(10)에 통합 구성될 수도 있다.
컨트롤부(10)는 능동형 고조파 필터의 전체 동작을 제어하는 기본 기능을 수행하며, 나아가 각종 계측에 있어서 주도적인 역할을 수행하고 각종 연산을 수행한다. 컨트롤부(10)는 CT 및 전류 검출회로(41) 등을 이용하여 센싱된 부하전류에서 상용주파수 성분의 전류와 각 차수별로 고조파 성분의 전류를 결정한다.
한 실시 형태에서 컨트롤부(10)는 입출력부(10)를 이용하여 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 차수별 고조파 성분의 전류를 이용하여 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률을 기준으로 각 차수의 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정한다. 이러한 과정들은 컨트로부(10)의 연산 능력을 이용해 디지털 도메인에서 실행될 수 있다.
그리고 이와 같이 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 의거하여 컨트롤러(10)는 보상 전류 생성부(30)의 IGBT 그룹(31)의 IGBT 게이트를 제어하며 이에 따라 보상 전류 생성부(30)는 상기 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 부하로 가는 전력선에 인가한다.
다른 실시 형태에서 컨트롤부(10)는 입출력부(10)를 이용하여 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 차수별 고조파 성분의 전류를 이용하여 자동설정할 차수의 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률과 수동설정된 저감률을 이용하여 각 차수의 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정한다. 이러한 과정들은 컨트로부(10)의 연산 능력을 이용해 디지털 도메인에서 실행될 수 있다.
그리고 이와 같이 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 의거하여 컨트롤러(10)는 보상 전류 생성부(30)의 IGBT 그룹(31)의 게이트를 제어하며 이에 따라 보상 전류 생성부(30)는 상기 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 부하로 가는 전력선에 인가한다.
보상 전류 생성부(30)는 IGBT 그룹(31), 충전 커패시터(32) 및 평활회로(33)를 포함하여 구성된다. IGBT 그룹(31)은 6개의 IGBT를 포함하며, 3개의 상선과 충전 커패시터(32)의 일단 사이, 그리고 3개의 상선과 충전 커패시터(32)의 타단 사이에 각각 IGBT가 연결되고 각 IGBT의 게이트는 컨트롤부(10)로부터의 제어 신호에 의해서 스위칭이 컨트롤된다. 충전 커패시터(32)는 DC 전원을 충전하고 IGBT 그룹(31)의 각 IGBT에 의하여 도 2(a)에 도시된 바와 같은 구형파를 생성한다. 평활회로(33)는 LC 네트워크로써 구성되며 생성된 구형파를 평활하여(Low Pass Filtering) 부하 전력선에 인가한다.
온도 센서(50)는 보상 전류 생성부(30)에 밀착하여 설치되며 보상 전류 생성부(30)의 온도를 센싱하여 컨트롤부(10)에 입력한다.
그리고 능동형 고조파 필터의 운전중에는, 전류 계측, 저감률의 연산, 합성 보상 전류의 프로파일 생성, 및 합성 보상 전류의 인가를 주기적으로 반복함으로써 부하가 변동되더라도 사용자에 의하여 설정된 고조파 왜형률 개선 목표를 지속 유지토록 한다. 이상 본 발명의 능동형 고조파 필터의 기능에 대하여 개략적으로 설명하였으나, 보다 상세한 사항은 이하의 고조파 저감 방법에 대한 설명을 통하여 보다 명확해질 수 있다.
이하, 본 발명의 능동형 고조파 필터에서 실행되는 고조파 저감 방법의 제 1 실시예에 대하여 설명한다.
능동형 고조파 필터(1)는 입출력부(20)를 이용하여 고조파 왜형률 개선 목표(Target THD)를 설정받는데, 예를 들면 8%와 같은 값으로 설정받을 수 있다.
그리고 능동혈 고조파 필터(1)는 컨트롤부(10)의 주도로 전압 검출회로(42)를 이용하여 부하전압을 계측하되, 상용주파수 성분의 전압(V1)과 각 고조파 성분의 전압(V2, V3, V4, V5,...)으로 구분하여 계측한다. 또한, CT 및 전류 검출회로(41)를 이용하여 부하전류를 계측하되 상용주파수 성분의 전류(I1)와 각 고조파 성분의 전류(I2, I3, I4, I5,...)로 구분하여 계측한다. 입력된 전압 및 전류신호는 부하의 특성에 따라 왜곡을 동반하는 비정현파형을 나타낼 수 있으며 컨트롤부(10)는 입력된 신호를 상용주파수(60Hz)와 기타 주파수 영역의 신호의 합성으로 해석하여 각 주파수별 신호의 크기와 위상을 해석(산출)하며, 해당 해석과정에는 푸리에 급수 전개가 활용된다.
그리고, 설정된 고조파 왜형률 개선 목표(Target THD)와, 상기 계측된 상용주파수 성분의 전류(I1)와 각 고조파 성분의 전류(I3, I5, I7, ...)를 이용하여 저감률(ΔFT)을 연산하는 데, 각 고조파에 대하여 일괄적으로 저감할 저감률을 연산해낼 수 있다. 고조파 왜형률 개선목표는 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
단, Target THD는 고조파 왜형률 개선목표이며, I1은 부하전류중 상용주파수 성분의 전류이고 In은 부하 전류중 n차 고조파 성분의 전류이며, ΔFT는 자동계산될 저감율이다.
수학식 1을 정리하면, 고조파 왜형률 개선목표(Target THD)를 만족하기 위한 각차수별로 동일하게 설정될 고조파의 저감률(ΔFT)는 아래 수학식 2와 같이 된다.
Figure pat00002
그리고, 상기 연산된 저감률(ΔFT)을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류를 생성하여 인가한다.
컨트롤부(10)는 앞서 산출한 각 주파수별 전원 신호 중, 60Hz 전원 주파수 신호를 제외한 기타 주파수 신호(순 고조파 신호) 별로 역위상 신호(고조파 보상 전류)를 산출한다. 각 고조파의 위상각에다 180도를 가산함으로써 역위상각을 산출할 수 있고 각 고조파의 크기에다 상기와 같이 연산된 저감률(ΔFT)을 곱하는 방식으로 보상 신호(보상 전류)의 크기가 결정된다.
이와 같이 결정되는 각 고조파의 차수별 보상 신호의 크기 및 위상에 의해 합성 보상 전류의 프로파일이 결정된다. 그리고 컨트롤부(10)는 합성 보상 전류의 프로파일을 이용하여 합성 보상 전류를 생성할 수 있도록 보상 전류 생성부(30)의 각 IGBT를 제어한다. 컨트롤부(10)가 IGBT를 ON/OFF제어하면 도 2(a)와 같은 구형 파형(정확히는 여러개의 구형파가 합성된 신호 파형)의 출력전류를 얻을 수 있다. 이와 같은 제어 방식을 PWM(Pulse Width Modulation)이라고 하며 출력된 구형파의 전류는 평활회로(33)를 거쳐서 도 2(b)와 같이 출력신호와 유사한 파형으로 변성된다.
그리고 능동형 고조파 필터의 운전중 주기적으로 상기한 부하 전류 및 고조파 전류의 계측, 저감률의 연산, 각 고조파별 고조파 보상 전류의 합성, 합성 보상 전류의 생성 및 인가는 반복 수행되며, 이에 따라 저감률 및 합성 보상 전류는 부하 변동에 따라 자동 갱신되고 왜형률 개선 목표는 유지된다.
종래 기술에 따르면 저감률 설정값이 상수화 되어 부하변동에 따라 고조파 개선결과 종합 왜형률(THD)이 변동될 수밖에 없었던 것에 비해 본 발명에 따르면 부하전류(I 1 ) 및 부하의 고조파 발생량(∑I n 2 )과도 연계되므로 부하의 고조파 발생량이 변동하더라도 사용자가 원하는 왜형률 개선목표(Target THD) 값을 항상 만족할 수 있게 된다. 부하전류 조건이 변동하더라도 저감률을 부하전류와 연계하여 산출하고 자동으로 저감률을 변경할 수 있게 함으로써 종합 왜형률(THD)을 일정한 값으로 유지 할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 능동형 고조파 필터에서 실행되는 고조파 저감 방법의 제 2 실시예에 대하여 설명한다.
능동형 고조파 필터(1)는 입출력부(20)를 이용하여 고조파 왜형률 개선 목표(Target THD)를 설정받는데, 예를 들면 8%와 같은 값으로 설정받을 수 있다. 그리고, 이와 함께 저감률을 자동설정할 차수와 수동설정할 차수를 나누어서 설정받는다. 저감률의 수동설정은 저감을 하지 않는 것을 선택하는 것, 또는 저감하는 비율을 지정하는 것을 포함한다.
예를 들어 저감을 하지 않을 차수들과 자동 설정할 차수를 선택하는 방식으로 할 수 있다. 또한, 저감을 하되 저감할 비율을 임의로 지정하는 차수와 자동 설정할 차수를 선택하도록 할 수 있다. 또한 아래 표1과 같이 저감률 임의지정 여부를 선택토록 하고(세번째 컬럼), 임의지정 차수에 대해서는 저감률을 설정토록 할 수 있다(표 1에서는 예를 들어 0%와 40%로 각각 설정되었는데, 11차, 13차 고조파의 저감률을 40%로 하고 15, 17, 19차 이하 고조파의 고조파 감쇄를 제한한다).
Order 부하전류
[A]		 저감률 [%]
임의지정 여부
[Y/N]		 n차 고조파
보상방식 지정 계수		 저감률
설정[%]		 개선결과
[A]
자동설정
[An]		 임의지정
[Sn]
I1 200 ΔF K 200
I3 8 □ YES ▣ NO 1 0 ΔF K I 3 -ΔF K
I5 46 □ YES ▣ NO 1 0 ΔF K I 5 -ΔF K
I7 28 □ YES ▣ NO 1 0 ΔF K I 7 -ΔF K
I9 2 □ YES ▣ NO 1 0 ΔF K I 9 -ΔF K
I11 18 ▣ YES □ NO 0 1 ΔF K_11 = 40% I 11 -ΔF K_11
I13 10 ▣ YES □ NO 0 1 ΔF K_13 = 40% I 13 -ΔF K_17
I15 6 ▣ YES □ NO 0 1 ΔF K_15 = 0% I 15 -ΔF K_17
I17 4 ▣ YES □ NO 0 1 ΔF K_17 = 0% I 17 -ΔF K_17
I19 6 ▣ YES □ NO 0 1 ΔF K_19 = 0% I 19 -ΔF K_19
H_Total 59
THD[%] 29.5% 8.0%
상기한 예와 같이 특정 차수 고조파의 고조파 저감률을 임의로 지정할지 여부를 선택하는데, 임의 지정여부에 따라 각 고조파 차수별로 후술한 수학식 3 및 수학식 4에 이용되는 보상방식 지정계수(An, Sn)값은 1또는 0으로 주어지게 된다.
그리고 능동형 고조파 필터(1)는 컨트롤부(10)의 주도로 전압 검출회로(42)를 이용하여 부하전압을 계측하되, 상용주파수 성분의 전압(V1)과 각 고조파 성분의 전압(V2, V3, V4, V5,...)으로 구분하여 계측한다. 또한, CT 및 전류 검출회로(41)를 이용하여 부하전류를 계측하되 상용주파수 성분의 전류(I1)와 각 고조파 성분의 전류(I2, I3, I4, I5,...)로 구분하여 계측한다. 입력된 전압 및 전류신호는 부하의 특성에 따라 왜곡을 동반하는 비정현파형을 나타낼 수 있으며 컨트롤부(10)는 입력된 신호를 상용주파수(60Hz)와 기타 주파수 영역의 신호의 합성으로 해석하여 각 주파수별 신호의 크기와 위상을 해석(산출)하며, 해당 해석과정에는 푸리에 급수 전개가 활용된다.
그리고, 설정된 고조파 왜형률 개선 목표(Target THD)와, 상기 계측된 상용주파수 성분의 전류(I1)와 각 고조파 성분의 전류(I3, I5, I7, ...)를 이용하여 자동설정할 차수의 저감률(ΔFK)을 연산한다.
고조파 공진 또는 필터의 발열을 최소화하기 고조파필터의 특정 차수에 대한 고조파 저감률을 임으로 지정(ΔFk_n)할 수 있으며, 고조파 왜형률 개선목표(Target THD)를 만족시키기 위해 수동 설정한 차수의 고조파를 제외한 기타 차수의 저감률 설정값(ΔF K )을 산출하는 데, 고조파 왜형률 개선목표(Target THD)는 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
단, Target THD는 고조파 왜형률 개선목표이며, I1은 부하전류중 상용주파수 성분의 전류이고 In은 부하 전류중 n차 고조파 성분의 전류이다. An은 n차 고조파의 보상방식 지정 계수로서 자동설정시 1 이고 임의지정시 0이며, Sn은 n차 고조파의 보상방식 지정 계수로서 자동설정시 0 이고 임의지정시 1이다. ΔFk_n는 수동설정(임의지정)한 n차 고조파의 저감률이며, ΔF K 은 나머지 차수, 즉 자동설정할 고조파의 저감률이다.
수학식 3을 정리하여 임의 지정하는 저감률을 제외한 나머지 차수 고조파의 저감률 설정 값(ΔF K )을 중심으로 수식을 정리하면, 아래 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
그리고, 상기 연산된 저감률(ΔFT)과 수동설정된 저감율을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류를 생성하여 인가한다.
컨트롤부(10)는 앞서 산출한 각 주파수별 전원 신호 중, 60Hz 전원 주파수 신호를 제외한 기타 주파수 신호(순 고조파 신호) 별로 역위상 신호(고조파 보상 전류)를 산출하거나 설정받았다. 상기한 표 1의 예에서는 고조파 왜형률 개선목표(Target THD)가 8%이고 부하전류에서 상용주파수 성분이 200A인 등 부하전류가 표 1과 같을 때 3, 5, 7차 고조파의 저감률은 92.8%로 자동 산출된다.
각 고조파의 위상각에다 180도를 가산함으로써 역위상각을 산출할 수 있고 각 고조파의 크기에다 상기와 같이 연산된 저감률(ΔFk) 또는 설정된 저감률(ΔFk_n)을 곱하는 방식으로 보상 신호(보상 전류)의 크기가 결정된다.
이와 같이 결정되는 각 고조파의 차수별 보상 신호의 크기 및 위상에 의해 합성 보상 전류의 프로파일이 결정된다. 그리고 컨트롤부(10)는 합성 보상 전류의 프로파일을 이용하여 합성 보상 전류를 생성할 수 있도록 보상 전류 생성부(30)의 각 IGBT를 제어한다. 컨트롤부(10)가 IGBT를 ON/OFF제어하면 구형 파형의 출력전류를 얻을 수 있다. 이와 같은 제어 방식을 PWM(Pulse Width Modulation)이라고 하며 출력된 구형파의 전류는 평활회로(33)를 거쳐서 출력신호와 유사한 파형으로 변성된다.
그리고 능동형 고조파 필터의 운전중 주기적으로 상기한 부하 전류 및 고조파 전류의 계측, 저감률의 연산, 각 고조파별 고조파 보상 전류의 합성, 합성 보상 전류의 생성 및 인가는 반복 수행되며, 이에 따라 저감률 및 합성 보상 전류는 부하 변동에 따라 자동 갱신되고 왜형률 개선 목표는 유지된다.
종래 기술에 따르면 저감률 설정값이 상수화 되어 부하변동에 따라 고조파 개선결과 종합 왜형률(THD)이 변동될 수밖에 없었던 것에 비해 본 발명에 따르면 부하전류(I 1 ) 및 부하의 고조파 발생량(∑I n 2 )과도 연계되므로 부하의 고조파 발생량이 변동하더라도 사용자가 원하는 왜형률 개선목표(Target THD) 값을 항상 만족할 수 있게 된다. 부하전류 조건이 변동하더라도 저감률을 부하전류와 연계하여 산출하고 자동으로 저감률을 변경할 수 있게 함으로써 종합 왜형률(THD)를 일정한 값으로 유지 할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 고차수 고조파의 감쇄과정에서는 표피효과로 인해 고조파 필터의 내부발열이 많을 수 있는 데 제 2 실시예에 따르면 고차수의 고조파 저감률을 사용자가 임의로 낯추거나 저감하지 않게 하면서도 나머지 저차수의 저감률을 자동 결정하는 것이 가능한 효과가 있다. 또한, 특정 차수의 고조파 감쇄는 간혹 공진 현상을 야기할 수 있는 데, 제 2 실시예에 따르면 문제가 되는 특정 차수의 저감률을 임의로 낯추거나 저감하지 않게 하면서도 나머지 저차수의 저감률을 자동 결정하는 것이 가능한 효과가 있다.
한편, 부하 전류의 계측 결과를 이용하여 공진이 발생된 고조파의 차수는 식별될 수 있고 이러한 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 컨트롤부(10)는 합성 보상 전류가 인가된 후 특정 차수에서 고조파 전압이 인가되기 전보다 증가하는 고조파인 경우 공진이 발생된 고조파로 판단할 수 있다. 그리고 컨트롤부(10)는 공진이 발생된 고조파의 차수에 대해서 저감률을 0% 로 하여 저감률의 연산과 그 후속인 합성 보상 전류의 생성 과정을 수행할 수 있으며, 공진 현상의 발생 등은 입출력부(20)를 통하여 사용자에게 알람한다. 특정 차수의 저감률이 0%가 되더라도 나머지 차수의 저감률을 다시 자동 결정되므로, 공진 현상의 원인을 신속 제거하면서도 고조파 왜형률 개선 목표는 그대로 달성할 수 있는 효과가 있다.
컨트롤부(10)는 온도센서(50)를 이용하여 능동형 고조파 필터, 특히 보상전류 생성부(30)의 온도를 모니터링하여 미리 정해진 온도 이상이 되는지를 감시한다. 그리고 정해진 온도 이상이 되는 경우, 컨트롤부(10)는 고차수의 고조파부터 저감률 낮추거나 저감률을 0 %로 하여 저감률의 연산과 합성 보상 전류가 생성되도록 하며, 비정상적 온도 상승의 발생등을 입출력부(20)를 통하여 사용자에게 알람한다. 예를 들어, 제 1 실시예에 따라 1차 이상의 고조파에 대하여 일률적으로 73%의 저감률로 결정된 경우 처음에는 15차 이상의 저감률을 0%로 하고 온도 하락이 만족스럽지 못한 경우 13차 이상의 저감률을 0%로 하는 등 순차적으로 저감률을 0%로 할 수 있다.
이에 따라 능형형 고조파 필터의 소손 및 화재를 미연에 방지하면서도 고조파 왜형률 개선 목표는 그대로 달성할 수 있는 효과가 있다.
10 : 컨틀롤부 20 : 입출력부
30 : 보상 전류 생성부 31 : IGBT
32 : 충전 커패시터 33 : 평활회로
41 : 전류 검출회로 42 : 전압 검출회로
50 : 온도 센서

Claims (8)

  1. 능동형 고조파 필터에서 실행되는 고조파 저감 방법에 있어서,
    고조파 왜형률 개선 목표를 설정받는 제 1 단계;
    부하전류를 계측하되 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류로 구분하여 계측하는 제 2 단계;
    상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 계측된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 저감률을 연산하는 제 3 단계;
    상기 저감률을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류를 생성하여 인가하는 제 4 단계;를 포함하되,
    상기 제 2 단계 내지 상기 제 4 단계를 반복 실행함으로써, 운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 하는,
    능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법.
  2. 능동형 고조파 필터에서 실행되는 고조파 저감 방법에 있어서,
    고조파 왜형률 개선 목표와 저감률을 자동설정할 차수와 수동설정할 차수를 나누어서 설정받는 제 1 단계;
    부하전류를 계측하되 상용주파수 성부의 전류와 각 고조파 성분의 전류로 구분하여 계측하는 제 2 단계;
    상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 계측된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 자동설정할 차수의 저감률을 연산하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계에서 연산된 저감률과 수동설정된 저감률을 이용하여 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류를 생성하여 인가하는 제 4 단계;를 포함하되,
    상기 제 2 단계 내지 상기 제 4 단계를 반복 실행함으로써, 운전중 상기 연산된 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 하는,
    능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    저감률의 수동설정은 저감을 하지 않는 것을 선택하는 것, 또는 저감하는 비율을 지정하는 것을 포함하는,
    능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 단계의 계측 결과를 이용하여 공진이 발생된 고조파의 차수를 식별하는 제 5 단계;를 더 포함하며,
    공진이 발생된 고조파의 차수에 대해서는 저감률을 0% 로 하여 상기 제 3 단계의 연산과 상기 제 4 단계에서의 합성 보상 전류가 생성되는,
    능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    합성 보상 전류가 인가된 후 전압이 증가하는 고조파인 경우 공진이 발생된 고조파로 판단하는,
    능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    능동형 고조파 필터의 온도를 모니터링하여 미리 정해진 온도 이상이 되는 경우,
    고차수의 고조파부터 저감률 낮추거나 저감률을 0 %로 하여 상기 제 3 단계의 연산과 상기 제 4 단계에서의 합성 보상 전류가 생성되는,
    능동형 고조파 필터를 이용한 고조파 저감 방법.
  7. 능동형 고조파 필터에 있어서,
    고조파 왜형률 개선 목표를 설정받는 입출력부(20);
    센싱된 부하전류에서 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 결정하며, 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률을 기준으로 각 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정하는 컨트롤부(10);
    상기 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 인가하는 보상 전류 생성부(30);를 포함하되,
    운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 하는,
    능동형 고조파 필터.
  8. 능동형 고조파 필터에 있어서,
    고조파 왜형률 개선 목표와 저감률을 자동설정할 차수와 수동설정할 차수를 나누어서 설정받는 입출력부(20);
    센싱된 부하전류에서 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 결정하며, 상기 설정된 고조파 왜형률 개선 목표와, 상기 결정된 상용주파수 성분의 전류와 각 고조파 성분의 전류를 이용하여 자동설정할 차수의 저감률을 연산하고, 상기 연산된 저감률과 수동설정된 저감률을 이용하여 고조파별 고조파 보상 전류를 합성한 합성 보상 전류의 프로파일을 결정하는 컨트롤부(10);
    상기 결정된 합성 보상 전류의 프로파일에 따라 합성 보상전류를 생성하여 인가하는 보상 전류 생성부(30);를 포함하되,
    운전중 상기 저감률 및 상기 합성 보상 전류를 자동 갱신하는 것을 특징으로 하는,
    능동형 고조파 필터.
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