KR20220162502A - 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템 및 방법 - Google Patents

반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

반복적인 선로의 왜곡을 보상하기 위해서 기존의 방식과는 다른 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템이 개시된다. 이때, 상기 고조파 제거 시스템은, AC(Alternating Current) 계통의 제 1 교류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 AC 필터, 및 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 직류 전류로 변환하는 변환소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템 및 방법{System and Method for removing harmonics using repetitive control scheme}
본 발명은 고조파 제거 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 반복적인 선로의 왜곡을 보상하기 위해서 기존의 방식과는 다른 반복제어기법을 사용하여 계통에 발생하는 고조파를 샘플링하여 제거하는 시스템 및 방법에 대한 것이다.
전압형 초고압직류송전(high-voltage, direct current, HVDC) 변환소와 연계된 계통에는 스위칭 주파수에 의한 고조파 발생이 필연적이며 풍력발전, PV(Photovoltaic) 등 신재생원이 연계되어 있다면 그 발생량은 증가한다.
기존에 많이 사용된 전류형 HVDC 변환소에서 AC(Alternating Current) 필터는 주파수 저감과 동시에 전류형 HVDC의 특성상(점호제어) 소모하는 무효전력을 보충하는 역할을 수행한다. 그러나 전압형 HVDC의 경우 PWM(Pulth Width Modulation) 제어 등을 사용하여 무효전력 보충의 필요성은 없으며 고조파 발생 특성도 전류형과는 상이하여 액티브필터를 구성하는 것이 효율적이다.
그런데, 기존의 제어기들은 Bandwidth(대역폭)의 한계로 인하여 고조파를 합성하는 데에는 한계가 있다.
또한, 저압 직류배전 선로의 공급을 위한 AC/DC(Alternating Current/Direct Current) 정류기 자체에 적용하여 저압 직류배전 선로의 리플성분만을 제거하는 방식이 제안되었다.
그러나, 초고압 직류송전(HVDC) 선로와 연계되는 AC 계통에 HVDC 선로 공급용 AC/DC(Alternating Current/Direct Current) 전압형 MMC(Modular Multi-level Converter)와는 별개의 액티브 타입 AC 필터를 구성하는데 반복제어기법을 사용하여 연계 AC 계통의 고조파를 제거하는 방식이다. 특히, 계통전압의 THD가 증가할 경우, 반복 제어를 이용하여 고조파를 제거한다.
1. 한국공개특허번호 제10-2014-0038174호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 반복적인 선로의 왜곡을 보상하기 위해서 기존의 방식과는 다른 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 AC(Alternating Current) 계통에 존재하는 반복적인 고조파 성분을 제거할 수 있는 고조파 제거 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 반복적인 선로의 왜곡을 보상하기 위해서 기존의 방식과는 다른 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템을 제공한다.
상기 고조파 제거 시스템은,
AC(Alternating Current) 계통의 제 1 교류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 AC 필터; 및 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 직류 전류로 변환하는 변환소;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 AC 필터는, 상기 제 1 교류 전력을 제 2 교류 전력으로 변환하는 AC-AC 인버터; 상기 제 2 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 필터링부; 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 센서; 상기 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 제어부; 및 상기 제어값에 따라 상기 AC-AC 인버터를 제어하는 제어 신호를 생성하는 펄스 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서는 전압 센서인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 AC 필터는, 상기 출력값(Voutput)을 승압하는 승압용 변압기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 왜형율(THD)은 수학식
Figure pat00001
(여기서, V1은 기본파 전압의 실효치, Vn은 n차 고조파 전압의 실효치이고, n은 정수이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준값은 1%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 왜형율이 상기 기준값보다 크면 상기 AC 필터는 대기 상태이고, 상기 왜형율이 상기 기준값보다 작으면, 상기 AC 필터는 동작 상태로 진입하여 상기 반복 제어를 이용하여 상기 AC 계통내에서 상기 고조파 성분을 반복적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변환소는 전압형 HVDC(high-voltage, direct current) 컨버터인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, DC(Alternating Current) 계통의 제 1 직류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 AC 필터; 및 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 제 2 직류 전류로 변환하는 변환소;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 AC 필터는, 상기 교류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC-AC 인버터; 상기 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 필터링부; 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 센서; 상기 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 제어부; 및 상기 제어값에 따라 상기 DC-AC 인버터(923)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 펄스 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) AC 필터가 AC(Alternating Current) 계통의 제 1 교류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하는 단계; (b) 상기 AC 필터가 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 단계; 및 (c) 변환소가 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 직류 전류로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법을 제공한다.
이때, 상기 (b) 단계는, AC-AC 인버터가 상기 제 1 교류 전력을 제 2 교류 전력으로 변환하는 단계; 필터링부)가 상기 제 2 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 단계; 센서가 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 단계; 제어부가 상기 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 단계; 및 펄스 발생기가 상기 제어값에 따라 상기 AC-AC 인버터(123)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 왜형율이 상기 기준값보다 크면 상기 AC 필터는 대기 상태이고, 상기 왜형율이 상기 기준값보다 작으면, 상기 AC 필터는 동작 상태로 진입하여 상기 반복 제어를 이용하여 상기 AC 계통내에서 상기 고조파 성분을 반복적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) AC 필터가 DC(Alternating Current) 계통의 제 1 직류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하는 단계; (b) 상기 AC 필터가 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 단계; 및 (c) 변환소가 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 제 2 직류 전류로 변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법을 제공한다.
이때, 상기 (b)단계는, DC-AC 인버터가 상기 교류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계; 필터링부가 상기 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 단계; 센서가 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 단계; 제어부가 상기 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 단계; 및 펄스 발생기가 상기 제어값에 따라 상기 DC-AC 인버터를 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전압형 HVDC(high-voltage, direct current) 및 신재생 발전설비에서 발생시키는 고조파를 제거하여 THD(Total Harmonic Distortion)를 개선할 수 있으며 향후에 변동하는 고조파에 대해서도 대응이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 HVDC 변환소 전원을 이용하나 신재생원의 출력을 활용할 수도 있는 등 다양한 적용이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 제거 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 AC 필터의 일부 제어 블럭도이다.
도 3은 일반적인 반복 제어기의 블록선도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 매트랩 시뮬링크(MATLAB SIMULINK)를 이용한 시뮬레이션을 위한 반복 제어기의 블록선도이다.
도 5는 도 4에 따른 시뮬레이션 결과의 파형도이다.
도 6은 일반적인 기본적인 직렬형 반복 제어기의 블록 선도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 블록 선도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 제거 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 고조파 제거 시스템의 구성 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 적용되는 고조파 제거 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 고조파 제거 시스템(100)은, AC(Alternating Current) 계통(110), AC 필터(120), 메인 변압기(130), 변환소(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
AC 계통(110)은 AC 전력을 공급하는 망이 될 수 있다. 따라서, 송전 선로, 배전 선로, 전력 설비 등을 포함할 수 있다.
AC 필터(120)는 AC 계통(110)에서 발생하는 고조파를 샘플링하여 제거하는 기능을 수행한다. 이를 위해 AC 필터(120)는 승압용 변압기(121), 센서(122), 및 AC-AC 인버터(123) 등을 포함하여 구성될 수 있다. AC-AC 인버터(123)는 AC 전원(124)을 승압된 AC 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. AC 전원(124)은 AC 계통(110)에 포함되며, AC 계통(110)으로부터 유래될 수 있다.
센서(122)는 AC-AC 인버터(123)의 출력단에 연결되어 출력 전력을 검출하는 기능을 수행한다. 센서(122)는 전류 센서, 전압 센서 등이 될 수 있다. 전류 센서로는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 사용될 수 있다. 물론, 전류 센서의 경우, 전류를 전압으로 변환하는 과정이 구성된다.
승압용 변압기(121)은 AC-AC 인버터(123)의 출력 전력을 승압하여 AC 배전 계통의 전력을 생산하는 기능을 수행한다. 물론, 승압용 변압기(121)를 별도로 구성하지 않고, 메인 변압기(130)에서 그 기능을 수행할 수도 있다.
메인 변압기(130)는 입력받은 AC 배전 계통의 전력을 적정한 전압으로 강압시켜 출력한다.
변환소(140)는 변압기(130)로부터의 교류 성분의 전압을 직류 성분의 전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 변환소(140)는 전압형 HVDC(high-voltage, direct current) 컨버터가 될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 AC 필터(120)의 일부 제어 블럭도이다. 도 2를 참조하면, AC 필터(120)는, 제 1 AC 전원(124)을 제 2 AC 전원으로 변환하는 AC-AC 인버터(123), 제 2 AC 전원에서 고조파를 제거하는 필터링부(201), 고조파가 제거된 제 2 AC 전원을 센싱하는 센서(122), 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 AC-AC 인버터(123)의 출력값(Voutput)의 오차를 이용하여 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 제어부(230), 제어값에 따라 AC-AC 인버터(123)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 펄스 발생기(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
AC-AC 인버터(123)는 제 1 AC 전원(124)을 제 2 AC 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, AC-AC 인버터(123)에는 스위칭 소자(211) 및 커패시터(212)가 구성된다. 부연하면, 동일한 스위칭 소자(211)가 입력단과 출력단에 쌍으로 구성된다.
스위칭 소자(211)는 주로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor)가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, I.C(Integrated Circuit) 회로 등이 사용될 수 있다. 특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다. 스위칭 소자(211)는 평활 기능을 수행하는 커패시터(212)를 기준으로 앞단과 후단에 쌍으로 구성될 수 있다.
필터링부(201)는 직렬로 연결되는 리액턴스 시리즈(221)와 병렬로 연결되는 커패시터(222)로 구성될 수 있다. AC-AC 인버터(123)는 AC 구성 요소를 남겨두고 고조파를 필터링한다.
제어부(210)는 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 필터링부(201)의 출력값(Voutput)의 오차를 이용하여 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 기능을 수행한다. 부연하면, 제어부(210)에는 반복 제어기(미도시)를 포함하여 구성되며, 반복 제어 기법은 이용하여 반복 제어를 수행한다. 이를 위해, 제어부(210)는 알고리즘을 실행하는 마이크로프로세서, 알고리즘을 갖는 프로그램, 데이터 등을 저장하는 메모리등을 포함하여 구성될 수 있다.
메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD(Secure Digital) 또는 XD(eXtreme Digital) 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 인터넷(internet)상에서 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage), 클라우드 서버와 관련되어 동작할 수도 있다.
펄스 발생기(220)는 제어부(210)로부터 제어값을 받아 제어 신호(221)를 생성하여 스위칭 소자(211)를 온/오프하는 기능을 수행한다. 제어 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호가 될 수 있다. 이를 위해, 게이트 회로, IC(Integrated Circuit), 비교기, ADC(Analog to Digital Converter) 등이 구성될 수 있다.
도 3은 일반적인 반복 제어기의 블록선도이다. 일반적으로 시스템에 관한 모델이 전달함수에 들어있으면, 정상상태에서의 오차를 0으로 만들 수 있다. 반복 제어기란 반복되는 오차에 대해 오차를 모델링하고 미리 보상하여 정상상태에서의 오차를 줄이는 목적으로 설계된 것으로 공작 기계, 산업용 로봇, UPS(Uninterruptible Power Supply System) 등의 적용에 관해 많이 연구가 되었다.
실제 시스템에서 주기적인 입력이나 외란은 여러 차수의 고조파들의 합이라 볼 수 있다. 이론적으로 이러한 주기적인 입력이나 외란에 관한 모델이 시스템의 전달함수에 포함되어 있으면 정상상태에서 오차를 완벽히 0으로 줄일 수 있다.
그러나, 물리적으로 전체 시스템의 대역폭이 제한되어 있으므로, 시스템에 따라 외란에서 고차 고조파 성분을 보상하는 것이 매우 힘들다. 따라서, 물리적으로 가능한 저차 고조파 성분(AC입장의 경우임)(DC입장에서는 반복적인 리플 성분)에 관한 보상이 반복 제어기에서는 매우 중요하게 다루어지고 있다.
도 3은 위에서 설명한 것과 같이, 주기적인 외란에 관한 모델을 시스템의 전달함수에 포함할 수 있도록 해주는 주기신호 발생기, 즉 반복 제어기의 개념도이다. 주기신호 발생기(즉, 반복 제어기)는 제어 시스템 내에서 반복되는 입력과 오차를 모델링하기 위해서 필요하다. 도면에서 알 수 있듯이 주기 L을 갖는 임의의 신호가 입력으로 들어오게 되면 주기신호 발생기를 거쳐 동일한 신호가 반복되어서 출력된다. 이 시스템의 입력에 대한 출력의 전달함수(Gr(S))는 아래 수학식과 같다.
Figure pat00002
여기서, e-sL이란 주기 L을 갖는 딜레이를 발생시키는 함수이다. 또한, e는 자연로그의 베이스(base)값이고, L은 발생되는 딜레이(delay)의 주기이고, s는 s-도메인(s-domain)의 변수이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 매트랩 시뮬링크(MATLAB SIMULINK)를 이용한 시뮬레이션을 위한 반복 제어기의 블록선도이다. 도 4를 참조하면, 시그널 생성기(441)의 출력값(사인파인 시그널)과 계단 함수(step) 생성기(412)의 출력값을 곱셈기(420)에 적용하여 주기 신호(ref)(440)를 생성한다. 주기 신호(ref)는 스코프(450)에도 공급된다. 또한, 주기 신호(ref)는 지연 블럭(430)에 적용되며, 지연된 주기 신호(out)(460)는 스코프(450)에도 공급된다. 클럭 신호(470)는 시간(t)으로 변환될 수 있다.
도 5는 도 4에 따른 시뮬레이션 결과의 파형도이다. 도 5를 참조하면, 도시된 바와 같이 사인파 한주기를 반복 제어기의 입력(510)으로 주게 되면 출력(520)은 입력과 동일한 형태의 사인파로써 계속해서 출력되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 일반적인 기본적인 직렬형 반복 제어기의 블록 선도이다. 도 6을 참조하면, 직렬형 반복 제어기는 도 3에 도시된 블록 선도(Gr(S))를 포함하는 개념이다. 블록 선도(Gr(S))가 내부에서 입력과 오차를 모델링해주는 역할을 하게 된다.
여기서, Gr(s)는 반복 제어기를 나타내며, G(s)는 필터부, R(s)와 Y(s)는 각각 시스템의 입력과 출력을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(210)의 블록 선도이다. 도 7을 참조하면, 제어부(210)는 플러그-인 타입의 반복 제어기를 포함하는 블록 선도이다. 플러그-인 타입 반복 제어기는 정상상태 특성은 직렬형 반복 제어기와 거의 동일하나 수렴속도가 빠르고 적용이 용이한 특성이 있다.
플러그 인 타입 반복 제어기 역시 주기신호 발생기가 내부에서 입력과 오차를 모델링해주는 역할을 하게 된다. 제안된 전류 제어기는 기존에 사용되는 PI(Proportional-Integral-Differential controller) 제어기에 병렬로 반복 제어기를 부가한 형태이며, 주제어기인 PI 제어기로 보상하지 못하는 오차를 반복 제어기로 보상해주는 시스템이다. R(s)와 Y(s)는 각각 시스템의 입력과 출력의 함수를 나타내고 E(s)는 입력과 출력의 오차를 나타낸다. 또한, G(s)는 필터, Gc(s)는 전류제어기, Gr(s)는 반복 제어기의 함수를 나타내며 전달함수는 다음 수학식과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00003
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고조파 제거 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 먼저 전압형 초고압직류송전(high-voltage, direct current, HVDC) 시스템이 동작을 시작한다(단계 S810).
이후, 제어부(210)가 HVDC 연계 AC 계통 전압을 검출하기 시작하며, 이때 AC 필터(120)는 고조파를 필터링하기 전에 대기(standby) 상태에 있다(단계 S820,S830).
이후, 검출된 AC 계통 전압으로부터 고조파의 왜형율(THD: Total Harmonic Distortion)을 산출한다(단계 S840). 왜형율(THD)은 다음식과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, V1은 기본파 전압의 실효치, Vn은 n차 고조파 전압의 실효치이다.
이후, 고조파의 왜형율(THD)를 미리 설정되는 기준값과 비교한다(단계 S850). 기준값은 1%가 될 수 있다.
THD의 최대값을 1% 등의 값으로 규제하는 것은 IEEE(미국), EN(유럽) 등의 규정이며 따라야 할 국내규정 또는 회사정책에 따라 변경될 수 있으므로 임의의 값이 될 수 있다.
단계 S850에서, 비교 결과, 왜형율(THD)이 기준값(1%)보다 작으면, AC 필터(120)는 동작하지 않는다. 즉, AC 필터(120)는 대기 상태에 머물게 된다.
이와 달리, 단계 S850에서, 비교 결과, 왜형율(THD)이 기준값(1%)보다 크면, AC 필터(120)가 동작 상태로 진입하며, 반복 제어기의 동작으로 AC계통내 반복적인 고조파 성분 제거 동작을 수행한다(단계 S860,S870).
부연하면, 본 발명의 일실시예의 경우, 초고압 직류송전(HVDC) 선로와 연계되는 AC 계통에 HVDC 선로 공급용 AC/DC(Alternating Current/Direct Current) 전압형 MMC 컨버터와는 별개의 액티브 타입 AC 필터를 구성하는데 반복제어기법을 사용하여 연계 AC 계통의 고조파를 제거하는 것이다. 특히, 계통전압의 THD가 증가할 경우 동작을 시작하는 방식이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 고조파 제거 시스템(900)의 구성 블럭도이다. 도 9를 참조하면, 고조파 제거 시스템(100)은, DC(Alternating Current) 계통(901), AC 필터(920), 메인 변압기(130), 변환소(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
DC 계통(901)은 AC 계통(110)과 달리 DC 전력을 공급하는 망이 될 수 있다. 부연하면, 태양광 발전소(925-1), 배터리(925-2) 등으로부터 출력되는 전력을 DC-DC 컨버터(924-1,924-2)를 이용하여 DC 전력이 생성되며, 이 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 AC 계통(110)에 공급한다. 물론, 배터리(925-2)는 ESS(Energy Storage System)을 이해하기 쉽게 표현한 것이다.
AC 필터(920)는 DC 계통(901)에서 발생하는 고조파를 샘플링하여 제거하는 기능을 수행한다. 이를 위해 AC 필터(920)는 승압용 변압기(121), 센서(122), 및 DC-AC 인버터(923) 등을 포함하여 구성될 수 있다. DC-AC 인버터(923)는 DC 전력을 승압된 AC 전원으로 변환하는 기능을 수행한다.
DC-AC 인버터(923)는 DC 전력을 AC 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, DC-AC 인버터(923)에는 스위칭 소자 및 커패시터가 구성된다. 커패시터를 기준으로 앞단에는 다이오드가 쌍으로 구성되고, 후단에는 스위칭 소자가 쌍으로 구성된다. 스위칭 소자는 주로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor)가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, I.C(Integrated Circuit) 회로 등이 사용될 수 있다. 특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
센서(122)는 DC-AC 인버터(923)의 출력단에 연결되어 출력 전력을 검출하는 기능을 수행한다. 센서(122)는 전류 센서, 전압 센서 등이 될 수 있다. 전류 센서로는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 사용될 수 있다. 물론, 전류 센서의 경우, 전류를 전압으로 변환하는 과정이 구성된다.
승압용 변압기(121)은 DC-AC 인버터(920)의 출력 전력을 승압하여 AC 배전 계통의 전력을 생산하는 기능을 수행한다. 물론, 승압용 변압기(121)를 별도로 구성하지 않고, 메인 변압기(130)에서 그 기능을 수행할 수도 있다.
메인 변압기(130)는 입력받은 AC 배전 계통의 전력을 적정한 전압으로 강압시켜 출력한다.
변환소(140)는 변압기(130)로부터의 교류 성분의 전압을 직류 성분의 전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 변환소(140)는 전압형 HVDC(high-voltage, direct current) 컨버터가 될 수 있다.
물론, 도 2와 유사하게, AC 필터(920)도, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC-AC 인버터, 상기 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 필터링부, 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 센서, 상기 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 제어부, 상기 제어값에 따라 상기 DC-AC 인버터를 제어하는 제어 신호를 생성하는 펄스 발생기 등을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100,900: 고조파 제거 시스템
120,920: AC(Alternating Current) 필터
121: 승압용 변압기 122: 센서
123: AC-AC 인버터
140: 변환소
201: 필터링부 210: 제어부
211: 스위칭 소자 212: 커패시터
220: 펄스 발생기
901: DC(Direct Current) 계통

Claims (18)

  1. AC(Alternating Current) 계통(110)의 제 1 교류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 AC 필터(120); 및
    상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 직류 전류로 변환하는 변환소(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 AC 필터(120)는,
    상기 제 1 교류 전력을 제 2 교류 전력으로 변환하는 AC-AC 인버터(123);
    상기 제 2 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 필터링부(201);
    상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 센서(122);
    사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 제어부(210); 및
    상기 제어값에 따라 상기 AC-AC 인버터(123)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 펄스 발생기(220);를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서(122)는 전압 센서인 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호인 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 AC 필터(120)는,
    상기 출력값(Voutput)을 승압하는 승압용 변압기(121);를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 왜형율(THD)은 수학식
    Figure pat00005
    (여기서, V1은 기본파 전압의 실효치, Vn은 n차 고조파 전압의 실효치이고, n은 정수이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기준값은 1%인 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 왜형율이 상기 기준값보다 크면 상기 AC 필터(120)는 대기 상태이고, 상기 왜형율이 상기 기준값보다 작으면, 상기 AC 필터(120)는 동작 상태로 진입하여 상기 반복 제어를 이용하여 상기 AC 계통내에서 상기 고조파 성분을 반복적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환소(140)는 전압형 HVDC(high-voltage, direct current) 컨버터인 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  10. DC(Alternating Current) 계통(901)의 제 1 직류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 AC 필터(920); 및
    상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 제 2 직류 전류로 변환하는 변환소(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 AC 필터(920)는,
    상기 교류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC-AC 인버터(923);
    상기 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 필터링부(201);
    상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 센서(122);
    사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 제어부(210); 및
    상기 제어값에 따라 상기 DC-AC 인버터(923)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 펄스 발생기(220);를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 시스템.
  12. (a) AC 필터(120)가 AC(Alternating Current) 계통(110)의 제 1 교류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하는 단계;
    (b) 상기 AC 필터(120)가 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 단계; 및
    (c) 변환소(140)가 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 직류 전류로 변환하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    AC-AC 인버터(123)가 상기 제 1 교류 전력을 제 2 교류 전력으로 변환하는 단계;
    필터링부(201)가 상기 제 2 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 단계;
    센서(122)가 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 단계;
    제어부(210)가 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 단계; 및
    펄스 발생기(220)가 상기 제어값에 따라 상기 AC-AC 인버터(123)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 왜형율(THD)은 수학식
    Figure pat00006
    (여기서, V1은 기본파 전압의 실효치, Vn은 n차 고조파 전압의 실효치이고, n은 정수이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기준값은 1%인 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 왜형율이 상기 기준값보다 크면 상기 AC 필터(120)는 대기 상태이고, 상기 왜형율이 상기 기준값보다 작으면, 상기 AC 필터(120)는 동작 상태로 진입하여 상기 반복 제어를 이용하여 상기 AC 계통내에서 상기 고조파 성분을 반복적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
  17. (a) AC 필터(920)가 DC(Alternating Current) 계통(901)의 제 1 직류 전력에서 발생하는 고조파의 왜형율(THD)을 미리 설정되는 기준값과 비교하는 단계;
    (b) 상기 AC 필터(920)가 상기 비교 결과에 따라 반복 제어를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 단계; 및
    (c) 변환소(140)가 상기 고조파가 제거되는 교류 전력을 제 2 직류 전류로 변환하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    DC-AC 인버터(923)가 상기 교류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계;
    필터링부(201)가 상기 교류 전력에서 상기 고조파를 제거하여 출력값(Voutput)을 생성하는 단계;
    센서(122)가 상기 출력값(Voutput)을 센싱하는 단계;
    제어부(210)가 사용자의 지령에 의해 입력되는 지령치(Vreference)와 상기 출력값(Voutput)간 오차를 이용하여 상기 반복 제어를 위한 제어값을 산출하는 단계; 및
    펄스 발생기(220)가 상기 제어값에 따라 상기 DC-AC 인버터(923)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복제어 기법을 이용한 고조파 제거 방법.
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