[논문]고조파 전류와 무효전력보상을 위한 직렬형 능동전력필터

김진선; 고수현; 김영석

문제 정의

이러한 단점들을 극복하기 위한 방법으로, 본 논문에서는 전압원 인버터와 다이오드 정류회로와 같은 고조파 전압원 및 수동 필터로 인하여 진상 역률을 갖는 고조파 전류원에서의 고조파 보상과 무효전력을 동시에 보상하기 위한 3상 3선식 직렬형 능동전력필터의 제어법을 제안하였다. 지금까지 많이 사용되어져 왔던 직렬형 능동전력필터의 제어알고리즘 들은 상 전류의 고조파 성분을 추출해내고, 여기에 일정게인 을 곱하여 보상 기준 전압을 얻어내었다.
본 논문에서는 그림 1과 같은 3상 3선식 시스템에서 성능 함수를 이용한 직렬형 능동전력 필터의 제어알고리즘에 대해서 다룬다.
본 절에서는 고조파 전압원과 고조파 전류원에 대한 실험 결과들을 제시하였다. 즉, 3상 3선식 직렬형 능동전력필터와 하이브리드형 능동전력필터를 사용하여 고조파 전압원과 고 조파 전류원에서의 고조파와 무효전력에 대한 보상전과 보상 후의 파형 들을 비교 분석하였다.

제안 방법

제안된 제어법의 유효셍을 입증하기 위해서 고조파 전압원과 고조파 전류원 부하를 가지는 3상 3선식 전력시스템에 대해서 실험을 수행하였고, 실험결과들을 제시하였다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘에서는 순시 무효전력을 부하에서 발생하는 무효전력 대신에 능동전력필터에서 발생된 각 상의 전력을 순시 무효전력으로 정의한다.
그림 2는 3상 3선식 직렬형 능동전력필터 제어 알고리즘에 대한 블록도이다. 3상 부하전압과 3상 전원전류로부터 식(6)에 의해서 보상기준전압을 구해내었고, 인버터 dc-link 전압제어를 위해서 PI제어기를 추가하였다.
그림 3는 고조파 전압원 부하에서의 고조파와 무효전력보 상올 위한 3상 3선식 직렬형 능동전력필터이고 그림 4는 고조파 전류원 부하에서의 고조파와 무효전력보상을 위한 병렬 수동 필터와 직렬형 능동필터의 결합 시스템이다. 고조파 전 압원은 3상 다이오드 정류기에 RC 부하를 병렬로 연결하여 구성하였고, 고조파 전류원은 3상 다이오드 정류기에 RL 부하를 직렬로 연결하여 구성하였다. 그리고, 고조파 전류원인 경우에는 상전류의 5차 고조파와 7차 고조파를 bypass 시키기 위한 병렬수동필터를 부하에 병렬로 결합하였다.
직렬형 능동전력필터는 3상 전압형 PWM 인버터를 교류 전원과 비선형 부하 사이에 3개의 결합변압기로 계통에 직렬로 접속하여 구성하였다. 또한, 인버터의 출력측에는 스위칭 리플을 저감시키기 위한 LC필터를 구성하였다.
연산된 보상기준 전압은 다시 D/A 변환기를 통해 아날로그 신호로 변환되어 PWM 발생회로로 넘겨지게 되고, PWM 회로에서 발생된 제어 신호가 인버터 구동회로를 거쳐 인버터를 구동 시켜주도록 제어회로를 구성하였다. IGBT drive IC를 사용해 서 게이트 드라이버와 뵈호희로를 구성하였고, 능동전력필터 의 정확하고 빠른 제어를 위해서 실시간 제어에 적합한 TI사 의 TMS320C₆₇01 floating point DSP롤 사용하여 20[KHz] 로인버터를 구동하였다.
인버터 dc-link 커패시터는 2350〔“F]을 사용하였고, 4[mH], 0.5〔“F]의 커패시터와 인덕터를 사용하여 인버터의 스위칭 리플 저감을 위한 LC 필터를 구성하였다.
표 2는 병렬 수동필터 구성을 위해 사용된 회로정수 값들이다. 2[mH], 1403F]의 인버터와 커패시터를 직렬 연결 하여 5차 수동필터를 구성하였고, 2[mH], 70[“F]의 인덕 터와 커패시터를 직렬로 연결하여 7차 수동필터를 구성하였다.
본 절에서는 고조파 전압원과 고조파 전류원에 대한 실험 결과들을 제시하였다. 즉, 3상 3선식 직렬형 능동전력필터와 하이브리드형 능동전력필터를 사용하여 고조파 전압원과 고 조파 전류원에서의 고조파와 무효전력에 대한 보상전과 보상 후의 파형 들을 비교 분석하였다. 각각의 경우 모두 상전류 의 고조파가 IEEE std.
본 논문에서는 3상 3선식 및 병렬 수동필터와 직렬형 능동 전력필터의 결합시스템에 대한 제어 알고리즘을 제시하였다, 보상기준전압과 부하 전압을 이용해서 성능함수를 정의하였 고, 이 성능함수를 최소화하는 보상기준전압을 도출함으로써 전원단의 고조파를 최소화할 수 있음을 보였다. 또한, 제안된 알고리즘을 사용해서 보상기 준연산시간을 줄임으로써 20 [KHz]의 빠른 스위칭주파수로 인버터를 구동시킬 수 있었고, 이를 고조파 전류원과 고조파 전압원에 적용하여 실험을 수행하였다. 3상 3선식 직렬형 능동전력필터를 사용한 고조파 전압원 보상실험과 병렬 수동필터와 직렬형 능동전력필터의 결합시스템을 사용한 고조파 전류원 보상 실험 모두 IEEE std.

대상 데이터

표 1에서 3상 3선식 직렬형 능동전력필터인 경우는30〔01, 2400〔“F]의 RC부하를 갖는 3상 다이오드정류기 부하를 .사용하였고, 실효치 110[V]의 전원을 인가 하였다. 병렬 수동 필터와 직렬형 능동전력필터의 결합 시스템에서는 15[mH], 30〔Q]의 RL 부하를 갖는 3상 다이오드 정류기 부하를 사용하여 고조파 전류원 부해롤 구성하였고, 역시 110[V]의 전원 을 인가하였다.

성능/효과

지금까지 많이 사용되어져 왔던 직렬형 능동전력필터의 제어알고리즘 들은 상 전류의 고조파 성분을 추출해내고, 여기에 일정게인 을 곱하여 보상 기준 전압을 얻어내었다. 이러한 기존의 제어법에 비해서 본 논문에서 제안하고있는 제어법은 상변환 없이 보상기준전압을 직접 추출해 냄으로써 게인값을 찾아내는 어려움이 없어지고, DSP를 사용하여 보상기준전압을 연산해내는 시간을 단축시킬 수 있기 때문에 성능 개선에도 기여하게 된다.
각각의 경우 모두 상전류 의 고조파가 IEEE std. 519의 고조파 규제치인 THD 5%미만 의 우수한 고조파 보상결과를 얻을 수 있었고, 무효전력보상 도 전원단 역률이 거의 1에 가깝게 나올 정도로 효과적으로 수행되었다.
그림 7-(a)는 3상 전류파형, 그림7-(b)는 3상 전압파형, 그림 7-(c)는 A상 전원 전압과 A상 전류파형, 그림 7-(d)는 A상 전류의 스펙트럼이다. 3상 전류의 THD는 A상 4.85%, B상 4.82%, C상이 4.78% 이고, 3상 전원전압의 THD는 각각 A상 1.33%, B상 1.32%, C상이 1.32%이다. 그리고 역율 역시 약 0.
그림 ll-(a)는 3상 전류파형, 그림U-(b)는 3상 전원전 압파형, 그림 ll-(c)는 A상 전원전압과 A상 전류파형, 그림 U-(d)는 A상 전류의 스펙트럼 파형이다. 3상 전류의 THD는 A상 0.58%, B상 0.57%, C상이 0.57%이고, 3상 전원전압의 THD는 각각 A상 2.20%, B상 2.21%, C상이 1.85%이다. 역율 은 무효 전력이 거의 완전히 제거되어 거의 1이 되고 있음을 알 수 있다.
그림 9-(a)는 3상 전류, 그림 9-(b)는 3상 전원 전압, 9-(c)는 A상 전원전압과 A상 전류, 그림 9-(d)는 A상 전류 의 스펙트럼 파형이다. 3상 전류의 THD 는 각각 A 상 18.25%, B상 18.01%, C상이 18.29%이고, 3상 전원전압의 THD는 각각 A상 9.76%, B상 9.27%, C상이 9.05%이다. 그리고, A상의 역률은 약 0.
그림 10-(a)는 3상 전 류파형, 그림 10-(b)는 3상 전원 전압파형, 10-(c)는 A상 전 원전압과 A상 전류파형, 그림 10-(d)는 A상 전류의 스펙트럼 파형이다. 3상 전류의 THD는 각각 A상 5.22%, B상 5.13%, C상이 5.10%이고, 3상 전원전압의 THD는 A상 2.90%, B상 3.10%, C상이 3.08%이다.
이 그래프에서 알 수 있듯이 본 논문에서 제안된 알고리즘 으로 고조파를 제어하면 IEEE std. 519에서 제한하는 고조파 제한 조건을 양쪽의 경우 모두 만족하고 있으며, 수동필터와 능동 필터가 결합된 시스템은 수동필터와 능동필터가 상호 보완하여 능동필터 단독으로 운전되는 조건보다 양호한 결과를 나타냄을 볼 수 있다.
본 논문에서는 3상 3선식 및 병렬 수동필터와 직렬형 능동 전력필터의 결합시스템에 대한 제어 알고리즘을 제시하였다, 보상기준전압과 부하 전압을 이용해서 성능함수를 정의하였 고, 이 성능함수를 최소화하는 보상기준전압을 도출함으로써 전원단의 고조파를 최소화할 수 있음을 보였다. 또한, 제안된 알고리즘을 사용해서 보상기 준연산시간을 줄임으로써 20 [KHz]의 빠른 스위칭주파수로 인버터를 구동시킬 수 있었고, 이를 고조파 전류원과 고조파 전압원에 적용하여 실험을 수행하였다.
3상 3선식 직렬형 능동전력필터를 사용한 고조파 전압원 보상실험과 병렬 수동필터와 직렬형 능동전력필터의 결합시스템을 사용한 고조파 전류원 보상 실험 모두 IEEE std. 519의 고조파 규제치인 THD 5%미만의 우수한 실험결 과롤 얻을 수 있었고, 무효전력보상 역시 효과적으로 수행되어 전원단 역률이 거의 1에 가까운 값을 나타내었다. 이상과 같은 실험결과들을 통해서 볼 때, 직렬형 능동전력팔터가 고 조파 전류원 뿐만 아니라 최근 급증하고 있는 고조파 전압원 부하에 대한 대책으로 효과적임을 알 수 있다.
519의 고조파 규제치인 THD 5%미만의 우수한 실험결 과롤 얻을 수 있었고, 무효전력보상 역시 효과적으로 수행되어 전원단 역률이 거의 1에 가까운 값을 나타내었다. 이상과 같은 실험결과들을 통해서 볼 때, 직렬형 능동전력팔터가 고 조파 전류원 뿐만 아니라 최근 급증하고 있는 고조파 전압원 부하에 대한 대책으로 효과적임을 알 수 있다. 따라서, 직렬 형 능동전력필터가 고조파나 역률저하 등의 전력품질문제에 대한 해결책이 될 수 있을 것이라 생각한다.
따라서, 직렬 형 능동전력필터가 고조파나 역률저하 등의 전력품질문제에 대한 해결책이 될 수 있을 것이라 생각한다. 이상과 같은 실 험결과를 통해서 제안된 알고리즘의 우수성을 입증하였다.

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