[논문]22.9kV 배전선로 적용을 위한 DVR의 새로운 외란검출 기법 및 제어시스템 설계

김희중; 정용호; 권기현; 박태범; 문전일; 전영수

22.9kV 배전선로 적용을 위한 DVR의 새로운 외란검출 기법 및 제어시스템 설계
The New Voltage Event Detection Method and Control System Design for DVR Applied to 22.9kV Distribution System 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. A / A, 전력기술부문, v.55 no.1, 2006년, pp.7 - 12

김희중 (LS산전 중앙연구소) , 정용호 (LS산전 중앙연구소) , 권기현 (LS산전 중앙연구소) , 박태범 (LS산전 중앙연구소) , 문전일 (LS산전 중앙연구소) , 전영수 (한전전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the new voltage event detection method using the weight factor of neural network and describes control system design for the DVR(Dynamic Voltage Restorer) consisted of a rectifier and series inverter applied to 22.9kV distribution system. As this method can express the fault level of each phase, we expect the proposed method can make up for disadvantage of synchronous detection method. Also, in this paper, the control system was designed using double deadbeat controller, As it has an inner current control loop and an outer voltage control loop, we can easily limit the current level during the transient intervals by using the current control loop. Simulation and experiment are performed to prove the analysis of the voltage event detection method and double deadbeat controller.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 전압외란 검출기법의 단점을 보완 할 수 있는 신경망의 Weight Factor를 이용한 새로운 외란 검출기법을 제시하였다 . 제안 된 외란 검출기법은 일반적으로 많이 사용되는 3상을 합성하여 검출하는 동기좌표 검출기법의 단점을 보완할 수 있으며, 각 상의 외란에 대해 독립적으로 검출할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 단상 시스템의 외란검출 적용에도 응용이 가능하다 할 수 있다.
또한 동 기좌표계' 검출방식은 3상을 통합적으로 다루기 때문에 각상 에 대한 정확한 외란 상태를 파악하기가 난해하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 신경망의 Weight Factor* 이용한 새로운 외란 검출방식을 제안하였다. 제안된 검출방식은 신경망의 학습과정을 통해 순시적으로 각상의 최대값을 연산하게 되며, 독립적인 상별 검출방식을 취하고 있기 때문에 각상에 대한 정확한 외란 상태 파악을 통해 선로의 전압보상이 이루어진다는 장점을 가지고 있다.

제안 방법

2MVA DVR의 살험을 위해서는 선로에 강제적인 외란을 발생시켜야 하는데, 이를 위해서 각종 외란을 모의 할 수 있는 IGBT 인버터로 구성된 SSFG(Sag Swell Flicker Generator)를 제작하여 외란 사고를 모의하였으며, 그림 10은 본 논문에서 제안한 외란검출방식을 이용해 실제 선로에 Sag를 발생시킨 후 검출된 외란신호를 보여준다. 시뮬레이션에서와 동일하게 상전압의 최대치 변화에 따라 검출신호가 변화함을 볼 수 있으며, 외란신호 자체에 슬로프를 주었기 때문에 검출신호자체에도 그에 따른 슬로프가 나타나는 것을 관찰할 수 있다.
또한 본 논문에서는 DVR 성능의 또 다른 주요 요소인 보상전압제어 방식으로 Double Deadbeat 전압 제어기를 구성하여 DVR의 출력전압을 제어하였다. 일반적으로 많이 사용되는 PI제어기의 경우 DVR의 제어대상이 교류이기 때문에 상대적으로 직류제어에 비해 제어성능이 떨어진다 할 수 있으며, 큰 이득 값을 가지게 되어 제어기 자체가 불안정하게 되는 단점을 가지고 있다.
제안 된 외란 검출기법은 일반적으로 많이 사용되는 3상을 합성하여 검출하는 동기좌표 검출기법의 단점을 보완할 수 있으며, 각 상의 외란에 대해 독립적으로 검출할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 단상 시스템의 외란검출 적용에도 응용이 가능하다 할 수 있다. 또한 본 논문에서는 전압제어기 내에 전류제어기를 둔 Double Deadbeat 제어기를 2MVA DVR에 적용하여 전압보상 초기 과도구간에서의 과도전류를 제한함으로써 시스템을 안정화 하였다.
제안된 외란 검출기법과 제어방식을 2MVA DVR에 실제 적용하기에 앞서 성능평가를 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 모델은 그림 4와 같이 PSIM으로 모델링 하였으며, 구성은 Sag와 Swell등의 외란사고 발생을 모의하기 위한 전원부와 강압변압기를 포함한 4MVA 부하 그리고 2MVA DVR로 구성되어 있다. 시뮬레이션에 사용된 구체적인 파라미터는 표 1과 같다.
9kV을 수전받아 660V의 저전압 변성 후 다이리스터 정류기를 통해 커패시터 뱅크에 에너지를 저장하게 된다. 이때 충전 시간은 약 3분으로 설정하였으며, 에너지 저장장치는 3상 50%의 Sag시 10주기 정도의 보상동작을 할 수 있도록 설계 하였다. IGBT 스위칭소자로 구성된 인버터는 독립적인 상 (Phase) 보상을 위해 선로의 각상에 단상인버터 형식으로 연결되어 있으며, PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 스위칭이 이루어진다.
일반적으로 많이 사용되는 PI제어기의 경우 DVR의 제어대상이 교류이기 때문에 상대적으로 직류제어에 비해 제어성능이 떨어진다 할 수 있으며, 큰 이득 값을 가지게 되어 제어기 자체가 불안정하게 되는 단점을 가지고 있다. 이러한 점을 감안하여 본 논문에서는 실시간 제어를 위해 Double Deadbeat 전압 제어 기를 설계하여 적용하였으며, 사용된 전압 제어기는 내측에 전류 제어기를 포함한 전압 제어기 형태로 구성되어 있다. [[78] ].
제안된 외란 검출기법과 제어방식을 2MVA DVR에 실제 적용하기에 앞서 성능평가를 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 모델은 그림 4와 같이 PSIM으로 모델링 하였으며, 구성은 Sag와 Swell등의 외란사고 발생을 모의하기 위한 전원부와 강압변압기를 포함한 4MVA 부하 그리고 2MVA DVR로 구성되어 있다.

대상 데이터

9kV 배전선로 적용을 목적으로 제작된 2MVA DVR의 구성도를 보여준다. 제작된 2MVA DVRe 충전부(TRI, REC), 에너지 저장부(Cap), 인버터(INV), 바이 패스 스위치(BS), 직렬변압기(TR2), 스위치부(S1 ~S3)등으로 구성되어 있다. 충전부와 에너지 저장부는 삼상 22.

성능/효과

그림 11은 여섯주기 정도의 30% Sag를 SSFG를 통해 발생시킨 후 DVR의 보상동작을 관찰한 결과파형이다. Sag 발생 후 신속한 외란검출 연산을 통해 DVRe 외란이 발생한 상에 보상전압을 주입하는 것을 확인할 수 있으며, DVR의 보상 동작으로 인해 부하에는 연속적인 전압이 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
또한 외란 발생에 대해서 3상의 합성 형태로 검출신호가 표현되기 때문에 각 상에 대한 정확한 외란 상태를 파악하기가 난해하며 이에 따른 보상신호의 선정이 명확하지 않다는 것이 단점으로 작용한다. 이에 반해, 본 논문에서 제안한 방식인 Delta Rule을 이용한 검줄방식은 연산과정이 비교적 간단하게 처리되기 때문에 각 상에 적용하여 검출신호를 연산 할 수 있으며, 그림 5(d) 에서와 같이 외란이 발생한 상에 대해서 정확한 그 크기의 변화를 나타낼 수 있다. 이와 같은 신호검출 방식은 각상에 대해 독립적으로 보상동작을 수행하는 DVR에 매우 유리하 게 적용 될 수 있다.
그림 6은 본 논문에서 적용한 Double Deadbeat 제어기의 동작특성을 보여준다. 전원의 Sag 발생 시점(그림 6a)에서 연산된 DVR의 기준출력전류(/;)와 전압( 에 대해 실제 출력전류(기와 전압이( 7c)이 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있으며, Inner Loop의 전류 제어기 동작을 통해 DVR의 외란보상 초기시점의 과도 구간에서 전류가 2,000[A]내에서 제한되는 것을 볼 수 있다. 이는 실제 2MVA DVR의 스위칭 소자로 사용된 IGBT의 전류정격과도 밀접한 관계를 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 신경망의 Weight Factor* 이용한 새로운 외란 검출방식을 제안하였다. 제안된 검출방식은 신경망의 학습과정을 통해 순시적으로 각상의 최대값을 연산하게 되며, 독립적인 상별 검출방식을 취하고 있기 때문에 각상에 대한 정확한 외란 상태 파악을 통해 선로의 전압보상이 이루어진다는 장점을 가지고 있다.

후속연구

본 논문에서는 기존의 전압외란 검출기법의 단점을 보완 할 수 있는 신경망의 Weight Factor를 이용한 새로운 외란 검출기법을 제시하였다 . 제안 된 외란 검출기법은 일반적으로 많이 사용되는 3상을 합성하여 검출하는 동기좌표 검출기법의 단점을 보완할 수 있으며, 각 상의 외란에 대해 독립적으로 검출할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 단상 시스템의 외란검출 적용에도 응용이 가능하다 할 수 있다. 또한 본 논문에서는 전압제어기 내에 전류제어기를 둔 Double Deadbeat 제어기를 2MVA DVR에 적용하여 전압보상 초기 과도구간에서의 과도전류를 제한함으로써 시스템을 안정화 하였다.

참고문헌 (10)

M.H.J. Bollen, 'Voltage sags: Effects, mitigation and prediction,' Power Engineering Journal, pp, 129-134, June, 1996

상세보기
M. McGranaghan, D. R. Mueller and M. J. Samotyj, 'Voltage sags in industrial systems,' IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, No. 2, March/April 1993

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D. Povh, K. Pregizer, M. Weinhold and R. Zurowski, 'Improvement of Supply Quality in distribution systems,' CIRED'97, Birmingham, June, 1997
Westinghouse Science & Technology Center, 'A Novel Approach to Eliminate Distribution System Disturbances', Westinghouse Research Memo 92M015, November, 1992
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상세보기
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상세보기
T. Kawabata, Y. Shikano, S. Higashino, Y. Yamamoto, M.Udaka, Kawagishi,' Chargerless UPS Using Multi-functional BIMOS inverter' IEEE IAS Annual Meeting, pp513-520. 1986
Bernard Widrow, Michael A. Lehr, '30 Years of Adaptive Neural Networks : Perceptron, Madaline and Backpropagaton', Proceeding of the IEEE, Vol.78, No.9, pp1415-1442. September, 1990

상세보기
K. P. Gokhale, A. Kawamura and R. G. Hoft, 'Deadbeat microprocessor control of PWM inverter for sinusoidal output waveform synthesis', Proc. IEEE PESC, pp28-36, 1985

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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