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스마트그리드의 탭 전환 자동 전압 조정기의 다중 스위칭 제어 방법 및 활용 방안에 관한 연구
A Study on the Utilization and Control Method of Hybrid Switching Tap Based Automatic Voltage Regulator on Smart Grid 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.17 no.12, 2012년, pp.31 - 39  

박광윤 (숭실대학교 대학원 컴퓨터학과) ,  김정률 (숭실대학교 대학원 컴퓨터학과) ,  김병기 (숭실대학교 대학원 컴퓨터학과)

초록
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본 논문에서는 수용가의 에너지 절감과 최대수요전력 제어를 위하여 마이크로프로세서를 이용한 자동 전압 조정기(AVR)를 제안한다. 제안한 자동 전압 조정기(HS-AVR : Hybrid Switching Automatic Voltage Regulator)는 토로이달 코어에 1개의 직렬 권선과 분리된 4개의 분로 권선으로 구성되어 있는 단권변압기를 사용한다. 변압기의 전압 조정은 직렬 권선과 분로 권선의 연결 방법에 따라 감압/승압이 가능하다. 스위치는 릴레이와 트라이악을 병행하여 사용한다. 스위치의 조작 시 발생하는 권선의 여자돌입전류를 제어하기 위하여 트라이악을 이용하여 연결 상태를 변경하고, 연결 상태 유지 시에는 릴레이를 이용함으로써 스위치 소비 전력을 최소화 한다. 제어 신호는 여자 돌입 전류를 줄이기 위하여 전압 파형에 동기화 하여 제어되며 이를 위하여 소프트웨어 PLL을 사용한다. 소프트웨어 PLL은 전압 파형의 제로크로스, 전압 최고점 등의 동기화에 사용함으로써 스위치와 시스템을 최소화한다. 기존 전압 조절 스위치나 자동 전압 조정기 구조는 여자 돌입 전류로 인한 스위치 접점 손상을 막기 위하여 최대전류를 수용할 수있는 용량으로 구성함으로써 장치 크기가 매우 커지는 문제점이 있었다. 본 논문은 이런 문제를 해결하여 자동 전압 조정기의 크기를 줄이고 효율을 높이는 방법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a microprocessor-based automatic voltage regulator(AVR) to reduce consumers' electric energy consumption and to help controlling peak demanding power. Hybrid Switching Automatic Voltage Regulator (HS-AVR) consist of a toroidal core, several tap control switches, display and...

주제어

#스마트 그리드   #자동 전압 조정기   #소프트웨어 PLL  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 입력 전압을 188V에서 233V까지 변화시켰을 경우 출력 전압은 208V에서 215V 사이에서 조정이 이루어짐을 알 수 있다. 본 논문에서 HS-AVR의 출력 전압 조정 목표는 일정한 출력 전압을 유지하는 것이 아니라 전압 공급 규정 내에서 가능한 낮은 전압으로 유지하는 것이므로 목표에 맞게 전압이 조정되고 있음을 확인하였다.
  • 본 논문에서는 릴레이 스위치와 트라이악(TRIAC) 스위치를 조합함으로써 스위치가 연결 상태에 있을 경우 소비 전력을 최소화 하고 스위치 ON/OFF 동작 시 발생하는 권선의 여자돌입전류를 줄이는 다중 스위칭 방식을 제안한다. 전력은 다른 상품 및 서비스와 달리 소비자들의 사용량에 대한 인지도가 낮고 사용량에 대한 조절이 어렵다는 특성이 있다.
  • 본 논문에서는 수용가에서 에너지 절감을 위하여 사용할 수 있는 스마트그리드에서의 다중 스위칭 방식의 자동 전압 조절 방법을 연구하였다. 전압 조정기는 마이크로프로세서에 의하여 제어하였으며, 효율 향상과 트랜스의 크기를 줄이기 위하여 토로이달 코어를 이용한 단권변압기를 이용하였다.
  • 본 논문에서는 스마트그리드의 여러 장치들과 연동하여 시스템을 구성할 수 있는 HS-AVR (Hybrid Switching Automatic Voltage Regulator)을 제안한다. 그림 2에서와 같이 각 가정 내에서는 전력사용 정보표시장치와 연동하여 사용할 수 있도록 시스템을 구성할 수 있으며, 전력표시 장치는 RTP, CPP 등의 시간제 요금정보를 이용하여 프로그램에 따라 HS-AVR에 신호를 전송하여 전압을 조절할 수 있으며, 강압 양에 따라 사용 전력을 줄일 수 있다.
  • 이러한 계획을 달성하기 위하여 스마트그리드가 중요한 이슈로 떠오르고 있으며 그 중 지능형 소비자는 양방향 통신 인프라를 접목하여 소비자에게 다양한 서비스를 제공함으로써 에너지 효율을 향상시키고 소비자의 자발적인 에너지 소비 절감을 유도시키는 기술이다. 즉, 전기 요금에 반응하여 에너지를 절약하는 가전 기기 보급 및 부하 관리를 실현하여 에너지 소비를 절감하도록 유도하는 것이다. 특히, 스마트 미터는 가정에서 전력 사용 패턴 변화를 통하여 에너지 절감에 효과가 있는 것으로 알려져 있다[1, 2].

가설 설정

  • 그러면 R1 저항이 연결되어 VC4 권선을 연결함으로써 각 분로 권선에 과전압이 발생하는 것을 방지한다. 그리고 ST1과 ST2 트라이악은 전압이 0V가 되는 (b) 지점에서 연결이 끊어진다.
  • 2차 권선에는 전류가 흐르지 않기 때문에 릴레이 동작 시 접점 간에는 스파크가 발생하지 않아 접점이 소손되는 것을 방지할 수 있다. 릴레이는 릴레이 내부 코일과 접점의 기계적인 동작에서 의해서 (d) 지점 전후에서 스위치가 on 되거나 off 된다. 동작하는 시간은 릴레이의 동작 테스트를 통해서 얻어진 결과이다.
  • 3. 2차 권선은 공통선로이므로 누설 자속이 없어 전압 변동률이 작다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
반도체를 이용한 스위치의 장점은 무엇인가? 반도체를 이용한 스위치는 동작 시간을 제어할 수 있으며 접점 손상에 대한 위험성은 없으나 전류량에 따라 열이 발생하여 효율을 저하시키며 열 방출을 위한 방열장치를 필요로 하는 단점이 있다. 하지만 효율보다는 접점 손상이 없고 동작 시간을 제어할 수 있다는 장점으로 인해 원격제어나 자동제어 기능을 요구하는 시스템에서는 반도체 스위치를 주로 사용한다.
릴레이를 사용한 스위치의 단점은 무엇인가? 릴레이를 사용한 스위치는 릴레이간의 동작 시간 편차가 있으며 전류가 흐르고 있을 경우 구동하면 접점 손상의 문제가 있다. 반도체를 이용한 스위치는 동작 시간을 제어할 수 있으며 접점 손상에 대한 위험성은 없으나 전류량에 따라 열이 발생하여 효율을 저하시키며 열 방출을 위한 방열장치를 필요로 하는 단점이 있다.
전압 조정기는 무엇인가? 전압 조정기는 전력 시스템에서 널리 사용되는 장치로서 전압 탭을 복수개로 설치하고 스위치에 의해 선택적으로 탭을 연결하여 전압을 조정하는 방식으로 작동한다. 특히 자동 전압 조정기의 경우 스위치는 릴레이를 사용하는 방법과 트라이악이나 SCR(silicon controlled rectifier), IGBT(Insulated gate bipolar transistor)와 같은 반도체(solid state) 부품을 사용하는 방법이 있다.
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참고문헌 (7)

  1. David Crossley, Advanced Metering for Energy Supply in Australia, Energy Future Australia Pty Ltd, Australia, Jul. 2007. 

  2. Rob van Gerwen, Saskia Jaarsma and Rob Wilhite, "Smart Metering," KEMA, Netherlands, Jul. 2006. 

  3. R. W. Beck, "Distribution Efficiency Initiative Final Report," Northwest Energy Efficiency Alliance, Dec. 2007. 

  4. Niu Yixia, Song Jijiang and Sui Ruihong, "Design of Regulator Digitally Controlled With 89C51 SCM," International Conference on Electronic Measurement and Instruments, pp. 4-511-4-515, Jul. 2007. 

  5. C. Hernandez, G. Gallegos, N. Vazquez, E. Rodriguez and R. Orosco, "A different AC Voltage Regulator Based on Tapped Transformer," Power Electronics Congress(CIEP, 2010 12th International, pp. 180-184, Aug. 2010. 

  6. Jin Baek Kim, "A Framework for Designing In-Home Display and Home Energy Management Portal for Demand Responses in Smart Grid," Entrue Journal of Information Technology Vol.10, No.1 pp.67-88, 2008. 

  7. Tae-Seop Choi, Kyung-Rok Ko, Seong-Chan Park, Sang-Kug Im, Yong-Tae Yoon, "Analysis of Energy Savings using In-Home Display(IHD)" KIEE Summer Conference, pp. 535-536, Jul. 2009. 

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