KR100294081B1 - Parallel hybrid active filter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 능동 필터의 전류 용량을 줄임으로써 큰 부하 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용할 수 있도록 된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid parallel type active power filter, and more particularly, to a hybrid parallel type active power filter in which a small capacity active filter can be used even in a large load system by reducing the current capacity of the active filter.
이를 위하여 본 발명은 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 수동 필터 및 능동 필터를 사용하여 제거하는 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 있어서,To this end, the present invention provides a hybrid parallel type active power filter that removes harmonics generated from a nonlinear load by using a passive filter and an active filter.
비선형 부하와 입력 전원간에 병렬로 연결되어 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터 및 리액터로 구성되는 수동 필터와, 상기 수동 필터와 병렬로 비선형 부하에 접속되어 비선형 부하의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터와, 상기 수동 필터의 캐패시터 및 리액터의 중간단에 일차측이 연결되고 2차측은 능동 필터에 연결되어 수동 필터와 능동 필터간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A passive filter consisting of a capacitor and a reactor for first-order filtering of harmonic components generated in the nonlinear load by being connected in parallel between the nonlinear load and the input power supply, and connected to the nonlinear load in parallel with the passive filter to obtain a harmonic component of the nonlinear load An active filter for differential filtering, and a matching transformer having a primary side connected to an intermediate end of a capacitor and a reactor of the passive filter, and a secondary side connected to an active filter to perform impedance matching between the passive filter and the active filter. It is done.
Description
본 발명은 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 능동 필터의 전류 용량을 줄임으로써 큰 부하 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용할 수 있도록 된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid parallel type active power filter, and more particularly, to a hybrid parallel type active power filter in which a small capacity active filter can be used even in a large load system by reducing the current capacity of the active filter.
일반적으로 필터는 능동 필터 및 수동 필터로 대별될 수 있으며, 능동 필터는 능동 부품 또는 디바이스 등과 같은 하나의 기능체인 저항, 캐패시터와 트랜지스터, 연산 증폭기 등의 능동 소자를 사용하여 구성된 필터를 말하며, 이러한 능동 필터는 인덕터를 사용하지 않고도 LC 필터와 동일한 특성을 실현할 수 있기 때문에 소형화가 가능한 이점이 있다. 한편, 수동 필터는 에너지원으로 작용하지 않아 그것만으로는 증폭, 변환, 스위칭등의 작용을 하지 않는 개별 부품 즉, 수동 소자로 이루어진 필터를 의미한다.Generally, a filter may be classified into an active filter and a passive filter, and an active filter refers to a filter configured using active elements such as resistors, capacitors, transistors, and operational amplifiers, which are one functional unit such as an active component or device. Since the filter can realize the same characteristics as the LC filter without using an inductor, the filter can be miniaturized. On the other hand, the passive filter refers to a filter composed of individual components, that is, passive elements that do not act as an energy source and do not act as amplification, conversion, or switching alone.
이러한 수동 필터 또는 능동 필터를 사용하여 전력 필터를 구현하는 경우에 있어서, 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분은 수동 필터를 통해서 필터링이 되나 수동 필터가 기본적으로 가지고 있는 문제점인 정확한 튜닝의 어려움과 기존의 유틸리티 시스템 즉 부하나, 소스측과 공진을 일으킬 수 있는 문제점이 있다. 이에 이런 수동 필터에서의 문제점을 해결하기 위하여 병렬형 수동 필터에 직렬로 능동 필터를 연결하여 구성된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터 구조가 제안되게 되었다.In the case of implementing a power filter using such a passive filter or an active filter, harmonics generated in a nonlinear load are filtered through the passive filter, but the difficulty of accurate tuning and the existing utilities of the passive filter are fundamental problems. There is a problem that may cause resonance with the system, that is, the load or the source side. In order to solve this problem in the passive filter, a hybrid parallel active power filter structure consisting of an active filter connected in series to a parallel passive filter has been proposed.
도 1은 이러한 종래의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도를 도시한 것이고, 도 2는 종래 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 등가 회로도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 하이브리드 능동 전력 필터 시스템은 3상의 교류 입력 전원(10)과, 상기 교류 입력 전원(10)을 입력받아 동작되는 비선형 부하(20)와, 상기 부하(20)와 상기 교류 입력 전원(10)간에 병렬로 연결되어 비선형 부하(20)에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터(CF5) 및 리액터(LF5)(reactor)로 구성된 수동 필터(30)와, 상기 수동 필터(30)와 직렬로 연결되어 비선형 부하(20)의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터(50)를 구비하여 이루어진다.1 shows a circuit diagram showing the configuration of such a conventional hybrid parallel active power filter, and FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a conventional hybrid parallel active power filter. As shown in FIG. 1, the conventional hybrid active power filter system includes a three-phase AC input power supply 10, a nonlinear load 20 operated by receiving the AC input power supply 10, and the load 20. And a passive filter 30 which is connected in parallel between the AC input power source 10 and composed of a capacitor C F5 and a reactor L F5 to first filter harmonic components generated from the nonlinear load 20. And an active filter 50 connected in series with the passive filter 30 to filter the harmonics of the nonlinear load 20 in the second order.
이러한 종래의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 능동 전력 필터만 사용하는 경우의 10% 미만의 용량으로도 충분히 수동 필터에서 제거하지 못한 고조파 성분을 처리할 수 있다. 그러나, 수동 필터(30)로 흐르는 기본파 전류 성분과 고조파 전류 성분이 모두 능동 필터(50)로 흐르게 되어 전류 용량이 커지게 되는 문제점이 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the conventional hybrid parallel type active power filter can handle harmonic components that are not sufficiently removed by the passive filter even with a capacity of less than 10% when only the active power filter is used. . However, there is a problem in that both the fundamental current component and the harmonic current component flowing through the passive filter 30 flow through the active filter 50, thereby increasing the current capacity.
한편, 이러한 문제점을 해결하기 위한 한 방법으로 매칭 트랜스(matching transformer)(40)를 써서 수동 필터(30) 후단의 전압을 승압시켜 능동 필터(50)측에 인가함으로써 전류 용량을 줄이면서 전압 용량을 커지게 하였다. 그러나, 대용량 시스템에서는 매칭 트랜스(40)의 전압 용량이 증가됨에 따라 전압 절연(insulation)이 곤란한 다른 문제가 발생하기 때문에 능동 필터의 전류 용량을 줄이기 위해 전압 용량을 증가시키는 것에 한계가 있는 문제가 있다.On the other hand, as a way to solve this problem by using a matching transformer (40) to boost the voltage after the passive filter 30 to apply to the active filter 50 side by reducing the current capacity while reducing the voltage capacity It became large. However, in a large-capacity system, as the voltage capacity of the matching transformer 40 increases, another problem that is difficult to insulate the voltage occurs, and thus there is a limit in increasing the voltage capacity to reduce the current capacity of the active filter. .
따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 능동 필터의 전류 용량을 낮추어 용량이 큰 부하 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용할 수 있도록 된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Therefore, in order to solve the above problems, the hybrid parallel type active power filter according to the present invention lowers the current capacity of the active filter so that the hybrid parallel type active power filter can be used even in a large capacity load system. Its purpose is to provide.
도 1은 종래 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a conventional active power filter.
도 2는 종래 능동 전력 필터의 등가 회로도이다.2 is an equivalent circuit diagram of a conventional active power filter.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도이다.3 is a circuit diagram showing the configuration of a hybrid parallel type active power filter according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 등가회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram of a hybrid parallel type active power filter according to the present invention.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 종래 및 본 발명에 따른 능동 전력 필터의 입출력신호의 파형도이다.5A and 5B are waveform diagrams of input and output signals of an active power filter according to the related art and the present invention, respectively.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10...입력 전원 20...비선형 부하10 ... Input power 20 ... Nonlinear load
30...수동 필터, 40,40a...매칭 트랜스30 ... Manual filter, 40,40a ... Matching transformer
50,50a...능동 필터.50,50a ... active filter.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 수동 필터 및 능동 필터를 사용하여 제거하는 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 있어서,In order to achieve the above object, a hybrid parallel type active power filter according to the present invention is a hybrid parallel type active power filter which removes harmonic components generated from a nonlinear load by using a passive filter and an active filter.
비선형 부하와 입력 전원간에 병렬로 연결되어 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터 및 리액터로 구성되는 수동 필터와, 상기 수동 필터와 병렬로 비선형 부하에 접속되어 비선형 부하의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터와, 상기 수동 필터의 캐패시터 및 리액터의 중간단에 일차측이 연결되고 2차측은 능동 필터에 연결되어 수동 필터와 능동 필터간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A passive filter consisting of a capacitor and a reactor for first-order filtering of harmonic components generated in the nonlinear load by being connected in parallel between the nonlinear load and the input power supply, and connected to the nonlinear load in parallel with the passive filter to obtain a harmonic component of the nonlinear load An active filter for differential filtering, and a matching transformer having a primary side connected to an intermediate end of a capacitor and a reactor of the passive filter, and a secondary side connected to an active filter to perform impedance matching between the passive filter and the active filter. It is done.
이하에는 본 발명의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 양호한 실시예에 따른 구성 및 작용 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation effects according to a preferred embodiment of the hybrid parallel type active power filter of the present invention will be described in detail.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 등가 회로도를 도시한 것이다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 3상의 교류 입력 전원(10)과, 상기 교류 입력 전원(10)을 입력받아 동작되는 비선형 부하(20)와, 상기 부하(20)와 상기 교류 입력 전원(10)간에병렬로 연결되어 비선형 부하(20)에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터(CF5)(capacitor) 및 리액터(LF5)(reactor)로 구성되는 수동 필터(30)와, 상기 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5) 및 리액터(LF5)의 중간단에 접속되어 수동 필터(30)및 능동 필터(50a)간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스(40a)와, 상기 매칭 트랜스(40a)를 통해 상기 수동 필터(30)에 병렬로 연결되어 비선형 부하(20)의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터(50a)를 구비하여 이루어진다.3 is a circuit diagram showing the configuration of a hybrid parallel type active power filter according to the present invention, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the hybrid parallel type active power filter according to the present invention. As shown in Figures 3 and 4, the hybrid parallel type active power filter of the present invention is a three-phase AC input power source 10, a non-linear load 20 that is operated by receiving the AC input power source 10, A capacitor C F5 and a reactor L F5 are connected in parallel between the load 20 and the AC input power source 10 so as to first filter the harmonic components generated by the nonlinear load 20. Matched to the passive filter 30, which is composed of a passive filter 30, connected to the intermediate stage of the capacitor CF5 and the reactor LF5 of the passive filter 30 to perform impedance matching between the passive filter 30 and the active filter 50a. A transformer 40a and an active filter 50a are connected in parallel to the passive filter 30 through the matching transformer 40a to filter the harmonics of the nonlinear load 20 in the second order.
이러한 구성에 따른 본 발명의 하이브리드 병렬형 능동 필터에서는 능동 필터(50a)를 수동 필터(30) 다음 단에 매칭 트랜스(40a)를 직렬로 연결하는 것에 의해 구현하지 않고, 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5)와 리액터(LF5)의 중간단에 매칭 트랜스(40a)의 일차측을 연결하여 능동 필터(50)를 수동 필터(30)와 병렬로 접속시킨다. 그리고, 매칭 트랜스(40a)의 이차측에 능동 필터(50a)를 접속하여 수동 필터(30)와 병렬 접속시킨다.In the hybrid parallel type active filter of the present invention, the capacitor of the passive filter 30 is not implemented by connecting the matching transformer 40a in series to the stage next to the passive filter 30 in the active filter 50a. The primary side of the matching transformer 40a is connected to the intermediate end of the C F5 and the reactor L F5 to connect the active filter 50 in parallel with the passive filter 30. The active filter 50a is connected to the secondary side of the matching transformer 40a to be connected in parallel with the passive filter 30.
따라서, 능동 필터(50a)단의 리액터 성분(Lc')과 수동 필터(30)단의 리액터 성분(LF5)의 임피던스비로 수동 필터(30)의 리액터와 능동 필터(50a)로 전류 성분이 나누어져 흐르게 되어 능동 필터(50a)의 전류 용량이 줄어들게 된다.Therefore, the current component is divided into the reactor of the passive filter 30 and the active filter 50a by the impedance ratio of the reactor component Lc 'of the active filter 50a stage and the reactor component L F5 of the passive filter 30 stage. As a result, the current capacity of the active filter 50a is reduced.
도 5(a)및 도 5(b)는 각각 종래의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터 및 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 시뮬레이션 결과를 보인 각 부의 동작 파형도로써, iLa는 부하 전류 파형이고, iSa는 소스 전류 파형, iFca는 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5)에 흐르는 전류, iCa는 능동 필터(50a)에 흐르는 전류 신호를 나타내고, VFca는 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5)에 걸리는 전압파형을 나타낸다. 이때, 440V 라인 전압에 수동 필터는 5차 필터를 사용하였고, 수동 필터의 리액터와 능동 필터의 리액터의 임피던스비는 일예로 약 1:3정도이다.5 (a) and 5 (b) are the operation waveform diagram of each part showing the simulation results of the conventional hybrid parallel active power filter and the hybrid parallel active power filter according to the present invention, respectively, i La is a load current waveform I Sa represents the source current waveform, i Fca represents the current flowing through the capacitor C F5 of the passive filter 30, i Ca represents the current signal flowing through the active filter 50a, and V Fca represents the passive filter 30. Shows the voltage waveform across the capacitor C F5 . At this time, a passive filter is used for the 440V line voltage, and the impedance ratio between the reactor of the passive filter and the reactor of the active filter is about 1: 3.
도 5(a)에 도시된 종래의 능동 전력 필터의 경우에 있어서는 수동 필터(30)에 흐르는 전류인 iFa만큼의 전류가 능동 필터(50)에도 동일한 용량의 전류(iCa)가 흐른다. 그러나, 본 발명에 따른 능동 전력 필터의 경우에는 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 수동 필터(30)에는 iFca의 전류가 흐르고, 능동 필터(50a)에는 수동 필터(30)의 전류인 iFca의 전류보다 약 1/10정도 용량의 전류(iCa)가 흐르게 되어 능동 필터(50a)의 전류 용량을 줄일 수 있다. 또한, 이때 능동 필터단의 리액터(Lc')의 값을 적정하게 변경함에 따라서 종래의 능동 전력 필터의 경우에 비해 약 20%정도의 용량만으로도 충분한 필터링을 수행할 수 있다.In the case of the conventional active power filter shown in FIG. 5A, a current i Ca having the same capacity flows in the active filter 50 as much as i Fa, which is a current flowing through the passive filter 30. However, in the case of the active power filter according to the present invention, as shown in FIG. 5 (b), the current of i Fca flows through the passive filter 30 and the current of the passive filter 30 flows into the active filter 50a. i of about 1/10 of the current capacity than the current Fca (Ca i) the flows can reduce the current capacity of the active filter (50a). In addition, as the value of the reactor Lc 'of the active filter stage is appropriately changed, sufficient filtering may be performed with only about 20% of the capacity of the active filter.
본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.The hybrid parallel type active power filter according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various modifications within the scope of the technical spirit of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 능동 필터를 매칭 트랜스를 통해 수동 필터의 리액터 및 캐패시터의 중간단에 병렬로 접속함으로써, 수동 필터에 인가된 전류 성분이 능동 필터측에 수동 필터 및 능동 필터의 임피던스비에 의해 나누어져 감소되어 흐르게 되어 능동 필터의 전류 용량을 감소시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다. 즉, 대용량 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용하여 고조파 성분을 효과적으로 제거할 수 있으므로 필터 설계시 비용부담을 줄일 수 있는 이점을 제공하게 된다.As described above, the hybrid parallel type active power filter according to the present invention connects the active filter in parallel to the intermediate stages of the reactor and the capacitor of the passive filter through the matching transformer, so that the current component applied to the passive filter is the active filter side. The flow rate is divided and reduced by the impedance ratio of the passive filter and the active filter, thereby providing an effect of reducing the current capacity of the active filter. In other words, even in a large-capacity system, a small capacity active filter can effectively remove harmonics, thereby reducing the cost of filter design.
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