KR100706181B1 - Single-Phase Active Power Filter Using Rotating Reference Frame - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단상 능동전력필터에서 원래의 단상 전류 외에 가상의 상을 만들어 3상에서 사용하는 것과 같은 좌표계를 만들 수 있어 단상에서도 순시계산을 용이하게 하는 것으로, 상기 가상의 상은 저역통과필터를 통과한 후의 지연된 위상을 가상의 상으로 이용함에 따라 가상의 상을 간단하게 생성한 후 고조파 보상용 기준전압을 생성하여 고조파를 저감시킬 수 있는 회전좌표계를 이용한 단상 능동전력필터에 관한 것이다. In the present invention, a single phase active power filter can create a virtual phase in addition to the original single phase current to make a coordinate system such as that used in three phases to facilitate forward clock calculation even in a single phase, and the virtual phase has passed through a low pass filter. The present invention relates to a single-phase active power filter using a rotational coordinate system capable of reducing harmonics by simply generating a virtual phase and generating a harmonic compensation reference voltage by using a delayed phase as a virtual phase.
상기 단상 능동전력필터는, 비선형 부하에 의해 생성된 왜곡된 신호를 검출하는 전력검출기와, 상기 전력검출기를 통해 입력되는 신호를 제공받아 임의의 가상의 상을 생성한 후 소정의 제어알고리즘을 통해 전원주파수에 동기하는 회전좌표계의 정상 및 역상 성분을 이용하여 고조파를 검출함과 아울러 상기 고조파의 보상 기준전압을 획득하는 고조파검출기와, 상기 고조파검출기에서 출력된 보상 기준신호와 소정의 삼각파 기준신호를 제공받아 상호 비교한 후 펄스폭 변조신호를 출력하는 PWM발생부, 및 상기 PWM신호를 제공받아 인버터의 게이트를 구동하는 인버터구동수단으로 이루어져 있다.The single phase active power filter includes a power detector for detecting a distorted signal generated by a nonlinear load, a signal input through the power detector, generating an arbitrary virtual phase, and then powering it through a predetermined control algorithm. A harmonic detector which detects harmonics using the normal and reverse phase components of a rotating coordinate system synchronized with frequency and obtains a compensation reference voltage of the harmonics, and a compensation reference signal output from the harmonic detector and a predetermined triangular reference signal. And a PWM generator for outputting a pulse width modulated signal after comparing with each other, and an inverter driving means for receiving the PWM signal and driving a gate of the inverter.
Description
도 1은 본 발명에 의한 단상 능동전력필터를 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing a single-phase active power filter according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 도 1의 고조파검출기의 고조파검출 알고리즘을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating a harmonic detection algorithm of the harmonic detector of FIG. 1 according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 α-β 와 d-q 좌표 상에서의 전류벡터를 도시한 도면이다.3 is a diagram showing a current vector on α- β and dq coordinates according to the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 단상 능동전력필터를 도시한 구성도이다.4 is a block diagram showing a single-phase active power filter according to an embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 9는 도 4의 단상 능동전력필터로 실험한 결과를 나타낸 파형도로서, 도 5는 보상 전 실험파형이고, 도 6은 병렬 수동전력 필터로 보상시 나타난 파형이고, 도 7은 하이브리드 시스템으로 보상시 나타난 파형이고, 도 8은 과도상태의 실험파형이며, 도 9는 비보상시, 수동필터로 보상시, 및 하이브리드형 능동전력필터로 보상시의 전원 전류 및 전압의 파형과 수동필터의 전류 및 부하단 전압파형을 나타낸 도면이다.5 to 9 are waveform diagrams showing the results of experiments using the single-phase active power filter of FIG. 4, FIG. 5 is an experimental waveform before compensation, FIG. 6 is a waveform shown when compensating with a parallel passive power filter, and FIG. 8 shows the experimental waveforms in the transient state, and FIG. 9 shows the waveforms of the power current and voltage in the non-compensation, the compensation with the passive filter, and the compensation with the hybrid active power filter. A diagram showing current and load voltage waveforms.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10: 다이오드정류기 20: LC 필터10: diode rectifier 20: LC filter
30: 부하 50: 인버터30: load 50: inverter
100: 단상 능동전력필터 110: 전력검출기100: single-phase active power filter 110: power detector
130: 고조파검출기(DSP) 131,133,135: 저역통과필터(LPF)130: Harmonic Detector (DSP) 131, 133, 135: Low Pass Filter (LPF)
132,134: 좌표변환수단 136,137,139: 믹서132,134: coordinate conversion means 136,137,139: mixer
138: 역변환수단 139: 증폭수단138: inverse conversion means 139: amplification means
150: PWM발생부 170: 인버터구동수단150: PWM generating unit 170: inverter driving means
본 발명은 단상 능동전력필터에 관한 것으로, 특히 비선형 부하에서 생성된 전압, 전류를 검출하여 고조파검출기를 통해 임의의 가상의 상을 생성한 후 회전좌표계의 정상, 역상 성분을 이용하여 기본파 성분을 추출하고, 상기 기본파 성분을 실제전류에서 감산함에 따라 고조파 성분을 구하고, 상기 고조파 성분에 k배를 취하여 고조파 보상 기준전압을 얻는 회전좌표계를 이용한 단상 능동전력필터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
전력수요가 증가함에 따라 송전용량을 충분히 활용하고 전원전압변동을 최대한 억제하여 양질의 전력을 공급하기 위하여 전력계통과 부하와의 최적 인터페이스가 매우 중요하게 대두되고 있으며, 그중에서도 전력전자기기의 보급이 날로 증가하는 추세에 있어 전원과 전력전자기기 사이의 인터페이스에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다. As the demand for power increases, the optimum interface between the power system and the load is very important to make full use of power transmission capacity and to suppress power voltage fluctuations as much as possible. Increasingly, research on the interface between the power supply and the power electronic device is urgently required.
따라서 본 발명에서는 전원측에서의 전력의 질을 개선하기 위하여 부하측에서 발생하는 고조파를 억제하기 위하여 고조파 저감 기능을 갖는 단상 하이브리드형 능동전력필터에 대해 개발한 것이다.Therefore, the present invention has been developed for a single-phase hybrid active power filter having a harmonic reduction function to suppress the harmonics generated from the load side to improve the quality of power at the power source side.
전동기 가변속 시스템, SMPS, UPS, HVDC 송전 등 대부분의 전력변환 시스템은 대부분 다이오드 또는 다이리스터 정류기에 의해 전원에 접속되게 되는데, 이와 같은 큰 직류링크(DC-Link) 필터와 정류소자들의 스위칭 동작으로 인하여 파형이 왜곡되는 현상이 나타나게 되어 많은 저차의 고조파 성분을 포함하게 된다. Most power conversion systems such as variable speed systems, SMPS, UPS, HVDC transmission, etc., are connected to the power supply by diodes or thyristor rectifiers. Due to the large DC-Link filter and switching elements of the rectifiers The waveform is distorted, which includes many lower harmonic components.
이렇게 발생된 입력 전류의 고조파들은 전력계통 장치들의 VA용량증대를 가져오고, 기기의 과도한 열 발생과 이상진동, 모터의 고장, 중성선 전류의 과도, 부정확한 전력 측정 등의 원인이 된다. Harmonics of the input current generated in this way result in increased VA capacity of the power system devices, causing excessive heat generation and abnormal vibration of the apparatus, motor failure, transient of neutral current, and inaccurate power measurement.
또한 민감한 전자, 통신기기의 EMI 현상을 야기하여 전력손실뿐만 아니라 통신장해의 원인이 될 수도 있다. In addition, it may cause EMI of sensitive electronic and communication devices, which may cause not only power loss but also communication failure.
이와 같이 다이오드나 다이리스터 정류기를 앞단에 사용하는 전력변환 시스템과 같은 비선형 부하의 증가로 전원측에 고조파 전류의 문제가 대두됨에 따라 IEEE-519와 IEC6100-3-2 등과 같이 고조파 전류에 관한 지침이 출현하게 되었으며, 유럽 등 각국에서 1998년부터 수입되는 전자장비들에 이와 같은 지침을 적용하고 있다.As nonlinear loads such as power conversion systems that use diodes or thyristor rectifiers are increasing, the problem of harmonic currents on the power supply side has led to the introduction of harmonic currents such as IEEE-519 and IEC6100-3-2. These guidelines apply to electronic equipment imported from 1998 in Europe and other countries.
고조파 제거를 위해 처음에는 수동필터가 사용되었는데, 비록 수동필터가 저가이지만 특정 차수의 고조파만을 선택적으로 보상할 수 있기 때문에 전원단에 광범위한 차수의 고조파가 발생할 경우에는 그다지 만족할만한 성능을 얻기 힘들뿐만 아니라 전원측 임피던스와 직렬공진을 일으킬 가능성을 항상 내재하고 있다. At first, passive filters were used to remove harmonics. Although passive filters are inexpensive, they can selectively compensate only for harmonics of a certain order, which makes it difficult to achieve satisfactory performance when a wide range of harmonics occur at the power stage. There is always the possibility of power supply impedance and series resonance.
이러한 수동필터가 가지는 단점의 해결책으로 3상 능동전력필터가 개발되었다.As a solution of the disadvantage of the passive filter, a three-phase active power filter has been developed.
상기 3상 능동전력필터는 비선형 부하의 문제에 대한 표준 해결책으로 연구되었고, 병렬형, 직렬형, 하이브리드형, 직병렬 등 많은 토폴로지(topology)와 제어방법이 제안되었다. The three-phase active power filter has been studied as a standard solution to the problem of nonlinear loads, and many topologies and control methods, such as parallel, series, hybrid, and parallel, have been proposed.
일반적으로 기계설비를 장치하는 지점인 PCC(Point of Common Coupling)에 3상 능동전력필터를 설치할 때는 컨버터 스위칭에 의해서 전압왜곡이 발생하게 된다. 또한, 전류고조파와 무효전력이 설치된 장치에서 순환하고, 각 상의 부하들 사이에 간섭이 일어난다. In general, when a three-phase active power filter is installed at a point of common coupling (PCC) where mechanical equipment is installed, voltage distortion occurs due to converter switching. In addition, current harmonics and reactive power circulate in the installed device, and interference occurs between loads in each phase.
그러나 단상 능동전력필터는 부하 각각에 대하여 보상이 이루어지므로 전류 고조파 성분을 제거하고 무효전력을 보상함으로서 부하 사이의 간섭의 가능성을 감소시킨다. 그리고 하나의 단상 능동전력필터에 고장이 발생해도 입력 전류는 그다지 왜곡되지 않는 이점이 있다. However, the single-phase active power filter compensates for each of the loads, thereby reducing the possibility of interference between the loads by eliminating current harmonics and compensating reactive power. In addition, even if a single-phase active power filter fails, the input current is not so distorted.
하지만, 단상 능동전력필터에 대한 연구개발은 3상 능동전력필터에 비해 상당히 미미한 편이다. 인버터의 형태에 따라서 단상 half-bridge, 단상 full-bridge, 전류원 인버터, 전압원 인버터 등으로 나눌 수 있고, 가장 일반적으로 사용되는 것은 full-bridge 전압원 인버터를 사용한 병렬형과 직렬형 능동전력필터이다. However, research and development of single phase active power filter is considerably smaller than three phase active power filter. Depending on the type of inverter, it can be divided into single-phase half-bridge, single-phase full-bridge, current source inverter, voltage source inverter, etc. The most commonly used are parallel and series active power filters using full-bridge voltage source inverters.
국내에서는 직렬형 능동전력필터로 고조파와 무효전력보상과 관련된 연구로 는 3상 능동전력필터에 대한 연구에 국한되어 있다. 단상의 경우 병렬형 능동전력필터에 관한 연구개발은 있었으나 미비한 형편이고, 직렬형의 경우 이에 관한 연구는 전무하다. 최근 전압형 인버터를 적용한 산업기기나 가전제품 보급의 증가와 함께 콘덴서 입력형 다이오드정류기가 발생하는 고조파가 문제시되고 있다. 이러한 관점에서 고조파를 저감시키기 위한 단상 직렬형 능동전력필터에 대한 연구결과를 제시한다.In Korea, research on harmonics and reactive power compensation as a series active power filter is limited to the study of three-phase active power filter. In the case of single phase, there was research and development on parallel active power filter, but it is inadequate. Recently, with the increase in the spread of industrial equipment or home appliances that applied a voltage inverter, harmonics generated by a capacitor-type diode rectifier have been a problem. In this regard, we present the results of a single-phase series active power filter to reduce harmonics.
따라서, 본 발명의 목적은 다이오드정류기를 이용한 비선형 부하에서 생성된 고조파를 검출하여 보상지령치를 구한 후 고조파를 저감시킬 수 있는 회전좌표계를 이용한 단상 능동전력필터를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a single-phase active power filter using a rotational coordinate system capable of reducing harmonics after detecting a harmonic generated from a nonlinear load using a diode rectifier to obtain a compensation command value.
본 발명의 다른 목적은, 기존의 방법에서는 고조파를 검출하는데 최소 반주기의 시간이 소요되어 실시간 연산이 어려운 반면에 본 발명에서는 가상의 상을 사용하여 3상에서 사용하는 것과 같은 좌표계를 만들 수 있어 단상에서도 순시계산을 용이하게 할 수 있는 회전좌표계를 이용한 단상 능동전력필터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is that the conventional method requires a minimum half-cycle time to detect harmonics, making it difficult to perform real-time calculations, while in the present invention, a virtual system can be used to create a coordinate system as used in three phases. It is to provide a single-phase active power filter using a rotational coordinate system that can facilitate forward time calculation.
본 발명의 또다른 목적은, 부하전류에 시간지연을 주어 임의의 두 번째 상을 생성한 후 단상시스템을 갖는 시스템으로 만들어 복소계산을 가능케 하고, 상기 임의의 상은 저역통과필터가 상 지연의 특성을 가지는 것을 이용하여 필터를 통과한 후의 지연된 위상을 두 번째 상으로 이용함에 따라 가상의 상을 간단하게 생성할 수 있는 회전좌표계를 이용한 단상 능동전력필터를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to generate a second phase by giving a time delay to the load current, and then to make a complex calculation by forming a system having a single phase system. It is to provide a single-phase active power filter using a rotational coordinate system that can easily create a virtual phase by using the delayed phase after passing through the filter as a second phase.
본 발명의 또다른 목적은, 정상 성분을 구하기 위해 기존의 고정좌표계를 이용한 순시무효전력이론을 적용하지 않고, 전원주파수에 동기하는 회전좌표계를 사용하여 순시계산을 함과 아울러 보상전류를 구한 후 변환기의 이득을 곱하여 보상 전압 지령치를 구하여 고조파를 저감시키는 회전좌표계를 이용한 단상 능동전력필터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention, without applying the conventional instantaneous reactive power theory using a fixed coordinate system in order to obtain a normal component, using a rotational coordinate system synchronized with the power frequency to calculate the forward time and calculate the compensation current and then the converter It is to provide a single-phase active power filter using a rotational coordinate system to reduce the harmonics by multiplying the gain to obtain the compensation voltage command value.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 비선형 부하에 의해 발생하는 고조파 성분을 보상하기 위한 단상 능동전력필터에 있어서: 상기 비선형 부하에 의해 생성된 왜곡된 신호를 검출하는 전력검출기; 상기 전력검출기를 통해 입력되는 신호를 제공받아 임의의 가상의 상을 생성한 후 소정의 제어알고리즘을 통해 전원주파수에 동기하는 회전좌표계의 정상 및 역상 성분을 이용하여 고조파를 검출함과 아울러 상기 고조파의 보상 기준전압을 획득하는 고조파검출기; 상기 고조파검출기에서 출력된 보상 기준신호와 소정의 삼각파 기준신호를 제공받아 상호 비교한 후 펄스폭 변조신호를 출력하는 PWM발생부; 및 상기 PWM신호를 제공받아 인버터의 게이트를 구동하는 인버터구동수단;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.A technical means of the present invention for achieving the above object is a single-phase active power filter for compensating harmonic components generated by a nonlinear load, comprising: a power detector for detecting a distorted signal generated by the nonlinear load; Generate a virtual phase by receiving a signal input through the power detector and detect harmonics using the normal and reverse phase components of the rotational coordinate system synchronized with the power frequency through a predetermined control algorithm. A harmonic detector for obtaining a compensation reference voltage; A PWM generator which receives a compensation reference signal output from the harmonic detector and a predetermined triangular wave reference signal, compares each other, and outputs a pulse width modulation signal; And an inverter driving means for receiving the PWM signal and driving the gate of the inverter.
상기 고조파검출기는, 전력검출기로부터 출력되는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기; 상기 A/D변환기로부터 입력된 신호를 실제 전압, 전류값으로 변환한 후 제어알고리즘에 의해 보상 기준전압을 산출하는 디지털신호처리기; 및 상기 디지털신호처리기에서 출력된 신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환기; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.The harmonic detector includes: an A / D converter for converting an analog signal output from the power detector into a digital signal; A digital signal processor for converting a signal input from the A / D converter into an actual voltage and current value and calculating a compensation reference voltage by a control algorithm; And a D / A converter for converting the signal output from the digital signal processor into an analog signal. Characterized in that consisting of.
구체적으로 상기 고조파검출기의 제어알고리즘은, 실제의 전류성분의 좌표변환을 통해 직류성분과 교류성분을 분리하여 직류성분만을 추출한 후 좌표 역변환을 통해 실제 전류의 기본파 성분을 얻고, 상기 기본파 성분에서 전체전류를 믹싱하여 고조파 성분을 구하도록 구성되어 있으며, 상기 고조파 성분에 k배를 취하여 보상 기준전압을 얻도록 구성된 것을 특징으로 한다.Specifically, the control algorithm of the harmonic detector separates the DC component and the AC component through the coordinate transformation of the actual current component, extracts only the DC component, and obtains the fundamental wave component of the actual current through the coordinate inverse transformation. It is configured to obtain a harmonic component by mixing the entire current, and characterized in that configured to obtain a compensation reference voltage by taking k times the harmonic component.
또한 상기 고조파검출기는, 실제의 전류성분을 제공받아 로우패스시킴과 아울러 소정의 시간만큼 지연시켜 가상의 상을 만드는 제 1 LPF; 상기 제 1 LPF로부터 출력되는 신호와 실제 전류성분 및 전원전압에 동기하는 정상성분의 각주파수를 제공받아 αβ좌표를 dq좌표로 변환하는 제 1 좌표변환수단; 상기 제 1 좌표변환수단으로부터 출력되는 정상전류 성분을 제공받아 로우패스시킨 후 직류성분과 교류성분으로 분리하는 제 2 LPF; 상기 제 1 LPF로부터 출력되는 신호와 실제 전류성분 및 전원전압에 동기하는 역상성분의 각주파수를 제공받아 αβ좌표를 dq좌표로 변환하는 제 2 좌표변환수단; 상기 제 2 좌표변환수단으로부터 출력되는 역상전류 성분을 제공받아 로우패스시킨 후 직류성분과 교류성분으로 분리하는 제 3 LPF; 상기 제 2 LPF에서 출력되는 교류성분과 제 3 LPF에서 출력되는 교류성분을 제공받아 믹싱한 후 직류성분을 출력하는 제 1 믹서; 상기 제 2 LPF에서 출력되는 직류성분과 제 3 LPF에서 출력되는 직류성분을 제공받아 믹싱한 후 직류성분을 출력하는 제 2 믹서; 상기 제 1 믹서와 제 2 믹서에서 출력되는 신호 및 정상 성분의 각주파수를 각각 제공받아 dq좌표를 αβ좌표로 역변환하여 실제 전류의 기본파 성분을 구하는 역변환수단; 상기 역변환수단의 출력되는 실제 전류의 기본파 성분과 전체 전류를 각각 제공받아 믹싱한 후 고조파 전류성분을 구하는 제 3 믹서; 및 상기 제 3 믹서에서 구한 고조파 전류성분을 증폭하여 보상 기준전압을 구하는 증폭수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The harmonic detector may further include: a first LPF configured to provide an actual current component to pass a low current and to delay a predetermined time to create a virtual phase; First coordinate conversion means for converting αβ coordinates into d coordinates by receiving angular frequencies of signals output from the first LPF and normal components synchronized with actual current components and power supply voltages; A second LPF which receives a steady current component outputted from the first coordinate converting means and passes a low pass and separates the DC component into an AC component; Second coordinate conversion means for converting αβ coordinates into d coordinates by receiving angular frequencies of signals output from the first LPF, and reverse phase components synchronized with actual current components and power supply voltages; A third LPF configured to receive a reverse phase current component output from the second coordinate converting means and to pass a low pass and separate the DC component into an AC component; A first mixer receiving and mixing the AC component output from the second LPF and the AC component output from the third LPF, and outputting a DC component; A second mixer configured to receive a DC component output from the second LPF and a DC component output from the third LPF, mix and output the DC component; Inverse conversion means for receiving the signals output from the first mixer and the second mixer and the angular frequencies of the normal components, respectively, and inversely converting the d coordinates into the α β coordinates to obtain fundamental wave components of the actual current; A third mixer configured to obtain harmonic current components after receiving and mixing the fundamental wave components and the total current of the actual current output from the inverse conversion means; And amplifying means for amplifying the harmonic current components obtained by the third mixer to obtain a compensation reference voltage.
상기 제 1 믹서는 상기 제 2 LPF에서 출력되는 교류신호에서 제 3 LPF에서 출력되는 교류성분을 감산하도록 구성되어 있고, 상기 제 2 믹서는 상기 제 2 LPF에서 출력되는 직류신호와 제 3 LPF에서 출력되는 직류성분을 가산하도록 구성되어 있으며, 상기 제 3 믹서는 상기 역변환수단의 출력되는 실제 전류의 기본파 성분을 전체 전류에서 감산하도록 구성된 것을 특징으로 한다.The first mixer is configured to subtract the AC component output from the third LPF from the AC signal output from the second LPF, and the second mixer outputs the DC signal output from the second LPF and the third LPF. The third mixer is configured to subtract the fundamental wave component of the actual current output from the inverse conversion means from the total current.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 살펴보고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 직렬형 단상 능동전력필터를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 도 1의 고조파검출기의 고조파검출 알고리즘을 설명하기 위해 도시한 개념도로서, 능동전력검출기(100)는 전력검출기(110), 고조파검출기(130), PWM발생부(150) 및 인버터구동수단(170) 등으로 이루어져 있다.1 is a block diagram illustrating a series single-phase active power filter according to the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a harmonic detection algorithm of the harmonic detector of FIG. 1 according to the present invention. ) Is composed of a
먼저, 도 1에서 시스템의 부하는 전류원의 부하로 작용하는 다이오드정류기(10)와, RL부하(30)로 구성되어 있다.First, in Fig. 1, the load of the system is composed of a
상기 전력검출기(110)는 다이오드정류기(10)와 같은 비선형 부하(30)에 의해 생성된 왜곡된 신호를 검출하도록 구성되어 있고, 고조파검출기(130)는 상기 전력 검출기(110)를 통해 입력되는 신호를 제공받아 임의의 가상의 상()을 생성한 후 소정의 제어알고리즘을 통해 전원주파수에 동기하는 회전좌표계의 정상 및 역상 성분을 이용하여 고조파 성분()을 검출함과 아울러 상기 고조파의 보상 기준전압()을 획득하여 출력하도록 구성되어 있고, PWM발생부(150)는 상기 고조파검출기(130)에서 출력된 보상 기준신호()와 소정의 삼각파 기준신호(Tri-wave)를 제공받아 상호 비교한 후 펄스폭 변조신호를 출력하도록 구성되어 있고, 인버터구동수단(170)은 상기 PWM발생부(150)로부터 출력되는 신호를 제공받아 인버터(50)의 게이트단을 전원전압으로 풀업시키거나 또는 접지전압으로 풀다운시켜 게이트를 온/오프시키도록 구성되어 있다.The
상기 고조파검출기(130)의 제어알고리즘은, 실제의 전류성분()의 좌표변환을 통해 직류성분과 교류성분을 분리하여 직류성분만을 추출한 후 좌표 역변환을 통해 실제 전류의 기본파 성분()을 얻고, 상기 기본파 성분()에서 전체전류()를 믹싱하여 고조파 성분()을 구하도록 구성되어 있고, 상기에서 산출한 고조파 성분()에 k배를 취하여 보상 기준전압()을 얻도록 구성되어 있다.The control algorithm of the
즉, 도 2와 같이 상기 고조파검출기(130)의 알고리즘은, 실제의 전류성분()을 제공받아 로우패스시킴과 아울러 소정의 시간만큼 지연시켜 임의의 가상의 상()을 만드는 제 1 LPF(131)와, 상기 제 1 LPF(131)로부터 출력되는 신호 ()와 실제 전류성분() 및 전원전압에 동기하는 정상성분의 각주파수(ω)를 제공받아 αβ좌표를 dq좌표로 변환하는 제 1 좌표변환수단(132)과, 상기 제 1 좌표변환수단(132)으로부터 출력되는 정상전류 성분(, )을 제공받아 로우패스시킨 후 직류성분()과 교류성분()으로 분리하는 제 2 LPF(133)와, 상기 제 1 LPF(131)로부터 출력되는 신호()와 실제 전류성분() 및 전원전압에 동기하는 역상성분의 각주파수(-ω)를 제공받아 αβ좌표를 dq좌표로 변환하는 제 2 좌표변환수단(134)과, 상기 제 2 좌표변환수단(134)으로부터 출력되는 역상전류 성분(, )을 제공받아 로우패스시킨 후 직류성분()과 교류성분()으로 분리하는 제 3 LPF(135)와, 상기 제 2 LPF(133)에서 출력되는 교류성분()과 제 3 LPF(135)에서 출력되는 교류성분()을 제공받아 믹싱한 후 직류성분()을 출력하는 제 1 믹서(136)와, 상기 제 2 LPF(133)에서 출력되는 직류성분()과 제 3 LPF(135)에서 출력되는 직류성분()을 제공받아 믹싱한 후 직류성분()을 출력하는 제 2 믹서(137)와, 상기 제 1 믹서(136)와 제 2 믹서(137)의 출력신호(, ) 및 정상 성분의 각주파수(ω)를 각각 제공받아 dq좌표를 αβ좌표로 역변환하여 실제 전류의 기본파 성분()을 구하는 역변환수단 (138)과, 상기 역변환수단(138)의 출력되는 실제 전류의 기본파 성분()과 전체 전류()를 각각 제공받아 믹싱한 후 고조파 전류성분()을 구하는 제 3 믹서(139), 및 상기 제 3 믹서(139)에서 구한 고조파 전류성분()을 증폭(k배)하여 보상 기준전압()을 구하는 증폭수단(140)을 포함하고 있다. That is, the algorithm of the
아울러, 상기 제 1 믹서(136)는 상기 제 2 LPF(133)에서 출력되는 교류신호()에서 제 3 LPF(135)에서 출력되는 교류성분()을 감산하도록 구성되어 있고, 상기 제 2 믹서(137)는 상기 제 2 LPF(133)에서 출력되는 직류신호()와 제 3 LPF(135)에서 출력되는 직류성분()을 가산하도록 구성되어 있으며, 상기 제 3 믹서(139)는 상기 역변환수단(138)의 출력되는 실제 전류의 기본파 성분()을 전체 전류()에서 감산하도록 구성되어 있다.In addition, the
따라서, 단상 능동전력필터는 비선형 부하(30)에 의해 발생하는 고조파 성분()을 보상해줌으로서, 안정적인 전원을 부하로 공급할 수 있도록 하는 데, 상기 다이오드정류기(10)를 사용하는 비선형 부하(30)에 의해 생성된 왜곡된 전류를 고조파검출기(130)에 입력시키고, 고조파검출기(130)를 통해 얻은 고조파 성분()에 k배를 취한 출력신호를 보상지령치(; 보상 기준전압)로 사용하게 된다.Accordingly, the single phase active power filter has a harmonic content generated by the nonlinear load 30 ( ) To supply a stable power supply to the load, inputting the distorted current generated by the
즉, 본 발명에서 제안한 알고리즘은 가상의 상을 사용하여 3상에서 사용하는 것과 같이 좌표계를 만들 수 있어, 단상에서 수행하기 힘든 순시 계산을 한 것이다.That is, the algorithm proposed in the present invention can make a coordinate system as used in the three phases using the virtual phase, and instantaneous calculation that is difficult to perform on a single phase is performed.
기존의 고정좌표를 이용한 방법은 전류의 위상을 T/4만큼 지연시키는 소프트웨어를 작성하거나 하드웨어적인 구성이 필요한데, 제안된 방법은 단순히 LPF를 사용함으로서 간단히 제 2의 상을 생성할 수 있는 장점을 가지고 있다. Existing methods using fixed coordinates require software or hardware configuration to delay the phase of the current by T / 4. The proposed method has the advantage of simply generating a second phase by simply using LPF. have.
그리고 두 축이 정확히 T/4의 위상차를 갖지 못할 경우 두 축 사이에 간섭이 발생하여 정확한 기본파 성분을 추출할 수가 없는데, 이 문제는 회전좌표계의 정상, 역상 성분을 이용하여 해결하였고, 상기 기본파 성분을 검출한 후 실제전류에서 전류의 기본파 성분을 빼줌으로서 고조파 성분을 구하였고, 이 고조파 성분에 k배를 취함으로서 보상 지령치를 구할 수 있다.If the two axes do not have exactly the phase difference of T / 4, interference occurs between the two axes, and the exact fundamental wave component cannot be extracted. This problem is solved by using the normal and reverse phase components of the rotational coordinate system. After detecting the wave component, the harmonic component is obtained by subtracting the fundamental wave component of the current from the actual current, and the compensation command value can be obtained by taking k times the harmonic component.
3상(a-b-c)에서 순시무효전력이론을 기본으로 한 고조파 검출 방법을 살펴보면, 처음에는 항상 3상/2상 변환(a-b-c to α-β)을 한 후 순시전력을 계산한다. In the harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory in three phases (a-b-c), the instantaneous power is always calculated after the three-phase two-phase conversion (a-b-c to α-β).
도 3에서와 같이 단상 회로에서는 위에 제시한 방법을 단지 실제 상에 시간지연을 줌으로써 가상의 상을 만들고, 간단하게 고정 좌표계(α-β co-ordinates)를 만들 수 있게 한다. In the single-phase circuit as shown in FIG. 3, the above-described method merely makes a virtual phase by giving a time delay to the actual phase, and makes it possible to simply create fixed coordinate systems (α-β co-ordinates).
이러한 방법으로 단상 시스템을 2상으로 변환하면 3상에서 사용하는 것과 같이 직교좌표 시스템을 적용하여 순시전력을 계산할 수 있다.By converting a single-phase system to two-phase in this way, instantaneous power can be calculated by applying a Cartesian coordinate system as used in three-phase.
실제의 단상 전류를 T/4(T: 기본파의 주기)만큼의 시간 지연을 주어 똑같은 형태의 가상의 상을 만드는 기존의 방법과 달리 저역통과필터(Low Pass Filter; LPF)의 지연특성을 이용하여 가상의 상전류를 유도했다. It uses the delay characteristics of the low pass filter (LPF) unlike the conventional method of creating a virtual phase of the same type by giving the actual single phase current a time delay of T / 4 (T: period of the fundamental wave). Induced virtual phase current.
제안된 방법은 두 축이 90°위상차, 같은 크기를 갖지 않아도 순시계산이 이루어지며 정확한 전류지령치를 검출할 수 있는 장점을 지닌다.The proposed method has the advantage that it is possible to detect the exact current setpoint even if the two axes have 90 ° phase difference and do not have the same size.
그럼, 도 2에서와 같이 실제의 전류의 성분을 로 놓고, 저역통과필터(LPF)를 통과한 후의 만큼 지연되고 크기가 감소한 전류신호는 라고 하고 각각 수학식 1, 2로 정의한다.Then, as shown in Figure 2 the actual component of the current After passing through the low pass filter (LPF) Delayed and reduced in magnitude And are defined by
상기 는 α축 전류로, 는 β축 전류로 각각 정의한다.remind Is the α-axis current, Are each defined by the β-axis current.
수학식 3의 두 성분을 이용하여 단상에서 두 축을 갖는 좌표계를 얻을 수 있다. Using two components of Equation 3, a coordinate system having two axes in a single phase may be obtained.
는 ω의 속도로 회전하는 전류의 성분을, 은 -ω의 속도로 회전하는 전류의 성분을 나타내고, 각각 전류의 정상 성분과 역상 성분으로 명명한다. Is the component of the current that rotates at the rate of ω, Denotes a component of a current rotating at a rate of -ω, and is named as the normal component and the reverse phase component of the current, respectively.
■ 정상성분에 대한 α-β, d-q 좌표 변환 ■ α-β, d-q coordinate transformation for the normal component
본 발명에서 제안하는 방법은 좌표변환을 통해 DC성분과 AC성분을 분리하여 DC성분만을 추출하여 역변환을 함으로서 실제전류의 기본파 성분을 얻는 것이 요지이다. The method proposed in the present invention is to obtain the fundamental wave component of the actual current by separating the DC component and the AC component through coordinate transformation and extracting only the DC component to perform the inverse transformation.
기본파 성분을 제외한 고조파 성분들은 좌표변환 후 AC성분으로 나타나기 때문에, 저역통과필터에 의해 차단된다. 이런 이유로 다음에 전개되는 수식에서는 좌표변환 후에 DC성분을 포함하는 의 기본파 성분()에 대해서만 수식을 전개하였다.Since the harmonic components except the fundamental components appear as AC components after the coordinate transformation, they are blocked by the low pass filter. For this reason, the equation that is developed next includes the DC component after the coordinate transformation. Fundamental wave component of ) Is developed only for
αβ dq 좌표변환을 수식으로 나타내면 아래 수학식 4로 표현할 수 있다.αβ If the kD coordinate transformation is expressed by an equation, it can be expressed by
상기 에 대하여 계산하면,remind Calculating for
로 나타낼 수 있다.It can be represented as.
상기 수학식 5에서와 는 각각 의 DC성분과 AC성분을 나타낸다.In
상기 를 와로 나눈 것처럼 을 DC성분과 AC성분으로 분리시킬 수 있다.remind To Wow As divided by It can be separated into DC component and AC component.
수학식 8에서 와는 다음의 수학식 9, 10으로 나타낸다.In equation (8) Wow Is represented by the following equations (9) and (10).
■ 역상성분에 대한 αβ, dq 좌표 변환■ αβ, δq coordinate transformation for inverse phase component
상기 정상성분에서 구한 방식과 마찬가지로 전류의 역상 성분도 각각 DC와 AC성분으로 나눌 수 있다.As in the method obtained from the normal component, the reverse phase component of the current may be divided into DC and AC components, respectively.
역상회전에 대한 αβ dq 좌표변환을 수식으로 나타내면,Αβ for reversed phase rotation If the coordinate transformation is represented by an equation,
이다. Negative sequence의 d축 전류는 수학식 12와 같다.to be. The d-axis current of the negative sequence is represented by Equation 12.
여기서, 및 는 아래 수학식 13, 14와 같다.here, And Is as shown in
Negative sequence의 q축 전류는 다음 수학식 15로 나타낸다.The q-axis current of the negative sequence is represented by the following equation (15).
여기서, 및 는 아래 수학식 16 및 17과 같다.here, And Is as shown in Equations 16 and 17 below.
상기에서 , 는 Negative sequence의 DC 성분을, , 는 AC 성분을 각각 나타낸다.From above , Is the DC component of the negative sequence, , Represents an AC component, respectively.
■ 보상 지령치 결정■ Settlement Setpoint
고조파 전류성분 를 구하기 위하여 새로운 상을 이용하여 2상 시스템을 구축하였다. 실제전류의 성분인 α축의 기본파 성분()을 구한 후, 전체전류() 에서 그 값을 빼줌으로서 구하고자 하는 고조파 성분을 얻을 수 있다. 이 고조파 성분에 k배함으로서 보상전압을 산출하였다.Harmonic Current Components In order to obtain a new phase, a two-phase system was constructed. Fundamental wave component of α-axis which is a component of actual current ), Then the total current ( We can get the harmonic component to get by subtracting the value from. The compensation voltage was calculated by k times this harmonic component.
수학식 6과 13을 이용하여 d축 전류의 DC 성분인를 수학식 18과 같이 구한다.Using the equations (6) and (13), the DC component of the d-axis current Is obtained as shown in Equation 18.
그리고, q축 전류의 DC성분 는 수학식 9와 16의 합에 의해 수학식 19와 같이 구해진다.And the DC component of the q-axis current Is obtained as in Equation 19 by the sum of Equations 9 and 16.
다음 수학식 20은 dq αβ 역변환 매트릭스이다.
여기서, 와 는 좌표변환 후의 α축과 β축의 기본파 성분이다.here, Wow Is the fundamental wave component of the α and β axes after the coordinate transformation.
고조파 성분을 구하는 데는 실제 전류인 α축 성분만 쓰이고, β축 성분은 사용하지 않는다. Only the α-axis component, which is the actual current, is used to find the harmonic components, and the β-axis component is not used.
실제 전류의 기본파 성분인 는 다음 수학식 21과 같다.The fundamental wave component of the actual current Is as shown in Equation 21 below.
고조파 성분 는 다음 수학식 22와 같다.Harmonic component Is as shown in Equation 22 below.
그리고, 전압 지령치()는 수학식 23과 같이 전류 고조파 성분에 k배를 함으로써 구할 수 있다.Then, the voltage setpoint ( ) Can be obtained by multiplying the current harmonic component by k times, as shown in Equation (23).
이와 같은 단상 하이브리드형 능동전력필터의 전반적인 동작을 도 2와 같이 나타내었으며, 는 실제 전류를 나타내고, ω는 전원전압에 동기하는 각주파수이고, dq αβ변환과, dq αβ 역변환은 다음 수학식 24와 같이 주어진다.The overall operation of such a single phase hybrid type active power filter is shown in FIG. Is the actual current, ω is the angular frequency synchronized with the power supply voltage, αβ conversion and dq αβ inverse transform is given by the following equation (24).
즉, 단상에서 좌표계를 형성하여 복소계산을 하기 위해서는 기존의 단상 전류 외의 상이 다른 전류 성분이 필요하며, 본 발명에서 제안된 알고리즘은 지연 특성을 지닌 LPF를 사용하여 쉽게 가상의 상()을 만들었다.That is, in order to perform complex calculation by forming a coordinate system in a single phase, a current component different from a conventional single phase current is required, and the algorithm proposed in the present invention can be easily simulated using an LPF having a delay characteristic. )
실험예Experimental Example
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 능동전력필터를 도시한 시스템도로서, 고조파검출기는, 전력검출기(110)로부터 출력되는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(129)와, 상기 A/D변환기(129)로부터 입력된 신호를 실제 전압, 전류값으로 변환한 후 제어알고리즘에 의해 보상 기준전압을 산출하는 디지털신호처리기(130; DSP), 및 상기 디지털신호처리기(130)에서 출력된 신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환기(141)로 이루어져 있다.4 is a system diagram showing an active power filter according to an embodiment of the present invention. The harmonic detector includes an A /
도 4에서 인버터(50)의 DC-링크단의 평활용으로 450[V], 4700[㎌] 용량의 전해콘덴서를 부착하여 인버터(50)의 입력 전압원을 사용하였고, 인버터(50)의 스위칭소자는 IGBT 모듈을 사용하였다.In FIG. 4, an input voltage source of the
그리고, 시스템의 부하로는 도 1과 같이 전류원 부하로 작용하는 단상 다이오드정류기(10)와 RL부하(30)를 사용하였다.As the load of the system, a single
전력검출기(110; PT 및 CT)를 통해 ±10[V]의 전압값으로 변환된 전압과 전류가 고조파검출기(130)의 A/D변환기(129)를 통해 소정 비트(16bit)의 디지털 값으로 변환되어 디지털신호처리기(130)에 입력된다. The voltage and current converted to the voltage value of ± 10 [V] through the power detectors 110 (PT and CT) are converted into digital values of predetermined bits (16 bits) through the A /
디지털신호처리기(130)에서는 이를 실제 전압, 전류 값으로 변환한 후에 소정의 제어알고리즘에 의해 보상 기준전압을 연산하게 된다.The
연산된 보상 기준전압은 다시 D/A변환기(141)를 통해 아날로그 신호로 변환되어 PWM발생부(150)로 전달되게 되고, PWM발생부(150)에서 D/A변환기(141)의 출력신호와 소정의 삼각파를 상호 비교하여 인버터제어신호를 출력하고, 인버터제어신호는 인버터구동수단(170)을 거쳐 인버터(50)를 구동하도록 구성하였다. The calculated compensation reference voltage is converted into an analog signal again through the D /
상기 인버터구동수단(170)은 40[kHz]까지 구동 가능한 게이트 드라이버를 사용하였고, 인버터(50)의 스위칭소자의 암단락을 방지하기 위하여 커패시터와 저항을 사용하여 대략 4[㎲]의 데드타임(Dead time)을 주었다.The inverter driving means 170 uses a gate driver capable of driving up to 40 [kHz] and uses a capacitor and a resistor to prevent a dark short of the switching element of the
하드웨어를 간략화하기 위하여 인버터(50)를 제외한 대부분의 알고리즘은 소프트웨어로 구성되었으며, 소프트웨어를 적용하기 위하여 고속, 고정도의 연산을 수행하기 위하여 디지털신호처리기(130)를 사용하였다. In order to simplify the hardware, most algorithms except for the
본 발명에서 마이크로프로세서로 사용된 디지털신호처리기는 고속, 고정도의 연산이 가능하며, 부동소수점 처리가 가능한 32-bit 디지털신호처리기(130; Digital Signal Processor)를 사용하였다. In the present invention, the digital signal processor used as a microprocessor uses a 32-bit
제안된 알고리즘의 성능 및 상태량은 디지털신호처리기(130)를 통해 연산되고 D/A변환기(141)를 통해 아날로그 값으로 변환된 신호는 외부 오실로스코프를 통 하여 확인할 수 있다.The performance and state quantity of the proposed algorithm are calculated through the
아래 표 1에는 실험에서 사용된 회로의 정수(constant)를 나타내었고, 표 2에는 병렬 수동필터의 회로 정수(circuit parameters)를 나타내었다. Table 1 below shows the constant of the circuit used in the experiment, and Table 2 shows the circuit parameters of the parallel passive filter.
실험에 사용된 비선형 부하(30)로는 RL 직렬부하와 연결된 단상 전파정류회로를 사용하였으며, 전원전압은 일상적으로 사용되는 110[V], 60[Hz]를 사용하였다. 단상시스템을 벡터 시스템으로 만들기 위하여 사용된 LPF의 차단주파수는 70[Hz]로 주었다. As the
인버터(50)의 DC-Link의 커패시터는 4700[μF], 다이오드정류기(10)의 출력단의 부하(30)는 35[mH]의 인덕터()와 15[Ω]의 저항()을 사용하였고, LC필터(20)의 인덕턴스()는 4[mH]를 사용하였고, 커패시턴스()는 0.5[μF]를 사용하였다. The DC-Link capacitor of the
도 2의 고조파 검출 알고리즘에서 DC 성분을 분리하는데 사용된 LPF의 차단주파수로는 20[Hz]를 사용하였다. In the harmonic detection algorithm of FIG. 2, 20 [Hz] was used as the cutoff frequency of the LPF used to separate the DC components.
이와 같이 구성한 상태에서 실험 결과를 살펴보면 아래와 같다.Looking at the experimental results in the state configured as described above are as follows.
본 실험예에서는 정상, 역상 성분 회전좌표계를 이용한 단상 하이브리드형 능동전력필터의 제어알고리즘을 적용한 실험 결과들을 제시하였다. In this experimental example, the experimental results applying the control algorithm of the single-phase hybrid active power filter using the normal, reversed-phase component rotational coordinate system are presented.
도 5 내지 도 7에서 보상 전, 수동필터로 보상 시와 수동필터와 능동전력필터로 동시에 보상하는 하이브리드형 능동전력필터로 보상 한 파형들을 보여준다.5 to 7 show waveforms compensated by a hybrid type active power filter that compensates with a passive filter and a passive filter and an active power filter before compensation.
즉, 도 5는 보상 전 실험파형으로서, 5a는 실제전류와 지연된 가상의 전류이고, 5b는 전류 스펙트럼(THD: 22.9%)이고, 5c는 회전좌표상의 d-q 전류성분이며, 5d는 좌표 상에서의 전류 벡터 궤적이다. That is, FIG. 5 is an experimental waveform before compensation, 5a is a real current and a delayed imaginary current, 5b is a current spectrum (THD: 22.9%), 5c is a dq current component on a rotational coordinate, and 5d is Current vector trajectory on the coordinates.
도 6은 병렬 수동전력 필터로 보상시 나타난 파형으로, 6a는 실제전류와 지연된 가상의 전류이고, 6b는 전류 스펙트럼(THD: 5.8%)이고, 6c는 회전좌표상의 d-q 전류성분이며, 6d는 좌표 상에서의 전류 벡터 궤적이다.6 is a waveform shown when compensating with a parallel passive power filter, 6a is a real current and a delayed imaginary current, 6b is a current spectrum (THD: 5.8%), 6c is a dq current component on a rotational coordinate, and 6d is Current vector trajectory on the coordinates.
도 7은 하이브리드 시스템으로 보상시 나타난 파형으로, 7a는 실제전류와 지연된 가상의 전류이고, 7b는 전류 스펙트럼(THD: 3.8%)이고, 7c는 회전좌표상의 d-q 전류성분이고, 7d는 좌표 상에서의 전류 벡터 궤적이다.7 is a waveform shown when the hybrid system is compensated, 7a is a real current and a delayed imaginary current, 7b is a current spectrum (THD: 3.8%), 7c is a dq current component of a rotational coordinate, and 7d is Current vector trajectory on the coordinates.
즉, 상기 도 5 내지 도 7의 각 (a)의 파형은 전원측 입력 전류와 필터링을 통하여 지연된 전류의 파형을 나타내고 있고, 도 5 내지 도 7의 각 (b)의 파형은 전원측 전류의 고조파 스펙트럼을 나타내고 있고, 도 5 내지 도 7의 각 (c)의 파형은 입력 전류를 d-q 좌표변환 후 각 축의 성분을 나타내고 있으며, 도 5 내지 도 7의 각 (d)의 파형은 좌표 상에서 회전하는 벡터의 궤적을 나타내고 있다. That is, the waveforms of each of (a) of FIGS. 5 to 7 represent waveforms of the input current and the delayed current through filtering, and the waveforms of each of (b) of FIGS. 5 to 7 represent the harmonic spectrum of the supply-side current. 5 to 7 show the components of each axis after dq coordinate conversion of the input current, and the waveform of each (d) of FIGS. The trajectory of the vector rotating on the coordinates is shown.
비보상시 전원측 전류의 THD는 약 22.9%에서 수동필터 보상시 약 5.8%로, 하이브리드형 능동전력필터로 보상시 약 3.8%로 파형이 개선됨을 보여주고 있으며, 수동필터로 보상된 나머지 성분을 직렬형 능동전력필터가 보상함으로써 능동전력필터의 소용량화가 가능함을 알 수 있다. In case of non-compensation, the THD of power supply current is about 22.9%, about 5.8% when passive filter compensation, and about 3.8% when compensating with hybrid active power filter, and the remaining components compensated by passive filter are in series. By compensating the active power filter, it can be seen that the active power filter can be reduced in capacity.
회전벡터의 파형은 정현파에 가까울수록 타원에 준하는 형태로 표현됨을 알 수 있다. It can be seen that the waveform of the rotation vector is expressed in the form of an ellipse as the sine wave gets closer.
도 8은 과도상태의 실험파형으로, 도 8에서 능동전력필터 투입시 과도상태를 보여주고 있으며, 빠른 응답과 전류위상의 변이를 보여주고 있다. FIG. 8 is an experimental waveform of a transient state, and shows a transient state when an active power filter is inserted in FIG. 8, and shows a quick response and a transition of a current phase.
8a는 실제전류와 지연된 가상의 전류이고, 8b는 부하단 전압 및 보상 전압이다.8a is the actual current and the delayed imaginary current, and 8b is the load stage voltage and the compensation voltage.
도 9에서는 비보상시, 수동필터로 보상시, 및 하이브리드형 능동전력필터로 보상시의 전원 전류 및 전압의 파형과 수동필터의 전류 및 부하단 전압을 보여주고 있다. 9 shows waveforms of power current and voltage at the time of non-compensation, compensation with the passive filter, and compensation with the hybrid active power filter, and current and load terminal voltage of the passive filter.
9a는 비보상시 전원 전류 및 전압이고, 9b는 수동필터로 보상시 전원 전류 및 전압이고, 9c는 하이브리드형 능동전력 필터로 보상시 전원 전류 및 전압이며, 9d는 하이브리드형 능동전력 필터로 보상 시 필터 전류 및 부하단 전류이다.9a is the power current and voltage at non-compensation, 9b is the power current and voltage at compensation with passive filter, 9c is the power current and voltage at compensation with hybrid active power filter, 9d is filter at compensation with hybrid active power filter Current and load-stage current.
이때의 전원 전류는 5.9[A]에서 13.9[A]로 그리고 13.8[A]로 변화하고, 역률은 지상 0.93에서 진상 0.46으로 변화되고, 하이브리드형 능동전력필터로 보상시 역률이 지상 0.99로 제어되고 있다. At this time, the power current is changed from 5.9 [A] to 13.9 [A] and 13.8 [A], and the power factor is changed from 0.93 above ground to 0.46, and the power factor is controlled to 0.99 above ground when compensating with a hybrid active power filter. have.
이러한 결과는 고조파 성분을 보상함으로써 역률 또한 개선되고 있음을 보여주고 있다. These results show that the power factor is also improved by compensating harmonics.
또한 수동필터에는 무효전력 성분과 고조파 성분을 함유한 전류가 크게 흐름으로써 수동필터 사용시 전원측에 전압 강하 등의 형태로 부담으로 작용하게 된다.In addition, the passive filter has a large current flowing in the reactive power component and harmonic components, causing a burden in the form of voltage drop on the power supply side when the passive filter is used.
따라서, 본 발명에서는 단상 비선형 부하(30)에 의해 발생하는 고조파 저감의 한 방법인 단상 하이브리드형 능동전력필터에 대하여 제어방법을 제시하였는데, 기존의 방법에서는 고조파를 검출하는데 최소 반주기의 시간이 소요되어 실시간 연산이 어렵다. Therefore, in the present invention, a control method is proposed for a single phase hybrid type active power filter, which is a method of reducing harmonics generated by the single phase
제안된 제어방법을 DSP를 사용하여 실시간 제어가 가능하게 하였으며, PWM제어를 통해 인버터(50)를 구동하였다. RL부하(30)에 대하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였고, 그 결과들을 제시하였다. The proposed control method enables real-time control using DSP and drives
수동필터만으로 동작시켰을 경우 THD는 약 5.8%이였으나, 하이브리드 능동전력필터로 보상시 THD는 약 3.8%로 2%정도 고조파 성분이 제거되었음을 확인하였다. 이는 IEEE의 고조파 규제치인 5% 미만을 만족하는 것으로 제안된 방법은 상당히 타당하다는 것을 알 수 있다.THD was about 5.8% when operated with passive filter alone, but THD was about 3.8% and 2% of harmonics were removed when compensating with hybrid active power filter. It can be seen that the proposed method satisfies the IEEE's harmonic regulation of less than 5%.
아울러, 이와 같은 단상 능동전력필터는 산업기기뿐만 아니라 대형 빌딩이나 대단위 아파트 등에 소용량으로 분산되어 있는 부하에 양질의 전력을 공급하기 위해서 사용하거나 EMI의 원인이 되는 가전제품에 단상 소용량 능동전력필터를 적용하여 사용할 수 있다. In addition, such single-phase active power filter is used to supply high-quality power to loads distributed in small capacity in large buildings or large apartments as well as industrial equipment, or apply single-phase small capacity active power filter to home appliances that cause EMI. Can be used.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.While specific embodiments of the present invention have been described and illustrated above, it will be apparent that the present invention may be embodied in various modifications by those skilled in the art. Such modified embodiments should not be understood individually from the technical spirit or the prospect of the present invention, but should fall within the claims appended to the present invention.
따라서, 본 발명에서는 전압형 인버터를 적용한 산업기기나 가전제품 보급의 증가와 함께 콘덴서 입력형 다이오드정류기를 사용하는 기기들의 전원측에서의 전력의 질을 개선하고 부하 측에서 발생하는 무효전력과 고조파를 억제하고 순간적인 유효전력을 보상할 수 있는 이점이 있다.Therefore, the present invention improves the quality of power at the power supply side and suppresses reactive power and harmonics generated at the load side with the increase in the spread of industrial equipment or home appliances to which voltage voltage inverters are applied. And there is an advantage that can compensate for the instantaneous active power.
여러 종류의 부하를 사용하는 시스템에서 각 부하 그룹에 단상 능동전력필터를 사용함으로서 3상 능동전력필터를 사용하는 것에 비해 보상 특성이 개선되고, 고조파전류 때문에 야기되는 각종 문제들을 극복, 전력용 소자들의 수명 연장 및 전기기기에서의 소음을 제거할 수 있는 이점이 있다.By using single-phase active power filter in each load group in the system using several types of loads, the compensation characteristics are improved compared to the three-phase active power filter, and various problems caused by harmonic current are overcome. It has the advantage of extending the life and eliminating noise from the electric equipment.
또한, 역률이 개선됨으로써 전기에너지의 고효율, 고품질화를 이룰 수 있고, 단상 능동전력필터는 각 상의 부하 그룹에 대하여 보상이 이루어지므로 불평형 부하에 대한 보상이 보다 효과적이며, 전원측을 안정화함으로서 전압, 전류의 변동에 따른 생산제품의 품질저하 문제를 해결할 수 있으며, 안정적인 전원 공급으로 최근 무인화, 자동화되고 있는 전력 시스템의 질적 수준을 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to achieve high efficiency and high quality of electric energy by improving power factor, and compensating for unbalanced load is more effective because single phase active power filter is compensated for load group of each phase. It can solve the problem of deterioration of the product due to the fluctuation, and can improve the quality level of the power system which is being unmanned and automated recently with stable power supply.
마지막으로, 단상 능동전력필터는 기존의 3상 능동전력필터에 비해서 용량이 작고 가격이 저렴하여 제조비용이 상당히 경제적이며, 전기철도, 전기로 등의 대형단상 부하의 고조파 및 역율을 보상함으로써 전력의 품질을 개선할 수 있는 이점이 있다.Finally, single-phase active power filters have smaller capacities and lower costs than conventional three-phase active power filters, making manufacturing costs considerably more economical. Compensating the harmonics and power factor of large single-phase loads such as electric railways and electric furnaces There is an advantage to improve quality.
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