KR101039310B1 - Hybrid Active Power Filter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합형 능동 전력 필터에 관한 것으로, 공급 전원과 비선형 부하 사이에 저대역 필터를 마련하여 기본파 이외의 고주파수 성분을 필터링하고, 여기서 저대역 필터의 공진 현상을 억제하며 저주파수 대역의 고조파 전류를 필터링하기 위한 보상 전류를 제공할 수 있는 능동 전력 필터를 저대역 필터에 연결하는 복합형 능동 전력 필터이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hybrid active power filter, comprising: providing a low band filter between a supply power supply and a nonlinear load to filter high frequency components other than the fundamental wave, whereby the resonance phenomenon of the low band filter is suppressed and the low frequency band harmonic current It is a hybrid active power filter that connects an active power filter to the low pass filter that can provide a compensation current for filtering the PSA.
능동 전력 필터, 저대역 필터, L-C 필터, 비선형 부하 Active Power Filter, Low Band Filter, L-C Filter, Nonlinear Load
Description
본 발명은 복합형 능동 전력 필터에 관한 것으로, 특히 공급 전원과 비선형 부하 사이에 발생하는 고주파를 제거하기 위하여 저항이 없는 수동 필터를 이용하고, 수동 필터에 의해 발생하는 공진 주파수 성분 및 비선형 부하에 의해 발생하는 저주파수 대역의 고조파 선류 성분을 능동 필터에서 적절하게 제거함으로써, 수동 필터의 부피 및 무게, 손실 전력을 최소화하여 전체적으로 소형화 및 경량화가 가능한 복합형 능동 전력 필터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hybrid active power filter, and in particular, a passive filter without resistance is used to remove high frequencies generated between a supply power supply and a nonlinear load, and the resonance frequency component and the nonlinear load generated by the passive filter are used. The present invention relates to a complex active power filter capable of miniaturizing and reducing overall weight by minimizing the volume, weight, and loss power of a passive filter by appropriately removing the generated low frequency band harmonic flow components from an active filter.
전기가 개발된 이후, 전기를 이용하는 장치들 또한 매우 다양하게 개발되고 있다. 이러한 다양한 장치들은 전기에 대하여 크게 선형 부하 특성을 나타내는 장치와 비선형 부하 특성을 가지는 장치로 구분될 수 있다. 선형 부하 특성을 가지는 장치들은 특성이 선형으로 나타나기 때문에 특성 예측이 쉽고 보상이 쉬운 반면, 장치를 구성하는 소자가 수동 소자로 형성되기 때문에 장치의 크기가 매우 커지는 단점이 있다. 그리고 비선형 부하 특성을 가지는 장치들은 특성이 비선형으로 나타나기는 하나, 구성 소자가 수동 소자에 비하여 작고 구성하기가 용이하기 때문에 각종 산업분야에서 많이 이용되고 있는 추세이다.Since the development of electricity, devices using electricity have also been developed in various ways. These various devices can be divided into a device having a large linear load characteristics and a non-linear load characteristic with respect to electricity. Devices having a linear load characteristic have a disadvantage in that the size of the device is very large because the characteristics are linear and the characteristics are easy to predict and easy to compensate. In addition, devices having a non-linear load characteristic is a trend that is widely used in various industrial fields because the characteristics appear non-linear, but the component is small and easy to configure compared to the passive element.
그러나 비선형 부하 특성을 가지는 장치들은 전원단, 전송로 및 기타 주변 기기 등에 의한 왜곡이 필연적으로 발생하기 때문에, 이러한 왜곡을 해결하기 위한 다양한 형태의 수동 전력 필터 및 능동 전력 필터가 마련되어져야 한다.However, since devices having nonlinear load characteristics inevitably generate distortions due to power stages, transmission lines, and other peripheral devices, various types of passive power filters and active power filters must be provided to solve such distortions.
이러한 이유로 능동 전력 필터는 비선형 부하기기가 적용된 장치에 배치되고, 전원 품질의 개선을 위해 부하전류에 포함된 고조파 전류를 제거하는 기능을 한다. 능동 전력 필터는 회로적으로 분류하면, 전류형 인버터를 사용하는 전류형 능동 전력필터와 전압형 인버터를 사용하는 전압형 능동 필터로 구분될 수 있다. 전류형 능동 필터는 보상속도가 빠른 장점을 가지나 보상 전류에 포함된 고주파 성분을 필터링하기 위해 R//L - C 형태의 다수의 필터(5차 동조필터, 7차 동조필터, 7차 이상의 고역통과 필터)를 병렬로 채용한다. 이로 인해 전류형 능동 필터는 60[Hz] 전력 계통에서 볼 때, 기본파 역률저하가 발생하며, 저항에서 추가적인 전력 손실이 발생하고, 부피가 커지는 단점을 가지게 된다.For this reason, active power filters are placed in devices with nonlinear loads, and function to remove harmonic currents contained in the load current to improve power quality. Active power filters are classified into circuits, and may be classified into a current type active power filter using a current type inverter and a voltage type active filter using a voltage type inverter. Current type active filter has the advantage of fast compensation speed, but many filters of R // L-C type (5th order tuning filter, 7th order tuning filter, 7th order high pass to filter high frequency components included in compensation current) Filter) in parallel. As a result, current-type active filters suffer from a fundamental power factor drop in the 60-Hz power system, additional power loss in the resistors, and bulkiness.
한편, 전압형 능동 필터는 전력 계통과 인버터 사이에 임피던스 버퍼 역할을 하는 인덕터를 추가하고 인덕터에 흐르는 전류가 제거해야 할 고조파 전류가 되도록 인버터를 제어하여 부하전류에 포함된 고조파 전류를 제거하게 된다. 이에 따라 전압형 능동 필터는 인버터의 전류제어 속도에 의해 고조파 전류 보상 성능이 결정된다. 결과적으로 전압형 능동 필터는 전류형 인버터에 비해 높은 차수의 고조파 전류에 대한 보상 성능이 떨어지는 단점이 있다. 그러나 전압형 능동 필터는 추가적인 필터를 사용하지 않기 때문에 전류형 능동 필터에 비하여 회로 구성이 간단한 장점이 있다.Meanwhile, the voltage type active filter removes harmonic currents included in the load current by adding an inductor serving as an impedance buffer between the power system and the inverter and controlling the inverter so that the current flowing through the inductor is a harmonic current to be removed. Accordingly, the harmonic current compensation performance of the voltage type active filter is determined by the inverter's current control speed. As a result, the voltage-type active filter has a disadvantage in that the compensation performance for higher-order harmonic currents is lower than that of the current inverter. However, the voltage-type active filter does not use an additional filter, so the circuit configuration is simpler than the current-type active filter.
도 1은 종래 복합형 능동 전력 필터를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a conventional hybrid active power filter.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 복합형 능동 전력 필터는 비선형 부하(20)에서 발생하는 왜곡된 전류가 공급 전원(10) 측으로 유입되는 것을 막기 위하여 공급 전원(10)과 비선형 부하(20) 사이에 능동 필터(30)와 수동 필터(40)를 채용한다.As shown in FIG. 1, the conventional hybrid active power filter includes a
이때, 수동 필터(40)는 특정 차수의 고조파 성분을 제거하기 위하여 인덕터와 커패시터가 직렬로 연결된 동조 필터(예를 들면, 5차 분로, 7차 분로 및 11차 분로를 가지는 동조 필터)와 11차 이상의 고차 성분을 제거하기 위하여 고차 필터를 포함한다. 그리고 종래 복합형 능동 전력 필터는 수동 필터(40)가 제거한 고조파 성분 이외의 성분을 제거하기 위하여 능동 필터(30)를 채용한다.In this case, the
이러한 구성을 가지는 종래 복합형 능동 전력 필터에서 고차 필터는 다양한 고차 성분을 제거하기 위하여 저항을 삽입하여 구성하게 된다. 이때 삽입된 저항은 공급 전원에 대하여 저항으로 작용하기 때문에 종래 복합형 능동 전력 필터는 삽입된 저항으로 인한 전력 손실이 발생할 수 있다.In the conventional hybrid active power filter having such a configuration, the higher order filter is configured by inserting a resistor to remove various higher order components. In this case, since the inserted resistor acts as a resistance to the power supply, the conventional hybrid active power filter may cause power loss due to the inserted resistor.
상술한 전력 손실의 문제를 해결하기 위하여 고차 필터에서 저항을 제거하는 것을 고려해 볼 수 있다. 그러나 고차 필터에서 저항을 제거하는 경우, 고차 필터는 특정 고조파 성분만을 제거하게 되는 동조필터로 동작하게 됨으로 특정 차수의 고조파 전류에 대해서만 필터로 동작하게 된다. 그리고 저항이 제거된 고차 필터는 다른 특정 차수 전압에 대해서는 단락회로로 동작하여 시스템의 안정성을 악화시키게 된다.In order to solve the problem of power loss described above, it may be considered to remove the resistance from the higher order filter. However, when the resistance is removed from the higher order filter, the higher order filter operates as a tuning filter that removes only specific harmonic components, and thus operates as a filter only for harmonic currents of a specific order. In addition, the higher-order filter with the resistance removed short-circuits the system for other specific order voltages, thereby degrading the stability of the system.
따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 필요성을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 저항을 포함하는 고대역통과 필터의 부피를 경감시킬 수 있는 높은 차단 주파수를 가지며 저항이 없는 수동 필터를 채용하고, 경부하시 발생할 수 있는 수동 필터의 공진 현상에 대하여 댐퍼 역할을 수행할 수 있는 능동 필터를 포함하는 복합형 능동 전력 필터를 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the necessity of the above-described prior art, and an object of the present invention is to adopt a passive filter having a high cutoff frequency capable of reducing the volume of a high pass filter including a resistor and having no resistance. In addition, the present invention provides a hybrid active power filter including an active filter capable of acting as a damper against a resonance phenomenon of a passive filter that may occur at light load.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 복합형 능동 전력 필터는, 공급 전원과 비선형 부하 사이에 배치되는 저대역 통과 필터; 및 상기 저대역 통과 필터에 연결되어 상기 저대역 통과 필터에 의해 발생되는 공진 억제 루프를 제공하는 능동 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, a hybrid active power filter includes: a low pass filter disposed between a supply power supply and a nonlinear load; And an active filter connected to the low pass filter to provide a resonance suppression loop generated by the low pass filter.
여기서, 상기 저대역 통과 필터는 상기 공급 전원과 상기 비선형 부하 사이에 직렬로 연결되는 인덕터; 상기 인덕터와 상기 비선형 부하 사이의 노드; 및 상기 노드에 연결되는 커패시터;를 포함할 수 있다.Wherein the low pass filter comprises an inductor connected in series between the supply power and the nonlinear load; A node between the inductor and the nonlinear load; And a capacitor connected to the node.
그리고 상기 능동 필터는 상기 노드에 접속되어 상기 공급 전원에서 발생하는 부하 전류에 대한 보상 전류를 생성하여 전달하는 것으로, 상기 능동 필터에서 발생하는 보상 전류를 상기 저대역 통과 필터에 의해 발생하는 공진 주파수에 대응하는 고조파 신호로 생성되도록 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.The active filter is connected to the node to generate and deliver a compensation current for the load current generated from the power supply, and the compensation current generated by the active filter is generated at a resonance frequency generated by the low pass filter. The controller may further include a controller configured to generate a corresponding harmonic signal.
이러한 상기 제어기는 상기 노드에서의 부하 전류를 검출하는 고조파 신호 검출기; 상기 노드에서 검출되는 전압에 대한 이동 평균을 연산하는 이동 평균 연산기; 상기 이동 평균 연산기의 출력을 상기 노드에서 검출되는 전압으로부터 감산하는 감산기; 상기 감산기로부터 출력되는 신호를 상기 저대역 통과 필터의 공진 주파수에 대응되도록 이득을 조정하는 이득 조정기; 상기 고조파 신호 검출기로부터 출력되는 보상 전류 기준 신호와 상기 이득 조정기로부터의 출력을 합산하는 합산기; 및 상기 합산기 출력을 바탕으로 상기 노드에 제공되는 보상 전류를 생성하도록 상기 능동 필터를 제어하는 전류 제어기;를 포함할 수 있다.The controller includes a harmonic signal detector for detecting a load current at the node; A moving average calculator for calculating a moving average for the voltage detected at the node; A subtractor for subtracting the output of the moving average calculator from the voltage detected at the node; A gain adjuster for adjusting a gain output from the subtractor to correspond to a resonance frequency of the low pass filter; A summer for adding up the compensation current reference signal output from the harmonic signal detector and the output from the gain regulator; And a current controller controlling the active filter to generate a compensation current provided to the node based on the summer output.
한편, 상기 인덕터를 L, 상기 커패시터를 C라고 할 경우, 상기 저대역 통과 필터의 출력에 포함되는 공진 주파수는 의 배수가 될 것이다.On the other hand, if the inductor is L and the capacitor is C, the resonance frequency included in the output of the low pass filter is Will be a multiple of.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 복합형 능동 전력 필터는, 공급 전원과 비선형 부하 사이에 배치되어 고차 성분을 필터링하는 저대역 통과 필터; 및 상기 저대역 통과 필터의 출력에 포함되는 공진 주파수에 대응하는 부하 전류를 제거하기 위한 가상 저항에 대응하는 보상 전류를 생성하는 제공하는 능동 필터;를 포함할 수 있다.A hybrid active power filter according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the low-pass filter disposed between the supply power supply and the non-linear load to filter the higher order components; And an active filter configured to generate a compensation current corresponding to a virtual resistor for removing a load current corresponding to a resonance frequency included in an output of the low pass filter.
여기서 상기 능동 필터는 상기 보상 전류를 생성하도록 제어하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 공급 전원과 상기 비선형 부하 사이에 위치하는 노드에서의 부하 전류를 검출하는 고조파 신호 검출기; 상기 노드에서 검출되는 전압에 대한 이동 평균을 연산하는 이동 평균 연산기; 상기 이동 평균 연산기의 출력 을 상기 노드에서 검출되는 전압으로부터 감산하는 감산기; 상기 감산기로부터 출력되는 신호를 상기 저대역 통과 필터의 공진 주파수에 대응되도록 이득을 조정하는 이득 조정기; 상기 고조파 신호 검출기로부터 출력되는 보상 전류 기준 신호와 상기 이득 조정기로부터의 출력을 합산하는 합산기; 및 상기 합산기 출력을 바탕으로 상기 공급 전원에서 발생하는 고조파 성분 중 특정 차수에 대하여 가상 저항이 되도록 능동 필터를 제거하는 전류 제어기;를 포함할 수 있다.Wherein the active filter further comprises a controller for controlling to generate the compensation current, the controller comprising: a harmonic signal detector for detecting a load current at a node located between the supply power supply and the nonlinear load; A moving average calculator for calculating a moving average for the voltage detected at the node; A subtractor for subtracting the output of the moving average calculator from the voltage detected at the node; A gain adjuster for adjusting a gain output from the subtractor to correspond to a resonance frequency of the low pass filter; A summer for adding up the compensation current reference signal output from the harmonic signal detector and the output from the gain regulator; And a current controller that removes the active filter to become a virtual resistance for a specific order among harmonic components generated from the supply power based on the summer output.
상술한 바와 같이 본 발명의 복합형 능동 전력 필터에 따르면, 저항과 같은 에너지 소자를 사용하지 않고 자체 에너지 소비가 거의 없으며, 넓은 범위에서 필터링이 가능한 수동 필터의 능력과, 수동 필터에서 발생하는 공진 현상을 제거할 수 있는 능동 필터를 마련하여 전체 시스템을 적절하게 설계할 수 있어, 수동 필터의 부피 및 무게, 손실 전력을 최소화할 수 있다.As described above, according to the hybrid active power filter of the present invention, there is little self energy consumption without using an energy element such as a resistor, the ability of the passive filter to filter in a wide range, and the resonance phenomenon of the passive filter. By providing an active filter that eliminates these components, the entire system can be designed appropriately, minimizing the volume, weight, and power dissipation of passive filters.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the embodiment of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다 는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, and the inventors are appropriate to the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as meanings and concepts in accordance with the technical spirit of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 설명되어지는 복합형 능동 전력 필터는 공급 전원과 비선형 부하 사이에 저대역 필터로서 작용하는 수동 필터를 마련하고, 수동 필터의 공진 현상을 제거하기 위하여 능동 필터를 마련하는 것을 특징으로 한다. 여기서 수동 필터는 인덕터와 커패시터가 병렬로 배치되어 공급 전원과 비선형 부하 사이에서 부하 전류에 대하여 저대역 통과 필터로서 작용하게 된다. 본 발명에서 인덕터와 커패시터의 각 용량 값은 사용되는 공급 전원과 비선형 부하에 따라 각기 다른 값들이 사용될 수 있으므로, 그에 대한 정량적인 값을 한정하지 않기로 한다.The hybrid active power filter described below is characterized by providing a passive filter acting as a low band filter between the supply power supply and the nonlinear load, and providing an active filter to eliminate resonance of the passive filter. Here, the passive filter is arranged in parallel with the inductor and the capacitor to act as a low pass filter for the load current between the supply and the nonlinear load. In the present invention, each capacitance value of the inductor and the capacitor may be different values depending on the power supply and the nonlinear load used, and thus, the quantitative value thereof will not be limited.
한편, 수동 필터에 채용되는 인덕터와 커패시터의 용량 값에 따라 생성되는 공진 주파수 값이 달라짐으로써, 수동 필터의 공진 현상을 방지하기 위한 능동 필터의 보상 전류 값 또한 수동 필터의 특성에 따라 달라질 수 있을 것이다. 이를 보다 상세히 설명하면, 능동 필터를 제어하는 제어기는 능동 필터에서 발생하는 보상 전류 형성 시, 수동 필터의 특정 노드의 전압 노드에 대하여 보상 전류를 제공하게 되는데, 이때, 제어기는 이동 평균 연산을 이용하여 특정 노드에서의 보상 전류에 대한 오차를 줄일 수 있다. 그리고 제어기는 이동 평균 연산을 적용함으로써 현재 발생하는 부하 전류를 이전 검출된 신호값들과 함께 즉각적으로 보상 전류에 적용 하는데 이용하게 된다.Meanwhile, since the resonant frequency value generated according to the capacitance values of the inductor and the capacitor used in the passive filter is changed, the compensation current value of the active filter for preventing the resonance phenomenon of the passive filter may also vary according to the characteristics of the passive filter. . In more detail, the controller controlling the active filter provides the compensation current to the voltage node of a specific node of the passive filter when the compensation current generated in the active filter is generated. The error of compensation current at a particular node can be reduced. The controller then uses the moving average operation to apply the current load current to the compensation current immediately along with the previously detected signal values.
이하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 복합형 능동 전력 필터에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이하에서 설명되어지는 복합형 능동 전력 필터에 대한 도면은 3상 전력계통에서 적용되는 사례를 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a hybrid active power filter according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawing of the hybrid active power filter described below describes an example applied to the three-phase power system, but the present invention is not limited thereto.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3상 전력 계통에 적용될 수 있는 복합형 능동 전력 필터의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.2 schematically illustrates a configuration of a hybrid active power filter that can be applied to a three-phase power system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 복합형 능동 전력 필터는 공급 전원(110) 및 비선형 부하(120)를 포함하며, 공급 전원(110)과 비선형 부하(120) 사이에 저대역 필터로서 작용하는 수동 필터(130), 수동 필터(130)에 연결되는 능동 필터(140)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the hybrid active power filter of the present invention includes a
수동 필터(130)는 공급 전원(110)과 비선형 부하(120) 사이에서 인덕터와 커패시터가 병렬로 연결됨으로써 저대역 필터로서 작용한다. 이에 따라 수동 필터(130)는 공급 전원(110)과 비선형 부하(120) 사이에서 넓은 범위의 고조파 성분을 제거할 수 있다.The
능동 필터(140)는 수동 필터(130)의 인덕터와 커패시터 사이에 연결되어 수동 필터(130)의 출력에서 발생할 수 있는 전압 왜곡 현상을 제거한다. 이를 위하여 능동 필터(140)는 수동 필터(130)의 인덕터와 커패시터 사이에 배치되는 인덕터, 인덕터와 직렬로 연결되는 컨버터를 포함하고, 컨버터에 전원을 공급하는 공급 전원을 포함한다. 여기서 컨버터의 전원은 컨버터가 별도의 전원 공급 없이 자체적으 로 전원을 공급할 수 있는 DC-링크 전압을 유지하는 경우 제거될 수 있다.The
상술한 바와 같이, 본 발명의 복합형 능동 전력 필터는 공급 전원(110)과 비선형 부하(120) 사이에 저대역 필터를 마련하여 높은 차수의 성분을 제거하되, 저항을 사용하지 않고, 인덕터와 커패시터를 이용하여 구현함으로써, 손실 전력을 최소화할 수 있다.As described above, the hybrid active power filter of the present invention provides a low-pass filter between the
이러한 복합형 능동 전력 필터에 대하여 도 3을 이용하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 도 2의 3상 전력 계통을 일반화하여 나타낸 블록도이다.This hybrid active power filter will be described in more detail with reference to FIG. 3. FIG. 3 is a block diagram generalizing the three-phase power system of FIG. 2.
도 3을 참조하면, 복합형 능동 전력 필터는 공급 전원(110)과 비선형 부하(120) 사이에 인덕터(L), 인덕터(L)와 비선형 부하(120) 사이의 노드 즉, 전압 노드(Va)를 포함하고, 전압 노드(Va)에서 인덕터(L)와 병렬로 연결되는 커패시터(C), 전압 노드(Va)에서 커패시터(C)와 병렬로 연결되는 능동 필터(140), 능동 필터(140)의 출력을 제어하는 제어기(150)를 포함한다.Referring to FIG. 3, a hybrid active power filter includes an inductor L between a
인덕터(L)와 커패시터(C)는 병렬로 연결되어 저대역 통과 필터의 특성을 가지는 수동 필터(130)가 된다. 이에 따라 전력 계통에 대하여 저대역 통과 필터로서 동작하는 인덕터(L)와 커패시터(C)는 공급 전원(110)으로 흐르는 부하 전류(Iload)의 고차 성분을 필터링할 수 있다. 한편 수동 필터(130)는 인덕터(L)와 커패시터(C)를 병렬로 구성한 것이기 때문에, 그에 따른 공진 주파수가 발생할 수 있다. 즉, 수동 필터(130)는 경부하시 또는 과도 상태시 인덕터(L)와 커패시터(C)에 의한 공진 현상이 발생하게 되어 수학식 1과 같은 공진 주파수를 가지게 된다.The inductor L and the capacitor C are connected in parallel to form a
능동 필터(140)는 이러한 수동 필터(130)의 공진 현상을 억제하도록 공급 전원에서 생성되는 전류의 기본파 이외의 성분에 대하여 가상 저항이 형성되도록 제어된다. 다시 말하여 능동 필터(140)는 일정한 보상 전류(Icom)를 전력 계통에 공급함으로써, 공진 현상에 의해 발생하는 기본파 이외의 성분을 제거할 수 있다. The
제어기(150)는 능동 필터(140)가 공진 현상에 의하여 발생하는 기본파 이외의 고차 성분을 검출하고 제거할 수 있도록 특정 제어 신호를 생성하여 능동 필터(140)의 스위치 즉 컨버터에 제공한다. 이때, 제어기(150)는 능동 필터(140)가 제공하는 보상 전류(Icom)가 상기 수동 필터의 출력에서 발생하는 공진 현상을 제거하기 위하여 수동 필터의 공진 주파수 및 공진 주파수의 배수에 대응되는 신호가 되는 것이 바람직하다.The
이러한 제어기(150) 구성에 대하여 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 제어기(150) 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.This
도 4를 참조하면, 본 발명의 제어기(150)는 고조파 신호 검출기(151), 이동 평균 연산기(153), 합산기(154), 이득 조정기(155), 감산기(152) 및 전류 제어기(157)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the
고조파 신호 검출기(151)는 공급 전원(110)에서 발생하는 고조파 신호 즉 부 하 전류(Iload)를 검출한다. 그리고 고조파 신호 검출기(151)는 검출된 부하 전류에 대응하는 고조파 신호를 상쇄하기 위한 보상 전류를 능동 필터(140)가 발생시킬 수 있도록 기준 신호(Icom*)를 생성한다. 생성된 보상 전류의 기준 신호(Icom*)는 합산기(154)에 전달된다.The
이동 평균(Moving Average) 연산기(153)는 전압 노드(Va)에서 검출되는 전압에 대한 이동 평균을 연산한다. 이러한 이동 평균 연산기(153)는 공급 전원의 전원 크기나 비선형 부하의 특성에 따라 이동 평균이 포인트 개수를 조정할 수 있다. 예를 들어, 이동 평균 포인트가 5인 경우, 이동 평균 연산기(153)의 출력은 전압 노드(Va)에서 검출되는 전원을 일정 시간 별로 검출하여 5개의 전원을 검출하고, 이를 5로 나눈 후 계산되는 이동 평균이 될 수 있다. 이와 같은 과정을 통하여 이동 평균 연산기(153)는 전압 노드(Va)에서의 고차 성분을 제거할 수 있다. 이동 평균 연산기(153)의 출력은 감산기(152)에 전달된다.Moving average (Moving Average)
감산기(152)는 전압 노드(Va)에서 현재 검출되는 전원에서 이동 평균 연산기(153)의 출력을 감산한다. 이에 따라, 전압 노드(Va)에서는 공급 전원(110)에 의해 발생하는 고차 성분을 검출할 수 있다. 감산기(152)의 출력은 이득 조정기(155)에 전달된다.The
이득 조정기(155)는 감산기(152)로부터 출력되는 신호의 이득을 조정하여 합산기(154)에 전달된다. 이득 조정기(155)의 이득값 K는 공급 전원(110)에서 발생되 는 고조파 신호 및 저대역 필터를 구성하는 인덕터(L)와 커패시터(C)에 의해 형성되는 공진 주파수에 따라 변경될 수 있다. 이득 조정기(155)는 감산기(152)로부터 전달받은 신호를 일정값의 이득을 적용한 후, 합산기(154)에 전달한다.The
합산기(154)는 고조파 신호 검출기(151)로부터 전달받은 보상 전류의 기준 신호(Icom*)와 이득 조정기(155)로부터 전달받은 전압 노드(Va)에서의 고차 성분을 이득 조정한 값을 합산한 후, 이를 전류 제어기(157)에 전달한다.The
전류 제어기(157)는 합산기(154)로부터 전달되는 신호에 따라 능동 필터의 컨버터를 조정하여 보상 전류를 생성하고 이를 전력 계통 즉, 전압 노드(Va)에 제공한다. 이에 따라, 능동 필터(140)는 부하 전류(Iload)의 특정 고차 성분에 대해서만 가상적으로 저항이 삽입되는 효과를 발생시킬 수 있어, 전체적으로 공진 억제 루프를 형성할 수 있다.The
상술한 바와 같이, 본 발명의 복합형 능동 전력 필터는 공급 전원(110)과 비선형 부하(120) 사이에 인덕터와 커패시터(C)를 이용한 저대역 수동 필터를 마련하여 부하 전류(Iload)의 광범위한 고차 성분을 필터링할 수 있다. 그리고 상기 복합형 능동 전력 필터는 수동 필터(130)에서 발생하는 공진 현상을 제거하기 위하여 전압 노드(Va)에서 발생하는 전압에 대하여 이동 평균 연산으로 출력된 신호를 원 신호에서 차감한 후, 적정한 이득 즉, 인덕터(L)와 커패시터(C)에 의해 발생하는 공진 주파수에 대응되는 공진 현상을 제거하기 위한 이득을 적용한 후, 고조파 신 호 검출기(151)에서 검출한 보상 전류 기준 신호(Icom*)와 함께 전류 제어기(157)에 전달한다. 그러면, 전류 제어기(157)는 부하 전류(Iload)에서 공진 현상에 대응하는 고차 성분을 제거할 수 있는 보상 전류를 생성하여 전력계에 제공할 수 있다. 결과적으로 복합형 능동 전력 필터는 수동 필터와 능동 필터를 서로 연계하여 구성함으로써, 전체적으로 시스템의 부피나 무게를 최적화하여 경량화할 수 있으며, 전력 손실을 최소화할 수 있다.As described above, the hybrid active power filter of the present invention provides a low-pass passive filter using an inductor and a capacitor (C) between the
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 3상 4선 식으로 이용되는 부하에 적용된 능동 필터의 사용 전 후 과정을 나타낸 도면이다.5A and 5B illustrate a process before and after using an active filter applied to a load used in a three-phase four-wire type according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5a는 공급 전원과 비전하 부하 사이에 인덕터와 커패시터가 저대역 필터를 형성하며 연결된 상태를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 저대역 필터를 통과하는 부하 전류는 파형에 고차 성분의 노이즈가 많이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 전력계에 저대역 필터에 연결되는 능동 필터를 마련함으로써 도 5b와 같이 고차 성분의 노이즈가 제거된 파형을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 복합형 능동 전력 필터는 공급 전원에서 발생하여 저대역 필터를 통과한 신호를 능동 필터에서 필터링함으로써, 수동 필터의 출력에 의해 발생하는 공진 현상을 제거할 수 있다. 이에 따라, 복합형 능동 전력 필터는 도 5b에 도시된 바와 같이 고차 성분의 노이즈가 제거된 비교적 안정된 신호 파형을 얻을 수 있다.5A shows a state in which an inductor and a capacitor are connected and form a low pass filter between a supply power supply and a non-charge load. As shown, it can be seen that the load current passing through the low pass filter contains a lot of noise of higher order components in the waveform. By providing an active filter connected to the low band filter in such a power meter, a waveform in which higher-order components are removed as shown in FIG. 5B can be obtained. That is, the hybrid active power filter of the present invention can remove the resonance phenomenon caused by the output of the passive filter by filtering the signal generated from the power supply and passed through the low pass filter in the active filter. Accordingly, the hybrid active power filter can obtain a relatively stable signal waveform from which high-order component noise is removed, as shown in FIG. 5B.
표 1은 도 5b에서 나타나고 있는 고조파 저감효과를 정량적으로 나타낸 것이다.Table 1 shows quantitatively the harmonic reduction effect shown in FIG. 5B.
표 1에서, 기준 주파수는 0.3, 0.42, 0.66, 0.78, 3.84, 3.96, 4.08 등이며 단위는 Khz이다. 이러한 각 주파수에서 보상 전 특성은 3.37, 2.02, 1.586, 1.229, 1.476, 2.72 및 1.94로 나타나는 한편, 보상 후 특성은 1.6, 0.45, 0.35, 0.16, 0.005, 0.006 및 0.008로서 고조파 성분에 대응하는 노이즈 성분이 최소 53%에서 최대 95% 이상 저감된 것을 알 수 있다.In Table 1, the reference frequencies are 0.3, 0.42, 0.66, 0.78, 3.84, 3.96, 4.08 and the like and the unit is Khz. At each of these frequencies, the precompensation characteristic is represented by 3.37, 2.02, 1.586, 1.229, 1.476, 2.72, and 1.94, while the postcompensation characteristic is 1.6, 0.45, 0.35, 0.16, 0.005, 0.006, and 0.008, which corresponds to the harmonic components. It can be seen that the minimum is 53% to 95%.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, in the detailed description of the present invention has been described with respect to specific embodiments, various modifications are possible without departing from the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below, but also by the equivalents of the claims.
도 1은 종래 복합형 능동 전력 필터를 나타낸 도면.1 illustrates a conventional hybrid active power filter.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합형 능동 전력 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.2 is a view schematically showing the structure of a hybrid active power filter according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 복합형 능동 전력 필터 구조를 일반화하여 나타낸 도면.FIG. 3 is a generalized view of the composite active power filter structure of FIG. 2. FIG.
도 4는 도 3의 제어기 구조를 보다 상세히 나타낸 블록도.4 is a block diagram illustrating the controller structure of FIG. 3 in more detail.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 복합형 능동 전력 필터가 적용되기 이전 및 이후에 나타낸 파형을 나타낸 도면.5A and 5B show waveforms before and after the application of the composite active power filter of the present invention.
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