工學碩士學位請求論文

직-병렬 능동 전력필터 시스템의 제어

알고리즘

Control Algorithms of Series-Shunt Active Power

Filter System

2004年 2月

仁荷大學校 大學院

電氣工學科(電氣에너지 및 材e專攻)

金 聖 鎬

工學碩士學位請求論文

직-병렬 능동 전력필터 시스템의 제어

알고리즘

Control Algorithms of Series-Shunt Active Power

Filter System

2004年 2月

指導敎授 金 榮 石

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

電氣工學科(電氣에너지 및 材e專攻)

金 聖 鎬

이 論文을 金 聖 鎬의 碩士學位論文으로 認定함

2004 年 2 月

主審 : ㊞

副審 : ㊞

委員 : ㊞

목 차

국문요약...................................................................ⅰ

ABSTRACT.............................................................ⅱ

제 1 장 서론

제 2 장 고조파 발생원의 분류

2. 1 고조파 전류원

2. 2 고조파 전압원

제 3 장 전력계통의 고조파 저감 기법

3. 1 수동필터

3. 2 병렬형 능동 전력필터

3. 3 직렬형 능동 전력필터

제 4 장 직-병렬 능동 전력필터의 제어 알고리즘

4. 1 직렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘

4. 2 병렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘

제 5 장 시뮬레이션 결과

5. 1 시스템 구성

5. 2 고조파 전압원에 대한 시뮬레이션 결과

5. 3 고조파 전류원에 대한 시뮬레이션 결과

제 6 장 실험 결과 및 고찰

6. 1 고조파 보상과 역율 보상 결과

6. 2 전원 전압 강하시 보상 결과

제 7 장 결 론

참고문헌

- i -

국문 요약

산업화의 진행과정에서 다이오드정류기나 사이리스터 컨버터 같은 반도

체 스위칭 장치들이 급속히 증가하게 되었다. 이러한 반도체 전력변환장

치들은 전원 단에 고조파를 발생시키고, 역율을 저하시키는 등 전력품질

을 저하시키는 주요한 요인이 되고 있다. 더욱이, 고조파에 관련한 문제

들이 점점 증가함에 따라 IEEE std. 519 등의 고조파에 대한 규제들이

점점 강화되고 있는 실정이다. 따라서, 능동 전력필터가 이러한 전력품질

저하나 고조파 규제에 관한 훌륭한 해결방안이 될 것이다.

본 논문에서는 직-병렬 능동 전력필터 시스템과 이에 대한 제어 알고

리즘을 제안하였다. 성능함수를 정의하고, 이 성능함수를 이용하여 고조

파 전압에 대한 보상 전압을 연산하고, 역율 보상을 위한 보상 전류를 연

산하였다. 제안된 알고리즘은 3상 3선식 시스템에 대해서 적용가능하고,

고조파 전류원과 고조파 전압원에 대해서 우수한 보상성능을 가진다.

제안된 알고리즘의 유효성을 입증하기 위해 전력시스템에 대한 3상 3

선식의 축소형 모델을 제시하였고, 제안된 알고리즘을 적용하여 시뮬레이

션 및 실험을 수행하고, 이에 대한 결과들을 제시하였다.

- ii -

ABSTRACT

Semiconductor switching devices such as diode rectifier and

thyristor converter are increased rapidly with the processing of

industrialization. These semiconductor switching devices are the

major reasons of power quality degradation such as low power

factor and generation of harmonics in the source. Moreover,

harmonic regulations such as IEEE-519 etc. are more strengthen

recently because the increase of harmonics problems. Therefore,

active power filter is excellent solution for these power quality

degradation and harmonic regulations.

This paper presents control algorithms for unified active power

filters. The algorithm is based in the performance function. The

performance function is defined, and the compensation voltage

reference is calculated for harmonics voltage and the compensation

current reference is calculated for power factor. The proposed

control algorithm can be applied to 3-phase 3-wire system and

has a superior compensation characteristics for both harmonic

current sources and harmonic voltage sources.

To verify the effectiveness of the introduced control algorithms,

a laboratory prototype of 3-phase 3-wire power distribution

systems are manufactured, then simulations and experiments were

carried out using the proposed control algorithms. Finally,

experimental results for control algorithm are presented.

- 1 -

제 1 장 서 론

최근 다이오드 정류기나 사이리스터 정류기 등의 반도체 스위칭 디바이

스를 사용하는 각종 장치들이 급속히 증가하고 있는데, 이러한 다이오드

정류기나 사이리스터 정류기는 비선형 부하로 동작하여 전력품질을 저하

시키는 주요한 원인이 되고 있다. 따라서, 이러한 비선형 부하의 증가에

따른 고조파 증가, 역률 저하, 부하 불평형에 따른 3상 전류의 불평형 발

생 등 전력품질 저하에 대한 대책이 절실히 요구되고 있다.

이와 같이 전력품질을 저하시키는 비선형 부하로는 PC, TV, 고효율의

전등과 같은 가정용 전자장비와 UPS, 대형 컴퓨터 시스템, HVDC 송전시

스템, 전동기 구동시스템 등의 산업용 시스템 등을 들 수 있다. 산업화와

정보화를 거치면서 이러한 비선형 부하들이 널리 보급되게 되었고, 비선

형 부하에 의해 발생된 고조파들은 전원 전압을 왜곡시키고, 발전기나 송

전선, 변압기 등의 전력계통장치들의 VA 용량 증대를 가져오게 된다. 또

한, 각종 전기기기, 케이블, 진상콘덴서 등의 전력계통기기들에 열 및 소

음을 발생시키고 더 나아가 절연파괴 또는 수명단축을 초래한다. 이러한

비선형부하에 의해 발생된 고조파 제거를 위해서 오래전부터 수동필터가

사용되어져 왔다. 수동필터는 동조된 특정차수의 고조파만을 제거할 수

있기 때문에 전원단에 발생할 수 있는 광범위한 차수의 고조파 제거를 위

해서는 각각의 주파수에 동조된 수동필터들이 설치되어야만 한다. 따라

서, 전원단의 광범위한 고조파를 모두 제거하고자 하는 경우에는 부피가

증가하게 되고, 비용도 커지게 된다. 또한, 전력시스템의 전원측 임피던스

와 공진을 일으킬 위험성도 항상 내재하고 있다.[1]

이러한 수동필터의 결점을 보완하기 위해서 1970년대 말부터 능동 전

력필터에 대한 연구가 시작되었다. 능동 전력필터는 수동필터보다는 고가

- 2 -

이지만, 전원단에 발생할 수 있는 광범위한 고조파를 동시에 제거해 줄

수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 능동 전력필터의 형태에는 고조파

전류를 직접 주입해 주는 병렬형 능동 전력필터[2]와 결합변압기를 통해

계통에 직렬로 접속되어 보상전압을 주입하는 방식의 직렬형 능동 전력필

터[3], 기존에 설치된 병렬 수동필터와 함께 설치되는 병용방식

[1][4][5] 등으로 나눌 수 있다. 일반적으로 다이오드정류기나 사이리스

터 정류기의 부하단에 인덕턴스 성분이 크면, 부하에 일정한 dc 전류가

흐르게 되고, 이러한 부하를 고조파 전류원으로 볼 수 있다. 이러한 고조

파 전류원에 대해서는 병렬형 능동 전력필터가 보상에 적합한 형태이고,

다이오드나 사이리스터 정류기의 부하단에 커패시터성분을 갖는 고조파

전압원에 대해서는 직렬형 능동 전력필터가 보상에 적합한 형태이다.[6]

특히, 최근에는 복사기, 형광등, 컴퓨터, 팩스, 에어컨 등, 고조파 전압

원으로 동작하는 부하들이 빠르게 증가하고 있기 때문에 이와 같은 고조

파 전압원 형태의 부하에 대한 대책이 점점 더 중요해지고 있다.

전력품질을 저하시키는 문제로서 부하에 따라 유기되는 현상 외에도 전

원단에 직접 발생되는 전원 전압 강하 및 상승, 각종 사고에 의한 전원

불평형의 문제 등 전원 전압 자체의 품질 저하로 인해 산업 시스템 및 일

반 수용가에 양질의 전력 공급이 어려워지는 등 다양한 장애 요인들로부

터 적절한 보상이 요구되는 실정이며, 그에 따른 연구가 몇 년 전부터 지

속적으로 시행되고 있다.[7~9]

따라서, 본 논문에서는 고조파 전류원과 고조파 전압원 부하를 가지는

3상 3선식 시스템에서 비선형 부하로부터 전원단에 유기되는 고조파와

역률 저하를 보상하고, 약 20%의 전원 전압 강하 시의 부하 전압 보상을

위한 알고리즘을 제안하고, 능동 전력필터 각각의 장점을 취합하여 최적

의 보상을 하기 위한 통합된 직-병렬 능동 전력필터 시스템을 구성하여,

- 3 -

시뮬레이션을 통한 검증 후 3 kVA의 축소형 시스템을 제작하여 실험을

수행하였다. 실험 결과를 통해 제안된 알고리즘과 시스템의 유효성을 입

증하였다.

- 4 -

제 2 장 고조파 발생원의 분류

2. 1 고조파 전류원

(a) 고조파 전류원 부하를 갖는 3상 다이오드

정류기 회로

VSZS

Harmonic current source

VSZS

Harmonic current source

(b) 고조파 전류원에 대한 단상 등가회로

그림 2-1 전형적인 고조파 전류원부하를 갖는

다이오드 정류기 회로와 단상등가회로

Fig. 2-1 Rectifier circuit with harmonic

current source and its single phase equivalent

circuit

ZS

ILVS+

-

- 5 -

다이오드 정류기나 사이리스터 컨버터는 스위칭 동작에 의해 고조파를

발생시키는 전형적인 비선형부하이다. 그림 2-1 (a)에서와 같이 다이오드

정류기나 사이리스터 정류기의 부하단에 충분히 큰 인덕턴스 성분이 존재

하게 되면 정류기의 부하단에 흐르는 dc 전류는 정류기의 입력측에 거의

영향을 받지 않게 된다. 따라서, 이러한 형태의 비선형 부하는 전류원처

럼 동작하게 된다. 그림 2-1 (b)에 나타낸 것처럼 정류기의 부하단에 큰

인덕턴스 성분이 존재하는 부하를 고조파 전류원으로 볼 수 있다. 그림

2-2에 고조파 전류원에서의 전형적인 전원전압과 상전류 파형을 나타내

었다.

그림 2-2 고조파 전류원에서의 전형적인 전원전압과

전류 파형

Fig. 2-2 Typical source voltage and current

waveforms in the harmonic current source

- 6 -

2. 2 고조파 전압원

(a) 고조파 전압원 부하를 갖는 3상 다이오드

정류기 회로

VSZS

Harmonic voltage source

VSZS

Harmonic voltage source

(b) 고조파 전압에 대한 단상 등가회로

그림 2-3 전형적인 고조파 전류원 부하를 갖는

다이오드 정류기 회로와 단상 등가회로

Fig. 2-3 Rectifier circuit with harmonic

voltage source and its single phase equivalent

circuit

VS+

-

ZS

+

-VL

IL

VS+

-

ZS

+

-VL

IL

- 7 -

고조파 전류원 외에 또 하나의 일반적인 고조파 발생원은 고조파 전압

원이다. 그림 2-3 (a)와 (b)에 고조파 전압원 부하를 갖는 전형적인 3상

다이오드 정류기 회로와 그 단상등가회로를 나타내었다. 이와 같이 다이

오드정류기의 부하단에 큰 용량의 커패시터가 있는 경우 전원전류는 매우

왜곡되고 전원전류의 고조파 크기는 정류기 입력측의 임피던스와 전원전

압의 불평형 등에 크게 영향을 받게 되지만, 정류기의 dc 전압은 입력 측

의 임피던스에 덜 의존하게 된다. 따라서, 이러한 경우에 다이오드 정류

기는 그림 2-3 (b)의 단상등가회로에 나타낸 것과 같이 전압원처럼 동작

하게 된다. 이와 같이 정류기의 부하단에 큰 용량의 커패시터가 존재하는

경우를 고조파 전압원으로 분류할 수 있다. 그림 2-4는 고조파 전압원에

서의 전원 전압과 상전류 파형이다.

그림 2-4 고조파 전압원에서의 전형적인 전원전압과

상전류파형

Fig. 2-4 Typical source voltage and phase current

waveforms in the harmonic voltage source

- 8 -

제 3 장 전력계통의 고조파 저감 기법

비선형 부하에 의해 발생되는 전력계통의 고조파를 저감시키는 방법으

로써 제안된 토폴로지(topology)는 다음과 같이 병렬 수동 필터, 병렬형

능동 전력필터, 직렬형 능동 전력필터, 병렬 수동필터와 직렬 능동 전력

필터의 결합형인 하이브리드 형의 능동 전력필터 등이 있다.

3. 1 수동 필터

수동 필터는 설치비용이 비교적 저렴하고, 원리가 간단하여 계통의 고

조파를 저감시키기 위한 방법으로 널리 사용되어져 왔다.

그림 3-1 병렬형 수동 필터 회로도

Fig. 3-1 Parallel passive filter circuit

- 9 -

그림 3-1은 고조파 전류원 부하에서 고조파 제거를 위해 설치된 수동

필터를 나타내는 회로도이다. 병렬 수동 필터는 인덕터와 커패시터를 특

정주파수에 동조시켜 그 주파수에서 수동 필터의 임피던스가 0이 되도록

회로를 구성하게 된다. 따라서, 수동 필터에 동조된 특정차수의 고조파가

수동 필터로 bypass 되게 된다.

이러한 수동 필터는 설비비가 적게 든다는 장점이 있지만, 전원 임피던스

와 직렬공진을 일으킬 가능성을 항상 내재하고 있다. 그리고, 이러한 전

원 임피던스는 그 값을 정확히 알 수 없다는 데에 더 큰 문제가 있다. 또

한, 전원단에 발생할 수 있는 광범위한 차수의 고조파를 모두 제거하고자

하는 경우에는 제거하고자 하는 차수만큼의 수동 필터가 설치되어야 하기

때문에 부피가 커지게 되는 단점이 있다.

3. 2 병렬형 능동 전력필터

특정 차수의 고조파만 제거가능하고, 전원 임피던스와 공진을 일으킬

수 있는 수동 필터의 단점을 보완하고, 전원단에 발생할 수 있는 광범위

한 차수의 고조파를 동시에 보상해 줄 수 있는 능동 전력필터에 대한 연

구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 능동 전력필터는 수동필터에 비해서 설치비나 운용․유지비가 비싸다는 단점이 있지만, 전원 임피던스와 공진을 일으킬 가능성이 없고, 전

원단에 발생할 수 있는 모든 차수의 고조파 억제가 가능하다. 그리고, 부

하조건 등의 여러 운전여건의 변화에도 그 성능을 일정하게 유지 할 수

있다는 장점을 가지고 있다. 능동 전력필터를 구성형태에 따라 분리하면

병렬형 능동 전력필터, 직렬형 능동 전력필터, 병렬 수동 필터와 직렬 능

동 전력필터의 결합형인 하이브리드 타입 등으로 나눌 수 있다. 이중에서

- 10 -

병렬 능동 전력필터는 1970년대부터 개발이 시작되어 지금은 거의 상용

화 단계에 이르렀지만, 나머지 형태의 능동 전력필터는 아직까지는 연구

개발 단계에 머무르고 있다.

그림 3-2 병렬형 능동 전력필터 회로도

Fig. 3-2 Parallel active power filter circuit

병렬형 능동 전력필터는 그림 3-2에서와 같이 다이오드 정류기의 부하

단에 큰 인덕턴스 성분을 갖는 고조파 전류원 부하에서의 고조파 보상에

적합한 방식이다. 이러한 병렬형 능동 전력필터의 기본적인 원리는 부하

전류에 포함된 고조파 전류를 제어기를 통해 연산하여 역위상의 보상 지

령전류를 3상 라인에 주입해주는 방식이다. 이렇게 제어되는 병렬형 능

동 전력필터는 비선형 부하에 병렬로 연결되고, 부하 전류의 고조파 성분

과 무효전력 성분을 보상해 줌으로써 전원 전류의 고조파를 제거하고 전

- 11 -

원 측의 역률이 1이 되도록 만들어 줄 수 있다.

병렬형 능동 전력필터는 고조파 전류원 부하에 의해 발생하는 고조파

전류를 제거하기 위해 역위상의 고조파 전류를 공급하는 전류원으로 동작

한다. 따라서 직류측 필터 커패시터를 갖는 다이오드 정류기와 같은 고조

파 전압원 부하의 보상에는 그 구조와 원리가 적합하지 않으므로 이를 보

상하기 위한 새로운 개념의 직렬형 능동 전력필터가 도입되었다.

3. 3 직렬형 능동 전력필터

그림 3-3 직렬형 능동 전력필터 회로도

Fig. 3-3 Series active power filter circuit

직렬형 능동 전력필터는 그림 3-3과 같이 다이오드 정류기의 부하단에

큰 커패시턴스 성분을 갖는 고조파 전압원 형태의 부하 보상에 적합한 형

- 12 -

태이다. 따라서, 직렬형 능동 전력필터는 고조파 전압원 부하에 의해 발

생된 고조파를 보상하기 위한 전압원으로써 동작한다. 그림 3-3과 같이

직렬형 능동 전력필터는 3상 전압형 PWM 인버터가 변압기를 통해서 계

통에 직렬로 결합된 형태이다.

그림 3-4 직렬형 능동 전력필터와 병렬 수동 필터의 결합시스템

Fig. 3-4 Combined system of the series active power filter

and the parallel passive filter

그림 3-4는 직렬형 능동 전력필터와 병렬 수동 필터의 결합 시스템을

나타낸다. 이 시스템에서 수동필터는 비선형 부하와 병렬로 연결되어 3상

3선식 전력 시스템에서 발생될 수 있는 가장 큰 차수의 고조파인 5차와

7차 고조파를 bypass 시키는 역할을 하게 된다. 그리고, 직렬형 능동 전

력필터는 전원과 부하 사이에 직렬로 연결된 전압원으로써 부하에서 발생

된 고조파를 차단하는 역할을 한다. 이와 같이, 병렬 수동 필터와 직렬형

능동 전력필터의 결합 시스템은 병렬 수동 필터만 썼을 경우에 야기될 수

- 13 -

있는 전원 임피던스와의 직렬 공진현상을 직렬형 능동 전력필터를 사용함

으로 써 막을 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 직렬형 능동 필터만 썼을

경우에 비해서 병용 시스템을 쓴 경우에는 직렬형 능동 전력필터의 용량

이 크게 줄어들게 되기 때문에, 직렬형 능동 전력필터의 소형화가 가능해

지게 된다. 또한, 기존에 설치되어 있는 병렬형 수동 필터를 최대한 활용

할 수 있다는 큰 장점이 있다.

- 14 -

제 4 장 직-병렬 능동 전력필터의 제어 알고리즘

본 장에서는 성능 함수를 이용한 3상 3선식 직-병렬 능동 전력필터 시

스템에서의 제어 알고리즘과 각 능동 전력필터의 보상 원리에 대해 알아

본다.

4. 1 직렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘

기존의 능동 전력필터의 제어에서 다루어왔던 순시 무효전력은 부하에

의해 발생된 무효전력을 의미했지만, 본 절에서 제안하는 알고리즘에서는

능동 전력필터로부터 발생된 무효전력을 순시 무효전력이라 정의한다. 이

는 전력 시스템 상의 어느 한 상을 통해서 능동 전력필터로 유입되는 전

력은 다른 상으로 즉시 공급되므로 능동 전력필터는 유효전력을 발생하지

않기 때문에 유효한 것이다.

따라서, 새롭게 정의된 순시 무효전력 kq 는 능동 전력필터의 각 상에서

발생되는 전력으로 나타낸다.

SkCkk ivq ⋅= ( )cbak ,,= (1)

식 (1)에서 k는 3상의 각 상을 나타내는 a, b, c이며, Ckv 는 능동 전력필

터가 발생시키는 각 상의 보상전압, Ski 는 각 상의 전원 전류를 나타낸다.

또한, 능동 전력필터는 순시 유효전력을 발생하지 않으므로, 능동 전력

필터에서 발생되는 모든 전력은 부하로 전달되지 않고, 각 상 사이에서

회전하는 무효전력 성분이 된다. 따라서, 식 (1)을 다음 식 (2)와 같이 능

동 전력필터에서 발생되는 전력의 합을 0으로 나타낼 수 있다.

- 15 -

0=++ ScCcSbCbSaCa iviviv (2)

본 논문에서 다루는 3상 3선식 전력계통의 경우는 전원 전압이 평형인

경우 중성선이 존재하지 않기 때문에 3상 전압과 전류의 영상분이 존재

하지 않는다. 따라서, 능동 전력필터에서 발생되는 보상 전압은 또한 다

음의 식 (3)을 만족한다.

0=++ CcCbCa vvv (3)

능동 전력필터의 보상 전압은 식 (2)과 식 (3)을 만족하면서 다음에 정

의하는 성능 함수를 최소화시키는 전압으로 결정된다.

222 )()()( CcLcCbLbCaLa vvvvvvL −+−+−= (4)

식 (4)에서 Lav , Lbv , Lcv 는 각 상의 부하 전압을 나타내며, 각 항들은 각

상 부하 전압과 보상 전압의 차의 제곱의 형태를 갖는다. 부하 전압은 보

상 전압의 첨가로 인해서, 고조파 성분이 제거되어 정현파의 형태를 갖게

되며, 부하 전압이 정현파에 가까워질수록 식 (4)는 최소값이 된다.

그러므로, 3상 3선식 시스템에서 고조파 전압원으로 동작하는 용량성 부

하에 의해 발생된 고조파를 능동 전력필터에서 보상하기 위해서는, 식

(4)의 성능 함수를 최소화하는 Cav , Cbv , Ccv 를 식 (2)과 식 (3)을 이용하

면서 다음의 미분식 식 (5)을 통해 유도해 내야한다.

0=

CadvdL

, 0=

CbdvdL

, 0=

CcdvdL

(5)

- 16 -

식 (5)를 통해 유도된 Cav , Cbv , Ccv 는 제안된 능동 전력필터의 보상 지

령 전압으로 다음과 같이 구해진다.

)(2)(3

222SaScScSbSbSaScSbSa

ScSbCa iiiiiiiii

qiiv

−−−++

⋅−=

)(2)(3

222SaScScSbSbSaScSbSa

SaScCb iiiiiiiii

qiiv

−−−++

⋅−=

)(2)(3

222SaScScSbSbSaScSbSa

SbSaCc iiiiiiiii

qiiv

−−−++

⋅−=

(6)

여기서,

})()(){(

31

LcSbSaLbSaScLaScSb viiviiviiq −+−+−= (7)

식 (6)은 식 (2)의 조건을 만족함으로써 얻어진 결과 식이므로, 식 (7)의

순시 무효전력 q 는 기존의 ‘ qp − 이론’에서의 순시 무효전력의 정의식

과 일치한다. 이것은 ‘ qp − 이론’에서의 무효전력의 정의식인 식 (8)에

식 (9)과 식 (10)을 대입하여 연산함으로써 증명할 수 있다.

αββα SLSL ivivq −= (8)

−−= LcLbLaL vvvv 2

121

32

α

−= LcLbL vvv 2

323

32

β (9)

- 17 -

−−= ScSbSaS iiii 2

121

32

α

−= ScSbS iii 2

323

32

β (10)

( )SbLcSaLbScLaSaLcScLbSbLa ivivivivivivq −−−++= 3

1

})()(){(

31

LcSbSaLbSaScLaScSb viiviivii −+−+−= (11)

따라서, 보상 지령 전압 안에는 순시 무효전력의 직류 성분과 교류 성

분을 모두 포함하고 있으며, 고조파 성분만을 보상할 경우 순시 무효전력

의 교류 성분만을 보상 성분으로 사용하면 된다. 따라서, 고조파 보상을

위한 능동 전력필터의 최종 보상 지령 전압은 다음의 식 (12)와 같다.

)(2

~)(3222

*

SaScScSbSbSaScSbSa

ScSbCa

iiiiiiiiiqii

v−−−++

⋅−=

)(2

~)(3222

*

SaScScSbSbSaScSbSa

SaScCb

iiiiiiiiiqii

v−−−++

⋅−=

)(2

~)(3222

*

SaScScSbSbSaScSbSa

SbSaCc

iiiiiiiiiqii

v−−−++

⋅−=

(12)

제안된 방법은 기존의 3상 3선식 알고리즘인 Akagi 의 순시 무효전력

이론[10]이나 동기좌표계 이론[11]과는 달리 능동 전력필터를 기준으로

- 18 -

순시유효, 무효전력을 정의하였으며, 성능 함수를 통해 보상전압을 직접

도출해내므로 Gain 설정이 필요 없고, 상변환을 하지 않고 결과식인 식

(12)만을 통해 연산하므로 간단하게 제어할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

전력 계통상에 사고 등의 이유로 전원 전압에 불평형 발생시 이에 대한

전압 보상을 위한 방법으로서 대칭 좌표법을 이용한 전원 상태의 해석이

가능하다. 불평형 전원 전압은 아래의 식으로 표현해 낼 수 있다.

( ) ( )

−+

++

+

+

++

−+

+

=

παω

παω

αω

παω

παω

αω

32sin

32sin

sin

32sin

32sin

sin

2

2

2

2

1

1

1

1

t

t

t

v

t

t

t

vvvv

cc

bc

ac

( )( )( )

∑+

+++

+ hvttt

v

0

0

0

0

sinsinsin

αωαωαω

(13)

식 (13)에서 첨자 1은 정상분을, 첨자 2는 역상분을, 첨자 0은 영상분을,

그리고 첨자 h는 고조파 성분을 각각 나타낸다. 이를 역상분과 동기하는

회전 좌표축 상으로 표현하기 위해 Park's 변환행렬식 식 (14)를 이용하

면 식 (15)처럼 쓸 수 있다.

[ ]

−

+

−

+

=

21

21

21

32sin

32sinsin

32cos

32coscos

32 πωπωω

πωπωω

ttt

ttt

T

(14)

- 19 -

[ ] [ ]( )

[ ]( )

+−

++

+

+

++

+−

+

=

2

2

2

2

1

1

1

1

32sin

32sin

sin

32sin

32sin

sin

απω

απω

αω

απω

απω

αω

t

t

t

TV

t

t

t

TVVVV

T

cn

bn

an

[ ]( )( )( )

[ ]( )∑+

+++

+ hVTttt

TV

0

0

0

0

sinsinsin

αωαωαω

(15)

( )( )

( )( )∑+

++

−+

++

=

hq

d

VtV

VV

tVtV

VVV

00

22

22

11

11

0 sin00

0cossin

02cos2sin

αωαα

αωαω

(16)

위의 식 (16)에서 볼 수 있듯이 동기 좌표상에서 역상분은 직류 성분으

로, 정상분은 120Hz의 교류 성분으로, 영상분은 그대로 영상분 교류 성

분으로, 그리고 여러 고조파들도 교류 성분으로 표현됨을 알 수 있다. 이

경우에는 역상분을 보상하기 위하여 저역통과필터를 사용하여 d축과 q축

상의 직류 성분들을 추출하여 보상 전압으로 한다면 역상분을 보상할 수

있다.

그림 4-1 은 고조파 보상과 전압 보상을 위해 제안된 알고리즘의 제어

블록다이어그램을 나타내고 있다. 3상 전원 전류와 3상 부하 전압으로부

터 식 (7)에 의해 순시 무효전력 q를 연산하고, 이를 저역통과 필터를

통해 순시 무효전력의 직류 성분을 검출해 내어 이를 다시 순시 무효전력

에서 빼줌으로써 순시 무효전력의 교류성분 q~ 를 검출해낸다. 이렇게 얻

- 20 -

어진 보상치와 대칭좌표법을 이용하여 구한 부하 전압의 지령치와 비교하

여 최종적인 보상 전압 성분을 도출해 낸다.

구해진 보상 전압은 전원 전압의 불평형에 대한 부하 전압 보상과 고조파

성분에 대한 보상을 할 수 있으며, 직렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘

이다.

그림 4-1 직렬형 능동 전력필터의 제어 알고리즘

Fig. 4-1 Control algorithm of the series active power filter

- 21 -

4. 2 병렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘

역률 보상을 위한 제어는 병렬형 능동 전력필터에서 수행하며, 보상 목

적이 역률 개선에 있으므로, 순시 무효전력의 직류 성분 q 만을 구해 보

상해 준다. 직렬형 능동 전력필터의 보상치를 구하는 방법과 같은 이론에

서 출발하여 보상치를 도출해내며, 역률 개선을 위한 병렬형 능동 전력필

터의 보상 전류를 구하면 다음의 식 (17)과 같다.

)(2)(3

222*

SaScScSbSbSaScSbSa

ScSbCa

iiiiiiiiiqii

i−−−++

⋅−=

)(2)(3

222*

SaScScSbSbSaScSbSa

SaScCb

iiiiiiiiiqiii

−−−++⋅−

=

)(2)(3

222*

SaScScSbSbSaScSbSa

SbSaCc

iiiiiiiiiqiii

−−−++⋅−

= (17)

그림 4-2 는 역률 보상과 DC link 전압 제어를 위해 제안된 알고리즘의

제어 블록다이어그램을 나타내고 있다. 3상 전원 전압과 3상 부하 전류로

부터 순시 무효전력 q 를 연산하고 이를 저역통과 필터를 통해 순시 무

효전력의 직류성분 q 를 검출해 내어 역률 보상에 필요한 보상 전류 지

령치를 연산한다. DC link 전압 제어를 위해 DC link 전압을 검출하여 이

를 원하는 크기의 DC link 전압과 비교한 후 앞서 구한 보상 전류 지령

치와 비교하여 최종적인 보상 전류 지령치를 도출해 낸다.

- 22 -

그림 4-2 병렬형 능동 전력필터의 제어 알고리즘

Fig. 4-2 Control algorithm of the shunt active power filter

- 23 -

제 5 장 시뮬레이션 결과

5. 1 시스템 구성

본 장에서는 전력전자용 시뮬레이터인 P-SIM을 이용한 시뮬레이션 결

과를 보여준다. 고조파 전류원 부하와 고조파 전압원 부하에 대해 각각

실시하였고, 스위칭 주파수는 20[kHz] 로 구동하였다.

그림 5-1 고조파 전류원 부하를 갖는 직-병렬 능동 전력필터 시스템

Fig. 5-1 Series-shunt active power filter system

with the harmonic current source

- 24 -

그림 5-2 고조파 전압원 부하를 갖는 직-병렬 능동 전력필터 시스템

Fig. 5-2 Series-shunt active power filter system

with the harmonic voltage source

그림 5-1 과 그림 5-2 는 제안된 알고리즘을 적용하기 위해 구성한

비선형 부하에 대한 3상 3선식 직-병렬 능동 전력필터 시스템의 회로도

이다. 고조파 전류원 부하는 그림 5-1에 나타낸 것처럼 3상 다이오드 정

류기의 부하단에 R-L 부하를 직렬로 연결하여 고조파 전류원으로 설정하

여 구성하였고, 고조파 전압원 부하는 그림 5-2에 나타낸 것처럼 3상 다

이오드 정류기의 부하단에 R-C 부하를 병렬로 연결하여 고조파 전압원으

로 설정하여 구성하였다. 직렬형 능동 전력필터와 병렬형 능동 전력필터

는 DC link 캐패시터에 back-to-back 으로 접속되어 계통에 접속된다.

비선형 부하가 갖는 특성에 따라 직렬형 능동 전력필터와 병렬형 능동

전력필터의 순서가 달라진다. 고조파 전압원 부하의 경우에는 병렬형 능

동 전력필터가 주입하는 보상 전류가 부하측에도 흐르게 되므로 직렬 공

진에 의해 오히려 다이오드 정류기에 흐르는 고조파 전류를 증대시켜 과

전류를 초래할 위험이 있다. 병렬형 능동 전력필터에 직렬리액터를 삽입

- 25 -

하여 이를 보완하는 방법도 있으나, 이는 전압강하를 일으킬 뿐만 아니라

비경제적이다. 이러한 문제들을 해결하고자 고조파 전압원 형태의 부하시

에는 그림 5-2 에 나타낸 것처럼 계통상에서 병렬형 능동 전력필터가 직

렬형 능동 전력필터보다 앞서 위치하여 전원측에 가까이 접속된다.

- 26 -

5. 2 고조파 전압원에 대한 시뮬레이션 결과

표 5-1 시뮬레이션 시스템 회로 정수

Table 5-1 Circuit parameter of simulation system

Vs 100V 60Hz

Ls 0.1mH

접속트랜스포머 권수비 1 : 1

Lr1 4mH

Lr2 2mH

Cr 0.5uF

R 10Ω

C 2400uF

DC link Capacitor 10000uF

그림 5-3 고조파 전압원에서 보상 후의 전원 전압(上)과

전원 전류(下)의 파형

Fig. 5-3 Source voltage and current waveforms with

the harmonic voltage source after compensation

- 27 -

그림 5-4 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 고조파 스펙트럼

Fig. 5-4 Harmonic spectra of the source voltage and

current

그림 5-5 전압 레퍼런스(上)와 전류 레퍼런스(下)의 파형

Fig. 5-5 Reference waveforms of the compensation

voltage and current

- 28 -

그림 5-6 DC link 전압(上)과 역률(下) 파형

Fig. 5-6 Waveforms of the DC link voltage and power

factor

제안한 알고리즘에 의거하여 시뮬레이션을 실행한 결과, 제시된 파형들

에서 보는 것처럼 제안된 시스템이 고조파 보상과 역률 보상에 대해 효과

적인 동작을 하고 있음을 알 수 있다. 전원 전압과 전원 전류가 상당히

양호한 상태의 정현파의 형태를 보이고, 특히 전원 전류의 경우 보상 전

의 THD가 a상 기준으로 볼 때 약 75%에서 보상 후에 약 2.55%로 현저

히 줄어드는 것을 확인할 수 있어 직렬형 능동 전력필터가 잘 동작하고

있음을 보여주며, 이는 IEEE std. 519 에서 요구하는 고조파 규제치를

충분히 만족하고 있음을 증명해 보이는 결과이다. 역률 또한 거의 1로 개

선되어 병렬형 능동 전력필터 역시 양호한 동작을 하고 있음을 확인할 수

있다.

- 29 -

5. 3 고조파 전류원에 대한 시뮬레이션 결과

표 5-2 시뮬레이션 시스템 회로 정수

Table 5-2 Circuit parameter of simulation system

Vs 100V 60Hz

Ls 0.1mH

접속트랜스포머 권수비 1 : 1

Lr1 1mH

Lr2 2mH

Cr 1uF

R 8Ω

L 15mH

DC link Capacitor 10000uF

그림 5-7 고조파 전류원에서 보상 후의 전원 전압(上)과

전원 전류(下)의 파형

Fig. 5-7 Source voltage and current waveforms with

the harmonic current source after compensation

- 30 -

그림 5-8 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 고조파 스펙트럼

Fig. 5-8 Harmonic spectra of the source voltage and

current

그림 5-9 전압 레퍼런스와 전류 레퍼런스 파형

Fig. 5-9 Reference waveforms of the compensation

voltage and current

- 31 -

그림 5-10 DC link 전압(上)과 역률(下) 파형

Fig. 5-10 Waveforms of the DC link voltage and power

factor

제안한 알고리즘에 의거하여 시뮬레이션을 실행한 결과, 제시된 파형들

에서 보는 것처럼 제안된 시스템이 고조파 보상과 역률 보상에 대해 효과

적인 동작을 하고 있음을 알 수 있다. 전원 전압과 전원 전류가 상당히

양호한 상태의 정현파의 형태를 보이고, 특히 전원 전류의 경우 보상 전

의 THD가 a상 기준으로 볼 때 약 26.4%에서 보상 후에 약 3.0%로 현저

히 줄어드는 것을 확인할 수 있어 직렬형 능동 전력필터가 잘 동작하고

있음을 보여주며, 이 역시 IEEE std. 519 의 고조파 규제치를 충분히 만

족하고 있음을 증명해 보이는 결과이다. 역률 또한 거의 1로 개선되어 병

렬형 능동 전력필터 역시 양호한 동작을 하고 있음을 확인할 수 있다.

- 32 -

제 6 장 실험 결과 및 고찰

본 장에서는 제안된 성능함수를 이용한 직-병렬 능동 전력필터의 제어

알고리즘을 적용하여 실험한 결과들을 제시하였다. 부하는 고조파 전류원

부하로 설정하여 3상 3선식 직-병렬 능동 전력필터 시스템을 구성하였

고, 직렬형 능동 전력필터는 3상 전압형 PWM 인버터를 교류 전원과 비

선형 부하 사이에 3개의 결합변압기로 계통에 직렬 접속하여 구성하였고,

병렬형 능동 전력필터는 3상 전류형 PWM 인버터를 부하와 병렬로 계통

에 직접 접속하였다.

그림 6-1 전력품질 개선을 위한 직-병렬 능동 전력필터 시스템

Fig. 6-1 Series-shunt active power filter system for improving power

quality

- 33 -

전체 시스템은 그림 5-1의 시스템 구성도와 같으며, 전원 전압 강하

발생시 이를 보상하기 위해 DC link 단에 외부 전원을 주입하기 위한 장

치가 그림 6-1 과 같이 추가되어 있다.

그림 6-2 직-병렬 능동 전력필터 제어회로의 블록 다이어그램

Fig. 6-2 Block diagram of series-shunt active power filter control

circuit

그림 6-2 에 직-병렬 능동 전력필터의 제어회로에 대한 블록 다이어그

램을 나타내었다. PT와 CT를 통해 ±10[V]의 전압 값으로 변환된 부하

전압과 상전류가 A/D 변환기를 통해 16bit의 디지털 값으로 변환되어

DSP로 입력된다. DSP에서는 이를 실제 전압, 전류 값으로 변환한 후에

각각의 제어알고리즘에 의해서 보상기준값들을 연산해내게 된다. 연산된

보상기준값들은 다시 D/A 변환기를 통해 아날로그 신호로 변환되어 각

인버터의 PWM 발생회로로 넘겨지게 되고, 직렬형 능동 전력필터의

- 34 -

PWM 회로에서 이 D/A 출력 신호와 삼각파를 비교하여 발생된 인버터

제어 신호가 구동회로를 거쳐 인버터를 구동시켜 주도록 제어회로를 구성

하였고, 병렬형 능동 전력필터의 PWM 회로에서 이 D/A 출력신호와 인

버터 출력전류로 히스테리시스 제어를 통해 인버터를 구동시켜 주도록 제

어회로를 구성하였다. IGBT Drive IC를 사용해서 Gate Driver 회로를 구

성하였고, 능동 전력필터의 정확하고 신속한 제어를 위해 실시간 제어에

적합한 TI 사의 TMS320C6701 Floating Point DSP를 사용하여 스위칭

주파수 14[kHz]로 인버터를 구동하였다. 검출에 사용된 PT와 CT의 측

정범위는 각각 10[V]~500[V] 와 0[A]~50[A] 이므로 비교적 정밀하게

측정을 하였고, 인버터는 0[kHz] ~ 20[kHz] 범위까지 스위칭이 가능한

Toshiba 사의 정격용량 600[V]/50[A] 의 IGBT 를 사용하였다.

표 6-1 에는 실험을 위해 3kVA 의 축소형 모델로 제작된 3상 3선식

직-병렬 능동 전력필터 시스템의 회로 정수를 나타낸다.

표 6-1 직-병렬 능동 전력필터 시스템 회로 정수

Table 6-1 Circuit parameter of series-shunt active

power filter system

Vs 100[V] / 60[Hz]

Ls 0.1[mH]

접속트랜스포머 권수비 Np 2 : 1 Ns

Lr1 4[mH]

Lr2 1[mH]

Cr 0.5[uF]

R 30[Ω]

L 30[mH]

DC link Capacitor 10000[uF]

- 35 -

6. 1 고조파 보상과 역율 보상 결과

그림 6-3 3상 3선식 고조파 전류원 부하시

보상전 파형

Fig. 6-3 Source voltage and current

waveforms in the 3-phase 3-wire harmonic

current source before compensation

그림 6-3 은 3상 3선식 고조파 전류원 부하인 경우의 한 상의 보상전

전원단 파형이다. 전압 THD 는 9.35% 이고, 전류 THD 는 24.31% 이

며, 역률은 0.940 이다. 고조파 전류원 부하에 의해 전원단 전압과 전류

파형이 상당히 왜곡되어 있음을 알 수 있다.

- 36 -

그림 6-4 3상 3선식 고조파 전류원 부하시

보상후 파형

Fig. 6-4 Source voltage and current

waveforms in the 3-phase 3-wire harmonic

current source after compensation

그림 6-5 전원 전압의 고조파 스펙트럼

Fig. 6-5 Harmonic spectra of the source

voltage

- 37 -

그림 6-6 전원 전류의 고조파 스펙트럼

Fig. 6-6 Harmonic spectra of the source

current

그림 6-4, 그림 6-5, 그림 6-6은 각각 직-병렬 능동 전력필터에 의해

고조파와 무효전력이 보상된 한 상의 전원단 전압과 전류 파형, 고조파

스펙트럼을 보여준다. 전압 THD 는 2.70% 이고, 전류 THD 는 3.01%

이며, 역률은 0.992 이다. 그림에서 알 수 있듯이 직-병렬 능동 전력필터

를 사용하여 보상하였을 경우, 상전류의 고조파가 상당히 제거되어 IEEE

std. 519 의 고조파 규제치를 충분히 만족하고 있음을 증명해 보이고 있

으며, 역률 역시 0.940에서 거의 1에 가깝게 개선되어 전력품질 개선에

효과적인 동작을 수행하고 있음을 알 수 있다. 따라서 고조파를 저감시키

는 직렬형 능동 전력필터와 무효전력을 보상하는 병렬형 능동 전력필터가

양호한 동작을 하고 있음을 알 수 있다.

- 38 -

그림 6-7 직렬형 능동 전력필터의 레퍼런스

파형

Fig. 6-7 Reference waveform of the series

active power filter

그림 6-8 병렬형 능동 전력필터의 레퍼런스

파형

Fig. 6-8 Reference waveform of the shunt

active power filter

- 39 -

그림 6-7 과 6-8 은 성능함수 알고리즘에 의해 DSP에서 연산 후 출

력된 각 능동 전력필터의 레퍼런스 파형이다. 직렬형 능동 전력필터는 그

림 6-7의 레퍼런스와 삼각파 비교방식을 사용하여 PWM신호를 발생시키

고, 병렬형 능동 전력필터는 그림 6-8의 레퍼런스와 인버터 출력전류와

의 히스테리시스 제어를 통해 PWM신호를 발생시킨다.

그림 6-9 DC Link 전압 파형

Fig. 6-9 Voltage waveform of the DC link

DC Link 전압은 병렬형 능동 전력필터에서 제어해주며, 그 방법은 앞

에서 그림 4-2를 통해 설명하였다. 각 능동 전력필터의 원활한 보상 동

작을 위해 적정한 크기를 일정하게 유지할 수 있도록 제어해 주는 것이

중요하며, 그림에서 나타낸 것처럼 본 실험에서 적절한 제어가 되고 있음

을 알 수 있다.

- 40 -

6. 2 전원 전압 sag시 보상 결과

각종 사고 등의 이유로 전원단의 전압이 강하하여 부하단인 일반 수용

가 혹은 산업 시스템 등에 전원 불평형 등의 문제가 발생되는 경우 이를

보상하고자 직렬형 능동 전력필터에서 전압 보상을 실시하며, 본 실험에

서는 한 상의 전원 전압의 실효치가 약 20% 정도 일시적인 감소를 보이

는 경우 부하 전압 보상 실험을 실시하였다.

그림 6-10 전원 전압 sag시 보상된 부하 전압

파형

Fig. 6-10 After compensation load voltage

waveforms in source voltage sag

그림 6-10은 9 Cycle 동안 한 상의 전원 전압의 실효치가 약 20% 정

도 감소하였을 경우, 부하 전압에 대한 보상을 실시한 경우의 파형이며,

그림 6-1에 나타낸 것처럼 시스템을 구성하여 실험을 실시하였고, 부하

전압의 실효치와 피크치가 유지되도록 보상이 되고 있음을 알 수 있다.

- 41 -

제 7 장 결 론

본 연구에서는 전력품질 개선을 위한 3상 3선식 직-병렬 능동 전력필

터 시스템에 대한 성능함수 이론을 이용한 제어 알고리즘을 제안하였고,

시뮬레이션을 통한 검증을 거쳐 축소형 모델을 제작하고 제안하는 시스템

과 알고리즘을 이용하여 실험을 실시하여 다음과 같은 결과들을 얻었다.

제안하는 알고리즘과 시스템의 검증을 위해 P-SIM을 이용하여 시뮬레

이션을 실시한 결과 고조파 전압원 부하를 갖는 3상 3선식 시스템에서는

전원전류의 THD가 보상전 약 75%에서 보상후 약 2.55% 정도로 개선되

었고, 전원단 역률도 보상후 거의 1로 개선되었다. 그리고, 고조파 전류원

부하를 갖는 3상 3선식 시스템에서는 전원전류의 THD가 보상전 약

24.31%에서 보상후 약 3.0% 정도로 개선되었고, 전원단 역률도 보상후

거의 1로 개선되었다. 시뮬레이션 결과를 토대로 3[kVA] 용량의 3상 3

선식 축소형 모델을 제작하고 TMS320C6701 DSP Board를 이용하여 고

조파 전류원 부하의 조건에서 실험을 실시한 결과 전원전압의 THD는 보

상전 약 9.35%에서 보상후 약 2.7%로 개선되었고, 전원전류의 THD는

보상전 약 24.31%에서 보상후 약 3.01%로 개선되었으며, 전원단 역률도

보상전 약 0.940에서 보상후 약 0.992로 거의 1에 가깝게 개선되어

IEEE std. 519 에서 요구하는 5%미만의 고조파 규제치를 만족하고, 무효

전력 보상도 효과적으로 수행되고 있음을 알 수 있었다.

전원 전압 강하에 대한 부하 전압 보상 실험에서도 부하가 고정된 상태

에서 약 20% 정도의 전원 전압 강하에 대해 부하 전압에 대한 순시적인

보상이 수행되어 부하 전압의 실효치와 피크치가 거의 변화가 없었음을

제시된 파형으로 입증하였다.

이러한 실험 결과들로부터, 제안된 알고리즘을 사용하여 직-병렬 능동

- 42 -

전력필터 시스템을 구동하는 경우 부하 특성에 따른 다양한 고조파와 역

율 저하의 문제들을 개선하는데 유효한 보상 특성을 보임을 입증하였고,

각종 사고 등에 의한 전원 불안정에 대해서도 순시적인 보상 특성의 우수

함을 보였기에, 최근 들어 관심이 집중되고 있는 다양한 장애로부터의 전

력품질 개선에 크게 기여할 수 있으리라 기대된다.

- 43 -

참고문헌

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Compensation in Power System - A Combined System of Shunt

Passive and Series Active Filter", IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol.

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Power Theory for Three Phase Power System", IEEE Trans. on

Instru. and Meas., vol. 45, No. 1, pp. 293~297, 1996

[3]Zhaoan Wang, Qun Wang, "A Series Active Power Filter

Adopting Hybrid Control Approach", IEEE Trans. on Power Elec.,

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Factor Correction and Balancing of Nonlinear Loads", IEEE Trans.

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[8]L. Moran, et. al., "Series active power filter compensates

current harmonics and voltage unbalance simultaneously", IEE

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Power Elec., Vol. 13, No. 2, pp. 315~322, 1998

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Comprising Switching Devices without Energy Storage Components"

IEEE Trans. On Ind. Appl., Vol. IA-20, No. 3, pp. 625~630, 1984

[11]S. Bhattacharya, et al. "Parallel Active Filter System

Implementation and Design Issues for Utility Interface of Adjustible

Speed Drive Systems", IAS '96,Vol. 2, pp. 1032~1039, 1996

목차제 1 장 서론제 2 장 고조파 발생원의 분류2. 1 고조파 전류원2. 2 고조파 전압원

제 3 장 전력계통의 고조파 저감 기법3. 1 수동필터3. 2 병렬형 능동 전력필터3. 3 직렬형 능동 전력필터

제 4 장 직-병렬 능동 전력필터의 제어 알고리즘4. 1 직렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘4. 2 병렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘

제 5 장 시뮬레이션 결과5. 1 시스템 구성5. 2 고조파 전압원에 대한 시뮬레이션 결과5. 3 고조파 전류원에 대한 시뮬레이션 결과

제 6 장 실험 결과 및 고찰6. 1 고조파 보상과 역율 보상 결과6. 2 전원 전압 강하시 보상 결과

제 7 장 결 론

표목차[표 5-1] 시뮬레이션 시스템 회로 정수[표 5-2] 시뮬레이션 시스템 회로 정수[표 6-1] 직-병렬 능동 전력필터 시스템 회로 정수

그림목차[그림 2-1] 전형적인 고조파 전류원부하를 갖는 다이오드 정류기 회로와 단상등가회로[그림 2-2] 고조파 전류원에서의 전형적인 전원전압과 전류 파형[그림 2-3] 전형적인 고조파 전류원 부하를 갖는 다이오드 정류기 회로와 단상 등가회로[그림 2-4] 고조파 전압원에서의 전형적인 전원전압과 상전류파형[그림 3-1] 병렬형 수동 필터 회로도[그림 3-2] 병렬형 능동 전력필터 회로도[그림 3-3] 직렬형 능동 전력필터 회로도[그림 3-4] 직렬형 능동 전력필터와 병렬 수동 필터의 결합시스템[그림 4-1] 직렬형 능동 전력필터의 제어 알고리즘[그림 4-2] 병렬형 능동 전력필터의 제어 알고리즘[그림 5-1] 고조파 전류원 부하를 갖는 직-병렬 능동 전력필터 시스템[그림 5-2] 고조파 전압원 부하를 갖는 직-병렬 능동 전력필터 시스템[그림 5-3] 고조파 전압원에서 보상 후의 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 파형[그림 5-4] 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 고조파 스펙트럼[그림 5-5] 전압 레퍼런스(上)와 전류 레퍼런스(下)의 파형[그림 5-6] DC link 전압(上)과 역률(下) 파형[그림 5-7] 고조파 전류원에서 보상 후의 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 파형[그림 5-8] 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 고조파 스펙트럼[그림 5-9] 전압 레퍼런스와 전류 레퍼런스 파형[그림 5-10] DC link 전압(上)과 역률(下) 파형[그림 6-1] 전력품질 개선을 위한 직-병렬 능동 전력필터 시스템[그림 6-2] 직-병렬 능동 전력필터 제어회로의 블록 다이어그램[그림 6-3] 3상 3선식 고조파 전류원 부하시 보상전 파형[그림 6-4] 3상 3선식 고조파 전류원 부하시 보상후 파형[그림 6-5] 전원 전압의 고조파 스펙트럼[그림 6-6] 전원 전류의 고조파 스펙트럼[그림 6-7] 직렬형 능동 전력필터의 레퍼런스 파형[그림 6-8] 병렬형 능동 전력필터의 레퍼런스 파형[그림 6-9] DC Link 전압 파형[그림 6-10] 전원 전압 sag시 보상된 부하 전압 파형

목차제 1 장 서론 1제 2 장 고조파 발생원의 분류 4 2. 1 고조파 전류원 4 2. 2 고조파 전압원 6제 3 장 전력계통의 고조파 저감 기법 8 3. 1 수동필터 8 3. 2 병렬형 능동 전력필터 9 3. 3 직렬형 능동 전력필터 11제 4 장 직-병렬 능동 전력필터의 제어 알고리즘 14 4. 1 직렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘 14 4. 2 병렬형 능동 전력필터의 제어알고리즘 21제 5 장 시뮬레이션 결과 23 5. 1 시스템 구성 23 5. 2 고조파 전압원에 대한 시뮬레이션 결과 26 5. 3 고조파 전류원에 대한 시뮬레이션 결과 29제 6 장 실험 결과 및 고찰 32 6. 1 고조파 보상과 역율 보상 결과 35 6. 2 전원 전압 강하시 보상 결과 40제 7 장 결 론 41

표목차[표 5-1] 시뮬레이션 시스템 회로 정수 26[표 5-2] 시뮬레이션 시스템 회로 정수 29[표 6-1] 직-병렬 능동 전력필터 시스템 회로 정수 34

그림목차[그림 2-1] 전형적인 고조파 전류원부하를 갖는 다이오드 정류기 회로와 단상등가회로 4[그림 2-2] 고조파 전류원에서의 전형적인 전원전압과 전류 파형 5[그림 2-3] 전형적인 고조파 전류원 부하를 갖는 다이오드 정류기 회로와 단상 등가회로 6[그림 2-4] 고조파 전압원에서의 전형적인 전원전압과 상전류파형 7[그림 3-1] 병렬형 수동 필터 회로도 8[그림 3-2] 병렬형 능동 전력필터 회로도 10[그림 3-3] 직렬형 능동 전력필터 회로도 11[그림 3-4] 직렬형 능동 전력필터와 병렬 수동 필터의 결합시스템 12[그림 4-1] 직렬형 능동 전력필터의 제어 알고리즘 20[그림 4-2] 병렬형 능동 전력필터의 제어 알고리즘 22[그림 5-1] 고조파 전류원 부하를 갖는 직-병렬 능동 전력필터 시스템 23[그림 5-2] 고조파 전압원 부하를 갖는 직-병렬 능동 전력필터 시스템 24[그림 5-3] 고조파 전압원에서 보상 후의 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 파형 26[그림 5-4] 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 고조파 스펙트럼 27[그림 5-5] 전압 레퍼런스(上)와 전류 레퍼런스(下)의 파형 27[그림 5-6] DC link 전압(上)과 역률(下) 파형 28[그림 5-7] 고조파 전류원에서 보상 후의 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 파형 29[그림 5-8] 전원 전압(上)과 전원 전류(下)의 고조파 스펙트럼 30[그림 5-9] 전압 레퍼런스와 전류 레퍼런스 파형 30[그림 5-10] DC link 전압(上)과 역률(下) 파형 31[그림 6-1] 전력품질 개선을 위한 직-병렬 능동 전력필터 시스템 32[그림 6-2] 직-병렬 능동 전력필터 제어회로의 블록 다이어그램 33[그림 6-3] 3상 3선식 고조파 전류원 부하시 보상전 파형 35[그림 6-4] 3상 3선식 고조파 전류원 부하시 보상후 파형 36[그림 6-5] 전원 전압의 고조파 스펙트럼 36[그림 6-6] 전원 전류의 고조파 스펙트럼 37[그림 6-7] 직렬형 능동 전력필터의 레퍼런스 파형 38[그림 6-8] 병렬형 능동 전력필터의 레퍼런스 파형 38[그림 6-9] DC Link 전압 파형 39[그림 6-10] 전원 전압 sag시 보상된 부하 전압 파형 40