KR101893704B1 - Detect algorithm of inter-harmonic current in Active power filter controller - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 능동전력필터 제어장치의 비정수 고조파 전류 검출 알고리즘에 관한 것으로, 상세하게는 용접기 또는 아크로 등의 SCR소자를 이용한 부하에서 발생하는 정수차수의 고조파 전류 외에 발생하는 비정수차수의 고조파 전류를 검출하고 보상하는 알고리즘에 관한 것이다.The present invention relates to a non-constant harmonic current detection algorithm of an active power filter control apparatus, and more particularly, to a harmonic harmonic current detection method using an SCR element such as a welder or an acro, And to an algorithm for detecting and compensating.
발명권자 전력품질기술 주식회사에서 이미 특허를 받은 "3상 4선식 능동전력필터 제어장치"(10-0459000)와 "능동전력필터 제어장치의 차수별 고조파 전류 검출 알고리즘"(10-1661086)에서 고조파 전류를 검출하는 방식은, α-β-0 정지변환과 α-β 회전변환을 이용하여 저감하고 싶은 차수의 고조파 차수의 PLL과 상기 저감하고 싶은 차수가 정상, 역상인지에 따라 선택되어진 α-β 회전좌표 연산기로 연산하여 능동전력필터의 보상전류를 계산하는 방식의 제어장치이다.The inventor of the present invention applied the harmonic current in the "3-phase 4-wire active power filter control device" (10-0459000) and the "Algorithm of harmonic current detection by the order of active power filter control device" (10-1661086) The detection method includes a PLL of a harmonic order to be reduced by using the a-beta-0 stop conversion and a-beta rotation conversion and an alpha-beta rotation coordinate selected according to whether the degree to be reduced is normal or reverse And calculates a compensation current of the active power filter by calculating with an operator.
그러나 기 특허받은 "능동전력필터 제어장치의 차수별 고조파 전류 검출 알고리즘"에서의 고조파 전류 검출 방식은 정수 차수의 고조파 전류를 검출하는 방식으로, 다이오드 또는 SCR 정류기 부하에서 발생하는 정수차 고조파 전류일 경우에는 보상이 원할하나, 아크로 또는 용접기 등에서 사용하는 SCR 부하일 경우 발생하는 0.5차, 1.5차 등의 비정수 고조파 전류일 경우 고조파 전류의 검출이 불완전하여 보상이 원활하지 않다는 문제점이 있다.However, the harmonics current detection method in the patented "active harmonic current detection algorithm of the active power filter control device" is a method of detecting harmonic current of an integral order. In the case of harmonic harmonic current generated in the diode or SCR rectifier load However, in the case of non-constant harmonic currents such as 0.5th, 1.5th, and the like, which occur when the SCR load is used in an arc furnace or a welding machine, the detection of the harmonic current is incomplete and compensation is not smooth.
기 특허받은 "능동전력필터 제어장치의 차수별 고조파 전류 검출 알고리즘"에서의 3차, 5차, 7차 등의 정수 고조파 전류 검출방식을 개선하여, 0.5차, 1.5차, 2.5차 등의 비정수 고조파 전류를 검출하고 보상하여, 능동전력필터의 보상 오차를 최소화하여 보상효율을 최대화 하고자 한다.The harmonic current detection method of 3rd, 5th, 7th, and so on in the patented "Active Harmonic Current Detection Algorithm of Active Power Filter Control Device" is improved, and nonlinear harmonics such as 0.5th, 1.5th, The current is detected and compensated to minimize the compensation error of the active power filter to maximize the compensation efficiency.
일반적인 다이오드 정류기나 SCR 정류기의 경우, 발생하는 고조파 전류는 60Hz를 기본파로 하였을 경우, 300Hz, 420Hz, 660Hz 등의 고조파 전류가 가장 많이 발생하며, 상기의 고조파 전류를 60Hz의 전류를 1차로 선정할 경우, 5차, 7차, 11차로 나타낼 수 있다.In the case of a general diode rectifier or a SCR rectifier, harmonic currents of 300 Hz, 420 Hz, and 660 Hz occur most frequently when the fundamental harmonic current of 60 Hz is generated. When the harmonic current of 60 Hz is firstly selected , 5th, 7th, and 11th.
상기 차수별 고조파는 n=정수라 정할 때, 정상분 = 2n-1, 역상분 = 2n+1, 영상분 = 3n 으로 나눌수있는데, 정상분, 역상분 일 때의 α-β 회전변환 및 역회전변환식이 다르다.The harmonics of the above-mentioned order can be divided into normal number = 2n-1, reverse number = 2n + 1, and image number = 3n when n = integer. The α- different.
반면, SCR소자를 사용한 용접기, 아크로 등의 부하는 정수 차수의 고조파 전류만이 아니라, 비정수 고조파 전류도 발생시킨다.On the other hand, loads such as welders and arc furnaces using SCR devices generate not only harmonic currents of an order of magnitude but also non-constant harmonic currents.
비정수 고조파는 90Hz, 150Hz, 330Hz 등의 정수차수에서 0.5차씩 추가된 1.5차, 2.5차, 5.5차등을 나타낸다.이는 정수차수에서 정상분과 역상분의 중간에 있는 고조파 전류로 생각할 수 있다.The nonhomogeneous harmonics are the 1.5th, 2.5th, and 5.5th grades added by 0.5th order in the integer order of 90Hz, 150Hz, 330Hz, etc. This can be thought of as the harmonic current in the middle of the normal and reverse phases in the integer order.
이에 α-β 회전변환 및 역회전변환식으로 비정수 고조파전류를 검출 및 보상할 때, 정상분공식으로 계산할지, 역상분공식으로 계산할지 정할 수가 없다.Therefore, when detecting and compensating for non-constant harmonic currents by α-β rotation and inverse rotation, it is impossible to determine whether to calculate by the normal division formula or the inverse-phase division formula.
이에 비정수 고조파 전류를 α-β 회전변환 및 역회전변환식에서 정상분, 역상분으로 나누어, 검출하기 위하여, 기본파를 0.5차수에 맞추어 계산하도록 한다.In order to detect non-constant harmonic currents by dividing them into normal and negative phases in the α-β rotation conversion and the reverse rotation conversion, calculate the fundamental wave to 0.5 degree.
본 발명에 따른 능동전력필터 제어장치의 상불평형 전류 검출 알고리즘은 종래의 능동전력필터 제어장치의 차수별 고조파 전류 검출 알고리즘이 하지 못하였던 상불평형 부하전류에서의 각상의 차수별 고조파 전류의 검출 및 보상이 가능하여 이전 장치에 비해 훨씬 능동전력필터의 보상성능 및 효율을 높일 수 가 있다.The phase unbalance current detection algorithm of the active power filter control apparatus according to the present invention is capable of detecting and compensating harmonic currents of each phase in the phase unbalanced load current which was not achieved by the harmonic current detection algorithm according to the order of the conventional active power filter control apparatus So that the compensation performance and efficiency of the active power filter can be increased more than in the prior art.
도1은 특허 "3상 4선식 능동전력필터 제어장치"(10-0459000)에 따른 능동전력필터의 회로도
도2는 능동전력필터 제어장치의 비정수 고조파 전류 검출 알고리즘
도 3은 계통의 기본 주파수에 대한 PLL과 각 차수별 주파수 PLL을 구하는 PLL회로도. 기본파 주파수에 해당 차수 k값을 곱하여 구한다.
도 4는 본 발명의 알고리즘을 검증하기 위한 PSCAD 시뮬레이션 회로도. 계통에 SCR 부하와 능동필터를 연결하여 비정수 고조파 전류가 검출 및 저감이 잘 되는지 확인하였다.
도 5는 도 4의 회로도에서 비정수 고조파 전류의 검출 및 보상을 하기위한 검출 알고리즘 회로도.
도 6은 SCR소자를 이용한 정류기에서 발생하는 계통 전류 시뮬레이션 파형
도 7은 상기 도6에서 비정수 고조파 전류를 저감한 후의 계통 전류 시뮬레이션 파형
도 8은 상기 도 6의 보상 전 계통 차수별 고조파 전류값을 확인하기 위하여 FFT로 연산한 후 고조파 전류량 그래프
도 9는 상기 도 7의 보상 후 계통 차수별 고조파 전류값을 확인하기 위하여 FFT로 연산한 후 고조파 전류량 그래프1 is a circuit diagram of an active power filter according to the patent "3-phase 4-wire active power filter control device" (10-0459000)
FIG. 2 shows a non-constant harmonic current detection algorithm of an active power filter control apparatus
3 is a PLL circuit diagram for obtaining a PLL for a fundamental frequency of a system and a frequency PLL for each order. It is obtained by multiplying the fundamental wave frequency by the corresponding order k.
4 is a PSCAD simulation circuit diagram for verifying the algorithm of the present invention. The SCR load and the active filter were connected to the system to check whether the non - constant harmonic current was detected and reduced well.
5 is a circuit diagram of a detection algorithm for detecting and compensating for non-constant harmonic currents in the circuit diagram of Fig.
Fig. 6 is a graph showing a simulation result of a grid current generated in a rectifier using an SCR element
FIG. 7 is a graph showing the waveforms of the grid current simulation waveforms after the reduction of the non-constant harmonic current in FIG.
FIG. 8 is a graph showing the harmonic current values of the system before the compensation of FIG. 6,
9 is a graph showing the harmonic current values after the compensation according to the embodiment of FIG. 7,
비정수 고조파 전류를 검출하여 보상하고자 하는 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 능동전력필터 제어장치의 비정수 고조파 전류 검출 알고리즘에 있어서, A non-constant harmonic current detection algorithm of an active power filter control apparatus according to the present invention for achieving an object of detecting and compensating for a non-constant harmonic current,
기 특허를 받은 "능동전력필터 제어장치의 차수별 고조파 전류 검출 알고리즘"(10-1661086)에 따른 능동전력필터 제어장치에서 고조파 전류를 검출하기 위해서 각 차수의 고조파 전류는 정상분, 역상분, 영상분의 특성을 가진다.In order to detect the harmonic current in the active power filter control device according to the patented " Algorithm for Detecting Harmonic Current of the Active Power Filter Control Device "(10-1661086), the harmonic current of each order is divided into normal, .
상기 (표1)에 의하여, 정상분과 역상분은 하기의 식을 이용하여 α-β회전좌표 연산기(562)에서 상기 상분을 고려하여 정상분α-β회전좌표 연산식(식1)와 역상분α-β회전좌표 연산식(식2)을 이용하여 고조파 전류를 dc성분으로 변환 되어 검출하고, 상기 α-β회전좌표 연산기를 거친 전류값을 해당 차수를 구하기 위하여 해당차수를 제외한 나머지 ac성분을 제거하기 위한 Low Pass Filter(563)를 거친 전류값을 다시 dc 성분을 ac 성분으로 변환시키기 위한α-β역회전좌표 연산기(564)에서 상기 성분을 고려하여 정상분α-β역회전좌표 연산식(식3)와 역상분α-β역회전좌표 연산식(식4)으로 각 상분에 맞춰 차수별 고조파 전류를 검출 및 보상한다.According to the above Table 1, the normal component and the opposite-phase component are calculated by the? -Β
정상분 α-β회전좌표 연산식Normal-α-β rotation coordinate formula
역상분 α-β회전좌표 연산식The reversed-phase α-β rotation coordinate formula
정상분 α-β역회전좌표 연산식 Normal-α-β reverse rotation coordinate formula
역상분 α-β역회전좌표 연산식Reverse phase α-β reverse rotation coordinate formula
그러나, 비정수 고조파인 0.5차수의 고조파 전류는 상기 (표1)에서는 (표 2)와 같이 정상분 또는 역상분으로 구분할 수가 없으며, 정상분, 역상분으로 구분이 안되므로, 상기 정상분α-β회전좌표 연산식(식1)와 역상분α-β회전좌표 연산식(식2)와 정상분α-β역회전좌표 연산식(식3)와 역상분α-β역회전좌표 연산식(식4)을 사용할 수 없다.However, the harmonic current of the order of 0.5, which is a nonhomogeneous harmonic, can not be classified into normal or inverse phases as shown in Table 2 in Table 1 and can not be divided into normal and inverse phases, (2), the normalized α-β reverse rotation coordinate formula (3) and the opposite phase α-β reverse rotation coordinate formula (Formula 3) 4) can not be used.
그러므로, 상기 비정수 고조파 전류를 정상분 또는 역상분으로 정의해 줄 필요가 있으므로, 0.5차수인 30Hz의 고조파 전류를 기본파로 정의하고, 30Hz의 고조파 전류를 1차수로 치환한다.
n = 2 × k ( n = 치환차수, k = 계통의 비정수 고조파를 포함한 차수)Therefore, it is necessary to define the above-mentioned non-constant harmonic current as a normal or reverse phase. Therefore, a harmonic current of 30 Hz of 0.5 order is defined as a fundamental wave, and a harmonic current of 30 Hz is substituted by a first order.
n = 2 x k (n = permutation order, k = order including non-constant harmonic of the system)
그러면 하기의 (표 3)와 같이 0.5차수의 비정수 고조파는 사라지고, 정수 고조파로 치환된다.Then, as shown in the following table (Table 3), the 0.5-degree non-constant harmonic disappears and is replaced by the integral harmonic.
그러나, 실제의 계통의 기본 주파수는 60Hz이며, 정상분에 속하기 때문에 30Hz를 기본파로 가정한다고 하였을 경우에도 30Hz를 정상분으로 하여 회전변환을 할 경우, 60Hz의 실제 기본파 1차수가 영상분이 되어 실제 차수와 상분이 바뀌게 된다.However, since the fundamental frequency of the actual system is 60 Hz and it belongs to the normal frequency, when the frequency is assumed to be 30 Hz as a fundamental frequency, the actual fundamental frequency of 60 Hz is converted into a frequency The actual order and the difference will change.
그러므로, 60Hz를 기본으로한 실제차수의 고조파 전류 검출에서 기존상분 순서가 정상분-역상분-영상분이었던 순서를, 30Hz를 기본으로한 치환차수로 가정하였을 경우에는 역상분-정상분-영상분으로 치환상분으로 순서를 바꾼다.Therefore, when the harmonic current of the actual order based on 60Hz is assumed to be the order of the normal phase-reversed phase-image phase in the conventional phase sequence, and the substitution phase based on the 30Hz phase, the phase- The order is changed to chiral phase.
그러면 (표 4)와 같이, 비정수 고조파 전류도 정상분, 역상분의 상분을 갖는다.Then, as shown in Table 4, the non-constant harmonic current also has a fraction of normal and reverse phases.
상기와 같이 상분을 정했으므로, 비정수 고조파 전류를 검출하기 위해서는 비정수 고조파 전류의 PLL을 구해야 하므로, (도 3)과 같이 실제 계통 60Hz의 PLL(31)에다가 해당 실제 차수를 곱하여 해당차수의 차수별PLL(311)을 구한다.
3상전류와 전압을 이용하여 60Hz 계통의 3상 전류를 2개의 정지좌표로 변환시켜주는 α-β전류 기본파 연산기(56)와,
상기 α-β전류 기본파 연산기(56)에서 추출한 α-β값(
상기 k차 보상선택기(561)을 거친 α-β값(
상기 α-β회전좌표 연산기(562)에서 DC성분만을 구하기 위한 Low Pass Filter(563)와,
상기 Low Pass Filter(563)을 거쳐 해당 비정수 고조파 차수 성분만 남은 값을 다시 정지좌표 변환을 하기 위하여 해당 차수별PLL(311)과 (표4)에서 구한것과 같이 각각의 비정수 고조파 차수에 정해진 치환상분에 맞춰 변경되는 연산식인 정상분α-β역회전좌표 연산식(식3)와 역상분α-β역회전좌표 연산식(식4)를 이용한 α-β역회전좌표 연산기(564)와,
상기α-β역회전좌표 연산기(564)를 이용하여 구한 각 차수의 비정수 고조파 전류값의 정지좌표 변환값을 모두 더하여 보상하고자 하는 총합 고조파 전류 정지좌표 변환값을 구하는 합산기(565)와,
상기 합산기(565)에서 나온 총합 고조파 전류 정지좌표 변환값과 PLL회로(31)와 영상분 성분을 이용하여 각상의 고조파 전류값으로 변환하기 위한 α-β-0역변환기(57)를 이용하여 비정수 고조파 전류를 검출하고 보상할 수 있다.Since the phase difference is determined as described above, in order to detect the non-constant harmonic current, the PLL of the non-constant harmonic current must be obtained. Therefore, the
An? -Phase current
The? -Value (?) Extracted from the? -Current fundamental wave calculator 56
The? -Value (?) Through the k-th compensation selector (561)
A
The values remaining in the non-integer harmonic order components through the
A summing
By using the total harmonic current stop coordinate conversion value output from the
삭제delete
(도 4)는 상기의 상분을 이용하여 비정수 고조파 전류가 검출되고, 보상되는지 확인하기 위한 시뮬레이션 계통도이다.(FIG. 4) is a simulation system diagram for confirming whether the non-constant harmonic current is detected and compensated using the above-mentioned phase difference.
시뮬레이션은 PSCAD로 하였으며, 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.The simulation was performed with PSCAD, and the simulation results are as follows.
(도 5)는 (도 2)와 (도 3)을 검증하기 위한 시뮬레이션 내의 회로도 이다.(Fig. 5) is a circuit diagram in a simulation for verifying (Fig. 2) and (Fig. 3).
(도 6)은 SCR 부하에서 발생하는 고조파 전류를 포함한 계통전류 파형이며, (도 8)은 FFT로 계산한 0.5차~13.5차 까지의 차수별 전류값이다. (FIG. 6) is a grid current waveform including a harmonic current generated in the SCR load, and FIG. 8 is a current value of the order of 0.5 to 13.5 calculated by the FFT.
(도 7)은 능동전력필터가 비정수 고조파 전류 및 정수 고조파 전류를 검출, 저감한 후의 계통 전류파형이다.(FIG. 7) is a grid current waveform after the active power filter detects and reduces non-constant harmonic current and constant harmonic current.
(도 9)는 상기 (도 7)의 전류파형을 FFT로 계산한 0.5차~13.5차 까지의 차수별 전류값이다.(FIG. 9) is a current value for each order from 0.5th to 13.5th power of the current waveform of FIG. 7 calculated by FFT.
(도 8)과 (도 9)에서 보는 바와 같이, 저차수대의 비정수 고조파 전류가 대폭 저감된 것을 확인 할 수 있으며, 본 특허의 알고리즘이 정상적으로 보상한다는 것을 입증하였다. It can be confirmed that the non-constant harmonic current of the lower order number is greatly reduced as shown in FIGS. 8 and 9 (FIG. 9), and it is proved that the algorithm of this patent normally compensates.
31: 실제 계통의 기본파 PLL 회로
311: k차수별 PLL 회로
56: α-β 전류 기본파 연산기
561: k차수보상선택기
562: α-β 회전좌표 연산기
563: Low Pass Filter
564: α-β 역회전 좌표 연산기 565: 합산기
57: α-β-0 역변환기
31: fundamental wave PLL circuit of actual system
311: k-order PLL circuit
56:? -? Current basic wave calculator
561: k order compensation selector
562:? -? Rotation coordinate calculator
563: Low Pass Filter
564:? -? Reverse rotation coordinate calculator 565: summer
57:? -? - 0 inverse transformer
Claims (2)
계통의 3상 전압을 이용하여, 계통의 기본주파수를 검출하는 PLL(31)과,
상기 계통의 기본주파수를 검출한 PLL회로(31)을 이용하여, 차수별 고조파 전류의 차수에 맞춰 k값을 곱하여, 차수별 주파수의 PLL을 검출하는 차수별 PLL(311)과,
3상 전류와 전압을 이용하여, 계통의 3상 전류를 2개의 정지좌표로 변환시켜주는 α-β전류 기본파 연산기(56)와,
상기 α-β전류 기본파 연산기(56)에서 나온 2개의 정지좌표값을 이용하여, 해당 k차수의 고조파 전류를 보상할지를 선택하는 k차 보상 선택기(561)와,
상기 k차 보상선택기(561)에서 보상하기로 결정난 해당 차수의 비정수 고조파 전류를 검출하기 위하여, 계통의 0.5차 고조파를 기본파로 가정하고, 0.5차 씩 기본파 차수부터 시작하여 이후 상분을 역상분-정상분-영상분 순으로 보는 치환상분(표4)과,
상기 치환상분(표4)를 이용하여 해당 차수에 대한 차수별 PLL(311)에서 나온 값
상기 α-β회전좌표 연산기(562)에서 구한 유효분과 무효분에서 해당 차수에 대한 dc성분 외의 나머지 ac성분을 제거하여, 해당 차수 고조파 전류만을 검출할 수 있게 만드는 Low Pass Filter(563)과,
상기 Low Pass Filter(563)을 지나, 해당 차수 k에 대한 고조파 전류 값을 가진 dc 성분의 유효분, 무효분 전류를 차수별PLL(311)에서 구한 해당 차수 k에 대한 PLL 값을 가진
상기 α-β역회전좌표 연산기(564)에 의하여 해당차수 k에 대한 정지좌표 값인 ac성분으로 변환된 각 차수별 비정수 고조파 전류들을 모으기 위한 합산기(565)와,
상기 합산기(565)에 의하여 모아진 ac 성분의 정지좌표 값의 고조파 전류와, 영상분 전류, 그리고 PLL회로(31)을 이용한 계통의 기본파 PLL을 가진
능동전력필터 제어장치의 비정수 고조파 전류 검출 알고리즘
A non-constant harmonic current detection algorithm of an active power filter control apparatus for detecting and compensating harmonic currents of non-constant orders generated in a load using an SCR element such as a welding machine or an arc,
A PLL 31 for detecting the fundamental frequency of the system using the three-phase voltage of the system,
By-number PLL 311 for detecting a PLL of each frequency by multiplying k by the degree of the harmonic current for each order by using the PLL circuit 31 detecting the fundamental frequency of the system,
An? -Phase current fundamental wave calculator 56 for converting the three-phase current of the system into two stationary coordinates using three-phase current and voltage,
A kth-order compensation selector 561 for selecting whether to compensate the harmonic current of the k-th order by using the two stationary coordinate values output from the? -Phase current fundamental wave calculator 56,
In order to detect the non-constant harmonic current of the order determined to be compensated in the k-order compensation selector 561, it is assumed that the 0.5th harmonic of the system is a fundamental wave, (Table 4), which are seen as the minute-normal-image minute,
By using the above-mentioned dental ring phase (Table 4), the value derived from the order-specific PLL 311 for the corresponding order
A low pass filter 563 that removes the remaining ac components other than the dc component of the corresponding order from the valid component and the ineffective component obtained from the? -? Rotation coordinate calculator 562 to detect only the corresponding order harmonic current,
Pass through the Low Pass Filter 563 and have a PLL value for the corresponding order k obtained from the order-by-order PLL 311, the effective component of the dc component having the harmonic current value for the order k,
An adder 565 for collecting non-constant harmonic currents for each order, which are converted into ac components, which are stationary coordinate values for the order k, by the? -B counterclockwise coordinate calculator 564,
The harmonic current of the stop coordinate value of the ac component collected by the summer 565, the image minute current, and the fundamental wave PLL of the system using the PLL circuit 31
Non-constant harmonic current detection algorithm of active power filter controller
계통의 주파수에 대한 0.5차의 주파수를 기본파로 가정하여, 계통 주파수를 기본파로 보면 0.5차 비정수 고조파 차수이지만 치환차수로는 정수 고조파 차수로 가정하고(n=2×k, n:치환차수, k:계통의 비정수 고조파를 포함한 차수),
계통 주파수에 대한 정수 고조파 차수의 기존상분 순서인 정상분-역상분-영상분의 순서와는 다르게 치환차수에 대한 상분 순서를 역상분-정상분-영상분 순으로 하여, 계통 주파수에 대한 정수 고조파 차수의 기존상분 순서를 변경하지 않고 비정수 고조파 차수도 상분을 정할 수 있게 하는 치환상분을 갖는 능동전력필터 제어장치의 비정수 고조파 전류 검출 알고리즘In claim 1, the term "
(N = 2 × k, n: permutation order, n is a permissible number of harmonic order), assuming that the fundamental frequency of the system frequency is 0.5, k: order including non-integer harmonics of the system),
The harmonic order of the harmonic order for the system frequency is different from the order of the normal half-reverse half-image half, Nonlinear Harmonic Current Detection Algorithm for Active Power Filter Control System with Dichotomized Phase to Determine Nonhomogeneous Harmonic Difference Halftone without Changing the Order of Ordinary Harmonic Order
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