본 논문은 대용량 전력을 사용하는 철강산업 전력계통에서 고조파 전압과 전류 등을 현장 실측하여 고조파 발생 설비를 모의하여 고조파를 해석한 실계통 적용 연구 사례로 전력계통 전반에 나타나는 고조파 전압과 전류 분포를 분석하고 고조파 억제용으로 설치되어있는 고조파필터용 콘덴서의 공진 가능성 등을 검토한 것이다.
국내철도는 많은 철도선로를 전철화하고 있다. 25kV-60Hz 전철화구간에서 운행하는 전기차량으로 인하여 고조파에 대한 문제가 있다 이를 해결하기 위하여 AT급전방식에서의 고조파 특성을 해석하고 차량에서 발생하여 변전소로 유입되는 고조파를 저감시키기 위한 대책설비가 필요하다 여기에서는 지금까지 고조파 해석에 사용된 3종류의 고조파 해석모델과 기존선 전철화 과정에서 고조파 대책설비 설계에 대한 3가지 예를 보인다.
본 논문에서는 산업용 전력시스템의 전기품질을 평가하기 위한 고조파 해석기법을 제시하였다. 먼저 수변전계통의 전압강하, 고조파, 고장전류 등을 PTW Tool을 이용해서 시뮬레이션 하였으며, 실제 계통에서의 운전중 고조파 현상을 실측치와 비교 분석함으로써 기존 시뮬레이션 기법의 정확성을 검증하였다.
LCL 필터는 스위칭 고조파를 저감하는 저역통과필터로써 L 필터에 비해 경제적이며 효과적인 스위칭고조파 감쇄능력을 갖는다. 하지만 LCL 필터는 L 필터에서 존재하지 않은 공진문제를 야기한다. 이러한 LCL 필터의 공진현상은 계통주입전류의 품질을 저하시키고 LCL 필터의 고조파 억제성능을 저하시킬 수 있는 잠재적 요소이다. 최근에는 스위칭 고조파 및 LCL 필터 공진성분 뿐만 아니라 기본파 주파수 부근의 저차 고조파 성분도 계통주입전류를 왜곡시키는 원인의 하나로 밝혀져다. 그러므로 LCL 필터를 설계하기 위해서는 주요 주파수 영역에서의 정확한 필터동작해석이 요구된다. 본 논문은 기본파 주파수, 공진주파수, 스위칭주파수에 대한 L 필터와 LCL 필터의 주파수응답을 통해 필터의 동작을 해석하며, 시뮬레이션을 통해 계통주입전류의 스위칭 고조파 및 저차 고조파를 저감하기 위한 최적의 필터인덕터 비율을 제안한다.
최근 다양한 형태의 비선형 부하가 계통에 연계됨에 따라 이러한 부하에 적절한 전원을 공급하는 전력변환장치의 보급이 활발히 진행되고 있다. 이러한 전력변환장치들은 전력용반도체소자의 스위칭에 의해 동작하기 때문에 전류의 고조파를 발생시키고, 이때 발생하는 고조파는 변압기의 손실을 증대시키고 역률을 저하시키며 온도의 과도한 상승을 유발하여 결국 변압기의 수명을 단축시킨다. 따라서 본 논문에서는 과열을 방지하면서 비선형 부하에 적절하게 연계하기 위하여 전류 고조파에 의한 변압기에서의 손실을 해석한다.
송변전성비의 비선형영역 운전으로 인하여 발생하는 고조파는 잘 알려져 있지 않으며 이에 대한 연구도 많지 않다. 비선형회로에서 고조파원, 특히 송변전설비의 비선형 운전에 의한 고조파는 근사적으로 비선형 기계진동문 제를 기술하는 Duffing방정식으로 모델링할 수 있다. 본 논문에서는 Duffing방정식을 이용하여 비선형회로에서 고조파 해석올 위한 새로운 해석 기법올 제안하고 기존에 알려진 여러 기법들과 비교하였다. 사례연구를 통하여 제안된 기법과 기존기법을 바교하였으며, 제안된 방법의 활용성을 고찰하였다.
최근 전력 전자 응용 기기의 사용증가로 비선형 특성 부하에 의한 고조파가 상당히 발생하고 있으며, 이에 의한 영향으로 배전시스템의 변압기 열화, 소자의 고장, 통신 간섭 등의 여러 가지 문제를 발생시키고 있다. 따라서 배전 시스템에서의 고조파 수준과 전달특성을 정확하게 분석하기 위하여 배전시스템의 효과적인 실측정과 모델링에 관한 연구가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 고조파 관리기준 IEC61000-3-6 토대로 배전 시스템의 고조파 특성을 해석하기 위하여 공통 결합점(Point of Common Coupling : PCC)을 선택하였다. 실 배전 시스템의 PCC 지점에서 고조파 전압, 전류를 측정하여, 고조파 분포, 비선형 부하 성분 및 고조파 전압, 전류 왜형률 (Voltage/Current Total Harmonic Distortion: VTHD/ITHD)을 분석하였다. 또한 정상상태에서 고조파 임피던스, 전압, 전류을 해석을 통하여 실 배전시스템을 효과적이고 정확하게 모델링 되었을 확인하였다. 또한 고조파 전류원 발생시에 고조파 전압, 전류를 비교 분석하여 고조파 전달특성을 조사하였다.
집속음장의 고조파성분을 이용한 초음파영상의 특성을 해석하기 위해 집속된 가우스 음원에 직선 edge를 초점면 및 초점면의 전, 후방에 삽입하여 edge의 후방에서 생성되는 음장을 조사하였다. 계산에서는 그린함수의 간단화를 위해 Fresnel근사를 이용하였고, 실험에서는 성형전극을 형성시킨 1.9MHz 요면진동자에 의한 가우스분포의 음장을 갖는 초음파빔에 수직하게 edge를 삽입시켰다. 음장의 이론해석 및 실험결과, 초점면의 제2고조파의 빔형상을 제외하고는 계산치와 실험치가 잘 일치하고 있으며, 제2고조파의 공간 분해능이 기본파에 비해 높음을 알았다.
전자식 안정기는 형광등을 점등시키기 위하여 널리 사용되고 있다. 전자식 안정기의 실측을 통해 고조파 발생현황을 측정하고 고조파 해석용 등가회로를 모델링 하여 시뮬레이션을 하였다. 본 논문은 단상 부하의 고조파 해석용 등가회로 모델링과 설계 및 적용 시험을 하여 고조파를 저감시키고, IEC 61000-3-2와 IEEE Std 519-1992를 근거로 평가하였다.
본 논문은 3상 NPC형 3레벨 인버터의 과변조 SVPWM 기법과 변조비에 대한 출력전압의 고조파를 분석하였다. 3상 NPC형 3레벨 인버터는 SVPWM을 적용하여 선형영역을 0.907까지 확장하였고 과변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 추종전압의 보상기법을 적용하여 6 스텝영역까지 운전할 수 있도록 하였다. PWM 형태인 출력전압의 고조파 특성분석에는 PD방식의 멀티 캐리어 기법에 대하여 이중 푸리에 급수를 적용하여 해석하였다. 시뮬레이션은 PSIM을 사용하여 구현하였고 3레벨 인버터의 영역도의 각 영역에 대해서 고조파의 특성을 확인하였다. NPC형 3레벨 인버터의 고조파 분포는 선형영역에서는 캐리어 주파수의 측대 고조파가 분포되고, 과변조 영역으로 넘어가면서 기본파에 의한 고조파 성분이 점차 증가하고 캐리어 주파주의 사이드 밴드의 고조파 성분은 감소함을 확인하였다. 본 논문에서의 고조파 해석을 검증하기 위하여 동일한 조건에서 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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