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Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers

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Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers

KIIEE Vol. 34, No. 5, p.1-10

ISSN (print) :

1229-4691

ISSN (online) :

2287-5034

Received : 11 November 2019Revised : 3 February 2020Accepted : 10 February 2020

DOI :

http://dx.doi.org/10.5207/JIEIE.2020.34.5.001

실측 데이터 기반 비선형 부하에서 고조파 저감이 역률 개선에 미치는 효과

Effect of Harmonics Mitigation on Power Factor Correction for Nonlinear Loads based on Actual Measurement Data

이재천 (Jae-Cheon Lee) ¹ 조수환 (Soo-Hwan Cho) ^†

(Master course, Dept. of Energy Grid, Graduate School, Sangmyung University, Korea)

^†Corresponding Author : Associate Professor, Dept. of Electrical Engineering, Sangmyung University, Korea, Tel：02-781-7503, Fax : 02-2287-0097, E-mail: shcho@smu.ac.kr

License :

This work was supported by the Korean Federation of Science and Technology Societies(KOFST) Grant funded by the Korean Government.(www.kiiee.or.kr).

Abstract

As the various high-tech electronic appliances are used more and more in present, the proportion of electrical loads using DC power is also increasing, and the demand for these DC loads is expected to gradually increase in the future. In these loads, the power electronic devices are required for converting AC to DC power, and they are called nonlinear load since they have nonlinear relation between the voltage and the current. The nonlinear load have some common characteristics that they are sensitive to power quality, produce harmonics and deteriorate power factor. In this case, it is impossible to expect the power factor correction by simply installing capacitors. This paper is written to verify the relationship between nonlinear load and power factor with real measurement data and to show the practical effect of harmonics mitigation on power factor correction for nonlinear load in details.

Key words

Nonlinear Load, Total Power Factor, Displacement Power Factor, Harmonics Distortion

1. 서 론

산업 초창기에는 부하 측에서 필요한 전원이 주로 교류였다면, 현대에 이르러 전력전자 기술의 발달과 함께 직류 전원을 필요로 하는 부하의 종류가 다양해지고 용량 역시 대형화되어 가고 있다. 이러한 부하들은 주로 전력전자 소자를 이용하여 교류 전압을 직류 전압으로 변환하므로 비선형적인 특성을 보이며, 고조파(Harmonics)의 주요 발생원으로 작용하게 된다^(1-⁴⁾.

이렇듯 시대에 따라 부하의 특성이 변화하는 데 반해 역률(Power Factor)과 관련된 기준들은 여전히 기존의 선형 부하에 초점을 두고 있어, 비선형 부하의 특성을 감안한 역률 개선 연구 및 대책 수립이 절실한 시점이다.

본 연구에서는 비선형 부하에 대한 역률 측정 방법을 소개하고, 노트북, 모니터 등 개별 비선형 부하에서 측정된 실 전압, 전류데이터를 기반으로 고조파 저감이 비선형 부하의 역률 개선에 미치는 영향에 대해 자세히 살펴볼 것이다.

2. 실부하 환경에서의 고조파와 역률의 관계

2.1 일반적인 부하 환경

부하는 전압과 전류의 관계에 따라 크게 선형 부하(Linear Load)와 비선형 부하(Nonlinear Load)로 구분된다.

선형 부하는 인가 전압의 변화에 대한 전류의 변화가 일정한, 다시 말해 일정한 임피던스를 갖는 부하를 의미한다. 선형 부하의 경우, 주로 수동소자인 저항, 커패시터(용량성 리액턴스 성분을 갖는 소자), 인덕터(유도성 리액턴스 성분을 갖는 소자)로 구성되어, 전압과 전류 간에 오옴의 법칙(Ohm’s law)을 따르거나, 적분 혹은 미분의 관계를 갖게 되며, 이로 인해 전압과 전류 간의 위상 차이가 발생하게 된다. 이 경우, 전압과 전류의 정현파적인 성질을 그대로 지니게 되어 고조파를 발생시키지 않는다. 선형 부하의 대표적인 예로는 저항성 히터와 백열등, 인덕턴스 성분을 지닌 전동기, 역률보상용 커패시터 등이 있다. 아래의 그림 1은 선형 부하에서의 전압과 전류의 파형을 보여준다. 선형 부하의 전류파형은 부하를 구성하는 임피던스(Z = R±jX)의 성분에 따라 전압파형과의 위상차를 갖게 되고 임피던스 크기(|Z|)에 따라 크기도 달라지지만 동일한 주파수를 갖는 정현파이다.

Fig. 1. Voltage and Current Waveforms of Inductive Linear Load

그에 반해 비선형 부하는 인가된 전압의 변화에 따라 특히 순간적으로 임피던스가 변하는 부하를 의미한다. 즉, 전압과 전류의 변화율이 일정하지 않은 부하이다. 그림 2는 비선형 부하의 임피던스 곡선(I-V curve)과 그에 따른 전압과 전류의 파형을 보여준다. 그림 2에서 기울기(V/I)는 임피던스의 크기를 의미한다. 임계전압 이내의 전압에 대해서는 무한대에 가까운 큰 임피던스를 갖지만, 그 범위를 벗어나는 임피던스에 대해서는 다른 임피던스 값(상대적으로 낮은 임피던스)을 갖는다.

이러한 비선형 부하는 고조파 전류를 발생하여 계통의 임피던스와 결합하여 전압파형을 왜곡시키는 주요 원인이 된다. 비선형 부하의 예로는 반도체소자인 다이오드(Diode) 또는 정류기, 트랜지스터, SCR/사이리스터(Thyristor)와 스위칭 전원공급장치(Switching mode power supply), 가변 주파수 구동장치(VFD: Variable Frequency Drive) 그리고 전자식 전력 컨버터(Electronic power converter) 등이 있다^(2,³⁾.

Fig. 2. (Top) I-V Curve of Nonlinear Load, (Bottom) Voltage and Current Waveforms of Nonlinear Load

2.2 고조파 발생차수 및 영향

비선형 부하의 고조파 발생 차수 h는 $h=kq\pm 1$로 표현되는데, 여기에서 k는 양의 정수, q 는 컨버터의 펄스 수를 의미한다. 컨버터의 펄스 수에 따라 컨버터에서 발생하는 고조파의 차수를 정리하면 아래의 표 1과 같다⁽⁴⁾.

Table 1. Harmonic Components of Convertor depending on Pulse Number

컨버터 펄스

고조파 차수

○

3상 계통에서의 고조파는 상순(Sequence)을 고려하여 그림 3과 같이 정상분, 역상분 그리고 영상분 고조파로 구분된다.

① 정상분(Positive sequence): 4th, 7th, 10th, …

② 역상분(Negative sequence): 2nd, 5th, 8th, …

③ 영상분(Zero sequence): 3rd, 6th, 9th, …

정상분의 상회전은 기본파(A-B-C순)와 같고, 역상분의 상회전은 기본파와 반대(A-C-B순)이며, 영상분의 상회전은 3상 모두 동일하다.

Fig. 3. Sequences According to the order of Harmonics

고조파가 발생하면 전력계통이나 부하 측 장비에 영향을 미치게 되는데, 고조파로 발생하는 일반적인 문제점은 다음과 같다⁽⁵⁾.

① 고조파 전류로 인한 문제점

- 변압기의 과열

- 차단기의 불필요한 트립

- 역률보상용 커패시터의 over-stress 및 병렬 공진

- 중성선의 과열

- 표피 효과(Skin effect)

② 고조파 전압으로 인한 문제점

- 전압 왜곡

- 유도 전동기 과열로 인한 정격용량 저하

- Zero-crossing noise로 인한 전자장비 오동작

③ 역률 저하

본 연구에서는 비선형 부하의 고조파 전류로 인한 종합 역률 저하 문제에 초점을 두기로 한다. 비선형 부하에 의해 발생한 고조파 전류는 무효전력을 증가시키고, 이로 인해 피상전력이 커짐으로써 종합 역률에 영향을 미치게 된다.

2.3 고조파가 종합 역률에 미치는 영향

비선형 부하에서 종합 역률(TPF: Total 또는 True Power Factor)을 계산할 때에는 선형 부하와 비선형 부하가 동일하게 적용되지만, 기존에 알고 있는 역률 계산법과는 다르게 접근해야 한다. 전압 혹은 전류 신호가 고조파를 함유하는 경우, 실효 값에는 기본파 성분과 고조파 성분을 동시에 포함하게 된다.

그 과정을 살펴보도록 하자. 고조파를 포함한 전압 신호를 수식으로 표현하면 식(1)과 같다.

(1)

$v_{h}(t)=\sum_{n=1}^{N}v_{n}(t)=\sum_{n=1}^{N}V_{M,\:n}\cos(n\omega_{1}t)$

여기에서 $v_{n}(t)$는 n-차 고조파 성분이고, $v_{m_{,\:}n}$은 n-차 고조파 전압 신호의 최대값, $\omega_{1}$은 기본주파수 성분의 각주파수로 $2\pi f_{1}=2\pi /T_{1}$을 의미한다.

고조파를 포함하고 있는 전압 신호에 대해 실효값 계산을 수행한 결과는 식(2)와 같다.

(2)

\begin{align*} V_{{R MS}}=\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}v_{h}^{2}(t)dt}=\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}\left(\sum_{n=1}^{N}v_{n}(t)\right)^{2}dt}\\ \\ =\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}\left(\sum_{n=1}^{N}\sum_{m=1}^{N}v_{n}(t)v_{m}(t)\right)dt}\\ \\ =\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}\left(\sum_{n=1}^{N}v_{n}^{2}(t)+\sum_{n=1}^{N}\sum_{\begin{aligned}m=1\\ (m\ne n)\end{aligned}}^{N}v_{n}(t)v_{m}(t)\right)dt} \end{align*}

여기에서 $n\ne m$일 때, $\int_{0}^{T}\cos(n\omega_{1}t)\cos(m\omega_{1}t)dt=0$ 이므로 아래와 같은 식(3)의 결과를 얻게 된다.

(3)

\begin{align*} V_{{R MS}}=\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}\sum_{n=1}^{N}v_{n}^{2}(t)dt}\\ \\ =\sum_{n=1}^{N}\sqrt{\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}v_{n}^{2}(t)dt}\\ \\ =\sum_{n=1}^{N}V_{{R MS},\: n} \end{align*}

역률에도 기본파 역률($PF_{disp}$: Displacement Power Factor)과 고조파 역률($PF_{dist}$: Distortion Power Factor) 두 가지로 구분된다.

선형 부하의 경우, 기본파 전압과 전류만 가지고 있기 때문에 그림 4와 같이 기본파 역률이 종합 역률(TPF)과 동일하다^(6,⁷⁾.

비선형 부하의 경우에는 그림 5와 같이 고조파 전압과 전류로 인해 생성되는 무효전력 성분인 D (Distortion power)가 존재하여 피상전력의 크기는 $\sqrt{P^{2}+Q^{2}+D^{2}}$이 되어 커지기 때문에 기본파 역률과 종합 역률은 더 이상 같지 않게 된다.

Fig. 4. Power Factor of Linear loads

Fig. 5. Power Factor of Nonlinear loads

역률에는 기본파 역률, 고조파 역률과 종합 역률이 있으며, 기본파 역률(Displacement PF)은 식(4)와 같다.

(4)

$PF_{disp}=\cos\phi =\dfrac{P_{1}}{S_{1}}$

여기서, $PF_{disp}$는 기본파 역률, $P_{1}$은 기본파 유효 전력 [kW], $S_{1}$은 기본파 피상 전력 [kVA]이다.

고조파 역률(Distortion PF)에서 전압의 종합고조파 왜형률(THD(V))은 일반적으로 매우 작기 때문에 식(5)와 같이 간략하게 표시할 수 있다.

(5)

$PF_{dist}=\cos\delta =\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}$

여기서, $PF_{dist}$는 고조파 역률, THD(I)는 전류의 종합고조파 왜형률[%]을 의미한다.

이 때 종합 역률(Total 또는 True PF)은 식(6)으로 계산된다^(6,⁷⁾.

(6)

\begin{align*} TPF=PF_{disp}\times PF_{dist}\\ =PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}} \end{align*}

기본파 역률이 1.0인 경우, 전류 종합고조파 왜형률(THD(I))에 따른 종합 역률의 관계는 그림 6과 같은 형태를 갖게 된다⁽⁷⁾.

전류 종합고조파 왜형률(THD(I))과 종합 역률의 관계를 확인하기 위하여 식(7)을 사용한다. 예를 들어, 기본파 역률이 1.0으로 동일한 조건에서 THD(I)가 40[%]인 경우 종합 역률은 식(7)과 같이 0.928이 되고, THD(I)가 100[%]인 경우에는 종합 역률은 식(8)과 같이 0.707이 된다. 결과적으로 THD(I)가 크면 클수록 종합 역률이 저하되어, THD(I)에 따라 종합 역률에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

(7)

\begin{align*} TPF = PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}\\ = 1.0\times\dfrac{1}{\sqrt{1+0.4^{2}}}\\ =0.928 \end{align*}

(8)

\begin{align*} TPF = PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}\\ = 1.0\times\dfrac{1}{\sqrt{1+1^{2}}}\\ =0.707 \end{align*}

Fig. 6. Relationship between THD(I) and TPF

3. 비선형 부하의 역률 분석

3.1 실측 데이터 분석 및 검증

비선형 부하 중 일반적으로 사무실에서 사용하는 부하에 대하여 고조파 발생량과 역률에 대하여 실측하였고, 그 측정 결과는 표 2와 같다. 대부분의 사무실 부하에서 고조파 전류가 발생되고 있으며, 종합 역률은 고조파 전류로 인해 기본파 역률보다 더욱 저하되는 것을 알 수 있다.

비선형 부하 중에서 다이오드 정류기를 사용하는 경우에는 다이오드는 전압과 전류의 위상이 거의 일치하기 때문에 기본파 역률은 1.0에 가깝게 된다. 표 2의 실측 데이터에서도 확인되듯이 비선형 부하의 정류기 회로 내의 커패시터나 선로의 커패시턴스 성분으로 인하여 진상 무효전력이 발생하여 기본파 역률이 진상(leading)이 된다. 따라서, 그림 6, 식(7),(8)과 같이 부하의 종합 역률은 기본파 역률보다 더욱 저하된다.

Table 2. Measured data of Office load

사무실 부하	THD(I) [%]	전력				역률		비고
사무실 부하	THD(I) [%]	P [W]	Q [VAr]	D [VAr]	S [VA]	PF$_{disp}$	TPF	비고
노트북	133.1	24.02	-8.43	34.68	43.32	0.946	0.554	1대
모니터	123.0	26.31	-6.48	33.58	43.47	0.972	0.605	1대
복합기	32.3	57.08	-57.79	26.80	85.69	0.704	0.666	1대
형광등 (전자식)	15.6	845.90	-101.80	136.40	862.80	0.993	0.980	10등

실측 데이터 중에서 대표적으로 노트북과 모니터에 대하여 데이터를 근거로 하여 기본파 역률, THD(I) 및 종합 역률에 대하여 검증하도록 한다.

노트북과 모니터의 전력 및 각종 실측 데이터는 표 3과 같으며, 벡터도(전압 vs. 전류), 파형(전압 vs. 전류), 및 전류 고조파 스펙트럼은 그림 7 ～ 9와 같다.

Table 3. Data measurements of a laptop and a monitor

노트북			모니터
항목	단위	데이터	항목	단위	데이터
U	[V]	219.5	U	[V]	219.5
f	[Hz]	60.03	f	[Hz]	60.02
I	[A]	0.197	I	[A]	0.198
P	[W]	24.02	P	[W]	26.31
Q	[VAr]	-8.43	Q	[VAr]	-6.48
S	[VA]	43.32	S	[VA]	43.47
D	[VAr]	34.68	D	[VAr]	33.58
TPF	[-]	0.554	TPF	[-]	0.605
PF$_{disp}$	[-]	0.946	PF$_{disp}$	[-]	0.972
THD(I)	[%]	133.1	THD(I)	[%]	123.0

Fig. 7. Vector diagram of (a) a laptop and (b) a monitor (Voltage: blue, Current: red)

Fig. 8. Voltage and current waveforms of (a) a laptop and (b) a monitor

Fig. 9. Current harmonics spectrum of (a) a laptop and (b) a monitor

첫 번째로 노트북의 실측 데이터는 기본파 역률이 진상 0.946, THD(I)는 133.1[%]이고, 종합 역률은 0.554이다. 종합 역률의 계산 결과는 식(9)와 같이 0.568로 실정 데이터인 0.554와 유사한 값이고, 기본파 역률이 고조파 전류로 인하여 더욱 저하되는 것으로 알 수 있다.

(9)

\begin{align*} TPF = PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}\\ = 0.946\times\dfrac{1}{\sqrt{1+1.331^{2}}}\\ =0.568 \end{align*}

두 번째로 모니터의 실측 데이터는 기본파 역률이 진상 0.972, THD(I)는 123.0[%]이고, 종합 역률은 0.605이다. 종합 역률의 계산 결과는 식(10)과 같이 0.613으로 실측 데이터인 0.605와 유사한 값이고, 노트북과 동일하게 기본파 역률이 고조파 전류로 인하여 더욱 저하되는 것을 알 수 있다.

(10)

\begin{align*} TPF = PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}\\ = 0.972\times\dfrac{1}{\sqrt{1+1.23^{2}}}\\ =0.613 \end{align*}

노트북이나 모니터와 같은 비선형 부하의 정류기 및 선로 커패시턴스로 인하여 기본파 역률은 진상(leading)인데, 미터에서 읽어 들인 역률이 낮다고 기본파 역률에 대한 분석 없이 역률보상용 커패시터를 설치하면 기본파 역률이 더욱 더 진상으로 저하되어 종합 역률은 개선되지 않는다.

3.2 고조파 개선에 대한 검증

고조파 개선에 의한 역률 개선 효과를 확인하기 위해서 건물의 비선형 부하로부터 고조파 전류가 유입되는 변압기 2차 측에 능동형 고조파 필터(이하 능동필터, AHF: Active Harmonic Filter)를 그림 10과 같이 설치하고, 설치 전후의 THD(I)와 종합 역률의 개선 정도를 실측 데이터와 수식을 통해 비교 분석하였다.

능동필터는 병렬 계통의 전류 고조파 성분의 차수와 크기를 측정하고 그와 반대 위상의 전류를 계통으로 주입함으로써 전류 고조파를 제거하게 된다. 본 연구에 사용된 능동필터는 S社의 상용화 제품으로 A백화점 부하의 용량 및 고조파 전류 크기를 감안하여 전류용량 60A짜리 1대를 설치하였다. 해당 제품의 기술적 사양을 살펴보면 3레벨 IGBT로 구성되어 2~50차까지의 고조파 전류를 선택적 혹은 동시에 최대 97[%]까지 저감 가능하고, THD(V)와 THD(I)의 목표 값 설정이 가능하다. 또한 제어 응답 시간은 40~60[usec]이하, 고조파 보상 시간은 2싸이클 이하, 무효전력 보상 시간은 0.5싸이클 이하로 고조파 저감, 기본파 역률 보상, 불평형 개선 등의 기능을 동시에 또는 선택적으로 수행할 수 있다.

Fig. 10. System configuration of AHF installation

능동필터 설치 전 A백화점의 종합 역률 측정 결과(표 4 참조) 진상 0.853으로 측정되어 역률 개선이 시급한 것으로 판단되었다. 또한, A백화점의 기본파 역률(PF$_{disp}$)은 0.960으로 거의 1.0에 가까운 반면, THD(I)가 51.7[%]로 높아 결과적으로는 종합 역률(TPF)이 0.853으로 낮게 측정되었음을 알 수 있다. 따라서 A백화점은 전류 고조파 저감에 따른 종합 역률의 개선 효과를 확인하기에 적합한 건물임을 확인하였다.

능동필터 적용 전후에 대한 실측 데이터는 표 4, 5와 같고, 전류 고조파 스펙트럼은 그림 11과 같다.

표 4에서 능동필터 운전 전의 실측 데이터는 기본파 역률이 진상 0.960, THD(I)는 51.7[%]이고, 종합 역률은 0.853이다. 종합 역률의 계산 결과는 식(11)과 같이 0.853으로 실측 데이터와 동일한 값이 된다.

(11)

\begin{align*} TPF = PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}\\ = 0.96\times\dfrac{1}{\sqrt{1+0.517^{2}}}\\ =0.853 \end{align*}

능동필터 운전 후의 실측 데이터는 기본파 역률이 진상 0.996, THD(I)는 1.7[%]이고, 종합 역률은 0.995이고, 계산 결과는 식(12)와 같이 0.996으로 실측 데이터와 유사한 값이 된다. 이때 능등필터 운전에 따라 개선된 1.7[%]의 THD(I)는 운전 전인 51.7[%]에 비해 약 97[%]가 저감된 결과이며, 이는 설치된 S社 능동필터의 기술 사양과 일치한다.

(12)

\begin{align*} TPF = PF_{disp}\times\dfrac{1}{\sqrt{1+THD(I)^{2}}}\\ = 0.996\times\dfrac{1}{\sqrt{1+0.017^{2}}}\\ =0.996 \end{align*}

Table 4. Actual power data (a) before and (b) after AHF operation

조건	THD(I) [%]	전력			역률
조건	THD(I) [%]	P [kW]	Q [kVAr]	D [kVAr]	S [kVA]	PF$_{disp}$	TPF
능동필터 운전 전	51.7	13.04	-3.08	7.03	15.29	0.960	0.853
능동필터 운전 후	1.7	12.01	-1.13	0.27	12.07	0.996	0.995
증감율 [%]	-96.7	-7.9	-63.3	-96.2	-21.1	3.8	16.6

Table 5. Detailed actual phase data (a) before and (b) after AHF operation

능동필터 운전 전					능동필터 운전 후
항목	단위	L1	L2	L3	항목	단위	L1	L2	L3
U	[V]	214.8	215.5	214.9	U	[V]	215.7	216.4	215.5
f	[Hz]	60.01	60.01	60.01	f	[Hz]	60.01	60.01	60.01
I	[A]	71.17	73.65	74.98	I	[A]	55.94	60.13	62.09
P	[kW]	13.04	13.83	14.34	P	[kW]	12.01	13.00	13.38
Q	[kVAr]	-3.802	-3.419	-3.053	Q	[kVAr]	-1.125	-0.444	-0.159
S	[kVA]	15.29	15.87	16.11	S	[kVA]	12.07	13.01	13.38
D	[kVAr]	7.025	7.002	6.687	D	[kVAr]	0.269	0.358	0.354
TPF	[-]	0.853	0.872	0.890	TPF	[-]	0.995	0.999	1.000
PF$_{disp}$	[-]	0.960	0.971	0.978	PF$_{disp}$	[-]	0.996	0.999	1.000
THDI	[%]	51.72	48.60	45.38	THDI	[%]	1.694	2.247	2.202

Fig. 11. Harmonics spectrum of current (a) before and (b) after AHF operation

능동필터 운전 전과 운전 후의 역률 실측 데이터와 계산공식으로 검증한 결과 THD(I)에 따라 종합 역률과 기본파 역률의 차이를 검증하였다. THD(I)가 5[%] 이하로 감소되면 기본파 역률과 종합 역률은 거의 동일한 값이 된다. 따라서, THD(I)를 저감하면 종합 역률이 개선된다. 능동필터의 기능에는 고조파 전류 저감 뿐만 아니라 기본파 역률 개선 기능도 있기 때문에 능동필터의 제어부에서 목표 역률에 맞게끔 진상 전류 또는 지상 전류를 생성해서 전력계통에 주입한다. 진상 전류는 역률보상용 커패시터 기능을 하고, 지상 전류는 분로 리액터(Shunt reactor) 역할을 하여 필요한 진상 및 지상 무효전류를 보상하게 된다.

능동필터와 같이 진상 무효전류를 보상하여 기본파 역률을 개선하고, 고조파 전류를 저감하게 되면 기본파 역률과 종합 역률이 동일한 거의 1이 되어 가장 이상적인 상태가 된다.

4. 결 론

전력전자 기술의 발달로 인하여 적용 분야가 다양하고 광범위하게 사용됨에 따라 비선형 부하의 비중이 증가하고 있으며, 비선형 부하에서 발생하는 고조파 전류가 종합 역률에 직접적으로 영향을 주고 있다. 또한, 대부분의 비선형 부하의 기본파 역률은 거의 100[%]이거나 진상으로 기존의 역률보상용 커패시터로는 역률을 개선하기에는 역부족인 상태이다.

부하 역률이 낮다고 기본파 역률과 종합 역률을 실측 또는 분석 없이 역률보상용 커패시터를 설치하여 전력계통에 투입하게 된다면 기본파 전류 위상만 보상하게 된다. 기본파 역률이 진상인 경우에는 역률보상용 커패시터로 인하여 더욱 더 역률이 저하하게 된다. 따라서 비선형 부하의 역률과 고조파를 동시에 실측하여 고조파 및 기본파 역률의 무효전력 성분에 따라 역률보상용 커패시터 또는 분로 리액터를 설치하거나 이러한 기능을 복합적으로 가능한 능동필터와 같은 대책을 수립하여야 한다.

본 논문에서는 비선형 부하가 종합 역률에 미치는 영향에 대해서 실측 데이터 및 수식을 통하여 검증하는 것을 수행하였다. 다만 정류기 방식에 따라 발생되는 전류 종합고조파 왜형률이나 기본파 역률은 일반적인 다이오드 방식을 기준으로 하였기 때문에 IGBT 정류기에 대한 부분은 고려하지 않았으나, 전류 종합고조파 왜형률을 개선하면 종합 역률은 개선되는 것은 동일하다.

향후에는 능동필터의 설계 요소의 변화에 따른 역률 개선 정도의 비교 그리고 진상 역률 보상과 고조파 대책으로 인한 경제적 효과에 대한 추가적인 연구를 수행할 것이다.

Acknowledgements

This work was supported by “Human Resources Program in Energy Technology” of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP), granted financial resource from the Ministry of Trade,Industry & Energy, Republic of Korea. (No.20164030300230)

References

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Biography

Jae-Cheon Lee

He received his B.S. degree in electrical engineering, from Changwon National University, Changwon, Korea, in 1993.

Currently, he is pursuing his M.S. degree in Dept. of Energy-grid, Sangmyung University, Seoul, Korea.

He is a representative at the institute of DAHAE system. His research interests are power quality and electric trouble diagnosis.

Soo-Hwan Cho

He received his B.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering, from Korea University, Seoul, Korea, in 2002 and 2009, respectively. Currently, he is an associate professor at Dept. of Electrical Engineering in Sangmyung University, Seoul, Korea.

His research interests are power quality, power signal processing and demand forecast.

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ISO Journal TitleJ Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng.

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Effect of Harmonics Mitigation on Power Factor Correction for Nonlinear Loads based on Actual Measurement Data

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 실부하 환경에서의 고조파와 역률의 관계

2.1 일반적인 부하 환경

Fig. 1. Voltage and Current Waveforms of Inductive Linear Load

Fig. 2. (Top) I-V Curve of Nonlinear Load, (Bottom) Voltage and Current Waveforms of Nonlinear Load

2.2 고조파 발생차수 및 영향

Fig. 3. Sequences According to the order of Harmonics

2.3 고조파가 종합 역률에 미치는 영향

(1)

(2)

(3)

Fig. 4. Power Factor of Linear loads

Fig. 5. Power Factor of Nonlinear loads

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Fig. 6. Relationship between THD(I) and TPF

3. 비선형 부하의 역률 분석

3.1 실측 데이터 분석 및 검증

Fig. 7. Vector diagram of (a) a laptop and (b) a monitor (Voltage: blue, Current: red)

Fig. 8. Voltage and current waveforms of (a) a laptop and (b) a monitor

Fig. 9. Current harmonics spectrum of (a) a laptop and (b) a monitor

(9)

(10)

3.2 고조파 개선에 대한 검증

Fig. 10. System configuration of AHF installation

(11)

(12)

Fig. 11. Harmonics spectrum of current (a) before and (b) after AHF operation

4. 결 론

Acknowledgements

References

Biography

Jae-Cheon Lee

Soo-Hwan Cho

Article Information (continued)

Key words

JIEIEJournal of the Korean Institute of Illuminating
and Electrical Installation Engineers