2.1 ACMD 전원계통

최근 반도체의 기술진보와 함께 ACMD는 각종 빌딩을 비롯하여 공장, 자원처리시설, 레저에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 그림. 1은 범용ACMD이다. ACMD는 6펄스 다이오드정류방식을 채용하고 있어 전원을 공급하는 측에는 기본파 이외에 특성고조파가 흐르게 된다. 이때 흐르는 특성고조파의 차수는 h = kp±1 (k : 1, 2, 3,···, p : 펄스 수, h : 발생차수)과 같다^(2-4). 이들은 대다수가 전압형 컨버터를 사용하기 때문에 내부의 직류콘덴서 회로특성에 의해 60%를 상회하는 ITHD를 보이는 문제를 안고 있다. 여기에 함유된 고조파성분은 5차, 7차, 11차, 13차가 주를 이룬다⁽²⁾.

이러한 특성의 다수의 ACMD를 집합하여 시설하게 될 경우 개별드라이브의 고조파 전류가 한곳에 집중이 되어 다량의 고조파 전류가 선로에 흐르게 되고 결과적으로 강압용 변압기의 전압왜형과 손실, 소음, 기기소손으로 이어지는 전기적 피해를 가져오게 된다. 그림. 2는 AC모터드라이브가 시설된 계통의 블록도를 나타낸다.

2.2 ACMD 입력전류특성

현재 시중에서 가장 많은 보급을 이룬 것으로 추정되는 두 개사의 제품을 선택하여 입력전류특성을 분석하였으며, 표 1은 이들 제품의 주요사양이다. LS인버터의 모델은 IS7, 야스카와 모델은 A1000으로 선정하였다.

표 1은 이들 인버터의 주요사양이다. AC모터드라이브의 입력전류특성의 해석은 HIOKI-9624 전력품질해석프로그램에 의해 수행이 되었으며 30Hz단위의 FFT에 의해 0.5차에서부터 50차까지 분석이 가능하다. LS와 야스카와 AC모터드라이브의 각각의 전기적 특성에서 나타난 결과를 보면 피상전력은 LS - 3.87kVA, 야스카와 - 8.14kVA로 야스카와 제품이 2배 이상 크고, 유효전력은 LS - 3.59kW, 야스카와 - 3.94kW로 비슷하였으며, 무효전력은 LS –0.48kVAr, 야스카와 –7.13kVAr로 역시 야스카와 제품이 매우 크게 나타났다.

이와 같은 차이를 보이는 것은 LS AC모터드라이브의 직류단에는 리액터가 함께 내장되어 있고 야스카와 모터드라이브에는 직류평활콘덴서만 있는 것이 원인일 것으로 추측된다⁽⁷⁾. 이들 제품의 입력 전류파형을 그림. 3에 나타내었는데 이는 리액터의 유무에 따라 나타나는 대표적 전류파형과 유사한 패턴을 보여주고 있다.

전류총합왜형율 역시 LS ITHD 47%, 야스카와 ITHD 181%, K factor LS 20, 야스카와는 100을 나타내어 후자가 매우 큰 값을 보였고 역률 또한 LS는 0.9, 야스카와는 0.47을 나타냈다. 야스카와 모터드라이브에서 특이할만한 점은 직류콘덴서의 전압형컨버터가 갖는 전형적인 높은 피크전류와 과도한 진상무효전력에 의한 낮은 역률이다.

표 3은 AC 모터드라이브의 입력전류 고조파 스펙트럼이다. 두 모터드라이브 모두 특성고조파인 5차, 7차, 11차, 13차, 17차, 19차등이 주로 큰 값으로 나타났고 특히 비특성 고조파인 3차 고조파 전류의 경우 LS가 11%, 야스카와가 26%의 함유율을 보였다. 이 같이 비특성인 3차 고조파 전류가 다량 존재할 경우 부하측에서 본 고조파 임피던스가 3차 부근에서 높아지지 않도록 필터설계 시 각별한 주의가 필요하다.

2.3 라인필터의 토폴로지 모델

ACMD 전용의 라인필터의 핵심 설계요건은 다음과 같이 정리할 수 있다.

1) 특성 고조파 전류를 흡수하기에 충분한 고조파 임피던스 특성을 지닐 것.

2) 비특성 고조파 전류의 공진확대 현상이 발생하지 않는 고조파 임피던스 특성을 지닐 것.

3) 부하측에서 본 고조파 임피던스 특성이 다음 식(1)을 만족할 것. 단, Z_hSRC는 전원측 고조파 임피던스이고 Z_hF는 필터측 고조파 임피던스이다.

4) 전원측에서 본 고조파 임피던스가 다음 식(2)를 만족할 것.

5) 시설이 용이하도록 최소한의 체적과 함께 가벼운 구조의 낮은 가격일 것.

라인필터의 고조파 임피던스특성은 그림. 4와 같이 부하측에서 바라본 필터의 고조파 임피던스와 전원측에서 본 필터의 고조파 임피던스로 구분하여 고려한다. 여기서 식(1)과 식(2)의 조건을 만족한다면 부하측으로부터 발생된 고조파 전류의 필터링이 가능하게 되고 전원측에서부터 유입될 수 있는 고조파 전류를 제한할 수 있어 라인필터의 기능을 수행할 수 있다⁽¹⁾.

그림. 5,6은 광대역 고조파 필터와 하이브리드 고조파 필터의 단선도이다. BBHF는 ACMD의 대중화가 크게 확산이 될 무렵인 2000년 초부터 선을 보였는데 특히 대용량의 ACMD로 부터의 고조파가 문제되어 이를 해결하기 위한 수단으로 사용되었다. 그러나 필터를 구성하는 주요 부품이 라인리액터와 필터용 콘덴서, 단권변압기로 구성되기 때문에 필터의 철심과 코일의 사용량이 부하를 기준으로 1.72pu가 되어 경제성과 체적 등의 문제로 이의 범용화에는 한계가 있었다.

이후로 그림. 6와 같이 라인리액터와 로드리액터, 필터콘덴서와 필터리액터로 구성된 HHF가 개발이 되었고 여기에 구성되는 철심과 코일량은 부하를 기준으로 0.99pu로서 이전의 BBHF보다는 좀 더 유리한 면이 있었으나 아직 시장성을 확보하기에는 부족함이 많았다.

2.4 제안하는 NHHF와 기존 라인필터와의 비교

제안하는 NHHF는 필터링 성능을 향상시키고 철심과 코일의 사용량을 줄이는데 집중하여 개발이 되었다. 그림. 7은 신형 하이브리드 고조파 필터의 단선도이다.

NHHF는 기존의 HHF에서 채택한 h5의 단일 주동조 필터회로를 h5와 h7의 두 개로 분리하였고 부담이 큰 로드리액터를 생략함으로써 철심과 코일의 사용량을 부하대비 0.35pu까지 낮출 수 있게 되었다. 표 4는 기존의 라인필터 토폴로지의 2종류와 함께 여기서 제안하는 NHHF의 철심 및 코일 사용량에 대한 비교표이다.

그림. 8과 그림. 9는 기존의 HHF와 새롭게 제안하는 NHHF의 고조파 임피던스이다. 여기에는 PSCAD의 고조파임피던스솔루션 인터페이스 블록이 사용되었다.

표 5에 HHF와 NHHF의 제5차, 제7차 및 제11차, 제13차에서 구한 고조파 임피던스를 정리하였다. 관련된 그림과 표에서 알 수 있듯이 ACMD의 입력측 특성고조파의 차수에 해당하는 고조파 임피던스 값이 HHF에 비해 NHHF에서 보다 더 낮은 값을 보이고 있으며 이로 인해 필터링 성능 또한 향상이 될 수 있음을 짐작할 수 있다.

표 5에서 제5차와 제7차의 경우 고조파 임피던스를 보면 NHHF가 HHF에 비해 각각 34.9%와 13.1%에 지나지 않아 좀 더 나은 구조임을 확인할 수 있다.

2.5 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 성능비교

PSCAD/EMTDC를 사용하여 기존의 HHF의 철심과 코일량을 크게 줄여 경량화한 NHHF를 비교 모의하였다. 전원계통의 강압용 변압기는 3상, 60Hz, 용량 1,250kVA, 1차 Delta 결선, 1차 전압 22.9kV, 2차 Y 결선, 2차 전압 0.38kV, 임피던스 6%가 적용되었으며 선로 임피던스는 전원측과 부하측에 각각 1µH, 1mΩ을 고려하여 필터 성능에 미치는 영향을 최소화 하였다.

부하모델에 적용된 파라미터는 6펄스 다이오드 브리지 정류방식과 dc 버스 9.88µH, 5mΩ, dc평활콘덴서 1,333µF, 부하저항 7.89Ω이었다.

그림. 10은 HHF를 적용한 경우의 부하측 전류파형이며 비교적 피크전류가 완만한 경향을 보이는데 이러한 원인은 로드리액터의 ACL기능에 의한 효과이다^(2,7). HHF의 구성요소 중 이 로드리액터는 고조파 전류에 의한 K factor를 고려하여 설계가 이뤄지기 때문에 철심사용량이 상대적으로 높은 비중을 차지한다⁽⁵⁾. 그림. 11은 60Hz 기준의 FFT 해석결과이다. 특성고조파는 각각 제5차 35.15%, 제7차 9.02%, 제11차 5.16%, 제13차 2.52%를 보이며 이때의 총합 전류왜형율 ITHD는 36.75%이다.

이처럼 부하측의 전류왜형율이 30%대를 보인 이유는 앞에서도 언급한 바와 같이 로드리액터의 ACL효과에 의한 것이다.

전원 측 전류파형은 그림. 12와 같이 정현파에 가깝게 개선이 됨을 확인할 수 있었으며 총합 전류왜형율은 5.49%, 특성고조파는 5차 0.74%, 7차 4.14%, 11차 2.99%, 13차 1.5%를 보였다.

NHHF를 적용한 경우의 부하전류는 그림. 14와 같이 매우 큰 피크전류를 보이는데 이러한 이유로는 HHF의 경우와는 다르게 로드리액터를 제거하여 ACL의 효과가 미미하기 때문이다. 그림. 15는 FFT 해석결과이다. 특성고조파는 5차 70.21%, 7차 47.68%, 11차 10.26%, 13차 1.56%이며 이때의 총합 전류왜형율 ITHD는 85.52%이다.

NHHF의 전원측 전류특성은 그림. 16과 같이 정현파에 가까운 특성을 보이며 이때의 총합 전류왜형율 ITHD는 4.87%, 그림. 17의 FFT에 의한 특성고조파는 5차 1.54%, 7차 0.81%, 11차 4.41%, 13차 0.7%를 보였다. 표 6은 HHF 및 NHHF의 부하측과 전원측 고조파 전류 스펙트럼의 주요차수별 수치이다. 로드리액터를 제거하여 철심량을 대폭 줄이고 제7차 high-pass 필터를 추가한 NHHF와 기존의 HHF간의 필터 성능에는 큰 차이가 없었다.

표 7은 HHF 및 NHHF의 라인필터 모델 파라미터이다.

2.6 실제 시험을 통한 검증

기존의 HHF와 NHHF의 성능시험을 수행하였다. 표 8은 제작에 사용된 라인필터의 파라미터이다.

NHHF에서는 HHF에서 사용되었던 로드리액터를 제거하여 라인필터의 크기를 기존의 HHF와 비교하여 0.35pu로 경량화 하였으며 필터 콘덴서 역시 기존 형식과 비교하여 0.75pu 수준으로 낮추어 시험을 하였다. 시험용 ACMD는 현대의 N700E 50HP이 사용되었다.

표 9의 (a)는 필터를 적용하기 전의 전원특성이다. 피상전력은 46.6kVA였으며 유효전력은 34.9kW, 무효전력은 10.73kVAr, 전류왜형율 ITHD는 85%로 높은 값을 보였다. 상의 평균전류는 72.6A, 피크전류는 158.6Apk, K factor 17.5로 관련된 상수 모두가 큰 값으로 나타났다. 이때 전원전압의 왜형율 VTHD는 2.48%이다.

표 9의 (b)는 HHF를 적용한 경우, (c)는 NHHF를 적용한 경우 전원의 전력품질 파라미터이다. 피상전력은 HHF와 NHHF에서 각각 32.5kVAr, 35.6kVAr을 보였으며 유효전력은 32.4kW, 35.3kW를, 무효전력은 2.4kVAr, 4.4kVAr을, 전류왜형율 ITHD는 3.79%와 5.95%를, 평균전류는 50.3A와 55.04A를, 피크전류는 72.6Apk와 83.4Apk를, K factor는 1.15와 1.28로 관련된 상수들 모두가 양호한 결과를 보였다. 이때 전원 전압왜형율 VTHD는 각각 1.48%이다. NHHF의 총합 전류왜형율 ITHD가 5.95%로 HHF의 3.79%에 비해 다소 높게 나타난 원인은 표 10에서 보는 바와 같이 NHHF의 7차 고조파 잔류량이 4.8%로 HHF의 2.28%보다는 높은 결과를 보였기 때문이다. 향후 7차 고조파 전류의 잔류량을 좀 더 낮추는 보완 연구가 계속되어야 할 것으로 판단이 된다.

표 10와 그림. 18에 HHF 및 NHHF의 고조파 전류 스펙트럼을 비교하여 정리하였다.

그림. 19는 실험용 prototype NHHF이다. 기 표준화가 되어있는 콘덴서에서 정전용량을 선택하는 데에는 제한이 있어 정전용량 값을 달리하여 폭 넓은 시험을 수행하는 데는 어려움이 있었다.

표 11은 필터 미적용 시와 HHF 및 NHHF적용시를 비교할 수 있는 전원특성 비교표이다.

피상전력은 HHF와 NHHF를 적용한 경우 약 30%정도 경감이 되었고 유효전력은 비슷한 수준이며 무효전력은 60∼70% 경감이 되었다. 추후 계속되는 연구에서는 NHHF의 5차 및 7차 필터의 총합 정전용량을 HHF와 같은 값으로 조정하여 추가적인 실험이 수행되어야 한다.

평균 선로전류는 30% 정도 낮아졌으며 피크전류 또한 정현파에 가깝게 개선되어 정상적인 파고치를 보였다. 전류왜형율은 앞에서도 언급이 되었듯이 HHF가 3.79%, NHHF가 5.95%를 보였는데 이는 PSCAD모의 시와는 달리 NHHF에서 7차 고조파 전류가 4.8% 수준으로 남아있어 이를 해결해야할 과제를 남겼다. NHHF에서 5차 및 7차 필터의 정전용량 합계를 HHF와 같이 조정한 다음 5차와 7차간의 정전용량 배분법을 적절히 수행함으로써 가능할 것으로 보인다. K factor는 16.86이었던 것이 필터를 적용함으로써 1.15수준으로 개선이 되었다. 전원임피던스와 큰 관련이 있는 VTHD는 고조파 전류가 제거되어 2.48%에서 1.48%로 개선이 되었음을 확인할 수 있었다.

그림. 20에 필터 미적용 시와 HHF 및 NHHF적용시의 전압 및 전류파형을 나타내었다. 필터 미적용 시를 보면 매우 큰 5차 고조파 전류와 계통의 5차 고조파 임피던스에 의해 형성된 5차 고조파 전압의 영향으로 전원전압파형의 상단이 깎여있는 형태를 보이고 있다.

한편, 비선형부하에서의 전력효율을 다루는 문제는 고조파를 고려한 고조파왜형전력, 뷰디너스왜형전력, 진역률, 겉보기역률 등이 포함된 보다 정확한 접근과 취급이 이뤄져야 할 것이다⁽⁶⁾.

필터 미적용 시의 전류를 보면 전통적인 전압형컨버터의(6펄스 다이오드 정류기) 전류파형으로서 다량의 5차 고조파가 함유된 형태를 띠고 있다. HHF와 NHHF의 전압과 전류파형은 거의 정현파에 가깝게 개선이 되었음을 확인할 수가 있었다.