[논문 리뷰] A Novel Time-Domain Perspective of the CPC Power Theory: Single-Phase Systems

Dimitri Jeltsema, J.W. van der Woude외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 31.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비정현파 조건 하에서 단상 시스템에 대한 Currents의 물리적 구성요소(CPC) 전력 이론의 새로운 시간영역 해석을 제안한다. Iliovici의 반동 전력 적분(전압과 전류의 라이사주 곡선 사이의 면적으로 정의됨)을 사용하여 반동 전류를 평균 및 산산이 흩어진 성분으로 분해함으로써 정확하고 물리적으로 측정 가능한 전력 보정이 가능해진다. 주요 기여는 Lissajous 곡선을 반대로 방향으로 재현하는 분파 수단을 통해 전력 인자의 완전한 최적화를 가능하게 하는 방법을 제안한 것이다. 기존 Budeanu 기반 접근 방식보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

This paper presents a novel time-domain perspective of the Currents' Physical Components (CPC) power theory for single-phase systems operating under nonsinusoidal conditions. The proposed CPC decomposition reveals some appealing physical characteristics of the load current components in terms of measurable powers that are distributed over the branches in the load network. Instrumental in the time-domain equivalent of the reactive current is the concept of Iliovici's reactive power, which is a measure of the area of the loop formed by the Lissajous figure when plotting the current against the voltage. For sinusoidal systems, Iliovici's reactive power integral is included in the IEEE Standards on power definitions. Furthermore, the reactive current is decomposed into two new currents that represent the reactive counterparts of the active and scattered current.

연구 동기 및 목표

• 비정현파 시스템에서 Budeanu의 전력 모델이 반동 전력과 왜곡 전력이 물리적 전력 현상을 완전히 반영하지 못하는 한계를 해결하기 위해.
• 저항성 및 반응성 브랜치에서의 물리적 전력 분포에 기반하여 시간영역에서 CPC 전력 이론을 해석함으로써, 부하 네트워크 내에서 측정 가능한 전력 성분과 물리적 전류 분해를 연결하기 위해.
• Iliovici의 적분을 기반으로 반동 전류를 평균 및 산산이 흩어진 성분으로 물리적으로 의미 있는 방식으로 분해하기 위해.
• 부하의 Lissajous 곡선을 반대로 방향으로 재현하는 보상 수단을 통해 반동 전력을 완전히 상쇄함으로써 전력 인자의 최적화를 가능하게 하기 위해.
• 기존의 분기 커패시터가 비정현파 시스템에서 산산이 흩어진 반동 전력은 보상하지 못하고 평균 반동 전력만 보상한다는 점을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 저항성 및 반응성 브랜치에서의 물리적 전력 분포에 기반하여 부하 전류를 유효 전류, 산산이 흩어진 유효 전류, 반동 전류, 산산이 흩어진 반동 전류 성분으로 시간영역에서 분해한다.
• Iliovici의 반동 전력 적분은 전류를 전압에 대해 플로팅한 Lissajous 도형의 면적으로 정의되며, 평균 반동 전력을 정량화하는 데 사용된다.
• 유효 전류 및 산산이 흩어진 유효 전류는 전압과 전류의 곱에 비례하는 전력 적분으로 유도되며, 표준 전력 측정 장치로 측정 가능하다.
• 반동 전류 및 산산이 흩어진 반동 전류는 전압 및 전류의 시간 도함수를 포함하는 적분으로 유도되며, 수정된 전력 측정 회로로 측정 가능하다.
• 이론은 Tellegen의 정리에 기반하여 개별 구성 요소 간 전력 보존을 보장하며, 보존 전력 이론(CPT)과 일치한다.
• 보상은 부하의 곡선과 형태는 같지만 방향 뿐 아니라 반대로 되어 있는 Lissajous 곡선을 생성하는 분기 수단을 설계하여 수행되며, 반동 전력을 완전히 상쇄한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간영역에서의 CPC 전력 이론 해석이 비정현파 조건 하에서 단상 시스템의 전류 성분을 물리적으로 의미 있는 방식으로 분해할 수 있는가?
• RQ2 Lissajous 곡선의 면적으로 정의된 Iliovici의 반동 전력 적분이 비정현파 시스템에서 Budeanu 모델보다 더 정확하고 측정 가능한 반동 전력 표현을 제공하는가?
• RQ3 반대로 방향으로 Lissajous 곡선을 재현하는 분기 보상 수단을 설계하여 평균 및 산산이 흩어진 반동 전력을 모두 보상할 수 있는가?
• RQ4 제안된 분해 방식은 조화파 왜곡이 존재하는 상황에서 기존 Budeanu 기반 보상 방식에 비해 전력 인자 최적화를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 시간영역 CPC 분해 방식과 보존 전력 이론(CPT) 사이의 관계는 무엇이며, 비선형 및 시간에 따라 변하는 부하로 확장 가능한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 반동 전류를 두 가지 물리적으로 의미 있는 성분으로 분해한다: 평균 반동 전류와 산산이 흩어진 반동 전류로, 둘 다 전력 적분을 통해 측정 가능하다.
• Iliovici의 반동 전력 적분은 정현파 시스템에서는 표준 반동 전력과 동일하지만, 비정현파 시스템으로 일반화되어 조화파 반동 전력의 평균으로 표현된다.
• 비정현파 전압이 가해진 테스트 RL 회로에서 전력 인자는 보상되지 않은 상태의 0.403에서 완전 보상 상태의 0.905로 향상되어, Budeanu 방법보다 뚜렷한 향상을 보였다.
• 단일 분기 커패시터만으로는 산산이 흩어진 반동 전력(Q_s)을 보상하지 못하며, 평균 반동 전력(Q_i)만 보상하므로 Budeanu 방법이 전력 인자를 최적화하지 못한다.
• 완전한 보상은 L_x = 0.922 H, C_x = 0.252 F인 LC 필터와 같은 더 복잡한 분기 구조가 필요하며, 이는 Q_i와 Q_s를 모두 완전히 상쇄하여 apparent power를 50.309 VA에서 22.368 VA로 감소시킨다.
• 이 방법은 표준 전력 측정 장치를 통해 유효 및 반동 전력 성분을 물리적으로 측정할 수 있으며, P_n과 Q_n은 각각 ∫u_n i_n dt 및 ∫(du_n/dt) i_n dt 적분을 통해 직접 측정 가능하다.