[논문 리뷰] Design and Simulation of a Shunt Active Filter in Application for Control of Harmonic Levels

Adrian Gligor|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 25.

Power Quality and Harmonics참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 산업 전력 시스템에서 고조파 왜곡을 완화하기 위한 시리즈형 활성 필터의 설계 및 MATLAB-Simulink 시뮬레이션을 제시한다. 순순간 p-q 이론에 기반한 제어 전략을 상세히 기술하고, 시뮬레이션을 통한 성능 검증을 통해 비선형 부하 조건에서 효과적인 고조파 감소와 향상된 전력 품질을 입증한다.

ABSTRACT

Nowadays, the active filters represent a viable alternative for controlling harmonic levels in industrial consumers electrical installations. It must be noted the availability of many different types of filter configurations that can be used but there is no standard method for rating the active filters. This paper focuses on describing the shunt active filter structure and design. The theoretical concepts underlying the design of shunt active filters are presented. To validate and highlight the performance of shunt active filters a Matlab-Simulink model was developed. Simulation results are also presented.

연구 동기 및 목표

• 산업 응용 분야에서 시리즈형 활성 필터의 체계적 설계 방법론을 개발하기 위해.
• 산업 설치에서 활성 필터의 표준화된 레이팅 방법의 부재를 해결하기 위해.
• 시뮬레이션 기반 성능 분 析를 통해 고조파 보상의 효과성을 검증하기 위해.
• 순순간 무공력 이론을 활용한 실시간 고조파 전류 보상의 가능성을 입증하기 위해.
• 산업 전력 시스템에서 활성 필터 구현을 위한 기준 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 비선형 부하와 병렬로 연결된 전압원 변환기 토폴로지를 사용하여 시리즈형 활성 필터를 설계한다.
• 순순간 p-q 이론을 적용하여 부하 전류의 기본 성분을 추출하고 보상용 기준 전류를 생성한다.
• 인버터 스위칭을 조절하고 기준 전류에 대한 빠른 추적을 보장하기 위해 히스테리시스 전류 제어 전략을 사용한다.
• MATLAB-Simulink를 활용하여 비선형 부하, 필터 및 제어 알고리즘을 포함한 전체 시스템을 모델링한다.
• 동적 성능과 고조파 감소 성능을 평가하기 위해 균형 및 비균형 조건에서 시스템을 시뮬레이션한다.
• FFT 분석을 사용하여 보상 이전 및 이후의 총 고조파 왜곡(THD)을 정량화하여 시뮬레이션 결과를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시리즈형 활성 필터는 산업 전력 시스템에서 고조파 왜곡을 얼마나 효과적으로 감소시키는가?
• RQ2 어떤 제어 전략이 고조파 전류의 정확하고 빠른 보상 보장에 기여하는가?
• RQ3 비균형 부하 조건에서 시스템은 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 순순간 p-q 이론은 실시간 시뮬레이션 환경에서 효과적으로 구현될 수 있는가?
• RQ5 필터는 공급 전류의 총 고조파 왜곡(THD)에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비선형 부하 조건 하에서 시리즈형 활성 필터는 공급 전류의 총 고조파 왜곡(THD)을 25.7%에서 3.2%로 효과적으로 감소시켰다.
• 히스테리시스 전류 제어 방법은 기준 전류에 대한 빠르고 정확한 추적을 가능하게 하여 스위칭 손실을 최소화한다.
• 균형 및 비균형 부하 조건 모두에서 안정적인 성능을 유지하여 강건성을 입증하였다.
• FFT 분석을 통해 주요 고조파(5차, 7차, 11차)가 보상 후에 뚜렷이 감소한 것으로 확인되었다.
• 시뮬레이션 결과는 실시간 고조파 보상 응용 분야에서 p-q 이론의 이론적 기초가 타당함을 검증하였다.
• 제안된 설계는 산업 전기 설치에서 고조파 완화를 위한 신뢰성 있고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.