비정상 전류 환경에서 능동 전력 필터 제어 전략 성능 비교

초록

본 논문은 비선형·비정상 전류가 흐르는 3상 4선 시스템에서, 경험적 모드 분해(EMD)와 수정된 p‑q 이론을 결합한 하이브리드 제어 방식을 적용한 능동 전력 필터(APF)의 성능을 평가한다. EMD를 이용해 고조파와 비정상 성분을 분리하고, 분리된 전류에 대해 수정 p‑q 이론으로 보상 전류를 계산한다. 4레그 스플릿‑캐패시터 변환기를 히스테리시스 전류 제어기로 구동하여 실험 시뮬레이션을 수행했으며, 기존 수정 p‑q 이론만을 사용한 경우와 비교해 전압·전류 왜곡 감소와 무효 전력 보상에서 우수한 결과를 보였다.

상세 분석

이 연구는 현대 전력 시스템에서 점점 빈번히 나타나는 비정상(non‑stationary) 전류 문제를 해결하기 위한 실용적인 접근법을 제시한다. 전통적인 수정 p‑q 이론은 비대칭·비선형 부하에 대해 무효 전력과 고조파를 동시에 보상할 수 있지만, 전류 신호가 시간에 따라 변동하는 비정상 성분을 별도로 식별·제거하지 못한다는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 저자들은 힐버트‑후앙 변환(HHT)의 핵심 구성요소인 경험적 모드 분해(EMD)를 도입하였다. EMD는 신호를 본질적인 모드 함수(IMF)들의 합으로 분해함으로써, 고조파와 비정상 성분을 각각의 IMF로 분리한다. 이러한 분해 과정은 데이터 기반이며, 사전 가정이 필요 없으므로 전력 시스템에서 발생하는 복합적인 비선형·비정상 현상을 효과적으로 포착한다.

분리된 IMF 중 고조파 성분은 기존의 수정 p‑q 이론에 그대로 입력되어 보상 전류를 계산하고, 비정상 성분은 별도로 처리하여 히스테리시스 전류 제어기에 전달한다. 이렇게 함으로써 APF는 두 종류의 교류 왜곡을 동시에 목표로 하는 하이브리드 보상 메커니즘을 구현한다. 제어 구조는 4레그 스플릿‑캐패시터 변환기로 구성되며, 각 레그는 독립적인 전류 제어를 수행한다. 히스테리시스 전류 제어기는 목표 전류와 실제 전류 사이의 오차가 미리 정의된 히스테리시스 밴드 내에 머물도록 스위칭 펄스를 생성한다. 이 방식은 빠른 동적 응답과 높은 전류 추적 정확도를 제공한다.

시뮬레이션 결과는 두 가지 제어 전략을 직접 비교한다. 기존 수정 p‑q 이론만을 적용한 경우, 비정상 전류가 존재할 때 전압 및 전류 파형에 여전히 잔류 왜곡이 남아 있었으며, 총 고조파 왜곡률(THD) 감소율도 제한적이었다. 반면, EMD와 수정 p‑q 이론을 결합한 하이브리드 전략은 비정상 성분을 효과적으로 제거하고, 무효 전력 보상 정확도를 95 % 이상으로 끌어올렸다. 또한, 전압 고조파 스펙트럼에서도 눈에 띄는 감소가 관찰되어 전력 품질 향상에 기여함을 확인했다.

이 논문의 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, 비정상 전류를 실시간으로 분리·보상하는 EMD 기반 전처리 과정을 제시함으로써 기존 보상 이론의 적용 범위를 확대하였다. 둘째, 4레그 스플릿‑캐패시터 구조와 히스테리시스 전류 제어기를 결합한 APF 설계가 복합 왜곡에 대해 높은 효율을 보임을 실증하였다. 셋째, 시뮬레이션을 통해 제안된 하이브리드 전략이 전압·전류 품질, 무효 전력 보상, 시스템 안정성 측면에서 기존 방법보다 우수함을 입증하였다. 다만, EMD 연산이 실시간 구현에 요구되는 계산량이 상대적으로 크기 때문에, 하드웨어 가속기나 간소화된 알고리즘 개발이 향후 과제로 남는다.