KR100548971B1 - 전원장치의 병렬 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법은, 직류 또는 교류 출력을 갖는 전력변환장치 회로에서 출력단이 하나 이상의 전원장치와 결합되어 있고 동시에 다른 전원장치와의 전류나 전압 정보를 교환하지 않고 출력전류를 분담시키는 전원장치의 병렬 운전방법에 있어서, (a)전원장치가 운전을 시작하면 각 전원장치가 부하분담을 이루도록 하기 위하여 출력전압 강하방식으로 출력전류를 제어하는 단계; (b)상기 전원장치로부터 출력되는 출력전류의 변화량(△i_err)을 통해 정상 상태의 여부를 판별하는 단계; (c)상기 판별에서 정상 상태이면 그때의 출력전류를 기준전류 (I_ref)로 설정하고, 최소의 전압강하 이득으로 출력전압을 보상하며, 상기 기준전류로써 출력전류를 제어하는 단계; (d)상기 단계(b)의 판별에서, 정상 상태가 아니면 전류제어를 수행하지 않고, 최대의 이득과 출력전압 강하방식으로 출력전압을 제어하는 단계; 및 (e)상기 출력전류의 변화량(△i_err)을 검출하여 상기 단계(b)의 정상상태 여부 판별단계로 반영하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 각 병렬운전 전원장치 사이에 신호선이 없이 원활한 병렬운전 동작이 이루어지며, 특히 정상상태에서 전압강하가 거의 없이 병렬운전을 할 수 있는 장점이 있다.

Description

전원장치의 병렬 운전방법{Parallel operation method for electric power supplies}

도 1은 종래의 전압강하 방식에 의한 전원장치의 병렬 운전방법에 있어서의 부하변동 특성을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법의 구현을 위해 채용되는 전압강하 보상을 위한 제어기의 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법에 따라 병렬 연결된 전원장치 모듈에서 예상되는 과도상태 출력 전류 분담 특성을 보여주는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법에 있어서, 정상 상태와 과도 상태에서의 부하분담 특성을 보여주는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법의 실행과정을 보여주는 흐름도.

도 6은 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법을 임의의 직류 전원장치에 적용하여 병렬 운전하는 상태를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

201...제어기

본 발명은 전원장치의 병렬 운전방법에 관한 것으로서, 특히 출력전류의 오차 변화량을 이용하여 정상 상태를 판정하고, 정상 상태에서는 그때의 출력전류를 기준전류로 설정하고 전압강하량을 줄인 뒤에 기준전류를 이용하여 부하전류를 제어하고, 과도상태에서는 부하전류에 비례하는 전압강하 또는 위상 이동을 만들어서 출력전류의 전류 분담이 이루어지게 함으로써 각 전원모듈이 균등한 전류 분배가 이루어지게 하여 정상상태에서 전압강하가 거의 없이 정밀하게 전류분담이 이루어질 수 있도록 하는 전원장치의 병렬 운전방법에 관한 것이다.

오늘날, 전원장치의 고밀도화, 대용량화가 이루어지면서 하나의 전원에서 모든 전력을 부담하는 것보다 여러 대의 전원장치를 병렬 운전하여 전원장치의 신뢰도를 높이고 용량을 증대시키는 방안이 연구되고 있다. 전원장치의 병렬운전은 확장의 용이성, 보수의 편리성, 넓은 부하변동, 높은 신뢰성 등의 많은 장점을 가진다. 병렬운전에서 가장 중요한 것은 부하전류의 분담을 균등히 하고, 안정화시키는 것이다. 전원장치의 병렬운전은 각 모듈의 특성 및 배선 임피던스 차이, 센서 및 각 구성부품들의 오차에 매우 민감하기 때문에 강제적인 전류분담 기능이 없을 경우, 부하전류는 하나 또는 일부의 모듈로 집중하여 흐르게 된다. 그렇게 될 경우 시스템의 신뢰성을 감소시키고, 특정장치의 높은 열 스트레스의 원인이 된다.

전원장치의 병렬운전을 위한 방법으로는 병렬 연결된 모듈 상호간에 전류 정 보 교환이 필요한 방식과, 그렇지 않은 방식으로 나눌 수 있다. 전류정보 교환이 필요한 방식으로는 평균전류 프로그래밍 방법(average current programming method), 마스터-슬레이브 전류 프로그래밍 방법(master-slave current programming method) 등이 있다. 이 방식들은 모듈 사이의 신호선을 필요로 하므로, 연결 방식에 따라 부가적인 전류 검출과 복합적인 제어를 필요로 한다. 또한, 연결 실패시의 오동작 문제와 신호선의 노이즈 대책이 필요하며 과도상태시의 응답특성이 좋지 못하다. 모듈 상호 간에 정보교환이 필요 없는 방법으로는 전압 강하 방법이 있다. 전압 강하 방식은 모듈 사이에 연결선이 없으므로 구조가 간단하고 확장성 및 모듈화가 용이하다. 그러나, 전압강하 방식은 균등한 전류 분배를 위해 내부 또는 외부에 부가적인 저항이나 제어기에 의해 출력전압의 전압강하가 커지는 문제가 있다.

전압강하 방식은 출력전압을 줄여서 출력전류의 분담을 제어한다. 이 방식은 병렬 연결된 모듈 사이에 정보교환이 필요 없는 방법으로 구현하기가 쉽다. 출력전압을 강하시키는 데에 여러 가지가 있는데, 그 중 하나는 각 전원장치의 출력에 직렬저항을 추가하는 것이다. 이것은 간단히 구현할 수 있지만 부가적인 소자가 필요하며, 출력전류가 큰 응용분야에서 저항에서의 전력손실이 증가하는 단점이 있다.

또 다른 방법으로 출력전류의 크기에 비례하여 기준전압을 감소시키는 방법이 있다. 직렬저항을 사용하는 방식에 비해 손실은 줄어들고 전압강하 특성은 동일하게 얻을 수 있다. 전압강하 방식의 부하변동 특성을 도 1에 나타내었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 전원 장치는 초기 설정 출력전압에 오차가 있으며 부하 변동 특성 기울기는 동일하다고 가정한다. 초기 설정 출력전압이 더 높은 V_init1가 더 많은 출력전류를 분담하지만 출력전압 변동량은 더 크다. 또한, 부하가 증가할수록 즉, 출력전류가 증가함에 따라 전압 강하량은 비례하게 된다. 출력전압의 강하 특성은 식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, V_o은 출력전압으로 모든 모듈에서 동일하다. V_initn은 n번째 모듈의 초기 설정 출력전압이며, G는 전압강하 이득을 나타낸다.

도 1의 전압강하 특성과 상기 식 1을 이용하여 각 모듈의 출력 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2,3에 의해 출력전류 분담 오차

는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 각 모듈의 초기 설정 출력전압 오차를 나타낸다. 최대 출력전압 변동

은

의 변동량으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

이므로 다음과 같이 정리될 수 있다.

여기서,

은

의 출력전류이며,

가 된다. 상기 식 4에서 알 수 있듯이, 출력전류 분담 오차는 G값을 크게 하거나

를 작게 할수록 정밀도가 증가되는 것을 알 수 있다. 전원장치의 병렬운전은 각 모듈이 균등한 전류를 분배하도록 제어하는 것이 가장 중요하다. 그러나, 전류분담 정밀도가 향상될수록 출력전압이 변화되는 양은 비례해서 커지게 된다. 그러므로, 출력전압 변동 특성과 전류분담 정밀도는 트레이드 오프(trade off) 관계이다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 기존의 전류정보 를 교환하는 능동 전류 제어방식의 정확한 전류분배와 전압제어의 장점과 전압강하 방식의 신호선 없이 병렬 운전이 가능한 장점을 살려, 과도상태 시에는 기존의 전압강하 방식으로 균등한 전류 분담을 이루고, 정상 상태에서는 각 모듈이 분담해야 할 기준 전류를 검출함으로써 각 전원모듈이 기준전류에 의해 균등한 전류분배가 이루어져 전압강하가 거의 없는 정밀한 전류분담을 가능하게 하는 전원장치의 병렬 운전방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법은,

직류 또는 교류 출력을 갖는 전력변환장치 회로에서 출력단이 하나 이상의 전원장치와 결합되어 있고 동시에 다른 전원장치와의 전류나 전압 정보를 교환하지 않고 출력전류를 분담시키는 전원장치의 병렬 운전방법에 있어서,

(a) 전원장치가 운전을 시작하면 각 전원장치가 부하분담을 이루도록 하기 위하여 출력전압 강하방식으로 출력전류를 제어하는 단계;

(b) 상기 전원장치로부터 출력되는 출력전류의 변화량(△i_err)을 통해 정상 상태의 여부를 판별하는 단계;

(c) 상기 판별에서 정상 상태이면 그때의 출력전류를 기준전류(I_ref)로 설정하고, 출력전압 변동률이 요구되는 전원사양을 충족하도록 작은 전압강하 이득으로 출력전압을 보상하며, 상기 기준전류로써 출력전류를 제어하는 단계;

(d) 상기 단계(b)의 판별에서, 정상 상태가 아니면 전류제어를 수행하지 않고, 병렬전원 간의 전류분배가 정해진 기준에 합치하도록 큰 전압강하 이득과 출력전압 강하방식으로 출력전압을 제어하는 단계; 및

(e) 상기 출력전류의 변화량(△i_err)을 검출하여 상기 단계(b)의 정상상태 여부 판별을 계속 수행하는 단계를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법의 구현을 위해 채용되는 전압강하 보상을 위한 제어기의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법의 구현을 위해 채용되는 전압강하 보상을 위한 제어기는 출력전류(i_on)의 오차 변화량(△i_err)을 이용하여 정상 상태를 판정하고, 그 정상 상태에서는 기준전류(I_ref)를 설정하며, 전압강하량을 줄인 뒤에 기준전류(I_ref)를 이용하여 부하전류를 제어한다. 그리고, 과도상태에서는 부하전류에 비례하는 전압 강하 또는 위상 이동을 만들어서 출력전류 (i_on)의 전류분담이 이루어지게 한다. 여기서, 이와 같은 제어 메커니즘은 무선 (wireless) 병렬 운전을 가능하게 한다.

종래의 병렬운전 제어기는 각 기준전류를 전체 각 전원의 출력전류의 평균으로 두고 각 전원의 전류신호 평균을 받아서 제어하거나, 무선 운전을 위해서는 전압이나 위상 변동을 감수하면서 전류 분담에 주안점을 두었다.

본 발명에서는 상기 두 가지 대표적인 방식의 장,단점을 조합하여 과도상태 에서는 전압이나 위상 변동을 주어서 전류 분담을 이루고, 정상 상태에서는 분담된 전류를 기준으로 전류 제어를 행함으로써 전압 또는 위상 변동량을 최소화해 나간다. 따라서, 무선 병렬운전이 이루어짐은 물론, 정상상태에서는 전류정보를 교환하여 전류제어를 하는 방식과 유사한 특성을 나타낸다.

이를 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 병렬 운전방법은 크게 정상상태 및 과도상태 판별과 기준전류 설정의 과정을 통해 병렬 전류제어와 전압 변동 보상을 한다.

도 3은 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법에 따라 병렬 연결된 전원장치 모듈에서 예상되는 과도상태 출력 전류 분담 특성을 보여주는 도면이다.

도 3의 (a)는 전류 분담을 이루는 과도 상태이고, (b)는 하나의 모듈이 모든 출력전류를 분담하려고 할 때의 과도상태이며, (c)와 (d)에서는 급격한 부하 변동에 따른 출력전류의 변화상태를 보여준다.

도 3의 (a)∼(d)에 도시된 바와 같이, 병렬연결된 모듈은 과도상태시 전류변화량을 가진다. 따라서, 전류 변화량으로 과도상태와 정상상태를 인식할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법에 있어서, 정상 상태와 과도 상태에서의 부하분담 특성을 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, T2와 T4 구간은 부하분담을 이루는 과도상태이며, T3와 T5는 균등한 부하분담이 이루어진 정상상태 구간이다. 여기서 T1구간 역시 정상상태로 구분한다. 전체 출력 I_o는 각 전원장치 모듈의 출력전류의 합이므로 다음과 같은 수식관계로 나타낼 수 있다.

여기서, I_o값이 일정하다면, I_o1의 변화량 △I_o1은 I_o2의 변화량 △I_o2와 같아야 한다. 즉, 병렬 연결된 다른 모듈과 부하 분담을 이루는 과도상태 T2구간에서 I_o1의 변화량과 I_o2의 변화량 A와 B, C와 D는 같은 값을 가지게 된다. 부하 변동으로 출력전류가 급변하는 T4 구간에서도 병렬 연결된 모듈은 같은 크기의 전류 변화량 E를 가지게 된다. 정상상태시 출력전류 변화량은 F와 같이 일정한 값을 유지하게 된다. 따라서, 전류 변화량을 검출하여 병렬 연결된 모듈의 과도상태와 정상상태를 판별할 수 있다. 출력전류 변화량 △i_err는 다음과 같은 수식을 통해 검출할 수 있다.

여기서, I_avrn은 n번째 모듈의 일정 구간 평균전류이고, i_on은 n번째 모듈의 순시전류를 나타낸다. △i_err는 정상상태에서 일정한 오차 이내로 그 값이 유지되므로, 일정 시간 동안 출력전류 변화량이 정해진 값을 넘지 않는다면 각 모듈은 정상 상태로 인식하게 된다. 또한, 급격한 부하 변동 또는 병렬 모듈의 추가 및 운전 실패 시에는 △i_err값이 정해진 오차 범위를 넘게 될 것이고, 이 변화량을 통해 각 모 듈은 과도상태를 판단하게 된다.

한편, 과도상태에서 각 모듈은 전류분담 정밀도를 높이기 위해 충분히 큰 전압강하 이득을 사용한다. 높은 전압강하 이득은 빠른 응답성을 위해서도 필요하다. 전압강하 방식의 특성으로 인해 충분히 큰 전압강하 이득은 각 모듈이 균등한 출력 전류를 분담하도록 한다. 따라서 정상상태 때에 검출된 출력 전류는 각 모듈이 균등한 기준전류를 가질 수 있도록 해준다. 정상상태가 판별되면 그 때의 출력전류를 기준전류 I_ref로 설정하며, 이 값으로 전류제어를 수행한다. 그러므로, 전압강하 이득을 감소시켜도 출력전류 분담 정밀도는 유지 된다. 즉, 출력 전류 분담 정밀도는 유지하면서, 출력전압 강하는 최대한 감소시킬 수 있게 된다.

이상과 관련하여 상기 도 2를 다시 참조하면, 각 제어기(201)는 독립적으로 동작하게 된다. 일정 구간 출력전류의 평균값(I_avr)과 출력전류를 통해 전류변화량(△i_err)을 검출하고, 이 값의 변화량을 판별하여 정상상태와 과도상태를 결정한다. 이상과 같은 관계를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서, G는 이득을 나타내는데, G_min은 최소 전압강하 이득, G_max는 최대 전압강하 이득을 나타낸다. 과도상태 시에는 k값이 0이므로 출력전류는 일반적인 드룹(droop) 방식에 의해 제어된다. 정상상태가 판별되고 기준전류(I_ref)가 검출되면, G_min으로 출력전압(V_o)을 보상하고, 기준전류로써 출력전류를 제어한다. 이때 전압강하 이득을 급격히 감소시키더라도 기준전류로 인해 전류 분담 정밀도는 유지되지만, 전류변화량(△i_err)의 증가를 고려하여 선형적인 감소가 더욱 바람직하다고 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법의 실행과정을 보여주는 흐름도이다.

전술한 바와 같이, 전원장치가 운전을 시작하여 부하분담을 이루기 위해서는 출력전압 강하방식으로 제어된다(S501). 그런 후, 출력전류 변화량(△i_err)을 통해 정상 상태의 여부를 판별하여(S502), 정상 상태이면 그때의 출력전류값을 기준전류 (I_ref)로 설정하고 출력전압 변동률이 요구되는 전원사양을 충족하도록 작은 전압강하 이득으로 출력전압을 보상하며, 상기 기준전류로써 출력전류를 제어한다(S503∼S505).

한편, 상기 정상 상태의 판별 단계에서, 정상 상태가 아니면 전류제어를 수행하지 않고, 병렬전원 간의 전류분배가 정해진 기준에 합치하도록 큰 전압강하 이득과 출력전압 강하방식으로 출력전류를 제어한다(S506∼S508). 그리고, 출력전류의 변화량을 검출하여 상기 정상상태 여부 판별을 한다(S509).

이상과 같은 제어를 통해 정상상태에서 기준전류에 의해 부하분담이 이루어진다. 그리고, 기준전류에 의한 정상상태 제어가 이루어진 이후에도 상태 판별을 위해 출력전류 변화량은 검출되고 분석된다. 그러므로, 부하변동 또는 병렬 연결된 전원장치 모듈의 운전 실패 등으로 부하분담이 어긋나게 되더라도 새로운 기준전류 설정으로 안정적인 부하분담을 이루게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법을 임의의 직류 전원장치에 적용하여 병렬 운전하는 상태를 보여주는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 각 전원장치는 풀 브릿지 컨버터의 구조를 가지며 입력 직류전원은 동일한 것으로 한다. 출력전압(V_o)은 각각 센스되어 기준전압 (V_ref1,V_ref2)으로 제어되며, 설명을 간략히 하기 위해 내부 출력 전류제어는 생략한다. 출력전류(i_on)는 역시 전압강하와 전류분담을 조정하기 위해 사용되며 출력전류 변화량(△i_err)으로 상기 도 2에서 설명한 바와 같이 정상상태 판정을 한다. 과도상태와 정상상태에 따라 전류분담을 이루고 전압강하를 줄인다. 한편, 과도상태는 부하변동이나 다른 전원의 오동작 또는 새로운 전원 모듈의 추가로 인해 발생하며 이때는 과도상태를 인지한 모든 모듈이 전압강하로 전류분담을 맞춘 뒤에 다시 정상상태에서 전압강하를 줄여나가는 순서를 따른다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전원장치의 병렬 운전방법은 각 병렬운전 전원장치 사이에 신호선이 없이 원활한 병렬운전 동작이 이루어지며, 특히 종래의 방법들에서 나타났던 전압강하가 거의 없이 병렬운전을 할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 병렬운전이 필요한 블럭형 구조의 전원 네트워크에서 각 신호선의 교환없이 정확한 전류분담이 가능하다.

Claims (1)

1. 직류 또는 교류 출력을 갖는 전력변환장치 회로에서 출력단이 하나 이상의 전원장치와 결합되어 있고 동시에 다른 전원장치와의 전류나 전압 정보를 교환하지 않고 출력전류를 분담시키는 전원장치의 병렬 운전방법에 있어서,

   (a) 전원장치가 운전을 시작하면 각 전원장치가 부하분담을 이루도록 하기 위하여 출력전압 강하방식으로 출력전류를 제어하는 단계;

   (b) 상기 전원장치로부터 출력되는 출력전류의 변화량(△i_err)을 통해 정상 상태의 여부를 판별하는 단계;

   (c) 상기 판별에서 정상 상태이면 그때의 출력전류를 기준전류(I_ref)로 설정하고, 출력전압 변동률이 요구되는 전원사양을 충족하도록 작은 전압강하 이득으로 출력전압을 보상하며, 상기 기준전류로써 출력전류를 제어하는 단계;

   (d) 상기 단계(b)의 판별에서, 정상 상태가 아니면 전류제어를 수행하지 않고, 병렬전원 간의 전류분배가 정해진 기준에 합치하도록 큰 전압강하 이득과 출력전압 강하방식으로 출력전압을 제어하는 단계; 및

   (e) 상기 출력전류의 변화량(△i_err)을 검출하여 상기 단계(b)의 정상상태 여부 판별을 계속 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원장치의 병렬 운전방법.

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