KR100842433B1 - 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축전지가 공통으로 한조만 구성되어 있는 다병렬 무정전전원장치 (이하 UPS라 함)에서 축전지를 독립적으로 병렬제어하기 위한 방법에 관한

것으로써, 특히 다수의 UPS가 축전지를 병렬제어하기 위해 종래에 사용된 축전지 병렬제어 신호선을 제거하고 독립적으로 병렬운전을 수행하는 방식에 관한 것이다.

무정전전원장치(UPS), 독립 병렬 제어, 충전전압 강하, 상용전원 입력부(AC), 축전지 제어부, 펄스폭변조부(PWM), 비례적분제어부(PI), 충전전류검출부(Ibat), 충전전압검출부(Vbat).

Description

다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템{Isolation Parallel Control Apparatus for Uninterruptible Power Supply which using of Common Battery}

도 1 은 종래의 축전지 병렬제어 신호선에 의한 방법으로 작동하는 다병렬 무정전 전원장치의 구성을 나타낸 블록 회로도.

도 2 는 본 발명에 따른 축전지 독립 병렬운전 구성을 나타낸 블록도.

도 3 은 본 발명에 따른 축전지 독립 병렬운전 제어 블록을 나타낸 회로도.

도 4 는 본 발명 제어부의 제어수순을 보인 개략 순서도.

※ 도면의 주요 기호에 대한 설명 ※

1 : 상용전원 입력부(AC) 2 : 컨버터부(CON)

3 : 인버터부(INV) 4 : 축전지 제어부(BC)

5 : 펄스폭변조부(PWM) 6 : 비례적분제어부(PI)

7 : 제어이득가산부(kp) 8 : 충전전류검출부(Ibat)

9 : 충전전압검출부(Vbat) 10: 축전지

11: UPS 1 12: UPS N

13: 부하(Load)

본 발명은 축전지가 공통으로 한조로만 구성되어 있는 다병렬 UPS에서 축전지를 독립적으로 병렬제어하기 위한 방법에 관한 것으로써, 특히 다수의 UPS가 축전지를 병렬제어하기 위해 종래에 사용된 축전지 병렬제어 신호선을 제거하고 독립적인 병렬운전을 수행하는 방식에 관한 것이다.

무정전전원장치(UPS)는 통상은 상용 전력계통으로부터 또 정전시에는 축전지로부터 직류전력을 얻어 안정된 교류전력을 금융, 통신 시스템 그리고 의료 기기 등의 부하에 공급하는 것이며, 직류전력을 교류로 변환하는 인버터와 인버터가 발생하는 고조파 전압을 출력전압파형으로부터 제거하기 위한 출력필터로 구성되어 있는 것이 일반적이다.

이러한 최근 금융, 통신 시스템 그리고 의료 기기 등 아주 순간적인 정전도 허용하지 않는 부하가 증가하고 있으며, 이들 부하에는 UPS의 채용이 필수적이나, UPS도 하나의 시스템으로서 고장으로 인한 정전사태가 발생할 수도 있으므로 UPS 자체의 신뢰성 확보도 매우 중요하게 되었다. 결국 시스템의 신뢰도를 개선하기 위해 두 개의 동일한 요소를 사용하는 리던던시(Redundancy) 개념이 UPS에도 적용되어 신뢰성 확보를 위한 다병렬 UPS시스템이 확산되고 있는 실정이다.

그럼에도 이와 같은 리던던시 방식의 UPS의 병렬적 구성방식인 다병렬 UPS에서의 축전지는, 정전 보상을 위한 백업용으로 사용되며 병렬 접속된 UPS 개수만큼 축전지가 요구되어 UPS시스템의 다병렬 설치 시, 축전지 셀 수 증가에 따른 비용 증가와 축전지 설치를 위한 공간 확보, 그리고 축전지 용량 증설의 어려움 등의 많은 문제점이 있다.

도 1은 종래의 공통 축전지 병렬운전에서 UPS구성도 및 축전지 제어 블록도를 나타낸 것으로, UPS1 축전지(101) 병렬제어에서 자신의 충전전류(102)과 UPS2(103)의 충전전류(104)를 서로 합산하는 과정(105)을 거쳐 이를 반으로 나눈 값(106)과 자신의 충전전류(102)를 비교하여 충전전류오차(107)를 계산하고, 이 오차를 전압제어기(108)에 더해주어 전류오차가 최소가 되도록 PI제어기(109)가 동작하게 된다.

여기서 전류오차는 축전지 병렬제어에서 UPS상호간의 순환전류에 해당하며 순환전류가 없으면 두 UPS는 축전지를 균등하게 병렬운전하게 된다.

결국 종래의 공통축전지 병렬제어는 상대방 UPS의 충전전류를 검출해서 자신의 충전전류와 비교를 해야 함으로써, 상대방의 충전전류를 측정에 필요한 신호선(110)이 반드시 필요하게 된다.

그러므로 UPS병렬 접속수 만큼 신호선(110) 수가 각 UPS마다 추가적으로 필요하게 되어 병렬 접속수에 한계가 있으며, 센싱 노이즈나 상호 간섭에 의한 문제가 항상 내재하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공통 축전지 형태로 다병렬 UPS를 구현하고 이에 따라 필연적으로 축전지의 병렬운전을 개시하는 데에 있어 공통축전지의 병렬제어 신호선을 제거하고, 각 UPS는 자신의 충 전전류에 따라 자신의 충전전압제어 지령치를 강하하는 방식으로 상대방 UPS의 충전전류에 대한 정보 없이 축전지를 병렬 제어하여, 종래의 신호선에 따른 병렬 접속수에도 제한이 없고, 센싱 노이즈나 상호 간섭을 근본적으로 제거할 수 있어 보다 신뢰성 있는 축전지 병렬제어를 가능케 하는 것에 그 목적이 있는 것이다.

또한, 종래의 방식이 갖는 병렬 접속수의 제한 및 센싱 노이즈나 상호 간섭에 의한 문제를 근본적으로 제거하고, 각 UPS는 자신의 충전전류에 따라 충전전압을 강하하는 방식으로 축전지를 독립 병렬 제어할 수 있는 것에 그 목적이 있는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템은, 외부로부터 UPS장비로 교류전원이 투입되는 상용전원 입력부(1)와, 상기 상용전원 입력부(1)에 직렬 연결된 전단에 위치하여 교류를 직류로 변환하는 컨버터부(2)와, 상기 컨터터부(2)에 직렬로 연결되어 직류를 교류로 변환하는 인버터부(3)와, 상기 인터버부(3)와 직렬로 연결되는 각종 기기의 부하(13)와, 상기 컨버터부(2)와 인버터부(3)의 선단에 병렬로 연결되어 축전지를 제어하기 위해 SCR을 대체하여 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용하는 축전지 제어부(4)와, 상기 축전지 제어부(4)와 연결되는 축전지(10)와, 상기 축전지 제어부(4)와 축전지(10) 사이에 병렬연결되는 충전전류검출부(8) 및 충전전압검출부(9)와, 상기 충전전류검출부(8)를 통하여 검출된 충전전류를 제어이득(kp)과 곱하는 제어이득가산부(7)와, 상기 제어이득가선부(7)에 의한 데이터를 뺀 값의 충전전압제어 지령치를 충전전압검출부(9)의 데이터와 비교하여 그 오차범위를 최소화 하기 위해 충전전압제어 지령치를 가변하는 비례적분제어부(6)와;, 상기 비례적분제어부(6)와 펄스폭변조(5)를 통한 축전지 제어부(4)의 제어로 시스템이 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 그 상세 구성 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명에 따른 축전지 독립 병렬운전 구성을 나타낸 블록도로서, UPS1(11)및 UPSN(12) 각각의 축전지 전압과 충전전류를 검출하는 검출부(S2)와, 검출한 충전 전압과 충전전류 등의 아날로그 데이터를 제어하기 위하여 디지털 데이터로 변환하여 주는 A/D변환부(S3)와, 충전전류 크기에 따라 충전전압제어 지령치를 가변하여 축전지 독립 병렬제어를 위한 제어부(S4)와, 제어부의 제어 결과치에 따라 스위칭이 이루어지는 스위칭부(S5)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 축전지 독립 병렬운전 제어 블록을 나타낸 회로도로서, 각각의 UPS1(11)...UPSN(12)는 자신의 충전전류(Ibat)와 충전전압(Vbat)을 검출(8)(9)하고, 충전전압제어 지령치(Vref)는 충전전류(Ibat)와 제어이득(kp)을 곱한 값을 뺀 값으로 설정되어 충전전압(Vbat)과 비교하고, 그 오차(Verr)를 최소화 하도록 PI제어를 하게 되는 것을 특징으로 하는 것이다.

결국, 다수의 UPS가 축전지를 병렬 운전시 상대적으로 충전전류가 많이 흐르는 쪽의 UPS가 충전전압제어 지령치(Vref)가 낮아지게 되고, 이는 결국 충전전류를 적게 흐르게 함으로써 병렬 접속된 UPS간의 충전전류를 균등하게 축전지로 흐르게 제어할 수 있는 것이다.

도 4 는 제어부의 제어수순을 보인 개략 순서도로서, 이는 본 발명에 의한 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템의 구현을 위하여 바람직하게 제시되는 시스템 전체의 제어과정의 개략적인 흐름을 보인 순서도로써, UPS 전체시스템의 파라메타를 초기화하는 단계와, 상기 단계를 통하여 축전지가 정상적으로 연결되었는지를 체크하는 단계와, 상기 단계에서 축전지의 연결이 정상적이지 않은 경우 루프를 통하여 이를 지속적으로 체크하는 단계(본 단계는 별도의 표시부를 두어 외부에 신호를 알리는 단계가 부가되는 것이 바람직하다)와, 상기 체크 단계를 통하여 축전지가 정상적으로 연결된 경우, 교류를 직류로 변환하는 UPS컨버터가 가동하는 단계와, 상기 단계를 통하여 변환된 직류전압이 축전지로 충전 가능한지를 체크하는 단계와, 축전지의 충전이 가능하지 않은 경우 이를 충전여부 체크단계로 분기하는 단계(상기 분기단계를 진행함에 있어, 축전지의 충전 불가이유가 만충에 의한 것인지 축전지나 컨버터 결함인지를 검증하는 단계가 부가되는 것이 바람직하다)와, 축전지의 충전이 가능한 경우, 축전지 독립제어를 개시하는 단계와, 상기 독립제어를 통하여 각각의 UPS로부터 제어 결과치를 계산하는 단계와, 상기 단계를 통하여 병렬 접속된 UPS간의 충전전류를 균등하게 축전지로 흐르게 충전전압제어 스위치의 스위칭소자를 스위칭하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같은 본 발명에서는 다병렬 UPS의 공통축전지 제어를 위해서 UPS 자 신의 충전전압과 충전전류만으로 독립적인 축전지 병렬제어를 가능토록 하며, 종래의 병렬제어 신호선이 없으므로 UPS 병렬 접속수에 제한이 없으며, 노이즈나 상호 간섭에 의한 문제를 근본적으로 제거함으로써 신뢰성 높은 축전지 병렬제어의 효과가 있는 것이다.

또한, 상기와 같은 신뢰성을 통하여, UPS에 대한 리던던시 방식으로 제안되는 병렬 접속된 UPS 개수만큼 축전지가 요구되어 UPS의 다병렬 설치 시, 축전지 셀 수 증가에 따른 비용 증가와 축전지 설치를 위한 공간 확보, 그리고 축전지 용량 증설 등의 문제를 해결할 수 있어 효율성과 산업상 이용가능성이 뛰어난 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 기술하였지만, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 기재된 실시 예에 국한하지 아니하고, 다양한 분야에서의 응용 및 적용 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 응용 및 적용이 실질적으로 동일한 기능과 구조 및 효과를 가지는 한, 균등의 영역에서 첨부된 특허청구범위에 속함이 당연하다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 백업용 축전지가 각각의 UPS에 병렬로 연결되어 다수의 UPS가 공유하여 병렬로 사용하는 다병렬 무정전 전원장치에 있어서,

   외부로부터 UPS장비로 교류전원이 투입되는 상용전원 입력부(1)와;

   상기 상용전원 입력부(1)에 직렬 연결된 전단에 위치하여 교류를 직류로 변환하는 컨버터부(2)와;

   상기 컨터터부(2)에 직렬로 연결되어 직류를 교류로 변환하는 인버터부(3)와;

   상기 인터버부(3)와 직렬로 연결되는 각종 기기의 부하(13)와;

   상기 컨버터부(2)와 인버터부(3)의 선단에 병렬로 연결되어 축전지를 제어하기 위해 SCR을 대체하여 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용하는 축전지 제어부(4)와;

   상기 축전지 제어부(4)와 연결되는 축전지(10)와;

   상기 축전지 제어부(4)와 축전지(10) 사이에 병렬연결되는 충전전류검출부(8) 및 충전전압검출부(9)와;

   상기 충전전류검출부(8)를 통하여 검출된 충전전류를 제어이득(kp)과 곱하는 제어이득가산부(7)와;

   상기 제어이득가선부(7)에 의한 데이터와 충전전압검출부(9)의 데이터의 차를 비교하여 그 오차범위를 최소화 하는 비례적분제어부(6)와;

   상기 비례적분제어부(6)와 펄스폭변조(5)를 통한 축전지 제어부(4)의 제어로 시스템이 이루어지는 것을 특징으로 하는 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템.
2. 청구항 1에 있어서;

   상기 제어이득가산부(7)에는 검출한 충전 전압과 충전전류의 아날로그 데이터를 제어하기 위하여 디지털 데이터로 변환하여 주는 A/D변환부(S3)가 구비되는 것을 특징으로 하는 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템.
3. 청구항 1에 있어서;

   상기 비례적분제어부(6)는 각각의 UPS에서 검출된 충전전류와 충전전압을 통하여 충전전류와 제어이득을 곱한 값을 제한 데이터를 충전전압과 비교하는 충전전압제어 지령치를 가변하여 그 오차가 최소화 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템.
4. 청구항 1에 있어서;

   비례적분제어부(6)의 제어 결과치에 따라 펄스폭변조(5)와 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 통한 스위칭이 이루어지는 것을 특징으로 하는 다병렬 무정전 전원장치의 공통 축전지 독립 병렬제어 시스템.

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