KR100918277B1 - 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치 및 시스템 - Google Patents

무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치 및 시스템에 관한 것으로, 특히 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치는 기본파 오차 보상부와 고조파 전압 보상부, 고조파 전류 보상부 및 제어부로 구성하고, 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어시스템은 인버터 출력전압 및 전류 검출수단과 인버터 출력전압 제어수단, 스위칭 수단 및 스위칭 제어수단으로 구성하여, 무정전 전원장치들을 단독 운전시에는 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 기준값을 정하여 제어하고, 병렬 운전시에는 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되지 않도록 일정한 양의 고조파 전류를 공급하여 제어함으로써 병렬 운전시 발생될 수 있는 고조파 순환전류를 최소화 함과 동시에 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있도록 발명한 것이다.
무정전 전원장치, 인버터, 왜형률, 단독 운전, 병렬 운전, 고조파

Description

무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치 및 시스템{Output voltage control apparatus and system for the inverter of an uninterruptible Power Supply}
본 발명은 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치 및 시스템에 관한 것으로, 특히 무정전 전원장치가 단독으로 운전되거나 또는 다수의 무정전 전원장치가 병렬 운전될 경우, 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있도록 발명한 것이다.
일반적으로 무정전 전원장치(UPS : Uninterruptible Power Supply)는 전원 전압, 주파수 변동이 있는 곳에서 전압 및 주파수를 자동적으로 안정하게 조정하고, 정전 시에도 전원을 계속 부하(Load)에 공급하기 위해 개발된 장치이다.
이와 같은 무정전 전원장치는 정전압 정주파수의 전원공급 능력뿐만 아니라 부하(Load) 조건에 관계없이 최소한의 왜형률(THD : Total Harmonic Distortion)을 가지는 정현파의 출력전압을 제공해야 하는데, 부하들은 대부분 정류기와 같은 비선형 부하이고, 이에 따른 부하전류의 고조파 성분으로 인하여 무정전 전원장치 출 력전압의 왜형률이 크게 증가하게 된다.
만일, 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 하면 이론적으로 거의 정현파의 출력전압을 얻을 수 있으므로 부하조건에 관계없이 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있다.
그러나, 다수의 무정전 전원장치가 병렬 연결되어 병렬로 구동될 경우, 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 기준값을 정하여 제어하면, 각 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 모듈간의 미소한 오차로 인해, 어느 한대의 무정전 전원장치는 고조파 전류를 공급하고 또 다른 한대의 무정전 전원장치는 고조파 전류를 공급받는 반대 제어 현상이 발생한다.
이러한 오차가 계속 누적될 경우, 병렬 운전 균형이 무너지게 되고, 순환 전류가 발생하여 병렬 운전을 할 수가 없게 된다.
따라서, 본 발명자는 다수의 무정전 전원장치가 병렬 운전될 경우, 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 고조파 순환 전류를 최소화하고 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있는 기술에 대한 연구를 하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점들을 해결하기 위해 안출한 것으로 무정전 전원장치의 단독운전시에는 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 기준값을 정하여 제어함으로써 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있으며, 또 무정전 전원장치의 병렬 운전시에는 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되지 않도록 일정한 양의 고조파 전류를 공급하여 제어함으로써 병렬 연결되는 각 무정전 전원장치에 대해 서로 같은 방향으로 고조파가 공급되면서 점차적으로 고조파 전류가 감소하는 방향으로 제어가 진행되어 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 고조파 순환 전류를 최소화하고, 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 장치는, 인버터 출력전압 및 전류 검출수단 내 출력전압 및 전류 검출장치를 통해 검출되는 출력전압으로부터 기본파 성분의 실효값을 산출하는 실효값 산출부와, 미리 설정된 기본파 기준전압과 상기 실효값 산출부에 의해 산출된 실효값을 감산해 에러값을 산출하는 에러값 산출부, 상기 에러값 산출부에 의해 출력되는 에러값을 제거하기 위해 에러값의 일정 비례값과 그 시점까지의 에러값을 축적 가산한 적분값을 동시에 출력하는 비례적분 제 어부 및, 상기 비례적분 제어부에 의해 출력되는 신호에 위상 동기된 상태로 정현파 발생기에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 교류성분의 기본파 제어전압을 제어부로 출력해 주는 교류 변환부로 구성된 기본파 오차 보상부와;
인버터 출력전압 및 전류 검출수단 내 출력전압 및 전류 검출장치를 통해 검출되는 부하전압의 특정 차수의 고조파 성분에 대하여 임의 시점의 실수(Real) 성분과 허수(Image) 성분의 전압값을 각각 검출하는 실수 및 허수 전압 검출부와, 상기 실수 및 허수 전압 검출부에 의해 검출된 실수 및 허수 전압과 선택된 실수 및 허수 보상값을 각각 가산하는 실수 및 실수 전압 가산부, 실수 및 허수 전압 가산부에 의해 각각 가산되어 출력되는 실수 전압과 허수 전압 각각과 설정된 목표 기준값과의 차이를 상쇄시키기 위한 실수 제어전압과 허수 제어전압을 각각 출력하는 실수 및 허수 비례적분 제어부, 상기 실수 및 허수 비례적분 제어부에 의해 각각 출력되는 제어전압 각각에 서로 직교하는 상태로 정현파 발생기에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 각각 교류성분 신호로 변환 출력하는 제1실수 및 제1허수 교류 변환부 및, 상기 제1실수 및 제1허수 교류 변환부에 의해 각각 출력되는 두 교류성분 신호를 가산하여 고조파 전압성분을 보상하기 위한 제어신호로써 제어부에 출력하는 제1가산부로 구성된 고조파 전압 보상부와;
인버터 출력전압 및 전류 검출수단 내 출력전압 및 전류 검출장치를 통해 검출되는 부하전류의 특정 차수의 고조파 성분에 대하여 임의 시점의 실수(Real) 성분과 허수(Image) 성분의 전류값을 각각 검출하는 실수 및 허수 전류 검출부와, 상기 실수 및 허수 전류 검출부에 의해 각각 검출된 실수 성분 전류값과 허수 성분의 전류값 각각에 서로 직교하는 상태로 정현파 발생기에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 각각 교류성분 신호로 변환 출력하는 제2실수 및 제2허수 교류 변환부, 상기 제2실수 및 제2허수 교류 변환부에 의해 각각 출력되는 두 교류성분 신호를 가산하는 제4가산부 및; 무정전 전원장치의 인버터의 필터 특성에 근거하여 상기 제4가산부에 의해 가산된 신호를 전압값으로 변경하고 이의 위상 천이된 신호값을 산출하여 고조파 전류성분을 보상하기 위한 제어신호로 출력하는 전압 변환부로 구성된 고조파 전류 보상부와;
상기 고조파 전압 보상부와 고조파 전류 보상부에 의해 출력된 신호를 가산하여 출력하는 제5가산부와, 상기 제5가산부에 의해 가산되어 출력되는 신호와 상기 기본파 오차 보상부에서 출력된 신호를 가산하여 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호로 출력하는 제6가산부로 구성된 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고조파 전압 보상부 내 실수 전압 가산부는,
실시간 병렬운전 정보에 의하여 2대 이상이 병렬운전 모드로 운전 중인 경우에는 상기 고조파 전류 보상부 내 허수 전류 검출부에 의해 측정된 고조파 전류성분의 허수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 고조파 전압 보상값의 양을 결정하는 비례상수인 -K를 곱하여 고조파 실수 전압 보상값을 생성하는 실수 승산부와;
실시간 병렬운전 정보에 의하여 다수의 인버터 중에 1대의 인버터만이 운전하고 있는 경우에는 고조파 전압성분의 실수 성분이 "0"이 되도록 실수 보상값을 선택하는 실수 보상값 선택부와;
상기 실수 전압 검출부에 의해 검출된 실수 전압과 상기 실수 보상값 선택부에 의해 선택된 실수 보상값을 가산하는 제2가산부;로 구성한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 고조파 전압 보상부 내 허수 전압 가산부는,
실시간 병렬운전 정보에 의하여 2대 이상이 병렬운전 모드로 운전 중인 경우 상기 고조파 전류 보상부 내 실수 전류 검출부에 의해 측정된 고조파 전류성분의 실수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 고조파 전압 보상값의 양을 결정하는 비례상수 K를 곱하여 고조파 허수 전압 보상값을 생성하는 허수 승산부와;
실시간 병렬운전 정보에 의하여 다수의 인버터 중에 1대의 인버터만이 운전하고 있는 경우에는 고조파 전압성분의 허수 성분이 "0"이 되도록 허수 보상값을 선택하는 허수 보상값 선택부와;
상기 허수 전압 검출부에 의해 검출된 허수 전압과 상기 허수 보상값 선택부에 의해 선택된 허수 보상값을 가산하는 제3가산부로 구성한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 시스템은, 상기에 기재된 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치가 복수개 구비된 인버터 출력전압 제어수단과;
상기 인버터 출력전압 제어수단 내 인버터 출력전압 제어장치들로부터 출력되는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호에 부응하는 스위칭 제어신호를 스위칭 수단에 발생시켜 주는 스위칭 제어수단과;
상기 스위칭 수단의 출력신호에 부응하여 스위칭 동작하는 스위칭 수단과;
상기 스위칭 수단을 통해 출력되는 각상의 출력전압 및 전류를 각각 검출하여 인버터 출력전압 제어수단 내 인버터 출력전압 제어장치들에 각각 전달하는 복수개의 출력전압 및 전류 검출장치를 구비한 인버터 출력전압 및 전류 검출수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 비례상수 "-K" 및 "K"라 함은 순환 전류를 최소화하기 위한 고조파 전압 보상값의 양을 결정하는 상수를 말하는 것으로, 장비의 용량과 특성에 의해 다르게 설정되는 상수이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 장치 및 시스템에 의하면, 무정전 전원장치의 단독운전시에는 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 기준값을 정하여 제어함으로써 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있고, 무정전 전원장치의 병렬 운전시에는 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되지 않도록 일정한 양의 고조파 전류를 공급하여 제어함으로써 병렬 연결되는 각 무정전 전원장치에 대해 서로 같은 방향으로 고조파가 공급되면서 점차적으로 고조파 전류가 감소하는 방향으로 제어가 진행되므로, 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 고조파 순환 전류를 최소화 하고, 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치의 개요도이고, 도 2는 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치의 일 실시 예에 따른 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치(100)는 크게 기본파 오차 보상부(110)와, 고조파 전압 보상부(120), 고조파 전류 보상부(130) 및 제어부(140)를 포함한 것을 주요기술 구성요소로 한다.
이때, 상기 기본파 오차 보상부(110)는 도 2에 도시한 바와 같이 실효값 산출부(111)와 에러값 산출부(112), 비례적분 제어부(113), 교류 변환부(114) 및 정현파 발생기(115)를 구비하고 후술하는 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50) 내 출력전압 및 전류 검출장치(500)를 통해 검출되는 출력전압(Vou, Vov, Vow)으로부터 기본파 오차를 보상하기 위한 신호를 발생시킨다.
또, 상기 고조파 전압 보상부(120)는 실수 전압 검출부(121a) 및 허수 전압 검출부(121b)와, 실수 전압 가산부(122a) 및 허수 전압 가산부(122b), 실수 비례적분 제어부(123a) 및 허수 비례적분 제어부(123b), 제1실수 교류 변환부(124a) 및 제1허수 교류 변환부(124b), 제1가산부(125) 및 정현파 발생기(126)를 구비하고 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50) 내 출력전압 및 전류 검출장치(500)를 통해 검출되는 출력전압(Vou, Vov, Vow)으로부터 고조파 전압성분을 보상하기 위한 신호 를 발생시킨다.
또한, 상기 고조파 전류 보상부(130)는 실수 전류 검출부(131a) 및 허수 전류 검출부(131b)와, 제2실수 교류 변환부(132a) 및 제2허수 교류 변환부(132b), 제4가산부(133), 전압 변환부(134) 및 정현파 발생기(135)를 구비하고 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50) 내 출력전압 및 전류 검출장치(500)를 통해 검출되는 출력전류(Iou, Iov, Iow)으로부터 고조파 전류성분을 보상하기 위한 신호를 발생시킨다.
그리고, 상기 제어부(140)는 제5가산부(141)와 제6가산부(142)를 구비하고, 상기 기본파 오차 보상부(110)와 고조파 전압 보상부(120) 및 고조파 전류 보상부(130)에서 출력되는 신호들을 처리하여 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호를 발생시킨다.
다시 말해서 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치(100)는 먼저, 상기 기본파 오차 보상부(110)가 미리 설정된 기본파 기준전압과, 현재 검출되는 기본파 부하전압과의 차를 검출한 뒤, 이를 상쇄시키기 위해 필요한 기본파 제어전압을 기본파 오차를 보상하기 위한 신호로 출력한다.
또, 상기 고조파 전압 보상부(120)는 인버터 출력전압 왜곡에 직접 원인이 되는 부하전류를 검출하여, 이 중 제거하고자 하는 특정 차수의 고조파 전압을 연산 추출하고, 연산 추출된 고조파 전압을 상쇄시키기 위한 고조파 제어전압을 고조파 전압성분을 보상하기 위한 신호로 출력한다.
또한, 상기 고조파 전류 보상부(130)는 인버터 출력전압 왜곡에 직접 원인이 되는 부하전류를 검출하여, 이 중 제거하고자 하는 특정 차수의 고조파 전류를 연산 추출하고, 연산 추출된 고조파 전류를 부하단으로 공급하기 위한 고조파 전압량을 산출하여 이를 고조파 전류성분을 보상하기 위한 신호로 출력한다.
한편, 상기 제어부(140)는 상기 기본파 오차 보상부(110)와 고조파 전압 보상부(120) 및 고조파 전류 보상부(130)에 의해 출력되는 전압 신호들을 모두 가산하여 부하에 전력을 공급하는 무정전 전원장치의 인버터의 지령신호로서 출력하게 된다.
이와 같은 제어부(140)의 지령신호에 따라, 무정전 전원장치의 인버터는 보상하고자 하는 특정 차수의 고조파 전류만큼 직접 부하 측으로 흐르게 하여, 무정전 전원장치의 인버터 출력전압을 보상함으로써 무정전 전원장치의 인버터 출력전압의 왜형률을 개선하게 된다.
이때, 상기 고조파 전압 보상부(120)는 사용자가 다수의 무정전 전원장치를 단독 또는 병렬로 구동시킬 것인지에 따라 미리 후술하는 실수 보상값 선택부(300a) 및 허수 보상값 선택부(300a)의 스위치를 통해 단독운전 모드와 병렬 운전 모드 중 어느 한 운전모드를 선택할 수 있는 기능을 구비한 것으로, 실시간 병렬 운전 정보를 통해 다수의 장치중에 1대의 인버터만이 운전중에는 고조파 전압성분의 실수 성분과, 허수 성분 각각이 "0"이 되도록 실수 전압 보상값 및 허수 전압 보상값을 선택하고, 2대 이상의 장치가 병렬 운전중에는 고조파 전류성분의 허수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 오차 보상값의 양을 결정하는 상수인 -K를 곱한 실수 보상값 및 고조파 전류성분의 실수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 오차 보상값의 양을 결정하는 상수인 K를 곱한 허수 보상값을 선택하여 각 차수의 고조파 성분을 공급한다.
여기서 K값의 선정방법에 따른 이론적인 면을 살펴보면 다음과 같다.
무정전전원장치를 병렬로 구성시 상호 연결 선상에 임피던스 즉, 저항과 인덕턴스가 존재하나, 저항 성분보다는 인덕턴스(L)성분이 다소 크게 작용하기 때문에 그 관계는 다음의 두 개의 그림과 같이 나타난다.
Figure 112009021248268-pat00001
Figure 112009021248268-pat00002
위와 그림과 같이 인덕턴스에 의한 전압과 전류의 90도 지연 관계에 의해서 특정 차수의 고조파 허수 전류가 증가하면 해당 차수의 고조파 실수전압이 음의 방향으로 증가하고 고조파 실수전류가 증가하면 고조파 허수전압이 양으로 증가함을 알 수 있다.
이러한 관계로 부터 특정 차수의 고조파 전압 보상 제어기를 구성하면 아래의 수식과 같이 나타낼 수 있다.
Re[V* h] = -K * Im[ILh]
Im[V* h] = K * Re[ILh]
여기서,
"Re : Real 실수부
Im : Imaginary 허수부
V* h : h차의 고조파 전압 보상값
VOh : 병렬연결시 공통접속점의 h차 고조파 전압
Vh : UPS의 h차 고조파 출력전압
ILh : h차 고조파 부하전류
h : 고조파 차수"이다.
이러한 고조파 전압 보상값은 기존 제어기에 부가하여 미소한 고조파 전압을 출력함으로써 병렬운전 중인 두 장치 간의 고조파 순환 전류를 최소화한다.
이때, K는 차수에 따른 비례상수로 선정 방법은 각 고조파의 차수에 따라 제어가능 전압에 의해 선정이 가능하다. 이는 최소 선정값이 되지만 실제 적용에 있어서는 제어기의 오차 등도 감안하여야 하며 이와 더불어 장비의 차수별 및 총 고조파 함유율이 허용치를 넘지 않는 범위 내에서 선정하여야 한다.
비례상수 K는 전류에 대한 전압비(V/A)로 나타낼 수 있으며 시스템의 제어 가능범위와 샘플링 해상도에 따라 선정해야 한다.
무정전전원장치와 같은 경우에 K는 출력전압의 각 차수에 대한 왜형율을 고려하여 정격전류 대비 정격전압비로 나타내면 0.1이하의 값으로 선정하며, 되도록이면 왜형률이 허용되는 범위 내에서 최소의 값으로 선정한다.
예를 들어 5차 고조파 10A에 따라 0.1V의 고조파 전압이 나타나고 또한 0.1V의 전압도 제어가능하다면 비례상수 K는 0.01보다 큰 값이 선정되어야 하나 0.2V까지만 제어 가능하다면 K는 0.02보다 큰 값이 선정되어야 한다. 용량이 클수록 작은 전압에도 큰 전류가 나타나기 때문에 용량이 큰 경우 K은 더 작은 값이 된다.
즉, 이러한 K값은 장비의 용량 및 출력 전압과, 부하와 관련된 배선의 임피던스, 사용되는 부품의 오차, 센서류 부품의 용량 및 특성, 출력에 연결되어 사용되는 부하의 특성 및 기타의 원인으로 변동될 수 있다.
시험에 따르면 100kVA 용량의 무정전전원장치 2대를 병렬로 구성하고 저항 부하를 연결한 경우 비례상수 K에 따른 전류 파형의 변화는 도 5a 내지 도 5d와 도 시한 그래프와 같이 나타났다.
여기서 도 5a는 병렬 운전 중이나 K가 0인 경우로 각 장치의 출력전류의 서로 반대되는 위상으로 고조파 전류가 발생되어 순환되는 것을 알 수 있으며, 왜형률이 6% 이상 나타나고 있다.
또 도 5b 내지 도 5d는 K를 점차 증가시키면서 전류 파형을 확인한 것으로 전류의 왜형률이 점차 감소함과 함께 순환전류도 최소화됨을 볼 수 있다. 여기서 K가 도 5d와 같이 0.05정도가 설정되어야 전류대비 전압이 장치에서 제어 가능한 값이 되어 고조파 순환 전류가 최소화됨을 알 수 있다.
위와 같은 K의 적용으로 무정전 전원장치의 병렬 운전시에는 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되지 않도록 미소한 일정 양의 고조파 전류를 공급하여 병렬 연결되는 각 무정전 전원장치에 대해 서로 같은 방향으로 고조파가 공급되면서 순환되는 고조파 전류가 최소화되는 방향으로 제어가 진행되므로, 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 병렬 고조파 순환전류가 최소화될 수 있게 되며, 단독운전시에는 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 기준값을 정하여 제어할 수 있어 무정전 전원장치의 부하조건에 관계없이 출력전압의 왜형률을 최소화할 수 있는 것이다.
즉, 다수의 무정전 전원장치가 병렬 연결되어 병렬 구동될 경우, 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되도록 기준값을 정하여 제어하면, 각 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 모듈간의 미소한 오차로 인해, 어느 한대의 무정전 전원장치는 고조파 전류를 공급하고 또 다른 한대의 무정 전 전원장치는 고조파 전류를 공급받는 반대 제어 현상이 발생하는데, 본 발명은 무정전 전원장치의 병렬 운전시에는 각 무정전 전원장치의 인버터 출력 전압의 고조파 성분이 영(zero)이 되지 않도록 일정한 양의 고조파 전류를 공급하여 제어함으로써 병렬 운전시 발생하는 반대 제어 현상을 방지할 수 있는 것이다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치의 구체적인 구성을 알아보면 다음과 같다.
먼저, 상기 기본파 오차 보상부(110)는 전술한 바와 같이 실효값 산출부(111)와 에러값 산출부(112), 비례적분 제어부(113), 교류 변환부(114) 및 정현파 발생기(115)를 포함한다.
이때, 상기 실효값 산출부(111)는 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50) 내 출력전압 및 전류 검출장치(500)를 통해 검출되는 각 상의 출력전압(Vou, Vov, Vow; 도 2에서는 편의상 U상의 출력전압(Vou)만을 표기하고 이를 중심으로 설명하기로 한다)으로부터 기본파 성분의 실효값을 산출하고, 상기 에러값 산출부(112)는 미리 설정해 놓은 기본파 기준전압과 상기 실효값 산출부(111)에 의해 산출된 실효값을 감산해 에러값을 출력한다.
또, 상기 비례적분 제어부(113)는 상기 에러값 산출부(112)에 의해 출력되는 에러값을 제거하기 위해, 에러값의 일정 비례값과 그 시점까지의 에러값을 축적 가산한 적분값을 동시에 출력하게 되는데, 이 값은 기본파 전압오차의 보상값이 된다.
또한, 상기 교류 변환부(114)는 상기 비례적분 제어부(113)에 의해 출력되는 신호에 위상 동기된 형태로 정현파 발생기(115)에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 교류성분의 기본파 제어전압을 기본파 오차를 보상하기 위한 제어신호로 출력한다.
이와 같이 상기 교류 변환부(114)에 의해 승산된 후 출력되는 기본파 오차를 보상하기 위한 제어신호는 제어부(140)로 출력된 다음 상기 고조파 전압 보상부(120) 및 고조파 전류 보상부(130)에서 출력되는 제어신호들과 가산되어 부하에 전력을 공급하는 무정전 전원장치의 인버터의 지령신호로서 출력된다.
한편, 상기 고조파 전압 보상부(120)는 전술한 바와 같이 실수 전압 검출부(121a) 및 허수 전압 검출부(121b)와, 실수 전압 가산부(122a) 및 허수 전압 가산부(122b), 실수 비례적분 제어부(123a) 및 허수 비례적분 제어부(123b), 제1실수 교류 변환부(124a) 및 제1허수 교류 변환부(124b), 제1가산부(125) 및 정현파 발생기(126)를 포함한다.
이때, 상기 실수 전압 검출부(121a) 및 허수 전압 검출부(121b)는 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50) 내 출력전압 및 전류 검출장치(500)를 통해 검출되는 각 상의 출력전압(Vou, Vov, Vow; 도 2에서는 편의상 U상의 출력전압(Vou)만을 표기하고 이를 중심으로 설명하기로 한다)으로부터 부하전압의 특정 차수의 고조파 성분에 대하여 임의 시점의 실수(Real) 성분과 허수(Image) 성분의 전압값을 각각 검출하는 기능을 갖는 것으로 예컨대, 상기 차수가 N차라면 단상의 경우, 홀수 차 수인 3,5,7...n차이고, 삼상의 경우 3의 배수 차수를 제외한 5,7,11...n차이다. 일반적으로 주로 발생되는 고조파는 단상의 경우 3,5,7차이며, 삼상의 경우 5,7차에 해당된다.
또한, 상기 실수 전압 가산부(122a) 및 허수 전압 가산부(122b)는 상기 실수 전압 검출부(121a)에 검출된 실수 전압과 선택된 실수 보상값을, 상기 허수 전압 검출부(121b)에 의해 허수 전압과 선택된 허수 보상값을 각각 가산한다.
구체적으로, 실수 전압 가산부(122a)는 실수 승산부(200a)와, 실수 보상값 선택부(300a) 및 제2가산부(400a)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 실수 승산부(200a)는 후술하는 고조파 전류 보상부(130) 내 허수 전류 검출부(131b)에 의해 측정된 고조파 전류성분의 허수 성분에 -K를 곱하여 실수 전압 보상값을 생성한다.
또 상기 실수 보상값 선택부(300a)는 실시간 병렬운전 정보에 따라 스위치의 가동단자를 "0" 또는 -K가 연결된 두 고정단자 중 어느 한 고정단자 측으로 절체시킬 수 있는 구성으로 된 것으로, 단독운전시에는 고조파 전압성분의 실수 성분이 "0"이 되도록 실수 보상값을 선택하고, 병렬 운전시에는 상기 실수 승산부(200a)에 의해 생성된 실수 보상값을 선택한다.
또한, 상기 제2가산부(400a)는 상기 실수 전압 검출부(121a)에 의해 검출된 실수 전압과 상기 실수 보상값 선택부(300a)에 의해 선택된 실수 보상값을 가산한다.
그리고, 상기 허수 전압 가산부(122b)는 구체적으로 허수 승산부(200b)와 허 수 보상값 선택부(300b) 및 제3가산부(400b)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 허수 승산부(200b)는 상기 고조파 전류 보상부(130)의 실수 전류 검출부(131a)에 의해 측정된 고조파 전류성분의 실수 성분에 K를 곱하여 허수 전압 보상값을 생성한다.
또, 상기 허수 보상값 선택부(300b)는 상기 실수 보상값 선택부(300a)와 마찬가지로 실시간 병렬 운전 정보에 따라서 스위치의 가동단자를 "0" 또는 K가 연결된 두 고정단자 중 어느 한 고정단자 측으로 절체시킬 수 있는 구성으로 된 것으로, 단독운전시에는 고조파 전압성분의 허수 성분이 "0"이 되도록 허수 보상값을 선택하고, 병렬 운전시에는 상기 허수 승산부(200b)에 의해 생성된 허수 보상값을 선택한다.
또한, 상기 제3가산부(400b)는 상기 허수 전압 검출부(121b)에 의해 검출된 허수 전압과 상기 허수 보상값 선택부(300b)에 의해 선택된 허수 보상값을 가산한다.
한편, 상기 실수 비례적분 제어부(123a) 및 허수 비례적분 제어부(123b)는 상기 실수 전압 가산부(122a) 및 허수 전압 가산부(122b)에 의해 각각 가산되어 출력되는 실수 전압과 허수 전압 각각과 설정된 목표 기준값과의 차이를 상쇄시키기 위한 실수 제어전압과 허수 제어전압을 각각 출력한다.
또, 상기 제1실수 교류 변환부(124a) 및 제1허수 교류 변환부(124b)는 상기 실수 비례적분 제어부(123a) 및 허수 비례적분 제어부(123b)에 의해 각각 출력되는 제어전압 각각에 서로 직교하는 형태로 정현파 발생기(126)에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 각각 교류성분 신호로 변환 출력한다.
또한, 상기 제1가산부(125)는 상기 제1실수 교류 변환부(124a) 및 제1허수 교류 변환부(124b)에 의해 각각 출력되는 두 교류성분 신호를 가산하여 고조파 전압성분을 보상하기 위한 제어신호로 출력한다.
이와 같이 상기 제1가산부(125)에 의해 출력된 고조파 전압성분을 보상하기 위한 제어신호는, 제어부(140)로 출력되어 상기 기본파 오차 보상부(110) 및 고조파 전류 보상부(130)에 의해 출력되는 제어신호들과 가산된 후 부하에 전력을 공급하는 무정전 전원장치의 인버터의 지령신호로서 출력된다.
한편, 상기 고조파 전류 보상부(130)는 전술한 바와 같이 실수 전류 검출부(131a) 및 허수 전류 검출부(131b), 제2실수 교류 변환부(132a) 및 제2허수 교류 변환부(132b), 제4가산부(133), 전압 변환부(134) 및 정현파 발생기(135)를 포함한다.
이때, 상기 실수 전류 검출부(131a) 및 허수 전류 검출부(131b)는 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50) 내 출력전압 및 전류 검출장치(500)를 통해 검출되는 각 상의 출력전류(Iou, Iov, Iow; 도 2에서는 편의상 U상의 출력전류(Iou)만을 표기하고 이를 중심으로 설명하기로 한다)으로부터 부하전류의 특정 차수의 고조파 성분에 대하여 임의 시점의 실수(Real) 성분과 허수(Image) 성분의 전류값을 각각 검출하여 상기허수 승산부(200b)와 실수 승산부(200a) 및 제2실수 교류 변환부(132a)와 제2허수 교류 변환부(132b)로 출력한다. 일반적인 무정전전원장치의 경 우 상기 차수가 N차라면 단상의 경우, 3,5,7차이고, 삼상의 경우 5,7차이다.
또, 상기 제2실수 교류 변환부(132a) 및 제2허수 교류 변환부(132b)는 상기 실수 전류 검출부(131a) 및 허수 전류 검출부(131b)에 의해 각각 검출된 실수 성분 전류값과, 허수 성분의 전류값 각각에 서로 직교하는 형태로 정현파 발생기(135)에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 각각 교류성분 신호로 변환 출력한다.
또한, 상기 제4가산부(133)는 상기 제2실수 교류 변환부(132a) 및 제2허수 교류 변환부(132b)에 의해 각각 출력되는 두 교류성분 신호를 가산하고, 상기 전압 변환부(134)는 무정전 전원장치의 인버터의 필터 특성에 근거하여 상기 제4가산부(133)에 의해 가산된 신호를 전압값으로 변경하고, 이의 위상 천이된 신호값을 산출하여 고조파 전류성분을 보상하기 위한 제어신호로 출력한다.
이와 같이 상기 전압 변환부(134)에서 출력된 고조파 전류성분을 보상하기 위한 제어신호는 상기 제어부(140)로 출력되어 상기 기본파 오차 보상부(110) 및 고조파 전압 보상부(120)에 의해 출력되는 제어신호들과 가산된 다음 부하에 전력을 공급하는 무정전 전원장치의 인버터의 지령신호로서 출력된다.
한편, 상기 제어부(140)는 제5가산부(141)와 제6가산부(142)를 포함하게 되는데, 이때 상기 제5가산부(141)는 상기 고조파 전압 보상부(120)와 고조파 전류 보상부(130)에 의해 출력된 신호를 가산하여 출력하고, 상기 제6가산부(142)는 상기 제5가산부(141)에 의해 출력되는 신호와 상기 기본파 오차 보상부(110)에 의해 출력된 신호를 가산하여 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호로 출력한다.
이와 같이 제어부(140)에서 출력되는 지령신호에 따라, 무정전 전원장치의 인버터는 보상하고자 하는 특정 차수의 고조파 전류만큼 직접 부하측으로 흐르게 하여, 무정전 전원장치의 인버터 출력전압을 보상함으로써 무정전 전원장치의 인버터 출력전압의 왜형률을 개선하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 시스템의 일 실시예를 도시한 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 인버터 출력전압 제어 시스템을 포함한 무정전 전원장치들이 병렬로 연결된 상태를 보인 블록 구성도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 시스템은 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50)과, 인버터 출력전압 제어수단(10), 스위칭 수단(20)과, 스위칭 제어수단(30)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 인버터 출력전압 및 전류 검출수단(50)은 복수개의 출력전압 전류 검출장치(500)를 구비하고 상기 스위칭 수단(20)을 통해 각상의 출력전압(Vou, Vov, Vow) 및 전류(Iou, Iov, Iow)를 각각 검출하여 인버터 출력전압 제어장치(100)들에 각각 전달하는 기능을 수행한다.
또, 상기 인버터 출력전압 제어수단(10)은 도 1 및 도 2에 도시한 인버터 출력전압 제어장치(100)가 복수개 구비되어, 병렬 연결된 다수의 무정전 전원장치의 전압 왜형률 개선을 위한 지령신호를 각각 출력한다.
또한, 상기 스위칭 수단(20)은 상기 인버터 출력전압 제어수단(10)의 각 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치(100)로부터 출력되는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호를 출력하여 도4와 같이 인버터 출력전압 제어시스템을 포함한 다수개의 무정전전원 공급장치들이 운전될 수 있도록 스위치들을 개폐한다.
그리고, 상기 스위칭 제어수단(30)은 상기 스위칭 수단(20)의 스위칭 동작을 제어하는 것으로, 상기 스위칭 수단(20)에 포함되는 무접점 스위치들의 개폐 동작을 제어함에 의해 상기 인버터 출력전압 제어수단(10)의 인버터 출력전압 제어장치(100)로부터 출력되는 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호가 상기 스위칭 수단(20)으로 전달되도록 한다.
도 3은 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호를 3상 출력하고, 스위칭 제어수단(30)이 스위칭 수단(20)에 포함되는 무접점 스위치들을 펄스폭 변조(PWM) 제어하도록 한 실시 예로, Vru *, Vrv *, Vrw *는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호, Viu, Viv, Viw 는 입력전압, Vou, Vov, Vow 는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압을 나타낸다.
무정전 전원장치의 인버터 출력전압(Vou, Vov, Vow)은 부하조건과 필터의 값에 영향을 받기 때문에 제어되는 입력전압(Viu, Viv, Viw)와는 상이하다. 즉, 무정전 전 원장치에 인가되는 비선형 부하로 인하여 고조파 전류가 출력필터의 커패시터에 흐르게 되면, 출력전압은 제어되는 입력전압과는 달리 파형 왜형을 일으키게 되고, 이에 따라 인버터 출력전압의 왜형률은 증가하게 된다.
비선형 부하에 의해 발생되는 고조파 전류를 하나의 고조파 전류원으로 가정하여, 이를 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 시스템을 이용해 직접 보상하면, 인버터 출력전압은 정현파를 유지할 수가 있게 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 인버터 출력전압 제어 시스템을 포함한 무정전 전원장치들을 병렬로 연결한 상태를 보인 블록 구성도로써 인버터 출력전압 제어 시스템을 포함한 무정전 전원장치들의 출력을 다수 개 병렬로 묶어 사용할 수도 있고 단독으로 사용할 수도 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치의 개요도.
도 2는 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치의 일 실시예에 따른 블록 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어 시스템의 일 실시예를 도시한 블록 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 인버터 출력전압 제어 시스템을 포함한 무정전 전원장치들을 병렬로 연결한 상태를 보인 블록 구성도.
도 5a-도 5는 100kVA 용량의 무정전전원장치 2대를 병렬로 구성하고 저항 부하를 연결한 경우 비례상수 K값별 전류 파형 및 고고파 측정결과 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 인버터 출력전압 제어수단 20 : 스위칭 수단
30 : 스위칭 제어수단
50 : 인버터 출력전압 및 전류 검출수단
100 : 인버터 출력전압 제어장치
110 : 기본파 오차 보상부 120 : 고조파 전압 보상부
130 : 고조파 전류 보상부 140 : 제어부
500 : 출력전압 및 전류 검출장치

Claims (5)

  1. 인버터 출력전압 및 전류 검출수단 내 출력전압 및 전류 검출장치를 통해 검출되는 출력전압으로부터 기본파 오차를 보상하기 위한 신호를 발생하는 기본파 오차 보상부와;
    인버터 출력전압 및 전류 검출수단 내 출력전압 및 전류 검출장치를 통해 검출되는 부하전압의 특정 차수의 고조파 성분에 대하여 임의 시점의 실수(Real) 성분과 허수 성분의 전압값을 각각 검출하는 실수 및 허수 전압 검출부와, 상기 실수 및 허수 전압 검출부에 의해 검출된 실수 및 허수 전압과 선택된 실수 및 허수 보상값을 각각 가산하는 실수 및 실수 전압 가산부, 실수 및 허수 전압 가산부에 의해 각각 가산되어 출력되는 실수 전압과 허수 전압 각각과 설정된 목표 기준값과의 차이를 상쇄시키기 위한 실수 제어전압과 허수 제어전압을 각각 출력하는 실수 및 허수 비례적분 제어부, 상기 실수 및 허수 비례적분 제어부에 의해 각각 출력되는 제어전압 각각에 서로 직교하는 상태로 정현파 발생기에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 각각 교류성분 신호로 변환 출력하는 제1실수 및 제1허수 교류 변환부 및, 상기 제1실수 및 제1허수 교류 변환부에 의해 각각 출력되는 두 교류성분 신호를 가산하여 고조파 전압성분을 보상하기 위한 제어신호로 제어부에 출력하는 제1가산부로 구성되어, 실시간 병렬 운전 정보를 통해 다수의 장치중에 1대의 인버터만이 운전중에는 고조파 전압성분의 실수 성분과, 허수 성분 각각이 "0"이 되도록 실수 전압 보상값 및 허수 전압 보상값을 선택하고, 2대 이상의 장치가 병렬 운전중에는 고조파 전류성분의 허수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 오차 보상값의 양을 결정하는 상수인 -K를 곱한 실수 보상값 및 고조파 전류성분의 실수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 오차 보상값의 양을 결정하는 상수인 K를 곱한 허수 보상값을 선택하여 각 차수의 고조파 성분을 공급하는 고조파 전압 보상부와;
    인버터 출력전압 및 전류 검출수단 내 출력전압 및 전류 검출장치를 통해 검출되는 부하전류의 특정 차수의 고조파 성분에 대하여 임의 시점의 실수(Real) 성분과 허수 성분의 전류값을 각각 검출하는 실수 및 허수 전류 검출부와, 상기 실수 및 허수 전류 검출부에 의해 각각 검출된 실수 성분 전류값과 허수 성분의 전류값 각각에 서로 직교하는 상태로 정현파 발생기에서 출력되는 정현파 신호를 승산하여 각각 교류성분 신호로 변환 출력하는 제2실수 및 제2허수 교류 변환부, 상기 제2실수 및 제2허수 교류 변환부에 의해 각각 출력되는 두 교류성분 신호를 가산하는 제4가산부 및; 무정전 전원장치의 인버터의 필터 특성에 근거하여 상기 제4가산부에 의해 가산된 신호를 전압값으로 변경하고 이의 위상 천이된 신호값을 산출하여 고조파 전류성분을 보상하기 위한 제어신호로 출력하는 전압 변환부로 구성되어, 고조파 전류성분을 보상하기 위한 신호를 발생하는 고조파 전류 보상부와;
    상기 기본파 오차 보상부와 고조파 전압 보상부 및 고조파 전류 보상부에서 출력되는 신호들을 처리하여 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호를 발생하는 제어부;를 포함하되,
    상기 고조파 전압 보상부 내 실수 전압 가산부는,
    실시간 병렬 운전 정보에 따라 단독 또는 병렬 운전 상태에 맞춰 실수전압 보상 방식을 결정하게 되며 병렬 운전중에는 상기 고조파 전류 보상부 내 허수 전류 검출부에 의해 측정된 고조파 전류성분의 허수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 전압 보상값의 양을 결정하는 상수인 -K를 곱하여 실수 전압 보상값을 생성하는 실수 승산부와, 실시간 병렬 운전 정보에 따라 다수의 장치중에 1대의 장치만이 운전중인 단독 운전 중에는 고조파 전압성분의 실수 성분이 "0"이 되도록 실수 보상값을 선택하는 실수 보상값 선택부 및, 상기 실수 전압 검출부에 의해 검출된 실수 전압과 상기 실수 보상값 선택부에 의해 선택된 실수 보상값을 가산하는 제2가산부;로 구성하고,
    상기 고조파 전압 보상부 내 허수 전압 가산부는,
    실시간 병렬 운전 정보에 따라 병렬 운전중에는 상기 고조파 전류 보상부 내 실수 전류 검출부에 의해 측정된 고조파 전류성분의 실수 성분에 순환 전류를 최소화하기 위한 전압 보상값의 양을 결정하는 상수인 K를 곱하여 허수 전압 보상값을 생성하는 허수 승산부와, 실시간 병렬 운전 정보에 따라 단독 운전중인 경우에는 고조파 전압성분의 허수 성분이 "0"이 되도록 허수 전압 보상값을 선택하는 허수 보상값 선택부 및, 상기 허수 전압 검출부에 의해 검출된 허수 전압과 상기 허수 보상값 선택부에 의해 선택된 허수 보상값을 가산하는 제3가산부로 구성한 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 기재된 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어장치가 복수개 구비된 인버터 출력전압 제어수단과;
    상기 인버터 출력전압 제어수단 내 인버터 출력전압 제어장치들로부터 출력되는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 왜형률 개선을 위한 지령신호에 부응하는 스위칭 제어신호를 스위칭 수단에 발생시켜 주는 스위칭 제어수단과;
    상기 스위칭 수단의 출력신호에 부응하여 스위칭 동작하는 스위칭 수단과;
    상기 스위칭 수단을 통해 출력되는 각상의 출력전압 및 전류를 각각 검출하여 인버터 출력전압 제어수단 내 인버터 출력전압 제어장치들에 각각 전달하는 복수개의 출력전압 및 전류 검출장치를 구비한 인버터 출력전압 및 전류 검출수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 인버터 출력전압 제어시스템.
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