KR100958610B1 - 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 또는 연료전지 등의 대체 에너지원을 PWM(Pulse Width Modulation) 정류기를 사용하는 무정전전원장치에 접속하여 입력전압과 출력전압이 3상이나 또는 단상에 관계없이, 부하에 공급하는 전력과 배터리의 충전전력을 대체 에너지원과 입력전원으로 공급할 수 있는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치는 공통직류제어 및 계통연계기술을 이용하여 대체 에너지 전원과 입력전원의 협조운전 및 이용률을 극대화 하고 배터리 전력의 사용을 최소화하며, 공통직류 전압의 안정화를 통해 출력전원의 품질을 향상시켜 무정전전원장치의 신뢰성 및 대체 에너지의 이용효율을 증가시킬 수 있다.

대체, 에너지, 무정전전원장치, 태양광, 연료전지, 배터리, 정류기

Description

대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치 {Uninterrupted power supply connected with alternative energy source}

본 발명은 무정전전원장치에 태양광 또는 연료전지 등과 같은 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 태양광 또는 연료전지 등과 같은 대체 에너지원을 PWM(Pulse Width Modulation) 정류기를 사용하는 무정전전원장치에 접속하여 입력전압과 출력전압이 3상이나 또는 단상에 관계없이, 부하에 공급하는 전력과 배터리의 충전전력을 대체 에너지원과 입력전원으로 공급할 수 있는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치에 관한 것이다.

한편, 본 발명은 입력전압을 이용하여 공통직류모선에 에너지를 공급하거나 높아진 공통직류모선의 전압을 교류계통측으로 방전시키는 PWM 정류기/인버터와, 대체 에너지원의 불안정한 전압을 이용하여 공통직류모선에 안정된 직류전압을 제공하는 대체 에너지원 변환기와, 공통직류모선의 에너지를 이용하여 배터리를 충전시키거나 배터리를 방전시켜 공통직류제어모선에 전력을 공급하는 배터리 충방전기, 및 상기 각 장치들을 제어하는 컨트롤러를 포함하여 이루어지며, 상기 컨트롤러가 상기 각 장치들을 제어하여 공통직류제어 모선 전압을 제어함에 있어서 상기 각 장치들 고유의 개별 동작전압레벨과 정지전압 레벨과 개별 목표 전압들을 설정함으로써 각 장치들간 개별동작과 결합동작이 충돌없이 유연하게 이루어지도록 한 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 현재까지 무정전전원장치의 기술은 고역률, 고효율 그리고 소형, 경량, 저가격을 실현하고자 향상되어 왔으며, 그 중 고역률 기기는 90년대 중후반부터 시작하여 지금까지 일반적인 기술로 자리 잡아 왔고, 고역률과 더불어 고효율 특성을 동시에 가지는 기기가 2000년대 초부터 지금까지 세계시장을 주도하고 있다. 특히, 고역률과 더불어 고효율 특성을 동시에 가지는 기기들이 전통적인 회로 방식을 탈피하여 신개념의 회로방식으로 출현하고 있으며, 상세하게는 무변압기화한 델타-컨버젼 기술 또는 무변압기화한 온-라인 방식 기술을 적용한 기기들이 그러한 개념의 제품들이며, 각 제조사들은 각자의 것이 최고의 성능과 경제성을 추구할 수 있는 방식으로 고객에게 선전하며 현재 세계 시장에서 각축전을 벌이고 있는 상황이다.

국제 전기 표준 회의(IEC; International Electrotechnical Commission)는 이처럼 다양한 회로방식의 출현으로 발생하는 분규등 문제점들을 바로 잡기 위하여 무정전전원장치의 회로 방식(토플로지)들을 안정성을 기준으로 하여 세가지 등급으로 분류하였다. 세가지 등급중에서 가장 상위 등급인 더블-컨버젼 방식은 종래의 온-라인 방식으로 불려졌던 회로 방식이며, 부하가 항상 인버터에 의해 전력을 공급받는 회로방식으로 규정되었고, IEC 분류코드에서 가장 안정된 등급으로 규정되어있다. 더불어, 온-라인이라는 명칭은 그 명칭의 모호성으로 인해 영업적으로 악 용되는 사례가 많아서 IEC는 이 명칭을 사용하지 않을 것을 규정하고 있다. 입력측에 접속된 상황을 온-라인, 입력측에 접속되지 않는 상황을 오프-라인이라는 개념으로 이해를 하는 경우가 그 예이다.

두 번째 등급은 종래에 라인-인터액티브방식으로 불리워졌던 회로 방식인데 IEC에서 명칭의 변경은 현재까지 없으며 기존의 명칭인 "라인-인터액티브"를 그대로 사용하도록 규정하고 있다. 이 방식은 부하전압이 인버터에 의해 제어되지만 부하전류가 상용전원으로부터 공급되어 부하가 전기적으로 상용교류입력측에 노출되어 있는 취약한 형태로서 더블-컨버젼 방식에 비해서 안정성이 부족하다. 그러나 부하전류가 상용교류입력에서 공급되는 방식들은 매우 높은 효율 특성을 갖는다.

세 번째 등급은 종래에 오프-라인으로 불리던 방식이며 상시 우회로(바이패스)로 운전되는 방식으로서 효율은 제일 높으나 안정성에서 크게 뒤떨어지는 방식이다. 현재 IEC에서는 이 방식을 패시브-스탠바이(Passive-standby)로 그 명칭을 변경하여 규정하고 있다.

현재까지는 뚜렷하게 열악한 안정성 구조를 가지고 있는 패시브-스탠바이(Passive-standby) 방식을 제외하고 나머지 두 가지 방식이 세계시장을 주도하고 있으며, 각자들은 시장에서 밀려나지 않기 위해 각자의 방식이 가지고 있는 약점을 보완하는 방식으로 기술이 개발되어 왔다. 예를 들면, 더블-컨버젼 방식에서 두 번의 변환작용으로 인하여 야기되는 효율의 저하는 최근 무변압기화(Transless, 또는 Non-trans라 명칭됨) 방식을 통하여 효율을 96%까지 향상시켜 극복되고 있는 중이다. 반면에 라인-인터액티브 방식에서는 입력역률이 부하에 의존되는 약점을 델타-컨버젼 기술을 적용하여 입력역률을 단위역률까지 향상시켜 더블-컨버젼 방식과 대등한 입력역률 특성을 보유하게 되었다. 두 종류의 회로 방식을 비교하면, 안정성에서는 더블-컨버젼이 약간 우세하며 효율면에서는 라인-인터액티브 방식이 약간 우세하고 종합적으로는 대등한 정도라고 할 수 있다. 향후, 획기적인 회로방식이 개발되지 않는 한, 상기 두 방식이 시장에서 지속적으로 주류를 형성할 것으로 예상된다.

참고로 상기 두 가지 방식의 공통점은 소형, 경량, 저가격화를 위해 두 방식 모두 고주파용 인덕터를 사용하는 무변압기(Transless) 방식으로 변화해가는 것으로 볼 수 있다. 그러나 PWM 정류기를 사용하는 무정전전원장치에 무변압기 기술을 적용할 경우 직류모선에는 통상적으로 직류 고전압이 형성된다. 그리고 안정된 교류출력을 공급하기 위해서 인버터에 고압의 직류전압이 필요함은 이 계통의 종사자에게는 당연한 것이다. 그러나 고압화된 직류모선에 배터리를 직접 접속하게 되면 배터리의 직렬 수량, 가격, 유지보수, 안전성 같은 문제들이 발생하고 이 문제점들을 해결하기 위하여 별도의 충방전 스위치를 직류모선과 배터리 사이에 접속하여야 한다. 그러므로 시스템을 비록 무변압기화하여 고효율, 소형, 경량화를 달성했다 하더라도, 양방향 충방전기라는 부품이 추가됨에 따라 공학적 신뢰도 떨어지므로 그만큼의 신뢰도를 복원하기 위한 회로방식이나 알고리즘이 적용되어야 무정전전원장치의 무변압기화가 성공적으로 완료된 것으로 간주할 수 있다.

한편, 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 일반적으로 태양광 또는 연료전지 등과 같은 대체 에너지원의 출력전압은 그 조건 및 환경에 따라 다양하게 변 화하므로 일정출력을 발생시키는 전력 변환기가 필요하게 되며 따라서 다양하게 변화하는 직류저압을 일정한 고압으로 승압하는 직류변환기(dc-dc converter)가 주를 이루고 있다. 그러나 직류고압을 부하에 직접 공급하여 사용하기에는 문제점이 많으므로 교류부하에 대체 에너지를 효과적으로 공급할 수 있는 토플로지의 개발이 매우 중요하다.

대체 에너지원을 다른 교류전력계통에 접속하여 사용하는 여러 가지 토플로지가 제시되고 있지만, 본 명세서에서는 대체 에너지원을 무정전전원장치에 접속하는 것으로 제한한다. 왜냐하면 무정전전원장치의 보급률은 배전계통에서 해마다 증가하고 있고 기존의 설치된 수량도 상당히 많으므로 대체 에너지 변환기를 무정전전원장치에 접속하지 않고 별도의 시스템으로 설치하게 될 경우 그 시설비용이 막대하여 국가적으로 큰 손실이 초래하기 때문이다.

대체 에너지원을 무정전전원장치에 접속하는 방법은 다시 두 가지로 분류될 수 있는데 그 중 하나는 오프-라인 방식이며 다른 하나는 온-라인 방식으로 접속하는 방법이다.

도 1에 오프-라인 방식 무정전전원장치의 일실시예의 접속도를 나타내 보였다. 도 1을 참조하면, 인버터(15)는 대체 에너지원(11)의 부스트 컨버터(12)에 의해 출력된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통전원(19) 측으로 전력을 송출한다. 부하(16)는 계통측에 접속되어 있으므로 전압 및 주파수는 계통의 영향을 받게 되고 인버터(15)로부터의 보호를 받지 못한다. 도 1에서 접속계통이 무정전전원장치의 기능을 가지기 위해서는 입력 정전시 주회로 차단기(18)가 반드시 고속으로 차단되어야 한다. 왜냐하면, 정전시 주회로 차단기(18)가 동작하지 않거나 늦게 동작하면 인버터(15)가 계통부하에 모든 전력을 공급하여야 하므로 출력은 마치 단락상태와 같아져 인버터(15)는 다운되어야 하며, 이것은 무정전전원장치의 기능을 상실함을 뜻한다. 따라서 정전시에 성공적으로 주회로 차단기(18)를 개방하기 위해서는 주회로 차단기(18)를 동작시키기 전 고속으로 정전상태를 감지할 수 있는 특수한 알고리즘과 주회로 차단기(18)의 개방시간을 줄이는 것이 절대적으로 필요하다. 도 1에서 미설명된 도면부호 13은 배터리 충방전기이고, 14는 배터리이고, 17은 라인 리액터이다.

도 2에 온-라인 방식 무정전전원장치의 일실시예의 접속도를 나타내 보였다. 도 1의 오프-라인 방식과의 주요 차이점은 인버터(25)만이 부하(26)에 전력을 공급하며 교류 계통전원(29)이 부하(26)에 전력을 직접 공급하지는 않는다. 따라서 부하(26)는 계통과는 무관하게 인버터(25)에 의하여 정밀하게 제어된 주파수 및 전압을 공급받을 수 있다. 도 1의 방식이 부하에 공급되는 전압 및 주파수가 입력에 좌우되어 전력품질이 낮아지는 것과 큰 차이를 보여주고 있다. 온-라인 시스템의 또 하나의 장점은 오프-라인 방식에서 정전이 될 경우 주회로 차단기의 개방책무가 부하에 에너지를 공급함에 있어서 문제점을 발생시킬 소지가 많은 반면에, 온-라인 방식은 정전이 되어도 대체 에너지원(21)을 이용하는데 있어서 상기와 같은 문제가 없는 구조를 가지고 있다. 도 2에서 미설명 도면부호 23는 배터리 충방전기이고, 24는 배터리이고, 28은 PWM 정류기이다.

결론적으로 오프-라인 방식은 반드시 계통 연계를 통해서 대체 에너지를 이 용하는데 반하여, 온-라인 방식은 계통연계를 통하지 않고도 대체 에너지의 이용이 가능하므로 에너지 이용효율측면과 신뢰성 있는 무정전전원장치의 이용 측면에서 훨씬 유리하다고 할 수 있다. 그리고 온-라인의 결점으로 볼 수 있는 변환기 1대(인버터)의 추가부담은 대체 에너지를 효율적으로 이용할 경우 단기간 비용 회수가 용이하여 종합적으로 온-라인 방식이 유리하다고 볼 수 있다.

상기와 같은 그 어느 방식의 경우에도 공통점은, 무정전전원장치에 대체 에너지원이 접속되면 대체 에너지원의 이용을 극대화 할 수 있는 전원공급방법이 제시되어야 함과 동시에 배터리의 상태를 최적으로 하여 무정전전원장치의 신뢰성을 강화하는 방법도 제시되어야 한다. 그리고 PWM 정류기를 사용하는 무정전전원장치에 무변압기 기술을 적용할 경우 직류모선에는 통상적으로 직류 고전압이 형성되며 고압화된 직류모선에 배터리를 직접 접속하게 되면 배터리의 직렬 수량, 가격, 유지보수, 안전성 같은 문제들이 발생하고 이 문제점들을 해결하기 위하여 별도의 충방전 스위치를 직류모선과 배터리 사이에 접속하여야 한다. 그러므로 시스템을 비록 무변압기화하여 고효율, 소형, 경량화를 달성했다 하더라도, 양방향 충방전기라는 직렬부품이 추가됨에 따라 공학적 신뢰도 떨어지므로 그만큼의 신뢰도를 복원하기 위한 회로방식이나 알고리즘이 적용되어야 무정전전원장치의 무변압기화가 성공적으로 완료된 것으로 간주할 수 있다.

더불어서, 대체 에너지원을 추가할 경우 직류모선을 공유하는 변환기는, PWM 정류기와 대체 에너지 변환기 및 배터리 충방전기 등을 포함하게 되어 제어관계가 복잡해지기 때문에 각 변환기들을 상호간에 유연하게 제어하여 전력이 공급될 수 있도록 하는 전원공급 방법도 제시되어야 한다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지보다 크면 PWM 정류기는 부하에 소모되는 전력을 제외한 나머지의 대체 에너지 전력을 계통전원측으로 방출하고; 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지보다 작으면 부하전력은 대체 에너지원과 입력전원으로부터 동시에 공급받게 하고; 입력전압 및 대체 에너지원의 발전량의 저하로 인하여 입력전원과 대체 에너지원의 에너지량의 합이 부하가 요구하는 에너지량보다 작으면, 대체 에너지 변환기와 PWM 정류기를 전류제한 상태로 동작시킴과 동시에 공통직류전압을 감소시키고; 공통직류전압이 배터리 방전전환 전압보다 작아지면 충방전기는 방전기로 동작하여 배터리가 부족분의 에너지를 부하에 공급하도록 하는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지보다 크면 PWM 정류기는 부하에 소모되는 전력을 제외한 나머지의 대체 에너지 전력을 계통전원측으로 방출하고; 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지보다 작으면 부하전력은 대체 에너지원과 입력전원으로부터 동시에 공급받게 하고; 입력전압 및 대체 에너지원의 발전량의 저하로 인하여 입력전원과 대체 에너지원의 에너지량의 합이 부하가 요구하는 에너지량보다 작으면, 대체 에너지 변환기와 PWM 정류기를 전류제한 상태로 동작시킴과 동시에 공통직류전압을 감소시키고; 공통직류전압이 배터리 방전전환 전압보다 작아지면, 충방전기 는 방전기로 동작하여 배터리가 부족분의 에너지를 부하에 공급하도록 하는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 전원공급 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 일실시예로서, 교류 입력전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통에 에너지를 방출하는 양방향성 PWM 정류기와; 상기 양방향성 PWM 정류기의 출력전압을 배터리 충전전압으로 감압하거나 배터리의 낮은 전압을 인버터 작동에 적합한 전압으로 승압하는 배터리 충방전기; 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터; 연료전지 및 태양광 발전 시스템 등에서 발생되는 대체 에너지 전원을 안정된 직류 전압으로 변환하는 대체 에너지 변환기; 및 상기 양방향성 PWM 정류기와 충방전기와 인버터 및 대체 에너지 변환기를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 콘트롤러는 대체 에너지원의 발전량이 계통방출전력, 배터리 충전전력 및 부하가 요구하는 에너지보다 크면, 상기 PWM 정류기를 인버터로 전환시켜 대체 에너지원의 잉여 에너지가 계통전원측으로 방출되게 하며, 상기 인버터는 대체 에너지 전원으로만 전력을 공급받도록 제어한다.

바람직하게는, 상기 콘트롤러는 상기 대체 에너지원이 총합부하(계통방출전력+배터리충전+부하)가 요구하는 에너지보다 작아 대체 에너지 변환기의 전류제한 상태로 된 후, 상기 대체 에너지 변환기의 출력전압이 PWM 정류기의 출력제어전압까지 감소하면, 상기 PWM 정류기의 동작을 정지시킨다. 여기서, PWM 정류기가 정지 하면 계통입력측으로 전력방출이 없게 되므로 대체 에너지 변환기는 인버터로만 전력을 공급하게 된다. 상기 대체 에너지 변환기의 전류제한이란, 대체 에너지원의 발전량이 총합부하가 요구하는 에너지보다 작을 경우 대체 에너지 변환기가 정격출력전압을 유지하면서 총합부하에 전력을 공급할 수 없으므로 출력전압을 감소시켜 작동하는 상태를 일컫는다.

상기와 같이 PWM 정류기가 정지된 상태 이후에, PWM 정류기의 상황별 동작을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 인버터 부하량이 적은 쪽으로 변화하여 상기 대체 에너지원이 인버터 부하량보다 충분히 커서 상기 공통 직류전압이 상기 대체 에너지 변환기의 출력전압에 도달하면, 상기 PWM 정류기는 인버터로 전환되어 계통측으로 전력을 방출한다(도 4의 F0와 F1이 이루는 수평구간).

둘째, 상기 대체 에너지원이 인버터 부하량보다는 크지만 계통측으로 방출할 전력의 여유분이 없을 때는 상기 공통 직류전압이 상기 PWM 정류기의 전환전압과 상기 대체 에너지 변환기의 출력전압 사이를 유지하며 대체 에너지원으로만 인버터 부하에 전력을 공급한다(도 4의 F1과 F2가 이루는 사선구간).

셋째, 상기 대체 에너지원이 인버터 부하량보다 작아 상기 공통 직류전압이 상기 PWM 정류기의 전환전압까지 감소하면, 상기 PWM 정류기는 정류기로 동작하여 상기 대체 에너지 변환기와 공동으로 부하에 전력을 공급한다(도 4의 F3과 F4가 이루는 수평구간).

상기 콘트롤러는 교류 입력전압의 저하 및 대체 에너지원의 부족으로 입력전 원과 대체 에너지원의 에너지량의 합이 인버터 부하가 요구하는 에너지보다 작으면, 상기 대체 에너지 변환기와 상기 PWM 정류기를 동시에 전류제한 상태로 제어하여 상기 공통 직류전압을 감소시키고, 상기 공통 직류전압이 배터리 방전전환 전압보다 작아지면 상기 배터리 충방전기를 방전기로 제어하여(도 4의 F5 시점) 상기 배터리가 부족분의 에너지를 부하에 공급하도록 제어한다(도 4의 F6과 F7이 이루는 수평구간). 여기서, 상기 정류기의 전류제한이란, 정류기의 입력전압이 작으면 같은 양의 전력을 정류하기 위해서 많은 양의 전류가 흐르게 되지만, 정류기에서 흐를 수 있는 최대 전류의 양은 정해져 있기 때문에 정류기에 흐르는 전류가 최대전류 이상이 되지 않도록 정류기가 작동하는 상태를 일컫는다.

바람직하게는, 상기 배터리 충방전기는 배터리와 컨버터를 포함하고, 상기 컨버터는 상기 배터리를 충전할 경우에는 상기 공통직류전원을 상기 배터리로 공급하기 위한 충전형 컨버터(step-down converter)로 동작하고, 상기 배터리의 방전시에는 상기 배터리의 출력전원을 부하로 공급하기 위한 방전형 컨버터(step-up converter)로 동작한다.

본 발명은 상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 교류 입력전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통에 에너지를 방출하는 양방향성 PWM 정류기와, 상기 양방향성 PWM 정류기와 대체 에너지 변환기의 출력전압을 배터리 충전전압으로 감압하거나 배터리의 낮은 전압을 인버터 작동에 적합한 전압으로 승압하는 배터리 충방전기, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터, 연료전지 및 태양광 발전 시스템 등에서 발생하는 대체 에너 지 전원을 안정된 직류 전압으로 변환하는 대체 에너지 변환기 및 상기 양방향성 PWM 정류기와 충방전기와 인버터 및 대체 에너지 변환기를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 무정전전원장치의 전원공급 방법에 있어서,

상기 컨트롤러를 통하여 상기 PWM 정류기와 상기 대체 에너지 변환기, 상기 배터리 충방전기 및 상기 인버터에 공통으로 걸리는 전압이 상기 PWM 정류기를 계통으로 연계하여 상기 대체 에너지의 잉여에너지를 방출할 수 있는 연계가능전압 이상인지의 여부를 판단하는 제1 판단 단계; 상기 제1 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 상기 연계가능 전압(Vd-alter)이면, 상기 PWM 정류기가 인버터로 전환되어 계통으로 에너지를 방출하는 단계; 상기 제1 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 PWM 정류기 전환전압(PFC_start) 이하인지를 판단하는 제2 판단 단계; 상기 제2 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 PWM 정류기의 전환전압 이하이면, 상기 PWM 정류기가 정류기로 동작하는 단계; 상기 제2 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 PWM 정류기의 전환전압 이상이면, 상기 대체 에너지 전원으로만 부하에 전력을 공급하는 단계; 상기 공통 직류전압이 상기 충방전기를 방전상태로 제어하기 위한 방전제어 전압 이하인지의 여부를 판단하는 제3 판단 단계; 상기 제3 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 상기 방전제어 전압 이상이면, 상기 공통 직류전압이 상기 충방전기를 충전상태로 제어하기 위한 충전제어 전압 이상인지의 여부를 판단하는 제4 판단 단계; 상기 제3 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 상기 방전제어 전압 이하이면 상기 교류 입력전원과 상기 대체 에너지 전원과 배터리 전원 모두에 의해 부하전력이 공급되게 하는 단계; 상기 제4 판단 단계에서 상기 공통직 류 전압이 상기 충전제어 전압 이상이면 상기 교류 입력전원과 상기 대체 에너지 전원만으로 부하전력을 공급하며 상기 배터리를 충전하는 단계; 및 상기 제4 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 충전제어 전압 이하이면 상기 교류 입력전원과 상기 대체 에너지 전원으로 부하전력을 공급하며 상기 충방전기는 작동하지 않게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 전원공급 방법을 제공한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치는 공통 직류전압 저장부의 전압 크기로 PWM 정류기와 배터리 충방전기의 작동상태를 결정하여 계통으로 전력방출과 부하 전력공급을 통해 오프-라인 방식보다 대체 에너지의 이용을 극대화하고 무정전전원장치의 신뢰성을 증가시키고 배터리전력 사용을 최소화할 수 있게 하는 이점을 제공한다.

특히, 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치는 교류 입력전압과 출력전압, 3상이나 또는 단상, 배터리 전압에 관계없이 대체 에너지원을 PWM 정류기를 사용하는 무정전전원장치에 접속하여 대체 에너지원과 입력전원으로 계통 및 부하에 전력을 공급함에 있어서 공통 직류제어 및 계통연계기술을 이용하여 대체 에너지 전원의 이용률을 극대화 하고 배터리 전력의 사용을 최소화하며, 공통직류 전압의 안정화를 통해 출력전원의 품질을 향상시켜 무정전전원장치의 신뢰성 및 대체 에너지의 이용효율을 증가시키는 이점을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 본 발명에 적용되는 무정전전원장치는 공통 직류전압을 기준으로 대체 에너지를 계통으로 방전시키면서 부하에 공급하도록 PWM 정류기의 동작상태를 변경하는 고역률 무정전전원장치에 해당된다. 또한, 본 발명에 따른 무정전전원장치는 공통 직류전압을 기준으로 배터리 충방전기의 동작상태를 변경하는 공통 직류전압 강하에 기준하는 고역률 무정전전원장치에 해당된다.

본 발명의 대체에너지원이 접속된 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 정상이고 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지 보다 크면, 대체 에너지원만으로 부하에 전력을 공급하며 잉여 전력은 PWM 정류기에 의하여 입력측으로 방출되고 충방전기는 충전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 정상이고 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지 보다 작으면, 대체 에너지원과 PWM 정류기는 공동으로 부하에 전력을 공급하며, 충방전기는 충전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 정상이고 대체 에너지원의 발전량이 없을 경우, 부하전력은 PWM 정류기에 의해서 공급되며 충방전기는 충전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 저하되고 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지 보다 크면, 대체 에너지원만으로 부하에 전력을 공급하며 잉여 전력은 PWM 정류기에 의하여 입력측으로 방출되고 충방전기는 충전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 저하되고 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지 보다 작으면, 대체 에너지원과 PWM 정류기와 배터리는 공동으로 부하에 전력을 공급하며, 충방전기는 방전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 저하되고 대체 에너지원의 발전량이 없을 경우 부하전력은 PWM 정류기와 배터리가 공동으로 부하에 전력을 공급하며, 충방전기는 방전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 상실(정전)되고 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지 보다 크면, 대체 에너지원만으로 부하에 전력을 공급하며 충방전기는 충전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 상실(정전)되고 대체 에너지원의 발전량이 부하가 요구하는 에너지 보다 작으면, 대체 에너지원과 배터리가 공동으로 부하에 전력을 공급하며, 충방전기는 방전기로 동작한다.

본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 입력전압이 상실(정전)되고 대체 에너지원의 발전량이 없을 경우 배터리가 부하전력을 공급하며, 충방전기는 방전기로 동작한다.

따라서 상기와 같은 기능이 수행되는 본 발명에 따른 무정전전원장치는 대체 에너지원과 입력전원이 둘 다 존재할 때는 대체 에너지원의 전력사용이 극대화되고 배터리 전력의 사용을 최소화할 수 있으며, 입력전원 또는 대체 에너지 전원 단독으로 존재할 때도 부하전력이 PWM 정류기 또는 대체 에너지 변환기의 정격전류에 의한 전력보다 낮은 상태로 유지되면, 배터리전원을 사용하지 않고 입력전원 또는 대체 에너지 전원 만으로 부하전력을 공급한다. 따라서 대체 에너지원이 존재할 때는 대체 에너지원의 이용률을 증가시키고 입력전원만 존재할 때는 입력전원의 이용률을 증가시켜 부하변동에 따른 배터리 전력 사용을 최소화할 수 있다.

본 발명의 설명에서 언급되는 "공통 직류전압 강하"란, 도 3에 도시한 바와 같이 공통 직류전압(전원) 저장부(300)에 마련된 콘덴서(Cd)의 전압이 내려가는 것을 뜻한다. 본 발명에서 PWM 정류기(100)와 대체 에너지 변환기(600)는 공통직류전압을 기준으로 공통직류전압이 내려가면 정류하는 전류량을 늘리며, 배터리 충방전기(200)는 공통직류전압이 높으면 충전하고, 낮으면 방전을 한다. 즉, 정류기(100)와 대체 에너지 변환기(600)와 배터리 충방전기(200)는 공통직류전압 저장부 콘덴서(Cd)를 기준으로, 즉 콘덴서(Cd)의 전압이 일정하게 유지하도록 작동한다. 이때문에 본 명세서에서는 정류기(100)와, 대체 에너지 변환기(600)와, 충방전기(200) 및 인버터(400)에 공통으로 걸리는 전압을 "공통직류전압"이라고 명명한다.

본 발명에서 상기 전류제한 상태를 감지하는 첫째 방법은 다음과 같다. 즉, 정류기(100)가 전류제한상태가 되면, 인버터(400)에서 사용하는 전력량보다 정류기(100)로 거쳐서 들어오는 전력의 양이 적어서 인버터(400)는 공통직류전압 저장부(300)에 있는 전력도 사용하게 된다. 따라서, 공통직류전압 저장부 콘덴서(Cd)에 충전되어 있는 전압도 내려간다. 예를 들어, 정전이 되어 정류기(100)의 입력전압이 없는 경우 정류기(100)가 작동하지 않게 되면, 전류제한 상태처럼 인버터(400)에서 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전력을 사용하게 되므로 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 내려간다.

공통 직류전압 저장부(300)의 전압이 내려가면 컨트롤러(10)는 정류기(100)가 전류제한 상태, 또는 정전상태로 판단한다. 도 4를 참조하면, 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 내려가서 충방전기(200)가 충전기에서 방전기로 그 작동 상태가 변화되었다가 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 올라가면 충방전기(200)가 방전기에서 충전기로 작동 상태 변화되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 상기 전류제한 상태를 감지하는 둘째 방법은 다음과 같다. 즉, 대체 에너지 변환기(600)가 전류제한상태가 되면, 인버터(400)에서 사용하는 전력량보다 대체 에너지 변환기(600)를 거쳐서 들어오는 전력의 양이 적어서 인버터(400)는 공통직류전압 저장부(300)에 있는 전력도 사용하게 된다. 따라서, 공통직류전압 저장부 콘덴서(Cd)에 충전되어 있는 전압도 내려간다. 예를 들어, 정전이 되어 정류기(100)의 입력전압이 없는 경우 정류기(100)가 작동하지 않게 되고 대체 에너지 전원의 발전량이 없으면, 전류제한 상태처럼 인버터(400)에서 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전력을 사용하게 되므로 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 내려간다.

공통 직류전압 저장부(300)의 전압이 내려가면 컨트롤러(10)는 대체 에너지 변환기(600)가 전류제한 상태, 또는 발전 에너지량이 전혀 없는 상태로 판단한다. 도 4를 참조하면, 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 내려가서 충방전기(200)가 충전기에서 방전기로 그 작동 상태가 변화되었다가 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 올라가면 충방전기(200)가 방전기에서 충전기로 작동 상태 변화되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 상기 전류제한 상태를 감지하는 세 번째 방법은 다음과 같다. 발전되고 있는 대체 에너지가 부하가 요구하는 에너지보다 많을 경우 대체 에너지 전원이 부하전력의 전부를 공급하게 되며 공통 직류전압 저장부(300)의 전압은 연계가능전압(Vd_alter)을 유지하게 되고, 잉여 전력은 PWM 정류기(인버터)(100)에 의해서 계통측으로 방전한다. 만약, 이 상태에서 대체 에너지 전원의 잉여 전력이 없을 경우, 또는 부하 에너지가 증가할 경우, 대체 에너지 변환기(600)의 전류제한동작으로 공통 직류전압 저장부(300)의 전압은 연계가능전압(Vd_alter) 이하로 감소하게 되며, PWM 정류기(100)의 전환전압(PFC_start) 이하가 될 때까지 대체 에너지 전원으로만 부하전력을 공급하게 된다. 그 이후 공통 직류전압 저장부(300)의 전압이 PWM 정류기(100)의 전환전압(PFC_start) 이하가 되면, PWM 정류기(100)는 방전동작에서 충전동작으로 전환되어 정류기와 대체 에너지 전원은 공동으로 부하전력을 공급하게 되며, 공통 직류전압 저장부(300)의 전압은 PWM 정류기(100)의 출력 제어 전압(Vd_pfc)를 유지하게 된다. 이 상태에서 입력전압의 저하로 정류기(100)도 전류제한 상태가 되면, 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압이 낮아지고, 그에 따라 충방전기(200)는 충전기에서 방전기로 그 작동 상태가 변화된다. 따라서 이 상태는 대체 에너지 전원과 입력전원 및 배터리 전력으로 부하전력을 공급하게 되는 단계이다. 따라서 대체 에너지의 발전량이 부하량에 비해 부족할 경우 입력전원과 공동으로 부하에 전력을 공급하며, 대체 에너지의 발전량과 입력전력의 합이 부하량에 비해 부족할 경우 입력전원과 대체 에너지 전원과 배터리(240)가 공동으로 부하에 전력을 공급하게 된다.

상기 내용을 통해 볼 때, 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압 크기는 PWM 정류기(100), 대체 에너지 변환기(600) 및 배터리 충방전기(200)의 작동상태를 결정하는 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 도 4는 공통 직류전압 저장부 콘덴서(Cd)의 전압으로 충방전기(200)가 어느 시점에서 어떻게 작동하는지를 보여준다.

도 3은 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 전원공급 방법의 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치는, 콘덴서(Cd)로 이루어지는 공통 직류전원 저장부(300)를 중심으로 교류 입력전원을 공통 직류전압으로 변환하는 정류기(100)(바람직하게는 PWM 정류기)와; 대체 에너지원(700)의 발전전력을 공통 직류전압으로 변환하는 대체 에너지 변환기(600)와; 공통직류전압을 배터리(240)에 충전하기에 적합한 전압으로 감압하거나 낮은 배터리 전압을 공통 직류전압으로 승압하는 배터리 충방전기(220)를 구비하는 배터리 충방전기(200), 부하(500)에 교류 출력전원을 제공하기 위해 공통 직류전압을 교류출력전압으로 변환하는 인버터(400)(바람직하게는 PWM 인버터), 그리고 정류기(100)와 대체 에너지 변환기(600)와 충방전기(200)와 인버터(400)를 제어하는 컨트롤러(10)를 포함하여 이루어진다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 전원공급 방법은, 컨트롤러(10)를 통하여 PWM 정류기(100)와 대체 에너지 변환기(600)와 배터리 충방전기(200) 및 인버터(400)에 공통으로 걸리는 전압이 PWM 정류기(100)를 계통으로 연계하여 대체 잉여에너지를 방출할 수 있는 연계가능전압 이상인지의 여부를 판단하는 제1 판단 단계(S100); 상기 제1 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 상기 연계가능 전압(Vd-alter)이면, PWM 정류기(100)가 인버터로 전환되어 계통으로 에너지를 방출하는 단계(S300); 및 상기 제1 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 PWM 정류기 전환전압(PFC_start) 이하인지를 판단하는 제2 판단 단계(S200); 상기 제2 판단 단계에서 공통직류전압이 PWM 정류기 전환전압 이하이면, PWM 정류기(100)가 정류기로 동작하는 단계(S400)와; 상기 제2 판단 단계에서 공통직류전압이 PWM 정류기 전환전압 이상이면, 대체 에너지 전원으로만 부하에 전력을 공급하는 단계(S420); 상기 공통직류 전압이 상기 충방전기를 방전상태로 제어하기 위한 방전제어 전압 이하인지의 여부를 판단하는 제3 판단 단계(S500); 상기 제3 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 상기 방전제어 전압 이상이면, 상기 공통직류 전압이 상기 충방전기를 충전상태로 제어하기 위한 충전제어 전압 이상인지의 여부를 판단하는 제4 판단 단계(S600); 상기 제3 판단 단계에 서 상기 공통직류 전압이 상기 방전제어 전압 이하이면, 입력전원과 대체 에너지 전원과 배터리 전원 모두에 의해 부하전력이 공급되게 하는 단계(S700); 상기 제4 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 상기 충전제어 전압 이상이면, 입력전원과 대체 에너지 전원만으로 부하전력을 공급하며 배터리를 충전하는 단계(S800); 및 상기 제4 판단 단계에서 상기 공통직류 전압이 충전제어 전압 이하이면, 입력전원과 대체 에너지 전원으로 부하전력을 공급하며 상기 충방전기는 작동하지 않게 하는 단계(S900)를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치에 있어서, 배터리 충방전기(200)에 포함되는 컨버터(220)(바람직하게는 DC/DC PWM 컨버터)는 배터리(240)을 충전할 경우에는 직류전압을 배터리(240)로 공급하는 충전형 컨버터(step-down converter)로 동작하여 공통 직류전압을 배터리(240)로 충전하기에 적합한 전압으로 낮춘다. 방전 시, DC/DC PWM 컨버터(220)는 방전형 컨버터(step-up converter)로 동작하여 배터리(240)의 낮은 전압을 공통 직류전압으로 승압한다.

상기 PWM 정류기(100) 또는 대체 에너지 변환기(600)중 하나만 존재할 때 동작특성은 두가지로 주어진다.

첫째, 교류 입력전압이 일정 값 이하로 낮아지거나 순간적으로 과부하 상태가 되면, PWM 정류기(100)의 입력전류가 증가하게 되고, 이로 인해 PWM 정류기(100)의 부담이 증가한다. 이 경우, PWM 정류기(100)를 구성하는 스위칭 소자(미도시)의 망실 가능성이 커져 무정전전원장치의 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 종래의 무정전전원장치는 정전 또는 입력전압이 일정 값 이하로 낮아진 경우에 교류 입력전원을 차단하고 배터리에(240)에 충전된 전력을 PWM 인버터(400)를 통하여 부하에 공급한다.

그러나, 종래와 같이 입력전압의 저하로 인하여 입력전원을 차단하는 것은 교류 입력전원(800)의 이용률을 낮게 할 뿐만 아니라 부하전력이 낮게 유지되는 경우에도 배터리 전력을 부하에 공급하는 문제를 발생시킨다. 입력전원이 낮을 경우에는 PWM 정류기(100)의 입력전류가 증가하여 PWM 정류기 내의 구성 소자들을 소손시킬 수 있으므로, PWM 정류기(100)의 전류를 정격전류내로 유지시켜야 하기 때문에, 입력전원이 일정 값 이하(예를 들면, 정격 대비 20% 이하)로 낮은 경우에 PWM 정류기를 사용할 수 없게 되고, 결국 배터리(240) 전력을 사용해야 한다. 상기와 같은 이유들로 인한, 배터리(240)의 빈번한 사용은 배터리 수명을 단축시키며, 따라서 무정전전원장치의 수명을 단축시키게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 발명이 고안된 것임은 전술한 바와 같다. 따라서, 본 발명의 무정전전원장치에서는 공통 직류전압에 따라 배터리 충방전기(200)의 동작상태가 변경되어 입력전압의 저하로 PWM 정류기(100)가 정격전류 이상으로 공급하지 못할 경우에 입력전원과 배터리 전원을 부하(500)에 동시에 전달할 수 있도록 공통 직류전압 강하에 기준하여 무정전전원장치의 동작을 컨트롤러(10)가 제어한다. 컨트롤러(10)는 낮은 입력전압(예를 들면, 정격 입력 전압의 50% 이하)에서도 사용 가능한 PWM 정류기(100)의 정격전류를 사용할 수 있게 함으로써 배터리(240) 전력을 최소화할 수 있게 한다.

두 번째, 대체 에너지의 발전량이 부족하거나 과부하 상태가 되면, 대체 에너지 변환기(600)의 입력전류가 증가하게 되고, 이로 인해 대체 에너지 변환기(600)의 부담이 증가한다. 이 경우, 대체 에너지 변환기(600)를 구성하는 스위칭 소자(미도시)의 망실 가능성이 커져 대체 에너지의 발전 에너지를 이용할 수 없게 될 수가 있다.

따라서 본 발명은 PWM 정류기가 적용된 무정전전원장치에 대체 에너지 변환기를 접속한 장치로써, PWM 정류기가 적용된 무정전전원장치의 장점을 구비함은 물론 도 4의 전 구간에 걸쳐서 대체 에너지가 사용될 수 있으므로 대체 에너지의 이용률을 증가시키며 배터리 사용을 더욱 최소화시켜 무정전전원장치의 신뢰성을 증가시킨다.

도 5는 본 발명의 공통 직류전압 강하에 기준하는 대체 에너지 변환기가 접속된 무정전전원장치의 공통 직류전압 제어방법을 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 컨트롤러(10)는 PWM 정류기(100), 대체 에너지 변환기(600), 배터리 충방전기(200), 그리고 PWM 인버터(400)에 공통으로 연결되어 있는 공통 직류전원 저장부(300)의 콘덴서(Cd)의 전압에 따라 PWM 정류기(100), 배터리 충방전기(200)의 동작상태를 변경하여 대체 에너지의 발전전력을 최대한 이용하며 부하(500)에 연속적이고 안정된 전력을 공급하도록 무정전전원장치의 공통 직류전압을 제어한다. 도 4의 F0~F1의 수평구간은 대체 에너지원(700)의 발전량이 충분하여 대체 에너지 변환기(600)만이 공통직류전원 저장부(300)를 대체 에너지 변환기 출력 제어전압(Vd-alter)으로 충전시키고 있음을 나타낸다. 도 4의 F1~F2 사 선 구간은 대체 에너지원의 발전량이 부하량보다 작을때 대체 에너지 변환기(600)가 전류제한 상태에 있음을 나타낸다. 도 4의 F2~F3의 사선 구간은 대체 에너지 변환기(600)의 출력전압이 더욱 감소하여 PWM 정류기 전환전압 이하로 감소하면, PWM 정류기(100)는 본래의 정류기로 동작하고 계통측으로의 방전은 멈추고 부하(500)는 대체 에너지원(700)과 입력전원(600) 양측에서 전력을 공급받는다(도 4의 F3~F4의 수평구간). 이때의 공통 직류전원 저장부(300)의 전압은 PWM 정류기(100)의 출력전압과 같다. 도 4의 F4~F5의 사선구간은 대체 에너지원(700)의 발전전력과 입력전원전력을 합한 총전력이 부하(500)가 요구하는 에너지보다 작을 때, 공통직류전원 저장부(300)의 전압이 계속 감소하고 있음을 나타낸다. 도 4의 F5~F6은 공통직류전원 저장부(300)의 전압이 계속 감소하여 배터리 방전 전환 전압 이하로 떨어지면, 충방전기(200)는 방전기로 동작하여 공통직류전원 저장부(300)의 전압을 배터리 방전 제어전압으로 유지한다. 도 4의 F7~F9는 입력전원이 회복되어 PWM 정류기만으로 부하에 전력을 공급하는 구간이며, 도 4의 F9~F10은 대체 에너지원(700)만으로 부하에 전력을 공급하는 구간이 된다. 여기서 전력을 우선 공급하는 변환기의 출력전압이 그 다음 차순의 공급권을 가지는 변환기의 출력전압보다 높게 설정되어야 하는 것은 당업자에게 자명하므로, 대체 에너지 변환기(600)의 출력전압이 PWM 정류기(100)의 출력전압보다 높게 설정되어야 하고, PWM 정류기(100)의 출력전압이 충방전기(200)의 출력 제어전압보다 높게 설정되어야 한다. 그리고 도 4에서 F0~F10까지의 연속적인 경로는 교류입력과 대체 에너지원 둘다 존재할 경우이며, 대체 에너지원의 발전량이 전혀 없는 경우는 도 4의 P3~P9의 연속된 경로를 따르며, 교류 입력전원이 없는 경우는 F0-F1-F5-F6-F7-F10의 경로를 경유하여 운전된다.

이와 같이 본 발명은 공통 직류전압을 기준으로 PWM 정류기(100)와 배터리 충방전기(200)의 동작상태를 변경시켜 대체 에너지를 계통측과 부하측에 공급하여 무정전전원장치를 달성한다. 즉, 대체 에너지원의 발전전력의 부족으로 인하여 대체 에너지 변환기(600)가 정격전류 이상 공급하지 못할 경우에는 대체 에너지 변환기(600)는 전류제한 상태로 동작되게 함으로써, 부하(500)에 공급되는 전력이 대체 에너지 변환기(600)의 정격전류의 전력보다 낮은 상태로 유지되면, 입력전원을 사용하지 않고 대체 에너지 전원만으로 부하전력이 공급되게 한다(도 4의 F1~F2). 이로써, 대체 전원의 이용률이 증가되고 입력전력과 부하변동에 따른 배터리 전력의 사용이 최소화된다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 공통 직류전압 강하에 기준하는 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 전류 흐름의 예시도이다.

도 6a 내지 도 6c는 입력전원이 정상인 상태에서 대체 에너지원의 발전량의 크기에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 6a는 대체 에너지원의 발전전력이 충분하여 부하전력, 배터리 충전전력, 계통방전전력을 공급한다. 도 6b는 대체 에너지원의 발전전력이 부하량보다 작아서 PWM 정류기(100)와 대체 에너지 변환기(600)가 부하(500)에 공동으로 전력을 공급한다. 도 6c는 대체 에너지원의 발전전력이 전혀 없으므로 PWM 정류기(100)가 부하전력을 공급한다.

도 7a 내지 도 7c는 입력전압이 저하된 상태에서 대체 에너지원의 발전량의 크기에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 7a는 대체 에너지원의 발전전력이 충분하여 부하전력, 배터리 충전전력, 계통방전전력을 공급한다. 도 7b는 대체 에너지원의 발전전력이 부하량보다 작아서 PWM 정류기(100)와 대체 에너지 변환기(600)가 부하(500)에 공동으로 전력을 공급한다. 도 7c는 대체 에너지원의 발전전력이 전혀 없으므로 PWM 정류기(100)와 배터리가 공동으로 부하전력을 공급한다.

도 8a 내지 도 8c는 입력전압이 상실된 상태에서 대체 에너지원의 발전량의 크기에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 8a는 대체 에너지원의 발전전력이 충분하여 부하전력과 배터리 충전전력을 공급한다. 도 8b는 대체 에너지원의 발전전력이 부하량보다 작아서 배터리 충방전기(200)와 대체 에너지 변환기(600)가 부하(500)에 공동으로 전력을 공급한다. 도 8c는 대체 에너지원의 발전전력이 전혀 없으므로 배터리가 단독으로 부하전력을 공급한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

도 1은 종래기술에 의한 오프-라인 방식 무정전전원장치의 일실시예의 접속 구성도이다.

도 2는 종래기술에 의한 온-라인 방식 무정전전원장치의 일실시예의 접속 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 대체에너지원이 접속된 무정전전원장치의 PWM 정류기 및 배터리 충방전기의 동작 타이밍을 보이는 그래프 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 대체 에너지원이 접속된 무정전전원장치의 전원공급 방법의 흐름도이다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 동작의 일실시예로서, 입력전원이 정상인 상태에서 대체 에너지원의 발전량의 크기에 따른 전류 흐름도로서,

도 6a는 대체 에너지가 부하량 보다 큰 경우이고,

도 6b는 대체 에너지가 부하량 보다 작은 경우이고,

도 6c는 대체 에너지가 없는 경우이다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 동작의 다른 실시예로서, 입력전압이 저하된 상태에서 대체 에너지원의 발전량의 크기에 따른 전류 흐름도로서,

도 7a는 대체 에너지가 부하량 보다 큰 경우이고,

도 7b는 대체 에너지가 부하량 보다 작은 경우이고,

도 7c는 대체 에너지가 없는 경우이다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 동작의 또 다른 실시예로서, 입력전압이 상실된 상태에서 대체 에너지원의 발전량의 크기에 따른 전류 흐름도로서,

도 8a는 대체 에너지가 부하량 보다 큰 경우이고,

도 8b는 대체 에너지가 부하량 보다 작은 경우이고,

도 8c는 대체 에너지가 없는 경우이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 컨트롤러 100 : PWM 정류기

200 : 배터리 충방전기 300 : 공통 직류전원 저장부

400 : 인버터 500 : 부하

600 : 대체 에너지 변환기 700 : 대체 에너지원

800 : 입력전원

Claims (7)

1. 교류 입력전원 뿐만 아니라 연료전지 또는 태양광 발전 시스템 등에서 대체 에너지 전원을 공급받는 무정전전원장치에 있어서,

   상기 교류 입력전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통에 에너지를 방출하는 정류기와; 상기 정류기의 출력전압을 배터리 충전전압으로 감압하거나 배터리의 낮은 전압을 인버터 작동 전압으로 승압하는 배터리 충방전기; 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터; 상기 대체 에너지 전원을 안정된 직류 전압으로 변환하는 대체 에너지 변환기; 및 상기 정류기와 충방전기와 인버터 및 대체 에너지 변환기를 제어하는 콘트롤러를 포함하고,

   상기 배터리 충방전기는 배터리와 컨버터를 포함하고, 상기 컨버터는 상기 배터리를 충전할 경우에는 공통 직류전압(전원)을 상기 배터리로 공급하기 위한 충전형 컨버터(step-down converter)로 동작하고, 상기 배터리의 방전시에는 상기 배터리의 출력전원을 상기 부하로 공급하기 위한 방전형 컨버터(step-up converter)로 동작하고,

   상기 대체 에너지 변환기의 출력전압은 상기 정류기의 출력전압보다 높게 설정되고, 상기 정류기의 출력전압은 상기 충방전기의 출력전압보다 높게 설정되고,

   상기 공통 직류전압은, 상기 정류기와 상기 대체 에너지 변환기, 상기 충방전기 및 상기 인버터에 공통으로 걸리는 전압(전원)이고,

   상기 콘트롤러는,

   상기 대체 에너지 전원이 계통방출전력, 배터리 충전전력 및 상기 부하가 요구하는 에너지보다 크면, 상기 정류기를 인버터로 전환시켜 상기 대체 에너지 전원의 잉여 에너지가 계통전원측으로 방출되게 하고, 상기 인버터는 상기 대체 에너지 전원으로만 전력을 공급받도록 제어하고;

   상기 대체 에너지 전원이 부하(계통방출전력+배터리충전+부하)가 요구하는 에너지보다 작으면, 상기 대체 에너지 변환기를 전류제한 상태로 한 후, 상기 대체 에너지 변환기의 출력전압이 상기 정류기의 출력전압까지 감소하면, 상기 정류기의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
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3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 정류기의 동작이 정지된 상태에서, 상기 컨트롤러는,

   부하의 양이 적은 쪽으로 변동하여 상기 대체 에너지 전원이 부하량보다 충분히 커서 상기 공통 직류전압이 상기 대체 에너지 변환기의 출력전압에 도달하면, 상기 정류기를 인버터로 전환시켜 계통측으로 잉여 전력을 방출시키고,

   상기 대체 에너지 전원이 부하량보다 계속해서 작아 상기 공통 직류전압이 상기 정류기의 전환전압까지 감소하면, 상기 정류기를 정류기로 동작시켜 상기 대체 에너지 변환기와 공동으로 부하에 전력을 공급하도록 제어하고;

   상기 대체 에너지 전원이 부하량보다는 크지만 계통측으로 방출할 전력의 여유분이 없을 때는 상기 공통 직류전압이 상기 정류기의 전환전압과 상기 대체 에너지 변환기의 출력전압 구간을 유지하며 상기 대체 에너지 전원으로만 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤러는,

   상기 교류 입력전압의 저하 및 상기 대체 에너지 전원의 부족으로 상기 입력전원과 상기 대체 에너지 전원의 에너지량의 합이 상기 부하가 요구하는 에너지보다 작으면, 상기 대체 에너지 변환기와 상기 정류기를 동시에 전류제한 상태로 제어하여, 상기 공통 직류전압을 감소시키고, 상기 공통 직류전압이 상기 배터리의 방전전환 전압보다 작아지면 상기 충방전기를 방전기로 제어하여 상기 배터리가 부족분의 에너지를 상기 부하에 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
6. 교류 입력전원 뿐만 아니라 연료전지 또는 태양광 발전 시스템 등에서 대체 에너지 전원을 공급받는 무정전전원장치의 전원공급 방법에 있어서,

   상기 무정전전원장치는, 상기 교류 입력전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통에 에너지를 방출하는 정류기와; 상기 정류기의 출력전압을 배터리 충전전압으로 감압하거나 배터리의 낮은 전압을 인버터 작동 전압으로 승압하는 배터리 충방전기; 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터; 상기 대체 에너지 전원을 안정된 직류 전압으로 변환하는 대체 에너지 변환기; 및 상기 정류기와 충방전기와 인버터 및 대체 에너지 변환기를 제어하는 콘트롤러를 포함하고,

   상기 컨트롤러를 통하여 상기 정류기와 상기 대체 에너지 변환기, 상기 배터리 충방전기 및 상기 인버터에 공통으로 걸리는 공통 직류전압(전원)이 상기 정류기를 계통으로 연계하여 상기 대체 에너지의 잉여에너지를 방출할 수 있는 연계가능전압(Vd-alter) 이상인지를 판단하는 제1 판단 단계; 상기 제1 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 연계가능 전압이면, 상기 정류기가 인버터로 전환되어 계통으로 에너지를 방출하는 단계; 상기 제1 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 정류기 전환전압(PFC_start) 이하인지를 판단하는 제2 판단 단계; 상기 제2 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 정류기의 전환전압 이하이면, 상기 정류기가 정류기로 동작하는 단계; 상기 제2 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 정류기의 전환전압 이상이면, 상기 대체 에너지 전원으로만 상기 부하에 전력을 공급하는 단계를 포함하고,

   상기 공통 직류전압이 상기 충방전기를 방전상태로 제어하기 위한 방전제어 전압 이하인지를 판단하는 제3 판단 단계; 상기 제3 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 방전제어 전압 이상이면, 상기 공통 직류전압이 상기 충방전기를 충전상태로 제어하기 위한 충전제어 전압 이상인지를 판단하는 제4 판단 단계; 상기 제3 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 방전제어 전압 이하이면, 상기 교류 입력전원과 상기 대체 에너지 전원과 배터리 전원 모두에 의해 부하전력이 공급되게 하는 단계; 상기 제4 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 상기 충전제어 전압 이상이면, 상기 교류 입력전원과 상기 대체 에너지 전원만으로 부하전력을 공급하며 상기 배터리를 충전하는 단계; 및 상기 제4 판단 단계에서 상기 공통 직류전압이 충전제어 전압 이하이면 상기 교류 입력전원과 상기 대체 에너지 전원으로 부하전력을 공급하며 상기 충방전기는 작동하지 않게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치의 전원공급 방법.
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