KR101357777B1 - 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법에 관한 것으로서, 3상 교류 R, S, T상의 입력 전류 및 입력 전압으로부터 ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 검출하는 (a) 단계; ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 입력주파수와 동일한 각속도로 회전하는 DQ 좌표축의 값인 fd, fq로 변환하는 (b) 단계; 변환된 DQ 좌표축으로부터 Q축 성분을 유효성분으로 구분하고, D축 성분을 무효성분을 구분하여 각각의 크기를 결정하는 (c) 단계; 및 Q축 성분의 유효성분과 D축의 무효성분을 ABC 좌표축의 R, S, T상 제어값으로 변환하여 UPS의 입력역율을 제어하는 (d) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 안정적인 전원공급을 위한 필수 설비인 UPS에 입력역율 조정 기능을 포함함으로써, 추가 설비의 설치 없이 전력 계통의 무효전력을 상쇄할 수 있고, 보상 무효전력분을 연속적으로 변경할 수 있어 각 전력 계통에 적합하게 최적의 역율 보상을 제공하는 효과가 있다.

Description

무정전전원장치의 입력역율 제어 방법{METHOD FOR CONTROLING INPUT POWER FACTOR OF Uninterruptible Power System}

본 발명은 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 무정전전원장치(Uninterruptible Power System; UPS)의 입력역율을 제어함으로써, 별도의 추가 설비 없이 전력계통의 무효전력을 상쇄하는 기술에 관한 것이다.

불시의 전원이상(정전 및 전압변동)에도 중단되어서는 안되는 산업용 첨단 장비, 의료기기, 컴퓨터, 금융, 사무용기기 등 고도의 디지털 정보 처리기기의 사용이 증가하면서 이러한 장비에 항상 안정된 무정전의 전원을 공급하는 무정전전원장치(Uninterruptible Power System; UPS)의 사용이 증가하고 있다.

특히, IT 산업의 발전으로 말미암아 각종 데이터 서비스를 위하여 많은 수량의 서버를 한곳에 설치하여 운영하는 데이터 센터가 늘어나고 있으며 이곳에는 서버들에 안정된 무정전의 전원을 공급하기 위한 대용량의 UPS 시스템이 설치되어 연중무휴로 운영되고 있는 상황이다.

이러한, 무정전전원장치는 크게 Passive-Standby, Line-Interactive, Double-Conversion 방식으로 구분되며 이중에서 Double-Conversion 방식은 가장 신뢰성이 높은 방식으로 중대용량 UPS의 대부분은 Double-Conversion 방식을 채택하고 있다.

Double-Conversion 방식은 정류부 및 인버터부로 구성되어 평상시에는 상용 교류전원을 정류부에서 직류 전원으로 변환하여 축전지를 충전하고 인버터부에 공급하며 인버터부에서는 직류 전원을 다시 안정된 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 방식이다. 정류부에서 교류에서 직류로 인버터부에서 직류에서 교류로 2번 변환이 되기 때문에 Double-Conversion 방식으로 불려진다.

한때는 UPS가 내부에서 전력을 변환하는 과정에서 고조파 및 무효전력이 발생하였기 때문에 UPS가 전력계통의 역율을 저하시키는 장비중의 하나로 분류되었고 따라서 UPS의 역율을 보상하기 위한 별도의 전기 설비를 설치하기도 하였다.

그러나, 근래에는 UPS 자체에서 무효전력을 발생하지 않도록 하여 UPS의 입력역율을 거의 1에 가깝게 제어하는 기술들이 개발되었고 현재는 이러한 기술이 적용된 UPS들의 생산이 증가하고 있으며, 대한민국 공개특허 제2009-0082741호(올 아이지비티 유피에스 시스템 및 그 제어방법)에는, 계통 전원에 나타나는 5차, 7차 고조파 성분을 분리하여 상쇄시킴으로써, 변압기 및 리액터에서 소음증가 및 손실 발생을 차단하는 기술이 개시된바 있다.

일반적으로, UPS의 입력역율 특성은 UPS의 정류부 방식에 의하여 결정된다. 중대용량 Double-Conversion 방식의 UPS에 적용되는 정류부 방식에는 6펄스 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 위상제어 방식, 12펄스 SCR 위상제어 방식, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) PWM(Pulse Width Modulation) 방식 등이 있다.

첫째, 6펄스 SCR 위상제어 방식은 6개의 SCR로 구성되며 SCR 도통 위상각을 조절함으로 교류에서 직류로 변환시 출력되는 직류전압을 제어하는 방식이다. 그러나 이방식은 교류에서 직류로 변환하는 과정에서 많은 양의 고조파(약 30%)와 지상전력을 발생시킨다.

둘째, 12펄스 SCR 위상제어 방식은 6펄스 SCR 위상제어 방식의 고조파 특성을 개선한 방식으로 위상 쉬프트 변압기와 12개의 SCR로 구성된다. 위상 쉬프트 변압기를 통하여 3상 전원을 6상 전원으로 변환하고 이를 12개의 SCR로 도통 위상각을 조절함으로 교류에서 직류로 변환시 출력되는 직류전압을 제어하는 방식이다. 발생하는 고조파량은 6펄스 SCR 위상제어 방식에 비해 감소되나(약 10%) 도통 위상각을 제어하는 방식이므로 동일하게 지상전력을 유발한다.

셋째, IGBT PWM 제어방식은 고조파 특성 및 역율특성을 모두 개선한 방식이다. 이 방식은 SCR 소자 대신 자기소호가 가능한 IGBT 소자를 사용하여 입력전류가 정현파가 되고 입력전압의 위상과 동일하도록 제어하므로 고조파가 거의 발생하지 않고(약 5%) 입력역율이 거의 1이 되어 무효전력을 발생하지 않는다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 방식은 UPS에서 무효전력을 발생하지 않도록 제어하여 UPS의 입력역율이 거의 1이 되도록 제어할 뿐 입력역율을 제어하여 타 설비에서 발생하는 무효전력을 보상하지는 못하는 문제점이 있다.

따라서, 기존에는 전력 계통의 무효전력을 억제하기 위하여 별도의 역율보상 장치를 설치할 필요가 있었다. 지상 무효전력분을 보상하기 위해서는 전력용 콘덴서를 설치하여 보상할 수 있고, 진상 무효전력분은 전력용 리액터를 설치하여 보상할 수 있으나 별도의 장비를 추가 설치하여야 하고 전력 계통에 적절하도록 보상 무효전력분을 연속적으로 변경할 수 없는 단점이 있다.

본 발명의 목적은, 안정적인 전원공급을 위한 필수 설비인 UPS에 입력역율 제어 기능을 포함하여 별도의 추가 설비 없이 전력계통의 무효전력을 상쇄함으로써, 전력계통의 역율을 개선하고 전력 품질을 개선하는데 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법은, 3상 교류 R, S, T상의 입력 전류 및 입력 전압으로부터 ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 검출하는 (a) 단계; ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 입력주파수와 동일한 각속도로 회전하는 DQ 좌표축의 값인 fd, fq로 변환하는 (b) 단계; 변환된 DQ 좌표축으로부터 Q축 성분을 유효성분으로 구분하고, D축 성분을 무효성분을 구분하여 각각의 크기를 결정하는 (c) 단계; 및 Q축 성분의 유효성분과 D축의 무효성분을 ABC 좌표축의 R, S, T상 제어값으로 변환하여 UPS의 입력역율을 제어하는 (d) 단계;를 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 안정적인 전원공급을 위한 필수 설비인 UPS에 입력역율 조정 기능을 포함함으로써, 추가 설비의 설치 없이 전력 계통의 무효전력을 상쇄할 수 있고, 보상 무효전력분을 연속적으로 변경할 수 있어 각 전력 계통에 적합하게 최적의 역율 보상을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 UPS를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 PWM 정류기 회로도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 PWM 정류기 등가회로를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 입력역율 제어를 위한 IGBT PWM 정류기 제어블록도를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 ABC 좌표축과 DQ 좌표축과의 관계를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법을 도시한 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 제S30단계에 대한 세부과정을 도시한 순서도.
도 8은 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 제S40단계에 대한 세부과정을 도시한 순서도.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 UPS 구성도로, IGBT PWM 방식을 적용한 정류기를 포함하고, 도 2 및 도 3은 PWM 정류기 회로도와 등가회로를 도시한 도면이다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 IGBT PWM 정류기에 대한 제어 블록도를 도시한 도면으로, 역율제어를 위해 ABC 좌표축에 해당하는 3상 교류 R, S, T상의 값을 입력주파수와 동일한 각도로 회전하는 DQ 좌표축의 D, Q 성분으로 변환하여 제어를 수행한다.

그리고, 도 5는 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 ABC 좌표축과 DQ 좌표축과의 관계를 도시한 도면이다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법에 대해 살피면 아래와 같다.

먼저, 3상 교류 R, S, T상의 입력 전류 및 입력 전압으로부터 ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 검출한다(S10).

이어서, ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 입력주파수와 동일한 각속도로 회전하는 DQ 좌표축의 값인 fd, fq로 변환한다(S20).

이때, ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc는 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통해 DQ 좌표축의 값으로 변환된다.

여기서, θ값은 회전하는 DQ축의 위상값으로 [수학식 3]과 같이 표현되며 [수학식 3]에서 ω는 회전하는 DQ축의 각속도이다.

이때, 회전하는 DQ축의 위상값이 필요하며 DQ축의 회전 각속도는 입력주파수와 동일하므로 입력전원의 주파수와 위상각을 검출하는 PLL로직에서 위상값을 결정한다.

D축 성분과 Q축 성분은 90도의 위상차를 가진 벡터 성분을 의미하며, D축 또는 Q축 성분중 한쪽이 유효성분과 동일하게 되도록 DQ축의 위상각을 정의하면 다른 성분은 물리적으로 무효성분을 의미하게 된다.

본 발명에서는 Q축 성분을 유효성분 D축 성분을 무효성분이 되도록 DQ축의 위상각을 정의하였다. 따라서, 제어기에서 유효성분을 의미하는 Q축 성분의 크기를 결정하고 무효성분을 의미하는 D축 성분의 크기를 결정한 후, 이를 다시 ABC 좌표축의 R, S, T상 제어값으로 변환하면 유효전력뿐만 아니라 무효전력을 조정하여 UPS의 입력역율을 조정하는 기능을 수행할 수 있다.

뒤이어, 변환된 DQ 좌표축으로부터 Q축 성분을 유효성분으로 구분하고, D축 성분을 무효성분을 구분하여 각각의 크기를 결정한다(S30).

그리고, Q축 성분의 유효성분과 D축의 무효성분을 ABC 좌표축의 R, S, T상 제어값으로 변환하여 UPS의 입력역율을 제어한다(S40).

이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 제S30단계에 대한 세부과정을 살피면 아래와 같다.

제S20단계 이후, 출력 전압 지령값(출력하고자 하는 출력 직류 전압값)과 대응하도록 유효성분의 크기를 결정한다(S31).

이때, 유효성분의 크기 결정은, 실제 출력 직류 전압값을 검출하여 이를 출력 전압 지령값과 비교하고, 오차가 발생하지 않도록 비례적분 제어기를 이용하여 결정한다.

그리고, 발생시키고자 하는 무효 전류 지령값(발생시키고자 하는 무효 전류값)과 대응하도록 무효성분의 크기를 결정한다(S32).

이때, 무효성분의 크기 결정은, 전력 계통에서 발생하고 있는 무효 전력을 상쇄시킬 수 있는 무효 전류 지령값을 계산하여 결정한다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법의 제S40단계에 대한 세부과정을 살피면 아래와 같다.

제S30단계 이후, 유효성분의 크기와 무효성분의 크기가 결정된 값과, DQ 좌표축으로 변환된 실제 입력 전류값을 비교하되, D축, Q축 각각에 대하여 오차가 발생하지 않도록 각각 비례적분 제어기를 이용하여 DQ 좌표축에서의 제어값을 결정한다(S41).

그리고, 정류기 제어값과 대응하도록 UPS의 입력역율을 제어한다(S42).

이때, DQ 좌표축에서의 정류기 제어값은 [수학식 4], [수학식 5] 및 [수학식 6]에 의해 ABC 좌표축 상에서의 제어값으로 변환될 수 있다.

여기서, θ값은 ABC 좌표축에서 DQ 좌표축으로 변환시 적용된 값과 동일한 회전하는 DQ축의 위상값으로 상기 [수학식 3]과 같이 표현된다.

전술한 바와 같이 결정된 값을 이용하여 IGBT 제어 신호를 발생시키면, PWM 정류부는 무효전력분까지 조정가능하게 되며 콘덴서나 리액터 같은 수동 전기 소자 없이도 진상 전력 또는 지상 전력을 모두 생성할 수 있다.

또한, UPS의 정류부 용량이 허용하는 범위 내에서 연속적인 값으로 입력역율을 가변할 수 있어 계통의 무효전력을 상쇄할 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법에 있어서,
   (a) 3상 교류 R, S, T상의 입력 전류 및 입력 전압으로부터 ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 검출하는 단계;
   (b) ABC 좌표축의 값인 fa, fb, fc를 입력주파수와 동일한 각속도로 회전하는 DQ 좌표축의 값인 fd, fq로 변환하는 단계;
   (c) 변환된 DQ 좌표축으로부터 Q축 성분을 유효성분으로 구분하고, D축 성분을 무효성분을 구분하여 각각의 크기를 결정하는 단계; 및
   (d) Q축 성분의 유효성분과 D축의 무효성분을 ABC 좌표축의 R, S, T상 제어값으로 변환하여 UPS의 입력역율을 제어하는 단계;를 포함하되,
   상기 ABC 좌표축의 값은,
   [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통해 DQ 좌표축의 값으로 변환되되,
   θ값은 회전하는 DQ축의 위상값으로 [수학식 3]과 같이 표현되고, ω는 회전하는 DQ축의 각속도이며, 회전하는 DQ축의 위상값은, 입력전원의 주파수와 위상각을 검출하는 PLL로직에서 결정되고,
   상기 (c) 단계는,
   (c-1) 출력 전압 지령값(출력하고자 하는 출력 직류 전압값)과 대응하도록 유효성분의 크기를 결정하는 단계; 및
   (c-2) 발생시키고자 하는 무효 전류 지령값(발생시키고자 하는 무효 전류값)과 대응하도록 무효성분의 크기를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   [수학식 2]
   

   

   
   [수학식 3]
   

   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 (d) 단계는,
   (d-1) 유효성분의 크기와 무효성분의 크기가 결정된 값과, DQ 좌표축으로 변환된 실제 입력 전류값을 비교하되, D축, Q축 각각에 대하여 오차가 발생하지 않도록 각각 비례적분 제어기를 이용하여 DQ 좌표축에서의 제어값을 결정하는 단계; 및
   (d-2) 정류기 제어값과 대응하도록 UPS의 입력역율을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 정류기 제어값은,
   [수학식 4], [수학식 5] 및 [수학식 6]에 의해 ABC 좌표축 상에서의 제어값으로 변환하되,
   θ값은 ABC 좌표축에서 DQ 좌표축으로 변환시 적용된 값과 동일한 회전하는 DQ축의 위상값인 것을 특징으로 하는 무정전전원장치의 입력역율 제어 방법.
   [수학식 4]
   

   

   
   [수학식 5]
   

   

   
   [수학식 6]
   

   

Images