KR101476100B1 - 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3상 3레벨 PWM 정류기, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 3레벨 PWM 인버터, 충방전부, 상기 교류 입력전원의 3상의 위상을 파악하고, 상기 3상 3레벨 PWM 정류기에 의해 출력된 직류전압의 오차 및 3상 각각의 입력전류를 파악하며, 상기 교류 입력전원의 3상의 위상, 상기 3상 각각의 입력전류 및 상기 직류전압의 오차를 이용하여 상기 3상 3레벨 PWM 정류기의 스위칭 소자들로 PWM 신호를 제공하는 DC전압및입력역률 제어기, 그리고 상기 교류 입력전원에서 3상의 위상을 파악하고, 상기 3상 3레벨 PWM 인버터에 의해 출력된 교류전압의 오차 및 상기 3상 3레벨 PWM 인버터로 입력되는 직류전압을 파악하며, 상 3상의 위상, 상기 교류전압의 오차 및 상기 직류전압을 이용하여 상기 3상 3레벨 PWM 인버터의 스위칭 소자들로 PWM 신호를 제공하는 출력전압 제어기를 포함하며, 상기 3상 3레벨 PWM 정류기 및 상기 3상 3레벨 PWM 인버터는 4개의 스위칭 소자를 T형으로 구성한 3레벨 인버터 브릿지 3개를 병렬로 구성하여 3상 4선식 출력전압발생이 가능한 것을 특징으로 하는 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치에 관한 것이다.

Description

3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치{UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY WITH 3-LEVEL POWER CONVERTER}
본 발명은 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치(UPS, uninterruptible power supply)에 관한 것이다.
무정전 전원장치(UPS)는 정전이 발생하거나 내부 전기 회로의 전압이 끊어지는 등 부하로 공급되는 전원이 제공되지 않는 경우에 대비하여 안정되게 부하에 연속적으로 전원을 공급하는 비상전원공급장치이다.
이러한 무정전 전원장치는 현재 도 1에 도시된 바와 같이 2레벨 전력변환기인 3상 2레벨 PWM 정류기(11)와 3상 2레벨 PWM 인버터(12)를 채용하여 이전의 변압기형 무정전 전원장치에 비해서 경부하시 및 정격부하시에 운전 효율이 높은 장점이 있으나, 그 효율을 극대화시키는데 한계가 있다.
즉, 2레벨 전력변환기를 사용하는 종래의 무정전 전원장치는 3상 2레벨 PWM 인버터(12)에서 출력하는 전압 파형(B)이 부하에 제공하는 정현파에 비해 고조파 성분이 많아 각각 필터를 이루는 인덕터(L2) 및 커패시터(C2)를 높은 값의 소자를 사용해야 하며, 그럼에도 불구하고 출력되는 정현파가 깨끗하게 출력되지 않는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 운전 효율을 극대화하여 보다 깨끗한 정현파가 부하에 제공되게 하는 무정전 전원장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전력 변환기에 입력 또는 출력되는 전압 파형에 고조파 성분을 최소화하는 무정전 전원장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따르면, 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치를 제공한다. 이 무정전 전원장치는 계통으로부터 제공된 교류 입력전원을 직류전원으로 변환하여 출력하고, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 상기 계통에 전력을 방출하는 3상 3레벨 PWM 정류기, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 3레벨 PWM 인버터; 상기 3상 3레벨 PWM 정류기의 출력전압으로 배터리를 충전시키고, 정전이나 내부 이상 발생시에 상기 배터리의 전압을 상기 3상 3레벨 PWM 인버터로 제공하는 충방전부, 상기 교류 입력전원의 3상의 위상을 파악하고, 상기 3상 3레벨 PWM 정류기에 의해 출력된 직류전압의 오차 및 3상 각각의 입력전류를 파악하며, 상기 교류 입력전원의 3상의 위상, 상기 3상 각각의 입력전류 및 상기 직류전압의 오차를 이용하여 상기 3상 3레벨 PWM 정류기의 스위칭 소자들로 PWM 신호를 제공하는 DC전압및입력역률 제어기, 그리고 상기 교류 입력전원에서 3상의 위상을 파악하고, 상기 3상 3레벨 PWM 인버터에 의해 출력된 교류전압의 오차 및 상기 3상 3레벨 PWM 인버터로 입력되는 직류전압을 파악하며, 상 3상의 위상, 상기 교류전압의 오차 및 상기 직류전압을 이용하여 상기 3상 3레벨 PWM 인버터의 스위칭 소자들로 PWM 신호를 제공하는 출력전압 제어기를 포함하며, 상기 3상 3레벨 PWM 정류기 및 상기 3상 3레벨 PWM 인버터는 4개의 스위칭 소자를 T형으로 구성한 3레벨 인버터 브릿지 3개를 병렬로 구성하여 3상 4선식 출력전압발생이 가능하다.
상기에서 DC전압및입력역률 제어기는 상기 교류 입력전원의 위상 및 위상 변화를 검출하여 사인값을 출력하는 위상검출기, 상기 3상 3레벨 PWM 정류기에서 출력하는 상기 직류전압의 검출값과 DC전압 제어명령값을 비교하여 제1 오차값을 검출하고, 제1 오차값에 대응하는 각 상의 전류지령값을 출력하는 직류전압 제어기, 각 상의 입력전류 검출값과 상기 직류전압의 검출값을 이용하여 각각 해당 상의 전류지령값에 대응한 듀티 제어량을 산출하는 복수의 상 전류 제어기, 그리고 상기 듀티 제어량을 입력으로 하여 상기 3상 3레벨 PWM 정류기를 이루는 각 상의 상기 4개의 스위칭 소자로 PWM 신호를 제공하는 복수의 상 정류 PWM발생기를 포함한다.
상기 복수의 상 정류 PWM발생기 각각은 해당 상 전류 제어기로부터 수신된 듀티 정보를 수신하여 듀티 정보에 대응한 듀티값인 온 또는 오프 정보를 생성하여 출력하는 3레벨 펄스폭 변조기와, 상기 온 또는 오프 정보를 수신하여 상기 스위칭 소자간에 데드 타임을 설정하고, 설정한 상기 데드 타임을 기준으로 하여 상기 온 또는 오프 정보에 따라 각 스위칭 소자로 온 또는 오프 신호인 상기 PWM 신호를 출력하는 스위칭 신호 발생기를 포함한다.
출력전압 제어기는 상기 교류 입력전원의 위상 및 위상 변화를 검출하여 사인값을 출력하는 위상검출기, 상기 3상 3레벨 PWM 인버터에서 출력하는 3상 교류전압 각각을 설정된 크기 및 위상을 가지도록, 해당 상의 교류전압 검출값과 해당 상의 출력전압 제어명령값을 비교하여 상기 교류전압의 오차를 검출하고, 상기 교류전압의 오차에 대응하는 듀티 정보를 직류전압의 검출값과 해당 상의 부하전류 검출값을 이용하여 산출하고 출력하는 복수의 인버터출력전압 제어기, 그리고 상기 듀티 정보를 수신하여 상기 스위칭 소자간에 데드 타임을 설정하고, 설정한 상기 데드 타임을 기준으로 하여 상기 듀티 정보에 따라 각 스위칭 소자로 온 또는 오프 신호인 상기 PWM 신호를 출력하는 스위칭 신호 발생기를 포함한다.
상기 위상 검출기의 사인값에는 PLL(Phase-Locked Loop)을 이용하여 검출된 위상에 상기 PLL의 지연성분에 의한 제1 보상 위상이 반영되어 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치는 상기 위상 검출기의 사인값을 입력으로 하고 상기 부하의 전류에 따라 상기 위상 검출기의 사인값을 보정하고 보정된 사인값을 상기 인버터출력전압 제어기에 제공하는 위상 보상기를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 3상 3레벨 정류기와 3상 3레벨 인버터를 사용함으로써 종래에 비해 운전 효율을 극대화시키며, 입력측 및 출력측의 필터 용량을 최소화시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 무정전 전원장치의 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 주요 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 주요 기능 관련 구성의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 DC전압및입력역률 제어기의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 출력전압 제어기의 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치에 대하여 설명한다.
우선 도 2를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 주요 기능을 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 주요 기능을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치(100)는 3상 3레벨 PWM(Pulse Width Modulation) 정류기(110)와 3상 3레벨 PWM 인버터(120)와 충방전부(130)를 포함한다.
이와 같이 구성을 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치(100)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 장치 내부에 이상이 발생하지 않거나 정전 등의 외부 전력 공급 환경이 정상상황인 경우에 계통전원인 AC(교류) 상용전원을 3상 3레벨 PWM 정류기(110)와 3상 3레벨 PWM 인버터(120)를 경유시켜 부하에 제공하고, 상용전원을 3상 3레벨 PWM 정류기(110)와 충방전부(130)를 경유시켜 배터리(200)를 충전시킨다.
그리고 이러한 정상상황이 지속되는 중에 정전이 발생하거나 무정전 전원장치 내부에 이상이 발생하면, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치(100)는 부하와 상용전원간의 전원 공급 경로를 차단한 후 배터리(200)를 방전시켜 3상 3레벨 PWM 인버터(120)를 통해 부하로 배터리(200)의 전원을 공급한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 구성을 도 3을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 블록 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치(100)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110), 3상 3레벨 PWM 인버터(120), 충방전부(130), 제1 필터(140a), 제2 필터(140b), DC전압및입력역률 제어기(150)와, 출력전압 제어기(160)를 포함한다.
3상 3레벨 PWM 정류기(110)는 계통측으로부터 입력되는 교류 입력전원(상용전원)을 직류전원으로 변환하여 인버터(120)측으로 출력하거나 필요시 배터리(200)측으로부터 입력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 계통에 전력을 방출한다. 3상 3레벨 PWM 정류기(110)는 PWM 스위칭 동작에 따라 온 및 오프 동작이 제어되는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, AC측 전압 파형을 도 3의 A에 도시되어 형태로 만들어 AC측 전류(Ia, Ib, Ic)의 고조파 성분을 저감시킨다. 또한 3상 3레벨 PWM 정류기(110)는 AC측 전류(Ia, Ib, Ic)가 정현파가 되도록 제어한다.
3상 3레벨 PWM 인버터(120)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)에 의해 변환된 직류 전원을 교류전원으로 변환하여 부하측에 공급하거나, 충방전부(130)로부터 제공된 배터리(200)의 직류 전원을 교류전원으로 변환하여 부하측에 공급한다. 3상 3레벨 PWM 인버터(120)는 PWM 스위칭 동작에 따라 온 및 오프 동작이 제어되는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 출력 전압 파형을 고조파 함유량이 적은 전압 파형 즉, 정현파에 가까운 파형으로 만든다. 3상 3레벨 PWM 정류기(110)에 의해 스위칭된 입력 전압 파형은 도 3의 A에 도시되어 있다.
충방전부(130)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)로부터 입력되는 직류전원으로 배터리(200)를 충전시키고, 입력전원 정전시 배터리(200)를 방전시킨다. 제1 필터(140a)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)에 입력되는 전압 파형에 포함된 노이즈를 제거하고, 제2 필터(140b)는 3상 3레벨 PWM 인버터(120)에서 출력된 교류전원에 포함된 고조파 등의 노이즈를 제거하여 깨끗한 정현파를 만들어 부하에 제공한다. 이때 3상 3레벨 PWM 인버터(120)에 의해 생성된 교류전원의 도 3의 B에 도시된 파형과 같이 고조파 성분이 적은 교류 전압 파형이므로, 제2 필터(140b)에 포함된 리액터(L4, L5, L6)의 용량을 최소화할 수 있다.
DC전압및입력역률 제어기(150)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)의 DC 전압 및 입력 역률을 제어한다. DC전압및입력역률 제어기(150)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)에 입력되는 상용전압에서 3상(U상, V상, W상)의 위상을 검출하고, 3상 3레벨 PWM 정류기(110)에 의해 출력된 직류전압의 오차 및 3상 각각의 입력전류를 검출하며, 상용전압의 3상의 위상 및 입력전류와 직류전압의 오차를 이용하여 3상 3레벨 PWM 정류기(110)를 구성하는 복수의 스위칭 소자에 PWM 신호를 제공하여 3상 3레벨 PWM 정류기(110)의 전원 변환 동작을 제어한다.
출력전압 제어기(160)는 상용전압에서 3상(U상, V상, W상)의 위상을 검출하고, 3상 3레벨 PWM 인버터(120)에 의해 출력된 교류전압의 오차 및 입력되는 직류전압을 파악하며, 상용전압의 3상의 위상 및 입력전압와 출력전압의 오차를 이용하여 3상 3레벨 PWM 인버터(120)를 구성하는 복수의 스위칭 소자에 대한 PWM 신호를 제공하여 3상 3레벨 PWM 인버터(120)의 전원 변환 동작을 제어한다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 회로 구성을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치의 주요 기능 관련 구성의 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치(100)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)와 3상 3레벨 PWM 인버터(120)를 전력변환기로 이용한다.
3상 3레벨 PWM 정류기(110)의 입력단에는 제1 필터부(140a)가 위치하고, 3상 3레벨 PWM 인버터(120)의 출력단에는 제2 필터부(140b)가 위치한다. 제1 및 제2 필터부(140a, 140b)는 각각은 리액터와 커패시터로 구성된 3개의 LC 필터로 구성되며, 하나의 LC 필터는 3상(U상, V상, W상) 중 하나의 상에 대한 필터링 동작을 수행한다.
여기서, 제1 및 제2 필터부(140a, 140b)와 충방전부(130)는 무정전 전원장치에 일반적으로 사용되는 회로이므로 구체적인 동작 설명을 생략한다.
3상 3레벨 PWM 정류기(110)는 4개의 IGBT 스위칭 소자(T11 내지T14, T21 내지 T24, T31 내지 T34)를 T형으로 구성한 3레벨 인버터 브릿지 3개를 병렬로 구성하여 3상 4선식의 직류전압의 출력발생이 가능한 정류기이다. 구체적으로 3상 3레벨 PWM 정류기(110)는 입력되는 3상 전류(Ia, Ib, Ic)의 파형을 PWM 제어를 통해 정현파 즉, 사인파 형태로 만들고, 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력한다.
이때, U상의 스위칭 소자(T11 내지 T14) 중 스위칭 소자 T11와 스위칭 소자 T13은 서로 상보적으로 동작하고, 스위칭 소자 T12와 스위칭 소자 T14는 서로 상보적으로 동작하여 입력되는 U상 교류전압을 3개의 전압 레벨(+Vdc/2, 0, -Vdc/2)을 갖는 3-레벨 PWM 전압이 되게 한다(도 3의 A 참조). 여기서, 상보적 동작은 1개 스위칭 소자가 ON되면 다른 1개 스위칭 소자는 OFF되는 스위칭 동작을 말한다.
그리고 V상의 스위칭 소자(T21 내지 T24) 중 스위칭 소자 T21와 스위칭 소자 T23은 서로 상보적으로 동작하고, 스위칭 소자 T22와 스위칭 소자 T24는 서로 상보적으로 동작하여 입력되는 V상 교류전압을 3개의 전압 레벨(+Vdc/2, 0, -Vdc/2)을 갖는 3-레벨 PWM 전압이 되게 한다(도 3의 A 참조).
또한, 그리고 W상의 스위칭 소자(T21 내지 T24) 중 스위칭 소자 T31와 스위칭 소자 T33은 서로 상보적으로 동작하고, 스위칭 소자 T32와 스위칭 소자 T34는 서로 상보적으로 동작하여 입력되는 W상 교류전압을 3개의 전압 레벨(+Vdc/2, 0, -Vdc/2)을 갖는 3-레벨 PWM 전압이 되게 한다(도 3의 A 참조).
3상 3레벨 PWM 정류기(110)는 표 1과 같이 각 스위칭 소자의 동작에 따라 8가지의 스위칭 모드가 존재하는데 표 1 외의 스위칭 동작시, 스위칭 소자가 손상되므로 그러한 스위칭 동작이 되지 않도록 제어해야 한다. 이와 같은 3레벨 인버터 브리지를 3개 병렬로 구성하면 3상 4선식 출력전류를 독립적으로 제어할 수 있는 3상 정류기의 구성이 가능하다. 표 2에서는 3상 중 대표로 U상의 스위칭 소자를 일 예로 하여 기재하였다.
스위칭
소자 		스위칭 모드 0 스위칭 모드 1 스위칭 모드 2 스위칭 모드 3 스위칭 모드 4 스위칭 모드 5 스위칭 모드 6 스위칭 모드 7
T 11 OFF ON OFF OFF OFF ON OFF OFF
T 12 OFF OFF ON OFF OFF ON ON OFF
T 13 OFF OFF OFF ON OFF OFF ON ON
T 14 OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF ON
다음으로, 3상 3레벨 PWM 인버터(120)는 4개의 IGBT 스위칭 소자(T41~T44, T51~T54, T61~T64)를 T형으로 구성한 3레벨 인버터 브릿지 3개를 병렬로 구성하여 3상 4선식 출력전압발생이 가능한 인버터이다. 이러한 A상 상 전압을 발생시키기 위한 스위칭 소자(T41~T44)들은 스위칭 소자 T41와 스위칭 소자 T43는 서로 상보적으로 동작하고 스위칭 소자 T42와 스위칭 소자 T44는 서로 상보적으로 동작하여 3개의 전압 레벨(+Vdc/2, 0, -Vdc/2)을 갖는 3-레벨 PWM 교류 전압을 발생시킨다.
이와 같은 스위칭 동작에 의해 발생된 A상 3-레벨 PWM 전압은 리액터(L4), 커패시터(C4)로 구성된 A상 LC 필터를 통해서 정현파 전압(Va)으로 변환되어 부하에 공급된다. 또한 B상 및 C상 PWM 전압은 스위칭 소자 T51 내지 T54와 스위칭 소자 T61 내지 T64 에 의해서 각각 발생되며 B상, C상 LC 필터(L5, L6, C5, C6)를 통해서 정현파 전압(Va, Vc)으로 각각 변환되어 부하에 공급된다.
3상 3레벨 PWM 인버터(120)는 표 2와 같이 각 스위칭 소자의 동작에 따라 8가지의 스위칭 모드가 존재하는데 표 2 외의 스위칭 동작시, 스위칭 소자가 손상되므로 그러한 스위칭 동작이 되지 않도록 제어해야 한다. 이와 같은 3레벨 인버터 브리지를 3개 병렬로 구성하면 3상 4선식 출력전압을 독립적으로 제어할 수 있는 3상 인버터 구성이 가능하다. 표 2에서는 3상 중 대표로 U상의 스위칭 소자를 일 예로 하여 기재하였다.
스위칭
소자 		스위칭 모드 0 스위칭 모드 1 스위칭 모드 2 스위칭 모드 3 스위칭 모드 4 스위칭 모드 5 스위칭 모드 6 스위칭 모드 7
T 41 OFF ON OFF OFF OFF ON OFF OFF
T 42 OFF OFF ON OFF OFF ON ON OFF
T 43 OFF OFF OFF ON OFF OFF ON ON
T A44 OFF OFF OFF OFF ON OFF OFF ON
이하에서는 도 5와 도 6을 참조로 하여 각 전력변환기의 동작을 제어하는 각각의 제어기에 대하여 설명한다.
우선 도 5를 참조로 하여 3상 3레벨 PWM 정류기(110)의 동작을 제어하는 DC전압및입력역률 제어기에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치에서 DC전압및입력역률 제어기의 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, DC전압및입력역률 제어기(150)는 위상검출기(151), 직류전압 제어기(152), 복수의 상 전류 제어기(153, 155, 157), 및 복수의 상 정류 PWM발생기(154, 156, 158)를 포함한다.
위상검출기(151)는 입력전압 즉, 상용전압의 위상 및 위상 변화를 검출한다. 이를 위해 위상검출기(151)는 PLL을 통해 상용전압의 위상 즉 각도(theta)을 검출하고, 검출한 각도에 PLL의 시간지연을 고려한 보상각도를 보상하여 위상정보를 포함한 사인값(sinwt)을 검출한다.
직류전압 제어기(152)는 3상 3레벨 PWM 정류기(110)의 DC측 전압(Vdc)을 일정한 직류전압으로 유지시키기 위하여, 검출된 직류전압(Vdc)과 DC전압 제어명령값(기준값, Vdc_ref)을 비교하여 오차값을 검출하고, 오차값을 PI(비례적분) 제어기(152a)를 통해 3상 각각의 전류지령값(Ia_ref, Ib_ref, Ic_ref)를 생성하여 출력한다. 전류지령값은 직류전압(Vdc)이 DC전압 제어명령값이 되기 위해 제어되어야 할 전류 조정값이다.
복수의 상 전류 제어기(153, 155, 157)는 각각 해당 상의 전류지령값에 대응한 듀티(duty) 제어량을 산출한다. 이를 위해 상 전류 제어기(153, 155, 157) 각각은 직류전압 제어기(152)에서 제공한 해당 상의 전류지령값(Ia_ref, Ib_ref, Ic_ref)을 수신하고, 수신한 전류지령값을 해당 상의 입력전류 검출값(Ia, Ib, Ic)과 비교하여 오차값을 파악하며, PI 제어기(153a)를 통해 오차값에 대응하는 듀티지령값을 파악한다. 그런 다음 각각의 상 전류 제어기(153, 155, 157)는 듀티지령값에 위상 검출기(151)에서 파악한 입력전압의 위상을 곱하여 전압지령값을 산출하고, 듀티 산출기(153b)를 통해 전압지령값에 대응하는 듀티 정보를 출력한다. 여기서 듀티 정보는 튜티 제어량으로, 예컨대 사인파의 형태로 제공된다.
복수의 상 정류 PWM발생기(154, 156, 158) 각각은 3상 3레벨 PWM 정류기(110)를 이루는 각 상의 인버터의 스위칭 소자(즉 복수의 IGBT)로 온, 오프 신호 즉, PWM 신호를 제공한다. 이를 위해 복수의 상 정류 PWM발생기(154, 156, 158) 각각은 3레벨 펄스폭변조기(154a)와 스위칭신호 발생기(154b)를 포함한다. 3레벨 펄스폭 변조기(154a) 각각은 해당 상 전류 제어기(153, 155, 157)로부터 수신된 듀티 정보를 수신하여 듀티 정보에 대응한 듀티값인 온또는 오프 정보(예; D11 내지 D14)를 생성하여 스위칭 신호 발생기(154b)에 제공한다.
이에 스위칭 신호 발생기(154b)는 수신된 온 또는 오프 정보를 수신하여 스위칭 소자간에 온 시간 간격(즉, 데드 타임)을 설정하고, 설정한 데드 타임을 기준으로 하여 듀티 정보에 따라 각 스위칭 소자로 온 또는 오프 신호인 PWM 신호를 출력한다.
다음으로, 도 6을 참조로 하여 3상 3레벨 PWM 인버터(120)의 동작을 제어하는 출력전압 제어기에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치에서 출력전압 제어기의 구성도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 출력전압 제어기(160)는 바이패스 위상검출기(161), 위상보상기(162), 복수의 인버터출력전압 제어기(163, 165, 167)와, 복수의 인버터 PWM발생기(164, 166, 168)를 포함한다.
위상검출기(161)는 입력전압 즉, 상용전압의 위상 및 위상 변화를 검출한다. 이를 위해 위상검출기(161)는 PLL을 통해 상용전압의 위상 즉 각도(theta)을 검출하고, 검출한 각도에 PLL의 시간지연을 고려한 보상각도를 보상하여 위상정보를 포함한 사인값(sinwt)을 검출한다. 위상보상기(162)는 위상 쉬프트(Phase Shifter)를 이용하여 위상검출기(161)로부터 사인값에 부하측의 전류(Io)를 반영하여 위상을 보정하고 보정된 사인값(sinwt1)을 출력한다.
대부분의 전산장비는 콘덴서 입력형 전원장치를 내장하고 있어 동시에 전원인가시 임펄스성의 큰 충격전류가 순간적으로 흐르게 되는데, 이를 보상하기 위한 것이 위상보상기(162)이다. 이 위상보상기(162)는 부하전류(Io)를 검출하여 과전류 보호값과의 차이를 검출하며, 이에 비례하여 위상 정보를 포함한 사인값(sinwt1)을 출력한다.
복수의 인버터출력전압 제어기(163, 165, 167)는 3상 3레벨 PWM 인버터(120)의 출력전압 즉, 3상 교류전압을 설정된 크기 및 위상을 가지도록 제어한다. 이를 위해 복수의 출력전압 제어기(163, 165, 167) 각각은 해당 상의 AC측 출력전압(즉, 검출값)과 해당 상의 출력전압 제어명령값을 비교하여 오차값을 검출하고, 오차값을 PI(비례적분) 제어기(163a)를 통해 3상 각각의 전압지령값를 생성하여 출력한다. 이때 PI 제어기(163a)의 출력단에 임계치를 제한하는 리미터(163b)를 설치하여 전류지령값이 설정된 범위내의 값만 출력이 되도록 한다.
리미터(163b)를 통과한 전압지령값은 위상보상기의 출력과 연산되어 듀티 제어할 전압지령값을 산출하고, 듀티 산출기(163c)를 통해 전압지령값에 대응하는 듀티 정보를 출력한다. 여기서 듀티 정보는 예컨대 사인파의 형태로 제공된다.
복수의 인버터 PWM발생기(164, 166, 168) 각각은 3상 3레벨 PWM 정류기(110)를 이루는 각 상의 인버터의 스위칭 소자로 온, 오프 신호 즉, PWM 신호를 제공한다. 이를 위해 복수의 인버터 PWM발생기(164, 166, 168) 각각은 3레벨 펄스폭변조기(164a)와 스위칭신호 발생기(164b)를 포함한다. 3레벨 펄스폭 변조기(164a) 각각은 해당 출력전압 제어기(163, 165, 167)로부터 수신된 듀티 정보를 수신하여 듀티 정보에 대응한 듀티값인 온, 오프 정보(예; D41 내지 D44)를 생성하여 스위칭 신호 발생기(154b)에 제공한다.
이에 스위칭 신호 발생기(164b)는 수신된 듀티 정보를 수신하여 스위칭 소자간에 온 시간 간격(즉, 데드 타임)을 설정하고, 설정한 데드 타임을 기준으로 하여 듀티 정보에 따라 각 스위칭 소자로 온 또는 오프 신호인 PWM 신호를 출력한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 3상 3레벨 PWM 정류기 120 : 3상 3레벨 PWM 인버터
130 : 충방전부 140a : 제1 필터부
140b : 제2 필터부 150 : DC전압및입력역률 제어기
160 : 출력전압 제어기

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 계통으로부터 제공된 교류 입력전원을 직류전원으로 변환하여 출력하고, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 상기 계통에 전력을 방출하는 3상 3레벨 PWM 정류기,
    직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하는 3상 3레벨 PWM 인버터,
    상기 3상 3레벨 PWM 정류기의 출력전압으로 배터리를 충전시키고, 정전이나 내부 이상 발생시에 상기 배터리의 전압을 상기 3상 3레벨 PWM 인버터로 제공하는 충방전부,
    상기 교류 입력전원의 3상의 위상을 파악하고, 상기 3상 3레벨 PWM 정류기에 의해 출력된 직류전압의 오차 및 3상 각각의 입력전류를 파악하며, 상기 교류 입력전원의 3상의 위상, 상기 3상 각각의 입력전류 및 상기 직류전압의 오차를 이용하여 상기 3상 3레벨 PWM 정류기의 스위칭 소자들로 PWM 신호를 제공하는 DC전압및입력역률 제어기, 그리고
    상기 교류 입력전원에서 3상의 위상을 파악하고, 상기 3상 3레벨 PWM 인버터에 의해 출력된 교류전압의 오차 및 상기 3상 3레벨 PWM 인버터로 입력되는 직류전압을 파악하며, 상 3상의 위상, 상기 교류전압의 오차 및 상기 직류전압을 이용하여 상기 3상 3레벨 PWM 인버터의 스위칭 소자들로 PWM 신호를 제공하는 출력전압 제어기를 포함하며,
    상기 3상 3레벨 PWM 정류기 및 상기 3상 3레벨 PWM 인버터는 4개의 스위칭 소자를 T형으로 구성한 3레벨 인버터 브릿지 3개를 병렬로 구성하여 3상 4선식 출력전압발생이 가능하고,
    상기 DC전압및입력역률 제어기는
    상기 교류 입력전원의 위상 및 위상 변화를 검출하여 사인값을 출력하는 위상검출기,
    상기 3상 3레벨 PWM 정류기에서 출력하는 상기 직류전압의 검출값과 DC전압 제어명령값을 비교하여 제1 오차값을 검출하고, 제1 오차값에 대응하는 각 상의 전류지령값을 출력하는 직류전압 제어기,
    각 상의 입력전류 검출값과 상기 직류전압의 검출값을 이용하여 각각 해당 상의 전류지령값에 대응한 듀티 제어량을 산출하는 복수의 상 전류 제어기, 그리고
    상기 듀티 제어량을 입력으로 하여 상기 3상 3레벨 PWM 정류기를 이루는 각 상의 상기 4개의 스위칭 소자로 PWM 신호를 제공하는 복수의 상 정류 PWM발생기를 포함하는 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 상 정류 PWM발생기 각각은
    해당 상 전류 제어기로부터 수신된 듀티 정보를 수신하여 듀티 정보에 대응한 듀티값인 온 또는 오프 정보를 생성하여 출력하는 3레벨 펄스폭 변조기와,
    상기 온 또는 오프 정보를 수신하여 상기 스위칭 소자간에 데드 타임을 설정하고, 설정한 상기 데드 타임을 기준으로 하여 상기 온 또는 오프 정보에 따라 각 스위칭 소자로 온 또는 오프 신호인 상기 PWM 신호를 출력하는 스위칭 신호 발생기를 포함하는 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치.
  4. 제2항에서,
    상기 출력전압 제어기는
    상기 교류 입력전원의 위상 및 위상 변화를 검출하여 사인값을 출력하는 위상검출기,
    상기 3상 3레벨 PWM 인버터에서 출력하는 3상 교류전압 각각을 설정된 크기 및 위상을 가지도록, 해당 상의 교류전압 검출값과 해당 상의 출력전압 제어명령값을 비교하여 상기 교류전압의 오차를 검출하고, 상기 교류전압의 오차에 대응하는 듀티 정보를 직류전압의 검출값과 해당 상의 부하전류 검출값을 이용하여 산출하고 출력하는 복수의 인버터출력전압 제어기, 그리고
    상기 듀티 정보를 수신하여 상기 스위칭 소자간에 데드 타임을 설정하고, 설정한 상기 데드 타임을 기준으로 하여 상기 듀티 정보에 따라 각 스위칭 소자로 온 또는 오프 신호인 상기 PWM 신호를 출력하는 스위칭 신호 발생기를 포함하는 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치.
  5. 제4항에서,
    상기 위상 검출기의 사인값에는 PLL을 이용하여 검출된 위상에 상기 PLL의 지연성분에 의한 제1 보상 위상이 반영되어 있는 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치.
  6. 제5항에서,
    상기 위상 검출기의 사인값을 입력으로 하고 상기 부하의 전류에 따라 상기 위상 검출기의 사인값을 보정하고 보정된 사인값을 상기 인버터출력전압 제어기에 제공하는 위상 보상기를 더 포함하는 3레벨 전력변환기를 이용한 무정전 전원장치.

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101627505B1 (ko) * 2015-10-22 2016-06-07 성신전기공업(주) 무정전 전원장치
CN110365223A (zh) * 2018-04-08 2019-10-22 佛山科学技术学院 一种基于三电平逆变技术的三相大功率不间断电源

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101174891B1 (ko) * 2010-06-01 2012-08-17 삼성에스디아이 주식회사 전력 저장 시스템 및 그 제어방법
KR101319959B1 (ko) * 2013-06-25 2013-10-28 (주)테스 하이브리드 에너지 저장 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101174891B1 (ko) * 2010-06-01 2012-08-17 삼성에스디아이 주식회사 전력 저장 시스템 및 그 제어방법
KR101319959B1 (ko) * 2013-06-25 2013-10-28 (주)테스 하이브리드 에너지 저장 시스템

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101627505B1 (ko) * 2015-10-22 2016-06-07 성신전기공업(주) 무정전 전원장치
CN110365223A (zh) * 2018-04-08 2019-10-22 佛山科学技术学院 一种基于三电平逆变技术的三相大功率不间断电源
CN110365223B (zh) * 2018-04-08 2024-02-13 佛山科学技术学院 一种基于三电平逆变技术的三相大功率不间断电源

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