KR20040057673A - 독립적 제어구조를 갖는 엔 플러스 1 모듈형 무정전전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 N+1 모듈형 무정전 전원장치(UPS)의 병렬운전을 위해 종래에 사용된 부하 분담용 신호선을 제거하고 독립적인 병렬운전을 수행하는 UPS에 관한 것으로, 특히 종래의 방식이 갖는 센싱 노이즈나 상호 간섭에 의한 문제를 제거하고, 종래 독립 병렬제어 방식의 단점을 보완하기 위해 인버터간 불평형 파라미터를 제거하여 무효전력 편차의 발생을 최소화하는 구조를 가지며, 시스템의 불안정한 과도특성을 완충하는 가상의 임피던스를 삽입하여 과도순환 전류를 저감하는 역할을 수행하며, 위상수하 PLL을 적용하여 유효 전력편차를 보상하고 정전 및 복전시 모드전환이 가능한 UPS를 제공한다.

Description

독립적 제어구조를 갖는 엔 플러스 1 모듈형 무정전 전원장치{N+1 Module Type UPS Having Self-Support Control Structure}

본 발명은 N+1 모듈형 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply; 이하 UPS라 함) 시스템의 병렬운전을 위해 종래에 사용되어 온 부하 분담용 신호선을 제거하고 독립적인 병렬운전을 수행하는 UPS에 관한 것으로, 특히 종래의 방식이 갖는 센싱 노이즈나 상호 간섭에 의한 문제를 제거하고, 종래 독립 병렬제어 방식의 단점을 보완하기 위해 인버터간 불평형 파라미터를 제거하여 무효전력 편차의 발생을 최소화하는 구조를 가지며, 시스템의 불안정한 과도특성을 완충하는 가상의 임피던스를 삽입하여 과도순환 전류를 저감하는 역할을 수행하며, 위상수하 PLL을 적용하여 유효 전력편차를 보상하고 정전 및 복전시 모드 전환이 가능한 무정전 전원장치를 제공한다.

최근 전원의 신뢰성 확보를 위하여 전원 이상에 대비한 무정전 전원장치(이하, UPS)의 필요성이 더욱 증가하고 있는 추세이며, 특히 정보화 시스템과 같은 중요한 부하에 대한 신뢰성을 확보하기 위한 리던던시(Redundancy) 개념의 병렬운전 방식이 도입되고 있다.

그러나 병렬운전 시스템은 모듈사이에 임피던스가 서로 다르고 동기가 일치하더라도 라인 임피던스 및 특성차이로 순환전류가 항상 발생하는 문제점을 가진다. 그러므로 병렬형 UPS 시스템은 인버터 사이에 발생하는 순환전류의 제거가 필요하며 이를 구현하기 위해 별도의 부하분담 알고리즘이 필요하다.

도1은 종래의 전력편차 병렬운전 방식으로 동작하는 UPS를 나타낸 것으로, 다수개의 UPS 모듈(10)이 출력전원 버스(b)에 병렬로 결합되는 구조를 가지며 전류 및 전압의 이중제어 루프를 포함하여 동작하며, 일단에는 UPS를 통해 전원을 공급받는 전기, 전자 장비와 같은 부하(c)가 연결되어 있다.

상기 전력편차 운전방식으로 동작하는 다수개의 UPS 모듈에 내장되어 있는 각각의 인버터(15)는 동일한 알고리즘으로 운전되며 특히 전력분담을 위해 각각의 UPS는 모듈별 출력 전류값(12)과 부하 전류값(a)를 검출하고 부하전류 분배기(13)를 사용하여 전류편차(14)를 계산한다. 이러한 계산된 전류편차(14)로 유효 및 무효 전력편차를 유도하며, 유효 전력편차는 위상보상에 사용되고 무효 전력편차는 전압제어에 인가되는 방식으로 병렬제어를 수행한다.

상기 전력편차 병렬운전 방식은 병렬 UPS 모듈들 사이에 발생하는 불평형요소를 보상하여 우수한 전력분담을 수행하는 장점이 있으나, 전류편차(14)를 계산하기 위해서는 모든 UPS 모듈(10)이 반드시 부하 전류값(a)를 검출해야 하므로 병렬 UPS 개수만큼의 신호라인이 필요하다는 문제점이 있었다.

특히, 전류신호 및 동기신호 라인을 공유함으로써 발생하는 노이즈와 상호간섭 문제는 병렬시스템의 신뢰성을 저감시키며 신호라인 증가로 인한 고장확률도 증가하여 N+1 모듈형 구조의 확장방식에 적용하기 어렵다는 문제점이 있었다.

다음에 도2는 종래의 마스터-슬레이브 병렬운전 방식으로 동작하는 UPS를 나타낸 것으로, 상기 UPS는 전압제어를 수행하여 전압원으로 등가되는 마스터 모듈(20)과, 전류제어를 수행하여 전류원으로 등가되는 다수개의 슬레이브 모듈(30)들로 구성된다. 특히 마스터-슬레이브 병렬방식에서 슬레이브 모듈(30)들의 전류 기준값(22)은 마스터 모듈의 인버터 전류를 모든 슬레이브 모듈(30)이 공유하는 방식으로 구성되어 있다.

따라서, 상기 도1의 전력편차 병렬운전 방식의 UPS와는 다르게 마스터-슬레이브 방식의 UPS는 전압원 병렬제어가 아니므로 위상보정 신호라인이 필요 없고 별도의 전력분담 알고리즘이 필요 없으므로 제어기 구조가 단순해지는 장점을 가진다.

그러나 슬레이브 모듈(30) 개수만큼의 전류 기준값(22)의 신호라인이 필요하고, 마스터 모듈(20)과 슬레이브 모듈(30)의 제어기 전환시 과도특성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있으며, 병렬운전을 위한 시퀀스 회로가 복잡하고 UPS 모듈별로제어기의 독립성을 조장하기 어려워 완전한 N+1 개념의 병렬 시스템 구축이 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서 상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 N+1 모듈형 UPS의 병렬운전 제어를 위해 종래에 사용된 부하 분담용 신호선을 제거하고 독립적인 운전을 수행하며, 종래의 독립 병렬제어 방식의 문제점을 보완하기 위하여 인버터간 불평형 파라미터 보상 모듈을 적용하여 무효전력 편차의 발생을 최소화하는 UPS를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 시스템의 불안정한 과도특성을 완충하는 가상의 임피던스를 삽입하여 과도 순환전류를 저감하며, 상기 가상 임피던스 삽입에 따른 출력전압 강하를 보상하기 위하여 임피던스 전압강하 보상기를 적용하여 정상상태 전압을 안정화시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 주파수 수하제어의 문제점인 바이패스와 위상 비동기를 제거하기 위해 위상수하 PLL 알고리즘을 적용하여 유효 전력편차를 보상하고 정전 및 복전시 위상 보정이 가능하도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수의 UPS 모듈이 병렬로 연결되는 무정전 전원장치에 있어서, 각각의 UPS 모듈의 인버터로부터 출력되는 전류값이 각각의 상기 인버터로 귀속되는 UPS 모듈들과, 상기 각각의 UPS 모듈들이 부하분담을 위한 신호선이 없이 전원 출력선만 결합되어 부하에 연결되는 것을 특징으로 하는독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치를 제공한다.

도1은 종래의 전력편차 병렬운전 방법으로 작동하는 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도2는 종래의 마스터-슬레이브 병렬운전 방법으로 작동하는 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도3은 본 발명에 따른 독립 병렬운전 방법으로 작동하는 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도4는 본 발명에 따른 랙-마운트 형태를 가지는 N+1 모듈형 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도5는 본 발명에 따른 전력변환장치를 포함하는 N+1 모듈형 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도6은 본 발명에 따른 상호 불평형 파라미터 보상부를 포함하는 N+1 모듈형 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도7은 본 발명에 따른 가상의 임피던스를 포함하는 N+1 모듈형 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도8은 본 발명에 따른 독립 병렬제어부를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치를 나타낸 도면.

도9는 본 발명에 따른 디지털 PLL 알고리즘을 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20,40,120,220,320,420,520 : UPS 모듈

11,21,41: 인버터 전류 12,42,302 : 출력전류

13 : 부하전류 분배기 22 : 전류 기준값

15,23,43,227,327 : 인버터 14 : 전류 편차

b,204,304 : 출력전원 버스 a : 부하전류

20 : 마스터 UPS 모듈 c : 부하

100 : 하우징 30 : 슬레이브 UPS 모듈

130,230 : 배터리 모듈 110 : 인터페이스 모듈

201 : 입력전원 버스 200 : 무정전 전원장치

203 : 변압기 202 : 바이패스 스위치

205,305,505 : 입력 상용전원 221 : 정류기

222 : 입력단 절환 스위치 223 : 배터리 충전 릴레이

224 : PFC 컨버터 225 : 배터리 충전기

226 : DC 링크 커패시터 231,232 : 직류전원 버스

301,501 : 인버터 출력전압

303 : 불평형 파라미터 보상 모듈 304,504 : 전력 모듈

310,510 : 전력 계산부 320,540 : 전압 수하 제어기

330,530 : 주파수 수하 제어기 340 : 전압편차 적분기

350,550 : PLL부 360,560 : 출력전압 제어기

370,590 : 출력전류 제어기 380 : 펄스폭 변조기

450 : 출력 임피던스 460,507,570 : 가상 임피던스

506 : 독립 병렬 제어모듈 580 : 전압강하 보상기

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도3은 본 발명에 따른 독립 병렬운전 방식으로 동작하는 UPS를 나타낸 것으로, 다수개의 UPS 모듈들(40)이 완전한 형태의 병렬로 연결되어 있으며, 각 UPS 모듈의 출력 전류값(42)과 인버터 전류값(41)은 각 UPS 모듈의 인버터(43)로 귀속되며, 각 UPS 모듈(40)들의 출력전원 버스(b)가 결합되어 부하(c)에 연결된다.

상기 독립 병렬제어 방식은 각각의 모듈별로 유효 전력에 따른 위상 및 주파수 수하제어를 수행하고 무효전력에 따른 출력전압 수하제어를 통해 전력분담을 가능하게 한다. 특히 종래의 병렬제어 방식과는 다르게 UPS 모듈 상호간에 신호라인이 없으므로 센싱 노이즈나 상호 간섭 문제가 없으며 장소와 환경에 무관하게 설치 가능하다. 또한, UPS 모듈이 완전한 독립형 제어구조를 가지므로 병렬 개수에 무관하게 무한확장이 가능하며, 시퀀스 및 회로 축소가 가능하여 핫-스왑 기능을 요구하는 N+1 모듈 구동에 적합하다.

다음에 도4는 본 발명의 랙 마운트 형태를 가지는 N+1 모듈형 UPS를 나타낸 것으로, 분리 가능한 독립된 N+1개의 UPS 모듈들(120)과, N개의 배터리 모듈들(130), 그리고 외부 기기와의 통신과 조작 및 디스플레이를 전담하는 인터페이스 모듈(110)로 구성되며, 다수의 UPS 모듈(120)과 배터리 모듈(130)을 수용하는하우징(100)을 포함한다. 또한, 상기 하우징(100)은 다수의 모듈이 착탈될 수 있는 도킹 시스템을 적용하여 병렬로 상기 모듈들을 결합한다.

다음에 도5는 본 발명에 따른 N+1 모듈형 UPS의 전력변환 장치를 나타낸 것으로, 입력전원(205)으로부터 UPS 시스템(200)에 전원이 공급되며, 각각의 UPS 모듈(220)에 입력 전원버스(201)가 공통으로 연결되어 있다. 또한, 전원 이상을 대비하여 다수의 백업용 배터리 모듈(230)이 UPS 시스템(200)에 수용되며, 직류 전원버스(231,232)를 통해 각각의 UPS 모듈(220)에 연결되고, 각각의 배터리 모듈(230) 및 UPS 모듈(220)과 병렬로 연결된 바이패스 스위치(202)에 의해 UPS 시스템(200)의 출력은 상용전원(205)과 인버터(227) 출력 사이에서 절환될 수 있는 구조를 가진다. 상기 입력전원(205)이 정상 상태일 경우는 UPS 모듈(220) 내의 정류기(221)에 의해 교류가 정류되고 역률보상(이하, PFC라 함) 컨버터(224)에 의해 입력전원보다 높은 직류전원으로 전력 변환되어 DC 링크 커패시터(226)에 출력된다. 특히 교류를 직류로 변환할 때 단순한 다이오드 정류기만을 사용하지 않고 PFC 컨버터(224)를 적용하여 입력전류의 종합 고조파 왜율(THD)을 줄이고 입력 역률을 높여 소자정격을 저감시키고 고조파에 의한 영향을 제거하는 방식을 사용한다.

또한 상용전원 상태에서는 PFC 컨버터(224)의 출력 직류전원을 입력으로 하여 배터리 충전기(225)가 일정한 충전 전류 기준값에 의해 배터리 모듈(230)을 충전한다. 그러나 입력전원이 정전되면 배터리 충전 릴레이(223)는 개방되고 입력단 절환 스위치(222)는 입력전원에서 배터리로 상태를 절환하여 배터리의 전력으로UPS를 구동시킨다. 이때 PFC 컨버터(224)는 단순히 부스트 컨버터의 역할을 수행하게 된다.

또한 상기 직류를 교류로 변환시키는 인버터(227)는 출력전원 버스(204)에 의하여 다른 UPS 모듈(220)의 인버터(227)와 병렬로 접속된다. 즉 상술한 N+1 모듈형 UPS는 UPS 모듈 사이에 접속되는 입력 전원버스(201)와 직류 전원버스(231,232), 그리고 출력 전원버스(204)만으로 구성되며 별도의 전류분담 신호나 동기 신호라인이 불필요하게 된다.

상기 N+1 모듈형 UPS 시스템의 동작을 좀더 자세히 설명하기로 한다.

상기 UPS 병렬운전에서 인버터의 기본파 전압을,로 설정하고 선로 임피던스와 인버터 출력 임피던스의 등가값을로 가정하며, 순환전류에 의한 피상전력()을 구하면 수학식1과 같이 복소백터로 전개된다.

여기서, 인버터 출력필터는 주로 인덕턴스 성분으로 구성되므로 등가 임피던스 저항성분을 무시하고 리액턴스()만을 고려하고를 인버터 출력전압의 위상차로 가정하여 피상전력()을 표현한다.

또한, 병렬 인버터의 라인 임피던스는 출력필터에 의한 영향으로 거의 순수한 인덕턴스 성분을 가지므로 위상이 일정하고 출력크기의 변동이 있을 경우 무효전력 순환성분()이 발생하며, 이러한 순환 무효전력은 인버터 출력전압의 이득제어로 보상이 가능하다.

반면에, 출력전압의 크기가 일정하고 모듈간에 위상편차가 존재하면 유효전력 순환성분()이 발생하며 이는 인버터 위상제어를 통해 보상될 수 있다. 이러한 전력편차를 교환하는 고전적인 병렬제어 방식과는 다른 개념으로 독립 병렬제어 알고리즘에서는 Q-V와 P-ω 수하방식을 사용하여 순환전류를 제거한다. 이론적으로 수하제어는 유효전력에 비례하여 일정한 기울기로 주파수가 저감되며 무효전력에 비례하여 출력전압이 강하되는 수하특성을 나타낸다.

수학식2와 수학식3은 주파수와 출력전압의 관계식에 따른 수하곡선을 나타낸 것이다.

여기서,는 무부하시 주파수를,는 무부하시 출력전압을,는 주파수 수하계수를, 그리고는 전압 수하계수를 나타낸다.

주파수 수하 제어방식은 병렬운전 시스템 사이에 특별한 신호선의 상호연결없이 PLL 동기만으로 상용전원의 위상과 주파수를 정확하게 검출하여 각각의 인버터가 동일한 기준 동기를 공유하여 유효전력의 분담을 수행할 수 있다.

그러나 전압 수하제어기는 PLL과 같은 궤환 요소가 없으므로 인버터 상호간에 정보를 주고받지 않으면 선로 임피던스에 의한 전압강하나 제어변수의 검출 오차 및 인버터 이득편차에 의한 무효전력의 불평형 현상은 보상될 수 없다.

또한, 종래의 독립 제어방식에서는 수하계수가 증가할수록 무효 전력편차는 감소하지만 전압편차가 증가하므로 부하용량에 비례하여 전압 안정도와 더불어 시스템의 과도 안정도도 역시 증가시켜 병렬운전 시스템을 불안정하게 만든다.

그러므로 종래의 문제점을 보완하기 위해서는 무효전력을 위한 별도의 보상 방법이 요구되며 이를 위해 본 발명에서는 UPS 모듈간 불평형 파라미터 보상 모듈을 적용한다.

도6은 본 발명에 따른 UPS 모듈 사이에 발생하는 불평형 파라미터를 제거하는 보상모듈을 포함하는 UPS 장치를 나타낸 것으로, 다수의 UPS 모듈(320)이 병렬방식으로 접속되며, 각각의 UPS 모듈(320)은 전력모듈(304)과 불평형 파라미터 보상 모듈(303)로 구성된다.

상기 불평형 파라미터 보상 모듈(303)은 출력전류(302)와 인버터 출력전압(301)을 사용하여 유효-무효 전력을 계산하는 전력 계산부(310)와, 상기 전력 계산부(310)에서 계산된 순환 무효전력을 제거하기 위한 전압수하제어기(320) 및 전압편차 적분기(340)와, 상기 유효-무효전력 계산부(310)에서 계산된 순환 유효전력을 제거하기 위한 주파수 수하 제어기(330)와, 상기 주파수 수하제어기에서 보상된 유효전력의 위상을 보정하기 위한 PLL부(350)와, 인버터의 출력전압을 제어하기 위한 출력전압 제어기(360)와 전류를 제어하는 전류 제어기(370) 및 펄스폭 변조기(이하, PWM)(380)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 불평형 파라미터 보상모듈(303)은 무효 전력편차의 보상과 동시에 우수한 전압 안정도를 구현하기 위해 종래의 전압 수하 특성 제어기의 계수를 최소화한다. 모든 전력 모듈(304)에서 발생하는 불평형 요소를 제거하려면 오차보정 이전의 출력전압 기준값을 보정된 새로운 기준값으로 갱신해야 한다. 기본원리는 Q-V와 P-ω 수하제어 방식을 사용하고 있으나 무부하 상태에서 모든 모듈이 병렬 운전되므로 궁극적으로 순환 유효전력 기준값와 순환 무효전력 기준값은 0으로 설정된다. 상기와 같은 설정은 병렬 인버터가 신호선의 교환 없이 독립 제어방식으로 운전되더라도 무부하 상태인 경우 무효전력과 유효전력의 기준값이 존재하는 것과 같은 효과를 나타내므로, 특히 무효전력 Q를 0으로 수렴시키면 부가적으로 새로운 전압 기준값을 얻을 수 있다.

수학식4와 같이을 기준값으로 설정하고 P와 Q를 0으로 수렴시키면 새로운 선간 전압 기준값를 추정할 수 있다. 이는 병렬 인버터간에 전압불평형이 발생하지 않으면 Q는 항상 0의 값을 유지 하지만 불평형이 발생할 경우 순환성분 Q가 존재하고 이 값은 적분 보상기(340)를 사용하여 0으로 수렴시키는 것이다.

즉, 병렬 UPS 모듈(320) 셋팅시에 오프라인 방식으로 무부하 상태에서 미리 불평형 파라미터를 보정하고 각각의 모듈이 이 값을 기억하여 병렬운전을 수행하면 불평형 요소가 제거된 상태로 운전 가능하다.

불평형 파라미터가 자동으로 튜닝된 전압 기준값은 수학식6과 같이 Q가 0으로 수렴함에 따라 인버터간 전압편차가 일정한 값으로 수렴됨으로써 쉽게 추정이 가능해진다. 또한 상기와 같은 알고리즘을 적용하면 Q-V 수하 제어기 계수인를 종래의 독립 제어방식에 비해 크게 감소시켜 전압안정도와 시스템 안정도를 대폭 향상시킬 수 있다.

독립 병렬제어 방식은 독립적으로 유효-무효 전력을 보상하기 때문에 전력 모듈(304)이 투입 및 절체되는 조건에서는 신호선을 주고받는 방식에 비하여 불안정한 과도상태를 보인다. 따라서 과도상태에서 독립병렬 제어기는 상대적으로 느린 응답성을 가지고 있어 모든 부하분담을 처리하지 못하므로 별도의 과도부하 분담용보상기가 필요하다.

본 발명에서는 전체적인 제어기 구조를 변형하지 않고 인버터 출력단에 임피던스를 삽입하여 과도 순환전류를 저감하는 방식을 사용한다. 그러나 실제로 인버터 출력단에 인덕터와 저항을 사용하여 임피던스를 삽입하면 전압안정도 및 효율이 저감되어 적용하기가 곤란하므로 가상의 임피던스를 대신 사용한다.

도7은 본 발명에 따라 가상 임피던스가 주입된 병렬 인버터의 등가회로를 나타낸 것이며, 각각의 UPS 모듈(420)은 전압 제어기의 응답성에 따른 출력 임피던스(450) Z_0와 임의로 삽입한 가상 임피던스(460)에 따라 순환전류의 양이 가변되는 구조를 가진다.

다음에 도8은 본 발명에 따른 독립 병렬 제어부를 갖는 N+1 모듈형 UPS를 나타낸 것으로, 다수의 UPS 모듈(520)이 부하(c)와 병렬방식으로 접속되며, 각각의 UPS 모듈(520)은 전력 모듈(504)과 독립 병렬 제어모듈(506)로 구성된다. 상기 독립 병렬 제어 모듈(506)은 각각의 UPS 모듈(520)의 인버터에서 출력되는 유효-무효 전력을 계산하는 전력 계산부(510)와, 상기 전력 계산부(510)에서 계산된 무효 전력 편차를 보상하기 위한 전압 수하 제어기(540)와, 상기 전력 계산부(510)에서 계산된 유효 전력 편차를 보상하기 위한 위상 및 주파수 수하 제어기(530)와, 상기 위상 및 주파수 수하 제어기(530)에서 보상된 위상을 보정하기 위한 PLL부(550)와, 순환전류의 양을 가변시키기 위한 가상 임피던스(570)와, 상기 가상 임피던스를 보상하기 위한 전압강하 보상기(580)와, 상기 인버터의 출력을 제어하기 위한 출력전압 제어기(560) 및 출력 전류를 제어하는 출력 전류 제어기(590)와 상기 제어기(590)의 출력값을 스위칭 형태로 증폭하는 PWM으로 구성된다.

수학식 7은 인버터 출력단자의 전력방정식을 나타낸 것으로, 실제 센싱전압성분에 임피던스 전압강하 성분를 첨가하면 제어기로 궤환되는 새로운 출력전압가 생성된다. 즉 가상 임피던스(570)는 단순히 전압 궤환신호의 값을 변형함으로서 구현이 가능하다.

상기 가상 임피던스(570)를 순수한 리액턴스로 구성하면 임피던스에 댐핑이 전혀 없으므로 상태에 따라 제어기와 무관하게 과도응답의 시정수가 느려지는 문제점이 있다. 그러므로 실제 시스템에는 리액터()와 더불어 댐핑 저항()을 첨가하여 수학식 9와 같이 임피던스를 설정한다.

그러나 과도응답의 속응성을 위해 댐핑을 너무 많이 삽입하면 상술한 P-ω와Q-V의 제어 관계가 성립하지 않고 서로 간섭을 일으키게 된다. 그러므로 댐핑 저항은 전체 주입 임피던스의 10% 이내로 설정한다.

또한, UPS 전산장비와 같은 비선형 부하가 접속되는 경우, 인버터 출력전류는 다량의 고조파를 포함하고 있고, 고조파의 주파수가 높을수록 리액터의 임피던스가 증가하므로 인버터 출력단에 고조파에 비례하는 전압강하가 발생한다.

그러므로 순수한 리액터를 임피던스로 주입하지 않고 일정한 차단 주파수()의 고조파 영역 이상에서는 일정한 저항성분만을 갖는 임피던스를 설계하여 고조파 전압강하를 저감시켜야 한다. 이를 위해 수학식 10과 같이 순수한 리액터에 차단주파수에서 극점을 첨가하여 이득 기울기를 일정하게 만들어야 하며 도8의 독립 병렬제어 모듈(506) 내부의 가상 임피던스(570)와 같이 구성된다.

과도상태에서 효과적인 부하분담을 위해서는 임피던스를 정격부하의 1~2%정도 삽입해야 하지만 일반적인 UPS 시스템의 전압 안정도는 2%에서 제한되기 때문에 전압수하 제어기(540)에서 발생하는 전압 강하성분까지 고려하면 상기 수치는 전압 안정도를 훨씬 초과하게 된다. 그러므로 본 발명에서는 과도상태가 발생하는 순간에는 가상 임피던스가 과도순환전류를 차단하고, 정상상태가 되면 임피던스 효과를 제거하는 알고리즘을 도입하여 우수한 정상상태 전압 안정도를 유지하도록 하였다.상기와 같은 동작을 위해서는 과도 상태에서만 임피던스가 유효하고 정상상태에서는 임피던스를 제거하는 적응 알고리즘을 도입해야 한다.

본 발명에서는 이를 쉽게 구현하기 위하여 도8의 전압 강하 보상기(580)는 임피던스에 의해 강하된전압의 절대값과 전압 수하 제어기(540)의 출력전압 기준값의 절대값을 비교하여 전압오차를 추출하고 이 값은 저역통과 필터(582)를 거쳐 오차 평균값으로 계산할 수 있도록 한다. 최종적으로 정상상태 오차는 일정한 시정수를 갖는 적분 보상기(581)를 통해 전압 강하성분을 보상하는 구조를 사용한다. 즉 과도상태에서는 가상 임피던스의 영향으로 출력전압은 부하에 역비례하여 증가하고, 일정 시간이 지나면 전압강하 보상기의 적분 시정수에 의해 전압 강하성분이 보상된다.

여기서 임피던스 주입방식과 전압강하 보상기는 서로 상반된 개념이므로 상호 간섭을 일으킬 수 있으나 저역통과 필터와 적분이득을 조정하여 전압강하 보상기의 대역폭을 가상 임피던스에 비하여 낮게 설정하면 상호 교란 성분을 거의 제거할 수 있다. 이와 같은 방법으로 실제 시스템은 과도 상태에서만 임피던스가 주입되는 효과를 얻을 수 있다.

수학식11은 선로 임피던스의 불균형을 고려하여 일반적인 전압 수하 제어기(540)를 구현한 것이며 이 값은 출력전압 제어기의 기준값으로 사용된다. 수학식12는 전압 강하 보상기가 포함된 새로운 출력전압 기준을 나타내고 있으며 실제로 인버터가 추종하는 전압값을 나타낸다. 또한 도8과 같이 출력전압 기준값와 출력전압, 그리고 임피던스 강하전압를 사용하여 수학식13의 전압 제어기를 구성할 수 있다.

또한 종래의 독립 병렬제어 알고리즘에서 사용되는 주파수 수하방식은 유효전력에 비례하여 주파수가 감소하므로 부하운전 상태에서는 항상 바이패스 주파수에 비해 낮은 주파수로 운전되어 실제 UPS 시스템에 적용하기가 불가능하다. 그러므로 본 발명에서는 바이패스 위상을 오차범위 내에서 추정하는 새로운 구조의 디지털 PLL 알고리즘을 적용한다.

도9는 본 발명에 따른 디지털 PLL 알고리즘을 나타낸 것으로, 위상오차를 보상하는 루프필터(630), 주파수를 위상각으로 변환하는 적분기 구조의 VCO(620), 정전시 스스로 발진하기 위한 주파수 발진기(640), 위상 수하 PLL을 위한 위상 이득인루프(600)와 주파수 수하 PLL을 위한 주파수 이득인루프(610)로 구성된다. 상기 PLL의 전달함수는 바이패스 전압과 PLL 코사인 출력의 상호 상관함수()를 계산하고 저역통과 필터(650)를 통해 위상오차()를 추출하는 과정을 나타낸다. 종래의 주파수 수하제어에서는 유효전력의 보상성분을 도9의루프(610)를 통하여 주파수에 직접 보상하고 코사인 값의 궤환이루프(620) 이전에서 이루어지므로 PLL 출력는 바이패스 신호의 주파수보다 낮은 값을 출력하여 위상 비동기를 유발한다. 그러므로 상기 PLL을 사용하는 UPS는 인버터 운전중에 바이패스로 절대 절체할 수 없는 시스템 구조가 된다.

즉, 본 발명의 PLL은 바이패스 전원이 위상신호를 공급하는 상전모드와 위상신호가 없는 정전모드로 구분되는 이중 PLL 구조를 가진다. 먼저 상전모드에서 PLL은 수학식 14와 같이 주파수 수하제어가 아닌 위상 수하제어를 수행하여 위상전이로 전력각을 제어한다. 또한 상기 PLL은 주파수가 항상 일정하고 미세한 위상편차만을 가지므로 바이패스 절체 시간을 고려하여 위상편차의 제한값을 설정하면 바이패스 절체가 가능해진다. 이때 유효전력의 불평형 요소 또한 독립 제어방식으로 보상이 가능하다.

수학식15는 정전모드를 나타낸 것으로 기본 구조는 주파수 수하방식과 동일하다. 상기 정전모드에서는 기준위상이 없으므로 각각의 UPS 모듈이 미리 설정된 자주 주파수로 운전되며 모듈간의 주파수 편차는 적분기에 의해 자동적으로 보상되는 구조를 가진다. 그러므로 상전 및 정전 모드에 따라과의 이득을 조정함으로써 모드전환을 구현할 수 있다. 상술한 바와 같은 디지털 PLL을 적용하면 상전과 정전상태 모두 사용 가능하며 인버터 사이에 위상신호를 주고받지 않아도 자동적으로 위상을 동기시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 종래의 병렬 UPS와 비교하면 부하분담을 위한 신호라인을 제거할 수 있는 구조를 가지므로 핫-스왑 기능을 지원하는 병렬모듈 구조로 구성할 수 있으며 병렬 개수와 무관하게 무한확장이 가능한 효과가 있다.

또한, 가상의 임피던스를 삽입하여 과도한 순환전류를 저감함으로써 시스템의 불안정한 과도특성을 완충시킬 수 있고, 상기 가상 임피던스 삽입에 따른 출력전압 강하를 보상하기 위한 전압강하 보상기를 적용함으로써 정상상태의 전압을 안정화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 PLL 알고리즘을 적용하여 바이패스와 위상 비동기를 제거함으로써 유효 전력편차를 보상하고 정전 및 복전시 위상 보정이 가능하도록 한다.

Claims (7)

1. 다수의 UPS 모듈이 병렬로 연결되는 무정전 전원장치에 있어서,

   각각의 UPS 모듈의 인버터로부터 출력되는 전류값이 각각의 상기 인버터로 귀속되는 UPS 모듈들과,

   상기 각각의 UPS 모듈들이 부하분담을 위한 신호선이 없이 전원 출력선만 결합되어 부하에 연결되는 것을 특징으로 하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 무정전 전원장치는 각각의 UPS 모듈에 공통으로 연결되어 입력전원을 제공하는 입력 전원 버스와, 전원 이상에 대비하기 위하여 UPS 모듈들에 직류 전원버스들을 통해 연결되어 있는 다수의 백업용 배터리 모듈들과, 상기 각각의 UPS 모듈들과 병렬로 연결되며 최종 출력을 상용전원과 인버터 출력 사이에서 절환될 수 있도록 하는 바이패스 스위치를 포함하는 UPS 모듈 외부 장치와;

   상기 입력전원이 정상상태일 경우 교류를 정류하는 정류기와, 입력전원 보다 높은 전원으로 전력변환하여 출력하는 PFC 컨버터와, 상기 PFC 컨버터의 출력을 저장하는 DC 링크 커패시터와, 상기 상용전원 상태에서 PFC 컨버터의 출력 직류전원으로 일정한 충전 전류 기준값에 따라 배터리 모듈을 충전하는 배터리 충전기를 포함하는 UPS 모듈 내부 장치로 이루어진 전력 변환장치를 포함하는 것을 특징으로하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각각의 UPS 모듈은 전력 모듈과 상기 전력 모듈 출력의 불평형 파라미터들을 보상하기 위한 불평형 파라미터 보상 모듈로 구성되며,

   상기 불평형 파라미터 보상 모듈은 무부하 상태에서 전력모듈의 인버터 출력 전압과 출력 전류를 사용하여 유효-무효 전력을 계산하는 전력 계산부와, 상기 전력 계산부에서 계산된 순환 무효전력을 보상하기 위한 전압 수하 제어기 및 전압 편차 적분기와, 상기 전력 계산부에서 계산된 순환 유효전력을 보상하기 위한 주파수 수하 제어기와, 상기 주파수 수하제어기에서 유효전력의 보상에 사용된 출력전압의 위상을 보정하기 위한 PLL부와, 인버터의 출력전압을 제어하기 위한 출력 전압제어기와, 인버터의 출력 전류를 제어하기 위한 출력 전류 제어기와, 제어기 출력값을 스위칭 형태로 증폭하는 PWM을 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 각각의 UPS 모듈은 전력 모듈과 병렬로 연결된 각각의 UPS 모듈들을 독립적으로 제어하기 위한 독립 병렬 제어모듈로 구성되며,

   상기 독립 병렬 제어모듈은 상기 전력 모듈의 인버터에서 출력되는 유효-무효 전력을 계산하는 전력 계산부와, 상기 전력 계산부에서 계산된 무효 전력 편차를 보상하기 위한 전압 수하 제어기와, 상기 전력 계산부에서 계산된 유효 전력 편차를 보상하기 위한 위상 및 주파수 수하 제어기와, 상기 위상 및 주파수 수하 제어기에서 보상된 위상을 보정하기 위한 PLL부와, 순환전류를 저감시키기 위한 가상 임피던스와, 상기 가상 임피던스를 보상하기 위한 전압 강하 보상기와, 상기 인버터의 출력 전압을 제어하기 위한 출력전압 제어기와, 상기 인버터의 출력 전류를 제어하기 위한 출력전류 제어기와, 제어기 출력값을 스위칭 형태로 증폭하는 PWM을 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 위상을 보정하기 위한 PLL은 위상오차를 보상하는 루프필터와, 주파수를 위상각으로 변환하는 적분기 구조의 VCO와, 정전시 스스로 발진하기 위한 주파수 발진기와, 상전모드의 위상 수하 PLL을 위한 위상 이득인루프와 정전모드의 주파수 수하 PLL을 위한 주파수 이득인루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 순환전류를 저감시키기 위한 가상 임피던스는 출력전류로 가상의 리액터와 저항을 구성하여 임피던스를 주입하고, 상기 주입된 가상 임피던스는 일정한차단 주파수의 고조파 영역 이상에서는 일정한 저항성분만을 갖는 임피던스를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 가상 임피던스를 보상하기 위한 전압 강하 보상기는 가상 임피던스에 의해 강하된 출력전압의 절대값과 전압 수하 제어기의 출력전압 기준값의 절대값을 비교하고 저역통과 필터를 거쳐 전압오차를 추출하며, 상기 추출된 정상상태 전압오차는 일정한 시정수를 갖는 적분 보상기를 통해 전압 강하성분을 보상하는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 제어구조를 갖는 N+1 모듈형 무정전 전원장치.