KR20150106838A - 계통 연계형 피크 관리 겸용 무정전 전원 장치 - Google Patents

계통 연계형 피크 관리 겸용 무정전 전원 장치 Download PDF

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KR20150106838A
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Abstract

전력 전환 스위치(Static switch)를 구비하지 않고도 인버터 출력의 한계를 극복하고 부하에 피크 전력과 부하를 공급할 수 있도록 하기 위하여, 통신을 통해 전원 공급부를 관리하고, 외부로부터 전송되는 전력 정보를 토대로 부하에서 소비되는 전력을 감지하여 인버터를 제어하며, 전원 공급부의 전압 상태와 무정전 전원 장치의 정전 여부에 따라 제1 스위치 또는 제2 스위치가 개방되도록 제어하는 전원 관리부를 부하측에 구비하여, 무정전 전원 장치에 전원이 공급될 수 있도록 한다.

Description

양방향 인버터를 사용한 피크 관리형 무정전 전원 장치{Peak power managing UPS equipped with dibirectional DC/AC inverter}
본 발명은 양방향 인버터를 사용한 피크 관리형 무정전 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로 무정전 전원 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply)와 같은 배터리 전원 공급장치는 과부하가 발생하는 경우, 전력 전환 스위치(예를 들어, static switch 등)가 오프(Off) 상태에서 온(On) 상태로 변경되고 이에 따라 순간적으로 배터리와 계통이 동시에 연결된다. 배터리와 계통이 연결되어 과부하가 해소되더라도 배터리 전력이 계통 측으로 역류할 수 있기 때문에 위험하다.
또한, 일반적인 UPS 방식에서는 배터리 전원 공급 장치와 연결된 인버터의 출력 한계로 인해, UPS 장치가 부하에 공급할 수 있는 전력에 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 배터리에서 추가 전력을 공급할 수 있는 피크 관리형 무정전 전원 장치를 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 무정전 전원 장치는,
전원을 제공하는 외부 시설의 정전에 의해 제1 모드에서 제2 모드로 모드가 전환되면, 무정전 전원 장치에 전원을 공급하는 전원 공급부; 외부로부터 전송되는 전력 정보를 토대로 부하에서 소비되는 전력을 감지하여 인버터를 제어하며, 상기 전원 공급부의 전압 상태 또는 무정전 전원 장치의 정전 여부에 따라 복수의 스위치 중 적어도 하나 이상의 스위치가 개방되도록 제어하는 전원 관리부; 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 상기 부하로 공급하거나, 계통 전력을 상기 전원 공급부로 공급하여 상기 전원 공급부를 충전하는 상기 인버터; 및 계통과 부하 사이에 흐르는 전류를 감지하여 상기 전원 관리부로 상기 전력 정보로 전달하는 상기 부하전류 감지기를 포함한다.
상기 전원 관리부는, 무정전 전원 장치가 제2 모드인 정전 모드로 전환되면, 제1 스위치가 개방되도록 제어하고, 상기 전원 공급부의 전압을 감지하고, 감지한 전원 공급부의 전압이 미리 설정되어 있는 전압보다 낮은 경우 제2 스위치가 개방되도록 제어하고, 상기 무정전 전원 장치가 상기 정전 모드로 전환되면, 제3 스위치가 개방되도록 제어하며, 외부에서 생성된 에너지가 공급되는 경우, 상기 전원 공급부의 전압을 감지하고 미리 설정되어 있는 전압보다 높은 경우 제4 스위치가 개방되도록 제어할 수 있다.
상기 무정전 전원 장치는, 상기 전원 관리부의 제어에 따라 상기 전원 공급부의 전원이 부하로 역류되지 않도록 개방 상태로 전환하는 상기 제1 스위치; 및 상기 전원 관리부의 제어를 통해 상기 전원 공급부가 방전되지 않도록 상기 인버터로의 전력이 상기 전원 공급부로 이동하도록 개방 상태로 전환하는 상기 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 무정전 전원 장치는, 상기 무정전 전원 장치에 정전이 발생하면, 상기 전원 관리부의 제어에 의해 개방 상태로 상태가 변경되어 상기 전원 공급부의 전원이 부하로 공급되도록 하는 상기 제3 스위치; 및 상기 제3 스위치의 개폐 여부에 따라 상기 부하로 전원을 공급하는 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 무정전 전원 장치는 상기 외부에서 생성된 전력을 무정전 전원 장치에서 사용할 수 있도록 변환하는 전력 변환기; 및 상기 외부에서 생성되어 상기 전력 변환기에서 변환된 전력을 상기 전원 공급부로 전달하여 충전하도록 상기 전원 관리부의 제어에 따라 개방 상태로 변환되는 상기 제4 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 과부하나 전력 피크가 발생하는 경우에도 배터리에서 추가 전력을 부하에 공급할 수 있다.
또한, 태양광, 풍력 등 신재생 에너지를 배터리에 저장하였다가 계통에 연결하여 사용할 수 있으므로, 전력 피크를 효과적으로 관리할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 전원 공급 장치를 계통에 연계하는 회로의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무정전 전원 장치에 대한 회로의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 보호 회로의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무정전 전원 장치에 대한 회로의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 보호 회로의 예시도이다.
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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 양방향 인버터를 사용한 피크 관리형 UPS에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 대해 설명하기 앞서, 일반적인 배터리 전원 공급 장치를 계통에 연계하는 회로에 대해 먼저 설명한다.
도 1은 일반적인 배터리 전원 공급 장치를 계통에 연계하는 회로의 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 전원 공급 장치에 전력 전환 스위치(10)를 구비하여, 부하에 공급하는 전력을 배터리(20)의 전력 또는 계통 전력 중 어느 하나로 선택하여 사용하도록 한다.
이때, 부하가 발생하는 경우 전력 전환 스위치(10)가 닫히면서 순간적으로 계통의 전류를 부하에 공급하는 경우가 발생한다. 이는 부하를 보호하기 위한 순간적인 상황으로 정상적인 경우에 해당하지 않기 때문에, 전력 회사에서 안전상의 이유로 금지하고 있다. 왜냐하면 인버터(40)의 출력이 계통측으로 역류할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 부하가 요로 하는 전력의 일부만 배터리 전원 장치에서 공급하고 나머지 전력은 계통에서 공급할 수 있도록 하는 전원 장치에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무정전 전원 장치에 대한 회로의 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무정전 전원 장치(100)는 전원 공급부(110), 전원 관리부(120), 인버터(130), 제1 스위치(140), 제2 스위치(150) 및 전류 감지기(160)를 포함한다.
전원 공급부(110)는 전원을 공급해주는 외부 시설의 정전에 의해 제1 모드인 전원 공급 모드에서 제2 모드인 배터리 모드로 무정전 전원 장치(100)가 모드 전환되면, 무정전 전원 장치(100)에 DC 전원을 공급한다. 본 발명의 실시예에서는 전원 공급부(110)로 배터리를 예로 하여 설명한다.
전원 관리부(120)는 통신(예를 들어, RS485 통신 또는 CAN(Controller Area Network) 통신 등)을 이용하여 전원 공급부(110)를 관리한다. 전원 관리부(120)는 전류 감지기(160)를 통해 전달되는 부하 측에서 소비하는 전력 관련 정보를 수신하여 부하에서 어느 정도의 전력을 소비하는지 감지하고, 감지한 부하 전력의 정보를 이용하여 인버터(130)를 제어한다. 즉, 부하의 소비 전력을 확인하고 이를 토대로 인버터(130)를 제어하여, 부하가 필요로 하는 전력을 전원 공급부(110)과 계통에서 동시에 공급될 수 있도록 한다.
또한 전원 관리부(120)는 전원 공급부(110)의 전압을 감지하고, 감지한 전원 공급부(110)의 전압이 미리 설정되어 있는 전압보다 낮을 경우 제2 스위치(150)가 개방되도록 제어한다. 이는 전원 공급부(110)가 과도하게 방전되지 않도록 관리하기 위함이다.
또한, 전원 관리부(120)는 무정전 전원 장치(100)에 정전이 발생하였는지 확인하고, 정전이 발생한 경우 제1 스위치(140)가 개방되도록 제어한다. 이는 전원 공급부(110)의 전력이 부하로 역류되지 않도록 하기 위함이다. 즉, 전원 공급부(110)에서 공급되는 전력을 부하로 제공하는 경우, 전원 관리부(120)는 인버터(130)의 출력 전력이 부하가 사용하는 전력보다 작아지도록 제어하여, 전원 관리부(120)의 전력이 계통 측으로 역류하지 않도록 한다.
인버터(130)는 전원 공급부(110)에서 공급되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환한다. 그리고 인버터(130)는 전원 공급부(110)의 전원을 부하에 공급하기도 하고, 계통의 전력을 전원 공급부(110)로 공급하여 전원 공급부(110)를 충전하기도 한다. 이러한 인버터(130)는 양방향 DC/AC 인버터를 사용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
제1 스위치(140)는 계통과 부하 사이에 설치되며 전원 관리부(120)의 제어를 통해 무정전 전원 장치(100)에 정전이 발생하면 개방되어 전원 공급부(110)의 전원이 부하로 역류되지 않도록 한다.
제2 스위치(150)는 전원 공급부(110)와 인버터(130) 사이에 연결되며, 전원 관리부(120)의 제어를 통해 개방되면, 전원 공급부(110)가 과도하게 방전되지 않도록 인버터(130)로의 전력이 전원 공급부(110)로 이동하게 한다.
전류 감지기(160)는 부하 측에 위치하며, 계통과 부하 사이에 흐르는 전류를 감지한다. 전류 감지기(160)가 감지한 전류에 대한 정보는 전원 관리부(120)로 전달하여, 전원 관리부(120)가 부하에서 소비하는 전력을 감지할 수 있도록 한다.
이와 같은 무정전 전원 장치(100)에 부하를 보호하는 회로를 부가한 회로에 대해 도 3을 참조로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 보호 회로의 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도 2에서 설명한 무정전 전원 장치(100)의 한쪽에 부하 보호를 위한 컨버터(170) 및 제3 스위치(180)를 더 포함한다.
컨버터(170)는 부하 중 중요 부하로 설정한 부하단 앞단에 설치되며, 제3 스위치(180)의 개폐 여부에 따라 부하로 전원을 공급한다. 본 발명의 실시예에서는 AC-AC 컨버터를 통해 교류 전압을 다른 주파수를 갖는 교류 전압으로 변환하여 전원을 공급하는 것을 예로 하여 설명한다.
제3 스위치(180)는 무정전 전원 장치(100)에 정전이 발생하면, 전원 관리부(120)의 제어에 의해 개방 상태가 되어 전원이 중요 부하로 공급되도록 한다. 이를 위해, 부하를 보호하는 회로가 부가된 무정전 전원 장치(100)의 전원 관리부(120)는 정전시 제3 스위치(180)가 개방 상태가 되도록 제어하는 기능을 추가로 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같은 부하 보호 회로를 구비한 무정전 전원 장치(100)를 이용하면, 피크 관리와 함께 UPS 기능도 동시에 수행할 수 있다.
한편, 무정전 전원 장치의 또 다른 예에 대해 도 4 및 도 5를 참조로 설명한다. 도 4 및 도 5의 본 발명의 제2 실시예에 따른 무정전 전원 장치는 태양광이나 풍력 등 신재생 에너지 발전 장치로부터 공급받은 전력으로 전원 장치를 충전하는 경우에 대해 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무정전 전원 장치에 대한 회로의 예시도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 보호 회로의 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무정전 전원 장치(200)는 전원 공급부(210), 전원 관리부(220), 인버터(230), 전력 변환기(240), 전류 감지기(250), 제1 스위치(260-1), 제2 스위치(260-2) 및 제3 스위치(260-3)를 포함한다. 그리고 부하 보호를 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 제4 스위치(260-4)와 컨버터(270)를 더 포함한다.
먼저 도 4에 도시된 바와 같이, 무정전 전원 장치(200)의 전원 공급부(210)는 외부 정전에 의해 배터리 모드로 무정전 전원 장치(200)가 모드 전환되면, 무정전 전원 장치(200)에 DC 전원을 공급한다. 본 발명의 실시예에서는 전원 공급부(210)로 배터리를 예로 하여 설명한다.
전원 관리부(220)는 통신(예를 들어, RS485 통신 또는 CAN(Controller Area Network) 통신 등)을 이용하여 전원 공급부(210)를 관리한다. 전원 관리부(220)는 전류 감지기(250)를 통해 전달되는 부하 측에서 소비하는 전력 관련 정보를 수신하여 부하에서 어느 정도의 전력을 소비하는지 감지하고, 감지한 부하 전력의 정보를 이용하여 인버터(230)를 제어한다.
또한 전원 관리부(220)는 전원 공급부(210)의 전압을 감지하여, 전원 공급부(210)의 전압이 미리 설정되어 있는 전압보다 낮을 경우 제3 스위치(260-3)가 개방되도록 제어하여 전원 공급부(210)가 과도하게 방전되지 않도록 관리하여 준다. 또한, 전원 관리부(220)는 무정전 전원 장치(200)에 정전이 발생하였는지 확인하고 정전이 발생한 경우 제1 스위치(260-1)가 개방되도록 제어하여, 전원 공급부(210)의 전력이 부하로 역류되지 않도록 제어한다.
또한, 전원 관리부(220)는 전원 공급부(210)가 외부의 신재생 에너지 발전 장치에서 생성된 신재생 에너지에 의해 과도하게 충전되는 것을 방지하기 위하여, 전원 공급부(210)의 전압을 감지한 후 미리 설정되어 있는 전압보다 높은 경우 제2 스위치(260-2)가 개방되도록 제어한다. 이를 토대로 전원 공급부(210)의 전력이 과도하게 충전되는 것을 막아준다.
인버터(230)는 전원 공급부(210)에서 공급되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환한다. 그리고 인버터(230)는 전원 공급부(210)의 전원을 부하에 공급하기도 하고, 계통의 전력을 전원 공급부(210)로 공급하여 전원 공급부(210)를 충전하기도 한다. 이러한 인버터(230)는 양방향 DC/AC 인버터를 사용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
전력 변환기(240)는 신재생 에너지 발전 장치에서 생성된 전력을 무정전 전원 장치(200)에서 사용할 수 있도록 변환한다. 전력 변환기(240)가 전력을 변환하는 방법은 여러 방법을 통해 수행될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.
전류 감지기(250)는 부하 측에 위치하며, 계통과 부하 사이에 흐르는 전류를 감지한다. 전류 감지기(250)가 감지한 전류에 대한 정보는 전원 관리부(220)로 전달하여, 전원 관리부(220)가 부하에서 소비하는 전력을 감지할 수 있도록 한다.
제1 스위치(260-1)는 계통과 부하 사이에 설치되며 전원 관리부(220)의 제어를 통해 무정전 전원 장치(200)에 정전이 발생하면 개방되어 전원 공급부(210)의 전원이 부하로 역류되지 않도록 한다.
제2 스위치(260-2)는 전력 변환기(240)와 전원 공급부(210) 사이에 위치하여, 전원 관리부(220)의 제어에 따라 닫힘 상태에서 개방 상태로 상태가 변환되면, 신재생 에너지 발전 장치에서 생성되어 전력 변환기(240)에서 변환된 전력을 전원 공급부(210)로 전달하여 충전되도록 한다.
제3 스위치(260-3)는 전원 공급부(210)와 인버터(230) 사이에 연결되며, 전원 관리부(220)의 제어를 통해 개방되면, 전원 공급부(210)가 과도하게 방전되지 않도록 인버터(230)로의 전력이 전원 공급부(210)로 이동하게 한다.
그리고 무정전 전원 장치(200)의 부하 보호를 위한 제4 스위치(260-4)는 무정전 전원 장치(200)에 정전이 발생하면, 전원 관리부(220)의 제어에 의해 개방 상태가 되어 전원이 중요 부하로 공급되도록 한다. 이를 위해, 부하를 보호하는 회로가 부가된 무정전 전원 장치(200)의 전원 관리부(220)는 정전시 제4 스위치(260-4)가 개방 상태가 되도록 제어하는 기능을 추가로 포함한다.
컨버터(270)는 부하 중 중요 부하로 설정한 부하단 앞단에 설치되며, 제4 스위치(260-4)의 개폐 여부에 따라 부하로 전원을 공급한다. 본 발명의 실시예에서는 AC-AC 컨버터를 통해 교류 전압을 다른 주파수를 갖는 교류 전압으로 변환하여 전원을 공급하는 것을 예로 하여 설명한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 무정전 전원 장치에 있어서,
    전원을 제공하는 외부 시설의 정전에 의해 제1 모드에서 제2 모드로 모드가 전환되면, 무정전 전원 장치에 전원을 공급하는 전원 공급부;
    외부로부터 전송되는 전력 정보를 토대로 부하에서 소비되는 전력을 감지하여 인버터를 제어하며, 상기 전원 공급부의 전압 상태 또는 무정전 전원 장치의 정전 여부에 따라 복수의 스위치 중 적어도 하나 이상의 스위치가 개방되도록 제어하는 전원 관리부;
    상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 상기 부하로 공급하거나, 계통 전력을 상기 전원 공급부로 공급하여 상기 전원 공급부를 충전하는 상기 인버터; 및
    계통과 부하 사이에 흐르는 전류를 감지하여 상기 전원 관리부로 상기 전력 정보로 전달하는 상기 부하전류 감지기
    를 포함하는 무정전 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 관리부는,
    무정전 전원 장치가 제2 모드인 정전 모드로 전환되면, 제1 스위치가 개방되도록 제어하고,
    상기 전원 공급부의 전압을 감지하고, 감지한 전원 공급부의 전압이 미리 설정되어 있는 전압보다 낮은 경우 제2 스위치가 개방되도록 제어하고,
    상기 무정전 전원 장치가 상기 정전 모드로 전환되면, 제3 스위치가 개방되도록 제어하며,
    외부에서 생성된 에너지가 공급되는 경우, 상기 전원 공급부의 전압을 감지하고 미리 설정되어 있는 전압보다 높은 경우 제4 스위치가 개방되도록 제어하는 무정전 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전원 관리부의 제어에 따라 상기 전원 공급부의 전원이 부하로 역류되지 않도록 개방 상태로 전환하는 상기 제1 스위치; 및
    상기 전원 관리부의 제어를 통해 상기 전원 공급부가 방전되지 않도록 상기 인버터로의 전력이 상기 전원 공급부로 이동하도록 개방 상태로 전환하는 상기 제2 스위치
    를 포함하는 무정전 전원 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 무정전 전원 장치에 정전이 발생하면, 상기 전원 관리부의 제어에 의해 개방 상태로 상태가 변경되어 상기 전원 공급부의 전원이 부하로 공급되도록 하는 상기 제3 스위치; 및
    상기 제3 스위치의 개폐 여부에 따라 상기 부하로 전원을 공급하는 컨버터
    를 포함하는 무정전 전원 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 외부에서 생성된 전력을 무정전 전원 장치에서 사용할 수 있도록 변환하는 전력 변환기; 및
    상기 외부에서 생성되어 상기 전력 변환기에서 변환된 전력을 상기 전원 공급부로 전달하여 충전하도록 상기 전원 관리부의 제어에 따라 개방 상태로 변환되는 상기 제4 스위치
    를 더 포함하는 무정전 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 외부에서 생성된 전력은 신재생 에너지인 무정전 전원 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 계통과 부하 사이에 설치되고, 상기 제2 스위치는 상기 전원 공급부와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 제3 스위치는 부하측에 설치되고, 상기 제4 스위치는 상기 전력 변환기와 상기 전원 공급부 사이에 위치하는 무정전 전원 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 양방향 DC/AC 인버터인 무정전 전원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전원 관리부는 RS485 통신 또는 CAN(Controller Area Network) 통신 중 어느 하나의 통신을 이용하여 상기 전원 공급부와 통신하여 관리하는 무정전 전원 장치.
KR1020150032463A 2014-03-12 2015-03-09 계통 연계형 피크 관리 겸용 무정전 전원 장치 KR20150106838A (ko)

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