KR20220087080A - 이종 전원을 사용하는 무정전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정전 시스템에 관한 것으로, 정전시 부하에 전력을 공급하는 UPS(Uninterruptible Power Supply)와, 상기 UPS의 전력 공급중에 동기화 및 발전을 수행하여 전력 공급을 개시하는 비상발전기와, 상기 비상발전기의 전력 공급 개시 시점을 결정함과 아울러 상기 비상발전기의 전력 공급이 영전력에서 선형으로 점차 증가하여 공급되도록 제어하는 무정전 절체부를 포함할 수 있다.

Description

이종 전원을 사용하는 무정전 시스템{Uninterruptible power system using heterogeneous power sources}

본 발명은 이종 전원을 사용하는 무정전 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 이종 전원간 절체시 신뢰성을 향상시킬 수 있는 무정전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 무정전 전원 공급장치는 UPS(Uninterruptible Power Supply)와 같이 단주기형과 ESS(Energy Storage System)과 같이 장주기형으로 분류할 수 있다.

단주기형 무정전 장치의 경우 용도가 정전 후 5분 내지 10분 정도의 짧은 시간 동안 정전 없이 부하에 전력을 공급하여, 전기 설비 등이 안정적으로 정지하며, PC 기반의 장치들이 백업을 수행할 수 있는 시간을 제공한다.

따라서 단주기형 무정전 장치는 정수장이나 가압장 등 정전 후 다시 복전까지 지속적인 전력이 공급되어야 하는 시설에는 부적합하다.

장주기형 무정전 장치의 경우 장시간 전력을 공급할 수 있다는 점에서는 유리하지만, 전력 공급시간은 배터리의 용량에 의해 결정되며, 장시간 전력 공급을 위해 배터리의 용량을 증가시키면 비용 또한 증가하게 된다.

USP 또는 ESS는 발전기 등 다른 전력공급수단과 함께 사용하기 위하여 절체 기능이 필수적으로 요구된다.

공개특허 10-2017-0078989호(비상발전기-EESS 연계 운전 시스템 및 그의 품질 평가 방법, 2017년 7월 10일 공개)에는 정전시 EESS가 부하에 전원을 공급하고, 비상발전기의 가동 후 전원 절체 동작을 수행하여 부하에 비상발전기의 전원을 공급하는 구성이 기재되어 있다.

이와 같은 종래의 방식은 통상 무정전전 절체 시스템인 CTTS(Closed Transition Transfer Switch)를 사용하고 있다.

그러나 CTTS는 비상발전기 또는 ESS의 직접 제어는 불가능하며, 단순히 동기 절체 기능을 하기 때문에 부하에 ESS의 전원이 공급되다가 비상발전기의 전원이 공급되는 절체 시점에서 전압 품질을 보장할 수 없다.

즉, 비상발전기의 초기 운전에서 전원의 불안정이 발생할 수 있기 때문이다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 비용을 줄이면서도 이종 전원간의 절체 동작에서 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이종 전원을 사용하는 무정전 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 무정전 시스템은, 본 발명은 무정전 시스템에 관한 것으로, 정전시 부하에 전력을 공급하는 UPS(Uninterruptible Power Supply)와, 상기 UPS의 전력 공급중에 발전을 수행하여 전력 공급을 개시하는 비상발전기와, 상기 비상발전기의 전력 공급 개시 시점을 결정함과 아울러 상기 비상발전기의 전압과 주파수를 측정하여 유·무효 전력을 제어함과 동시에 전력 공급이 영전력에서 선형으로 점차 증가하여 공급되도록 제어하는 무정전 절체부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 무정전 절체부는, 상기 비상발전기의 조속기의 주파수를 제어하여 상기 비상발전기의 유효전력을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 무정전 절체부는, 상기 비상발전기의 자동전압조정기의 전압을 제어하여 상기 비상발전기의 무효 전력을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 무정전 절체부의 제어기는, 아래의 수학식1에 근거하여, 계통과 상기 비상발전기의 위상차(

)를 조정하여 유효전력(P)을 조정하고, 전압차(V)의 크기를 조정하여 무효전력(Q)을 조정할 수 있다.

[수학식1]

X는 유도성 선로 임피던스, E는 비상발전기의 출력전압

본 발명의 실시예에서, 상기 UPS는, 상기 전력망 또는 상기 비상발전기의 전력이 부하에 공급되는 것을 선택적으로 차단하는 제1·2절체부와, 자체에 구비된 배터리의 전력을 상기 부하로 공급하는 제3절체부를 포함하고, 정전시 상기 제1절체부가 열린 상태에서, 상기 제3절체부를 닫아 상기 배터리의 전력을 상기 부하로 공급함과 아울러 상기 비상발전기의 전력이 공급되는 시점에서 상기 제2절체부를 닫아 상기 부하에 대하여 상기 비상발전기와 병렬연결될 수 있다.

본 발명은 상대적으로 저비용의 UPS와 비상발전기를 사용하여 무정전 시스템을 구축하여 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 절체부에서 비상발전기의 가변 전압 제어 및 가변 주파수 제어가 가능하도록 구성함으로써, UPS 전원과 병렬 운전이 가능하도록 하여 절체시 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 전원을 이용한 무정전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 동작 상태에 따른 전력 그래프의 예시도이다.
도 3은 MODE0과 MODE4에 해당하는 본 발명의 절체 상태도이다.
도 4는 MODE1에 해당하는 본 발명의 절체 상태도이다.
도 5는 MODE3에 해당하는 본 발명의 절체 상태도이다.
도 6은 비상발전기의 등가회로도이다.
도 7은 본 발명의 비상발전기의 병렬 운전에 대한 개념도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 전원을 사용하는 무정전 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 시스템은, UPS(10)와 비상발전기(30)의 이종 전원을 사용하며, 무정전 절체부(20)로 비상발전기(30)의 가변 주파수 제어 및 가변 전압 제어가 가능하도록 구성된다.

상기 무정전 절체부(20)의 제어기(21)는 비상발전기(30)의 조속기(32, GOVERNOR)를 제어하여 주파수를 제어할 수 있으며, 자동전압조정기(31, AVR)를 제어하여 전압을 제어할 수 있는 것으로 한다.

무정전 절체부(20)는 전력망(70)에 병렬 구조의 상기 UPS(10)와 상기 비상발전기(30)를 연결제어하는 제1절체부(22)와, 부하(40)에 비상발전기(30)의 전원을 공급 또는 차단할 수 있는 제2절체부(23)를 포함한다.

UPS(10)는 배터리(13)와, 배터리(13) 전력을 부하(40)에 선택적으로 공급하는 제3절체부(11)와, 상기 부하(40)에 전력 또는 상기 비상발전기(30)의 전력을 연결 제어하는 제4절체부(14)를 포함한다.

제4절체부(14)는 STS(Static Transfer Switch)를 사용한다.

상기 전력변환부(12)는 상용 UPS용 PCS(Power Conversion System)를 사용하여, ESS용 PCS를 적용한 시스템에 비하여 저가로 구성할 수 있다.

부가적으로 본 발명은 PMS(50, Power Management System)과 RCS(60, Remote Control System)을 포함할 수 있다. PMS(50)는 전체적인 전력을 모니터링 및 제어하는 역할을 하며, RCS(60)는 원격에서 PMS(50)를 확인하고 제어하는 역할을 한다.

상기 전력변환부(12)는 정전 발생시 정전 검출 시점으로부터 정상 전력 공급까지 4ms 이내로 심리스(seamless) 동작을 한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 무정전 시스템의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

작용의 설명은 정상 상태와 정전 상태로 구분하여 설명하며, 정전 상태는 심리스 동작과 병렬 연결 동작으로 나누어 설명한다.

먼저, 정상 상태에서 전력망(70)의 전력이 무정전 절체부(20)의 제1절체부(22)와 UPS(10)의 제4절체부(14)를 통해 부하(40)에 공급한다.

이때, 무정전 절체부(20)의 제2절체부(23)는 열린상태가 된다.

상기 UPS(10)의 동작은 배터리(13)의 충전상태에 따라 전력변환부(12)의 제어에 의해 결정되며, 양방향(Bi-direction)으로 동작한다.

예를 들어 UPS(10)의 배터리(13)가 설정 전압 이하이면 충전 모드로 동작하도록 제어되며, 전력망(70)의 전력에 의해 배터리(13)를 충전한다.

배터리(13)의 전압이 설정 전압을 초과하는 경우 전력변환부는 충전을 정지하게 되며, 제3절체부(11)는 전력변환부의 충전·정지와 무관하게 항상 닫힌 상태로 되어 있어 정전상황에 대비한다.

도 2는 본 발명의 동작 상태에 따른 전력 그래프의 예시도이다.

도 2를 참조하면 위의 정상 상태 동작은 도 2에서 MODE0에 해당하며, 부하에는 전력망(70)의 전력만 공급되고, UPS(10)와 비상발전기(30)의 전력은 공급되지 않는다.

도 3에 MODE0과 MODE4에 해당하는 본 발명의 절체 상태를 도시하였다.

상기 UPS(10)의 전력변환부(12)는 단독 운전 방지(Anti-Islanding) 알고리즘에 의해 계통의 정전 상태를 확인하게 되며, 무정전 절체부(20) 또한 센서를 이용하여 전력망(70)에서 공급되는 전력을 확인하여 정전 상태를 확인한다.

반대로 정전 상태에서 전력망(70)을 통해 전력 공급이 검출되면 도 2의 MODE4와 같이 부하(40)에 전력망(70)의 전력이 공급되도록 한다.

이처럼 전력망(70)의 복전이 검출되면, 무정전 절체부(20)의 제어기(21)는 전압과 위상 동기화를 수행하며, 동기화가 완료되면 제1절체부(22)를 닫아 전력망(70)의 전력이 부하(40)에 공급될 수 있도록 한다.

이때, 비상발전기(30)는 비상발전기 동작 여부를 제어 한다. 출력을 낮추고(DERATING), 정지한다.

도 4는 정전이 발생한 상태인 MODE1에 해당하는 절체 상태도이다.

전력망(70)의 정전이 발생하면 도 2의 MODE1과 같이 UPS(10)의 전력변환부(12)에서 제4절체부(14)를 열어 전력망(70) 또는 비상발전기(30)의 전력이 부하(40)에 공급되는 것을 차단함과 아울러 UPS(10)의 배터리(13) 전력이 부하(40)에 공급되도록 하는 심리스 제어를 수행한다.

이때, 무정전 절체부(20)의 제1절체부(22)와 제2절체부(23)의 상태는 무관하지만, 바람직하게는 모두 열린상태가 되도록 한다.

도 2에서 MODE2는 상기 UPS(10)의 전력이 부하(40)에 공급되는 상태에서, 비상발전기(30)가 동기화하는 구간이다.

MODE2에서는 상기 제1 내지 제4절체부(22, 23, 11, 14)의 상태는 앞서 설명한 도 4와 동일한 것으로 한다.

비상발전기(30)는 기동 후 UPS(10)와 전압 및 주파수 동기화 동작을 한다.

이때, 상기 무정전 절체부(20)의 제어기(21)는 자동전압조정기(31)와 조속기(32)를 제어하여 비상발전기(30)의 전력이 투입될 때 영전력 절체가 가능하도록 제어한다.

그 다음, 도 2의 MODE3에서는 영전력 절체된 비상발전기(30)의 전력이 부하로 공급된다. 이때 UPS(10)의 전력도 부하(40)로 공급된다.

즉, 비상발전기(30)와 UPS(10)가 부하(40)에 대하여 병렬로 연결되어 각각의 전력이 모두 부하(40)로 공급된다.

도 5는 MODE3의 절체부 상태를 나타낸다.

도 5에 도시한 바와 같이 제2 내지 제4절체부(23, 11, 14)가 모두 닫힌 상태이고, 제1절체부(22)는 열린 상태가 된다.

비상발전기(30)는 정격 용량의 50% 이상의 부하가 급변하게 되면 출력전압이 변동되고 심한 경우에는 발전기 오류가 발생하게 된다.

이러한 문제점을 보완하기 위하여 비상발전기(30)의 투입시 전력이 영전력에서 시작되도록 하는 소프트 스타트(soft-start) 동작을 하게 한다.

이를 위하여 상기 무정전 절체부(20)의 제어기(21)는 비상발전기(30)의 조속기(32) 및 자동전압조정기(31)를 제어 한다.

계통측에 연결되어 병렬로 운전되는 비상발전기는 계통의 출력단 또는 UPS(10) 측 전압의 크기와 주파수를 측정하여 유효 전력 또는 무효 전력의 제어가 가능하다.

이때의 제어 전력량을 유도하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 비상발전기(30)의 등가회로도이다.

도 6을 참조하면,

는 비상발전기(30) 출력 전압,

는 비상발전기(30) 출력전류,

는 선로 임피던스, 그리고

은 PCC(Point of Common Coupling) 전압을 나타낸다.

는 비상발전기(30)에서 선로 임피던스를 통해 PCC 단에 흐르는 전류를 나타낸다.

비상발전기(30)에서 발생되는 복소 전력(S)을 구하면 아래 수학식1 및 수학식2로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

상기 수학식2에 표현된 복소 전력(S)은 수학식3과 같이 유효전력과 무효전력으로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

이때 일반적으로 선로 임피던스의 성분은 대부분 유도성 X 성분이 저항성 R 성분 보다 매우 크다고 가정되기 때문에 (

) 저항성 성분은 무시한다(

).

또한 인버터와 PCC단의 전력각

는 작기 때문에,

로 정의할 수 있다.

따라서 유도성 성분이 지배적인 선로 임피던스의 경우 유효전력과 무효전력은 수학식4와 같이 간단하게 표현 할 수 있다.

[수학식 4]

수학식4를 보면 유효전력은 PCC단(계통 또는 UPS(10))과 비상발전기(30)측의 위상차(

)의 크기에 의해서 결정되고 무효 전력은 전압차의 크기에 의해서 결정된다.

도 7은 상기 수학식들을 통해 도출한 결과를 바탕으로 비상발전기(30)의 병렬 운전에 대한 개념을 표현한 것이다.

이종 전력간의 유효전력제어를 위해서는 위상차(

) 제어를 해야한다. 즉, 주파수를 제어를 해야한다. 이는 비상발전기(30)의 조속기(32)를 제어하여 비상발전기(30)의 회전수(rpm)를 변경 가능해야 한다.

또한, 무효전력을 제어하기 위해서는 비상발전기(30)의 자동전압조정기(31)를 제어하여 전압의 크기를 변경해야 한다.

따라서, 상기 제어기(21)는 자동전압조정기(31)를 제어하여 무효전력(Q)을 제어하고, 조속기(32)를 제어하여 유효전력(P)을 조정할 수 있으며, 이종 전원 간의 병렬 운전시 비상발전기(30)의 전력이 영전력에서 선형으로 증가하도록 제어해야 한다.

이때 전력의 증가는 도 7에 도시한 바와 같이 1차 함수로 증가하도록 주파수와 전압 제어를 수행한다.

이와 같이 본 발명은 정전시 UPS(10)의 전력을 부하(40)에 공급하는 중에 비상발전기(30)를 가동하고, 비상발전기(30)와 UPS(10)를 병렬로 연결하여 비상발전기(30)와 UPS(10)의 전력이 모두 부하(40)에 공급되도록 함과 아울러 병렬 연결시작 시점에서 비상발전기(30)의 전력이 영전력으로부터 선형으로 증가하도록 제어함으로써, 전력공급의 안정성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10:UPS 11:제3절체부
12:전력변환부 13:배터리
14:제4절체부 20:무정전 절체부
21:제어기 22:제1절체부
23:제2절체부 30:비상발전기
31:자동전압조정기 32:조속기

Claims (5)

1. 정전시 부하에 전력을 공급하는 UPS(Uninterruptible Power Supply);
   상기 UPS의 전력 공급중에 발전을 수행하여 전력 공급을 개시하는 비상발전기; 및
   상기 비상발전기의 전력 공급 개시 시점을 결정함과 아울러 상기 비상발전기의 전압과 주파수를 측정하여 유·무효 전력을 제어함과 동시에 전력 공급이 영전력에서 선형으로 점차 증가하여 공급되도록 제어하는 무정전 절체부를 포함하는 무정전 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 무정전 절체부는,
   상기 비상발전기의 조속기의 주파수를 제어하여 상기 비상발전기의 유효전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 무정전 절체부는,
   상기 비상발전기의 자동전압조정기의 전압을 제어하여 상기 비상발전기의 무효 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 무정전 절체부의 제어기는,
   아래의 수학식1에 근거하여,
   계통과 상기 비상발전기의 위상차(

   

   )를 조정하여 유효전력(P)을 조정하고, 전압차(V)의 크기를 조정하여 무효전력(Q)을 조정하는 것을 특징으로 하는 무정전 시스템.
   [수학식1]
   

   

   
   X는 유도성 선로 임피던스, E는 비상발전기의 출력전압
5. 제3항에 있어서,
   상기 UPS는,
   전력망 또는 상기 비상발전기의 전력이 부하에 공급되는 것을 선택적으로 차단하는 제1·2절체부; 및
   자체에 구비된 배터리의 전력을 상기 부하로 공급하는 제3절체부를 포함하고,
   정전시 상기 제1절체부와 제4절체부가 열린 상태에서, 상기 제3절체부는 닫힌 상태에서 상기 배터리의 전력을 상기 부하로 공급함과 아울러 상기 비상발전기의 전력이 공급되는 시점에서 상기 제2절체부를 닫아 상기 부하에 대하여 상기 비상발전기와 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 무정전 시스템.

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