KR102142074B1 - Controller of Hybrid Uninterruptible Power Supply including Energy Storage System - Google Patents
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Abstract
본 발명의 ESS(Energy Storage System) 기능을 갖는 하이브리드 UPS의 제어 장치에 있어서, 접속 계통에 대하여 유효 및 무효전력을 양방향으로 제어 함으로서 피크 시간대에 수용가의 첨두부하 삭감(Peak shaving)및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하거나 수용가의 역률을 조정하는 역할을 수행하는 AC/DC 컨버터, 계통과 상기 AC/DC 컨버터 사이의 배전 선로에서 전선을 연결하거나 차단하기 위한 스위치, 상기 AC/DC 컨버터의 출력단과 연결되어, DC-링크 전압을 공급받아, 일정한 크기와 주파수를 갖는 교류전압을 공급하는 정전압 정주파수 제어를 수행하여, 부하에 안정적인 AC 전압을 공급하기 위한 DC/AC 컨버터 및 충전모드일 때 배터리가 충전되도록 하고, 방전모드일 때 상기 배터리가 방전되도록 제어하고, 상기 DC-링크 전압이 일정한 전압이 되도록 충전모드와 방전모드를 제어하는 DC/DC 컨버터를 포함하며, 정상 동작시에는 상기 스위치가 닫혀 있는 상태에서 계통과 상기 AC/DC 컨버터가 연결되어 있고, 비상 동작시에는 상기 스위치가 열리면서 계통과 상기 AC/DC 컨버터 사이가 차단되며, 이때 상기 AC/DC 컨버터는 동작이 중지되고, 상기 DC/DC 컨버터는 DC-링크 전압이 일정해지도록 제어를 유지한다. 본 발명에 의하면, ESS 기능을 갖는 하이브리드 UPS에서, 제어모드 전환에 따른 과도현상을 방지함으로써, 중요 부하에 안정적인 고품질의 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.In the hybrid UPS control device having the ESS (Energy Storage System) function of the present invention, by controlling the active and reactive power in both directions to the connected system, peak shaving and load leveling of the customer at peak times (Load) AC/DC converter performing leveling or adjusting the power factor of the customer, a switch for connecting or disconnecting a wire in a distribution line between the system and the AC/DC converter, connected to the output terminal of the AC/DC converter The battery is charged in the DC/AC converter and charging mode to supply a stable AC voltage to the load by performing constant voltage constant frequency control to supply an AC voltage having a certain size and frequency by receiving a DC-link voltage. And a DC/DC converter that controls the battery to be discharged in the discharge mode and controls the charging mode and the discharge mode so that the DC-link voltage is a constant voltage, and the switch is closed during normal operation. In the state, the system and the AC/DC converter are connected, and in an emergency operation, the switch is opened to cut off between the system and the AC/DC converter, wherein the AC/DC converter is stopped and the DC/DC The converter maintains control so that the DC-link voltage becomes constant. According to the present invention, in a hybrid UPS having an ESS function, it is possible to supply stable, high-quality power to a critical load by preventing a transient phenomenon caused by switching of a control mode.
Description
본 발명은 무정전 전원 장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System) 기능을 포함하는 하이브리드 UPS의 제어 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an uninterruptible power supply (UPS), and more particularly, to a control device of a hybrid UPS including an energy storage system (ESS) function.
일반적으로, 무정전 전원 장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)는 상용전원의 일부를 배터리에 저장하여, 상용전원의 이상 현상이 발생할 경우에 배터리에서 전력을 공급하여 인버터에서 부하측에 교류전원을 공급하는 장치이다. 즉, 평상시 교류(AC)전원을 직류(DC)로 변환하여 배터리에 저장하고 있다가 교류전원의 정전, 순간정전, 전압변동 등의 비상 상황이 발생될 때, 배터리에 저장되어 있던 직류전원을 인버터를 통하여 다시 교류전원으로 변환해주는 장치이다. 이와 같은 무정전 전원 장치는 발전소, 통신사, 방송국, 병원 등 고도의 전원공급 안정성이 요구되는 다양한 분야에 사용되고 있다.In general, an uninterruptible power supply (UPS) is a device that stores a portion of commercial power in a battery and supplies power from a battery when an abnormality occurs in the commercial power to supply AC power to the load side of the inverter. . That is, the AC power is normally converted to DC (DC) and stored in a battery. When an emergency such as a power outage, instantaneous power outage or voltage change occurs, the DC power stored in the battery is an inverter. It is a device that converts back to AC power. Such an uninterruptible power supply is used in various fields that require high power supply stability, such as power plants, telecommunication companies, broadcasting stations, and hospitals.
UPS는 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)와 유사하게 전력 변환장치(PCS, Power Conditioning System)와 배터리로 구성되어 있다. UPS와 ESS의 가장 큰 차이점은 UPS가 정전 상황 등의 비상 상황에서만 동작하는 반면, ESS는 상시 동작이 가능하다는 점이다. 따라서 고가의 UPS 배터리에 저장된 에너지는 비상시에만 이용할 수 있어 배터리 투자비용 대비 이용률이 매우 낮다. 만약 UPS와 ESS를 통합하여 구축한다면 PCS의 가격을 줄이고 배터리의 이용률을 높일 수 있다. 따라서 최근에는 UPS와 ESS의 기능을 통합하여 평상시에는 전력사용 피크 시간대에 첨두부하 삭감(Peak shaving)및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하고, 비상시에는 중요부하에 비상전원을 공급하는 하이브리드 UPS에 관한 연구개발이 진행되고 있다.The UPS is composed of a power conversion system (PCS) and a battery, similar to an energy storage system (ESS). The main difference between UPS and ESS is that UPS operates only in emergency situations, such as a power outage, while ESS is always available. Therefore, the energy stored in the expensive UPS battery can be used only in an emergency, so the utilization rate is very low compared to the investment cost of the battery. If UPS and ESS are integrated, the cost of PCS can be reduced and battery utilization can be increased. Therefore, recently, UPS and ESS functions are integrated to perform peak shaving and load leveling during peak hours of electricity use, and in the event of an emergency, a hybrid UPS that supplies emergency power to critical loads. Research and development is in progress.
기존의 UPS와는 달리, 하이브리드 UPS는 평상시에 배터리에 저장된 에너지를 충·방전함으로써 첨두부하 삭감 및 부하 평준화 역할을 수행하기 때문에, 비상시에는 중요부하에 안정적인 전력을 공급하기위한 모드로의 전환이 필요하게 된다. 이러한 하이브리드 UPS의 모드 전환은 순간적으로 과도현상을 야기할 수 있고, 이 과도현상은 중요 부하의 안전성 및 신뢰성을 감소시키므로, 신속한 모드전환이 요구된다.Unlike conventional UPSs, hybrid UPSs act as peak load reduction and load leveling by charging and discharging energy stored in the battery at normal times, so it is necessary to switch to a mode to supply stable power to critical loads in an emergency. do. Mode switching of such a hybrid UPS can cause transients instantaneously, and this transient decreases the safety and reliability of critical loads, so a rapid mode switching is required.
기존에 제안된 하이브리드 UPS의 제어방식은 평상시 충전 및 방전 모드에 상관없이 AC/DC 컨버터가 DC-링크 전압을 일정하게 제어하고, 양방향 DC/DC 컨버터가 배터리의 충·방전 전력제어를 담당한다. 이 제어 방식은 배터리에 직접 연결되어있는 양방향 DC/DC 컨버터가 배터리의 충·방전 제어 주체가 되기 때문에 배터리 관리 측면에서 유리할 수 있다. 하지만, 계통에 사고가 발생하면 AC/DC 컨버터가 동작을 중지하고, 기존에 DC-링크 전압을 일정하게 제어하던 AC/DC 컨버터를 대신하여 DC/DC 컨버터가 DC-링크 전압 일정제어를 수행해야한다. 따라서 DC/DC 컨버터가 충·방전 전력제어에서 DC-링크 전압 일정제어로 제어방식을 전환해야한다. 하지만 이러한 제어방식의 전환은 DC-링크 전압의 심각한 과도현상을 야기하고 중요 부하에 전달되는 전압의 품질을 저하 시킬 수 있다는 문제점이 있다.In the conventional proposed hybrid UPS control method, the AC/DC converter constantly controls the DC-link voltage regardless of the normal charging and discharging mode, and the bidirectional DC/DC converter takes charge of charging and discharging power of the battery. This control method may be advantageous in terms of battery management since the bidirectional DC/DC converter directly connected to the battery becomes the main charge and discharge control subject of the battery. However, when an accident occurs in the system, the AC/DC converter stops operating and the DC/DC converter must perform DC-link voltage constant control instead of the AC/DC converter that previously controlled the DC-link voltage constantly. do. Therefore, the DC/DC converter must switch the control method from charging/discharging power control to DC-link voltage constant control. However, there is a problem in that the switching of the control method may cause a serious transient of the DC-link voltage and degrade the quality of the voltage delivered to the critical load.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, ESS 기능을 갖는 하이브리드 UPS에서, 제어모드 전환에 따른 과도현상을 방지하여, 중요 부하에 고품질의 전력을 공급할 수 있는 하이브리드 UPS의 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and in a hybrid UPS having an ESS function, a control device for a hybrid UPS capable of supplying high-quality power to a critical load by preventing transients due to switching of a control mode The purpose is to provide.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 ESS(Energy Storage System) 기능을 갖는 하이브리드 UPS의 제어 장치에 있어서, 접속하는 전력 계통에 대한 유효전력과 무효전력을 제어하여 피크 시간대에 수용가의 첨두부하 삭감(Peak shaving)및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하거나 수용가의 역률을 조정하는 AC/DC 컨버터, 계통과 상기 AC/DC 컨버터 사이의 배전 선로에서 전선을 연결하거나 차단하기 위한 스위치, 상기 AC/DC 컨버터의 출력단과 연결되어, DC-링크 전압을 공급받아, 일정한 크기와 주파수를 갖는 교류전압을 공급하는 정전압 정주파수 제어를 수행하여, 부하에 안정적인 AC 전압을 공급하기 위한 DC/AC 인버터 및, 상기 DC-링크 전압이 일정한 전압이 되도록 충전 및 방전모드에서 동작하는 DC/DC 컨버터를 포함하며, 정상 동작시에는 상기 스위치가 닫혀 있는 상태에서 계통과 상기 AC/DC 컨버터가 연결되어 있고, 비상 동작시에는 상기 스위치가 열리면서 계통과 상기 AC/DC 컨버터 사이가 차단되며, 이때 상기 AC/DC 컨버터는 동작이 정지되고, 상기 DC/DC 컨버터는 DC-링크 전압이 일정해지도록 제어를 유지한다. In the control device of a hybrid UPS having an ESS (Energy Storage System) function of the present invention for achieving the above object, by controlling the active power and reactive power for the power system to be connected, the peak load of the customer is reduced at the peak time ( AC/DC converter for performing peak shaving and load leveling or adjusting the power factor of the customer, a switch for connecting or disconnecting a wire in a distribution line between a grid and the AC/DC converter, the AC/DC converter DC/AC inverter for supplying a stable AC voltage to the load by being connected to the output terminal of the DC-link voltage and performing constant voltage constant frequency control to supply an AC voltage having a certain size and frequency. -Contains a DC/DC converter that operates in charge and discharge modes so that the link voltage is a constant voltage. In normal operation, the system and the AC/DC converter are connected while the switch is closed, and in emergency operation When the switch is opened, the system is disconnected from the AC/DC converter, where the AC/DC converter is stopped, and the DC/DC converter maintains control so that the DC-link voltage is constant.
상기 DC/DC 컨버터는 DC-링크 전압이 일정하도록 제어하기 위하여, 상기 AC/DC 컨버터가 지령받은 전력이 부하에 공급되는 전력보다 큰 경우, 충전모드로 전환하여 상기 배터리에 전력을 저장하고, 상기 AC/DC 컨버터가 지령받은 전력이 부하에 공급되는 전력보다 작거나 접속 계통 측으로 공급하는 전력이 요구되는, 방전모드로 전환하여 상기 배터리에 저장되어 있는 전력을 접속 계통 측 및 부하에 전달할 수 있다. The DC/DC converter stores the power in the battery by switching to a charging mode when the power received by the AC/DC converter is greater than the power supplied to the load in order to control the DC-link voltage to be constant. The AC/DC converter may transfer power stored in the battery to the connected system side and the load by switching to a discharge mode in which the commanded electric power is less than the power supplied to the load or the power supplied to the connected system side is required.
상기 AC/DC 컨버터는 접속 계통 측에 대하여 유효 및 무효 전력을 공급 및 수전을 할 수 있도록 양방향 전력 조류 제어가 가능하다. The AC/DC converter is capable of bidirectional power current control to supply and receive active and reactive power to the connected system side.
본 발명에 의하면, ESS 기능을 갖는 하이브리드 UPS에서, 제어모드 전환에 따른 과도현상을 방지함으로써, 중요 부하에 안정적인 고품질의 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, in a hybrid UPS having an ESS function, it is possible to supply stable, high-quality power to a critical load by preventing a transient phenomenon caused by switching of a control mode.
즉, 본 발명에서 제안하는 제어방식을 적용한 하이브리드 UPS는 비상모드시 과도현상이 발생하는 것을 방지하고, 중요 부하에 대해 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있는 장점이 있다. That is, the hybrid UPS to which the control method proposed in the present invention is applied has an advantage of preventing transients from occurring in the emergency mode and supplying more stable power to critical loads.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 UPS의 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 α-β좌표를 d-q 회전좌표로 변환한 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유효전력 및 무효전력을 제어하기 위한 전류 제어기를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전압 정주파수 제어 모델을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전압 정주파수 제어기 모델을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에서 제안하는 제어 방식이 적용된 제1 실험예의 DC-링크 전압 파형을 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 제1 실험예에서 중요 부하의 순시 전압 파형을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명에서 제안하는 제어 방식이 적용된 제2 실험예의 DC-링크 전압 파형을 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 제2 실험예에서 중요 부하의 순시 전압 파형을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에서 제안하는 제어 방식이 적용된 제3 실험예의 DC-링크 전압 파형을 도시한 것이다.
도 14 및 도 15는 제3 실험예에서 중요 부하의 순시 전압 파형을 도시한 것이다. 1 is a view showing a control device of a hybrid UPS according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing that the α-β coordinates are converted to dq rotation coordinates.
3 is a diagram illustrating a current controller for controlling active power and reactive power according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a constant voltage constant frequency control model according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a constant voltage constant frequency controller model according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a bidirectional DC/DC converter according to an embodiment of the present invention.
7 shows the DC-link voltage waveform of the first experimental example to which the control scheme proposed in the present invention is applied.
8 and 9 show the instantaneous voltage waveform of the critical load in the first experimental example.
10 shows a DC-link voltage waveform of the second experimental example to which the control scheme proposed in the present invention is applied.
11 and 12 show the instantaneous voltage waveform of the critical load in the second experimental example.
13 shows the DC-link voltage waveform of the third experimental example to which the control scheme proposed in the present invention is applied.
14 and 15 show the instantaneous voltage waveform of the critical load in the third experimental example.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In the description of the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명은 ESS(Energy Storage System) 기능을 갖는 하이브리드(hybrid) UPS(Uninterruptible Power Supply)의 제어 장치에 대한 것이다. The present invention relates to a control device of a hybrid UPS (Uninterruptible Power Supply) having an Energy Storage System (ESS) function.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 UPS의 제어 장치를 도시한 도면이다. 도 1에서 (a)는 계통 정상동작 상태이고, (b)는 비상동작 상태를 도시한 것이다. 1 is a view showing a control device of a hybrid UPS according to an embodiment of the present invention. In Figure 1 (a) is a normal operating state of the system, (b) shows an emergency operating state.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하이브리드 UPS의 제어 장치는 스위치(10), AC/DC 컨버터(100), DC/DC 컨버터(200), 배터리(300), DC/AC 컨버터(400)를 포함한다.1, the control device of the hybrid UPS of the present invention includes a
도 1 (a)에서 보는 바와 같이, 계통 정상동작시, 본 발명에서 제안하는 하이브리드 UPS의 제어방식은 DC/DC 컨버터(200)가 DC-링크(DC-link) 전압을 일정하게 제어한다. 이때, 인버터는 DC-링크 전압으로 일정한 크기와 주파수를 갖는 교류전압을 공급하는 정전압 정주파수(CVCF, Constant Voltage Constant Frequency) 제어를 수행하여, 중요 부하에 안정적인 전압을 공급한다. 그리고, 양방향 AC/DC 컨버터(100)는 충·방전 전력을 지령 받아 유효전력과 무효전력을 제어하여 피크 시간대에 수용가의 첨두부하 삭감(Peak shaving)및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하거나 수용가의 역률을 조정하는 역할을 수행한다. As shown in Figure 1 (a), in the normal operation of the system, the control method of the hybrid UPS proposed in the present invention, the DC/
반면, 도 1(b)에서 보는 바와 같이, 비상시에는 스위치(10)가 계통과 UPS 사이를 신속하게 차단한다. 따라서 이때, AC/DC 컨버터(100)는 동작을 정지하고, DC-링크 전압을 제어하던 DC/DC 컨버터(200)는 그대로 DC-링크 전압에 대한 제어를 유지한다. 또한, DC/AC 컨버터(400) 지속적으로 중요부하에 안정적인 전압을 공급해야 하기 때문에 항상 정전압 정주파수(CVCF) 제어를 유지한다. On the other hand, as shown in Figure 1 (b), in case of emergency, the
본 발명에서 제안하는 제어방식은 양방향 DC/DC 컨버터(200)가 충전모드, 방전모드, 그리고 비상모드 상황 등 모든 경우에서 항상 DC-링크 전압을 일정하게 제어하기 때문에, 제어모드 전환에 따른 과도현상이 없으므로, 중요부하에 고품질에 전력을 공급할 수 있다.In the control method proposed in the present invention, the bi-directional DC/
스위치(10)는 계통과 AC/DC 컨버터(100) 사이의 배전 선로에서 전선을 연결하거나 차단하는 역할을 한다. The
양방향 AC/DC 컨버터(100)는 전력을 공급하는 계통으로부터 충·방전 전력을 지령받아 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 역할을 하며, 유효전력과 무효전력을 제어하여 피크 시간대에 수용가의 첨두부하 삭감(Peak shaving)및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하거나 수용가의 역률을 조정하는 역할을 수행한다.The bi-directional AC/
DC/DC 컨버터(200)는 충전모드일 때 배터리(300)가 충전되도록 하고, 방전모드일 때 배터리(300)가 방전되도록 제어하고, DC-링크 전압이 일정한 전압이 되도록 충전모드와 방전모드를 제어한다. The DC/
DC/AC 컨버터(400)는 AC/DC 컨버터(100)의 출력단과 연결되어, DC-링크 전압을 공급받아, 일정한 크기와 주파수를 갖는 교류전압을 공급하는 정전압 정주파수 제어를 수행하여, 부하에 안정적인 AC 전압을 공급하는 역할을 한다. The DC/
본 발명에서 정상 동작시에는 스위치(10)가 닫혀 있는 상태에서 계통과 AC/DC 컨버터(100)가 연결되어 있다. In the normal operation in the present invention, the system and the AC/
그리고, 비상 동작시에는 스위치(10)가 열리면서 계통과 AC/DC 컨버터(100) 사이가 차단되며, 이때 AC/DC 컨버터(100)는 동작이 중지되고, DC/DC 컨버터(200)는 DC-링크 전압이 일정해지도록 제어를 유지한다. And, in an emergency operation, the
본 발명에서 DC/DC 컨버터(200)는 DC-링크 전압이 일정하도록 제어하기 위하여, AC/DC 컨버터(100)가 지령받은 전력이 부하에 공급되는 전력보다 큰 경우, 충전모드로 전환하여 배터리(300)에 전력을 저장한다. 그리고, AC/DC 컨버터(100)가 지령받은 전력이 부하에 공급되는 전력보다 작은 경우, 방전모드로 전환하여 배터리(300)에 저장되어 있는 전력을 부하에 전달한다. In the present invention, the DC/
AC/DC 컨버터(100)는 유효전력 및 무효전력을 제어한다. 이러한 제어는 abc-αβ-dq 변환을 이용하여 3상 회로의 계산을 간략화하여 수행할 수 있다. 3상 전압(v a,b,c )과 3상 전류(i a,b,c )를 정지좌표 α-β로 변화하면 다음과 같다. The AC/
이때, 3상4선식 선로에서 3상 평형이라고 가정하면, 영상분이 없으므로, v 0 및 i 0 는 제거되고, 다음과 같이 나타낼 수 있다. At this time, assuming that the three-phase equilibrium is a three-phase four-wire line, since there is no image component, v 0 and i 0 are removed and can be expressed as follows.
α-β를 d-q 회전좌표로 변환하면 다음 수학식과 같다. When α-β is converted to d-q rotation coordinate, it is as follows.
도 2는 α-β좌표를 d-q 회전좌표로 변환한 것을 나타낸 도면이다. 2 is a view showing that α-β coordinates are converted to d-q rotation coordinates.
3상 순시 유효전력 는 순시 상 전압과 선 전류에 의해 다음과 같이 계산된다. 3-phase instantaneous active power Is calculated as follows by instantaneous phase voltage and line current.
따라서, 순시유효전력(p) 및 순시무효전력(q)과 d-q 축 전류의 관계는 다음 수학식과 같이 계산된다. Therefore, the relationship between the instantaneous active power (p) and the instantaneous reactive power (q) and the d-q axis current is calculated as in the following equation.
여기서, vd는 LC필터 출력단 전압을 d-q 좌표변환해서 나온 d축 전압이고, vq는 LC필터 출력단 전압을 d-q 좌표변환해서 나온 q축 전압이며, id는 연계선로에 흐르는 전류를 d-q 좌표변환해서 나온 d축 전류이고, iq는 연계선로에 흐르는 전류를 d-q 좌표변환해서 나온 q축 전류이다. 그리고, 수학식 10, 11에서 을 곱해주는 이유는 좌표변환 시 동일한 순시 전압과 전류 및 일정한 순시전력 관계인 변환행렬을 사용하기 때문이다.Here, v d is the d-axis voltage obtained by converting the LC filter output voltage to dq coordinates, v q is the q-axis voltage obtained by converting the LC filter output voltage to dq coordinates, and i d is the current flowing through the interconnection line to dq coordinate conversion. Is the d-axis current, and i q is the q-axis current resulting from the dq coordinate transformation of the current flowing in the interconnection line. Then, in
출력전압을 좌표변환 할 때 (-)sine을 기준으로 하면 Vd의 값은 0이 되고, Vq는 전압의 크기 값이 나오게 된다. 이로 인해 d축 전류는 무효전력, q축 전류는 유효전력을 독립적으로 제어할 수 있다. 이 관계를 이용하여 원하는 유효전력 및 무효전력을 출력하기 위한 기준전류를 다음과 같이 정리할 수 있다.When the output voltage is coordinate-converted, the value of V d becomes 0 when V is based on (-)sine, and the value of V q is the magnitude of the voltage. For this reason, the d-axis current can independently control reactive power and the q-axis current can control active power independently. Using this relationship, the reference current for outputting desired active power and reactive power can be summarized as follows.
여기서, P*는 유효전력 출력 지령치이고, Q*는 무효전력 출력 지령치로서, 원하는 출력값을 설정할 수 있다. 그리고, vd는 출력 전압을 d-q 좌표변환해서 나온 d축 전압이고, vq는 출력 전압을 d-q 좌표변환해서 나온 q축 전압이며, id_ref는 유효전력 및 무효전력을 제어하기 위한 d축 전류 지령치이고, iq_ref는 유효전력 및 무효전력을 제어하기 위한 q축 전류 지령치이다. Here, P * is an active power output command value, and Q * is a reactive power output command value, and a desired output value can be set. And, v d is the d-axis voltage obtained by converting the output voltage into dq coordinates, v q is the q-axis voltage obtained by converting the output voltage into dq coordinates, and i d_ref is the d-axis current command value for controlling active power and reactive power. And i q_ref is a q-axis current command value for controlling active power and reactive power.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유효전력 및 무효전력을 제어하기 위한 전류 제어기를 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a current controller for controlling active power and reactive power according to an embodiment of the present invention.
도 3 (a)의 전류제어기에서 d축 전류로 무효전력을 제어하고, q축 전류로 유효전력을 제어한다. In the current controller of FIG. 3(a), reactive power is controlled by the d-axis current, and active power is controlled by the q-axis current.
본 발명에서 제안하는 하이브리드 UPS의 제어 장치에서 DC/AC 인버터(400)는 항상 중요 부하에 안정적인 전압을 공급해야하기 때문에 정전압 정주파수 제어로 동작한다. 정전압 정주파수(CVCF, Constant Voltage Constant Frequency) 제어방식은 일정한 전압과 주파수를 유지하기 위해 이용된다. In the hybrid UPS control device proposed in the present invention, the DC/
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전압 정주파수 제어 모델을 도시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating a constant voltage constant frequency control model according to an embodiment of the present invention.
도 4에서 보는 바와 같이, 정전압 정주파수(CVCF) 제어 방식은 제어 루프를 이용하여 일정한 전압의 크기와 주파수를 제어하는, 낮은 출력 임피던스를 갖는 이상적인 전압원으로 동작하도록 한다. As shown in FIG. 4, the constant voltage constant frequency (CVCF) control method operates as an ideal voltage source having a low output impedance, which controls the magnitude and frequency of a constant voltage using a control loop.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전압 정주파수 제어기 모델을 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a constant voltage constant frequency controller model according to an embodiment of the present invention.
도 5에서 보는 바와 같이, 정전압 정주파수 제어기 모델에서 전압제어기는 제어하고자 하는 지점의 전압 크기 및 주파수를 기준파형 발진기에 의해 만들어진 전압크기 및 주파수 에 추종하도록 제어한다.As shown in FIG. 5, in the constant voltage constant frequency controller model, the voltage controller determines the voltage magnitude and frequency of the point to be controlled by the voltage magnitude created by the reference waveform oscillator. And frequency Control to follow.
여기서, 는 기준파형의 상전압이고, 는 기준파형의 3상 전압을 d-q변환한 전압이다.here, Is the phase voltage of the reference waveform, Is a voltage obtained by dq converting the three-phase voltage of the reference waveform.
이러한 파라미터를 정리하면 다음과 같다. These parameters are summarized as follows.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터를 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a bidirectional DC/DC converter according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 하이브리드 UPS의 제어방식에서 양방향 DC/DC 컨버터(200)는 항상 DC-링크 전압이 일정하도록 제어한다.Referring to FIG. 6, in the control method of the hybrid UPS proposed in the present invention, the bidirectional DC/
그리고, 양방향 DC/DC 컨버터(200)는 DC-링크 전압을 일정하게 제어하면서 AC/DC 컨버터(100)가 지령 받은 전력이 부하보다 큰 경우, 강압모드로 동작하여 배터리(300)에 전력을 저장하게 된다. 반대로, DC/DC 컨버터(200)는 AC/DC컨버터(100)가 지령 받은 전력이 부하보다 작은 경우, 승압모드로 동작하여 배터리(300)에 저장된 전력을 부하에 전달한다.In addition, the bidirectional DC/
이제, 본 발명의 하이브리드 UPS를 다양한 모드에서 시뮬레이션한 결과를 설명하기로 한다. Now, the results of the simulation of the hybrid UPS of the present invention in various modes will be described.
먼저, 충전모드에서 비상모드로 전환하는 경우인 제1 실험예에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다. First, simulation results for the first experimental example, which is a case of switching from the charging mode to the emergency mode, will be described.
도 7은 본 발명에서 제안하는 제어 방식이 적용된 제1 실험예의 DC-링크 전압 파형을 도시한 것이고, 도 8 및 도 9는 제1 실험예에서 중요 부하의 순시 전압 파형을 도시한 것이다. 7 shows the DC-link voltage waveform of the first experimental example to which the control scheme proposed by the present invention is applied, and FIGS. 8 and 9 show the instantaneous voltage waveform of the critical load in the first experimental example.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 제1 실험예에서는 충전모드 도중 1.5초 지점에서 고장이 발생하고, 10 사이클(cycle)(0.16초) 후에 차단기가 동작하여 계통과 중요부하를 분리하는 상황이다. 하지만 본 발명에서 제안하는 제어방식은 고장이 발생하여도 DC/DC 컨버터(200)가 지속적으로 DC-링크 전압이 일정해지도록 하는 제어를 하기 때문에 모드의 전환이 필요하지 않다. 따라서 본 발명에서는 제어모드를 전환함에 따른 과도현상이 거의 없으며 일반적인 온-라인 구조의 UPS가 안정적인 전원을 보장하는 시간인 4ms이내를 만족한다.Referring to FIGS. 7 to 9, in the first experimental example, a failure occurs at a point of 1.5 seconds during the charging mode, and a circuit breaker operates after 10 cycles (0.16 seconds) to separate a system from a critical load. However, the control method proposed in the present invention does not require a mode change because the DC/
제2 실험예는 방전모드에서 비상모드로 전환하는 실험예이다. The second experimental example is an experimental example of switching from a discharge mode to an emergency mode.
도 10은 본 발명에서 제안하는 제어 방식이 적용된 제2 실험예의 DC-링크 전압 파형을 도시한 것이고, 도 11 및 도 12는 제2 실험예에서 중요 부하의 순시 전압 파형을 도시한 것이다. 10 shows the DC-link voltage waveform of the second experimental example to which the control scheme proposed in the present invention is applied, and FIGS. 11 and 12 show the instantaneous voltage waveform of the critical load in the second experimental example.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 제2 실험예에서는 계통과 배터리가 각자 중요부하가 요구하는 전력을 분담하는 도중 1.5초 지점에서 고장이 발생하고, 10 사이클(cycle)(0.16초) 후에 차단기가 동작하여 계통과 중요부하를 분리하는 상황이다. 이 경우 또한 본 발명에서 제안하는 DC/DC 컨버터(200)가 지속적으로 DC-링크 전압이 일정해지도록 제어를 하기 때문에, 과도현상이 거의 없으며, 일반적인 온-라인 구조의 UPS가 안정적인 전원을 보장하는 시간인 4ms이내를 만족한다.Referring to FIGS. 10 to 12, in the second experimental example, a breakdown occurs at a point of 1.5 seconds while the system and the battery share power required by each important load, and the circuit breaker occurs after 10 cycles (0.16 seconds). This is a situation where the system is separated from the main load by operating. In this case, since the DC/
제3 실험예는 전력거래모드에서 비상모드로 전환하는 실험예이다. The third experimental example is an experimental example of switching from the power trading mode to the emergency mode.
도 13은 본 발명에서 제안하는 제어 방식이 적용된 제3 실험예의 DC-링크 전압 파형을 도시한 것이고, 도 14 및 도 15는 제3 실험예에서 중요 부하의 순시 전압 파형을 도시한 것이다. 13 shows the DC-link voltage waveform of the third experimental example to which the control scheme proposed in the present invention is applied, and FIGS. 14 and 15 show the instantaneous voltage waveform of the critical load in the third experimental example.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 제3실험예에서는 배터리(300)가 중요부하가 요구하는 전력을 분담하고 남은 잉여전력을 계통으로 보내는 도중, 1.5초 지점에서 고장이 발생하여 10 cycle(0.16초) 후에 차단기가 동작하여 계통과 중요부하를 분리하는 상황이다. 이 경우도 마찬가지로 본 발명에서 제안하는 DC/DC 컨버터(200)가 지속적으로 DC-링크 전압이 일정해지도록 제어를 하기 때문에, 과도현상이 거의 없으며, 일반적인 온-라인 구조의 UPS가 안정적인 전원을 보장하는 시간인 4ms이내를 만족하는 것을 볼 수 있다.13 to 15, in the third experimental example, the
이상에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 제어방식을 적용한 하이브리드 UPS는 비상시 과도현상이 거의 없으며 일반적인 온-라인 구조의 UPS가 안정적인 전원을 보장하는 시간인 4ms이내를 만족하는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from the above, it can be confirmed that the hybrid UPS using the control method proposed in the present invention has almost no transient in an emergency and satisfies within 4 ms, which is a time for ensuring a stable power supply in a typical on-line structure.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described above using some preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not limiting. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of the rights set forth in the appended claims.
10 스위치 100 AC/DC 컨버터
200 DC/DC 컨버터 300 배터리
400 DC/AC 컨버터10
200 DC/
400 DC/AC converter
Claims (3)
접속 계통에 대하여 유효 및 무효전력을 양방향으로 제어가 가능한 피크 시간대에 수용가의 첨두부하 삭감(Peak shaving)및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하거나 수용가의 역률을 조정하는 AC/DC 컨버터;
계통과 상기 AC/DC 컨버터 사이의 배전 선로에서 전선을 연결하거나 차단하기 위한 스위치;
상기 AC/DC 컨버터의 출력단과 연결되어, DC-링크 전압을 공급받아, 일정한 크기와 주파수를 갖는 교류전압을 공급하는 정전압 정주파수 제어를 수행하여, 부하에 안정적인 AC 전압을 공급하기 위한 DC/AC 컨버터; 및
상기 DC-링크 전압이 일정한 전압이 되도록 제어함으로써, 충전모드일 때 배터리가 충전되도록 하고, 방전모드일 때 상기 배터리가 방전되도록 하는 DC/DC 컨버터를 포함하며,
정상 동작시에는 상기 스위치가 닫혀 있는 상태에서 계통과 상기 AC/DC 컨버터가 연결되어 있고,
비상 동작시에는 상기 스위치가 열리면서 계통과 상기 AC/DC 컨버터 사이가 차단되며, 이때 상기 AC/DC 컨버터는 동작이 정지되고, 상기 DC/DC 컨버터는 DC-링크 전압이 일정해지도록 제어를 유지하며,
상기 DC/DC 컨버터는 DC-링크 전압이 일정하도록 제어하기 위하여,
상기 AC/DC 컨버터가 지령받은 전력이 부하에 공급되는 전력보다 큰 경우, 충전모드로 전환하여 상기 배터리에 전력을 저장하고,
상기 AC/DC 컨버터가 지령받은 전력이 부하에 공급되는 전력보다 작거나 접속 계통 측으로 공급하는 전력이 요구되는 경우, 방전모드로 전환하여 상기 배터리에 저장되어 있는 전력을 접속계통 측 및 부하에 전달하고,
상기 AC/DC 컨버터는 접속 계통에 대하여 유효 및 무효전력을 양방향으로 제어할 수 있는 역할을 하며, 유효전력과 무효전력을 제어하여 피크 시간대에 수용가의 첨두부하 삭감(Peak shaving) 및 부하 평준화(Load leveling)를 수행하거나 수용가의 역률을 조정하는 역할을 수행하며,
상기 DC/DC 컨버터가 충전모드, 방전모드, 정상 동작 및 비상 동작을 포함하는 모든 경우에 DC-링크 전압이 일정하게 유지되도록 제어하며,
상기 AC/DC 컨버터는 abc-αβ-dq 변환을 이용하여 3상 회로의 계산을 간략화하여 수행하는 방식으로 유효전력 및 무효전력의 출력 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 UPS의 제어 장치.
In the control unit of the hybrid UPS having an Energy Storage System (ESS) function,
An AC/DC converter that performs peak shaving and load leveling of the customer or adjusts the power factor of the customer in a peak time period in which active and reactive power can be controlled in both directions with respect to a connected system;
A switch for connecting or disconnecting a wire in a distribution line between the system and the AC/DC converter;
DC/AC for supplying a stable AC voltage to a load by performing constant voltage constant frequency control that is connected to the output terminal of the AC/DC converter and receives a DC-link voltage to supply an AC voltage having a certain size and frequency. Converter; And
And a DC/DC converter that controls the DC-link voltage to be a constant voltage to charge the battery in the charge mode and discharge the battery in the discharge mode,
In normal operation, the system and the AC/DC converter are connected while the switch is closed.
During an emergency operation, the switch is opened to cut off between the system and the AC/DC converter, where the AC/DC converter is stopped and the DC/DC converter maintains control so that the DC-link voltage is constant. ,
In order to control the DC/DC converter to have a constant DC-link voltage,
When the AC/DC converter receives the commanded power is greater than the power supplied to the load, it switches to a charging mode to store power in the battery,
When the AC/DC converter receives the commanded power is less than the power supplied to the load or when power to be supplied to the connection system side is required, the system switches to the discharge mode and transmits the power stored in the battery to the connection system side and the load. ,
The AC/DC converter serves to control active and reactive power in both directions with respect to the connected system, and by controlling the active power and reactive power, the peak shaving and load leveling of the customer during peak times are performed. leveling) or to adjust the power factor of the consumer.
The DC/DC converter controls the DC-link voltage to be kept constant in all cases including charging mode, discharging mode, normal operation and emergency operation,
The AC/DC converter is a control device for a hybrid UPS, characterized in that it performs output control of active power and reactive power in a manner that simplifies calculation of a three-phase circuit using abc-αβ-dq conversion.
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