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KR102142074B1 - Ess 기능을 갖는 하이브리드 ups의 제어 장치 - Google Patents

Ess 기능을 갖는 하이브리드 ups의 제어 장치 Download PDF

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KR102142074B1
KR102142074B1 KR1020180076544A KR20180076544A KR102142074B1 KR 102142074 B1 KR102142074 B1 KR 102142074B1 KR 1020180076544 A KR1020180076544 A KR 1020180076544A KR 20180076544 A KR20180076544 A KR 20180076544A KR 102142074 B1 KR102142074 B1 KR 102142074B1
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constant
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김재언
고재훈
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충북대학교 산학협력단
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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.

Description

ESS 기능을 갖는 하이브리드 UPS의 제어 장치 {Controller of Hybrid Uninterruptible Power Supply including Energy Storage System}
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.
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.
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.
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.
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.
대한민국 공개특허 10-2016-0128706
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.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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.
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.
상기 AC/DC 컨버터는 접속 계통 측에 대하여 유효 및 무효 전력을 공급 및 수전을 할 수 있도록 양방향 전력 조류 제어가 가능하다.
본 발명에 의하면, ESS 기능을 갖는 하이브리드 UPS에서, 제어모드 전환에 따른 과도현상을 방지함으로써, 중요 부하에 안정적인 고품질의 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명에서 제안하는 제어방식을 적용한 하이브리드 UPS는 비상모드시 과도현상이 발생하는 것을 방지하고, 중요 부하에 대해 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있는 장점이 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명은 ESS(Energy Storage System) 기능을 갖는 하이브리드(hybrid) UPS(Uninterruptible Power Supply)의 제어 장치에 대한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
스위치(10)는 계통과 AC/DC 컨버터(100) 사이의 배전 선로에서 전선을 연결하거나 차단하는 역할을 한다.
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.
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.
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.
본 발명에서 정상 동작시에는 스위치(10)가 닫혀 있는 상태에서 계통과 AC/DC 컨버터(100)가 연결되어 있다.
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.
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.
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.
Figure 112018064926077-pat00001
Figure 112018064926077-pat00002
이때, 3상4선식 선로에서 3상 평형이라고 가정하면, 영상분이 없으므로, v 0 및 i 0 는 제거되고, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018064926077-pat00003
Figure 112018064926077-pat00004
α-β를 d-q 회전좌표로 변환하면 다음 수학식과 같다.
Figure 112018064926077-pat00005
도 2는 α-β좌표를 d-q 회전좌표로 변환한 것을 나타낸 도면이다.
3상 순시 유효전력
Figure 112018064926077-pat00006
는 순시 상 전압과 선 전류에 의해 다음과 같이 계산된다.
Figure 112018064926077-pat00007
Figure 112018064926077-pat00008
Figure 112018064926077-pat00009
Figure 112018064926077-pat00010
따라서, 순시유효전력(p) 및 순시무효전력(q)과 d-q 축 전류의 관계는 다음 수학식과 같이 계산된다.
Figure 112018064926077-pat00011
Figure 112018064926077-pat00012
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
Figure 112018064926077-pat00013
을 곱해주는 이유는 좌표변환 시 동일한 순시 전압과 전류 및 일정한 순시전력 관계인 변환행렬을 사용하기 때문이다.
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.
Figure 112018064926077-pat00014
Figure 112018064926077-pat00015
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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유효전력 및 무효전력을 제어하기 위한 전류 제어기를 도시한 도면이다.
도 3 (a)의 전류제어기에서 d축 전류로 무효전력을 제어하고, q축 전류로 유효전력을 제어한다.
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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전압 정주파수 제어 모델을 도시한 도면이다.
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.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전압 정주파수 제어기 모델을 도시한 도면이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 정전압 정주파수 제어기 모델에서 전압제어기는 제어하고자 하는 지점의 전압 크기 및 주파수를 기준파형 발진기에 의해 만들어진 전압크기
Figure 112018064926077-pat00016
및 주파수
Figure 112018064926077-pat00017
에 추종하도록 제어한다.
여기서,
Figure 112018064926077-pat00018
는 기준파형의 상전압이고,
Figure 112018064926077-pat00019
는 기준파형의 3상 전압을 d-q변환한 전압이다.
이러한 파라미터를 정리하면 다음과 같다.
Figure 112018064926077-pat00020
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC/DC 컨버터를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 하이브리드 UPS의 제어방식에서 양방향 DC/DC 컨버터(200)는 항상 DC-링크 전압이 일정하도록 제어한다.
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.
이제, 본 발명의 하이브리드 UPS를 다양한 모드에서 시뮬레이션한 결과를 설명하기로 한다.
먼저, 충전모드에서 비상모드로 전환하는 경우인 제1 실험예에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다.
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.
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.
제2 실험예는 방전모드에서 비상모드로 전환하는 실험예이다.
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.
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.
제3 실험예는 전력거래모드에서 비상모드로 전환하는 실험예이다.
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.
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.
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.
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.
10 스위치 100 AC/DC 컨버터
200 DC/DC 컨버터 300 배터리
400 DC/AC 컨버터

Claims (3)

  1. ESS(Energy Storage System) 기능을 갖는 하이브리드 UPS의 제어 장치에 있어서,
    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.
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  3. 삭제
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