[논문]3상 모듈형 UPS용 PFC 제어기 설계

김상훈; 박내춘

[국내논문] 3상 모듈형 UPS용 PFC 제어기 설계
A PFC Controller Design for 3-Phase Modular UPS 원문보기

In this paper a new PFC Controller for 3-Phase Modular UPS(Uninterruptible Power Supplies) is proposed. The PFC circuit for 3-Phase Modular UPS is implemented using three 1-phase 3-level boost PFC circuits. To control DC output voltage, single voltage controller considering imbalance of two capacitor voltages and to regulate AC input current three independent current controllers are used in proposed PFC controller. By the proposed method, without additional hardware, THD(Total Harmonic Distortion) of input currents can be readily limited below 5% which is the harmonic current requirements by IEEE std. 519. Its validity is verified by simulations and experiments.

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문제 정의

본 논문에서는 3상 모듈형 UPS에 사용하는 3-레벨 부스트 PFC를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안하는 PFC 제어기는 DC 전압 제어기를 3개 모듈이 공통으로 사용하고, AC 전류 제어기는 각상이 독립적으로 사용하는 구조를 채택하였다.
본 논문에서는 단상 3-레벨 부스트 PFC 3개를 사용한 3상 모듈형 UPS용 PFC의 출력전압과 입력전류 제어를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안한 PFC 제어기로 시뮬레이션과 실험을 수행한 결과 입력단 역률은 항상 거의 1이 되고 전류의 THD도 평형 부하인 경우 약 5% 이하가 되며, 불평형 부하인 경우에도 직류 출력단에 두 개의 커패시터 전압은 동일하게 잘 제어되는 것을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 3상 모듈형 UPS에 사용하는 3-레벨 부스트 PFC를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안하는 PFC 제어기는 DC 전압 제어기를 3개 모듈이 공통으로 사용하고, AC 전류 제어기는 각상이 독립적으로 사용하는 구조를 채택하였다. 제안한 방법은 계통전압 극성에 따라 제어기를 바꾸지 않아 제어기 절환에 의한 왜곡이 없고, 제어기의 감소로 인하여 연산시간을 줄일 수 있다.
계통전압과 90° 위상의 전압을 만들기 위해 APF(All Pass Filter)를 사용하였고, 왜곡 성분을 제거하기 위해 LPF(Low Pass Filter)를 입력단에 사용하였다.
그림 6은 제안한 방법의 제어 블럭도를 나타내고 있다. 제안한 방법은 하나의 전압제어기와 전류 제어기를 사용하여 극성에 따라 제어기를 바꾸지 않고, PLL과 사인파 발생기를 이용하여 계통전압이 왜곡 되었을 경우에도 입력 전류를 정현차에 가깝게 제어 할 수 있다. 전압제어기를 공통으로 사용함에 따라 발생할 수 있는 양단 커패시터 사이에 전압 불평형 성분을 보상하기 위하여 커패시터 전압 V₁과 V₂의 오차를 불평형 제어기를 이용하여 전압제어기 출력에 보상하였다.
제안한 방법은 하나의 전압제어기와 전류 제어기를 사용하여 극성에 따라 제어기를 바꾸지 않고, PLL과 사인파 발생기를 이용하여 계통전압이 왜곡 되었을 경우에도 입력 전류를 정현차에 가깝게 제어 할 수 있다. 전압제어기를 공통으로 사용함에 따라 발생할 수 있는 양단 커패시터 사이에 전압 불평형 성분을 보상하기 위하여 커패시터 전압 V₁과 V₂의 오차를 불평형 제어기를 이용하여 전압제어기 출력에 보상하였다.
그림 7은 제안한 방법을 삼상 PFC에 적용한 블록도를 나타내고 있다. DC 전압을 제어하기 위해서 한 개의 전압제어기를 사용하였고, 전압제어기 출력에 PLL을 이용하여 얻은 각 상의 위상을 곱하여 각 상의 지령전류를 생성한다. 각 상전류를 독립적으로 제어하기 위해서 세 개의 전류제어기를 사용하였고, 불평형 전압 제어기를 이용하여 커패시터의 불평형 성분을 보상하였다.
DC 전압을 제어하기 위해서 한 개의 전압제어기를 사용하였고, 전압제어기 출력에 PLL을 이용하여 얻은 각 상의 위상을 곱하여 각 상의 지령전류를 생성한다. 각 상전류를 독립적으로 제어하기 위해서 세 개의 전류제어기를 사용하였고, 불평형 전압 제어기를 이용하여 커패시터의 불평형 성분을 보상하였다.
제안된 제어기의 성능을 확인하기 위하여 3kVA급 3상 PFC를 PSIM을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다, 스위칭 주파수는 20[kHz]이며, 스위칭 소자로는 MOSFET를 사용하였고, 직류단 전압은 400[V]로 제어하였다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 표 1과 같다.
그림 9는 전체 시뮬레이션 구성도를 나타내고 있다. 시뮬레이션에서 제어기는 PSIM의 dll 라이브러리를 사용하여 C언어로 디지털 제어기를 구현하였다.
제안한 제어기의 타당성을 검증하기 위하여 3kVA급 3상 PFC에 실험을 수행하였다. 제어기로는 TI(Texas Instrument)사의 DSC TMS320F 28335를 사용하였다.

대상 데이터

시뮬레이션은 두 개의 커패시터 양단의 부하가 평형인 경우와 부하가 33% 불평형인 경우에 대하여 수행하였다.
제안한 제어기의 타당성을 검증하기 위하여 3kVA급 3상 PFC에 실험을 수행하였다. 제어기로는 TI(Texas Instrument)사의 DSC TMS320F 28335를 사용하였다. 스위칭 주파수는 16[kHz]이고 직류단 전압은 400[V]로 제어하였다.

데이터처리

제안한 방법은 계통전압 극성에 따라 제어기를 바꾸지 않아 제어기 절환에 의한 왜곡이 없고, 제어기의 감소로 인하여 연산시간을 줄일 수 있다. 제안하는 PFC 제어기의 성능을 확인하기 위하여 3kVA급 3상 PFC에 시뮬레이션과 실험을 수행하여 그 타당성을 검증하였다.

이론/모형

위상정보의 검출 및 동기화를 위해 PLL이 사용되는데, 본 논문에서는 가상 2상 방식의 단상 PLL 기법을 사용하였다. 이 방법은 계통전압과 90° 위상의 가상의 전압을 만들어 동기좌표계상에서 위상을 검출한다.

성능/효과

제안하는 PFC 제어기는 DC 전압 제어기를 3개 모듈이 공통으로 사용하고, AC 전류 제어기는 각상이 독립적으로 사용하는 구조를 채택하였다. 제안한 방법은 계통전압 극성에 따라 제어기를 바꾸지 않아 제어기 절환에 의한 왜곡이 없고, 제어기의 감소로 인하여 연산시간을 줄일 수 있다. 제안하는 PFC 제어기의 성능을 확인하기 위하여 3kVA급 3상 PFC에 시뮬레이션과 실험을 수행하여 그 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 단상 3-레벨 부스트 PFC 3개를 사용한 3상 모듈형 UPS용 PFC의 출력전압과 입력전류 제어를 위한 새로운 제어기를 제안하였다. 제안한 PFC 제어기로 시뮬레이션과 실험을 수행한 결과 입력단 역률은 항상 거의 1이 되고 전류의 THD도 평형 부하인 경우 약 5% 이하가 되며, 불평형 부하인 경우에도 직류 출력단에 두 개의 커패시터 전압은 동일하게 잘 제어되는 것을 확인하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

3상 모듈형 UPS 시스템은 무엇을 위해 많이 이용되는가?

특별히 병렬운전을 통한 용량 확장 및 시스템 신뢰성 확보를 위해서 최근에는 3상 모듈형 UPS 시스템이 많이 사용되고 있다. 이러한 시스템에서는 높은 효율을 갖는 소형의 시스템 구현을 위해서 PFC 회로에 3개의 단상 PFC 모듈을 3상으로 연결하는 구성이 통상 사용된다.

단상 3-레벨 부스트 PFC의 장점은?

또한 단상 3-레벨 부스트 PFC는 높은 전력 밀도와 효율을 증가시키는 장점을 가지고 있어 모듈형 On-line UPS에서 널리 사용되고 있다.[1] 3-레벨 부스트 PFC에서는 두개의 스위치를 이용하여 두개의 커패시터의 전압과 인덕터 전류를 제어한다.

3-레벨 부스트 PFC에서 커패시터 전압 및 인덕터 전류를 제어하는 방법은?

[1] 3-레벨 부스트 PFC에서는 두개의 스위치를 이용하여 두개의 커패시터의 전압과 인덕터 전류를 제어한다.[2] 이를 위한 제어 방법으로는 윗상과 아래상이 각각 독립된 DC전압 및 AC 전류 제어기로 계통전압의 극성에 따라 제어하는 방법[3]과 두 개의 DC 전압 제어기를 계통전압의 극성에 따라 사용하고 AC 전류 제어기는 공통으로 사용하는 방법[4] 등이 있다.

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