[논문]Droop Control을 이용한 3상 4선식 UPS의 병렬운전

김현섭; 한정호; 송중호

doi:10.5207/jieie.2013.27.4.088

Droop Control을 이용한 3상 4선식 UPS의 병렬운전
Parallel Operation of Three-Phase Four wire UPS using Droop Control 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.4, 2013년, pp.88 - 95

김현섭 (서울과학기술대학교 철도전문대학원) , 한정호 (서울과학기술대학교 철도전문대학원) , 송중호 (서울과학기술대학교 전기정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A new droop control method which can be applied to 3-phase 4-wire uninterruptible power supply is proposed in this paper. The droop control method for parallel operation is very attractive one as UPS parallel operation can be carried out without any data communication devices provided among UPS systems connected, but it reportedly shows a PnP(plug-and-play) problem. A basic reason why a circulating current could flow among parallel-connected UPS systems is clearly investigated as well when droop-controlled-ups systems are operated in the manner of PnP. The proposed algorithm is deduced from the investigated result and is basically structured to keep a balanced frequency and balanced voltage profile against power variation. This paper shows that balanced parallel operation of droop control method can be obtained under unbalanced load as well as balanced load conditions when PnP operation is needed and load change occurs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 UPS간의 통신이 불필요한 droop 제어기법을 이용하여 3상 4선식 UPS의 병렬운전 제어 알고리즘을 제안한다. 또한 3상 4선식 부하에서 기존의 droop 제어기를 적용한 UPS의 PnP 운전시 순환전류의 원인을 분석하고, PnP 운전이 가능한 droop 제어기를 제안한다.
본 논문은 droop 제어기를 적용한 3상4선식 UPS의 병렬 제어 알고리즘을 제안하고 기존의 droop 제어기를 적용한 UPS의 PnP 운전시 순환전류가 흐르는 문제점을 분석하고PnP 운전이 가능한 새로운 droop 제어기를 제안하였다. 그리고 제안한 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 PSIM 시뮬레이션을 통해 PnP운전시 부하가 각각의 UPS가 출력전류의 크기와 위상이 동일하고 동등한 부하분담이 이뤄지는 것을 확인 하였다.
그러므로 같은 무효전력을 분담하기 위해서는 PnP운전시 UPS1의 전압 크기지령치는 증가되어야 하고 UPS2의 전압 크기지령치는 감소되어야 한다. 이를 실현하기 위해 본 논문에서는 그림 9와 같이 전력변화량에 대한 droop을 추가함으로써 PnP 운전이 가능한 droop제어기를 제안하였다. 제안한 droop식은 식 (13), (14)와 같다.

제안 방법

전압 제어기, 전류 제어기는 PI제어기를 사용하였다. 그리고 인버터 상전압 지령치(v_dn*, v_qn*, v₀n*)는 3D-SVM(Space Vector Modula tion)을 통해 구현하였다[7].
또한 3상 4선식 부하에서 기존의 droop 제어기를 적용한 UPS의 PnP 운전시 순환전류의 원인을 분석하고, PnP 운전이 가능한 droop 제어기를 제안한다. 그리고 제안된 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 3상 평형 부하, 불평형부하에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 UPS간의 통신이 불필요한 droop 제어기법을 이용하여 3상 4선식 UPS의 병렬운전 제어 알고리즘을 제안한다. 또한 3상 4선식 부하에서 기존의 droop 제어기를 적용한 UPS의 PnP 운전시 순환전류의 원인을 분석하고, PnP 운전이 가능한 droop 제어기를 제안한다. 그리고 제안된 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 3상 평형 부하, 불평형부하에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
표 2는 기존의 droop 제어(그림 6)와 제안한 droop 제어(그림 10)의 성능을 보여준다. 제안한 droop 알고리즘은 기존의 droop 제어와비교하였을 때 순환전류가 작고 부하에 거의 동등한 전력을 공급해 준다.
제안한 동기좌표계 droop 제어기법을 적용한 3상 4선식UPS 병렬운전과 PnP 운전을위한droop 제어기의 타당성을 입증하기 위해 표 1과 같은 UPS 시스템 파라미터를 적용하여 PSIM을 통해 시뮬레이션하였다. 이때에 인버터의 필터임피던스는 물리적인 차이를 고려하여 10%으로 차이를 두었고 유효전력에 대한 droop 게인값(m_p)은 정격주파수의 0.

대상 데이터

*) 를 출력한다. 전압 제어기, 전류 제어기는 PI제어기를 사용하였다. 그리고 인버터 상전압 지령치(v_dn*, v_qn*, v₀n*)는 3D-SVM(Space Vector Modula tion)을 통해 구현하였다[7].

성능/효과

각 UPS의 주파수, 전압이 제안한 알고리즘에 의해서 서로 동일하게 제어됨으로써, 이상적인 병렬운전이 실현될 수 있음을 보여주고 있다.
본 논문은 droop 제어기를 적용한 3상4선식 UPS의 병렬 제어 알고리즘을 제안하고 기존의 droop 제어기를 적용한 UPS의 PnP 운전시 순환전류가 흐르는 문제점을 분석하고PnP 운전이 가능한 새로운 droop 제어기를 제안하였다. 그리고 제안한 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 PSIM 시뮬레이션을 통해 PnP운전시 부하가 각각의 UPS가 출력전류의 크기와 위상이 동일하고 동등한 부하분담이 이뤄지는 것을 확인 하였다.
정상상태에서 d축, q축 무효전력 성분은 거의 0이고 0축 무효전력 성분만이 존재하게 된다. 또한 PnP운전시 d축 무효전력 성분이 과도상태에서 증가함을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UPS의 병렬운전 기법에는 무엇이 있는가?	UPS의 병렬운전 기법에는 active load-sharing 기법과 droop control 기법이 있다. active load-sharing 기법에는 centralized control 기법, master-slave control 기법, average load sharing 기법, circular chain control 기법이있는데이방법들은UPS간의통신을 이용하기 때문에 신뢰성과 확장성이 떨어지고 노이즈에 취약하다는 단점이 있다[4].
	PnP운전이란?	일반적으로 UPS의 병렬운전을 하기 위해서는 각 UPS의 출력전압의 크기, 주파수, 위상이 일치해야 하고 PnP(plugand- play)운전이 가능해야 한다[3]. 여기서 PnP운전 이란 UPS가 부하에 전력을 공급하는 중에 다른 UPS 가 투입되었을 때의 운전을 의미한다.
	UPS의 병렬운전은 대용량의 UPS를 단독으로 사용하는 것보다 어떤 점이 유리한가?	최근에 UPS의 용량증대와 신뢰성 향상을 위해 UPS의병렬운전이고려되고있다. 그이유는대용량의 UPS를 단독으로 사용하는 것보다 작은 용량의 UPS를 병렬로 운전하는 것이 용량의 확장성, 경제성, 안정성의 측면에서 유리하기 때문이다. 일반적으로 UPS의 병렬운전을 하기 위해서는 각 UPS의 출력전압의 크기, 주파수, 위상이 일치해야 하고 PnP(plugand- play)운전이 가능해야 한다[3].

참고문헌 (8)

W. C. Lee, D. S. Hyun, "A Master and Slave Control Strategy for Parallel Operation of Three-Phase UPS Systems with Different Ratings", Journal of the Korean Institute Power Electronics, vol 9, no 6, pp. 341-349, Aug. 2004.
W. J. Choi, H. J. Jong, "Design of the Fuel Cell Powered Line-Interactive UPS System", Jounal of the Korean Institute od llluminating and Electrical Installation Engineer, vol. 18, no. 6, pp. 205-212, Nov. 2004.

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J. M. Guerrero, L. Garcia de Vicuna, and J. Uceda, "Uninterruptible power supply systems provide protection," IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 1, no. 1, pp. 28-38, 2007.
J. M. Guerrero, L. Hang, and J. Uceda, "Control of distributed uninterruptible power supply systems," in IEEE Trans. Ind. Electron., Aug. 2008, vol. 55, no. 8, pp. 2845-2859, 2008.

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E.-H. Kim, J.-M. Kwon, J.-K. Park, and B.-H. Kwon, "Practical control implementation of a three- to singlephase online UPS," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 8, pp. 2933-2942, 2008.

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R. S. Herrera and P. Salmer'on, "Instantaneous reactive power theory: A comparative evaluation of different formulations," IEEE Trans. Power Del. vol. 22, no. 1, pp. 595-604, Jan. 2007.

상세보기
M. G. Villalva and E. R. Filho, "3-D space vector PWM for three leg four-wire voltage source inverters," in Proc. IEEE PESC, pp. 3946-3951, 2004.
N. Pogaku, M. Prodanovic, and T. Green, "Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid," IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 2, pp. 613-625, Mar. 2007.

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