[논문]순시전압강하 보상 기능을 가지는 무정전전원공급장치의 개발

박종찬; 손진근

doi:10.5370/kieep.2014.63.2.095

순시전압강하 보상 기능을 가지는 무정전전원공급장치의 개발
Development of Uninterruptible Power Supply with Voltage Sag Restorer Function 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.2, 2014년, pp.95 - 101

박종찬 (오산대학교 전기시스템제어과) , 손진근 (가천대학교, 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, UPS, with a built-in instantaneous sag drop compensation features, was developed to improve performance. The improved UPS, using instantaneous moving average method, compensates by quickly measuring the voltage and series inverter of half-bridge type, using line-interactive method that links with the voltage of the battery and power source, was developed. In addition, by developing a parallel inverter that uses a high-efficiency PWM switching method, overall UPS system was enhanced. To verify the performance of the proposed algorithm, single-phase 5[kVA] UPS systems were designed and the experimental system was constructed. The low-cost type of Cortex-M3 module CPU STM32F103R8T6 (32[bit]) is attached and the switching time of mode transfer was set within 4 [ms]. THD of the linear load operates in less than 3[%], and the stability of the output voltage operates in approximately ${\pm}2[%]$ range. The superior performance of the operations was confirmed with the system set as above.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전원의 외란에 민감한 부하설비에 대하여 일반적으로 사용되고 있는 오프라인 방식의 UPS에 대하여 순시적 전압강하의 보상 기능을 내장시키면서 성능이 개선된 UPS를 제안하였다. 이의 개선된 UPS는 순시치 이동평균방식을 사용하여 빠르게 전압을 계측하여 보상하게 하였고, 배터리의 전압과 연계된 동적전압의 보상장치인 하프브리지 형태의 직렬인버터를 개발하였으며, 고효율 PWM 스위칭방식의 병렬형 UPS 인버터를 장착하여 효율 향상 및 효용성이 향상된 무정전 전원공급 시스템을 구현하였다.
본 논문에서는 전원품질의 저하 문제인 순시적인 전압강하의 보상장치 기능을 내장시킨 성능이 개선된 새로운 UPS를 개발하였다. 이는 순시치 이동평균방식의 계측기법을 사용하여 빠르게 전압을 계측하는 것을 기반으로 전원전압과 연동하는 Line-interactive 방식의 하프브리지 형태의 직렬인버터를 부착하였다.

제안 방법

단상 5[kVA]의 UPS시스템에 저 가격형 CPU 코어모듈인 STM32F103R8T6을 장착하고 150[%]과부하 내량에서 10분간 가동되는 배터리를 부착하여 선형부하 시 THD가 약 3[%]이하로 동작되고, 전압의 출력안정도가 약 ±2[%]의 범위 내에서 동작하도록 목표사양을 정하여 시스템을 구현하였다.
따라서 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 시스템의 구성에서는 더블케리어(이중반송파) PWM 방식인 고효율 PWM변조방식을 그림 6과 같이 수행토록 하였다. 이는 삼각파 케리어 신호 2개를 발생시키고, 변조신호인 정현파가정(positive)일 때와 부(negative)일 때 각각 비교하는 방식에 의하여 4개의 IGBT 스위칭 소자를 On/Off로 결정하는 방식이다.
그림 7과 같은 구성의 topology는 저 가격형으로 유지하기 위하여 하프-브릿지 컨버터의 형태를 가지는 직렬인버터로 구성되며, 이는 입출력단의 양방향 스위치(static switch)와 함께 동작이 연동된다. 또한 UPS의 동작을 위한 병렬인버터는 이중반송파방식을 이용한 정현파 PWM 스위칭방식을 채택하여 효율 향상 및 THD의 성능 향상을 기하였으며 이의 사양을 입력특성, DC특성 및 출력특성으로 각각 구분하여 표 2에 나타내었다.
이는 순시치 이동평균방식의 계측기법을 사용하여 빠르게 전압을 계측하는 것을 기반으로 전원전압과 연동하는 Line-interactive 방식의 하프브리지 형태의 직렬인버터를 부착하였다. 또한 고효율 PWM 스위칭 방식을 채용한 병렬형 단상 UPS 인버터를 개발하여 효율향상 등 전체적으로 성능이 개선된 UPS 시스템을 구축하였다.
또한 본 UPS의 개발에서는 저 가격형이면서도 고성능을 유지하기 위하여 Cortex-M3 코어모듈의 CPU를 적용하여 시스템을 구성하였다. 코어의 크기가 32[bit]이면서 72[MHz]의 클럭속도를 가지는 STM32F103R8T6을 장착하여 고속고성능을 기하도록 하였다.
본 논문에서 제안하고자 하는 라인-인터렉티브 형태의 직렬전압보상장치는 전원전압의 순시치 검출에서 부터 시작되며, 이를 빠른 응답과 정확성을 갖는 실효치로 변환할 필요가 있다. 이의 작업은 보통 평균적 개념의 계측기법을 사용할 수 있으나 이 방법은 검출에 최소한 반주기 이상의 긴 시간을 필요로 하는 단점을 가지고 있으므로 이에 대한 순시적 이동평균기법 등의 빠른 검출 알고리즘을 사용하여야 한다.
새롭게 개발된 UPS에 대한 topology 및 제어 알고리즘의 성능을 확인하고자 단상 5[kVA]의 UPS시스템을 설계하여 실험시스템을 구성하였다. 저 가격형 CPU로 구성된 코어모듈을 기반으로 하는 STM32F103R8T6이 장착된 임베디드시스템을 구현하여, 모드절체 시간을 4[ms] 이내, 선형 부하시 THD가 약 3[%]이하, 전압의 출력안정도를 약 ±2[%]의 범위 내에서 안정되게 동작하도록 목표사양을 정하여 시스템을 설계 및 구현하였다.
이러한 이유로 인하여 IEEE의 프로젝트 그룹에서는 전압변동에 대하여 표 1과 같이 정의하였다[2,3]. 이는 순시적(instantaneous), 순간적(monentary), 일시적(temporary) 전압강하(sag) 및 상승(swell), 그리고 순간정전(interruption)을 그 크기와 지속시간에 따라 분류하였다. 이의 표와 같이 영구정전을 1분 이상 지속되는 것으로 정의하였으며, 특히 순시적 전압강하는 8.
본 논문에서 구성하고자 하는 병렬 인버터에 의한 UPS의 구조는 그림 3에서 보는 바와 같이 (3)항에 위치해 있다. 이때의 인버터의 스위칭 작용은 전압 및 전류의 기준량 입력에 대하여 출력을 제어하는 역할을 수행하며, 제어 오차전압에 대하여 이중 삼각파 신호를 이용한 정현파 PWM 변조방식을 적용하였다. 그러나 일반적인 정현파 PWM 방식은 스위칭 주기의 한 주기 내에서 모든 스위치(S₁ ~ S₄)가 스위칭 동작을 수행하게 되어 스위칭 손실을 초래하게 된다.
본 논문에서는 전원의 외란에 민감한 부하설비에 대하여 일반적으로 사용되고 있는 오프라인 방식의 UPS에 대하여 순시적 전압강하의 보상 기능을 내장시키면서 성능이 개선된 UPS를 제안하였다. 이의 개선된 UPS는 순시치 이동평균방식을 사용하여 빠르게 전압을 계측하여 보상하게 하였고, 배터리의 전압과 연계된 동적전압의 보상장치인 하프브리지 형태의 직렬인버터를 개발하였으며, 고효율 PWM 스위칭방식의 병렬형 UPS 인버터를 장착하여 효율 향상 및 효용성이 향상된 무정전 전원공급 시스템을 구현하였다.
저 가격형 CPU로 구성된 코어모듈을 기반으로 하는 STM32F103R8T6이 장착된 임베디드시스템을 구현하여, 모드절체 시간을 4[ms] 이내, 선형 부하시 THD가 약 3[%]이하, 전압의 출력안정도를 약 ±2[%]의 범위 내에서 안정되게 동작하도록 목표사양을 정하여 시스템을 설계 및 구현하였다.
또한 본 UPS의 개발에서는 저 가격형이면서도 고성능을 유지하기 위하여 Cortex-M3 코어모듈의 CPU를 적용하여 시스템을 구성하였다. 코어의 크기가 32[bit]이면서 72[MHz]의 클럭속도를 가지는 STM32F103R8T6을 장착하여 고속고성능을 기하도록 하였다. 64[kByte]의 플래시 메모리와 16×12[bit] 크기의 A/D 컨버터가 장착된 코어가 중심이 되어 그림 8과 같은 주변회로의 설계를 기반으로 저 가격형 단상 UPS의 기능이 프로그래밍 되었다.

이론/모형

본 논문에서는 전원품질의 저하 문제인 순시적인 전압강하의 보상장치 기능을 내장시킨 성능이 개선된 새로운 UPS를 개발하였다. 이는 순시치 이동평균방식의 계측기법을 사용하여 빠르게 전압을 계측하는 것을 기반으로 전원전압과 연동하는 Line-interactive 방식의 하프브리지 형태의 직렬인버터를 부착하였다. 또한 고효율 PWM 스위칭 방식을 채용한 병렬형 단상 UPS 인버터를 개발하여 효율향상 등 전체적으로 성능이 개선된 UPS 시스템을 구축하였다.

성능/효과

그림 12는 순시전압강하에 대한 직렬보상장치인 하프-브리지 형태의 직렬인버터의 동작 파형을 나타낸 것이다. 이에 대한 각각의 채널 파형은 채널-A:순시전압 저하의 AC 입력전압, 채널-B:보상된 부하전압, 채널-C:직렬인버터의 부하전류, 채널-D:순시치 RMS 검출전압을 각각 나타낸 것으로 만족할 만한 제어 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

단상 5[kVA]의 UPS시스템에 저 가격형 CPU 코어모듈인 STM32F103R8T6을 장착하고 150[%]과부하 내량에서 10분간 가동되는 배터리를 부착하여 선형부하 시 THD가 약 3[%]이하로 동작되고, 전압의 출력안정도가 약 ±2[%]의 범위 내에서 동작하도록 목표사양을 정하여 시스템을 구현하였다. 제안된 알고리즘과 성능에 대하여 만족할 만한 동작을 확인하였으며, 최종 목표사양을 만족시키는 성능검증의 과정을 거친 후 상용화를 서두를 예정이다.
제안된 전압강하 보상 알고리즘의 성능과 효용성 높은 하프브리지 인버터와 고효율 병렬인버터의 성능에 대하여 만족할 만한 동작을 확인하였으며, 최종 목표사양을 만족시키는 성능검증의 반복 과정을 거친 후 이를 상용화시킬 예정에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기품질의 변동에 대하여 민감한 이유는?	급속한 산업의 발달로 인하여 전원의 외란에 민감한 전기적 부하설비가 증가하면서 전기품질에 대한 관심이 매우 증대되고 있다. 이렇게 전기품질의 변동에 대하여 민감한 이유는 전원외란이 발생할 경우에 경제적 피해가 매우 크기 때문이다. 이에 따라 선진 각국에서는 그 중요성을 인식하고 전기품질에 따른 수용가와 부하에 미치는 현황파악 및 다양한 연구를 시도 해 오고 있는 실정이다[1,2].
	전기품질의 문제로는 무엇이 있는가?	전기품질의 문제로서는 주로 순간정전, 그리고 순시적인 전압강하(voltage sag)와 전압상승(swell) 등 대부분은 전압품질과 같은 의미로 사용되고 있으며 이는 수용가 설비의 가동정지(shut down)와 오동작을 일으킬 수 있기 때문에 생산활동의 경제성 저하에 영향을 줄 수 있는 인자이며, 순간정전 및 순시전압강하 문제가 가장 대표적이라 할 수 있다[3,4].
	순시적인 전압강하(voltage sag)와 전압상승 등의 문제에 대한 대책은?	이러한 전압크기의 변동 문제에 대한 대책으로써는 무정전 전원장치(uninterruptible power supply, UPS)와 순시전압강하 보상장치 즉 동적전압보상장치(dynamic voltage restorer, DVR)의 전력기기가 주로 사용되고 있다. UPS는 주로 정전 시에 사용하는 전력기기로 배터리를 사용하게 되며 용량이 제한적이기 때문에 민감 부하와 같은 한정된 부하의 범위에서 사용되며 상시가동형(On-line 방식)과 필요시에만 동작하는 상시대기형(Off-line 방식)이 있다.

참고문헌 (8)

Math H. J. Pollen, Understanding Power Quality Problems, IEEE Press, 1999.
Jin-Geun Shon, Hee-Jong Jeon, "Series Voltage Compensation Systems for Voltage Sag by Using an Environmentally Friendly Ultra-capacitor", Trans. KIEE. Vol. 58, No. 4, pp.763-769, APR. 2009.
D. Mahinda Vilathgamuwa et al, "Voltage Sag Compensation With Energy Optimized Dynamic Voltage Restorer", IEEE Trans., POWER DELIVERY, Vol.18, NO.3, pp.928-936, July 2003.

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F. Botteron, H. Pinheiro "A Three-Phase UPS That Complies With the Standard IEC 62040-3", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 4, pp.2120 - 2136, Aug. 2007.

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Dong-Jun Kim , Jin-Geun Shon, Hee-Jong Jeon, "A development of Diagnosis Monitoring System for UPS DC Link Capacitors using Zigbee Wireless Communication", Trans. KIEE. Vol. 61P, No. 1, pp.41-46, Mar. 2012.

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R. Martinez and P. N. Enjeti, "A high-performance single-phase rectifier with input power factor correction", IEEE Trans. on PE, vol. II, no. 2, pp. 311-317, 1996,
Jong-Chan Park, Jin-Geun Shon, "Power Factor Correction of Single-phase Boost Converter for Low-cost Type UPS Configuration", Trans. KIEE. Vol. 62P, No. 3, pp. 145-150, SEP, 2013.

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R.M. Santos Filho, P.F. Seixas, P.C. Cortizo, LAB. Torres, and A. F.Souza, "Comparison of Three Single-Phase PLL Algorithms for UPS Applications," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 8, pp.2923-2932, 2008.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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