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문제 정의
- 본 논문에서는 ESS 기능을 갖는 단상 이중변환 하이브리드 UPS를 제안한다. 제안한 하이브리드 UPS는 평상시에는 부하에 안정적인 전력을 공급하면서 배터리를 충전시켰다가 입력전원이 불안정하거나 정전시에는 자동으로 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 전력을 공급한다.
- 본 논문에서는 ESS 기능을 갖는 단상 이중변환 UPS 를 제안하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 ESS 기능을 갖는 단상 이중변환 하이브리드 UPS를 제안한다. 제안한 하이브리드 UPS는 평상시에는 부하에 안정적인 전력을 공급하면서 배터리를 충전시켰다가 입력전원이 불안정하거나 정전시에는 자동으로 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 전력을 공급한다. 그리고 ESS 기능이 필요한 첨두부하시나 전력부족시 또는 사용자의 편의에 의해서 ESS 기능 필요시에는 상용전원을 차단하고 무순단으로 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 전력을 공급하여 전력을 관리할 수 있는 장점이 있다.
- 제안한 단상 이중변환 하이브리드 UPS는 그림 2와 같이 정류기, 인버터, 배터리 충전기, 바이패스 스위치, 배터리로 구성된다.
- 또한 입력전원이 정상이어도 ESS 기능이 필요한 첨두부하나 전력부족시, 또는 사용자의 편의에 의해서 ESS 기능이 필요할 때 동작하는 ESS 상태에서도 배터리의 전압을 일정한 직류단 전압으로 승압하여야 한다. 그러기 위해서 본 논문에서는 정상상태에서는 3-레벨 부스트 PFC로 동작하고 배터리 상태나 ESS 상태에서는 부스트 컨버터로 동작함으로써 배터리 방전기를 제거할 수 있는 PFC 부스트 컨버터를 제안한다.
- 제안한 정류기와 인버터는 그림 6 및 그림 7과 같이 내부에 전류제어기가 있고 외부에 전압제어기가 있는 이중루프 제어기를 사용하여 제어한다. 그림 6은 정류기의 제어기 블럭도로서 내부의 전류제어기와 외부의 전압제어기를 모두 PI(Proportional Integral) 제어기로 설계한다.
- 3-레벨 부스트 컨버터의 경우 동일한 하드웨어라도 스위칭 소자와 구동회로의 차이, 부하의 불평형 등으로 인하여 윗단과 아랫단 커패시터 전압에 불평형이 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안한 제어기에서는 두 커패시터의 불평형 성분을 제거하기 위하여 윗상과 아랫상 커패시터 전압의 차이를 0으로 만드는 PI 불평형 제어기를 설계하고, 불평형 제어기의 출력을 전압제어기의 출력에 전향 보상하여 전류 지령값을 만든다.
- 제안한 시스템은 그림 8과 같이 정상 상태, 배터리 상태, 바이패스 상태, ESS 상태 등 모두 4개의 상태로 동작한다. 정상 상태는 그림 8(a)와 같이 평상시에 동작하는 상태로서 정류기와 인버터가 동작하여 부하에 에너 지를 공급하면서 배터리 충전기를 통하여 배터리를 충전한다.
- 제안한 시스템에서 ESS 상태의 동작 가능한 시간을 2시간으로 결정하였다. 제안한 시스템은 ESS 상태뿐만아니라 입력전원이 불안정하거나 정전시에도 배터리가 동작되어야 하므로 ESS 상태로 동작할 수 있는 2시간 외에도 정전 보상시간 30분까지 추가하여 총 방전시간을 2시간 30분으로 설정하여 배터리의 용량을 설계하였다.
- 제안한 시스템에서 ESS 상태의 동작 가능한 시간을 2시간으로 결정하였다. 제안한 시스템은 ESS 상태뿐만아니라 입력전원이 불안정하거나 정전시에도 배터리가 동작되어야 하므로 ESS 상태로 동작할 수 있는 2시간 외에도 정전 보상시간 30분까지 추가하여 총 방전시간을 2시간 30분으로 설정하여 배터리의 용량을 설계하였다.
- 제안한 ESS기능을 갖는 단상 이중변환 하이브리드 UPS의 성능을 확인하기 위해서 PSIM의 C-블럭을 사용하여 시뮬레이션하였다. 표 1은 시뮬레이션에 사용한 파라미터이다.
- 그림 13은 ESS 상태 에서 배터리 전압의 가변에 따른 시뮬레이션 결과이다. 실제 배터리의 경우 3.7V/Cell을 64개 직렬로 연결하여 사용하므로 최대 전압을 260V, 최저 전압을 200V로 하여 시뮬레이션 하였다. 그림 13(a)는 배터리 전압, 직류단 지령값 및 실제 파형으로서 배터리 전압이 260V에서 200V로 변하더라도 직류단 전압이 760V로 일정하게 제어됨을 알 수 있다.
- 제안한 시스템의 유용성을 확인하기 위하여 시뮬레이션과 동일한 파라미터로 실험하였다.
- 제안한 UPS 시스템에서 정류기는 정상 상태에서는 3-레벨 부스트 PFC로 동작하고, 배터리 상태와 ESS 상태에서는 부스트 컨버터로 동작한다. 이와 같이 배터리 상태와 ESS 상태에서 정류기를 부스트 컨버터로 동작시킴으로써 배터리 방전기를 제거할 수 있는 장점이 있다.
- 제안한 UPS는 평상시에는 정상 상태로 동작하여 안정적인 전력을 공급하면서 배터리를 충전한다. 정전시에는 자동으로 배터리 상태로 동작하여 안정적으로 전력을 부하에 공급한다.
대상 데이터
- 인버터는 정상 상태와 배터리 상태, ESS 상태에서 모두 동작하며 직류단 전압을 교류전압으로 변환하는 역할을 한다. 본 논문에서는 TNPC(T-Type Neutral Point Clamp) 인버터로 구성한다. TNPC 인버터는 그림 2와 같이 스위칭 소자 4개로 구성되는데 기존의 2-레벨 방식에 비해서는 스위칭 소자 2개가 증가하지만, 3-레벨 NPC 방식에 비해서는 다이오드 2개를 줄일 수 있는 장점이 있다.
- 그림 14는 실제 실험에 사용한 실험 세트이며 제어부, 정류부, 인버터부, 전원부 등으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 제안한 시스템에서 정류기는 PFC로 동작할 때에는 그림 3과 같이 모두 4개 모드로 동작하며 입력전압이 양의 반주기에서는 모드 P1과 P2가 반복적으로 동작하고, 음의 반주기에서는 모드 P3과 P4가 반복적으로 동작한다. 스위칭 소자 SR1과 SR2는 반 주기 동안 항상 온상태로 다이오드와 같은 역할을 한다.
- 제안한 하이브리드 UPS는 다른 UPS와는 다르게 ESS 기능이 있어서 ESS 기능이 필요한 첨두부하시나 전력부족시, 또는 사용자의 편의에 의해서 ESS 기능이 필요할 때 미리 배터리에 충전된 에너지를 사용하여 전력을 관리할 수 있다. ESS 기능은 시간을 지정해서 매일 일정한 시간에 일정 시간동안 동작할 수도 있고, 지령에 의해서도 동작할 수 있다.
- 7V/Cell을 64개 직렬로 연결하여 사용하므로 최대 전압을 260V, 최저 전압을 200V로 하여 시뮬레이션 하였다. 그림 13(a)는 배터리 전압, 직류단 지령값 및 실제 파형으로서 배터리 전압이 260V에서 200V로 변하더라도 직류단 전압이 760V로 일정하게 제어됨을 알 수 있다. 이에 따라 그림 13(b)에서 알수 있듯이 실제 출력전압이 출력전압 지령값을 추종하여 정현파로 잘 제어되고 있다.
- 그림 18은 ESS 상태의 실험 파형으로서 그림 18(a)는 배터리 전압이 최대일 때, 그림 18(b)는 최저일 때의 배터리 전압, 직류단 전압, 출력전압을 측정한 파형이다. 시뮬레이션과 마찬가지로 배터리 전압이 최대일 때와 최저일 때 모두 직류단 전압이 760V로 일정하게 유지되며 출력전 압이 정현파로 제어됨을 알 수 있다.
- 그림 19는 기존 시스템과 제안한 시스템의 효율을 측정한 결과로서 정류기를 3-레벨 부스트 PFC로 동작시키고 인버터를 T-type 3-레벨로 동작시켜 스위칭 손실을 줄임으로써 전 영역에서 기존 방식에 비해 효율이대략 2% ～ 7% 정도 높은 것을 알 수 있다.
- 끝으로 시뮬레이션과 실험을 통하여 정상 상태에서 입력역률을 단위 역률로 제어하면서 출력전압을 정현파로 제어하고, 배터리 상태 및 ESS 상태에서는 배터리 전압이 변하여도 직류단 전압을 일정하게 유지하고 출력전압을 정현파로 제어함으로써 제안한 시스템의 유용 성을 확인하였다.
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