[논문]저항성 수하 제어를 적용한 3상 모듈형 UPS 인버터의 비통신선 방식 병렬 운전

김선태; 지준근

doi:10.5370/kiee.2016.65.10.1672

저항성 수하 제어를 적용한 3상 모듈형 UPS 인버터의 비통신선 방식 병렬 운전
Wireless Parallel Operation of a Three-phase Modular UPS Inverter using Resistive Droop Control 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.10, 2016년, pp.1672 - 1681

김선태 (Dept. of Electrical Communication System Engineering, SoonChunhyang University) , 지준근 (Dept. of Electrical Engineering, SoonChunhyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a wireless parallel operation method of three-phase modular UPS inverter using resistive droop control. Furthermore, it applies a virtual resistor to droop control so that the output impedance of UPS inverter gets closer to resistive. It makes resistive droop control effective. The simulation using PSIM was performed in order to verify the validity of proposed algorithm. After consisting two-parallel system with three-phase modular UPS inverter, the experiment according to resistive load was conducted. It demonstrated the performance of current sharing and power sharing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 저항성 수하 제어를 이용한 3상 모듈형 UPS 인버터의 병렬운전 알고리즘에 대해 제안하였다.
본 논문에서는 저항성 수하(Resistive Droop) 제어를 적용하여 3상 4선식 UPS 인버터의 병렬 운전 알고리즘을 제안하였다. 설계된 병렬 운전 알고리즘의 타당성 검증을 위해 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 통해 이산시간 시뮬레이션을 수행하였으며, 3상 25[kVA] 모듈형 UPS 2대를 이용한 2병렬 시스템을 구성한 후 저항 부하에 대해서 실험을 수행하여 제안한 병렬 운전 알고리즘의 검증과 전류 및 전력 분담 성능을 확인하였다.

가설 설정

UPS와 같은 저전압 계통에서 선로 임피던스의 지배성분은 대부분 저항성이다. 그러므로 본 논문에서는 출력 임피던스를 순수 저항성으로 가정한 저항성 수하 제어를 적용하였다. 표 1에서 확인할 수 있듯이, 출력 임피던스가 순수 저항성일 경우 유효전력은 전압 크기의 차인 (E-V)에 강하게 의존하고 무효전력은 Φ에 강하게 의존한다.
이때, AC/DC 정류기가 이상적으로 동작한다고 가정하여 DC 링크의 전압은 760[V]를 사용하였다.

제안 방법

2.2절에서 설명하였듯이 본 논문에서 사용된 UPS의 3상 4선식 NPC 인버터의 구조는 단상 UPS 인버터로 모델링 할 수 있으며, 이런 이유로 전압 제어기는 단상 전압 제어기로 우수한 제어 특성을 갖는 PR(비례-공진) 제어기를 사용하기로 한다[11].
3상 4선식 3-level NPC 인버터는 회로 구성의 대칭성으로 인해 독립된 단상 3-level 인버터로 모델링 될 수 있기 때문에, 본 논문에서는 단상 전압 제어기로서 우수한 특성을 가지는 PR 제어기를 사용하였으며, 전류 제어기로는 PI 제어기를 사용하였다.
UPS와 같은 저전압 계통의 선로 임피던스가 대체로 저항성에 가깝다는 점과 가상 저항을 적용하여 UPS 인버터의 출력 임피던스가 저항성에 가까운 것을 고려하여 비통신선 방식 병렬 운전의 수하 제어 전략을 저항성 수하 제어로 적용하였다. 이때, 기존에 널리 사용되어 왔던 무효 전력에 비례한 주파수 수하 제어 방법 대신에 위상각을 수하 제어 하는 방법을 이용함으로써 시스템의 주파수가 어떠한 부하 조건 하에서도 60Hz 로 고정되도록 하였다.
병렬 운전시 전류 및 전력 분담 성능을 평가하기 위해 3상 정격용량 [25kVA] 모듈형 UPS의 인버터 2대로 2병렬 시스템을 그림 10과 같이 구축하여 실험을 수행하였다. 구축된 2병렬 UPS 인버터 시스템은 위 그림에서 볼 수 있듯이 각각의 UPS AC-DC 변환부가 교류 입력을 받아서 정류 변환을 통해 인버터의 직류단을 충전시키는 기능을 하며, 실험에서는 DC 링크의 전압을 760[V]로 제어하였다. 각각의 UPS 인버터의 출력은 차단기 (Circuit Breaker)를 통해 병렬로 연결된다.
때문에, 본 논문에서는 출력 임피던스를 순수 저항성으로 가정한 저항성 수하 제어를 적용하고, 이에 더하여 가상 저항을 적용하여 기본파 주파수에서의 출력 임피던스 특성이 저항성에 가까워지도록 함으로써 저항성 수하(Resistive Droop) 제어가 유효하도록 하였다.
또한 본 논문에서는 순시 유/무효 전력으로부터 평균 전력이 되는 DC성분을 추출하기 위해 식 (7)과 같이 2차 저역통과 필터를 사용하였다.
또한, 출력 전압의 주파수 대신에 위상각을 수하 제어하는 Q-Φ (무효전력-출력 전압의 위상각) 수하제어를 적용함으로써, 시스템의 출력 주파수를 부하조건에 무관하게 60Hz로 고정하는 방법을 이용하였다[6],[7].
병렬 운전시 전류 및 전력 분담 성능을 평가하기 위해 3상 정격용량 [25kVA] 모듈형 UPS의 인버터 2대로 2병렬 시스템을 그림 10과 같이 구축하여 실험을 수행하였다. 구축된 2병렬 UPS 인버터 시스템은 위 그림에서 볼 수 있듯이 각각의 UPS AC-DC 변환부가 교류 입력을 받아서 정류 변환을 통해 인버터의 직류단을 충전시키는 기능을 하며, 실험에서는 DC 링크의 전압을 760[V]로 제어하였다.
본 논문에서 3상 UPS 인버터의 병렬 운전 알고리즘을 검증하기 위해 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM으로 인버터의 2 병렬 운전 시뮬레이션을 수행하였다.
순시 유효전력의 경우 출력 전압과 전류의 곱의 형태로 이루어지고, 순시 무효 전력의 경우 출력 전압을 90도 지연시킨 가상의 q축 전압 신호와 출력 전류를 곱하여 계산할 수 있다[9]. 본 논문에서는 출력 전압의 90도 지연을 구현하기 위해서 전역 통과 필터(All pass filter)를 사용하였다.
그림 9(E)는 전체 시뮬레이션 시간에서의 각상 평균 유/무효 전력을 나타낸다. 위로부터 순서대로 1번과 2번 인버터 결과 파형을 A상 유효전력, B상 유효전력, C상 유효전력, A상 무효전력, B상 무효전력, C상 무효전력을 순으로 같은 그리드 안에 도시하였다. 부하 불평형의 확인을 위해 A, B, C상 Y축 스케일을 동일하게 설정하였다.
UPS와 같은 저전압 계통의 선로 임피던스가 대체로 저항성에 가깝다는 점과 가상 저항을 적용하여 UPS 인버터의 출력 임피던스가 저항성에 가까운 것을 고려하여 비통신선 방식 병렬 운전의 수하 제어 전략을 저항성 수하 제어로 적용하였다. 이때, 기존에 널리 사용되어 왔던 무효 전력에 비례한 주파수 수하 제어 방법 대신에 위상각을 수하 제어 하는 방법을 이용함으로써 시스템의 주파수가 어떠한 부하 조건 하에서도 60Hz 로 고정되도록 하였다.

대상 데이터

전류 제어기는 일반적으로 널리 사용되고 있는 PI 제어기를 사용하기로 한다. PI 전류제어기의 블록도를 나타내면 그림 6과 같다.

데이터처리

본 논문에서는 저항성 수하(Resistive Droop) 제어를 적용하여 3상 4선식 UPS 인버터의 병렬 운전 알고리즘을 제안하였다. 설계된 병렬 운전 알고리즘의 타당성 검증을 위해 전력전자 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 통해 이산시간 시뮬레이션을 수행하였으며, 3상 25[kVA] 모듈형 UPS 2대를 이용한 2병렬 시스템을 구성한 후 저항 부하에 대해서 실험을 수행하여 제안한 병렬 운전 알고리즘의 검증과 전류 및 전력 분담 성능을 확인하였다.

성능/효과

그림 9(B)는 1번 인버터 운전 중 2번 인버터가 투입되는 구간을 시간축에 대해 확대한 파형이다. 2번 인버터가 투입 후에 정상 상태로 갈수록 순환 전류의 양이 감소하면서 각각의 인버터가 동등하게 전류 분담을 이루는 것을 확인할 수 있다.
그림 13(C), (D)는 3상 시스템의 유효성을 평가하기 위해 동일한 실험 조건아래 3상 출력 전류 과도 응답을 나타낸다. B,C상과 달리 A상의 경우 특정 영역에서 전류 분담 성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있는데, 이는 하드웨어적인 문제로 생각하고 있으며 이를 감안하면 3상 모두 전류 분담이 우수하게 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
단상과 달리 3상 UPS 인버터의 비통신선 방식 병렬 운전의 경우에는 국내의 학위논문이나 참고할 자료를 찾아보기가 어려웠 다. 때문에 본 논문에서 제안하는 알고리즘들을 적용하여 여러 가지 모의상황에 대해서 각 인버터가 동등한 전력/전류 분담을 이루는지 PSIM 시뮬레이션 및 실험을 진행하였고 양호하게 분담이 이루어지는 것을 확인하였다.
1[kW]로 부하 용량 증가시 B상 출력 전압/전류 과도 응답을 나타내고, 그림 13(B)는 B상 평균 유/무효 전력을 나타낸다. 부하 용량 증가 에도 불구하고 전류 및 전력 분담이 우수하게 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
위로부터 순서대로 1번 인버터 3상 출력 전압, 2번 인버터 3상 출력 전압, 1번 인버터 3상 출력 전류, 2번 인버터 3상 출력 전류, 3상 순환 전류를 나타낸다. 시뮬레이션 과정을 감안하여 보았을 때 우수하게 동등한 전류 분담이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

첫째, 평균 전력 계산시 일반적으로 사용하는 저역 통과 필터로 인한 동특성의 개선이 필요하다. 둘째, 수하 제어 및 가상 저항으로 인해 전력 분담 성능과 출력 전압의 변동률 사이에 존재하는 상충관계에 대한 개선이 필요하다.
본 논문에서 제안한 방법에 대하여는 다음과 같은 추가적인 연구 및 보완이 필요하다고 생각되어진다. 첫째, 평균 전력 계산시 일반적으로 사용하는 저역 통과 필터로 인한 동특성의 개선이 필요하다. 둘째, 수하 제어 및 가상 저항으로 인해 전력 분담 성능과 출력 전압의 변동률 사이에 존재하는 상충관계에 대한 개선이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모듈형 UPS가 널리 쓰이는 이유는?	따라서, 부하 용량 증가에 대한 높은 대응성과 UPS의 리던던시 개념을 위해 모듈형 UPS(Modular UPS)가 널리 쓰이고 있다. 모듈형 UPS로 안전전력망을 구성하면 UPS 모듈 N개로 부하를 부담하고 1개 또는 X개 추가가 가능한 N+1, N+X 리던던시 안전전력망을 구축할 수 있다[2],[3].
	병렬 UPS 시스템의 제어 방식은 통신선의 존재 유무에 따라 어떻게 분류되고, 그에 대한 특징은?	병렬 UPS 시스템의 제어 방식은 UPS 인버터의 모듈간 통신 선의 존재 유무에 따라서 크게 두 가지로 분류된다. 첫째, 통신선을 필요로 하는 방법들로서 중앙 제어(Centralized Control), 주종 제어(Master-slave Control), 평균 전류 분담 제어(Average Current Control), 환형 연결 제어(Circular Chain Control) 등은 우수한 출력 전압 제어와 전류 분담이 가능하나 통신선을 필요로 하기 때문에 신뢰성과 확장성이 떨어진다[5]. 둘째, 통신선이 없이 수하(Droop) 특성에 기초한 병렬 운전 방법은 각개 UPS의 출력 전압 및 전류만을 측정하여 병렬 운전을 수행하기 때문에, 통신선 방식들이 가지는 신뢰성 및 확장성에 대한 단점을 극복할 수 있다[5].
	UPS의 역할은?	UPS는 전원 환경에 민감한 부하(Critical Power Load)들 에대해 전원계통의 고장시에 대비하여 높은 신뢰성과 안정적인 전원 공급을 위해 쓰이고 있다. 이때, UPS도 하나의 시스템으로서 고장으로 인한 정전사태가 발생할 수도 있으므로 UPS 자체의 신뢰성 확보도 매우 중요하게 되었다.

참고문헌 (11)

C. Zhang, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, E. A. Coelho and C. Seniger, "High-performance control of paralleled threephase inverters for residential microgrid architectures based on online uninterruptable power systems," 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Charlotte, NC, 2015, pp. 3232-3239.
Tae-Geun Koo, "Independent Control of Module UPS for Load Sharing", Youngnam University Phd. Degree Thesis, 2002.
Jun-Seok Cho, "Analysis and Design of Distributed Inverter System based on Decentralized Control", Kunkook University Phd. Degree Thesis, 2004.
Dae-kwan Ku, "A Study on the Wireless Parallel Operation of a Single-phase UPS Inverter using Singleloop Robust Voltage Controller", Soonchunhyang University Master Degree Thesis, 2012.
J. M. Guerrero, L. Hang and J. Uceda, "Control of Distributed Uninterruptible Power Supply Systems," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 8, pp. 2845-2859, Aug. 2008.

상세보기
C. Zhang, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez and E. A. A. Coelho, "Control Architecture for Parallel-Connected Inverters in Uninterruptible Power Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 7, pp. 5176-6188, July 2016.

상세보기
C. Zhang, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez and C. Seniger, "Modular Plug'n'Play control architectures for threephase inverters in UPS applications," 2015 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia), Seoul, 2015, pp. 659-666.
J. M. Guerrero, J. Matas, L. Garcia de Vicuna, M. Castilla and J. Miret, "Decentralized Control for Parallel Operation of Distributed Generation Inverters Using Resistive Output Impedance," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 2, pp. 994-1004, April 2007.

상세보기
D. De and V. Ramanarayanan, "Decentralized Parallel Operation of Inverters Sharing Unbalanced and Nonlinear Loads," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 12, pp. 3015-3025, Dec. 2010.

상세보기
J. M. Guerrero, Luis Garcia de Vicuna, J. Matas, M. Castilla and J. Miret, "Output Impedance Design of Parallel-Connected UPS Inverters With Wireless Load-Sharing Control," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 4, pp. 1126-1235, Aug. 2005.

상세보기
Seon-Tae Kim, Jun-Keun Ji, "Simulation of 3-Level NPC Inverter using Co-simulation of LabVIEW and Multisim", KIPE Annual Conference, 2014, pp. 546-647.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증