[논문]무정전전원장치 병렬운전을 위한 인버터의 출력 위상 동기화 방법

김희주; 박종면; 오세형

doi:10.6113/tkpe.2020.25.3.235

무정전전원장치 병렬운전을 위한 인버터의 출력 위상 동기화 방법
Output Phase Synchronization Method of Inverter for Parallel Operation of Uninterruptible Power System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.3, 2020년, pp.235 - 241

김희주 (Research Institute, Seoul Electric Power System Co., Ltd.) , 박종면 (Research Institute, Seoul Electric Power System Co., Ltd.) , 오세형 (Research Institute, Seoul Electric Power System Co., Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose the bus/bypass synchronization phase lock loop (B-Sync PLL) method using each phase voltage controller of a parallel UPS inverter. The B-Sync PLL included in each phase voltage control system of parallel UPS inverters has the transient response and the phase synchronization error at grid normal or blackout. The validity of this method is verified by simulation and experiment. As a result, the parallel UPS inverters using the proposed method confirmed that the output phase was continuously synchronized when a grid blackout, improving the transient response characteristics for stable load power supply and equal load sharing.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Configuration of parallel UPS inverters.
그림 Fig. 2. Inverter output phase synchronization for parallel operation block diagram.
그림 Fig. 3. Simulation results of parallel UPS inverters using B-sync PLL technique.
표 TABLE I SYSTEM SPECIFICATION
그림 Fig. 4. Simulation result of any parallel UPS inverter breakdown.
그림 Fig. 5. Testing environment of parallel UPS.
그림 Fig. 6. Output of parallel UPS at grid normal and inverter normal.
그림 Fig. 7. Output of parallel UPS inverters at grid abnormal
그림 Fig. 8. Output of any parallel UPS inverter breakdown at each grid status.
그림 Fig. 9. Output current of parallel UPS at grid abnormal.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 병렬 UPS의 안정적인 출력 전원을 갖기 위해 계통전원의 상태에 따라 기준 위상을 변경하는 기준 위상 동기화 기법인 B-Sync PLL 기법을 제안하였다.

제안 방법

그림 6과 같이 모의실험 조건과 동일하게 상황을 모사하였으며, 모의실험 환경에 스태틱 스위치를 추가하여 시험을 진행하였다. 계통전압의 출력 파형은 1:1 비율로 측정하였으며, 각 UPS의 출력 파형은 520:1의 비율로 측정하였다.
그림 6과 같이 모의실험 조건과 동일하게 상황을 모사하였으며, 모의실험 환경에 스태틱 스위치를 추가하여 시험을 진행하였다. 계통전압의 출력 파형은 1:1 비율로 측정하였으며, 각 UPS의 출력 파형은 520:1의 비율로 측정하였다.
인버터의 병렬 운전을 위한 각 상 전압 제어기는 그림 2와 같이 이중 루프 형태(Double Loop)로 구성하였다. 내부 루프(Inner Loop)에서는 각 상 전압 제어기를 통해 인버터의 출력 전압을 제어하고 외부 루프(Outer Loop)에서는 각 상 전류 보상기를 포함하여 병렬 인버터 모듈 간의 전류 오차를 보상하도록 구성하였다.
또한 각 상 전압 제어기는 입출력 전원을 DQ 변환을 통해 동기화 위상정보(Theta_sync)와 DC형태의 출력량(Ede, Eqe, Ide, Iqe)을 입력 받아 출력 제어 위상을 계산한다.
이 기법의 타당성을 입증하기 위해 PSIM을 이용한 모의실험과 30 KVA 병렬 UPS 시제품으로 실험하였다.
전류 보상기는 부하 전류 및 각 인버터 모듈의 출력전류를 DQ 변환하고 DC 형태의 전류 출력량을 입력받아 평균 전류 분담 기법을 수행한다. 전류 센서를 통해 측정된 최종 부하의 전류량과 부하 전력 공급량을 평균전류 계산을 통해 다수의 병렬 시스템에 균등한 분배가 이루어지도록 하였다.
전류 보상기는 부하 전류 및 각 인버터 모듈의 출력전류를 DQ 변환하고 DC 형태의 전류 출력량을 입력받아 평균 전류 분담 기법을 수행한다. 전류 센서를 통해 측정된 최종 부하의 전류량과 부하 전력 공급량을 평균전류 계산을 통해 다수의 병렬 시스템에 균등한 분배가 이루어지도록 하였다. 이를 통해 교류 전원 제어 관련되는 출력 임피던스 성분은 정상 상태에서 무시된다.
제안하는 병렬 UPS 위상 동기화 기법의 검증하기 위해 PSIM 모의실험을 수행하였다. 모의실험 조건은 표 1과 같다.
제안한 B-sync PLL 기법으로 식 (9)와 식 (10)을 통해 계산된 θsync를 정전 또는 복전 상황에 따라 선택적으로 사용하여 기준 위상 동기화 위치를 변경하고 병렬모듈 간 계통전원에 관계없이 독립적인 연속 PLL 값을 가질 수 있게 한다.
제안한 알고리즘을 실험적으로 검증하기 위해 모의실험과 동일한 조건의 사양을 갖는 3상 30 kVA UPS 2대를 병렬로 연결하였다.

이론/모형

3. Simulation results of parallel UPS inverters using B-sync PLL technique.
본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 비통신선 방식으로 구성된 각상 전압 또는 전류 제어기에 계통전원의 상태에 따라 기준 위상을 선택적으로 변경해주는 기준 위상 동기화 기법인 B-Sync PLL(Bypass/Bus Synchronization Phase Lock Loop) 기법을 적용하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 병렬 UPS의 각 인버터는 상호 모듈 출력의 상태와 출력 제어 기준 위상을 계통 전원과 인버터 출력 전원의 위상으로 이중화하고 계통전원의 정전 및 복전 상태에 따라 기준 위상을 선택하여 동기화하는 B-Sync PLL 기법을 적용하였다.

성능/효과

그 결과 계통전원의 정전 및 복전 상황에서 출력 전원에 대한 불안정한 과도응답 특성 발생하지 않는 것을 볼 수 있었다. 또한 지속적인 정전 상태에서도 각 인버터 모듈의 출력 위상이 동일하게 나타나며, 각 인버터 모듈 사이에 안정적이고 균일한 부하분담이 가능함을 입증하였다.
또한 정전 상태에서도 부하에 V_out1, V_out2와 같이 안정적인 출력 전압을 연속적으로 출력하고 I_out1 , I_out2와 같이 불안정한 과도 응답 또는 인버터 간의 위상차가 발생되지 않으며 안정적인 부하 분담이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 계통전원의 정전 및 복전 상황에서 출력 전원에 대한 불안정한 과도응답 특성 발생하지 않는 것을 볼 수 있었다. 또한 지속적인 정전 상태에서도 각 인버터 모듈의 출력 위상이 동일하게 나타나며, 각 인버터 모듈 사이에 안정적이고 균일한 부하분담이 가능함을 입증하였다.
또한 출력 전류의 그림을 보면 한 개의 인버터 모듈의 이상 발생 시 균등하게 분담되어 있던 전류가 정상상태의 인버터에 모두 부담되어 출력 전류 파형의 크기가 2배 증가하는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 B-Sync 기법을 적용한 각 인버터 모듈은 계통 전원의 상태와 관계없이 동일한 위상을 가지며, 균일한 부하를 분담하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	병렬 UPS는 어떤 요소들에 의해 순환전류가 발생하는가?	병렬 UPS는 일반적으로 각 시스템 제어기의 측정 오차, 임피던스 불균형, 통신선상의 노이즈 등의 요소에 의해 순환전류가 발생한다[3],[4].
	B-Sync PLL 기법의 타당성을 입증하기 위해 PSIM을 이용한 모의실험과 30 KVA 병렬 UPS 시제품으로 실험하였는데 이에 대한 실험결과는 어떠한가?	그 결과 계통전원의 정전 및 복전 상황에서 출력 전원에 대한 불안정한 과도응답 특성 발생하지 않는 것을 볼 수 있었다. 또한 지속적인 정전 상태에서도 각 인버터 모듈의 출력 위상이 동일하게 나타나며, 각 인버터 모듈 사이에 안정적이고 균일한 부하분담이 가능함을 입증하였다.
	무정전전원장치란 무엇인가?	무정전전원장치(UPS, Uninterruptible Power System)는 계통전원 이상 발생 시 비상 발전기 또는 비상용 축전지 등을 이용하여 부하 장비에 안정적인 전원을 공급하기 위해 반드시 필요한 장비이다[1]. 최근 부하 용량이 점차 커짐에 따라 안정적이고 효율적으로 용량을 증설할 수 있는 병렬 UPS에 대한 요구가 증가하고 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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Y. W. Li and C. N. Kao, “An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operation in a low voltage multibus microgrid,” IEEE Trans. on Power Electron, Vol. 24, No. 12, pp. 2977-2988, Dec. 2009.

상세보기
S. Y. Shin, S. W. Kang, J. H. Im, and R. Y. Kim, “Circulating current reduction method using high frequency voltage compensation in asynchronous carriers for modular scalable inverter system,” The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 24, No. 2, pp. 71-77, Apr. 2019.
C. L. Chen, Y. Wang, J. S. Lai, Y. S. Lee, and D. Martin, “Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications,” IEEE TRansactions On Power Electronics, Vol. 25, No. 1, pp. 6-15, Jan. 2010.

상세보기
J. W. Dixon and B. T. Ooi, "Series and parallel operation of hysteresis current-controlled PWM rectifiers," IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 25, pp. 644-651, Aug. 1989.

상세보기
D. Shin, J. P. Lee, D. W. Yoo, and H. J. Kim, “Stability improvement of interleaved voltage source inverters employing coupled inductors for grid-connected applications,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 62, No. 10, pp. 6014-6023, Oct. 2015.

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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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