고주파 순환전류 제거방식을 적용한 전 디지털 3상 병렬 UPS개발기술개요1. 3상 병렬 UPS 시스템의 개요최근 정전, 순간정전 또는 정압강하와 같은 전원계통 사고에 민감한 부하들의 급증에 따라 무정전 전원 공급 장치(UPS：Uninterruptible Power Supply)의 사용이 증가하는 추세이다. 실제로 은행, 증권거래소에서 이용되는 서버 혹은 반도체 라인의 생산설비는 정전 사고 시 막대한 손실을 초래할 수 있으며 병원 등에 이용되는 의료장비들은 전원사고 시에 생명을 위협하는 경우가 발생 할 수 있다. 이러한 UPS는 입·출력선 형태에 따라 단상 UPS와 3상 UPS로 나뉘어 지는데 일반적으로 10kVA이하의 저용량에서는 단상 UPS를 이용하며 10kVA∼4,000kVA급의 중·대용량에서는 3상 UPS를 이용하게 된다. 정전 사고에 대한 최후의 대비책인 UPS는 그 신뢰성을 더욱 높이기 위해 또는 용량을 증가시키기 위한 목적으로 병렬 운전되고 있다. 이런 병렬 UPS는 시스템 구성 방식에 따라서 중앙 집중(Centralized) 제어방식과 분산(Distributed) 제어방식의 두 가지 형태로 구분된다. <그림1>과 <그림2>에 각 방식에 대한 2대 병렬 UPS 시스템 단선도를 나타낸다. <그림1>과 같은 중앙 집중 제어방식의 경우 바이패스선이 하나로 되어있으며 단독 UPS외에 여러 대의 UPS들의 부하 분담을 제어하는 병렬 제어기가 외부에 별도로 필요하게 된다. 이와 같은 방식을 사용할 경우 외부 병렬제어기에서 고장이 발생하게 되면 더 이상 장비운전을 할 수 없게 되며 추가적으로 설치되는 병렬제어기는 제품의 단가를 상승시키는 주요한 요인이 된다. 단상 UPS의 경우 거의 모두 중앙 집중 제어방식으로 운전되고 있다. 한편 <그림2>와 같은 분산 제어방식의 경우에 각각의 UPS들은 바이패스선을 가지고 있으며 각각의 장비에서 병렬 제어기를 가지고 병렬제어를 수행하게 된다. 이와 같은 방식을 사용하여 여러 대의 UPS를 운전할 경우 한 장비의 고장이 발생하더라도 여분의 정상장비들을 이용하여 병렬운전을 지속할 수 있으며 또한 단독 UPS에 통신 모듈과 병렬제어기를 추가하는 것으로 병렬장비로의 변환이 간단히 이루어지기 때문에 장비의 생산성이 향상되고 중앙 집중 방식에 비해 추가적인 비용이 적어지는 장점이 있다. 이러한 분산 제어방식을 이용한 병렬 UPS는 주로 3상 UPS의 경우에 주로 이용되어지고 있으며 단독장비의 추가적인 연결에 의해 부하용량 증설이 간편하기 때문에 최근 많이 이용되어지고 있는 병렬 시스템 중하나이다. 위에 언급된 바와 같이 병렬장비들을 제어하기 위해서는 어떠한 방식의 시스템을 선택하는 것과는 상관없이 병렬제어기는 필요하게 된다. 이러한 병렬제어기의 주된 역할은 병렬운전 시 부하를 정확히 분담하는 것인데 부하의 분담을 정확히 제어하기 위해 타 장비들의 부하전류 정보를 알고 있는 것은 필수적이다. 병렬 UPS를 생산하는 대부분의 제조사들은 병렬운전을 위해 필요한 부하전류 정보를 얻기 위해 아날로그방식의 병렬제어기를 이용해왔다. <표1>에 외국 병렬 UPS 제조사들의 병렬제어기 방식과 병렬시스템 구성 방식을 나타낸다. 아날로그방식의 병렬제어기는 제어기 자체가 아날로그방식으로 구성된 것뿐만 아니라 타 장비들의 부하전류정보를 얻기 위해 직접 검출 방식을 이용하기 때문에 시스템 구성이 복잡해지는 단점이 있다.한편, 병렬 UPS는 부하를 정확히 분담해야한다. 예를 들어 2대 병렬 UPS의 경우 총 부하 량의 절반씩을 각각의 장비에서 부담을 해야 한다. 따라서 각 장비에서 부담해야할 부하전류 이외에 장비간에 흐를 수 있는 순환전류는 필히 제거되어야 한다. 이러한 순환전류는 그 주파수의 특성에 따라 다음과 같은 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째로 최종 출력전압의 위상과 크기 차에 의해 발생할 수 있는 저주파 순환전류가 있고, 둘째로 각 장비에서 PWM발생을 위해 이용되는 타이머의 비동기로 인한 고주파 순환전류가 있다. 저주파 순환전류를 제거하는 방법은 병렬 운전되는 모든 장비의 부하전류를 검출·연산하여 기준전류를 생성한 후, 각 장비의 부하전류의 유·무효성분을 분석하여 기준 전류정보의 유·무효성분과 같아지도록 출력전압의 크기 및 위상을 제어하는 것이다. 이러한 저주파 순환전류 제어기법은 3상 병렬 UPS를 제어하는 대표적인 방법이며 이와 관련된 무수히 많은 제어기법들이 소개되어 왔다. 하지만 고주파 순환전류의 경우 어떠한 제어방법도 소개된 적이 없으며 국내에서는 그 중요성조차 인식되어지지 않는 상황이다. 실제 병렬 운전 시 흐를 수 있는 고주파 순환전류는 저주파 순환전류 제거를 위한 제어성능을 악화시키고 EMI/EMC 야기하는 요인이 된다. 앞서 언급된 바와 같이 병렬 UPS를 운전하는데 있어서 크게 두 가지의 문제점을 발견할 수 있다. 하나는 병렬제어기가 아날로그 방식으로 구성될 경우 타 장비의 부하전류의 검출 때문에 병렬장비가 늘어날수록 시스템 구성이 더욱 복잡해지는 단점이 있으며 다른 하나는 각 장비들의 PWM 비동기로 인한 고주파 순환전류의 문제점이다. 본사에서는 완전 디지털 병렬제어기와 고주파 순환전류 제거기법을 통하여 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 3상 전 디지털 분산제어방식 병렬 UPS를 개발했다. 개발된 제품은 언급된 바와 같이 전 디지털 방식이기 때문에 별도의 병렬제어기 없이 기존에 아날로그 병렬제어기의 문제점을 해결할 수 있는 병렬 UPS 제어기이다. 또한 단독장비에서도 이용되는 CPU 내부에 장착되어진 CAN(Control Area Network)통신을 이용하여 병렬운전에 필요한 통신을 하기 때문에 단독장비에서 병렬장비로 변환 시 별도의 통신모듈 조차도 필요 없게 된다. 더불어 CAN통신의 특성을 이용하여 각 장비간에 고주파 순환전류를 제거하는 즉, PWM 동기화를 이룰 수 있는 국내 최초의 기술을 개발하였다. 개발된 제품은 외국 일류 UPS제조사의 제품과 비교하여 그 성능 면에서 손색이 없으며 오히려 별도의 병렬제어기와 통신모듈조차 필요 없기 때문에 경제적인 병렬 구성이 가능해진다. 2. 개발된 3상 UPS 병렬 시스템의 구조(1) 3상 전 디지털 단독 UPS의 구조
<그림3>은 당사에서 개발한 전 디지털 단독 UPS (ETUS : Ever Trouble free Uninterruptable power Supply : 이하 ETUS라 칭한다)의 간략한 회로도와 제어 블록도를 나타낸다. <그림3>에서 알 수 있듯이 DC링크를 기준으로 좌측이 PWM 컨버터로써 입력전원을 정류하는 기능을 수행하고 있으며 우측부분은 PWM 인버터로써 양질의 출력전원을 공급하는 역할을 수행하고 있다. 또한 전체 시스템은 DSP(Digital Signal Processor)에 의해 전 디지털로 제어되고 있으며 사용자의 원격감시를 위해 NMS(Network Management System)를 제공한다. <그림4>에서는 ETUS에 이용되고 있는 DSP 제어보드의 간략한 블록도를 나타낸다. <그림4>에서 알 수 있듯이 아날로그 신호 검출 이후에 모든 처리는 DSP내에서 디지털로 처리되어 완전한 디지털 제어 시스템임을 알 수 있다.
(2) 3상 전 디지털 분산제어방식 병렬 UPS의 구조<그림5>는 당사에서 개발된 분산제어방식 병렬 UPS(이하 병렬 ETUS로 칭한다)의 구조를 나타낸다. 앞서 언급된 바와 같이 병렬 ETUS는 전 디지털 시스템이기 때문에 타 장비의 전류정보를 검출하기 위한 별도의 장치가 따로 필요 없이 추가적인 단독장비에 통신선과 출력선의 연결만으로 병렬장비를 구성할 수 있기 때문에 실제 단독 장비의 설치와 크게 차이 없이 설치가 가능하다. <그림6>은 2대 병렬 ETUS에 대한 보다 세부적인 단선도를 나타낸다. 여기서 UPS #1은 주(Master) UPS, UPS #2는 보조(Slave) UPS를 나타낸다. <그림6>에서 보이는 바와 같이 두 대의 UPS는 출력 측이 서로 연결되어 있으며 CAN버스(Bus)를 통해 통신이 이루어지게 된다. UPS 각각의 주 제어기는 두개의 DSP를 사용한다. TMS320VC33은 주로 시스템 제어를 위한 연산을 하고 있으며 TMS320LF 2407A는 PWM발생을 주목적으로 하게 된다.
3. 병렬 ETUS의 작동원리(1) 저주파 순환전류 제거 방법<그림7>은 2대 병렬 UPS 시스템의 단상등가 회로도를 나타낸다. 여기서 V#1은 주 UPS 출력전압의 기본파 성분을 나타내고, V#2는 보조 UPS 출력전압의 기본파 성분을 가리킨다. 이때 주 UPS와 보조 UPS의 출력전류를 각각 I#1, I#2라 하고 부하전류는 IO로 나타낸다. 또한 각 UPS의 출력임피던스는 Z1과 Z2로 나타내어지며 이상적일 때 Z1과 Z2는 순수 인덕턴스 성분으로 그 값이 서로 같다고 가정한다. 2대 병렬 ETUS 시스템은 두 개의 서로 다른 전압원이 병렬로 연결되는 것이기 때문에 부하전류 IO를 정확히 분배하기 위해서는 각 전압의 위상과 크기가 같아야만 한다. 만약 그 크기와 위상이 맞지 않는다면 <그림7>에서 알 수 있듯이 부하전류와 상관없이 각 전압의 전위차에 의해 순환전류 IC가 발생하게 된다. 이러한 순환전류가 발생하는 원인은 각 전압들 간에 위상 차와 크기 차의 요인으로 나누어 볼 수 있다. <그림8>에서 이에 대한 전압 전류 벡터도를 볼 수 있다. 여기서 VZ는 각 장비의 출력전압 V#1과 V#2 사이의 전압 차를 나타내며 이것은 각 장비의 출력임피던스 Z1과 Z2 전체에 인가되는 전압과 같다. <그림8>(a)의 경우 각 전압들 간에 위상 차가 발생하였을 경우 흐를 수 있는 순환전류의 벡터도를 보여준다. 앞서 언급했듯이 각 장비의 출력임피던스는 순수 인덕턴스 성분으로 가정한다. <그림8>(a)와 같이 주 장비의 전압 V#1보다 보조 장비의 전압 V#2의 위상이 뒤지게 발생하는 경우 두 전압사이의 전압 차 VZ에 의해 <그림8>(a)에서와 같이 V#1과 동상인 순환전류 IC가 발생하며 이러한 동상의 순환전류는 유효전력의 성분으로 나타나게 된다. 또한 <그림8>(b)에서와 같이 주 장비의 전압 V#1보다 보조 장비의 전압 V#2의 크기가 크게 발생되는 경우 두 전압사이의 전압 차 VZ에 의해 <그림 8>(b)에서와 같이 출력전압 V#2과 90도 위상 차를 가지는 무효전력 성분의 순환전류 IC가 흐르게 된다. 따라서 부하전류를 검출하여 유효성분이 있을 경우에는 각 장비 전압의 위상을 제어하고, 무효성분이 있을 때는 각 장비 전압의 크기성분을 제어하여 장비간에 흐를 수 있는 순환전류가 제거되도록 제어한다. (2) 고주파 순환전류 제거 방법병렬 UPS 시스템에서 각각의 단독장비는 서로 다른 DSP에 의해 동작된다. 따라서 PWM을 발생시키기 위한 타이머 인터럽트는 서로 일치하기가 어렵다. 왜냐하면 같은 사양의 DSP일지라도 타이머의 속도가 절대적으로 일치할 수 없기 때문이다. 이러한 타이머 인터럽트의 비 동기화는 장비들 간에 스위칭 주파수 대역의 순환전류를 발생시키게 되고, 부하전류 외에 스위칭 주파수에 해당하는 순환전류가 더해지는 결과를 초래하게 된다. 당사에서는 CAN통신의 특성을 이용하여 DSP내의 타이머 인터럽트를 동기화 시킬 수 있는 방법을 개발하였다. 아래 그 원리에 대해 간략히 기술한다.2대의 병렬 UPS #1과 #2를 각각 마스터 UPS와 슬레이브 UPS로 가정하면 <그림9>의 Timer_M은 마스터 UPS의 타이머를 나타내고 <그림10>의 Timer_S는 슬레이브 UPS의 타이머를 가리킨다. 이때 <그림9>에서는 마스터 타이머와 CAN 데이터 프레임과의 관계를 나타내며 <그림9>를 통하여 CAN통신의 시작점과 마스터 타이머의 시작점과의 관계를 알 수 있게 된다. 이와 마찬가지로 <그림10>에서는 수신인터럽트가 발생하는 LT지점과 슬레이브 타이머와의 관계를 알 수 있게 된다. 이렇게 <그림9>와 <그림10>에서 유추된 각 장비의 타이머들과 CAN 데이터 프레임과의 관계에 의해 현재 마스터 타이머와 슬레이브 타이머의 관계를 알아낼 수 있으며 그 관계를 이용하여 슬레이브 타이머는 마스터의 타이머와 동기를 맞추기 위해 동작하게 된다. <그림11>과 <그림12>에서는 슬레이브 타이머가 마스터 타이머 보다 진상일 경우와 지상일 경우에 대해 각 타이머들이 동기화 되는 과정을 보여준다.기술개발내용1. 3상 병렬 UPS를 위한 완전 디지털 방식 병렬제어기 개발 <그림13>과 <그림14>는 분산제어방식 병렬UPS시스템에서 아날로그방식의 병렬제어기를 이용했을 때와 디지털방식의 병렬제어기를 이용했을 때의 구조를 나타낸다. <그림13>과 같은 아날로그방식의 병렬제어기를 가지는 병렬 UPS의 경우 단독 UPS에 추가적으로 병렬제어 보드와 통신보드 또한 타 장비의 부하전류를 검출하기 위한 부하전류검출기가 요구되어 진다. 이는 단독장비에서 병렬장비로의 변환에 있어 경제적인 부담을 줄뿐만 아니라 별도의 통신보드나 병렬제어 보드를 장착해야 하기 때문에 병렬장비의 신뢰성을 저하시키는 요인이 되고 있다. 또한 타 장비의 부하전류를 직접 검출해야 하기 때문에 설치과정이 복잡해지는 단점도 가지고 있다. 당사에서는 이러한 아날로그 병렬제어기의 단점을 보완하기 위해 <그림14>와 같은 디지털 병렬제어기를 개발하였다. <그림14>에서 보여주는 디지털 병렬제어기를 가지는 병렬 UPS는 아날로그 병렬제어기와 달리 별도의 통신보드 및 병렬제어 보드가 필요 없으며 병렬제어를 위해 검출되는 타 장비 부하전류검출기도 필요 없게 된다. 따라서 단독장비에서 병렬장비로의 변환이 간편해지며 경제적으로도 상당한 이점을 가지게 된다. 이와 같은 3상 전 디지털 분산제어방식 병렬 UPS시스템의 구조는 여태까지 발표되었던 그 어떤 방식의 UPS보다 최첨단 방식이며 차세대 병렬 UPS의 병렬구조 중 가장 유용한 방식이 될 것이다.<그림15>에서는 당사에서 개발한 2대 병렬 디지털 병렬제어기 블록도를 나타낸다. 먼저 각각의 장비에서 검출된 3상 부하전류정보를 이용해 2상 부하전류정보 로 변환한 후 CAN통신을 이용해 타 장비로 2상의 부하전류정보를 송신한다. 그러면 각 장비에서는 자신의 부하전류정보와 타 장비의 부하전류정보를 가지게 되고 이 정보들을 가지고 자신의 장비에서 분담해야할 기준 부하전류정보 를 만들어내게 된다. 이렇게 만들어진 기준 부하전류정보와 자신의 부하전류정보를 이용하여 현재 자신에게 흐르고 있는 순환 전류량을 알 수 있게 되고 이러한 순환 전류량에 적절한 게인을 곱하여 전압의 위상과 크기를 변화할 수 있도록 전압제어기의 기준 값을 가변 하게 된다. <그림15>와 같은 디지털 병렬제어기의 구조는 전 디지털 방식이기 때문에 제어기의 구조나 게인 값을 조정할 때 유연성을 가지고 있는 것이 매우 큰 장점이라 할 수 있다.2. CAN통신을 이용한 고주파 순환전류 제거 기법 개발모든 병렬 UPS들은 단독장비의 확장으로 이루어진다. 즉 여러 대의 단독장비에 출력선과 입력선을 공통으로 이용하고 병렬제어에 필요한 요소들을 장착한 후 병렬운전을 할 수 있게 된다. 이러한 병렬 장비들은 개발기술개요에서 언급된 바와 같이 구성방식에 의해 중앙 집중 제어방식과 분산제어방식으로 나눌 수 있다. 중앙 집중 제어방식의 경우 병렬제어기에 상위제어기가 포함되어 있기 때문에 각 단독장비들의 PWM 동기화를 구현하는 것이 그리 어렵지 않으나 분산제어방식의 경우 병렬제어기에 상위제어기를 포함하지 않기 때문에 각 장비에서 발생되는 PWM을 동기화 하는 것이 쉽지 않다. 왜냐하면 같은 사양의 DSP일지라도 타이머의 속도가 절대적으로 일치할 수 없기 때문이다. 이러한 PWM의 비 동기화는 출력선에 고주파 순환전류를 발생시키고 결국 장비의 성능을 저하시키게 된다. 이에 대응하여 당사에서는 병렬운전 시 발생하는 고주파 순환전류를 제거하는 새로운 기법을 개발하였다. 개발된 기법은 3상 병렬 UPS를 운전하는 데에 있어 세계적으로도 처음 도입되는 기법이며 그 성능 또한 외국 일류장비에 비해 손색이 없는 성능을 보여준다. <그림16>은 당사에서 개발된 고주파 순환전류 제거기법을 이용한 실험결과 파형을 나타낸다. <그림16>(a)는 고주파 순환전류 제거기법을 이용 안 할 때 각 장비의 PWM 전압파형과 무부하 시 장비간에 흐르는 순환전류 Ic의 파형을 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 PWM 파형의 동기가 맞지 않는 순가에 과다한 고주파 순환전류가 발생함을 알 수 있다.이와 반대로 <그림16>(b)는 고주파 순환전류 제거기법을 이용할 때 각 장비의 PWM 전압 파형의 동기가 거의 일치하며 무부하 시 각 장비간에 흐르는 순환전류도 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다.당사에서 개발된 고주파 순환전류 제거기법은 차후 여러 대의 병렬 UPS 시스템에도 쉽게 적용할 수 있으며 병렬장비를 위한 상위제어기 없이 PWM 동기를 맞추기 쉬운 장점을 가지고 있다.
장바구니
주문내역
