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