KR102105090B1 - An apparatus for output phase feedback of inverter synchronizing in parallel operation of UPS and a method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무정전전원장치(이하 UPS라 한다)에 관한 것으로서, 특히, 무정전전원장치의 병렬운전을 위한 인버터의 출력 위상 궤환 동기화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an uninterruptible power supply (hereinafter referred to as UPS), and more particularly, to a method for synchronizing output phase feedback of an inverter for parallel operation of an uninterruptible power supply.
무정전전원장치(UPS)는 계통의 순간적인 또는 일정시간 지속되는 전원의 문제로부터 의료기관, 서버 및 대형 전산 장비 등 중요 부하에 대해 안정적이며 지속적인 고품질의 전력을 공급한다. 이러한 무정전전원장치(UPS) 시스템은 지속적으로 증가하는 중요 부하를 고려하여 대용량화와 적합한 병렬형 무정전전원장치에 대한 수요가 증가하고 있다.The uninterruptible power supply (UPS) provides stable and consistent high-quality power to critical loads such as medical institutions, servers, and large-scale computer equipment from the problem of power supply that is instantaneous or constant for a certain period of time. Such uninterruptible power supply (UPS) systems are increasing in demand for a large-capacity and suitable parallel type uninterruptible power supply in consideration of a continuously increasing important load.
최근 무정전전원장치(UPS)의 병렬 구성 방식은 용량 증설과 시스템의 신뢰성(Reliability)과 이중화(Redundancy) 확보에 용이하도록 개발되고 있는 추세이며 병렬 무정전전원장치(UPS) 시스템의 제어 방식들은 통신선(Communication Line)을 이용하는 방법과 통신선이 없는 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)방식 중 수하(Droop) 특성에 기초한 병렬 운전 방법들로 구분되고 있다.Recently, a parallel configuration method of an uninterruptible power supply (UPS) has been developed to facilitate capacity expansion and system reliability and redundancy, and control methods of a parallel uninterruptible power supply (UPS) system are communication lines. Line) and the parallel operation method based on the drop characteristics among the parallel operation method without a communication line.
하지만, 병렬 UPS 시스템 운영은 여러 가지 문제점이 있다. However, parallel UPS system operation has several problems.
이론적으로 병렬 구성된 UPS가 출력 전압의 크기(Amplitude), 주파수(Frequency), 위상(Phase)이 같고 안정적인 전류 분배가 수행되어야 각개 UPS의 이상적인 부하 분담(Load Sharing)이 가능하다. Theoretically, the UPS configured in parallel should have the same output voltage magnitude (Amplitude), frequency (Frequency), and phase (Phase) and stable current distribution to achieve ideal load sharing for each UPS.
그러나 현실적으로 UPS 하드웨어간의 물리적인 차이, 라인 임피던스(Line Impedance)의 차이, 부하 분담을 위한 제어 방식의 차이와 같은 문제들로 인해 부하 분담이 정확히 이루어지지 않는다. However, in reality, load sharing is not accurately performed due to problems such as physical differences between UPS hardware, line impedance, and control method for load sharing.
이와 더불어 부하 분담 불평형은 순환 전류(Circulating Current)를 발생시키게 되고 이로 인해 UPS의 고장이나 불평형 포화로 인한 장비 과부하 상태를 유발시킬 수 있다. 따라서 병렬 UPS 시스템의 정확한 부하분담을 위한 구성 방식 및 제어 알고리즘이 필요하다.In addition, load-sharing unbalance generates circulating current, which can cause UPS failure or equipment overload due to unbalanced saturation. Therefore, a configuration method and a control algorithm for accurate load sharing of a parallel UPS system are needed.
또한 병렬 운전 방식 UPS 장비들은 시스템 병렬 운전시 각 장비간에 정확한 출력 동기화 동작에 따라 병렬 운전 안정성 및 정확한 전압제어는 기본이고 병렬 운전중 발생하는 장비 고장 상황에 대해서 안전 운전(Safety Operation) 로직 또는 장비간의 고장 감내 운전(Fault Tolerance Operation) 기능도 가질 수 있어야 한다. In addition, in parallel operation method, UPS equipments are the basis of the parallel operation stability and accurate voltage control according to the correct output synchronization operation between each equipment when the system is in parallel operation. Fault Tolerance Operation must also be available.
하지만, 일반적으로 기존에 사용 중인 통신선 방식 및 비통신선 방식들은 통신의 신뢰성 및 통신 주기에 대한 문제 또는 비통신선 방식의 수하 제어 시 느린 과도응답 성능, 전력 분담성능과 출력 전압의 크기 및 주파수 편차와의 상충관계(Trade off), 다이오드 정류기 부하같은 비선형 부하(Nonlinear Load)에 대한 전력 분담 불평형, 인버터의 출력 임피던스(Output Impedance)에 대한 높은 의존성, 라인 임피던스 불평형으로 인한 유/무효전력 분담 불평형등이 발생하게 된다. However, in general, existing communication line methods and non-communication line methods have problems with reliability of communication and communication cycle, or slow transient response performance, power sharing performance, output voltage size and frequency deviation when controlling the non-communication line method. Trade off, power distribution unbalance for nonlinear loads such as diode rectifier load, high dependence on output impedance of inverter, active / active power distribution unbalance due to line impedance unbalance Is done.
이러한 문제점들을 극복하기 위해 고주파 신호주입 (High-frequency Signal Injection), 전력선 통신(Power Line Communication), 부하 분담용 통신선 추가 같은 방법들이 제안되고 있으나 이러한 방법들은 현장에 노이즈 환경이나 고장상황에 대해 강인한 시스템이 될 수 없다.In order to overcome these problems, methods such as high-frequency signal injection, power line communication, and communication lines for load sharing have been proposed, but these methods are robust to noise environments or failure situations in the field. It cannot be.
이를 해결하기 위해 다양한 병렬 장비 출력 제어 기법에 대한 연구가 진행되고 있으나 기존 제품들의 경우 출력 동기화 및 고장 상황에 대한 강인함을 갖추기 위하여 병렬 운전용 중앙처리 하드웨어를 별도로 추가하여 구성하거나 부하 출력 동기화용 출력 변압기 이외에 동기화를 위한 별도의 위상 변압기를 불필요하게 추가 하는 등 시스템의 복잡화 및 제품원가 상승이라는 문제점을 가지고 병렬운전 시스템을 구현하고 있는 문제점이 있다.In order to solve this, various parallel equipment output control techniques are being researched, but in the case of existing products, a central processing hardware for parallel operation is additionally configured to provide robustness against output synchronization and failure conditions, or an output transformer for load output synchronization In addition, there is a problem of implementing a parallel operation system with the problems of system complexity and product cost increase, such as unnecessary addition of a separate phase transformer for synchronization.
본 발명에서는 UPS의 병렬 운전시 출력 동기화를 위해 추가적인 통합 제어반 또는 출력 위상 동기화용 변압기를 이용하지 않으며, 전력선 출력 위상 자가 검출을 통한 출력 위상 궤환 동기화 방법을 고안하여 다수의 장비간 상호적인 연속 위상 동기화 및 불평형 부하 보상 등을 해결한다. In the present invention, an additional integrated control panel or a transformer for output phase synchronization is not used for output synchronization during parallel operation of the UPS, and a method for synchronizing output phase feedback through self-detection of power line output phase is devised to achieve mutual continuous phase synchronization between multiple devices. And unbalanced load compensation.
본 발명에 따른 UPS의 병렬운전을 위한 출력 위상 궤환 동기화의 핵심 기술은 출력 위상 궤환 동기화 병렬운전 UPS 시스템의 구성, 계통 정/복전에 따른 출력 위상 스위칭 제어 기법, 시스템 평균전류 분담기법 및 상호 모듈간 상태 감시 방법으로 구분될 수 있다. The core technology of the output phase feedback synchronization for parallel operation of the UPS according to the present invention is the configuration of the output phase feedback synchronization parallel operation UPS system, the output phase switching control method according to the system power recovery / reversion, the system average current sharing technique and the inter-module It can be classified as a state monitoring method.
본 발명의 출력 위상 궤환 동기화 병렬운전 UPS 시스템의 구성은 복수의 UPS가 하드웨어적으로 동일하게 구성되며, 각 UPS별로 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 공급 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압센서와 전류센서, 병렬 운전의 전원 공급을 제어하는 절체 스위치가 포함되어 구성된다.The configuration of the output phase feedback synchronization parallel operation UPS system of the present invention includes a plurality of UPSs that are identical in hardware, a converter that converts AC power into DC power for each UPS, an inverter that converts DC power into AC power, and supplies It consists of a voltage sensor that detects the voltage and current of the power supply, a current sensor, and a transfer switch that controls the power supply for parallel operation.
본 발명의 출력 위상 궤환 동기화 방법은 계통 전원의 정상/비정상 여부에 따른 출력 위상 궤환 동기화를 위하여 각 상에 대한 계통전원, 출력전원의 전압 및 주파수 감시를 모두 수행한다. In the output phase feedback synchronization method of the present invention, in order to synchronize output phase feedback according to whether the system power is normal or abnormal, the system power and the voltage and frequency of the output power are monitored for each phase.
본 발명의 출력 위상 궤환 동기화 방법은 검출 및 계통의 정전/복전 및 모듈의 동작 상태에 따라 위상 동기 신호를 감시하고, 모듈의 상태에 따라 선택적으로 동작 하도록 하는 기법을 제안한다. The output phase feedback synchronization method of the present invention proposes a technique for detecting and monitoring the phase synchronization signal according to the power failure / recovery of the system and the operating state of the module, and selectively operating according to the state of the module.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명을 통하여 다양한 UPS의 병렬 구성의 운전시 고장 상황 및 이상동작 상황에서도 B-Sync(Bus/Bypass Sync) 기법으로 출력 위상 궤환 동기화 방법을 이용하여 모듈간의 위상을 연속적으로 동기화 할 수 있고 스위칭에 의한 위상 불균형이 발생되지 않아 누적시간에 따른 부하분배 불균형 방지할 수 있다. As described above, according to the present invention, the phases between modules are continuously synchronized by using the output phase feedback synchronization method using the B-Sync (Bus / Bypass Sync) technique even in the case of a failure or abnormal operation during the operation of various UPS parallel configurations. It is possible to prevent load imbalance due to cumulative time because phase imbalance due to switching does not occur.
더불어 불필요 장비 및 알고리즘이 간소화 되고 개선되어 불평형 부하에 따른 불평형 전압을 보상하여 부하의 전력품질 또한 향상시킬 수 있다.In addition, unnecessary equipment and algorithms are simplified and improved to compensate the unbalanced voltage according to the unbalanced load, thereby improving the power quality of the load.
또한 계통 및 모듈 상태에 따른 무순단 절체 능력을 갖추고 있기 때문에 계통 재병입 과정에서도 과도 상태가 발생하거나 계통 혹은 정격 크기 이상의 돌입 전류가 흐르지 않기 때문에 안정적으로 병렬 운전을 수행할 수 있다.In addition, since it has a non-stop switching capability according to the system and module status, it can stably perform parallel operation because a transient state does not occur in the system re-feeding process or an inrush current of more than the rated size or system does not flow.
전력 커플링과 무효 전력 제어 분담 문제를 해결하는 방법으로 전력선 출력 위상 검출을 통한 출력 위상 궤환 동기화 제어 방법인 B-Sync기법을 구성하여 DQ 변환 방식을 사용하게 되면 일반적인 AC용 Q-V 드룹 제어 방식을 DC 드룹 제어와 방식으로 변환하여 전력 커플링을 제거 할 수 있다. As a method to solve the problem of sharing power coupling and reactive power control, if the DQ conversion method is used by configuring the B-Sync method, which is an output phase feedback synchronization control method through power line output phase detection, the common AC QV droop control method is DC. Power coupling can be eliminated by switching to droop control and mode.
이 방식은 직류 전압값을 제어하기 때문에 출력 임피던스 성분은 정상 상태에서 무시된다. 즉, 가상 임피던스를 제어기에 추가하지 않아도 전력 커플링이 발생하지 않는다. Since this method controls the DC voltage value, the output impedance component is ignored under normal conditions. That is, power coupling does not occur even if virtual impedance is not added to the controller.
결론적으로 선로임피던스 전압 강하로 발생되는 무효 전력 제어 분담 오차는 DQ 좌표상에서 정확한 전압 강하 값을 계산하여 보상하게 되고 본 기법을 통해 분산 전원용 인버터가 갖추어야 할 성능인 불평형 부하 보상, 무순단 변환 성능 계통 재병입 문제 등을 해결하도록 하였다.In conclusion, the reactive power control sharing error caused by the line impedance voltage drop is compensated by calculating the correct voltage drop value in the DQ coordinates. The problem of bottling was solved.
도 1은 본 발명에 따른 병렬운전 출력 위상 궤환 동기화 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 병렬운전 출력 위상 궤환 동기화 시스템 전압제어기이다.
도 3은 본 발명에 따른 계통 정/복전에 따른 출력 위상 스위칭 제어의 실시예이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명에 따른 병렬운전 출력 위상 궤환 동기화 시스템의 실시예이다.1 is a block diagram of a parallel operation output phase feedback synchronization system according to the present invention.
2 is a parallel operation output phase feedback synchronization system voltage controller according to the present invention.
3 is an embodiment of the output phase switching control according to the system forward / reverse according to the present invention.
4 to 11 are embodiments of a parallel operation output phase feedback synchronization system according to the present invention.
본 발명에서 고안된 병렬운전 UPS 시스템의 구성은 도면 1의 일 실시예와 같이 두 대의 UPS가 하드웨어적으로 동일하게 구성되며, 각 UPS별 필수 구성으로는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 공급 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압센서와 전류센서, 병렬 운전의 전원 공급을 제어하는 절체 스위치를 포함한다.In the configuration of the parallel operation UPS system devised in the present invention, two UPSs are configured identically in hardware as in the embodiment of FIG. 1, and as an essential configuration for each UPS, a converter for converting AC power into DC power, DC power It includes an inverter for converting AC power, a voltage sensor and current sensor for detecting the voltage and current of the power supply, and a switching switch for controlling the power supply for parallel operation.
또한 본 구성은 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)으로 자체 출력 및 버스 전력선 감시를 통해 절체 스위치 제어를 이용한 위상 동기화 및 상호 시스템 간의 감시가 가능한 방식으로 구성된다.In addition, this configuration is configured in a way that phase synchronization and inter-system monitoring using a transfer switch control are possible through self-output and bus power line monitoring as a wireless parallel operation without a communication line.
여기에 추가적으로 기본적인 UPS 로서의 역할을 수행하기 위해 UPS 적용 시스템에 필수적인 계통 입력 전원(Grid Input Power), 정전 보상 전력 공급용 배터리(Battery), 중요 부하 장비(Load)로 UPS에 연결되어 도면 1과 같이 구성하여 사용된다.In addition, it is connected to the UPS with grid input power, a battery for power failure compensation power supply, and critical load equipment (Load) essential to the UPS application system to perform a basic UPS role. It is configured and used.
일반적으로 사용되는 병렬운전 방식인 계통 위상 동기화 방식의 UPS 경우 느린 과도응답 성능, 전력 분담성능과 출력 전압의 안정도 및 주파수 편차와의 상충관계, 다이오드 정류기 부하같은 비선형 부하에 대한 전력 분담 불평형, 인버터의 출력 임피던스에 대한 높은 의존성, 라인 임피던스 불평형으로 인한 유/무효전력 분담 불평형 문제가 발생하여 추가적인 메인 제어반 또는 출력 위상을 맞춰주는 위상 동기화 변압기 추가 등의 위상 동기화 및 시스템 처리속도 동기화를 위한 요소들이 추가적으로 필요하다.In the case of the UPS, which is a commonly used parallel operation method, the grid phase synchronization method, the slow transient response performance, the trade-off between the power sharing performance and the output voltage stability and frequency deviation, the power distribution imbalance for nonlinear loads such as diode rectifier load, Due to high dependence on output impedance and active / reactive power distribution imbalance caused by line impedance imbalance, additional elements for phase synchronization and system processing speed synchronization, such as adding an additional main control panel or phase synchronization transformer to match the output phase, are required. Do.
본 발명은 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)으로 상황에 따른 계통 위상 동기화 또는 출력선 궤환을 통한 위상 동기화 특성에 기초한 병렬 운전으로서 동작되는 B-Sync 기법을 통해 UPS는 정/복전 상황에 따라 주파수 동기화 방식으로 출력 전압의 주파수와 크기를 조절하여 제어 주파수와 동일한 연속적인 위상 동기화 작업을 통해 유효전력과 무효전력을 제어한다. The present invention is a parallel operation (Wireless Parallel Operation) in the form of a communication line without a UPS through a B-Sync technique that is operated as a parallel operation based on the phase synchronization characteristics through the system phase synchronization or output line feedback according to the situation UPS According to the frequency synchronization method, the frequency and magnitude of the output voltage are adjusted to control the active power and reactive power through the continuous phase synchronization operation identical to the control frequency.
또한 일반적인 AC용 Q-V 드룹 제어 방식이 아닌 AC 형태의 입/출력 전압 및 전류를 측정 후 각 상 DQ 변환을 통해 제어에 비교적 쉬운 DC 드룹 제어 방식으로 변환하여 위상 차이에 의한 전력 커플링을 제거하기 때문에, 직류 전압값을 제어로 출력 임피던스 성분은 정상 상태에서 무시된다. 즉, 가상 임피던스를 드룹 제어기에 추가하지 않아도 전력 커플링이 발생하지 않고 선로임피던스 전압 강하로 발생되는 무효 전력 제어 분담 오차는 DQ 좌표상에서 정확한 전압 강하 값을 계산하여 보상하게 되고 본 기법을 통해 분산 전원용 인버터가 갖추어야 할 성능인 불평형 부하 보상, 무순단 변환 성능 계통 재병입 문제 등을 해결한다. Also, after measuring the input / output voltage and current in AC form, rather than the QV droop control method for AC, each phase is converted to DC droop control method, which is relatively easy to control through DQ conversion, so power coupling due to phase difference is eliminated. The output impedance component is neglected under normal conditions by controlling the DC voltage value. That is, even if virtual impedance is not added to the droop controller, power coupling does not occur and reactive power control sharing error caused by line impedance voltage drop is compensated by calculating and correcting the correct voltage drop value in DQ coordinates. It solves the unbalanced load compensation, the performance that the inverter must have, and the problem of re-feeding the system with non-stop conversion performance.
또한, 일반적으로 UPS는 방전모드, 정전 및 인버터 이상 모드에서 각 모듈 상태감시 신호검사를 통해 계통/단독/병렬 운전 방식을 선택하여 안정적인 전원을 지속적으로 공급하기 위해 4mSec 이내에 전원을 공급하여야 한다. In addition, in general, the UPS should supply power within 4mSec to continuously supply stable power by selecting the system / single / parallel operation method through signal monitoring of each module status in discharge mode, power failure, and inverter abnormal mode.
이를 위해 본 발명에 사용된 제어 로직은 도면 2와 같이 병렬운전 출력위상 궤환 동기화 각상 전압 제어기로 구성되어, 각 상별 정전 상태 및 위상에 대한 고속 검출 및 절체 스위칭을 수행하도록 전류 및 전압 피드백에 따른 전류 보상기, 전압 제어기, PLL 제어기를 포함하여 안정적이고 신뢰성 있는 병렬 운전 동작을 수행 한다.To this end, the control logic used in the present invention is composed of a parallel operation output phase feedback synchronization each phase voltage controller as shown in FIG. 2, and the current according to the current and voltage feedback to perform high speed detection and transfer switching for each phase outage state and phase. Stable and reliable parallel operation including compensator, voltage controller and PLL controller.
도 2에서 각상의 출력 위상 궤환 동기화 전압 제어기는 인버터 전압, 전류에 대하여 각 상별로 분리 궤환시키는 EPO(Each Phase Output) Voltage Feedback, EPO(Each Phase Output) Current Feedback; 정/복전 상태 및 운용모듈 상태에 따라 출력 위상 궤환 동기화 스위칭하는 B-Sync Switching(Bus/Bypass Switching); 병렬운전을 위하여 연속적인 인버터 위상 추종 제어를 수행하는 EPO(Each Phase Output) PLL Control; 각 상 전압제어 입력의 보상입력 생성을 위한 EPO(Each Phase Output) Current Compensator를 포함한다.In FIG. 2, the output phase feedback synchronization voltage controller for each phase includes EPO (Each Phase Output) Voltage Feedback, EPO (Each Phase Output) Current Feedback for separately feedback for each phase with respect to inverter voltage and current; B-Sync Switching (Bus / Bypass Switching) for synchronizing switching of output phase feedback according to the forward / restore state and the operating module state; EPO (Each Phase Output) PLL Control that performs continuous inverter phase tracking control for parallel operation; Includes EPO (Each Phase Output) Current Compensator for generating compensation input of each phase voltage control input.
제어적인 관점의 구성은 시스템의 안정적인 전압제어 및 병렬 시스템간 전류 분배를 위하여 각 상에 대한 각상 전압 제어 기반에서 Outer Loop에 전류 분배 보상용 PI Compensator를 추가 구성하고, Inner Loop에 전압 제어용 PI Controller를 이중루프로 추가 구성할 수 있다. For the stable voltage control of the system and distribution of current between parallel systems, the PI Compensator for current distribution compensation is added to the outer loop based on each phase voltage control for each phase, and the PI controller for voltage control is installed in the inner loop. It can be additionally configured as a double loop.
이때 전류 분배 보상을 위한 각 시스템별 목표 전류량은 부하측 버스선에 장착된 부하 전류 획득 센서를 통하여 최종 부하의 부하 전력 공급량을 측정하고, 평균 전류 분담 기법을 통해 병렬시스템 연결 수량에 맞추어 평형한 분배가 이루어지도록 분할한다. At this time, the target current amount for each system for current distribution compensation measures the load power supply amount of the final load through the load current acquisition sensor mounted on the load-side bus line, and balance distribution according to the number of parallel system connections through the average current sharing technique. Split to make it happen.
병렬형 시스템의 평균전류 분담 기법은 비통신선 방식으로 각 모듈에서 전체 전류 및 모듈 자체 전류를 모니터링 가능한 전력 버스 출력 검출 구조를 가지며, 모듈간 상태 감시를 기반으로 모듈 상태가 정상인 모듈에 대하여 부하 버스의 전체 전류 정보를 각 모듈이 계측하고 N분배 방식의 평균 분담 방식으로 평균 전류를 구하게 된다.The average current sharing method of the parallel system has a power bus output detection structure capable of monitoring the total current and the module's own current in each module in a non-communication line method. The total current information is measured by each module and the average current is obtained by the N-sharing method.
전류 검출시 빠른 응답속도 및 정밀한 전류 오차 계산을 위하여 각 상별 전류 검출을 수행하며 AC성분의 전류 측정값을 절대 좌표 축 변환 및 이동을 통한 DC 성분의 전류 값으로 변환하는 DQ 변환을 사용하여 전력 커플링을 제거하고 전류 오차에 대한 계산 및 제어를 용이하게 할 수 있도록 구성되어 있어 정/복전 상황에 맞게 각 모듈별 DQ변환이 항상 동일한 주파수에서 이루어 질수 있도록 주파수 검출 스위칭기법인 B-Sync 기법을 사용하여 정/복전시 발생하는 주파수 뒤틀림 및 누적 오차로 인한 주파수 싱크 깨짐 문제를 해결할 수 있으며 병렬 운전시 출력 주파수 싱크 문제로 인하여 발생할 수 있는 불평형 부하 보상, 무순단 변환 성능 계통 재병입 문제등을 해결하여 안정적이고 정밀한 부하 분담이 가능하도록 구성하였다. Power detection using DQ conversion that performs current detection for each phase for fast response speed and precise current error calculation during current detection, and converts the current measured value of the AC component to the current value of the DC component through absolute coordinate axis conversion and movement. It is configured to remove the ring and facilitate the calculation and control of current error, so the frequency detection switching technique B-Sync method is used so that the DQ conversion of each module can be always performed at the same frequency in accordance with the normal / recovery situation. By solving the frequency sink breakage problem due to the frequency distortion and cumulative error that occurs during forward / return, and to solve the unbalanced load compensation and retransmission problem of the system that can cause unbalanced conversion performance due to the output frequency sink problem during parallel operation. It is configured to enable stable and precise load sharing.
위 그림에서 전류 보상기(Current Compensator)는 DC 성분의 전류량으로 검출 계산된 평균전류 목표와 현재 모듈의 출력 전류의 차를 이용하여 전류 분배 편차를 0으로 만들도록 하는 PI 전류 보상기 형태로 구성되며 모듈에서 산출된 전류보상 제어 출력을 다시 전압 제어기에 보상 입력으로 사용하도록 하여 모듈간 기준 전압 보상 제어를 통한 수하방식 제어를 수행하도록 하는 제어기 구조를 가지고 있다.In the figure above, the current compensator is composed of a PI current compensator that makes the current distribution deviation to zero by using the difference between the average current target calculated by the current amount of the DC component and the output current of the current module. It has a controller structure that allows the calculated current compensation control output to be used as a compensation input to the voltage controller again to perform the drop control through the reference voltage compensation control between modules.
계통 전원의 정전/복전 상태에 따라 동작하는 스위칭 제어 알고리즘에 의해 어떠한 상태에서도 관계없이 병렬 모듈간에 안정적이고 불평형이 생기지 않도록 출력 위상 궤환 동기화를 위한 기법인 B-Sync로 스태틱 스위칭 제어를 하며, 병렬 시스템 출력 및 계통 전원의 위상이 언제나 동일한 상태로 유지된다. Static switching control is performed by B-Sync, a technique for synchronizing output phase feedback to ensure stable and unbalanced output between parallel modules regardless of any state by a switching control algorithm that operates according to the power outage / recovery state of the grid power. The phases of the output and grid power are always kept the same.
고장 및 비상상황의 관점의 구성으로 상호간 모듈의 동작 상태 정보를 공유하여 병렬 모듈 고장에 따른 고장 감내 동작 알고리즘을 통한 스태틱 스위치 제어를 통해 전원 출력을 결정하는 시스템으로 구성된다. 상기 고장 감내 동작 알고리즘은 운전 중 발생하는 장비 고장 상황에 대해서 고장 상태에서도 단일 모듈의 단독 운전 기능 알고리즘이다.It is composed of a system that determines the power output through static switch control through a fault-tolerant operation algorithm according to the failure of a parallel module by sharing the operation status information of the modules with each other in the configuration of the viewpoint of failure and emergency. The fault-tolerant operation algorithm is a single-module operation function algorithm of a single module even in a fault condition with respect to an equipment failure situation occurring during operation.
본 발명은 계통 전원의 정상/비정상 여부에 따른 출력 위상 궤환 동기화를 위해 각 상에 대한 계통전원, 출력전원의 전압 및 주파수 감시를 모두 수행한다. The present invention performs the monitoring of the voltage and frequency of the system power and the output power for each phase in order to synchronize the output phase feedback according to whether the system power is normal or abnormal.
도면 3과 같이 병렬장비의 상태 공유정보 및 계통전원에 연결된 전압센서를 이용하여 계통전압을 측정하고, 수집된 데이터정보를 이용하여 계통전원의 출력위상과 동일한 인버터 출력 위상 동기화 특성을 유지시켜주고, 고장 또는 정전시 계통전원의 정/복전 유무에 따라 출력 위상 궤환 동기화 스위칭 알고리즘인 B-Sync 제어를 수행한다.As shown in Fig. 3, the grid voltage is measured using the state sharing information of the parallel equipment and the voltage sensor connected to the grid power, and the collected data information is used to maintain the same inverter output phase synchronization characteristics as the output phase of the grid power, In case of failure or power failure, B-Sync control, which is an output phase feedback synchronization switching algorithm, is performed according to the presence / absence of grid power.
병렬형 UPS를 구성하고, 계통 정상 상태로 컨버터와 인버터가 대기상태에 있을 경우 도면 4와 같이 계통의 전원을 부하에 공급하고, 계통의 위상을 인버터가 연속적으로 감시 동기화하여 장비 가동 시 즉시 절체 되어 부하에 전력공급을 할 수 있도록 준비한다.If a parallel UPS is configured, and the converter and the inverter are in a standby state in a normal state of the grid, the power of the grid is supplied to the load as shown in Figure 4, and the inverter continuously monitors and synchronizes the phase of the grid so that it is immediately switched when the equipment is started. Prepare to supply power to the load.
계통 정상상태 및 모듈정상의 운전상태의 경우 컨버터와 인버터가 모두 동작명령에 의해 운전 중인 상태를 의미하며, 도면 5와 같이 GRID의 출력 위상을 동기화 하여 인버터 출력 위상 제어를 수행한다.In the normal state of the system and the normal operation state of the module, it means that both the converter and the inverter are operating by an operation command, and the output phase control of the inverter is performed by synchronizing the output phase of the GRID as shown in FIG.
병렬 운전 중 한쪽의 UPS 시스템에 고장이 발생하면, 정상적인 시스템의 UPS는 도면 6 및 도면 7과 같이 단독 운전 상태로 동일하게 고장 감내 운전을 수행하여 단일 UPS 시스템을 통한 연속적인 전력 공급을 한다.When a failure occurs in one UPS system during parallel operation, the normal system UPS performs the same fault-tolerant operation in a single operation state as shown in FIGS. 6 and 7 to provide continuous power through a single UPS system.
병렬 UPS 시스템이 모두 고장 시에는 도면 8과 같이 온라인 UPS의 장점으로 동일 전압과 위상을 갖는 계통전원을 연결하도록 하여 갑작스러운 위상변동이나 출력 감쇄 없이 무순단 절체를 통해 중요부하에 연속적으로 전력을 공급한다.When all the parallel UPS systems fail, the power of the online UPS is connected as shown in Fig. 8 to connect the grid power supply having the same voltage and phase to continuously supply power to critical loads without sudden phase changes or output attenuation. do.
계통 정전 상태 및 모듈 정상의 운전상태의 경우 도면 9와 같이 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 스태틱 각 장비의 스위치를 제어하고 컨버터는 입력정전에 상황에 따라 OFF 상태로 전환되며 인버터는 비상 전력 공급용 배터리를 통해 전력을 공급받고 GRID의 정전 직전 마지막 출력 위상을 기준으로 동기화 감시 센싱 위치를 출력 위상 궤환 동기화로 전환하고 병렬형 시스템의 각 장비는 자신의 출력 버스 싱크를 맞추기 위해 상호간 연속적인 인버터 위상 추종 제어를 수행하도록 B-Sync 스위칭 기법을 포함한다.In the case of a grid outage or normal operation of the module, the switch of each static equipment is controlled by inspecting the status monitoring signal of each module as shown in Fig. 9, and the converter switches to the OFF state depending on the situation of input power failure, and the inverter is used for emergency power supply. Powered by a battery, and based on the last output phase just before the GRID outage, the synchronization monitoring sensing position is switched to output phase feedback synchronization, and each device in the parallel system follows each other's continuous inverter phase to match its output bus sink. Includes B-Sync switching technique to perform control.
만약 정전 상태의 병렬 운전 중 한쪽의 UPS 시스템 고장시 도면 10과 같이 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 스태틱 각 장비의 스위치를 제어하고 정상적인 시스템의 UPS는 단독 운전 상태로 동일하게 출력 버스 싱크 상태로 고장 감내 운전을 수행하여 단일 UPS 시스템을 통한 연속적인 전력 공급을 하고, 병렬 UPS 시스템이 모두 고장시에는 도면 11과 같이 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 스태틱 각 장비의 스위치를 제어하고 계통 및 UPS 전력 공급이 모두 불가능한 상태가 되어 중요 부하에 전력공급이 차단되도록 한다.If one UPS system breaks down during parallel operation in a power outage condition, control the switch of each static equipment through the status monitoring signal inspection of each module as shown in Figure 10, and the normal system UPS malfunctions in the same state as the output bus sink in a single operation state. Performing endurance operation to provide continuous power through a single UPS system. When all parallel UPS systems fail, control the switch of each static equipment and supply grid and UPS power through inspection of each module status monitoring signal as shown in Figure 11. All of this becomes impossible, so that the power supply to the critical load is cut off.
본 발명은 안정적인 평균분담 및 스태틱 스위치 제어를 위한 상호 모듈간 상태 감시는 각 모듈별 검출 및 계통의 정전/복전 및 모듈의 동작 상태에 따라 위상 동기 신호를 감시하고 모듈의 상태에 따라 선택적으로 동작하도록 하는 기법으로 구성된다. According to the present invention, the status monitoring between mutual modules for stable average distribution and static switch control is performed by detecting each module and monitoring the phase synchronization signal according to the power failure / recovery of the system and the operation status of the module and selectively operating according to the status of the module. It consists of a technique.
모듈 고장시 모듈별 상태 공유정보를 획득한 후 타 모듈 운전상태가 정상 운전 조건이 아닌 경우 단독운전으로 부하에 정상 전력을 공급한다. 이 때 모든 모듈이 고장으로 판단될 시에는 고장 검출 로직에 의해 폴트 현상으로 인해 턴 오프 되고, 계통 전력 공급을 위한 바이패스 운전 상태로 귀환하는 구조이다.In case of module failure, after obtaining the status sharing information for each module, if the operation status of other modules is not the normal operation condition, normal power is supplied to the load by single operation. At this time, when all modules are judged to be faulty, it is turned off due to a fault phenomenon by the fault detection logic and returns to the bypass operation state for supplying system power.
이때 분산 전원용 인버터의 경우 계통 연계 모드와 단독 운전모드에서 연속 동작 할 수 있도록 계통 연계 운전 시 분산 전원들은 계통의 위상과 동일하게 부하에 안정적인 전력을 분담해야 한다. At this time, in the case of an inverter for distributed power, in order to continuously operate in a grid-connected mode and a single operation mode, the distributed power sources must share stable power to the load in the same manner as the phase of the grid.
하지만 계통 고장이 발생하면, 신속하게 Static Transfer Switch(STS)는 개방 되고 분산원은 계통과 분리 되어 병렬 운전되는 분산 전원은 전력공급이 끊김 없이 무순단 전환 (Zero Break Transfer)을 통해 부하에 안정적 전력공급이 이루어지게 된다. However, when a system failure occurs, the static transfer switch (STS) is opened quickly, and the distributed source is separated from the system, and the distributed power operated in parallel is stable power to the load through zero break transfer without interruption in power supply. Supply is made.
이때 단독 운전 모드로 전환하기 위해서 계통에서 STS를 절체 할 수 있으며, 분산 전원 장치에 단독 운전 검출을 위한 Discrete 신호를 구성하여 상태를 외부에 알려주게 된다.At this time, the STS can be switched from the system to switch to the single operation mode, and a discrete signal for single operation detection is configured in the distributed power supply to inform the state to the outside.
Claims (10)
교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 공급 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압센서와 전류센서, 병렬 운전의 전원 공급을 제어하는 절체 스위치를 포함하여 구성된 무정전전원장치(UPS);
계통 입력 전원(Grid Input Power);
정전 보상 전력 공급용 배터리(Battery); 및
중요 부하 장비(Load)에 대한 각상 전압 제어기를 포함하며,
상기 각상 전압 제어기는
인버터 전압, 전류에 대하여 각 상별로 분리 궤환시키는 EPO(Each Phase Output) Voltage Feedback, EPO(Each Phase Output) Current Feedback;
정/복전 상태 및 운용모듈 상태에 따라 출력 위상 궤환 동기화 스위칭하는 B-Sync Switching(Bus/Bypass Switching);
병렬운전을 위하여 연속적인 인버터 위상 추종 제어를 수행하는 EPO(Each Phase Output) PLL Control;
각 상 전압제어 입력의 보상입력 생성을 위한 EPO(Each Phase Output) Current Compensator를 포함하여 상기 무정전전원장치(UPS)는 정/복전 상황에 따라 주파수 동기화 방식으로 출력 전압의 주파수와 크기를 조절하여 스위칭 되어 제어 주파수와 동일한 연속적인 위상 동기화 작업을 통해 유효전력과 무효전력을 제어하고,
상기 무정전전원장치(UPS)는 AC 형태의 입/출력 전압 및 전류를 측정후 각 상 DQ변환을 통해 DC 드룹 제어 방식으로 변환하여 위상 차이에 의한 전력 커플링을 제거하고,
상기 무정전전원장치(UPS)는 방전모드, 정전 및 인버터 이상 모드에서 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 계통/단독/병렬 운전 방식을 선택하여 안정적인 전원을 지속적으로 공급하기 위해 4mSec 이내에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)을 위한 인버터의 각 상 출력 위상 궤환 동기화 장치
As for a phase-feedback synchronization device for each phase output of an inverter for parallel operation of an uninterruptible power supply (UPS),
An uninterruptible power supply comprising a converter that converts AC power into DC power, an inverter that converts DC power into AC power, a voltage sensor and current sensor that detects the voltage and current of the power supply, and a transfer switch that controls power supply in parallel operation. Power supply (UPS);
Grid Input Power;
A battery for power failure compensation power supply (Battery); And
Includes each phase voltage controller for critical load equipment,
Each phase voltage controller
EPO (Each Phase Output) Voltage Feedback, EPO (Each Phase Output) Current Feedback to separate feedback for each phase with respect to inverter voltage and current;
B-Sync Switching (Bus / Bypass Switching) for synchronizing switching of output phase feedback according to the forward / return state and the operating module state;
EPO (Each Phase Output) PLL Control that performs continuous inverter phase tracking control for parallel operation;
The uninterruptible power supply (UPS) including the EPO (Each Phase Output) Current Compensator for generating the compensation input of each phase voltage control input is switched by adjusting the frequency and magnitude of the output voltage in a frequency synchronization method according to the static / recovery situation. Control the active power and reactive power through continuous phase synchronization with the same control frequency.
The uninterruptible power supply (UPS) measures AC-type input / output voltage and current and converts it into a DC droop control method through DQ conversion of each phase to remove power coupling due to phase difference,
The uninterruptible power supply (UPS) selects a system / single / parallel operation method through each module status monitoring signal inspection in discharge mode, power failure, and inverter abnormal mode to supply power within 4mSec to continuously supply stable power. Each phase output phase feedback synchronization device of inverter for wireless parallel operation without communication line
상기 각상 전압 제어기는 시스템의 안정적인 전압제어와 병렬 시스템간 전류 분배를 위하여 각 상에 대한 각 상 전압제어 기반에서 Outer Loop에 전류 분배 보상용 PI Compensator를 구성하고, Inner Loop에 전압 제어용 PI Controller를 구성하는 이중루프 형태를 포함하며,
전류분배 보상을 위한 각 시스템별 목표 전류량은 부하측 버스선에 장착된 전류센서를 통하여 최종 부하의 부하전력 공급량을 측정하고,
평균 전류 분담 기법을 통해 병렬 시스템 연결 수량에 맞추어 평형한 분배가 이루어지도록 분할 보상하는 것을 특징으로 하는 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)을 위한 인버터의 각 상 출력 위상 궤환 동기화 장치
According to claim 1,
Each phase voltage controller configures the PI Compensator for current distribution compensation in the outer loop based on the phase phase voltage control for each phase, and the PI controller for voltage control in the inner loop for stable voltage control of the system and current distribution between parallel systems. It includes a double loop form,
The target current amount for each system for current distribution compensation is to measure the load power supply amount of the final load through the current sensor mounted on the load side bus line,
Each phase output phase feedback synchronization device of the inverter for a wireless parallel operation without a communication line, characterized in that it divides and compensates for a balanced distribution according to the number of parallel system connections through an average current sharing technique.
상기 평균 전류 분담 기법은 비통신선 방식으로 각 모듈에서 전체 전류 및 모듈 자체 전류를 모니터링 가능한 전력 버스 출력 검출 구조를 가지며, 모듈간 상태 감시를 기반으로 모듈 상태가 정상인 모듈에 대하여 부하 버스의 전체 전류 정보를 각 모듈이 계측하고 N분배 방식의 평균 분담 방식으로 평균 전류를 구하는 것을 특징으로 하는 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)을 위한 인버터의 각 상 출력 위상 궤환 동기화 장치
According to claim 2,
The average current sharing technique has a power bus output detection structure capable of monitoring the total current and the module's own current in each module in a non-communication line method, and based on the inter-module status monitoring, the total current information of the load bus for the module in normal module status. Each module is measured and the average current is obtained by the N-sharing method of the average distribution method.
병렬형 UPS를 구성하는 단계;
계통 정상 상태로 컨버터와 인버터가 대기상태에 있을 경우 계통의 전원을 부하에 공급하고, 계통의 위상을 인버터가 연속적으로 감시 동기화하여 장비 가동 시 즉시 절체 되어 부하에 전력공급을 할 수 있도록 준비하는 단계;
계통 정상상태 및 모듈정상의 운전상태의 경우 GRID의 출력 위상을 동기화 하여 인버터 출력 위상 제어를 수행하는 단계;
병렬 운전 중 한쪽의 UPS 시스템에 고장이 발생하면, 정상적인 시스템의 UPS는 단독 운전 상태로 고장 감내 운전을 수행하여 연속적인 전력을 공급하는 단계;
병렬 UPS 시스템이 모두 고장 시에는 동일 전압과 위상을 갖는 계통전원을 연결하여 무순단 절체를 통해 중요부하에 연속적으로 전력을 공급하는 단계를 포함하며,
계통 정전 상태 및 모듈 정상의 운전상태의 경우 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 스태틱 각 장비의 스위치를 제어하고 컨버터는 입력정전에 상황에 따라 OFF 상태로 전환되며 인버터는 비상 전력 공급용 배터리를 통해 전력을 공급받고,
계통의 정전 직전 마지막 출력 위상을 기준으로 동기화 감시 센싱 위치를 출력 위상 궤환 동기화로 전환하고, 병렬형 시스템의 각 장비는 자신의 출력 버스 싱크를 맞추기 위해 상호간 연속적인 인버터 위상 추종 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 B-Sync 스위칭 기법이 포함하는 것을 특징으로 하는 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)을 위한 인버터의 각 상 출력 위상 궤환 동기화 방법
A method for synchronizing output phase feedback of an inverter for parallel operation of an uninterruptible power supply (UPS),
Configuring a parallel UPS;
When the converter and the inverter are in the standby state in the normal state of the system, the power of the grid is supplied to the load, and the phase of the grid is continuously monitored and synchronized so that when the equipment starts to operate, it is immediately switched to prepare for supplying power to the load. ;
In the case of the system steady state and the normal operation state of the module, synchronizing the output phase of the GRID to perform inverter output phase control;
When a failure occurs in one UPS system during parallel operation, the normal system UPS performs a fault-tolerant operation in a single operation state to supply continuous power;
When all the parallel UPS systems fail, connect the grid power supply having the same voltage and phase to continuously supply power to the critical load through non-stop switching.
In the case of grid outage and normal operation of the module, each module's status monitoring signal is inspected to control the switch of each static device, and the converter switches to the OFF state depending on the situation of input power failure, and the inverter powers through the battery for emergency power supply. Receiving
Synchronization monitoring based on the last output phase immediately before the power outage of the system is switched to output phase feedback synchronization, and each device in the parallel system performs mutually continuous inverter phase tracking control to match its output bus sink. Synchronization method for each phase output phase feedback of the inverter for a wireless parallel operation without a communication line, characterized in that the B-Sync switching technique includes
정전 상태의 병렬 운전 중 한쪽의 UPS 시스템 고장시 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 스태틱 각 장비의 스위치를 제어하고 정상적인 시스템의 UPS는 단독 운전 상태로 동일하게 출력 버스 싱크 상태로 고장 감내 운전을 수행하여 단일 UPS 시스템을 통한 연속적인 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)을 위한 인버터의 각 상 출력 위상 궤환 동기화 방법
The method of claim 6,
In case of one UPS system failure during parallel operation in a power outage state, each module's status monitoring signal is inspected to control the switch of each static equipment, and the UPS in the normal system performs the fault-tolerant operation in the same state as the output bus sink. Synchronization method for each phase output phase feedback of the inverter for wireless parallel operation without a communication line characterized by continuous power supply through a single UPS system
정전 상태의 병렬 운전 중 병렬 UPS 시스템이 모두 고장시에는 각 모듈 상태감시 신호 검사를 통해 스태틱 각 장비의 스위치를 제어하고 계통 및 UPS 전력 공급이 모두 불가능한 상태가 되어 중요 부하에 전력공급이 차단되는 것을 특징으로 하는 통신선이 없는 형태의 병렬 운전(Wireless Parallel Operation)을 위한 인버터의 각 상 출력 위상 궤환 동기화 방법
The method of claim 6,
When all the parallel UPS systems fail during parallel operation in the blackout state, control the switch of each static equipment through the status monitoring signal inspection of each module, and the power supply to the critical load is cut off because both the grid and UPS power supply become impossible. Synchronization method of phase feedback of each phase output of inverter for parallel operation in the form without communication line
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