1. 서론
사회가 발전함에 따라 의료 기기, 통신 설비, FA 시스템, 데이터 센터의 서버 등 전원 환경에 민감한 부하들이 널리 사용되고 있어, 전원계통의 신뢰성과 안정적인 공급이 더욱 중요해지고 있다. 전원에 민감한 부하들의 경우 짧은 시간의 계통 이상 현상으로도 치명적인 피해를 가져올 수 있으므로 계통 이상시를 대비한 설비가 필요 하다. 따라서 블랙아웃 상황에 대비할 뿐 아니라 순간 전압 변동을 보상해주기 위한 무정전 전원 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply)의 필요성이 대두되고 있다[1][2]. 차량용 UPS 시스템은 일반적으로 배터리, 양방향 인버터, 고속 스위치 등이 한 모듈로 구성되며 UPS 모듈은 차량용 발전기와 중요 부하에 연결된다. 기존의 차량용 UPS 시스템은 단일 전력원으로 구성되어있다. 기존 차량용에서 일반적으로 사용되는 방식은 오프-라인 방식의 UPS 시스템이다. 오프-라인 방식의 장점은 입력전원 정상 시에는 전자파, 노이즈가 발생이 적고, 에너지 효율이 높아 전력 소모가 적다는 점이 있다. 또한 회로 구성이 간단하며, 내구성이 높고 온-라인 방식에 비해 가격이 싸고 소형화가 가능하다. 오프-라인 방식 단점은 정전시 순간적인 전원 끊어짐이 발생하며 비정전 동작 시 입력전압의 변화에 따라 출력이 변화하여 전압 조정이 어려움이 있어 정밀도가 높은 부하에 적합하지 않다는 점이 있다. 또한, 전력원이 단일 전력원으로 구성되어있고 UPS 시스템을 하나의 전력원만으로 구성하게 되면 전력원이 정전이 되었을 경우, 특히 전시나 작전 시에 군의 지휘통신소에서 사용하는 목적을 가지는 시스템에서는 특성상 전원공급에 있어 매우 많은 변수가 있을 수 있기 때문에 안정적인 전력공급이 어렵게 된다.
UPS 시스템은 계통 정상 시 배터리 충전모드로 동작하며 계통 이상 발생 시 배터리 방전모드인 UPS 모드로 동작하는데, 이러한 모드 절환시 지령 전압에 대한 추종이 최단 시간 내에 이뤄져야 한다. UPS는 계통 이상 시 4 [ms] 이내에 부하에 계통과 동일한 전압을 공급해야하기 때문에 UPS의 출력 전압전류 제어 시 절체 시간및 복전 시간이 짧아야 하고, 정전 감지 시간 또한 중요하다. 기존에 사용되던 정전 감지 알고리즘 중 단상 위상 검출 방법은 단상 검출 방식과가상 2상 검출 방식으로 나눌 수 있다. 단상 검출 방식의 영점 검출 방식은 영전압 교차점을 아날로그 회로를 이용하여 찾아내고 PLL(Phase Locked Loop) 제어를 통하여 위상각을 검출한 다. 그러나 영점에서만 위상을 검출하기 때문에 추정 속도가 느리며 순시적인 위상을 검출 할 수 없고, 노이즈에 민감한 단점이 있다.
가상 2상 검출 방식은 입력전압에 90도의 위상차를 가지는 가상의 전압을 설정하고 입력전압 및 가상 전압의 백터를 조합하여 PLL 제어를 통해 위상각을 검출한다. 기존의 방식으로는 추정진폭과 추정위상을 이용하는 방법, 1차 저역통과 필터를 이용하는 방법, 2차 저역통과필터를 이용하는 방법 등이 있다. 기존의 방식의 문제점은 가상 2상 전압을 만들어내는 과정에서 입력전압은 어떠한 필터링 과정도 거치지 않기 때문에 고조파가 주입될 경우 이를 제거할 수 있는 방법이없다는 것이다. 따라서 고조파가 포함된 가상 2 상 전압이 발생되며 이것을 위상제어하기 때문에 정상상태에서 많은 오차가 존재한다[3][4].
본 논문에서 제안하는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용한 정전검출 알고리즘은 그리드 전압 파형과 DFT를 통해 만들어진 9차 고조파까지 포함된 전압 파형을 슈미트 트리거를 이용한 비교를 통해 기존의 정전감시 알고리즘에 비해 빠른 정전검출을 할 수 있는 장점이 있다. 따라서 UPS 시스템에서 모드 절환 시 즉각적이고 안정적인 전력 공급이 가능하다[5][6]. 본 논문에서 제안하는 다전원 적용형 UPS 시스템은 계통 이상 발생 시 기존의 정전감시 알고리즘보다 더 빠른 시간 내에 부하에 안정적인 전력 공급을 위해 정전검출에 있어서 기존의 정전감시 알고리즘을 사용한 방식보다 빠른 DFT를 이용한 검출 방법을 적용하였다. 이때의 모드 절환의 절체 시간은 산업 표준 심의회에서 무정전 전원 장치에 관한 규제를 정한 KSC 4310 규정에 의거하여 계통 주기의 1/4 인 4 [ms] 미만으로 하였다. 제안하는 절체기에 각각 상용전압, 차량용 발전기, 보조 디젤 발전기가 연결 될 수 있는 10 [kW] UPS 시스템을 구성하여 실험을 진행하여 타당성을 검증하였다.
2. UPS 시스템
UPS 시스템은 계통과의 연결 방식에 따라 크게 온-라인 방식과 오프-라인 방식으로 나눠진다. Fig. 1의 온-라인 방식은 연속 운전형 UPS라고도 불리며, 계통의 전원을 직접 부하로 공급하지 않고 정류부와 DC-AC 인버터를 통해 부하에 공급하는 방식이다. 온-라인 UPS 방식은 계통의 이상의 유무와 상관없이 항상 인버터를 거쳐 전력을 공급하기 때문에 항상 동작하고 있으며 그로 인해 계통전압의 Sag나 Swell에도 영향을 받지 않고 항상 양질의 전력을 공급하게 된다. 또한, 계통 이상 발생 시에도 별다른 절체 시간이 존재하지 않기 때문에 높은 전원의 품질을 보장하며, UPS 시스템이 고장 나는 사고가 발생할시에도 바이패스 경로를 통하여 교류 전력을 부하에 공급하는 보호회로 또한 내장되어 있다. 하지만 정류기와 DC-AC 인버터가 항상 동작한다는 점을 통해 전체 시스템 효율이 낮고 추가적인 보호회로로 인하여 시스템 구성이 복잡해질 뿐만아니라 무게와 부피도 증가하는 단점이 있다. 이러한 온-라인 UPS 시스템은 일반적으로 중·대형의 부하 용량에 적용되며, 효율은 낮지만 안전성이 보장되기 때문에 중요 부하(Critical load)에는 온라인 UPS를 사용하는 것이 일반적이다.
Fig. 1 Schematic diagram of on-line UPS system
Fig. 2의 오프-라인 방식은 계통과 부하가 직접연결되어있는 구조로서, 계통이 정상일 경우에는 계통에서 부하로의 전력 공급과 UPS 시스템 내의 배터리 충전을 병행한다. 계통 이상 발생 시에는 계통과 부하 사이의 스위치가 차단되고, 배터리 내에 저장되었던 에너지를 이용하여 UPS 시스템에서 부하 측으로 에너지를 전달한다. 계통이 안정적일 경우에는 정류기나 인버터를 거치지 않고 계통에서 직접 부하로 전력을 공급하기 때문에 온-라인 UPS 방식에 비하여효율이 높은 장점이 있지만, 계통 이상 발생 시 전력공급원을 계통에서 UPS 시스템으로 변경해야 하므로절체 시간이 필연적으로 발생하게 되고, 이로 인해 짧은 시간 동안 부하로 공급되는 전력이 차단 될 수 있다. 오프라인 UPS는 배터리와 양방향 AC-DC 컨버터, 변압기, LC 필터 등으로 구성되어 있으며 양방향 AC-DC 컨버터는 계통 정상 시에는 계통에서 배터리로 전력을 공급하는 컨버터의 역할을, 계통 이상발생 시에는 배터리에서 부하로 전력을 공급하는 인버터의 역할을 한다. 차량용 UPS의 경우 이동 시 또는, 그리드가 연결되지 않는 지역에서 주로 사용되므로 절체기를 잦는 오프라인 형태의 UPS가 사용되는 것이 일반적이다[7].
Fig. 2 Schematic diagram of off-line UPS system
3. 다중전원 절체기
3.1 제안된 다중전원 절체기의 구조
Fig. 3은 제안된 차량용 군 지휘소 다중전원 절체기 및 UPS의 구조이다. 제안된 다중전원 절체기 및 UPS의 주요 구성은 다음과 같이 구성된다. 각 전력원에 연결된 SCR, 인버터 동작 시 역전류를 막기 위한 고속 스위치(Static Switch), 전력원 절환 시 무순단 전원을 공급하기 위한 인버터, 저전압 배터리를 승압하여 인버터로 전압을 공급하기 위한 승압형 절연형 DC/DC 컨버터 그리고 저전압 배터리가 있다. 제안된 다중전원 절체기는 일반 UPS를 UPS에 연결함으로써 즉각적으로 사용이 가능하며, 이로 인해 범용성이 뛰어나다. 전시 및 작전 시에 사용됨을 전제로 개발된 절체기이기 때문에 전원의 예비 에너지원의 확보, 시스템의 이중화 또는 잉여 시스템화를 위해 총 3가지의 서로 다른 전력원을 입력받도록 구성하였다. 차량용 군 지휘소 다중전원 절체기에서 Grid는 일반적인 상용전원으로 평시에 주전력원으로 사용되고, 보조 디젤 발전기는 전시 또는 작전 시에 주 전력원으로 사용된다. 또한, 차량용 발전기는 전시 또는 작전 시에 보조 전력원으로 동작한다. UPS는 상용 전원, 보조 발전기, 차량용 발전기가 일시적, 또는 지속적으로 정전되었을 때 동작하며 최소 연속 동작 시간은 국방부의 비상 전원 설비 설계기준에 따라 30분 이상이 되도록 구성하였다.
Fig. 3 Low voltage battery for vehicles UPS with isolated DC/DC converter for step-up
Fig. 4는 고전압 배터리를 적용한 제안된 차량용군 지휘소 다중전원 절체기 및 UPS의 구조다. 앞서나타낸 구조와 유사하나 인버터에 전력을 공급하는 배터리 부분을 고전압, 고용량 배터리로 대체함으로써 동작 시간을 증가시킨 구조이다. 부하는 General Load, Importance Load, Critical Load의 총 3가지 종류로 구분하였다. General Load는 일반적으로 사용되는 전자렌지, 커피포트, 냉·온수기 등의 생활 부하로 이루어져 있고, Importance Load는 전시 또는 작전 시에 필요한 부하 중, Critical Load보다 중요도가 덜한 부하를 지칭한다. 또한, Critical Load는 전시 또는 작전 시에 가장 필요한 부하(대공 레이더 장비, 컴퓨터, 통신장비, 작전용 장비 등)로 이루어져 있다. 부하의 중요도에 따라 부하를 분류하여 부하관리를 하면서 보다 효율적으로 부하관리를 할 수 있게 된다. 전력이 충분 할 경우에는 모든 부하에 전력을 공급할 수 있고, 모든 전력원이 정전이며, 인버터로만 전력을 공급할 때에는 Importance Load와 Critical Load에만 전력을 공급한다. 배터리 전력이 매우 부족하게 되면 Critical Load에만 전력을 공급하게 된다.
Fig. 4 UPS with high voltage battery
3.2 제안된 다중전원 절체기의 동작
평시 또는 작전 시가 아닐 경우, 전시 및 작전 시 일지라도 상용전원의 안정적인 공급이 가능 할 경우에는 상용전원을 사용하게 되는데 이때 절체기의 동작은 Fig. 5와 같다. UPS 인버터 출력 파형은 Fig. 6과 같이 나타나게 된다.
Fig. 5 Transfer and UPS operation when using commercial power
Fig. 6 Output waveform of commercial voltage outage and UPS inverter
전시 및 작전 시에 상용전원의 사용이 불가능 할 경우에는 보조 디젤 발전기를 주 전력원으로 사용하게 된다. 상용전원이 정전 시 static 스위치가 Off 되고 인버터가 기동을 시작하게 되며, 보조 디젤 발전기가 기동을 시작하게 된다. 보조 디젤 발전기가 기동하고 정상상태로 진입하게 되면, static 스위치가 On 이 되며 인버터는 동작을 멈추게 된다. 이때 절체기의 동작은 Fig. 7, Fig. 8과 같다. 또한, 보조 디젤 발전기가 일시적, 또는 지속적으로 정전이 되면차량용 발전기가 동작을 시작하게 되고, 보조 디젤발전기가 다시 투입되게 되면 차량용 발전기는 동작을 멈추고 보조 디젤 발전기가 다시 동작을 시작하게 된다. 이러한 동작의 출력 파형은 Fig. 9와 같이 나타나게 된다.
Fig. 7 Transfer and UPS operation when auxiliary diesel generator is operating
Fig. 8 Inverter operation in case of emergency
Fig. 9 Inverter output of commercial voltage, auxiliary diesel generator outage, UPS
4. 제안된 정전검출 알고리즘
4.1 제안된 다중전원 절체기 정전검출 알고리즘
DFT는 N개의 이산신호 ( n=0, 1, 2, ... , N-1 ) 이 주어질 때 다음과 같이 나타낼 수 있다.
\(x ( n ) = \sum _ { k = 0 } ^ { N - 1 } c _ { k } s _ { k } ( n ) = \sum _ { k = 0 } ^ { N - 1 } c _ { k } e ^ { j 2 \pi k n / N }\) (1)
여기서 는 다음과 같다.
\(c _ { k } = \frac { 1 } { N } \sum _ { n = 0 } ^ { N - 1 } x ( n ) e ^ { - j \frac { 2 \pi k n } { N } }\) (2)
일반적으로 등간격 주파수 샘플 은 원래신호 이 무한히 길 때, 유일하게 표현할 수 없다. 왜냐하면 주기 이 대응하는 주기 신호 은 을 주기적으로 반복한다. 한 주기 동안의 은 식 (3) 과 같이 나타낼 수 있다.
\(x _ { p } ( n ) = \left\{ \begin{array} { l l } { x ( n ) } & { 0 \leq n \leq L - 1 } \\ { 0 } & { L \leq n \leq N - 1 } \end{array} \right.\) (3)
그러므로 주파수 샘플 은 유한구간 신호을 유일하게 나타낼 수 있다. 한 주기 동안에는 이므로, 원래 유한 구간 신호 은 주파수 샘플 집합 { }으로부터 얻을 수 있 다. 그러므로 길이 인 유한구간 신호 의 푸리에 변환은 식 (4) 와 같다.
\(X ( w ) = \sum _ { n = 0 } ^ { L - 1 } x ( n ) e ^ { - j w n } , \quad 0 \leq w \leq 2 \pi\) (4)
만일, ≥ 인 경우, 등간격 주파수 를 샘플링 하면 결과적으로 샘플은 다음과 같다.
\(\left. \begin{array} { l }{ X ( k ) = X ( \frac { 2 \pi k } { N } ) } \\ { = \sum _ { n = 0 } ^ { L - 1 } x ( n ) e ^ { - j \frac { 2 \pi k n } { N } } } \\ { = \sum _ { n = 0 } ^ { L - 1 } x ( n ) e ^ { - j \frac { 2 \pi k n } { N } } } \\ { ( k = 0,1,2 , \cdots , N - 1 ) } \end{array} \right.\) (5)
식 (5)는 길이 ≥ 인 신호 을 길이 인 주파수 샘플 로 변환하는 식이다. 즉 푸리에 변환 를 등간격인 개의 이산주파수에서 계산하면 주파수 샘플들을 얻을 수 있다[8].
본 논문에서는 이러한 DFT의 특성을 이용하여 입력 파형을 가져와서 푸리에 변환을 통해 Fig. 10과 같이 제 9차 고조파까지로 구성된 파형을 만들어내었다.
Fig. 10 Waveform separated up to the 9th harmonic using DFT
Fig. 11에서 Vg는 그리드 전압으로 고조파를 포함한 파형이다. Vd는 DFT(이산 푸리에 변환) 후 기본 파, 3고조파, 5고조파, 7고조파, 9고조파 까지를 포함한 파형이다. V 과 V 은 슈미트 트리거를 통 up down 해 +10 [%] ∼ -10 [%]의 여유를 가지는 파형이다. 만약 그리드 전압 V가 정전 시라면 DFT를 이용하 g 여 만들어낸 파형은 V 과 만나는 지점에서 정전 down 신호가 발생하여 인버터가 동작할 수 있게 될 것이 며, 이로 인해 보다 신속한 정전검출과 UPS의 동작을 실현할 수 있다.
Fig. 11 Characteristics of high-speed power failure detection using the proposed DFT and schmitt trigger
5. 실험 및 결과
Fig. 12는 제안된 알고리즘과 시스템의 실험을 위해 구성된 것이다. 각각 인버터, 인버터 제어부, 절체기, 절체기 제어부로 구성되어있으며, 절체기에 가상의 그리드, 디젤 발전기, 차량용 발전기 입력이 가능하도록 구성하였다.
Fig. 12 Proposed system configuration
그리드 및 기타 전력원 공급 시에는 인버터는 동작하지 않으나, 임의로 인버터를 동작시켜 인버터의동기 구동을 확인하였다. Fig. 13의 실험 결과 인버터의 출력은 그리드의 PLL 특성은 양호하며, 위상동기화가 되어있는 것을 알 수 있다.
Fig. 13 Inverter Output Characteristics and PLL Synchronization Characteristics
제안된 UPS 시스템의 경우 Grid 전압이 정전이 되는 위상각에 따라 인버터의 동작 시작 시간이 달라지게 되며, Grid 전압의 위상각이 각각 90 도와 30도에서 정전되었을 때의 동작 시간을 비교하였다. Fig. 14(a)에서 Grid 전압의 위상각이90도에서 그리드 정전 시 인버터 전압이 투입되는 시간은 950 [usec] 이고, Fig. 14(b)에서 Grid 전압이 위상각이 30도에서 그리드 정전 시 인버터 전압이 투입되는 시간은 200 [usec]로 모두 무순단 절환이 가능한 것을 확인 할 수 있다. 이를통해 그리드 전압이 정전되는 위상각이 0도에 가까울수록 절체 시간이 빨라지는 것을 알 수 있다. 또한, Fig. 14에서 C3(2V)와 C4(2V)는 계통 연계를 위한 알파(), 베타() 파형을 나타낸다. 알파(), 베타() 파형의 위상차는 90도로 계통 전류를 센싱하여 값을 만들고, 그 값을 다시 센싱해서나타나는 노이즈로 인해 왜곡 현상이 일어난다.
Fig. 14 UPS Characterization
Fig. 15(a)에서 확인 할 수 있는 것처럼 Grid 정전 시 인버터가 동작하여 전력을 공급하였으며, 절환 시간은 2 [ms] 이하로 무순단 절환이 가능 하였다. 또한 Fig. 15(b)에서 알 수 있듯이, 그리드가 정전 시 인버터에서 그리드가 아닌 기타 디젤 발전기 및 차량용 발전기로의 복전 역시 인버터가 동작을 멈추고 디젤 발전기 및 차량용 발전기가 전력을 공급하였으며, 절환 시간은 0으로 무순단 절환이 가능하였다.
Fig. 15 Characteristic waveform for switching between different types of power sources
6. 결론
지휘통신실의 전력공급을 위한 차량용 UPS는 군사 목적에 맞는 무순단 전력 공급은 반드시 필요하며, 이를 위해 통신용 전원의 예비 에너지원의 확보, 시스템의 이중화 또는 잉여 시스템화가 필요하다. 하지만 기존의 차량용 UPS는 예비 전 력, 분산된 전력원 등이 부족하기에 군사용으로는 맞지 않다. 기존에 사용되던 정전 감지 알고리즘 중 단상 위상 검출 방법은 단상 검출 방식과 가상 2상 검출 방식으로 나뉜다. 단상 검출방식의 영점에서만 위상을 검출하여 속도가 느리고 순시적인 위상을 검출 할 수 없으며 노이즈에 민감한 단점을 가지고 있다. 또한 가상 2상 검출방식은 입력전압이 필터링 과정을 거치지 않아 고조파를 제거가 어려워 정상상태에서는 많은 오차가 발생한다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 DFT를 이용한 정전검출 알고리즘은 그리드 전압파형과 DFT를 통해 만들어진 9차 고조파까지 포함된 전압 파형을 슈미트 트리거를 이용한 비교를 통해 기존의 정전감시 알고리즘에 비해 빠른 정전검출을 할 수 있는 장점이 있다. 따라서 UPS 시스템에서 모드 절환 시 즉각적이고 안정적인 전력 공급이 가능하다. 본 논문에서 제안하는 다전원 적용형 UPS 시스템은 최종적으로 다음 조건들을 만족시키도록 설계하였다. 계통 이상 발생 시 기존의 정전감시 알고리즘보다 더 빠른 시간 내에 부하에 안정적인 전력 공급을 위해 정전검출에 있어서 기존의 정전감시 알고리즘을 사용한 방식보다 빠른 DFT를 이용한 검출 방법을 적용하였다. 이때의 모드 절환의 절체 시간은산업 표준 심의회에서 무정전 전원 장치에 관한 규제를 정한 KSC 4310 규정에 의거하여 계통주기의 1/4 인 4 [ms] 미만으로 하였다. 제안하는 절체기에 각각 상용전압, 차량용 발전기, 보조디젤 발전기가 연결 될 수 있는 10 [kW] UPS 시스템을 구성하여 실험을 진행하여 타당성을 검증하였다. 또한, 군사 목적에 적합한 무순단 전력공급을 위해 상용 전원, 디젤 발전기, 보조 발전기, 배터리 등의 다중화 된 전력원을 가지고 무순단 절환이 가능한 UPS를 제안하였으며 실험결과 최대 2 [ms]의 무순단 절환이 가능하였다.
사사
본 연구는 2022년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20214000000560).
References
- F. Kamran, Thomas G. Habetler, "A Novel On-Line UPS with Universal Filtering Capabilities", IEEE Trans. Power Electronics, vol. 13, pp. 410-418, (1998). https://doi.org/10.1109/63.668099
- G. Joos, Y. Lin, P. D. Ziogas and I. F. Lindsay, "An outline UPS with improved input-output characteristics", APEC, pp. 598-605, (1992).
- Hee-Hun Hwang, Jong-Woo Choi, "Performance Improvement of Single-phase PLL Control". The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, 14(2), 96-104, (2009).
- J. W. Choi, "Digital PLL control for single-phase photovoltaic system" / Proceedings of the IEE Proc. Electr. Power Appl 153, (2006).
- Jono, K., Hashimoto, M., and Esashi, M., "Electrostatic Servo System for Multi-axis Accelero-meters," Proc. IEEE Workshop on Micro ElectroMechanical Systems, Oiso, pp. 251-256, (1994).
- Lotters, J. C., Olthuis, W., Veltink, P. H., andBergveld, P., "A Sensitive Differential Capacitanceto Voltage Converter for Sensor Applications," IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 48, No. 1, pp. 89-96, (1999). https://doi.org/10.1109/19.755066
- S. H Lee, S. G Choi, H. C Lee, S. G Song, "Design of Digital Governor Controller for Frequency Stability Improvement," Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 26(9), 64-72. (2012). https://doi.org/10.5207/JIEIE.2012.26.9.064
- I. H. Kim and Y. I. Son, "Design of a DC Motor Controller Using a Sliding Mode Disturbance Observer and Controller", J. of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.22, No.2, pp.34-41, (2016).