KR20240064351A - 무정전 전원을 갖는 환경방사선 감시시스템의 전원 시스템 및 그 방법 - Google Patents

무정전 전원을 갖는 환경방사선 감시시스템의 전원 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전원 시스템은, 상용 전원, 상용 전원에 연결되어 있는 양방향(bidirectional) AC-DC 컨버터, 양방향 AC-DC 컨버터에 연결되어 있는 배터리, 그리고 배터리에 연결되어 있는 스텝다운(step-down) DC-DC 컨버터를 포함하고, 환경방사선 감시 시스템(Environmental Radiation Monitoring System, ERMS)에 전원을 공급한다.

Description

무정전 전원을 갖는 환경방사선 감시시스템의 전원 시스템 및 그 방법{POWER SYSTEM OF ENVIRONMENT RADIATION MONITORING SYSTEM WITH UNINTERRUPTIBLE POWER SOURCE AND METHOD THEREOF}
무정전 전원을 갖는 환경방사선 감시시스템의 전원 시스템 및 그 방법이 제공된다.
환경방사선 감시 시스템(Environmental Radiation Monitoring System, ERMS)은 주변 환경의 방사선량을 측정하는 시스템이다. 한국원자력안전기술원과 같은 국내 기관에서는 전국 170여개 환경방사선 감시 시스템을 설치 및 운영하며, 측정된 데이터를 국가 환경방사선 자동 감시망을 통해 시민 사회에 공개한다. 한편, 이러한 환경방사선 감시 시스템은, 국내 원자력 시설 사고 등으로 방사능 누출 사고 발생 시에 평소와 다르게 측정된 데이터를 바탕으로 기수립된 방사능 방재 계획에 따른 비상 발령 여부를 결정하고, 주민 소개 및 환경 탐사 지점 설정 등까지 사고 대책을 수립하는데 중요한 역할을 담당한다. 이에 따라, ERMS는 국가 안보 및 국토 안전에 필수적인 시스템 중 하나이다.
이러한 환경방사선 감시 시스템의 중요도를 고려하여 일반적으로 해당 시스템에는 무정전원공급이 요구된다. 이에 따라 도 1과 같이 종래에 상용 무정전 전원장치(UPS)가 사용되고 있다. 상용 UPS는 평상 시에는 교류 220V와 같은 상용 전원을 입력으로 하여 AC-DC 변환 및 DC-AC 변환을 거쳐 220V 교류 전압형 전원을 제공한다. 상용 UPS는, 정전과 같이 입력 전원이 소실된 경우, 배터리에 충전된 에너지가 DC-DC 변환 및 DC-AC 변환을 거쳐 220V 교류 전압형 전원을 제공한다. ERMS의 전원은 저 전압 직류 전원, 예를 들어, 12Vdc를 요구하므로, UPS와 직렬로 연결된 단방향 AC-DC 컨버터가 필요하다. 해당 시스템은 평상 시 또는 사고 시 모두에서 3번의 전력변환 과정이 요구된다. 이는 시스템의 가격 및 전력변환효율을 감소시키는 원인으로 여겨진다. 또한 상용 UPS가 적용된 경우, 비상용 전원이 배터리에 국한되기에 원자력 시설 사고와 같이 장기간 대응이 요구되는 경우 운영 시간이 짧아 감시망 운영이 제한된다
전술한 도 1의 시스템의 문제점을 해결하기 위해, 도 2와 같이 상용 전원과 태양광 패널, 그리고 배터리 3개의 전원을 가지도록 구성된 시스템이 개시된다. 평상 시에는 단방향 AC-DC 컨버터를 통해 저 전압 직류 전원이 ERMS와 배터리가 인가된다. 상용 전원이 소손된 경우, 전자식 릴레이로 구성된 전원 선택부(Source Selector)가 태양광 패널을 통해 ERMS와 배터리에 전력을 공급하도록 한다. 그 외에 상용 교류 계통 전원 및 태양광 패널을 통한 전력 공급이 원활하지 않은 경우, 배터리에 충전된 에너지를 이용해 ERMS에 전력을 공급한다.
그러나, 도 2의 시스템에도 기술적 한계가 존재한다. 첫째로, 태양광 패널에서 제공되는 에너지는 일조량, 온도, 부하 등 조건에 따라 최대 전력점이 변화한다. 배터리와 병렬로 연결되는 태양광 패널은 배터리와 동일한 전압을 가지므로, 동작점이 한 개 이며, 태양광 패널에서 제공하는 최대 출력을 활용할 수 없다. 둘째로, 태양광 패널에서 제공되는 에너지가 ERMS에서 소비되는 에너지보다 높을 때, 여분의 에너지를 소비할 수 있는 경로가 없어 시스템 전체에 소손을 가져올 수 있다. 셋째로, 전자식 릴레이를 통한 전원 변경 시, 전압원 간의 접촉으로 인해 순간적인 스파크(Spark) 발생이 가능하다.
이와 관련하여, 한국등록특허 10-1178934는 하이브리드 무정전 전원 공급 장치를 개시하고, 한국등록특허 10-1020789는 무정전 기능을 가진 계통연계형 하이브리드 태양광 발전 시스템을 개시하고, 한국공개특허 2020-0138867은 태양광 기반 환경방사선 감시 장치를 개시한다.
한국등록특허 10-1178934 한국등록특허 10-1020789 한국공개특허 2020-0138867
일 실시예는 최대 출력점 추종(Maximum power point tracking, MPPT) 알고리즘을 이용해 동작하는 스텝다운(Step-down) DC-DC 컨버터가 적용되어 태양광 패널에서 제공되는 에너지를 최대한 활용하고, 부하에 따라 공급되는 전력량을 조절하기 위한 것이다.
일 실시예는 양방향 AC-DC 컨버터가 적용되어 태양광 패널에서 생산되는 에너지가 ERMS와 배터리 충전에 요구되는 전력량을 초과하는 경우, 상용 전원 측으로 전력을 전달하여, 에너지 활용 효율 및 시스템 운영 효율과 안정성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
전원 시스템은, 상용 전원, 상용 전원에 연결되어 있는 양방향(bidirectional) AC-DC 컨버터, 양방향 AC-DC 컨버터에 연결되어 있는 배터리, 그리고 배터리에 연결되어 있는 스텝다운(step-down) DC-DC 컨버터를 포함하고, 환경방사선 감시 시스템(Environmental Radiation Monitoring System, ERMS)에 전원을 공급한다.
전원 시스템의 동작 방법은, 태양광 패널에서 생산되는 에너지가 환경방사선 감시 시스템(Environmental Radiation Monitoring System, ERMS)과 배터리 충전에 요구되는 전력량을 초과하는 경우, 양방향(bidirectional) AC-DC 컨버터에 의해, 상용 전원으로 전력을 전달하는 단계, 그리고 스텝다운(step-down) DC-DC 컨버터에 의해, 최대 출력점 추종(Maximum power point tracking, MPPT) 알고리즘을 이용해 동작하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 태양광에너지와 상용 계통 전원의 최적 활용이 가능하며, 저비용 고효율의 시스템 구성이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 최대 출력점 추종 알고리즘을 이용해 동작하는 스텝다운 DC-DC 컨버터를 적용함으로써, 태양광 패널에서 제공되는 에너지를 최대한 활용할 수 있고, 부하에 따라 공급되는 전력량을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양방향 AC-DC 컨버터를 적용함으로써, 태양광 패널에서 생산되는 에너지가 ERMS와 배터리 충전에 요구되는 전력량을 초과하는 경우, 상용 전원 측으로 전력을 전달할 수 있으며, 이에 따라 에너지 활용 효율 및 시스템 운영 효율과 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 상용 무정전 전원장치(UPS)를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 상용 전원과 태양광 패널, 그리고 배터리 3개의 전원을 가지도록 구성된 종래의 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전원 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 일 실시예에 따른 전원 시스템의 상황별 전력 공급 경로를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전원 시스템의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 양방향 AC-DC 컨버터의 제어 알고리즘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 서수를 포함하는 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 서수를 포함하는 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
명세서 전체에서, 네트워크를 구성하는 장치들은 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, "……부", "……기", "……모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 장치들은 적어도 하나의 프로세서, 메모리 장치, 통신 장치 등을 포함하는 하드웨어로 구성되고, 지정된 장소에 하드웨어와 결합되어 실행되는 프로그램 또는 소프트웨어가 저장된다. 하드웨어는 일 실시예에 따른 방법을 실행할 수 있는 구성과 성능을 가진다. 프로그램 또는 소프트웨어는 도면들을 참고로 설명한 일 실시예에 따른 동작 방법을 구현한 명령어(instructions)를 포함하고, 프로세서와 메모리 장치 등의 하드웨어와 결합하여 일 실시예를 실행한다.
명세서 전체에서, "전송 또는 제공"은 직접적인 전송 또는 제공하는 것뿐만 아니라 다른 장치를 통해 또는 우회 경로를 이용하여 간접적으로 전송 또는 제공도 포함할 수 있다.
명세서 전체에서, 도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
그러면, 무정전 전원을 갖는 환경방사선 감시시스템의 전원 시스템 및 그 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전원 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 4a 내지 도 4e는 일 실시예에 따른 전원 시스템의 상황별 전력 공급 경로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 일 실시예에 따른 전원 시스템은 최대 출력점 추종 알고리즘을 이용해 동작하는 스텝다운 DC-DC 컨버터가 적용되며, 이에 따라 태양광 패널에서 제공되는 에너지를 최대한 활용할 수 있으며, 부하에 따라 공급되는 전력량을 조절할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 전원 시스템은, 종래의 도 2의 시스템과는 달리, 양방향 AC-DC 컨버터가 적용되며, 이에 따라 태양광 패널에서 생산되는 에너지가 ERMS와 배터리 충전에 요구되는 전력량을 초과하는 경우, 상용 전원 측으로 전력을 전달할 수 있다. 결과적으로 일 실시예에 따른 전원 시스템은, 에너지 활용 효율 및 시스템 운영 효율, 안정성 측면 모두 향상될 수 있다.
도 3의 전원 시스템에서 상용 교류 전원이 존재하지만 태양광 발전이 이뤄지지 않는 경우, 도 4a와 같이 양방향 AC-DC 컨버터만으로 배터리와 ERMS에 전력이 공급된다.
상용 교류 전원이 존재하는 상황이면서 태양광 발전이 ERMS 부하 모두를 담당하기 어려운 경우, 도 4b와 같이 두 개의 전원 (상용 교류 전원, 태양광 패널) 모두에서 전력이 공급된다.
태양광 발전이 ERMS 부하를 담당하기에 충분한 경우, 도 4c와 같이 ERMS와 배터리에 전력을 공급하고 잉여 에너지는 상용 교류 계통 측으로 전달된다.
정전과 같이 상용 교류 계통이 소실된 경우, 태양광 발전이 충분하다면 도 4d와 같이 우선적으로 ERMS 및 배터리에 전력이 공급된다.
상용 교류 계통과 태양광 패널 모두에서 전력을 공급받기 어려운 경우, 도 4e와 같이 배터리에 충전된 에너지를 통해 ERMS에 전달한다.
도 5는 일 실시예에 따른 전원 시스템의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 6은 양방향 AC-DC 컨버터의 제어 알고리즘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참고하면, 일 실시예에 따른 전원 시스템의 최적 설계 및 구현이 가능하다. 도 5의 회로에서 양방향 AC-DC 컨버터는 풀브리지 언폴딩(Full-bridge unfolding) 회로와 양방향 플라이백 컨버터(bidirectional flyback converter)를 가지는 회로로 구성된다. 스텝다운 DC-DC 컨버터는 전력전자분야에서 사용되는 벅(Buck) 컨버터를 적용한다.
양방향 AC-DC 컨버터는 2단 구성이 아닌 1단 구성으로 이뤄지기에 제작 가격이 저렴하고 전력변환과정 중 손실을 최소화할 수 있다. 특히 플라이백 컨버터는 다른 회로 토폴로지와 비교하여 넓은 입출력 범위를 가지고 회로가 간단하므로, 비용을 최소화하고 손실도 최소화할 수 있다.
양방향 AC-DC 컨버터에서 언폴딩(Unfolding) 회로는 상용 교류 전원의 주파수로 동작하며, 상용 교류 전원이 양의 반주기에 있는 경우, 스위치 S 3 와 S 6 가 턴온(Turn-on) 상태로 유지하며, S 4 와 S 5 는 턴오프(Turn-off) 상태로 유지된다. 상용 교류 전원이 음의 반주기에 있는 경우, S 4 와 S 5 는 턴온, S 3 와 S 6 는 턴오프 상태로 유지된다. 양방향 플라이백 스위치인 S 1 과 S 2 는 고 주파수 환경하에서 상보적으로 동작하며 전류 i in 을 제어하여 상용 계통으로부터 전달되는 전력을 제어한다.
도 6을 참고하면, 플라이백 컨버터의 스위칭 동작에 관여하는 듀티 d는 도 6과 같은 제어 알고리즘을 이용한다. 배터리 전압을 기준으로 양방향 AC-DC 컨버터의 전류 방향 및 전류 크기가 결정된다. 그리고 상용 계통 전압 v in 의 위상과 동기화를 위한 PLL (phase-loop lock) 통해 제어하려는 입력 전류의 기준치 i in * 가 결정된다. 상용 계통 측 전류 i in 의 제어는 비례 제어기와 저대역필터(Low pass filter)의 결합으로 구성된 선형 피드백 제어기 C fb 및 반복 제어기 C rc 로 구성된다. 이러한 피드백 제어기를 사용함으로써, 플라이백 컨버터의 우반면 영점(Right half-plane zero)을 극복할 수 있다.
반면, 종래에 널리 사용되는 비례-적분 제어기를 사용하는 경우, 기준치를 추종하기 위해 비례 제어기에 높은 계수가 필요하다. 이는 플라이백 컨버터를 동작점을 우반면 영점에 진입 시켜 시스템을 불안정하게 만들 수 있다.
따라서 비례 제어기에 낮은 계수 값을 설정하여 시스템을 안정화 시키면서도 입력 전류의 주파수 (60Hz)와 그것의 배수에 해당하는 주파수 (120, 180, 240...) 대해서만 높은 이득 값을 제공할 수 있는 반복 제어기 사용된다. 또한 듀티비(Duty ratio) D는 일종의 피드 포워드(feed-forward) 제어기로 상용 교류 전압 및 배터리 전압에 의한 외란을 제거하여 보다 효과적으로 전류 i in 를 제어하는데 기여한다.
스텝다운 DC-DC 컨버터인 벅 컨버터는 MPPT 알고리즘을 통해 태양광 패널에서 제공되는 에너지를 효율적으로 활용할 수 있다. 일 실시예에 따르면, I&C(Incremental Conductance) 알고리즘을 사용하지만, 이 알고리즘에 제한되지 않는다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 상용 전원,
    상기 상용 전원에 연결되어 있는 양방향(bidirectional) AC-DC 컨버터,
    상기 양방향 AC-DC 컨버터에 연결되어 있는 배터리, 그리고
    상기 배터리에 연결되어 있는 스텝다운(step-down) DC-DC 컨버터
    를 포함하고,
    환경방사선 감시 시스템(Environmental Radiation Monitoring System, ERMS)에 전원을 공급하는, 전원 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 양방향 AC-DC 컨버터는, 풀브리지 언폴딩(Full-bridge unfolding) 회로를 포함하는, 전원 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 풀브리지 언폴딩 회로는, 상기 상용 전원이 양의 반주기에 있는 경우, 턴온(Turn-on) 상태를 유지하는 스위치 S 3 와 스위치 S 6 , 그리고 턴오프(Turn-off) 상태를 유지하는 스위치 S 4 와 스위치 S 5 를 포함하는, 전원 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 상용 전원이 음의 반주기에 있는 경우, 상기 스위치 S 4 와 상기 스위치 S 5 는 턴온 상태를 유지하고, 상기 스위치 S 3 와 상기 스위치 S 6 는 턴오프 상태를 유지하는, 전원 시스템.
  5. 제2항에서,
    상기 양방향 AC-DC 컨버터는, 양방향 플라이백 컨버터(bidirectional flyback converter)를 포함하는, 전원 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 양방향 플라이백 컨버터는, 고 주파수 환경하에서 상보적으로 동작하는 스위치 S 1 과 스위치 S 2 를 포함하고, 전류 i in 을 제어하여 상기 상용 전원으로부터 전달되는 전력을 제어하는, 전원 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 양방향 플라이백 컨버터는, 비례 제어기와 저대역필터(Low pass filter)의 결합으로 구성된 선형 피드백 제어기 C fb 및 반복 제어기 C rc 를 포함하는, 전원 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 양방향 플라이백 컨버터는, 상기 상용 전원의 전압 v in 의 위상과 동기화를 위한 PLL(phase-loop lock)을 통해, 제어하려는 입력 전류의 기준치 i in * 을 결정하는, 전원 시스템.
  9. 제7항에서,
    상기 스텝다운 DC-DC 컨버터는, 최대 출력점 추종(Maximum power point tracking, MPPT) 알고리즘을 이용해 동작하는, 전원 시스템.
  10. 제7항에서,
    상기 스텝다운 DC-DC 컨버터는, 태양광 패널에 연결되어 상기 태양광 패널로부터 공급되는 에너지를 전달하는, 전원 시스템.
  11. 태양광 패널에서 생산되는 에너지가 환경방사선 감시 시스템(Environmental Radiation Monitoring System, ERMS)과 배터리 충전에 요구되는 전력량을 초과하는 경우, 양방향(bidirectional) AC-DC 컨버터에 의해, 상용 전원으로 전력을 전달하는 단계, 그리고
    스텝다운(step-down) DC-DC 컨버터에 의해, 최대 출력점 추종(Maximum power point tracking, MPPT) 알고리즘을 이용해 동작하는 단계
    를 포함하는, 전원 시스템의 동작 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 상용 전원이 동작하고, 상기 태양광 패널이 동작하지 않는 경우, 상기 양방향 AC-DC 컨버터에 의해 상기 배터리와 상기 환경방사선 감시 시스템으로 전력을 공급하는, 전원 시스템의 동작 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 상용 전원이 동작하고, 상기 태양광 패널이 동작하고, 상기 태양광 패널의 발전이 상기 환경방사선 감시 시스템을 구동하기에 부족한 경우, 상기 양방향 AC-DC 컨버터 및 상기 스텝다운 DC-DC 컨버터에 의해 상기 배터리와 상기 환경방사선 감시 시스템으로 전력을 공급하는, 전원 시스템의 동작 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 상용 전원이 동작하고, 상기 태양광 패널이 동작하고, 상기 태양광 패널의 발전이 상기 환경방사선 감시 시스템을 구동하기에 충분한 경우, 상기 양방향 AC-DC 컨버터 및 상기 스텝다운 DC-DC 컨버터에 의해 상기 배터리, 상기 환경방사선 감시 시스템, 그리고 상기 상용 전원으로 전력을 공급하는, 전원 시스템의 동작 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 상용 전원이 동작하지 않는 경우, 우선적으로 상기 태양광 패널의 발전으로부터 상기 배터리 및 상기 환경방사선 감시 시스템으로 전력을 공급하는, 전원 시스템의 동작 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 상용 전원이 동작하지 않고, 상기 태양광 패널의 전력이 소모된 경우, 상기 배터리로부터 상기 환경방사선 감시 시스템으로 전력을 공급하는, 전원 시스템의 동작 방법.
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KR101178934B1 (ko) 2012-04-09 2012-08-31 주식회사 한강기전 하이브리드 무정전 전원 공급 장치
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