KR101689017B1

KR101689017B1 - 마이크로그리드 내 다수 ｂｅｓｓ의 퍼지 드룹 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101689017B1
Application number: KR1020150115816A
Authority: KR
Inventors: 김학만; 한성근; 유형준
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2016-12-23

Abstract

본 발명은 마이크로그리드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로그리드별 주파수를 기반으로 다수 분산전원에서 출력되는 전력에 따라 마이크로그리드의 주파수를 허용 범위 내에서 유지시키며 전력을 출력하는 주파수 드룹(droop) 제어를 위해 각 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)의 배터리 SOC(state of charge)와 배터리 용량이 동시에 고려된 드룹 게인(gain)을 변화시켜 BESS의 출력을 변동시킴으로써 배터리의 SOC를 효율적으로 관리하기 위한 퍼지(fuzzy) 드룹 제어 기술에 관한 것이다.

Description

마이크로그리드 내 다수 ＢＥＳＳ의 퍼지 드룹 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FUZZY DROOP CONTROL OF MULTI-BESS IN MICROGRID}

본 발명은 마이크로그리드 다수 전지 저장 시스템의 SOC(State of Charge) 밸런싱을 고려한 퍼지 드룹 제어에 관한 것이다.

다수의 분산전원, 분산저장장치, 부하로 구성되는 마이크로그리드는 계통 연계 운전 모드와 계통과 독립 운전 모드로 운전 가능하다[1]. 마이크로그리드가 독립 운전 모드로 운전할 경우, 주파수 유지를 위하여 실시간으로 전력의 공급량과 부하량의 균형 유지가 매우 중요한데, 전기에너지를 충/방전할 수 있는 BESS(batter energy storage system)가 그 역할을 담당하고 있으며, 관련 연구가 활발히 진행되고 있다[2,3].

다기 BESS를 이용한 간단한 주파수 제어는 모든 BESS가 정 주파수 제어를 하는 것이지만, 이는 주파수 hunting이 발생하여 안정적인 주파수 제어에 어려움이 발생할 수 있다[4]. 이를 해결하기 위하여 Master-Slave 제어 기법이 제안되었다[5,6]. 이는 중앙제어기를 두고 분산전원, 에너지저장장치, 부하, 연계된 전력계통 등의 전력량을 실시간으로 측정하여 운전 모드에 따라 알고리즘에 의해 시스템을 제어하는 방법으로써 시스템을 설계하고 적용하는 데 있어서 간단한 장점이 있지만, 전력량을 측정하기 위한 센서와 측정된 데이터를 중앙제어기로 전송하는 통신망을 필요로 하는 단점이 있다[7].

이러한 단점을 해결하기 위하여 분산전원에서 출력되는 전력에 따라 마이크로그리드의 주파수를 허용 범위 내에서 유지시키며 전력을 출력하는 주파수 드룹(droop) 제어 기법이 제안되었다[8,9]. 드룹 제어 기법은 시스템 내의 주파수 변동 발생 시, 초기 컨버터의 용량과 허용 주파수 변동범위를 고려하여 계산된 드룹 게인(gain)에 의하여 유효 전력의 출력이 결정되며 별도의 통신장치가 필요하지 않다는 특징이 있다[10].

한편, BESS는 운전 및 제어 방법에 따라 배터리의 수명에 많은 영향을 미친다.

특히, 배터리의 과충전(over-charging)과 과방전(deep-discharging)은 BESS의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하기 때문에 배터리의 SOC(state of charge)를 고려한 BESS의 제어가 요구된다[11-13]. 그러나 일반적으로 사용되는 기존의 드룹 제어기는 BESS의 용량에 비례하여 드룹 계수가 고정되어 실시간으로 배터리의 SOC가 고려되지 않는다. 이는 1기의 배터리만 과충전 또는 과방전을 발생시켜 다기의 BESS를 비효율적으로 운전하여 배터리의 수명이 단축되는 문제가 있다.

이를 해결하기 위해 본 발명은 각 BESS의 배터리 SOC와 배터리 용량을 동시에 고려하여 드룹 게인을 변화시켜 BESS의 출력을 변동시킴으로써 배터리의 SOC를 효율적으로 관리하는 기술을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 적어도 하나 이상의 분산 전원과 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)을 포함하는 독립형(stand-alone 또는 off-grid) 마이크로그리드와, 상기 BESS에 구비되어 마이크로그리드의 주파수와 다수의 BESS별 배터리의 SOC(state of charge)를 기반으로 충전 및 방전 모드별 상이하게 설정되는 퍼지 드룹(fuzzy droop) 제어를 통해 드룹 게인을 제어하여 각 BESS별 출력을 조절하는 퍼지 드룹 제어부를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 오차 출력부를 통해 마이크로그리드의 정격 주파수와 상기 정격 주파수 기반 변화된 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 출력하는 과정과, 출력된 상기 주파수간 오차 및 다수의 BESS별 배터리의 SOC(state of charge)를 기반으로 기설정된 퍼지 드룹 제어 규칙 기반 드룹 게인을 계산하는 과정과, 계산된 드룹 게인에 기반한 상기 정격 주파수 기반 변화된 주파수에 대응하는 주파수별 유효 전력의 출력 오차를 산출하는 과정과, PI 제어부를 통해 주파수별 유효 전력의 출력 오차를 0이 되게 하기 위한 보정을 수행하는 과정과, 기준 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 오차 출력부를 통해 출력하여 각 BESS별 출력을 조절하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 정격 부하 동작 시 적절하게 전력을 분담함으로써 시스템의 안정성과 효율성을 향상시킬 수 있고, 배터리 용량 관리에 효율성을 높여 배터리의 수명을 연장하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 ＢＥＳＳ의 퍼지 드룹 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 ＢＥＳＳ의 퍼지 드룹 제어 시스템 내 BESS에 구비된 퍼지 드룹 제어부의 상세 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 ＢＥＳＳ의 퍼지 드룹 제어 시스템에 있어서 퍼지 드룹 제어부에서 사용된 소속(membership) 함수에 관한 삼각형 및 사각형 파형도.
도 4는 드룹 제어에 따른 기존의 드룹 제어와 제안한 퍼지 드룹 제어별 SOC.
도 5는 기존의 드룹 제어와 퍼지 드룹 제어의 출력량.
도 6은 기존의 드룹 제어와 퍼지 드룹 제어별 마이크로그리드의 주파수.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 퍼지 드룹 제어를 수행할 경우 각 BESS의 SOC 비교.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BESS 1 및 BESS 2의 전력.
도 9는 기존의 드룹 제어와 퍼지 드룹 제어 간 마이크로그리드 주파수의 비교.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 ＢＥＳＳ의 퍼지 드룹 제어 방법에 관한 전체 흐름도.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 ＢＥＳＳ의 퍼지 드룹 제어 방법이 적용된 퍼지 드룹 제어부의 시스템 블록도.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 장치 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명에 있어서 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

본 발명은 마이크로그리드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로그리드별 주파수를 기반으로 다수 분산전원에서 출력되는 전력에 따라 마이크로그리드의 주파수를 허용 범위 내에서 유지시키며 전력을 출력하는 주파수 드룹(droop) 제어를 위해 각 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)의 배터리 SOC(state of charge)와 배터리 용량이 동시에 고려된 드룹 게인(gain)을 변화시켜 BESS의 출력을 변동시킴으로써 배터리의 SOC를 효율적으로 관리하기 위한 퍼지(fuzzy) 드룹 제어 기술을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 다수 독립형 마이크로그리드의 다수 BESS의 SOC 밸런싱을 고려한 퍼지 드룹 제어에 적용되며, 이하 후술되는 본 발명에서는 2기의 BESS를 예로 하여 설명하지만 이에 한정되지 않으며, 2기 이상의 BESS를 구비한 마이크로그리드 까지 적용 범위를 확장하여 제안됨을 미리 밝혀 두는 바이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템의 구성을 도 1 내지 2를 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.

우선, 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 복수의 BESS(110, 112), 전력 변환부(114, 116), 디젤 제너레이터(118), 부하(load, 120), 마이크로그리드(122), STS(static switch, 124), 전력 시스템(transformer, 126) 및 유틸리티 그리드(utility grid, 128)을 포함한다.

상기 복수의 BESS(110, 112)는 전기 에너지를 충전 및 방전하는 것으로, 분산 전원에서 생성되는 전력과 부하가 소비하는 전력 사이에 균형이 맞지 않는 경우 전력을 수용하거나 공급하면서 마이크로그리드(122) 전력망의 전력 균형을 맞추게 되는 예컨대, 배터리, 연료 전지 등이 이에 해당한다.

이와 관련하여, 본 발명에서는 가변 전원과 고정 저항을 이용한 비선형 배터리 모델을 사용하였으며, 출력 전압에 따라 배터리의 SOC와 전류가 변화하게 된다.

이때, 배터리 상태는 단자(terminal) 전압과 SOC를 통해 나타낼 수 있으며, 하기 수학식 1은 단자 전압, 수학식 2는 배터리의 SOC를 의미한다.

여기서,

= internal resistance of the battery

= battery charging current

= open circuit voltage of the battery

Q = battery capacity

K = polarization voltage

A = exponential voltage

B = exponential capacity

수학식 1에서

는 전류의 크기와 배터리의 SOC를 변화시키는 비선형 전압을 나타낸 것이다.

그리고 각 BESS별 배터리 SOC는 배터리를 모델링한 측정 모델을 이용하여 공지된 충방전 전류 적산에 의해 SOC를 추정하는 방식을 사용한다.

상기 전력 변환부(114, 116)는 상기 BESS(110, 112)와 마이크로그리드(122) 사이에서 양방향 전력 변환 및 전력 전달 기능을 수행한다.

여기서, 상기 전력 변환부(114, 116)은 전력변환이 가능한 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 기반의 3상 전압형 컨버터를 사용하였고, 이는 배터리, 풀 브릿지, L 필터로 구성된다.

이때, 전압 방정식을 이용한 3상 전압형 컨버터는 하기 수학식 3과 같은 형태이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환부(114, 116)은 a, b 및 c상 전류를 고정자 좌표계 상(D-Q)으로 변환한다.

수학식 3을 abc-dq 좌표 변환 후 d축과 q축에 대한 성분으로 나눠 정리하면 하기 수학식 4와 같은 형태이다.

또한, 수학식 3을 이용하여 하기 수학식 5를 구할 수 있다.

이어서, 상기 부하(120)는 전력을 소비하는 전력 요소로서 마이크로그리드(122)로부터 전력을 공급받아 소비하는 구성이다.

상기 디젤 제너레이터(118)는 전기 에너지를 생성한다.

상기 마이크로그리드(122)는 STS(124)에 의하여 전력 시스템(126)과 연계되어 있으며, 적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장 장치를 포함하는 독립형 마이크로그리드를 의미하는 것으로, 계통 연계 운전 모드 혹은 계통 사고 및 마이크로그리드 내 사고 발생 시 전력 계통으로부터 분리되어 독립 운전 모드로 운전 가능하다.

다음으로, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템 내 BESS에 구비된 퍼지 드룹 제어부의 상세 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명이 적용된 BESS의 퍼지 드룹 제어부(200)는 퍼지화부(210), 규칙 베이스 설정부(212) 및 비퍼지화부(214)를 포함한다.

상기 퍼지 드룹 제어부(200)은 BESS에 구비되어 마이크로그리드의 주파수와 다수의 BESS별 배터리의 SOC를 기반으로 충전 및 방전 모드별 상이하게 설정되는 퍼 퍼지 드룹(fuzzy droop) 제어를 통해 드룹 게인을 제어하여 각 BESS별 출력을 조절한다.

즉, 상기 마이크로그리드의 정격 주파수와 측정된 주파수 간 변화량과 각 BESS별 배터리의 SOC를 기반으로 기설정된 드룹 게인을 통해 각 BESS별 유효 출력이 결정되는 것으로, 상세하게는, 상기 퍼지화부(210)는 입력 및 출력에 따른 소속(merbership) 함수 기반으로 퍼지 드룹 제어를 위한 퍼지 데이터를 생성한다.

이때, 상기 소속 함수는 마이크로그리드의 주파수 변화량과 각 BESS별 배터리 SOC로 설정된 입력 변수와, 상기 각 BESS별 드룹 게인으로 설정된 출력 변수를 포함하는 삼각형 타입과 사각형 타입이다.

상기 규칙 베이스 설정부(212)는 퍼지화부(210)의 퍼지 데이터에 대응하는 퍼지 드룹 제어의 결과를 도출하는 것으로, 사용자의 경험과 지식에 따라 적절하다고 판단되는 선택에 의해 규칙 기반이 설정되고, 퍼지화된 입력에 대하여 적절한 퍼지 제어의 결과를 도출하기 위한 구성이다.

또한, 상기 규칙 베이스 설정부(212)는, 상기 퍼지 드룹 제어의 결과를 도출하기 위하여 각 BESS별 배터리 SOC와 상기 배터리 용량을 기반으로 허용 주파수 변동 범위를 고려하여 계산된 드룹 게인이 상기 각 BESS별 SOC 범위별로 분류된 테이블에 매칭되어 퍼지 규칙을 생성한다.

상기 비퍼지화부(214)는 규칙 베이스 설정부(212)를 통해 출력된 정보를 수치화하기 위한 디코딩을 수행한다.

본 발명이 적용된 퍼지 드룹 제어부(200)는 상기 퍼지화부(210)를 통해 적절한 소속 함수를 통해 퍼지 드룹 제어부(200)에서 다룰 수 있는 새로운 퍼지 값으로 변환하는 동작을 수행함으로써 입력 변수를 주파수 변화량과 각 BESS별 배터리 SOC로 코딩화하는 단계를 수행하는데, 이러한 퍼지값으로의 변환을 위해 입력 x와 y를 적절한 범위에 대하여 언어 묘사를 통해 언어 변수를 정의한다. 즉, 언어변수는 얼마나 정교한 퍼지 드룹 제어부를 설계하고자 하는가에 따라서 다양하게 세분화할 수 있다.

여기서, 상기 입력 변수 설정 시, 각 BESS별 배터리 SOC와 상기 주파수 변화량은 기설정된 복수의 퍼지 부분 집합이 선택된다.

또한, 상기 출력 변수 설정 시, 각 BESS별 드룹 게인은 기설정된 복수의 퍼지 부분 집합이 선택된다.

보다 상세하게는, 본 발명의 퍼지 드룹 제어부(200)의 입력 변수는 충전 및 방전 모드 2 가지 동작 모드로 나누어 설계하기 위하여 주파수 변화량과 각 BESS의 배터리 SOC로 설정되고, 출력변수는 각 BESS의 드룹 게인으로 설정된다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템에 있어서 퍼지 드룹 제어부에서 사용된 소속(membership) 함수이며, a)와 b)는 입력변수, c)는 출력변수의 소속 함수로서 삼각형 형태와 사각형 형태를 사용한다.

이때, 입력 변수 중 BESS의 배터리 SOC를 도 3 a)에 도시된 바와 같이, 7개의 퍼지 부분집합, 주파수의 변화량은 b)에 도시된 바와 같이, 2개의 퍼지 부분집합, c)에 도시된 바와 같이, 출력변수 드룹 게인은 21개의 퍼지 부분집합으로 선택하였다.

상기 입력 변수 중 배터리의 SOC는 배터리의 수명을 위하여 20% ~ 80% 사이로 결정하였으며, 본 발명이 이에 한정되지 않음을 밝혀두는 바이다.

계속해서, 출력 변수 드룹 게인은 2개의 입력 변수의 7개의 소속 함수와 나머지 1개의 입력 변수 2개의 소속 함수로 표현되므로 총 98가지의 규칙에 의하여 출력이 되며, 하기 표 1은 방전되는 경우의 49가지의 규칙이다. 예컨대, 주파수 변화량이 N이고 BESS 1의 SOC가

이고, BESS 2의 SOC가

이면, 드룹 게인은

로 결정된다.

상술한 바와 같이, 본 발명이 적용된 퍼지 드룹 제어부는, 상기 주파수 변화량과 각 BESS별 배터리 SOC를 이용하여 소속 함수 계산 및 상기 충전 및 방전 모드별 퍼지 드룹 제어에 대응하는 소속 함수 기반 퍼지 규칙 생성을 통해 주파수 변동 발생 시 각 BESS별 배터리의 SOC 및 용량을 기반으로 계산된 드룹 게인을 출력하여 퍼지 드룹 제어를 수행한다.

한편, 제안된 방식의 성능을 평가하기 위해, 우리는 그것을 모의실험하고 상술한 본 발명의 실시 예와 기존 방식들을 비교했다. 모의실험에서 Matlab/Simulink를 이용하여 도 1과 같이 마이크로그리드 시스템을 모델링하였으며, 각 용량은 표 2와 같은 형태이다.

또한 기존의 드룹 제어기와 퍼지 드룹 제어기는 주파수를 59.8~60.2 Hz내에서 제어되도록 설계하였다. 마이크로그리드는 10초에 독립 운전 모드로 전환하고, 이때 부하변동에 따른 각각 BESS의 출력변동 및 SOC 변화량을 검토하였다.

또한, BESS의 충전과 방전 모드를 고려하기 위하여 마이크로그리드 내 발전량이 부하량보다 많을 경우와 반대로 부하량이 마이크로그리드 내 발전량보다 많은 두 가지 Case를 고려하였다.

Case 1은 발전량이 부하량보다 많아 잉여 전력이 발생하여 배터리가 충전하는 경우이며, Case 2는 발전량이 부하량보다 적어 부족 전력이 발생하여 배터리가 방전하는 경우이다. 테스트는 두 가지 Case 모두 500초간 진행되며 부하변동은 표 3과 같다

Case 1 : 충전 모드

Case 1은 발전량이 부하량보다 많은 경우로 계통연계 운전 모드에서는 전력계통으로 잉여전력이 송전되며, 10초에 독립 운전 모드로 전환되고 부하는 표 3과 같다.

도 4는 기존의 드룹 제어와 제안한 퍼지 드룹 제어를 할 경우 각 BESS의 배터리 SOC 비교를 나타낸 것이다. 초기 배터리 SOC는 BESS 1은 35%, BESS 2는 70%로 설정하였다.

도 4 a)에서 확인할 수 있듯이 기존의 드룹 제어를 할 경우 SOC의 차이가 일정하게 유지되면서 증가하다가 500초에 BESS 2의 SOC가 과충전하게 된다. 그러나 제안한 퍼지 드룹 제어의 경우 기존의 드룹 제어기와 다르게 BESS 2의SOC 증가 속도는 느리고 BESS 1의 증가 속도가 빠르게 변화하여 적정 범위 내에서 SOC가 효율적으로 관리되고 있는 것을 도 4 b)을 통해 확인할 수 있다. 이는 기존의 드룹 제어는 BESS 1과 BESS 2의 출력량이 배터리 용량에 의해 고정된 드룹 게인에 비례하여 일정하게 출력하지만 퍼지 드룹 제어의 경우 드룹 게인을 조절함으로써 각 BESS의 출력을 변동시키기 때문이다. 즉, 기존의 드룹 제어기의 경우 BESS 2는 비교적 배터리에 남아있는 용량이 많아 충전이 덜 필요함에도 불구하고 고정된 드롭 게인에 의해 더 많은 충전을 하지만 퍼지 드룹 제어의 경우 각 BESS별 배터리 용량과 SOC를 상대적으로 고려하여 충전 여유가 더 많은 BESS 1에 더 많은 충전을 할 수 있도록 드룹 게인 조절을 통해 출력을 변동시키기 때문이다. 이는 도 5를 통해 기존의 드룹 제어와 퍼지 드룹 제어의 출력량이 다르다는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 마이크로그리드의 주파수를 나타낸 것이며, 10초 계통분리시점과 각 부하변동 시점을 보면 주파수 허용범위 내에서 유지되고 있음을 확인할 수 있다.

Case 2 : 방전 모드

Case 2는 발전량이 부하량보다 작은 경우로 계통연계 운전 모드에서는 전력계통으로 부족 전력을 수전하며, 10초에 독립 운전 모드로 전환되고 부하는 표 3과 같다.

도 7은 기존의 드룹 제어와 본 발명의 일 실시 예에 따른 퍼지 드룹 제어를 할 경우 각 BESS의 SOC 비교를 나타낸 것이다. 초기 배터리 SOC는 BESS 1은 50%, BESS 2는 40%로 설정하였다. 도 7 a)에서 확인할 수 있듯이 기존의 드룹 제어를 할 경우 SOC의 차이가 일정하게 유지되면서 감소하다가 BESS 2의 SOC가 과방전하게 된다. 그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 퍼지 드룹 제어의 경우 BESS 2의 SOC 감소 속도는 느리고 BESS 1의 감소 속도가 빨라져 적정 범위 내에서 SOC가 효율적으로 관리되고 있는 것을 도 7 b)를 통해 확인할 수 있다.

기존의 드룹 제어는 BESS 1과 BESS 2의 출력량이 배터리 용량에 의해 결정된 드룹 게인에 비례하여 각 BESS가 일정하게 출력하지만 퍼지 드룹 제어의 경우 드룹 게인을 조절함으로써 출력을 변동시키기 때문이다. 즉, 기존의 드룹 제어기의 경우 BESS 2는 비교적 배터리에 남아있는 용량이 적어 출력을 적게 내야 하는 상황임에도 불구하고 고정된 드룹 게인에 의해 더 많은 방전을 하지만 퍼지 드룹 제어는 각 BESS의 배터리 용량과 SOC를 상대적으로 고려하여 방전 여유가 더 많은 BESS 1에 더 많은 방전을 할 수 있도록 드룹 게인 조절을 통해 출력을 변동시키기 때문이다. 이는 도 8을 통해 기존의 드룹 제어와 퍼지 드룹 제어의 출력량이 다르다는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 마이크로그리드의 주파수를 나타낸 것이며, 10초 계통분리시점과 각 부하변동시점을 보면 주파수 허용범위 내에서 유지되고 있음을 확인할 수 있다.

이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템의 구성을 살펴보았다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 방법에 도 10을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 방법에 관한 전체 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 12 과정에서는 오차 출력부를 통해 마이크로그리드의 정격 주파수와 상기 정격 주파수 기반 변화된 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 출력한다.

14 과정에서는 각 BESS별 배터리 SOC는 배터리를 모델링한 측정 모델을 이용하여 공지된 충방전 전류 적산에 의해 SOC를 추정하는 방식을 통해 다수의 BESS별 배터리 SOC를 추정한다.

16 과정에서는 상기 마이크로그리드의 정격 주파수와 측정된 주파수 간 변화량과 각 BESS별 배터리의 SOC를 기반으로 충전 및 방전 모드별 상이하게 설정되는 퍼 퍼지 드룹(fuzzy droop) 제어를 통해 드룹 게인을 제어하여 각 BESS별 출력을 조절하기 위한 소속(menbership) 함수 기반 퍼지 데이터 생성을 수행하고, 18 과정에서 드룹 게인 계산을 수행한다.

본 발명에서는 입력 변수 중 BESS의 배터리 SOC를 7 개의 퍼지 부분집합, 주파수의 변화량은 2개의 퍼지 부분집합, 출력변수 드룹 게인은 21개의 퍼지 부분집합으로 선택한다.

또한, 출력 변수 드룹 게인은 2개의 입력 변수의 7개의 소속 함수와 나머지 1개의 입력 변수 2개의 소속 함수로 표현되므로 총 98가지의 규칙에 의하여 출력된다.

20 및 21 과정에서는 각각 마이크로그리드의 주파수 변화량과 다수의 BESS별 배터리의 SOC(state of charge)를 기반으로 충전 및 방전 모드별 상이하게 설정되는 퍼지 드룹(fuzzy droop) 제어를 통해 드룹 게인을 제어하여 각 BESS별 유효 전력의 출력을 결정한다.

한편, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 방법이 적용된 퍼지 드룹 제어부의 시스템 블록도에 관한 것으로, 오차 보정부 및 PI 제어부를 포함하는 구성을 통해 마이크로그리드의 주파수를 허용 범위 내에서 유지시키며 전력을 출력하는 주파수 드룹(droop) 제어를 위해 각 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)의 배터리 SOC(state of charge)와 배터리 용량이 동시에 고려된 드룹 게인(gain)을 변화시켜 BESS의 출력을 변동하기 위한 동작은 도 11에 도시된 바와 같이, 제어 유닛별 블록화되어 본 발명의 일 실시 예에 따라 마이크로그리드의 주파수와 BESS별 배터리의 SOC를 기반으로 BESS의 출력을 변동시킨다.

상기와 같이 본 발명에 따른 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템 및 방법에 관한 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

참고문헌

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110, 112: BESS 1, BESS 2 114, 116: 전력 변환부
118: 디젤 제너레이터 120: 부하
122: 마이크로그리드 124: static swich
126: 전력 시스템 128: 유틸리티 그리드

Claims

적어도 하나 이상의 분산 전원과 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)을 포함하는 독립형(stand-alone 또는 off-grid) 마이크로그리드와,
상기 BESS에 구비되어 마이크로그리드의 주파수와 다수의 BESS별 배터리의 SOC(state of charge)를 기반으로 충전 및 방전 모드별 상이하게 설정되는 퍼지 드룹(fuzzy droop) 제어를 통해 드룹 게인을 제어하여 각 BESS별 출력을 조절하는 퍼지 드룹 제어부를 포함하고,
상기 퍼지 드룹 제어부는,
상기 충전 모드에서, 충전 여유가 더 많은 BESS에 더 많은 충전을 할 수 있도록 상기 드룹 게인을 조절하며,
상기 방전 모드에서, 방전 여유가 더 많은 BESS가 더 많은 방전을 할 수 있도록 상기 드룹 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 퍼지 드룹 제어부는,
입력 및 출력에 따른 소속(membership) 함수를 기반으로 퍼지 드룹 제어를 위한 퍼지 데이터를 생성하는 퍼지화부와,
상기 퍼지화부의 퍼지 데이터에 대응하는 퍼지 드룹 제어의 결과를 도출하는 규칙 베이스 설정부와,
상기 규칙 베이스 설정부를 통해 출력된 정보를 수치화하기 위한 디코딩을 수행하는 비퍼지화부를 포함함을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
제2항에 있어서, 상기 소속 함수는,
마이크로그리드의 주파수 변화량과 각 BESS별 배터리 SOC로 설정된 입력 변수와, 상기 각 BESS별 드룹 게인으로 설정된 출력 변수를 포함하는 삼각형 타입과 사각형 타입임을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
제3항에 있어서, 상기 입력 변수 설정 시,
각 BESS별 배터리 SOC와 상기 주파수 변화량은 기설정된 복수의 퍼지 부분 집합이 선택됨을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
제3항에 있어서, 상기 출력 변수 설정 시,
각 BESS별 드룹 게인은 기설정된 복수의 퍼지 부분 집합이 선택됨을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
제3항에 있어서, 상기 퍼지 드룹 제어부는,
상기 주파수 변화량과 각 BESS별 배터리 SOC를 이용하여 소속 함수 계산 및
상기 충전 및 방전 모드별 퍼지 드룹 제어에 대응하는 소속 함수 기반 퍼지 규칙 생성을 통해 주파수 변동 발생 시 각 BESS별 배터리의 SOC 및 용량을 기반으로 계산된 드룹 게인을 출력하여 퍼지 드룹 제어를 수행함을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
제6항에 있어서, 상기 규칙 베이스 설정부는,
상기 퍼지 드룹 제어의 결과를 도출하기 위하여
각 BESS별 배터리 SOC와 상기 배터리 용량을 기반으로 허용 주파수 변동 범위를 고려하여 계산된 드룹 게인이 상기 각 BESS별 SOC 범위별로 분류된 테이블에 매칭되어 퍼지 규칙을 생성함을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 시스템.
오차 출력부를 통해 마이크로그리드의 정격 주파수와 상기 정격 주파수 기반 변화된 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 출력하는 과정과,
출력된 상기 주파수간 오차 및 다수의 BESS별 배터리의 SOC(state of charge)를 기반으로 기설정된 퍼지 드룹 제어 규칙 기반 드룹 게인을 계산하는 과정과,
계산된 드룹 게인에 기반한 상기 정격 주파수 기반 변화된 주파수에 대응하는 주파수별 유효 전력의 출력 오차를 산출하는 과정과,
PI 제어부를 통해 주파수별 유효 전력의 출력 오차를 0이 되게 하기 위한 보정을 수행하는 과정과,
기준 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 오차 출력부를 통해 출력하여 각 BESS별 출력을 조절하는 과정을 포함하고,
상기 기설정된 퍼지 드룹 제어 규칙 기반 드룹 게인을 계산하는 과정에서,
상기 드룹 게인은 충전 및 방전 모드별 상이하게 설정되며,
상기 충전 모드에서, 충전 여유가 더 많은 BESS에 더 많은 충전을 할 수 있도록 상기 드룹 게인이 결정되고,
상기 방전 모드에서, 방전 여유가 더 많은 BESS가 더 많은 방전을 할 수 있도록 상기 드룹 게인이 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 내 다수 BESS의 퍼지 드룹 제어 방법.