KR101689315B1

KR101689315B1 - 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101689315B1
Application number: KR1020150107199A
Authority: KR
Inventors: 김학만; 유형준
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-01-02
Also published as: JP2017527240A; EP3331116A1; WO2017018584A1; US10074979B2; US20180131183A1

Abstract

본 발명은 다수의 독립형 마이크로그리드가 연계시 각 마이크로그리드의 부하 품질 수준을 반영하여 각각의 다른 주파수(멀티 주파수)를 유지하는 시스템 구현을 위한 전압형 컨버텨 기반의 DC 연계 방법 및 제어 방법이 본 발명의 핵심적인 내용으로 주파수 제어 범위가 다른 각 마이크로그리드를 효과적으로 제어하기 위하여 마이크로그리드 연계점에 설치되는 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)는 단위 마이크로그리드의 주파수를 정규화를 이용하는 개념을 기반으로 하는 효과적인 제어 방법을 제시함으로써 다수의 독립형 마이크로그리드 뿐만 아니라 계통연계형 다수 마이크로그리드의 독립운전 모드에서도 동일하게 적용할 수 있어 동일한 주파수 기준을 피하고 마이크로그리드의 부하 전력 품질 수준이 반영된 경제적인 운영이 가능하며, 이를 통해 과도상태를 최소화시켜 마이크로그리드 시스템을 안정적으로 운영할 수 있는 기술이다.

Description

마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING IN MULTI-FREQUENCY MICROGRID}

본 발명은 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어에 관한 것이다.

최근 신재생에너지원 기반의 분산전원과 에너지저장장치를 적용한 독립형 마이크로그리드가 도서지방에 보급이 활발하게 진행되고 있으며, 육지에서는 계통 연계형으로 캠퍼스 마이크그리드, 군용 마이크로그리드, 산업단지 마이크로그리드 등 다양한 형태로 보급이 진행되고 있다.

특히, 독립형 또는 연계형의 독립 운전모드(이하, 독립 운전모드)의 경우 종래 마이크로그리드는 상용 정격 주파수 (60Hz 또는 50Hz)로 운전되도록 설계되어 운전되고 있으나, 부하의 전기품질 요구수준이 다른 마이크로그리드에 동일하게 상용 정격 주파수로 운전하는 것은 경제적인 측면에서 다소 과다한 설비투자가 요구된다.

또한, 현재는 주로 단일 마이크로그리드의 기술이 보급되고 있으나, 도서 지역에 다수의 마이크로그리드가 설치되고 경제적이고 안정한 운영을 위해서 독립 마이크로그리드 간의 연계(이하 다수 독립형 마이크로그리드)는 불가피하며, 추후 많은 다수 독립형 마이크로그리드의 출현이 예상된다.

이와 관련하여 경제적인 관점에서 독립형 또는 독립 운전 모드의 마이크로그리드별 부하 전력품질 수준에 맞는 주파수 관리가 요구되며, 이와 관련한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.

특히, 다수 독립형 마이크로그리드가 AC 전력선으로 연계하여 운전하는 경우 모든 마이크로그리드의 주파수가 동일하게 되므로 각 마이크로그리드의 부하의 전력 품질 수준을 고려한 멀티 주파수 제어가 불가능하여 이를 실현할 새로운 기술이 필요하다.

이를 해결하기 위해 본 발명은 다수 독립형 마이크로그리드의 연계를 DC 선로를 통하여 멀티 주파수 제어 수행이 가능한 기술을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장 장치를 포함하는 독립형(stand-alone 또는 off-grid) 마이크로그리드와, 다수의 상기 독립형 마이크로그리드들을 DC 선로를 통해 연계하고, AC 기반 독립형 마이크로그리드들의 DC 연계를 위한 전력변환 수행과 각 마이크로그리드별 부하 품질 수준이 고려된 멀티 주파수 제어 수행을 위한 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)의 정규화부를 통해 입력된 다수의 독립형 마이크로그리드별 허용 주파수를 정규화하는 과정과, 오차 출력부를 통해 정규화된 마이크로그리드별 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 출력하는 과정과, PI 제어부를 통해 정규화된 주파수간의 출력된 오차를 0이 되게 하기 위한 보정을 수행하고, 기설정된 수학식을 통해 기준 DC 전류를 결정하는 과정과, 결정된 상기 기준 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 오차 출력부를 통해 출력하여 전류 제어부를 통해 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 발생하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 마이크로그리드의 주파수를 이용하여 전력 수급을 조정하고, 주파수 변동에 신속하게 대응할 수 있으며, 이를 통해 과도상태를 최소화시켜 마이크로그리드 시스템을 안정적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 최근 성장하는 다수 독립형 마이크로그리드의 연계 기술 진화에 따른 다수 독립형 마이크로그리드에서 멀티 주파수 제어 기술의 미미함을 치유하여 AC 전력선을 기반으로 동일한 주파수 허용 범위에서 운용되는 다수 독립형 마이크로그리드 시스템에서 DC 선로를 기반으로 멀티 주파수 제어 수행이 가능한 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따른 전압형 컨버터는 바이폴(bipolar) 운전을 수행하여 어느 하나의 폴(pole) 고장 발생 시 나머지 하나의 폴을 통해 전력전송을 수행한다. 이로써 1개의 폴에서 고장이 발생하더라도 나머지 폴을 통해 전력전송이 가능하므로 다수 독립형 마이크로그리드 간의 전력 공급에 대한 강건한 신뢰 기반 연계가 가능하므로 마이크로그리드의 주파수 및 전압의 안정적 유지가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템에서 전압형 컨버터의 제어 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템에 있어서, n개의 마이크로그리드에 대해서 각 마이크로그리드별 VSC의 주파수 제어 수행을 위한 블록도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법이 적용된 DC 연계 기반 운전 예시 및 시뮬레이션 결과를 보인 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법에 관한 전체 흐름도.

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 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로그리드별 주파수를 기반으로 전력 공급 과잉 혹은 전력 공급 부족 발생 여부를 판단하며 마이크로그리드의 연계점에 연결된 각 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)의 전류 제어를 통해 전력 공급 과잉 발생 시 VSC의 DC 선로로의 유효전력 공급량을 증가시키고, 전력 공급 부족 발생 시에는 VSC의 DC 선로로의 유효전력 공급량을 감소시키거나 DC 선로로부터 유효전력 수전량을 증가시킴으로써 마이크로그리드별 전력 공급과 수요의 균형을 제어하여 연계된 다수 독립형 마이크로그리드별 부하 품질 수준이 고려된 멀티 주파수 제어를 적응적으로 실행하기 위한 것으로, 이를 위해 입력된 다수 독립형 마이크로그리드별 허용 주파수를 정규화하고, 정규화된 마이크로그리드별 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 0이 되게 보정하기 위하여 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 후행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함으로써 마이크로그리드의 전력 수급을 조정하여 주파수 변동에 신속하게 대응할 수 있으며, 이를 통해 과도상태를 최소화시켜 마이크로그리드 시스템을 안정적으로 운영할 수 있을 뿐만 아니라, 최근 성장하는 다수 독립형 마이크로그리드의 연계 기술 진화에 따른 다수 독립형 마이크로그리드에서의 멀티 주파수 제어 기술의 미미함을 치유하여 AC 전력선을 기반으로 동일한 주파수 허용 범위에 한해 운용되는 다수 마이크로그리드 시스템에서 DC 선로를 기반으로 멀티 주파수 제어 가능한 기술을 제공하고자 한다.

그리고 이하 후술되는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템 설명에서 단위 마이크로그리드 및 단위 마이크로그리드 연계점에 연결되어 있는 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)를 각각 3개로 예를 들어 설명하지만 본 발명이 이에 한정되지 않음은 자명하며, 본 발명이 적용된 시스템은 적어도 2개 이상의 다수 마이크로그리드가 VSC를 통하여 DC선로로 연결되어 전력 공급 및 수전이 가능함을 미리 밝혀 두는 바이다.

또한, 본 발명은 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어에 적용되며, 이하 후술 되는 본 발명에서 계통연계형의 독립운전 모드와 독립형 마이크로그리드는 동일한 개념이므로 다수 계통연계형 마이크로그리드의 독립 운전 모드의 멀티 주파수 제어 방법까지 적용 범위를 확장하여 제안됨을 미리 밝혀 두는 바이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템의 구성을 도 1 내지 도 3을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.

우선, 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 다수 독립형 마이크로그리드(110, 112, 114)와 상기 각 마이크로그리드(110, 112, 114)별 일대일 대응되는 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC, 111, 113, 115)를 포함한다.

상기 마이크로그리드(110, 112, 114)는 적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장 장치를 포함하는 독립형 마이크로그리드를 의미한다.

이러한 마이크로그리드(110, 112, 114)는 비록, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 상용 에너지저장장치(Energy Storage System), 비상용 에너지저장장치, 정지형 절제 스위치(STS: Static Transfer Switch), 스위치, 자동 부하 전환 스위치 및 전력을 소모하는 부하(Load)를 더 포함하며, 풍력발전기, 태양광 어레이, 엔진 발전기와 같은 분산 전원 등의 전력 요소를 필요에 따라 선택적으로 포함한다.

상기 VSC(111, 113, 115)는 독립형 마이크로그리드(110, 112, 114)의 연계점에 설치되어 단위 독립형 마이크로그리드(110, 112, 114) 내 AC 전력을 DC로 변환하여 DC 선로에 공급하고 또한, DC 선로로부터 DC 전력을 수전할 때 AC로 변환하여 단위 독립형 마이크로그리드(110, 112, 114)로 공급하는 전력변환 기능을 수행하며, 또한 각 마이크로그리드(110, 112, 114)별 부하 품질 수준이 고려된 멀티 주파수 제어를 수행한다.

본 발명이 적용된 상기 VSC(111, 113, 115)는 마이크로드별 대응하는 인접한 VSC와 상호 연결되어 각 마이크로드별 허용 주파수를 정규화하는 정규화부를 포함하며, 상기 VSC는 인접한 마이크로그리드의 주파수 정보를 획득하기 위해 VSC간 통신을 수행한다.

더욱 상세하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명이 적용된 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템(100)의 각 마이크로그리드(110, 112, 114)는 대응하는 VSC(111, 113, 115)를 통해 DC 선로로 연결되어 마이크로그리드(110, 112, 114)별 서로 상이한 부하 전력 품질 수준이 고려된 적응적 멀티 주파수 제어가 수행된다.

여기서, 상기 적응적 멀티 주파수 제어에 관해 살펴보면, 먼저 본 발명의 일실시 예에 따른 각 VSC(111, 113, 115)는 DC 선로로 연결되고, 각 마이크로그리드(110, 112, 114)는 서로 상이한 주파수가 설정되며, 이는 해당 마이크로드별 허용 주파수가 된다. 예컨대, 제1 마이크로그리드(110)는 59.2~60.8Hz, 제2 마이크로그리드(112)는 59.7~60.3Hz, 제3 마이크로그리드(114)는 59.5~60.5Hz와 같이 허용 주파수 범위가 서로 상이하다.

상기 VSC(111, 113, 115)는 정규화부를 통해 입력된 다수의 마이크로그리드별 주파수를 정규화하며, 도 2에 도시된 바와 같이 각 독립형 마이크로그리드(110, 112, 114)별 정규화된 주파수(-1 ~ 1)는 동일한 값으로 유지하도록 제어한다. 예컨대, 1개의 마이크로그리드의 주파수

= 0.1 이 되면 모든 마이크로그리드의 주파수

,

= 0.1로 유지되도록 제어한다.

이를 위해, 본 발명이 적용된 VSC는 정규화부를 통해 하기의 수학식 1을 이용하여 각 마이크로그리드별 상이하게 설정된 허용 주파수를 -1 ~ 1로 정규화한다.

이때, 상기 VSC는 계통 연계된 전체 마이크로그리드(110, 112, 114)의 정규화값을 동일하게 하기 위하여 인접한 두 개의 마이크로그리드 정규화 값의 차이를 "0"으로 만들기 위한 제어를 수행한다.

예를 들어, n개의 마이크로그리드가 존재할 경우, k번째 VSC는 k번째 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 k+1번째 정규화된 주파수를 입력하여 정규화 값의 차를 0으로 만들기 위한 제어를 수행한다.

다시 말해, 계통 연계된 다수의 마이크로그리드의 연계점에 연결되어 있는 각 VSC는 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 후행하는 VSC에 연결되어 있는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 인접한 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 연계된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어한다.

여기서, 상기 기설정된 차례 관계는 마이크로그리드별 순위를 의미하는 것으로, 본 발명에서는 이를 통해 다수 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 동일하게 하기 위하여 인접된 마이크로그리드를 식별하여 인접한 두 개의 마이크로그리드 정규화된 주파수의 차를 0이 되게 하기 위한 제어가 수행된다.

또한, 상기 VSC는 전체 마이크로그리드(110, 112, 114)의 정규화 값을 동일하게 하기 위하여 인접한 두 개의 마이크로그리드 정규화 값의 차이를 "0"으로 만들기 위한 제어를 위해 연계된 다수의 마이크로그리드에 연결되어 있는 각 VSC에서 기설정된 차례 관계 기반 최하위 VSC는 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 선행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 인접한 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 연계된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어한다.

즉, 마지막 n번째 VSC는 n번째 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 (n-1)번째 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력하여 정규화 값의 차를 0으로 만들기 위한 제어를 수행한다.

이와 같이, 기설정된 차례 관계를 기반으로 마이크로그리드 시스템 내 각 독립형 마이크로그리드별 정규화된 주파수를 동일하게 하기 위한 제어는 도 3을 통해 제어 유닛별 블록화되어 설명된다.

도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템에 있어서, n개의 마이크로그리드에 연결되어 있는 VSC-n의 주파수 제어 수행을 위한 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이,

freq는 n번째 마이크로그리드의 주파수,

는 정규화된 주파수의 차를 0으로 만들기 위한 n번째 VSC의 전력량,

는 n번째 마이크로그리드의 AC 전압을 의미하는 것으로, 각 마이크로그리드별 VSC의 정규화부(31, 32, 33)는 입력된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수(

freq)를 정규화하고, 정규화된 마이크로그리드별 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 0이 되게 보정하기 위하여 상기 정규화부(31, 32, 33)로부터 해당 각 오차 출력부(34, 35, 36)로 각각 인접하는 두 마이크로그리드간 정규화된 주파수(

,

)가 각각 입력되고, 각 PI 제어부(37, 38, 39)를 이용하여 정규화된 주파수 간의 출력된 오차를 0이 되게 하기 위한 보정을 수행한다. 상기 PI 제어부(37, 38, 39)에서는 두 마이크로그리드별 주파수 차이 관련 각 오차 출력부(34, 35, 36)로부터 출력된

,

에 기반하여 적당한 비례 상수 이득을 곱하고, 상기

,

를 적분하여

,

출력한다.

이후, VSC 제어부(40, 41, 42)의 기설정된 전류 결정 식을 통해 각 마이크로그리드별 전류를 결정한다.

이때, 상기 전류 결정 식은

형태이며, 공지된 주파수 공식 및 유효전력 공식을 전제로 마이크로그리드의 주파수를 변동시키기 위해서는 유효전력을 바꿔야 하므로 각 VSC 제어부(40, 41, 42)를 통해 주파수 제어를 위한 d축 전류를 결정(

,

)하고, 결정된 상기 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 각각 출력하여 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 전류 제어부(43, 44, 45)를 통해 출력한다.

상술한 바와 같이, 본 발명이 적용된 각 마이크로그리드별 주파수 정규화 값은 각 마이크로그리드에 연결되어 있는 VSC의 제어기에 입력되어 각 마이크로그리드별 주파수 정규화 값을 동일하게 제어하도록 전력의 공급 및 수전을 제어한다.

더불어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 VSC는 바이폴(bipolar) 운전을 수행하여 어느 하나의 폴(pole) 고장 발생 시 나머지 하나의 폴을 통해 전력전송을 수행한다. 이로써 1개의 폴에서 고장이 발생하더라도 나머지 폴을 통해 전력전송이 가능하므로 멀티 마이크로그리드 간의 전력 공급에 대한 강건한 신뢰 기반 연계가 가능하므로 마이크로그리드 계통의 주파수 및 전압의 안정적 유지가 가능하다.

한편, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법이 적용된 DC 연계 기반 운전 예시 및 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 3개의 마이크로그리드가 연계되고, 시뮬레이션 시나리오에서는 각 마이크로그리드의 허용 주파수를 각각 59.2~60.8Hz(제1 마이크로그리드), 59.7~60.3Hz(제2 마이크로그리드), 59.5~60.5Hz(제3 마이크로그리드)로 가정한다. 또한, 25초에 제2 마이크로그리드의 부하를 증가시키고, 40초에 제1 마이크로그리드의 부하를 감소시키는 것으로 설정한다.

이를 기반으로 먼저, 도 4를 살펴보면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 VSC는 25초에 제2 마이크로그리드의 부하증가에 따라 제2 마이크로그리드로 전력공급을 위하여 전력공급량을 증가시키는 것을 확인할 수 있다(P1의 양의 방향으로 전력 공급량 증가)

40초에 제1 마이크로그리드의 부하감소에 따라 제1 마이크로그리드에 잉여 발전량이 증가하므로 전체 마이크로그리드의 주파수 정규화 값의 평형을 맞추기 위하여 제1 VSC의 출력량이 증가 되는 것을 확인할 수 있다(P1의 양의 방향으로 전력 공급량 증가).

상술한 제1 VSC의 제어에 따라 제1 마이크로그리드의 주파수는 도 4b에서와 같이 허용 주파수(59.2~60.8Hz)내에서 제어되는 것을 확인할 수 있다.

이어서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제2 VSC는 25초에 제2 마이크로그리드의 부하 증가에 따라 제2 마이크로그리드의 허용범위 내 주파수 제어를 위해서 타 마이크로그리드 전력을 수전 받도록 제어되는 것을 확인할 수 있다(P2의 음의 방향으로 수전 전력량 증가).

40초에 제1 마이크로그리드의 부하감소에 따라 제1 마이크로그리드의 잉여 발전량이 증가하므로 전체 마이크로그리드의 주파수 정규화 값의 평형을 맞추기 위하여 제2 VSC의 전력량이 타 마이크로그리드로부터 수전하는 전력량이 증가되도록 제어가 되는 것을 확인할 수 있다(P2의 음의 방향으로 수전 전력량 증가).

상술한 제2 VSC의 제어에 따라 제2 마이크로그리드의 주파수는 도 5a에 도시된 바와 같이 허용 주파수(59.7~60.3Hz)내에서 제어되는 것을 확인할 수 있다.

마지막으로, 제3 VSC는 도 6a에 도시된 바와 같이 25초에 제2 마이크로그리드의 부하 증가에 따라 제2 마이크로그리드에 전력공급을 위하여 전력공급량을 증가되는 것을 확인할 수 있다(P3의 양의 방향으로 전력 공급량 증가).

40초에 제1 마이크로그리드의 부하 감소에 따라 제1 마이크로그리드의 잉여 발전량이 증가하고, 제3 마이크로그리드의 부하량의 변화가 없으므로 전체 마이크로그리드의 주파수 정규화 값의 평형을 맞추기 위하여 상술한 바와 같이 제1 마이크로그리드의 잉여 전력이 제2 마이크로그리드로 전송되므로 제3 마이크로그리드가 전체 마이크로그리드의 주파수 정규화 값의 평형을 유지하기 위한 역할은 작아지게 되므로 VSC 3의 전력공급량은 줄어들게 된다.

상술한 제3 VSC의 제어에 따라 제3 마이크로그리드의 주파수는 도 6b와 같이 허용 주파수(59.5~60.5Hz) 내에서 제어되는 것을 확인할 수 있다.

이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템의 구성을 살펴보았다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법에 도 7을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법에 관한 전체 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 먼저 710 과정에서는 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)의 정규화부를 통해 입력된 다수의 마이크로그리드별 주파수를 정규화한다.

더욱 상세하게는, 다수의 마이크로그리드는 서로 상이한 주파수가 설정되며, 이는 해당 마이크로드별 허용 주파수가 된다. 상기 VSC는 정규화부를 통해 입력된 다수의 마이크로그리드별 허용 주파수를 710 과정의 동작을 통해 정규화하며, 각 독립형 마이크로그리드별 정규화된 주파수(-1 ~ 1)는 동일한 값으로 유지하도록 하기의 수학식 2를 이용하여 제어한다. 예컨대, 1개의 마이크로그리드의 주파수

= 0.1 이 되면 모든 마이크로그리드의 주파수

,

= 0.1로 유지되도록 제어한다.

712 과정에서는 오차 출력부를 통해 정규화된 마이크로그리드별 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 출력한다.

714 과정에서는 PI 제어부를 통해 정규화된 주파수간의 출력된 오차를 0이 되게 하기 위한 보정을 수행한다.

이때, 마지막 n번째 VSC는 n번째 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 (n-1)번째 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력하여 정규화 값의 차를 0으로 만들기 위한 제어를 수행한다.

이어서, 716 과정에서는 기설정된 수학식을 통해 기준 d축 전류를 결정하고, 718 과정에서 결정된 상기 기준 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 오차 출력부를 통해 출력한다.

상기 기설정된 수학식인 전류 결정 식은

형태이며, 공지된 주파수 공식 및 유효전력 공식을 전제로 마이크로그리드의 주파수를 변동시키기 위해서는 유효전력을 제어해야 하므로 각 VSC 제어부를 통해 주파수 제어를 위한 d축 전류를 결정(

,

)하고, 결정된 상기 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 각각 출력하여 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 전류 제어부를 통해 출력한다.

이러한 동작은 720 과정의 동작을 통해 수행되며, 이후 822 과정을 통해 상기 전류 제어부를 통해 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 발생한다.

이때, 상기 제어 신호는 마이크로그리드별 주파수 제어 관련 유효 전력 변경을 위한 기준 d축 전류 기반 신호이다.

이러한 제어 신호는 다수의 독립형 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어를 위한 것으로, 연계된 다수의 독립형 마이크로그리드에 연결되어 있는 각 VSC는 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 후행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 인접한 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 상기 계통 연계된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함에 기반을 둔다.

또한, 상기 기설정된 차례 관계 기반 최하위 VSC는 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 선행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 인접한 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 상기 연계된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함에 기반을 둔다.

상기와 같이 본 발명에 따른 마이크로그리드의 멀티 주파수 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.

110: 독립형 마이크로그리드 1 112: 독립형 마이크로그리드 2
114: 독립형 마이크로그리드 3 111: 전압형 컨버터 1
113: 전압형 컨버터 2 115: 전압형 컨버터 3

Claims

적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장 장치를 포함하는 독립형(stand-alone 또는 off-grid) 마이크로그리드와,
다수의 상기 독립형 마이크로그리드들을 DC 선로를 통해 연계하고, AC 기반 독립형 마이크로그리드들의 DC 연계를 위한 전력변환 수행과 각 마이크로그리드별 부하 품질 수준이 고려된 멀티 주파수 제어 수행을 위한 전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)를 포함함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 VSC는,
마이크로그리드의 연계점에 연결되어 각 마이크로그리드별 주파수를 정규화하는 정규화부를 포함함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.
제2항에 있어서, 상기 정규화부는,
하기의 수학식을 이용하여 각 마이크로그리드별 상이하게 설정된 허용 주파수를 -1 ~ 1로 정규화함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.

(상기에서
는 각 마이크로그리드의 정규화된 주파수,
는 각 마이크로그리드의 최대 허용 주파수,
는 각 마이크로그리드의 최소 허용 주파수, f는 각 마이크로그리드의 주파수)
제2항에 있어서,
연계된 다수의 독립형 마이크로그리드에 연결되어 있는 각 VSC는, 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 후행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 이웃 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 계통 연계된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.
제4항에 있어서,
연계된 다수의 독립형 마이크로그리드별 대응하는 각 VSC에서 기설정된 차례 관계 기반 최하위 VSC는 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 선행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 이웃 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 상기 연계된 다수의 독립형 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.
제2항에 있어서, 상기 각 마이크로그리드별 허용 주파수 정규화는,
기설정된 주기별 마이크로그리드별 부하를 제어하여 제어된 부하 기반 각 마이크로그리드별 전력공급을 통해 수행됨을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 VSC는 바이폴(bipolar) 운전을 수행하여 어느 하나의 폴(pole)의 고장 발생 시 나머지 하나의 폴을 통해 전력전송을 수행함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 시스템.
전압형 컨버터(voltage source converter, VSC)의 정규화부를 통해 입력된 다수의 독립형 마이크로그리드별 허용 주파수를 정규화하는 과정과,
오차 출력부를 통해 정규화된 마이크로그리드별 주파수에 대응하는 주파수 간 오차를 출력하는 과정과,
PI 제어부를 통해 정규화된 주파수간의 출력된 오차를 0이 되게 하기 위한 보정을 수행하고, 기설정된 수학식을 통해 기준 d축 전류를 결정하는 과정과,
결정된 상기 기준 d축 전류와 실제 d축 전류의 오차를 오차 출력부를 통해 출력하여 전류 제어부를 통해 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 발생하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법.
제8항에 있어서, 상기 제어 신호는,
마이크로그리드별 주파수 제어 관련 유효 전력 변경을 위한 기준 d축 전류를 기반으로 설정된 부하에서 소비되는 전력량임을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 발생하는 과정은,
계통 연계된 다수 독립형 마이크로그리드에 연결되어 있는 각 VSC는, 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 후행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 이웃 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 상기 계통 연계된 다수의 독립형 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법.
제10항에 있어서,
연계된 다수의 독립형 마이크로그리드에 연결되어 있는 각 VSC에서 기설정된 차례 관계 기반 최하위 VSC는 해당 마이크로그리드의 정규화된 주파수와 기설정된 차례 관계 기반 1만큼 선행하는 VSC에 대응하는 마이크로그리드의 정규화된 주파수를 입력으로 사용하여 DC 선로 기반 이웃 마이크로그리드간 정규화된 주파수의 차이를 0이 되게 하여 상기 계통 연계된 다수의 마이크로그리드의 허용 주파수 관련 정규화된 주파수를 동일하게 제어함을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 멀티 주파수 제어를 위한 제어 신호를 발생하는 과정은,
기설정된 주기별 마이크로그리드별 부하를 제어하여 제어된 부하 기반 각 마이크로그리드별 전력공급을 통해 수행됨을 특징으로 하는 마이크로그리드의 멀티 주파수 제어 방법.