KR101763071B1 - 드룹 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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한병문
김현준
양원모
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

드룹 제어 장치 및 방법이 개시된다. 드룹 제어 장치는, 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정하는 측정부, 출력 전압 및 전류의 측정값을 이용하여 드룹 제어 주파수값을 산출하는 주파수 제어부, 측정값과 드룹 제어 주파수값을 이용하여 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출하는 추출부, 직류 성분의 전류값 중 정상분 유무효 직류 전류값과 측정값을 이용하여 정상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 정상분 전압 제어부 및 직류 성분의 전류값 중 역상분 유무효 직류 전류값과 측정값을 이용하여 역상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 역상분 전압 제어부를 포함한다.

Description

드룹 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for droop control}
본 발명은 불균등 임피던스 선로를 갖는 인버터기반 분산전원의 부하전압 불평형을 보상하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전압 불평형을 보상하는 드룹 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
분산발전을 기존의 계통에 연계하기 위해서는 전력변환기인 인버터가 필수적으로 사용된다. 분산전원 연계형 인버터의 중요한 역할은 유효 전력 및 무효 전력을 제어하기 위해 출력 전압의 크기와 위상을 조절하는 것이다. 병렬 운전을 위해 각각의 인버터들은 전압과 주파수 조절에 참여하기 위한 전압원으로 동작한다.
이러한 인버터들은 병렬 운전시 전력 품질 관리 능력을 제공할 수 있어야 한다. 특히, 전압 불평형은 분산전원 및 전압원 인버터에 손실이 발생하고 시스템의 불안정을 초래하기 때문에, IEC(International Electrotechnical Commission)는 전압 불평형율을 2% 이내로 권장한다. 전압 불평형의 주요 원인은 상과 중성점 사이 또는 상과 상 사이에 연계된 단상 부하 때문이다.
이에 따라, 전압 불평형 문제를 해결하기 위한 방안으로, STACOM(Static Synchronous Compensator), 직렬 수동 필터, 병렬 수동 필터 등에 대해서 연구가 진행되었다. 하지만, 이러한 전압 불평형 보상 방법들은 역상분 무효 전력 및 전압과 전류를 주입하기 위한 추가적인 전력 변환기를 필요로 한다. 또한, 심각한 전압 불평형의 경우에, 수동 필터에 의해 주입된 전압과 전류의 크기는 매우 크게 되며, 필터의 정격을 초과 할 수 있는 단점이 존재한다
그래서, 추가적인 전력변환기의 설치 없이 분산 전원 연계형 인버터의 적절한 제어 기법을 통해서 전압 불평형의 문제를 해결하는 방안이 제안되었다. 특히, 전압 불평형을 보상하기 위하여 드룹 제어 방식을 바탕으로 한 제어 기술들이 제안되었다. 드룹 제어는, 통신을 사용하지 않고, 오직 출력 전압과 주파수 정보만을 이용하여 병렬 운전을 수행한다. 이 때문에 제어의 신뢰성과 시스템 설치 비용의 이점을 갖는다.
그리고, 마이크로그리드에서, 역상분 무효전력-컨덕턴스(
Figure 112016055090022-pat00001
)의 드룹 제어를 통해 전압 불평형을 보상하는 방법이 있다. 이 방법은, 컨덕턴스와 역상분 전압의 곱으로 생성된 지령치가 전압제어 루프 출력에 더해진다. 이는, 전압 불평형을 보상할 수 있지만, 드룹 전압 제어 루프의 출력에 불평형 보상 지령 신호가 입력되기 때문에 외란으로 간주될 수 있다. 따라서, 이 방법은, 전압 불평형 보상과 드룹 제어 사이에 안정성이 떨어진다. 또한, 불평형 선로 임피던스에 대한 무효전력 분담 문제를 다루지 않았다.
그리고, 정지 좌표 변환을 기반으로 인버터 병렬 운전을 위한 드룹 제어 및 불평형 부하 보상 방법이 제시된 적이 있다. 이 방법은, 전압 불평형을 보상하기 위하여 역상분 무효전력, 불평형 보상 이득 상수 및 역상분 출력 전압을 곱한 값을 Q-V전압 제어루프의 입력에 더해주어 불평형 전압을 보상하였다. 하지만, 이 방법은, 불평형 전압 이득 상수를 구하기 위해서는 복잡한 수식이 이용되며, 갑작스런 전력 변화에 대응하는데 속응성이 낮은 단점을 가진다.
그리고, 마이크로그리드의 중앙제어기가 전압 불평형에 의해 발생된 역상분 전압 보상값을 계산한 후, 발생된 지령치를 저속 통신을 사용하여 각각의 로컬 인버터에 보내주어 전압 불평형을 보상하는 방법이 제시된 적이 있다. 이 방법은. 중앙제어기를 사용하기 때문에, 통신 의존도가 매우 높으며, 통신의 신뢰성과 안정성을 확보하기 어렵다는 단점을 지닌다.
본 발명은 유효 전력 및 무효 전력을 전달하기 위한 드룹 제어로 사용되는 정상분 전압 제어부와 역상분 전압을 감소시켜 전압 불평형을 보상하는 역상분 전압 제어부가 독립적으로 구성됨으로써, 분산 발전소의 인버터와 부하 사이의 전송선로의 불균등 임피던스에 따른 전압 불평형을 보상하는 드룹 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 분산 발전소의 인버터와 부하 사이의 전송선로의 불균등 임피던스에 따른 전압 불평형을 보상하는 드룹 제어 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치는, 상기 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정하는 측정부, 상기 출력 전압 및 전류의 측정값을 이용하여 드룹 제어 주파수값을 산출하는 주파수 제어부, 상기 측정값과 상기 드룹 제어 주파수값을 이용하여 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출하는 추출부, 상기 직류 성분의 전류값 중 정상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 정상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 정상분 전압 제어부 및 상기 직류 성분의 전류값 중 역상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 역상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 역상분 전압 제어부를 포함한다.
상기 측정부는 상기 인버터의 출력단에서 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)를 측정한다.
상기 주파수 제어부는 무부하 상태일 때의 공통 접속점 전압의 주파수값(ω*)에서, 기준 유효 전력값(P*)과 측정 유효 전력값(Pmeas)의 차이에 유효 전력 드룹 계수(kp)를 곱한 값을 빼어, 상기 인버터의 출력전압의 주파수값(ω)인 상기 드룹 제어 주파수값을 산출한다.
상기 추출부는 상기 3상 전압값 및 상기 3상 전류값과 상기 인버터의 출력전압의 주파수값(ω)을 이용하여, 정상분과 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -) 및 정상분과 역상분의 유무효 직류 전류값(Id +, Iq +, Id -, Iq -)을 산출한다.
상기 정상분 전압 제어부는, 상기 인버터의 유효 출력 전압 지령치(Ed *)에서, 기준 무효 전력값(Q*)과 측정 무효 전력값(Qmeas)의 차이에 무효 전력 드룹 계수(kq)를 곱한 값을 빼고, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 빼어 정상분 유효 전압 보상값을 산출하고, 상기 인버터의 무효 출력 전압 지령치(Ed *)에, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 더하여 정상분 무효 전압 보상값을 산출한다.
상기 정상분 전압 제어부는 정상분 유무효 직류 전압값과 상기 정상분 유무효 전압 보상값의 제1 차이값을 출력한다.
상기 역상분 전압 제어부는, 저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 더하여 역상분 유효 전압 보상값을 산출하고, 저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에서, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 빼어 역상분 무효 전압 보상값을 산출한다.
상기 역상분 전압 제어부는, 역상분 유무효 직류 전압값과 상기 역상분 유무효 전압 보상값의 제2 차이값을 출력한다.
상기 제1 차이값 및 상기 제2 차이값을 3상 전압값(uabc)으로 변환하는 출력 전압 제어부를 더 포함한다.
상기 3상 전압값(uabc)으로 변환된 상기 제1 차이값 및 상기 제2 차이값을 PWM(Pulse Width Modulation)하여 상기 인버터로 인가함으로써, 상기 인버터의 전압 지령치를 보상하는 PWM 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 분산 발전소의 인버터와 부하 사이의 전송선로의 불균등 임피던스에 따른 전압 불평형을 보상하는 드룹 제어 장치가 수행하는 드룹 제어 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법은, 상기 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정하는 단계, 상기 출력 전압 및 전류의 측정값을 이용하여 드룹 제어 주파수값을 산출하는 단계, 상기 측정값과 상기 드룹 제어 주파수값을 이용하여 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출하는 단계, 상기 직류 성분의 전류값 중 정상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 정상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 단계, 상기 직류 성분의 전류값 중 역상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 역상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 단계 및 상기 정상분 유무효 전압 보상값 및 상기 역상분 유무효 전압 보상값을 이용하여 상기 인버터의 전압 지령치를 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치는, 유효 전력 및 무효 전력을 전달하기 위한 드룹 제어로 사용되는 정상분 전압 제어부와 역상분 전압을 감소시켜 전압 불평형을 보상하는 역상분 전압 제어부가 독립적으로 구성됨으로써, 병렬 운전시. 전송선로의 불균등 임피던스에 의해 야기되는 무효 전력 분담 정확성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 간단한 사칙연산을 통해 정상분 및 역상분 선로 전압 강하를 전압 지령치에 보상해줌으로써, 무효 전력 분담 정확성이 제어될 수 있다.
도 1은 인버터의 등가회로를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 병렬 운전되는 인버터의 등가회로를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 불균등 선로 임피던스를 고려한 병렬 운전되는 인버터의 등가회로를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법이 적용된 인버터의 등가회로를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 6은 도 5의 드룹 제어 장치의 구성부를 세부적으로 나타낸 도면.
도 7은 동기 기준 회전 좌표계를 예시하여 나타낸 도면.
도 8은 도 5의 드룹 제어 장치의 추출부의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 9는 LC 필터를 포함하는 3상 인버터의 구성을 예시한 도면.
도 10은 도 9의 인버터의 폐루프 등가 회로를 나타낸 도면.
도 11은 인버터의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면.
도 12는 PI 전압 제어기의 Step 응답을 나타낸 도면.
도 13은 PI 전압 제어를 이용한 출력 전압 파형을 나타낸 도면.
도 14는 출력 임피던스의 주파수 응답을 나타낸 도면.
도 15는 시뮬레이션을 위한 두 병렬 인버터의 구성을 나타낸 도면.
도 16은 드룹 제어를 통한 유무효 전력 분담에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 17은 전압 불평형 보상 전후의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 하드웨어 시뮬레이터를 나타낸 도면.
도 19는 드룹 제어를 통한 유무효 전력 분담에 대한 실험 결과를 나타낸 도면.
도 20은 전압 불평형 보상 전후의 실험 결과를 나타낸 도면.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 나타낸 흐름도.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 인버터의 등가회로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 병렬 운전되는 인버터의 등가회로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 불균등 선로 임피던스를 고려한 병렬 운전되는 인버터의 등가회로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법이 적용된 인버터의 등가회로를 나타낸 도면이다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법의 개념에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
통신 장비 없이 여러 대의 인버터를 병렬로 연계하기 위한 목적으로 드룹(Droop) 제어가 제안되었으며, 드룹 제어는 기존의 산업 현장에서는 UPS 시스템 또는 독립 운전 모드의 마이크로 그리드와 같은 분야에서 사용되었다.
일반적으로, 드룹 제어는 인버터에서 출력되는 전압의 위상과 크기를 조절하여 유효 전력 및 무효 전력의 제어를 수행한다. 이러한 일반적인 드룹 제어는 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00002
Figure 112016055090022-pat00003
여기서,
Figure 112016055090022-pat00004
는 인버터 출력전압의 크기이고,
Figure 112016055090022-pat00005
는 인버터 출력전압의 주파수이고,
Figure 112016055090022-pat00006
와
Figure 112016055090022-pat00007
는 각각 무부하 상태일 때 공통 접속점(PCC: Point of Common Connection) 전압의 주파수와 크기이다. 그리고,
Figure 112016055090022-pat00008
와
Figure 112016055090022-pat00009
는 각각 주파수 드룹 계수 및 전압 드룹 계수이다.
도 1에, 교류 계통에서의 전력 조류를 나타내기 위한 인버터의 간략한 등가회로가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 인버터의 출력 임피던스를 통해 인버터에서 공통 접속점으로 흐르는 유효 전력 및 무효 전력은 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00010
Figure 112016055090022-pat00011
여기서,
Figure 112016055090022-pat00012
와
Figure 112016055090022-pat00013
는 각각 출력 임피던스의 크기와 위상이고,
Figure 112016055090022-pat00014
는 공통 접속점의 전압이고,
Figure 112016055090022-pat00015
는 공통 접속점의 전압과 인버터 출력 전압 사이의 위상차이다.
Figure 112016055090022-pat00016
와
Figure 112016055090022-pat00017
의 일반적인 드룹 제어는 하기와 같은 2가지 중요한 가정을 바탕으로 한다.
가정1: 인버터의 출력 임피던스는 순수한 유도성 성분이 지배적이다. 대부분의 병렬 운전되는 인버터는 필터 인덕터가 저항 성분을 무시할 수 있을 정도로 크기 때문이다. 하지만, 인버터의 출력 임피던스는 제어 루프에 따라 변할 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 큰 출력 인덕터가 삽입되거나 LCL 출력 필터가 사용될 수 있으며, 또는 가상 임피던스가 사용되어 출력 임피던스가 순수한 유도성 성분처럼 보이게 할 수 있다. 따라서, Z=X, θ=90°가 되어, 인버터에서 공통 접속점으로 흐르는 유효 전력 및 무효 전력은 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00018
Figure 112016055090022-pat00019
가정2: 동기화가 이루어졌을 때, 공통 접속점의 전압과 인버터 출력전압 사이의 위상차인
Figure 112016055090022-pat00020
의 값이 작다면,
Figure 112016055090022-pat00021
로
Figure 112016055090022-pat00022
로 가정할 수 있다. 이를 적용하면, 유효 전력 및 무효 전력은 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00023
Figure 112016055090022-pat00024
이러한 가정을 통해
Figure 112016055090022-pat00025
와
Figure 112016055090022-pat00026
는 선형적으로
Figure 112016055090022-pat00027
와
Figure 112016055090022-pat00028
에 의존적이며 비례하게 된다. 다만, 드룹 제어에서 인버터는 유효 전력 제어에 위상차
Figure 112016055090022-pat00029
대신 주파수를 사용하는데, 그 이유는 각 장치들의 초기 위상차를 알 수 없기 때문에
Figure 112016055090022-pat00030
를 사용하게 된다.
드룹 제어를 기반으로 병렬 운전되는 인버터들의 출력 전압은 비례하거나 동일해야 한다. 특히, 무부하나 경부하시, 인버터 간의 출력 전압차이는 병렬 운전되는 인버터들 사이에서 순환 전류를 야기한다.
도 2에, 전송선로의 임피던스를 고려한 병렬 운전되는 인버터의 등가회로가 도시되어 있다. 이를 동기 회전 좌표 변환을 거쳐 수식적으로 분석하면, 병렬 운전되는 2대의 인버터 각각의
Figure 112016055090022-pat00031
및
Figure 112016055090022-pat00032
에 대한 드룹 제어 수학식은 하기와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00033
Figure 112016055090022-pat00034
정상 상태일 때, 도 2의 인버터1과 인버터2의 주파수는 전송선로의 임피던스와 무관하게 동일하기 때문에, 상기 수학식 5를 이용하여 정확한 유효 전력 분담이 수행될 수 있다.
하지만, 불균등 선로 임피던스가 고려된다면, 서로 다른 전압 강하로 인하여 무효 전력 분담 오차가 발생한다. 불균등 선로 임피던스로 병렬 운전되는 인버터의 등가회로는 수학식 5가 적용되면 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 도 3의 (a)는 인버터1의 d축 등가회로를 나타내고, 도 3의 (b)는 인버터2의 d축 등가회로를 나타내고, 도 3의 (c)는 인버터1의 q축 등가회로를 나타내고, 도 3의 (d)는 인버터2의 q축 등가회로를 나타낸다. 이는 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00035
Figure 112016055090022-pat00036
그리고, 순환 전류에 의하여 발생되는 무효 전력 분담 오차는 수학식 6을 이용하여 하기와 같이 도출될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00037
Figure 112016055090022-pat00038
는 동기 회전 좌표 변환된 각 컨버터의 유효 및 무효 출력 전압,
Figure 112016055090022-pat00039
는 인버터의 유효 및 무효 출력 전압 지령치,
Figure 112016055090022-pat00040
는 유효 및 무효 부하 전압,
Figure 112016055090022-pat00041
는 유효 및 무효 출력 전류,
Figure 112016055090022-pat00042
는 선로 저항과 리액턴스이다. 그러므로, 병렬 운전되는 인버터1과 인버터2의 무효 전력 분담 오차는 선로 임피던스에 의해 결정된다. 이때, 전송선로의 임피던스가 무시될 수 있을 정도로 작거나, 동일한 선로 임피던스를 지닐 경우, 무효 전력 분담 오차가 발생되지 않고, 무효전력 전압 드룹 계수
Figure 112016055090022-pat00043
에 비례하여 무효전력이 공급된다.
전술한 바와 같이, 병렬 운전시 불균등 선로 임피던스가 존재하면, 동일한 전압 드룹 계수가 적용되더라도 각 인버터의 출력 전압의 차이가 발생하여 무효 전력의 오차가 발생하게 된다. 하지만, dq축 동기 기준 회전 좌표계가 적용된 전압 드룹 제어 수식(수학식 6)에서 보여지듯이, 불균등 선로 저항에 의해 발생하는 전압 강하는 유효분 전류
Figure 112016055090022-pat00044
에 의해 발생하며, 유도성 성분에 의한 전압강하는 무효분 전류
Figure 112016055090022-pat00045
에 의하여 독립적으로 발생한다. 따라서, 유효 및 무효 전류 성분과 선로 임피던스로 인해 발생되는 전압강하 성분을 전향 보상하면, 병렬 운전시 인버터간 출력 전압 오차가 보상될 수 있다. 수학식 5의
Figure 112016055090022-pat00046
에 대한 드룹 제어 수식에서, 선로 임피던스로 인해 발생되는 전압 강하 성분이 전향 보상되면, 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00047
도 4에, 수학식 8이 적용된 병렬 운전되는 인버터의 등가 회로가 도시되어 있다. 즉, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법이 적용된 인버터의 등가 회로로, 도 4의 (a)는 d축 등가 회로를 나타내고, 도 4의 (b)는 q축 등가 회로를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 불균등 선로 임피던스로 발생되는 전압 강하를 상쇄하는 전향 보상항이 추가됨으로써, 전송선로의 불균등 임피던스에 대해서도 정확한 무효 전력 분담이 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 구성을 개략적으로 예시한 도면이고, 도 6은 도 5의 드룹 제어 장치의 구성부를 세부적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 동기 기준 회전 좌표계를 예시하여 나타낸 도면이고, 도 8은 도 5의 드룹 제어 장치의 추출부의 구성을 개략적으로 예시한 도면이다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)에 대하여 도 5 및 도 6을 중심으로 설명하되, 도 7 및 도 8을 참조하기로 한다.
3상 전압원 인버터의 출력에 불평형 부하가 연계되면, 전압의 불평형이 발생하게 되고, 이로 인하여 부하에는 역상분 전압이 나타난다. 따라서, 역상분 전압이 효과적으로 제거되면, 전압 불평형이 보상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)는, dq 동기 기준 회전 좌표계를 적용하여 기존의 전압 제어부를 독립적인 정상분 전압 제어부(140)와 역상분 전압 제어부(150)로 구성한 것이다.
도 7을 참조하면, 정상분 전압 제어부(140)와 역상분 전압 제어부(150)를 구성하기 위해서는, 우선, dq 동기 기준 회전 좌표계를 정방향 및 역방향으로 각각 회전시킨다. 이때, 전압이 3상 평형이 아니면, dq 정지 좌표 변환에 의하여 하기 수학식과 같이, 영상분 전압을 제거한 기본파 성분을 정상분과 역상분 성분으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00048
여기서,
Figure 112016055090022-pat00049
와
Figure 112016055090022-pat00050
는 dq 정지 좌표 변환된 정상분과 역상분의 순시 유무효 전압이고,
Figure 112016055090022-pat00051
와
Figure 112016055090022-pat00052
는 정상분과 역상분의 유무효 전압의 크기의 최대값이고,
Figure 112016055090022-pat00053
와
Figure 112016055090022-pat00054
는 정상분과 역상분의 초기 위상각이다.
Figure 112016055090022-pat00055
에 대한 드룹 제어에 의해서 위상각이 결정되고, dq 동기 기준 회전 좌표 변환이 수행되면, 이는 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00056
Figure 112016055090022-pat00057
여기서,
Figure 112016055090022-pat00058
와
Figure 112016055090022-pat00059
는 dq 동기 기준 회전 좌표 변환된 정상분과 역상분의 전압을 나타낸다.
수학식 10에서 보여지듯이, 정상분과 역상분의 직류 전압 성분에 2ω의 전력 주파수 성분이 커플링되어 있다. 따라서, 전력 주파수 성분을 디커플링하여 각각의 독립적인 정상분 전압과 역상분 전압이 획득될 수 있다. 도 8에, 정상분 전압 및 역상분 전압을 검출하는 추출부(130)가 도시되어 있다. 정상분 전압 제어부(140)는 추출된 정상분 전압을 이용하여 드룹 제어를 수행하고, 역상분 전압 제어부(150)는 추출된 역상분 전압을 이용하여 역상분 전압을 감소시킴으로써, 불평형 전압이 보상될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)는, 측정부(110), 주파수 제어부(120), 추출부(130), 정상분 전압 제어부(140), 역상분 전압 제어부(150), 출력 전압 제어부(160) 및 PWM 제어부(170)를 포함한다.
측정부(110)는 분산 발전소의 인버터(10)의 출력단에서 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)를 측정한다.
주파수 제어부(120)는 도 6에 도시된 바와 같이, 수학식 1과 같은
Figure 112016055090022-pat00060
에 대한 드룹 제어 수식을 이용하여 드룹 제어된 인버터(10)의 출력전압의 주파수값(ω)을 산출한다. 여기서, 수식에 삽입되는 유효 전력값은 인버터(10)의 유효 전력 지령치인 기준 유효 전력값(P*)과 측정 유효 전력값(Pmeas)의 차이이다. 여기서, 측정 유효 전력값(Pmeas)은 측정부(110)에 의하여 인버터(10)의 출력단에서 측정된 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)으로부터 산출될 수 있다.
즉, 주파수 제어부(120)는, 무부하 상태일 때의 공통 접속점(31) 전압의 주파수값(ω*)에서, 기준 유효 전력값(P*)과 측정 유효 전력값(Pmeas)의 차이에 유효 전력 드룹 계수(kp)를 곱한 값을 빼어 인버터(10)의 출력전압의 주파수값(ω)을 산출할 수 있다.
추출부(130)는 측정부(110)에 의하여 인버터(10)의 출력단에서 측정된 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)과 주파수 제어부(120)에 의하여 산출된 인버터(10)의 출력전압의 주파수값(ω)을 이용하여 전술한 도 8과 같이, 정상분과 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -) 및 정상분과 역상분의 유무효 직류 전류값(Id +, Iq +, Id -, Iq -)을 산출한다.
정상분 전압 제어부(140)는 도 6에 도시된 바와 같이, 수학식 8과 같은 드룹 제어 수식을 이용하여, 측정부(110)에 의하여 측정된 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)과 추출부(130)에 의하여 산출된 정상분 유무효 직류 전류값으로부터 정상분 유무효 전압 보상값을 산출한다.
즉, 정상분 전압 제어부(140)는, 인버터(10)의 유효 출력 전압 지령치(Ed *)에서, 무효 전력 지령치인 기준 무효 전력값(Q*)과 측정 무효 전력값(Qmeas)의 차이에 무효 전력 드룹 계수(kq)를 곱한 값을 빼고, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 빼어 정상분 유효 전압 보상값을 산출한다. 여기서, 측정 무효 전력값(Qmeas)은 측정부(110)에 의하여 인버터(10)의 출력단에서 측정된 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)으로부터 산출될 수 있다.
또한, 정상분 전압 제어부(140)는, 인버터(10)의 무효 출력 전압 지령치(Ed *)에, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 더하여 정상분 무효 전압 보상값을 산출한다.
그리고, 정상분 전압 제어부(140)는 측정값에 해당하는 추출부(130)에 의하여 산출된 정상분 유무효 직류 전압값(vd +, vq +)과 산출한 정상분 유무효 전압 보상값의 차이값을 출력한다.
역상분 전압 제어부(150)는 도 6에 도시된 바와 같이, 추출부(130)에 의하여 산출된 역상분 유무효 직류 전류값으로부터 역상분 유무효 전압 보상값을 산출한다.
즉, 역상분 전압 제어부(150)는, 저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 더하여 역상분 유효 전압 보상값을 산출한다.
또한, 역상분 전압 제어부(150)는, 저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에서, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 빼어 역상분 무효 전압 보상값을 산출한다.
그리고, 역상분 전압 제어부(150)는 측정값에 해당하는 추출부(130)에 의하여 산출된 역상분 유무효 직류 전압값(vd -, vq -)과 산출한 역상분 유무효 전압 보상값의 차이값을 출력한다.
출력 전압 제어부(160)는 정상분 전압 제어부(140)와 역상분 전압 제어부(150)로부터 출력된, 정상분 및 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -)과 정상분 및 역상분의 유무효 전압 보상값의 차이값을 각각 3상 전압값(uabc)으로 변환한다.
PWM 제어부(170)는 출력 전압 제어부(160)에 의하여 3상 전압값(uabc)으로 변환된 차이값을 PWM(Pulse Width Modulation)하여 인버터(10)로 인가함으로써, 인버터(10)의 전압 지령치를 보상한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)는, 직류 성분을 제어에 사용하기 때문에, 전력 시스템의 안정성과 속응성을 향상 시킬 수 있다. 또한, 정상분과 역상분의 유무효 직류 전류값(Id +, Iq +, Id -, Iq -)의 간단한 연산으로 선로 전압 강하가 보상될 수 있으며, 전압 강하값을 전향 보상함으로써, 공통 접속점(31)의 전압도 공칭 전압으로 유지 될 수 있는 장점을 지니기 때문에 유무효 전력 분담도 향상될 수 있다. 그리고, 역상분 전압 제어부(150)에 의하여 역상분 전압이 감소됨으로써, 동시에 불평형 전압이 보상될 수 있다.
도 9는 LC 필터를 포함하는 3상 인버터의 구성을 예시한 도면이고, 도 10은 도 9의 인버터의 폐루프 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 11은 인버터의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이고, 도 12는 PI 전압 제어기의 Step 응답을 나타낸 도면이고, 도 13은 PI 전압 제어를 이용한 출력 전압 파형을 나타낸 도면이고, 도 14는 출력 임피던스의 주파수 응답을 나타낸 도면이다. 이하에서는, 도 9 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 설계 사례에 대하여 설명하기로 한다.
도 9는 LC 필터를 포함하는 3상 인버터의 구성을 보여준다.
Figure 112016055090022-pat00061
는 DC Link 단의 전압을 의미하고,
Figure 112016055090022-pat00062
는 인버터의 출력 전압이고,
Figure 112016055090022-pat00063
는 인덕터에 흐르는 전류이고,
Figure 112016055090022-pat00064
는 출력 전류이다. 그리고, 출력 필터 인덕터의 저항은
Figure 112016055090022-pat00065
로 나타내었고, 필터 커패시터의 직렬 등가 저항은 우려되는 주파수의 범위를 넘어서 나타나기 때문에 고려되지 않았다.
따라서, 인버터의 대신호 동작을 나타내는 선형 미분 방정식은 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00066
Figure 112016055090022-pat00067
수학식 11의 두 식은 abc상의 변수들로 이루어져 있다. 이러한 abc 상의 변수들은 dq 동기 회전 좌표계를 통하여 dq 축 성분으로 변환될 수 있다. 이때 발생되는 디커플링 성분을 PI 제어기를 통해 최종 출력되는 지령값에 보상하면, 하기 수학식과 같이, 디커플링 성분이 포함되지 않는 성분의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00068
Figure 112016055090022-pat00069
여기서, u는 모듈레이션 타입에 따라 three level에서는 (-1,0,1), two level에서는 (-1,1)로 변한다. 비선형 제어와 궤환 선형화 제어에 따라 수학식 12는 하기의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00070
여기서, <>는 스위칭 한주기의 평균값을 의미한다.
인버터의 출력 전압을 제어하기 위해서, PI 제어기는 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00071
따라서, 수학식 13 및 14를 이용한 폐루프 출력 전압 동특성은 다음과 같은 수학식으로 표현 가능하다.
Figure 112016055090022-pat00072
여기서, s는 Laplace 연산자를 나타내며, 수학식 15로부터 two-terminal Thevenin 등가회로로 인버터가 하기 수학식과 같이 모델링 될 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00073
여기서, G(s)는 전압 이득이고, Zo(s)는 출력 임피던스이다. 이와 같이, 모델링된 폐루프 시스템의 Thevenin 등가회로가 도 10에 도시되어 있다.
도 11은, 표 1에 명시된 파라미터에 의한 인덕터의 기생 저항에 따른 G(s)의 주파수 응답을 Matlab을 이용하여 나타낸 보드 선도이다. 도 11에 도시된 주파수 응답 특성에서 볼 수 있듯이, 인덕터의 기생 저항에 따른 영향은 직류 출력 전압에 영향을 미치지 않는다.
Inverter parameters
Figure 112016055090022-pat00074
Control parameters
Figure 112016055090022-pat00075
도 12는 Matlab을 이용하여 설계된 PI 전압 제어기의 Step 응답을 보여주며, 도 13은 PSCAD/EMTDC을 사용하여 나타나는 직류 출력 전압 지령치와 직류 출력 전압을 보여준다. 도 12 및 13에서 보여지듯이, 동기 회전 좌표를 통해 설계된 전압 제어기가 사용됨으로써, 적은 이득으로도 빠른 동특성을 얻을 수 있으며, 정상상태 오차 없이 정확하게 출력 전압이 전압 레퍼런스를 추종하는 것을 확인할 수 있다.
적절한 병렬운전을 위해서, 인버터의 폐루프에 따른 출력 임피던스 또한 검토 되어야 한다. 도 14는 보드 선도를 통해서 출력 임피던스 Zo(s)의 주파수 응답을 보여준다. dq 동기 회전 좌표계를 사용하지 않고, αβ 정지 좌표계를 사용한 교류전압으로 드룹 제어를 수행하면, 인덕터 기생 저항의 값이 커질수록 출력되는 전압의 주파수 근처(377rad/s)에서, 출력 임피던스는 저항성 성분으로 나타나게 된다.
따라서, 기존에 정의된 드룹 제어 수식은, 출력 임피던스의 변화로 인해 효력을 잃게 되고, 유무효 전력 제어에 커플링이 발생하여 정확한 유무효 전력 제어를 할 수 없게 되는 단점을 가진다. 출력 임피던스를 가상 인덕터 제어를 통해 기생 저항의 존재에도 항상 출력전압의 주파수에서 출력 임피던스가 유도성이 되도록 하는 방식이 있지만, 이는 제어의 복잡성을 가져오게 되며 고주파 노이즈의 발생으로 하이패스 필터를 추가적으로 요구한다.
하지만, 동기 회전 좌표계를 사용하여 드룹 제어를 수행하면, 인덕터 기생 저항의 존재에도 직류 성분에서는 항상 유도성 성분으로 보이게 되어 정확한 전력 디커플링이 수행될 수 있다.
도 15는 시뮬레이션을 위한 두 병렬 인버터의 구성을 나타낸 도면이고, 도 16은 드룹 제어를 통한 유무효 전력 분담에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 17은 전압 불평형 보상 전후의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 이하에서는, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치에 대하여 수행한 시뮬레이션에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치를 이용한 인버터 병렬 운전의 무효 전력 분담 특성과 불평형 전압 보상을 검증하기 위하여 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션이 수행되었다. 인버터에 연계된 분산전원은 리튬폴리머 배터리가 적용되었다. 또한, 실제와 유사한 성능의 검증을 위해서는 반드시 배터리의 특성이 시뮬레이션 안에 반영되어야 하기 때문에, 이는 PSCAD/EMTDC 내부에 C 코드를 사용하여 모델링 되었고, SOC 측정 방식은 전류 적산 방식이 사용되었다
도 15는 시뮬레이션에 사용된 인버터의 구성을 보여준다. 표 2는 인버터 파라미터와 제어 파라미터이다. 드룹 제어를 수행하기 위한 최대 주파수 변동률은 ㅁ1%, 전압 변동률은 ㅁ3%로 설정되었다.
Items INV1 INV2
Rated power 5kVA 5kVA
Frequency droop
coefficient k p 		0.0008 0.0008
Voltage droop
coefficient k q 		0.001 0.001
DC_link
(lithium-polymer battery)		 336~470.4V 336~470.4V
PCC voltage 220Vrms 220Vrms
Filter L f 1[mH] 1[mH]
Filter C f 20[uF] 20[uF]
시뮬레이션에서는, 평형 부하에서 불균등 선로 임피던스에 의해 발생되는 무효전력 분담 오차를 분석한 후, 전압 불평형 보상이 수행되었다. 도 16은 표 3의 시나리오를 적용한 평형 부하에서 불균등 선로 임피던스로 인해 발생되는 무효 전력 분담 성능과 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치를 적용한 시뮬레이션 파형을 보여준다. 불균등 선로 임피던스를 모의하기 위해, 인버터1 보다 인버터2의 임피던스 성분이 2배가 되도록 설계되었고, 10초 간격으로 부하를 스텝 변화하여 총 40초까지 시뮬레이션이 진행되었다.
Case Line Impedance INV1 0.1 + j0.1885 [Ω]
Line Impedance INV2 0.2 + j0.377 [Ω]
0~10s 10~20s 20~30s 30~40s
P_load 5 [kW] 10 [kw] 8 [kw] 4 [kw]
Q_load 0 [kVar] 0 [kVar] 6 [kVar] 3 [kVar]
도 16의 (a)는 선로 전압 강하를 보상하지 않은 일반적인 드룹 제어를 통한 병렬 운전시의 유무효 전력 분담 성능을 보여준다. 불균등 선로 임피던스로 인해 각각의 인버터에서 서로 다른 전압 강하가 발생한다. 그래서, 병렬 운전 되는 인버터 사이에 전압차이가 발생하여 무효 전력 분담 오차가 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고, 선로 임피던스에 의한 전압 강하 때문에 실제 지령 전압의 크기가 작아짐으로써, 설정된 유효 전력값보다 낮은 값으로 부하 분담이 이루어 진다. 이러한 문제는 대용량으로 갈수록 제어의 안정성에 영향을 미친다. 대용량에서는 출력 전류가 크기 때문에, 전압 강하가 더욱더 크게 발생하기 때문이다.
도 16의 (b)는 불균등 선로 임피던스로 인해 발생되는 전압 강하를 보상한 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어를 보여준다. 일반적인 드룹 제어의 경우, 유무효 전력 분담 시 오차가 전 영역에서 도 16의 (a)와 같이 나타난다. 하지만, 무효 전력 분담 오차를 저감하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법이 적용되면, 인버터 사이에 무효 전력 분담 오차가 발생하지 않고, 유효 전력도 정확하게 지령값을 추종하게 되는 것을 확인 할 수 있다.
도 17은 전압 불평형 보상을 위한 보상전과 보상후를 비교하기 위한 시뮬레이션 파형을 보여준다. 도 17은, 위에서부터 유효 전력, 무효 전력, 불평형율, 부하 전압, t=24.0과 t=27.97에서의 3상 부하 전압 확대 파형을 순서대로 보여준다. 불평형 전압을 모의 하기 위해, 시뮬레이션 시간으로 20~30초까지 부하의 a상이 탈락되었다. a상의 부하의 탈락으로 인해 20초부터 유무효 전력은 지령치보다 낮아지게 되고, 불평형율(VUF)은 8%로 IEC의 기준에는 적합하지 않다. 전압 불평형율은 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016055090022-pat00076
전압의 불평형에도 불구하고, 불균등 선로 임피던스에 의해 발생되는 전압 강하가 보상되었기 때문에, 무효전력 분담 오차는 발생하지 않는다. t=25초에, 불평형 전압을 보상하기 위해 역상분 전압 제어부에 의하여 역상분 전압이 감소되었다. t=25초 이후에, 부하에 유무효 전력 분담과 동시에 안정적으로 역상분 전압이 감소됨으로써, 불평형율이 거의 0%에 근접하는 것을 확인할 수 있다. 또한, t=24.0s에서 확대된 불평형 전압파형과 t=27.97s에서 불평형 전압 보상이 된 3상 평형 전압 파형이 도 17의 맨 마지막 부분에 나타나 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어에 의한 불평형 전압 보상은 시뮬레이션을 통해 유무효 전력의 과도에 영향을 미치지 않는 것이 확인되었다. 이는 독립적으로 정상분 제어부와 역상분 제어부가 구성되었다는 것을 의미한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 하드웨어 시뮬레이터를 나타낸 도면이고, 도 19는 드룹 제어를 통한 유무효 전력 분담에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이고, 도 20은 전압 불평형 보상 전후의 실험 결과를 나타낸 도면이다. 이하에서는, 도 18 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치에 대하여 수행한 시뮬레이션에 대하여 설명한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치를 실험적으로 검증하기 위해 제작된 하드웨어 시뮬레이터를 나타낸다. 하드웨어 시뮬레이터의 전체 시스템 구성은 리튬 폴리머 배터리 2대, 불균등 선로 임피던스, 로컬 제어기, 불평형 부하를 모의 하기 위한 RL 자동 부하 시험기가 사용되었다. 그리고, 5kVA 용량의 전력변환기 2대로 구성되어 있다. 실험에서의 모든 조건은 시뮬레이션의 타당성과 제시한 이론을 검증하기 위하여 표 2와 동일하게 적용되었다.
도 19는 불균등 선로 임피던스를 지닌 인버터의 병렬 운전시 실험 파형을 보여준다. 도 19의 (a)에서 보여지듯이, 유무효전력이 부하에 공급될 때, 선로 임피던스로 인한 전압 강하가 발생하여 무효전력분담 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 도 19의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어를 적용한 실험 파형을 보여준다. 전압 제어기가 선로 임피던스에 의해 발생되는 전압 강하를 전향 보상하기 때문에, 시뮬레이션 결과와 마찬가지로, 무효 전력 분담 정확성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 20은 불평형 전압 보상전과 보상후의 실험 결과 파형을 보여준다. 도 20은, 위에서부터 유무효전력, 전압 불평형율, 부하 전압, 부하 전압 확대 파형을 나타낸다. 실험에서도 마찬가지로, 20~30초 동안 불평형 전압을 모의하기 위해 a상 전압이 개방되었다. 이로 인하여 불평형 전압이 발생하여 전압 불평형율은 약 8%가 되는 것을 확인할 수 있다. 유무효 전력분담은 독립된 정상분 전압 제어부에 의하여 수행되기 때문에, 전 영역에서 무효 전력 분담 오차는 발생하지 않게 되고, t=25초에서, 역상분 전압 제어부에 의한 불평형 전압 보상이 수행 되었다. 전압 불평형 보상 제어가 시작될 때, 무효 전력 분담이 오차 없이 공급 되고 있는 것을 확인함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 장치는 제대로 효력이 발생한다는 것이 입증되었다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
S2110 단계에서, 드룹 제어 장치(100)는 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정한다.
즉, 드룹 제어 장치(100)는 분산 발전소의 인버터(10)의 출력단에서 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)를 측정한다.
S2120 단계에서, 드룹 제어 장치(100)는 인버터의 출력 전압 및 전류의 측정값을 이용하여 드룹 제어 주파수값을 산출한다.
즉, 드룹 제어 장치(100)는, 무부하 상태일 때의 공통 접속점(31) 전압의 주파수값(ω*)에서, 기준 유효 전력값(P*)과 측정 유효 전력값(Pmeas)의 차이에 유효 전력 드룹 계수(kp)를 곱한 값을 빼어 인버터(10)의 출력전압의 주파수값(ω)을 산출할 수 있다.
S2130 단계에서, 드룹 제어 장치(100)는 인버터의 출력 전압 및 전류의 측정값과 드룹 제어 주파수값을 이용하여 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출한다.
즉, 드룹 제어 장치(100)는, 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)과 인버터(10)의 출력전압의 주파수값(ω)을 이용하여, 정상분과 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -) 및 정상분과 역상분의 유무효 직류 전류값(Id +, Iq +, Id -, Iq -)을 산출한다.
S2140 단계에서, 드룹 제어 장치(100)는 인버터의 출력 전압 및 전류의 측정값과 직류 성분의 전류값을 이용하여 정상분 및 역상분의 유무효 전압 보상값을 산출한다.
즉, 드룹 제어 장치(100)는, 인버터(10)의 유효 출력 전압 지령치(Ed *)에서, 무효 전력 지령치인 기준 무효 전력값(Q*)과 측정 무효 전력값(Qmeas)의 차이에 무효 전력 드룹 계수(kq)를 곱한 값을 빼고, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 빼어 정상분 유효 전압 보상값을 산출한다.
또한, 드룹 제어 장치(100)는, 인버터(10)의 무효 출력 전압 지령치(Ed *)에, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 더하여 정상분 무효 전압 보상값을 산출한다.
또한, 드룹 제어 장치(100)는, 저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 더하여 역상분 유효 전압 보상값을 산출한다.
또한, 드룹 제어 장치(100)는, 저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에서, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 빼어 역상분 무효 전압 보상값을 산출한다.
그리고, 드룹 제어 장치(100)는, 산출한 정상분 및 역상분의 유무효 전압 보상값과 정상분 및 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -)의 차이값을 각각 산출한다.
S2150 단계에서, 드룹 제어 장치(100)는 산출된 정상분 및 역상분의 전압 보상값을 이용하여 인버터(10)의 전압 지령치를 보상한다.
즉, 드룹 제어 장치(100)는, 정상분 및 역상분의 유무효 전압 보상값과 정상분 및 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -)의 차이값을 각각 3상 전압값(uabc)으로 변환한 후, PWM 제어를 통해 인버터(10)로 인가함으로써, 인버터(10)의 전압 지령치를 보상한다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 인버터
20: 부하
30: 전송선로
31: 공통 접속점
100: 드룹 제어 장치
110: 측정부
120: 주파수 제어부
130: 추출부
140: 정상분 전압 제어부
150: 역상분 전압 제어부
160: 출력 전압 제어부
170: PWM 제어부

Claims (11)

  1. 분산 발전소의 인버터와 부하 사이의 전송선로의 불균등 임피던스에 따른 전압 불평형을 보상하는 드룹 제어 장치에 있어서,
    상기 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정하는 측정부;
    상기 출력 전압 및 전류의 측정값을 이용하여 드룹 제어 주파수값을 산출하는 주파수 제어부;
    상기 측정값과 상기 드룹 제어 주파수값을 이용하여 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출하는 추출부;
    상기 직류 성분의 전류값 중 정상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 정상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 정상분 전압 제어부; 및
    상기 직류 성분의 전류값 중 역상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 역상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 역상분 전압 제어부를 포함하되,
    상기 측정부는 상기 인버터의 출력단에서 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)를 측정하고,
    상기 주파수 제어부는 무부하 상태일 때의 공통 접속점 전압의 주파수값(ω*)에서, 기준 유효 전력값(P*)과 측정 유효 전력값(Pmeas)의 차이에 유효 전력 드룹 계수(kp)를 곱한 값을 빼어, 상기 인버터의 출력전압의 주파수값(ω)인 상기 드룹 제어 주파수값을 산출하고,
    상기 추출부는 상기 3상 전압값 및 상기 3상 전류값과 상기 인버터의 출력전압의 주파수값(ω)을 이용하여, 정상분과 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -) 및 정상분과 역상분의 유무효 직류 전류값(Id +, Iq +, Id -, Iq -)을 산출하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정상분 전압 제어부는,
    상기 인버터의 유효 출력 전압 지령치(Ed *)에서, 기준 무효 전력값(Q*)과 측정 무효 전력값(Qmeas)의 차이에 무효 전력 드룹 계수(kq)를 곱한 값을 빼고, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 빼어 정상분 유효 전압 보상값을 산출하고,
    상기 인버터의 무효 출력 전압 지령치(Ed *)에, 저항 계수(R)와 정상분 유효 직류 전류값(Id +)을 곱한 값을 더하고, 리액턴스 계수(X)와 정상분 무효 직류 전류값(Iq +)을 곱한 값을 더하여 정상분 무효 전압 보상값을 산출하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정상분 전압 제어부는 정상분 유무효 직류 전압값과 상기 정상분 유무효 전압 보상값의 제1 차이값을 출력하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 역상분 전압 제어부는,
    저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 더하여 역상분 유효 전압 보상값을 산출하고,
    저항 계수(R)와 역상분 유효 직류 전류값(Id -)을 곱한 값에서, 리액턴스 계수(X)와 역상분 무효 직류 전류값(Iq -)을 곱한 값을 빼어 역상분 무효 전압 보상값을 산출하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 역상분 전압 제어부는, 역상분 유무효 직류 전압값과 상기 역상분 유무효 전압 보상값의 제2 차이값을 출력하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 차이값 및 상기 제2 차이값을 3상 전압값(uabc)으로 변환하는 출력 전압 제어부를 더 포함하는 드룹 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3상 전압값(uabc)으로 변환된 상기 제1 차이값 및 상기 제2 차이값을 PWM(Pulse Width Modulation)하여 상기 인버터로 인가함으로써, 상기 인버터의 전압 지령치를 보상하는 PWM 제어부를 더 포함하는 드룹 제어 장치.
  11. 분산 발전소의 인버터와 부하 사이의 전송선로의 불균등 임피던스에 따른 전압 불평형을 보상하는 드룹 제어 장치가 수행하는 드룹 제어 방법에 있어서,
    상기 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정하는 단계;
    상기 출력 전압 및 전류의 측정값을 이용하여 드룹 제어 주파수값을 산출하는 단계;
    상기 측정값과 상기 드룹 제어 주파수값을 이용하여 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출하는 단계;
    상기 직류 성분의 전류값 중 정상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 정상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 단계;
    상기 직류 성분의 전류값 중 역상분 유무효 직류 전류값과 상기 측정값을 이용하여 역상분 유무효 전압 보상값을 산출하는 단계; 및
    상기 정상분 유무효 전압 보상값 및 상기 역상분 유무효 전압 보상값을 이용하여 상기 인버터의 전압 지령치를 보상하는 단계를 포함하되,
    상기 인버터의 출력 전압 및 전류를 측정하는 단계는,
    상기 인버터의 출력단에서 3상 전압값(vabc) 및 3상 전류값(iabc)를 측정하고,
    상기 드룹 제어 주파수값을 산출하는 단계는,
    무부하 상태일 때의 공통 접속점 전압의 주파수값(ω*)에서, 기준 유효 전력값(P*)과 측정 유효 전력값(Pmeas)의 차이에 유효 전력 드룹 계수(kp)를 곱한 값을 빼어, 상기 인버터의 출력전압의 주파수값(ω)인 상기 드룹 제어 주파수값을 산출하고,
    상기 직류 성분의 전압값 및 전류값을 산출하는 단계는,
    상기 3상 전압값 및 상기 3상 전류값과 상기 인버터의 출력전압의 주파수값(ω)을 이용하여, 정상분과 역상분의 유무효 직류 전압값(vd +, vq +, vd -, vq -) 및 정상분과 역상분의 유무효 직류 전류값(Id +, Iq +, Id -, Iq -)을 산출하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 방법.


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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102071469B1 (ko) * 2019-04-25 2020-01-30 한국전기연구원 전력변환모듈, 및 병렬구성 모듈형 전력 변환 장치
CN111049173A (zh) * 2019-11-28 2020-04-21 东北电力大学 多端直流配网自组织下垂控制方法
CN113659683A (zh) * 2021-08-26 2021-11-16 四川科陆新能电气有限公司 一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻控制方法
CN113675895A (zh) * 2021-08-06 2021-11-19 阳光电源（上海）有限公司 一种光储多机并联系统的功率分配方法及系统
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KR102535451B1 (ko) * 2022-01-27 2023-05-30 주식회사 이온 공통 배터리 운전이 가능한 무변압기형 ups 장치 제어 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007020361A (ja) * 2005-07-11 2007-01-25 Meidensha Corp 系統安定化装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007020361A (ja) * 2005-07-11 2007-01-25 Meidensha Corp 系統安定化装置

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102071469B1 (ko) * 2019-04-25 2020-01-30 한국전기연구원 전력변환모듈, 및 병렬구성 모듈형 전력 변환 장치
CN111049173A (zh) * 2019-11-28 2020-04-21 东北电力大学 多端直流配网自组织下垂控制方法
CN111049173B (zh) * 2019-11-28 2022-03-29 东北电力大学 多端直流配网自组织下垂控制方法
KR20220168509A (ko) 2021-06-16 2022-12-23 한국전력공사 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치 및 방법
CN113675895A (zh) * 2021-08-06 2021-11-19 阳光电源（上海）有限公司 一种光储多机并联系统的功率分配方法及系统
CN113675895B (zh) * 2021-08-06 2024-04-12 阳光电源（上海）有限公司 一种光储多机并联系统的功率分配方法及系统
CN113659683A (zh) * 2021-08-26 2021-11-16 四川科陆新能电气有限公司 一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻控制方法
CN113659683B (zh) * 2021-08-26 2023-11-21 四川科陆新能电气有限公司 一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻控制方法
KR20230037336A (ko) 2021-09-09 2023-03-16 목포대학교산학협력단 칼만필터 알고리즘 기반의 비선형 p-q 드룹 커브 추정을 위한 장치 및 방법
KR102535451B1 (ko) * 2022-01-27 2023-05-30 주식회사 이온 공통 배터리 운전이 가능한 무변압기형 ups 장치 제어 시스템

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