KR101769795B1 - Superconducting magnetic energy storage system in microgrids for eddy current losses reduction and method of controlling the same - Google Patents

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김학만
유형준
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인천대학교 산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a superconduction magnetic energy storage (SMES) system for reducing an eddy current loss in a micro-grid comprises: a superconducting coil for storing power; a power conversion device connected between the superconducting coil and an AC track of the micro-grid; an inner control unit based on model predictive control (MPC) for controlling an operation of the power conversion device; and an outer control unit for providing a command value for controlling a voltage and a frequency of the micro-grid to the inner control unit based on the MPC. The SMES system can reduce an eddy current loss generated by harmonics included in the DC current of the superconductor coil by reducing an output power, a frequency, and a ripple of DC current of the SMES system.

Description

마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법{SUPERCONDUCTING MAGNETIC ENERGY STORAGE SYSTEM IN MICROGRIDS FOR EDDY CURRENT LOSSES REDUCTION AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a microgrid, and a control method thereof. [0002] Generally,

본 발명은 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting power storage system and a control method thereof for reducing eddy current loss in a microgrid.

계통연계형 풍력발전기와 태양광발전과 같은 신재생 에너지원의 도입이 증가하면서 신재생 에너지원 기반의 소규모 전력시스템인 마이크로그리드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.As the introduction of renewable energy sources such as grid-connected wind power generators and photovoltaic power generators is increasing, researches on micro grid, which is a small power system based on renewable energy sources, are actively being carried out.

이러한 마이크로그리드의 도입은 CO2 발생을 저감시킬뿐만 아니라 전력 공급의 신뢰도 및 전력 품질 향상 등 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 간헐적 출력 특성을 갖는 신재생 에너지원의 도입이 증가하면 환경적 요인에 따른 출력 변동이 전력 시스템에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 출력 변동에 따른 전력 품질 저하 문제를 해결하기 위하여 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템을 적용한 연구가 진행되어 왔다. SMES 시스템은 충/방전 횟수의 무제한, 빠른 응답 속도, 고효율, 높은 에너지 밀도 등 많은 장점을 가지고 있다.The introduction of such a micro grid not only reduces CO2 emissions, but also has many advantages such as reliability of power supply and improvement of power quality. However, as the introduction of renewable energy sources with intermittent output characteristics increases, fluctuations in output due to environmental factors can adversely affect the power system. In order to solve the problem of power quality deterioration due to such output variations, studies have been conducted using a superconducting magnetic energy storage (SMES) system. SMES system has many advantages such as unlimited charge / discharge frequency, fast response speed, high efficiency and high energy density.

일반적으로 SMES 시스템은 PI 제어기, 퍼지(fuzzy) 제어기 및 적응형 제어(adaptive control)와 같이 다양한 제어 기술을 사용할 수 있다. 그러나 위와 같은 제어 기술에서 공통적으로 사용되는 PWM(펄스폭 변조)은 초전도 코일에서의 DC 전류에 고조파를 발생시키며, 발생되는 고조파(특히 2, 3 고조파) 성분은 와전류(Eddy current) 손실을 유발한다. 이러한 와전류는 일반적인 금속의 경우 5%, 2 고조파는 최대 1%의 손실을 유발하지만, 초전도체의 경우 최대 20%까지 증가할 수 있다.In general, SMES systems can use a variety of control techniques such as PI controllers, fuzzy controllers, and adaptive control. However, PWM (Pulse Width Modulation), which is commonly used in the control technology described above, generates harmonics in the DC current in the superconducting coil, and the generated harmonics (especially the second and third harmonics) cause loss of the eddy current . These eddy currents can cause losses of up to 5% for conventional metals and up to 1% for second harmonics, but up to 20% for superconductors.

따라서 초전도 코일에서의 와전류 손실을 감소시킬 수 있는 초전도 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법에 대한 요구가 존재한다.Accordingly, there is a need for a superconducting power storage system and a control method thereof that can reduce eddy current loss in a superconducting coil.

H.-M. Kim, Y. Lim, and T. Kinoshita, “An Intelligent Multiagent System for Autonomous Microgrid Operation,”Energies, vol. 5, no. 9, pp. 3347-3362, Sep. 2012.H.-M. Kim, Y. Lim, and T. Kinoshita, " An Intelligent Multiagent System for Autonomous Microgrid Operation, " Energies, vol. 5, no. 9, pp. 3347-3362, Sep. 2012. I. Ngamroo and T. Karaipoom, “Improving Low-Voltage Ride-Through Performance and Alleviating Power Fluctuation of DFIG Wind Turbine in dc Microgrid by Optimal SMES with Fault Current Limiting Function,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 24, no. 5, pp. 1051-8223, Oct. 2014, Art. ID. 5700805.I. Ngamroo and T. Karaipoom, "Improving Low-Voltage Ride-Through Performance and Alleviating Power Fluctuations of DFIG Wind Turbine in dc Microgrid by Optimal SMES with Fault Current Limiting Function, IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 24, no. 5, pp. 1051-8223, Oct. 2014, Art. ID. 5700805. M. G. Molina andP. E.Mercado, “Power Flow Stabilization and Control of Microgrid with Wind Generation by Superconducting Magnetic Energy Storage,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 3, pp. 910-922, Mar. 2011.M. G. Molina & E. Merado, " Power Flow Stabilization and Control of Microgrid with Wind Generation by Superconducting Magnetic Energy Storage, " IEEE Trans. Power Electron., Vol. 26, no. 3, pp. 910-922, Mar. 2011. A.-R. Kim, G.-H. Kim, S. Heo, M.-W. Park, I.-K. Yu, and H-.M. Kim, “SMES Application for Frequency Control During Islanded Microgrid Operation,” Physica C, vol. 484, pp. 282-286, Jan. 2013.A.-R. Kim, G.-H. Kim, S. Heo, M.-W. Park, I.-K. Yu, and H-M. Kim, " SMES Application for Frequency Control During Islanded Microgrid Operation, " Physica C, vol. 484, pp. 282-286, Jan. 2013. M. H. Ali, W. Bin, and R. A. Dougal, “An Overview of SMES Applicationsin Power and Energy Systems,” IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 1,no. 1, pp. 38-47, Apr. 2010.M. H. Ali, W. Bin, and R. A. Dougal, "An Overview of SMES Applications in Power and Energy Systems," IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 1, no. 1, pp. 38-47, Apr. 2010. M. H. Ali, T. Murata, and J. Tamura, “Transient Stability Enhancementby Fuzzy Logic Controlled SMES Considering Coordination with OptimalReclosing of Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 23, no. 2,pp. 631-639, May 2008.M. H. Ali, T. Murata, and J. Tamura, "Transient Stability Enhancement Fuzzy Logic Controlled SMES Considering Coordination with Optimal Reclosing of Circuit Breakers," IEEE Trans. Power Syst., Vol. 23, no. 2, pp. 631-639, May 2008. S. C. Wang and J. X. Jin, “Design and Analysis of a Fuzzy Logic Controlled SMES System,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 24, no. 5, Oct. 2014, Art. ID. 5701205.S. C. Wang and J. X. Jin, " Design and Analysis of a Fuzzy Logic Controlled SMES System, " IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 24, no. 5, Oct. 2014, Art. ID. 5701205. H. M. Hasanien, “A Set-Membership Affine Projection Algorithm-Based Adaptive-Controlled SMES Units for Wind Farms Output Power Smoothing,” IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 5, no. 4, pp. 1226-1233, Oct. 2014.H. M. Hasanien, " A Set-Membership Affine Projection Algorithm-Based Adaptive-Controlled SMES Units for Wind Farms Output Power Smoothing, IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 5, no. 4, pp. 1226-1233, Oct. 2014. V. Sokolovsky, V. Meerovich, M. Spektor, G. A. Levin, and I. Vajda, “Losses in Superconductors under Non-Sinusoidal Currents and Magnetic Fields,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 19, no. 3, June 2009.V. Sokolovsky, V. Meerovich, M. Spektor, G. A. Levin, and I. Vajda, "Losses in Superconductors under Non-Sinusoidal Currents and Magnetic Fields," IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 19, no. 3, June 2009. T.-T. Nguyen, H.-J. Yoo, and H.-M. Kim, “Application of Model Predictive Control to BESS for Microgrid Control,” Energies, vol. 8, no. 8, pp. 8798-8813, Aug. 2015.T.-T. Nguyen, H.-J. Yoo, and H.-M. Kim, " Application of Model Predictive Control to BESS for Microgrid Control, " Energies, vol. 8, no. 8, pp. 8798-8813, Aug. 2015. J. Rodriguez, J. Pontt, C. A. Silva, P. Correa, P. Lezana, P. Cortes, and U. Ammann, “Predictive Current Control of a Voltage Source Inverter,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 1, pp.495-503, Feb. 2007.J. Rodriguez, J. Pontt, C. A. Silva, P. Correa, P. Lezana, P. Cortes, and U. Ammann, "Predictive Current Control of a Voltage Source Inverter," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 54, no. 1, pp. 495-503, Feb. 2007. J. Rodriguez and P. Cortes, Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives, 1st ed. Chichester, U.K.: IEEE press-Wiley, Mar. 2012, pp. 147-161.J. Rodriguez and P. Cortes, Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives, 1st ed. Chichester, U. K .: IEEE press-Wiley, Mar. 2012, pp. 147-161.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 출력 전력, 주파수, dc 전류의 리플을 감소시키고, 초전도 코일의 dc 전류에 포함된 각각의 고조파에 의해 생성된 와전류 손실을 감소시킬 수 있는 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION A problem to be solved by the present invention is to reduce eddy current loss in a microgrid that can reduce ripple of output power, frequency, dc current, and reduce eddy current loss caused by each harmonic included in the dc current of a superconducting coil And to provide a superconducting power storage system.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 출력 전력, 주파수, dc 전류의 리플을 감소시키고, 초전도 코일의 dc 전류에 포함된 각각의 고조파에 의해 생성된 와전류 손실을 감소시킬 수 있는 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to reduce the ripple of the output power, the frequency, the dc current, and the eddy current loss in the microgrid, which can reduce the eddy current loss caused by each harmonic included in the dc current of the superconducting coil And to provide a method of controlling the superconducting power storage system.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템은,According to an aspect of the present invention, there is provided a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid,

전력 저장을 위한 초전도 코일;Superconducting coils for power storage;

상기 초전도 코일과 마이크로그리드의 AC 선로 사이에 연결된 전력 변환 장치;A power converter connected between the superconducting coil and the AC line of the microgrid;

상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하기 위한 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부; 및A model predictive control (MPC) based internal controller for controlling the operation of the power converter; And

상기 모델예측제어 기반 내부 제어부에 상기 마이크로그리드의 주파수 및 전압을 제어하기 위한 지령치를 제공하는 외부 제어부를 포함한다.And an external controller for providing an instruction value for controlling the frequency and voltage of the microgrid to the model predictive control based internal controller.

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 전력 변환 장치는,In a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention,

상기 마이크로그리드의 AC 선로에 연결된 전압형 컨버터(VSC); 및A voltage-type converter (VSC) connected to an AC line of the microgrid; And

상기 초전도 코일과 상기 전압형 컨버터를 연계하는 dc-dc 초퍼를 포함할 수 있다.And a dc-dc chopper connecting the superconducting coil and the voltage converter.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부는,In addition, in the superconducting power storage system for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention, the model predictive control (MPC)

상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 VSC 스위칭 상태를 결정하는 VSC 스위칭 상태 결정부;A VSC switching state determiner for determining an optimal VSC switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the voltage converter;

상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 결정하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태 결정부; 및A dc-dc chopper switching state that determines an optimal dc-dc chopper switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimum VSC switching state A decision unit; And

상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 따른 VSC 스위칭 제어 신호를 상기 전압형 컨버터에 제공하고, 상기 결정된 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태에 따른 dc-dc 초퍼 스위칭 제어 신호를 상기 dc-dc 초퍼에 제공하는 제어신호 출력부를 포함할 수 있다.Dc chopper switching control signal in accordance with the determined optimal dc-dc chopper switching state is provided to the dc-dc chopper by providing a VSC switching control signal according to the determined optimal VSC switching state to the voltage-type converter And a control signal output unit.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 VSC 스위칭 상태 결정부는,Further, in the superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the VSC switching state determiner may include:

상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들을 예측하는 VSC 전류 예측부; 및A VSC current predicting unit for predicting output currents of the voltage-type converter in accordance with all the switching states of the plurality of switching elements included in the voltage-type converter; And

상기 예측된 VSC 출력 전류들 중 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차가 가장 작은 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하는 제1 비용함수 최소화부를 포함할 수 있다.And a first cost function minimizing unit that determines a VSC switching state corresponding to a VSC output current having the smallest error from the predicted VSC output currents from the command value provided by the external control unit as the optimal VSC switching state .

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서,In a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention,

상기 dc-dc 초퍼와 상기 VSC의 연계점인 DC 링크(link)에 연결된 DC 링크 커패시터를 더 포함하고,Further comprising a DC link capacitor connected to a DC link which is an interconnection point of the dc-dc chopper and the VSC,

상기 dc-dc 초퍼 스위칭 상태 결정부는,The dc-dc chopper switching state determination unit determines,

상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자의 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 DC 링크 커패시터의 전압들을 예측하는 DC 링크 커패시터 전압 예측부; 및A DC link capacitor voltage predicting unit for predicting voltages of the DC link capacitor according to the switching states of all the cases of the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimum VSC switching state; And

상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들 중 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차가 가장 작은 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하는 제2 비용함수 최소화부를 포함할 수 있다.Dc chopper switching state corresponding to the DC link capacitor voltage having the smallest error from the target voltage command value of the DC link capacitor among the predicted DC link capacitor voltages is determined as the optimal dc- Cost function minimization unit.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 VSC 전류 예측부는,Further, in the superconducting power storage system for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention, the VSC current predicting unit may include:

Figure 112016117760632-pat00001
에 기반하여 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들을 예측하고,
Figure 112016117760632-pat00001
Based on the output currents of the voltage-type converters,

상기에서

Figure 112016117760632-pat00002
는 시간 k에서의 AC 전압,
Figure 112016117760632-pat00003
는 시간 k에서의 VSC 의 출력 전압, Ts는 샘플링 시간, R 및 L은 각각 VSC의 출력과 AC 선로 사이의 필터의 저항과 인덕턴스,
Figure 112016117760632-pat00004
는 시간 k에서의 VSC의 전류를 나타낼 수 있다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00002
Is the AC voltage at time k,
Figure 112016117760632-pat00003
Is the output voltage of the VSC at time k, T s is the sampling time, R and L are the resistance and inductance of the filter between the output of VSC and the AC line,
Figure 112016117760632-pat00004
Can represent the current of VSC at time k.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 DC 링크 커패시터 전압 예측부는,In the superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the DC link capacitor voltage predicting unit may include:

Figure 112016117760632-pat00005
에 기반하여 상기 DC 링크 커패시터의 전압들을 예측하고, 상기에서.
Figure 112016117760632-pat00006
이며, uC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터의 전압, iC(k)과 Vdc(k)는 각각 시간 k에서 측정되는 상기 DC 링크 커패시터의 전류와 전압, iC(k+1)은 시간 (k+1)에서의 상기 DC 링크 커패시터의 전류, C는 상기 DC 링크 커패시터의 커패시턴스를 나타낼 수 있다.
Figure 112016117760632-pat00005
And estimates the voltages of the DC link capacitors based on the voltages of the DC link capacitors.
Figure 112016117760632-pat00006
And, u C (k + 1) is the voltage of the DC link capacitor which is estimated at time (k + 1), i C (k) and V dc (k) is the current of the DC link capacitor is measured at each time k And the voltage, i C (k + 1), may be the current of the DC link capacitor at time (k + 1), and C may be the capacitance of the DC link capacitor.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 제1 비용함수 최소화부는,Further, in the superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the first cost function minimizing unit may include:

Figure 112016117760632-pat00007
에 기반하여 상기 예측된 VSC 출력 전류들과 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차와 관련된 제1 비용함수들을 계산하고,
Figure 112016117760632-pat00007
Calculates first cost functions related to an error between the predicted VSC output currents and an instruction value provided from the external control unit,

상기 제1 비용함수들 중 최소인 경우의 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하며,Determining a VSC switching state corresponding to a VSC output current in the case of a minimum of the first cost functions as the optimal VSC switching state,

상기에서

Figure 112016117760632-pat00008
Figure 112016117760632-pat00009
는 각각 상기 외부 제어부에서 제공하는 상기 VSC 의 유효 전류 지령치 및 무효 전류 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00010
Figure 112016117760632-pat00011
는 각각 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 VSC의 무효 전류 및 유효 전류를 나타낼 수 있다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00008
Wow
Figure 112016117760632-pat00009
Respectively indicate the effective current command value and the reactive current command value of the VSC provided by the external control unit,
Figure 112016117760632-pat00010
Wow
Figure 112016117760632-pat00011
May represent the reactive current and the effective current of the VSC expected at time (k + 1), respectively.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에 있어서, 상기 제2 비용함수 최소화부는,Also, in the superconducting power storage system for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention, the second cost function minimizing unit may include:

Figure 112016117760632-pat00012
에 기반하여 상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들과 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차와 관련된 제2 비용함수들을 계산하고,
Figure 112016117760632-pat00012
Calculating second cost functions related to an error between the predicted DC link capacitor voltages and a target voltage command value of the DC link capacitor based on the second cost functions,

상기 제2 비용함수들 중 최소인 경우의 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하며,Determining a dc-dc chopper switching state corresponding to a DC link capacitor voltage in a case of a minimum of the second cost functions as an optimal dc-dc chopper switching state,

상기에서

Figure 112016117760632-pat00013
는 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00014
는 시간 (k+2)에서 상기 DC 링크 커패시터의 예상되는 전압을 나타낼 수 있다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00013
Represents a target voltage command value of the DC link capacitor,
Figure 112016117760632-pat00014
May represent the expected voltage of the DC link capacitor at time (k + 2).

상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid,

전력 저장을 위한 초전도 코일, 상기 초전도 코일과 마이크로그리드의 AC 선로 사이에 연결된 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하기 위한 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부, 및 상기 모델예측제어 기반 내부 제어부에 상기 마이크로그리드의 주파수 및 전압을 제어하기 위한 지령치를 제공하는 외부 제어부를 포함하고, 상기 전력 변환 장치는, 상기 마이크로그리드의 AC 선로에 연결된 전압형 컨버터(VSC) 및 상기 초전도 코일과 상기 전압형 컨버터를 연계하는 dc-dc 초퍼를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템의 제어 방법에 있어서,A power conversion device connected between the superconducting coil and an AC line of the micro grid, a model predictive control (MPC) based internal control for controlling the operation of the power conversion device, And an external control unit for providing an instruction value for controlling the frequency and voltage of the microgrid to a predictive control based internal control unit, wherein the power conversion apparatus includes a voltage converter (VSC) connected to an AC line of the microgrid, A method of controlling a superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current loss in a microgrid, comprising a dc-dc chopper coupling a coil and the voltage converter,

(a) 상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부에서, 상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 VSC 스위칭 상태를 결정하는 단계;(a) determining, in the model predictive control (MPC) based internal control unit, an optimum VSC switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the voltage-type converter ;

(b) 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 결정하는 단계; 및(b) determining an optimum dc-dc chopper switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimum VSC switching state; And

(c) 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 따른 VSC 스위칭 제어 신호를 상기 전압형 컨버터에 제공하고, 상기 결정된 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태에 따른 dc-dc 초퍼 스위칭 제어 신호를 상기 dc-dc 초퍼에 제공하는 단계를 포함한다.(c) providing a VSC switching control signal according to the determined optimal VSC switching state to the voltage-type converter, and supplying a dc-dc chopper switching control signal according to the determined optimal dc-dc chopper switching state to the dc- .

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 단계 (a)는,In the method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the step (a)

(a-1) 상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들을 예측하는 단계; 및(a-1) predicting output currents of the voltage-type converter in accordance with all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the voltage-type converter; And

(a-2) 상기 예측된 VSC 출력 전류들 중 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차가 가장 작은 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.(a-2) determining the VSC switching state corresponding to the VSC output current having the smallest error from the predicted VSC output currents from the command value provided from the external control section as the optimal VSC switching state have.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 초전도 전력 저장 시스템은 상기 dc-dc 초퍼와 상기 VSC의 연계점인 DC 링크(link)에 연결된 DC 링크 커패시터를 더 포함하고,In the control method of a superconducting power storage system for reducing an eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the superconducting power storage system may include a dc-dc chopper and a DC link And a DC link capacitor connected to the DC link capacitor,

상기 단계 (b)는,The step (b)

(b-1) 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자의 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 DC 링크 커패시터의 전압들을 예측하는 단계; 및(b-1) estimating voltages of the DC link capacitor according to the switching states of all the cases of the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimal VSC switching state; And

(b-2) 상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들 중 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차가 가장 작은 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.(b-2) the dc-dc chopper switching state corresponding to the DC link capacitor voltage having the smallest error from the predicted DC link capacitor voltages with respect to the target voltage command value of the DC link capacitor is referred to as the optimal dc-dc chopper switching state As shown in FIG.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 단계 (a-1)에서, 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들은,In the method of controlling a superconducting power storage system for reducing an eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, in the step (a-1), output currents of the voltage-

Figure 112016117760632-pat00015
에 기반하여 예측되고,
Figure 112016117760632-pat00015
Lt; / RTI >

상기에서

Figure 112016117760632-pat00016
는 시간 k에서의 AC 전압,
Figure 112016117760632-pat00017
는 시간 k에서의 VSC 의 출력 전압, Ts는 샘플링 시간, R 및 L은 각각 VSC의 출력과 AC 선로 사이의 필터의 저항과 인덕턴스,
Figure 112016117760632-pat00018
는 시간 k에서의 VSC의 전류를 나타낼 수 있다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00016
Is the AC voltage at time k,
Figure 112016117760632-pat00017
Is the output voltage of the VSC at time k, T s is the sampling time, R and L are the resistance and inductance of the filter between the output of VSC and the AC line,
Figure 112016117760632-pat00018
Can represent the current of VSC at time k.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 (b-1)에서 상기 DC 링크 커패시터의 전압들은,In the method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the voltages of the DC link capacitors in (b-1)

Figure 112016117760632-pat00019
에 기반하여 예측되고, 상기에서.
Figure 112016117760632-pat00020
이며, uC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터의 전압, iC(k)과 Vdc(k)는 각각 시간 k에서 측정되는 상기 DC 링크 커패시터의 전류와 전압, iC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터의 전류, C는 상기 DC 링크 커패시터의 커패시턴스를 나타낼 수 있다.
Figure 112016117760632-pat00019
And is predicted based on the above.
Figure 112016117760632-pat00020
And, u C (k + 1) is the voltage of the DC link capacitor which is estimated at time (k + 1), i C (k) and V dc (k) is the current of the DC link capacitor is measured at each time k And the voltage, i C (k + 1), may be the current of the DC link capacitor at time (k + 1), and C may be the capacitance of the DC link capacitor.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 단계 (a-2)에서,In the method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, in the step (a-2)

Figure 112016117760632-pat00021
에 기반하여 상기 예측된 VSC 출력 전류들과 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차와 관련된 제1 비용함수들을 계산하고,
Figure 112016117760632-pat00021
Calculates first cost functions related to an error between the predicted VSC output currents and an instruction value provided from the external control unit,

상기 제1 비용함수들 중 최소인 경우의 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하며,Determining a VSC switching state corresponding to a VSC output current in the case of a minimum of the first cost functions as the optimal VSC switching state,

상기에서

Figure 112016117760632-pat00022
Figure 112016117760632-pat00023
는 각각 상기 외부 제어부에서 제공하는 상기 VSC 의 유효 전류 지령치 및 무효 전류 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00024
Figure 112016117760632-pat00025
는 각각 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 VSC의 무효 전류 및 유효 전류를 나타낼 수 있다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00022
Wow
Figure 112016117760632-pat00023
Respectively indicate the effective current command value and the reactive current command value of the VSC provided by the external control unit,
Figure 112016117760632-pat00024
Wow
Figure 112016117760632-pat00025
May represent the reactive current and the effective current of the VSC expected at time (k + 1), respectively.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 단계 (b-2)에서,In the method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, in the step (b-2)

Figure 112016117760632-pat00026
에 기반하여 상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들과 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차와 관련된 제2 비용함수들을 계산하고,
Figure 112016117760632-pat00026
Calculating second cost functions related to an error between the predicted DC link capacitor voltages and a target voltage command value of the DC link capacitor based on the second cost functions,

상기 제2 비용함수들 중 최소인 경우의 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하며,Determining a dc-dc chopper switching state corresponding to a DC link capacitor voltage in a case of a minimum of the second cost functions as an optimal dc-dc chopper switching state,

상기에서

Figure 112016117760632-pat00027
는 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00028
는 시간 (k+2)에서 상기 DC 링크 커패시터의 예상되는 전압을 나타낼 수 있다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00027
Represents a target voltage command value of the DC link capacitor,
Figure 112016117760632-pat00028
May represent the expected voltage of the DC link capacitor at time (k + 2).

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, SMES 시스템의 출력 전력, 주파수, dc 전류의 리플을 감소시켜, 초전도 코일의 dc 전류에 포함된 각각의 고조파에 의해 생성된 와전류 손실을 감소시킬 수 있다.According to the superconducting power storage system and the control method thereof for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention, the ripple of the output power, frequency, and dc current of the SMES system is reduced to be included in the dc current of the superconducting coil It is possible to reduce the eddy current loss caused by the respective harmonics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템이 적용되는 마이크로그리드의 구조를 도시한 도면.
도 4는 마이크로그리드에서 각 구성요소의 출력 전력을 도시한 그래프.
도 5는 마이크로그리드의 주파수를 도시한 그래프.
도 6은 마이크로그리드의 전압을 도시한 그래프.
도 7은 초전도 코일의 DC 전류를 도시한 그래프.
도 8은 초전도 코엘에 대한 DC 전류에 포함된 하모닉을 도시한 그래프.
도 9는 PI와 비교하여 와전류 손실의 감소를 도시한 그래프.
FIG. 1 illustrates a superconducting power storage system for reducing eddy current losses in a microgrid according to an embodiment of the present invention. FIG.
2 is a flowchart illustrating a method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a structure of a microgrid to which a superconducting power storage system for reducing eddy current loss is applied in a microgrid according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the output power of each component in the microgrid.
5 is a graph showing the frequency of the microgrid.
6 is a graph showing the voltage of the microgrid.
7 is a graph showing the DC current of the superconducting coil.
8 is a graph showing harmonics included in the DC current for a superconducting coil.
9 is a graph showing a decrease in eddy current loss compared to PI.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objectives, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention Should be construed in accordance with the principles and the meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.It should be noted that, in the present specification, the reference numerals are added to the constituent elements of the drawings, and the same constituent elements are assigned the same number as much as possible even if they are displayed on different drawings.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.Also, the terms "first", "second", "one side", "other side", etc. are used to distinguish one element from another, It is not.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, a detailed description of known arts which may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템은, 전력 저장을 위한 초전도 코일(101), 상기 초전도 코일(101)과 마이크로그리드의 AC 선로(103) 사이에 연결된 전력 변환 장치(100, 102), 상기 전력 변환 장치(100, 102)의 동작을 제어하기 위한 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부(104), 및 상기 모델예측제어 기반 내부 제어부(104)에 상기 마이크로그리드의 주파수 및 전압을 제어하기 위한 지령치를 제공하는 외부 제어부(106)를 포함한다.A superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention includes a superconducting coil 101 for storing electric power, an AC line 101 connected between the superconducting coil 101 and an AC line 103 of a micro grid A model predictive control (MPC) based internal control unit 104 for controlling operations of the power conversion apparatuses 100 and 102, and a model predictive control based internal control unit 104 to provide an instruction value for controlling the frequency and voltage of the microgrid.

마이크로그리드 사이에서 전력을 제어하는 상기 전력 변환 장치(100, 102)ㄴ는, 상기 전압형 컨버터(VSC-based PCS)(102), 및 상기 전압형 컨버터(VSC-based PCS)(102)와 초전도 코일(101)을 연계하는 dc-dc 초퍼(chopper)(100)로 구성되어 있다.The power converters 100 and 102 that control power between the micro-grids include the VSC-based PCS 102 and the VSC-based PCS 102 and the superconducting And a dc-dc chopper 100 that coils the coil 101.

상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부(104)는, 상기 전압형 컨버터(102)에 포함된 복수의 스위칭 소자(134a 내지 134f)와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 VSC 스위칭 상태를 결정하는 VSC 스위칭 상태 결정부(109), 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼(100)에 포함된 복수의 스위칭 소자(136a, 136b)와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 결정하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태 결정부(113), 및 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 따른 VSC 스위칭 제어 신호(S_opt)를 상기 전압형 컨버터(102))에 제공하고, 상기 결정된 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태에 따른 dc-dc 초퍼 스위칭 제어 신호(G_opt)를 상기 dc-dc 초퍼(100)에 제공하는 제어신호 출력부(116)를 포함한다.The model predictive control (MPC) -based internal control unit 104 calculates an optimum value of the switching states of all the switching states associated with the plurality of switching elements 134a to 134f included in the voltage-type converter 102 A VSC switching state determination unit 109 for determining a VSC switching state of the dc-dc chopper 100 based on the determined optimum VSC switching state, A dc-dc chopper switching state determination unit 113 for determining an optimal dc-dc chopper switching state among the switching states of the number of switching elements, and a dc-dc chopper switching state determination unit 113 for determining a VSC switching control signal S_opt according to the determined optimal VSC switching state, Dc chopper switching control signal G_opt according to the determined optimum dc-dc chopper switching state to the dc-dc chopper 100. The control signal output unit 116 ).

상기 VSC 스위칭 상태 결정부(109)는, 상기 전압형 컨버터(102)에 포함된 복수의 스위칭 소자(134a 내지 134f)와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 전압형 컨버터(102))의 출력 전류들을 예측하는 VSC 전류 예측부(108), 및 상기 예측된 VSC 출력 전류들 중 상기 외부 제어부(106)에서 제공되는 지령치와의 오차가 가장 작은 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하는 제1 비용함수 최소화부(110)를 포함한다.The VSC switching state determination unit 109 determines the VSC switching state of the voltage converter 102 based on the switching states of all the cases related to the plurality of switching elements 134a to 134f included in the voltage converter 102. [ And a VSC switching state corresponding to the VSC output current having the smallest error between the predicted VSC output currents and an instruction value provided from the external control unit 106, And a first cost function minimizing unit 110 for determining the optimal VSC switching state.

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템은, 상기 dc-dc 초퍼(100))와 상기 VSC(102)의 연계점인 DC 링크(link)에 연결된 DC 링크 커패시터(105)를 더 포함하고, 상기 dc-dc 초퍼 스위칭 상태 결정부(113)는, 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼(100)에 포함된 복수의 스위칭 소자(136a, 136b)의 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 DC 링크 커패시터(105)의 전압들을 예측하는 DC 링크 커패시터 전압 예측부(112), 및 상기 예측된 DC 링크 커패시터(105)의 전압들 중 상기 DC 링크 커패시터(105)의 목표 전압 지령치(

Figure 112016117760632-pat00029
)와의 오차가 가장 작은 DC 링크 커패시터(105)의 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하는 제2 비용함수 최소화부(114)를 포함한다.The superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention includes a dc-dc chopper 100 and a DC link 100 connected to a DC link, The dc-dc chopper switching state determination unit 113 further includes a capacitor 105. The dc-dc chopper switching state determination unit 113 determines the switching state of the plurality of switching elements 136a , 136b) for estimating the voltages of the DC link capacitor (105) according to the number of switching states of all the voltages of the DC link capacitor (105) The target voltage command value (DC) of the DC link capacitor 105
Figure 112016117760632-pat00029
Dc chopper switching state corresponding to the voltage of the DC link capacitor 105 having the smallest error between the dc-dc chopper switching state and the second dc-dc chopper switching state.

한편, 상기 모델예측제어 기반 내부 제어부(104)에 상기 마이크로그리드의 주파수 및 전압을 제어하기 위한 지령치를 제공하는 외부 제어부(106)는, 마이크로그리드의 제어부(미도시)로부터 유효전력 기준값/주파수 기준값 및 무효전력 기준값/전압 기준값에 따라 PI(비례-적분) 기반 제어를 수행하기 위한 복수의 구성요소들(122, 124, 126, 128, 130, 132)을 포함한다.The external control unit 106 provides an instruction value for controlling the frequency and the voltage of the microgrid to the model predictive control based internal control unit 104. The external control unit 106 receives an active power reference value / And a plurality of components 122, 124, 126, 128, 130, 132 for performing PI (proportional-integral) based control in accordance with the reactive power reference value / voltage reference value.

모델예측제어(MPC: model predictive control) 기법은 펄스폭 변조(PWM)를 사용하지 않아 출력 전압과 전류와 같은 제어 변수의 고조파 리플을 감소시키는 특징을 가지고 있다.Model predictive control (MPC) techniques do not use pulse width modulation (PWM), which reduces harmonic ripple of control variables such as output voltage and current.

따라서 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서는, SMES 시스템의 전력 변환 장치(100, 102)에 적용할 수 있는 MPC 기법을 제안한다.Therefore, in the superconducting power storage system for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention, an MPC technique that can be applied to the power conversion apparatuses 100 and 102 of the SMES system is proposed.

또한, MPC 기반의 SMES 제어 효과를 검토하기 위하여 PI 제어기 기반의 SMES와 성능을 비교하였으며, MPC 기반의 SMES에서 발생하는 DC 전류의 고조파와 PI 제어기 기반의 SMES에서 발생하는 DC 전류의 고조파를 분석함으로써 와전류(Eddy current) 손실을 비교하였다.In order to examine the effect of SMES control based on MPC, we compared the performance of SMES based on PI controller and analyzed the harmonics of DC current generated in MPC based SMES and DC current generated in PI controller based SMES Eddy current losses were compared.

MPCMPC 기반 초전도 전력 저장 시스템의  Based superconducting power storage system 모델링modelling

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템은 VSC 기반의 SMES 시스템으로서, 도 1과 같이 2-레벨(level) VSC(102)와 dc-dc 초퍼(chopper)(100)로 구성되어 있다.A superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention is a VSC-based SMES system, which includes a 2-level VSC 102 and a dc-dc chopper, (100).

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서 MPC 기법은 VSC(102)와 dc-dc 초퍼(100)에 적용된다. 또한, VSC(102)의 전류는 예측 전류 제어(predictive current control)에 의하여 예측되며, DC 링크의 전압에 따라 전류가 제어된다.The MPC technique is applied to the VSC 102 and the dc-dc chopper 100 in a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention. Further, the current of the VSC 102 is predicted by predictive current control, and the current is controlled according to the voltage of the DC link.

VSC(102)의 다이내믹 전류는

Figure 112016117760632-pat00030
로 표시되고 수학식 1과 같다.The dynamic current of VSC 102 is
Figure 112016117760632-pat00030
And is expressed by Equation (1).

Figure 112016117760632-pat00031
Figure 112016117760632-pat00031

Figure 112016117760632-pat00032
Figure 112016117760632-pat00032

Figure 112016117760632-pat00033
Figure 112016117760632-pat00033

상기에서

Figure 112016117760632-pat00034
는 AC 시스템 전압, R 및 L은 각각 VSC(102)의 출력과 AC 선로(103) 사이의 필터의 저항과 인덕턴스,
Figure 112016117760632-pat00035
는 VSC(102)의 출력 전압, 그리고 x는 VSC(102)의 출력 전압 개수를 나타낸다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00034
R and L denote the resistance and inductance of the filter between the output of the VSC 102 and the AC line 103, respectively,
Figure 112016117760632-pat00035
Is the output voltage of the VSC 102, and x is the number of output voltages of the VSC 102.

샘플링 시간 Ts를 가지는 이산-시간 모델(discrete-time model)은 VSC(102)의 전류를 예측하기 위하여 사용되며, 오일러 근사치 원리에 따라 수학식 4와 같이 di/dt로 나타낼 수 있다.A discrete-time model with a sampling time T s is used to predict the current of the VSC 102 and can be expressed as di / dt according to the Euler approximation principle as shown in equation (4).

Figure 112016117760632-pat00036
Figure 112016117760632-pat00036

상기에서

Figure 112016117760632-pat00037
는 시간 k에서의 VSC(102)의 전류를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00038
은 시간 (k+1)에서의 예측되는 전류를 나타낸다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00037
Represents the current of VSC 102 at time k,
Figure 112016117760632-pat00038
Represents the predicted current at time (k + 1).

따라서, 시간 k에서 VSC 전류와 전압은 미래의 VSC 전류를 예측하기 위해 사용된다. 수학식 1 내지 수학식 4를 이용한 VSC(102)의 전류는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.Thus, at time k, the VSC current and voltage are used to predict the future VSC current. The current of the VSC 102 using Equations (1) to (4) can be expressed by Equation (5).

Figure 112016117760632-pat00039
Figure 112016117760632-pat00039

상기에서

Figure 112016117760632-pat00040
는 시간 k에서의 AC 전압,
Figure 112016117760632-pat00041
는 시간 k에서의 VSC(102)의 출력 전압, Ts는 샘플링 시간, R 및 L은 각각 VSC(102)의 출력과 AC 선로 사이의 필터의 저항과 인덕턴스,
Figure 112016117760632-pat00042
는 시간 k에서의 VSC(102)의 전류를 나타낸다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00040
Is the AC voltage at time k,
Figure 112016117760632-pat00041
T s is the sampling time, R and L are the resistance and inductance of the filter between the output of VSC 102 and the AC line, respectively,
Figure 112016117760632-pat00042
Represents the current of VSC 102 at time k.

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서 DC 링크 전압은 예상되는 VSC 전류와 SMES 전류 기반으로 제어된다. 이산 시간 모델에서의 SMES 전류는 수학식 6과 같다.The DC link voltage is controlled based on the expected VSC current and SMES current in a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention. The SMES current in the discrete time model is shown in Equation (6).

Figure 112016117760632-pat00043
Figure 112016117760632-pat00043

상기에서 LS는 SMES 코일(101)의 인덕턴스를 나타내고, iL(k)는 시간 k에서의 SMES 코일(101)의 전류를 나타내며, VS(k)는 시간 k에서의 가능한 dc-dc 초퍼(100)의 출력 전압 벡터를 나타낸다. dc-dc 초퍼(100)의 출력 전압 벡터는 표 1과 같이 나타낼 수 있다.(K) represents the current of the SMES coil 101 at time k, and V S (k) represents the inductance of the possible dc-dc chopper 101 at time k, where L S represents the inductance of the SMES coil 101, i L (100). The output voltage vector of the dc-dc chopper 100 can be expressed as shown in Table 1.

Figure 112016117760632-pat00044
Figure 112016117760632-pat00044

시간 (k+1)에서 커패시터(105)의 전류는 수학식 7과 같다.At time (k + 1), the current of the capacitor 105 is expressed by Equation (7).

Figure 112016117760632-pat00045
Figure 112016117760632-pat00045

Figure 112016117760632-pat00046
Figure 112016117760632-pat00046

Figure 112016117760632-pat00047
Figure 112016117760632-pat00047

Figure 112016117760632-pat00048
Figure 112016117760632-pat00048

상기에서 S1, S2, S3 및 G1은 스위칭 상태(VSC(102), dc-dc 초퍼(100))를 나타낸다.S1, S2, S3 and G1 denote the switching state (VSC 102, dc-dc chopper 100).

커패시터(105)의 전압은 수학식 11과 같다.The voltage of the capacitor 105 is expressed by Equation (11).

Figure 112016117760632-pat00049
Figure 112016117760632-pat00049

상기에서 C는 DC 링크의 커패시터(105)의 커패시턴스를 나타낸다.Where C represents the capacitance of the capacitor 105 of the DC link.

커패시터(105)의 예측되는 DC 전압은 커패시터(105)의 다아내믹 dc 전압을 기반으로 구할 수 있다. 오일러 근사치는 커패시터 전압 duC/dt를 대체하기 위하여 사용되며, 수학식 12와 같이 구할 수 있다.The predicted DC voltage of the capacitor 105 can be obtained based on the dynamic dynamic voltage of the capacitor 105. The Euler approximation is used to replace the capacitor voltage du C / dt and can be calculated as: < EMI ID = 12.0 >

Figure 112016117760632-pat00050
Figure 112016117760632-pat00050

Figure 112016117760632-pat00051
Figure 112016117760632-pat00051

상기에서, uC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터(105)의 전압, iC(k)과 Vdc(k)는 각각 시간 k에서 측정되는 상기 DC 링크 커패시터(105)의 전류와 전압, iC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터(105)의 전류, C는 상기 DC 링크 커패시터(105)의 커패시턴스를 나타낸다.In the above, u C (k + 1) is the voltage of the DC link capacitor 105 expected at time (k + 1), i C (k) and V dc (k) The current and voltage of the link capacitor 105, i C (k + 1) represents the current of the DC link capacitor 105 expected at time (k + 1), and C represents the capacitance of the DC link capacitor 105 .

VSC(102)의 예상되는 전류와 DC 링크 커패시터(105)의 예상되는 dc 전압은 각각 수학식 5와 수학식 12를 기반으로 구할 수 있으며, 제1 비용 함수(cost function)(g1)와 제2 비용 함수(g2)는 수학식 14 및 수학식 15와 같다.The expected current of the VSC 102 and the expected dc voltage of the DC link capacitor 105 can be obtained based on Equations (5) and (12), respectively, and the first cost function (g 1 ) second cost function (g 2) is equal to the equation (14) and equation (15).

Figure 112016117760632-pat00052
Figure 112016117760632-pat00052

Figure 112016117760632-pat00053
Figure 112016117760632-pat00053

비용 함수(cost function)에 포함되는 변수들은 하기와 같다.The variables included in the cost function are as follows.

상기에서

Figure 112016117760632-pat00054
Figure 112016117760632-pat00055
는 각각 상기 외부 제어부에서 제공하는 상기 VSC (102)의 유효 전류 지령치 및 무효 전류 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00056
Figure 112016117760632-pat00057
는 각각 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 VSC(102)의 무효 전류 및 유효 전류를 나타낸다.In the above,
Figure 112016117760632-pat00054
Wow
Figure 112016117760632-pat00055
Respectively indicate an effective current command value and a reactive current command value of the VSC 102 provided by the external control unit,
Figure 112016117760632-pat00056
Wow
Figure 112016117760632-pat00057
Represents the reactive current and the effective current of the VSC 102 expected at time (k + 1), respectively.

또한, 상기에서

Figure 112016117760632-pat00058
는 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00059
는 시간 (k+2)에서 상기 DC 링크 커패시터의 예상되는 전압을 나타낸다.In addition,
Figure 112016117760632-pat00058
Represents a target voltage command value of the DC link capacitor,
Figure 112016117760632-pat00059
Represents the expected voltage of the DC link capacitor at time (k + 2).

비용 함수(Cost function)의 경우의 수는 스위칭 상태(switching state)의 경우의 수와 같다. 3상 2-레벨 VSC(102)의 경우, 가능한 스위칭 상태(switching state)의 경우의 수(N1 = 23 = 8)와 dc-dc 초퍼(chopper)(100)의 경우의 수(N2 = 22 = 4)는 각각 8개, 4개의 스위칭 상태(switching states)를 갖는다. 따라서 총 32개의 스위칭 상태의 경우의 수가 발생하지만 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서 제안된 MPC는 가능한 스위칭 상태의수를 12개의 스위칭 상태로 줄일 수 있다.The number of cases of the cost function is equal to the number of cases of the switching state. For the three-phase two-level VSC 102, the number of possible switching states (N 1 = 2 3 = 8) and the number of cases of dc-dc chopper 100 (N 2 = 2 2 = 4) have 8 and 4 switching states, respectively. Therefore, although a total number of 32 switching states occurs, the MPC proposed in the superconducting power storage system for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention reduces the number of possible switching states to 12 switching states have.

VSC 전류를 제어하기 위한 VSC 최적의 스위칭 상태가 얻어지고 난 후, DC 링크 전압에 상응하는 dc-dc 초퍼(100)의 최적 스위칭 상태가 얻어지며, 얻어진 최적의 스위칭 상태는 제어신호 출력부(116)에 의해 VSC(102)와 dc-dc 초퍼(100)에 각각 입력된다.After the VSC optimal switching state for controlling the VSC current is obtained, the optimal switching state of the dc-dc chopper 100 corresponding to the DC link voltage is obtained, and the obtained optimum switching state is controlled by the control signal output section 116 ) To the VSC 102 and the dc-dc chopper 100, respectively.

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서는 MPC 기반으로 SMES 시스템을 제어하기 위하여 VSC(102) 및 dc-dc 초퍼(100)에 직접적으로 스위칭 신호를 입력시키므로 PWM를 사용하지 않는다.In a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, a switching signal is directly input to the VSC 102 and the dc-dc chopper 100 to control the SMES system based on MPC PWM is not used.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도로서, s-function을 사용함으로써 MATLAB/Simulink 환경에서 실행되어지는 MPC 기반 SMES 시스템의 제어 알고리즘이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, MPC SMES system control algorithm.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템의 제어 방법에 있어서, 시간 k에서의 VSC(102)의 전류(

Figure 112016117760632-pat00060
)와 AC 선로(103)의 전압(
Figure 112016117760632-pat00061
)이 측정되고(단계 S200_1), 시간 k에서의 초전도 코일(101)의 전류(iL(k)), 커패시터(105)의 전류(iC(k)), 및 커패시터(105)의 전압(Vdc(k))이 측정된다(단계 S200_2).Referring to FIG. 2, in a method of controlling a superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, (
Figure 112016117760632-pat00060
And the voltage of the AC line 103
Figure 112016117760632-pat00061
Is measured (step S200_1), the current i L (k) of the superconducting coil 101 at time k, the current i C (k) of the capacitor 105, and the voltage of the capacitor 105 V dc (k)) is measured (step S200_2).

상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부(104)에서, 상기 전압형 컨버터(102)에 포함된 복수의 스위칭 소자(134a 내지 134f)와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 VSC 스위칭 상태를 결정한다(단계 S202, S204, S206, S208, S210, S212, S214).In the model predictive control (MPC) -based internal control unit 104, an optimum value of the number of switching states in all cases related to the plurality of switching elements 134a to 134f included in the voltage-type converter 102 (Steps S202, S204, S206, S208, S210, S212, and S214).

상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부(104)에서, 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼(100)에 포함된 복수의 스위칭 소자(136a, 136b)와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 결정한다(단계 S216, S218, S220, S222, S224, S226, S228, S230, S232).In the model predictive control (MPC) based internal control unit 104, a plurality of switching elements 136a and 136b included in the dc-dc chopper 100 based on the determined optimal VSC switching state, (Step S216, S218, S220, S222, S224, S226, S228, S230, S232) among the switching states of all the related cases.

상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부(104)에서, 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 따른 VSC 스위칭 제어 신호를 상기 전압형 컨버터(102)에 제공하고, 상기 결정된 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태에 따른 dc-dc 초퍼 스위칭 제어 신호를 상기 dc-dc 초퍼(100)에 제공한다(단계 S234).In the model predictive control (MPC) based internal control unit 104, the VSC switching control signal according to the determined optimal VSC switching state is provided to the voltage-type converter 102, and the determined optimal dc- dc chopper switching control signal corresponding to the dc chopper switching state to the dc-dc chopper 100 (step S234).

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템의 제어 방법에 있어서, 단계 S206은 수학식 5에 기반하여 시간 (k+1)에서의 VSC(102)의 전류를 예측하는 단계이고, 단계 S208은 수학식 14에 기반하여 제1 비용함수(g1)를 추정하는 단계이며, 단계 S210은 최적값을 저장하는 단계이다.In a control method of a superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2, step S206 is performed based on Equation (5) k + 1), step S208 is a step of estimating a first cost function g1 based on equation (14), and step S210 is a step of storing an optimum value .

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템의 제어 방법에 있어서, 단계 S216은 수학식 7 내지 수학식 10에 기반하여 시간 (k+1)에서 예상되는 커패시터(105)의 전류를 계산하는 단계이고, 단계 S224는 수학식 12 및 수학식 13에 기반하여 시간 (k+2)에서 예측되는 커패시터(105)의 전압을 계산하는 단계이다. 또한, 단계 S226은, 수학식 15에 기반하여 제2 비용함수(g2)를 추정하는 단계이며, 단계 S228은 최적값을 저장하는 단계이다.In the control method of a superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2, step S216 is performed in Equations (7) to (K + 1), and step S224 is a step of calculating the current of the capacitor 105 predicted at time (k + 2) based on equations (12) and And calculating the voltage. Also, step S226 is a step of estimating a second cost function g2 based on equation (15), and step S228 is a step of storing an optimum value.

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템의 제어 방법은, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템을 제어하는 방법에 관한 것으로, 세부적인 단계들에 대해서는 도 1을 참조하여 이미 상세하게 설명하였으므로, 각 단계에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.The method of controlling a superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention shown in FIG. The present invention relates to a method of controlling a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid, and detailed steps have been described in detail with reference to FIG. 1, and detailed description of each step will be omitted.

마이크로그리드에서In Micro Grid MPCMPC 기반의  Based SMESSMES 시스템 system

본 발명의 일 실시예에서 마이크로그리드는 도 3과 같이 풍력 발전기(WG), 부하(Load), 디젤 발전기(DG), 및 초전도 전력 저장 시스템(SMES)으로 구성된다. SMES 시스템은 마이크로그리드의 주파수 및 전압 제어를 수행하며, 이는 PI 제어기를 이용한 외부 제어부로 구성되었다. 즉, SMES의 전체 제어 시스템은 MPC 기반의 전류 제어부와 PI 제어기 기반의 외부 제어부로 구성된다.In one embodiment of the present invention, the microgrid comprises a wind power generator (WG), a load, a diesel generator (DG), and a superconducting power storage system (SMES) as shown in FIG. The SMES system performs the frequency and voltage control of the microgrid, which consists of an external control unit using a PI controller. That is, the entire SMES control system consists of MPC-based current controller and PI controller-based external controller.

마이크로그리드는 그리드-접속 모드(grid-connected mode)와 독립 운전 모드(islanded mode)와 같이 두 가지 운전 모드로 동작한다. 그리드-접속 모드에서 마이크로그리드는 유틸리티 그리드(utility grid)에 의하여 주파수 및 전압이 유지되므로 SMES는 마이크로그리드와 유틸리티 그리드(utility grid)를 연계하는 PCC (point of common coupling) 지점의 조류 제어(constant power flow)를 수행하며, 마이크로그리드가 독립 운전 모드로 전환시, SMES는 마이크로그리드의 주파수 및 전압 제어를 수행한다.The microgrid operates in two operating modes: grid-connected mode and islanded mode. In the grid-connected mode, the microgrid is maintained in frequency and voltage by a utility grid, so the SMES is a constant power (point of common coupling) point at the point of common coupling (PCC) that links the microgrid and utility grid flow, and when the microgrid is switched to the stand-alone operation mode, the SMES performs frequency and voltage control of the microgrid.

시뮬레이션 결과Simulation result

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법에서는 MPC 기반의 SMES 시스템의 제어 성능을 검토하기 위하여 PI 기반의 SMES 시스템과 제어 성능을 비교하였다. 효과적인 제어 성능 비교를 위하여 PI 제어기의 이득값은 비특허문헌 [10]에서 제안된 방법을 사용하였다.In order to examine the control performance of the MPC-based SMES system, the PI-based SMES system and control performance are compared in a superconducting power storage system and a control method thereof for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention. In order to compare the control performance effectively, the gain value of the PI controller was used in the method proposed in the non-patent document [10].

초기에 마이크로그리드는 계통과 연계하여 운전하는 그리드-접속(grid-connected) 모드로 운전되고, 5초에 독립 운전 모드로 운전된다.Initially, the microgrid operates in a grid-connected mode operating in conjunction with the grid, and in a 5-second stand-alone mode of operation.

그리드-접속 모드에서는 SMES 시스템의 효율적인 충전, 방전을 위하여 PCC 지점에서의 조류 제어가 제어되며, 3초에 마이크로그리드의 부하가 증가(50kW)하게 되어, PCC 지점에서 전력 조류는 0kW가 된다고 가정하였다.In the grid-connected mode, the algae control at the PCC point is controlled for efficient charging and discharging of the SMES system, the load of the micro grid is increased (50 kW) in 3 seconds, and the power flow at the PCC point is assumed to be 0 kW .

그리드-접속 모드에서 마이크로그리드의 각 구성요소들의 전력은 도 4와 같으며, 이를 통하여 풍력 발전기의 출력 변동에도 불구하고 SMES의 충/방전으로 인하여 PCC 지점에서의 전력 조류는 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.The power of each element of the microgrid in the grid-connected mode is as shown in FIG. 4, and it is confirmed that the power flow at the PCC point is maintained constant due to the charge / discharge of the SMES despite the output fluctuation of the wind power generator .

도 5 및 도 6에서와 같이, 독립 운전 모드에서 마이크로그리드의 주파수와 전압은 SMES 시스템에 의해서 제어된다. 또한, 8초에 50kW의 부하가 감소하게 되는데, SMES는 부하 감소에 따라 출력 전력량을 제어하여 마이크로그리드의 주파수와 전압이 항상 일정하게 제어되는 것을 확인할 수 있다.5 and 6, the frequency and voltage of the microgrid in the independent operation mode are controlled by the SMES system. In addition, the load of 50kW is reduced in 8 seconds. SMES can control the output power amount according to the load reduction, so that the frequency and the voltage of the micro grid are always controlled constantly.

MPC 기반의 SMES 시스템과 PI 제어기 기반의 SMES 시스템은 전력 및 주파수 제어를 위하여 외부 제어부에서 PI 제어기를 사용하므로 동적 반응은 유사하다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 MPC 기반의 SMES 시스템은 MPC 기반으로 전류 제어를 수행하므로 출력 전압의 리플이 감소된다.The MPC-based SMES system and the PI controller-based SMES system use the PI controller in the external controller for power and frequency control, so that the dynamic response is similar. However, the MPC-based SMES system performs the current control based on the MPC, so that the ripple of the output voltage is reduced.

제어 기법에 따른 초전도 코일의 와전류(Eddy current) 손실을 비교하기 위하여 초전도 코일에서의 DC 전류에 포함된 고조파를 분석하였다. 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서는 제어 기법에 따른 SMES 시스템의 객관적인 테스트를 위하여 SMES의 내부 저항과 같은 파라미터는 동일하게 설정하였다.Harmonics included in DC current in superconducting coils are analyzed to compare eddy current loss of superconducting coils according to control techniques. In the superconducting power storage system for reducing the eddy current loss in the micro grid according to an embodiment of the present invention, the parameters such as the internal resistance of the SMES are set the same for the objective test of the SMES system according to the control technique.

초전도 코일의 와전류(Eddy current) 손실은 DC 전류의 고조파와 내부 저항의 크기에 비례하므로 초전도 코일의 와전류 손실은 DC 전류에 포함된 고조파의 크기에 따라 측정할 수 있다.The eddy current loss of a superconducting coil is proportional to the magnitude of the DC current harmonics and the internal resistance, so the eddy current loss of the superconducting coil can be measured according to the magnitude of the harmonics included in the DC current.

초전도 코일의 DC 전류는 도 7과 같고, PI 제어기와 MPC 기반에서의 초전도 코일에 흐르는 DC 전류의 고조파 크기는 도 8과 같다. PI 제어기에 의한 스위칭 주파수와 MPC 기반에 의한 스위칭 주파수는 유사하지만, MPC 기법을 이용한 SMES 시스템에서의 5 고조파가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 도 9는 PI 제어기를 사용했을 때와 비교하였을 때의 와전류 손실을 나타내고 있다.The DC current of the superconducting coil is shown in FIG. 7, and the harmonic magnitude of the DC current flowing in the superconducting coil based on the PI controller and MPC is as shown in FIG. The switching frequency by the PI controller and the switching frequency by the MPC are similar, but the 5th harmonic in the SMES system using the MPC technique is remarkably reduced. 9 shows the eddy current loss when compared with the case using the PI controller.

그 결과, MPC 기법을 사용함으로써 제2 고조파에 의해서 발생되는 와전류 손실은 약 5%, 3 고조파에 의해서 발생하는 와전류 손실은 약 30% 정도 줄일 수 있다. 더 높은 고조파에 의해서 발생되는 와전류 손실은 PI 제어 기법과 비교해 상당히 감소되는 것을 확인할 수 있다.As a result, by using the MPC technique, the eddy current loss caused by the second harmonic can be reduced by about 5%, and the eddy current loss caused by the third harmonic can be reduced by about 30%. It can be seen that the eddy current loss caused by the higher harmonics is considerably reduced compared with the PI control technique.

결론conclusion

본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서는 마이크로그리드에서 VSC와 dc-dc 초퍼에 동시에 적용되는 MPC 기반의 SMES 시스템을 제안했다. 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템에서 제안된 제어 방법의 효과를 검토하기 위하여 PI 기반의 제어 기법을 적용할 경우와 성능을 비교함으로써 제어 효과를 검토하였다.In a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, an MPC-based SMES system applied simultaneously to a VSC and a dc-dc chopper in a microgrid has been proposed. In order to investigate the effect of the proposed control method in a superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a micro grid according to an embodiment of the present invention, the control effect was examined by comparing the performance with the PI-based control technique .

시뮬레이션 결과를 통하여 MPC 기반의 SMES 시스템과 PI 제어 기법 기반의 SMES 시스템의 동적 반응은 비슷하다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 MPC 기반의 SMES 시스템의 경우에는 출력 전력, 주파수, dc 전류의 리플이 PI 제어기와 비교해 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.Simulation results show that the dynamic responses of SMES system based on MPC and SMES system based on PI control scheme are similar. However, in the case of the MPC-based SMES system, it was confirmed that the ripple of the output power, frequency, and dc current is reduced as compared with the PI controller.

이러한 이유로 초전도 코일의 dc 전류에 포함된 각각의 고조파에 의해 생성된 와전류(Eddy current) 손실을 PI 제어기보다 MPC를 사용함으로써 감소시킬 수 있었다. MPC 제어 기법은 SMES의 사양 및 구조의 변경 없이 와전류 손실을 줄일 수 있고, 제어 이득 값을 결정하는 어려움을 피할 수 있다는 장점이 있다.For this reason, the eddy current loss caused by each harmonic included in the dc current of the superconducting coil can be reduced by using MPC rather than the PI controller. The MPC control technique has the advantage that the eddy current loss can be reduced without changing the SMES specification and structure, and the difficulty of determining the control gain value can be avoided.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is clear that the present invention can be modified or improved.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100 : dc-dc 초퍼 101 : 초전도 코일
102 : 전압형 컨버터(VSC) 103 : AC
104 : 모델예측제어 기반 내부 제어부 105 : 커패시터
106 : PI-기반 외부 제어부 108 : VSC 전류 예측부
110 : 제1 비용함수 최소화부 112 : 커패시터 전압 예측부
114 : 제2 비용함수 최소화부 116 : 제어신호 출력부
118, 120, 124 : 변환부 122 : PLL
126, 128 : PI 130, 132 :감산기
100: dc-dc chopper 101: superconducting coil
102: Voltage type converter (VSC) 103: AC
104: Model predictive control based internal controller 105: Capacitor
106: PI-based external control unit 108: VSC current predicting unit
110: First cost function minimization part 112: Capacitor voltage predicting part
114: second cost function minimization unit 116: control signal output unit
118, 120, 124: conversion section 122: PLL
126, 128: PI 130, 132:

Claims (16)

전력 저장을 위한 초전도 코일;
상기 초전도 코일과 마이크로그리드의 AC 선로 사이에 연결된 전력 변환 장치;
상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하기 위한 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부; 및
상기 모델예측제어 기반 내부 제어부에 상기 마이크로그리드의 주파수 및 전압을 제어하기 위한 지령치를 제공하는 외부 제어부를 포함하고,
상기 전력 변환 장치는,
상기 마이크로그리드의 AC 선로에 연결된 전압형 컨버터(VSC); 및
상기 초전도 코일과 상기 전압형 컨버터를 연계하는 dc-dc 초퍼를 포함하며,
상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부는,
상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 VSC 스위칭 상태를 결정하는 VSC 스위칭 상태 결정부;
상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 결정하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태 결정부; 및
상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 따른 VSC 스위칭 제어 신호를 상기 전압형 컨버터에 제공하고, 상기 결정된 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태에 따른 dc-dc 초퍼 스위칭 제어 신호를 상기 dc-dc 초퍼에 제공하는 제어신호 출력부를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템.
Superconducting coils for power storage;
A power converter connected between the superconducting coil and the AC line of the microgrid;
A model predictive control (MPC) based internal controller for controlling the operation of the power converter; And
And an external control unit for providing an instruction value for controlling the frequency and voltage of the microgrid to the model predictive control based internal control unit,
The power conversion apparatus includes:
A voltage-type converter (VSC) connected to an AC line of the microgrid; And
And a dc-dc chopper connecting the superconducting coil and the voltage converter,
Wherein the model predictive control (MPC) based internal control unit comprises:
A VSC switching state determiner for determining an optimal VSC switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the voltage converter;
A dc-dc chopper switching state that determines an optimal dc-dc chopper switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimum VSC switching state A decision unit; And
Dc chopper switching control signal in accordance with the determined optimal dc-dc chopper switching state is provided to the dc-dc chopper by providing a VSC switching control signal according to the determined optimal VSC switching state to the voltage-type converter A superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current losses in a microgrid, including a control signal output.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 VSC 스위칭 상태 결정부는,
상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들을 예측하는 VSC 전류 예측부; 및
상기 예측된 VSC 출력 전류들 중 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차가 가장 작은 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하는 제1 비용함수 최소화부를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템.
The method according to claim 1,
The VSC switching state determination unit determines,
A VSC current predicting unit for predicting output currents of the voltage-type converter in accordance with all the switching states of the plurality of switching elements included in the voltage-type converter; And
And a first cost function minimizing unit for determining a VSC switching state corresponding to a VSC output current having the smallest error from the predicted VSC output currents from an instruction value provided from the external control unit, as the optimal VSC switching state. A superconducting power storage system for reducing eddy current loss in a grid.
청구항 4에 있어서,
상기 dc-dc 초퍼와 상기 VSC의 연계점인 DC 링크(link)에 연결된 DC 링크 커패시터를 더 포함하고,
상기 dc-dc 초퍼 스위칭 상태 결정부는,
상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자의 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 DC 링크 커패시터의 전압들을 예측하는 DC 링크 커패시터 전압 예측부; 및
상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들 중 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차가 가장 작은 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하는 제2 비용함수 최소화부를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템.
The method of claim 4,
Further comprising a DC link capacitor connected to a DC link which is an interconnection point of the dc-dc chopper and the VSC,
The dc-dc chopper switching state determination unit determines,
A DC link capacitor voltage predicting unit for predicting voltages of the DC link capacitor according to the switching states of all the cases of the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimum VSC switching state; And
Dc chopper switching state corresponding to the DC link capacitor voltage having the smallest error from the target voltage command value of the DC link capacitor among the predicted DC link capacitor voltages is determined as the optimal dc- A superconducting power storage system for reducing eddy current losses in a microgrid comprising a cost function minimization unit.
청구항 5에 있어서,
상기 VSC 전류 예측부는,
Figure 112016117760632-pat00062
에 기반하여 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들을 예측하고,
상기에서
Figure 112016117760632-pat00063
는 시간 k에서의 AC 전압,
Figure 112016117760632-pat00064
는 시간 k에서의 VSC 의 출력 전압, Ts는 샘플링 시간, R 및 L은 각각 VSC의 출력과 AC 선로 사이의 필터의 저항과 인덕턴스,
Figure 112016117760632-pat00065
는 시간 k에서의 VSC의 전류를 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템.
The method of claim 5,
The VSC current predicting unit may include:
Figure 112016117760632-pat00062
Based on the output currents of the voltage-type converters,
In the above,
Figure 112016117760632-pat00063
Is the AC voltage at time k,
Figure 112016117760632-pat00064
Is the output voltage of the VSC at time k, T s is the sampling time, R and L are the resistance and inductance of the filter between the output of VSC and the AC line,
Figure 112016117760632-pat00065
Is a superconducting power storage system for reducing eddy current losses in microgrid, representing the current of VSC at time k.
청구항 6에 있어서,
상기 DC 링크 커패시터 전압 예측부는,
Figure 112016117760632-pat00066
에 기반하여 상기 DC 링크 커패시터의 전압들을 예측하고, 상기에서.
Figure 112016117760632-pat00067
이며, uC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터의 전압, iC(k)과 Vdc(k)는 각각 시간 k에서 측정되는 상기 DC 링크 커패시터의 전류와 전압, iC(k+1)은 시간 (k+1)에서의 상기 DC 링크 커패시터의 전류, C는 상기 DC 링크 커패시터의 커패시턴스를 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템.
The method of claim 6,
Wherein the DC link capacitor voltage predicting unit comprises:
Figure 112016117760632-pat00066
And estimates the voltages of the DC link capacitors based on the voltages of the DC link capacitors.
Figure 112016117760632-pat00067
And, u C (k + 1) is the voltage of the DC link capacitor which is estimated at time (k + 1), i C (k) and V dc (k) is the current of the DC link capacitor is measured at each time k And the voltage, i C (k + 1), represents the current of the DC link capacitor at time (k + 1), and C represents the capacitance of the DC link capacitor.
청구항 7에 있어서,
상기 제1 비용함수 최소화부는,
Figure 112016117760632-pat00068
에 기반하여 상기 예측된 VSC 출력 전류들과 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차와 관련된 제1 비용함수들을 계산하고,
상기 제1 비용함수들 중 최소인 경우의 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하며,
상기에서
Figure 112016117760632-pat00069
Figure 112016117760632-pat00070
는 각각 상기 외부 제어부에서 제공하는 상기 VSC 의 유효 전류 지령치 및 무효 전류 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00071
Figure 112016117760632-pat00072
는 각각 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 VSC의 무효 전류 및 유효 전류를 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템.
The method of claim 7,
Wherein the first cost function minimization unit comprises:
Figure 112016117760632-pat00068
Calculates first cost functions related to an error between the predicted VSC output currents and an instruction value provided from the external control unit,
Determining a VSC switching state corresponding to a VSC output current in the case of a minimum of the first cost functions as the optimal VSC switching state,
In the above,
Figure 112016117760632-pat00069
Wow
Figure 112016117760632-pat00070
Respectively indicate the effective current command value and the reactive current command value of the VSC provided by the external control unit,
Figure 112016117760632-pat00071
Wow
Figure 112016117760632-pat00072
Represents a reactive current and an effective current of the VSC expected at a time (k + 1), respectively, for a superconducting power storage system for reducing eddy current losses in a microgrid.
청구항 8에 있어서,
상기 제2 비용함수 최소화부는,
Figure 112016117760632-pat00073
에 기반하여 상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들과 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차와 관련된 제2 비용함수들을 계산하고,
상기 제2 비용함수들 중 최소인 경우의 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하며,
상기에서
Figure 112016117760632-pat00074
는 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00075
는 시간 (k+2)에서 상기 DC 링크 커패시터의 예상되는 전압을 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템.
The method of claim 8,
Wherein the second cost function minimization unit comprises:
Figure 112016117760632-pat00073
Calculating second cost functions related to an error between the predicted DC link capacitor voltages and a target voltage command value of the DC link capacitor based on the second cost functions,
Determining a dc-dc chopper switching state corresponding to a DC link capacitor voltage in a case of a minimum of the second cost functions as an optimal dc-dc chopper switching state,
In the above,
Figure 112016117760632-pat00074
Represents a target voltage command value of the DC link capacitor,
Figure 112016117760632-pat00075
Represents the expected voltage of the DC link capacitor at time (k + 2). ≪ Desc / Clms Page number 13 >
전력 저장을 위한 초전도 코일, 상기 초전도 코일과 마이크로그리드의 AC 선로 사이에 연결된 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 동작을 제어하기 위한 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부, 및 상기 모델예측제어 기반 내부 제어부에 상기 마이크로그리드의 주파수 및 전압을 제어하기 위한 지령치를 제공하는 외부 제어부를 포함하고, 상기 전력 변환 장치는, 상기 마이크로그리드의 AC 선로에 연결된 전압형 컨버터(VSC) 및 상기 초전도 코일과 상기 전압형 컨버터를 연계하는 dc-dc 초퍼를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장(SMES: superconduction magnetic energy storage) 시스템의 제어 방법에 있어서,
(a) 상기 모델예측제어(MPC: model predictive control) 기반 내부 제어부에서, 상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 VSC 스위칭 상태를 결정하는 단계;
(b) 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들 중 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 결정하는 단계; 및
(c) 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 따른 VSC 스위칭 제어 신호를 상기 전압형 컨버터에 제공하고, 상기 결정된 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태에 따른 dc-dc 초퍼 스위칭 제어 신호를 상기 dc-dc 초퍼에 제공하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (a)는,
(a-1) 상기 전압형 컨버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 관련된 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들을 예측하는 단계; 및
(a-2) 상기 예측된 VSC 출력 전류들 중 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차가 가장 작은 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하는 단계를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법.
A power conversion device connected between the superconducting coil and an AC line of the micro grid, a model predictive control (MPC) based internal control for controlling the operation of the power conversion device, And an external control unit for providing an instruction value for controlling the frequency and voltage of the microgrid to a predictive control based internal control unit, wherein the power conversion apparatus includes a voltage converter (VSC) connected to an AC line of the microgrid, A method of controlling a superconducting magnetic energy storage (SMES) system for reducing eddy current loss in a microgrid, comprising a dc-dc chopper coupling a coil and the voltage converter,
(a) determining, in the model predictive control (MPC) based internal control unit, an optimum VSC switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the voltage-type converter ;
(b) determining an optimum dc-dc chopper switching state among all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimum VSC switching state; And
(c) providing a VSC switching control signal according to the determined optimal VSC switching state to the voltage-type converter, and supplying a dc-dc chopper switching control signal according to the determined optimal dc-dc chopper switching state to the dc- To < RTI ID = 0.0 >
The step (a)
(a-1) predicting output currents of the voltage-type converter in accordance with all the number of switching states associated with the plurality of switching elements included in the voltage-type converter; And
(a-2) determining, from the predicted VSC output currents, the VSC switching state corresponding to the VSC output current having the smallest error with the command value provided from the external control section, as the optimal VSC switching state. Control Method of Superconducting Power Storage System for Reducing Eddy Current Loss in Micro Grid.
삭제delete 청구항 10에 있어서,
상기 초전도 전력 저장 시스템은 상기 dc-dc 초퍼와 상기 VSC의 연계점인 DC 링크(link)에 연결된 DC 링크 커패시터를 더 포함하고,
상기 단계 (b)는,
(b-1) 상기 결정된 최적의 VSC 스위칭 상태에 기반하여 상기 dc-dc 초퍼에 포함된 복수의 스위칭 소자의 모든 경우의 수의 스위칭 상태들에 따른 상기 DC 링크 커패시터의 전압들을 예측하는 단계; 및
(b-2) 상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들 중 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차가 가장 작은 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하는 단계를 포함하는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법.
The method of claim 10,
Wherein the superconducting power storage system further comprises a DC link capacitor connected to a DC link which is an interconnection point of the dc-dc chopper and the VSC,
The step (b)
(b-1) estimating voltages of the DC link capacitor according to the switching states of all the cases of the plurality of switching elements included in the dc-dc chopper based on the determined optimal VSC switching state; And
(b-2) the dc-dc chopper switching state corresponding to the DC link capacitor voltage having the smallest error from the predicted DC link capacitor voltages with respect to the target voltage command value of the DC link capacitor is referred to as the optimal dc-dc chopper switching state , The method comprising the steps of: < RTI ID = 0.0 > determining < / RTI >
청구항 12에 있어서,
상기 단계 (a-1)에서, 상기 전압형 컨버터의 출력 전류들은,
Figure 112016117760632-pat00076
에 기반하여 예측되고,
상기에서
Figure 112016117760632-pat00077
는 시간 k에서의 AC 전압,
Figure 112016117760632-pat00078
는 시간 k에서의 VSC 의 출력 전압, Ts는 샘플링 시간, R 및 L은 각각 VSC의 출력과 AC 선로 사이의 필터의 저항과 인덕턴스,
Figure 112016117760632-pat00079
는 시간 k에서의 VSC의 전류를 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법.
The method of claim 12,
In the step (a-1), the output currents of the voltage-
Figure 112016117760632-pat00076
Lt; / RTI >
In the above,
Figure 112016117760632-pat00077
Is the AC voltage at time k,
Figure 112016117760632-pat00078
Is the output voltage of the VSC at time k, T s is the sampling time, R and L are the resistance and inductance of the filter between the output of VSC and the AC line,
Figure 112016117760632-pat00079
/ RTI > of the superconducting power storage system for the reduction of the eddy current loss in the microgrid, which represents the current of the VSC at time k.
청구항 13에 있어서,
상기 (b-1)에서 상기 DC 링크 커패시터의 전압들은,
Figure 112016117760632-pat00080
에 기반하여 예측되고, 상기에서.
Figure 112016117760632-pat00081
이며, uC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터의 전압, iC(k)과 Vdc(k)는 각각 시간 k에서 측정되는 상기 DC 링크 커패시터의 전류와 전압, iC(k+1)은 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 DC 링크 커패시터의 전류, C는 상기 DC 링크 커패시터의 커패시턴스를 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법.
14. The method of claim 13,
The voltages of the DC link capacitor in (b-1)
Figure 112016117760632-pat00080
And is predicted based on the above.
Figure 112016117760632-pat00081
And, u C (k + 1) is the voltage of the DC link capacitor which is estimated at time (k + 1), i C (k) and V dc (k) is the current of the DC link capacitor is measured at each time k (K + 1) is the current of the DC link capacitor at time (k + 1), C is the capacitance of the DC link capacitor, i C (k + / RTI >
청구항 14에 있어서,
상기 단계 (a-2)에서,
Figure 112016117760632-pat00082
에 기반하여 상기 예측된 VSC 출력 전류들과 상기 외부 제어부에서 제공되는 지령치와의 오차와 관련된 제1 비용함수들을 계산하고,
상기 제1 비용함수들 중 최소인 경우의 VSC 출력 전류에 대응하는 VSC 스위칭 상태를 상기 최적의 VSC 스위칭 상태로 결정하며,
상기에서
Figure 112016117760632-pat00083
Figure 112016117760632-pat00084
는 각각 상기 외부 제어부에서 제공하는 상기 VSC 의 유효 전류 지령치 및 무효 전류 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00085
Figure 112016117760632-pat00086
는 각각 시간 (k+1)에서 예상되는 상기 VSC의 무효 전류 및 유효 전류를 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법.
15. The method of claim 14,
In the above step (a-2)
Figure 112016117760632-pat00082
Calculates first cost functions related to an error between the predicted VSC output currents and an instruction value provided from the external control unit,
Determining a VSC switching state corresponding to a VSC output current in the case of a minimum of the first cost functions as the optimal VSC switching state,
In the above,
Figure 112016117760632-pat00083
Wow
Figure 112016117760632-pat00084
Respectively indicate the effective current command value and the reactive current command value of the VSC provided by the external control unit,
Figure 112016117760632-pat00085
Wow
Figure 112016117760632-pat00086
(K + 1) represents the reactive current and the effective current of the VSC, respectively, at time (k + 1).
청구항 15에 있어서,
상기 단계 (b-2)에서,
Figure 112016117760632-pat00087
에 기반하여 상기 예측된 DC 링크 커패시터 전압들과 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치와의 오차와 관련된 제2 비용함수들을 계산하고,
상기 제2 비용함수들 중 최소인 경우의 DC 링크 커패시터 전압에 대응하는 dc-dc 초퍼 스위칭 상태를 최적의 dc-dc 초퍼 스위칭 상태로 결정하며,
상기에서
Figure 112016117760632-pat00088
는 상기 DC 링크 커패시터의 목표 전압 지령치를 나타내고,
Figure 112016117760632-pat00089
는 시간 (k+2)에서 상기 DC 링크 커패시터의 예상되는 전압을 나타내는, 마이크로그리드에서 와전류 손실 감소를 위한 초전도 전력 저장 시스템의 제어 방법.
16. The method of claim 15,
In the step (b-2)
Figure 112016117760632-pat00087
Calculating second cost functions related to an error between the predicted DC link capacitor voltages and a target voltage command value of the DC link capacitor based on the second cost functions,
Determining a dc-dc chopper switching state corresponding to a DC link capacitor voltage in a case of a minimum of the second cost functions as an optimal dc-dc chopper switching state,
In the above,
Figure 112016117760632-pat00088
Represents a target voltage command value of the DC link capacitor,
Figure 112016117760632-pat00089
(K + 2) represents the expected voltage of the DC link capacitor at time (k + 2).
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