KR102238340B1 - 가상 저항 방식의 pcs 드룹 제어 장치 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 가상 저항 방식의 PCS 드룹(droop) 제어 장치는, 직류 그리드를 위한 에너지 저장 장치의 PCS 출력단에 가상 저항이 연결된 상태로 가정하여 상기 PCS 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치로서,
초기 가상 저항값에 대하여 상기 PCS의 운전 초기 소정 시간 동안 상기 PCS의 출력단에 테스트 전압을 유지시키고, 그에 따른 상기 PCS 출력단에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 따라 상기 가상 저항값을 조정하는 것(일종의 운전전 튜닝 작업을 수행)을 특징으로 한다.

Description

가상 저항 방식의 PCS 드룹 제어 장치 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템{PCS Droop Control Device and Energy Storage System using the Same}

본 발명은 PCS 드룹 제어 장치에 관한 것으로서, 특히, 직류(DC) 그리드를 위한 에너지 저장 장치의 PCS 출력단에 가상 저항이 연결된 상태로 가정하여 상기 PCS 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 PCS 드룹 제어 장치 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

최근 화석 에너지 고갈과 지구촌 환경 문제에 대한 방편으로 친환경 에너지 기반의 분산 발전에 대한 관심이 급증하고 있다.

이러한 신재생에너지 기반의 분산 발전은 네트워크에 연결되거나 직접적으로 소비자에게 연결되는 전기적인 전력원으로서 정의된다. 이때, 전기적 시스템에서의 분산발전의 보급률이 높을수록 마지막 소비자에 대한 전력 공급과 전압의 품질에 막대한 영향을 미치게 된다. 이러한 이유로 내연 기관, 가스 터빈, 태양광 발전, 연료 전지, 풍력 발전과 같은 분산 발전 요소들의 통합을 통한 거대한 잠재력의 실현을 위해 마이크로그리드의 개념이 제안되어 왔다.

마이크로그리드는 무제한적인 자원, 부하에 대한 지역적 접근성 등 기존의 중앙 집중된 계통 시스템이 가지지 못하는 많은 장점들을 제공함과 동시에 분산 발전의 지역적 제어를 가능하게 하여 중앙집중화된 제어를 부분적으로 제거하거나 또는 줄일 수 있게 해준다. 따라서 마이크로그리드는 평소 계통과 연결되어 부하의 분담에 있어 보조적인 역할을 하는 전류원으로서 정의된다. 하지만 계통의 외란 또는 계통사고 발생시에 Static Switch를 개방함으로써 마이크로그리드는 독립 운전 모드(Islanded-Mode)로 전환된다. 이때는 마이크로그리드가 부하분담에 있어 단지 보조적인 역할을 수행하는 것이 아니고 하나의 전압원으로서 부하의 수요 전체를 담당해야 하는 책임을 갖는다. 따라서 이러한 독립 운전 모드에서의 제어는 부하에 지속적으로 신뢰할만한 전력을 공급하기 위한 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있다.

수요가 큰 지역적 부하의 효율적 분담을 위해 전체 부하를 여러 분산요소 즉 여러 인버터가 담당하는 인버터 병렬 운전은 마이크로그리드 독립 운전 모드에서의 핵심기술이라고 할 수 있다. 부하의 적절한 분담을 가능하게 하는 방법 중 하나로는 마스터 슬레이브 (Master-Slave) 제어 기법이 있다.

이 방식은 전압 제어 PWM 인버터가 마스터 모듈로서 동작되고 전류 제어 PWM 인버터가 슬레이브 모듈로서 동작되며 출력 전압을 제어하는 마스터 모듈이 슬레이브 모듈의 지령 전류를 출력하는 특징을 지닌다. 이러한 인버터간의 상호 통신을 전제로 한 마스터-슬레이브 제어는 선로 임피던스들의 존재에도 불구하고 매우 효과적인 부하 분담성능을 보이며 이와 동시에 시스템을 디자인하고 적용하는 부분에 있어서 매우 간단한 장점을 가지고 있다. 그러나 이 기법은 마스터 인버터의 제어 실패등의 원인으로 인한 사고발생시 이는 상호 연결된 통신선로에 기인하여 전체 시스템의 제어 실패로 이어진다. 따라서 이러한 문제에 대한 방편으로 전력 변환 장치 간의 통신 없이 독립적인 제어를 가능하게 하는 드룹 방식이 제안되어 왔다.

기존의 주파수-전압 드룹 방식은 주파수와 유효전력, 전압과 무효전력의 관계에 기초한 방식으로 마이크로그리드의 인버터 병렬 운전 뿐만 아니라 UPS 병렬운전에도 널리 사용되어 왔다.

그런데, 최근 이슈화되고 있는 DC(직류) 그리드에서는 계통의 주파수가 존재할 수 없는 바, 기존의 주파수-전압 드룹 방식을 적용할 수 없다.

일본등록특허 제2570113호

본 발명은 독립운전 방식의 DC(직류) 그리드에 유용하게 사용할 수 있는 드룹 제어 방법을 제공하고자 한다.

또는, 본 발명은 DC(직류) 그리드를 구성하는 전력 전송 선로의 저항을 용이하게 반영할 수 있는 드룹 제어 방법을 제공하고자 한다.

또는, 본 발명은 DC(직류) 그리드에 대한 드룹 제어의 신뢰성 및 안정성을 높이고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 가상 저항 방식의 PCS 드룹(droop) 제어 장치는, 직류 그리드를 위한 에너지 저장 장치의 PCS 출력단에 가상 저항이 연결된 상태로 가정하여 상기 PCS 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치로서,

초기 가상 저항값에 대하여 상기 PCS의 운전 초기 소정 시간 동안 상기 PCS의 출력단에 테스트 전압을 유지시키고, 그에 따른 상기 PCS 출력단에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 따라 상기 가상 저항값을 조정하는 것(일종의 운전전 튜닝 작업을 수행)을 특징으로 한다.

여기서, 상기 PCS 드룹 제어 장치는, 상기 PCS의 출력단 전압이 하기 수학식에 따른 Eo가 되도록 PCS를 운전할 수 있다.

E^* _dc는 레퍼런스 전압, I_dc는 PCS 출력단 전류,

R_est는 추정 선로 저항, R_v는 드룹 제어의 기준이 되는 가상 저항

E_o는 PCS 출력단 전압, V_L은 부하단 전압.

여기서, 제1항에 있어서, 상기 PCS 운전 초기에,

상기 PCS 출력단 전압을 테스트 전압(E*dc_1)이 되도록 PCS 출력단 전압 제어를 수행하는 단계; 드룹 제어의 목표값이 되는 소정의 레퍼런스 전압값과 상기 테스트 전압값의 차이 전압값에, 추정 선로 저항이 반영된 가상 저항값을 나눈값으로 테스트 레퍼런스 전류값을 산출하는 단계; 및 상기 PCS 출력단 전류가 테스트 레퍼런스 전류와 일치하면 추정 선로 저항을 유지하고, 상기 PCS 출력단 전류가 테스트 레퍼런스 전류 보다 크면, 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 뺀 값으로 변경하고, 상기 PCS 출력단 전류가 테스트 레퍼런스 전류 보다 작으면, 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 더한 값으로 변경하는 단계를 실행할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 충전 모드에서 외부 전력 공급부를 통해 공급되는 전력에 의해 충전되고, 방전 모드에서 기저장한 전력을 방전하는 에너지 저장부; 상기 충전 모드에서 상기 전력 공급부를 통해 공급되는 전력을 변환하여 상기 에너지 저장부에 공급하고, 상기 방전 모드에서 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 변환하여 외부로 출력하는 전력 변환부; 및 상기 에너지 저장부의 운전 모드에 따른 충전 동작 또는 방전 동작이 수행되도록 상기 전력 변환부에 스위칭 신호를 출력하는 전력 변환 제어부를 포함하며,

상기 전력 변환 제어부는, 부하를 포함하는 계통에 연결된 상기 전력 변환부를, 상기 전력 변환부의 출력단에 대하여 가상 저항이 연결된 상태로 가정하고, 상기 전력 변환부 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 드룹(droop) 제어를 수행하되, 상기 가상 저항에 운전 중 변경된 선로 저항을 반영하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전력 변환 제어부는, 초기 가상 저항값에 대하여 상기 전력 변환부의 운전 초기 소정 시간 동안 상기 전력 변환부의 출력단에 테스트 전압을 유지시키고, 그에 따른 상기 전력 변환부 출력단에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 따라 상기 가상 저항값을 조정할 수 있다.

여기서, 상기 전력 변환 제어부는, 상기 전력 변환부의 출력단 전압이 하기 수학식에 따른 Eo가 되도록 상기 전력 변환부를 운전할 수 있다.

E^* _dc는 레퍼런스 전압, I_dc는 PCS 출력단 전류,

R_est는 추정 선로 저항, R_v는 드룹 제어의 기준이 되는 가상 저항

E_o는 PCS 출력단 전압, V_L은 부하단 전압.

상기 구성에 따른 본 발명의 가상 저항 방식의 PCS 드룹(droop) 제어 장치를 실시하면, DC(직류) 그리드를 구성하는 전력 전송 선로의 저항을 용이하게 반영할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 가상 저항 방식의 PCS 드룹(droop) 제어 장치는, DC(직류) 그리드에 대한 드룹 제어의 신뢰성 및 안정성을 높이는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 사상에 따른 드룹 제어 방법이 적용될 수 있는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드(micro-grid) 전력망을 도시한 블록도.
도 2는 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 적용되는 피드백 루프의 구성을 도시한 개념도.
도 3은 수학식 1에 사용된 각 변수들의 회로상의 의미를 표현한 등가 회로도.
도 4는 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 이용되는 전압-전류간 그래프.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 보정된 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어를 설명하는 등가 회로도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 보정된 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 이용되는 전압-전류간 그래프.
도 7은 실제 선로 저항(R)이 추정 선로 저항(R_est)과 차이가 있는 경우의 현상을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 사상에 따른 보정된 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 적용되는 피드백 루프의 구성을 도시한 개념도.
도 9는 실제 선로 저항(R)과 추정 선로 저항(Rest)이 차이가 존재하는 경우, 추정 선로 저항을 맞추는 과정을 도시한 흐름도.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

전력망(Power Grid) 특히 외부와 독립하여 특정 영역의 전력 공급을 담당하는 독립형 전력 그리드에서는 전력 변환 장치 간의 통신 없이 독립적인 제어를 가능하게 하는 드룹 방식의 제어가 이용되었다.

기존의 기존의 주파수-전압드룹 방식은 주파수와 유효전력, 전압과 무효전력의 관계에 기초한 방식으로 마이크로그리드의 인버터 병렬 운전 뿐만 아니라 UPS 병렬운전에도 널리 사용되어 왔다.

상술한 주파수-전압 드룹 제어는 교류 그리드에서 사용되는 방식이다.

직류 그리드에서도 변환 회로의 스위칭 과정에서 일시적으로 생성되는 교류에 대하여 유사한 방식의 주파수 기준 드룹 제어도 가능은 하지만, 직류 그리드에서는 부하단 전류나 PCS 출력 전류를 기준으로 드룹 제어를 수행한다.

도 1은 본 발명의 사상에 따른 드룹 제어 방법이 적용될 수 있는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드(micro-grid) 전력망의 개념도이다.

도시한 독립형 마이크로그리드 전력망은 에너지 저장장치(ES: energy storage)(11), 전력을 소모하는 부하(Load)(21), 풍력 발전기(WG: wind generator)(31), 태양광 어레이(PV: photovoltaic array)(41), 엔진 발전기(EG: engine generator)(51) 등의 전력 요소를 필요에 따라 선택적으로 포함한다. 전력 요소는 각각의 전력변환용 컨버터(12, 22, 32, 42, 52)를 구비하여 각 전력 요소와 DC 그리드 사이의 필요한 전력 변환을 수행한다.

에너지 저장장치의 드룹 제어기(13)는 드룹(droop) 제어 기법을 활용하여 에너지 저장장치(11)와 DC 그리드 사이의 전력 흐름을 제어하여 DC 그리드의 전체적인 전력 균형을 조절한다. 또한 풍력 발전기, 태양광 어레이, 엔진 발전기 등의 분산 전원(DS: distributed source)은 각각의 분산 제어기(33, 43, 53)를 구비하여 독자적으로 동작하며 마이크로그리드로 전력을 공급한다.

도 1의 풍력 발전기(WG: wind generator)(31)는 풍력을 이용하여 전력을 생산하고 이를 DC 마이크로그리드로 공급하는 역할을 수행한다. 통상적인 풍력 발전기는 회전기를 기반으로 하는 발전장치로서 출력이 교류이므로, 풍력 발전기(31)에 연계된 전력변환 컨버터(32)에서 교류를 직류로 변환하여 DC 그리드로 공급할 수 있다.

풍력 발전기는 풍속에 따라 출력이 가변되는데 주어진 기후 상황에서 최대의 출력을 얻을 수 있도록 통상적으로 최대 출력점을 추적하는 방식을 사용할 수 있다. 예컨대, 풍력 발전기(31)에 연계된 전력변환 컨버터(32)는 풍속에 따라 변동하는 풍력 발전기의 출력을 최대로 얻기 위하여 MPPT(maximum power point tracking) 제어를 수행하면서 풍력 발전기의 교류 전력을 직류로 변환하여 DC 그리드에 공급할 수 있다.

태양광 어레이(PV, photovoltaic array)(41)는 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 통상적인 태양광 소자를 사용할 수 있다. 태양광 어레이에 연결된 전력변환 컨버터(42)는 태양광 어레이의 출력을 변환하여 DC 그리드에 공급하는 역할을 하는데, 일사량과 온도에 의해 출력이 변동하는 태양광 어레이로부터 항상 최대 출력을 얻기 위해서 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행할 수 있다. 일반적으로 태양광 어레이의 개방상태의 전압레벨이 그리드 전압에 비해 낮기 때문에 태양광 전력변환 컨버터(420)는 전압을 높일 수 있는 승압 기능을 가진 DC-DC 컨버터를 적용한다. 승압용 DC-DC 컨버터의 일예로 부스트 컨버터를 사용할 수 있다. MPPT 제어 방법을 사용하는 경우 출력에는 특정 주파수의 리플이 포함되므로 이 전류 리플을 저감하기 위하여 3상 인터리브 부스트 DC-DC 컨버터(3-phase interleaved Boost DC-DC converter)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 1의 엔진 발전기(EG: engine generator)(51)는 연계된 EG 분산 제어기(53)로부터 DC 그리드 전압에 따른 전력 지령을 인가받고 그에 따라 적절한 전력을 DC 그리드로 공급하는 역할을 수행한다. 엔진 발전기의 전력변환 컨버터(52)는 교류인 엔진 발전기 출력을 직류로 변환하여 그리드로 공급한다. 엔진 발전기의 출력을 조절하는 방법으로는 예컨대 각속도 제어 방식을 사용할 수 있다.

부하(21)는 전력을 소비하는 전력 요소로서 마이크로그리드로부터 전력을 공급받아 소비하는 구성이다. 부하와 그리드 사이에 구비된 전력변환 컨버터(22)는 직류인 그리드 전압을 부하에서 요구하는 적절한 형태의 전원으로 변환하여 부하에 전력을 공급한다. 일반적으로 부하에는 교류부하와 직류부하가 있을 수 있다. 교류부하에 전력을 공급하기 위해서는 직류인 그리드 전압을 교류로 변환하는 직류/교류 인버터를 통해 부하가 요구하는 교류로 변환하여 공급한다. 예를 들어, 가정용 부하인 경우 부하용 전력변환 컨버터(220)가 일반 가정에서 사용하는 단상 220V 교류로 변환하여 공급할 수 있다. 디지털 부하 등의 직류부하의 경우는 직류그리드에 DC-DC 컨버터를 통하여 직류 전압 레벨을 변환하여 공급할 수 있다. 이와 같이 DC 마이크로그리드의 경우 교류 변환 과정 없이 직류 전원을 요구하는 디지털 부하에 전압 레벨만 변환하여 공급이 가능하므로 손실, 비용, 크기의 절감이 가능하다는 장점이 있다.

다음으로 도 1의 에너지 저장장치(11)와 그 관련 구성에 대해 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 풍력 발전기, 태양광 어레이 및 엔진 발전기는 전력을 공급하기 위한 분산된 전원이고 부하는 전력을 소비하기 위한 구성이다. 이들 분산전원에서 생성되는 전력과 부하가 소비하는 전력 사이에 균형이 맞지 않는 경우 에너지 저장장치(11)가 전력을 수용하거나 공급하면서 마이크로그리드 전력망의 전력 균형을 조절하는 기능을 한다. 에너지 저장장치에는 통상적으로 에너지 저장을 위해 사용되는 소자를 사용할 수 있고, 그 대표적인 예로 리튬 이온 배터리, 슈퍼 커패시터 등을 들 수 있다.

에너지 저장장치(11)에 연결된 전력변환 컨버터(12)는 직류인 그리드 전압과 에너지 저장장치 사이에서 양방향 전력 변환 및 전력 전달 기능을 수행하면서 그리드의 전력을 제어한다. 즉, 에너지 저장장치는 그리드로부터 전력을 공급받아 저장하기도 하고 저장된 전력를 그리드로 공급하기도 하여야 하므로, 전력변환 컨버터(12)는 그리드와 에너지 저장장치 사이에서 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터가 사용되는 것이 바람직하다. 특히 에너지 저장장치에 주로 사용되는 배터리는 유입되는 전류에 고조파 함유율이 낮을 것이 요구되고 충·방전시의 전류리플이 배터리의 수명에 영향을 주므로 전류리플 저감을 위해 양방향 3상 인터리브 DCDC 컨버터(Bidirectional 3-phase Interleaved DC-DC converter)를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드를 위한 드룹(droop) 제어 방법에 대해 설명한다.

독립형 마이크로그리드는 기존 전력망과 단절되어 있기 때문에 운영 시에 전력 균형을 유지하는 것이 가장 중요한 요소이자 신뢰도를 결정짓는 기술이다. 본 발명에 따른 드룹(Droop) 제어 방법에서는 분산전원들과 에너지 저장장치가 각각 자율적으로 제어를 수행하면서도 드룹 제어 방법에 의하여 순환 전류의 발생이 없이 전력균형을 유지하는 방법을 사용한다.

이를 위해 에너지 저장장치에서는 드룹 제어 방법을 사용하여 순환 전류를 억제하면서 그리드 전압을 조절하되, 에너지 저장장치의 충전상태(SOC: stae of charge)에 따른 운전 영역을 설정하여 에너지 저장장치의 보호도 고려할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 드룹 제어 방법을 에너지 저장장치에 적용하는 경우에 대하여 설명할 것이나 드룹 제어 방법은 에너지 저장장치 뿐만 아니라 분산전원들에도 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예인 독립형 DC 마이크로그리드에서는 각 전력 요소 간에 정보를 송수신하지 않는 자율제어 방식을 사용한다. 자율제어 방식을 사용하면 2대 이상의 전력변환 컨버터에서 각각 직류 그리드의 전압을 제어하도록 설정하게 되며 각 구성요소가 전압제어를 하는데 있어서 센서의 오차, 제어기의 오차, 선로 임피던스에 의해서 출력 전압에 차이가 발생하게 되면 순환전류가 필연적으로 발생하게 된다. 순환전류는 교류의 무효 전력과 유사하여 시스템 전체의 손실과 직결되는 부분이며, 연계되는 기기에 여러 가지 악영향을 줄 수 있기 때문에 순환전류를 억제하기 위한 제어 방법이 반드시 필요하다.

이러한 순환 전류는 전압원으로 동작하는 각 분산 전원들의 출력 전압의 차이로 인해 발생하는 것이므로, 순환 전류를 쉽게 저감하는 방법은 각 분산 전원의 출력단과 DC 그리드 사이에 실제 저항을 삽입하는 것이다. 그러나 이 방법은 손실, 비용, 크기 측면에서 비현실적이다.

따라서 도 1의 에너지 저장장치용 전력변환 컨버터(12)의 출력 전압을 제어하는 제어기(13)에 출력 전류(Idc)를 피드백하여 제어 전압 기준값(V_DROOP)을 변경하는 피드백 루프를 추가하였(드룹 제어 수행)으며, 피드백 루프의 구성은 도 2와 같다.

여기서, E^* _dc는 레퍼런스 전압, I_dc는 PCS 출력단 전류, R_v는 드룹 제어의 기준이 되는 가상 저항(등가가 되도록 설정함), E_o는 PCS 출력단 전압이다.

도면에서, 출력 DC 전류인 I_dc를 검출하여 가상저항 R_v를 곱한 다음 그 결과를 원래 출력 전압 목표(레퍼런스)값인 E^* _dc에서 감하여 수정된 전압 목표값인 V_DROOP을 생성한다. 이 수정된 목표값인 V_DROOP과 실제 출력 전압인 E_o의 차이는 비례 적분(PI) 등의 보상기(compensator)를 거쳐 전류 기준값이 생성되고, 실제 출력 전류가 이 전류 기준값을 추종하도록 제어함으로써 최종적으로 출력 전압인 그리드 전압(E_o)이 수정된 전압 기준값(V_DROOP)을 추종하게 된다.

이와 같은 제어기의 기능에 의해 그리드 전압(E_o)은 VDROOP를 추종하게 될 것이므로, 그리드 전압(Eo)은 하기 수학식 1의 표현에 따른 관계를 가진다.

여기서, R_v는 출력단에 저항이 존재하는 것과 같은 등가저항의 역할을 하는 가상 저항이다. 즉, 출력 전류(I_dc)가 증가할수록 가상 저항(R_v)의 전압 강하(R_v· I_dc)에 해당하는 전압만큼 감소하여 출력 전압(E_o)이 형성되게 된다. 이와 같이 실제로는 저항이 존재하지 않아도 저항이 존재하는 것같이 출력 전압이 형성되므로 다른 컨버터들과의 출력 전압의 차이에 의해 발생하는 순환전류는 가상저항 R_v에 의해 억제가 가능함을 알 수 있다.

상기 수학식 1에 사용된 각 변수들의 회로상의 의미를 표현하면 도 3과 같다.

상기 수학식 1에서 출력 전류(I_dc) 대신 에너지 저장장치의 출력 전류 최대값(IMAX)을 적용하고, 그에 따른 원하는 전압 변동(E^* _dc - V_L)의 크기를 설정하는 방식으로 가상저항(R_v)을 구할 수 있다. 또한, 상기 가상저항(R_v)값을 변경함으로써 에너지 저장장치의 동작 전력을 조절할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 직류 그리드에서의 드룹 제어는, 그리드 계통에 대하여 가상 저항을 가정한 상태에서, PCS 출력단 전압(E_o) 및 가선을 통해 부하로 공급되는 전류 I_dc에 대하여 상기 수학식 1에 따른 관계가 성립하도록 가변 전압 전원 E^* _dc이 구동하는 것처럼 인버터를 동작시키는 방식으로 이루어진다.

(PCS 출력단 전압(E_o) 대신 부하의 전압(V_L)을 이용하는 것이 보다 정확하지만, 부하의 전압을 이용하려면 부하와 제어 장치간의 통신이 필요하여, 실제 적용 비용 및 운영 비용에서 상당히 불리하므로, 상기 설명에서는 출력단 전압을 사용하였다.)

즉, 정전압 제어를 수행하고 있는 PCS에서 전압원으로 동작하는 부하에 전력을 공급하기 위해서는 저항을 삽입하여 전력전달을 수행하며, Droop Control의 경우 선로 저항을 직접 이용하지 않고, 제어적으로 가상의 선로 저항을 만들어 주어 전력을 전달하는 것이다.

도 4는 상기 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 이용되는 전압-전류간 그래프를 도시한다.

상술한 드룹 제어를 위해 제어기는 주기적/지속적으로 PCS 출력 전류(I_dc)를 모니터링하고, 모니터링된 출력 전류(I_dc)값에 대응하는 부하전압(V_L)값을 도 4의 그래프에서 찾고, 찾은 부하전압(V_L)값이 되도록 PCS 출력 전압(V_o)을 조정한다.

그런데, 실제 현장에서의 DC 전력 그리드상에서 PCS 설치 위치에 따라 선로 저항의 변화가 크며, 특히, 장거리 선로에서 선로 저항이 커지게 됨으로써, DC 드룹 제어(Droop Control)를 수행하는 PCS들의 전압 편차가 발생하여 전력 분담 오차가 발생된다. 다시말해, 선로 저항의 변화로 인해 드룹(Droop) 특성 곡선은 변하게 되어 정확한 전력 분담을 할 수 없으며, 선로의 저항에 따라 항상 전력 분담 편차가 발생하기 때문에, 적용되는 실 사이트에서 제어기의 조정이 필요하다. 실 사이트에서의 조정은 수동적으로 인력이 파견되어 부하 등 각 기준 위치에서의 검출(전압/전류)값들을 수집하거나, 원격으로 검출하는 고가의 수단이 필요하게 된다.

다음, 상술한 문제점들을 분석하고 해결 방안을 제시하겠다.

도 5는 본 발명의 사상에 따른 보정된 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어를 설명하는 등가 회로도이다.

도 6은 본 발명의 사상에 따른 보정된 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 이용되는 전압-전류간 그래프를 도시한다.

PCS와 실제 부하가 장거리 선로에 놓여있다면 선로의 저항은 무시할 수 없기 때문에, 가상의 선로 저항(R_v)에 의해 정해진 드룹 곡선은 아래의 수식에 따라 선로 저항 값이 추가되고, 이는 도 4에서의 V-I Droop 특성 곡선을 도 6과 같이 변화시킨다. 따라서, 본 발명의 제안에 따른 드룹 제어에서 그리드 전압(E_o)은 하기 수학식 2의 표현에 따른 관계를 가진다.

E^* _dc는 레퍼런스 전압, I_dc는 PCS 출력단 전류,

R_est는 추정 선로 저항, R_v는 드룹 제어의 기준이 되는 가상 저항

E_o는 PCS 출력단 전압, V_L은 부하단 전압.

여기서, E^* _dc는 레퍼런스 전압으로서, 특히, 선로 저항을 추정하는데 후술하는 레퍼런스 전류(I^* _dc)와 함께 사용될 수 있다. R은 PCS 운전에 영향을 줄 수 있는 선로 저항을 의미한다. E_o는 PCS 출력단 전압, V_L은 부하단 전압인데, 선로 저항이 그리 크기 않기 때문에 E0=VL로 간주해도 무방하다.

I_dc는 PCS 출력단 전류로서 PCS 드룹 제어 장치는 주기적/지속적으로 I_dc를 모니터링한다.

그래프에서, 선로 저항(R)이 없다면, 도 6의 ①번 특성곡선으로 원하는 전류를 흐르게 하기 위해 PCS전압을 조절하면 되지만, 선로 저항값이 존재한다면, PCS의 전압값이 동일할 지라도 곡선의 기울기가 달라져서 원하는 전류값을 얻을 수 없다. 결국 ②번 특성곡선에 따른 드룹제어가 고려되어야 한다.

따라서, 가상 저항(Rv)에 선로 저항(R)을 반영한 상태로 V-I 드룹 제어를 수행하여야 한다.

실제 적용에 있어 선로 저항을 가상 저항(R_v)에 이미 반영하여 드룹 제어를 수행할 수 있다. 그런데, 실제 선로 저항(R)이 추정 선로 저항(R_est)과 차이가 있는 경우의 현상을 나타내면 도 7의 그래프과 같으며, 이 경우 레퍼런스 전압(E^* _dc), PCS 출력단 전류(I_dc) 및 PCS 출력단 전압(V_o), 부하 전압(V_L)의 관계는 하기 수학식 3과 같다.

그래프에서 가운데 (1)번 라인의 수식은 실제 저항과 추정 저항이 일치하는 때를 나타낸 것으로 이 경우, 실제 저항은 가상 저항에 그대로 반영되어 있기 때문에 라인의 기울기는 가상저항에 의해 결정된다.

그래프에서 (2)번 라인의 수식은 실제 저항이 추정 저항 보다 작은 때를 나타낸 것으로 이 경우, 추정한 저항이 사실보다 크게 가상 저항에 반영되어 있기 때문에 실 측정되는 라인의 기울기는 실제 저항과 추정 저항의 차이 만큼 완만해진다.

그래프에서 (3)번 라인의 수식은 실제 저항이 추정 저항 보다 큰 때를 나타낸 것으로 이 경우, 추정한 저항이 사실보다 작게 반영되어 있기 때문에 실 측정되는 라인의 기울기는 실제 저항과 추정 저항의 차이 만큼 가파라진다.

실제 선로 저항을 지향하지만, 실제 드룹 제어에 있어서는 추정 선로 저항을 이용하는 것이 현실적이며, 이 경우 하기 수학식 4에 따른 관계가 만족하도록 드룹 제어가 수행된다.

이 경우, 본 발명의 사상에 따른 보정된 가상 저항(Rv)을 이용한 드룹 제어에 적용되는 피드백 루프의 구성은 도 8과 같다.

상술한 실제 선로 저항(R)과 추정 선로 저항(R_est)이 차이가 존재하는 것은, 직류 그리드 구축 단계에서 계산된 추정 선로 저항값의 오류에 기인하거나, 선로 도선의 규격 오차 등 직류 그리드 구축 과정에서의 오류에 기인하거나, 이전 운전 과정에서 추정 선로 저항을 실제 선로 저항에 수렴시켰으나, 시간의 경과로 전송 라인 상에 저항 변화 등이 발생하여 실제 선로 저항이 변동된 것에 기인할 수 있다.

상술한 실제 선로 저항(R)과 추정 선로 저항(Rest)이 차이가 존재하는 경우, 추정 선로 저항을 맞추는 과정은 도 9의 흐름도를 따를 수 있다.

최초로 본 발명의 사상에 따른 선로 저항 추정 작업을 수행할 때, 추정 저항(R_est)은 0으로 설정한다(S10). 즉, 실제 선로 저항이 가상 저항(R_v)에 제대로 반영되었다고 간주한다.

다음, PCS 출력단 전압을 테스트 전압(E^* _{dc_1})이 되도록 PCS 출력단 전압 제어를 수행한다.(S20)

다음, 모니터링(PCS 출력단에서 실측)한 I_dc가 I^* _dc(테스트 레퍼런스 전류)와 일치하면(S20), 추정 선로 저항을 유지한다.

(여기서, I^* _dc(테스트 레퍼런스 전류)는 드룹 제어의 목표값이 되는 소정의 레퍼런스 전압값과 상기 테스트 전압값의 차이 전압값에, 추정 선로 저항이 반영된 가상 저항값을 나눈값으로 산출될 수 있다.)

또는, 모니터링(PCS 출력단에서 실측)한 I_dc가 I^* _dc(테스트 레퍼런스 전류) 보다 크면, 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 뺀 값으로 변경한다(S50).

또는, 모니터링(PCS 출력단에서 실측)한 I_dc가 I^* _dc(테스트 레퍼런스 전류) 보다 작으면, 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 더한 값으로 변경한다(S40).

PCS 동작 초기 시간 동안, 상술한 과정을 반복하여 최종적으로 I_dc가 I^* _dc로 수렴하도록 한다. 예컨대, 15번 정도의 평균을 내서 최종 추정 치를 도출하는 방식으로 선로 저항 추정을 완료할 수 있다.

정리하면, 본 발명의 설명에 있어서, 추정 선로 저항(R_est)은 PCS와 부하 사이의 실제 선로 저항을 의미하는 것이 아니고, 추정 선로 저항(R_est)는 PCS와 부하 사이의 존재하는 실제 선로 저항 중 가상 저항(Rv)에 반영되지 않은 부분을 의미한다.

상술한 본 발명의 사상에 따른 추정 선로 저항을 적용한 드룹 제어는 도 1의 구성에 따른 독립형(stand-alone) 마이크로그리드(micro-grid) 전력망에 적용될 수 있다.

이 경우에 전력을 공급하는 전력 공급부(31, 41, 51)에 대하여 적용되는 에너지 저장 시스템은, 충전 모드에서 상기 전력 공급부(31, 41, 51)를 통해 공급되는 전력에 의해 충전되고, 방전 모드에서 기저장한 전력을 방전하는 에너지 저장부(ESS)(11); 상기 충전 모드에서 상기 전력 공급부(31, 41, 51)를 통해 공급되는 전력을 변환하여 상기 에너지 저장부(11)에 공급하고, 상기 방전 모드에서 상기 에너지 저장부(11)에 저장된 전력을 변환하여 외부로 출력하는 전력 변환부(PCS)(12); 및 상기 에너지 저장부(11)의 운전 모드에 따른 충전 동작 또는 방전 동작이 수행되도록 상기 전력 변환부(12)에 스위칭 신호를 출력하는 전력 변환 제어부(13)를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 사상에 따라, 상기 전력 변환 제어부(13)는, 부하를 포함하는 계통에 연결된 상기 전력 변환부(12)를, 상기 전력 변환부(12)의 출력단에 대하여 가상 저항이 연결된 상태로 가정하고 상기 전력 변환부(PCS)(12) 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 드룹(droop) 제어를 수행하되, 상기 가상 저항에 운전 중 변경된 선로 저항을 반영한다.

다시 말해, 상기 전력 변환 제어부(13)는, 초기 가상 저항값에 대하여 상기 PCS의 운전 초기 소정 시간 동안 상기 전력 변환부(PCS)(12)의 출력단에 테스트 전압을 유지시키고, 그에 따른 상기 전력 변환부(PCS)(12) 출력단에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 따라 상기 가상 저항값을 조정한다. 상기 가상 저항값을 조정한 상태에서 상기 전력 변환 제어부는, 보다 구체적으로 상기 전력 변환부(PCS)(12)의 출력단 전압이 상기 수학식 4에 따른 Eo가 되도록 전력 변환부(PCS)(12)를 운전한다.

상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

11 : 에너지 저장부(ESS)
12 : 전력 변환부(PCS)
13 : 전력 변환 제어부
31, 41, 51 : 전력 공급부

Claims (6)

1. 직류 그리드를 위한 에너지 저장 장치의 PCS 출력단에 가상 저항이 연결된 상태로 가정하여 PCS 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 PCS 드룹(droop) 제어 장치로서,
   초기 가상 저항값에 대하여 상기 PCS의 운전 초기 소정 시간 동안 상기 PCS의 출력단에 테스트 전압을 유지시키고, 그에 따른 상기 PCS 출력단에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 따라 상기 가상 저항값을 조정하는 것(일종의 운전전 튜닝 작업을 수행)을 특징으로 하고,
   상기 PCS 드룹 제어 장치는,
   PCS 출력단 전압이 하기 수학식에 따른 Eo가 되도록 PCS를 운전하고,
   

   

   
   E^* _dc는 레퍼런스 전압, I_dc는 PCS 출력단 전류,
   R_est는 추정 선로 저항, R_v는 드룹 제어의 기준이 되는 가상 저항,
   E_o는 PCS 출력단 전압, V_L은 부하단 전압,
   상기 PCS의 운전 초기에,
   상기 PCS 출력단 전압을 테스트 전압(E*dc_1)이 되도록 PCS 출력단 전압 제어를 수행하는 단계;
   드룹 제어의 목표값이 되는 소정의 레퍼런스 전압값과 테스트 전압값의 차이 전압값에, 상기 추정 선로 저항이 반영된 가상 저항값을 나눈값으로 테스트 레퍼런스 전류값을 산출하는 단계; 및
   상기 PCS 출력단 전류가 테스트 레퍼런스 전류와 일치하면 상기 추정 선로 저항을 유지하고,
   상기 PCS 출력단 전류가 상기 테스트 레퍼런스 전류 보다 크면, 상기 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 뺀 값으로 변경하고,
   상기 PCS 출력단 전류가 상기 테스트 레퍼런스 전류 보다 작으면, 상기 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 더한 값으로 변경하는 단계
   를 실행하고,
   상기 추정 선로 저항은 상기 PCS와 부하 사이의 존재하는 실제 선로 저항 중 상기 가상 저항에 반영되지 않은 것을 특징으로 하는 PCS 드룹 제어 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 충전 모드에서 외부 전력 공급부를 통해 공급되는 전력에 의해 충전되고, 방전 모드에서 기저장한 전력을 방전하는 에너지 저장부;
   상기 충전 모드에서 상기 전력 공급부를 통해 공급되는 전력을 변환하여 상기 에너지 저장부에 공급하고, 상기 방전 모드에서 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 변환하여 외부로 출력하는 전력 변환부; 및
   상기 에너지 저장부의 운전 모드에 따른 충전 동작 또는 방전 동작이 수행되도록 상기 전력 변환부에 스위칭 신호를 출력하는 전력 변환 제어부를 포함하며,
   상기 전력 변환 제어부는,
   부하를 포함하는 계통에 연결된 상기 전력 변환부를, 상기 전력 변환부의 출력단에 대하여 가상 저항이 연결된 상태로 가정하고, 전력 변환부 출력을 제어하는 가상 저항 방식의 드룹(droop) 제어를 수행하되, 상기 가상 저항에 운전 중 변경된 선로 저항을 반영하고,
   상기 전력 변환 제어부는,
   전력 변환부 출력단 전압이 하기 수학식에 따른 Eo가 되도록 상기 전력 변환부를 운전하고,
   

   

   
   E^* _dc는 레퍼런스 전압, I_dc는 전력 변환부 출력단 전류,
   R_est는 추정 선로 저항, R_v는 드룹 제어의 기준이 되는 가상 저항,
   E_o는 전력 변환부 출력단 전압, V_L은 부하단 전압,
   상기 전력 변환부의 운전 초기에,
   상기 전력 변환부 출력단 전압을 테스트 전압(E*dc_1)이 되도록 전력 변환부 출력단 전압 제어를 수행하는 단계;
   드룹 제어의 목표값이 되는 소정의 레퍼런스 전압값과 테스트 전압값의 차이 전압값에, 상기 추정 선로 저항이 반영된 가상 저항값을 나눈값으로 테스트 레퍼런스 전류값을 산출하는 단계; 및
   상기 전력 변환부 출력단 전류가 테스트 레퍼런스 전류와 일치하면 상기 추정 선로 저항을 유지하고,
   상기 전력 변환부 출력단 전류가 상기 테스트 레퍼런스 전류 보다 크면, 상기 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 뺀 값으로 변경하고,
   상기 전력 변환부 출력단 전류가 상기 테스트 레퍼런스 전류 보다 작으면, 상기 추정 선로 저항은 소정 저항차이값 만큼 더한 값으로 변경하는 단계
   를 실행하고,
   상기 추정 선로 저항은 상기 전력 변환부와 부하 사이의 존재하는 실제 선로 저항 중 상기 가상 저항에 반영되지 않은 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 전력 변환 제어부는,
   초기 가상 저항값에 대하여 상기 전력 변환부의 운전 초기 소정 시간 동안 상기 전력 변환부의 출력단에 테스트 전압을 유지시키고, 그에 따른 상기 전력 변환부 출력단에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 따라 상기 가상 저항값을 조정하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
   
6. 삭제

Images