KR102668411B1 - Dc 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 dcmg의 비중앙 드룹 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템은, DC 버스와 유틸리티 그리드(utility grid; UG) 유니트를 연결하는 3상 양방향 AC/DC 컨버터; DC 버스와 배터리 유니트를 연결하는 제1 양방향 DC/DC 컨버터; DC 버스와 EV(electric vehicle) 유니트를 연결하는 제2 양방향 DC/DC 컨버터; DC 버스와 분산 발전 유니트를 연결하는 3상 단방향 AC/DC 컨버터; 및 DC 버스 전압과 각 유니트의전력 간의 상관관계를 바탕으로 각 유니트의 전력의 증가 및 감소와 부하의 연결 또는 차단을 제어하는 중앙 제어기를 포함하고, 상기 중앙 제어기는 DC 버스 전압의 변화에 대응하여 각 유니트 간의 전력공유 및 전력균형을 이루기 위해 각 유니트의 전력을 증가, 감소, 또는 일정하게 유지하도록 제어하는 제1 제어와, 상기 제1 제어에 의해 야기되는 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 자율복원하는 제2 제어를 수행한다.

Description

DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템 {Decentralized Droop Control System and Method for DC Microgrid to Achieve Autonomous DC Bus Voltage Restoration}
본 발명은 DCMG(DC microgrid)의 비중앙 드룹(droop) 제어 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 드룹 제어에서 야기되는 DC 버스 전압의 편차 문제를 극복하기 위한 수단을 강구함으로써, DCMG는 부하에 공급되는 전력의 품질을 유지할 수 있고, DCMG의 전력 공유 정확도를 높일 수 있는 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
미래의 청정 에너지를 달성하기 위해, 최근 재생 에너지에 대한 대규모 연구로 마이크로그리드가 미래 전력 시스템의 유망 기술 중 하나가 되고 있다.
DCMG(DC Microgrid)는 AC 그리드, DG(distributed generation), ESS(energy storage system), EV(electric vehicle), 부하 등 다양한 전력 장치를 전력 변환기 인터페이스를 통해 통합하는 전력 시스템이다. 모든 전원 장치는 PCC(point of common coupling)에서 DC 버스로 연결되어 전력 장치 간에 전력을 공유한다.
각 장치 간의 전력 변환기 인터페이스를 조정하고 전력 균형을 유지하기 위해, 모든 전력 장치를 조정할 수 있는 높은 유연성과 신뢰성을 갖는 분산 시스템 구조가 도입되고 있다. 이 구조를 통해 DCL(digital communication links; 디지털 통신 링크)을 사용하지 않고 모든 전원 장치를 조정할 수 있다. DCL이 없다는 것은 통신 지연으로 인한 문제가 존재하지 않기 때문에 이 구조의 실질적인 장점이다. 또한, 시스템 설치가 훨씬 쉽고 효율적이므로, 마이크로그리드 시스템의 확장성이 크게 향상된다.
기존의 DCMG의 드룹(droop) 제어는 분산형 DCMG 시스템의 구현에 있어서의 평이함을 갖는다. 이 제어는 DC 버스 전압의 거동을 DCMG에 있는 각 장치의 전력을 제어하는 표시기로 활용한다. 예를 들어, DCMG 내의 잉여 전력은 DC 링크 전압을 증가시키는 반면, 부족 전력은 DC 링크 전압을 감소시킨다. 드룹 제어를 위한 가상 저항을 구현함으로써, 마이크로그리드 시스템의 각 변환기는 DC 버스 전압 조건에 기초하여 전력을 공급하거나 주입할 수 있다.
드룹 제어의 양호한 전력 공유 동작에도 불구하고, 이 제어 방법의 주요 단점은 DC 버스 전압의 편차이다. DC 버스 전압의 상당한 편차는 부하에 전달되는 전력량과 전력 공유 정확도에 영향을 미친다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2017-0092976호(특허문헌 1)에는 "독립형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 위한 충전 상태 기반의 드룹 제어 방법 및 장치"가 개시되어 있는 바, 이에 따른 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 장치는, 배터리로부터의 출력 전류 값을 이용하여 충전 상태(State of Charge;SoC) 값을 획득하는 충전 상태 계산부; 고정된 게인(gain) 값을 제공하며, 상기 획득된 충전 상태 값과 상기 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 출력하는 이득부; 및 상기 전압 변화량을 이용하여 독립형 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 출력하는 출력 전압부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 배터리의 충전 상태 값과 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 구하고, 전압 변화량을 이용하여 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 출력함으로써, 출력 DC 전압의 안정도가 향상되어 유지 보수 및 교체의 회수를 감소시킬 수 있는 장점이 있기는 하나, 마이크로그리드의 제어 전압을 주로 배터리의 충전 상태에 의존하고 있어 배터리 이외의 다른 요소(예컨대, EV)에 의해 DC 마이크로그리드의 버스 전압에 변화가 발생할 경우에는 적절히 대응하기 어려운 문제점을 내포하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0092976호(2017.08.14.)
본 발명은 상기와 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, 드룹 제어에서 야기되는 DC 버스 전압의 편차 문제를 극복하기 위해, 제어기에 제1 제어부 외에 별도의 제2 제어부를 구현하여 제2 제어부에 의해 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 복원함으로써, DCMG는 부하에 공급되는 전력의 품질을 유지할 수 있고, DCMG의 전력 공유 정확도를 높일 수 있는 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템은,
DC 버스와 유틸리티 그리드(utility grid; UG) 유니트를 연결하며, 유틸리티 그리드 유니트로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하거나, DC 버스로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 유틸리티 그리드 유니트로 제공하는 3상 양방향 AC/DC 컨버터와;
DC 버스와 배터리 유니트를 연결하며, 배터리 유니트로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하거나, DC 버스로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 배터리 유니트로 제공하는 제1 양방향 DC/DC 컨버터와;
DC 버스와 EV(electric vehicle) 유니트를 연결하며, EV 유니트로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하거나, DC 버스로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 EV 유니트로 제공하는 제2 양방향 DC/DC 컨버터와;
DC 버스와 분산 발전 유니트를 연결하며, 분산 발전 유니트로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하는 3상 단방향 AC/DC 컨버터; 및
상기 3상 양방향 AC/DC 컨버터, 제1, 제2 양방향 DC/DC 컨버터, 3상 단방향 AC/DC 컨버터의 상태 체크 및 동작을 각각 제어하고, DC 버스 전압과 각 유니트의전력 간의 상관관계를 바탕으로 각 유니트의 전력의 증가 및 감소와 부하의 연결 또는 차단을 제어하는 중앙 제어기를 포함하고,
상기 중앙 제어기는 DC 버스 전압의 변화에 대응하여 각 유니트 간의 전력공유 및 전력균형을 이루기 위해 각 유니트의 전력을 증가, 감소, 또는 일정하게 유지하도록 제어하는 제1 제어와, 상기 제1 제어에 의해 야기되는 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 자율복원하는 제2 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 중앙 제어기에 의해 상기 제1 제어 및 제2 제어를 수행함에 있어서, 상기 각 유니트의 변화에 대한 운전 모드를 결정하기 위한 보조 변수(
Figure 112022044096966-pat00001
)가 채용되며,
상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00002
가
Figure 112022044096966-pat00003
＜
Figure 112022044096966-pat00004
＜
Figure 112022044096966-pat00005
인 경우,
DCMG 시스템이 잉여 전력으로 야기된 과전압 상태로 되는 것을 방지하기 위해, 상기 분산 발전 유니트로서의 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 전압 드룹 제어 모드(voltage droop control mode; VDCM)로 운전하여 자신의 전력 발전을 조정함으로써 DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00006
)을 조절하도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 분산 발전 유니트를 연결하는 상기 3상 단방향 AC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00007
가
Figure 112022044096966-pat00008
＜
Figure 112022044096966-pat00009
＜
Figure 112022044096966-pat00010
인 경우,
상기 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합 이상의 풍력발전 최대 전력()을 생산하면, 는 인버터 모드(INV)에서 드룹 제어로 운전하는 상기 UG 유니트에 의해 조절되고, 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합보다 더 작은 전력을 생산하면, 는 컨버터 모드(CON)에서 드룹 제어로 운전하는 UG 유니트에 의해 조절되도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 UG 유니트를 연결하는 상기 3상 양방향 AC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00020
가
Figure 112022044096966-pat00021
＜
Figure 112022044096966-pat00022
＜
Figure 112022044096966-pat00023
인 경우,
풍력발전(풍력터빈) 최대 전력()이 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력 이상의 전력을 공급하면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 배터리 유니트가 를 조절하고, 가 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력보다 더 작은 전력을 공급하면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스로 공급함으로써 배터리 유니트가 를 조절하도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 배터리 유니트를 연결하는 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00034
가
Figure 112022044096966-pat00035
＜
Figure 112022044096966-pat00036
＜
Figure 112022044096966-pat00037
인 경우,
풍력발전(풍력터빈) 최대 전력()과 배터리 최대 전력()의 합계 전력이 부하 전력() 이상이고 남아 있는 전력이 전기자동차 최대 전력(보다 작으면, 배터리 충전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 EV 유니트가 를 조절하고, 와 의 합계 전력이 부하 전력()보다 더 작은 전력을 생산하면, 배터리 방전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스로 공급함으로써 EV 유니트가 를 조절하도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 EV(electric vehicle) 유니트를 연결하는 상기 제2 양방향 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 드룹 제어에서 야기되는 DC 버스 전압의 편차 문제를 극복하기 위해, 제어기에 제1 제어부 외에 별도의 제2 제어부를 구현하여 제2 제어부에 의해 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 복원함으로써, DCMG는 부하에 공급되는 전력의 품질을 유지할 수 있고, DCMG의 전력 공유 정확도도 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템은 비중앙(decentralized) 제어 방식을 기반으로 하고 있어 시스템 하드웨어 설치의 어려움을 해소할 수 있고, 시스템 구축의 총 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템에 도입되는 드룹 제어의 개요를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어 시스템의 모든 전력 유니트에서의 드룹 제어의 시행을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 제어 시스템의 모든 전력 유니트에 대한 운전 모드 결정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템의 낮은 DG 전력 및 독립 모드 운전 하에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
여기서, 본 발명의 실시예에 대한 설명을 하기에 앞서 본 발명에 도입되는 드룹 제어의 개요에 대해 먼저 간략히 설명해 보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템에 도입되는 드룹 제어의 개요를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 비중앙 DCMG 시스템에서, DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00049
) 거동은 각 전력 유니트의 운전 모드를 결정하기 위한 표시기로 사용될 수 있다. 예를 들면, DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00050
)의 증가는 DCMG 내의 잉여 전력을 나타내고, DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00051
)의 감소는 부족 전력을 나타내며, 일정한 DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00052
)은 전력 균형을 나타낸다. 이러한 거동들은 DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00053
)이 감소할 때 전원(power source;
Figure 112022044096966-pat00054
)을 높이고, DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00055
)이 증가할 때 전원(
Figure 112022044096966-pat00056
)을 낮추며, DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00057
)이 계속 일정할 때 전원(
Figure 112022044096966-pat00058
)을 일정하게 유지하도록 드룹 제어에서 활용된다.
종래 드룹 제어에서, DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00059
) 값의 증가 또는 감소는 이러한 종래 드룹 제어의 주요 단점인 DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00060
)의 편차를 야기한다. DC 버스 전압의 심한 편차는 부하에 전달되는 전력량 및 전력 공유의 정확도에 영향을 미친다. 이를 극복하기 위해, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 제1 제어부(Primary control)(110) 외에 제1 제어부(110)에 의해 야기된 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 복원하기 위한 제2 제어부(Secondary control)(120)가 제어기에 구현된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템(200)은 3상 양방향 AC/DC 컨버터(210), 제1 양방향 DC/DC 컨버터(220), 제2 양방향 DC/DC 컨버터(230), 3상 단방향 AC/DC 컨버터(240) 및 중앙 제어기(250)를 포함하여 구성된다.
3상 양방향 AC/DC 컨버터(210)는 DC 버스(206)와 유틸리티 그리드(utility grid; UG) 유니트(201)를 연결하며, 유틸리티 그리드 유니트(201)로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 DC 버스(206)로 제공하거나, DC 버스(206)로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 유틸리티 그리드 유니트(201)로 제공한다. 이와 같은 3상 양방향 AC/DC 컨버터(210)는 브리지 다이오드 회로나 복수의(예를 들면, 6개의) 반도체 스위칭 소자의 직병렬 연결 회로 또는 이 두 회로의 조합으로 이루어진 회로로 구성될 수 있다.
제1 양방향 DC/DC 컨버터(220)는 DC 버스(206)와 배터리 유니트(202)를 연결하며, 배터리 유니트(202)로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 DC 버스(206)로 제공하거나, DC 버스(206)로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 배터리 유니트(202)로 제공한다. 이와 같은 제1 양방향 DC/DC 컨버터(220)는 벅/부스트(buck/boost) 컨버터로 구성될 수 있다.
제2 양방향 DC/DC 컨버터(230)는 DC 버스(206)와 EV(electric vehicle) 유니트(203)를 연결하며, EV 유니트(203)로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 DC 버스(206)로 제공하거나, DC 버스(206)로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 EV 유니트(203)로 제공한다. 이와 같은 제2 양방향 DC/DC 컨버터(230)는 마찬가지로 벅/부스트(buck/boost) 컨버터로 구성될 수 있다.
3상 단방향 AC/DC 컨버터(240)는 DC 버스(206)와 분산 발전 유니트(204)를 연결하며, 분산 발전 유니트(204)로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 DC 버스(206)로 제공한다. 이와 같은 3상 단방향 AC/DC 컨버터(240)는 브리지 다이오드 회로나 복수의(예를 들면, 6개의) 반도체 스위칭 소자의 직병렬 연결 회로 또는 이 두 회로의 조합으로 이루어진 회로로 구성될 수 있다. 여기서, 또한 상기 분산 발전 유니트(204)는 풍력발전 유니트, 태양광 발전 유니트 등을 포함할 수 있다. 본 발명에서는 분산 발전 유니트로 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 채용된 경우를 상정한다.
중앙 제어기(250)는 상기 3상 양방향 AC/DC 컨버터(210), 제1, 제2 양방향 DC/DC 컨버터(220)(230), 3상 단방향 AC/DC 컨버터(240)의 상태 체크 및 동작을 각각 제어하고, DC 버스 전압과 각 유니트의 전력 간의 상관관계를 바탕으로 각 유니트의 전력의 증가 및 감소와 부하의 연결 또는 차단을 제어한다. 또한, 이와 같은 중앙 제어기(250)는 DC 버스 전압의 변화에 대응하여 각 유니트 간의 전력공유 및 전력균형을 이루기 위해 각 유니트의 전력을 증가, 감소, 또는 일정하게 유지하도록 제어하는 제1 제어와, 상기 제1 제어에 의해 야기되는 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 자율복원하는 제2 제어를 수행한다. 이상과 같은 중앙 제어기(250)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 컴퓨터 시스템 등으로 구성될 수 있다. 도 2에서 참조번호 205는 DC 버스(206)로부터 공급받은 전력을 소비하는 부하 유니트를 나타낸다.
여기서, 상기 중앙 제어기(250)에 의해 상기 제1 제어 및 제2 제어를 수행함에 있어서, 상기 각 유니트의 변화에 대한 운전 모드를 결정하기 위한 하나의 표시기로서의 보조 변수(
Figure 112022044096966-pat00061
)가 채용된다. 여기서, 이와 같은 보조 변수(
Figure 112022044096966-pat00062
)는 다음의 수식 관계에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112022044096966-pat00063
여기서, 는 DC 버스 전압 보상기, 는 전력 유니트의 DC 버스 전압 기준값, 는 전력 유니트의 드룹 변수를 각각 나타낸다. 여기서, 또한 이러한 , , 는 각각 다음의 수식 관계에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112022044096966-pat00070
Figure 112022044096966-pat00071
Figure 112022044096966-pat00072
여기서, 는 제2 제어에 대한 DC 버스 전압 기준값, Ki는 적분기 이득, 는 전원의 최소 전압 편차, 는 전원의 최대 전압 편차, 는 전원의 최소 전력, 는 전원의 최대 전력을 각각 나타낸다.
한편, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00078
가
Figure 112022044096966-pat00079
＜
Figure 112022044096966-pat00080
＜
Figure 112022044096966-pat00081
인 경우, DCMG 시스템이 잉여 전력으로 야기된 과전압 상태로 되는 것을 방지하기 위해, 상기 분산 발전 유니트로서의 풍력발전(풍력터빈) 유니트(204)가 전압 드룹 제어 모드(voltage droop control mode; VDCM)로 운전하여 자신의 전력 발전을 조정함으로써 DC 버스 전압(
Figure 112022044096966-pat00082
)을 조절하도록 상기 중앙 제어기(250)는 DC 버스(206)와 분산 발전 유니트(풍력발전(풍력터빈) 유니트(204))를 연결하는 상기 3상 단방향 AC/DC 컨버터(240)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00083
가
Figure 112022044096966-pat00084
＜
Figure 112022044096966-pat00085
＜
Figure 112022044096966-pat00086
인 경우, 상기 풍력발전(풍력터빈) 유니트(204)가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합 이상의 풍력발전 최대 전력()을 생산하면, 는 인버터 모드(INV)에서 드룹 제어로 운전하는 상기 UG 유니트(201)에 의해 조절되고, 풍력발전(풍력터빈) 유니트(204)가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합보다 더 작은 전력을 생산하면, 는 컨버터 모드(CON)에서 드룹 제어로 운전하는 UG 유니트 (201)에 의해 조절되도록 상기 중앙 제어기(250)는 DC 버스(206)와 UG 유니트(201)를 연결하는 상기 3상 양방향 AC/DC 컨버터(210)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00096
가
Figure 112022044096966-pat00097
＜
Figure 112022044096966-pat00098
＜
Figure 112022044096966-pat00099
인 경우, 풍력발전(풍력터빈) 최대 전력()이 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력 이상의 전력을 공급하면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드 () 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 배터리 유니트(202)가 를 조절하고, 가 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력보다 더 작은 전력을 공급하면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스(206)로 공급함으로써 배터리 유니트(202)가 를 조절하도록 상기 중앙 제어기(250)는 DC 버스(206)와 배터리 유니트(202)를 연결하는 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터(220)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 보조 변수
Figure 112022044096966-pat00110
가
Figure 112022044096966-pat00111
＜
Figure 112022044096966-pat00112
＜
Figure 112022044096966-pat00113
인 경우, 풍력발전(풍력터빈) 최대 전력()과 배터리 최대 전력()의 합계 전력이 부하 전력() 이상이고 남아 있는 전력이 전기자동차 최대 전력(보다 작으면, 배터리 충전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 EV 유니트(203)가 를 조절하고, 와 의 합계 전력이 부하 전력()보다 더 작은 전력을 생산하면, 배터리 방전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스(206)로 공급함으로써 EV 유니트(203)가 를 조절하도록 상기 중앙 제어기(250)는 DC 버스(206)와 EV(electric vehicle) 유니트(203)를 연결하는 상기 제2 양방향 DC/DC 컨버터(230)를 제어할 수 있다.
이하에서는 이상과 같은 중앙 제어기(250)의 제1 제어 및 제2 제어와
Figure 112022044096966-pat00125
의 각 조건에 따른 제어와 관련하여 부연 설명을 해보기로 한다.
도 3은 도 2에 도시된 제어 시스템의 모든 전력 유니트에서의 드룹 제어의 시행을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 제어 시스템의 모든 전력 유니트에 대한 운전 모드 결정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 수학식 2∼4와 관련하여, , , , 및 의 값이 본원의 발명자에 의해 우선적으로 설정된다. 각 전력 유니트에서 동일한 값을 얻기 위해, 도 3의 각 전력 유니트(도 3에서 (a)는 풍력발전(풍력터빈)유니트, (b)는 EV 유니트, (c)는 UG 유니트, (d)는 ESS(배터리) 유니트)에서 파란색으로 표시된 와 의 값은 각 전력 유니트에서 동일한 값으로 설정된다. 각 전력 유니트에서 는 동일하기 때문에, 각 유니트의 운전 모드 및 전력은 각 유니트에서 와 을 기초로 결정될 수 있다. 와 는 , , 및 를 설정함으로써 계산될 수 있다. DCMG에서 최적의 전력 공유를 얻기 위해, 각 전력 유니트에서 , , 및 에 관해 다른 색들로 표시된 , , 및 의 값은 각 전력 유니트에서 다른 값들로 설정된다. 본 발명의 드룹 제어에서, , , 및 의 값은 도 4에서 볼 수 있는 바와 같은 와 각 유니트의 전력과의 도표 상의 관계를 토대로 설정된다.
도 4에서, 는 DC 링크(버스)와 배터리 유니트 간의 전력 흐름을 나타내고, 는 DC 링크(버스)와 풍력발전(Wind Turbine) 유니트 간의 전력 흐름을 나타내며, 는 DC 링크(버스)와 유틸리티 그리드(UG) 간의 전력 흐름을 나타내고, 는 DC 링크(버스)와 전기자동차(EV) 유니트 간의 전력 흐름을 나타낸다. 각 전력 유니트에서, 전력의 생산 또는 흡수에 대한 제한이 있다. 최소 전력()과 최대 전력()으로부터 각 유니트 전력의 전력 범위가 설정될 수 있다. 최대 전력에서 DC 버스로부터 전력 유니트로 전력이 흡수될 때, 그러한 변수들은 로 표시된다. 반대로, 최대 전력에서 전력 유니트로부터 DC 버스로 전력이 주입될 때, 그러한 변수들은 로 표시된다. 그때, 운전 모드 결정을 위해, 전류와 전력 흐름의 기준 방향이 규정된다. DC 링크(버스)에서, 전력이 주입되어 전류가 DC 링크(버스)로 흐를 경우, 그러한 변수들은 네거티브(-)로 표시된다. 반대로, DC 링크(버스)로부터 전력이 흡수되어 전류가 DC 링크(버스)의 밖으로 흐를 경우, 그러한 변수들은 포지티브(+)로 표시된다.
본 발명의 제어에서, 각 유니트의 운전 모드를 결정하기 위해 편차에 따른 드룹 제어에 기초하여 DC 버스 전압 는 풍력발전(풍력터빈) 유니트, UG 유니트, 배터리 유니트 또는 EV 유니트에 의해 조정된다. 다음의 조건들은 값에 기초하여 각 전력 유니트의 운전 모드를 결정하기 위하여 공식화된 것이다. 각각의 조건에 따른 각 전력 유니트의 운전 모드 결정과 관련하여 도 4를 참조하여 설명해 보기로 한다.
< 케이스 1: < 인 경우 >
본 발명의 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템(이하 'DCMG 시스템'이라 함)은 독립(islanded) 모드로 작동하고, 풍력발전(풍력터빈) 유니트는 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합 이상의 풍력발전 최대 전력()을 생산한다. 그 결과, DCMG 시스템은 잉여 전력을 가지며, 이는 가 공칭값() 이상으로 증가하도록 한다. DCMG 시스템이 잉여 전력으로 야기된 과전압 상태로 되는 것을 방지하기 위해, 풍력발전(풍력터빈) 유니트는 전압 드룹 제어 모드(voltage droop control mode; VDCM)로 운전하여 자신의 전력 발전을 조정함으로써 DC 버스 전압()을 조절한다. 한편, 배터리 유니트는 로 충전하는 모드()로 배터리 드룹 제어를 사용하고, EV 유니트는 로 충전하는 모드()로 EV 드룹 제어를 사용한다.
< 케이스 2: < 인 경우 >
DCMG 시스템은 그리드 연계(grid-connected) 모드로 작동하고, 배터리 및 EV 유니트의 운전 모드는 여전히 위의 케이스 1과 동일하다. 유틸리티 그리드(UG) 유니트는 다른 유니트 전력보다 가장 큰 전력 범위를 가지기 때문에, 풍력발전(풍력터빈) 유니트는 과전압의 발생 없이 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking; MPPT) 모드를 가동함으로써 를 생산할 수 있다. 반면, UG 유니트의 운전 모드는 값에 따라 결정된다. 만일 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합 이상의 풍력발전 최대 전력()을 생산하면, 풍력발전(풍력터빈) 유니트로부터 남아 있는 전력은 흡수되고, 는 인버터 모드(INV)에서 드룹 제어로 운전하는 UG 유니트에 의해 조절된다. 그 외에는, 만일 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합보다 더 작은 전력을 생산하면, 부족 전력이 커버되고 는 컨버터 모드(CON)에서 드룹 제어로 운전하는 UG 유니트에 의해 조절된다.
< 케이스 3: < 인 경우 >
DCMG 시스템은 독립 모드로 작동하고, 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합보다 더 작은 풍력발전 최대 전력()을 도출하기 위해 풍력발전(풍력터빈) 유니트는 MPPT 모드로 운전한다. 이 경우에, 는 의 값에 따라 배터리 유니트에 의해 조절된다. 만일 가 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력 이상의 전력을 공급할 수 있다면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 배터리 유니트는 를 조절한다. 그 외에는, 만일 가 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력보다 더 작은 전력을 생산하면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스로 공급함으로써 배터리 유니트는 를 조절한다.
< 케이스 4: < 인 경우 >
이 경우에 있어서, DCMG 시스템이 작동하고, 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 운전하는 것은 케이스 3과 동일하다. 이 경우에, 와 의 합계 전력에 따라 는 EV 유니트에 의해 조절된다. 만일 와 의 합계 전력이 부하 전력() 이상이고 남아 있는 전력이 전기자동차 최대 전력(보다 작으면, 배터리 충전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 EV 유니트는 를 조절한다. 그 외에는, 만일 와 의 합계 전력이 부하 전력()보다 더 작은 전력을 생산하면, 배터리 방전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스로 공급함으로써 EV 유니트는 를 조절한다.
< 케이스 5: 인 경우 >
만일 DC 링크(버스) 전압()이 아래로 더욱 감소되면, 이러한 중대 국면에서 DCMG 시스템이 붕괴되는 것을 방지하기 위한 최종 해결책으로서 부하 관리 시스템(Load Management System)(도 2 참조)에 의해 부하 차단(load shedding)이 사용된다. 본 발명에서의 부하 우선 순위에 기초하여 가 에 도달할 때 부하 차단은 자동으로 작동된다. 다른 한편으로, 시스템이 정상으로 복귀되면, 부하 재연결(Load Reconnecting) 알고리즘이 차단된 부하를 연결하도록 실행된다. 이에 따라 DCMG 시스템의 신뢰도를 향상시키게 된다. 본 발명에서 부하 재연결 알고리즘은 부하 우선 순위에 따라 가 로 복구될 때 자동으로 실행된다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템의 낮은 DG 전력 및 독립 모드 운전 하에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 시뮬레이션은 본 발명에 따른 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템이 낮은 분산 발전(DG) 전력으로 독립 모드 운전의 비상 상태에서 운전할 때, 본 발명에서의 제어의 강건함을 입증하기 위한 것이다.
시스템은 DG 전력이 부하 수요량보다 더 적고 남아 있는 전력은 ESS 및 EV 유니트에 의해 커버되는 조건으로 운전이 시작되었다.
ESS가 낮은 SOC(state of charge) 상태로 된 이후, ESS는 전력을 DCMG 시스템으로 자동으로 공급하기 위해 동작이 정지되고, EV는 전력 부족을 극복하기 위해 더 많은 전력을 공급한다.
하지만, DCMG 시스템이 전력 부족으로 인해 부하 요구량을 공급할 수 없다면, DC 버스 전압은 계속해서 감소하고 DCMG 시스템을 트리거(trigger)하여 가장 낮은 우선순위 부하를 차단한다. 그 결과, DCMG 시스템은 과부하로부터 시스템을 보호할 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템은 드룹 제어에서 야기되는 DC 버스 전압의 편차 문제를 극복하기 위해, 제어기에 제1 제어부 외에 별도의 제2 제어부를 구현하여 제2 제어부에 의해 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 복원함으로써, DCMG는 부하에 공급되는 전력의 품질을 유지할 수 있고, DCMG의 전력 공유 정확도도 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템은 비중앙(decentralized) 제어 방식을 기반으로 하고 있어 시스템 하드웨어 설치의 어려움을 해소할 수 있고, 시스템 구축의 총 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 제1 제어부 120: 제2 제어부
201: 유틸리티 그리드 유니트 202: 배터리 유니트
203: EV(electric vehicle) 유니트 204: 풍력발전(풍력터빈) 유니트
205: 부하 유니트 206: DC 버스
210: 3상 양방향 AC/DC 컨버터 220: 제1 양방향 DC/DC 컨버터
230: 제2 양방향 DC/DC 컨버터 240: 3상 단방향 AC/DC 컨버터
250: 중앙 제어기

Claims (5)

  1. DC 버스와 유틸리티 그리드(utility grid; UG) 유니트를 연결하며, 유틸리티 그리드 유니트로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하거나, DC 버스로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 유틸리티 그리드 유니트로 제공하는 3상 양방향 AC/DC 컨버터와;
    DC 버스와 배터리 유니트를 연결하며, 배터리 유니트로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하거나, DC 버스로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 배터리 유니트로 제공하는 제1 양방향 DC/DC 컨버터와;
    DC 버스와 EV(electric vehicle) 유니트를 연결하며, EV 유니트로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하거나, DC 버스로부터의 DC 전원을 다른 값의 DC 전원으로 변환하여 EV 유니트로 제공하는 제2 양방향 DC/DC 컨버터와;
    DC 버스와 분산 발전 유니트를 연결하며, 분산 발전 유니트로부터의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 DC 버스로 제공하는 3상 단방향 AC/DC 컨버터; 및
    상기 3상 양방향 AC/DC 컨버터, 제1, 제2 양방향 DC/DC 컨버터, 3상 단방향 AC/DC 컨버터의 상태 체크 및 동작을 각각 제어하고, DC 버스 전압과 각 유니트의전력 간의 상관관계를 바탕으로 각 유니트의 전력의 증가 및 감소와 부하의 연결 또는 차단을 제어하는 중앙 제어기를 포함하고,
    상기 중앙 제어기는 DC 버스 전압의 변화에 대응하여 각 유니트 간의 전력공유 및 전력균형을 이루기 위해 각 유니트의 전력을 증가, 감소, 또는 일정하게 유지하도록 제어하는 제1 제어와, 상기 제1 제어에 의해 야기되는 DC 버스의 전압 편차를 공칭 전압으로 자율복원하는 제2 제어를 수행하며,
    상기 중앙 제어기에 의해 상기 제1 제어 및 제2 제어를 수행함에 있어서, 상기 각 유니트의 변화에 대한 운전 모드를 결정하기 위한 보조 변수()가 채용되며,
    상기 보조 변수 가 ＜ ＜ 인 경우,
    DCMG 시스템이 잉여 전력으로 야기된 과전압 상태로 되는 것을 방지하기 위해, 상기 분산 발전 유니트로서의 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 전압 드룹 제어 모드(voltage droop control mode; VDCM)로 운전하여 자신의 전력 발전을 조정함으로써 DC 버스 전압()을 조절하도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 분산 발전 유니트를 연결하는 상기 3상 단방향 AC/DC 컨버터를 제어하고,
    상기 보조 변수 가 ＜ ＜ 인 경우,
    풍력발전(풍력터빈) 최대 전력()이 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력 이상의 전력을 공급하면, 배터리 충전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 배터리 유니트가 를 조절하고, 가 부하 전력()과 전기자동차 최대 전력(의 합계 전력보다 더 작은 전력을 공급하면, 배터리 방전에 의한 배터리 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스로 공급함으로써 배터리 유니트가 를 조절하도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 배터리 유니트를 연결하는 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터를 제어하며,
    상기 가 인 경우(DC 버스 전압()이 아래로 감소되는 경우),
    DCMG 시스템이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 부하 관리 시스템(Load Management System)에 의해 부하 우선 순위에 기초하여 가 에 도달할 때 부하 차단이 자동으로 작동되고, 시스템이 정상으로 복귀되면, 부하 재연결(Load Reconnecting) 알고리즘이 차단된 부하를 연결하도록 부하 우선 순위에 따라 가 로 복구될 때 자동으로 실행되는 것을 특징으로 하는 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보조 변수 가 ＜ ＜ 인 경우,
    상기 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합 이상의 풍력발전 최대 전력()을 생산하면, 는 인버터 모드(INV)에서 드룹 제어로 운전하는 상기 UG 유니트에 의해 조절되고, 풍력발전(풍력터빈) 유니트가 부하 전력(), 배터리 최대 전력() 및 전기자동차 최대 전력(을 위해 필요한 전력의 총합보다 더 작은 전력을 생산하면, 는 컨버터 모드(CON)에서 드룹 제어로 운전하는 UG 유니트에 의해 조절되도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 UG 유니트를 연결하는 상기 3상 양방향 AC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조 변수
    Figure 112023102773672-pat00272
    가
    Figure 112023102773672-pat00273
    ＜
    Figure 112023102773672-pat00274
    ＜
    Figure 112023102773672-pat00275
    인 경우,
    풍력발전(풍력터빈) 최대 전력()과 배터리 최대 전력()의 합계 전력이 부하 전력() 이상이고 남아 있는 전력이 전기자동차 최대 전력(보다 작으면, 배터리 충전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 남아 있는 전력을 흡수함으로써 EV 유니트가 를 조절하고, 와 의 합계 전력이 부하 전력()보다 더 작은 전력을 생산하면, 배터리 방전에 의한 EV 전압 드룹 제어 모드() 운전으로 더 많은 전력을 DC 버스로 공급함으로써 EV 유니트가 를 조절하도록 상기 중앙 제어기는 DC 버스와 EV(electric vehicle) 유니트를 연결하는 상기 제2 양방향 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 DC 버스 전압의 자율복원 능력을 갖는 DCMG의 비중앙 드룹 제어 시스템.
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