KR20190098250A - 상이한 유형들의 다중 생산 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드들에 대한 제어 시스템 및 이의 제어 방법(control system for microgrids for the production and distribution of electric power coming from multiple production sources of different types, and control method thereof) - Google Patents
상이한 유형들의 다중 생산 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드들에 대한 제어 시스템 및 이의 제어 방법(control system for microgrids for the production and distribution of electric power coming from multiple production sources of different types, and control method thereof) Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 간헐적 및/또는 무작위, 및/또는 프로그램가능 및/또는 축적-시스템 유형의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드에 대한 제어 시스템이 기술되며,
상기 마이크로그리드 제어 시스템은 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 전력 변환 시스템들에 대한 제 1 제어 레벨, 및 상기 제 1 제어 레벨과 협동하도록 적응되는 마이크로그리드 제어기(MC)에 대한 제 2 제어 레벨을 포함하는 2가지 레벨의 계층적 제어 구조로 구성되고, 상기 제 2 제어 레벨은 전력이 분배 네트워크에 공급되도록 제어하거나(온-그리드 조건) 그리고/또는 고립 부하(isolated load)들에 전력을 공급하기 위한 주 발전원(primary generation)으로서 전원이 공급되도록 제어하거나(오프-그리드 조건) 그리고/또는 지능형 분배 전력 축적 시스템들을 제어하도록 적응되고,
상기 마이크로 제어기(MC)에 대한 상기 제 2 제어 레벨은:
상기 제어 시스템에 의해 생성되는 물리적 신호들로 인터페이싱(interface)하도록, 그리고 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상의 그리고 상기 마이크로그리드 상의 동작들을 수행하도록 적응되는 모니터링 시스템(MON);
제어 시스템의 상태들 및 측정값들을 입력들에서 수신하고 그리고 상기 모니터링 시스템이 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상에 작동하는 설정 포인트들 및 파라미터들을 제공하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 전력 흐름들을 관리하도록 하는 제어 기능(control function, FC) 시스템;
상기 모니터링 시스템(MON) 및 상기 제어 기능(FC)과 협동하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 동작 조건들을 제어하고 그리고 상기 조건들에 기초하여 어떠한 제어 기능(FC)들이 활성화되는지 결정하는 상태 머신(state machine, MAS);
을 포함하고,
전력 변환 시스템들(PCS)의 상기 제 1 제어 레벨은 상기 마이크로그리드에 의해 생성되는 전압(V), 주파수(f), 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 값들을 제어하도록 적응되고, 그리고 상기 제 1 제어 레벨은:
상기 유효 및 무효 전력의 값들(P0 및 Q0)로 작동하도록 적응되어, 제 1 드룹 곡선들에 기초하여 각각 주파수 및 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 설정 포인트값들로 이들을 유지하도록 하는, 상기 온-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템(droop control system);
상기 전압(V) 및 주파수(f)의 값들로 동작하도록 적응되어, 제 2 드룹 곡선들에 기초하여 설정 포인트값들(fref 및 Vref)로 이들을 유지하도록 하는, 상기 오프-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템;
을 포함한다.
상기 마이크로그리드 제어 시스템은 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 전력 변환 시스템들에 대한 제 1 제어 레벨, 및 상기 제 1 제어 레벨과 협동하도록 적응되는 마이크로그리드 제어기(MC)에 대한 제 2 제어 레벨을 포함하는 2가지 레벨의 계층적 제어 구조로 구성되고, 상기 제 2 제어 레벨은 전력이 분배 네트워크에 공급되도록 제어하거나(온-그리드 조건) 그리고/또는 고립 부하(isolated load)들에 전력을 공급하기 위한 주 발전원(primary generation)으로서 전원이 공급되도록 제어하거나(오프-그리드 조건) 그리고/또는 지능형 분배 전력 축적 시스템들을 제어하도록 적응되고,
상기 마이크로 제어기(MC)에 대한 상기 제 2 제어 레벨은:
상기 제어 시스템에 의해 생성되는 물리적 신호들로 인터페이싱(interface)하도록, 그리고 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상의 그리고 상기 마이크로그리드 상의 동작들을 수행하도록 적응되는 모니터링 시스템(MON);
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을 포함하고,
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을 포함한다.
Description
본 발명은 분배 네트워크에 연결되거나 또는 고립되는, 상이한 유형들의 다중 생산 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드들에 대한 제어 시스템, 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의해 다루어지며 그리고 해결되는 주요한 기술적 문제점은 상이한 유형들의 다중 생산 공급원들로부터 나오는 전력을 생성하기 위한 시스템들을 포함하는, 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드들의 제어이며, 상이한 유형들의 다중 생산 공급원들은 무작위의 재생가능 공급원들, 연료-작동식 발전기 시스템들(디젤 발전기 세트들) 및 축적 시스템들이며, 이들은 고립되거나 또는 분배 네트워크들에 연결되며(이들은 인터럽션(interruption)들, 블랙-아웃(black-out), 안정성 문제들을 겪을 수 있음) 그리고 기존의 컴포넌트들(일반적으로 연료-작동식 발전기들) 및 새로운 컴포넌트들(일반적으로 재생가능 에너지 발전기들, 축적 시스템들 및 그리드 제어기)를 포함한다.
분배 네트워크는 예를 들어 인터럽션 중이거나 또는 이것이 특히 약한 경우(낮은 단락-회로 전력), 균형 노드(balance node)로 작동하지 못할 수도 있다.
균형 노드는 네트워크에서 생성되고 그리고 흡수되는 유효 및 무효 전력이 균형을 이루는 전기 네트워크의 노드이다. 균형 노드에서, 전압(V) 및 주파수(f)가 인가되는 반면, 전력 및 전류는 네트워크의 다양한 분기들에서의 순시 전력 및 전류 값들에 따르게 된다. 네트워크에서의 임의의 유효 및 무효 전력 불균형은 이들의 공칭값(nominal value)으로부터의 전압 및 주파수에서의 변동들로 변환되게 된다.
따라서, 시스템의 안정성을 보존하기 위해, 균형 노드에서 흡수되거나 또는 생성되는 유효 및 무효 전력이 네트워크에서의 전압 및 주파수를 조정하도록 정확하고 빠른 방식으로 제어되는 것이 필요하다.
재생가능 에너지 발전기들은 이들의 출력 전력에 대한 제어를 보장하지 못하며, 이는 이들이 주 공급원의 불확실성을 따르기 때문이다. 연료-작동식 발전기들은 재생가능 에너지 발전기들 및 부화들의 전력 변동들에 대해 부분적으로 보상할 수 있지만, 그러나 이들은 다양한 제한(이들은 전력을 흡수하지 못하고, 이들의 반응 시간들은 일반적으로 주파수 및 전압 조정 역학관계(frequency and voltage adjustment dynamics)에 비해 느리며, 그리고 출력 전력 조정 범위에 대한 기술적 한계들이 존재함(최소 작동 전력, 최대 과부하, …)에 종속된다. 축적 시스템들은 두 가지의 가능한 기능들:
- 재생가능 공급원들 및 부하들로 인한 전력 변동성들을 보상하기 위해 양성 또는 음성 조정가능한 부하로 작동함.
- 즉각적으로 그리드 전력 균형을 유지하며 그리고 주파수 및 전압을 조정하는, 균형 노드로 작동함.
을 가지는 이러한 종류의 마이크로그리드 내로 통합된다.
마이크로그리드 제어기는 전력 흐름을 처리하고 그리고 시스템의 안정성을 보정하기 위해 사용된다: 이는 그리드의 다양한 포인트들에서 전기적 양(electric quantity)들을 측정하고, 다양한 연결된 디바이스들의 상태에 관한 정보를 수신하고, 그리고 축적 시스템 및 발전기들의 전력 설정 포인트들을 설정한다. 로터리 발전기(rotary generator)들 또는 인버터(inverter)들과 같은 디바이스들은, 적합한 모드들에서 제어되는 경우, 드룹(droop)(이는 이하에서 정의될 것임)을 구비하고, 다른 균형 노드들에 병렬적인 균형 노드들로서 작동할 수 있다.
다중 균형 노드들을 이용하는 것의 가능성은:
- 유연한 구성을 가져, 몇몇의 컴포넌트들이 네트워크의 안정성을 해치지 않으면서 동작 한계들에 종속되거나 또는 작동 중지될 수 있음;
- 균형 노드들로 작동하는 컴포넌트들의 크기를 줄이며, 이는 사실상 피크 전력 및 에너지 보전 요구사항들이 다양한 활성 균형 노드들 사이로 나누어지 때문임; 및
- 네트워크의 안정성을 향상시키며, 이는 균형 노드로 작동하는 컴포넌트에서 결합이 발생하는 경우, 동일한 기능이 다른 시스템들에 의해 수행될 수 있기 때문임;
을 허용한다.
마이크로그리드 제어 시스템들은 본 기술분야에 공지되어 있다.
가장 진보한 특징들을 가지는 공지된 시스템은 예를 들어 J.C Vasques 등에 의한 논문 “Hierarchical Control of Intelligent Microgrids”(December 2010, IEEE Industrial Electronic Magazine, pages 23-29)에 설명되는 소위 계층적 구조를 가지는 것이며, 이는:
- 다중 균형 노드들이 디젤 발전기들 및 드룹 구성에서의 다중 인버터들을 포함함. 그 자체가 공지된, 드룹 제어 모드에서, 인버터들은 전압-무효전력(V-Q) 와 주파수-유효 전력(f-P)의 사이의 선형 관계들에 따른 인가된 전압으로 제어된다. 드룹 모드에서 제어되는 인버터들은 균형 노드들로 작동하고, 공급되는 무효 및 유효 전력의 함수로서 출력 전압 및 주파수를 변조하고(modulate), 그리고 네트워크에 부과되는 전력 변화들(부하 증가(load step)들, 발전기들의 스위치 오프, 전력 변동들 등)에 즉각적으로 응답한다;
- 균형 노드들로 작동하지 않는 유닛들에 대한 시작/중단 설정 포인트들 및 전력을 정의하는 마이크로그리드 제어기
- 그 결과는 주파수 및 전압 조정을 구비하는 진보한 분배 네트워크들의 공지된 조정 구조를 반영하는, 다중 균형 노드들을 가지는 마이크로그리드임;
을 특징으로 한다.
계층적 구조를 구현하기 위해, 균형 노드들로 작동하는 컴포넌트들(인버터들 및 때로는 발전기들)은 호환가능한 조정 특성들(다이나믹스 및 드룹)을 가지도록 설계되어, 조정하는 전력의 설계 부분을 획득하게 한다. 그리드의 기초적인 부분은 또한 마이크로그리드 제어기와 마이크로그리드의 주요 컴포넌트들 사이의 통신 네트워크이고, 이는 다양한 유닛들의 시작/중단 파라미터들 및 설정 포인트들을 정의한다.
상술한 공지된 계층적 구성은 모든 조정 컴포넌트들이 마이크로그리드에서 작동하도록 특별히 구축되는 제어 특성들을 가지거나 또는 적어도 설계 단계에서 알려지는 경우에 올바르게 작동한다. 그러나, 이러한 구성은 마이크로그리드가 하나 이상의 이미 설치된 발전 시스템들에서부터 시작하여 구축되어야 하는 경우에 적용될 수 없으며, 이는 하나 이상의 다음과 같은 제한사항들:
- 알려지지 않고 그리고 수정할 수 없는 조정 특성들(드룹 및 다이나믹스);
- 작동 모드 제한사항들(섬형 구성(islanded configuration) 또는 네트워크 병렬 구성에서만 작동가능한); 및
- 마이크로그리드 제어기와 통신할 수 있는 가능성이 없음;
을 가질 수 있다.
따라서, 모든 상술한 문제들을 극복하기 위한 목적으로, 분배 네트워크에 연결되거나 또는 고립되는, 상이한 유형들의 다중 생산 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드들의 제어 시스템 및 이의 제어 방법을 제안하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명은 상이한 유형들의 다중 생산 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드 제어 시스템에 관한 것으로, 이는 다음과 같은 주요 특징들을 가진다.
제어 시스템은 통합 및 다중-레벨 유형이며, 각각의 축적 시스템 및 각각 전력 공급원에 전용인 전력 변환 시스템들의 제어기들 및 마이크로그리드 제어기를 포함한다.
전력 변환 시스템 제어기들은:
- 외부로부터 활성화 또는 비활성화될 수 있는 상이한 작동 모드들을 가짐;
- 모든 조정량(드룹들, 다이나믹스 등)들이 외부로부터 조정가능하고 파라미터화 됨;
- 네트워크 불안전성을 초래할 수 있는 임의의 급격한 과도 상태(transient)들이 없이 상이한 동작 모드들 간의 변환들을 제어하는 알고리즘 들을 구현하는 소프트웨어 프로그램들을 포함함. 따라서, 이는 단일 노드에서부터 다른 균형노드들에 병렬인 균형 노드들까지 또는 능동 또는 수동 부하까지, 네트워크에 연결되는 상이한 발전기들 및 축적 시스템들의 역할을 동적으로 변화시킬 수 있다.
마이크로 제어기는:
- 부하 예측 알고리즘들을 구현하는 소프트웨어 프로그램들을 포함함;
로컬 측정값들 및/또는 외부 정보에 기초하여 재생가능 공급원들의 생산성을 예측하기 위한 알고리즘들을 구현하는 소프트웨어 프로그램들을 포함함;
- 항시 마이크로그리드의 안정성을 보장하기 위해 필요한 “업 스피닝 리저브(up spinning reserve)” 및 “다운 스피닝 리저브(down spinning reserve)”를 계산 한다.
용어 “업 스피닝 리저브”는 요구 전력에서의 빠른 증가(예를 들어, 부하 증가, 발전기의 전력 변동 또는 스위치 오프)에 따른 부하와 발전 사이의 균형을 유지하기 위해 그리드에서 즉시 가용한 유효 전력을 지칭한다. “업 스피닝 리저브”는 일반적으로 연결되고 활성화되는 발전기들 및 축적시스템들의 최대 전력(임의의 활성화 및 동기화 지연들이 없이 즉시 가용한 최대 전력)과 부하 전력(마이크로그리드에 존재하나 부하에 공급하기 위해 “보존(reserved)”되는 발전 전력) 사이의 차이로 계산된다.
용어 “다운 스피닝 리저브”는 요구 전력에서의 빠른 감소(예를 들어, 부하 감소, 개방 선, …)에 따른 부하 및 발전 사이의 균형을 유지하기 위해 마이크로그리드에서 즉시 가용한 유효 전력을 지칭한다. “다운 스피닝 리저브”는 일반적으로 연결되고 활성화되는 발전기들 및 축적 시스템들의 최소 전력(예를 들어, 발전기들의 최소 오프 시간들로 인한 임의의 지연없이 즉시 도달될 수 있는, 최소 전력(음일 수도 있음))과 부하에 공급하는데 현재 사용되는 발전기들 및 축적 시스템들의 전력 사이의 차이에 의해 계산된다.
- 어떠한 유닛들이 켜지거나 꺼져야 하는지 그리고 다양한 발전소들의 설정 포인트를 정의하기 위해 계산(디스패치(dispatch) 계산들, 제 1, 제 2, 및 제 3 주파수 조정들, 보전 관리, 전력 흐름 최적화)하는 소프트웨어 프로그램들을 포함함. 용어 “디스패치 계산들”은 네트워크의 생산 계획, 즉 어떠한 발전기들이 활성화될 것인지와 이의 전력 프로파일(power profile)을 정의하기 위해 이루어지는 계산들을 지칭한다.
- 마이크로그리드 제어기와 통신하는 유닛들에 대한 직접 제어 및 통신할 수 없는 연결된 유닛들의 출력 전력에 대한 간접 제어를 획득하기 위해, 통신할 수 있는 이들 컴포넌트들에 배타적으로 전송되는 설정 포인트들, 파라미터들 및 명령들로 “디스패치 계산들”의 결과를 변환 한다.
상술한 최적화 계산들의 결과는 임의의 주어진 시간에 가장 적절한 발전기들에 대한 마이크로그리드의 균형 노드들의 동적 할당이다.
본 발명은 간헐적(intermittent) 및/또는 무작위, 및/또는 프로그램가능(programmable) 및/또는 축적-시스템 유형의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드에 대한 제어 시스템에 관련되고,
상기 마이크로그리드 제어 시스템은 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 전력 변환 시스템들(power conversion system, PCS)에 대한 제 1 제어 레벨(first control level), 및 상기 제 1 제어 레벨과 협동하도록 적응되는 마이크로그리드 제어기(MC)에 대한 제 2 제어 레벨을 포함하는 2가지 레벨의 계층적 제어 구조로 구성되고, 상기 제 2 제어 레벨은 상기 전력이 분배 네트워크에 공급되도록 제어하거나(온-그리드 조건(on-grid condition)) 그리고/또는 고립 부하(isolated load)들에 전력을 공급하기 위한 주 발전원(primary generation)으로서 전력이 공급되도록 제어하거나(오프-그리드 조건(off-grid condition)) 그리고/또는 지능형 분배 전력 축적 시스템(intelligent distributed electric power accumulation system)들을 제어하도록 적응되고,
상기 마이크로 제어기(MC)에 대한 상기 제 2 제어 레벨은:
상기 제어 시스템에 의해 생성되는 물리적 신호들로 인터페이싱(interface)하도록, 그리고 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상의 그리고 상기 마이크로그리드 상의 동작들을 수행하도록 적응되는 모니터링 시스템(MON);
제어 시스템의 상태들 및 측정값(measurement)들을 입력들에서 수신하고 그리고 상기 모니터링 시스템이 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상에 작동하는 설정 포인트(set point)들 및 파라미터들을 제공하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 전력 흐름들을 관리하도록 하는 제어 기능(control function, FC) 시스템;
상기 모니터링 시스템(MON) 및 상기 제어 기능(FC)과 협동하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 동작 조건들을 제어하고 그리고 상기 조건들에 기초하여 어떠한 제어 기능(FC)들이 활성화되는지 결정하는 상태 머신(state machine, MAS);
을 포함하고,
전력 변환 시스템들(PCS)의 상기 제 1 제어 레벨은 상기 전력 변환 시스템들에 의해 생성되는 전압(V), 주파수(f), 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 값들을 제어하도록 적응되고, 그리고 상기 제 1 제어 레벨은:
상기 유효 및 무효 전력의 값들(P0 및 Q0)로 작동하도록 적응되어, 제 1 드룹 곡선(first droop curve)들에 기초하여 각각 주파수 및 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 설정 포인트값들로 이들을 유지하도록 하는, 상기 온-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템(droop control system);
상기 전압(V) 및 주파수(f)의 값들로 동작하도록 적응되어, 제 2 드룹 곡선들에 기초하여 설정 포인트값들(fref 및 Vref)로 이들을 유지하도록 하는, 상기 오프-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템;
을 포함한다.
본 발명은 또한 간헐적(intermittent) 및/또는 무작위 및/또는 프로그램가능(programmable) 및/또는 축적-시스템 유형의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드(microgrid)에 대한 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 상기 제어 시스템을 포함하는 마이크로그리드에 추가적으로 관련된 것이다.
분배 네트워크에 연결되거나 또는 고립되는, 상이한 유형들의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 제어 시스템 및 이의 제어 방법 뿐만 아니라 상기 시스템을 포함하는 마이크로그리드를 제공하는 것이 본 발명의 특정 목표이며, 이는 본 명세서에 통합되는 부분인, 청구항들에서 추가로 설명될 것이다.
본 발명의 추가적인 목적들 및 장점들은 비-제한적 예시의 방식으로만 제공되는, 첨부된 도면들을 참조하여 이의 바람직한 실시예(및 변형들)에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 시스템의 마이크로그리드 제어기(MC)의 소프트웨어 구조에 대한 매크로블록들의 다이어그램이다.
도 3은 제어 기능들(FC)의 자동화 관리(OADP)를 위한 알고리즘의 소프트웨어 구조에 대한 매크로블록들의 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템들(PCS)을 위한 제어기를 포함하는, 마이크로그리드의 일부분의 하드웨어 구조의 일 예시에 대한 블록 다이어그램이다.
도 5, 6 및 7은 각각 기본적인 온-그리드 및 오프-그리드 드룹 제어 기능들에 대한 다이어그램들을 도시한다.
도면들에서, 동일한 참조번호들 및 문자들은 동일한 항목들 또는 구성요소들을 식별한다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 시스템의 마이크로그리드 제어기(MC)의 소프트웨어 구조에 대한 매크로블록들의 다이어그램이다.
도 3은 제어 기능들(FC)의 자동화 관리(OADP)를 위한 알고리즘의 소프트웨어 구조에 대한 매크로블록들의 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템들(PCS)을 위한 제어기를 포함하는, 마이크로그리드의 일부분의 하드웨어 구조의 일 예시에 대한 블록 다이어그램이다.
도 5, 6 및 7은 각각 기본적인 온-그리드 및 오프-그리드 드룹 제어 기능들에 대한 다이어그램들을 도시한다.
도면들에서, 동일한 참조번호들 및 문자들은 동일한 항목들 또는 구성요소들을 식별한다.
본 발명의 시스템은 실질적으로 두가지 모드:
- 오프그리드(off-grid)(고립된 마이크로그리드의 부하들을 공급하기 위한 그리드); 또는
- 온그리드(on-grid)(즉, 재생가능 시스템(renewable system)들을 통합하고 그리고 마이크로그리드에 연결되는 진보한 분배 네트워크에 대한 네트워크 서비스들을 제공하기 위한 그리드);
로 동작할 수 있는 마이크로그리드를 생성하는 것을 허용한다.
마이크로그리드는 부하들 또는 네트워크를 향한 상호연결 지점에 임의의 전압 강하(dip)들(부족, 중단)을 생성하지 않고, 오프그리드 및 온그리드 모드들 간에 즉각적인 전환을 할 수도 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 시스템은 전력 공급원들 및 축적 시스템들의 전환 및 제어 하드웨어 컴포넌트들(예를 들어, 인버터들, PLC 제어기들, …), 및 제어가능한 발전 시스템 및 축적 시스템들이 마이크로그리드들 내로 무작위 재상가능한 공급원들의 통합을 가능하게 하는, 하나의 시스템으로 관리되도록 허용하는 알고리즘들을 구현하는 소프트웨어 컴포넌트들을 포함한다.
특히, 시스템 입력들은 필수적으로 간헐적, 무작위, 프로그램가능 및 축적 시스템 유형인, 상이한 유형의 전력 공급원으로부터 나오는 전기 에너지를 포함한다. 몇몇의 예시는 태양광(solar photovoltaic)(1), 풍력(2), 열(3)(디젤 엔진들, 가스 터빈들), 수소(4), 전지들(5), 수력(hydroelectric)이다.
마이크로그리드는 상기 무작위, 프로그램가능 및 축적 시스템 공급원이 적합한 DC/AC 및 DC/DC 변환 시스템들을 거쳐 DC 버스 및 AC 버스 둘 다를 통해 연결될 수 있는, 유연한 구조를 가진다. DC 또는 AC 인터페이스들을 가지는 기존 시스템들 및 상이한 출력 전압 레벨들을 가지는 시스템들은 이러한 유연하고 모듈화된 구조 내에 통합될 수 있다.
마이크로그리드에서 요구되는 모듈성을 제공하는, 제어 시스템의 구조는 이미 언급한 바와 같이 적어도 2 레벨들(축적 시스템들 및 전력 공급원들의 전력 변환 시스템들(PCS)의 제어기들, 및 더 높은 계층 레벨 상의 마이크로그리드 제어기(MC))의 계층적 유형이다.
전력 변환 시스템들(PCS)의 제어기는:
- 외부로부터 활성화되거나 불활성화될 수 있는 상이한 작동 모드들을 가짐;
- 모든 조정량(드룹, 다이나믹스 등)들이 외부로부터 조정되고 그리고 파라미터화 됨;
- 네트워크 불안정성을 초래할 수 있는 급격한 외부 변동들을 생성하지 않고, 조정량들에서의 변동들에 의해 발생하는 과도 상태들과 상이한 작동 모드들 사이의 변환들을 제어하는 알고리즘 들을 구현하는 소프트웨어 프로그램들을 포함한다.
마이크로그리드 제어기(MC)는:
- 부하 예측 알고리즘들을 구현하는 소프트웨어 프로그램들을 포함함;
- 로컬 측정값들 및/또는 외부 정보에 기초하여 재생가능 공급원들의 생산성을 예측하는 알고리즘들을 구현하는 소프트웨어 프로그램을 포함함;
- 상술한 바와 같이 정의되는 상기 “업 스피닝 리저브” 및 “다운 스피닝 리저브”를 계산함 ;
-어떠한 유닛들이 켜지거나 또는 꺼져야 하는지 그리고 다양한 발전소들의 설정 포인트를 정의하기 위해 계산(디스패치 계산들, 제 1, 제 2, 및 제 3 주파수 조정들, 보전 관리, 전력 흐름 최적화)하는 소프트웨어 프로그램들을 포함함. 용어 “디스패치 계산들”은 네트워크의 생산 계획, 즉 어떠한 발전기들이 활성화될 것인지와 이의 전력 프로파일(power profile)을 정의하기 위해 이루어지는 계산들을 지칭한다.
- 통신할 수 없는 연결된 유닛들의 출력 전력에 대한 간접 제어를 또한 획득하기 위해, 통신할 수 있는 이들 컴포넌트들에 배타적으로 전송되는 설정 포인트들, 파라미터들 및 명령들로 “디스패치 계산들”의 결과를 변환 한다.
또한, 마이크로 제어기(MC)는 SCADA 시스템의 더 높은 제어로 인터페이싱하여, 마이크로 제어기(MC)가 SCADA 시스템으로부터 마이크로그리드로부터 필요한 작동 모드들에 관한 지시들을 수신하고, 그리고 마이크로 제어기(MC)가 SCADA 시스템으로 마이크로그리드의 모든 관련 양들을 전송할 수 있다.
마이크로그리드 제어기(MC)는 분산 네트워크에 연결되거나(상기 온-그리드 모드에서) 또는 고립되거나(상기 오프-그리드 모드) 또는 지능형 및 분산형 축적 시스템들(ACC)에 연결되는, 마이크로그리드의 동작을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 시스템의 특유한 특징은 전력 변환 시스템들( PCS )(이하에서 설명되는 바와 같은, “드룹” 알고리즘들)의 제어기들에 대한 그리고 마이크로그리드 제어기( MC )(이하에서 설명되는 바와 같은, 동적 우선 할당을 가지는 최적화인, “OPDP” 알고리즘)에 대한 특정 제어 알고리즘들을 구현하는 소프트웨어 프로그램들의 통합된 사용이고, 그리고 상기 마이크로그리드 제어기( MC ) 및 력 변환 시스템들( PCS )의 제어기들로 구성되는 모듈형 및 계층적 하드웨어 및 소프트웨어 구조내로 이들의 통합이다.
통합된 사용은 제어 알고리즘들, 특히 상기 “드룹” 및 “OADP” 알고리즘들에서의 모든 기능성들을 활성화하는데 필요하다.
이하의 단락들은 본 발명에 따른 시스템의 가장 중요한 컴포넌트들인 이들 엘리먼트들의 특성들을 설명할 것이다.
1. 마이크로그리드 제어기 - MC
1.1. 마이크로그리드 제어기(MC)의 하드웨어 구조(HW)
마이크로그리드 제어기는 마이크로그리드의 다양한 분기들에서의 전력 흐름들 및 시스템 컴포넌트들의 작동 모드들을 제어하는, 그 자체로(per se) 알려진 하드웨어 구조를 가지는, PLC 기술에 기반한 제어기이다. 원칙적으로, MC는 다음을 특징으로 한다:
- 일반적으로 마스터-슬레이브 구성을 가지는, 마이크로그리드 구조에 적응하기 위한 모듈식이고 유연한 아키텍처(여기서 마스터 유닛은 운영 장소(operator station)에 근접하여 위치하고 그리고 슬레이브 유닛들은 마이크로그리드 서브시스템들(축적 서브시스템들, 광발전 서브시스템들, …)에 위치함)
- 시스템의 물리적으로 분리된 부분들을 모니터링하고 제어하기 위한 원격 I/O 유닛들을 비편재화(delocalizing)의 가능;
-
전기적 및 물리적 양들(전류, 전압, 전력, 온도, 풍속, 조사(irradiation))을 모니터링하기 위한 상이한 유형들의 센서들을 통합의 가능;
-
시스템을 모니터링하고 제어하기 위한 운영자 인터페이스(HMI);
독립형 모드 또는 더 높은 레벨의 제어 시스템들(SCADA)에서의 동작의 가능.
마이크로 제어기(MC)의 컴포넌트(HW)는 예를 들어, 본 출원에 통합된 부분으로 간주되는, 2007년 4월 11일에 출원된 "Sistema di conversione e controllo per impianti di generazione distribuita"("Conversion and control system for distributed power generation plants") 제목의 이탈리아 특허 출원번호 제MI2007A000729호에 기술되는 바와 같이, 실질적으로 공지된 방식으로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하여, MC의 소프트웨어 구조의 매크로블록들이 설명될 것이다.
1.2. MC의 소프트웨어 구조(SW)
구조(SW)는 라이브러리-기반(library-based)이며 그리고 모니터링 시스템(MON), 상태 머신(MAS), 제어 기능들(FC)의 3개의 설계 매크로-영역들로 구성된다.
모니터링 시스템(MON)은 현장 센서들로부터 측정값들을 수신하고, HMI 및 SCADA와 데이터 및 명령들을 교환하고(데이터 로깅 DL을 통해), 그리고 액츄에이터 ATT(정적 또는 전자기계식 제어 디바이스들) 및 서브시스템들(PCS)과 통신한다. 그 자체로 공지된 원격 감시 시스템(SR)이 또한 포함된다.
3개의 매크로-영역들 간의 연결은 다음과 같이 수행된다:
- 모니터링 시스템(MON)이, 측정값들에 그리고 스위치들 및 발전기들의 상태에 기초하여, 변환이 발생하거나 또는 발생하지 않도록 하는 조건들을 상태 머신(MAS)으로 송신한다.
- 상태 머신(MAS)이 상기 상태들에서 실행되는 동작들로부터 유래되는 명령들을 모니터링 시스템(MON)으로 반환한다.
- 상태 머신(MAS)이 모니터링 시스템에서 결정되는 외부 변수들의 조건에 기초하여, 의도되는 동작들에 대해 필요한 제어 기능들을 활성화시키고 비활성화시킨다.
- 제어 기능들(FC)이 서브시스템들에 대한 기준들을 모니터링 시스템(MON)으로 송신하고, 그리고 기능 입력(function input)들로 사용될 피드백을 수신한다.
모니터링 시스템(MON): 마이크로그리드를 구성하는 엘리먼트들 상에 그리고 전력 변환 시스템들 상에 의도되는 동작들을 실행하기 위한 목적으로, 시스템으로부터 나오는 물리적 신호들로 인터페이싱하도록 제어를 허용하는 프로그램 구성 유닛들(UOP)의 세트. 모니터링 시스템에 대해 생성되는 라이브러리는 처리에 필요한 기능들을 구현하며, 상기 처리는 다음과 같다:
- 전력 변환 시스템들에 대한 제어 및 통신;
- 외부 전지 관리 시스템(BMS)에 대한 인터페이스;
- 재생가능 및 비-재생가능 에너지 생성 시스템들의 원격 제어;
- 상태 머신에 대한 조건들을 전환;
- 측정 신호들의 통신 및 관리;
- 제어 기능들의 실행을 위해 필요한 신호들의 컨디셔닝(conditioning);
- 현장 연결들 및 버스들의 통신 루틴들의 관리;
- 제어 신호들 및 설정 포인트들의 통신 및 관리;
- 데이터 로깅에서의 데이터 이력화(historicization);
- 원격 감시 시스템 및 사람-머신 인터페이스(HMI)와의 통신
- 측정값들이 다른 중요한 이벤트들의 비정상 조건들을 검출할때마다 경고 및 알람.
상태 머신(MAS): 이것은 마이크로그리드 구성에 따라 정상적인 상황들에서 시스템의 동작을 처리하는 것을 담당하는 UOP 유닛이다. 이것은 마이크로그리드의 모든 동작 조건들을 제어하며, 그리고 관리 목표를 구현하기 위해, 이러한 조건들에 기초하여, 어떠한 제어 기능들이 활성화되어야 하는지를 결정한다.
이것은 HMI로부터 유지점검(maintenance) 또는 중지 요구에 따라 시스템을 중단시키고 그리고 비상 알람이 트리거링(triggered)되는 경우마다 시스템을 즉시 중지시키는 것을 담당한다.
하나의 상태 머신은 시스템에서 각각의 마스터 또는 슬레이브 제어기에 대해 정의된다.
상태 머신은 상이한 동작 상태들로 구성된다. 동작의 세트는 제어 시스템이 플랜트(plant)로 하여금 해당 특정 상태에서 동작하도록 하는 경우에 수행될, 각각의 상태에 관련된다.
동작이 하나의 상태에서 다음 상태로 스위칭하도록 하는 전환들은 전환을 발생시키도록 하는 조건들의 조합으로 구성되는, 프로그램 구성 유닛들(UOP)로 정의된다.
상태 머신은 MAS가 구조화되는 것에 기초하는 제어 알고리즘 및 시스템의 상태의 함수로서 MC를 활성화시키거나 또는 비활성화시키는, 이하에서 정의될, PCS들의 상이한 동작 모드들을 포함한다.
제어 기능들(FC) : 제어에 의해 수행되는 관리에 기초하여 서브시스템들의 동작을 담당하는 프로그램 구성 유닛들(UOP). 제어 기능들은 입력으로서, 시스템의 상태들 및 측정값들을 수신하며 그리고 출력으로서, 모니터링 시스템(MON)이 PCS들, 로터리 발전기들 및 모든 다른 액츄에이터들에 작동하는 설정 포인트들 및 파라미터들을 제공하여 마이크로그리드에서의 전력 흐름들을 관리하도록 하여, 이로 인해 발전기들이 필요한 경우에 병렬로 동작하도록 허용하면서, 시스템의 적절한 동작 및 안정성을 보장한다.
제어 기능들은 파라미터화되며 그리고 할당된 우선 순위에 따라 이들을 수행하는, 자동화 관리 알고리즘(OADP)에 의해 처리된다.
상기 기능들은 도 3을 참조하여 이제 설명될 것이다.
기능들은 이들이 의도되는 응용에 기초하여 그룹으로 나누어진다. 다음은 결정된 그룹들의 설명이다. 그룹들은 OADP에서 처리되는 우선순위 순서에 따라 표시된다.
-1) 마이크로그리드 장비의 적절한 동작 및 안전 관리(SAFETY)
이 그룹에서, 마이크로그리드 장비를 보호하는 이들의 기능들이 처리된다. 예를 들어, 이 그룹은 프리-안티모니터링(Pre-Antimotoring)(PAM)을 포함한다.
프리-안티모니터링 (PAM ). 발전기 세트들은 일반적으로 교류기로부터 원동기로의 전력 흐름의 반전을 검출하는 보호 디바이스를 구비한다. 반전이 발생하면, 보호 디바이스는 기계의 원동기에 대한 임의의 손상을 방지하기 위해, 발전기 세트를 중지시킬 것이다. 프리-안티모니터링 기능은 발전기 세트에서의 전력 흐름 반전을 방지하여, 발전기로부터 나머지 마이크로그리드로의 최소한의 전력 흐름을 항시 보장한다. PAM 기능에 의해 수행되는 동작들은 빠르게 실행되어야 하고 그리고 높은 우선순위를 가져야 한다. PAM 기능은 또한 마이크로그리드에 연결되는 다른 발전기 세트들의 즉각적인 중지를 요청할 수 있다.
PAM 기능과 유사한 방식으로 동작할 필요가 있는 임의의 기능은 SAFETY 기능의 그룹으로 할당된다.
-2) 마이크로그리드의 순시 전력 흐름들의 관리(BALANCING)
이 그룹에서, 이들의 모든 기능들은 마이크로그리드의 적절한 순시 동작을 보하여, 시스템에서의 전력 품질 및 서비스 연속성을 보장하도록 한다. MC는 마이크로그리드에 연결되는 개별 발전기들의 조정 기능들과 협동한다. 특히, 진보한 제어 알고리즘(즉, 이러한 특정한 경우에 드룹 알고리즘들)을 가지는 PCS들이 마이크로그리드에 연결되는 경우, MC는 스피닝 리저브 관리(the Spinning Reserve Management, SRM) 기능들 및 주파수(FPF) 및 전압(FQV) 주 조정 기능들을 구현한다.
스피닝 리저브 관리 (SRM) . 마이크로그리드에서, 스피닝 리저브는 사용되지 않았지만 전력 흐름 변동들에 대한 직접 응답에 가용한 순시 전력의 총 용량이다. 실제로, 이것은 마이크로그리드 주파수 및 전압 조정에 참여하는 발전기들의 정격 전력에 비교하여, 사용되지 않는 전력이다. 임의의 마이크로그리드 전력 인터럽션들을 방지하기 위해, 예상되는 전력 흐름 변동들에 반응하는데 필요한 스피닝 리저브 레벨을, 항시, 유지하는 것이 필요하다. SRM 기능을 통해, 마이크로그리드 제어기(MC)는 지속적으로 마이크로그리드의 전류 전체 스피닝 리저브를 제어하고 그리고 전류 흐름을 분배하여, 시스템에 의해 요구되는 스피닝 리저브(특히, 상술한 “업 스피닝 리저브” 및 “다운 스피닝 리저브”)의 가용성을 보장한다.
주파수(FPF) 및 전압(FQV) 주 조정 기능들 . 광범위한 마이크로그리드들에서, 직접적으로 조정에 참여하는 것들보다 많은 수의 발전기들이 주파수 및 전압의 주 조정에 참여하는 것이 유리하다. 주 조정은 제어량과 그 기준값의 편차에 비례하는 발전기의 전력 출력을 지칭한다. 주파수 조정에서, 발전기는, 이것이 PCS인 경우, 전류 주파수값과 기준값 사이의 차이의 함수로서 유효 전력을 공급하거나 또는 흡수한다. 주 전압 조정에서, 이것은 전류 전압값과 기준값 사이의 차이의 함수로서 무효 전력을 공급하거나 또는 흡수한다. 이러한 방식으로, 마이크로그리드의 제어량들은 이들의 기준값들로 반환되어, 전류 흐름들이 다양한 발전기들 사이에서 분리되도록 허용하기도 한다. MC는 이들의 파라미터들을 변경함으로써 주 조정을 실행하는 발전기들과 상호작용할 수 있거나, 또는 이것은 P 및 Q 설정 포인트들을 수용할 수 있는 PCS들 및 발전기들에 대한 주 조정을 수행할 수 있다.
상술한 기능들과 유사한 방식으로 동작할 필요가 있는 임의의 기능은 BALANCE 기능들의 그룹에 할당된다.
-3) 마이크로그리드의 단기 전류 흐름들의 관리(DISPATCHING)
이들 기능들은 항상 시스템 기능의 이유로 인한 제어 동작들을 적용함으로써 그리고 가용한 처리량을 관리함으로서 마이크로그리드의 적절한 동작을 달성시키는 것을 허용한다. 이 그룹에서 MC에 의해 수행되는 몇몇의 기능들은: 발전기 세트들 또는 다른 유형의 발전기들의 온/오프 제어, 임의의 특정 착수(start-up) 기능들의 관리, 가능한한, 예를 들어, 매우 가변적인 공급원들(예를 들어, 풍력 공급원)로부터의 “전력 필터링” 기능들 또는 “첨두 저감(peak shaving)”기능들과 같은, 재생가능 공급원들 또는 부하의 감축 관리(출력 전력에서의 관리)일 수 있다.
-4) 최적 및 경제적 기능을 위한 중기 관리 (OPTIMIZATION)
이 그룹에서, 시스템의 활동성, 경제성, 수명-관련 및 가용-관련 양상들의 최적화의 목적으로 전력 흐름들의 관리하는 이들 모든 기능들이 관리된다. 이 그룹은 예를 들어, 상이한 특성들의 최적화 기능들 또는 경제적 최적화 기능들에 따라 계산되는 설정 포인트들에 따른 기능들, 다양한 제조업체들에 의해 제공되는 표시들에 따라 구현되는, 배터리들의 충전 상태를 관리하는 자동화 기능을 포함한다. 최적화 기능 중 하나의 예시는 재생가능 에너지가 생산이 초과된 상태인 기간에 축적되고, 다른 발전기들을 지원해야하는 기간에 방출되도록 하는 “에너지 시간 시프트”이다.
각각의 그룹은 시스템 입력들의 함수로서 설정 포인트들 및 명령들을 생성하게 된다.
주요 입력들은 다음과 같다:
- 시스템의 전기적 양들 및 전류 흐름의 측정값들;
- 시스템 파라미터들 및 제약들;
- 운영자-정의 파라미터들 및 설정들;
- 시스템 상태 측정값들(현장 측정값들, 온도들, 축전기의 충전 상태).
입력들의 상태에 기초하여, OADP 알고리즘의 소프트웨어는, 즉각적으로, 낮은 숫자가 높은 우선순위 및 실행 속도에 대응하는, 상기 목록에 표시되는 바와 같이 이의 우선 순위로 처리하여, 어느 기능 그룹이 “활성”인지 결정하게 된다. 그리고, OADP 알고리즘은 가장 높은 우선순위를 가지는 “활성 상태”에 있는 기능 그룹의 설정 포인트들 및 명령들을, 다양한 서브시스템들 상에서, 작동시키게 된다. 따라서, 기본적으로, OADP 알고리즘은 가장 낮은 우선순위를 가지는 그룹의 설정 포인트들을 실행시키고, 그리고 가장 높은 우선순위를 가지는 그룹이 활성화되는 경우, 알고리즘은 더 높은 우선순위를 가지는 활성 그룹에 의해 결정되는 설정 포인트 및 명령들로 스위칭하게 된다.
SW의 제어 기능들 및 기본 블록들을 포함하는 라이브러리들의 사용은 쉽고 빠르게 수행될 수 있는 모듈식 구조를 가지는 소프트웨어(SW)의 생성을 허용한다. 또한, 소프트웨어 설계와 소프트웨어 구현 사이의 전환은 라이브러리들에 포함되는 다양한 블록들 간의 연결을 나타내는 다이어그램들에 의해, 개략적인 방식으로 발생한다.
2. 전력 변환 시스템들(PCS)의 제어기들
2.1 PCS 패밀리들의 구성들
PCS들은 마이크로그리드들에 대한 축전기들 및 전력 공급원들을 인터페이싱하는데 사용되며, 4개의 패밀리로 나누어진다.
- 배터리-유형의 축적 시스템으로 DC/AC 및 AC/DC 전력의 양방향 교환 전용;
- 태양광 발전소에서의 DC/AC 전력 변환 전용;
DC 배터리 축적 시스템, DC 태양광 발전소, AC 발전기 세트, AC 네트워크, 및 AC 부하에 대한 전력 공급원을 통합;
- DC 배터리 축적 시스템, AC 풍력 또는 수력 발전기, AC 발전기 세트, AC 네트워크, 및 AC 부하에 대한 전력 공급원을 통합.
상기 PCS들의 하드웨어 구현은 실질적으로 공지되어 있다. 예를 들어, 이들은 본 명세서에 통합된 부분으로 간주되는, 예를 들어, 2007년 4월 11일에 출원된, Sistema di conversione e controllo per impianti di generazione distribuita”(“ibuted power generation plants”의 제목의 상술한 이탈리아 특허 출원 번호 제MI2007A000729호에 설명되는 바와 같이, 실질적으로 공지된 방식으로 이루어질 수 있다.
2.2 PCS 동작 모드
위에 제시되는 패밀리들의 모든 PCS들은 외부 AC 시스템(네트워크, 부하들, 마이크로그리드)에 대한 배터리들 및/도는 재생가능 공급원들에 인터페이싱하는 DC/AC 인버터를 포함한다. PCS 패널들은, 하나 이상의 다음의 제어 알고리즘들은 구현되는, DC/DC 및 DC/AC 컨버터들의 제어기들을 포함한다:
1. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한, 그리드 팔로잉(Grid following)(병렬 네트워크 - P, Q 모드)
2. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한, 그리드 포밍(고립 구성의 네트워크 - V, f 모드)
3. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한, DC 버스 전압 제어(일정한 DC 버스 전압)로 작동
4. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한 또는 DC/DC 컨버터에 대한, PV 공급원 상의RPPT 또는 MPPT
5. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한, 순수 드룹(고립 구성에서 그리고 강하거나 또는 약한 네트워크에 병렬인 작동)
6. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한, 온그리드 드룹(고립 마이크로그리드에서, 또는 강하거나 약한 네트워크에 병렬인 동작, P, Q 조정으로의 드룹 제어)
7. DC/AC 인터페이스 컨버터에 대한, 오프그리드 드룹(고립 마이크로그리드에서, 또는 강하거나 약한 네트워크에 병렬인 네트워크에서의 동작, V, f 조정으로의 드룹 제어)
PCS들을 중단시켜야 함이 없이 서로 스위칭하고 그리고 상기 상이한 동작 모드들을 이용하는 가능성은, MC 및 PCS들 둘 다의 모듈식 구조 및 마이크로그리드 제어기의 SW 구조와 함께, 본 발명의 특유한 특징을 나타내는 두 기본 엘리먼트들을 제공한다.
특히, 여기서 설명되는 시스템의 혁신적인 양상은 마지막 두가지 드룹-유형 제어 모드들에 포함된다.
이러한 3가지 드룹-유형 제어 모드들 및 PCS 제어기들과 MC 사이의 상호작용 덕분에, 마이크로그리드 내의 다음의 기능들을 구현할 수 있다.
- 부하 공급 전압에서의 임의의 인터럽션이 없는, 빠른 온그리드-오프그리드 전환들;
- 고립된 마이크로그리드들(고립된 마이크로그리드 클러스터들)의 연결;
- 마이크로그리드에서의 결함 관리.
PCS들의 7가지 동작 모드들을 이하에서 설명할 것이며, 그리고 상술한 응용들을 분석할 것이다.
1. 그리드 팔로잉
실질적으로 공지된, 이 동작 모드에서, 인버터는 기존 그리드와 동기화되고 그리고 대응하는 PCS 제어기를 통해 주어진 설정 포인트들(Pref 및 Qref)에 따라 유효 및 무효 전력을 공급한다. 인버터들의 출력 주파수 및 전압은 이것이 연결되는 네트워크의 값들이다.
2. 그리드 포밍
실질적으로 공지된, 이 동작 모드에서, 인버터는 고립된 구성으로 동작하며 그리고 능동 또는 수동일 수 있는 부하에 연결된다. 인버터의 출력 전압 및 주파수는 대응하는 PCS 제어기에 의해 설정 포인트값(Vref 및 fref)으로 유지된다. 인버터에 의해 공급되는(또는 흡수되는) 유효 및 무효 전력은 출력에 연결되는 수동(또는 능동)에 의해 정의된다.
3. DC 버스 전압 제어
실질적으로 공지된, 이 동작 모드에서, 인버터는 네트워크에 병렬로 동작하며, 그리고 출력 유효 전력은 설정 포인트값(Vdcref)으로 인버터의 DC 버스 상의 전압을 유지하도록 조정된다. 인버터로부터의 주파수 및 전압 출력은 이것이 연결되는 네트워크의 값들이다.
4. MPPT 또는 RPPT
예를 들어, M. S Carmeli 등에 의한 논문 “Advanced control strategy for PQ improvement in PV systems without energy storage device” (SPEEDAM 2008 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, pages 217-222)에 설명되는 바와 같이, 실질적으로 공지된, 동작 모드에서, DC/DC 컨버터의 PV 측면 또는 인버터의 DC 버스 상의 전압이 태양광 발전소로부터, 최대 가용 전력(MPPT, Maximum Power Point Tracking), 또는 설정 포인트값과 동일한 양의 전력(RPPT, Requested Power Point Tracking)을 추출하기 위해 조정된다.
도 4는 이하에서 설명될 드룹 모드들에서의 PCS에 대한 일반적인 다이어그램을 도시한다. 인버터 디바이스들(IN)은 전력 분배 네트워크를 향한 출력 전압 및 전류를 조정하고, 그리고 이하에서 설명될 드룹 곡선들(CS)을 생성하는, 전력 변환 시스템들(PCS)의 각각의 제어기들(CPCS)에 의해 제어되고, 그리고 전압 및 전류 레귤레이터들(REG)에 의해 이들을 수행한다.
5. 기본 드룹 제어
그 자체로 공지된, 이 동작 모드에서, 인버터(IN)의 출력 전압 및 주파수가 조정된다. 그러나, 이들의 값은 포밍 모드에서와 같이, 외부 설정 포인트를 따르지 않으나, 도 5에서 표시되는 드룹 커브들을 따라, 인버터의 유효 전력 P(주파수 f에 대한) 및 무효 전력 Q (전압 V에 대한) 출력들의 함수로서 정의된다.
드룹 제어를 제어하는 방적식들은 다음과 같다:
f = f0 - m*(P-P0);
V = V0 - n*(Q-Q0)
F0 및 V0는 네트워크의 기준 주파수 및 전압이고, P0 및 Q0는 유효 및 무효 전력 설정 포인트들이고, m은 액티브 드룹 계수(active DROOP coefficient)이며, 그리고 n은 리액티브 드룹 계수(reactive DROOP coefficient)이다.
드룹 직선들을 정의하는 계수들 m 및 n은 이들이 드룹 제어에서의 선형 관계 f-P 및 V-Q를 제어하는 계수이기 때문에 “드룹들”로 지칭된다. 기본 드룹 동작은 강하거나 약한 네트워크에 병렬로 그리고 고립된 구성으로 양쪽 모두에서 사용된다. 드룹-제어되는 인버터는 이것이 연결되는 부하의 유효(또는 무효) 전력에서 또는 이것이 연결되는 네트워크의 주파수(또는 전압)에서의 빠른 변동에 따라 종래의 로터리 발전기들의 것과 유사한 동작을 나타낸다. 이의 드룹이 자동 속도 제어기에 의해 인가되는, 로터리 발전기들 또는 드룹 곡선에 따라 또한 제어되는 다른 인버터들을 포함하는 시스템들로 인버터들을 통합하기 위해 이 제어 모드가 사용된다. 마이크로그리드 또는 네트워크에 연결되는 로터리 발전기들 및 드룹 모드에서 동작하는 모든 인버터들은 네트워크에서의 전압(V) 및 주파수(f) 변동들의 함수로서 이들의 출력 전력을 수정함으로써 주파수 및 전압 조정에 기여한다. 주파수 변동에 따라 각각의 발전기에 의해 공급되는 전력 할당량(power quota)은 그 드룹에 의존한다: 높은 드룹(가파른 P-f 및 Q-V 곡선들)을 가지는 발전기들은 더 큰 전력 기여도를 출력할 것이다. PCS 제어기들에서, 드룹 계수들은 MC에 의해 자동적으로 또는 운영자에 의해 수동적으로 외부로부터 수정될 수 있다. PCS들의 드룹 계수들은 시스템에 포함되는 다른 발전기들의 함수로서 수정되어, 연결된 인버터들이 다른 발전기들 중 하나에 동일한 할당량(디자인 사양들에 따라, 크거나 또는 작은)으로 주파수 및 전압 조정에 참여하게 될 것이다. 예를 들어, 두 발전기 세트들 및 두 인버터들이 연결되는 경우, 가능한 부하 증가는 각각의 25%, 또는 각각의 DG(디젤 발전기)에 의해 20%, 그리고 각각의 인버터에 의해 30%에 대해 커버될 수 있다.
6. 온그리드 드룹
기본 드룹 알고리즘과 비교하여, 이하의 알고리즘에 따라 설정 포인트들 Pref 및 Qref로 인버터의 출력(Pmis 및 Qmis)의 P 및 Q의 값들을 유지하기 위해 P0 및 Q0 값들로 각각 작동하는, 두 느린(즉, 더 긴 주기로 실행되는) 조정 루프들이 추가된다:
Pmis-Pref<0인 경우, f0 증가;
Pmis-Pref>0인 경우, f0 감소;
Qmis-Qref<0인 경우, V0 증가;
Qmis-Qref>0인 경우, V0 감소.
도 6은 f-P 곡선 상의 온그리드 드룹 제어의 효과에 대한 다이어그램을 도시한다.
V 및 f가 인가되는, 강하거나 약한 네트워크에 병렬인 동작 및 온그리드 드룹 모드에서 제어되는 인버터는 출력 전력을 증가(또는 감소)시킴으로써 네트워크에서의 주파수 감소(또는 증가)에 즉각적으로 반응하게 되어, 주파수 변동에 대항함으로써 네트워크의 안정성을 개선하는 것에 기여한다. 이 제 1 조정은 거의 즉각적인 방식(수십 1/1000초)으로 발생하며, 그리고 드룹 곡선들에 의해 제어된다. 이 제 1 과도 상태가 끝나고 그리고 네트워크 주파수가 이전 값 보다 낮은(또는 높은), 새로운 값으로 안정되는 경우, P0 상의 조정 루프는 설정 포인트값 Pref로 전력 출력 값을 회복하기 위해 f-P 드룹 곡선을 아래로(또는 위로) “이동시킴”으로써 개입하게 될 것이며, 반면에 인버터의 그리고 네트워크의 주파수는 과도 상태의 끝에 취해지는 새로운 값으로 유지될 것이다.
이 제어 모드는 인버터의 출력에서의 전력 흐름들을 관리하기 위해 사용되고, 이로 인해 시스템 주파수 조정에 기여하며,
그리고 또한, 동시에, 전압 불균형이 발생하는 경우 마이크로그리드 또는 네트워크를 즉각적으로 지원하는 그 능력을 이용하기 위해, 무효 전력을 흡수하거나 또는 출력함으로써 시스템 전압 조정에 기여한다.
7. 오프그리드 드룹
기본 드룹 알고리즘에 비교하여, 이하의 알고리즘에 따라 설정 포인트들 fref 및 Vref로 인버터의 출력(fmis 및 Vmis)에서 측정되는 f 및 V의 값들을 유지하기 위해, f0 및 v0 값들로 각각 작동하는, 두 느린(즉 더 긴 주기로 실행되는) 조정 루프들이 추가된다.
fmis-fref<0인 경우, f0 증가;
fmis-fref>0인 경우, f0 감소;
Vmis-Vref<0인 경우, V0 증가;
Vmis-Vref>0인 경우, V0 감소.
도 7은 f-P 드룹 곡선 상의 오프그리드 드룹 제어의 효과에 대한 다이어그램을 도시한다.
이것이 V 및 f를 인가하는 인버터 그 자체인, 약한 네트워크에서 또는 고립된 구성에서 동작하며 그리고 오프그리드 드룹 모드에서 제어되는 인버터는 출력 V 또는 f를 증가(또는 감소)시키고 그리고 필요한 전력 변동을 제공함으로써 네트워크에 의해 요구되는 유효 또는 무효 전력에서의 감소(또는 증가)에 즉각적으로 반응할 것이다. 이 제 1 조정은 드룹 곡선들에 의해 제어된다. 이 제 1 과도 상태가 끝나고 그리고 네트워크 양들(전압 및 주파수)이 이전 값들 보다 높은(또는 낮은), 새로운 값으로 안정되는 경우, f0 및 v0 상의 조정 루프는 설정 포인트값들로 네트워크 주파수 및 전압을 회복하기 위해 f-P 드룹 곡선을 위로(또는 아래로) “이동시킴”으로써 개입하게 될 것이며, 반면에 인버터의 출력 전력값들은 과도 상태의 끝에 취해지는 새로운 값들로 유지될 것이다.
이 제어 모드는 인버터가 전압 및 주파수값들을 인가하나, 네트워크의 유효 및 무효 전력 균형에서의 임의의 빠른 변동들에 기여하는 할 수 있는 관성(실제, 또는 가상의)을 가지는 유일한 엘리먼트는 아닌, 마이크로그리드를 관리하는데 사용된다. 이러한 유형의 제어로, 오프그리드 드룹 모드에서의 인버터는 모든 드룹-가능 발전기들이 네트워크 전압 및 주파수 조정에 참여하도록 허용하나, 이것이 “마스터”로서의 그 역할을 되찾고 그리고 이들의 기준 값들에 대한 네트워크 양들을 회복하게 될 것이며, 이는 다양한 연결된 발전기들의 드룹들에 의해 제어되며 그리고 과도 상태의 다운스트림(downstream)에 정의되는 전류 분배를 추가로 수정함 없이 이루어진다.
위의 관점에서, PCS 제어기들에서 동일한 전압 및 주파수 레귤레이터가 온그리드 동작 및 오프그리드 동작 중에 유지되는 것이 명백한다. 마이크로그리드 제어기로부터 나오는, 기준들만 변한다(온그리드 동작에서의 P 및 Q와 오프그리드 동작에서의 V 및 f). 이러한 해결책의 이점은 제어기들과 마이크로그리드를 고립된 구성으로 만드는 스위치(switch) 사이의 빠른 통신이 필요하지 않다는 것이다; 반대로, PCS들이 오프그리드 동작에서 온그리드 동작으로 또는 그 반대로 스위칭을 지시하는 신호를 수신하지 않는 경우에도, 이들은 전압 및 주파수를 조정하고 그리고 전력을 출력하며, 여전히 계속 작동할 것이다. 따라서 마이크로그리드의 안정성은 네트워크와 마이크로그리드 사이의 인터페이스 스위치, MC 및 PCS 간의 통신(느리거나 빠른)의 부재 시에도 보장된다. 통신(느린 경우에도)은 시스템의 동작을 최적화하는데에만 유용하므로, 전력이 가장 싼 공급원들에 의해 생성되도록 하여, 최적 범위들 등의 내에서 전압 및 주파수 값들을 유지한다.
다음은 MC 제어기에서 그리고 PCS들에서 이용가능한 제어 알고리즘들의 조합된 사용으로 인해 획득되는 몇몇의 기능들을 설명할 것이다.
▶ 빠른 온그리드-오프그리드 전환들
약한 네트워크들에 연결되는 시스템들의 경우에, 인터럽션 또는 블랙아웃이 네트워크에 발생하면, 마이크로그리드는 섬형 동작(islanded operation)으로 매우 짧은 시간 내에 스위칭하여, 후자가 임의의 전압 강하를 겪지 않고 그 자체 부하들을 계속 공급하므로, 부하 공급 전압에서의 인터럽션이 없게 한다.
이러한 빠른 전환은 마이크로그리드가 온그리드 드룹 모드에서 동작하고 그리고 축적 시스템들에 연결되는 몇몇의 PCS들을 포함하는 경우 발생할 수 있다. 네트워크 인터럽션이 발생하는 경우, 네트워크와 마이크로그리드 사이에 배치되는 정적 스위치는 개방되게 되고 그리고 마이크로그리드는 네트워크로부터의 또는 네트워크로의 전류 흐름의 갑작스러운 중단으로 인한 전류 불균형과 함께 섬형 동작으로 넘어가게 된다. 이들 자체의 전력 설정 포인트를 따르고 있었던, 온그리드 드룹 모드에서의 PCS들은 공칭값 보다 다른 값을 취하게 될, 결과적인 주파수 과도 상태를 중단시킴으로써 마이크로그리드에서의 전력 불균형을 즉시 보상하게 될 것이다. MC가 섬형 동작으로의 스위칭이 발생했음을 검출하는 경우, 이것은 마이크로그리드의 f 및 V를 조정하는 작업을 PCS에 할당하게 될 것이고 그리고 관련된 전압 및 주파수 설정 포인트들에 따라, 오프그리드 드룹 동작으로 스위칭하기 위한 명령을 이에 송신하게 될 것이다. 그리고 오프그리드 드룹 모드에서의 PCS는 공칭값들로 마이크로그리드의 전압 및 주파수를 회복할 것이고, 반면에 온그리드 드룹 모드에서의 다른 PCS들은 마이크로그리드의 새로운 상태의 함수로서 MC에 의해 송신된 새로운 값들에 따라 또는 이전의 설정 포인트들에 따라 전력을 흡수하거나 또는 공급할 것이다.
섬형 동작에서 네트워크 병렬 동작으로의 마이크로그리드의 전환은 반대 방식으로 발생한다. MC가 네트워크가 다시 안정적이고 이용가능함을 검증하는 경우, 이것은 바로 그 순간에 공급될 값들과 동일한 유효 및 무효 전력 설정 포인트들로, 오프그리드 드룹 모드에서의 PCS가 온그리드 드룹 동작으로 스위칭하도록 명령할 것이다. 그리고 이것은 정적 스위치가 닫히도록 명령하고, 그리고 필요한 경우에, 이것은 온그리드 드룹 모드에서 동작하는 모든 PCS들에 대한 P 및 Q 설정 포인트들을 수정할 것이다.
하나의 가능한, 그러나 비-제한적인, 실시예의 예시에서, 부하들에 대한 전력 공급에서의 인터럽션들이 없도록 보장하기 위한 목적으로, 인터페이스(INT)(도 1)가 부하들을 향한 MC의 출력에 포함되고, 이는 특히 빠른 통신을 요구하지 않고 MC에 의해 제어되는, 하나 이상의 인터페이스 스위치들, 및 인버터들에, 부하에 그리고 네트워크에 연결되는, 3 소켓 3상 인덕터를 포함한다. 인터페이스는 또한 원격 위치에 위치할 수도 있다 이러한 인터페이스의 구현은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 문제되지 않는다.
▶ 섬형 마이크로그리드들(섬형 마이크로그리드 클러스터들)의 연결
MC들, PCS들 및 PCS 제어기들의 사용에 기초하는 마이크로그리드의 유연성으로 인해, 단일 마이크로그리드의 MC들 간의 고속 통신 시스템에 의존하지 않고 함께 다중 마이크로그리드들에 연결하는 것이 가능하다. 실제로, 모든 마이크로그리드는 인터페이스 말단들에서, 온그리드 드룹 또는 오프그리드 드룹 모드에서의 단일 발전기로 동작하고, 따라서 두 마이크로그리드들로 구성되는 시스템에서의 순시 전압 및 주파수 조정은 연결된 마이크로그리드들의 등가 드룹 곡선들에 의해 제어된다. 마이크로그리드들의 MC들 간의 통신은 전체로서 시스템의 주파수들, 전압들 및 전류 흐름들의 설정 포인트값들을 회복하는데 유용하고, 따라서 안정성 및 속도의 측면에서 특별히 엄격한 필요조건들이 없으며, 이는 시스템 안정성이 그 시스템에 직접적으로 의존하지 않기 때문이다.
▶ 마이크그리드에서의 결함 관리
로터리 발전기들 없는, 인버터들에만 의해 공급되는 마이크로그리드에서, 단락 전류가 보호 디바이스의 선택적인 교정을 허용하기에 너무 낮아지게 되는 위험이 있다. 일반적으로, 실제로, 단일 인버터는 그리드 포밍 모드에서 동작하고 그리고 다른 인버터들은 그리드 팔로잉 모드에서 동작한다. 결함이 발생하는 경우, 그리드 포밍 모드에서의 인버터만이 그 자체의 내부 보호 디바이스들이 개입하기까지, 단락-회로 전류에 기여하게 된다. 반대로, 하나의 PCS가 온그리드 드룹 모드에 있고 그리고 다른 PCS들이 오프그리드 드룹 모드에 있는 구성이 채용되는 경우, 모든 PCS들은 더 높은 값을 취하게 되고 그리고 보호 디바이스들의 선택적인 교정을 허용할 수 있는, 결합 전류에 기여할 것이다.
본 발명은 상기 프로그램들이 컴퓨터 상에 실행되는 경우, 상기 방법의 하나이상의 단계들을 수행하기 위한 코딩 수단들을 포함하는 컴퓨터 프로그램들에 의해, 적어도 부분적으로, 유리하게 구현될 수 있다. 따라서 보호 범위는 상기 컴퓨터 프로그램으로 그리고 또한 기록된 메시지들을 포함하는 컴퓨터-판독가능 수단들로 확장되고, 상기 컴퓨터-판독가능 수단들은 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행되는 경우, 상기 방법의 하나 이상의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코딩 수단들을 포함한다.
본 발명에 의해 달성되는 이점들 중에, 블록 MC가 전체 마이크로그리드 뿐만 아니라 각각의 PCS들의 동작을 관리한다는 것을 담당한다는 점이 지적되어야 한다. 본 발명에 의해 기술되는 접근법의 이점은 특정 제어 하의 이들 공급원들의 동작과는 대조적으로, 이것이 마이크로그리드의 모든 전력 공급원들의 동작을 최적화시키고, 그리고 PCS들이 지능적인 방식으로 기존 발전기들에 병렬로 연결하도록 허용하여, 마이크로그리드의 관리(V 및 f 제어)로 이들을 지원한다는 점이다.
상술한 비-제한적 실시예의 예시는 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않고 변형될 수 있고, 본 기술분야의 통상의 기술자들에 공지된 모든 동등한 설계들을 포함한다.
다양한 바람직한 실시예들에서 나타나는 특징들 및 엘리먼트들은 함께 조합될 수 있고, 그러나 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않는다
상기 설명에 비추어, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 임의의 추가적인 구현 세부사항들을 도입하지 않고 본 발명의 목적을 생산할 수 있을 것이다. 특히, 소프트웨어 부분은 예를 들어, IEC61131-3 사양에 따른 PLC 프로그래밍 언어 및/또는 C++와 같은, 본 기술분야의 통상의 기술자들에 잘 알려진 프로그래밍 언어들의 사용을 통해 구현될 수 있다.
Claims (10)
- 간헐적(intermittent) 무작위, 프로그램가능(programmable) 또는 축적-시스템 유형 중 적어도 하나의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드(microgrid)에 대한 제어 시스템으로서,
상기 마이크로그리드 제어 시스템은 상기 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 전력 변환 시스템들(power conversion system, PCS)에 대한 제 1 제어 레벨(first control level), 및 상기 제 1 제어 레벨과 협동하도록 적응되는 마이크로그리드 제어기(MC)에 대한 제 2 제어 레벨을 포함하는 2개의 레벨의 계층적 제어 구조로 구성되고, 상기 제 2 제어 레벨은 전력이 분배 네트워크에 공급되도록 제어하거나(온-그리드 조건(on-grid condition)) 또는 고립 부하(isolated load)들에 전력을 공급하기 위한 주 발전원(primary generation)으로서 전력이 공급되도록 제어하거나(오프-그리드 조건(off-grid condition)) 또는 지능형 분배 전력 축적 시스템(intelligent distributed electric power accumulation systems)들을 제어하도록 적응되고,
상기 마이크로 제어기(MC)에 대한 상기 제 2 제어 레벨은:
상기 제어 시스템에 의해 생성되는 물리적 신호들로 인터페이싱(interface)하도록, 그리고 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상의 그리고 상기 마이크로그리드 상의 동작들을 수행하도록 적응되는 모니터링 시스템(MON);
상기 제어 시스템의 상태들 및 측정값(measurement)들을 입력들에서 수신하고, 그리고 상기 모니터링 시스템이 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상에 작동하는 설정 포인트(set point)들 및 파라미터들을 출력에 제공하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 전력 흐름들을 관리하도록 하는 제어 기능(control function, FC) 시스템;
상기 모니터링 시스템(MON) 및 상기 제어 기능(FC)과 협동하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 동작 조건들을 제어하고 그리고 상기 조건들에 기초하여 어떠한 제어 기능(FC)들이 활성화되는지 결정하는 상태 머신(state machine, MAS);
을 포함하고,
전력 변환 시스템들(PCS)의 상기 제 1 제어 레벨은 상기 마이크로그리드에 의해 생성되는 전압(V), 주파수(f), 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 값들을 제어하도록 적응되고, 그리고 상기 제 1 제어 레벨은:
상기 유효 및 무효 전력의 값들(P0 및 Q0)로 작동하도록 적응되어, 제 1 드룹 곡선(first droop curve)들에 기초하여 각각 주파수 및 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 설정 포인트값들로 이들을 유지하도록 하는, 상기 온-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템(droop control system);
상기 전압(V) 및 주파수(f)의 값들로 동작하도록 적응되어, 제 2 드룹 곡선들에 기초하여 설정 포인트값들(fref 및 Vref)로 이들을 유지하도록 하는, 상기 오프-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템;
을 포함하는,
제어 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어 기능(FC) 시스템은 이하의 우선 순위로 수행되는, 하나 이상의 이하의 기능들을 포함하고, 상기 우선 순위 및 기능은:
최우선 조건들 하에서, 상기 전력 공급원들에서 발전기 세트들 상에 전력-흐름 반전을 방지하도록 적응되고, 그리고 상기 마이크로그리드에 연결되는 다른 발전기들의 빠른 정지를 결정하는 능력을 가지는, 프리-안티모니터링(Pre-Antimotoring, PAM) 기능;
항시 상기 마이크로그리드의 안전성을 보장하도록 적응되고, 이에 연결되고 활성화되는 상기 발전기들 및 축적 시스템의 최대 전력과 부하를 공급하는데 사용되는 전력 간의 차이로 계산되는, 요구 전력에서의 빠른 증가에 따른 상기 부하와 발전 사이의 균형을 유지하기 위해 상기 마이크로그리드에서 즉시 가용한 유효 전력으로서의 “업 스피닝 리저브(up spinning reserve)” 기능을 포함하고, 그리고 이에 연결되고 활성화되는 상기 발전기들 및 축적 시스템들의 최소 전력과 부하를 공급하는데 현재 사용되는 상기 발전기들 및 축적 시스템들의 전력 간의 차이로 계산되는, 상기 요구 전력에서의 빠른 감소에 따른 상기 부하와 발전 사이의 균형을 유지하기 위해 상기 마이크로그리드에서 즉시 가용한 유효 전력으로서의 “다운 스피닝 리저브(down spinning reserve)” 기능을 포함하는 스피닝 리저브 관리(Spinning Reserve Management, SRM) 기능;
발전기가 기준값에 대한 현재 주파수값의 편차의 함수로서 유효 전력을 공급하거나 또는 흡수함에 따른 주파수 주 조정 기능(frequency primary adjustment function), 및 발전기가 기준값에 대한 현재 전압값의 편차의 함수로서 무효 전력을 공급하거나 또는 흡수함에 따른 주파수(FPF) 및 전압(FQV) 주 조정 기능인,
제어 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
전력 변환 시스템들(PCS)의 상기 제 1 제어 레벨(CPCS)은 하나 이상의 이하의 기능들을 포함하고, 상기 기능들은:
상기 온-그리드 조건 하에서, 상기 대응하는 전력 변환 시스템(PCS)을 통해 주어진 설정 포인트들(Pref 및 Qref)에 따라 유효 및 무효 전력을 공급하도록 적응되고, 출력 주파수 및 전압은 연결되는 네트워크의 값들인 “그리드 팔로잉(grid following)” 제어 시스템;
상기 오프-그리드 조건 하에서, 상기 대응하는 전력 변환 시스템(PCS)을 통해 설정 포인트값(Vref 및 fret)으로 출력 전압 및 주파수를 유지하도록 적응되고, 공급되거나 또는 흡수되는 상기 유효 및 무효 전력은 출력에 연결되는 수동(또는 능동) 부하에 의해 정의되는 “그리드 포밍(forming)” 제어 시스템;
공용 분배 네트워크에 병렬인 상기 마이크로그리드에 대해 연결된 조건들 하에서, 설정 포인트값(VdCref)으로 전압을 유지하도록 출력 유효 전력을 조정하도록 적응되고, 상기 마이크로그리드로부터의 주파수 및 전압은 상기 공용 분배 네트워크의 값인 “DC 버스 전압(DC bus 전압)” 제어 시스템;
설정 포인트값과 동일한 양의 전력(RPPT) 또는 최대 가용 전력(MPPT)을 태양광 발전소(photovoltaic power station)로부터 추출하도록 상기 전압을 조정하도록 적응되는, 상기 전력 공급원들에 포함되는 상기 태양광 발전소의 전력 생산을 제어하는 “MPPT 또는 RPPT” 제어 시스템;
상기 전압 및 상기 주파수를 조정하도록 적응되어, 이들의 값이 제 3 드룹 곡선들에 기초하여 유효 전력 P(주파수 f에 대한) 및 무효 전력 Q(전압 V에 대한)의 함수로 정의되도록 하는 기본 드룹 제어 시스템(basic droop control system);
을 포함하는,
제어 방법.
- 간헐적(intermittent), 무작위, 프로그램가능(programmable) 또는 축적-시스템 유형 중 적어도 하나의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드(microgrid)에 대한 제어 방법으로서,
상기 마이크로 제어 방법은 상기 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 전력 변환 시스템들(PCS)에 대한 제 1 제어 레벨, 및 상기 제 1 제어 레벨과 협동하도록 적응되는 마이크로그리드 제어기(MC)에 대한 제 2 제어 레벨을 포함하는 2가지 레벨의 계층적 제어 구조로 구성되고, 상기 제 2 제어 레벨은 전력이 공용 분배 네트워크에 공급되도록 제어하거나(온-그리드 조건) 또는 고립 부하들에 전력을 공급하기 위한 주 발전원으로서 전력이 공급되도록 제어하거나(오프-그리드 조건) 또는 지능형 분배 전력 축적 시스템들을 제어하도록 적응되고,
상기 마이크로그리드 제어기(MC)의 상기 제 2 제어 레벨은:
제어 시스템에 의해 생성되는 물리 신호들로 인터페이싱하도록, 그리고 상기 마이크로그리드 상의 그리고 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상의 동작들을 수행하도록 적응되는 모니터링 시스템(MON);
상기 제어 시스템의 상태들 및 측정값들을 입력들에서 수신하고 그리고 상기 모니터링 시스템(MON)이 상기 전력 변환 시스템들(PCS) 상에 작동하는 설정 포인트들 및 파라미터들을 출력에 제공하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 전력 흐름들을 관리하도록 하는 제어 기능들(FC);
상기 모니터링 시스템(MON) 및 상기 제어 기능들(FC)과 협동하도록 적응되어, 상기 마이크로그리드의 동작 조건들을 제어하고 그리고 상기 조건들에 기초하여 어떠한 제어 기능들(FC)이 활성화되는지 결정하는 상태 머신(MAS);
을 포함하고,
전력 변환 시스템들(PCS)의 상기 제 1 제어 레벨은 상기 마이크로그리드에 의해 생성되는 전압(V), 주파수(f), 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 값들을 제어하도록 적응되고, 그리고 상기 제 1 제어 레벨은:
상기 유효 및 무효 전력의 값들(P0 및 Q0)로 작동하도록 적응되어, 제 1 드룹 곡선(first droop curve)들에 기초하여 각각 주파수 및 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 설정 포인트값들로 이들을 유지하도록 하는, 상기 온-그리드 조건 하의 드룹 제어 시스템;
상기 전압(V) 및 주파수(f)의 값들로 작동하도록 적응되어, 제 2 드룹 곡선들에 기초하여 설정 포인트값들(fref 및 Vref)로 이들을 유지하도록 하는, 상기 오프-그리드 조건 하의 드룹 시스템;
을 포함하는,
제어 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제어 기능들(FC)은 이하의 우선 순위로 수행되는, 하나 이상의 이하의 기능들을 포함하고, 상기 우선 순위 및 기능은:
최우선 조건들 하에서, 상기 전력 공급원들에서 발전기 세트들 상에 전력-흐름 반전을 방지하도록 적응되고, 그리고 상기 마이크로그리드에 연결되는 다른 발전기들의 빠른 정지를 결정하는 능력을 가지는, 프리-안티모니터링(Pre-Antimotoring, PAM) 기능;
항시 상기 마이크로그리드의 안전성을 보장하도록 적응되고, 이에 연결되고 활성화되는 상기 발전기들 및 축적 시스템의 최대 전력과 부하를 공급하는데 사용되는 전력 간의 차이로 계산되는, 요구 전력에서의 빠른 증가에 따른 상기 부하와 발전 사이의 균형을 유지하기 위해 상기 마이크로그리드에서 즉시 가용한 유효 전력으로서의 “업 스피닝 리저브” 기능을 포함하고, 그리고 이에 연결되고 활성화되는 상기 발전기들 및 축적 시스템들의 최소 전력과 부하를 공급하는데 현재 사용되는 발전기들 및 축적 시스템들의 전력 간의 차이로 계산되는, 상기 요구 전력에서의 빠른 감소에 따른 상기 부하와 발전 사이의 균형을 유지하기 위해 상기 마이크로그리드에서 즉시 가용한 유효 전력으로서의 “다운 스피닝 리저브” 기능을 포함하는 스피닝 리저브 관리(SRM) 기능;
발전기가 기준값에 대한 현재 주파수값의 편차의 함수로서 유효 전력을 공급하거나 또는 흡수함에 따른 주파수 주 조정 기능 및 발전기가 기준값에 대한 현재 전압값의 편차의 함수로서 무효 전력을 공급하거나 또는 흡수함에 따른 주파수(FPF) 및 전압(FQV) 주 조정 기능인,
제어 방법.
- 제 4 항에 있어서,
전력 변환 시스템(PCS)들의 상기 제 1 제어 레벨(CPCS)은 하나 이상의 이하의 기능들을 포함하고, 상기 기능들은:
상기 온-그리드 조건 하에서, 상기 대응하는 전력 변환 시스템(PCS)을 통해 주어진 설정 포인트들(Pref 및 Qref)에 따라 유효 및 무효 전력을 공급하도록 적응되고, 출력 주파수 및 전압은 연결되는 네트워크의 값들인 “그리드 팔로잉(grid following)” 제어;
상기 오프-그리드 조건 하에서, 상기 대응하는 전력 변환 시스템(PCS)을 통해 설정-포인트값(Vref 및 fret)으로 출력 전압 및 주파수를 유지하도록 적응되고, 공급되거나 또는 흡수되는 상기 유효 및 무효 전력은 출력에 연결되는 수동(또는 능동) 부하에 의해 정의되는 “그리드 포밍(forming)” 제어;
상기 공용 분배 네트워크에 병렬인 상기 마이크로그리드에 대해 연결된 조건 하에서, 설정 포인트값(VdCref)으로 전압을 유지하도록 출력 유효 전력을 조정하도록 적응되고, 상기 마이크로그리드로부터의 주파수 및 전압은 상기 공용 분배의 값들인 “DC 버스 전압” 제어;
설정 포인트값과 동일한 양의 전력(RPPT) 또는 최대 가용 전력(MPPT)을 태양광 발전소로부터 추출하도록 상기 전압을 조정하도록 적응되는, 상기 전력 공급원들에 포함되는 상기 태양광 발전소의 전력 생산을 제어하는 “MPPT 또는 RPPT” 제어;
상기 제어 시스템에 의해 생성되는 물리적 신호들로 인터페이싱하고, 그리고 제 3 드룹 곡선들에 기초하여, 상기 마이크로그리드 상의 그리고 상기 전력 변환 시스템(PCS)들 상의 동작들을 수행하도록 적응되는 모니터링(MON);
을 포함하는,
제어 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 드룹 곡선들은 이하의 기능을 수행하며, 상기 기능들은:
Pmis-Pref<0인 경우, f0 증가;
Pmis-Pref>0인 경우, f0 감소;
Qmis-Qref<0인 경우, V0 증가; 및
Qmis-Qref>0인 경우, V0 증가이고,
Pmis 및 Qmis는 상기 마이크로그리드의 출력에서의 유효 및 무효 전력값들이고, 그리고 Pref 및 Qref는 상기 설정 포인트값들인,
제어 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 드룹 곡선들은 이하의 기능들을 수행하며, 상기 기능들은:
fmis-fref<0인 경우, f0 증가;
fmis-fref>0인 경우, f0 감소;
Vmis-Vref<0인 경우, V0 증가; 및
Vmis-Vref>0인 경우, V0 증가이고,
fmis 및 Vmis는 상기 마이크로그리드의 출력에서의 주파수 및 전압값들이고, 그리고 fref 및 Vref는 상기 설정 포인트값들인,
제어 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 3 드룹 곡선들은 이하의 기능들을 수행하며, 상기 기능들은:
f = f0 - m*(P-P0); 및
V = V0 - n*(Q-Q0) 이고,
F0 및 V0는 상기 네트워크의 기준 주파수 및 전압이고, P0 및 Q0는 유효 및 무효 전력 설정 포인트들이고, m은 액티브 드룹 계수(active droop coefficient)이고, 그리고 n은 리액티브 드룹 계수(reactive droop coefficient)인,
제어 방법.
- 간헐적(intermittent), 무작위, 프로그램가능(programmable) 또는 축적-시스템 유형 중 적어도 하나의 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 생산 및 분배를 위한 마이크로그리드로서,
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 제어 시스템을 포함하고,
상기 마이크로 제어 시스템은 상기 다중 전력 공급원들로부터 나오는 전력의 전력 변환 시스템들(PCS)에 대한 제 1 제어 레벨 및 상기 제 1 제어 레벨과 협동하도록 적응되는 마이크로그리드 제어기(MC)에 대한 제 2 제어 레벨을 포함하는 2가지 레벨의 계층적 제어 구조로 구성되고, 상기 제 2 제어 레벨은 전력이 분배 네트워크에 공급되도록 제어하거나(온-그리드 상태) 또는 고립 부하들에 전력을 공급하기 위한 주 발전원으로서 전력이 공급되도록 제어하거나(오프-그리드 상태) 또는 지능형 분배 전력 축적 시스템들을 제어하도록 적응되는,
마이크로그리드.
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