KR20200115373A - 하이브리드 ａｃ/ｄｃ 마이크로그리드의 분산 제어 시스템 - Google Patents

하이브리드 ａｃ/ｄｃ 마이크로그리드의 분산 제어 시스템 Download PDF

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KR20200115373A
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Abstract

하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템은 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드를 위한 컨센서스 기반의 분산 조정 제어를 제공하고, 동적 컨센서스 알고리즘과 인터 링크 컨버터의 계층적 제어를 이용하여 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드의 DG 간의 정보 공유와 전력 공유를 효과적으로 제어할 수 있다.

Description

하이브리드 ＡＣ/ＤＣ 마이크로그리드의 분산 제어 시스템{Distributed Control System of Hybrid AC/DC Microgrids}
본 발명은 마이크로그리드 분산 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드를 위한 컨센서스 기반의 분산 조정 제어를 제공하고, 동적 컨센서스 알고리즘과 연동 컨버터의 계층적 제어를 이용하여 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드의 DG 간의 정보 공유와 전력 공유를 효과적으로 제어하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템에 관한 것이다.
분산형 에너지 자원(Distributed Energy Resources, DERs)과 에너지 저장 시스템(Energy Storage Systems, ESS)이 마이크로그리드(Microgrid, MG) 시스템에 적용된 이후, DERs와 ESS의 갑작스러운 분리는 전체 MG 시스템의 안정성과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.
AC 마이크로그리드(MG) 시스템은 신재생 에너지 자원 및 에너지 저장 시스템과 같은 인버터 기반 분산 발전기(Distributed Generators, DGs)로 구성되어 있으며, 독립 또는 계통 연계 모드로 작동 할 수 있다.
DC 마이크로그리드(MG) 시스템은 에너지 손실을 줄일 수 있는 효율성 및 비용 측면에서 장점을 가지며, DG를 연결하기 위한 매력적인 솔루션으로 떠오르고 있다.
AC 마이크로그리드 및 DC 마이크로그리드를 작동시키기 위해서는 두 마이크로그리드의 DG 간 전력 분배가 요구될 뿐 아니라 AC 마이크로그리드 및 DC 마이크로그리드 사이에서 전력을 교환해야 한다.
종래의 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드는 전력을 관리하기 위한 중앙 제어 전력이 도입되었고, 전체 시스템의 안정성을 유지하기 위해 빠른 통신 링크가 필요한 문제점이 있다.
종래의 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드는 중앙 집중식 형태로 별도의 중앙 컨트롤러를 통해 마이크로그리드(MG) 시스템의 안정적인 전력을 공유하기 때문에 AC 주파수와 DC 주파수에서 정상 상태 오차를 발생할 수 있으며, 이에 따라 AC/DC 마이크로그리드의 전력 품질이 떨어지는 문제점이 있다.
한국 등록특허번호 제10-1375812호
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 이브리드 AC/DC 마이크로그리드를 위한 컨센서스 기반의 분산 조정 제어를 제공하고, 동적 컨센서스 알고리즘과 연동 컨버터의 계층적 제어를 이용하여 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드의 DG 간의 정보 공유와 전력 공유를 효과적으로 제어하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템(100)은,
통신 네트워크에 연결된 각각의 제1 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 AC 마이크로그리드 시스템;
통신 네트워크에 연결된 각각의 제2 로분산 발전장치(Distributed Generation, DG) 이루어진 DC 마이크로그리드 시스템; 및
상기 AC 마이크로그리드 시스템의 각 제1 분산 발전장치로부터 주파수와 제1 전력 정보를 수신하고, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 각 제2 분산 발전장치로부터 DC 전압과 제2 전력 정보를 수신하며, 상기 제1 분산 발전장치로부터 수신한 주파수와 상기 제2 분산 발전장치로부터 수신한 DC 전압을 증가하거나 감소하여 각각의 기설정된 공칭값(Nominal Value)으로 복원함으로써 상기 복수의 제1 분산 발전장치와 상기 복수의 제2 분산 발전장치의 출력 전력을 동일하게 제어하는 연동 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템은,
통신 네트워크에 연결된 복수의 제1 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 AC 마이크로그리드 시스템과 복수의 제2 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 DC 마이크로그리드 시스템을 포함하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템에 있어서,
상기 AC 마이크로그리드 시스템의 각 제1 분산 발전장치로부터 주파수와 제1 전력 정보를 수신하고, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 각 제2 분산 발전장치로부터 DC 전압과 제2 전력 정보를 수신하고, 상기 수신한 주파수를 하기의 수학식 1에 의해 정규화된 주파수(fpu)를 계산하고, 상기 수신한 DC 전압을 하기의 수학식 2에 의해 정규화된 DC 전압(Vpu)을 계산하고, 상기 정규화된 주파수와 상기 정규화된 DC 전압이 동일하지 않은 경우, 상기 정규화된 주파수와 상기 정규화된 DC 전압이 동일하도록 상기 제1 분산 발전장치로부터 수신한 주파수와 상기 제2 분산 발전장치로부터 수신한 DC 전압을 증가하거나 감소하여 각각의 기설정된 공칭값(Nominal Value)으로 복원하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 DC 마이크로그리드 시스템의 dc 전압의 상한치와 하한치,
Figure pat00004
는 AC 마이크로그리드 시스템의 상한 주파수와 하한 주파수임.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드 간의 DG 간의 정보 공유를 통해서 저전력 공유를 효과적으로 조절하는 효과가 있다.
본 발명은 DC와 AC, DC와 DC 간의 전력 변환에서 에너지 손실을 줄일 수 있는 마이크로그리드 시스템을 구현하고, 하이브리드 AC와 DC 마이크로그리드를 작동시켜 안정성 및 전력 품질을 향상시키며, 효율성과 비용 측면에서 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템의 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 AC 마이크로그리드 시스템에서 DG의 제1 기본 컨트롤러와 제1 보조 컨트롤러의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 VCM 및 CCM 장치의 드룹 및 역드룹 제어 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AC 마이크로그리드 시스템에서 가상 임피던스의 실험 결과을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템에서 DG의 제2 기본 컨트롤러와 제2 보조 컨트롤러의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템에서 가상 임피던스의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연동 컨버터의 정규화된 주파수 및 전압의 변화를 보상하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
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 있는 것을 의미한다.
무효 전력 및 DC 전류 공유의 부정확성은 동일하지 않은 라인 임피던스로 인해 발생하며, 이로 인하여 컨버터의 효율을 감소시킨다.
본 발명은 AC 마이크로그리드의 무효 전력 공유와 DC 마이크로그리드의 DC 전류 공유를 관리하기 위해서 컨센서스(Consensus) 알고리즘에 기반한 분산 제어 방법을 제공한다.
각 DG(Distributed Generation) 장치의 제어는 기본 컨트롤러(Primary Controller)와 보조 컨트롤러(Secondary Controller)로 구성된다.
기본 컨트롤러는 분산 발전장치(Distributed Generation, 이하 'DG'라 칭함)들 간의 전력 공유를 위한 드룹 제어(Droop Control)을 기초로 한다.
보조 컨트롤러는 무효 전력 공유와 시스템 주파수를 향상시키는 기능을 수행한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템의 개념을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 AC 마이크로그리드 시스템에서 DG의 제1 기본 컨트롤러와 제1 보조 컨트롤러의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 VCM 및 CCM 장치의 드룹 및 역드룹 제어 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AC 마이크로그리드 시스템에서 가상 임피던스의 실험 결과을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템에서 DG의 제2 기본 컨트롤러와 제2 보조 컨트롤러의 구성을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템에서 가상 임피던스의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템(100)은 AC 마이크로그리드 시스템(110), DC 마이크로그리드 시스템(120) 및 AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120)에 연결되어 분산 제어를 수행하는 연동 컨버터(130)를 포함한다.
AC 마이크로그리드 시스템(110)은 통신 네트워크에 연결된 복수의 DG(111)와 각각의 DG(111)가 AC 부하와 연동 컨버터(130)에 연결되어 있다.
DC 마이크로그리드 시스템(120)은 통신 네트워크에 연결된 복수의 DG(121)와 각각의 DG(121)가 DC 부하와 연동 컨버터(130)에 연결되어 있다.
DG(111)는 제1 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 나타내고, DG(121)은 제2 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 나타낼 수 있다.
(1) AC 마이크로그리드 시스템(110)의 DGs의 제어
AC 마이크로그리드 시스템(110)의 각 DG(111)는 제1 기본 컨트롤러(Primary Controller)(112)와 제1 보조 컨트롤러(Secondary Controller)(113)로 구성된다.
제1 기본 컨트롤러(112)는 DG(111) 간에 전력을 공유하기 위한 드룹(Droop) 제어를 기반으로 하며, 제1 보조 컨트롤러(113)는 정확한 무효 전력 공유 및 시스템 주파수를 향상시키는 역할을 담당한다.
제1 기본 컨트롤러(112)는 드룹 제어 방식에 따른 제어를 수행하며, 드룹 제어부(Droop Control), 역드룹 제어부(Reverse Droop Control) 및 내부 루프 제어부(Inner Loop Control)를 포함한다.
AC 마이크로그리드 시스템(110)의 DG(111)는 전압 제어 모드(VCM) 또는 전류 제어 모드(CCM)에서 작동할 수 있다.
VCM 컨버터와 CCM 컨버터는 각각 전압원 및 전류원으로 나타낼 수 있다.
일반적으로 드룹 제어부는 VCM 컨버터에서 구현되고, 역드룹 제어부는 CCM 장치에서 구현된다.
내부 루프 제어부는 드룹 제어부와 역드룹 제어부가 각각 VCM 컨버터 및 CCM 컨버터의 기본 제어에 사용된다.
내부 루프 제어부는 VCM 및 CCM 컨버터의 제어에 드룹 및 역드룹 제어 방식을 각각 사용한다. 도 3의 (a)에 도시된 VCM 컨버터에서, 수학식 1 및 수학식 2를 사용하여 드룹 제어의 출력(주파수 및 전압 진폭)을 얻는다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서, W와 E는 전압의 주파수와 진폭, Kdp와 Kdq는 드룹 계수이다. 도 3의 (b)에 도시된 CCM 컨버터에서 역드룹 제어의 출력(전력 기준 P 및 Q)은 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 생성된다. 수학식에서 *는 지령치를 의미하고, *가 없는 구성요소는 측정치를 의미한다.
드룹 및 역드룹 계수는 수학식 5 및 수학식 6에 따라 설계된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
여기서, Krp 및 Krq는 역드룹(Droop) 계수이다.
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서, Pmax와 Qmax는 VCM 및 CCM 컨버터의 전력 정격(Power Rating)이고, ΔW와 ΔE는 허용 가능한 주파수와 전압 진폭이다. 무효 전력은 종래의 드룹 제어 방식을 사용하여 정확하게 공유되지 않는다. 무효 전력의 차이는 하기의 수학식 7과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
와
Figure pat00013
는 DG(111)의 무효 전력의 편차와 전압 진폭의 편차를 나타낸다.
수학식 7은 각 DG(111)의 무효 전력과 출력 전압 간의 트레이드 오프(Trade Off)를 보여준다.
DG(111)에 대한 드룹 계수의 설정은 전술한 수학식 5와 수학식 6에 도시된 DGs의 용량에 따라 결정된다.
드룹 주파수 방식은 각 DG(111)의 실제 전력을 제어하는데 사용되고, 드룹 전압 방식은 무효 전력의 출력을 조정하는데 사용된다.
각 DG(111)의 실제 전력은 각 DG(111)에서 측정된 주파수가 동일하기 때문에 용량에 비례하여 공유될 수 있다.
그러나 각 DG(111)의 단자 전압은 라인 임피던스의 영향으로 인해 다르다. 따라서, 드룹 전압 제어에 기반한 무효 전력의 공유가 정확하지 않다.
제1 보조 컨트롤러(113)는 무효 전력의 공유 문제를 해결하기 위해서 컨센서스 알고리즘 기반의 2차 제어 방법이 제공된다.
제1 보조 컨트롤러(113)는 통신 레이어와의 통신 프로토콜을 통해 DG(111) 간에 정보를 공유하도록 구축한다.
컨센서스 알고리즘은 DG(111) 간의 무효 전력의 평균값을 얻기 위해 사용된다.
제1 보조 컨트롤러(113)는 무효 전력의 공유를 계산하는 식을 하기의 수학식 8과 수학식 9와 같이 나타낸다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 DGi 장치의 무효 전력 공유를 위한 보상 항목, Kcp와 Kci는 PI 제어기의 정수항이고, k는 컨센서스 알고리즘의 반복 루프, 는 k+1번째에서의 무효 전력값이다.
Figure pat00016
여기서, wij는 i노드로부터 j노드까지 데이터 이송을 위한 통신 가중치이고, i, j는 장치의 넘버를 의미한다.
제1 보조 컨트롤러(113)는 드룹 이득 및 가상 임피던스의 영향으로 인한 전압 편차를 보상하기 위하여 컨센서스 알고리즘을 기반으로 통신 레이어와 통신하는 컨센서스 프로토콜과, 전압 레귤레이터, 무효 전력 레귤레이터를 컨센서스 제어를 수행하며, 하기의 수학식 10과 수학식 11를 이용하여 출력 전압을 공칭 전압으로 복원한다.
Figure pat00017
Figure pat00018
여기서,
Figure pat00019
는 DGi 장치의 출력 전압을 공칭 전압으로 복원하기 위한 보상 항목이고, kvp와 kvi는 전압 복원용 PI 제어기의 비례항과 정수항이고,
Figure pat00020
는 수학식 11에 의해 주어진 관측자로부터 얻은 국소 추정치이다.
제1 보조 컨트롤러(113)는 컨센서스 알고리즘을 기반으로 제안된 전압 복원을 이용하여 각 DG(111)의 출력 전압이 공칭 전압으로 복원된다.
제1 보조 컨트롤러(113)는 정확한 무효 전력 공유 기능과, 출력 전압을 공칭 전압으로 복원하는 전압 복원 컨트롤 기능을 수행하고, 이를 위하여 컨센서스 알고리즘을 기초로 한 2가지 보상 항목을 하기의 12와 같이 표현한다.
Figure pat00021
제1 보조 컨트롤러(113)는 출력값을 제1 기본 컨트롤러(112)로 전송한다.
각 DG(111)의 제1 보조 컨트롤러(113)는 전압의 제어 신호를 생성하기 위해서 이웃의 정보(무효 전력 및 출력 전압)을 수신한다.
PI 레귤레이터는 무효 전력 공유를 개선하고, 각 DG(111)의 출력 전압을 공칭 전압으로 복원하는데 사용된다. 이에 따라 제1 기본 컨트롤러(112)의 전압 레퍼런스를 생성한다.
제1 기본 컨트롤러(112)의 드룹 컨트롤러와 역드룹 컨트롤러는 제1 보조 컨트롤러(113)로부터 전압 레퍼런스를 수신하여 드룹 컨트롤러의 전압 레퍼런스와 전압 및 전류 제어 루프에 대한 전류 레퍼런스를 조정한다.
도 4의 (a), (b)는 가상 임피던스가 적용되었지만 DG(111) 간의 전력 공유가 부정확하다는 것을 보여준다. 또한, 드룹 이득 및 라인 임피던스의 영향으로 인해 가상 임피던스 제어 방식의 경우 전압 강하가 발생한다. 도 4의 (c)는 종래의 방법에 따른 출력 전압을 나타낸다.
도 4의 (d), (e) 및 (f)는 정확한 무효 전력 공유를 위한 컨센서스 알고리즘을 기반으로 제안된 분산 제어의 실험 결과를 보여준다.
처음에는 일정한 전력 제어가 3개의 DG 장치에 사용되고, 그런 다음 제안 된 컨트롤러는 t = 15 초에 채택되고, t = 39 초에서 AC 부하가 증가한다. 본 발명은 라인 임피던스 정보가 정확하지 않아도 DG 장치 간에 무효 전력이 정확하게 공유됨을 알 수 있다. 또한, DG 장치의 출력 전압은 도 4의 7(f)와 같이 공칭값으로 복구된다.
도 8에 도시된 3 개의 DG의 출력 전류는 위상이 다르므로 AC MG의 3개의 DG 사이에서 순환 전류가 발생한다. 제안 된 분산 제어가 활성화 될 때, 3개의 DG의 출력 전류의 위상 각 및 진폭이 유사하여, 순환 전류가 감소된다. 본 발명의 AC 마이크로그리드 컨트롤러를 사용하면 DG 간의 순환 전류를 줄이고 출력 전압을 정격 값으로 복구할 수 있다.
(2) DC 마이크로그리드 시스템(120)의 DGs의 제어
DC 마이크로 그리드 시스템은 DG(121) 간에 전력을 공유하기 위해 드룹 기반의 제2 기본 컨트롤러(122)가 변환기에 적용된다.
DC 마이크로그리드 시스템(120)에서 DG(121) 간의 DC 전력은 동일하게 공유하지만 라인 임피던스의 영향으로 인해 DC 전류 공유가 부정확하다.
DC 마이크로그리드 시스템(120)의 DG(121)는 제2 기본 컨트롤러(Primary Controller)(122)와 제2 보조 컨트롤러(Secondary Controller)(123)로 구성된다.
제2 보조 컨트롤러(123)는 컨센서스 알고리즘을 기반으로 DC 전류 공유의 문제를 개선하고, DC 전압을 공칭값으로 복구하기 위해 전압 복원 제어가 수행된다.
DC 마이크로그리드 시스템(120)의 V-I 드룹 제어는 제2 기본 컨트롤러(122)에서 부하 전류 공유에 사용된다.
제2 기본 컨트롤러(122)는 가상 저항을 사용하여 구현할 수 있다. 드룹 제어의 출력은 하기의 수학식 13과 같이 생성된다.
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
는 컨버터의 출력 전압,
Figure pat00024
는 DC 전압의 레퍼런스,
Figure pat00025
는 출력 전류,
Figure pat00026
는 가상 임피던스이다.
드룹 계수는 허용 가능한 DC 전압 편차 및 DG 장치의 정격 전력(최대 부하 전류)으로 설계한다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는 최대 허용 전압 편차,
Figure pat00029
는 최대 부하 전류이다.
전력 공유의 성능은 가상 임피던스(
Figure pat00030
)가 클수록 향상될 수 있다. 그러나 커진 가상 임피던스는 각 컨버터 출력에서 큰 전압 편차가 발생하여 시스템 안정성이 저하된다.
V-I 드룹 제어는 DC 마이크로그리드 시스템(120)에서의 전력을 공유하는데 사용될 때, 전류 공유의 정확성과 시스템의 안정성은 드룹 이득과 라인 임피던스의 영향을 받는다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 제2 보조 컨트롤러(123)는 컨센서스 알고리즘을 기반으로 한다.
컨센서스 알고리즘을 기반한 제2 보조 컨트롤러(123)의 출력은 전류 공유를 위하여 하기의 수학식 15와 수학식 16과 같이 표현된다.
Figure pat00031
Figure pat00032
여기서,
Figure pat00033
는 DGi 장치의 전류 공유를 위한 레퍼런스이고, kcp와 kci는 PI 제어기의 비례항과 정수항이고,
Figure pat00034
는 수학식 16을 이용하여 계산되는 DGi 장치의 평균 전류 추정값이고, wij는 i노드로부터 j노드까지 데이터 이송을 위한 통신 가중치이고, j는 장치의 넘버, Ni는 유닛 i에 연결된 유닛의 집합이다.
제2 보조 컨트롤러(123)는 드룹 제어를 통한 전압 강하를 보상하기 위해서 컨센서스 알고리즘을 수행한다.
전압 레귤레이터의 출력과 출력 전압을 하기의 수학식 17 내지 수학식 19과 같이 표현된다.
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
여기서,
Figure pat00038
는 전압 복원을 위한 DGi 장치의 보상 항목이고, kvp와 kvi는 전압 복원용 PI 제어기의 비례항과 정수항이고,
Figure pat00039
는 DGi 장치의 평균 전압 추정값이다. 따라서, 가상 저항의 역수에 비례하는 분산 전류 공유가 달성될 수 있다.
각 DG(121)의 제2 보조 컨트롤러(123)는 이웃의 정보(전압과 전류)를 수신하고, 이웃의 로컬 데이터를 처리하여 PI 제어기를 통해 전압의 제어 신호를 생성한다.
각 DG(121)의 제2 보조 컨트롤러(123)는 분산되어 있고, 각각의 제2 보조 컨트롤러(123)는 로컬 정보와 인접 장치의 로컬 정보를 사용하므로 유연하고 신뢰할 수 있다.
각 DG(121)의 제2 보조 컨트롤러(123)는 V-I 드룹 제어를 통해 전류 공유를 수행하며, DG 장치 간의 전류 공유를 수행할 수 있다.
각 DG(121)의 제2 보조 컨트롤러(123)는 컨센서스 알고리즘을 기반으로 통신 레이어와 통신하는 컨센서스 프로토콜과, 전압 레귤레이터, DC 전류 레귤레이터를 이용하여 컨센서스 제어를 수행한다.
도 6은 본 발명의 DC 마이크로그리드 시스템(120)에서 가상 임피던스의 실험 결과와 DC 마이크로그리드 시스템(120)에서 알려지지 않은 라인 임피던스로 제안된 제어를 보여준다.
t = 10s 이전에는 정전압 및 전류 제어가 채택되고, t = 10 초부터 가상 임피던스 제어 및 제안 된 분산 제어가 적용된다.
선로 임피던스 정보가 정확하지 않으면 가상 임피던스 설계가 부정확할 수 있다. 결과적으로 3개의 DG(121)의 출력 전류와 전력이 다르다.
3개의 DG 중 전류의 평균값을 찾기 위해 컨센서스 알고리즘을 사용하고, 각 DG의 로컬 제어는 평균 전류를 따르도록 전류 기준을 조정한다.
결과적으로 컨센서스 알고리즘을 사용하여 정확한 전류 공유를 달성 할 수 있다. t = 10s 후에, DG 장치의 출력 정상 상태 전류는 동일하고, 출력 전력은 거의 동일하며, 순환 전류가 억제된다.
도 6의(c) 및 (f)는 가상 임피던스 및 제안 된 분산 제어를 갖는 3개의 DG 장치의 출력 전압을 도시한다. 가상 임피던스 방법을 사용하고 드룹 계수 및 라인 임피던스의 영향으로 인해 DC 부하가 증가하면 3개의 DG 장치의 출력 전압이 감소한다. 본 발명의 분산 제어를 통해 3개의 DG 전압이 공칭값으로 복구된다.
하이브리드 AC/DC 마이크로그리드(Migrogrid, MG) 시스템의 연동 컨버터(130)(Interlinking Converter, ILC)는 AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120) 간의 전력 공유를 유지하는 중요한 역할을 한다.
하이브리드 마이크로그리드에서 AC 마이크로그리드 시스템(110)은 3상 전압원(VSC) 및 3상 인터리브(Interleaved) DC/DC 컨버터로 구성되는 연동 컨버터(130)에 의해 DC 마이크로그리드 시스템(120)에 연결된다.
3상 전압원은 공통 DC 링크 전압을 제어하고, 3상 인터리브 DC/DC 컨버터는 본 발명의 분산 제어 방법을 수행한다.
연동 컨버터(130)의 컨트롤러는 표준화된 드룹 제어 방식을 기반으로 하고, 3상 전압/전류와 AC 측에서의 dc 링크 전압과 DC 측에서의 DC 전압과 전류와 같이 로컬 신호를 사용한다.
연동 컨버터(130)의 컨트롤러는 표준화된 드룹 제어 방법을 기초로 AC 주파수와 DC 전압이 정규화되어 AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120) 간의 효과적인 전력 공유가 이루어진다.
연동 컨버터(130)의 컨트롤러는 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 주파수와, DC 마이크로그리드 시스템(120)의 DC 전압을 조정하기 위하여 정규화가 필요하다.
이러한 정규화된 주파수와 DC 전압은 하기의 수학식 20과 수학식 21과 같이 정의된다.
Figure pat00040
Figure pat00041
여기서,
Figure pat00042
는 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 dc 전압의 상한치와 하한치,
Figure pat00043
는 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 상한 주파수와 하한 주파수이다.
연동 컨버터(130)의 정규화된(Normalized) 드룹 접근 방법은 하기의 수학식 22와 같다.
Figure pat00044
여기서,
Figure pat00045
는 AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120) 간의 연동 컨버터(130)에 의한 변경 전력이고,
Figure pat00046
는 연동 컨버터(130)의 드룹 이득이다.
연동 컨버터(130)는 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 정규화된 주파수가 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 정규화된 전압과 같을 때(fpu=vpu), AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120) 간의 전력 공유가 0과 같다(Pd=0).
연동 컨버터(130)는 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 부하가 증가하면 정규화된 주파수(fpu)가 감소한다.
전력은 DC 마이크로그리드 시스템(120)으로부터 AC 마이크로그리드 시스템(110)으로 전달되어진다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연동 컨버터(130)의 정규화된 주파수와 전압의 특성을 보여준다.
그러나 연동 컨버터(130)의 정규화된 드룹 제어는 AC 주파수 및 DC 전압에서 정상 상태 에러를 유발할 수 있다.
AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 교란으로 인하여 AC 주파수와 DC 전압은 공칭값에서 벗어날 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 연동 컨버터(130)는 2차 제어 방법으로 PI 컨트롤러를 이용하여 하기의 수학식 23과 같이 정규화된 주파수 및 전압의 변화를 보상한다.
Figure pat00047
여기서,
Figure pat00048
는 주파수 조정 제어 정보와 전압 조정 제어 정보, Kp는 비례 계수이고, Ki는 PI 컨트롤러의 정수 계수이다.
연동 컨버터(130)의 기능은 AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120) 사이의 전력 흐름을 유지하는 것이다.
AC 마이크로그리드 시스템(110)은 부하가 적은 상태에서 작동하고, DC 마이크로그리드 시스템(120)은 부하가 높은 상태에서 작동한다. 연동 컨버터(130)의 기본 컨트롤러 및 보조 컨트롤러는 초기에 비활성화되어 있으며 각각 t = 110s 및 135s에서 활성화된다.
연동 컨버터(130)의 컨트롤러는 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 주파수와 C 마이크로그리드 시스템의 DC 전압을 동시에 조절할 수 있다.하이브리드 AC/DC 마이크로그리드 시스템(120)의 출력 파형은 도 8에 나와 있다.
DC 마이크로그리드 시스템(120)은 과부하 상태에서 작동하기 때문에 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 각 DG 장치의 출력 전력은 거의 최대이다(Pmax = 3kW). 그러나 AC 마이크로그리드 시스템(110)은 적은 부하 상태에서 작동하기 때문에 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 각 DG의 출력은 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 각 DG 장치보다 적다.
t = 110에서, 연동 컨버터(130)의 1차 컨트롤러(Primary Control)가 활성화되고, 연동 컨버터(130)는 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 주파수 변화와 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 DC 전압을 감지한다. 2개의 마이크로그리드 시스템 사이의 전력 공유 파형은 도 8의 (d)에 도시되어 있고, 2개의 마이크로그리드 시스템에서의 DG의 출력 전력은 도 8의 (a) 및 (g)에 각각 도시되어있다.
연동 컨버터(130)는 AC 마이크로그리드 시스템(110)와 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 간에 전송된 전력을 조절하여 정규화된 AC 주파수와 DC 전압의 동일한 값을 유지하기 때문에 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 DG 장치는 DC 마이크로그리드 시스템(120)으로 전송하기 위해 전력을 증가시키는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 8의 (e) 및 (f)에 도시된 바와 같이, AC 주파수가 감소되고, DC 전압이 증가된다. 연동 컨버터(130)의 1차 제어 전략이 활성화되어 있지만, 도 8의 (e)와 (f)에 표시된 것처럼 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 주파수와 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 DC 전압에 정상 상태 오류가 있다. 전압 및 주파수를 공칭값으로 복원하기 위해서 연동 컨버터(130)의 보조 컨트롤러(Secondary Control)는 약 t = 135s로 적용된다. 보조 컨트롤러는 전압과 주파수를 공칭값으로 복원한 후 주파수와 전압이 각각 60Hz와 380V로 설정되고, AC 마이크로그리드 시스템(110)와 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 모든 DG 장치의 출력 전력이 거의 동일하게 된다.
연동 컨버터(130)는 기본 컨트롤러 및 보조 컨트롤러의 계층적 제어를 제시한다.
본 발명은 동적 컨센서스 알고리즘에 기반한 AC 마이크로그리드 시스템(110)과 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 컨트롤러를 제안한다.
(3) 컨센서스 알고리즘
컨센서스(Consensus)란 각 노드의 상태에 의존하는 어떠한 값이 서로 일치하게 됨을 의미하며, 컨센서스 알고리즘은 컨센서스를 위해 각 노드가 네트워크상의
이웃 노드들과 관련 정보를 공유하는 상호 규칙을 일컫는다.
컨센서스 알고리즘은 노드 간 상태 정보의 교환을 필요로 하므로 이를 네트워크상에서 수행할 수 있다.
컨센서스 컨트롤은 DG 컨트롤러에 할당된 컨트롤 신호를 얻는데 사용된다.
각 DG는 전압, 전류 또는 무효 전력과 같은 로컬 정보에 액세스 할 수 있지만 글로벌 정보를 수신 할 수는 없다. 여기서, 컨센서스 알고리즘은 지역 정보에 기반한 분산 모드에서의 정보 교환을 보장하기 위한 것이다. 그런 다음 DG는 이웃들로부터 수집된 정보 상태에 따라 정보를 갱신한다.
컨센서스 제어의 목적은 모든 DG의 정보 상태를 공통 가치로 수렴 할 수 있는 갱신된 법을 설계하는 것이다. 컨센서스 알고리즘의 반복 형태는 다음의 수학식 24와 같이 이산 시간으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00049
여기서, n은 시스템의 DG 단위수이고, ωi는 노드 i에서 노드 j로의 데이터 전송을 위한 통신 가중치이다.
동적 컨센서스 알고리즘은 정확한 무효 전력 및 DC 전류 공유를 달성하기 위해서 두 마이크로그리드 시스템의 DG 간의 정보 공유에 사용된다.
또한, 시스템 전압을 공칭값으로 복구하기 위해서 컨센서스 알고리즘을 기반으로 한 전압 복원 제어가 제안된다.
DC 마이크로그리드 시스템(120)에서 AC 마이크로그리드 시스템(110)의 DG와 DG 사이의 전력이 정확하게 공유된다. AC 마이크로그리드 시스템(110)의 시스템 주파수와 DC 마이크로그리드 시스템(120)의 전압은 공칭값으로 유지된다.
동적 컨센서스 알고리즘은 정확한 무효 전력 및 DC 전류 공유를 달성하기 위해서 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드의 DG 간의 정보 공유에 사용된다.
또한, 시스템 전압을 공칭값으로 복구하기 위해 컨센서스 알고리즘을 기반으로 한 전압 복원 제어가 제안된다. 연동 컨버터(130)(ILC)의 계층적 제어는 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드의 간의 전력 공유를 효과적으로 조절하기 위해 제공한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 분산 제어 시스템
110: AC 마이크로그리드 시스템
111: DG
112: 제1 기본 컨트롤러
113: 제1 보조 컨트롤러
120: DC 마이크로그리드 시스템
121: DG
122: 제2 기본 컨트롤러
123: 제2 보조 컨트롤러
130: 연동 컨버터

Claims (9)

  1. 통신 네트워크에 연결된 각각의 제1 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 AC 마이크로그리드 시스템;
    통신 네트워크에 연결된 각각의 제2 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 DC 마이크로그리드 시스템; 및
    상기 AC 마이크로그리드 시스템의 각 제1 분산 발전장치로부터 주파수와 제1 전력 정보를 수신하고, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 각 제2 분산 발전장치로부터 DC 전압과 제2 전력 정보를 수신하며, 상기 제1 분산 발전장치로부터 수신한 주파수와 상기 제2 분산 발전장치로부터 수신한 DC 전압을 증가하거나 감소하여 각각의 기설정된 공칭값(Nominal Value)으로 복원함으로써 상기 복수의 제1 분산 발전장치와 상기 복수의 제2 분산 발전장치의 출력 전력을 동일하게 제어하는 연동 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연동 컨버터는 상기 AC 마이크로그리드 시스템의 각 제1 분산 발전장치로부터 주파수를 하기의 수학식 1에 의해 정규화된 주파수(fpu)를 계산하고, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 각 제2 분산 발전장치로부터 DC 전압을 하기의 수학식 2에 의해 정규화된 DC 전압(Vpu)을 계산하고, 상기 정규화된 주파수와 상기 정규화된 DC 전압이 동일한 경우, 상기 AC 마이크로그리드 시스템과 상기 DC 마이크로그리드 시스템 간의 전력 공유가 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pat00050

    [수학식 2]
    Figure pat00051

    여기서,
    Figure pat00052
    는 DC 마이크로그리드 시스템의 dc 전압의 상한치와 하한치,
    Figure pat00053
    는 AC 마이크로그리드 시스템의 상한 주파수와 하한 주파수임.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연동 컨버터는 하기의 수학식 3과 같이, 상기 정규화된 주파수(fpu)와 상기 정규화된 DC 전압(Vpu)이 동일하여 변경 전력(
    Figure pat00054
    )이 0일 때 상기 AC 마이크로그리드 시스템과 상기 DC 마이크로그리드 시스템 간의 전력 공유가 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 3]
    Figure pat00055

    여기서,
    Figure pat00056
    는 AC 마이크로그리드 시스템과 DC 마이크로그리드 시스템 간의 연동 컨버터에 의한 변경 전력이고,
    Figure pat00057
    는 연동 컨버터의 드룹 이득임.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연동 컨버터는 상기 정규화된 주파수와 상기 정규화된 DC 전압을 하기의 수학식 4를 이용하여 주파수 조정 제어 정보와 전압 조정 제어 정보를 계산하고, 상기 주파수 조정 제어 정보와 상기 전압 조정 제어 정보를 이용하여 상기 제1 분산 발전장치로부터 수신한 주파수와 상기 제2 분산 발전장치로부터 수신한 DC 전압을 증가하거나 감소하여 각각의 기설정된 공칭값(Nominal Value)으로 복원하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 4]
    Figure pat00058

    여기서,
    Figure pat00059
    는 주파수 조정 제어 정보와 전압 조정 제어 정보, Kp는 비례 계수이고, Ki는 PI 컨트롤러의 정수 계수임.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 AC 마이크로그리드 시스템의 각 제1 분산 발전장치는 상기 제1 분산 발전장치 간에 전력을 공유하기 위한 드룹(Droop) 제어를 수행하는 제1 기본 컨트롤러와, 무효 전력 공유를 하기의 수학식 5와 수학식 6에 의해 수행하는 제1 보조 컨트롤러를 포함하며,
    상기 제1 보조 컨트롤러는 통신 레이어와의 통신 프로토콜을 통해 상기 각 제1 분산 발전장치 간에 정보를 송수신하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 5]
    Figure pat00060

    여기서,
    Figure pat00061
    는 DGi 장치의 무효 전력 공유를 위한 보상 항목, Kcp와 Kci는 PI 제어기의 정수항이고, k는 컨센서스 알고리즘의 반복 루프, 는 k+1번째에서의 무효 전력값임.
    [수학식 6]
    Figure pat00062

    여기서, wij는 i노드로부터 j노드까지 데이터 이송을 위한 통신 가중치이고, i, j는 장치의 넘버임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 보조 컨트롤러는 하기의 수학식 7과 수학식 8을 이용하여 상기 각 제1 분산 발전장치의 출력 전압을 공칭 전압으로 복원하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 7]
    Figure pat00063

    [수학식 8]

    Figure pat00064

    여기서,
    Figure pat00065
    는 DGi 장치의 출력 전압을 공칭 전압으로 복원하기 위한 보상 항목이고, kvp와 kvi는 전압 복원용 PI 제어기의 비례항과 정수항이고,
    Figure pat00066
    는 수학식 8에 의해 주어진 관측자로부터 얻은 국소 추정치임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 DC 마이크로그리드 시스템의 각 제2 분산 발전장치는 상기 제2 분산 발전장치 간에 전류를 공유하기 위한 드룹(Droop) 제어를 수행하는 제2 기본 컨트롤러와, 전류 공유를 하기의 수학식 9와 수학식 10에 의해 수행하는 제2 보조 컨트롤러를 포함하며,
    상기 제2 보조 컨트롤러는 통신 레이어와의 통신 프로토콜을 통해 상기 각 제2 분산 발전장치 간에 정보를 송수신하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 9]
    Figure pat00067

    [수학식 10]
    Figure pat00068

    여기서,
    Figure pat00069
    는 DGi 장치의 전류 공유를 위한 레퍼런스이고, kcp와 kci는 PI 제어기의 비례항과 정수항이고,
    Figure pat00070
    는 수학식 16을 이용하여 계산되는 DGi 장치의 평균 전류 추정값이고, wij는 i노드로부터 j노드까지 데이터 이송을 위한 통신 가중치이고, j는 장치의 넘버, Ni는 유닛 i에 연결된 유닛의 집합임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 보조 컨트롤러는 드룹 제어를 통한 전압 강하를 보상하기 위해서 컨센서스 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
  9. 통신 네트워크에 연결된 복수의 제1 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 AC 마이크로그리드 시스템과 복수의 제2 분산 발전장치(Distributed Generation, DG)로 이루어진 DC 마이크로그리드 시스템을 포함하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템에 있어서,
    상기 AC 마이크로그리드 시스템의 각 제1 분산 발전장치로부터 주파수와 제1 전력 정보를 수신하고, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 각 제2 분산 발전장치로부터 DC 전압과 제2 전력 정보를 수신하고, 상기 수신한 주파수를 하기의 수학식 1에 의해 정규화된 주파수(fpu)를 계산하고, 상기 수신한 DC 전압을 하기의 수학식 2에 의해 정규화된 DC 전압(Vpu)을 계산하고, 상기 정규화된 주파수와 상기 정규화된 DC 전압이 동일하지 않은 경우, 상기 정규화된 주파수와 상기 정규화된 DC 전압이 동일하도록 상기 제1 분산 발전장치로부터 수신한 주파수와 상기 제2 분산 발전장치로부터 수신한 DC 전압을 증가하거나 감소하여 각각의 기설정된 공칭값(Nominal Value)으로 복원하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 분산 제어 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pat00071

    [수학식 2]
    Figure pat00072

    여기서,
    Figure pat00073
    는 DC 마이크로그리드 시스템의 dc 전압의 상한치와 하한치,
    Figure pat00074
    는 AC 마이크로그리드 시스템의 상한 주파수와 하한 주파수임.
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