KR20210034144A - 직류 마이크로그리드 시스템의 제어 방법 및 그 제어 장치 - Google Patents

직류 마이크로그리드 시스템의 제어 방법 및 그 제어 장치 Download PDF

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KR20210034144A
KR20210034144A KR1020190115303A KR20190115303A KR20210034144A KR 20210034144 A KR20210034144 A KR 20210034144A KR 1020190115303 A KR1020190115303 A KR 1020190115303A KR 20190115303 A KR20190115303 A KR 20190115303A KR 20210034144 A KR20210034144 A KR 20210034144A
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storage system
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KR1020190115303A
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정윤철
이동춘
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한국전력공사
영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 다양한 실시 예들은 직류 마이크로그리드 시스템의 제어 방법 및 그 제어 장치에 관한 것으로서, 직류 마이크로시스템은 적어도 하나의 에너지 소스, 상기 적어도 하나의 에너지 소스와 연결된 적어도 하나의 제1 컨버터, 적어도 하나의 부하, 상기 적어도 하나의 부하와 연결된 적어도 하나의 제2 컨버터, 상기 적어도 하나의 제1 컨버터 및 상기 적어도 하나의 제2 컨버터와 연결된 직류 마이크로그리드망, 및 상기 직류 마이크로그리드망과 연결되며, 에너지 저장 시스템 및 전압 제어기를 포함하는 제어 장치를 포함하고, 상기 전압 제어기는, 상기 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류, 상기 직류 마이크로그리드망의 전압, 및 상기 에너지 저장 시스템의 전압에 기반하여 제1 제어 입력을 결정하고, 상기 마이크로그리드망의 공칭 전압, 상기 에너지 저장 시스템의 전류, 및 상기 제1 제어 입력에 기반하여, 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 조정하기 위한 제2 제어 입력을 결정하고, 상기 제2 제어 입력에 기반하여 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하도록 설정될 수 있다. 다른 실시 예들도 가능하다.

Description

직류 마이크로그리드 시스템의 제어 방법 및 그 제어 장치{CONTROL METHOD OF DIRECT CURRENT MICROGRID SYSTEM AND CONTROL DEVICE THEREOF}
본 발명의 다양한 실시 예들은 직류 마이크로그리드 시스템에 관한 것이다.
공기 오염, 지구 온난화, 화석 연료 부족 등과 같은 이슈가 대두됨에 따라, 친황경 에너지원으로서의 신재생에너지가 각광받고 있으며, 이러한 분산전원(distributed generation(DG))이 기존의 전력계통망과 연결됨에 따라 소규모 지역에서 전력을 생산 및 소비하는 형태로 자급자족할 수 있는 마이크로그리드 시스템 이 이슈가 되고 있다.
마이크로그리드 시스템은 매개되는 전력이 교류인 교류 마이크로그리드 시스템과 매개되는 전력이 직류인 직류 마이크로그리드 시스템을 포함할 수 있다. 직류 마이크로그리드 시스템은 유효전과 무효전력을 모두 제어하는 교류 마이크로그리드 시스템과 달리, 유효전력을 제어하며, 주파수 성분 없이 직류 전압의 크기만을 모니터링함에 따라, 제어구성이 교류 마이크로그리드 시스템에 비해 단순할 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 제10-1776997호(2017.09.04. 등록, ＤＣ 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법)에 개시되어 있다.
직류 마이크로그리드 시스템은 높은 품질의 전력을 부하에 공급하기 위해 기술적으로 해결해야 하는 부분이 여전히 남아 있다. 특히, 직류 마이크로그리드 시스템은, 부하에 전력을 공급하는 직류 버스에 전압의 진동이 발생할 수 있으며, 이에 따라, 직류 버스에 연결되는 시스템이 불안정하게 되거나 또는 고장이 발생할 수 있다. 따라서, 직류 마이크로그리드 시스템의 직류 버스에서 발생되는 전압 진동을 저감시키기 위한 방안(solution)이 요구될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들은, 직류 마이크로그리드 시스템에서 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어함으로써, 직류 버스에서 발생되는 전압, 전류 및 전력의 진동을 저감시키는 직류 마이크로그리드 시스템에 관하여 개시한다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로시스템은 적어도 하나의 에너지 소스, 상기 적어도 하나의 에너지 소스와 연결된 적어도 하나의 제1 컨버터, 적어도 하나의 부하, 상기 적어도 하나의 부하와 연결된 적어도 하나의 제2 컨버터, 상기 적어도 하나의 제1 컨버터 및 상기 적어도 하나의 제2 컨버터와 연결된 직류 마이크로그리드망, 및 상기 직류 마이크로그리드망과 연결되며, 에너지 저장 시스템 및 전압 제어기를 포함하는 제어 장치를 포함하고, 상기 전압 제어기는, 상기 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류, 상기 직류 마이크로그리드망의 전압, 및 상기 에너지 저장 시스템의 전압에 기반하여 제1 제어 입력을 결정하고, 상기 마이크로그리드망의 공칭 전압, 상기 에너지 저장 시스템의 전류, 및 상기 제1 제어 입력에 기반하여, 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 조정하기 위한 제2 제어 입력을 결정하고, 상기 제2 제어 입력에 기반하여 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하도록 설정될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른, 적어도 하나의 에너지 소스, 상기 적어도 하나의 에너지 소스와 연결된 적어도 하나의 제1 컨버터, 적어도 하나의 부하, 상기 적어도 하나의 부하와 연결된 적어도 하나의 제2 컨버터, 상기 적어도 하나의 제1 컨버터 및 상기 적어도 하나의 제2 컨버터와 연결된 직류 마이크로그리드망, 및 상기 직류 마이크로그리드망과 연결되며, 에너지 저장 시스템 및 전압 제어기를 포함하는 제어 장치를 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법은, 상기 전압 제어기가 상기 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류, 상기 직류 마이크로그리드망의 전압, 및 상기 에너지 저장 시스템의 전압에 기반하여 제1 제어 입력을 결정하는 단계, 상기 전압 제어기가 상기 마이크로그리드망의 공칭 전압, 상기 에너지 저장 시스템의 전류, 및 상기 제1 제어 입력에 기반하여, 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 조정하기 위한 제2 제어 입력을 결정하는 단계, 및 상기 전압 제어기가 상기 제2 제어 입력에 기반하여 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들은, 직류 마이크로그리드 시스템에서 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어함으로써, 직류 버스(또는 직류 마이크로그리드망)에서 발생되는 전압, 전류 및 전력의 진동을 저감시킬 수 있다.
도 1은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템의 블록도이다.
도 2는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템의 회로도의 일 예이다.
도 3은 다양한 실시 예들에 따른 제어 장치의 블록도이다.
도 4는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 전압형 컨버터의 등가회로 모델이다.
도 5는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 버스 커패시터 및 저항부하 회로도이다.
도 6은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 전압 제어기의 블록도이다.
도 7은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 에너지 저장 장치의 출력 전압을 제어하는 전압 제어기의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템의 회로도의 다른 예이다.
도 9는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 본 발명에서 제안하는 전압 제어기를 이용하는 경우와 전압 제어기를 이용하지 않는 경우의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 직류 마이크로그리드의 전압, 전류 및 전력의 진동을 저감하기 위한 에너지저장 시스템을 포함하는 마이크로그리드 및 그 동작 방법을 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 문서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들어, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한", "~하는 능력을 가지는", "~하도록 변경된", "~하도록 만들어진", "~를 할 수 있는", 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다. 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
도 1은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 직류 마이크로그리드 시스템(100)은 적어도 하나의 에너지 소스(101)(또는 전압원), 적어도 하나의 제1 컨버터(103), 직류 마이크로그리드망(105), 적어도 하나의 제2 컨버터(107), 적어도 하나의 부하(109), 또는 전압 제어 장치(111) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 적어도 하나의 에너지 소스(101)는 교류 전원을 생성하는 분산 전원(dispersed generation)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 소스(101)는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 수력 발전기, 조력 발전기, 지열 발전기, 또는 엔진 발전기 등을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 적어도 하나의 제1 컨버터(103)는 적어도 하나의 에너지 소스(101) 및 직류 마이크로그리드망(105)과 연결되고, 적어도 하나의 에너지 소스(101)에서 생성된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 직류 마이크로그리드망(105)에 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 제1 컨버터(103)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하기 위한 AC to DC 컨버터를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 직류 마이크로그리드망(105)은 적어도 하나의 제1 컨버터(103) 및 적어도 하나의 제2 컨버터(107)와 연결되며, 적어도 하나의 제1 컨버터(103) 및/또는 에너지 저장 시스템(117)(energy storage system(ESS))으로부터 제공된 직류 전원을 적어도 하나의 제2 컨버터(107)에 제공할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 적어도 하나의 제2 컨버터(107)는 직류 마이크로그리드망(105) 및 적어도 하나의 부하(109)와 연결되며, 직류 마이크로그리드망(105)에서 제공되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 적어도 하나의 부하(109)로 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 제2 컨버터(107)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하기 위한 DC to AC 컨버터를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 적어도 하나의 부하(109)는 적어도 하나의 제2 컨버터(107)와 연결되며, 적어도 하나의 제2 컨버터(107)에서 제공되는 직류 전원을 소비함으로써 동작할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 전압 제어 장치(111)는 적어도 하나의 제1 컨버터(103) 및 직류 마이크로그리드망(105)과 연결되며, 전류 제어기(113), 전압 제어기(115), 및 에너지 저장 시스템(117)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전류 제어기(113)는 에너지 저장 시스템(117)의 출력(예: 전류)를 제어할 수 있으며, PI 전류제어 및 전압제어 루프와, 출력 전력 분담을 위한 드룹(droop) 제어기를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전압 제어기(115)는 에너지 저장 시스템(117)의 출력 전압을 제어함으로써, 직류 마이크로그리드망의 출력 전압의 진동을 저감시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 에너지 저장 시스템(117)은, 적어도 하나의 제1 컨버터(103)에서 출력되는 직류 전원(또는 직류 마이크로그리드망(105)에서 출력되는 직류 전원)에 기반하여 충전되며, 전압 제어 장치(111)의 제어에 따라, 직류 마이크로그리드망(105)로 직류 전원을 출력할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 전압 제어기(115)는 적어도 하나의 제1 컨버터(103)에서 출력되는 전류, 직류 마이크로그리드망(105)의 전압, 및 에너지 저장 시스템(117)의 전압에 기반하여 에너지 저장 시스템(117)의 진동 성분을 억제하기 위한 제1 제어 입력을 결정하고, 직류 마이크로그리드망(105)의 공칭 전압, 에너지 저장 시스템(117)의 전류, 및 제1 제어 입력에 기반하여 에너지 저장 시스템(117)의 전압을 제어하기 위한 제2 제어 입력을 결정하고, 제2 제어 입력에 기반하여 에너지 저장 시스템(117)의 전압을 제어함으로써, 직류 마이크로그리드망(105)의 출력 전압의 진동을 저감시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전압 제어기(115)는 IDA-PBC(interconnection and damping assignment - passivity-based control) 이론에 기반하여 설계될 수 있다. IDA-PBC 이론은, 제어 대상 시스템에 가상의 저항 성분을 추가하여 에너지를 소비하는 특성(예: 수동성)을 만족시키는 상태 피드백 제어 법칙을 유도하는 기법을 포함할 수 있다. 전압 제어기(115)가 IDA-PBC 이론에 기반하여 설계됨에 따라, 전압 제어기(115)와 연결된 다른 시스템에서도 수동성이 보존될 수 있다.
도 2는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템의 회로도이다. 도 3은 다양한 실시 예들에 따른 제어 장치의 블록도이다. 도 4는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 전압형 컨버터의 등가회로 모델이다. 도 5는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 버스 커패시터 및 저항부하 회로도이다. 도 6은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 전압 제어기의 블록도이다. 이하 설명은, 도 2의 구조로 셜계된 직류 마이크로그리드 시스템에서 전압 제어기(예: 도 1의 전압 제어기(115))를 설계하는 방법에 대한 설명일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 직류 마이크로그리드 시스템(200)은, 두 개의 직류 전원 소스(DC source1, DC source2)(예: 도 1의 적어도 하나의 에너지 소스(101) 및 적어도 하나의 제1 컨버터(103)), 직류 버스(DC bus)(예: 도 1의 직류 마이크로그리드망(105)), 정전력 부하(constant power loads(CPSs))(예: 도 1의 적어도 하나의 제2 컨버터(107) 및 적어도 하나의 부하(109)), 저항 부하(resistive loads)(예: 도 1의 적어도 하나의 제2 컨버터(107) 및 적어도 하나의 부하(109)), 및 에너지 저장 시스템(energy storage system)(예: 도 1의 에너지 저장 시스템(117))을 포함할 수 있다. 도 2에서, Vdc1 및 Vdc2는 직류 전원 소스의 출력 전압을 나타내고, Cdc는 직류 전원 소스의 출력 커패시터를 나타내고, RZ1 및 RZ2는 전력선의 임피던스 저항 성분을 나타내고, LZ1및 LZ2는 전력선의 임피던스 인덕턴스 성분을 나타내고, Rf및 Lf는 출력 필터를 나타내고, Vdc_bus는 직류 버스(또는 직류 마이크로그리드망)의 전압을 나타내고, Cbus는 직류 버스의 커패시터를 나타내고, id는 에너지 저장 시스템의 출력 전류를 나타내고, Vd는 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 나타낼 수 있다. 일 실시 예들에 따르면, 두 개의 직류 전원 소스(DC source1, DC source2)는 동일한 정격 전력 및 동특성을 가지며, 출력 전압제어 모드로 동작할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 도 2의 직류 마이크로그리드 시스템에서 직류 버스의 출력을 제어하기 위해, 에너지 저장 시스템의 출력 전류를 제어하는 전류 제어기(예: 도 1의 전류 제어기(113))와 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하는 전압 제어기(예: 도 1의 전압 제어기(115))가 이용될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전류 제어기는, 2개의 직류 전원 소스(DC source1, DC source2)의 출력(예: 전류)을 제어하는 1차 제어(primary control)를 수행할 수 있으며, 도 3과 같이, 두 PI(proportional integral) 전류제어 및 전압제어 루프와 출력 전력 분담을 위한 드룹(droop) 제어기를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전압 제어기는, 직류 버스의 전압을 제어하는 2차 제어(secondary control)를 수행하고, 도 3과 같이, 드룹 제어로 인한 직류 버스의 전압 강하를 보상하는 역할을 수행할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전압 제어기의 출력은, 에너지 저장 시스템의 컨버터(DC/DC 컨버터)로 제공되며, 아래의 <수학식 1>과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
다양한 실시 예들에 따르면, 도 2의 직류 마이크로그리드 시스템에서, 버스 전압 안정도 해석 및 제어기 설계를 위해 도 4와 같이, 제어 동특성을 표현하는 전압형 컨버터의 등가회로 모델을 이용할 수 있다. 도 4의 (a)는 전력선 임피던스를 포함하는 전류 제어기를 저역통과필터(low pass filter(LPF))로 모델링한 전압형 컨버터의 등가회로 모델을 나타낼 수 있다. 도 4의 (a)의 등가회로 모델은, 스위칭 주파수의 영향이 무시되며, 저역통과필터의 절점주파수는 전류제어 루프의 제어 대역폭으로 선정될 수 있다. 도 4의 (a)에서 전류 제어기의 지령치(iL*)는 저역통과필터를 거쳐 가변 전류원의 지령으로 입력될 수 있다. 직류 전원 소스의 출력 커패시터는 커패시터와 내부 저항으로 모델링될 수 있다. 도 4의 (a)의 수학적 모델은, 아래의 <수학식 2>와 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00002
일 실시 예에 따르면, 직류 전원 소스의 출력 커패시터의 입력 전력과 출력 전력이 동일하고, 전류제어 루프의 대역폭이 전압제어 루프의 대역폭보다 충분히 큰 경우, 도 4의 (b)와 같이, 전압 제어기를 저역통과필터로 모델링한 전압형 컨버터의 등가회로 모델을 유도할 수 있다. 도 4 의 (b)에서, 전압 제어기의 지령치(V* dc)는 저역통과필터를 거쳐 출력 전압을 생성할 수 있다. 도 4의 (b)의 수학적 모델은, 아래의 <수학식 3>과 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00003
다양한 실시 예들에 따르면, 도 2의 직류 마이크로그리드 시스템에서, 버스 전압 안정도 해석 및 제어기 설계를 위해 도 5와 같이, 버스 커패시터와 저항 부하를 모델링할 수 있다. 도 5의 수학적 모델은, 아래의 <수학식 4>와 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00004
일 실시 예에 따르면, 정전력 부하를 동작점에서 선형화하는 경우, 부하 저항은 아래의 <수학식 5>와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00005
<수학식 5>에서, V는 동작점에서의 전압을 나타내고, P는 동작점에서의 전력을 나타낼 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 1> 내지 <수학식 5>의 직류 마이크로그리드 시스템 모델을 기반으로, IDA-PBC 이론을 이용한 전압 제어기를 설계하기 위해, 아래의 <수학식 6> 및 <수학식 7>과 같이, PCHS(port-controlled hamiltonian system) 함수를 이용할 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
<수학식 6> 및 <수학식 7>에서, J(x)는 상호 연결 함수를 나타내고, R(x)는 소산 함수를 나타내고, H(x)는 해밀토니안(hamiltonian) 함수를 나타내고, E는 외란을 나타내고, g(x)는 외부 포트 연결 함수를 나타내고, u는 제어 입력을 나타내고, y는 출력을 나타낼 수 있다.
<수학식 2>, <수학식 3> 및 <수학식 4> 로부터 <수학식 6>과 <수학식 7>에서의 변수 x 의 미분형을 <수학식 8>과 같이 정의함으로써, 전압 제어기의 설계를 위한 PCHS 모델을 정의할 수 있다.
Figure pat00008
다양한 실시 예들에 따르면, hamiltonian 함수는, 아래의 <수학식 9>를 선정할 수 있다.
Figure pat00009
다양한 실시 예들에 따르면, 두 개의 직류 전원 소스를 전압원 모델(예: 도 4의 (b))로 모델링하고, 에너지 저장 시스템을 전류원 모델(예: 도 4의 (a))로 모델링하면, <수학식 1> 내지 <수학식 4>, <수학식 8>, 및 <수학식 9>로부터 PCHS 형태로 표현되는 직류 마이크로그리드 시스템의 수학적 모델을 아래의 <수학식 10> 및 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
<수학식 10>에서, ud는 전원에서 발생되는 진동성분을 저감시키기 위한 에너지 저장 시스템의 제1 제어 입력을 나타낼 수 있다. 한편, 두 개의 직류 전원 소스가 존재하는 경우, 직류 마이크로그리드 모델은 아래의 <수학식 12> 및 <수학식 13>과 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00012
Figure pat00013
다양한 실시 예들에 따르면, 수동성(passivity)을 만족하기 위한 새로운 제어 법칙을 유도하기 위해 <수학식 6>의 J(x)와 R(x)는 아래의 <수학식 14> 및 <수학식 15>를 만족시킬 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
<수학식 14> 및 <수학식 15>에서 Ja(x) 및 Ra(x)는 제어기 이득 행렬을 나타낼 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, PCHS 함수에서 β(x), Ja(x), Ra(x), 및 K(x)를 찾을 수 있다고 가정하는 경우, 원하는 에너지 함수(Ha(x))에 대한 차등 방정식은 아래의 <수학식 16>과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00016
일 실시 예에 따르면, <수학식 16>에서 벡터 함수 K(x)는 아래의 수학식 <17>과 같이 선정될 수 있으며, 선정된 벡터 함수 K(x)는 아래의 <수학식 18> 내지 <수학식 20>의 조건을 만족할 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
다양한 실시 예들에 따르면, 설계의 간편함을 위해 직류 마이크로그리드 시스템에 하나의 직류 전원 소스가 존재하는 경우의 제어기를 유도하면, 제어기 이득 행렬 Ja(x)는 아래의 <수학식 21>과 같이 선정되고, 제어기 이득 행렬 Ra(x)는 아래의 <수학식 22>와 같이 선정될 수 있다.
Figure pat00021
Figure pat00022
<수학식 22>에서, k1과 k2는 제어기의 이득이며, <수학식 14>, <수학식 15>, <수학식 21>, 및 <수학식 22>로부터 아래의 <수학식 23> 및 <수학식 24>와 같이, Ja(x)와 Ra(x)를 계산할 수 있다.
Figure pat00023
Figure pat00024
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 8> 내지 <수학식 10>, <수학식 17>, <수학식 21>, 및 <수학식 22>를 <수학식 16>에 대입하면, <수학식 25> 내지 <수학식 28>과 같은 상태 피드백 제어 법칙을 구할 수 있다.
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 10>에서 상태 변수 idc1과 Vdc_bus의 지령치와 출력이 동일해지는 동작점에서의 균형 조건(
Figure pat00029
)은 아래의 <수학식 29> 및 <수학식 30>을 통해 구할 수 있다.
Figure pat00030
Figure pat00031
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 25>와 <수학식 28>은 <수학식 29> 및 <수학식 30>의 동작점에서의 균형조건을 각각 만족하므로, 정상상태 조건에서 제어의 출력에 미치는 영향이 없는 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장 시스템의 제어 입력(예: id 및 ud)에 대한 제어 법칙을 나타내는 <수학식 26> 및 <수학식 27>을 이용하여 전압 제어기를 구성할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 26> 및 <수학식 27>을 다시 작성하면, <수학식 16>의 β(x)에 해당하는 상태 피드백 제어 법칙을 아래의 <수학식 31> 및 <수학식 32>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00032
Figure pat00033
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 32>에서 에너지 저장 시스템의 컨버터(DC/DC) 내부의 전류 제어 지령을 나타내는 id는 직류 성분이 포함되어 있으므로, 지령치와 실제 출력의 정상상태 오차를 제거하기 위해 적분 제어 항을 추가할 필요가 있다. IDA-PBC 이론에 의하면, 에너지 함수는 아래의 <수학식 33>과 같이 정의될 수 있으며, <수학식 7> 및 <수학식 33>으로부터 요구되는 시스템의 출력은 <수학식 34>와 같을 수 있다.
Figure pat00034
Figure pat00035
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 34>를 적분한 v를 아래의 <수학식 35> 통해 구하고, <수학식 35>와 같이, v를 상태 피드백 제어 법칙에 적용할 수 있다.
Figure pat00036
Figure pat00037
<수학식 35>에서 ki는 적분 이득을 나타낼 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 내부 전류에 대한 적분항은 아래의 <수학식 37>과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00038
다양한 실시 에들에 따르면, <수학식 32>과 <수학식 37>을 <수학식 36>과 같이 구성하면, 아래의 <수학식 38>과 같은 제어 법칙을 구할 수 있다.
Figure pat00039
<수학식 38>에서 i* ld는 컨버터 내부 전류 제어기의 지령을 의미할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 35>의 제어입력 ud는 교류 성분의 저감을 목적으로 하므로, 적분항을 추가하지 않으며, 직류 성분을 제외한 교류 성분만을 보상하기 위해 아래의 <수학식 39>와 같은 제어 법칙을 정의할 수 있다.
Figure pat00040
<수학식 39>에서, ~는 교류 성분을 의미할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 교류 성분은 고역통과필터(high pass filter(HPF))를 통해 추출될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 1>로부터 제어 입력 ud가 추가된 전압 제어기의 출력은 아래의 <수학식 40>과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00041
이상에서는, <수학식 40>의 제어 법칙을 유도하기 위해 1개의 직류 전원 소스를 고려하였으므로, 동일한 과정을 거쳐, N개의 직류 전원 소스가 직류 마이크로그리드에 포함될 경우의 제어 법칙을 유도할 수 있다. 아래의 <수학식 41>은 도 2의 직류 마이크로그리드 시스템과 같이 두 개의 직류 전원 소스가 포함되는 경우의 제어 법칙을 나타내며, <수학식 42>는 직류 마이크로그리드 시스템에 N개의 직류 전원 소스가 포함되는 경우의 제어 법칙을 나타낼 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 직류 전원 소스의 수가 변경되더라도, <수학식 38>과 <수학식 40>은 동일하게 유도될 수 있다.
Figure pat00042
Figure pat00043
다양한 실시 예들에 따르면, <수학식 38>, <수학식 40>, 및 <수학식 42>로 부터 도 6과 같이, N개의 직류 전원 소스가 존재하는 경우의 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하는 전압 제어기를 설계할 수 있다.
도 7은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 에너지 저장 장치의 출력 전압을 제어하는 전압 제어기의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
다양한 실시 예들에 따르면, 동작 701에서, 전압 제어기(예: 도 1의 전압 제어기(115) 또는 도 6의 전압 제어기)는 직류 마이크로그리드 시스템(예: 도 1의 직류 마이크로그리드 시스템(100))에 포함된 적어도 하나의 제1 컨버터(예: 도 1의 적어도 하나의 제1 컨버터(103))에서 출력되는 전류, 직류 마이크로그리드망(예: 도 1의 직류 마이크로그리드망(105))의 전압, 및 에너지 저장 시스템(예: 도 1의 에너지 저장 시스템(117))의 전압에 기반하여 제1 제어 입력(예: ud)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전압 제어기(115)는 <수학식 42>를 이용하여, 직류 마이크로그리드 시스템(100)에 포함된 적어도 하나의 제1 컨버터(103)에서 출력되는 전류(예:
Figure pat00044
), 직류 마이크로그리드망(105)의 전압(예:
Figure pat00045
), 및 에너지 저장 시스템(117)의 전압(예:
Figure pat00046
)에 따른 제1 제어 입력을 결정할 수 있다.
동작 703에서, 전압 제어기(115)는 직류 마이크로그리드망(105)의 공칭 전압, 에너지 저장 시스템(117)의 전류, 및 제1 제어 입력에 기반하여 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하기 위한 제2 제어 입력을 결정할 수 있다. 예를 들어, 전압 제어기(115)는 <수학식 40>을 이용하여, 직류 마이크로그리드망(105)의 공칭 전압(예:
Figure pat00047
), 에너지 저장 시스템(117)으로부터 출력되는 전류(예: id), 및 제1 제어 입력(예: ud)에 따른 제2 제어 입력(vd *)을 결정할 수 있다.
동작 705에서, 전압 제어기(115)는 제2 제어 입력에 기반하여 에너지 저장 시스템의 전압(또는 출력 전압)을 제어할 수 있다. 이를 통해, 직류 마이크로그리드 시스템은 직류 마이크로그리드 시스템의 출력 전압(예: 직류 마이크로그리드망(105)의 전압)에 발생되는 진동이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
도 8은 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템의 회로도의 다른 예이다. 도 9는 다양한 실시 예들에 따른 직류 마이크로그리드 시스템에서 본 발명에서 제안하는 전압 제어기를 이용하는 경우와 전압 제어기를 이용하지 않는 경우의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
다양한 실시 예들에 따르면, 도 9는 도 8과 직류 마이크로그리드 시스템에서, 버스 커패시터 및 직류 전원 소스의 출력 커패시터 값이 각각 500μF와 2000μF인 경우의 직류 마이크로그리드 시스템의 시스템 응답을 측정한 실험 결과로서, 도 9의 (a)는 본 발명에서 제안하는 전압 제어기를 사용하지 않은 경우(기존의 댐핑 제어 기법을 이용하는 경우)의 실험 결과이고, 도 9의 (b)는 본 발명에서 제안하는 전압 제어기를 사용하는 경우의 실험 결과이다. 도 9에서, (a)는 부하 전력을 나타내고, (b)는 직류 전원 소스의 출력 전력을 나타내고, (c)는 직류 전원 소스의 출력 전류를 나타내고, (d)는 에너지 저장 시스템의 출력 전력을 나타내고, (e)는 직류 마이크로그리드망의 전압(또는 직류 버스 전압)을 나타내고, (f)는 제1 직류 소스 전원의 출력 전압(vdc1)을 나타내고, (g)는 제2 직류 소스 전원의 출력 전압(vdc2)을 나타내고, (h)는 에너지 저장 시스템의 출력 전압(vd)을 나타낼 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 8과 같이 구성된 직류 마이크로그리드 시스템에서 전압 제어기를 통해 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하는 경우(예: 도 9의 (b))의 출력은 전압 제어기가 없는 경우(예: 도 9의 (a))의 직류 마이크로그리드 시스템의 출력보다 진동 성분이 확연히 감소되었음을 확인할 수 있으며, 부하가 변경되는 경우에도 진동 성분이 억제되고 있음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 전압 제어기를 통해 직류 마이크로그리드시스템의 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어함으로써, 직류 마이크로그리드 시스템의 직류 버스에서 출력되는 전압의 진동을 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 전압 제어기는, 직류 전원 소스의 컨버터(예: 도 1의 적어도 하나의 컨버터(103))의 출력 전압 및 출력 전류의 제어의 정상 상태 성능에 영향을 주지 않으며, 직류 전원 소스의 출력 전류 분담 제어에도 영향을 주지 않을 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 전압 제어기는, 부하 전력에 대한 정보가 요구되지 않으며, 파라미터 및 부하 변동에도 강인하게 동작할 수 있다.
100: 직류 마이크로그리드 시스템
101: 에너지 소스
103: 제1 컨버터
105: 직류 마이크로그리드망
107: 제2 컨버터
109: 부하
111: 제어 장치
113: 전류 제어기
115: 전압 제어기
117: 에너지 저장 시스템

Claims (10)

  1. 직류 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 에너지 소스;
    상기 적어도 하나의 에너지 소스와 연결된 적어도 하나의 제1 컨버터;
    적어도 하나의 부하;
    상기 적어도 하나의 부하와 연결된 적어도 하나의 제2 컨버터;
    상기 적어도 하나의 제1 컨버터 및 상기 적어도 하나의 제2 컨버터와 연결된 직류 마이크로그리드망; 및
    상기 직류 마이크로그리드망과 연결되며, 에너지 저장 시스템 및 전압 제어기를 포함하는 제어 장치를 포함하고, 상기 전압 제어기는,
    상기 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류, 상기 직류 마이크로그리드망의 전압, 및 상기 에너지 저장 시스템의 전압에 기반하여 제1 제어 입력을 결정하고,
    상기 마이크로그리드망의 공칭 전압, 상기 에너지 저장 시스템의 전류, 및 상기 제1 제어 입력에 기반하여, 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 조정하기 위한 제2 제어 입력을 결정하고, 및
    상기 제2 제어 입력에 기반하여 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하도록 설정되는 직류 마이크로그리드 시스템.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전류를 제어하기 위한 전류 제어기를 더 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어기는, IDA-PBC(interconnection and damping assignment-passive based control) 이론에 기반하여 설계되는 직류 마이크로그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어기는, 아래의 <수학식 1>을 이용하여 상기 제1 제어 입력을 결정하는 직류 마이크로그리드 시스템.
    <수학식 1>
    Figure pat00048

    <수학식 1>에서, K1은 전압 제어기의 이득을 나타내고,
    Figure pat00049
    는 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류의 합을 나타내고,
    Figure pat00050
    는 직류 마이크로그리드망의 전압을 나타내고,
    Figure pat00051
    는 에너지 저장 시스템의 전압을 나타낸다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어기는, 아래의 <수학식 2>를 이용하여 상기 제2 제어 입력을 결정하는 직류 마이크로그리드 시스템.
    <수학식 2>
    Figure pat00052

    <수학식 2>에서,
    Figure pat00053
    는 직류 마이크로그리드망의 공칭 전압을 나타내고, rd는 드롭 이득을 나타내고, id는 에너지 저장 시스템으로부터 출력되는 전류를 나타내고,
    Figure pat00054
    는 직류 버스 전압 보상성분을 나타낸다.
  6. 적어도 하나의 에너지 소스, 상기 적어도 하나의 에너지 소스와 연결된 적어도 하나의 제1 컨버터, 적어도 하나의 부하, 상기 적어도 하나의 부하와 연결된 적어도 하나의 제2 컨버터, 상기 적어도 하나의 제1 컨버터 및 상기 적어도 하나의 제2 컨버터와 연결된 직류 마이크로그리드망, 및 상기 직류 마이크로그리드망과 연결되며, 에너지 저장 시스템 및 전압 제어기를 포함하는 제어 장치를 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법에 있어서,
    상기 전압 제어기가 상기 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류, 상기 직류 마이크로그리드망의 전압, 및 상기 에너지 저장 시스템의 전압에 기반하여 제1 제어 입력을 결정하는 단계;
    상기 전압 제어기가 상기 마이크로그리드망의 공칭 전압, 상기 에너지 저장 시스템의 전류, 및 상기 제1 제어 입력에 기반하여, 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 조정하기 위한 제2 제어 입력을 결정하는 단계; 및
    상기 전압 제어기가 상기 제2 제어 입력에 기반하여 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전압을 제어하는 단계를 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 전류 제어기를 더 포함하고,
    상기 전류 제어기에 기반하여 상기 에너지 저장 시스템의 출력 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전압 제어기는, IDA-PBC(interconnection and damping assignment-passive based control) 이론에 기반하여 설계되는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 제어 입력을 결정하는 단계는, 아래의 <수학식 1>을 이용하여 상기 제1 제어 입력을 결정하는 단계를 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법.
    <수학식 1>
    Figure pat00055

    <수학식 1>에서, K1은 전압 제어기의 이득을 나타내고,
    Figure pat00056
    는 적어도 하나의 제1 컨버터에서 출력되는 전류의 합을 나타내고,
    Figure pat00057
    는 직류 마이크로그리드망의 전압을 나타내고,
    Figure pat00058
    는 에너지 저장 시스템의 전압을 나타낸다.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 제어 입력을 결정하는 단계는, 아래의 <수학식 2>를 이용하여 상기 제2 제어 입력을 결정하는 단계를 포함하는 직류 마이크로그리드 시스템의 동작 방법.
    <수학식 2>
    Figure pat00059

    <수학식 2>에서,
    Figure pat00060
    는 직류 마이크로그리드망의 공칭 전압을 나타내고, rd는 드롭 이득을 나타내고, id는 에너지 저장 시스템으로부터 출력되는 전류를 나타내고,
    Figure pat00061
    는 직류 버스 전압 보상성분을 나타낸다.
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