KR20210045105A - 분산 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20210045105A
KR20210045105A KR1020190128450A KR20190128450A KR20210045105A KR 20210045105 A KR20210045105 A KR 20210045105A KR 1020190128450 A KR1020190128450 A KR 1020190128450A KR 20190128450 A KR20190128450 A KR 20190128450A KR 20210045105 A KR20210045105 A KR 20210045105A
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조진태
김래영
김주용
김홍주
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 분산 제어 장치로서, 마이크로그리드(micro-gird) 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 중 적어도 하나의 구성에 관한 데이터를 수신하는 통신부; 및 상기 통신부를 통해 수신된 데이터에 기초하여 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 드룹 게인에 의해 변동하는 전압을 보상하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING DISTRIBUTION}
본 발명은 분산 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선로 임피던스를 고려한 전압 민감도 행렬을 이용하여 분산전원의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조정함으로써, 직류 마이크로그리드의 전력 분배의 정확도를 향상시키고, 동시에 계통의 전압 유지를 위한 전압 제어 성능을 향상시킬 수 있는 분산 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 스마트 그리드의 대두와 함께 국내외적으로 도서지방이나 오지에서는 풍력, 태양광 등의 분산전원과 에너지 저장장치를 이용하여 기존 전력망과 독립된 형태의 마이크로그리드 전력망이 많이 이용되고 있다.
이러한 마이크로그리드 전력망은 연계방식과 제어방법에 따라 분류할 수 있다. 먼저 연계방식에 따라 분류하면, 구성요소들을 교류로 연결한 AC 마이크로그리드와 직류로 연결한 DC 마이크로그리드로 구분할 수 있다. AC마이크로그리드는 기존의 배전망을 그대로 활용하는 장점이 있으나, 동기화, 안정도, 무효전력 문제를 야기할 수 있다.
반면, DC 마이크로그리드는 동기화, 안정도, 무효전력에 대한 문제가 없고, 각 전원에서 생산되는 전력을 연계함에 있어 2단계 전력변환이 필요 없으므로 시스템의 손실과 비용이 낮은 장점이 있다. 특히, 최근 사용이 급증하고 있는 디지털 부하는 대부분 직류 전원을 필요로 하므로 DC 마이크로그리드의 경우에는 더 효율적이라는 장점이 있어 최근에는 DC 마이크로그리드에 대한 관심이 집중되고 있다.
다음으로, 제어 방법에 따른 분류로는, 먼저 중앙제어기를 두고 구성요소들의 전력량을 실시간으로 측정하여 시스템을 운용하는 방식이 있다. 이 방식은 전력량을 측정하기 위한 센서와, 측정된 데이터를 중앙제어기로 전송하는 통신망을 필요로 한다. 즉, 고속 통신망을 사용하여 중앙에서 각 기기들의 정보를 신속하게 전달받아 제어함으로써, 전력망의 원활한 운용이 가능하다는 장점이 있지만, 풍력 발전, 태양광 발전 등의 분산전원을 사용하는 경우에는 풍량이나 태양 광량 등에 대한 기후 예측 알고리즘이 필요하고, 통신에 의한 의존도가 높다는 단점이 존재한다.
이에 반해, 비중앙 제어 방법은 마이크로그리드 간에 드룹 제어를 통해 자율적으로 전력 공유를 수행할 수 있다. 이 방법은 지역 정보만으로 제어를 수행하기 때문에 통신 시스템이 필요 없고, 플러그 엔 플레이(plug & play)가 용이하다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 비중앙 제어 방법은 부하 전력량에 따라 DC 버스 전압이 변동하며, 선로 저항에 의해 드룹 제어 성능이 저하된다는 단점이 존재하였다.
다음으로, 중앙 제어 방법과 비중앙 제어 방법을 절충하여 저속 통신 시스템을 통해 구성 요소 간의 송수신한 정보를 통해 분산 제어를 수행할 수 있다. 이러한 분산 제어 방법에 이용되는 분산 제어기는 소위 2차 제어기라고 불리며, 1차 제어기인 드룹 제어기에 추가적인 제어 지령을 전달하고, 이는 전압 이동 방법과 드룹 게인 가변 방법으로 분류될 수 있다.
전압 이동 방법은 드룹 제어기에 의해 발생하는 전압 변동을 보상함으로써, DC 버스의 전압 변동을 최소화할 수 있는 장점이 있고, 드룹 게인 가변 방법은 드룹 게인을 가변 시킴으로써, 분산형 전원 간의 전력 공유 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 기존의 전압 이동 방법과 드룹 게인 가변 방법을 이용하는 분산 제어 방법들은 부가의 PI 제어기를 추가하였다. 즉, 추가 제어기를 사용할 경우에는 적절한 게인 설계의 어려움이 존재하고, 분산 제어기의 성능이 통신 속도에 영향을 받게 되며, 최악의 경우에는 제어기 출력이 진동하거나 발산하는 현상이 발생하는 문제점이 존재하였다.
따라서, 마이크로그리드의 구조적 특징을 고려한 전압 민감도 행렬을 분산 제어기에 적용하여, 통신 속도와 무관하게 정확한 전력 공유 및 전압 제어 성능을 구현하는 분산 제어 장치 및 방법에 대한 요구가 당업계에서 점차 증가하고 있는 상황이다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 선로 임피던스를 고려한 전압 민감도 행렬을 이용하여 분산전원의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조정함으로써, 직류 마이크로그리드의 전력 분배의 정확도를 향상시키고, 동시에 계통의 전압 유지를 위한 전압 제어 성능을 향상시킬 수 있는 분산 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 분산 제어 장치로서, 마이크로그리드(micro-gird) 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 중 적어도 하나의 구성에 관한 데이터를 수신하는 통신부; 및 상기 통신부를 통해 수신된 데이터에 기초하여 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 드룹 게인에 의해 변동하는 전압을 보상하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 마이크로그리드 전력망의 구성으로부터 전력 방정식을 수립하고, 수립된 상기 전력 방정식에 따른 자코비안 행렬의 역행렬로부터 전압 민감도 행렬을 산출한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 산출된 전압 민감도 행렬을 기반으로 아래의 수학식을 통해 상기 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 계산하고, 계산된 상기 드룹 게인 계수에 기존 드룹 게인을 곱하여 상기 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 드룹 게인의 상대적 비율을 조절한다.
[수학식]
Figure pat00001
여기서, ΔVn은 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 전압 변동분, ΔVm은 기준 분산형 전원의 전압 변동분, Snh 및 Smh는 각각 전압 민감도 행렬의 (n,h)성분과 (M,h)성분을, ΔPh는 h번째 버스에 연계된 부하의 소모 전력과 급전불가능 분산형 전원의 발전 전력의 차이를, ΔPm은 기준 DC버스 전력 변동률을 의미함.
또한, 상기 제어부는, 상기 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스에 있어 공칭 전압 대비 상기 복수의 DC버스 전압의 편차의 평균만큼 전압을 보상한다.
추가로, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 상기의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록될 수 있다.
추가로, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분산 제어 방법은, 마이크로그리드(micro-gird) 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 중 적어도 하나의 구성에 관한 데이터를 수신하는 단계; 상기 수신된 데이터에 기초하여 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하는 단계; 상기 산출된 드룹 게인 계수에 기초하여 상기 분산형 전원의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조절하는 단계; 및 상기 조절된 드룹 게인에 기초하여 변동하는 전압을 보상하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하는 단계는, 상기 마이크로그리드 전력망의 구성으로부터 전력 방정식을 수립하는 단계; 상기 수립된 전력 방정식에 따른 자코비안 행렬의 역행렬로부터 전압 민감도 행렬을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 전압 민감도 행렬을 기반으로 아래의 수학식을 통해 상기 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하는 단계를 포함한다.
[수학식]
Figure pat00002
여기서, ΔVn은 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 전압 변동분, ΔVm은 기준 분산형 전원의 전압 변동분, Snh 및 Smh는 각각 전압 민감도 행렬의 (n,h)성분과 (M,h)성분을, ΔPh는 h번째 버스에 연계된 부하의 소모 전력과 급전불가능 분산형 전원의 발전 전력의 차이를, ΔPm은 기준 DC버스 전력 변동률을 의미함.
또한, 상기 산출된 드룹 게인 계수에 기존 드룹 게인을 곱하여 상기 n번째 DC버스에 연계된 분산전원의 드룹 게인의 상대적 비율을 조절하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 전압을 보상하는 단계는, 상기 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스에 있어 공칭 전압 대비 상기 복수의 DC버스 전압의 편차의 평균만큼 전압을 보상한다.
본 발명은 선로 임피던스를 고려한 전압 민감도 행렬을 이용하여 분산전원의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조정함으로써, 직류 마이크로그리드의 전력 분배의 정확도를 향상시키고, 동시에 계통의 전압 유지를 위한 전압 제어 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 분산 제어 성능이 통신 속도에 영향을 받지 않으며, 과도 상태 응답을 최소화함으로써, 마이크로그리드 전력망의 전체적인 운용의 신뢰도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 드룹 제어를 수행하는 복수의 분산전원 각각에 대한 드룹 게인의 상대적 비율을 조정함으로써, 전력 공유를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 제어 장치(100)의 개략적인 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 제어 장치(100)에 의해 구현되는 분산 제어 방법을 설명하기 위한 순서도(S200)를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 게인 계수를 산출하는 방법을 설명하기 위한 순서도(S220)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 저항의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 5는 4-BUS 환형 선로로 구성된 마이크로그리드 전력망의 구성과 그에 따른 회로도를 도시하고, 도 6은 도 5에 따른 마이크로그리드 전력망의 분산 제어에 따른 부하 및 발전 상황에 대한 실험 파형도를 각각 도시한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 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. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 제어 장치(100)의 개략적인 구성도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 제어 장치(100)에 의해 구현되는 분산 제어 방법을 설명하기 위한 순서도(S200)를 도시한다.
참고로, 분산 제어 장치(100)는 이하에서 보다 상술하게 기술되는 분산 제어 방법을 구성하는 각 단계들을 실행하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도 2에 예시적으로 도시되는 바와 같이 분산 제어 장치(100)는 분산 제어 방법(S200)을 구성하는 각 단계들을 실행하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분산 제어 장치(100)는 기존의 분산 제어 방법의 단점을 극복하기 위해 도 1에 도시되는 바와 같이, 부가의 제어기(예를 들어, PI 제어기, 등)를 사용하지 않는 것을 특징으로 하며, 이러한 구조를 통해 전력을 보다 효과적으로 공유하고, 동시에 전압을 안정적으로 제어할 수 있다.
즉, 종래의 분산 제어 방법은 통신 시스템을 통해 송수신한 정보를 추가 제어기의 입력 변수로 사용하여 전압 이동 및 드룹 게인 가변을 수행하므로 따라서, 추가 제어기들의 게인 값에 따라 추가 제어기의 정상 상태 값과 과도 상태 응답을 고려하여 적합한 값을 산정하여야 하지만, 이에 대한 기존의 설계 방법은 시행착오에 의존하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 분산 제어 장치(100)는 선로 임피던스를 고려한 전압 민감도 행렬을 기반으로 복수의 분산형 전원의 전력을 보다 정확하게 분배하고, 동시에 변동하는 전압에 대한 보상을 통해 마이크로그리드 전력망 계통의 안정성을 유지하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 분산 제어 장치(100)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 전력 공유와 버스 전압 변동 최소화를 위해 양방향 분산형 전원이 연계된 DC버스에 설치될 수 있으며, 통신부(110)로부터 통신 정보(예를 들어, 인접한 DC버스에 연계된 부하 또는 급전불가능 분산형 전원에 대한 정보, 등)를 수신하여 DC버스에 연계된 양방향 분산형 전원의 드룹 제어를 변경할 수 있다. 이와 관련된 본 발명의 구체적인 설명은 이하에서 보다 상술하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 제어 장치(100)는 통신부(110) 및 제어부(120), 등으로 구성될 수 있다.
통신부(110)는 마이크로그리드(micro-grid) 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 중 적어도 하나의 구성에 관한 데이터를 수신할 수 있다(S210). 예를 들어, 통신부(110)는 마이크로그리드 전력망의 특성을 분석하기 위해 마이크로그리드 전력망의 통신망과 유선 또는 무선으로 연결될 수 있고, 상기 통신망으로부터 마이크로그리드 전체 시스템 특성에 관한 데이터를 수신하여 제어부(120)에 전달하거나, 또는 저장부(미도시)에 저장할 수 있다.
이러한 데이터에는 텍스트, 이미지, 동화상 등의 컨텐츠가 포함될 수 있고, 통신부(110)는 랜(LAN), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution), WiBro(Wireless Broadband Internet), RF(Radio Frequency)통신, 무선랜(Wireless LAN), 와이파이(Wireless Fidelity), NFC(Near Field Communication), 블루투스, 적외선 통신 등의 통신 모듈을 통해 마이크로그리드 전력망의 통신망과 통신할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 당해 기술분야에서 적용 가능한 유,무선 통신 기술이 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 통신부(110)는 마이크로그리드 전력망을 구성하는 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 출력 전압 정보, 선로 저항, n번째 DC버스와 인접한 타 DC버스에 연계된 부하의 출력 접안 정보 또는 급전불가능 분산형 전원의 출력 전압 정보, 등을 수신하여 제어부(120)에 전달할 수 있으며, 제어부(120)는 통신부(110)를 통해 수신된 정보를 기반으로 전력 방정식, 전압 민감도 행렬, 드룹 게인 계수, 등을 산출할 수 있다.
제어부(120)는 S210 단계를 통해 수신된 데이터에 기초하여 복수의 DC버스 중에서 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하고(S220), 산출된 드룹 게인 계수에 기초하여 상기 분산형 전원의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조정할 수 있다(S230).
예를 들어, 제어부(120)는 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수가 1보다 큰 경우에 상기 분산형 전원이 담당하는 출력을 감소시킴으로써, 복수의 분산형 전원에 대한 전력 공유 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 관련된 본 발명의 구체적인 설명은 이하에서 보다 상술하기로 한다.
또한, 제어부(120)는 S230 단계를 통해 조절된 드룹 게인에 기초하여 변동하는 전압을 보상할 수 있다(S240). 이 경우, 제어부(120)는 드룹 제어에 의해 변동하는 분산형 전원의 출력 전압을 보상하기 위해 통신부(110)를 통해 수신된 복수의 DC버스 전압을 이용할 수 있다.
즉, 마이크로그리드 전력망의 선로 전압 강하로 인해 부하가 연결된 DC버스 전압은 분산형 전원의 출력전압 보다 낮게 형성되고, 급전불가능 분산형 전원이 연결된 DC버스 전압은 분산형 전원의 출력전압 보다 높게 형성되므로, 따라서 제어부(120)는 마이크로그리드 전력망의 공칭 전압 대비 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 전압(예를 들어, 부하가 연계된 DC버스 전압 또는 급전불가능 분산형 전원이 연계된 DC버스 전압, 등)의 편차의 평균만큼 전압 보상을 수행함으로써, DC버스의 전압 변동을 최소화할 수 있다.
저장부(미도시)는 통신부(110)를 통해 수신되는 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 구성에 관한 정보 또는 제어부(120)를 통해 산출되는 DC버스의 드룹 게인 계수, 전압 변동률, 등 분산 제어와 관련되는 다양한 데이터가 저장될 수 있다.
참고로, 저장부는 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, HDD(Hard Disk Drive), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), CF(Compact Flash) 카드, SD(Secure Digital) 카드, SM(Smart Media) 카드, MMC(Multimedia) 카드 또는 메모리 스틱(Memory Stick) 등 정보의 입출력이 가능한 다양한 형태의 저장 장치로 구현될 수 있으며, 분산 제어 장치(100)의 내부에 구비되거나, 또는 별도의 외부 장치에 구비될 수도 있다.
또한, 본 발명의 추가 실시예에 따르면, 저장부에는 또는 저장부와는 별개로 데이터 백업(data backup)을 위한 추가 메모리가 더 구비될 수 있으며, 제어부(120)는 저장부에 저장된 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 구성에 관한 정보, DC버스의 드룹 게인 계수, 전압 변동률, 등 분산 제어와 관련되는 다양한 데이터를 백업하여 상기 추가 메모리에 저장함으로써, 데이터 유실 또는 분실에 대한 능동적인 대처를 가능하게 한다.
참고로, 도 1에 도시되는 분산 제어 장치(100)의 각 엘리먼트(110, 120)는 마이크로그리드 전력망의 분산 제어를 위한 분산 제어 장치(100)의 동작 및 기능을 설명하기 위한 예시적인 엘리먼트에 해당할 뿐 이에 한정되지 않으며, 추가의 엘리먼트(예를 들어, 전압 제어기, 전류 제어기, 등)가 더 구현될 수 있음은 명백할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 게인 계수를 산출하는 방법을 설명하기 위한 순서도(S220)를 도시하고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 저항의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 분산 제어 장치(100)의 제어부(120)는 통신부(110)를 통해 수신된 데이터를 기반으로 분산형 전원이 연계된 마이크로그리드 전력망의 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출할 수 있다(S220).
이를 구현하기 위해, 제어부(120)는 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 저항의 회로도를 기반으로 마이크로그리드 전력망에 대한 전력 방정식을 수립할 수 있다(S221).
예를 들어, 마이크로그리드 전력망은, 도 4에 도시되는 바와 같이 n번째 DC버스에 분산형 전원이 연결되고, n번째 DC버스에 인접한 2개의 DC버스가 선로를 통해 연결된 구조로 형성될 수 있다. 이 경우 Vn, In(n+1) 및 Gn(n+1)은 각각 n번째 DC버스 전압, 선로 전류 및 선로 어드미턴스를 의미하며, Io,n은 n번째 분산형 전원의 출력 전류이고, Gd,n은 아래의 수학식과 같이 드룹 게인의 역수를 의미한다.
[수학식]
Figure pat00003
즉, 제어부(120)는 마이크로그리드 전력망의 회로도(예를 들어, 도 4 참조) 및 통신부(110)를 통해 수신된 데이터를 기반으로 드룹 제어의 특성을 포함하는 n번째 DC버스의 전력 방정식을 아래의 수학식과 같이 일반화하여 수립할 수 있다. 이 경우 j는 n번째 DC버스와 인접한 DC버스를 의미하고, Vnom은 공칭 전압을 의미하며, N은 마이크로그리드 전력망의 총 DC버스 수를 각각 의미한다.
[수학식]
Figure pat00004
다음으로, 제어부(110)는 S221 단계를 통해 수립된 전력 방정식에 따른 자코비안 행렬의 역행렬로부터 전압 민감도 행렬을 산출할 수 있다(S222).이를 구현하기 위해, 제어부(120)는 아래의 수학식을 이용하여 자코비안 행렬에 의해 선형화된 조류 방정식을 나타낼 수 있고, 이 경우 ΔP 와 ΔV는 전력 변동분 ΔPn과 전압 변동분 ΔVn에 대한 N×1 행렬로 표현할 수 있다.
[수학식]
Figure pat00005
여기서, J의 성분 Jnm은 아래의 수학식1과 같이 전력 방정식으로부터 DC버스 전압을 편미분하여 계산할 수 있고, 아래의 수학식1을 전력 방정식에 적용하여 자코비안 행렬의 성분을 아래의 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식1]
Figure pat00006
[수학식2]
Figure pat00007
한편, 직류 배전 계통의 특성상 DC버스 전압들은 일정한 범위 내에서 유지가 되므로 상기 수학식2는 아래의 수학식으로 간소화될 수 있고, 제어부(120)는 아래의 수학식에서 자코비안 행렬 J를 역행렬함으로써, 전압 민감도 행렬을 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure pat00008
따라서, 제어부(120)는 정확한 전력 공유 성능을 달성하기 위해 상기의 수학식을 이용하여 전압 민감도 행렬을 산출하고, 산출된 전압 민감도 행렬을 이용하여 DC버스에 연계된 분산형 전원의 드룹 게인의 상대적 비율을 조정할 수 있다.
즉, 분산형 전원의 드룹 게인의 상대적 비율을 조정하기 위해, 제어부(120)는 아래의 수학식을 통해 분산형 전원이 연계된 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출할 수 있다(S223). 여기서, 드룹 게인 계수는 기존 드룹 게인에 곱해지는 값으로써, 기준 분산형 전원의 전압 변동분 Δ
Figure pat00009
대비 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 전압 변동분 ΔVn의 비율로 정의될 수 있다.
[수학식]
Figure pat00010
이 경우, ΔVn은 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 전압 변동분, ΔVm은 기준 분산형 전원의 전압 변동분, Snh 및 Smh는 각각 전압 민감도 행렬의 (n,h)성분과 (M,h)성분을, ΔPh는 h번째 버스에 연계된 부하의 소모 전력과 급전불가능 분산형 전원의 발전 전력의 차이를, ΔPm은 기준 DC버스 전력 변동률을 각각 의미하며, ΔPh는 통신부(110)를 통해 수신되는 DC버스 전압 Vh, 부하 전류
Figure pat00011
및 급전불가능 분산형 전원 전류
Figure pat00012
데이터를 통해 계산될 수 있다. 즉, n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 드룹 게인은 드룹 게인 계수에 의해 가변되는 값으로서, 정격 용량에 반비례하는 값을 가질 수 있다.
추가로, 본 발명의 일 실시예에서, 분산 제어 장치(100)는 드룹 게인의 조정에 따라 변동하는 분산형 전원의 출력 전압을 보상하기 위해 통신부(110)를 통해 수신된 DC버스 전압을 이용할 수 있다. 이 경우, 직류 배전 네트워크의 선로 전압 강하로 인해 부하가 연결된 DC버스 전압은 상기 분산형 전원의 출력 전압 보다 낮게 형성되고, 급전불가능 분산형 전원이 연결된 DC버스 전압은 상기 분산형 전원의 출력 전압 보다 높게 형성될 수 있다.
따라서, 분산 제어 장치(100)는 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스에 있어 공칭 전압 대비 복수의 DC버스 전압의 편차의 평균만큼 전압 보상을 수행함으로써, DC버스의 전압 변동을 최소화하도록 유지할 수 있다.
도 5는 4-BUS 환형 선로로 구성된 마이크로그리드 전력망의 구성과 그에 따른 회로도를 도시하고, 도 6은 도 5에 따른 마이크로그리드 전력망의 분산 제어에 따른 부하 및 발전 상황에 대한 실험 파형도를 각각 도시한다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 분산 제어 장치(100)에 의해 구현되는 분산 제어 방법을 검증하기 위해 마이크로그리드 전력망은 분산 제어 장치(100, 100‘)가 설치된 분산형 전원 2대, 부하 및 급전불가능 분산형 전원으로 구성될 수 있으며, 이러한 마이크로그리드 전력망의 구성은 4-BUS 환형 구조를 가진 등가 회로로 모델링될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 분산 제어 방법을 상기 마이크로그리드 전력망에 적용하는 경우에 분산 제어 장치(100)가 설치된 분산형 전원의 드룹 게인 계수와 전압 보상값은 아래의 수학식1 및 수학식2를 통해 각각 유도될 수 있다.
[수학식1]
Figure pat00013
[수학식2]
Figure pat00014
다음으로, 도 6은 도 5에 따른 마이크로그리드 전력망의 분산 제어에 따른 부하 및 발전 상황에 대한 실험 파형도이며, 구체적으로 각 상황별로 대략 10초씩 유지한 실험 결과 파형도이다.
즉, 도 6을 참조하면, 2대의 분산형 전원이 동일한 출력 전력을 내보내거나 또는 흡수하고, 이를 통해 오차 범위 10% 이내의 전력 공유가 수행되는 것을 확인할 수 있다. 더불어, 부하 및 발전 상황이 변하더라도 출력 전압이 공칭 전압과 유사하게 유지되며, 이를 통해 적절한 전압 보상이 수행되는 것을 확인할 수 있다. 추가로, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시되는 바와 같이, 통신 속도가 100ms에서 500ms로 느려지더라도 통신 속도가 분산 제어 성능에는 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 선로 임피던스를 고려한 전압 민감도 행렬을 이용하여 분산전원의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조정함으로써, 직류 마이크로그리드의 전력 분배의 정확도를 향상시키고, 동시에 계통의 전압 유지를 위한 전압 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 분산 제어 성능이 통신 속도에 영향을 받지 않으며, 과도 상태 응답을 최소화함으로써, 마이크로그리드 전력망의 전체적인 운용의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 드룹 제어를 수행하는 복수의 분산전원 각각에 대한 드룹 게인의 상대적 비율을 조정함으로써, 전력 공유를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.
한편, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 하드웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 소프트웨어 및/또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들은 하나 이상의 주문형 반도체(ASIC)들, 디지털 신호 프로세서(DSP)들, 디지털 신호 프로세싱 디바이스(DSPD)들, 프로그램어블 논리 디바이스(PLD)들, 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA)들, 프로세서들, 컨트롤러들, 마이크로컨트롤러들, 마이크로프로세서들, 여기서 제시되는 기능들을 수행하도록 설계되는 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합 내에서 구현될 수 있다.
또한, 예를 들어, 다양한 실시예들은 명령들을 포함하는 컴퓨터-판독가능한 매체에 수록되거나 인코딩될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체에 수록 또는 인코딩된 명령들은 프로그램 가능한 프로세서 또는 다른 프로세서로 하여금 예컨대, 명령들이 실행될 때 방법을 수행하게끔 할 수 있다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수도 있다. 예를 들어, 이러한 컴퓨터-판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 기타 광학 디스크 저장 매체, 자기 디스크 저장 매체 또는 기타 자기 저장 디바이스, 또는 원하는 프로그램 코드를 컴퓨터에 의해 액세스가능한 명령들 또는 데이터 구조들의 형태로 저장하는데 이용될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다.
이러한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 등은 본 명세서에 기술된 다양한 동작들 및 기능들을 지원하도록 동일한 디바이스 내에서 또는 개별 디바이스들 내에서 구현될 수 있다. 추가적으로, 본 발명에서 "~부"로 기재된 구성요소들, 유닛들, 모듈들, 컴포넌트들 등은 함께 또는 개별적이지만 상호 운용가능한 로직 디바이스들로서 개별적으로 구현될 수 있다. 모듈들, 유닛들 등에 대한 서로 다른 특징들의 묘사는 서로 다른 기능적 실시예들을 강조하기 위해 의도된 것이며, 이들이 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 실현되어야만 함을 필수적으로 의미하지 않는다. 오히려, 하나 이상의 모듈들 또는 유닛들과 관련된 기능은 개별 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들에 의해 수행되거나 또는 공통의 또는 개별의 하드웨어 또는 소프트웨어 컴포넌트들 내에 통합될 수 있다.
특정한 순서로 동작들이 도면에 도시되어 있지만, 이러한 동작들이 원하는 결과를 달성하기 위해 도시된 특정한 순서, 또는 순차적인 순서로 수행되거나, 또는 모든 도시된 동작이 수행되어야 할 필요가 있는 것으로 이해되지 말아야 한다. 임의의 환경에서는, 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 더욱이, 상술한 실시예에서 다양한 구성요소들의 구분은 모든 실시예에서 이러한 구분을 필요로 하는 것으로 이해되어서는 안되며, 기술된 구성요소들이 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키징될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 100‘: 분산 제어 장치 110: 통신부
120: 제어부

Claims (9)

  1. 분산 제어 장치로서,
    마이크로그리드(micro-gird) 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 중 적어도 하나의 구성에 관한 데이터를 수신하는 통신부; 및
    상기 통신부를 통해 수신된 데이터에 기초하여 상기 복수의 DC버스 중에서 n번째 DC버스의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 드룹 게인에 의해 변동하는 전압을 보상하는 것을 특징으로 하는 분산 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 마이크로그리드 전력망의 구성으로부터 전력 방정식을 수립하고, 수립된 상기 전력 방정식에 따른 자코비안 행렬의 역행렬로부터 전압 민감도 행렬을 산출하는 분산 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산출된 전압 민감도 행렬을 기반으로 아래의 수학식을 통해 상기 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 계산하고, 계산된 상기 드룹 게인 계수에 기존 드룹 게인을 곱하여 드룹 게인의 상대적 비율을 조절하는 분산 제어 장치.
    [수학식]
    Figure pat00015

    여기서, ΔVn은 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 전압 변동분, ΔVm은 기준 분산형 전원의 전압 변동분, Snh 및 Smh는 각각 전압 민감도 행렬의 (n,h)성분과 (M,h)성분을, ΔPh는 h번째 버스에 연계된 부하의 소모 전력과 급전불가능 분산형 전원의 발전 전력의 차이를, ΔPm은 기준 DC버스 전력 변동률을 의미함.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스에 있어 공칭 전압 대비 상기 복수의 DC버스 전압의 편차의 평균만큼 전압을 보상하는 분산 제어 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  6. 분산 제어 방법으로서,
    마이크로그리드(micro-gird) 전력망을 구성하는 복수의 DC버스 및 선로 중 적어도 하나의 구성에 관한 데이터를 수신하는 단계;
    상기 수신된 데이터에 기초하여 상기 복수의 DC버스 중에서 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하는 단계;
    상기 산출된 드룹 게인 계수에 기초하여 상기 n번째 DC버스의 드룹 게인(droop gain)의 상대적 비율을 조절하는 단계; 및
    상기 조절된 드룹 게인에 기초하여 변동하는 전압을 보상하는 단계를 포함하는 분산 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하는 단계는,
    상기 마이크로그리드 전력망의 구성으로부터 전력 방정식을 수립하는 단계;
    상기 수립된 전력 방정식에 따른 자코비안 행렬의 역행렬로부터 전압 민감도 행렬을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 전압 민감도 행렬을 기반으로 아래의 수학식을 통해 상기 n번째 DC버스의 드룹 게인 계수를 산출하는 단계를 포함하는 분산 제어 방법.
    [수학식]
    Figure pat00016

    여기서, ΔVn은 n번째 DC버스에 연계된 분산형 전원의 전압 변동분, ΔVm은 기준 분산형 전원의 전압 변동분, Snh 및 Smh는 각각 전압 민감도 행렬의 (n,h)성분과 (M,h)성분을, ΔPh는 h번째 버스에 연계된 부하의 소모 전력과 급전불가능 분산형 전원의 발전 전력의 차이를, ΔPm은 기준 DC버스 전력 변동률을 의미함.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 계산된 드룹 게인 계수에 기존 드룹 게인을 곱하여 상기 n번째 DC버스에 연계된 분산전원의 드룹 게인의 상대적 비율을 조절하는 단계를 더 포함하는 분산 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전압을 보상하는 단계는,
    상기 마이크로그리드 전력망을 구성하는 복수의 DC버스에 있어 공칭 전압 대비 상기 복수의 DC버스 전압의 편차의 평균만큼 전압을 보상하는 분산 제어 방법.
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