KR20230067549A - Mtdc 시스템 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Mtdc 시스템 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

해상 풍력 발전단지가 연계된 하이브리드 MTDC(muli-terminal HVDC) 시스템의 연계 계통들의 주파수 조정에 대한 탈중앙화 제어 방법 및 장치가 개시된다. 주파수 탈중앙화 제어 방법은, MTDC 시스템에 연계된 타겟 계통으로부터 제1 로컬 측정값을 수신하는 단계, MTDC 시스템에 연계된 다른 계통으로부터 제2 로컬 측정값을 수신하는 단계, 제1 로컬 측정값에 타겟 계통의 불확실성에 대한 추정값을 더하는 단계, 추정값이 더해진 제3 로컬 측정값과 제2 로컬 측정값을 토대로 타겟 계통 내 발전원의 제1 로컬 컨트롤러에 대한 제1 제어 입력을 설정하는 단계, 및 제3 로컬 측정값과 제2 로컬 측정값을 토대로 타겟 계통 내 MTDC 컨버터의 제2 로컬 컨트롤러에 대한 제2 제어 입력을 설정하는 단계를 포함한다.

Description

MTDC 시스템 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DECENTRALIZED FREQUENCY REGULATION OF MULTI-TERMINAL HVDC-LINKED GRIDS}
본 발명은 MTDC 시스템에 연계된 계통의 주파수 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 해상 풍력 발전단지가 연계된 하이브리드 MTDC(muli-terminal HVDC) 시스템의 연계 계통들의 주파수 조정에 대한 탈중앙화 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
대규모의 풍력 발전은 향후 기후 변화에서 유지가능하고 친환경적인 에너지원이다. 특히, 해상 풍력 발전단지(offshore wind farm, OWF)는 지상의 부족한 면적과 해상의 더 좋은 바람 조건이란 이유로 더욱 빠르게 성장하는 중이다.
HVDC(high-voltage direct-current) 기술은 지상의 교류(alternating current, AC) 계통들과 해상 풍력 발전단지의 연계, 및 AC 계통들 간의 전력 공유를 위한 연계에 있어서 가장 적절한 해결책으로 고려되고 있다. HVDC 시스템에는 전류형 컨버터 즉, LCC(line-commutated converter)와, 전압형 컨버터 즉, VSC(voltage source converter)가 현재 사용되고 있다.
전류형 HVDC 시스템은 대용량 전력을 전송하는데 용이하며 낮은 전력 손실과 낮은 설치 비용의 장점이 있다. 그러나, 전류형 HVDC 시스템은 DC 전압 또는 전류를 제어하기 때문에 정류기 혹은 인버터로서 하나의 역할로만 동작한다.
한편, 전압형 HVDC 시스템은 독립적으로 빠르게 유효 및 무효 전력을 제어하는 장점이 있지만, 용량의 한계와 전류형 HVDC 시스템에 비해 높은 전력 손실과 설치 비용의 단점이 있다. 따라서 VSC와 LCC의 장점을 결합하는 하이브리드 HVDC 시스템에 대한 개념이 대두되고 있다.
LCC와 VSC의 연계는 AC 계통들 사이에서 경제적인 융통성과 효과적인 전력 공유를 위해 필요하다. 게다가 대규모의 풍력 발전단지가 다수의 AC 계통들과 연계된 하이브리드 MTDC 시스템에 대한 관심을 증대시키고 있다.
하이브리드 MTDC 시스템으로부터 전달되는 전력은 AC 계통에서 기본적으로 동기 발전기 용량으로 고려되지만, AC 계통 내의 컨버터들 때문에 계통의 관성이 감소되어 시스템 작동시 위험도가 증가한다. 또한, MTDC 시스템에 연계된 AC 계통들의 부하 변동 및 풍력 발전단지의 출렁이는 전력 변화는 MTDC 시스템에 연계된 계통들의 주파수 변동에 영향을 주게 된다. 따라서, 고품질 또는 고효율의 전력 공유를 위해 하이브리드 MTDC 시스템에 연계된 AC 계통들의 주파수를 조정해 줄 필요가 있다.
MTDC 시스템의 주파수 조정에 대하여는 기존 드룹(droop) 제어 전략을 사용하는 연구들이 다수 이루어졌다. 예를 들어, VSC를 드룹 제어하여 풍력 발전단지에 기인한 계통 주파수 편차와 DC 전압 변동을 경감시켰다. 또한, Vdc-f 드룹 제어 기법을 사용하여 전압형 컨버터들의 통신이 없는 협력을 달성하였다. 또한, 전압형 MTDC 시스템의 적응적 드룹(adaptive droop) 제어 기법을 사용하여 해당 시스템의 Vdc-Idc-f 특성을 분석하고, 그에 의해 드룹 제어 이득을 결정하였다. 하지만, 이러한 종래 기술 대부분은 AC 계통의 주파수 조정이, 최적의 제2 주파수 제어(secondary frequency control, SFC)보다 오히려 드룹 제어 또는 등가적으로 제1 주파수 제어에만 의존하므로, 주파수 조정을 신뢰성 있게 수행할 수 없었다.
최근, MTDC 시스템에 연계된 AC 계통의 최적 주파수 조정에 대한 또 다른 연구가 진행되고 있다. 관련 연구에서는 경제적 이득과 주파수 변동을 줄이기 위한 최적화 문제를 공식화하고 모델 예측형 제어(model predictive control, MPC)을 사용하여 전압형 MTDC 시스템에서 주파수를 조정하였다. 또한, MPC 기반 전력 공유 기법은 전압형 HVDC 시스템과 전류형 HVDC 시스템 각각에서의 주파수 변동을 줄이기 위해 개발되었다. 하지만, 이러한 종래 기술들에서는 다양한 풍력 발전 유형, 모델 파라미터의 불확실성, 통신 시간 지연 등에 대한 영향에 의해 MTDC 시스템에 연계된 AC 계통들에서 불안정한 동작을 유발하였다. 이와 같이, 종래의 최적 주파수 조정 기법은 MTDC 시스템의 실제 조건 예컨대, 하이브리드 컨버터, 통신 링크 및 시스템 파라미터 예측 등의 관한 실제 조건 하에서 다시 분석될 필요가 있다.
또한, 시스템 파라미터의 불확실성을 고려하지 않는 기존의 제어 전략의 대안으로는, H2 제어기나 H-인피니티(H-infinite, H∞) 제어기를 사용하는 것이다. 일례로, 종래 기술 중 하나에서는, MTDC 시스템에 입력되는 전류를 방해요소로 설정하여 강인한 H∞ 문제를 공식화하였다. 또한, 다른 종래 기술에서는, 전력 컨버터의 최적의 제어 디자인에 대해서 H∞ 제어 설계 프레임워크를 제공하였다. 그리고, 또 다른 종래 기술에서는, 각각 H2 제어기와 H∞ 제어기를 설계하여 MMC(modular multilevel converter)를 통해서 HVDC 시스템의 DC 전압을 조정하였다. 하지만 전술한 종래 기술들에서는 계통 내 발전기와의 협력없이 개별 컨버터에 대한 제어기를 설계하므로, AC 계통들 간의 전력을 효과적으로 공유할 수 없는 한계가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 AC 계통들 간의 전력을 효과적으로 공유할 수 있는, MTDC 시스템 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 타겟 AC 계통과 연계된 다른 AC 계통들의 로컬 측정값들을 사용하여 개별 AC 계통의 주파수를 조정할 수 있는, 주파수 탈중앙화 제어 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 탈중앙화 출력 피드백 제어기를 설계하기 위한 하이브리드 MTDC 시스템에 연계된 계통들과 해상 풍력 발전 단지의 통합 동적 모델을 탈중앙화 동적 모델로 재표현한, 주파수 탈중앙화 제어 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법은, 하이브리드 MTDC(multi-terminal high-voltage direct-current) 연계 계통에 통신 네트워크를 통해 연결되는 제어 장치에 의해 수행되는 주파수 탈중앙화 제어 방법으로서, MTDC 시스템에 연계된 타겟 계통으로부터 제1 로컬 측정값을 수신하는 단계; 상기 MTDC 시스템에 연계된 다른 계통으로부터 제2 로컬 측정값을 수신하는 단계; 상기 제1 로컬 측정값에 상기 타겟 계통의 불확실성에 대한 추정값을 더하는 단계; 상기 추정값이 더해진 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 발전원의 제1 로컬 컨트롤러에 대한 제1 제어 입력을 설정하는 단계; 및 상기 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 MTDC 컨버터의 제2 로컬 컨트롤러에 대한 제2 제어 입력을 설정하는 단계를 포함한다.
상기 제1 로컬 측정값은 상기 타겟 계통에 입력되는 방해 요소에 미리 설정된 제1 가중치를 곱한 가중 방해요소 값에 기초하여 생성될 수 있다.
상기 제1 로컬 측정값은 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나와 상기 가중 방해요소 값을 기초로 생성될 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 방법은, 상기 제3 로컬 측정값에 미리 설정된 제2 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 출력을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 방법은, 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나에 미리 설정된 제3 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 입력을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 방법은, 모델 차수 축소 알고리즘을 사용하여 주파수 탈중앙화 제어 장치의 상기 타겟 계통에 대한 관측 불가능하거나 제어 불가능한 차수를 줄이는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 방법을 구현하는 장치는 상기 추정값을 계산하는 추정 유닛을 구비한 폐루프 시스템으로 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치는, 하이브리드 MTDC(multi-terminal high-voltage direct-current) 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어를 수행하는 주파수 탈중앙화 제어 장치로서, MTDC 시스템에 연계된 타겟 계통으로부터 제1 로컬 측정값을 수신하는 제1 입력 유닛; 상기 MTDC 시스템에 연계된 다른 계통으로부터 제2 로컬 측정값을 수신하는 제2 입력 유닛; 상기 타겟 계통의 불확실성에 대한 추정값을 계산하는 추정 유닛; 상기 제1 로컬 측정값에 상기 추정값을 더하는 덧셈 유닛; 상기 추정값이 더해진 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 발전원의 제1 로컬 컨트롤러에 대한 제1 제어 입력을 설정하는 제1 설정 유닛; 및 상기 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 MTDC 컨버터의 제2 로컬 컨트롤러에 대한 제2 제어 입력을 설정하는 제2 설정 유닛을 포함한다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 장치는, 상기 제1 로컬 측정값에 상기 타겟 계통에 입력되는 방해 요소에 미리 설정된 제1 가중치를 곱한 가중 방해요소 값을 생성하는 제1 가중치 처리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 로컬 측정값은 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나와 상기 가중 방해요소 값을 기초로 생성될 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 장치는, 상기 제3 로컬 측정값에 미리 설정된 제2 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 출력을 생성하는 제2 가중치 처리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 장치는, 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나에 미리 설정된 제3 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 입력을 생성하는 제3 가중치 처리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 로컬 측정값은 전력, 각속도, 주파수, 최대 전압, 전력 및 DC 전압을 포함할 수 있다. 상기 제2 로컬 측정값은 주파수 및 DC 전압을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력은 기준치 신호를 각각 포함할 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 장치는, 모델 차수 축소 알고리즘을 사용하여 상기 타겟 계통에 대한 관측 불가능하거나 제어 불가능한 차수를 줄이는 모델 차원 축소 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 탈중앙화 제어 장치는, 복수의 유닛들이 탑재되는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 타겟 AC 계통과 연계된 다른 AC 계통들의 로컬 측정값들을 사용하여 타겟 AC 계통의 주파수를 최적으로 조정할 수 있는 탈중앙화 제어 방법 및 이를 이용하는 탈중앙화 출력 피드백 제어기를 제공할 수 있다.
또한, 탈중앙화 출력 피드백 제어기 또는 탈중앙화 H∞ 제어기를 설계하기 위해 하이브리드 MTDC(multi-terminal HVDC) 시스템과 연계된 AC 계통들과 해상 풍력 발전 단지의 통합 동적 모델을 탈중앙화 동적 모델로 재표현할 수 있다. 그리고, 강인함을 고려하여 파라미터 불확실성이 반영된 최적화 문제를 공식화하여 해석함으로써 주파수 탈중앙화 H∞ 제어기를 효과적으로 설계할 수 있다. 게다가, 주파수 탈중앙화 H∞ 제어기의 차수를 줄이는 알고리즘을 적용하여 처리 속도 등에서의 계산적인 이점과 실용성 및 효율을 유의미하게 향상시킬 수 있다.
또한, 시스템 파라미터 및 통신 시간 지연에 대한 폐루프 시스템의 고윳값 분석을 수행하고, 계통 부하, 바람 속도, 통신 지연 및 실패, 그리고 가중치 함수와 같은 실제 조건을 반영하여 주파수 탈중앙화 H∞ 제어기가 하이브리드 MTDC 시스템에서 최적의 전력을 공유하도록 함으로써 MTDC 시스템에 연계된 계통들에서 실시간 주파수 조정 성능을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서 기여하는 바를 요약하면, 첫째 MTDC 시스템에 연계된 계통들에서 탈중앙화 동적 모델을 가지고 최적화 문제를 공식화하여 탈중앙화 H∞ 제어기를 효과적으로 개발할 수 있고, 둘째, 시스템 파라미터의 불확실성이 고려하여 최적화 문제를 해결하는 탈중앙화된 강인한 주파수 H∞ 제어기를 설계할 수 있고, H∞ 제어기의 차수를 줄이는 알고리즘을 적용하여 실용성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 장치의 주요 작동 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들 중 특정 AC 계통의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 도 3의 탈중앙화 제어 방법을 구현할 수 있는 특정 AC 계통에 대한 탈중앙화 H-인피니티(H∞) 제어기의 작동 원리를 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.
도 5는 도 4의 탈중앙화 H∞ 제어기의 설계 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1 내지 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 상태 변수 차수에 대한 한켈 특이값 곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1, 계통 2 및 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 상태 변수 차수에 따른 누적 에너지 곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1, 계통 2 및 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 B 행렬의 최적 제어기 이득을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1, 계통 2 및 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 D 행렬의 최적 제어기 이득을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템의 MTDC 컨버터의 위상 인덕턴스가 소정 범위에서 변할 때의 위상 인덕턴스에 대한 시간 지연에 따른 폐루프 시스템의 근 궤적도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른, 하이브리드 MTDC 시스템에 적용되는 광섬유 통신에서 시간 지연이 소정 범위에서 변하는 폐루프 시스템의 근 궤적도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는'이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원의 실시예들에서, 'A 및 B 중에서 적어도 하나'는 'A 또는 B 중에서 적어도 하나' 또는 'A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나'를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, 'A 및 B 중에서 하나 이상'은 'A 또는 B 중에서 하나 이상' 또는 'A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상'을 의미할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어'있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC(multi-terminal HVDC) 시스템과 연계된 계통들의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 장치의 주요 작동 원리를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 하이브리드 MTDC(multi-terminal direct current) 시스템은 로컬 AC 계통들(AC Grid 1, AC Grid n, AC Grid m)(100a, 100n, 100m), 해상 풍력발전단지(offshore wind farm, OWF)(300)가 통신 시스템(communication systems, 200)을 통해 서로 연계된 구조를 가진다. 통신 시스템(200)은 주파수 조정 등을 위한 신호 및 데이터 처리에 있어서 시간 지연(time delays)을 가진다.
각 AC 계통이나 해상 풍력발전단지(300)는 전압형 컨버터인 VSC(voltage source converter) 또는 전류형 컨버터인 LCC(line-commutated converter)를 사용하여 상호 연결되는 MTDC 연계 계통들이다. AC 계통들(100a, 100n, 100m)과 해상 풍력발전단지(300)는 최적의 강인한 주파수 조정(frequency reguration, FR)을 위해 분산 배치되어 있다.
AC 계통들(100a, 100n, 100m)과 함께 해상 풍력발전단지(300)를 포함하는 하이브리드 MTDC 시스템은, 고전압 직류송전(high voltage direct current, HVDC) 시스템과 전용 네트워크 또는 연계 네트워크(direct connection network, DC network)를 구비할 수 있다.
각 AC 계통은 동기식 발전기(synchronous generator, SG), 부하 및 교류 송전선을 구비할 수 있다. 해상 풍력발전단지(OWF, 300)는 영구자석 동기식 발전기(permanent magnet synchronous generator, PMSG)를 사용하는 적어도 하나 이상의 풍력 터빈 발전기(wind turbin generator, WTG)를 구비할 수 있다. 또한, WTG에 대해 백투백(back-to-back) 컨버터와 최대 전력점 추적(maximum power point tracking, MPPT) 컨트롤러(310)는 전력 균형을 위한 간단한 방정식을 사용하여 모델링될 수 있다.
본 실시예의 주파수 탈중앙화 제어 장치(이하 간략히 '탈중앙화 제어기'라고 한다)는, 제어 대상 계통 및 상호 연결된 다른 계통으로부터 시간 지연이 있는 통신 시스템을 통해 로컬 측정값들을 수신하고, 각 로컬 계통에 대해, SG 로컬 컨트롤러와 MTDC 컨버터의 로컬 컨트롤러에 대한 최적의 제어 입력을 설정하고, 각 계통에서 생성된 전력 및 전송되는 전력을 협력 방식으로 조정하기 위한 분산 제어 구조를 구비할 수 있다.
특히, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 각 계통에 연결되는 탈중앙화 H∞ 제어기들(500a, …, 500n, …, 500m) 중 제1 AC 계통(AC grid 1)에 연결되는 탈중앙화 H∞ 제어기(이하 간략히 '제1 탈중앙화 제어기')(500a)는 제1 AC 계통(AC grid 1)에서 생성된 전력 ΔPg1, 각속도 Δωr1, 주파수 Δf1, 최대 전압 ΔVmag1, 전력 ΔP1, 및 DC 전압 ΔVdc1을 포함한 로컬 측정값(SG1)을 수신하고, 통신 시스템을 통해 상호 연결된 다른 계통들(AC grid n, AC grid m)로부터 주파수 Δfk≠1 및 DC 전압 ΔVdck≠1을 포함한 다른 로컬 측정값(SIG1)을 수신할 수 있다. 그리고, 제1 탈중앙화 제어기(500a)는 직접 혹은 통신 시스템을 통해 기준치 신호(
Figure pat00001
,
Figure pat00002
)(이하 '제1a 기준치 신호')를 발전원(SG1)의 로컬 제어기(local controller)(110)로 전송하고, 다른 기준치 신호(
Figure pat00003
)(이하 '제1b 기준치 신호')를 MTDC 컨버터의 일종인 GSVSC1(grid side VSC1)의 로컬 컨트롤러(120)로 전송할 수 있다. 제1a 기준치 신호와 제1b 기준치 신호는 간략히 제1 기준치 신호(SREF1)로 지칭될 수 있다.
또한, 탈중앙화 H∞ 제어기들(500a, …, 500n, …, 500m) 중 제n AC 계통(AC grid n)에 연결되는 탈중앙화 H∞ 제어기(이하 간략히 '제n 탈중앙화 제어기')(500n)는 제n AC 계통에서 생성된 전력 ΔPgn, 각속도 Δωrn, 주파수 Δfn, 최대 전압 ΔVmagn, 전력 ΔPn, 및 DC 전압 ΔVdcn을 포함한 로컬 측정값(SGn)을 수신하고, 통신 시스템을 통해 상호 연결된 다른 계통들(AC grid 1, AC grid n)로부터 주파수 Δfk≠n 및 DC 전압 ΔVdck≠n을 포함한 다른 로컬 측정값(SIGn)을 수신할 수 있다. 그리고, 제n 탈중앙화 제어기(500n)는 직접 혹은 통신 시스템을 통해 기준치 신호(
Figure pat00004
,
Figure pat00005
)(이하 '제n1 기준치 신호')를 발전원(SGn)의 로컬 제어기로 전송하고, 다른 기준치 신호(
Figure pat00006
)(이하 '제n2 기준치 신호')를 MTDC 컨버터의 일종인 GSVSCn(grid side VSCn)의 로컬 컨트롤러로 전송할 수 있다. 제n1 기준치 신호와 제n2 기준치 신호는 간략히 제n 기준치 신호(SREFn)로 지칭될 수 있다. n은 1이 아닌 임의의 자연수일 수 있다.
또한, 탈중앙화 H∞ 제어기들(500a, …, 500n, …, 500m) 중 제m AC 계통(AC grid m)에 연결되는 탈중앙화 H∞ 제어기(이하 간략히 '제m 탈중앙화 제어기')(500m)는 제m AC 계통에서 생성된 전력 ΔPgm, 각속도 Δωrm, 주파수 Δfm, 최대 전압 ΔVmagm, 전력 ΔPm, 및 DC 전압 ΔVdcm을 포함한 로컬 측정값(SGm)을 수신하고, 통신 시스템을 통해 상호 연결된 다른 계통들(AC grid 1, AC grid m로부터 주파수 Δfk≠m 및 DC 전압 ΔVdck≠m을 포함한 다른 로컬 측정값(SIGm)을 수신할 수 있다. 그리고, 제m 탈중앙화 제어기(500m)는 직접 혹은 통신 시스템을 통해 기준치 신호(
Figure pat00007
)(이하 '제m1 기준치 신호')를 발전원(SGm)의 로컬 제어기로 전송하고, 다른 기준치 신호(
Figure pat00008
)(이하 '제m2 기준치 신호')를 MTDC 컨버터의 일종인 LLCm의 로컬 컨트롤러로 전송할 수 있다. 제m1 기준치 신호와 제m2 기준치 신호는 간략히 제m 기준치 신호(SREFm)로 지칭될 수 있다. m은 1이나 n과 다른 임의의 자연수일 수 있다.
이와 같이, 하이브리드 MTDC 시스템에 연계된 AC 계통들 각각은 계통측 VSC인 GSVSC(grid side VSC)나 LCC와 발전원(SG)을 구비하고, 이들을 위한 로컬 제어기들을 구비할 수 있으며, 각 로컬 제어기의 제어에 의해 주파수가 제어된다. 최적 계통 주파수 제어를 위해, 적어도 하나의 탈중앙화 제어기는 통신망을 통해 제어 대상의 AC 계통의 로컬 측정값과 제어 대상과 연계된 다른 AC 계통들의 로컬 측정값들을 받고, 주파수 변동을 완화시키기 위해 최적의 기준치 신호를 타겟 계통의 각 로컬 제어기로 전달하도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서는 3개의 AC 계통들이 하이브리드 MTDC 시스템에 연계되어 있는 시스템 구조에 대한 탈중앙화 제어기를 중심으로 설명하였다. 3개의 AC 계통들 중 2개의 AC 계통들은 연계 네트워크(DC network)에 GSVSC가 각각 연결되어 있고 나머지 하나의 AC 계통은 연계 네트워크에 LCC가 연결된 형태를 중심으로 설명하였다. LCC는 정류기 기능을 포함하는 장치로서 전력을 보내주는 역할을 한다. 한편, 본 발명은 이러한 시스템 구조에 대한 주파수 탈중앙화 제어 구성으로 한정되지 않고, 2개 또는 4개 이상의 다양한 AC 계통들이 연계된 하이브리드 MTDC 시스템에 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 실시예에서는, 도시 및 설명의 간결함을 위해, 각 AC 계통에 하나의 발전원(SG)이 설치되고, 해상 풍력발전단지에 하나의 풍력터빈발전기(WTG)가 설치되는 것으로 예시하나, 본 실시예는 이에 한정되지는 않고 각 AC 계통에 둘 이상의 SG가 설치되거나 해상 풍력발전단지에 둘 이상의 WTG가 설치되는 시스템에도 물론 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들 중 제1 AC 계통의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 제1 AC 계통(AC grid 1)의 탈중앙화 H∞ 제어기(Decentralized H∞ controller)(이하 간략히 '탈중앙화 제어기')(500)는 제1 AC 계통(100a)으로부터 전력, 각속도, 주파수, 최대 전압, 전력 및 DC 전압을 포함한 로컬 측정값(Δygrid 1)을 수신하고, MTDC 시스템을 통해 연결된 다른 계통들(AC grid 2, …, AC grid k)로부터 연계 네트워크(DC network)를 통해 주파수 및 DC 전압을 포함한 다른 로컬 측정값들(Δygrid 2, …, Δygrid n)을 수신할 수 있다. 또한, 탈중앙화 제어기(500)는 제1 AC 계통(100a)의 발전원(SG)의 로컬 컨트롤러(local controller, 110)로 제1a 기준치 신호(Δrsg)를 전송하고, 제1 AC 계통(100a)의 GSVSC의 로컬 컨트롤러(120)로 제1b 기준치 신호(Δrconv)를 전송할 수 있다.
제1 AC 계통이나 임의의 k번째 계통을 포함한 AC 계통들 각각의 계통 주파수 조정을 위한 시스템 동적 모델을 설명하면 다음과 같다.
임의의 k번째 계통(AC grid k)에 대해 발전원, 부하 및 컨버터가 결합된 동적 모델은 아래의 수학식 1 내지 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
수학식 1 내지 수학식 6은 MTDC 시스템에 연계 전력망의 동적 모델 및 상태 변수(Xk), 입력 변수(rk), 방해 요소(wdk) 및 출력 값(Yk)을 의미한다. 특히, MTDC 연계 전력망의 컨버터 종류에 따라 입력 변수와 상태 변수가 다르게 표현된다. 본 실시예에서, 제1 AC 계통과 제2 AC 계통은 VSC를 사용하는 것으로, 제3 AC 계통은 LCC를 사용하는 것으로 설명하나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 해상 풍력발전단지(300) 및 연계 전력망의 동적 모델은 각각 수학식 7 및 수학식 8로 표현할 수 있다. 연계 전력망은 연계 네트워크(DC network)에 대응된다.
Figure pat00015
Figure pat00016
수학식 7은 해상 풍력발전단지의 동적 모델을 표현한 것이고, 수학식 8은 연계 전력망의 동적 모델을 표현한 것이다.
위의 수학식 1, 수학식 7 및 수학식 8을 결합하면 하이브리드 MTDC 시스템에 연계된 계통들 각각에 대한 통합 동적 모델을 아래의 수학식 9 및 수학식 10과 같이 표현할 수 있다. 수학식 10은 수학식 9와 관련된다.
Figure pat00017
Figure pat00018
수학식 9 및 수학식 10은 하이브리드 MTDC 시스템의 각 동적 모델들을 통합하는 통합 동적 모델의 유도식을 나타낸다.
수학식 9에서 Zdc는 시스템 상태 변수 X에 대해 재표현이 가능하며, 따라서 통합 동적 모델은 수학식 11 내지 수학식 13과 같이 완성될 수 있다.
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
수학식 11 내지 수학식 13은, 재표현된 통합 동적 모델을 나타낸다. 수학식 11 내지 수학식 13에서 X는 상태 변수를, r은 입력 변수를, Y는 측정 값을, wd는 방해 요소를 각각 의미한다.
최적 계통 주파수 제어를 위해, 수학식 11은 주파수 및 DC 전압의 적분항을 추가적으로 결합하여 아래의 수학식 14 내지 수학식 17과 같이 최적 통합 동적 모델로 완성될 수 있다. 수학식 17은 수학식 14 내지 수학식 16과 관련된다.
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
수학식 14 내지 수학식 17은 통합 동적 모델의 주파수 및 DC 전압의 적분항들이 합쳐진 확장된 통합 동적 모델을 의미하며, 확장된 통합 동적 모델을 유도하기 위한 행렬식들과 확장된 상태 변수(XE) 및 확장된 측정값(YE)을 포함한다.
탈중앙화 동적 모델
본 실시예에서는, 발전원과 컨버터의 협조를 통해 탈중앙화 제어기를 사용하여 계통 주파수를 조정한다. 탈중앙화 제어기는 출력 피드백 제어기로서 시스템 상태 변수들을 입력으로 받기보다 쉽게 측정가능한 로컬 측정값들을 입력으로 받는다. 여기서, 시스템 관리자는 시스템 파라미터들을 안다고 가정한다. 이는 탈중앙화 제어기에 시스템 파라미터들이 미리 입력되어 있거나 실시간 입력될 수 있음을 의미할 수 있다.
탈중앙화 제어기의 제어 동작을 고려하여, 위의 수학식 14는 다음의 수학식 18로 분리되어 표현될 수 있다.
Figure pat00026
수학식 18은 확장된 통합 동적 모델의 MTDC 연계 전력망별 입력 변수들이 분리된 형태의 동적 모델을 나타낸다.
수학식 18에서, 예를 들어, r2와 r3는 제1 AC 계통(AC grid 1) 입장에서 방해 요소로 간주될 수 있다. 따라서, 제k AC 계통에 대해 동적 모델은 수학식 18에 더하여 수학식 19 및 수학식 20으로 표현될 수 있다. 제k AC 계통은 AC 계통 k로도 지칭될 수 있다.
Figure pat00027
Figure pat00028
수학식 19 및 수학식 20에서, 제1 측정값(
Figure pat00029
)은 제k AC 계통에서 측정되는 측정값을, 제2 측정값(
Figure pat00030
)은 인근 제l 계통에서 받아오는 측정값을, 그리고 인근 제l 계통에서 받는 측정값에 해당하는 행렬(
Figure pat00031
)을 의미한다.
탈중앙화 제어기 및 그 설계
도 4는 도 3의 탈중앙화 제어 방법을 구현할 수 있는 AC 계통 k에 대한 탈중앙화 H-인피니티(H∞) 제어기의 작동 원리를 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.
도 4를 참조하면, 탈중앙화 제어기(500)는 AC 계통 k(100k)로부터 로컬 측정값(YEk)을 받고, 통신 시스템을 통해 연계되는 다른 AC 계통 j(100j)로부터 다른 로컬 측정값(YPj)을 받고, 미리 설정된 주파수 탈중앙화 제어 프로토콜을 통해 로컬 측정값들을 분석한 후, 기준치 신호(rk)를 AC 계통 k(100k)로 전달하도록 구성된다.
여기서, AC 계통 k(100k)은 탈중앙화 제어기(500)로부터 기준치 신호(rk)를 받고, 방해 요소(dk)에 대응하는 신호나 데이터를 수신할 수 있다. 방해 요소(dk)는 탈중앙화 제어기(500)의 설계 시에 획득되거나 결정된 제1 가중치 함수에 의해 제1 가중치가 적용된 가중 방해 요소 값(Wdrk)일 수 있다. 그리고, AC 계통 k(100k)로부터 출력되는 로컬 측정값(YEk)은 AC 계통 k(100k)의 불확실성(uncertainty)에 추정값이 더해진 값일 수 있다.
또한, 탈중앙화 제어기(500)는 AC 계통 k(100k)로부터의 로컬 측정값(YEk)에 미리 설정된 제2 가중치 함수의 제2 가중치를 적용한 값이나 레벨로 AC 계통 k(100k)의 로컬 측정값을 입력받을 수 있다. 여기서, AC 계통 k(100k)에서 출력되는 로컬 측정값(YEk)에 제2 가중치가 적용된 값이나 레벨은 타겟 성능 출력(도 5의 Zek 참조)으로 지칭될 수 있다.
또한, 탈중앙화 제어기(500)는 기준치 신호(rk)에 미리 설정된 제3 가중치 함수의 제3 가중치를 적용한 값이나 레벨의 신호를 출력할 수 있다. 기준치 신호(rk)에 제3 가중치가 적용된 신호는 타겟 성능 입력(도 5의 Zuk 참조)으로 지칭될 수 있다.
이러한 탈중앙화 제어기(500)에 의하면, 주파수 탈중앙화 제어 대상인 타겟 계통의 로컬 측정값과 적어도 하나의 연계 계통으로부터의 로컬 측정값을 받고, 로컬 측정값들에 기초하여 타겟 계통의 발전원의 로컬 컨트롤러와 MTDC 컨버터의 로컬 컨트롤러에 기준치 신호를 제공하며, 이에 의해 타켓 계통의 주파수를 효과적으로 탈중앙화 제어할 수 있다.
도 5는 도 4의 탈중앙화 H∞ 제어기의 설계 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 탈중앙화 제어기(500)는 기본적으로 AC 계통 k(100k)로부터 로컬 측정값(YEk)을 받고, 통신 시스템을 통해 연계되는 다른 AC 계통 j(100j)로부터 다른 로컬 측정값(YPj)을 받고, 기준치 신호(rk)를 AC 계통 k(100k)로 전달하도록 구성된다.
발전원의 종류나 성능, MTDC 컨버터의 종류나 성능 등에 따른 AC 계통 k(100k)의 특성에 맞는 H∞ 제어기를 설계하기 위해, 탈중앙화 제어기(500)는 불확실성과 가중치 함수들 Wd(s), We(s), Wu(s)를 고려하는 AC 계통 k(100k)의 폐루프 시스템 형태로 설계될 수 있다. 여기서, 탈중앙화 제어기(500)는 로컬 측정값을 받는 적어도 하나 이상의 입력 유닛과, 기준치 신호를 설정하기 위한 적어도 하나 이상의 설정 유닛을 구비할 수 있다.
또한, AC 계통 k(100k)의 폐루프 시스템은 AC 계통 k(100k)로부터 출력되는 로컬 측정값에 AC 계통 k(100k)의 불확실성(uncertainty)에 대해 추정된 추정치를 더해 얻은 로컬 측정값(YEk)을 사용하도록 설계될 수 있다. 이 경우, 로컬 측정값(YEk)은 불확실성이 반영된 로컬 측정값으로 지칭될 수 있다.
이러한 AC 계통 k(100k)의 폐루프 시스템은 AC 계통 k(100k)로부터 출력되는 로컬 측정값(이하 '계통 측정값'이라 한다)을 토대로 불확실성 추정치 Δk(s)를 계산하기 위한 추정 유닛(420)과, 추정 유닛(420)에서 얻은 불확실성 추정치 Δk(s)를 계통 측정값에 더하는 덧셈 유닛(430)을 구비하고, 이를 통해 AC 계통 k(100k)의 로컬 측정값(YEk)을 생성하도록 설계될 수 있다.
또한, AC 계통 k(100k)의 폐루프 시스템은 AC 계통 k(100k)로 입력되는 방해요소(dk)에 제1 가중치를 적용하기 위한 제1 가중치 함수 Wd(s)(410), AC 계통 k(100k)의 로컬 측정값에 제2 가중치를 적용하기 위한 제2 가중치 함수 We(s)(440), 및 AC 계통 k(100k)로 입력되는 기준치 신호(rk)에 제3 가중치를 적용하기 위한 제3 가중치 함수 Wu(s)(450)를 구비할 수 있다.
제1 가중치 함수 Wd(s)는 방해 요소(dk)에 제1 가중치를 적용하기 위한 수단이나 이러한 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부 예컨대, 제1 가중치 처리 유닛으로 구현될 수 있다. 제2 가중치 함수 We(s)는 AC 계통 k(100k)의 로컬 측정값(YEk)에 제2 가중치를 적용하기 위한 수단이나 이러한 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부 예컨대, 제2 가중치 처리 유닛으로 구현될 수 있다. 그리고 제3 가중치 함수 Wu(s)는 탈중앙화 제어기(500)에서 출력되어 AC 계통 k(100k)로 입력되는 기준치 신호(rk)에 제3 가중치를 적용하기 위한 수단이나 이러한 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부 예컨대, 제3 가중치 처리 유닛으로 구현될 수 있다.
전술한 가중치 함수들이나 그 가중치들은 탈중앙화 제어기(500)의 설계 시에 결정되어, 실제로 사용되는 탈중앙화 제어기(도 4의 500 참조)에 미리 반영된 형태로 사용될 수 있다.
AC 계통 k에 대한 주파수 탈중앙화 H∞ 제어기의 계통 주파수 조정을 위한 H∞ 제어기 설계의 주요 과정을 설명하면 다음과 같다.
즉, 탈중앙화 제어기(500) 및 가중치 함수들 W(s)를 포함한 AC 계통 k의 폐루프 시스템을 고려하면, H∞ 제어기 설계를 위한 동적 모델은 수학식 21과 수학식 22와 같이 표현될 수 있다. 수학식 22는 수학식 21과 관련된다.
Figure pat00032
Figure pat00033
여기서, Zek와 Zuk는 H∞ 제어기를 설계할 때 특이값의 최대치를 최소화하기 위한 목적 신호이다. Zek는 계통 주파수 및 DC 전압과 해당 적분항으로 구성된다. Zek와 Zuk는 타겟 성능 출력과 타겟 성능 입력에 각각 대응될 수 있다.
수학식 21 및 수학식 22는, 가중치 함수가 포함된 AC 계통 k의 동적 모델을 나타내며, 목적 신호(Zk), 측정값(
Figure pat00034
), 그리고 목적 신호와 측정값에 해당하는 가중치 함수가 포함된 행렬(B2, C2)에 의해 표현될 수 있다.
H∞ 제어기를 설계를 위한 최적화 문제는 방해 요소(d)에 대한 목적 신호(Zk)의 전달 함수의 H∞-norm을 최소화하도록 하는 것으로 나타낼 수 있으며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 23과 같다.
Figure pat00035
수학식 23에서,
Figure pat00036
는 시스템의 성능 레벨을 의미한다.
본 실시예에서는
Figure pat00037
를 반복적으로 업데이트하는
Figure pat00038
-반복(iteration) 방법을 사용하여 최적화 문제를 푼다.
Figure pat00039
에 대해서, 수학식 23을 만족하는 안정적인 제어기가 존재하며, 이 경우 안정적인 제어기는 아래의 수학식 24 내지 수학식 26의 3가지 조건을 무조건적으로 만족하게 된다.
Figure pat00040
Figure pat00041
Figure pat00042
수학식 26에서
Figure pat00043
는 가장 큰 고윳값을 뜻한다.
본 실시예에서
Figure pat00044
가 반복적으로 최소값에 수렴하게 될 때
Figure pat00045
와
Figure pat00046
가 결정되며, 탈중앙화 제어기 K(s)는 아래의 수학식 27 내지 수학식 28과 같이 설계될 수 있다. 수학식 28은 수학식 27에 관련된다.
Figure pat00047
Figure pat00048
일반적으로 MTDC 연계 계통의 동적 모델은 특히 발전원, VSC, LCC 및 WTG의 개수가 많을 때 제어하기가 어렵고 관찰할 수 없는 여러 변수를 포함하여 고차원으로 구성된다. 전체 차수의 탈중앙화 H∞ 제어기는 높은 계산 부담과 측정 노이즈에 대한 높은 민감도를 가지므로, 본 실시예에서는 실제 구현을 위해 탈중앙화 H∞ 제어기의 모델 차수를 줄이면서도 지배적인 응답 특성을 유지하기 위해 균형 변환 매트릭스를 이용한 균형 절단 알고리즘 또는 모델 차수 축소(model order reduction) 알고리즘을 적용할 수 있다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 3개의 계통들의 각 탈중앙화 H∞ 제어기를 87의 모델 차수로 설계하였다.
모델 차수 축소 알고리즘을 처리하는 모델 차수 축소 유닛을 적용한 탈중앙화 제어기의 동적 모델 또는 제어기의 상태(
Figure pat00049
)와 기준치 신호(
Figure pat00050
)는 수학식 27 및 수학식 28을 토대로 수학식 29와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00051
수학식 29에서, 특정 계통을 위한 전체 차수의 H∞ 제어기의 최적 제어 이득들(Ahk, Bhk 및 Chk)은 먼저 균형 변환 매트릭스(balancing transformation matrix, T)를 이용하여
Figure pat00052
,
Figure pat00053
및
Figure pat00054
로 변환되고, 이들의 행렬 분해는 누적 에너지와 헨겔 특이값(hankel singular values, HSVs)의 수를 고려하여 적응적으로 수행한 결과이다.
이와 같이,
Figure pat00055
-반복 방법을 통해 구해진 탈중앙화 제어기의 차수는 시스템 차수와 같은 차수로 존재하게 되고, 따라서 차수가 많을 때, 탈중앙화 제어기를 시스템에 직접적으로 적용하기에는 계산적인 부담과 수학적인 에러가 발생할 수 있는 문제가 있으나, 본 실시예에서는 모델 차수 축소 알고리즘을 사용하여 탈중앙화 제어기의 관측 불가능하거나 제어 불가능한 차수를 줄이도록 구성하고, 이에 의해 상기의 문제를 해결할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1(Grid 1), 계통 2(Grid 2) 및 계통 3(Grid 3)의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 상태 변수 차수(index of state)에 대한 한켈 특이값(Hankel singular values) 곡선들을 나타낸 그래프이다. 그리고 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1, 계통 2 및 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 상태 변수 차수(index of state)에 따른 누적 에너지(Cumulative energy) 곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 탈중앙화 H∞ 제어기의 상태 변수 차수에 따른 한켈 특이값과 누적 에너지를 보여준다. 즉, 도 6은 MTDC 연계 계통에 대한 분산형 H∞ 컨트롤러의 전체 차수 및 축소 차수 모델의 HSV를 보여준다. HSV는 소정의 테스트 조건이 주어질 때, 각 계통에서 0.1pu씩 부하 요구 변동에 대한 단계 응답에 대해 얻어졌다. 그리고 도 7은 도 6의 누적 에너지 곡선을 보여준다. HSV 분석의 결과에 따르면, 3개의 분산된 H∞ 컨트롤러의 에너지 크기는 모델 차수(r)가 각각 26, 29 및 13으로 축소될 때 전체 에너지의 99.9%보다 여전히 높다.
이것은 H∞ 컨트롤러의 축소된 차수 모델이 원래의 87 차수의 모델의 동적 작동 특성을 성공적으로 반영할 수 있음을 의미한다. 즉, 모델 차수를 각각 26, 29 및 13으로 줄이는 것은 계산 부담을 효과적으로 완화하면서 주파수 조정 성능에 미미한 영향을 미치도록 구성될 수 있음을 의미하다. 여기서, 모델 차수(r)는 제어 성능과 구현 복잡성 간의 균형을 고려하여 더 작은 값으로 설정될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 누적 에너지가 99.9%가 되도록 하는 차수를 선택하였으며, 계통 1, 계통 2, 및 계통 3의 기재된 순서대로의 각 계통별 상태 변수 차수가 26 차수, 29 차수, 및 13 차수로 총 차수 87에 비해 상당히 많이 감소된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 탈중앙화 제어기의 차수를 축소하여 그 동적 특성을 실제 시스템에 성공적으로 그리고 실용적으로 구현할 수 있다.
다음은 탈중앙화 제어의 효과를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1, 계통 2 및 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 B 행렬(Bhk)의 최적 제어기 이득(optimal controller gains)을 설명하기 위한 예시도이다. 그리고 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 계통 1, 계통 2 및 계통 3의 탈중앙화 H∞ 제어기들의 D 행렬(Dhk)의 최적 제어기 이득을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 탈중앙화 H∞ 제어기의 제어기 상태들(Xh1, Xh2, Xh3)과 로컬 측정값들(Y1, Y2, Y3) 간의 최적 동적 행렬 Bhk, 및 탈중앙화 H∞ 제어기의 기준치 신호들(r1, r2, r3)과 로컬 측정값들(Y1, Y2, Y3) 간의 최적 동적 행렬 Dhk를 확인할 수 있다. 특히, 해당 계통 및 상호 연결된 다른 계통의 로컬 측정값들과 관련하여 GSVSC 및 LCC 연계 계통들 즉, 계통 1, 계통 2 및 계통 3에 대한 H∞ 제어기들의 최적 이득들을 보여준다. 최적 이득들은 수학식 29의
Figure pat00056
의 동적 행렬 Bhk와 Dhk에 대응된다. 동적 행렬 Bhk는 H∞ 제어기의 B 행렬로 지칭되고, 동적 행렬 Dhk는 H∞ 제어기의 D 행렬로 지칭될 수 있다.
이는 로컬 측정값들(YTk)이 분산된 계통 조건들에서 제어기 상태(Xhk) 및 기준치 신호(rk)에 영향을 미치는 정도를 나타냅니다. 동적 행렬 Bhk 및 Dhk의 요소는 연계 계통들의 다른 로컬 측정값들에 대해 0에 가까운 값을 가지고 있음을 알 수 있다. 다시 말해서, 각 계통의 제어기 상태 및 기준치 신호는 다른 연계 계통들의 로컬 측정값들에 의해 주로 영향을 받는다. 이것은 계통 k(k는 임의의 자연수)에 대한 분산형 H∞ 제어기가 연계 계통들의 측정값들만을 사용하여 효과적으로 설계될 수 있음을 보여준다. 따라서 계통들 간 측정 및 통신 시스템에 대한 요구 사항을 완화하고 본 실시예의 실질적인 주파수 제어 전략을 각종 응용에 폭넓게 적용할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 동적 탈중앙화 제어기로써 입력값에 따라 제어기의 상태 변수에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 계통의 주파수 및 DC 전압이 다른 로컬 측정값들에 비해 하이브리드 MTDC 시스템에 연계된 계통들에 대해 큰 이득값을 취할 수 있다. 따라서, 각 계통의 탈중앙화 H∞ 제어기에 대해 MTDC 시스템에 연계된 다른 계통들의 주파수와 DC 전압을 통신 케이블을 통해서 전달받도록 설정함으로써, 탈중앙화 제어기의 효과를 얻을 수 있다.
다음은 탈중앙화 제어의 안정도 분석에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템의 MTDC 컨버터의 위상 인덕턴스(phase inductance, Lf)가 0.03 mH에서 1.50 mH까지의 범위에서 변할 때의 Lf에 대한 시간 지연에 따른 폐루프 시스템의 근 궤적도를 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 탈중앙화 제어기들과 연계된 폐루프 시스템에 대해서 안정도 분석을 진행하였다. 특히 컨버터의 리액턴스 값 Lf를 0.03mH부터 1.5mH까지 증가시켜 폐루프 시스템의 고윳값의 변화를 확인하였다.
즉, 리액턴스가 커짐에 따라 고윳값들이 허수부 축으로 이동하는 모습을 보여주고 있으나 전체적으로 좌방면에 존재하게 되면서 개발한 제어기를 사용하게 되는 경우 컨버터 리액턴스 값에 대해서 안정도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 본 실시예의 탈중앙화 제어기가 다양한 계통에서 사용가능하다는 것을 시사해 준다.
또한, 본 실시예의 탈중앙화 제어 방법에 있어서 통신 지연에 따른 영향에 대해 확인하였다. 통신 지연(Td)을 고려하기 위해 탈중앙화 H∞ 제어기는 수학식 30 내지 수학식 31과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00057
Figure pat00058
여기서,
Figure pat00059
는 파데 근사(pade approximation)를 사용하였다. 그 경우, 수학식 29는 수학식 32와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00060
다음은 탈중앙화 제어 전략에 따른 안정도 분석에서 시간 지연에 따른 근 궤적도를 설명한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른, 하이브리드 MTDC 시스템에 적용되는 광섬유 통신에서 시간 지연(time delays, Td)이 1㎳ 내지 10㎳ 사이의 범위에서 변하는 폐루프 시스템의 근 궤적도를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 시간 지연이 증가함에 따라서 복소수 콘주게이트 고유값들(complex-conjugate eigenvalues)은 우방면쪽으로 이동하게 된다. 지연 시간(Td)가 약 51㎳로 증가하면 고유값이 축을 가로질러 오른쪽 반 평면(right-hand half plane, RHP)에 배치된다. 여기서, 일반적인 광섬유 통신의 지연 시간은 1㎳ 내지 10㎳ 범위 내인 것으로 가정한다.
즉, 본 실시예에 따른 탈중앙화 제어기는 통신 지연이 최대 51㎳까지 안정성을 유지할 수 있고, 이는 기존 MTDC 시스템에서 사용되는 광섬유 통신 케이블 망의 지연 시간에 충분히 강인한 성질을 지니는 것을 보여준다. 이와 같이, 본 실시예의 H∞ 제어기는 폐루프 시스템의 안정성과 견고성을 신뢰성 높게 보장할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 MTDC 시스템과 연계된 계통들의 최적 주파수 조정을 위한 탈중앙화 제어 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 12를 참조하면, 탈중앙화 제어 장치(1000)는 적어도 하나의 프로세서(1100)로 구현되거나, 적어도 하나의 프로세서(1100)에 탑재되는 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 프로세서(1100)는 특정 계통을 위한 탈중앙화 H∞ 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 탈중앙화 제어 장치(1000)는 메모리(1200) 및 저장 장치(1600) 중 적어도 하나를 더 구비할 수 있다.
프로세서(1100)는 메모리(1200) 및 저장 장치(1600) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로그램 명령은 주파수 탈중앙화 제어 프로토콜을 수행하기 위한 일련의 절차, 탈중앙화 제어기 설계를 위한 일련의 절차, 탈중앙화 제어기 동작을 위한 일련의 절차 등을 위한 명령들을 포함할 수 있다.
또한, 프로세서(1100)는 주파수 탈중앙화 제어 프로토콜을 수행하기 위한 일련의 절차, 탈중앙화 제어기 설계를 위한 일련의 절차, 탈중앙화 제어기 동작을 위한 일련의 절차 등을 위한 적어도 하나 이상의 소프트웨어 모듈이나 유닛을 구비할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어 유닛들은 타겟 계통의 로컬 측정값을 받는 제1 입력 유닛(1110), 연계 계통의 로컬 측정값을 받은 제2 입력 유닛(1120), 제1a 기준치 신호를 설정하는 제1 설정 유닛(1130), 제1b 기준치 신호를 설정하는 제2 설정 유닛(1140), 추정 유닛(1150), 덧셈 유닛(1160), 제1 내지 제3 가중치 유닛들(1171, 1172, 1173), 및 모델 차수 축소 유닛(1180)을 포함할 수 있다.
전술한 프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들 중 적어도 하나의 방법이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다.
메모리(1200) 및 저장 장치(1600) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
또한, 탈중앙화 제어 장치(1000)는 송수신 장치(1300)를 더 구비할 수 있다. 송수신 장치(1300)는 제어 대상 계통으로부터 로컬 측정값을 받고, 기준치 신호를 제어 대상 계통으로 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 송수신 장치(1300)는 MTDC 시스템에 연계된 계통들로부터 통신 시스템을 통해 로컬 측정값을 수신하도록 구성될 수 있다.
또한, 탈중앙화 제어 장치(1000)는 입력 인터페이스 장치(1400) 및 출력 인터페이스 장치(1500) 중 적어도 하나를 더 구비할 수 있다. 입력 인터페이스 장치(1400)는 키보드, 마이크, 터치패드, 터치스크린, 원격 제어 등의 입력 수단들에서 선택되는 적어도 하나와 적어도 하나의 입력 수단을 통해 입력되는 신호를 기저장된 명령과 매핑하거나 처리하는 입력 신호 처리부를 포함할 수 있다. 그리고 출력 인터페이스 장치(1500)는 프로세서(1100)의 제어에 따라 출력되는 신호를 기저장된 신호 형태나 레벨로 매핑하거나 처리하는 출력 신호 처리부와, 출력 신호 처리부의 신호에 따라 진동, 빛 등의 형태로 신호나 정보를 출력하는 적어도 하나의 출력 수단을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 출력 수단은 스피커, 디스플레이 장치, 프린터, 광 출력 장치, 진동 출력 장치 등의 출력 수단들에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 정보가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시 예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 적어도 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시 예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시 예들에서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array)는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서(microprocessor)와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 하이브리드 MTDC(multi-terminal high-voltage direct-current) 연계 계통에 통신 네트워크를 통해 연결되는 제어 장치에 의해 수행되는 주파수 탈중앙화 제어 방법으로서,
    MTDC 시스템에 연계된 타겟 계통으로부터 제1 로컬 측정값을 수신하는 단계;
    상기 MTDC 시스템에 연계된 다른 계통으로부터 제2 로컬 측정값을 수신하는 단계;
    상기 제1 로컬 측정값에 상기 타겟 계통의 불확실성에 대한 추정값을 더하는 단계;
    상기 추정값이 더해진 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 발전원의 제1 로컬 컨트롤러에 대한 제1 제어 입력을 설정하는 단계; 및
    상기 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 MTDC 컨버터의 제2 로컬 컨트롤러에 대한 제2 제어 입력을 설정하는 단계;
    를 포함하는 MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 로컬 측정값은 상기 타겟 계통에 입력되는 방해 요소에 미리 설정된 제1 가중치를 곱한 가중 방해요소 값에 기초하여 생성되는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 로컬 측정값은 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나와 상기 가중 방해요소 값을 기초로 생성되는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 로컬 측정값에 미리 설정된 제2 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 출력을 생성하는 단계를 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나에 미리 설정된 제3 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 입력을 생성하는 단계를 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 로컬 측정값은 전력, 각속도, 주파수, 최대 전압, 전력 및 DC 전압을 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 로컬 측정값은 주파수 및 DC 전압을 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력은 기준치 신호를 각각 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    모델 차수 축소 알고리즘을 사용하여 주파수 탈중앙화 제어 장치의 상기 타겟 계통에 대한 관측 불가능하거나 제어 불가능한 차수를 줄이는 단계를 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 주파수 탈중앙화 제어 장치가 상기 추정값을 계산하는 추정 유닛을 구비한 폐루프 시스템으로 형성되는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 방법.
  11. 하이브리드 MTDC(multi-terminal high-voltage direct-current) 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어를 수행하는 주파수 탈중앙화 제어 장치로서,
    MTDC 시스템에 연계된 타겟 계통으로부터 제1 로컬 측정값을 수신하는 제1 입력 유닛;
    상기 MTDC 시스템에 연계된 다른 계통으로부터 제2 로컬 측정값을 수신하는 제2 입력 유닛;
    상기 타겟 계통의 불확실성에 대한 추정값을 계산하는 추정 유닛;
    상기 제1 로컬 측정값에 상기 추정값을 더하는 덧셈 유닛;
    상기 추정값이 더해진 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 발전원의 제1 로컬 컨트롤러에 대한 제1 제어 입력을 설정하는 제1 설정 유닛; 및
    상기 제3 로컬 측정값과 상기 제2 로컬 측정값을 토대로 상기 타겟 계통 내 MTDC 컨버터의 제2 로컬 컨트롤러에 대한 제2 제어 입력을 설정하는 제2 설정 유닛;을 포함하는 MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 로컬 측정값에 상기 타겟 계통에 입력되는 방해 요소에 미리 설정된 제1 가중치를 곱한 가중 방해요소 값을 생성하는 제1 가중치 처리 유닛을 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 로컬 측정값은 상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나와 상기 가중 방해요소 값을 기초로 생성되는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3 로컬 측정값에 미리 설정된 제2 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 출력을 생성하는 제2 가중치 처리 유닛을 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력 중 적어도 어느 하나에 미리 설정된 제3 가중치를 곱하여 상기 타겟 계통에 대한 타겟 성능 입력을 생성하는 제3 가중치 처리 유닛을 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 로컬 측정값은 전력, 각속도, 주파수, 최대 전압, 전력 및 DC 전압을 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제2 로컬 측정값은 주파수 및 DC 전압을 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 제어 입력 및 상기 제2 제어 입력은 기준치 신호를 각각 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  19. 청구항 11에 있어서,
    모델 차수 축소 알고리즘을 사용하여 상기 타겟 계통에 대한 관측 불가능하거나 제어 불가능한 차수를 줄이는 모델 차원 축소 유닛을 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
  20. 청구항 11에 있어서,
    복수의 유닛들이 탑재되는 프로세서를 더 포함하는, MTDC 연계 계통의 주파수 탈중앙화 제어 장치.
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