KR20230167787A - 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템 - Google Patents

마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 전력을 축소하여 소형화할 수 있으며, 상기 소형화한 마이크로 분산전원과 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어에 대한 유효성 검증을 수행하여, 실제 스마트 그리드 환경에 적용하였을 때, 동일한 유효성을 가질 수 있도록 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템에 관한 것이다.

Description

마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템{SYSTEM FOR MICRO DISTRIBUTED GENERATION OF MICRO SMART GRID SIMULATOR}
본 발명은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 전력을 축소하여 소형화할 수 있으며, 상기 소형화한 마이크로 분산전원과 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어에 대한 유효성 검증을 수행하여, 실제 스마트 그리드 환경에 적용하였을 때, 동일한 유효성을 가질 수 있도록 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템에 관한 것이다.
최근의 전력시스템은 전력 생산자와 소비자 간의 양방향 통신이 가능한 디지털 통신망과 에너지 사용 효율성을 극대화하는 분산전원(Distributed Generation) 시스템이 설치된 전력망을 결합한 스마트 그리드로 빠르게 진화하고 있다.
분산전원이 결합된 스마트 그리드는 트리 구조의 전력망을 보호하고 제어하기 위해 여러 알고리즘이 제안되었으나, 이러한 알고리즘들은 분산전원 시스템이 장착된 스마트 그리드가 기존 전력망에서 발생하는 것과 다른 고장 현상을 나타내기 때문에 직접 적용할 수 없었다. 이에 따라 스마트 그리드의 보호 및 제어를 위한 새로운 알고리즘이 제안되었으나, 보호 장치 및 제어 알고리즘이 매우 복잡하고 구현하기 어려워 실제 스마트 그리드에 적용하기 위해서는 스마트 그리드에 대한 충분하고 다양한 결함 분석 및 테스트를 통해 신뢰성이 확보되어야 하는 문제가 있었다.
대부분의 알고리즘은 소프트웨어 기반 시뮬레이션 접근 방식을 통해 모델링 및 시뮬레이션된다. 이 접근 방식에서는 EMTP-RV(Electromagnetic Transients Program-Restructured Version) 또는 PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)/EMTDC(Electro Magnetic Transient DC analysis program)와 같은 소프트웨어 도구를 사용하여 전력 시스템을 모델링하고 제안된 알고리즘을 모델링한 후 시스템 모델에 적용하여 전체 성능을 검증한다. 하지만, 실험실에서 적용하기 쉽지만 최고의 전문가가 시스템의 동적 특성을 완벽하게 모델링하지 않으면 신뢰성을 보장하기 어렵고, 알고리즘이 적용된 전원제어장치를 직접 테스트하는 것이 불가능하였으며, 스마트 그리드의 통신 기능을 사용하여 알고리즘을 테스트하는 것은 비현실적이다.
또한 상기 알고리즘은 하드웨어 기반 접근 방식을 고려할 수 있는데, 이 방법은 시스템의 신뢰성을 평가하기 위해 사용되지만 대규모 실제 시스템에 적용할 때 관찰되는 거대한 확산 효과로 인해 적용할 수 없었고, 실증시험장의 건설에 소요되는 높은 비용과 오랜 시간으로 인해 크게 제한되었기 때문에 스마트 그리드에 대한 새로운 알고리즘에서 요구하는 다양한 특수 시스템 구성 조건을 충족하기 어려웠으며, 전문 지식이 없는 작업자가 시스템을 운영할 경우 발생할 수 있는 위험이 수반되어 연구자가 자유롭게 실험 테스트를 수행하는 것이 불가능하였다.
또한 최근에는 하드웨어 장치를 RTDS(Real Time Digital Simulator)에 입출력 인터페이스를 통해 연결한 후, RTDS를 기반으로 모델링된 시스템으로부터 입출력 신호를 개발된 하드웨어로 제공함으로써 새로운 알고리즘의 성능을 테스트하는 루프 시스템의 하드웨어(Hardware in the Loop system)가 하이브리드 접근 방식으로 인해 상당한 주목을 받고 있다. 그러나, 이 방식은 RTDS가 소프트웨어 도구를 기반으로 시스템 동적 상태 값들을 생성하기 때문에 상기 언급한 소프트웨어 접근 방식과 동일한 문제를 겪을 가능성이 높았고, 새로운 알고리즘이 적용된 전력제어장치의 신뢰성을 실험실에서 안전하게 시험할 수 있는 실험실 시험 환경이 필요하며, 스마트 그리드의 양방향 통신을 기반으로 한 새로운 제어 전략을 시험하기 위해서는 양방향 통신 시험 환경이 필요하다.
한편, 최근들어 전력망의 소형화에 대한 여러 연구가 실증되었고, 일 예로 스마트 그리드의 소형화를 위한 새롭고 효율적인 다운스케일링 방법을 기반으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 설계 결과가 제시되었다. 상기 제시된 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터는 스마트 그리드의 1000분의 1의 크기로 실험실에서 새로운 동작 제어 알고리즘을 자유롭고 안전하게 실험할 수 있는데, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 분산전원 역할을 하는 마이크로 분산전원(스마트 그리드의 제어 알고리즘을 실험적으로 검증하는 데 필수적임)은 아직까지 미개척 상태로 남아 있다.
이를 해결하기 위해서, 몇몇 연구자들은 스마트 그리드를 위한 분산전원의 계통 연결 방법론을 제안하였지만, 분산전원 시스템의 크기와 전력 수준의 큰 차이로 인해 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 직접 적용할 수 없었다. 그러므로 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 수준으로 분산전원의 크기와 전력 수준을 축소할 수 있는 소형화 방법이 개발되어야 하며, 스마트 그리드에 적용된 그리드 동기화, 제어 알고리즘이 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 수준에서도 효과적인지 검증하여야 할 필요성이 있다. 이러한 검증을 통해 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 검증된 제어 알고리즘이 스마트 그리드에 적용될 때 동일한 유효성을 갖는다고 역으로 추론할 수 있기 때문이다.
따라서 본 발명에서는 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 소형화하여 제작하고, 상기 소형화하여 제작한 마이크로 분산전원과 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어를 수행하고, 이에 대한 유효성 검증을 수행할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행발명에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행발명에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.
먼저 한국등록특허 제1768169호(2017.08.17.)는 마이크로그리드 시험장치에 관한 것으로, 시험대상 마이크로그리드의 AC 마이크로그리드의 전압 안정성을 시험하는 AC 마이크로그리드 시험장치; 상기 시험대상 마이크로그리드의 DC 마이크로그리드의 전압 안정성을 시험하는 DC 마이크로그리드 시험장치; 및 상기 AC 마이크로그리드 시험장치 및 상기 DC 마이크로그리드 시험장치에 각각 연결되어 AC 계통 및 DC 계통에 대한 전력관리를 수행하는 전력관리시스템을 포함하는 마이크로그리드 시험장치에 관한 선행발명이다.
즉, 상기 한국등록특허 제1768169호는 마이크로그리드의 신재생에너지원과 소규모 배전시스템을 모의로 구축하고, 마이크로그리드를 DC 마이크로그리드와 AC 마이크로그리드로 나누어 각각 시험하는 것이므로, 본 발명에서 제시한 스마트 그리드의 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 레벨로 소형화하고, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어를 수행하고, 이에 대한 유효성 검증을 수행하는 구성과 상이하다.
또한 한국등록특허 제1412742호(2014.07.04.)는 독립형 마이크로그리드 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 디젤발전기, 신재생에너지전원 및 에너지 저장장치를 구비하는 독립형 마이크로그리드 시스템; 독립형 마이크로그리드 시스템의 구성요소들과 통신하는 에너지관리시스템(EMS); 및 독립형 마이크로그리드 시스템의 안정도를 제어하는 전력관리시스템(PMS)을 포함하는 독립형 마이크로그리드 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 선행발명이다.
즉, 상기 한국등록특허 제1412742호는 디젤발전소에 연료비 절감과 공해 및 소음 저감 목적으로 다량으로 설치되는 태양광, 풍력 등 신재생에너지전원에 기인한 시스템의 불안정성을 해소하고 최적의 전원 공급시스템으로 운영하는 것이므로, 본 발명에서 제시한 스마트 그리드의 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 레벨로 소형화하고, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어를 수행하고, 이에 대한 유효성 검증을 수행하는 구성과 비교해 볼 때, 기술적 구성의 차이점이 분명하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 소형화하여 제작할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 소형화하여 제작한 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 연계 운전을 위해 필요한 DQ(direct quardrature) 변환 기반의 동기화 및 유효 전력 제어를 수행할 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연계할 때 적용되는 동기화 및 유효 전력 제어에 대한 알고리즘의 유효성을 검증할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 사이의 연계운전이 이루어지는 동안 전류의 방향이나 크기와 같은 동적 전기적 특성을 분석함으로써, 마이크로 분산전원의 유효성을 검증할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하여 검증한 결과를 실제 환경의 스마트 그리드와 분산전원의 연결에 활용할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템은, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연계되어 구성되는 마이크로 분산전원에 있어서, 그리드측으로 출력되는 인버터측 3상 전원을 센싱하는 인버터측 센싱회로; 상기 그리드측에 흐르는 3상 전원을 센싱하는 그리드측 센싱회로; 및 상기 인버터측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원과 상기 그리드측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원을 토대로 동기화와 유효 전력 제어를 수행하는 제어기;를 포함하며, 상기 마이크로 분산전원은, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 전력레벨을 낮추고 다층구조로 설계하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로 분산전원 시스템은, PV(photovoltaic) 어레이를 통해 생산되는 DC 전원을 충전하는 전원부; 상기 전원부에 충전된 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하여 그리드 측으로 출력하는 인버터; 상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 제거하는 필터; 및 상기 제어기의 제어를 토대로 상기 마이크로 분산전원을 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하거나, 또는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 인공 모의고장 또는 실제 고장을 포함한 고장이 발생하는 경우 차단하여 상기 마이크로 분산전원을 보호하는 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 인버터측 센싱회로는, 상기 인버터를 통해 변환되는 3상 AC 전원의 전압을 측정하여 상기 제어기로 출력하는 전압 센싱부; 상기 인버터를 통해 변환되는 3상 AC 전원의 전류를 측정하여 상기 제어기로 출력하는 전류 센싱부; 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 동기화는, 상기 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 계통 연계시, 상기 인버터의 출력 전압 벡터의 크기를 상기 그리드측의 3상 고정 기준 프레임에서 dq 고정 기준 프레임으로 변환된 계통의 전압 백터의 크기와 동일하게 만들기 위한 PI(Proportional Integral) 전압 제어이며, 상기 유효 전력 제어는, 상기 인버터의 출력 전류 벡터를 제어하여 목표 유효 전력이 상기 인버터에서 계통으로 흐르도록 하기 위한 PI 전류 제어인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로 분산전원 시스템은, 상기 인버터의 출력 용량은 7.5W, 출력 전압은 19V, 출력 주파수는 60Hz, 스위칭 주파수는 4.5kHz의 사양으로 설계하고, 상기 필터의 인버터측 인덕터는 26mH, 필터 커패시터는 2.8μF, 그리드측 인덕터는 2.8mH, 댐핑저항은 10Ω의 사양으로 설계하고, 상기 스위칭부의 차단전류는 5A, 동작전류는 1A의 사양으로 설계하며, 상기 전원부의 DC 링크 전압은 61V, 배터리 용량은 30Ah의 사양으로 설계하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 분산전원의 유효성 검증 시스템은, 배전 변압기; 상기 배전 변압기의 출력측에 구비되고, 3상 델타 와이 연결 권선, 19V의 라인 전압 및 190VA의 3상 용량을 가진 마이크로 변전소 변압기; PV 어레이를 통해 생산되는 전원을 충전하는 전원부, 상기 전원부에 충전된 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하는 인버터, 상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 제거하는 필터, 및 상기 필터를 통해 출력되는 인버터측 3상 AC 전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 흐르는 3상 AC 전원을 토대로 계통 동기화를 위한 PI 전압 제어와 유효 전력 제어를 위한 PI 전류 제어를 수행하는 제어기를 포함하고, 상기 마이크로 변전소 변압기와 동일 선로에 배치되는 마이크로 분산전원; 및 상기 마이크로 변전소 변압기와 마이크로 분산전원 사이에 구비되는 3상 부하;를 포함하며, 상기 배전 변압기, 마이크로 변전소 변압기, 마이크로 분산전원 및 3상 부하를 EMTP-RV를 이용하여 모델링하고, 상기 PI 전압 제어와 PI 전류 제어를 적용하여 얻은 상기 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과에 따른 각 상 전압의 크기 및 위상을 토대로 상기 마이크로 분산전원의 동기화와 유효 전력 제어에 대한 유효성을 검증하며, 상기 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과로부터 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와 마이크로 분산전원을 연결하여 동작시켰을 때의 전류 크기와 방향을 포함한 동적 전기적 특성이 실제 스마트 그리드와 연계된 분산전원에서 확인한 동적 전기적 특성과 동일함을 확인하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법은, 마이크로 분산전원에서, 인버터측 센싱회로를 통해 그리드측으로 출력되는 인버터측 3상 전원을 센싱하는 인버터측 출력전원 센싱 단계; 그리드측 센싱회로를 통해 상기 그리드측에 흐르는 3상 전원을 센싱하는 그리드측 전원 센싱 단계; 및 제어기를 통해 상기 인버터측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원과 상기 그리드측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원을 토대로 동기화와 유효 전력 제어를 수행하는 제어 단계;를 포함하며, 상기 마이크로 분산전원은, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 전력레벨을 낮추고 다층구조로 설계하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로 분산전원 구동 방법은, 상기 마이크로 분산전원에서, PV 어레이를 통해 생산되는 DC 전원을 전원부에 충전하는 충전 단계; 상기 전원부에 충전된 DC 전원을 인버터를 통해 3상 AC 전원으로 변환하여 그리드 측으로 출력하는 3상 전원 변환출력 단계; 상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 필터를 통해 제거하는 필터링 단계; 및 상기 제어기의 제어에 따라 스위칭부를 통해 상기 마이크로 분산전원을 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하거나, 또는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 인공 모의고장 또는 실제 고장을 포함한 고장이 발생하는 경우 차단하여 상기 마이크로 분산전원을 보호하는 스위칭 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이 본 발명의 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템에 따르면, 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 수준으로 크기와 전력을 축소하여 소형화할 수 있으며, 상기 마이크로 분산전원과 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어에 대한 유효성 검증을 통해 상기 마이크로 분산전원의 동작을 검증할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 소형화하여 제작한 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연계하는 과정에서 적용한 동기화 및 유효 전력 제어에 대한 알고리즘을 실제 환경의 스마트 그리드에 적용하였을 때 동일한 유효성을 가질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 분산전원과 연계되어 구성되는 스마트 그리드의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 분산전원과 연계된 스마트 그리드의 등가모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 소형화 구조 설계를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 사양을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 계통 연계 및 유효 전력 제어를 위한 공간 벡터도이다.
도 8은 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 인버터에서의 DQ 변환 기반의 그리드 동기화 및 PQ 제어 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법의 동작과정을 나타낸 순서도이다.
도 10은 EMTP-RV 시뮬레이션을 위한 시험 선로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 동기화 알고리즘을 적용하여 얻은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 전압과 인버터의 출력전압의 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 PQ 제어 알고리즘에 대한 EMTP-RV의 시뮬레이션에 따른 마이크로 분산전원의 인버터 출력 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 13은 PQ 제어 알고리즘에 대한 EMTP-RV의 시뮬레이션에 따른 유효전력과 무효전력 파형을 나타낸 도면이다.
도 14는 PQ 제어 알고리즘에 대한 EMTP-RV의 시뮬레이션에 따른 마이크로 분산전원의 인버터 출력전류, 마이크로 스마트 그리드의 전류 및 부하 전류의 파형을 각각 나타낸 도면이다.
도 15는 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 간의 연계 및 운전 제어 실험을 수행하기 위한 실험 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 동기화 후 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와 마이크로 분산전원의 상 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 17은 PQ 제어 실험에 따른 마이크로 분산전원의 인버터와 마이크로 스마트 그리드에 흐르는 상 출력 전류 파형과 부하 전류 파형을 각각 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.
먼저, 스마트 그리드는 여러 개의 분산전원이 분산되어 있으며, 디지털 통신망으로 연결된 배전 시스템으로 정의된다.
도 1은 분산전원과 연계되어 구성되는 스마트 그리드의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분산전원은 배터리(EDC), 상기 배터리의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 3상 전압원 인버터(VSI), 분산전원에서 스마트 그리드로 흐르는 고조파 전류를 제한하는 전원 필터(Power Filter), 분산전원 시스템을 스마트 그리드와 연결하거나 분리하기 위한 분산전원 서킷 브레이커(DG CB) 등을 포함하여 구성된다.
여기서 상기 분산전원의 스마트 그리드 연계 운전제어를 위해서는 2가지 모드로 나눌 수 있다.
첫 번째 모드는 상기 3상 전압원 인버터(VSI)의 출력전압의 크기와 위상을 스마트 그리드 전압과 일치시키는 동기화 모드이다. 즉 상기 분산전원과 스마트 그리드의 전압 크기 차이로 인한 무효 교차 흐름이나 위상 차이로 인한 동기화 전류를 방지하기 위해서 동기화가 필요한 것이다. 동기화가 완료되면 스마트 그리드와 분산전원을 연결하기 위해 상기 분산전원 서킷 브레이커(DG CB)가 닫힌다.
두 번째 모드는 유효 전력과 무효 전력을 스마트 그리드로 전송하는데 사용되는 PQ 제어 모드이다. 이때 상기 PQ 제어는 유효전력(active power, P) 및 무효전력(reactive, Q) 제어를 말하는 것으로서, 유효전력은 부하에서 실제로 소비되는 전력이며, 무효전력은 리액턴스를 포함하는 부하에 교류 전압을 가했을 때 어떤 일을 하지 않고 전원과 부하 사이를 끊임없이 순환하는 전력이다. 이를 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 분산전원과 연계된 스마트 그리드의 등가모델을 나타낸 도면이다.
상기 도 1의 3상 전압원 인버터(VSI)를 통해 PQ 제어된 출력 전류는 스마트 그리드의 배전선을 통해 계통 부하(Load)에 주입되고, 동시에 스마트 그리드의 변전소 변압기에서 배전선을 통해 상기 계통 부하(Load)에 주입된다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 분산전원 서킷 브레이커(DG CB)가 닫힌 후, Ei(t)는 Eg(t)와 같아지므로 부하 전류 iL(t)는 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
iL(t) = ii(t) + ig(t) = Eg(t)/Z
여기서, ii(t)는 인버터 출력 전류, ig(t)는 스마트 그리드 라인 전류, Zi는 인버터 출력 임피던스, Zg는 스마트 그리드 계통 임피던스, ZL은 부하 임피던스이다.
따라서 본 발명에서 제시되는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 마이크로 분산전원이 스마트 그리드의 분산전원과 동일한 역할을 하기 위해서는 시스템 연결을 위한 동기화 기능과 PQ 제어 기능이 있어야 한다. 특히, 상기 수학식 1은 상호 연계 운전에서 PQ 제어를 위해 충족되어야 한다.
도 3은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 일 예를 나타낸 도면이다.
상기 도 3은 스마트 그리드를 다운스케일링을 통해 1/1000로 축소한 2m x 2m의 크기로 설계된 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터로서, 6개의 배전선로가 연결되어 있다.
상기 도 3의 왼쪽에 배치되어 있는 AC 380V 전력원, PCB(Printed Circuit Board), AVR(Automatic Voltage Regulator), 델타-와이 배선, SCB(Surge Circuit Breaker), AC 380/19VA는 마이크로 변전소 변압기로서, 출력전압 19V는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 설계 절차에 따라 보호기기의 크기를 최소화하기 위해 결정된 전압이다.
상기 도 3에서 DGi는 i번째 마이크로 분산전원(100)을 의미하며, 상기 마이크로 분산전원의 수와 위치는 도 3의 구성과 무관하게 테스트 특성에 따라 자유롭게 추가되거나 변경될 수 있다.
또한 CB는 서킷 브레이커(circuit breaker)이고, FCL과 R은 고장 전류 제한(fault current limiter) 장치 및 리클로저(recloser)를 각각 나타내며, ● 및 ○는 라인 섹션 스위치(line section switch) 및 타이 스위치(tie switch)를 각각 나타낸다. 또한 AFG(Artificial Fault Generator, 인공 모의 고장)는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 어느 위치에서든 고장을 인위적으로 발생시키는 장치이며, 각 배전선로상에는 다수의 부하(L)가 연결되어 있다.
이때 상기 CB는 선로에 흐르는 전류 이상을 감지하여 열에 의해 선로가 손상되기 전에 선로를 차단시키는 배선 보호를 위한 기기이다.
또한 상기 FCL은 고장 전류를 제한하는 것으로서, 전력계통에 낙뢰, 지락, 단락과 같은 고장이 발생할 경우 순간적으로 큰 고장 전류가 흐르게 되어 시스템에 미치는 영향이 크기 때문에, 신뢰성을 요구하는 전력 계통 시스템은 상기 FCL을 통해 일정 시간 동안 순간적인 고장을 허용할 수 있도록 고장 전류를 짧은 시간동안 제한함으로써 전력 계통 시스템이 작동을 멈추지 않도록 한다.
또한 리클로저는 배전 선로에서 지락 고장이나 단락 고장 사고가 발생하였을 때 고장을 검출하여 선로를 차단한 후 일정시간 경과하면 자동적으로 재투입 동작을 반복함으로써 순간 고장을 제거하는 역할을 수행한다.
여기서 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 발생하는 고장에는 인공 모의 고장과 이를 제외한 위에서 설명한 실제 고장이 있다.
상기 마이크로 분산전원은 도 3에서와 같이 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 설계 사양을 만족하도록 분산전원의 크기를 줄이고, 전기적 레벨을 낮추어 구현할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서 구현하는 마이크로 분산전원은 정격 선간전압 19V, 정격 주파수 60Hz, 출력 용량을 7.5VA로 결정하여 설계한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 분산전원(100)은 전원부(110), 인버터(120), 필터(130), 인버터측 센싱회로(140), 그리드측 센싱회로(150), DSP 제어기(160), 스위칭부(170) 등을 포함하여 구성된다.
상기 전원부(110)는 PV 어레이를 통해 생산되는 DC 전원을 충전하는 배터리이다.
상기 인버터(120)는 상기 DSP 제어기(160)의 제어에 따라 상기 전원부(110)에 충전된 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하여 그리드 측으로 출력한다. 즉 상기 인버터(120)는 3상의 AC 전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 공급하는 구성이다.
이때 상기 인버터(120)는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와의 연계 운전을 기반으로 하는 계통 동기화, 보호 및 제어, PQ 제어가 포함된다. 이를 위해서 상기 인버터(120)는 19V의 출력 전압, 60Hz의 출력 주파수, 7.5W의 출력 용량을 갖는 3상 6펄스 전압원 인버터로 설계된다.(도 6 참조)
상기 필터(130)는 LCL 필터를 사용하며, 상기 인버터(120)에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 제거하는 기능을 수행한다. 이때 상기 필터(130)는 LCL 필터 이외에, LC나 CL 필터를 적용할 수도 있다.
상기 인버터측 센싱회로(140)는 상기 필터(130)를 통해 그리드측으로 출력되는 인버터측의 3상 AC 전원을 센싱하고, 상기 센싱한 결과를 상기 DSP 제어기(160)로 출력한다.
이때 상기 인버터측 센싱회로(140)는 상기 인버터(120)를 통해 변환되는 3상 AC 전원의 전압을 측정하여 상기 DSP 제어기(160)로 출력하는 전압 센싱부(141), 상기 인버터(120)를 통해 변환되는 3상 AC 전원의 전류를 측정하여 상기 DSP 제어기(160)로 출력하는 전류 센싱부(142), 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
상기 그리드측 센싱회로(150)는 상기 그리드측에 흐르는 3상 전원을 센싱하고, 상기 센싱한 결과를 상기 DSP 제어기(160)로 출력한다.
여기서, 상기 인버터측 센싱회로(140)와 그리드측 센싱회로(150)의 최대 측정 가능 전압은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 공칭 위상 전압에 대해 1.5 내지 2pu 범위에서 결정된다. 공급 전압의 변동과 예상치 못한 과전압을 고려하여 전압 범위의 상한선으로 2pu을 채택한다. 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 선간 전압은 19V이므로, 위상 전압 감지 회로의 측정 범위는 22Vrms로 설계된다. 또한 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 최대 고장 전류를 고려하여 측정범위를 30Arms로 설계한다. 여기서, 상기 rms(root mean square)는 실효치이다.
상기 DSP 제어기(160)는 상기 인버터측 센싱회로(140)에서 센싱한 3상 전원과 상기 그리드측 센싱회로(150)에서 센싱한 3상 AC 전원을 토대로 계통 동기화를 위한 PI 전압 제어와 유효 전력 제어를 위한 PI 전류 제어를 수행한다.
또한 상기 DSP 제어기(160)는 상기 그리드측으로 전원을 공급하기 위한 상기 스위칭부(170)의 스위칭 제어를 수행한다.
즉 상기 DSP 제어기(160)는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와의 계통 연계 운전을 제어하기 위해 6펄스 전압원 인버터인 상기 인버터(120)의 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 제어를 수행하고, 상기 인버터(120)의 출력 전류를 제어하여 목표 유효 전력이 상기 인버터(120)를 거쳐 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터로 흐르도록 하며, 상기 인버터측 센싱회로(140)와 그리드측 센싱회로(150)로부터 제공되는 전압 및 전류 정보를 기반으로 상기 스위칭부(170)의 개폐 제어를 수행하도록 설계되는 것이다.
상기 스위칭부(170)는 상기 DSP 제어기(160)의 제어를 토대로 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하거나, 또는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 인공 모의고장 또는 실제 고장을 포함한 고장이 발생하는 경우 차단하여 상기 마이크로 분산전원을 보호하는 역할을 수행한다.
한편, 상기 스위칭부(170)의 최소 동작 전류 IDmoc는 다음의 수학식 2로 표시된다.
[수학식 2]
여기서, α는 외부고장으로부터 마이크로 분산전원을 보호하기 위한 동작전류의 안전율이다. 일반적으로 돌입 전류 억제 회로의 경우 α는 1로 결정되지만, 돌입 전류 억제 회로를 고려하지 않는 경우에는 α는 2가 된다. 또한 Vi는 19Vrms, Pi는 7.5W이므로 상기 스위칭부(170)의 최소 동작 전류는 700mArms로 설계되며, 상기 필터(130)에 의해 고장 전류가 제한되기 때문에 차단 전류는 5Arms로 결정된다.(도 6 참조)
또한 배터리로 구성된 상기 전원부(110)는 마이크로 분산전원의 설계 사양을 만족시키기 위해 13 x 10cm2로 설계된다. 배터리의 DC 링크 전압은 상기 인버터(120)의 출력 전압이 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 전압을 충분히 따를 수 있도록 설계되어야 한다. 또한 상기 인버터(120)，필터(130)，마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터는 캐스케이딩 구조로 연결된다. 또한 상기 인버터(120)의 출력 전압이 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 계통 전압을 따른다면 배터리 전압 EDC는 다음의 수학식 3과 같이 결정된다.
[수학식 3]
여기서, M은 0.75이다. 이는 인버터에서 입력 전압에 대한 출력 전압의 최대 허용 크기 제어 비율이다. β는 안전율을 나타내며, 공급전원의 전압변화나 인덕터의 전압 강하를 고려하여 충분한 전압으로 결정한다. 본 발명에서는 실험적 경험을 바탕으로 1로 결정한다. 따라서 배터리 전압 EDC는 수학식 1로부터 약 62V로 결정된다.
또한 상기 인버터(120)에서 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터로 흐르는 고조파 전류를 제거하도록 설계된 LCL 필터(130)는 LC 필터에 비하여 크기가 작고 스위칭 주파수가 낮다는 장점이 있다. 여기서, 인버터측 인덕터의 허용 리플률(), 계통의 최대 역률 변화량(μ) 및 계통측(그리드측) 인덕터의 입력 주입 전류에 대한 출력 전류의 고조파 감쇠율(δ)을 각각 20%, 5%, 20%로 결정하며, 반복적 실험을 통해서 LCL 매개변수를 적절하게 수정한다.
도 5는 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 소형화 구조 설계를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 분산전원은 마이크로 인버터와 배터리를 포함한다.
또한 마이크로 인버터는 마이크로 분산전원의 설계 사양을 만족시키기 위해서 13 x 13cm2 크기의 여러 개의 보드로 설계할 수 있다. 여기서, 마이크로 인버터를 위해 설계되는 보드들은 DSP 제어기(160) 보드, 인버터측 센싱회로(140)의 전압 센싱부(141) 보드, 그리드측 센싱회로(150) 보드, 인버터측 센싱회로(140)의 전류 센싱부(142) 보드, 스위칭부(170) 보드, 인버터(120) 및 필터(130) 보드, 전원 장치 보드 등을 포함한다.
도 6은 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 사양을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 분산전원은 상기 인버터(120)의 출력 용량은 7.5W, 출력 전압은 19V, 출력 주파수는 60Hz, 스위칭 주파수는 4.5kHz의 사양으로 설계하고, 상기 필터(130)의 인버터측 인덕터는 26mH, 필터 커패시터는 2.8μF, 그리드측 인덕터는 2.8mH, 댐핑저항은 10Ω의 사양으로 설계하고, 상기 스위칭부(170)의 차단전류는 5A, 동작전류는 1A의 사양으로 설계하며, 상기 전원부(110)의 DC 링크 전압은 61V, 배터리 용량은 30Ah의 사양으로 설계할 수 있다. 이때 정해진 사양은 사용 환경에 따라 임의로 변경이 가능함을 밝혀둔다.
다음에는, 마이크로 분산전원이 실제 환경에서의 스마트 그리드의 분산전원과 동일한 역할을 수행할 수 있도록 하는 그리드 동기화 및 유효 전력 제어(PQ 제어)에 관한 알고리즘에 대하여 도 7과 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 계통 연계 및 유효 전력 제어를 위한 공간 벡터도이며, 도 8은 본 발명에 적용되는 마이크로 분산전원의 인버터에서의 DQ 변환 기반의 그리드 동기화 및 PQ 제어 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8에서,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
및
Figure pat00006
는 각각 3상 고정 기준 프레임에서 dq 고정 기준 프레임으로 변환된 계통의 전압 벡터, 인버터의 출력 전압 벡터 및 인버터의 출력 전류 벡터이다.
이때 벡터
Figure pat00007
는 계통 연계 및 유효 전력 제어를 위한 벡터들
Figure pat00008
와
Figure pat00009
의 제어량을 결정하기 위한 DQ 회전 기준 프레임의 기준벡터가 된다. 계통 연계시, 계통 동기화는 = 0, 및
Figure pat00011
의 크기를
Figure pat00012
의 크기와 동일하게 만들어 줌으로써 얻어진다. 이에 반해 유효전력에서는 인버터의 출력 전류 벡터
Figure pat00013
를 제어하여 목표 유효 전력이 인버터에서 계통으로 흐르도록 한다.
먼저, 그리드 동기화 알고리즘에 대하여 설명한다.
마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의
Figure pat00014
의 크기
Figure pat00015
와 각도 φ는 PLL 회로를 통해 구해진다(①). 이때 상기 PLL 회로는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 흐르는 전압(즉 vg(t))의 위상을 고정시켜 출력함으로써, 상기 DSP 제어기에서 동기화 및 유효 전력 제어를 수행할 때, 상기 위상을 참고로 마이크로 분산전원측의 전압과 전류 제어를 수행할 수 있도록 한다. 다음으로 DQ 회전 기준 프레임으로 표현되는
Figure pat00016
는 D축 성분인 viD와 Q축 성분인 viQ를 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다(②).
[수학식 4]
수학식 4에서, TS는 인버터의 3상 출력 전압 via(t), vib(t), vic(t)를 dq 고정 기준 프레임으로 변환하는 변환 행렬이고, TR은 dq 고정 기준 프레임으로 표시된 d축 성분 vid와, q축 성분 viq를 DQ 회전 기준 프레임으로 변환하는 변환 행렬이다.
계통의 전압과 마이크로 인버터 전압의 차이는 다음의 수학식 5를 사용하여 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00018
이에 반해 계통과 마이크로 인버터의 위상차는 다음의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00019
SPWM에 대한 기준신호
Figure pat00020
는 PI(Proportional Integral) 제어기를 이용하여
Figure pat00021
및
Figure pat00022
를 보상함으로써 얻어지는 신호
Figure pat00023
및
Figure pat00024
를 다음의 수학식 7을 이용하여 3상 고정 프레임으로 변환함으로서 결정된다(③).
[수학식 7]
마이크로 인버터의 출력 전압 제어를 통해 수학식 5와 수학식 6이 0이 될 때, 그리드 동기화가 얻어진다. 따라서 수학식 5와 수학식 6이 허용오차 내로 얻어질 때까지 수학식 4 내지 수학식 7까지의 과정이 반복된다.
다음에는, PQ 제어 알고리즘에 대하여 설명한다.
마이크로 인버터의 출력 전력은 수학식 8을 이용하여 공간벡터로 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
DQ 회전 기준 프레임으로 표현되는
Figure pat00027
는 다음의 수학식 9에 나타낸 바와 같이, 인버터의 3상 출력 전류 ii(t)를 dq 고정 기준 프레임으로 변환한 다음, DQ 고정 기준 프레임으로 변환함으로써 얻어진다(④). 동시에 전류값들
Figure pat00028
및
Figure pat00029
는 목표 유효 전력 값 p*와 목표 무효 전력 값 q*를 계통 전압
Figure pat00030
로 나눔으로써 계산될 수 있다.
[수학식 9]
여기서, 수학식 10은 목표 유효전류의 크기와 실제 유효전류의 크기의 차이에 해당한다.
[수학식 10]
Figure pat00032
이에 반하여, 수학식 11은 목표 무효 전류와 실제 무효 전류의 크기의 차이에 해당한다.
[수학식 11]
Figure pat00033
PI 제어기를 이용하여 수학식 10과 수학식 11을 보상함으로써,
Figure pat00034
및
Figure pat00035
를 얻는다. 연속해서, LCL 필터의 결합 효과를 보상함으로써,
Figure pat00036
및
Figure pat00037
를 얻는다(⑤). 최종적으로, 출력 전력 제어를 위한 SPWM의 기준 신호
Figure pat00038
는 다음의 수학식 12를 이용하여 신호들
Figure pat00039
및
Figure pat00040
를 3상 고정 기준 프레임으로 변환하여 얻을 수 있다(⑥).
[수학식 12]
마이크로 인버터 출력의 PQ 제어를 통해 수학식 10과 수학식 11이 0이 될 때, PQ 제어가 완성된다. 따라서
Figure pat00042
및
Figure pat00043
가 허용오차 내로 얻어질 때까지 수학식 9 내지 수학식 12의 과정이 반복된다.
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법의 일 실시예를 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법의 동작과정을 나타낸 순서도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 마이크로 분산전원에서 PV 어레이를 통해 생산되는 DC 전원을 전원부(110)에 충전하는 충전 단계를 수행한다(S100).
상기 마이크로 분산전원은 상기 전원부(110)에 충전된 DC 전원을 인버터(120)를 통해 3상 AC 전원으로 변환하여 그리드 측으로 출력하는 3상 전원 변환출력 단계를 수행한다(S200).
또한 필터(130)를 통해 상기 인버터(120)에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분이 제거되는 필터링 단계가 수행된다(S300).
또한 인버터측 센싱회로(140)에서 상기 필터(130)를 거쳐 그리드측으로 출력되는 인버터측 3상 전원을 센싱하는 인버터측 출력전원 센싱 단계와, 그리드측 센싱회로(150)에서 그리드측에 흐르는 3상 전원을 센싱하는 그리드측 전원 센싱 단계가 수행된다(S400).
이어서, DSP 제어기(160)를 통해 상기 인버터측 센싱회로(140)에서 센싱한 3상 전원과 상기 그리드측 센싱회로(150)에서 센싱한 3상 전원을 토대로 동기화와 유효 전력 제어를 수행하는 제어 단계가 수행된다(S500).
이후 스위칭부(170)에서 상기 제어기(160)의 제어를 토대로 상기 마이크로 분산전원을 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하는 스위칭을 수행하거나, 또는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 인공 모의고장 또는 실제 고장을 포함한 고장이 발생하는 경우 차단하여 상기 마이크로 분산전원을 보호하는 스위칭 단계를 수행한다(S600).
한편, 상기 S500 단계에서 수행되는 동기화는 상기 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 계통 연계시, 상기 인버터(120)의 출력 전압 벡터의 크기를 상기 그리드측의 3상 고정 기준 프레임에서 dq 고정 기준 프레임으로 변환된 계통의 전압 백터의 크기와 동일하게 만드는 것이고, 상기 유효 전력 제어는 상기 인버터의 출력 전류 벡터를 제어하여 목표 유효 전력이 상기 인버터에서 계통으로 흐르도록 하는 것임은 상기 설명한 바와 같다.
다음에는, 이와 같이 소형화하여 구성된 마이크로 분산전원의 EMTP 모델링 및 시뮬레이션을 통한 동기화 및 PQ 제어 알고리즘의 유효성 검증에 대하여 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명한다.
본 발명에서 제안한 계통 동기화 및 유효 전력 제어에 관련한 알고리즘의 유효성을 검증하고, 3상 19V의 시스템으로 축소된 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 대한 유효성을 평가하기 위하여, 하나의 마이크로 분산전원이 상기 도 6에 제시된 매개변수를 토대로 EMTP-RV를 이용하여 모델링될 수 있다. 이렇게 모델링된 마이크로 분산전원은 연결 동작 중 전류의 크기와 방향과 같은 전기적 역학을 조사하기 위해 개발되었으며, 마이크로 분산전원의 개발된 EMTP-RV의 모델은 도 10의 마이크로 분산전원(mDG)으로 표시된다.
도 10은 EMTP-RV 시뮬레이션을 위한 시험 선로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용된 DQ 변환 및 SPWM 기반의 그리드 동기화와 PQ 제어 알고리즘의 유효성을 확인하고, 분산전원과 스마트 그리드 사이의 연계운전동안 전류의 방향 및 크기와 같은 동적인 전기적 특징을 분석하기 위해 개발된 EMTP 모델은 EMTP-RV를 사용하여 하나의 시험 선로에서 평가할 수 있다.
이러한 EMTP-RV 시뮬레이션을 위한 시험 선로는 배전 변압기(T), 마이크로 변전소 변압기(mST), 마이크로 분산전원(mDG), 3상 부하(L)를 포함하여 구성된다.
상기 배전 변압기(T)는 22900/380V의 배전 변압기이며, 상기 배전 변압기(T)의 출력측에는 3상 델타 와이 연결 권선, 19V의 라인 전압 및 190VA의 3상 용량을 가진 상기 마이크로 변전소 변압기(mST)가 연결된다.
상기 마이크로 분산전원(mDG)은 PV 어레이 등을 통해 생산되는 전원을 충전하는 전원부, 상기 전원부에 충전된 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하는 인버터, 상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 제거하는 LCL 필터, 상기 필터를 통해 출력되는 인버터측 3상 AC 전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 흐르는 3상 AC 전원을 각각 센싱하는 센싱회로, 계통 동기화를 위한 PI 전압 제어와 유효 전력 제어를 위한 PI 전류 제어를 수행하는 DSP 제어기 등을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 변전소 변압기(mST)와 마이크로 분산전원(mDG) 사이에는 3개의 30Ω 저항으로 구성된 3상 부하(L)가 연결된다.
도 11은 동기화 알고리즘을 적용하여 얻은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 전압과 인버터의 출력전압의 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 동기화 알고리즘의 유효성은 인버터의 출력전압 via(t)의 크기와 위상이 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 전압 vga(t)의 크기와 위상을 정확하게 따르는 사실에 의해 확인된다.
도 12는 PQ 제어 알고리즘에 대한 EMTP-RV의 시뮬레이션에 따른 마이크로 분산전원의 인버터 출력 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 분산전원의 인버터에서 출력되는 3상 출력 전류의 크기가 PQ 제어 명령에 따라 228mA까지 정확하게 제어될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 PQ 제어 알고리즘에 대한 EMTP-RV의 시뮬레이션에 따른 유효전력과 무효전력 파형을 나타낸 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 분산전원의 인버터의 유효전력 p(t)와 무효전력 q(t)가 각각 7.5W와 0VAR임을 확인할 수 있다. 이때 상기 유효전력과 무효전력의 값은 PQ 제어 명령을 사용하여 도 12와 같은 출력 전류를 제어하여 얻은 값이다.
이처럼, 도 12와 도 13의 결과를 통해서 본 발명에서 제안된 DQ 변환과 SPWM 기반 전력 제어 알고리즘의 유효성을 검증할 수 있다. 즉 PI 전압 제어와 PI 전류 제어를 적용하여 얻은 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과에 따른 각 상(phase) 전압의 크기 및 위상을 통해서 마이크로 분산전원의 동기화와 유효 전력 제어에 대한 유효성을 검증할 수 있는 것이다.
한편, 분산전원의 운용과 관련된 일반 스마트 그리드의 동적 전기적 특성을 살펴보면, 분산전원이 독립적으로 동작할 때 스마트 그리드의 전체 부하 전류는 스마트 그리드의 전원에서 공급된다.
도 14는 PQ 제어 알고리즘에 대한 EMTP-RV의 시뮬레이션에 따른 마이크로 분산전원의 인버터 출력전류, 마이크로 스마트 그리드의 전류 및 부하 전류의 파형을 각각 나타낸 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 전원은 마이크로 분산전원을 연결하기 전에 약 366mArms의 전체 부하 전류(iL(t))를 부하로 공급한다. 반대로 마이크로 분산전원이 연결되어 있고, 정출력이 7.5W로 제어되면, 마이크로 분산전원의 출력 전류(ii(t))가 약 228mArms이므로, 마이크로 변전소 변압기는 남는 전류(즉 마이크로 스마트 그리드의 전류인 ig(t))를 부하로 공급한다. 이에 따라 도 14는 상기 수학식 1을 만족함을 확인할 수 있다.
이러한 상기 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과로부터 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와 마이크로 분산전원을 연결하여 동작시켰을 때의 전류 크기와 방향을 포함한 동적 전기적 특성이 실제 스마트 그리드와 연계된 분산전원에서 확인한 동적 전기적 특성과 동일함을 확인할 수 있다.
다음에는, 3상 19V의 전력 시스템을 기반으로 하는 마이크로 분산전원 성능 검증 시스템을 실험적으로 구축하고, 동기화 및 PQ 제어와 관련된 실험을 통한 마이크로 분산전원의 유효성 검증과 전기적 특성에 대하여 도 15 내지 도 19를 참조하여 설명한다.
본 발명에서는 상기 EMTP 모델링 결과를 바탕으로 하나의 마이크로 분산전원을 실험적으로 설계 및 구현하고, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 실험 라인에 연결하여 동기화 및 PQ 제어 실험을 수행한다. 이를 통해 상기 동기화 및 유효 전력 제어와 관련된 알고리즘의 유효성을 실험적으로 검증할 수 있으며, 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 간의 연결 동작에서 얻은 전기적 특성이 실제 분산전원과 스마트 그리드 사이의 연계운전에서 얻은 전기적 특성과 거의 동일함을 확인할 수 있게 된다.
도 15는 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 간의 연계 및 운전 제어 실험을 수행하기 위한 실험 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 190VA 용량, 델타 와이 결선 방식의 3상 마이크로 변전소 변압기가 구성되며, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 사양에 따라 선간 전압 19V의 실험 선로 환경이 구축된다. 또한 3개의 와이(Y) 연결 저항을 통해 3상 부하가 구성된다. 또한 마이크로 분산전원의 스위치는 상기 개방용 계전기인 HR 702NH를 사용하고, 6펄스 브리지 전압원 인버터는 IRF640N을 사용하며, DSP 제어기로 DSP TMS 320F28335를 사용한다.
도 16은 동기화 후 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와 마이크로 분산전원의 상 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 전압(채널 C2)의 크기(예: 피크투피크 31.94V)와 위상과 마이크로 분산전원의 인버터에서 출력되는 전압(채널 C3)의 크기(예: 피크투피크 33.75V)와 위상은 거의 정확하게 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 실험 결과는 본 발명에서 제시된 동기화 알고리즘의 효율성과 유효성을 보여준다.
한편, PQ 제어 실험에서는 전류 센서 모듈을 사용하여 V 단위로 전류를 측정하는데, 특히, V 단위의 현재 값과 A 단위의 실제 전류값의 비율을 대략 일대일이다.
도 17은 PQ 제어 실험에 따른 마이크로 분산전원의 인버터와 마이크로 스마트 그리드에 흐르는 상 출력 전류 파형과 부하 전류 파형을 각각 나타낸 도면이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 마이크로 분산전원의 인버터에서 부하로 흐르는 상 출력 전류(채널 C4)는 마이크로 스마트 그리드에 흐르는 상 출력 전류(채널 C2)와 부하 전류(채널 C3)에 비해 역방향으로 흐른다.
또한 부하 전류(채널 C3)는 마이크로 스마트 그리드에 흐르는 상 출력 전류(채널 C2)와 마이크로 분산전원의 인버터에서 부하로 흐르는 상 출력 전류(채널 C4)의 합(채널 C2 + 채널 C4)과 거의 같다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 상기 수학식 1로 표시되는 조건이 만족되는 것을 의미한다. 즉 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터가 연결될 때 전압 및 전류 크기, 또는 전류 방향의 변화가 분산전원과 스마트 그리드 간의 연결 시스템에서 얻는 것과 동일하다는 것을 나타내는 것이다.
이처럼, 본 발명은 마이크로 분산전원을 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 수준으로 크기와 전력을 축소하여 소형화할 수 있으며, 상기 마이크로 분산전원과 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 연계 운전을 위해 필요한 동기화 및 유효 전력 제어에 대한 유효성 검증을 통해 상기 마이크로 분산전원의 동작을 검증할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
100 : 마이크로 분산전원 110 : 전원부
120 : 인버터 130 : 필터
140 : 인버터측 센싱회로 141 : 전압 센싱부
142 : 전류 센싱부 150 : 그리드측 센싱회로
160 : DSP 제어기 170 : 스위칭부

Claims (10)

  1. 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연계되어 구성되는 마이크로 분산전원에 있어서,
    그리드측으로 출력되는 인버터측 3상 전원을 센싱하는 인버터측 센싱회로;
    상기 그리드측에 흐르는 3상 전원을 센싱하는 그리드측 센싱회로; 및
    상기 인버터측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원과 상기 그리드측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원을 토대로 동기화와 유효 전력 제어를 수행하는 제어기;를 포함하며,
    상기 마이크로 분산전원은, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 전력레벨을 낮추고 다층구조로 설계하여 제작되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 분산전원 시스템은,
    PV(photovoltaic) 어레이를 통해 생산되는 DC 전원을 충전하는 전원부;
    상기 전원부에 충전된 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하여 그리드 측으로 출력하는 인버터;
    상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 제거하는 필터; 및
    상기 제어기의 제어를 토대로 상기 마이크로 분산전원을 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하거나, 또는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 인공 모의고장 또는 실제 고장을 포함한 고장이 발생하는 경우 차단하여 상기 마이크로 분산전원을 보호하는 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터측 센싱회로는,
    상기 인버터를 통해 변환되는 3상 AC 전원의 전압을 측정하여 상기 제어기로 출력하는 전압 센싱부;
    상기 인버터를 통해 변환되는 3상 AC 전원의 전류를 측정하여 상기 제어기로 출력하는 전류 센싱부;
    또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 동기화는,
    상기 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 계통 연계시, 상기 인버터의 출력 전압 벡터의 크기를 상기 그리드측의 3상 고정 기준 프레임에서 dq 고정 기준 프레임으로 변환된 계통의 전압 백터의 크기와 동일하게 만들기 위한 PI(Proportional Integral) 전압 제어이며,
    상기 유효 전력 제어는,
    상기 인버터의 출력 전류 벡터를 제어하여 목표 유효 전력이 상기 인버터에서 계통으로 흐르도록 하기 위한 PI 전류 제어인 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 분산전원 시스템은,
    상기 인버터의 출력 용량은 7.5W, 출력 전압은 19V, 출력 주파수는 60Hz, 스위칭 주파수는 4.5kHz의 사양으로 설계하고,
    상기 필터의 인버터측 인덕터는 26mH, 필터 커패시터는 2.8μF, 그리드측 인덕터는 2.8mH, 댐핑저항은 10Ω의 사양으로 설계하고,
    상기 스위칭부의 차단전류는 5A, 동작전류는 1A의 사양으로 설계하며,
    상기 전원부의 DC 링크 전압은 61V, 배터리 용량은 30Ah의 사양으로 설계하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 시스템.
  6. 배전 변압기;
    상기 배전 변압기의 출력측에 구비되고, 3상 델타 와이 연결 권선, 19V의 라인 전압 및 190VA의 3상 용량을 가진 마이크로 변전소 변압기;
    PV 어레이를 통해 생산되는 전원을 충전하는 전원부, 상기 전원부에 충전된 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하는 인버터, 상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 제거하는 필터, 및 상기 필터를 통해 출력되는 인버터측 3상 AC 전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 흐르는 3상 AC 전원을 토대로 계통 동기화를 위한 PI 전압 제어와 유효 전력 제어를 위한 PI 전류 제어를 수행하는 제어기를 포함하고, 상기 마이크로 변전소 변압기와 동일 선로에 배치되는 마이크로 분산전원; 및
    상기 마이크로 변전소 변압기와 마이크로 분산전원 사이에 구비되는 3상 부하;를 포함하며,
    상기 배전 변압기, 마이크로 변전소 변압기, 마이크로 분산전원 및 3상 부하를 EMTP-RV를 이용하여 모델링하고, 상기 PI 전압 제어와 PI 전류 제어를 적용하여 얻은 상기 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과에 따른 각 상 전압의 크기 및 위상을 토대로 상기 마이크로 분산전원의 동기화와 유효 전력 제어에 대한 유효성을 검증하며,
    상기 EMTP-RV의 시뮬레이션 결과로부터 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터와 마이크로 분산전원을 연결하여 동작시켰을 때의 전류 크기와 방향을 포함한 동적 전기적 특성이 실제 스마트 그리드와 연계된 분산전원에서 확인한 동적 전기적 특성과 동일함을 확인하는 것을 특징으로 하는 마이크로 분산전원의 유효성 검증 시스템.
  7. 마이크로 분산전원에서, 인버터측 센싱회로를 통해 그리드측으로 출력되는 인버터측 3상 전원을 센싱하는 인버터측 출력전원 센싱 단계;
    그리드측 센싱회로를 통해 상기 그리드측에 흐르는 3상 전원을 센싱하는 그리드측 전원 센싱 단계; 및
    제어기를 통해 상기 인버터측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원과 상기 그리드측 센싱회로에서 센싱한 3상 전원을 토대로 동기화와 유효 전력 제어를 수행하는 제어 단계;를 포함하며,
    상기 마이크로 분산전원은, 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 규격에 맞추어 전력레벨을 낮추고 다층구조로 설계하여 제작되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 마이크로 분산전원 구동 방법은,
    상기 마이크로 분산전원에서, PV 어레이를 통해 생산되는 DC 전원을 전원부에 충전하는 충전 단계;
    상기 전원부에 충전된 DC 전원을 인버터를 통해 3상 AC 전원으로 변환하여 그리드 측으로 출력하는 3상 전원 변환출력 단계;
    상기 인버터에서 출력되는 3상 AC 전원의 고조파 성분을 필터를 통해 제거하는 필터링 단계; 및
    상기 제어기의 제어에 따라 스위칭부를 통해 상기 마이크로 분산전원을 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에 연결하거나, 또는 상기 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터에서 인공 모의고장 또는 실제 고장을 포함한 고장이 발생하는 경우 차단하여 상기 마이크로 분산전원을 보호하는 스위칭 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 동기화는,
    상기 마이크로 분산전원과 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 계통 연계시, 상기 인버터의 출력 전압 벡터의 크기를 상기 그리드측의 3상 고정 기준 프레임에서 dq 고정 기준 프레임으로 변환된 계통의 전압 백터의 크기와 동일하게 만들기 위한 PI 전압 제어이며,
    상기 유효 전력 제어는,
    상기 인버터의 출력 전류 벡터를 제어하여 목표 유효 전력이 상기 인버터에서 계통으로 흐르도록 하기 위한 PI 전류 제어인 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 인버터의 출력 용량은 7.5W, 출력 전압은 19V, 출력 주파수는 60Hz, 스위칭 주파수는 4.5kHz의 사양으로 설계하고,
    상기 필터의 인버터측 인덕터는 26mH, 필터 커패시터는 2.8μF, 그리드측 인덕터는 2.8mH, 댐핑저항은 10Ω의 사양으로 설계하고,
    상기 스위칭부의 차단전류는 5A, 동작전류는 1A의 사양으로 설계하며,
    상기 전원부의 DC 링크 전압은 61V, 배터리 용량은 30Ah의 사양으로 설계하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터 적용을 위한 마이크로 분산전원 구동 방법.
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