KR20230171407A - Synthesis control device for grid following control and grid forming control - Google Patents
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Abstract
본 개시 내용에 따르면, 그리드팔로잉 제어 및 그리드포밍 제어를 위한 합성 제어 장치 및 제어 모드 전환 방법이 제공된다. 상기 합성 제어 장치는 분산 발전원을 전력 계통에 연결시키는 전력변환장치를 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 합성 제어 장치는, 위상 고정 루프(PLL)의 위상 오차를 결정하도록 구성되는 위상 오차 산출부; 및 상기 위상 오차가 미리 결정된 임계치 이상인 경우, 상기 위상 오차에 기초하여 상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하도록 구성되는 주파수 제어부를 포함할 수 있다.
본 개시 내용에 따르면, 재생발전원을 평상시에는 전력판매를 위한 그리드팔로잉 방식으로 운전시키고, 약계통 상황 발생시 자동으로 그리드포밍 제어로 전환하여 전력 계통에 안정성을 제공할 수 있는 장점이 있다.According to the present disclosure, a synthesis control device and a control mode switching method for grid following control and grid forming control are provided. The synthesis control device may be configured to control a power conversion device that connects distributed power generation sources to the power system. The synthesis control device includes a phase error calculation unit configured to determine a phase error of a phase locked loop (PLL); And when the phase error is more than a predetermined threshold, it may include a frequency control unit configured to adjust the output frequency of the power conversion device based on the phase error.
According to the present disclosure, there is an advantage of providing stability to the power system by operating the renewable power source in a grid following method for power sales in normal times and automatically switching to grid forming control when a weak system situation occurs.
Description
본 개시 내용은 그리드팔로잉 제어 및 그리드포밍 제어를 위한 합성 제어 장치 에 관한 것이다.This disclosure relates to a synthetic control device for grid following control and grid forming control.
전 세계적인 탄소저감 정책에 따라 2050년 화력발전소의 완전 퇴출을 목표로 정부를 중심으로 재생에너지 발전 증대와 화력발전소 감소가 꾸준히 추진되고 있다. 그러나, 재생에너지를 변환하기 위한 전력전자가 적용된 인버터기반 발전설비가 증가함에 따라 전력망의 전압 및 주파수 유지능력이 약화되는 약계통(Weak Grid) 이슈가 발생하고 있다.In accordance with global carbon reduction policies, the government is steadily promoting increased renewable energy generation and reduction of thermal power plants with the goal of complete phase-out of thermal power plants by 2050. However, as the number of inverter-based power generation facilities using power electronics to convert renewable energy increases, a weak grid issue is occurring in which the power grid's ability to maintain voltage and frequency is weakened.
즉, 재생에너지 발전원 및 에너지공급장치 등의 새로운 전력발전원 적용시에 기존에는 전류 주입형 방식인 그리드팔로잉 발전 방식이 주로 사용되고 있어 전력 계통의 전압 및 주파수 유지에 기여하지 못하고 있다. In other words, when applying new power generation sources such as renewable energy power generation sources and energy supply devices, the grid-following power generation method, which is a current injection type, is mainly used, which does not contribute to maintaining the voltage and frequency of the power system.
이에 따라, 그리드팔로잉 제어를 적용하다가 계통의 강건성이 약해진 것이 확인되는 경우에 계통 안정성 및 관성을 공급할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a need to develop technology that can provide system stability and inertia when it is confirmed that the robustness of the system has weakened while applying grid-following control.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 개시 내용은 그리드팔로잉 제어 및 그리드포밍 제어를 위한 합성 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.To solve this problem, the present disclosure aims to provide a synthetic control device for grid following control and grid forming control.
본 개시 내용에 따르면, 그리드팔로잉 제어 및 그리드포밍 제어를 위한 합성 제어 장치가 제공된다. 상기 합성 제어 장치는 분산 발전원(DG)을 전력 계통에 연결시키는 전력변환장치를 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 합성 제어 장치는, 위상 고정 루프(PLL)의 위상 오차를 결정하도록 구성되는 위상 오차 산출부; 및 상기 위상 오차가 미리 결정된 임계치 이상인 경우, 상기 위상 오차에 기초하여 상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하도록 구성되는 주파수 제어부를 포함할 수 있다.According to the present disclosure, a composite control device for grid following control and grid forming control is provided. The synthesis control device may be configured to control a power conversion device that connects a distributed generation source (DG) to the power system. The synthesis control device includes a phase error calculation unit configured to determine a phase error of a phase locked loop (PLL); And when the phase error is more than a predetermined threshold, it may include a frequency control unit configured to adjust the output frequency of the power conversion device based on the phase error.
또한, 상기 위상 오차 산출부는, 상기 PLL에 인가되는 실제 전압 및 상기 PLL의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 곱하고, 상기 곱을 2차 노치(notch) 필터로 필터링함으로써 상기 위상 오차를 획득하도록 구성될 수 있다.In addition, the phase error calculation unit may be configured to obtain the phase error by multiplying the actual voltage applied to the PLL and the virtual voltage generated by the phase angle of the PLL, and filtering the product with a secondary notch filter. You can.
또한, 상기 주파수 제어부는, 상기 PLL의 주파수(fPLL) 및 그리드포밍 제어용 주파수(fGFM)를 가중합함으로서 상기 조정된 출력 주파수를 결정하도록 구성될 수 있다.Additionally, the frequency control unit may be configured to determine the adjusted output frequency by weighting the frequency of the PLL (fPLL) and the frequency for grid forming control (fGFM).
또한, 상기 주파수 제어부는, 상기 가중합을 위한 상기 fGFM의 가중치(k2)에 상기 위상 오차를 곱함으로써 상기 fGFM을 위한 조정된 가중치를 결정하도록 구성될 수 있다.Additionally, the frequency control unit may be configured to determine an adjusted weight for the fGFM by multiplying the phase error by the weight (k 2 ) of the fGFM for the weighted sum.
또한, 상기 주파수 제어부는, 상기 조정된 출력 주파수에 기초하여 획득되는 위상각을 상기 PLL의 위상각 대신에 상기 전력변환장치로 제공하도록 구성될 수 있다.Additionally, the frequency control unit may be configured to provide the phase angle obtained based on the adjusted output frequency to the power conversion device instead of the phase angle of the PLL.
본 개시 내용에 따르면, 전력변환장치의 그리드팔로잉 제어 및 그리드포밍 제어를 위한 합성 제어 장치의 제어 모드 전환 방법이 제공된다. 상기 방법은, 위상 고정 루프(PLL)의 위상 오차를 결정하는 단계; 상기 위상 오차가 미리 결정된 임계치 이상인지 결정하는 단계; 및 상기 위상 오차가 상기 미리 결정된 임계치 이상인 경우, 상기 위상 오차에 기초하여 상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.According to the present disclosure, a control mode switching method of a composite control device for grid following control and grid forming control of a power conversion device is provided. The method includes determining a phase error of a phase locked loop (PLL); determining whether the phase error is greater than or equal to a predetermined threshold; And when the phase error is greater than or equal to the predetermined threshold, it may include adjusting the output frequency of the power conversion device based on the phase error.
또한, 상기 위상 오차를 결정하는 단계는, 상기 PLL에 인가되는 실제 전압 및 상기 PLL의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 곱하는 단계; 및 상기 곱을 2차 노치 필터로 필터링하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, determining the phase error may include multiplying an actual voltage applied to the PLL and a virtual voltage generated by the phase angle of the PLL; and filtering the product with a second-order notch filter.
또한, 상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하는 단계는, 상기 PLL의 주파수(fPLL) 및 그리드포밍 제어용 주파수(fGFM)를 가중합함으로서 상기 조정된 출력 주파수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, the step of adjusting the output frequency of the power conversion device may include determining the adjusted output frequency by weighting the frequency of the PLL (fPLL) and the frequency for grid forming control (fGFM).
또한, 상기 조정된 출력 주파수를 결정하는 단계는, 상기 가중합을 위한 상기 fGFM의 가중치(k2)에 상기 위상 오차를 곱함으로써 상기 fGFM을 위한 조정된 가중치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, determining the adjusted output frequency may include determining an adjusted weight for the fGFM by multiplying the phase error by the weight (k 2 ) of the fGFM for the weighted sum.
또한, 상기 조정된 출력 주파수에 기초하여 획득되는 위상각을 상기 PLL의 위상각 대신에 상기 전력변환장치로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the step of providing the phase angle obtained based on the adjusted output frequency to the power conversion device instead of the phase angle of the PLL may be further included.
본 개시 내용에 따르면, 재생발전원을 평상시에는 전력판매를 위한 그리드팔로잉 방식으로 운전시키고, 약계통 상황 발생시 자동으로 그리드포밍 제어로 전환하여 전력 계통에 안정성을 제공함으로써 계통 약화를 인한 재생에너지 발전원 출력제한을 선제적으로 회피할 수 있는 효과가 있다.According to the present disclosure, renewable power generation sources are operated in a grid-following manner for power sales in normal times, and when a weak system situation occurs, they are automatically switched to grid forming control to provide stability to the power system, thereby generating renewable energy due to system weakening. It has the effect of preemptively avoiding raw output restrictions.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 정상 상태시 그리드팔로잉 제어로 최대 출력 추종 제어 운전을 수행하면서, 과도 상태인지 여부를 정확하게 판단하여 그리드포밍 제어를 적용하고 그에 의한 계통 안정이 확인되면 다시 그리드팔로잉 제어로 돌아갈 수 있는 정확한 모드 전환을 제공할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present disclosure, while performing maximum output tracking control operation with grid following control in a normal state, grid forming control is applied by accurately determining whether a transient state is present, and grid following is performed again when system stability is confirmed. It has the advantage of providing precise mode transitions to return to control.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 전력 계통의 과도 상태시 위상 고정 루프(PLL)의 주파수 오차에 기초하여 자연스럽게 그리드포밍 효과가 제공되도록 제어함으로써 그리드팔로잉 대비 향상된 주파수 조정 성능을 제공할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present disclosure, there is an advantage of providing improved frequency adjustment performance compared to grid following by controlling the grid forming effect to be provided naturally based on the frequency error of the phase locked loop (PLL) during transient states of the power system. there is.
도 1은 그리드팔로잉 방식으로 동작하는 전력변환장치의 제어 구성을 나타내는 예시적인 블록도이다.
도 2는 그리드포밍 방식으로 동작하는 전력변환장치의 제어 구성을 나타내는 예시적인 블록도이다.
도 3은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치의 구성을 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치에서 출력 주파수를 조정하는 프로세스를 나타내는 예시적인 블록도이다.
도 5는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치를 적용하여 그리드팔로잉 및 그리드포밍 전환 방식으로 동작하는 전력변환장치의 제어 구성을 나타내는 예시적인 블록도이다.
도 6은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치의 제어 모드 전환 방법을 나타내는 플로우차트이다.1 is an exemplary block diagram showing the control configuration of a power conversion device operating in a grid-following manner.
Figure 2 is an exemplary block diagram showing the control configuration of a power conversion device operating in a grid forming method.
Figure 3 is a schematic block diagram showing the configuration of a composition control device according to an embodiment of the present disclosure.
4 is an example block diagram illustrating a process for adjusting the output frequency in a synthesis control device according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 5 is an exemplary block diagram showing the control configuration of a power conversion device operating in a grid following and grid forming switching method by applying a synthesis control device according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 6 is a flowchart showing a control mode switching method of a composition control device according to an embodiment of the present disclosure.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. First, when adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명의 다양한 양상들이 아래에서 설명된다. 여기에서 제시되는 발명들은 폭넓은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며 여기에서 제시되는 임의의 특정한 구조, 기능 또는 이들 모두는 단지 예시적이라는 것을 이해하도록 한다. 여기에서 제시되는 발명들에 기반하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에서 제시되는 하나의 양상이 임의의 다른 양상들과 독립적으로 구현될 수 있으며 둘 이상의 이러한 양상들이 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 여기에서 설명되는 임의의 수의 양상들을 이용하여 장치가 구현될 수 있거나 또는 방법이 실시될 수 있다. 또한, 여기에서 설명되는 하나 이상의 양상들에 더하여 또는 이들 양상들이 아닌 다른 구조, 기능 또는 구조 및 기능을 이용하여 이러한 장치가 구현될 수 있거나 또는 이러한 방법이 실시될 수 있다.Various aspects of the invention are described below. It is to be understood that the inventions presented herein may be implemented in a wide variety of forms and that any particular structure, function, or both, presented herein is illustrative only. Based on the inventions presented herein, those skilled in the art will understand that one aspect presented herein can be implemented independently of any other aspects and that two or more of these aspects can be implemented in various ways. You will understand that it can be combined with . For example, an apparatus may be implemented or a method may be practiced using any number of the aspects set forth herein. Additionally, such an apparatus may be implemented or such a method may be practiced using other structure, functionality, or structure and functionality in addition to or other than one or more aspects described herein.
도 1은 그리드팔로잉 방식으로 동작하는 전력변환장치의 제어 구성을 나타내는 예시적인 블록도이다.1 is an exemplary block diagram showing the control configuration of a power conversion device operating in a grid-following manner.
태양광 발전기, 풍력 발전기, 에너지 공급 장치(ESS 및 SMES) 등과 같은 신재생에너지 기반 분산 발전원(DG: Distributed Generation)은 전력 계통 연계 전력변환장치를 통해 전력 계통과 연결될 수 있다. 이러한 전력 계통 연계 전력변환장치는 이러한 신재생에너지 기반 분산 발전원(DG)에서 공급되는 에너지를 전력 계통에 전력 공급이 가능하도록 전압의 형태 및 값을 주파수에 맞게 변환하여 전류를 공급하는 역할을 할 수 있다. Distributed generation (DG) based on new and renewable energy, such as solar power generators, wind power generators, and energy supply devices (ESS and SMES), can be connected to the power system through a power system-connected power conversion device. This power system-linked power conversion device serves to supply current by converting the form and value of the voltage according to the frequency so that the energy supplied from these renewable energy-based distributed generation sources (DG) can be supplied to the power system. You can.
도 1에 도시된 바와 같이, 그리드팔로잉 방식 전력변환장치는 위상 고정 루프(110)를 사용하여 연계 계통의 전압 및 주파수를 추종하는 방식으로 동작할 수 있다. As shown in FIG. 1, a grid-following power conversion device may operate by following the voltage and frequency of a connected system using a phase-locked loop 110.
PLL(110)은 전력 계통에서 측정한 전압값(Vs*) 및 전류값(Is*)을 수신하고 위상각(θv)를 결정할 수 있다. 전류 참조 모델(100)은 측정한 DC 전압(Vdc*), DC 전압 지령치(Vdc_ref) 및 전력 지령치(Pref, Qref)에 기초하여 제 1 전류 지령치(Idref', Iqref')를 결정하여 전류 리미터(123)로 제공할 수 있다. 전류 리미터(123)는 전력 계통에서 측정한 전류값(Is*), PLL(110)에서 제공받은 위상각(θv) 및 전류 참조 모델(100)에서 제공받은 제 1 전류 지령치(Idref', Iqref')에 기초하여 제 2 전류 지령치(Idref, Iqref)를 전류 제어 루프(125)로 제공할 수 있다. 전류 제어 루프(125)는 전력 계통에서 측정한 전압값(Vs*), 전류값(Is*), PLL(110)에서 제공받은 위상각(θv) 및 전류 리미터(123)에서 제공받은 제 2 전류 지령치(Idref, Iqref)에 기초하여 변조 신호(md, mq)를 결정하여 PWM(Pulse Width Modulation)(127)로 제공할 수 있다. PWM(127)은 변조 신호(md, mq) 및 위상각(θv)에 기초하여 게이팅 신호를 생성하고, 게이팅 신호에 따라 전력 계통의 전압 및 전류가 제어될 수 있다.The PLL 110 may receive the voltage value (Vs * ) and current value (Is * ) measured in the power system and determine the phase angle (θv). The current reference model 100 determines the first current command values (Idref', Iqref') based on the measured DC voltage (Vdc * ), DC voltage command value (V dc _ref), and power command value (Pref, Qref) to determine the current It can be provided as a limiter (123). The current limiter 123 includes a current value (Is * ) measured from the power system, a phase angle (θv) provided by the PLL 110, and a first current command value (Idref', Iqref') provided by the current reference model 100. ) Based on this, the second current command values (Idref, Iqref) can be provided to the current control loop 125. The current control loop 125 is a voltage value (Vs * ) measured from the power system, a current value (Is * ), a phase angle (θv) provided from the PLL 110, and a second current provided from the current limiter 123. Based on the command values (Idref, Iqref), modulation signals (md, mq) can be determined and provided as PWM (Pulse Width Modulation) 127. The PWM 127 generates a gating signal based on the modulation signals (md, mq) and the phase angle (θv), and the voltage and current of the power system can be controlled according to the gating signal.
이러한 그리드팔로잉 방식으로 동작하는 전력 계통 연계 전력변환장치는 분산 발전원(DG)의 전력판매를 위해 최대 출력 추종 제어(MPPT) 방식으로 운전될 수 있다. 그러나, 그리드팔로잉 방식으로 동작하는 전력변환장치는 관성을 모사하는 기능을 제공할 수 없으며, 이는 전력변환장치 내의 PLL(110)의 위상 동기화 기능의 응답이 느리고 과도 상태에서 정확한 주파수 추종이 힘들어지기 때문이다. 이러한 현상은 전력 계통의 강건도가 낮을수록 심화되어 PLL(110)의 정상적인 동작을 방해하며, 이로 인하여 전력변환장치의 안정화 출력 성능 저하를 일으킬 수 있다. A power system-connected power conversion device operating in this grid-following manner can be operated in a maximum output tracking control (MPPT) method to sell power from a distributed generation source (DG). However, a power converter operating in a grid-following manner cannot provide a function to simulate inertia, which makes the response of the phase synchronization function of the PLL (110) in the power converter slow and accurate frequency tracking difficult in transient states. Because. This phenomenon worsens as the robustness of the power system decreases and interferes with the normal operation of the PLL 110, which may cause a decrease in the stabilization output performance of the power conversion device.
도 2는 그리드포밍 방식으로 동작하는 전력변환장치의 제어 구성을 나타내는 예시적인 블록도이다.Figure 2 is an exemplary block diagram showing the control configuration of a power conversion device operating in a grid forming method.
도 2에 도시된 바와 같이, 그리드포밍 방식으로 동작하는 전력변환장치는 그리드팔로잉 방식과 다르게 PLL(110)을 사용하지 않으며, 전압원 제어 방식으로 동작하여 전압 및 위상을 자체 생성하여 인가함으로써 전력 계통으로 관성 효과를 제공할 수 있다.As shown in FIG. 2, the power conversion device operating in the grid forming method does not use the PLL 110, unlike the grid following method, and operates in the voltage source control method to generate and apply voltage and phase to the power system. This can provide an inertial effect.
도 2에 도시된 바와 같이, 전류 리미터(123), 전류 제어 루프(125) 및 PWM(127)를 포함하는 공통 구성(120)은 그리드포밍 방식의 전력변환장치에도 공통적으로 적용될 수 있다.As shown in FIG. 2, the common configuration 120 including the current limiter 123, the current control loop 125, and the PWM 127 can be commonly applied to the grid forming type power conversion device.
고-레벨 전압 및 주파수 제어기(210)는 전술한 바와 같이 전압 지령치(Vdref, Vqref) 및 위상 지령치(θv)를 자체 생성하여 전력변환장치로 제공할 수 있다. AC 전압 제어 루프(200)는 전압 및 주파수 제어(210)에서 제공받은 전압 지령치(Vdref, Vqref) 및 전력 계통에서 측정한 전압값(Vs*)에 기초하여 제 1 전류 지령치(Idref', Iqref')를 결정하여 전류 리미터(123)로 제공할 수 있다. 전류 리미터(123), 전류 제어 루프(125) 및 PWM(127)의 동작은 도 1과 관련하여 설명한 바와 같으나 PLL(110)에서 결정된 이 아니라 전압 및 주파수 제어(210)에서 제공되는 위상 지령치(θv)에 기초하여 동작할 수 있다. As described above, the high-level voltage and frequency controller 210 can self-generate voltage command values (Vdref, Vqref) and phase command values (θv) and provide them to the power conversion device. The AC voltage control loop 200 controls the first current command values (Idref', Iqref') based on the voltage command values (Vdref, Vqref) provided by the voltage and frequency control 210 and the voltage value (Vs * ) measured in the power system. ) can be determined and provided as a current limiter (123). The operations of the current limiter 123, current control loop 125, and PWM 127 are as described with respect to FIG. 1, but the phase command value (θv) provided by the voltage and frequency control 210 rather than determined by the PLL 110 ) can operate based on.
그리드포밍 방식으로 동작하는 전력변환장치는 신재생에너지의 비중이 높아지면서 강건도가 저하된 전력 계통으로 관성 및 안정성을 공급할 수 있다. 그러나, 그리드포밍 제어시에는 관성에 대한 응답을 위하여 출력에 일정 부분 여유를 확보하여야 하기 때문에 MPPT 방식의 제어를 적용하기 어렵다.Power conversion devices that operate in a grid forming method can provide inertia and stability to power systems whose robustness has decreased as the proportion of new and renewable energy increases. However, during grid forming control, it is difficult to apply MPPT type control because a certain margin must be secured in the output to respond to inertia.
이에 따라, 정상 상태에서는 그리드팔로잉 방식으로 동작하여 MPPT 운전을 가능하게 하고, 과도 상태에서는 계통의 안정성을 위해 그리드포밍 방식으로 동작시킬 수 있는 제어 장치를 개발할 필요성이 있다.Accordingly, there is a need to develop a control device that operates in a grid-following manner in a normal state to enable MPPT operation, and in a transient state, operates in a grid-forming manner for system stability.
그러나, 그리드팔로잉 및 그리드포밍 제어 간의 전환을 사용자의 수동 명령에 의해 수행하도록 하는 경우, 정확한 전환 조건에 따라 제어 전환이 이루어지기 어려운 문제점이 있다. 또한, 기존에는 전력변환장치가 접속된 계통 여건 등에 따라 고장 상황 등의 과도 상태와 정상 상태를 구분하는 것이 용이하지 않아 적시에 모드 전환에 실패할 수 있으며 정상 상태 동작으로 돌아가기 위해 고장 상황 등이 성공적으로 제어되었는지 판단하기 어려운 문제점이 있었다.However, when switching between grid following and grid forming control is performed by a user's manual command, there is a problem in that it is difficult to switch control according to accurate switching conditions. In addition, conventionally, it is not easy to distinguish between transient states such as failure situations and normal states depending on the system conditions to which the power conversion device is connected, so mode conversion may fail in a timely manner, and failure situations, etc. may be necessary to return to normal operation. There was a problem that made it difficult to determine whether it was successfully controlled.
이에 따라, 본 개시 내용에서는 후술할 바와 같이 PLL의 위상 오차에 기초하여 그리드팔로잉 모드에서 그리드포밍 모드로 전환시킬 수 있는 그리드팔로잉 제어 및 그리드포밍 제어를 위한 합성 제어 장치 및 이를 통한 제어 모드 전환 방법을 제시하고자 한다.Accordingly, in the present disclosure, as will be described later, a synthesis control device for grid following control and grid forming control that can switch from grid following mode to grid forming mode based on the phase error of the PLL, and control mode switching through the same. I would like to suggest a method.
도 3은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치의 구성을 나타내는 개략적인 블록도이다.Figure 3 is a schematic block diagram showing the configuration of a composition control device according to an embodiment of the present disclosure.
도 3에 도시된 바에 따르면, 합성 제어 장치(300)는 PLL 주파수 측정부(330), 위상 오차 산출부(350), 및 주파수 제어부(370)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the synthesis control device 300 may include a PLL frequency measurement unit 330, a phase error calculation unit 350, and a frequency control unit 370.
합성 제어 장치(300)는 분산 발전원(DG)을 전력 계통에 연결시키는 전력 변환장치를 제어하도록 구성될 수 있다. PLL 주파수 측정부(330)는 PLL(110)에서 결정되는 주파수(fPLL)를 측정하도록 구성될 수 있다. 위상 오차 산출부(350)는 PLL(110)의 위상 오차를 결정하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 위상 오차 산출부(350)는 PLL(110)의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 산출할 수 있고, 이러한 가상 전압 및 PLL(110)에 인가되는 실제 전압을 곱할 수 있으며, 이러한 곱을 2차 노치(notch) 필터로 필터링함으로써 상기 위상 오차를 획득하도록 구성될 수 있다. 또한, 구현예에 따라, 위상 오차 산출부(350)는 상기 곱을 노치 필터로 필터링 후에 저역 통과 필터(LPF)로 추가로 필터링함으로써 상기 위치 오차를 획득할 수 있다.The synthesis control device 300 may be configured to control a power conversion device that connects a distributed generation source (DG) to the power system. The PLL frequency measurement unit 330 may be configured to measure the frequency (fPLL) determined by the PLL 110. The phase error calculation unit 350 may be configured to determine the phase error of the PLL (110). To this end, the phase error calculation unit 350 can calculate a virtual voltage generated by the phase angle of the PLL 110, multiply this virtual voltage and the actual voltage applied to the PLL 110, and multiply this product by It may be configured to obtain the phase error by filtering with a second-order notch filter. Additionally, depending on the implementation, the phase error calculation unit 350 may obtain the position error by filtering the product with a notch filter and then additionally filtering it with a low-pass filter (LPF).
주파수 제어부(370)는 결정된 위상 오차가 미리 설정된 임계치 이상인 경우, 위상 오차에 기초하여 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 주파수 제어부는 PLL(110)의 주파수(fPLL) 및 그리드포밍 제어용 주파수(fGFM)를 가중합함으로써 조정된 출력 주파수를 결정하도록 구성될 수 있다. 이때, 주파수 제어부(370)는 가중합을 위한 fGFM의 가중치(k2)에 위상 오차를 곱함으로써 fGFM을 위한 조정된 가중치를 결정하도록 구성될 수 있다. 그 결과, 주파수 제어부(370)는 다음과 같은 수식에 따라 위상 오차에 기초하여 전력변환장치의 조정된 출력 주파수를 결정할 수 있다.The frequency control unit 370 may be configured to adjust the output frequency of the power conversion device based on the phase error when the determined phase error is greater than or equal to a preset threshold. To this end, the frequency control unit may be configured to determine the adjusted output frequency by weighting the frequency of the PLL 110 (fPLL) and the gridforming control frequency (fGFM). At this time, the frequency control unit 370 may be configured to determine the adjusted weight for fGFM by multiplying the phase error by the weight (k 2 ) of fGFM for the weighted sum. As a result, the frequency control unit 370 can determine the adjusted output frequency of the power conversion device based on the phase error according to the following equation.
여기서, k1은 PLL 주파수의 가중치이고, k2는 GFM 주파수의 가중치이고, error는 PLL의 위상 오차이고, (k2 * error)는 GFM 주파수의 조정된 가중치이며, f는 전력변환장치의 조정된 출력 주파수이다.Here, k 1 is the weight of the PLL frequency, k 2 is the weight of the GFM frequency, error is the phase error of the PLL, (k 2 * error) is the adjusted weight of the GFM frequency, and f is the adjustment of the power conversion device. is the output frequency.
일 구현예에서, k1은 1로 설정될 수 있으며, 이러한 경우 조정된 출력 주파수(f)는 PLL 주파수를 기본 주파수로 하여 조정량(즉, (k2 * error * fGFM))에 따라 변동되는 주파수 값을 가지게 된다.In one implementation, k 1 may be set to 1, in which case the adjusted output frequency (f) varies depending on the adjustment amount (i.e., (k 2 * error * fGFM)) with the PLL frequency as the fundamental frequency. It has a frequency value.
주파수 제어부(370)는 조정된 출력 주파수(f)에 기초하여 획득되는 위상각을 PLL(110)의 위상각 대신에 위상각 정보로서 전력변환장치로 제공할 수 있다. 이를 통해, 합성 제어 장치(300)는 계통 주파수를 추종하는 PLL(110) 대신에 주파수 제어부(370)에서 위상을 자체 생성함으로써 실질적으로 그리드포밍 제어로의 전환 효과를 달성할 수 있다.The frequency control unit 370 may provide the phase angle obtained based on the adjusted output frequency (f) to the power conversion device as phase angle information instead of the phase angle of the PLL 110. Through this, the synthesis control device 300 can substantially achieve a transition effect to gridforming control by generating the phase itself in the frequency control unit 370 instead of the PLL 110 that follows the system frequency.
이러한 본 개시 내용의 합성 제어 장치(300)에 의한 출력 주파수 조정 및 이에 따른 위상각을 생성하는 과정은 후술할 도 4와 같을 수 있다.The process of adjusting the output frequency and generating the corresponding phase angle by the synthesis control device 300 of the present disclosure may be as shown in FIG. 4, which will be described later.
도 4는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치에서 출력 주파수를 조정하는 프로세스를 나타내는 예시적인 블록도이다.4 is an example block diagram illustrating a process for adjusting the output frequency in a synthesis control device according to an embodiment of the present disclosure.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용의 합성 제어 장치(300)는 PLL 주파수(fPLL)을 측정할 수 있다(401). 합성 제어 장치(300)는 PLL(110)에 인가되는 실제 전압 및 PLL(110)의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 곱한 후 이를 2차 노치 필터(및 저역 통과 필터(LPF))로 필터링함으로써(402), 위상 오차를 획득할 수 있다(403). 합성 제어 장치(300)는 fPLL에 합성 계수(즉, 가중치)(k1)를 곱하고(405)(도 4의 예에서 k1 = 1로 설정됨) fGFM에 조정된 합성 계수(즉, 조정된 가중치)(k2 * error)를 곱하여(406) 이들을 합함으로써 조정된 출력 주파수(f)를 결정할 수 있다(407). 합성 제어 장치(300)는 조정된 출력 주파수를 적분하여(407) 위상각을 결정할 수 있으며(408), 결정된 위상각은 PLL(110)의 위상각 대신 전력변환장치로 제공될 수 있다.As shown in FIG. 4, the synthesis control device 300 of the present disclosure can measure the PLL frequency (fPLL) (401). The synthesis control device 300 multiplies the actual voltage applied to the PLL 110 by the virtual voltage generated by the phase angle of the PLL 110 and then filters it with a second-order notch filter (and a low-pass filter (LPF)). (402), the phase error can be obtained (403). The synthesis control unit 300 multiplies 405 fPLL by the synthesis coefficient (i.e., weight) (k 1 ) (k 1 = 1 in the example of FIG. 4) and fGFM by the adjusted synthesis coefficient (i.e., adjusted The adjusted output frequency (f) can be determined by multiplying (406) the weights (k 2 * error) and adding them together (407). The synthesis control device 300 may integrate the adjusted output frequency (407) and determine the phase angle (408), and the determined phase angle may be provided to the power conversion device instead of the phase angle of the PLL (110).
이러한 예에서, PLL(110)의 위상 오차가 존재하지 않는 경우, 수학식 1에 따른 출력 주파수는 fPLL이 되어 합성 제어 장치(300)는 그리드팔로잉 모드로 동작할 수 있다. 또한, 미리 결정된 임계치 이상의 위상 오차가 존재하는 경우(즉, 전력 계통이 불안정한 과도 상태인 경우), 합성 제어 장치(300)는 전술한 바와 같이 조정된 출력 주파수를 결정하고 이에 따른 위상각을 자체 생성하여 PLL(110) 대신에 전력변환장치로 제공함으로써 그리드포밍 모드로 동작할 수 있다. 또한, 그리드포밍 제어를 통해 계통이 안정화되면 PLL(100)의 위상 오차가 작아지면서 상기 임계치 미만으로 떨어질 수 있으며, 이러한 경우 합성 제어 장치(300)는 다시 그리드팔로잉 제어로 전환되어 전력판매를 위한 MPPT 운전을 수행할 수 있게 된다.In this example, when the phase error of the PLL 110 does not exist, the output frequency according to Equation 1 becomes fPLL, and the synthesis control device 300 can operate in grid following mode. In addition, when there is a phase error greater than a predetermined threshold (i.e., when the power system is in an unstable transient state), the synthesis control device 300 determines the output frequency adjusted as described above and self-generates the phase angle accordingly. Therefore, it can operate in gridforming mode by providing a power conversion device instead of the PLL 110. In addition, when the system is stabilized through gridforming control, the phase error of the PLL 100 may decrease and fall below the above threshold. In this case, the synthesis control device 300 switches back to grid following control to sell power. MPPT operation can now be performed.
도 5는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치를 적용하여 그리드팔로잉 및 그리드포밍 전환 방식으로 동작하는 전력변환장치의 제어 구성을 나타내는 예시적인 블록도이다.Figure 5 is an exemplary block diagram showing the control configuration of a power conversion device operating in a grid following and grid forming switching method by applying a synthesis control device according to an embodiment of the present disclosure.
도 5에 도시된 바와 같이, 합성 제어 장치(300)를 적용한 그리드팔로잉 및 그리드포밍 전환 제어를 위한 구성에서, 합성 제어 장치(300)는 전술한 바와 같이 자체 생성한 위상각(도 4의 408)을 PLL(110) 대신에 전류 리미터(123), 전류 제어 루프(125) 및 PWM(127)으로 제공할 수 있다.As shown in FIG. 5, in the configuration for grid following and grid forming switching control using the synthesis control device 300, the synthesis control device 300 self-generated phase angle (408 in FIG. 4) as described above. ) can be provided by a current limiter 123, a current control loop 125, and a PWM 127 instead of the PLL 110.
또한, 이러한 제어 구성은 (도 1에 예시된 그리드팔로잉 제어 구성의) 전류 참조 모델(100), 전류 리미터(123), 전류 제어 루프(125) 및 PWM(127) 외에 (도 2에 예시된 그리드포밍 제어 구성의) AC 전압 제어 루프(200)를 포함하도록 구성될 수 있다. AC 전압 제어 루프(200)는 fGFM을 위한 조정된 가중치(즉, k2 * error)를 전류 참조 모델(100)로 제공할 수 있으며(501), 전류 참조 모델(100)은 조정된 가중치를 반영하여 제 1 전류 지령치(Idref', Iqref')를 결정하여 전류 리미터(123)로 제공할 수 있다. In addition, this control configuration includes the current reference model 100 (of the grid-following control configuration illustrated in FIG. 1), current limiter 123, current control loop 125, and PWM 127 (illustrated in FIG. 2). It may be configured to include an AC voltage control loop 200 (of a gridforming control configuration). The AC voltage control loop 200 may provide adjusted weights (i.e., k 2 * error) for fGFM to the current reference model 100 (501), and the current reference model 100 reflects the adjusted weights. Thus, the first current command values (Idref', Iqref') can be determined and provided to the current limiter 123.
이러한 합성 제어 장치(300)에 의해 제어되는 전력변환장치는 평상시에는 그리드팔로잉 방식으로 동작하고, 약계통 상황이 발생하여 fPLL에 위상 오차가 발생하여 사전에 설정된 임계치를 초과하였을 경우 자동으로 그리드포밍 방식으로 전환 운전하도록 구성될 수 있다.The power conversion device controlled by this synthesis control device 300 operates in a grid-following manner in normal times, and automatically performs grid forming when a weak system situation occurs and a phase error occurs in fPLL and exceeds a preset threshold. It can be configured to operate in a switching manner.
도 6은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 합성 제어 장치의 제어 모드 전환 방법을 나타내는 플로우차트이다.Figure 6 is a flowchart showing a control mode switching method of a composition control device according to an embodiment of the present disclosure.
도 6에 도시된 바에 따르면, 정상 상태에서 전력변환장치는 합성 제어 장치(300)에 의해 그리드팔로잉 방식으로 제어될 수 있다(601). 합성 제어 장치(300)는 PLL 주파수(fPLL)를 측정할 수 있으며(602), PLL(110)에 인가되는 실제 전압 및 PLL(110)의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 곱한 값을 필터링하여(603) PLL(110)의 위상 오차를 산출할 수 있다(604). As shown in FIG. 6, in a normal state, the power conversion device can be controlled in a grid-following manner by the synthesis control device 300 (601). The synthesis control device 300 can measure the PLL frequency (fPLL) (602), and filters the product of the actual voltage applied to the PLL 110 and the virtual voltage generated by the phase angle of the PLL 110 to obtain (603) The phase error of the PLL (110) can be calculated (604).
합성 제어 장치(300)는 위상 오차가 (예를 들어, 과도 상태 판단을 위한) 미리 결정된 임계치 이상인지를 결정할 수 있다(605). 위상 오차가 미리 결정된 임계치 미만이면, 합성 제어 장치(300)는 601 단계로 돌아가 그리드팔로잉 제어를 유지할 수 있다. 위상 오차가 미리 결정된 임계치 이상일 경우, 합성 제어 장치(300)는 그리드포밍 제어로 전환하여 전술한 조정량(즉, (k2 * error * fGFM))에 따라 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하고 이에 따른 위상각을 자체 생성하여 PLL(110) 대신에 전력변환장치로 제공할 수 있다(606). The synthesis control device 300 may determine whether the phase error is greater than or equal to a predetermined threshold (e.g., for determining a transient state) (605). If the phase error is less than a predetermined threshold, the synthesis control device 300 may return to step 601 and maintain grid following control. When the phase error is greater than or equal to a predetermined threshold, the synthesis control device 300 switches to gridforming control and adjusts the output frequency of the power conversion device according to the above-mentioned adjustment amount (i.e., (k 2 * error * fGFM)). The corresponding phase angle can be self-generated and provided to the power conversion device instead of the PLL (110) (606).
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not limited to the embodiments presented herein, but is to be construed in the broadest scope consistent with the principles and novel features presented herein.
100: 전류 참조 모델
110: 위상 고정 루프(PLL)
120: 공통 구성
123: 전류 리미터
125: 전류 제어 루프
127: PWM
200: AC 전압 제어 루프
210: 고-레벨 전압 및 주파수 제어기
300: 합성 제어 장치
330: PLL 주파수 측정부
350: 위상 오차 산출부
370: 주파수 제어부 100: Current reference model
110: Phase locked loop (PLL)
120: Common configuration
123: Current limiter
125: Current control loop
127: PWM
200: AC voltage control loop
210: High-level voltage and frequency controller
300: synthesis control device
330: PLL frequency measurement unit
350: Phase error calculation unit
370: frequency control unit
Claims (10)
상기 합성 제어 장치는 분산 발전원(DG)을 전력 계통에 연결시키는 전력변환장치를 제어하도록 구성되고,
상기 합성 제어 장치는,
위상 고정 루프(PLL)의 위상 오차를 결정하도록 구성되는 위상 오차 산출부; 및
상기 위상 오차가 미리 결정된 임계치 이상인 경우, 상기 위상 오차에 기초하여 상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하도록 구성되는 주파수 제어부를 포함하는,
합성 제어 장치.In a synthetic control device for grid following control and grid forming control,
The synthesis control device is configured to control a power conversion device that connects a distributed generation source (DG) to the power system,
The synthesis control device,
a phase error calculation unit configured to determine the phase error of a phase locked loop (PLL); and
When the phase error is greater than a predetermined threshold, comprising a frequency control unit configured to adjust the output frequency of the power conversion device based on the phase error,
Synthetic control unit.
상기 위상 오차 산출부는,
상기 PLL에 인가되는 실제 전압 및 상기 PLL의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 곱하고, 상기 곱을 2차 노치(notch) 필터로 필터링함으로써 상기 위상 오차를 획득하도록 구성되는,
합성 제어 장치.According to claim 1,
The phase error calculation unit,
configured to obtain the phase error by multiplying the actual voltage applied to the PLL and a virtual voltage generated by the phase angle of the PLL, and filtering the product with a second-order notch filter,
Synthetic control unit.
상기 주파수 제어부는,
상기 PLL의 주파수(fPLL) 및 그리드포밍 제어용 주파수(fGFM)의 가중합함으로서 상기 조정된 출력 주파수를 결정하도록 구성되는,
합성 제어 장치.According to claim 1,
The frequency control unit,
Configured to determine the adjusted output frequency as a weighted sum of the frequency of the PLL (fPLL) and the frequency for grid forming control (fGFM),
Synthetic control unit.
상기 주파수 제어부는,
상기 가중합을 위한 상기 fGFM의 가중치(k2)에 상기 위상 오차를 곱함으로써 상기 fGFM을 위한 조정된 가중치를 결정하도록 구성되는,
합성 제어 장치.According to claim 3,
The frequency control unit,
configured to determine an adjusted weight for the fGFM by multiplying the weight (k 2 ) of the fGFM for the weighted sum by the phase error,
Synthetic control unit.
상기 주파수 제어부는,
상기 조정된 출력 주파수에 기초하여 획득되는 위상각을 상기 PLL의 위상각 대신에 상기 전력변환장치로 제공하도록 구성되는,
합성 제어 장치.According to claim 1,
The frequency control unit,
Configured to provide the phase angle obtained based on the adjusted output frequency to the power conversion device instead of the phase angle of the PLL,
Synthetic control unit.
위상 고정 루프(PLL)의 위상 오차를 결정하는 단계;
상기 위상 오차가 미리 결정된 임계치 이상인지 결정하는 단계; 및
상기 위상 오차가 상기 미리 결정된 임계치 이상인 경우, 상기 위상 오차에 기초하여 상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하는 단계를 포함하는,
제어 모드 전환 방법.In the control mode switching method of a composite control device for grid following control and grid forming control of a power conversion device,
determining the phase error of a phase locked loop (PLL);
determining whether the phase error is greater than or equal to a predetermined threshold; and
When the phase error is greater than or equal to the predetermined threshold, comprising adjusting the output frequency of the power conversion device based on the phase error,
How to switch control modes.
상기 위상 오차를 결정하는 단계는,
상기 PLL에 인가되는 실제 전압 및 상기 PLL의 위상각에 의해 생성되는 가상 전압을 곱하는 단계; 및
상기 곱을 2차 노치 필터로 필터링하는 단계를 포함하는,
제어 모드 전환 방법.According to claim 6,
The step of determining the phase error is,
multiplying the actual voltage applied to the PLL by a virtual voltage generated by the phase angle of the PLL; and
filtering the product with a second order notch filter,
How to switch control modes.
상기 전력변환장치의 출력 주파수를 조정하는 단계는,
상기 PLL의 주파수(fPLL) 및 그리드포밍 제어용 주파수(fGFM)의 가중합함으로서 상기 조정된 출력 주파수를 결정하는 단계를 포함하는,
제어 모드 전환 방법.According to claim 6,
The step of adjusting the output frequency of the power conversion device is,
Comprising determining the adjusted output frequency as a weighted sum of the frequency of the PLL (fPLL) and the frequency for grid forming control (fGFM),
How to switch control modes.
상기 조정된 출력 주파수를 결정하는 단계는,
상기 가중합을 위한 상기 fGFM의 가중치(k2)에 상기 위상 오차를 곱함으로써 상기 fGFM을 위한 조정된 가중치를 결정하는 단계를 포함하는,
제어 모드 전환 방법.According to claim 8,
The step of determining the adjusted output frequency is,
Determining an adjusted weight for the fGFM by multiplying the weight (k 2 ) of the fGFM for the weighted sum by the phase error.
How to switch control modes.
상기 조정된 출력 주파수에 기초하여 획득되는 위상각을 상기 PLL의 위상각 대신에 상기 전력변환장치로 제공하는 단계를 더 포함하는,
제어 모드 전환 방법.According to claim 6,
Further comprising providing the phase angle obtained based on the adjusted output frequency to the power conversion device instead of the phase angle of the PLL,
How to switch control modes.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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-
2023
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Cited By (3)
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| CN118646039A (en) * | 2024-08-15 | 2024-09-13 | 中国电力科学研究院有限公司 | Active support control method and device for heel/grid-structured hybrid energy storage power station |
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