[논문]계통연계형 풍력, 태양광 및 축전지 하이브리드 시스템의 출력제어 및 동특성 해석

김슬기; 전진홍; 조창희; 안종보

[국내논문] 계통연계형 풍력, 태양광 및 축전지 하이브리드 시스템의 출력제어 및 동특성 해석
Power Control and Dynamic Performance Analysis of a Grid-Interactive Wind/PV/BESS Hybrid System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.56 no.2, 2007년, pp.317 - 324

김슬기 (한국전기연구원) , 전진홍 (한국전기연구원) , 조창희 (한국전기연구원) , 안종보 (한국전기연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Most conventional hybrid systems using renewable energy sources have been applied for stand-alone operation, but Utility-interface may be an useful and viable option for hybrid systems. Grid-connected operation may have benefits such as reduced losses in power system distribution, utility support in demand side management, and peak load shaving. This paper addresses power control and dynamic performance of a grid-connected PV/wind/BESS hybrid system. At all times the PV way and the wind turbine are individually controlled to generate the maximum energy from given weather conditions. The battery energy storage system (BESS) charges or discharges the battery depending on energy gap between grid invertger generation and production from the PV and wind system. The BESS should be also controlled without too frequently repeated shifts in operation mode, charging or discharging. The grid inverter regulates the generated power injection into the grid. Different control schemes of the grid inverter are presented for different operation modes, which include normal operation, power dispatching, and power smoothing. Simulation results demonstrate that the effectiveness of the proposed power control schemes for the grid-interactive hybrid system.

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문제 정의

본 논문에서는 태양전지와 풍력터빈을 전원으로 구성하고, 축전지시스템 (Battery Energy Storage System : 이하 BESS로 표기)을 에너지저장장치로 사용하여 계통에 연계 운전하는 계통연계형 하이브리드 시스템을 제시하고, 그 출력제어방식을 제안하며 동특성을 분석한다. 그림 1은 제안하는 계통연계형 하이브리드 시스템의 구성도이다.
이렇게 하는 데는 두 가지 이유가 있다. 첫째는 계통연계 인버터의 정상적인 동작을 위하여 일정 수준이상의 공통 직류단 전압 확보할 필요가 있기 때문이고, 둘째는 직류단 전압을 단일한 고정값으로 유지시키지 않고 어느 정도전압차를 갖는 상한과 하한 범위 내에서 변동될 수 있도록 함으로써 축전지 충방전 빈도를 줄이기 위한 목적이다. 직류전압을 고정 값으로 두고 제어할 경우, 직류전압이 설정값보다 조금이라도 높거나 낮으면 계속적인 충방전을 통하여 일정값을 유지하려고 할 것이며, 이에 따라 축전지의 충방전빈도가 과도하게 높아지므로 축전지에 부담을 줘서 운전수명 감소 등의 원인이 될 수 있다.

가설 설정

풍속이 정격풍속을 초과하는 경우, 피치 (Pitch) 제어 또는 스톨(Stall) 제어에 의해 풍력터빈 출력은 정격출력을 유지하게 되는데, 여기서는 정격풍속 초과시스톨 제어방식에 의해 이상적인 정격출력으로 제한된다고 가정한다.
그림 16은 급전운전 모드 시 모의결과이다. 10[kW]로 설정했다가 10초 순간에 20[kW]로 지령하였다고 가정한다. 연계 인버터는 풍력 및 태양광 출력 변동에 관계없이 일정한 출력을 내고 있으며 풍력과 태양광 출력이 인버터 출력 지령치 보다 작을 경우, 배터리는 방전모드(BESS_M =0)로 동작하고, 인버터 출력 지령치 보다 클 경우, 충전모드 (BESS_M = 1)로 동작하여 잉여 전력을 배터리에 저장한다.
태양전지 표면온도는 25[℃] 로 가정한다. 일사량 변동 시 태양전지 어레이 전류(IsA) 및 출력(Ppv)은 순시 적으로 급변하고 어레이 전압(Vpv)는 MPPT 제어를 위한 기준전압 V* pv 를 추종함에 따라 전류 및 출력이 미세하게 최대 출력 점으로 이동하며, 그림 10의 확대된 그래프에서 보듯이 변화시간은 대략 130[ms]이다.

제안 방법

공통 직류단으로 유입된 태양전지, 풍력터빈 및 축전지의 직류전력은 계통연계 인버터를 통하여 교류 전력으로 변환되어 계통에 투입된다. 제안된 하이브리드 시스템은 운전목적에 따라서 일반모드, 일정출력 모드 및 출력평활 모드로 구분되며, 운전모드에 따른 하이브리드 시스템의 출력제어 방식을 기술한다. 전력시스템 해석 패키지인 PSCAD/EMTDC 를 이용하여 제안된 계통연계형 하이브리드 시스템의 출력 동특성을 분석하였다.
제안된 하이브리드 시스템은 운전목적에 따라서 일반모드, 일정출력 모드 및 출력평활 모드로 구분되며, 운전모드에 따른 하이브리드 시스템의 출력제어 방식을 기술한다. 전력시스템 해석 패키지인 PSCAD/EMTDC 를 이용하여 제안된 계통연계형 하이브리드 시스템의 출력 동특성을 분석하였다.
제안한 계통연계형 하이브리드 시스템 운전은 세 가지 모드로 구분되며, 표 1은 운전모드에 따른 하이브리드 시스템 출력제어 방식이다.
제안한 계통연계형 하이브리드 시스템을 구성하는 태양전지, 풍력터빈, BESS 및 연계인버터의 출력제어특성을 모의하였다. 일반모드, 급전모드, 출력 평활모드에서의 하이브리드시스템의 출력제어 특성을 모의하고, 출력성능을 검증하였다.
일반모드, 급전모드, 출력 평활모드에서의 하이브리드시스템의 출력제어 특성을 모의하고, 출력성능을 검증하였다. 표 2는 모의에 사용된 시스템 파라미터이다.
하이브리드 시스템 출력을 16[kW]로 설정하여 급전 모드로 운전한 경우, 태양전지 어레이, 풍력터빈, BESS 및 연계 인버터 개별 시스템의 출력특성과 하이브리드 시스템 전체출력 특성을 분석하였다. 그림 9는 주어진 풍속조건에 대한 풍력 시스템 출력특성이다.
그림 9와 10에 적용된 풍속조건과 일사량 조건이 동일하게 적용될 때, 일반 운전, 급전운전 및 출력 평활운전에 따른 하이브리드 시스템 출력특성을 모의하여 비교하였다.
계통연계 운전형 풍력, 태양광 및 축전지 하이브리드 시스템의 출력제어 방식을 제안하였다. 제안된 시스템은 운전목적에 따라 일반 운전, 급전운전 및 출력평활운전으로 구분된다.
출력제어 방식을 제안하였다. 제안된 시스템은 운전목적에 따라 일반 운전, 급전운전 및 출력평활운전으로 구분된다. 개별전원 및 전체 하이브리드 시스템 운전 및 제어 특성과 운전모드에 따른 하이브리드 시스템 출력특성을 모의하고 고찰하였다.
제안된 시스템은 운전목적에 따라 일반 운전, 급전운전 및 출력평활운전으로 구분된다. 개별전원 및 전체 하이브리드 시스템 운전 및 제어 특성과 운전모드에 따른 하이브리드 시스템 출력특성을 모의하고 고찰하였다. 계통연계 인버터나 BESS의 제어전략에 관계없이 태양광 및 풍력발전의 상호 독립적인 최대출력제어가 가능하며, BESS 충방전을 통한 에너지 완충작용과 계통연계 인버터의 적절한 출력제어를 통하여 급전모드 및 출력 평활 모드로 운전을 수행하였다.
개별전원 및 전체 하이브리드 시스템 운전 및 제어 특성과 운전모드에 따른 하이브리드 시스템 출력특성을 모의하고 고찰하였다. 계통연계 인버터나 BESS의 제어전략에 관계없이 태양광 및 풍력발전의 상호 독립적인 최대출력제어가 가능하며, BESS 충방전을 통한 에너지 완충작용과 계통연계 인버터의 적절한 출력제어를 통하여 급전모드 및 출력 평활 모드로 운전을 수행하였다. 시뮬레이션을 통하여 제안된 하이브리드 시스템은 태양광 및 풍력의 신재생에너지 이용효율을 최대화하면서 계통으로 보다 유연한 또는 안정적인 전력공급이 가능함을 검증하였다.

데이터처리

성능 모의를 위한 풍력터빈, 태양전지 어레이 및 축전지 모델은 참고문헌 [11-14〕에 제시된 모형을 활용하였다. 모의 프로그램으로는 PSCAD/EMTDC를 사용하였다.

이론/모형

MPPT 제어기에서 지령한 어레이 기준전압 와 실제값 VFr의 오차는 전압 제어기를 통하여 태양전지 어레이 기준전류 Vpv로 생성되고, 다시 전류제어기를 통하여 실제 출력전류가 추종하도록 제어된다. 스위칭은 PWM 방식을 적용한다. 전압 및 전류제어기는 비례 -적분 제어기를 사용한다.
전류제어기로는 비교적 우수한 제어특성과 손쉬운 제어기 이득 설정, 제어대상 부하 제정수 변동에 대한 강인성으로 산업계에 널리 사용되는 궤환 선형화 기법(Feedback Linearization) 에기반을 둔 3상 교류 전류제어기[7, 81를 사용한다.
태양전지 어레이에 연결된 컨버터를 제어하여 어레이가 최대출력점에서 동작하도록 출력전압을 조절한다. 다양한 MPPT 제어방식이 있으며, 여기서는 IncConddncremental Conductance)법을 적용하였다 [10]. 그림 4는 하이브리드 시스템에 적용된 IncCond 법의 흐름도를 나타내는데, 태양전지 어레이 전류 ipv 및 전압 μ/w를 측정하여 MPPT 제어 블록에서 태양전지 어레이 전압 지령값 를 발생한다.
표 2는 모의에 사용된 시스템 파라미터이다. 성능 모의를 위한 풍력터빈, 태양전지 어레이 및 축전지 모델은 참고문헌 [11-14〕에 제시된 모형을 활용하였다. 모의 프로그램으로는 PSCAD/EMTDC를 사용하였다.

성능/효과

직류전압은 충전구간에서는 상한 값을 초과하지 않도록 유지되며, 방전구간에서는 하한값을 초과하지 않도록 유지되고 있다. 평활화된 하이브리드시스템 출력으로 인하여 전류의 종합왜형률과 접속점 전압변동이 상당히 완만해졌다. 급전모드와 마찬가지로 배터리충방전 모드가 지나치게 빈번하게 전환되지 않으므로 배터리에 큰 무리를 주지 않고 안정적으로 운전이 가능하다.
계통연계 인버터나 BESS의 제어전략에 관계없이 태양광 및 풍력발전의 상호 독립적인 최대출력제어가 가능하며, BESS 충방전을 통한 에너지 완충작용과 계통연계 인버터의 적절한 출력제어를 통하여 급전모드 및 출력 평활 모드로 운전을 수행하였다. 시뮬레이션을 통하여 제안된 하이브리드 시스템은 태양광 및 풍력의 신재생에너지 이용효율을 최대화하면서 계통으로 보다 유연한 또는 안정적인 전력공급이 가능함을 검증하였다. 그러나 이러한 기능적인 이점이 있으나, 실용화를 위해서는 고가의 BESS 등으로 인한 경제성 문제 해결 등이 숙제로 남아 있으며, 비용적인 약점을 극복하기 위하여 시스템 최적 용량 산정, 다양한 지능형 기술 적용 등을 통하여 비용 최소화와 기능 최대화를 위한 지속적인 연구가 필요하다.

후속연구

시뮬레이션을 통하여 제안된 하이브리드 시스템은 태양광 및 풍력의 신재생에너지 이용효율을 최대화하면서 계통으로 보다 유연한 또는 안정적인 전력공급이 가능함을 검증하였다. 그러나 이러한 기능적인 이점이 있으나, 실용화를 위해서는 고가의 BESS 등으로 인한 경제성 문제 해결 등이 숙제로 남아 있으며, 비용적인 약점을 극복하기 위하여 시스템 최적 용량 산정, 다양한 지능형 기술 적용 등을 통하여 비용 최소화와 기능 최대화를 위한 지속적인 연구가 필요하다.

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W. A. Lynch, 'Ni-Cd Battery Modeling, Evaluation, and Applications in Electric Car', Doctoral Dissertation, University of Massachusetts Lowell, Lowell, MA, June 1996

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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