[논문]마이크로그리드 적용을 위한 마이크로터빈 기반 마이크로소스의 EMTP 모델링과 동특성 시뮬레이션

정태영; 백영식

마이크로그리드 적용을 위한 마이크로터빈 기반 마이크로소스의 EMTP 모델링과 동특성 시뮬레이션
EMTP Modeling and Dynamic Analysis of Microturbine Based Microsource for Application to Microgrid 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.58 no.1, 2009년, pp.42 - 48

Abstract ▼ AI-Helper

Microgrid supplies loads with power interconnected grid. And it is defined a independent power system compounded micro sources over two devices which have enough capacity to operate independently, storage devices and loads. The energy sources of micro source have different dynamic characteristics corresponding to classes and application skills. However their transient responses are various from a few seconds to minutes. Therefore it is limitation for understanding operation characteristics of microsource modeling constant voltage source or constant current source. This paper shows that we designed EMTP/RV model of micro source which is microturbine based energy source. And we performed dynamic analysis of micro source corresponding to operation mode of microgrid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 마이크로그리드 실증 단지(K0U-Grid) 구축에 앞서 마이크로그리드의 운전형태에 따른 마이크로소스의 운전 동특성을 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 기존의 제어기 연구에 사용되는 정전원 모델은 마이크로터빈과 발전기의 동적 모델링으로 대치하였고 마이크로터빈 기반 마이크로소스와 마이크로그리드는 전력계통 과도현상 해석 프로그램인 EMTP/RV을 이용하여 모델링하고 시뮬레이션 하였다.

제안 방법

이 논문에서는 마이크로그리드 실증 단지(K0U-Grid) 구축에 앞서 마이크로그리드의 운전형태에 따른 마이크로소스의 운전 동특성을 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 기존의 제어기 연구에 사용되는 정전원 모델은 마이크로터빈과 발전기의 동적 모델링으로 대치하였고 마이크로터빈 기반 마이크로소스와 마이크로그리드는 전력계통 과도현상 해석 프로그램인 EMTP/RV을 이용하여 모델링하고 시뮬레이션 하였다.
총 시뮬레이션 시간#은 50초이고 시뮬레이쳔 타임 스텝#은 #이다. 첫 번째 마이크로소스의 droope 2%이고, 두 번째 마이£1로소스의 droope 4%로 설정하였다.

대상 데이터

마이크로그리드의 운전 형태에 따른 마이크로터빈 기반 마이크로소스의 운전 특성을 알아보기 위하여 개발된 마이크로소스의 EMTP/RV 모듈은 그림 12와 같이 마이크로 터빈, PMSG , 컨버터, DC 커패시터, 인버터, 마이크로소스 제어기 모듈들로 구성된다.

이론/모형

터빈은 lOQOOOrpm이상의 빠른 속도로 회전하기 때문에 발전기에서는 높은 주파수(kHz)의 전력이 발생한다. 마이크로터빈의 EMTP/RV 모델은 Rowen의 수학적 가스터빈 모델을 기반으로 모델링 하였다(3) [4].
음수이면 발전기로 동작한다. 이 논문에서는 EMTP/RV 라이브러리에서 제공된 PMSG 모델을 기반으로 하였고, 정격 및 설계 파라미터는 아래 표 1과 같다.
인버터 각 상의 스위치를 조작하기 위한 게이트 신호 발생기는 원리가 간단하여 고전적으로 널리 사용되는 PWMCPulsc width modulation)방식을 사용하였다. 유효전력 # 전압제어에 모듈의 출력 와 F가 인버터의 출력 기준신호로 변환되고 그림 H에서처럼 출력 기준신호와 삼각파 (2.
터빈의 동특성 파라미터는 Rowen의 Model series 5&6 을 사용하였고, 조속기 전달함수 계수는 Rowen 모델의 Droop 타입을 사용하였다. Droop 설정은 2~10%까지 설정 가능하며, 여기서는 4%로 설정하였다.

성능/효과

PMSGe 유도기에 비해 회전자 회로의 동손이 없으므로효율이 좋고, 운전성과 유지보수성이 좋아 소규모 전력공급에 유리하다. PMSG의 계자 자속은 영구자석에 의해 일정하게 공급되므로, 영구자석을 일정한 크기의 전류원으로 모델링할 수 있다.
부하변동에 따른 마이m 로터빈 출력토크의 동특성을 살펴보면 이 논문에서 모델링한 마이크로터빈의 경우 8~10초 정도의 과도응답을 보여주지만, 사례연구결과를 통하여 마이크로소스 직류단에 충분한 용량의 저장장치가 있을 경우 부하변동에 따라 원동기 동특성에 따른 출력의 시간지연을 보상해 주는 것을 알 수 있다. 개발된 마이크로소스의 EMTP/RV 모델은 마이크-# 리드의 운전형태와 부하변동에 따라 유효전력 및 전압제어를 통하여 운진범위 안에서 정상적으로 동작하였고, 마이크로 그리드 내부에 여러 대의 마이크로소스가 존재 할 겅우정상적으로 부하분담 운전을 하는 것을 알 수 있었다. 마이크로소스의 EMTP/RV 모델은 다양한 형태의 에너지원울가진 마이?!로소스의 모델링, 향상된 마이크로소스 제어기개발을 위한 기반이 될 것이다.
그림 4는 마이크로터빈의 EMTP/RV 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 모델링한 마이크로터 빈의 출력 토크는 부하 토크의 변화에 따라 증가하며 8s정도의 과도응답 특성이 나타났다. 회전자의 속도는 Droop 특성에 따라 감소한다.
출력이 제어된다. 부하변동에 따른 마이m 로터빈 출력토크의 동특성을 살펴보면 이 논문에서 모델링한 마이크로터빈의 경우 8~10초 정도의 과도응답을 보여주지만, 사례연구결과를 통하여 마이크로소스 직류단에 충분한 용량의 저장장치가 있을 경우 부하변동에 따라 원동기 동특성에 따른 출력의 시간지연을 보상해 주는 것을 알 수 있다. 개발된 마이크로소스의 EMTP/RV 모델은 마이크-# 리드의 운전형태와 부하변동에 따라 유효전력 및 전압제어를 통하여 운진범위 안에서 정상적으로 동작하였고, 마이크로 그리드 내부에 여러 대의 마이크로소스가 존재 할 겅우정상적으로 부하분담 운전을 하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

마이크로소스의 EMTP/RV 모델은 다양한 형태의 에너지원울가진 마이?!로소스의 모델링, 향상된 마이크로소스 제어기개발을 위한 기반이 될 것이다. 그리고 마이크로 그리드가 연계된 배전계통에서 기존 보호기기와의 보호협조, 계통 전압조정 장치들과의 전압 조정협조 등 마이크로그리드의 계통연계에 따르는 제반 문제를 해석하고 해결 하는데 도움이 될 것이다.
개발된 마이크로소스의 EMTP/RV 모델은 마이크-# 리드의 운전형태와 부하변동에 따라 유효전력 및 전압제어를 통하여 운진범위 안에서 정상적으로 동작하였고, 마이크로 그리드 내부에 여러 대의 마이크로소스가 존재 할 겅우정상적으로 부하분담 운전을 하는 것을 알 수 있었다. 마이크로소스의 EMTP/RV 모델은 다양한 형태의 에너지원울가진 마이?!로소스의 모델링, 향상된 마이크로소스 제어기개발을 위한 기반이 될 것이다. 그리고 마이크로 그리드가 연계된 배전계통에서 기존 보호기기와의 보호협조, 계통 전압조정 장치들과의 전압 조정협조 등 마이크로그리드의 계통연계에 따르는 제반 문제를 해석하고 해결 하는데 도움이 될 것이다.

참고문헌 (14)

R H. Lasseter, 'Microgrid', IEEE PES Winter Meeting, january, 2002
Northern Power System Inc., Waltsfield,VT http://www.northernpower.com/pdf/pr_Microgird.pdf
Amer AI-Hinai and Ali Feliachi, 'Dynamic Model of a microturbine used as a distributed Generator, 'Proc. of 34th South eastern Symposium on system Theory, Huntsville,Alabama,March2002, pp.209-213
S.R. Guda and Wang. C. and M.H. Nehrir, 'A Simulink-based microturbine model for distributed generation studies, IEEE Power Symposium, Proc.of the 37th Annual, NorthAmerican, Oct23-25,2005, pp.269-274
W. I. Rowen, 'Simplified mathematical representations of heavy duty gas turbines,' Journal of Engineering for Power, Transactions ASME, vol. 105, no. 4, pp. 865-869, Oct 1983

상세보기
R H. Lasseter and P. Piagi, 'Control and Design of Microgrid Components, PSERC Publication, 2006
Y. Zhu and K. Tomsovic, 'Development of models for analyzing the load following performance of microturbines and fuel cells,' Journal of Electric Power Systems Research, vol. 62, pp. 1-11, 2002

상세보기
R. H. Lasseter and P. Piagi, 'Microgrid : A conceptual Solution', PESC'04, Aachen,Germany, June20-25,2004
J. D. Glover and M. S. Sarma, 'Power system analysis and design', Brooks/Cole, 2002
T.Y. Jyung, K.Y. Kwon, Y.S. Back, and K.M. Son, 'On the modeling and simulation of PMSM based Microsource for operation in a Microgrid, IEEE Conference, Japan,Jul.6-10,2008
P.M. Anderson and A.A. Fouad, 'Power system control and stability', IEEE Press, 2003
R.H. Lasseter and P. Piagi, 'Providing premium power through distributed resources', IEEE Conference, Hawaii,Jan4 -7,2000
J.B. Ahn, Y.H. Jeong and D.H, Kang, 'Operating characteristics of high speed PM synchronous generator for Microturbine', KIPE Conference, Korea,Jull12-15,2004
EMTP-RV Help Docs, http://www.emtp.com

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