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마이크로그리드 독립운전모드를 위한 주파수 추종에 관한 연구
A Novel Frequency Tracker for Islanded-Mode Operation in Microgrid 원문보기 논문타임라인

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.7, 2011년, pp.1331 - 1338  

전진홍 (한국전기연구원) ,  김경훈 (창원대학교 전기공학과) ,  황철상 (창원대학교 전기공학과) ,  김장목 (부산대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a method for frequency control of islanded microgrid with battery energy storage system. For frequency control of islanded microgrid, battery energy storage system uses a phase locked loop algorithm with positive sequence components for a fast frequency estimation. Microgrid is a...

주제어

#BESS   #Microgrid   #Islanded mode   #Frequency estimation   #PLL  

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문제 정의

  • 마이크로그리드 파일롯 플랜트는 실제의 태양광발전기 및 풍력발전기, 디젤엔진발전기, 에너지저장장치 등의 분산전원과 전원모의장치, 선로모의장치, 모의부하장치, 연계보호장치, 감시제어장치 등의 마이크로그리드 요소기기로 구성된 실험실 규모의 마이크로그리드로 각종 요소기기와 기술, 운영알고리즘 등을 개발하고 실증하기 위하여 구축하였다. 구축된 마이크로그리드 파일롯 플랜트의 구성은 그림 12와 같으며 그림 13은 실제 시스템의 사진이다.
  • 본 논문에서는 마이크로그리드의 정의와 주요기능에 대하여 간략히 소개하였으며 주요 운전모드인 계통연계운전과 독립운전에서의 주요한 기능과 기술적인 관심, 응용, 연구동향 등을 정리하였다. 그 중 독립운전모드에서 주파수 및 전압 유지를 위한 여러 기술적인 해결방법의 장단점을 살펴보았으며 주파수 제어에 필수적인 빠른 주파수 추종을 위하여 정상분 추출법을 적용한 개선된 주파수 추종 알고리즘을 제시하였다.
  • 정상분 전압을 추출하였기 때문에 계통전압의 불평형과 제어플랫폼의 특성으로 인한 불평형분이 제거되어 위상동기루프의 고조파 리플이 저감되었으며 이로 인해 기존의 방법보다 큰 이득을 설정하여 빠른 주파수 추종이 가능하였다. 제시된 알고리즘의 유용성을 검증하기 위하여 축전지 시스템을 포함하는 마이크로그리드 파일롯 플랜트에 적용하고 부하 및 출력변동에 따른 주파수 제어 결과의 확인함으로써 제시된 알고리즘이 적용된 축전지 시스템이 실제 마이크로그리드에 적용되어 운전이 가능함을 보이고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마이크로그리드란? 일반적으로 마이크로그리드는 신재생에너지전원 및 에너지저장장치를 포함하는 분산전원들이 충분한 양으로 배전계통에 도입되고 이들의 적절한 제어와 감시를 통해 배전계통과 연계 혹은 독립운전이 가능한 전력공급시스템으로 정의한다[4]-[6]. 마이크로그리드는 계통연계운전모드와 독립운전모드의 두 가지 운전모드를 가지고 있다.
독립운전모드 마이크로그리드가 작은 외란에 대해 빠르고 크게 변하는 주파수를 제어하기 위해서 어떠한 것이 필요한가? 이는 마이크로그리드를 구성하는 전원이 신재생에너지지전원이나 소형열병합발전기와 같은 전력변환장치 혹은 소용량 전원이어서 회전관성이 크지 않기 때문이다. 따라서 작은 외란에 대해 빠르고 크게 변하는 주파수를 제어하기 위해서는 마이크로그리드 내의 각 전원이 외란을 빠르게 감지하여 적절하게 출력을 변동시켜야하며 이 때 각 전원간의 협조가 매우 중요하다[22].
마이크로그리드를 구성하는 전원 중 유효전력 제어가 가능한 전원은 무엇인가? 독립운전모드 마이크로그리드의 주파수를 제어하기 위해서는 주파수 변화에 대하여 빠르게 유효전력을 조절할 수 있는 전원이 필요하다. 마이크로그리드를 구성하는 여러 전원 중에서 유효전력 제어가 가능한 전원은 동기발전기, 전력저장장치, 연료전지 등의 많은 장치들이 있다. 그 중 전력저장장치는 유효전력을 발생 및 소모할 수 있는 특성이 있어 주파수를 제어할 수 있는 운전영역이 다른 장치에 비해 상대적으로 넓으며, 또한 전력변환장치를 이용하므로 빠른 응답특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
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참고문헌 (25)
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  1. N. D. Hatziargyriou, H. Asano, R. Iravani, and C. Marnay,, "Microgrids", IEEE Power Energy, Vol. 5, Issue 4, pp.78-94, July-Aug. 2007. 

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    그 중 마이크로그리드는 수용가의 신뢰도와 전력품질 향상을 위해 미국의 CERTS(the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)에 의해 소개되었다[1]-[3].

  2. N. D. Hatziargyriou, "Microgrids", IEEE Power Energy, Vol. 6, Issue 3, pp.26-29 , May-June 2008. 

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  3. G. Venkataramanan, and C. Marnay, "A larger role for microgrids", IEEE Power Energy, Vol. 6, Issue 3, pp.78-82, May-June 2008. 

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    그 중 마이크로그리드는 수용가의 신뢰도와 전력품질 향상을 위해 미국의 CERTS(the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)에 의해 소개되었다[1]-[3].

  4. R. H. Lasseter, P. Piagi, "Providing Premium Power through Distributed Resources", Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences, pp. 1437-1445, Jab 4-7 2000 

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    일반적으로 마이크로그리드는 신재생에너지전원 및 에너지저장장치를 포함하는 분산전원들이 충분한 양으로 배전계통에 도입되고 이들의 적절한 제어와 감시를 통해 배전계통과 연계 혹은 독립운전이 가능한 전력공급시스템으로 정의한다[4]-[6].

  5. R. H. Lasseter, P. Piagi, "MicroGrid: A Conceptual Solution", Power Electronics Specialist Conference (PESC) '04, Aachen, Germany, pp. 4285-4290, June 20-25 2004 

  6. R. Lasseter, et. al., "White Paper on Integration of Distributed Energy Resources - The CERTS MicroGrid Concept", Office of Power Technologies of the US Department of Energy, April 2002 

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    일반적으로 마이크로그리드는 신재생에너지전원 및 에너지저장장치를 포함하는 분산전원들이 충분한 양으로 배전계통에 도입되고 이들의 적절한 제어와 감시를 통해 배전계통과 연계 혹은 독립운전이 가능한 전력공급시스템으로 정의한다[4]-[6].

  7. S. Chakraborty, M. D. Weiss, and M. G. Simoes, "Distributed Intelligent Energy Management System for a Single-Phase High-Frequency AC Microgrid", IEEETrans. Ind. Electron., Vol. 54, No. 1, pp. 97-109, February 2007. 

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    또한 신재생에너지의 불규칙한 출력 평준화와 무효전력 공급을 통한 마이크로그리드의 전압품질을 향상시킬 수 있다[7]-[9].

    독립운전모드 마이크로그리드는 유무효 전력의 수요(부하)와 공급(발전) 제어를 통해 마이크로그리드의 주파수와 전압을 적정한 값으로 유지할 수 있으며 상위 전력계통이 회복되면 재동기가 가능하다[7]-[9].

  8. A.G. Tsikalakis, and N.D. Hatziargyriou, "Centralized Control for Optimizing Microgrids Operation", IEEETrans. Energy Convers., Vol. 23, Issue 1, pp.241 -248, March 2008. 

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  9. 손광명, 이계병, "마이크로그리드의 제어 및 해석 기술동향", 전력전자학회, 전력전자학회지, 제 15권 제2호, pp30-35, 2010. 4 

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    또한 신재생에너지의 불규칙한 출력 평준화와 무효전력 공급을 통한 마이크로그리드의 전압품질을 향상시킬 수 있다[7]-[9].

    독립운전모드 마이크로그리드는 유무효 전력의 수요(부하)와 공급(발전) 제어를 통해 마이크로그리드의 주파수와 전압을 적정한 값으로 유지할 수 있으며 상위 전력계통이 회복되면 재동기가 가능하다[7]-[9].

    독립운전모드 마이크로그리드의 주파수 및 전압 제어를 위한 각 전원간의 협조제어를 위하여 중앙관리시스템을 이용하여 적절한 출력을 배분하는 방법이 사용되었으나 이는 통신을 이용하기 때문에 순시적으로 변화하는 부하를 따라 신속하게 제어명령을 전송하기가 쉽지 않으며 통신지연, 오류 등에 대한 대책도 필요하다[9][16].

    따라서 계통연계모드에서 출력제어를 하기가 기존의 변환장치에 비해 복잡하며 추가의 연계 인덕터로 인한 손실 및 무게, 부피 등의 물리적인 단점을 가진다[9][17][21].

  10. 문대성, 서재진, 김윤성, 원동준, "마이크로그리드에서 하이브리드 시스템의 Feeder Flow Mode 운영을 위한 제어 알고리즘", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제60권 제1호, pp. 1-7, 2011.1, 

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    계통연계운전모드에서는 계통연계점(PCC, Point of Common Coupling)의 유무효전력조류를 제어하는 방법으로 태양광-풍력-축전지 복합전원을 이용하여 연계점의 조류를 직접 제어하는 방법[10]이 제안되었으며 실시간 요금제에서 마이크로그리드의 운영효율과 경제성 향상을 위한 운영 알고리즘[11]도 제시되었다.

  11. 정태영, 백영식, "실시간 전기요금제에서 마이크로그리드의 운용 방법", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제59권 제12호, pp. 2165-2172, 2010.12 

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    계통연계운전모드에서는 계통연계점(PCC, Point of Common Coupling)의 유무효전력조류를 제어하는 방법으로 태양광-풍력-축전지 복합전원을 이용하여 연계점의 조류를 직접 제어하는 방법[10]이 제안되었으며 실시간 요금제에서 마이크로그리드의 운영효율과 경제성 향상을 위한 운영 알고리즘[11]도 제시되었다.

  12. H.-M. Kim, and T. Kinoshita, "A Multiagent System for Microgrid Operation in the Grid-interconnected Mode", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 246-254, June 2010. 

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    또한 정보기술을 발달에 따라 지능형 분산제어 기반의 멀티에이전트(multi-agent)를 이용한 효율적 제어방법에 관한 연구[12]-[15]도 발표되고 있다.

  13. H.-M. Kim, T. Kinoshita, and M.-C. Shin, "A Multi-agent System for Autonomous Operation of Islanded Microgrid based on a Power Market Environment", Energies, Vol. 3, Issue 12, pp. 1972-1990, Dec. 2010. 

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  14. Hak-Man Kim, Wenpeng Wei, Tetsuo Kinoshita, "A New Modified CNP for Autonomous Microgrid Operation Based on Multiagent System", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 6, No. 1, pp. 139-146, 2011. 

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  15. Hak-Man Kim, Tetsuo Kinoshita and Yujin Lim, "Talmudic Approach to Load Shedding of Islanded Microgrid Operation Based on Multiagent System", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 6, No. 2, pp. 284-292, 2011. 

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    또한 정보기술을 발달에 따라 지능형 분산제어 기반의 멀티에이전트(multi-agent)를 이용한 효율적 제어방법에 관한 연구[12]-[15]도 발표되고 있다.

  16. 정일엽, 원동준, 문승일, "다중 분산전원으로 구성된 마이크로그리드의 유무효전력 제어원리 연구", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제57권 제4호, pp. 582-588, 2008.4 

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    주파수와 전압제어를 위하여 동기기에서 사용하고 있는 드룹(droop)을 이용한 제어방법 및 기본원리에 대한 연구[16]가 발표되었으며 기존의 무정전전원장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)와 같이 전압제어형 인버터 구조를 이용한 방법[17]이 제시되었다.

    독립운전모드 마이크로그리드의 주파수 및 전압 제어를 위한 각 전원간의 협조제어를 위하여 중앙관리시스템을 이용하여 적절한 출력을 배분하는 방법이 사용되었으나 이는 통신을 이용하기 때문에 순시적으로 변화하는 부하를 따라 신속하게 제어명령을 전송하기가 쉽지 않으며 통신지연, 오류 등에 대한 대책도 필요하다[9][16].

    그러나 드룹은 각 발전기의 출력이 변동하여 새로운 동작점으로 운전점이 이동하는 특성을 가지고 있다[16].

  17. 이계병, 손광명, 장길수, "에너지 저장장치를 이용한 마이크로그리드의 구현", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제59권 제2호, pp. 248-254, 2010.2 

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    주파수와 전압제어를 위하여 동기기에서 사용하고 있는 드룹(droop)을 이용한 제어방법 및 기본원리에 대한 연구[16]가 발표되었으며 기존의 무정전전원장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)와 같이 전압제어형 인버터 구조를 이용한 방법[17]이 제시되었다.

    따라서 계통연계모드에서 출력제어를 하기가 기존의 변환장치에 비해 복잡하며 추가의 연계 인덕터로 인한 손실 및 무게, 부피 등의 물리적인 단점을 가진다[9][17][21].

  18. Jong-Yul Kim, Seul-Ki Kim and June-Ho Park, "Contribution of an Energy Storage System for Stabilizing a Microgrid during Islanded Operation", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 4, No. 2, pp. 194-200, 2009 

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    마이크로그리드관리시스템(MMS, Microgrid Management System)을 이용하여 여러 발전원을 복합적으로 제어하여 에너지저장장치의 과도한 사용을 저감할 수 있는 제어방법에 대한 연구결과[18]-[21]도 발표되었다.

  19. Jin-Hong Jeon, et. al., "Development of Hardware In-the-Loop Simulation System for Testing Operation and Control Functions of Microgrid", IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 25 , Issue 12, pp 2919-2929, 2010. 12. 

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  20. Jong-Yul Kim, et. al., "Cooperative Control Strategy of Energy Storage System and Microsources for Stabilizing the Microgrid during Islanded Operation", IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 25, Issue 12, pp 3037-3048, 2010. 12. 

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  21. Emanuel Serban and Helmine Serban, "A Control Strategy for a Distributed Power Generation Microgrid Application with Voltage and Current-Controlled Source Converter", IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 25 , Issue 12, pp 2981-2992, 2010. 12. 

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    마이크로그리드관리시스템(MMS, Microgrid Management System)을 이용하여 여러 발전원을 복합적으로 제어하여 에너지저장장치의 과도한 사용을 저감할 수 있는 제어방법에 대한 연구결과[18]-[21]도 발표되었다.

    따라서 계통연계모드에서 출력제어를 하기가 기존의 변환장치에 비해 복잡하며 추가의 연계 인덕터로 인한 손실 및 무게, 부피 등의 물리적인 단점을 가진다[9][17][21].

  22. 서재진, 이학주, 정원욱, 원동준, "마이크로그리드 과도상태 시 전력 수급 균형 전략", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제59권 제4호, pp. 707-714, 2010.4 

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    전원의 제어뿐만 아니라 부하 절체를 통한 독립운전 유지전략을 위한 운영알고리즘에 관한 연구[22]도 진행되고 있으며 전원의 종류와 효과 및 경제성 검토와 관련된 연구결과[23][24]도 제시되고 있다.

    따라서 작은 외란에 대해 빠르고 크게 변하는 주파수를 제어하기 위해서는 마이크로그리드 내의 각 전원이 외란을 빠르게 감지하여 적절하게 출력을 변동시켜야하며 이 때 각 전원간의 협조가 매우 중요하다[22].

  23. Saito, N.; Niimura, T.; Koyanagi, K.; Yokoyama, R., "Trade-off analysis of autonomous microgrid sizing with PV, diesel, and battery storage", Power & Energy Society General Meeting, 2009. PES '09. IEEE, pp. 1-6, 2009 

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    전원의 제어뿐만 아니라 부하 절체를 통한 독립운전 유지전략을 위한 운영알고리즘에 관한 연구[22]도 진행되고 있으며 전원의 종류와 효과 및 경제성 검토와 관련된 연구결과[23][24]도 제시되고 있다.

  24. 이수미, 전영환, "마이크로그리드의 안정적 운영을 위한 풍력 및 태양광 발전원 최적 구성 비율 산정 방안연구", 대한전기학회, 전기학회논문지, 제59권 제2호, pp. 272-276, 2010.2 

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    전원의 제어뿐만 아니라 부하 절체를 통한 독립운전 유지전략을 위한 운영알고리즘에 관한 연구[22]도 진행되고 있으며 전원의 종류와 효과 및 경제성 검토와 관련된 연구결과[23][24]도 제시되고 있다.

  25. S.J. Lee and etc., "A New Phase Detection Method for POwer Conversion Systems Considering Distorted Conditions in Power System", IEEE Industrial Application Annual Meeting Conference Record, pp2167-2172, 1999 

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    3상 전압의 불평형 및 제어 플랫폼의 ADC의 스케일, 오프셋 등으로 인한 dq변환의 리플을 최소화하기 위하여 정상분 전압을 추출하여 계통의 주파수와 전압을 측정하였다[25].

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