[논문]DC 마이크로그리드에서 에너지 저장장치를 위한 양방향 DC-DC컨버터의 무순단 절체 제어기법

권민호; 박준성; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2014.19.2.194

[국내논문] DC 마이크로그리드에서 에너지 저장장치를 위한 양방향 DC-DC컨버터의 무순단 절체 제어기법
A Seamless Transfer Method of Bidirectional DC-DC Converter for ESS in DC Micro-grids 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.2, 2014년, pp.194 - 200

권민호 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 박준성 (Dept. of New Energy Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In DC micro-grid system energy storage systems (ESS) are responsible for storing energy and balancing power. Also, control target of the bidirectional DC-DC converter(BDC) for ESS should be changed depending on the operating mode. During the grid connected mode, the BDC controls the battery current or voltage. When a grid fault occurs, the BDC should change the control target to regulate the DC-bus. The BDC with conventional control method may experience large transient state during the mode change. This paper proposes a control method of BDC for ESS. The proposed control method is able to provide autonomous and seamless mode transfer by a variable current limiter. To validate the proposed concept, simulation results using PSIM and experimental results from a 2kW prototype are provided.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자율적이며 입·출력 절환 시에도 전력변환 동작이 끊임없는 제어 기법을 제안한다.
본 논문에서는 DC 마이크로그리드를 위한 에너지 저장장치용 양방향 DC-DC 컨버터의 제어 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 상위지령 없이 자율적으로 모드전환이 가능하며 끊임없는 전류제어로 모드전환시 과도상태를 크게 줄인다.
제안하는 기법은 상위지령 없이 자율적으로 모드전환이 가능하며 끊임없는 전류제어로 모드전환시 과도상태를 크게 줄인다. PSIM을 이용한 모의실험과 2kW급 시작품을 통한 실험 결과로 본 논문의 타당성을 입증하였다.

제안 방법

본 논문에서는 자율적이며 입·출력 절환 시에도 전력변환 동작이 끊임없는 제어 기법을 제안한다. 제안하는 제어기법을 통하여 신속한 모드전환이 가능한 에너지 저장장치 또는 무정전전원장치(Uninterruptible power supply : UPS)용 양방향 DC-DC 컨버터 개발로 소규모 전력망을 안정적으로 운용할 수 있게 한다.
그림 11과 같이 2kW급 비절연 하프브릿지 컨버터를 이용하여 제안하는 제어 알고리즘을 검증 및 구현 하였고 제어기는 TI社의 TMS320F28335를 이용하여 구현되었다. 양방향 컨버터의 사양은 표 1과 같다.
따라서 고전압측 전압은 컨버터에 의해서 360V로 제어되며 끊김없이 인덕터 전류 방향이 바뀌는 것을 볼 수 있다. 저전압측 배터리는 시뮬레이션 시간을 고려하여 적당히 큰 값의 캐패시터와 저항을 직렬로 결선하여 진행 하였다. 그림 13은 다시 고전압측 전압원이 단락된 후 다시 충전 모드로 전환되는 시뮬레이션 파형이다.
제안하는 제어기의 기본 구조^[11]는 그림 5와 같으며 일반적인 비례적분(Proportional-Integral)보상기를 이용하여 평균 전류모드 제어(Average Current-mode Control)로 구현한 구조이다. 상한치가 변동 가능한 리미터를 이용하여 고전압측 보상기와 저전압측 보상기를 하나로 통합한 구조로서 두 전압 보상기는 서로 상보적으로 동작하게 된다.

성능/효과

본 논문에서는 DC 마이크로그리드를 위한 에너지 저장장치용 양방향 DC-DC 컨버터의 제어 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 상위지령 없이 자율적으로 모드전환이 가능하며 끊임없는 전류제어로 모드전환시 과도상태를 크게 줄인다. PSIM을 이용한 모의실험과 2kW급 시작품을 통한 실험 결과로 본 논문의 타당성을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직류 마이크로그리드 시스템의 장점은?	소규모 전력망 중에서는 교류전원을 기준으로 연계되는 교류 마이크로그리드(AC micro-grid) 시스템과 직류전원을 기준으로 연계되는 직류 마이크로그리드(DC micro–grid) 시스템으로 분류할 수 있다. 직류 마이크로그리드 시스템은 교류 마이크로그리드 시스템과 달리안정도, 주파수 동기화 및 무효전력 문제가 없을 뿐만 아니라 태양광, 풍력, 연료전지 같은 직류 발전 시스템을 2차 전력변환 없이 직류 부하에 공급이 가능한 장점이 있다[4].
	전류 보상기를 공유하여 전류 지령치를 선택적으로 변경하는 방식의 문제점은?	그리고 컨버터가 동작 중에 모드를 전환하는 방법으로는 그림 3과 같이 전류 보상기를 공유하여 전류 지령치를 선택적으로 변경하는 방식[10]이 있는데 자율적인 판단으로 모드전환을 이루기 위해서 일정 전압 범위를 벗어났을 때 전압보상기를 절체하는 기법을 적용할 수 있다. 하지만 이러한 방식은 비활성 보상기의 포화, 초기오차 등으로 인하여 그림 4와 같이 동작모드 전환 시 컨버터에 큰 과도상태 발생시킨다. 따라서 시스템의 안정성이 저하되고 과도상태에서 소자들의 부담이 크게 증가 하게 된다.
	직류 마이크로그리드 시스템에서 에너지 저장장치의 역할은?	그림 1과 같은 직류 마이크로그리드 시스템에서 에너지 저장장치는 잉여전력이 발생하거나 전력요금이 저렴할 때 전력을 충전해놓고, 전력수요가 크거나 요금이 비쌀 때 저장해놓은 전력을 부하에 공급하여 전력설비를 효율적으로 운용할 수 있게 하는 역할을 한다[5][6]. 특히, 중요부하를 갖는 소규모 전력망의 경우 정전 또는 계통 사고가 있을 때 계통에 연계되어 있던 인버터가 DC-bus 전압을 제어하지 못하는 경우에는 에너지 저장 장치가 에너지원이 되어 DC-bus 전압을 일정하게 유지시켜주는 역할이 필요하다[7][8].

참고문헌 (12)

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상세보기
P. Chiradeja, "Benefit of distributed generation: A line loss reduction analysis," in Proc. Transmiss. Distrib. Conf. Exhib., Asia. Pac., 2005, pp. 1.5.
H. Zhou, T. Bhattacharya, D. Tran, T. S. T. Siew and A. M. Khambadkone, "Composite Energy Storage System Involving Battery and Ultracapacitor With Dynamic Energy Management in Microgrid Applications," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 26, No. 3, pp. 923-930, Mar. 2011.

상세보기
J. Lee, H. Kim, B. Han, Y. Jeong, H. Yang and H. Cha, "DC Micro-Grid Operational Analysis with a Detailed Simulation Model for Distributed Generation," Journal of Power Electron., Vol. 11, No. 3, May 2011.
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K. Yukita, K. Ban, Y. Goto, K. Ichiyanagi, K. Hirose, T. Ushirokawa, Y.Okui and H. Takabayashi, "Power Supply System of DC/AC Micro Grid System," in Proc. 8th Int. Conf. Power Electron., ECCE Asia, Jeju Korea, May 30 - Jun. 3, 2011, pp. 228-234.
H. Kakigano, Y. Miura, and T. Ise, "Configuration and control of a DC microgrid for residential houses," in Proc. IEEE Transmis. Distrib. Conf. Expo.: Asia Pacific, Oct. 2009, pp. 1-4.
K. Sun, L. Zhang, Y. Xing and J. Guerrero, "A distributed control strategy based on DC bus signaling for modular photovoltaic generation systems with battery energy storage," IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 10, pp. 3032-3045, Oct. 2011.

상세보기
T. Han, J. Lee, H. Kim and B. Han, "Optimized Design and Coordinated Control for Stand-alone DC Micro-grid," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 18, No. 1, Feb. 2013.

원문보기 상세보기
X. she, S. Lukic and A. Q. Huang, "DC zonal micro-grid architecture and control," in Proc. IECON, 2010, pp. 2982-2987.
S. Choi, J. Park, M. Kwon, "System for controlling bidirectional converter" Korean Patent pending 10-2013-0092123, Aug. 2. 2013.
C. Bohn, and D. P. Atherton, "An analysis package comparing PID anti-windup strategies," IEEE Control Syst. Mag., vol. 15, no. 2, pp. 34-40, Apr. 1995.

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