[논문]독립운전 모드에서 가상 인덕터를 활용한 대용량 인버터 병렬운전을 위한 드룹제어

정교선; 임경배; 김동환; 최재호

doi:10.6113/tkpe.2015.20.1.81

독립운전 모드에서 가상 인덕터를 활용한 대용량 인버터 병렬운전을 위한 드룹제어
Droop Method for High-Capacity Parallel Inverters in Islanded Mode Using Virtual Inductor 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.1, 2015년, pp.81 - 90

정교선 (School of Electrical Eng., Chungbuk National University) , 임경배 (School of Electrical Eng., Chungbuk National University) , 김동환 (School of Electrical Eng., Chungbuk National University) , 최재호 (School of Electrical Eng., Chungbuk National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigates the droop control-based real and reactive power load sharing with a virtual inductor when the line impedance between inverter and Point of Common Coupling (PCC) is partly and unequally resistive in high-capacity systems. In this paper, the virtual inductor method is applied to parallel inverter systems with resistive and inductive line impedance. Reactive power sharing error has been improved by applying droop control after considering each line impedance voltage drop. However, in high capacity parallel systems with large output current, the reference output voltage, which is the output of droop controller, becomes lower than the rated value because of the high voltage drop from virtual inductance. Hence, line impedance voltage drop has been added to the droop equation so that parallel inverters operate within the range of rated output voltage. Additionally, the virtual inductor value has been selected via small signal modeling to analyze stability in transient conditions. Finally, the proposed droop method has been verified by MATLAB and PSIM simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그림 8은 두 인버터 선로 임피던스에 대한 오차에 대한 무효전력 분담오차와 제안된 알고리즘을 적용한 시뮬레이션 파형이다. 그림 8(a)은 동일한 선로 인덕턴스에 대하여 선로저항을 변화시키고 제안된 알고리즘을 통하여 무효전력 부하분담 오차 특성을 확인해보고자 하였다. 0.
그리고, 본 논문에서는 대용량 시스템을 고려하여 가상 인덕턴스와 출력전류의 영향에 대한 큰 전압 강하를 계산하여 추가적으로 지령 전압에 주입함으로써 설정된 유효전력 부하분담을 정확히 추종할 수 있도록 하였다.
식 (29)처럼 상태 방정식의 세 근으로 표현이 가능한데 한 근은 그림과 같이 왼쪽으로 이동하고 다른 두 근은 불안정 영역으로 이동하는 것을 알 수 있다. 본 논문에서는 우반면의 안정한 영역에 있는 최대한의 가상 인덕턴스를 선정하고자 하였다. DG1의 안정한 가상인덕턴스 범위는 0에서 0.

가설 설정

(b)unequal line inductance.
본 논문에서의 드룹제어는 인버터와 PCC단 사이에선로가 유도성 임피던스라는 가정 하에 식이 도출된다. 하지만 선로에 저항 성분이 포함하게 되면 기존의 P - ω, Q -E의 관계가 성립되지 않으며 P -Q 상호 간섭 성분이 생기게 된다.

제안 방법

5s까지 제안된 알고리즘을 이용하여 무효전력 부하분담의 오차를 개선하였다. 그림 8(b)는 동일한 선로 저항에 대하여 선로 인덕턴스를 변화시키고 그림 8(a)와 동일한 시간에서 제안된 알고리즘을 통해 무효전력 부하분담 오차 특성을 확인해보았다. 초기 선로 임피던스 값은 각각 DG1은 0.
그래서 본 논문에서는 독립운전 모드만을 고려하여 임피던스 불평형에 의한 전압강하를 계산하고 이를 드룹제어 식에 대입함으로써 지령전압을 바꾸어주었다^[12] . 이 방식은 전력의 지령 값을 이용하기 때문에 기존의 방식보다 소신호 모델링을 구현할 때 식이 단순화된다.
265mH 값으로 설정하였다. 그리고 선로 임피던스를 불평형으로 만들기 위해 표 1과 같이 파라미터를 설정하였고 DG2의 선로 임피던스는 가상 인덕터의 효과를 알아보기 위해 저항 값을 비교적 크게 설정하였다.
그림 10은 가상 인덕터에 의한 드룹제어의 효력을 좀더 확실하게 보기 위하여 표 1의 선로 임피던스에서 저항 성분을 4배로 높이고 성능을 확인하였다. 그리고 소신호 모델링을 통해 선로 임피던스에 따른 가상 인덕턴스를 재설정하였다. 그림 10(a)는 1s에서 가상 인덕터를 적용하지 않은 드룹제어 파형이다.
본 논문에서 제안된 방식은 소신호 안정도 분석에 기초하여 선정된 가상 인덕터 값을 기반으로 하여 유도성 또는 저항성이 지배적인 선로 임피던스들 모두에서 드룹제어가 효력을 가지도록 하였다. 기존 드룹 제어에 실제 선로 임피던스 뿐만 아니라 가상 인덕터에 의한 전압강하까지도 추가적으로 고려함으로써 병렬운전 시에 유효전력과 무효전력의 분담특성이 개선되도록 하였으며 따라서 인버터의 순환전류가 최소화되도록 하였다. 제안된 알고리즘에 대한 시뮬레이션을 수행하여 타당성을 검증하였다.
마지막으로 본 논문에서는 과도상태를 해석하기 위하여 소신호 모델링을 통해 안정적인 가상 인덕터를 선정하였다. [14]에서는 과도상태 안정 드룹방식을 고려하여 복잡한 소신호 모델링을 구현하였으나 본 논문에서는 이 계수를 고려하지 않고 좀 더 단순화된 소신호 모델링을 구현하도록 하였다.
드룹제어의 과도상태를 확인하기 위해서 이 비선형 식들을 선형 식으로 변환하여 시스템 안정성을 판별할 수 있다^[18],^[19]. 보통의 드룹제어 연구에서는 가상 인덕터를 고려하지 않은 소신호 모델링에 대하여 다루었는데 본 논문에서는 가상 인덕터를 고려한 드룹제어 식의 소신호 모델링에 대한 연구를 응용하여 매트랩 시뮬레이션을 통해 안정성을 확인하였다^[14].
본 논문에서 제안된 방식은 소신호 안정도 분석에 기초하여 선정된 가상 인덕터 값을 기반으로 하여 유도성 또는 저항성이 지배적인 선로 임피던스들 모두에서 드룹제어가 효력을 가지도록 하였다. 기존 드룹 제어에 실제 선로 임피던스 뿐만 아니라 가상 인덕터에 의한 전압강하까지도 추가적으로 고려함으로써 병렬운전 시에 유효전력과 무효전력의 분담특성이 개선되도록 하였으며 따라서 인버터의 순환전류가 최소화되도록 하였다.
본 논문에서는 실수 축에 도달하는 가상 인덕턴스 값 Xo를 선정하여 시스템 동특성과 안정성을 동시에 만족 하게 하고 PSIM 시뮬레이션에 적용하였다.
하지만 이 접근법은 필터 차단 주파수의 선정이 쉽지 않고 각각의 시스템과 부하환경에 따라 서로 다른 차단 주파수가 요구될 수 있다는 복잡성으로 인하여 효과적이지 못하다. 본 논문에서는 이를 고려하여 그림 3과 같이 미분 없이 효과적으로 가상 인덕터 방식을 가져올수 방법을 응용하였다^[7].
전압-전류는 PI-P 제어로 구성되어 있고 근궤적을 이용하여 각 PI-P에 대한 이득 값을 선정하였다. 하지만 보통의 가상 인덕터 전압강하의 직접적인 응용은 미분 (V_L = X_o (di_L/dt) = _sX_oi_L )으로 인하여 고주파 노이즈가 증폭되며 이는 인버터가 비선형 부하를 공급할 경우 특히 위험하다.
[14]에서는 과도상태 안정 드룹방식을 고려하여 복잡한 소신호 모델링을 구현하였으나 본 논문에서는 이 계수를 고려하지 않고 좀 더 단순화된 소신호 모델링을 구현하도록 하였다. 제안한 드룹제어 방식과 소신호 모델링을 응용하여 PSIM과 MATLAB을 통해 시뮬레이션을 수행하였고 각각의 유효전력과 무효전력의 부하 분담이 효과적으로 이루어지는지 검증하였다.
5s까지 제안된 알고리즘을 통하여 무효전력 부하분담의 오차가 거의 상쇄되는 것을 확인하였다. 추가로 2.5s부터 4s까지 DG2선로 저항을 두 배로 하여 일반적인 드룹제어에 대한 무효전력 부하분담 오차값을 측정하였고 4s부터 5.5s까지 제안된 알고리즘을 이용하여 무효전력 부하분담의 오차를 개선하였다. 그림 8(b)는 동일한 선로 저항에 대하여 선로 인덕턴스를 변화시키고 그림 8(a)와 동일한 시간에서 제안된 알고리즘을 통해 무효전력 부하분담 오차 특성을 확인해보았다.
06mH으로 설정하였다. 추가로 2.5s부터 5.5s까지는 선로 인덕턴스를 DG2선로 인덕턴스를 두 배로 하여 무효전력 부하분담의 오차를 측정하였다. 그림 8처럼 선로 임피던스 불평형이 커짐에 따라 무효전력 부하분담의 오차도 증가하는 것을 확인하고 다양한 선로 임피던스에 대하여 본 논문에서 제안된 알고리즘 적용이 가능하다는 것을 입증하였다.
그림 2에 보이듯이 인덕터 전류, 필터 캐패시터 양단의 출력전압을 검출하여 이를 제어 궤환값으로 사용하였다. 추가적으로 선로 임피던스 측 출력 전류를 검출하여 가상 인덕턴스의 전압강하를 구하고 결과적으로 얻고자하는 드룹제어 기반의 식을 통한 지령 주파수와 전압을 획득하였다.

성능/효과

그림과 같이 선로 임피던스의 저항성 성분으로 인해 드룹제어 효력은 발생 하지 않게 되고 시스템은 발산하게 된다. 하지만 그림 10(b)처럼 가상 인덕터를 추가한 시스템에서는 높아진 X/R의 비율로 인하여 드룹 제어가 제대로 효력을 발생 하는 것을 확인할 수 있다.
2) 선로 임피던스에 저항 성분이 존재하여 출력 임피던스에 영향을 줄 때 기존의 드룹제어 식은 각각의 P - ω와 Q -E의 관계가 모호해져 드룹제어가 제대로 이루어지지 않는다.
5s까지는 선로 인덕턴스를 DG2선로 인덕턴스를 두 배로 하여 무효전력 부하분담의 오차를 측정하였다. 그림 8처럼 선로 임피던스 불평형이 커짐에 따라 무효전력 부하분담의 오차도 증가하는 것을 확인하고 다양한 선로 임피던스에 대하여 본 논문에서 제안된 알고리즘 적용이 가능하다는 것을 입증하였다.
하지만 불안정 영역의 가상 인덕턴스를 선정한 그림 11(c)는 시스템 불안정을 초래하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 세 가지의 파형을 분석함으로써 설정한 가상 인덕턴스 값이 적당하다는 것을 입증하였다.
08mH으로 설정하였다. 설정한 선로 임피던스를 토대로 1.5s까지 일반적인 드룹제어에 대한 무효전력 부하분담의 오차값을 측정하였고 1.5s부터 2.5s까지 제안된 알고리즘을 통하여 무효전력 부하분담의 오차가 거의 상쇄되는 것을 확인하였다. 추가로 2.
기존 드룹 제어에 실제 선로 임피던스 뿐만 아니라 가상 인덕터에 의한 전압강하까지도 추가적으로 고려함으로써 병렬운전 시에 유효전력과 무효전력의 분담특성이 개선되도록 하였으며 따라서 인버터의 순환전류가 최소화되도록 하였다. 제안된 알고리즘에 대한 시뮬레이션을 수행하여 타당성을 검증하였다.

후속연구

그림 5(a)는 일정한 선로 인덕턴스에서 선로저항의 오차에 따른 그래프를 표현하였고반대로 그림 5(b)는 일정한 선로저항에 대하여 선로 인덕턴스의 오차에 따른 특성을 표현하였다. 다음과 같은 그래프를 토대로 불평형 임피던스에 대한 전압오차 값을 계산하여 본 논문의 제안된 알고리즘을 통해 무효전력의 부하분담 오차를 개선 할수 있다.

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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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