[논문]마이크로그리드에서 에너지 저장시스템을 위한 무순단 절체 기능을 갖는 계통연계형 인버터의 병렬운전 제어기법

박성열; 김주하; 정아진; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2016.21.3.200

마이크로그리드에서 에너지 저장시스템을 위한 무순단 절체 기능을 갖는 계통연계형 인버터의 병렬운전 제어기법
Parallel Operation Control Method of Grid-connected Inverters with Seamless Transfer for Energy Storage System in Microgrid 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.3, 2016년, pp.200 - 206

박성열 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 김주하 (Vehicle Control Technology) , 정아진 (Korea Automotive Technology Institute) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In the microgrid, inverters for energy storage system are generally constructed in a parallel structure because of capacity expandability, convenience of system maintenance, and reliability improvement. Parallel inverters are required to provide stable voltage to the critical load in PCC and to accurately share the current between each inverter. Furthermore, when islanding occurs, the inverters should change its operating mode from grid-connected mode to stand-alone mode. However, during clearing time and control mode change, the conventional control method has a negative impact on the critical load, that is, severe fluctuating voltage. In this study, a parallel operation control method is proposed. This method provides seamless mode transfer for the entire transition period, including clearing time and control mode change, and has accurate current sharing between each inverter. The proposed control method is validated through simulation and experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안하는 방법은 병렬 인버터 간의 정확한 전류 분담이 가능하게 하며, clearing time과 모드 전환 시에도 중요부하에 안정적인 전압을 공급할 수 있다. PSIM을 이용한 모의 실험과 1kW급 축소시작품을 통한 실험 결과로 본 논문의 타당성을 입증하였다.
본 논문에서는 clearing time과 모드 전환 시 중요부하에 안정적인 전압 공급과 각 인버터간의 정확한 전류분담이 가능하게 하는 병렬 운전 제어 기법을 제안한다.
본 논문에서는 중요부하를 가지는 마이크로그리드에서 ESS용 병렬 인버터에 적합한 병렬 운전 제어 기법을 제안하였다. 제안하는 방법은 병렬 인버터 간의 정확한 전류 분담이 가능하게 하며, clearing time과 모드 전환 시에도 중요부하에 안정적인 전압을 공급할 수 있다.

가설 설정

(a) Inverter power is 0.5kW and (b) Inverter power is 1.4kW during grid connected mode.

제안 방법

마스터, 슬레이브 인버터 각 1대씩 구성하였다. 인버터의 IGBT는 세미크론사의 SKM75GB128D를 사용하였고 DSP(TMS320F28335)프로세서를 이용하여 제어보드를 구성하였으며, 모드 전환을 위한 SW로 MC(Magnetic Contactor)를 이용하여 계통과의 접속/차단이 이루어지게 하였다. 그림 12는 축소 시작품의 사진이다.

데이터처리

제안하는 제어기법을 검증하기 위하여 PSIM 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 마스터, 슬레이브 인버터 각 1대씩 구성 하였으며 시뮬레이션 및 실험을 위한 시스템 파라미터는 표 1과 같다.

성능/효과

그림 4는 기존 제어 방법을 적용한 인버터에서 단독운전이 일어났을 경우의 시뮬레이션 파형이다. cleraring time에 출력전압의 크기, 주파수가 등이 크게 변동하고, 모드 전환 시 과도상태가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그림 10은 저항 및 리액턴스 성분이 포함된 부하조건에서 계통연계 중 단독운전이 발생한 상황을 시뮬레이션 한 것이다. 기존 제어에서는 그림 4와 같이 clearing time동안 부하 전압의 크기, 주파수가 변동하고 모드전환 시에도 과도상태가 발생하여 부하에 불안정한 전압을 공급하게 되지만, 제안한 제어 기법이 적용한 시뮬레이션 결과에서는 clearing time동안에 전압의 크기 및 주파수 변동이 거의 없으며, 모드전환 시에도 과도상태 없이 전환되는 것을 확인할 수 있다.
그림 13과 그림 14는 각각 독립운전과 계통연계 상황에서 각 인버터의 전류 분담이 정확히 되는 것을 검증한 실험 파형이며, 그림 15는 계통연계 중 단독운전이 발생하였을 때 clearing time과 모드전환 시를 측정한 실험 파형이다. 시뮬레이션 파형과 동일하게 부하에 항상 안정적인 전압이 공급되는 것을 확인할 수 있다. 그림 15(a)는 계통연계 시 인버터 출력 전력이 부하 전력보다 큰 경우이며, 그림 15(b)는 계통연계 시 인버터 출력 전력이 부하 전력보다 작은 경우이다.
본 논문에서는 중요부하를 가지는 마이크로그리드에서 ESS용 병렬 인버터에 적합한 병렬 운전 제어 기법을 제안하였다. 제안하는 방법은 병렬 인버터 간의 정확한 전류 분담이 가능하게 하며, clearing time과 모드 전환 시에도 중요부하에 안정적인 전압을 공급할 수 있다. PSIM을 이용한 모의 실험과 1kW급 축소시작품을 통한 실험 결과로 본 논문의 타당성을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESS용 병렬 인버터의 기존 제어 기법은 단독운전 상황에서 어떤 문제점을 갖는가?	그러나 계통이상 등으로 인해 Recloser가 차단되면 인버터가 이를 감지하지 못하고 부하에 지속적으로 전력을 공급하는 단독운전 상황이 발생하게 되는데, 인버터는 이를 감지하여 계통과의 연결을 끊고 전류제어를 하는 계통연계모드에서 출력 전압을 제어하는 독립운전 모드로 전환하여 중요 부하에 안정적인 전력을 공급하여야 한다.[7] 그러나 기존 제어 기법은 단독운전 상황인 clearing time동안 부하전압이 변동할 수 있고, 독립운전으로 모드 전환 시 과도상태가 발생할 수 있어 중요부하에 악영향을 끼질 수 있다. 따라서 단독운전 검출 전 뿐 아니라 모드 전환 시에도 부하전압의 과도현상을 최소화하는 모드 전환기법이 필수적이다.
	모듈화 된 인버터에 병렬 운전 제어기법이 요구되는 이유는?	[3][4] 마이크로그리드에서 ESS용 인버터는 용량의 확장성, 시스템의 보수편리, 신뢰성 향상 등의 이유로 주로 모듈화되어 진다. 그러나 모듈화 된 인버터는 모듈 간 특성 차이로 인해 순환 전류가 발생할 수 있기 때문에 정확한 전류 분담이 가능한 병렬 운전 제어기법이 요구된다. 기존의 병렬운전 제어기법은 분산식, 마스터-슬래이브, 집중식 제어방식이 있다.
	ESS용 인버터가 주로 모듈화되는 이유는?	[1][2] 그림 1은 부하 전력을 자체적으로 공급할 수 있는 마이크로그리드의 개념도이다.[3][4] 마이크로그리드에서 ESS용 인버터는 용량의 확장성, 시스템의 보수편리, 신뢰성 향상 등의 이유로 주로 모듈화되어 진다. 그러나 모듈화 된 인버터는 모듈 간 특성 차이로 인해 순환 전류가 발생할 수 있기 때문에 정확한 전류 분담이 가능한 병렬 운전 제어기법이 요구된다.

참고문헌 (9)

D. E. Olivares et al., "Trends in microgrid control," IEEE Trans. Smart Grid, Vol. 5, No. 4, pp. 1905-1919, Jul. 2014.

상세보기
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.

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C. Chen, Y.Wang, J. Lai, Y. Lee and D. Martin, "Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 25, No. 1, pp. 1288-1924, Jan, 2010
X. Chen, Y. H. Wang, and Y. C. Wang, "A novel seamless transferring control method for microgrid based on master-slave configuration," ECCE Asia, IEEE Conference, pp. 351-357, 2013.
K. T. Tan, X. Y. Peng, P. L. So, Y. C. Chu, and M. Z. Q. Chen,., "Centralized control for parallel operation of distributed generation inverters in microgrids," IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 3, No. 4, pp. 1977-1987, Dec. 2012.

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Y. Pei, G. Jiang, X. Yang, and Z. Wang, "Auto-master-slave control technique of parallel inverters in distributed AC power systems and UPS," IEEE Conference, pp. 2050-2053, 2004.
Zhongyi He and Yan Xing, "Distributed control for UPS modules in parallel operation with RMS voltage regulation," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 55, No. 8, pp. 2860-2869, Aug. 2008.
S. J. Yoon, H. M. Oh, and S. W. Choi, "Controller design and implementation of indirect current control based utility-interactive inverter system," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 1, pp. 26-30, Jan. 2013.

상세보기
J. Kwon, S. Yoon, and S. Choi, "Indirect current control for seamless transfer of three-phase utility interactive inverters," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 2, pp. 773-781, Feb. 2012.

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