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문제 정의
- 본 논문에서는 ESS기능과 UPS기능을 모두 갖는 더블컨버젼 방식의 하이브리드 ESS를 제안한다. 그림 3은 제안하는 하이브리드 ESS의 구성과 모드별 전력흐름을 나타낸다.
- 본 논문에서는 ESS와 UPS를 하나의 시스템으로 통합하여 비상발전기능과 수요관리기능을 모두 갖는 하이브리드 ESS를 제안하였다. 이를 통해 정전 시에만 사용되던 기존의 UPS 배터리를 수요관리에 이용함으로써 배터리의 이용률을 높일 수 있었다.
제안 방법
- DC-DC컨버터는 배터리의 충·방전 전류와 DC링크단의 전류리플을 줄이고 스위치 전류정격 감소를 위해 양방향 인터리빙 구조의 토폴로지를 적용하였다.
- 제안하는 알고리즘은 세 개의 전압 제어기와 하나의 전류제어기로 구성되어 있다. 각각의 전압제어기는 동작상황에 따라 포화되거나 활성화되는 동작을 하는데, 포화된 제어기가 활성화 되었을 때 포화된 적분기의 누적 오차로 인한 제어기의 오작동을 막기위하여 안티와인드업(Anti-windup)[8]을 사용하였다.
- 이를 통해 정전 시에만 사용되던 기존의 UPS 배터리를 수요관리에 이용함으로써 배터리의 이용률을 높일 수 있었다. 또한 제안하는 하이브리드 ESS의 전력흐름별 모드를 정의하였고, 수요관리 모드와 비상발전모드 간 모드전환을 위해 급속 모드전환 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘에 의해 VFI부하뿐만 아니라 VFD부하에도 끊김없는 무정전의 전원을 공급하는 것이 가능하여 시스템의 비상발전용량을 증대시킬 수 있었다.
- 반면에 Offline UPS는 계통의 정전, 순간 전압강하, 순간전압상승에 대해서만 중요부하에 무정전의 전압을 보장하며 부하는 VFD(Voltage and frequency dependent)특성을 갖는다. 본 논문에서는 Offline UPS의 부하를 VFD부하로, Online UPS의 부하를 VFI부하로 정의한다. 그림 2는 수요관리기능과 비상 발전기능을 모두 수행하기 위하여 각각 250kW급 ESS와 UPS, VFI부하로 구성된 기존의 시스템을 나타낸다.
- 더욱이 제안하는 시스템은 기존시스템의 250kW급 VFI부하 이외에도 250kW급 VFD부하에 추가적으로 비상전원을 공급할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 제안한 하이브리드 ESS의 각 동작모드를 정의하고, 정전 시 모드전환에 의한 VFD부하의 과도상태를 최소화하여 양질의 전원을 공급할 수 있는 급속 모드전환 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 5kW급 축소시작품을 통한 실험으로 검증하였다.
- 그림 4는 제안하는 하이브리드 ESS의 구조를 나타낸다. 제안하는 시스템은 더블컨버젼 방식의 구조로, 각각 250kW급 AC-DC컨버터와 DC-AC인버터, 500kW급 DC-DC컨버터, 배터리, VFI부하, VFD부하, 일반부하로 구성된다.
- 본 논문에서는 제안한 하이브리드 ESS의 각 동작모드를 정의하고, 정전 시 모드전환에 의한 VFD부하의 과도상태를 최소화하여 양질의 전원을 공급할 수 있는 급속 모드전환 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 5kW급 축소시작품을 통한 실험으로 검증하였다.
- 을 나타낸 그림이다. 제안하는 알고리즘은 세 개의 전압 제어기와 하나의 전류제어기로 구성되어 있다. 각각의 전압제어기는 동작상황에 따라 포화되거나 활성화되는 동작을 하는데, 포화된 제어기가 활성화 되었을 때 포화된 적분기의 누적 오차로 인한 제어기의 오작동을 막기위하여 안티와인드업(Anti-windup)[8]을 사용하였다.
- 이때 AC-DC컨버터는 캐패시터 전압을 계통전압의 크기와 동일하게 제어함으로써 VFD부하에 안정적인 전원을 공급하는 동작을 수행한다. 제안하는 알고리즘은 시스템의 동작모드에 관계없이 캐패시터 전압제어기가 항상 캐패시터의 전압을 제어하는 동작을 하고 있기 때문에 모드전환 시에 제어기의 절체가 없다. 따라서 DC링크 전압제어에서 VFD부하의 전압제어로 제어타겟이 변경되더라도 과도상태가 적고, VFD부하에 일정한 전압을 공급하는 것이 가능하다.
- 을 나타내는 그림이다. 제안하는 알고리즘은 외부에 DC링크 전압제어기와 중간에 계통측 인덕터 전류제어기, 내부의 캐패시터 전압제어기로 구성된다.
- 제안하는 제어 알고리즘은 배터리 충·방전 제어기와 DC링크 전압 제어기를 가변리미터를 이용하여 하나로 통합한 구조로서 계통이 정상일 때에는 배터리 충·방전 동 작을 통해 수요관리모드로 동작한다.
- 에 비해 효율은 다소 낮지만 VFI부하에 항상 고품질의 안정적인 전압을 공급할 수 있고, 계통의 외란을 효과적으로 차단할 수 있는 장점을 갖는다. 제안하는 하이브리드 ESS는 이중변환 구조로 인해 발생하는 손실을 최소화하기 위해 AC-DC컨버터와 DC-AC인 버터에 3-레벨 토폴로지를 적용하였다[3]. 또한 3-레벨토폴로지 중 NPC 구조보다 다이오드 개수가 적고, 5～20kHz 스위칭 주파수 대역에서 도통손실이 작은 T-type 구조의 토폴로지를 선정하였다[4][5].
- 제안하는 하이브리드 ESS는 정전 발생 시 DC링크 전압을 제어하던 AC-DC컨버터는 VFD부하에 무정전의 전원을 공급해야 한다. 하지만 정전이 발생한 즉시 모드 전환이 이루어지지 않으면 정전을 검출하기 전(clearingtime)까지 큰 과도상태가 생기게 되기 때문에 수요관리모드에서 배터리 전류제어를 하던 DC-DC컨버터는 DC링크 전압을 일정하게 제어하는 모드로 즉시 전환되어야 한다.
- 그림 11은 제안하는 하이브리드ESS의 5kW급 축소 시작품 제작 사진이다. 제작한 축소 시작품은 듀얼코어DSP TMS320F28377D와 CPLD를 사용하여 3-레벨 AC-DC컨버터와 3-레벨 DC-AC인버터, 양방향 인터리빙 DC-DC컨버터를 통합 제어하였다. 3개의 PCS를 통합제어 하는데 요구되는 28개의 PWM 신호는 CPLD를 이용하여 포트를 확장하여 사용하였다.
대상 데이터
- 제작한 축소 시작품은 듀얼코어DSP TMS320F28377D와 CPLD를 사용하여 3-레벨 AC-DC컨버터와 3-레벨 DC-AC인버터, 양방향 인터리빙 DC-DC컨버터를 통합 제어하였다. 3개의 PCS를 통합제어 하는데 요구되는 28개의 PWM 신호는 CPLD를 이용하여 포트를 확장하여 사용하였다. 실험을 진행한 하이브리드 ESS의 사양은 표 1과 같다.
- 제안하는 하이브리드 ESS는 이중변환 구조로 인해 발생하는 손실을 최소화하기 위해 AC-DC컨버터와 DC-AC인 버터에 3-레벨 토폴로지를 적용하였다[3]. 또한 3-레벨토폴로지 중 NPC 구조보다 다이오드 개수가 적고, 5～20kHz 스위칭 주파수 대역에서 도통손실이 작은 T-type 구조의 토폴로지를 선정하였다[4][5]. DC-DC컨버터는 배터리의 충·방전 전류와 DC링크단의 전류리플을 줄이고 스위치 전류정격 감소를 위해 양방향 인터리빙 구조의 토폴로지를 적용하였다.
성능/효과
- 제안하는 시스템은 기존의 ESS와 UPS의 PCS뿐만 아니라 배터리를 통합하여 수요관리와 비상발전기능을 수행하는데 사용함으로써 배터리의 이용률을 높이는 것이 가능하다. 더욱이 제안하는 시스템은 기존시스템의 250kW급 VFI부하 이외에도 250kW급 VFD부하에 추가적으로 비상전원을 공급할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 제안한 하이브리드 ESS의 각 동작모드를 정의하고, 정전 시 모드전환에 의한 VFD부하의 과도상태를 최소화하여 양질의 전원을 공급할 수 있는 급속 모드전환 알고리즘을 제안한다.
- 이때 배터리 방전량이 줄고 DC링크 전압이 DC-DC컨버터에 의해 470V로 제어되는 것을 확인할 수 있다. 또한 DC링크 전압을 일정하게 제어하던 AC-DC컨버터는 제어타겟을 바꾸어 VFD부하의 전압을 일정하게 제어하는 것을 확인할 수 있다. 그림 16의 결과를 통해 정전 시 AC-DC컨버터와 DC-DC컨버터에서 각각 끊김없는 모드전환이 일어나는 것을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서는 ESS와 UPS를 하나의 시스템으로 통합하여 비상발전기능과 수요관리기능을 모두 갖는 하이브리드 ESS를 제안하였다. 이를 통해 정전 시에만 사용되던 기존의 UPS 배터리를 수요관리에 이용함으로써 배터리의 이용률을 높일 수 있었다. 또한 제안하는 하이브리드 ESS의 전력흐름별 모드를 정의하였고, 수요관리 모드와 비상발전모드 간 모드전환을 위해 급속 모드전환 알고리즘을 제안하였다.
- (a)는 Mode 1에서 Mode 4로 전환될 때의 상황으로, DC-DC컨버터가 배터리를 충전하는 상황에서 정전이 발생하여 AC-DC컨버터와 DC-DC컨버터에 각각 모드전환이 일어나는 상황을 보여준다. 정전이 발생하여 수요관리모드에서 비상발전모드로 모드전환이 발생하더라도 VFI부하의 전압(vci)과 전류(iVFI)는 일정하게 제어되는 것을 확인할 수 있다. 또한 정전으로 인해 계통측 전류(ig)가 0이 되고, 배터리를 충전하는 중 정전이 발생하였기 때문에 DC링크 전압(vdc,P + vdc,N)은 감소하기 시작한다.
- 제안하는 시스템에 적용한 더블컨버젼 방식은 델타컨버젼 방식[2]에 비해 효율은 다소 낮지만 VFI부하에 항상 고품질의 안정적인 전압을 공급할 수 있고, 계통의 외란을 효과적으로 차단할 수 있는 장점을 갖는다. 제안하는 하이브리드 ESS는 이중변환 구조로 인해 발생하는 손실을 최소화하기 위해 AC-DC컨버터와 DC-AC인 버터에 3-레벨 토폴로지를 적용하였다[3].
- 그림 3은 제안하는 하이브리드 ESS의 구성과 모드별 전력흐름을 나타낸다. 제안하는 시스템은 기존의 ESS와 UPS의 PCS뿐만 아니라 배터리를 통합하여 수요관리와 비상발전기능을 수행하는데 사용함으로써 배터리의 이용률을 높이는 것이 가능하다. 더욱이 제안하는 시스템은 기존시스템의 250kW급 VFI부하 이외에도 250kW급 VFD부하에 추가적으로 비상전원을 공급할 수 있다는 장점이 있다.
- 또한 제안하는 하이브리드 ESS의 전력흐름별 모드를 정의하였고, 수요관리 모드와 비상발전모드 간 모드전환을 위해 급속 모드전환 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘에 의해 VFI부하뿐만 아니라 VFD부하에도 끊김없는 무정전의 전원을 공급하는 것이 가능하여 시스템의 비상발전용량을 증대시킬 수 있었다. 제안한 제어알고리즘은 PSIM을 이용한 시뮬레이션과 5kW급 축소 시작품을 통한 실험결과로 타당성이 입증 되었다.
- 제안한 알고리즘에 의해 VFI부하뿐만 아니라 VFD부하에도 끊김없는 무정전의 전원을 공급하는 것이 가능하여 시스템의 비상발전용량을 증대시킬 수 있었다. 제안한 제어알고리즘은 PSIM을 이용한 시뮬레이션과 5kW급 축소 시작품을 통한 실험결과로 타당성이 입증 되었다.
후속연구
- 이 역시 신속하게 이루어지지 못하면 DC링크 전압에 큰 과도상태가 발생하여 반도체 소자의 과전압을 야기하고 중요부하의 전압품질이 저하된다. 따라서 제안하는 하이브리드 ESS는 AC-DC 컨버터와 DC-DC컨버터에 끊김없는 모드전환 알고리즘이 필요하다.
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