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마이크로그리드용 4-Leg 방식 PCS의 각상 개별제어 알고리즘에 관한 연구
Single-phase Control Algorithm of 4-Leg type PCS for Micro-grid System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.11, 2017년, pp.817 - 825  

김승호 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  최성식 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  김승종 (세방전기) ,  노대석 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부)

초록
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AC 방식 마이크로그리드는 다양한 DC/AC 인버터를 AC 네트워크에 연결하여, DC 방식 마이크로그리드의 약점을 극복 하고 있다. 그러나 소규모 마이크로그리드에서 일반적으로 발생하는 심각한 부하 불평형 현상에 의하여, AC 마이크로그리드 시스템의 성능을 약화시킬 수 있다. 이것은 마이크로그리드 내의 불평형 부하로 인하여 상별 에너지 흐름과 전압조정기능이 제한되기 때문이다. 이러한 불평형 전압문제를 해결하기 위하여, 3상 4-Leg 방식의 인버터가 제안되고 있지만, 이를 안정적으로 운용할 수 있는 제어알고리즘이 미비한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 부하 불평형에 의해서 발생하는 인버터의 전압 불평형 문제를 해결하고 안정적으로 제어하기 위하여 d-q제어를 기반으로 3상4선식 인버터의 각상 개별제어 알고리즘을 제안하였다. 또한, 이 알고리즘을 바탕으로 Matlab/Simulink를 이용하여 4-Leg 방식의 전압제어기 모델링을 수행하였다. 이 모델링과 250KW급 시험장치를 바탕으로 인버터의 출력전압 제어특성을 분석한 결과, 정상상태에서는 기존의 방식과 비슷한 특성을 보이지만, 과도상태에서는 제안한 각상 개별제어 방식이 기존의 방식보다 안정적으로 동작하여 제안한 방식의 유용성을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The AC-common bus microgrid system can overcome several weaknesses of the DC microgrid system by interconnecting the DC/AC inverters used for renewable energy with an AC network. Nevertheless, the unbalanced loads inherent in the electric power systems of island and small communities can deteriorate...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 AC 마이크로그리드 시스템의 장점을 최대한 활용할 수 있는 양모드/양방향 4-LEG 인버터의 전압 및 전류 제어 알고리즘을 제안한다. 여기서 PCS의 양모드 기능은 계통연계 모드(전류 제어)와 독립운전 모드(전압 및 주파수 제어)를 원활하게 절체 시킬 수 있음을 의미한다.
  • 기존의 인버터는 전압을 정상분 및역상분으로 나누고, 각 성분에 대한 개별 제어기를 사용하여 전압불평형 문제를 부분적으로 해결할 수 있으나 안정성 측면에서 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 상기의 문제를 해결하기 위하여 4-Leg 하드웨어 기반에서 각 상의 출력전압이 일정하도록 각 상이 독립적으로 개별 제어되는 알고리즘을 제시한다.
  • 한편 양방향 기능은 PCS가 독립운전 모드로 그리드에 전력을 공급(Grid Forming)하는 상태에서 동시에 그리드로부터 잉여전력을 흡수할 수 있음을 의미하며, 이는 마이크로그리드에서 마스터(CVCF) 인버터가 기저전원(Grid Forming) 역할을 하면서 신재생전원의 잉여전력을 흡수할 수 있는 기능으로서 마이크로그리드의 계통안정성에 아주 중요한 요소가 된다. 또한, 본 논문에서는 부하 불평형에 의해서 발생하는 인버터의 전압 불평형 문제를 해결하고 안정적으로 제어하기 위하여 기존의 단상 제어 방법을 조합하여 각상을 개별제어하는 4-LEG 인버터의 각상 개별제어 알고리즘을 제안하였으며, 이러한 알고리즘에 대해 시뮬레이션 및 하드웨어 제작에 의한 시험을 통해 그 유용성을 확인하였다.
  • 본 논문에서는 독립형 마이크로그리드용 4-Leg 방식의 인버터가 불평형 부하에 의하여 발생하는 전압 불평형 문제를 개선하기 위하여, 4-Leg 인버터의 각상 개별제어 알고리즘을 제안하였다. 또한, 제안한 알고리즘의 유효성을 확인하기 위하여, Matlab/ Simulink를 이용하여 전압제어기의 모델링을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 3상4선식 독립형 인버터를 안정적으로 제어하기 위하여, d-q제어를 기반으로 인버터 출력의 각상을 개별로 제어하는 알고리즘을 제시한다. 이러한 d-q 제어 기반의 각 상 개별제어 방식은 일반적인 SVM 방식에 비해 제어기의 수량이 많아지고 변환과정이 복잡한 단점을 가지고 있으나, 기본적으로 전력흐름과 전압 불평형을 각 상별로 개별 제어함으로써 제어 특성을 극대화할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
AC 마이크로그리드 시스템에서 3상평형 시스템으로 설계하였을 때 문제점은? 대부분의 부하는 단상 부하이며 또한, 불평형 상태로 소비되고 있지만, 대용량PV, 풍력 및 ESS용 PCS(Power Conditioning System)는 일반적으로 3상평형 시스템으로 설계되고 있다. 따라서 단상 부하로 인한 불평형 정도가 심각해지는 경우, 3상 PV 출력이 일정 수준에 이르렀을 때 ESS의 전력흐름이 어떤 상은 방전(Suppling), 어떤 상은 충전(Sinking) 상태가 되는 상황이 발생될 수 있으며, 이로 인하여 PCS의 전압조정에 불안정성을 초래할 가능성이 있다[5]. 이러한 불평형 전압문제를 해결하기 위하여 3상 4-LEG 방식의 인버터가 제안되고 있지만, 3상4-LEG 방식의 인버터를 안정적으로 운용할 수 있는 제어알고리즘이 미비한 실정이다.
마이크로그리드의 기본적인 구성은? 독립형 마이크로그리드는 전력계통으로부터 멀리 떨어진 마을이나 섬에서 효과적인 전력공급의 대안으로 간주되어왔다. 마이크로그리드는 기본적으로 ESS, PV(태양광 발전), 풍력 및 소형 수력 발전소와 같은 신재생에너지 및 백업 디젤 발전기로 구성된 시스템이다[1, 2].일반적인 DC 마이크로그리드 시스템은 구성요소의 과다, 신뢰성의 병목현상 및 부하수요 증가 대비 제한된 용량 문제와 같은 단점을 가지고 있다[3, 4].
DC 마이크로그리드 시스템의 단점은? 마이크로그리드는 기본적으로 ESS, PV(태양광 발전), 풍력 및 소형 수력 발전소와 같은 신재생에너지 및 백업 디젤 발전기로 구성된 시스템이다[1, 2].일반적인 DC 마이크로그리드 시스템은 구성요소의 과다, 신뢰성의 병목현상 및 부하수요 증가 대비 제한된 용량 문제와 같은 단점을 가지고 있다[3, 4]. 하지만 AC 마이크로그리드는 다양한 DC/AC 인버터를 AC전원 네트워크에 연결하고 EMS(Energy Management System)를적용하여 DC 마이크로그리드 시스템의 약점을 극복 할 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. T. K. Panigrahi, S. Chowdhury, S. P. Chowdhury, N. Chakraborty, Y. H. Song, "Control & reliability issue of efficient microgrid operation using hybrid distributed energy resources", IEEE PES Power Systems Conference and Exposition(PSCE 2006) proceedings, pp. 797-802, October 29 - November 1, 2006. DOI: https://doi.org/10.1109/PSCE.2006.296417 

  2. M. A. Pedrasa, T. Spooner, "A Survey of Techniques Used to Control Microgrid Generation and Storage during Island Operation", AUPEC 2006. 

  3. Guerrero J. M., Vasquez J. C., Matas J.. et al, "Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids - A general approach toward standardization", IEEE Trans on Ind. Electronics, vol. 58, no. 1, pp. 158-172, 2011. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2066534 

  4. G. DING, F. GAO, S. ZHANG, P. C. LOH, F. BLAABJERG, "Control of hybrid AC/DC microgrid under islanding operational conditions", Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 2, pp. 223-232, September 2014. DOI: https://doi.org/10.1007/s40565-014-0065-z 

  5. Reekers, Jurgen, "AC coupled Hybrid systems and Mini Grids - key components & Applications", CIGRE: International Conference on Large High Voltage Electric Systems, May 2007. 

  6. Dhaval C. Patel R. R. Sawant, M. C. Chandorkar, "Control of Four-Leg Sinewave Output Inverter using Flux Vector Modulation", IEEE 2008. DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2008.4758027 

  7. EYYUP DEMI.RKUTLU, "Output voltage of control of a four-leg inverter based three-phase UPS by means of stationary frame resonant filter banks", A thesis submitted to the graduate school of natural and applied sciences of middle east technical university, December 2006. 

  8. S. Poopathi, "A Simple Structure and Fast Dynamic Response for Single-Phase Grid-Connected DG Systems", International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, vol. 1, no. 3, May 2014. 

  9. Jae-Min Kwon, Kyung-Jung Lee, Hyun-Sik Ahn, "Controller Scheduling and Performance Analysis for Multi-Motor Control", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), Vol. 15, No. 6, pp.71-77, Dec. 31, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2015.15.6.71 

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