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.
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.
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...
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 the performance of the AC microgrid system. This is because of the limited voltage regulation capability and mixed power flow in the voltage source inverter. In order to overcome the unbalanced load condition, this paper proposes a voltage and current control algorithm for the 4-leg inverter based on the single phase d-q control method, as well as the modeling of the voltage controller using Matlab/Simulink S/W. From the S/W simulation and experiment of the 250KW proto-type inverter, it is confirmed that the proposed algorithm is a useful tool for the design and operation of the AC microgrid system.
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 the performance of the AC microgrid system. This is because of the limited voltage regulation capability and mixed power flow in the voltage source inverter. In order to overcome the unbalanced load condition, this paper proposes a voltage and current control algorithm for the 4-leg inverter based on the single phase d-q control method, as well as the modeling of the voltage controller using Matlab/Simulink S/W. From the S/W simulation and experiment of the 250KW proto-type inverter, it is confirmed that the proposed algorithm is a useful tool for the design and operation of the AC microgrid system.
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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.
제안 방법
그림 10에서 부하는 단상 혹은 3상의 R-L 부하이며,Energy Sinking 모드를 모의하기 위하여 인버터의 출력단에 출력전압과 동일위상의 전류원을 추가하여, 태양광발전과 같은 신재생전원용 인버터를 연계하였다. 또한,본 논문에서 제안한 4-Leg 방식 인버터의 각상 개별제어알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여 3장에서 수행한모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행하였다.
한편, 그림 12와 그림 13은 이러한 조건에서 각상 개별제어방식과 기존의 3상 일괄 제어방식의 성능을 나타낸 것으로 위에서부터 출력 상전압, 부하 전류, 계통전압의 dqo 성분, 부하 전류의 dqo 성분을 나타낸다. 또한 좌로부터 50% 평형부하, 불평형부하, 100% 평형부하 및,불평형 Sinking 상태 등으로 조건을 변경해가며 4가지 파형을 측정한 결과이다.
각 상전압인 Van, Vbn, Vcn에 대해서 전역통과필터를 이용하여 αβ 성분으로 변환하고, 이를 각 상 전압의 위상을 기준위상으로 하여 dqo 변환을 수행하며, 각 상에 대하여 dq 전압을 산정하여 이를 피드백 신호로 사용한다. 또한, 전압제어기는 각 상에 대하여 각각 d-축, q-축 전압제어기를 구성하였으며, 각 전압제어기에서 전류보상은 하지 않았다. 각상의 전압제어기의 출력인 Vdx*, Vqx*(여기서 x는 a, b, c)를 abc 좌표계로역변환하여 Va*, Vb*, Vc*를 구하며, 옵셋 PWM 블록에서 4개 Leg의 스위칭 패턴으로 사용한다.
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. 또한, 토폴로지상 3상 4-Leg 인버터는 3개의 단상 인버터와 동일한 특성을 나타내므로 여기서는 단상 인버터의 제어 방식을 적용하였다. 이를 통해 4-Leg 인버터는 각 상전류 또는 전압을 개별적으로 제어할 수 있다.
그림 10에서 부하는 단상 혹은 3상의 R-L 부하이며,Energy Sinking 모드를 모의하기 위하여 인버터의 출력단에 출력전압과 동일위상의 전류원을 추가하여, 태양광발전과 같은 신재생전원용 인버터를 연계하였다. 또한,본 논문에서 제안한 4-Leg 방식 인버터의 각상 개별제어알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여 3장에서 수행한모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 수행하였다. 여기서,4-Leg 방식 인버터는 700V의 DC 입력, 10kHz의 스위칭 주파수를 적용하였으며, 이에 대한 상세 사양은 표 1과 같다.
본 논문에서 제안한 각상 개별제어 알고리즘의 제어 특성을 분석하기 위하여, Matlab S/W를 이용하여 4-Leg 방식의 인버터와 전압제어기 모델링을 수행하였다.
여기서 Matlab Simulink는 계산 시간을 최소화하기 위해 전압제어 모드 인버터를 제외하고는 단순화 시켜모델링을 수행하였다. 예를 들어, PV 인버터는 정전류 소스로 간단히 모델링되었고, 전압제어 모드 인버터는샘플링 시간 등을 고려하여 상세하게 모델링하였다.
데이터처리
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. 이 모델링을 기반으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 불평형 부하에 대한 인버터의 출력전압 제어 특성이 정상상태에서는 기존의 방식과 비슷하지만, 과도상태에서는 본 논문에서 제안한 각상 개별 제어기법이 우수함을 확인할 수 있었다.
표 2 및 그림 14와 같이, 250KW급 3상4선식 인버터를 구현하여 시험을 수행하였으며 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다.
이론/모형
본 연구에서 제안한 각상별 제어방식과 기존의 제어방식을 비교하기 위하여 기존의 일괄 dqo변환 방식의 전압제어기를 그림 8와 같이 Matlab Simulink를 이용하여 모델링을 수행하였다. 기존의 일괄 dqo변환 방식은 3상 전압을 회전동기좌표계로 변환한 Vde, Vqe, Voe 피드백 전압을 바탕으로 각각 전압제어를 수행하며, 그 출력인 Vde*, Vqe*, Voe*를 dqo-to-abc 좌표계로 역변환하고, 그것을 Offset PWM을 적용하여 4-Leg의 스위칭패턴으로 제어하는 방법이다.
성능/효과
250kW급 시제품에 의한 시험을 통하여 충방전 운전 시 평형부하에 대하여 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 특히 방전운전시에 한상의 부하를 0으로 한 극단적인 불평형 부하 조건에서도 양호한 상전압 제어특성을 나타내어, 상용전원 수준의 전력품질을 유지할 수 있음을 확인하였다.
또한, 그림 12, 13의 사각형 점선부분은 전압제어 모드 인버터에 2상의 전류는 충전, 한상의 전류는 방전하는 극단적인 부하 불평형 조건에서 Energy Sinking 상태가 이루어지는 메커니즘을 나타낸 것이며, 두 경우 모두세 번째 계통전압의 dqo 성분 및, 네 번째 부하 전류의dqo 성분이 공진을 일으키거나 발산하지 않고 안정적으로 수렴하는 등 전압제어기가 안정적으로 수행되고 있음을 확인하였다.
특히 방전운전시에 한상의 부하를 0으로 한 극단적인 불평형 부하 조건에서도 양호한 상전압 제어특성을 나타내어, 상용전원 수준의 전력품질을 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한, 전압제어 운전 중 가장 가혹한 조건인 2상은 방전, 한상은 충전하는 극단적인 불평형 조건에서도 THD는 0.99%, 전압불평형율은 0.6%, Sinking 되는 상의 전류 THDi는 2.92%를 유지하며 인버터가 정상적으로 동작함을 확인하였다.
이 그림에서와 같이, 불평형 부하에 대한 인버터의 출력전압은 정상상태에서는 비슷한 특성을 나타내고 있지만, 과도상태에서는 원형점선으로 표시한바와 같이 계통 전압 dqo의 변동 측면에서 각상 개별 제어방식을 적용한 3상 4-Leg 인버터의 특성이 개선되었음을 확인하였다. 이것은 불평형 부하조건에 있어서, 각 상에 대한 직접 보상이 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다.
또한, 제안한 알고리즘의 유효성을 확인하기 위하여, Matlab/ Simulink를 이용하여 전압제어기의 모델링을 수행하였다. 이 모델링을 기반으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 불평형 부하에 대한 인버터의 출력전압 제어 특성이 정상상태에서는 기존의 방식과 비슷하지만, 과도상태에서는 본 논문에서 제안한 각상 개별 제어기법이 우수함을 확인할 수 있었다.
250kW급 시제품에 의한 시험을 통하여 충방전 운전 시 평형부하에 대하여 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 특히 방전운전시에 한상의 부하를 0으로 한 극단적인 불평형 부하 조건에서도 양호한 상전압 제어특성을 나타내어, 상용전원 수준의 전력품질을 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한, 전압제어 운전 중 가장 가혹한 조건인 2상은 방전, 한상은 충전하는 극단적인 불평형 조건에서도 THD는 0.
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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