[논문]수요관리와 비상발전기능을 갖는 새로운 하이브리드 ESS-UPS 시스템의 운영 및 제어전략

김상진; 권민호; 김효준; 최세완; 황동옥; 이동주; 백석민

수요관리와 비상발전기능을 갖는 새로운 하이브리드 ESS-UPS 시스템의 운영 및 제어전략
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김상진 (서울과학기술대학교) , 권민호 (서울과학기술대학교) , 김효준 (서울과학기술대학교) , 최세완 (서울과학기술대학교) , 황동옥 (국제통신공업(주)) , 이동주 (국제통신공업(주)) , 백석민 (국제통신공업(주))

본 논문은 에너지 저장시스템(ESS)과 무정전 전원장치(UPS)를 하나로 통합한 새로운 하이브리드 ESS-UPS 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 ESS와 UPS를 하나로 통합함으로써 전력변환 시스템(PCS)의 가격을 줄이고 배터리의 이용률을 높일 수 있다. 또한 기존의 on-line UPS와는 달리 두 종류의 중요부하를 구성할 수 있어 PCS의 용량대비 비상발전 용량을 증대시키는 것이 가능하다. 본 논문에서는 제안하는 하이브리드 ESS-UPS 시스템의 운영 전략 및 급속 모드전환 알고리즘을 제안하며, 5kW급 축소 시작품을 통한 실험 결과로 타당성을 입증하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 수요관리와 비상발전기능을 모두 갖는 하이브리드 ESS UPS 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템은 VFI부하뿐만 아니라 VFD부하에도 비상전원을 공급함으로써 PCS용량 대비 비상발전용량을 증대시킬 수 있었으며 급속 모드전환 알고리즘을 통해 모드전환 간 발생할 수 있는 과도상태를 최소화 할 수 있었다.

제안 방법

배터리에 저장된 에너지 중 절반은 수요관리에 이용되며, 나머지 절반은 비상시 VFI부 하에 비상전원을 공급하기 위한 최소예비전력으로 항상 남겨 놓는다. 배터리 SOC가 0.5이상인 상황에서 정전이 발생할 경우, 제안하는 시스템은 Mode E1으로 모드를 전환하여 VFD부 하와 VFI부하에 모두 비상전원을 공급하지만, 배터리에 최소예비전력만 남아있을 때 정전이 발생할 경우 Mode E2로 모드를 전환하여 VFI부하에만 비상전원을 공급한다.
여기서 VFI부하는 on line UPS의 부하를 의미하고 VFD 부하는 off line UPS의 부하를 의미한다 ^[1] . 본 논문에서는 정전검출구간 및 모드전환 시 VFD부하에 발생할 수 있는 과도상태를 최소화하고 VFI부하에 안정적인 전원을 공급하기 위해 ac dc컨버터와 dc dc컨버터를 위한 급속 모드전환 알고리즘을 제안하며, 제안한 알고리즘은 5kW급 축소 시작품을 통한 실험으로 검증하였다.
계통이 정상일 경우 ac dc컨버터는 dc링크 전압을 제어하며 dc dc컨버터는 EMS로부터 배터리 전류 지령치를 지령 받아 배터리 전류를 제어한다. 정전이 발생하면 제안하는 시스템은 비상발전모드로 모드를 전환하며, ac dc컨버터는 VFD부하의 전압을 제어하고, dc dc컨버터는 dc링크 전압을 제어 한다. 본 논문에서는 모드전환 시 VFD부하의 과도를 최소한으로 줄여 끊김없는 안정적인 전원을 공급하기 위해 ac dc컨버터와 dc dc컨버터에 무순단 절체 급속 모드전환 알고리즘을 적용하였다^[2][3] .
그림 1은 제안하는 하이브리드 ESS UPS의 구성도를 나타낸다. 제안하는 시스템은 계통이 정상일 때 수요관리를 수행하며, 정전이 발생하면 VFD(Voltage and Frequency Dependent)부하 및 VFI(Voltage and Frequency Independent)부하에 비상전원을 공급한다. 여기서 VFI부하는 on line UPS의 부하를 의미하고 VFD 부하는 off line UPS의 부하를 의미한다 ^[1] .
제안하는 시스템은 기본적으로 on line UPS의 구조와 동일한 구조를 갖기 때문에 하루 중 대부분의 시간동안 Mode D1으로 운영되며, 배터리 방전 일정에 따라 하루에 한번 수요 관리를 위해 Mode D2∼Mode D4로 운영된다.
제안하는 시스템은 전력 사용량이 적고 전기요금이 저렴한 야간에는 배터리를 충전하는 Mode D1으로 운영되며, 전력 사용량이 많고 전기요금이 비싼 주간에는 Mode D2∼Mode D4로 동작하여 수요관리를 수행한다.
제안하는 하이브리드 ESS UPS의 6가지 모드와 정전으로 인한 급속 모드전환 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 5kW급 축소시작품을 제작하여 실험을 진행하였다. 그림 5(a)는 수요관리모드 간 모드전환을 보여주는 실험파형이며, 그림 5(b), (c), (d)는 4가지 수요관리모드의 확대파형을 보여준다.

데이터처리

제안하는 시스템은 VFI부하뿐만 아니라 VFD부하에도 비상전원을 공급함으로써 PCS용량 대비 비상발전용량을 증대시킬 수 있었으며 급속 모드전환 알고리즘을 통해 모드전환 간 발생할 수 있는 과도상태를 최소화 할 수 있었다. 또한 제안하는 시스템은 듀얼코어 DSP TMS320F28377D를 이용하여 통합제어 되었고, 5kW급 축소시작품을 이용한 실험 결과를 통해 성능을 검증하였다.

이론/모형

정전이 발생하면 제안하는 시스템은 비상발전모드로 모드를 전환하며, ac dc컨버터는 VFD부하의 전압을 제어하고, dc dc컨버터는 dc링크 전압을 제어 한다. 본 논문에서는 모드전환 시 VFD부하의 과도를 최소한으로 줄여 끊김없는 안정적인 전원을 공급하기 위해 ac dc컨버터와 dc dc컨버터에 무순단 절체 급속 모드전환 알고리즘을 적용하였다^[2][3] .

성능/효과

본 논문에서는 수요관리와 비상발전기능을 모두 갖는 하이브리드 ESS UPS 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템은 VFI부하뿐만 아니라 VFD부하에도 비상전원을 공급함으로써 PCS용량 대비 비상발전용량을 증대시킬 수 있었으며 급속 모드전환 알고리즘을 통해 모드전환 간 발생할 수 있는 과도상태를 최소화 할 수 있었다. 또한 제안하는 시스템은 듀얼코어 DSP TMS320F28377D를 이용하여 통합제어 되었고, 5kW급 축소시작품을 이용한 실험 결과를 통해 성능을 검증하였다.
최근 ESS기능과 UPS기능을 모두 갖는 하이브리드 ESS UPS에 대한 관심이 급증하고 있다. 제안하는 시스템은 on line UPS의 구조에 고속 계통차단 스위치와 급속 모드전환 알고리즘이 추가된 구조이기 때문에 총 제작 가격의 5% 상승만으로 수요관리와 비상발전기 능을 모두 가질 수 있다는 장점이 있다.

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