[논문]하이브리드 ESS의 독립 운전 제어

송민수; 이윤서; 김민기; 이예준; 조영훈

하이브리드 ESS의 독립 운전 제어
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송민수 (건국대학교 전력전자연구실) , 이윤서 (건국대학교 전력전자연구실) , 김민기 (건국대학교 전력전자연구실) , 이예준 (건국대학교 전력전자연구실) , 조영훈 (건국대학교 전력전자연구실)

최근 배터리를 사용하는 비상 전력공급시스템에서 무정전전원장치(UPS)의 중요성이 강조되고 있다. UPS는 정전시 부하에 전력을 안정적으로 공급하는 알고리즘이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 UPS의 알고리즘 동작을 검증하기 위하여 하이브리드 ESS의 계통 차단 검출 및 독립 운전 제어를 진행하였다. 이를 위해 단상 풀브릿지 인버터와 양방향 DC/DC 컨버터를 사용하여 제어하였다. 계통연계운전과 독립운전 전환 알고리즘의 동작 확인을 위해 시뮬레이션으로 UPS 독립 운전 제어를 검증하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 UPS 알고리즘 동작을 검증하기 위하여 단상 인버터의 계통 차단 검출 및 독립 운전 제어를 진행하였다. 시뮬레이션 확인 결과 계통연계운전에서 직류단전압과 배터리 전압이 안정적으로 제어되었다.

제안 방법

계통연계모드로 동작을 할 경우 인버터와 컨버터는 양방향으로 전력을 전달할 수 있어야 하므로 인버터의 제어는 직류링크단의 전압과 출력단의 전류제어를 하게 되는 이중루프 구조를 갖도록 설계하였다. 컨버터는 벅 컨버터로 동작하여 제어기는 인버터와 마찬가지로 배터리의 전압과 배터리 전류제어를 하게 되는 이중루프 구조를 갖도록 설계하였다.
모드 절환시 제어기 설계 알고리즘은 그림 4와 같다.계통연계운전시 제어와 독립운전시 검출 및 모드 절환 그리고 독립운전 제어를 상호작용하도록 제어기를 설계하였다.
컨버터는 벅 컨버터로 동작하여 제어기는 인버터와 마찬가지로 배터리의 전압과 배터리 전류제어를 하게 되는 이중루프 구조를 갖도록 설계하였다. 독립운전모드로 동작을 할 경우 인버터는 출력단의 전압과 전류를 제어하는 이중루프 제어기로 설계하고 컨버터는 부스트 컨버터로 동작하여 직류링크단의전압과 전류를 제어하는 이중루프 제어기로 설계하였다. PLL 기법은 APF를 사용한 단상 PLL을 사용하였다.
본 논문에서는 단상 UPS의 운전 방식을 계통연계운전모드와 독립운전모드로 구분하였고, 각 방식에 따른 제어기를 구현 및 알고리즘을 설계하였으며, 모의실험 을통해 이를 검증하였다.
시간지연의 원인이 되는 루프필터와 PI제어기가 없는 단상 계통전압 동기화용 PLL로 계통의 전압을 측정하여 모드 절환시 출력전압의 위상을 추종하도록 설계하였다.부하전압의 리플을 줄이기 위해 부하에 커패시터를 병렬로 연결하여 시뮬레이션을 진행하였다.
PLL 기법은 APF를 사용한 단상 PLL을 사용하였다.시간지연의 원인이 되는 루프필터와 PI제어기가 없는 단상 계통전압 동기화용 PLL로 계통의 전압을 측정하여 모드 절환시 출력전압의 위상을 추종하도록 설계하였다.부하전압의 리플을 줄이기 위해 부하에 커패시터를 병렬로 연결하여 시뮬레이션을 진행하였다.
계통연계모드로 동작을 할 경우 인버터와 컨버터는 양방향으로 전력을 전달할 수 있어야 하므로 인버터의 제어는 직류링크단의 전압과 출력단의 전류제어를 하게 되는 이중루프 구조를 갖도록 설계하였다. 컨버터는 벅 컨버터로 동작하여 제어기는 인버터와 마찬가지로 배터리의 전압과 배터리 전류제어를 하게 되는 이중루프 구조를 갖도록 설계하였다. 독립운전모드로 동작을 할 경우 인버터는 출력단의 전압과 전류를 제어하는 이중루프 제어기로 설계하고 컨버터는 부스트 컨버터로 동작하여 직류링크단의전압과 전류를 제어하는 이중루프 제어기로 설계하였다.

이론/모형

독립운전모드로 동작을 할 경우 인버터는 출력단의 전압과 전류를 제어하는 이중루프 제어기로 설계하고 컨버터는 부스트 컨버터로 동작하여 직류링크단의전압과 전류를 제어하는 이중루프 제어기로 설계하였다. PLL 기법은 APF를 사용한 단상 PLL을 사용하였다.시간지연의 원인이 되는 루프필터와 PI제어기가 없는 단상 계통전압 동기화용 PLL로 계통의 전압을 측정하여 모드 절환시 출력전압의 위상을 추종하도록 설계하였다.

성능/효과

시뮬레이션 확인 결과 계통연계운전에서 직류단전압과 배터리 전압이 안정적으로 제어되었다. 2초때 계통사고가 발생하였을 때, 2msec 정도의 계통사고 검출 후, PLL로 전압위상을 추종하면서 독립운전으로 모드 절환되는 모습을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 UPS 알고리즘 동작을 검증하기 위하여 단상 인버터의 계통 차단 검출 및 독립 운전 제어를 진행하였다. 시뮬레이션 확인 결과 계통연계운전에서 직류단전압과 배터리 전압이 안정적으로 제어되었다. 2초때 계통사고가 발생하였을 때, 2msec 정도의 계통사고 검출 후, PLL로 전압위상을 추종하면서 독립운전으로 모드 절환되는 모습을 확인할 수 있었다.

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