초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 기존 개별 풍력/태양광 발전 시스템이 아닌 상호보완적 PCS 구조를 갖는 풍력-태양광-배터리 복합 신재생에너지 시스템 구조를 개발하고, 고효율/고성능 시스템을 위한 모델 예측제어 기반의 제어 시스템과 고신뢰성을 갖춘 시스템을 구축하는 것임. 이를 위해 1) 풍력 터빈 구동 PMSG 제어를 위한 전류원 정류기, 계통 연계 SCR six-step 전류원 인버터 및 전류원 인버터의 출력 전류 filtering과 SCR 전류원 컨버터의 commutation을 위한 multi function co

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 기존 개별 풍력/태양광 발전 시스템이 아닌 상호보완적 PCS 구조를 갖는 풍력-태양광-배터리 복합 신재생에너지 시스템 구조를 개발하고, 고효율/고성능 시스템을 위한 모델 예측제어 기반의 제어 시스템과 고신뢰성을 갖춘 시스템을 구축하는 것임. 이를 위해 1) 풍력 터빈 구동 PMSG 제어를 위한 전류원 정류기, 계통 연계 SCR six-step 전류원 인버터 및 전류원 인버터의 출력 전류 filtering과 SCR 전류원 컨버터의 commutation을 위한 multi function converter (MFC)를 개발하여 복합 신재생에너지 시스템 구조를 확립했고 2) 확립한 구조의 고효율/고성능을 위해 MFC의 스위칭 손실을 줄이는 고효율의 모델예측제어 알고리즘, 계통 전류의 품질을 높이기 위한 MFC용 모델 예측 제어 알고리즘, 공통모드 전압을 줄이는 MFC용 모델 예측 제어 알고리즘 및 계통전압의 왜곡을 보상할 수 있는 고성능의 제어 알고리즘을 개발했고 3) 제안한 시스템의 고신뢰성을 얻기 위해 각 부분의 고장 후 계통의 영향을 시뮬레이터를 통해 분석하고, 각 Multi-agent기반의 고장 진단 시스템 및 허용 구조 개발하였음. 이를 통해 최종 목표인 상호보완적 PCS 구조의 복합발 신재생시스템 개발, 고효율/고성능 제어 시스템 및 고신뢰성 시스템 개발을 달성하였음.

연구결과
상호보완적 power conditioning system (PCS) 구조를 가지는 풍력-태양광-배터리 복합 신재생 에너지 시스템 구조 개발: 대형풍력발전용 PCS를 위하여 대용량/대전력 시스템에서 가격 경쟁력이 우수한 SCR기반 six-step 전류원 컨버터를 개발함. 태양광 발전용 PCS는 IGBT 기반 전압원 인버터 구조로 설계하고, 풍력 발전용 SCR기반 전류원 인버터의 고조파 전류성분을 제거하는 active filtering기능, AC라인특성을 고려하여 풍력발전용 SCR기반 전류원 인버터를 commutation시키는 기능을 동시에 수행할 수 있는 Multi-functional converter (MFC)로 개발하여 상호보완적 PCS 구조를 구축함.

복합 신재생에너지 시스템을 위한 모델예측제어 기반의 고효율/고성능 특성을 갖는 제어 알고리즘 개발: 복합 신재생에너지 시스템의 효율 및 성능 향상을 위해 MFC용 모델예측제어 알고리즘을 개발함. 스위칭 손실을 줄이기 위한 벡터 사전 선택 기법 및 최적의 제로 벡터 선택 기법 기반의 고효율 모델예측제어 알고리즘을 개발함. 2 벡터 선택 기반 모델예측제어와 전류 오차와 리플을 줄일 수 있는 모델예측제어 알고리즘 개발하여 고품질의 전류를 생성이 가능함. 공통모드 전압을 저감시키는 모델예측제어 알고리즘을 개발하고 복합 신재생에너지 시스템 내 존재하는 모델 불확실성 및 입력 왜곡 현상을 극복하기 위해 디지털 필터를 기반으로 고조파 성분으로 왜곡된 입력전압이 발생하여도 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 모델예측제어 알고리즘을 개발함. 복합 신재생 에너지 시스템 고장 발생 시 현상 해석 및 multi-agent 기반 고장 진단 알고리즘과 고장허용 구조 개발: 복합 신재생에너지 시스템 내 고장 발생시 계통 및 전체 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위한 시뮬레이터를 개발하고 고장 발생 지점에 따라 상호보완적 PCS 출력 및 계통의 영향에 대한 해석 및 분석을 통해 가장 fragile한 agent를 분류함. 복합 신재생에너지 시스템 내 PCS의 스위칭 소자, 수동소자, 전류 센서 등의 multi-agent 기반 고장 진단 시스템을 개발하고 고장 전류를 제한할 수 있는 시스템 구조를 개발함. 복합 신재생에너지 시스템의 풍력 또는 태양광 PCS의 고장 발생 이후 정상동작하는 신재생 에너지원만을 활용한 system redundant 형태 및 MFC에 여분의 한 상을 추가한 4-LEG 기반 phase redundant 형태를 갖는 고장 허용 전력전달 구조 및 알고리즘을 연구 개발하여 고신뢰성을 확보함.

연구결과의 활용계획
본 연구의 복합 신재생에너지 발전 시스템의 중요 연구결과를 국내 및 해외 학술대회에 발표하고 참여기업에 기술이전을 논의 및 계획한다. 기술이전을 통해 상호보완적 PCS 구조와 같이 서로 다른 스위칭 소자를 이용한 새로운 구조 및 시스템에 활용할 수 있음. 또한, 태양광 발전용 MFC의 구조인 2-레벨 인버터를 멀티레벨 또는 다중 병렬 구조를 갖는 대용량 MFC로 활용하여 기존 2-레벨 MFC보다 더 많은 전력을 공급할 수 있음. 멀티레벨 또는 다중 병렬 구조와 같이 복잡해진 시스템에 대하여 새로운 모델 예측 제어 알고리즘을 연구하고 스위칭 소자 증가에 따른 스위칭 손실을 최소화 할 수 있는 고효율 알고리즘, 입력 dc 링크 커패시터의 셀 밸런싱을 맞추는 제어 알고리즘 개발 등의 후속 연구를 진행할 계획임.

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
The purpose of this study is to develop the wind turbine-solar-battery hybrid renewable energy system structure with collaborative PCS structure instead of existing individual wind / photovoltaic power generation system and the control method based on model predictive control for

Purpose&contents
The purpose of this study is to develop the wind turbine-solar-battery hybrid renewable energy system structure with collaborative PCS structure instead of existing individual wind / photovoltaic power generation system and the control method based on model predictive control for high efficiency / high performance system System and a highly reliable system. For this purpose, 1) a multi-function converter (MFC) for commutation of SCR current source converter and output current filtering of current source rectifier, grid-connected SCR six-step current source inverter and current source inverter for wind turbine driven PMSG control were developed, thus system structure was established. 2) For high efficiency / high performance of established structure, model-predictive control algorithm with high efficiency for reducing switching loss of MFC, model predictive control algorithm for MFC to improve the grid current quality, model predictive control algorithm for MFC to reduce common mode voltage and a high-performance control algorithm that can compensate for system voltage distortion were developed. 3) In order to obtain high reliability of the proposed system, the influence of the system after the failure of each part was analyzed through the simulator and fault detection system based on each multi-agent was developed. As a result, we achieved the final goal of development of a compound renewable energy system with collaborative PCS, a high efficiency / high performance control system and a high reliability system.

Result
Development of wind power-solar-battery compound renewable energy system structure with complementary power conditioning system (PCS) structure: We developed SCR-based six-step current source converters with excellent price competitiveness in large capacity / high power systems for large scale wind power PCS. PCS for solar power generation was designed with IGBT-based voltage source inverter structure. Multi-functional converter (MFC) for active filtering function to remove harmonic current component of SCR-based current source inverter and commutation of current source inverter was developed.

Development of high efficiency / high performance control algorithm based on model predictive control for new compound renewable energy system: We developed model predictive control algorithm for MFC to improve the efficiency and performance of compound renewable energy system. We developed a vector pre-selection algorithm to reduce switching losses and a high-efficiency model predictive control algorithm based on an optimal zero vector selection technique. 2 Vector selection based model predictive control which can generate high quality current and model predictive control algorithm that can reduce current error and ripple are developed. In order to overcome model uncertainty and input distortion existing in compound renewable energy system, we developed a method using the digital filter. A model predictive control algorithm to reduce common mode voltage was also developed.

Development of multi-agent fault diagnosis algorithm and fault tolerant structure: We developed a simulator for analyzing the effects on system and overall system in case of failure in compound renewable energy system and classified the most fragile agent through analyzing the effect of collaborative PCS output and system according to the point of failure. We developed multi-agent based fault diagnosis system for switching element of PCS, passive element and current sensor in compound renewable energy system and developed system structure to limit fault current. After system failure of wind power or solar PCS in the compound renewable energy system, system redundant type using only normal renewable energy sources and phase redundant type based 4-LEG with extra phase added to MFC for the fault-torelant control system and algorithm were developed to ensure high reliability.

Expected Contribution
We present the results of important researches on the compound renewable energy system at domestic and overseas academic conferences and plan the technology transfer to participating companies. Technology transfer can be applied to new structures and systems using different switching devices, such as collaborative PCS structures. In addition, 2-level inverter, which is the structure of MFC for photovoltaic power generation, can be used as a large-capacity MFC having a multi-level or multi-parallel structure to supply more power than existing 2-level MFC. A new model predictive control algorithm is studied for complex systems such as multi-level or multi-parallel structure, and a high-efficiency algorithm that minimizes switching loss due to the increase of switching elements, and a control algorithm for balancing the cell balancing of input dc link capacitors. Follow-up work will be carried out.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 222
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 229
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 231
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 232
• 8. 참고문헌 ... 232
• 9. 연구성과 ... 235
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 243
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 243
• 12. 기타사항 ... 244
• 별첨1 대표연구실적 ... 245
• 대 표 연 구 실 적 ... 245
• 대표적 연구실적 사본 ... 250
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 257
• 끝페이지 ... 329