초록 ▼

□ 연구개요
DC Microgird에 구성요소로 양뱡향 AC-DC, DC-DC 컨버터를 제안 및 개발하고 ESS를 활용한 양방향 전력변환시스템을 구현하여, 최종적으로 소규모의 그리드 Test Bed를 목표로 한다. DC bus signaling 등의 새로운 알고리즘을 개발하여, 운전의 자율화가 가능한 Autonomous system을 구현하고, 구현된 Autonomous System과 PHILS (Power Hardware in the Loop System)의 연계를 통하여, DC　microgrid의 특성을 모의할 수 있는 전

□ 연구개요
DC Microgird에 구성요소로 양뱡향 AC-DC, DC-DC 컨버터를 제안 및 개발하고 ESS를 활용한 양방향 전력변환시스템을 구현하여, 최종적으로 소규모의 그리드 Test Bed를 목표로 한다. DC bus signaling 등의 새로운 알고리즘을 개발하여, 운전의 자율화가 가능한 Autonomous system을 구현하고, 구현된 Autonomous System과 PHILS (Power Hardware in the Loop System)의 연계를 통하여, DC　microgrid의 특성을 모의할 수 있는 전기적 수학적 모델을 구축한다. 이를 토대로 부하 변화에 따른 운전 모드 변경 등 최적 운영방법 및 전력제어 알고리즘의 최적화와 실효성 검증을 목표로 한다.
1차년도는 3 kW급 양방향 DC Microgrid용 전력변환장치를 구성한다. DC Microgrid에 적합한 앙뱡향 AC/DC 정류기 개발 및 DC-DC컨버터를 개발한다. 고효율의 AC/DC의 경우 기존에 사용되는 위상 추종 알고리즘(PLL)보다 개선된 알고리즘을 제안하고, 효율적인 제어기를 개발하여 성능을 향상시킨다. 또한 절연형 앙뱡향 DC-DC 컨버터를 개발하고 DC Microgrid를 위한 효과적인 양방향 전력변환 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 토폴로지와 제어 알고리즘을 검증하고, 이를 통해 시스템 제작의 오류를 최소화하며. 최종적으로 3.3 kW DC Microgrid용 시스템을 구성한다.
2차년도에는 ESS 연계를 위한 양방향 DC-DC 컨버터의 개발 및 최적화를 진행하고 자율화 시스템을 위한 새로운 전력제어 알고리즘을 개발하여 최종적으로 DC Microgrid에서 자율화 시스템을 구현한다. ESS와 연계를 위해서는 양방향 DC-DC 컨버터를 개발하고, 토폴로지를 제안하고 양방향 제어 알고리즘을 연구한다. 시뮬레이션을 통하여 토폴로지의 성능과 알고리즘을 검증하고 이를 토대로 실제 1 kW급 실험을 진행하여 실제 실험 성능을 검증한다. 마지막으로 ESS와 기 1 차년도에 개발한 DC Microgrid의 버스를 공유하여 DC Microgrid의 Test Bed를 구축한다. 추가적으로 DC Bus signaling과 같은 전력제어 알고리즘을 개발하여 자율화가 가능한 Autonomous DC Microgrid system을 구현한다.
3차년도에는 실시간 모의 시스템(PHILS)을 활용하여 DC Microgrid 용 전력전달장치의 개발 및 최적화를 진행하고자 한다. 기 개발된 AC/DC 및 DC/DC 컨버터에 포함된 제어기 및 개통 보호에 알맞은 알고리즘의 성능 테스트를 진행하고 개선하기 위한 모의전력 시험 시스템을 구축한다. 또한, 계통의 사고 상황에 대해 능동적인 대처를 위한 새로운 전력 변환 및 보호 알고리즘 개발과 시뮬레이션을 통한 DC Microgrid 단독운전에 대한 사고 대처 방안에 대해 기초 성능 검증한다. 마지막으로 PHILS 시스템을 통해 구현된 실시간 직류 그리드(Virtual DC Microgrid) 모의 시스템과 연결된 양방향 전력변환장치 시제품을 통해 제안하는 Test-bed 및 전력제어 알고리즘의 최적화와 실효성 검증하고자 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
기존 양방향 DC-DC 컨버터들의 장단점 분석하고 DAB 컨버터를 채택하여 높은 효율 및 높은 전력 밀도를 가지는 최적 컨버터 설계하였으며, DC 배전용 DC-DC 컨버터의 높은 안정성 및 동특성 개선할 수 있는 제어기를 구현하여 신뢰성 및 안정성을 항샹시켰다. 또한, DC 배전용 AC-DC 컨버터의 높은 안정성 및 동특성 개선을 구현하기 위한 최적 제어 알고리즘 개발 및 연구하였으며 향상된 성능의 PLL을 개발하였다. 또한 ESS를 위한 양방향 전력변환장치를 설계하였으며, 배터리의 특성에 맞춰 효율을 증가시킬 수 있는 알고리즘을 제안하였고, 효율을 높일 수 있는 전력제어 알고리즘을 개발하였다. 전력시스템 내 전력균형을 위하여 주파수 방식의 DC Bus Signaling 기법을 제안하였으며, 개발한 알고리즘을 통해 전력 변환장치간의 통신을 진행하였다. 최종적으로 이미 개발한 DC 배전 양방향 전력변환 장치 및 ESS 용 양방향 전력장치, 개발한 통신 알고리즘을 활용하여 Autonomous DC 마이크로그리드를 구현하였으며, PHILS 시스템을 통해 그리드의 전기적 특징을 실시간으로 모사할 수 있는 가상의 DC 마이크로 그리드 구현함에 성공하였다. 특히 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터는 MATLAB　Simulink에 있는 모델을 기본으로 하여모델링을 진행하였으며, DC-DC 컨버터의 경우 계산량을 줄이기 위하여 전압형 컨버터(VSC)로 간소화하였다. 마지막으로 PHILS과 기 개발한 컨버터들을 연계하여 기 개발한 전력통신 알고리즘을 사용하여 다양한 상황에서 실험을 진행하였으며, 정전과 같은 사고 상황에서 그리드가 안정적으로 동작할 수 있음을 검증하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
이론 및 수학적 기반을 두어 개선된 제어기의 설계를 통해 양방향 AC-DC, DC-DC 컨버터의 효율을 증가시키고, 나아가 동특성을 개선하고 그리드의 성능, 신뢰성 및 안정성 등을 개선하였다. 또한, ESS와의 연계를 통하여 그리드 내 신재생에너지 사용 시 그리드를 안정화할 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 다양한 분야에 확대 적용이 가능하다. 예를 들어 UPS 등의 기술로 확장함으로써, 이 역시 그리드 내의 신뢰성 및 안정성을 개선할 수 있다. 마지막으로 Autonomous 시스템을 구축하여 DC Mircrogrid의 신뢰성 및 안정성을 검증을 진행하였고, 이를 통해 실증인프라 구축에 적용할 수 있을 것으로 예상한다. DC Microgrid 인프라 구축을 통해 장거리 선로가 있어야 하는 지역에 자율적인 에너지 생산 및 소비에 활용할 수 있을 것으로 예상한다. 분산전원의 활용을 극대화하고, 잉여 에너지를 적극적으로 사용하여 에너지의 사용효율을 증가시키면서 동시에 분산전원의 연계용량을 확대하고 나아가 전력변환의 과정을 줄일 수 있다. 이는 국가적 에너지 효율 향상에도 기여할 수 있을 것으로 예상한다. 최종적으로 전력변환기술의 진보를 통해 인류의 삶의 질을 향상시키며 새로운 인프라 및 전력시스템을 구축할 수 있을 것으로 예상 한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1. Dual Active Bridge (DAB) Converter ... 6
• 2. Current Fed-Dual Active Bridge (DAB) Converter ... 11
• 3. 새로운 DC-bus Signaling을 이용한 자율화가 가능한 (Autonomous) DC Microgrid 구현 ... 13
• 4. 가상 DC 마이크로 그리드 구현 ... 14
• 3. 연구개발결과의 중요성 (1.5장) ... 16
• 1. 양방향 AC-DC 정류기 및 양뱡향 DC-DC 컨버터 개발 및 AC-DC & DC-DC 연계 실험 ... 16
• 2. ESS용 양방향 컨버터 개발 ... 17
• 3. DC Bus Signaling을 이용한 전력 밸런스 알고리즘 제안 ... 17
• 4. Autonomous 시스템 구현을 위한 AC-DC 및 DC-DC 컨버터 모델링 ... 17
• 5. Autonomous 시스템 Test bed 구현 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 18
• 대표적 기타 실적 ... 19
• 끝페이지 ... 40