Two DOF 제어기를 이용한 인버터 기반의 마이크로 그리드에서의 전압 및 전력 제어

Abstract

마이크로 그리드는 차세대 전력망 구축을 위한 혁신적인 패러다임으로, 최신 전력망 기술, 분산발전 기술, 계통연계 기술, 비상발전 기술, 전력시스템 보호 기술 등이 융합된 21세기형 전력 시스템으로 주목받고 있다. 하지만, 기존의 계통연계형 분산발전 시스템에 비해 매우 복잡한 제어구조를 가지며, 현재의 전력망 규제를 만족시킬만한 기능을 구현하기 위해서는 앞으로도 많은 연구가 진행되어야 한다. 본 논문은 이러한 마이크로 그리드 시스템의 현실화를 위한 새로운/개선된 제어 알고리즘을 제안하고 있다. 마이크로 그리드를 구성함에 있어서, 신재생 에너지를 사용하는 중형/소형 분산발전기를 일반적으로 DC/AC 컨버터(인버터)를 이용하여 AC 전력망에 연결된다. 따라서, 자연스럽게 인버터와 기존 전력망 사이에는 LCL 필터 구성을 가지게 되는데, 이러한 구조는 시스템 차수가 높아 위상지연이 심하고 공진성분에 의한 전압 및 전류 왜곡이 시스템 제어에 있어 중요한 문제가 된다. 본 논문에서는 지역부하에 대해 UPS(비상발전 시스템)로 동작하며 상위 마이크로 그리드 혹은 그리드와는 전력전송 제어를 가능하게 하는 제어구조에 초점을 두고 있다. 만약, 기존 계통에 정전, 혹은 이상이 발생할 경우, 지역 분산발전 시스템의 제어기는 계통과의 접속을 차단하고 자연스럽게 독립형 모드로 전환하여 지역부하에 무정전 전원을 공급하게 된다. 이러한 독립형 모드로의 전환은 기존의 일체형 전력망 시스템의 구성보다 유연성과 신뢰성을 크게 향상시킨다. 이와 같은 UPS 기능을 가지기 위해서는 비선형 부하나 예기치 못한 부하의 변동에 강인하게 반응하기 위한 빠른 응답성을 가지도록 DC/AC 컨버터를 제어하여야 한다. 따라서, 응답성을 향상시키기 위한 제어 알고리즘으로 본 논문에서는 출력 LC 필터 전달함수의 역함수를 이용하는 2-자유도 제어기를 적용하였다. 계통과 연계 운전시를 위해서는 고전적인 드룹(Droop)제어 방식을 지양하고 동기 좌표계에서는 간단한 전력 제어방법을 제안하고 있다. 마지막으로 제안된 전압 및 전력제어의 우수성을 실험을 통하여 입증하였다.

Small and medium sized distributed generation (DG) systems in a microgrid normally have inverters, and the inverter outputs are connected to the grid through an LCL filter. In this paper, we are interested in designing a DG inverter that behaves like an UPS for its dedicated loads, while enabling power flow control with the microgrid. If the grid power is lost, then the DG system can be transferred smoothly to the island (stand-alone) operation. This islanding capability provides a higher reliability of the local AC bus than the conventional power system. In order to have such a UPS functionality, the inverter is desired to have a high control bandwidth, which is required for regulating the AC bus voltage at the presence of nonlinearities and unpredictable behaviors of the loads. As for a fast controller, two DOF controller is applied to the LC filter plant with the inverse dynamic model. The voltage command levels are selected considering the amount of power share with the grid. The effectiveness of the proposed control scheme is shown by experimental results.