기존 변압기에 비해 크기와 무게를 줄일 수 있으며 전압변동보상, 단위역률제어와 같은 스마트한 기능을 구현할 수 있는 반도체 변압기 ((solid state transformer, SST)에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. SST 중에서 가장 널리 사용되는 3 단 구조의 경우, AC-DC 정류를 위한 AC-DC Active Front End (AFE) 정류기가 필요하며 MV(Medium Voltage) 전압 레벨에서 운전되기 때문에 멀티 레벨 컨버터가 주로 AFE 정류기로 적용된다.
멀티 레벨 컨버터는 확장 가능한 모듈 컨버터를 직렬로 연결하여 멀티 레벨을 구현하는 방법으로 고압화가 용이한 장점을 지닌다. 따라서 MV (Medium Voltage)와 같은 고압 분야에 널리 사용되고 있으나, 직렬 연결되는 모듈 컨버터가 수가 증가함에 따라 제어 알고리즘이 기하급수적으로 복잡해지며, 특히 다양한 제어 성능을 동시에 구현하기가 어렵다는 단점을 지닌다.
제안한 계층 기반 모델 예측 제어 기법은 비용 함수를 계층 구조를 통해 분리시켜 제어 변수를 독립적으로 제어함으로써 다양한 제어 성능을 직관적이고 용이하게 구현할 수 있다. 특히 모듈 컨버터가 수가 증가하더라도 복잡성이 최소화되어 MV급 SST용 AFE 정류기의 멀티 레벨 컨버터에 실시간 적용이 가능하다.
Fig. 1. Block Diagram of hierarchical structure based generalized model predictive control method for Multi Level Converter . |
그림 1은 제안한 계층 기반 모델 예측 제어 기법의 블럭도이다. 독립적인 3개의 계층 (Layer)으로 구성되어 있으며, 1st-layer에서는 AC 계통 전류를 제어하며, 2nd-layer에서는 AC-DC AFE 정류기의 출력 전압을, 3rd-layer는 모듈 컨버터를 각각 제어한다. 제안된 방법은 임의의 N 레벨 멀티 레벨 컨버터까지 확장 가능하다.
Fig. 2. Steady-state waveform of single-phase 9 Level converter under proposed model predictive control method .
그림 2는 제안한 제어 기법을 실시간으로 적용한 단상 9 레벨 컨버터의 AC-DC Active Front End (AFE) 정류기의 정상상태 실험 파형이다. 제어 기법에 의해 모듈 컨버터 DC 전압 vdc1, AFE 정류기 입력 전압 스위칭 파형 vT, AFE 정류기 입력전류 ig가 적절하게 제어됨을 알수 있다.
Fig. 3. Transient waveform of single-phase 9 Level converter under load reduction.
그림 3은 부하 감소시 모듈 컨버터 DC 전압 vdc1 및 AFE 정류기 입력전류 ig의 과도상태 실험 파형이다. 부하가 감소함에 따라 출력 전압은 과도적으로 증가하게 되며 계통 전류는 감소한다. 증가한 출력 전압은 제어 기법에 의해 감소하여 정상 상태 전압으로 회복된다.
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Direct current microgrid (DC MG) is a power grid capable of generating, consuming, and storing energy. The increase in renewable energy sources or users requires an increase in the scalability. Therefore, various studies have been conducted to improve the scalability of DC MG. Researches on control structures based on the control hierarchy have been carried out.
However, the conventional control structure generally presents various requirements such as the control and communication function to the controller of the subsystem. In order to reflect such a requirement, it is inevitable to modify a local controller of subsystem, which requires a lot of time and economic effort. It substantially hinders the scalability of the DC MG. Therefore, in this research, the control structure is presented for increasing the scalability of the DC MG by classifying the controller according to the control purpose and object. Through the proposed control structure, the subsystems can be constructed in DC MG by performing only local variable control. Because it has flexibility to cope with conventional control structures based on control hierarchy, it is possible to increase the scalability of the DC MG which is composed of various control structures.
In addition to the control structure, the study on the control method to increase the scalability of the DC MG is needed. In the presence of a higher control entity such as a microgrid central controller (MGCC), it is possible to monitor the global information and to achieve optimal management of DC MG. However, the scalability is low because the operation of all subsystems is predetermined by MGCC and requires promised data transmission to each other. Therefore, various coordinated control methods have been studied to overcome these disadvantages. However, conventional coordinated control methods have drawbacks such as the occurrence of voltage deviation or weak energy management due to the absence of global information. Therefore, in this research, the coordinated control method that can restore the voltage deviation and perform energy management by defining a new variable that determines the operation band by reflecting the energy state of DC MG is presented.
In order to analyze the dynamic characteristics of the proposed control system, small signal analysis was performed. To verify the validity of the proposed method, various experiments were performed using hardware-in-the-loop simulation and lab-scale DC MG.
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