DC Local Grid는 다수의 신재생 에너지원 기반 분산 전원, 에너지 저장장치 및 부하로 구성된 전력 시스템으로, 직류 기반의 운영을 통해 낮은 전력변환단계로 인한 높은 효율성과 별도의 무효전력 및 주파수 제어가 필요 없는 제어 단순성이라는 장점을 가진다. DC Local Grid의 제어 전략에 있어 중앙 제어기가 모든 제어기들을 관리하는 중앙 집중형 방식이 아닌, 각 컨버터의 제어기에서 독립적으로 제어를 수행하는 분산 제어 방식에 관한 관심이 증가하고 있다.
그림 1. Bidirectional Interlinking Converter: (a) Grid Following Control. (b) Grid Forming Control.
그림 1은 DC Local Grid 내 양방향 인터링킹 컨버터(BIC) 의 두 가지 제어 전략인 Grid Following 제어 방법과 Grid Forming 제어 방법을 보여준다. Grid Following 컨버터는 계통 전압으로부터 위상을 추출하여, 위상에 맞추어 전류를 주입하는 방식으로 동작한다. 이때, 계통의 전압이 불안정한 Weak Grid에서 Grid Following 제어는 불안정하게 동작할 가능성이 높다. 반면, Grid Forming 컨버터는 특정한 전압 크기와 위상을 출력하는 방식으로 동작하여, 약계통에서도 안정적으로 제어가 가능하며 많은 연구적 관심을 받고 있다. 하지만, Grid Forming 제어와 분산 제어를 통합하는 연구는 아직 미흡한 실정이다.
그림 2. Proposed Distributed Grid Forming Control.
그림 2는 Weak Grid 환경에서 DC Local Grid의 안정성을 확보하기 위해 제안한 분산형 Grid Forming 제어 방식을 보여준다. 제안된 방법은 크게 두 가지 단계로 구성된다. 첫 번째는 DC 전압 공칭값과 AC 유효 전력을 기반으로 DC 전압 목표치를 조정하는 Droop 단계이다. 두 번째는, 조정된 DC 전압 목표치와 DC 전압 측정치 간의 차이를 이용해 Grid Forming 출력 주파수를 제어하는 단계이다. 이때, q축 전압 주입을 통하여 안정적인 Grid Forming 동작이 가능하도록 설계되었다. 또한, Droop 제어에서 AC 유효 전력을 사용하여 DC 전류 센서를 필요로 하지 않도록 하였으며, Droop 제어와 Grid Forming 제어의 결합으로 발생할 수 있는 진동 문제를 완화하기 위해 notch filter를 도입하였다.
그림 3. (a) Pole-zero map for increasing RD. (b) Bode plot comparison with and without notch filter.
그림 3은 소신호 모델링을 통해 Droop 계수 RD 증가에 따른 시스템의 극점 이동과 notch filter의 효과를 분석한 결과를 보여준다. 그림 3.(a)에서, RD가 증가함에 따라 시스템의 극점이 오른쪽으로 이동하여 시스템이 불안정해지는 것을 확인할 수 있다. 그림 3.(b)에서는, notch filter가 없는 경우 불안정한 진동이 발생하지만, notch filter를 적용하면 이러한 불안정성이 완화됨을 알 수 있다.
그림 4. Comparison of simulation results for DC Local Grid: (a) Grid Following-based distributed control. (b) Proposed distributed Grid Forming control.
그림 4는 제안된 분산형 Grid Forming 제어의 유효성을 검증하기 위해 기존 Grid Following 기반 분산 제어와의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 그림 4.(a)에서, 15초에 Short Circuit Ratio (SCR)이 2로 낮아져 Weak Grid 상태가 되면 Grid Following 방식은 불안정하게 동작함을 확인할 수 있다. 그림 4.(b)에서는 제안된 분산형 Grid Forming 제어 방식이 SCR=2인 Weak Grid 환경에서도 안정적으로 동작하며, BIC와 ESS의 출력 전력이 유사한 결과를 통해 분산 제어가 적절히 수행됨을 알 수 있다.
그림 5. System response comparison for increase droop coefficient RD: responses with notch filter (Red) and without notch filter. (Blue)
그림 5는 Droop 계수 RD 증가에 따른 시스템 응답을 notch filter 유무로 비교한 것이다. notch filter가 없는 경우, RD 증가에 따라 불안정성이 발생함을 확인할 수 있지만, notch filter가 있는 경우 이러한 불안정성을 완화하며 안정적인 동작이 가능함을 알 수 있다.
그림 6. Step response of dc voltage reference: System response comparison for cases (a) without notch filter. (b) with notch filter.
그림 6은 DC 전압 지령을 계단 변경 시 notch filter 유무에 따른 시스템 응답을 비교한 것이다. notch filter가 없는 경우, DC 전압 제어 시 진동이 발생하지만, notch filter를 적용하면 이러한 진동이 완화되며 안정적인 동작이 가능함을 확인할 수 있다. 따라서, 제안된 분산형 Grid Forming 제어는 Droop 제어와 Grid Forming 제어의 결합으로 발생하는 진동 문제를 notch filter로 완화하였으며, Weak Grid 환경에서도 안정적인 분산 제어 성능을 입증하였다.
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DC Local Grid는 다수의 신재생 에너지원 기반 분산 전원, 에너지 저장장치 및 부하로 구성된 전력 시스템으로, 직류 기반의 운영을 통해 낮은 전력변환단계로 인한 높은 효율성과 별도의 무효전력 및 주파수 제어가 필요 없는 제어 단순성이라는 장점을 가진다. DC Local Grid의 제어 전략에 있어 중앙 제어기가 모든 제어기들을 관리하는 중앙 집중형 방식이 아닌, 각 컨버터의 제어기에서 독립적으로 제어를 수행하는 분산 제어 방식에 관한 관심이 증가하고 있다.
그림 1. Bidirectional Interlinking Converter: (a) Grid Following Control. (b) Grid Forming Control.
그림 1은 DC Local Grid 내 양방향 인터링킹 컨버터(BIC) 의 두 가지 제어 전략인 Grid Following 제어 방법과 Grid Forming 제어 방법을 보여준다. Grid Following 컨버터는 계통 전압으로부터 위상을 추출하여, 위상에 맞추어 전류를 주입하는 방식으로 동작한다. 이때, 계통의 전압이 불안정한 Weak Grid에서 Grid Following 제어는 불안정하게 동작할 가능성이 높다. 반면, Grid Forming 컨버터는 특정한 전압 크기와 위상을 출력하는 방식으로 동작하여, 약계통에서도 안정적으로 제어가 가능하며 많은 연구적 관심을 받고 있다. 하지만, Grid Forming 제어와 분산 제어를 통합하는 연구는 아직 미흡한 실정이다.
그림 2. Proposed Distributed Grid Forming Control.
그림 2는 Weak Grid 환경에서 DC Local Grid의 안정성을 확보하기 위해 제안한 분산형 Grid Forming 제어 방식을 보여준다. 제안된 방법은 크게 두 가지 단계로 구성된다. 첫 번째는 DC 전압 공칭값과 AC 유효 전력을 기반으로 DC 전압 목표치를 조정하는 Droop 단계이다. 두 번째는, 조정된 DC 전압 목표치와 DC 전압 측정치 간의 차이를 이용해 Grid Forming 출력 주파수를 제어하는 단계이다. 이때, q축 전압 주입을 통하여 안정적인 Grid Forming 동작이 가능하도록 설계되었다. 또한, Droop 제어에서 AC 유효 전력을 사용하여 DC 전류 센서를 필요로 하지 않도록 하였으며, Droop 제어와 Grid Forming 제어의 결합으로 발생할 수 있는 진동 문제를 완화하기 위해 notch filter를 도입하였다.
그림 3. (a) Pole-zero map for increasing RD. (b) Bode plot comparison with and without notch filter.
그림 3은 소신호 모델링을 통해 Droop 계수 RD 증가에 따른 시스템의 극점 이동과 notch filter의 효과를 분석한 결과를 보여준다. 그림 3.(a)에서, RD가 증가함에 따라 시스템의 극점이 오른쪽으로 이동하여 시스템이 불안정해지는 것을 확인할 수 있다. 그림 3.(b)에서는, notch filter가 없는 경우 불안정한 진동이 발생하지만, notch filter를 적용하면 이러한 불안정성이 완화됨을 알 수 있다.
그림 4. Comparison of simulation results for DC Local Grid: (a) Grid Following-based distributed control. (b) Proposed distributed Grid Forming control.
그림 4는 제안된 분산형 Grid Forming 제어의 유효성을 검증하기 위해 기존 Grid Following 기반 분산 제어와의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 그림 4.(a)에서, 15초에 Short Circuit Ratio (SCR)이 2로 낮아져 Weak Grid 상태가 되면 Grid Following 방식은 불안정하게 동작함을 확인할 수 있다. 그림 4.(b)에서는 제안된 분산형 Grid Forming 제어 방식이 SCR=2인 Weak Grid 환경에서도 안정적으로 동작하며, BIC와 ESS의 출력 전력이 유사한 결과를 통해 분산 제어가 적절히 수행됨을 알 수 있다.
그림 5. System response comparison for increase droop coefficient RD: responses with notch filter (Red) and without notch filter. (Blue)
그림 5는 Droop 계수 RD 증가에 따른 시스템 응답을 notch filter 유무로 비교한 것이다. notch filter가 없는 경우, RD 증가에 따라 불안정성이 발생함을 확인할 수 있지만, notch filter가 있는 경우 이러한 불안정성을 완화하며 안정적인 동작이 가능함을 알 수 있다.
그림 6. Step response of dc voltage reference: System response comparison for cases (a) without notch filter. (b) with notch filter.
그림 6은 DC 전압 지령을 계단 변경 시 notch filter 유무에 따른 시스템 응답을 비교한 것이다. notch filter가 없는 경우, DC 전압 제어 시 진동이 발생하지만, notch filter를 적용하면 이러한 진동이 완화되며 안정적인 동작이 가능함을 확인할 수 있다. 따라서, 제안된 분산형 Grid Forming 제어는 Droop 제어와 Grid Forming 제어의 결합으로 발생하는 진동 문제를 notch filter로 완화하였으며, Weak Grid 환경에서도 안정적인 분산 제어 성능을 입증하였다.
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