2023신재생에너지 수용률 향상 및 낮은 전압 변동률을 위한 DC Local Grid 분산 제어 기법

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  DC Local Grid는 다수의 신재생 에너지원 기반 분산 전원, 에너지 저장장치 및 로컬 부하로 구성된 소규모 전력 시스템으로 직류로 운영하여 낮은 전력변환단계로 인한 높은 효율 및 별도의 무효전력이나 주파수 제어가 필요하지 않는 제어 단순성 등의 장점을 가진다. 이러한 DC Local Grid 운영 전략 중 분산 제어로 운영 시 선로 임피던스로 인한 전력 불균형과, 신재생에너지의 간헐성으로 인한 과도한 전력변동성이 발생하여 시스템을 운영하는데 불안정한 문제점을 가진다.


그림 1. Conventional control methods.

(a) SoC based droop control. (b) average voltage sharing control.

(c) ramp rate control.



  그림 1은 앞선 문제점을 해결하기 위한 각각의 단일 기법들이다. SoC 기반 드룹 제어는 SoC에 따라 전압 레퍼런스를 조정하여 출력 전력을 조정한다. 이에 따라 DC Local Grid 내 2대 이상의 ESS로 운영 시 SoC 균등화를 달성할 수 있다. AVS 제어는 각 컨버터의 평균 출력 전압과 공칭 전압을 비교하여 옵셋 전압을 만들어 떨어진 전압을 보상할 수 있다. 출력 변동성 제어 기법은 과도한 출력변동성을 ESS의 충.방전을 통해 완화시킬 수 있다. 하지만 앞선 단일 기법들은 각 목적에 대해서만 해결 가능하며 동시에 모든 문제점을 해결할 수 없다.


그림 2. Proposed DC Local Grid distributed control



  그림 2는 기존 단일 기법들을 통합하여 제안한 DC Local Grid 분산 제어 기법이다. 제안한 기법은 기존 단일 기법들의 장점을 모두 가져오기 위해 3가지 기법을 통합한 제어 구조를 개발했다. 이를 통해 선로 임피던스로 인한 전력 불균형 및 전압 강하와 신재생 에너지의 과도한 출력 변동성을 동시에 해결할 수 있다.


그림 3. Simulation results: SoC, active power, voltage

(a) Before applying control method (b) After applying control method



  그림 3은 제안한 기법의 유효성을 검증하기 위해 ESS의 SoC와 ESS와 AC Grid의 출력 전력, 각 컨버터의 전압 파형을 나타낸다. ESS의 SoC는 제안한 기법을 적용하여 SoC 균등화를 달성하고, ESS의 안정영역 내로 동작한다. ESS와 AC Grid는 서로 간에 적절한 전력 분배를 달성하며, 각 ESS의 출력 전력이 균등화 되는 것을 확인할 수 있다. 각 컨버터의 전압은 제안한 기법을 적용했을 때, 1% 이내로 안정적인 운영이 유지됨을 확인하였다.


그림 4. Simulation results: Ramp rate limit

(a) Before applying control method (b) After applying control method



  그림 4는 AC Grid로 나가는 출력 전력의 출력 변동성을 검증한 파형으로, 제안한 기법 적용 전에는 선정한 변동률인 10% 이외로 많이 위반되는 반면, 제안한 기법 적용 후에는 선정한 변동률 10% 이내로 많이 완화됨을 확인하였다.


그림 5. Comparison of voltage pu by PV power


  그림 5는 제안한 기법 적용 전, 후의 신재생 에너지 수용률 비교를 위한 그래프로, 제안한 기법 적용 전은 신재생에너지 발전량인 약 30.71MW에서 전압 1.01pu를 초과하게 된다. 하지만 제안한 기법 적용 후, 신재생 에너지 발전량 약 48.08MW에서 전압 1.01pu 넘는 것을 확인하여 DC Local Grid 내에서 제안한 기법 적용 시 기존 기법 대비 수용률 약 56.56% 증가한 것을 확인했다.



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