KR102276723B1 - 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 그 장치가 개시된다. 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법은, 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 각각 입력받는 단계; 및 상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 단계를 포함한다.

Description

양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 그 장치{Droop control method and controller for bi-directional distributed generator}
본 발명은 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기에 관한 것이다.
분산발전기(Distributed generator, 이하 DG)의 발전용량이 전 세계적으로 증가함에 따라 생산된 전력을 효과적으로 이용하기 위한 마이크로그리드(Microgrid, 이하 MG) 연구가 활발히 진행되고 있다. MG란 부하와 DG가 상호 연계되어있는 전력시스템으로써 상황에 따라 계통연계 또는 독립운전의 형태로 운영되는 자립성을 가진 소규모 전력망이다. 특히 dc MG는 ac에 비해 무효전력 및 고조파 성분이 없기 때문에 좋은 전력품질, 높은 전력변환 효율 및 제어의 편리성을 가진다. dc MG의 안정적이고 효율적인 운영을 위해서 다양한 제어 전략들이 제안되어 왔다. 기존의 제어 전략들은 중앙(Centralized)제어, 통신을 사용하는 분산(Distributed)제어, 그리고 비중앙(Decentralized)제어로 분류할 수 있다.
비중앙 제어는 지역정보만으로 제어를 수행하기 때문에 통신 시스템이 필요 없는 장점이 있으며, 일반적으로 드룹제어를 사용한다. 드룹제어는 DG의 출력전류 증감에 따라 출력전압을 제어함으로써 자율적인 전력 분담이 이루어지도록 한다. 드룹 제어에 있어 드룹 게인은 제어 성능 및 안정도에 영향을 주는 중요한 매개변수로써, DG간 적절한 전력 분담이 수행되기 위해서 드룹 게인이 적절히 설계되어야 한다. dc MG 선로 구성 시, 선로 저항은 드룹 게인 값에 영향을 미치므로 이를 고려한 드룹 게인이 설계가 필요하다.
기존 가변 저항 방식의 드룹 제어 장치 및 방법의 경우, 에너지 저장장치만으로 DC 마이크로그리드를 제어하는 독립형 마이크로그리드를 대상으로 하기 때문에 계통이 연계되어 있는 마이크로그리드에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
또한 DC 마이크로그리드 내 양방향 분산형 전원을 통해 분산 제어를 수행할 경우, 드룹 게인은 선로 저항에 영향을 받음으로써 최초 설계된 대로 제어가 수행되지 않는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 DC 마이크로그리드내 양방향 분산형 전원이 전력 조류 흐름을 원활히 제어하고 버스 전압 조절 성능을 유지할 수 있는 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 선로 저항을 고려한 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기를 통해, 분산형 전원의 전력 공유 정확도를 향상시키고 동시에 DC 마이크로그리드 내에서 발생할 수 있는 최대 부하전력 소모 상황 및 최대 발전 상황에서 전압 조절 성능을 유지할 수 있는 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양방향 분산 전원용 드룹 제어를 위한 시스템 및 그 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로그리드를 구성하는 제1 양방향 분산 발전기(BDG: Bi-directional distributed generator)와 제2 양방향 분산 발전기; 및 상기 제1 양방향 분산 발전기와 상기 제2 양방향 분산 발전기의 선로 저항을 고려하여 상기 제1 양방향 분산 발전기 및 상기 제2 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 드룹 제어 장치를 포함하는 전력 제어 시스템이 제공될 수 있다.
상기 마이크로그리드는 직류일 수 있다.
상기 드룹 제어 장치는, 자코비안 행렬을 선형화한 전력 방정식을 이용하여 도출된 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 제2 양방향 분산 발전기의 전력 분담률 향상 계수값을 도출하고, 상기 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 이용하여 상기 제1 또는 제2 양방향 분산 발전기의 드룹 게인을 변경할 수 있다.
상기 전력 분담률 향상 계수값 도출은, 상기 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 제1 또는 제2 양방향 분산 발전기의 최대 부하전력 소모 상태 및 최대 발전 상황에서의 전력 분담률 향상 계수값을 각각 도출할 수 있다.
상기 드룹 제어 장치는, 상기 전력 분담률 향상 계수값을 반영하여 상기 전압 민감도 행렬을 재계산하며, 상기 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 각 버스에서의 전압 변동값을 각각 도출하되, 상기 각 버스에서의 전압 변동값 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동 폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마이크로그리드를 구성하는 양방향 분산 발전기의 드룹 제어 장치에 있어서, 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 각각 입력받는 입력부; 및 상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 드룹 제어기를 포함하는 드룹 제어 장치가 제공될 수 있다.
상기 드룹 제어기는, 자코비안 행렬을 선형화한 전력 방정식을 이용하여 도출된 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 양방향 분산 발전기의 전력 분담률 향상 계수값을 도출하고, 상기 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 드룹 게인을 변경할 수 있다.
상기 드룹 제어기는, 상기 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 양방향 분산 발전기의 최대 부하 전력 소모 상태 및 최대 발전 상황에서의 전력 분담률 향상 계수값을 각각 도출할 수 있다.
상기 드룹 제어기는, 상기 전력 분담률 향상 계수값을 반영하여 상기 전압 민감도 행렬을 재계산하며, 상기 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 각 버스에서의 전압 변동값을 각각 도출하되, 상기 각 버스에서의 전압 변동값 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동 폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절할 수 있다.
상기 마이크로그리드는 직류일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 마이크로그리드의 선로 저항을 고려하여 양방향 분산 발전기의 드룹 제어가 가능한 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 직류 마이크로그리드를 구성하는 양방향 분산 발전기의 드룹 제어 방법에 있어서, 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 각각 입력받는 단계; 및 상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 단계를 포함하는 드룹 제어 방법이 제공될 수 있다.
상기 드룹 제어하는 단계는, 상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력에 기초하여 자코비안 행렬을 선형화한 전력 방정식을 이용하여 도출된 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 양방향 분산 발전기의 전력 분담률 향상 계수값을 도출하는 단계; 및 상기 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 드룹 게인을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력 분담률 향상 계수값을 도출하는 단계는, 상기 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 양방향 분산 발전기의 최대 부하 전력 소모 상태 및 최대 발전 상황에서의 전력 분담률 향상 계수값을 각각 도출할 수 있다.
상기 드룹 제어하는 단계는, 상기 전력 분담률 향상 계수값을 반영하여 상기 전압 민감도 행렬을 재계산하며, 상기 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 각 버스에서의 전압 변동값을 각각 도출하는 단계; 및 상기 각 버스에서의 전압 변동값 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동 폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로그리드는 직류일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 분산형 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기를 제공함으로써, DC 마이크로그리드내 양방향 분산형 전원이 전력 조류 흐름을 원활히 제어하고 버스 전압 조절 성능을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 선로 저항을 고려한 양방향 분산 전원용 드룹 제어 방법 및 제어기를 통해, 분산형 전원의 전력 공유 정확도를 향상시키고 동시에 DC 마이크로그리드 내에서 발생할 수 있는 최대 부하전력 소모 상황 및 최대 발전 상황에서 전압 조절 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선로 저항을 고려한 드룹 제어를 위한 드룹 버스를 반영한 조류 해석도를 도시한 도면.
도 3은 정격 용량이 다른 두 대의 BDG에 대한 출력 전압 지령(
Figure 112018107752252-pat00001
)과 출력 전류(
Figure 112018107752252-pat00002
)의 관계를 나타낸 도면.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 선로 저항을 고려한 드룹 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 내부 구성을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 5-버스 그물망 선로를 구성한 실험 환경을 예시한 도면.
도 7은 도 6의 블록도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 부하 상황에 대한 실험 결과를 도시한 도면.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 발전 상황에 대한 실험 결과를 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 다수의 선로와 여러 대의 분산형 전원이 연계된 DC 마이크로그리드의 구조적 특징을 분석하기 위해 분산 제어 특성이 반영된 조류 해석 기반의 전압 민감도 해석을 수행할 수 있다. 본 발명은 선로 저항을 고려한 전압 민감도 해석을 기반으로 최대 부하 및 발전 상황에서 전압 조절 범위를 만족함과 동시에 전력 공유 성능을 향상시킬 수 있는 드룹 제어에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)은 제1 양방향 분산 발전기(110), 제2 양방향 분산 발전기(120), 제n 양방향 분산 발전기(121), 부하(130) 및 드룹 제어 장치(140)를 포함하여 구성된다.
제1 양방향 분산 발전기(110), 제2 양방향 분산 발전기(120), 제n 양방향 분산 발전기(121)는 각각의 버스를 통해 연결되는 것을 가정하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 양방향 분산 발전기(110) 및 제2 양방향 분산 발전기(120)는 직류 마이크로그리드를 구성하는 주체로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 제1 양방향 분산 발전기(110), 제2 양방향 분산 발전기(120) 및 부하에 의해 직류 마이크로그리드가 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 제2 양방향 분산 발전기(120)는 복수일 수 있다.
즉, 직류 마이크로그리드를 구성하는 복수의 양방향 분산 발전기 중에서 정격 용량이 가장 큰 양방향 분산 발전기를 제1 양방향 분산 발전기 또는 메인 양방향 분산 발전기로 통칭하기로 한다. 이외의 나머지 양방향 분산 발전기를 제2 양방향 분산 발전기 또는 서브 양방향 분산 발전기로 통칭하기로 한다.
즉, 이하의 설명에서는 제2 양"??* 분산 발전기는 제n 양"??* 분산 발전기로 확장 해석되어야 할 것이다.
드룹 제어 장치(140)는 직류 마이크로그리드의 선로 저항을 고려하여 제1 및 제2 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하기 위한 장치이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선로 저항을 고려한 드룹 제어를 위한 드룹 버스를 반영한 조류 해석도를 도시한 도면이고, 도 3은 정격 용량이 다른 두 대의 BDG에 대한 출력 전압 지령(
Figure 112018107752252-pat00003
)과 출력 전류(
Figure 112018107752252-pat00004
)의 관계를 나타낸 도면이다. 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 도 2를 참조하여 조류 해석 모델에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 양방향 분산 발전기(BDG: Bi-directional DG, 이하 BDG라 칭하기로 함, 이하에서는 BDG라 칭하기로 함)는 제n(n은 자연수) 버스에 연결될 수 있다. 도 2에서는 BDG가 하나인 것으로 도시되어 있으나, 직류 마이크로그리드를 구성하는 BDG는 도 1에서 설명한 바와 같이, 복수일 수 있다.
BDG(210)는 2개의 인접 버스로 연계된 선로 구조로 연결될 수 있다. 이때, BDG간의 전력 부담을 위해 드룹 제어가 사용될 수 있다.
드룹 제어 기법에 의한 출력 전압 지령(
Figure 112018107752252-pat00005
)은 수학식 1에서 보여지는 바와 같이, 출력 전류(
Figure 112018107752252-pat00006
)가 증가함에 따라 선형적으로 감소된다.
Figure 112018107752252-pat00007
여기서,
Figure 112018107752252-pat00008
은 공칭전압(Nominal voltage)를 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00009
는 가상 저항(virtual resistance), 즉 드룹 게인을 나타낸다.
일반적으로 BDG의 정격 용량에 따른 전력 부담을 고려하는 경우, 수학식 2와 같이
Figure 112018107752252-pat00010
를 결정할 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00011
여기서,
Figure 112018107752252-pat00012
는 허용 전압 변동 폭을 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00013
는 최소 허용 전압을 나타내며,
Figure 112018107752252-pat00014
는 BDG의 정격용량을 나타낸다.
도 3은 정격 용량이 다른 두 대의 BDG에 대한 출력 전압 지령(
Figure 112018107752252-pat00015
)과 출력 전류(
Figure 112018107752252-pat00016
)의 관계를 나타낸다. 도 2에서
Figure 112018107752252-pat00017
는 제1 BDG의 드룹 게인을 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00018
는 제2 BDG의 드룹 게인을 나타낸다. 또한,
Figure 112018107752252-pat00019
는 제1 BDG의 정격 용량을 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00020
는 제2 BDG의 정격 용량을 나타낸다.
Figure 112018107752252-pat00021
이
Figure 112018107752252-pat00022
보다 큰 경우 수학식 2에 의해
Figure 112018107752252-pat00023
이
Figure 112018107752252-pat00024
보다 작으며, 제1 BDG는 더 많은 전력을 흡수 및 공급할 수 있다.
선로 저항이 없는 이상적인 직류 마이크로그리드의 경우, 설계된 드룹 게인 값에 따라 정확한 전력 분배가 가능할 수 있다. 그러나, 일반적인 직류 마이크로그리드의 경우 선로 저항이 존재하게 되며, 이에 따라 전력 분담 및 전압 규제 성능이 저하되는 문제점이 있다.
Figure 112018107752252-pat00025
수학식 3은 선로 저항에 의해 변경된 드룹 게인의 실효값(
Figure 112018107752252-pat00026
)을 나타낸 것이다. 여기서,
Figure 112018107752252-pat00027
는 선로 저항의 등가 값을 나타낸다.
만일 두 대의 BDG만 연계된 간단한 구조의 직류 마이크로그리드라면,
Figure 112018107752252-pat00028
는 회로 해석을 통해 유도될 수 있으나, 여러 대가 환형(Ring)이나 그물망(mesh) 형태의 복잡한 선로 구성에 연계되는 경우 이를 유도하기 어려운 문제점이 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 선로 구성과 부하 및 신재생원의 연계 위치를 고려하여 허용 전압 범위를 유지함과 동시에 BDG간의 전력 분담이 이루어질 수 있도록 선로 저항을 고려한 드룹 제어 방법에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 선로 저항을 고려한 드룹 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
단계 410에서 드룹 제어 장치(140)는 전압민감도 행렬을 계산한다. 전압 민감도 해석은 선로 구성, 양방향 분산형 전원의 드룹 게인, 부하 및 급전불가능 분산발전기(NDG: Non-dispatchable distributed generator, 이하 NDG라 칭하기로 함)의 최대 용량을 고려하여 전체 망의 특성을 파악하는 분석법이다.
전압 민감도 행렬은 직류 마이크로그리드내 버스의 전력방정식으로부터 유도된 자코비안 행렬을 통해 계산된다.
Figure 112018107752252-pat00029
는 수학식 2의 드룹 게인의 역수를 나타낸다. 이를 수학식으로 다시 정리하면 수학식 4와 같다.
Figure 112018107752252-pat00030
제n 버스로부터 연결된 인접 버스와 BDG로 흐르는 전류의 합을
Figure 112018107752252-pat00031
이라 칭하면, 이는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00032
수학식 5는 수학식 6과 같이 일반화하여 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00033
여기서, h는 제n 버스와 연결된 버스를 나타내고, N은 dc 마이크로그리드의 총 버스의 수를 나타낸다. 수학식 6을 이용하여 제n 버스의 전력방정식(
Figure 112018107752252-pat00034
)을 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00035
이미 전술한 바와 같이, 전압 민감도 행렬은 자코비안 행렬을 역행렬 취함으로써 유도될 수 있다. 자코비안 행렬을 이용하여 선형화된 전력방정식은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00036
여기서,
Figure 112018107752252-pat00037
는 전력 변동(에 대한 N대 1(N-by-1) 행렬을 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00038
는 버스전압 변동에 대한 N대 1행렬을 나타낸다. 자코비안 행렬 성분은 전력 방정식을 버스 전압에 대한 편미분으로써 얻을 수 있으며, 이에 대한 (n,m)번째 성분을 나타내면 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00039
즉, (n,m)번째 자코비안 행렬 성분은 전력방정식(
Figure 112018107752252-pat00040
)으로부터 제m 버스의 전압(Vm)을 편미분함으로써 획득될 수 있다. 이를 수학식 7에 적용하면 수학식 10과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00041
Figure 112018107752252-pat00042
은 수학식 11과 같이 간소하게 표현될 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00043
수학식 11과 같이 자코비안 행렬(J 행렬)은 선로 저항 및 드룹 게인으로만 나타낼 수 있다. 전압민감도 행렬은 수학식 12와 같이 J 행렬을 역행렬 취함으로써 획득될 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00044
수학식 12를 이용하여 수학식 8은 수학식 13과 같이 정리될 수 있다. 즉, 수학식 12에 의해
Figure 112018107752252-pat00045
에 대한 선형화된
Figure 112018107752252-pat00046
를 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00047
본 발명의 일 실시예에서는 선로 저항을 고려한 드룹 제어를 위해 수학식 11과 같이 선로 저항 및 기존 드룹 게인을 통해 자코비안 행렬(J)을 유도하고, 이를 역행렬 취함으로써 전압민감도 행렬(S)을 계산할 수 있다.
단계 415에서 드룹 제어 장치(140)는 전압 민감도 행렬(S)를 이용하여 전력 부담률 향상 계수값을 도출한다.
본 발명의 일 실시예에서는 BDG 중 가장 용량이 큰 BDG를 메인 BDG라 칭하기로 하며, 그외의 BDG를 서브 BDG라 칭하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 특정 BDG(x)의 전력 부담률 향상 계수값을
Figure 112018107752252-pat00048
라 칭하기로 한다. 이때, 메인 BDG의 전력 변동분 대비 타겟 서브 BDG의 전력 변동분의 비율로 정의된다. 결과적으로, 서브 BDG의 드룹 게인은 메인 BDG의 드룹 게인에 기초하여 조정될 수 있다.
또한, 전력 부담률 향상 계수값은 최대 부하 상황(
Figure 112018107752252-pat00049
)과 최대 발전 상황(
Figure 112018107752252-pat00050
) 두가지로 표현될 수 있다.
이를 수학식으로 나타내면, 수학식 14와 같다.
Figure 112018107752252-pat00051
여기서, load bus는 부하에 연결된 버스를 나타내고, NDG 버스는 NDG에 연결된 버스를 나타낸다. 또한,
Figure 112018107752252-pat00052
는 최대 부하의 정격 소비 전력을 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00053
는 NDG의 정격 발전 전력을 나타낸다.
Figure 112018107752252-pat00054
는 단계 310에서 계산된 S 행렬의 (n,h)성분을 나타낸다.
Figure 112018107752252-pat00055
가 1보다 큰 경우, 이는 메인 BDG 대비 x번째 서브 BDG에 더 큰 전압 변동이 발생하는 것을 의미하며, 이는 x번째 서브 BDG가 상대적으로 큰 출력을 담당함을 의미한다.
따라서,
Figure 112018107752252-pat00056
가 1보다 큰 경우, x번째 BDG의 드룹 게인에
Figure 112018107752252-pat00057
를 곱하여 x번째 BDG의 드룹 게인을 증가시킨다. 이로 인해, x번째 BDG의 출력 전력이 상대적으로 감소됨으로써 전력 공유 성능이 향상될 수 있다.
단계 420에서 드룹 제어 장치(140)는 전력 부담률 향상 계수값(
Figure 112018107752252-pat00058
)를 이용하여 드룹 게인을 다시 도출하고, 이를 반영하여 전압 민감도 행렬(S)를 다시 계산한다.
예를 들어, 도출된 전력 부담률 향상 계수값(
Figure 112018107752252-pat00059
)를 이용하여 다시 도출된 드룹 게인은 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018107752252-pat00060
이를 통해
Figure 112018107752252-pat00061
값이 결정된다.
전압 민감도 행렬(S)는 새롭게 도출된 드룹 게인을 반영하여 최대 부하 및 최대 발전 상황으로 각각 계산될 수 있다.
드룹 제어 장치(140)는 최대 부하 및 최대 발전 상황에 대해 재계산된 전압 민감도 행렬(S)를 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에 대한 최대 전력 변동값을 각각 계산할 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면, 수학식 16과 같다.
Figure 112018107752252-pat00062
여기서,
Figure 112018107752252-pat00063
는 최대 부하 상황에서의 전압 민감도 행렬(S)을 나타내고,
Figure 112018107752252-pat00064
는 최대 발전 상황에서의 전압 민감도 행렬(S)을 나타낸다. 또한,
Figure 112018107752252-pat00065
와
Figure 112018107752252-pat00066
는
Figure 112018107752252-pat00067
와
Figure 112018107752252-pat00068
을 성분으로 가지는 최대 전력 변동 행렬이고,
Figure 112018107752252-pat00069
와
Figure 112018107752252-pat00070
는 각각 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 전압 변동 행렬을 나타낸다.
Figure 112018107752252-pat00071
는 행렬 성분 중 최대값을 찾는 함수이며, 이를 통해 변동이 가장 큰 버스의 전압값을 찾을 수 있다.
단계 425에서 드룹 제어 장치(140)는 최대 부하 및 최대 발전 상황에서 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 전압 변동이 가장 큰 버스의 전압 변동값(이하, 최대 전압 변동값이라 칭하기로 함)을 도출한다.
단계 430에서 드룹 제어 장치(140)는 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 최대 전압 변동값이 기준 전압 변동 폭 이내에 포함되도록 드룹 게인을 결정한다.
예를 들어, 드룹 제어 장치(140)는
Figure 112018107752252-pat00072
가 기준 전압 변동 폭(
Figure 112018107752252-pat00073
)보다 크면,
Figure 112018107752252-pat00074
가
Figure 112018107752252-pat00075
이내에 포함되도록
Figure 112018107752252-pat00076
을 감소시킨 후 단계 320으로 진행한다.
즉, 드룹 제어 장치(140)는
Figure 112018107752252-pat00077
가
Figure 112018107752252-pat00078
보다 작아지도록 조건을 변경하면서 드룹 게인 도출 및 전압 민감도 행렬을 도출하는 과정을 다시 반복 수행할 수 있다. 이는
Figure 112018107752252-pat00079
에 대해서도 동일하게 적용된다.
단계 435에서 드룹 제어 장치(140)는
Figure 112018107752252-pat00080
와
Figure 112018107752252-pat00081
를 이용하여 최종 드룹 게인을 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 내부 구성을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치(140)는 입력부(510) 및 드룹 제어기(515)를 포함하여 구성된다.
입력부(510)는 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 각각 입력받는다. 즉, 입력부(510)는 직류 마이크로그리드의 구조 및 관련 정보를 입력받을 수 있다.
드룹 제어기(515)는 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하기 위한 장치이다.
이러한 드룹 제어기(515)는 도 6에서 보여지는 바와 같이, 양방향 분산 발전기의 내부 제어기 전단에 위치될 수 있다. 이를 통해, 드룹 제어기(515)는 드룹 게인에 따라 양방향 분산 발전기를 출력 전력 및 버스 전압 중 적어도 하나를 드룹 제어할 수 있다.
드룹 제어기(515)의 상세 기능 및 동작에 대해서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 5-버스 그물망 선로를 구성한 실험 환경을 예시한 도면이고, 도 7은 도 6의 블록도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 부하 상황에 대한 실험 결과를 도시한 도면이고, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 발전 상황에 대한 실험 결과를 도시한 도면이다.
분산형 전원, 부하 및 선로 저항들의 상세 정수 값은 표 1과 같다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선로 저항을 고려하여 도출된 새로운 드룹 게인은 표 2와 같다.
정수 기호 값
공칭 전압 Vnom 120 V
버스 전압 상한치 Vmax 126 V
버스 전압 하한치 Vmin 114 V
BDG 1 정격 전력 Prated,1 1500 W
BDG 2 정격 전력 Prated,2 750 W
BDG 3 정격 전력 Prated,3 750 W
load 1 최대 소모 전력 Pload 1 1000 W
load 2 저항값 Rload 2 15 Ω
load 3 저항값 Rload 3 15 Ω
NDG 1 최대 발전량 PNDG 1 1400 W
NDG 2 최대 발전량 PNDG 2 1000 W
버스 1 과 2 사이 선로 저항 R12 0.18 Ω
버스 2 와 3 사이 선로 저항 R23 0.22 Ω
버스 2 와 5 사이 선로 저항 R25 0.18 Ω
버스 3 과 4 사이 선로 저항 R34 0.18 Ω
버스 4 과 5 사이 선로 저항 R45 0.22 Ω
버스 3 과 5 사이 선로 저항 R35 0.3 Ω
# BDG 기존 드룹 게인 부하 우세 상황 발전 우세 상황
Rd αload βload R’d αgen βgen R’d
1 0.456 1.000 0.65 0.296 1.000 0.71 0.324
2 0.912 1.422 0.65 0.843 1.322 0.71 0.856
3 0.912 1.421 0.65 0.842 1.315 0.71 0.851
도 8을 참조하면, 파형의 왼쪽 부분은 기존의 드룹 게인을 적용할 때의 결과이고, 오른쪽 부분은 제안 설계 방법을 통해 산정한 드룹 게인을 적용할 때의 결과이다. 설계한 드룹 게인을 적용함으로써 전력 공유 정확도가 개선됨을 확인할 수 있다. 최대 부하 상황에서, 기존 드룹 게인을 적용할 경우 버스 2, 3, 4, 및 5의 전압이 각각 113.3 V, 113.3 V, 113.1 V, 및 113.7 V로 Vmin (114 V) 이하로 떨어졌지만, 본 발명의 일 실시예에 따라 도출된 드룹 게인을 적용할 경우 모든 버스의 전압이 Vmin 이상임을 확인할 수 있다. 도 9는 최대 발전 상황에 대한 실험 파형을 보여주며, 마찬가지로 전력 공유 정확도가 향상됨을 확인할 수 있다. 최대 발전 상황에서, 기존 드룹 게인을 적용할 경우 버스 4의 전압이 126.1V로 Vmax (126V) 를 초과했지만, 설계된 드룹 게인을 적용할 경우 모든 버스의 전압이 Vmax 이하임을 확인할 수 있다. 이를 통해 제안한 방법을 통해 전압 조절 능력이 개선됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 장치 및 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전력 제어 시스템
110: 제1 양방향 분산 발전기
120: 제2 양방향 분산 발전기
130: 부하
140: 드룹 제어 장치

Claims (16)

  1. 마이크로그리드를 구성하는 제1 양방향 분산 발전기(BDG: Bi-directional distributed generator)와 복수의 제2 양방향 분산 발전기-상기 제1 양방향 분산 발전기의 용량이 상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 용량보다 크거나 같음; 및
    상기 제1 양방향 분산 발전기와 상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 선로 저항을 고려하여 상기 제1 양방향 분산 발전기 및 상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 드룹 제어 장치를 포함하되,
    상기 드룹 제어 장치는,
    자코비안 행렬을 선형화한 전력 방정식을 이용하여 도출된 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 최대 부하 전력 소모 상태 및 최대 발전 상황에서의 전력 분담률 향상 계수값을 각각 도출하고, 상기 각각 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 이용하여 상기 제1 또는 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 드룹 게인을 변경하고, 상기 전력 분담률 향상 계수값을 반영하여 상기 전압 민감도 행렬을 재계산하며, 상기 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 각 버스에서의 전압 변동값을 각각 도출하며,
    상기 전력 분담률 향상 계수값은 상기 마이크로그리드를 구성하는 양방향 분산 발전기 중 정격 용량이 가장 크거나 기준이 되는 상기 제1 양방향 분산 발전기의 전력 변동값 대비 상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 전력 변동값의 비율이되,
    상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 드룹 게인에 각각의 양??향 분산 발전기별 전력 분담률 향상 계수값을 곱하여 상기 복수의 제2 양방향 분산 발전기 각각의 드룹 게인을 변경시켜 상기 복수의 제2 방향?? 분산 발전기 각각의 출력 전력을 각각의 양방향 분산 발전기별 전력 분담률 향상 계수값에 따라 증가시키거나 감소시키며,
    최대 부하 상황에서의 각 버스의 전압 변동값이 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동 폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하며, 최대 발전 상황에서의 각 버스의 전압 변동값 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로그리드는 직류인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 마이크로그리드를 구성하는 복수의 양방향 분산 발전기의 드룹 제어 장치에 있어서,
    선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 각각 입력받는 입력부; 및
    상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 드룹 제어기를 포함하되,
    상기 드룹 제어기는,
    자코비안 행렬을 선형화한 전력 방정식을 이용하여 도출된 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 양방향 분산 발전기의 최대 부하 전력 소모 상태 및 최대 발전 상황에서의 전력 분담률 향상 계수값을 각각 도출하고, 상기 각각 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 드룹 게인을 변경하고, 상기 전력 분담률 향상 계수값을 반영하여 상기 전압 민감도 행렬을 재계산하며, 상기 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 각 버스에서의 전압 변동값을 각각 도출하며,
    상기 복수의 양방향 분산 발전기는 제1 양방향 분산 발전기 및 제2 양방향 분산 발전기를 포함하며, 상기 제1 양방향 분산 발전기의 용량이 상기 제2 양방향 분산 발전기보다 크거나 같되, 상기 제2 양방향 분산 발전기는 복수이며,
    상기 전력 분담률 향상 계수값은 상기 복수의 양방향 분산 발전기 중 정격 용량이 크거나 기준이 되는 상기 제1 양방향 분산 발전기의 전력 변동값 대비 제2 양방향 분산 발전기의 전력 변동값의 비율이되, 상기 전력 분담률 향상 계수값이 기준치 이상인 상기 제2 양방향 분산 발전기의 드룹 게인에 상기 전력 분담률 향상 계수값을 곱하여 드룹 게인을 변경하며,
    최대 부하 상황에서의 각 버스의 전압 변동값이 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동 폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하며, 최대 발전 상황에서의 각 버스의 전압 변동값 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 마이크로그리드는 직류인 것을 특징으로 하는 드룹 제어 장치.
  11. 마이크로그리드를 구성하는 양방향 분산 발전기의 드룹 제어 방법에 있어서,
    선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 각각 입력받는 단계; 및
    상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 출력 전력이 정해진 전압 규제 범위내에 존재하도록 드룹 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 드룹 제어하는 단계는,
    상기 선로 저항 및 구조, 최대 부하 소모 전력 및 최대 발전 전력에 기초하여 자코비안 행렬을 선형화한 전력 방정식을 이용하여 도출된 전압 민감도 행렬에 기초하여 상기 양방향 분산 발전기의 최대 부하 전력 소모 상태 및 최대 발전 상황에서의 전력 분담률 향상 계수값을 각각 도출하는 단계;
    상기 각각 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 이용하여 상기 양방향 분산 발전기의 드룹 게인을 변경하는 단계;
    상기 각각 도출된 전력 분담률 향상 계수값을 반영하여 상기 전압 민감도 행렬을 재계산하며, 상기 재계산된 전압 민감도 행렬을 이용하여 최대 부하 및 최대 발전 상황에서의 각 버스에서의 전압 변동값을 각각 도출하는 단계; 및
    최대 부하 상황에서의 각 버스의 전압 변동값이 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동 폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하며, 최대 발전 상황에서의 각 버스의 전압 변동값 중 최대 전압 변동값이 설정된 전압 변동폭 이하가 되도록 드룹 게인을 조절하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 양방향 분산 발전기는 제1 양방향 분산 발전기 및 제2 양방향 분산 발전기를 포함하며, 상기 제1 양방향 분산 발전기의 용량이 상기 제2 양방향 분산 발전기보다 크되, 상기 제2 양방향 분산 발전기는 복수이며,
    상기 전력 분담률 향상 계수값은 상기 제1 양방향 분산 발전기의 전력 변동값 대비 상기 제2 양방향 분산 발전기의 전력 변동값의 비율이되,
    상기 드룹 게인을 변경하는 단계는,
    상기 전력 분담률 향상 계수값이 기준치 이상인 상기 제2 양방향 분산 발전기의 드룹 게인에 상기 전력 분담률 향상 계수값을 곱하여 드룹 게인을 변경하는 것을 특징으로 하는 드룹 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 마이크로그리드는 직류인 것을 특징으로 하는 드룹 제어 방법.
  16. 제11 항에 따른 방법을 수행하는 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체 제품.

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