KR102402528B1 - Dc 마이크로그리드 시스템의 제어 방법 - Google Patents

Dc 마이크로그리드 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 장거리 DC 마이크로그리드 시스템의 정류기가 구동될 때, 제어부가 열저항 모델을 설정하는 단계; 열저항 모델이 설정되면, 상기 제어부가 선로정보를 입력받고 선로저항을 계산하는 단계; 상기 제어부가 상기 정류기의 출력전류(I) 및 선로온도를 입력받고, 이에 기초하여 실시간 전압강하 값(Vdrop)을 계산하는 단계; 및 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)이 실시간으로 계산되면, 상기 제어부가 상기 실시간으로 계산된 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)을 실시간으로 반영하여, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 컨버터에 대해 드룹 제어를 수행하는 단계;를 포함한다.

Description

DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING OF DC MICRO GRID SYSTEM}
본 발명은 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장거리 선로를 가진 직류(DC) 마이크로그리드 네트워크의 선로 말단에서 발생하는 전압강하 값을 실시간으로 정확하게 추정하여 드룹(droop) 제어를 수행할 수 있도록 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 저압 직류(DC) 배전 시스템은 비교적 큰 전류용량을 갖는다.
이때 상기 배전에서 고려해야 할 전압강하는 선로의 저항(즉, 임피던스)에 의해 발생하는데 전송전류가 커질수록 전압강하의 정도도 심해진다.
이러한 전압강하가 심해지면 선로 출력 측에 연결되어 있는 전력 변환수단(예 : 인버터, 컨버터 등)이 저전압 보호동작에 의해 탈락하여 수용가에 정전이 발생하거나 전력품질 및 기기효율 등이 급격히 저하되는 현상이 발생한다.
한편 장거리 선로를 가진 DC 마이크로그리드 시스템의 경우, 선로 임피던스에 의한 전압강하에 의해서 선로입력 측과 말단 측에 전압차이가 발생하고, 이러한 전압차이에 의해 드룹(droop) 제어를 수행하기 어려웠다.
따라서 현재 발생하는 전압강하 값을 정확하게 추정할 수 있는 방법과 장거리 선로를 가진 DC 마이크로그리드 시스템에서도 드룹 제어를 수행할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2010-0093078호(2010.08.24.공개, 전력 제어)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 장거리 선로를 가진 직류(DC) 마이크로그리드 네트워크의 선로 말단에서 발생하는 전압강하 값을 실시간으로 정확하게 추정하여 드룹(droop) 제어를 수행할 수 있도록 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법은, 장거리 DC 마이크로그리드 시스템의 정류기가 구동될 때, 제어부가 열저항 모델을 설정하는 단계; 열저항 모델이 설정되면, 상기 제어부가 선로정보를 입력받고 선로저항을 계산하는 단계; 상기 제어부가 상기 정류기의 출력전류(I) 및 선로온도를 입력받고, 이에 기초하여 실시간 전압강하 값(Vdrop)을 계산하는 단계; 및 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)이 실시간으로 계산되면, 상기 제어부가 상기 실시간으로 계산된 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)을 실시간으로 반영하여, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 컨버터에 대해 드룹 제어를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 선로저항은, 수학식 1을 이용해 산출하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Figure 112015085905142-pat00001
여기서, A는 도체의 단면적[mm2], l은 선로길이, 비례정수(
Figure 112015085905142-pat00002
)는 고유저항을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 선로저항은, 수학식 2를 이용하여 전선의 온도에 따른 선로저항 값으로서 산출되는 것을 특징으로 한다.
(수학식 2)
Figure 112015085905142-pat00003
여기서, t0는 기준온도, R은 기준온도에서의 전선저항 값, t는 상승한 온도,
Figure 112015085905142-pat00004
는 저항의 온도계수를 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 실시간 전압강하 값(Vdrop)은, 아래의 수학식 3을 이용해 산출되는 것을 특징으로 한다.
(수학식 3)
Figure 112015085905142-pat00005
여기서, I는 DC 선로의 출력전류, R은 선로저항을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 열저항 모델은, 전선의 표면에 온도센서를 부착하여 산출된 값을 이용하여 산출하되, 상기 열저항은, 도체온도(Tc)와 시스의 온도(Ts) 사이의 열저항(Rcs), 시스의 온도(Ts)와 피복의 온도(Ti) 사이의 열저항(Rsi), 및 피복의 온도(Ti)와 온도센서의 온도(Tm) 사이의 열저항(Rim)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열저항 모델에는 병렬로 열캐패시터 모델이 연결되며, 상기 열캐패시터 모델은, 도체온도(Tc)와 시스의 온도(Ts)사이의 열캐패시터Ccs), 시스의 온도(Ts)와 피복의 온도(Ti)사이의 열캐패시터(Csi), 및 전선 피복의 온도(Ti)와 온도센서의 온도(Tm)사이의 열캐패시터(Cim)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 장거리 선로를 가진 직류(DC) 마이크로그리드 네트워크의 선로 말단에서 발생하는 전압강하 값을 실시간으로 정확하게 추정하여 드룹(droop) 제어를 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 특성을 설명하기 위한 그래프를 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 실시간 온도가 반영된 선로저항 산출 방법을 설명하기 위한 케이블의 구조를 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 설정한 도체와 온도센서 간 열저항 모델을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 장치는, 전압강하 값 산출부(110), 제어부(120), 및 게이트 펄스 발생부(130)를 포함한다.
상기 전압강하 값 산출부(110)는 DC 선로의 전류(I), 선로저항(R), 및 온도센서(미도시)를 이용해 측정한 온도(Tm)를 이용하여 전압강하 값(Vdrop)을 산출한다.
상기 제어부(120)는 DC 선로에 전압강하 발생 시 실시간으로 계산되는 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop) 만큼을 드룹 제어에 실시간 반영한다.
여기서 상기 제어부(120)는 비례적분(PI) 제어기가 사용될 수 있다.
이하 상기 드룹 제어의 특성에 대해서 도 2의 그래프를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 특성을 설명하기 위한 그래프를 보인 예시도로서, DC 선로의 기준전압이 750V인 경우의 배터리 연계용 컨버터의 드룹 제어 특성 그래프를 보인 예시도이다.
예컨대 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, DC 선로의 전압을 검출하다가 750V 아래로 떨어지면 전류를 방전하게 되며, 반대로 750V를 초과하게 되면 전류를 충전한다. 만약 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 전압강하가 발생하게 되면 실시간으로 계산되는 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop) 만큼을 드룹 제어 특성 그래프에 도시된 바와 같이 실시간으로 반영한다. 이때 전압 제어권을 가진 정류기(미도시)는 기존의 제어 특성 곡선에서 변화가 없으며, 정류기(미도시)와 연계 기기간의 선로거리 만큼을 반영하여 전압강하 값(Vdrop)을 계산하며 이 값은 실시간으로 계속 변동한다. 한편 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 전압강하 값(Vdrop)이 음의 값이 되는 경우, 즉 선로말단에 연계된 발전원(PV, 풍력발전기 등)의 발전량에 의해 선로말단 전압이 상승하는 경우, 배터리(미도시)는 선로로부터 전류를 입력받아 충전된다.
상기 게이트 펄스 발생부(130)는 상기 제어부(120)의 제어에 따라 게이트 펄스(예 : 컨버터의 내부 스위칭 소자를 제어하는 게이트 펄스)를 발생한다. 가령 상기 게이트 펄스의 주파수를 증가시키거나 감소시킴으로써 컨버터의 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 증가시키거나 감소시킨다.
예컨대 상기 게이트 펄스 발생부(130)는 AC 전압을 입력받아 DC 출력을 내보내는 일반적인 2레벨 정류기, 혹은 3레벨 NPC 정류기 등의 내부 스위칭 소자를 제어하는 게이트 펄스를 발생시켜 출력하거나, DC 선로에 연계된 배터리를 충전하는 컨버터의 내부 스위치 소자를 제어하는 게이트 펄스를 발생시켜 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 정류기가 구동될 때(S101), 제어부(120)는 열저항 모델을 설정한다(S102).
예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 전선의 표면에 온도센서를 부착하면, 도 5에 도시된 바와 같은 열저항 모델을 구할 수 있다.
이때 각각의 열저항들(Rcs, Rsi, Rim)은 도체온도(Tc)와 시스의 온도(Ts) 사이의 열저항(Rcs), 시스의 온도(Ts)와 피복의 온도(Ti) 사이의 열저항(Rsi), 피복의 온도(Ti)와 온도센서의 온도(Tm) 사이의 열저항(Rim)으로 설정된다. 이 값들은 케이블 제조사로부터 얻을 수 있으며, 또는 실험에 의해서 얻을 수도 있다.
또한 상기 도 5를 참조하여 열캐패시터 모델이 설정될 수 있다.
즉, 상기 열캐패시터 모델은 구성요소들에서 발생되는 열의 전도 지연을 열캐패시터로 모델링한 것이며, 각각의 크기 또는 재질에 의한 것으로서, 열캐패시터 모델은 상기 열저항 모델에 병렬적으로 연결되어 모델링될 수 있다.
상기 열캐패시터 모델은 도 5에 도시된 바와 같이, 도체온도(Tc)와 시스의 온도(Ts)사이의 열캐패시터Ccs),시스의 온도(Ts)와 피복의 온도(Ti)사이의 열캐패시터(Csi), 피복의 온도(Ti)와 온도센서의 온도(Tm)사이의 열캐패시터(Cim)로 설정된다. 이때 상기 열저항과 마찬가지로 상기 열캐패시터는 케이블 제조사로부터 구하거나 실험에 의해 구해질 수 있다.
한편 상기와 같이 열저항 모델이 설정되면, 제어부(120)는 선로정보를 입력받고(S103) 선로저항을 계산한다(S104).
예컨대 선로저항은 아래의 수학식1을 이용해 산출할 수 있다.
Figure 112015085905142-pat00006
여기서, A는 도체의 단면적[mm2], l은 선로길이, 비례정수(
Figure 112015085905142-pat00007
)는 고유저항을 의미하며, 도전율을 C[%]라고 하면 상기 비례정수(
Figure 112015085905142-pat00008
)는 다음과 같다.
Figure 112015085905142-pat00009
(C:연동선의 경우 100, 경동선의 경우 97)
이때 상기 선로저항(R)은 도체의 단면적과 선로거리에 의해서 정해지는데 그 값이 변화하지 않기 때문에 초기에 한번 설정해주면 된다.
즉, DC계통연계 컨버터의 구동 초기에 상기 수학식1의 단면적(A)과 정류기(미도시)로부터의 선로길이(l), 도체의 종류 등을 입력하면 전체 선로의 저항값이 설정 완료되고, 또는 케이블 제조사로부터 선로저항 정보를 수집하여 입력할 수도 있다.
한편 상기 선로저항 값의 산출에 정확성을 증가시키려면 전선(케이블)의 온도를 반영해야 한다.
보통 선로저항은 20ㅀC를 기준으로 하고 있는데, 일반적으로 도체는 온도가 올라감에 따라 저항값이 증가한다. 따라서 다음의 수학식 2를 이용하여 전선의 온도에 따른 저항값을 산출할 수 있다.
Figure 112015085905142-pat00010
여기서, t0는 기준온도, R은 기준온도에서의 전선저항 값, t는 상승한 온도,
Figure 112015085905142-pat00011
는 저항의 온도계수로서 기준온도에 따라 그 값이 조금씩 달라지는 것인데 일반적으로 20ㅀC의 값을 기준으로 한다. 예컨대
Figure 112015085905142-pat00012
의 값은 copper 0.003930, aluminum 0.004100, iron 0.005671, steel 0.003 등이다.
따라서 제어부(120)는 정류기의 출력전류(I) 및 선로온도를 입력받고(S105), 이에 기초하여 실시간 전압강하 값(Vdrop)을 계산한다(S106).
예컨대 상기 상술한 바와 같이 선로저항(R)과 열저항 모델에 의해 구해진 도체온도 값(Tc)을 이용하여 실시간 전압강하 값(Vdrop)을 계산하는데, DC 선로의 전류센서(CT)(미도시)에 의해서 검출된 DC선로(예 : AC가 DC로 변환되어 출력된 DC선로)의 출력전류(I)를 입력받아 아래의 수학식 3과 같이 계산한다.
Figure 112015085905142-pat00013
여기서 선로저항(R)은 전선의 온도에 의해 변하지만 전류 값이 지배적인 영향을 미치며, 부하가 커질수록 전압강하 값(Vdrop)이 증가한다.
상기와 같이 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)이 실시간으로 계산되면, 상기 제어부(120)는 DC 선로에 전압강하 발생 시 실시간으로 계산되는 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop) 만큼을 드룹 제어에 실시간 반영한다(S107).
상기와 같이 본 실시예는 DC 마이크로그리드의 드룹 제어에 관한 것으로서, AC마이크로그리드와 달리 기존에 DC마이크로그리드에서는 상대적으로 큰 전류량 및 선로저항에 의한 전압강하로 인해 드룹 제어가 용이하지 않았다.
즉, 드룹 제어 기법을 사용하면 2대 이상의 전력변환기에서 DC 그리드의 직류전압을 제어하게 되며 각 구성요소가 전압제어를 하는데 있어서 선로임피던스에 의해 제어하는 전압의 차이가 발생하게 되고 이에 따라 DC 그리드에 순환전류가 필연적으로 발생하게 된다. 그러므로 이를 억제하기 위한 제어기법이 필요한데 본 실시예의 기술에서는 선로임피던스에 의한 전압강하를 실시간으로 산정하여 이를 DC 마이크로그리드 시스템에 반영하도록 할 수 있도록 한다.
다시 말해, 본 실시예는 DC 마이크로그리드 네트워크의 선로말단에서 발생하는 전압강하 값을 실시간으로 정확하게 추정할 수 있으며, 제어 기능의 추가 및 열저항 모델에 의한 선로 도체 온도측정 등 기능의 구현이 간단한데 비하여 큰 효과를 얻을 수 있으며, 또한 부하량 및 발전량이 변화하는 DC 마이크로그리드 시스템에서도 드룹 제어를 안정적으로 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 전압강하 값 산출부
120 : 제어부
130 : 게이트 펄스 발생부

Claims (6)

  1. 장거리 DC 마이크로그리드 시스템의 정류기가 구동될 때, 제어부가 열저항 모델을 설정하는 단계;
    열저항 모델이 설정되면, 상기 제어부가 선로정보를 입력받고 선로저항을 계산하는 단계;
    상기 제어부가 상기 정류기의 출력전류(I) 및 선로온도를 입력받고, 이에 기초하여 실시간 전압강하 값(Vdrop)을 계산하는 단계; 및
    DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)이 실시간으로 계산되면, 상기 제어부가 상기 실시간으로 계산된 DC 선로의 전압강하 값(Vdrop)을 실시간으로 반영하여, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 컨버터에 대해 드룹 제어를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 선로저항은,
    수학식 1을 이용해 산출하는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법.
    (수학식 1)
    Figure 112015085905142-pat00014

    여기서, A는 도체의 단면적[mm2], l은 선로길이, 비례정수(
    Figure 112015085905142-pat00015
    )는 고유저항을 의미한다.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 선로저항은,
    수학식 2를 이용하여 전선의 온도에 따른 선로저항 값으로서 산출되는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법.
    (수학식 2)
    Figure 112015085905142-pat00016

    여기서, t0는 기준온도, R은 기준온도에서의 전선저항 값, t는 상승한 온도,
    Figure 112015085905142-pat00017
    는 저항의 온도계수를 의미한다.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 실시간 전압강하 값(Vdrop)은,
    아래의 수학식 3을 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법.
    (수학식 3)
    Figure 112015085905142-pat00018

    여기서, I는 DC 선로의 출력전류, R은 선로저항을 의미한다.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 열저항 모델은,
    전선의 표면에 온도센서를 부착하여 산출된 값을 이용하여 산출하되,
    상기 열저항은,
    도체온도(Tc)와 시스의 온도(Ts) 사이의 열저항(Rcs),
    시스의 온도(Ts)와 피복의 온도(Ti) 사이의 열저항(Rsi), 및
    피복의 온도(Ti)와 온도센서의 온도(Tm) 사이의 열저항(Rim)을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 열저항 모델에는 병렬로 열캐패시터 모델이 연결되며,
    상기 열캐패시터 모델은,
    도체온도(Tc)와 시스의 온도(Ts)사이의 열캐패시터Ccs),
    시스의 온도(Ts)와 피복의 온도(Ti)사이의 열캐패시터(Csi), 및
    전선 피복의 온도(Ti)와 온도센서의 온도(Tm)사이의 열캐패시터(Cim)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템의 제어 방법.
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