Master-Slave Based Hierarchical Control for a Single Phase Grid Connected DC Distributed System with an ESS

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2017. 2. 조보형.최근 환경 문제의 대두로 인해 전기 에너지의 효율적인 사용 및 신 재생 에너지의 사용에 대한 요구가 늘고 있으며 이 신 재생 에너지의 운용에 있어 높은 신뢰성을 얻기 위해 분산 발전 시스템과 에너지 저장 장치에 대한 관심이 고조되고 있다. 이를 효과적으로 통합하고 운영하기 위해 다양한 구조 및 형태의 분산 발전 시스템이 연구되고 있는데 이 중에서 태양광과 배터리를 이용한 직류 배전 시스템은 에너지 변환 과정의 간소화 및 배전 선로의 신뢰성 향상 등의 장점에 힘입어 소규모 분산 발전 시스템에서 교류 배전 시스템의 대안으로 관심을 받고 있다. 직류 배전에 시스템에 대한 연구는 통합 시스템의 설계, 구축, 운용 등 다양한 분야에서 진행되어 왔지만 각 하위 시스템을 최종적으로 통합하는데 있어서 주로 드룹 제어를 사용되어 왔는데, 이 제어 방식은 통신 독립성과 시스템의 확장 용이성을 통해 다양한 시스템과 구조에서 사용되어 왔다. 하지만 드룹 제어 방식은 드룹 이득 값이 직접적으로 시스템의 소신호 모델링에 참여되어 출력 임피던스가 증가하는 문제가 있었고, 이에 따라 안정적인 설계 및 동특성 등에 있어 단점을 지적받아 왔다. 본 논문에서는 마스터-슬레이브 제어를 기반으로 하는 계층 제어 구조를 제안하고 이를 이용해 직류 배전 시스템을 운용하는 방식에 대해 논하도록 한다. 기존의 마스터-슬레이브 제어는 에너지 흐름 및 전략을 관리하기 편하다는 장점이 있지만, 통신에 대한 의존성이 커서 통신 지연이나 단락등의 사고가 발생 했을 경우의 문제가 강하게 지적되어 왔으며, 또한 계층 구조가 제안된 이후 에너지 관리 등의 기능이 상위 제어기에 관리되면서 드룹 제어에 밀려 소규모 분산 전원 시스템을 제외하면 사용이 드물어 졌다. 하지만 본 논문은 통신과 독립된 마스터-슬레이브 제어 방식을 제안하고 이를 통해 계층 제어 구조의 하위 제어기를 구성함으로서 기존 드룹 제어를 기반으로 하는 시스템보다 안정적이고 빠른 동특성을 갖는 시스템을 얻는다. 해당 제어 방식은 기존 마스터-슬레이브 제어 또는 중앙 집중형 제어 방식의 가장 큰 단점이었던 낮은 확장성 및 통신 지연 혹은 단락 사고로 인한 시스템 문제를 상당량 해결 할 수 있으며, 해당 운용 방안으로 인해 발생하는 특징 및 문제점에 대해 고려하고 이를 해결하기 위한 방안 역시 논의한다. 또한 기존 운용 방법과 제안한 운용 방법의 비교를 통해 제안한 방법에서 배전 선로 임피던스의 크기가 얼마나 줄어드는지를 분석하였으며 이를 검증하기 위해 Matlab과 PSIM을 기반으로 한 소프트웨어 테스트베드를 만들어 확인하였으며 하드웨어 장치를 구축하여 제안한 시스템의 안정적인 동작과 운용 알고리즘을 실험적으로 검증하였다.제 1 장 서론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구의 목적 및 범위 10 1.3 논문의 구성 12 제 2 장 소규모 직류 배전 시스템의 구성 및 동작 원리 13 2.1 소규모 직류 배전 시스템의 구성 13 2.1.1 중앙 집중형 제어 방법 15 2.1.2 독립 제어 방법에 따른 시스템 특징 17 2.1.3 하이브리드 제어 방법에 따른 시스템 특징 21 2.1.4 기존 제어 방법의 장 단점 비교 23 2.2 제안하는 제어 방식의 동작 개요 32 2.2.1 제어 방식 개요 34 2.2.2 하위 제어기 38 2.2.3 상위 제어기 44 제 3 장 하위 시스템 설계 및 분석 45 3.1 개별 제어기의 동작 원리 45 3.1.1 RIU의 특징 47 3.1.2 GIU의 특징 47 3.1.3 SIU의 특징 48 3.2 개별 요소의 소신호 분석 및 제어기 설계 54 3.2.1 RIU 55 3.2.2 GIU 64 3.2.3 SIU 73 제 4 장 제안한 운용 방안의 안정도 판별 및 과도 특성 해석 80 4.1 제안한 시스템의 안정도 해석 80 4.1.1 안정도 판별법 80 4.1.2 배전 선로 임피던스 83 4.1.3 출력 임피던스 분석 87 4.1.4 모의 실험 결과 94 4.2 DBS 마스터-슬레이브 동작 확인 113 4.2.1 하위 제어기의 구성 및 외부 지령치 113 4.2.2 슬레이브 커브 디자인 및 기준점 변동 115 4.2.3 DBS 마스터-슬레이브 커브에 기반한 모의 실험 결과 117 제 5 장 실험 및 결과 128 5.1 실험 세트 구성 128 5.2 통합 회로 동작 130 제 6 장 결론 및 향후 과제 136 6.1 결론 136 6.2 향후 과제 137 참고문헌 139 Abstract 156Docto