Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea.)



Smart Inverter, Frequency-Watt control, Grid-connected inverter, Hardware-Simulator

1. 서 론

최근 자원 고갈 및 환경 문제로 인해 풍력, 태양광 등과 같은 친환경 에너지를 활용한 분산 전원에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다(1). 분산 전원(Distributed Energy Resources, DER)은 기존의 발전 시설과 달리 부하의 인접한 지역에 상대적으로 작은 규모의 설치가 가능하다. 계통에 연결된 분산 전원 발전 설비는 전체 그리드에 영향을 미치게 된다. 계통에 연계된 분산 전원의 출력은 연계점(Point of Common Coupling, PCC)마다 제어 특성이 다양하여 분산 전원의 연계점 특성에 따른 제어기 파라미터 설정 및 제어가 필요하다(2-3). 또한 배전 계통의 분산 전원 수용력 확대를 위해서 분산 전원의 출력을 제어하는 것이 가능하다. 단일 계통 시스템에 연계된 다수의 분산 전원의 출력 변화 등으로 인하여 계통의 불안정한 상황을 초래할 수 있으며 사고 발생의 원인이 될 수 있다. 계통의 불안정한 상황은 연계점 전압과 주파수 변동으로 나타날 수 있다. 사고로 인해 분산 전원이 계통으로부터 탈락 시 계통 전체의 수요와 공급의 균형이 무너져 계통의 연계 신뢰도에 큰 영향을 준다(4). 계통에서 발생되는 비정상 전압 상황은 분산 전원의 무효전력 제어에 영향을 받으며, 비정상 주파수는 분산 전원의 유효전력 제어와 관련이 있다(5-6).

분산 전원의 적용 확대에 따라 세계 각국에서는 계통 안정적인 운영에 기여할 수 있는 계통 연계형 분산 전원 인버터의 다양한 계통 연계 기준을 정립하고 있다. 이러한 기준에는 계통 연계 인버터가 통신을 통하여 상위 장치에 연결되어 인버터 출력 제어 기능을 수행하는 항목이 포함되어 있다. 계통 안정화를 위한 기능이 탑재된 분산 전원용 인버터를 스마트 인버터라 부르고 있다(7-8). 그림 1은 스마트 인버터와 에너지 관리 시스템을 활용한 계통연계형 시스템을 나타낸다. 구성 요소는 다수의 분산 전원, 스마트 인버터, 변압기, 계통, 정보 공유용 Utility Gateway, 분산형 에너지 자원 관리 시스템(Distributed Energy Resources Management System, DERMS)이다. 스마트 인버터를 활용한 배전 계통은 분산 전원에서 발생된 전력의 전달만이 아니라 효율적인 출력 제어를 위한 정보의 이동을 포함하고 있다. 분산 전원에서 발전된 에너지는 계통의 상황에 맞게 변압기와 계통을 통해 부하로 전달이 된다. 안정적인 전력 공급을 위해 이동하는 정보는 연계점 전압, 전류, 역률 등을 포함한 계통의 상황과 분산 전원의 동작 상태이다. 분산 전원 주변에 설치되고 인버터와 통신으로 연결된 분산 전원 제어 기능을 갖는 상위 장치를 Utility Gateway라 하며, 계통 운영자에게 스마트 인버터의 정보를 공유하는 역할을 한다. Utility Gateway는 다수의 스마트 인버터 제어기와 접속이 가능하며 분산발전원의 정보를 관리하고, 에너지 자원 관리 시스템에 정보를 제공한다.

계통 연계형 분산 전원의 연계 기준은 국가별 계통의 특성에 따라 다양하며, 계통 운영자에 의해 유연성을 가진다. 미국 전력연구소(Electric Power Research Institute, EPRI)에서는 배전 수용력 확대를 위해 스마트 인버터에 공통으로 필요한 기능과 동작 기준에 관해서 규정하고 있다(9). 배전계통 연계기준은 IEEE P1547, UL 1741, IEC TC57 등과 같이 국제 기준에 부합하고, 합리적인 기준을 위해 여러 업체의 입장을 고려한 결과이다. 표 1은 한국전력공사 전력연구원에서 선정한 배전계통 연계기준에 필요한 스마트 인버터의 출력 제어 기능을 나타낸다(10-13).

그림. 1. 스마트 인버터를 활용한 계통연계형 시스템

Fig. 1. Grid-Connected System using smart inverters

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig1.png

표 1. 배전계통 연계기준의 계통 지원기능

Table 1. Distribution grid connection standard for grid support function

No.

Function

1

Volt-Var Control

2

Fixed Power Factor Control

3

Volt-Watt Control

4

Watt, Var Set Point

5

Frequency-Watt Control

6

Low/High Voltage Ride-Through

7

Low/High Frequency Ride-Through

표 2. 유효전력 관련 기능의 우선순위

Table 2. Precedence of watt related functions

Priority

Settings/Functions

1

(Fundamental Physical Limits)

Energy Source orSelf-Imposed Limits

2

(Nameplate andDevice Limits Settings)

Watt Max Capability Setting

3

(Settings Actively Affecting Operating Boundaries)

Frequency-Watt Control

Voltage-Watt Control

(9)의 우선순위 지침은 유효전력과 무효전력으로 분류하며, 표 2는 유효전력 관련 기능의 우선순위를 나타낸다. 유효전력 제어의 우선순위는 기본 하드웨어 제한, 장치 제한 설정 그리고 제어 기능이 상충하는 경우가 존재한다. 제어 기능이 동시에 활성화된 경우, 상대적으로 계통의 안정적인 공급 지원에 영향이 큰 제어 기능이 더 높은 우선순위로 동작한다. 표 1의 제어 기능 중, 주파수-유효전력 기능과 상충하는 기능은 전압-유효전력 제어 기능이다. 예를 들어 위 두 개의 기능이 동시에 활성화된 경우, 더 큰 유효전력을 감소시키는 기능의 명령으로 동작한다.

본 논문에서는 스마트 인버터의 출력 제어 기능 검증을 위하여 3-Level 인버터 회로를 사용하는 시뮬레이터의 구성을 제안한다. 개발된 시뮬레이터는 스마트 인버터의 주파수-유효전력 제어 기능을 다양한 계통 조건에서 검증할 수 있으며, 시뮬레이터를 활용한 실험을 통해 제안한 하드웨어의 타당성을 검증한다.

2. 스마트 인버터의 구성

스마트 인버터의 하드웨어는 각종 센서로부터 받은 정보를 통해 출력 제어 기능을 구현하고 상위 장치와 통신을 하는 제어부와 분산 전원에서 발전된 에너지를 계통에 공급하는 전력변환부로 구성된다.

2.1 스마트 인버터의 제어부

스마트 인버터는 제어 및 통신을 하는 제어 보드, 전압 및 전류 센서로부터 정보를 받는 센싱 보드, 각종 전자 접촉기의 ON/OFF 동작을 제어하는 릴레이 보드로 구성된다. 제어 보드에 사용되는 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor, DSP)는 제어 기능 구현뿐만 아니라 전압 및 전류 측정하고 직렬 통신을 이용하여 Utility gateway와 통신 기능을 제공한다. 제안된 시뮬레이터 제어기의 DSP는 부동 소수점 연산이 가능한 Texas Instruments 사의 TMS320F28335를 사용한다. 그림 2는 제안된 시뮬레이터의 제어 보드를 나타낸다. TMS320F28335는 150 MHz의 클럭으로 동작하며, 총 12개의 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 포트와 16개의 아날로그-디지털 변환(Analog to Digital Conversion, ADC) 채널이 존재한다. PWM 포트는 전력변환부의 스위치 모듈의 ON/OFF 동작을 위해 사용되며 제어 보드의 ADC 채널은 인버터의 출력 전압 및 전류, 계통 접속점의 전압, 전류 등의 정보를 디지털 신호로 변환한다. 외부 장치와 통신을 위한 직렬통신 채널인 RS232, RS485 포트는 Utility Gateway 또는 PC로 각종 정보를 제공하는 기능을 수행한다. 스마트 인버터 전력 회로에 설치된 접촉기의 동작을 위해 DSP에서 출력된 릴레이 동작 신호는 릴레이 보드를 통해 전자 접촉기에 인가된다.

스마트 인버터는 직렬 통신 방식인 RS485 채널을 통해 상위 장치인 Utility Gateway와 연결되며 그림 3의 블록도와 같이 나타낼 수 있다. Utility Gateway에서는 스마트 인버터의 입력 및 출력을 포함한 동작 상태를 감시할 수 있으며 계통 운영자의 요구에 따라 인버터 출력 제어 기능을 위한 명령을 생성하는 역할을 수행한다. 제안된 시뮬레이터의 제어기는 별도의 RS232 직렬 통신 채널을 이용하여 로컬에서 PC를 통한 인버터 동작 상태 감시도 가능하다. 또한 DSP의 디지털-아날로그(Digital to Analog, DA) 기능을 통해 제어기 내부 변수의 측정을 위한 신호 생성이 가능하다.

그림. 2. 스마트 인버터용 제어 보드

Fig. 2. Control board for smart inverters

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig2.png

그림. 3. 스마트 인버터와 Utility Gateway의 블록도

Fig. 3. Block diagram of smart inverters and utility gateway

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig3.png

2.2 스마트 인버터의 전력변환부

제안한 시뮬레이터의 스마트 인버터의 전력변환부는 스위칭 모듈, 스너버 커패시터, 전압 센서, 전류 센서, 직류단 커패시터, 전자 접촉기(Magnetic Contactor, MC) 등으로 구성된다. 태양광 전지와 같은 분산 전원에서 발생된 직류 전압을 계통 전압과 같은 교류 형태로 변환하기 위한 전력 회로는 3-Level 토폴로지로 구성되며 그림 4와 같다. 3-Level 전력 회로는 2-Level 토폴로지에 비하여 많은 스위치 모듈을 사용하는 단점이 있지만, 스위칭 소자에 인가되는 정격 전압이 절반으로 감소하고 낮은 스위칭 주파수로 동일한 전력 품질을 구현할 수 있기 때문에 스위칭 손실이 감소하는 장점이 있다(14)-(16). 적용된 스위치 모듈은 SEMIKRON 社의 SEMIX305-MLI12E4로써 3-Level 전용 패키지 제품으로 설계하여 전력 밀도가 높은 시스템을 구현하였으며 하나의 패키지에 4개의 IGBT와 2개의 다이오드가 내장되어 누설 인덕턴스를 최소화할 수 있다. 스마트 인버터 출력 제어를 위한 전류 센서는 직류단, 교류단에 각 1, 3개가 설치되었으며 LEM 社의 HAS50-S(50A)를 사용한다. 또한 스너버 커패시터를 사용하여 스위칭 소자에 인가되는 전압의 스파이크를 줄이고 주변장치에 야기하는 전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI)을 감소시킬 수 있다(17).

그림. 4. 스마트 인버터의 전력 회로 구성

Fig. 4. Power circuit configuration of smart inverters

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig4.png

그림. 5. 스마트 인버터의 제어 시퀀스

Fig. 5. Control sequence of smart inverters

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig5.png

초기 충전 회로(Precharge Curcuit)는 커패시터의 초기 전압 차이에 의한 과전류 현상을 방지하기 위해 사용하며, 주 접촉기(Main MC), 초기 충전 접촉기(Precharge MC, Pre MC), 초기 충전 저항(Precharge Resistor, Pre Res)으로 구성된다. 초기 충전 회로를 활용한 스마트 인버터의 제어 시퀀스는 그림 5와 같다. grid_rms는 계통의 선간전압(ab, bc, ca)의 실효값을 나타내며, grid_set은 계통 전압이 정상인 경우, 활성화되는 디지털 신호이다. grid_set 활성화 후, 스마트 인버터는 제어를 시작한다. 초기 충전 접촉기를 동작시키는 MC를 작동하여 Pre MC와 Pre Res를 통해 직류단 커패시터를 충전한다. 이후, 주 접촉기를 동작시키는 MC을 동작하여 직류단 커패시터 충전을 유지하고 MC는 비활성화한다. dc_link는 직류단 커패시터의 전압을 나타내며 스위칭 소자(a1 ~ c4)를 구동하기 위한 PWM 신호를 인가하여 분산 전원의 출력 전압(DER Output)으로 전압 제어를 수행한다. 스마트 인버터는 정전압 제어 후, 운영자가 설정한 파라미터를 기반으로 계통 상황에 맞는 전류 또는 전력을 제어한다.

3. 주파수-유효전력 제어

전력 계통의 발전기는 공칭 주파수에 해당하는 일정한 회전수로 회전하며 주파수의 변동은 발전소의 발전력과 부하의 소비 및 손실 전력에 영향을 받는다. 부하가 급변하는 상황 또는 사고로 인해 주파수 변동이 발생하고, 이는 추가적인 사고의 원인이 된다. 따라서 전력 계통의 주파수 변동 폭을 일정한 범위 안에 유지하기 위한 적절한 제어가 필요하다. 발전소의 조속기 제어 또는 분산 전원의 유효전력을 제어하여 계통의 주파수 변동 저감 및 안정적인 계통 공급을 지원할 수 있다.

그림. 6. 주파수와 유효전력의 관계

Fig. 6. Relationship between frequency and watt

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig6.png

3.1 주파수-유효전력 관계

전력 계통의 주파수-유효전력은 그림 6의 회전체와 가속 및 감속 토크의 관계를 가진다(18). 분산 전원의 유효전력 공급은 회전체 입장에서 가속 토크에 해당하며, 가속 토크에 의해 회전 속도 및 주파수가 증가하게 된다. 소비전력 및 손실은 회전체의 감속 토크에 해당하며, 감속 토크는 회전 속도 및 주파수 감소에 영향을 준다. 발전기의 출력이 소비전력과 손실의 합보다 작은 경우, 감속 토크의 영향을 받아 주파수는 감소하고, 이때, 분산 전원형 인버터의 유효전력을 계통으로 공급하여 전력의 불균형 현상을 감소 시켜 주파수를 안정화할 수 있다. 반대의 경우 유효전력 공급을 감소 시켜 주파수의 변동을 저감 할 수 있다.

그림. 7. eCAP 기능을 이용한 주파수 검출 방법

Fig. 7. A method for the frequency detection using an eCAP function

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig7.png

3.2 주파수 검출 방법

주파수-유효전력 제어에 사용되는 주파수는 DSP의 eCAP (enhanced Capture) 기능을 통해 검출한다. eCAP 기능은 회전기기의 속도, 펄스파의 주기 및 듀티비 측정, 위치 센서와 트리거 사이의 경과 시간 측정 등에 사용된다. eCAP 기능은 CAPx Pin의 입력을 통해 총 4개의 이벤트 기록이 가능하고, 이벤트 검출 시점은 상승 또는 하강을 선택할 수 있다. 그림 7은 eCAP 기능을 이용한 주파수 검출 방법을 나타낸다. CAP1, CAP2의 이벤트 검출 시점은 입력 신호의 상승으로 설정하고, 계통의 상전압을 DSP의 정격 전압을 고려하여 강압 후 CAPx Pin의 입력으로 사용한다. TSCTR은 TMS320F28335의 시스템 클럭인 150 MHz를 사용하여 증가하는 32-Bit 카운터이며, 이벤트 발생과 무관하게 32-bit 최댓값인 0xFFFFFFFF까지 증가한다. 주파수 측정에 사용한 eCAP 기능은 전류 제어 주기에 의해 성능이 제한되는 PLL 출력에 비해 시스템 클럭 단위로 증가하는 카운터를 활용하기 때문에 높은 정밀도를 갖는 주파수 측정이 가능하다. 첫 번째 이벤트 시점 $t_{1}$과 두 번째 시점 $t_{2}$의 시간의 차와 시스템 클럭인 150 MHz를 나누어 계통 전압의 주파수를 검출하고 이는 식(1)과 같이 표현한다.

(1)
$$ \text { Frequency }=150 \mathrm{MHz} /\left(\mathrm{t}_{2}-\mathrm{t}_{1}\right) $$

3.3 제안하는 주파수-유효전력 제어

주파수-유효전력 제어를 위해 계통 주파수의 영역을 불감대, 저주파수, 과주파수 영역으로 분류한다. 불감대 영역에서의 지령 유효전력($P_{ref}$)은 계통 운영자가 설정 전력($P_{set}$)으로 제어되고, 식(2)로 나타낸다. 유효전력 제어와 관련이 있는 주파수와 유효전력 증가, 감소 기울기는 계통 운영자가 분산 전원의 설치 위치 및 계통 상황에 맞게 설정 가능하다. 저주파수 영역은 계통 주파수가 $Fre_{p_{inc}}$이하인 경우이며, 지령 유효전력을 기울기($Ramp_{p_{inc}}$)를 활용하여 증가시키며 이는 식(3)으로 나타낸다. 이때 지령 유효전력은 스마트 인버터의 정격 전력으로 제한한다. 과주파수 영역은 계통 주파수가 $Fre_{p_{dec}}$이상인 경우이며, 지령 유효전력을 기울기($Ramp_{p_{dec}}$)를 이용하여 감소시키고 이는 식(4)와 같다. 지령 유효전력을 증가 또는 감소시키는 기울기는 계통 운영자에 의해 조절 할 수 있다. 이와 같은 주파수-유효전력 제어를 통해 계통의 안정적인 공급 지원이 가능하고 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선은 그림 8과 같다.

그림. 8. 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선

Fig. 8. Proposed control curve for Frequency-Watt

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig8.png

(2)
$P_{ref}=P_{set}$

(3)
$$ P_{\text {ref }}=-\operatorname{Ramp}_{\text {p-inc }} *\left(\text { Freq }-\text { Fre }_{\text {p_inc }}\right)+P_{\text {set }} $$

(4)
$$ P_{\text {ref }}=-\text { Ramp }_{\text {v-dec }} *\left(\text { Freq }-\text { Fre }_{\text {p_dec }}\right)+P_{\text {oet }} $$

계통 연계형 시스템은 계통 전압의 위상각, 주파수 그리고 크기의 정확한 검출이 필수적이다. 제안하는 주파수-유효전력 제어의 블록도는 그림 9와 같다. 계통의 상전압은 위상 동기 루프(Phase Locked Loop, PLL)에 사용되며, 계산된 계통의 위상각은 전류의 좌표변환에 사용된다. 추가로 계통 전압의 주파수를 검출을 위해 계통 상전압은 eCAP 기능의 CAPx Pin 입력으로 사용된다. 검출된 주파수는 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선을 통해 주파수 변동 저감을 위한 지령 유효전력을 계산한다. 지령 유효전력과 현재 유효전력의 차가 유효전력 제어기의 입력으로 사용되며, PI (Proportional-Integral) 제어기를 통해 출력은 지령 전류로 나타난다. 전류 제어기의 입력은 계통의 위상각으로 좌표 변환한 전류와 지령 전류의 오차이며, 출력은 지령 전압이 된다. 지령 전압은 삼각파와 비교하기 위해 정규화 후, 공간 벡터 변조 방법을 통해 PWM 신호를 출력한다.

4. 시뮬레이션 결과

제안하는 주파수-유효전력 제어 시뮬레이션은 PSIM을 통해 수행하였으며, 시뮬레이션에 사용한 회로도는 그림 4의 구성과 동일하며 파라미터는 표 3과 같다. 불감대 영역은 공칭 주파수를 기준으로 ±0.036 Hz, 단위 주파수(1 Hz)에 따른 지령 유효전력의 변동의 비율은 50으로 설정하였다. 파라미터의 설정 근거는 (19)의 주파수-유효전력의 설정값을 참고하였다. 룩 업 테이블(Lookup Table, LUT)을 통해 계통 주파수 변동을 모의하였으며, 저주파수 영역, 과주파수 영역에 해당하는 시나리오에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 스마트 인버터의 유효전력은 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선에 따라 제어하였다.

표 3. 시뮬레이션 파라미터

Table 3. Parameters of simulation

Parameter

Value

Rated power

15 kW

Switching frequency

10 kHz

Grid phase voltage

220 Vrms

Grid rated frequency

60 Hz

DC-link voltage

600 V

$Fre_{p_{dec}}$

60.036 Hz

$Fre_{p_{inc}}$

59.964 Hz

$Ramp_{p_{dec}}$, $Ramp_{p_{inc}}$

50% / 1Hz

계통 주파수가 저주파수 영역인 경우의 주파수-유효전력 시뮬레이션의 결과는 그림 10과 같다. 초기 유효전력은 정격 유효전력의 50 %로 설정하였으며, 불감대 영역에서는 정격 유효전력의 50 %인 7.5 kW를 출력한다. ① 구간은 계통 주파수가 $Fre_{p_{inc}}$이하인 구간에 속하고 계통 주파수가 점진적으로 감소함에 따라 설정한 $Ramp_{p_{inc}}$를 활용하여 지령 유효전력은증가하게 된다. 지령 유효전력이 정격 전력의 100 %가 되는 주파수는 식(3)에 의해 58.964 Hz가 된다. ② 구간은 계통 주파수가 58.964 Hz이하로 감소하지만 지령 유효전력은 정격 전력의 100 %로 제한되어 출력은 15 kW를 유지한다. ③ 구간은 계통 주파수가 부족주파수 영역에서 불감대 영역으로 증가함에 따라 지령 유효전력과 출력 유효전력이 초기 설정한 정격 전력의 50 %로 제어됨을 확인하였다.

과주파수 영역에서의 주파수-유효전력 제어 시뮬레이션의 초기 유효전력은 앞서 설정한 정격 전력의 50 %로 동일하게 설정하였으며 결과는 그림 11과 같다. ① 구간은 계통 주파수가 $Fre_{p_{dec}}$이상으로 과주파수 영역에 속하며, 주파수 증가에 따라 지령 유효전력이 감소하게 된다. 공칭 주파수가 60 Hz 인 경우, 지령 유효전력이 정격 전력의 0 %가 되는 주파수는 식(4)에 의해 61.036 Hz가 된다. ② 구간에서는 계통 주파수가 61.036 Hz이상으로 증가하더라도 지령과 실제 유효전력은 정격 전력의 0 %로 운전한다. ③ 구간은 계통 주파수가 과주파수 영역에서 불감대 영역으로 감소함에 따라 지령 및 실제 유효전력은 초기 유효전력의 설정값인 7.5 kW로 증가하게 된다.

그림. 9. 제안하는 주파수-유효전력 제어의 블록도

Fig. 9. Proposed block diagram for the Frequency-Watt control

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig9.png

그림. 10. 주파수-유효전력 제어 시뮬레이션 결과(저주파수 영역)

Fig. 10. Simulation results of the Frequency-Watt control in under frequency region

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig10.png

그림. 11. 주파수-유효전력 제어 시뮬레이션 결과(과주파수 영역)

Fig. 11. Simulation results of the Frequency-Watt control in over frequency region

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig11.png

그림. 12. 실험 세트 구성: (a) 스마트 인버터, (b) 계통 시뮬레이터, (c) DC 공급기, (d) PC, (e) 오실로스코프

Fig. 12. Experiment set: (a) Smart inverter, (b) Grid-simulator, (c) DC-supply, (d) PC for monitoring, (e) Oscilloscope

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig12.png

표 4. 실험 파라미터

Table 4. Parameters of experiment

Parameter

Value

Rated power

15 kW

Switching frequency

4.8 kHz

Grid phase voltage

220 Vrms

Variable frequency range

59.5 Hz ~ 60.5 Hz

DC-link voltage

600 V

$Fre_{p_{dec}}$

60.036 Hz

$Fre_{p_{inc}}$

59.964 Hz

$Ramp_{p_{dec}}$, $Ramp_{p_{inc}}$

50 % / 1 Hz

그림. 13. 주파수-유효전력 제어 실험 결과($P_{set}$= 100 %) (a) 주파수 증가 (b) 주파수 감소

Fig. 13. Experiment results of the Frequency-Watt control ($P_{set}$= 100 %) (a) Frequency increase (b) Frequency decrease

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig13.png

그림. 14. 주파수-유효전력 제어 실험 결과($P_{set}$ = 75 %) (a) 주파수 증가 (b) 주파수 감소

Fig. 14. Experiment results of the Frequency-Watt control ($P_{set}$ = 75 %) (a) Frequency increase (b) Frequency decrease

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/fig14.png

5. 실험 결과

제안하는 주파수-유효전력 제어의 하드웨어 개발 성능을 검증하기 위하여 그림 12와 같은 실험 세트를 구성하였다. 표 4는 제안된 하드웨어 개발 및 유효전력 제어 성능 검증에 사용한 실험 환경 변수를 나타낸다. 스마트 인버터의 주파수-유효전력의 제어 성능을 확인하기 위해 초기 유효전력이 다른 2개의 경우에 대하여 실험을 진행하였으며 주파수 변동에 따른 유효전력의 변화를 확인하였다.

$P_{set}$을 정격 유효전력의 100 %로 설정한 실험 결과는 그림 13과 같으며 $\Delta Fre$는 DSP를 통해 검출한 계통 주파수와 공칭 주파수의 차를 나타낸다. 계통 시뮬레이터를 통해 계통 주파수를 60 Hz에서 60.5 Hz로 가변 시, $P_{set}$은 100 %를 유지하고, $P_{ref}$은 식(4)를 통해 76.8 %로 감소하게 된다. 정격 전력의 76.8 %에 해당하는 a상 전류 $I_{a}$는 램프 형태로 감소하여 약 12 A로 출력하며 이는 그림 13(a)와 같다. 계통 주파수를 60 Hz에서 59.5 Hz로 가변 시, 주파수-유효전력 제어의 실험 결과는 그림 13(b)와 같다. 계통 주파수가 저주파수 영역에 해당하여 식(3)을 통해 $P_{ref}$가 계산되지만, 지령 유효전력은 정격 전력의 100 %로 제한되어 지령 유효전력과 a상 전류가 증가하지 않음을 확인하였다.

$P_{Set}$을 정격 유효전력의 75 %로 설정하여 불감대 영역에서 11.25 kW로 출력하는 실험 결과는 그림 14와 같다. 계통 주파수를 공칭 주파수인 60 Hz에서 60.5 Hz로 가변 시 실험 결과는 그림 14(a)와 같다. 60.5 Hz는 설정한 $Fre_{p_{dec}}$이상의 값으로 과주파수 영역에 해당하여 식(4)을 통해 지령 유효전력은 계산된다. 계산된 지령 유효전력은 정격 유효전력의 51.8 %이며 지령 전류와 상전류는 51.8 %에 해당하는 상전류 7.95 A를 출력한다. 계통 주파수를 60 Hz에서 59.5 Hz로 가변 시 결과는 그림 14(b)와 같다. 59.5 Hz는 설정한 $Fre_{p_{inc}}$의 이하의 값으로 저주파수 영역에 해당하며 식(3)을 통해 지령 유효전력은 98.2 %가 된다. 정격 유효전력의 98.2 %에 해당하는 상전류는 약 15 A이며, 실제 $I_{a}$가 지령 전류를 추종함을 확인하였다.

6. 결 론

본 논문에서는 스마트 인버터의 주파수-유효전력 제어와 하드웨어 시뮬레이터를 제안하였다. 계통의 사고 또는 부하 변동으로 인해 가변하는 주파수의 변동을 완화하기 위해 주파수-유효전력 제어를 수행하였다. 계통 주파수의 가변은 계통 시뮬레이터를 통해 모의하였으며, 분산 전원의 출력은 DC 공급기를 통해 모의하였다. 가변하는 계통 주파수는 DSP의 eCAP 기능을 통해 검출하였으며, 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선을 통해 계통 주파수를 3개의 영역으로 분류하였다. 주파수-유효전력 제어 곡선에 해당하는 유효전력을 제어하여 계통 시뮬레이터로 공급하였다. 제안한 하드웨어 시뮬레이터 및 주파수-유효전력 제어의 성능과 타당성은 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 검증하였다.

Acknowledgements

This work was supported by Korea Electric Power Research Institute(KEPRI) grant funded by the KEPCO(R19DA09, Develop- ment of power control technologies on DER to increase DER hosting capacity in distribution system). This work was supported by “Human Resources Program in Energy Technology” of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP), granted financial resource from the Ministry of Trade, Industry & Energy, Republic of Korea. (No. 20194030202370)

References

1 
K.-B. Lee, 2019, Advanced Power Electronics, 1st ed., Munundang: Seoul Korea, pp. 210-233Google Search
2 
S. O. Muhanji, A. Muzhikyan, A. M. Farid, 2018, Distributed Control for Distributed Energy Resources: Long-term Challenges and Lessons Learned, IEEE Access, Vol. 6, pp. 32737-32753DOI
3 
X. Han, K. Heussen, O. Gehrke, H. W. Bindner, B. Kroposki, Sep 2018, Taxonomy for Evaluation of Distributed Control Strategies for Distributed Energy Resources, IEEE Trans. on Smart Grid, Vol. 9, No. 5, pp. 5185-5195DOI
4 
G. Artale, Dec 2017, Smart Interface Devices For Distributed Generation in Smart Grids: The Case of Islanding, IEEE Sensors J., Vol. 17, No. 23, pp. 7803-7811DOI
5 
B. Abdolmaleki, Q. Shafiee, M. M. Arefi, T. Dragicevic, Sep 2019, An Instantaneous Event-Triggered Hz-Watt Control for Microgrids, IEEE Trans. Power Syst., Vol. 34, No. 5, pp. 3616-3625DOI
6 
J. Johnson, J. Neely, J. Delhotal, M. Lave, Nov 2016, Photovoltaic Frequency-Watt Curve Design for Frequency Regulation and Fast Contingency Reserves, IEEE J. Photovolt, Vol. 6, No. 6, pp. 1611-1618DOI
7 
T. S. Ustun, Y. Aoto, 2019, Analysis of Smart Inverter’s Impact on The Distribution Network Operation, in IEEE Access, Vol. 7, pp. 9790-9804DOI
8 
X. Zhao, L. Chang, R. Shao, K. Spence, Mar 2018, Power System Support Functions Provided by Smart Inverters—A Review, CPSS Trans. Power Electron. Appl., Vol. 3, No. 1, pp. 25-35DOI
9 
B. Seal, Dec 2016, Common Functions for Smart Inverters: 4th edition, EPRI, Palo Alto, CA, USA, Tech. Rep. 3 002 008 217Google Search
10 
K.-H. Lee, S.-D. Joo, J.-S. Oh, Jun 2020, Distributed Power Distribution System Connection Technology Standard, Korea Electric Power Corporation, Vol. 11, pp. 23-33Google Search
11 
A. Spring, G. Wirth, G. Becker, R. Pardatscher, R. Witzmann, May 2016, Grid Influences from Reactive Power Flow of Photovoltaic Inverters with a Power Factor Specification of One, IEEE Trans. Smart Grid, Vol. 7, No. 3, pp. 1222-1229DOI
12 
S. Li, Y. Sun, M. Ramezani, Y. Xiao, Sep 2019, Artificial Neural Networks for Volt/VAR Control of DER Inverters at The Grid Edge, IEEE Trans. Smart Grid, Vol. 10, No. 5, pp. 5564-5573DOI
13 
Y. Bak, J.-S. Lee, K.-B. Lee, Jan 2018, Low-Voltage RideThough Control Strategy for a Grid-Connected Energy Storage System, Appl. Sci., Vol. 8, No. 1DOI
14 
G. Grandi, J. Loncarski, O. Dordevic, May 2015, Analysis and Comparison of Peak-to-Peak Current Ripple in Two-Level and Multilevel PWM Inverters, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 62, No. 5, pp. 2721-2730DOI
15 
D.-H Lee, Y.-J. Kim, S.-M. Kim, K.-B. Lee, Dec 2019, Reducing Overshoot Voltage of SiC MOSFET in GridConnected Hybrid Active NPC Inverters, The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 24, No. 6, pp. 459-462DOI
16 
K.-S. Ji, S.-T. Jou, H.-G. Jeong, K.-B. Lee, Jun 2014, Simple Compensation Method of Unclamped Switch Voltages in a Three-Level NPC Inverter, The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 19, No. 3, pp. 257-265DOI
17 
S.-M. Kim, I. J. Won, J. Kim, K.-B. Lee, Dec 2018, DC-link Ripple Current Reduction Method for Three-Level Inverters with Optimal Switching Pattern, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 65, No. 12, pp. 9204-9214DOI
18 
K.‐Y. Song, 2020, Power System Engineering, Dongilbook: Seoul, Korea, pp. 217-223Google Search
19 
IEEE Standards Association, 2018, IEEE Standard for interconnection and interoperability of distributed energy resources with associated electric power systems interfaces, IEEE Standard 1547-2018, pp. 54-60DOI

저자소개

이선행 (Sun-Hang Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/au1.png

He received the B.S. degree in Electrical Engineering from Gachon University, Seongnam, South Korea, in 2016, and is currently working toward the M.S. degree in Electrical and Computer Engineering from Ajou University, Suwon, South Korea.

His research interests include grid-connected systems, and multilevel inverters.

E-mail : sunhang0711@ajou.ac.kr

조성준 (Sungjoon Cho)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/au2.png

He received the B.S. degree in Control and Instrumentation Engineering from Korea Univer- sity, Seoul, South Korea, in 1997, where he received the M.S. degree in Electrical Engi- neering.

From 1999 to 2017, he was a head researcher in Hyundai Heavy Industries co. ltd.

He is currently a Research Professor with the School of Electrical and Computer Engi- neering, Ajou University, Suwon, Korea.

His research interests include electrical drive for high speed train and power converter for renewable energy system.

E-mail : csj1391@ajou.ac.kr

이교범 (Kyo-Beum Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.999/au3.png

He received the B.S. and M.S. degrees in electrical and electronic engineering from the Ajou University, Suwon, Korea, in 1997 and 1999, respectively.

He received the Ph.D. degree in electrical engineering from the Korea University, Seoul, Korea, in 2003.

From 2003 to 2006, he was with the Institute of Energy Technology, Aalborg University, Aalborg, Denmark.

From 2006 to 2007, he was with the Division of Electronics and Information Engineering, Jeonbuk National University, Jeonju, Korea.

In 2007, he joined the Department of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Suwon, Korea.

He is an associated editor of the IEEE Transactions on Industrial Electronics, the IEEE Transactions on Power Electronics, and the Journal of Power Elec- tronics.

His research interests include electric machine drives, renewable power generations, and electric vehicle applications.

E-mail : kyl@ajou.ac.kr