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배터리 에너지 저장장치 기반의 독립형 마이크로그리드 해석 및 설계 李雨鐘 2 0 1 5 年

목 차 목차 ⅰ 표목차 ⅴ 그림목차 ⅵ 기호및약어 ⅻ 제 1 장서론 1 1.1 연구배경 1 1.2 연구목적 6 1.3 논문개요 8 제 2 장독립형마이크로그리드의연구동향 10 2.1 국외신재생에너지및독립형마이크로그리드관련정책 12 2.1.1 북미지역 12 2.1.2 EU 14 2.1.3 동북아지역 16 2.2 국외독립형마이크로그리드사례 17 2.3 국내독립형마이크로그리드현황및실증 20 제 3 장디젤발전기해석및모델링 21 3.1 동기발전기특성 22 3.1.1 동기발전기구조 22 3.1.2 동기발전기원리및해석 24 3.2 디젤발전기모델링 35 - i -

3.2.1 디젤발전기구성 35 3.2.2 조속기모델링 37 3.2.3 여자기모델링 42 3.3 시뮬레이션및실험결과 48 3.3.1 시뮬레이션결과 49 3.3.1.1 계통연계운전시뮬레이션결과 54 3.3.1.2 독립운전시뮬레이션결과 66 3.3.2 실험결과 68 3.3.2.1 계통연계운전실험결과 70 3.3.2.2 독립운전실험결과 75 제 4 장배터리에너지저장장치해석및모델링 77 4.1 3 상독립형마이크로그리드용인버터 82 4.1.1 위상추종기법 82 4.1.1.1 3 상좌표변환기법 83 4.1.1.2 3상독립형마이크로그리드용인버터의위상추종기법 86 4.1.2 제어기해석 90 4.1.2.1 비례적분제어기 90 4.1.2.2 공진제어기 92 4.1.3 불평형부하시데드타임보상기법 95 4.2 3 상독립형인버터제어알고리즘 101 4.2.1 평형부하전압제어알고리즘 102 4.2.2 비선형부하전압제어알고리즘 106 4.2.3 불평형부하전압제어알고리즘 107 4.3 3 상계통연계형인버터제어알고리즘 112 - ii -

4.3.1 DC 링크전압제어 113 4.3.2 충전운전에서의전류제어 113 4.4 시뮬레이션및실험결과 119 4.4.1 시뮬레이션결과 119 4.4.1.1 평형부하시뮬레이션결과 122 4.4.1.2 비선형부하시뮬레이션결과 125 4.4.1.3 불평형부하시뮬레이션결과 128 4.4.1.4 계통연계운전에서의충전시뮬레이션결과 132 4.4.2 실험결과 134 4.4.2.1 배터리에너지저장장치제작 135 4.4.2.2 평형부하실험결과 142 4.4.2.3 비선형부하실험결과 145 4.4.2.4 불평형부하실험결과 149 4.4.2.5 계통연계운전에서의충전실험결과 153 제 5 장독립형마이크로그리드구성및운영방안 155 5.1 독립형마이크로그리드구성 155 5.2 독립형마이크로그리드운전모드 159 5.2.1 정상운전모드 162 5.2.2 과전압방지모드 165 5.2.3 충전운전모드 168 5.2.4 수동운전모드 171 5.3 시뮬레이션결과 173 5.3.1 정상운전모드 175 5.3.2 정상운전모드 과전압방지모드 177 - iii -

5.3.3 정상운전모드 충전운전모드 179 5.3.4 수동운전모드 183 제 6 장결론 185 참고문헌 188 Abstract 198 - iv -

표목차 표 3.1 조속기제어기게인 39 표 3.2 여자기제어기의게인 45 표 표 3.3 디젤발전기제어기파라미터 50 3.4 디젤발전기동기기파라미터 50 표 3.5 디젤발전기 20kW 발전시전력비교 56 표 3.6 디젤발전기 40kW 발전시전력비교 59 표 3.7 디젤발전기 20kW 발전시전력비교 62 표표표표표표 3.8 디젤발전기출력이 0W 로발전하고있지않을경우의전력비교 65 4.1 PLL PI 제어기파라미터 87 4.2 독립운전에서의부하조건 101 4.3 계통연계운전에서의제어기파라미터 117 4.4 배터리에너지저장장치시뮬레이션파라미터 120 4.5 공진제어기적용에따른평형부하시고조파변화 122 표 4.6 공진제어기적용에따른비선형부하시고조파변화 125 표 4.7 공진제어기적용에따른불평형부하시고조파변화 131 표표표표표 4.8 부하조건에따른시뮬레이션의부하선간전압품질비교 131 4.9 데드타임보상에따른평형부하전압의고조파변화 142 4.10 공진제어기에따른비선형부하전압의고조파변화 145 4.11 공진제어기적용에따른비선형부하전압의고조파변화 149 4.12 부하조건에따른실험에서의부하선간전압품질비교 152 - v -

그림목차 그림 그림 그림 1.1 독립형마이크로그리드실증사례 2 1.2 독립형마이크로그리드구조 3 1.3 마이크로그리드필요성및기대효과 4 그림 1.4 마이크로그리드시장규모(2013 년기준) 5 그림 2.1 지역별마이크로그리드용량(2014 년기준) 11 그림그림그림그림그림그림그림 2.2 EU 에서추진하고있는신재생에너지정책 15 2.3 Bella Coola in Canada 의마이크로그리드 17 2.4 키트노스섬의마이크로그리드 18 2.5 센다이마이크로그리드 19 3.1 3 상동기기구조 22 3.2 동기발전기의고정자및회전자구조 23 3.3 a 상고정자의자기인덕턴스 25 그림 3.4 고정자의 a상 b 상의권선간상호인덕턴스 26 그림 3.5 계자권선과 a 상고정자권선간의상호인덕턴스 27 그림그림그림그림그림그림그림그림그림 3.6 전기자전압및전류의위상 33 3.7 디젤발전기구성 36 3.8 기본적인조속기제어시스템 37 3.9 유효전력제어기가포함된조속기제어시스템 38 3.10 조속기제어블록도 39 3.11 주파수제어기응답속도확인 41 3.12 유효전력제어기응답속도확인 41 3.13 AC4A Type 여자시스템 42 3.14 무효전력제어기의일반적인구조 43 - vi -

그림 그림 그림 3.15 여자기제어블록도 45 3.16 전압제어기응답속도확인 47 3.17 무효전력제어기응답속도확인 47 그림 3.18 MATLAB/Simulink 로구현한 50kW 디젤발전기시뮬레이션 51 그림 3.19 MATLAB/Simulink 조속기제어블록도 52 그림 3.20 MATLAB/Simulink 여자기제어블록도 53 그림 3.21 그림 3.22 그림 3.23 그림 3.24 0pu 0.4pu 증가시시뮬레이션결과 55, 56 0.4pu 0.8pu 증가시시뮬레이션결과 58, 59 0.8pu 0.4pu 감소시시뮬레이션결과 61, 62 0.4pu 0pu 감소시시뮬레이션결과 64, 65 그림 3.25 3kW에서 27kW 로부하변동시주파수제어기응답 67 그림 3.26 3kW에서 27kW 로부하변동시전압제어기응답 67 그림 3.27 디젤발전기실험장비 69 그림 3.28 이 그림 3.29 이 그림 3.30 이 그림 3.31 이 0W 40kW 로증가할때유무효전력, 전압, 전류확인 71 0W 40kW 로증가할때상전압, 상전류, 위상확인 71 40kW 0W 로감소할때유무효전력, 전압, 전류확인 73 40kW 0W 로감소할때상전압, 상전류, 위상확인 73 그림 3.32 의변화에따른실험결과 74 그림 3.33 부하를 3kW에서 27kW 로증가시킨경우의실험파형 76 그림 3.34 부하를 27kW 에서 3kW 로감소시킨경우의실험파형 76 그림 4.1 V3 (3상 3 선식인버터) 79 그림 4.2 V4 (3상 4 선식인버터) 79 그림 4.3 4.0 V6 (3상 6 선식인버터) 79 그림 4.4 배터리에너지저장장치구조 81 - vii -

그림그림그림그림그림그림그림 4.5 좌표변환 84 4.6 3상좌표계전압 85 4.7 정지좌표계전압 85 4.8 동기좌표계전압 85 4.9 PLL 소신호모델 86 4.10 PLL 개루프함수에대한보드선도 88 4.11 PLL 폐루프함수에대한보드선도 88 그림 4.12 3상독립형마이크로그리드용인버터 PLL 구조 89 그림 그림 4.13 PI 제어기블록도 91 4.14 공진제어기를통한기본파검출보드선도 93 그림 4.15 인버터의 PWM 스위칭신호와 pole 전압 96 그림 4.16 동안데드타임에의한평균전압오차 98 그림 4.17 PR 전압제어기+P 전류제어기블록도 104 그림 그림 4.18 평형부하조건에서의제어블록도 106 4.19 비선형부하조건에서의제어블록도 107 그림 4.20 불평형부하조건에서의 PI 전압제어 109 그림 그림 4.21 독립운전에서의제어기전달함수보드선도 110 4.22 독립운전에서의인버터제어블록도 111 그림 4.23 DC링크 PI 전압제어기 113 그림 4.24 계통연계운전시 PI 전류제어기블록도 115 그림 그림 4.25 데드타임을보상한전류제어기블록도 116 4.26 계통연계운전에서의인버터제어블록도 118 그림 4.27 PSIM으로구현한 50kW 배터리에너지저장장치시뮬레이션 121 그림 그림 4.28 데드타임보상이없는평형부하의전압 123 4.29 데드타임보상이없는평형부하의전압 FFT 123 - viii -

그림 그림 그림 4.30 공진제어기가적용된평형부하의전압 124 4.31 공진제어기가적용된평형부하의전압 FFT 124 4.32 공진제어기적용전비선형부하의시뮬레이션 126 그림 4.33 공진제어기적용전비선형부하의시뮬레이션 FFT 126 그림 4.34 공진제어기적용후비선형부하의시뮬레이션 127 그림 4.35 공진제어기적용후비선형부하의시뮬레이션 FFT 127 그림 4.36 고조파성분보상이없는불평형부하의선간전압 129 그림 4.37 고조파성분보상이없는불평형부하의선간전압 FFT 129 그림 4.38 고조파를보상한불평형부하의선간전압 130 그림 4.39 고조파를보상한불평형부하의선간전압 FFT 130 그림 4.40 계통연계운전에서의 50kW 충전시뮬레이션결과 133 그림 4.41 전류레퍼런스변화 (0 107.4A peak) 에따른제어기응답확인 133 그림 4.42 인버터제어부및하드웨어부구성 135 그림 4.43 제작된 DSP 28335 제어보드 136 그림 그림 그림 4.44 게이트드라이브보드 137 4.45 센서보드 138 4.46 IGBT 모듈 138 그림 4.47 3상독립형마이크로그리드용인버터 1 차시제품 139 그림 4.48 제작된평형부하, 불평형부하, 비선형부하 140 그림 4.49 실험에사용된 Lead-Acid 배터리뱅크 140 그림 4.50 50kW 독립형마이크로그리드용인버터 141 그림 4.51 데드타임보상전평형부하의선간전압 143 그림 4.52 데드타임보상전평형부하의선간전압 FFT 143 그림 4.53 데드타임보상후평형부하의전압 144 그림 4.54 데드타임보상후평형부하의선간전압 FFT 144 - ix -

그림 4.55 고조파보상전비선형부하의선간전압 146 그림 4.56 고조파보상전비선형부하의선간전압 FFT 146 그림 4.57 고조파보상후비선형부하의선간전압 147 그림 4.58 고조파보상후비선형부하의선간전압 FFT 147 그림 4.59 고조파보상전비선형부하의전류및선간전압 148 그림 4.60 고조파보상후비선형부하의전류및선간전압 148 그림 4.61 고조파보상전불평형부하의선간전압 150 그림 4.62 고조파보상전불평형부하의선간전압 FFT 150 그림 4.63 고조파보상후불평형부하의선간전압 151 그림 4.64 고조파보상후불평형부하의선간전압 FFT 151 그림 4.65 그림 4.66 그림 4.67 DC 링크전압제어실험결과 (630V) 153 25kW 충전시전류파형 154 CC-CV 제어 154 그림 5.1 독립형마이크로그리드구성 156 그림 5.2 일사량에따른 V-I 및 P-V 곡선 157 그림 5.3 독립형마이크로그리드의운전모드 161 그림 5.4 정상운전모드전력흐름도 162 그림 5.5 정상운전모드순서도 164 그림 5.6 과전압방지모드전력흐름도 165 그림 5.7 과전압방지모드순서도 167 그림 5.8 충전운전모드전력흐름도 168 그림 5.9 충전운전모드순서도 170 그림 5.10 수동운전모드전력흐름도 171 그림 5.11 수동운전모드순서도 172 그림 5.12 MATLAB/Simulink 로구현한독립형마이크로그리드시뮬레이션 174 - x -

그림 5.13 정상운전모드 그림 5.14 정상운전모드 그림 5.15 정상운전모드 : 발전량 176 : 부하의주파수 176 : 부하의전압크기 176 그림 5.16 정상운전모드 과전압방지모드 : 발전량 178 그림 5.17 정상운전모드 과전압방지모드 : 부하의주파수 178 그림 5.18 정상운전모드 과전압방지모드 : 부하의전압크기 178 그림 5.19 정상운전모드 충전운전모드 : 발전량 180 그림 5.20 정상운전모드 충전운전모드 : 부하의주파수 180 그림 5.21 정상운전모드 충전운전모드 : 부하의전압크기 180 그림 5.22 충전운전모드 정상운전모드 : 발전량 182 그림 5.23 충전운전모드 정상운전모드 : 부하의주파수 182 그림 5.24 충전운전모드 정상운전모드 : 부하의전압크기 182 그림 5.25 수동운전모드 그림 5.26 수동운전모드 그림 5.27 수동운전모드 : 발전량 184 : 부하의주파수 184 : 부하의전압크기 184 - xi -

기호및약어 : 인버터의커패시터필터 : 디젤발전기 RUN/STOP 명령신호 : Exciter 출력 : : 공진제어기전달함수 이상적인공진제어기전달함수 : PR 전압제어기전달함수 : 동기발전기의관성, Inertia : 적분, Integral : : : 동기발전기전류 커패시터전류레퍼런스 커패시터전류 : 인버터 DC링크전류레퍼런스 : 인버터 DC링크전류 : : : : : 인덕터에흐르는전류부하전류전류크기동기발전기전류의크기동기발전기전류의벡터크기 : - xii -

: : : : : : : : 동기발전기게인여자기게인디젤엔진게인회전에따른자기인덕턴스변화분자기누설인덕턴스회전과무관한자기인덕턴스평균값인덕턴스고정자유효권선의권선수 : 비례, Proportional : : : : : : : 디젤발전기유효전력레퍼런스디젤발전기유효전력디젤발전기의전기적인전력디젤발전기의기계적인전력동기발전기출력디젤발전기무효전력레퍼런스디젤발전기무효전력 : 공진, Resonant : : : : 동기발전기고정자저항인덕터내부저항인버터스위치소자데드타임 : Transient d-axis open-circuit - xiii -

: Subtransient d-axis open-circuit : Subtransient q-axis open-circuit : 토크 : PLL 제어기시정수 : Sampling Time : 무효전력제어기 Limit : 무효전력제어기출력 : AC4A Excitation 제어기입력 : : : : 외부의추가적인제어기출력신호디젤발전기전압레퍼런스디젤발전기전압부하전압 : 3상상전압 : 정지좌표계 d축 q축전압 : 동기좌표계 d축 q축전압 : : : : : : 선간전압상전압영전압정상분전압역상분전압상전압크기 : 상전압 RMS - xiv -

: n 차전압성분 (n = 1, 2, 3,, n) : h 차고조파전압성분 (h = 2, 3,, n) : 3상 3선식인버터 : 3상 4선식인버터 : 3상 6선식인버터 : 인버터 DC 링크( 배터리) 전압레퍼런스 : 인버터 DC링크전압 : 상호임피던스 : 동기발전기 d축임피던스 : Transient d-axis reactance : Subtransient d-axis reactance : Leakage reactance : 동기발전기 q축임피던스 : Subtransient q-axis reactance : 동기발전기 3상고정자전압 : : : 동기발전기동기좌표계전압 계자전압 계자권선 : crossover frequency min max : : : 공진주파수 최소공극 최대공극 - xv -

: 동기발전기 3상전류 : : 동기발전기동기좌표계전류 계자전류 : d축댐핑권선 : q축댐핑권선 : 동기발전기유효전력제어기의 P게인 : 동기발전기주파수제어기의 P게인 : 동기발전기주파수제어기의 I게인 : 동기발전기무효전력제어기 P게인 : 동기발전기무효전력제어기 I게인 : 동기발전기전압제어기 P게인 : 동기발전기전압제어기 I게인 : PLL P게인 : PLL I게인 : 공진제어기 R게인 : BESS 독립운전시전압제어기 P게인 : BESS 독립운전시전류제어기 P게인 : BESS 계통연계운전시전압제어기 P게인 : BESS 계통연계운전시전압제어기 I게인 : BESS 계통연계운전시전류제어기 P게인 : BESS 계통연계운전시전류제어기 I게인 : : 고정자자기인덕턴스 고정자상호인덕턴스 - xvi -

: 고정자와계자권선상호인덕턴스 : d축고정자와댐퍼권선상호인덕턴스 : q축고정자와댐퍼권선상호인덕턴스 : 차수 (1, 2, 3, ) : 미분 : 시간 : 의초기시점에서의위상각 : : 동기발전기회전자위상 순시적인쇄교자속 : 3상쇄교자속 : d축쇄교자속 : q축쇄교자속 : 계자권선에쇄교하는자속 : d축댐퍼권선에쇄교하는자속 : q축댐퍼권선에쇄교하는자속 : 전기적위상 : 일때의 : 계통위상각 : PLL에서추종하는위상각 : : : : 디젤엔진지연시간엑츄에이터여자기지연시간동기발전기지연시간 - xvii -

` : 감쇄비 : 공진제어기의 Bandwidth, : : : 고유주파수 동기발전기위상각 각주파수 : 디젤발전기 Rotor speed 레퍼런스 : 디젤발전기 Rotor speed : 동기발전기전압과전류의위상차 - xviii -

AVR BESS CAGR CC-CV CVCF DSP DG ESS EU FIT LPF MPO MPPT NSRF PLL PWM PSRF PV RCC RFS RPS SCESS SOC THD UPS : Automatic Voltage Regulator : Battery Energy Storage System : Compound Annual Growth Rate : Constant Current Constant Voltage : Constant Voltage Constant Frequency : Digital Signal Processor : Diesel Generator : Energy Storage System : European Union : Feed in Tariff : Low-Pass Filter : Maximum Power Operation : Maximum Power Point Tracking : Negative Synchronous Reference Frame : Phase Locked Loop : Pulse Width Modulation : Positive Synchronous Reference Frame : Photovoltaic : Reactive Current Compensation : Renewable Fuel Standard : Renewable Portfolio Standard : Supercapacitor Energy Storage System : State of Charge : Total Harmonic Distortion : Uninterruptible Power Supply - xix -

,... - xx -

제 1 장서론 1.1 연구배경 현대시대에서는전자기술의발전과문화수준향상에따라전기에너 지의사용이증가하고있지만, 력발전등에의존하고있다. 대부분의전기에너지는화력발전과원자 화석에너지와원자력에너지를사용함에따 라야기되는환경오염과화석원료의한정된매장량으로인하여화석에 너지와원자력에너지의대체자원으로서태양광에너지및풍력에너지와 같은신재생에너지의연구개발과투자를진행해왔으며신재생에너지의 발전량은점차증가하고있다. 신재생에너지를전기에너지로이용하여 점차친환경적인깨끗한에너지를활용하는방향으로에너지소비의형 태가바뀌고있으며경제적요소를보완하고친환경에너지를상용화시키 는데많은연구와노력이진행되고있다. 이러한친환경에너지의수요가 증가함에따라기존의광역적전력시스템으로부터독립된분산전원을중 심으로신재생에너지를이용한국소적인전력공급시스템이생겨나게되 는데이를마이크로그리드라한다[1][2]. 기존의전력시스템은발전소 에서생산된전기를소비자에게전달하는단방향구성이었지만, 마이크 로그리드는기존의전력시스템과상호보완적인관계를가지며양방향 전력교환이가능하다. 마이크로그리드는 다수의소규모분산전원과에 너지저장장치를이용하여수요지에전력및열을공급하는소규모의에 너지공급시스템 으로정의할수있으며계통연계형과독립형으로구분 된다[3]-[5]. 이러한마이크로그리드는분산전원기술, 에너지저장기술, 전력망운용기술, 통신기술, 제어기술이통합된미래혁신적인전력공급 - 1 -

기술로받아들여지고있으며이기술이가진환경적, 경제적, 사회적가 치때문에더욱더주목받는기술이다 [6]. 도서( 섬) 및산간지역의경우기존의배전선로를통하여전력을공급 하기에는물리적으로불가능하거나배전선로를설치하는데비용이너무 많이소요되는문제로인하여디젤발전기를이용해자체적으로전력을 공급하고있다. 하지만, 디젤발전기만을이용한전력공급은환경오염 문제와연료비상승, 그리고디젤발전기의효율을고려하지않은운전 등에의해원활한운영이이루어지지않는다. 디젤발전기의경우정격전 력으로동작하지않을때효율이크게감소하는단점이있지만, 항시정 격으로동작할수없기때문에효율이감소하고그에따라연료소비가 증가한다. 이러한디젤발전기의문제점을인식하고해결하기위해기존 에연구되고있는마이크로그리드기술을접목시키는독립형마이크로그 리드에대한연구가이루어지고있으며현재적용하고있다 [7]-[15]. 그림 1.1은독립형마이크로그리드의실증사례로서기존의디젤발전기 (DG : Diesel Generator) 외에신재생에너지(Renewable Energy) 와 그림 1.1 독립형마이크로그리드실증사례 - 2 -

에너지저장장치(ESS : Enerngy Storage System) 등이결합되어상호 동작을수행하게된다. 신재생에너지원으로태양광발전(PV : Photovoltaic) 과풍력발전(WT : Wind Turbine) 을사용하고에너지저 장장치로는배터리에너지저장장치 (BESS : Battery Energy Storage System) 또는수퍼커패시터에너지저장장치(SCESS : Supercapacitor Energy Storage System) 를사용한다. 독립형마이크로그리드의구조는 그림 1.2 와같다. 디젤발전기에서수용가, 관공서, 상수도설비등에전력을공급하던 기존설비에배터리에너지저장장치, 태양광발전, 풍력발전을추가로 설치된구조이다. 그림 1.2와같은독립형마이크로그리드는평상시신 재생에너지원이나에너지저장장치를통해부하에전력을공급하고, 비 상시에는디젤발전기를전원으로사용하여디젤발전기의부담을줄여주 는운영방안을채택하여디젤발전기의단점을보완하여운전한다 [16]. 그림 1.2 독립형마이크로그리드구조 - 3 -

그림 1.3 마이크로그리드필요성및기대효과 그림 1.3은마이크로그리드의필요성과기대효과에대하여간략하게 보여주고있다. 이러한장점으로인하여전세계적으로마이크로그리드 시장이성장하고있으며, 그림 1.4와같이 2020년약 410억달러로성 장할것이라는전망으로( 출처 : Navigant Research, 2013) 미래사업에 있어서큰성장동력이될것이라생각한다. - 4 -

그림 1.4 마이크로그리드시장규모 (2013 년기준) 자료 : Navigant Research - 5 -

1.2 연구목적 본학위논문에서연구한 배터리에너지저장장치기반의독립형마이 크로그리드해석및설계 는낙도( 落島 ) 에적용하고자하는시스템으로, 해외의사례를보자면, 독립형마이크로그리드에대한연구및개발이 많이진행되어적용시키고있다. 하지만, 국내에서는현재연구가진행 되고있지만해외에비해서는미비한상황이다. 섬지역에서사용되는디 젤발전기는최대 30 40% 의효율로전력변환장치에비하여효율이낮 고환경오염을야기하며동작시소음이발생하는단점이있다. 전력변 환장치인배터리에너지저장장치와신재생에너지원인태양광발전을디 젤발전기와결합하여부하에전력을공급하여디젤발전기대신배터리 에너지저장장치에서부하에전력을공급하는시스템을구현하고디젤발 전기의동작을제한함에따라탄소배출을감소, 에너지비용절감의효 과를창출한다. 아직연구개발중에있는독립형마이크로그리드의운 영방법, 기술그리고제어알고리즘을개발하고제안하여보다안정적인 독립형마이크로그리드를개발하고자한다. 본학위논문에서는세가지의목적으로연구를진행하였다. 첫번째, 기존의섬에설치되어발전하고있는디젤발전기를분석하고 MATLAB/Simulink 를이용하여모델링및시뮬레이션을수행하였다. 디 젤발전기의파라미터를적용하여실제의디젤발전기와동일한동작및 특성을갖는시뮬레이션을구현하고독립형마이크로그리드에적용하기 에앞서동작을확인하거나문제점을파악하는목적이다. 이에디젤발전 기의제어기인조속기와여자기에대한모델링을진행하였고, 시뮬레이 션의결과와실험의결과가일치함을확인하여제어기모델링의타당성 을검증하였다. - 6 -

두번째, 독립형마이크로그리드의기반인 50kW 배터리에너지저장 장치의제어알고리즘을제안하고시스템을설계하였다. 50kW 배터리 에너지저장장치는동작조건에따라독립운전과계통연계운전으로나뉘 며각각의제어방식은다르다. 독립운전은전압제어기가주로동작하여 평형부하, 불평형부하, 비선형부하의모든조건에서안정적인정현파전 압을공급하는것이주목적이고계통연계운전은전류제어기가주로동작 하여디젤발전기로부터배터리를충전하는용도로사용되며, 시뮬레이션 과실험을통해제안하는알고리즘의타당성을검증하였다. 세번째, 기존에많은연구가진행되고있는신재생에너지원과설계한 배터리에너지저장장치그리고디젤발전기를결합한독립형마이크로그 리드에대하여운영방안을제시하고시뮬레이션을통해안정적으로제 어및동작함을확인하여제안하는알고리즘이타당함을검증하였다. - 7 -

1.3 논문개요 본학위논문은총 6 개의장으로구성된다. 제1장은연구배경과연구 를시작한목적, 그리고학위논문에대한전체적인개요를서술하였다. 연구배경에서는마이크로그리드에대한정의와장점에따른향후기대효 과에대하여서술하였다. 전세계적으로마이크로그리드는투자및시장 형성이상승하고있어앞으로더욱성장가능한기술임을확인하였다. 그중독립형마이크로그리드의연구를진행하면서독립형마이크로그리 드의주요기술들을개발하고해석하여연구의타당성을검증하였으며 본학위논문의구성에대하여기술하였다. 제2장에서는독립형마이크로그리드개발및적용에대한연구동향 을서술하였다. 국내에서진행되는독립형마이크로그리드연구및사업 은국외의진행보다다소늦다. 이에국외의지역별마이크로그리드사 업에적용된정책과실증단지에대하여기술하였다. 제3장에서는기존의섬지역에설치되어있던디젤발전기에대하여 특성및동작을확인하고이를 MATLAB/Simulink 로구현하였다. 50kW 디젤발전기의파라미터를적용하여실제의디젤발전기의조속기와여자 기를모델링하였고엑츄에이터, 디젤엔진, 여자기지연시간을모델링에 적용하였다. 실제의디젤발전기와동일한동작및특성을갖는시뮬레이 션을구현함으로서시뮬레이션의타당성을검증하였고독립형마이크로 그리드에서의디젤발전기동작을시뮬레이션으로예측할수있었다. 제4장에서는 3상독립형마이크로그리드용인버터에대하여해석하고 설계하였다. 3상독립형마이크로그리드용인버터는독립운전과계통연 계운전으로구분되는데, 독립운전시평형부하, 불평형부하, 비선형부하 모든조건에서안정적인정현파의전압을공급하는제어알고리즘을제 - 8 -

안및설계하였고, 계통연계운전시배터리에안정적인충전을하는 CC-CV(Constant Current Constant Voltage) 제어를적용하였다. 3상 독립형마이크로그리드용인버터를 PSIM 시뮬레이션으로구현하여제어 알고리즘을확인하였고, 50kW DC-AC 인버터를제작하여제어알고리 즘에대한타당성을서술하였다. 제5 장에서는디젤발전기, 배터리에너지저장장치그리고신재생에너 지원인태양광발전으로구성된독립형마이크로그리드에대한운영방안 에대하여서술하였다. 독립형마이크로그리드는정상운전모드, 과전압 방지모드, 충전운전모드, 수동운전모드 4가자의운전모드로구분되며각 모드별조건에대하여정의하고시스템의흐름이안정적으로운영되는 가를시뮬레이션과실험을통해동작을확인하고이에대한결과를서술 하였다. 제6 장은결론으로, 독립형마이크로그리드를구성하는디젤발전기와 배터리에너지저장장치에대한제어알고리즘과설계한내용에대하여 서술하고실험을통한결과를종합적으로요약및평가하였다. 또한독 립형마이크로그리드의운전이안정적으로동작함을실험을통해확인하 여본학위논문에서연구한내용이우수함을검증하였다. - 9 -

제 2 장독립형마이크로그리드의연구동향 현대사회가급격하게발전함에따라요구되는전기에너지가증가하 고있다. 도서및산간지역의경우발전소와송전망등공급자원의확보 가어렵기때문에기존에는디젤발전기로부터전력을공급하고있지만 디젤발전기가갖고있는환경문제및낮은효율의단점을개선하고자독 립형마이크로그리드의연구가진행되고있다. 마이크로그리드시장은그림 1.4와같이급속도로성장하는차세대친 환경사업으로전세계적으로많은관심이있으며그만큼투자가진행되고있다. 독립형마이크로그리드에대한국내 외의연구현황에대하여 알아본다. 현재국내보다는국외에서독립형마이크로그리드에대한활 성화사업이많이진행되었다. 국외에서는능동형배전망운영기술개발 을실증하고수행하였으며대표적으로영국의경우도서능동형배전망 운영기술을개발(NINES : 영국), 덴마크는디젤발전기연계배전망의 능동제어기술및독립자율제어기술실증(Cell Controller : 덴마크) 을 수행하였다. 마이크로그리드시장의경우 2010년 41.4억달러규모로 성장하였고이는 2009년대비 70.4% 성장하였다. 2014년 5월 4.4GW 규모의용량으로증가하여시장전체의 66% 를북미에서점유하고있다. 이에아시아, 유럽은각각 12%, 12% 그리고기타 4개지역에서 10% 를 차지하고있다. 2017년에는 197억달러규모로보급이증가할것이라는 전망이다. 용량은향후 5 년간연평균성장률(CAGR : Compound Annual Growth Rate) 22% 로예상된다[17]. 그림 2.1은 2014년기준 마이크로그리드의보급용량을보여준다. - 10 -

그림 2.1 지역별마이크로그리드용량(2014 년기준) 자료 : Navigant Research 국외에서추진하고있는마이크로그리드사업과관련해북미지역의 미국과캐나다, EU(European Union), 동북아지역의중국과일본에서 는마이크로그리드에대한정책을도입및시행하고마이크로그리드를 보급및확대하는정책을펼치고있다. 마이크로그리드의정책뿐만이아 니라신재생에너지에관련된정책도추진하고있어마이크로그리드와신 재생에너지원의발전을함께도모하고있다. - 11 -

2.1 국외신재생에너지및마이크로그리드관련정책 2.1.1 북미지역 미국의최근신재생에너지정책은산업육성을통한 일자리창출 및 에너지대외의존도를줄임으로서 에너지독립 을이루고자한다. 현재 재생에너지는전체에너지공급의약 10% 차지하고있으며, 2025년에 25% 를목표로하고있다. 신재생에너지에대한재정보조뿐만아니라 감세등을통해서도전방위로신재생에너지산업육성을지원하고있다. 신재생에너지연료혼합의무화(RFS : Renewable Fuel Standard) 와신재 생에너지의무할당제(RPS : Renewable Portfolio Standard) 등의무화 정책과신에너지기술개발지원정책을병행하고있다. 신재생에너지관 련정책을추진하고이를마이크로그리드정책으로확대시켜 RPS(30개 주), Net metering(44 개주) 을시행하고있다. 또한북동부지역및캘 리포니아에서배출가스 Cap&Trade 프로그램을시행하고있으며기타 정책으로는 CERTS 기술개발, IEEE 1547 표준개발, 2034까지청정 에너지 80% 제안, 2020년까지온실가스 17% 감축등이있다. 이러한 정책을 DOE, CEC, DOD, NREL에서진행하고있으며시범사업및연 구설비로는 SPIDERS, RDSI grants, CERTS 가있다. 캐나다의경우, 1990년대중반부터연방정부주도로신재생에너지관 련규정들을신설하여산업육성을시작하였다. 2000년대초반에는인 센티브정책및전력구매제도등을마련하여신재생에너지개발을촉진 키시고, 각주에서 2004 년부터신재생관련규정을신설하였으며, 2006 년부터제도점검및개정작업을추진중에있다. 재생에너지는캐나다 전체에너지공급의 16% 를차지하며, 이중수력및바이오에너지가대 - 12 -

부분이다. 캐나다는마이크로그리드와관련하여 2020년까지 90% 의에 너지를수력, 원자력, 풍력, 태양광, CCS 와같은청정에너지를통하여 공급하는것으로목표를설정하였다. 캐나다의신재생지원정책으로온 타리오주의그린에너지& 그린이코노미법과브리티시콜롬비아주의청 정에너지법(2010) 과신재생에너지표준프로그림(2006) 정책이있다. 기 타정책으로는 Western climate initiative, 2020년까지온실가스 17% 감축이있다. Natural resources Canada, NSERC, Smart microgrid network 사에서캐나다의마이크로그리드정책을지원하고있으며 Hartley bay, BCIT microgrid, Boston bar 의시범사업이있다. - 13 -

2.1.2 EU EU 신재생에너지정책의 3 대목표는지속가능성, 에너지공급안정성, 경쟁력확보에있다. EU는 2020년까지신재생에너지비중을 20% 로확 대하고자목표를삼았고 EU내단일에너지를구축하여제도적통합및 규제등관련인프라를구축하고있다. EU에서추진하고있는신재생에 너지정책은그림 2.2 와같다. EU는분산에너지원을확대하는데마이크로그리드가중요한역할을수행할것으로기대하고있다. 마이크로그리드에대한구체적인정책적/ 법 적체제는미흡하나, 기존에너지관련법에서기본적인가이드라인을제 시하고있다고볼수있다. EU는 European Commission과 Director-General for Energy and Transport( 교통에너지총국) 에서마 이크로그리드에대한연구를진행하고있다. FP5(Large scale integration of micro-generation), FP6(More microgrids), FP7(Smart grid) 와같은연구프로그램이있고관련정책으로는 RPS for EU, 스페 인과독일그리고이탈리아간합작하는발전차액지원제도 (FIT : Feed in Tariff), EU Emission Trading Scheme 등이있다. EU는유럽연합 으로많은국가가속해있기에그리스의 Kythnos / Notional Technology University of Athens, 독일의 MVV utility microgrid, 덴 마크의 Bornholm Island Multi microgrid, 영국의 Eigg Island 등의주 요실증프로젝트가진행되고있다. - 14 -

그림 2.2 EU에서추진하고있는신재생에너지정책 - 15 -

2.1.3 동북아지역 중국은정부의강력한국내산업육성정책과국내부품의무비율제도등 의시행으로제도적인프라를구축하였다. 신재생에너지전력공급요금 우대및비용분담, 그리고자금지원및조세정책등의조치를취해국가 에서적극지원하고있다. 정책적지원에힘입어외국기업들의대중국 투자와기술및사업협력활동이활발히이루어지고있다. 중국의주요 기업들도자체적인 R&D 뿐아니라외국기업의인수합병을통해관련 기술을확보하고자노력중에있다. 마이크로그리드관련정책으로 2010 년분산자원접속기술표준, 2011년분산자원관리규정등분산자 원확대를위한정책을도입하고있으며 2011년부터 2015년까지 100 개의신에너지도시파일럿및 30개의마이크로그리드파일럿프로젝트 를시행하고있다. 이러한마이크로그리드사업은 NEA와 Chinese academy of science에서진행하고있으며 Dianzi University와 Hefei University 에연구설비를갖추고시험사업을진행하고있다. 에너지분야에최고기술을보유하고있는일본은신재생에너지분야 에전보다혁신적기술을개발하기위해특정정책수단의도입을검토하 고있으며, 각각의개발대상기술을정의하고이에대한세부적인로드 맵을작성하여이를실현하고자역량을집중하고있다. 2050년까지온 실가스배출감축을위한기술개발에앞장서고있고, 방안이장기적인정책접근방식으로거론되고있다. 필수적인국제협력 마이크로그리드와 관련하여신재생지원정책을시행하고있는데, RSP정책으로 2002년 신재생비율을 1.3% 까지높이고 FIT 정책을통해 2012년태양광및풍 력을지원하였다. NEDO를중심으로 1990년대초반부터미전화지역에 대한해외신재생에너지지원및시스템컨설팅을목표로다양한프로젝 - 16 -

트를진행하고있고, 그외에 METI에서도마이크로그리드의연구를지 원하며시험사업및연구설비로는 Hachinohe, Sendai, Aichi 가있다. 2.2 국외독립형마이크로그리드사례 2.1 절에서는북미, EU, 동북아지역에서독립형마이크로그리드에대 한연구가진행되고현재실증하여적용되고있음을확인하였다. 본절 에서는국외에독립형마이크로그리드가적용된사례에대하여간략하게 알아본다. 그림 2.3은캐나다 Britich Columbia의 Bella Coola에적용된독립형 마이크로그리드사례로서 700kW 용량의신재생에너지, 2,100kW 수력 발전, 425kW 수소에너지그리고 6,200kW 디젤발전기(7 기) 로구성되어 있다. Bella Coola에는약 2000여명의사람이살고있는지역으로수력 발전이이용한마이크로그리드를적용하고디젤발전기의사용을줄여에 너지효율을높인사례이다. 그림 2.3 Bella Coola in Canada - 17 -

그림 2.4는그리스키트노스섬의작은마을을대상으로마이크로그리 드를구성하였다. 12가구가사는작은지역으로가구전체에는부하모 니터링시스템이설치되어있으며전체부하는 16kVA 이다. 키트노스섬 에설치된독립형마이크로그리드는 10kW 태양광, 53kWh 배터리에너 지저장장치(5kW 인버터), 5kVA 디젤발전기 3 기로이루어져있다. 그림 2.4 키트노스섬의마이크로그리드 - 18 -

그림 2.5는일본의센다이시에있는마이크로그리드실증단지로복합 발전원( 태양광발전, 연료전지, 열병합발전, 배터리) 을통해병원에에너 지를공급하며 50kW 태양광발전, 350kW 가스터빈 2 기, 250kW 연료전 지로구성되어있다. 실증사업은 2004년부터 2007년까지진행되었으며 실증사업종류후열병합발전설비로서병원내전기와열을공급하고 있다. 그림 2.5 센다이마이크로그리드 - 19 -

2.3 국내독립형마이크로그리드현황및실증 2.1절과 2.2절에서처럼국외에서는독립형마이크로그리드에대한연 구가활발하게진행되었고적용하고있는사례가많이있다. 하지만국 내에서의마이크로그리드사업은현재연구개발및실증단계에있으며국외와비교해서는정책및기술개발이미흡한상황이다. 하지만, 2012 년부터국내마이크로그리드관련사업을추진하고정책을조사하면서 점차적으로마이크로그리드기술을개발하고있으며, 독립형마이크로그 리드에대한연구도진행되고있다. 국내정책의경우 2003년 RPS 도 입을제안하여 2008년 9월 Green Energy 발전전략을세우고 2008년 12월에 RPS 도입을반영하였다. RPS 도입을통해온실가스감축을통 한기후변화대응과신재생에너지발전산업을통한녹색성장의효과가 기대된다. 입법과정을거쳐 2012년부터국내에서도 RPS가본격적으로 시행하게되었다. 국내에서도 RPS 제도를도입함에따라국외의마이크 로그리드관련제도및정책에대하여조사하고분석하여국내의마이크 로그리드에맞도록제도를개선하고신재생에너지를보급함에따라전력 사업등과마이크로그리스사업의연계가능요소를분석하고있다. - 20 -

제 3 장디젤발전기해석및모델링 디젤발전기는디젤엔진을원동기로하여전기를일으키는방식의발 전기로서영문으로는 Diesel Generator(DG) 로표기한다. 디젤발전은주 로공장이나빌딩의비상용전원그리고낙도( 落島 ) 등에서의도내배전 용전원등으로설치된다. 낙도에사용되는디젤발전기는독립적으로전 기를생산하여부하에전력을공급하는시스템으로국내에널리사용되 고있다. 디젤발전기조속기와여자기에의해제어되고, 제어기의일반 적인구조는 IEEE Standard[18]-[20] 에도명시하여널리알려져있다. 기존의디젤발전기연구는부하변동에따른제어기분석[21] 및, 디젤엔 진에대한운전상태를분석한연구가있지만 [22], 조속기와여자기에 대하여명확하게설명[23]-[30] 하고모델링된참고문헌이부족하고 디젤발전기의동작에대한시뮬레이션구현이미흡하다. 본장에서는디 젤발전기를구성하는동기기의구조와동작에대하여해석하고 [31]-[33], 디젤발전기의조속기와여자기를모델링하였으며 50kW 디 젤발전기에대하여 MATLAB/Simulink를이용하여시뮬레이션을구현하 였다. 시뮬레이션에적용된파라미터는실증사이트의 50kW 디젤발전기 의파라미터를제공받아적용하였으며시뮬레이션결과와디젤발전기의 실험결과가동일함을확인하였기에디젤발전기제어기모델링및시뮬 레이션이올바르게되었음을증명하였다[34][35]. 따라서독립형마이 크로그리드에디젤발전기를적용함에앞서시뮬레이션을통한디젤발전 기의동작및문제점을해결할수있었다. - 21 -

3.1 동기발전기특성 3.1.1 동기발전기구조 동기발전기는회전자와고정자의상대속도가회전자기장과동기해서 회전하는발전기로대부분의교류발전기가동기발전기로이루어져있다. 동기발전기는그림 3.1과같이고정자와회전자가결합되어있는구조로 고정자에전기자가, 회전자에계자가존재하며이는동기발전기에서가 장중요한요소이다. 그림 3.1의고정자와회전자구조는그림 3.2와고 정자와회전자로구분하여표현할수있다. 고정자는그림 3.2(a) 로 3상 좌표계가고정되어있으며, 각상전압과상전류가발생하고그에따라 자계가발생한다. 회전자는그림 3.2(b) 로동기좌표계로표현되며전기 적위상에따라위상각 만큼회전하게된다. 전기적위상과위상각 의관계는 와같다 [31]. 그림 3.1 3상동기기구조 - 22 -

(a) (b) 그림 3.2 동기발전기의고정자및회전자구조 (a) 고정자 (b) 회전자 : : 고정자권선 계자권선 : d축댐핑권선 : q축댐핑권선 : 전기적위상 (rad) : 회전자의위상각 (rad/s) : 순시적인쇄교자속 - 23 -

3.1.2 동기발전기원리및해석 동기발전기는 d축임피던스 와 q축임피던스 가동일한조건의 원통형(Round Rotor) 동기발전기와 와 가서로다른형태인돌극 형(Salient Rotor) 동기발전기로나뉜다. 본학위논문에사용된동기발전 기는돌극형동기발전기로고정자에대한전압방정식과회전자에대한 전압방정식으로고려하여야한다. 3상고정자전압을쇄교자속 으로표현하면식(3.1) 식(3.3) 과같다. 이때의 는 이고, 는고정자저항이다. (3.1) (3.2) (3.3) 고정자의쇄교자속을나타내면식(3.4) 식(3.6) 과같다. (3.4) (3.5) (3.6) 자기인덕턴스 와상호인덕턴스 는회전자가한번 회전하는동안자기회로는두번반복되는 의공간적인함수로표현되며, 회전자와고정자권선간의인덕턴스는 의함수이다. 돌극형회 - 24 -

전자의공극은최소공극 min max 가성립하기에회전자의위치에따 라고정자권선의자기인덕턴스는달라지게된다. 회전자의위치에따른 공간자속분포에있어서기본파성분만고려하면고정자권선의자기인 덕턴스는식(3.7) 식(3.9) 과같이표현되며, 고정자의선간상호인덕턴 스는식(3.10) 식(3.12) 와같이유도될수있다. 그리고고정자 a상과 회전자의상호인덕턴스는식(3.13) 식(3.15) 와같다. 이때 에의해 변화되는 값은그림 3.3 과같고, a상과 b상의권선사이에서 에따 라변하는 는그림 3.4 와같으며, 계자권선과고정자 a상사이의상호 인덕턴스는그림 3.5 와같이표현할수있다. cos (3.7) cos (3.8) cos (3.9) 그림 3.3 a상고정자의자기인덕턴스 - 25 -

cos (3.10) cos (3.11) cos (3.12) 그림 3.4 고정자의 a상 b상의권선간상호인덕턴스 cos (3.13) cos (3.14) cos sin (3.15) 식(3.7) 식(3.15) 에서의 와 는식(3.16) 과식(3.17) 과같다. min max (3.16) min max (3.17) - 26 -

그림 3.5 계자권선과 a상고정자권선간의상호인덕턴스 고정자의쇄교자속을표현한식(3.4) 식(3.6) 에식(3.7) 식(3.15) 를 대입하여인덕턴스로표현하면식(3.16) 식(3.18) 과같다. cos cos cos cos cos sin cos cos cos cos cos sin cos cos cos cos cos sin (3.16) (3.17) (3.18) - 27 -

계자권선에쇄교하는자속 으로회전자의전압방정식을정리하면 식(3.19) 식(3.21) 과같다. 계자권선의자속은자기인덕턴스와고정자 자속에의한상호인덕턴스로이루어진다. (3.19) (3.20) (3.21) 계자권선의쇄교자속방정식은식(3.22) 식(3.24) 와같다. cos cos cos (3.22) cos cos cos (3.23) sin sin sin (3.24) 돌극형동기발전기의고정자전압방정식을이용한동기발전기의과도 상태등을파악하기에는복잡한미분방정식때문에쉽지않다. 따라서 동기발전기의과도상태등의해석을위해서 3상전압방정식을동기좌표 변환하여간략화할수있다. 3상의 a,b,c 좌표계를 2상의동기좌표계로 변환하여표현한다면 d축과 q축의 dc 성분으로해석할수있기에쉽게 동기발전기의해석이용이하다. 식(3.16) 식(3.18) 의 3상의쇄교자속 방정식을동기좌표계로변환하면식(3.25) 와식(3.26) 의형태로표현된 다. - 28 -

(3.25) (3.26) 이때, d축인덕턴스는, q축인덕턴스는 이다. 식(3.22) 식(3.24) 의회전자권선의쇄교자속을, 의수식으로 표현하면, 식(3.27) 식(3.29) 로표현된다. (3.27) (3.28) (3.29) 식(3.1) 식(3.3) 에표현된 3상좌표계의고정자상전압을동기좌표계 로변환하면식(3.30) 식(3.31) 과같다. (3.30) (3.31) (3.32) 동기발전기고정자의 3 상의순시출력은식(3.33) 으로정의할수있고 이를동기좌표계로변환하면식(3.34) 와같다. - 29 -

(3.33) (3.34) 디젤발전기는평형조건으로동작하기에 이고식(3.34) 를다시정리하면식(3.35) 와같다. (3.35) 전기자의토크는전류와자속으로정리할수있는데, 식(3.35) 에식 (3.30) 식(3.32) 까지를대입하여정리하면식(3.36) 과같다. (3.36) 식(3.36) 에서첫번째두항은고정자동손이고, 다음의두항은자계 에너지의변동분이기에나머지두항이기계적출력을나타낸다. 토크 는기계적출력을동기기의각속도 로나눈것이기에동기발전 기의토크는식(3.37) 과같다. (3.37) 3 상좌표계료표현된식(3.1) (3.3) 을동기좌표계로변환하고자속을 임피던스로치환하면식(3.38), 식(3.39) 와같다. 식(3.38) 와식(3.39) 에 - 30 -

서 는 d 축동기좌표계리액턴스, 는 q축동기좌표계리액턴스이고 는상호임피던스이다. 또한계자전류 는식(3.40) 과같이표현된 다. (3.38) (3.39) (3.40) 자속으로표현된동기발전기고정자전압의수식은식(3.1) 식(3.3) 과 식(3.38), 식(3.39) 와같이확인하였다. 본절에서는수식적인표현외에 전압과전류의관계에대하여알아본다. 동기발전기전압을자속으로표 현하지않고 3 상좌표계의위상으로표현한다면식(3.41) (3.43) 와같 다. cos (3.41) cos (3.42) cos (3.43) 은상전압의실효값, 는각주파수, 는 의초기시점에서의위 상각이다. 식(3.41) 식(3.43) 을동기좌표계로변환하면식(3.44) 와식 (3.45) 로정리된다. - 31 -

cos (3.44) sin (3.45) (3.46) 는식(3.46) 과같이정리되며, 이때의 는 일때 이다. 디젤발 전기는동기발전기를사용하기에 과 는동일하다. 은전기자상 전압의실효값으로본절에서의모든수식을 PU법에의거해표현하고 있다. 따라서상전압의크기인 와 PU법에의거하여 로표현 수있고, 식(3.46) 과 를식(3.44) 와식(3.45) 에대입하면동기좌표계에 서의전압은아래와같은식(3.47) 과식(3.48) 로정리된다. cos (3.47) sin (3.48) 동기좌표계에서의전압과전류의위상에대한벡터로표현하면그림 3.6 과같다. 그림 3.6에서 는전압과전류의위상차이로유효전력및 무효전력의역률과관계되고 는전압의크기, 는전류의크기이며 는회전자위상으로동기발전기에서의출력전력에영향을준다. 를식 (3.47) 과식(3.48) 에대입하여정리하면식(3.51) 과식(3.52) 와같다. (3.49) (3.50) - 32 -

sin (3.51) cos (3.52) 는식(3.53) 과같이정의되고이는주파수의변화량과같다. tan cos sin cos sin (3.53) (a) 전압성분 (b) 전류성분 그림 3.6 전기자전압및전류의위상 동기발전기의유효전력과무효전력은식(3.54) 와 (3.55) 처럼위상각 로부터계산한다. cos (3.54) sin (3.55) - 33 -

역률로부터동기발전기의출력을계산할수있지만, 동기발전기파라 미터로부터출력을예측및계산이가능하다. 본절에서모델링하고자 하는 50kW 동기발전기는돌극형으로 d축임피던스와 q축임피던스가 서로다르기때문에임피던스간의다른부분을고려하여디젤발전기의 출력을예측및계산한다. 이때 는무시한다. 돌극형디젤발전기의파 라미터를이용한유효전력과무효전력은식(3.56) 과식(3.57) 로계산된 다. sin (3.56) cos (3.57) - 34 -

3.2 디젤발전기모델링 3.2.1 디젤발전기구성 디젤발전기는디젤엔진과동기발전기, 그리고디젤발전기를제어하는 제어기로조속기와여자기로구성된다. 그림 3.7은디젤발전기의구성을 보여준다. 디젤엔진과동기발전기가결합하여하나의디젤발전기가완성 되고, 조속기는디젤엔진을제어, 여자기는동기발전기를제어하여전체 적인디젤발전기시스템이완성되어동작을수행한다. 디젤발전기동작 은계통과연결되어유효전력및무효전력제어를통해계통으로전력을 공급하는계통연계운전과, 계통과연결되어있지않고자체적으로부하 에전력을공급하는독립운전으로구분된다. 독립운전에서는주파수와 전압제어가주로동작하게된다. 디젤발전기의구성요소인디젤엔진은디젤기관또는압축점화기관이라 고도하며실린더안에공기를흡입및압축해서고온 고압으로동작한 다. 여기에액체연료를분사하여자연발화시킨다음피스톤을작동시킴 으로써동력을얻는내연기관이다. 개발초기의디젤엔진은육상용뿐이 었으나, 1930 년이후선박 자동차 철도등의동력원으로사용되었다. 디 젤엔진은열효율이높아다방면에사용된다. 열기관중에서도효율은 30 40% 로가장우수하고, 시동에시간이걸리지않으며, 부속설비가적 어넓은장소가필요치않고간편하게설치된다. 또운전전후의연료손 실이적으며, 적은부하에서도효율이좋다. 사용하는중유는인화할위 험이나변질될염려가적고재가생기지않는다. 취급이간단하고, 오래 사용해도효율이떨어지지않으며, 수리비가적게드는등의특징이있 다. 동기발전기는 3.1.1 절에서그구조및동작에대하여언급하였다. - 35 -

그림 3.7 디젤발전기구성 - 36 -

3.2.2 조속기모델링 디젤엔진은중유또는경유등의연료를공급받아동기발전기를구동 하는기계적인전력 (Mechanical Power : ) 을동기발전기로공급한 다. 디젤발전기의유효전력레퍼런스( ) 에따라디젤엔진에서동기발 전기로공급하는 을출력하도록조속기(Governor) 에서제어를수행 한다. 3.2.2절에서는디젤발전기의발전량을제어하여원하는유효전력 레퍼런스에따라동기발전기에기계적인전력을공급하도록조속기제어 블록도의모델링에대하여서술한다. 조속기의제어블록도에서는실제 의디젤엔진동작시고려되는엑츄에이터와디젤엔진의지연시간을고 려하여조속기제어기를모델링하였다 [24]-[30][36]. 조속기의제어기를모델링함에있어서기본적인조속기시스템은그림 3.8 과같다[18]. 조속기시스템에서제어기는레퍼런스(Setpoint), 피드 백되는속도(Unit Speed), 부가적인입력신호(Optional Feedbacks) 를 받아디젤엔진의동작에따라동기기로전달된다. 그림 3.8의기본적인 조속기시스템은디젤발전기의주파수만을제어하는형태로부하의조건 에따라발전하는독립운전모드에서의제어방식으로, 디젤발전기의유 효전력을제어할수없는단점이있다. 그림 3.8 기본적인조속기제어시스템 - 37 -

그림 3.9의조속기제어시스템은기본적인조속기제어시스템에디 젤발전기의출력되는유효전력을피드백받아, 유효전력지령치를추종 하는제어블록도가추가된형태이다. 추가된유효전력제어기는비례 (P : Proportional) 제어기로조속기의수하특성(Droop) 특성을 5% 로조정 하여적용하였다. 그림 3.9 유효전력제어기가포함된조속기제어시스템 본학위논문에서제안하는디젤발전기의조속기제어시스템모델링은 디젤발전기의실제동작을나타나기위해엑츄에이터와디젤엔진의지연 시간을고려하여제어블록도를모델링하였고, 실제의 50kW 동기발전 기의관성(H : Inertia) 을적용하였다. 제어기는 Cascade 형태로구현하 여내부에주파수제어기, 외부에유효전력제어기구조로설계하였다. 주 파수제어기는디젤발전기의주파수 ( ) 가 60Hz 주파수( ) 를추종하 도록제어하고, 유효전력제어기는디젤발전기에서출력되는유효전력 ( ) 이설정된 에따라발전하도록제어한다. 조속기를구성하는 주파수제어기와유효전력제어기를그림 3.10 과같이모델링하였다. - 38 -

그림 3.10 조속기제어블록도 표 3.1 조속기제어기의게인 계통연계운전모드 독립운전모드 주파수제어기 0.5 5 20 40 유효전력제어기 0.05 동작 X - 39 -

그림 3.10에서제안한조속기의제어블록도를검증하기위해주파수 제어기와유효전력제어기에대한동작을시뮬레이션을통해확인하였다. 첫번째, 주파수제어기의동작은독립운전모드에서확인하였다. 계통 연계운전에서의디젤발전기주파수 는계통이 60Hz로강건하게유 지하고있기에, 주파수레퍼런스에변화를주어도피드백되는디 젤발전기의주파수는변하지않는다. 따라서계통연계운전에서는주파수 제어기동작의타당성을증명하기어렵다. 독립운전모드에서유효전력제 어기는동작하지않는다. 주파수제어기동작의확인은, 를 1pu(60Hz) 에서 1.1pu(66Hz) 로변화시켰을때 의동작이그림 3.11 과같이오버슈트 0.005pu(0.3Hz) 만큼발생하고약 25sec 이후정상상 태로도달함을확인하여주파수제어기가 의변화에따라안정적으로 추종이됨을확인하였다. 그림 3.11에서점선은, 실선은 이다. 두번째, 유효전력제어기의동작을확인은계통연계운전모드에서확인 하였다. 독립운전모드에서확인한주파수제어기가내부에있고외부에는 유효전력제어기가있는구조로서계통연계운전시발전하는전력의크기 를조절함에따라디젤발전기가설정된전력을추종함을확인하였다. 이 에 을 0pu에서 1pu(50kW) 로상승시켰고시뮬레이션결과를그림 3.12 와같이확인하였다. 시뮬레이션결과에서점선은 이고실선은 이며 PU 로표현하고있다. 이 0pu에서 1pu로바뀜에따라유효 전력의오버슈트는 0.08pu(4kW) 발생하고정상상태까지약 25sec 이후 도달하여주어진 의변화에도안정적으로 가추종함을확인하여 조속기의제어기모델링이정확하게되었음을확인하였다. - 40 -

그림 3.11 주파수제어기응답속도확인 그림 3.12 유효전력제어기응답속도확인 - 41 -

3.2.3 여자기모델링 발전기를제어하는여자기시스템은크게 DC Excitation System, AC Excitation System, 그리고 Static Exciter System 세가지로구분되며 AVR(Automatic Voltage Regulator) 을통해제어된다. Excitation system은 DC field를생성하기위해교류발전기또는정류기를사용하 며, 본학위논문에적용시킨여자기모델은내부에작은동기기가있는 형태의 AC Excitation System으로 AC4A 모델을참고하여모델링을 수행하였다. 그림 3.13과같은 AC4A 여자기모델의입력신호는디젤 발전기의전압레퍼런스, 디젤발전기의출력전압, 그리고외 부의추가적인제어기 로계자전류의피드백이없는구조이다. 이때 로무효전력제어기가사용가능하다 [20]. 그림 3.13 AC4A Type 여자시스템 - 42 -

무효전력제어기는디젤발전기에서발생하는무효전력성분을제거하여 0 으로만들기위해사용된다. 하지만, 실제의디젤발전기에서는 0으로 제어하기보다는디젤발전기가허용하는크기이내로제어하기위해사 용한다. 무효전력제어기의일반적인구조는그림 3.14와같이비례적분 (Proportional and Integrate : PI) 제어기로구성되며, 무효전력제어기 출력은그림 3.13의 로입력된다. 그림 3.14 무효전력제어기의일반적인구조 본학위논문에서제안하는디젤발전기의여자기제어시스템모델링은 여자기의동작딜레이를고려하여제어기를모델링하였다[37][38]. 여 자기제어블록도는조속기제어블록도와마찬가지로 Cascade 형태로 구현하여내부에전압제어기, 외부에무효전력제어기로이루어져있다. 전압제어기는디젤발전기의선간전압출력을 380V LL 로제어하고, 무효 전력제어기는디젤발전기의출력에무효성분을 0 으로제어한다. 여자기 를구성하는전압제어기와무효전력제어기를그림 3.15와같이모델링 하였고, 제어기사용되는게인은표 3.2 와같다. 여자기에서는전압제어 기가내부동작이기에전압제어기속도가무효전력제어기속도보다 20-43 -

배빠르도록두제어기사이의시정수설정하였다. 그림 3.15의전압제어기입력에무효전력제어기외에무효순환전류 보상제어기(Reactive Current Compensation) 를추가하였다. RCC는 일종의보상기로병렬운전중인동기발전기사이에존재하는리액터가 너무작거나또는너무클경우발생하는발전기간무효전류의분담불 균형을해소하기위하여사용된다. 리액터성분게인과무효전류가곱해 진값이자동전압제어기입력에서빼져서최종출력을감소시키는방향으 로설정되어있으므로공급하는무효전류의크기가커지면최종출력은 반비례하여감소하게된다. 그결과여자전류의크기가감소하게되어 발전기의무효전력의크기또한감소하게된다. - 44 -

그림 3.15 여자기제어블록도 표 3.2 여자기제어기게인 계통연계운전모드및독립운전 전압제어기 25 250 무효전력제어기 0.5 0.25-45 -

그림 3.15에서제안한여자기의제어블록도를검증하기위해전압제 어기와무효전력제어기에대한동작을시뮬레이션을통해확인하였다. 첫번째, 전압제어기의동작은독립운전모드에서주파수제어기의동작 을확인하였다. 계통연계운전에서의디젤발전기출력전압은계통이 1pu(380V LL ) 로강건하게유지하고있기에, 전압레퍼런스의변화 에도피드백되는디젤발전기의출력전압은변하지않는다. 따라서계통 연계운전에서는전압제어기동작의타당성을확인하기어렵다. 독립운전 모드에서는전압제어기만동작할뿐, 무효전력제어기는동작하지않는 다. 디젤발전기전압제어기는 3상상전압의크기를 1pu로기준을잡고 시뮬레이션을수행하였다. 를 1pu(311V peak ) 에서 1.1pu(342V peak ) 로 증가시켰을때그림 3.16과같이 는 0.013pu(4V peak) 의오버슈 트를가지고, 약 1sec 이후정상상태에도달한다. 그림 3.16에서점선은 이고실선은 이다. 시뮬레이션결과 증가에따라 는안정적으로추종함을확인하였다. 두번째, 무효전력제어기의동작확인은계통연계운전모드에서확인하 였다. 계통연계운전시발생하는무효전력을감소시키기위해동작을수 행한다. 무효전력제어기의동작을확인하기위해강제적으로무효전력 레퍼런스를 0pu에서 0.2pu(10kVA) 로증가시켰다. 0pu에서 1pu로 증가시킨 과는다르게 0.2pu만을증가시킨이유는실제의디젤발전 기가허용하는무효전력 이 20% 로제한되어있기때문이다. 를 증가시키면그순간의 는그림 3.20과같이오버슈트가발생하지 않고 20sec 이후정상상태에도달하여무효전력제어기가안정적으로동 작함을확인하였다. 그림 3.17에서점선은, 실선은 이다. - 46 -

그림 3.16 전압제어기응답속도확인 그림 3.17 무효전력제어기응답속도확인 - 47 -

3.3 시뮬레이션및실험결과 본절에서는시뮬레이션과실험으로디젤발전기의동작을확인하였다. 모델링한조속기와여자기를 MATLAB/Simulink 시뮬레이션에적용하여 50kW 디젤발전기의동작을확인하고이를실험과비교하여시뮬레이션 의타당성을검증하였으며, 시뮬레이션에적용한파라미터는 50kW 디젤 발전기를제작한업체에서파라미터를제공받아시뮬레이션모델에적용 하였다. 시뮬레이션은독립운전과계통연계운전으로수행하였고, 독립운 전에서는주파수제어기와전압제어기의성능을확인, 계통연계운전에서 는유효전력제어기와무효전력제어기의성능을확인하였다. 제어기성능 으로부터얻은게인을적용하여시뮬레이션을수행하고디젤발전기의실 험결과와동일한결과가나옴을확인하였다. 디젤발전기실험은외부 업체에방문하여실험을진행하였다. - 48 -

3.3.1 시뮬레이션결과 그림 3.18은 MATLAB/Simulink를이용한 50kW 디젤발전기시뮬레 이션모델이다. 시뮬레이션은동기발전기, 조속기, 여자기그리고계통과 부하로이루어져있다. 시뮬레이션의동기발전기파라미터는, 실증사이 트에있는디젤발전기를납품한업체에연락하고 50kW 디젤발전기에 대한파라미터를요청하여제공된파라미터를시뮬레이션에적용하였다. 시뮬레이션에적용한 50kW 디젤발전기의제어기파라미터는표 3.3과 같고동기기파라미터는표 3.4 와같다. 조속기와여자기의동작을구현 하기위해적용한엑츄에이터, 디젤엔진동작지연, 여자기동작지연에 대한시정수는제작업체에서제공하지않기에 50kW 디젤발전기와유 사한용량의참고문헌을참고하여적용하였다. 적용된시정수는다른논 문에서정의하고있는범위내의값을만족한다 [24]-[26][39]. 그림 3.18에서조속기제어부에입력되는신호는,,, 이고, 여가기제어부에입력되는신호는,,, 이다. 디젤발전기시뮬레이션에서 mode은독립운전과계통연계운전의구분으 로서 0 일경우독립운전, 1 일경우계통연계운전으로동작하게되며, 은디젤발전기의 RUN/STOP 명령신호이다. 그림 3.19는 3.2.2절에서모델링한그림 3.10의조속기제어블록도 를구현한시뮬레이션모델이고, 그림 3.20은 3.2.3절에서모델링한그 림 3.15 의여자기제어블록도를구현한시뮬레이션모델이다. - 49 -

표 3.3 디젤발전기제어기파라미터 정격전력 정격전압 정격전류 50kW 380V LL 75.96A rms 디젤엔진동작지연 0.25s 엑츄에이터 0.2s 여자기동작지연 0.046s 관성계수 2.4s 극 2 표 3.4 디젤발전기동기기파라미터 Reactance PU Synchronous d-axis reactance 2.209 Transient d-axis reactance 0.227 Subtransient d-axis reactance 0.141 Synchronous q-axis reactance 1.047 Subtransient q-axis reactance 0.16 Leakage reactance 0.017 시정수 Transient d-axis open-circuit 2 Subtransient d-axis open-circuit 0.111 Subtransient q-axis open-circuit 0.0119 초 - 50 -

그림 3.18 MATLAB/Simulink로구현한 50kW 디젤발전기시뮬레이션 - 51 -

그림 3.19 MATLAB/Simulink 조속기제어블록도 - 52 -

그림 3.20 MATLAB/Simulink 여자기제어블록도 - 53 -

3.3.1.1 계통연계운전시뮬레이션결과 50kW 디젤발전기의동작을확인하기위하여계통연계운전으로시뮬 레이션을수행하고조속기의유효전력제어와여자기의무효전력제어의 동작및응답특성을확인한다. 그림 3.21은유효전력레퍼런스 을초기 0pu에서 0.4pu(20kW) 로 증가시켰을경우의시뮬레이션결과이다. 그림 3.21(a) 는 0pu에서 0.4pu까지증가된유효전력레퍼런스를디젤발전기의유효전력이 40초 의정상상태도달시간동안유효전력레퍼런스를추종하고있는시뮬레 이션결과이다. 디젤발전기의무효전력은그림 3.21(b) 와같이 0으로제 어되고있다. 그림 3.21(c) 에서디젤발전기의출력전압크기는 1pu로일 정하고출력전류크기는초기 0pu에서유효전력이상승함에따라동일 한기울기로증가하여 0.4pu까지 40 초의정상상태도달시간을갖는다. 디젤발전기의출력상전압과출력전류는동상으로, 계통으로 20kW만큼 발전하고있음을그림 3.21(d) 에서확인할수있다. 디젤발전기가 20kW 로발전하고있을때, 시뮬레이션에서확인되는유 효전력은 20kW, 무효전력은 0Var, 회전자각은 22.1 이다. 시뮬레이션에 서출력되는결과를참고하여식(3.56), 식(3.57), 식(3.53) 으로부터유 효전력, 무효전력그리고회전자각을계산하면유효전력은 19.8kW, 무 효전력은 420Var, 회전자각은 23.3 로시뮬레이션결과와비교하여유 효전력은 1%, 무효전력은 2.1% 의오차가있지만시뮬레이션과수식계 산과의결과가표 3.5 와같이일치함을확인할수있다. - 54 -

(a) (b) (c). - 55 -

(d) 그림 3.21 0pu 0.4pu 증가시시뮬레이션결과 (a) 유 효전력 (b) 무효전력 (c) 전압및전류크기 (d) 상전압및 상전류크기 표 3.5 디젤발전기 20kW 발전시전력비교 시뮬레이션출력 수식계산 유효전력 20kW 19.8kW 무효전력 0Var 420Var 회전자각 22.1 23.3-56 -

그림 3.22는유효전력레퍼런스 을초기 0.4pu(20kW) 에서 0.8pu(40kW) 로증가시켰을경우의시뮬레이션결과이다. 그림 3.22(a) 는 0.4pu에서 0.8pu까지증가된유효전력레퍼런스를디젤발전기의유 효전력( 실선) 이 40초의정상상태도달시간동안유효전력레퍼런스를추 종하고있는시뮬레이션결과이다. 디젤발전기의무효전력은그림 3.22(b) 와같이 0 으로제어되고있다. 그림 3.22(c) 에서디젤발전기의 출력전압크기는 1pu로일정하고출력전류크기는초기 0.4pu에서유효 전력이상승함에따라동일한기울기로증가하여 0.8pu까지 40초의정 상상태도달시간을갖는다. 디젤발전기의출력상전압과출력전류는동 상으로, 계통으로 40kW만큼발전하고있음을그림 3.22(d) 에서확인할 수있다. 디젤발전기가 40kW 로발전하고있을때, 시뮬레이션에서확인되는유 효전력은 40kW, 무효전력은 0Var, 회전자각은 38.4 이다. 시뮬레이션에 서출력되는결과를참고하여식(3.56), 식(3.57), 식(3.53) 으로부터유 효전력, 무효전력그리고회전자각을계산하면유효전력은 39.8kW, 무 효전력은 1kVar, 회전자각은 39.5 로시뮬레이션결과와비교하여유효 전력은 0.5%, 무효전력은 2.5% 의오차가있지만시뮬레이션과수식계산 과의결과가표 3.6 과같이일치함을확인할수있다. - 57 -

(a) (b) (c) - 58 -

(d) 그림 3.22 0.4pu 0.8pu 증가시시뮬레이션결과 (a) 유효전력 (b) 무효전력 (c) 전압및전류크기 (d) 상전압및 상전류크기 표 3.6 디젤발전기 40kW 발전시전력비교 시뮬레이션출력 수식계산 유효전력 40kW 39.8kW 무효전력 0Var 1kVar 회전자각 38.4 39.5-59 -

그림 3.23은유효전력레퍼런스 을초기 0.8pu(40kW) 에서 0.4pu(20kW) 로감소시켰을경우의시뮬레이션결과이다. 그림 3.23(a) 는 0.8pu에서 0.4pu까지감소된유효전력레퍼런스를디젤발전기의유 효전력( 실선) 이 40초의정상상태도달시간동안유효전력레퍼런스를추 종하고있는시뮬레이션결과이다. 디젤발전기의무효전력은그림 3.23(b) 와같이 0 으로제어되고있다. 그림 3.23(c) 에서디젤발전기의 출력전압크기는 1pu로일정하고출력전류크기는초기 0.8pu에서유효 전력이감소함에따라동일한기울기로감소하여 0.4pu까지 40초의정 상상태도달시간을갖는다. 디젤발전기의출력상전압과출력전류는동 상으로, 계통으로 20kW만큼발전하고있음을그림 3.23(d) 에서확인할 수있다. 디젤발전기가 20kW 로발전하고있을때, 시뮬레이션에서확인되는유 효전력은 20kW, 무효전력은 0Var, 회전자각은 22.1 이다. 시뮬레이션에 서출력되는결과를참고하여식(3.56), 식(3.57), 식(3.53) 으로부터유 효전력, 무효전력그리고회전자각을계산하면유효전력은 19.8kW, 무 효전력은 420Var, 회전자각은 23.3 로시뮬레이션결과와비교하여유 효전력은 1%, 무효전력은 2.1% 의오차가있지만시뮬레이션과수식계 산과의결과가표 3.7 과같이일치함을확인할수있으며, 이결과는표 3.5 와동일하다. - 60 -

(a) (b) (c) - 61 -

(d) 그림 3.23 0.8pu 0.4pu 감소시시뮬레이션결과 (a) 유효전력 (b) 무효전력 (c) 전압및전류크기 (d) 상전압및 상전류크기 표 3.7 디젤발전기 20kW 발전시전력비교 시뮬레이션출력 수식계산 유효전력 20kW 19.8kW 무효전력 0Var 420Var 회전자각 22.1 23.3-62 -

그림 3.24는유효전력레퍼런스 을초기 0.4pu(20kW) 에서 0pu로 감소시켰을경우의시뮬레이션결과이다. 그림 3.24(a) 는 0.4pu에서 0pu 까지감소된유효전력레퍼런스를디젤발전기의유효전력( 실선) 이 40 초의정상상태도달시간동안유효전력레퍼런스를추종하고있는시 뮬레이션결과이다. 디젤발전기의무효전력은그림 3.24(b) 와같이 0으 로제어되고있다. 그림 3.24(c) 에서디젤발전기의출력전압크기는 1pu 로일정하고출력전류크기는초기 0.4pu에서유효전력이감소함에따 라동일한기울기로감소하여 0pu까지 40초의정상상태도달시간을갖 는다. 디젤발전기의출력상전압은정현파로출력되지만출력전류는 0으 로디젤발전기가발전하지않음을그림 3.24(d) 에서확인할수있다. 디젤발전기가 0W 로동작은하지만발전하고있지않을때, 시뮬레이 션에서확인되는유효전력은 0W, 무효전력은 0Var, 회전자각은 0 이다. 시뮬레이션에서출력되는결과를참고하여식(3.56), 식(3.57), 식(3.53) 으로부터유효전력, 무효전력그리고회전자각을계산하면유효전력은 0W, 무효전력은 5.5Var, 회전자각은 0.9 로시뮬레이션과수식계산과의 결과가일치함을표 3.8 과같이확인할수있다. - 63 -

(a) (b) (c) - 64 -

(d) 그림 3.24 0.4pu 0pu 감소시시뮬레이션결과 (a) 유 효전력 (b) 무효전력 (c) 전압및전류크기 (d) 상전압및 상전류크기 표 3.8 디젤발전기출력이 0W로발전하고있지않을경우의전력비교 시뮬레이션출력 수식계산 유효전력 0W 0W 무효전력 0Var 5.5Var 회전자각 0 0.9-65 -

3.3.1.2 독립운전시뮬레이션결과 독립운전모드는계통과연결되어있지않고디젤발전기에서부하에전 력을공급하는운전이다. 독립운전시부하의변동에의해전압과주파 수가변동되는특성을확인한다. 즉, 독립운전에서는조속기의주파수 제어와여자기의전압제어의동작및응답특성을확인한다. 그림 3.25와그림 3.26은독립운전시부하가 0.06pu(3kW) 에서 0.54pu(27kW) 로변동되었을경우주파수와전압의응답특성을보여준 다. 순간적인부하변동시주파수는 0.03pu(1.8Hz) 만큼감소하지만조 속기의주파수제어기에의해 1pu(60Hz) 를유지한다. 디젤발전기에서제 어되는출력전압의크기는순간적인부하변동시 0.06pu(4.6V) 만큼 감소하지만 10% 허용범위내에서발생하는변동으로순간적인변동이 후에는여자기의전압제어기를통해 1pu(311V peak ) 를유지하여디젤발전 기가부하변동시에도안정적으로동작함을보여준다. - 66 -

그림 3.25 3kW에서 27kW로부하변동시주파수제어기응답 그림 3.26 3kW에서 27kW로부하변동시전압제어기응답 - 67 -

3.3.2 실험결과 그림 3.27 은디젤발전기실험장비의구성이다. 그림 3.27(a) 는 50kVA 디젤발전기, 그림 3.27(b) 는디젤발전기제어프로그램, 그림 3.27(c) 는디젤발전기제어반, 그림 3.27(d) 는독립운전시필요한부하 와계통분전반이다. 디젤발전기는통신을이용하여그림 3.27(b) 와같 은 EMS 로제어하고, 디젤발전기의정격및파라미터는표 3.3과표 3.4 와동일하다. 디젤발전기출력은 3.27(b) 에서출력되는결과로확인하기 에는부족하기에 DSP 28335 제어보드를사용하여디젤발전기의유효전 력은식(3.58) 으로무효전력은식(3.59) 과같이계산하여확인하였다 [40] (3.58) (3.59) - 68 -

그림 3.27 디젤발전기실험장비 - 69 -

3.3.2.1 계통연계운전실험결과 그림 3.28과그림 3.29는계통연계운전에서유효전력레퍼런스를 0W 에서 40kW 로증가시켰을경우의실험결과이다. 그림 3.28은디젤발전 기의전압크기(Ch.1 100V/div), 디젤발전기의전류크기 (Ch.2 20A/div), 유효전력(Ch.3 10kW/div), 무효전력(Ch.4 10kVar/div) 를보여준다. 디젤발전기유효전력은 0W로대기상태에있다 가유효전력레퍼런스가 0W에서 40kW로증가하면정상상태까지 80초 의시간이소요되고, 전류의크기도동일한시간으로상승한다. 초기디 젤발전기가구동하기전에무효전력의경우 -2.6kVar의음의무효전력 이발생하지만, 디젤발전기가발전을시작하면서부터 3.1kVar 로바뀐다. 이는디젤발전기가계통에대해발전하기전에는유도성부하이지만, 발 전을시작하면서용량성부하로동작하기때문이다. 디젤발전기의전압은 디젤발전기가발전하여도그크기는변하지않고 311V peak 를유지한다. 그림 3.29는디젤발전기가 40kW만큼발전하고있을경우의상전압 (Ch.1 250V/div) 과상전류 (Ch.2 50A/div) 로, 상전압과상전류 의위상은약 4.4 의차이로역률 0.997을보이며동상에가깝게출 력된다. - 70 -

그림 3.28 이 0W 40kW 로증가할때유무효전력, 전압, 전류확인 그림 3.29 이 0W 40kW 로증가할때상전압, 상전류, 위상확인 - 71 -

그림 3.30과그림 3.31은계통연계운전에서유효전력레퍼런스를 40kW에서 0W 로감소시켰을경우의실험결과이다. 그림 3.30은디젤 발전기의전압크기(Ch.1 100V/div), 디젤발전기의전류크기 (Ch.2 20A/div), 유효전력(Ch.3 10kW/div), 무효전력(Ch.4 10kVar/div) 를보여준다. 디젤발전기는 40kW로발전하고있는중에유 효전력레퍼런스가 40kW에서 0W로감소하면정상상태까지 80초가소 요되고, 전류의크기도동일한시간으로감소한다. 디젤발전기가 40kW 로발전하고있을경우계통에대하여용량성부하이고무효전력이 3.2kVar 발생하지만, 유효전력이 0W가되면무효전력은 2.8kVar로디 젤발전기가유도성부하로동작한다. 디젤발전기의전압은디젤발전기의 발전량이감소하여도그크기는변하지않고 311V peak 를유지한다. 그림 3.31은디젤발전기가 0W로발전하지않고대기상태에있을경 우의상전압 (Ch.1 250V/div) 과상전류 (Ch.2 50A/div) 그리고상 전압과상전류의위상 을측정한결과이다. 그림 3.32는계통연계운전에서유효전력레퍼런스를 0W에서 20kW, 그리고 40kW로증가시키고다시 40kW에서 20kW, 0W로감소시킨실 험의결과이다. 실험파형에서나타내고있는것은디젤발전기의전압크 기(Ch.1 100V/div), 디젤발전기의전류크기(Ch.2 20A/div), 유효전력 (Ch.3 10kW/div), 무효전력(Ch.4 10kVar/div) 이다. 유효전력레퍼런스 가 20kW씩증가또는감소하는경우디젤발전기의유효전력은레퍼런 스를추종하고정상상태까지도달하는데 20kW당 40 초소요된다. 이는 0.1pu 변화시 10초소요되는시뮬레이션결과와동일하게한정상상태 도달시간을갖는다. 유효전력의변화에따라전류가변하는시간도동일 한소요시간을가지며, 유효전력이바뀌어도전압은일정하게유지된다. - 72 -

그림 3.30 이 40kW 0W 로감소할때유무효전력, 전압, 전류확인 그림 3.31 이 40kW 0W 로감소할때상전압, 상전류, 위상확인 - 73 -

그림 3.32 의변화에따른실험결과 - 74 -

3.3.2.2 독립운전실험결과 그림 3.33은독립운전에서부하를 3kW(0.06pu) 에서 27kW(0.54pu) 로 증가시켰을경우주파수(Ch.4 0.8Hz/div) 와전압(Ch.3 4V/div : 반전) 의 응답속도를보여주며, 부하가변동됨에따라전류(20A/div) 가증가하는 것을보여준다. 부하가증가하는시점에서주파수는 1.8Hz 감소하고전 압은 4.4V 감소하지만, 각각 60Hz, 311V peak 를안정적으로유지한다. 디젤발전기에서출력되는전류는부하가증가되는크기만큼 5.6A peak 에 서 57.2A peak 로증가한다. 이때실험파형의전압은반전된파형이기에 감소된다고할수있다. 그림 3.34는독립운전에서부하를 27kW(0.54pu) 에서 3kW(0.06pu) 로감소시켰을경우주파수(Ch.4 0.8Hz/div) 와전압(Ch.3 4V/div : 반 전) 의응답속도를보여주며, 부하가변동됨에따라전류(20A/div) 가감 소하는것을보여준다. 부하가감소하는시점에서주파수는 1.8Hz 증가 하고전압또한 4.4V 증가하지만, 각각 60Hz, 311V peak 를안정적으로 유지한다. 디젤발전기에서출력되는전류는부하가증가되는크기만큼 57A peak 에서 5.6A peak 로감소한다. 이때실험파형의전압은반전된파형 이기에증가된다고할수있다. - 75 -

그림 3.33 부하를 3kW에서 27kW 로증가시킨경우의실험파형 그림 3.34 부하를 27kW에서 3kW로감소시킨경우의실험파형 - 76 -

제 4 장배터리에너지저장장치해석및모델링 본절에는독립형마이크로그리드의기반인배터리에너지저장장치에 대하여기본적인이론에대하여서술하고해석을통한제어알고리즘제 안및모델링을진행하였다. 배터리에너지저장장치는장주기( 수시간 수일) 동안에너지를공급 할수있는장치로서독립형마이크로그리드의주전원으로서동작한다. 배터리에너지저장장치는배터리뱅크, 3상독립형마이크로그리드용 인버터그리고 LC 필터로이루어져있다. 배터리뱅크는납축전지를직 렬연결하여 550 650V의동작범위를갖고배터리의용량은 200Ah 다. 3상독립형마이크로그리드는그림 4.1 그림 4.3의 V3, V4, V6와 같은세가지타입으로구분할수있으며흔히사용되는계통연계형독 립형마이크로그리드용인버터와동일한모델로하드웨어적으로는계통 연계형과독립형인버터는동일하게사용한다. V3 인버터는 3상 3선식의인버터로그림 4.1에서보는바와같이인버 터와중성점은연결되어있지않고 3 상전압만연결되어있는형태이다. 3상 3선식인버터는비교적간단한 PWM 스위칭방식으로구동되고 3 상독립형마이크로그리드에서의제어방법을적용하는데무리없이적용 가능하다. 3상독립형마이크로그리드는부하의영향을받게되는데부 하로는선형부하뿐만아니라비선형부하와불균형부하도존재한다. 비교적제어가간단한선형부하의경우를제외하고는비선형부하와불 균형부하에따른제어방법을적용하는데크게어려움이없는인버터타 입이다. 특히불균형부하에따른제어는정상분가역상분전압을각각 제어하여안정적인정현파전압을공급하는제어가필요하다. 3상 3선식 의인버터는 3상 4선식의계통과연결하는데 Δ-Y 변압기가필요하고, - 77 -

인버터에사용되는 IGBT 소자는총 6 개가필요하게된다. 그림 4.2와같은 V4는 3상 4 선식으로이루어진인버터다. 3상 4선식 인버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭방식이복잡하고비선 형부하과불균형부하를제어하는데어렵다는단점이있다. 불균형부 하를제어하는방법은 3상 3선식과동일하게정상분과역상분전압을 각각제어해야한다. 장점으로는 3상 4선식계통과연결할시인버터자 체가 4선식으로중성점제어를하고있기에무변압기의시스템구성이 가능하다는장점이있다. 3상 4선식에사용되는 IGBT 소자는총 8개가 사용된다. 그림 4.3은 V6로 3상 6 선식인버터이다. 자세히보면 3상 6선식인버 터는단상 H-bridge 형태의인버터 3 개를사용하는방식과유사하다. 3 상 6선식의경우 IGBT 소자는 12개가필요하고 3상 4선식계통과연결 시각상에단상변압기를사용해야하므로변압기가 3개가필요하다는 단점이있다. 하지만 PWM 스위칭방식이간단하고비선형이나불균형 전압을제어하는방식이간단하다. 특히단상 H-bridge 3개의형태이기 에불균형부하의경우각상제어를수행하는방식이라 3상 3 선식, 3 상 4 선식보다제어하는데용이한장점이있다. - 78 -

그림 4.1 V3 (3상 3 선식인버터) 그림 4.2 V4 (3상 4 선식인버터) 그림 4.3 V6 (3상 6 선식인버터) - 79 -

3상독립형마이크로그리드용인버터의종류는그림 4.1 그림 4.3과 같이 3 가지로구분된다. 하드웨어부분에서 IGBT 소자, 3상 4선식의계 통과의연결을고려하고소프트웨어부분에서는인버터스위칭제어, 선 형및비선형부하전압제어, 불균형부하전압제어를고려하여본학위 논문에서는그림 4.1의 V3(3상 3 선식) 로선정하였다. 선정된 3상 3선식 의독립형마이크로그리드용인버터에배터리와필터를결합한 50kW 배터리에너지저장장치의구조는그림 4.4 와같다. 3상독립형마이크 로그리드용인버터는독립운전시 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency), 평형부하전압제어, 불평형부하전압제어, 비선형부하전압 제어를수행하고계통연계운전시 PLL(Phase Locked Loop), CC-CV(Constant Current Constant Voltage) 그리고고조파보상전 류제어를수행한다. 본절에서는 3상독립형마이크로그리드용인버터에 대한제어알고리즘을제안하고시스템을설계하여시뮬레이션및실험 을통해제안하는알고리즘의타당성을검증하였다. - 80 -

그림 4.4 배터리에너지저장장치구조 - 81 -

4.1 3상독립형마이크로그리드용인버터 4.1.1 위상추종기법 위상추종기법 PLL은 Phase Locked Loop, 즉우리말로하면위상고 정루프의약어로서입력신호와기준주파수또는출력신호와주파수를 일치시키는일종의전자회로를일컫는다. 한기술중의하나이다. 된발전기들은 다. 이기술은계통연계에꼭필요 앞에서언급한많은발전기술중계통과연계 PLL을이용한위상검출기법은꼭필요한중요한기술이 위상을추종하지못하면인버터에서나오는출력스위칭명령과일 치하지않아고조파를발생하거나폭발등의위험이생기게된다. 이를 해결하기위해서는성능이좋고계통전압의불평형이나고조파등에도 위상을빠르게정확히찾아가는것이중요하다. PLL은여러논문에서 증명과검증이되어있으며본학위논문에서는 좌표이론을적용하였다. AC-DC 컨버터, UPS(Uninterruptible Power Supply), sin파를기준으로하는 대체에너지 발전시스템등의적용분야에서정확하고빠른계통전압의위상추종은 전체시스템제어에반드시필요하다. 이경우계통전압의위상정보는 기준전류신호를발생하는데필수적이다. 이때계통전압에노이즈나 외란이유입될경우에도계통전압의위상은순시적으로정확히검출되어 야한다. 3 상의경우, 3 상전압을정지좌표계로변환한후, 전압의벡터각으로 부터위상각을쉽게검출할수있다. 그러나단상의경우에는이러한방 법이적용되지않으므로단상시스템의위상및주파수검출이일반적으 로어렵다. 단상에서는영점검출방식이많이사용되는데, 이방법은 영점에서만위상을검출하기때문에추정속도가느리며순시적인위상을 검출할수없고노이즈에민감한단점이있다 [41]-[44]. - 82 -

4.1.1.1 3상좌표변환기법 3상전압 는식(4.1) 과같이정의된다. sin sin (4.1) sin 식(4.1) 의 3상전압을정지좌표계전압 로변환하게되면 cos cos sin sin (4.2) sin cos 위와같이정지좌표계변환행렬식으로정의된다. 정지좌표계전압 에서동기좌표계전압 로변환은동기좌표계변환행렬식을이용한다. 변환값을 변환에대입하면, cos sin sin cos (4.3) - 83 -

cos sin sin sin cos cos (4.4) 변환결과인식(4.4) 의결과를구할수있다. 식(4.1) 식(4.4) 의결 과를좌표계로표현하면그림 4.5 와같다[45]. 그림 4.5 좌표변환 - 84 -

그림 4.6 그림 4.8은 3상좌표계에서정지좌표계그리고동기좌표계 로변환되는파형이다. 그림 4.6 3상좌표계전압 그림 4.7 정지좌표계전압 그림 4.8 동기좌표계전압 - 85 -

4.1.1.2 3상독립형마이크로그리드용인버터의위상추종기법 그림 4.9는 PLL 의소신호모델이다. 소신호모델을통해 PLL의 PI 제어기를해석하였다. 그림 4.9 PLL 소신호모델 PLL을해석하기위해 3상전압의위상 를입력, PLL 추종위상 을 출력으로하는소신호모델을이용한제어적인관점에서해석한다. PI 제어기를, 적분기로구성된시스템을 라하면, 그림 4.9의개 루프전달함수(Open Loop Transfer Function) 은식(4.5) 와같고, 폐루 프전달함수(Closed Loop Transfer Function) 은식(4.6) 과같으며 2차 시스템의일반적인전달함수로표현할수있다. (4.5) (4.6) PLL은 (crossover frequency) 가낮으면서도동작주파수영역에서 충분한위상여유를확보해야우수한위상추종응답특성을보여줄수있 - 86 -

다. 식(4.7) 이의미하는감쇠비( : Damping Ratio) 가낮을경우, 시스템 의위상여유가불충분하여불안정한시스템이될수있기때문에임계 (critical) 감쇠비값인 1로적용하고, 고유주파수 60Hz를적용하였 다. 위조건에서의 PI 제어기의응답특성은식(4.5) 와식(4.6) 을통해해 석할수있다. 식(4.7) 을이용하면대역폭 19.75Hz를얻게되며 PLL에 사용되는 PI 제어기파라미터를정리하면표 4.1 과같다. sec (4.7) 표 4.1 PLL PI 제어기파라미터 Parameter Symbol Value 감쇠비 1 고유주파수 50Hz P 제어기이득 100 PI 시정수 0.04 I 제어기이득 2500 Crossover frequency 12.4Hz 위상여유 Phase margin 65 대역폭 19.75Hz 식(4.5) 와식(4.6) 을보드선도로그리면그림 4.10과그림 4.11과같 은주파수영역에서의응답특성을확인할수있다. 그림 4.10에서는 는 12.4Hz, 위상여유는 65 임을확인하였고, 가낮은영역에존재하여 위상여유가충분히확보되기때문에안정한시스템임을확인하였다. 림 4.11의주파수응답특성으로부터 19.7Hz 의대역폭을확인하였고, 이 는식(4.7) 에서계산된 19.75Hz 의대역폭과동일함을확인하였다. 그 - 87 -

그림 4.10 PLL 개루프함수에대한보드선도 그림 4.11 PLL 폐루프함수에대한보드선도 - 88 -

3 상독립형마이크로그리드용인버터는독립운전과계통연계운전두 조건에서모두동작을수행하기때문에각각에대한위상추종기법이필 요하다. 독립운전으로동작할경우에는인버터가부하에전압을공급할 뿐아니라주파수를 60Hz로제어해야하기때문에인버터의위상을 60Hz 고정으로제어하고, 계통연계운전으로동작할경우에는 PLL을통 해위상을피드백받아위상차를보상하고 PI 제어를통해추종위상과의 차를적분기를통해더해주어위상을추종하게된다. 3상을동기좌표변 환하면 d 축전압이위상을추종하도록제어된다. 위상추종기법은그림 4.12 와같다[46]. 그림 4.12 3상독립형마이크로그리드용인버터 PLL 구조 - 89 -

4.1.2 제어기해석 본학위논문에서제안하는배터리에너지저장장치에는비례제어기 (P : Proportional), 비례적분제어기(PI : Proportional Integrate), 비례 공진(PR : Proportional Resonant) 그리고공진(Resonant : R) 제어기가 사용된다. 사용되는세가지제어기는이미널리알려져있다. 4.1.2절에 서는 PI 제어기와 R 제어기에대한성능과특성에대하여서술한다. 4.1.2.1 비례적분제어기 PI 제어기는비례제어와적분제어를조합하여제어하고자하는대상의 출력을측정하여이를기준또는원하는설정과비교하여오차를계산하고, 이오차를이용하여필요한출력을계산하는구조로되어있다. P 제어만으로는정상상태오차를제거할수없기에 I 제어를추가하여사 용하는것이 PI 제어라한다. P 제어는오차의크기에비례하는제어입력, 즉오차에상수(P 제어 기의이득) 를곱하여출력하는방법이다. 오차가큰초기에는매우큰 입력이발생하며, 오차가작아지면제어입력은작아진다. 이때제어 입력의부호는오차의부호와같다. 따라서출력이제어명령에다다르 지않았을때는 (+) 제어입력을, 제어명령을지나쳤을때는 (-) 제어입 력을인가하여오차를줄여간다. 이러한특징은제어명령을지나쳐오 차가반대부호를나타낼때비로소반대방향의제어입력이발생하는 결과를초래한다. 일반적인제어대상은기구의특성과모터와같은구동기의전기적인 특성으로인하여약간의시간이흐른후에반응이나타난다. 움직이는 - 90 -

물체를정지할때와같이관성이작용한다고생각할수있다. 따라서오 차가 0이되는순간제어입력은 0 이되지만, 이전의제어입력으로인 하여제어명령을넘어반대부호의오차를발생하게된다. 따라서제어 레퍼런스를기준으로제어하고자하는출력에오실레이션이발생한다. 결국출력은제어레퍼런스를오실레이션하고이를반복하며정상상태까 지다다른다. 만약 P 제어기의이득을작게설정하면, 느린정상상태까 지의도달시간과지연시간을보이며결과적으로매우긴안정시간을얻 을수밖에없다. 그러므로 P 제어기만으로는상승시간과지연시간을 조정할수있지만안정시간을단축시키기어렵고정상상태오차를극복 하지못하므로아주단순한시스템의경우를제외하고단독으로쓰이는 경우는없다. I 제어기는오차를적분하여제어입력으로사용한다. 따라서같은부 호의오차가존재하면시간의흐름에따라출력은계속커지며반대부 호의오차가생기면 I 제어기의출력은줄어든다. I 제어기는이미제어 기가동작하고있음에도불구하고오차가존재할때더좋은효과를낸 다. 제어기가동작함에도오차가존재하는것은현재의제어입력이오차 를발생하는원인과평행을이룬다고생각할수있다. 이때 I제어기는 오차가계속존재하면같은오차에대하여점점큰제어입력을생성하 게된다. 따라서평행상태를극복하고오차를제거한다. 그림 4.13 PI 제어기블록도 - 91 -

4.1.2.2 공진제어기 공진제어기는특정고조파만을추출할수있는제어기이다. 이에특정 고조파를제거하기위해사용할수있다. 본학위논문에서는불평형부하 시 3상독립형마이크로그리드용인버터의스위칭동작에의한데드타 임을보상하고, 비선형부하의고조파를제거하기위해사용하였으며, 데드타임보상기법은 4.1.3 절에서, 비선형부하전압제어알고리즘은 4.2.2 절에서자세하게언급한다. 성을확인하였다. 본절에서는공진제어기의성능및특 식(4.8) 은이상적인공진제어기의전달함수이다. 하지만, 실제의시스 템에이상적인공진제어기를적용하기엔어려움이있기에 Bandwidth 를적용하여식(4.9) 같이구현하였다. 식(4.9) 에서 은공진제어기의게 인, 은차수, 는 377rad/s 으로기본파에대한값이다. 공진제어기에 대한전달함수인식(4.8) 을보드선도로확인하면그림 4.14와같이기본 파인 60Hz 만출력되고그외의주파수대역에서는출력이되지않는다. 따라서공진제어기에서원하는특정고조파의차수를설정하여원하는 고조파를검출할수있다 [47][48]. (4.8) (4.9) 보드선도로부터기본파 위상지연이 60Hz의주파수에서얻을수있는큰이득과 0 임을확인할수있으며기준값과피드백값의차이를공 진제어기에통과시켜원하는차수의고조파를추출및증폭할수있다. 4.1.3절과 4.2절에서제안한공진제어기를이용한고조파보상방법은고 - 92 -

그림 4.14 공진제어기를통한기본파검출보드선도 조파검출을위한별도의알고리즘이나외부적인하드웨어가필요하지 않아서비교적쉽게구현될수있는장점이있다. 이제어구조를바탕으 로정지좌표계와동기좌표계에모두사용가능한제어알고리즘을디지 털에사용할수있게전달함수를유도하였다. 식(4.10) 을식(4.9) 에대입 하여유도하면, 식(4.19) 와같다. (4.10) (4.11) - 93 -

식(4.11) 을이산방정식으로표현하게되면식(4.12) 식(4.16) 과같이 표현할수있다. 는디지털제어기의샘플링주기, 는공진제어기 의입력, 는공진제어기의출력이다. (4.12) (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) - 94 -

4.1.3 불평형부하시데드타임보상기법 3상독립형마이크로그리드용인버터구동은 IGBT의스위칭소자로 동작한다. 그림 4.4의상단스위치 와하단스위치 가 상보적으로동작하며배터리의 DC전압을 3상 AC전압으로출력하게된 다. R상기준으로스위치 와 가대칭적으로동작하고있을경우동 시에 Turn-on 되는현상이발생하면, 3상독립형마이크로그리드용인 버터에서암단락이발생한다. 이를방지하기위해스위치 Turn-on과 Turn-off 사이에지연시간을입력하여시스템이안전하게동작하도록 설정되어있다. 이것을데드타임이라한다[49]. 3상독립형마이크로그 리드용인버터에데드타임은없어서는안될존재이지만, 데드타임에의 한출력전압의비선형적인특성을발생하여전압및전류가왜곡된다. 인버터제어는기본파에서이루어지기때문에데드타임에의한고조파는 보상할수없다. 따라서전력품질을악화시키므로양질의전력을공급하 기위한추가적인알고리즘이요구된다 [50][51]. 그림 4.15는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 방식을적용 한 3상독립형마이크로그리드용인버터의스위칭신호와 pole 전압을 나타낸것이다. 임의의한상에대하여상단스위치와하단스위치는상 보적으로동작하며 PWM(+) 는상단스위치의스위칭신호, PWM(-) 는 하단스위치의스위칭신호를의미한다. 이상적인스위칭패턴과달리, 실제인버터를구동하는신호에는데드타임 가삽입되며 왜곡된다 [52][53]. pole 전압은 - 95 -

그림 4.15 인버터의 PWM 스위칭신호와 pole 전압 데드타임구간에발생하는오차전압은그림 4.16과같고 L필터에흐 르는전류의방향에따라오차의부호가결정된다. 인버터에서출력되는 방향을 (+) 로정의하고데드타임에의한오차전압을스위칭주기 동 안의평균으로표현하면식(4.17) 과같다. ( 단, 스위치와환류다이오드 의전압강하는고려하지않았다.) - 96 -

(4.17) 평형계통에뿐아니라평형부하를구동하는 3상독립형마이크로그리 드용인버터에대한데드타입의전압왜곡을분석하였다[51]-[53]. 상의데드타임에의한오차전압은 각 L필터에흐르는전류의부호에따라 결정되며 3상의전류가평형일때평균오차전압도 120 의위상차를 가진다. 이때동기좌표계로변환된 d-q축오차전압은 6차고조파성 분이가장현저하게발생하기에공진제어기를통해 6차고조파성분을 보상한다면전류및전압의 THD 를감소시킬수있지만, 인버터가독립 운전으로동작할때불평형부하조건에서발생하는전압왜곡을충분히 개선하기어렵다. 그림 4.16은 3상독립형마이크로그리드용인버터가 불평형부하조건에서동작할경우 L필터에따른 3상의평균오차전압 을나타내고있다. 임의의불평형부하를가정하여각상전류의크기는 서로다르고 r상을기준으로 s상의위상오차는 만큼, t상의 위상오차는 만큼지연되도록나타내었다. - 97 -

그림 4.16 동안데드타임에의한평균전압오차 평형부하시 이며데드타임에의한 3상평균오차전압을 푸리에급수(Fourier Series) 전개한결과는식(4.18) 식(4.20) 과같다. sin (4.18) sin (4.19) sin (4.20) - 98 -

선간전압에서 3배수고조파성분은발생하지않고 ±차고조파 성분이나타나며부하또는계통상전압의평균오차전압은식 (4.21) 식(4.23) 과같이표현된다. sin sin sin (4.21) sin sin sin sin sin sin (4.22) (4.23) 이를동기좌표계로변환하면 d-q 축의오차전압은식(4.24) 와식 (4.25) 로계산된다. sin sin (4.24) cos cos (4.25) 평형부하시 ± 차고조파성분이동기좌표계에서 차고조파성 분으로나타나지만불평형부하시고조파성분은이와다르다. 식(4.26) 식(4.28) 은불평형부하시데드타임에의한 3상평균오차 전압을푸리에급수전개한결과이다. - 99 -

sin (4.26) sin (4.27) sin (4.28) 0이아닌 과 에의하여 3상오차전압이서로 120 의위상차를 갖지못하므로오차전압에포함된각고조파는불평형을이룬다. 그러 므로부하상전압이불평형의 ±차고조파로왜곡되며식(4.29) 와 같이나타낼수있다. (4.29) 각고조파는정상분과역상분의대칭분으로분해되며기본파전압은 PI 제어기에의해제어되므로보상해야할고조파성분은식(4.30) 이다. (4.30) 불평형고조파의대칭분을동기좌표계로변환하면식(4.31), 식(4.32) 와같은형태로나타낼수있고이때 으로왜곡된다 [54]. d-q축전압은 차고조파성분 (4.31) (4.32) - 100 -

4.2 3상독립형인버터제어알고리즘 4.2절에서는 3 상독립형마이크로그리드용인버터의두가지동작중, 독립형으로운전할경우의제어알고리즘에대하여서술한다. 독립형으 로동작함이란부하에정현파의전압을제공하는것이가장큰목적으로 3 상독립형인버터는어떠한부하조건에서도정현파의전압을만들어 내는전압제어알고리즘이필요하다[54]-[64]. 독립운전시부하는표 4.2 와같이평형부하, 불평형부하, 비선형부하세가지로구분된다. 4.2 절에서는앞서 4.1.1.2절에서언급한 CVCF 제어를통해평형부하, 불평 형부하, 비선형부하의모든조건에대하여안정적인정현파의전압을공 급하는제어알고리즘에대하여서술한다. 표 4.2 독립운전에서의부하조건 평형부하 (Balanced Load) 불평형부하 (Unbalanced Load) 비선형부하 (Non-linear Load) - 101 -

4.2.1 평형부하전압제어알고리즘 선형부하는기본적인,, 로이루어진부하로, 평형부하의경우 3 상의임피던스가동일한구조이며이상적인조건에서는인버터출력전 압에저차고조파가포함되지않아전압왜곡이발생하지않는부하이 다. 독립형인버터의전압제어알고리즘은일반적으로 60Hz 기본파를 기준으로제어가수행된다. 3 상독립형마이크로그리드용인버터에전력을공급받는중요부하에 대하여일정한주파수의안정적인정현파의전압을공급해야한다. 이를 달성하기위해예측제어, 반복제어, 최적제어등의다양한제어기법이 발표되었고이기법들은빠른응답속도와낮은 THD 의전압, 전류특성 을보여준다[65]. 그러나정확한시스템파라미터의측정이필요하며높 은스위칭주파수와 DSP(Digital Signal Processor) 의많은계산을필 요로하는단점이있다. 기존의많은기법중, 제어루프를이용한제어알고리즘은비교적쉽 게구현가능하고고품질전력공급이가능한제어방법으로서많은관 심을얻고있다. 평형부하조건에서전압제어를수행하기위해내부에 전류제어기, 외부에전압제어기를구성한제어기구조를적용하였다. 전압제어기의출력은전류제어기의전류레퍼런스가되는구조이다. 정 상상태와과도상태응답을개선하기위해다양한피드백(feedback) 과 피드포워드(feedforward) 기법이연구되었고피드백변수로서커패시터 에흐르는전류 또는인덕터에흐르는전류 를이용한방법이일 반적이며, 보다 를제어하는방법이응답특성이보다더우수하다. 본학위논문에서외부에 PR 전압제어기와내부에 P 전류제어기구조 로그림 4.17 과같은이중루프제어알고리즘을적용하였다[66]. 외부 - 102 -

의전압제어기만으로는급격한부하변동시부하및전력변환장치에유 입되는전류를보호하지못한다. 따라서급격한부하변동에도전류를제 한하여시스템을보호하는기능으로내부에전류제어기를추가하였다. PR 제어기는인버터파라미터의정확한측정에영향을받지않으므로 신뢰성있는제어가가능하며공진주파수 ( : Resonant frequency) 에 서무한대이득을통해제어대상주파수의정상상태오차를제거하는출 력을발생시킨다. 또한정지좌표계상에서제어가가능하므로동기좌표계 제어방식에비해계산양이적다는장점이있다. 그림 4.17은 PR 전압제어기+P 전류제어기를이용한인버터의이중루 프제어구조이다. 그림 4.17(a) 에서전류제어기는입력은 를측정하여 제어하고자하는블록도이지만, 실제 3상독립형마이크로그리드용인버 털ㄹ 구동할경우전류센서의제한된대역폭에의해 를정확하게측 정하기어렵다. 그림 4.17(b) 는인덕터에흐르는전류와부하에흐 르는전류를피드백변수로이용하는방법으로, 그림 4.17(a) 의제 어구조를대체가능하다. 그림 4.17(b) 는그림 4.17(a) 와동일한성능을 가지며 와 를이용한전류제어를통해부하전압을제어할수있 다. 하지만부하측의추가센서가필요하기에 3상독립형마이크로그리 드용인버터의비용이상승하게된다. 이추가비용의문제는부하전류 예측알고리즘을통해대체할수있으나부하변동과같은과도상태에서 부하전류의정확한예측은어렵고샘플링주파수는높이는것으로이러 한어려움을다소해소할수있으나스위칭손실이증가하게되는문제 를야기하지만보다나은제어를위한목적이기에그림 4.17(b) 의제어 알고리즘을적용하였다. - 103 -

(a) (b) 그림 4.17 PR 전압제어기+P전류제어기블록도 (a) feedback 구조 (b) 와 feedback 구조 3상독립형마이크로그리드용인버터에서단상에대한출력전압의전달함수로표현하면식(4.33) 과같다., 는인덕턴스, 는인덕터내부저항, 는커패시턴스이다. (4.33) (4.34) (4.35) - 104 -

식(4.33) 으로부터부하전압과전압레퍼런스, 부하전류의 관계를알수있다. 이상적인경우부하전압은전압레퍼런스를오차없 이추종해야한다. 부하전류는외란(disturbance) 으로간주할수있으며 부하전류에대한부하전압의전달함수이득이 0 으로수렴해야부하전 류에의한영향을제거할수있다. PR전압제어기는제어하고자하는 주파수에서무한대의이득을가지므로 LC필터파라미터를정확히알지 못하더라도정상상태에서식(4.34) 의첫번째항이전압지령으로, 수식 의두번째항이 0 으로수렴한다. 본논문에서는부하전압의기본파주 파수를 60Hz로제어하므로 PR 전압제어기의공진주파수를 60Hz로설 정하여정상상태오차가없는기본파전압을유지할수있다. 그러나기 본파의공진주파수를제외한다른주파수영역에서 PR 전압제어기의 이득은훨씬감소하므로부하에의해발생하는고조파를제거할수없기 에이를최소화시키기위해서는다음의두가지방법이있다. 첫번째, L필터의인덕턴스를감소시켜부하전류의영향을감소시키는 방법이있지만, L필터의인덕턴스는인버터의전류리플과관계된정수 이므로감소시킬수있는하한선이존재한다. 두번째, 기본파 60Hz를제외한기타발생되는고조파를선택적으로 으로제거하는방법이다. 왜곡을발생시키는고조파의주파수를공진제 어기로보상하여발생되는전압왜곡을억제할수있다. 그림 4.18과같이설계한제어블록도는선형평형부하를기본파에서 제어하는알고리즘으로 3상독립형마이크로그리드용인버터에서발생 하는데드타임에의한 5차고조파와 7차고조파성분에대해서는보상 할수없기에고조파를제거하는보상알고리즘으로공진제어기를사용한 제어알고리즘은 4.2.2 절에서서술한다. 아울러공진제어기에대한이론 은 4.1.2.2 절에서언급하였다. - 105 -

그림 4.18 평형부하조건에서의제어블록도 4.2.2 비선형부하전압제어알고리즘 3 상독립형마이크로그리드용인버터동작이이상적인경우, 평형부하 에서는부하에의한전압왜곡을고려하지않아도안정적인정현파전압 을공급할수있다. 하지만, 실제의 3상독립형마이크로그리드용인버 터구동에서는데드타임이존재하기에 3상전압에 5차고조파와 7차고 조파가발생한다. 따라서평형부하조건일지라도기본파전압제어뿐만 아니라데드타임을보상하는알고리즘이필요하다 [59]. 비선형부하또한부하전압에 5차고조파와 7차고조파가함유되어전 압왜곡이발생한다. 전압왜곡이발생하면부하및전력전원장치에악 영향을미치기에 5차고조파와 7차고조파에대한보상알고리즘이필 요하다. 이는데드타임에의해발생하는고조파와동일하게발생하기때 문에데드타임과비선형부하의고조파를동시에보상한다면부하에보다 안정적인정현파의전압을제공할수있다. 5차고조파와 7차고조파를보상알고리즘으로공진제어기를적용한 선택적고조파보상알고리즘을제안하고사용하였다. 이는그림 4.18의 제어블록도에 5차공진제어기와 7차공진제어기가병렬로추가된구조 로서데드타임보상및비선형부하전압제어까지모두가능한구조이다. - 106 -

그림 4.19 비선형부하조건에서의제어블록도 4.2.3 불평형부하전압제어알고리즘 3 상독립형마이크로그리드용인버터가불평형부하에서의전압제어를 일반적인 PI 제어기로수행하면 3상불평형전압및전류가발생하고 출력단의 LC 필터임피던스로인해부하전압이왜곡된다. 불평형부하시 발생하는역상분전류는인버터의수명을단축시킬뿐아니라, 인버터와 연결된부하장치의오동작을유발할수있다. 불평형부하시발생하는전압의고조파성분을확인하고자식(4.36) 과 같이대칭분을검출하여정상분, 역상분, 영상분전압을확인하였다. 정 상분과역상분은식(4.37) 과같이표현되고식(4.38) 과식(4.39) 의동기 좌표계변환을통해식(4.50) 과같이나타난다. 영상분은 3상전압에서 서로동상이므로 -Y 변압기를사용하면 - 권선내에서제거된다. 동기 좌표계의정상분전압 은직류성분이지만역상분전압 은 2 차고조파성분으로나타나므로 60Hz의제한된대역폭을가지는 PI 제 어기는정상상태전압오차를제거하기어렵다. - 107 -

sin sin sin cos sin sin sin cos cos sin cos (4.36) sin sin (4.37) sin (4.38) (4.39) (4.40) 동기좌표계로구현된 PI 제어기로불평형부하조건에서의전압제어를 구현하는것은, 서로반대방향으로회전하는두종류의동기좌표계 PSRF(Positive Synchronous Reference Frame) 와 NSRF(Negative Synchronous Reference Frame) 을사용하여정상분과역상분을각각 제어하여역상분을보상하는그림 4.20과같은알고리즘이있다 [57][67]. 4.2.1절과 4.2.2절에서의평형부하와비선형부하조건에서의 전압제어가동기좌표계에서이루어진다면그림 4.19의방법을적용하겠 지만제안하는전압제어는정지좌표계에서동작하고있기에그림 4.20 의방식을적용할수는없다. - 108 -

그림 4.20 불평형부하조건에서의 PI 전압제어 불평형부하시발생하는역상분은 PI 제어가동작하는동기좌표계에서 는식(4.40) 와같이 2차고조파가발생하지만본학위논문에서제안하고 있는정지좌표계에서는역상분전압을좌표변환한다하여도다른고조파 성분이발생하지않는다. 즉, 좌표변환에서발생하는추가적인고조파 성분은없다. 그렇다고불평형부하조건이아무런영향을미치지않는 것은아니다. 앞서 4.1.3절에서데드타임보상기법에대하여언급하였 다. 식(4.29) 와식(4.30) 은불평형부하조건에서데드타임에의한고조파 를수식으로아래와같이표현하였다. 즉, 불평형부하조건에서는데드 타임에의해 3차고조파가추가적으로발생하여 3차공진제어기를기존 의제어기에추가로사용한다면불평형부하에서의 제어할수있다. 3상전압을평형하게 (4.29) (4.30) 독립운전에서 3상독립형마이크로그리드용인버터의최종제어블록 - 109 -

도는그림 4.22 와같다. 기본파를제어하는 PR 전압제어기와데드타임, 비선형부하, 불평형부하에서발생하는고조파를제거하기위해 3 차, 5 차, 7차공진제어기를적용하고부하변동에도전류를제한할수있는 P 전류제어기가이루어진제어알고리즘으로식(4.41) 과같이표현한다. (4.41) 식(4.41) 의전달함수의보드선도를그리면그림 4.21 과같다. 기본파, 3 차고조파, 5 차고조파, 7차고조파에서게인이상승하여특정고조파를 보상함을그림 4.22 에서확인할수있다. 그림 4.21 독립운전에서의제어기전달함수보드선도 - 110 -

그림 4.22 독립운전에서의인버터제어블록도 - 111 -

4.3 3상계통연계형인버터제어알고리즘 본절에서는 3 상독립형마이크로그리드용인버터의두가지동작중, 계통연계형으로동작할경우의제어알고리즘에대하여서술한다. 독립 운전에서의인버터동작은전압제어의목적으로동작하지만, 계통연계운 전에서의인버터는전류제어를통해배터리로충전을하는목적으로동 작한다. 본학위논문에서다루는독립형마이크로그리드에는일반적으로 알고있는한국전력공사의계통라인은없지만, 인버터가계통연계운전 으로동작하는상황이발생한다. 한국전력공사의계통라인대신디젤발 전기에서공급하는전압을사용하게되는데이부분에대한운전모드는 5 장에서자세하게설명한다. 본논문에선편의상디젤발전기에서만들어 내는전압을계통이라정의한다. 계통연계운전은배터리에너지저장장 치에서계통으로전력을공급하는방전모드가있고, 반대로계통으로부 터전력을공급받아배터리를충전하는충전모드가있다. 본학위논문에 서다루는계통연계운전은방전모드로는동작하지않고충전모드만동작 하고, 인버터가수행하는제어는위상추종기법, CC-CV(Constant Current Constant Voltage), 전류의고조파보상기법이다. 제어알고리 즘에대한자세한내용은다음과같다. 위상추종기법은 4.1.1.2절에서 설명하였다. - 112 -

4.3.1 DC링크전압제어 3상독립형마이크로그리드용인버터의 DC링크는그림 4.4와같이 배터리뱅크와직접연결되어있다. 즉, 배터리전압이인버터의 DC링 크에그대로인가되는것이다. 계통연계형인버터운전에서의 DC링크 전압제어는결국배터리의전압제어라고할수있다. 그림 4.23은 DC링크 PI 전압제어기의블록도이다[68]. 입력되는 DC 링크전압의리플성분을제거하기위해저역통과필터를추가하였고 10Hz 의차단주파수를사용하였다. 그림 4.23 DC링크 PI 전압제어기 4.3.2 충전운전에서의전류제어 저항과인덕터로이루어진회로에서역기전력을포함할경우전력변환장치에서합성해야할전압은식(4.42) 와같다[68]. (4.42) 전류제어기는전류오차와전류에대한피드백성분과역기전력보상 - 113 -

을위한전향성분으로구성되어있다. (4.43) 전류제어기의출력은 Limiter 에의하여제한되며, Limiter 입력과출 력의차이를 Anti Wind-up이득을통하여적분기에연결함으로서적분 기의 Wind-up 현상을방지한다. Anti Wind-up을포함한궤환제어기는다음과같은형태로구성되고피드포워드는역기전력으로식(4.45) 와같다. (4.44) (4.45) 피드포워드성분이없을경우회로에흐르는전류를전류레퍼런스와 역기전력으로표현하면다음과같다. (4.46) 식(4.46) 에서전류와역기전력이교류로표시된다면제어의결과, 전 류의측정값이레퍼런스를정확하게추종할수없다. 즉, 정지좌표계로 표현할경우제어기의특성이낮아지기때문에동기좌표계로변환하여 - 114 -

제어를수행한다. 역기전력전향보상방법을불평형과고조파성분을제외한기본파성 분의 PI 전류제어기를그림 4.24 와같이구성하였다. 인버터의전류를동기좌표계상에서직류로제어되더라도역기전력성 분은전류제어시스템에외란으로작용하여제어성능에좋지않은영 향을끼친다. 역기전력의영향을억제하는효과적인대책으로는이러한 역기전력을외란성분으로간주하고이를추정하여보상함으로써간섭 성분을제거하는방법이주로사용된다. 그림 4.24 계통연계운전시 PI 전류제어기블록도 이러한제어방법을역기전력전향보상(feedforward) 라한다. 역기 전력을전향보상하기위해서는 PI 제어기의출력인 과 의전 압에보상되는값 와 를더해주면된다. - 115 -

(4.47) (4.48) 정확한전향보상을위해서는정확한, 등의 PI 정보가필 요하다. 그러나이러한값이정확하지않더라도전류제어기의대역폭이 충분히크다면전류제어성능에큰문제가발생하지않는다. 그림 4.24의 PI 전류제어기로는계통연계형인버터동작시발생하는 데드타임에의한 5차고조파와 7 차고조파를보상할수없다. 5차고조 파와 7차고조파는전류의파형을왜곡시키고인버터의효율을감소시 키는원인으로보상알고리즘이필요하다[69]. 계통연계형인버터는독 립형인버터와다르게동기좌표계에서제어를수행하기에제어블록도에 6 차공진제어기를사용하여데드타임을보상한다. 전류의고조파보상기 법의제어블록도는그림 4.25 와같다. 그림 4.25 데드타임을보상한전류제어기블록도 - 116 -

DC링크 PI 전압제어기, PI 전류제어기그리고데드타임에의한전류 고조파보상기법이포함된계통연계운전에서의인버터최종제어블록도 는그림 4.26과같고제어기의파라미터는표 4.3과같다 표 4.3 계통연계운전에서의제어기파라미터 PI 전압제어기 1 10 limit 25 PI 전류제어기 0.1 66 limit 50 6차공진제어기 3 limit 20-117 -

그림 4.26 계통연계운전에서의인버터제어블록도 - 118 -

4.4 시뮬레이션및실험결과 4.4.1 시뮬레이션결과 이절에서는배터리에너지저장장치의제어기성능과동작을검증하 기위해시뮬레이션과실험을수행하여결과를확인하였다. 시뮬레이션 은 PSIM 을이용하여배터리에너지저장치를구현하였고, 평형부하, 비 선형부하, 불평형부하조건의독립운전에서전압제어가올바르게됨을 확인하였으며, 계통연계운전에서 DC링크전압제어및전류제어의동작 을확인하였다. PSIM으로구현한시뮬레이션은그림 4.27 과같다. 시뮬 레이션은실제의 3상독립형마이크로그리드용인버터의동작을재현하 기위하여 C언어를이용한 DLL Block 으로제어하였고, 인버터의데드 타임과 1-Step delay 를적용하여구현하였다. 인버터출력측에는평형 부하, 비선형부하, 불평형부하, 계통이연결되어있어원하는제어동작 에따라모드가전환되며시뮬레이션이동작한다. 평형부하는 3상이동 일한 R 부하, 비선형부하는다이오드정류기+ 저항+ 커패시터, 불평형부하 는 3상이서로다른 R부하로이루어져있고계통은선간전압 380V LL 이 다. 표 4.4는 PSIM 시뮬레이션의동작조건이다. - 119 -

표 4.4 배터리에너지저장장치시뮬레이션파라미터 정격용량 DC링크전압 계통선간전압 50kW 600V 380V LL 평형부하 4.8 Ω, 4.8 Ω, 4.8 Ω (30kW) 불평형부하 4.8 Ω, 4.8 Ω, 48 Ω (21kW) 비선형부하다이오드정류기 +750uF+50 Ω (5kW) 데드타임 스위칭주파수 3.3usec 10kHz 인덕터필터 300uH (6.3%) 커패시터필터 100uF (6.8%) - 120 -

그림 4.27 PSIM으로구현한 50kW 배터리에너지저장장치시뮬레이션 - 121 -

4.4.1.1 평형부하시뮬레이션결과 평형부하 4.8 Ω, 4.8 Ω, 4.8 Ω (30kW) 의조건으로그림 4.27의시뮬레 이션을구동하였다. 그림 4.27은실제인버터의데드타임 3.3usec을적 용한모델이다. 그림 4.28은데드타임보상알고리즘이포함되지않은 30kW 평형 R 부하조건의시뮬레이션결과이다. 그림 4.28(a) 는부하 선간전압으로데드타임에의해정현파전압에왜곡이발생한다. 의영점에서왜곡이발생하여그림 상전압 4.28(a) 의선간전압에도영향이미침 을확인할수있다. 5차고조파및 7차고조파에의해 3상전압의왜곡 이발생한다. 선간전압을상전압으로변환하여, 정지좌표계와동기좌표 계로변환하면그림 4.28(b) 와 4.28(c) 와같고, 그림 4.28(c) 에서데드타 임에의해 와 에 6 차고조파가포함되고있다. 자세한고 조파성분은그림 4.29 의고조파분석결과를통하여확인하였다. 데드타임을보상하기위해그림 4.19처럼 5차공진제어기와 7차공진 제어기를적용한결과는그림 4.30 과같다. 그림 4.28과비교하여선간 전압의왜곡된부분이감소함을확인하였다. 데드타임을보상에따라 5 차고조파는 4.35V peak 에서 1.04V peak 로감소하였고, 7차고조파는 1.1V peak 에서 0.5V peak 로감소하였으며선간전압의 THD는 1.47% 에서 1.12% 로개선됨을확인하였다. 그림 4.28 그림 4.31의시뮬레이션결 과는표 4.5 와같다. 표 4.5 공진제어기적용에따른평형부하시고조파변화 보상알고리즘무 보상알고리즘유 4.35V peak 1.04V peak 1.10V peak 0.50V peak 1.47% 1.12% - 122 -

그림 4.28 데드타임보상이없는평형부하의전압 그림 4.29 데드타임보상이없는평형부하의전압 FFT - 123 -

그림 4.30 공진제어기가적용된평형부하의전압 그림 4.31 공진제어기가적용된평형부하의전압 FFT - 124 -

4.4.1.2 비선형부하시뮬레이션결과 비선형부하는그림 4.27 에서볼수있듯이다이오드정류기, 커패시터, 저항부하로구성되며, 커패시터는 750uF, 저항부하는 50Ω으로 5kW의 비선형부하조건으로시뮬레이션을수행하였다. 그림 4.32은공진제어기 가적용되지않았을경우시뮬레이션결과로, 그림 4.32(a) 는부하선간 전압, 그림 4.32(b) 는부하에흐르는전류를나타낸다. 비선 형부하에의해발생하는고조파는부하전압에왜곡을야기하며그림 4.33과같은 5차고조파와 7 차고조파성분이발생한다. 5차고조파는 22.5V peak, 7차고조파는 7.7V peak 이다. 비선형부하에흐르는전류는선 형부하일경우와비교하면전압왜곡이많이발생한다. 그림 4.34와그림 4.35는공진제어기에의한비선형부하조건에서의 고조파를보상한시뮬레이션결과이다. 그림 4.34(b) 에서와같이부하에 흐르는전류는그림 4.32(b) 의부하전류와동일하지만, 그림 4.34(a) 의 부하선간전압은공진제어기적용전보다개선되었다. 에함유되어있는 부하의선간전압 5차고조파는 12.55V peak 에서 4.9V peak 로감소하였고, 7차고조파는 7.7V peak 에서 7.4V peak 로감소하였다. 시뮬레이션상에서의 선간전압 THD는 4.5% 에서 2.2% 로개선되었다. 표 4.6 공진제어기적용에따른비선형부하시고조파변화 보상알고리즘무 보상알고리즘유 22.5V peak 4.9V peak 7.7V peak 7.4V peak 4.5% 2.2% - 125 -

그림 4.32 공진제어기적용전비선형부하의시뮬레이션 그림 4.33 공진제어기적용전비선형부하의시뮬레이션 FFT - 126 -

그림 4.34 공진제어기적용후비선형부하의시뮬레이션 그림 4.35 공진제어기적용후비선형부하의시뮬레이션 FFT - 127 -

4.4.1.3 불평형부하시뮬레이션결과 불평형부하는 R상 4.8 Ω, S상 4.8 Ω, T상 48Ω으로배터리에너지저장 장치에서부하에공급하는전력은각각 평형조건으로시뮬레이션을수행하였다. 압불평형율 10kW, 10kW 1kW로부하의불 부하의불평형을나타내는전 UVF(Voltage Unbalanced Factor) 는선간전압의실효값으 로계산되는식(4.49) 와같다[70]. 불평형부하에대하여 VUF를계산하 면 3.5% 이다. (4.49) 그림 4.36은불평형부하조건에서기본파를제어하는 PR 전압제어기 만으로수행한시뮬레이션결과이다. 하지않았기때문에, 의홀수배고조파가발생하여그림 공진제어기를통해고조파를보상 불평형부하시발생하는데드타임으로부터불평형 4.36과같이부하선간전압은 V rs 372V rms, V st 382V rms, V tr 386V rms 의불평형율 2.18% 이발생하여부 하에는그림 4.36(b) 와같이크기와위상이각각다른전류라흐른다. 불평형부하시포함하고있는고조파성분은그림 그림 4.37 에서확인된다. 4.38은공진제어기를적용하여불평형부하조건에서발생하는 고조파성분을보상하는알고리즘을적용한시뮬레이션결과이다. 공진 제어기를통해부하선간전압은 V rs 378.6V rms, V st 379V rms, V tr 379V rms 로평형을이루게되었고불평형율 0.12% 로개선되었다. 불평형 부하이기에전류는각각다른전류가흐르지만부하의선간전압은 380V LL 로제어되며 3 상동일한크기와위상의전압이공급된다. 불평형 부하조건에서의전압제어알고리즘성능은표 하였다. 4.7의결과를통해확인 - 128 -

그림 4.36 고조파성분보상이없는불평형부하의선간전압 그림 4.37 고조파성분보상이없는불평형부하의선간전압 FFT - 129 -

그림 4.38 고조파를보상한불평형부하의선간전압 그림 4.39 고조파를보상한불평형부하의선간전압 FFT - 130 -

표 4.7 공진제어기적용에따른불평형부하시고조파변화 보상알고리즘무 보상알고리즘유 372V rms 378.6V rms 382V rms 379V rms 386V rms 379V rms 2.18% 0.12% 2.75% 1.2% 평형부하, 비선형부하, 불평형부하조건에서의시뮬레이션결과를기 존의제어방법과제안하는알고리즘으로비교하면, 선간전압의 THD와 포함하고있는고조파성분은표 4.8 과같이정리된다. 따라서제안하는 독립운전에서의알고리즘이더우수함을확인할수있다. 표 4.8 부하조건에따른시뮬레이션에서의부하선간전압품질비교 부하조건기존알고리즘제안된알고리즘 5차고조파 4.35V peak 1.04V peak 평형부하 7차고조파 1.10V peak 0.50V peak 1.47% 1.12% 5차고조파 2.5V peak 4.9V peak 비선형부하 7차고조파 7.7V peak 7.4V peak 4.5% 2.2% 불평형부하 2.18% 0.12% 2.75% 1.2% - 131 -

4.4.1.4 계통연계운전에서의충전시뮬레이션결과 그림 4.27에서부하와연결된스위치를차단하고계통과의스위치만 연결하여시뮬레이션을수행하였다. 배터리에너지저장장치는방전모드 로는동작하지않고단지충전모드로만동작하기에계통연계운전시뮬레 이션에서는충전모드만을확인하였다. 그림 4.40은계통연계운전으로동작할시배터리에너지저장장치가 50kW 용량으로충전하고있는시뮬레이션결과이다. 그림 4.40(a) 에서 부하전압과부하전류는서로역상으로전력이충전됨을확인하였고, 4.40(b) 의부하전류는정현파의전류로충전됨을확인할수있다. 그림 4.41은배터리에너지저장장치의전류레퍼런스가 0A에 서 107.4A peak 로입력되었을경우순간적인제어기의성능을확인하는 시뮬레이션결과이다. 실제실험에서는 soft start 방식으로동작하기에 그림 4.41 과같은순간적인전력이변화되는동작은수행하지않는다. - 132 -

그림 4.40 계통연계운전에서의 50kW 충전시뮬레이션결과 그림 4.41 전류레퍼런스변화 (0 107.4A peak) 에따른제어기응답확인 - 133 -

4.4.2 실험결과 4.4.2 절에서시뮬레이션을통해배터리에너지저장장치의제어알고 리즘을검증하였다. 배터리에너지저장장치를설계하고제작하여제어 알고리즘을실험을통하여검증하였다. 배터리에너지저장장치는배터 리뱅크, 50kW DC-AC 인버터, LC 필터로구성된다. LC 필터는독립운 전을기준으로선정하였지만, 계통연계운전에서도동작이가능하도록임 피던스를선정하였다. 인버터를구동하기위한메인 CPU는 DSP 28335 를사용하여제어보드를제작하였고, 기타세부적인보드는 IGBT On/Off 신호를담당하는게이트보드, 인버터의전류및전압을측정하 기위한센서보드그리고 MC(Magnetic Contact) 를동작시키는릴레이 보드로구성된다. 배터리에너지저장장치의성능지표가되는전압및 전류의기준은독립운전시부하선간전압의 THD는 IEEE Standard 1159에서제시하는 5% 이내를만족해야하고[71], 계통연계운전시출 력전류는 IEEE Standard 1547에서제시하는 5% 이내를만족해야한 다[72]. 실험에서 Fluke THD 측정장비를이용하여부하선간전압의 THD 를측정하였다. - 134 -

4.4.2.1 배터리에너지저장장치제작 3 상독립형마이크로그리드용인버터는제어부와하드웨어부로구분 된다. 제어부는메인 CPU 보드, 전압및전류를측정하는센서보드그 리고전력변환소자 IGBT 스위치를온 오프할수있는게이트드라이브 보드로구성되어있고, 하드웨어부는 3상 DC-AC 인버터, LC필터로구 성된다. 그림 4.42 는인버터의제어부및하드웨어부를설명하고있다. 그림 4.42 인버터제어부및하드웨어부구성 - 135 -

3상독립형마이크로그리드용인버터를제어하는 DSP 28335 제어보 드는 TMS320F28335 를이용하여설계하였다. DSP 28335는플로팅연 산이되며 epwm 기능이탑재되어인버터개발에이상적이다. 현하드 웨어는실시스템의알고리즘을테스트하기위한프로토타입으로모든 알고리즘들은소프트웨어로작성하고테스트할수있도록하였다. 간단 히 PWM 과 IGBT 스위치를온 오프할수있는드라이버그리고스위 칭을하는 DSP 28335 제어보드로나뉠수있으며 ADC와하드웨어전 류전압보호회로가주를이룬다. 보호회로는전압센서와전류센서를이 용하여일정한범위이상의전압이나전류가걸리게되면 DSP의 Trip-Zone 기능을이용하여스위칭자체를차단하도록되어있다. 그림 4.43은실제개발되어진 DSP 28335 제어보드로 PWM part, Analog part, DA debugging 으로구성되어있다. 그림 4.43 제작된 DSP 28335 제어보드 - 136 -

그림 4.44는 DSP에서출력되는 PWM 신호를전력변환소자인 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 에입력하는게이트드라이브보드 이다. DSP 제어보드에서는 0V, +5V가입력되지만게이트드라이브보 드에서 IGBT 구동에적절한전압인 +15V, -9V로변환하여 IGBT 스 위칭동작을수행하도록한다. 그림 4.44 게이트드라이브보드 그림 4.45는 3상독립형마이크로그리드용인버터의 DC 링크전압, 3 상인버터전류, 3 상출력전류, 3상출력전압을측정하는센서보드로서 DSP 변환된다. 제어보드로신호를전달하여 A/D 변환과정을통해디지털값으로 - 137 -

그림 4.45 센서보드 50kW 3상독립형마이크로그리드용인버터에사용된 IGBT 스위치는 그림 4.46 과같이모듈로구성되어있고, 인버터제어를위해사용된다. IGBT 모듈은 Semikron사의 rsemix503gd126hdc 를사용하였다. 그림 4.46 IGBT 모듈 - 138 -

그림 4.47은 1차제작된 10kW 독립형마이크로그리드용인버터의시 제품으로배터리뱅크를대신하여 DC Power Supply 를사용하였다. 부하 는 R 부하세트와인덕터로평형부하와불평형부하를구현하고, 다이오드 정류기와커패시터로비선형부하를제작하여실험을진행하였다. DC Power Supply의용량은 타당성을검증하기위해 10kW로제한되어있고제안하는알고리즘의 10kW 독립형마이크로그리드용인버터시제품 을제작하여그림 4.48 의부하로실험을진행하였다. 실험실에서 10kW 용량의독립운전과계통연계운전시안정적인제어를확인하고제어알 고리즘의타당성을검증한후독립형마이크로그리드용인버터의용량을 50kW 로증가시켜시제품을제작하였다. 50kW 독립형마이크로그리드 용인버터실험은그림 4.49와같은납축전지를 DC링크에연결하여진 행하였다. 그림 4.47 3상독립형마이크로그리드용인버터 1차시제품 - 139 -

그림 4.48 제작된평형부하, 불평형부하, 비선형부하 그림 4.49 실험에사용된 Lead-Acid배터리뱅크 - 140 -

그림 4.50은 2차 제작된 50kW 독립형 마이크로그리드용 인버터이다. 1차로 제작된 인버터 시제품을 50kW 용량으로 증가시키는데 전력변환 소자(IGBT) 사양, LC 필터 임피던스를 50kW 용량으로 고려하여 선정 하였고, DSP 제어보드의 Protection part의 경우 50kW에 맞도록 설정 하였다. 그림 4.50 50kW 독립형 마이크로그리드용 인버터 - 141 -

4.4.2.2 평형부하실험결과 평형부하시전압제어알고리즘을검증하기위하여 30kW 평형부하 실험을수행하였다. 30kW 평형부하는 R상 4.8 Ω, S상 4.8 Ω, T상 4.8Ω 의부하로구성된다. 그림 4.51과그림 4.52는데드타임보상을하지않은 3상독립형마 이크로그리드용인버터의평형부하조건에서의선간전압파형이다. 그림 4.51에서는 3상부하선간전압이 60Hz 고정주파수로 3상선간전압모 두 380V rms 로제어됨을확인할수있다. 하지만, 데드타임을보상하지 않고기본파를제어하는 PR 전압제어기만을사용하였기때문에부하선 간전압에 5 차고조파, 7 차고조파, 11 차고조파, 13차고조파가포함되 어있음을그림 4.52 에서확인하였다. 데드타임보상전선간전압의 THD는 1.5% 이다. 그림 4.53과그림 4.54는공진제어기를사용하여데드타임을보상한 평형부하에서의실험결과이다. 생하는왜곡된고조파를감소시킴으로서그림 공진제어기를적용하여데드타임에서발 4.53과같이영점에서왜 곡된파형이감소함을확인하였다. 데드타임보상후그림 4.54에서확 인되는선간전압의고조파는표 4.9와같이감소하여선간전압의 THD 가 1.5% 에서 1.2% 로부하에공급되는전압의품질이향상되었다. 표 4.9 데드타임보상에따른평형부하전압의고조파변화 보상알고리즘무 보상알고리즘유 1.8V rms 1.4V rms 1.6V rms 1.2V rms 3.65V rms 2.4V rms 2.8V rms 2.2V rms 1.5% 1.2% - 142 -

그림 4.51 데드타임보상전평형부하의선간전압 그림 4.52 데드타임보상전평형부하의선간전압 FFT - 143 -

그림 4.53 데드타임보상후평형부하의전압 그림 4.54 데드타임보상후평형부하의선간전압 FFT - 144 -

4.4.2.3 비선형부하실험결과 비선형부하시전압제어알고리즘을검증하기위하여 5kW 비선형부 하실험을수행하였다. 5kW 비선형부하는다이오드정류회로, 750uF 커패시터, 50Ω 저항부하로구성되고다이오드정류회로와인버터사이에 300uH 의인덕터를연결하여실험을진행하였다. 그림 4.55와그림 4.56은공진제어기를적용하지않은 3상독립형마 이크로그리드용인버터의비선형부하선간전압파형이다. 비선형부하에 의한 5차고조파와 7차고조파가부하선간전압에왜곡을발생시켜부 하선간전압의 THD는 6.7% 이다. 이때부하선간전압에 5차고조파는 21.5V rms, 7차고조파는 11V rms 가함유되어있다. 그림 4.57과 4.58은공진제어기를적용하여비선형부하에서발생하는 고조파성분을보상한실험결과이다. 부하선간전압의 5차고조파는 9V rms, 7차고조파는 5V rms 로공진제어기를적용하기전보다고조파함 유율이감소하였다. 그결과부하선간전압의 THD는 6.7% 에서 3.5% 로 감소하여전압의품질이향상되었다. 그림 4.59와그림 4.60은공진제어기를적용하기전과적용한이후의 부하전류와부하선간전압을보여준다. 부하전류는비선형전류가흐르지만, 확인하였다. 공진제어기를적용한이후에도 부하의선간전압의파형은개선됨을 표 4.10 공진제어기에따른비선형부하전압의고조파변화 보상알고리즘무 보상알고리즘유 21.5V rms 9V rms 11V rms 5V rms 6.7% 3.5% - 145 -

그림 4.55 고조파보상전비선형부하의선간전압 그림 4.56 고조파보상전비선형부하의선간전압 FFT - 146 -

그림 4.57 고조파보상후비선형부하의선간전압 그림 4.58 고조파보상후비선형부하의선간전압 FFT - 147 -

그림 4.59 고조파보상전비선형부하의전류및선간전압 그림 4.60 고조파보상후비선형부하의전류및선간전압 - 148 -

4.4.2.4 불평형부하실험결과 불평형부하시전압제어알고리즘을검증하기위하여 R상 10kW, S상 10kW, T상 1kW 의부하로구성하여실험을진행하였다. 그림 4.61과그림 4.62는공진제어기를적용하지않은 3상독립형마 이크로그리드용인버터의불평형부하조건에서의선간전압파형이다. 그 림 4.61의불평형부하에서 3상선간전압의실효값은 R상 367V rms, S상 378V rms, T상 380V rms 로불평형이발생하고, 식(4.49) 를이용한불평형 률을계산하면 2.2% 이다. 불평형부하에서의데드타임에의해발생하는 3차고조파는 18.5V rms 만큼발생하여평형부하와비선형부하에서발생 하지않던 3 차고조파가발생하였다. 5차고조파는 7V rms 포함한다. 이 를제거하기위해 4.63과그림 4.64 에서확인하였다. 3차공진제어기를추가로적용하고그결과를그림 그림 4.63은공진제어기를적용한 3상독립형마이크로그리드용인버 터의불평형부하조건에서의선간전압이다. 그림 4.61 과비교하면, 선간 전압의왜곡은보상되고 3상선간전압에대해발생한불평형이보상됨 을확인하였다. 3상선간전압의 RMS는 R상 374V rms, S상 375V rms, T 상 379V rms 로불평형률은 2.2% 에서 0.8% 로감소하였다. 3차고조파성 분은 18.5V rms 에서 4.5V rms 로크게감소하였고, 5차고조파는 7V rms 에서 3V rms 로감소하여부하선간전압의왜곡된파형을보상하였다. 표 4.11 공진제어기적용에따른비선형부하전압의고조파변화 보상알고리즘무 보상알고리즘유 367V rms 374V rms 378V rms 375V rms 380V rms 379V rms 2.2% 0.8% 5.2% 1.4% - 149 -

그림 4.61 고조파보상전불평형부하의선간전압 그림 4.62 고조파보상전불평형부하의선간전압 FFT - 150 -

그림 4.63 고조파보상후불평형부하의선간전압 그림 4.64 고조파보상후불평형부하의선간전압 FFT - 151 -

평형부하, 비선형부하, 불평형부하조건에서의실험결과를기존의제 어방법과제안하는알고리즘으로비교하면, 선간전압의 THD와포함하 고있는고조파성분은표 4.12 와같이정리된다. 실험을통해제안하는 독립운전에서의알고리즘이기존의제어알고리즘보다더우수함을확인 하였다. 표 4.12 부하조건에따른실험에서의부하선간전압품질비교 부하조건기존알고리즘제안된알고리즘 5차고조파 1.8V rms 1.4V rms 평형부하 7차고조파 1.6V rms 1.2V rms 1.5% 1.2% 5차고조파 21.5V rms 9V rms 비선형부하 7차고조파 11.0V rms 5V rms 6.7% 3.5% 불평형부하 2.2% 0.8% 5.2% 1.4% - 152 -

4.4.2.5 계통연계운전에서의충전실험결과 그림 4.65는배터리를충전하는모드로 DC링크전압레퍼런스 를 630V 로설정하고전압제어를수행하였고, 190:380 변압기를 사용하여실험을진행하였다. 배터리로유입되는전류는 38A로약 25kW 의용량이충전되고있다. 그림 4.66은인버터가 25kW 충전모드 로동작할경우의계통전류파형으로계통전류의크기는 80A rms 이다. 커 패시터필터로 8Arms 유입되고실제인버터로흐르는전류는 72A rms 이 다. 25kW 용량에서 3상계통전류의 THD는 4.5% 이다. DC링크전압제 어와전류제어가동시에동작하는 CC-CV 제어는그림 4.67 과같다. 그 림 4.67(a) 구간은인버터가정지하고있는상태에서 (b) 구간이지나면 인버터구동을시작한다. 처음 (b) 구간은 CC 모드로동작하고, (c) 구간에 다다르면전류가감소, 전압이일정한 CV 모드로동작한다. 그림 4.65 DC 링크전압제어실험결과 (630V) - 153 -

그림 4.66 25kW 충전시전류파형 그림 4.67 CC-CV 제어 - 154 -

제 5 장독립형마이크로그리드 구성및운영방안 제3장의디젤발전기와제4장의배터리에너지저장장치의제어알고 리즘을통해각시스템이단독으로운전하는것을확인하였다. 본절에 서는독립형마이크로그리드를구성하는신재생에너지원, 디젤발전기그 리고배터리에너지저장장치가결합되었을때, 상호간의운전모드에 대하여제안하고시뮬레이션과실험을통하여독립형마이크로그리드의 안정적인운전을검증하였다. 5.1 독립형마이크로그리드구성 독립형마이크로그리드는그림 5.1 과같이다수의신재생에너지원, 배 터리에너지저장장치그리고디젤발전기로구성되어있고전력을공급 받는부하는선형평형부하, 선형불평형부하, 비선형부하로이루어져있 다. 신재생에너지원으로는태양광발전과풍력발전이사용되지만, 본학 위논문에서는태양광발전을신재생에너지원으로적용하였다. 본학위논문에서설계한독립형마이크로그리드는소규모섬을대상으 로디젤발전기(DG : Diesel Generator), 배터리에너지저장장치(BESS : Battery Energy Storage System), 태양광발전(PV : Photovoltaic) 의 세가지시스템을구성하여진행하였다. 적용하고자하는소규모섬의 부하는평균 15kW에순간최대부하는 30kW 용량이다. 각각의에너지 원정격용량은 BESS 50kW, DG 50kW, PV 30kW 로선정하였다. 배터 리의에너지는 1.2MWh으로독립형마이크로그리드에주전원을공급하 - 155 -

며 BESS 에서선형평형부하, 선형불평형부하, 비선형부하의전압을제 어하여안정적인정현파의전압을공급한다. DG는 BESS의충전용으로 동작하고최대효율점운전(MPO : Maximum Power Operation) 을통해 효율을상승시키는효과를갖는다. 하지만, 장기부조일이지속될시 DG에서부하에전력을공급하는 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어를수행하고이때의배터리에너지저장장치는계통연계 형으로동작한다. 태양광발전은전류원으로동작하며낮에는최대출력 추종제어(MPPT:Maximum Power Point Tracking) 를통한발전을하고밤에는정지한다. 그림 5.1 독립형마이크로그리드구성 - 156 -

다음은신재생에너지원으로사용되는태양광발전에대하여간단하게 서술한다. MATLAB/Simulink로구현된태양광발전은태양전지어레이 와 3상 DC-AC 인버터로구성된다. 태양전지어레이(Array) 는직렬 14 개, 병렬 1370 개의태양전지모듈로구성되어있으며, DC링크전압은 650V, 정격전력은 30kW 이다. 일사량의변화에따라태양광발전의출 력이결정되며모드에따라정지및 MPPT 동작을수행한다[73][74]. 그림 5.2 일사량에따른 V-I 및 P-V 곡선 그림 5.2는 MATLAB/Simulink로구현된태양전지어레이의 V-I 및 P-V 특성곡선으로일사량 20%, 40%, 60%, 80%, 100% 변화에따른 출력특성을나타낸다. 태양전지어레이의출력그래프에서최대전력이 되는지점을최대전력점이라한다. 태양전지어레이출력은온도나일사 량과같은외부요인에의해최대전력점이변화하게되는데, 최대출력을 - 157 -