드룹 제어 기반 분산 전원용 인버터의 병렬 운전에 관한 연구 = Study on Parallel Operation for Distributed Generation Inverter based on Droop control

국문 초록 (Abstract)

분산 전원용 인버터를 통해 드룹 제어를 수행하는 경우 출력 임피던스의 저항성 성분으로 유·무효 전력 커플링이 발생하게 된다. 그리고 장거리 배전 선로의 경우 PCC 단과 출력 전압 사이에 선로 임피던스로 인한 전압 강하로 초기 설계된 Q-V 드룹 특성 곡선이 변화한다. 이로 인해 Q-V 드룹 제어의 성능이 저하되어 무효 전력제어 및 분담 오차가 발생한다.
따라서 본 논문에서는 전력 커플링과 무효 전력 정확성을 향상하기 위해 새로운 드룹 제어를 제안한다. 그리고 분산 전원용 인버터가 갖추어야 할 성능인 불평형 전압 보상과 운전 모드 전환시 요구되는 무순단 전환 및 계통 재병입에 따른 성능을 분석하여 유효성을 입증한다.
통상적으로 드룹 제어는 고전압 계통에서 사용되었기 때문에 선로 임피던스는 유도성이 지배적이라 저항성 성분이 무시되었다. 하지만 저전압 배전 계통에서는 선로 임피던스의 유도성 성분보다 저항성 성분이 지배적이게 되어 전력 커플링이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수 많은 개선된 드룹 제어 방법이 제안되었다. 대표적으로 가장 널리 사용되는 방법으로 가상임피던스 방식이 있다.
가상 임피던스 방식은 인버터 출력 임피던스 및 저전압 선로 임피던스로 인해 저항성 성분이 지배적일지라도 출력 임피던스를 재조정하여 유도성이 되도록 수정한다. 따라서 저항성 성분에 의해 발생되는 전력 커플링을 효과적으로 제거한다. 하지만 증가된 가상 임피던스로 인해 무효 전력 제어 및 분담 오차를 증가시킨다는 단점이 있다.
따라서 무효 전력 제어 및 분담 정확성을 개선하기 위해서 대표적으로 통신을 사용하여 직접적으로 PCC 전압을 측정하여 드룹 제어를 수행하는 Q-VPCC 드룹 제어 방식과 선로 임피던스의 전압 강하를 추정하여 보상하는 Q-V 간접 전압 드룹 제어 방식이 널리 사용된다.
Q-VPCC 드룹 제어 방식은 각각의 인버터들이 동일한 PCC 전압을 통해 제어가 이루어지기 때문에 선로 임피던스의 영향을 받지 않고 정확한 무효 전력 제어 및 분담을 할 수 있다. 하지만 PCC 전압을 측정하기 위한 전압 센서를 추가적으로 설치해야 되며, 실질적으로 분산 전원용 인버터들은 PCC 단과 멀리 떨어져 위치하기 때문에 PCC 전압 정보를 분산 전원용 인버터에 전달하기 위해서는 통신선이 필요하다는 단점이 있다. 따라서, 이러한 직접 전압 방식에 따른 단점을 보완하기 위해, 간접 전압 드룹 제어 방식이 제안되었다. 선로 임피던스로 인한 전압 강하 성분을 유·무효 전력에 따른 전압 강하 근사치를 이용하여 전압 강하 값을 계산하여 PCC 전압을 추정하여 정확한 무효 전력 제어 및 분담을 수행한다. 하지만 대부분의 간접 전압 방식은 유·무효 전력에 따른 전압 강하 근사치를 이용하기 때문에 선로 임피던스가 작은 경우에만 유효하고 선로 임피던스가 클 경우 전압 강하 근사치에 오차가 발생하기 때문에, 무효 전력 제어 및 분담 오차를 완벽하게 개선할 수 없다.
이로 인해 본 논문에서는 전력 커플링과 무효 전력 제어 및 분담 문제를 해결하기 위해 새로운 드룹 제어 방식을 제안한다. 제안하는 드룹 제어 방식은 dq 변환을 통해 드룹 제어를 수행한다. dq 좌표상에서 드룹 제어를 수행한다면, Q-V 드룹 제어 방식이 DC 드룹 제어와 유사하게 되어, 전력 커플링을 제거할 수 있다. 따라서 직류 전압 값을 제어하기 때문에 출력 임피던스 성분은 정상 상태에서 무시된다. 즉, 가상 임피던스를 드룹 제어기에 추가하지 않아도 전력 커플링이 발생하지 않는다. 그리고 선로 임피던스 전압 강하로 발생되는 무효 전력 제어 및 분담 오차는 dq 좌표상에서 정확한 전압 강하 값을 계산하여 보상하였다. 또한 제안하는 드룹 제어 기법을 통해 분산 전원용 인버터가 갖추어야 할 성능인 불평형 부하 보상, 무순단 절환 성능 및 계통 재병입 문제를 다루었다. 마지막으로 제안된 방법의 이론적인 검증을 위해 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션과 5 kVA 급 프로토타입 분산 전원용 인버터 2 대를 제작하여 실험을 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

When the droop control is conducted through the inverter for distributed generation, active/reactive power coupling occurs because of the resistive component of the output impedance. In case of long distance distribution line, the voltage drop caused by the line impedance between the PCC and output voltage changes initially designed property curves of the Q-V droop. So, the control performance of Q-V droop is deteriorated and it causes an error of reactive power control and distribution.
Therefore, a new droop control, which is to improve the power coupling and the accuracy of reactive power, is proposed in this paper. Its effectiveness is proved by the performance evaluation that relates to unbalanced power compensation, which should be prepared by the inverter for distributed power, random switch and system reconnection that are required when the drive mode is converted.
In general, the droop control is used for the high voltage system, so that resistive component of line impedance is ignored because of significant inductive However, the line impedance has more significance in resistive component than inductive component in the low power distribution system, so that the power coupling occurs. To solve this problem, many of the improved droop control method have been proposed in various ways. Most typical method is the virtual impedance type.
The virtual impedance type readjusts the output impedance to have inductivity, even though there is a significant resistive component caused by the output impedance of the inverter and low voltage line impedance. Therefore, it is effective to remove the power coupling that is generated by the resistive component. However, increased virtual impedance can also increase reactive power control or distribution error. In addition, though the virtual impedance type prevents power coupling, the reactive power control or distribution error caused by the line impedance can not be compensated.
Therefore, there should be an additional control method to improve the reactive method and distribution accuracy influenced by the line impedance. There are two types of general methods; One is Q-VPCC droop control type, which directly measure the PCC voltage using the communication and conduct droop control. The other is indirect Q-V voltage droop control type that estimates the drop control of line impedance and compensated it.
In the Q-VPCC droop control type, each inverter is controlled by identical PCC voltage, so that it is not influenced by the line impedance and enables accurate reactive power control and distribution. However, additional voltage sensor to measure PCC voltage should be installed, and inverters for distributed power are located far away from the PCC, thereby requiring communication line to deliver the information of PCC voltage.
Therefore, indirect voltage droop control method has been proposed to make up for the defect of direct voltage type. The approximated value of the voltage drop component caused by the line impedance is calculated by active/reactive power, so that the PCC voltage can be estimated and it enables accurate reactive power control and distribution. However, most indirect voltage types use approximated value of voltage drop caused by active/reactive power, so that it is only effective for small line impedance. Since the large value of line impedance can lead to significant error of approximated voltage drop value, reactive power control and distributed error cannot be completely improved. It also requires the information of the line impedance.
Therefore, a new droop control, which is to solve defects of the power coupling, reactive power control, and distribution is proposed in this paper. The proposed method conducts the droop control using the dq transformation. Since the droop control is conducted on the dq coordinate, the Q-V droop voltage control method becomes similar to the DC droop control and the power coupling is removed. Therefore, output impedance component in the normal condition, since the DC voltage value is controlled. In other words, the power decoupling is enabled without adding virtual impedance to the droop controller. In addition, errors of reactive power control and distribution that occurs because of the error of voltage drop in the line impedance can be compensated by calculating accurate voltage drop value on the dq coordinate. Using the proposed droop control method, unbalanced load compensation, random switch performance, and system reconnection issues were handled that were also fundamental performance index for the inverter of distributed power.
Finally, the PSCAD/EMTDC simulation and two of 5 kw prototype inverters for distributed power were produced and utilized in the experiment of theoretical verification.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 iii
• 표목차 vii
• 국문초록 ix
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 6
• 1.3 논문의 구성 10
• 제 2 장 드룹 제어 방식 11
• 2.1 전력 조류 11
• 2.2 기존의 전력 디커플링 방식 16
• 2.3 기존의 무효 전력 오차 개선 방식 29
• 제 3 장 제안하는 드룹 제어 방식 44
• 3.1 인버터 전압 제어기 설계 46
• 3.2 드룹 제어 등가 모델링 54
• 3.3 제안하는 드룹 제어 방식 85
• 3.4 선로 임피던스 추정 기법 95
• 3.5 불평형 부하 보상 방식 103
• 3.6 운전 모드 전환 118
• 제 4 장 실험 결과 129
• 4.1 무효 전력 제어 및 분담 130
• 4.2 선로 임피던스 추정 137
• 4.3 불평형 부하 보상 140
• 4.3 운전 모드 전환 142
• 제 5 장 결론 146
• 참 고 문 헌 149
• Abstract 160