Modeling and Control Strategy of the Small-scale Hybrid AC/DC Standalone Microgrid based on the Real Application Network

Abstract

Hybrid AC/DC standalone microgrid(MG) is considered as the prominent formation that can be a major type of MG which is essential to realize small scale, distributed and decentralized power system in the future. Based on the two MG projects performed in the same island located near the west-south coast of Korea, Geocha-island has become the place to be able to provide the meaningful opportunity to realize the test-bed project of hybrid AC/DC MG for the first time in the world as far as the author is aware of.

As a first step to implement hybrid AC/DC MG configuration in Geocha-island, the modeling work has been done based on the design information of pre-existing AC MG and DC MG. In the process of the combining two MGs, interlinking converter (ILC) is only added at the point of connection to transfer the proper amount of active power between MGs required to achieve system control purposes such as system voltage control in DC MG, system frequency control in AC MG and constant active power transfer.

Secondly, the control strategy of hybrid AC/DC MG in Geocha-island is established based on the modeling result performed in this paper. It is composed of five types of control mode in normal operation and two types of control mode in contingency operation. Each of mode has individualized control scheme in order to guarantee the reliable operation of the whole system at most cases.

At last, the effectiveness of the proposed control strategy is verified through the simulation using Matlab/Simulink for several normal and contingency operation cases. The simulation results clearly show that hybrid AC/DC MG in Geocha-island can be operated reliably while satisfying the given grid codes and performing better than individual MG operation case.

Consequently, developing the control strategy for hybrid AC/DC MG in Geocha-island and verifying its usefulness for the future application are the main contributions of this dissertation.

하이브리드 AC/DC 독립형 마이크로그리드(MG) 는 소규모, 분산, 비집중화된 발전 방식 중심의 미래 차세대 전력망을 구현하는데 필수적인 MG의 주요형태로 발전할 것이 예상되는 한편, 국내 전남 서해안에 위치한 거차도에서는 2개의 다른 계통 형태의(AC/DC) MG 실증사업이 완료 또는 진행 중인 상태로, 이를 활용 향후 세계 최초의 하이브리드 AC/DC 독립형 MG 구축사업 추진을 위한 선행연구로써 본 연구를 진행하게 되었다.

거차도에 하이브리드 AC/DC MG 구현을 위한 첫 번째 과정으로서, 기존의 AC MG 및 DC MG 실증사업 내용을 바탕으로 모델링 작업을 진행하였다. 이 때, 두 개의 MG 물리적 접속점에 설치되어 적정한 양의 유효전력을 전달함으로써, DC MG의 계통전압 제어, AC MG의 계통주파수 제어, MG 간 일정 유효전력 전달의 역할을 구현할 수 있는 연계 컨버터의 제어모델을 새롭게 제안하였다.

다음으로, 앞에서 수행한 거차도 모델링 결과를 기반으로 하이브리드 AC/DC MG 제어전략을 수립하였다. 본 전략은 정상운영 상태에서의 5가지 제어모드, 비상운영 상태에서의 2가지 제어모드, 총 7가지 제어모드로 구성되어 계통 내 발생 가능한 모든 상황에서 전체 MG 계통의 안정적 운전을 보장 할 수 있도록 구성되었다. 각 모드는 개별 제어목적에 따라 MG 내 제어 가능한 요소 기기별 상이한 제어방법을 활용토록 설계되었다.

마지막으로, 제안된 제어전략의 유효성을 검증하기 위해 다양한 정상 및 비상운전 시나리오에 대해서 Matlab/Simulink를 활용한 시뮬레이션을 시행하였다. 그 결과, 거차도 하이브리드 AC/DC MG 가 주어진 계통운전 조건을 만족시키면서 안정적으로 운영될 수 있고, 개별 MG로 운전 될 경우보다 더 나은 성능을 발휘 할 수 있음을 검증하였다.

결론적으로, 새롭게 모델링한 거차도 하이브리드 AC/DC MG의 제어전략을 개발하고, 향후 활용을 위해 그 유효성을 시뮬레이션을 통해 검증한 것이 본 논문의 주요 기여점이다.