An Autonomous Power Management Strategy for Inverter-Based Islanded Microgrids Considering Load-Voltage Dependence

Abstract

내부 자원만으로 전력의 자급자족이 가능한 통합형 플랫폼 기술인 마이크로그리드(Microgrid, MG)는 분산에너지자원(Distributed Energy Resource, DER)을 활용하여 전력 수급과 전압/주파수 제어를 수행할 수 있다. 이외에도 다양한 제어 가능한 자원들을 활용하여 신재생에너지의 간헐적 특성 등으로 인한 시스템의 불확실성에 대응함으로써 계통의 신뢰도와 안정도를 향상시킬 수 있다. 특히 독립형 MG 기술은 기존 배전 계통 내 부하의 단독운전은 물론, 도서 지역, 외곽의 농촌 지역, 군사 지역 등 다양한 지역의 고립된 수용가와 더불어 전기 선박, 비행기 등 소규모 전력 시스템에 전력을 효과적으로 공급하기 위해 도입되고 있는 추세이다. 아울러, 에너지저장장치, 연료전지 등 출력 제어가 자유로운 다양한 인버터 연계형 분산에너지자원(Inverter-interfaced DER, IDER)들은 계통의 동적 변화에 빠르게 대응할 수 있어 긍정적 영향을 줄 수 있으므로 최근 상당한 관심을 받고 있다. 특히, IDER이 마스터 역할을 하여 전압과 주파수가 결정되도록 운영하는 인버터 기반 독립형 MG의 연구와 실증이 활발히 진행되고 있으며. 이는 단일-마스터 운영(Single Master Operation, SMO) 과 다중-마스터 운영(Multi-master Operation, MMO) 두 종류로 분류할 수 있다. 또한, MG의 운영을 위한 자율 제어 전략은 지역적 정보만을 기반으로 동작하여 통신으로 인해 발생할 수 있는 문제를 최소화함으로써 독립형 MG의 신뢰도 향상과 구축비용 절감에 도움이 될 수 있다. 본 논문에서는 인버터 기반 독립형 MG에서 SMO와 MMO 구조 각각에 대하여 부하의 전압 의존도를 고려한 자율적 전력 관리 전략을 제안한다. 비통신 기반의 자율적 방식으로 동작하기 위해 마스터 역할을 수행하는 IDER이 생성하는 주파수 신호를 활용하였다. 마스터 IDER에 의해 생성된 주파수는 계통 내 다른 DER 및 제어 가능한 설비에서 측정이 가능한 전역적인 신호로서 사용된다. 제안한 방법은 SMO와 MMO 구조 하에서 전력계통의 예비력을 추가적으로 확보하여 신뢰도를 향상시키기 위해 작동한다. 이를 위해 단순한 구조의 제어기를 도입하여 기존의 제어 방식과 쉽게 호환될 수 있는 자율적 전력 관리 전략을 각각 제시하였다. SMO 구조에서는 주로 하나의 마스터 IDER이 정전압-정주파수 (Constant-Voltage Constant-Frequency, CVCF) 운전을 통해 전력계통의 전압, 주파수 생성은 물론 실시간 전력수급을 모두 담당하도록 제어되어 왔다. 이는 하나의 분산전원의 응답속도가 빠르고 용량이 전체 계통의 큰 부분을 차지할 때 적합할 수 있다. 그러나 발전기 탈락, 급격한 기상 변화 등 심각한 사고나 갑작스러운 부하 증가로 인해 전력 계통의 수요와 공급이 크게 차이가 날 경우 하나의 마스터 IDER만으로는 감당하기 어려운 상황이 될 수 있다. 이같은 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 전압-주파수 비례제어기 (Voltage-Frequency Proportional Controller, VFPC)를 제안하여 일반적인 상황에서는 CVCF 운전으로 계통의 주파수, 전압을 일정하게 유지하되, 전력 수급이 깨지는 상황을 마스터 IDER이 연계된 모선의 전압의 하락을 통해 감지하여 계통 주파수를 낮춘다. 그러면 계통 내 다른 발전기가 f–P 드룹 제어를 통해 전력 공급을 하도록 유도하여 순시 예비력을 추가적으로 확보하여 마스터 유닛의 운영 부담을 덜어줄 수 있다. MMO 구조에서는 여러 대의 IDER과 제어가 가능한 다른 자원들을 협조 제어하기 위해 P–f, Q–V 드룹 제어 방법이 폭넓게 이용되어 왔다. 하지만 이러한 제어 방식은 P, Q 측정을 위한 시지연이 존재하여 인버터 기반 분산전원의 능력을 최대한으로 활용하지 못한다는 문제가 있다. 한편 부하로부터 가상의 예비력을 확보하기 위해 계통의 신뢰도 향상을 목적으로 기존의 전력 계통에서 오래전부터 쓰인 성숙된 기술인 Conservation voltage reduction (CVR)이 기존과는 다른 형태로 MG에 적용이 되고 있는 추세이다. 본 논문에서는 전력 분배를 위한 Id–f, Iq–V 제어기와 주파수 기반의 자율적 CVR을 수행하기 위한 Id–V 제어기를 포함하는 Idq 제어기를 도입하여 전력 계통의 과도 응답을 향상시키면서 부하 증가의 감쇠를 유도하여 인버터 기반 독립형 MG의 신뢰성 있는 운영을 도모한다. 제안한 두 가지의 자율적 전력 관리 전략은 각각 다른 계통을 대상으로 한 MATLAB/SIMULINK 환경에서의 사례연구를 통해 그 효과가 검증되었다. 먼저 SMO 구조에서 제안한 전략의 경우, 한국전력으로부터 제공받은 실제 계통 정보를 바탕으로 한 거차도 MG 모델을 사용하였으며, MMO 구조에서는 3 대의 IDER이 연계된 3 모선 계통을 활용하였다. 먼저 3 모선 계통에서 제안한 제어기의 효과를 기존 제어기와 비교 검증하기 위해 소신호 분석을 수행하였다. 이를 위해 해당 계통의 상태 공간 모델을 수립하였으며, 제안한 제어기와 기존 제어기에서의 근-궤적 분석을 비교하여 분석함으로써 제안한 제어기가 시스템의 안정도, 동특성, 드룹 계수 변동에 대한 견고성이 향상됨을 확인하였다. 사례 연구에서는 동적 모의 실험을 통하여 부하가 계단식으로 증가할 때 제안한 제어기의 효과와 제어 성능이 어떻게 변화하는지를 알아보았으며, 부하의 전압 의존도와 역률에 따라 제안한 CVR 기법의 효과가 어떻게 달라지는 지에 대해서도 분석을 수행하였다.

Islanded microgrids (MGs) can improve the system reliability and stability by utilizing various controllable resources such as distributed energy resources (DERs), controllable loads, and other units in the MG system. These effects can be achieved by supplementing intermittent power output of renewable energy sources (RESs) and helping power supply from the DERs in the system. MGs are a self-contained integrated platform and have been introduced for power supply not only to conventional distribution system, but also small power systems including electric shipboards, aircrafts, and remote areas such as the oceanic islands, rural areas, and military bases. In addition, inverter-interfaced DERs (IDERs), such as energy storage systems (ESSs), which are capable of output control freely and rapidly, have received considerable attention recently because they can respond quickly to dynamic changes in the system. In particular, many researches and demonstration projects for inverter-based islanded MGs, in which a IDER functions as a master and operates to determine voltage and frequency, have been actively under way in around the world: USA; Europe; Asia; and other continents. The operation strategies for IDERs in MGs can be divided into two types: single-master operation (SMO) and multi-master operation (MMO). In a SMO scheme, one master IDER acts as a voltage source inverter (VSI) and regulates the voltage and frequency. In a MMO scheme, multiple IDERs act as master units. Locally available information such as frequency and bus voltage is used for both SMO and MMO, minimizing the communication problem of centralized control scheme. This approach enables inverter-based islanded MGs can operate autonomously, and help to improve reliability and reduce construction cost of an independent MG. This dissertation presents a new autonomous power management strategy for inverter-based islanded MGs using the load-voltage dependence. The system frequency set by the master IDER is also used as a global signal. the frequency can be measured by other DERs and controllable equipment without communication links. The proposed methods aim to improve the system stability and reliability by securing primary reserve additionally for the MGs under both SMO and MMO structures. To this end, the autonomous power management strategy is proposed. The proposed strategy can be easily compatible with existing control methods by introducing a controller with simple structure. For the SMO scheme, a single master IDER is controlled to take charge of both the frequency and voltage generation of the power system and the real-time power supply and demand balance through constant-voltage constant-frequency (CVCF) operation. This control scheme can be suitable when the dynamic response of IDER is fast and the capacity occupies a large part of the entire system. However, if the power supply and/or demand of the MG varies greatly due to serious event such as the generator trip, it can be difficult to cope with the only one master unit. To solve this problem, this dissertation proposes a voltage-frequency proportional controller (VFPC). Proposed control scheme keeps the frequency and voltage of the system constant under normal conditions by CVCF. On contrast, it detects the voltage drop at the output bus and lowers the system frequency by VFPC. Other DERs then can be induced by ω–P droop control to provide additional primary reserve, which can alleviate the power shortage and the operational burden of the single-master unit. In the MMO architecture, P–ω and Q–V droop control methods have been widely used to coordinate multiple master IDERs and other controllable resources. In recent years, conservation voltage reduction (CVR), a well-known concept and mature technique that has been used for a long time in power systems, is applied to MGs in order to improve the reliability of the system with a virtual reserve from loads. In this dissertation, a new strategy for Autonomous CVR (ACVR), incorporated in the current-based droop control of IDER is proposed to improve the operational reliability and stability of an inverter-based islanded MG. For the proposed ACVR, an Idq controller is developed as an outer feedback controller of each IDER, consisting of Id–V controllers for the ACVR and Id–ω and Iq–V controllers for the power sharing. The proposed two strategies for active power management in SMO and MMO architecture, respectively, are verified by simulations in a MATLAB/SIMULINK environment for different test systems. In the case of the proposed strategy in the SMO structure, a comprehensive MG test model based on the actual grid information provided by KEPCO was used for case studies and demonstrated the effectiveness of the proposed method in improving primary active power control of the MG. On the other hand, in the MMO structure, a three-bus system with three IDERs was used for small-signal analysis and case studies. Small-signal analysis is conducted to verify the performance of the proposed ACVR for variations in the Id–ω and Iq–V droop gains. Case studies are also carried out to demonstrate that the ACVR effectively mitigates an increase in the load demand, improving the operational reliability, under various load conditions determined by power factors and load compositions.