약한 교류 배전 계통에 연계되는 대용량 PCS의 제어기 설계에 따른 안정도 해석 및 안정적 운용을 위한 설계 방안

Abstract

신·재생 에너지와 에너지 저장 장치를 기반으로 한 분산형 전원의 설치 용량이 증가함에 따라, 제로 에너지(Zero energy) 빌딩 혹은 제로 에너지 단지라는 개념이 새롭게 등장하였다. 신·재생 에너지와 에너지 저장 장치를 기반으로 한 분산형 전원은 계통 연계를 위한 PCS(Power Conditioning System) 설비가 필수적이며, 통상 전력 반도체를 사용하여 계통 주파수에 비해 높은 주파수로 스위칭하여 계통 주파수의 전압을 합성하는 전압형 컨버터가 일반적으로 사용된다. 제로 에너지 개념을 충족시키는 분산형 전원과 부하가 증가함에 따라, 연계된 전체 PCS의 용량 역시 증가하게 된다. 이 때, 통상 접속 설비 용량은 유지되기 때문에 전체 PCS 용량의 증가로 인해 상대적인 전원 임피던스 역시 증가하게 된다. PCS가 전원 임피던스가 상대적으로 큰, 일명 약한 계통에 연결됨에 따라, PCS 제어기 설계에 따라 접속점의 전압이 불안정해지는 현상이 발생할 수 있다. PCS가 전원 계통에 동기된 전력 공급 및 소비를 위해 사용하는 위상 동기화 제어기, 일정 전력 부하의 직류단 전압 제어를 위한 직류단 전압 제어기, 단독 운전 발생 시 이를 감지하기 위한 단독 운전 검출 기법은 설계 계수에 따라 약한 계통에서 불안정 현상을 발생시킬 수 있다. 본 논문에서는 PCS가 약한 계통에 연계될 때, 안정된 운전이 가능한 PCS 제어기 설계 범위에 대한 분석을 수행하였다. 다수의 PCS가 연결되는 향후 전력 시스템의 접속점 전압의 안정도를 판별하기 위하여 임피던스 기반 분석 방식을 사용하였다. SMPS(Switched Modulated Power Supply)의 설계나 복잡한 직류 분산 전원 시스템을 해석하는데 널리 사용된 임피던스 기반 분석 방식은, 최근 3상 교류 시스템의 안정도 해석을 위해 도입되고 있다. 계통 연계 PCS의 기본적인 제어기인 위상 동기화 제어기와 전류 제어기, 직류단 전압 제어기, 단독 운전 검출 기법을 고려한 dq-임피던스 모델을 유도하여 계통 측 임피던스와의 관계를 통해 안정도를 해석하였다. 직류 시스템과 달리, 다중 입출력(MIMO, Multi-Input Multi-Output) 시스템의 불안정 현상을 다뤄야 하므로, 일반화된 나이퀴스트(Generalized Nyquist) 선도를 통해 시스템의 안정도를 판별하였다. 기존에 보고된 위상 동기화 제어기와 직류단 전압 제어기의 설계에 따른 전압 불안정 현상에 대해 제어기 설계 계수의 한계를 분석하였다. 비례 적분 제어기의 이득을 그대로 사용하여 분석 시, 시스템 용량 변화와 시스템 정수 변화에 따른 설계 기준을 명확히 제공하기 어렵다. 위상 동기화 제어기와 직류단 전압 제어기의 입출력 전달 함수는 2차 저역 통과 필터로 설계할 수 있으며, 분석을 통해 주로 각 제어기의 댐핑 계수로 인해 계통 전압 불안정 현상이 발생함을 분석하였다. 따라서 약한 계통 조건에서 댐핑 계수의 제한을 분석하고, 시스템이 안정된 운전을 할 수 있는 적절한 댐핑 계수를 제안하였다. 추가로, 일정 전력 부하의 직류단 전압 제어기 설계를 변경할 수 없는 경우를 고려하여, 병렬로 설치된 분산형 전원을 사용하여 계통 전압 불안정 현상을 해소할 수 있는 능동 댐핑 알고리즘을 소개하였다. 또한, 주파수 이동 단독 운전 검출 방식 적용에 따른 계통 불안정 현상이 위상 동기화 제어기 설계와 관련되어 있음을 분석하였다. 그리고, 기존 추정 구조의 양성 피드백 이득의 한계를 극복할 수 있는 수정된 계통 전원 주파수 추정 방식을 제안하였다. 본 논문의 분석 결과와 제안된 설계 방법을 검증하기 위하여 모의 실험 및 실험을 수행하였다.