직류 전력 시스템의 대신호 전압 안정도 해석 및 능동 댐핑을 통한 전압 안정화

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2016. 2. 조보형.본 논문에서는 분산전원, 에너지 저장장치와의 연계가 쉽고 고효율, 고신뢰성의 전력을 공급할 수 있는 직류 전력 시스템의 전압 안정도를 분석한다. 직류 전력 시스템은 다양한 전원과 비선형 부하 등의 서브시스템이 직류 버스에 통합되므로 각 서브시스템이 안정적으로 설계되었다고 하더라도 상호간섭 작용으로 인해 전체 시스템의 불안정성이 발생할 수 있다. 또한, 음의 임피던스 특성을 가지는 정전력 부하는 시스템을 불안정하게 만드는 주요 비선형 성분이다. 직류 전력 시스템의 전압 안정도를 해석하는 일반적인 방법은 임피던스 판별법, Nyquist 판별법 등의 소신호 분석법이다. 하지만 소신호 분석법은 평형점 근처에서의 소신호 외란에 대한 필요조건만을 제공하므로 부하 급변(load transient), 초기 구동(start-up), 고장(fault) 등의 대신호 외란에 대해서는 시스템의 안정도를 보장할 수 없다는 한계가 있다. 본 논문에서는 Takagi-Sugeno(TS) 퍼지 모델을 이용해 대신호 외란에 대한 직류 전력 시스템의 전압 안정도를 해석한다. 위상 평면 분석, mixed potential theory, Lyapunov direct method 등의 대신호 분석법은 시스템의 구조나 제어가 복잡해질 경우 해석에 어려움이 존재한다. TS 퍼지 모델은 복잡한 비선형 시스템을 다수의 선형 시스템의 합으로 표현할 수 있으므로 기존의 선형 안정도 해석법을 적용하여 전압 안정도를 분석할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 이러한 다중 모델 기반의 대신호 전압 안정도 해석 방법을 토대로 Lyapunov 함수를 유도하고 시스템의 점근적 안정 영역을 분석한다. 이로부터 시스템 구조, 제어 방법, 그리고 시스템 변수 등에 따른 영향을 살펴봄으로써 시스템의 전압 안정도를 유지하기 위한 조건을 분석한다. 우선, 드룹 제어를 적용한 전원단 전력변환회로, 입출력 필터, 라인 임피던스, 정전력 부하로 구성된 직류 전력 시스템의 소신호 및 대신호 전압 안정도 분석을 통해 드룹 상수, 버스 커패시터, 전원과 부하의 동특성 등의 시스템 변수가 전압 안정도에 미치는 영향을 분석하였다. 그리고 다중 전원과 다중 정전력 부하로 구성된 직류 전력 시스템의 안정도 분석을 통해 시스템의 영역별 부하 분배와 전압 안정도의 관계에 대해 살펴보았다. 이를 통해 전압 안정도를 유지하기 위한 영역에 따른 부하와 전원 용량 설계가 가능할 것으로 기대된다. 또한, 대신호 전압 안정도 분석을 바탕으로 직류 전력 시스템의 소신호 및 대신호 전압 안정도를 향상시킬 수 있는 방안에 대해 논의한다. 본 연구에서는 직류 버스에 병렬 연결된 능동 댐퍼(shunt active damper)를 통한 전압 안정도 향상 방안과 전원단 전력변환회로에 적용되는 드룹 제어의 오프셋 전압에 기반을 둔 전압 안정도 향상 방안에 대해 논의한다. 병렬 능동 댐퍼는 직류 버스에 가상의 수동 댐퍼가 연결된 것처럼 동작함으로써 시스템의 버스 전압이 안정적으로 유지되도록 한다. 본 연구에서는 병렬 능동 댐퍼의 입력 임피던스 분석을 통해 병렬 능동 댐퍼를 모델링하고 고역 통과 필터와 전류 제어기의 대역폭 설계가 모델링에 미치는 영향을 살펴본다. 그리고 모델링 결과로부터 병렬 능동 댐퍼가 포함된 직류 전력 시스템의 소신호 및 대신호 전압 안정도를 분석한다. 다음으로 전원단 전력변환회로에 오프셋 전압을 적용한 드룹 제어는 직류 버스에 직렬로 연결되는 가상의 저항이 있는 것처럼 동작함으로써 시스템의 댐핑 역할을 한다. 제안된 드룹 제어는 중간 주파수 영역에서 가상 저항 역할을 하므로 저주파 대역에서 영향을 미치는 일반적인 드룹 저항과 역할에 차이가 있다. 본 연구에서는 이러한 드룹 제어가 전압 안정도에 미치는 영향을 소신호 및 대신호적으로 분석하고 점근적 안정 영역을 유도한다. 시스템의 동작을 검증하기 위해 PSIM을 이용한 모의실험을 진행하였으며, 이를 바탕으로 하드웨어 시스템 장치를 구축하여 전력 시스템의 전압 안정도를 살펴보고 제안한 제어 알고리즘을 실험적으로 검증하였다.제 1 장 서론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구의 목적 및 범위 11 1.3 논문의 구성 14 제 2 장 직류 전력 시스템의 모델링 16 2.1 개요 16 2.2 서브시스템 모델링 17 2.2.1 전원단 전력변환회로 모델링 18 2.2.2 제어 루프 모델링 20 2.2.3 정전력 부하 모델링 26 2.2.4 MPPT 제어 모드로 동작하는 전원단 전력변환회로 모델링 29 2.2.5 필터/케이블 모델링 31 2.3 대신호 분석 방법론 33 2.3.1 위상 평면 분석 방법 34 2.3.2 Mixed potential theory [71, 89-93] 34 2.3.3 Lyapunov 직접법(Lyapunov direct method) 35 제 3 장 직류 전력 시스템의 대신호 전압 안정도 해석 38 3.1 대신호 전압 안정도 해석 formulation 38 3.1.1 선형 행렬 부등식 [94] 38 3.1.2 TS 퍼지 모델 39 3.1.3 TS 퍼지 모델을 통한 안정도 해석 41 3.2 단일 전원과 단일 정전력 부하를 포함한 직류 전력 시스템에 대한 대신호 전압 안정도 해석 44 3.2.1 Hopf bifurcation point 해석 45 3.2.2 TS 퍼지 모델을 통한 대신호 전압 안정도 해석 55 3.2.3 퍼지 모델링 비교 결과 60 3.2.4 Lyapunov 함수 62 3.2.5 점근적 안정 영역 해석 결과 63 3.2.6 모의 실험 결과 68 3.3 다중 전원과 다중 정전력 부하를 포함한 직류 전력 시스템에 대한 대신호 전압 안정도 해석 73 3.3.1 Hopf bifurcation point 해석 76 3.3.2 TS 퍼지 모델을 통한 대신호 전압 안정도 해석 82 3.3.3 고차 시스템에 대한 안정 영역 추정 [97, 98] 87 3.3.4 점근적 안정 영역 해석 결과 89 3.3.5 초기 조건에 따른 모의 실험 결과 91 제 4 장 전압 안정도 향상을 위한 능동 댐핑 기법 94 4.1 병렬 능동 댐퍼를 통한 전압 안정화 96 4.1.1 구동 원리 97 4.1.2 병렬 능동 댐퍼 모델링 98 4.1.3 Hopf bifurcation point 해석 112 4.1.4 대신호 안정도 해석 및 안정 영역 추정 120 4.1.5 모의 실험 결과 129 4.2 가상 임피던스를 포함하는 드룹 제어를 통한 전압 안정화 134 4.2.1 구동 원리 134 4.2.2 소신호 분석 137 4.2.3 Hopf bifurcation point 해석 146 4.2.4 TS 퍼지 모델을 통한 대신호 전압 안정도 해석 149 4.2.5 안정 영역 추정 156 4.2.6 모의 실험 결과 158 제 5 장 실험 및 결과 162 5.1 시스템 구성 162 5.1.1 정전력 부하 실험 163 5.2 정전력 부하에 의한 전압 불안정 실험 167 5.2.1 부하 변동 실험 결과 167 5.2.2 초기 조건에 따른 실험 결과 172 5.3 병렬 능동 댐퍼를 통한 전압 안정화 176 5.3.1 실험 구성 176 5.3.2 병렬 능동 댐퍼를 적용하지 않았을 때의 결과 177 5.3.3 병렬 능동 댐퍼를 적용했을 때의 결과 179 5.4 가상 임피던스를 포함한 드룹 제어를 통한 전압 안정화 182 5.4.1 가상 저항의 크기가 0.01 Ω일 때의 결과 183 5.4.2 가상 저항의 크기가 0.025 Ω일 때의 결과 186 5.4.3 가상 저항의 크기가 0.1 Ω일 때의 결과 189 제 6 장 결론 및 향후 과제 191 6.1 결론 191 6.2 향후 과제 194 참고문헌 195 Abstract 209Docto