드룹제어 기반의 양극성 직류 마이크로그리드를 위한 계층적 제어와 인공신경망을 이용한 에너지 관리기법 :An Energy Management Method using ANN and Hierarchical Control for Bipolar DC Microgrid based on Droop Control

김성훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성훈 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 원충연, 이준신

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

드룹제어 기반의 양극성 직류 마이크로그리드를 위한 계층적 제어와 인공신경망을 이용한 에너지 관리기법

김성훈 전자전기컴퓨터공학과 2023.01 학위논문

2021

양극성 배전망의 특성을 고려한 드룹제어 기반의 계층적 제어구조에 관한 연구

김성훈 , 변형준 , 김시환 외 2명 한국조명·전기설비학회 학술대회논문집 2021.11 학술대회자료

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최근 지구온난화에 따라 재생에너지원의 연계가 용이하고 교류 마이크로그리드보다 효율이 높은 직류 마이크로그리드에 대한 관심이 증가하고 있다. 직류 마이크로그리드에서 3개의 버스를 가지고 2개의 전압 레벨 사용이 가능하고 신뢰성이 높은 양극성 마이크로그리드에 대한 연구가 다양하게 진행 되어왔다.
본 논문에서는 이러한 양극성 직류 마이크로그리드의 구성요소들을 분산제어와 중앙제어의 장점이 결합된 계층적 제어구조를 기반으로 하는 제어구조를 제안하였다. 각 구성요소들의 내부제어루프를 시스템 모델링 기반으로 제어기를 설계하고 안정도를 분석하였으며 배터리와 PV 모델링을 통해 높은 정확도의 양극성 마이크로그리드 모델을 설계하였다. 또한 양극성 마이크로그리드의 특성을 기반으로 하는 3개의 버스를 가진 새로운 드룹제어를 제안하였다. 제안한 드룹제어는 각 버스의 병렬운전뿐만 아니라 3개버스의 전력 분배를 수행한다. 직렬로 연결된 드룹제어 특성으로 인해 등가회로를 기반으로 출력 전류 관계식을 분석하고 드룹제어를 설계하였다. 또한 전력 품질 개선을 위해 2차제어를 설계하기 위해서 평형부하와 불평형 부하가 포함된 등가모델을 기반으로 분석 및 설계를 하였다.
추가적으로 계층적 제어구조에서 사용되는 low bandwidth communication (LBC)을 통한 통신 지연 성분에 의해서 발생하는 시스템 불안정성을 분석하기 위해서 양극성 마이크로그리드의 제어 모델을 기반으로 통신지연 성분의 지연 시간의 범위를 분석하고 3차제어를 위해 드룹계수 가변범위도 함께 분석하여 안정영역 내에서 설계를 진행 하였다.
분산제어의 단점을 보완하고 양극성 마이크로그리드의 효율적인 에너지 관리를 위해서 3차제어 구조에서 EMS를 제안하였다. 배터리의 SOC를 기반으로 ESS와 DAB 컨버터의 입출력 전력을 제어하여 적정 SOC를 유지하는 드룹계수 가변제어 기법을 제안하였다. 하지만 복잡한 알고리즘이 필요하기 때문에 인공 신경망(ANN)을 이용하여 제안하는 알고리즘을 구현하였고 MATLAB을 이용하여 Off-line 트레이닝을 수행 하고, 트레이닝 데이터를 기반으로 실제 시스템에서 실시간으로 제어하는 On-line 제어를 수행하였다.
제안한 내용을 검증하기 위해서 PLECS 기반의 양극성 직류 마이크로그리드 테스트 베드의 모의 실험 결과를 통해 검증하였으며 실제 실험을 진행하기 위해서 양극성 마이크로그리드 Lab-scale의 Test-bed를 제작하였다. 구성요소들의 하드웨어 및 통신 시스템을 설계하였고 이를 기반으로 구성요소 단독운전 및 연계실험을 통해서 제안하는 계층적 제어구조를 검증하였다.

As renewable energy sources (RESs), e.g., photovoltaic, fuel cells, and energy storage systems (ESSs) are widely used, and research on DC microgrids (MGs) that have flexibility and efficiency is rapidly increasing. In particular, DC MG has several advantages including no reactive power, synchronization issues, and harmonics. DC MGs are classified into unipolar and bipolar types. The unipolar DC MG has a single voltage level, and the bipolar DC MG has two voltage levels with three wires and the bipolar type has high reliability and flexibility.
This paper proposes a control structure based on a hierarchical control. The internal control loops of converters are designed based on system modeling and the stability analysis. The lithium ion battery and PV modeling are designed for the bipolar DC MG. In addition, this paper proposes novel droop for PN, PO, ON buses based on the characteristics of bipolar DC MG. In the proposed droop controls, not only parallel operation of PN, PO, ON buses but also power sharing of three buses are performed. Due to the droop control characteristics connected in series, the output currents are analyzed based on the equivalent circuit with the droop controls. In order to design the secondary control for improvement of power quality, the analysis and design are performed based on the equivalent model including the balanced and unbalanced loads.
In addition, to analyze the system stability caused by the communication delay through low bandwidth communication (LBC) in the hierarchical control loop, the time delay of LBC is analyzed based on the control model of the bipolar DC MG. The variable range of the droop coefficient is also analyzed.
In order to compensate for the disadvantages of distributed control, EMS is proposed in tertiary control for efficient energy management of bipolar DC MG. Based on the SOC of the battery, a variable droop coefficient control method is proposed to maintain an appropriate SOC by controlling the input/output power of the ESS and DABs. Since a complex algorithm is required, an artificial neural network (ANN) is used for EMS, and off-line training using MATLAB is performed, and on-line control is performed in real time with TMS320F28377s.
The proposed control method is verified through simulation results based on the bipolar DC MG using PLECS. In addition, a lab-scale test-bed of the bipolar DC MG is used for experimental results. The hardware and communication system of bipolar DC MG are designed, and the proposed hierarchical control is verified through variable experimental results.

#양극성 직류 마이크로그리드 #드룹제어 #계층적 제어구조 #에너지 관리 시스템 #인공신경망 #안정도 해석

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 기존 연구 사례 및 한계점 5
1.3 연구 목적 및 방법 12
1.4 본 논문의 구성 13
제 2 장 드룹제어 기반의 양극성 직류 마이크로그리드 구성요소 설계 15
2.1 양극성 직류 마이크로그리드 구성요소 소개 15
2.2 3상 PWM 컨버터 모델링 및 제어기 설계 17
2.3 IPOS DAB 컨버터 모델링 및 제어기 설계 25
2.4 배터리와 ESS용 양방향 부스트 컨버터의 모델링 및 제어기 설계 34
2.5 PV와 PV용 부스트 컨버터의 모델링 및 제어기 설계 45
제 3 장 제안하는 양극성 직류 마이크로그리드의 1차 2차 제어 분석 및 설계 48
3.1 드룹제어 기반의 양극성 마이크로그리드 특성 분석 48
3.2 드룹제어 기반의 양극성 직류 마이크로그리드 전압강하 성분 보상방법 52
3.3 양극성 직류 마이크로그리드 1차, 2차제어 분석 및 설계 54
3.4 계층적 제어구조의 통신지연성분과 드룹계수 가변범위 분석 59
제 4 장 제안하는 양극성 직류 마이크로그리드의 계층적 제어구조 65
4.1 3차제어를 이용한 SOC 기반의 드룹계수가 가변제어기법 65
4.2 ANN기반의 3차제어를 위한 EMS 알고리즘 68
4.3 제안하는 양극성 직류 마이크로그리드의 전체 구성도 및 제어 블록도 90
제 5 장 제안된 시스템 하드웨어 및 통신 시스템 설계 92
5.1 3상 AC/DC PWM 컨버터 하드웨어 설계 92
5.2 DAB 컨버터 하드웨어 모듈 설계 96
5.3 ESS, PV 컨버터 하드웨어 설계 100
5.4 양극성 직류 마이크로그리드 구성요소 설계 107
5.5 양극성 직류 마이크로그리드 모니터링 시스템 구성 110
5.6 제안하는 양극성 직류 마이크로그리드 CAN 통신 시스템 구성 112
제 6 장 시뮬레이션 결과 130
6.1 양극성 직류 마이크로그리드 구성요소 단독운전 시뮬레이션 131
6.2 계층적 제어구조 기반의 양극성 마이크로그리드 연계운전 시뮬레이션 148
제 7 장 실험 결과 154
7.1 제안하는 양극성 직류 마이크로그리드 시스템 구성 154
7.2 3상 AC/DC 컨버터의 단독운전 실험결과 157
7.3 3상 IPOS DAB 컨버터 모듈의 단독운전 실험결과 161
7.4 ESS 컨버터의 단독운전 실험결과 165
7.5 PV 컨버터의 단독운전 실험결과 166
7.6 드룹제어 기반의 1차, 2차제어를 적용한 양극성 마이크로그리드의 연계운전 168
7.7 ANN을 이용한 계층적 제어구조를 적용한 양극성 마이크로그리드의 연계운전 176
제 8 장 결 론 182
참 고 문 헌 184
부 록 191

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