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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이병국
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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전통적으로 다양한 전력 관리 시스템 (Power Conditioning System, PCS) 시장은 서로 독립적으로 성장해 왔으나, 최근에는 서로의 기능을 융복합 하는 방향으로 연구개발이 이뤄지고 있다. 이 가운데 비상부하에 중단되지 않고 연속적인 전력을 공급하는 무정전 전원 공급 장치 (Uninterruptible Power Supply, UPS)의 기능과 에너지 저장 시스템 (Energy Storage System, ESS)의 전력수요관리 기능이 함께 탑재된 하이브리드 ESS (Hybrid ESS, HESS)는 대표적인 융복합 PCS 모델로서 큰 관심을 받고 있다. 새롭게 열린 HESS 시장 선점을 위하여 다양한 ESS, UPS 업체들 사이의 기술 경쟁 또한 심화되고 있다.
본 논문에서는 경쟁력 있는 HESS 개발을 위하여 먼저 적합한 시스템 구성을 선정하고, 선정된 구성에 최적화된 통합 제어 알고리즘을 개발하고 검증하였다. 현재 개발되고 있는 HESS는 주로 무정전 전원 공급에 용이한 온라인 시스템 구성을 따르고 있으나, 본 논문에서는 상대적으로 시스템 단가를 낮출 수 있고 전력 효율이 우수한 오프라인 시스템 구성을 선택하여 차별성을 두었다. 동시에 다양한 전력 수요를 갖는 시장에 유연하게 대응하고, 시스템 일부의 고장으로 인하여 전체 시스템이 불능 상태가 되지 않도록 높은 여분성 (Redundancy)을 보장할 수 있는 모듈형 구성을 특징적으로 선택한다.
오프라인 구성을 갖는 HESS의 성공을 위해서는 이 구성이 갖는 UPS 기능의 단점을 제어적으로 극복하는 것이 관건이다. 본 논문에서는 계통 사고를 인지하지 못하고 있는 상황에서도 안정적으로 비상부하에 전원을 공급할 수 있도록 새로운 무순단 절체 알고리즘을 개발하여 적용하였으며, 개발된 알고리즘은 경쟁 기술대비 간단한 구조를 갖고, LCL 필터 성능의 저하가 없으며 추가적인 센서나 부품을 요구하지 않는 장점을 갖는다. 또한, HESS의 다양한 동작 모드에서 출력 전압의 주파수가 가변 되거나 그 위상이 급변하는 현상을 막기 위하여 새로운 위상 발생 알고리즘을 함께 개발한다.
종래에 오프라인 구성 HESS을 모듈형으로 구현하기 어려웠던 이유는 병렬운전과 무순단 절체를 동시에 만족하는 통합 알고리즘의 연구가 거의 이루어지지 않았기 때문이다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 무순단 절체 알고리즘과 병합이 가능한 병렬 운전 알고리즘을 개발하였다. 개발된 병렬 운전 알고리즘은 모듈 사이의 정보교환이 필요 없어 Redundancy가 높으며, 각 모듈의 전류를 직접 제어하기 때문에 부하 분배 성능이 높다. 최종적으로 완성된 통합 알고리즘은 각 모듈이 HESS의 전체 동작모드에서 항상 자신의 출력전류를 직접 제어하는 방식으로 무순단 절체 기능을 구현함으로써 동시에 전체 동작모드에서 높은 성능의 병렬운전을 가능하게 한다.
논문에서 제안하는 통합 알고리즘의 검증을 위하여 10-kW 계통연계 인버터 모듈 3대와 30-kW 양방향 DC-DC 컨버터 1대로 구성된 30-kW 모듈형 HESS 프로토타입을 제작하고 단계별 실험 결과를 바탕으로 제안하는 알고리즘의 성능을 평가한다.
본 논문에서는 경쟁력 있는 HESS 개발을 위하여 먼저 적합한 시스템 구성을 선정하고, 선정된 구성에 최적화된 통합 제어 알고리즘을 개발하고 검증하였다. 현재 개발되고 있는 HESS는 주로 무정전 전원 공급에 용이한 온라인 시스템 구성을 따르고 있으나, 본 논문에서는 상대적으로 시스템 단가를 낮출 수 있고 전력 효율이 우수한 오프라인 시스템 구성을 선택하여 차별성을 두었다. 동시에 다양한 전력 수요를 갖는 시장에 유연하게 대응하고, 시스템 일부의 고장으로 인하여 전체 시스템이 불능 상태가 되지 않도록 높은 여분성 (Redundancy)을 보장할 수 있는 모듈형 구성을 특징적으로 선택한다.
오프라인 구성을 갖는 HESS의 성공을 위해서는 이 구성이 갖는 UPS 기능의 단점을 제어적으로 극복하는 것이 관건이다. 본 논문에서는 계통 사고를 인지하지 못하고 있는 상황에서도 안정적으로 비상부하에 전원을 공급할 수 있도록 새로운 무순단 절체 알고리즘을 개발하여 적용하였으며, 개발된 알고리즘은 경쟁 기술대비 간단한 구조를 갖고, LCL 필터 성능의 저하가 없으며 추가적인 센서나 부품을 요구하지 않는 장점을 갖는다. 또한, HESS의 다양한 동작 모드에서 출력 전압의 주파수가 가변 되거나 그 위상이 급변하는 현상을 막기 위하여 새로운 위상 발생 알고리즘을 함께 개발한다.
종래에 오프라인 구성 HESS을 모듈형으로 구현하기 어려웠던 이유는 병렬운전과 무순단 절체를 동시에 만족하는 통합 알고리즘의 연구가 거의 이루어지지 않았기 때문이다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 무순단 절체 알고리즘과 병합이 가능한 병렬 운전 알고리즘을 개발하였다. 개발된 병렬 운전 알고리즘은 모듈 사이의 정보교환이 필요 없어 Redundancy가 높으며, 각 모듈의 전류를 직접 제어하기 때문에 부하 분배 성능이 높다. 최종적으로 완성된 통합 알고리즘은 각 모듈이 HESS의 전체 동작모드에서 항상 자신의 출력전류를 직접 제어하는 방식으로 무순단 절체 기능을 구현함으로써 동시에 전체 동작모드에서 높은 성능의 병렬운전을 가능하게 한다.
논문에서 제안하는 통합 알고리즘의 검증을 위하여 10-kW 계통연계 인버터 모듈 3대와 30-kW 양방향 DC-DC 컨버터 1대로 구성된 30-kW 모듈형 HESS 프로토타입을 제작하고 단계별 실험 결과를 바탕으로 제안하는 알고리즘의 성능을 평가한다.
목차
제1장 서 론 11.1 연구 배경 11.1.1 HESS 시장 배경 11.1.2 HESS 기술 배경 51.2 연구 목적 및 방법 81.3 논문의 구성 9제2장 모듈형 HESS 구성 및 동작 112.1 시스템 및 제어기 구성 112.1.1 모듈형 HESS의 시스템 구성 122.1.2 주요 제어 인자 선정 162.2 모듈형 HESS의 동작 모드 242.3 모듈형 HESS 제어 목표 31제3장 단일 모듈 HESS 무순단 절체 알고리즘 343.1 과도 상태 문제 분석 343.2 HESS에 적합한 위상 발생 알고리즘 개발 403.3 단일 모듈 HESS 무순단 절체 알고리즘 개발 483.3.1 기존 절체 알고리즘 분석 483.3.2 기존 대표 절체 알고리즘 원리 및 한계 503.3.3 HESS를 위한 무순단 절체 알고리즘 개발 53제4장 HESS의 병렬운전 및 무순단 절체 통합 알고리즘 644.1 모듈형 HESS에 적합한 병렬 운전 알고리즘 644.1.1 기존 병렬 운전 알고리즘 비교 분석 644.1.2 기존 대표 병렬 운전 알고리즘 원리 및 한계 664.1.3 모듈형 HESS를 위한 병렬운전 알고리즘 개발 704.2 모듈형 HESS 병렬운전 및 무순단 절체 통합 알고리즘 74제5장 30-kW 모듈형 HESS 프로토타입 설계 785.1 시스템 사양 785.2 10-kW 3상 인버터 설계 805.2.1 LCL 필터 설계 805.2.2 메인 반도체 소자 설계 895.3 30-kW 양방향 DC-DC 컨버터 설계 935.3.1 리엑터 설계 935.3.2 DC-Link 커패시터 설계 935.4 30-kW HESS 하드웨어 구성 96제6장 모듈형 HESS 및 제어 알고리즘 성능 검증 1006.1 기본 동작 성능 검증 1006.1.1 30-kW 양방향 DC-DC 컨버터 동작 검증 1006.1.2 10-kW 계통연계 인버터 동작 검증 1046.2 제어 알고리즘 성능 검증 1086.2.1 제안한 위상 발생 알고리즘 실험 검증 1086.2.2 제안한 병렬 운전 알고리즘 검증 1106.2.3 제안한 무순단 절체 알고리즘 검증 114제7장 결 론 116참 고 문 헌 118
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