추상적인
대규모 태양광 시스템은 많은 지역 전력망에서 분산 재생 에너지의 중요한 구성 요소입니다. 이러한 마이크로그리드를 관리하는 것, 특히 마이크로그리드가 메인 그리드와 상호 작용하는 방식은 쉬운 일이 아닙니다. 이를 위해서는 재생 가능 자원에 대한 정밀한 제어가 필요합니다. 본 논문에서는 마이크로그리드에 사용되는 DC-DC 컨버터의 종류를 요약하고 새로운 분류 방법을 제안한다. 이 기사에서는 DC 마이크로그리드의 DC-DC 컨버터 제어 기술을 소개하고 이러한 제어 방법의 장점과 단점에 대해 논의합니다.
전력계통에서 분산형 재생에너지의 비중이 증가함에 따라, 이 전력을 관리하는 것이 중요한 문제가 되었습니다. 이 문서에서는 다양한 전원 관리 방법을 소개합니다. 마지막으로 MATLAB/Simulink 소프트웨어를 이용하여 태양에너지, 풍력 터빈, 배터리를 포함하는 DC 마이크로그리드 시스템을 시뮬레이션하고 성능을 분석하였다.
간단히 말해서, 이 기사는 재생 가능 에너지를 사용하는 마이크로그리드를 더 잘 제어하고 관리하는 방법과 소프트웨어를 사용하여 이러한 시스템을 시뮬레이션하여 얼마나 효과적인지 확인하는 방법에 관한 것입니다.
1. 소개
마이크로그리드는 송전 손실을 줄이고 전력 전자 변환기를 그리드에 연결해야 하는 광전지 및 마이크로 터빈과 같은 기술을 포함하여 에너지 위기를 해결할 수 있습니다. 재생 에너지 기반 DC 마이크로그리드는 DC 버스바, 광전지 패널, 풍력 터빈, 전력 전자 변환기, 하이브리드 에너지 저장 시스템 및 DC 부하로 구성됩니다. DC 시스템은 다양한 전압 레벨과 고효율이라는 장점을 갖고 있으며, 에너지원, 제어 관리, 부하 적응 측면에서 DC 시스템이 매력적입니다. 그러나 DC 마이크로그리드는 에너지 전송을 개선하고 전원 공급을 보장하며 경제적인 운영을 달성하기 위한 고급 제어 방법이 필요한 일정한 전력 부하 및 펄스 전력 부하와 같은 문제에 직면해 있습니다.
그림 1. 마이크로그리드의 다양한 분류.
그림 2. 일반 DC 마이크로그리드.
그림 3. 일반적인 AC 마이크로그리드.
그림 4. 하이브리드 마이크로그리드.
그림 5. 지난 10년간 DC 마이크로그리드에 관해 출판된 논문의 연간 비율.
이 기사의 구조와 내용 배열:본 논문에서는 DC 마이크로그리드에서 DC-DC 컨버터의 토폴로지 및 제어 방식을 종합적으로 연구하여 새로운 분류를 제안하고자 한다. 다음 내용은 다음과 같습니다: 섹션 2의 DC 마이크로그리드에 대한 설명 논의; 섹션 3에서는 마이크로그리드에서 사용할 수 있는 변환기 구조 유형에 대해 자세히 설명합니다. 섹션 4에서는 DC 마이크로그리드의 DC-DC 컨버터 제어 방법에 대한 개요를 제공합니다. 섹션 5에서는 DC 마이크로그리드의 전력 관리 방법을 소개합니다. 섹션 6에서는 마이크로그리드 애플리케이션용 DC-DC 컨버터 분야의 하드웨어 개발을 소개합니다. 섹션 7에서는 일반적인 DC 마이크로그리드의 시뮬레이션 및 분석을 제시합니다. 8장에서는 결론을 제시한다.
2. DC 마이크로그리드 관련 특성
DC 마이크로그리드의 장점과 적용 시나리오:전력전자 기술이 발전하면서 DC 마이크로그리드는 높은 신뢰성과 효율성으로 주목받고 있다. DC 마이크로그리드는 주거용 애플리케이션, 전기 자동차 충전소, 데이터 센터 및 기타 분야에서 더 선호됩니다. 한편, DC 전기 부하에 대한 수요가 증가함에 따라 DC 전원을 기반으로 한 발전에 대한 연구가 매우 매력적으로 만들어졌습니다.
DC 마이크로그리드의 작동 모드:DC 마이크로그리드는 그리드 연결형과 독립형의 두 가지 작동 모드를 가지고 있습니다. 그리드에 연결되면 마이크로그리드는 DC 버스에 연결되어 전력을 보충합니다. 독립적으로 작동하는 경우 주 전력망과 동기화할 필요가 없습니다. 두 모드 모두 다양한 재생 가능 에너지원과 배터리, 슈퍼커패시터를 포함한 에너지 저장 시스템이 마이크로그리드에 연결됩니다.
DC 마이크로그리드에서 에너지 저장 시스템의 역할:배터리는 에너지 밀도가 높으며 컨트롤러는 정상 상태 전력을 생성하거나 흡수하는 데 사용됩니다. 슈퍼커패시터는 전력 밀도가 높으며 컨트롤러는 과도 전력을 생성하거나 흡수하는 데 사용됩니다. 두 가지가 마이크로그리드에서 함께 작동하여 전력 균형과 안정적인 운영을 유지합니다.
DC 마이크로그리드의 연결 및 제어에 관한 연구:배전망과 에너지 저장 시스템은 DC 링크를 사용하는 전력 전자 변환기를 통해 상호 연결됩니다. DC 마이크로그리드의 보호 문제와 솔루션에 대한 관련 연구가 진행되어 왔습니다. 또한 이 기사에서는 DC 마이크로그리드의 로컬 제어에 대한 간략한 개요를 제공하고 에너지 저장 장치를 갖춘 DC 마이크로그리드의 전체 아키텍처를 제시합니다.
3. DC 마이크로그리드의 DC-DC 컨버터 토폴로지
DC-DC 변환기의 분류 및 공통 토폴로지:DC-DC 컨버터는 비절연형과 절연형으로 구분할 수 있습니다. DC 마이크로그리드에서는 다양한 전압 변환 요구 사항을 충족하기 위해 각각 고유한 토폴로지(그림 6 참조)를 갖춘 부스트, 벅 부스트 및 벅 컨버터가 널리 사용됩니다. 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 일반적으로 DC 시스템에 사용되며, 이중 활성 브리지(DAB) DC-DC 컨버터는 양방향 전력 흐름 및 높은 전력 밀도를 지원하므로 적합한 선택입니다(개략도는 그림 7 참조). , 직렬 공진 변환기(SRC)의 토폴로지도 많은 연구자들의 관심을 끌었습니다.
그림 6. DC-DC 컨버터 토폴로지, (A) 부스트, (B) 부스트, (C) 벅 부스트.
그림 7. DAB 변환기의 회로도.
다중 포트 DC-DC 변환기의 개발 및 적용:컨버터 사용으로 인한 높은 비용과 시스템 손실 문제를 해결하기 위해 멀티 포트 DC-DC 컨버터가 등장했다. 이는 다양한 DC 부하와 전원을 유연하게 연결하고 DC 링크를 제어할 수 있는 문서(그림 8)에 언급된 다양한 토폴로지와 같은 마이크로그리드의 여러 DC 네트워크를 연결하는 데 일반적으로 사용됩니다. 또한 절연된 2단계 3포트 컨버터 토폴로지 등도 있습니다. 이러한 멀티 포트 컨버터는 여러 에너지 소스(에너지 저장 포함)를 통합하는 데 적합하며 벅 부스트 컨버터보다 전압 비율이 더 높습니다. 이는 슈퍼커패시터 전압 조절, 배터리와 슈퍼커패시터 간 전력 관리, 배터리 충전, 하이브리드 에너지 저장 시스템 통합 구현, 재생 에너지원 간의 전력 흐름 균형 조정 등 DC 마이크로그리드에 다양한 애플리케이션을 갖추고 있습니다. DC 마이크로그리드에 사용되는 컨버터는 일반적으로 절연형과 비절연형의 두 가지 범주로 나뉩니다(분류는 그림 9 참조).
그림 8. 다중 포트 변환기의 개략도.
그림 9. DC 마이크로그리드에 사용되는 DC-DC 컨버터 토폴로지 분류.
4. DC 마이크로그리드에서의 DC-DC 컨버터 제어방법
제어 방법의 중요성과 전반적인 분류:DC 마이크로그리드의 제어는 연구자들의 주요 관심사 중 하나입니다. 전체적인 제어방식은 중앙집중제어와 분산제어로 나눌 수 있습니다. 중앙 집중식 제어는 데이터 수집이 제한된 소규모 로컬 마이크로그리드에 적합하지만(제어 방식은 그림 10 참조), 분산 제어에는 중앙 컨트롤러가 필요하지 않습니다(그림 11 참조).
그림 10. 중앙 집중식 제어의 블록 다이어그램
그림 11. 분산 제어의 블록 다이어그램
비선형 제어 기술의 유형 및 특성:비선형 제어 기술에는 MPC(모델 예측 제어), SMC(슬라이딩 모드 제어), 적응 제어, 지능형 제어가 포함됩니다. 최근 몇 년 동안 많은 연구가 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 양방향 컨버터 제어 및 마이크로그리드의 전력 균형에서 MPC의 성능에 중점을 두었습니다. MPC에서 컨버터의 최적 스위칭 모드는 더 나은 성능을 달성하기 위해 비용 함수에 의해 결정됩니다(제어 방식은 그림 12 참조). SMC 제어에서 생성된 제어 입력은 빠른 응답으로 전력 전자 컨버터 스위치에 직접 작용합니다(그림 13 참조). 적응형 제어는 DC-DC 컨버터의 부하 및 입력 소스가 다양한 상황에 적합하며 제어 방법의 견고성을 향상시킬 수 있습니다(그림 14 참조). 또한 퍼지 로직 컨트롤러(FLC)를 사용하여 각 인버터의 전력을 제어하는 태양광 발전 시스템 기반의 마이크로그리드 전력 관리를 위한 새로운 제어 방법이 제안되었습니다(그림 15 참조).
그림 12. MPC 컨트롤러의 블록 다이어그램
그림 13. SMC 컨트롤러의 블록 다이어그램
그림 14. 적응형 제어의 블록 다이어그램
그림 15. DC 마이크로그리드의 컨버터 제어 방법
5. DC 마이크로그리드의 전력관리 전략
전력 관리의 중요성과 과제:DC 마이크로그리드는 원격 지역의 에너지 공급에 적합한 선택을 제공하므로 에너지 관리 방법이 많은 주목을 받았습니다. 마이크로그리드 전력 관리는 방사선 변화에 따른 태양광 시스템 출력 전력의 변동과 같은 많은 과제에 직면해 있습니다. 안정적인 고품질 에너지 공급을 보장하기 위해 전력 관리 시스템을 설계할 때 이러한 요소를 고려해야 합니다. 전력망과 독립된 마이크로그리드에서는 전력 균형을 달성하기 위해 태양광 발전 시스템, 배터리 에너지 저장 시스템(BESS) 및 기타 장치의 작동을 조정하는 것도 필요합니다.
다양한 전력 관리 시스템 및 알고리즘의 예:태양광 발전과 디젤 발전기를 주 동력원으로 하는 마이크로그리드용 배터리 에너지 관리 시스템(BEMS)은 디젤 발전기의 작동 시간을 단축하고, 태양광 전력 변동을 줄이며, 특성이 다른 다양한 유형의 배터리를 관리하고, 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. BESS 시스템의 충전 상태(SoC) 제약을 고려하면서 태양광 발전과 BESS 시스템의 전력 균형을 맞추는 데 사용되는 전력 관리 알고리즘입니다. 배터리 방전 중에 양방향 컨버터는 DC 버스 전압을 조정하며, 경우에 따라 전력 전자 컨버터는 시스템이 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 모드에서 작동하도록 지원해야 합니다(시스템 작동 모드는 그림 17 참조). 마이크로그리드의 지능형 동적 에너지 관리 시스템, 하이브리드 태양광/배터리 시스템의 전력 관리 방법, DC 마이크로그리드의 전력 흐름 제어를 위한 전력 관리 전략(PMS)이 제안되었습니다. 이 기사에서는 또한 배터리 SoC에 의해 결정되는 태양광 발전 시스템의 제한 전력 모드(LPM) 및 MPPT 모드를 포함하여 DC 마이크로그리드 전력 관리 시스템(그림 16 참조)의 다양한 작동 모드를 제시합니다(그림 16의 순서도 참조). 그림 17).
그림 16. 전력 관리 전략의 흐름도.
그림 17. 마이크로그리드 (A) 배터리 및 (B) 태양광 부품의 전력 관리 알고리즘
6. DC 마이크로그리드 하드웨어 개발 및 시뮬레이션 검증
루프 시뮬레이션에서 하드웨어 적용:물리적 시스템을 시뮬레이션 환경과 연결하는 것은 새로운 주제입니다. 마이크로그리드 연구에서는 다양한 제어 방식과 토폴로지 구조의 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 하드웨어 비교가 필요합니다. HIL(Hardware in the Loop) 시뮬레이션을 통해 DC-DC 컨버터를 사용하여 마이크로그리드를 연료전지에 연결함으로써 시뮬레이션 환경과 물리적 연료전지 시스템 간의 양방향 통신을 구현했습니다. HIL 시뮬레이션은 DC-DC 컨버터와 마이크로그리드로 구성됩니다(그림 18 참조).
그림 18. DC/DC 컨버터와 마이크로그리드에 대한 하드웨어 시뮬레이션이 수행되었습니다.
DC-DC 변환기용 하드웨어 구현 장치의 예:기사의 표 1에는 DC-DC 변환기의 하드웨어 부분을 구현하기 위해 과학 문헌에서 얻은 여러 장치가 수집되어 있습니다. 이러한 장치는 마이크로그리드에서 DC-DC 변환기의 하드웨어 개발에 대한 참조를 제공하고 DC 마이크로그리드 기술에 대한 추가 연구 및 실습을 돕습니다.
표 1. DC-DC 변환기의 하드웨어 부분을 구현하는 데 사용되는 장치.
7. DC 마이크로그리드 시스템에 대한 시뮬레이션 연구
시뮬레이션 시스템 구성 및 매개변수 설정:MATLAB 소프트웨어는 태양광발전 시스템, 영구자석 동기발전기(PMSG)를 갖춘 풍력 터빈, 배터리, 전압 조절을 위한 DC-DC 양방향 변환기 및 최대 전력점 추적(MPPT)을 포함하는 DC 마이크로그리드 시스템을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. ) 풍력 터빈 및 태양광 패널용 시스템. 구조는 그림 19에 나와 있습니다. 태양광 시스템은 직렬로 연결된 22개의 태양광 패널로 구성되며 각 패널의 최대 전력점 전압 및 전류는 30.3V 및 7.10A입니다. DC 마이크로그리드 출력은 저항성 부하를 사용하며 시스템과 구성 요소 사양은 표 2에 나열되어 있습니다.
그림 19. 연구된 DC 마이크로그리드의 블록 다이어그램.
표 2. DC 마이크로그리드 시뮬레이션에 사용된 매개변수
시뮬레이션 결과 표시 및 분석:MATLAB/Simulink 환경을 이용하여 시스템을 시뮬레이션하였고, 전체 DC 마이크로그리드의 개략도를 제공하였다(그림 20 참조). 태양광, 배터리, 풍력 터빈의 출력 곡선(그림 21 참조)과 다양한 풍속에 따른 풍력 터빈의 출력 전력 곡선(단위 값으로 표시)(그림 22 참조), 정격 및 방전 영역의 배터리(그림 23 참조), 시스템 출력 부하의 전압 및 전류 곡선(그림 24 참조). 시뮬레이션에서 풍력 터빈 시스템은 12m/s의 일정한 속도로 작동하고, 정격 풍속에서 8kW의 발전량을 가지며, 태양광 발전 시스템은 4.6kW의 정격 출력을 갖습니다. 배터리 섹션에 사용되는 양방향 변환기는 충전 및 방전 기능을 달성할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션 결과는 DC 마이크로그리드 시스템의 운영 성능을 분석하고 평가하는 데 사용될 수 있습니다.
그림 20. MATLAB/시뮬레이션 링크를 사용한 DC 마이크로그리드 시뮬레이션 모델.
그림 21. 시뮬레이션 결과는 (A) Vpv, (B) Ipv, (C) Ppv, (D) 풍력 터빈 토크 Te, Tm, (E) 풍속, (F) DC 버스 전압 및 (G)를 보여줍니다. 충전 배터리의 충전 상태(SOC)입니다.
그림 22. 시뮬레이션 결과는 다양한 터빈 속도(pu)에서의 터빈 출력 전력(pu)을 보여줍니다.
그림 23. 시뮬레이션 결과는 방전 모드에서도 배터리 전압이 정상적으로 작동할 수 있음을 나타냅니다.
Figure 24. 시뮬레이션 결과는 DC 마이크로그리드의 출력 부하(A) 전압과 DC 마이크로그리드의 출력 부하(B) 전류를 보여줍니다.
8. 요약
이 기사에서는 DC 마이크로그리드의 DC-DC 컨버터의 토폴로지, 제어 방법 및 다양한 전력 관리 시스템 전략을 포괄적으로 살펴보는 동시에 마이크로그리드의 DC-DC 컨버터에 사용되는 하드웨어도 연구합니다.
마이크로그리드의 특성 및 요구 사항:마이크로그리드의 복잡성은 기존 그리드에 대한 적합하고 신뢰할 수 있는 대안이 되기 위한 디지털 자동화 및 지능형 관리의 필요성을 결정합니다. 기술 발전을 통해 자동화된 에너지 관리를 통해 여러 구성 요소와 다양한 조건을 처리하고 신뢰성과 비용을 최적화할 수 있습니다. 마이크로그리드에서 배터리와 같은 에너지 저장 시스템을 효과적으로 활용하면 필요한 에너지를 중단 없이 공급할 수 있으며, 재생 에너지를 사용하여 지역에 전력을 공급하는 것은 환경에 유익하고 세계적으로 경제적으로 중요한 의미를 갖습니다.
DC-DC 변환기와 관련된 핵심 사항:독립형 DC 마이크로그리드에서 DC-DC 컨버터는 다양한 수준의 전압 상승 및 하강을 달성할 수 있습니다. 비절연형 컨버터는 손실이 적고 절연형 컨버터보다 더 적합합니다. 마이크로그리드에서는 컨버터를 제어하기 위한 다양한 전략이 있으며, 선형 제어 기술은 안정적인 시스템 운영을 보장할 수 없습니다. MPC(모델 예측 제어), SMC(슬라이딩 모드 제어), 퍼지 제어 등의 고급 방법이 채택되었습니다.
제어 방법 비교의 결론:기사에서는 제어 방법에 대한 포괄적인 분석과 비교가 수행되었습니다. 고급 지능형 제어 방법은 임피던스 불안정성에 대한 견고성을 갖추고 있습니다. DC 마이크로그리드의 DC-DC 컨버터에서 지능형 컨트롤러는 다른 제어 알고리즘에 비해 빠르고 정확한 성능을 제공합니다.