실시간 SCR 추정에 따른 VSG Grid Forming 인버터의 감쇠계수 유연 제어기법에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

인버터 기반 자원이 다수 연계되면서 계통의 강건도가 저하되고 있다. 이러한 환경에서 GFM(Grid Forming) 인버터는 GFL(Grid Following) 인버터에 비해 외부 전압원에 의존하지 않고 자체적인 전압원 역할을 함으로써 약 계통에서의 안정도를 향상시킬 수 있다. 그러나 기존 송전선로나 동기발전기의 탈락이나 증설 등의 이유로 계통 측 단락용량 증가하는 강계통 상황 시 계통 전압과의 기준 충돌로 인해 순환 전류와 같은 악성 상호작용이 발생할 수 있어 이에 따른 성능 저하가 발생할 수 있다. 반면 약계통 전환 시 Damping 값이 제어되지 않을 경우 유효전력 지령의 정상상태 도달 시간이 저하될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 VSG(Virtual Synchronous Generator)기반 GFM 제어방식의 감쇠계수를 계통의 SCR 조건에 따라 유연하게 조정하여 다양한 조건에서 유효전력 추종 안정성 및 정확성을 확보하고자 하였다. 연계계통의 SCR은 Micro PMU 계측 값을 기반으로 최소 제곱법을 통해 접속 지점의 Thevenin 임피던스를 실시간 추정하여 산출한다. 또한 SCR에 따른 최적 Damping 계수를 도출하기 위해 1차원 Nelder-Mead 최적화 기법을 활용하여 계통의 단락용량에 따른 최적 Damping 계수를 도출하였다. PSCAD/EMTDC 환경에서 구현된 VSG-GFM 제어시스템을 모의 계통에 연계하여 제안된 적응형 감쇠계수 방법론을 적용했을 때 유효전력 지령 변경 시 Overshoot, 정착시간, 소신호 안정도 등의 과도상태 응답의 개선을 확인하였다. 마지막으로 제안된 방법을 RTDS와 Micro PMU를 통해 구성한 Hardware In Loop System에서 적용함으로써 실시간 환경에서의 적용을 위한 개요를 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the integration of inverter-based resources (IBRs) continues to grow, power system strength is experiencing a significant decline. In such environments, Grid-Forming (GFM) inverters have demonstrated superior performance in enhancing stability within weak grids compared to Grid-Following (GFL) inverters, as they act as independent voltage sources rather than relying on external ones. However, in strong grid conditions—where short-circuit capacity increases due to factors such as the addition of transmission lines or synchronous generators, GFM inverters may encounter adverse interactions, such as circulating currents, caused by reference conflicts with the grid voltage. Conversely, in weak grid transitions, a failure to properly control damping can lead to a degradation in the settling time of active power commands. To address these challenges, this paper proposes an adaptive damping method for Virtual Synchronous Generator (VSG)-based GFM control. The proposed method dynamically adjusts the damping coefficient according to the Short Circuit Ratio (SCR) of the grid to ensure active power tracking stability and accuracy across diverse operating conditions. The grid's SCR is calculated by real-time estimation of the Thevenin impedance at the point of interconnection, utilizing the Least Squares Method based on measurements from Micro PMU. Furthermore, the one-dimensional Nelder-Mead optimization technique is employed to derive the optimal damping coefficient corresponding to the short-circuit capacity of grid. The proposed adaptive damping algorithm was implemented within a VSG-GFM control system and validated in a PSCAD/EMTDC environment. Simulation results confirmed significant improvements in transient response, including reduced overshoot, faster settling time, and enhanced small-signal stability during active power reference changes. Finally, the practical feasibility of the proposed method is demonstrated through a Hardware-In-the-Loop system consisting of an RTDS and Micro PMUs, providing a framework for real-time applications.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 iii
• 표목차 v
• 국문초록 vi
• 제 1 장 서론
• 제 1 절 연구목적과 방법론 1
• 1.1.1. 연구목적 1
• 1.1.2. 연구의 방법론 및 기여 4
• 제 2 장 본론
• 제 1 절 Grid Forming Control System 구현 5
• 2.1.1. Grid Forming Controller 5
• 2.1.1.1. GFM 제어시스템의 개요 및 목적 5
• 2.1.1.2. DQ-Frame Control 6
• 2.1.1.3. 제어 루프 구조와 기능 7
• 2.1.2. Outer Control Loop (전력 제어) 8
• 2.1.3. Inner Control Loop (전압제어 루프/전류제어 루프) 9
• 2.1.3.1. 전압 제어 루프 9
• 2.1.3.2. 전류 제어 루프 10
• 제 2 절 SCR에 따른 Damping 최적화 전략 13
• 2.2.1. SCR에 따른 GFM 제어시스템의 응답특성 13
• 2.2.2. SCR별 Damping Constant의 최적화 전략 14
• 2.2.2.1. 목적함수 정식화 14
• 2.2.2.2. 최적화 기법: 1 Dimension Nelder-Mead Algorithm 14
• 2.2.3. PSCAD-NM Algorithm 기반 최적화 결과 18
• 2.2.4. 최적화 결과의 소신호 안정도 분석 24
• 제 3 절 실시간 SCR 추정 29
• 2.3.1. Thevenin 등가회로 추정 개요 29
• 2.3.2. TE 추정 프로세스 31
• 2.3.3. Window Filter로 인한 Frame Delay 분석 33
• 2.3.4. TE 추정을 위한 시각동기 페이저 수집환경 구성 34
• 2.3.4.1. RTDS (Real Time Digital Simulator) 34
• 2.3.4.2. Micro PMU 34
• 2.3.4.3. openPDC (Open Phasor Data Concentrator)-Data Base 35
• 2.3.5. 실시간 SCR 추정 결과 36
• 제 4 절 HILS를 통한 Damping 제어기 동작 성능 검증 38
• 2.4.1. Hardware In Loop System 환경 구성 38
• 2.4.2. 시나리오 구성 39
• 2.4.3. HILS 연계 시뮬레이션 결과 41
• 제 3 장 결론 45
• 참고문헌 46
• Abstract 48