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Normal Operation Characteristics of 30kW Scale CVCF Inverter-Based Micro-grid System
Marito Ferreira(페레이라 마리토),Hu-Dong Lee(이후동),Dong-Hyun Tae(태동현),Dae-Seok Rho(노대석) 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.6
최근, 국 · 내외적으로 CO₂ 배출의 저감을 위한 기술적인 방안 중 하나로 도서지역의 마이크로그리드에 기 설치된 디젤발전기의 가동률을 줄이고 신재생에너지전원의 비중을 높여 운용하고 있는 실정이다. 특히, 국내에서는 가파도, 가사도, 울릉도 등의 도서지역에 디젤발전기와 신재생에너지, 전기저장장치로 구성된 독립형 마이크로그리드의 실증 및 보급 사업이 활발하게 진행되고 있으며, 기존의 디젤발전기 대신 정전압, 정주파수(constant voltage constant frequency, CVCF) 기능을 가진 CVCF 인버터 및 CVCF 인버터용 배터리를 도입하여 마이크로그리드를 안정적으로 운용하는 연구들이 진행되고 있다. 그러나, CVCF 인버터 기반 마이크로그리드의 정상상태 운용특성에 있어서, 출력이 불안정한 태양광전원과 풍력발전과 같은 신재생에너지전원이 계통에 연계되면서 전력품질에 많은 문제가 발생하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 신재생에너지전원과 전기저장장치 연계에 따른 마이크로그리드의 운용특성을 분석하기 위하여, PSCAD/EMTDC를 이용하여 30kW급 마이크로그리드 시스템을 모델링하고, 이를 바탕으로 마이크로그리드 시험장치를 구현한다. 30kW급 마이크로그리드 시스템을 바탕으로 시뮬레이션 및 시험을 수행한 결과, 제안한 방법이 CVCF 인버터 기반의 마이크로그리드 시스템에서 저전압, 과전압 및 불평형 문제를 개선하는 데 유용함을 확인하였다. Recently, for the purposes of reducing carbon dioxide(CO₂) emissions in the island area, countermeasures to decrease the operation rate of diesel generator(DG) and to increase one of renewable energy sources(RES) is being studied. In particular, the demonstration and installation of stand-alone micro-grid(MG) system which is composed of DG, RES and energy storage system(ESS) has been implemented in some island areas such as Gapa-do, Gasa-do and Ulleung-do island. However, many power quality(PQ) problems may be occurred due to an intermittent output of RES including photovoltaic(PV) system and wind power(WP) system in a normal operating of constant voltage & constant frequency(CVCF) inverter-based MG system. Therefore, this paper presents a modeling of the 30kW scale MG system using PSCAD/EMTDC, and also implements a 30kW scale CVCF inverter-based MG system as test devices to analyze normal operating characteristics of MG system. From the simulation and test results, it is confirmed that the proposed methods are useful and practical tools to improve PQ problems such as under-voltage, over-voltage and unbalanced load in CVCF inverter-based MG system.
Transient Operation Characteristics of 30kW Scale CVCF Inverter-based Micro-grid System
Marito Ferreira(페레이라 마리토),Hu-Dong Lee(이후동),Jian Shen(신건),Dae-Seok Rho(노대석) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.7
이산화탄소 배출의 저감을 위하여 도서지역의 신재생에너지전원 및 ESS의 도입이 확대되면서, 디젤발전기 대신 CVCF 인버터가 주 전원인 Micro-grid(MG) 시스템을 안정적으로 운용하는 방안들이 연구되고 있다. 그러나, CVCF 인버터 기반의 MG 시스템에서는 전체 부하보다 신재생에너지전원의 출력이 큰 경우에 에너지 Sinking(과도상태) 현상이 발생하게 된다. 이 때, CVCF 인버터용 배터리의 SOC 상태에 따라, 배터리 전압이 급격히 상승하여, 인버터의 과전압보호동작에 의해 CVCF 인버터가 탈락되어 MG 전체 계통에 정전을 유발할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 CVCF 인버터를 기반으로 한 도서지역용 MG 시스템의 안정적인 운용을 위하여, 에너지 Sinking이 발생한 경우의 운용특성을 분석하고, CVCF 인버터가 에너지 Sinking 시에 탈락되는 것을 사전에 방지할 수 있는 MG 시스템의 과도상태 운용전략을 제안한다. 또한, CVCF 인버터, 태양광전원, 수용가부하로 구성된 30kW급 MG 시스템 시험장치를 구현하여, 실 계통에서의 에너지 Sinking에 의한 CVCF 인버터 기반 MG 시스템의 과도상태 시 운용특성을 제시한다. 한편, 30kW급 시험장치와 제안한 운용전략을 바탕으로 MG 시스템의 과도상태 운용특성을 분석한 결과, CVCF 인버터용 배터리의 전압과 SOC에 따라 인버터가 탈락하는 과도상태를 사전에 방지할 수 있어, 본 논문의 유용성을 확인하였다. For the purpose of reducing carbon dioxide (CO₂) emissions in island areas, countermeasures are being studied to operate off-grid micro-grid (MG) systems in a stable manner by increasing the proportion of renewable energy sources (RES) instead of diesel generators (DG). However, in the operation of a constant-voltage and constant-frequency (CVCF) inverter-based MG system, a phenomenon of energy sinking can occur when the output of renewable energy sources (RES) is greater than customer loads in the off-grid MG system. The voltage of the battery system in the CVCF inverter of the MG system can rapidly increase depending on the state of charge (SOC), and then blackout in the entire MG system might occur due to the shut-down of the CVCF inverter. Therefore, in order to overcome these problems, this paper deals with a transient operation strategy for a CVCF inverter-based MG system to prevent the shut-down of the CVCF inverter despite the energy sinking phenomenon. Based on the transient operation strategy, we implemented a test device for a 30-kW CVCF inverter-based MG system in order to find out the transient operation characteristics related to energy sinking in the CVCF inverter. From test results based on a transient operation strategy, it was confirmed that the shut-down of the CVCF inverter can be prevented according to the SOC and voltage of the battery system in a CVCF inverter.