멀티 터미널 MVDC 배전계통에서의 분산전원 관리를 위한 DC-OPF 기반의 계층적 드룹 제어 기법 = Hierarchical Droop Control Strategy Based on DC Optimal Power Flow for Distributed Generation Management in Multi-Terminal MVDC Distribution Systems

국문 초록 (Abstract)

멀티 터미널 MVDC 배전계통은 다수의 터미널 컨버터가 동일한 DC 네트워 크에 연결되어 전압 제어와 전력 분담을 동시에 수행하며, 계통 구조의 특성상 분 산전원 출력 변동이 커질수록 전압 품질 저하와 선로 제약 위반 가능성이 증가한 다. 멀티 터미널 MVDC 배전계통의 주 제어 방법으로 채택되는 Droop 제어는 통신 의존도가 낮고 응답이 빠르다는 장점이 있으나, 정상상태에서 전압 편차가 발생하 는 한계를 가진다. 본 논문은 이러한 Droop 제어의 한계점을 해결하기 위해 DC-OPF 기반 3단계 계층적 Droop 제어 기법을 제안한다. 제안 기법은 1차 – 2차 – 3차 제어 계층으로 구성되며, 1차 Droop 제어는 로컬 Droop 특성을 통해 기본 전력 분담과 전압 안정도를 확보한다. 2차 제어는 전압 복원을 목적으로 하며, Droop 특성을 MVDC 조류해석에 포함시켜서 터미널이 1.0 pu에서 동작하도록 하 는 기준 전압을 계산하는 방법을 제시한다. 이를 통해 기준 전압 변경에 따른 전압 – 전력 특성 이동과 운전점 재이동 문제를 조류해석 기법으로 처리한다. 3차 제어 에서는 전압·선로 한계 제약을 고려한 DC-OPF를 수행하여 분산전원 출력 제한 최 소화와 전압 품질, 자원 간 공정성을 종합적으로 반영한다. 8 버스 멀티 터미널 MVDC 시험계통 시뮬레이션 결과, 제안한 2차 제어는 터미 널 전압을 1.0 pu로 복원하는 전압 기준값 산정이 한 번의 계산으로 가능함을 확인 하였고, 3차 제어는 계통의 정상 운영 및 고장 상황에서도 최적화를 수행하여 계통 을 안정적으로 운영할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A Multi-terminal Medium Voltage DC Distribution System interconnects multiple terminal converters to a common DC network, enabling simultaneous DC voltage regulation and power sharing. Due to inherent structural characteristics, increasing variability in Distributed Energy Resource (DER) generation exacerbates voltage quality degradation and increases the likelihood of violating line constraints. Droop control, widely adopted as the primary control strategy for MT-MVDC systems, offers fast response and low communication dependency; however, it intrinsically yields steady-state voltage deviations. To overcome this limitation, this paper proposes a DC Optimal Power Flow (DC-OPF)-based three-layer hierarchical droop control scheme.
The proposed method consists of primary, secondary, and tertiary control layers. Primary droop control ensures fundamental power sharing and voltage stability through local droop characteristics. The secondary control aims at voltage restoration and presents a method to compute reference voltages that force terminal operation at 1.0 pu by incorporating droop characteristics into MVDC power-flow analysis. This approach resolves the operating-point relocation issue caused by shifts in the voltage–power droop characteristic resulting from reference-voltage updates, by explicitly accounting for such effects within the power-flow formulation. In the tertiary layer, DC-OPF is performed under voltage and line-limit constraints to jointly address DER curtailment minimization, voltage quality enhancement, and fairness among resources. Simulation results on an 8-bus test system demonstrate that the proposed secondary control can determine the voltage reference values required to restore terminal voltages to 1.0 pu in a single computation. Moreover, the tertiary control reliably performs optimization under both normal and fault conditions, enabling stable system operation.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 멀티 터미널 MVDC 배전계통 제어 및 분산전원 관리의 한계 2
• 1.3 연구 목적 및 논문의 구성 4
• Ⅱ. 멀티 터미널 MVDC 배전계통 및 Droop 제어 이론 6
• 2.1 멀티 터미널 MVDC 배전계통의 기본 구조 6
• 2.1.1 MMC 기반 AC/DC 컨버터 7
• 2.2 멀티 터미널 MVDC 배전계통의 제어 기법 7
• 2.2.1 Master-Slave 제어 8
• 2.2.2 Voltage Margin 제어 9
• 2.2.3 Droop 제어 10
• 2.3 Droop 제어의 특징 및 한계점 11
• 2.3.1 계층적 제어 구조의 필요성 14
• Ⅲ. DC-OPF 기반 계층적 Droop 제어 기법 16
• 3.1 제안하는 기법의 개요 16
• 3.2 2차 제어를 위한 Droop 포함 MVDC 조류해석 17
• 3.2.1 계통 및 데이터 구성 19
• 3.2.2 도전행렬  구성 및 DC 조류 방정식 20
• 3.2.3 Droop 포함 터미널 컨버터 모델 및 전압 고정 조건 20
• 3.2.4 미지수 방정식 구성 20
• 3.2.5 뉴턴-랩슨 반복해법과 자코비안 행렬 구성 21
• 3.3 3차 제어를 위한 DistFlow 기반 DC-OPF 모델링 22
• 3.3.1 전압 편차 항의 1차 근사 23
• 3.3.2 선로 손실 항 및 선로 전류 항의 1차 근사 23
• 3.4 DC-OPF 기반 최적 설정값 산정 문제의 정식화 23
• 3.4.1 최적화 변수 24
• 3.4.2 목적함수 24
• 3.4.3 제약조건 25
• 3.5 DistFlow 기반 SLP(Sequential Linear Programming) 해법 26
• 3.6 계층적 제어의 동작 26
• Ⅳ. 시뮬레이션 및 결과 분석 28
• 4.1 시뮬레이션 구성 28
• 4.2 Case 1: 정상적인 계통 운영 상황에서의 3단계 계층적 제어 성능 검증 29
• 4.3 Case 2: 터미널 컨버터 1대 탈락 시 3단계 계층적 제어 성능 검증 32
• Ⅴ. 결론 34
• 참고문헌 36
• Abtract 38