인버터 기반 자원 투입에 따른 전력계통 영향 분석과 주파수 안정도 향상을 위한 그리드 포밍 제어 개발

국문 초록 (Abstract)

재생에너지 보급 확대에 따른 인버터 기반 자원의(Inverter Based Resource, IBR) 계통 투입에 따라 많은 문제가 발생하고 있다. 기존 상당 수의 발전량을 담당했던 동기발전기와 달리 IBR은 관성 에너지와 전압 제어를 통한 계통 안정도 증대에 한계가 있었다. 이에 따라 기존의 Grid Following Inverter(GFL) 방식의 인버터 기법에서 동기기처럼 제어하는 Grid Forming Inverter(GFM) 방식의 인버터가 화두가 되고 있다. 본 논 문에서는 GFM의 전압 및 위상각 제어를 위한 여러 기법과 Plant Model 및 Power Loop의 전달함수 및 수식을 해석하였다. Power Loop에는 위상 각을 제어하는 Acitve Power Cotrol(APC)와 전압을 제어하는 Reactive Power Control(RPC)에 대한 연구를 진행하였다. Plant Model과 Power Loop를 결합한 유효전력 SISO 모델의 나이퀴스트 분석을 통해 안정도 분석을 진행하여 정상상태에서 안정적인 운영조건을 제시하였다. 추가로, 발전기 탈락과 같은 큰 외란 상황에서 인버터 출력을 분석적 기법으로 해 석하여 개발한 인버터 제어기가 과도 상태에서 수식에 맞게 출력함을 증 명하였다. Time domain 기반 PSCAD 및 PSS/e 시뮬레이션을 활용하여 인버터의 지락사고 및 발전기 탈락 시의 과도 응답 특성을 모의하였으며 제주 계통에 GFM을 투입하였을 때 기존 GFL 대비 초기 관성 출력과 이 에 따른 계통 주파수 안정도 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As renewable energy expands, many problems are occurring due to the introduction of inverter-based resources (IBR) into the system. Unlike synchronous generators, which were responsible for a significant amount of power generation in the existing system, IBR had limitations in increasing system stability through inertial energy and voltage control. Accordingly, the Grid Forming Inverter(GFM), which is controlled like synchronous generators, is becoming a hot topic when compared to existing Grid Following Inverter(GFL). In this paper, several techniques for voltage and phase angle control of GFM is studied. In addition, transfer functions with equations of Plant Model and Power Loop were analyzed. In the power loop, research was conducted on the active power control (APC), which controls the phase angle, and the reactive power control (RPC), which controls the voltage. Stability analysis was performed through Nyquist analysis of the active power SISO model combining the plant model and power loop, and stable operating conditions were presented in a steady state. Also, it was proven that the inverter controller, which was developed by mathematically analyzing the inertial output of the inverter in a large disturbance situation such as a generator trip with using analytical techniques, outputs in accordance with the analytical equation in a transient state. Using time domain-based PSCAD and PSS/e simulations, this paper simulated the transient response characteristics of GFM in the event of ground faults and generator trip. Finally, when GFM is integrated into the Jeju system, it will contribute to improving the initial
inertial output compared to the existing GFL and the resulting system frequency stability.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 요 약 i
• ABSTRACT ii
• 차 례 · iv
• 그 림 차 례 vii
• 표 차 례 x
• 약어 xi
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 IBR 개요 ·6
• 제 1 절 GFL 및 GFM 제어 6
• 제 3 장 GFM IBR의 제어 기법 13
• 제 1 절 일반적 구조 ·13
• 1.1 Active Power Control (APC) & Reactive Power Control
• (RPC) 제어 13
• 1.2 하위 제어기 전압 제어 14
• 1.3 하위 제어기 전류 제어 15
• 제 2 절 APC 제어 16
• 2.1 Droop 16
• 2.2 Dispatchable Virtual Oscillatior Control (dVOC) 16
• 2.3 Virtual Synchronous Machine (VSM) ·17
• 2.4 Virtual Inertia (VI) 18
• 2.5 Differentiator (DT) 18
• 2.6 Integral Proportional (IP) 19
• 2.7 Nonlinear 19
• 제 3 절 RPC 제어 ·20
• 3.1 Q Droop 제어 20
• 3.2 Q Proportional Integral (PI) 제어 21
• 3.2 AC Voltage 제어 21
• 제 4 절 GFM 정상상태 출력 특성 22
• 제 5 절 GFM 외란 상황 시 출력 특성 ·25
• 5.1 발전기 탈락 사고 27
• 5.2 단상 지락 사고 28
• 5.3 Mode Shift를 통한 출력 제한 ·29
• 5.4 Frequency Overload Control (FOC) 31
• 제 4 장 GFL/GFM IBR 투입 Stability 해석 ·35
• 제 1 절 Stability 해석의 필요성 ·35
• 1.1 SCR에 따른 GFL PLL Stability 35
• 1.2 SCR에 따른 GFM Stability ·36
• 제 2 절 IBR Plant Model 구성 37
• 제 3 절 Power Loop SISO 모델 42
• 제 4 절 APC 제어기법 별 주파수 영역의 Stability 해석 45
• 4.1 제안한 DTSD 기법의 특징 45
• 4.2 DTSD 파라메터에 따른 안정도 변화 47
• 4.3 Low SCR에서의 나이퀴스트 분석 48
• 4.4 High SCR에서의 나이퀴스트 분석 ·50
• 제 5 장 SFR 모델 기반 GFL/GFM IBR 출력 특성 해석 52
• 제 1 절 SFR 모델 개요 ·52
• 제 2 절 GFL SFR 해석 ·53
• 2.1 GFL Droop Control SFR 53
• 2.2 GFL FFR Control SFR 54
• 제 3 절 GFM Droop, VSM, DTSD SFR 해석 59
• 3.1 GFM SFR 모델링 ·59
• 3.2 GFM SFR 모델 검증 ·61
• 3.3 GFM Droop with DTSD 효과 검증 ·63
• 3.4 GFM VSM with DTSD 효과 검증 64
• 제 6 장 GFL/GFM IBR 계통 투입 시의 영향 비교 65
• 제 1 절 Time-domain 툴 기반 IBR 모델링 ·65
• 1.1 Time-domian 툴 기반 IBR 모델링 ·65
• 1.2 제어기 구성 ·66
• 제 2 절 제주 실계통 개요 및 검토 시나리오 69
• 제 3 절 시뮬레이션 결과 및 해석 ·71
• 3.1 발전기 탈락 시 ESS 제어 모드 별 출력 71
• 3.2 지락사고 시 ESS 제어 모드 별 출력 73
• 3.3 RPC 제어기법 별 출력 변화 74
• 3.4 ESS 장주기 계획에 따른 GFM 적용 시 주파수 검토 76
• 제 7 장 결론 78
• [ 참고문헌 ] ·80
• [그림 차례]
• <그림 1> 전류원으로 동작하는 GFL과 전압원으로 동작하는 GFM 구조6
• <그림 2> GFL 상위 및 하위 제어기 구조 ·7
• <그림 3> GFM 상위 및 하위 제어기 구조 ·7
• <그림 4> GFL Phase Locked Loop(PLL) 구조 ·8
• <그림 5> ABC to DQ 변환 구조 10
• <그림 6> GFL 제어 블록 다이어그램 11
• <그림 7> GFM 제어 블록 다이어그램 ·12
• <그림 8> GFM 제어 기법의 분류 12
• <그림 9> 일반적인 GFM 제어블록 구조 13
• <그림 10> GFM 하위 제어기 – 전압 제어 ·14
• <그림 11> GFM 하위 제어기 – 전류 제어 ·15
• <그림 12> GFM APC 제어 – Droop Control 블록 다이어그램 16
• <그림 13> GFM APC 제어 – dVOC 블록 다이어그램 16
• <그림 14> GFM APC 제어 – VSM 블록 다이어그램 ·17
• <그림 15> GFM APC 제어 – VI 블록 다이어그램 18
• <그림 16> GFM APC 제어 – DT 블록 다이어그램 19
• <그림 17> GFM APC 제어 – IP 블록 다이어그램 19
• <그림 18> GFM APC 제어 – Nonlinear 블록 다이어그램 20
• <그림 19> GFM RPC 제어 – Q droop 블록 다이어그램 20
• <그림 20> GFM RPC 제어 – Q PI 블록 다이어그램 21
• <그림 21> GFM RPC 제어 – AC Voltage 블록 다이어그램 21
• <그림 22> 유효전력 Step 인가에 따른 P 출력 ·23
• <그림 23> 유효전력 Step 인가에 따른 RPC 제어별 Q 출력 ·23
• <그림 24> 유효전력 Step 인가에 따른 RPC 제어별 AC 전압 ·24
• <그림 25> 동일한 시스템에서 외란 발생 시 주파수 과도 현상 26
• <그림 26> PSCAD 구성된 시스템 계통 26
• <그림 27> PSS/e 구성된 시스템 계통 26
• <그림 28> 10% 부하 탈락시 PSCAD PSS/e GFM 유효전력 출력양상 27
• <그림 29> 1선 지락사고 시 PSCAD PSS/e GFM 무효전력 출력 양상 28
• <그림 30> GFM 출력 제한을 위한 Mode Shift 29
• <그림 31> Mode Shift를통한 GFM 출력 30
• <그림 32> GFM 출력량에 따른 주파수 변화 30
• <그림 33> Frequency Overload Control 및 Filter 구조 31
• <그림 34> 출력 제한에 따른 GFM 유효전력 출력 32
• <그림 35> 출력 제한에 따른 주파수 변화 ·32
• <그림 36> Filter에 따른 GFM Overshoot 비교 33
• <그림 37> 제주 계통 출력 제한에 따른 GFM 출력 ·33
• <그림 38> 제주 계통 출력 제한에 따른 주파수 변화 34
• <그림 39> GFM Plant Model의 기본 제어 구조 ·38
• <그림 40> GFM Plant Model 제어 블록 다이어그램 38
• <그림 41> GFM 임피던스 기반 등가 모델 39
• <그림 42> SCR에 따른 GFM 극점 변화 40
• <그림 43> GFM APC 제어 블록 다이어그램 ·42
• <그림 44> GFM 유/무효전력 SISO 블록 다이어그램 ·44
• <그림 45> 제안한 GFM APC DTSD 기법 45
• <그림 46> 불안정 조건인 SCR = 5.5에서 에 따른 나이퀴스트 선도
• 변화 47
• <그림 47> 불안정 조건인 SCR = 5.5에서 에 따른 나이퀴스트 선도
• 변화 ·48
• <그림 48> Low SCR에서 제어기법 별 나이퀴스트 49
• <그림 49> Low SCR에서 제어기법 별 Step Response ·49
• <그림 50> High SCR에서 제어기법 별 나이퀴스트 50
• <그림 51> High SCR에서 제어기법 별 Step Response 51
• <그림 52> SFR 제어 블록 다이어그램 ·52
• <그림 53> GFL Droop Control을 추가한 Modified SFR 모델 ·54
• <그림 54> 4가지의 관점을 고려한 FFR 제어 ·55
• <그림 55> FFR이 적용된 Time-domain 식 유도 과정 56
• <그림 56> GFL FFR 제어를 추가한 Modified SFR 모델 57
• <그림 57> FFR 자원이 투입된 PSCAD 및 MATLAB 주파수 결과 58
• <그림 58> GFM 여러 APC 제어기법을 적용한 Modified SFR 모델 ·60
• <그림 59> SFR 모델 구조 및 GFM APC 제어기 61
• <그림 60> SFR MATLAB 및 PSS/e 결과 비교 ·62
• <그림 61> Droop, Droop with DTSD 출력 결과(낮은 Droop 세팅) 63
• <그림 62> VSM, VSM with DTSD 출력 결과(높은 Damping 세팅) 64
• <그림 63> Norton 등가 모델 전환을 통한 전류원 구성 ·65
• <그림 64> Droop Control 기반 GFM 제어 구조 ·67
• <그림 65> RMS 기반의 PSS/e 툴에 구성된 GFM 제어기 구조 ·68
• <그림 66> 제주 전력시스템 구성도 70
• <그림 67> 발전기 탈락 시 ESS 제어모드 별 유효전력 71
• <그림 68> 발전기 탈락 시 ESS 제어모드 별 주파수 71
• <그림 69> 발전기 탈락 시 ESS 제어모드 별 무효전력 ·72
• <그림 70> 발전기 탈락 시 ESS 제어모드 별 전압 72
• <그림 71> 지락 사고 시 ESS 제어모드 별 무효전력 73
• <그림 72> 지락 사고 시 ESS 제어모드 별 전압 ·73
• <그림 73> 발전기 탈락 시 RPC 제어기법 별 무효전력 출력 74
• <그림 74> 발전기 탈락 시 RPC 제어기법 별 전압 74
• <그림 75> 지락사고 시 RPC 제어기법 별 무효전력 출력 75
• <그림 76> 지락사고 시 RPC 제어기법 별 전압 75
• <그림 77> 발전기 탈락 시 GFL/GFM ESS 용량 별 주파수 ·76
• <그림 78> GFL/GFM ESS 용량 별 RoCoF 비교 77