그리드 형성 인버터가 있는 마이크로그리드를 위한 플러그 앤 플레이 분산 2차 제어기

Core Concepts

본 논문은 그리드 형성 인버터 기반 마이크로그리드를 위한 분산 최적화 기반의 2차 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 각 인버터가 분산된 측정치와 통신 네트워크의 이웃 정보를 활용하여 전압 조절 및 무효 전력 공유 특성을 달성한다.

Abstract

본 논문은 그리드 형성 인버터 기반 마이크로그리드를 위한 분산 2차 제어기를 제안한다. 기존 중앙집중식 2차 제어 방식의 한계를 극복하기 위해 분산 최적화 기반의 접근법을 사용한다.

제안된 제어기는 다음과 같은 특징을 가진다:

1. 각 인버터가 분산된 측정치와 이웃 정보만을 활용하여 제어기를 합성하고 구현할 수 있어 플러그 앤 플레이 운전이 가능하다.
2. 이기종 인버터와 비대칭 선로 임피던스 환경에서 전압 조절 및 무효 전력 공유를 달성할 수 있다.
3. 인버터 간 사적 정보 공유를 최소화하여 사이버 공격에 대한 보안성을 높였다.

제안된 제어기의 성능은 실시간 하드웨어 실험을 통해 검증되었다. 실험 결과는 제안된 분산 2차 제어기의 효과성을 입증한다.

Stats

마이크로그리드 전체 유효 전력 수요가 1000kW에서 1250kW로 증가하고, 무효 전력 수요가 750kVAr에서 1125kVAr로 증가하였다.
마이크로그리드 전체 유효 전력 수요가 1250kW에서 1000kW로 감소하고, 무효 전력 수요가 1125kVAr에서 750kVAr로 감소하였다.

Quotes

"본 논문은 그리드 형성 인버터 기반 마이크로그리드를 위한 분산 최적화 기반의 2차 제어기를 제안한다."
"제안된 제어기는 각 인버터가 분산된 측정치와 이웃 정보만을 활용하여 제어기를 합성하고 구현할 수 있어 플러그 앤 플레이 운전이 가능하다."

Key Insights Distilled From

A Plug and Play Distributed Secondary Controller for Microgrids with Grid-Forming Inverters

by Vivek Khatan... at arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.19866.pdf

Deeper Inquiries

마이크로그리드 운전 중 통신 지연이나 선로 임피던스 변동이 발생하는 경우, 제안된 분산 제어기의 성능은 어떻게 달라질까?

제안된 분산 제어기는 통신 지연이나 선로 임피던스 변동과 같은 비정상적인 상황에서도 성능을 유지할 수 있도록 설계되었다. 특히, 이 제어기는 각 GFM IBR(그리드 형성 인버터)이 로컬 측정값만을 사용하여 업데이트를 수행하므로, 통신 지연이 발생하더라도 각 IBR은 독립적으로 작동할 수 있다. 그러나 통신 지연이 심각할 경우, 각 IBR의 상태 정보가 최신 상태가 아닐 수 있으며, 이로 인해 전압 조정이나 재생 가능 에너지 자원의 반응 속도가 느려질 수 있다. 또한, 선로 임피던스의 변동은 전력 흐름과 전압 강하에 영향을 미쳐, 전반적인 전압 조정 및 재생 가능 자원 간의 반응 속도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 상황에서는 제어기의 성능이 저하될 수 있으며, 이를 보완하기 위해 추가적인 알고리즘이나 보정 메커니즘이 필요할 수 있다.

제안된 분산 제어기 외에 마이크로그리드의 2차 제어를 위한 다른 접근법은 무엇이 있을까?

마이크로그리드의 2차 제어를 위한 다른 접근법으로는 중앙 집중식 제어, 리더-팔로워 제어, 그리고 비례-적분(PI) 제어기 기반의 접근법이 있다. 중앙 집중식 제어는 모든 GFM IBR의 정보를 수집하여 단일 제어기로부터 명령을 내리는 방식으로, 시스템의 복잡성이 증가할 수 있지만, 전반적인 성능을 높일 수 있다. 리더-팔로워 제어는 특정 IBR이 리더 역할을 하여 다른 IBR들이 이를 따르는 방식으로, 단일 실패 지점에 취약할 수 있다. 비례-적분(PI) 제어기는 각 IBR의 전압 및 주파수를 조정하기 위해 평균화 동역학을 사용하는 방법으로, 분산 방식으로 구현할 수 있지만, 중앙 집중식 설계가 필요하다. 이러한 접근법들은 각각의 장단점이 있으며, 특정 마이크로그리드의 요구 사항에 따라 적절한 방법을 선택해야 한다.

마이크로그리드 2차 제어 문제를 해결하는 데 있어 분산 최적화 기반 접근법이 가지는 장단점은 무엇일까?

분산 최적화 기반 접근법의 장점은 다음과 같다. 첫째, 각 GFM IBR이 로컬 측정값만을 사용하여 독립적으로 작동할 수 있어, 통신 대역폭을 절약하고 정보의 프라이버시를 보호할 수 있다. 둘째, 이 접근법은 플러그 앤 플레이 기능을 제공하여 새로운 IBR이 쉽게 네트워크에 추가될 수 있다. 셋째, 다양한 제어 목표를 달성할 수 있는 유연성을 제공한다. 반면, 단점으로는 각 IBR의 로컬 정보만을 기반으로 하므로, 전체 시스템의 글로벌 최적화가 어려울 수 있으며, 통신 지연이나 네트워크의 동적 변화에 민감할 수 있다. 또한, 분산 최적화 문제의 수렴 속도가 느릴 수 있으며, 이로 인해 시스템의 응답성이 저하될 수 있다. 이러한 장단점을 고려하여, 특정 마이크로그리드의 요구 사항에 맞는 최적의 제어 전략을 선택하는 것이 중요하다.