강의노트 드룹(Droop) 제어

드룹(Droop) 제어의 개요

드룹(Droop) 제어의 필요성 및 마이크로전원들 사이 상호작용

• 마이크로그리드는 여러 개의 분산 전원들과 부하들로 구성되어 있으며, 이들을 적절히 제어함으로써 마이크로그리드를 최적으로 운전할 수 있다.
• 마이크로전원들은 태양광 및 풍력과 같은 신재생 에너지원을 가지는 급전 불가능 (non-dispatchable) 전원과 에너지 저장장치를 채용한 연료전지 및 마이크로터빈 등의 급전 가능 (dispatchable) 전원으로 구분될 수 있다.
• 급전불가능 전원은 발생된 에너지를 계통에 주입하기 위해 계통의 기준 주파수 및 전압에 상대적인 주파수 및 전압을 출력하는 그리드 추종 방식을 채용한다.
• 이에 반해 급전 가능 전원은 그리드 추종 방식 및 마이크로그리드 내 기준 주파수 및 전압을 제공하는 그리드 형성 방식을 채용할 수 있다.
• 그리드 형성 방식을 채용하는 급전 가능 전원은 안정한 운전을 위해 드룹 제어가 요구된다.
• 또한, 마이크로그리드가 빠른 통신 없이 단독 운전으로 전환하기 위해서 드룹 제어를 하는 마이크로전원들이 요구된다.
• 마이크로그리드 내 다수의 그리드 형성 방식의 급전 가능 전원들이 존재한다면, 이들 사이에서 미리 결정된 드룹 파라미터에 의해 마이크로그리드 내 기준 주파수 및 전압이 결정될 것이다.
• 그리드 추종 방식의 전원은 마이크로그리드 내 기준 주파수 및 전압에 따라 전력을 공급하기 때문에 음의 부하로 간주할 수 있다.

드룹 제어의 개념

• 드룹(Droop) 개념은 기존의 동기 발전기가 출력 증가에 따른 터빈의 회전 속도 감소를 그대로 모방한 제어 기법이다.
• 다수의 전압원형 인버터가 분산된 단독형 시스템으로 운전될 때, 각 전압원형 인버터들 사이에서 통신 없이 전력을 분배하기 위해 드룹 개념이 적용되었다.
• 이 방법을 기초로 한 마이크로 전원들이 포함된 마이크로그리드는 빠른 통신 없이 계통 연계 운전에서 단독 운전 모드로 전환하는 것이 가능하다.

드룹(Droop) 제어

드룹 제어에 관한 식은 다음과 같이 표현된다.

$$\begin{align*} \omega(t) &=\omega_{0}-k_{P}(P^* -P(t)) \\[1ex] V(t) &= V_{0}-k_{Q}(Q^* -Q(t)) \end{align*}$$

• $P^*$, $Q^*$ 는 각각 유효전력 및 무효전력의 설정치
• $P(t)$, $Q(t)$는 각각 마이크로전원의 유효전력 및 무효전력의 출력
• $\omega_{0}$와 $V_{0}$는 각각 정격 기준 주파수 및 전압
• $\omega(t)$는 마이크로그리드 내 공통 운전 주파수
• $V(t)$는 각 마이크로전원의 단자 전압
• $k_{P}$와 $k_{Q}$는 각각 $P-f$ 와 $Q-V$ 의 드룹 특성 기울기

드룹 제어에 관한 식에서 $k_{P}$와 $k_{Q}$는 다음과 같이 구해진다.

$$\begin{align*} k_{P} &=\dfrac{\omega_{\min}-\omega_{0}}{P_{\max}} \, , \quad k_{P}< 0 \\[3ex] k_{Q} &=\dfrac{V_{\min}- V_{0}}{P_{\max}} \, , \quad k_{Q}< 0 \end{align*}$$

2개의 마이크로 전원 사이의 드룹에 의한 유효 전력 분담

• $P_{1}^*$, $P_{2}^*$는 각 전압원 인버터의 유효 전력 설정치
• $\omega_{0}$, $\omega_{1}$, $\omega_{\min}$은 각각 정격 주파수, 특정 운전 주파수, 최소 운전 주파수
• $P_{\max}^1$, $P_{\max}^2$는 각 전압원 인버터의 기울기를 결정하기 위해 $\omega_{\min}$에서 출력할 수 있는 최대 용량
• $P_{\max}^{'1}$, $P_{\max}^{'2}$는 각 전압원 인버터의 유효 전력 설정치가 $P_{1}^*$, $P_{2}^*$로 설정되었을 때, $\omega_{\min}$에서 출력하게 될 최대 유효 전력 출력
• 각 전압원 인버터는 계통과 연계되어 운전시 주파수가 계통 주파수에 의해 $\omega_{0}$로 운전된다.
• 따라서, 유효 전력 설정치를 $P_{1}^*$, $P_{2}^*$로 설정하면 계통 연계 운전시 각 전압원 인버터는 각 설정치의 유효 전력을 출력하게 된다.
• 만약, 마이크로그리드가 단독으로 운전된다면, 마이크로그리드 내 부하에서 요구되는 전력이 부족하게 된다.
• 따라서, 마이크로그리드내 전압원 인버터들은 부족한 전력을 분담하여 공급하게 되고, 드룹 특성에 의해 주파수가 공통으로 $\omega_{0}$에서 $\omega_{1}$으로 감소하여 새로운 운전점을 가지게 된다.