[논문 리뷰] A Dynamic Voltage Restorer (DVR) For Protecting Hybrid Grids

Khodakhast Nasiriani, Mohsen Pasandi|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Power Quality and Harmonics참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 전원 품질을 향상시키기 위해 이중 버크 DC-링크 구성의 삼상 전압원 변환기 기반 동적 전압 복원장치(DVR)를 제안한다. 시스템은 전압 낙폭, 과압 및 고조파 상황에서 전압 안정성을 유지하기 위해 이중 루프 제어 전략(PI + 히스테리시스)을 사용하여 임계 장애 상황에서도 총 고조파 분석도(THD)가 2% 미만, 전압 편차가 5% 이하를 달성하며 실시간 시뮬레이션에서 뛰어난 성능을 입증한다.

ABSTRACT

International audience

연구 동기 및 목표

• 분산 에너지 자원과 민감한 부하로 인한 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드에서의 전압 낙폭, 과압 및 고조파 왜곡을 해결한다.
• 전압 장애로 인해 시스템 신뢰성이 저하되는 하이브리드 배전 시스템의 전원 품질을 향상시킨다.
• 이중 버크 구성으로 동적 응답성을 향상시키고 DC-링크 전압 스트레스를 감소시킨 DVR을 설계한다.
• 다양한 전력 장애 조건 하에서 실시간 시뮬레이션을 통해 제안된 DVR의 효과성을 검증한다.
• 전압 낙폭/과압 사건 동안 총 고조파 분석도(THD)를 낮추고 전압 편차를 최소화한다.

제안 방법

• DC-링크 전압 스트레스를 감소시키고 에너지 효율을 향상시키기 위해 이중 버크 DC-링크 토폴로지의 삼상 전압원 변환기(VSC)를 구현한다.
• 외부 PI 전압 제어 루프를 통해 DC-링크 전압 조절을 수행하고 내부 히스테리시스 전류 제어 루프를 통해 빠른 동적 응답을 확보하는 이중 루프 제어 전략을 적용한다.
• 정상적인 전압 조절을 위한 정확한 제어를 위해 동기 기준 프레임(SRF) 기반의 dq0 변환을 사용하여 정상 순서 성분 전압을 추출한다.
• 비대칭 고장 상황에서 정상, 역상, 영상 성분을 분리하고 보상하기 위해 순서 성분 검출 알고리즘을 통합한다.
• 최소한의 고조파 분석도를 갖는 스위칭 신호를 생성하기 위해 공간 벡터 변조(SVM) 기반의 PWM 변조 방식을 적용한다.
• 실시간 디지털 시뮬레이터(RTDS)를 사용하여 삼상 및 단상 지락 고장과 같은 다양한 고장 조건 하에서 시스템을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 버크 DC-링크 구성은 하이브리드 마이크로그리드에서 DVR의 동적 성능과 전압 스트레스 처리 능력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 이중 루프 제어(PI + 히스테리시스)는 전압 낙폭 및 과압 사건 동안 전압 품질을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ3 제안된 제어 전략은 비대칭 및 비선형 부하 조건 하에서 총 고조파 분석도(THD)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 하이브리드 AC/DC 배전 시스템에서 대칭 및 비대칭 고장 상황에서 시스템은 전압 조절을 얼마나 효과적으로 유지하는가?
• RQ5 임계 장애 상황 하에서 DVR의 동적 응답 시간과 전압 편차는 각각 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 DVR은 비선형 및 비대칭 부하 조건 하에서도 출력 전압의 총 고조파 분석도(THD)가 2% 미만을 달성하였다.
• 삼상 및 단상 지락 고장 상황에서 전압 편차는 5% 이하로 유지되어 전원 품질 기준을 충족시켰다.
• 이중 버크 DC-링크 구성은 기존의 단일 버크 구성 대비 약 30%의 DC-링크 전압 스트레스 감소를 이룩하였다.
• 이중 루프 제어 전략은 10ms 이내의 동적 응답 시간을 확보하여 한 사이클 내에 전압 낙폭을 효과적으로 완화하였다.
• 시스템은 균형 및 비균형 전압 장애를 모두 보상하여 모든 시험 고장 조건 하에서도 안정된 전압을 유지하였다.
• 실시간 시뮬레이션 결과는 SRF 기반 제어와 SVM 기반 PWM이 고조파 성분을 최소화하고 전원 품질을 향상시키는 데 효과적임을 확인하였다.