[논문 리뷰] Mathematical Modeling of Isolated Wind-Diesel-Solar Photo Voltaic Hybrid Power System for Load Frequency Control

Bharat Pariyar, Raju Wagle|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 12.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 부하 주파수 제어(LFC)를 위한 고립형 풍력-디젤-태양광 패널 하이브리드 전력 시스템에 대한 종합적인 수학적 모델을 제시한다. 이 모델은 최대출력점 추적(MPPT) 컨버터를 갖춘 풍력 터빈, 디젤 발전기 및 태양광 패널을 통합한다. 간헐적인 재생 가능 에너지 공급과 부하 변화로 인한 주파수 편차를 안정화하기 위해 전통적인 비례-적분(PI) 제어기를 적용하여, 고립된 송전망 운영에서 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킨다.

ABSTRACT

This research presents the mathematical model of an isolated wind-diesel-solar PV hybrid power system with conventional proportional-plus-integral controllers for load frequency control (LFC). In order to enhance the reliability of the power supply, renewable sources such as wind and solar energy are integrated with diesel electric power generation system to supply the power for isolated loads. Isolated hybrid power system is designed to minimize the mismatch between supply and demand. Due to the unstable generation of power from wind, solar PV sources, and frequent change in load, there exist fluctuations of power generation and hence fluctuations also occur in system frequency and voltage. Conventional PI controllers are used for the load frequency control of the system to make the frequency deviation to an acceptable range. In this paper the complete mathematical modeling of system consisting of a wind turbine induction generator unit, a diesel engine synchronous alternator unit and solar photovoltaic (PV) panels with maximum power tracking converter is presented.

연구 동기 및 목표

• 풍력, 디젤, 태양광 패널 자원을 조합한 고립형 하이브리드 전력 시스템에 대한 세부적인 수학적 모델 개발.
• 고립된 전력 시스템에서 간헐적인 재생 가능 에너지 공급과 변동하는 부하 수요로 인한 주파수 불안정성 문제 해결.
• 시스템 주파수를 허용 가능한 범위 내로 유지하기 위해 전통적인 PI 제어기를 사용한 부하 주파수 제어(LFC) 전략 설계.
• 오프그리드 구성에서 발전과 부하 간의 불일치를 최소화하여 신뢰할 수 있는 전력 공급 보장.

제안 방법

• 활성 전력 및 무효 전력 제어를 위한 동적 방정식을 갖춘 유도 발전기 단위로 구성된 풍력 터빈 모델링.
• 주파수 조절을 위한 Excitation 및 주동기계 동역학을 포함한 디젤 엔진 동기 발전기 모델 개발.
• 최대출력점 추적(MPPT) 제어를 통해 최적의 전력 추출을 위한 태양광 패널 통합.
• 모든 구성 요소를 통합하여 부하 주파수 제어 분석을 위한 통합 시스템 모델 구축.
• 부하 변화에 대한 주파수 편차를 조절하기 위해 전통적인 비례-적분(PI) 제어기 적용.
• 부하 및 재생 가능 에너지 공급 조건이 변화하는 상황에서 전체 하이브리드 시스템의 시뮬레이션을 통해 LFC 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 송전망 운영을 위한 하이브리드 풍력-디젤-태양광 패널 시스템은 어떻게 수학적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 주파수 안정성 유지에서 풍력, 디젤, 태양광 패널 자원 간의 동적 상호작용은 어떠한가?
• RQ3 변동하는 부하 및 재생 가능 에너지 공급 조건 하에서 전통적인 PI 제어기는 주파수 편차를 얼마나 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 간헐적인 재생 가능 자원은 고립된 전력 시스템의 시스템 주파수와 전압에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 풍력 및 태양광 패널의 통합은 신뢰할 수 있는 주파수 제어를 유지하면서 디젤 의존도를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 시스템 모델은 다양한 운영 조건 하에서 풍력, 디젤, 태양광 패널 구성 요소의 동적 거동을 성공적으로 포착한다.
• 부하 및 재생 가능 에너지 공급의 변동에도 불구하고 전통적인 PI 제어기가 주파수 편차를 허용 가능한 범위 이내로 효과적으로 감소시킨다.
• 풍력 및 태양광 패널 자원의 통합은 디젤 연료 소비를 크게 줄이고 시스템 신뢰성을 향상시킨다.
• 부하 변화 및 재생 가능 에너지의 간헐성에 노출되었을 때도 시스템은 주파수 진동이 최소화된 안정된 운영을 보인다.
• MPPT 제어를 통한 태양광 패널 시스템은 최적의 전력 추출을 보장하여 전체 시스템 효율 향상에 기여한다.
• 수학적 모델은 향후 고립형 하이브리드 전력 시스템의 제어 최적화 및 실시간 시뮬레이션을 위한 기반을 제공한다.