[논문 리뷰] Modeling of microgrids|from fundamental physics to phasors and voltage sources

Johannes Schier, Daniele Zonetti외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 01.

Microgrid Control and OptimizationEngineering참고 문헌 93인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 기본 전자기 원리에서 시작하여 삼상 인버터 기반 마이크로그리드를 위한 축소된 순서 모델의 체계적이고 물리 기반의 유도를 제시한다. 가정들이 어떻게 표준 표현 방식인 제어 가능한 전압원과 정적 네트워크 구성 요소로 이어지는지를 보여주며, 널리 사용되는 마이크로그리드 모델의 물리적 기반을 명확히 하는 투명하고 모듈러한 프레임워크를 제공한다. 이는 제어기 설계 및 시스템 이해를 향상시킨다.

ABSTRACT

Microgrids are an increasingly popular class of electrical systems that facilitate the integration of renewable distributed generation units. Their analysis and controller design requires the development of advanced (typically model-based) techniques naturally posing an interesting challenge to the control community. Although there are widely accepted reduced order models to describe the dynamic behavior of microgrids, they are typically presented without details about the reduction procedure|hampering the understanding of the physical phenomena behind them. The present paper aims to provide a complete modular model derivation of a three-phase inverter-based microgrid. Starting from fundamental physics, we present detailed dynamical models of the main microgrid components and clearly state the underlying assumptions which lead to the standard reduced model representation with inverters represented as controllable voltage sources, as well as static network interconnections and loads.

연구 동기 및 목표

• 일반적으로 사용되지만 거의 처음부터 유도되지 않는 축소된 순서 마이크로그리드 모델의 투명성 부족 문제를 해결한다.
• 인버터를 제어 가능한 전압원으로 표현하는 데로 이르는 물리적 가정과 단순화 조건을 명확히 한다.
• 인버터, 부하, 네트워크 연결 등 마이크로그리드의 핵심 구성 요소에 대한 동적 모델의 완전하고 모듈러한 유도를 제공한다.
• 세부 물리적 동역학과 제어 설계 및 안정성 분석에서 사용되는 단순화된 모델 사이의 격차를 메운다.
• 구성 요소 수준의 물리 법칙과 시스템 수준의 축소된 순서 표현 간의 명시적 연결을 통해 마이크로그리드 행동에 대한 이해를 향상시킨다.

제안 방법

• 기본 전자기 법칙과 키르히호프의 법칙에서 출발하여, 파wr 전자기기와 제어 루프를 포함한 삼상 인버터의 세부 동적 모델을 유도한다.
• 균형 잡힌 삼상 작동, 소신호 동역학, 분리된 d-q 기준 프레임 변환과 같은 핵심 단순화 가정을 도입하고 그 타당성을 설명함으로써 축소된 순서 모델로 이행한다.
• 대칭 성분과 dq0 변환을 적용하여 삼상 시스템을 독립적인 d-축 및 q-축 동역학으로 선형화하고 분리한다.
• 축소 모델에서 인버터를 제어 가능한 전압원으로 표현하며, 이가 기저의 제어 구조와 스위칭 동역학으로부터 어떻게 유도되는지 보여준다.
• 네트워크 구성 요소와 부하를 표준 마이크로그리드 모델링 관행과 일치하는 정적 어미턴스 또는 일정 전력 요소로 모델링한다.
• 모듈러 분해를 통해 각 구성 요소의 기여를 분리하고 분석함으로써 체계적인 모델 축소 및 검증을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기학 및 회로 이론의 기본 물리 법칙이 어떻게 제어 가능한 전압원을 갖춘 표준 축소된 순서 마이크로그리드 모델로 이어지는가?
• RQ2 세부 인버터 동역학에서 제어 가능한 전압원 표현으로 전이하기 위해 필요한 특정 가정과 단순화 조건은 무엇인가?
• RQ3 인버터, 부하, 네트워크 요소 등의 개별 구성 요소의 동적 거동이 전체 마이크로그리드 모델을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 축소 모델에서 네트워크와 부하를 정적 요소로 표현하는 데에 기반하는 물리적 및 수학적 근거는 무엇인가?
• RQ5 유도 과정을 어떻게 모듈러하고 투명하게 만들 수 있을까? 이는 제어기 설계 및 시스템 분석을 지원할 수 있다.

주요 결과

• 균형 잡힌 작동과 소신호 동역학과 같은 핵심 가정을 적용할 때, 세부 물리 모델링에서 표준 축소된 순서 마이크로그리드 모델이 자연스럽게 유도된다.
• dq0 변환과 대칭 성분은 삼상 동역학을 독립적인 d-축 및 q-축 구성 요소로 분리함으로써 분석과 제어 설계를 단순화시킨다.
• 인버터의 전압원 표현은 출력 전압을 엄격한 허용 오차 범위 내에서 유지하는 빠른 내부 전류 제어 루프 존재로 인해 정당화된다.
• 네트워크 및 부하의 정적 모델은 인버터 제어 대역폭에 비해 느린 동역학을 가정할 경우 유효하며, 시간 평균 또는 정적 상태 근사가 가능하다.
• 모듈러한 유도 과정은 각 모델 단순화의 물리적 기원을 명확히 드러내어 축소 모델에 대한 해석 가능성과 신뢰도를 향상시킨다.
• 이 프레임워크는 체계적인 모델 검증 및 드롭-컨트롤 또는 고립형 시스템과 같은 더 복잡한 마이크로그리드 구성으로의 확장 기반을 제공한다.