2.1 DC 마이크로그리드의 구성 및 제어

그림 1은 다수의 ESS가 연계된 계통 연계형 DC 마이크로그리드를 나타낸다. DC 마이크로그리드의 구성요소로는 AC 계통, 태양광 발전과 같은 신재생 에너지원, 다수의 ESS 및 일정 전력 부하가 있다. 이러한 요소들은 전력변환 장치를 통해 하나의 DC 배전망에 연계된다. 구성 요소 중 DC 배전망의 전압을 제어할 수 있는 AC 계통과 연계된 AC/DC 컨버터와 ESS에 연계된 양방향 DC/DC 컨버터는 일반적으로 드룹 제어가 적용되어 DC 마이크로그리드가 운영된다. 드룹 제어가 적용된 컨버터의 출력 전압 지령($V_{out}^{*}$)은 공칭 전압($V_{nom}$), 드룹 계수($R_{d}$) 및 출력 전류($I_{out}$)를 이용하여 식 (1)과 같이 나타낸다.

2.2 SoC기반 드룹 제어 기법

기존 DC 마이크로그리드에 연계된 다수의 ESS의 SoC 밸런싱을 위해 SoC에 따라 드룹 계수를 변화하여 충·방전 전류를 제어하였다. 해당 제어 기법의 드룹 계수는 초기 드룹 계수($R_{o}$)와 SoC를 이용하여 식 (2)와 같이 표현된다.

방전 모드의 경우 동작이 진행됨에 따라 SoC가 감소하여 드룹 계수가 증가하여 방전 전류가 감소하게 된다. 다수의 ESS의 드룹 계수는 SoC에 따라 드룹 계수가 다르게 형성되며 SoC가 높은 장치는 많은 방전 전류가, SoC가 낮은 장치는 적은 방전 전류가 흐르게 되어 SoC 밸런싱을 이루게 된다. 충전 모드의 경우도 동일한 원리에 의해 SoC 밸런싱을 이룬다. 하지만 해당 제어 기법은 각 모드에서 SoC가 증가하거나 감소함에 따라 드룹 계수가 급격하게 변화하기 때문에 시스템 안정도에 영향을 끼치는 문제가 있다.

3.1 모드별 동작 원리

3.1.1 Discharge Mode

발전량이 부하량보다 적은 경우 배전망은 부족 전력 상태이기 때문에 ESS의 출력 전압은 선정된 공칭 전압보다 아래에 존재하게 되며 그로 인해 방전 동작이 수행된다. 해당 모드에서 다수의 ESS의 SoC 밸런싱을 위해 제안하는 SoC 기반 옵셋 전압 주입 드룹 제어가 적용되며 출력 전압, 공칭 전압, SoC의 상·하한치($So C_{max}$,$So C_{min}$) 및 SoC가 고려된 옵셋 전압 수식은 식 (5)와 같이 표현된다.

(5)

$\Delta V_{offset.dis}=\left(V_{nom}-V_{ESS.n}\right)\left(\dfrac{So C_{max}-So C_{ESS.n}}{So C_{max}-So C_{min}}\right)$

방전 동작이 진행됨에 따라 ESS의 SoC가 SoC 상한치에서 SoC 하한치로 감소하는 경우 식 (5)에 의해 옵셋 전압의 크기는 증가하며 드룹 제어에 음의 옵셋으로 주입된다. 증가하는 옵셋 전압 값에 의해 각 ESS의 드룹 곡선의 y 절편은 출력 전압에 가까워지며 그로 인해 방전 전류는 감소하게 된다. 해당 동작이 진행됨에 따라 변화하는 드룹 곡선은 그림 3과 같다. 제안된 기법이 적용된 각각의 ESS에서 SoC가 높은 장치는 많은 전류를 SoC가 낮은 장치는 적은 전류를 방전하여 시간이 지남에 따라 SoC 밸런싱이 이뤄진다. 또한 SoC가 하한치에도달한 경우 드룹 곡선의 y 절편은 출력 전압과 동일한 값이 되도록 옵셋 전압이 형성되고 추가적인 회로 차단 알고리즘 없이 방전 전류는 0으로 제한되어 과방전을 방지할 수 있다.

Fig. 3. Droop curve shifting in discharge mode

3.1.2 Charge Mode

발전량이 부하량보다 많은 경우 배전망은 잉여 전력 상태이기 때문에 ESS의 출력 전압은 선정된 공칭전압보다 높게 존재하게 되며 그로 인해 충전 동작이 수행된다. 충전 모드에서 SoC 밸런싱을 위해 적용되는 옵셋 전압 수식은 식 (6)과 같이 표현된다.

(6)

$\Delta V_{offset.cha}=\left(V_{nom}-V_{ESS.n}\right)\left(\dfrac{So C_{ESS.n}-So C_{min}}{So C_{max}-So C_{min}}\right)$

충전 동작이 진행됨에 따라 ESS의 SoC가 SoC 하한치에서 SoC 상한치로 증가하는 경우 식 (6)에 의해 옵셋 전압의 크기 또한 증가하게 되며 드룹 제어에 양의 옵셋으로 주입된다. 증가하는 옵셋 전압 값에 의해 ESS의 드룹 곡선의 y 절편은 공칭 전압보다 높게 위치한 출력 전압에 가까워지며 그로 인해 충전 전류는 감소하게 된다. 그림 4는 해당 동작이 진행됨에 따라 변화하는 드룹 곡선을 나타낸다. 각각의 ESS는 SoC 상태에 따라 다르게 형성되는 옵셋 전압에 의해 충전 전류가 제어되어 SoC가 낮으면 많은 전류를 SoC가 높으면 적은 전류를 충전하여 SoC 밸런싱 동작이 수행된다. 또한 충전 동작이 지속되어 SoC가 증가함에 따라 SoC 상한치에 도달 한 경우 충전 전류는 0으로 제한되어 과충전을 방지 할 수 있다.

Fig. 4. Droop curve shifting in charge mode

3.2 시스템 안정도 판별

기존 제안된 기법과 제안하는 기법의 비교를 위해 시스템 안정도 분석을 진행하였다. 제안하는 기법이 적용된 ESS는 전력변환 장치로 양방향DC/DC 컨버터가 사용된다. 해당 컨버터 전류 제어 시스템의 폐루프 전달함수($T_{cc}(s)$)는 모델 기반 보상 및 설계를 통해 식 (7)과 같이 1차 저역 통과 필터로 단순화하여 표현할 수 있으며 제어기의 이득 값 선정을 통해 대역폭($\omega_{cc}$)을 설정할 수 있다⁽¹¹⁾.

그림 2를 기반하며 1차 저역 통과 필터 형태로 단순화된 전류 제어 폐루프 전달함수와 제안하는 기법 및 일정 전력 부하($R_{cpl}$)를 추가한 시스템 제어 블록 도는 그림 5와 같이 표현할 수 있다.

해당 시스템의 제어 블록 도에서 출력 전류($I_{ESS}$), 출력 전압($V_{ESS}$) 및 저역 통과 필터에서 출력되는 옵셋 전압($\Delta V_{offset}$)을 상태로 갖는 상태 공간 모델을 추출할 수 있다. 상태 공간에서 표현된 시스템의 경우 시스템의 극점과 동일한 시스템 행렬 A의 고유치를 구하여 s-평면에서 위치를 확인함으로써 안정도를 판별할 수 있다⁽¹²⁾. 제안하는 기법이 적용된 시스템은 SoC의 변화에 의해 움직이는 극점의 위치 확인을 통해 안정도 분석을 진행하였다. 기존 기법과 비교를 위해 SoC에 따라 드룹 계수가 변화하는 제어 기법 또한 안정도 분석을 진행하였다.

표 1의 파라미터에 따른 시스템 모델을 이용하였으며 제안하는 기법과 기존 기법의 방전 모드 대한 안정도 분석을 진행하였다. 그림 6(a)는 ⁽⁷⁾에서 제안된 기존 SoC 운영범위를 고려한 SoC 밸런싱 기법에서 변화하는 드룹 계수에 의한 시스템 극점 변화를 나타내며 그림 6(b)는 제안하는 기법을 적용한 경우 SoC에 따라 변화하는 옵셋에 의한 극점 변화를 나타낸다. 기존 기법의 경우 분수 함수로 나타내지는 드룹 계수가 SoC 감소로 인해 급격히 증가하는 구간에서 시스템 극점이 좌반면에서 우반면으로 이동하여 시스템이 불안정해지는 것을 알 수 있다. 하지만 제안하는 기법이 적용된 경우에는 SoC 변동에 따른 극점의 변화가 매우 작기 때문에 시스템 극점은 초기 설계치인 좌반면에 위치하게 되며 모든 구간에서 시스템이 안정한 것을 알 수 있다. 과도응답 특성의 경우 시스템 지배극점이 동작이 진행됨에 따라 원점에 가까워지는 형태를 갖는 것을 바탕으로 시스템 과도응답 특성은 느려진다는 것을 알 수 있다. 하지만 실제 ESS의 SoC는 일반적으로 매우 느린 동특성을 갖기 때문에 느려지는 과도응답 특성에 많은 영향을 받지 않는다.

Fig. 5. Control block diagram of proposed method

Fig. 6. Stability analysis comparison between conventional and proposed methods

4.1 시뮬레이션

제안하는 기법은 PSIM Software를 통해 증명하였다. DC 마이크로그리드의 구성은 그림 1과 같다. 또한 제안된 기법은 표 1의 파라미터로 설계된 ESS 2대에 적용하였다. 각 구성 요소들의 정격 용량은 표 2와 같다.

그림 7(a)는 ESS 방전 모드의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 해당 모드에서는 발전량이 부하량보다 낮아 배전망의 전력 상황은 부족 전력 상태로 배전망 전압이 선정된 공칭전압(380V)보다 낮게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 두 개의 ESS는 모두 방전동작을 수행하며 서로 다른 초기 SoC(80%, 60%)로 인해 옵셋 전압이 다르게 형성되어 다른 방전 전류의 크기를 갖게 된다. SoC가 높은 모듈은 많은 전류를, SoC가 낮은 모듈은 적은 전류를 방전하는 것을 확인할 수 있으며 시간이 지남에 따라 밸런싱 동작이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 또한 SoC 하한치(20%)에 도달한 경우 방전 전류는 0으로 제한되어 과방전이 방지되는 것을 확인할 수 있다.

그림 7(b)는 ESS 충전 모드의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 방전 모드와 다르게 해당 모드는 발전량이 부하량 보다 많기 때문에 배전망 상황은 잉여 전력 상태로 배전망 전압이 공칭전압보다 높게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 때문에 ESS는 충전 모드로 동작하고 초기 SoC(40%, 20%)를 다르게 설정하였으므로 제안된 기법의 옵셋 전압 또한 각각 다른 값으로 주입된다. 그로 인해 SoC가 높은 모듈은 적은 전류를 SoC가 낮은 모듈은 많은 전류를 충전하여 SoC 밸런싱 동작을 이루게 된다. 또한 SoC 상한치(80%)에도달한 경우 충전 전류는 0으로 제한되어 과충전이 방지되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7. Simulation results of the proposed SoC balancing method

그림 8은 기존 기법과 비교를 위해 진행된 시스템 안정도 분석과 동일한 조건의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 그림 8(a)는 기존 기법을 적용한 시뮬레이션 결과를 나타내며 이 경우 SoC 밸런싱 동작은 제대로 수행되는 것으로 보이나 방전 동작이 진행됨에 따라 SoC가 감소로 인해 드룹 계수가 증가하는 경우 특정 시점 이후에 시스템이 불안정 해지는 것을 알 수 있다. 그림 8(b)의 경우 제안하는 기법이 적용되어 SoC 밸런싱 동작이 수행되고 드룹 계수가 변화 하지 않기 때문에 모든 영역에서 시스템이 안정한 것을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.

Fig. 8. Simulation comparison between conventional and proposed methods

4.2 실 험

실험을 통해 제안하는 기법을 증명하기 위해 그림 9와 같이 실험 세트를 구성하였으며, 실험 파라미터는 표 2와 같이 시뮬레이션 파라미터와 동일하다. ESS의 경우 컨버터에 시뮬레이터 프로그램을 적용하여 가상 SoC를 기반으로 실험을 진행하였으며 또한 Visual C++(MFC) 프레임워크 기반 프로그램을이용하여 SoC 데이터를 모니터링 하였다.

그림 10은 ESS 방전 모드에 대한 실험 결과를 나타낸다. 시뮬레이션과 동일하게 2대의 ESS의 초기 SoC는 80%와 60%로 선정하여 실험을 진행하였다. 서로 다른 SoC에 의해 옵셋 전압이 다르게 주입되어 SoC가 높은 모듈은 많은 전류를, SoC가 낮은 모듈은 적은 전류를 방전하는 것을 그림 10(a)를 통해 알 수 있으며 시간이 지남에 따라 SoC 밸

Fig. 9. Experiment equipment

Fig. 10. Experiment results of the proposed SoC balancing method in discharge mode

런싱이 이루어지는 것을 그림 10(b)에 나타난 같은 시간단위를 갖는 모니터링 프로그램을 통해 알 수 있다. 또한 SoC가 하한치(20%)에 도달한 경우 방전 전류는 0으로 제한되어 과방전이 방지는 것 또한 확인할 수 있다.

그림 11은 ESS 충전 모드에 대한 실험 결과를 나타낸다. 각 ESS의 초기 SoC는 20%, 40%로 선정하여 실험을 진행하였다. 해당 모드 또한 서로 다르게 형성된옵셋 전압에 의해 SoC가 낮은 모듈은 많은 전류를, SoC가 높은 모듈은 적은 전류를 충전하는 것을 그림 11(a)를 통해 알 수 있다. 해당 모드가 진행됨에 따라 SoC 밸런싱 동작이 이루어지며 SoC 상한치(80%)에서 전류가 0으로 제한되어 과충전을 방지하는 것을 그림 11(b)를 통해 확인할 수 있다.

이를 통해 제안하는 기법을 DC 마이크로그리드에 연계된 다수의 ESS에 적용했을 때 각 ESS의 초기 SoC가 다르게 형성되어 있더라도 각각의 SoC에 따라 다르게 형성되는 옵셋 전압에 의해 SoC 밸런싱 동작이 이뤄지며 과충전 및 과방전을 방지하는 것을 알 수 있다.

Fig. 11. Experiment results of the proposed SoC balancing method in charge mode