계통연계형 배터리 에너지저장장치용 양방향 DC-DC컨버터의 무순단 절체를 위한 조건부 적분 안티-와인드업 기법

Abstract

직류 마이크로그리드에서 양방향 컨버터를 통한 계통과 배터리 간의 전력교환은 필수적으로 요구 된다. 일반적으로 계통이 연결되었을 때 배터리를 충전시키고, 계통이 끊어졌을 때는 배터리를 통해 계통에 전력을 공급하는 양방향 동작을 한다. 이러한 전력방향전환 시 직류버스의 과도전압을 줄이기 위한 무순단 절체 기능이 필요한데, 전류 제어기를 공유하는 방식의 경우 계통을 연결하는 방식에서 부스트 컨버터의 전압제어기의 포화가 발생하면 다시 계통이 분리되었을 때 직류버스의 출력에 높은 과도전압이 유기되어 직류버스에 치명적인 영향을 미친다.

이 문제를 해결하기 위해 양방향컨버터의 대표적인 안티와인드업 기법을 적용할 수 있고, 기존의 안티-와인드업 기법인 조건부적분 방식과 추적역계산 방식의 경우 직류버스의 과도오차를 완벽하게 제거할 수 없다. 또한 SOC의 변화에 따라 배터리 전압이 넓은 범위를 가지는 직류 마이크로그리드에서는 배터리 전압의 변동에 기존의 안티-와인드업 기법들의 경우 자동적으로 대응하지 못한다.

따라서 본 논문에서는 기존의 조건부 적분 방식을 보완하여 계통연결 조건에서 부스트 컨버터의 전압제어기에 안티-와인드업을 적용하여 적분기 포화를 막고, 동시에 배터리 전압의 변동에 따른 인덕터 전류 추정치를 조건부적분 출력의 초기치로 주입하여 배터리 전압의 변동에 자동적으로 대응하여 직류버스 모드전환 과도오차를 줄이는 안티-와인드업 방식을 제안한다.

본 논문에 제안된 방식의 제어안정성은 MATLAB 프로그램의 SISOTOOL 기능을 통해 설계된 목표값에 대한 제어안정도를 검증하였으며 PSIM 시뮬레이션을 통해 125W급 시스템으로 축소된 직류 마이크로그리드 시스템으로 구현해 제안된 방식의 성능을 검증하였다. 또한 시뮬레이션 시스템과 동일한 설계요소를 가지는 실험세트를 구현하여, 최종적으로 제안된 방식의 성능을 확인하였다. |In DC microgrid system, power exchanges between the grid and the battery through a bi-directional DC-DC converter(BDC) is essential. In general, the battery is charged when the grid is connected, and the system is powered by the battery when the grid is disconnected. In this mode transition, saturation of the voltage controller makes output response slow and causes large transient error in DC link voltage. To solve this problem, a novel anti-windup is proposed to further improve the performance of the anti-windup. Thanks to the proposed method, the DC bus voltage is stabilized through wider range of battery voltage with faster transition compared to the conventional methods. The proposed method is verified by an experimental setup of 125W laboratory-scale DC microgrid system.