대칭적 교란 하의 그리드 형성 인버터의 전류 제한 제어에 대한 검토

    그리드 형성(GFM) 인버터는 대규모 전력 시스템에서 재생 에너지의 도입을 늘리는 실용적인 해결책으로 인정받고 있습니다. 그러나 과전류 용량 측면에서 동기 발전기와 물리적으로 다릅니다. 중대한 대칭 교란 상태에서도 전력 반도체 장치를 보호하고 전력망을 지원하기 위해 GFM 제어 시스템은 다음 요구 사항을 충족해야 합니다: 전류 크기 제한, 고장 전류 기여, 고장 복구 능력. 이러한 목표를 달성하기 위한 다양한 전류 제한 제어 방법이 문헌에 보고되어 있으며, 이에는 전류 제한기, 가상 임피던스, 전압 제한기가 포함됩니다. 본 논문은 이러한 방법들의 개요를 제공합니다. 해결해야 할 새로운 도전 과제로 일시적 과전류, 지정되지 않은 출력 전류 벡터 각도, 바람직하지 않은 전류 포화, 일시적 과전압 등이 지적되었습니다.

1. 서론

    GFM 인버터의 전압 소스 특성은 그들의 출력 전류가 외부 시스템 조건에 크게 의존하도록 만듭니다. 공통 연결점(PCC)에서 전압 하락이나 위상 점프와 같은 큰 교란 상황에서 동기 발전기는 일반적으로 5-7 p.u.의 과전류를 공급할 수 있지만, 반도체 기반 인버터는 일반적으로 1.2-2 p.u.의 과전류만 처리할 수 있어, 정상 작동과 같이 전압 프로필을 유지하는 것을 방해합니다. 전류 제한기는 과전류 상태에서 인버터가 전류 소스처럼 행동하도록 만들어, 고장 전류 기여 요구 사항을 충족하기 위해 출력 전류 벡터 각도를 조절하는 데 도움을 줍니다. 비교하여, 가상 임피던스 방법과 전압 제한기는 중대한 교란 상태에서도 GFM 인버터의 전압 소스 특성을 어느 정도 유지함으로써 자동 고장 복구를 가능하게 합니다. 본 논문은 이러한 방법들을 검토하고, 해결해야 할 새로운 도전 과제를 식별합니다. 이에는 일시적 과전류, 지정되지 않은 출력 전류 벡터 각도, 바람직하지 않은 전류 포화, 일시적 과전압이 포함됩니다.

2.   전류 제한 제어 방법의 기본

    다음 그림은 그리드 연결된 GFM 인버터의 단순화된 회로 모델을 보여줍니다. GFM 인버터는 내부 전압 소스 ve와 동등한 출력 임피던스로 구성됩니다. 필터 임피던스는 내부 루프 제어가 사용되지 않는 경우 Ze에 포함됩니다. 내부 루프 제어가 사용되는 경우, 필터 임피던스는 Ze에 포함되지 않습니다.

3.   전류 제한기

     포화 전류 참조 i¯ref가 계산되는 방법에 따라 세 가지 전류 제한기가 GFM 인버터에 일반적으로 사용되며, 이에는 순간 제한기, 크기 제한기, 우선 순위 기반 제한기가 포함됩니다. 순간 제한기의 설명은 Fig.(a)에 표시되어 있으며, 요소별 포화 함수를 사용하여 포화 전류 참조 i¯ref를 얻습니다. 크기 제한기의 설명은 Fig. (b)에 주어져 있으며, 원래 전류 참조 iref의 크기를 감소시키지만 i¯ref의 각도는 iref와 동일하게 유지됩니다. Fig. (c)는 우선 순위 기반 제한기의 원리를 보여주며, iref의 크기를 감소시키는 것뿐만 아니라 특정 값 ϕI로 그 각도를 우선시합니다. 참고로, ϕI는 사용자 정의 각도로, i¯ref와 d축(θ로 정렬됨) 간의 각도 차이를 나타냅니다.

4.  가상 임피던스

    중대한 교란이 발생할 때 직접 전압 변조 참조를 수정하는 가상 임피던스 방법과 빠른 추적 전류 제어 루프를 사용하는 가상 어미턴스 방법은 우수한 전류 제한 성능을 달성할 수 있습니다. 비교하여, 내부 루프 제어를 사용하는 가상 임피던스 방법은 전압 참조 vref가 전압 제어 루프에 의해 빠르게 추적될 수 있다는 가정에 기반하여 전류 제한을 달성합니다. 전압 제어 루프의 대역폭이 상대적으로 낮기 때문에, 일시적 과전류가 관찰될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해, 가상 임피던스와 우선 순위 기반 전류 제한기, 그리고 전류 크기 제한기를 결합한 하이브리드 전류 제한 방법이 제시됩니다.

5. 전압 제한기

    전압 제한기는 전압 차이 ∥vPWM−vt∥를 ∥Zf∥IM보다 작게 직접 줄이는 것을 목표로 하며, 이는 외부 루프 제어에 의해 생성된 전압 참조를 수정하여 전류 크기 제한을 실현합니다. 이 방법은 특정 조건에서 시스템을 불안정하게 만들 수 있는 적응형 가상 임피던스가 필요하지 않기 때문에 권장되는 해결책입니다. 전압 제한기의 경우, 내부 제어 루프는 일반적으로 투명하며, 즉, vPWM=vref입니다. 따라서, 이 전류 제한 방법의 동등한 회로도를 표현할 수 있습니다.