Name: 실시간 시뮬레이터를 사용한 DC 마이크로그리드의 계층적 제어에 대한 실험적 조사 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-02-14T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: 배우세요 DC 마이크로그리드의 계층적 제어 전략을 OPAL RT-Lab 실시간 시뮬레이터를 사용하여 검증하는 방법을. 회로 모델링과 1차 및 2차 제어 구현을 통해 실제 환경에서의 효과적인 제어 성능을 실험적으로 확인할 수 있습니다.

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이 섹션에서는 OPAL RT-Lab(이하 "시뮬레이터")에서 구현된 그림 1에 표시된 계층적 제어를 통합하는 DC 마이크로그리드를 개발하고 실험하는 데 사용되는 방법을 간략하게 설명합니다. 프로토콜은 물리적 설정 및 회로 모델링, 제어 전략 구현 및 시뮬레이터 실험 설정의 세 가지 주요 섹션으로 나뉩니다. 이 프로토콜은 더 높은 수준의 최적화 및 주 전력망과의 상호 작용을 포함하는 3차 제어 전략을 다루지 않으며, 현재 실험 설정의 범위를 벗어나며 향후 작업을 위해 남겨 둡니다.
1. 물리적 설정 및 회로 모델링
<ol>
	<li>시스템 전기 토폴로지 참고: DC 마이크로그리드 시스템 회로 아키텍처를 고려하여 다음 단계를 통해 하드웨어 실험 플랫폼의 구축을 진행합니다.<ol>
		<li>개별 DER의 구성<ol>
			<li>와이어를 통해 DC 전류의 양극을 벅 회로의 입력 양극에 연결하는 동시에 해당 음극을 연결합니다. 특정 변환기는 그림 2A에 나와 있습니다. 벅 컨버터에 대한 수학적 모델을 구축하여 후속 시뮬레이션 및 실험 설정을 위한 제어 매개변수 설계를 용이하게 합니다. 그림 3에 표시된 것과 같은 일반적인 벅 컨버터의 경우, 다음5와 같이 상태공간 평균법을 사용하여 상태공간 방정식을 구성합니다. 
			<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq1.jpg">     (1) 여기서 I, L, VC는 각각 인덕터 전류 및 출력 전압입니다. R, L, C는 변환기 회로의 구성 요소 매개변수입니다. Vin은 입력 DC 전압을 나타냅니다. d는 DC-DC 컨버터의 듀티 사이클을 나타냅니다. 방정식 (1)을 PI 제어기 설계에 더 편리한 다음 전달 함수 형식으로 변환합니다. 
			<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq2.jpg"> 
			<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq3.jpg">     (2) 여기서 s는 라플라스 연산자를 나타냅니다. GId(s)는 전류에 대한 듀티 비율의 전달 함수입니다. GVI(s)는 전류에서 전압으로의 전달 함수입니다.</li>
			<li>다중 DER을 사용한 마이크로그리드 구축<ol>
				<li>위에서 설명한 대로 개별 DER을 생성하는 프로세스를 반복합니다. 여러 DER이 있는 상태에서 각 벅 회로의 해당 양극 및 음극 출력 단자를 연결합니다.</li>
				<li>라인 임피던스를 시뮬레이션하려면 각 DER의 양극 사이에 작은 저항을 직렬로 삽입하십시오.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>로드 통합<ol>
				<li>저항기를 사용하여 DC 마이크로그리드의 공통 부하를 시뮬레이션합니다. 전역 부하의 경우 저항기의 단자를 모든 DER의 양극과 음극의 합류점에 직접 연결합니다. 라인 임피던스가 있는 경우 그림 2D와 같이 각 벅 회로의 출력에 저항을 연결하여 로컬 부하를 시뮬레이션합니다. 참고: 이 실험에서 회로 연결은 그림 2C와 같이 플러그인 커넥터를 사용하여 구현됩니다.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>하드웨어 회로 설계 및 설정 참고: 그림 1의 토폴로지에 해당하는 DC 마이크로그리드 실험 플랫폼의 하드웨어 설정은 주로 다음 단계로 구성됩니다.<ol>
		<li>DC 전원 공급 장치 구성<ol>
			<li>전원 버튼을 눌러 전원 공급 장치를 활성화하십시오.</li>
			<li>볼륨을 조정하십시오tage 노브를 사용하여 지정된 값으로 이동합니다. 이 전원 공급 장치는 출력 범위가 [0 - 300V] 이고 최대 전력이 600W인 정전압 DC 소스입니다. 실험 시작 시 스위치를 눌러 전원 공급을 시작하십시오. 이 실험에 사용된 전원 공급 장치는 그림 2B에 나와 있습니다.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>DC-DC 벅 컨버터 설정<ol>
			<li>컨버터의 입력 및 출력 신호를 신호 변환 보드로 라우팅하고 신호 케이블을 통해 시뮬레이터 하드웨어 컨트롤러에 연결합니다. 참고: 이 설정을 통해 전류 및 전압 신호를 아날로그 형식으로 출력하고 컨트롤러에서 PWM 신호를 전송하여 회로 레벨에서 컨버터를 구동할 수 있습니다.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>버스 및 부하 연결 확인<ol>
			<li>이 단계가 1.1.3단계와 일치하는지 확인합니다. 정확성과 보안을 위해 모든 연결을 검사하십시오.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 제어 전략 실행
<ol>
	<li>2.1.드룹 제어 구성<ol>
		<li>그림 4와 같이 Gains 및 Difference 블록과 같은 구성 요소를 끌어다 놓아 시뮬레이터 내의 제어 모듈에서 droop 제어 모듈을 구성합니다.</li>
		<li>'gain' 모듈을 두 번 클릭하고 필요에 따라 드룹 계수를 설정합니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>이중 루프 PI 제어 설정<ol>
		<li>시뮬레이터에서 구성 요소를 끌어다 놓아 제어 블록 다이어그램을 구성합니다( 그림 5 참조).</li>
		<li>PI 제어 게인을 선택할 때는 방정식 ( 2에 있는 벅 컨버터의 전달 함수 모델을 사용하고, 내부 루프(전류 루프)를 먼저 설계한 다음 외부 루프(전압 루프)를 설계하는 순서를 따릅니다. 참고: 이중 루프 제어 체계에서는 빠른 전압 조정이 DER 간의 전력 분배 정밀도를 손상시킬 수 있으므로 빠른 동적 응답과 전력 공유 정확도 사이에는 절충점이 있습니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>분산 통신 토폴로지 구축<ol>
		<li>각 DER의 컨트롤러에 서로 다른 입력 신호를 제공하여 중앙 집중식 시뮬레이터 컨트롤러 내에서 분산 제어를 구현합니다. 예를 들어, DER 1의 경우 그림 6 의 왼쪽 부분과 그림 7C와 같이 DER 2 및 DER 4의 신호를 제어 모듈로 드래그하여 분산 통신을 가능하게 합니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>분산된 2차 제어 전략의 구현<ol>
		<li>그림 6과 같이 합의 기반 2차 제어를 기반으로 시뮬레이터에서 2차 제어 블록 다이어그램을 구성합니다. 컨트롤 게인을 수정하여 보조 컨트롤 응답을 조정합니다.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 실시간 시뮬레이터 실험 설정
참고: 시뮬레이터 실험의 특정 구성은 그림 8과 같이 4단계로 구성됩니다.
<ol>
	<li>모델 초기화<ol>
		<li>편집 버튼을 클릭하여 시뮬레이터에서 실행 중인 프로그램을 수정합니다. 그런 다음 SET 버튼을 활성화하여 개발 속성 설정을 완료합니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>모델 컴파일<ol>
		<li>모델 편집을 완료한 후 빌드 버튼을 클릭하여 모델을 실행 코드로 컴파일합니다.</li>
		<li>'Compilation Successful' 메시지가 나타날 때까지 소프트웨어 컴파일 창을 모니터링합니다. 오류가 발생하면 프롬프트에 따라 오류를 찾아 필요한 수정을 수행합니다</li>
	</ol>
	</li>
	<li>시뮬레이터 실시간 제어 구성<ol>
		<li>컴파일 프로세스가 완료되면 시뮬레이션 모드, 실시간 통신 링크 유형 및 기타 관련 매개변수와 같은 프로그램 코드 설정을 구성합니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>프로그램 다운로드 및 실행<ol>
		<li>컴파일된 실행 프로그램을 컨트롤러 하드웨어에 다운로드하고 실험을 시작합니다.</li>
		<li>오실로스코프의 전압 프로브를 각 DER 출력의 양극 및 음극 단자에 연결하고 clamp 출력 포트에서 전류 프로브를 연결합니다. 오실로스코프 창을 사용하여 마이크로그리드의 각 DER에서 출력을 관찰합니다.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Bolsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framing+renewable+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Energy%22%5BJournal%5D)">Framing renewable energy.</a> Nat Energy. 7 (11), 1003-1004 (2022).</li>
<li>Dai, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+secondary+control+for+DC+microgrids+with+time-varying+communication+delays%3A+A+networked+predictive+control+scheme%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed secondary control for DC microgrids with time-varying communication delays: A networked predictive control scheme.</a> IEEE Trans Power Syst. 39 (2), 4459-4472 (2024).</li>
<li>Alzahrani, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+and+simulation+of+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Comput+Sci%22%5BJournal%5D)">Modeling and simulation of microgrid.</a> Procedia Comput Sci. 114, 392-400 (2017).</li>
<li>Naderi, E., Asrari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+remedial+action+via+hardware-in-the-loop+system+against+cyberattacks+targeting+a+lab-scale+PV%2Fwind+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Smart+Grid%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a remedial action via hardware-in-the-loop system against cyberattacks targeting a lab-scale PV/wind microgrid.</a> IEEE Trans Smart Grid. 14 (5), 4060-4072 (2023).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+twin+based+monitoring+and+control+for+DC-DC+converters%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Digital twin based monitoring and control for DC-DC converters.</a> Nat Commun. 14 (1), 5604(2023).</li>
<li>Alam, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planning+and+protection+of+DC+microgrid%3A+A+critical+review+on+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Eng+Sci+Technol+Int+J%22%5BJournal%5D)">Planning and protection of DC microgrid: A critical review on recent developments.</a> Eng Sci Technol Int J. 41, 101404(2023).</li>
<li>Yuan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+control+of+DC+microgrid+with+dynamical+load+power+sharing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Energy%22%5BJournal%5D)">Hierarchical control of DC microgrid with dynamical load power sharing.</a> Appl Energy. 239, 1-11 (2019).</li>
<li>Krishnamurthy, S., Ogunwole, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgrid+system+design%2C+modeling%2C+and+simulation.+Modelling+and+Control+Dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Modelling+and+Control+Dynamics+in+Microgrid+Systems+with+Renewable+Energy+Resources%22%5BJournal%5D)">Microgrid system design, modeling, and simulation. Modelling and Control Dynamics.</a> Modelling and Control Dynamics in Microgrid Systems with Renewable Energy Resources. , 345-376 (2024).</li>
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<li>Lai, J., Lu, X., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stochastic+distributed+frequency+and+load+sharing+control+for+microgrids+with+communication+delays%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Syst+J%22%5BJournal%5D)">Stochastic distributed frequency and load sharing control for microgrids with communication delays.</a> IEEE Syst J. 13 (4), 4269-4280 (2019).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+event-triggered+hierarchical+control+to+improve+economic+operation+of+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed event-triggered hierarchical control to improve economic operation of hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 3653-3668 (2022).</li>
<li>Wang, J., Jin, C., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+uniform+control+strategy+for+the+interlinking+converter+in+hierarchical+controlled+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">A uniform control strategy for the interlinking converter in hierarchical controlled hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Ind Electron. 65 (8), 6188-6197 (2018).</li>
<li>Zeng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+cooperative+control+strategy+for+battery+storage+system+in+islanded+DC+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Hierarchical cooperative control strategy for battery storage system in islanded DC microgrid.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 4028-4039 (2022).</li>
<li>Guo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+voltage+restoration+and+current+sharing+control+in+islanded+DC+microgrid+systems+without+continuous+communication%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">Distributed voltage restoration and current sharing control in islanded DC microgrid systems without continuous communication.</a> IEEE Trans Ind Electron. 67 (4), 3043-3053 (2020).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>프로그래밍 가능한 DC&nbsp; 전원 공급</td><td>장치 ITECH</td><td>IT-M7700</td><td>DC 전원 공급 장치</td></tr><tr><td>실시간 시뮬레이터</td><td>OPAL RT-Lab</td><td>OP5707XG-16&nbsp;</td><td>실시간 컨트롤러</td></tr><tr><td>오실로스코프</td><td>Tektronix</td><td>MSO58 5-BW-500&nbsp;</td><td>오실로스코프</td></tr><tr><td colspan="4">케이블 및 저항과 같은 전기 부품</td></tr></tbody></table>

실시간 시뮬레이터를 사용한 dc 마이크로그리드의 계층적 제어에 대한 실험적 조사

Experimental Investigation of the Hierarchical Control in DC Microgrids Using a Real-time Simulator

그림 4는 시뮬레이터 내에 구성된 제어 모듈의 드룹 제어 모듈을 보여줍니다. 세부 설계는 다음과 같은 드룹 메커니즘을 기반으로 합니다.
드룹 제어 메커니즘은 DC 마이크로그리드에서 분산형 1차 제어를 위한 기본 전략입니다. AC 시스템에서 동기식 발전기의 동작을 에뮬레이트하여 서로 다른 DER 간에 비례적으로 부하를 공유합니다. 드룹 제어는 사전 정의된 드룹 특성에 따라 출력 전류를 기반으로 각 DER의 출력 전압을 조정합니다.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq4.jpg" style="font-size: 14px;">     <...

실시간 시뮬레이터를 사용한 DC 마이크로그리드의 계층적 제어에 대한 실험적 조사

The rise of renewable energy sources has underscored the significance of microgrids, particularly DC variants, which are well-suited for integrating ...

experimental-investigation-hierarchical-control-dc-microgrids-using

Research

연구

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