Optimal Coordinated Voltage Control in HVDC Connected Offshore Wind Farms

Abstract

최근, 전세계의 신재생 에너지 관련 관심으로, 풍력 발전이 급격하게 증가해 왔다. 그 중에서, 해상 풍력 발전이 대용량 에너지를 얻을 수 있는 수단으로써 인식됨에 따라, 부하 밀집 지역과 멀리 떨어진 곳에 설치 되고 있다. 이러한 멀리 떨어진 풍력 에너지를 부하 밀집 지역으로 운송 하기 위한 수단으로, VSC-HVDC 시스템에 대한 연구가 홥라하게 진행 되고 있다. 하지만, HVDC는 기존의 대규모 시스템과 대규모 풍력 발전 단지와 분리 시킴으로써, 풍력발전 단지에 전압 불안정도를 증가 시킨다. 특히 대규모 풍력 발전기를 연결 시키는 Collector 부분과, Collector 부분이 연계되는 POC는 전압이 불안정한 곳이다. 이를 위해, 무효 전력을 제어 할 수 있는 컨버티 기반의 풍력 발전기를 통한 전압 안정도 개선에 대한 연구가 많이 수행되왔다. 하지만, 기존의 AVC 제어 기법은 대규모 풍력 발전 단지에서 적합하지 않다. 특히, DFIG의 무효 전력 능력에는 한계가 있어, 이에 대한 연구가 더 필요하다. 본 논문에서는 풍력 발전 단지 측의 전압 안정도 개선을 위해, LQG 제어기 기반의 VSC-HVDC 시스템의 VSC와 DIFG 풍려 발전기의 최적 협조 전압 제어 기법을 제안하였다. LQG 제어 기법을 위해, 기존 전압 안정도를 위한 협조 제어 관련 논문에서 풍력 발전단지를 1차로 모델링 했던 것과 달리, 19차로 구성된 모델을 구성하였다. HVDC 시스템 또한, 19차로 모델링 함으로써, 총 57 차의 소신호 모델을 개발 하였다. 개발한 소신호 모델을 바탕으로, 선형 제어 기법 중에 하나인 LQG 제어기를 설계하였다. LQG 제어기는 최적 피드백 제어기인 LQR과 상(State)의 추정을 위해 칼만 필터로 구성되어진다. 하지만 정확한 모델링은 높은 차수를 야기 하는데, 이는 LQG 제어기를 위한 Riccati 방정식 계산 시간을 높이므로, 차수를 낮추는 것이 중요하다. 이를 위해, 기존 57차 모델과 동일한 다이나믹을 가지는 낮은 차수를 가지는 시스템을 유도 하였다. 제어 이론에서 널리 사용 되는 balanced model reduction 기술을 사용하였고, Controllabilty/Observability Gramians 개념을 통해, 높은 제어/관측 가능한 상들만 남기고, 나머지는 자름으로써, 기존의 57차 시스템과 동일한 다이나믹을 가지는 24차 상태 방정식을 구한 뒤, 성능을 검증하였다. 낮은 차수의 시스템에 대해 LQG 제어기를 적용하였으며, 성능 평가를 위해, 계단 응답 비교와 연속적인 바람의 변화에 따른 전압 안정도를 살펴 보았다. 두 가지의 사례연구를 통해, 풍력단지는 Collector 부분의 무효전력을, VSC-HVDC의 VSC는 PCC의 전압을 지역 제어(local control)하는 기존 방법과 비교하여, 성능이 향상 된 것을 확인할 수 있었다.

This paper proposes a sensor-based linear-quadratic Gaussian (LQG) controller for optimal coordinated voltage control of a voltage source converter (VSC) based HVDC system and two aggregated offshore wind farms.OWFs to improve voltage stability in offshore AC network. To obtain an LQG controller, an optimal full-state feedback control from linear-quadratic regulator (LQR), minimizing the weighted sum of instantaneous deviations of the collector buses of the OWFs, point of connection (POC) and point of common coupling (PCC) of the wind farm side voltage source converter (WFVSC), and an optimal full state estimator, Kalman filter were designed separately, based on two different algebraic Riccati equations. Considering that the LQG controller relies on an accurate model of the system, a detailed small-signal model of a VSC-HVDC connected two aggregated OWFs system is developed. A low-order model is then developed using a balanced model reduction technique to supplement the weakness of the detailed model-based control and verified the accuracy of the reduced model by valid. Simulation case studies are also carried out to validate that the proposed strategy is effective for improving voltage stability of the offshore AC network for variations in wind speed under various conditions on the LQG weighting factors.