diff --git a/Thesis/Master_Thesis/260512/chapter2.md b/Thesis/Master_Thesis/260512/chapter2.md index 2661781..061d4ed 100644 --- a/Thesis/Master_Thesis/260512/chapter2.md +++ b/Thesis/Master_Thesis/260512/chapter2.md @@ -2,7 +2,7 @@ title: Chapter 2 description: published: true -date: 2026-05-13T23:45:50.200Z +date: 2026-05-14T00:01:35.189Z tags: editor: markdown dateCreated: 2026-05-12T08:58:49.397Z @@ -14,7 +14,7 @@ dateCreated: 2026-05-12T08:58:49.397Z 본 시스템은 640VDC 링크를 통해 구조적으로 분리된 DC-DC 및 DC-AC 컨버터로 구성된다. 640VDC는 실험 환경 제약에 따라 결정된 값이다. 각 모듈은 상대의 내부 상태를 공유하는 대신 DC 버스 전압만을 관측하여 제어를 수행하며, 이러한 구조 덕분에 통신 없이도 전압 기반의 즉각적인 모듈 간 협조가 가능하다. -(XXX 그림: 제안하는 모듈식 전력변환 시스템 전체 구성도) +(그림: 모듈식 전력변환 시스템 전체 구성도) DC-AC 컨버터는 발전기 또는 육상 전원(Shore Power)의 3상 AC 전력을 정류하여 DC 링크로 에너지를 보내는 역할을 수행한다. 본 연구에서는 전기추진선박의 수전 시나리오에 초점을 맞추어 DC-AC 컨버터의 동작을 정류기(Rectifier) 모드로 고정하였으나, 본 시스템에서 제안하는 제어 알고리즘은 이론적으로 전력의 방향과 무관하게 적용 가능하다. DC-DC 컨버터는 배터리측과 DC 링크 사이에서 양방향으로 전력 흐름을 제어한다. DC 버스 전압이 설정 상한 이상으로 상승하면 DC 링크에서 배터리로 전력을 회수하는 Buck(충전) 모드로, 설정 하한 이하로 강하하면 배터리에서 DC 링크로 전력을 공급하는 Boost(방전) 모드로 동작한다. DC-DC 컨버터는 오직 DC 버스 전압 레벨만으로 자신의 동작 모드를 결정한다. 각 모듈의 회로 구성 및 주요 사양은 4장에서 기술한다. @@ -34,11 +34,11 @@ $$ \Delta V_{\text{allow}} = 0.10 \times V_{\text{nom}} $$ -DC 마이크로그리드 드룹 제어 관련 문헌\[IEEE 6953474\]에서는 케이블 저항 전압 강하와 드룹 전압 강하를 합산하여 전체 허용 편차 내에서 배분하는 설계 방법을 제시하며, 드룹 전압 강하를 허용 편차의 $5\,\%$로 제한하는 사례를 다룬다. 본 설계에서는 KRS $\pm 10\,\%$ 기준을 공통 구속 상한으로 채택하고, 각 파라미터를 독립적으로 결정한다. 구체적인 수치는 2.3절 및 2.4절에서 전개한다. +본 설계에서는 KRS $\pm 10\,\%$ 기준을 공통 구속 상한으로 채택하고, 각 파라미터를 독립적으로 결정한다. 구체적인 수치는 2.3절 및 2.4절에서 전개한다. ### 2.2.2 측정 오차 및 유효 전압 편차 -히스테리시스 밴드와 드룹 계수는 모두 DC 버스 전압 측정값을 기준으로 동작하므로, 하드웨어 측정 오차가 설계 하한을 결정한다. 전압 측정 최소 분해능 $\Delta V_{\text{meas}}$는 ADC 비트 수와 센싱 회로 최대 입력 전압으로부터 산출된다. +히스테리시스 밴드와 드룹 계수는 모두 DC 버스 전압 측정값을 기준으로 동작하므로, 하드웨어 측정 오차가 설계 상하한을 결정한다. 전압 측정 최소 분해능 $\Delta V_{\text{meas}}$는 ADC 비트 수와 센싱 회로 최대 입력 전압으로부터 산출된다. $$\Delta V_{\text{meas}} = \frac{V_{\text{sense,max}}}{2^{N_{\text{ADC}}}}$$ @@ -80,13 +80,13 @@ $$ $$V_{\text{hyst,}L} < V_{\text{bus}} < V_{\text{hyst,}H} \quad \Rightarrow \quad \text{현재 모드 유지}$$ -(XXX 그림: DC 버스 전압 레벨에 따른 동작 모드 정의 및 상태 전이도) +(그림: DC 버스 전압 레벨에 따른 동작 모드 정의 및 상태 전이도) 본 절에서는 2.2.2절에서 확정한 허용 범위 내에서 $V_{\text{hyst,}L}$과 $V_{\text{hyst,}H}$의 실제 값을 결정한다. 두 임계값은 다음 조건을 만족해야 한다. $$V_{\text{hyst,min}} \leq V_{\text{hyst,}L} < V_{\text{nom}} < V_{\text{hyst,}H} \leq V_{\text{hyst,max}}$$ -(XXX 표: DC-DC 컨버터 제어기 파라미터) +(표: DC-DC 컨버터 제어기 파라미터) ### 2.3.2 배터리 방전 시 (Battery → DC/DC → DC link) @@ -151,17 +151,27 @@ $$\frac{\Delta V_{\text{droop,min}}}{I_{\text{rated}}} \leq R_d \leq \frac{\Delt $R_d$가 확정되면 $\Delta V_{\text{droop}} = R_d \times I_{\text{rated}}$가 결정되므로, 2.3.3절의 $V_{\text{hyst,}H}$ 수식에 대입하여 최종값을 확정한다. $V_{\text{hyst,}L}$은 $\Delta V_{\text{droop}}$와 무관하게 2.3.2절의 조건만으로 독립적으로 설정된다. DC-AC 동작 정지에 따라 DC 버스 전압이 $V_{\text{hyst,}L}$ 이하로 강하 할 시점이 DC-DC 컨버터의 Boost 진입 트리거이므로, $V_{\text{hyst,}L}$이 드룹 전압 강하를 수용해야 한다는 제약은 부과하지 않는다. ### 2.4.2 DC-AC 컨버터 병렬 운전 시 -***내용 재작성 예정*** -~~복수의 DC-AC 모듈이 동일한 DC 버스에 병렬 정류 동작할 경우, 드룹 계수 $R_d$에 의해 각 모듈의 유효전력 분담이 결정된다. 정격 부하 시 정상상태 DC 버스 전압 강하는 $\Delta V_{\text{droop}} = R_d \times I_{\text{total}}/n$이다. 이 강하에 의해 DC 버스 전압이 $V_{\text{hyst,}L}$ 이하로 도달하면 DC-DC 컨버터가 Boost 모드로 진입하여 배터리로부터 부족분을 보충하며, 이는 본 시스템의 설계 의도에 부합하는 정상 동작이다. 드룹 전압 강하가 KRS 허용 편차 $\Delta V_{\text{allow}}$를 초과하지 않는 조건은 2.4.1절의 상한 조건에 의해 보장된다.~~ + +복수의 DC-AC 정류기 모듈이 동일한 DC 버스에 병렬로 접속되면, 각 모듈의 운전 여부는 발전기 또는 육상 전원(Shore Power)의 계통 접속 및 운전자 기동 명령에 따라 결정되며 DC-DC 모듈과 같은 히스테리시스 진입 조건은 없다. 드룹 제어는 각 모듈의 운전 여부를 결정하는 것이 아니라, 병렬 운전 중 각 모듈의 전력 공급량을 균등하게 분담하는 역할을 담당한다. + +각 DC-AC 모듈 $i$의 드룹 특성은 다음과 같이 표현된다. + +$$V_{\text{bus}} = V_{\text{ref,AC}} - R_d \times I_{\text{rect},i}$$ + +동일한 $R_d$를 가진 $n$개 모듈이 병렬 정류 동작할 때, 모든 모듈은 동일한 DC 버스 전압을 기준으로 삼으므로 각 모듈의 정류 전류가 균등하게 분담된다. 정상상태 DC 버스 전압은 다음과 같다. + +$$V_{\text{bus}} = V_{\text{ref,AC}} - R_d \times \frac{I_{\text{total}}}{n}$$ + +이때 발생하는 드룹 전압 강하 $\Delta V_{\text{droop}} = R_d \times I_{\text{total}}/n$이 2.3.3절의 $V_{\text{hyst,}H}$ 설계 조건 및 2.4.1절의 드룹 계수 허용 범위 산정에 직접 사용된다. KRS 상한 준수 조건은 2.3.3절의 $V_{\text{ref,AC}} \leq V_{\text{hyst,max}}$ 조건에 의해 자동으로 보장된다. ### 2.4.3 배터리 방전 병렬 운전 시 (Battery → DC/DC → DC link) -복수의 DC-DC 모듈이 Boost 모드로 병렬 방전하는 경우, 모든 모듈은 동일한 DC 버스 전압을 기준으로 히스테리시스 밴드를 판단하므로 $V_{\text{bus}} < V_{\text{hyst,}L}$ 조건이 충족되면 통신 없이 동시에 Boost 모드로 진입한다. 드룹 제어는 이 과정에서 진입 여부를 결정하는 것이 아니라, 진입 후 각 모듈의 방전 전류를 균등 분담시키는 역할을 한다. +$V_{\text{bus}} < V_{\text{hyst,}L}$ 조건이 충족되면 통신 없이 Boost 모드로 진입한다. 드룹 제어는 이 과정에서 진입 여부를 결정하는 것이 아니라, 진입 후 각 모듈의 방전 전류를 균등 분담시키는 역할을 한다. $n$개 모듈이 동일한 $R_d$로 병렬 Boost 동작할 때 정상상태 DC 버스 전압은 다음과 같다. $$V_{\text{bus}} = V_{\text{nom}} - R_d \times \frac{I_{\text{total}}}{n}$$ -KRS 하한 준수 조건은 2.4.1절의 $R_d$ 상한 조건에 의해 자동으로 보장된다. 측정 오차 대비 드룹 신호 크기가 확보되어야 모듈 간 전류 불균형이 방지되며, 이는 2.4.1절의 하한 조건에 의해 보장된다. +KRS 하한 준수 및 측정 오차 대비 드룹 신호 크기 확보 조건은 2.4.1절의 $R_d$ 상한 및 하한 조건에 의해 자동으로 보장된다. ### 2.4.4 배터리 충전 병렬 운전 시 (DC link → DC/DC → Battery) @@ -182,36 +192,35 @@ KRS 상한 준수 조건은 2.3.3절의 $V_{\text{ref,AC}} \leq V_{\text{hyst,ma ### 2.5.1 시뮬레이션 조건 -2.3절 및 2.4절에서 도출한 설계 조건—히스테리시스 밴드, 드룹 계수, 이중화 동작—을 시뮬레이션으로 검증한다. 시뮬레이션은 환경에서 수행하였으며, 시스템 파라미터는 다음과 같이 설정하였다. -***내용 추가작성 예정*** +2.3절 및 2.4절에서 도출한 설계 조건—히스테리시스 밴드, 드룹 계수, 이중화 동작—을 시뮬레이션으로 검증한다. 시뮬레이션은 환경에서 수행하였으며, 시스템 파라미터는 다음과 같다. -(XXX 표: 시뮬레이션 파라미터) +(표: 시뮬레이션 파라미터) ### 2.5.2 히스테리시스 밴드 검증 -설계된 히스테리시스 밴드 $(V_{\text{hyst,}L},\, V_{\text{hyst,}H})$에서 채터링 없이 단일 전환이 이루어지는지 확인한다. 검증 조건은 두 가지이다. 첫째, DC 버스 전압에 $\Delta V_{\text{eff}}$ 크기의 측정 잡음을 중첩하여 잡음 단독으로 모드 전환이 발생하지 않음을 확인한다. 둘째, 부하 급변 시 임계값 통과에 의한 모드 전환이 명확하게 한 번만 이루어짐을 확인한다. +설계된 히스테리시스 밴드 $(V_{\text{hyst,}L},\, V_{\text{hyst,}H})$에서 채터링 없이 단일 전환이 이루어지는지 확인한다. 검증 조건은 세 가지이다. 첫째, DC 버스 전압에 $\Delta V_{\text{eff}}$ 크기의 측정 잡음을 중첩하여 잡음 단독으로 모드 전환이 발생하지 않음을 확인한다. 둘째, 부하 급변 시 임계값 통과에 의한 모드 전환이 명확하게 한 번만 이루어짐을 확인한다. 셋째, DC-AC 정류기 운전 시 DC 버스 전압이 $V_{\text{ref,AC}}$로 상승하여 $V_{\text{hyst,}H}$를 초과함으로써 Buck 모드 진입이 의도대로 트리거되는지 확인한다. -(XXX 그림: 히스테리시스 밴드 검증 — 측정 잡음 중첩 조건에서 DC 버스 전압 및 동작 모드 전환) +(그림: 히스테리시스 밴드 검증 — 측정 잡음 중첩 조건에서 DC 버스 전압 및 동작 모드 전환) -시뮬레이션 결과, 설계된 밴드 폭 $(V_{\text{hyst,}H} - V_{\text{hyst,}L})$이 $\Delta V_{\text{eff}}$ 이상으로 유지되어 측정 잡음에 의한 오전환이 발생하지 않으며, 부하 변동에 의한 모드 전환은 안정적으로 이루어짐을 확인한다. +시뮬레이션 결과, 설계된 밴드 폭 $(V_{\text{hyst,}H} - V_{\text{hyst,}L})$이 $\Delta V_{\text{eff}}$ 이상으로 유지되어 측정 잡음에 의한 오전환이 발생하지 않으며, 부하 변동 및 DC-AC 운전에 의한 모드 전환은 설계 의도대로 이루어짐을 확인한다. -(XXX 그림: 히스테리시스 밴드 검증 결과 — DC 버스 전압, 모드 전환 신호) +(그림: 히스테리시스 밴드 검증 결과 — DC 버스 전압, 모드 전환 신호) ### 2.5.3 드룹 계수 검증 -설계된 드룹 계수 $R_d$ 하에서 병렬 연결된 두 모듈의 출력 전류가 균등하게 분담되는지 확인한다. 정격 부하 정상 상태에서 두 모듈의 출력 전류 편차를 측정하고, 편차가 허용 범위 이내임을 확인한다. 또한 드룹에 의한 DC 버스 전압 강하 $\Delta V_{\text{droop}} = R_d \times I_{\text{total}}/n$이 선급 허용 범위 내에 있음을 함께 확인한다. DC 버스 전압이 $V_{\text{hyst,}L}$ 이하로 강하하는 경우 DC-DC 컨버터의 Boost 진입이 설계 의도대로 이루어지는지도 확인한다. +설계된 드룹 계수 $R_d$ 하에서 병렬 연결된 두 모듈의 전류가 균등하게 분담되는지 방전 및 충전 시나리오 각각에 대해 확인한다. 방전 시나리오(DC-DC Boost 병렬)에서는 정격 부하 정상 상태에서 두 모듈의 방전 전류 편차를 측정하고, 드룹에 의한 DC 버스 전압 강하 $\Delta V_{\text{droop}} = R_d \times I_{\text{rated}}$가 KRS 허용 범위 내에 있음을 확인한다. 충전 시나리오(DC-DC Buck 병렬)에서는 DC-AC 운전 중 두 모듈의 충전 전류 균등 분담 및 버스 전압이 KRS 상한을 침범하지 않음을 확인한다. -(XXX 그림: 드룹 계수 검증 — 병렬 모듈 출력 전류 분담 및 DC 버스 전압) +(그림: 드룹 계수 검증 — 병렬 모듈 출력 전류 분담 및 DC 버스 전압) -시뮬레이션 결과, 정상 상태에서 두 모듈의 출력 전류 편차는 (XXX) A 이내로 유지되며, DC 버스 전압 강하는 $V_{\text{hyst,}L}$ 이상에서 안정됨을 확인한다. +시뮬레이션 결과, 방전 시나리오에서 두 모듈의 전류 편차는 (XXX) A 이내로 유지되며, 충전 시나리오에서도 전류 분담 및 버스 전압이 설계 범위 내에 있음을 확인한다. -(XXX 그림: 드룹 계수 검증 결과 — 두 모듈 전류 파형, DC 버스 전압) +(그림: 드룹 계수 검증 결과 — 두 모듈 전류 파형, DC 버스 전압) ### 2.5.4 이중화 동작 검증 -단일 모듈 고장 시 나머지 모듈이 DC 버스 전압 기준으로 동작을 지속하여 이중화 요건을 충족하는지 확인한다. 고장 발생 직후 DC 버스 전압의 일시적 변동이 관찰되나, 나머지 모듈이 즉각적으로 Boost 동작으로 전환하여 DC 버스 전압을 허용 범위 내로 복원함을 확인한다. +단일 모듈 고장 시 나머지 모듈이 DC 버스 전압 기준으로 동작을 지속하여 이중화 요건을 충족하는지 확인한다. 고장 발생 직후 DC 버스 전압의 일시적 변동이 관찰되나, 나머지 모듈이 DC 버스 전압 레벨에 따라 즉각적으로 동작을 이어받아 DC 버스 전압을 허용 범위 내로 복원함을 확인한다. -(XXX 그림: 단일 모듈 고장 시 이중화 동작 시뮬레이션 결과 — DC 버스 전압, 각 모듈 전류) +(그림: 단일 모듈 고장 시 이중화 동작 시뮬레이션 결과 — DC 버스 전압, 각 모듈 전류) ------------------------------------------------------------------------