DC 마이크로그리드에서, 부하의 전력 요구를 만족시키기 위한 하이브리드 에너지 저장 시스템(HESS) 전류 제어를 최적화하는 일은 일반적으로 어렵고 도전적인 과제이다. 이는 HESS가 측정 교란(measurement disturbances)과 파라미터 불확실성(parameter uncertainties)의 영향을 받는 다양한 부하 조건 하에서 항상 운전되기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 전력 추종 성능을 위해 HESS 내 배터리(Bat)와 슈퍼커패시터(SC)의 전류 추종 오차를 개선하기 위해, 기준 변조(reference modulation)에 기반한 H∞ 상태 피드백 제어를 제안한다. 시스템 제어 신호를 변경하지 않고, 기준 변조 기법은 포워드워드 채널(feedforward channel)과 출력 피드백 신호(output feedback signal)를 직접 결합하여, 요구되는 부하 전력으로부터 도출된 Bat 및 SC에 필요한 전류를 변조한다. 또한 기준 변조 기법으로 변조된 요구 Bat 및 SC 전류에 기반한 H∞ 상태 피드백 제어를 제안하여, 교란 관측자(disturbance observer) 없이도 측정 교란과 파라미터 불확실성의 영향 하에서 전류 추종 오차를 개선한다. 교란 관측자를 사용하지 않고도 기준 변조 기법이 교란을 감쇠(attenuate)할 수 있다는 점은 과도 성능(transient performance)을 향상시키는 데 있어 하나의 장점이다. DC 마이크로그리드에서 HESS의 전력 추종 성능 개선은 명목 파라미터 및 파라미터 불확실성의 영향 하에서, 측정 교란의 영향을 고려하여 제시된 연구 결과로 확인된다.

본 논문은 통신 지연을 고려하여 전력 공급과 수요의 균형을 맞추기 위한 에너지 디스패치를 위한 최적 제어기 및 추정기를 제안한다. 제안된 알고리즘은 분산 에너지 자원, 에너지 저장 시스템, 부하로 구성된 자율형 나노그리드(ANG)를 모델링하는 것을 포함하며, 기준 전력 변조 기법을 갖는 H _∞ 제어기와 상태 추정기로 구성된다. ANG는 나노그리드 시스템의 동적 공급-수요 에너지 균형을 표현하기 위해 개발되었다. 기준 전력 변조는 에너지 불균형에 기반하여 원하는 ESS 전력을 생성하도록 설계되었다. 랜덤 통신 지연은 베르누이 확률적 이항 분포를 만족하는 확률 변수로 모델링하였다. 선형 행렬 부등식(linear matrix inequality) 접근법을 사용하여 폐루프 시스템을 지수적으로 안정화하기 위한 최적 H _∞ 제어기 및 추정기를 개발하였다. 제안된 실시간 최적화 알고리즘의 유효성을 입증하기 위해, 한국 기상청(Korea Meteorological Administration)으로부터 얻은 실제 일일 수요 예측치를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

전력 분배 네트워크에는 고저항 사고, 단락 사고 등과 같은 다양한 실용적 고장 사례가 존재한다. 특히 전기 아크를 동반한 고장이 지속될 경우, 인명과 주변 환경에 위험이 커진다. 그럼에도 불구하고 다양한 고객 부하 조건 또는 분산 에너지 자원의 존재로 인해 고장을 분류하기는 어렵다. 본 논문에서는 실험 이벤트 데이터에 기반한 새로운 수학적 아크 모델을 제안한다. 아크 현상의 구현을 위해 사고 후 접촉 도체로 젖은 자갈을 사용하였다. 실험 결과는 아크 천이(과도) 모델을 타당화하였다. 이어서 비교 방법으로 Kizilcay의 아크 모델을 사용하여, 아크 모델링의 성공 여부를 검증하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 마지막으로 첨도(kurtosis) 검출 방법을 이용한 고장 검출기를 개발하였으며, Matlab/Simulink를 활용한 전력계통 시뮬레이션을 수행하여 고장 검출 성능을 평가하였다.

DC 마이크로그리드에서, 부하의 전력 요구를 만족시키기 위한 하이브리드 에너지 저장 시스템(HESS) 전류 제어를 최적화하는 일은 일반적으로 어렵고 도전적인 과제이다. 이는 HESS가 측정 교란(measurement disturbances)과 파라미터 불확실성(parameter uncertainties)의 영향을 받는 다양한 부하 조건 하에서 항상 운전되기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 전력 추종 성능을 위해 HESS 내 배터리(Bat)와 슈퍼커패시터(SC)의 전류 추종 오차를 개선하기 위해, 기준 변조(reference modulation)에 기반한 H∞ 상태 피드백 제어를 제안한다. 시스템 제어 신호를 변경하지 않고, 기준 변조 기법은 포워드워드 채널(feedforward channel)과 출력 피드백 신호(output feedback signal)를 직접 결합하여, 요구되는 부하 전력으로부터 도출된 Bat 및 SC에 필요한 전류를 변조한다. 또한 기준 변조 기법으로 변조된 요구 Bat 및 SC 전류에 기반한 H∞ 상태 피드백 제어를 제안하여, 교란 관측자(disturbance observer) 없이도 측정 교란과 파라미터 불확실성의 영향 하에서 전류 추종 오차를 개선한다. 교란 관측자를 사용하지 않고도 기준 변조 기법이 교란을 감쇠(attenuate)할 수 있다는 점은 과도 성능(transient performance)을 향상시키는 데 있어 하나의 장점이다. DC 마이크로그리드에서 HESS의 전력 추종 성능 개선은 명목 파라미터 및 파라미터 불확실성의 영향 하에서, 측정 교란의 영향을 고려하여 제시된 연구 결과로 확인된다.

본 논문은 통신 지연을 고려하여 전력 공급과 수요의 균형을 맞추기 위한 에너지 디스패치를 위한 최적 제어기 및 추정기를 제안한다. 제안된 알고리즘은 분산 에너지 자원, 에너지 저장 시스템, 부하로 구성된 자율형 나노그리드(ANG)를 모델링하는 것을 포함하며, 기준 전력 변조 기법을 갖는 H _∞ 제어기와 상태 추정기로 구성된다. ANG는 나노그리드 시스템의 동적 공급-수요 에너지 균형을 표현하기 위해 개발되었다. 기준 전력 변조는 에너지 불균형에 기반하여 원하는 ESS 전력을 생성하도록 설계되었다. 랜덤 통신 지연은 베르누이 확률적 이항 분포를 만족하는 확률 변수로 모델링하였다. 선형 행렬 부등식(linear matrix inequality) 접근법을 사용하여 폐루프 시스템을 지수적으로 안정화하기 위한 최적 H _∞ 제어기 및 추정기를 개발하였다. 제안된 실시간 최적화 알고리즘의 유효성을 입증하기 위해, 한국 기상청(Korea Meteorological Administration)으로부터 얻은 실제 일일 수요 예측치를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

전력 분배 네트워크에는 고저항 사고, 단락 사고 등과 같은 다양한 실용적 고장 사례가 존재한다. 특히 전기 아크를 동반한 고장이 지속될 경우, 인명과 주변 환경에 위험이 커진다. 그럼에도 불구하고 다양한 고객 부하 조건 또는 분산 에너지 자원의 존재로 인해 고장을 분류하기는 어렵다. 본 논문에서는 실험 이벤트 데이터에 기반한 새로운 수학적 아크 모델을 제안한다. 아크 현상의 구현을 위해 사고 후 접촉 도체로 젖은 자갈을 사용하였다. 실험 결과는 아크 천이(과도) 모델을 타당화하였다. 이어서 비교 방법으로 Kizilcay의 아크 모델을 사용하여, 아크 모델링의 성공 여부를 검증하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 마지막으로 첨도(kurtosis) 검출 방법을 이용한 고장 검출기를 개발하였으며, Matlab/Simulink를 활용한 전력계통 시뮬레이션을 수행하여 고장 검출 성능을 평가하였다.

일반적으로 고차 비선형 시스템을 위한 제어기와 관측기를 설계하는 일은 쉽지 않다. 반도체 웨이퍼-스테이지 공정에 적용되는 평면형 모터는 14차 비선형 동역학을 가지며, 위치 추적을 위해 높은 분해능이 요구된다. 따라서 많은 상태변수가 존재하기 때문에 향상된 추적 성능을 달성하기 위해서는 많은 수의 센서가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 위치 추적 성능을 개선하기 위한 리아푸노프 기반 제어기를 개발하였다. 그 결과, 위치, 속도 및 위상 전류를 포함한 모든 상태변수를 위치 피드백만으로 추정하는 비선형 관측기(NOB)도 개발하였다. 폐루프 안정성은 리아푸노프 이론과 입력-상태 안정성(ISS) 성질을 통해 증명하였다. 제안한 방법은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 평가하였으며, 위치 추적 성능의 향상을 보여주기 위해 기존의 비례-적분-미분(PID) 제어 방법과 비교하였다.

적응 슬라이딩 모드 제어(Adaptive Sliding Mode Control, ASMC)를 위한 새로운 방법론은 다양한 시스템에서 제어 성능을 향상시키기 위해 널리 사용되어 왔다. 이 방법은 낮은 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control, SMC) 채터링, 시스템 외란 경계에 대한 사전 지식 불필요, 제어 이득의 과대추정이 없다는 점을 포함하여 여러 가지 장점을 보인다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 스파이크 현상, 느린 제어 이득 수렴, 그리고 변화하는 외란 하에서 최적 성능을 달성하는 데의 어려움으로 인해 저해될 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 외란 관측기(Disturbance Observer, DOB)를 결합한 스파이크-프리 ASMC 방법을 제안한다. 기존의 ASMC 방법들은 상기 문제들에 대한 검증을 위해 시뮬레이션을 통해 분석되어 왔다. 이러한 분석은 외란 보상 및 SMC 이득 적응 법칙의 개선이 필요함을 강조한다. 따라서 외란을 보상함으로써 스파이크 현상을 완화하기 위한 DOB를 설계한다. 이어서 외란 오차 추정에 기반한 SMC 이득 적응 법칙을 설계하여 스파이크 현상을 완전히 제거한다. 제안된 적응 법칙은 SMC 이득이 외란 추정 오차보다 약간 더 큰 값으로 수렴하도록 한다. 그 결과, 제안된 방법은 스파이크 현상을 제거할 뿐만 아니라 변화하는 외란 하에서도 최적 성능을 보장한다. 제안된 방법의 성능은 비교 연구를 통해 실험적으로 검증되었다.

본 논문에서는 나노그리드 운영 비용을 절감하기 위해 향상된 PV 시스템 제어 방법을 제안한다. 본 연구에서는 광전지(PV) 시스템, 에너지 저장 시스템(ESS), 게이트웨이, 가정용 부하를 포함한 다양한 구성요소를 포함하는 모델을 고려하며, 이는 ESS의 제약조건, 실제 데이터로부터의 PV 일사량, 그리고 가정용 부하를 반영한다. 우리는 향상된 PV 시스템 제어 방법을 기반으로 최적의 경제적 분배(economic dispatch) 전략을 설계하였다. 제안된 최적 경제적 분배 및 PV 시스템 제어 전략을 결합함으로써 과도 및 정상상태 응답 모두에 대해 제어 성능을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 PV에서 최대 전력을 추출할 수 있다. 그 결과 PV 출력이 극대화되어 ESS는 더 적은 전력을 사용하고 잉여 전력을 외부 전력원에 판매할 수 있으므로, 제안된 방법은 나노그리드 운영 비용을 감소시킨다. 이러한 성능은 나노그리드 시뮬레이션과 PV 실험용 키트를 통해 검증하였다.

일반적으로 CLLC 공진 컨버터는 비선형성과 파라미터 변동성으로 인해 고정 PI 피드백 제어기를 사용하여 추적 성능을 맞춤 설정하기가 쉽지 않다. 가변 제어 이득이 대안이 될 수 있더라도, 리플(ripples)과 모델 불확실성 등 교란으로 인해 폐루프 성능은 여전히 만족스럽지 않다. 본 연구에서는 CLLC 공진 컨버터의 성능 향상을 위한 기준 변조(reference modulation)를 제안한다. 기준 변조는 바람직하지 않은 주파수 성분(예: 교란과 리플)을 보상하도록 설계되었으며, 추가 하드웨어 없이 구현하였다. 제안된 방법의 유효성을 보여주기 위해, 표준 PI 제어기와 비교하여 민감도 분석과 하드웨어-인-더-루프 시뮬레이션(hardware-in-the-loop simulation, HILS) 결과를 제시하였다.

비선형 매개변수의 변동이 있는 경우에 모션 제어 시스템의 성능을 최적화하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이를 달성하기 위해서는 선형 시스템 접근법을 사용하여 제어기를 설계하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 평면 모터에 대해 비선형성을 매개변수 변동으로 취급하는 선형 매개변수 변동(Linear Parameter Varying, LPV) 제어 방법을 제안한다. 제안된 제어 방법은 위치 추종 성능을 향상시키기 위해, 커뮤테이션 방식과 함께 힘 및 토크 변조를 수행하고, LPV 합성 형태의 H∞ 상태 피드백 제어를 사용하는 비선형 전류 제어기를 포함한다. LPV 합성에 기반한 보간형 게인 스케줄링 제어기는 선형 행렬 부등식 기법에 적용하여 H∞ 제어를 수행함으로써 결정된다. 보간형 게인 스케줄링 제어기는 외란 추정 없이도 외란을 감쇠할 수 있다. 제안된 제어 방법의 유효성은 시뮬레이션 결과를 통해 평가하였으며, 위치 추종 성능의 개선과 외란 감쇠를 모두 검증하기 위해 기존의 비례–적분–미분(Proportional–Integral–Derivative, PID) 제어와 비교하였다.