사각형입니다.

https://doi.org/10.6113/JPE.2019.19.1.234

ISSN(Print): 1598-2092 / ISSN(Online): 2093-4718



Unbalanced Power Sharing for Islanded Droop-Controlled Microgrids


Yaoqin Jia, Daoyang Li*, and Zhen Chen**


†,**State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China

*Xuji Group Corporation, Xuchang, China



Abstract

Studying the control strategy of a microgrid under the load unbalanced state helps to improve the stability of the system. The magnitude of the power fluctuation, which occurs between the power supply and the load, is generated in a microgrid under the load unbalanced state is called negative sequence reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel. Traditional power distribution methods such as P-f, Q-E droop control can only distribute power with positive sequence current information. However, they have no effect on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel with negative sequence current information. In this paper, a stationary-frame control method for power sharing and voltage unbalance compensation in islanded microgrids is proposed. This method is based on the proper output impedance control of distributed generation unit (DG unit) interface converters. The control system of a DG unit mainly consists of an active-power-frequency and reactive-power-voltage droop controller, an output impedance controller, and voltage and current controllers. The proposed method allows for the sharing of imbalance current among the DG unit and it can compensate voltage unbalance at the same time. The design approach of the control system is discussed in detail. Simulation and experimental results are presented. These results demonstrate that the proposed method is effective in the compensation of voltage unbalance and the power distribution.


Key words: Distributed generators, Microgrid, Power sharing, Voltage unbalance compensation


Manuscript received Jan. 27, 2018; accepted Oct. 1, 2018

Recommended for publication by Associate Editor Seon-Ju Ahn.

Corresponding Author: yaotsin@mail.xjtu.edu.cn Tel: +86-180-4958-0381, Xi’an Jiaotong University

*Xuji Group Corporation, China

**State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, China



Ⅰ. INTRODUCTION

The microgrid is emerging as a new way to integrate distributed generation units (DG units), which can provide more reliable electric service and higher power quality to customers [1]. Three-phase DC-AC inverters are usually used as the power electronic interface to connect a DG unit and a microgrid, through which the flexibility and reliability of the microgrid can be obtained. In addition, parallel inverter operation is a key issue that should be addressed. The control objective is to obtain power sharing in proportion to the rated capacity of the DG unit and to maintain good power qualities such as a good voltage waveform, amplitude and frequency.

Inverters are usually controlled as voltage sources to provide voltage support. In addition, power-frequency and reactive-power-voltage droop control is adopted to obtain proper power sharing without critical communications among DG units, which may have a long distance between each other [2]-[6]. However, the input and output of traditional droop control become fluctuant when an unbalanced impedance is introduced into the microgrid. The power that represents the fundamental negative sequence (FNS) current cannot be proper distributed between DG units under fluctuant load unbalanced state.

A virtual synchronous generator (VSG) balance control method based on negative sequence voltage suppression has been presented in [7]. In [8], [9], a modification of VSG control based on double decoupled synchronous reference frame (DDSRF) decomposition, SG negative-sequence voltage compensation and modified calculation methods for the power and voltage is proposed. They all compensated for the negative sequence voltage. However, their power distribution is not effective.

In [10]-[12], repetitive control is introduced to compensate for voltage unbalance. However, repetitive control always has a delay of about one cycle, which reduces the response rate of the control system. On the other hand, the power distribution problem under the load unbalanced state is not addressed in these articles.

The control method presented in [13] and [14] is based on the feedback of FNS voltage. FNS reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel is defined as the product of the FNS voltage and the FNS current. However, the definition of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel cannot exactly present the fluctuation of power because the FNS voltage is dramatically suppressed in well-controlled microgrid systems. In addition, the distribution of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel is not accurate for using 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel as the negative feedback factor.

There is a good attempt at improving this control method in [15]. In [15], compensation of voltage unbalance at the PCC is considered. This compensation needs some specific communication lines to send messages from the PCC to each of the DG unit controllers. Thus, the control method makes the system structure more complicated and violates the “Plug & Play” rules [16].

A different definition of FNS reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel, which refers to the product of fundamental positive sequence (FPS) voltage and FNS current, is introduced in [17]. Since the effect of the FPS voltage is more significant, this definition is more reasonable. One method for 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel sharing through the droop control between 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel and the output admittance has also been proposed. In this method, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel is accurately distributed only when the cutoff frequency is in a very high level. However, this is difficult to realize in hardware. Thus, the compensation of unbalance voltage and the accurate distribution of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel cannot be achieved at the same time using the control method proposed in [17] and [19].

In this paper, a model of a voltage source inverter is established in the αstationary reference frame and the voltage and current controllers are designed. Traditional droop control is illustrated and its inherent problems are pointed out with unbalanced loads in a microgrid. A PR controller is adopted to suppress voltage unbalance. A proportional relationship (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 151pixel, 세로 56pixel control method) between 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel and the negative output impedance Z is established to distribute the negative reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400550.bmp
원본 그림의 크기: 가로 71pixel, 세로 66pixel accurately and to reduce the effect of unbalanced loads at the same time. Finally, the proposed control strategy is verified by the simulation and experimental results.

This paper is arranged as follows. Sections II describes the model and control of the voltage source inverters. Section III illustrates the traditional droop control and its inherent problems with unbalanced loads in microgrids. Section IV describes the details of the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 151pixel, 세로 56pixel control method and the whole control structure. Section V and VI show simulation and experimental results to validate the proposed control strategy. Finally, section VII presents some conclusions.



Ⅱ. INNER CONTROL DESIGN

The whole microgrid structure analyzed in this paper is shown in Fig. 1. It contains two parallel-connected voltage source inverters which represent the DG unit and two static switches to decide whether the inverters are connected to the microgrid. The local and remote loads represent the power demand in the microgrid. The microgrid is operated in the stand-alone mode.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1055pixel, 세로 915pixel

Fig. 1. Microgrid structure.


The voltage source inverter (VSI) chosen as the power electronic interface is shown in Fig. 2. It consists of a three-phase full-bridge inverter and an LC filter. The DC-AC inverter is always controlled as a voltage source, and its control objective is to track the reference voltage value and to suppress disturbances of the load current.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1301pixel, 세로 553pixel

Fig. 2. Voltage source inverter.


The local and remote loads in the microgrid have the same structures which consist of three phase balanced loads and a 1 phase loads as shown in Fig. 3. A 22Ω resistance is connected between phase A and phase C to imitate the load unbalance state when the switch is closed.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1010pixel, 세로 578pixel

Fig. 3. Three phase unbalanced load circuit.


The model and control of the voltage source inverter is in the α-β stationary reference frame, where no coupling exists between the α axis and the β axis. A control block diagram is shown in Fig. 4.

The current controller is:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 201pixel, 세로 101pixel            (1)


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1261pixel, 세로 301pixel

Fig. 4. Control block diagram of a VSI.


where k is the current proportional coefficient. The only goal of the current controller is to increase the system damping.

It is well known that the frequencies of the fundamental frequency of the positive and negative voltages are both 50Hz in the α stationary reference frame. For accurate tracking of the voltage reference, a quasi resonant controller is chosen which can provide a very high amplitude at a specified frequency for an open loop Bode diagram. The voltage controller is:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 728pixel, 세로 207pixel             (2)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 71pixel is the voltage proportional coefficient, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 62pixel is the resonant coefficient, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 74pixel, 세로 56pixel is the cutoff frequency, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 68pixel, 세로 55pixel is the resonant frequency.

The output voltage in Fig. 4 is:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 619pixel, 세로 91pixel           (3)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 80pixel is the reference voltage, G(s) is the closed-loop transfer function, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 49pixel, 세로 70pixel is the load current, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 134pixel, 세로 68pixel is the output impedance. In addition, G(s) and Zo(s) are:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1073pixel, 세로 162pixel             (4)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1201pixel, 세로 190pixel        (5)

In practice, the design procedure of the PR parameters can be divided into three steps. First, the bandwidth of the controller is determined by the frequency fluctuation range of the power grid so that 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 74pixel, 세로 56pixel is selected. Next, the frequency characteristics of the open-loop transfer function of the controller are selected at the gain of the fundamental frequency 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 66pixel. In order to achieve the stability and anti- interference of the system, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 80pixel, 세로 72pixel parameter is designed based on the harmonic impedance.

The parameters of the voltage and current controllers are then chosen as 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 80pixel, 세로 72pixel=0.025, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 66pixel=25, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 74pixel, 세로 56pixel=4rad/sec, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 68pixel, 세로 55pixel=314rad/sec and k=0.1. Then a Bode diagram of the closed loop of the voltage is shown in Fig. 5.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1535pixel, 세로 848pixel

Fig. 5. Bode diagram of the closed voltage loop.


Then a Bode diagram of the output impedance 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 129pixel, 세로 71pixel is shown in Fig. 6.

From Fig. 6 it can be seen that the amplitude of the output impedance at 50Hz is about -30dB. This can effectively suppress the FPS and FNS current disturbances at the fundamental frequency.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1509pixel, 세로 854pixel

Fig. 6. Bode diagram of the output impedance 그림입니다..



Ⅲ. TRADITIONAL DROOP CONTROL

The principle of the traditional droop control is to emulate an inverter as a synchronous generator, which decreases the frequency when the output active power increases. The equation of droop control is:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 571pixel, 세로 76pixel             (6)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400018.bmp
원본 그림의 크기: 가로 493pixel, 세로 82pixel                (7)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 72pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 64pixel, 세로 65pixel are the nominal frequency and voltage. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 74pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 64pixel, 세로 66pixel are the nominal active and reactive power. P and Q are the instantaneous active and reactive power. f and E are the frequency and voltage reference. Then the droop characteristic is shown in Fig. 7.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1338pixel, 세로 518pixel

Fig. 7. Droop control characteristic of active and reactive power.


Using droop control, the active and reactive power can be shared without critical communications between the inverters. According to the instantaneous reactive power theory, P and Q are calculated as follows in practical applications:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040001e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 924pixel, 세로 198pixel                           (8)

p and q are constants when there are only linear and balanced loads in a microgrid. However, after loads becoming unbalance, the current contents FPS component and component according to the symmetrical component theory. Thus, in the rotating reference frame the output current becomes:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040001f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 899pixel, 세로 221pixel                            (9)

Substituting the current in (8) with (9), the instantaneous active p and reactive powers q become fluctuant as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400020.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1459pixel, 세로 214pixel      (10)

Note that the instantaneous active power consists of two parts. The first part is in the DC term, which contains information of the FPS voltage and current. It is as same as the active power of an inverter with balanced loads. The other part is an AC variable at a frequency of 100Hz. The amplitude of the AC variable is calculated as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400021.bmp
원본 그림의 크기: 가로 900pixel, 세로 235pixel                          (11)

In [17], the amplitude of the AC variable is called negative reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel, because it represents a fluctuation of the active power just like the definition of traditional reactive power. The difference is 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel, which means the amplitude of the power exchange between the source and the loads. In addition, the traditional reactive power means the amplitude of the power exchange between loads in different phases.

Obviously, the traditional droop control can accurately distribute the DC part in (10). However, it cannot deal with the AC part―negative reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel. Thus, the power flow cannot be shared between different DG units in a microgrid with unbalanced loads by only using traditional droop control. A 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel distribution method is needed to solve this problem.

One point should be mentioned is that the FNS reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel can be calculated with 3-phase traditional active power. The only requirement is a power analyzer that has 3 voltage probes, 3 current probes and is connected as shown in Fig. 8.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400023.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1579pixel, 세로 728pixel

Fig. 8. Probe connection diagram for 그림입니다. calculation.


Traditional 3-phase active power is calculated as follows, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400024.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 80pixel is the voltage peak value, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 67pixel, 세로 79pixel is the peak value of the FPS current, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400025.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 80pixel is the peak value of the FNS current.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400027.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1408pixel, 세로 397pixel         (12)

Calculating the integral term yields:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400028.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1402pixel, 세로 401pixel        (13)

In practice, P1, P2 and P3 can be measured with a power analyzer and all of them should be multiplied by 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400029.bmp
원본 그림의 크기: 가로 173pixel, 세로 83pixel to get the accurate sum of all three phases. Thus, (13) can be seen as a ternary equation. Treating 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 121pixel, 세로 73pixel as an unknown and solving the ternary equation yields:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1299pixel, 세로 158pixel         (14)

(14) proves that 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel means the amplitude of the power exchange between the source and the loads from the angle of the traditional power definition. In addition, (14) can be used in practice to calculate 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel with a power analyzer.



Ⅳ. Q-Z CONTROL


A. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel Control

In a well-controlled microgrid, the FPS voltage 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 68pixel, 세로 55pixel can usually be seen as a constant. Thus, sharing an accurate 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel means an accurate distribution of the FNS output current 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP0000174406d1.bmp
원본 그림의 크기: 가로 49pixel, 세로 61pixel. Considering a microgrid that consists of two DG units and one 3 phase unbalanced load, the DG unit keeps the output voltage very well at a fundamental frequency sinewave without unbalance or harmonic. Then the FNS current is brought in when the fundamental frequency voltage acts on unbalanced loads. When only the FNS current is considered, the unbalanced loads can be substituted with FNS current sources as below.

In Fig. 9, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 80pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400031.bmp
원본 그림의 크기: 가로 78pixel, 세로 72pixel refers to the output impedance of a DG unit. Obviously, the FNS current can be shared accurately if 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 80pixel,그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400031.bmp
원본 그림의 크기: 가로 78pixel, 세로 72pixel can be controlled in proportion. Thus, a proportional relationship is built to operate output impedance of each DG unit.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400032.bmp
원본 그림의 크기: 가로 560pixel, 세로 79pixel                            (15)


그림입니다.
원본 그림의 이름: $EM004c.jpg

Fig. 9. Equivalent circuit of the FNS current sharing of a DG unit.


As shown in Fig. 10, if outputs 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel of one of the DG units increases, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control orders the DG unit to increase its output impedance to decrease the FNS output current 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400033.bmp
원본 그림의 크기: 가로 51pixel, 세로 44pixel. This in turn, achieves the goal of compensating the increased 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel.

The 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control can also be shown to be effective in math. In (11), substitute 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400033.bmp
원본 그림의 크기: 가로 51pixel, 세로 44pixel with (15):

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400034.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1052pixel, 세로 175pixel          (16)


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 776pixel, 세로 808pixel

Fig. 10. 그림입니다. control characteristic.


(16) can be simplified as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400035.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1052pixel, 세로 91pixel          (17)

Solving this equation yields:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400036.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1170pixel, 세로 196pixel     (18)

If the following conditions are met:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400037.bmp
원본 그림의 크기: 가로 743pixel, 세로 100pixel                     (19)

(18) can be simplified as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400038.bmp
원본 그림의 크기: 가로 443pixel, 세로 168pixel                                (20)

Thus, assume that the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control coefficients of two DG units are assigned according to the following relationship:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400039.bmp
원본 그림의 크기: 가로 289pixel, 세로 268pixel                                    (21)

Substitute (21) into (20). Then:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040003a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1001pixel, 세로 179pixel         (22)

When the relationship of formula (19) is satisfied, the simplified formula (20) can be obtained. The formula (21) is a hypothetical relationship. Through a combination of formula (21) and formula (20), formula (22) can be obtained. Then the two inverters automatically assign their respective negative-sequence reactive power according to the set ratio.

Obviously, two DG units can share 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel in proportion to their rated capacity.

The same principle can be applied for a microgrid with multiple installations of DG units. By assigning the droop coefficients of various DG units as (23), each of the DG units can share 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel in proportion to their rated capacity.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040003b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 882pixel, 세로 182pixel             (23)

Each DG unit can share 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel in proportion to their rated capacity.


B. DG Unit Control System with 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel Control

The DG unit control system with 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control is shown in Fig. 11.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040003c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1176pixel, 세로 925pixel

Fig. 11. DG unit control diagram with 그림입니다. control.


First, sequence separation is used to separate the output voltage and current into FPS and FNS. P and Q are calculated with the FPS voltage and current. Then, they are transmitted into a traditional droop controller which gives the FPS voltage reference to accurately share the active and reactive power. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel is calculated using the FPS voltage and FNS current. The 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel controller gives the FNS output impedance to accurately distribute the FNS reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel. Then, the FNS voltage reference is calculated as the product of Z and the FNS output current. Finally, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040003d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 108pixel, 세로 83pixel which means the sum of the FPS voltage reference and the FNS voltage reference is used as the reference of the voltage control loop and the PR controller ensure the quality of the DG unit’s output voltage.

The increase of the negative sequence impedance of the system leads to an increase of the voltage unbalance factor (VUF). In order to keep the VUF from exceeding 3%, this paper limits the output impedance Z by 0-3Ω.



Ⅴ. SIMULATION RESULTS


A. Simulation with Two DG Units

In order to verify the proposed control strategy, a simulation is implemented in PSIM, and the simulation circuit is shown in Fig. 12. Two inverters are connected in parallel and the switching frequency is 10 kHz. The rated active and reactive powers of the inverters are both 4kW and 3kVar, the nominal power is P0=2kW, Q0=0kVar, and the droop coefficients are 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040003e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 78pixel, 세로 78pixel=0.1Hz/kW and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040003f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 81pixel=4.43V/kVar. The only difference is the line impedance between the two inverters, one is 3mH and the other is 2mH.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400040.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1532pixel, 세로 650pixel

Fig. 12. PSIM simulation circuit.


Results of the traditional droop control with unbalanced loads are shown in Fig. 13. It can be seen that the active and reactive powers are both fluctuant for the FNS current. In addition, the amplitude of the power fluctuation is equal to the FNS reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel as derived previously.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400041.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1555pixel, 세로 816pixel

Fig. 13. Instantaneous power in a microgrid with unbalanced loads.


Using the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control to deal with the FNS reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control coefficients are set as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400042.bmp
원본 그림의 크기: 가로 751pixel, 세로 92pixel         (24)

Results of the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control with different line impedances (3mH and 2mH) are shown in Fig.14. Neglecting the difference of the line impedance, the FNS reactive power of the two inverters are distributed at a ratio of 1:1.05. In addition, their active and reactive power are also well shared by using the traditional droop control.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400043.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1553pixel, 세로 800pixel

Fig. 14. Power distribution results using the 그림입니다. control.


The voltage unbalance factor (VUF) and an output voltage waveform of inverter 2 are shown in Fig. 14. The VUF is calculated as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400044.bmp
원본 그림의 크기: 가로 546pixel, 세로 171pixel              (25)

It can be seen that in Fig. 15, the VUFs of the two inverters are both less than 2%, which indicates that the DG unit’ output voltage unbalance is well compensated with the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control. The VUF is suggested to be less than 3% according to IEEE1547 standard [18].


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400045.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1539pixel, 세로 765pixel

Fig. 15. VUF and voltage waveform using the 그림입니다. control.


The target ratio of the two inverter sharing is set to 1.5:1 and the line impedances are both 3mH. The 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control coefficients are set as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400046.bmp
원본 그림의 크기: 가로 717pixel, 세로 196pixel          (26)


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400047.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1556pixel, 세로 744pixel

Fig. 16. Power sharing result when the rated capacity proportion is 1.5:1.


The power sharing result is shown in Fig. 16.

Obviously, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel distribution result is 1.45:1, which is an accurate tracking of the target ratio. Fig. 16 also shows that the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control does not disturb the traditional droop control which is effective for the P and Q distribution.


B. Simulation with Three DG Units

In order to achieve generality with the proposed method, the simulation study of the system is implemented with 3 DG units. The simulation is implemented in PSIM, and the simulation circuit is shown in Fig. 17. The line impedances between the three inverters are 4mH, 3mH and 2mH respectively.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400048.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1000pixel, 세로 893pixel

Fig. 17. PSIM simulation circuit.


As shown in Fig. 18, the ratio of the FNS reactive power of the three inverters is 1:1:1.05. This shows that the proposed method can reduce the influence of the line impedance on the reactive power distribution of the line and that it is compatible with the traditional droop control. In addition, the active and reactive power are well shared by using the traditional droop control.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400049.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1562pixel, 세로 822pixel

Fig. 18. Power distribution results using the 그림입니다. control.


This also shows that in Fig. 19, the VUF of the three inverters are both less than 2%. According to IEEE1547 standard [18], the VUF should be less than 3%. These results show that the DG unit’ output voltage unbalance is well compensated with the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1576pixel, 세로 832pixel

Fig. 19. VUF and voltage a waveform using the 그림입니다. control.



Ⅵ. EXPERIMENTAL RESULTS

The experimental setup is shown in Fig. 20. It contains two parallel inverters, a static switch, line impedances and unbalanced loads. A digital processor TMS320F28335 is used to deal with the control algorithms.


그림입니다.
원본 그림의 이름: $EM008e.jpg

Fig. 20. Experimental setup.


The results of the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control with the same DG unit’ capacity and different line impedances (2mH and 3mH) are shown in Fig. 21 and Fig. 22. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 81pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel, which can be calculated using (14), are 855.1Var and 787.7Var, respectively. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 81pixel:그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel = 1.08:1, it is close to the goal of same capacity. This also shows that the traditional power P and Q is shared well at the same time.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1375pixel, 세로 801pixel

Fig. 21. Power of Inverter1 with different line impedances.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1372pixel, 세로 811pixel

Fig. 22. Power of Inverter2 with different line impedances.


The voltage unbalance factor can be seen in Fig. 23. Only the voltage situation of invereter1 is shown since its VUF is larger than the VUF of inverter2. The VUF of inverter1 represents the maximum VUF in the microgrid. Fig. 20 indicates that the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control decreases the VUF at 2.42%, which is less than the IEEE1546 suggestion of 3%.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1372pixel, 세로 833pixel

Fig. 23. Maximum VUF with different line impedances.


The results of the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control with a target sharing ratio of 1.5:1 and the same 3mH line impedances are shown in Fig. 24 and Fig. 25. Using (14), it can be easily calculated that 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 81pixel=890.4Var and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel=625.0Var. Therefore, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 81pixel:그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel=1.42:1 which meets the target ratio of 1.5:1 very well. On the other hand, the proportional ratio of P and Q of the two inverters also is close to the distribution target.

Fig. 26 shows the voltage result of a 1.5:1 distribution target ratio when the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control is used. The maximum VUF is 2.79%, which is less than the IEEE1546 suggestion of 3%.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400050.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1370pixel, 세로 840pixel

Fig. 24. Power of inverter1 for a 1.5:1 distribution target ratio.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400051.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1361pixel, 세로 817pixel

Fig. 25. Power of inverter2 for a 1.5:1 distribution target ratio.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400052.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1354pixel, 세로 854pixel

Fig. 26. Maximum VUF for a 1.5:1 distribution target ratio.


Table I summarizes the experimental results of a microgrid using the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control. Obviously, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control can share 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel accurately according to the target ratio and suppress the VUF in the microgrid at the same time. One point that should be mentioned is that the increase of the maximum VUF in the microgrid is caused by the different values of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel for the two DG units. According to the different 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel control, a larger 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel lead to a larger Z. In addition, a larger output impedance means that the output voltage is more easily influenced by an unbalanced output current. Thus, the maximum VUF of the target ratio of 1.5:1 is larger.


TABLE I EXPERIMENT RESULT SUMMARY OF THE 그림입니다. CONTROL

Target ratio

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 81pixel(Var)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel(Var)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 81pixel:그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel

Max VUF

1:1

855.1

787.7

1.08:1

2.42%

1.5:1

890.4

625.0

1.42:1

2.79%



Ⅶ. CONCLUSIONS

In this paper, a model of a voltage source inverter is established in the α-β stationary reference frame and voltage and current controllers are designed. The traditional droop control is illustrated and its inherent problems are pointed out when unbalanced loads are introduced into a microgrid. Since the traditional droop control cannot share 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel droop control is introduced as a supplement to the old power sharing method. By using the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001040002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 199pixel, 세로 76pixel droop control to distribute the negative sequence reactive power 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel, the unbalanced current in a microgrid can be reasonably configured. So that it will not affect the stability of a system, the proposed method can maintain the VUF at a low level while effectively distributing 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000010400022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 68pixel. Thus, together with the traditional droop control algorithm, a complete power distribution system is proposed.



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그림입니다.
원본 그림의 이름: $EM0001.jpg

Yaoqin Jia received his B.S. degree in Electrical Engineering from Beihang University, Beijing, China; and his M.S. and Ph.D. degrees from Xi’an Jiaotong University (XJTU), Xi’an, China, in 1998 and 2003, respectively. He studied at the Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan, in 2000. He worked in a factory for three years. He worked as a Post-Doctoral Fellow at Tsinghua University, Beijing, China, in 2003. He is presently working as an Associate Professor in the Department of Electrical Engineering, XJTU. His current research interests include digital control in power electronics and distributed power systems.


그림입니다.
원본 그림의 이름: $EM0002.jpg

Daoyang Li was born in Xi’an, China. He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Xi'an Jiaotong University (XJTU), Xi’an, China, in 2010 and 2013, respectively, where he conducted research on the control of inverters in microgrids. He is presently working as an Engineer at Xuji Group Corporation, Xuchang, China. His current research interests include flexible HVDC technologies.


그림입니다.
원본 그림의 이름: $EM0003.jpg

Zhen Chen received his B.S. degree in Electrical Engineering from Nan Chang University (NCU), Jiangxi, China. He is presently working towards his M.S. degree at Xi’an Jiaotong University (XJTU), Xi’an, China. His current research interests include microgrids and digital control in power electronics.