2.1 DC 마이크로그리드 구성

DC 마이크로그리드 내의 계통 전압을 생성하는 AC/DC 컨버터에서는 일정한 DC 전압 제어가 가능하나 부하측의 말단에서는 전송 선로의 길이에 따라 전압 강하가 발생할 수밖에 없다. 이러한 전압 강하가 부하 단의 구동 전압 이하까지 도달할 경우 부하는 동작할 수 없으며 수용가에서는 정전에 가까운 사고가 발생하게 된다. 또한 전송선로의 길이에 따른 전압강하 이외에도 다른 요인이 존재한다. DC 계통망을 형성하는 전력변환기는 수용할 수 있는 출력용량이 정해져 있기 때문에 순간적인 과부하 조건에서 전력변환기의 보호를 위한 전류 limit 설정에 따라 AC/DC 컨버터 내에서 전압의 상승과 강하가 일어날 수 있다. 전압 상승의 경우에는 DC 마이크로그리드의 use case 중 부하량이 급격하게 줄어들고 신재생 발전량이 많아 AC/DC 컨버터의 출력 용량을 초과할 경우 나타날 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 DC 마이크로그리드 내의 부하 측 말단 BESS를 설치하여 DC 계통 전압을 조정하도록 그림 1과 같이 구성하였다. 배전 전압에 대한 전압 강하는 DC 부하 가변 및 전송 선로 손실을 통해 나타날 수 있으며 전압의 상승은 신재생에너지원의 발전량에 나타날 수 있다.

2.2 DC 마이크로그리드 전압 변동 요인 분석

DC 마이크로그리드 내 배전계통은 AC 배전과는 다르게 AC/DC 컨버터의 전력변환기로 구성된다. 전력변환기는 설계 용량에 따라 자기 보호를 위해 전류 리밋 제어를 수행하게 된다. 그림 2(a)는 AC/DC 컨버터가 부하에 전원을 공급하는 중 순간적인 과부하에 의해 전압 강하가 나타나고 있으며 그림 2(b)는 신재생에너지의 발전량의 급격한 증가로 인해 전압이 상승하는 특성을 나타내고 있다.

또한 다음 그림 3을 통해 직류배전이 가능한 거리($D_{l}$)를 계산할 수 있다. LVDC 배전 시스템의 정격전압을 $V_{cmd}$라고 하고 배전계통 말단 버스의 전압유지율을 $K$($0\le K\le 1$)라고 하면 말단 전압은 최소한 $(1-K)V_{cmd}$ 이상을 유지하여야 한다. 전송선로의 km 당 저항($\Omega$)을 $R(\Omega /km)$, 선로에 흐르는 전류를 $I_{DC}$로, 그리고 배전계통이 시작하는 지점의 전압이 정격전압과 같다고 정의하면 다음 식 (1)과 같은 회로방정식을 구할 수 있다.

여기서, 부하 소비전력을 $P_{load}$라고 정의하면 다음 식 (2)을 유도할 수 있다.

위의 식 (1)과 식 (2)을 연립하여 정리하면 전압유지율을 유지하면서 전송 가능한 거리는 다음 식 (3)과 같이 구할 수 있다.

여기서 $P_{load}$의 단위는 [$V^{2}/\Omega$]이고 $R$은 [$\Omega /km$]로서 전력전송 거리에 대한 단위는 [$km$]이다. 전력전송 거리에 대한 계산 결과에 의하면 전선의 종류, 전송 선로의 두께에 관련된 선로 임피던스 $R$이 작을수록 LVDC 전력전송 가능거리가 늘어난다. 또한, 부하의 크기가 커질수록 최대전송 가능거리가 줄어드는 것을 알 수 있으며, 특히 부하가 100kW에 DC 전압 유지율이 95%인 경우 DC 마이크로그리드 내 배전계통의 최대 전송가능거리가 1km 내외로 제한적임을 알 수 있다.

이상의 분석에서 기존 ±750V 직류배전 계통이 확장되어 총 긍장 또는 총 부하량이 증가하면 말단 전압이 한전에서 규정한 전압 유지율을 만족하기 힘들어, DC 마이크로 그리드 내의 배전 계통의 한계가 있음을 확인 할 수 있고 전송 선로에 대한 손실뿐만 아니라 전력변환기의 자기 용량에 따라 배전 전압이 변화될 수 있다.

3.1 양방향 컨버터 토폴로지 설계

양방향 컨버터의 수동소자 개수 및 능동소자의 정격사양을 고려하여 본 논문에서는 Half-bridge 양방향 컨버터 토폴로지를 선정하였으며 배터리의 전류 리플 및 수동소자의 사이즈 등을 감안하여 4 leg 인터리브 방식을 이용한 토폴로지를 구현하였다. 그림 4는 4 leg 인터리브드 양방향 DC/DC 컨버터 토폴로지를 나타내고 있다. 인터리브를 위한 위상 쉬프트는 병렬 연결된 4쌍의 스위치가 90° 위상차를 가지도록 제어하며 부품수가 증가하였으나 입력전류의 분배로 소자의 정격용량을 낮추고, 스위칭 주파수가 4배로 증가하여 전류 리플을 저감할 수 있다⁽⁹⁾.

3.2 양방향 컨버터 제어기 설계

BESS용 양방향 DC/DC제어기 설계에 있어 핵심적인 부분으로 전류제어기 출력과 동일 값이 출력되도록 PWM 시비율을 결정해야 하므로 양방향 DC/DC 컨버터 토폴로지에 있어 모드별로 방전모드 시 부스트 컨버터, 충전 모드 시 벅 컨버터로서 나누어 해석하였고 그에 따른 유도 방정식을 통해 PWM 시비율이 반영되도록 하였다.

그림 5는 4 leg 컨버터의 한 상에 대한 등가 회로를 나타낸다. 그림 5(a)는 방전 모드로서 낮은 입력 배터리 전압을 DC 배전망의 고전압과 연계되어 전류를 출력하기 위해 부스트 모드로 동작하며, 그림 5(b)는 충전모드로 높은 DC 배전망의 고전압을 낮은 입력 전압을 갖는 배터리에 충전하기 위해 벅 모드로 동작한다.

배터리의 방전으로 구현되는 부스트 컨버터는 출력전압 $V_{out}$를 승압시켜 입력전압 $V_{bat}$보다 높은 값의 출력전압을 얻는 승압형의 DC/DC 컨버터이다. 부스트 컨버터의 동작 원리는 주스위치 $S_{2}$가 ON이 되면 입력으로부터 전류가 리액터 $L$과 스위치 $S_{2}$을 흐르면서 리액터 $L$에는 에너지가 축적하게 된다. 한편 환류다이오드 $D_{F}$는 역 바이어스가 되어 OFF가 되고 출력 커패시터 $C$는 부하저항 R을 통해 방전하게 된다. 다음 스위치 $S_{2}$가 OFF가 되면 리액터 L에 축적되었던 에너지가 환류다이오드 $D_{F}$를 통하여 출력 측으로 방출하게 되며, 스위칭 주기 $T_{s}$를 한 주기로 하여 이 동작이 반복하게 된다.

부스트 컨버터가 연속 도통 모드에서 동작하고 있을 때 리액터 $L$양단에 걸리는 평균 전압($V_{L,avg}$)은 다음 식 (4)과 같이 나타낼 수 있다.

리액터에 인가되는 평균 전압 ($V_{L,avg}$)과 전압 지령($V_{L}^{*}$)이 동일하다고 가정할 때, 배터리 방전의 PWM 시비율 $D_{discharge}$는 식 (5)과 같이 나타낼 수 있다. 이 때, 부스트 컨버터의 전압 지령($V_{L}^{*}$)값은 리액터 $L$에 걸리는 리액터 전압($V_{L}$)값은 최소 $V_{in}-V_{out}$에서 최대 $V_{in}$의 범위를 넘지 않는다.

충전으로 구현되는 벅 컨버터는 출력전압 $V_{out}$를 하강 시켜 입력전압 $V_{bat}$보다 낮은 출력전압을 얻는 강압형의 DC/DC 컨버터이다. 동작 원리로는 주스위치 $S_{1}$가 ON되면 입력으로부터 전류가 리액터 $L$을 통하여 출력으로 흐름과 동시에 리액터 $L$에는 에너지를 축적하게 된다.

벅 컨버터가 연속 도통 모드에서 동작하고 있을 때 리액터 $L$양단에 걸리는 평균 전압($V_{L,avg}$)은 다음 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.

리액터에 인가되는 평균 전압 ($V_{L,avg}$)과 전압 지령($V_{L}^{*}$)이 동일하다고 가정할 때, PWM 시비율 $D_{ch\arg e}$는 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다. 이 때 벅 컨버터의 전압 지령($V_{L}^{*}$) 값은 리액터 $L$에 걸리는 리액터 전압($V_{L}$) 값의 최소 $V_{in}-V_{out}$ ~ 최대 $V_{in}$의 범위를 넘지 않는다.

위의 수식을 정리하여 PI 제어기를 이용하여 전류 제어기를 구성하고, 전류 제어기의 출력을 평균 전압 ($V_{L,avg}$)가 되도록 PWM 시비율 D의 값으로 제어한다. PI 제어기를 이용하여 전류 제어기를 구성하고, 전류 제어기의 출력을 리액터 $L$에 대한 전압 지령 ($V_{L}^{*}$)이라고 가정할 때 전류 제어기에 대한 블록도는 그림 6과 같이 나타낼 수 있다.

PI 제어기를 이용하여 구성된 전류 제어기 값은 전압 지령 ($V_{L}^{*}$)이 출력된다. 이때 실제 걸리는 리액터 전압($V_{L}$)은 다음 식(８)과 같다.

식 (8)을 라플라스 변환을 통해 구하여 정리하면 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다

위 식 (9)을 다시 정리하면 다음 식 (10)과 같이 나타낼 수 있다.

충·방전에 대한 PWM 시비율을 결정하면 연속 도통 모드에서 리액터 $L$에 인가되는 평균 전압은 전류 제어기 출력 값인 전압 지령과 동일한 값을 가진다. 리액터의 전류 지령과 실제 전류 응답 사이의 전달함수는 다음 식 (11), 식 (12)와 같이 나타낼 수 있다.

리액터의 인덕턴스 및 직렬 저항의 값을 통해 전류 제어기의 이득을 다음과 같이 설정하면 다음 식 (13)과 같다.

$w_{cc}$는 전류 제어기의 대역폭을 나타내며, 일반적으로 PWM 스위칭 주파수의 1/10까지의 값을 가진다. 인덕턴스 및 직렬 저항의 측정값이 실제 값 $L$, $R$과 동일하다면 식 (14)은 다음과 같이 1차 저역 통과 필터의 전달함수로 간략화 할 수 있다.

결과적으로 PWM 시비율을 식 (5)과 식 (7)을 통해 연속 도통 모드에서 구동되는 충·방전을 원하는 대역폭의 응답 특성을 가지는 전류 제어기를 단순하게 설계할 수 있다.

5.1 시뮬레이션 결과

그림 10은 DC 계통 전원 750V가 선로손실 및 피크 부하 발생 시 전압 강하가 발생된 상태의 VR 제어를 나타낸다. DC 계통 전압 750V에서 30V 이상의 전압 강하가 발생 시 계통의 사고 혹은 부하변동, 정지 상태를 판별을 위해 10msec 동안 4 leg 컨버터에서 전압 상태를 검출하고, 계통에 이상이 없을 시 750V 유지를 위해 컨버터에서는 DC 계통에 전력을 공급하는 VR 제어가 수행된다.

1단계에서는 DC 계통의 사고 혹은 부하변동, 정지 상태를 판별하는 단계로 DC 계통에 이상이 없음을 확인하고, 4 leg 컨버터에서는 방전을 준비하는 단계를 나타낸다. 2단계에서는 컨버터에서 전류를 계통으로 방전하며, DC 계통의 전압이 750V로 안정적으로 유지됨에 따라 VR 제어를 유지하는 단계를 나타낸다. 3단계는 DC 계통이 정상 상태 확인을 위해 VR 방전 전류를 감소하는 단계를 나타낸다. 4단계는 DC 계통 전압 강하를 확인하여 다시 VR 제어로 지속 운용 단계를 나타낸다. 피크 부하 발생 시 VR 제어를 통해 안정적인 DC 계통 운용이 가능함을 확인할 수 있다.

그림 11은 DC 계통 전원이 기저부하 상태이고, 신재생원의 발전량이 많을 경우 전압 상승 상태의 VR 제어를 나타낸다. DC 계통 전압 750V에서 30V 이상의 전압 상승 시 계통의 사고 혹은 부하변동, 정지 상태를 판별을 위해 10msec 동안 4 leg 컨버터에서 전압 상태를 검출하고, 계통에 이상이 없을 시 750V 유지를 위해 컨버터에서는 DC 계통에서 전력을 공급받는 VR 제어가 수행된다. 세부적인 시퀀스는 전압 강하시의 VR 제어와 동일하게 수행되며 신재생원의 발전량이 DC 계통 최대 수용 전력 보다 많을 경우에도 VR 제어를 통해 안정적인 DC 계통 운용이 가능함을 확인할 수 있다.

그림 12는 DC 계통 전압 정상 상태 확인 후 VR 제어 종료 시뮬레이션을 나타낸다.

1단계와 2단계는 초기 VR 제어를 나타내며, 3단계에서는 DC 계통 전압 정상 상태 확인을 위한 VR 충전 전류를 점차 감소시켜, 4단계에서는 DC 계통 전압이 정상 상태를 확인하여 VR 제어가 종료됨을 확인할 수 있다. 그림 12(a)는 피크 부하 발생 종료 시 정상 상태의 VR 제어를 나타내고, 그림 12(b)는 DC 계통의 신재생에너지 발전량 감소 시 정상 상태의 VR 제어 종료 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

5.2 실험 구성 및 결과

그림 13은 본 논문에서 제시한 DC 계통 전압의 VR 제어 알고리즘을 검증하기 위한 실험세트 구성을 나타낸다. DC 계통 전압은 DC 계통 모의 장치를 이용하였으며 신재생에너지는 PV 시뮬레이터, 배터리와 양방향 컨버터 및 DC 부하로 구성하였다.

다음 표 1은 VR 제어 알고리즘 검증을 위한 실험세트의 파라미터를 나타내고 있다.

그림 14는 DC 계통 모의 장치에 의해 형성된 DC 계통 전압인 750Vdc가 피크 부하가 발생하여 전압 강하가 발생된 상태에서 VR 제어 시험 결과를 나타낸다. 계통의 사고 혹은 부하변동, 정지 상태를 판별을 위해 10msec 동안 계통 상태를 검출하고, 계통에 이상이 없을 경우 VR 모드로 배터리 전류를 계통으로 방전하여 계통 전원 750V를 유지시켜준다. 10초 동안 방전 상태를 유지시켜주며, 피크 부하가 제거되는 시점을 확인하기 위해 전원 회복 판별 모드로 구동되며, 제거되지 않았을 경우 다시 VR 모드로 구동되는 걸 확인할 수 있다.

그림 15는 VR 제어 모드 중 DC 계통에 추가 피크 부하 발생할 경우 방전 전류를 상승 시켜 계통 전원을 안정시켜주는 시험 결과를 나타낸다. VR 제어 중 추가 부하 발생으로 강하가 발생되고, 계통 전원 안정화를 위해 4 leg 컨버터는 방전 전류를 증가시켜 안정적으로 DC 계통 전압이 유지됨을 확인할 수 있다.

그림 16은 DC 계통 전원이 기저부하 상태이고 신재생 에너지원의 발전량이 많을 경우 DC 계통 전원이 상승 시 VR 제어의 시험 결과를 나타낸다. 전압 강하와 마찬가지로 계통의 사고 혹은 부하변동, 정지 상태를 판별을 위해 10msec 동안 계통 상태를 검출하고, 계통에 이상이 없을 경우 VR 모드로 계통에서 배터리로 전류를 충전하여 계통 전원 750V를 유지시켜준다. 10초 동안 충전 상태를 유지시켜주며, DC 계통의 기저부하가 제거되거나 발전량이 감소되는 시점을 확인하기 위해 전원 회복 판별 모드로 구동되며, 제거되지 않았을 경우 다시 VR 모드로 구동되는 걸 확인할 수 있다.

그림 17은 DC 계통 전압이 BESS의 VR 제어를 통해 정상 운영 범위 상태 확인 후 VR 제어 종료 시험에 대한 결과를 나타낸다. 그림 17(a)은 피크 부하에 따른 전압 강하 시와 그림 17(b)은 신재생에너지의 과 발전에 따른 전압 상승 시 VR 제어 종료를 나타낸다. DC 계통 전원의 정상 상태를 확인 후 VR 충·방전 전류를 점차 감소 시켜 VR 제어가 종료됨을 확인할 수 있다.

다음 그림 18은 DC 계통 사고 시 전압 상태 판별 알고리즘 시험 결과를 나타낸다. VR 제어 중 DC 계통 사고 시 VR 제어는 전압 상태를 판별하며, 10msec 동안 계통의 사고를 인식하여 VR 모드를 정상적으로 중단함을 확인할 수 있다. 그림 18(a)은 피크 부하에 따른 전압 강하 시와 그림 18(b)은 신재생에너지의 과 발전에 따른 전압 상승 시 DC 계통 사고의 결과 파형을 나타낸다. VR 제어 수행 중에도 DC 계통 전압을 실시간으로 계측하여 사고 시 양호하게 제어가 중단됨을 확인 할 수 있다.