2.1 LVDC 배전망

LVDC 배전망에서 각각의 전력변환장치들은 직류 고속도 차단기를 통해 배전망에 연계된다. DC PQM(Power quality measurement)을 통해 각 전력변환장치의 입력, 출력의 전기적 정보를 계측하고, 단락 사고 및 전력품질 사고 시 이를 기록한다. 전력변환장치에 대한 기능 및 사양은 표 1에 나타나있다.

2.2 DC 수용가

DC 수용가는 크게 DC 주택과 DC 빌딩으로 구분된다. 그림 3의 DC 주택의 구성과 같이, 멀티 채널 컨버터는 unipole 380[V]를 공급하며, 스마트 분전반 내 직류 회로 차단기, 직류 아크 검출기, 직류 누전차단기, 직류 분기 개폐기 등의 보호장치와 , 직류 스위치, 콘센트를 거쳐 DC 가전과 연계된다. 각각의 구성요소에 대한 기능 및 사양은 표 1에 나타나 있다. DC 가전은 제조사의 협력을 통해 가전 내 AC 정류를 위한 bridge diode 회로 제거 및 power factor collection(PFC) 기능 동작을 software적으로 제한하여 unipole 380V 전원에 동작할 수 있도록 수정하였다.

그림 3. DC 주택의 구성

Fig. 3. Configuration of DC home

그림 4. 회생 부하

Fig. 4. Regenerative load

DC 빌딩의 경우 부하 전원 공급 컨버터에 의해 unipole 380[V]를 공급받으며 50[kW]급 DC electric heat pump(EHP)와 빌딩 부하 모의를 위한 회생부하로 구성되어 있다. 회생부하의 단위모듈은 기존의 3상 계통연계형 3 levelneutral point clamped(NPC) 컨버터 토폴로지이다. 이의 DC link 전압이 unipole 380[V]이므로 일반적인 3상 계통의 정류전압보다 작기 때문에 200[V]-380[V] 3상 변압기를 통해 AC 계통과 연계된다. 회생부하는 3개의 단위모듈의 병렬연결로 구성되어 있으며 그림 5의 DC 빌딩 모의를 위한 부하 패턴을 입력받아 스케쥴링 된다.

그림 5. DC 빌딩 모의를 위한 부하 패턴 설계

Fig. 5. Load pattern design for simulating DC building

2.3 AC-DC 연계 수용가

DC 시스템이 확산되는 단계에서, 기존 AC 계통과 혼용되어 사용되는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 위와 같은 상황을 가정할 때, 기존 AC 시스템과 직류 시스템의 연계 등의 목적을 시험하고자 AC-DC 연계 수용가를 구축하였다. AC-DC 연계 수용가는 인터링킹 컨버터와 AC 가전으로 구성된다. 인터링킹 컨버터의 역할은 다음과 같다.

- AC 시스템 및 DC 시스템 정상 운영 시 : 전력거래

- AC 시스템 정전 시 : DC 시스템을 통한 AC 공급

- DC 시스템 정전 시 : AC 시스템을 통한 DC 공급

3.1 부하 패턴 시나리오

LVDC 실증사이트의 실증 시험을 위해 회생부하를 통한 DC 빌딩 부하 패턴을 설계하였다. 국내 에너지온실가스종합정보플랫폼을 통해 에너지 다소비 사업장의 전력 소비 일일 부하 패턴 데이터를 수정하였으며 개발한 회생부하의 정격 용량을 감안하여 최대 약 240[kW]로 설계하였다. 부하패턴은 크게 주중 부하 패턴과 주말 부하 패턴으로 구분되며, DC 수용가 및 DC EHP 등을 고려하면 전체 DC 부하는 약 260[kW]로 고려된다. 그림 5는 설계된 부하패턴을 보여준다.

3.2 전력 품질 사고 모의 시나리오

현재 LVDC 배전에 대한 전력품질 기술기준은 정비되지 않았으나, 선도적 추진 및 실증 운영 시 직류 배전 계통 및 직류 배전 연계형 전력변환장치의 안전한 보호 및 운영을 위해 한전 전력연구원과 협의된 전력품질은 그림 6과 같다. 그림에서 볼 수 있듯, DC 전력 품질은 과전압, 전압 상승, 전압 강하, 저전압, 전압 리플, 순간 정전으로 구성되며 이에 따른 전력변환장치의 동작은 그림 7과 같다^[7]. 실증 시험 시 전력 품질 사고 모의 시나리오에 따라 전력 품질 이상이 발생하는 경우 배전망에 연계된 전력변환장치의 동작 상태를 확인하는 시험이 진행되며, 전력 품질 이벤트 발생 시 안전하게 정지 후 재 기동 여부를 확인함으로써 직류 배전 연계형 전력변환장치의 안전한 보호 및 운영을 확인한다.

그림 6. LVDC 배전망 전력 품질 기술 기준

Fig. 6. Technical standard for LVDC power quality

그림 7. DC 전력 품질에 따른 전력변환장치의 동작

Fig. 7. Power electronic converter operation according to DC power quality

3.3 배전망 단락 사고 모의 시나리오

LVDC 배전망의 경우 다수의 전력변환장치가 연계되며, 각각의 출력에는 전압 평활을 위한 DC-link 커패시터가 내장되어 있다. 이에 따라, 배전망 단락 시, 커패시터를 통한 단락 전류가 발생하게 된다. 또한, 단락 전류의 발생에 따라 전력변환장치의 출력 전압이 강하되며, 3상 인버터 및 부스트 컨버터와 같이 프리휠링 다이오드가 존재하는 토폴로지의 경우 입력 전위와 출력 전위간의 전위차가 발생하여 입력전원에 의한 단락 전류가 발생하게 된다. 즉, LVDC 배전망의 주요 설비인 전력변환장치가 단락 전류의 공급원이 되며, 전력변환장치는 자체 보호를 위한 software적인 보호기능을 갖기 때문에 고장 전류 발생 시 전력변환장치가 정지됨으로써 적절한 보호협조가 수행되기 어렵다. 따라서, 안정적인 LVDC 배전망 운영을 위해서는 기존의 교류 배전 계통의 보호방식과 다른 접근 방식이 필요하다.

본 논문에서는 한류형 전력변환장치를 사용한 보호협조 방식을 적용한다^[8]. 고장 발생 시 한류형 전력변환장치를 통해 고장 전류를 일정 수준 이하로 낮추고 이를 통해 전원공급용 전력변환장치의 견딤 내력을 확보한다. 단락 전류가 한류되는 동안 고장 전류 차단을 위한 차단기의 동작시간을 확보할 수 있으며, 고장 발생점에 가까운 DC circuit breaker(DCCB)가 동작함으로써 사고지점을 분리한다. LVDC 실증사이트의 한류기능은 표 1에서 볼 수 있듯 전원공급용 컨버터와 부하 전원 공급 컨버터가 수행한다. 본 논문에서는 한류형 전력변환장치를 통한 보호협조를 수행하기 위해 그림 8과 같이 보호구간(zone)을 정의한다.

그림 8. LVDC 배전망의 보호구간 구분

Fig. 8. Classification of protection zone

3.4 DC 주택 내 보호기능 모의 시나리오

DC 주택은 사용자의 안전한 운영을 위한 보호기능이 필수적으로 필요하다. 그림 3과 같이 LVDC 실증사이트 내 DC 주택에는 직류 누전차단기, 직류 아크검출기, 직류 분기개폐기 등의 보호기능을 위한 구성요소가 존재하기 때문에 이의 적절한 동작 검증을 위한 시나리오는 다음과 같다.

- 누전 전류 검출 시험

- 아크 검출 시험

- 직류 분기개폐기 과전류 보호 시험

4.1 장시간 연속 실증 시험

LVDC 배전망 내 구성요소의 신뢰성 확인 및 문제점 파악 등의 목적으로 장시간 실증 시험을 진행하였다. 약 30일(720시간)의 연속운전을 진행하였으며, 3.1의 부하 패턴 시나리오를 적용하여 직류 부하가 모의된다. LVDC 배전망 내 모의된 DC 부하 패턴과, PV 컨버터의 발전량에 따라 그림 9와 같이 네 가지의 실증데이터가 취득된다.

- 주중 부하, 태양광 발전 높은 조건

- 주중 부하, 태양광 발전 낮은 조건

- 주말 부하, 태양광 발전 높은 조건

- 주말 부하, 태양광 발전 낮은 조건

이러한 PV 발전 및 부하 패턴을 기반으로 그림 10과 같은 10일 연속 실증 데이터가 취득된다. 그림 10에서 볼 수 있듯, 부하 및 발전량에 따라 그림 9의 실증데이터가 반복적으로 나타남을 확인할 수 있다.

그림 9. 부하, 발전 패턴에 따른 실증 데이터

Fig. 9. Empirical data according to load and generation pattern

그림 10. 10일 동안의 실증 데이터

Fig. 10. Empirical data during 10 days

4.2 전력 품질 사고 실증 시험

전력 품질 사고 실증 시험은 LVDC 배전망의 전력 품질 이상이 발생하는 경우 배전망에 연계되는 전원공급용 또는 분산전원용 전력변환장치의 동작 상태를 확인하기 위한 것으로 전력 품질 이벤트 발생 시 안전하게 정지 후 재 기동 여부를 확인하기 위한 실증 시험이 진행된다. 전력 품질 이상에 대한 모의는 전원공급용 컨버터를 통해 수행된다. 그림 11은 전원공급용 컨버터를 통해 수행된 순간정전 파형을 보여주며 그림 12, 13은 LVDC 배전망의 전체 구성요소가 연계된 상태에서의 전력품질에 따른 실증 시험 결과를 보여준다. 전압 상승, 전압 강하, 과전압, 저전압, 순간정전 등의 전력품질 사고 발생 시, 전력변환장치는 정지하고 이후 재 기동 시 각각의 전력변환장치는 이상 없이 정상 동작함을 확인할 수 있다.

500[msec] 이내 배전망 기준전압 대비 5%의 전압 출력(37.5V)이 수행된다.

그림 11. 순간정전 발생 시 배전망 전압 파형

Fig. 11. Waveform of instantaneous interruption

그림 12. DC 전력 품질 사고 실증 시험 결과

Fig. 12. Empirical results of DC power quality event

그림 13. DC 전력 품질 사고 실증 시험 결과_계속

Fig. 13. Empirical results of DC power quality event continue.

4.3 배전망 단락 사고 실증 시험

단락 사고 실증 시험은 그림 8과 같이 보호구간에 따라 한류제어를 수행하고 고장지점의 안정적인 분리와 고장 지점 분리가 발생하지 않을 경우, 안정적인 시스템 정지 등의 동작을 확인하기 위해 진행한다. Zone 1과 zone 2에 단락이 발생할 경우 단락 전류의 한류 제어는 전원공급용 컨버터가 수행하게 되며, zone 3에 단락이 발생할 경우 이의 한류 제어는 부하전원공급 컨버터가 수행한다.

그림 14는 zone 1 단락 사고 실증 시험 결과를 보여준다. 그림 14(a)에서 볼 수 있듯, zone 1의 단락 발생 시, 전원 공급용 컨버터는 한류제어를 수행하고 1초 이상 한류가 유지되는 경우 사고지점 분리가 되지 않는 것으로 간주하여 컨버터 종료가 수행된다. 그림 14(b)에서 확인할 수 있듯 사고 이후 배전망 재 기동 시 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 그림 15는 zone 2 단락 사고 실증 시험 결과를 보여준다. 단락 사고 발생 지점은 PV 컨버터 입력부이며, 그림 15(a)에서 볼 수 있듯 단락 발생 시 전원공급용 컨버터를 통한 한류 제어와 사고 지점의 DCCB\#2의 탈락으로 인한 고장 지점 분리를 확인할 수 있다. 이후, 그림 15(b)를 통해 PV 컨버터를 제외한 시스템 재 기동 시 안정적으로 동작함을 확인할 수 있다.

그림 16은 zone 3의 단락 발생 시 이의 실증 결과를 보여준다. 그림 16(a)에서 볼 수 있듯 단락 발생 시 부하전원공급 컨버터가 한류제어를 수행한다. 그림 16(b)에서 볼 수 있듯 단락 제거 후, 수용가 공급 전압인 380[V]가 유지되어 부하 운영을 수행하며, 단락 발생 유무와 관계없이 LVDC 배전전압은 안정적으로 750[V]가 유지됨을 확인할 수 있다.

그림 14. Zone 1 단락 사고 실증 시험 결과

Fig. 14. Empirical results of short circuit event in zone 1

그림 15. Zone 2 단락 사고 실증 시험 결과

Fig. 15. Empirical results of short circuit event in zone 2

그림 16. Zone 3 단락 사고 실증 시험 결과

Fig. 16. Empirical results of short circuit event in zone 3

4.4 DC 주택 내 보호 기능 실증 시험

그림 17은 DC 주택 내 보호 기능 실증 시험 결과를 보여준다. 그림 17(a)는 누전 전류 검출 시험으로 DC 주택의 분기 중 한 곳에 누전 사고가 발생된 상황에서 사고 분기에 연결된 누전차단기의 트립 발생 여부를 확인하는 시험이다. 그림에서볼 수 있듯, 누설 전류 17[mA] 발생 시 누전 차단기가 동작하여 사고 분기의 안전한 차단을 확인할 수 있다^[9].

그림 17(b)는 직류 아크 검출 시험 결과를 보여준다. DC 주택 내 직류 아크 발생 시 사고 분기의 아크 검출을 통한 사고 지점 분리를 확인하는 시험이며, 시험 결과에서 볼 수 있듯 직류 아크가 발생된 사고 분기만 차단되고 이외의 분기는 안정적으로 전력 공급이 수행됨을 확인할 수 있다. 그림 17(c)는 직류 분기

그림 17. DC 주택 내 보호기능 실증 시험 결과

Fig. 17. Empirical results of protection performance(DC home)

개폐기를 통한 과전류 보호 시험 결과로 과전류 발생 시 사고 발생 분기의 차단이 안정적으로 수행됨을 확인할 수 있다.

4.5 실증 시험 결과 분석

장시간 연속 실증 시험의 경우 LVDC 배전망 내 구성요소의 신뢰성 확인, 문제점 파악 등을 위해 진행되었다. 이러한 장시간 시험을 통해 발견된 문제점은 크게 다음과 같다.

- 계측 노이즈에 의한 전력변환장치 정지

- 전장품 성능 저하로 인한 전력변환장치 정지

LVDC 배전망은 다수의 노이즈원이 중첩됨에 따라, 이의 전압, 전류 계측 시 많은 노이즈 성분이 포함된다. 그림 18 에서 볼 수 있듯, 장시간 연속 운전 시, 전류 계측 노이즈에 의해 시스템 정지 등이 발생하였으며, 이를 통해 계측 노이즈에 대한 강인성 확보의 필요성을 확인할 수 있다. 그림 19는 전장품 성능 저하로 인해 전력변환장치가 정지된 상황을 보여준다. 전력변환장치가 정지된 경우 이와 연계된 분산전원 등은 수리가 완료되기 전까지 운전되지 못하기 때문에 이의 redundancy를 확보할 방안이 필요함을 확인할 수 있다.

전력 품질 사고 실증 시험의 경우 미리 정의된 전력 품질에 따라 LVDC 배전망 요소기기의 안정적인 운전을 확인 할 수 있으며, 배전망 단락사고 실증 시험의 경우, 한류형 전력 변환장치를 통한 사고 지점의 안정적인 분리 동작을 확인 할 수 있다. DC 주택 내 누전 전류, 아크 검출, 과전류 보호 또한 이의 보호기능을 통해 사용자가 안정적으로 DC 주택을 이용할 수 있음을 확인하였다.

그림 18. 계측 노이즈로 인한 전력변환장치의 정지

Fig. 18. Converter fault due to measurement noise

그림 19. 전장품 성능저하로 인한 전력변환장치의 정지

Fig. 19. Converter fault due to deteriorate of electrical equipment