3.1 MVDC 시스템 설계 및 표준화 기술

현재 MVDC의 전압 범위는 다음 표와 같이 국제 기구별로 다양한 정의가 존재한다.

IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)에서는 MVDC의 전압 범위를 1.5kV~35kV로 규정하고 있으며, CIGRE(Conseil International des Grands Reseaux Electriques)에서는 1.5kV~100kV의 전압 범위로 정의하고 있다^[10,11]. IEC(International Electrotechnical Commission)에서는 명확한 MVDC 전압 범위에 대한 정의가 없으며 국내 전기설비기술기준인 KEC에서는 직류 전압 범위를 1.5kV~7kV를 고압, 7kV를 초과할 경우 특고압으로 구분하고 있다. 최근 LVDC의 경우 다양한 국제 기구간의 전압 범위에서 표준 전압인 380V로 정의하고 이에 따른 DC 배전 시스템 설계 및 실증이 이루어지고 있다. MVDC의 경우 표준 전압이 명확히 규정되어 있지 않아 시스템의 설계 및 안전 기준에 대한 정의가 명확하지 않다. 이러한 다양한 정의와 표준은 MVDC 시스템의 설계와 구축에 있어 혼란을 야기할 수 있으며 전기안전 측면에서도 DC-DC 컨버터나 차단기, 보호설비의 안전성 평가를 위해서는 MVDC 전압 범위 및 표준 전압에 대한 국제적인 합의가 필요하며 이에 따른 시스템 설계, 시공, 운용, 유지보수에 대한 통합지침 개발이 필요하다.

3.2 전력 변환 및 제어 기술

MVDC 시스템에서 DC-DC 컨버터는 핵심적인 역할을 담당한다. 특히 MVDC와 LVDC 시스템을 연계하거나 다른 전압 레벨의 MVDC 시스템을 연결하기 위해서는 DC-DC 컨버터의 설계와 안전성을 평가할 수 있는 기술이 필요하다^[12]. 고효율 DC-DC 컨버터 토폴로지를 개발하기 위하여 Dual Active Bridge(DAB) 컨버터나, Modular Multilevel Converter(MMC) 기반 DC-DC 컨버터, Resonant DC-DC 컨버터 등이 필요하며 이에 따른 고속 스위치 제어 기술 및 병렬 운전 제어 알고리즘에 대한 기술 개발이 필요하다. DAB 컨버터의 경우 전력 전달 방정식은 다음과 같다.

여기서, $V_{1},\: V_{2}$ : 1차, 2차 측 전압[V]

$φ$ : 위상차[°]

$f$ : 스위칭 주파수[Hz]

$L$ : 누설 인덕턴스[mH]

이를 통하여 DC-DC 컨버터에서의 $dv/dt$ 변화율에 따른 절연 시스템에 미치는 영향과 $di/dt$ 변화율에 따른 EMI 발생 및 서지 전압이 시스템에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다. 국제 표준인 IEC 62477-2 에서는 MVDC 전력 변환 시스템에 대한 안전 요구 사항을 다루고 있으며 국제 표준에 의거한 DC-DC 컨버터의 절연내력을 시험하고 온도 상승 시험 프로토콜을 수립하여 성능 평가 지표를 개발하고 안전성 인증 절차를 통해 MVDC 시스템에 적합한 고성능, 고신뢰성의 DC-DC 컨버터를 설계가 이루어진다면 시스템에 대한 안전성을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

3.3 EMC(전자기 적합성) 관리 기술

DC-DC 컨버터의 변환과정에서 발생하는 CMV(Common Mode Voltage)는 MVDC 시스템에서 중요한 안전성 평가 지표로서 특히 전압과 시스템의 용량이 증가 할수록 CMV의 영향이 커지므로 이를 효과적으로 관리하는 기술이 필요하다^[13]. 전력변환장치의 스위치 동작에 따른 CMV를 검출하고 시스템 구성에 따른 CMV 특성을 분석해야 하며 CMV 전파 경로 모델링을 통해 CMV가 시스템에 미치는 영향을 분석해야 한다. 이를 위하여 광학식 전압 센서 등을 이용한 고정밀 CMV 측정 센서를 개발하고 데이터 취득 및 처리 기술을 활용하여 AI 기반 CMV 패턴을 인식하고 분석을 통해 CMV를 저감하기 위한 하드웨어적인 필터(패시브, 능동전력, 하이브리드 등)를 설계하거나 스페이스 벡터 PWM 최적화나 삼각파 캐리어 변조 기법 등을 통한 소프트웨어적인 저감 기술 개발이 필요하다. 일반적으로 CMV 저감을 위한 필터 설계가 다음과 같이 고려되어야 한다.

여기서, $f_{c}$ : 차단주파수[Hz]

$L$ : 필터 인덕턴스[H]

$C$ : 필터 커패시턴스[F]

여기서, $ζ$ : 댐핑 비

$L$ : 필터 인덕턴스[H]

$C$ : 필터 커패시턴스[F]

여기에 상정사고에 따라 다양한 단락 사고, 지락 사고, 서지 유입 등에 따른 사고 발생 시 CMV를 분석하고 RTDS를 활용하여 CMV 기반 사고 검출 및 보호 협조 방안 수립이 필요하다.

그림 2. 충방전 운전에 따른 CMV 크기

Fig. 2. CMV Magnitude According to Charge and Discharge Operation

IT시스템에서의 CMC(Common Mode Current)로 인한 누설전류는 시스템의 안전성과 신뢰성에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 따라서, 전력변환장치의 스위치 동작에 따른 CMC 발생 원리를 분석하고 시스템 구성 요소별 기생 커패시턴스 모델링을 통해 CMC의 전파 경로를 분석하고 등가 회로 모델을 개발할 필요가 있다. 또한, CMC를 측정하기 위하여 광대역 CMC 센서를 개발하고 FFT 기반 주파수 분석, 웨이블릿을 변환을 이용한 시간-주파수 영역 분석을 통해 CMC를 측정하는 기술 개발이 필요하다.

CMC가 접지 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위하여 주파수에 따른 접지 임피던스 변화를 모델링하여 CMC에 의한 유효 접지 저항 증가 현상을 분석할 필요가 있다. CMC의 주파수 특성 분석을 위한 푸리에 변환은 다음과 같다.

여기서, $I(w)$ : 주파수 영역에서의 전류 스펙트럼

$i(t)$ : 시간 영역에서의 전류[A]

이를 통하여 다중 접지점에서의 CMC 순환 전류 경로 형성에 대한 연구와 과도 접지 상승에 따른 연구가 필요하다. 또한, CMC를 저감하기 위하여 Y-커패시터 적용 기술 등과 같이 CMC 필터를 설계하거나 위상 시프트 PWM 기법을 적용한 알고리즘을 개발할 필요가 있다.

여기서, $C_{Y}$ : Y-커패시터용량[F]

$f$ : 목표 주파수[Hz]

$X_{c}$ : 목표 임피던스[Ω]

CMC 관련 기술의 개발과 적용을 통해 MVDC 시스템의 접지 성능을 개선하고 전체적인 시스템의 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 특히, CMC로 인한 EMI 문제, 접지 시스템 성능 저하, 기기 오동작 등의 이슈를 효과적으로 관리함으로써 MVDC 시스템의 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

3.4 접지 및 보호 기술

MVDC 시스템에서의 접지 설계는 시스템의 안전성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소로 AC 시스템과 다른 DC의 특성을 고려한 접지 설계가 필요하다^[14].

MVDC 시스템에서의 접지 임피던스는 다음과 같이 계산된다.

여기서, $R_{g}$ : 접지저항[Ω]

$L_{g}$ : 접지인덕턴스[mH]

$w$ : 각주파수[rad/s]

IT방식의 접지시스템에서의 지락전류는 다음과 같이 계산된다.

여기서, $V$ : 시스템 전압[V]

$R_{f}$ : 고장 저항[Ω]

$X_{c}$ : 용량성 리액턴스[Ω]

주로 DC 시스템에서는 IT 방식의 접지 시스템을 도입하고 있으며 지락 사고에 따른 고장 전류가 적고 시스템의 지속적인 운전이 가능한 반면 지락 전류의 크기가 적어 사고 위치 검출이 어려운 단점을 가지고 있다.

이에 IEC 60364에서는 IT 방식의 시스템에 절연저항을 모니터링 할 수 있는 IMD를 시공하고 있으나 Pulse 방식의 IMD는 시스템 구성에 따른 다른 보호 기기의 절연 상태에 영향을 받아 오동작이 발생할 수 있다. 이에 시스템 전압 및 용량에 따른 접지 임피던스를 최적화하고 대지 저항률 측정 및 분석을 통해 접지 그리드를 설계할 필요가 있다. 또한, 서지 보호장치(SPD) 선정 및 배치를 통해 시스템 간의 보호 협조 시스템을 구축할 필요가 있으며 고감도 누설 전류 센서를 개발하고 누설 전류 패턴 분석을 통해 사고 이상 유무를 감지할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

DC 접지 시스템의 경우 환경 조건에 따른 전식이 발생할 수 있으므로 희생 양극법, 음극 방식법 등을 적용한 전식을 방지하는 설계가 필요하며 인체 안전 전압 관리 기술을 통해 MVDC의 특성을 반영한 허용 접촉 전압, 보폭 전압에 대한 기준을 수립하고 등전위 본딩 시스템 설계를 통한 위험 전압을 저감하고 전계 해석을 통한 안전 거리 산정에 관한 연구가 필요하다.

그림 3. IT 접지 시스템

Fig. 3. IT Grounding System

3.5 절연 및 보호 협조 기술

MVDC 시스템의 안전한 운영을 위해서는 효과적인 보호 협조 기술이 필수적이다. 기본적으로 전력변환장치의 제어를 통한 고장 차단이 일반적으로 보호장치 보다 우선 동작하도록 설계하고 있지만, 전로보호와 시스템 안전성을 확보하기 위해서는 DC 차단기와 DC 퓨즈 등과 같은 보호장치가 필수적이다. MVDC 시스템의 고장 특성을 분석하기 위하여 DC 단락 사고를 분석하고 지락 및 아크 고장 등이 발생할 경우 접지 방식에 따른 사고 전류 분포 해석과 DC 아크 발생 및 지속 메커니즘 분석이 우선시 되어야 한다. DC 차단기의 차단 시간은 일반적으로 다음과 같이 반비례 시간-전류 특성을 가지고 있다.

여기서, $t$ : 차단 시간[s]

$k$ : 시간 상수

$I_{n}$ : 정격전류[A]

$\alpha$ : 특성지수(일반적으로 $1<\alpha <2$)

고장 전류를 효과적으로 차단하기 위하여 DC 차단기(DCCB) 기술 개발을 통해 고속 기계 개폐, 아크 소호와 같은 기계식, SiC, GaN 등 차세대 반도체 소자를 활용한 반도체식, 기계식과 반도체식의 장점을 결합한 하이브리드 DCCB 개발이 필요하다. 또한, MVDC용 고속 퓨즈를 설계하고 I2t 특성을 고려한 최적화 기술이 필요하다. 여기에 MVDC시스템의 보호 전략을 수립하여 구간별 보호 영역을 설정한 주 보호와 후비보호 체계를 구축하고 양방향 전력 흐름을 고려한 고장 전류 방향 검출 기술 개발이 필요하다. 또한, 전력변환장치의 보호 기능을 활용하여 고속 스위칭을 통한 고장 전류를 제한하고 IEC 61850 기반 보호 통신 시스템을 통해 GOOSE 메시지를 활용한 고속 트립 신호 전송 시스템 개발에 대한 연구가 필요하다.

그림 4. 보호 협조 시스템

Fig. 4. Protection Coordination System

MVDC 시스템에서의 IMD 활용은 시스템 절연 상태를 모니터링하고 초기 고장을 검출하는 데 중요한 역할을 한다. IMD를 도입하기 위해서는 기존 보호 시스템과의 상호 작용을 고려해야 하며 이에 따른 보호 협조 체계가 필요하다^[15-17]. 특히, 절연 변압기를 이용한 시스템 분리를 통해 IMD의 동작을 확보하고 고속도 응답을 통해 실시간 절연저항을 측정하고 분산형 시스템에서 다중 측정점 IMD 센서 네트워크 구축을 통해 측정 데이터의 정확도를 향상할 필요가 있다. 또한, IMD 동작에 따른 시스템 임피던스 변화를 분석하고 IMD 동작 레벨에 따른 대응 프로세스 개발도 필요하다.

3.6 DC 시스템 통합 모니터링 및 안전진단 기술

MVDC 시스템의 안전하고 효율적인 운영을 위해서는 종합적인 모니터링 및 안전 진단 시스템이 필요하다^[18-22]. 시스템의 상태를 실시간으로 파악하고 잠재적인 문제를 조기에 발견하여 대응할 필요가 있다. 이를 위해서는 전압, 전류, 온도, 진동 등 다양한 센서를 통합한 다중 센서 기반 네트워크 설계가 이루어져야 하며 고속 데이터 취득 장치(DAQ) 개발을 통해 1차 데이터를 처리하고 이를 실시간으로 모니터링하고 처리할 수 있는 시스템을 구축해야 한다. 여기에 빅데이터 기반 시스템 분석 기술을 적용하여 시계열 데이터 분석 알고리즘을 개발하여 이상 패턴을 검출하고 머신 러닝을 통해 시스템의 성능과 고장 예측, 수명 예측 기술을 개발해야 한다. 디지털 트윈 기술을 적용하여 실시간 데이터를 반영한 시스템을 모델링하고 가상 환경에서의 사고 시나리오를 시뮬레이션을 통해 사고 발생 확률 및 영향도를 분석한 리스트 평가 및 대응 전략을 수립할 필요가 있다. 이는 CBRM(Condition Based Risk Management) 영역으로 확대되어 설비별 이력 관리 및 상태 평가와 수명 주기 비용 분석을 통해 자산 관리의 데이터베이스를 구축하고 설비의 중요도 및 상태에 따른 우선 순위의 정비 일정을 수립할 수 있다. 클라우드 기반의 데이터 통합 관리를 통하여 실시간 데이터를 수집 및 저장을 하고 API를 통한 외부 시스템을 연계하여 기상정보, 전력 시장 데이터 등의 타 시스템과의 데이터 공유를 통해 DC Digital Platform을 구축할 필요가 있다.

그림 5. DC 시스템 통합 모니터링 시스템 구성도

Fig. 5. DC Digital Platform