2.1 AC/DC Hybrid 배전계통 구성

그림 1 AC 계통이 연계된 modified IEEE 33-bus 기반 unipolar DC 배전계통 구성

Fig. 1 Configuration of the modified IEEE 33 bus-based unipolar DC distribution network interconnected with AC grid

그림 1은 본 논문에서 시뮬레이션을 위해 구성한 AC/DC hybrid 배전계통을 나타낸다. 그림 1과 같이 기존 IEEE 33-bus AC 배전계통의 bus 및 branch 연결 구조를 기반으로 unipolar DC 배전계통을 구성하였다. 또한 외부 AC 계통을 추가로 연계하여 AC 계통과 DC 계통 사이의 전력 교환이 가능하도록 구성하였다. AC 부하는 일정한 유효·무효전력을 소비하는 정전력 부하로, DC 부하는 일정한 유효전력을 소비하는 정전력 부하로 모델링하였다.

2.2 DC/DC SOP 및 AC/DC SOP 운전 모델

그림 2 DC 배전계통 연계를 위한 DAB converter 기반 DC/DC SOP 모델 구성

Fig. 2 Configuration of the DAB converter-based DC/DC SOP model for the DC distribution network

그림 2는 DC feeder 사이의 전력연계를 위한 DC/DC SOP 모델을 나타낸다. DC/DC SOP는 DAB 기반의 양방향 DC/DC 컨버터로 구성하였으며, DC bus 33과 18 사이에 연계하여 두 feeder 사이의 유효전력을 제어한다. 유효전력 지령은 DC 전압 기반 드룹 제어를 통해 산출하며, 이를 통해 DC 계통 내 전력을 재분배하고 특정 feeder에 집중되는 부하를 완화한다.

그림 3 AC/DC hybrid 배전계통 연계를 위한 2-level PWM converter 기반 AC/DC SOP 모델 구성

Fig. 3 Configuration of the AC/DC SOP model based on a 2-level PWM converter for interconnection with the AC/DC hybrid distribution network

그림 3은 외부 AC 계통과 DC 배전계통을 연계하기 위한 AC/DC SOP 모델을 나타낸다. AC/DC SOP는 IGBT 기반 2-level PWM 전압원 컨버터(VSC)로 구성하였으며, 외부 AC feeder 말단과 DC bus 18 사이에서 양방향 전력 교환을 수행한다. 유효전력 지령은 DC 전압 기반 드룹 제어를 통해 산출하고, 무효전력 지령은 AC 전압 기반 드룹 제어를 통해 산출한다. 이에 따라 DC 연계점 전압이 기준전압보다 낮은 조건에서는 AC 계통에서 DC 계통으로 유효전력을 공급하고, AC 측 무효전력 제어를 통해 연계점 전압을 지원하도록 구성하였다.

2.3 EV charger 부하 모델

그림 4 DC 배전계통 연계를 위한 DAB converter 기반 EV charger 부하 모델

Fig. 4 DAB converter-based EV charger load model for interconnection with the DC distribution network

그림 4는 DC 배전계통에 연계된 EV charger 모델을 나타낸다. EV charger는 DAB 기반의 DC/DC 컨버터로 구성하였으며, 충전 및 방전 운전이 가능하도록 모델링하였다. 본 논문에서는 충전 모드로 운전하며, DC 연계점 전압에 따라 충전전력 지령이 제한되도록 구성하였다. 전압에 따른 충전전력 제한방법은 3.4절에서 설명한다.

3.1 AC 및 DC 계통 전력 손실 산정

SOP 적용에 따라 feeder 간 전력흐름이 변화함에 따라 선로 전력 손실에 미치는 영향을 평가하기 위해 AC 및 DC 계통의 선로 전력 손실을 각각 식 (1)과 식 (2)로 산정한다.

여기서 $i$와 $j$는 bus index이며, $i$번 bus와 $j$번 bus를 연결하는 선로를 나타낸다. $R_{ij}$는 선로 $ij$의 저항이며, $P_{ij}$와 $Q_{ij}$는 $i$에서 $j$ 방향으로 흐르는 유효전력과 무효전력을 나타낸다. $V_i$는 bus $i$의 전압이며, 식 (1)과 (2)는 각각 AC 및 DC 계통의 모든 선로에 대해 합산한다.

3.2 Voltage Deviation Index 산정

SOP 적용에 따른 계통 전체의 전압 유지 특성을 정량적으로 평가하기 위해 AC 및 DC 계통의 Voltage Deviation Index(VDI)를 이용한다 ^[10].

식 (3)과 (4)는 각각 AC 및 DC 계통의 VDI를 나타낸다. $V_{ac,i}$와 $V_{dc,i}$는 각각 $i$번째 AC 및 DC bus 전압의 p.u.값을 나타내며, $N$과 $n$은 각각 VDI 산정에 포함된 AC 및 DC bus의 수를 의미한다. $VDI$의 값이 작을수록 각 bus 전압이 기준전압에 가깝게 유지됨을 의미한다.

3.3 Load Balancing Index 산정

SOP 적용에 따른 선로별 loading level을 평가하기 위해 AC 및 DC 선로의 Load Index(LI)를 각각 식 (5)와 (6)으로 정의한다 ^{[6], [11]}.

$I_{ac,ij}$와 $I_{dc,ij}$는 각 선로 $ij$에 흐르는 AC 및 DC 전류이며, $I_{ac}^{rated}$와 $I_{dc}^{rated}$는 각각 AC 및 DC 선로의 정격 전류이다. 식 (7)과 (8)은 각각 AC 및 DC 계통의 Load Balancing Index (LBI)를 나타낸다. LI는 각 선로의 정격전류 대비 전류를 기반으로 해당 선로의 loading level을 나타내며, LBI는 계통 내 각 선로의 LI를 합산한 지표이다.

3.4 EV 충전 제한

SOP의 전압 지원이 EV 충전 가능 전력에 미치는 영향을 평가하기 위해 EV charger의 연계점 전압에 따른 충전전력 제한 특성을 모델링한다. 이는 PV 인버터의 전압 기반 출력 제한과 유사한 방식이다 ^[12]. EV charger는 연계점 DC 전압에 따라 충전전력 지령이 제한되도록 구성되었다. 그림 5는 EV charger 연계점 전압 $V_{ev}$에 따른 충전전력 제한 특성을 나타낸다. 전압에 따른 충전 가능 비율 $K_{ev}$는 식 (9)와 같다.

그림 5 EV charger 연계점 DC 전압에 따른 전압 기반 충전전력 제한 그래프

Fig. 5 Voltage-based charging power curtailment graph according to the DC voltage at the EV charger connection point

여기서 $V_{ev}$는 EV charger 연계점의 DC 전압이며, $V_1$과 $V_2$는 각각 충전전력의 최저 제한 전압과 최대 제한 전압을 의미한다. 본 연구에서는 집중형 EV 충전부하에 의한 추가적인 DC 전압 저하를 선제적으로 억제하기 위해 일반적인 계통 전압 운전범위보다 보수적인 제한 기준을 적용하여 $V_1 = 0.99\text{ p.u.}$ 및 $V_2 = 0.98\text{ p.u.}$ 로 설정하였다.

$V_{ev} \ge V_1$인 경우에는 요구 충전 전력으로 충전하며, $V_2 < V_{ev} < V_1$인 구간에서는 전압 저하에 따라 충전전력을 선형적으로 감소시킨다. 이에 따른 EV charger의 충전전력 $P_{ev,ch}$는 식 (10)과 같이 결정한다. $P_{ev,req}$, $P_{ev,rated}$는 각각 요구 충전전력과 정격 충전전력을 나타낸다.

4.1 테스트 시스템 구성

시뮬레이션을 진행한 테스트 시스템의 주요 구성은 표 1에 정리하였다. 구성된 DC 계통에는 DC 부하와 EV charger가 연계되며, EV charger는 계통 말단인 18번 bus에 접속하였다. DC feeder 간 전력 재분배 효과를 분석하기 위해 18번 bus와 33번 bus 사이에 연계 지점을 구성하였으며, 해당 위치는 Case에 따라 NOP Closed 또는 DC/DC SOP를 구분하여 적용하였다.

또한 AC 계통과 DC 계통 사이의 전력 교환 효과를 검토하기 위해 18번 bus와 외부 AC 계통 사이를 AC/DC SOP로 연계하였다. AC 계통과 DC 계통은 NOP를 연계할 수 없기에, 외부 AC 계통과 AC/DC SOP를 통해 연계되었을 때의 효과를 분석하였다.

시뮬레이션에서 사용된 주요 파라미터는 표 2와 같다. AC/DC SOP는 AC 계통 정격 전압인 22.9 kV와 DC 계통 정격 전압인 40 kV 기준으로 정격 용량 20 MVA로 설계하였다. AC 계통의 총 부하는 유효전력 13.5 MW, 무효전력 7.4 MVar로 구성하였으며, DC 계통의 총 부하는 15.65 MW로 구성하였다.

선로는 ACSR 160 mm² 도체를 기반으로 모델링하였으며, 선로 길이는 0.2–1.3 km로 구성하였다. AC 선로는 상당 저항 0.0567 $\Omega$, 리액턴스 0.193 $\Omega$을, DC 선로는 저항 0.0262 $\Omega$을 적용하였다.

컨버터 운영에 필요한 제어 파라미터는 표 3과 같다. 연계점 전압에 대한 드룹 제어를 통해 전력 제어를 하며, AC/DC SOP는 유효전력과 무효전력을 각각 DC 전압과 AC 전압을 기준으로 제어한다.

4.2 비교 시나리오 및 Case 정의

SOP 적용 방식에 따른 운영 효과를 비교하기 위한 시나리오와 Case 구성은 표 4에 정리하였다. Scenario 2에서는 DC 계통에 연계된 EV charger 충전이 증가하여 저전압 발생에 따른 충전제한량을 확인하기 위해 EV charger의 충전요구량이 10 MW에서 15 MW로 증가하는 상황을 상정하였다.

Scenario 3에서는 충전부하 감소 시 SOP의 운전특성과 전력 교환 방향 변화를 분석하기 위해 EV charger의 충전요구량이 10 MW에서 5 MW로 감소하는 상황을 상정하였다. Scenario 4는 NREL의 6-port, 350 kW/port 충전소 계측 프로파일에서 선택한 40 min 구간의 시간 변화 특성을 EV charger의 기본 충전부하 12 MW에 반영하여 구성하였다. 이에 따라 요구 충전전력은 12.07-13.75 MW 범위에서 변동하도록 설정하였으며, 제한된 RTDS 시뮬레이션 구간에서 Case별 응답을 비교하기 위해 해당 40 min 구간을 5 s로 압축하여 적용하였다.

5.1 기본 계통 조건에서의 시뮬레이션 결과

Scenario 1은 기본 계통 조건에서 NOP Open 상태인 Case 0을 기준으로, NOP, DC/DC SOP, AC/DC SOP 적용에 따른 DC 배전계통의 계통 상황을 비교하였다. 비교 지표로는 앞서 제시된 식 (2), (4), (8)을 활용하여 DC 전압 프로파일, DC 선로 전력 손실, VDI, LBI를 사용하였으며, Scenario 1의 Case별 주요 결과는 표 5와 같다.

그림 6 기본계통 조건에서 Case별 DC bus 전압 프로파일

Fig. 6 DC voltage profiles for each case under normal operating condition

각 bus의 전압 프로파일 분석 결과 그림 6과 같이 나타났다. Case 0에서는 feeder 말단으로 갈수록 전압이 감소하여 최저전압은 39.7651 kV로 나타났다. NOP와 DC/DC SOP를 적용한 Case 1과 Case 2에서는 feeder 간 전력 흐름이 재분배되었으나, 최저 전압 상승은 0.05 kV 수준인 반면, AC/DC SOP를 적용한 Case 3에서는 39.9886 kV까지 회복되었다. 이는 NOP와 DC/DC SOP가 DC 계통 내부의 전력 경로만 변경할 뿐 계통이 공급받는 총 전력량을 증가시키지 못하는 반면, AC/DC SOP는 외부 AC 계통으로부터 유효전력을 직접 공급하기 때문이다.

그림 7 기본계통 조건에서 Case별 DC 선로 전력 손실 분포

Fig. 7 DC line power loss profiles for each case under normal operating condition

그림 7은 선로별 전력손실 분포를 나타낸다. Case 1과 Case 2에서는 6번 bus 이후 구간의 손실이 각각 79.5%, 75.2% 감소하였으나, 33번 feeder 구간의 손실이 증가하고 분기점 이전 구간은 거의 변화하지 않아, 전체 DC 선로 전력 손실 저감률은 9.6%, 10.8%에 그쳤다. 반면 Case 3에서는 분기점 이전 구간의 손실까지 32.4% 감소하여 총 32.8% 저감률을 나타내었다.

그림 8 기본계통 조건에서 NOP 및 SOP 적용에 따른 LBI 및 VDI 비교

Fig. 8 LBI and VDI comparison according to the application of NOP and SOP under normal operating condition

그림 8은 기본계통 조건에서 Case별 LBI와 VDI 및 Case 0 대비 각 지표의 증감률을 함께 나타낸다. LBI는 Case 3에서 37.1% 감소하여 가장 낮은 값을 보였으며, VDI 또한 0.054로 가장 낮게 나타났다.

이는 AC 계통으로부터의 유효전력 공급으로 각 선로의 전류가 감소하는 동시에 계통 평균전압이 기준전압에 근접하였기 때문이며, 기본 계통 조건에서도 외부 계통과의 전력 교환이 DC 계통 내부 전력 재분배보다 전 지표에서 우수한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.

5.2 EV charger 부하 증가 조건에서의 시뮬레이션 결과

Scenario 2에서는 EV charger의 충전 전력이 증가함에 따른 Case별 DC 전압 프로파일, 선로 전력 손실, LBI, VDI를 비교하여 표 6에 정리하였다. 추가적으로 저전압으로 인해 발생하는 EV charger 충전 제한량 또한 분석을 진행하였다.

그림 9 EV charger 충전전력 증가 조건에서 NOP 및 SOP 적용에 따른 Case별 DC bus 전압 프로파일

Fig. 9 DC voltage profiles according to the application of NOP and SOP under EV charger charging power increase condition

그림 9는 EV charger의 충전 전력이 10 MW에서 15 MW로 증가하는 Scenario에서의 DC 전압 프로파일 결과를 나타낸다. Case 0에서는 EV 충전전력 증가로 인해 전압 저하가 발생하여 Case 0의 최저전압은 39.5428 kV로 나타났다. Case 1과 Case 2에서도 최저전압은 각각 39.5602 kV, 39.5581 kV로 큰 개선이 나타나지 않았다.

반면 AC/DC SOP를 적용한 Case 3에서는 최저전압이 39.9748 kV로 증가하여 저전압 완화 효과가 가장 크게 나타났다. 이는 본 테스트 계통에서 NOP와 DC/DC SOP의 내부 전력 재분배만으로는 EV 충전전력 증가에 따른 전압 저하 개선 폭이 제한적이었던 반면, AC/DC SOP의 외부 전력 지원으로 연계점 전압이 기준값 부근까지 회복되었음을 의미한다.

그림 10 EV charger 충전전력 증가 상황에서 Case별 DC 선로 전력 손실

Fig. 10 DC line power loss profiles for each case under the EV charger charging power increase condition

그림 10은 각 Case별 DC 선로 전력 손실 분포를 나타낸다. Case 1과 Case 2에서는 6번 bus 이후 구간의 손실이 각각 78.6%, 60.5% 감소하였으나, 충전제한이 완화되어 실제 충전전력이 증가함에 따라 분기점 이전 구간의 손실이 오히려 6.3%, 3.8% 증가하였다. 그 결과 DC 선로 전력 손실 저감률은 4.0%, 4.8%인 반면 Case 3에서는 50.2%로 나타났다.

그림 11 EV charger 충전전력 증가 조건에서 NOP 및 SOP 적용에 따른 LBI 및 VDI 비교

Fig. 11 LBI and VDI comparison according to the application of NOP and SOP under the EV charger charging power increase condition

그림 12 EV charger 충전전력 증가 시 전압 기반 충전 제한에 따른 충전 지령치와 출력값 (Case 0)

Fig. 12 Time-domain response of the charging command and output under voltage- based charging curtailment during the EV charger charging power increase (Case 0)

그림 11은 EV charger 충전전력 증가 조건에서의 VDI와 LBI 결과를 나타낸다. Case 1과 Case 2의 VDI는 Case 0보다 오히려 증가하였는데, 이는 두 방식이 일부 선로의 전류 부담은 완화하였으나 계통 전반의 전압 저하를 해소하지 못하였기 때문이다. 반면 Case 3의 VDI는 0.045로 Case 0 대비 93.9%, LBI는 55.9% 감소하여 가장 큰 저감률을 보였다.

그림 12는 Scenario 2의 Case 0 상황 속에서 EV charger 충전전력이 10 MW에서 15 MW로 증가할 때, 전압 기반 충전 제한에 따른 충전 지령치와 실제 출력값의 시간 영역 응답을 나타낸다. 충전 지령치는 0.1 s에서 15 MW로 증가하였으나 DC 저전압 조건에 의해 실제 출력값은 약 12.811 MW로 제한되어 충전제한량은 2.189 MW로 나타났다. Case 1과 Case 2에서는 충전제한량이 각각 1.542 MW, 1.656 MW로 감소한 반면, Case 3에서는 충전 제한이 발생하지 않아, 대용량 DC 부하의 수용 측면에서 두 방식의 차이가 가장 뚜렷하게 나타났다.

5.3 EV charger 부하 감소 조건에서의 시뮬레이션 결과

Scenario 3에서는 EV charger의 충전전력이 10 MW에서 5 MW로 감소하는 조건에서 Case별 DC 전압 프로파일, 선로 전력 손실, LBI 및 VDI를 비교하였다. Scenario 3의 Case별 주요 결과는 표 7에 정리하였다.

그림 13은 충전전력 감소 조건에서의 DC 전압 프로파일을 나타낸다. 충전부하 감소로 Case 0의 최저전압은 40.1325 kV로 기준전압을 상회하였으며, Case 3에서는 40.0060 kV로 기준전압에 가장 근접하였다.

그림 13 EV charger 충전전력 감소 조건에서 NOP 및 SOP 적용에 따른 Case별 DC bus 전압 프로파일

Fig. 13 DC voltage profiles according to the application of NOP and SOP under EV charger charging power decrease condition

이는 AC/DC SOP가 DC 전압 드룹 제어를 기반으로 유효전력을 조정하므로, DC 전압이 기준전압을 상회하는 조건에서 외부 AC 계통으로 전력을 전달함으로써 전압 상승을 완화하기 때문이다.

그림 14 EV charger 충전전력 감소 상황에서 Case별 DC 선로 전력 손실

Fig. 14 DC line power loss profiles for each case under the EV charger charging power decrease condition

그림 14는 각 Case별 DC 선로 전력 손실 분포를 나타낸다. Case 1에서는 NOP를 통한 조류 분산으로 주요 선로의 전류 부담이 완화되어 DC 선로 전력 손실이 21.7% 감소하였으나, Case 2와 Case 3에서는 각각 4.9%, 15.1% 증가하였다. Case 2에서는 DC/DC SOP가 33번 feeder 방향으로 전력을 전달하나 충전부하 감소로 해당 feeder가 이를 소비하지 못하여 전력이 순환하며, Case 3에서는 외부 AC 계통으로의 전력 전달에 따라 선로 전류가 증가하기 때문이다.

그림 15 EV charger 충전전력 감소 조건에서 NOP 및 SOP 적용에 따른 LBI 및 VDI 비교

Fig. 15 LBI and VDI comparison according to the application of NOP and SOP under the EV charger charging power decrease condition

그림 15는 LBI와 VDI 결과를 나타낸다. LBI는 Case 1에서 감소한 반면 Case 2와 Case 3에서는 증가하였으며, VDI는 Case 3에서 0.068로 가장 낮게 나타났다. 또한 모든 Case에서 전압 기반 충전 제한이 발생하지 않았다. 따라서 충전부하가 낮은 조건에서는 AC/DC SOP가 전압 편차 완화에 효과적이지만, DC/DC SOP와 AC/DC SOP 모두 선로 손실과 선로 loading level 측면에서는 불리하게 나타날 수 있으며, SOP 운전 전략은 계통 부하 조건을 고려하여 설정할 필요가 있음을 확인하였다.

5.4 NREL 데이터 기반 EV 충전부하 변동 조건에서의 시뮬레이션 결과

Scenario 4에서는 NREL에서 제공하는 6-port, 350 kW/port 조건의 EV charging load profile의 시간적 변동 특성을 기반으로 EV charger의 요구전력이 12.07 MW에서 13.75 MW 범위에서 연속적으로 변동하는 조건을 구성하여 Case별 운영 특성을 비교하였다. Scenario 4의 Case별 주요 결과는 표 8에 정리하였다.

그림 16 NREL 데이터 기반 EV 충전부하 변동 조건에서 Case별 EV 충전전력 및 연계점 전압의 시간영역 응답

Fig. 16 Time-domain response of the EV charging power and the connection-point voltage for each case under the NREL-based EV charging load variation condition

그림 16은 Case별 EV 충전전력과 EV charger 연계점 전압의 시간영역 응답을 나타낸다. Case 0에서는 충전전력 제한이 지속적으로 발생하였으나, Case 1과 Case 2에서는 충전제한이 각각 전체 구간의 25.8%와 29.4%에서만 발생하였고, Case 3에서는 충전 제한이 발생하지 않았다. 피크 시점의 충전 제한량은 Case 0의 1.914 MW에서 Case 1과 Case 2는 각각 0.473 MW와 0.575 MW로 감소하였다.

부하 피크 시점에서 Case 3의 총 DC 선로 전력 손실은 0.1196 MW로 Case 0 대비 50.8% 감소하였으며, LBI와 VDI도 각각 5.250과 0.047로 가장 낮게 나타났다. 이를 통해 정상상태 충전 증가 조건에서 확인된 Case별 경향이 연속 충전부하 변동 조건에서도 유지되며, 특히 AC/DC SOP가 전압 유지와 충전전력 확보 측면에서 가장 효과적임을 확인하였다.

5.5 AC/DC SOP 적용에 따른 AC 계통 영향 분석

AC/DC SOP는 외부 AC 계통과 DC 계통 사이에서 전력을 교환하므로 AC 계통의 운영 상태에도 영향을 미친다. 반면 NOP와 DC/DC SOP는 DC 계통 내부에서 전력을 재분배하며, 시뮬레이션 결과 AC 계통 지표의 유의미한 변화가 발생하지 않았다. 따라서 표 9와 10에는 Case 0과 Case 3의 결과를 비교하여 제시하였다.

AC feeder 유효전력은 Scenario 1에서 Case 0의 13.5403 MW에서 Case 3의 16.7315 MW로 증가하였으며, 충전부하가 증가한 Scenario 2와 부하가 변동하는 Scenario 4의 Case 3에서는 각각 21.5768 MW와 20.3425 MW로 나타났다. 반면 충전부하가 감소한 Scenario 3에서는 11.8997 MW로 감소하였으며, 이는 AC/DC SOP가 DC 계통의 전압 조건에 따라 AC-DC 계통 간 전력 교환 방향을 조정하기 때문이다. AC feeder의 LBI는 전력 부담이 가장 큰 Scenario 2에서 7.172로 가장 높게 나타났으며, Scenario 3에서는 1.848로 Scenario 1의 2.713보다 낮게 나타났다.

AC/DC SOP의 무효전력 제어에 따라 AC feeder의 무효전력은 약 7.5 MVar에서 5.4-5.6 MVar로 감소하였으며, Scenario 1의 VDI도 5.200에서 4.099로 개선되었다. 이를 통해 AC/DC SOP는 적용 시 AC feeder의 유효전력 흐름은 변화하지만, AC 측 무효전력 제어를 통해 연계점 전압을 지원할 수 있음을 확인하였다.