1. 서 론

최근 신선식품 배송 시장의 급성장, 농·축·수산물의 수·출입 물량의 증가, 의약품 물류 등의 이유로 최근 정온 물류 기술이 주목받고 있다. 정온 물류란 제품의 생산부터 소비까지 일정한 온도를 유지하기 위해 적용하는 활동과 장비로 정의할 수 있으며, 이러한 일련의 과정은 Fig. 1과 같이 공급 조달, 수송, 보관, 유통, 최종제품/제조업체로 구성된다.

이러한 정온 물류는 대표적인 에너지(전력) 다소비 산업으로써 수송, 보관 및 유통 시 다량의 에너지를 소비하므로 이로 인한 미세먼지 및 온실가스 배출에 따른 지구 온난화 가속화와 같은 환경문제의 개선 목소리가 높아지고 있다. 현재 정온 물류 시장은 지속적인 확장이 예상되며, Fig. 2와 같이 KMI(Grand view research)는 2020년 1930억 USD에서 2025년 3,830억 USD로 연 14.7% 이상으로 전 세계적으로 정온 물류의 시장 규모가 성장할 것으로 바라보고 있다. 이러한 국제 정온 물류 시장의 성장이 예상됨에 따라 국내 시장의 성장을 위해 기술 표준화, 에너지 절감 기술, 정보 제공시스템 구축, 스마트 기술 적용의 도입이 필요하며, 이 중 에너지 절감 기술이 정온물류 시장에 있어서 가장 큰 영향을 미칠것으로 판단된다.

Fig. 1. Temperature controlled logistics market value chain

Fig. 2. Global constant temperature logistics market scale and outlook(‘15∼25)

이를 위해 선진국을 중심으로 에너지 다소비형 물류센터에 대한 에너지 효율화를 위해 지속적인 노력과 투자가 이루어지고 있으며, RE100 구현을 위한 단계적 기술 개발 연구도 진행하고 있다. RE100 (Renewable Energy 100%) 캠페인은 자발적으로 기업들의 전력 소비를 신재생에너지로 100% 조달하는것으로 2014년 발족한 이래 전 세계 350여개 이상의 기업이 참여 중이다^{[1, 2]}. 2020년 7월 기준 미국 65개, 영국 37개, 일본 28개, 스위스 11개 기업 등이 RE100에 참여하고 있고 국내 기업은 현대자동차, 현대모비스, KT, LG 이노텍 그리고 SK 그룹 중 SK 하이닉스, SK텔레콤 등 6개 관계사가 참여하고 있다. 또한, 기업들의 사회적 책임을 강조하는 ESG (Environment, Social, Governance) 경영이 세계적으로 확산되고 있는 동시에 이를 바라보는 국민의 눈높이가 높아지고 있는 상황에서 대표적 에너지 다소비 산업인 정온 물류센터의 에너지 소비 절감 기술 도입은 반드시 이루어져야 하는 필수 요소이며, 에너지 소비 절감 및 RE100 실현을 위해 가장 먼저 고려되어야 하는 사항은 신재생 에너지원 및 이를 효율적으로 사용할 수 있는 기술의 도입이다. 이러한 RE100 또는 RE30을 적용함으로서 정온 물류센터에서 소비하는 에너지의 일부 혹은 전부를 신재생 에너지원으로 대체해 에너지 다소비 산업이라는 부정적 인식 개선 및 이를 통해 기업의 이미지를 제고 할 수 있으며, 동시에 에너지 구매 비용을 절감함으로써 경영환경을 개선할 수 있다. 이를 위해 태양광 발전 및 이와 연계되는 에너지저장장치를 설치하기 위해서는 각 설비마다 별도의 전력변환장치를 설치해야 하며, 정전을 대비한 UPS도 추가 설치해야 한다^{[3, 4]}. Fig. 3은 기존 전력시스템을 나타내었다. 이때 태양광 설비의 발전 전력을 저장하기 위해서는 태양광 패널에서 발전된 DC를 AC로 변환한 후 다시 AC를 DC로 변환하여 에너지저장장치의 배터리에 저장하게 된다. 다수의 전력변환장치를 거치게 되면서 전력변환 효율만큼의 에너지가 손실되는 단점으로 인해 최근 태양광발전과 ESS가 연계된 연구 중 제어기법과 운영방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다^[5-7].

Fig. 3. Conventional power conversion system

또한, 이 시스템에 별도의 무정전 전원장치를 구성 할 경우 정전 시 공급되는 전력은 비상부하의 제어전원으로만 사용되기 때문에 기타 다른 부하들은 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 Fig. 4와 같은 정온 물류센터의 에너지 소비 절감과 시스템의 효율 향상을 위한 PV+ESS+UPS 일체형 전력변환장치를 제안한다^{[8, 9]}. 또한, 제안된 시스템에 적합한 동작모드를 구성하여 실험을 통하여 검증하고자 한다.

Fig. 4. Proposed conversion system

2. 제안하는 일체형 전력변환장치

2.2 동작 모드

본 논문에서 제안하는 운용 알고리즘은 배터리를 이용하여 전기 요금이 낮은 심야 시간에 계통 전원을 사용하여 배터리에 에너지를 저장해두었다가 오후 전기요금이 가장 많이 나오는 피크 시간대, 또는 정전시에 저장해둔 배터리 에너지를 발전하여 계통의 불균형적인 전력 사용량을 평준화 시킬 수 있다. Fig. 5의 (a)는 Mode 1 으로 심야 전력을 이용하여 배터리 충전과 AC 부하로 발전하는 동작 모드이며, (b) Mode 2는 정전 시 PV 발전이 없을 때 배터리 전원만으로 계통 부하에 발전하는 동작모드이다. (c) Mode 3은 배터리의 상태에 따라서 PV 에서 배터리 또는 계통으로 발전하는 동작 모드이며, (d) Mode 4 는정전 시 PV에서 발전되는 에너지와 배터리 전원으로 계통 부하에 발전하는 모드이다. (e) Mode 5는 PV 발전만으로 계통 부하로 발전하는 동작 모드이다. 각각의 모드는 계통의 상태와 부하에서 소비되는 전력량과 PV 에서 발전하는 전력량을 고려하여 총 5가지 모드로 동작할 수 있게 구성하였다.

Fig. 5. Power flow diagram according to mode 1∼5

2.3 PV+ESS+UPS 시스템의 제어도

본 논문에서 제안된 UPS의 토폴로지는 TNPC 로 설계하였으며, 2레벨 방식과 비교하여 스위칭 소자의 스위칭 손실과 도통 손실을 저감함으로서 효율을 개선하였다. Fig. 6은 TNPC의 구동을 위한 동기좌표계기반 각상 제어 알고리즘을 나타내며, Fig. 7은 배터리 충방전을 위한 양방향 부스트 컨버터로 PI 제어기를 적용하였다. Fig. 8은 PV 컨버터로 MPPT 기능을 수행하며, P&O(Pertubation & Observation) 추종 알고리즘을 사용한다. PV 단의 전압, 전류를 이용하여 이중 루프 제어기를 사용한다.

Fig. 6. TNPC control block diagram

Fig. 7. Dual loop PI control of buck converter

Fig. 8. Dual loop PI control of PV bost converter

3. 실험 결과

본 논문에서 연구한 PV+ESS+UPS 일체형 전력변환시스템의 실험적인 분석과 검증을 위하여 Fig. 9와 같이 시스템을 구성하였으며, 각각의 전력변환 시스템은 100kW로 설계하여 실험을 진행하였다. 제안하는 일체형 시스템의 동작 모드를 검증하기 위하여 오실로스코프를 이용하여 실험을 진행하였고 시스템의 성능 검증을 위하여 Fig. 10에 태양광 발전과 배터리의 충방전 실험 파형을 나타내었다. Fig. 10 (a)는 계통에서 배터리로 충전되는 파형이며, (b)는 정전시를 가정하여 배터리 방전으로 30kW AC부하로 방전하는 파형이다. (c)는 배터리 방전으로 계통으로 발전할때의 파형이며, (d)는 태양광 에너지가 AC 부하로 발전할때의 파형이다. (e)는 태양광 에너지가 계통으로 발전될때의 파형이다. Fig. 11은 절체 시 백업 모드 파형이며, (a)는 계통 정전시, (b)는 계통 복전시로 절체 시 안정적으로 AC 부하에 전원이 공급되는것을 파형으로 확인할 수 있다.

Fig. 9. Proposed integrated power conversion system

Fig. 10. Waveform of the system in each mode

Fig. 11. Experimantal waveform of transfer

4. 결 론

본 논문에서는 정온물류 센터의 에너지 절감 및 효율 개선을 위하여 PV+ESS+UPS 일체형 전력변환 시스템을 적용하였다. 기존의 PV와 ESS로 고려된 시스템에서는 양방향 인버터는 전류제어 모드로 충전 또는 방전의 역할만 수행하면 되지만, UPS 기능이 추가될 경우에는 계통측 전원 이상 발생 시 전원이상을 검출하여 고속으로 과도전압 특성을 최소화하면서 전류제어 모드에서 전압제어 모드로 전환하여 운전해야 한다. 이를 위하여 전류제어 모드 제어기와 전압제어 모드 제어기를 동일하게 DQ측 제어기반의 제어기로 적용하였고 전류제어 모드에서 전압제어 모드로 변경 시 전압제어모드 Q축 전압제어기의 PI 제어기 적분항 초기값을 0이 아닌 전압 과도 특성을 최소화 할 수 있는 값으로 적용하고 부하측 전류 피드백을 전압제어 모드 제어기 출력에 적용하는 구조를 채택하여 해결하였다.

제안된 시스템의 동작 모드는 계통의 상황과 일사량, 배터리 충전 상태에 따라 동작 모드를 선택할 수 있으며, 동작 검증을 위하여 절체시 배터리 또는 PV 전원으로 출력 전압을 부하에 공급하는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 오프라인 UPS 토폴로지 특성상 계통 전원이 끊어지면 인버터가 백업모드로 전환하여, 안정적인 AC 부하로 출력전압을 공급하는 것을 확인할 수 있었으며, 기존 시스템의 ESS 효율이 일반적으로 96.5%, PV 효율이 97%로 약 90.3% 이다. 하지만 제안된 시스템의 UPS+ESS 효율은 96.5%, PV는 97% 정도로서 94.57%로 제안된 시스템은 약 4.24% 이상의 효율상승을 확인할 수 있었고 이로 인한 에너지 절감의 효과를 이룰 수 있을 것으로 예상된다. 추가 연구로 RE100 이행의 선행으로서 RE30을 우선적으로 검증할 수 있는 실증구축 및 연구를 진행할 계획이다.