2.1 직류 마이크로그리드 구성

직류 마이크로그리드는 직류 출력을 가지는 신재생에너지원과 직류기반의 부하의 증가에 따라 새로운 전력시스템의 컨셉으로 주목받고 있다. 전력변환단계의 감소로 인한 손실 저감과 직류부하 및 재생에너지원의 접속 시 동기조건 측면에서 유리함 등의 이점을 가지는 직류 마이크로그리드는 다양한 형태로 구성될 수 있다^[1]. 특히 Fig. 1과 같은 ring-type 직류 마이크로그리드는 EV, ESS, 직류 부하, PV 간 DC/DC 컨버터를 통해 접속될 수 있으며 교류 전력은 AC/DC 컨버터를 통해 연계될 수 있다. ring-type 마이크로그리드에서는 양방향 조류가 가능하므로 고장 발생 시 건전선로를 통해 전력공급이 가능함 이점이 있다. 또한 교류전원과 접속을 통해 계통연계형으로 운영할 수 있으며 필요 시 신재생에너지와 ESS를 이용한 독립형으로 전환이 가능하다.

Fig. 1. Configuration of ring type DC microgrid

2.2 고장 해석

직류 마이크로그리드는 Fig. 1과 같이 주로 계통 연계형으로 운영되며 AC/DC 컨버터를 통한 교류 전력은 마이크로그리드 내 조류에 가장 큰 기여를 하고 있다. 따라서 선로 고장 시 AC/DC 컨버터를 고려한 고장 해석이 필요하다. Fig. 2는 VSC(Voltage Source Converter) 기반의 AC/DC 컨버터 구성을 보여준다.

Fig. 2. Schematic diagram of VSC-based AC/DC converter

선로 측 고장이 발생하면 컨버터 출력단의 DC-link 커패시터의 방전이 발생하여 급격한 전류 상승이 발생한다. 또한 반도체 스위치를 통해 높은 전류가 도통하여 스위치의 cut-off가 발생하지만 역병렬 다이오드를 통해 교류 측 전류가 정류되어 고장점으로 흐르게 된다. 고장 직후 발생하는 고장 전류는 식 (1)을 통해 구할 수 있다^[9].

여기서, $R_{eq}$ : 고장루프의 등가저항

$L_{eq}$ : 고장루프의 등가인덕턴스

$I_{o}$ : 초기전류

$V_{C}$ : DC-link 커패시터 전압

C : DC-link 커패시턴스

부하 측에 설치되는 DC/DC 컨버터에도 DC-link 커패시터가 존재하므로 선로 고장 발생 시 순간적으로 방전하여 고장전류에 기여를 할 수 있다. 하지만 AC/DC 컨버터와 비교 시 상대적으로 커패시터 용량이 낮고 고장점으로 전류를 지속적으로 공급하지 않는 특징이 있다. 따라서 직류 마이크로그리드는 주로 AC/DC 컨버터의 고장 전류 특성에 초점을 두고 역병렬 다이오드의 파손을 방지하기 위해 빠른 고장 검출 및 차단이 가능한 보호시스템이 요구된다. 빠른 응답이 가능한 과전류와 전류 변화율을 이용한 고장 검출 방식이 일반적이다. 그러나 Fig. 1과 같은 ring-type의 직류 마이크로그리드는 교류전원, PV, ESS 등 다양한 전원이 연계되므로 고장 위치에 따라 고장 전류의 방향이 일정하지 않아 단순히 전류 변화율 및 과전류 요소를 이용한 보호방식을 적용하기 어렵다. 고장검출을 하더라도 건전 구간도 차단되어 ring type이 가지는 장점을 잃게 된다. 따라서 직류 마이크로그리드의 고장전류 특성을 고려하여 고장 검출 및 고장 구간을 분리할 수 있는 보호 방식이 필요함을 알 수 있다. 그리고 본 논문에서는 배전계통에 해당하는 ring-type 마이크로그리드에 대해 보호방식을 제안하므로 한전의 송·배전용 전기설비 이용규정 내 신재생발전기 계통연계기준^[10]에 따라 FRT (Fault Ride Through)를 고려하지 않았다.

3.1 ring-type 직류 마이크로그리드 고장

2장의 해석 결과에 따르면 ring type 직류 마이크로그리드는 다양한 전원이 연계되므로 조류의 방향이 일정하지 않은 조건에서도 고장 구간을 검출할 수 있어야 하며 건전 구간을 복구하여 전력 공급의 연속성을 높일 수 있어야 한다. Fig. 3은 간단한 ring type의 직류 마이크로그리드의 단선도를 보여주며 2개의 교류전원과 PV를 통해서 부하 측으로 전력이 공급된다. 정상상태에서는 부하량에 따라 조류의 방향이 결정되지만 고장이 발생한 경우에는 고장 위치에 따라 고장전류의 방향이 결정된다. 예로 Fig. 3의 F1 고장이 발생한 경우의 CB12에서 측정된 전류의 방향과 F7 고장인 경우의 전류 방향은 서로 다른 방향을 갖게 된다. 또한 동일한 위치에서의 고장이라 하더라도 AC/DC 컨버터의 용량과 PV의 용량에 따라 각 차단기 측에서 측정되는 전류의 방향이 다르게 나타날 수 있으므로 고장 구간 검출을 어렵게 한다. 따라서 본 논문에서는 전류의 방향을 이용한 방식을 제안하며 특히 정확한 고장 구간을 검출하기 위해 단일 전원에 의한 고장 전류 방향을 이용하고자 한다.

3.2 고장 구간 검출 기법

본 논문에서 제안하는 고장 구간 검출 기법은 단일 전원에 의한 고장 전류 방향을 이용하므로 첫 번째로 기준 전원을 설정해야 한다. 선로 측 고장이 발생하면 기준 전원(SA)을 제외하고 모든 전원이 분리시켜 기준 전원에 의한 고장 전류 방향이 나타나도록 한다. 특히 PV의 단독운전을 방지하기 위해 고장 발생 시 분리가 되도록 하였다. Fig. 3에 표시된 것과 같이 기준 전원이 접속된 모선을 제외한 나머지 모선에 들어가는 전류 방향(I2∼I7)으로 기준을 잡는다. Table 1에서는 각 고장 위치(F1∼F7)에 따른 각 차단기 위치에서 측정되는 고장 전류의 극성을 나타낸 것이다. 예를 들어 F3 고장이 발생한 경우, SB와 PV가 분리되었으므로 SA에 의한 고장 전류가 발생한다. I1은 단일 전원으로 인해 항상 (+)극을 띄며 I2와 I3는 SA의 전류가 F3로 향하므로 (+)극을 띈다. 또한 SA의 전류가 반대편 경로(시계방향)를 통해서 고장점으로 향하므로 I4∼I7은 (-)극을 가지게 된다. Table 1과 같이 고장 위치 별로 극성을 정리하게 되면 각 전류의 극성이 바뀌는 구간에서 고장위치가 존재함을 확인할 수 있다. 따라서 고장이 발생하면 각 전류의 극성을 판별하여 고장 구간을 검출하고 해당 구간을 분리 후 분리된 전원을 재가압하여 직류 마이크로그리드 내 건전 구간을 복구시킬 수 있다.

Fig. 3. Diagram of the ring type DC microgrid

본 논문에서 제안하는 방식을 Fig. 4의 순서도로 나타내었다. 먼저 기준 모선과 총 모선 수를 설정한다. 고장이 발생함을 인식하기 위한 Iset을 설정하여 고장 발생 시 AC/DC 컨버터 출력단 DC-Link 커패시터의 방전으로 인한 급격한 고장 전류 상승을 감지할 수 있다. 고장이 감지되어 PV 등 기타 전원을 분리시키면 기준 전원의 역병렬 다이오드를 통한 정류된 고장 전류가 발생하게 된다. 이 경우 단일전원에 의한 고장전류가 흘러 I1은 (+)극을 가져야 하지만 커패시터의 방전으로 인해 I1은 항상 Table 1과 같이 바로 (+)극으로 바뀔 수 없다. 따라서 I1이 (+)극으로 바뀐 후 다른 선로 전류의 극성을 판단할 필요가 있다. Table 1에 나타낸 극성의 특성을 고려하여 극성이 (-)가 되는 전류를 검출하고 해당 구간의 차단기를 트립시킴으로써 고장 구간을 분리한다. 예로 F5 고장인 경우, n이 1부터 4까지 증가해도 전류의 극성은 (+)로 나타난다. n이 5가 되면 I6는 (-) 극성을 띄므로 차단기 CB56과 CB65를 트립시키게 된다. 만일 n이 7이 되면 마지막인 F7 고장이므로 CB17과 CB71을 트립시킨다. 이후 분리된 전원을 복구시킴으로써 건전구간을 회복시킬 수 있다. 제안된 방식은 기준 전원을 이용하므로 ring type 직류 마이크로그리드에 접속되는 전원의 종류나 수에 구애받지 않고 활용할 수 있는 강점이 있다. ^[8]에서 개발된 보호방식은 차동전류를 이용하며 매우 짧은 시간 동안 발생하는 AC/DC 커패시터의 방전 전류 특성을 양단에서 동기화된 시점에서 비교해야 한다. 이는 고장 검출의 정확성을 저해할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 방식은 커패시터 방전전류 특성을 고려하였으며 전류 극성을 이용하므로 제어로직이 간단하다. 또한 ^[8]의 방식과 달리 분산전원의 위치나 출력에 따른 조류방향을 고려할 필요가 없다는 장점이 있다.

Fig. 4. Flowchart of the proposed method

4.1 모의계통

3장에서 제안한 ring type 직류 마이크로그리드의 고장 구간 검출 방식을 검증하기 위해 Fig. 3의 계통을 ATPDraw/EMTP를 이용하여 모델링하고 시뮬레이션을 수행하였다. 교류전원 접속을 위해 3상 풀브릿지 SPWM AC/DC 컨버터를 모델링하여 1500V의 출력전압을 설정하였고 부하는 Buck DC/DC 컨버터를 이용하여 출력전압 380V로 구성하였다^[11]. 선로 고장은 각 선로의 중간지점에서 0.4초에 1ohm의 Pole-to-Pole 고장이 발생함을 가정하였다. 인체안전에 유리한 IT접지 방식을 적용함으로써 본 논문에서는 Pole-to-Ground 또는 고저항 고장을 제외한 Pole-to-Pole 고장으로 한정하였다. 제안된 방식은 ATPDraw내 MODELS 기능을 이용하여 구성하였고 그 외의 파라미터는 Table 2에 기술하였다.

4.2 시뮬레이션 결과 및 분석

본 절에서는 Fig. 3의 마이크로그리드에 대해 4.1절의 조건을 바탕으로 시뮬레이션 결과를 제시하고 분석한다. Fig. 5는 F1 고장 시 I1의 전류를 보여준다. 고장 발생 후 커패시터의 방전이 발생하여 전류가 급격하게 상승하며 고장위치가 I1의 기준방향과 반대이므로 (-)극을 가진다. 그러나 SB와 PV가 탈락되면서 단일전원 형태의 구조로 바뀌면서 (+)극으로 전환됨을 확인할 수 있다. 정확한 고장구간 위치를 판단하기 위해 I1의 극이 (+)로 바뀐 후 다른 전류의 극성을 판단하는 것이 필요함을 알 수 있다.

Fig. 5. Waveform of I1 for F1 fault

Fig. 6은 F5 고장 시 선로 전류의 파형을 나타내었다. 파형에서 각 선로 전류의 (+)극 또는 (-)극 여부를 확연히 판단할 수 있다. Table 3에는 고장 조건에 대한 결과를 나타내었다. AC/DC 컨버터 내 역병렬다이오드를 통한 선로 전류는 높은 리플을 가지므로 전류의 크기 보다는 그 극성이 유의미하다. F5 고장 시 I6부터 극성이 바뀌므로 Table 1에 따라 F5 고장임을 판별할 수 있다.

Fig. 6. Line currents under the condition of F5 fault

Fig. 7은 제안된 방식을 적용했을 때 선로 전압과 부하 측 전압의 파형을 보여준다. 고장 전(pre-fault)에는 각각 1500V와 380V를 유지하고, 고장이 발생(fault)하면 각각의 전압은 감소한다. 차단기 동작 후(post-fault)에는 고장구간이 분리되고 PV와 SB가 재가압되면서 정상적으로 회복됨을 확인할 수 있다.

Fig. 7. Waveform of line voltage and load voltage