1. 서 론

130년전 미국에서 에디슨(Thomas A. Edison)과 테슬라(Nikola Tesla)의 뜨거운 논쟁결과 교류(AC)가 전기 시대의 주역이 되었다. 그러나, 실제적으로는 교류와 직류(DC)는 각각의 장점이 존재하며 필요한 영역에서 선택적으로 적용이 되고 있다. 근래에 들어 지구온난화에 대응하기 위해 신재생 에너지원의 증가, 장거리 저부하 지역에 적합한 DC의 장점으로 인하여 LVDC(Low Voltage DC) 배전에 대한 관심이 크게 증가하고 있다^[1-5]. LVDC의 필요로 인해서 많은 그리고 최근 화석연료의 고갈로 인한 유가 상승과 환경오염으로 인해 신재생에너지의 보급이 증가하고 있다. 이에 따라 태양광 발전과 같은 분산전원의 연계로 인한 DC배전의 계통구조가 변환되고 있으며, 안정적 전력 공급을 위해서 ESS(Energy Storage System)에 대한 연구가 진행되고 있다^[6-10]. LVDC와 ESS의 필요성 증가하기 때문에 본 논문에서는 Conventional UPS(Uninterruptible)도 사용할 수 있고 LVDC 정전보상 기능이 LVDC DC/DC컨버터가 포함되어있으며 에너지전력수요가 적거나 전력단가가 낮은 시간대(야간 등)에 전력을 축전지에 저장하였다가 전력수요가 많거나 전력 단가가 높은 시간대에 축전지에 저장된 전력을 사용할 수 있는 ESS 기능도 사용할 수 있는 일체형 전력변환 장치를 제안한다. 제안한 일체형 전력변환 장치의 양방향 인버터와 LVDC는 DC-Link전압을 공유하기 때문에 LVDC는 별다른 정전보상기능을 위한 설계를 하지 않아도 정전보상기능을 사용할 수 있는 장점이 있다. 일체형 전력변환장치의 양방향 인버터는 계통이 안정 시에는 DC-Link 전압을 유지해서 배터리 충전과 LVDC 입력전압으로 사용하고 계통 불안정 시에는 AC 출력전압 유지하는 동작 전환을 하므로 빠른 계통이상 검출과 인버터 고속 운전모드 전환 기술이 필요했다. 제안된 시스템을 실험을 통하여 검증하고자 하였다.

2. 제안하는 일체형 전력변환장치

2.1 시스템 구성도

Conventional PCS는 배터리를 충전하고 지령에 의해 배터리에 충전된 에너지를 계통으로 방전할 수 있었다. 이 시스템은 Fig. 1과 같다. 그리고 Conventional UPS는 평상시에 배터리를 충전하고 정전이 발생하는 순간 배터리에 충전된 에너지를 방전하여 부하에 전원을 공급한다. 이 시스템은 Fig. 2와 같다. 그리고 본 논문에서 제안하는 ESS기능을 갖는 AC UPS는 배터리에 충전된 에너지를 전력단가가 높은 시간대에 사용할 수 있는 ESS 기능을 할 수 있고, 계통전원에 이상이 있는 경우에는 UPS로 동작할 수 있다. 제안된 ESS기능을 갖는 AC UPS는 Fig. 3과 같다.

Fig. 1. Convention PCS

Fig. 2. Convention UPS

Fig. 3. Proposed AC UPS

Fig. 3의 시스템은 AC를 사용하는 시스템에서만 사용할 수 있으므로 LVDC가 필요한 환경에서는 LVDC 를 별도로 설치할 수밖에 없고 정전보상을 구성해 주려면 별도 UPS를 설치하는 등의 비용을 감수해야 한다. Fig. 4의 본 논문에서 제안하는 일체형 전력변환장치는 AC UPS의 DC Link에 LVDC를 연결하여 LVDC도 정전보상기능을 갖도록 설계하였다. 제안하는 LVDC/AC UPS는 오프라인 AC UPS 타입의 양방향 인버터와 배터리 충/방전 컨버터, LVDC 컨버터로 구성하였다. 제안한 일체형 전력변환장치의 양방향 인버터는 전류제어 모드시 인버터의 운전모드는 방전이되고 충전 지령에 따라서 제어기의 상/하한이 가변되는 구조의 제어기를 적용하였기 때문에 제어기의 전환없이 방전, 충전 모드간 안정적인 전환이 가능하다. 배터리 컨버터는 양방향 벅/부스트 컨버터로 설계하였고 LVDC는 벅컨버터로 설계하였다. 그리고 이 시스템의 실증을 하기 위해서는 사용자가 원하는 정전 보상시간을 위해서 ESS 용도의 배터리 충전 방전 전력량을 제한해야 한다. 보통 사용자가 원하는 정전 보상시간만큼을 배터리 방전 하한값으로 제한한다.

Fig. 4. Proposed power conversion system

2.2 동작 모드

본 논문에서 예측되는 전력 상황은 첫 번째로 일반 모드이다. 일반모드에서는 AC부하 LVDC 부하에 출력을 공급하는 모드이다. 일반 모드에서는 계통에서 전원을 UPS의 양방향 인버터에서 AC/DC 변환하여 DC Link를 유지하고 LVDC 컨버터는 DC Link로부터 입력전원을 받아서 출력을 공급한다. Fig. 5는 일반모드의 전력흐름도이다. 전력이 흐르는 방향을 주황색 선으로 표시하였고, 부하 방향으로 전력 흐름은 붉은색으로 전력이 흐르지 않을 때는 회색으로 표시하였다. 일반 모드는 일반적으로 ESS 기능을 사용 안 하고 부하를 안정적으로 유지될 때 사용된다. 두 번째 모드는 정전 모드이다. 정전 모드는 계통의 정전이된 경우 LVDC부하와 AC부하를 배터리 에너지로 보상하는 모드이다. 정전모드에서는 배터리 DC/DC 컨버터로부터 DC-Link를 유지하여 AC 부하는 양방향 인버터로 전원을 공급하고 LVDC는 배터리 DC/DC 컨버터가 DC-Link를 유지하기 때문에 일반모드와 같이 DC 부하를 공급할 수 있다. Fig. 6은 정전모드의 전력흐름도이다. 정전시에 배터리로 부하를 유지해야 하기 때문에 ESS에서 사용될 배터리의 에너지는 정전보상시간 만큼은 항상 유지하도록 한다. 세 번째 모드는 충전모드이다. 충전모드는 계통의 전력을 배터리로 충전하는 모드로 보통 전력수요가 없는 오후 시간대에 사용된다. 충전모드는 일반모드에서 배터리 DC/DC 컨버터를 이용해서 배터리를 충전한다.

Fig. 7은 충전시의 전력흐름도이다. 충전모드는 PMS에서 충전 명령으로 수행된다. 네 번째 모드는 방전모드이다. 방전모드는 전력수요가 없는 오후 시간대에 배터리에 충전된 에너지를 첨두부하시에 부화평준화에 목적으로 방전한다. Fig. 8은 방전시의 전력흐름도이다. 방전모드는 PMS에서 방전 명령으로 수행된다.

Fig. 5. Normal mode power flow

Fig. 6. Blackout power flow

Fig. 7. Charge mode power flow

Fig. 8. Discharge mode power flow

2.3 제안한 시스템의 제어도

본 논문에서 제안된 LVDC/AC UPS 일체형 전력변환장치에서 사용된 인버터 제어기는 외부 루프의 교류 전압을 제어하기 위한 d축/q축/0상 전압 PI 제어기와 내부 루프의 교류 전류를 제어하기 위한 d축/q축/0상 전류 P 제어기를 사용한다. 3상 교류 전압값은 ABC 좌표축에서 DQ0 좌표축으로 변환되어 DQ0축 상에서 제어가 수행되며 d축/q축/0축 전압 PI 제어기는 각각 지령값을 측정값과 비교하여 출력값을 생성한다. 이때 d축 전압 제어기의 지령값은 0으로 적용하고 q축 전압 제어기의 지령값을 출력하고자 하는 교류 전압값에 해당하는 값으로 적용하고, 출력 교류 전압의 옵셋성분(DC성분)을 0으로 하기 위하여 0상 전압 제어기의 지령값은 0으로 적용한다. d축/q축/0상 전압 PI 제어기의 출력값은 각각 d축/q축/0상 전류 P 제어기의 지령값이 되며 d축/q축/0상 전류 P 제어기의 출력값을 DQ0 좌표축에서 ABC 좌표축으로 변환하여 PWM 신호를 생성한다. 그리고 그림에는 별도로 표기 안 했지만 계통전원 이상 검출부는 계통전원의 전압과 주파수를 계측하여 저전압/과전압/저주파수/과주파수 등의 계통전원 이상 여부를 확인한다. 계통전원 이상 검출부에서 계통전원 이상이 검출될 경우 인버터 고속 운전모드 전환 및 고속 기동 제어부는 스태틱 스위치를 OFF시키고 인버터를 전류제어 모드에서 전압제어 모드로 고속 전환하거나, 인버터의 전력회로가 OFF 상태인 경우는 인버터를 전압제어 모드로 고속 기동하여 무정전전원장치 기능이 즉각적으로 수행될 수 있도록 제어해야하는 부분에서 많은 어려움이 있었다. Fig. 9는 인버터의 제어 블록도를 나타내었다.

배터리 DC/DC 컨버터는 충전 시에는 DC-Link의 전압을 Buck 컨버터로 계통으로 충전하고, 방전 시에는 Boost 컨버터로 배터리에서 DC-Link전압을 유지하는 양방향 컨버터로 설계하였다. Fig. 10은 배터리 제어블록도를 나타내었다. 배터리 충전, 방전 시 전류 리미트가 있어야 해서 전압제어기와 전류제어기가 필요하다. LVDC는 DC-Link의 전압을 400V로 전압을 강하하여 출력으로 유지할 수 있도록 buck 컨버터로 설계하였다. Fig. 11은 LVDC 제어블록도이다. 부하의 돌입전류를 제한하기 위해 전류제어기를 추가하였다. 양방향 인버터 제어기와 LVDC는 가동하는 동안에는 출력을 만들어야 하므로 항상 제어하는 상태이고 배터리 DC/DC 컨버터는 배터리를 충전 또는 방전 시에만 동작한다^[11].

Fig. 9. Inverter control block diagram

Fig. 10. Battery DCDC control block diagram

Fig. 11. LVDC control block diagram

3. 실험결과

Fig. 12는 본 논문에서 제안한 기법의 실제 검증을 위해 제작한 시스템이다. 제안한 LVDC/AC UPS의 타당성을 위하여 테스트를 진행하였다. AC UPS는 250kVA 출력용량 정격이고 LVDC는 100kW 출력용량 정격이다. AC부하는 3상 10kW 저항 부하이고 DC부하는 20kW 저항부하의 조건에서 실험을 진행하였다. 계통의 전원으로 AC 부하와 LVDC 부하를 공급하는 일반모드의 실험 파형 Fig. 13이다. 배터리 전류가 흐르지 않고 계통전압은 공급되는 상황이어서 계통전원으로 AC 출력전압과 LVDC 출력 전압이 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다. Fig. 14는 정전시의 실험파형이다. 계통 전압이 표시된 전환 시점에서 끊어진 것을 알 수 있고 정전이 되는 순간 배터리 DC/DC가 DC-Link로 방전을 하면서 정전이 되어도 LVDC/AC 출력전압은 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다. 배터리 DC/DC 컨버터에서 DC-Link전압을 유지하기 때문에 배터리 전류는 상승하는 것을 알 수 있다.

Fig. 12. Proposed LVDC/AC UPS system

Fig. 13. Experimental waveform normal mode

Fig. 14. Experimental waveform blackout mode

Fig. 15는 방전시의 실험 파형이다. 일반모드에서 계통전원으로 LVDC출력과 AC 출력 부하를 유지하다가 방전이 시작되면 계통전류가 줄어들고 배터리 DC/DC 컨버터에서 방전하기 때문에 배터리 전류는 부하방향으로 방전되는 것을 확인 할 수 있다. 이때 LVDC 출력과 AC 출력은 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. Fig. 16은 충전시의 실험 파형이다. 충전모드는 계통전류로 충전을 하기 때문에 계통전류는 충전시점에 계통전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 방전시와는 반대로 배터리를 충전해야하기 때문에 계통전류는 상승하고 배터리는 부하 반대 방향으로 충전한다.

Fig. 15. Experimental waveform discharge mode

Fig. 16. Experimental waveform charge mode

4. 결 론

본 논문에서는 ESS가 요구되고 DC/AC 배전이 모두 필요한 장소에서 사용할 수 있는 ESS 기능이 있는LVDC/AC UPS 시스템을 제안하였다.

본 논문에서는 AC UPS 시스템은 양방향 인버터와 배터리를 충전 방전하는 DC/DC 컨버터로 구성되어있고 LVDC는 DC/DC 컨버터로 구성하였다. LVDC와 AC UPS는 DC-Link를 공유하므로 LVDC는 별도의 정전 보상기능을 설계하지 않아도 정전 보상기능을 가지는 장점이 있다. 제안하는 일체형 전력변환 시스템은 실제 하드웨어로 제작하여 실험을 통하여 계통에서 AC와 LVDC 부하를 유지하는 일반모드, 정전시 배터리로 AC 와 LVDC 부하를 유지하는 정전모드, 배터리 충전모드, 배터리 방전모드의 상황에서 제안된 시스템의 타당성을 검증하였다.

제안된 시스템의 장점은 AC와 DC UPS 그리고 ESS를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에 장비 설치 공간을 최소화 할 수 있고 UPS 설치 비용절감 측면에서도 많은 장점이 있다. 따라서 LVDC와 AC가 필요한 산업현장에서 ESS기능 필요하고 LVDC 부하와 AC부하의 정전보상을 LVDC/AC 일체형 전력변환장치를 설치해서 해결 할 수 있다.