2.1 분산전원에서 DC-DC 컨버터의 필요성

직류 계통망 분야는 직류 송전에 비해 기술 발전이 상대적으로 미흡한 상태에 있다. 저전압 직류 배전 시스템인 LVDC는 현재 실증 단계에 있는 기술로서, 태양광 및 에너지 저장 시스템과의 연계가 수월한 특성을 지니고 있다. HVDC (High Voltage Direct Current) 기술에 비하여 LVDC 및 MVDC (Medium Voltage Direct Current) 배전 시스템은 현재까지 기술 개발이 미진한 상황이다. 이에 따라, DC 마이크로그리드 시스템의 설계 및 운영 기술에 대한 연구 및 개발이 필요하다.

2.2 분산전원에서 DC-DC 컨버터의 활용

기존의 교류 배전망의 분산전원은 신재생에너지와 연계할 경우 일반적으로 전력변환을 할 때 2단계 변환 손실이 발생한다. 이와 반대로 직류 계통망의 분산전원은 일반적으로 전력변환을 1단계만 되기 때문에 높은 효율의 운전이 가능하다. 또한 표피효과, 무효전력, 계통동기화, 유도장애와 같은 교류 배전망에서 발생하는 문제가 없다. Fig. 1은 직류 계통망의 구성을 보여준다. DC-DC 컨버터는 태양광, 배터리에 연결되어 직류 계통망에 전원을 공급한다. 태양광의 DC-DC 컨버터는 단방향 태양광 인버터로 직류 계통망에 전력을 전달한다. 배터리의 DC-DC 컨버터는 충전, 방전이 가능한 양방향으로 직류 계통망에 전력을 전달한다.

직류 계통망에서 AC-DC 컨버터는 교류 계통망과의 연계로 운영 할 때 직류 계통망의 직류 전압을 일정하게 유지한다. DC-DC 컨버터는 교류 계통망과의 문제가 발생할 때 직류 계통망내에서 독립형 운전모드로 운영한다. 독립형 운전모드는 배터리 충전의 경우와 직류 계통망의 부하 출력의 경우가 있다. 독립형 운전모드에서 배터리 충전의 경우는 Fig. 2와 같은 순서로 운전을 수행한다. 첫번째 직류 계통망의 DC-DC 컨버터는 독립운전모드로 동작한다. 두번째 태양광의 DC-DC 컨버터는 방전을 수행한다. 세번째 배터리의 DC-DC 컨버터는 충전을 수행한다. 위의 순서로 독립형 운전모드에서 배터리 충전을 수행한다.

독립형 운전모드에서 직류 계통망의 부하 출력의 경우는 Fig. 3과 같은 순서로 운전을 수행한다. 첫번째 직류 계통망의 DC-DC 컨버터는 독립운전모드로 동작한다. 두번째 배터리의 DC-DC 컨버터는 방전을 수행한다. 세번째 태양광의 DC-DC 컨버터는 방전을 수행한다. 위의 순서로 독립형 운전모드에서 직류 계통망의 부하 출력을 운영한다. 독립형 운전 모드에서는 앞에 언급한 두가지 경우 외에도 다양한 경우가 있다. 직류 계통망에서 교류 계통망의 사고가 발생할 경우 DC-DC 컨버터를 활용한 독립형 운전모드는 직류 계통망에 필수적이다.

2.3 DAB 컨버터의 적용

DC-DC 컨버터는 전기적으로 안전하기 위해 일반적으로 변압기가 포함된 절연형 구조를 사용한다. 주로 많이 적용되는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터는 공진형 컨버터와 DAB 컨버터가 있다. 공진형 컨버터는 고주파수에서의 고효율 전력 변환, 소프트 스위칭을 통한 스위칭 손실 감소, 그리고 부품 스트레스 경감으로 장비의 수명을 연장하는 장점이 있다. 하지만 복잡한 제어 알고리즘과 정밀한 설계가 필요하다. 높은 초기 설치 비용과 복잡한 열 관리 시스템이 필요하며 동작 전압 범위가 매우 좁은 단점이 있다. 동작 전압 범위를 넓게 사용하기 위해서는 공진 탱크를 매우 크게 설계하기 때문에 부피와 가격이 증가하게 된다. 이러한 이유로 공진형 컨버터는 좁은 전압 범위에서 고효율로 동작에 적합한 소용량 가전 제품에 주로 적용된다. 반면에 DAB 컨버터는 공진형 컨버터보다는 효율이 낮다. 하지만 다른 절연형 DC-DC 컨버터 대비 양방향 전력 전송 기능, 뛰어난 효율성, 고정밀 전압 및 전류 제어 가능성, 그리고 광범위한 부하 조건에서 안정적인 작동이 가능하다. 특히 DAB 컨버터는 대용량에 적합하다. DAB 컨버터는 경부하에서 ZVS 조건이 악화하여 효율이 낮아질 수 있는 단점이 있지만, 이는 소프트 스위칭 기술 등 다양한 제어 방법을 통해 개선할 수 있다. 이러한 이유로 DAB 컨버터가 적합하다.

2.4 DAB 컨버터의 특징

Fig. 4는 DAB 컨버터의 회로도를 나타낸다. 입력 측과 출력 측 사이에 위치한 두 개의 풀 브리지로 구성되어 있다. 전력 전송은 위상 차이를 기반으로 한 고도의 정밀한 조절 메커니즘에 의존한다. 이 방식에서 중요한 기술적 접근은 입력단과 출력단의 전압이 구형파의 형태로 합성되고, 이 두 구형파 사이의 위상차(Duty)를 조정함으로써 전력을 효과적으로 전달하는 것이다. 이러한 접근법은 위상천이변조(PSM, Phase Shift Modulation)라고 명명되며, 전력 전송 과정에서 변압기 양단에 발생하는 전압의 위상 변화를 통해 직접적인 전력 전달을 가능하게 한다. 위상 변화로 인해 생성되는 전압 차이는 직렬 인덕터에 인가되며, 이 인덕터는 에너지를 일시적으로 저장한 뒤 필요에 따라 전달하는 중요한 역할을 수행한다^[9].

3.1 전압 제어 방법

Fig. 5와 같이 제안하는 DAB 컨버터의 제어기 블록 다이어그램을 보여준다. 제안하는 제어기는 소프트 스타트를 위해 위상 변위를 추가로 구성한다.

기존의 DAB 컨버터의 경우 전압 제어기 및 전류 제어기로 구성된다. 기존의 제어기는 과도 전류가 크다. 제안하는 제어기의 경우 초기 제어할 때 위상 변이를 고정하여 과도 전류를 감소시킨다. 전압 제어에 필요한 전압까지 상승한 후 전압 제어 모드로 동작한다^[10].

3.2 소프트 스타트 알고리즘

Fig. 6은 독립운전상황에서 입력 측 전압을 이용해 출력 측의 전압 제어하기 위해 구성된 소프트 스타트 알고리즘을 보여준다. DAB 컨버터의 소프트 스타트 과정은 시스템을 가동할 경우 출력 측 전압을 점진적으로 증가시킨다. 부하에 대한 갑작스러운 전압 적용을 방지하고, 위상 변이 제어 기법을 통해 전력 전송을 점진적으로 시작하여 초기에 낮은 전력을 전송한 뒤 점차 전력을 늘리는 방식으로 이루어진다. 이 과정에서 과도 전류 방지를 위해 전류 크기를 제한하며, 소프트 스타트가 완료되고 시스템이 안정된 후에는 컨버터가 전압 제어 모드로 전환되어 최적의 효율로 전력을 전송한다^[11].

동작 순서는 다음과 같다. 소프트 스타트 초깃값은 동작 전에 Duty를 Fig. 7(a)와 같이 값을 정한다. 소프트 스타트가 동작할 경우 Fig. 7(b)와 같이 점진적으로 Duty를 증가 및 감소하여 0.5에 고정하여 동작한다. 소프트 스타트 완료 후 일정 전압이 상승하면 Fig. 7(c)와 같이 Theta에 의한 전압 제어로 동작한다. Theta 값을 아래 실험에 의한 파라미터 설계에 의한 값을 따른다^[12].

4.1 파라미터 설계

실험을 위한 파라미터 값은 설계 식에 의해 도출하였다. Table 1과 같이 나타낸다. 위상 변조에서 1차 및 2차 브리지는 인덕터를 통해 고정 주파수의 50\% 듀티 비율 사각파 전압을 생성하도록 스위칭된다. 스위칭 주기 Ts동안 DAB가 위상 변조 모드에서 작동한다. 식(1)과 같이 DAB 컨버터에서 양의 이득 M을 구한다.

V1, V2, n은 각각 입력 전압, 출력 전압 및 변압기 권선비를 나타낸다. 스위칭 순간에서 인덕터 전류를 나타내면 식(2)와 식(3)과 같다.

Theta($D =\dfrac{\Phi}{\Pi}$)이고 L은 DAB의 인덕턴스이다.

식(4)는 변압기 1차 측에 해당하는 피크 전류의 산출식이다.

변압기 2차 측에 해당하는 피크 전류 값은 식(5)와 같다.

식(6)과 같이 변압기 1차 측에 해당하는 RMS 전류를 구한다.

변압기 2차 측에 해당하는 RMS 전류를 나타내면 식(7)과 같다.

이상적인 DAB 컨버터가 처리하는 유효 전력 P 값은 식(8)과 같이 구할 수 있다.

DAB 컨버터의 변압기가 처리하는 피상 전력 S와 무효 전력 Q를 나타내면 식(9)와 식(10)과 같다.

DAB 컨버터의 입력 및 출력 전압을 고정된 형태로 설계한 이유는 효율성 극대화, 제어의 단순화, 안정성 향상, 특정 응용 분야의 요구사항 충족 및 소프트 스위칭 조건 구현의 용이성을 위해서이다. 본 논문의 DAB 컨버터는 470V의 입력 전압과 750V의 출력 전압을 고정으로 설정하여 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 설계되었다[13-16].

Fig. 8의 제어부는 DSP (TMS320C28346)를 이용한 제어보드와 제어부 전력 공급을 위한 SMPS로 구성된다. DAB 컨버터의 스위치 모듈은 Cree 사의 CAS300M12BM2이며, 스위치 동작을 위해 사용된 게이트 드라이버는 Cree 사의 CGD1200HB2P-BM2가 사용되었다.

4.2 실험 결과

제안하는 DAB 컨버터의 독립운전기법을 실험적으로 검증하였다. 실험에 적용한 파라미터는 Table 1에 나타내었다. 입력전압 470V, 출력전압 750V의 정격전압기준으로 실험을 수행하였고 입력 전압 조건을 430V와 500V로 변경하여 실험을 진행하였다. 소프트 스타트를 시작하여 출력전압을 500V까지 점진적으로 증가시킨 후 750V로 전압 제어를 수행하였다. 정격부하 50kW 및 출력 전압 750V를 기준으로 할 때, 출력 정격전류 67A의 1.25배로 설계 허용 전류는 83A이다.

Fig. 9(a)는 설계 파라미터의 정격전압에서 실험 결과이다. 입력 전압은 470V로 설정하였고 출력 전압은 750V로 제어를 수행하였다. 입력전류 및 출력전류를 포함한 파형은 Fig. 9(b)와 같다. 소프트 스타트를 적용하여 출력의 과도 전류가 60A로 측정되었다. 설계 허용전류 이내에서 안정적으로 동작하였다.

Fig. 10(a)는 입력정격전압 430V일 때의 실험 결과를 나타낸다. Fig. 10(b)는 전압 및 전류를 포함한 실험 결과이다. 출력의 과도 전류는 50A였고 설계 파라미터를 기준으로 한 실험인 Fig. 9(b)와 비교하였을 때 더 낮은 과도 전류가 측정 되었다.

입력정격전압 500V의 실험 결과는 Fig. 11(a)와 같다. Fig. 11(b)는 전압 및 전류를 포함한 실험 파형이다. 출력의 과도 전류는 67A였다. Fig. 9(b)와 같이 설계 파라미터를 기준으로 한 실험과 비교하였을 때 더 높은 과도 전류가 측정되었다. 그러나 설계 허용전류 이내에 전압 제어를 수행하였다.