이원일
(Won-Il Lee)
1iD
김지수
(Ji-Su Kim)
2iD
임승범
(Seung-Beom Lim)
†iD
-
(R&D Center Senior Researcher, Eon Co., Ltd, Korea)
-
(R&D Center Managing Director, Eon Co., Ltd, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Bi-directional inverter, DC coupling, ESS(Energy Storage System), PV converter, UPS(Uninterrupt Power Supply)
1. 서 론
온도변화에 민감한 제품을 일정한 온도로 신선도를 유지시켜 보관하거나 유통하기위한 정온 물류센터에 대한 수요가 증가하면서, 에너지 소비율이 높은 산업분야인
정온물류센터[1]와 같은 에너지 다소비 산업이 증가하고 있다. 에너지 다소비 산업의 증가는 에너지 효율화 기술개발을 요구하는 목소리가 나오고 있고 관련된 연구도 진행되고
있다[2-6].
전력공급원을 신재생 발전설비로 전환하기 위한 RE100[7] 캠페인을 위한 노력으로서 전기에너지 사용량이 높은 정온물류센터의 전력원을 신재생 발전설비 중 하나인 태양광 PV로 사용할 수 있다. 또한 계통 피크
부하율 감소대책으로 사용되는 ESS와 비상 전원 공급장치 UPS의 사용 역시 고려할 수 있다.
정온물류센터에서 주요한 부하로 사용되는 냉방 공조장치와, 컨베이어 시스템의 경우 AC 부하에 해당되나 LED, 전기 수송 트럭의 배터리 충전시스템
및 서버장치와 같은 DC부하도 전체 부하 시스템 중 비중이 커지는 가운데 AC 배전방식에 추가적인 LVDC 배전라인을 적용함으로서 전력변환 장치의
감소와 전력변환 손실을 줄일 수 있다.
제안하는 통합형 다중 전력변환 시스템은 전력변환 효율 증대를 위하여 교류전원 결합 기반의 전력변환 시스템을 직류전원 결합 시스템으로 구성하여 교류-직류[8] 변환 시 요구되는 전력변환 소자수를 감소하며, 전력 변환 손실감소 또한 가능케 하는 시스템이다[9]. 본 논문에서는 통합형 다중 전력변환 시스템의 제어를 위하여 계통 전력 사용량 기반 피크-쉐이빙 곡선과 태양광 발전 데이터를 융합한 알고리즘을 적용하였으며,
ESS 배터리의 SoC 상태기반 제어 시퀀스를 간단한 순서도를 통해 기술하였다. 통합형 다중 전력변환 시스템 시뮬레이션과 설계 그리고 실험내용을 기술하며
제안하는 장치의 실효성을 검토하였다.
2. 통합형 다중 전력변환 시스템
2장에서는 논문에서 제안하는 통합형 다중 전력변환 시스템의 기본동작과 구성을 설명한다. 그리고 피크-쉐이빙과 ESS를 적용한 일간 계통 전력 사용량을
고려한 제어 알고리즘을 설명한다. 또한 통합형 다중 전력변환 시스템의 제작을 설명하고 시뮬레이션과 실험을 통해서 통합형 다중 전력변환 시스템의 유효성을
검증한다.
2.1 통합형 다중 전력변환 시스템의 구성
Fig. 1의 개념도는 논문에서 제안하는 통합형 다중 전력변환 시스템을 나타낸다. 통합형 다중전력변환 시스템은 양방향 인버터, ESS 컨버터, PV 컨버터 그리고
LVDC 컨버터로 구성한다. 통합형 다중 전력 변환장치를 AC 커플링 할 때와 비교하여 전력변환 효율 증가, DC 커플링 할 경우 스위치 소자의 개수의
감소의 이점을 갖는다. 또한 양방향 인버터는 오프라인 UPS의 기능을 할 수 있다. PMS(Power Management System)는 통합형 다중
전력변환 시스템의 총괄제어를 담당한다. ESS 컨버터와 양방향 인버터는 양방향 출력, PV 컨버터와 LVDC 컨버터는 단방향 출력을 한다. DC 커플링부는
DC-Link 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 ESS 컨버터와 양방향 인버터에서 주요 전압제어를 수행한다. 논문에서 제안하는 통합형 다중 전력변환
시스템은 하나의 DC 커플링을 다른 전력변환 시스템과 공유하는 시스템이다. 기존 전력변환 시스템은 양방향 PCS가 별도로 단독 장비로 설치하고, 태양광
인버터도 별도로 설치하였다. PCS와 태양광 인버터는 각각 계통으로 에너지를 방전하는 동일한 역할을 하는 전력변환장치 중첩된다. 그리고 중첩되는 전력변환
장치는 전력손실을 야기하게 된다. 논문에서 제안하는 통합형 다중 전력변환 시스템은 양방향 인버터에서 DC-Link 전압을 항상 일정하게 유지하기 한다.
그리고 낮 시간동안 태양광 발전이 되면 PV 컨버터의 출력이 양방향 인버터에 DC 커플링되어 있기 때문에 DC-Link의 전압이 높아진다. 그리고
양방향 인버터는 부하 또는 계통으로 PV 컨버터에서 발전된 전력을 방전해서 DC-Link 전압을 일정하게 유지한다. DC 커플링된 시스템을 사용하여
전력스위치 개수를줄기고 전력 변환효율을 높이는 방식을 통합형 다중 전력변환 시스템이라고 한다.
Fig. 1. Proposed integrated multi-power conversion system
Fig. 2는 통합형 다중 전력변환 시스템의 회로 구성이다. 계통 전원과 인버터의 출력 전원을 전환할 수 있는 스태틱 스위치가 있고, 배터리 또는 태양광 발전
에너지를 계통으로 방전하거나 계통 또는 태양광 발전 에너지를 배터리로 충전하는 양방향 인버터가 있다. 그리고 양방향 인버터의 DC-Link와 DC
커플링이 되어있는 출력 단방향 LVDC 컨버터 그리고 PV 부스트 컨버터의 출력이 DC 커플링 되어있는 PV컨버터로 구성되어있다.
Fig. 2. Circuit composition of integrated multi-power conversion system
2.2 통합형 다중 전력변환 시스템의 알고리즘
Fig. 3은 ESS를 적용한 일간 계통 전력사용량의 태양광 발전 전력량 곡선과 피크-쉐이빙 곡선을 나타낸다. 계통소비전력의 피크구간에서 태양광 발전전력과 ESS방전으로
전력 피크를 해소하고 오프-피크 구간에서는 계통 전원으로 ESS를 충전하여 피크부하를 조정 할 수 있어서 전기 요금을 줄일 수 있다.
Fig. 3은 직관적인 이해를 돕기 위한 예시 자료이며 실제 데이터는 변동률이 매우 높아서 통합형 전력변환 시스템의 제어는 Fig. 4의 알고리즘 시퀀스를 기반으로 수행한다. State 0은 계통의 정전 상태이며 이때 인버터모드로 양방향 인버터는 동작하고, 배터리 SoC(State
of Charge)가 10% 미만이 될 때 까지 방전모드로 ESS 컨버터가 동작한다.
State 1에서 계통은 오프-피크 구간이고 PV 발전량이 없는 구간이며, 계통전원으로 배터리를 충전하고 양방향 인버터는 정류기모드로 동작한다. State
2는 계통의 부분-피크구간이다. PV 발전량이 높은 구간이고, 배터리 SoC 90% 까지 PV에너지로 배터리를 충전하고 90%이상부터는 PV 발전전력이
계통으로 공급된다. State 3은 계통의 피크구간이다. PV 발전량이 높은 구간이고, 배터리 충전상태에 따라 PV발전 에너지가 계통으로 공급된다.
또한 SoC 60% 까지는 배터리의 에너지를 계통으로 공급한다. PV 발전량이 부족하고 계통의 부분-피크 구간인 경우는 State 1에 해당한다.
Fig. 3. Peak-shaving curve of daily grid power consumption using ESS and PV power
generation curve
Fig. 4. Flowchart of the proposed integrated multi-power conversion system sequence
algorithm
2.3 통합형 다중 전력변환 시스템의 시뮬레이션
Fig. 5는 통합형 다중 전력변환 시스템을 검증하기위해 시뮬레이션 하였으며 시뮬레이션 툴은 PSIM을 사용하였다. 시뮬레이션에 사용한 제어기는 d축, q축,
0상 전압 PI 제어기가 외부 루프의 교류 전압을 제어하고 d축, q축, 0상 전류 P 제어가 내부 루프의 교류 전류를 제어한다. 3상 교류 전압값은
ABC 좌표축에서 DQ0 좌표축으로 변환하여 DQ0축 상에서 제어가 수행한다. 그리고 d축, q축, 0축 전압 PI 제어기는 지령값을 측정값과 비교하여
출력값을 만든다.
Fig. 5. (a) Bi-directional inverter power part simulation schematic of integrated
multi-power converter system and (b) Bi-directional inverter gate part simulation
schematic of integrated multi-power converter system and (c) Bi-directional inverter
control part simulation schematic of integrated multi-power converter system
그리고 d축 전압 제어기의 지령값은 0으로 하고 q축 전압 제어기의 지령값을 출력하고자 하는 교류 전압값에 해당하는 값으로 적용하고, 출력 교류 전압의
옵셋성분을 0으로 하기 위하여 0상 전압 제어기의 지령값은 0으로 적용한다. d축, q축, 0상 전압 PI 제어기의 출력값은 d축, q축, 0상 전류
P 제어기의 지령값이 되며 d축, q축, 0상 전류 P 제어기의 출력값을 DQ0 좌표축에서 ABC 좌표축으로 변환하여 PWM 신호를 생성한다.
Table 1은 시뮬레이션에 사용한 파라미터이다.
Table 1. Simulation parameter of integrated multi-power converter system
|
Parameter
|
Value
|
|
Grid Voltage L-L
|
380Vrms
|
|
Grid Frequency, f
|
60Hz
|
|
Rated power
|
250kW
|
|
DC Link Voltage, Vdc
|
760VDC
|
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Filter Inductance
|
360μH
|
|
Filter Capacitor
|
450μF
|
|
Switching Frequency
|
5.4kHz
|
Fig. 6은 계통 에너지로 배터리를 충전하는 순간의 과도상태를 확인하기 위하여 본 시뮬레이션을 수행하였다. 계통의 에너지를 배터리로 충전하는 순간에 배터리
전류는 플러스 쪽으로 흐르고 무효전력 성분 d축 전류는 일정하게 제어되고 유효전력 성분 q축 전류가 제어되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 6. Simulate charging the battery from the grid energy
Fig. 7은 통합형 다중 전력변환 시스템의 배터리 에너지를 계통으로 방전 순간의 과도상태를 확인하기 위하여 시뮬레이션을 하였다. 배터리전류는 충전의 반대방향으로
흐르는 것을 확인할 수 있다. 이 때도 마찬가지로 무효전력 성분 d축, 유효전력 성분 q축 전류의 제어가 잘 되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7. Simulate discharging the battery energy to the grid
Fig. 8은 통합형 다중 전력변환 시스템의 양방향 인버터가 배터리에서 계통으로 방전하다가 계통에서 배터리를 충전할 때의 과도특성을 확인하기 위한 시뮬레이션이다.
배터리전류가 방전에서 충전으로 전환되는 순간에도 무효전력 성분인 d축, 유효전력 성분인 q축의 전류와 전압의 제어가 안정정으로 되는 것을 확인할 수
있다.
Fig. 8. Simulate charging the battery from the gid energy during battery energy discharge
to the grid
2.4 통합형 다중 전력변환 시스템의 실험 및 결과
Fig. 9는 통합형 다중 전력변환 시스템의 실험에 사용한 250kW 양방향 인버터의 설계도이다. 양방향 인버터는 2개의 랙을 열반하여 구성된다. 좌측랙은 I/O
랙으로 한전의 계통 전력선과 배터리 연결 전력선을 양방향 인버터에 연결하고 스위치를 조작하여 계통 또는 배터리에 개폐하는 용도로 설계하였다. 그리고
우측 랙은 파워 모듈랙으로 IGBT 회로를 모듈형태로 제작하여 유지보수가 용이하고 설치공간 최소화할 수 있도록 제작하였다.
Fig. 9. Bi-directional inverter appearance of integrated multi-power power conversion
systems
Fig. 10은 양방향 인버터의 구성이다. IGBT 모듈이 있는 전력회로는 유지보수에 용이하게 탈거 및 장착에 편리한 모듈 형태 구성 되어있다. R상, S상,
T상 3개의 양방향 인버터 스위치 모듈과 배터리의 충전과 방전시의 일정한 DC-Link 전압으로 유지하기 위한 ESS 컨버터 그리고 DC-Link
전압의 불평형을 방지하기 위한 밸런서로 이루어져 있는 DC-DC 스위치 모듈 1개로 구성 하였다.
Fig. 10. Bi-directional inverter composition of integrated multi-power conversion
systems
Table 2는 양방향 인버터의 전기적 특성표이다.
Table 2. Electrical characteristics of bi-directional inverter
|
Rated Input Voltage
|
380Vrms(L-L), 3L4W
|
|
Input Voltage Range
|
±10%
|
|
Rated Frequency, f
|
60Hz
|
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Rated power
|
250kW
|
|
Rated Output Voltage
|
380Vrms(L-L), 3L4W
|
|
Battery Voltage Range
|
550 〜 850VDC
|
|
THDi
|
Less than 5% (Rated charging and discharging)
|
|
Efficiency
|
More than 96%(Rated charging and discharging)
|
Fig. 11은 PV 컨버터 제작도이다. PV 셀 연결단자는 아래에 체결된다. PV 셀을 회로에 연결하기위해 4개의 채널에 각각 스위치를 조작하여 연결되도록 설계하였다.
그리고 PV 컨버터와 양방향 인버터의 DC 커플링 하기위해 출력 스위치를 조작하여 연결할 수 있다.
Fig. 11. Description of each part of the PV converter
Table 3은 PV 컨버터의 전기적 사양표이다.
Table 3. Electrical characteristics of PV converter
|
Input Voltage
|
250 ~ 750Vdc
|
|
Output Voltage
|
760Vdc
|
|
Rated power
|
100kW
|
|
Topology
|
4-MPPT Boost Converter
|
|
Efficiency
|
More than 98%(Rated)
|
Fig. 12는 통합형 다중 전력변환 시스템의 실험을 위하여 장비를 구성한 사진이다. PV컨버터와 양방향 인버터의 원격제어를 위하여 PMS를 설치하였다. PMS에서는
각 장비의 제어를 위해서 필요한 지령을 줄 수 있도록 구성하였다. 그리고 우측에 PV 컨버터 100kW와 양방향 인버터 250kW를 설치하여 테스트를
진행하였다.
Fig. 12. Experiment configuration of integrated multi-power conversion systems
Fig. 13은 통합형 다중 전력변환 시스템의 양방향 인버터가 계통의 에너지로 배터리를 충전하는 파형이다. 인버터 전류 (Iinv)와 계통전압 (Vgrid) 의
위상이 같으므로 배터리 전류는 충전상태인 것을 확인할 수 있다. 인버터 전류(Iinv) 는 계통에서 배터리를 충전하는 전류이다. 양방향 인버터의 정격
용량이 250kW여서 LC필터를 포함한 전력회로가 설계되었습니다. 실험시에는 정격의 30% 이하의 부하로 테스트하였기 때문에 인버터 전류(Iinv)
및 전류파형의 왜곡이 일어난 것을 확인할 수 있다. 전류 배터리 전류(Ibatt)는 실험에서는 충전시에 마이너스로 설정하였다. 충전 시 DC-link전압(Vdc-link)과
배터리전압(Vbatt)이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 13. Experiments with charging the battery in the system
Fig. 14는 통합형 다중 전력변환 시스템의 양방향 인버터가 계통의 에너지로 배터리를 충전하다가 계통으로 배터리의 에너지를 방전할 때의 파형이다. 충전시에는
인버터전류(Iinv)와 계통전압(Vgrid)의 위상이 일치하다가 방전시에는 위상이 반전되는 것을 확인 할 수 있다. 이 때 배터리전류(Ibatt)도
음수에서 양수로 전환되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 14. Experiments with charging the battery from the grid energy during battery
energy discharge to the grid
Fig. 15는 양방향 인버터와 PV 컨버터 연결하는 실험의 파형이다. PV 컨버터에서 태양광 셀을 통해서 발전되는 태양광 발전 전류(Ipv)는 MPPT 제어로
일정하게 유지된다. 그리고 양방향 인버터는 PV 컨버터의 출력이 DC-Link에 연결되어 있기 때문에 PV 컨버터의 발전량 만큼 양방향 인버터의 DC-Link
전압이 상승하며 양방향 인버터가 DC-Link의 전압 상승을 검출하여 계통으로 방전한다.
Fig. 15. Experimental PV converter linkage
본 논문의 통합형 다중 전력변환 시스템은 현재 개발 중이어서 정격으로 실험하지 못하였기 때문에 효율 개선효과는 확인할 수 없었다. 통합형 다중 전력변환
시스템의 효율 개선효과를 검토하기 위해 3상 인버터의 전력 손실을 수식(1), (2), (3), (4)로 검토하였다[10]. PCOND는 도통 전력, k(IC)는 스위칭 손실 지표, ESWITCH는 스위칭 손실이다.
3. 결 론
본 논문에서는 에너지 다소비 산업분야에 적용할 통합형 다중 전력변환 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 PV 컨버터, ESS, UPS, LVDC 컨버터가
하나의 DC링크를 결합하여 교류-직류 변환 시 요구되는 전력변환 손실을 감소시킨다. 본 논문에서는 통합형 다중 전력변환 시스템의 제어를 위하여 계통
전력 사용량 기반 피크-쉐이빙 곡선과 태양광 발전 데이터를 융합한 알고리즘을 적용하였으며, ESS 배터리의 SoC 상태기반 제어 시퀀스를 간단한 순서도를
통해 기술하였다. 시뮬레이션에서는 배터리와 계통간 전력변환 흐름을 모델링하였으며 제어성능을 검토하였다. 통합형 다중 전력변환 시스템은 250kW 출력이
가능한 양방향 인버터와 충전장치들로 구성하였고 파워 모듈형태로 통합형 다중 전력변환 장치들의 탈거 및 설치가 용이한 형태로 설계하여 복잡한 시스템의
유지보수 편의성과 설치시 발생하는 인적 결함 발생율을 감소시켰다. 실험에서는 PMS로 통합형 다중 전력변환 시스템을 총괄 제어하여 양방향 인버터와
배터리 컨버터를 상시 제어할 때 안정성을 검토하였다.
Acknowledgement
이 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원(No. 2021202080090)과 한국에너지기술평가원(KETEP)의
지원(No. 2022202080050)을 받아 수행한 연구 과제임.
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Annual Conference, pp. 361-362, 2024.
Biography
He received M.S. degree in power electronics from Kongju University in 2013. Since
2017, he has been working on Eon Co., Ltd as a researcher. His research interests
are power converters, inverters, UPS and ESS.
He received M.S. degree in power electronics from Konkuk University in 2012. Since
2007, he has been working on Eon Co., Ltd as a researcher. He is currently pursuing
the Ph.D. degree at the Department of Energy System Engineering, Chung-Ang University,
Seoul. His research interests are power converters, inverters, UPS and ESS.
He received Ph.D. degree in electrical engineering from Dankook University in 2014.
Since 2007, he has been working on Eon Co., Ltd as a researcher. His research interests
are power converters, inverters, UPS and ESS. converters, inverters, UPS and ESS.