2.1. DC 배전 시스템 구성

Fig. 1. Diagram of DC distribution system

Fig. 1은 본 연구에서 모델링한 DC 배전 시스템의 전체 구성을 나타낸다. AC/DC interlinking converter, 공통 DC 링크, DC/DC 컨버터, 회전형 부하, PV 설비 및 BESS로 구성된다. AC 계통으로부터 공급되는 전력은 AC/DC interlinking converter를 통해 DC 링크 전압으로 변환되며 이후 다양한 전력변환 장치를 통해 각 부하에 전력이 공급된다. 공통 DC 링크는 다양한 부하 및 전원이 병렬로 연결되는 구조를 갖는다. 각 구성 요소의 정격 용량은 Table 1과 같다.

2.2. AC/DC 인터링킹 컨버터

Fig. 2. Solid state transformer

Fig. 2는 상위 AC 계통과 DC 배전 시스템을 연계하는 AC/DC interlinking converter의 구조를 나타낸다. 본 연구에서는 Solid State Transformer(SST)를 적용하였다. SST는 입력측 고전압을 분담하기 위해 다수의 전력변환 모듈을 직렬로 구성하고 출력측에서는 저전압 대전류 분담을 위해 모듈을 병렬로 구성하였다. 본 시스템에서는 22.9kV의 상위 계통 전압을 입력받아 DC 배전 시스템의 공통 DC 링크 전압 750 V를 형성한다.

2.3. 전력전자 설비

Fig. 3. Power electronic facilities (a) Isolated DC/DC converter & control logic (b) Non-isolated DC/DC converter & control logic (c) Motor drive & control logic

Fig. 3은 DC 버스에 연계된 설비에 전력을 공급하기 위한 전력전자 설비 모델을 나타낸다. 본 연구에서는 절연형 및 비절연형 DC/DC 컨버터 및 모터 구동 인버터를 포함한 전력전자 설비를 모델링하였다.

절연형 DC/DC 컨버터는 Dual Active Bridge 토폴로지를 적용하였다. DAB 컨버터는 1차측 및 2차측 풀브리지와 고주파 변압기로 구성되며 두 브리지 간 위상천이 제어를 통해 양방향 전력 전달이 가능하다. 본 연구에서는 해당 구조를 EV 충전기에 적용하였다.

비절연형 DC/DC 컨버터는 four-switch buck boost 토폴로지를 적용하였다. 해당 컨버터는 승압 및 강압 동작이 모두 가능하며 양방향 전력 흐름을 지원한다. 인터리브 방식으로 적용하여 전류 리플을 감소시키고 전류 분담이 가능하도록 설계하였다. 본 연구에서는 해당 컨버터를 BESS 및 회전형 부하 구동을 위한 전력 공급 장치로 적용하였다.

회전형 부하는 DC 배전 시스템 내 대표적인 동적 부하로 3상 인버터를 통해 구동된다. 본 연구에서는 3상 유도 전동기를 모델링하여 시스템 내 회전 부하 특성을 반영하였다. 모터 구동 인버터는 전압원형 인버터 구조를 기반으로 하며 PWM 제어 방식을 적용하였다. 또한 모터 제어는 V/F 제어 방식을 적용하여 주파수 변화에 따라 출력 전압이 비례적으로 조정되도록 설계하였다.

2.4. 태양광 발전 어레이

Fig. 4. PV generate system (a) PV array (b) Boost converter & MPPPT control

Fig. 4는 DC 배전 시스템에 연계된 태양광 어레이 모델링을 나타낸다. 본 연구에서 태양광 어레이는 STC 조건에서 개방전압 677 V, 단락전류 560 A의 특성을 갖도록 모델링하였다. 태양광 발전 시스템은 PV Array와 부스트 컨버터로 구성되며 부스트 컨버터를 통해 공통 DC 링크에 연계되도록 설계하였다. 또한 태양광 어레이의 출력 전압과 전류를 기반으로 MPPT 제어를 적용하여 일사량 및 온도 변화에 따라 변동하는 최대 전력점을 추종하도록 구성하였다. 이를 통해 태양광 발전에서 생성된 전력이 보다 효율적으로 DC 배전 시스템에 공급되도록 하였다.

2.5. 배터리 에너지 저장 장치

Fig. 5. Battery energy storage system

Fig. 5는 Battery Energy Storage System 모델링 구조를 나타낸다. BESS는 DC 배전 시스템에서 피크 부하 완화 및 전압 안정화를 위한 핵심 설비로 활용되며 배터리의 정밀한 전기적 특성 반영을 위해 Dual Polarization 등가 회로 모델을 적용했다.

해당 모델은 개방회로 전압원과 내부 저항, 두 개의 RC 분지로 구성되며, 배터리의 활성 분극 및 농도 분극 현상을 모사한다. 배터리의 State of Charge(SOC) 상태는 쿨롱카운팅 방법을 이용하여 계산하며 이는 식 (1)과 같이 표현된다.

BESS는 피크 부하 구간에서는 방전을 수행하고 부하가 낮은 구간에서는 충전을 수행하는 피크 저감 제어를 수행한다. 급격한 부하 변동과 같은 외란으로 인해 DC 배전 시스템 전압이 정상 구간을 벗어나는 경우 전압 안정화 제어를 수행하도록 모델링하였다.

Fig. 6. DC distribution system PSCAD/EMTDC model

Fig. 6은 앞서 기술한 각 구성 요소를 통합하여 구현한 DC 배전 시스템의 PSCAD/EMTDC 전체 모델을 나타낸다.

3.1. DC 배전 시스템 전력 수요 피크 저감 운영

Fig. 7. Peak load management using BESS

Fig. 7은 BESS를 이용한 피크 부하 저감 개념을 나타낸다. 부하가 낮은 시간대에는 BESS가 충전을 수행하고 부하가 높은 시간대에는 BESS가 방전을 수행하여 시스템의 최대 전력 수요를 감소시킨다. 이를 통해 상위 계통에서 요구되는 최대 전력 공급 용량을 감소시키고 설비 용량을 효율적으로 활용할 수 있다.

3.2. DC 배전 시스템 전압 안정화 제어

Fig. 8. (a) V-I droop characteristic (b) Droop control block diagram

Fig. 8은 BESS 전압 안정화 제어에 적용된 V-I Droop 특성과 제어 블록도를 나타낸다. DC 배전 시스템에서는 AC 계통과 달리 주파수 개념이 존재하지 않으며 DC 링크 전압이 시스템의 전력 균형 상태를 나타내는 주요 지표로 작용한다. 따라서 부하 변동이나 분산전원 출력 변동과 같은 외란이 발생할 경우 DC 링크 전압이 변동하게 되며, 이를 안정적으로 유지하기 위한 제어 방식이 필요하다.

Droop 제어는 전압과 전류의 관계를 이용하여 전력 변환기의 출력 전력을 자동으로 조정함으로써 시스템 전압을 안정화에 기여할 수 있다^[12]. 본 연구에서는 BESS가 DC 링크 전압 변동에 따라 출력 전류를 조절하여 전압 안정화를 수행하도록 V-I Droop 제어를 적용하였다. Droop 제어에서 DC 버스 전압 기준값은 식 (2)와 같이 표현된다.

여기서 $V_{dcref}$는 드룹제어에 의해 생성되는 DC 전압기준값, $V_{dcnom}$은 DC 배전 시스템 정격 전압, $K_{droop}$은 드룹계수, $I_{BESS}$는 출력 전류를 의미한다. 드룹계수는 전압 변동 대비 출력 전류의 기울기를 결정하는 파라미터로 계통 전압 변동 허용 범위와 BESS의 정격 전류를 고려하여 설정하였다.

제어 동작 원리는 다음과 같다. 부하 증가로 인해 DC 링크 전압이 감소하는 경우 Droop 특성에 의해 BESS의 전류 기준값이 증가하게 되며 이에 따라 BESS는 방전을 수행하여 DC 링크로 전력을 공급한다. 반대로 부하가 감소하거나 분산전원의 출력이 증가하여 DC 링크 전압이 상승하는 경우 BESS는 충전을 수행하여 DC 링크 전압 상승을 억제한다. 이러한 방식으로 BESS는 DC 배전 시스템에서 전압 조정 장치로 동작하게 되며 결과적으로 DC 배전 시스템의 전압 안정도를 향상시킬 수 있다.

3.3. 피크저감 및 전압 안정화 통합 BESS 운전 전략

본 연구에서는 DC 배전 시스템의 안정적인 운전을 위해 BESS의 운전 모드를 전압 안정화 모드와 피크 저감 모드로 구분하였다. DC 링크 전압이 정상 운전 범위 내에 있는 경우에는 피크 저감 운전을 수행하고 DC 링크 전압이 허용 범위를 벗어나는 경우에는 전압 안정화 운전을 우선적으로 수행하도록 운전 전략을 구성하였다.

피크 저감 운전 모드에서는 부하 전력이 기준 전력 이상으로 증가하는 경우 BESS가 방전을 수행하여 상위 계통으로부터 공급되는 전력을 제한하며 부하 전력이 기준 전력 이하인 경우에는 잉여 전력을 이용하여 BESS가 충전을 수행하도록 하였다. 이를 통해 상위 계통의 최대 전력 요구량을 감소시킨다.

전압 안정화 운전 모드에서는 DC 링크 전압과 기준 전압의 편차에 따라 BESS의 출력 전력을 제어하도록 하였으며 이를 위해 V-I Droop 제어 방식을 적용하였다. Droop 제어에 의해 생성된 전류 기준값은 BESS 양방향 DC/DC 컨버터의 전류 제어기에 입력되어 DC 링크 전압을 안정화하도록 하였다.

또한 BESS의 과충전 및 과방전을 방지하기 위해 SOC 제한 조건을 적용하였으며 SOC가 상한값에 도달할 경우 충전을 제한하고 SOC가 하한값에 도달할 경우 방전을 제한하도록 하였다. 이러한 운전 전략을 통해 DC 배전 시스템의 전압 안정성 확보와 전력 피크 저감을 동시에 수행하도록 하였다.

4.1. DC 배전 시스템 검증 시나리오

Fig. 9. Operation validation scenarios of the DC distribution system. (a) Scenario 1:SST-based Standalone Load Supply (b) Scenario 2:PV generation and BESS charge/discharge operation

Fig. 9는 DC 배전 시스템 모델의 검증 시나리오를 나타낸다. 본 연구에서는 시스템의 동작 특성을 검증하기 위해 두 가지 시나리오를 구성하였다.

시나리오 1은 SST 기반 AC/DC interlinking converter가 회전형 부하, 정지형 부하 및 EV 부하를 순차적으로 단독 공급하는 조건으로 설정하여 부하 변동에 따른 DC 링크 전압 및 시스템 응답 특성을 확인하였다.

시나리오 2는 PV 발전과 BESS의 충·방전 동작을 검증하기 위한 조건으로 초기에는 BESS 충전을 수행하고 이후 PV 발전 및 BESS 방전 동작을 순차적으로 적용하여 다양한 운전 조건에서의 DC 배전 시스템 동작 특성을 확인하였다.

4.2. DC 배전 시스템 모델링 검증

Fig. 10. Output waveform of scenario 1 (a) DC system voltage (b) SST power (c) Rotating load DC link voltage (d) Rotating load power (e) Static load DC voltage (f) Static load power (g) EV charger DC voltage (h) EV charger power

Fig. 10은 AC/DC 인터링킹 컨버터가 전체 부하를 단독으로 공급하는 시나리오 1의 출력 파형을 나타낸다. 400kW 회전형 부하는 1 s, 275kW 정지형 부하는 1.8 s, 90kW EV 부하는 4 s에 순차적으로 투입되도록 설정하였으며 각 부하 투입 시점에서 단기 과도응답이 발생하나 DC 링크 전압은 기준 전압인 750 V 부근으로 안정적으로 회복되는 것으로 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증한다.

Fig. 11. Output waveform of scenario2 (a) DC voltage (b) SST active power (c) BESS power (d) PV power

Fig. 11은 BESS 충·방전 동작과 태양광 발전 특성을 검증하기 위한 시나리오 2의 출력 파형을 나타낸다. 해당 시나리오에서는 0.2 s에 BESS 충전이 시작되고 2 s에 PV 발전이 투입되며 4 s에 BESS가 방전으로 전환되도록 운전 조건을 단계적으로 설정하였다. 시뮬레이션 결과 각 운전 조건 전환 시점에서 DC 링크 전압이 일시적인 과도응답 이후 기준 전압 범위 내로 안정적으로 유지되는 것을 확인하였으며 이를 통해 PV 및 BESS 동작 환경에서도 제안한 DC 배전 시스템 모델의 타당성을 검증하였다.

두 시나리오의 출력을 통해 제안한 DC 배전 시스템 모델이 정상적으로 동작함을 확인하였다. SST는 공통 DC 링크 전압을 안정적으로 형성하였으며 부하 변동 및 분산 전원 연계 상황에서도 DC 링크 전압이 안정적으로 유지되는 것을 확인하였다. 또한 DC 링크 전압은 정상 운전 기준 전압 대비 ±5% 이내의 범위를 만족하는 것으로 나타났으며 이를 통해 제안한 DC 배전 시스템 모델이 타당성을 검증하였다.

4.3. BESS 전압 안정화 제어 검증

Fig. 12. Voltage response under sudden load connection (a) without voltage stabilization control (b) with voltage stabilization control

Fig. 12는 급격한 부하 투입 시 전압 안정화 제어 적용 전후의 DC 링크 전압 응답을 비교한 결과를 나타낸다. 전압 안정화 제어를 적용하지 않은 경우 부하 투입에 의해 DC 링크 전압이 순간적으로 감소하여 약 703 V까지 하강하는 전압 딥 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 반면 droop 제어 기반 전압 안정화 제어를 적용한 경우 동일한 운전 조건에서도 전압 최소값이 약 720 V 수준으로 유지되어 전압 딥 크기가 약 2.2% 감소하는 것을 확인하였다. 이는 부하 투입 시 BESS가 방전을 수행하여 DC 링크로 전력을 공급함으로써 전압 강하를 보상하기 때문이다. 또한 droop 제어에 의해 발생하는 정상상태 전압 강하는 2차 보상제어를 통해 보완하였다.

Fig. 13. Voltage response under sudden load disconnection (a) without voltage stabilization control (b) with voltage stabilization control

Fig. 13은 급격한 부하 탈락 시 전압 안정화 제어 적용 전후의 DC 링크 전압 응답을 나타낸다. 부하가 탈락하면 순간적으로 전력 수요가 감소하게 되고 이로 인해 DC 링크에 잉여 전력이 발생하여 전압이 상승하는 특성이 나타난다. 전압 안정화 제어를 적용하지 않은 경우 DC 링크 전압이 약 794 V까지 상승하는 것을 확인할 수 있으며 전압 안정화 제어를 적용한 경우에는 BESS가 잉여 전력을 흡수하여 773 V로 전압 상승 폭이 제한되는 것을 확인할 수 있다.