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Operational Characteristic Analysis of Bipolar DC Distribution System using Hardware Simulator
Operational Characteristic Analysis of Bipolar DC Distribution System using Hardware Simulator
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Apr, 63(4): 476-483
Copyright © 2014, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : January 25, 2014
  • Accepted : March 24, 2014
  • Published : April 01, 2014
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About the Authors
진규 이
Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea
윤석 이
Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea
재혁 김
Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea
병문 한
Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Myongji University, Korea E-mail :erichan@mju.ac.kr

Abstract
This paper describes the operational analysis results of the bipolar DC distribution system coupled with the distributed generators. The energy management for AC/DC power trade and the operational principle of distributed generators and energy storages were first analyzed by computer simulation with PSCAD/EMTDC software. After then a hardware simulator for the bipolar DC distribution system was built, which is composed of the grid-tied three-level inverter, battery storage, super-capacitor storage, and the voltage balancer. Various experiments with the hardware simulator were carried out to verify the operation of bipolar DC distribution system. The developed simulator has an upper-level controller which operates in connection with the controllers for each distributed generator and the battery energy storage based on CAN communication. The developed hardware simulator are possible to use in designing the bipolar DC distribution system and analyzing its performance experimentally.
Keywords
1. 서 론
최근 직류전원을 내장하고 있는 컴퓨터와 정보통신기기의 보급이 급증하면서 이들 부하에 직류전력을 직접 공급하는 직류배전에 대한 관심이 높아지고 있다 [1] . 직류배전은 교류전력을 정류기를 통해 직류로 변환한 후 이를 직류부하에 공급하는 개념이었으나 최근 태양광발전, 연료전지발전, 배터리저장 등 직류전원이 등장하면서 이들이 같이 결합하여 동작하는 형태로 그 개념이 확장되어 있고 특히 이러한 구조의 직류배전을 직류 마이크로그리드로 정의하고 있다 [2 , 3] .
직류배전은 전압의 변동을 위해 철심과 코일로 구성된 변압기의 사용을 줄일 수 있어 기존 교류배전에 비해 공간을 적게 차지하며 동일한 선로를 사용할 경우 더 큰 용량의 전력을 전송할 수 있다. 또한 무효전력 소모와 주파수 유지 문제를 야기하지 않고 전압 관리만 필요로 한다. 직류 마이크로그리드 형태로 운영될 경우 단일 전력변환을 통하여 분산전원, 배터리저장, 직류부하에 관여 된 전력을 손쉽게 직류로 변환하여 효율 측면에서도 유리하다. 그러나 직류배전은 차단이 용이하지 않아 별도의 직류차단기를 필요로 하고 전력기기의 표준규격이 설정되어 있지 않아 이를 위한 연구 및 개발이 필요하다 [4 , 5] .
직류배전은 양극과 음극의 2개 단자로 구성된 단극형 시스템이 일반적이나 단극형 시스템은 구조는 간단하나 고장에 대한 공급신뢰도가 낮다. 양극, 음극, 영점의 3개 단자로 구성된 형태를 양극형 시스템이라고 하는데 이 양극형 시스템은 공급신뢰도가 높고 컨버터의 정격전압이 낮아 컨버터의 가격경쟁력을 확보할 수 있다. 또한 중성점을 접지하는 것이 가능하여 신뢰도와 안정도가 높은 장점을 갖는다 [6] .
본 논문에서는 풍력발전, 태양광발전, 배터리저장이 결합된 양극형 직류 배전시스템의 동작특성을 분석하기 위하여 PSCAD/EMTDC를 이용한 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 3kW 용량의 하드웨어 시뮬레이터를 제작하고 다양한 실험을 통해 양극형 직류배전시스템의 동작을 분석하고 그 결과를 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다.
2. 양극형 직류배전시스템
- 2.1 시스템의 구성과 동작 개념
그림 1 은 본 논문에서 고려한 양극형 직류배전시스템의 구성을 나타낸 것이다. 기본 직류전원은 3상 교류전원을 3-레벨 AC/DC 컨버터로 정류하여 공급하고 태양광발전, 배터리저장, 수퍼캡저장이 두 선로에 연결되어 있고 상이한 용량의 직류부하가 양극과 음극에 각각 연결된 것으로 가상하였다. 부하용량의 차에 따른 양극과 음극의 전압불평형을 보정하기 위해 전압평형회로가 정류기 다음에 연결되어 있다.
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양극형 DC 배전시스템 Fig. 1 Bipolar DC Distribution System
태양광발전의 경우 최대출력점에서 동작하면서 직류선로에 단방향성으로 전력을 공급하고 부하는 선로로부터 단방향성으로 전력을 공급받는다. 배터리저장과 수퍼캡저장은 양방향성으로 선로에 잉여전력이 발생하면 충전하고 부족전력이 발생하면 방전한다. 다만 배터리저장의 경우 충전이 느려 과도적으로 발생하는 잉여전력의 신속한 흡수가 불가능하다. 따라서 배터리저장과 병렬로 급속충전이 가능한 수퍼캡저장을 연결하여 과도적으로 발생하는 전력은 수퍼캡이 감당하고 이보다 긴 시간의 전력변동은 배터리가 감당하는 것으로 하였다. 이와 같이 배터리와 수퍼캡 두 종류의 에너지저장을 병렬로 결합하여 하이브리드 형태로 운용한다. 이때 배터리의 충방전 기준전력은 에너지저장 전체 충방전 기준전력을 저역필터를 거쳐 생성하고 수퍼캡의 충방전 기준전력은 전체 충방전 기준전력에서 배터리 기준전력을 삭제하여 생성한다 [7 , 8] .
직류배전시스템에서의 전력관리를 위한 로직은 다음가정을 기반으로 설정하였다. 먼저 태양광에서 생산되는 전력을 측정하고 이 값이 부하에서 소모되는 전력보다 크면 그 차를 일단 에너지저장에 충전하고 이때 에너지저장이 완충상태면 연계된 교류 전력망에 공급하는 것으로 하였다. 만일 태양광에서 생산되는 전력이 부하에서 소모되는 전력보다 적으면 그 차를 일단 에너지저장에 저장된 전력으로 충당하고 이때 에너지저장이 완방상태면 교류 전력망에서 충당하는 것으로 하였다.
교류 전력망과 연계된 상태에서는 3-레벨 AC/DC 컨버터에서 DC 그리드의 전압제어를 수행하게 되며 배터리저장과 수퍼캡저장의 컨버터는 전류제어를 수행하게 된다. 교류 전력망이 분리된 상태에서는 수퍼캡저장이 DC 그리드의 전압제어를 수행하고 배터리저장은 전류제어를 수행하게 된다. 이 상태를 아일랜딩이라고 하는데 태양광에서 생산되는 전력이 부하에서 소모되는 전력보다 큰 경우 일단 에너지저장에 충전하고 에너지저장이 완충상태인데도 생산전력이 커서 잉여전력이 발생하면 태양광발전의 출력을 강제적으로 저감하여야 한다. 반면에 태양광에서 생산되는 전력이 부하에서 소모되는 전력보다 작은 경우 일단 에너지저장에서 충당하고 에너지저장이 완방상태인데도 생산전력이 적어서 부족전력이 발생하면 부하의 소모전력을 강제적으로 저감하여야 한다.
- 2.2 구성요소의 전력변환과 제어
그림 2 는 본 논문에서 고려한 양극형 직류배전시스템을 구성하고 있는 각 컨버터와 제어기를 간략히 나타낸 것이다.
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전력변환기와 제어기 Fig. 2 Power Converter and Controller
교류계통과 직류배전을 연계하는 컨버터는 3-레벨 PWM 컨버터를 사용하고 교류계통에서 DC 측으로 또는 역방향으로 전력을 전달하는 기능을 갖는다. 이 컨버터는 교류계통과 연계하여 운전될 때는 DC 그리드의 전압을 일정하게 제어하며 교류계통에 사고가 발생하면 동작이 차단되어 DC 그리드를 교류전원으로부터 분리한다. DC 그리드의 전압을 일정하게 제어하기 위하여 기준전압을 전압제어기에 입력하고 여기서 생성된 기준전류를 전류제어기를 거쳐 계통의 실측전류와 비교하여 3상 PWM 게이트 펄스를 발생한다. 또한 연계된 교류계통의 전압이 일정 값 이하로 강하하면 이를 검출하여 컨버터의 동작을 차단하기 위해 게이트 펄스를 제거한다.
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3상 인터리브드 DC-DC 컨버터 Fig. 3 Interleaved 3-Phase DC-DC Converter
태양광발전에 사용하는 컨버터는 일사량과 온도의 변동에 따라 태양전지에서 발생되는 출력을 DC 그리드에 공급하는 DC-DC 컨버터를 사용하였다. 이 컨버터는 주어진 일사량과 온도에 서 최대출력을 생성하도록 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는데 본 논문에서는 P&O(Perturbation and Observation) 기법을 적용 하였다.
배터리저장과 수퍼캡저장에 사용되는 컨버터는 배터리와 수퍼캡이 갖는 전류리플의 한계 값을 고려하여 이에 영향을 주지 않도록 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터로 구성하였다. 이들 컨버터는 태양광 발전의 컨버터와 달리 충방전에 따른 양방향 전류 흐름이 가능하다. 본 논문에서 고려한 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터는 3개의 양방향성 DC-DC 컨버터가 120도 위상차를 두어서 출력을 형성하고 이들을 합하여 최종 출력을 형성한다. 이 경우 전류리플이 저감되어 리플에 의한 배터리와 수퍼캡의 스트레스를 저감할 수 있고 이로 인하여 커플링 인덕터의 소형화와 효율이 증가된다 [9 , 10 , 11] .
3. 전압불평형 보상
- 3.1 전압불평형 현상
그림 4(a) 는 양극형 직류배전선로의 양극과 음극 단자에 서로 다른 용량의 부하 Load 1과 Load 2가 연결되어 있는 등가회로를 나타낸 것이다. 이 회로에서 각 선로에 의한 전압강하가 동일하지 않아 부하의 단자전압 V Load 1 과 V Load 2 에 불평형을 야기한다. 따라서 불평형 부하에 따른 선로 양단에 발생하는 불균등한 전압강하를 보상하는 밸런서가 필요하다.
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양극형 DC 선로의 등가회로 Fig. 4 Equivalent Circuit for Bipolar DC Line
그림 4(a) 에서 양극 단자에 연결된 Load 1에 대해 등가회로를 나타내면 그림 4(b) 같다. 여기서 Load 1의 저항 R Load 1 은 수식 (1)과 같고 Load 1의 전압 V Load 1 은 수식 (2)와 같다. 식 (1)을 식 (2)에 대입하면 식 (3)과 같이 되고 이를 정리하면 식 (4)와 같은 2차방정식이 된다. 이 2차방정식의 해를 구하면 식 (5)와 같이 V Load 1 이 구해지고 Load 2에 동일한 과정을 거치면 식 (6)과 같이 V Load 2 가 구해진다.
양극단과 음극단 사이의 전압차 ΔV는 극성 때문에 전압의 차가 되므로 식 (7)과 같고 결과적으로 ΔV는 식 (8)과 같이 된다. 따라서 부하가 평형일 경우에는 ΔV=0이지만 불평형일 경우에는 ΔV≠0 이다.
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- 3.2 전압밸랜서 회로
현재까지 제안된 전압밸랜서는 반-브리지 형태와 Dual Buck 형태의 두 종류가 있다. Dual Buck 형태는 전압 불평형을 개선하는 성능은 우수하나 소자의 개수가 많고 하드스위칭으로 동작하여 스위칭 손실이 큰 단점을 갖는다 [12 , 13] .
반-브리지 전압밸런서는 그림 5 에 보인 것처럼 두 개의 스위치와 두 개의 커패시터 하나의 리액터로 회로가 구성되어 있고 제어기는 Pm, mN 양단의 전압을 측정하여 이득상수 K를 곱해주고 이를 양단 전압의 합으로 나눈 후 이 값에 0.5를 더하여 기준신호를 생성한다. 이 기준신호를 삼각파와 비교하여 시비율이 정해진 PWM 펄스를 생성한다.
이 제어기에서 양단에 걸리는 전압 V p , V n 에 대한 시비율의 관계는 식 (9)에 의해 정해지며 리액터 양단에 걸리는 전압은 평균치 개념을 적용하여 식 (10)과 같이 정할 수 있다. 따라서 식 (11)에 보인 것처럼 양단 전압 차에 (K+0.5)을 곱한 값이 리액터 양단에 걸리게 되고 중성선에 흐르는 리액터 전류는 식 (12)과 같다. 이식에서 중성선의 전류가 0이 되어 DC 계통의 전압평형이 이루어지면 식 (13)의 관계가 성립한다. 그러므로 밸런싱에 관여된 이득상수 K는 식(14)처럼 반-브리지회로를 구성하고 있는 리액터와 커패시터의 값에 의해 산정된다.
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반브리지 전압밸런서의 시스템 구조 Fig. 5 System Structure of Half-Bridge Voltage Balancer
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반-브리지 전압밸런서의 성능을 검증할 목적으로 그림 5(a) 에 보인 전력회로를 IGBT 듀얼모듈, 1mH 인덕터, 1000uF 커패시터, 40Ω과 200Ω 부하로 하드웨어를 제작하였다. 그림 5(b) 에 보인 제어기를 DSP 상에 알고리즘으로 구현하였다. 실험은 양극 단자에는 40Ω 저항을 그리고 음극단자에는 200Ω 저항을 연결하고 양단에 DC 400V를 인가한 후 처음에는 전압밸런서의 동작을 중지하고 있다가 어느 순간에 갑자기 가동하여 부하에 나타나는 전압과 전류를 측정하였다.
그림 6(a) 에서 전압밸런서가 동작하기 전에는 부하저항의 차이로 인해 전압은 균등하게 200V 유지되나 전류는 차이가 남을 알 수 있고 전압밸런서가 동작한 후에는 양단의 전압은 균등하고 전류가 차이가 남을 알 수 있다.
그림 6(b) 는 전압밸런서를 구성하고 있는 두 개의 IGBT 스위치에 나타나는 전압과 전류를 나타낸 것이다. 이 전압과 전류의 파형을 통해 영전압 스위칭이 이루어짐을 알 수 있고 따라서 전압밸런서는 높은 효율을 가짐을 알 수 있다.
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반브리지 전압밸런서의 실험 결과 Fig. 6 Experimental Results of Half-Bridge Voltage Balancer
- 3.3 전압밸랜서의 개선된 제어기
그림 7 은 본 논문에서 제안하는 반-브리지 전압밸런서의 제어기를 나타낸 것이다. 이 제어기는 2개의 PI 제어기가 Cascade 형태로 연결되어 앞단에서는 전압제어를 그리고 뒷단에서는 전류제어를 제어를 수행한다. 제어기의 동작은 먼저 양단의 전압 V p 와 V n 을 측정하여 그 합에서 V n 을 감한 후 그 차를 PI 제어기를 통과하여 리액터에 흐르는 기준전류 I L * 을 생성한다. 이 기준전류를 실측한 리액터전류 I L 과 비교하여 그 차를 PI 제어기를 통하여 전압변동 ΔV를 생성하고 이 값을 V n 에 합하여 양단 전압의 합 V p +V n 으로 나누어 기준신호를 만든다. 이 기준신호와 삼각파를 비교하여 시비율이 고려된 PWM 펄스를 생성한다.
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반브리지 전압밸런서의 새로운 제어기 Fig. 7 New Controller for Half-Bridge Voltage Balancer
그림 8 은 제작한 반브리지 전압평형회로에 기존 제어기와 새로 제안하는 제어기를 적용하여 실험적으로 성능을 분석한 결과이다. 기존 제어기는 전압평형 의 오차가 4V 정도 나타나는 반명 제안하는 제어기를 사용한 경우 전압평형의 오차가 거의 0V 정도로 후자가 전압평형을 유지하는 성능이 우수함을 알 수 있다.
4. 컴퓨터 시뮬레이션
양극형 직류배전시스템을 대상으로 2장에서 설명한 전력 관리 알고리즘을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하여 동작특성을 분석하였다 [14] . 실제 하드웨어 특성과 유사하도록 모의하기 위하여 태양전지와 배터리는 특성수식을 C 코드로 프로그램된 사용자정의모델로 구성하였다.
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전압 밸런싱의 비교 Fig. 8 Comparison of Voltage Balancing
태양광발전, 배터리저장, 수퍼캡저장에 사용된 3상 인터리브 DC-DC 컨버터와 계통연계를 위한 3-레벨 PWM 컨버터의 스위칭 주파수는 10kHz로 하였다. 또한 양극형 배전시스템의 전압 불평형을 검증하기 위해 정격용량이 다른 2개의 부하를 양극과 음극 단에 연결하고 반-브리지로 구성된 전압밸런서를 연결하였다. 시뮬레이션에서 고려된 회로소자의 특성정수는 표 1 과 같다.
양극형 직류배전시스템의 동작을 분석하기 위하여 표 2 에 보인 시나리오를 가정하였다. 먼저 시뮬레이션은 10초 동안 수행하는 것으로 정하였고 연계된 교류계통에서의 전력수요가 Step 형으로 변하는 것으로 가정하였다. 또한 부하 1은 양극에 단자에 부하 2는 음극 단자에 각각 초퍼를 통해 연결하고 초퍼의 출력단에는 15Ω 저항부하를 달고 시비율을 조절하여 연속적으로 소모전력이 변하는 가변부하를 모의하였다.
그림 9 에서 0-1초 동안은 교류전압이 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 1.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 정해진다. 1-2초 동안은 계통연계 컨버터를 통해 2.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류가 증가됨을 알 수 있다. 2-3초 동안은 교류전압이 1.0pu에서 0.2초 동안 0.5pu로 강하한 후 다시 1.0pu로 회복하는데 계통연계 컨버터를 통해 1.5kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 증가하다가 원래 값으로 돌아감을 알 수 있다. 3-4초 동안은 계통연계 컨버터를 통해 1.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 일정한 값이 됨을 알 수 있다. 4-5초 동안은 교류전압이 1.0pu에서 0.2초 동안 1.2pu로 상승한 후 다시 1.0pu로 회복하는데 계통연계 컨버터를 통해 0.5kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 약간 감소되다가 다시 상승함을 알 수 있다. 5-6초 동안은 교류전압은 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 0.2kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 감소됨을 알 수 있다. 6-7초 동안은 교류전압은 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 1.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 증가됨을 알 수 있다. 7-8초 동안은 교류전압은 1.0pu에서 동작하다가 0.4초 동안 교류계통 전압이 0pu인 상태에서 동작하다가 다시 1.0pu로 회복한다. 계통전압이 0인 경우 단독운전 상태로 수퍼캡이 DC 전압을 유지하면서 태양광발전, 배터리저장, 부하가 전력평형을 유지하면서 동작한다. 8-10초 동안은 교류전압은 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 각각 1.0kW과 0.5kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 정해짐을 알 수 있다. 그리고 전체 동작시간 10초 동안 전압밸런서에 의해서 Pm과 Nm 전압은 일정한 값으로 평형이 유지됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 설명하고 있는 전압밸런서를 갖는 양극형 직류배전시스템은 연계운전과 단독운전 전체 동작구간에서 DC 전압이 일정하게 유지되면서 안정적으로 동작함을 알 수 있다. 또한 수퍼캡의 충방전 전류는 전력이 급작스럽게 변하는 순간에만 동작하여 배터리와 에너지저장 기능을 잘 분담하고 있음을 알 수 있다.
동작분석을 위한 회로 파라미터Table 1 Circuit Parameters for Operation Analysis
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동작분석을 위한 회로 파라미터 Table 1 Circuit Parameters for Operation Analysis
동작분석을 위한 시뮬레이션 시나리오Table 2 Simulation Scenario for Operation Analysis
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동작분석을 위한 시뮬레이션 시나리오 Table 2 Simulation Scenario for Operation Analysis
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동작분석을 위한 시뮬레이션 결과 Fig. 9 Simulation Results for Operation Analysis
5. 하드웨어 실험 및 분석
양극형 직류배전시스템을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석한 결과를 바탕으로 동작특성을 하드웨어적으로 분석하기 위하여 실험장치를 제작하고 다양한 실험을 실시하였다. 그림 10 은 제작한 실험장치의 구성을 나타낸 것이고 표 3 은 각 구성요소에 대한 설명이다. 교류계통 연계를 위한 3-레벨컨버터, 태양광발전 DC-DC 컨버터, 배터리저장 컨버터, 수퍼캡저장 컨버터 등은 서랍형태의 모듈로 제작하여 캐비넷에 설치하였다. 캐비넷 전면에는 각 컨버터 모듈의 제어와 모니터링을 위한 DSP 제어기를 부착하고 전력관리를 위한 중앙제어시스템과 CAN 통신으로 연계하였다.
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하드웨어 실험장치 구성 Fig. 10 Hardware Experimental Set-Up
실험장치와 관련된 회로정수는 시뮬레이션에서 사용한 값과 동일하게 설정하였다. 또한 실험에서 사용한 시나리오는 시뮬레이션에서 사용한 것과 동일하나 다만 실험의 경우는 시뮬레이션과 달리 상태지속시간을 10배로 길게 설정하여 10초 단위로 변경하면서 측정을 수행하였다.
하드웨어장치의 주요 구성 요소Table 3 Major component of hardware set-up
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하드웨어장치의 주요 구성 요소 Table 3 Major component of hardware set-up
그림 11 에서 0-10초 동안은 교류전압이 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 1.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 정해진다. 10-20초 동안은 계통연계 컨버터를 통해 2.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류가 증가됨을 알 수 있다. 20-30초 동안은 교류전압이 1.0pu에서 2초 동안 0.5pu로 강하한 후 다시 1.0pu로 회복하는데 계통연계 컨버터를 통해 1.5kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 증가하다가 원래 값으로 돌아감을 알 수 있다. 30-40초 동안은 계통연계 컨버터를 통해 1.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 일정한 값이 됨을 알 수 있다. 40-50초 동안은 교류전압이 1.0pu에서 2초 동안 1.2pu로 상승한 후 다시 1.0pu로 회복하는데 계통연계 컨버터를 통해 0.5kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 약간 감소되다가 다시 상승함을 알 수 있다.
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동작분석을 위한 실험 결과 Fig. 11 Experimental Results for Operation Analysis
50-60초 동안은 교류전압은 1.0pu를 유지하면서 계통연계컨버터를 통해 0.2kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 감소됨을 알 수 있다. 60-70초 동안은 교류전압은 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 1.0kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 증가됨을 알 수 있다. 70-80초 동안은 교류전압은 1.0pu에서 동작하다가 4초동안 교류계통 전압이 0pu인 상태에서 동작하다가 다시 1.0pu로 회복한다. 계통전압이 0인 경우 단독운전 상태로 수퍼캡이 DC 전압을 유지하면서 태양광발전, 배터리저장, 부하가 전력평형을 유지하면서 동작한다. 80-100초 동안은 교류전압은 1.0pu를 유지하면서 계통연계 컨버터를 통해 각각 1.0kW과 0.5kW의 전력을 흡수하여 교류에서 유입되는 전류는 이에 따라 정해짐을 알 수 있다.
그리고 전체 동작시간 100초 동안 전압밸런서에 의해서 Pm과 Nm 전압은 일정한 값으로 평형이 유지됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 설명하고 있는 전압밸런서를 갖는 양극형 직류배전시스템은 연계운전과 단독운전 전체 동작구간에서 DC 전압이 일정하게 유지되면서 안정적으로 동작함을 알 수 있다. 이상 설명한 실험결과는 앞장의 시뮬레이션 결과와 시간적으로 10배 느리게 동작하는 것을 제외하고는 모든 결과가 동일함을 알 수 있다. 또한 수퍼캡의 충방전전류는 전력이 급작스럽게 변하는 순간에만 동작하여 배터리와 에너지저장 기능을 잘 분담하고 있음을 알 수 있다.
6. 결 론
본 논문에서는 양극형 직류배전의 동작특성을 분석할 목적으로 하드웨어 시뮬레이터를 구축하였다. 구축한 시뮬레이터는 분산전원으로 태양광발전을 그리고 에너지저장으로는 슈퍼커패시터와 리튬폴리머 배터리를 사용하였다. 교류계통과 연계를 위해 3-레벨 PWM 컨버터를 사용하였으며 불평형 직류부하는 저항으로 모의하였다. 또한 전체 시스템의 동작을 제어하고 모니터링하기 위해 PC를 기반으로 한 중앙제어기를 구성하였고 이 중앙제어기와 각 컨버터에 탑재된 제어기와는 CAN 통신망을 이용하여 연계하였다.
전체 시스템의 동작을 연계운전 모드와 단독운전 모드로 구분하여 각 동작모드에서 전력관리가 원만하게 이루어지는가를 시뮬레이션과 하드웨어 실험을 통해 검증하였다. 그리고 교류계통에서 순간정전이나 순간전압강하와 같은 외란이 발생하였을 때 이것이 직류그리드에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 양극형 직류배전에서 발생하는 전압 불평형 문제를 해결하기 위해 새로운 제어기가 탑재된 반-브리지형 전압밸런서를 제안하고 그 동작과 성능을 분석하였다.
개발한 양극형 직류배전 하드웨어 시뮬레이터는 향후 실용량의 양극형 배전시스템을 설계하고 다양한 운용방안을 도출하는데 활용 가능하고 직류배전 오퍼레이터의 교육용으로도 활용 가능해 보인다.
Acknowledgements
본 연구는 2013년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지인력양성사업(No.20134030200310) 지원 및 전력산업융합원천기술개발사업(No. 20111020400080) 지원을 받아 수행한 연구과제입니다.
BIO
이 진 규 (李 振 揆) 1989년 11월 21일생. 2012년 대덕대 전기공학과 졸업. 2013∼현재 명지대학교 대학원 전기공학과 석사과정.
이 윤 석 (李 胤 錫) 1987년 6월 27일생. 2012년 명지대 전기공학과 졸업. 2012∼현재 동 대학원 전기공학과 석·박사 통합과정.
김 재 혁 (金 載 赫) 1988년 12월 18일생. 2013년 명지대 전기공학과 졸업. 2013∼현재 동 대학원 전기공학과 석사과정.
한 병 문 (韓 炳 文) 1976년 서울대 공대 전기공학과 졸업. 1988년 미국 Arizona State University 전기공학과 졸업(석사). 1992년 동 대학원 전기공학과 졸업(공박). 미국 Westinghouse 중앙연구소 선임연구원. 현재 명지대 전기공학과 교수.
References
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