이종 계통 간의 전력전달을 위한 Inter-link 컨버터 개발

Development of Inter-link Converter for Power Transmission between Heterogeneous Systems

Abstract

This paper is about power transfer between heterogeneous systems in zero-energy buildings. Currently, electricity used in buildings, from renewable energy generation power in buildings, consists of alternating current networks. In order to use electricity, alternating current must be converted to direct current, which typically results in a loss of 10%. In order to solve this problem, research is needed to reduce power loss as much as possible by implementing both a DC network and an AC network in a zero-energy building. Therefore, in this paper, an inter-link converter capable of bidirectional power transfer between DC and AC networks applied to zero-energy buildings is developed. The structure of the inter-link converter to be developed was proposed and its feasibility was verified through simulations and experiments.

1. 서론

2010년대 전후로 세계적으로 문제가 되는 기후위기에 대응하기 위해서 다양한 노력을 기울이고 있다. 현재 많은 나라에서는 신재생 에너지원을 이용하여 화석에너지원을 빠르게 대체해 나가고 있고, 이러한 노력에서 더욱 나아가 탄소 중립을 이루어 기후위기에 대응하고자 많은 노력을 하고 있다. 대한민국은 세계 7위의 온실가스 배출국가로 온실가스 감축을 목표로 동참하고 있으며, 2050년까지 탄소 중립을 달성하겠다고 선언했다. 이러한 배경으로 신재생 에너지원을 이용한 탄소배출을 낮추는 방안 중 하나로 제로 에너지 건축물이 있다[1]. 현재 건축물에서 신재생에너지 발전전력부터 건축물 내에서 사용되는 전기는 모두 교류망으로 이루어져 있다. 이는 전기를 사용하기 위해서 교류를 직류로 변환해야 하며, 여기에서 통상 10%의 손실이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 제로 에너지 건축물 내에 직류 망과 교류망을 모두 구현하여 최대한 전력의 손실을 낮추기 위한 연구가 필요한 상황이다. 하이브리드 마이크로 그리드는 교류 계통과 및 DC 마이크로 그리드의 통합된 망을 의미하며 각각의 망이 독립적으로 구축되는 것에 비해 많은 이점을 갖는다. 이러한 장점은 제로 에너지 건축물과 같은 소규모의 전력망에 하이브리드 마이크로 그리드를 적용한다면 높은 효율성을 갖는 전력관리가 될 것으로 예상된다. 하이브리드 마이크로 그리드에서는 교류망과 직류망이 계통 연결 모드 및 독립 실행형 모드 모두에서 전력을 적절하게 제어 및 관리할 수 있어야 하는데 Inter-link AC/DC 양방향 변환기(IC)를 통해 연결된다. 일반적으로 Inter-link 컨버터에 의해 제어되는 전력공유는 주파수와 DC전압 편차를 밸런싱하여 수행된다. 또한 직류망에는 민감한 디지털 부하가 연계되기 때문에 안정적인 DC버스의 전압제어를 위한 역할을 수행해야 한 다. 현재의 Inter-link 컨버터는 DC 버스 전압제어 수행을 통한 연구가 소규모로 이루어지고 있으 나, DC 버스 전압제어를 하지 않고 양방향 전력전달을 수행하는 Inter-link 컨버터의 연구는 거의이루어지지 않고 있어 연구 및 개발의 필요하다고 판단된다[5-8].

따라서 본 논문에서는 제로 에너지 건축물에적용 가능한 직류망과 교류망 사이에서 양방향 전력전달이 가능한 Inter-link 컨버터를 개발을 수행 한다. 기존의 Inter-link 컨버터가 직류망 전압제어를 수행하여 전력을 양방향 전달하는 것에 목적이 있지만, 개발되는 Inter-link 컨버터는 아직은규격화되지 않은 직류망의 다양한 전압 크기에 대응할 수 있고, 양방향으로 전력을 전달하는 것에목적을 두고 있다. 그러므로 넓은 직류망 전압에대응 가능한 구조에 대하여 분석하고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 타당성을 검증을 수행한다.

2. 제로 에너지 건축물의 요소기술

제로 에너지 건축물을 달성하기 위해서 적용되는 기술은 패시브 기술과 액티브 기술로 크게 두가지로 나눌 수 있다.

Fig. 1 Zero energy technology[1]

패시브 기술은 건물 내에서 냉·난방 에너지요구량을 최소화하여 에너지의 사용량을 최소화할 수 있는 기술이다. 바람을 이용한 자연 환기 기술, 일사차단과 공기 유입을 막는 고성능 창호 기술, 건물에 존재하는 틈새로 열이 빠져나가는 것을 방지하는 고기밀, 외단열 기술, 건물이 받는 열을 차단하기 위한 옥상녹화 기술들이 패시브 기술에 속한다. 액티브 기술은 에너지 소비량 최소화 기술과 신재생 에너지원 기술들이 해당한다. 고효율의 보일러 기술, 가전기기 기술, 폐열회수 환기장치 기술, LED 조명 기술, 태양광/풍력 발전 기술, 연료전지 기술, 건물 에너지 관리시스템 기술 등이 있다. 태양광, 풍력, 연료전지 기술은 에너지 발전원으로 발전되는 전력은 DC 전력을 생산하여 제로 에너지 건축물에 에너지를 공급한다. Fig. 2 는 신재생 발전원의 계통 연계 시스템에 관한 일반적인 구성을 나타낸 그림으로 발전되는 전력은 DC 전력을 생산하기 때문에 건물 내에 전력을 공급하거나 잉여전력을 계통으로 전달하기 위해서는직류전원을 교류전원으로 변환시켜줘야 하므로 각발전원에는 DC/AC 전력변환장치가 필요하다.

Fig. 2 AC-Grid structure

Fig. 3 AC-Grid and DC-Grid structure

Fig. 3은 교류망과 직류망을 혼용하여 사용하는구조를 나타낸 그림이다. 신재생 에너지원으로부터발전된 전력을 직류망에 전력을 공급하고, 남는 잉여전력이나 계통에서 필요한 전력을 교류망으로전달하는 구조이다. Fig. 2의 기존 시스템에서 전력전달을 위해서 각 발전원에 구성되는 인버터가 Fig. 3에서는 인버터 없이 직류망에 전력을 공급하고 직류 망과 교류망 사이의 Inter-link 컨버터로대체가 되는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 이종계통 간의 양방향 전력전달을 위한 Inter-link 컨버터에 관한 연구의 필요성이 증대되고 있다.

3. 제안하는 Inter-link 컨버터 구조

Inter-link 컨버터는 직류 망과 교류망 사이에위치하며 양방향으로 전력을 전달하는 역할을 수행함으로 양 계통의 전압 범위에 대응해야 한다. 그러므로 이종 계통 간의 전력을 전달할 수 있는 컨버터가 구현되어야 한다. 교류망은 국내외에서 일반적으로 3상 380V/60Hz가 사용됨으로 교류망에연계를 위해서 계통 연계형 인버터를 사용하면 되 는데, 3상 380[V]에 연계를 위해서 DC 전압은 650[V] 이상이 확보되어야 한다. 직류망의 전압 범위는 LVDC의 내에서 이루어지며, 한전의 저압 DC 배전 시스템의 표준전압은 전력손실, 용량, 전송 거리 등 다양한 조건을 분석하여 1,500[V] (±750[V]) 로 기준 설정하였다. 그러나 아직 국내 표준화가이루어지지 않고 있고 세계적으로 240∼400[V]로표준을 선정하는 추세이며 미국과 일본은 380[V]로

표준전압을 선정할 예정이다[1]. 이러한 배경으로 인하여 직류 망과 연계를 위해서 넓은 범위에 적용이 가능한 DC/DC 컨버터가 필요하다.

Fig. 4는 넓은 DC 전압에 대응하기 위해서 제안하는 DC/DC 컨버터로 하나의 인덕터를 이용하여 벅-컨버터와 부스트-컨버터의 기능을 수행할 수 있도록 만들어진 구조이다[2-4].

Fig. 5와 6은 부스트 모드에서 전류의 흐름을 나타낸 그림이다. 부스트 모드로 동작하기 위해서 스위치 Q은 항상 ON이 되어 입력 전원이 항상 1 인가되도록 한다. 부스트 스위칭 동작은 Q와 Q 3 4 가 상보적인 동작을 수행하게 되며 입출력 관계식은 다음과 같다.

\(V _ { D C - l i n k } = \frac { 1 } { 1 - D _ { B \text { Bost } } } V _ { D C - G r i d }\)       (1)

Fig. 4 Proposed DC/DC converter structure

Fig. 5 Boost mode (SW=ON)

Fig. 6 Boost mode (SW=OFF)

Fig. 7과 8은 벅 모드에서 전류의 흐름을 나타낸 그림이다. 벅 모드로 동작하기 위해서 스위치Q는 항상 ON이 되어 출력단과 항상 연결되도록 3 한다. 벅 스위칭 동작은 Q과 Q가 상보적인 동작 1 2 을 수행하게 되며 입출력 관계식은 다음과 같다.

\(V _ { D C - \text { link } } = D _ { \text { Buck } } \cdot V _ { D C - \text { Grid } }\)       (2)

두 모드의 스위치 도통 비는 동일한 주기 내에서 동작하고, 도통비는 독립적이라고 가정했을 때, 정상상태에서 인덕터 전류 i 해석이 가능하다. L D 의 ON이 되는 순간의 점을 0, D 의 ON Bcuk Boost 이 되는 순간을 a라 하면, 인덕터의 상승전류와하강전류는 식(3)과 (4)와 같고, 이를 이용하여 출력전압의 평균값 식(5)와 같이 구할 수 있다[2].

\(\Delta i _ { L } = \frac { V _ { D C - \text { Grid } } } { L } ( D _ { \text { Buck } } - \alpha ) T\)       (3)

\(\Delta i _ { L } = - \frac { V _ { D C - \text { link } } } { L } ( 1 - ( \alpha + D _ { \text { Boost } } ) ) T\)       (4)

\(V _ { D C - \text { link } } = \frac { D _ { \text { Buck } } } { 1 - D _ { \text { Boost } } } V _ { D C - G r i d }\)       (5)

Fig. 7 Buck mode (SW=ON)

Fig. 8 Buck mode (SW=OFF)

식(5)를 살펴보면 출력전압은 스위치 도통비 D 과 D 에 의해 결정된다. 따라서 출력전압 Buck Boost 제어를 위해서는, 스위치 도통비 두 개를 제어해야 하고, 이를 위해서 제어기 두 개가 구성되어야 한다. 그러나 2개의 제어기를 구현할 시, 두 개의 제어기의 최종 출력은 출력전압으로 같으므로 시스템이 불안정해지거나 발산할 우려가 있으므로 전압 제어기는 하나로 구현해야 한다. 이는 제어기의 출력값을 조건에 따라 각각의 스위치 도통 비에 적용하여 해결할 수 있다.

\(\)

식 (6)은 제어기의 출력 D가 두 개의 스위치 도통비가 적용되는 범위를 나타낸 식이다. 제어기의 출력범위는 0에서부터 2까지이고, 1보다 작으면 식(1)의 벅 모드로 동작, 1보다 크면 식(2)의 부스트 모드로 동작을 수행하게 된다. 이 때, 부스트 모드에서의 제어기 출력 D는 1보다 크기 때문에 D 에서 1을 뺀 값을 D 에 적용하여 스위치 동작을 Boost 수행하게 된다. 또한, 제어기의 출력값 D의 최댓값은 D 값의 최대값+1과 같으므로, D 의 최댓 Boost Boost 값에 의해 제어기 출력 D의 최댓값이 제한된다.

4. 시뮬레이션

제안하는 Inter-link 컨버터의 타당성을 검증하기 위해서 PSIM을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 9는 PSIM에서 작성된 시뮬레이션 회로도 이고, 제어기는 PSIM의 DLL 기능을 이용하여 C- 코드 기반의 제어기를 구현하였다. 시뮬레이션은계통전압은 3상 380V/60Hz, 계통 연계 운전조건에서, DC-link 전압 750V제어, 직류망의 전압 크 기를 조절하여 수행하였다.

Fig. 10은 직류망 전압 380V에서 교류망에 전력을 공급할 때의 결과이다. 시뮬레이션 결과 직류망 380V에서 전압을 승압하여 DC-link 전압750V로 제어가 됨을 확인하였고, 인덕터에 흐르는 전류는 69.23A로 26.3kW의 전력이 입력됨을 확인하였다. Inter-link컨버터의 출력 상전류는39.6[Arms]로 26.3[kW]가 교류망으로 전력이 공급되는 것을 확인하였다.

Fig. 9 Simulation schematic

Fig. 10 Simulation reseult 1 (VDC-Grid 〈 VDC-link)

Fig. 11은 직류망 전압 750[V]에서 교류망에 전력을 공급할 때의 결과이다. 시뮬레이션 결과 직류망 750[V]의 전압이 DC-link에 그대로 전달되어 교류망에 26.3[kW]의 전력을 공급함을 확인 하였다.

Fig. 11 Simulation reseult 2 (VDC-Grid = VDC-link)

Fig. 12 Simulation reseult 3 (VDC-Grid > VDC-link)

Fig. 12는 직류망 전압 900[V]에서 교류망에전력을 공급할 때의 결과이다. 시뮬레이션 결과직류망 전압 900[V]은 강압되어 DC-link 전압750[V]가 제어되고, 교류망에 26.3[kW]의 전력을공급함을 확인하였다.

Fig. 13과 14는 동일한 조건에서 교류망에서 직류망으로 전력을 공급할 때의 시뮬레이션 결과이다. Fig. 13은 직류망 전압이 380[V], Fig. 14는 900[V] 이고, 계통전류와 Inter-link 컨버터의 전류방향이역상으로 상전류 39.6[Arms], DC/DC컨버터에 흐르는 전류는 각각 -68.8[A], -43.8[A]로 교류망에서직류망으로 전력이 전달됨을 확인할 수 있다.

Fig. 13 Simulation reseult 4 (VDC-Grid < VDC-link)

Fig. 14 Simulation reseult 5 (VDC-Grid > VDC-link)

5. 실험 결과

실험을 위해 제작된 Inter-link 컨버터는 양방향 DC/DC컨버터와 3상 인버터로 구성하였다. 양방향 DC/DC 컨버터는 25kW급으로 용량 확장성이 용이하도록 모듈 형태로 개발을 진행하였고, 3상 인버터는 50kW급으로 2개의 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 이용하여 50kW급이 되도록 Inter-link 컨버터를 구성하여 실험을 수행하였다.

Table 1은 실험조건을 나타낸 것으로 Interlink 컨버터의 입력전압은 양방향 DC 파워서플라이로 공급하며 입력전압조건은 380[V], 750[V], 900[V]로 하였다. 750[V]보다 높은 전압에서 양방향 DC/DC 컨버터의 벅모드 동작 확인과 실험환경에서 DC전원 장치의 최대 출력전압 제한으로인하여 900[V]를 설정하였다. Inter-link 컨버터의 DC-link 전압은 750[V], 컨버터의 출력전압은 3 상 380[V]이고 계통 연계 운전하며, 실험 파형 측정을 통하여 양방향 동작을 확인하였다.

Fig. 15 Experimental enviroment

Table 1. Simulation condition

Fig. 16, Fig. 17, Fig. 18은 DC-link 전압을750[V]로 제어하고, 계통으로 전력을 전달하는 실험 파형이다. 실험 파형은 입력 DC전압과 DC-link 전압, 출력 AC전압과 DC-link 전류를 나타낸다. 결과를 살펴보면, 380[V], 750[V], 900[V]에서 DC-link 전압은 750[V]로 제어가 이 루어지고 있음을 확인할 수 있다. DC-link 전류는 68.5[A]로 51.3[kW]의 전력을 교류망으로 전달하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 16 Experimental result (VDC-Grid : 380[V])

Fig. 17 Experimental result (VDC-Grid : 750[V])

Fig. 19와 Fig. 20은 입력 DC전압 380[V]에서양방향 운전에 관한 실험 결과이다. Fig. 19는 계통 전압과 컨버터의 출력전류가 동상으로, 상전류는 61.7[Arms]로 계통으로 전력을 전달하는 것을확인할 수 있다. Fig. 20은 계통 전압과 계통 전류의 위상이 역상으로 계통에서 DC서플라이로 전력이 전달됨을 확인하였다.

Fig. 18 Experimental result (VDC-Grid : 900[V])

Fig. 19 Experimental result (IDC-Grid : positive)

Fig. 20 Experimental result (IDC-Grid : negative)

6. 결론

본 논문에서는 제로 에너지 건축물에 적용을위한 Inter-link 컨버터에 관한 연구를 수행하였

다. 연구를 통하여 개발된 Inter-link 컨버터는 교류망과 직류망 사이에서 양방향 전력전달을 하는데에 목적이 있다. 개발된 Inter-link 컨버터는380[V]∼1500[V]까지의 넓은 DC입력 전압을 가져 다양한 전압 범위를 갖는 시스템에 적용 가능하며 양방향 운전이 가능하다. 본 논문에서 제작된 Inter-link 컨버터 시스템은 스위칭 주파수 10[kHz], 50[kW] 전력에서 실험을 수행하였고, DC/DC컨버터 병렬운전 효율, 96.58[%], 인버터효율 96.41[%], 종합효율 93.12[%]를 달성하였으 며, 양방향 동작 확인을 통하여 타당성을 검증하 였다.

개발된 Inter-link 컨버터는 제로 에너지 건축물뿐만 아니라 직류망과 교류망이 혼용되어 사용되는 곳에서 양방향 전력전달을 통하여 전력의 흐름을 제어할 수 있으므로 많은 곳에서 활용될 것으로 판단된다.