다회로 LVDC 전력망 안정화를 위한 운영 알고리즘 실증

Demonstration of Operating Algorithm for Stabilizing Multi-LVDC Power Grid

Abstract

In recent years, as the demand for distributed power has increased, the need for microgrids connected to grid power and renewable power generation sources has emerged. In the case of DC microgrids, reactive power does not occur, and power conversion losses are reduced compared to AC when connecting to the load and power grid[2]. With the revitalization of the DC distribution network industry, various studies and demonstrations of DC microgrids have been carried out. In the case of the recent unit distribution, its stability and effectiveness have been verified through empirical and research analysis. However, there is a lack of empirical tests to prevent chain accidents for the protection of the power grid circuits and the misoperation of the distributed power system caused by individual accidents when connecting various distributed power sources and power grids. In this paper, the operation plan of a stable multi-circuit DC distribution connection for the demonstration site was verified through the protection cooperation and operation algorithm for the stable linkage management of the DC distribution network composed of such a multi-circuit.

1. 서 론

최근 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 국가 탄 소중립 및 에너지 전환시대에 맞추어 원전과 신재 생에너지원이 조화를 이룬 에너지믹스를 위한 태 양광, 풍력, 수소 등의 에너지원을 이용한 지능형 전력망 도입을 통한 그리드 포밍 및 직류 배전망 기술 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있 다. 현재의 신재생에너지원은 풍력을 제외하고 PV, ESS, 연료전지, EV 시스템 등은 대부분 DC 전원을 필요로 한다[1~3][9]. DC 배전망의 경우 무효전력이 발생하지 않으며, 부하 및 전력망 연 계시 AC에 비하여 전력변환 손실이 감소되는 장 점이 있다. 또한 DC 배전에 사용되는 전력변환기 는 빠른 제어성능을 기반으로 운영되어 배전계통 의 조류제어에 효율적이며 사고 시 사고전류를 제 한하고 상위 계통으로 사고 확산을 방지할 수 있 는 장점을 가진다[4-6]. 이에 따라 기존의 AC전력 망과 DC 전력망의 이점을 활용하기 위한 AC와 DC가 혼합된 AC/DC 하이브리드형 전력망의 구 성 및 운영에 대한 관심이 높아지고, 하이브리드 전력망의 안정적운영에 대한 연구 또한 활발히 이 루어지고 있으며, 이를 위한 신재생 에너지원이 연계된 AC/DC 하이브리드 전력망의 안정적인 운 영을 위한 최적의 고효율, 강인한 계통 영향 분석, 고장검출 방법, 보호 및 보호협조 등에 대한 다양 한 기술이 요구된다[7-8]. 또한 최근 산업단지의 전력수요 증가에 따라 다양한 형태의 분산전원을 갖는 산업단지형 마이크로그리드 시스템이 실증운 영되고 있으며 이러한 산업단지형 마이크로그리드 는 부하 및 계틍으로 전력을 공급하기 위해 AC와 DC의 전력망이 혼합된 신재생에너지 발전원과 배 터리를 통한 MG사이트로 대부분 구성되어 있다.

본 논문에서는 산업단지 부하 및 계통과 연계되 는 AC배전망과 2종류의 DC 전압레벨을 갖는다

회로 LVDC/AC로 구성된 MG사이트 전력망의 안 정적인 연계 운영을 위해 사고 발생 시 연계된 LVDC 전력망의 보호뿐만이 아니라 사고가 연계된 인접 사이트로 확산되는 것을 방지하기 위한 보호 협조 운영방안에 대한 알고리즘을 검증하였으며, 이는 3개의 독립된 LVDC 사이트로 구성된 실증사 이트에서 실제 사고 모의실험을 통해 보호협조 운 영방안에 대한 실증 실험을 진행하였다[10].

2. 다회로 실증사이트의 구성

2.1 다회로 전력망의 구성

본 논문에서 적용된 다회로 직류배전망은 3개 의 독립된 MG 사이트(MG#1, MG#2, MG#3)가 연결된 다회로 전력망의 형태로 구성되어 있으며, 각각의 MG사이트는 ESS와 PV, AC 인버터를 기 반으로 개별 DC전력망이 생성되어 있다.

또한 개별 MG 각 사이트의 DC-Grid 기준전압 은 MG#1은 830V, MG#2, MG#3는 750V의 기준 전압을 갖는다. 다회로 전력망을 구성하는 각 MG 사이트들의 구성 및 특성을 살펴보면 다음과 같다.

MG#1 : MG#1은 830V의 기준전압레벨을 갖 는 전력망으로 기준전압 830V는 1MWh의 ESS시 스템을 기반으로 한 DC/DC 컨버터를 통해 기준 전압을 생성하며, 이 기준전압을 중심으로 300kW PV시스템과 100kW DC/AC 인버터가 연계되어 있으며, MG#1의 DC배전망 하위단에 4개의 인접 수용가 공장이 연계되어 있다.

MG#2 : MG#2은 750V의 기준전압레벨을 갖 는 전력망으로 기준전압 750V는 200kW AC/DC 전압제어용 인버터를 통해 기준전압을 생성하며, 이 기준전압을 중심으로 1MWh의 ESS 시스템과 100kW PV시스템이 연계되어 있으며, MG#2의 DC배전망 하위단에 1개의 인접 수용가 공장이 연계 되어있다.

Table 1. System parameters of the MG-site

MG#3 : MG#3는 750V의 기준전압레벨을 갖 는 전력망으로 100kW PV와 200kWh ESS, 100kW DC/AC 인버터가 첫번째 구성을 이루며, 100kW DC/AC 인버터, 안정화용 300kWh ESS 시스템을 두번째 구성으로 갖고 있다. 첫번째 구 성 시스템은 PV발전원을 가지고 있어 내부적으로 독립운전이 가능하며, 두번째 구성시스템은 별도 의 발전원이 없이 MG#1과 MG#2와의 연계에 의 해서만 동작을 수행한다.

위의 Table 1은 각각의 MG 사이트별 장비 구성 및 용량을 보여준다.

서로 다른 DC기준전압을 갖는 MG#1과 MG#2 각 사이트의 전력망 연계를 위해 100kW급 양방향 BTB(Back to Back )컨버터가 MG#1과 MG#2의 배전망 사이에 구축되어 있으며 이를 통해 이종전 압(750V↔830V) 전력망이 연계되도록 구성하였다.

각 MG사이트의 전체 전력망의 구성은 Fig. 1 과 같이 각사이트의 이종전압 레벨(MG#1 : 750V, MG#2, MG#3 : 830V) 을 갖는 DC 배전 망이 RMU 유닛을 통해 하나의 DC배전망으로 공유되는 형태를 보여준다.

2.1.1 RMU(Ring Main Unit)

DC 기반의 계통망이 확장되면서 직류 발전원 및 시스템 등의 사고시 사고파급 확대를 막기위한 보호협조가 필요 하며, DC의 경우 AC와 달리 영 점이 없어 차단시 에너지 소호가 힘들고 단자 등이 마모되는 내구성의 단점이 있기 때문에 DC 전 용 회로 차단설비의 구성이 필요하다. 이에 사고 구간의 최소화를 위한 회로 차단 보호협조 기능 및 MG#1, MG#2, MG3의 이종전원 DC배전망 연 계 기능을 갖는 RMU(Ring Main Unit) 설비를 구축하였다.

Fig. 1 Multi-grid DC distribution

Fig. 2 Block diagram of multi-grid DC distribution

RMU 유닛의 구축 포인트는 아래의 Fig. 4와 같이 간략하게 표현 할 수 있으며, 위 Fig. 1의 우측 및 Fig. 2의 중앙에 표현된 4개의 DC 전력 망 연계포인트를 통해 각 사이트별 DC 배전망의 연결 구성을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Back to back converter

Fig. 4 RMU for multi-grid DC distribution

Fig. 5 RMU for multi-grid DC distribution

2.1.2 사고모의 발생 장치

각 실증사이트는 상용 운전을 하고 있는 산업 단지내에 위치해 있으며, 각 부하설비(공장)과 연계 되어 실증운영되고 있기 때문에, 사고전류에 의한 실험모의는 사실상 불가능한 환경이다. 이를 위해 0~100kW 까지 사고전류를 발생시킬 수 있 는 사고모의 발생 장치를 RMU 유닛과 RMU를 통한 MG#3의 배전망 사이에 위치하였으며 이는 Fig. 1과 Fig. 2를 통해 위치를 확인할 수 있다.

Fig. 6 Fault test unit

2.1.3 알고리즘 통합형 EMS 구성

다회로 전력망 실증실험을 위한 RMU, 사고모의 장치, 각 실증사이트의 전력변환장치들의 제어 를 위한 통합운영 EMS를 개발하였다.

Fig. 7 Main page of EMS

이를 통해 원격 및 로컬에서는 미리 설계된 알 고리즘을 적용하여 실시간 제어가 가능하도록 통합 운영 EMS 시스템을 통한 실증실험을 진행하였다.

Fig. 7은 EMS 시스템의 메인화면을 나타내고 있으며, 각 사이트별 설비들의 위치와 주요설비들 의 누적 전력데이터들을 통합적으로 확인할 수 있다. Fig. 8은 전체 실증사이트(MG#1~MG#3)의 전 력망 구성도 및 전력 플로우를 확인할 수 있는 모 니터링 페이지이며, 각 설비별 전력데이터 및 전 력 플로우를 실시간으로 표시해준다. 또한 각 사 이트별 개별 전력변환장치의 팝업창을 통해 각 각 의 설비들을 수동으로 제어할 수 있는 제어 메인 화면의 구성을 나타낸다. Fig. 9는 EMS 시스템의 핵심이 되는 것으로 알고리즘 C코딩을 통해서 실 시간으로 각 설비 제어 변경 뿐만 아니라 통합 운 영 시퀀스에 대한 알고리즘 변경 및 각 상황에 맞 는 구동 알고리즘별 동작이 가능하도록 해주는 알 고리즘 제어 및 프로그래밍 화면을 나타낸다.

Fig. 8 Main page of EMS

Fig. 9. Algorithm page of EMS

2.2 다회로 전력망 연계 운영 알고리즘

Fig. 10은 MG#1~MG#3의 전체 시스템 운영에 대한 노멀모드 알고리즘을 나타내는 것으로, 기본운영은 3개사이트의 PV발전량, ESS의 SOC, 부하 소모량에 따라 각 설비들의 연계가 가능하도록 구 성이 되어 있으며, 노멀 모드 알고리즘의 기본 운전 조건은 MG#2 사이트의 1MWh ESS 배터리의 SOC 상태값(SOC_min, SOC_L, SOC_H, SOC_max)을 기준으로 운영되도록 구성되어 있다.

Fig. 10 Algorithm of multi grid DC distribution

본 논문에서는 노멀모드 운영이 아닌 사고모의 를 통한 보호협조를 중점으로 다루기 때문에 노멀 모드 알고리즘에 대한 상세한 설명은 생략 한다.

3. 다회로 전력망 연계 운영 실증실험

3.1 MG#1 ↔ MG#2 연계 BTB 컨버터 실험

실증사이트의 이종전원(MG#1: 750V, MG#2, MG#3: 830V) 연계를 위한 BTB컨버터의 실험결 과는 다음과 같다.

Table 2. MG#1 → MG#2 power flow[buck]

Table 3. MG#2 → MG#1 power flow[boost]

위의 Table 2는 MG#1(830V)에서 MG#2(750V) 으로 0~80kW 까지 전력을 전달했을때의 실험결 과를 나타낸다. MG#2의 전압제어를 수행하고있는 메인 인버터의 DC출력단 전압과 BTB 컨버터의 830V 단자전압을 측정한 결과 0~80kW 까지 전 력전달시 BTB 컨버터의 830V 단자전압의 변동은 784V~820V로 변동되었며 약 4.3%의 전압변동율 을 갖는 것을 확인하였다.

Table 3은 MG#2(750V)에서 MG#1(830V) 으로 0~80kW 까지 전력을 전달했을때의 실험결과를 나타낸다. MG#2의 전압제어를 수행하고있는 메인 인버터의 DC출력단 전압과 BTB 컨버터의 830V 단자전압을 측정한 결과 0~80kW까지 전력전달 시 BTB 컨버터의 830단자전압의 변동은 820V~ 853V로 변동되었며 약 4.0%의 전압 변동율을 갖는 것을 확인하였다.

Fig. 11 MG#1 → MG#2 power flow[buck]

Fig. 12 MG#2 → MG#1 power flow[boost]

Fig. 11은 MG#1 → MG#2 power flow[buck] 에 대한 실험 결과파형을 보여주고 있으며, Fig. 12는 MG#2 → MG#1 Power Flow[BOOST]에 대한 실험 결과파형을 나타낸다.

3.2 MG#1 ↔ MG#2 연계 보호협조 실험

MG#1, MG#2, MG#3의 연계 운전시 사고상황 발생에 대한 주변 전력변환기의 보호협조 동작에 대한 알고리즘을 실험한 것으로, 앞에서와 마찬가 지로 실증사이트는 실제 공장부하들과 연계되어 있으므로, 실제 단락 및 지락사고에 대한 실험은 진행하지 않으며, 사고 모의 장치를 통한 낮은 사 고전류 상태에서의 보호협조 알고리즘 구동을 실 증 실험 하였다.

Fig. 13 Operation list of control algorithm(EMS)

Fig. 14 Power transmission accident operation of MG#2 → MG#1

Fig. 14는 MG#1과 MG#2의 전력을 MG#3 으 로 전달 하는 도중 MG#3 사고모의 선로에서 사 고가 발생했을때의 보호협조 운영을 보여준다. (MG#2 PV20kW + MG#2 ESS 30kW + MG#1 ESS 20kW → MG#3 : 70kW)

보호 협조는 MG#3의 전력망 회로를 차단하지 않고 선로의 정격용량을 고려한 제한 출력 상태를 위한 선로 과부하 보호협조로 동작되며, 이때 ESS 등의 제어가능한 시스템은 출력을 정지시키고 PV 는 선로용량을 고려한 Gain 값을 통해 출력 제한 을 발생시켜 선로용량을 고려한 최소한의 전력만 지속 공급 가능하도록 보호 운영된다.

- 사고모의 실험 결과 분석(Fig. 15) -

∙사고 발생시 DC GRID 전압제어용 MG#2 인버터는 사고전류 크기만큼(50A) 순간 방출 하는 것 확인

∙사고 검출을 통한 보호협조 및 선로보호를 위 해 MG#1와 MG#2의 수용 전력 제한(10kW)

∙이때 DC GRID 제어용 PCS는 사고 상황 종료 전까지 MG#1과 MG#2의 수용전력 담당 가능

∙이는 사고모의를 위한 상황으로 DC GRID 전 압제어용 인버터가 허용할 수 있는 사고전류

Fig. 15 The waveforms of accident(MG#2 → MG#1)

Fig. 16 Power transmission accident operation of MG#3 → MG#2 → MG#1

상황에 대한 사고모의만 해당

∙지락 및 단락과 같이 보호협조를 통해 운영이 불가능한 사고는 RMU 내에서 사고검출을 통 한 해당 배전망 차단적용

Fig. 16은 MG#3 → MG#2, MG#2 → MG #1 으로 전력을 전달 하는 도중 MG#3의 메인선로에 서 사고가 발생했을 때 상황의 보호협조 운영을 보여준다. (MG#3 30kW + MG#2 PV20kW → MG#2 ESS 30kW + MG#1 BTB 20kW) 사고 발생 시 MG#2의 전압제어용 인버터는 사고전류 (50A)발생시 보호협조 동작 운영은 RMU를 통한 사고 배전선로 차단 및 인접사이트의 사고 검출 이전 정상운전상태 복귀를 수행한다.

Fig. 17 The waveforms of accident(MG#3 → MG#2 → MG#1)

- 사고 모의 실험 결과 분석(Fig. 17) -

∙사고 발생시 DC GRID 전압제어용 혁신산단 PCS는 사고전류 크기만큼(50A) 순간 방출하는 것 확인

∙RMU 사고검출을 통해 사고회로 배전선로 차 단 수행, MG#3 컨버터 정지.

∙보호협조 동작을 위한 안정화용 MG#3 ESS 동작을 통해 기존 MG#2 ESS 충전량 보상

∙인접 사이트의 사고 검출 이전 정상운전상태복귀

4. 결 론

본 논문에서는 다회로 LVDC 전력망 안정화를 위 한 운영 알고리즘 실증을 이종전압 레벨(MG#1 : 830V, MG#2, MG#3 : 750V)을 갖는 3개의 실증 사이트를 대상으로 실험을 진행하였다. 이종전압간 의 전력망 연계를 위해 MG#1과 MG#2 전력망 사 이에 양방향 BTB 컨버터를 구축하여 양방향 전력 제어(BUCK, BOOST모드)가 가능함을 실험을 통해 서 검증하였으며, DC 전용 회로의사고구간의 최소 화를 위한 회로 차단 보호협조 기능 및 MG#1, MG#2, MG3의 이종전원을 갖는 DC배전망을 연결 시켜주기 위한 RMU(Ring Main Unit)설비를 구축 하였다. 또한 통합운영 알고리즘 개발을 통해 연계된 실증사이트간의 전력연계를 수행하며, 실증 운 영을 위해 실시간 모니터링 및 알고리즘 C프로그래밍 이 가능한 새로운 알고리즘 통합 EMS를 통해 실증 사이트의 설비 및 전력변환장치 제어를 수행하였다.

이를 통해 산업단지 부하 및 계통과 연계되는 AC 배전망과 다회로 LVDC로 구성된 MG사이트 전력망의 사고 발생 시 연계된 인접 사이트로 확 산되는 것을 방지하기 위해 보호협조 운영방안에 대한 알고리즘을 EMS를 통해 구현하였으며, 사고 모의실험을 통해 RMU 와 전력변환 장치 제어 및 다회로 전력망 안정화에 대한 검증을 하였다.

사고모의 실증 시험결과를 통해 다수의 분산전원 및 마이크로그리드 간 연계된 전력망의 안정성 확 보 및 마이크로그리드를 이용한 에너지 효율성 향 상에 대한 방안 마련에 기여 할 수 있을것으로 생 각되며, 이에 추가적인 연구방향으로 향후 다수의 MG사이트를 구성하는 전력변환장치 및 부하설비, 계통환경에 따른 다양한 사고원인 분석을 위해 본 논문에서 적용한 통합 EMS 와 연계가 가능한 전력 데이터 분석장치 및 분석 알고리즘 개발을 진행하 여 전력망 운영시 발생하는 다양한 사고원인에 대 한 보다 명확한 원인 분석 연구를 진행할 계획이다.

사 사

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원 의 “지역혁신클러스터육성(R&D, P0025452)”사업 의 지원을 받아 수행된 연구결과임.