최근 국내외적으로 탄소중립이라는 커다란 에너지 패러다임의 전환을 맞고 있으며, 에너지 생산 및 분배에 있어서도 많은 변화가 필요하다. 특히 계통에 깊숙이 침투되는 재생에너지 대부분이 배전망에 연계됨을 고려하면 향후 전력계통은 분산에너지와 배전망 기반으로 재편될 것이다. 국내의 경우 배전망은 송전망에 비해 전체 선로 긍장이 대략 10배로 산정되고 있다. 송배전 손실의 경우에는 3.7%로 추산되고 있으며, 이를 개선하는 상황이 되었다. 앞으로 배전 시스템은 새로운 배전 시스템과 기술을 요구하며, 목표를 구현하기 위한 주요 기술로 LVDC가 거론되고 있다.

또한 전력부하 중에서 디지털 기기가 차지하는 비중은 급속히 증가하여 2025년에는 전체 전력부하의 50%에 달할 것으로 예측된다. 이들 부하는 AC 전원을 기기 내부에서 DC로 변환하여 사용하면서 그 변환 과정에서 손실이 발생하고, 태양광 발전 등 신재생에너지는 대부분 DC 발전원이며, 이를 AC로 변환하여 전송함으로써 DC-AC 변환 손실이 발생한다. 그리고 신재생 발전원과 디지털 부하 간에 전력을 DC로 직접 전송할 경우 DC-AC, AC-DC 변환 과정의 손실을 감소시켜 전력의 이용 효율성을 높일 수 있다. 결과적으로 적은 손실, 낮은 전압 강하, 낮은 시스템 제어 난이도의 장점을 가지고 있다. DC 부하가 많이 사용되는 분야에서 LVDC 배전의 적용과 DC 선로 및 부하를 보호하기 위한 LVDC 기기(차단기, 개폐기, 감시 등) 시장이 점진적으로 확대되고 있다. 

LVDC는 IEC 및 한국전기설비규정(KEC)에 의해 1,500Vdc 이하로 정의되어 있으며, 신재생 및 전기차의 고속 충전 등의 설비와 시스템에 활용된다. 향후에는 IDC(Internet Data Center), 공장, 빌딩, 신재생에너지 연계, 장거리 배전, DC 추진 선박 등으로 확장될 것이다. 무엇보다 LVDC 보급 확산을 위해 다양한 실증 연구 및 이를 기반으로 한 표준과 시험 규격 등이 요구된다.

1. 시장 동향

세계 저압 직류(Low Voltage Direct Current, LVD C) 시장 규모는 2023년부터 2029년까지 연평균 성장률(CAGR) 9.38%를 보이고, 2022년 15억 7천만 달러에서 2029년 28억 2천만 달러에 이를 것으로 예상된다.

지역별 저압 직류 시장 규모는 북미 9.18%, 유럽 8.13%, 아시아 태평양 9.72%, 라틴아메리카 10.70 % 및 중앙아시아와 아프리카 11.55%의 연평균 성장률을 나타낸다.

LVDC는 제품 유형에 따라 DC 회로 차단기, DC 접촉기 및 전력변환장치, 기타로 구분된다. 표 2는 2018년과 2029년 제품별 LVDC 시장 규모와 성장 추세를 나타낸다.

LVDC는 적용 분야에 따라 태양광 발전, 상업용 및 산업용 건물, 데이터센터 및 운송 등으로 분류할 수 있으며, 표 3은 2018년부터 2029년까지 각 적용 분야에 따른 시장 규모 예측을 나타낸다.

2. LVDC 실증 사이트 구성

국내 LVDC 실증에 대한 연구는 다양하게 진행되어 왔으나, 관련 기업의 개발 제품을 실계통을 연계할 수 있는 실증 사이트는 빈약한 상태다. 한국전자기술연구원에서는 전남 나주혁신산단에 500kW급 LVDC 실증 사이트를 구성하여 장시간 실계통 연계 실증을 완료하였고, 레퍼런스 모델을 구축함으로서 저압 직류 제품 개발 기업의 실증을 할 수 있는 장소를 마련하였다.
그림 3은 LVDC 실증 사이트의 구성도를 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯 실증 사이트는 크게 LVDC 배전망, DC 수용가, AC-DC 연계 수용가로 구분된다. LVDC 배전망은 unipole 750V로 전원 공급과 분산전원 연계를 위해 다수의 전력변환장치로 구성되어 있다. DC 수용가는 배전 전압 750V를 입력받아 unipole 380V로 운영되는 실증 구역으로 DC 주택과 DC 빌딩으로 구성된다. AC-DC 연계 수용가는 AC 시스템과 직류 시스템의 연계를 위해 구성된 실증 구역이다. 그림 4는 LVDC 실증 사이트 내 LVDC 배전망, DC 수용가, AC-DC 연계 수용가를 보여준다.

1) LVDC 배전망
LVDC 배전망에서 각각의 전력변환장치는 직류 고속도 차단기를 통해 배전망에 연계된다. DC PQ M(Power Quality Measurement)을 통해 각 전력변환장치의 입력, 출력의 전기적 정보를 계측하고, 단락 사고 및 전력 품질 사고 시 이를 기록한다. 전력변환장치에 대한 기능 및 사양은 표 4와 같다.

2) DC 수용가
DC 수용가는 크게 DC 주택과 DC 빌딩으로 구분된다. 그림 5의 DC 주택의 구성과 같이 멀티채널 컨버터는 unipole 380V를 공급하며, 스마트 분전반 내 직류 회로 차단기, 직류 아크 검출기, 직류 누전 차단기, 직류 분기 개폐기 등의 보호 장치와 직류 스위치, 콘센트를 거쳐 DC 가전과 연계된다. 각각의 구성 요소에 대한 기능 및 사양은 표 1에 나타나 있다. DC 가전은 제조사의 협력을 통해 가전 내 AC 정류를 위한 Bridge diode 회로 제거 및 Power Factor Collection(PFC) 기능 동작을소프트웨어적으로 제한하여 unipole 380V 전원에 동작을 할 수 있도록 수정하였다.
DC 빌딩의 경우 부하 전원 공급 컨버터에 의해 unipole 380V를 공급받으며, 50kW급 DC Electric Heat Pump(EHP)와 빌딩 부하 모의를 위한 회생부하로 구성되었다. 회생부하의 단위 모듈은 기존의 3상 계통 연계형 3 Level Neutral Point Clamped(NPC) 컨버터 토폴로지이다. 이의 DC link 전압이 unipole 380V이므로 일반적인 3상 계통의 정류전압보다 작기 때문에 200V~380V 3상 변압기를 통해 AC 계통과 연계된다. 회생부하는 3개의 단위 모듈의 병렬연결로 구성되어 있다. 

3) AC-DC 연계 수용가
DC 배전 시스템이 확산되는 단계에서, 기존 AC 계통과 혼용되어 사용되는 상황이 발생할 수 있다. 따라서 위와 같은 상황을 가정할 때, 기존 AC 시스템과 직류 시스템의 연계 등의 목적을 시험하고자 AC-DC 연계 수용가를 구축하였다.
AC-DC 연계 수용가는 인터링킹 컨버터와 AC 가전으로 구성된다. 인터링킹 컨버터의 역할은 다음과 같다.
•AC 시스템 및 DC 시스템 정상 운영 시 : 전력 거래
•AC 시스템 정전 시 : DC 시스템을 통한 AC 공급
•DC 시스템 정전 시 : AC 시스템을 통한 DC 공급

3. LVDC 실증 시나리오

LVDC 실증 사이트의 실증 시험을 위해 회생부하를 통한 DC 빌딩 부하 패턴을 설계하였다. 국내 에너지 온실가스 종합 정보 플랫폼을 통해 에너지 다소비 사업장의 전력 소비 일일 부하 패턴 데이터를 수정하였으며, 개발한 회생부하의 정격 용량을 감안하여 최대 약 240kW로 설계하였다. 부하 패턴은 크게 주중 부하 패턴과 주말 부하 패턴으로 구분되며, DC 수용가 및 DC EHP 등을 고려하면 전체 DC 부하는 약 260kW로 고려된다. 그림 6은 설계된 부하 패턴을 보여준다.

1) 직류 전력 품질 사고 모의 시나리오
LVDC 배전에 대한 전력 품질 기술 기준은 정비되지 않았으나, 선도적 추진 및 실증 운영 시 직류 배전 계통 및 직류 배전 연계형 전력변환장치의 안전한 보호 및 운영을 위해 한전 전력연구원과 협의된 직류 전력 품질은 그림 7과 같다. 그림에서 볼 수 있듯 DC 전력 품질은 과전압, 전압 상승, 전압 강하, 저전압, 전압 리플, 순간 정전으로 구성되며, 이에 따른 전력변환장치의 동작은 그림 8과 같다. 실증 시험 시 전력 품질 사고 모의 시나리오에 따라 전력 품질 이상이 발생하는 경우 배전망에 연계된 전력변환장치의 동작 상태를 확인하는 시험이 진행되며, 전력 품질 이벤트 발생 시 안전하게 정지 후 재기동 여부를 확인함으로써 직류 배전 연계형 전력변환장치의 안전한 보호 및 운영을 확인한다.

2) 배전망 단락 사고 모의 시나리오
LVDC 배전망의 경우 다수의 전력변환장치가 연계되며, 각각의 출력에는 전압 평활을 위한 DC- link 커패시터가 구성되어 있다. 이에 따라 배전망 단락 시 커패시터를 통한 단락 전류가 발생한다. 또 단락 전류의 발생에 따라 전력변환장치의 출력 전압이 강하되며, 3상 인버터 및 부스트 컨버터와 같이 프리휠링 다이오드가 존재하는 토폴로지의 경우 입력 전위와 출력 전위 간의 전위차가 발생하여 입력전원에 의한 단락 전류가 발생한다. 즉, LVDC 배전망의 주요 설비인 전력변환장치가 단락 전류의 공급원이며, 전력변환장치는 자체 보호를 위한 Soft ware적인 보호 기능을 갖기 때문에 고장 전류 발생 시 전력변환장치가 정지됨으로써 적절한 보호협조가 수행되기 어렵다. 따라서, 안정적인 LVDC 배전망 운영을 위해서는 기존의 교류 배전 계통의 보호 방식과 다른 접근 방식이 필요하다. LVDC 실증 사이트에서는 한류형 전력변환장치를 사용한 보호협조 방식을 적용한다. 고장 발생 시 한류형 전력변환장치를 통해 고장 전류를 일정 수준 이하로 낮추고, 전원공급용 전력변환장치의 견딤 내력을 확보한다. 단락 전류가 한류되는 동안 고장 전류 차단을 위한 차단기의 동작 시간을 확보할 수 있으며, 고장 발생점에 해당되는 DC Circuit Breaker(DCCB)가 동작함으로써 사고 지점을 분리한다. LVDC 실증 사이트의 한류 기능은 표 4에서 볼 수 있듯 전원공급용컨버터와 부하 전원공급 컨버터가 수행한다. 한류형 전력변환장치를 통한 보호협조를 수행하기 위해 그림 9와 같이 보호 구간(Zone)을 정의한다.
 

3) DC 주택 내 보호 기능 모의 시나리오
DC 주택은 사용자의 안전한 운영을 위한 보호 기능이 필수적으로 필요하다. 그림 5와 같이 LVDC 실증 사이트 내 DC 주택에는 직류 누전 차단기, 직류 아크 검출기, 직류 분기 개폐기 등의 보호 기능을 위한 구성 요소가 존재하기 때문에 적절한 동작 검증을 위한 시나리오는 다음과 같다.
•누전 전류 검출 시험
•아크 검출 시험
•직류 분기 개폐기 과전류 보호 시험

<참고문헌>

1) QYResearch “GLOBAL LOW VOLTAGE  DIRECT CURRENT (LVDC) MARKET REPORT”, 2023
2) ICEMS, “Research on the Converter for  Power Supplying and Implementation of Power Quality in Low Voltage DC Distribution Network”, 2021
3) IEEE, “Protection System for LVDC  Distribution Networks Using a Fault Current-Limiting Converter and Protection Zones”, 2023

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