4. LVDC 실증 결과

LVDC 실증 사이트 내 실증 시험은 부하 패턴을 적용한 장시간 연속 실증 시험과 전력 품질 사고 실증 시험, 배전망 단락 사고 모의 실증 시험, DC 주택 보호 기능 실증 시험을 진행한다. 실증 시 입출력에 대한 데이터는 DC PQM을 통해 수집한다.

1) 장시간 연속 실증 시험
LVDC 배전망 내 구성 요소 신뢰성 확인 및 문제점 파악 등의 목적으로 장시간 실증 시험을 진행하였다. 약 30일(720시간)의 연속 운전을 진행하였으며, 그림 5(DC 주택의 구성)의 DC 빌딩 부하 패턴 시나리오를 적용하여 직류 부하가 모의된다. LVDC 배전망 내 모의된 DC 부하 패턴과 PV 컨버터의 발전량에 따라(그림 10과 같이) 네 가지의 실증 데이터가 취득된다.
•주중 부하, 태양광 발전 높은 조건
•주중 부하, 태양광 발전 낮은 조건
•주말 부하, 태양광 발전 높은 조건
•주말 부하, 태양광 발전 낮은 조건
이러한 PV 발전 및 부하 패턴을 기반으로 그림 11과 같은 10일 연속 실증 데이터가 취득된다. 그림 10에서 볼 수 있듯 부하 및 발전량에 따라 그림 10의 실증 데이터가 반복적으로 나타난다.

2) 전력 품질 사고 실증 시험
전력 품질 사고 실증 시험은 LVDC 배전망의 전력 품질 이상이 발생하는 경우 배전망에 연계되는 전원 공급용 또는 분산 전원용 전력변환장치의 동작 상태를 확인하는 것으로, 전력 품질 이벤트 발생 시 안전하게 정지 후 재기동 여부를 확인하기 위한 실증 시험이 진행된다. 전력 품질 이상에 대한 모의는 전원 공급용 컨버터를 통해 수행된다. 그림 11은 전원 공급용 컨버터를 통해 수행된 순간 정전 파형을 보여주며, 500msec 이내 배전망 기준 전압 대비 5%의 전압 출력(37.5V)이 수행된다.

그림 13과 14는 LVDC 배전망의 전체 구성 요소가 연계된 상태의 전력 품질에 따른 실증 시험 결과를 보여준다. 전압 상승, 전압 강하, 과전압, 저전압, 순간 정전 등의 전력 품질 사고 발생 시 전력변환장치는 정지하고, 재기동 시 각각의 전력변환장치는 이상 없이 정상 동작함을 확인할 수 있다.

3) 배전망 단락 사고 실증 시험
단락 사고 실증 시험은 그림 9(LVDC 배전망의 보호 구간 구분)와 같이 보호 구간에 따라 한류 제어를 수행하고, 고장 지점의 안정적인 분리와 고장 지점 분리가 발생하지 않을 경우 안정적인 시스템 정지를 확인하기 위해 진행한다. Zone 1과 Zone 2에 단락이 발생할 경우 단락 전류의 한류 제어는 전원 공급용 컨버터가, Zone 3에 단락이 발생할 경우 한류 제어는 부하 전원공급 컨버터가 수행한다. 

그림 15는 Zone 1 단락 사고 실증 시험 결과를 보여준다. 그림 15(a)에서 볼 수 있듯 Zone 1의 단락 발생 시 전원 공급용 컨버터는 한류 제어를 수행하고, 1초 이상 한류가 유지되는 경우 사고 지점 분리가 되지 않는 것으로 간주하여 컨버터 종료가 수행된다. 그림 15(b)에서 확인할 수 있듯 사고 이후 배전망 재기동 시 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.

또 그림 16은 Zone 2 단락 사고 실증 시험 결과를 보여준다. 단락 사고 발생 지점은 PV 컨버터 입력부이며, 그림 16(a)에서 볼 수 있듯 단락 발생 시 전원 공급용 컨버터를 통한 한류 제어와 사고 지점의 DCCB#2의 탈락으로 인한 고장 지점 분리를 확인할 수 있다. 이후 그림 16(b)를 통해 PV 컨버터를 제외한 시스템 재기동 시 안정적으로 동작함을 확인할 수 있다.
 
그림 17은 Zone 3의 단락 발생 시 실증 결과를 보여준다. 그림 17(a)에서 볼 수 있듯 단락 발생 시 부하 전원 공급 컨버터가 한류 제어를 수행한다. 그림 17(b)에서 볼 수 있듯 단락 제거 후 수용가 공급 전압인 380V가 유지되어 부하 운영을 수행하며, 단락 발생 유무와 관계없이 LVDC 배전 전압은 안정적으로 750V가 유지됨을 확인할 수 있다.
4) DC 주택 내 보호 기능 실증 시험
그림 18은 DC 주택 내 보호 기능 실증 시험 결과를 보여준다. 그림 18(a)는 누전 전류 검출 시험으로 DC 주택의 분기 중 한 곳에 누전 사고가 발생된 상황에서 사고 분기에 연결된 누전 차단기의 트립 발생 여부를 확인하는 시험이다. 그림에서 볼 수 있듯 누설 전류 17mA 발생 시 누전 차단기가 동작하여 사고 분기의 안전한 차단을 확인할 수 있다. 그림 18(b)는 직류 아크 검출 시험 결과를 보여준다. DC 주택 내 직류 아크 발생 시 사고 분기의 아크 검출을 통한 사고 지점 분리를 확인하는 시험이며, 시험 결과에서 볼 수 있듯 직류 아크가 발생된 사고 분기만 차단되고, 이외의 분기는 안정적으로 전력 공급이 수행된다. 그림 18(c)는 직류 분기 개폐기를 통한 과전류 보호 시험 결과로, 과전류 발생 시 사고 발생 분기의 차단이 안정적으로 수행됨을 확인할 수 있다.

5) 실증 시험 결과 분석
LVDC 실증 사이트의 실계통 연계에 대한 실증 시험 결과 LVDC 배전망의 전압 유지율은 99.8% 이상 달성했고, 신뢰도를 높이기 위해 LVDC 배전망 내 구성 요소의 운영 시 신뢰성 확인, 문제점 파악 등을 진행했다.
또 다음과 같은 문제점을 분석하였다.
•계측 노이즈에 의한 전력변환장치 정지
•전장품 성능 저하로 인한 전력변환장치 정지
LVDC 배전망은 다수의 노이즈원이 중첩됨에 따라 이의 전압, 전류 계측 시 많은 노이즈 성분이 포함된다. 그림 19에서 볼 수 있듯 장시간 연속 운전 시 전류 계측 노이즈에 의해 시스템 정지 등이 발생하였으며, 계측 노이즈에 대한 강인성 확보의 필요성을 확인할 수 있다.
그림 20은 전장품 성능 저하로 인해 전력변환장치가 정지된 상황을 보여준다. 전력변환장치가 정지된 경우 연계된 분산 전원 등은 수리가 완료되기 전까지 운전하지 못하기 때문에 Redundancy 확보 방안이 필요함을 확인할 수 있다.
전력 품질 사고 실증 시험의 경우 미리 정의된 전력 품질에 따라 LVDC 배전망 요소 기기의 안정적인 운전을 확인할 수 있으며, 배전망 단락 사고 실증 시험의 경우, 한류형 전력변환장치를 통한 사고 지점의 안정적인 분리 동작을 확인할 수 있다. 또 DC 주택 내 누전 전류, 아크 검출, 과전류 보호 또한 보호 기능을 통해 사용자가 안정적으로 DC 주택을 이용할 수 있음을 확인할 수 있다.

5. 결 론

본고에서는 LVDC 배전망, DC 수용가, AC-DC 연계 수용가로 구성된 실증 사이트를 구성하고, 실증 시나리오 수립 및 실증 시험 결과에 대한 내용을 설명하였다.

실증 사이트 내 구성 요소에 대한 안정적 연계 운전의 확인 및 문제점 도출 그리고 대응 방안 등의 도출을 위해 부하 패턴 시나리오를 기반으로 한 720시간 연속 운전에 대한 실증을 진행하였으며, 사고 발생 시 구성 요소의 안전한 정지 및 다른 기기에 대한 영향 없이 보호 협조가 적절히 동작하는지를 확인하기 위해 전력 품질 사고 모의 시나리오, 배전망 단락 사고 모의 시나리오, DC 수용가 내 보호 기능 모의 시나리오를 수립하였으며, 각각의 실증 시험을 통해 구성 요소의 신뢰성 검증을 수행하였다.

LVDC 배전망은 전력변환장치의 노이즈 집합체로 간주할 수 있으며, LVDC 배전망 내 비정상적인 신호 중첩으로 인해 계측기의 동작에 영향을 끼칠 수 있으며, 실증 시험 동안 다음과 같은 문제점을 도출하였다.
•전력변환장치 보호를 위한 Software 민감도 설정
•전력변환장치의 ADC(Analog to Digital Converter) 변환 정확도 향상
•LVDC 배전망 구성 요소의 전자기 적합성 성능 검증

전력변환장치의 자체적인 보호를 위한 Software fault의 경우 LVDC 배전망의 노이즈로 인해 ADC 값의 정확도 성능 저하가 발생할 수 있으며, 시스템 정지 등의 오동작을 초래한다. 문제를 해결하기 위한 LVDC 구성 요소는 ADC 값의 강인성을 확보해야 하며, 추가적으로 내부적인 Counter 사용을 통한 Software fault 민감도 설정을 수행해야 한다. 또 배전망 노이즈로 인한 장비 오동작, Gate driver 회로 파손, Relay 회로 파손 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에 전자기 적합성 시험이 필수적으로 진행되어야 한다.

저압 직류 시스템은 안정적인 전원 공급이 주된 목적이며, 문제 발생에도 불구하고 이용률을 높이기 위한 노력이 필요하다. LVDC 배전망에 연계되는 전력변환장치의 경우 Redundancy를 확보함으로써 이용률을 높일 수 있다. 무엇보다 토폴로지 및 구성을 모듈러화 할 필요가 있으며, 문제점을 보완한다면 공장용 LVDC 배전을 비롯한 적용 분야에서 전력 효율이 높고, 에너지 절감 요소가 큰 저압 직류 배전 시스템에 대한 활용도가 높을 것이다.

<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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