2.1 5kV급 MV-LVDC 독립형 MG의 구성

최근, 국내에서는 전력변환단계의 손실과 시스템의 구축비용을 저감할 수 있는 MV-LVDC 마이크로그리드에 대한 실증연구가 활발하게 추진되고 있다⁽¹⁰⁾. 특히, 전라남도에서는 소규모 DC 배전망의 실증을 위한 5kV급 MV-LVDC 독립형 마이크로그리드의 구현 사업을 진행하고 있다. 이러한 MV-LVDC 마이크로그리드는 그림 1과 같이 세 개의 section으로 구성된다. 여기서, section A는 1.15MW급 태양광전원(PV 1,2,3), 태양광전원용 DC/DC 컨버터, 등으로 구성된 주 발전원부이며, 태양광전원은 750V의 LVDC 선로에 연계되고, 승압용 DC/DC 컨버터를 이용해 5kV의 MVDC로 승압하여, section B인 5kV급 MVDC 선로를 통해 ESS 및 부하로 전력을 공급한다. 또한, section C는 100kW급 태양광전원(PV4), 1.5MWh급 ESS, 400kW급의 수용가 부하(EV 충전기, 공장), 등으로 구성된다. 그리고 ESS는 배터리용 양방향 DC/DC 컨버터를 사용하여 전압을 750V/5kV로 변환하여, 태양광전원으로부터 발전된 잉여전력을 배터리에 저장하거나 저장된 전력을 부하공급용 DC/DC 컨버터와 수용가용 DC/AC 인버터를 통하여 부하에 공급한다. 그러나, 상기의 실증사이트는 상용화된 MVDC용 전용 보호기기가 개발되지 않아 기존의 AC 보호기기를 사용하여 구성하고 있는데, 이러한 경우 DC 선로측에서 사고 발생 시 컨버터 및 MVDC 선로와 같은 고가의 설비들을 보호하지 못할 가능성이 있으므로, MVDC 마이크로그리드의 안정적인 운용을 위한 보호협조 운용방안이 요구되고 있다.

그림. 1. 5kV MV-LVDC 독립형 마이크로그리드의 구성

Fig. 1. Configuration of 5kV MV-LVDC off-grid MG system

2.2 MG용 보호협조 기기 구성

5kV급 MV-LVDC 독립형 MG에서 사용되는 보호기기의 사고전류에 대한 동작특성을 나타내면 그림 2와 같다. 여기서, 그림 2 (a)는 DC ACB 및 DC MCCB의 동작특성을 나타내며, 정격전류의 40~100%에서는 장한시보호, 150~1,000%에서는 단한시보호와 순시보호가 가능하고, 정격전류의 20~100%에 해당하는 지락보호 기능을 가지고 있으며 최소 동작 시간은 20[ms]이다⁽¹¹⁾. 또한, DC fuse는 그림 2 (b)와 같이 선로 및 배터리를 보호하기 위하여 신속하게 동작할 수 있는 반한시 특성을 가지며, CTR(contactor)은 그림 2 (c)와 같이 8kA에서는 100ms이내, 20kA에서는 20ms 이내로 동작하여 보호를 수행하는 단한시 특성을 가진다⁽¹²⁾.

그림. 2. 보호기기 특성

Fig. 2. Operation characteristics of protection devices

2.3 MG용 보호협조 운용방안

2.3.1 MVDC 선로 사고 시 보호협조 운용방안

5kV급 MV-LVDC 독립형 MG의 MVDC 선로(XLPE 95mm²)에서 사고가 발생할 경우, 사고전류의 흐름을 나타내면 그림 3과 같다. 여기서, 사고발생 지점으로 흐르는 전류는 section A의 태양광전원에서 유입되는 사고전류 ①과, section C의 ESS에서 유입되는 사고전류 ②, section C의 태양광전원에서 유입되는 사고전류 ③으로 구성된다. 이때, MVDC 선로에서 발생하는 사고전류 특성은 사고전류를 공급하는 전원에서 가까운 거리에 위치하고, 다수의 컨버터에 설치된 DC 링크 커패시터의 순간적인 방전으로 인해 높은 사고전류가 발생할 수 있다. 따라서, MVDC 선로를 보호하기 위하여, MVDC 선로 양단에 설치된 fuse는 사고전류 ①과 사고전류 ②, 사고전류 ③을 합친 값을 고려하여 적정한 용량으로 산정되어야 한다. 따라서 MVDC 선로에서 사고가 발생한 경우에 대한 보호기기의 TCC 특성곡선은 그림 4와 같이 나타낼 수 있는데, 그림 4 (a)는 사고전류 ①에 대한 보호기기의 TCC 특성곡선으로, MVDC 선로를 보호하기 위하여 가장 먼저 MVDC 선로용 fuse(230A)가 동작하고, CTR(400A, 800A), MCCB(150kW, 500kW) 순서대로 보호기기가 동작하는 것을 나타낸다. 또한, 그림 4 (b)는 사고전류 ②에 대한 TCC 특성곡선으로, MVDC 선로를 보호하기 위하여 가장 먼저 MVDC 선로용 fuse(230A)가 동작하고, CTR (800A), ACB(500kW) 순서대로 보호기기가 동작하는 것을 나타낸다. 한편, 사고전류 ③은 사고전류를 공급하는 전원의 크기가 상대적으로 작고 사고지점으로부터 먼 거리에 위치하여 여기서는 고려하지 않는다.

그림. 3. MVDC 선로에서 사고가 발생할 경우, 사고전류 방향

Fig. 3. Current flow for a fault occurred in MVDC line

그림. 4. MVDC 사고지점에 대한 보호협조 TCC 특성곡선

Fig. 4. TCC curve of protection coordination for fault occurred in MVDC

2.3.2 LVDC 선로 사고 시 보호협조 운용방안

배터리와 컨버터 사이의 LVDC 선로에서 사고가 발생할 경우, 사고전류의 흐름을 나타내면 그림 5와 같다. 여기서, 사고발생 지점으로 흐르는 전류는 section A의 태양광전원에서 유입되는 사고전류 ①과, section C의 ESS에서 유입되는 사고전류 ②, section C의 태양광전원에서 유입되는 사고전류 ③으로 구성된다. 이때, LVDC 선로에서 발생하는 사고전류의 특성은 사고전류를 공급하는 배터리에 근접한 선로에서 발생한 배터리 외부단락으로 인하여 높은 사고전류가 공급될 수 있다. 따라서, 배터리를 보호하기 위하여 설치된 ESS fuse는 사고전류 ②를 차단하기 위한 용량으로 산정되어야 한다. 또한, 태양광전원으로부터 사고구간을 분리하기 위하여 DC ACB는 사고전류 ①과 사고전류 ③을 고려하여 산정되어야 한다. 따라서, LVDC 선로에서 사고가 발생한 경우에 대한 보호기기의 TCC 특성곡선은 그림 6과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 사고전류 ②에 대한 보호는 ESS fuse(800A)가 담당하며, 사고전류 ①과 사고전류 ③에 대한 보호는 가장 먼저 DC ACB(500kW)가 동작하고, CTR(800A), MVDC fuse(230A) 및 MCCB(500kW)가 순서대로 동작하는 것을 나타낸다.

그림. 5. LVDC 선로에서 사고가 발생할 경우, 사고전류 방향

Fig. 5. Current flow for the fault occurred in LVDC line

그림. 6. LVDC 사고지점에 대한 보호협조 TCC 특성곡선

Fig. 6. TCC curve of protection coordination for fault occurred in LVDC

2.3.3 수용가 부하(AC)측 사고 시 보호협조 운용방안

수용가 부하(EV charger)와 인버터 사이의 AC측 선로에서 사고가 발생할 경우, 사고전류의 흐름을 나타내면 그림 7과 같다. 여기서, 사고발생 지점으로 흐르는 전류는 section A의 태양광전원에서 유입되는 사고전류 ①과, section C의 ESS에서 유입되는 사고전류 ②, section C의 태양광전원에서 유입되는 사고전류 ③으로 구성된다. 여기서, 사고전류 ①과 ②는 사고지점에서 먼 거리에 위치할 뿐만 아니라, 다수의 컨버터를 통과하여 비교적 사고전류가 작기 때문에 고려하지 않고, 사고지점에서 가까운 사고전류 ③에 대해서만 고려하기로 한다. 즉, 수용가 설비를 보호하기 위하여 설치된 AC MCCB는 사고전류 ③을 고려하여 적정한 용량을 산정해야한다. 따라서, 수용가 부하(EV charger)와 인버터 사이의 AC측 선로에서 사고가 발생한 경우에 대한 TCC 특성곡선은 그림 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 사고전류 ③에 대한 보호는 가장 먼저 AC MCCB(150kW)가 동작하고, DC MCCB(100kW), DC MCCB(500kW)가 순서대로 동작한다.

그림. 7. 수용가부하(AC) 측에서 사고가 발생할 경우, 사고전류 방향

Fig. 7. Current flow for the fault occurred in customer load(AC)

그림. 8. 수용가부하(AC)측 사고지점에 대한 보호협조 TCC특성곡선

Fig. 8. TCC curve of protection coordination for fault occurred in customer load(AC)

3.1 태양광전원용 DC/DC 컨버터

태양광전원용 DC/DC 컨버터는 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 9 (a)는 최대 전력점 추종제어 회로로, 태양광모듈의 출력 전압과 전류를 이용해 최대 전력점을 추종하며, 그림 9 (b)는 DC/DC 컨버터의 주회로를 나타낸다. 또한, 그림 9 (c)는 정전력 제어기로, outer loop와 inner loop로 구성되는데 outer loop는 추종된 최대 전력점을 바탕으로 현재의 출력전력과 이전 출력전력의 오차값에 대해 PI제어를 수행한다. 또한, inner loop는 outer loop의 PI 제어기 출력 값과 센싱된 전류의 오차 값에 대해 PI 제어를 수행하며, 제어기 출력 값은 삼각파와 비교를 통해 IGBT의 듀티비를 조절한다.

그림. 9. 태양광전원용 DC/DC 컨버터 모델링

Fig. 9. Modeling of DC/DC converter for PV system

3.2 배터리용 양방향 DC/DC 컨버터

배터리용 양방향 DC/DC 컨버터는 그림 10과 같이 나타낼 수 있으며, EMS의 지령에 따라 태양광전원의 출력이 수용가 부하보다 크면 충전모드를 수행하고, 작아지면 방전모드로 운용한다. 여기서, 그림 10 (a)는 컨버터의 주회로를 나타내고, 그림 10 (b)는 outer loop와 inner loop로 구성된 컨버터의 제어기이며, 5kV MVDC 선로의 정전압 제어를 위하여, 목표전압인 5kV와 출력 전압의 오차에 대해 PI 제어를 수행한다.

그림. 10. 배터리용 양방향 DC/DC 컨버터 모델링

Fig. 10. Modeling of bi-directional DC/DC converter for battery

3.3 부하공급용 DC/DC 컨버터

수용가 측의 전압을 제어하기 위한 부하공급용 DC/DC 컨버터는 그림 11과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 11 (a)는 컨버터의 주회로를 나타내며, 스위칭 시 발생하는 전류 리플을 줄이기 위해 L-C 필터를 설치한다. 또한, 그림 11 (b)는 outer loop와 inner loop로 구성된 컨버터의 제어기이며, 0.75kV의 지령치와 센싱된 전압의 오차값에 대해 PI 제어를 수행한다.

그림. 11. 배터리용 양방향 DC/DC 컨버터 모델링

Fig. 11. Modeling of DC/DC converter for customer load

3.4 수용가용 DC/AC 인버터

저압측의 EV 충전기 및 수용가 부하용 DC/AC 인버터는 그림 12와 같이 주회로와 제어기로 구성된다. 여기서, 그림 12 (a)는 인버터의 주회로를 나타내며, 일반적인 6개의 스위치와 L-C필터, 등으로 구성된다. 또한, 그림 12 (b)는 인버터 제어기로서, A부분은 목표전압과 현재 출력전압을 비교하여 오차 값을 산정하고, B부분은 오차 값에 대하여 각각 PI제어를 수행하며, C부분은 목표로 하는 전압의 파형, 주파수 및 위상을 결정하는 역할을 수행한다. 또한, D부분은 삼각파의 반송파를 출력하고, E부분은 기준파와 반송파를 비교하여 PWM신호로 변환하는 역할을 수행한다.

그림. 12. DC/AC 인버터 모델링

Fig. 12. Modeling of DC/AC inverter

그림. 13. 보호기기 모델링

Fig. 13. Modeling of protection devices

3.5 보호기기

상기의 실증 사이트에서 사용되고 있는 MG용 보호기기(MCCB, ACB, fuse, CTR)를 모델링하면 그림 13과 같다. 여기서, 각 보호기기는 제조사에서 제공하는 정정치를 바탕으로 IEEE std C37.112-2018의 반한시 특성곡선인 식(1)을 이용하여 모델링을 수행한다⁽¹³⁾. 먼저, 그림 13 (a)는 MCCB 및 ACB를 나타내며, 보호기기 특성을 적용하여 장한시 특성의 A부분과 단한시 및 순시특성의 B부분으로 나눠서 구성한다. 또한, 그림 13 (b)는 fuse를 나타내며, 반한시 특성곡선을 사용하여 TCC 특성곡선과 유사하게 모델링을 수행한다. 한편, 그림 13 (c)는 CTR을 나타내며 일정시간동안 기준값 이상의 사고전류가 유입될 경우 동작을 수행하도록 모델링한다.

여기서, $M(I)$ : 픽업 전류의 배수로 표시되는 전류, $A,\:B,\:_{P}$: 선택한 곡선의 특성을 제공하기 위한 상수

3.6 전체 시스템

PSCAD/EMTDC를 이용하여 section A, section B, section C로 구성된 5kV급 MV-LVDC 독립형 마이크로그리드의 전체 시스템을 나타내면 그림 14와 같다. 여기서, section A는 태양광모듈, 태양광전원용 DC/DC 컨버터, CTR, MCCB, 등으로 구성되며, section C는 배터리, 배터리용 양방향 DC/DC 컨버터, 부하공급용 DC/DC 컨버터, 수용가용 DC/AC 인버터, 태양광모듈, 태양광전원용 DC/DC 컨버터, 수용가 부하, ACB, MCCB 등으로 구성된다. 또한, section B는 2.4km 긍장의 MVDC 선로와 fuse로 구성되며, section A와 section C를 연결한다.

그림. 14. 전체시스템 모델링

Fig. 14. Modeling of entire system

4.1 시뮬레이션 조건

상기의 모델링을 바탕으로 MVDC 독립형 마이크로그리드의 사고해석을 위한 시뮬레이션 조건은 표 1과 같다. 여기서, 태양광전원의 용량은 100, 150 및 500kW이며, 배터리의 용량은 500/1.5kW/MWh이고, 내부 인덕턴스는 0.634mH, 내부 저항은 7.75mΩ이다. 또한, 수용가 부하는 150kW의 전기자동차 충전기와 250kW의 공장부하로 이루어져 있으며 전압은 AC 380V이다. 한편, 태양광전원용 DC/DC 컨버터의 용량은 100, 150, 500kW이며, 배터리용 양방향 DC/DC 컨버터의 용량은 500kW이고 부하공급용 DC/DC 컨버터의 용량은 500kW이다. 그리고, 수용가용 DC/AC 인버터의 용량은 250kW이며 전압은 0.75/0.38kV이다. 또한, section B의 MVDC 지중선로의 선종은 TFR-CV/95mm²이며 긍장은 2.4km이고, 선로 저항과 커패시턴스 및 인덕턴스는 각각 0.46Ω, 0.533uF, 0.533mH를 산정된다. 한편, section A와 section C의 수전단과 MVDC 지중선로와 연결되는 MVDC 선종은 CU/XLPE 95mm²이며, 긍장은 각각 1.4, 0.8km이고 선로 저항은 각각 270.2, 154.4mΩ으로 산정된다. 한편, section A측 LVDC 선종은 CU/TFR-CV 70mm²이며 긍장은 0.2km이고 선로저항은 53.6mΩ이다. 또한, ESS측 LVDC 선종는 CU/TFR-CV 300mm²이며 긍장은 0.2km이고 부하측 LVDC 선종은 CU/TFR-CV 120mm²이고 긍장은 0.01km으로 각각의 선로 저항은 0.601, 1.53mΩ으로 산정된다. 한편, 5kV MVDC 선로 보호를 위한 MVDC fuse와 CTR은 각각 230~350A, 400~800A의 정격전류와 30kA, 2.5~8kA의 정격차단전류 특성을 가지며, 750V LVDC 선로 보호를 위한 MCCB, ACB, ESS fuse의 정격전류는 각각 800~1,600A, 800~2,500A, 880~1,300A를 가지며, 정격차단전류는 각각 10kA, 40kA, 50kA의 차단용량을 가진다.

또한, 상정 사고조건은 그림 15와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, F1은 section A의 고압 측 선로 사고이고, F2와 F3는 MVDC 지중선로의 사고를 나타낸다. 또한, F4는 Section C의 ESS 고압 측 선로 사고이고, F5는 ESS DC측의 CTR(contactor)과 DC/DC 컨버터 사이의 사고이며, F6은 DC/DC 컨버터와 ESS 사이의 사고를 나타낸다. 한편, F7은 Section C의 ESS와 수용가 사이의 MVDC 선로 사고이고, F8은 CTR과 LVDC용 DC/DC 컨버터 사이의 사고이며, F9는 section C의 태양광전원의 LVDC측 사고를 나타낸다. 또한, F10, F12는 DC MCCB와 DC/AC 인버터 사이의 사고이고, F11과 F13은 DC/AC 인버터와 부하 사이의 사고를 상정한 것이다.

그림. 15. 상정 사고조건(13 cases)

Fig. 15. Contengency fault conditions(13 cases)

4.2 MVDC측 사고에 대한 보호협조 운용특성

4.1의 시뮬레이션 조건을 바탕으로 section A에 인접한 MVDC 선로지점(F2)에서 단락사고가 발생한 경우에 대하여, 사고전류 및 보호기기의 동작특성을 나타내면 그림 16과 같다. 여기서, 그림 16 (a)는 사고지점(F2)으로 흐르는 전체 사고전류의 크기 및 방향을 나타내며, 사고전류 ①은 PV1, PV2, PV3의 DC/DC 컨버터 정격용량(500KW/500kW/150kW)의 1.25배인 0.83kA, 0.83kA, 0.25kA의 사고전류가 각각 사고지점(F2)으로 공급됨을 알 수 있다. 또한, 사고전류 ②와 사고전류 ③은 ESS측에서 공급하는 0.83kA, 부하공급용 DC/DC 컨버터 측에서 공급하는 0.05kA가 각각 사고지점(F2)으로 유입됨을 알 수 있다. 한편, 그림 16 (b)는 사고지점(F2)으로 흐르는 전체 사고전류의 파형을 나타내며, 초기 과도상태 시 DC/DC 컨버터 내부의 필터용 C성분에 의해 방전되는 전류를 포함하여 최대 3.86kA의 사고전류가 발생함을 알 수 있다. 또한, 그림 16 (c)는 보호기기 동작에 의한 사고전류 특성을 나타내는데, 사고 발생 후 section A에 인접한 fuse 1은 약 1.2[ms]에 동작하고, section C에 인접한 fuse 2는 2.3[ms]에 동작하여 사고구간이 분리됨을 알 수 있다. 따라서, MVDC 선로 양단에 설치된 fuse가 가장 먼저 동작하여 MVDC 선로를 보호하고 사고구간을 분리하여, 수용가의 정전을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 16. F2에서 사고 발생시 사고전류 및 보호기기의 동작특성

Fig. 16. Characteristics of fault current and protection devices for the fault occurred in F2

4.3 LVDC측 사고에 대한 보호협조 운용특성

section C의 배터리측의 LVDC 선로지점(F6)에서 단락사고가 발생한 경우에 대하여, 사고전류 및 보호기기의 동작특성을 나타내면 그림 17과 같다. 여기서, 그림 17 (a)는 사고지점(F6)으로 흐르는 전체 사고전류의 크기 및 방향을 나타내며, 사고전류 ①은 section A의 태양광전원에서 공급하는 0.34kA,사고전류 ③은 section C의 태양광전원에서 공급하는 0.17kA가 각각 사고지점(F6)으로 유입됨을 알 수 있다. 또한, 사고전류 ②는 배터리의 외부단락으로 인하여 28.9kA의 높은 사고전류가 사고지점(F6)으로 공급됨을 알 수 있다. 한편, 그림 17 (b)는 사고지점(F6)으로 흐르는 전체 사고전류의 파형을 나타내며, 배터리측 외부단락으로 인해 발생하는 전류를 포함하여 최대 35.3kA의 사고전류가 발생함을 알 수 있다. 또한, 그림 17 (c)는 보호기기 동작에 의한 사고전류 특성을 나타내는데, ESS fuse는 사고 발생 후 약 1.4[ms]에 동작하고, 컨버터 내부의 DC ACB는 50[ms]에 동작함을 알 수 있다. 따라서, ESS fuse가 가장 먼저 동작하여 배터리를 보호하고 사고구간을 분리할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 17. F6에서 사고 발생시 사고전류 및 보호기기의 동작특성

Fig. 17. Characteristics of fault current and protection devices for the fault occurred in F6

4.4 수용가 부하(AC)측 사고에 대한 보호협조 운용특성

수용가 부하측 AC 선로지점(F11)에서 단락사고가 발생한 경우에 대하여, 사고전류 및 보호기기의 동작특성을 나타내면 그림 18과 같다. 여기서, 그림 18 (a)는 사고지점(F11)으로 흐르는 전체 사고전류의 크기 및 방향을 나타내며, 사고전류 ①은 section A의 태양광전원에서 공급하는 1A, 사고전류 ②는 section C의 배터리에서 공급하는 126A가 각각 사고지점으로 유입됨을 알 수 있다. 또한, 사고전류 ③은 section C의 태양광전원에서 공급하는 0.17kA의 사고전류가 사고지점(F11)으로 유입됨을 알 수 있다. 한편, 그림 18 (b)는 사고지점(F11)으로 흐르는 전체 사고전류의 파형을 나타내며, 최대 1.9kA의 사고전류가 발생함을 알 수 있다. 또한, 그림 18 (c)는 보호기기 동작에 의한 사고전류의 특성을 나타내는데, 사고지점(F11)에 가까운 AC MCCB는 사고 발생 후 약 18[ms]에 동작하여 사고구간을 분리하여, 수용가 설비를 보호할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 18. F11에서 사고 발생시 사고전류 및 보호기기의 동작특성

Fig. 18. Characteristics of fault current and protection devices for the fault occurred in F11