3.1 양방향 AC/DC 컨버터

교류를 직류로 변환하기 위해 사용되는 양방향 AC/DC 컨버터는 3상 다이오드를 이용한 단순 정류기와 PWM(Pulse Width Modulation) 기반 컨버터 토폴로지를 사용하였다. 다이오드 정류기는 회로 구성이 간단하고 모델링이 쉬우며 대전력 전송에도 유리하지만, 출력 전압 제어가 불가능해 부하 변동 시 전압 강하가 발생하고 단방향 전력 흐름이라는 제약이 있다. 또한, AC/DC 컨버터의 직류 출력 전압제어는 PI 제어기를 사용하였다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 반도체 스위칭 소자와 인덕터를 적용해 Buck 및 Boost 동작이 가능한 양방향 3상 PWM 컨버터를 모델링하여 직류배전시스템에 적용하였다^[4].

3상 AC/DC PWM 컨버터는 PWM 변조 기법을 활용해 전류의 크기와 위상을 제어하고, 전류 파형을 정현파에 가깝게 만들어 고조파를 최소화하며 역률을 제어할 수 있다. 다이오드 기반 정류기와 달리 전력의 양방향 제어가 가능하지만, 전력용 반도체에서 고속 스위칭이 요구되며 스위칭 시 발생하는 고조파를 억제하기 위해 필터 설계가 필요하다. 또한 Boost 모드에서는 직류 전압 제어 시 각 상의 피크 전압을 반드시 고려해야 한다.

다양한 부하가 연결된 배전 시스템에서는 부하 변동이 발생하더라도 직류전압이 설정된 범위 내에서 유지되어야 하며, 이를 위해 컨버터의 정상적인 동작을 보장할 수 있도록 입출력 전류 및 전압을 정밀하게 제어해야 한다.

AC/DC 컨버터의 입력전압은 교류 380[V_rms] 이고, 출력전압은 직류 700[V_DC]이며, 회생 동작 시에는 직류 700[V_DC]를 입력으로 받아 3상 교류 380[V_rms]을 계통으로 회생하도록 모델링하였다. 전력번환기의 정격 용량은 60[kVA]이며, 스위칭 주파수는 10[kHz]로 구성하였다.

스위칭 패턴을 사용해 교류 380[V_rms] 전압을 700[V_DC] 직류 전압으로 변환하였으며, 그 결과 출력 파형은 그림 6과 같으며, 0.05[s] 이후 DC-Link 전압이 목표값인 700[V_DC]로 안정화되는 것을 확인할 수 있다.

3.2 양방향 DC/DC 컨버터

다음 그림 7은 AC/DC PWM 컨버터와 연계되는 양방향 DC/DC 컨버터의 회로도이다.

양방향 DC/DC 컨버터의 정격 용량은 50[kW]이며, 3상 AC/DC PWM 컨버터에서 승압된 전압을 입력으로 받아 DC-link 전압에 맞게 강압할 수 있다. 또한 DC-Link 전압인 380[V_DC]를 입력으로 받아 700[V_DC]로 승압해 계통으로 인가하는 양방향 운전이 가능하도록 구성하였며, 회로를 병렬로 구성하여 인덕터 전류를 약 33% 줄였으며, 이를 통해 고주파 운전이 가능하여 시스템 응답성이 향상되고 손실을 감소하였다.

3.3 에너지저장시스템

에너지저장시스템 모듈은 리튬인산철(LiFePO₄) 기반의 에너지저장시스템을 단순화된 동등회로로 모델링하였다. 기본 구성은 전압원과 내부 저항, SOC(State of Charge) 계산 로직을 포함하며, 시간에 따른 충·방전 전류 흐름을 기반으로 SOC를 계산하고 출력 전압을 조절한다. 에너지저장시스템은 DC/DC 컨버터를 통해 DC link와 연결되어 있으며, SOC 조건에 따른 전류 제한 기능이 내장되어 있다. EMTP/ATPDraw 기반으로 구현된 에너지저장시스템 모델의 동작 특성을 확인하기 위해 초기 SOC를 100[%]로 설정한 뒤 부하를 연결하여 150[A]를 방전하는 상황을 시뮬레이션하였다.

그림 9에서는 방전 조건에서 에너지저장시스템의 전압, SOC, 에너지저장시스템 사용량 변화를 파형으로 내었으며, 지수감쇠 영역에서는 SOC가 100[%]일 때 전압이 약 311[V_DC]에 도달할 때까지 지수적으로 낮아지며, 정격 영역에서는 실제 전압이 288[V_DC]까지 감소하는 특성을 보여준다.

그림 10은 에너지저장시스템 충전 시 동작 전압, SOC 및 에너지저장시스템 사용량의 결과 파형을 보여준다. 정격 전압 이전 구간에서는 에너지저장시스템 전압이 급격히 상승하며, 정격 영역에서는 실제 동작 전압을 나타내어 331[V_DC]까지 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이어서 지수 영역에서는 에너지저장시스템 전압이 331[V_DC]에서 SOC 100[%]에 해당하는 336[V_DC]까지 지수적으로 상승하는 특성을 보인다.

DC/DC 컨버터는 에너지저장시스템과 연결되어 있으며, 충·방전을 지원하는 양방향 구조로 설계하였다. 특히 방전 시 전압 강하가 발생해도 365[V_DC]의 직류 전압을 안정적으로 출력할 수 있도록 설계하였으며, 충전 시에는 CC(Constant Current)-CV(constant voltage) 제어를 적용해 일정 전류 및 전압으로 충전이 가능하도록 구성하였다. 에너지저장시스템 SOC 정보를 활용하여 SOC가 70[%] 이하일 때는 CC 제어를 통해 150[A_DC] 전류로 빠르게 충전하도록 설정하였다. 이후 SOC가 70[%]를 넘어서는 시점부터는 충전 전압을 320[V_DC]로 고정하여 완전 충전이 가능하도록 구성하였다. 그림 11은 방전 모드에서 전압과 전류의 출력 파형을 보여준다. DC/DC 컨버터가 에너지저장시스템 전압을 365[V_DC]까지 승압하며, DC-Link 전압이 안정화되는 0.06[s] 시점부터 부하에 전력이 공급된다. 시간이 경과함에 따라 에너지저장시스템 SOC[%]와 사용 가능 용량(BattQ[Ah])이 점진적으로 감소하고, SOC가 5[%]에 도달하는 0.85[s]에서 전원 공급이 중단된다.

그림 12는 에너지저장시스템 충전 시 CC 및 CV mode의 동작 특성을 보여주는 파형이다. 0.15[s] 시점부터 충전이 시작되며, 초기 단계에서 DC/DC 컨버터는 CC mode로 운전하여 150[A]의 일정 전류로 에너지저장시스템을 충전한다. SOC가 70[%]에 도달하는 0.84[s] 이후에는 CV mode로 전환되어 320[V_DC]의 일정 전압을 유지하며 충전이 계속된다. 충전 말기인 SOC 95[%] 시점인 1.1[s]에서는 과충전 방지를 위해 충전을 멈추는 것을 확인할 수 있다.

3.4 태양광 시스템

태양광 시스템은 실측 일사량 데이터를 기반으로 하는 PV 셀 출력 모델과, 이에 연계된 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능이 내장된 DC/DC 부스트 컨버터로 구성된다. 출력 전력은 시간대별 일사량에 따라 변화하며, PV 전압 및 전류 특성은 단일 다이오드 모델(Single-Diode Model)을 기반으로 구현되었다. DC/DC 컨버터는 부하 전력 수요에 맞춰 동작하며, 잉여 전력은 에너지저장시스템으로 전환 저장된다. 시뮬레이션에서는 급변하는 일사 조건에서도 안정적인 출력 유지와 MPPT의 응답성을 분석하였다.

본 논문에서는 태양광 시스템을 설계하기 위해 확대 등가회로를 적용하였다. 직류 배전 구성요소 중 태양광 시스템은 Roof-Top PV와 BIPV두 유형으로 모델링을 하였으며, 태양광 시스템은 EMTP/ATPDraw의 MODELS 기능을 활용하여 모델링을 하였다.

그림 13과 14에서 제시된 I-V curve를 통해 조사량 변화가 전류에 미치는 영향을 알 수 있으며, 조사량과 전류는 비례 관계를 가진다는 것을 확인할 수 있다.

태양광 시스템의 전기적 특성은 온도의 변화에 따라 그 특성이 달려지며, 그림 15 및 16은 이러한 특성을 나타낸 그래프이다. 모듈의 온도가 상승할수록 전류는 미세하게 증가하지만 전압은 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

EMTP/ATPDraw 의MODELS를 이용하여 BIPV 모듈을 모델링하여 조사량 변화를 적용한 시뮬레이션을 수행하였으며, 그림 17과 18에서 그 특성을 확인할 수 있다.

그림 19 및 20은 온도 변화가 모듈의 전기적 특성에 미치는 영향을 보여준다.

3.5 부하

본 논문에서 부하는 실제 3개 층의 부하를 기반으로 설계되었으며, 각 층은 정전압 부하 형태로 일정 전력 소비 특성을 갖도록 구성과 시나리오별로 ON/OFF 조건을 설정할 수 있게 하여 다양한 운영 상황을 고려하였으며, 부하 전류는 DC-link 전압에 적용될 수 있도록 구현하였다.

부하의 종류는 전등, PC, TV로 구성하였으며, 부하의 전력 특성을 고려하여 모델링을 하였다. 부하별 세부 용량과 수량 정보는 표 1과 같다.

시뮬레이션에서 층별 부하는 전등, PC, TV로 구성되었으며, 거리에 따라 긍장이 증가하도록 모델링하였다.

각 층의 전등 부하는 500[EA]로 설정하였으며, 개별 전등을 모두 단독 부하로 모델링할 경우 EMTP 내 소자와 노드 수가 과도하게 증가할 수 있다. 이를 방지하기 위해 전등 부하는 간소화된 방식으로 모델링하였다.

4.1 Case study 1

Case study 1은 그림 21과 같이 AC/DC 컨버터에서 부하로 직류 전력을 공급하는 case이며, 해당 case에서 AC/DC 컨버터는 계통 전력을 DC-link로 공급하기 위해 3상 양방향 AC/DC PWM 컨버터를 사용하여 계통의 380[V_rms]를 700[V_DC]로 변환한다. 이후 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC-link 전압 700[V_DC]를 배전용 전압 385[V_DC]로 강압하여 부하에 공급한다.

부하는 0.5[s], 1.0[s], 1.5[s] 시점에 각각 1층, 2층, 3층 순으로 투입되며, 시뮬레이션 결과 파형은 그림 22와 23과 같다.

그림 22의 출력 전압 파형에서 AC/DC 컨버터는 초기 시점부터 동작하여 DC-Link 전압을 700[V_DC]로 안정적으로 유지하며, 0.1[s]에서 DC/DC 컨버터가 동작하여 컨버터 1차측 전압 700[V_DC]를 강압해 2차측 DC-Link 전압을 385[V_DC]로 유지한다. 이후 각 층 부하가 순차적으로 투입될 때마다 DC-Link 전압은 순간적으로 소폭 하락하나, AC/DC 컨버터 제어에 의해 다시 700[V_DC]으로 복원되는 것을 확인할 수 있다.

그림 23은 출력 전류 파형에서는 각 층 부하 투입 시점에 따라 컨버터 출력 전류가 단계적으로 증가하는 것을 나타낸 그래프이다. 시뮬레이션 결과, 각 층의 분기회로에서 평균 383[V_DC]의 전압이 인가되는 것으로 확인 할수 있다. 이는 정형화된 직류 전압을 직접 인가하는 경우와 비교할 때, 기준 전압 대비 약 1[V_DC]의 낮은 전압값을 나타내며, 부하 투입에 따른 전압 강하가 발생하는 것으로 해석 될 수 있다.

4.2 Case study 2

Case study 2는 그림 24와 같이 AC/DC 컨버터를 이용하여 에너지저장시스템을 충전함과 동시에 각 부하에 전력을 공급하는 case이다. AC/DC 컨버터는 계통 전력을 DC-link에 공급하기 위해 3상 양방향 AC/DC PWM 컨버터를 사용하여 계통의 380[V_rms] 전압을 700[V_DC]로 변환한다. 이후, 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 700[V_DC] 전압을 배전 전압 380[V_DC]로 강압하여 부하와 에너지저장시스템에 동시에 전력을 공급한다. 또한, 에너지저장시스템은 DC-link에 연계되어 있으며, CC-CV 기반 충전 제어 알고리즘을 적용하여 초기에는 150[A]의 CC mode로 충전한 뒤, 설정된 SOC에 도달하면 320[V_DC]의 CV mode로 전환하여 충전이 이루어지도록 구성하였다.

그림 25와 그림 26은 Case Study 2의 출력 파형을 나타낸 것으로, 0.15[s] 시점에서 에너지저장시스템의 충전이 시작되며, 이후 0.5[s] 시점에는 1층 부하, 0.6[s] 시점에는 2층 부하, 0.7[s] 시점에는 3층 부하에 순차적으로 전력이 공급된다.

부하가 순차적으로 투입됨에 따라, 계통 측 AC/DC 컨버터와 연결된 DC/DC 컨버터의 2차측 전류가 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 부하 전력 수요가 커짐에 따라 컨버터의 출력이 자동으로 보상되는 동작 특성을 반영한 것이다.

그림 25의 A구간(0.7[s]~0.9[s])은 각 층 부하의 전압을 나타낸 부분으로 각 층의 전압이 일정한 것을 확인하였다.

4.3 Case study 3

Case Study 3은 그림 27과 같이 에너지저장시스템을 구동시켜 부하에 전력을 공급하는 case이며, AC 계통에서 사고, 고장 또는 계통 유지보수 등의 이유로 전력 공급이 원활하지 않을 경우, 에너지시스템이 DC-link에 연계되어 각 층 부하에 전력을 공급한다. 이때, 에너지저장시스템은 방전 모드로 동작하며, 내부 출력 전압을 365[V_DC]로 변환하여 DC-link에 인가함으로써 안정적인 전력을 공급할 수 있다.

그림 28은 에너지저장시스템 단독 운전 시 에너지저장시스템과 연계된 양방향 DC/DC 컨버터의 동작 특성을 나타낸다. 컨버터의 2차측 전압은 365[V_DC]로 출력되며, 0.2[s] 시점에서 DC-link에 연계된다. 이후 약 0.1[s]의 시간 지연 후 에너지저장시스템은 각 층의 부하에 전력을 공급하기 시작한다.

그림 28의 A구간(0.7[s]~09[s])은 각 층 부하의 전압을 나타낸 부분으로 각 층의 전압이 일정한 것을 확인하였다.

또한, 에너지저장시스템의 안정적 운전을 위해 분리 조건(SOC 기준)을 5[%]로 설정하였으며, 에너지저장시스템의 SOC가 해당 값에 도달하는 1.1[s] 시점에서 에너지저장시스템이 DC-link에서 분리된다. 이로 인해 전력 공급이 차단되는 과정을 그림 29에서 확인할 수 있다.

4.4 Case study 4

Case study 4는 그림 30과 같이 태양광 시스템이 동작하여 각 층의 부하에 전력을 공급하는 방식이다.

태양광 시스템에 연계된 양방향 DC/DC 컨버터는 MPPT 알고리즘을 적용하여 태양광 모듈의 출력 전력을 최적화하도록 설계하였으며, 컨버터의 출력 전압을 385[V_DC]로 유지하여 각 층의 부하에 전력을 공급할 수 있도록 구성하였다.

Case study 4는 태양광 시스템에서 생산된 전력을 활용하여 부하에 전력을 공급하는 동작 모드를 분석한 사례이다. 태양광 발전 전력의 출력 특성과 부하 전력 요구 조건을 고려하여, 시험은 다음 세 가지 시나리오로 구분하여 수행하였다.

1. 시나리오 1: 태양광 전력을 1층 부하에만 공급

2. 시나리오 2: 태양광 전력을 1층과 2층 부하에 공급

3. 시나리오 3: 태양광 전력을 전 층 부하에 모두 공급

이와 같은 세부 시나리오를 통해 태양광 발전량에 따른 층별 부하 전력 분배 특성과 시스템의 안정성을 분석하였다.

Case study 4에서는 Roof-Top PV와 BIPV 두 종류의 태양광 모듈을 대상으로 동일한 조사량과 온도 조건을 적용하였으며, 각 태양광 시스템에 연계된 DC/DC 컨버터는 MPPT 제어만을 수행하도록 설정하여, 외부 환경 변화에 따른 발전 성능을 비교할 수 있도록 하였다.

그림 31과 32는 태양광 시스템에서 생산된 전력을 1층 부하에만 공급한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 출력 전압과 출력 전류 그리고 출력 전력의 파형을 통해 MPPT 제어가 적용된 상황에서 태양광 시스템의 전력 변환 특성과 1층 부하 공급 시의 전력 분배 특성을 확인할 수 있다.

조사량의 증가로 각각의 출력 파형이 증가하는 경향을 확인할 수 있지만, Roof-Top PV와 BIPV에 연계된 컨버터의 전압이 385[V_DC]에 도래 시 MPPT 제어기 상보간에 간섭이 발생하여 MPPT에 불평형이 발생하여 전압 리플의 발생과 출력 전력의 불안정을 확인할 수 있다.

그림 33은 태양광 시스템 동작 시 부하 측 전압, 전류 및 전력 파형을 나타낸 것으로, 전체적인 파형이 PV 2차측 DC-Link 전압 특성과 유사한 형태를 보인다. 특히, 1층 부하 용량은 약 16.6[kW]로, 해당 구간은 A 구간에 해당함을 확인할 수 있다.

한편, 그림 34는 A 구간의 전압 파형을 확대하여 나타낸 것으로, MPPT 제어기의 불안정성으로 인해 출력 전압에 리플이 발생하는 현상을 명확히 관찰할 수 있다. 이는 Roof-Top PV와 BIPV에 연계된 MPPT 제어기 간 상호간섭으로 인해, 두 시스템이 전압 제어가 동기화되지 못해 발생하는 것으로 분석된다.

그래프를 통해, 태양광 시스템을 활용한 전력 제어 시 태양광 시스템에서 생산되는 전력이 1층 부하의 요구 용량(약 16.6[kW])을 상회함을 확인할 수 있다. 따라서, 태양광 시스템만을 이용한 단독 운전 모드에서도 1층 부하에 대해 안정적인 전력 공급이 가능함을 알 수 있다. 이는 태양광 발전 전력이 부하 요구 전력을 초과하므로, 시스템 내 전압 변동률이 최소화되고 출력 전압이 385[V_DC] 부근에서 안정적으로 유지되는 것에 확인할 수 있다.

그림 35와 36은 태양광 시스템을 이용하여 각 층 부하(1층, 2층, 3층)에 전력을 공급하는 경우의 출력 전압, 전류, 전력 파형을 나타낸 것이다. 본 시뮬레이션에서는 Roof-Top PV와 BIPV 모듈에서 발생하는 전력을 합산하여 DC-link에 공급하고, 각 층 부하의 요구 전력에 따라 MPPT 기반 전력 분배를 수행하였다.

시뮬레이션 결과, 태양광 시스템의 DC-Link 출력 전압은 목표값인 385[V_DC]를 유지되었으며, 출력 전류는 부하 투입 시점에 따라 단계적으로 증가하는 특성을 보였다. 특히, 0.5[s]에서 1층 부하, 0.6[s]에서 2층 부하, 0.7[s]에서 3층 부하가 순차적으로 투입됨에 따라 전체 출력 전류가 계단식으로 상승하는 양상으로 나타난다. 이 과정에서 태양광 시스템의 총 출력 전력은 부하 전력 수요에 비례하여 점진적으로 증가하였으며, 전력공급의 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

그러나 시뮬레이션 결과, 다층 부하에 전력을 공급하는 과정에서 MPPT 제어기 간 상호 간섭이 발생하였다. 특히 Roof-Top PV와 BIPV가 동일한 조사량 조건에서 각각 독립적인 MPPT 제어를 수행하기 때문에, 순간적으로 제어 불균형이 발생하여 출력 전압에서 ±2.0[V_DC] 이내의 전압 리플이 관찰되었다. 이러한 리플 현상은 그림 33 및 그림 34의 전압 파형 확대 구간에서도 명확히 확인되며, 이는 다중 MPPT 제어 구조의 특성상 불가피하게 발생하는 문제로 분석된다.

그림 35와 36의 시뮬레이션 결과, 태양광 시스템은 조사량의 증가에 따라 출력 전압, 전류 및 전력이 비례적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 그러나 연결된 DC/DC 컨버터의 DC-Link 전압은 설정값인 385[V_DC]에 도달하지 못하며, 이로 인해 MPPT 제어기는 DC-Link 전압을 상승시키기 위해 지속적으로 지령치를 생성하게 된다. 이러한 제어 방식은 MPPT 알고리즘 간 상보 간섭을 최소화하는 데 기여하며, 그 결과 각각의 태양광 전력 파형과 MPPT 추종 파형이 매우 유사한 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

그림 36과 37의 시뮬레이션 결과, 태양광 시스템은 조사량의 증가에 따라 출력 전압, 전류 및 전력이 비례적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 그러나 연결된 DC/DC 컨버터의 DC-Link 전압은 설정값인 385[V_DC]에 도달하지 못하며, 이로 인해 MPPT 제어기는 DC-Link 전압을 상승시키기 위해 지속적으로 지령치를 생성하게 된다. 이러한 제어 방식은 MPPT 알고리즘 간 상보 간섭을 최소화하는 데 기여하며, 그 결과 각각의 태양광 전력 파형과 MPPT 추종 파형이 매우 유사한 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

4.5 Case study 5

Case Study 5에서는 교류 계통의 사고 또는 AC/DC 컨버터의 고장 발생 시 보조 에너지저장시스템과 주 에너지저장시스템을 활용하여 직류 부하에 무정전 전력을 공급하는 시나리오로 구성되었으며, 그림 37과 같다. 초기 단계에서 보조 에너지저장시스템이 DC-Link 전압을 365[V_DC]로 안정화시키며, 이후 주 에너지저장시스템이 방전 모드로 전환되어 DC-link에 전력을 공급한다. 이를 통해 계통 이상 시에도 안정적인 전력 공급을 보장할 수 있으며, DC-link 전압 변동률을 최소화하여 부하 측 전력 품질을 확보하였다.

본 시스템에서 AC/DC 모듈의 보조 에너지저장시스템은 정상 운전 시 계통과 분리되어 있으며, 고장 발생 시 주 에너지저장시스템 투입 전까지의 짧은 구간에 한해 DC-link에 연결된다. 이에 따라 보조 에너지저장시스템의 용량은 주 에너지저장시스템의 1/10인 14[Ah]로 구성하였다.

시뮬레이션 절차는 다음과 같이 수행하였다.

우선 0.0[s] ~ 0.1[s] 구간에서는 AC/DC 컨버터가 동작하여 DC-Link 전압을 초기 충전하고, 0.1[s] 이후부터는 DC/DC 컨버터(Main SW: ON)가 운전되며 DC-link 전압을 385[V_DC]로 유지한다. 동시에 1층, 2층, 3층의 부하가 순차적으로 투입되며, 0.3[s] 이후에는 AC/DC 컨버터 1차측(Fault SW: OFF)을 개방하여 계통 전원을 차단한다.

이후 DC/DC 컨버터의 출력 전압이 365[V_DC] 이하로 하락할 경우 비상 제어 절차가 시작된다.

먼저 고장 상태 표시등(Fault lamp)이 점등되고, 보조 에너지저장시스템(Aux.Batt SW: ON)가 투입된다. 이어서 AC/DC 모듈 DC/DC 컨버터의 2차측(Main SW: OFF)을 차단하고, 주 에너지저장시스템(M.Batt SW: ON)의 DC/DC 컨버터 운전을 지령하여 전원 공급을 준비한다. 마지막으로 주 에너지저장시스템 DC/DC 컨버터의 DC-Link 전압이 365[V_DC]로 안정화되면, 전원 공급 모드를 BattConv SW: ON으로 전환하고 보조 에너지저장시스템(Aux.Batt SW: OFF)는 차단된다.

위에서 제시한 모의시험 절차에 따라 무정전 전원 공급이 가능하도록 각 모듈의 제어 로직을 EMTP/ATPDraw의 MODELS 기능을 활용하여 설계하였다.

그림 38은 모의시험 수행 시 각 모듈의 전압 파형을 나타내며, 그림 39는 각 스위치(Main SW, Fault SW, Aux.Batt SW, M.Batt SW, BattConv SW)의 ON/OFF 상태 변화를 시간 축에 따라 시각적으로 표현한 것이다. 이를 통해, AC/DC 컨버터, 보조 에너지저장시스템, 메인 에너지저장시스템, DC/DC 컨버터 간의 상호 연계 동작을 검증할 수 있었으며, 비상 상황에서도 무정전 전력 공급이 가능함을 확인하였다.

앞서 제시한 모의시험 절차에 따라 시스템은 t=0.3[s]까지 정상적으로 동작한다. t=0.3[s]시점에서 고장이 발생하면, AC/DC 컨버터 2차측 DC-Link 전압은 전원 공급 중단으로 인해 700 [V_DC]에서 점진적으로 감소한다. 이후 t=0.33[s] 시점에서는 DC/DC 컨버터 2차측 DC-Link 전압이 385[V_DC]에서 365[V_DC]로 저하되며, 이와 동시에 고장 상태 표시등이 점등되고 보조 에너지저장시스템(Aux. Batt)이 자동으로 투입된다. 동시에 메인 에너지저장시스템은 방전 지령이 전달되어 DC/DC 컨버터와 연결되며, 컨버터는 주 에너지저장시스템의 전압을 365[V_DC]로 승압하여 안정적인 DC-Link 전압을 유지한다. 이후 t=0.36[s] 시점에서 DC-Link 전압이 완전히 안정화되면 에너지저장시스템 컨버터 2차측 스위치(BattConv SW)가 투입되어 메인 에너지저장시스템을 통한 전력 공급이 시작된다. 이 시점에서 보조 에너지저장시스템은 시스템에서 자동으로 분리되며, 보조 전원에서 주 전원으로의 무정전 전환이 완료된다.

그림 40은 보조 에너지저장시스템과 메인 에너지저장시스템의 SOC 및 사용 가능 용량(Ah) 변화를 나타낸 파형이다. 모의시험 결과, 각 에너지저장시스템의 투입 시점에 따라 SOC가 변동되는 양상을 확인할 수 있다. 특히, 용량이 상대적으로 작은 보조 에너지저자장시스템 14[Ah]의 경우, 방전 구간에서 SOC가 단시간 내 급격히 감소하는 특성이 관측되었다. 반면, 메인 에너지저장시스템은 140[Ah]의 충분한 용량을 보유하고 있어 SOC 변화가 완만하게 나타났으며, 장시간 안정적인 전력 공급이 가능한 것을 확인할 수 있다.

그림 41은 부하 측 출력 전압 및 전류 파형을 나타낸 것이다. 0.3[s] 이전 구간에서는 각 층별 부하 전압 파형이 Case study 1과 동일하게 유지되며, 메인 에너지저장시스템이 동작한 이후에는 각 층별 부하 전압 파형이 Case study 3과 유사한 특성을 보인다.