[논문]수용가 직류배전 요소기술 개발 및 실증

백주원

문제 정의

직류의 효용성을 검증하기 위해서는 수용가에 사용되는 전기설비를 모두 직류에 적합하도록 구성하고 이를 전체 시스템 측면에서 관련 효율성과 안정성을 검증해 나가야 하므로 관련 실증사업에서는 역시 요소기술에 대한 연구를 병행해나가고 있다. 본 고에서는 현재 당연 구원에서 수행하는 데이터 센터의 직류배전과 직류 홈에 대한 연구과제에서 직류 공급 설비와 실제 시스템을 구축하고 시험하기 위해 개발하는 각종 요소기술 내용과 실증 등에 대해 간략히 다루고자 한다.
이미 직류송전에 대한 연구는 국내외에 이미 활발히 이뤄지고 있으므로 향후, 직류수용가와 직류배전망 그리고 직류송전이라는 전체적인 직류망이 구축되는 시대의 도래도 기대해 볼 수 있다. 본고에서는 당 연구원에서 수행하는 사업 위주로 설명을 하였으며 전력전자 기술 중심으로 직류에서의 요소 기술과 개발 가능성을 살펴보았다. 이미, 수용가의 직류화는 기술적인 부분보다는 신뢰성과 안전의 문제가 확보되면 언제든 보급 가능함을 알 수 있으며 앞으로, 수용가 내부와 외부에서의 직류화가 성공적으로 이뤄지기 위해서는 전력전자 측면에서 장치의 효율화와 신뢰성 개선은 물론, 사용자의 안전과 그리드 측면에서의 인프라 경제성과 효용성을 입증하기 위한 연구가 수행되어야 할 것이다.

제안 방법

필요 전력용량을 산정하였다. 32평 아파트의 입력설비용량을 기준으로 할 때 통상적으로 산정하는 4.5kW의설비에 보다 큰 수용가까지 확장할 수 있도록 병렬구성이 가능하도록 하였다. 전력선은 옥내 배선 규정에 따라 2% 강하이내로 설계 하였으며 60m 이하의 배선을 상정하고 주택용에서는 배전반 시작점과 콘넥터 부분 그리고 기기별 케이블에 대해 설계치를 두고 이에 적합한 전선을 사용하도록 하였다.
최적화가 필요하다. 개발 과제에서는 브릿지리스 역율보상회로와 SiC 소자 그리고 공진형 컨버터를 이용하여 효율의 극대화가 되도록 구성하였으며 그림 2에서 나타낸 바와 같이 양방향 컨버터는 어느 방향으로든 대칭인 구조가 되도록 하여 전력흐름 방향과 관계없이 동일한 효율 특성이 얻어지도록 구성하였다.
일본 후지츠에서는 마그네트와 스위치를 이용한 독자적인 직류 콘센트 구조를 만들기도 했다. 과제에서는 반도체 스위치를 이용하는 방식으로 소규모 수용가의 전류에 무리 없이 사용 가능한 구조를 개발하였다. 콘센트에 누설 전류 감지기능을 구현하도록 역시 개발하고 있다.
과제에서는 직류 차단은 기존의 교류차단기를 활용하였으며 직류 사용을 위한 특성을 참조하여 3극 결선으로 구성하였다. 또한 직류 수용가에서 기기에 직류를 연결할 플러그와 콘센트의 구조 역시 중요한데 직류에서 발생하는 아크의 소멸을 빠르게 해 줄 기술이 필요하다.
부하용 직류 전원은 데이터센터와 주택용으로 380V와 300V 에 대해 단출력과 다출력을 얻는 전원을 구성하였으며 경부하와 전부하에서 90%이상의 효율을 얻도록 설계하였다. 다음은 데이터센터 용도의 개발 서버전원의 개요도이며 LLC 컨버터와 VRM 구조를 통해 전원을 구성하였다.
있다. 데이터센터에서는 단방향 전원장치로 구현하였으며 19인치 랙에 장착되고 입력과 출력이 절연될 수 있도록 하기 위하여 교류.직류 변환 역율 보상장치와 고주파 직류-직류변환장치를 가지는 이단 시스템으로 구성하였다.
반면에 주택용은 주택에서 사용하는 전력용량 산정 방식을적용하여 필요 전력용량을 산정하였다. 32평 아파트의 입력설비용량을 기준으로 할 때 통상적으로 산정하는 4.
LED 전원은 칩형 모듈 전원을 통해 간단히 구성하는 방식과 커패시터리스 구조의 전원을 개발하여 소용량에서 대 용량까지 적 용가능하도록 개 발하였다. 부하용 직류 전원은 데이터센터와 주택용으로 380V와 300V 에 대해 단출력과 다출력을 얻는 전원을 구성하였으며 경부하와 전부하에서 90%이상의 효율을 얻도록 설계하였다. 다음은 데이터센터 용도의 개발 서버전원의 개요도이며 LLC 컨버터와 VRM 구조를 통해 전원을 구성하였다.
역시 , 주택용에서는 신재생과 전력저장장치의 용량 설계를 하였으며 2시간의 전력용량을 공급할 수 있도록 태양광은 9kWh의 발전량을 설계 하였고 저장장치 역시 리튬배터리를 이용하여 2시간을 공급하도록 설계하였다. 배터리는 72cell * 12병렬 구조를 통해 동작 전압범위가 266V ~ 302.
5kW의설비에 보다 큰 수용가까지 확장할 수 있도록 병렬구성이 가능하도록 하였다. 전력선은 옥내 배선 규정에 따라 2% 강하이내로 설계 하였으며 60m 이하의 배선을 상정하고 주택용에서는 배전반 시작점과 콘넥터 부분 그리고 기기별 케이블에 대해 설계치를 두고 이에 적합한 전선을 사용하도록 하였다. 전력선의 임피던스와 전원의 임피던스에 의한 영향은 선로가 수용가내에서는 영향을 줄만큼 길지 않아서 큰 문제를일으키지는 않았다.
전력공급이 이뤄지도록 한다. 전체 시스템은 가정용 전력 설비를 기준으로 구성하고 용량 증대를 고려해서 전원 장치는 병렬 확장이 되도록 구성하였다. 그리고 전력설비의 전체 시스템 구성을 통해 부하와 전력원의 통합 제어 및 직류 연계 시험을 해 나갈 계획이다.
주택의 부하용 설비에서는 먼저, 가전을 직류에 적합하도록 구조변경을 하였으며 5대 가전인 에어콘, 세탁기, 냉장고, TV, PC에 대해 직류화를 하였다. 다음은 구조변경을 한 개요도이다.
데이터센터에서는 단방향 전원장치로 구현하였으며 19인치 랙에 장착되고 입력과 출력이 절연될 수 있도록 하기 위하여 교류.직류 변환 역율 보상장치와 고주파 직류-직류변환장치를 가지는 이단 시스템으로 구성하였다.

대상 데이터

이외에 부하용 직류-직류전원을 개발하여 조명과 PC 등에 사용할 수 있는 전원을 역시 구성하였으며 조명은 LED를 기준으로 전원을 구성하였다. LED 전원은 칩형 모듈 전원을 통해 간단히 구성하는 방식과 커패시터리스 구조의 전원을 개발하여 소용량에서 대 용량까지 적 용가능하도록 개 발하였다.

후속연구

가전에서 직류에 적합한 최적의 부품과 전용전원을 개발하여 탑재하는 것은 향후, 직류시장이 열릴 경우에 추가적으로이뤄져야 할 부분으로 판단된다.
그렇지만 기존에 구축된 교류배전시스템이 직류화되기 위해서는 앞으로 많은 시간과 노력이 필요할 것으로 보이며 무엇보다 직류배전에 대한 필요성이 보다 높아져야 할 것으로 사료된다. 최근에 1500V를 기준으로 LVDC와 HVDC의 기준점을 나누는 것으로 일부 논의가 이뤄지고 있으며 이를 기준으로 향후 전망과 방향을 다음과 같이 구분하였다.
전력선의 임피던스와 전원의 임피던스에 의한 영향은 선로가 수용가내에서는 영향을 줄만큼 길지 않아서 큰 문제를일으키지는 않았다. 그리고 부하 측의 사고에 의한 직류 급전설비의 영향성은 향후 보다 연구되어야 할 부분이다.
전체 시스템은 가정용 전력 설비를 기준으로 구성하고 용량 증대를 고려해서 전원 장치는 병렬 확장이 되도록 구성하였다. 그리고 전력설비의 전체 시스템 구성을 통해 부하와 전력원의 통합 제어 및 직류 연계 시험을 해 나갈 계획이다.
기존의 주상 변압기를 대신하여 직류를 변환 및 전송할 시스템이 구축되어야 하며 역시 실증사업을 통한 검증과 관련 규격의 확립이 필요하다. 다만, 기존의 직류 송전 기술이 전압형으로 점차 개발 되고 있는 현실을 감안하면 직류 송전기술의 요소기술과 수용가 직류화 기술을 이용하여 관련 기반 기술을 확보하는 것이가능해질 것으로 예상된다. 앞으로 소규모 수용가 단지에 직류 배전기술이 적용되기 위해서는 기존 인프라를 대체할 기술뿐만 아니라 관련 이해와 표준이 확보되어야 할 것이다.
다만, 기존의 직류 송전 기술이 전압형으로 점차 개발 되고 있는 현실을 감안하면 직류 송전기술의 요소기술과 수용가 직류화 기술을 이용하여 관련 기반 기술을 확보하는 것이가능해질 것으로 예상된다. 앞으로 소규모 수용가 단지에 직류 배전기술이 적용되기 위해서는 기존 인프라를 대체할 기술뿐만 아니라 관련 이해와 표준이 확보되어야 할 것이다.
본고에서는 당 연구원에서 수행하는 사업 위주로 설명을 하였으며 전력전자 기술 중심으로 직류에서의 요소 기술과 개발 가능성을 살펴보았다. 이미, 수용가의 직류화는 기술적인 부분보다는 신뢰성과 안전의 문제가 확보되면 언제든 보급 가능함을 알 수 있으며 앞으로, 수용가 내부와 외부에서의 직류화가 성공적으로 이뤄지기 위해서는 전력전자 측면에서 장치의 효율화와 신뢰성 개선은 물론, 사용자의 안전과 그리드 측면에서의 인프라 경제성과 효용성을 입증하기 위한 연구가 수행되어야 할 것이다.择
접지기술은 아직 직류 수용가에 대해 정확한 표준안이 역시마련되어 있지 않으며 이에 대한 연구가 역시 향후 필요할 것으로 보인다.
고임피던스 접지를 하고 있다. 접지에 대한 영향 분석을 역시 검토하였으며 인체안전성에서는 IT 접지가 우수하지만 누설이나 지락에 대한 검출을 효과적으로 할 수 있는 설비가 갖춰져야 할 것으로 판단된다.
다만, 디지털 부하가 급속히 증가하고 신재생 에너지원의 수요가 점차 커지면서 직류 전력시스템에 대한 필요성도 점차 커지고 있는 게 현실이다. 지난 세기동안 구축된 전력인프라와 이의 이용기술을 모두 바꾸는 게 쉽지 않으므로 점진적인 소규모 사이트에서의 적용과 이의 효용성을 입증 한 후에 점차 적용 분야가 확대될 것으로 기대된다. 교류에 비해 직류 전력 시스템이 가지는 우수한 장점은 익히 알려진 대로 수용가 측의 효율성 개선과 신뢰성의 향상으로 압축할 수 있다.
현재의 수용가내 직류배전 연구를 넘어서 수용가 외부의 직류배전에 대한 연구도 앞으로 점차 이뤄질 것으로 보인다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

수용가 직류배전 요소기술 개발 및 실증 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

후속연구

참고문헌 (3)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

수용가 직류배전 요소기술 개발 및 실증 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

후속연구

참고문헌 (3)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper