이 글은 다중 모듈 병렬 제어, 250kW ESS 드룹 이득과 순환 전류 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 250kW ESS 다중 모듈 병렬 시스템의 구성과 순환 전류 발생 원인, 순환 전류 억제를 위한 드룹 제어 원리와 등가 임피던스 해석을 다룹니다.
250kW ESS 다중 모듈 병렬 시스템의 구성과 순환 전류 발생 원인
대용량 에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System)는 계통 연계의 안정성과 전력 품질을 유지하기 위해 높은 출력과 신뢰성을 요구받습니다. 250kW급 전력변환 시스템을 단일 대용량 변환기로 구성하기보다 50kW급 전력변환 모듈 5대를 병렬로 결선하여 구성하면 모듈의 고장 시에도 잔여 모듈로 운전을 지속할 수 있어 가동률과 유지보수 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이때 모든 모듈은 정격 750V의 직류 공통 모선(DC Bus)에 병렬로 연결되어 부하 전류를 균등하게 분담해야 합니다. 그러나 실제 시스템에서는 모듈별 배선 길이 차이로 인한 선로 저항의 불일치와 전압 센서의 측정 오차, 기준 전압의 미세한 편차가 필연적으로 발생합니다.
다중 모듈이 공통 모선에 직결된 구조에서 두 모듈 간의 출력 전압 차이가 존재하면, 부하로 공급되지 않고 모듈 사이를 맴도는 순환 전류(Circulating Current)가 형성됩니다. 모듈 1과 모듈 2의 개방 회로 출력 전압을 각각 V_o1, V_o2라 하고 각 모듈의 선로 저항을 R_line1, R_line2라 할 때, 모듈 간 순환 전류는 옴의 법칙에 따라 다음과 같이 유도됩니다.
식 (1)에서 ΔV_o는 두 모듈 간의 전압 편차이며, 두 모듈의 선로 저항이 R_line으로 동일하다고 가정할 때의 관계를 나타냅니다. 일반적인 250kW ESS 설치 환경에서 모듈과 공통 모선 간의 선로 저항 R_line이 0.01Ω(10mΩ) 수준이라고 가정할 때, 전압 센서의 측정 산포나 기준 전압 불일치로 인해 단 1.5V(정격 전압 750V의 0.2%)의 전압 편차만 발생해도 순환 전류는 75A에 달하게 됩니다. 이는 50kW 단위 모듈의 정격 전류인 66.67A를 초과하는 수치입니다. 이처럼 순환 전류를 제어하지 않으면 특정 모듈에 전류 불평형이 발생하여 과전류 보호 계전기가 동작하거나 전력변환 소자의 열적 파괴를 초래하므로 정밀한 병렬 제어 루프 설계가 필수적입니다.
순환 전류 억제를 위한 드룹 제어 원리와 등가 임피던스 해석
다중 모듈 병렬 시스템에서 순환 전류를 억제하고 전류 분담을 균등하게 달성하는 대표적인 제어 기법은 드룹 제어(Droop Control)입니다. 드룹 제어는 모듈 간 고속 통신선 없이도 국소 제어기에서 측정된 출력 전류에 비례하여 기준 전압을 의도적으로 낮추는 가상 저항(Virtual Resistance) 방식입니다. 통신 지연이나 통신 장애에 영향을 받지 않으므로 높은 신뢰성을 보장합니다. 직류 공통 모선 환경에서 각 모듈의 전압 제어기 기준 전압 특성식은 다음과 같이 정의됩니다.
식 (2)에서 V_nom은 무부하 시의 공통 모선 공칭 전압이며, R_d는 드룹 제어의 기울기를 결정하는 가상 저항값입니다. I_o_i는 각 모듈의 출력 전류를 나타냅니다. 출력 전류가 증가할수록 전압 지령값이 감소하므로, 더 많은 전류를 출력하는 모듈은 스스로 기준 전압을 낮추어 출력을 줄이고, 적은 전류를 출력하는 모듈은 상대적으로 높은 기준 전압을 유지하여 출력을 늘리는 자율적 부귀환 메커니즘이 작동합니다.
선로 저항 R_line_i를 포함하여 공통 모선 단자에서 바라본 모듈 i의 단자 전압 방정식은 다음과 같이 표현됩니다.
식 (3)에서 확인할 수 있듯이, 제어기 내부의 드룹 이득 R_d는 물리적인 선로 저항 R_line_i와 직렬로 더해져 등가 출력 임피던스를 형성합니다. 이에 따라 전압 지령 편차 ΔV_ref가 존재할 때 발생하는 모듈 간 순환 전류는 다음과 같이 변환됩니다.
식 (4)에 따르면 물리적 선로 저항 R_line이 0.01Ω에 불과하더라도, 제어기를 통해 수십 배 큰 가상 저항 R_d를 부여함으로써 순환 전류의 크기를 획기적으로 감쇠시킬 수 있습니다. 즉 드룹 제어는 전압 강하 특성을 활용하여 모듈 간 전압 편차에 둔감한 강인한 전류 분담 성능을 확보합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.