---
title: Chapter 3
description: 
published: true
date: 2026-05-12T08:59:11.347Z
tags: 
editor: markdown
dateCreated: 2026-05-12T08:59:11.347Z
---

# 3. 열악한 AC 전원 환경 대응 충전 전략

## 3.1 선박 AC 전원의 약계통 특성 및 전력 품질 문제

### 3.1.1 현행 선급 규정의 한계

IEC 60092-501 및 IEC 60092-101은 선박 전력 계통의 고조파 왜곡에 대해 정상 상태 기준으로 단일 고조파 5% 이하, THD 8% 이하의 요건을 규정하고 있다 [3][6]. 그러나 이는 AC 전원이 정상 상태에서 동작할 때를 기준으로 한 규정이며, 부하 변동이나 약계통 조건에서 발생하는 비정상적인 전압 환경에서의 충전 전류 품질 관리에 대한 구체적인 기준은 존재하지 않는다. 특히 KR 강선규칙에는 고조파 왜곡에 관한 명시적 규정이 부재한 것으로 알려져 있어 [X], 실제 운용 환경과의 괴리가 존재한다.

전기추진선박의 보급 확대에 따라 대용량 전력 컨버터의 사용이 증가하고, 다양한 항만 환경에서의 Shore Power 수전이 일반화됨에 따라 비정상 AC 입력 환경에서의 전력 품질 관리 필요성이 높아지고 있다. 이하에서는 선박 발전기와 Shore Power 각각에서 비정상 전압이 발생하는 양상을 구체적으로 살펴본다.

### 3.1.2 선박 발전기의 전압 특성

선박 전력 시스템은 외부 계통의 지원 없이 독자적으로 운용되는 독립 마이크로그리드(Island Mode)로, 계통 연계 환경과 근본적으로 다른 전압 특성을 나타낸다. 선박 발전기의 과도 리액턴스(X"d)는 동일 용량의 계통 변압기 임피던스 대비 5~100배에 달하는 것으로 알려져 있으며 [X], 비선형 부하가 주입하는 고조파 전류(I_h)는 발전기 단자 전압에 다음과 같이 전압 왜곡을 유발한다.

> V_h = I_h × X"d

동일한 고조파 전류가 흐르더라도 X"d가 클수록 단자 전압 왜곡이 크게 나타나며, 발전기 용량 대비 비선형 부하 비율이 높을수록 V-THD는 급격히 증가한다. 6-pulse 정류기 부하에서 주로 발생하는 고조파 차수는 5, 7, 11, 13차(6k±1 법칙)이며, 이론적 크기는 5차 약 20%, 7차 약 14%에 달한다 [X].

전압 강하(Voltage Sag) 측면에서도 독립 마이크로그리드는 불리하다. 부하 투입 시 초기 강하 구간은 X"d에 지배되며, 계통 단락 용량에 의해 빠르게 회복되는 계통 연계 환경과 달리 발전기 AVR(자동전압조정기) 단독으로 전압을 회복해야 하므로 회복 속도가 제한된다.

(XXX 그림: 선박 발전기 비선형 부하 투입에 따른 단자 전압 및 V-THD 변동 특성)

### 3.1.3 Shore Power의 전력 품질 문제

항만 육상 전원(Shore Power)은 계통에 연계된 전원이지만, 소규모 항만이나 노후 설비에서는 계통 임피던스가 높은 약계통(Weak Grid) 특성을 나타낸다. 약계통에서는 비선형 부하가 주입하는 고조파 전류가 계통 임피던스와 결합하여 PCC(공통 연결점) 전압을 왜곡시킨다. 주목할 점은, 계통 임피던스(Z_grid)가 증가할수록 부하 전류의 고조파 성분(I-THD)은 오히려 감소하는 경향이 있으나, 전압 고조파(V-THD)는 증가한다는 것이다 [X]. 즉 전류 품질이 기준을 만족하는 조건에서도 전압 품질이 저하될 수 있어, 전류 기준만을 규정하는 현행 규정의 한계가 드러난다.

전압 강하 측면에서도, 약계통에서는 부하 투입만으로도 심각한 Sag가 유발될 수 있으며 회복 속도가 느리다. 실제 발생 빈도가 가장 높은 유형은 선간 또는 지락 고장에 의한 비대칭 Sag로, Sag 발생 시 전압 위상각 변화(Phase Angle Jump)를 동반하는 경우가 있어 위상 동기(PLL) 기반 제어에 추가적인 교란을 줄 수 있다 [X].

(XXX 그림: 약계통 Shore Power의 전압 파형 및 V-THD / Voltage Sag 특성 예시)

---

## 3.2 비정상 AC 입력 환경이 DC 버스에 미치는 영향 분석

### 3.2.1 V-THD가 I-THD에 미치는 영향 메커니즘

AC 입력 전압의 고조파 왜곡(V-THD)은 인버터의 AC-DC 정류 동작에서 전류 파형을 왜곡시켜 전류 고조파(I-THD)를 악화시킨다. 정상적인 정현파 전압이 입력될 때 전류 제어기는 정현파 전류 파형을 추종하도록 동작하지만, 입력 전압에 고조파 성분이 포함되면 전압 왜곡이 전류 제어의 기준신호 및 피드포워드 경로에 영향을 미쳐 전류 파형을 왜곡시킨다. 이렇게 왜곡된 전류는 DC 링크로 전달되어 DC 버스 전압 리플을 증가시키고, 결과적으로 배터리 충전 전류의 품질을 저하시킨다.

전압 강하(Voltage Sag)가 발생하는 경우에는, 입력 전압이 낮아진 상황에서 동일한 충전 전력을 유지하려면 더 많은 전류를 뽑아야 하므로 전류 제어기의 부담이 증가한다. 적절한 제어 전략이 없을 경우 충전 전류가 불안정해지거나 충전이 중단될 수 있으며, 제어기가 과도하게 반응하면 I-THD가 악화된다.

(XXX 그림: 정상 AC 입력과 V-THD가 높은 AC 입력에서의 전류 파형 비교 개념도)

### 3.2.2 시뮬레이션을 통한 영향 확인

3.2.1에서 기술한 메커니즘이 실제로 문제가 될 수 있는 수준인지 시뮬레이션으로 확인한다. 제어 전략을 적용하지 않은 기본 동작 조건에서 V-THD가 높은 AC 입력 환경 및 Voltage Sag 조건을 인가하여, DC 버스 전압 리플 및 I-THD의 변화를 정량적으로 파악한다. 이 결과는 3.3절에서 제어 전략을 제안하는 근거로 활용된다.

시뮬레이션 조건은 다음과 같다. V-THD는 IEC 60092-101 허용 기준(8%)을 초과하는 수준으로 설정하며, Voltage Sag는 정격 전압의 (XXX)% 수준으로 설정한다.

(XXX 표: 시뮬레이션 조건 및 파라미터)

(XXX 그림: V-THD 조건별 I-THD 및 DC 버스 전압 리플 시뮬레이션 결과 — 제어 전략 적용 전)

(XXX 그림: Voltage Sag 조건에서의 충전 전류 및 DC 버스 전압 변동 시뮬레이션 결과 — 제어 전략 적용 전)

---

## 3.3 I-THD 억제 및 Voltage Sag Ride-Through 제어 전략

### 3.3.1 제어 전략 개요

본 연구에서는 열악한 AC 전원 환경에서의 I-THD 억제 및 Voltage Sag Ride-Through를 위해 PI 컨트롤러를 기반으로 한 변형된 제어 방법을 적용한다. 기존 PI 제어기는 직류 성분의 정상 상태 오차를 제거하는 데 효과적이나, 고조파 성분과 같은 교류 성분의 추종 성능이 제한적이다. 본 연구에서 제안하는 변형된 제어 방법은 이러한 한계를 개선하여 비정상 AC 입력 환경에서도 전류 품질을 유지할 수 있도록 한다.

(XXX 그림: 제안하는 충전 전략 전체 제어 블록 다이어그램)

### 3.3.2 제어기 설계

(XXX 그림: 제안하는 변형 PI 제어기 구조 상세 블록 다이어그램)

제어기 설계의 주요 고려사항은 다음과 같다. 첫째, V-THD가 높은 환경에서 전류 추종 성능을 유지하기 위한 대역폭 설계. 둘째, Voltage Sag 발생 시 충전 연속성을 유지하기 위한 전압 강하 감지 및 전류 지령 조정 로직. 셋째, 정상 상태 회복 후 원활한 충전 복귀를 위한 전환 로직.

(XXX 표: 제어기 파라미터 설계값)

### 3.3.3 Voltage Sag Ride-Through 동작

Voltage Sag 발생 시 제어기는 다음과 같이 동작한다. 입력 전압이 설정 임계값 이하로 강하하면 Sag 발생을 감지하고, 전류 지령을 조정하여 DC 링크 전압을 허용 범위 내로 유지한다. Sag 구간에서는 충전 전력을 감소시키더라도 충전 연결을 유지(Ride-Through)하며, 전압이 회복되면 정상 충전 모드로 복귀한다.

(XXX 그림: Voltage Sag Ride-Through 동작 순서도)

---

## 3.4 소결

본 장에서는 선박 발전기 및 Shore Power의 약계통 특성으로 인한 V-THD 문제를 분석하고, 비정상 AC 입력 환경에서 충전 시 I-THD가 악화되고 DC 버스 전압 리플이 증가하는 문제를 시뮬레이션으로 확인하였다. 이를 해결하기 위해 PI 컨트롤러 기반의 변형된 제어 전략을 제안하였으며, 실험 검증 결과는 4장에서 기술한다.

---

## 참고문헌

[3] IEC 60092-501:2013, *Electrical installations in ships – Part 501: Special features – Electric propulsion plant*, IEC, Geneva.

[6] IEC 60092-101, *Electrical installations in ships – Part 101: Definitions and general requirements*, IEC, Geneva.

[X] ⚠️ 선박 발전기 임피던스 특성 관련 문헌 — 확인 필요.

[X] ⚠️ Shore Power 전력 품질 문제 관련 문헌 — 확인 필요.

[X] ⚠️ KR 고조파 규정 공백 관련 문헌 — 확인 필요.