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title: Third_Chapter
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date: 2026-05-12T02:04:12.765Z
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dateCreated: 2026-05-12T02:04:12.765Z
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# 3. 열악한 AC 전원 환경 대응 충전 전략

## 3.1 선박 AC 전원의 약계통 특성 및 전력 품질 문제

### 3.1.1 선박 발전기의 약계통 특성

선박 발전기는 육상 계통에 비해 상대적으로 높은 내부 임피던스를 가지는 약계통(Weak Grid) 특성을 나타낸다. 육상 산업용 전원의 임피던스가 통상 4~6% 수준인 데 반해, 선박 발전기의 임피던스는 15~20%에 달하는 것으로 알려져 있다 [X]. 이러한 약계통 특성으로 인해 부하 변동 시 단자 전압의 변동폭이 크고, 복수의 비선형 부하가 연결될 경우 전압 고조파 왜곡(V-THD)이 현저히 증가한다. 특히 전력 컨버터와 같은 비선형 부하가 선박 발전기에 연결되면 발전기 단자 전압의 왜곡이 심화되며, 이는 다른 부하의 동작에도 영향을 미친다.

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

### 3.1.2 Shore Power의 전력 품질 문제

항만 육상 전원(Shore Power)의 경우에도 소규모 항만이나 노후 설비에서는 전압 강하(Voltage Sag), 전압 고조파(V-THD), 전압·주파수 불일치 등 전력 품질이 열악한 경우가 빈번하다 [X]. 전압 강하는 부하 투입, 계통 고장, 변압기 포화 등 다양한 원인으로 발생하며, 전압이 순간적으로 정격의 10~90% 수준으로 저하되는 현상이다. V-THD는 항만 내 다수의 비선형 부하(정류기, 인버터 등)가 계통에 연결되면서 계통 전압이 왜곡되는 현상으로, 특히 계통 용량이 작은 소규모 항만에서 심각하게 나타날 수 있다.

(XXX 그림: 소규모 항만 Shore Power의 전압 파형 및 THD 측정 예시)

### 3.1.3 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 V-THD 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.

이와 같이 현행 규정이 정상 상태만을 규정하는 이유는, 규정 제정 당시 선박 전원이 비교적 안정적인 환경에서 운용된다는 전제가 있었기 때문으로 볼 수 있다. 그러나 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.

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## 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

V-THD가 높은 AC 입력 환경 및 Voltage Sag 조건에서 충전 시 DC 버스 측에 발생하는 전압 리플 및 전류 왜곡을 시뮬레이션으로 확인한다. 제어 전략 적용 전의 기본 동작을 확인함으로써 문제의 심각성을 정량적으로 파악하고, 이를 개선할 제어 전략의 필요성을 확인한다.

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)

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## 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)

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## 3.4 실험 검증

### 3.4.1 실험 환경 구성

열악한 AC 전원 환경을 재현하기 위해 (XXX) 장비를 활용하여 V-THD 및 Voltage Sag 조건을 인위적으로 생성한다. 실험은 제어 전략 적용 전후를 비교하는 방식으로 진행하며, DC 버스 전압 리플, 입력 전류 파형 및 I-THD를 측정하여 제어 효과를 정량적으로 평가한다.

(XXX 표: 실험 파라미터 및 조건)

(XXX 그림: 실험 환경 구성도)

### 3.4.2 V-THD 환경에서의 I-THD 억제 실험

(XXX) % 수준의 V-THD를 가진 AC 입력 환경에서 충전 실험을 수행하고, 제어 전략 적용 전후의 I-THD 및 DC 버스 전압 리플을 비교한다.

(XXX 그림: V-THD 환경에서 제어 전략 적용 전후 입력 전류 파형 비교)

(XXX 표: V-THD 조건별 I-THD 측정값 및 IEC 60092-101 기준 대비 결과)

### 3.4.3 Voltage Sag Ride-Through 실험

정격 전압의 (XXX)% 수준의 Voltage Sag를 인가하여 충전 연속성 유지 여부를 확인한다. Sag 발생 시 DC 버스 전압 변동, 충전 전류 응답, Sag 회복 후 정상 복귀 동작을 측정한다.

(XXX 그림: Voltage Sag 발생 시 DC 버스 전압, 충전 전류, 입력 전압 파형)

### 3.4.4 선급 THD 요건 만족 확인

실험 결과를 통해 열악한 AC 입력 환경에서도 제안하는 제어 전략 적용 시 IEC 60092-101의 THD 요건(단일 고조파 5% 이하, THD 8% 이하)을 만족함을 확인한다.

(XXX 표: 실험 조건별 I-THD 측정값 요약 및 선급 기준 대비 결과)

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## 3.5 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 제안하고, 실험을 통해 열악한 V-THD 환경 및 Voltage Sag 조건에서도 IEC 60092-101의 THD 요건을 만족하며 안정적인 충전 동작이 유지됨을 검증하였다.

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## 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.