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date: 2026-05-17T14:57:23.533Z
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# 1 서론
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## 1.1 연구 배경
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국제해사기구(IMO)는 2050년까지 국제 해운의 온실가스 순배출 제로(Net-Zero)를 목표로 설정하고, 2025년 4월 MPEC 83에서 선박 연료 기준 및 탄소 가격제를 포함하는 법적 구속력 있는 감축 체계를 승인하였으며 \[9\], 국내에서도 「환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(친환경선박법)」의 시행에 따라 전기추진선박의 도입이 빠르게 확산되고 잇다. 전기추진선박은 기존 디젤 기관을 전동기와 전력변환 장치로 대체함으로써 배출가스를 저감하고 연료 효율을 향상 시킬 수 있어 차세대 친환경 선박의 핵심 기술로 평가받고 있다 \[1\].
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해상에서의 선박의 전력망은 외부 계통의 지원 없이 독자적으로 전력을 생산·공급·제어해야 하는 고립형 마이크로그리드(Isolated Microgrid)로 운용된다. 항해 중 전력 공급이 중단될 경우 추진력과 조타 능력을 상실하며 인명 안전에 심각한 위협이 될 수 있다. 이에 따라 SOLAS(국제해상인명안전협약)에서는 발전기 1기 이상 시에도 추진·조타 전력이 즉시 유지되거나 복구 될것으로 규정하고 있으며 IEC 60092, KR 강선규칙 등에서는 추진용 컨버터·인버터를 포함한 핵심 추진설비 전체를 이중화(Redundancy) 요건으로 구체화하고 있다. \[3\]\[4\]. 한국의 해양수산부「전기추진 선박기준」 고시(2024)를 통해 이러한 이중화 설계를 법적으로 의무화하고 있다 \[5\].
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현행 전기추진 시스템은 시스템 단위의 형식승인 구조를 따르고 있어, 구성 소자의 변경이나 용량 증설 시 제어 로직의 재설계와 통합 재검증이 불가피하다. 이러한 폐쇄적 구조는 선종별 맞춤형 설계에 대한 비유연성 문제를 야기하며, 전력 시스템 제조사간의 ~~~로 인하여 한 선박에 한가지 제조사의 제품만을 사용하여야 하는 문제 등, 장기적 측면에서 선주에게 어려움을 만든다. 이를 해결하기 위하여 모듈화 접근이 연구되어 왔으나, 기존 연구들은 모듈 간 협조 제어를 위해 복잡한 통신 인터페이스, 중앙집중식 제어에 의존하는 경우가 많아 통신 장애 시 시스템 신뢰성이 저하되는 한계가 있다 \[8\]. 또한 각 제조사의 폐쇄적인 설계에 의존하게 되어 시스템 전체의 확장성과 신뢰성을 동시에 확보하는데에 어려움이 있다. 따라서 모듈화 시스템은 통신 의존성을 최소화하는 DC 버스 전압을 모듈간 인터페이스로 활용하여 각 장치가 독립적으로 동작하면서도 시스템 전체의 확장성과 신뢰성을 동시에 확보하는 접근이 요구된다.
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(그림 : 기존 통합형 시스템과 본 연구의 모듈형 시스템 구조 비교도)
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(그림 : 모듈간 병렬 or PLC등을 이용한 중앙 제어 집중식 구조)
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그런데 DC 버스 전압을 제어의 유일한 기준으로 삼는 구조는 DC 링크의 전압 안정성이 곧 시스템 전체의 제어 신뢰성으로 직결되는 특성이 있다. DC 버스 전압의 왜곡이나 맥동은 히스테리시스 밴드 판단과 드룹 제어 신호를 오염시켜 모듈 간 제어 모드 전환의 오작동 및 부하 분담 불안정을 초래할 수 있다. 이는 통신 기반 시스템에서는 상대적으로 완충될 수 있는 문제이나, 제안하는 구조에서는 DC 버스 전압이 유일한 모듈 간 인터페이스이므로 그 영향이 직접적이다. 따라서 DC 링크를 교란하는 외부 요인에 대한 별도의 대응이 필요하다.
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이러한 교란의 주요 원인은 제안하는 시스템만의 문제가 아니라 선박 전원 환경 자체의 특성에 기인한다. 선박 발전기나 육상 전원(Shore Power)은 부하 변동에 따른 전압 강하와 왜곡이 빈번한 약계통(Weak Grid) 특성을 가지며, 이로 인한 비정상적인 AC 입력 전압은 AC 정류기의 전류 제어 성능을 저하시켜 DC 링크 전압 안정성 저하 및 전류 고조파(I-THD) 증가를 초래하고, 이는 배터리 및 전력 기기의 수명 단축과 오작동으로 이어질 수 있다. 그러나 현행 IEC 60092-101, KR 선급 인증을 포함한 해양수산부 전기추진 선박기준 고시에서는 정상 상태 전원 조건에서의 요건을 검증하므로, 비정상 입력 환경에서의 동작은 인증 범위 밖에 놓인다. 이로 인해 인증을 통과한 시스템이 실제 운용 환경에서는 요건을 만족하지 못할 수 있다는 구조적 갭이 존재하며, 이에 대한 제어 전략은 현행 규정과 선행 연구 모두에서 미비한 실정이다. 따라서 모듈화된 전력변환 시스템이 실제 선박 환경에 안정적으로 적용되기 위해서는 이 갭을 메울 수 있는 별도의 대응 전략이 함께 요구된다.
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(XXX 그림: 선박 약계통에서 비정상적인 AC 입력이 미칠 수 있는 영향 개념도)
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## 1.2 연구 목적 및 내용
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본 연구는 위에서 제시한 두 가지 기술적 과제를 달성하기 위해, DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터로 구성된 공유 DC 링크 기반의 모듈형 전력변환 시스템을 제안한다. 실험 플랫폼을 구축하여 시스템의 동작 특성을 시뮬레이션 및 실험으로 검증한다. 본 연구의 주요 내용은 다음과 같다.
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첫째, DC 버스 전압을 모듈간 인터페이스로 활용하여 통신 없이도 운전이 이루어지는 구조의 통신 독립형 모듈식 전력변환 시스템 구조를 제안한다. 이 구조는 통신 버스의 단일 고장점을 제거하며, 모듈의 병렬 확장만으로 이중화 요건을 충족할 수 있다. 제안하는 구조의 동작 특성을 시뮬레이션 및 실험으로 검증한다.
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둘째, DC-AC 정류기에 작용하는 약계통 조건에 대한 안정성 보완 전략을 제안한다. 선박 발전기 및 Shore Power의 약계통 특성으로 인해 충전 모드에서 발생할 수 있는 전압 고조파 왜곡(V-THD), 전압 강하(Voltage Sag), 전압 불평형이 DC 링크 전압의 품질을 저하시킬 수 있음을 분석하고, 변조 계수($m_a$) 기반 전류 제어기를 통해 이를 보완한다. 제안하는 제어기는 적분기 출력을 계통 전압 변동으로부터 구조적으로 분리하며, 실험으로 검증하여 악조건에서 기존 PI 제어기 대비 전압 외란에 대한 내성이 향상됨을 실험으로 확인한다.
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## 1.3 논문 구성
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본 논문의 구성은 다음과 같다.
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2장에서는 DC 링크 전압을 유일한 공유 신호로 삼는 통신 독립형 모듈식 전력변환 시스템의 구조와 협조 운전 메커니즘을 제안하고, 신뢰성 및 모듈성을 분석한다.
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3장에서는 DC-AC 정류기에 작용하는 선박 약계통 특성(V-THD, Voltage Sag, 전압 불평형)이 DC 링크 전압 품질에 미치는 영향을 분석하고, 변조 계수($m_a$) 기반 전류 제어기를 제안한다.
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4장에서는 2장의 모듈형 구조를 실제로 구현하기 위한 설계 파라미터(히스테리시스 임계값, 드룹 계수)의 결정 절차와 가이드라인을 제시하며, 본 연구의 실험 시스템 구성을 기술한다.
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5장에서는 시뮬레이션 및 실험을 통해 2장과 3장에서 제안한 내용을 검증한다. 검증 결과를 종합하고 본 연구의 한계와 향후 연구 방향을 제시한다.
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# 2 통신 독립형 모듈식 전력변환 시스템
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## 2.1 제안 시스템 구성
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제안하는 시스템은 DC 링크를 중심으로 DC-AC 컨버터 모듈과 DC-DC 컨버터 모듈로 구성된다. 각 모듈은 DC 링크 전압만을 관측하며, 별도의 통신 인터페이스를 공유하지 않는다. 이 구조는 Kim et al. \[1\]이 UPS 시스템에서 제시한 "DC 링크 전압 단일 공유 원리"를 선박 DC 배전 시스템에 적용한 것으로, 드룹 제어 \[2\]\[3\]와 히스테리시스 기반 모드 전환 \[4\]을 결합하여 통신 없이 모듈 간 협조 운전을 구현한다.
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(XXX 그림: 제안하는 모듈형 전력변환 시스템 전체 구성도)
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**DC-DC 컨버터 모듈**은 배터리와 DC 링크 사이에서 양방향으로 전력 흐름을 제어한다. DC 링크 전압이 상위 임계값을 초과하면 DC 링크에서 배터리로 전력을 보내는 충전(Buck) 모드로, 하위 임계값 미만으로 강하하면 배터리에서 DC 링크로 전력을 공급하는 방전(Boost) 모드로 전환한다. DC-DC 모듈은 복수 모듈 병렬 운용 시 드룹 제어를 적용하여 전류를 균등 분담한다.
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**DC-AC 컨버터 모듈**은 발전기 또는 Shore Power의 3상 AC 전력을 정류하여 DC 링크로 에너지를 공급하는 역할을 한다. DC-AC 모듈은 양방향 전류 제어가 가능한 PWM 정류기(Active Front End)로 구성되며 본 연구에서는 전기추진선박의 수전 시나리오에 초점을 맞추어 DC-AC 컨버터를 정류기(Rectifier) 모드로 제한시켜 운용한다. DC-AC 모듈은 동작 중 DC 링크 전압을 $V_\text{ref,AC}$ 승압시켜 DC-DC 모듈의 히스테리시스 모드 전환점 $V_H$ 보다 크게 유지함으로써 DC-DC 모듈의 모드 전환을 트리거 한다. DC-AC 모듈은 드룹 계수를 적용하지 않으며, DC 링크 전압을 $V_\text{ref,AC}$에 고정하는 전압 제어만 수행한다.
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본 연구에서는 DC-AC 모듈 1대 운용을 기본 구성으로 가정한다. DC-AC 모듈의 복수 병렬 운전은 별도의 전압 제어 우선순위 또는 드룹 적용 설계가 필요하며, 이는 향후 연구 과제로 남긴다.
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이 구조에서 DC 링크 전압은 모든 모듈이 공유하는 유일한 협조 신호로, 별도의 통신 없이 모듈 간 협조를 가능하게 한다. 그러나 DC 링크 전압이 유일한 협조 신호라는 점은 구조적 취약점이기도 하다. 선박 계통 특성상 Voltage Sag, V-THD, 전압 불평형 등의 외란이 발생할 수 있으며, 이러한 외란이 DC-AC 정류기를 통해 DC 링크 전압을 교란시키면 히스테리시스 모드 전환의 오판과 드룹 전류 분담 오차를 유발할 수 있다. 이 취약점의 대응 전략을 3장에서 제안한다.
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## 2.2 DC-DC 모듈의 히스테리시스 기반 자율 모드 전환
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DC-DC 컨버터 모듈은 DC 링크 전압과 두 임계값($V_{H}$, $V_{L}$)의 대소 관계만으로 동작 모드를 결정한다.
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$$
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\text{동작 모드} = \begin{cases}
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\text{Buck (충전)} & V_\text{bus} > V_{H} \\
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\text{현재 모드 유지} & V_{L} \leq V_\text{bus} \leq V_{H} \\
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\text{Boost (방전)} & V_\text{bus} < V_{L}
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\end{cases}
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$$
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DC-AC 모듈이 정상 운전 중일 때 DC 링크 전압은 $V_\text{ref,AC}$ 로 유지되며 $V_{H}$를 초과하고, DC-DC 모듈은 Buck(충전) 모드로 진입한다. DC-AC 모듈이 정지하거나 전원 이상이 발생하면 DC 링크 전압이 강하하여 $V_{L}$ 미만으로 떨어지고, DC-DC 모듈은 Boost(방전) 모드로 전환한다. 이 전환은 어떠한 통신 신호나 중앙 제어기의 명령 없이 DC 링크 전압 레벨 변화만으로 이루어진다.
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(XXX 그림: DC 버스 전압 레벨에 따른 동작 모드 정의 및 상태 전이도)
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두 임계값 사이의 히스테리시스 밴드는 측정 노이즈에 의한 오전환(Chattering)을 방지하는 동시에, 두 모드가 명확하게 분리되도록 보장한다. 임계값의 설계 가이드라인은 4장에서 다룬다.
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## 2.3 드룹 기반 병렬 전류 분담
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복수의 DC-DC 모듈이 운전될 때, 각 모듈의 출력 전압 기준값을 출력 전류에 비례하여 조정하는 드룹 제어를 적용한다.
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$$V_{\text{ref},i} = V_{\text{ref},0} - R_{d} \cdot I_{o,i}$$
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여기서 $V_{\text{ref},0}$은 무부하 기준 전압, $R_{d}$는 드룹 계수(가상 출력 저항), $I_{o,i}$는 모듈 $i$의 출력 전류이다. 부호 규약은 DC 링크로 전류를 공급하는 방전(Boost) 방향을 양(+), DC 링크에서 전류를 흡수하는 충전(Buck) 방향을 음(−)으로 정의한다. 따라서 Boost 모드에서는 $I_{o,i} > 0$이므로 $V_{\text{ref},i} < V_{\text{ref},0}$이 되어 드룹 특성이 나타나고, Buck 모드에서는 $I_{o,i} < 0$이므로 $V_{\text{ref},i} > V_{\text{ref},0}$가 되어 충전 전류 증가에 따라 기준 전압이 상승한다. 기준 전압이 상승하면 DC 버스 전압과의 차이가 줄어들어 해당 모듈의 충전 전류가 억제되는 방향으로 작용하며, 이것이 Buck 모드에서의 전류 균등 분담 메커니즘이다. 동일한 $R_{d}$를 가진 $n$개 모듈이 병렬 연결되면 공유 DC 링크 전압이 같으므로, 각 모듈의 출력 전류는 자동으로 균등 분담된다.
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$$I_{o,1} = I_{o,2} = \cdots = I_{o,n} = \frac{I_\text{total}}{n}$$
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드룹 제어는 정상 상태 전압 편차를 수반하나, 이 편차는 전압 허용 범위 내로 제한되도록 드룹 계수를 설계함으로써 관리된다. 임계값의 설계 가이드라인은 4장에서 다룬다.
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(XXX 그림: 드룹 제어에 의한 병렬 모듈 전류 분담 개념도)
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## 2.4 동작 시나리오별 동작
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제안하는 구조에서 발생할 수 있는 주요 동작 시나리오는 다음과 같다.
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**시나리오 A — AC 입력 정상, 배터리 충전:** DC-AC 모듈이 AC 전원을 정류하여 DC 링크 전압을 $V_\text{ref,AC}$ 유지함으로써 자연스럽게 $V_H$를 초과, DC-DC 모듈이 이를 감지하여 Buck(충전) 모드로 진입하여 배터리를 충전한다. 복수 DC-DC 모듈이 병렬 운전 시 드룹에 의해 충전 전류가 분담된다.
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**시나리오 B — AC 입력 없음, 배터리 방전:** AC 입력이 차단되면 DC-AC 모듈이 정지하여 DC 링크 전압이 강하한다. $V_L$ 미만으로 전압이 강하하면 DC-DC 모듈이 Boost(방전) 모드로 자율 전환하여 배터리 전력을 DC 링크에 공급한다. 복수 DC-DC 모듈이 병렬 운전 시 드룹에 의해 방전 전류가 균등 분담된다.
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**시나리오 C — AC 입력 전력 품질 저하, DC 링크 전압 불안정:** AC 입력 전원의 전력 품질 저하(전압 왜형, 고조파 유입, 전압 새그)로 인해 DC-AC 모듈의 제어 안정성이 저하되면 DC 링크 전압에 리플 및 변동이 발생한다. 이 때의 트랜지언트 상태에서 DC 링크 전압이 $V_L$ 미만으로 강하하면 DC-DC 모듈에 채터링 현상이 발생하며 전체 시스템 안정성을 저하시킬 수 있다.
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**시나리오 D - 배터리 방전 중 단일 DC-DC 모듈 고장:** 배터리 방전 중 단일 DC-DC 모듈 고장: 배터리 방전(Boost) 모드로 DC-DC 모듈 병렬 운전 중 단일 모듈 고장 시, 정상 모듈은 DC 링크 전압을 기준으로 독립적으로 Boost 모드를 유지하며 드룹에 의해 전체 방전 전류를 분담한다. 통신이나 중앙 제어기의 개입 없이 DC 링크 전압이 정상 범위 내로 유지된다.
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(XXX 그림: 동작 시나리오별 DC 링크 전압 및 모듈 전류 개념도)
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## 2.5 신뢰성 및 모듈성 분석
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기존 통신 기반 병렬 제어 구조에서는 통신 버스 또는 중앙 제어기가 단일 고장점으로 작용한다. 통신 장애 발생 시 전체 시스템의 신뢰성이 저하되거나 고장 복구 전까지 시스템이 기능을 상실할 수 있다. 제안하는 구조에서는 모듈 간 통신 인터페이스에 동작이 종속되지 않으므로, 통신 관련 단일 고장점이 원천적으로 배제된다. DC-DC 컨버터 모듈이 병렬로 구성된 경우, 단일 모듈 고장 시에도 나머지 모듈이 독립적으로 동작하며 통신 장애 상태와 관계 없이 부하를 분담한다. 이는 UPS 시스템에서 검증된 원리 [1]를 선박 전력 시스템에 적용한 것으로, 구체적인 동작은 5장 시뮬레이션에서 확인한다.
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DC-DC 모듈의 추가 및 제거는 출력 전압을 허용 범위 내로 유지하기 위한 드룹 계수의 재설계만으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 특성은 선박의 운용 조건이나 정비 일정에 따른 유연한 시스템 재구성을 가능하게 할 뿐만 아니라, 시스템의 이중화(Redundancy) 구조를 용이하게 구현할 수 있는 기반을 제공한다.
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(XXX 표: 통신 기반 방식 vs. 제안하는 통신 독립 방식 비교)
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## 2.6 소결
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본 장에서는 DC 링크 전압을 모듈 간 인터페이스로 삼아 통신에 종속되지 않고 운전하는 모듈형 전력변환 시스템을 제안하였다. 이 구조는 이 UPS 시스템에서 확립한 DC 링크 단일 공유 원리[1]를 선박 DC 배전 시스템에 적용한 것으로, 히스테리시스 기반 모드 전환과 드룹 기반 병렬 전류 분담을 결합하여 구현된다. 통신 관련 단일 고장점이 구조적으로 배제되며, 모듈의 병렬 확장만으로 이중화 구성을 갖출 수 있는 기반을 제공한다.
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단, DC 링크 전압이 모듈 간 인터페이스라는 점은 구조적 취약점이기도 하다. 선박 계통의 외란이 DC-AC 정류기를 통해 DC 링크 전압을 교란하면 히스테리시스 모드 전환의 오판과 드룹 전류 분담 오차를 유발할 수 있으며, 이에 대한 대응 전략을 3장에서 제안한다.
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