KR100438790B1 - 무효전력 보상기능을 갖는 dc-리액터 타입 고온초전도전류제한기 - Google Patents

무효전력 보상기능을 갖는 dc-리액터 타입 고온초전도전류제한기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기에 관한 것이다. 본 발명을 이용하여 평상시에는 무효전력 보상기능을 수행하게 되고 사고시에는 연속적인 전력공급과 전류제한장치로써 동작할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존의 무치형으로 전류제한이 이루어지는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기에 동일하게 적용될 수 있는 기술이다.
본 발명은 소프트스위칭 회로가 부착된 전류원 PWM 무효전력 보상기를 DC-리액터 타입의 고온초전도 전류제한기에 도입한 구조, 평상시엔 주입전류의 크기와 위상을 직접 제어하여 무효전력을 보상하는 기능을 수행하는 동작, 전원단 사고시 몇주기에 걸쳐 연속적인 전력공급이 가능할 뿐만 아니라 부하단 사고시엔 DC-리액터 타입 전류제한기로써 동작할 수 있는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 제한기는, 부하단 사고시 사고 전류제한 장치로만 동작하는 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기와는 달리, 전원단 사고로 전력공급이 중단되었을 경우, 고온초전도 코일에 저장된 에너지를 부하에 공급할 수 있는 기능과 평상시 무효전력을 보상하는 기능을 수행할 수 있는 멀티기능형 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기이다.

Description

무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기{High-Tc Superconducting Fault Current Limiter of DC-Reactor Type With a Function of the Compensation of Reactive Power}
본 발명은 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기에 관한 것이다.
기존의 고온초전도 전류제한기 중의 하나인 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기는 전력스위치로 구성된 브리지와 초전도 코일을 이용하여 초전도 코일의치를 이용하지 않고 코일의 인덕턴스에 의해 사고전류를 제한하기 때춘에 사고시 급격한 사고전류 증가가 일어나지 않고 반복동작에 따른 고온초전도체의 특성저하가 없으며 사고제거후 복귀특성이 필요치 않아 저항형이나 차폐유도형과 같은치형 고온초전도 전류제한기에 비해 실용화를 위한 연구가 활발하게 이루어져 왔다.
한편, 산업의 발달로 인한 전력수요증가는 비선형부하의 증가로, 계통에 고조파 발생을 증가시키게 되었으며 이로 인해 전원측의 전압을 왜곡시켜 배전선로에 접속되어 있는 다른 부하에 왜곡된 전압을 인가하여 민감한 각종 기기의 빈번한 오동작을 유발시키는 원인들이 되고 있다. 이러한 계통에서 발생되는 전자기적인 간섭과 주파수변동 등을 억제하고 고조과를 감소시킴으로써 전원의 품질을 향상시켜 민감한 전자기기를 보호하고 역률을 개선시켜 고품질의 전력을 수급하기 위한 무효전력 보상장치에 대한 연구가 진행되고 있으며, 중요부하의 증가로 인해, 전원의 고장발생시 즉각적인 전력공급을 위한 무정전 전원공급장치의 중요성도 증가되고 있다.그 중에 하나로, 평상시에 고온초전도 코일에 저장된 에너지를 이용하여 전원단 사고와 동시에 연속적인 전력을 공급하기 위한 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)기기에 대한 연구가 진행되고 있으나, 상기와 같이 사고전류 증가와 무효전력보상기의 중요성이 증가됨에 따라 관련기기들의 연계동작이나 통합된 기기개발이 요구되고 있다.본 발명에서는, DC-리액터 타입의 전류제한기에 사용되는 고온초전도 코일에 흐르는 전류의 위상을 기존의 전력스위치를 이용하여 조절할 경우, 무효전력보상기능을 수행할 수 있으며, 부하단에 사고가 발생할 경우 사고전류를 제한하는 역할과 함께, 전원단 사고로 인해 전력 공급이 중단되었을 경우, 평상시에 초전도 코일에 저장된 전기에너지를 GTO사이리스터와 같은 전력스위치를 인버터로 동작시킴으로써부하에 전력을 연속적으로 공급할 수 있는 새로운 기능을 갖는 DC-리액터형 고온초전도 전류제한기를 제안하고자 한다.
본 발명에서는 무효전력 보상기의 구성요소인 리액터를 DC-리액터 타입전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일로 대체하여 구성할 경우, 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 전류원 방식의 무효전력 보상기가 갖는 리액터 손실을 크게 감소시킬 수 있으며 기존의 DC-리액터 타입 전류제한기의 기능을 확장할 수 있는 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기를 제안하고자 한다.
따라서 제안한 장치를 이용할 경우, 사고시 사고전류 제한기능과 함께 평상시에는 고온초전도 코일에 주입 또는 방출되는 전류의 위상을 보상기 연결점의 전압에 대해 90°앞서거나 뒤지게 제어함으로서 무효전력을 보상하는 기능을 수행할 수 있으며, 전원단 사고시 연속적인 전력공급이 가능하게 된다.
[도 1]은 GTO(Gate Turn off)사이리스터 브리지를 도입한 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구조.
[도 2]는 GTO 사이리스터 브리지를 도입한 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 전원단 사고시 초전도 코일전압(Vcoil), 전류(Icoil) 및 3상 부하전류(Ia_load, Ib_load, Ic_load) 파형.
[도 3]은 전원단 사고시 초전도코일 인덕턴스와 3상 변압기 턴수비에 따른 고온초전도 코일에 도통되는 전류크기 변화. (a)는 턴수비( Np/Ns )가 1인 경우, 초전도코일 인덕턴스 크기에 따른 고온초전도 코일의 전류크기변화를, (b)는 코일 인덕턴스(Lcoil)가 1.2 [H]인 경우, 3상 변압기 턴수비에 따른 고온초전도 코일의 전류크기변화를 보여주는 곡선.
[도 4]는 GTO 사이리스터 브리지를 도입한 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 부하단 사고시 초전도 코일전압(Vcoil), 전류(Icoil) 및 3상 부하전류(Ia, Ib, Ic) 파형.
[도 5]는 부하단 사고시 초전도코일 인덕턴스와 3상 변압기 턴수비에 따른 고온초전도 코일에 도통되는 전류크기 변화. (a)는 턴수비( Np/Ns)가 1 인 경우, 초전도코일 인덕턴스 크기에 따른 고온초전도 코일의 전류 크기변화를, (b)는 코일인덕턴스(Lcoil)가 1.2 [H]인 경우, 3상 변압기 턴수비에 따른 고온초전도코일의 전류크기변화를 보여주는 곡선.
[도 6]은 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 스위치 및 FR(Fast Recovery)다이오드와 에너지저장용 리액터로 구성된 전류원 무효전력 보상기.
[도 7]은 전류원 무효전력 보상기의 동작을 위한 스위치의 게이트 발생신호(Sg).
[도 8]은 전류원 무효전력 보상기의 단상등가회로.
[도 9]는 전류원 무효전력 보상기의 주입전류(Icm)와 보상기 양단전압(VT)의 위상차에 따른 유무효전력의 관계.
[도 10]은 전류원 무효전력 보상기의 전원전압(Va)에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화에 따른 코일전류(Icoil)파형. (a)는 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상 차가 -80°에서 +80°로 변화되는 경우의 코일전류(Icoil)파형, (b)는 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상 차가 +80°에서 -80°로 변화되는 경우의 코일전류(Icoil)파형.
[도 11]은 본 발명에서 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구조.
[도 12]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 전원전압(Va)에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(+80°→ -80°)와 사고발생에 따른 전압, 전류 파형. (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원 단 a상 전류(Ia)파형, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한 기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형.
[도 13]은 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기의 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(-80°→ +80°)와 사고발생에 따른 전압, 전류 파형. (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한 기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형.
[도 14]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기의 사고발생후 사고제거와 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(+80°→-80°→+80°)에 따른 전압, 전류 파형. (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류 제한기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형.
[도 15]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기의 사고발생후 사고 제거와 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(-80°→+80°→-80°)에 따른 전압, 전류 파형. (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형.
[도 16]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기에, 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단의 소프트스위칭 동작을 위한 보조회로(S7, S8, D7, D8, Lr, Cr)를 추가하여 구성한 회로.
＜ 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 ＞
Th1~Th6 : 삼상 GTO 사이리스터
Vcoil: 고온초전도 코일전압
Icoil: 고온초전도 코일 도통전류
Ia_load: a상 부하전류
Ib_load: b상 부하전류
Ic_load: c상 부하전류
Ia, Ib, Ic: a상, b상, c상 전류
Np: 삼상 변압기 1차측 턴수
Ns: 삼상 변압기 2차측 턴수
Va, Vb, Vc: a상, b상, c상 전원전압
Lf: 무효전력 보상기 입력단 필터용 인덕턴스
Cf: 무효전력 보상기 입력단 필터용 커패시턴스
Icm: 보상기로 유입되는 a상 전류
S1 ~ S6 : 삼상 전력용 IGBT 스위치
D1 ~ D6 : FR(Fast Recovery) 다이오드
Ac: 캐리어 신호의 진폭
Ar: 기준 신호의 진폭
Sg: 삼상 전력용 IGBT 스위치의 게이트 신호
T : 스위칭주기
Vs: 단상 전원전압
Zs: 단상 전원측 임피던스
VT: 보상기 양단전압
Th1 ~ Th6 : 삼상 사이리스터
Lcoil: 고온초전도 코일의 인덕턴스
Icoil_cm: 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류
Icoil_rct: 전류제한기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류
La, Lb, Lc: 삼상 선로 임피던스
Lr: 보조 인덕턴스
Cr: 보조 커패시턴스
D7, D8 : 보조 다이오드
S7, S8 : 보조 스위치
ILr: 보조 인덕턴스에 흐르는 전류
본 발명에 의한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류 제한기의 구성은 다음과 같다. 즉 삼상 교류전원(Va, Vb, Vc)과,
삼상 선로 임피던스(La, Lb, Lc)와,
삼상 부하로 구성된 계통선로와,
상기 삼상 교류전원과 선로 임피던스사이에서 분기되어 직렬 연결되는 저역통과 필터용 인덕턴스(Lf)와,
상기 저역통과 필터용 인덕턴스(Lf)와 직렬 연결되며 하나의 모듈에 FR(Fast Recovery)다이오드(Dl ~ D6)를 포함하는 전력용 스위치(S1 ~ S6)로 구성된 3상 브리지회로와,
상기 저역 통과 필터용 인덕턴스(Lf)와 상기 전력용 스위치로 구성된 3상 브리지 회로 사이에서 분기되어 연결되는 저역 통과 필터용 커패시터(Cf)와,
상기 전력용 스위치로 구성된 3상 브리지회로의 출력단에 연결되는 무효전력보상용 리액터를 대신할 고온초전도 코일(HTSC Coil)과,
상기 선로 임피던스와 삼상 부하사이에 1차측이 직렬 연결된 삼상 변압기와,
상기 삼상 변압기 2차측과 연결되며 평상시엔 상기 고온초전도 코일에 일정한 DC전류를 공급하고 사고시엔 상기 삼상 변압기 2차측에 유기된 전압으로 인해 증가 또는 감소되는 2차측 전류를 공급하기 위한, 사이리스터로 구성된 삼상 브리지 회로를 포함하여 구성된다.
이때, 고온초전도 코일과 연결된 전력용 스위치의 펄스폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)스위칭기법을 이용하여 제어함으로서 평상시에, 상기 계통선로에 무효전력을 보상할 수 있고, 사이리스터로 구성된 삼상 브리지회로의 도통각을 제어함으로서 사고시, 선로전류의 크기를 제어할 수 있다.
첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 상세 설명은 다음과 같다.
[도 1]은 GTO 사이리스터 브리지를 도입한 기존의 변형된 DC 리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구조로서, 평상시에 고온초전도 코일에 흐르는 전류는 일정한 DC전류가 도통되므로 삼상 변압기 1, 2차측 전압은 0 [V]가 되며, 전원단에 개방사고 발생시 고온초전도 코일에 저장된 에너지를 GTO 사이리스터(Th1～Th6)의 동작에 의해 부하에 연속적인 전력을 공급할 수 있을 뿐 아니라 부하단에 단락사고 발생시엔, 고온초전도코일에 도통되는 전류로 인해 전류제한이 가능하게 된다.
[도 2]는 GTO 사이리스터 브리지를 도입한 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 2[s] 시간에, 전원단 개방사고시 초전도코일 전압(Vcoil), 전류(Icoil) 및 3상 부하전류(Ia_load, Ib_load, Ic_load)파형을 보여주며, 사고전에는 고온초전도 코일에 일정한 DC전류가 도통되고 있으며 이로 인해 코일 양단전압은 0[V]가 되는 것을 확인할 수 있다. 사고 발생후에는 부하로 전력공급이 이루어져 코일에 도통되는 전류가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이때, GTO 사이리스터로 구성된 브리지회로의 동작을 인버터로 동작시킴으로서 부하에 연속적인 전력을 공급할 수 있게 된다.
[도 3]은 전원단 개방 사고시 초전도코일 인덕턴스(Lcoil)와 3상 변압기 턴수비( Np/Ns)에 따른 고온초전도 코일에 도통되는 전류크기 변화를 비교한 곡선으로, (a)는 턴수비가 1인 경우, 초전도코일 인덕턴스값에 따른 고온초전도 코일의 전류크기변화를, (b)는 코일 인덕턴스값이 1.2 [H]인 경우, 3상 변압기 턴수비에 따른 고온초전도 코일의 전류크기변화를 비교한 곡선이다. [도 3a]에서 보는 바와 같이, 사고 전에는 코일 인덕턴스의 크기에 관계없이 8.8 [A]의 일정한 전류가 도통되고 있으나 사고후에는 코일 인덕턴스값이 클수록 서서히 감소되는 것을 볼 수 있다. 이는 사고전에 코일 인덕턴스의 크기에 비례하는 에너지가 코일에 저장되므로 전력이 중단될 동안 부하에서 필요한 전력을 고온초전도 코일에서 공급하고 있음을 의미한다. 삼상 변압기 1, 2차 코일 턴수비에 따른 사고발생후 초전도코일에 도통되는 전류의 크기변화를 보여주는 [도 3b]에서는 턴수비가 큰 경우(Np/Ns=2)의 사고 전 도통전류가 17.64[A]로, 턴수비가 작은 경우(NP/Ns=0.5)의 도통전류(4.42[A])보다 4배 가량 크게 나타남을 볼 수 있다. 그러나 사고 후엔 턴수비가 큰 경우의 도통전류가 1주기, 3주기, 5주기 후에는 각각 13.78[A], 7.36[A], 2.49[A]로 감소되었다가 10주기에는 0 [A]로 완전 방전되는 것을 확인할 수 있다. 턴수비가 Np/Ns=0.5인 경우엔 사고 후에 오히려 도통전류가 4.42[A], 4.59[A], 5.22[A], 5.9[A], 7.4[A]로 증가되는 것을 볼 수 있는데 이는 삼상 변압기 2차측에 설치된 커패시터와 공진으로 인해 증가하게 된다.
[도 4]는 GT0 사이리스터 브리지를 도입한 변형된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 부하 단에서 3상 지락사고 발생시의 전압, 전류 파형으로, 사고 발생 후, 4 ~ 5주기 후에 동작하는 기존의 차단기를 고려하여 t=2[s]시간에서 사고를 발생시킨 다음 4주기 후에 다시 복귀된 경우의 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)와 코일 양단전압(Vcoil) 및 삼상 선로 전류(Ia, Ib, Ic)파형을 보여준다. 사고기간동안 고온초전도 코일에 도통되는 DC 전류로 인해 선로전류가 급격히 증가되지 않는 것을 확인할 수 있다.
[도 5]는 부하단 사고시 초전도코일 인덕턴스 크기(Lcoil)와 3상 변압기 턴수비( Np/Ns)에 따른 고온초전도 코일에 도통되는 전류크기 변화를 보여주며 (a)는 턴수비가 1일 경우, 초전도 코일 인덕턴스에 따른 고온초전도 코일의 전류크기변화를 보여주며 사고전의 도통 전류값은 앞의 전원단 사고전과 동일한 8.8[A]가 도통되고 있으며 사고후에는 인덕턴스 크기에 반비례해서 증가되었다. (b)는 코일 인덕턴스 크기가 1.2 [H]인 경우, 3상 변압기 턴수비에 따른 고온 초전도 코일의 전류크기변화를 보여주며 사고전 코일의 도통전류는 상기 전원단 개방사고 전(도 3b 참조)과 동일한 값에서 사고후에는 변압기 턴수비에 반비례해서 증가되어 3주기 후, 턴수비가 0.5인 경우(53.49[A])가 2인 경우(29.91[A])보다 1.8배 가량 증가됨을 확인할 수 있다.
[도 6]은 하나의 모듈에 FR(Fast Recovery)다이오드(D1 ~ D6)를 포함하는 전력용 IGBT브리지와 에너지저장용 리액터로 구성된 기존의 전류원 무효전력 보상기의 구성을 보여주며, 교류 입력단에는 스위칭 소자의 전류가 차단될 때 발생하는 과전압을 흡수하고 출력전류의 고조파를 감소시키기 위한 저역통과 필터가 연결된다.
[도 7]은 전류원 무효전력 보상기의 동작을 위한 스위치의 게이트 발생신호로서, 캐리어신호의 진폭(Ac)이 기준파의 진폭(Ar)보다 클 경우 0이 되고, 작을 경우 1이 된다. 또한 교류 반주기동안 하나의 스위칭소자에 공급되는 PWM펄스의 수는 스위칭소자의 스위칭속도를 고려하여 결정할 수 있다. 이때, 하나의 폴에 위치한 2개의 스위칭소자에 공급되는 펄스는 각각 60°의 위상차를 갖으며 전류원 보상기특성상, 상단 스위칭소자 중 하나와 하단 스위칭소자 중 하나는 반드시 온 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
[도 8]은 전류원 무효전력 보상기의 단상 등가회로로서, 주입되는 무효전류(Icm)의 양을 점호각에 의해 제어함으로서, 무효전력 보상기가 보상하고자 하는 전력계통에 무효전력을 주입 또는 흡수하게 된다.
[도 9]는 전류원 무효전력 보상기의 주입전류(Icm)와 보상기 양단전압(VT)의 위상차에 따른 유무효전력의 관계를 보여주는 그림으로써, 보상기 양단전압(VT)에 대한 무효전류(Icm)의 위상각을 조절함으로서 무효전력을 보상하게 된다. 주입되는 무효전류의 양을 조절하기 위해서 점호각을 -90°에서 +90°범위에서 좌우로 편차를 주게 되는데 보상기의 전류(Icm)가 교류측 단자전압(VT)에 대해 -90°위상 차를 가질 경우 교류계통은 무효전력 보상기에 무효전력을 공급하고, +90°위상 차를 가질 경우엔, 교류계통은 무효전력 보상기로부터 무효전력을 공급받게 된다.
[도 10]은 전류원 무효전력보상기의 전원전압(Va)에 대한 주입전류(Icm)의 위상 변화에 따른 코일전류(Icoil)파형을 보여주는 예로, (a)은 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상차가 -80°에서 +80°로 변화되는 경우의 코일전류(Icoil)파형을, (b)은 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상 차가 +80°에서 -80°로 변화되는 경우의 코일전류(Icoil)파형을 보여준다.
[도 11]은 본 발명에서 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구조를 보여주며, 전류원 무효전력 보상기의 구성요소인 리 액터를, 병렬로 연결된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일로 대신한 구조로, 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 무효전력 보상기의 리액터 손실을 감소시킬 수 있으며, 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 기능을 확장할 수 있게 된다. 즉, 평상시에는 무효전력을 보상하는 기능을 수행함과 동시에, 사고시엔 전류제한과 연속적인 전력공급이 가능한 무효전력 보상기능을 갖는 고온초전도 전류제한기이다.
[도 12]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기의 전원전압(Va)에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(+80°→ -80°)와 사고발생(t=0.185[s]에서 사고발생)시 전압, 전류파형의 예로서 (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한 기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형을 보여준다.
[도 13]은 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기의 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(-80°→+80°)와 사고발생(t=0.185[s]에서 사고발생)시 전압, 전류 파형의 예로서 (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한 기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형을 보여준다.
[도 14]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기의 사고 발생후 사고제거(t=0.3125[s]에서 복귀)와 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(+80°→-80°→+80°)에 따른 전압, 전류파형으로 (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형을, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한 기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형을 보여준다.
[도 15]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 사고발생후 사고제거(t=0.3125[s]에서 복귀)와 전원전압에 대한 주입전류(Icm)의 위상변화(-80°→+80°→-80°)에 따른 전압, 전류 파형으로 (a)는 전원전압(Va)과 주입전류(Icm) 및 전원단 a상 전류(Ia)파형을, (b)는 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_cm)와 전류제한 기능을 수행하는 사이리스터로 구성된 브리지단쪽에서 고온초전도 코일로 흐르는 전류(Icoil_rct) 및 고온초전도 코일에 도통되는 전류(Icoil)파형을 보여준다.
[도 16]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전 류제한기에, 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단의 소프트 스위칭동작을 위한 보조회로(S7, S8, D7, D8, Lr, Cr)를 추가한 구성회로로써, 브리지를 구성하는 스위칭소자의 스위칭시 발생되는 손실을 줄이고 소자의 스트레스를 경감시킴으로서 보상기의 효율향상을 꾀할 수 있다.
평상시에는 고온초전도 코일에 주입 또는 방출되는 전류의 위상을 제어함으로서 무효전력을 보상하는 기능을 수행함과 동시에, 사고시 전류제한과 연속적인 전력공급이 가능한 무효전력 보상기능을 갖는 고온초전도 전류제한기를 개발함으로써 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 전류원 방식의 무효전력 보상기가 갖는 리액터 손실을 감소시킬 수 있으며, 확장된 기능을 갖는 DC-리액터타입 고온초전도 전류제한 장치를 개발함으로써 계통의 전력품질 향상과 중요부하의 연속전력 공급과 같은 기능들을 고온초전도 전류제한기가 담당할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 삼상 교류전원과 선로 임피던스사이에서 분기되어 직렬 연결되는 저역통과 필터용 인덕턴스(Lf);
    상기 저역통과 필터용 인덕턴스(Lf)와 직렬 연결되며 하나의 모듈에 FR(Fast Recovery)다이오드(D1∼D6)를 포함하는 전력용 스위치(S1∼S6)로 구성된 3상 브리지회로;
    상기 저역 통과 필터용 인덕턴스(Lf)와 상기 전력용 스위치로 구성된 3상 브리지 회로 사이에서 분기되어 연결되는 저역 통과 필터용 커패시터(Cf);
    상기 전력용 스위치로 구성된 3상 브리지회로의 출력단에 연결되는 무효전력보상용 리액터를 대신할 고온초전도 코일(HTSC Coil);
    상기 선로 임피던스와 삼상 부하사이에 1차측이 직렬 연결된 삼상 변압기;
    상기 삼상 변압기 2차측과 연결되고 상기 고온초전도 코일을 출력으로 하는 사이리스터로 구성된 삼상 브리지 회로로 구성되는, 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 기존의 전류원 무효전력 보상기의 구성요소인 리액터를 이와 병렬로 연결된 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일로 대체함으로써 무효전력 보상기의 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있을 뿐 아니라 기존의 전류원 방식의 무효전력 보상기가 갖는 리액터 손실을 감소시킬 수 있는, 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 고온초전도 코일과 연결되며 하나의 모듈에 FR(Fast Recovery)다이오드(D1 ~ D6)를 포함하는 전력용 스위치(S1 ~ S6)로 구성된 삼상 브리지회로의 펄스폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)스위칭기법을 이용하여 제어함으로써 평상시에, 상기 계통선로에 무효전력을 보상할 수 있고, 상기 고온초전도 코일을 공유하여 연결되며 삼상 브리지회로를 구성하는 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터(Th1 ~ Th6)를 전주기에 걸쳐 도통시킴으로써 부하단 단락사고시, 사고전류 제한기능을 수행할 수 있을 뿐 아니라, 전원단 개방사고로 인해 전력공급이 중단되었을 경우, 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터(Th1 ~ Th6)를 인버터로 동작시킴으로써, 몇 주기에 걸쳐 연속적인 전력공급이 가능한 즉, UPS(Uninterruptible Power Supply)기능을 갖는, 평상시 무효전력 보상기능과 전원단 개방 또는 부하단 단락사고시 연속적인 전력공급 또는 사고전류 제한기능을 갖는, 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 평상시 무효전력 보상기능을 수행하는 하나의 모듈에 FR(Fast Recovery)다이오드(D1 ~ D6)를 포함하는 전력용 스위치(S1 ~ S6)로 구성된 3상 브리지회로의 효율향상을 위해, 보조스위치(S6, S7)를 포함한 공진용 인덕터(Lr), 공진용 커패시터(Cr)로 구성되는 보조회로를 추가로 포함함으로서, 평상시 무효전력 보상동작시 소프트 스위칭(Soft Switching)동작을 수행할 수 있는, 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
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