KR101750167B1 - 정적 무효전력 보상 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

정적 무효전력 보상 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치는, 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하는 복수의 리액터; 온 오프 됨에 따라 상기 상전류를 도통시키는 복수의 양방향 사이리스터; 상기 복수의 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상기 상전류를 측정하는 복수의 전류 변류기; 및 상기 무효전력의 양에 대응하여 상기 복수의 양방향 사이리스터를 온 오프시키고, 상기 복수의 전류 변류기에 의하여 측정된 상기 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하되 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 상기 전류 차동 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

정적 무효전력 보상 장치 및 그 동작 방법{STATIC VAR COMPENSATOR APPARATUS AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 정적 무효전력 보상 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 전류 차동 보호 기능을 수행함에 있어서 그 보호 구간들의 일부가 서로 중첩되도록 보호 범위를 설정하여 보호받지 못하는 구간이 생기지 않도록 하는 정적 무효전력 보상 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
전력을 전송할 때 직류 송전계통과 교류 송전계통 모두 무효전력의 보상을 필요로 한다. 무효전력이란 실제로는 아무 일도 하지 않고 열소비도 하지 않는 전력이다. 무효전력은 오직 전원과 전기 기기를 왕복할 뿐 에너지가 발생되지 않기 때문에 실제로는 이용될 수 없다. 무효전력 소비가 늘면 송전과정에서 전압이 지나치게 낮아져 정전이나 전력차단 상태가 생길 수 있다. 따라서 위와 같은 상황이 발생하는 것을 방지하기 위해 무효전력을 적절하게 보상해주는 것이 필요하다.
이를 위해 송전계통에서는 무효전력 보상 장치를 사용한다. 무효전력 보상 장치 중 정적 무효전력 보상 시스템(Static Var Compensator: SVC)은 사이리스터 소자를 사용하여 무효전력을 보상한다. 일반적인 SVC 시스템은 무효전력을 공급하는 사이리스터 스위칭 캐패시터(Thyristor Switched Capacitor: TSC, 이하 "TSC")와 무효전력을 흡수하는 사이리스터 제어 리액터(Thyristor Controlled Reactor: TCR, 이하 "TCR")를 포함하며, 상기 TSC와 TCR의 무효전력량을 조정하여 전력계통에 무효전력을 공급 또는 흡수함으로써 전압, 역률 및 무효전력 제어를 하여 전력 계통의 안정성을 증대시키는 역할을 담당한다.
TCR은 전력계통의 수배전단에 연결되어 무효전력을 보상한다. 무효전력을 보상하는 이유는 전압을 사용자가 원하는 일정범위 내로 유지시키기 위함이다. 그리고 보다 많은 유효전력을 전달하기 위한 교류 송전계통에서의 무효전력 보상은 계통의 안정도와 신뢰도를 증가시킨다. 특히, 선로가 길어질수록 그 효과는 증대된다.
한편, SVC 시스템에는 설비를 보호할 수 있는 보호 요소가 존재하는데, 그 중 하나가 전류 차동 보호이다. 전류 차동 보호란 각기 다른 위치에 존재하는 전류 변류기(Current Transformer: CT, 이하 "CT" 라 함)를 통해 전류를 측정한 후, 그 두 전류의 차가 일정 범위를 벗어나게 되면 그 두 CT 사이의 어느 지점에서 사고가 발생하였다고 판단하고 그 사고가 전력 계통에 파급되는 것을 막기 위하여 시스템을 정지(trip)시키는 보호 방식이다.
도 1은 종래의 SVC 시스템을 구성하는 TCR의 전력 계통 연결 회로도를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 SVC 시스템(미도시)을 구성하는 TCR(10)은 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)와 3개의 리액터(104, 114, 124) 및 9개의 CT(101, 102, 103, 111, 112, 113, 121, 122, 123)를 포함할 수 있다.
3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)와 3개의 리액터(104, 114, 124)는 델타 결선 구조로 AC 전력 계통(미도시)에 연결될 수 있다. 이 경우, 델타 결선 구조에 의하여 3상 교류를 발생시키는 3상이 형성되며, 상기 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)와 3개의 리액터(104, 114, 124) 각각은 상기 3상 중 어느 하나의 상을 구성한다.
이 경우, TCR(10)은 상기 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)를 온 오프 시켜 AC 전력 계통의 무효전력을 흡수한다.
3개의 리액터(reactor)(104, 114, 124)는 각 상 별로 하나씩, 상기 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)에 직렬로 연결되어 있다.
한편, TCR(10)은 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)를 보호하기 위하여, 전류 차동 보호를 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)의 양단에는 6개의 CT(102, 103, 112, 113, 122, 123)가 위치하여, 상기 3개의 양방향 사이리스터(100, 110, 120)의 양단에 흐르는 전류를 측정한다.
도 2는 종래의 SVC 시스템을 구성하는 TCR에서 수행하는 전류 차동 보호를 설명하기 위한 도면이다.
전류 차동 보호(Current Differential Protection)는 보호하고자 하는 설비 또는 구성 요소의 양단에 각각 CT를 설치한 후, 각각의 양단에서 측정되는 전류의 차이를 계산하여 동작한다.
도 2에서, IaR은 델타 결선으로 들어오기 전의 CT에서 측정한 a상 전류, IaLR은 델타 결선내의 리액터측 CT에서 측정한 a상 전류, IaDR은 델타 결선내의 리액터가 존재하지 않는 측의 CT에서 측정한 a상의 전류이다.
IbR은 델타 결선으로 들어오기 전의 CT에서 측정한 b상 전류, IbLR은 델타 결선내의 리액터측 CT에서 측정한 b상 전류, IbDR은 델타 결선내의 리액터가 존재하지 않는 측의 CT에서 측정한 b상의 전류이다.
IcR은 델타 결선으로 들어오기 전의 CT에서 측정한 c상 전류, IcLR은 델타 결선내의 리액터측 CT에서 측정한 c상 전류, IcDR은 델타 결선내의 리액터가 존재하지 않는 측의 CT에서 측정한 c상의 전류이다.
이 경우, 전류 차동 보호는 각 상 별로 동작하며, 어느 한 상에서라도 일정 크기 이상의 차전류가 발생하면 시스템을 정지(trip)시킨다.
일정 크기 이상의 차전류가 발생하였는지 판단하는 수식은 다음과 같다.
Phase A: |IaLR - IaDR| > PL [수식 1]
Phase B: |IbLR - IbDR| > PL [수식 2]
Phase C: |IcLR - IcDR| > PL [수식 3]
여기서 PL은 Pickup Level을 뜻하며, 사용자가 전류 차동 보호의 기준으로 설정하고자 하는 차전류의 크기이다.
상기 [수식 1]에서는 a 상에 포함되는 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치한 CT에서 측정한 전류 IaLR과 IaDR의 차를 이용한다. 이 경우, a 상에 포함되는 양방향 사이리스터가 위치한 구간(105)이 전류 차동 보호에 의하여 보호될 수 있다.
상기 [수식 2]에서는 b 상에 포함되는 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치한 CT에서 측정한 전류 IbLR과 IbDR의 차를 이용한다. 이 경우, b 상에 포함되는 양방향 사이리스터가 위치한 구간(115)이 전류 차동 보호에 의하여 보호될 수 있다.
상기 [수식 3]에서는 c 상에 위치한 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치한 CT에서 측정한 전류 IcLR과 IcDR의 차를 이용한다. 이 경우, c 상에 포함되는 양방향 사이리스터가 위치한 구간(125)이 전류 차동 보호에 의하여 보호될 수 있다.
그러나, 이 경우 전류 차동 보호에 의하여 보호될 수 없는 보호불가능 영역이 존재한다.
도 2를 참조하면, IaR을 측정한 CT부터 IaLR을 측정한 CT까지의 구간 및 IaR을 측정한 CT 부터 IcDR을 측정한 CT까지의 구간, 즉 구간(135)은 전류 차동 보호에 의하여 보호되지 않는다.
또한, IbR을 측정한 CT 부터 IaDR을 측정한 CT까지의 구간 및 IbR을 측정한 CT부터 IbLR을 측정한 CT까지의 구간, 즉 구간(145)는 전류 차동 보호에 의하여 보호되지 않는다.
마찬가지로, 구간(155)는 전류 차동 보호에 의하여 보호되지 않는다.
전류 차동 보호에 의하여 TCR 시스템의 설비 또는 구성 요소를 보호하려면, 상 간의 보호영역이 서로 중첩되어 동작하는 것이 바람직하다. 그러나, 두 지점의 CT를 측정하여 동작시키는 현재의 방법에 의하면, 도 2에 도시된 회색 구간(135, 145, 155)과 같이 보호할 수 없는 구간이 발생하여 시스템 내의 모든 설비를 보호할 수 없게 된다. 이는 전류 차동 보호의 주 목적에 맞지 않는다.
본 발명에서는 전류 차동 보호 기능을 수행함에 있어서 그 보호 구간들의 일부가 서로 중첩되도록 보호 범위를 설정하여 보호받지 못하는 구간이 생기지 않도록 하는 정적 무효전력 보상 장치 및 그 동작 방법을 제공한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재에 의해 제안되는 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정적 무효전력 보상 장치에 의하면, 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하는 복수의 리액터; 와 온 오프 됨에 따라 상기 상전류를 도통시키는 복수의 양방향 사이리스터; 와 상기 복수의 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상기 상전류를 측정하는 복수의 전류 변류기; 및 상기 무효전력의 양에 대응하여 상기 복수의 양방향 사이리스터를 온 오프시키고, 상기 복수의 전류 변류기에 의하여 측정된 상기 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하되 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 상기 전류 차동 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정적 무효전력 보상 시스템에 의하면, 상기 무효전력을 공급하는 사이리스터 스위칭 캐패시터; 와 상기 무효전력을 흡수하는 사이리스터 제어 리액터를 포함하되, 상기 사이리스터 제어 리액터는 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하는 복수의 리액터; 와 온 오프 됨에 따라 상기 상전류를 도통시키는 복수의 양방향 사이리스터; 와 상기 복수의 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상기 상전류를 측정하는 복수의 전류 변류기; 및 상기 무효전력의 양에 대응하여 상기 복수의 양방향 사이리스터를 온 오프시키고, 상기 복수의 전류 변류기에 의하여 측정된 상기 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하되 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 상기 전류 차동 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법은, 3상 교류에 의한 상전류를 도통시키는 단계; 와 상기 3상 교류에 의한 각 상의 상전류를 측정하는 단계; 및 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 전류 차동 보호 기능을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 실시예들에 의하면, 전류 차동 보호에 의하여 시스템의 설비및 구성 요소를 보호함에 있어서 보호불가 영역이 발생하지 않도록 시스템 내의 모든 구간을 보호함으로써 시스템을 보다 안정적으로 보호할 수 있다.
도 1은 종래의 SVC 시스템을 구성하는 TCR의 전력 계통 연결 회로도를 도시한 도면.
도 2는 종래의 SVC 시스템을 구성하는 TCR에서 수행하는 전류 차동 보호를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치에서 수행하는 전류 차동 보호를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 시스템의 회로 구성도를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법을도시한 도면.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 이하에서 기술되는 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경 및 삭제 등에 의해서 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예들을 용이하게 제안할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 해당 기술과 관련하여 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특별한 경우에는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 상세히 기재하였다. 그러므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 미리 밝혀둔다. 이하에서 기술하는 설명에 있어서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치(300)는, 사이리스터 제어 리액터 일 수 있다. 이 경우, 사이리스터 제어 리액터는 무효전력을 흡수함으로써 무효 전력을 보상할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치(300)는 복수의 리액터(310), 복수의 양방향 사이리스터(320), 복수의 CT(330) 및 제어부(340)를 포함할 수 있다.
복수의 리액터(310)는 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도할 수 있다. 구체적으로, 복수의 리액터(310)는 전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도함으로써 전류의 급격한 변화를 억제할 수 있다.
한편, 상기 3상 교류는 델타 결선 형태로 구성될 수 있다.
복수의 양방향 사이리스터(320)는 복수의 리액터(310)에 직렬로 연결되어, 온 오프 됨에 따라 상전류를 도통시킬 수 있다.
양방향 사이리스터(320)는 두 개의 사이리스터가 역병렬 형태로 접속되어 있으며, 온 오프됨에 따라 양방향으로 전류를 도통시킬 수 있다.
사이리스터는 PNPN 접합의 4층 구조 반도체 소자로서, ON/OFF로 스위칭되어 전류를 흐르게 하거나 차단한다. 애노드가 캐소드에 대하여 플러스인 경우, 게이트에 적당한 전류를 흘리면 도통하고, 일단 도통하면 애노드 전압을 0으로 하지 않는 이상 OFF 되지 않는다
복수의 전류 변류기(Current Transformer: CT, 이하 "CT" 라 함)(330)는 상기 복수의 양방향 사이리스터(320)의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상전류를 측정한다.
제어부(340)는 무효전력의 양에 대응하여 복수의 양방향 사이리스터(320)를 온 오프시킬 수 있다.
또한, 제어부(340)는 복수의 CT(330)에 의하여 측정된 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행할 수 있다.
전류 차동 보호 기능을 수행하는 경우, 제어부(340)는 각기 다른 위치에 존재하는 복수의 CT(330)를 통해 전류를 측정한 후, 그 두 전류의 차가 일정 범위를 벗어나게 되면 그 두 CT(330) 사이의 어느 지점에서 사고가 발생하였다고 판단한다.
일반적으로 전류 차동 보호 기능을 수행하는 경우, 보호하고자 하는 구성 요소로 유입되는 총 전류와 상기 구성 요소로부터 유출되는 총 전류를 측정하고, 상기 두 전류 간의 차이가 일정 범위를 벗어나는지 판단한다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 의하면, 제어부(340)는 보호 구간들의 일부가 서로 중첩되도록 보호 범위를 설정하기 위하여, 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 전류 차동 보호 기능을 수행할 수 있다. 이에 대해서는 도 4에 대한 설명에서 상세히 설명한다.
제어부(340)는 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차가 일정값 이상인 경우, 전력 계통에 문제가 있는 것으로 판단하여 전류 차동 보호 기능을 수행할 수 있다.
제어부(340)는 전류 차동 보호 기능을 수행하는 경우, 정적 무효전력 보상 장치의 동작을 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(340)는 사고가 전력 계통에 파급되는 것을 막기 위하여, 정적 무효전력 보상 장치를 정지(trip)시킬 수 있다.
전류 차동 보호 기능을 수행함으로써, 사고가 발생했다고 판단한 구성 요소 또는 기기를 보호할 수 있고, 나아가 사고가 시스템 또는 전력 계통에 파급되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제어부(340)는 정적 무효전력 보상 장치(300)의 외부에 위치할 수 있다.
이 경우, 외부에 위치한 제어부(340)는 차동 보호 기능의 수행을 위한 연산, 판단 및 시스템 정지를 수행할 수 있다. 구체적으로, 제어부(340)는 정적 무효전력 보상 장치(300)의 각 상에 흐르는 상전류를 측정하고 어느 한 상과 다른 한 상과의 전류 측정값의 차이가 일정값 이상이면 사고가 발생하였다고 판단하여 상기 정적 무효전력 보상 장치(300)를 정지시킬 수 있다.
한편, 제어부(340)는 전류 차동 보호 기능을 수행하는 경우, 델타 결선 구조로 형성되는 3상 중 어느 한 상에라도 사고가 발생하였다고 판단되면, 정적 무효전력 보상 장치(300)를 정지시켜 사고가 전력 계통에 파급되는 것을 미연에 방지시킬 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치에서 수행하는 전류 차동 보호를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 의하면, 기존의 전류 차동 보호에서 보호불가능 영역이 발생하는 것을 보완하기 위하여, 추가적인 CT로부터 전류를 측정하여 측정된 전류값에 기초하여 장치 또는 시스템에 사고가 발생하였는지 판단한다.
구체적으로, 보호할 구성 요소 단위 별로 전류 변류기가 설치된 경우, 그 보호 구간들의 일부가 서로 중첩되도록 보호 범위를 설정함으로써 모든 보호 구간을 보호할 수 있게 한다.
이를 위해, 본 실시예에서는 3개의 CT로부터 전류를 측정한 후 키르히호프 전류 법칙에 의거하여 전류 차동 보호 기능을 수행한다.
도 4를 참조하면 델타 구조의 각 A, B 및 C 상 각각에 양방향 사이리스터(400, 410, 420)가 위치하고, 상기 양방향 사이리스터(400, 410, 420)의 양단에 각각 CT(402, 403, 412, 413, 422, 423)가 위치하여 전류를 측정한다.
도 4에 도시된 델타 구조의 3상에서 전류의 방향은 크게 두 구간으로 나뉘게 된다. 도 4에 도시된 화살표 방향은 전류 IaR이 양의 방향일 때의 전류 방향을 나타낸다.
전류의 방향이 두 구간으로 나뉘게 되는 이유는 양방향 사이리스터(400, 410, 420)의 특성 때문이다. 양방향 사이리스터(400, 410, 420)는 양방향으로 전류를 도통시킬 수 있다. 구체적으로, 도 4에서 양의 방향일 때는 1, 3, 5 번이 도통되고 음의 방향일때는 2, 4, 6 번이 도통되기 때문에, 양의 방향인지 아니면 음의 방향인지에 따라 전류의 방향이 바뀌게 된다.
키르히호프의 제1 법칙은 회로 내의 어느 점을 취해도 그곳에 흘러 들어오거나(+) 흘러 나가는(-) 전류를 음양의 부호를 붙여 구별하면, 들어오고 나가는 전류의 총계는 0이 된다는 법칙을 말한다. 즉, 전류가 흐르는 길에서 들어오는 전류와 나가는 전류의 합은 같다.
키르히호프의 제1법칙에 의거하면, 도 4에서 델타 결선 외부에서 a 상으로 유입되는 전류 IaR과 델타 결선 내부의 c 상에서 a상으로 유입되는 전류 IcDR의 합은 a 상의 양방향 사이리스터(400)로 유입되는 전류 IaLR 과 같다.
즉, IaR + IcDR = IaLR 인 관계가 성립한다. [수식 4]
동일한 방식으로, 도 4에서 델타 결선 외부에서 b 상으로 유입되는 전류 IbR과 델타 결선 내부의 a 상에서 b상으로 유입되는 전류 IaDR의 합은 b 상의 양방향 사이리스터(410)로 유입되는 전류 IbLR 과 같다.
즉, IbR + IaDR = IbLR 인 관계가 성립한다. [수식 5]
또한, 도 4에서 델타 결선 외부에서 c 상으로 유입되는 전류 IcR과 델타 결선 내부의 b상에서 c상으로 유입되는 전류 IbDR의 합은 c 상의 양방향 사이리스터(420)로 유입되는 전류 IcLR 과 같다.
즉, IcR + IbDR = IcLR 인 관계가 성립한다. [수식 6]
앞서 도 2에서 설명한, Phase A와 Phase B 및 Phase C 각각에 대한 전류 차동 보호를 위한 [수식 1] 과 [수식 2] 및 [수식 3] 각각에 상기 [수식 4] 와 [수식 5] 및 [수식 6] 을 각각 대입하면, 다음과 같은 식이 유도된다.
Phase A: | IaR + IcDR - IaDR| > PL [수식 7]
Phase B: | IbR + IaDR - IbDR| > PL [수식 8]
Phase C: | IcR + IbDR - IcDR| > PL [수식 9]
상기 [수식 7]과 [수식 8] 및 [수식 9]에서의 PL은 Pickup Level을 뜻한다. PL은 사용자가 동작시키고자 하는 차전류의 크기이며, 사용자에 의하여 또는 시스템 상에서 설정될 수 있다. 구체적으로, PL은 ideal 상태일 때 0의 값을 가지며, 본 실시예에서는 오차 범위를 고려하여 0과 가까운 값으로 설정될 수 있다.
한편, 동일한 A 상을 흐르는 전류인 IaLR과 IaDR은 동일하다. 동일한 B 상을 흐르는 전류인 IbLR과 IbDR은 동일하다. 또한, 동일한 C 상을 흐르는 전류인 IcLR과 IcDR은 동일하다.
즉, 다음 관계가 성립한다.
IaDR = IaLR, IbDR = IbLR, IcDR = IcLR
상기 [수식 7]의 IcDR, [수식 8]의 IaDR 및 [수식 9]의 IbDR을 각각 IcLR, IaLR 및 IbLR로 치환하면 다음과 같은 식이 얻어진다.
Phase A: | IaR + IcLR - IaDR| > PL [수식 10]
Phase B: | IbR + IaLR - IbDR| > PL [수식 11]
Phase C: | IcR + IbLR - IcDR| > PL [수식 12]
최종적으로 도출된 [수식 10]과 [수식 11] 및 [수식 12]에 의하여 전류 차동 보호를 수행하면, 보호 영역이 서로 중첩되게 된다. 즉, [수식 7]의 IcDR, [수식 8]의 IaDR 및 [수식 9]의 IbDR 대신 각각 IcLR, IaLR 및 IbLR을 사용하는 경우 다른 상에 위치한 사이리스터(400, 410, 420)를 포함하는 지점에 흐르는 전류의 측정값에 기초하여 전류 차동 보호를 수행하게 되어 보호범위가 넓어진다.
구체적으로, 도 4에서 [수식 10]에 기초한 전류 차동 보호에 의하여, A 상의 양방향 사이리스터(400)와 C 상의 양방향 사이리스터(420)를 모두 포함한 구간(405)을 보호할 수 있다. [수식 11]에 기초한 전류 차동 보호에 의하여, A 상의 양방향 사이리스터(400)와 B 상의 양방향 사이리스터(410)를 모두 포함한 구간(415)을 보호할 수 있다. [수식 12]에 기초한 전류 차동 보호에 의하여, B 상의 양방향 사이리스터(410)와 C 상의 양방향 사이리스터(420)를 모두 포함한 구간(425)을 보호할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 보호할 구성 요소 별로 CT가 설치된 경우 그 보호 구간의 일부가 서로 중첩되도록 보호 범위를 설정함으로써 보호 불가능 영역이 생기지 않도록 한다. 이에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 정적 무효전력 보상 장치의 모든 구간을 보호할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 보호 요소의 측정 위치는 도 4에 도시된 실시예에 한정되지않으며, 시스템 설계에 따라 얼마든지 변경 가능하다.
한편, 도 4에서는 편의상 3개의 양방향 사이리스터(400, 410, 420)만을 도시하였지만, 이는 시스템 설계에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 시스템의 회로 구성도를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 시스템(50)은 SVC 시스템일 수 있다.
상기 SVC 시스템(50)은 선로에 병렬로 연결되며, 캐패시터 뱅크 또는 캐패시터와 리액터를 조합한 것을 사이리스터로 고속 개폐하여 무효전력을 발생 또는 흡수하여 무효전력을 조정한다. 이를 위해 SVC 시스템(50)은 TCR(510)과 TSC(520)를 포함할 수 있다.
한편, SVC 시스템(50)은 시스템 설계에 따라, 기계적 스위칭 보상기(미도시), 기계적 스위칭 캐패시터(미도시) 및 변압기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
TCR(510)은 사이리스터(515)를 온오프시켜 AC 전력 계통의 무효전력을 흡수한다. 구체적으로, TCR(510)은 전력 계통으로부터 전달되는 무효 전력이 일정 수준보다 높은 경우, 일정 수준을 초과하는 양만큼을 흡수할 수 있다.
이를 위해, TCR(510)은 리액터(514), 양방향 사이리스터(515), 복수의 전류 변류기(511, 512, 513) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
리액터(514)는 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도할 수 있다. 구체적으로, 리액터(514)는 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도함으로써 전류의 급격한 변화를 억제할 수 있다. 이 경우, 상기 3상 교류는 델타 결선 형태로 구성되는 것일 수 있다.
양방향 사이리스터(515)는 온 오프 됨에 따라 상기 상전류를 도통시킬 수 있다.
복수의 전류 변류기(511, 512, 513)는 양방향 사이리스터(515)의 양단 및 델타 결선으로 전류가 유입되는 지점에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상전류를 측정할 수 있다.
제어부(미도시)는 무효전력의 양에 대응하여 양방향 사이리스터(515)를 온 오프시키고, 복수의 전류 변류기(511, 512, 513)에 의하여 측정된 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행한다.
일 실시예에 의하면, 제어부(미도시)는 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 전류 차동 보호 기능을 수행할 수 있다.
이 경우, 제어부(미도시)는 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차가 일정값 이상인 경우 전력 계통에 문제가 있는 것으로 판단하여 상기 전류 차동 보호 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 제어부(미도시)는 전류 차동 보호 기능을 수행하는 경우 TCR(510)의 동작을 정지시킬 수 있다.
TSC(520)는 3상 어셈블리로서, 델타 결선 형태 또는 와이 결선 형태로 전력 계통에 연결될 수 있다.
TSC(520)는 사이리스터 ON/OFF 제어 방식을 통하여 캐패시터를 개폐함으로써 AC 전력 계통에 무효전력을 공급한다. 구체적으로, TSC(520)는 전력 계통으로부터 전달되는 무효 전력이 일정 수준보다 낮은 경우, 일정 수준을 미달하는 양만큼을 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법을도시한 도면이다.
정적 무효전력 보상 장치(300)는 3상 교류에 의한 상전류를 도통시킨다(S601).
정적 무효전력 보상 장치(300)는 상기 3상 교류에 의한 각 상의 상전류를 측정한다(S602).
이를 위해, 정적 무효전력 보상 장치(300)는 복수의 전류 변류기를 포함하며, 상기 복수의 전류 변류기는 양방향 사이리스터(320)의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상전류를 측정한다.
정적 무효전력 보상 장치(300)는 어느 한 상에서 측정한 전류와 다른 한 상에서 측정한 전류의 차에 기초하여 전류 차동 보호 기능을 수행한다(S603).
구체적으로, 정적 무효전력 보상 장치(300)는 상기 정적 무효전력 보상 장치(300)의 동작을 정지시킴으로써 전류 차동 보호 기능을 수행할 수 있다.
이 경우, 정적 무효전력 보상 장치(300)는 도 4에서 도출한 수식 10과 수식 11 및 수식 12에 의하여 전류 차동 보호를 수행하여, 보호 영역이 서로 중첩되게 한다. 또한, 전류 차동 보호는 각 상 별로 동작하며, 어느 한상에서라도 일정크기 이상의 차전류가 발생하면 정적 무효전력 보상 장치(300)는 동작을 정지시킨다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
50: SVC 시스템 300: 정적 무효전력 보상 장치
310, 514: 리액터 320, 515: 양방향 사이리스터
330, 511, 512, 513: CT 340: 제어부
510: TCR 520: TSC

Claims (11)

  1. 정적 무효전력 보상 장치에 있어서,
    a상, b상 및 c상이 델타 결선 형태로 구성된 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하는 복수의 리액터;
    상기 복수의 리액터에 직렬로 연결되어, 온 오프 됨에 따라 상기 상전류를 도통시키는 복수의 양방향 사이리스터;
    상기 a상, b상 및 c상 각각의 델타 결선 외부와, 상기 복수의 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상기 상전류를 측정하는 복수의 전류 변류기; 및
    상기 무효전력의 양에 대응하여 상기 복수의 양방향 사이리스터를 온 오프시키고, 상기 복수의 전류 변류기에 의하여 측정된 상기 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 a상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 b상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기가 기 설정된 임계값 보다 크거나
    상기 b상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 c상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기가 기 설정된 임계값 보다 크거나
    상기 c상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 a상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기가 기 설정된 임계값 보다 크면 상기 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하는,
    정적 무효전력 보상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임계값은 사용자에 의해 설정되거나 시스템 상에 설정되어 있는, 정적 무효전력 보상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류 차동 보호 기능을 수행하는 경우 상기 정적 무효전력 보상 장치의 동작을 정지시키는 정적 무효전력 보상 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 양방향 사이리스터 각각은,
    두 개의 사이리스터가 역병렬 형태로 접속되고 온 오프됨에 따라 양방향으로 전류를 도통시키는 정적 무효전력 보상 장치.
  6. 정적 무효전력 보상 시스템에 있어서,
    상기 무효전력을 공급하는 사이리스터 스위칭 캐패시터; 와
    상기 무효전력을 흡수하는 사이리스터 제어 리액터를 포함하되,
    상기 사이리스터 제어 리액터는,
    a상, b상 및 c상이 델타 결선 형태로 구성된 3상 교류에 의한 상전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하는 복수의 리액터;
    상기 복수의 리액터에 직렬로 연결되어, 온 오프 됨에 따라 상기 상전류를 도통시키는 복수의 양방향 사이리스터;
    상기 a상, b상 및 c상 각각의 델타 결선 외부와, 상기 복수의 양방향 사이리스터의 양단에 각각 위치하여 위치한 지점에 흐르는 상기 상전류를 측정하는 복수의 전류 변류기; 및
    상기 무효전력의 양에 대응하여 상기 복수의 양방향 사이리스터를 온 오프시키고, 상기 복수의 전류 변류기에 의하여 측정된 상기 상전류를 이용하여 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 a상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 b상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기가 기 설정된 임계값 보다 크거나
    상기 b상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 c상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기가 기 설정된 임계값 보다 크거나
    상기 c상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 a상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기가 기 설정된 임계값 보다 크면 상기 전력 계통의 보호를 위한 전류 차동 보호 기능을 수행하는,
    정적 무효전력 보상 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 임계값은 사용자에 의해 설정되거나 시스템 상에 설정되어 있는, 정적 무효전력 보상 시스템.
  8. 삭제
  9. 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법에 있어서,
    a상, b상 및 c상이 델타 결선 형태로 구성된 3상 교류에 의한 상전류를 도통시키는 단계;
    상기 a상, b상 및 c상 각각의 델타 결선 외부에서 유입되는 상전류와,
    상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역의 상전류, 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역의 상전류, 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역의 상전류 및
    상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 b상 사이 영역의 상전류, 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 c상 사이 영역의 상전류, 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 a상 사이 영역의 상전류를 측정하는 단계;
    상기 a상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 b상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기와,
    상기 b상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 b상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 c상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기와,
    상기 c상의 델타 결선 외부에서 측정된 상전류와, 상기 델타 결선 내부에서 상기 b상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 리액터 사이 영역에서 측정한 상전류의 합에서 상기 델타 결선 내부에서 상기 a상과 상기 c상 사이에 위치한 사이리스터와 상기 a상 사이 영역에서 측정한 상전류를 뺀 값의 크기를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 크기 중 어느 하나가 기 설정된 임계값 보다 크면 전류 차동 보호 기능을 수행하는 단계를 포함하는 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정적 무효전력 보상 장치는 복수의 전류 변류기와 복수의 양방향 사이리스터를 포함하고,
    상기 복수의 전류 변류기 각각이 상기 a상, b상 및 c상 각각의 델타 결선 외부와, 상기 복수의 양방향 사이리스터의 양단에 위치하여 측정한 상전류들의 차에 기초하여 전류 차동 보호 기능을 수행하는 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 정적 무효전력 보상 장치의 동작을 정지시킴으로써 전류 차동 보호 기능을 수행하는 단계를 포함하는 정적 무효전력 보상 장치의 동작 방법.
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