KR101967127B1 - 직류 전력망 전압 제어 방법 - Google Patents

직류 전력망 전압 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류 전력망 전압 제어 방법에 관한 것으로, 직류 전력망 전압을 3 가지 프로세스, 즉 자연 전압 조정, 일차 전압 조정 및 이차 전압 조정으로 분류하는 직류 전력망 전압 제어 방법을 제공한다. 직류 전력망의 컨버터 스테이션은, 컨버터 스테이션이 전압 조절 능력을 구비하였는지 여부에 따라, 고정 전력 제어 모드에서 동작하는 전력 조정 컨버터 스테이션, 고정 전압 제어 모드 또는 보조 전압 제어 모드에서 작동하는 전압 조정 컨버터 스테이션, 및 보조 전압 제어 모드에서 작동하는 보조 전압 제어 컨버터 스테이션으로 나뉜다. 직류 전력망 내의 모든 컨버터 스테이션은 자연 전압 조정에 참여하고, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션 및 전압 조정 컨버터 스테이션은 일차 전압 조정에 참여하고, 전압 조정 컨버터 스테이션은 이차 전압 조정에 참여한다. 3 개의 전압 조정 프로세스의 조합에 의해, 안정시의 직류 전압의 정확한 제어가 실현될 수 있고, 과도 상태에서 직류 전압 변화가 억제될 수 있다.

Description

직류 전력망 전압 제어 방법
본 발명은 직류 전력망 분야에 속하며, 특히 직류 전력망 전압 제어 방법에 관한 것이다.
전력전자 기술의 끊임 없는 진보에 따라, 유연 직류 송배전 기술은 차세대 직류 송배전 기술로서 현재의 교류 송배전 기술에 존재하는 다양한 문제를 해결할 수 있으며, 직류 송전의 규모가 커짐에 따라, 직류 전력망 또한 가능해진다.
직류 전력망에 있어서, 직류 전압의 지위는 교류 전력망에서의 주파수의 지위에 견줄 수 있다. 직류 전압의 안정성은 직류 부하 흐름의 안정성에 직접 관계되고, 직류 전력망의 안전하고 안정된 작동에 관계된다. 따라서, 직류 전력망에서 직류 전압을 제어하는 것은 매우 중요하다. 종래의 2 단자 유연 직류 시스템에서, 하나의 컨버터 스테이션은 직류 전압을 제어하고, 다른 하나의 컨버터 스테이션은 유효 전력, 교류 주파수 또는 교류 전압과 같은 다른 변수를 제어한다. 만약 직류 전압을 제어하는 컨버터 스테이션에 고장이 발생하고, 그로 인하여 직류 전압 제어 능력을 상실하게 되면, 직류 전압이 불안정하게 됨으로써 2 단자 유연 직류 시스템이 가동을 정지하게 되어, 시스템의 신뢰성이 비교적 낮다. 직류 전력망에서는 종종 직류 전압 제어 능력을 구비하는 복수의 컨버터 스테이션이 존재하기도 하는데, 동일한 시각에 직류 전압의 제어에 참여하는 컨버터 스테이션의 개수에 따라, 현재의 일반적인 직류 전압 제어 방법을 단일 포인트 전압 제어법 및 멀티 포인트 전압 제어법으로 나눌 수 있다.
단일 포인트 전압 제어법은 단일 컨버터 스테이션을 직류 전압 제어국으로 사용하는데, 동일한 시각에 하나의 컨버터 스테이션만이 직류 전압을 제어하기 때문에, 직류 전압의 정확한 제어를 구현할 수 있고, 만약 그러한 컨버터 스테이션이 고장나거나 출력이 한계를 초과하여 직류 전압 제어 능력을 상실하면, 직류 전압 제어 능력을 구비한 또 다른 컨버터 스테이션이 직류 전압 제어 권한을 인계 받는다. 인계 방법은, 통신에 의존하는지 여부에 따라, 통신 기반의 무 편차 제어 방식과 통신에 기반하지 않는 편차 제어 방식으로 나눌 수 있다. 무 편차 제어 방식은 신속한 국(局, 스테이션)간 통신에 의존하여 직류 전압 제어권의 전환을 구현하는 것으로, 직류 전압 제어국이 고장으로 작동을 중단한 후에 신속한 국간 통신을 통해 백업 컨버터 스테이션으로 하여금 직류 전압 제어권의 인계를 구현하도록 한다. 그러나, 이러한 방식은 국간 통신의 속도 및 신뢰성에 대한 요구가 매우 높아, 만약 통신 지연이 비교적 긴 경우, 직류 전압 제어국이 고장난 상황에서 직류 전압 제어권의 인계가 제 시간에 이루어지지 않음으로 인해 전체 직류 시스템의 작동이 중단될 수도 있다. 또한, 직류 전력망의 규모가 점점 증가하면, 백업 컨버터 스테이션도 점점 많아지게 되어, 직류 전압 제어의 우선순위 설정 또한 매우 복잡하게 되고, 고속 통신 네트워크도 점점 복잡해진다. 이러한 결점들로 인해 통신 기반의 무 편차 제어 방식을 직류 전력망에 확대 적용하는 것에 어느 정도 어려움이 있게 된다.
직류 전압 편차 제어는 국(局)간 통신을 필요치 않는 제어 방식이다. 직류 전압 제어국이 고장으로 작동을 중단한 후에, 백업 직류 전압 제어국은 직류 전압의 비교적 큰 편차를 검출하고 고정 직류 전압 제어 모드로 전환하여, 직류 전압의 안정성을 보장할 수 있게 된다.
그러나, 복수의 백업 컨버터 스테이션은 복수의 우선순위를 필요로 하므로, 제어기 설계의 복잡도가 증가하게 되고, 직류 전력망의 규모가 점점 증가하면, 백업 컨버터 스테이션도 점점 많아지게 되는데, 직류 전력망의 직류 전압에는 특정 동작 범위가 존재하므로, 편차는 직류 전압의 동작 범위를 초과할 수 없고, 이는 편차 제어에서 단계 차이 및 단계 수량을 제한한다. 이러한 결점들로 인해 편차 제어 방식을 직류 전력망에 확대 적용하는 것에 어느 정도 어려움이 있게 된다.
멀티 포인트 전압 제어법, 즉, 동일한 시각에 직류 전압을 제어하는 컨버터 스테이션이 직류 전력망에 복수 개 존재하는 전압 제어법에서 통상적인 방식은 슬로프 전압 제어법이다. 이 방법에서, 복수의 슬로프 전압 제어 컨버터 스테이션의 유효 전력 출력은 직류 선로의 저항 및 각각의 슬로프와 관련되어, 직류 전압과 유효 전력 모두 정확하게 제어할 수 없다.
본 발명의 목적은, 안정 상태에서는 직류 전압을 정확하게 제어할 수 있고, 과도 상태에서는 직류 전압의 편차를 억제할 수 있는 직류 전력망 전압 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음의 해결 방안을 적용한다.
직류 전력망 전압 제어 방법에서, 직류 전력망 전압 제어는 세 가지 프로세스, 즉, 자연 전압 조정, 일차 전압 조정 및 이차 전압 조정으로 분류되고, 직류 전력망 내의 컨버터 스테이션은 컨버터 스테이션이 전압 조정 능력을 구비하였는지 여부에 따라, 세 가지 유형, 즉, 전력 조정 컨버터 스테이션, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션 및 전압 조정 컨버터 스테이션으로 분류되고, 전력 조정 컨버터 스테이션은 고정 전력 제어 모드에서 동작하고, 전압 조정 컨버터 스테이션은 고정 전압 제어 모드 또는 보조 전압 제어 모드에서 동작하고, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션은 보조 전압 제어 모드에서 동작하고, 직류 전력망 내의 모든 컨버터 스테이션은 자연 전압 조정에 참여하고, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션 및 전압 조정 컨버터 스테이션은 일차 전압 조정에 참여하고, 전압 조정 컨버터 스테이션은 이차 전압 조정에 참여한다.
자연 전압 조정은, 직류 전력망 부하의 변화를, 먼저 직류 전력망 내에서 컨버터 스테이션의 정전용량형 에너지 스토리지를 이용하여 감당하는 것으로, 직류 전력망 내의 전력이 불균형해질 경우, 직류 전압의 편차는 시간이 지남에 따라 증가하여, 자연 전압 조정 프로세스는 자연히 종료되고, 어떠한 조정 수단도 필요하지 않다.
일차 전압 조정은, 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션이 직류 전압의 조정에 참여함으로써 최종적으로 직류 전압에 편차가 형성되게 하는 것으로, 일차 전압 조정은 컨버터 스테이션 자신의 제어기에 의존하여 자동 종료되고, 외부의 조정 제어 파트의 개입이 필요치 않다.
이차 전압 조정은, 고정 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션 또는 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션이 직류 전압의 조정에 참여함으로써 최종적으로 직류 전압의 정확한 제어를 실현하는 것으로, 이차 전압 조정의 제어기는 컨버터 스테이션의 내부 또는 외부의 조정 제어 파트에 설치된다.
보조 전압 제어 모드를 구현하는 방법은 다음과 같다.
(1) 직류 전압 Udc를 검출한다.
(2) 직류 전압 Udc와 정격 직류 전압 Urate 사이의 편차 △U = Udc - Urate를 계산한다.
(3) 편차 △U와 전압 편차 설정값 UsetH 및 UsetL(단, UsetH > UsetL)의 대소관계의 비교를 수행하여, UsetL < ΔU < UsetH인 경우에는 ΔUmod = 0으로, ΔU > UsetH인 경우에는 ΔUmod = ΔU - UsetH으로, ΔU < UsetL인 경우에는 ΔUmod = ΔU - UsetL으로 정한다.
(4) 전력 명령 편차값 ΔP = K * ΔUmod를 계산한다.
(5) 상위층 제어기가 내린 전력 명령 Porder 및 전력 명령 편차값 ΔP에 따라 전력 제어기의 전력 명령 Pref = Porder - ΔP를 계산한다.
상술한 방법에 따르면, 본 발명의 유리한 효과는 다음과 같다.
(1) 안정 상태에서는 직류 전압 및 전력을 정확하게 제어할 수 있다.
(2) 과도 상태에서는 직류 전압의 변화를 억제할 수 있다.
(3) 고속 통신 채널을 배치할 필요가 없다.
도 1은 직류 전력망 컨버터의 전형적인 제어 모드를 도시하며, (a)는 고정 전력 제어 모드, (b)는 보조 전압 제어 모드, (c)는 고정 전압 제어 모드이다.
도 2는 직류 전력망 전압 제어의 제1 실시예이다.
도 3은 직류 전력망 전압 제어의 제 2 실시예이다.
이하, 첨부된 도면 및 구체적인 실시예를 참조하여, 본 발명의 기술적 해결 방안을 상세히 설명한다.
직류 전력망 전압 제어 방법에서, 직류 전력망 전압의 제어는 세 가지 프로세스, 즉, 자연 전압 조정, 일차 전압 조정 및 이차 전압 조정으로 나뉜다. 또한, 직류 전력망의 컨버터 스테이션은, 컨버터 스테이션이 전압 조정 능력을 갖는지 여부에 따라, 세 가지 유형, 즉, 전력 조정 컨버터 스테이션, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션, 전압 조정 컨버터 스테이션으로 나뉘며, 전력 조정 컨버터 스테이션은 고정 전력 제어 모드에서 동작하고, 전압 조정 컨버터 스테이션은 고정 전압 제어 모드 또는 보조 전압 제어 모드에서 동작하며, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션은 보조 전압 제어 모드에서 동작한다. 직류 전력망 내의 모든 컨버터 스테이션은 자연 전압 조정에 참여하고, 보조 전압 조정 컨버터 스테이션 및 전압 조정 컨버터 스테이션은 일차 전압 조정에 참여하고, 전압 조정 컨버터 스테이션은 이차 전압 조정에 참여한다.
자연 전압 조정은, 먼저 직류 전력망 내에서 컨버터 스테이션의 정전용량형 에너지 스토리지를 이용하여, 직류 전력망 부하의 변화를 감당하는 것으로, 직류 전력망 내의 전력이 불균형해질 경우, 직류 전압의 편차는 시간이 지남에 따라 증가하여, 자연 전압 조정의 프로세스는 자연히 종료되고, 어떠한 조정 수단도 필요하지 않다.
일차 전압 조정은, 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션이 직류 전압의 조정에 참여함으로써 최종적으로 직류 전압에 편차가 형성되게 하는 것으로, 일차 전압 조정은 컨버터 스테이션 자신의 제어기에 의존하여 자동 종료되고, 외부의 조정 제어 파트의 개입이 필요치 않다.
이차 전압 조정은, 고정 직류 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션 또는 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션이 직류 전압의 조정에 참여함으로써 최종적으로 직류 전압의 정확한 제어를 실현하는 것으로, 이차 전압 조정의 제어기는 컨버터 스테이션의 내부 또는 외부의 조정 제어 파트에 설치된다.
보조 전압 제어 모드를 구현하는 방법은 다음과 같다.
(1) 직류 전압 Udc를 검출한다.
(2) 직류 전압 Udc와 정격 직류 전압 Urate 사이의 편차 △U = Udc - Urate를 계산한다.
(3) 편차 △U와 전압 편차 설정값 UsetH 및 UsetL(단, UsetH > UsetL)의 대소관계의 비교를 수행하여, UsetL < ΔU < UsetH인 경우에는 ΔUmod = 0으로, ΔU > UsetH인 경우에는 ΔUmod = ΔU-UsetH으로, ΔU < UsetL인 경우에는 ΔUmod = ΔU - UsetL으로 정한다.
(4) 전력 명령 편차값 ΔP = K * ΔUmod를 계산한다.
(5) 상위층 제어기가 내린 전력 명령 Porder 및 전력 명령 편차값 ΔP에 따라 전력 제어기의 전력 명령 Pref = Porder - ΔP를 계산한다.
도 1은 직류 전력망 컨버터의 전형적인 제어 모드를 도시하며, 그 중에서 (a)는 고정 전력 제어 모드, (b)는 보조 전압 제어 모드, (c)는 고정 전압 제어 모드이다.
직류 네트워크에는 고정 전압 제어기가 하나만 있을 수 있는데, 해당 제어기는 전력 분배 시스템 등과 같은 상위 제어기에 설치될 수도 있고, 컨버터 스테이션의 내부에 설치될 수도 있다. 도 2에 도시된 직류 전력망에서, 전압 제어기는 전력 분배 시스템에 설치된다.
컨버터 스테이션 1과 컨버터 스테이션 2는 전압 조정 컨버터 스테이션으로, 전압 조정 컨버터 스테이션은 보조 전압 제어 모드에서 동작하고, 전압 제어기가 내리는 전력 명령을 수신한다. 컨버터 스테이션 3은 보조 전압 조정 컨버터 스테이션으로, 보조 전압 제어 모드에서 동작하고, 전력 분배 시스템의 전력 명령을 수신한다. 컨버터 스테이션 4는 전력 조정 컨버터 스테이션으로, 고정 전력 제어 모드에서 동작하고, 전력 분배 시스템의 전력 명령을 수신한다.
직류 전력망의 부하가 변화하면, 4개의 컨버터 스테이션의 정전용량형 에너지 스토리지는 먼저 전력 불균형을 처리하여, 직류 전압에 점점 편차가 발생하게 된다. 이러한 과정이 바로 자연 전압 조정 프로세스이다. 전압 제어기의 조정 속도가 비교적 느리거나 또는 통신 지연이 비교적 길면, 직류 전압의 편차가 특정 정도에 도달하였을 때 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션 1, 컨버터 스테이션 2 및 컨버터 스테이션 3은 각자의 전력 레퍼런스 값 Pref를 자동 조정하여, 전력의 균형을 유지하고, 이로부터 직류 전압의 추가적인 편차를 억제하는데, 이러한 과정이 바로 일차 전압 조정 프로세스이다. 일차 전압 조정은 직류 전압의 정확한 제어를 실현할 수 없어, 일정 시간 후에 전압 제어기는 컨버터 스테이션 1 및 컨버터 스테이션 2의 전력 명령을 자동으로 변경하여, 이로부터 직류 전압의 정확한 제어를 구현하고, 동시에, 컨버터 스테이션 3의 전력 레퍼런스 값 Pref3은 다시 Porder3으로 회복되는데, 이러한 과정이 바로 이차 전압 조정 프로세스이다. 만약 전압 제어기의 조절 속도가 충분히 빠르고, 통신 지연이 충분히 짧으면, 일차 전압 조정 프로세스가 작용하기 전에 이미 이차 전압 조정 프로세스가 작용하여, 전압 제어기가 Porder1 및 Porder2를 변경함으로써, 전력의 균형을 유지하고 이로부터 직류 전압의 정확한 제어를 실현한다.
도 3에 도시된 직류 전력망에서는, 전압 제어기가 컨버터 스테이션 내에 설치된다. 컨버터 스테이션 1과 컨버터 스테이션 2는 전압 조정 컨버터 스테이션으로, 컨버터 스테이션 1은 고정 전압 제어 모드에서 동작하고, 컨버터 스테이션 2는 보조 전압 제어 모드에서 동작하며, 컨버터 스테이션 2는 전력 분배 시스템의 전력 명령을 수신한다. 컨버터 스테이션 3은 보조 전압 조정 컨버터 스테이션으로, 보조 전압 제어 모드에서 동작하고, 전력 분배 시스템의 전력 명령을 수신한다. 컨버터 스테이션 4는 전력 조정 컨버터 스테이션으로, 고정 전력 제어 모드에서 동작하고, 전력 분배 시스템의 전력 명령을 수신한다. 직류 전력망 부하에 변화가 발생하면, 4개의 컨버터 스테이션의 정전용량형 에너지 스토리지는 먼저 전력의 불균형을 처리하여, 직류 전압에 점점 편차가 발생하게 된다. 이러한 과정이 바로 자연 전압 조정 프로세스이다. 컨버터 스테이션 내부에 설치된 전압 제어기는 통신 지연이 비교적 짧고, 조절 속도가 비교적 빠르다. 전압 제어기는 Porder1 및 Porder2를 변경함으로써, 전력의 균형을 유지하고 이로부터 직류 전압의 정확한 제어를 실현한다. 컨버터 스테이션 1이 고장으로 인해 작동을 멈춘 뒤에는, 직류 전력망의 전력이 다시 균형을 이루지 못할 수 있다. 4개의 컨버터 스테이션의 정전용량형 에너지 스토리지는 먼저 전력 불균형을 처리하여, 직류 전압에 점점 편차가 발생하게 된다. 이러한 과정이 바로 자연 전압 조정 프로세스이다. 컨버터 스테이션 2는 통신을 통해 전압 제어권을 인수한다.
만약 통신 지연이 비교적 길면, 직류 전압의 편차가 특정 정도에 도달하였을 때에, 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션 2 및 컨버터 스테이션 3은 각자의 전력 레퍼런스 값 Pref을 자동 조정하여, 전력의 균형을 유지하고, 이로부터 직류 전압의 추가적인 편차를 억제하는데, 이러한 과정이 바로 일차 전압 조정 프로세스이다. 일차 전압 조절은 직류 전압의 정확한 제어를 실현할 수 없어, 일정 시간 후에 컨버터 스테이션 2는 전압 제어권을 인수하고 고정 전압 제어 모드로 전환하여, 이로부터 직류 전압의 정확한 제어를 실현하고, 동시에, 컨버터 스테이션 3의 전력 레퍼런스 값 Pref3은 다시 Porder3으로 회복되는데, 이러한 과정이 바로 이차 전압 조정 프로세스이다. 만약 통신 지연이 충분히 짧으면, 일차 전압 조정 프로세스가 작용하기 전에 이미 컨버터 스테이션 2가 전압 제어권을 인수하여, 이차 전압 조정 프로세스가 작용하여, 이로부터 직류 전압의 정확한 제어를 실현한다.
이상의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위해 사용된 것일뿐, 본 발명의 보호 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명이 제공하는 기술적 사상에 따라, 기술적 해결방안에 기초하여 가해진 모든 변경은, 본 발명의 보호 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 직류 전력망 전압 제어 방법으로서,
    직류 전력망 전압 제어는 자연 전압 조정, 일차 전압 조정 및 이차 전압 조정의 3개 프로세스로 나뉘고,
    직류 전력망 내의 컨버터 스테이션은, 컨버터 스테이션이 전압 조정 능력을 구비하였는지 여부에 따라, 전력 조정 컨버터 스테이션, 전압 조정 컨버터 스테이션 및 보조 전압 조정 컨버터 스테이션의 3개 유형으로 나뉘고 - 상기 전력 조정 컨버터 스테이션은 고정 전력 제어 모드에서 동작하고, 상기 보조 전압 조정 컨버터 스테이션은 보조 전압 제어 모드에서 동작하고, 상기 전압 조정 컨버터 스테이션은 고정전압 제어 모드 또는 보조 전압 제어 모드에서 동작함 -,
    자연 전압 조정에 직류 전력망 내의 모든 컨버터 스테이션이 참여하고, 일차 전압 조정에 보조 전압 조정 컨버터 스테이션 및 전압 조정 컨버터 스테이션이 참여하고, 이차 전압 조정에 전압 조정 컨버터 스테이션이 참여하는 것을 특징으로 하는 직류 전력망 전압 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자연 전압 조정은 직류 전력망 내의 각 컨버터 스테이션에서의 정전용량형 에너지 스토리지를 이용하여 직류 전력망의 직류 전압을 조정하는 것임을 특징으로 하는 직류 전력망 전압 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 일차 전압 조정은 상기 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션을 사용하여 직류 전력망의 직류 전압을 조정하여, 직류 전압에 편차가 형성되게 하고, 일차 전압 조정은 컨버터 스테이션 자신의 제어기에 따라 달성되는 것임을 특징으로 하는 직류 전력망 전압 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전압 조정은 고정 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션 또는 상기 보조 전압 제어 모드에서 동작하는 컨버터 스테이션을 사용하여 직류 전력망에서 직류 전압을 조정하여, 직류 전압의 정확한 제어를 실현하는 것이고, 이차 전압 조정의 제어기는 컨버터 스테이션의 내부 또는 외부의 조정 제어 파트에 설치되는 것을 특징으로 하는 직류 전력망 전압 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 전압 제어 모드는,
    (1) 직류 전압 Udc를 검출하는 단계;
    (2) 직류 전압 Udc와 정격 직류 전압 Urate 사이의 편차 △U = Udc-Urate를 계산하는 단계;
    (3) 크기가 다른 2개의 전압 편차 설정값 UsetH 및 UsetL (단, UsetH > UsetL)을 설정하고, 편차 △U와 전압 편차 설정값 UsetH 및 UsetL 의 대소관계의 비교를 수행하여, UsetL < ΔU < UsetH인 경우에는 ΔUmod = 0으로, ΔU > UsetH인 경우에는 ΔUmod = ΔU-UsetH으로, ΔU < UsetL인 경우에는 ΔUmod = ΔU - UsetL으로 정하는 단계;
    (4) 전력 명령 편차값 ΔP = K * ΔUmod를 계산하는 단계; 및
    (5) 상위층 제어기가 내린 전력 명령 Porder 및 전력 명령 편차값 ΔP에 따라 전력 제어기의 전력 명령 Pref = Porder - ΔP를 계산하는 단계를 포함하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 직류 전력망 전압 제어 방법.
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