KR101996510B1 - Dc 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기에 있어서, 상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 센서; 상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되며, 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 1차로 차단하는 IGBT 스위치; 상기 IGBT 스위치의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치의 동작에 의해 1차로 고장 전류의 우회 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하는 스위치 모듈; 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하는 저항; 및 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함하여 구성된다.

Description

DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법{Fault current limiting for DC grid type and the method thereof}

본 발명은 DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 고장 전류 제한기에 절환 구조를 적용하여 고전력 사고에 따른 고장 전류를 안정적으로 제한하고, 재폐로 형성을 가능하게 함으로써 안정적이고 유지 비용을 절감할 수 있는 DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근 장거리 대용량 송전에 특화된 DC 그리드 HVDC(High Voltage Direct Current) 송전 시스템은 21세기 핵심 전기에너지 전송선로로 주목받고 있다.

이러한, DC 그리드 송전 시스템은 기존 지점간 전력 전송에 한정되는 단점을 극복하고, 교류전력계통과 같은 그리드망 구축이 가능하게 됨으로써 다양한 신재생 에너지원을 결합한 경로의 전력 교환이 가능하고, 에너지 효율 향상 및 전력 전송 안정성 향상 등의 장점이 있어 활발히 연구가 이루어지고 있다.

일반적으로, 고전압 전력 분야에 있어 종래의 교류 송배전망의 경우, 교번하는 전류?전압 특성으로 인해 전류 영점이 자연적으로 형성되어, 사고 시 차단기를 개방하여 순간적으로 발생하는 아크를 견디고 전류 영점이 형성되면 아크 소호를 통한 자연적인 차단을 진행하고 있다. 그러나 직류 시스템의 경우, 자연적인 전류 영점이 형성되지 않기 때문에 인위적으로 전류 영점을 형성해 주어야 한다.

현재 상용화된 직류 차단기의 경우, 기중에서 발생되는 아크의 냉각 및 분할을 통해 강제적으로 아크를 소호시켜 주고 있다. 그러나 이는 저전압인 1.5 kV 급에서나 가능한 적용 방안이며, 현재 논의되고 있는 직류 송배전망으로 정격 전압이 증가하게 될 경우 적용이 불가능한 기술이다. 따라서 DC 전류의 전류 영점을 인위적으로 형성시켜 줄 수 있는 방안이 요구된다. 이를 구현하기 위해 많은 방안들이 논의되고 있다.

그 중 한류기는 전력계통에 큰 고장전류가 발생할 경우 고속으로 임피던스를 투입하여 고장전류를 적정한 값 이하로 한류시킴으로 전력기기의 기계적, 열적 스트레스 예방 및 계통 신뢰도를 향상시켜주는 장치이다.

이러한, 초전도 한류 기술은 대표적으로 저항형 초전도 한류기 및 포화 철심형 초전도 한류기로 구성된다. 본 종래기술은, 초전도체 특유의 특성을 활용함으로써 전력시스템의 전력 품질 및 안정도에 치명적인 악영향을 미치는 지락 또는 단락사고에 의한 과전류 억제를 위해 빠른 투입이 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래에 따른 초전도 한류기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 초전도 한류기의 한류 기술의 경우, 크게 2가지 측면에서 문제점을 갖고 있다.

첫 번째는 고비용이 요구되며 제작이 용이하지 않다는 것이다. 초전도 한류기는 보편적인 한류기에 비해, 냉각에 필요한 비용과 초전도체 구성을 위해 필요한 부피 상승으로 고비용을 초래할 수 있다. 더 나아가, 초전도체를 사용하지 않는 한류기에 비해 복잡한 구조로 구성되어 있어 제작이 용이하지 않는 문제점을 갖는다.

두 번째는 보호협조 및 재폐로가 용이하지 않다는 것이다. 초전도 한류기의 경우, 정상상태에서는 임피던스가 거의 제로에 가까우며, 사고 시 초전도 한류기의 ?칭 현상을 통해 순간적으로 임피던스를 발생시킴으로써 고장전류를 효과적으로 제어 및 차단하는 기술이다. 따라서, 정상상태 회복을 위해서는 한류기 회복이 필수적으로 요구되나, 초전도 한류기 회복을 위해 요구되는 시간은 보통 수 초 ~ 분이기 때문에, 보호협조 및 재폐로에는 적합하지 않다. 또한, 회복 시간동안 초전도 한류기가 감당해야 하는 손실이 크다는 점에서 이에 대한 보완이 필수적으로 요구된다.

따라서, 이러한 초전도 한류기는, 초전도체 특유의 특성을 활용하여 지락 또는 단락사고에 의한 과전류 억제를 위해 빠른 투입이 가능한 기술로써, 교류 시스템용 한류기 개발에 국한되어 전 세계적으로 상용화되어 있다. 하지만, 상기 언급한 종래 기술의 문제점인 보호협조 및 재폐로의 난이함, 고비용 및 제작의 어려움은 DC 그리드 적용을 위해 필수적으로 해결해야 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2015-0020035호

본 발명은 고장 전류 제한기에 절환 구조를 적용하여 고전력 사고에 따른 고장 전류를 안정적으로 제한하고, 재폐로 형성을 가능하게 함으로써 안정적이고 유지 비용을 절감할 수 있는 DC 그리드용 고장 전류 제한기 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기에 있어서, 상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 센서; 상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되며, 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 1차로 차단하는 IGBT 스위치; 상기 IGBT 스위치의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치의 1차로 고장 전류 차단 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하는 스위치 모듈; 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하는 저항; 및 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 센서의 후단 및 상기 직류 전력시스템의 차단기 전단에 각각 마련되어 고장 전류의 증가율을 감소시키는 리액터를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 리액터와 상기 직류 전력시스템 사이에 직렬로 연결된 차단기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되어 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 스너버 커패시터를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나가 적용되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 제어기는 상기 센서로부터 고장 전류가 감지되면 순차적으로 상기 IGBT 스위치를 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력한 후, 상기 스위치 모듈을 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력하고, 상기 차단기를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 제어기는 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법은, 컨버터에서 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 단계; 상기 고장 전류가 감지되면 주 전류 경로에 마련된 IGBT 스위치를 1차로 차단하는 단계; 상기 IGBT 스위치를 1차로 차단한 후, 주 전류 경로에 상기 IGBT 스위치와 직렬로 연결된 스위치 모듈을 2차로 차단하여 고장 전류를 한류 경로로 우회시키는 단계; 상기 한류 경로로 우회된 고장 전류를 저항을 통해 제한하는 단계; 상기 직류 전력시스템의 전단에 마련된 차단기를 동작하는 단계; 및 상기 차단기의 동작 후, 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈을 온 상태로 전환하여 재폐로를 형성하는 단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 컨버터와 상기 직류 전력시스템 사이에 리액터를 배치하여 고장 전류의 증가율을 감소시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되도록 스너버 커패시터를 배치하여 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나를 적용하여 재폐로를 형성하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 재폐로를 형성하는 단계에서, 상기 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 고장 전류 제한기에 절환 구조를 적용하여 고전력 사고에 따른 고장 전류를 안정적으로 제한하고, 재폐로 형성을 가능하게 함으로써 안정적이고 유지 비용을 절감할 수 있다.

또한, 소량의 반도체 소자를 사용함으로써 정상상태의 도통 손실을 최소화시킬 수 있다.

도 1은 종래에 따른 초전도 한류기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 고장전류 제한기를 적용한 고전압 직류 계통 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 제1 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 전류 변화의 과도 특성을 도시한 그래프.
도 14은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 저항 양단의 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 저항 가변에 따른 IGBT 양단 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프.
도 16은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 L값 변화의 과도 특성을 도시한 전류 그래프.
도 17은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 L값 변화의 과도 특성을 도시한 전압 그래프.
도 18은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 R값 변화의 과도 특성을 도시한 전류 그래프.
도 19는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 R값 변화의 과도 특성을 도시한 전압 그래프.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 고장전류 제한기를 적용한 고전압 직류 계통 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이이고, 도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 제1 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 구성 및 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고전압 직류 계통 시스템은, 고전압 교류 전력(20)을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(21)와, 상기 변환된 직류 전력의 RLC 임피던스 값을 매칭하는 계통 임피던스(22), 고장전류의 발생시 전류를 제한하는 고장전류 제한기(23) 및 고장전류를 차단하는 전류차단기를 포함하여 구성된다.

상기 고전압 직류 계통 시스템에 고장전류가 발생하는 경우 고장전류 제한기에서 전류를 안정적으로 제한하게 된다.

본 발명의 고장전류 제한기의 구성은 다음과 같다.

도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기(100)에 있어서, 센서(110), 리액터(121.122), 스위치 모듈(130), IGBT 스위치(140), 스너버 커패시터(145), 저항(150), 제어기(160) 및 차단기(170)를 포함하여 구성된다. 여기서, 고장 전류 제한기(100)는 정상상태의 주 전류 경로와 이와 병렬로 연결된 한류 경로를 포함하여 사고시 고장 전류가 한류 경로로 우회할 수 있도록 한다.

상기 센서(110)는 상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하게 된다. 이때, 상기 센서(110)는 전류 센서를 이용하여 급격한 전류 변화가 감지되면 상기 제어기(160)에서 이를 인식하여 고장전류에 따른 전류 차단을 제어하게 된다.

상기 리액터(121,122)는 상기 센서(110)의 후단 및 상기 직류 전력시스템의 차단기(170) 전단인 양방향에 각각 마련되어 사고가 발생되는 위치에 대응하여 양방향에서 고장 전류의 증가율을 감소시키게 된다. 즉, 상기 리액터(121, 122)는 주 전류 경로에 직렬로 연결되어 상기 센서(110)에서 고장 계측이 가능하도록 di/dt를 감소하게 된다.

상기 IGBT 스위치(140)는 상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되어 정상 상태에서는 스위치를 통해 일반적인 도체와 같이 전류가 통전되기 때문에 도통 손실의 최소화가 가능하고, 사고시 상기 제어기(160)의 제어신호에 의해 빠른 스위칭 동작을 수행하여 고장 전류를 1차로 차단하게 된다. 이때, 상기 IGBT 스위치(140)의 빠른 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 임시적으로 차단하는 역할을 하게 된다.

상기 스너버 커패시터(145)는 상기 IGBT 스위치(140)와 병렬로 연결되어 상기 IGBT 스위치(140)에 인가되는 과도 전압을 낮추는 역할을 하게 된다. 즉, 상기 IGBT 스위치(140)에 순간적으로 인가되는 과도 전압에 의한 파손을 방지하기 위한 보호 커패시터이다.

상기 스위치 모듈(130)은 상기 IGBT 스위치(140)의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치(140)의 동작에 의한 1차로 고장 전류의 우회 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하게 한다.

보다 구체적으로, 상기 스위치 모듈(130)은 파이로 액츄에이터 스위치(Pyro-Conductor Switch; PCS), 진공 인터럽터(Vacuum Interubter) 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나가 적용되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 스위치 모듈(130)을 초전도 한류기를 대신하여 재폐로의 형성이 가능한 구조를 갖는다.

상기 진공 인터럽터(Vacuum Interubter)는 소형이며, 신뢰성이 높고 다빈도 개폐특성이 우수함은 물론 유지보수가 용이하여 중전압 소용량에서 고전압 대용량에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 또한, 스위치 모듈로 IBGT를 적용하여 빠른 응답에 의한 차단을 적용하고 재폐로를 형성할 수 있다.

즉, 상기 IGBT 스위치의 1차적 턴 오프 동작 후, 빠른 스위치 모듈의 2차적 차단 동작을 통해 IGBT 스위치에 의한 통전 손실 최소화를 할 수 있게 된다.

상기 저항(150)은 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하게 된다. 즉, 저항(150)은 한류 경로에 직렬로 연결되어 있으며 고장이 발생할 경우 고장전류를 제한하게 되고, 저항값은 특별히 한정하지 않고 주 전류의 크기에 대응하여 정하는 것이 바람직하다.

상기 제어기(160)는 상기 센서(110)에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치(140)의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈(130)의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하게 된다.

보다 구체적으로, 상기 제어기(160)는 상기 센서(110)로부터 고장 전류가 감지되면 순차적으로 상기 IGBT 스위치(140)를 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력한 후, 상기 스위치 모듈(130)을 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력하고, 상기 차단기를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하게 된다. 여기서, 차단기의 온 상태라는 의미는 차단기의 스위치 소자가 평상시 온 상태로 유지하다가 고장 전류 발생시에 전류 차단을 위한 차단기의 동작 온 상태를 말한다.

이때, 상기 제어기(160)는 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈(130) 및 상기 IGBT 스위치(140)를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하게 된다.

상기 차단기(170)는 상기 리액터(121,122)와 상기 직류 전력시스템 사이에 직렬로 연결되어 고장 전류 발생시 전류를 완전히 차단하게 된다. 여기서, 상기 차단기(170)는 상기 고장전류 제한기에서 제한된 고장전류를 완전히 차단하며, 스위치 모듈(130)의 절환부에서는 재폐로 준비를 위해 정상 스위치를 통전부 선로에 인입한다.

한편, 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기는 상기 제1 실시 예와 구성적으로 동일하고 스위치 모듈을 파이로 엑츄에어터 스위치를 적용한 실시 예이다. 여기서, 상기 제1 실시 예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 파이로 엑츄에이터 스위치(Pyro-Conductor Switch; PCS)(230)는 초고속 기계식 스위치로 내부에 복수 개가 마련되어 있으며, 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하게 된다. 여기서, 파이로 엑츄에이터는 일회성 기계식 스위치로 간단한 구조로 형성되어 있으며, 1회 동작 후 교체가 필요하여 복수 개를 배치하고 절환기구부(미도시)를 통해 재폐로를 형성할 수 있게 된다.

이러한, 파이로 엑츄에이터 스위치(230)의 내부에 구성되는 파이로 엑츄에이터는 저비용의 초소형으로 외부에너지 공급이 불필요하고, 초고속 동작이 가능하다(예를 들면, 2ms 이하).

따라서, 종래의 초전도 한류기를 사용하는 구조에 비하여 유지비용이 현저히 낮고, 초고속 기계식 스위치는 저비용의 파이로 액츄에이터 스위치를 활용한 절환 구조로 대체하기 때문에 재폐로 기능을 구현할 수 있다.

또한, 상기 제1 실시 예 및 제2 실시 예의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 동작을 설명하기로 한다. 여기서, 도 3 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 DC 그리드용 고장전류 제한기의 과도 상태에 따른 전류 경로 변화를 설명하기로 한다.

도 3 및 도 9와 같이, 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장 전류 제한기는 전력 계통이 정상적으로 운용되고 있는 경우, 주 전류 회로 경로를 통해 전류가 통전된다. 여기서, 주 전류 회로 경로에는 일반적인 도체와 같은 동작을 수행하는 스위치 모듈 및 IGBT 스위치가 구성되어 있어 전류가 통전되기 때문에 도통 손실의 최소화가 가능하다.

또한, 주 전류 회로 경로에는 억제용 리액터가 직렬로 연결되어 전류 상승률(di/dt)을 억제하게 된다. 이러한, 억제용 리액터는 사고 시 발생하는 고장전류의 상승속도를 감소시키는 역할을 수행하게 되고, 정상운영 시에도 주 한류 경로에 리액터 성분이 남게 된다.

한편, 사고가 발생할 경우, 고장 전류 제한기는 컨버터에서 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하게 된다. 즉, 높은 전류 상승률(di/dt)를 갖는 고장 전류를 센서를 통해 사고가 감지된다.

이때, 도 4 및 도 10과 같이, 상기 고장 전류가 감지되면 주 전류 경로에 마련된 IGBT 스위치를 1차로 차단하게 된다. 이때, IGBT 스위치는 빠른 동작 및 차단으로 전류를 우회시키는 역할을 한다.

그 다음, 도 5와 같이, 상기 IGBT 스위치를 1차로 차단한 후, 주 전류 경로에 상기 IGBT 스위치와 직렬로 연결된 스위치 모듈을 2차로 차단하여 고장 전류를 한류 경로로 우회시킨다. 여기서, IGBT 스위치 동작 후, 스위치 모듈의 빠른 동작을 통해 주 전류 경로를 완전히 차단하게 된다. 이때, 상기 IGBT 스위치가 감당해야 하는 전압이 감소하며, IGBT 스위치 개수의 최소화가 가능해진다. 이러한, IGBT 스위치 개수의 최소화는 정상상태의 도통 손실을 최소화할 수 있다.

여기서, IGBT 스위치와 병렬로 스너버 커패시터를 배치함으로써 IGBT 스위치 소자의 과도전압을 감소시킬 수 있다.

도 6 및 도 11과 같이, 주 전류 경로가 차단된 후, 우회된 전류는 한류 경로(Commutation Path)를 통해 흐르며 저항에 의해 고장전류가 억제된다. 한류 동작을 통해 제한된 고장전류는 최종적으로 차단기를 개방하여 차단 동작을 완수하게 된다.

그 다음, 도 7, 도 8 및 도 12와 같이, 상기 차단기의 동작 후, 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈을 온 상태로 전환하여 재폐로를 형성하게 된다. 여기서, 재폐로를 형성할 때 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈(130, 230) 및 상기 IGBT 스위치(140, 240)를 온 상태로 전환하도록 제어한 후, 차단기(170, 270)를 오프 상태로 전환하도록 제어하게 된다. 즉, 전력 계통의 재폐로 주 전류 경로 회로의 정상동작을 위해 스위치 모듈(130,230) 및 IGBT 스위치(140,150) 및 차단기(170)도 닫히게 된다.

보다 구체적으로, 상기 스위치 모듈(130)로는 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나를 적용하여 재폐로를 형성하게 된다. 이때, 도 12와 같이, 스위치 모듈을 파이로 엑츄에이터 스위치(230)를 적용할 경우 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하게 된다.

상기 파이로 엑츄에이터 스위치(Pyro-Conductor Switch; PCS)(230)는 초고속 기계식 스위치로 내부에 복수 개가 마련되어 있으며, 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하게 된다. 여기서, 파이로 엑츄에이터는 일회성 기계식 스위치로 간단한 구조로 형성되어 있으며, 1회 동작 후 교체가 필요하고, 복수 개를 배치하여 절환기구부(미도시)를 통해 재폐로를 형성할 수 있게 된다.

한편, 도 13은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 사고 시 전류 파형을 도시한 도면이고, 도 14은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 저항 양단의 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프이고, 도 15는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 저항 가변에 따른 IGBT 양단 전압 변화의 과도 특성을 도시한 그래프이다.

, 도 16은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 L값 변화의 과도 특성을 도시한 전류 그래프이고, 도 17은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 L값 변화의 과도 특성을 도시한 전압 그래프이고, 도 18은 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 R값 변화의 과도 특성을 도시한 전류 그래프이고, 도 19는 본 발명에 따른 DC 그리드용 고장전류 제한기의 R값 변화의 과도 특성을 도시한 전압 그래프이다.

도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 사고 시 전류 및 전압 파형에서 예상 단락 전류가 82(kA)이고, 고장제한 전류가 16kA 일 경우, IGBT 스위치의 동작시간은 200㎲이고, 스위치 모듈의 파이로 엑츄에이터 스위치의 동작시간은 1.5㎳, IGBT 는 1개가 필요하고, 저항은 0.5, 인덕터는 3.7m, 고장 시 제한 시간은 30㎳을 갖는다. 따라서, IGBT 스위치와 파이로 엑츄에이터 스위치에 의한 빠른 동작 특성에 의해 고장 전류가 제한되는 것을 알 수 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 저항 가변에 따라 IGBT에 걸리는 전압을 비교한 것으로 저항 값이 클수록 고장전류 제한율은 증가하지만 IGBT에 걸리는 전압이 증가함에 따라 IGBT 의 개수가 증가하며 결과적으로 정상상태 도통 손실을 증가시키는 점을 고려하여 설계해야 한다.

또한, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 리액터의 가변에 따른 고장전류 di/dt 변화율을 나타낸 것으로 리액터의 인덕턴스 값이 증가함에 따라, 전압 스트레스가 감소하기 때문에 IGBT 개수를 최소화 시킬 수 있으며, 설계과정에서 인덕턴스의 크기를 고려한다.

도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 저항(150,250)의 저항 값에 따라 걸리는 전류 및 전압의 변화를 확인할 수 있다. 저항 값이 작을 수로 전류 값은 증가하고, 전압은 낮아지는 것을 알 수 있다.

즉, 상기 도 13 내지 도 19 에서 언급된 바와 같이, 저항, 리액터 및 IGBT의 전류, 전압 값 등을 고려하여 고장 전류 제한기를 설계하여 고장 전류를 제어하게 된다.

따라서, 본 발명은 종래의 초전도 한류기를 사용하는 구조에 비하여 유지비용이 현저히 낮고, 초고속 기계식 스위치를 적용하여 저비용의 절환 구조로 대체하여 재폐로 기능을 구현할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110, 210 --- 센서
121,122, 221, 222 --- 리액터
130, 230 --- 스위치 모듈
140, 240 --- IGBT 스위치
145, 245 --- 스너버 커패시터
150, 250 --- 저항
160, 260 --- 제어기
170, 270 --- 차단기

Claims (14)

1. 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 직류 전력시스템 사이에 마련되어 고장 전류를 제한하는 고장 전류 제한기에 있어서,
   상기 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 센서;
   상기 컨버터에서 직류 전력시스템으로 정상 상태의 전류가 흐르는 주 전류 경로상에 마련되며, 상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 스위칭 동작에 의해 고장 전류를 1차로 차단하는 IGBT 스위치;
   상기 IGBT 스위치의 전단에 직렬로 연결되고, 상기 IGBT 스위치의 1차로 스위치 동작에 의한 고장 전류의 우회 후, 주 전류 경로를 2차로 차단하여 고장 전류가 한류 경로로 우회하도록 한 후, 절환 스위칭 동작에 의해 주 전류 경로의 재폐로를 형성하는 스위치 모듈;
   상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈이 마련된 주 전류 경로와 병렬로 배치되어 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈의 차단 동작에 의해 한류 경로의 고장 전류를 제한하는 저항;
   상기 센서에서 고장 전류로 감지되면 상기 IGBT 스위치의 차단 스위칭 제어 신호 및 상기 스위치 모듈의 차단 스위칭 제어 신호 및 재폐로 형성의 절환 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기;및
   상기 직류 전력시스템의 전단에 연결된 차단기;를 포함하고,
   상기 제어기는 상기 센서로부터 고장 전류가 감지되면 순차적으로 상기 IGBT 스위치를 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력한 후, 상기 스위치 모듈을 오프 상태로 차단하는 제어 신호를 출력하고, 상기 차단기를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서의 후단 및 상기 직류 전력시스템의 차단기 전단에 각각 마련되어 고장 전류의 증가율을 감소시키는 리액터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 리액터와 상기 직류 전력시스템 사이에 직렬로 연결된 차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되어 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 스너버 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나가 적용되는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기.
   
9. 컨버터에서 직류 전력시스템에 공급되는 직류 전력의 전류 변화에 따른 고장 전류를 감지하는 단계;
   상기 고장 전류가 감지되면 주 전류 경로에 마련된 IGBT 스위치를 1차로 차단하는 단계;
   상기 IGBT 스위치를 1차로 차단한 후, 주 전류 경로에 상기 IGBT 스위치와 직렬로 연결된 스위치 모듈을 2차로 차단하여 고장 전류를 한류 경로로 우회시키는 단계;
   상기 한류 경로로 우회된 고장 전류를 저항을 통해 제한하는 단계;
   상기 직류 전력시스템의 전단에 마련된 차단기를 동작하는 단계; 및
   상기 차단기의 동작 후, 상기 IGBT 스위치 및 상기 스위치 모듈을 온 상태로 전환하여 재폐로를 형성하는 단계;를 포함하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 컨버터와 상기 직류 전력시스템 사이에 리액터를 배치하여 고장 전류의 증가율을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어 방법.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 IGBT 스위치와 병렬로 연결되도록 스너버 커패시터를 배치하여 상기 IGBT 스위치에 인가되는 과도 전압을 낮추는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 파이로 액츄에이터 스위치, 진공 인터럽터 및 IGBT 스위치 중에서 어느 하나를 적용하여 재폐로를 형성하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 파이로 엑츄에이터 스위치는 복수 개로 구성되어 고장 전류가 발생할 때마다 순차적으로 절환되어 재폐로를 형성하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 재폐로를 형성하는 단계에서,
    상기 차단기가 온 상태로 전환된 후, 다시 재폐로를 형성하는 경우, 상기 스위치 모듈 및 상기 IGBT 스위치를 온 상태로 전환하도록 제어한 후, 차단기를 오프 상태로 전환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 DC 그리드용 고장 전류 제한기의 제어방법.
    

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