KR102175998B1 - 전력용 반도체형 한류기를 이용한 멀티 터미널 직류 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

전력용 반도체형 한류기를 이용한 멀티 터미널 직류 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통에서, 전력용 반도체형 한류기(FCL), DC/DC 컨버터 및 중앙 제어센터를 포함하는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템을 제공한다. 고장전류의 한류 및 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter) 출력단 커패시터의 방전을 억제하여 직류 배전계통에서 요구되는 차단시간을 증가시키고, 상기 차단시간 동안 일시고장 여부를 확인하고 고장구간 검출을 위한 알고리즘을 수행할 수 있다.

Description

전력용 반도체형 한류기를 이용한 멀티 터미널 직류 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템{PROTECTION METHOD, APPARATUS AND SYSTEM FOR MULTI-TERMINAL DC DISTRIBUTION SYSTEM USING POWER-SEMICONDUCTOR-TYPE FAULT CURRENT LIMITER}
본 발명은 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이고, 더 구체적으로는 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
최근 직류 배전계통에 대한 관심이 높아짐에 따라 다양한 측면에서 연구 및 개발이 진행되고 있으나, 신뢰성 있는 보호 시스템 구축에 대한 연구는 아직 초기단계이다. 특히 기존의 연구들은 주로 IEC 61660-1에서 분석된 직류 계통의 단락 특성을 기반으로 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter)의 출력 전류의 변화율을 이용하여 수 ms 이내로 고장을 신속하게 차단하는 방안을 제안하고 있다.
하지만 신속한 고장전류 차단을 위해서는 고장검출 기법이 아닌 직류 고장을 물리적으로 신속하게 차단할 수 있는 차단기의 개발 및 적용이 핵심 도전과제이다.
이에 대한 대책으로 전력용 반도체형 차단기와 전기기계식 차단기 각각의 장점을 갖춘 하이브리드 차단기가 연구되고 있으나, 고장전류의 신속한 차단에 초점을 맞춘 보호 시스템의 개발에서는 일시고장이나 정상상태 이벤트에 의한 오동작을 고려하기 어려운 문제점이 존재한다.
또한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통용 보호 시스템에서는 이러한 보호 요구조건 이외에도 정확하고 신속한 고장구간 판별기법이 요구된다. 이와 관련하여 일부 문헌에서는 링 형태의 직류 배전계통 혹은 직류 마이크로그리드에서 적용하기 위한 고장구간 판별 및 고장점 표정 기법이 제안되고 있다.
하지만 대부분의 방식들은 각 구간의 선로 양쪽 끝에 전류 측정을 위한 설비의 설치가 필수적이기 때문에 추가적인 비용이 요구되며, 고장으로 인해 발생하는 각 전력변환기기의 커패시터 방전전류가 저감쇠 정현파 형태를 가지기 때문에 측정 오류에 대한 문제가 여전히 존재한다.
한국 등록특허공보 제10-1843009호 ("커패시터 방전전류를 이용한 고장구간 검출 장치 및 방법", 성균관대학교 산학협력단, 등록일 2018.03.22.)
본 발명의 목적은 고장 차단시간을 증가시켜 고장구간의 검출 및 격리가 가능한 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통의 보호 방법은, 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통에서, 상기 복수의 전원 각각에 연결된 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류의 변화율이 소정값보다 큰 경우 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력단에 연결된 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL)를 작동(trigger)시키는 단계와, 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 제어하여 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류를 한류하는 단계와, 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용하여 고장기간을 판별하는 단계와, 상기 고장기간이 영구고장인 경우 고장구간을 검출하는 단계 및 상기 고장기간이 영구고장인 경우 상기 고장구간을 상기 배전계통으로부터 격리하는 단계를 포함한다.
상기 소정값은 제1 정정값(dI set(S) /dt)일 수 있다.
상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 작동(trigger)시키는 단계는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 열고(OFF), 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 닫는(ON) 것일 수 있다.
상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류를 한류하는 단계는 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 크기가 제2 정정값(I accept )보다 큰 경우에는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 열고(OFF), 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 크기가 상기 제2 정정값(I accept )보다 작은 경우에는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 닫는(ON) 것일 수 있다.
상기 고장기간을 판별하는 단계는 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 감쇠율이 증가하면 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치의 재폐로를 통해 고장기간을 판별하는 것일 수 있다.
상기 고장기간을 판별하는 단계는 하기 수학식
Figure 112019072400232-pat00001
에 의해 고장기간을 판별하는 것일 수 있다.
상기 고장구간을 검출하는 단계는 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 이용해 고장구간을 검출하는 것일 수 있다.
상기 고장구간을 검출하는 단계는 상기 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류의 초기구간에 대해서 볼록도(Convexity)를 분석하되, 상기 초기구간은 상기 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류가 발생한 순간부터 첫 피크(peak)값을 갖는 순간까지로 결정될 수 있다.
상기 고장구간을 상기 배전계통으로부터 격리하는 단계는 상기 고장구간 양단의 단로기(Disconnecting Switch; DS)를 개방(OFF) 하는 것일 수 있다.
상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류가 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 통해 흐르도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 장치는, 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통에서, 전력용 반도체형 한류기(FCL)로부터 고장기간 판별결과를 수신하고, DC/DC 컨버터로부터 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 수신하는 입력부와, 상기 고장기간 판별결과가 영구고장인 경우 고장구간을 검출하고, 상기 고장구간을 상기 배전계통으로부터 격리하는 제어부를 포함한다.
상기 고장구간의 검출은 상기 DC/DC 컨버터로부터 수신한 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 이용해 검출하는 것일 수 있다.
상기 고장구간을 배전계통으로부터 격리하는 것은 상기 고장구간 양단의 단로기(DS)를 개방(OFF)하는 것일 수 있다.
상기 제어부는 상기 고장기간 판별결과가 일시고장인 경우에는 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류가 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 통해 흐르도록 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 장치는, 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통에서, 상기 복수의 전원 각각에 연결된 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류를 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 측정한 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 크기 및 변화율에 따라 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때 상기 제어부는 상기 측정부가 측정한 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 변화율이 제1 정정값(dI set(S) /dt)보다 큰 경우에 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 작동(trigger)시키고, 상기 작동(trigger)은 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 열고(OFF), 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 닫는(ON) 것일 수 있다.
이때 상기 제어부는 상기 측정부가 측정한 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류가 제2 정정값(I accept )보다 큰 경우에는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 열고(OFF), 상기 측정부가 측정한 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류가 제2 정정값(I accept )보다 작은 경우에는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 닫는(ON) 것일 수 있다.
이때 상기 제어부는 상기 측정부가 측정한 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 감쇠율이 증가하는 경우 하기 수학식
Figure 112019072400232-pat00002
에 의해 고장 기간을 판별하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템은, 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통에서, 상기 복수의 전원 각각에 연결된 적어도 하나의 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류의 변화율이 제1 정정값(dI set(S) /dt)보다 큰 경우 작동(trigger)하여 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류를 한류하고 고장기간을 판별하는 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL)와, DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류에 대해 볼록도(Convexity)를 분석하는 DC/DC 컨버터와, 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 고장기간 판별결과 및 상기 DC/DC 컨버터의 볼록도(Convexity) 분석결과를 수신하고, 상기 수신한 고장기간 판별결과가 영구고장인 경우 상기 수신한 볼록도(Convexity) 분석결과에 따라 고장구간을 검출하고, 상기 고장구간 양단의 단로기(Disconnecting Switch; DS)를 개방함으로써 상기 고장구간을 격리하는 중앙 제어센터를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통의 보호 방법, 장치 및 시스템은 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL)를 이용함으로써, 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류의 한류 및 전압 소스 컨버터(VSC) 출력단 커패시터의 방전을 억제하여 직류 배전계통에서 요구되는 차단시간을 증가시키고, 상기 차단시간 동안 일시고장 여부를 확인하고 고장구간 판별을 위한 알고리즘을 수행할 수 있다.
더불어 커패시터 방전전류에 의한 계통 설비들의 열적 또는 전기적 스트레스를 저감시킬 수 있고, 계통 전압레벨 감소를 통한 민감 부하 및 분산전원의 계통 탈락을 방지할 수 있으며, 고장기간 판별 및 고장구간 검출 알고리즘을 통한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 통합 보호를 위한 전력용 반도체형 한류기, DC/DC 컨버터 및 중앙 제어센터 각각의 기능과 상호간의 관계를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템에서 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 구성 및 기능을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템에서 부하의 입력단에 존재하는 DC/DC 컨버터의 구성 및 기능을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템에서 중앙 제어센터의 구성 및 기능을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템의 운영 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템의 성능 검증을 위한 시뮬레이션에서 활용된 모의계통을 나타낸 개략도이다.
도 7 내지 도 16은 도 6의 모의계통을 이용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통 보호 시스템 및 방법에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 명확하고 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 통합 보호를 위한 전력용 반도체형 한류기(200a, 200b), DC/DC 컨버터(300a, 300b, 300c, 300d) 및 중앙 제어센터(400) 각각의 기능과 상호 간의 관계를 보여주는 개략도이다.
멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통은, 예를 들어, 링 형태로 구성되며, 도 1에 나타난 바와 같이 교류 계통(AC Grid)(10a, 10b) 또는 태양 전지(Photovoltaic Cell, PV)(20)와 같은 신재생에너지(Renewable Energy)를 포함한 다양한 형태의 분산전원으로부터 전력을 공급받는다. 따라서 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통에서 고장이 발생하면 배전계통에 연계된 다수의 전원으로부터 고장전류가 야기되어 기존의 배전계통에서보다 더 많은 구간이 고장에 의한 영향을 받게 되므로, 신속하고 정확하게 고장구간을 격리하여 계통의 신뢰도를 유지할 수 있어야 한다.
전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)는 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)(100)의 출력단에 연결된다. 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)는 전기기계식 차단기(201)와 반도체 스위치(203)를 포함한다. 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 세부적인 동작은 도 2를 참조하여 후술한다.
DC/DC 컨버터(300)는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 각 부하(Load)의 앞 단에 설치되어 부하에 필요한 전압을 합성한다. DC/DC 컨버터(300)는 커패시터(미도시)를 포함한다. DC/DC 컨버터(300)의 세부적인 동작은 도 3을 참조하여 후술한다.
중앙 제어센터(400)는 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)로부터 고장기간 판별결과 데이터를 수신하고, 각 DC/DC 컨버터(300)로부터 커패시터 방전전류 분석 데이터를 수신하여 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200) 내부의 반도체 스위치(203) 및 고장구간의 양단에 존재하는 단로기(Disconnecting Switch; DS)(30)의 제어 여부를 결정한다. 중앙 제어센터(400)의 세부적인 동작은 도 4를 참조하여 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템에서 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 구성 및 기능을 나타낸 블록도이다.
전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)는 고장전류 한류 및 고장기간 판별기능을 수행하며, 이를 위해 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류를 측정하는 측정부(210)와 주어진 동작 조건에 따라 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)를 동작(ON/OFF)시키는 제어부(230)를 포함한다.
측정부(210)는 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 적어도 하나의 VSC(100)의 출력 전류를 측정한다.
제어부(230)는 상기 측정부(210)에서 측정한 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 크기 및 변화율을 활용하여 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 전기기계식 스위치(201) 및 반도체 스위치(203)를 제어한다. 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어는 i) 고장검출을 통해 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)를 작동(trigger)시키는 트리거부(231), ii) 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류를 한류하는 한류부(233) 및 iii) 일시고장 또는 영구고장 여부를 판별하는 고장기간 판별부(235)에 의해 수행된다.
트리거부(230)는 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류의 변화율(dI VSC /dt)이 제1 정정값(dI set(S) /dt)보다 큰 경우 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)를 작동(trigger)시킨다. 이때, 전기기계식 차단기(201)를 통해 흐르던 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류가 반도체 스위치(203)를 통해 흐른다.
한류부(233)는 제2 정정값(I accept )을 기준으로 반도체 스위치(203)의 ON/OFF 동작을 반복하여 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류를 한류한다.
고장기간 판별부(235)는 고장제거로 인해 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류의 감쇠율이 증가하는 특성을 보이면 반도체 스위치(203)의 재폐로 동작을 통해 고장기간을 판별한다. 예를 들어, 고장기간은 일시고장 또는 영구고장으로 판별될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템에서 각 부하의 앞 단에 설치되는 DC/DC 컨버터(300)의 구성 및 기능을 나타낸 블록도이다.
DC/DC 컨버터(300)는 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석을 통해 고장구간 검출을 위한 데이터를 출력하며, 이를 위해 고장 발생시 야기되는 커패시터 방전전류를 측정하는 측정부(310)와 측정 데이터를 분석하여 볼록도(Convexity) 분석결과를 출력하는 데이터 처리부(330)를 포함한다.
측정부(310)는 DC/DC 컨버터(300)의 커패시터 방전전류(I cap )를 측정한다.
데이터 처리부(330)는 초기구간 추출부(331)와 볼록도(Convexity) 분석부(333)를 포함한다.
초기구간 추출부(331)는 커패시터 방전전류의 변화율에 따라 초기구간을 추출한다. 여기서 초기구간은 고장구간을 검출하기 위해 볼록도(Convexity) 분석에 필요한 구간에 해당하는 커패시터 방전전류(I cap *)를 의미한다. 예를 들어, 초기구간은 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류가 발생한 순간부터 첫 피크(peak)값을 갖는 순간까지로 결정할 수 있다. 또한, 예를 들어, 초기구간의 시(始)점은 dI set (L) /dt를 이용하여 결정하고 종(終)점은 dI cap /dt의 부호 변화를 이용하여 결정할 수도 있다.
볼록도(Convexity) 분석부(333)는 커패시터 방전전류의 초기구간(I cap *)에 대하여 볼록도(Convexity)를 분석한다. 볼록도(Convexity) 분석결과는 중앙 제어센터(400)로 전송되고, 중앙 제어센터(400)의 제어부(430)는 볼록도(Convexity) 분석결과를 이용해 고장구간을 검출한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템에서 중앙 제어센터(400)의 구성 및 기능을 나타낸 블록도이다.
중앙 제어센터(400)는 입력부(410)와 제어부(430)를 포함한다.
입력부(410)는 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)로부터 고장기간 판별결과를 수신하고(411), 각 DC/DC 컨버터(300)로부터 커패시터 방전전류의 볼록도 분석결과를 수신한다(413).
제어부(430)는 고장기간 판별결과에 따라 고장에 대응한다. 제어부(430)는 고장기간 판별결과가 일시고장일 경우(433)에는 고장상황 종료 후 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통이 정상 운영하도록 전기기계식 차단기(201)와 반도체 스위치(203)를 제어하고(439), 고장기간 판별결과가 영구고장일 경우(431)에는 볼록도(Convexity) 분석결과를 이용해 고장구간을 검출하고(435), 고장구간 양단의 단로기(DS)(30)을 개방함으로써 고장 구간을 배전계통으로부터 격리한 후(437) 건전구간에 대해 배전계통을 정상 운영한다(439).
또한 구현 형태에 따라 제어부(430)는 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어부(230) 및 DC/DC 컨버터(300)의 데이터 처리부(330)의 동작을 통합하여 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템의 운영 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
전술한 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 동작 알고리즘(S511 내지 S518)은 도 5의 좌측 부분에 나타나 있으며, DC/DC 컨버터(300)의 동작 알고리즘(S531 내지 S537)은 도 5의 우측 부분에 나타나 있다.
전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 측정부(210)와 DC/DC 컨버터(300)의 측정부(310)는 각각 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력 전류(I VSC ) 및 DC/DC 컨버터(300)의 커패시터 방전전류(I cap )를 측정한다(S501).
전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어부(230)는 상기 측정된 I VSC 의 변화율(dI VSC /dt)과 제1 정정값(dI set(S) /dt)을 비교해 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)를 작동(trigger)시킨다. 구체적으로, dI VSC /dt가 dI set (S) /dt보다 큰 지 여부를 판단하고(S511), dI VSC /dt가 dI set (S) /dt보다 큰 경우에는 반도체 스위치(S S )(203)가 닫히고(ON)(S512), 전기기계식 차단기(S M )(201)가 열린다(OFF)(S513). dI VSC /dt 가 dI set (S) /dt 보다 작은 경우에는 사고가 발생하지 않은 것이므로 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)가 작동(trigger)되지 않는다.
또한 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어부(230)는 배전계통으로 입력되는 전류(I DC )와 제2 정정값(I accept )을 비교하여 반도체 스위치(203)의 ON/OFF 동작을 제어한다. 구체적으로, I DC 가 I accept 보다 큰 지 여부를 판단하고(S514), I DC 가 I accept 보다 큰 경우에는 반도체 스위치(S S )(203)가 열리고(OFF)(S514), I DC 가 I accept 보다 작은 경우에는 반도체 스위치(S S )(203)가 닫힌다(ON)(S515). 이를 통해, 후술할 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 고장전류가 일정하게 유지되어 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력단 커패시터의 방전을 방지한다.
또한 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어부(230)는 고장제거에 따른 감쇠율 변화를 반영한 하기 수학식 1을 통해 재폐로를 수행함으로써 고장기간 판별기능을 수행한다.
Figure 112019072400232-pat00003
여기서 τlim은 고장 발생 시 고장전류 경로의 시정수이고, δ n 은 한류 기능 수행 시 고장전류의 감소시간이고, β는 반도체 스위칭 동작에 의한 스파이크 등을 고려한 여유값(margin)이다.
구체적으로, τlim이 δ n 과 β의 곱보다 큰 지 판단하고(S517), τlim이 δ n 과 β의 곱보다 큰 상태가 소정 횟수만큼 반복되는 경우(S519)에는 단계 S520을 수행한다. τlim이 δ n 과 β의 곱보다 작은 경우에는 단계 S518을 수행한다.
여기서 단계 S519는 스위칭 동작 시 발생 가능한 전압 스파이크, 노치(notch) 또는 노이즈(noise) 등에 의한 오동작을 예방하기 위해 단계 S517을 만족하는 상태가 일정 횟수 이상 반복될 경우에 다음 단계 동작을 수행하도록 한 것이다.
단계 S518에서는, τlim이 δ n 과 β의 곱보다 작은 상태로 유지되는 시간(t)이 ttemp보다 큰 지 판단하고, t > ttemp 인 경우 영구고장으로 판별한다(S553). 여기서, ttemp는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 요구조건을 고려한 시간값이며, 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어부(230) 또는 중앙 제어센터(400)의 제어부(430)에서 결정될 수 있다.
단계 S520에서는, I DC 가 I pickup 보다 큰 지 판단하고, I DC 가 I pickup 보다 큰 경우 고장기간을 일시고장으로 판별한다(S551). 여기서, I pickup 은 스위칭 동작 시 발생 가능한 전압 스파이크, 노치(notch) 또는 노이즈(noise) 등에 의한 오동작을 예방하기 위해 고장기간이 일시고장인지 여부를 최종적으로 확인하기 위한 기준값이다.
고장기간 판별결과가 일시고장인 경우에는 전기기계식 스위치(S M )(201)을 닫고(ON) 반도체 스위치(S S )(203)를 열어(OFF) 배전계통을 정상 운영한다(S555).
한편, DC/DC 컨버터(300)는 상기 측정된 I cap 의 변화율(dI cap /dt)과 정정값(dI set(L) /dt)의 크기에 따라 작동(trigger)된다. 구체적으로, dI cap /dt가 dI set (L) /dt 보다 큰 지 판단하고(S531), dI cap /dt가 dI set (L) /dt 보다 크면 DC/DC 컨버터(300)가 트리거되어 단계 S532를 수행한다.
DC/DC 컨버터(300)의 데이터 처리부(330)는 커패시터 방전전류의 변화율에 따라 초기구간(I cap *)을 추출한다(S532). 여기서, 초기구간은 고장구간을 검출하기 위해 볼록도(Convexity) 분석에 필요한 구간에 해당하는 커패시터 방전전류(I cap *)를 의미한다. 예를 들어, 초기구간의 시(始)점은 dI set (L) /dt를 이용하여 결정하고 종(終)점은 dI cap /dt의 부호 변화를 이용하여 결정할 수 있다.
또한 DC/DC 컨버터(300)의 데이터 처리부(330)는 커패시터 방전전류의 초기구간에 대한 볼록도(Convexity)를 분석한다(S533). 구체적으로, d 2 I cap */dt 2이 0보다 작은 경우에는 볼록도가 상승하고(S534), d 2 I cap */dt 2이 0보다 큰 경우에는 볼록도가 감소한다(S535).
중앙 제어센터(400)의 제어부(430)는 각 DC/DC 컨버터(300)로부터 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 수집하고(S536), 고장구간을 검출한다(S537).
이후 고장기간을 판별하고(S538), 고장기간 판별결과가 일시고장인 경우에는 전기기계식 스위치(S M )(201)을 닫고(ON) 반도체 스위치(S S )(203)를 열어(OFF) 배전계통을 정상 운영한다(S555). 고장기간 판별결과가 영구고장인 경우에는 고장구간 양단의 단로기(DS)(30)를 개방(OFF)하여 고장구간을 배전계통으로부터 격리한 후(S539), 전기기계식 스위치(S M )(201)을 닫고(ON) 반도체 스위치(S S )(203)를 열어(OFF) 건전 구간에 대해 배전계통을 정상 운영한다(S555).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통 보호 시스템의 성능 검증을 위한 시뮬레이션에서 활용된 모의계통을 나타낸 개략도이다. 2개의 교류 계통(AC Grid #1, #2), 각 교류 계통에 연결된 전압 소스 컨버터(VSC)(10a, 10b), 태양전지(PV)에 의해 전력을 공급받으며, 8개의 부하(Load #1 내지 #8), 각 부하와 태양전지(PV)에 연결된 DC/DC 컨버터(300a 내지 300i)로 구성된 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통이다. 시뮬레이션 프로그램은 ElectroMagnetic Transient Program(EMTP)을 이용하였으며, 모의계통의 파라미터는 표 1과 같다. 시뮬레이션 조건은 표 2와 같다.
구 분 입력값
전압레벨 교류 배전계통 22.9kVAC
직류 모선 및 배전선로 1500VDC
부하군 380VDC
배전선로 배전선로 길이(구간) 1000m
배전선로 상수 저항 0.164Ω/km
인덕턴스 0.26H/km
부하량 부하 #1 30kW
부하 #2 50kW
부하 #3 40kW
부하 #4 30kW
부하 #5 40kW
부하 #6 30kW
부하 #7 50kW
부하 #8 40kW
구 분 Case 시나리오
고장위치 고장종류 고장기간
MTDC 배전계통의 보호 시스템 사례 1 부하 #7
- 부하 #8		 단락고장 영구고장
사례 2 부하 #7
- 부하 #8		 단락고장 일시고장
(0.5-0.55s)
사례 3 부하 #7
- 부하 #8		 지락고장
(0.01-5Ω)		 영구고장
사례 4 부하 #5
- 교류전원 #2		 단락고장 영구고장
사례 1 및 사례 2를 통해 본 발명의 보호 시스템이 고장전류 검출, 고장전류 한류, 일시고장 판별 및 고장구간 판별을 성공적으로 수행하는 것을 확인하였으며, 사례 3 및 사례 4를 통해 본 발명의 보호 시스템이 다양한 고정저항을 갖는 지락고장이 발생한 경우와 전원 인근의 배전선로에서 고장이 발생한 경우 등 다양한 고장조건에서도 유연성 있게 동작하는 것을 확인하였다. 이하에서는, 도 7 내지 도 16을 참조하여 각 사례별 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 7은 사례 1에서 교류 계통(AC Grid #1, #2)으로부터 출력되는 전류를 나타낸 그래프로서 고장 발생부터 고장구간 격리 이후 정상 동작까지의 과정을 나타낸다. 제① 구간은, 고장이 발생하기 전 멀티 터미널 직류(MDTC) 배전계통이 정상 동작하는 것을 나타낸다. 제② 구간은, 고장이 발생하여 반도체 스위치(203)를 통해 흐르는 고장전류가 반도체 스위치(203)의 ON/OFF 동작을 통해 일정한 범위 내로 한류되는 것을 나타낸다. 제③ 구간은, 단로기(DS)(30)를 개방하여 고장구간이 격리되는 것을 나타낸다. 제④ 구간은, 고장구간 격리 후 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통이 정상 동작하는 것을 나타낸다.
도 8은 사례 1에서 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력단 커패시터 전압 및 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)에서 흐르는 전류를 나타낸다. 고장 발생(0.55s)후 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력단 커패시터 전압이 상승하지만, 고장전류 한류 기능에 의해 전기기계식 스위치(201)로 흐르는 전류(I SM )는 0이 되고 반도체 스위치(203)로 흐르는 전류(I SS )는 일정한 범위로 제한되어, 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력단 커패시터의 방전을 방지하고 있음을 알 수 있다. 도 8의 시뮬레이션 결과에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템은 고장차단 요구시간을 증가시켜 다른 보호 알고리즘과의 협조가 가능하다.
도 9 및 도 10은 각각 DC/DC 컨버터(300)의 커패시터 방전전류와 그에 대한 볼록도(Convexity) 분석 결과를 나타낸다. 부하(Load) #7과 #8 사이에서 고장이 발생하여 해당 구간에 설치된 DC/DC 컨버터(300)의 커패시터 방전전류가 가장 먼저 발생하고, 가장 큰 피크(Peak)값을 갖는다. 이를 통해 DC/DC 컨버터(300)의 데이터 처리부(330)는 초기구간을 검출한다. 초기구간에서 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity)가 1로 유지되는 부하(Load) #7과 #8 사이가 고장구간임을 검출할 수 있다.
도 11은 사례 2에서 도 6의 교류 계통(AC Grid #1, #2)으로부터 출력되는 전류를 나타낸 것으로서 고장 발생부터 고장전류 한류 이후 정상 동작까지의 과정을 나타낸다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템이 성공적으로 한류 기능을 수행하고 일시고장임을 판별하여 계통을 다시 정상적으로 운영할 수 있도록 함을 알 수 있다.
도 12는 사례 2에서 도 6의 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력단 커패시터 전압 및 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)에서 흐르는 전류를 나타낸다. 사례 1에서와 마찬가지로, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템이 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 반도체 스위치(203)의 동작을 통해 전압 소스 컨버터(VSC)(100)의 출력단 커패시터의 방전을 방지하고 있음을 알 수 있다.
도 13 및 도 14는 사례 3에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템이 고장 조건에 상관없이 성공적으로 보호기능을 수행하여 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통을 정상적으로 운영할 수 있도록 함을 알 수 있다.
도 15 및 도 16은 사례 4에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템이 전원 인근의 배전선로에서 고장이 발생한 경우에도 성공적으로 보호기능을 수행하여 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통을 정상적으로 운영할 수 있도록 함을 알 수 있다.
10a, 10b: 교류 계통(AC Grid)
20: 태양전지(Photovoltaic Cell; PV)
30: 단로기(Disconnecting Switch; DS)
100: 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)
200, 200a, 200b: 전력용 반도체형 한류기(FCL)
210: 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 측정부
230: 전력용 반도체형 한류기(FCL)(200)의 제어부
300, 300a, 300b, 300c, 300d, 300e, 300f, 300g, 300h, 300i: DC/DC 컨버터
310: DC/DC 컨버터(300)의 측정부
330: DC/DC 컨버터(300)의 데이터 처리부
400: 중앙 제어센터
410: 중앙 제어센터(400)의 입력부
430: 중앙 제어센터(400)의 제어부

Claims (18)

  1. 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(Multi-Terminal Direct Current; MTDC) 배전계통에서,
    상기 복수의 전원 각각에 연결된 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류의 변화율이 소정 값보다 큰 경우 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력단에 연결된 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL)를 작동(trigger)시키는 단계;
    상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 제어하여 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류를 한류하는 단계;
    상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용하여 고장기간을 판별하는 단계;
    상기 고장기간이 영구고장인 경우 고장구간을 검출하는 단계; 및
    상기 고장기간이 영구고장인 경우 상기 고장구간을 상기 배전계통으로부터 격리하는 단계
    를 포함하는 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정값은 제1 정정값(dI set(S) /dt)이고,
    상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 작동(trigger)시키는 단계는
    상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 열고(OFF), 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 닫는(ON) 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소정값은 제1 정정값(dI set(S) /dt)이고,
    상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류를 한류하는 단계는
    상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 크기가 제2 정정값(I accept )보다 큰 경우에는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 열고(OFF), 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 크기가 상기 제2 정정값(I accept )보다 작은 경우에는 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치를 닫는(ON) 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고장기간을 판별하는 단계는
    상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류의 감쇠율이 증가하면 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 반도체 스위치의 재폐로를 통해 고장기간을 판별하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고장기간을 판별하는 단계는
    하기 수학식
    Figure 112019072400232-pat00004

    에 의해 고장기간을 판별하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고장구간을 검출하는 단계는
    DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 이용해 고장구간을 검출하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고장구간을 검출하는 단계는
    상기 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류의 초기구간에 대해서 볼록도(Convexity)를 분석하되,
    상기 초기구간은 상기 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류가 발생한 순간부터 첫 피크(peak)값을 갖는 순간까지인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고장구간을 상기 배전계통으로부터 격리하는 단계는
    상기 고장구간 양단의 단로기(Disconnecting Switch; DS)를 개방(OFF) 하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류가 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 통해 흐르도록 제어하는 단계를 더 포함하는 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 방법.
  10. 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통에서,
    전력용 반도체형 한류기(FCL)로부터 고장기간 판별결과를 수신하고, DC/DC 컨버터로부터 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 수신하는 입력부; 및
    상기 고장기간 판별결과가 영구고장인 경우 고장구간을 검출하고, 상기 고장구간을 상기 배전계통으로부터 격리하는 제어부
    를 포함하는 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고장구간의 검출은
    상기 DC/DC 컨버터로부터 수신한 커패시터 방전전류의 볼록도(Convexity) 분석결과를 이용해 검출하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 고장구간을 배전계통으로부터 격리하는 것은
    상기 고장구간 양단의 단로기(DS)를 개방(OFF)하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 고장기간 판별결과가 일시고장인 경우에는 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류가 상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 전기기계식 차단기를 통해 흐르도록 제어하는 것인 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 복수의 전원이 연계되는 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통에서,
    상기 복수의 전원 각각에 연결된 적어도 하나의 전압 소스 컨버터(Voltage Source Converter; VSC)의 출력 전류의 변화율이 소정 값보다 큰 경우 작동(trigger)하여 상기 전압 소스 컨버터(VSC)의 출력 전류를 한류하고 고장기간을 판별하는 전력용 반도체형 한류기(Fault Current Limiter; FCL);
    DC/DC 컨버터의 커패시터 방전전류에 대해 볼록도(Convexity)를 분석하는 DC/DC 컨버터; 및
    상기 전력용 반도체형 한류기(FCL)의 고장기간 판별결과 및 상기 DC/DC 컨버터의 볼록도(Convexity) 분석결과를 수신하고, 상기 수신한 고장기간 판별결과가 영구고장인 경우 상기 수신한 볼록도(Convexity) 분석결과에 따라 고장구간을 검출하고, 상기 고장구간 양단의 단로기(Disconnecting Switch; DS)를 개방함으로써 상기 고장구간을 격리하는 중앙 제어센터
    를 포함하는 전력용 반도체형 한류기(FCL)를 이용한 멀티 터미널 직류(MTDC) 배전계통의 보호 시스템.
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