KR20030067768A - 무효전력 보상기능을 갖는 dc-리액터 타입 고온초전도전류제한기 - Google Patents

무효전력 보상기능을 갖는 dc-리액터 타입 고온초전도전류제한기 Download PDF

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Abstract

발명은 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기에관한 것이다. 본 발명을 이용하여 평상시에는 무효전력 보상기능을 수행하게 되고 사고 시에는 연속적인 전력공급과 전류제한장치로서 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-리 액터 타입의 고온초전도 전류제한기에 도입한 구조, 평상시엔 주입전류의 크기와 위상을 직접 제어하여 무효전력을 보상하는 기능을 수행하는 동작, 전원단 사고시 몇주기동안 연속적인 전력공급이 가능할 뿐만 아니라 부하단 사고 시엔 DC-리액터 타입전류제한기로서 동작할 수 있는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 제한기는, 부하단 사고시 사고 전류제한 장치로서만 동작하는 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기와는 달리, 전원단 사고로 전력공급이 중단되었을 경우, 고온초전도코일에 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.
DC-리액터 타입의 전류제한기에 사용되는 고온초전도 코일은 부하단에 사고가 발생할 경우, 사고전류를 제한하는 역할과 함께 평상시에 저장한 전기 에너지를 사고로 인해 전력공급이 중단되었을 경우, GTO사이리스터 브리지를 인버터로 동작시킴으로서 부하에 전력을 공급하는 기능도 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한 고속스위칭이 가능한 대전력 반도체소자의 개발과 전력전자기기의 사용이 급격이 증대됨에 따라 이로 인해 발생되는 무효전력이나 고조파로 인한 대책으로 무효전력 보상기가 개발되어 연구되고 있다.
따라서 고온초전도 코일의 이용률 향상과 효과적인 계통보호 장치개발을 위해, DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기를 구성하는 고온초전도 코일을, 기존의 리액터를 이용하는 전류원 무효전력보상기의 구성요소로 결합시킬 수 있는 방안을본 발명에서 제시하고자 한다.
본 발명에서 제안한 무효전력 보상기의 구성요소인 리액터를 DC-리액터 타입 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일로 대체하여 결합할 경우, 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 전류원 방식의 무효전력 보상기가갖는 리액터 손실을 크게 감소시킬 수 있으며 기존의 DC-리액터 타입 전류제한기의기능을 확장할 수 있는 장치가 될 것으로 기대된다.
따라서 평상시에는 고온초전도 코일에 주입 또는 방출되는 전류의 위상을 보상기 연결점의 전압에 대해 90°앞서거나 뒤지게 제어함으로서 무효전력을 보상하는 기능을 수행함과 동시에, 사고시 전류제한과 연속적인 전력공급이 가능한 무효전력보상기능을 갖는 고온초전도 전류제한기를 개발하고자 한다.
[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]은 전류원 무효전력 보상기의 주입전류(Icm)와 보상기 양단전압(VT)의 위상차에 따른 유·무효전력의 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]은 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]은 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 전원 단 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 전원 단 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 고온초전도코일에 도통되는 전류(Icoil)파형.
[도 16]는 제안한 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기에, 무효전력 보상기능을 수행하는 IGBT로 구성된 브리지단의 소프트스위칭 동작을 위한 보조회로(S7, S8, D7, D8, Lr, Cr)를 추가한 구성회로.
＜ 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 고온초전도코일로 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(FastRecovery)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)스위칭동작을 제어함으로서 평상시에, 상기계통선로에 무효전력을 보상할 수 있고, 사이리스터로 구성된 삼상 브리지회로의 도통 각을 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 코일에는 일정한 DC전류가 도통되므로 삼상 변압기 1, 2차측 전압은 0 [V]가 되며, 전원단에 개방사고 발생시고온초전도 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 초전도코일전압(Vcoil), 전류(Icoil) 및 3상 부하전류(Ia_load, Ib_load, Ic_load)파형을 보여주며, 사고 전에는 고온초전도 코일에 일정한 DC전류가 도통되고 있으며 이로 인해 코일 양단전압은 0[V]가 되는 것을 확인할 수 있다. 사고 발생 후에는 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 고온초전도코일의 전류크기변화를 비교한 곡선이다. [도 3a]에서 보는 바와 같이, 사고 전에는 코일 인덕턴스의 크기에 관계없이 8.8 [A]의 일정한 전류가 도통되고 있으나 사고 후에는 코일 인덕턴스값이 클수록 서서히 감소되는 것을 볼 수 있다. 이는 사고 전에 코일 인덕턴스의 크기에 비례하는 에너지가 코일에 저장되므로 전력이 중단될 동안 부하에서 필요한 전력을 고온초전도코일에서 공급하고 있음을 의미한다. 삼상 변압기 1,2차 코일 턴수비에 따른 사고발생 후 초전도코일에 도통되는 전류의 크기변화를 보여주는 [도 3b]에서는 턴수비가 큰 경우(Np/Ns=2)의 사고전 도통전류가 17.64[A]로, 턴수비가 작은 경우(NP/Ns=0.5)의 도통전류(4.42[A])보다 4배가량 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 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
[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 사고 후에는 인덕턴스 크기에 반비례해서 증가되었다. (b)는 코일 인덕턴스 크기가 1.2 [H]인 경우, 3상 변압기 턴수비에 따른 고온 초전도코일의 전류크기변화를 보여주며 사고 전 코일의 도통전류는 상기 전원단 개방사고 전(도 3b 참조)과 동일한 값에서 사고 후에는 변압기 턴수비에 반비례해서 증가되어 3주기 후, 턴수비가 0.5인 경우(53.49[A])가 2인 경우(29.91[A])의 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 입력 단에는 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 위상 차에 따른 유·무효전력의 관계를 보여주는 그림으로서, 보상기 양단전압(VT)에 대한 무효전류(Icm)의 위상 각을 조절함으로서 무효전력을 보상하게 된다. 주입되는 무효전류의 양을 조절하기 위해서 점호 각을 -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 위상 차가 -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 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일로 결합한 구조로, 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 기능을 확장할 수 있을 것으로 기대된다. 즉, 평상시에는 무효전력을 보상하는 기능을 수행함과 동시에, 사고 시엔 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, 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 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)는전원전압(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 고온초전도코일에 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, 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 15]는 제안한 무효전력보상기능을 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 소프트스위칭동작을 위한 보조회로(S7, S8, D7, D8, Lr, Cr)를 추가한 구성회로로서, 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 개발함으로서 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 전류제한장치를 개발할 수 있다.

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 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한기의 구성요소인 고온초전도 코일로 공유함으로서 고온초전도 코일의 이용률을 높일 수 있는, 무효전력 보상기능을 갖는 DC-리액터 타입 고온초전도 전류제한 장치.
  3. 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)동작을 수행함으로서 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 도통시킴으로서 부하단 단락사고시, 사고전류 제한기능을 수행할 수 있을 뿐 아니라, 발전단 개방사고로 인해 전력공급이 중단되었을 경우, 6개의 사이리스터 또는 GTO(Gate Turn off)사이리스터(Th1∼Th6)를 인버터로 동작시킴으로서, 몇 주기에 걸쳐 연속적인 전력공급 기능이 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 3 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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